JP2012182979A - 負荷予想のためのシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電力グリッドにおける改良型の負荷予想方法を提供すること。
【解決手段】当該日に関する負荷予想の方法（５０）は、それより前の少なくとも３日の過去の観測負荷値を取得するステップ（５２）と、過去の観測負荷値に関連付けされた未知のウェイトを含む当該日の負荷予想と過去の観測負荷値との間の関係を特定するステップ（５４）と、を含む。この未知のウェイトの値は、それ以前の少なくとも１日の負荷予想を該それ以前の少なくとも１日の観測負荷値と比較することによって決定される（５６）。次いでこの決定したウェイト値は、当該日の負荷を予想するために当該日の負荷予想と過去の観測負荷値との間の関係において用いられる（５８）。
【選択図】図２

Description

本発明は全般的には電力グリッドに関し、またより具体的には電力グリッドにおける負荷予想に関する。

スマートグリッドは、コストの削減、エネルギーの節約及び信頼度の向上のためにディジタル通信テクノロジーを活用しながら消費者に電気を送達している。スマートグリッドは、設計が適正であれば発電／配電産業における広い範囲の状況の改善に大きな影響力を有することになる。例としては、自己治癒性（ｓｅｌｆ−ｈｅａｌｉｎｇ）、高い信頼度、サイバー攻撃に対する抵抗性、広く多様なタイプの分散した発電／蓄電機構の調停、資産配分の最適化、運用及びメンテナンス費用の最小化、並びに高度なメータリング及び需要応答を組み込んだ高分解性のマーケット制御が含まれる。

エネルギー管理システム（ＥＭＳ）及び配電管理システム（ＤＭＳ）はスマートグリッドの重要な構成要素である。ＥＭＳ及びＤＭＳは、安全、高信頼かつ経済的な方式で大量電力システムを運用する能力の提供のため、またさらには配電システムの信頼度及び効率を向上させるための新たな機能及び能力を開発するために利用される。ＤＭＳは、家庭、営利事業体及び諸工業に対して電力を提供する配電システム向けの負荷予想法を用いる。負荷予想の方法の１つに「類似日負荷予想」がある。この類似日負荷予想方式によれば運用者による予想の構築及び修正が可能となる。人の関与を必要とするこのタイプの負荷予想方式は時間がかかり過ぎることがある。さらに人の関与は、定量化が困難であると共に、ある程度の熟練が必要である。

米国特許出願第２０１００１７９７０４号

したがって、上述の１つまたは複数の問題点に対処した改良型の負荷予想方法が必要とされている。

本発明の一実施形態では、当該日に関する負荷予想の方法を提供する。本方法は、それより前の少なくとも３日に関する過去の観測負荷値を取得するステップと、過去の観測負荷値に関連付けされた未知のウェイトを含む当該日の負荷予想と過去の観測負荷値との間の関係を決定するステップと、を含む。本方法はさらに、それ以前の少なくとも１日の負荷予想を該それ以前の少なくとも１日の観測負荷値と比較することによって未知のウェイトのウェイト値を決定するステップを含む。次いでこの未知のウェイトの値が、当該日の負荷を予想するために当該日の負荷予想と過去の観測負荷値との間の関係において用いられる。

本発明の別の実施形態では、電力グリッド向けの負荷予想モジュールを提供する。本負荷予想モジュールは、それより前の少なくとも３日の過去の観測負荷値からなるデータベースと、過去の観測負荷値に関連付けされた未知のウェイトを含む当該日の負荷予想と過去の観測負荷値の間の関係を特定するための数式特定モジュールと、を含む。本負荷予想モジュールはさらに、それ以前の少なくとも１日の負荷予想を該それ以前の少なくとも１日の観測負荷値と比較することによって未知のウェイトのウェイト値を決定するためのウェイト値特定モジュールを含む。

本発明のさらに別の実施形態では、プロセッサによって実行させたときにそのプロセッサに対して負荷予想の方法の実施をさせるコンピュータプログラムの非一時的コンピュータ読み取り可能命令を含むコンピュータ読み取り可能な媒体を提示する。この方法は、それより前の少なくとも３日に関する過去の観測負荷値を取得するステップと、過去の観測負荷値に関連付けされた未知のウェイトを含む当該日の負荷予想と過去の観測負荷値との間の関係を決定するステップと、を含む。この方法はさらに、それ以前の少なくとも１日の負荷予想を該それ以前の少なくとも１日の観測負荷値と比較することによって未知のウェイトのウェイト値を決定するステップを含む。次いでこの未知のウェイトの値が、当該日の負荷を予想するために当該日の負荷予想と過去の観測負荷値との間の関係において用いられる。

