JP2014174769A - エネルギー制御装置、制御方法及び制御プログラム - Google Patents

エネルギー制御装置、制御方法及び制御プログラム Download PDF

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Abstract

【課題】電力需要に応じた電力を、安定して、自家発電設備より安価に供給でき、需要家の設備管理者の負担をかけずに、熱需要に応じた蒸気の供給ができる。
【解決手段】電力需要予測情報に応じて、CGS1の電力の出力値を決定するCGS出力決定部151と、決定した電力の出力値に対応する熱の出力値では、熱需要予測情報に不足する場合に、バックアップボイラー2の熱の出力値を決定するバックアップボイラー出力決定部152と、決定した熱の出力値では、熱需要予測情報に不足する場合に、ユーザ所有ボイラー4が出力する熱の出力値を決定するユーザ所有ボイラー出力決定部153と、を有する。
【選択図】図4

Description

本発明の実施形態は、例えばコージェネレーションシステムによって生成される電力及び熱の供給とともに、各種のボイラーによって生成される熱の供給を制御するエネルギー制御技術に関する。
新興国における商用の電力系統の料金は安価である。しかし、新興国では、著しい人口増と経済発展による電力需要の増大に、発変電設備が追いつかず、恒常的な電力不足が続いている。このため、停電が頻繁に発生するとともに、供給される電力の電圧変動及び周波数変動が激しい地域が多い。
これに対処するため、工業団地のように、大量の安定した電力を必要とする需要家は、図9に示すように、ディーゼル発電機などの自家発電設備を、バックアップ電源として所有している。そして、停電時には、バックアップ電源を起動させて、工場設備へ供給する電力を、商用の電力系統からバックアップ電源へと切り替えている。
また、例えば、車やバイクの製造工場や、衣類関連の工場など、需要家によっては、蒸気による熱の供給を必要とする場合がある。このような蒸気を供給する熱源設備としては、新興国においては、図9に示すように、炉筒煙管ボイラーを使用している場合が多い。
炉筒煙管ボイラーは、水を収容したドラム中に、多数の煙管を設け、この煙管内に燃焼排ガスを通過させることにより、水を加熱して蒸気を発生させるボイラーである。
特開2007−318940号公報
しかしながら、上記のようにバックアップ電源を用意していても、停電のたびに商用の電力系統から自家発電設備への切り替えを行うため、一時的な電力断、電圧及び周波数の変化等により、製造工程に悪影響を与える。
このため、商用の電力系統の信頼性が低い事により、商用の電力系統からの電力を一切使用せずに、100%の電力を自家発電設備から得ている工場もある。しかし、この場合、自家発電設備の燃料費、メンテナンス費等がかかるため、商用の電力系統からの電力よりも、コスト高となる。
また、炉筒煙管ボイラーは、起動性が悪い。つまり、起動から蒸気の出力に至るまでの時間が、数時間かかる。このような炉筒煙管ボイラーは、工場が稼働を開始する朝の蒸気消費時間帯に合わせて、より早い時間にあらかじめ起動させておく必要があり、設備管理者の負担となっている。
本発明は、上記のような従来技術の問題を解決するために提案されたものであり、その目的は、需要に応じて、エネルギーを安定して、自家発電設備より安価に供給できるとともに、需要家の設備管理者に負担をかけずに、熱需要に応じた熱の供給ができるエネルギー制御技術を提供することにある。
上記のような目的を達するため、本実施形態のエネルギー制御装置は、以下の特徴を有する。
(1) 電力とともに熱を出力するコージェネレーションシステムの性能情報に基づき、電力需要を予測した電力需要予測情報に応じてコージェネレーションシステムの電力の出力値を決定するコージェネレーションシステム出力決定部
(2) 熱を出力する第1の熱源の性能情報に基づいて、前記コージェネレーションシステム出力決定部が決定した電力の出力値に対応する熱の出力値では、熱需要を予測した熱需要予測情報に不足する場合に、前記第1の熱源の熱の出力値を決定する第1の熱源出力決定部
