流通管理システム

配電管理システム( DMS ) は、電力配電網を効率的かつ確実に監視および制御するために設計されたアプリケーションの集合です。これは、制御室および現場の作業員が配電網を監視および制御するのを支援する意思決定支援システムとして機能します。停電を減らし、停電時間を最小限に抑え、許容可能な周波数と電圧レベルを維持するという点で、信頼性とサービス品質を向上させることが DMS の主な成果です。配電網の複雑さを考えると、このようなシステムでは複数のコンポーネント間での通信と調整が必要になる場合があります。たとえば、アクティブ負荷の制御には、米国特許 11747849B2に記載されているように、さまざまなコンポーネントを介した複雑な通信チェーンが必要になる場合があります。 

近年、電気エネルギーの利用が飛躍的に増加し、顧客の電力に対する要求と品質の定義は大きく変化しました。電気エネルギーが日常生活に欠かせないものとなったため、その最適な使用と信頼性が重要になりました。リアルタイムのネットワークビューと動的な決定は、リソースの最適化と需要の管理に役立つようになり、大規模な電気ネットワークでの配電管理システムの必要性につながっています。

ほとんどの配電事業者は、顧客情報システム(CIS)、地理情報システム(GIS)、対話型音声応答システム(IVRS)などの他のシステムを利用する停電管理システム(OMS) を通じて、 ITソリューションを包括的に使用しています。停電管理システムには、配電システムのネットワーク コンポーネント/接続モデルがあります。顧客からの停電コールの場所と、ネットワーク上の保護デバイス (回路ブレーカーなど) の場所に関する知識を組み合わせることで、ルール エンジンを使用して停電の場所を予測します。これに基づいて、復旧活動が計画され、作業員が派遣されます。

これと並行して、配電会社は監視制御およびデータ収集(SCADA) システムの導入を開始しましたが、当初は高電圧変電所のみで実施していました。時間が経つにつれて、 SCADAの使用は徐々に低電圧レベルのサイトにも拡大しました。

DMS はリアルタイム データにアクセスし、すべての情報を制御センターの単一のコンソールに統合的に提供します。その発展は地域によって異なります。たとえば米国では、DMS は停電管理システムを次のレベルに引き上げ、完全なシーケンスを自動化し、配電スペクトル全体のエンドツーエンドの統合ビューを提供することで成長しました。対照的に英国では、はるかに高密度でメッシュ化されたネットワーク トポロジと、より厳格な健康および安全規制が組み合わさって、高電圧スイッチング操作の早期集中化につながりました。当初は紙の記録と、現在の実行状態を示す磁気シンボルで「装飾」された大きなウォールボードに印刷された回路図が使用されていました。そこでは、DMS は当初 SCADA システムから発展し、これらの集中制御および安全管理手順を電子的に管理できるように拡張されました。これらの DMS では、ネットワーク上のすべての可能な絶縁および接地ポイントを含める必要があったため、初期の OMS で必要だったものよりもさらに詳細なコンポーネント/接続モデルと回路図が必要でした。したがって、英国などの地域では、ネットワーク コンポーネント/接続モデルは通常、最初に DMS で開発されましたが、米国では、これらは通常 GIS で構築されました。

DMS の一般的なデータ フローには、 SCADAシステム、情報ストレージおよび検索(ISR) システム、通信 (COM) サーバー、フロントエンド プロセッサ(FEP)、およびフィールド リモート ターミナル ユニット (FRTU) が含まれます。

• 停止期間を短縮する
• 停電予測の速度と精度を向上します。
• 停電箇所の特定を改善することで、作業員の巡回と運転時間を短縮します。
• 業務効率の向上
• 復旧目標を達成するために必要な作業員のリソースを決定します。
• 運用地域間のリソースを有効活用します。
• 相互援助チームのスケジュールを組む最適な時期を決定します。
• 顧客満足度の向上
• DMS には IVR やその他のモバイル テクノロジーが組み込まれており、これにより顧客からの通話の中断時の通信が改善されます。
• より正確な推定復旧時間を顧客に提供します。
• 停電の影響を受けるすべての顧客を追跡し、各フィーダ上のすべてのデバイスの電気構成を決定し、各復旧プロセスの詳細をまとめることで、サービスの信頼性を向上させます。

