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スマート変電所

明日のグリッドには、インテリジェントな変電所で構成されるインテリジェントなネットワークが必要です。

世界はデジタル化しており、その中には電力産業も含まれています。リレーがファームウェア、通信インターフェイス、または多機能のない単純な電気機械デバイスだった時代を思い出すのは困難です。電力の供給は常に困難でしたが、20 世紀から 21 世紀に移行すると、新しいテクノロジーによってその課題はさらに複雑化しました。業界は、古くなったアナログ デバイスとデジタル テクノロジーの間のギャップを埋めなければなりませんでした。

今日、何らかの形の組み込みデジタル テクノロジーによって強化、強化、または強化されていないコンポーネントは 1 つもありません。これにより、以前よりも高い定格でより高い信頼性で動作するようになります。ただし、現在の課題は、これらすべての要素を完全なデジタル変電所に統合し、要求の厳しい環境で機能させることです。

いくつかの問題が変電所のデジタル化を推進しています。顧客はより多くの電力とより良い電力品質を要求するため、グリッドは主に先進国の多くで最大容量で動作しています。したがって、障害が発生した場合は、できるだけ早く解決する必要があります。これは、最新のデジタル技術が非常に多くの利点を提供する場所です。メーターの顧客側では、デジタル技術がモノのインターネット (IoT) に統合されています。簡単に言えば、IoT は、デバイス、建物、車両、およびセンサーを装備し、ネットワークで接続され、コンピューターベースのシステムによって監視および制御されると考えることができる他のすべてのタイプの物理的なオブジェクトのネットワークです。

スマートは新しいものではありません
IoT を使用すると、人々は数百マイルまたは数キロメートル離れた場所から自宅のセキュリティをチェックできます。スマートフォンのアプリを起動することで、どこからでも家のサーモスタットを調整できます。航空会社が紛失したスーツケースを見つけることができないと言った場合、荷物は別のアプリで追跡できます。車は、メンテナンスが必要になると、所有者に電子メールを送信します。 IoT は、この接続性を人々にセンサーを追加し、有線のトレーニング ウェアや Fitbit フィットネス トラッカーなどのデバイスで監視できるレベルにまで引き上げました。

ユーティリティが相互接続機能を備えたより多くの機器を統合するにつれて、このレベルの接続は変電所や交換局にも採用されています。デジタル変電所のコンセプトは、世界中の電力会社で大きな注目を集めていますが、デジタル技術は電力業界にとって新しいコンセプトではないことを知っておく必要があります。公益事業は、何十年にもわたって何らかの形で施設をデジタル化してきました。第二次世界大戦後、送電システムは電力需要の増加に伴い、かつてないほどの成長を遂げました。ビジョナリーは、グリッドを制御および管理する方法において、より大きな役割を果たす新しいテクノロジーの必要性を認識していました。

スマート グリッドが登場するずっと前から、電力業界には、通信用の送電網と配電網にネットワーク化されたテクノロジー対応の変電所を備えた、すべてを知っている送電網の戦略がありました。命名法は異なっていたかもしれませんが、アイデアにはスマートグリッドが全体に書かれていました。テクノロジーは開発に時間が必要でした。業界では、監視制御およびデータ収集 (SCADA) が導入され、その後、リモート ターミナル ユニット (RTU) が導入されました。これらに続いて、制御および保護システム用のマイクロプロセッサベースのリレーが導入されました。

技術は進歩し、通信インターフェースはマイクロプロセッサベースのリレーに直接統合されました。マイクロプロセッサのファームウェアとソフトウェアの進歩により、RTU やゲートウェイと直接通信する多機能マイクロプロセッサ ベースのリレーが実現しました。

これらのイノベーションはすべて複雑性を高めましたが、システムのパフォーマンスも大幅に向上させました。 ほぼ同じ時期に、ベンダーはインテリジェント電子デバイス (IED) テクノロジーを、開閉所を含む変電所全体に見られる電気機器およびコンポーネントに組み込み始めました。 その結果、業界は過去にないほど広範囲にわたる変革を経験しました。 業界はデジタル テクノロジーを活用していただけでなく、IoT テクノロジーをグリッドに組み込むための準備を整えていました。

デジタル技術は、デジタル変電所の進化を推進しています。 このFOCSは、従来の変流器よりも小型です。 また、直接デジタル測定を提供し、銅線ケーブルを使用してデータを制御棟に取り込むことはありません。

