JP2011010522A - 最良状態探索装置及び配電系統損失低減装置 - Google Patents

Abstract

【課題】探索対象の規模に関わらず最適解を探索可能な最良状態探索装置と、系統全体の有効電力損失を最小化する系統損失低減装置を提供する。
【解決手段】系統構成の初期状態を現在状態として記憶する記憶装置１００と、各区間について、有効電力損失に相当する評価値、移行可能数等を備えた移行リスト２０２と、評価値の大きい区間を高い確率で選択する評価対象選択部２０３と、選択区間について隣接状態を確率的に選択し移行させる隣接状態選択部２０４と、移行後の隣接状態を構成する各区間の評価値から系統全体の全体評価値が最小となる隣接状態を最良状態として決定する評価部２０５とを備え、評価対象選択部２０３、隣接状態選択部２０４、評価部２０５による最良状態の探索処理を、強制移行回数に達するまで複数並行して実行し、前記最良状態により現在状態を置き換えて上記の処理を収束判定回数だけ繰り返し実行する。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の対象がすべて離散値である解空間において前記対象の組み合わせ最適化問題をコンピュータシステムによって解き、最適解としての最良状態を求める最良状態探索装置、及び、この探索装置の原理を用いて、配電系統の有効電力損失を最小化するような最適な系統構成を求めるための配電系統損失低減装置に関するものである。

従来、最適化手法の一種として、配電系統における過負荷や電圧過降下等の電力供給支障をなくし、かつ、配電線ロスを最小にするように遺伝的アルゴリズムを用いて配電系統計画を作成する方法が、特許文献１に記載されている。
この配電系統計画作成方法は、電力供給支障が配電線経路内で生じると判定する場合には、各配電線の経路断続を行う開閉器、及び同一の変電所から給電される配電線同士の間の連系断続を行う開閉器の開閉組み合わせを、電力供給支障が生じないように遺伝的アルゴリズムを用いて作成する第１の電力供給支障解消計画作成手順と、電力供給支障が変電所自体に生じると判定する場合には、各配電線の経路断続を行う開閉器、同一の変電所から給電される配電線同士の間の連系断続を行う開閉器、及び異なる変電所から給電される配電線同士の間の連系断続を行う開閉器の開閉組み合わせを、電力供給支障が生じないように遺伝的アルゴリズムを用いて作成する第２の電力供給支障解消計画作成手順と、第１，第２の電力供給支障解消計画作成手順で前記電力供給支障が解消できない場合には、電力供給支障が生じないように配電設備の新設計画を作成する第３の電力供給支障解消計画作成手順と、更に各配電線経路の配電線ロスが最小になるように遺伝的アルゴリズムを用いて各開閉器の開閉組み合わせを作成する第４の電力供給支障解消計画作成手順とを備えている。

また、他の従来技術として、配電系統の電力損失をリアルタイムに最小化するロスミニマム制御装置が、特許文献２に記載されている。
このロスミニマム制御装置は、常開開閉器を介して連系される複数の配電線が更に他の常開開閉器を介して他の配電線と連系するように構成される配電系統のロスミニマム制御において、所定の配電線が複数の常開開閉器を介して他の複数の配電線または配電線の分岐線と連系または接続されている場合に、当該配電線を最も負荷の多い他の配電線または分岐線と連系する常開開閉器との接続に限定し、他の常開開閉器との連系は無いものとみなした１対１の隣接配電線組として設定し、前記隣接配電線組の配電損失を最小化するように、計測されたオンライン負荷に応じて当該隣接配電線組の常開開閉器を切替制御するものである。

特許文献１に記載された従来技術によれば、配電系統計画の立案を短時間で可能にし、立案者の熟練度に関係なく高精度で均質な計画を立案することができる。
また、特許文献２に記載された従来技術によれば、配電系統全体におけるロスミニマム制御を安定かつ高速に実行可能として運用面での混乱も回避できるという利点がある。

