JP2012068947A - System for performing arithmetic processing relating to distribution of resource and method for determining resource distribution - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、リソースを発生するノードとリソースを消費するノードとを含むネットワークにおけるリソースの配分に係る演算処理を行なうシステムおよびリソース配分を決定する方法に関する。 The present invention relates to a system for performing arithmetic processing related to resource allocation in a network including nodes that generate resources and nodes that consume resources, and a method for determining resource allocation.
従来から、電力を供給するための電力網と音声・データを交換するための通信網とは互いに独立して敷設および維持されてきた。現在、エネルギーを効率的に利用することを目的として、Green ICT(Information and Communications Technology:情報通信技術)と呼ばれる技術が注目を集めている。 Conventionally, a power network for supplying power and a communication network for exchanging voice / data have been laid and maintained independently of each other. At present, a technology called Green ICT (Information and Communications Technology) is attracting attention for the purpose of efficiently using energy.
このGreen ICTでは、インターネットに代表される情報通信ネットワークと、主に電力会社が運用する電力網(パワーネットワーク)とを共通のネットワークに統合することが計画されている。さらに、太陽光発電、風力発電、バイオマス発電といったGreenエネルギー源(再生可能な自然エネルギー源)や、HV(Hybrid Vehicle:ハイブリッド自動車)やEV(Electric Vehicle:電気自動車)に搭載される蓄電器(バッテリ)などの、分散して存在するエネルギー源を、ネットワークを介して統合することが計画されている。 In Green ICT, it is planned to integrate an information communication network represented by the Internet and a power network (power network) mainly operated by a power company into a common network. In addition, green energy sources (renewable natural energy sources) such as solar power generation, wind power generation, and biomass power generation, and batteries (batteries) mounted on HVs (Hybrid Vehicles) and EVs (Electric Vehicles) It is planned to integrate distributed energy sources such as through a network.
このようなエネルギー源の統合によって、全体として、安定した需要/供給システムを構築することができる。さらに、電力供給の季節変動や突発的な故障に対する緊急の電力需要に対しても、広く分散している余剰電力を活用することもできる。 By integrating such energy sources, a stable supply / supply system can be constructed as a whole. Furthermore, it is possible to utilize surplus power that is widely dispersed even for urgent power demand due to seasonal fluctuations in power supply or sudden failures.
上述のGreen ICTに関するものではないが、特許文献1(特開平10−276458号公報)には、電源異常発生時に代替的キャリアネットワークへ自動的に切り換える構成が開示されている。自動的に切り換える構成を採用することで、ユーザが高価なバックアップ電力供給システムに投資または介入する必要をなくすことができる。 Although not related to the above-mentioned Green ICT, Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-276458 discloses a configuration for automatically switching to an alternative carrier network when a power supply abnormality occurs. By adopting a configuration that automatically switches, the user need not invest or intervene in an expensive backup power supply system.
しかしながら、現状では、上述のようなシステムは未だ計画中ないし研究開発が開始されたばかりのものであり、これから開発すべき課題は山積している。すなわち、電力需要および供給負荷分散の動的スケジューリングや、将来あるべき理想的な運用システムの設計方針といった具体的な内容については、まだ調査・検討段階に過ぎない。 However, at present, the system as described above is still being planned or has just started research and development, and there are many problems to be developed. In other words, specific details such as dynamic scheduling of power demand and supply load distribution and ideal operation system design policy that should be in the future are still in the investigation and examination stage.
本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであって、その目的は、典型的には、電力を発生して負荷で消費するような、リソースを発生するノードとリソースを消費するノードとを含むネットワークにおいて、リソースの配分に係る演算処理を行なうシステムおよびリソース配分を決定する方法を提供することである。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and its purpose is typically to generate nodes and resources that generate resources such as generating power and consuming the load. It is an object of the present invention to provide a system for performing arithmetic processing related to resource allocation and a method for determining resource allocation in a network including consuming nodes.
この発明のある局面に従えば、リソースを発生する第1のノードとリソースを消費する第2のノードとを含むネットワークにおけるリソースの配分に係る演算処理を行なうシステムを提供する。本システムは、目的関数を保持する手段を含む。目的関数は、リソースの大きさに関して単調増加する、第1のノードから供給されるリソースに必要なコストの値を出力する第1の関数と、第1のノードで発生したリソースのうち第2のノードへ供給されるリソースの大きさと、第2のノードで消費されるリソースの大きさとの差が大きくなるほどより大きな値を出力する、第1のノードから第2のノードへのリソースの経路における伝送率を変数として有する第2の関数とを含む。本システムは、さらに、第1のノードで発生するリソースの大きさを示す変数と、伝送率を示す変数とに基づいて目的関数の値を算出する手段と、目的関数をリソースの大きさを示す変数で偏微分して得られる微分値に応じた値だけリソースの大きさを示す変数を更新する手段と、目的関数を伝送率を示す変数で偏微分して得られる微分値に応じた値だけ伝送率を示す変数を更新する手段と、更新後の値に基づいて、目的関数の値の算出を繰返す手段と、目的関数の算出処理が収束したときの、リソースの大きさおよび伝送率を出力する手段とを含む。 According to one aspect of the present invention, there is provided a system that performs arithmetic processing related to resource allocation in a network including a first node that generates resources and a second node that consumes resources. The system includes means for maintaining an objective function. The objective function includes a first function that outputs a cost value required for the resource supplied from the first node, which monotonically increases with respect to the size of the resource, and a second of the resources generated at the first node. Transmission in the path of resources from the first node to the second node that outputs a larger value as the difference between the size of the resource supplied to the node and the size of the resource consumed by the second node increases. And a second function having the rate as a variable. The system further includes means for calculating a value of the objective function based on a variable indicating the size of the resource generated at the first node and a variable indicating the transmission rate, and the objective function indicates the size of the resource. A means for updating a variable indicating the size of a resource by a value corresponding to a differential value obtained by partial differentiation with a variable, and a value corresponding to a differential value obtained by partial differentiation of an objective function with a variable indicating a transmission rate. A means for updating the variable indicating the transmission rate, a means for repeatedly calculating the value of the objective function based on the updated value, and a resource size and a transmission rate when the objective function calculation process converges are output. Means.
好ましくは、目的関数は、第1のノードで発生するリソースの大きさがゼロに近付くほどより大きな値を出力する第3の関数をさらに含む。 Preferably, the objective function further includes a third function that outputs a larger value as the size of the resource generated in the first node approaches zero.
好ましくは、目的関数は、伝送率が「0」または「1」に近いほどより小さな値を出力する第4の関数をさらに含む。 Preferably, the objective function further includes a fourth function that outputs a smaller value as the transmission rate approaches “0” or “1”.
好ましくは、目的関数の値が新たに算出される前に、リソースの大きさを示す変数、および、伝送率を示す変数のいずれもが更新される。 Preferably, both the variable indicating the size of the resource and the variable indicating the transmission rate are updated before the value of the objective function is newly calculated.
あるいは、好ましくは、目的関数の値が新たに算出される前に、リソースの大きさを示す変数、および、伝送率を示す変数のいずれか一方が更新される。 Alternatively, preferably, before the value of the objective function is newly calculated, one of a variable indicating the size of the resource and a variable indicating the transmission rate is updated.
好ましくは、算出される目的関数の値が最小値を実質的に維持する状態になった場合に、目的関数の算出処理が収束したと判断する。 Preferably, it is determined that the objective function calculation process has converged when the calculated value of the objective function substantially maintains the minimum value.
好ましくは、ネットワークは、リソースを中継、または、リソースを蓄える第3のノードをさらに含む。第2の関数は、第1のノードから第3のノードへ供給されるリソースの大きさに関する関数と、第1のノードから第2のノードへ供給されるリソースの大きさに関する関数と、第3のノードから第2のノードへ供給されるリソースの大きさに関する関数とを含む。 Preferably, the network further includes a third node that relays resources or stores resources. The second function includes a function related to the size of the resource supplied from the first node to the third node, a function related to the size of the resource supplied from the first node to the second node, and a third And a function related to the size of the resource supplied from the first node to the second node.
好ましくは、本システムは、第2のノードに関する現実の情報を取得して学習することにより、第2のノードで消費されるリソースの大きさの時間に関する特性関数を決定する手段をさらに含む。目的関数の値を算出する手段は、特性関数により決定される未来のリソース消費量に基づいて、目的関数の値を算出する。 Preferably, the system further includes means for determining a characteristic function related to the time of the size of the resource consumed in the second node by acquiring and learning real information about the second node. The means for calculating the value of the objective function calculates the value of the objective function based on the future resource consumption determined by the characteristic function.
好ましくは、ネットワークは、電力を供給するネットワークに対応付けられている。
この発明の別の局面に従えば、リソースを発生する第1のノードとリソースを消費する第2のノードとを含むネットワークにおけるリソース配分を決定する方法を提供する。本方法は、演算処理装置が、目的関数を保持するステップを含む。目的関数は、リソースの大きさに関して単調増加する、第1のノードから供給されるリソースに必要なコストの値を出力する第1の関数と、第1のノードで発生したリソースのうち第2のノードへ供給されるリソースの大きさと、第2のノードで消費されるリソースの大きさとの差が大きくなるほどより大きな値を出力する、第1のノードから第2のノードへのリソースの経路における伝送率を変数として有する第2の関数とを含む。本方法は、さらに、演算処理装置が、第1のノードで発生するリソースの大きさを示す変数と、伝送率を示す変数とに基づいて目的関数の値を算出するステップと、目的関数をリソースの大きさを示す変数で偏微分して得られる微分値に応じた値だけリソースの大きさを示す変数を更新するステップと、目的関数を伝送率を示す変数で偏微分して得られる微分値に応じた値だけ伝送率を示す変数を更新するステップと、更新後の値に基づいて、目的関数の値の算出を繰返すステップと、目的関数の算出処理が収束したときの、リソースの大きさおよび伝送率を出力するステップとを含む。
Preferably, the network is associated with a network that supplies power.
According to another aspect of the present invention, a method is provided for determining resource allocation in a network that includes a first node that generates resources and a second node that consumes resources. The method includes the step of the arithmetic processing unit holding an objective function. The objective function includes a first function that outputs a cost value required for the resource supplied from the first node, which monotonically increases with respect to the size of the resource, and a second of the resources generated at the first node. Transmission in the path of resources from the first node to the second node that outputs a larger value as the difference between the size of the resource supplied to the node and the size of the resource consumed by the second node increases. And a second function having the rate as a variable. The method further includes a step in which the arithmetic processing unit calculates a value of an objective function based on a variable indicating the size of the resource generated in the first node and a variable indicating the transmission rate; A step of updating a variable indicating the size of a resource by a value corresponding to a differential value obtained by partial differentiation with a variable indicating the size of the differential value obtained by partial differentiation of an objective function with a variable indicating a transmission rate The size of the resource when the variable indicating the transmission rate according to the value is updated, the step of repeating the calculation of the value of the objective function based on the updated value, and the calculation processing of the objective function converge And a step of outputting a transmission rate.
本発明によれば、リソースを発生するノードとリソースを消費するノードとを含むネットワークにおいて、リソースの配分を適切に行なうことができる。 According to the present invention, resources can be appropriately distributed in a network including nodes that generate resources and nodes that consume resources.
本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中の同一または相当部分については、同一符号を付してその説明は繰返さない。 Embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that the same or corresponding parts in the drawings are denoted by the same reference numerals and description thereof will not be repeated.
本実施の形態においては、リソースを発生するノードとリソースを消費するノードとを含むネットワークにおけるリソースの配分に係る演算処理の典型例として、電力を供給するネットワーク(既存の電力ネットワーク、マイクログリッド、スマートグリッドなど)について例示する。すなわち、リソースが「電力」に相当し、リソースを発生するノードが「発電所」などの電力を発生する主体に相当し、リソースを消費するノードが「負荷」や「需要」などの電力を消費する主体に相当する。そして、電力を供給するネットワークにおける状況に応じて、発生される電力の配分や、消費される電力の配分といった決定を行なう。 In this embodiment, as a typical example of arithmetic processing related to resource allocation in a network including nodes that generate resources and nodes that consume resources, a network that supplies power (existing power network, microgrid, smart Grid). In other words, the resource corresponds to “power”, the node that generates the resource corresponds to an entity that generates power such as “power plant”, and the node that consumes the resource consumes power such as “load” and “demand” It corresponds to the subject to do. Then, according to the situation in the network that supplies power, determination is made such as distribution of generated power and distribution of consumed power.
本発明は、電力を供給するネットワークだけでなく、ネットワーク内でリソースが発生し、伝送され、そして消滅するような形態が存在するネットワークであれば、様々な用途に用いることができる。 The present invention can be used for various applications as long as it is not only a network that supplies power but also a network in which resources are generated, transmitted, and disappear in the network.
たとえば、後述するように、地球上に散在する自然産物、一般的な商品、希少金属などを「リソース(資源)を発生するノード」とみなした場合に、これらの資源を消費する消費者を「リソースを消費するノード」とみなすことができる。そして、本発明は、これらのリソースについての、需要/供給に関する最適予測配分ネットワーク・サービスシステムや、物流システムに適用できる。 For example, as described later, when natural products, general merchandise, rare metals, etc. scattered on the earth are regarded as “nodes that generate resources (resources)”, consumers who consume these resources are “ It can be regarded as a “resource consuming node”. The present invention can be applied to an optimal prediction distribution network / service system for demand / supply and a distribution system for these resources.
<A.システム構成>
まず、本実施の形態に従う電力供給・需要制御システムのシステム構成について説明する。
<A. System configuration>
First, the system configuration of the power supply / demand control system according to the present embodiment will be described.
