こうえいフォーラム第 30 号 / 2022.3

N-1 電制システムの開発
DEVELOPMENT OF N-1 POWER SUPPLY RESTRICTION SYSTEM

小野 正幸*・山内 誠也*・若月 雄貴*・鈴木 道人**

Masayuki ONO, Seiya YAMAUCHI, Yuki WAKATSUKI and Michihito SUZUKI
In recent years, the domestic needs to interconnect renewable energy sources to electrical grids
have been increasing. As one of the methods to accelerate application of the renewable energies,
there is an N-1 power supply restriction system that can increase the amount of interconnection
from multiple power sources by utilizing existing facilities. In this paper, we describe the detailsof our development of N-1 system that exploits IP networks and is low-cost, highly reliable andscalable.

Keywords ： N-1 power supply restriction system, renewable energy resource, transmission
line overload, transformer overload, protection relay, penetration test

1. はじめに
近年、再生可能エネルギー電源の増加に伴い、電力系統への連系 ニーズが大幅 に拡大している。しかし、電力系統 の空き容量が不足 する場合には、送電線などの系統増強が必要となり、設備増強に係る多額の費用や工期の長期化といった問 題 が発 生 する。これらが再 生 可 能 エネルギー電 源 導 入拡大への障壁となっている。
我 が国 では、既存 設備 を最 大限 活 用 することで電 源 の連系量を拡大する「日本版コネクト&マネージ」という政策を進めており、その取り組みの一つが「 N-1（ エヌ・ マイナス・ イチ） 電

図－1 従来の送電線運用制」である。送電線は 2 回線を 1 組として設置されているが、送電線１回線や変圧器１台など電力設備の単一故障を「N-1故 障 」 という。これまでの送 電 設 備 の系 統 運 用 ルールは、万一の N-1 故障に備え、1 回線分の設備容量を電源接続の上限とする運用であった（図－1 参照）。しかしながら、これでは常に半分（2 回線のうち 1 回線分）の設備容量を空けておくことになり、運用効率が悪い。これに対し、「N-1 電制」とは、N1 故障の発生時に、瞬時に電源を制限することを前提に、これまで空けていた 1 回線分を使用することで、平時の送電運用容量を拡大する仕組みである（図－2 参照）。
本論文では、このような再生可能エネルギー導入拡大へ向けた取り組みとして、関西電力送配電株式会社と共同で実施
した N-1 電制システムの研究開発について述べる。
*
エネルギー事業統括本部 パワー＆デジタル事業本部 システム事業部 制御装置部**
エネルギー事業統括本部 パワー＆デジタル事業本部 営業統括部 システム営業技術部

図－2

N-1 電制の送電線運用
1

N-1 電制システムの開発

2. 開発方針
N-1 電制システムは、多数の発電設備を同時に制御する必 要 があり、系 統 連 系 する発電 事 業 者 が増 加 していくことを想定すると、低コストかつ拡張性の高いシステムとする必要がある。さらに N-1 故障後、確実に電源制限を行う必要があり、運 用システムに高い信頼性 が求 められる。しかし、関西電力

制限装置

送 配 電 株 式 会 社 の既 存 の電 源 制 限 装 置 は信 頼 性 が高 いが、少数の発電設備しか制御できず、システム構築費用が高額であるという課題があった。
そのため、IP（ Internet Protocol） ネットワークを活用した低コストで拡張性や信頼性が高い N-1 電制システムを開発する方針とした。
さらに、昨今問題になっている電力システムなどの重要インフラを狙 ったサイバーテロなどの攻 撃 に対 応 したセキュリティ確保を条件とした。

検出装置・演算装置(例：1 面構成)
図－4 検出装置、演算装置、制限装置

3. N-1 電制システムの装置構成（1） システム構成（3） 演算装置

今回開発した N-1 電制システムは、変電所に設置する検演算装置は変電所に設置され、検出装置から過負荷情報出装置および演算装置と発電事業者側に設置する制限装置を受信し、制限装置に対して電源制限の優先順位設定に基から構成する（図－3 参照） 。各装置間の情報や指令は、IPづき、遮断指令を送信する装置である。最大 5 台の検出装置ネットワークを介して伝送が行われる。と最大 20 台の制限装置を接続可能とする。

検出装置、演算装置、制限装置の外観を図－4 に示す。

その他、変圧器過負荷時に、制限対象発電所の遮断器を一 斉遮 断 する機能 などを具備した。演 算装 置 の装置 仕様 を（2） 検出装置

表－2 に示す。

検出装置は変電所などに設置され、送電線や変圧器から最大 3 要素（回線 1～3）の単相電流を取り込み、電流が過負荷整定値を超過した場合、その情報を演算装置へ通知する装置である。検出装置の主な装置仕様を表－1 に示す。

