こうえいフォーラム第９号／２００１．１

ＷＡＮを用いた大規模監視制御装置の開発
DEVELOPMENT OF THE WIDE AREA MONITORING SCADA SYSTEM USED WAN

石田哲史*・曽根教博*・高橋智史*・岡本賢治**
Tetsushi ISHIDA ，Norihiro SONE ，Satoshi TAKAHASHI and Kenji OKAMOTO

Because of added functions and an increase of data by the extended field of observation,
earlier performance is not provided on SCADA system in case of accidents are need of
immediate restoration in electric facility
Therefore, high efficiency SCADA system using new information processing technology isdeveloped as redevelopment of the SCADA system has been demanded.
The following are technical presentations for development of the high efficiency SCADA
system installed in Tokyo Electric Power Co., Inc.
・Development technology utilized WAN for distributed system
・The promotion for efficient development technology by prototype technique・Development of control systems utilized ROM based UNIX system
Key Words : SCADA system, distributed system, WAN, ROM based UNIX system

１．は じ め に向にある。

電力系統監視システムは、監視規模の拡大に伴いデータ開発に際しては、電力需給監視の要である給電所の運用量の増加と機能の追加がなされてきた。これにより、電力状況調査も踏まえ、次世代に向けた監視・制御システム開設備事故の発生時など迅速な復旧操作が必要な場面におい発のモデルとなるべく、新技術の導入による短工期、低コて、所期のシステム性能が得られなくなってきている。

スト、高信頼性を確保したシステム開発を実施した。

さらに、給電所より操作を行う場合、様々なシステムが階層的に連携することで機器の監視・制御を実施している

ここではこれら開発時に導入した技術についての紹介を行う。

が、システム連携が大規模になるにつれスループットが低下し、給電所からの操作応答性能を悪化させている。

２．システム開発の概要

そのため、高性能な監視制御システム（SCADA）の構築（1）要 求 仕 様が求められ、新たな監視制御システムの開発を実施した。
開発は、東京電力㈱将来構想の一環として東京東給電所をモデルに実施した。
東京東給電所は、その名の示す通り、東京の東側地域７東京東給電所管内をシステム化のモデル地域として、監視・制御に必要な要求仕様の立案を実施した。
1）監視・制御範囲から想定される監視・制御規模の最大値

区（荒川区、墨田区、江東区、葛飾区、足立区、江戸川区、モデル事業所となった東京東給電所は、５ヶ所の総合制台東区）の電力系統コントロールを実施し、近年の臨海副御所管内の変電所の監視と、操作に関する指令を実施して都心を中心とした開発などで、その需要量は今なお増加傾いる。そのため、仕様上想定される監視・制御規模を、総合制御所に設置される変電所集中監視制御システム（以下＊＊＊㈱日本工営横浜事業所 第二制御システム部
生産事業部 第一営業技術部

変電システムと記載）の監視・制御仕様の５倍とし、以下にその仕様を示す。

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ＷＡＮを用いた大規模監視制御装置の開発

そのため、変電システム正常時にも制御が行える並行監

最大監視変電所数
60変電所× 5 ＝ 300変電所

視を念頭においた監視制御方式を新たに策定した。

（送電用変電所・配電用変電所）

3）最新情報処理技術とネットワーク技術を利用したシス
テム開発

最大監視TC子局数
75TC× 5 ＝ 375 TC（CDT TC・HDLC TC）
最大監視機器数

電力系統を監視・制御するシステムは、リアルタイム処理を行う情報量が多く、さらにシステム動作に高い信頼性

48000機器× 5 ＝ 240000機器が求められる厳しい仕様条件で製作されていた。このような条件により新しい技術の導入がし難い環境にあった。し2）監視・制御に必要な性能指標

かしながら、近年は様々な情報処理技術が普及するに従い、前記仕様より、膨大な情報量を監視対象とするが、事故低コストで信頼性の高い情報処理が可能となった。そのた時の早期復旧操作対応を目的とするため、監視や操作に関め、これら新技術を利用した次世代に向けた監視・制御装して、処理性能を厳密に規定する必要があった。そこで、置開発のモデルとして、以下の技術導入を実施した。