図1は、本実施の形態に従う電力供給・需要制御システムの構成を示す模式図である。図1を参照して、本システムは、電力システムを構成する、発電所、変電所/配電所、蓄電器、需要などを含む。コントローラ100は、これらの要素の各々における状態値を取得し、後述するような制御ロジックを実行することで、各要素に対する制御値を算出する。
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a power supply / demand control system according to the present embodiment. Referring to FIG. 1, the system includes a power plant, a substation / distribution station, a capacitor, a demand, and the like constituting the power system. The
より具体的には、本システムは、コントローラ100と、フィールドコントローラ10,20,30とを含む。
More specifically, the present system includes a
フィールドコントローラ10は、発電所に配置され、発電所における状態値(運転状態や発電電力など)を収集するとともに、コントローラ100からの制御指令に従って発電所を制御する。より具体的には、フィールドコントローラ10は、コントローラ100とネットワーク42を通じて通信を行なうためのネットワークI/F11と、状態値を取得するためのセンサ12と、各機器を実際に制御するためのアクチュエータ13とを含む。
The
同様に、フィールドコントローラ20は、変電所/配電所に配置され、変電所/配電所における状態値(送出電力や伝送率など)を収集するとともに、コントローラ100からの制御指令に従って変電所/配電所を制御する。フィールドコントローラ20は、フィールドコントローラ10と同様に、ネットワークI/F21と、センサ22と、アクチュエータ23とを含む。
Similarly, the
さらに、フィールドコントローラ30は、工場や家庭などの需要家に配置され、当該需要家に設けられる蓄電器や負荷などの状態値を収集するとともに、コントローラ100からの制御指令に従って蓄電器を制御する。なお、需要家に太陽光発電設備などが設けられている場合には、これらの情報についても収集する。フィールドコントローラ30は、フィールドコントローラ10と同様に、ネットワークI/F31と、センサ32と、アクチュエータ33とを含む。
Further, the
<B.ハードウェア構成>
次に、本実施の形態に従うコントローラ100のハードウェア構成について、図2を参照して説明する。図2は、本実施の形態に係るコントローラ100のハードウェア構成を示すブロック図である。
<B. Hardware configuration>
Next, the hardware configuration of
コントローラ100は、コンピュータ本体102と、表示装置としてのモニタ104と、入力装置としてのキーボード110およびマウス112とを有する。モニタ104、キーボード110、およびマウス112は、コンピュータ本体102とバス105を介して接続される。
The
コンピュータ本体102は、フレキシブルディスク(Flexible Disk:以下「FD」とも称す。)ドライブ106と、光ディスクドライブ108と、CPU(Central Processing Unit)120と、メモリ122と、直接アクセスメモリ装置、たとえば、ハードディスク124と、通信インターフェイス128とを含む。これらの部品は、互いにバス105で接続されている。
The computer
FDドライブ106は、FD116に情報を読み書きする。光ディスクドライブ108は、CD−ROM(Compact Disk Read-Only Memory)118などの光ディスク上の情報を読み込む。通信インターフェイス128は、外部とデータの授受を行なう。
The FD drive 106 reads and writes information from and to the
なお、CD−ROM118は、コンピュータ本体に対してインストールされるプログラムなどの情報を記録可能な媒体であれば、他の媒体、たとえば、DVD−ROM(Digital Versatile Disk)やメモリーカードなどでもよく、その場合は、コンピュータ本体102には、これらの媒体を読み取ることが可能なドライブ装置が設けられる。また、バス105には、カセット形式の磁気テープを着脱自在に装着してアクセスする磁気テープ装置が接続されていてもよい。
The CD-
メモリ122は、ROM(Read Only Memory)およびRAM(Random Access Memory)を含む。
The
ハードディスク124は、後述する本実施の形態に従う電力需要/供給負荷の制御ロジックを実現するためのプログラムや各種設定値などを格納する。より具体的には、ハードディスク124は、目的関数生成モジュール131と、目的関数算出モジュール132と、変数更新モジュール133と、収束判断モジュール134と、パラメータファイル135とを含む。
The
CPU120が目的関数生成モジュール131を実行することで、対象のネットワークにおけるリソースの配分を最適化するために用いる目的関数(を示すデータ)を生成するとともに、メモリ122などにその生成された目的関数を保持させる。なお、目的関数の詳細については後述する。
The
CPU120が目的関数算出モジュール132を実行することで、保持されている目的関数に基づいてその値を算出する。なお、この目的関数の値の算出は、リソースを発生するノード(典型的には、発電所)で発生するリソース(電力)の大きさを示す変数と、ノード間の伝送率を示す変数とに基づいて実行される。
When the
CPU120が変数更新モジュール133を実行することで、目的関数の値の算出に用いられるパラメータを更新する。より具体的には、CPU120は、目的関数をリソースの大きさを示す変数で偏微分して得られる微分値に応じた値だけリソースの大きさを示す変数を更新する。また、CPU120は、目的関数を伝送率を示す変数で偏微分して得られる微分値に応じた値だけ伝送率を示す変数を更新する。
When the
CPU120が収束モジュール判断134を実行することで、変数更新モジュール133の実行により更新されたパラメータの値に基づいて、目的関数の値の算出を繰返し実行させるとともに、当該目的関数の算出処理が収束したか否かを判断する。CPU120は、目的関数の算出処理が収束したときの、リソースの大きさおよび伝送率を出力する。
When the
パラメータファイル135は、対象とするネットワークのトポロジーやそれを構成する部材についての各種設定を保持する。
The
演算処理装置として機能するCPU120は、メモリ122をワーキングメモリとして、上述した各プログラムに対応した処理を実行する。
The
図2に示したコンピュータのハードウェア自体およびその動作原理は一般的なものである。したがって、本発明の機能を実現するに当り本質的な部分は、FD116、CD−ROM118、ハードディスク124などの記憶媒体に記憶されたソフトウェアである。
The computer hardware itself shown in FIG. 2 and its operating principle are general. Therefore, an essential part for realizing the functions of the present invention is software stored in a storage medium such as the
<C.電力需要/供給負荷の制御ロジック>
(c1:既存の電力ネットワークの発展)
図3は、既存の電力ネットワークの発展例について模式的に示す図である。なお、図3については、合田 他、“マイクログリッド−分散電源と電力ネットワークの共生のために”、電気新聞ブックス−エネルギー新書、2004年の29頁の記述を参考とした。
<C. Electricity demand / supply load control logic>
(C1: Development of existing power network)
FIG. 3 is a diagram schematically illustrating a development example of an existing power network. For reference to FIG. 3, reference was made to Goda et al., “Microgrid for coexistence of distributed power supply and power network”, Denki Shimbun Books-Energy Shinsho, page 29, 2004.
まず、図3を参照して、既存の電力ネットワークがマイクログリッド(Microgrid:以下「MG」とも称す。)と統合する構成例について説明する。 First, a configuration example in which an existing power network is integrated with a microgrid (hereinafter also referred to as “MG”) will be described with reference to FIG. 3.
図3(a)に示すように、既存の電力ネットワークでは、複数の発電所(発電プラントと発電機)が並列的に接続されるとともに、これらの複数の発電所が需要家(負荷)へ電力を供給する。この図3(a)に示す既存の電力ネットワークに複数のMGが結合された場合には、図3(b)に示すような構成となる。 As shown in FIG. 3 (a), in an existing power network, a plurality of power plants (a power plant and a generator) are connected in parallel, and the plurality of power plants provide power to consumers (loads). Supply. When a plurality of MGs are coupled to the existing power network shown in FIG. 3A, the configuration is as shown in FIG.
MGの各々は、典型的には、電力/熱供給設備(図3(b)には図示していない)、蓄電設備、電力ネットワーク、情報通信技術を利用した制御装置(図3(b)には図示していない)、および、複数の負荷といった要素を含む。MGが既存の電力ネットワーク(いわゆる、商用電力系統)と大きく異なる点としては、熱を利用する用途、および、蓄電設備が存在することである。 Each of the MGs typically includes a power / heat supply facility (not shown in FIG. 3B), a power storage facility, a power network, and a control device using information communication technology (FIG. 3B). (Not shown) and elements such as a plurality of loads. MG differs greatly from existing power networks (so-called commercial power systems) in that it uses heat and uses power storage equipment.
そして、このようなMGが複数結合されることで、いわゆるスマートグリッド(Smart Grid)を構成する。 A plurality of such MGs are combined to form a so-called smart grid.
(c2:マイクログリッド/スマートグリッドのモデル化)
次に、マイクログリッドおよびスマートグリッドにおける電力需要/供給負荷の制御を実現するために、各構成要素をモデル化する手法を以下に説明する。
(C2: Modeling of micro grid / smart grid)
Next, a method of modeling each component in order to realize control of power demand / supply load in the microgrid and smart grid will be described below.
図4は、既存の電力システムにおける典型的なモデルを示す図である。図4に示す既存の電力システムにおいては、発電所(P)、変電所/配電所(T)、需要(Q)の3つの要素が階層的に結合される。以下では、これらの要素を「ノード」と称す。 FIG. 4 is a diagram illustrating a typical model in an existing power system. In the existing power system shown in FIG. 4, three elements of a power plant (P), a substation / distribution station (T), and a demand (Q) are hierarchically coupled. Hereinafter, these elements are referred to as “nodes”.
より具体的には、発電所ノードPiには、電力を送出するための電力伝送路wijが結合されており、同様に、変電所/配電所ノードBjには、電力を送出するための電力伝送路wjkが結合されている。 More specifically, a power transmission line w ij for transmitting power is coupled to the power plant node P i , and similarly, power is transmitted to the substation / distribution station node B j. Are connected to each other.
これに対して、図3に示すマイクログリッドにおいては、1つの発電所ノードPiからの電力は、電力伝送路wijおよびwikなどを通じて、複数の蓄電器ノードBjおよび需要ノードQkへそれぞれ供給される。なお、図3には図示されていないが、各パワーネットワーク・ケーブルには、後述するミドルウェア層を介して必要な情報を取得するための機構が設けられている。 On the other hand, in the microgrid shown in FIG. 3, the power from one power plant node P i is supplied to a plurality of capacitor nodes B j and demand nodes Q k through power transmission paths w ij and w ik , respectively. Supplied. Although not shown in FIG. 3, each power network cable is provided with a mechanism for acquiring necessary information via a middleware layer described later.
(c3:既存の電力システムについてのモデル式)
再度図4を参照して、i番目の発電所ノードPiからの供給電力をPiとし、j番目の変電所/配電所ノードBjから送出される電力をBjとし、k番目の需要ノードQkへの供給電力をQkとし、i番目の発電所ノードからj番目の変電所/配電所ノードへの電力伝送効率をwijとし、j番目の変電所/配電所ノードからk番目の需要ノードへの電力伝送効率をwjkとすると、これらの物理量の間には、(1)式および(2)式が成り立つ。なお、以下の説明では、同一の符号「Pi」を「i番目の発電所ノード」を示す符号、および、「i番目の発電所ノードからの供給電力」を示す符号として共用する。その他についても同様である。
(C3: Model formula for existing power system)
Referring again to FIG. 4, the electric power supplied from the i-th power plants nodes P i and P i, the power delivered from the j-th substation / power distribution station Node B j and B j, k-th demand the power supplied to the node Q k and Q k, the power transmission efficiency from the i-th power plant node to j-th substation / power distribution station node and w ij, k-th from the j-th substation / power distribution station nodes If the power transmission efficiency to the demand node is w jk , Equations (1) and (2) are established between these physical quantities. In the following description, the same code “P i ” is shared as a code indicating “i-th power plant node” and a code indicating “power supplied from the i-th power plant node”. The same applies to other cases.
さらに、電力システム全体の電力バランスを評価するための目的関数Rは、(3)式のように定義できる。 Furthermore, the objective function R for evaluating the power balance of the entire power system can be defined as in equation (3).
上式において、λ,μ,ν,ξは、各制約関数のペナルティーの重みを規定する定数であり、いずれも一定値に設定される。 In the above equation, λ, μ, ν, and ξ are constants that define the penalty weight of each constraint function, and are all set to constant values.
(3)式の目的関数Rについて、より詳しく説明する。(3)式の右辺第1項のP0は、発電所ノードで電力を発生するために必要なコストを示す関数である。また、(3)式の右辺第2項のHp *は、各電力ノードでの電力が0にならないように制約をかける制約関数である。また、(3)式の右辺第3項のHv *は、各電力ノードの最小電力と最大電力とを規定するための制約関数である。(3)式の右辺第4項のHe *は、供給元である各電力ノードから供給される電力が供給先の電力(需要)の合計と等しくするための制約関数である。(3)式の右辺第4項のHs *は、電力の供給をする/しないを切り換えるスイッチに関する制約関数である。 The objective function R in the equation (3) will be described in more detail. P 0 in the first term on the right side of the equation (3) is a function indicating a cost necessary for generating power at the power plant node. In addition, H p * in the second term on the right side of the equation (3) is a constraint function that constrains the power at each power node so that it does not become zero. Further, H v * in the third term on the right side of the equation (3) is a constraint function for defining the minimum power and the maximum power of each power node. H e * in the fourth term on the right side of the equation (3) is a constraint function for making the power supplied from each power node as the supply source equal to the total of the power (demand) of the supply destination. H s * in the fourth term on the right side of equation (3) is a constraint function related to a switch that switches between supplying and not supplying power.
本実施の形態に従う制御ロジックにおいては、発電所ノードPiからの供給電力をPi、ノード間の伝送率を逐次更新して、目的関数Rの値が最小値となるパラメータを探索する。そして、この探索結果に基づいて、電力ネットワーク内での電力フローを制御、すなわち、電力の配分を制御する。目的関数Rの値を最小化する数学的な方法については後述するとして、先に目的関数Rに含まれる各制約関数について説明する。 In the control logic according to the present embodiment, the electric power supplied from the power plant node P i is changed to P i , and the transmission rate between the nodes is sequentially updated to search for a parameter having the minimum value of the objective function R. And based on this search result, the electric power flow in an electric power network is controlled, ie, distribution of electric power is controlled. As a mathematical method for minimizing the value of the objective function R will be described later, each constraint function included in the objective function R will be described first.
(イ)関数P0について
関数P0は、電力システムに含まれる発電プラントにおける燃料コストの総和として定義することができる。各発電プラントの燃料コストは、当該発電プラントからの供給電力Piを変数とする二次式として近似化できる。具体的には、定数ai,bi,ciを用いて、以下のように示すことができる。
(A) Function P 0 The function P 0 can be defined as the sum of fuel costs in the power plant included in the power system. The fuel cost of each power plant can be approximated as a quadratic expression with the supplied power P i from the power plant as a variable. Specifically, it can be shown as follows using constants a i , b i , and c i .
この関数P0は、燃料コストが低いほどその値が小さくなるように設定される。すなわち、関数P0は、リソースである電力の大きさに関して単調増加する関数であり、発電所ノードから供給されるリソース(電力)に必要なコストの値を出力する。 This function P 0 is set so that its value decreases as the fuel cost decreases. That is, the function P 0 is a function that monotonously increases with respect to the magnitude of the power that is a resource, and outputs a cost value required for the resource (power) supplied from the power plant node.