新しいデバイスは、より優れた通信、最新のコンピューター テクノロジー、よりインテリジェントな自動化デバイスを備えた、よりスマートなグリッド テクノロジーを構成します。

標準が鍵

最初は小さな問題が 1 つありました。それは、専有設備です。 各システムとそのすべてのコンポーネントは独占的であり、特許と著作権によって保護されていました。 つまり、あるメーカーのシステムが別のメーカーのシステムとうまく連携しませんでした (つまり、通信できませんでした)。

せいぜい、異なるメーカーのスキーム間のコミュニケーションは断片的で断片的でした。 それらは相互に互換性がなく、さまざまな非標準のメッセージング プロトコルでそのまま維持されていると言う人もいるかもしれません。 バベルの塔と同等の技術でした。 幸いなことに、ロケット科学者はプロプライエタリ システムが引き起こした問題を理解する必要はありませんでした。 その結果、オープン スタンダードがソリューションになりました。

1995 年、国際電気標準会議 (IEC) は IEC 61850 への取り組みを開始しました。IEC 61850 は、2003 年に発行された変電所自動化システムの通信規格です。 現在、このドキュメントには、データ モデリング、レポート スキーム、高速イベント転送、設定グループ、サンプル データ転送、コマンド、および変電所の保護、制御、および通信の統一された基盤を作成するデータ ストレージに関連する多くの部分が含まれています。 IEC 61850 が承認されてから間もなく、IEC 61850-9-1 (ポイント ツー ポイントの単方向プロセス バス) が導入されました。

2005 年までに、世界初の IEC 61850 ベースの変電所がスイスで稼働しました。 これは、独立系発電事業者である Aare-Tessin AG グループの一部であるスイスの配電ネットワーク オペレータ Atel Versorgungs AG が所有する Winznauschachen 変電所でした。 スイスの変電所は、制御とフィードバックを改善するためにいくつかの IED を含む IEC 61850 ベースの保護および制御システムを備えた変電所に変わりました。

今日の従来の変電所の設計にはデジタル技術が含まれている可能性がありますが、技術の可能性を活用していません。 ABB の礼儀。

真のデジタル変電所は、最先端のインテリジェント デジタル テクノロジー、デジタル メッセージング システム、プロセス バス、データ管理を使用しています。 ABB の礼儀。

よりスマートな変電所

2007 年までに世界中で 100 を超える変電所が設置され、そのすべてが IEC 61850 ベースの機器で運用されていると主張していましたが、電力会社は新たな懸念を抱えていました。業界的には、IEC 61850 が開発されましたが、複数のメーカーのインテリジェント デバイスの互換性をテストした人はいませんでした。しかし、異なるサプライヤのコンポーネントとシステムを組み合わせて組み合わせるとどうなるでしょうか?

これは、メキシコの Comisión Federal de Electricidad (CFE) が回答を求めていた質問でした。サプライヤーは自社の機器が IEC 61850 に準拠していることを証明することに熱心に取り組んできましたが、グループ認定のために協力しているメーカーはありませんでした。

CFE は、IEC 61850 の相互運用性には、運用中の変電所での実際のフィールド テストが必要であると判断しました。これは、変電所がテクノロジーのるつぼであるため、合理的です。 CFE は、最良のラボは送電網であると判断したため、電力会社は、メキシコのオアハカ州ユチタンにある 230 kV の La Venta Wind Park 変電所をこの互換性のテスト ベッドに変えました。 CFE は RUGGEDCOM、Schweitzer Engineering Laboratories、GE Energy、Siemens、ZIV、Team Arteche の 6 社のメーカーをまとめ、変電所拡張の第 2 段階に 9 つの製品プラットフォームを使用しました。

これは、IEC 61850 規格に準拠して構築された複数のサプライヤのコンポーネントが実際にプラグ アンド プレイできるかどうかを確認するための酸テストでした。 うまくいきました。 ラ ベンタ変電所での CFE の実験は、複数のメーカーを使用して電力会社の送電網で稼働する世界初の IEC 61850 ベースの変電所になりました。 相互運用性はもはや頭脳的な概念ではなく、実際の現場で証明された事実となり、業界は完全なデジタル変電所の現実に一歩近づきました。 このプラグ アンド プレイ機能が証明されたことは、大きな前進でした。