表－1
項目
外形寸法（mm）

検出装置 主な装置仕様

仕様・機能
W700×H2,300×D450 ※ 1
W350×H2,300×D450 ※ 2※1 演算装置と同一盤※2 検出装置単体

装置構造
検出要素

バックアップ
遮断出力自立構造、前後面保守構造
・過負荷検出 3 要素
単相入力、三相入力（オプション）
・潮流検出（オプション）
最大 2 点表－2
項目
外形寸法（mm）

演算装置 主な装置仕様

仕様・機能
W700×H2,300×D450 ※1
W350×H2,300×D450 ※2※1 検出装置と同一盤※2 演算装置単体

装置構造
電制出力

自立構造、前後面保守構造
・順序遮断 ※3・一斉遮断※3 遮断順序は設定値で指定

対向接続数

図－32N-1 電制システム構成

検出装置 5 台
制限装置 20 台

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表－3項目
外形寸法（mm）
装置構造
遮断出力制限装置 主な装置仕様

仕様・機能
W480×H198×D276
ユニット構造・無電圧リレー接点出力（4） 制限装置
制限装置は発電事業所側に設置される。演算装置から遮断信号を受信することにより、発電事業者側の制御盤へ無電圧接点で遮断信号を出力する装置である。発電事業者側の制御盤では、制限装置からの遮断信号を基に遮断器を開放

図－6 変圧器過負荷時の基本動作することで発電所を系統から切り離す。制限装置の装置仕様
を表－3 に示す。

4. N-1 電制システム仕様（1） 送電線過負荷時の基本動作
送電線の N-1 故障時に過負荷を検出した場合には、図－5 に示すように制限対象発電所の遮断器を順番に遮断し、対象 発 電 所 の電 源 制 限 を行 う。送 電 線 の過 負 荷 が復 帰 すれば、それ以上の遮断信号出力を停止することで、過剰な電源制限を行わない仕組みとしている。
図－7 バックアップ遮断の動作（2） 変圧器過負荷時の基本動作
変圧器の N-1 故障により変電所の変圧器が過負荷となり、（3） バックアップ遮断

変 圧 器 保護 リレーが動 作 した場 合 、停 電範 囲 が拡 大 する可N-1 電制システム停止や発電所の遮断器不応動、各装置能性がある。そのため、図－6 に示すように制限対象発電所間の通信障害発生などにより、過負荷が一定時間復帰しないの遮断器の一斉遮断を行い、変圧器保護リレー動作より先行場合に検出装置から送電線の遮断器を開放させるバックアッして対象発電所の電源制限を行う。

プ遮断機能を具備した（図－7 参照）。これにより、N-1 電制システムでは過 負 荷 状態 が復 帰 できない状 況でも変 電 所 の遮断器を開放することで、強制的に過負荷を復帰させ、送電線・変圧器の設備損傷のリスクを回避させる。

5. 低コストで拡張性と信頼性の高いシステムの実現（1） 低コスト化の実現
高 い信 頼 性 を確 保 しながら、低 コストを実 現 するための方策を以下に示す。
1) 過負荷情報の IP 伝送化
検出装置から演算装置への過負荷情報通知を IP 伝送で
図－5 送電線過負荷時の基本動作

行 うことにした。これにより従 来 のデジタル信 号 による通 知で必要であった DI（Digital Input）や DO（Digital Output）などの入出力部品 を削減し、検出装置および演算装置の小型化を図った。その結果 1 面での実装が可能となった。
2) ハードウェア共通化
演算装置は、遮断信号送出順の演算 が主機能であり、電流 計 測 のように専 用 のハードウ ェアを必 要 としない 。そのた3

N-1 電制システムの開発
め、演算処理を行う CPU（Central Processing Unit）基板

2) 個別の装置ロックを他の製品から流用し共通化することで、スケールメリットを活

発 電事 業者 における点検 などの作 業時 にシステム全 体をかした製造が可能となり、製造コストの低減を図った。

停止 することなく運転 を継続 させるため、制限装置単 位 に使

3) 制限装置のハードウェア簡素化

用・ロックを設定できる機能を演算装置に具備した。

本システムでは N-1 故障発生時に、検出装置で送電線や3) 電源制限順序の設定変更変圧器から取り込んだ電流を基に過負荷検出を行っている。

現行の運用方法では、N-1 故障発生時に後から系統に連そのため、発電事 業者ごとの発電 量を計測する必要 がなく、系した発電事業者から電源制限を行うことを基本としている。

制限装置の電流要素取り込みを省略した。

今後は、N-1 電制適用ルール変更なども考えられるため、そまた、制限装置は、演算装置からの遮断信号を受信後、発電事業者の制御盤に対する遮断出力を条件に、演算装置への場合の運用も考慮して、電源制限を行う順序を設定で変更可能とした。

応答信号を折り返す仕様とした。これにより、通信回線障害や制 限 装 置 故 障 による発 電 所 の遮 断 失 敗 を演 算 装 置 で検 出（3） 信頼性の確保することができるようになり、制限装置での遮断器状態取り込

