ギャップを埋める — 電力会社市場向けの資産の健全性を監視する為のソフトウェアにセンサーを効率的に統合
電力会社は、信頼性が高く費用対効果の高いサービスを提供するために、センサーとそのデータの価値を認識しています。状態監視センサーの利点は、事前メンテナンスに必要なデータの提供に役立つという点で十分に実証されていますが、多くの電力会社は、このようなシステムを機器全てに導入していません。
電力会社は、コーディングを必要とせずに、様々なセンサーの統合を容易にする、状態監視ソリューションで、センサーシステムの非互換性と熟練IIoTプログラマーの欠如の問題を解決できます。OSI PI HistorianやOPC UAなど、希望するシステムに接続して、様々なセンサーからの時系列データを記録および分析できます。これらのセンサーを革新的なソフトウェアおよびハードウェアリソースと組み合わせることで、重要な資産に対する状態データを集約し、状況認識を改善し、意思決定サポートを強化して、業務の継続、メンテナンス費用の削減、生産性、信頼性、安全性の向上を実現する簡単で効果的な方法が得られます。
電力会社が直面しているニーズと課題
電力会社には、従うべきビジネス上の必須事項がいくつかあります。
- 安全性、セキュリティ、信頼性の向上
- 新しいエネルギー源と消費モデルの統合
- 送電網の近代化
また、電力会社は多くの課題に直面しています。
- レガシー機器との統合
- 熟練した検査官の退職
- 生産資産とデータへのアクセス
- セキュリティリスク
- インフラの老朽化
- 費用のかかるサイロ化された専有アプリケーションとネットワークの管理と保護
- データ、ネットワーク、セキュリティを管理する専門知識
電力会社がこれらの問題に対処する方法の1つとして、産業環境向けに特別に設計されたIIoTエッジゲートウェイの使用があります。
定期的な現場点検
既存のインフラの年齢を考えると、多く電力会社が内蔵センサーをほとんどまたは全く持っていないのは当然かもしれません。点検は定期的に実施され、通常、定期的な予知保全のためにハンドヘルドセンサーを持って、社内チームが行います。このような現場点検の時間枠は様々ですが、年に1～2回程度です。
ハンドヘルド機器で点検を行う技術者にとって、安全は重要です。そのような点検を行う資格のある技術者は少なく、高圧送電所に足を踏み入れることは危険なこともあります。
点検チームは、ハンドヘルドの赤外線カメラを使用してシステムを点検することがよくあります。点検中にデータを記録し、後で送信するためにアップロードします。データが受領され、検査されたら、チームは点検報告書を作成します。これには検査されたシステムの数に応じて、最大1週間かかります。
以下の画像は、ハンドヘルド赤外線カメラを使用した現場点検で明らかになった問題の例です。
ヒューズ切れ（左から2番目）（参照：Inframation Conference Archives – Infrared Training Center（ITC））
変圧器ファンの不良（AR2）（参照：Inframation Conference Archives – Infrared Training Center（ITC））
ラジエーターのフラッパ弁が閉じている（参照：FLIR）
定期点検中に故障を早期に発見することで、予期せぬダウンタイムを防ぐことができれば、時間の節約、メンテナンス、修理費用の削減につながります。このような問題を発見し、修理することで、電力供給の信頼性と信頼性が向上します。
障害が発生する前に障害を特定して修理することによるコスト上のメリットを次の例に示します。右の画像は、遮断器内の変圧器の障害を示しています。障害の前に変圧器の点検に赤外線カメラが使用されていたら、修理費用は変圧器の交換に限定され、1日のダウンタイムで済みます。しかし、実際の障害では、変圧器と遮断器を交換する費用、さらに8日間の停電を伴う追加の人件費と現場建設費用が発生しました。このケースは、予定されている点検の間に障害が発生する可能性があることを示しています。
パネルが吹き飛ばされた遮断器
遮断器内の変圧器の故障
現場点検の結果と報告に応じて、発見された問題または事象の重大度は次のように分類できます。
- 極めて重要 – 迅速な対応が必要、機器を運転停止するオプションも考慮する
