JP2005151781A - 電力需要予測システムおよび電力系統の負荷周波数制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 電力の需要予測において電気炉の負荷変動時刻と負荷変動量を予測して、負荷周波数制御も可能にする。
【解決手段】 情報伝送装置を介して送られてくる電気炉操業データを入力するデータ入力手段１２４と、電気炉操業データを用いて負荷変動を演算する電気炉負荷変動予測手段１２５と、負荷変動に基づく需給計画情報を発電所へ送信する出力指令送信手段１２６とを備え、電気炉負荷変動予測手段１２５は、電気炉操業データの変化をパターン分類して実績データとして保存し、炉蓋開閉信号と開閉手段の開閉信号とが共に閉状態のときに、データ入力手段１２４によって入力された電気炉操業データのパターンを判定すると共に当該パターンの実績データを用いて需給計画作成のための所定時間経過後の電力変化量を演算する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電気炉の操業データを用いて、電気炉の稼動に伴う電力変動を予測して需給調整を行なう電力需要予測システムおよび電力系統の負荷周波数制御方法に関する。

従来、電力需要予測は、気温や湿度などの気象予測情報の過去の実績をデータベース化しておき、この実績データを用いて予測モデルを作成して、統計処理によって気象条件と電力需要とを対応付けて予測を行い発電機の運転計画を作成していた。（たとえば、特許文献１を参照）。

一方、製鉄所の使用電力量の予測手法としては、工場全体の使用電力量が契約電力を上回らないように、使用電力量を予測して自家発電力を調整制御するか、または操業停止によって使用電力量を調整するという手法が提案されている。（たとえば、特許文献２を参照）。この手法では、工場の点検修理と立ち上げ時以外は、電力パターンをもとに１時間単位という一定の時間ピッチで近未来の使用電力量を予測している。

ところで、電力の需要予測を発電機の運転計画以外に負荷周波数制御にも効果のあるものにしようとした場合、一定の時間スパンの電力量を予測するのみでは不十分であり、電力が大きく変化する時点を予測する必要がある。

以下、図１４から図１７を用いて詳述する。
図１４は、ある需要家の負荷変化と系統周波数との関係を表したグラフである。ここで、下のグラフは使用電力（ＭＷ）の推移を示し、上のグラフは、それに伴う系統周波数の変化（Ｈｚ）を示している。

このグラフにおいて、たとえば、Ａ点、Ｂ点に示すように、負荷（使用電力用）の変化点において系統周波数が大きく変化している。なお、それぞれ同一記号が対応する負荷と周波数の変化を示している。この周波数の変化について、同一周波数系統の全電力会社がＴＢＣ（周波数偏倚連絡線電力制御：Tie-line Bias Control）を行っており、自社供給エリア内の負荷の変化については自社の発電機で対応して、周波数の変化を抑制することが基本となっている。ＴＢＣとは、各会社間に図１５に示すような潮流があるとき、以下の（１）式に示す自社ＡＲ（地域要求量：Area Requirement）を目的関数として、これを０とするように各発電機の出力を制御するものである。つまり、供給区域内で需要（負荷）と供給（発電）のバランスを取るとともに、周波数が基準値から外れた場合、基準値へ戻そうとする制御である。

自社ＡＲ＝（Ｐ₁−Ｐ₀₁）＋（Ｐ₂−Ｐ₀₂）＋（Ｐ₃−Ｐ₀₃）＋ｋΔＦ・Ｐ
・・・（１）
ここで、Ｐ₁〜Ｐ₃：電力会社間連系線に実際に流れている電力潮流
Ｐ₀₁〜Ｐ₀₃：電力会社間連系線の基準電力潮流
ｋ：系統定数
ΔＦ：基準周波数−実際の周波数
Ｐ：総需要電力

