電力システムの自動化

電力システムの自動化とは、計装および制御装置を介して電力システムを自動的に制御する行為です。変電所の自動化とは、インテリジェント電子機器(IED) からのデータ、変電所内の制御および自動化機能、およびリモートユーザーからの制御コマンドを使用して電力システムデバイスを制御することを指します。

完全な変電所自動化は変電所の統合に依存するため、これらの用語はしばしば互換的に使用されます。電力システムの自動化には、電力の生成と供給に関連するプロセスが含まれます。変電所と電柱の電力供給システムを監視および制御することで、停電の発生が減り、発生した停電の期間が短縮されます。IED 、通信プロトコル、および通信方法は、システムとして連携して電力システムの自動化を実行します。「電力システム」という用語は、電力を生成、送信、および分配する物理システムを構成するデバイスの集合を表します。「計装および制御 (I&C) システム」という用語は、電力システムを監視、制御、および保護するデバイスの集合を指します。多くの電力システムの自動化は、SCADA によって監視されます。

自動化タスク

電力システムの自動化はいくつかのタスクで構成されています。

データ収集: データ取得とは、データを取得または収集することです。このデータは、測定されたアナログ電流値または電圧値、あるいは接点の開閉状態の形で収集されます。取得されたデータは、収集したデバイス内でローカルに使用したり、変電所内の別のデバイスに送信したり、変電所から 1 つまたは複数のデータベースに送信して、オペレータ、エンジニア、プランナー、管理者が使用したりできます。
監督: コンピュータプロセスと担当者は、取得したデータを使用して、電力システムの状態とステータスを監視または監視します。オペレーターとエンジニアは、コンピュータディスプレイやグラフィカルウォールディスプレイでリモートから、またはデバイスのフロントパネルディスプレイやラップトップコンピュータでローカルに情報を監視します。
コントロール: 制御とは、I&C および電力システムデバイスを操作するためにデバイスにコマンドメッセージを送信することを指します。従来の監視制御およびデータ収集 (SCADA) システムでは、オペレーターがシステムを監視し、マスターコンピューターのオペレーターコンソールからコマンドを開始します。現場担当者は、フロントパネルのプッシュボタンまたはラップトップコンピューターを使用してデバイスを制御することもできます。

さらに、もう 1 つのタスクは電力システム統合です。これは、I&C システム内の IED とリモートユーザーとの間でデータを通信する行為です。変電所統合とは、IED のローカルから変電所までのデータを結合して、すべての I&C データについて変電所内に単一の連絡先が存在するようにすることです。

電力システムの自動化プロセスは、データ収集、電力システムの監視、および電力システムの制御に依存しており、これらはすべて自動的に連携して動作します。コマンドは自動的に生成され、オペレータが開始したコマンドと同じ方法で送信されます。

電力システム自動化のハードウェア構造

データ収集システム

保護リレー付きの計器用変圧器は、電力システムの電圧と電流を感知するために使用されます。これらは電力システム装置に物理的に接続され、実際の電力システム信号を変換します。トランスデューサーは、計器用変圧器のアナログ出力を、ある大きさから別の大きさへ、またはある値タイプから別の値タイプへ (たとえば、交流電流から直流電圧へ) 変換します。また、入力データは、スイッチギアと電力システム制御機器の補助接点から取得されます。

主な処理計装および制御（I&C）装置

マイクロプロセッサを使用して構築された I&C デバイスは、一般にインテリジェント電子デバイス (IED) と呼ばれます。マイクロプロセッサはシングルチップコンピュータであり、マイクロプロセッサが組み込まれたデバイスは、コンピュータのようにデータの処理、コマンドの受信、情報の通信を行うことができます。IED では自動プロセスを実行できます。電力システムの自動化に使用される IED には、次のようなものがあります。