(ロ)制約関数Hp *について
制約関数Hp *は、各電力ノードでの電力が0にならないように制約をかけるためのものであるから、対応する供給電力Piが大きいほどその値が小さくなるような関数が用いられる。図5は、本発明の実施の形態に従う制約関数Hp *の一例を示す図である。本実施の形態においては、図5に示すように、各電力ノードについては、供給電力Piを定数−αpのべき乗して得られる値が用いられ、制約関数Hp *としては、これらの各電力ノードについて得られた値の総和が採用される。
(B) Constraining function H p * The constraint function H p * is for constraining the power at each power node so that it does not become zero. Therefore, the value increases as the corresponding supply power P i increases. A function that decreases is used. FIG. 5 shows an example of the constraint function H p * according to the embodiment of the present invention. In the present embodiment, as shown in FIG. 5, for each power node, used is a value obtained power to supply power P i of the constant-.alpha. p, as a constraint function H p *, these The sum of the values obtained for each power node is adopted.
すなわち、本実施の形態において用いられる制約関数Hp *は、以下のように示すことができる。 That is, the constraint function H p * used in the present embodiment can be expressed as follows.
この制約関数Hp *は、発電所ノードで発生する電力(リソース)の大きさがゼロに近付くほどより大きな値を出力する。 This constraint function H p * outputs a larger value as the magnitude of power (resource) generated at the power plant node approaches zero.
(ハ)制約関数Hv *について
制約関数Hv *は、各電力ノードの最小電力と最大電力とを規定するための制約関数である。より具体的には、変電所/配電所ノードにおける供給能力と需要ノードにおける負荷の大きさとを考慮する必要がある。
(C) Constraint function H v * The constraint function H v * is a constraint function for defining the minimum power and the maximum power of each power node. More specifically, it is necessary to consider the supply capacity at the substation / distribution node and the magnitude of the load at the demand node.
本実施の形態において用いられる制約関数Hv *は、以下のように示すことができる。 The constraint function H v * used in the present embodiment can be expressed as follows.
ここで、制約関数Hv *は、制約関数HBと制約関数HQとを含む。制約関数Hv *としては、これらの各電力ノードについて得られた、制約関数HBおよび制約関数HQの値の総和が採用される。 Here, the constraint function H v * includes a constraint function H B and a constraint function H Q. As the constraint function H v * , the total sum of the values of the constraint function H B and the constraint function H Q obtained for each of these power nodes is adopted.
制約関数HBは、変電所/配電所ノードの電力Bjがその送出可能な制限値(最大許容電力Bj maxおよび最小許容電力Bj min)を満たすように制約するものである。また、制約関数HQは、需要ノードの需要Qkがその負荷の制限値(最大許容電力Qk maxおよび需要電力Dk)を満たすように制約するものである。 The constraint function H B is a constraint that the power B j of the substation / distribution node satisfies the limit values (maximum allowable power B j max and minimum allowable power B j min ) that can be transmitted. Further, the constraint function H Q is a constraint that the demand Q k of the demand node satisfies the load limit values (maximum allowable power Q k max and demand power D k ).
制約関数HBおよび制約関数HQは、いずれもその制限範囲の中心値に近いほどその値が小さくなるような井戸型の関数が用いられる。図6は、本発明の実施の形態に従う制約関数HBおよび制約関数HQの一例を示す図である。 As the constraint function H B and the constraint function H Q , well-type functions are used in which the values become smaller as the center value of the limit range is closer. FIG. 6 shows an example of constraint function H B and constraint function H Q according to the embodiment of the present invention.
(ニ)制約関数He *について
制約関数He *は、供給元である各電力ノードから供給される供給電力Piが供給先の電力(需要)の合計と等しくするための制約関数である。
(D) Constraint Function H e * The constraint function H e * is a constraint function for making the supply power P i supplied from each power node as the supply source equal to the total of the power (demand) of the supply destination. .
本実施の形態において用いられる制約関数He *は、以下のように示すことができる。 The constraint function H e * used in the present embodiment can be expressed as follows.
ここで、制約関数He *は、制約関数He(Wi)と制約関数HQ(Wj)とを含む。より具体的には、制約関数He(Wi)は、発電所ノードPiによって発生される供給電力Piのフロー全体が総電力により制限されるという条件を満たすために用いられるものである。また、制約関数HQ(Wi)は、変電所/配電所ノードBjによって送出される電力フローの全体が総電力により制限されるという条件を満たすために用いられるものである。 Here, the constraint function H e * includes a constraint function H e (W i ) and a constraint function H Q (W j ). More specifically, the constraint function H e (W i ) is used to satisfy the condition that the entire flow of supply power P i generated by the power plant node P i is limited by the total power. . The constraint function H Q (W i ) is used to satisfy the condition that the entire power flow transmitted by the substation / distribution station node B j is limited by the total power.
制約関数He(Wi)および制約関数HQ(Wj)は、いずれもその制限範囲の中心値に近いほどその値が小さくなるような関数が用いられる。図7は、本発明の実施の形態に従う制約関数He(Wi)の一例を示す図である。 As the constraint function H e (W i ) and the constraint function H Q (W j ), functions whose values are smaller as they are closer to the center value of the limit range are used. FIG. 7 is a diagram showing an example of the constraint function H e (W i ) according to the embodiment of the present invention.
なお、変数Wiおよび変数Wjについては、それぞれ、i番目の発電所ノードからj番目の変電所/配電所ノードへの電力伝送効率wij、および、j番目の変電所/配電所ノードからk番目の需要ノードへの電力伝送効率wjkを用いて、以下に示す関係が成立する。 Regarding variable W i and variable W j , power transmission efficiency w ij from i-th power plant node to j-th substation / distribution node, and j-th substation / distribution node, respectively. Using the power transmission efficiency w jk to the kth demand node, the following relationship is established.
この制約関数He *は、発電所ノードから需要ノードへの電力(リソース)の経路における伝送率(電力伝送効率をwijおよびwjk)を変数として有する。また、制約関数He *は、発電所ノードで発生した電力(リソース)のうち需要ノードへ供給される電力の大きさと、需要ノードで消費される電力の大きさとの差が大きくなるほどより大きな値を出力する。 This constraint function H e * has a transmission rate (power transmission efficiency w ij and w jk ) in a power (resource) path from the power plant node to the demand node as a variable. The constraint function H e * is larger as the difference between the magnitude of power supplied to the demand node and the magnitude of power consumed at the demand node among the power (resources) generated at the power plant node increases. Is output.
(ホ)制約関数Hs *について
制約関数Hs *は、電力の供給をする/しないを切り換えるスイッチに関する制約関数である。具体的には、隣接するノード間での電力伝送効率(電力フローのノード間における係数×ノード間の伝送率)を考慮する。なお、電力フローにおいては、通常、ノード間の伝送率は「0」または「1」に近い値をとる。
(E) Constraint function H s * The constraint function H s * is a constraint function related to a switch for switching between supplying and not supplying power. Specifically, power transmission efficiency between adjacent nodes (coefficient between power flow nodes × transmission rate between nodes) is considered. In the power flow, the transmission rate between nodes normally takes a value close to “0” or “1”.
本実施の形態において用いられる制約関数Hs *は、以下のように示すことができる。 The constraint function H s * used in the present embodiment can be expressed as follows.
但し、cijは、ノードiからノードjへの電力フローの係数を示し、xijは、ノードiからノードjへの伝送率を示す。 Here, c ij represents a coefficient of power flow from node i to node j, and x ij represents a transmission rate from node i to node j.
この制約関数Hs *は、ノード間の伝送率が「0」または「1」に近いほどより小さな値を出力する。図8は、本発明の実施の形態に従う制約関数Hsの一例を示す図である。 The constraint function H s * outputs a smaller value as the transmission rate between the nodes is closer to “0” or “1”. FIG. 8 is a diagram showing an example of the constraint function H s according to the embodiment of the present invention.
(c4:既存の電力システムについての制約関数の解法)
本実施の形態においては、上述の(3)式に示す目的関数Rの最小値を探索する方法として、i番目の発電所ノードからの供給電力Piについて微小変化分ΔPiずつ変化させるとともに、各時点におけるノード間の伝送率xij,xjkについても微小変化分ΔxijおよびΔxjkずつ変化させて順次計算を行なう。そして、最小値(収束値)を探索する。
(C4: Solution of constraint function for existing power system)
In the present embodiment, as a method of searching for the minimum value of the objective function R shown in the above equation (3), the supply power P i from the i-th power plant node is changed by a minute change ΔP i , and The transmission rates x ij and x jk between the nodes at each time point are also sequentially calculated by changing the minute changes Δx ij and Δx jk . Then, the minimum value (convergence value) is searched.
すなわち、目的関数Rを電力(リソース)の大きさを示す変数であるPiで偏微分して得られる微分値に応じた値だけPiを更新するとともに、目的関数Rを伝送率を示すxijおよびxjkでそれぞれ偏微分して得られる微分値に応じた値だけ伝送率xijおよびxjkを更新する。そして、更新後のパラメータに基づいて、目的関数Rの値の算出を繰返す。そして、目的関数Rの算出処理が収束したときの、供給電力Piおよび変数xijおよびxjkが出力される。 That is, P i is updated by a value corresponding to a differential value obtained by partial differentiation of the objective function R with P i which is a variable indicating the magnitude of power (resource), and the objective function R is set to x indicating the transmission rate. The transmission rates x ij and x jk are updated by values corresponding to the differential values obtained by partial differentiation with ij and x jk , respectively. Then, the calculation of the value of the objective function R is repeated based on the updated parameters. Then, the supply power P i and the variables x ij and x jk when the calculation process of the objective function R converges are output.
なお、目的関数Rの値が新たに算出される前に、電力(リソース)の大きさを示す変数であるPi、ならびに、伝送率を示すxijおよびxjkのいずれをも更新する処理形態(以下「同期的更新法」とも称す。)を採用することもできる。あるいは、これらのうちいずれか一方のみを更新する処理形態(以下「非同期的更新法」とも称す。)を採用することもできる。 In addition, before the value of the objective function R is newly calculated, a processing form for updating both P i that is a variable indicating the magnitude of power (resource), and x ij and x jk indicating the transmission rate. (Hereinafter also referred to as “synchronous update method”) may be employed. Alternatively, a processing mode in which only one of them is updated (hereinafter also referred to as “asynchronous update method”) can be adopted.
まず、i番目の発電所ノードからの供給電力Piの微小変化分ΔPiについては、以下に示す(4)式に従って算出することができる。 First, the minute change ΔP i of the supplied power P i from the i-th power plant node can be calculated according to the following equation (4).
ここで、周期的な発散を回避するために、定数ηpは、以下に示すように、RをPiについてテーラー展開して得られた式についての1次近似を用いてスケーリングされる。 Here, to avoid periodic divergence, the constant η p is scaled using a first order approximation for the equation obtained by Taylor expansion of R with respect to P i , as shown below.
なお、定数ηpは、元のRの値を(1−ηp)倍に低減させる低減率として定義される。これは、1次近似した場合の目的関数Rの次ステップにおける値に等しい。したがって、定数ηpは、以下に示す(5)式のように表すことができる。 The constant η p is defined as a reduction rate that reduces the original value of R by (1−η p ) times. This is equal to the value in the next step of the objective function R in the case of linear approximation. Therefore, the constant η p can be expressed as the following equation (5).
そして、供給電力Piは、Pi(t+1)=Pi(t)+ΔPi(t)に従って順次更新される。なお、変数tは、後述する目的関数Rの収束計算における計算回数(ステップ)を示す。 The supplied power P i is sequentially updated according to P i (t + 1) = P i (t) + ΔP i (t). The variable t indicates the number of times of calculation (step) in the convergence calculation of the objective function R described later.
上述と同様にして、ノードBjとノードQkとの間のノード間の伝送率xjkについては、以下に示す(6)式のように表すことができる。 In the same manner as described above, the inter-node transmission rate x jk between the node B j and the node Q k can be expressed as the following equation (6).
上述の(5)式と同様に、周期的な発散を回避するために、定数ηは、以下に示す(7)式に示すように、Rについての1次近似を用いてスケーリングされる。 Similar to equation (5) above, to avoid periodic divergence, the constant η is scaled using a first order approximation for R, as shown in equation (7) below.
次に、ノードPiとノードBjとの間の伝送率の変化分Δxijについては、以下に示す(8)式のように表すことができる。 Next, the change Δx ij in the transmission rate between the node P i and the node B j can be expressed as the following equation (8).
さらに、上述の(7)式と同様に、周期的な発散を回避するために、定数ηは、以下に示す(9)式に従ってスケーリングされる。 Further, in order to avoid periodic divergence, the constant η is scaled according to the following equation (9), similarly to the above equation (7).
(c5:既存の電力システムについての制御手順)
図3(a)に示すような既存の電力システムについての制御手順としては、発電所ノードからの供給電力Pi,伝送率xij,伝送率xjkを同期させて更新しつつ計算を繰返すことで、上述の(3)式に示す目的関数Rが最小値となるそれぞれの値を逐次決定する。
(C5: Control procedure for existing power system)
As a control procedure for the existing power system as shown in FIG. 3A, the calculation is repeated while the supplied power P i from the power plant node, the transmission rate x ij , and the transmission rate x jk are synchronized and updated. Thus, each value at which the objective function R shown in the above equation (3) becomes the minimum value is sequentially determined.
図9を用いてこの具体的な処理手順について説明する。図9は、この発明の実施の形態に従う既存の電力システムについての制御手順を示すフローチャートである。 A specific processing procedure will be described with reference to FIG. FIG. 9 is a flowchart showing a control procedure for the existing power system according to the embodiment of the present invention.
