高度な保守・運用を実現するデジタル変電所技術
FEJ92-03-048-2019.pdf の勉強メモです。お主にIEDとMUの内容を説明しました。
まず、この図はイーサネットベースの電力システム自動化構造を示しています。構造は上から下へと4つの層に分かれており、最上位の監視層から実際の装置に接触する現場層までを表しています。
操作層（ステーションレベル *1）：
これは最上層で、通常は制御センターに位置しています。操作員ワークステーションや設計員ワークステーションを含み、電力システム全体の監視と制御、及びシステムの保守と設定を行います。
この層には、印刷装置やゲートウェイも含まれており、後者は社内ネットワークやインターネットなど他のネットワークに接続するために使用されます。
ステーションバス：
ステーションバスは操作層と下層の各層を接続するネットワークバスで、イーサネットスイッチを通じて異なる装置間でデータを転送します。
ベイレベル（ベイレベル *2）：
ベイレベルは操作層と現場層の中間に位置する層です。ここには、変圧器や断路器など電力システムの特定部分を監視・制御するための多数のIED（終端ユニット）があります。
ベイレベルは独自のイーサネットスイッチを通じてステーションバスに接続されています。
プロセスレベル（プロセスレベル *3）：
これは最下層で、直接現場の装置に接続されています。断路器制御器（CBC）、分離スイッチ制御器（DCC）、および合流ユニット（MU）が含まれています。これらは断路器と分離スイッチの操作を制御し、現場で収集したデータを上層のIEDに送信します。
図中の矢印はデータの流れを示しています。現場層の装置から収集されたデータはベイレベルのIEDにアップロードされ、その後ステーションバスを通じて操作層に転送され、操作員はワークステーションで監視と制御を行います。
図例の説明：
星印：
*1：制御センターまたは主站を意味します。
*2：一つのループ、またはベイを意味し、一組の装置を制御するユニットです。
*3：電力システム装置の現場層を意味します。
*4：イーサネットはLAN技術であり、通常はインターネットに直接接続されることはなく、適切なセキュリティ対策とゲートウェイを通じて接続される必要があることを示唆しています。
略称：
IED：Intelligent Electronic Device、インテリジェント電子デバイス
CBC：Circuit-Breaker Controller、断路器コントローラー
DCC：Disconnector Controller、分離スイッチコントローラー
MU：Merging Unit、合流ユニット
現行の変電所システムでは，制御信号などのアナログ信号ケーブルが数百本も布設されている。これらのアナログ信号ケーブルを光ファイバケーブルなどに置き換えたプロセスバスにより，変電所内の全情報がデジタルデータ化できる。プロセスバス通信は，IEC 61850 で規定された通 信サービスインタフェースによって，各メーカーの機器も容易に接続できる。 アナログ信号ケーブルは，屋外にあるプロセスレベルの現場機器と，屋内にあるベイレベルの機器間の長距離を接続している。プロセスバス化は，このアナログ信号ケーブルの省線化と，省線化による現場機器の小型化・施工の省力化を実現する。また，プロセスバス化は，施工期間の短縮，施工時およびメンテナンス時の安全性の向上に効果がある。
また，変電所内情報のデジタルデータ化による情報共有により，監視・自動制御などの機能が高度化し，変電所システムの安定稼動，故障の未然防止が期待できる。さらに，複数の変電所内で計測された各種電気量や機器情報を長期間蓄積し，再利用することにより，変電所機器のアセットマネジメントの高度化が期待される。
デジタル 変電所 を 構 成 す る 主 な 機 器 に は，IED（Intelligent Electronic Device）と MU（Merging Unit）がある。IED は，変電所内外で発生する各種故障を検出し，遮断器へトリップ指令を出力する保護演算装置である。MU は，変電所内で計測した電圧・電流と遮断器開閉情報を入力し，デジタルデータに変換して IED に出力する入出力変換装置である。IED と MU 間の通信には国際標準規格である IEC 61850 の採用が主流である。