- 重要 – できるだけ早く評価し、点検頻度を増やす
- 中間 – 既存の点検頻度を維持
ハンドヘルドセンサーによる定期的な現場点検では、検査と検査の間に問題が発生し、悪化する可能性があります。明らかに、問題の発見と報告が早いほど、修理を早く始めて、予定外の停電を回避できます。定期点検の頻度を増やすと、障害が発生する期間が短縮されますが、それでも致命的な障害が発生する可能性は存在します。
状態監視
問題の発生から発見までの時間を短縮するのに最も効果的な方法は、継続的に作動する固定センサーを設置することです。継続的に作動する熱的状態監視カメラを設置すると、温度に関するデータが生成され、例えば、定期的な時間内のスナップショットとしてではなく、データが継続的に記録されます。報告されたデータの検査とレビューにより、電力会社は、次の現場点検で明らかになる前に、問題や潜在的な障害を認識できるようになります。
状態監視には、定期的な現場点検に比べて、いくつかの利点があります。
- 電力会社が問題をより早く発見し、より迅速に対応できるようにする
- 状況認識を改善し、電力会社が積極的に修理を行い、状況が壊滅的になる前に機器を維持できるようにする
- 生産性とスケジューリングの完全性を維持する予知保全を実現する
- ダウンタイムと停電の減少を実現する
- 費用の削減; 故障が発生する前にほとんどの問題を解決できるため、費用が大幅に削減できる（電力施設の場合、修理費用は故障時における総費用の約1〜2％に過ぎないと推定される）。
状態監視赤外線カメラセンサーには、次のような複数の利点があります。
- 効率的で安全な測定方法
- 広域、非接触、多成分、正確で安全性の高い温度測定
- 数時間や数日ではなく、リアルタイムで送信されるデータと画像
しかし、老朽化したインフラにこのようなセンサーを導入することは、電力業界が直面している問題の一部に過ぎません。データへのアクセスと統合は大きな課題です。センサーは、コンピュータネットワーク上のソフトウェアと接続して、収集したデータを抽出して分析する必要があります。
センサーをOSI PI HistorianやOPC UAなどのシステムに接続すると、電力会社は記録された時系列データにアクセスできます。電力会社には、この特定のスキルセットを持つ従業員が十分にいない可能性があるため、技術コンサルタントを招請する必要があります。
データを解釈して分析するスマートセンサーの設置により、電力会社はより高度な状態監視データを得ることができます。スマートセンサーを使用すると、電気機器、モーター、変電所の状態を常に監視できます。データが解釈されるのを待つ必要はありません。センサーはアラームやベルや警笛をトリガーしたり、運転停止プロセスを開始したりできます。このような状態監視は、データを取得、処理、分析し、それに基づいて行動することができます。
労働力が高齢化し退職する中、電力会社は、データを収集するだけでなく、より良い洞察を提供し、より収益性の高いデータ収集と処理の自動化をさらに導入するために、このようなシステムを必要としています。
現在、スマートセンサーは、電力業界で使用されているすべてのセンサーのうちのごく一部にすぎません。赤外線カメラについては、定期的な現場点検に使用されるほぼすべてのカメラがハンドヘルド機器です。継続的な状態監視には利点があるにもかかわらず、予防保全の最も一般的な形態は定期的な現場点検です。これは比較的安価で、2.5kV未満の電気資産では、最も費用対効果の高い点検方法です（参照：Mission Critical Magazine, 4-16-2021）。しかし、電力会社のインフラの老朽化と、顧客の不満や損害補償の観点から、この予定外の停電コストを考えれば、これは変わる可能性があります。より重要な機器について、状態監視センサーを使用すると、経済的にもっと効率的かもしれません。
現場点検（または時間ベースの予防保全）や意識的に壊れてから対処（Run-to-failure）（または事後保全）ではなく、状態監視を使用した場合の影響を次の図に示します。予防保全では、装置を良好な状態に維持することで障害を最小限に抑えることが目標です。障害を防ぐことで費用が削減されますが、点検の適切な間隔を決定することは困難かもしれません。事後保全では、停電となる可能性のある時間を含め、機器の修理や交換にかかる費用はかなり高くなる可能性がありますが、点検の頻度を考慮する必要はありません。状態監視は継続的にデータを生成し、オペレータは傾向を監視し、迅速に機器の問題を把握できます。これにより、費用を削減し、機器の稼働時間を増やせます（参照：AIChE、CEP、2017年8月）。