本発明に関するこれらの特徴、態様及び利点、並びにその他の特徴、態様及び利点については、同じ参照符号が図面全体を通じて同じ部分を表している添付の図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むことによってより理解が深まるであろう。

全体の電気系統を表した概要図である。 本発明の一実施形態による負荷予想の方法を表した流れ図である。 観測負荷対予想負荷の比較を表したグラフである。 単一回負荷予測と複数回負荷予測の比較を表したグラフである。 本発明の一実施形態による負荷予想モジュールを表したブロック図である。

図１は、発電箇所から利用箇所までの全体電気系統１０の単一の線図を表している。電気系統１０は、発電所１２と、送電サブステーション１４と、ローカルサブステーションまたは配電サブステーション１６と、負荷１８と、を含む。発電所１２は例えば、水力発電所、熱パワー発電所、風力発電所または太陽パワー発電所を含むことがある。発電所１２は、４ｋＶ〜１３ｋＶの範囲であるような発電所電圧の電気を発生させる。発電所電圧は、電気をより効率よく転送するために発電所の変圧器（図示せず）によって１１０ｋＶ以上などのより高い送出レベル電圧まで逓昇させている。

送出レベル電圧にある電気は、長い距離にわたり電気を搬送するように構成された１次送電線２０によって送電サブステーション１４に送られる。送電サブステーション１４では、２次送電線２２を通して系統内の別の箇所まで配電するために電圧の逓降が行われる。さらに、商業用や工業用負荷あるいは家庭用負荷１８のための電圧逓降を、配電サブステーション１６において行うことがある。配電サブステーション１６は、例えば４ｋＶ〜６９ｋＶの範囲にある電圧の電気を供給することがある。配電サブステーション１６や配電サブステーション１６から電力を受け取るローカルサブステーション（図示せず）では、１２０Ｖや２４０Ｖなどのより低い電圧で家庭用負荷に電気を供給するために電圧をさらに、１レベルまたは２レベルだけ多く低下させることがある。

発電所１２、送電サブステーション１４及び配電サブステーション１６に対する運用及びメンテナンスのために系統１０内においてユーティリティ制御センター２４を用いている。ユーティリティ制御センター２４はこれらの構成要素からデータを受け取っており、またさらにこれらの構成要素に制御信号を提供している。負荷１８はそのそれぞれの配電サブステーション１６と通信することがあり、したがってユーティリティ制御センター２４もまた負荷１８とで情報の受信及び送信を行うことがある。ユーティリティ制御センター２４の構成要素には、監視制御及びデータ収集（ＳＣＡＤＡ）システム２６と、エネルギー管理システム（ＥＭＳ）２８と、需要応答管理システム（ＤＲＭＳ）３０と、配電管理システム（ＤＭＳ）３２と、を含む。一実施形態では、これらの構成要素のうちの幾つかをユーティリティ制御センター２４内に組み入れることなく系統１０内に単独で設けることがある。

ＳＣＡＤＡとは通常、遮断器、開閉器、コンデンサ、リクローザー（ｒｅｃｌｏｓｅｒ）及び変圧器を含むフィールドデバイスに対する基本的な制御及び監視を意味することは当業者であれば理解されよう。ＥＭＳ２８は、発電と送電を協調させかつ最適化させており、一方ＤＭＳ３２は配電を協調させている。ＥＭＳ２８及びＤＭＳ３２は、自動発電制御（ＡＧＣ）、負荷予想、負荷フロー設計、経済的給電、エネルギー勘定（ｅｎｅｒｇｙ ａｃｃｏｕｎｔ）、交換取引（ｉｎｔｅｒｃｈａｎｇｅ ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ）、余裕計算（スピン及び非スピン）、ＶＡＲ／電圧制御などのアプリケーションを含む。ＤＲＭＳ３０は、顧客に対して大きな不便をかけることなくピーク需要を制御して別の経済性をもたらしている。幾つかの実施形態ではＤＲＭＳ３０は、ピーク需要及び発電要件の全体制御に利用されるためＥＭＳ２８の機能の１つとして追加される。さらにＤＭＳ３２は、配電システムの信頼度及び効率を向上させることになるような機能及び能力を含む。

