山岳地帯の小規模水力発電所における新規ポールマウント型サーキットブレーカーの応用

小水力発電は、単一機器の設置容量が50,000 kV未満の発電所を指します。小水力発電を配電網に組み込むと、システムトポロジと電力フローの方向が変わります。文献では、小水力発電が豊富な地域の規制における課題、小水力発電を持つ配電網線路の再閉鎖戦略、そして新しいタイプの自動安全切断装置について分析し、議論しています。

​1 山岳地帯での小水力発電の現状​
総面積は45,385 km²で、そのうち98.3%が山岳地形です。この地域には58の小水力発電所があり、総設置容量は41.45 MWで、そのほとんどが1 MW未満の設置容量です。これらの発電所は広く分布しており、通信条件が劣悪です。

発電所は年数が経過しているため、主に機械制御装置を使用しており、自動化装置が不足しています。ほとんどのゲートウェイメーターはパルスメーターであり、遠隔伝送機能がなく、手動で読み取ります。制御保護装置や同期装置は通信インターフェースが欠如しており、運用データは電話を通じて手動でディスパッチャーに報告する必要があります。

グリッドの35 kV変電所の10 kV線路は、しばしば小水力発電と負荷消費が共存するハイブリッドモードで動作します。発電所の主変圧器の高圧側には落下式遮断器が使用され、これは構造が簡単で、10 kV並列線路とのT接続で接続されています。

​2 問題分析​
​2.1 線路自動制御装置の起動への影響​
能動的な配電網では、変電所の出口回路ブレーカーがトリップした後、小水力発電所が故障点に電力を供給し続ける可能性があり、故障アーチの消滅を妨げ、再閉鎖の成功率を低下させます。分散エネルギー資源（DER）が再閉鎖中に接続された場合、非同期クロージングが発生し、インラッシュ電流が発生して再閉鎖失敗や小水力発電ユニットの損傷につながる可能性があります。

一部の10 kV並列発電所では、並列線路保護および発電機保護に低電圧切断保護が不足しており、グリッド運転要件を満たしていません。これにより、グリッドの安全かつ信頼性の高い電力供給と発電機の運用寿命に深刻な影響を与えます。

小水力発電所の並列チャネルで故障が発生した場合、システム側が故障をクリアした後も発電機が迅速に切断されないことがあります。これにより、システム側線路の再閉鎖アクション後に非同期のグリッド再接続が発生し、システム側の再閉鎖が活性化できず、公共変圧器ユーザーにとって不要な停電が発生し、大きな社会的影響を及ぼします。

したがって、並列チャネルで故障が発生した場合、発電機が迅速に切断できないことは、グリッドの安全かつ信頼性の高い電力供給に深刻な影響を与え、非同期のグリッド再接続を引き起こす可能性があります。

​2.2 調度情報の不完全な伝送​
フィールド調査によると、ほとんどの小水力発電所は山岳地帯に位置し、グリッドの中央変電所から遠いです。森林を通過する専用光ファイバケーブルを設置することはコストがかかり、信頼性も低いです。サイバーセキュリティ評価後の自動化装置のアップグレードと安全な無線プライベートネットワークを介したデータ伝送も大きな投資が必要です。また、多くの小水力発電所は容量が限られており、発電効益が低いため、アップグレードのインセンティブが少ないです。通信チャネルの制約により、調度センターに送られる情報が不完全です。

しかし、リアルタイムの運用データを地域調度センターに伝送できないことは、調度者がグリッドを分析し、10 kV配電変圧器の信頼性を確保する能力に影響を与えます。調度プラットフォームは長期にわたり小水力発電所について盲目で動作せざるを得ず、地域グリッドの安全運転を危険にさらします。

​3 解決策​
​3.1 解決策の概要​
小水力発電ユニットの有効な監視とデータ収集を実現し、グリッドの安全性と信頼性を向上させるために、主変圧器の高圧側の落下式遮断器を高精度電子センサーを備えた新しい柱上真空回路ブレーカーに交換します。これらは、リモートシグナリング、テレメトリ、リモートコントロール、自動切断機能を備えた給電自動化端末（FTU）と組み合わせて、10 kV並列接続点のデータとスイッチステータスを収集します。