図9を参照して、まず、CPU120は、伝送率xijおよびxjkのそれぞれの初期値をランダムに決定する(ステップS100)。
Referring to FIG. 9, first,
CPU120は、電力の順伝搬の期間中、上述の(3)式を用いて、目的関数Rの値を算出する(ステップS102)。そして、CPU120は、上述の(6)式を用いて、伝送率xjkについての微小変化分Δxjkを算出する(ステップS104)。また、CPU120は、上述の(8)式を用いて、伝送率xijについての微小変化分Δxijを算出する(ステップS106)。その後、CPU120は、以下の式に従って、伝送率xijおよびxjkを更新する(ステップS108)。
The
xjk(t+1)=xjk(t)+Δxjk
xij(t+1)=xij(t)+Δxij
また、CPU120は、上述の(4)式を用いて、発電所ノードからの供給電力Piについて微小変化分ΔPiを算出する(ステップS110)。その後、CPU120は、以下の式に従って、発電所ノードからの供給電力Piを更新する(ステップS112)。
x jk (t + 1) = x jk (t) + Δx jk
x ij (t + 1) = x ij (t) + Δx ij
In addition, the
Pi(t+1)=Pi(t)+ΔPi
さらに、CPU120は、目的関数Rについての計算が収束しているか否かを判断する(ステップS114)。より具体的には、発電所ノードからの供給電力Piについて微小変化分ΔPi,伝送率xjkについての微小変化分Δxjk,伝送率xijについての微小変化分Δxijのいずれもが安定している、すなわち、変化量が所定のしきい値以下である場合には、収束していると判断される。そうでなければ、収束していないと判断される。
P i (t + 1) = P i (t) + ΔP i
Furthermore, the
すなわち、CPU120は、算出される目的関数Rの値が最小値を実質的に維持する状態になった場合に、目的関数Rの算出処理が収束したと判断する。
That is, the
目的関数Rについての計算が収束していない場合(ステップS114においてNOの場合)には、ステップS102以下の処理が繰返される。一方、目的関数Rについての計算が収束している場合(ステップS114においてYESの場合)には、算出された、発電所ノードからの供給電力Pi,伝送率xij,伝送率jkとなるように制御指令を出力する(ステップS116)。すなわち、電力ネットワークにおける電力フローが制御される。そして、処理は終了する。 If the calculation for the objective function R has not converged (NO in step S114), the processes in and after step S102 are repeated. On the other hand, if the calculation for the objective function R has converged (YES in step S114), the calculated supply power P i from the power plant node, transmission rate x ij , and transmission rate jk are obtained. A control command is output to (step S116). That is, the power flow in the power network is controlled. Then, the process ends.
なお、図9のフローチャートに示される処理手順は、所定周期あるいは何らかのイベント発生毎に実行される。 Note that the processing procedure shown in the flowchart of FIG. 9 is executed every predetermined period or every event occurrence.
(c6:マイクログリッドについてのモデル式)
上述したモデル式およびその解法については、上述したようなマイクログリッドにも拡張することができる。
(C6: Model formula for microgrid)
The above model formula and its solution can be extended to the microgrid as described above.
図10は、マイクログリッドの一例について模式的に示す図である。本実施の形態においては、図10に示すマイクログリッドに適用する場合を例として、モデル式の導出および各種のシミュレーションの実行結果などを提示するが、本実施の形態は、一般性を失わない限りにおいて、各種のマイクログリッドに適用することができる。 FIG. 10 is a diagram schematically illustrating an example of a microgrid. In the present embodiment, derivation of model formulas and execution results of various simulations are presented as an example when applied to the microgrid shown in FIG. 10, but this embodiment is not limited to generality. Can be applied to various microgrids.
図10に示すように、発電所ノードP1を中心として、放射状に複数の蓄電器(バッテリ)ノードおよび需要ノードが電力ネットワーク・ケーブルを介して結合されているとする。特に、図10に示すマイクログリッドにおいては、蓄電器ノード間での電力の遣り取りについても考慮する。これは、需要に対処するためにある蓄電器から電力が供給されているような状況下において、当該電力供給中の蓄電器に蓄えられている電力が枯渇しそうになった場合に、他の蓄電器から電力を融通するといった使用形態が想定されるからである。あるいは、蓄電器が蓄えることのできる電力量については制限があるので、ある蓄電器がそれ以上電力を蓄えることができない状況になった場合に、他の蓄電器に電力を蓄えてもらうような使用形態も想定される。 As shown in FIG. 10, around the power plant node P 1, radially plural battery cells (battery) nodes and demand nodes and are coupled via a power network cable. In particular, in the microgrid shown in FIG. 10, the exchange of electric power between the capacitor nodes is also considered. This is because, when power is being supplied from one battery to deal with demand, when the power stored in the battery being supplied is about to be depleted, This is because a usage form such as accommodating the above is assumed. Or, there is a limit on the amount of power that can be stored in a capacitor, so when a certain capacitor cannot store any more power, it is also assumed that other capacitors store power Is done.
i番目の発電所ノードからの供給電力をPiとし、j番目の蓄電器ノードに供給される電力をBjとし、j’番目の蓄電器ノードからj番目の蓄電器ノードに送出される電力をBj’とし、k番目の需要ノードへの供給電力をQkとすると、各ノード間の電力伝送効率wを用いると、これらの物理量の間には、上述の(1)式および(2)式を拡張して、(10)式〜(12)式が成り立つ。 The power supplied from the i-th power plant node is P i , the power supplied to the j-th battery node is B j, and the power sent from the j′-th battery node to the j-th battery node is B j Suppose that the power supplied to the kth demand node is Q k, and the power transmission efficiency w between the nodes is used, the above equations (1) and (2) are expressed between these physical quantities. By expanding, equations (10) to (12) are established.
さらに、電力システム全体の電力バランスを評価するための目的関数Rは、(13)式のように定義できる。 Furthermore, the objective function R for evaluating the power balance of the entire power system can be defined as in equation (13).
上式において、λ,μ,ν,ξは、いずれも定数である。
(13)式の目的関数Rを構成するそれぞれの関数(関数P0,制約関数Hp *,制約関数Hv *,制約関数He *,制約関数Hs *)が有する意味は、上述したものと同様である。すなわち、関数P0は、発電所ノードで電力を発生するために必要なコストを示すものであり、制約関数Hp *は、各電力ノードでの電力が0にならないように制約をかけるもの数であり、制約関数Hv *は、各電力ノードの最小電力と最大電力とを規定するものであり、制約関数He *は、供給元である各電力ノードから供給される電力が供給先の需要(負荷)の合計と等しくするためのものであり、制約関数Hs *は、電力の供給をする/しないを切り換えるスイッチに関するものである。
In the above equation, λ, μ, ν, and ξ are all constants.
The meaning of each function (function P 0 , constraint function H p * , constraint function H v * , constraint function H e * , constraint function H s * ) constituting the objective function R of the equation (13) is described above. It is the same as that. That is, the function P 0 indicates the cost required to generate power at the power plant node, and the constraint function H p * is the number of constraints that prevent the power at each power node from becoming zero. The constraint function H v * defines the minimum power and the maximum power of each power node, and the constraint function H e * indicates that the power supplied from each power node as the supply source The constraint function H s * relates to a switch that switches between supplying and not supplying power.
図10に示すマイクログリッドでは、関数P0,制約関数Hp *,制約関数Hv *,制約関数He *,制約関数Hs *を以下に示すように定義することができる。なお、図10に示すマイクログリッドでは、図4に示す既存の電力ネットワークに比較して、より多くのノードが存在するため、既存の電力ネットワークのモデル化において用いられる制約関数に比較して、より多くの変数を含む関数となっている。 In the microgrid shown in FIG. 10, the function P 0 , the constraint function H p * , the constraint function H v * , the constraint function H e * , and the constraint function H s * can be defined as shown below. In the microgrid shown in FIG. 10, there are more nodes than in the existing power network shown in FIG. 4. Therefore, compared to the constraint function used in the modeling of the existing power network, It is a function that includes many variables.
このうち、制約関数He *については、電力(リソース)を中継する変電所/配電所ノード、または、電力(リソース)を蓄える蓄電器(バッテリ)ノードが考慮されたものとなっている。すなわち、制約関数He *は、発電所ノードPiから需要ノードQkへ供給されるリソースの大きさに関する関数と、発電所ノードPiから蓄電器ノードBjへ供給されるリソースの大きさに関する関数と、蓄電器ノードBjから需要ノードQkへ供給されるリソースの大きさに関する関数とを含む。 Among these, the constraint function H e * takes into account a substation / distribution node that relays power (resource) or a capacitor (battery) node that stores power (resource). That is, the constraint function H e * relates to a function related to the size of the resource supplied from the power plant node P i to the demand node Q k and to the size of the resource supplied from the power plant node P i to the capacitor node B j . And a function related to the size of the resource supplied from the battery node B j to the demand node Q k .
(c7:マイクログリッドについての制約関数の解法)
上述の(13)式に示すマイクログリッドについての目的関数Rの最小値を探索する方法としては、(1)複数の変数を同期的に順次更新する方法(同期的更新法)と、(2)複数の変数を異なるタイミングで更新する方法(非同期的更新法)とを採用することができる。
(C7: Solution of constraint function for microgrid)
As a method of searching for the minimum value of the objective function R for the microgrid shown in the above equation (13), (1) a method of sequentially updating a plurality of variables (synchronous update method), and (2) A method of updating a plurality of variables at different timings (asynchronous update method) can be adopted.
(1)の方法については、上述の既存の電力システムについての目的関数R((3)式)の最小値を探索する方法と同様に、発電所ノードからの供給電力Piについて微小変化分ΔPi、および、各ノードにおける伝送率xjk,xik,xij,xj’j,xj’k,xijの各々についての微小変化分Δxjk,Δxik,Δxij,Δxj’j,Δxj’k,Δxijを同一ステップ内において一斉に更新していく。そして、最小値(収束値)を探索する。 As for the method (1), in the same way as the method for searching for the minimum value of the objective function R (Equation (3)) for the existing power system described above, the minute change ΔP for the supplied power P i from the power plant node. i , and small changes Δx jk , Δx ik , Δx ij , Δx j′j for each of the transmission rates x jk , x ik , x ij , x j′j , x j′k , x ij at each node , Δx j′k , Δx ij are updated simultaneously in the same step. Then, the minimum value (convergence value) is searched.
一方、(2)の方法については、各ステップにおいて、上述のようなパラメータのうち一部のみを更新する。 On the other hand, in the method (2), only a part of the parameters as described above is updated in each step.
以下、微小変換分の数学的な算出方法について説明する。
まず、発電所ノードからの供給電力Piについて微小変化分ΔPiについては、以下に示す(14)式に従って算出することができる。
Hereinafter, a mathematical calculation method for minute conversion will be described.
First, the minute change ΔP i for the supplied power P i from the power plant node can be calculated according to the following equation (14).
次に、各ノードにおける微小変化分Δxjk,Δxik,Δxij,Δxj’j,Δxj’k,Δxijについては、以下に示す(15)〜(20)式のように表すことができる。 Next, the minute changes Δx jk , Δx ik , Δx ij , Δx j′j , Δx j′k , Δx ij at each node can be expressed as the following equations (15) to (20). it can.
なお、周期的な発散を回避するために、上述の(5)式および(7)式と同様にして、定数ηを導入し、発電所ノードからの供給電力Piについて微小変化分ΔPi、および、各ノードにおける微小変化分Δxをスケーリングすることが好ましい。 In order to avoid periodic divergence, a constant η is introduced in the same manner as in the above formulas (5) and (7), and a minute change ΔP i , for the supplied power P i from the power plant node, It is preferable to scale the minute change Δx at each node.
(c8:マイクログリッドについての制御手順)
図10に示すようなマイクログリッドについて、図11を参照して説明する。図11は、この発明の実施の形態に従う既存のマイクログリッドについての制御手順を示すフローチャートである。
(C8: Control procedure for microgrid)
A microgrid as shown in FIG. 10 will be described with reference to FIG. FIG. 11 is a flowchart showing a control procedure for an existing microgrid according to the embodiment of the present invention.
図10を参照して、まず、CPU120は、対象のマイクログリッドにおいて何らかのイベントが発生しているか否かを判断する(ステップS200)。このイベントとは、対象のマイクログリッドにおける各種パラメータを制約する事象を意味する。何らかのイベントが発生している場合(ステップS200においてYESの場合)には、CPU120は、対象のパラメータ(供給電力Piおよび伝送率xjk,xik,xij,xj’j,xj’k,xijのいずれか)をイベントに応じた値に設定する(ステップS202)。そして、処理はステップS204へ進む。
Referring to FIG. 10, first,
これに対して、何らのイベントも発生していない場合(ステップS200においてNOの場合)には、ステップS202の処理はスキップされる。 On the other hand, if no event has occurred (NO in step S200), the process of step S202 is skipped.
ステップS204において、CPU120は、伝送率xjk,xik,xij,xj’j,xj’k,xij(ステップS202において所定値に設定されているものを除く)のそれぞれの初期値をランダムに決定する(ステップS204)。
In step S204, the
CPU120は、電力の順伝搬の期間中、上述の(13)式を用いて、目的関数Rの値を算出する(ステップS208)。そして、CPU120は、上述の(15)〜(20)式を用いて、伝送率についての微小変化分Δxjk,Δxik,Δxij,Δxj’j,Δxj’k,Δxij(ステップS202において所定値に設定されているものを除く)を算出する(ステップS210)。その後、CPU120は、以下の式に従って、伝送率xjk,xik,xij,xj’j,xj’k,xij(ステップS202において所定値に設定されているものを除く)を更新する(ステップS210)。
The
xjk(t+1)=xjk(t)+Δxjk
xik(t+1)=xik(t)+Δxik
xij(t+1)=xij(t)+Δxij
xj’j(t+1)=xj’j(t)+Δxj’j
xj’k(t+1)=xj’k(t)+Δxj’k
xij(t+1)=xij(t)+Δxij
また、CPU120は、上述の(14)式を用いて、供給電力Piについて微小変化分ΔPiを算出する(ステップS212)。その後、CPU120は、以下の式に従って、供給電力Piを更新する(ステップS214)。
x jk (t + 1) = x jk (t) + Δx jk
x ik (t + 1) = x ik (t) + Δx ik
x ij (t + 1) = x ij (t) + Δx ij
x j′j (t + 1) = x j′j (t) + Δx j′j
x j′k (t + 1) = x j′k (t) + Δx j′k
x ij (t + 1) = x ij (t) + Δx ij
Further, the
Pi(t+1)=Pi(t)+ΔPi
さらに、CPU120は、目的関数Rについての計算が収束しているか否かを判断する(ステップS216)。より具体的には、供給電力Piについて微小変化分ΔPi、および、伝送率についての微小変化分Δxjk,Δxik,Δxij,Δxj’j,Δxj’k,Δxijのいずれもが安定している、すなわち、変化量が所定のしきい値以下である場合には、収束していると判断される。そうでなければ、収束していないと判断される。
P i (t + 1) = P i (t) + ΔP i
Further, the
目的関数Rについての計算が収束していない場合(ステップS216においてNOの場合)には、ステップS204以下の処理が繰返される。一方、目的関数Rについての計算が収束している場合(ステップS216においてYESの場合)には、算出された、供給電力Piおよび伝送率jk,xik,xij,xj’j,xj’k,xijとなるように制御指令を出力する(ステップS218)。すなわち、電力ネットワークにおける電力フローが制御される。 If the calculation for the objective function R has not converged (NO in step S216), the processes in and after step S204 are repeated. On the other hand, when the calculation for the objective function R has converged (in the case of YES in step S216), the calculated supply power P i and transmission rates jk , x ik , x ij , x j′j , x A control command is output so as to be j′k , x ij (step S218). That is, the power flow in the power network is controlled.