事故状況把握・事故復旧操作に最低限必要な時間を表−１

・WAN網を利用したクライアント・サーバー（以下C／Sと記載）方式による監視制御に示す通り設定した。
また、災害を前提とした瞬時広域事故時の対応を考慮し、・インターネット技術を用いたWAN網の構築

同時状変発生時のシステム動作仕様を限界性能として設定

・プロトタイプ開発技術の導入した。限界性能は、事故の想定上、事故状況把握を優先し・情報フォーマットの標準化て、厳密に時間を規定するのではなく、システムの動作を4）運用効率の向上を目指したメンテンス方式

保証する仕様として、 全変電所、全状変（240000状変）監視・制御システムは、情報処理の高度化により、多量同時発生時における処理継続の確保および、 著しい処理の遅れがないこと とした。のデータを必要とし、様々な監視・制御システムが異なるデータを使用していた。このため、機器の増設や改修の都度、それぞれのシステムでデータ変更を実施する必要があ（2）短工期、低コスト、信頼性確保を念頭に置いたシステ
ム開発
1）既設設備を活用したシステム構築

り、データ作成作業、データ入れ替え作業が頻発し、シス
テム運用コストを押し上げる原因となっていた。
給電所直接操作装置は、変電システムで使用するデータ実質開発工期が６ヶ月程度であることから、システム開にて動作を可能とし、TC親局装置を含め、TC子局連係に発による他装置・他システムへの影響を防ぐことを考慮し関係する装置間においてデータの共有化が可能な方式とした。すなわち連係インターフェイスの改修を伴わないシスた。

テム構築を実施することにより短納期とシステム全体でのコストダウンを図り、TC親局装置を利用したTC子局連係

３．システム構成方式とした。

図−１にシステム構成を示す。

2）変電システムと給電所直接操作装置との並行監視制御
TC親局装置は変電システム異常時のバックアップ装置として設置され、変電システム異常時に制御が実施できるよう設計されていた。

４．WAN網の設計
WAN網は給電所と各総合制御所間のデータ伝送の要であることから、使用系WAN回線と回線ダウン時のためにバックアップ系WAN回線を具備することとした。それに

表−１ 事故状況把握・事故復旧操作の性能管理時間

併せてルータおよびリピータも２重化し信頼性の高いWAN網を構築した。WAN回線の伝送速度はルータ等の製品選定に幅を持たせ、安価なWAN網構築を行うため、一般公衆回線（ISDN等）で使用されている伝送速度を基本とした。
（1）C／S間の送受信データ量確認によるWAN回線の伝送速度設定
一般公衆回線（ISDN等）で使用されている伝送速度を基本とするため1.5Mbps〜64Kpbsを前提とした。前提とし