上記の自社ＡＲを０とする制御は、まず自社ＡＲを計算し、その後、各発電機の出力を制御する。このため、図１６に示すように後追い制御になっている。したがって、急激に変動する需要家の負荷変動を如何に予測して、図１７に示すような負荷に先行する発電機制御を可能にするかが問題となっている。
特開２００３−１８００３２号公報 特開平８−１８６９３２号公報

本発明は、上述のかかる事情に鑑みてなされたものであり、電気炉の負荷変動時刻と負荷変動量を予測して、負荷周波数制御の可能な電力需要予測システムおよび電力系統の負荷周波数制御方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係わる電力需要予測システムは、情報伝送装置を介して送られてくる電気炉操業データを入力するデータ入力手段と、前記電気炉操業データを用いて負荷変動を演算する電気炉負荷変動予測手段と、前記負荷変動に基づく需給計画情報を発電所へ送信する出力指令送信手段とを備えたことを特徴とする。

電気炉操業データを用いることにより、電気炉の起動、停止時の負荷変動を予測することができ電力の精度の高い需給計画の作成が可能となる。
ここで「電気炉操業データ」とは、電気炉遮断器などの開閉手段の開閉データ、炉蓋開閉データ、および、電気炉の電力量データ、またはこれらと同等の情報を得ることのできる電気炉操業に関するデータを意味する。

なお、電気炉負荷変動予測手段は、電気炉操業データの変化をパターン分類して実績データとして保存し、炉蓋開閉信号と開閉手段の開閉信号とが共に閉状態のときに、前記データ入力手段によって入力された電気炉操業データのパターンを判定すると共に当該パターンの実績データを用いて需給計画作成のための所定時間経過後の電力変化量を演算する。
電気炉は、一定のパターンによって操業されるため、電気炉ごとに各パターンの電力変化量を統計演算して実績データとして保存しておき、入力データのパターンを判定して、そのパターンの統計値をもとに需給予測を行う。

好ましくは、前記電気炉負荷変動予測手段は、電力量積算値の時間変化率によってパターン判定を行うようにするとよい。
これにより、計算機に負荷をかけずに実効性のあるパターン判定が可能となる。

より好ましくは、前記電気炉負荷変動予測手段は、前記パターン分類において、複数のパターンの連動情報を保存しておき、前記データ入力手段によって入力された電気炉操業データのパターンを判定した後、前記連動情報に基づいて、次パターンの電力変化量および電力変化までの時間を演算するようにするとよい。
これにより、たとえば、第１のパターンを判定した後、第２のパターンによる電気炉の起動および停止の時刻、および、電力変化量が精度よく予測可能となる。

特に、第１のパターンのデータ収集時にそのパターンの電力変化を予測する場合、予測後、電力変化までの時間が短く、需給調整のための発電機は応答性の良いものに限定されるが、次のパターンあるいはそれ以後のパターンの出現時刻および電力変化量を演算することによって、出力応答に時間のかかる他の発電機を需給調整のために使用することが可能となる。
ここで、「連動情報」とは、前のパターンが終了してから次のパターンが開始されるまでの時間または開始条件に関する情報を意味する。

また、本発明に係わる電力系統の負荷周波数制御方法は、電気炉操業データを用いて負荷変化を予測して電力系統の周波数制御を行う負荷周波数制御方法であって、電気炉開閉手段の閉から開までの電力変化を電気炉ごとにパターン化して保存すると共に、パターン間の連動情報を保存するステップと、時々刻々入力される電気炉操業データによって当該操業におけるパターンを判定した後、前記連動情報に基づいて次のパターンの負荷変化量および負荷変化時刻を演算するステップと、当該演算結果に基づいて、発電機を選択して出力指令を送信するステップとを含むことを特徴とする。
これにより、電力品質が向上すると共に負荷周波数制御のための発電機の選択肢を増やすことが可能となる。

本発明によれば、電気炉操業データを用いて電力の需要予測を行うため精度の高い需要予測が可能となる。特に、電気炉ごとに収集した操業データを開閉手段の動作に対応させてパターン化し、さらにパターン間の連動情報を用いるようにしたので、負荷変動時刻が予測可能となる。