状態監視がメンテナンスおよび修理費用に与える影響
電気公益事業でのセンサーの使用
サーマルカメラは、赤外線を収集することで、ごくわずかな温度差を検出し、様々な色を使用して電子画像を作成し、これらの温度差を示すことができます。いくつかのサーマルカメラの例は、すでに議論されています。さらに、これらのセンサーは、電気接続の緩みや腐食、漏電などを探すためにも使用できます。抵抗が増大すると、熱が蓄積し、接続点での摩耗が加速すると、機器が損傷する可能性があります。IRセンサーは、寒冷期の暖房の無駄遣い、暑い時期のACの余分な出費につながる構造物の断熱性の不良を発見することができます。
溶解ガス分析（DGA）センサーは、ガスクロマトグラフィーによる油汚染物質を調べることで、変圧器の動作状態を監視するために使用されます。断熱材は、時間を経て分解する際にガスを放出するため、組成分布は状況のレベルと重大度を示します。DGAは、保留中の障害を発見し、変圧器の障害を回避するための予防保全プログラムの一部でなければなりません。
振動センサーは圧電センサーまたは加速度計とも呼ばれ、特定のシステムにおける振動の量と頻度を測定します。これらは、機械の障害につながる可能性のある状態を示す変更を探します（ベアリングやギアボックスの故障が始まっているなど）。
電流センサー（変流器またはCTとも呼ばれる）は、ワイヤーまたはシステムの電流の流れを点検して、電流が高すぎるか低すぎるかを認識し、必要に応じて制御システムまたはアラームをトリガーするために使用されます。
電圧センサーは、電圧源を監視または測定し、回路の消費電力を計算するために使用されます。負荷や障害を検出し、電力需要を制御し、停電を検出できます。
漏電センサーは、低振幅の漏電（電気システムからの低抵抗の接地経路の断線。これにより、電流は、人間のオペレーターを介するなど、代替経路をとることがある）を見つけます。これらは、アラームをトリガーしたり、回路を切断して機器をシャットダウンしたりすることで、人を重傷事故や死亡事故から守ったり、機器を損傷から守ったりします。
相対空気速度センサー（風速計）や湿度センサー（湿度計）などの気象センサーも役割を果たします。
ビデオカメラは、コンピュータネットワークにアップロードされる重要な情報を提供することができます。特定の資産にビデオカメラの照準を合わせることで、ゲージをリモートで読み取ることができます。また、スイッチを表示して、正しい開閉位置にあることを確認できます。重要なデータを提供しながら、リモート施設への身体的アクセスの必要性を減らすことで、従業員の安全性が向上します。動体検知は、環境要因によるシステムの損傷を記録できます。リモートサイトに到着する前に問題を視覚的に調べることで、より準備されたソリューションを講じることができます（参照：Inframation Conference Archives – Infrared Training Center（ITC））。
例として、天気が送電網に及ぼす影響を考えてみましょう。送電網の状態監視を使用することにより、センサーは、問題が発生する前に事前に問題を修正するのに十分な情報を電力会社に提供できます。このようにして、送電網が正常であるため、天候が問題や停電を引き起こす可能性は低くなります。送電網がどれほど強力であっても、ハリケーンなどの大規模で強力な嵐がインフラを破壊することがありますが、状態監視により、電力会社は修理プロセス中にリソースに優先順位を付けることができます。嵐、風、破片による発電所の上部構造の損傷を遠方から画像化して、検査官を潜在的な危害から保護することができます。
最後に、センサーを使用して、電気インフラを破壊行為から保護することができます。セキュリティ用の赤外線カメラ、ビジュアルセキュリティカメラ、フェンスシェーキングセンサー、レーダー、その他のセキュリティセンサーを使用して、サイトへの不正な侵入を警告できます。