State Grid China Corp によると、中国は次世代のスマート変電所技術を統合しています。 このプロジェクトでは、最先端のソフトウェアと電力技術を使用して、これらの変電所の遠隔制御、保護、自動化、監視、診断を可能にしています。 運用コストと設置面積の両方を削減できるようにします。 ABB の礼儀。

デジタル・ディバイド

デジタル変電所とは正確には何ですか？昔から造られているそうです。変電所では、インフラストラクチャに統合された多くのデジタル デバイスがありましたが、今日の業界では、アナログとデジタル テクノロジーのハイブリッドです。純粋にアナログの変電所は見つけるのが難しく、確実に絶滅危惧種のリストに載っていますが、完全なデジタル変電所も完全には登場していません。技術は非常に急速に変化しているため、デジタル変電所の定義は移動するターゲットです。

技術プロバイダーは、デジタル変電所を説明するためのレベル、階層、またはアーキテクチャについて話します。それらの名前が何であれ、それらは通常、通信要素、制御および保護機能、およびプロセス部分などの一般的な用語に分解されます。コンポーネントが複数のレベルに存在する場合があり、これは少し混乱します。この議論では、フォームよりも機能に焦点を当てます。

専門家の間で最も一貫した定義を持つ 1 つの要素は、おそらく最も確立されているコミュニケーション レベルです。最も単純な形式では、高速双方向多地点通信システムです。変電所内の通信を処理します。

このようなシステムは、従来の変電所に見られるよりも施設に柔軟性を追加します。これにより、変電所デバイスは、ネットワーク内の他のデジタル変電所だけでなく、相互に直接通信することができます。これは、IEC 61850 で定義された汎用オブジェクト指向変電所イベント (GOOSE) プロトコルを使用します。これは、イーサネット ケーブルと光ファイバーを使用した IED 間の従来のハードワイヤード通信 (つまり、接点と金属配線) を完全に置き換えることを目的としています。

次の 2 つの要素は、物事が少し複雑になる場所です。制御と保護は二次設備レベルに関連付けられており、プロセスは一次設備レベルに関連付けられています。問題は、一部の機器が両方に含まれているため、どのデバイスがどのカテゴリに分類されるかです。この問題についてはまだ結論が出ていないようなので、議論を特定の機器のデジタル技術の進歩に限定し、カテゴリー自体を整理するのが最善の方法かもしれません。

オーストラリアの会社 Powerlink Queensland の最初のデジタル変電所プロジェクトは、2011 年に委託されました。 このプロジェクトには、プロセス バスと従来型とは異なる計器用変圧器技術を備えた一連の 6 つのデジタル変電所が含まれていました。 2 番目と 3 番目の変電所は、それぞれ 2013 年と 2014 年に稼働しました。 ABB の礼儀。

デジタル測定

電流と電圧の測定は、アナログ変電所とデジタル変電所の両方における 2 つの重要な監視機能です。従来、これらの測定は、計器用変圧器 (PT)、容量電圧変圧器 (CVT)、変流器 (CT) などの計器用変圧器によって実行されてきました。 PT および CT は、保護および制御スキームで使用する安全なレベルに電圧または電流を下げるための二次巻線を備えた巻線デバイスです。 CVT は、容量性配置を使用して同じ結果を達成します。

残念ながら、デジタル変電所と従来の計器用変圧器は、お互いのために作られたものではありませんでした。 CT と PT には精度の問題があり、制御および保護システムに電圧を伝える銅線を使用します。

デジタル変電所には、従来の計器用変圧器を使用するよりも優れた方法があります。 40 年以上前、研究者は、偏光の位相シフトが光ファイバーの電磁場 (ファラデー効果) によって引き起こされることを発見しました。また、このシフトは、ファイバーが巻かれている高電圧ラインを流れる電流に正比例することも発見されました。

実際、従来の CT を使用せずに、ラインを流れる電流を測定できました。これは、デジタル変電所への統合に必要なデジタル インターフェイスを備えた、従来の CT よりも高速な応答とより正確な測定を提供する光ファイバー電流センサーの開発につながりました。

光ファイバー電流センサーは、非従来型計器用変成器 (NCIT) と呼ばれるトランスデューサーのグループに属します。これらのデバイスは、電流と電圧の測定に使用できる光学計器用変圧器です。 NCIT は、従来の計器用変圧器に比べていくつかの重要な利点を提供します。銅線ではなく光ファイバー ケーブルを使用して二次機器を高電圧から絶縁することにより、安全性が向上します。