以下、本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明の実施の形態に係わる電力需要予測システムおよびこのシステムと通信を行う需要家並びに発電所の機能ブロック図である。

図１において、電力需要予測システム１は、専用線４を介して需要家２の情報伝送装置２８と繋がり、また、専用線５を介して発電所６の送受信部６１と繋がっている。
ここで電力需要予測システム１は電力会社により管理、運営されている。また、需要家２は電力会社より電気の供給を受ける事業者である。

電力需要予測システム１は、専用線４を介してデータの送受信を行うための送受信部１０、専用線５を介してデータの送受信を行うための送受信部１１、送受信部から受け取ったデータの処理を行う中央演算処理部１２、データを記憶するための記憶部１３、および、中央演算処理部１２との間でデータの入出力を行う入力部１４と表示部１５から構成されている。

さらに、中央演算処理部１２は、送受信部１１との間でデータの受け渡しを行う送受信処理手段（機能）１２１、入力部１４あるいは表示部１５とデータの受け渡しを行う入出力手段（機能）１２２、入力部１４を介して入力された電力需要予測システムを動作させるための基本情報を登録する基本情報登録手段（機能）１２３、送受信部１１を介して入力された電気炉操業データを入力する電気炉操業データ入力手段（機能）１２４、電気炉の電力使用量の変動を予測する電気炉負荷変動予測手段（機能）１２５、発電所に対し出力指令を行う出力指令送信手段（機能）１２６を備えている。

記憶部１３は、電気炉の遮断器（開閉手段）の入切や炉蓋の開閉などの操業データに関する情報を保存する電気炉操業データファイル１３１、電力量使用実績データを保存する電気炉操業実績データベース（ＤＢ）１３２、電気炉の予想使用電力に関する情報を保存する電気炉負荷変動予測ファイル１３３、発電機の応答時間および出力範囲を記憶した発電機応答時間テーブル１３４、および、各電気炉の運転パターン条件を記憶した運転パターンテーブル１３５を有している。

また、需要家２は、専用線４を介してデータの送受信を行うための情報伝送装置２８、電気炉１（２５）、電気炉２（２６）、電気炉３（２７）、需要家２に電力を送電したり、送電停止を行うための遮断器２１、各電気炉用の遮断器２２〜２４を備えている。

発電所６は、専用線５を介してデータの送受信を行うための送受信部６１、および、発電部６２から構成されている。

<１．電気炉操業データ登録>
需要家２の電気炉蓋開閉、出鋼、出鋼基準温度達成、電気炉遮断器入切などが行われると情報伝送装置２８よりこれら電気炉操業データが電力需要予測システム１へ送信される。
図２を用いて情報伝送装置２８への状態信号取込処理について詳述する。電気炉には、炉蓋の開閉操作に連動するリレー接点（以下、単に接点という）、出鋼指令に連動する接点、温度センサによって所定の温度（出鋼基準温度）に到達したときに動作する接点が設けられ、これらの接点のＯＮ、ＯＦＦ情報が情報伝送装置の処理部へ入力される。また電気炉用遮断器のＯＮ、ＯＦＦ情報や電力量計からの電力量情報も処理部２８１へ入力される。処理部２８１では、入力時刻や情報伝送装置の識別情報を付加して、変復調装置２８２を介して電力需要予測システム１へ入力したデータを送信する。図３に監視する状態データの項目と信号条件を示す。

需要家２の情報伝送装置２８より送信された電気炉操業データは専用線４を介して、電力需要予測システム１の送受信部１０で受信され、電気炉操業データ入力手段１２４により記憶部１３の電気炉操業データファイル１３１に登録される。