44こうえいフォーラム第９号／２００１．１

東京東給電所13:00

卓ネットワークＬＰ
１系

ハードコピー

ＡＮ端末

光ﾘﾋﾟｰﾀ

給電所直接操作装置（マンマシン）

２系
給電システム光ﾘﾋﾟｰﾀ

ＯＰ端末
１０Ｂａｓｅ５１０ＢａｓｅＦＬ

光ﾘﾋﾟｰﾀｽｲｯﾁﾝｸﾞ HUB

光ﾘﾋﾟｰﾀ

１０Ｂａｓｅ５

パケット網
（ＤＸ）

ＡＡ

Ｂ

ルーター１系

ルーター２系

ルーター１系

ルーター２系

変電システム
（２系）

ＴＣＡ

ＴＣＡ

ルーター２系

ルーター１系

ルーター２系

ＷＡＮ網（１．５Ｍ）

Ｂ

変電システム（１系）

ルーター１系

ルーター１系

ルーター２系

ルーター１系

ルーター２系

光ﾘﾋﾟｰﾀ光ﾘﾋﾟｰﾀ光ﾘﾋﾟｰﾀ光ﾘﾋﾟｰﾀ

１０ＢａｓｅＦＬ

光ﾘﾋﾟｰﾀ

１０ＢａｓｅＦＬ

光ﾘﾋﾟｰﾀ光ﾘﾋﾟｰﾀ

１０Ｂａｓｅ５

切替盤

ＥＷＳ部

ＴＣ親局装置

ＴＣＩＦ部

ｽｲｯﾁﾝｸﾞ HUB

ＴＣＤＸ

搬送Ａ端局

ルーター２系（６４Ｋ）
ルーター１系

ＡＢ

ルーター２系

葛飾総合制御所

ルータ

１０Ｂａｓｅ５ＩＤＦ
ＴＣＩＦ部

光ﾘﾋﾟｰﾀルーター１系

ＥＷＳ部

ＴＣ親局装置ルーター１系

分散型変電システム

ルーター２系

墨東総合制御所ｽｲｯﾁﾝｸﾞ HUB

ＴＣＩＦ

ＴＣＩＦ

ＴＣＤＸ

上野総合制御所

搬送Ａ

小松川総合制御所

ルーター１系

ルーター２系

中継所
搬送Ｂ端局

ＴＣ子局

・・・

搬送Ｂ

・・・

ＴＣ子局

・・・

・・・
図−１

花畑総合制御所

給電所直接操作装置システム構成図

図−１ 給電所直接操作装置システム構成図

た伝送速度で、表−１で設定した仕様を満足するかの確認を行った。

表−３より表−１で設定した警報および操作パネル釦フ
リッカー：２秒、および監視画面機器状態変化：４秒の性警報および操作パネル釦情報、スケルトン画面情報にて能指標を64Kpbsでも充分満足することを確認した。しか1.5Mbpsおよび64Kpbsの伝送速度で理論的に想定される伝しながら多量の印字データ伝送および広域事故時における送時間を表−２に示す。

多量のデータ伝送を考慮し、使用系WAN回線は余裕度を上記で求めた伝送時間を評価するため、EWS2台を設け、伝送速度は1.5Mbpsに設定した。

ETHERNETに接続し、LANアナライザーにより警報および操作パネル釦情報、スケルトン画面情報の伝送時間を実測した。表−３に測定結果を示す。

（2）WAN網の信頼性設計
WAN網の２重化を中心とした信頼性設計については以下を考慮した。

表−２ 警報および操作パネル釦情報、スケルトン画面情報の伝送
時間1）2重化光リピータ
リピータはEWS設置場所とルータ設置場所が別建屋（距離にして約１km）、別電源となったため信号絶縁の必要があった。そのため、伝送路に光ファイバーを使用した10BaseFL（光ETHERNET）を使用し、リピータも10BaseFL用リピータを採用した。
2）2重化ルータ

表−３ 警報および操作パネル釦情報、スケルトン画面情報の伝送に伴う伝送実測値

ルータで使用しているRIP（Routing Information Protocol）
方式による切替えを利用した場合、使用／待機切替えに数分かかるが、今回のシステム構築では、監視の連続性を保つため、異常時は数秒で使用／待機切替えを行う必要があった。そのため、専用のUDP（User Dataｇram Protocol）
データにより、互いに他ルータを監視する機能と、ＷＡＮ

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ＷＡＮを用いた大規模監視制御装置の開発経由のルータ間でも同様の監視機能を具備するホットスタ

置と記載）と変電システムの２つのシステムが対象となっンバイ型ルータを採用した。また、同ルータは使用／待機た。この２つのシステムは開発時の経緯により、具備するの２台で同一MACアドレスを使用してEWSと通信するた機能は類似しているものの、動作するプログラム群は全くめ、論理回線１回線、物理回線２回線となり、WANの２異なっていた。そのため、次の点に着目し比較検討を実施

重化を意識しないプログラムの構築が可能となった。

した。

3）スイッチングHUB
光リピータ故障時にルータ監視用のDUP情報が伝送不能

比較検討項目となる。そのため、使用／待機系ルータのETHERNET間・仕様具備のためのプログラム改修量にスイッチングHUBを接続し、スイッチングHUBポート・メンテナンス性間のSTP（Spanning Tree Protocol）機能を使用する。STP機・機能拡張性能はスイッチングHUBポート間でBPDU（Bride Protocol
Data Units）データ監視により伝送路の異常監視を行い、比較検討の結果、表−４に示す通りプログラム改修量、異常時にはポート間でデータを通過させる。この機能によ

メンテナンス性、機能拡張性に関して変電システムから必り光リピータ異常時（BPDU異常）に、スイッチングHUB要機能のみを抽出したプログラム構成をプロトタイプのモを経由した情報伝送を可能とした。