既存のゲートウェイパルスメーターは、三相電子多機能エネルギーメーターに交換され、発電機ユニットの運用データを収集し、フィールドバスを介してFTUに伝送します。FTUはデュアルカード通信垂直暗号化モジュールを装備しており、データは強力な信号カバレッジを持つ専用公共無線ネットワークチャネルを介して統合地域調度システムに安全に暗号化されてアップロードされます。

並列線路の故障により変電所の出口スイッチがトリップした場合、FTUの電圧消失保護が活性化し、柱上回路ブレーカーが開いて小水力発電所をグリッドから切り離します。電力供給が復旧した後、再同期および再接続が行われます。

​3.2 デジタル自動化パッケージ設備​
デジタル自動化パッケージには、ZW32型柱上回路ブレーカー、両面分離遮断器、電力電圧変圧器、デジタルFTUが含まれています。回路ブレーカーユニットは、三つの組み合わせ電子センサー（EVCT）と局所デジタルユニット（ADMU）を統合しています。

全体的な構造はコンパクトで軽量であり、設置とメンテナンスが容易です。従来のインテリジェントビアモニタリングソフトウェアによる検出装置と比較して、このシステムはモニタリングソフトウェアが32ユニットのオペレーティングシステムからの運用データを取得できるようにします。同時に、カメラ画像のファイルサイズをキャプチャし、検出装置ソフトウェア（小包、バー包、箱内のバー欠落、五輪検出）が正常に動作しているかどうかを監視します。具体的な表現は以下の通りです：

• ソフトウェアは拒否された画像データをコンソールに送信します。
• ソフトウェアはすべての画像データをコンソールに送信します。
• ソフトウェアはすべての統計データ（ブランド、日付、時間、ユニット情報など）をコンソールに送信します。

工場内網サーバーを利用して、検出装置のモニタリングソフトウェアが故障情報データを生成すると、それをサーバーに伝送し、工場内網サーバーを介して現場でアラームを発生させます。故障情報データはPCやモバイル端末を介してリモートでアラートされます。ソフトウェアクラッシュ、カメラの切断、カメラの画像キャプチャ失敗、煙包到位検出センサーの故障、欠陥画像の受信失敗、拒否装置の故障などの問題は、PCとモバイルインターフェースで警告ポップアップをトリガーします。アラームページには、デバイスの故障情報、位置、発生日時、対処記録が表示されます。

​3.3 製品品質早期警告制御の実施​
装置からの検出データを分析し、不良たばこパックの数が閾値を超えるか異常な欠陥頻度が発生したときに早期警告を発行します。品質警告機能は、メンテナンス担当者に対して主要生産装置の関連部分の調整または修理を行うよう警告し、品質欠陥を迅速に排除し、悪化を防ぎます。

小包検出装置、五輪検出装置、箱内のバー欠落検出装置、バー包検出装置からのデータは、品質欠陥画像名情報（欠陥発生日時、不良製品数量、欠陥が検出されたカメラ位置）に基づいて分析されます。欠陥数が警告閾値を超えたときに製品欠陥警告を発行します。

不良製品の時間と数量を分析することにより、一定期間および長期的な傾向に対する欠陥頻度を統計的に分析することができます。これにより、装置評価管理の基盤が提供され、メンテナンス担当者に対して適時に調整を警告し、科学的なメンテナンス管理を強化することができます。

​3.4 検出装置ステータスの集中管理​
生産管理担当者（プロセス品質スタッフ、装置管理者）は、監視システムを使用して検出装置の運用ステータスと製品欠陥状況を集中して比較分析し、検出装置ステータスの集中管理を実現します。検出装置監視システムは、工場内のすべての検出装置のリアルタイム運用ステータス、品質欠陥トレンド、歴史データの統計分析を表示し、工場内のすべての装置の統一的な集中管理を可能にします。

包括的な過去の故障記録により、故障ユニットの割合、故障種類、故障装置、ピーク故障時間の分析が可能です。頻繁に故障が発生するユニット、故障種類、装置に対して計画的なメンテナンス管理を実施し、発生を防止します。

​4 まとめ​
以上のように、たばこ工場のたばこ製造工場における装置検出システムは、リアルタイムオンライン監視を必要とし、検出装置の運用ステータスを追跡し、アラームと故障位置特定を提供することで、たばこパックの生産過程中の問題を減少させ、生産運転の円滑さを確保し、生産効率を向上させることができます。