図２は、本発明の一実施形態に従ってＥＭＳやＤＭＳで使用し得る電力グリッド向けの負荷予想の方法５０を表している。ステップ５２では方法５０は、前日の観測負荷（ＬＤ＿０）、先週の同日の観測負荷（ＬＤ＿１）及び２週間前の同日の観測負荷（ＬＤ＿２）などの過去の観測負荷を決定するステップを含む。これらの負荷ＬＤ＿０、ＬＤ＿１及びＬＤ＿２は一定ではなく、１日の２４時間にわたって変動する負荷値の組であることに留意すべきである。したがって、ＬＤ＿０、ＬＤ＿１及びＬＤ＿２は１つのマトリックスまたは曲線として表されることがある。負荷値を観測する時間ステップは、負荷予想システムの運用者によって決定されることがある。一実施形態では、その時間ステップを１時間とすることがある。別の実施形態ではこれを１０分間とすることがある。ステップ５４では、観測負荷（ＬＤ＿０、ＬＤ＿１及びＬＤ＿２）と当該日の負荷予想（ＬＤ＿ｆ）の間の関係が特定される。この関係は、観測負荷の各々に対して未知のウェイトを提供することを含むことがある。一実施形態では、当該日の負荷予想ＬＤ＿ｆがウェイト付与済み観測負荷のすべての総和によって与えられることがある。

ＬＤ＿ｆ＝ａ＊ＬＤ＿０＋ｂ＊ＬＤ＿１＋ｃ＊ＬＤ＿２ （１）
上式において、ａ、ｂ及びｃは未知のウェイトであり、かつａ＊ＬＤ＿０、ｂ＊ＬＤ＿１及びｃ＊ＬＤ＿２はウェイト付与済みの観測負荷である。ステップ５６では、未知のウェイトａ、ｂ及びｃを特定するために直前の日の負荷予想数式ＬＤ＿ｆが直前の日の実際負荷または観測負荷ＬＤ＿０と比較される。

一例として表１は、５月中のある日々に関する観測負荷または実際負荷の値を概ね５時間の時間ステップでＭＶＡ値を単位として提供している。

表１の観測負荷値に基づいて、５月１６日の予測負荷（ＬＤ＿１６’）に関する数式が、５月１６日の観測負荷ＬＤ＿１６（表１第６列）と比較されることがある。例えば、次式となる。

ＬＤ＿１６＝ａ＊ＬＤ＿１５＋ｂ＊ＬＤ＿９＋ｃ＊ＬＤ＿２ （２）
上式において、ＬＤ＿１５、ＬＤ＿９及びＬＤ＿２は５月１５日（表１第５列）、５月９日（表１第３列）及び５月２日（表１第１列）のそれぞれにおける観測負荷である。次いで未知のウェイトａ、ｂ及びｃを決定するために数式（２）が解かれる。一実施形態では、数式（２）を解くために曲線当てはめアルゴリズムを用いることがある。この曲線当てはめアルゴリズムは、最小二乗アルゴリズムまたは最大尤度推定アルゴリズムを含むことがある。最小二乗アルゴリズムは過剰決定系（ｏｖｅｒｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ ｓｙｓｔｅｍ）すなわち本事例の場合と同様に未知数の数より多くの数の数式が存在するような数式組に関する近似解に関する標準的な方式であることは当業者であれば理解されよう。この方式に基づくと、数式（２）に対する解の１つは、ａ＝０．２９５、ｂ＝０．７４１及びｃ＝０．１３３とし得る。未知のウェイトの値が決定された後、ステップ５８において既知となったこのウェイト値が当該日の負荷を予想するために利用される。したがって、５月１７日の負荷予想に関する数式は次式のようになる。

ＬＤ＿１７＝０．２９５＊ＬＤ＿１６＋０．７４１＊ＬＤ＿１０
＋０．１３３＊ＬＤ＿３ （３）
ＬＤ＿１６、ＬＤ＿１０及びＬＤ＿３の値は負荷ＬＤ＿１７を予想するために表１から取得することが可能である。表１に示したタイプのデータは典型的には、例えば従来のＳＣＡＤＡシステムから取得することができる。

図３は、期間１か月にわたる予想負荷７２と観測負荷７４の比較プロット７０、８０、９０及び１００を表している。すべてのプロットについて水平軸７６は時間単位の期間を意味しており、また垂直軸７８はＭＶＡ単位の負荷を意味している。プロット７０は６月１１日〜６月１７日の期間に関し、プロット８０は６月１８日〜６月２４日に関し、プロット９０は６月２５日〜７月１日に関し、またプロット１００は７月２日〜７月８日に関するものである。これらのプロットから、予想負荷曲線が観測負荷曲線に緊密に従うことが理解できよう。さらにこれらの負荷曲線が日中（大負荷）と夜間（小負荷）のスケジュールに従うことが観測できよう。さらに、７月４日では祝祭日であるためにプロット１００にはこれ以外のプロットと比較して落ち込み７８が存在している。