特開２０００−１８４５９４号公報（請求項１，２、段落［００２０］〜［００５３］、図２等） 特開平７−１７０６６２号公報（段落［００１１］〜［００２１］，図３等）

しかしながら、特許文献１のように遺伝的アルゴリズム等の最適化手法を用いる場合や、特許文献２のようにオンラインで求めた負荷比率を用いて開閉器を切替制御する場合、大規模な系統を対象とするケースでは十分な損失低減効果が得られないという問題があった。

そこで本発明の解決課題は、探索対象の規模に関わらず最適解を効率的に探索可能な最良状態探索装置と、この探索装置の原理を用いて、系統全体の有効電力損失を最小化する系統構成を効率よく求めるようにした系統損失低減装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に記載した最良状態探索装置は、複数の対象がすべて離散値である解空間において前記対象の組み合わせ最適化問題をコンピュータシステムによって解き、最適解としての最良状態を求めるようにした最良状態探索装置において、
前記対象の組み合わせからなる状態の初期値を現在状態として記憶する記憶手段と、
前記対象のそれぞれについて、当該対象の評価値と、当該対象を含む状態を変化させて隣接状態に移行させるための移行パラメータと、を規定した移行リストと、
前記評価値を用いて所定の対象を確率的に選択する評価対象選択手段と、
この評価対象選択手段により選択した対象について、前記移行パラメータを用いて前記隣接状態を確率的に選択し移行させる隣接状態選択手段と、
この隣接状態選択手段により隣接状態を移行させるたびに、移行後の隣接状態を構成する各対象の前記評価値から全体評価値を求め、この全体評価値から目的関数を最良とする隣接状態を最良状態として決定する評価手段と、
を備え、
前記評価対象選択手段、隣接状態選択手段及び評価手段による最良状態の探索処理を、所定の強制移行回数に達するまで複数並行して実行すると共に、
前記評価手段が決定した最良状態により前記現在状態を置き換えて、上記の処理を所定の収束判定回数だけ繰り返し実行するものである。

また、前後するが、請求項３に記載した配電系統損失低減装置は、フィーダ上の区間を相互に連結可能な開閉器の入切によって配電系統全体の有効電力損失を最小にする系統構成を、組み合わせ最適化問題の最適解としてコンピュータシステムにより求めるようにした配電系統損失低減装置において、
前記区間の組み合わせからなる系統構成の初期状態を現在状態として記憶する記憶手段と、
前記区間のそれぞれについて、当該区間の有効電力損失に相当する評価値と、当該区間を含む系統構成を変化させて隣接状態に移行させるための移行パラメータと、を規定した移行リストと、
前記評価値の大きい区間を高い確率で選択する評価対象選択手段と、
この評価対象選択手段により選択した区間について、前記移行パラメータを用いて前記隣接状態を確率的に選択し移行させる隣接状態選択手段と、
この隣接状態選択手段により隣接状態を移行させるたびに、移行後の隣接状態を構成する各区間の前記評価値から系統全体の全体評価値を求め、この全体評価値が最小となるような隣接状態を系統構成の最良状態として決定する評価手段と、
を備え、
前記評価対象選択手段、隣接状態選択手段及び評価手段による最良状態の探索処理を、所定の強制移行回数に達するまで複数並行して実行すると共に、
前記評価手段が決定した系統構成の最良状態により前記現在状態を置き換えて、上記の処理を所定の収束判定回数だけ繰り返し実行するものである。

なお、請求項２または請求項４に記載するように、前記評価対象選択手段、隣接状態選択手段及び評価手段による最良状態の探索処理は、複数並行して実行することが望ましい。

本発明に係る最良状態探索装置によれば、対象とする最適化問題の知識に基づく確率を用いて生成した隣接状態を対象として探索するため、効率的に最適解を求めることができる。また、本発明に係る配電系統損失低減装置によれば、損失が大きいフィーダ上の区間を確率的に選択してこの区間の損失が低減されるような系統構成を求めることにより、系統全体の有効電力損失を最小化することが可能である。