デルとし、図−２に示す手順にて開発を実施した。

4）ネットワーク監視機能
ルータの使用／待機状態およびスイッチングHUBポート状態はSNMP（Simple Network Management Protocol）機能により確認を可能とした。

（2）変電システムとの並行監視制御方式
現状の監視制御においては、TC子局が１つの上位局（変電システムまたは、TC親局装置）との連係しか考慮されておらず、切替スイッチの状態によって、どちらの上位５．システム開発（1）プロトタイプ開発の採用局がTC子局との連係を行うかを決定していた。
給電所直接操作装置は、TC親局装置を利用し、変電所従来、制御系ソフトウエアの開発手法としては、信頼性の監視・制御を可能としなければならないため、変電シス向上を目的としてウォータフォール型の開発手法が多く用テムとTC親局装置の並行運転が可能な方式とする必要がいられてきた。しかしながら、ウォータフォール型の開発あった。このため、TC親局装置の給電所直接操作装置化は、前工程が終了しないと次工程に入れないため、大規模に伴い、２つの上位局からTC子局に対して連係が行える開発においては工期が長くなってしまう問題があった。そ監視制御方式を検討した。のため、短工期、開発工数削減、信頼性向上に適した、プ

1）現状の監視制御方式によるTC子局連係上の問題点

ロトタイプ開発手法を採用することとした。プロトタイプ・切替スイッチの設定状態で、変電システムとTC親局開発手法は、パソコン系のソフト開発で、Windowsをはじ装置の制御権を切り替えており、現状の方式で給電所めとするオブジェクト指向技術により一般的な開発手法とからの操作を実施する場合、操作毎に手動で切替スイして定着している。

ッチの設定状態を変更する必要がある。

今回のようなUNIXを複数接続する大規模システムにお・給電所直接操作装置化TC親局装置と変電システム双

いては、プログラムコードが膨大となるため、プログラム方で制御を実施した場合、自装置以外の装置からの操流用率が低下し、プロトタイプ作成のための作業工数が大作が、操作状変か事故状変かの判断ができない。

きく、プロトタイプ開発の効果が現れにくいという問題が2）並行監視制御方式あった。

上述 1）の問題点に対応するために以下の方式を策定しこのため、以下によるプロトタイプ開発を実施した。

た。

・仕様検討初期時にプロトタイプ開発のベースとなるモデルシステムを決定した。
・仕様検討において、モデルシステムのプログラムアルゴリズムに影響を与える仕様を排除した。
1）プロトタイプのモデルシステムの決定
プロトタイプのモデルシステムは具備すべき機能により、本開発実施以前の既設TC親局装置（以下旧TC親局装46

表−４ プロトタイプのモデルシステム比較こうえいフォーラム第９号／２００１．１

係可能なように連係手順の標準化を行った。
1）オープン分散を可能とした標準化技術
次に市販流通ソフトを利用した標準化技術について述べる。
・給電所直接操作装置とTC親局装置をXプロトコルにて連係し、マンマシン表示処理はTC親局装置から給電所直接操作装置へのXプロトコルデータの伝送にて実現した。
・マンマシン表示用の警報および操作パネル釦情報は、送受信規約を制定してデータ構造の標準化を図り、TCP／IPプロトコルにて標準的な送受信を実施する方式とした。
・給電所直接操作装置に出力する帳票は、Postscript言語を使用し、印字レイアウトがプリンター機種に依存しない方式とした。さらに、印字データの送受信には、lprプロトコルを用いた。
図−２ システム開発手順（4）TC親局装置の処理性能の改善
・TC子局からTC親局装置と変電システムへ送られる監

従来のTC親局装置は、変電システムのバックアップ装

視情報については、同報情報が多く、現状の通信手順置としてHDLC TC子局の情報のみを処理する目的で製作においても全ての上位局で情報取得が可能である。こされていた。これに対して今回開発した給電所直接操作装のため、切替スイッチの状態に関係なく、監視情報の置は、HDLC・CDT TC型式に関係なく全ての機器情報の検出を全ての上位局で実施するようにした。

監視・制御を実施する必要があり、TC親局装置に連係す・TC親局装置と変電システムからTC子局へ送られる制るTC子局が従来の倍以上の規模となることが想定された。

御情報については、先に制御情報を出力した装置が制そのため、給電所直接操作装置対応に合わせ処理性能の改御権を取得し、自動的に切替スイッチの設定状態を変善を実施した。