適切な意思決定と O&M 活動をサポートするために、DMS ソリューションは次の機能をサポートする必要があります。

• ネットワーク可視化とサポートツール
• 分析および是正措置のためのアプリケーション
• ユーティリティ計画ツール
• システム保護スキーム

DMS によって実行されるさまざまなサブ機能は、以下のとおりです。

配電ネットワークは通常、広いエリアをカバーし、さまざまな電圧レベルでさまざまな顧客に電力を供給しています。そのため、大規模な GIS/オペレータ インターフェイスで必要な電源と負荷を見つけることは、多くの場合非常に困難です。通常の SCADA システム GUI で提供されるパンとズームでは、正確な操作要件はカバーされません。ネットワーク接続分析は、オペレータが優先ネットワークまたはコンポーネントを非常に簡単に識別または見つけるのに役立つオペレータ固有の機能です。NCA は必要な分析を行い、さまざまなネットワーク負荷の供給ポイントを表示します。モデル化されたネットワークのトポロジーに影響を与える回路ブレーカー(CB)、リング メイン ユニット(RMU)、アイソレータなどのすべてのスイッチング デバイスの状態に基づいて、一般的なネットワーク トポロジーが決定されます。NCA はさらに、ネットワーク内のラジアル モード、ループ、並列を示して、オペレータが配電ネットワークの動作状態を把握できるように支援します。

英国などの地域では、DMS のコア機能は常に、ネットワーク上での安全な切り替えと作業をサポートすることです。制御エンジニアは、作業を実行する前にネットワークの一部を分離して安全にするための切り替えスケジュールを作成し、DMS はネットワーク モデルを使用してこれらのスケジュールを検証します。切り替えスケジュールは、遠隔制御と手動 (現場) 切り替え操作を組み合わせることができます。必要なセクションが安全になると、DMS は作業許可 (PTW) 文書の発行を許可します。作業が完了してキャンセルされた後、切り替えスケジュールは通常の稼働配置の復元に役立ちます。切り替えコンポーネントには、有効な操作制限を反映するようにタグを付けることもできます。

ネットワーク コンポーネント/接続モデルと関連するダイアグラムは、常に最新の状態に維持する必要があります。そのため、スイッチング スケジュール機能を使用すると、ジョブの適切な段階で、ネットワーク モデルの「パッチ」をライブ バージョンに適用することもできます。「パッチ」という用語は、ウォールボード ダイアグラムを維持するために以前使用されていた方法に由来しています。

状態推定器は、送電網の全体的な監視および制御システムの不可欠な部分です。その主な目的は、システム電圧の信頼性の高い推定値を提供することです。状態推定器からのこの情報は、ネットワーク全体の制御センターとデータベースサーバーに流れます。^[1]対象変数は、動作限界までの余裕、機器の健全性、必要なオペレータアクションなどのパラメータを示します。状態推定器を使用すると、測定値がノイズによって破損したり、欠落したり不正確になったりする可能性があるという事実にもかかわらず、これらの対象変数を高い信頼性で計算できます。

状態を直接観察することはできないかもしれませんが、同期していると想定される測定のスキャンから状態を推測することはできます。アルゴリズムでは、ノイズの存在によって測定結果が歪む可能性があることを考慮する必要があります。一般的な電力システムでは、状態は準静的です。時定数は十分に速いため、システム ダイナミクスはすぐに減衰します (測定周波数に関して)。システムは、負荷プロファイルの変化などのさまざまなパラメーターによって駆動される一連の静的状態を経て進行しているように見えます。状態推定器の入力は、負荷フロー解析、偶発事象解析などのさまざまなアプリケーションに提供できます。