(3) 前記第1の熱源よりも起動から熱の出力までの時間が遅い第2の熱源の性能情報に基づいて、前記コージェネレーションシステム出力決定部及び前記第1の熱源出力決定部が決定した熱の出力値では、前記熱需要予測情報に不足する場合に、前記第2の熱源が出力する熱の出力値を決定する第2の熱源出力決定部
なお、他の態様は、上記の各部の機能をコンピュータ又は電子回路により実現するための方法及びコンピュータに実行させるプログラムとして捉えることもできる。
実施形態のエネルギー制御装置が適用されるグリッドの基本構成を示す説明図 コージェネレーションシステムの発電出力と蒸気量の関係を示す説明図 制御対象機器の通信系統による接続構成例を示す図 実施形態のエネルギー制御装置の構成を示すブロック図 運転計画作成部の構成を示すブロック図 実施形態のエネルギー制御装置の処理の流れを示すフローチャート 電力需要、蒸気需要に応じた1時間毎のコージェネレーションシステム蒸気出力、バックアップボイラー蒸気出力、ユーザ所有ボイラー蒸気出力の関係を示す説明図 複数のグリッドのエネルギーを制御する態様を示す説明図 従来のバックアップ電源及び炉筒煙管ボイラーを使用する工場設備を示す説明図
本実施形態のエネルギー制御装置について、図面を参照して説明する。
[A.グリッド]
[1.全体構成]
まず、本実施形態が適用される環境であるグリッドSを、図1〜図3を参照して説明する。このグリッドSは、例えば、エネルギー供給設備として、既存の大規模発電所ではなく、小規模の分散電源等を用いて、特定の域内での需要家の電力需要を賄うマイクログリッドである。
グリッドSは、電力会社との連系はしないことが前提なので、単独グリッドとなる。グリッドSのエネルギーの需給管理は、通信ネットワークを介して、エネルギー制御装置100が行う。
本実施形態のグリッドSは、コージェネレーションシステム(以下、CGSとする)1、バックアップボイラー2、需要家3、ユーザ所有ボイラー4、電力系統7、熱系統8、通信系統9、エネルギー制御装置100を有する。
電力系統7は、商用の電力系統とは独立した送電線、変電機器等により構成された送電網である。熱系統8は、断熱材を備えた配管、バルブ等を介して蒸気を供給する経路である。通信系統9については後述する。
[2.CGS]
CGS1は、一次エネルギーを電力及び熱に変換して供給する電熱併給システムである。CGS1としては、例えば、一次エネルギーとしてガスを用いて電力を供給するガスエンジンと、排熱を回収して蒸気を供給する排熱回収ボイラーにより構成されたガスエンジンシステムを用いる。このCGS1は、複数台設置されている。
各CGS1は、電力と熱を、ある一定の割合で出力する。例えば、図2に示すように、CGS1が運転時の電力の出力値(たとえば、発電出力)と熱の出力値(例えば、蒸気量)の比率は変わらず、製造メーカにもよるがほぼ比例関係にある。
各CGS1からの電力の出力側は、電力系統7に接続されている。各CGS1からの熱(蒸気)の出力側は、熱系統8に接続されている。これにより、各CGS1は、電力および熱を需要家3に供給できる。
なお、CGS1は、定格の100%という状態で稼働させることが最も効率が高い。つまり、CGS1は、少ない台数をフル稼働させることが、必要な一次エネルギーが少ない等、エネルギー効率が良い。
[3.バックアップボイラー]
バックアップボイラー2は、ガス等の一次エネルギーを熱(蒸気)に変換する第1の熱源である。バックアップボイラー2は、複数台設置され、各バックアップボイラー2は、熱系統8に接続されている。
これにより、各バックアップボイラー2は、生成した熱を熱系統8に供給できる。バックアップボイラー2は、例えば、貫流ボイラーである。この貫流ボイラーは、管の一方から他方へ押し込み供給される水を、その過程で加熱して蒸気にするボイラーである。貫流ボイラーは、起動から3〜5分程度で蒸気を出力することができる。
[4.需要家]