本発明の一実施形態では、過去のデータのいずれかが週末または祝祭日にあたる場合に、そのデータを近くの平日または勤務日で置き換えることがある。例えば、５月１７日（平日）の負荷を予想する間に用いられるデータは、５月１６日、５月１０日及び５月３日のものである。しかし、これらの日のいずれかが週末にあたる場合は、５月１６日ではなく５月１５日のような直近の平日を利用する（以下同様とする）ことがある。

別の実施形態では、必要があれば２４時間のうちで負荷を複数回予想することがある。例えばその日の前の１時間に関する予想負荷と観測負荷の間の誤差が１００ＭＶＡであると観測された場合は、負荷予想数式に対して１００ＭＶＡのオフセットを追加してその予測を修正または調整することがある。観測負荷と予想負荷の間の誤差が急上昇してしきい値を超えた場合に、ある時間後に負荷のもう一回の予測がスケジュール設定されることがある。上述の方式は次式によって集約することができる。

ＬＤ＿ｆ＝ａ＊ＬＤ＿０＋ｂ＊ＬＤ＿１＋ｃ＊ＬＤ＿２＋Ｅ （４）
上式において、Ｅは予想負荷と観測負荷の間の誤差である。別の実施形態では、単一予測と複数回予測の両方を同時に用いることがある。

単一日に対して予想の複数回の反復を用いることは、当該日が祝祭日にあたる場合に特に役に立つ。例えば、メモリアルデーなどの祝祭日に関する負荷を予想しようとする場合、８ａｍにおける負荷予想のために一実施形態では、１２ａｍ〜８ａｍに関する予測誤差を計算しこれを用いてその日の次の１６時間に関する予測値を修正することがある。さらに、その負荷がその直前のものと完全に異なるような日も何日か存在することになる。統計用語でこのことを外れ値（ｏｕｔｌｉｅｒ）という。この場合、その日の中の複数回において負荷は大きく異なることになる。単一負荷予想について計算要件が満たされると、複数回の予想に関してもこれらは満たされることになる。こうした状況では、スケジュール設定の観点からは負荷予想を不変の時間間隔で定期的に更新することが容易となろう。

図４は、単一回予測対複数回予測の比較プロット１２０を表している。プロット１２０において、曲線１２２は実際の負荷プロフィールであり、曲線１２４は単一予測の負荷プロフィールであり、また曲線１２６は複数回予測の負荷プロフィールである。プロット１２０から、８ａｍまでは複数回予測と単一予測の負荷曲線は重なっていることが理解できよう。このことは、単一予測負荷プロフィールと実際負荷プロフィールの間の誤差が有意でないために負荷予想数式がその時点まで変更されていないことに起因する。しかし８ａｍのあたりでは、誤差がしきい値を超えており、このためその誤差に対する調整のために負荷予想数式が更新される。したがって更新したすなわち複数予測の負荷プロフィールは、実際の負荷プロフィールを厳密に追随することができる。

図５は、本発明の一実施形態による負荷予想モジュール１５０を表している。モジュール１５０は、直前の日の観測負荷、先週の同日の観測負荷及び２週間前の同日の観測負荷などの過去の観測負荷値からなるデータベース１５２を含む。データベース１５２内のデータは、従来のＳＣＡＤＡシステムから取得することがある。モジュール１５０はさらに、当該日の負荷予想と過去の観測負荷値の間の関係を特定するための数式特定モジュール１５４を含む。この関係は、過去の観測負荷の各々に対する未知のウェイトを含むことがある。次いで直前の日の負荷予想数式を直前の日の実際負荷と比較することによって、ウェイト値特定モジュール１５６によって未知のウェイトのウェイト値が決定される。モジュール１５６から特定したウェイト値及びモジュール１５４から取得した関係に基づいて、負荷予測モジュール１５８は当該日に関する負荷を予想する。

記載した技法の利点の１つは、自動であって、人の関与を必要としないことである。さらに本発明の実施形態は、負荷予想の誤差を低減すると共に、祝祭日及び週末に対応することがある。

本発明のある種の特徴についてのみ本明細書において図示し説明してきたが、当業者によって多くの修正や変更がなされるであろう。したがって添付の特許請求の範囲が、本発明の真の精神の範囲に属するこうした修正や変更のすべてを包含させるように意図したものであることを理解されたい。