リモートターミナルユニット(RTU): リモートターミナルユニットは、遠隔地に設置できる IED で、現場のコンタクトの終端点として機能します。専用の銅導体のペアを使用して、すべてのコンタクトとトランスデューサの値を感知します。これらの導体は電力システムデバイスから始まり、トレンチまたはオーバーヘッドケーブルトレイに設置され、RTU 内のパネルで終端されます。RTU は、収集したデータを他のデバイスに転送したり、他のデバイスからデータや制御コマンドを受信したりできます。ユーザーがプログラム可能な RTU は、「スマート RTU」と呼ばれます。
メーター: メーターは、電力システムの電流、電圧、電力値を正確に測定するために使用される IED です。需要やピークなどの計測値はメーター内に保存され、電力システムのアクティビティに関する履歴情報が作成されます。
デジタル障害記録装置: デジタル障害記録装置 (DFR) は、電力システムの障害に関する情報を記録する IED です。電力システムで検出された状態によってトリガーされると、データをデジタル形式で保存できます。高調波、周波数、電圧は、DFR によって取得されるデータの例です。
プログラマブルロジックコントローラ（PLC）: プログラマブルロジックコントローラは、論理制御を実行するようにプログラムできます。RTU と同様に、各接点とトランスデューサ値専用の銅導体のペアが PLC 内のパネルで終端されます。これは、マスターから与えられたコマンドに従って動作する働き者のようなものです。
保護リレー: 保護リレーは、電力システムの障害を感知し、I&C システムと電力システムに対して自動的に制御アクションを実行して人員と機器を保護するように設計された IED です。リレーにはローカル終端があるため、各接点の銅導体を RTU に関連付けられた中央終端パネルに配線する必要がありません。

制御（出力）デバイス

負荷タップ切換装置 (LTC): 負荷タップ切換装置は、変圧器のタップ位置を変更するために使用される装置です。これらの装置は自動的に動作しますが、別のローカル IED を介して、またはリモートオペレータやプロセスから制御することもできます。
リクローザーコントローラ: リクローザコントローラは、自動リクローザとスイッチの操作をリモートで制御します。これらのデバイスは、電力システムの状態を監視および保存し、制御アクションを実行するタイミングを決定します。また、リモートオペレータまたはプロセスからのコマンドも受け入れます。

通信機器

通信プロセッサ: 通信プロセッサは、他の多くの I&C デバイスの機能を 1 つの IED に統合した変電所コントローラです。通信ポートが多数あり、複数の同時通信リンクをサポートします。通信プロセッサは、他の変電所 IED のデータ取得と制御を実行し、取得したデータを集約して変電所内外の 1 つまたは複数のマスターに送信します。

アプリケーション

過電流保護

すべての回線とすべての電気機器は、長時間の過電流から保護する必要があります。過電流の原因が近くにある場合、その電流は自動的に直ちに遮断されます。ただし、過電流の原因がローカルエリア外にある場合は、適切な時間遅延の後に、バックアップ装置によって影響を受けるすべての回路が自動的に切断されます。

残念ながら、切断は連鎖効果をもたらし、他の回路に過電流を生じさせ、その結果、その回路も自動的に切断する必要があることに注意してください。

また、このような保護操作により突然負荷を失った発電機は、直ちに自動的に停止する必要があり、システムの需要と供給の適切なバランスを回復するには、システムの 2 つの部分が再接続される前に適切な同期が取られる必要があるため、数時間かかる場合があることにも注意してください。

遮断器の再閉路操作は通常は自動的に試行され、たとえば雷雨のときでも成功することが多いです。

監視制御とデータ収集

監視制御およびデータ収集システム( SCADA ) は、プロセス機器および装置からのコマンドやデータを送受信します。ポールマウントスイッチから発電所全体に至るまでの電力システム要素は、長距離通信リンクを介してリモート制御できます。一部の電力システムでは、リモートスイッチング、グリッドの遠隔測定 (電圧、電流、電力、方向、 kWh単位の消費量などの表示)、さらには自動同期も使用されています。