需要家3は、電力系統7、熱系統8を介して、CGS1、バックアップボイラー2から電力、熱の供給を受ける設備群である。各需要家3を構成する設備は、所定のまとまりとして管理されている複数の電気、熱の消費機器及びこれに付随する設備である。例えば、需要家3は、電力の供給を受ける電力設備31を備えている(図3参照)。この所定のまとまりは、例えば、工場、建物、プラント等を単位としても、CGS1からエネルギーの供給を受ける契約者を単位としてもよい。
需要家3は、複数存在する。各需要家3のうち、熱を必要とする需要家3は、ボイラーを有している場合がある。このボイラーをユーザ所有ボイラー4と呼ぶ。ユーザ所有ボイラー4は、バックアップボイラー2と比較して、起動から熱の供給までに時間がかかる。例えば、ユーザ所有ボイラー4が既存の炉筒煙管ボイラーである場合、起動から蒸気出力までに1〜数時間程度かかる。
[5.通信系統]
通信系統9は、情報の送受信を行う通信ネットワークである。この通信系統9には、CGS1、バックアップボイラー2、需要家3、ユーザ所有ボイラー4の制御部が接続されるとともに、後述するエネルギー制御装置100が接続されている。これにより、エネルギー制御装置100は、CGS1、バックアップボイラー2、需要家3、ユーザ所有ボイラー4との情報の送受信が可能となる。
例えば、図3に示すように、通信系統9は、LANを構成するLANケーブルC1を有している。このLANケーブルC1に、エネルギー制御装置100、CGS1を制御する制御部である制御盤1A、バックアップボイラー2を制御する制御部である制御盤2Aが接続されている。
これにより、制御盤1Aは、エネルギー制御装置100から送信される制御信号に基づいて、CGS1の運転を制御する。また、制御盤2Aは、エネルギー制御装置100から送信される制御信号に基づいて、バックアップボイラー2の運転を制御する。
また、通信系統9は、専用の光回線を構成する光ケーブルC2を有している。この光ケーブルC2は、光電変換用のONU(Optical Network Unit:光回線終端装置)を介して、上記のLANケーブルC1に接続されている。
そして、ユーザ所有ボイラー4の監視・制御及び電力設備31を監視するために設置する装置であるRTU(Rmote Terminal Unit:遠方監視制御装置子局)は、ONUを介して、光ケーブルC2に接続されている。これにより、RTUは、エネルギー制御装置100から送信される制御信号に基づいて、ユーザ所有ボイラー4の運転を制御する。また、RTUは熱需要情報および電力需要情報を収集し、エネルギー制御装置100へ送信する。
さらに、各需要家3は、図示はしないスマートメータを介して、通信系統9に接続する案もある。スマートメータは、コンピュータにより構成される計測装置である。このスマートメータは、通信機能を備え、各需要家3における電力需要情報の送受信を、エネルギー制御装置100との間で行うことができる。
また、制御盤1A、制御盤2A、RTUも、CGS1、バックアップボイラー2、ユーザ所有ボイラー4の状態に関する計測情報を取り込み、エネルギー制御装置100に送信可能に設けられている。
[B.エネルギー制御装置]
エネルギー制御装置100は、通信系統9を介して、CGS1、バックアップボイラー2、ユーザ所有ボイラー4の最適制御を行うEMS(Energy Management System)である。
エネルギー制御装置100は、図4に示すように、送受信部110、記憶部120、需要取得部130、需要予測部140、運転計画作成部150、制御情報出力部160を有する。
[1.送受信部・記憶部]
送受信部110は、通信系統9に接続され、外部との情報の送受信を行う処理部である。記憶部120は、エネルギー制御装置100の処理に必要な各種の情報を記憶する処理部である。
[2.需要取得部]
需要取得部130は、各需要家3のRTUから送信され、送受信部110を介して受信した需要情報を取得する処理部である。例えば、需要取得部130は、取得した各日の各時刻における各需要家3の需要情報を合計することにより、グリッドS全体における需要情報を時系列で求める。需要情報には、電力と熱の需要情報が含まれる。