図４は、電気炉操業データ１３１のデータ構成例である。需要家識別のための需要家コード、電気炉識別のための電気炉識別コード、および、電気炉名が記憶されており、電気炉の監視情報として炉蓋開閉情報、出鋼情報、出鋼基準温度情報、電気炉遮断器入切情報などの状態情報が記憶されている。また、電気炉ごとの使用電力量情報も記憶され、各情報には、それを収集したときの時刻が付されている。具体的には、たとえば、需要家コード「１」、電気炉識別コード「１−００１」、電気炉名「電気炉１」、炉蓋開閉情報「開」、時刻「１：１７」、電気炉遮断器入切情報「入」、使用電力量「２００ＭＷｈ」というようなデータが保存されている。

収集した情報の履歴は、電気炉操業実績ＤＢ１３２に保存される。図５は、電気炉操業実績ＤＢ１３２のデータ構成例である。過去の電気炉状態や電力変化量などの電気炉操業データに運転パターン識別コードが付けられて保存されている。また、電気炉の各信号の状態変化があってから電力が変化するまでの経過時間である信号受信後経過時間も保存されている。ここで、運転パターンとは、電気炉操業に関する使用電力量の変化のパターンをいう。一般に、電気炉の操業は、図６に示すように１操業サイクル内に複数の運転パターンで操業を行っている。電気炉遮断器の閉（入）から開（切）までの間の使用電力量の変化をパターン化して、収集した電気炉操業データがどのパターンに属するかを判定して、該当するパターン識別コードを付加して電気炉操業実績ＤＢ１３２へ保存する。

<２．電気炉負荷変動予測>
電力需要予測システム１は電気炉操業実績ＤＢ１３２のデータをもとに電気炉負荷変動予測手段１２５により電気炉負荷変動予測を行う。

以下に図７を用いて電気炉負荷変動予測手段の１２５の動作を説明する。
電気炉負荷変動予測手段の１２５は、オペレータによって入力部１４を介して起動されると、まず、予測対象の電気炉操業データファイル１３１より需要家コード、電気炉識別コードを抽出する（Ｓ１０１）。そして、この需要家コードおよび電気炉コードをもとに電気炉操業実績ＤＢ１３２より該当する需要家と電気炉のデータを検索して（Ｓ１０２）、電気炉状態が一致するデータを抽出して、過去の電力変化量および信号受信後経過時間を導き出す（Ｓ１０３）。そして、導き出された電力変化量および信号受信後経過時間を平均化処理する（Ｓ１０４）。この電力変化量および信号受信後経過時間の平均値を電気炉負荷変動予測ファイル１３３へ書き込む（Ｓ１０５）。これにより、電気炉状態が変化してから所定の経過時間における使用電力量が予測される。図８は、電気炉負荷変動予測ファイル１３３のデータ構成例である。電気炉、電気炉状態、予測負荷変動量、予測変動量などの情報が保存されている。

電気炉負荷変動予測手段１２５により演算された負荷変動を補償するため、出力指令送信手段１２６が起動され（Ｓ１０６）、出力指令が発電所６へ送信される。この出力指令は、発電所６の送受信部６１で受信され、発電部６２の出力調整が行われる。

なお、電気炉の停止時点を予測する簡便な方法としては、図９に示すように、各電気炉電力量使用実績値を用いることも可能である。すなわち、運転パターン１、２のいずれも実績に基づいて設定された電力量に到達すると電気炉を停止するとして負荷周波数制御を行うのである。このようにすれば、電気炉停止時の負荷変動については計算機に負荷をかけずに実効性のある負荷周波数制御が可能となる。図１０は、電気炉の運転状況と停止予想グラフの表示例である。現在操業している電気炉と同じ運転パターンの過去の実績データを電気炉操業実績ＤＢ１３２から抽出して、画面下側に表示すると共に現在操業している電気炉の電力量推移を画面上側に表示して、オペレータが停止予想時刻を認識可能なように予想される電力量推移を破線で表示している。

<３．負荷周波数制御>
次に電気炉負荷変動予測手段１２５から出力される負荷変動予測情報を用いて負荷周波数制御（ＬＦＣ）を実行する方法を説明する。この制御は、電力需要予測システム１の機能として実行してもよいし、他の専用の装置（たとえば負荷周波数制御装置）の機能として実行するようにしてもよい。