本発明に係る最良状態探索装置及び配電系統損失低減装置の実施形態の構成図である。 初期状態モデルの構成図である。 移行リストの構成図である。 ルーレットの概念図である。 実施形態の動作を示すフローチャートである。 実施形態の効果を説明するための配電系統の構成図である。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、図１は本発明に係る最良状態探索装置及び配電系統損失低減装置の実施形態の構成を示す概念図である。この実施形態は、例えば、開閉器の入切操作によって構成が変化する配電系統のように、変数（系統構成）がすべて離散値である解空間を対象とし、最適解として配電系統全体の有効電力損失（以下、単に損失ともいう）が最小となる系統構成を探索するためのものである。

図１において、１００は記憶装置であり、例えばハードディスクやフラッシュメモリ、ＭＤ等の各種記憶媒体によって構成されている。この記憶装置は、系統構成の初期状態モデルが最良状態モデルとして記憶される最良状態モデル記憶部１０１と、この記憶部１０１内の最良状態モデルを現在状態モデルとして取り込んで記憶する現在状態モデル記憶部１０２と、後述する強制移行回数Ｘ、探索処理部２００による並列処理数Ｙ、収束判定回数Ｚが設定される設定値記憶部１０３とを備えている。

２００は、パソコン等の情報処理装置によって実現される探索処理部であり、前記情報処理装置は探索処理部２００が有する機能を複数、並行して処理可能となっている。
この探索処理部２００は、前記現在状態モデルに基づいて後述の移行リスト２０２及び第１のルーレットＲ_１を作成する移行リスト作成部２０１と、第１のルーレットＲ_１を用いて損失の評価対象であるフィーダ上の区間を選択する評価対象選択部２０３と、この評価対象選択部２０３により選択された評価対象について、複数の隣接状態が設定される第２のルーレットＲ_２と、この第２のルーレットＲ_２を用いて複数の隣接状態のうちの何れかを確率的に選択する隣接状態選択部２０４と、選択された隣接状態について系統全体の損失が低減されたか否か、所定回数の処理が実行されたか否かを判断し、かつ、系統全体の損失が低減された場合の隣接状態を最良状態モデルとして更新させる評価部２０５と、これら各部の処理を実行させ、かつ探索処理部２００及び前記記憶装置１００の全体の動作を制御するための処理プログラム２１０とを備えている。

上述した記憶装置１００及び探索処理部２００内の各構成要素の機能、作用を、以下の説明によって更に明らかにする。
図２は、初期状態モデルＭ_Ｉの構成図である。この初期状態モデルＭ_Ｉは、例えば配電系統において、開閉器によって区分されたフィーダ上の区間を損失の評価対象（対象名をＰ_００１，Ｐ_００２，……，Ｐ_ｎとする）として表現したものである。
初期状態モデルＭ_Ｉでは、評価対象ごとに、すなわち区間ごとに評価値（有効電力損失に相当する値）が与えられている。
ここで、本明細書において、現在のモデル（例えば初期状態モデルＭ_Ｉ）を対象として開閉器を入切操作することにより、あるフィーダ上の着目区間と隣接フィーダ上の区間との接続関係が変更された状態の系統構成を、上記着目区間に対する隣接状態という。

図３は、対象名に応じた評価値、隣接状態移行可能数、及び複数の移行パラメータをテーブル形式で示した移行リスト２０２を示している。
前述したように、評価対象である区間（図３における対象名）ごとに損失に相当する評価値が与えられており、この評価値は、区間を流れる電流と単位長当たりのインピーダンス等が既知であれば予め算出可能である。言うまでもなく、評価値が小さいほど損失は小さくなる。

隣接状態移行可能数とは、その評価対象の周辺に設置された開閉器の入切によって移行可能な系統構成（すなわち隣接状態）の数である。また、移行パラメータとは、現在の系統構成から隣接状態に移行するための操作に必要なパラメータであり、例えば入切操作によってその評価対象と他の評価対象とを連系または遮断可能な開閉器を示すパラメータである。
このため、移行パラメータの数（図３では、便宜上、移行パラメータの数を１〜４までしか表示していない）は隣接状態移行可能数と同数になっており、例えば、評価対象Ｐ_００１にはその隣接状態移行可能数と同数の５個の移行パラメータが存在し、評価対象Ｐ_００２にはその隣接状態移行可能数と同数の２個の移行パラメータが存在する。