このような需要取得部130は、電力需要取得部131と熱需要取得部132を有する。電力需要取得部131は、各需要家3における電力の需要情報を取得する処理部である。電力の需要情報は、RTUが計測する電力の消費機器の消費電力量から得ることができる。電力需要取得部131は、上記のような手法により、グリッドS全体の電力需要情報を求める。
熱需要取得部132は、各需要家3における熱の需要情報を取得する処理部である。熱の需要情報は、RTUが計測する熱の消費機器の消費熱量から得ることができる。熱需要取得部132は、上記のような手法により、グリッドS全体の熱需要情報を求める。
なお、各需要家4及びグリッドS全体の需要情報は、各日の日付、季節、曜日、天候等の関連情報とともに、記憶部120が記憶する。蓄積された需要情報は、過去の需要実績データとして捉えることができる。
[3.需要予測部]
需要予測部140は、記憶部120が記憶した需要情報に基づいて、制御対象となる日である対象日の需要予測情報を作成する処理部である。需要の予測は、例えば、次のように行う。まず、過去の需要情報に基づいて、季節、曜日、天候別の時刻毎の需要パターンを作成する。そして、対象日と同じ季節、同じ曜日、同じ天候の需要パターンを、対象日のグリッドS全体の需要予測情報とする。
需要パターンにおける各時刻の需要量は、例えば、過去の複数年の同季節、同曜日、同天候の各時刻の需要量の平均値としたり、中央値、最大値又は最小値とすることが考えられる。
また、対象日における需要予測情報を、複数用意しておき、エネルギー制御装置100が自動的に又はオペレータの入力により、いずれかを選択するようにしてもよい。例えば、天候について、異なる需要予測情報を用意しておき、対象日の天候の変化に応じて、これに適合する需要予測情報が選択されるようにしてもよい。
但し、需要予測の手法は、これには限定されず、現在又は将来において利用されるあらゆる手法を用いることができる。また、エネルギー制御装置100が需要家3から需要の増減に関する情報の受信又は連絡を受け、自動的に又はオペレータの入力により、需要予測情報を選択又は変更してもよい。
このような需要予測部140は、電力需要予測部141、熱需要予測部142を有する。電力需要予測部141は、上記のような手法により、電力の需要予測情報を作成する処理部である。熱需要予測部142は、上記のような手法により、熱の需要予測情報を作成する処理部である。なお、需要予測部140により作成されたグリッドS全体の電力需要予測情報、熱需要予測情報は、記憶部120が記憶する。
[4.運転計画作成部]
運転計画作成部150は、電力需要予測情報、熱需要予測情報に応じた電力及び熱の供給量が得られるように、CGS1、バックアップボイラー2、ユーザ所有ボイラー4の対象日の運転計画を作成する処理部である。運転計画は、CGS1、バックアップボイラー2、ユーザ所有ボイラー4のそれぞれの対象日の運転パターンを合わせたものである。
この運転計画の作成は、あらかじめ記憶部120に記憶されたCGS1、バックアップボイラー2、ユーザ所有ボイラー4の性能情報に基づいて行われる。性能情報は、CGS1の運転時の電力および熱の供給能力、バックアップボイラー2、ユーザ所有ボイラー4の運転時の熱の供給能力、ユーザ所有ボイラー4の起動から蒸気出力までの時間(炊き上げ時間)を含む。これらの供給能力を演算により算出できる各種のパラメータを、性能情報としてもよい。
例えば、CGS1の定格発電出力及び定格排熱出力、バックアップボイラー2、ユーザ所有ボイラー4の定格出力等は、性能情報に含まれる。また、ユーザ所有ボイラー4の起動から蒸気出力までの時間は、需要家3の設備毎に調査したものが記憶されている。
このような運転計画作成部150は、CGS出力決定部151、バックアップボイラー出力決定部152、ユーザ所有ボイラー出力決定部153を有する。
[4−1.CGS出力決定部]