以下、図１１を用いて、負荷周波数制御処理の手順を説明する。まず、図８の電気炉負荷変動予測ファイル１３３を参照して、予測負荷変動量と予測変動時刻を抽出して、現在時刻から予測変動時刻までの時間を計算する（Ｓ２０１）。次に、図１２に示す発電機応答時間テーブル１３４を参照して、応答時間の満足する発電機を選択する（Ｓ２０２）。このとき、時間が短い場合は、それに対応する応答性の速い発電機（たとえば揚水発電機）を選択し、時間が比較的長い場合は、その時間までに応答が可能な他の発電機（たとえば負荷調整用石油火力発電機）を選択する。そして、その発電機で予測負荷変動量を吸収できるか否かを判定して（Ｓ２０３）、吸収できなければ、さらに、他の発電機についてステップＳ２０２からの処理を繰り返す。

以上の処理によって選択した各発電機に対して、出力指令として出力変化量と動作開始時刻を送信する（Ｓ２０４）。一方、その時々の負荷周波数の調整は（１）式に基づいて自社ＡＲを０にするように制御する。
このようにすれば、１０分から１時間程度の近未来の電力需要および負荷変動時刻を予測して、まずそれに応答できる発電機の中で比較的応答速度の遅い発電機を選択して事前に出力指令を出し、後追いの周波数制御に対しては、応答速度の速い発電機でその誤差分を埋めることができるので、精度の高い負荷周波数制御が可能となる。さらに、従来負荷周波数制御が不可能だった発電機をその用途に使用することが可能になるので設備の有効利用を図ることができる。

以上、本実施の形態によれば、需要家の電気炉操業に伴う電力量変動を予測して発電機の出力を調整するので、品質の高い電力の供給が可能となる。
また、負荷変動する時刻を精度よく予測できるので、たとえば、大型揚水発電機の「入切」時刻調整、夜間における発電機出力変動容量の確保、火力発電機ゾーン切替のタイミング調整などが可能になる。

なお、本発明の他の実施例として、上述のステップＳ１０４で、図５の電気炉操業実績ＤＢ１３２の実績値を平均化処理して、直ちに図８の電気炉負荷変動予測ファイル１３３へ書き込むこととしたが、電気炉操業実績ＤＢの遮断器の閉から開までの電力変化量および各電気炉操業データとの関係でパターン化して、各パターンの開始条件と終了条件を記憶した運転パターンテーブル１３５を作成するようにしてもよい。

たとえば、図１３において、運転パターン１は、その日の操業の最初の起動または出鋼信号の出力から所定時間経過後であって炉蓋開後２５秒経過後に遮断器が閉となり電気炉が起動する。このとき、電力量情報として保存されている実績の平均値である負荷値が電力系統の負荷変動量として加わる。そして、終了条件である３２ＭＷｈに到達したときに遮断器が開となり電気炉の運転パターン１の動作が終了する。つぎに、運転パターン１の終了後、次の開始条件である所定時間経過後に遮断器が閉となり運転パターン２が開始する。そして、出鋼基準温度到達後所定時間経過後に遮断器が開となり運転パターン２が終了する。

このように、遮断器の閉から開までを一つの運転パターンとして、電気炉操業データの諸条件である遮断器の入切信号、炉蓋開閉信号、出鋼基準温度到達信号、出鋼信号、および使用電力量を用いて、これらの違いによりパターン化しておき、次のパターン開始のタイミングや負荷変動量を予測することにより、電気炉の停止時のみならず起動時についてもその時刻を予測することができ、より精度の高い負荷周波数制御が可能となる。

