IEC 61850プロセスバスを備えたデジタル変電所

導入

デジタル変電所は、プロセスバスを備えた変電所の一種であり、銅線または光ファイバー線を介してイーサネットネットワークを介してデータ交換を可能にします [ 1 ]。デバイスは、IEC 61850規格に概説されている通信プロトコルを介して通信を行い、次のような重要な要件が定義されています。

• 高可用性
• 異なるベンダー間の相互運用性を確保する
• 変電所に、従来の機器との通信を処理するマージングユニット（MU）と呼ばれる追加装置を導入する必要がある。

ネットワークにおけるサイバーセキュリティの必要性が高まっています [ 2 ][ 3 ]。これらのデバイスはマージングユニット（MU）です。IEC 61850規格を使用する利点は、長期的なコスト削減、配線数の削減、そして新しい電力網を構築する際の機器拡張コストの低減です [ 3 ]。さらに、計測用変圧器の二次側が誤って開放されるリスクが低減され、電流と電圧の測定値が光ファイバーなどの通信ネットワークを介して伝送されるため、オペレータの安全性が向上します。

このアプリケーションノートでは、2つのHILデバイス（ID 0とID 1）を使用したデジタル変電所の例を示します。このセットアップのEthernet配線を図1に示します。

ID 0のHILデバイスは、送電線、変圧器、配電設備、CT/VTで構成される開閉所をシミュレートします。ID 1の2つ目のHILデバイスは、制御棟内の保護システムをシミュレートします。これらのHILデバイスは、IEC 61850規格に基づいて通信します。計測値はサンプル値（SV）を介して送信されます。トリップ信号、フィードバック信号、リセット信号は、汎用オブジェクト指向変電所イベント（GOOSE）メッセージを介して送信されます。

モデルの説明

図2と図3に示すように、モデル回路図は2つのHILデバイスに分割されています。変電所の電力ステージはID 0のHILデバイスに組み込まれており、変電所の電力システム、ベイ（マージユニットと遮断器制御を含む）、およびSVセットアップコンポーネントが含まれています。

変電所の制御棟は、ID 1 の HIL デバイス内にあります。

シミュレートされた従来型コンポーネントとIEC 61850ネットワーク間のインターフェースは、マージングユニットを介して実現されます。この例では、汎用マージングユニットモデルを使用しています。マージングユニットモデルは、SV Publisher、GOOSE Publisher、およびGOOSE Subscriberコンポーネントで構成されています。マージングユニットは変電所構内に配置され、計測機器と遮断器の近くに配置されています。これらのコンポーネントは、ID 0のHILデバイス上でシミュレートされます。

各ベイには、遮断器のモデルに加えて、合流ユニットのモデルが1つずつ含まれています。変電所のモデルは4つのベイで構成されています。

• 高電圧（HV）バスバー、
• 中電圧（MV）バスバー、
• 負荷に接続された 2 つのフィーダー。

保護リレーは制御棟内で動作します。この例では、ID 1のHILデバイスは集中型保護システムです。ID 1のHILデバイスは、4つのSVストリームすべてと、MUからの遮断器フィードバック信号を含むGOOSEメッセージをサブスクライブします。また、トリップ信号を含むGOOSEメッセージをパブリッシュします。

2本のフィーダーと電力変圧器にはそれぞれ保護機能が実装されています。フィーダーには過電流、過電圧、低電圧保護が装備されており、変圧器には差動保護が装備されています。さらに、中圧バスバーにはバックアップ過電流保護が実装されています。

SVプロトコルの構成については、表1 、表2 、表3 、表4に示されています。

GOOSE の構成を表 5 、表 6 、表 7 、および表 8に示します。

シミュレーション

この例では、2つのHILデバイスを使用して、IEC 61850規格に準拠した通信をシミュレートします。図5に示すルートパネルと図6に示す制御ビルの2つの階層を持つ、構築済みのSCADAパネルが付属しています。これらのパネルには、実行時にシミュレーションを監視および操作するための最も重要なユーザーインターフェース要素（ウィジェット）が用意されており、ニーズに合わせてさらにカスタマイズできます。

ルート SCADA パネルには、変電所ヤードの電気回路図が表示され、変電所のパラメータ、回路遮断器の状態を監視するウィジェット、フィーダーおよび電力変圧器の保護ゾーンの障害を操作するウィジェットが備わっています。

一方、制御棟のSCADAパネルには、発電所のプロセスバス図が表示されます。上部には、フィーダーと変圧器の保護状態と、PTPによる時刻同期状態が表示されます。下部には、各合流ユニットの電気パラメータに加え、遮断器の状態と保護装置から受信したトリップ信号が表示されます。「Target RST」ボタンは、保護リレーの故障状態をリセットするために使用されます。

「Fault 01: 1ph」コンボボックスを選択すると、変圧器の故障をシミュレートできます（図7 ）。シミュレートされる故障は相対地間です。最初のビューポートにはHVバスバーの測定値が表示され、2番目と3番目のビューポートにはそれぞれ遮断器と故障信号の状態が表示されます。この場合、差動保護は60ミリ秒以内に作動します。HVとMVの両方の遮断器がトリップし、変圧器を遮断しています。

「Fault 03: 1ph」コンボボックスを選択すると、回線障害をシミュレートできます（図8 ）。この場合のテスト目的は、過電流回線保護とシステムの選択性を検証することです。シミュレートされる障害は、相対地間です。1番目と2番目のビューポートには、MVバスバーの測定値とフィーダーの測定値が表示され、3番目と4番目のビューポートには回路遮断器と障害信号の状態が表示されます。この場合、過電流回線保護は0.4秒弱で作動します。フィーダー02の回路遮断器のみがトリップしてフィーダーを遮断しましたが、システムの残りの部分は通常の状態で動作を継続しました。

テスト自動化

この例のテスト自動化はまだありません。ご協力いただける場合はお知らせください。アプリケーションノートへの署名を喜んで承ります。

要件の例

表9は、モデルをリアルタイムで実行するためのファイルの場所とハードウェア要件に関する詳細情報と、この最小限のハードウェア構成でモデルを実行した場合のHILデバイスのリソース使用率を示しています。この情報は、モデルの実行とカスタマイズを必要に応じて行う際に役立ちます。

参考文献

[1] ARCアドバイザリーグループ、「次世代デジタル変電所」ホワイトペーパー、2021年2月

[2] M. Adamiak、D. Baigent、R. Mackiewicz、「IEC 61850 変電所の通信ネットワークとシステム：ユーザ向け概要」、The Protection & Control Journal、61-68頁、2009年。

[3] R. Mackiewicz、「IEC 61850の概要と利点」、2006 IEEE PES電力システム会議および展示会、米国ジョージア州アトランタ、pp.623-630、2006年。

著者

[1] ホナタン・アントニオ・カソル

[2] シミサ・シミッチ