負荷フロー調査は、電力システムに適用される数値解析を伴う重要なツールです。負荷フロー調査では通常、単線図のような簡略化された表記法が使用され、電圧や電流ではなく、さまざまな形式のAC 電力に焦点が当てられます。通常の定常動作における電力システムを解析します。電力フロー調査の目的は、指定された負荷と発電機の有効電力および電圧条件で、電力システム内の各バスの完全な電圧角度と大きさの情報を取得することです。この情報がわかれば、各ブランチの有効電力と無効電力のフロー、および発電機の無効電力出力を解析的に決定できます。

この問題の非線形性のため、許容範囲内のソリューションを得るために数値的手法が採用されています。負荷モデルは、テレメータまたは予測されたフィーダ電流に一致するように負荷を自動的に計算する必要があります。顧客タイプ、負荷プロファイル、その他の情報を利用して、負荷を各配電変圧器に適切に分配します。負荷フローまたは電力フローの調査は、電力システムの将来の拡張を計画するだけでなく、既存のシステムの最適な運用を決定するためにも重要です。

ボルト-VAR 制御 (VVC) とは、配電システム全体の電圧レベルと無効電力 (VAR) を管理するプロセスを指します。これら 2 つの量は関連しています。無効電力が誘導線 (すべての線にはある程度のインダクタンスがあります) を流れると、その線で電圧降下が発生するためです。VVC には、電圧をより直接的に制御する機器に加えて、意図的に無効電力をグリッドに注入して電圧降下の大きさを変更するデバイスが含まれます。

従来のグリッドでは、電圧管理を実行するための 3 つの主要なツールがあります。負荷タップ切換装置 (LTC)、電圧レギュレータ、コンデンサ バンクです。LTC と電圧レギュレータは、ネットワーク内の戦略的なポイントに配置され、必要に応じて電圧を上げたり下げたりするために調整される可変巻数比の変圧器を指します。コンデンサ バンクは無効電力を「生成」することで電圧を管理し、これまでは真の Volt/VAR 制御を実行するための主要なツールでした。これらの大型コンデンサは、スイッチを介してシャント構成でグリッドに接続され、スイッチが閉じられると、コンデンサが VAR を生成し、接続ポイントで電圧をブーストできます。将来的には、スマート インバータやその他の分散型発電リソースによって VVC がさらに実行される可能性があり、これにより配電ネットワークに無効電力を注入することもできます。VVC アプリケーションは、すべての VVC 機器に必要なアクション プランを提案することで、オペレータが危険な低電圧または高電圧状態を緩和するのに役立ちます。この計画では、必要なタップ位置とコンデンサのスイッチング状態を指定して、電圧が公称値に近い状態を維持し、電力会社の Volt-VAR 制御機能を最適化します。

安定した電圧プロファイルを維持すること以外にも、VVC は電力線の電流容量 (電流容量) に潜在的なメリットをもたらします。コンデンサやインダクタ(電気モーターなど) などの無効成分を含む負荷は、グリッドに負担をかける可能性があります。これは、これらの負荷の無効成分によって、同等の純粋な抵抗負荷よりも多くの電流が流れるためです。余分な電流によって変圧器や導体などの機器が加熱される可能性があり、その場合は総電流を流すためにサイズを変更する必要があるかもしれません。理想的な電力システムでは、システムのすべてのレベルで無効電力の生成、吸収、フローを慎重に計画して、電流の流れを制御する必要があります。

配電システムには、長い送電線、複数の投入ポイント、変動する消費者需要があります。これらの特徴は、本質的に不安定性や予期しないシステム状況に対して脆弱であり、重大な障害につながる可能性があります。不安定性は通常、故障、ピーク不足、または保護障害による電力システムの振動から生じます。配電負荷制限および復旧スキームは、あらゆるユーティリティの緊急操作および制御において重要な役割を果たします。

自動化された負荷制限アプリケーションは、配電網内の所定のトリガー条件を検出し、重要でないフィーダーの開閉、下流の配電網または注入源の再構成、変圧器でのタップ制御の実行など、定義済みの一連の制御アクションを実行します。配電網が複雑で、より広いエリアをカバーしている場合、下流で緊急措置を講じることで、ネットワークの上流部分の負荷を軽減できます。自動化されていないシステムでは、問題を軽減するために、認識とオペレーターの手動介入が重要な役割を果たします。問題に迅速に対処しないと、問題が急激に拡大し、重大な壊滅的な障害を引き起こす可能性があります。