図１は 本発明の実施の形態に係わる電力需要予測システムおよびこのシステムと通信を行う需要家並びに発電所の機能ブロック図である。 図１の需要家２の詳細構成図である。 本発明の実施の形態における状態データ監視項目と信号条件の説明図である。 図１の電気炉操業データファイル１３１のデータ構成例である。 図１の電気炉操業実績ＤＢ１３２のデータ構成例である。 一操業サイクル内において複数の運転パターンで操業を行う場合の説明図である。 図１の電気炉負荷変動予測手段１２５の処理手順を表すフローチャートである。 図１の電気炉負荷変動予測ファイル１３３のデータ構成例である。 電気炉の停止時点を予測するため電力量使用実績値を用いる場合の説明図である。 本発明の実施の形態における電気炉の運転状況と停止予想グラフの表示例である。 本発明の実施の形態における負荷周波数制御処理の手順を表すフローチャートである。 図１の発電機応答時間テーブル１３４のデータ構成例である。 図１の運転パターンテーブル１３５のデータ構成例である。 従来の技術における電力負荷の変化と系統周波数の変動の関係の説明図である。 従来の技術における周波数偏倚連絡線電力制御の説明図である。 従来の技術における負荷変動と発電機出力との時間関係の説明図である。 予測制御を行った場合の発電機出力との時間関係の説明図である。

符号の説明

１ 電力需要予測システム
２ 需要家
４、５ 専用線
６ 発電所
１０、１１、６１ 送受信部
１２ 中央演算処理部
１３ 記憶部
１４ 入力部
１５ 表示部
２１〜２４ 遮断器（開閉手段）
２５〜２７ 電気炉
２８ 情報伝送装置
６２ 発電部
１２１ 送受信処理手段
１２２ 入出力手段
１２３ 基本情報登録手段
１２４ 電気炉操業データ入力手段
１２５ 電気炉負荷変動予測手段
１２６ 出力指令送信手段
１３１ 電気炉操業データファイル
１３２ 電気炉操業実績ＤＢ
１３３ 電気炉負荷変動予測ファイル
１３４ 発電機応答時間テーブル
１３５ 運転パターンテーブル
２８１ 処理部
２８２ 変復調装置

Claims (5)

1. 情報伝送装置を介して送られてくる電気炉操業データを入力するデータ入力手段と、
   前記電気炉操業データを用いて負荷変動を演算する電気炉負荷変動予測手段と、
   前記負荷変動に基づく需給計画情報を発電所へ送信する出力指令送信手段と、
   を備えたことを特徴とする電力需要予測システム。
2. 前記電気炉負荷変動予測手段は、電気炉操業データの変化をパターン分類して実績データとして保存し、炉蓋開閉信号と開閉手段の開閉信号とが共に閉状態のときに、前記データ入力手段によって入力された電気炉操業データのパターンを判定すると共に当該パターンの実績データを用いて需給計画作成のための所定時間経過後の電力変化量を演算することを特徴とする請求項１記載の電力需要予測システム。
3. 前記電気炉負荷変動予測手段は、電力量積算値の時間変化率によってパターン判定を行うことを特徴とする請求項２記載の電力需要予測システム。
4. 前記電気炉負荷変動予測手段は、前記パターン分類において、複数のパターンの連動情報を保存しておき、前記データ入力手段によって入力された電気炉操業データのパターンを判定した後、前記連動情報に基づいて、次パターンの電力変化量および電力変化までの時間を演算することを特徴とする請求項２記載の電力需要予測システム。
5. 電気炉操業データを用いて負荷変化を予測して電力系統の周波数制御を行う負荷周波数制御方法であって、
   電気炉開閉手段の閉から開までの電力変化を電気炉ごとにパターン化して保存すると共に、パターン間の連動情報を保存するステップと、
   時々刻々入力される電気炉操業データによって当該操業におけるパターンを判定した後、前記連動情報に基づいて次のパターンの負荷変化量および負荷変化時刻を演算するステップと、
   当該演算結果に基づいて、発電機を選択して出力指令を送信するステップと、
   を含むことを特徴とする負荷周波数制御方法。