更する方式とした。

性能改善においては、扱う情報量から、倍以上の性能改・TC親局装置が変電システムからの操作を判別するた善を実施する必要があった。性能改善は、ハードウエアとめ、自装置以外の装置の操作情報を検出するようにし、ソフトウエアの両面にて実施した。ハードウエアの性能改自装置以外の装置からの操作も、操作状変として判断善は倍以上の処理性能を持つCPUを適用した。そして、ソできるようにした。

フトウエアの性能改善はTC親局装置を構成するEWS部とTC Interface部（以下TCIF部と記載）との処理を見直し、（3）クライアント・サーバー方式による監視・制御処理負荷の適正配分を実施することで性能改善を実現し仕様より監視・制御情報が膨大なため、１台のHOSTコた。また、画面表示・帳票編集などの主処理を実施するマンピュータで情報を処理する方式であると、HOSTコンピ

ンマシン用EWS部については、従来の32bit型のCPUからュータを非常に高性能な装置とする必要がある。このため、64bit型のCPUへ変更し、主メモリの大幅増設を含めI／O

給電所直接操作装置は、複数の制御所のTC親局装置と処理の高速化を実施した。

WAN網で接続し、TC親局装置をサーバー、給電所直接操作装置をクライアントとしたクライアント・サーバー方式による分散システム構成とした。
分散システムには、大きく分けて機能分散方式と負荷分散方式があるが、処理性能の向上を目的として、複数の（5）TC親局装置TCIF部の改良
上記（4）でも述べたように従来以上のTC子局と連係するため、TC親局装置TCIF部の改良が必要であった。そのため、TCIF部は以下の改良および性能向上を行った。

TC親局装置で異なる監視範囲（変電所）を管理する負荷・高性能ボードコンピュータの採用

分散の方式を採用した。さらに客先ニーズにより、クライ・リアルタイムUNIXの採用

アントとサーバーを提供するメーカーが異メーカーでも連・汎用Flash ROM Card利用によるシステム構築

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ＷＡＮを用いた大規模監視制御装置の開発

1）高性能ボードコンピュータの採用

表−５ 事故状況把握・事故復旧操作の実測性能

TCIF部のコンピュータの選定条件。
・TCIF部は旧TCIF部の改良であり、実装スペースも旧TCIF部（ボードコンピュータ）の実装スペースの流用となるため、ボードコンピュータを選定した。
・CDT TC子局連係による性能向上が必要であったた
め、CISC CPUボードより低コストで高性能なRISCCPUボード（CPU：PowerPC）を採用し性能改善を行った。
2）リアルタイムUNIXの採用
TCIF1台あたり最大25台のTC子局と連係するため、リアルタイム処理を具備したOSが必要となる。さらに、プロ
トタイプモデルとなるプログラムがUNIXシステムベース（2）総合評価
表−５に示す通り、処理性能については、仕様を十分にのプログラムであったため、UNIXベースのOSが必要であ満足することができた。さらに以下の効果が得られた。

った。以上よりOSはリアルタイムUNIX OS（Lynx OS）を

1）プロトタイプ開発における効果採用することとした。

・プログラムデバッグ時、プラットホームとなるモデル

3）汎用FLASH ROM CARDを利用したシステム構築

システムが既に完成しているため、実機上でのデバッ

本来UNIX OSはディスクシステムとして構成されるもクが可能となった。また、従来のデバックでは、他ののである。しかしながら、実装および現地運用を考慮して連係プログラムの完成を待ってから結合試験を実施す

本装置はディスクレスにする必要があり、以下の改造を実るため、連係プログラム間の工程調整が煩雑であった。

施した。

しかし、プロトタイプ開発では、連係プログラムの骨・ハードウェア
ROMは現地および社内での扱い易さを考慮して、汎格が既に完成しているため、煩雑な工程調整や、工程待ちを最小限にすることができた。

用PCMCIA準拠のFlash ROM Cardを使用することとし・機能試験において、プロトタイプモデルに組み込まれた。これにより、ソフトウェア改修があった場合、社ている機能については、詳細試験を実施する必要がな内でダウンロードしたカードを現地で差替える作業にく、試験工数の削減が図れた。て対応が可能になり、現地でのソフトウェア入換え作業の簡素化および短時間化が可能となった。
・ソフトウェア