なお、図11のフローチャートに示される処理手順は、所定周期あるいは何らかのイベント発生毎に実行される。 Note that the processing procedure shown in the flowchart of FIG. 11 is executed every predetermined period or every event occurrence.
<D.シミュレーション結果>
以下、上述したような目的関数を用いたシミュレーションを行なった結果を示す。
<D. Simulation results>
Hereinafter, the result of the simulation using the objective function as described above will be shown.
(d1.既存の電力ネットワーク)
シミュレーションの条件としては、各制約関数(ペナルティー)の重みを規定する定数λ,μ,ν,ξは、いずれも「1」とした。また、燃料コストを定義する関数の定数ai,bi,ciについても、目的関数を簡素化する観点から、いずれも「1」とした。
(D1. Existing power network)
As conditions for the simulation, the constants λ, μ, ν, and ξ that define the weight of each constraint function (penalty) are all “1”. Also, the constants a i , b i , and c i that define the fuel cost are all set to “1” from the viewpoint of simplifying the objective function.
変電所/配電所ノードまたは蓄電器ノードの電力Bj、および、需要ノードの需要Qkについては、いずれも規格化(0≦Bj≦1,0≦Qk≦1)した値を用いた。その上で、最小許容電力Bj min=「0.2」、および、最大許容電力Bj max=「0.8」とした。また、需要電力Dk=「0.2」、および、最大許容電力Qk max=「0.8」とした。 For the power B j of the substation / distribution node or capacitor node and the demand Q k of the demand node, values normalized (0 ≦ B j ≦ 1, 0 ≦ Q k ≦ 1) were used. Then, the minimum allowable power B j min = “0.2” and the maximum allowable power B j max = “0.8”. Further, the demand power D k = “0.2” and the maximum allowable power Q k max = “0.8”.
その他のパラメータとしては、制約関数Hp *を定義する定数αp=「0.5」とし、制約関数Hv *(制約関数HBおよび制約関数HQ)を定義する定数αB=αQ=「4.0」とし、制約関数He *を定義する定数βe=「0.05」、および、定数γe=「0.5」とした。 As other parameters, a constant α p = “0.5” defining the constraint function H p * is set, and a constant α B = α Q defining the constraint function H v * (the constraint function H B and the constraint function H Q ). = “4.0”, constant β e = “0.05” defining the constraint function H e * , and constant γ e = “0.5”.
さらに、周期的な発散を回避するための1次近似に用いられる定数η0=「0.01」とし、ノード間の電力フローの係数cij,cjk,cik,cj’j,cj’k,cij’=「1.0」とした。 Furthermore, the constant η 0 = “0.01” used for the first-order approximation for avoiding periodic divergence is set, and the coefficients c ij , c jk , c ik , c j′j , c of the power flow between the nodes are set . j′k and c ij ′ = “1.0”.
既存の電力ネットワークについてのシミュレーション対象として、2つの発電所ノード、3つの変電所/配電所ノード、および5つの需要ノードが存在する構成とした。発電所ノードからの供給電力Pi、発電所ノードと変電所/配電所ノードとの間の電力伝送効率wij、および変電所/配電所ノードと需要ノードとの間の電力伝送効率wjkに関して同期的に変化させて、目的関数Rの値の変化を観測した。 As a simulation target for an existing power network, there are two power plant nodes, three substation / distribution node, and five demand nodes. Supply power P i from the power plant node, power transmission efficiency w ij between the power plant node and the substation / distribution node, and power transmission efficiency w jk between the substation / distribution node and the demand node Changes in the value of the objective function R were observed while changing the values synchronously.
図12は、既存の電力ネットワークについてのシミュレーションによって観測された発電所ノードからの供給電力Piの時間変化を示すグラフである。図13は、既存の電力ネットワークについてのシミュレーションによって観測された電力伝送効率wijの時間変化を示すグラフである。図14は、既存の電力ネットワークについてのシミュレーションによって観測された目的関数Rの時間変化を示すグラフである。 Figure 12 is a graph showing temporal changes of the supply power P i from power plants nodes observed by simulations for existing power network. FIG. 13 is a graph showing the time change of the power transmission efficiency w ij observed by the simulation for the existing power network. FIG. 14 is a graph showing the time change of the objective function R observed by the simulation for the existing power network.
図12に示すように、発電所ノードからの供給電力Piがシミュレーション開始後100ステップ(収束計算回数:100)で急激に増加して、「1.2」まで到達していることがわかる。また、図13に示すように、発電所ノードと変電所/配電所ノードとの間の電力伝送効率wij、および、変電所/配電所ノードと需要ノードとの間の電力伝送効率wjkについても、シミュレーション開始後100ステップ(収束計算回数:100)で安定値に収束していることがわかる。 As shown in FIG. 12, the supplied power P i is the simulation start after 100 steps (convergent calculation count: 100) from power plants nodes rapidly increasing, it can be seen that reaches "1.2". Further, as shown in FIG. 13, the power transmission efficiency w ij between the power plant node and the substation / distribution node and the power transmission efficiency w jk between the substation / distribution node and the demand node It can also be seen that convergence to a stable value is performed in 100 steps (convergence calculation count: 100) after the simulation is started.
その結果、図14に示すように、目的関数Rの値についても単調に減少し、シミュレーション開始後100ステップ(収束計算回数:100)で「15」程度の安定点に到達していることがわかる。 As a result, as shown in FIG. 14, the value of the objective function R also monotonously decreases, and it can be seen that a stable point of about “15” has been reached in 100 steps (convergence calculation number: 100) after the start of the simulation. .
図12〜図14に示すシミュレーション結果から、本実施の形態に従う目的関数を用いることで、短時間で、既存の電力システムにおける適切な解を決定することができるといえる。 From the simulation results shown in FIGS. 12 to 14, it can be said that an appropriate solution in the existing power system can be determined in a short time by using the objective function according to the present embodiment.
(d2.マイクログリッド)
シミュレーションの条件としては、上述の既存の電力ネットワークについてのシミュレーションと同様の条件を採用した。
(D2. Microgrid)
As conditions for the simulation, the same conditions as those for the above-described existing power network were adopted.
マイクログリッドについてのシミュレーション対象として、図10に示すような、1つの発電所ノード(供給電力Pi)、4つの蓄電器ノード(電力Bj)、および3つの需要ノード(需要Qk)が存在する構成とした。発電所ノードからの供給電力Pi、発電所ノードPiと蓄電器ノードBjとの間の電力伝送効率wij、および蓄電器ノードBjと需要ノードQkとの間の電力伝送効率wjk、発電所ノードPiと需要ノードQkとの間の電力伝送効率wikに関して同期的に変化させて、目的関数Rの値の変化を観測した。 As a simulation target for the microgrid, there are one power plant node (supply power P i ), four power storage nodes (power B j ), and three demand nodes (demand Q k ) as shown in FIG. The configuration. Supply power P i from the power plant node, power transmission efficiency w ij between the power plant node P i and the battery node B j , and power transmission efficiency w jk between the battery node B j and the demand node Q k , The power transmission efficiency w ik between the power plant node P i and the demand node Q k was changed synchronously, and the change in the value of the objective function R was observed.
図15は、マイクログリッドについてのシミュレーションによって観測された発電所ノードからの供給電力Piの時間変化を示すグラフである。図16は、マイクログリッドについてのシミュレーションによって観測された需要ノードQkの時間変化を示すグラフである。図17は、マイクログリッドについてのシミュレーションによって観測された電力伝送効率wijの時間変化を示すグラフである。図18は、マイクログリッドについてのシミュレーションによって観測された目的関数Rの時間変化を示すグラフである。 Figure 15 is a graph showing temporal changes of the supply power P i from power plants nodes observed by simulation for microgrid. Figure 16 is a graph showing temporal changes in demand node Q k observed by simulation for microgrid. FIG. 17 is a graph showing the time change of the power transmission efficiency w ij observed by the simulation of the microgrid. FIG. 18 is a graph showing the time change of the objective function R observed by the simulation of the microgrid.
図15に示すように、発電所ノードからの供給電力Piが1800ステップ(収束計算回数:1800)で急激に増加して、「2.2」まで到達していることがわかる。また、図16に示すように、需要ノードにおける需要Qkの値が単調に増加して、「0.35」まで到達していることがわかる。 As shown in FIG. 15, the supplied power P i is 1800 steps (convergent calculation count: 1800) from power plants nodes rapidly increasing, it can be seen that reaches "2.2". Further, as shown in FIG. 16, increases monotonically values demand Q k in demand node, it can be seen that reaches "0.35".
図17に示すように、1%のノイズや10%の初期値が加算された場合であっても、電力ノード間におけるすべての電力伝送効率wij,wjk,wikは、いずれも0.1〜0.2の範囲内の安定値に収束していることがわかる。図18に示すように、目的関数Rの値についてもなめらかに減少して、「25」程度の安定点に到達していることがわかる。 As shown in FIG. 17, even when 1% noise and 10% initial value are added, all the power transmission efficiencies w ij , w jk , w ik between power nodes are all 0. It turns out that it has converged on the stable value in the range of 1-0.2. As shown in FIG. 18, it can be seen that the value of the objective function R also decreases smoothly and reaches a stable point of about “25”.
図15〜図18に示すシミュレーション結果から、本実施の形態に従う目的関数を用いることで、短時間で、かつ、初期値の設定に関係なく安定して、マイクログリッドにおける適切な解を決定することができるといえる。 From the simulation results shown in FIGS. 15 to 18, by using the objective function according to the present embodiment, an appropriate solution in the microgrid is determined in a short time and stably regardless of the initial value setting. Can be said.
(d3.マイクログリッド(事故発生時))
次に、上述のマイクログリッドについてのシミュレーションにおいて、事故が発生した場合の時間変化を観察した。より具体的には、2500ステップにおいて、発電所ノードPiと需要ノードQkとの間を遮断(電力伝送効率wik=0(open))した。
(D3. Microgrid (when an accident occurs))
Next, in the simulation about the above-mentioned microgrid, the time change when an accident occurred was observed. More specifically, in
図19は、マイクログリッドについての事故シミュレーションによって観測された需要ノードQkの時間変化を示すグラフである。図20は、マイクログリッドについての事故シミュレーションによって観測された発電所ノードからの供給電力Piの時間変化を示すグラフである。図21は、マイクログリッドについての事故シミュレーションによって観測された電力伝送効率wijの時間変化を示すグラフである。図22は、マイクログリッドについての事故シミュレーションによって観測された目的関数Rの時間変化を示すグラフである。 FIG. 19 is a graph showing the time change of the demand node Q k observed by the accident simulation for the microgrid. Figure 20 is a graph showing temporal changes of the supply power P i from power plants nodes observed by accident simulation for microgrid. FIG. 21 is a graph showing temporal changes in the power transmission efficiency w ij observed by the accident simulation for the microgrid. FIG. 22 is a graph showing the time change of the objective function R observed by the accident simulation for the microgrid.
図19に示すように、発電所ノードからの電力が需要ノードには直接的に供給されなくなるので、需要Qkは、事故の発生した2500ステップにおいて、瞬間的に減少している。これに対して、発電所ノードからの供給電力Piは、わずかに変動するのみである。これは、他の需要ノードや蓄電器ノードへバイパス経路を通してその発生する電力を供給し続けるからである。 As shown in FIG. 19, since the power from the power plant node is not directly supplied to the demand node, the demand Qk is instantaneously decreased at 2500 steps when the accident occurred. On the other hand, the supplied power P i from the power plant node varies only slightly. This is because the generated power continues to be supplied to other demand nodes and capacitor nodes through the bypass path.
「0」に設定される電力伝送路wikを除いて、他の電力伝送路wij,wjk,wij’wj’kといった迂回伝送路によって電力供給が回復する。図21には、発電所ノードPiと需要ノードQkとの間の電力伝送効率がバイパス経路を通して時間とともに回復する状態が示されている。すなわち、電力伝送効率wikは、2500ステップで「0」に減少した後でも、3600ステップの時点あたりで、他の迂回伝送路の電力伝送効率wij,wjkが正の値まで上昇することにより電力供給を回復していることがわかる。 With the exception of the power transmission path w ik set to “0”, the power supply is restored by detour transmission paths such as other power transmission paths w ij , w jk , and w ij ′ w j′k . FIG. 21 shows a state in which the power transmission efficiency between the power plant node P i and the demand node Q k recovers with time through the bypass path. That is, even after the power transmission efficiency w ik is reduced to “0” in 2500 steps, the power transmission efficiency w ij and w jk of other detour transmission paths increases to a positive value around the time point of 3600 steps. It can be seen that the power supply is restored.
一方、図22に示すように、このような事故が発生した場合であっても、目的関数Rの値は若干の増加をするもののほとんど変動をしていないことがわかる。 On the other hand, as shown in FIG. 22, even when such an accident occurs, it can be understood that the value of the objective function R slightly increases although it slightly increases.
(d4.スマートグリッド)
次に、既存の電力ネットワークに統合されたスマートグリッドについてシミュレーションを行なった結果を示す。
(D4. Smart grid)
Next, the result of having performed the simulation about the smart grid integrated with the existing electric power network is shown.
図23は、既存の電力ネットワークに複数のマイクログリッドが統合された構成例について模式的に示す図である。すなわち、図23に示す構成例は、発電所ノードを頂点として、第1階層(layer#1)に位置する2つの変電所ノードと、第3階層(layer#3)に位置する3つの変電所ノードとを含むパワーネットワークを含む。このパワーネットワークが既存の電力システムに相当する。この既存の電力システムに、3つのマイクログリッド(マイクログリッド#1,#2,#3)が結合されている。なお、図23においては、説明の便宜上、各ノードに番号を付している。
FIG. 23 is a diagram schematically illustrating a configuration example in which a plurality of microgrids are integrated into an existing power network. That is, the configuration example shown in FIG. 23 has two substation nodes located in the first layer (layer # 1) and three substations located in the third layer (layer # 3) with the power plant node as a vertex. Power network including nodes. This power network corresponds to an existing power system. Three microgrids (
図23に示す構成においても、電力伝送路wと電力供給・需要制御システムを実現するための通信ネットワーク(コンピュータ・ネットワーク)は、ミドルウェア層(詳細については後述する)を通じて一体化されている。 Also in the configuration shown in FIG. 23, the power transmission path w and the communication network (computer network) for realizing the power supply / demand control system are integrated through a middleware layer (details will be described later).