環境的には、NCIT には SF6 ガスやオイルが含まれていません。これは、ますます重要になってきています。サイズ的には、電圧レベルが上昇するにつれて比較がなくなり、変電所の設置面積が減り、よりコンパクトな設計が可能になります。

これらの利点を覆い隠す可能性のある特性の 1 つは、NCIT が基本周波数、高調波、次数高調波、サブ高調波、および電力品質測定に対して高い測定帯域幅を提供できることです。電気系統に非線形負荷がかかると高調波歪みが発生し、電気機器に損傷を与える可能性があります。

パワー エレクトロニクスや誘導モーターを使用する顧客と同様に、再生可能エネルギー発電施設はグリッドに高調波を追加しています。その結果、多くの独立系システム オペレータおよび地域の伝送オペレータは、責任者を追跡し、ソースで高調波を除去するために、ユーティリティに高調波を監視することを要求しています。 NCIT は、この種の義務に対して従来の計器用変圧器よりも優れています。

プロセスバス

また、デジタル変電所はプロセス バスを使用します。プロセス バスは、変電所の設備を制御するだけでなく、デジタル デバイスが互いに直接通信できるようにすることで柔軟性を高めます。プロセス バスにより、機密性の高いデジタル機器をブレーカ ベイに正しく配置できます。

プロセス バスは、サーキット ブレーカ、モーター作動の断路器、電源トランス、およびメータリング デバイスの制御キャビネットに従来見られるアナログ コントロールに取って代わりますが、設計にさらに広範囲にわたる影響を及ぼします。従来、変電所のエンジニアは、機器、測定装置、監視システム間のすべての制御配線に常に銅を使用していました。

変電所のこれらのデバイスとコンポーネントを相互接続するには、何千もの個別の銅ケーブルと接続、および多大な労力が必要でした。 GOOSEメッセージングを使用したデジタル技術により、光ファイバーケーブルをより効率的に使用できます。 1 本の光ファイバー ケーブルで、スイッチヤード デバイスへのすべての制御ケーブルを置き換えることができます。これらのケーブルは、設置が簡単で信頼性が高く、テストと試運転に必要なチェックアウト時間が大幅に短縮されます。

変電所のすべてのハードワイヤードのポイント ツー ポイント制御および監視ケーブルがファイバーに置き換えられた場合、変電所の銅ケーブルが 80% 削減されると推定されています。これにより、銅の価格が最近劇的に変動するため、大幅なコスト削減が可能になります。

デジタル展開

電気デジタル変電所は、その時が来たアイデアです。世界中の電力会社が、前述の機能の多くを備えた高度な変電所を建設しています。最も革新的なプロジェクトの 1 つがスコットランドで行われています。 Scottish Power のエネルギー ネットワーク部門は、Future Intelligent Transmission Network Substation (FITNESS) プロジェクトに参加しています。

FITNESS は、英国ガス・電力市場局 (OFGEM) の支援を受けて、最先端のデジタル変電所ネットワークを開発し、変電所内のデジタル化された情報、自動化、通信技術がいかに信頼性と制御性を向上させるかを実証しています。 FITNESS は、スコティッシュ パワー、ABB、GE グリッド ソリューション、シナプテック、マンチェスター大学のパートナーシップです。

Scottish Power の 275 kV ウィショウ変電所は、英国で最初のデジタル変電所として選ばれました。この地域に風力発電所が集中しているため、ステーションはデジタルでアップグレードされています。ステーションには、システム監視、診断、および運用能力を向上させるために、完全に統合された新しいデジタル制御および保護システムが装備されます。また、光ファイバー ケーブルは、従来の銅線ハードワイヤード接続に取って代わります。 ABB と GE の両方がプロジェクトの IED を提供します。それらには、NCIT、統合ユニット、および IEC 61850-9-2 プロセス バス アーキテクチャおよび広域監視システムとインターフェースするフェーザー測定ユニットが含まれます。

ABB の電力グリッド部門の社長である Claudio Facchin は次のように述べています。「このプロジェクトは、変電所内のデジタル化された通信がどのように制御性を高め、断続的な再生可能エネルギーの統合を促進し、銅ケーブルを光ファイバーに置き換えることで安全性を向上させるかを実証します。私たちの「次のレベル」戦略の重要な要素は、電力会社が信頼性を向上させ、安全でクリーンなエネルギーを消費者に確実に供給できるようにするために、モノ、サービス、人のインターネットのアプローチに沿ったグリッドの自動化を可能にすることに焦点を当てることです。」