光ファイバー

電力会社は高圧線を常時監視して保護しています。この監視には、すべてのアラームと障害を制御しながら正しい動作を保証するために、変電所間での情報の伝送が必要です。従来の通信ネットワークは金属線で相互接続されていましたが、変電所の環境は銅線を妨害する可能性のある高レベルの電磁場が特徴です。

当局は、変電所が相互に通信し、高圧線、変圧器、リアクター、および発電所のその他の重要な要素の障害を選択的に分離できるようにする遠隔保護スキームを使用しています。この機能では、正しい動作を保証するために重要なデータを継続的に交換する必要があります。動作を保証するには、通信ネットワークが可用性、パフォーマンス、品質、遅延の点で常に完璧な状態である必要があります。

当初、これらのネットワークは金属導電性媒体で作られていましたが、56～64 kbit/s チャネルは電磁干渉、信号グランドループ、およびグランド電位上昇に対して脆弱であったため、電力業界にとって信頼性が低すぎました。電力線の高電圧と高電流によって発生する強力な電磁場は、変電所で定期的に発生します。

さらに、故障状態になると、電磁波の乱れが著しく増加し、銅線をベースとした通信チャネルに障害が生じる可能性があります。保護リレーを相互接続する通信リンクの信頼性は極めて重要であり、高周波誘導や接地電位の上昇など、高電圧領域で発生する影響に耐える必要があります。

その結果、電力業界では変電所に設置されたさまざまな機器を相互接続するために光ファイバーを使用するようになりました。光ファイバーは接地する必要がなく、電気ノイズによる干渉の影響を受けないため、電気接続でよく見られるエラーの多くを排除できます。IEEE C37.94 で説明されているように、電力リレーからマルチプレクサまでの完全な光リンクの使用が標準になりました。

保護スキームのより洗練されたアーキテクチャでは、フォールトトレラントネットワークの概念が強調されています。直接リレー接続と専用ファイバーを使用する代わりに、冗長接続によって重要なデータ交換の可用性が向上し、保護プロセスの信頼性が向上します。

C37.94

IEEE C37.94（正式名称：テレプロテクションおよびマルチプレクサ機器間の N 倍 64 キロビット/秒光ファイバーインターフェイスの IEEE 標準）は、2002 年に発行されたIEEE標準であり、電力会社のテレプロテクションデバイスとマルチプレクサデバイスを相互接続するための規則を定義しています。この標準は、光相互接続のデータフレーム形式を定義し、マルチモード光ファイバーの物理コネクタの標準を参照しています。さらに、リンク障害時の接続機器の動作、タイミング、および光信号の特性も定義しています。

遠隔保護システムは、ネットワークの損傷や停電を防ぐために、障害を迅速に分離する必要があります。IEEE 委員会は、C37.94 を、遠隔保護リレーとマルチプレクサ間の最大 2 km の距離で透過的な通信を提供するための、プログラム可能な nx 64 kbit/s (n=1...12) マルチモード光ファイバーインターフェイスとして定義しました。電力業界では、より長い距離に到達するために、後にシングルモード光ファイバーインターフェイスも採用しました。

この規格は、光ファイバーを使用した変電所内の保護および通信装置、クロック回復の方法、信号に許容されるジッター許容値、物理的な接続方法、およびあらゆる種類のネットワーク異常や障害が発生したときに保護装置が従う必要があるアクションを定義します。 C37.94 は、ABB、SEL、RFL、RAD などの多くの保護リレー製造元、および Net Research (NetProbe 2000)、ALBEDO、VEEX などのテスター製造元によってすでに実装されています。遠隔保護装置ではかつて、ファイバーペアでの伝送用の IEEE C37.94 準拠光ファイバーインターフェイス、G.703、64 kbit/s 双方向およびE1インターフェイスなどの伝送インターフェイスの選択肢が提供されていました。