・動作確認が完了したプログラムをベースとして改造を行ったため、改造部を中心とした動作確認試験が実施できた。

Flash ROM Cardはメモリイメージとなるため、メモリ2）オープン分散方式による効果をハードディスクイメージで使用可能（Memory File・Xプロトコルの利用により、給電所直接操作装置に監System）とするようOSの改造を行った。
この改造により、オンボードメモリもハードディスクイメージで使用可能となった。

視・制御用プログラムとデータを実装する必要がなくなったため、機器増設による装置停止がなく、運用コストを大幅に削減できた。

また、Flash ROM Cardは、write回数に制限があるため、・デファクトスタンダードを採用することにより、市販起動時はreadのみで使用し、オンライン処理時はオンボー

流通プログラムによるシステム構築が可能となり、プド上メモリの一部をハードディスクイメージとして扱い、ログラム製作工数の削減ができた。

read／writeが必要なFileはこのメモリ領域を使用することとした。

・監視情報表示処理をTC親局装置側で実施し、Xプロトコルによって画面表示のみを給電所直接操作装置で実施した。したがって、画面表示時は、画面表示に必要６．システム構築評価

な１画面分のデータのみ伝送し、全ての監視・制御用（1）性能評価情報をWAN網に流す必要がない。このため、大規模要求仕様に対して、システム構築後の性能評価結果を表−５に示す。

な広域災害によって大量の状変が発生しても、WAN網のネットワーク負荷が著しく増加せず、伝送遅延による処理遅滞を防止できた。

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こうえいフォーラム第９号／２００１．１

・従来異メーカー間通信においては、プロトコル試験をムを構成した実績は少ない。しかしながら、インターネッ実施するのが通例であった。今回の開発では、標準プトの普及により、ネットワークを軸とした情報交換に対すロトコルを採用することで、各メーカーが市販流通プるニーズが広がりつつあり、今後のシステム開発においてログラムを搭載でき、市販流通プログラムのマルチベ

避けられない課題であることを考えると、今回の開発事例

ンダ間の接続実績により、プロトコル試験を省略するは技術蓄積として非常に貴重な情報となった。

ことができた。

さらに、サーバーおよびクライアントの異メーカー間接続を可能としたことにより、自由に監視・制御対象地域を７．今後の課題と展望変更することができる。このため、監視・制御用WAN網（1）今後の課題の拡大により、非常に広範囲にわたる監視・制御も可能と監視・制御情報量に対し、給電所直接操作装置が１台しなり、大規模な地域災害などに対してWAN網の動作が保か存在しないため、情報出力装置が少なく複数名による並証される限り、健全な地域からのバックアップ監視が可能

行監視・制御が実施できない。になるなど、システムに新たな付加価値が発生すると思わネットワークを２重化することで信頼性確保を図った

れる。

が、TC親局装置および給電所直接操作装置ともに１系列

また、分散型の電力系統監視制御用システム構築事例に装置となっているため、万一の際のシステム停止は避ける

おいて、通常10Mbps〜100Mbpsの高速なローカルLANをことができない。また、ネットワーク負荷やシステム負荷使用する例が多いが、ネットワーク負荷を予測可能な一定を予測した設計を行ったことにより、設計性能確保はできレベルに保つ方式ことで、通常の 1／100程度の1.5Mbpsで、たが、システムを構成する装置やデータ量が大規模であるかつWAN網を利用した分散システムの構築が可能となっことにより、システム最大規模での動作検証が難しいなどた。WAN網は、伝送帯域幅によって構築コストが大幅にの課題が残る。

異なるため、伝送帯域幅の狭いネットワークでもシステム構築が可能な前例となった。

（2）展望オープン分散は、企業内の情報インフラを構築する上では一般的に採用されているが、監視・制御システムのような大規模オンラインシステムにて異メーカー混在のシステ

参考文献
１）片岡雅憲 著：ソフトウエアモデリング、日科技連
２）電気協同研究第54巻第４号：集中制御所システム機能検証試験の効率化と品質管理、社団法人電気協同研究会

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