2016 年 4 月に開始された FITNESS プロジェクトは 4 年間実施され、関連する保護、制御、監視を備えた完全に統合されたマルチベンダー デジタル変電所ソリューションを実証することを目的としています。このプロジェクトの主な推進力は、変電所の制御であり、低炭素発電と高電圧直流連系線が増加するにつれて、保護要件を大幅に変更する必要があります。

デジタルアドバンテージ

結局のところ、スマート グリッドは依然として有線グリッドです。電力業界は、電力システムのデジタル化に多大な時間と費用を費やしてきました。現在、電力システムはかつてないほど多くの機能を備えています。伝送ラインにはセンサーが組み込まれており、システム オペレータは個々の伝送ラインの容量を動的定格として見ることができます。顧客の大規模な停電を引き起こすことなく、障害をセクション化し、問題を小さなセグメントに切り分けるための監視技術が流通システムに完全に組み込まれています。現在、変電所に埋め込まれているデジタル技術を活用して、システム上の他のデジタル変電所と対話するネットワークとして機能するスマート コンポーネントのインテリジェントなウェブを作成しています。

ユーティリティには、機器の状態やネットワークの状態を判断するためにデータを収集、フィルタリング、傾向化する機能がありますが、別のレベル、つまりテクノロジーが注目されています。結局のところ、それはエネルギーシステムの管理をはるかに容易にするテクノロジーです。保守が必要な場合や問題が見つかった場合は、機器が通知を送信し、デジタル変電所のグループが連携して、電力の流れを中断するのではなく、保守または問題の周りに電力をルーティングします。

これらすべての利点があれば、デジタル変電所が設置されていなくても、すべての電力会社の将来に確実に存在するでしょう。
既に。

はじめました。

初めまして、hiroです

ブログというよりは、いろんな気になったことを調べて、この場を借りて

アウトプットできたらいいな、と思っています。

電気のメモ

 

対象座標法

系統事故などによって生じる不平衡な三相電圧・電流を三つの対称な成分に分割し、それぞれの平衡した成分について計算を行い、これを合成して電圧・電流を求める計算法。
三つの対称成分を正相、逆相、零相という。

横流

2台の機器を並列運転している場合に両機器の誘導起電力が違うために、両機器の巻線間を流れる循環電流。

ループ系統

発変電所間ならびに変電所相互間が異なったルートの電線路で環状に接続、運用されている系統。

異系統

並列運転されていない互いに独立した系統あるいは並列運転されている系統で特に供給電源（水・火・原子力別、幹線別、変電所別）、電圧、中性点接地方式などを異にする電力系統。

並列運転

電力系統または同期機などが並列された状態で運転されていること。
類似語として同期機が同期して運転していることを同期運転という。

並列

一つの電力系統に他の電力系統または同期機を周波数と電圧位相、大きさを合わせたうえ同期させ接続すること。

方向試験

保護継電器に動作要素を入力して、故障点の方向や電力潮流の方向を正しく判断できるか確認すること。

ディジタル形継電器

マイクロプロセッサなどを利用し、入力量をディジタル量に変換して処理する継電器。
 

有効電力と周波数は大域的、無効電力と電圧は局所的

電気での「デマンド」の意味は一言で言うなら３０分間の平均電力ｋWなのですが、別な言い方をすると30分間の使用電力量ｋＷｈを１時間換算した値、つまり使用電力量はｋＷｈとあらわすように１時間使った仕事量であらわすので、この３０分間の電力量を２倍にした値を「デマンド値（ｋW)」となります。瞬時値ではありません。15分間３００ｋWの電力ｋW使って後の15分を１００ｋWに落としておけば（３００ｋW×15分＋１００ｋW×15分）÷30分＝２００ｋｗがこのときの30分間のデマンド値となるわけです。デマンドｋWと使用電力量ｋWHのHがついているかどうかの違いで少しややこしいですね。

５０ｋＷ以上のユーザーが対象。

重力より電気力の方が強い
電流の実態。金属中の電流は電子で、液体中の電流はイオンで、半導体中の電流はホール。
電子の速度は秒速0.1mmほど、電流の伝搬速度は秒速30万km
1cm3の銅の自由電子がもし一斉に流れたら100億アンペア
静電気とは静止した電荷による現象
電流には閉回路がいる。静電気や水には閉回路はいらない。