更に、全体評価値とは、すべての評価対象の評価値を合計した値であり、この全体評価値が小さいほど当該系統全体の損失が小さいと判断することができる。なお、系統内のフィーダの電圧降下値を最小にしたいような場合には、全体評価値として各評価値の中の最大値を採用しても良い。

図４は、探索処理部２００内の前記評価対象選択部２０３によって用いられる第１のルーレットＲ_１の概念図である。
このルーレットＲ_１は、どの評価対象に着目して隣接状態を生成するかを確率的に決定するための選択手段であり、例えば、図３における全体評価値（＝２４１６）を１００％として評価対象ごとの評価値を按分し、適宜な方法により取得した乱数が累計の評価値と仮定した場合に、１〜２４１６の範囲内で前記乱数が属する評価対象を選択するようにしたものである。一例として、取得した乱数が３５１である場合、評価対象Ｐ_００１，Ｐ_００２の累計の評価値は（１２１＋２７）＝１４８であり、評価対象Ｐ_００３まで含めた累計の評価値は（１２１＋２７＋４０５）＝５５３であるため、乱数３５１は評価対象Ｐ_００３に属すると判断され、この評価対象Ｐ_００３が選択されることとなる。

探索処理部２００内の前記隣接状態選択部２０４によって用いられる第２のルーレットＲ_２は、上記の例で言えば、評価対象Ｐ_００３が選択された後に、どの移行パラメータ（すなわち開閉器）を用いて隣接状態に移行させるかを確率的に決定するための手段である。
図３の例では、評価対象Ｐ_００３の移行パラメータの数すなわち隣接状態移行可能数が３であるから、１００％を３等分してそれぞれを移行パラメータに割り当て、適宜取得した乱数を用いて３個の移行パラメータのうちの何れかを均等の確率で選択することにより、何れかの移行パラメータが決定され、その移行パラメータを用いることで隣接状態が選択されることになる。

次に、本実施形態により、系統全体の有効電力損失を最小化するような系統構成を最適解または最良状態として得るための処理内容を、図５のフローチャートに基づいて説明する。
まず、現在の系統構成に相当する初期状態モデルＭ_Ｉを、最良状態モデルとして図１における最良状態モデル記憶部１０１に設定する（Ｓ１）。次に、この最良状態モデルを、現在状態モデルとして現在状態モデル記憶部１０２に設定する（Ｓ２）。
同時に、強制移行回数Ｘ、探索処理部２００による並列処理数Ｙ、及び収束判定回数Ｚを、設定値記憶部１０３に予め設定する。

その後、探索処理部２００による処理に移動する。
始めに、一つの探索処理部２００内の移行リスト作成部２０１は、現在状態モデル記憶部１０２から読み出した現在状態モデルに基づいて図３の移行リスト２０２を作成すると共に、移行リスト２０２から第１のルーレットＲ_１を作成する（ステップＳ３１）。
第１のルーレットＲ_１の作成に当たっては、次の数式により評価対象（区間）ごとの確率Ｐ_ｉを求める。なお、数式１の右辺の分母は、図３の移行リスト２０２における全体評価値に相当するものである。

次いで、評価対象選択部２０３は、適宜取得した乱数から第１のルーレットＲ_１を参照し、一つの評価対象を選択する（Ｓ３２）。これは、第１のルーレットＲ_１を用いれば評価値の大きい対象が選択される確率が大きくなるので、隣接状態を生成して系統構成を変更する際に、前記対象を含めることによって全体評価値の大幅な変化を見込むことができ、言い換えれば全体評価値が効率的に低減される可能性も高くなるためである。
なお、複数の探索処理部２００はステップＳ３内のステップＳ３１〜Ｓ３４の処理をそれぞれ独立して並列的に実行するものとする。