電圧と電流の瞬時値データの通信には SV（Sampled Values）を，遮断器の開閉情報などの通信には状変通知用通信である GOOSE（Generic Object-Oriented SubstationEvents）を使用した。
この図は電力システムシミュレータのシステム構成の模式図です。電力システムシミュレータ内でデジタル変電所モデルを構築し、制御および状態監視を行う方法を示しています。具体的には、シミュレータは複数の装置モデルを接続して電力伝送設備をシミュレートし、等価縮小されたシステムを構成します。これらの装置モデルには、変圧器や送電線などの伝統的な電力伝送設備を模擬するために抵抗（R）、インダクタンス（L）、キャパシタンス（C）の要素を使用する伝統的なモデルと、同期発電機、太陽光発電システム、需要負荷などの特性をデジタル的に計算し、シミュレーション信号として出力するハイブリッドモデルが含まれています。
デジタル変電所を構築するために、情報通信装置は以下の3つの要素で構成されています：
MU：システムの電圧と電流の瞬時値をサンプリングするためのものです。
制御用IED：ブレーカーを制御するためのものです。
保護制御用IED：保護制御計算を実行するためのものです。
通信ネットワークはイーサネットを基に構築されています。オペレーションサポートシステムはオペレーションサポートシステムネットワークを介してデジタル変電所内のブレーカーモデルなどの装置に接続されます。各装置モデルの制御命令は対応する上位サーバのフロントエンドプロセッサ（FEP）によってIEC 61850プロトコルに準拠して変換され、装置モデル内のIEDに送信されます。同時に、装置モデル内のIEDから送信されるリアルタイムのモニタリングデータはFEPによって集約され、オペレーションサポートネットワークのクライアントにリアルタイムで表示されます。
IEDおよびMUは合計228台がデジタル変電所モデルのネットワークに接続されており、そのうち191台の計量制御用IED（A）はサイトバスに接続され、3台の保護制御計算用IED（B）はサイトバスとプロセスバスの両方に接続され、さらに34台のMUはプロセスバスに接続されています。各IEDおよびMUは、IEC 61850およびIEC 61588規格に準拠したイーサネットスイッチによって相互接続されます。
電力システムシミュレータでは、デジタル変電所のシミュレーション結果を正確に分析および評価するために、サンプリングの同期が必要です。すなわち、システム全体に散在しているIED（A）およびIED（B）が測定したデータを遅延なく統合することが必要です。保護制御計算用IED（B）は、複数のMUがサンプリングした電圧と電流の瞬時値を使用して保護制御計算を実行します。すべてのIEDおよびMUは、持続的な計測および制御のために統一された基準時刻と同期する必要があり、システムの基準時刻はグランドマスタークロック（GMC）によって提供されます。
オペレーションサポートシステムネットワークはネットワークタイムプロトコル（NTP）を使用して時刻同期を行い、モデルはより高い時刻同期精度を実現するために、IEC 61588規格のプレシジョンタイムプロトコル（PTP）を使用しています。これにより、ネットワーク内のIEDおよびMUはGMCの基準時刻と比較して±1マイクロ秒以内の同期精度を実現することができます。システム全体で20マイクロ秒以下の時間同期性能を実現し、電力システムには十分です。
保護リレーシステムシミュレーションにはプログラマブルなIED（B）およびMUが使用されています。MUは5760Hzの周波数で電圧と電流を電力変圧器（VT）および電流トランス（CT）からサンプリングし、ブレーカーモデルのスイッチ状態をリアルタイムで取得し、IEC 61850の通信サービスSVおよびGOOSEを使用してプロセスバスに送信します。IED（B）は、プロセスバスで受信したSVおよびGOOSEデータを使用して保護制御計算を実行し、生成されたブレーカーの開閉指令をサイトバスに送信します。