シミュレーションの条件としては、ペナルティーの重みを規定する定数λ,μ,νは、いずれも「1.4」とし、定数ξは「1」とした。また、燃料コストを定義する関数の定数ai,bi,ciについても、目的関数を簡素化する観点から、いずれも「1」とした。 As conditions for the simulation, the constants λ, μ, and ν that define the weight of the penalty are all “1.4”, and the constant ξ is “1”. Also, the constants a i , b i , and c i that define the fuel cost are all set to “1” from the viewpoint of simplifying the objective function.
変電所/配電所ノードまたは蓄電器ノードの電力Bj、および、需要ノードの需要Qkについては、いずれも規格化(0≦Bj≦1,0≦Qk≦1)した値を用いた。その上で、最小許容電力Bj min=「0.2」、および、最大許容電力Bj max=「0.8」とした。また、需要電力Dk=「0.2」、および、最大許容電力Qk max=「0.8」とした。 For the power B j of the substation / distribution node or capacitor node and the demand Q k of the demand node, values normalized (0 ≦ B j ≦ 1, 0 ≦ Q k ≦ 1) were used. Then, the minimum allowable power B j min = “0.2” and the maximum allowable power B j max = “0.8”. Further, the demand power D k = “0.2” and the maximum allowable power Q k max = “0.8”.
その他のパラメータとしては、制約関数Hp *を定義する定数αp=「0.22」とし、制約関数Hv *(制約関数HBおよび制約関数HQ)を定義する定数αB=αQ=「4.0」とし、制約関数He *を定義する定数βe=「0.05」、および、定数γe=「0.5」とし、制約関数Hs *を定義する定数βs=「0.15」とした。 As other parameters, a constant α p = “0.22” that defines the constraint function H p * is set, and a constant α B = α Q that defines the constraint function H v * (the constraint function H B and the constraint function H Q ). = “4.0”, constant β e defining constraint function H e * = “0.05”, and constant γ e = “0.5”, constant β s defining constraint function H s * = "0.15".
さらに、周期的な発散を回避するための1次近似に用いられる定数η0=「0.01」とした。 Furthermore, the constant η 0 = “0.01” used for the first-order approximation for avoiding periodic divergence was set.
上述のシミュレーションと同様に、発電所ノード(ノード1)からの供給電力Pi、および、ノード間における電力伝送効率wを同期的に変化させて、目的関数Rの値の変化を観測した。さらに、上述のシミュレーションと同様に事故が発生した場合の挙動についても観測した。具体的には、シミュレーション開始後250ステップにおいて、配電所ノードP’iと蓄電器ノードBjとの間を遮断(電力伝送効率wij=0(open))した。 Similar to the above simulation, the supply power P i from the power plant node (node 1) and the power transmission efficiency w between the nodes were changed synchronously, and the change in the value of the objective function R was observed. Furthermore, the behavior when an accident occurred was observed as in the above simulation. Specifically, in step 250 after the start of the simulation, the power distribution node P ′ i and the capacitor node B j are disconnected (power transmission efficiency w ij = 0 (open)).
同期的更新法により、パラメータを同期的に更新した場合のシミュレーション結果を図24〜図27に示す。 The simulation results when the parameters are updated synchronously by the synchronous update method are shown in FIGS.
図24は、スマートグリッドについてのシミュレーションによって観測された発電所ノード(ノード1)からの供給電力Piの時間変化を示すグラフである。図25は、スマートグリッドについてのシミュレーションによって観測された蓄電器(ノード17)へ供給される電力Bjの時間変化を示すグラフである。図26は、スマートグリッドについてのシミュレーションによって観測された電力伝送効率wijの時間変化を示すグラフである。図27は、スマートグリッドについてのシミュレーションによって観測された目的関数Rの時間変化を示すグラフである。 Figure 24 is a graph showing temporal changes of the supply power P i from power plants nodes observed by simulation for Smart Grid (node 1). Figure 25 is a graph showing the time variation of power B j supplied to the capacitor observed by simulation for smart grid (node 17). FIG. 26 is a graph showing temporal changes in the power transmission efficiency w ij observed by the simulation for the smart grid. FIG. 27 is a graph showing the time change of the objective function R observed by the simulation of the smart grid.
図24に示すように、発電所ノードからの供給電力Piは単調に増加して、シミュレーション開始後120ステップ(収束計算回数:120)で「2.2」の安定値まで到達していることがわかる。また、図25に示すように、蓄電器(たとえば、ノード17)へ供給される電力Bjは、電力Bjの最小値(すなわち、最小許容電力Bj min)を満たすように徐々に増加していることがわかる。
As shown in FIG. 24, the supply power P i from power plants node increases monotonically, after start of the
さらに、図26に示すように、電力ノード間におけるすべての電力伝送効率wij,wjk,wikは、いずれも0.0〜0.25の範囲内の安定値に収束していることがわかる。図27に示すように、目的関数Rの値についてもなめらかに減少して、「150」程度の安定点に到達していることがわかる。 Furthermore, as shown in FIG. 26, all the power transmission efficiencies w ij , w jk , and w ik between the power nodes all converge to stable values in the range of 0.0 to 0.25. Recognize. As shown in FIG. 27, it can be seen that the value of the objective function R also decreases smoothly and reaches a stable point of about “150”.
次に、上述のマイクログリッドについてのシミュレーションにおいて、250ステップの時点で事故が発生した場合を仮定する。すなわち、250ステップにおいて、配電所ノードP’iと蓄電器ノードBjとの間を遮断(電力伝送効率wij=0(open))した。 Next, it is assumed that an accident occurs at the time of 250 steps in the above-described simulation of the microgrid. That is, in step 250, the distribution node P ′ i and the storage node B j are disconnected (power transmission efficiency w ij = 0 (open)).
図26に示すように、配電所ノードP’i(ノード8)からの電力が蓄電器ノードBj(ノード17)には直接的に供給されなくなるので、図25に示すように蓄電器ノードBjでの電力は、事故の発生した250ステップにおいて、瞬間的に減少している。これに対して、発電所ノードからの供給電力Piは、わずかに変動するのみである。 As shown in FIG. 26, since the power from the power distribution station nodes P 'i (node 8) is not supplied directly to the capacitor node B j (node 17), as shown in FIG. 25 in the electric storage pack Node B j The electric power of the power source instantaneously decreases at 250 steps where the accident occurred. On the other hand, the supplied power P i from the power plant node varies only slightly.
「0」に設定される電力伝送路wikを除いて、迂回伝送路によって電力供給が回復する。図26には、配電所ノードP’iと蓄電器ノードBjとの間の電力伝送効率wijが時間とともに回復する状態が示されている。すなわち、電力伝送効率wijは、250ステップで一旦「0」に減少した後に、迂回伝送路を経由する電力伝送効率は上昇している。すなわち、電力供給が迂回伝送路経由で回復していることがわかる。 Except for the power transmission path w ik set to “0”, the power supply is restored by the detour transmission path. FIG. 26 shows a state where the power transmission efficiency w ij between the power distribution node P ′ i and the battery node B j is recovered with time. That is, after the power transmission efficiency w ij is once reduced to “0” in 250 steps, the power transmission efficiency via the detour transmission path is increased. That is, it can be seen that the power supply is recovered via the detour transmission path.
一方、図27に示すように、このような事故が発生した場合であっても、目的関数Rの値はほとんど変動をしていないことがわかる。このシミュレーションによって、マイクログリッドのロバスト性(頑健性)が示される。 On the other hand, as shown in FIG. 27, it can be seen that even when such an accident occurs, the value of the objective function R hardly fluctuates. This simulation shows the robustness (robustness) of the microgrid.
次に、上述と同様の条件で、制御変数を任意のタイミングで更新する非同期的更新法を用いたシミュレーション結果を図28〜図31に示す。 Next, simulation results using the asynchronous update method for updating the control variable at an arbitrary timing under the same conditions as described above are shown in FIGS.
図28は、スマートグリッドについてのシミュレーションによって観測された発電所ノード(ノード1)からの供給電力Piの時間変化を示すグラフである。図29は、スマートグリッドについてのシミュレーションによって観測された蓄電器(ノード17)へ供給される電力Bjの時間変化を示すグラフである。図30は、スマートグリッドについてのシミュレーションによって観測された電力伝送効率wijの時間変化を示すグラフである。図31は、スマートグリッドについてのシミュレーションによって観測された目的関数Rの時間変化を示すグラフである。 Figure 28 is a graph showing temporal changes of the supply power P i from power plants nodes observed by simulation for Smart Grid (node 1). Figure 29 is a graph showing the time variation of power B j supplied to the capacitor observed by simulation for smart grid (node 17). FIG. 30 is a graph showing the time change of the power transmission efficiency w ij observed by the simulation of the smart grid. FIG. 31 is a graph showing the time change of the objective function R observed by the simulation for the smart grid.
図28〜図31についても、上述の図24〜図27にそれぞれ示すシミュレーション結果と同様の結果となっている。 28 to 31 are similar to the simulation results shown in FIGS. 24 to 27 described above.
<E.その他の考慮事項>
(e1.需要の時間的変動)
上述の実施の形態においては、いくつかの制約条件下でモデル化したものであるが、一般的には、目的関数Rは、時間的に変化する非線形の関数となる。たとえば、需要電力Dkは、時間とともに常に変化する。たとえば、日中には需要電力Dkが増大し、夜間には減少するといったパターンを有する。
<E. Other considerations>
(E1. Demand fluctuation over time)
In the above-described embodiment, modeling is performed under some constraint conditions. In general, the objective function R is a nonlinear function that changes with time. For example, the demand power Dk always changes with time. For example, the demand power Dk increases during the day and decreases during the night.
このような条件下においては、たとえば、時間的に変動する需要電力Dk(t)として、以下のような関数を採用することができる。 Under such conditions, for example, the following function can be adopted as the demand power D k (t) that varies with time.
ここで、akは振幅を示し、θkはk番目の需要ノードの位相を示し、bkはオフセットである、最大許容電力Qk maxに対して20%程度の余裕を持たせているため、ε=0.8としている。 Here, a k indicates the amplitude, θ k indicates the phase of the k-th demand node, and b k is an offset, which has a margin of about 20% with respect to the maximum allowable power Q k max . , Ε = 0.8.
需要電力Dk(t)が時間的に変動すると、上述の目的関数Rを最小化する収束計算が再度実行され、目的関数Rの値が最小化するように、電力フローの状態も変化する。 When the demand power D k (t) fluctuates with time, the convergence calculation that minimizes the objective function R described above is executed again, and the state of the power flow changes so that the value of the objective function R is minimized.
本実施の形態に従う電力供給・需要制御システムにおいては、発電所ノードからの供給電力Pi、および、伝送率xij,xjk,xikを適宜更新することで、このような電力需給状態の変動に対応する。 In the power supply / demand control system according to the present embodiment, by appropriately updating the supply power P i from the power plant node and the transmission rates x ij , x jk , x ik , Respond to fluctuations.
なお、時間的に変動する需要電力Dk(t)としては、上述のような固定された関数ではなく、後述するように、学習制御によって各需要ノードにおける変動モデルを推定し、この推定された変動モデルを用いて制御を行なってもよい。 Note that the demand power D k (t) that fluctuates with time is not a fixed function as described above, but a fluctuation model at each demand node is estimated by learning control as will be described later. Control may be performed using a variation model.
(e2.再生可能エネルギー源の存在)
再度図10を参照して、蓄電器ノードBjが発電所ノードPiの側に所属し、蓄電器ノードBj’が需要ノードQkの側に所属する場合において、蓄電器ノードBjが充電されるときには、電力伝送効率wj’jは、蓄電器ノードBj’から蓄電器ノードBjへの電力供給経路に相当する。この状況は、需要家Qkが蓄電器Bj’から蓄電器Bjを通して、電力供給側Piに売電する場合に対応する。
(E2. Presence of renewable energy sources)
Referring again to FIG. 10, when storage node B j belongs to power plant node P i and storage node B j ′ belongs to demand node Q k , storage node B j is charged. Sometimes, the power transmission efficiency w j′j corresponds to a power supply path from the capacitor node B j ′ to the capacitor node B j . This situation corresponds to the case where the customer Q k sells power from the battery B j ′ to the power supply side P i through the battery B j .
ここで、蓄電器ノードまたは需要ノードに、他の蓄電器ノードまたは発電所ノードからの電力を受け入れる十分な能力が存在しない場合には、蓄電器ノードの最大許容電力Bj maxは、以下のような関数を採用することにより、その最大蓄電能力を増大することができる。 Here, if the capacitor node or the demand node does not have sufficient capacity to receive power from other capacitor nodes or power plant nodes, the maximum allowable power B j max of the capacitor node is expressed by the following function: By adopting, the maximum power storage capacity can be increased.
すなわち、目的関数Rの収束計算時には、以下のような数式に従って、最大許容電力Bj maxを順次更新する。 That is, at the time of calculating the convergence of the objective function R, the maximum allowable power B j max is sequentially updated according to the following formula.
Bj max(t+1)=Bj max(t)+ΔBj max
同様に、需要ノードの最大許容電力Qk maxは、以下のような関数を採用することにより、その最大許容電力を増大することができる。
B j max (t + 1) = B j max (t) + ΔB j max
Similarly, the maximum allowable power Q k max of the demand node can be increased by adopting the following function.
すなわち、目的関数Rの収束計算時には、以下のような数式に従って、最大許容電力Qk maxを順次更新する。 That is, when calculating the convergence of the objective function R, the maximum allowable power Q k max is sequentially updated according to the following formula.
Qk max(t+1)=Qk max(t)+ΔQk max
上述のような関数を採用することで、スマートグリッドの構成として、太陽光発電、風力発電、バイオマス発電といった再生可能な自然エネルギー源が含まれていた場合であっても、適切な電力供給・需要制御が可能となる。
Q k max (t + 1) = Q k max (t) + ΔQ k max
By adopting the functions described above, even if renewable natural energy sources such as solar power generation, wind power generation, and biomass power generation are included in the configuration of the smart grid, appropriate power supply / demand Control becomes possible.
(e3.スマートグリッドのトポロジー変化)
特にスマートグリッドにおいては、容易に、小規模な電力源(発電所)が追加されたり、蓄電器(バッテリ)が追加されたりする。あるいは、何らかの事故や補修などによって、電力供給経路(電力ネットワーク・ケーブル)が遮断されることもある。
(E3. Smart grid topology change)
In particular, in a smart grid, a small power source (power plant) is easily added, or a battery (battery) is easily added. Alternatively, the power supply path (power network cable) may be interrupted due to some accident or repair.