1) 伝送の二重化みを省略することが可能になった。
このように N-1 電制を運用する上で必要な機能を整理することでハードウェアを簡素化し、コスト低減を図った。

各装置間の情報の受け渡しは、IP 伝送で実施するため、通信回線が切断されると N-1 故障発生時に発電事業者へ遮断 指 令 が届 かず発 電 所 の電 源 制 限 ができなくなる。そのため、通信回線を二重化して、N-1 故障発生時かつ通信回線（2） 拡張性の実現
N-1 電制システム導入後に検出装置や制限装置の追加やが 1 回線切断されても発電事業者へ遮断信号を通知できるようにした。また、通信回線切断が発生した時は、外部接点出運用方法変更などに容易に対応できるように、以下の機能を力を行い、回線異常通知を可能にした。

実装して拡張性の向上を図った。

2) ハードウェア単一故障による誤動作防止

1) 試験機能

検出装置は過負荷の検出およびバックアップ遮断を行うた

N-1 電制システムに検出装置や制限装置を増設後、シスめ、ハードウェア故障時にミストリップが発生すると系統運用へテム全体を停止せずに動作確認を行うことができる試験機能影響を与える。そのため、ハードウェアの単一故障によるミストを実装した。

リップを防止するために、メインリレーとフェイルセーフリレーの

図－8 に示すように演算装置から検出装置に対して試験制御要求を行い、検出装置は要求受信後に演算装置に対して試験モードの過負荷情報を通知する。演算装置は試験対象の制限装置へ試験モードの遮断指令を送信し、制限装置では実 際 の遮 断 信 号 出 力 は行 わず、演 算 装 置 へ遮 断 指 令 を返送する。演算装置は、制限装置から遮断指令返送を受信することで、一連のシステム動作が正常に終了したことを認識

二重化構成とし、不要動作の防止を図った。
3) 伝送遅延時間測定機能
各装置間の情報の受け渡しを IP 伝送で実施するが、装置を設置する場所の通信回線の状況によって伝送時間が変化する可能性がある。そのため、検出装置と演算装置間、制限装置 と演算装置間 の伝送時間 を測定 する機能 を実装 し、通信回線の状況を確認できるようにした。

する。このように各 装置間 の処理 シーケンスを疑似 的 に実行することで、システム全体を停止せずに動作確認を行うことを可能にした。

（4） セキュリティの確保
本システムに万一、コンピューターウイルス感染やサイバーテロなどが発 生 した場 合 、電 力 の安 定 供 給 に多 大 な影 響 を及ぼすことから、各 種セキュリティ対 策 を実施 した。主 な対策
内容を以下に示す。
1) 不使用ポートの物理的ロック
通常使用しない Ethernet ポートは、物理的にロックすること で 不 正 使 用 の 防 止 を 図 っ た 。 ま た 、 USB （ UniversalSerial Bus）ポートは、セキュリティ上のリスクにつながるため、本システムでは不使用とし、未実装とした。
2) 無関係な IP アドレス、プロトコルによるアクセス防止検出装置、演算装置、制限装置にはそれぞれ対向接続先

図－8 試験機能概要
4の IP アドレスを設定し、設定以外の IP アドレスから受信した

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情報は破棄する仕様とした。使用しないプロトコルについては該当する通信サービスを停止することで無関係なプロトコルのアクセスを防止した。実装した機能を評価するため、Tenable®社の Nessus でシステムの脆弱性を検証するペネトレーションテストを実施し、リスク 0 件という良好な結果を確認した。
3) ホワイトリスト機能
本システムを構成する装置の OS（Operating System）には 、 組 み込 み シス テ ムで 広 く使 用 さ れ てい る RTOS（ RealTime OS） と汎 用 OS を採 用 した。本 シス テムで採 用 した
RTOS ではアプリケーションのインストールのように動作中にプログラムを追加することができない。そのため、コンピューターウイルスやマルウェアの侵入を防ぐことが可能である。汎用OS では動作中にプログラムを追加することができるため、ホワイトリスト機能を実装した。ホワイトリスト機能は、実行させるプログラムをあらかじめ定義しておき、定義されていないプログラムをすべてブロックすることでコンピューターウイルスやマルウェアの侵入を防ぐ機能である。

6. おわりに本研究では、開発方針で示した IP ネットワークを活用した低コストで拡張性や信頼性が高い N-1 電制システムを新規開発した。
本 システムは関 西 電 力送 配 電株 式 会 社 の特 別 高 圧系 統で運用 され、再生 可能 エネルギー電源 の導入 拡大 における電力の安定供給に大きく貢献することが期待される。
謝辞： 本 稿 の 作 成 に あ た り 、 関 西 電 力 送 配 電 株 式 会 社
電 力 システム技 術 センターの皆 様 方 からご指 導 、ご助 言 をいただきました。この場 を借 りて厚 く御 礼 を申 し上 げます。
参考文献1)

知花包章、三井秀太郎、乾貴行、小野正幸、山内誠也：N-1 電制シ
ステムの開発研究について、電気学会研究会資料

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