IED（B）にはユーザーがカスタム制御ロジックを実装できるプログラム機能が備わっています。ユーザーは電力システムにインストールされたソフトウェア開発環境を使用して、自分自身の制御ロジックを実装することができます。
この図は、電力システムシミュレータ内の任意の制御リレーモデル（Ryモデル）の配置を示しています。これはデジタル変電所シミュレーションの一部であり、保護リレーシステムをシミュレートするために使用されます。モデルは以下の主要な部分で構成されています：
インテリジェント電子機器（IED）：
IED（A）：計測制御用のインテリジェント電子機器で、5台の数量があり、電圧トランス（VT）および電流トランス（CT）から電圧および電流のデータを受信し、必要な処理を行います。
IED（B）：保護制御計算用のインテリジェント電子機器で、合計3つの番号付きデバイスがあります。これらのデバイスには、処理ユニット（CPU）、デジタル信号プロセッサ（DSP）、およびサンプリング値（SV）受信モジュールが含まれています。これらは保護制御ロジックと計算を実行し、カスタム制御ロジックのプログラミングも含まれる場合があります。
マージユニット（MU）：
34台のMUがあり、5760 Hzの周波数で電圧と電流をサンプリングし、データの高精度と高速性を確保します。これらのMUは、IEDが使用するためにサンプル値をアナログ信号として出力します。
通信ネットワーク：
データの高速転送とネットワークの信頼性を確保するために、1Gbpsおよび100Mbpsのローカルエリアネットワークスイッチ（L2SW）が使用されます。L2SWはIEC 61850およびIEC 61588の規格に準拠し、リアルタイムイーサネット通信をサポートしています。
通信プロトコル：
GOOSE（Generic Object-Oriented Substation Events）：遮断器の制御コマンドやイベント駆動情報の転送に使用されます。
SV（Sampled Values）：電圧や電流などのサンプリングデータを転送するために使用されます。
デジタル変電所のシミュレーション：
上記のIEDとMUを使用し、高速通信を組み合わせて、デジタル変電所の動作をシミュレートします。これには、リアルタイムデータの監視や遮断器の制御などが含まれます。
ソフトウェアツール：
MathWorks社のSimulinkソフトウェアを使用して、IEDの制御ロジックをカスタマイズおよび実装します。
この図は、デジタル信号処理、高速データ収集、リアルタイムイーサネット通信を1つのシステムに統合し、デジタル変電所の保護および制御機能をシミュレートおよび制御する方法を示しています。このような構成により、保護リレーのパフォーマンスをテストおよび検証し、新しい制御戦略をシミュレートおよび評価することが可能です。
このスクリーンショットは、電力システムや変電所の自動化に使用される保護および制御IED（Intelligent Electronic Device）の機能コードのリストのように見えます。表には、さまざまなタイプの保護および監視機能とそれに対応する機能コードが列挙されています。
これらのコードは通常、IEC 61850規格に従っており、これは通信ネットワークとシステムの相互運用性を定義する国際規格です。以下に、表の内容の基本的な説明を示します：
保護オブジェクト：電力システムのどの部分が保護または制御されているかを示します。例えば、PCM通信保護、リレー保護などです。
保護モード：保護装置のタイプまたは採用される保護戦略を定義します。差動保護や距離保護などがあります。
保護リレー要素ブロック：この列では、上記の保護モードを実現するために使用される保護要素または機能コードが具体的に列挙されています。これらのコードは、装置が障害を検知した場合に実行する具体的な保護動作や論理を指定します。例えば：
87P：差動保護
27S/G：欠電圧保護/接地故障
51G：時間過電流接地故障保護
計測ポイントおよびトランスのセクションでは、これらの保護機能が特定のハードウェアまたは回路部分に必要な場合、またはトランスの操作に合わせてどのように構成されるかを示す場合があります。