このような場合、スマートグリッドの全体としてみれば、トポロジーが変化することになる。このような場合であっても、本実施の形態に従う電力供給・需要制御システムにおいては、目的関数Rに含まれる伝送率xijおよびxjkのうち、対応するものの値を、遮断状態を示す「0(open)」、または、導通状態を示す「1(close)」のいずれかに固定することで、このようなトポロジー変化についても容易に対処することができる。 In such a case, the topology of the smart grid changes as a whole. Even in such a case, in the power supply / demand control system according to the present embodiment, the value of the corresponding one of the transmission rates x ij and x jk included in the objective function R indicates the cutoff state “ By fixing to either “0 (open)” or “1 (close)” indicating the conduction state, it is possible to easily cope with such a topology change.
<F.学習による負荷変動予想>
上述のような電力供給・需要制御は、図1に示すフィールドコントローラなどからなる物理層、および図2に示すコントローラ100などからなる制御プレーン(Control Plane)などの階層構造によって実現される。
<F. Load fluctuation prediction by learning>
The power supply / demand control as described above is realized by a hierarchical structure such as a physical layer including the field controller shown in FIG. 1 and a control plane (Control Plane) including the
このような階層構造に対して、需要の将来的な変動を予測するための予測学習層を追加することもできる。 A prediction learning layer for predicting future fluctuations in demand can be added to such a hierarchical structure.
(f1.アーキテクチャ)
図32は、本実施の形態に従う需要予測をするためのサービス層を統合したネットワーク・アーキテクチャの例を模式的に示す図である。
(F1. Architecture)
FIG. 32 is a diagram schematically showing an example of a network architecture in which service layers for making a demand prediction according to the present embodiment are integrated.
図32に示すネットワーク・アーキテクチャは、現実のスマートグリッドを監視制御するためのスマートグリッド層(Smart Grid Layer)がある。このスマートグリッド層は、本ネットワーク・アーキテクチャの最下層に位置する物理層である。 The network architecture shown in FIG. 32 has a smart grid layer for monitoring and controlling an actual smart grid. This smart grid layer is a physical layer located at the lowest layer of the network architecture.
一方、本ネットワーク・アーキテクチャの最上層には、需要の将来的な変動を予測するための予測学習層が位置している。この予測学習層は、ネットワーク階層でいうところの、アプリケーション層またはサービス層に対応する。 On the other hand, a prediction learning layer for predicting future fluctuations in demand is located in the uppermost layer of the network architecture. This predictive learning layer corresponds to an application layer or a service layer in the network hierarchy.
さらに、スマートグリッド層と予測学習層との間には、両者を統合するためのミドルウェア層(Middle Ware Layer)が位置する。ミドルウェア層は、厳密には、擬似レイヤーとして実装され、予測学習層により予測された需要の将来的な変動の学習値(関数)に基づいて、スマートグリッド層における電力フローを制御する。すなわち、上述した、目的関数Rが最小値をとるように、収束演算などを行なう。 Furthermore, a middleware layer (Middle Ware Layer) for integrating the two is located between the smart grid layer and the predictive learning layer. Strictly speaking, the middleware layer is implemented as a pseudo layer, and controls the power flow in the smart grid layer based on a learning value (function) of a future change in demand predicted by the prediction learning layer. That is, the above-described convergence calculation is performed so that the objective function R takes the minimum value.
なお、ミドルウェア層は、スマートグリッド層の需要ノードまたは蓄電器ノードにおいて、電力需要に対する要求が満たされない場合などには、制御誤差信号を予測学習層にフィードバックすることで、予測精度を高めることができる。また、ミドルウェア層は、スマートグリッド層に何らかの新たなノードが追加された場合には、その追加された内容を予測学習層に通知する。予測学習層は、仮想ネットワークのトポロジーを変更することで、このスマートグリッド層でのノード構成の変更に対処する。 The middleware layer can improve the prediction accuracy by feeding back the control error signal to the prediction learning layer when the demand for power demand is not satisfied at the demand node or the capacitor node of the smart grid layer. Further, when any new node is added to the smart grid layer, the middleware layer notifies the prediction learning layer of the added content. The predictive learning layer copes with the change in the node configuration in the smart grid layer by changing the topology of the virtual network.
なお、図32に示す例は、既存のネットワーク・アーキテクチャに実装する例を示すが、現在研究開発が行なわれており、4〜5年後に実用化が見込まれている新世代ネットワークに実装する場合は、図33に示すようなアーキテクチャを採用することができる。 The example shown in FIG. 32 shows an example of mounting on an existing network architecture. However, when it is mounted on a new generation network that is currently being researched and developed and is expected to be put into practical use after 4 to 5 years. Can adopt an architecture as shown in FIG.
図33は、本実施の形態に従うシステムを新世代ネットワークに実装した場合のネットワーク・アーキテクチャの例を模式的に示す図である。図33を参照して、予測学習層は、新世代ネットワーク・アーキテクチャの再上位に位置するサービス層の中に実装される。 FIG. 33 is a diagram schematically showing an example of a network architecture when the system according to the present embodiment is mounted on a new generation network. Referring to FIG. 33, the predictive learning layer is implemented in a service layer positioned at the upper level of the new generation network architecture.
なお、新世代ネットワーク・アーキテクチャでは、現実にパケットが遣り取りされる物理層(Substrate Layer)の上位に仮想ネットワーク層(Virtualization Layer)が配置され、同一の物理的主体に対して多数のノードを仮想的に設けることができる。 In the new generation network architecture, a virtual network layer (Virtualization Layer) is placed above the physical layer (Substrate Layer) where packets are actually exchanged, and many nodes are virtually connected to the same physical entity. Can be provided.
(f2.予測学習層のネットワーク構成)
図34は、本実施の形態に従う予測学習層を実現するためのネットワーク構成を模式的に示す図である。
(F2. Predictive learning layer network configuration)
FIG. 34 is a diagram schematically showing a network configuration for realizing the predictive learning layer according to the present embodiment.
図34に示すネットワークは、複数の仮想ノードを含んで構成される。このネットワーク中の各仮想ノードは、計算および学習に関する処理、および、アルゴリズム構築に関する処理を実行する。この計算および学習に関する処理としては、エージェント生成、データ転送、定数値補正などの処理が含まれる。また、アルゴリズム構築に関する処理としては、ノードおよびエッジの生成/削除といったトポロジー変更に関する処理を含む。 The network shown in FIG. 34 includes a plurality of virtual nodes. Each virtual node in the network executes processing related to calculation and learning, and processing related to algorithm construction. Processing related to this calculation and learning includes processing such as agent generation, data transfer, and constant value correction. Further, the processing related to algorithm construction includes processing related to topology change such as generation and deletion of nodes and edges.
また、このネットワークは、仮想ノードに加えて、ユーザノードを含む。このユーザノードは、現実のユーザデータ(スマートグリッドにおいては電力フローに関する各種検出値)を収集し、あるいは、予測学習処理のフロントエンドとして入力データ/教師データの処理/管理を行なう。 This network includes user nodes in addition to virtual nodes. This user node collects actual user data (various detection values related to power flow in the smart grid), or processes / manages input data / teacher data as a front end of the predictive learning process.
このようなネットワークおよびそれに含まれる仮想ノードを用いた予想学習処理を実現するための基本的な思想は、本願出願人らが先に出願した特願2008−274282号の明細書に詳述に記載されているのでそちらを参照されたい。 The basic idea for realizing the predictive learning process using such a network and the virtual nodes included therein is described in detail in the specification of Japanese Patent Application No. 2008-274282 filed earlier by the present applicants. Please refer to it.
この特願2008−274282号に開示されている「アルゴリズム可変ネットワーク(Algorism Transitive Network:ATN)」を用いて、本実施の形態に従う予測学習処理を実現する。すなわち、図34に示すようなネットワークを物理的または仮想的に構築するとともに、予測学習層(図33)は、ユーザノードから入力された情報を教師としてアルゴリズム学習を行ない、需要の時間的変動に関する内部モデルを構築する。 The predictive learning process according to the present embodiment is realized using an “algorism variable network (ATN)” disclosed in Japanese Patent Application No. 2008-274282. That is, while constructing a network as shown in FIG. 34 physically or virtually, the predictive learning layer (FIG. 33) performs algorithm learning using information input from the user node as a teacher, and relates to temporal fluctuations in demand. Build an internal model.
(f3.アルゴリズム学習)
図35は、本実施の形態に従うアルゴリズム学習における動作を模式的に示す図である。本実施の形態においては、図32に示すように、スマートグリッド層(電力ネットワーク)と予測学習層とが統合された状態において、ユーザノードから対象となる需要家(負荷サイト)からの情報を入力/教師データとして与える。すると、生成されたエージェントに従って、ネットワークの仮想ノード間をパケットが順次伝播(順伝播および逆伝播)することで学習が行なわれる。充分な時間の経過後には、内部モデル(アルゴリズム)が得られる。この内部モデルは、学習の結果得られた需要の特性を示す関数に相当する。
(F3. Algorithm learning)
FIG. 35 schematically shows an operation in algorithm learning according to the present embodiment. In the present embodiment, as shown in FIG. 32, in a state where the smart grid layer (power network) and the predictive learning layer are integrated, information from the target consumer (load site) is input from the user node. / Give as teacher data. Then, according to the generated agent, learning is performed by sequentially propagating packets (forward propagation and back propagation) between virtual nodes of the network. After sufficient time has passed, an internal model (algorithm) is obtained. This internal model corresponds to a function indicating the characteristics of demand obtained as a result of learning.
なお、図35に示すようなアルゴリズム学習については、需要家の別にそれぞれ独立に設けることが好ましい。 In addition, about algorithm learning as shown in FIG. 35, it is preferable to provide independently for each consumer.
このような内部モデル(アルゴリズム)が一旦構築されると、この情報に基づいて、上述した目的関数Rを用いた電力供給・需要制御が実行される。すなわち、各需要の時間的変化を示す関数を目的関数Rに含めた上で、目的関数Rの値が最小化するように、順次制御を実行する。 Once such an internal model (algorithm) is constructed, based on this information, power supply / demand control using the objective function R described above is executed. That is, after the function indicating the temporal change of each demand is included in the objective function R, the control is sequentially performed so that the value of the objective function R is minimized.
なお、ユーザノードから入力する教師データとしては、現実の需要の大きさ(の時間変化)に加えて、需要の大きさに影響を与えるような、すなわち、需要と相関関係の高いデータを入力することが好ましい。このような需要と相関関係の高いデータとしては、以下のようなものから任意に選択することができる。 As the teacher data input from the user node, in addition to the actual demand magnitude (time change), data that has an influence on the demand magnitude, that is, data highly correlated with the demand is inputted. It is preferable. Such data highly correlated with demand can be arbitrarily selected from the following.
・地理情報(緯度、経度、高度)
・時刻情報(年、月、日、時、分、秒)
・気温(最高気温、最低気温、平均気温)、日照時間、気圧、湿度
・降水量、氷、霜、霧、雪の量
・風向、風速
・気象衛星からの衛星画像データ
・天気図、天気予報、週間天気予報、季節情報、台風情報など
・過去の気象データ
・地球環境データバンク情報(地球温暖化データ、温室効果ガスの状況、エルニーニョ現象の発生有無、ラニーリャ現象の発生有無、ヒートアイランド情報、黄砂情報、紫外線観測データ、オゾン層の状況など)
・太陽黒点情報、火山噴火予報・警報など
・海洋データ(海水温、海洋の温室効果ガスなど)
内部モデル(アルゴリズム)は、これらの教師データとして入力された情報と高い相関を有する関数として生成される。
・ Geographic information (latitude, longitude, altitude)
・ Time information (year, month, day, hour, minute, second)
・ Temperature (maximum temperature, minimum temperature, average temperature), sunshine duration, atmospheric pressure, humidity ・ Amount of precipitation, ice, frost, fog, snow ・ Wind direction, wind speed ・ Satellite image data from meteorological satellites ・ Weather maps and weather forecasts・ Weekly weather forecast, seasonal information, typhoon information, etc. ・ Past weather data ・ Global environmental data bank information (global warming data, greenhouse gas status, El Niño occurrence, Lanilla occurrence, Heat island information, yellow sand Information, UV observation data, ozone layer status, etc.)
・ Sunspot information, volcanic eruption forecast / warning, etc. ・ Ocean data (sea temperature, ocean greenhouse gases, etc.)
The internal model (algorithm) is generated as a function having a high correlation with the information input as the teacher data.
なお、上述の例では、需要の時間的変動を予測学習する場合について例示したが、サービスノード(主として、電力供給ノード)からの供給量の時間的変動を予測学習することもできる。たとえば、需要家であっても、太陽光発電によって発生した余剰電力を電力供給側の電力会社に供給する場合もあるので、このような時間的に変動し得るパラメータについては、上述したアルゴリズム学習を用いて、その特性を示す内部モデルを作成することができる。 In the example described above, the case of predictive learning of temporal fluctuations in demand is illustrated, but temporal fluctuations in the supply amount from service nodes (mainly power supply nodes) can also be predicted and learned. For example, even a consumer may supply surplus power generated by solar power generation to a power company on the power supply side, so for such parameters that may vary over time, the algorithm learning described above is used. Can be used to create an internal model that shows its characteristics.
したがって、このようなモデルが一旦構築されると、上述の目的関数Rを用いて電力フローを決定するロジックを用いて、近未来の電力需給状態に応じた適切な制御を行なうことができる。すなわち、近未来における、需要ノードでの使用電力の増大、あるいは、再生可能な自然エネルギー源の発電量の減少といった事象を考慮して、予め、発電所の発電量を増大させ、あるいは、蓄電器(バッテリ)からの放電量を増大させておくことができる。いわば、各ユーザの別に、電力需要情報を先取りして供給できるようになる(電力需要への先取り供給システム)。 Therefore, once such a model is constructed, it is possible to perform appropriate control according to the near-future power supply and demand state using the logic that determines the power flow using the objective function R described above. That is, in the near future, taking into account events such as an increase in power used at demand nodes or a decrease in the amount of power generated by renewable natural energy sources, the power generation amount of the power plant is increased in advance, or the battery ( The amount of discharge from the battery can be increased. In other words, power demand information can be pre-supplied and supplied for each user (a pre-supply system for power demand).
すなわち、図32および図33に示すシステムにおいては、需要ノードに関する現実の情報を取得して学習することにより、需要ノードで消費される電力(リソース)の大きさの時間に関する特性関数を決定する手段を有する。そして、目的関数の値を算出する際には、この特性関数により決定される未来のリソース消費量に基づいて、目的関数Rの値が算出される。 That is, in the system shown in FIG. 32 and FIG. 33, means for determining a characteristic function related to the time of the amount of power (resource) consumed in the demand node by acquiring and learning actual information about the demand node. Have Then, when calculating the value of the objective function, the value of the objective function R is calculated based on the future resource consumption determined by this characteristic function.