続いて、隣接状態選択部２０４が、第２のルーレットＲ_２を用いてその評価対象に対応する移行パラメータを均等の確率でランダムに選択することにより、隣接状態を一つ選択する（Ｓ３３）。この場合、評価対象の増加によって過負荷となるような場合には、その隣接状態を選択しないものとする。更に、電源から給電されないような区間が発生する場合も、その隣接状態を選択しないのは勿論である。

探索処理部２００内の評価部２０５では、選択した隣接状態における系統全体の有効電力損失を全体評価値として求め、その全体評価値を現時点の最良状態モデル（最初の探索では初期状態モデルＭ_Ｉ）の全体評価値と比較し、損失が改善されていれば（選択した隣接状態の全体評価値が現時点の最良状態モデルの全体評価値よりも小さければ）、その時の隣接状態を最良状態モデル記憶部１０１に送って最良状態モデルを更新する（Ｓ３４）。なお、改善されていない（選択した隣接状態の全体評価値が現時点の最良状態モデルの全体評価値よりも小さくなっていない）場合には、最良状態モデル記憶部１０１内の最良状態モデルは従前のままである。
上記のように、この実施形態における目的関数は、全体評価値の最小化、すなわち系統全体の有効電力損失を最小化することである。

次に、評価部２０５は、すべての探索処理部２００による並行処理の回数が強制移行回数Ｘに達したか否かを判断し（Ｓ３５）、達していない場合には（Ｓ３５ ＮＯ）、ステップＳ３１以降の処理を繰り返す。
ここでは、探索処理部２００による並列処理数Ｙを例えば４（ステップＳ３１〜Ｓ３４の処理を４つ並行処理する）に設定し、強制移行回数Ｘを１０回に設定してある。この強制移行回数Ｘは、前記ステップＳ３３により選択した隣接状態に系統構成を移行させる回数の設定値（上限値）であり、移行回数判定カウンタ（図示せず）によってカウントしている。

ステップＳ３５において、強制移行回数Ｘに達した場合には（Ｓ３５ ＹＥＳ）、評価部２０５が、収束判定回数Ｚに達したか否かを判断する（Ｓ４）。この収束判定回数Ｚは、上記一連の処理（Ｓ２〜Ｓ３５）を繰り返し実行する回数の設定値（上限値）を意味しており、収束判定カウンタ（図示せず）によってカウントしている。収束判定回数Ｚは、例えば３０回に設定する。

ステップＳ４において、収束判定カウンタの値が収束判定回数Ｚに達しない場合（Ｓ４ ＮＯ）には、収束判定カウンタをカウントアップしてステップＳ２以降の処理を繰り返し実行する。また、収束判定カウンタの値が収束判定回数Ｚに達した場合（Ｓ４ ＹＥＳ）には、収束カウンタの値をクリアして終了する。

以上の処理により、収束判定回数Ｚに達した時点では、最良状態モデル記憶部１０１には系統全体の有効電力損失が最小となる系統構成が記憶されることになり、その時の系統構成を評価部２０５が出力することによって最良状態としての系統構成を求めることが可能になる。

ここで、図６は、上述した配電系統損失低減装置により系統全体の有効電力損失を最小化するシミュレーションを行った結果を示す系統構成図であり、図６（ａ）は損失低減前の系統構成図、図６（ｂ）は損失低減後の系統構成図である。これらの図において、●は閉状態の遠方制御開閉器、○は開状態の遠方制御開閉器を示す。
なお、フィーダ（配電線）Ｆの数を４、遠方制御開閉器ＳＷによって区分される区間Ｐの数を２０、各区間のインピーダンスは何れも０．０１〔Ω〕として、系統全体の有効電力損失を最小とする最良状態としての系統構成を探索した。

図６（ａ）の状態では系統全体の損失が３８２０〔Ｗ〕であったのに対し、本実施形態により複数の開閉器ＳＷを入切して得られる図６（ｂ）の系統では、系統全体の損失が１８８６〔Ｗ〕となり、１／２以下に低減されていることがわかる。