DMS は、あらゆるユーティリティの緊急操作と制御要件を自動化する、モジュール式の自動負荷遮断および復旧アプリケーションを提供する必要があります。アプリケーションは、通常オペレータによって実行される周波数不足負荷遮断 (UFLS)、制限違反、および時刻ベースの負荷遮断スキームなどのさまざまなアクティビティをカバーする必要があります。

電力供給の信頼性と品質は、あらゆる公益事業で確保する必要がある重要なパラメータです。顧客への停電時間の短縮は、すべての公益事業の信頼性指標を改善するため、FMSR または自動スイッチング アプリケーションが重要な役割を果たします。FMSR に必要な 2 つの主な機能は、スイッチング管理とスイッチング プランの提案です。

DMS アプリケーションは、SCADA システムから障害情報を受信し、障害の識別とスイッチング管理アプリケーションの実行のために処理します。結果はアプリケーションによってアクション プランに変換されます。アクション プランには、自動負荷遮断スイッチ / RMU / セクショナライザーのオン/オフの切り替えが含まれます。アクション プランは、機能によって提供されるスタディ モードで検証できます。スイッチング管理は、構成に基づいて手動または自動にすることができます。

フィーダー再構成による負荷分散は、負荷が集中しているエリアに複数のフィーダーを供給している公共事業体にとって不可欠なアプリケーションです。ネットワーク上の負荷を分散するために、オペレータは負荷をネットワークの他の部分に再ルーティングします。フィーダー負荷管理 (FLM) は、配電システムでのエネルギー供給を管理し、問題のある領域を特定するのに必要です。フィーダー負荷管理は、配電システムのバイタル サインを監視し、問題のある領域を特定するため、配電オペレータは事前​​に警告を受け、最も必要な場所に効率的に注意を集中できます。これにより、既存の問題をより迅速に修正し、問題を回避する可能性が高まり、信頼性とエネルギー供給パフォーマンスの両方が向上します。

同様に、フィーダー再構成も損失の最小化に使用されます。ネットワークと運用上の制約により、ユーティリティ ネットワークは、損失が発生した場合の影響を知らずに最大能力で運用される場合があります。これらの操作による全体的なエネルギー損失と収益損失は、効果的な運用のために最小限に抑える必要があります。DMS アプリケーションは、このためにスイッチング管理アプリケーションを利用し、損失最小化の問題は最適な電力フロー アルゴリズムによって解決され、上記の機能と同様にスイッチング プランが作成されます。

配電負荷予測 (DLF) は、負荷予測を作成、管理、分析するための構造化されたインターフェイスを提供します。電力負荷予測の正確なモデルは、公益事業会社の運営と計画に不可欠です。DLF は、電力会社が電力の購入、負荷の切り替え、インフラストラクチャの開発などの重要な決定を下すのに役立ちます。

負荷予測は、計画期間の違いによって、短期負荷予測 (STLF) (最長 1 日)、中期負荷予測 (MTLF) (1 日～ 1 年)、長期負荷予測 (LTLF) (1～10 年) に分類されます。年間を通じて負荷を正確に予測するには、天候、日射量、人口、一人当たり国内総生産、季節、休日など、さまざまな外部要因を考慮する必要があります。たとえば、冬季には、夏季モデルで使用される変数に加えて、平均風速冷却係数を説明変数として追加できます。春や秋などの季節の変わり目には、変換手法を使用できます。休日については、休日の影響負荷を通常負荷から差し引くことで、実際の休日負荷をより正確に推定できます。

負荷予測のためのさまざまな予測モデルが、重回帰、指数平滑法、反復再加重最小二乗法、適応負荷予測、確率時系列、ファジー論理、ニューラル ネットワーク、知識ベースのエキスパート システムなどのさまざまな手法に基づいて開発されてきました。これらの中で最も人気のある STLF は、自己回帰 (AR) モデル、自己回帰移動平均モデル(ARMA)、自己回帰和分移動平均(ARIMA) モデルなどの確率時系列モデルや、ファジー論理とニューラル ネットワークを使用するその他のモデルでした。