通常、デジタル変電所システムでは、さまざまな機器（IED、MUなど）は厳密な時間同期が必要です。これにより、データの一貫性と正確性が確保されます。時間同期は、一般に高精度のタイム情報を提供するシステム（GMCなど）によって維持されます。保護機能を実行する機器、特に差動リレーにとっては、時間同期が非常に重要です。なぜなら、彼らは異なる位置の電流値を比較して故障を検出する必要があるからです。時間同期が失敗した場合、例えばGMCが停止した場合、差動リレーは誤作動する可能性があり、これにより不必要な停電が発生し、電力供給の信頼性に影響を与える可能性があります。
さらに、通信機器の接続と設定（L2SWなど）には専門知識が必要であり、誤った操作が行われると誤った設定やメンテナンスの難しさが増える可能性があります。これらの問題には、時間同期の複雑さ、操作の複雑さと高コスト、高精度タイム同期機器への依存性が含まれます。
なぜ時間同期が不要なのか：
超サンプリングと呼ばれる新しい手法が提案されており、これはサンプリング周波数を大幅に高めることで時間同期への依存性を低下させます。サンプリング周波数が高いほど、時間同期の不一致から生じるデータの偏差が小さくなります。つまり、正確な時間同期がなくても、サンプリング周波数を増やすことでデータの一貫性を保証することができます。
具体的な問題：
超サンプリングは時間同期による問題を減らすことができますが、まだいくつかの課題が存在します。たとえ高いサンプリングレートでも、各デバイス内のアナログフィルタ（AF）には異なる遅延特性がある可能性があり、これらの遅延の差異はデータの正確性に影響を与えるかもしれません。この問題を解決するには、デバイスを細かく調整し、複数のMUから受信したデータが処理された後でも、同じタイミングの情報として使用できるようにする必要があります。これには、信号処理パスの遅延を補正し、すべてのデータがIEDに到達する前に同じ時間基準を持つようにすることが含まれる場合があります。
まとめると、サンプリングレートを向上させる方法は時間同期への依存性を減らすことができますが、デバイス内の遅延差異など、他の潜在的な同期の問題を考慮し、解決する必要があります。これにより、保護システム全体の正確性と信頼性が確保されます。
保護性能の要求：
電力システム、特に変電所内では、保護リレーシステムは迅速に故障を検知してクリアし、電力ネットワークの安定稼働を維持する必要があります。
この要求を満たすために、保護システムは故障を3電力周期以内に切り離す必要があります。60Hzの電力システムの場合、これは50ミリ秒以内に相当します。
この要求を満たすために、デジタル変電所の保護システムは以下のステップを最適化する必要があります：
入力処理：計測ユニット（MU）からのデータを迅速に受信します。
上行送信処理：データを迅速に分析用のスマートデバイス（IED）に送信します。
保護リレーコンピューテーション処理：IEDは必要な計算を実行し、故障の有無を確定します。
下行送信処理：故障が検出された場合、IEDは指示を送信して遮断器を作動させます。
出力処理：実際の遮断操作を実行し、故障回路を切断します。
これらのステップにおける遅延や処理時間の違いを減少させるために、以下の最適化対策が行われています：
保護リレーの計算ロジックとデジタルフィルター（DF）を最適化して処理時間を減少させます。
アナログフィルター（AF）を簡素化して（高速化および特性の均一化）データ変換時の遅延を減少させます。
光分岐器（SP）を従来のL2通信スイッチの代わりに使用して、応答速度と信号伝送の信頼性を向上させ、伝送遅延とジッタを減少させます。
現在、これらの改良対策を保護リレーシステムに実装し、性能検証を行っています。同時に、超サンプリング技術を使用したデジタル変電所の開発も進行中で、この目標を達成する予定です。
まとめ： 要するに、変電所の保護システムは故障回路を迅速かつ正確に判断し切り離す必要があり、電力システムにより深刻な問題が発生するのを防ぐ役割を果たします。データ処理と伝送の速度を向上させ、遅延を減らすことで、時計同期が正確でない状況でも保護システムのリアルタイム性と正確性を確保することができます。これは電力システムの信頼性と安全性を確保する上で非常に重要です。