次の例を考えてみましょう。2009年に米国エネルギー省が開始したスマートグリッド投資助成（Smart Grid Investment Grant：SGIG）プログラムの一部です（参照：DOE, Distribution Automation: Results from the SGIG Program、2016年9月）。スマートグリッドを設置した助成プログラムに参加している電力会社3社について、平均停電継続時間指標（SAIFI）の展開前のベースラインに対する改善率を以下に示します。スマートセンサーの使用により、電力供給サービスの中断頻度が減少しました。
スマートセンサーに起因するサービス中断削減の改善率
同じSGIGプログラムからの2つ目の図は、送電網でスマートスイッチとスマートメータを使用することの影響を示しています。暴風雨の後、下に示すように、これらの慣行により、影響を受けた顧客への電力の回復がはるかに速くなりました。スマートスイッチが負荷を、まだ影響を受けていない回路に転送することで、他の顧客に集中することができ、電力をはるかに迅速に復旧できるようになったことで、ほぼ半数以上の顧客の電力が即座に復旧されました。
スマートテクノロジーを導入することで停電時間を回避
これらのセンサーを1つのネットワークに迅速かつ効率的に接続するにはどうすればよいでしょうか？
スマートセンサーとオンサイト状態監視をまだ使用していない場合、電力会社はどのような問題や障害に直面していますか？ 多くの利点があるにもかかわらず、状態監視を導入するのは高すぎるのかもしれません。現在の利用できる技術に基づいて、スマートセンサーの設置、既存のセンサー、ソフトウェア、コンピュータネットワークとの統合、オペレーターのトレーニングに伴う追加コストを、正当化できない場合があります。
しかし、このシナリオに対応する新しい技術を利用できるようになっています。このような措置を取る前に、電力会社は以下の質問に答えることが重要です。
- データの蓄積 – 必要なデータを得ているか？
- データの処理 – データを分析してそれをもとに措置を講じる頻度と早さはどのくらいか？
- 全体的なパフォーマンス、効率性、生産性、収益性、安全性、品質、信頼性を改善するために、もっと多くのデータを蓄積できるか？
- より多くのデータやセンサーが必要な場合、どうすれば簡単にそれができるか？ 一部の電力会社の答えは以下のようなものかもしれません。
- 既存のシステムは、様々なタイプのセンサーからデータを収集し、そのデータを当社の資産管理システムで使用可能な形式に変換し、現地の機器制御システムにフィードバックを提供できます。
- 会社は、オンプレミスまたはクラウドのいずれかで、機器からデータを収集して「データレイク」にデータを集結させます。
- そのデータは、高度なソフトウェアを使用して分析され、パフォーマンスの向上、メンテナンスコストの削減、資本経費の削減に使用されます。
電力会社が直面する最大の困難は、さまざまなベンダーからの複数のセンサー（特にスマートセンサーではないセンサー）からのデータを独自のソフトウェアプラットフォームに統合することです。
これらのセンサーを単一のネットワークに接続するには、いくつかの側面を考慮する必要があります（参照：DIANOMIC, Edge 4.0 Features, Function and Business Requirements, 8-02-2021）。
- ユニバーサルなデータ取得 – 電力会社は、既存のツールであるか将来の購入であるかにかかわらず、またメーカー、クラウドプロバイダー、ソフトウェアツールキットに関係なく、すべての資産からデータを取得する必要があります。
- ユニバーサルなデータ統合 – フォーマットに関係なく、レガシー、現在、将来のシステムについて、すべてのデータセットを受け入れ、フィルターをかけ、処理する必要があります。
- データ移行&OT/ITの収束 – 電力会社がデータの取得と統合に成功したら、このステップは完了し、システムが近代化されるにつれて、レガシーシステムと新しいシステムの両方からのデータを処理できるようになります。
- 複数のクラウド／ハイブリッドクラウド／複数の統合方法 – 適切なセキュリティを提供し、プロバイダー間の通信を可能にしながら、ソリューションはすべてのクラウドプロバイダーと連携できなければなりません。