DLF は、現在の要件に対応し、将来の要件にも適応するように構成されたデータ集約および予測機能を提供し、再現可能で正確な予測を生成する機能を備えている必要があります。

統合エネルギー供給ユーティリティ運用モデルには、GIS、課金および計測ソリューション、ERP、資産管理システムなど、並行して動作し、日常的な運用をサポートするさまざまな機能モジュールがあります。多くの場合、これらの各機能モジュールは、ネットワーク、ワークフロー、リソース（スタッフ、資産など）の現在の運用状況を評価するため、定期的またはリアルタイムで相互にデータを交換する必要があります。他の電力システムセグメントとは異なり、配電システムは毎日変更または拡張されます。これは、新しい消費者の追加、新しい送電線、または機器の交換が原因である可能性があります。さまざまな機能モジュールが非標準環境で動作し、カスタム API とデータベース インターフェイスを使用している場合、管理のためのエンジニアリング作業が大きくなりすぎます。すぐに、増大する変更と追加の管理が困難になり、システム統合が機能しなくなります。そのため、ユーティリティは機能モジュールの完全な利点を活用できず、場合によっては、システムを非常に高いコストで適切な環境に移行する必要さえあります。

これらの問題が明らかになると、アプリケーション間のデータ交換のためのさまざまな標準化プロセスが開始されました。標準ベースの統合により、他の機能モジュールとの統合が容易になり、運用パフォーマンスも向上することが理解されました。これにより、ユーティリティが将来の拡張に対してベンダー中立の環境になることが保証されます。つまり、ユーティリティは既存の機能の上に新しい機能モジュールを簡単に追加でき、新しいインターフェイス アダプターがなくても、データを効果的に簡単にプッシュまたはプルできます。

IEC 61968 は、 IECの技術委員会 57 のワーキング グループ 14 によって開発されている標準であり、配電システム アプリケーション間の情報交換の標準を定義します。この標準は、新規または旧式のさまざまなアプリケーションからデータを収集する必要がある公益事業企業のアプリケーション間統合をサポートすることを目的としています。

IEC 61968 に従い、DMS は、電力供給のための機器の監視と制御、システムの信頼性を確保するための管理プロセス、電圧管理、需要側管理、停電管理、作業管理、自動マッピング、施設管理などのさまざまな機能をカプセル化します。IEC 61968 標準の核心は、各クラスのアプリケーションにさまざまな標準インターフェイスを定義するインターフェイス参照モデル (IRM) です。抽象 (論理) コンポーネントは、具体的な (物理) アプリケーションを表すためにリストされます。たとえば、ネットワーク操作 (NO) などのビジネス機能は、ネットワーク操作監視 (NMON) などのさまざまなビジネス サブ機能で表すことができます。これは、変電所の状態監視、ネットワークの状態監視、アラーム監視などの抽象コンポーネントで表されます。

IEC 61968 では、準拠したユーティリティ アプリケーション間インフラストラクチャのシステム インターフェイスを、統一モデリング言語(UML) を使用して定義することを推奨しています。UML には、オブジェクト指向のソフトウェア集約型システムのビジュアル モデルを作成するために使用できる一連のグラフィック表記法が含まれています。IEC 61968 シリーズの標準は、現在 UML モデルとして維持されている共通情報モデル(CIM) を拡張して、配電のニーズに対応しています。特にインターネット上での構造化ドキュメント交換の場合、使用されるデータ形式は拡張マークアップ言語(XML) です。その主な用途の 1 つは、異なる潜在的に互換性のないコンピュータ システム間での情報交換です。したがって、XML は配電管理のシステム インターフェイスの領域に適しています。メッセージ ペイロードをフォーマットして、SOAP ( Simple Object Access Protocol ) などのさまざまなメッセージング トランスポートにロードできるようにします。

• IEEE 電力・エネルギー協会
• IEC - すべての電気、電子、関連技術に関する国際規格および適合性評価
• インド政府の数百万ドル規模の電力開発・改革プログラム