グリッドのリアルタイム・データ、監視、制御

電力会社は、グリッドの急速な変革が進行中であることから、事業の主な側面で重要な課題に直面しています。

従来、都市のグリッド・ネットワークは、地上での配線による配電に依存していました。このシステムは、大規模な都市では架空線を増やす余地がなく、住宅の上や前面に電線があるのは好まれないため、地中に配線して電力を供給することになります。

これまでは、非常に簡単な方法で、地上の電線の故障を発見していました。電線に沿って整備用車両を走らせ、電線が落下していないか、電線に木が乗っていないか、電線に雪が多く付着していないか点検していました。こうしたすべての事例で、停電の原因は明らかにされていました。しかし、地中での故障は目で確認できなくなりましたが、グリッドの近代化によってリアルタイムの通信、測定、監視、迅速な応答と修復が可能になりました。

リアルタイム・データ管理を使用することは、ユーティリティ・グリッド・システムの接続に関して、かつてないほど重要になっています。目標は、最大限に活用できる人たちの手にデータを渡すことです。最新のモバイル・デバイスは、スマート・グリッドと、マイクログリッドを形成するソーラー太陽光発電パネルを内蔵した複数のエネルギー源の両方のデータ配信と制御を行うための、簡単に利用できるプラットフォームです。Wi-Fi® と Bluetooth® は、ワイヤレス・グリッド接続で使用できる確実な方法です。また必要に応じて、中間ゲートウェイを別のオプションにすることもできます。テキサス・インスツルメンツのグリッド IoT のリファレンス・デザイン：Wi-Fi を使用してサーキット・ブレーカとセンサを他の機器に接続するは、スマート・グリッド内でリアルタイムの資産監視を行えるよう設計されています。このリファレンス・デザインの主な利点は次のとおりです。

• リアルタイムの資産状態監視ができる (Wi-Fi® 通信を使用して電流、電圧、温度のレベルを監視)。
• 重要なアプリケーション向けに冗長化された可変データ・レート転送機能が追加される。
• サブステーション内の有線通信用のバックアップができる。
• 障害検出の応答時間が改善される。
• 電力ダウンタイムが低減される。

このリファレンス・デザインでは、高いデータ・レートと広い帯域幅を必要とするサブステーション機器や住宅用ブレーカにとって、Wi-Fi との統合がいかに有力なソリューションであるかが分かります。Sub-1GHz コネクティビティは、サブステーションと配電の自動化のために低消費電力で長距離データを送信する場合にも適用可能なワイヤレス・テクノロジーの 1 つです。スター・ネットワークを形成するために、複数のノード (障害インジケータなど) が 1 つのデータ・コレクタにデータを送信する必要がある場合に便利です。どちらのテクノロジーも、SimpleLink ソフトウェア開発キットをベースとする SimpleLink™ ワイヤレス MCU ファミリを通じて利用でき、100% のコード再利用と複数のワイヤレス・コネクティビティ・テクノロジー間のシームレスな移行を促進します。

グリッド IoT のリファレンス・デザイン：Sub-1GHz RF を使用したフォルト・インジケータ、データ・コレクタ、Mini-RTU の接続は、複数のセンサ・ノード (この場合はフォルト・パス・インジケータ [FPI]) とテキサス・インスツルメンツの 15.4 スタックを使用したコレクタの間のスター・ネットワークでワイヤレス Sub-1GHz 通信を採用しています。このリファレンス・デザインは、配電オートメーションのオーバーヘッド FPI とデータ・コレクタをアプリケーション・シナリオとして使用しており、低消費電力の短距離 (50m 未満) 通信を行うために最適化されています。

また、テキサス・インスツルメンツの SimpleLink ファミリの CC1310 も採用しています。このファミリは、Sub-1GHz 無線周波数 (RF) トランシーバと Arm® Cortex®-M3 MCU を搭載しています。テキサス・インスツルメンツの 15.4 スタックは、米国、ヨーロッパ電気通信標準化協会、および中国の周波数帯域でビーコン・モード通信を構成します。消費電流データは、送信出力レベル (0～+10dBm) とビーコン間隔 (0.3～5 秒) を最適化し、50Kbps のデータレートで 1～300 バイトのシングル・パケット・データを伝送する場合のものです。

電力ネットワークが、風力タービンやソーラー・パネルから複数のフィードイン・ポイントを供給する再生可能電力源に接続されると、配電はより複雑になります。増えている自動化は、リモート測定、サービス、修復における決定的な機能であり、リアルタイムの監視と制御、および高い信頼性が必要です。これらの複雑なスマート・グリッドでは、ネットワーク冗長性が重要になります。重要なコンポーネントや機能をこのように複製することで、システムは障害の発生時にも機能を継続し、物的損害や人命が失われる危険につながるネットワークのダウンタイムを短縮することができます。ネットワークの冗長性により、電力供給を中断せずに、ネットワークのサブセットでメンテナンスを実行することもできます。

イーサネットは一般的で、グリッド管理用の IEC (国際電気標準会議) 61850 イーサネット規格に基づいて容易に利用できます。冗長性プロトコルは、信頼性を上げ、スマート・グリッドの管理ネットワークとしてイーサネットを実現するための構築ブロックです。IEC 62439-3 は、並列冗長プロトコル (PRP) と高可用性シームレス冗長性 (HSR) の 2 つのアーキテクチャを定義しており、有線イーサネットにゼロ損失の冗長性を実装します。ARM ベースのプロセッサと MCU は、これらのプロトコルと関連するカットスルー・スイッチングのサポートを備えています。PRP を使用する場合、各ノードは 2 つの独立したパラレル LAN (ローカル・エリア・ネットワーク) に接続します。

ソース・ノードは各パケットのコピーを 2 つ送信し、各インターフェイスに 1 つずつ送信します。宛先ノードはフレームを受信し、最初のコピーを受け取り、2 番目のフレームをドロップします。2 つのネットワークのいずれかが動作可能である限り、宛先ノードは常に、ダウンタイムなしで少なくとも 1 つのパケットを受信します。HSR リングは、2 つの LAN ではなくリング・トポロジを使用して、PRP と同レベルの冗長性を実現します。