- クラウド間の統合 – クラウドプロバイダー間、クラウドとオンプレミスのデバイス間の高速で信頼性の高い通信も可能にする必要があります。
- 複数のデータタイプ – ソリューションは様々なタイプの時系列データ、振動データ、ビデオ、熱放射測定データなどを検出、処理、統合しなければなりません。
- 分散型エッジベースのML/AIライフサイクル – 複数のタイプのデータを並行して収集し、適切な分析ツールに送信できなければなりません。コード／ローコード／ソースコードアプリケーション開発 – ソリューションはエンジニアリング、運用、保全、IT、管理の様々なスキルセットに対応し、すべてのレベルがシステムを使用できるようにする必要があります。
- スケールアップとスケールアウトの管理 – システムを制御しつつ、様々なエッジアプリケーションと構成、様々な資産とデータソースを管理する必要があります。
- ベンダーロックがない – オープンソースで、様々な機器、クラウド、方法で通信できるようになります。
現在、1つのソリューションがあります
FLIR BridgeはIIoTエッジゲートウェイで、さまざまなメーカーのサードパーティ製センサーを共通の産業用ネットワークと接続する、業界初のトータルソリューションを提供します。Bridgeは以下のタスクを実行します。
- 収集
- 変換
- 通知
Bridgeは複数のセンサーからデータを収集してひとつのハブに集結させます。エッジゲートウェイを提供する競合デバイスもあります。しかしながら、それらは独自のセンサーからのみデータを収集します。FLIRのBRIDGEは、FLIRスマートセンサーカメラとその他のタイプのセンサーの両方からデータを収集し、共有ネットワーク上でこれらのセンサー／カメラを自動的に検出します。
Bridgeは、強力な分析ツールを利用して、エッジでアラームとアラートを作成することで、受信するセンサーデータを変換します。分析ツールには、組み込みソフトウェア、およびカスタムコード、カスタム機械学習モデルが含まれています。処理済みデータ、生データ、またはその両方を同時に組み合わせた柔軟なアウトプットを提供します。
Bridgeは、複数のセンサーと、OSI PI HistorianやOPC UAなどの業界標準の状態監視ソフトウェアプラットフォームを含む、20以上の一般的な産業資産監視システム間の通信を可能にすることで情報を提供します。柔軟なデータルーティングとレポート機能を提供し、意思決定へのサポートを最適化し、複数のオンプレミスとクラウドの送信先にデータを同時に配信します。
次の図は、IIoTエッジゲートウェイの仕組みを示しており、赤外線カメラやその他のセンサーからデータを収集し、分析ツールを導入して変換し、結果をさまざまな資産監視システムに転送することでユーザーに通知します。
結論
電力会社は電力の流れを維持する必要があります。電力供給の混乱は、顧客満足度と損害賠償の両方の面で大きな影響を及ぼします。電力機器の保全は、点検と監視が重要な役割を果たす中で最優先事項です。予防保全策を講じることで、予期しない障害を待っているよりも、修理コストがはるかに安価になります。
電力会社は、ハンドヘルドカメラで定期的な現場点検を実施するのではなく、固定式サーマルセンサーを備えた監視システムに移行しています。これにより、定期的に単一のスナップショットを分析するのではなく、データが常に流れるようになります。
電力会社には、漏電、暴風雨による損傷、その他のサービス妨害要因を継続的に監視するためのスマートサーマルカメラやその他のセンサーが必要です。目標は、状態監視により、施設、発電所、変電所の効率改善、業績の最適化、予期せぬ障害の回避を支援することです。
様々なタイプのセンサーから信頼性の高いデータを取得し、複雑なコーディングのコストや時間をかけずに、ネットワークに安全かつ簡単に統合することが重要です。
あらゆるセンサーからのデータを電力会社の資産管理システムに簡単に統合できる新しいテクノロジーを利用できます。これは、スマートセンサーからのデータやデータ処理能力のないセンサーからの生データを処理して通信を可能にします。このエッジゲートウェイは、継続的にリアルタイムのデータを提供することで意思決定サポートを最適化します。