より具体的には、上述したような需要と相関関係の高いデータを内部モデルとして予め自動的に学習することにより、変電所/配電所ノードに関する最大許容電力Bj maxおよび最小許容電力Bj min、ならびに、最大許容電力Qk maxおよび需要電力Dkの値を随時更新することで、目的関数を環境に適合させて動的に変更することができる。 More specifically, the maximum allowable power B j max and the minimum allowable power B j min related to the substation / distribution node are automatically learned in advance by using, as an internal model, data having a high correlation with demand as described above. In addition, by updating the values of the maximum allowable power Q k max and the demand power D k as needed, the objective function can be dynamically changed according to the environment.
(f4.実装例)
図36は、本実施の形態に従うアルゴリズム学習における実装例を模式的に示す図である。たとえば、入力データ/教師データとして、n次のベクトル量x={xi;1≦i≦n}の値が時系列に取得できるとする。すなわち、ベクトル量x(t)={xi (t)}が与えられるとする。
(F4. Implementation example)
FIG. 36 schematically shows an implementation example in algorithm learning according to the present embodiment. For example, it is assumed that a value of an nth-order vector quantity x = {x i ; 1 ≦ i ≦ n} can be acquired in time series as input data / teacher data. That is, it is assumed that the vector quantity x (t) = {x i (t) } is given.
このような場合、たとえば、10単位時間分のベクトル量x(t),x(t−1),…,x(t−9)は、図36に示すように、ユーザノードへ並列的に入力される。このようなベクトル量の入力が所定の時間繰返されながら前述のアルゴリズム学習が行われることで、内部モデルが作成される。 In such a case, for example, vector quantities x (t) , x (t−1) ,..., X (t−9) for 10 unit time are input in parallel to the user node as shown in FIG. Is done. The above-described algorithm learning is performed while such a vector amount input is repeated for a predetermined time, whereby an internal model is created.
<G.その他の適用例>
(g1.ミドルウェア層の実装)
上述の実施の形態においては、電力供給・需要制御システム(ミドルウェア層)を図2に示すようなコントローラ100を用いて実装する例について説明したが、予測学習層を実現するためのアルゴリズム可変ネットワーク(ATN)と同様のコンピュータ・ネットワークを用いて構成することもできる。
<G. Other application examples>
(G1. Implementation of middleware layer)
In the above-described embodiment, the example in which the power supply / demand control system (middleware layer) is implemented using the
この場合には、たとえば、図33に示すアーキテクチャにおいて、アプリケーション・レイヤーのすぐ下のところで動作するプログラムとして実装し、それによりインターネット上のオーバーレイ・ネットワーク(仮想ネットワーク層)中に、コンピュータ・ネットワークを構築する。 In this case, for example, in the architecture shown in FIG. 33, the program is implemented as a program that operates immediately below the application layer, thereby constructing a computer network in an overlay network (virtual network layer) on the Internet. To do.
この場合には、たとえば、発電所の供給電力についての制御を行なう制御信号は、仮想ネットワーク上を通信パケットの形で順次転送される。また、蓄電器ノードBjや需要ノードQkは、それぞれのユーザノードに対応する場所に位置することになる。 In this case, for example, a control signal for controlling the power supplied to the power plant is sequentially transferred on the virtual network in the form of a communication packet. Further, the capacitor node B j and the demand node Q k are located at locations corresponding to the respective user nodes.
また、管理者ノードでは、電力供給のネットワークが正常に動作していることを監視する。もし、災害などが原因で停電事故が起こると、直ちに迂回伝送路を通じて自動的に電力供給が復元される。このとき、各ノードの状態やシステム全体の目的関数Rの値を用いて、電力供給のネットワークが正常に回復されたかどうかを管理ノードにおいてモニタすることもできる。 The administrator node also monitors whether the power supply network is operating normally. If a power outage accident occurs due to a disaster or the like, the power supply is automatically restored immediately through the detour transmission path. At this time, it is also possible to monitor in the management node whether or not the power supply network has been normally restored by using the state of each node and the value of the objective function R of the entire system.
特願2008−274282号の明細書に詳述されているように、アルゴリズム可変ネットワーク(ATN)では、演算ノードとデータ転送エッジとからなるネットワークでアルゴリズムが表される。そして、計算処理は、データフロー(エージェント・フロー)方式により大規模・超並列・非同期的に進められる。さらに、アルゴリズム可変ネットワーク(ATN)では、誤差逆伝播学習による定数値補正とエッジ繋ぎ変えとにより、アルゴリズムが実行中に改変できるというメリットがある。 As described in detail in the specification of Japanese Patent Application No. 2008-274282, in the algorithm variable network (ATN), an algorithm is represented by a network including operation nodes and data transfer edges. The calculation process is advanced in a large-scale, massively parallel, and asynchronous manner by a data flow (agent flow) method. Further, the algorithm variable network (ATN) has an advantage that the algorithm can be modified during execution by constant value correction by error back propagation learning and edge change.
(g2.その他の適用例)
上述の実施の形態においては、リソース(資源)の一例として電力に適用する例について説明したが、地球上に散在する自然産物、一般的な商品、希少金属などをリソースとした場合も適用できる。
(G2. Other application examples)
In the above-described embodiment, an example in which power is applied as an example of a resource (resource) has been described. However, the present invention can also be applied to a case where natural products, general products, rare metals, and the like scattered on the earth are used as resources.
この場合には、上述の発電所ノードPiが生産地に対応付けられ、変電所/配電所ノードまたは蓄電器ノードBjが配送センターに対応付けられ、需要ノードQkが消費者に対応付けられる。また、電力伝送効率wijが輸送コストに対応付けられる。 In this case, the power plant node P i described above is associated with the production area, the substation / distribution node or the capacitor node B j is associated with the distribution center, and the demand node Q k is associated with the consumer. . Further, the power transmission efficiency w ij is associated with the transportation cost.
さらに、上述したような学習制御(サービス層)を組み合わせることで、需要が大きすぎてリソース(資源)の提供が不足するような場合であっても、動的なリソース配分を行なうことができる。 Further, by combining learning control (service layer) as described above, dynamic resource allocation can be performed even when the demand is too large to provide resources (resources).
<H.作用効果>
本実施の形態によれば、電力供給・需要制御システムにおいて、ユーザ(電力供給側および電力需要側の双方を含む)の利便性向上、電力負荷変動など環境変動への適応性、突発的な事故などへの耐故障性、システム運用管理の柔軟性などの種々の性能向上を図ることができる。すなわち、より完成度の高いネットワークベースの電力供給・需要制御システムを実現するために、設計段階から、多面的な検討を行なうことができる。それによって、現在開発が行われつつあるGreen ICT関連技術の質をさらに向上させることができる。
<H. Effect>
According to the present embodiment, in the power supply / demand control system, the convenience of users (including both the power supply side and the power demand side) is improved, the adaptability to environmental changes such as power load fluctuations, and sudden accidents It is possible to improve various performances such as fault tolerance to the system and flexibility of system operation management. In other words, in order to realize a network-based power supply / demand control system with a higher degree of perfection, it is possible to conduct a multifaceted study from the design stage. As a result, the quality of Green ICT-related technology that is currently being developed can be further improved.
また、学習制御によって各需要ノードにおける変動モデルを推定することで、設計方針を供給するのみならず、全体システムの運用における性能を向上することができる。 Further, by estimating the variation model at each demand node by learning control, not only the design policy can be supplied, but also the performance in the operation of the entire system can be improved.
今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is shown not by the above description of the embodiments but by the scope of claims, and is intended to include all modifications within the meaning and scope equivalent to the scope of claims.
10,20,30,30 フィールドコントローラ、11,21,31,42 ネットワークI/F、12,22,32 センサ、13,23,33 アクチュエータ、100 コントローラ、102 コンピュータ本体、104 モニタ、105 バス、106 フレキシブルディスク(FD)ドライブ、108 光ディスクドライブ、110 キーボード、112 マウス、118 ROM、120 CPU、122 メモリ、124 ハードディスク、128 通信インターフェイス、131 目的関数生成モジュール、132 目的関数算出モジュール、133 変数更新モジュール、134 収束モジュール判断、134 収束判断モジュール、135 パラメータファイル。
10, 20, 30, 30
Claims (10)
目的関数を保持する手段を備え、前記目的関数は、
リソースの大きさに関して単調増加する、前記第1のノードから供給されるリソースに必要なコストの値を出力する第1の関数と、
前記第1のノードで発生したリソースのうち前記第2のノードへ供給されるリソースの大きさと、前記第2のノードで消費されるリソースの大きさとの差が大きくなるほどより大きな値を出力する、前記第1のノードから前記第2のノードへのリソースの経路における伝送率を変数として有する第2の関数とを含み、さらに、
前記第1のノードで発生するリソースの大きさを示す変数と、前記伝送率を示す変数とに基づいて前記目的関数の値を算出する手段と、
前記目的関数を前記リソースの大きさを示す変数で偏微分して得られる微分値に応じた値だけ前記リソースの大きさを示す変数を更新する手段と、
前記目的関数を前記伝送率を示す変数で偏微分して得られる微分値に応じた値だけ前記伝送率を示す変数を更新する手段と、
前記更新後の値に基づいて、前記目的関数の値の算出を繰返す手段と、
前記目的関数の算出処理が収束したときの、前記リソースの大きさおよび前記伝送率を出力する手段とを備える、システム。 A system for performing arithmetic processing related to resource allocation in a network including a first node that generates a resource and a second node that consumes the resource,
Means for holding an objective function, wherein the objective function is:
A first function that outputs a value of a cost required for a resource supplied from the first node, monotonically increasing with respect to a resource size;
Out of the resources generated in the first node, the larger the difference between the size of the resource supplied to the second node and the size of the resource consumed in the second node, the larger the value is output. A second function having as a variable a transmission rate in a resource path from the first node to the second node, and
Means for calculating a value of the objective function based on a variable indicating a size of a resource generated in the first node and a variable indicating the transmission rate;
Means for updating a variable indicating the size of the resource by a value corresponding to a differential value obtained by partial differentiation of the objective function with a variable indicating the size of the resource;
Means for updating the variable indicating the transmission rate by a value corresponding to a differential value obtained by partial differentiation of the objective function with the variable indicating the transmission rate;
Means for repeating the calculation of the value of the objective function based on the updated value;
And a means for outputting the resource size and the transmission rate when the objective function calculation process converges.
前記第1のノードで発生するリソースの大きさがゼロに近付くほどより大きな値を出力する第3の関数をさらに含む、請求項1に記載のシステム。 The objective function is
The system according to claim 1, further comprising a third function that outputs a larger value as the size of the resource generated in the first node approaches zero.
前記伝送率が「0」または「1」に近いほどより小さな値を出力する第4の関数をさらに含む、請求項1または2に記載のシステム。 The objective function is
The system according to claim 1, further comprising a fourth function that outputs a smaller value as the transmission rate is closer to “0” or “1”.
前記第2の関数は、前記第1のノードから前記第3のノードへ供給されるリソースの大きさに関する関数と、前記第1のノードから前記第2のノードへ供給されるリソースの大きさに関する関数と、前記第3のノードから前記第2のノードへ供給されるリソースの大きさに関する関数とを含む、請求項1〜6のいずれか1項に記載のシステム。 The network further includes a third node that relays the resource or stores the resource,
The second function relates to a function related to the size of resources supplied from the first node to the third node, and to a size of resources supplied from the first node to the second node. The system according to claim 1, comprising a function and a function related to a size of a resource supplied from the third node to the second node.
前記目的関数の値を算出する手段は、前記特性関数により決定される未来のリソース消費量に基づいて、前記目的関数の値を算出する、請求項1〜7のいずれか1項に記載のシステム。 Means for determining a characteristic function relating to the time of the size of the resource consumed in the second node by acquiring and learning real information about the second node;
The system according to claim 1, wherein the means for calculating the value of the objective function calculates the value of the objective function based on a future resource consumption determined by the characteristic function. .
演算処理装置が、目的関数を保持するステップを備え、前記目的関数は、
リソースの大きさに関して単調増加する、前記第1のノードから供給されるリソースに必要なコストの値を出力する第1の関数と、
前記第1のノードで発生したリソースのうち前記第2のノードへ供給されるリソースの大きさと、前記第2のノードで消費されるリソースの大きさとの差が大きくなるほどより大きな値を出力する、前記第1のノードから前記第2のノードへのリソースの経路における伝送率を変数として有する第2の関数とを含み、さらに、
前記演算処理装置が、前記第1のノードで発生するリソースの大きさを示す変数と、前記伝送率を示す変数とに基づいて前記目的関数の値を算出するステップと、
前記演算処理装置が、前記目的関数を前記リソースの大きさを示す変数で偏微分して得られる微分値に応じた値だけ前記リソースの大きさを示す変数を更新するステップと、
前記演算処理装置が、前記目的関数を前記伝送率を示す変数で偏微分して得られる微分値に応じた値だけ前記伝送率を示す変数を更新するステップと、
前記演算処理装置が、前記更新後の値に基づいて、前記目的関数の値の算出を繰返すステップと、
前記演算処理装置が、前記目的関数の算出処理が収束したときの、前記リソースの大きさおよび前記伝送率を出力するステップとを備える、方法。 A method for determining resource allocation in a network including a first node that generates resources and a second node that consumes the resources, comprising:
The arithmetic processing unit includes a step of holding an objective function, wherein the objective function is:
A first function that outputs a value of a cost required for a resource supplied from the first node, monotonically increasing with respect to a resource size;
Out of the resources generated in the first node, the larger the difference between the size of the resource supplied to the second node and the size of the resource consumed in the second node, the larger the value is output. A second function having as a variable a transmission rate in a resource path from the first node to the second node, and
The arithmetic processing unit calculating a value of the objective function based on a variable indicating a size of a resource generated in the first node and a variable indicating the transmission rate;
The arithmetic processing unit updating the variable indicating the size of the resource by a value corresponding to a differential value obtained by partial differentiation of the objective function with a variable indicating the size of the resource;
The arithmetic processing unit updates the variable indicating the transmission rate by a value corresponding to a differential value obtained by partial differentiation of the objective function with the variable indicating the transmission rate;
The arithmetic processing unit repeatedly calculating the value of the objective function based on the updated value;
And a step of outputting the magnitude of the resource and the transmission rate when the calculation processing of the objective function has converged.
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