１０ 全体電気系統
１２ 発電所
１４ 送電サブステーション
１６ 配電サブステーション
１８ 負荷
２０ １次送電線
２２ ２次送電線
２４ ユーティリティ制御センター
２６ 監視制御及びデータ収集（ＳＣＡＤＡ）システム
２８ エネルギー管理システム（ＥＭＳ）
３０ 需要応答管理システム（ＤＲＭＳ）
３２ 配電管理システム（ＤＭＳ）
５０ 負荷予想の方法を表した流れ図
５２ 方法のステップ
５４ 方法のステップ
５６ 方法のステップ
５８ 方法のステップ
７０ 予想負荷と観測負荷の比較プロット
７２ 予想負荷
７４ 観測負荷
７６ 水平軸
７８ 垂直軸
８０ 予想負荷と観測負荷の比較プロット
９０ 予想負荷と観測負荷の比較プロット
１００ 予想負荷と観測負荷の比較プロット
１２０ 単一回予測対複数回予測の比較プロット
１２２ 実際の負荷プロフィール
１２４ 単一予測の負荷プロフィール
１２６ 複数回予測の負荷プロフィール
１５０ 負荷予想モジュール
１５２ データベース
１５４ 数式特定モジュール
１５６ ウェイト値特定モジュール
１５８ 負荷予測モジュール

Claims (10)

1. 当該日に関する負荷予想の方法（５０）であって、
   それより前の少なくとも３日の過去の観測負荷値を取得するステップ（５２）と、
   過去の観測負荷値に関連付けされた未知のウェイトを含む当該日の負荷予想と過去の観測負荷値との間の関係を特定するステップ（５４）と、
   それ以前の少なくとも１日の負荷予想を該それ以前の少なくとも１日の過去の観測負荷値を比較することによって未知のウェイトのウェイト値を決定するステップ（５６）と、
   当該日の負荷予想と過去の観測負荷値との間の関係についての前記決定済みウェイト値を用いて当該日の負荷を予想するステップ（５８）と、
   を含む方法。
2. 前記それより前の少なくとも３日は、直前日と、１週前の日と、２週前の日と、を含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記それより前の少なくとも３日は、その日が異なるカテゴリーでない限りにおける直前日と、１週前の日と、２週前の日と、を含むと共に、そのカテゴリーには平日の日、週末の日及び祝祭日を含む、請求項１に記載の方法。
4. 未知のウェイトのウェイト値を決定する前記ステップは、当該日の負荷予想と過去の観測負荷値との間の関係に関する解を決定するステップを含む、請求項１に記載の方法。
5. 前記当該日は勤務日でありかつ前記過去の観測負荷データのいずれかが祝祭日に関するものである場合に、該祝祭日に近い勤務日の負荷データを利用する、請求項１に記載の方法。
6. 当該日の予想負荷と当該日の実際負荷の間の誤差がしきい値を超えた場合に、当該日に関する負荷を複数回予想する、請求項１に記載の方法。
7. 電力グリッドのための負荷予想モジュール（１５０）であって、
   それより前の少なくとも３日の過去の観測負荷値からなるデータベース（１５２）と、
   過去の観測負荷値に関連付けされた未知のウェイトを含む当該日の負荷予想と過去の観測負荷値の間の関係を特定するための数式特定モジュール（１５４）と、
   それ以前の少なくとも１日の負荷予想を該それ以前の少なくとも１日の過去の観測負荷値を比較することによって未知のウェイトのウェイト値を決定するためのウェイト値特定モジュール（１５６）と、
   当該日の負荷予想の間の関係についての前記決定済みウェイト値を用いることによって当該日の負荷を予想するための負荷予測モジュール（１５８）と、
   を備える負荷予想モジュール（１５０）。
8. 前記それより前の少なくとも３日は、直前日と、１週前の日と、２週前の日と、を含む、請求項７に記載のシステム。
9. 前記それより前の少なくとも３日は、その日が異なるカテゴリーでない限りにおける直前日と、１週前の日と、２週前の日と、を含むと共に、そのカテゴリーには平日の日、週末の日及び祝祭日を含む、請求項７に記載のシステム。
10. プロセッサによって実行させたときにそのプロセッサに対して、当該日に関する負荷予想の方法（５０）であって、
    それより前の少なくとも３日の過去の観測負荷値を取得するステップ（５２）と、
    過去の観測負荷値に関連付けされた未知のウェイトを含む当該日の負荷予想と過去の観測負荷値との間の関係を特定するステップ（５４）と、
    それ以前の少なくとも１日の負荷予想を該それ以前の少なくとも１日の観測負荷値と比較することによって未知のウェイトのウェイト値を決定するステップ（５６）と、
    当該日の負荷予想と過去の観測負荷値との間の関係についての前記決定済みウェイト値を用いて当該日の負荷を予想するステップ（５８）と、
    を含む方法（５０）を実施させるコンピュータプログラムの非一時的コンピュータ読み取り可能命令を含むコンピュータ読み取り可能媒体。