上記の実施形態においては配電系統損失低減装置について説明したが、同様の原理により、配電系統における停電時の復旧計画や発電機の補修計画を作成するための最適化問題を解くに当たって、本発明に係る最良状態探索装置を適用することが可能である。

１００：記憶装置
１０１：最良状態モデル記憶部
１０２：現在状態モデル記憶部
１０３：設定値記憶部
２００：探索処理部
２０１：移行リスト作成部
２０２：移行リスト
２０３：評価対象選択部
２０４：隣接状態選択部
２０５：評価部
２１０：処理プログラム
Ｍ_Ｉ：初期状態モデル
Ｐ_００１〜Ｐ_ｎ：評価対象（フィーダ上の区間）
Ｒ_１，Ｒ_２：ルーレット
Ｆ：フィーダ
ＣＢ：回路遮断器
ＳＷ：開閉器
Ｐ：区間

Claims (4)

1. 複数の対象がすべて離散値である解空間において前記対象の組み合わせ最適化問題をコンピュータシステムによって解き、最適解としての最良状態を求めるようにした最良状態探索装置において、
   前記対象の組み合わせからなる状態の初期値を現在状態として記憶する記憶手段と、
   前記対象のそれぞれについて、当該対象の評価値と、当該対象を含む状態を変化させて隣接状態に移行させるための移行パラメータと、を規定した移行リストと、
   前記評価値を用いて所定の対象を確率的に選択する評価対象選択手段と、
   この評価対象選択手段により選択した対象について、前記移行パラメータを用いて前記隣接状態を確率的に選択し移行させる隣接状態選択手段と、
   この隣接状態選択手段により隣接状態を移行させるたびに、移行後の隣接状態を構成する各対象の前記評価値から全体評価値を求め、この全体評価値から目的関数を最良とする隣接状態を最良状態として決定する評価手段と、
   を備え、
   前記評価対象選択手段、隣接状態選択手段及び評価手段による最良状態の探索処理を、所定の強制移行回数に達するまで実行すると共に、
   前記評価手段が決定した最良状態により前記現在状態を置き換えて、上記の処理を所定の収束判定回数だけ繰り返し実行することを特徴とする最良状態探索装置。
2. 請求項１に記載した最良状態探索装置において、
   前記評価対象選択手段、隣接状態選択手段及び評価手段による最良状態の探索処理を、複数並行して実行することを特徴とする最良状態探索装置。
3. フィーダ上の区間を相互に連結可能な開閉器の入切によって配電系統全体の有効電力損失を最小にする系統構成を、組み合わせ最適化問題の最適解としてコンピュータシステムにより求めるようにした配電系統損失低減装置において、
   前記区間の組み合わせからなる系統構成の初期状態を現在状態として記憶する記憶手段と、
   前記区間のそれぞれについて、当該区間の有効電力損失に相当する評価値と、当該区間を含む系統構成を変化させて隣接状態に移行させるための移行パラメータと、を規定した移行リストと、
   前記評価値の大きい区間を高い確率で選択する評価対象選択手段と、
   この評価対象選択手段により選択した区間について、前記移行パラメータを用いて前記隣接状態を確率的に選択し移行させる隣接状態選択手段と、
   この隣接状態選択手段により隣接状態を移行させるたびに、移行後の隣接状態を構成する各区間の前記評価値から系統全体の全体評価値を求め、この全体評価値が最小となるような隣接状態を系統構成の最良状態として決定する評価手段と、
   を備え、
   前記評価対象選択手段、隣接状態選択手段及び評価手段による最良状態の探索処理を、所定の強制移行回数に達するまで実行すると共に、
   前記評価手段が決定した系統構成の最良状態により前記現在状態を置き換えて、上記の処理を所定の収束判定回数だけ繰り返し実行することを特徴とする配電系統損失低減装置。
4. 請求項３に記載した配電系統損失低減装置において、
   前記評価対象選択手段、隣接状態選択手段及び評価手段による最良状態の探索処理を、複数並行して実行することを特徴とする配電系統損失低減装置。

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