CGS出力決定部151は、電力需要予測部141が作成した電力需要予測情報に応じて、CGS1からの電力の出力値を決定する処理部である。本実施形態では、対象日の電力需要予測情報における各時刻の電力需要を満たすように、CGS1の電力の出力値を決定する。
なお、CGS1が運転時に出力する電力と熱の比率は変わらないため、電力の出力値が決定すると、熱の出力値も決まる。このCGS出力決定部151は、図5に示す通り、電力需要判定部151a、CGS運転パターン作成部151bを有する。
(電力需要判定部)
電力需要判定部151aは、電力需要予測情報に基づいて、対象日の各時刻における電力予測需要のレベルを判定する処理部である。
(CGS運転パターン作成部)
CGS運転パターン作成部151bは、電力需要判定部151aにより判定された電力予測需要のレベルに対応する出力が得られるように、運転するCGS1のパターンを作成する処理部である。
つまり、CGS運転パターン作成部151bは、対象日の各時刻のグリッドS全体の電力需要レベルを満たすように、1つ又は複数のCGS1の組み合わせを決定する。
CGS運転パターン作成部151bにより運転するCGS1の組み合わせの選択は、上記のように、各CGS1の性能情報から得られる電力の供給能力に基づいて行なう。
例えば、1つのCGS1の電力の供給能力が、ある時刻における電力予測需要のレベルを満たす場合には、その時刻に運転するCGS1は1つとなる。一方、1つのCGS1のエネルギーの供給能力のみでは、電力の需要予測のレベルに達しない時刻については、複数のCGS1を運転する。
そして、上記のように、CGS1は、少ない台数をフル稼働させることが、エネルギー効率が高い。そこで、CGS運転パターン作成部151bは、可能な限り少ない台数のCGS1を、フル稼働させる運転パターンを作成する。
さらに、一旦起動したCGS1は、できるだけ継続的に運転させることが、エネルギー効率の観点から望ましい。そこで、CGS運転パターン作成部151bは、起動したCCS1を、可能な限り継続的に運転させる運転パターンを作成する。
[4−2.バックアップボイラー出力決定部]
上記のように、CGS運転パターンにより電力の出力値が決定すると、CGS1の熱の出力値も決まる。しかし、電力需要予測情報を満たすようにCGS1を運転させても、熱需要予測情報を満たす熱量が得られるとは限らない。つまり、CGS1の運転のみでは、熱の供給量が不足する時間帯が発生する場合があるため、バックアップボイラー2を起動し不足分を補う必要がある。
バックアップボイラー出力決定部152は、熱需要予測部142が予測した熱需要予測情報に応じて、バックアップボイラー2の熱の出力値を決定する処理部である。本実施形態では、CGS出力決定部151により決定された電力の出力値に対応する熱の出力値では、各時刻における熱需要予測情報に満たない場合に、バックアップボイラー2の熱の出力値を決定する。
このようなバックアップボイラー出力決定部152は、不足熱量演算部152a、バックアップボイラー運転パターン作成部152bを有する。
(不足熱量演算部)
不足熱量演算部152aは、対象日におけるCGS運転パターンに従ったCGS1の各時刻における熱の出力値では、熱需要予測部142が作成した熱需要予測情報の各時刻の熱量に不足する熱量を演算する処理部である。
(バックアップボイラー運転パターン作成部)
バックアップボイラー運転パターン作成部152bは、不足熱量演算部152aにより演算された不足分の熱量に対応して、運転するバックアップボイラー2の運転パターンを作成する処理部である。
つまり、バックアップボイラー運転パターン作成部152bは、可能な限り、対象日の各時刻の不足分の熱量を満たす1つ又は複数のバックアップボイラー2の組み合わせを決定する。
バックアップボイラー運転パターン作成部152bによる1つ又は複数のバックアップボイラー2の組み合わせの選択は、上記のように、各バックアップボイラー2の性能情報から得られる熱の供給能力に基づいて行なう。
例えば、1つのバックアップボイラー2の熱の供給能力が、ある時刻における不足分の熱量を満たす場合には、その時刻に運転するバックアップボイラー2は1つとなる。一方、1つのバックアップボイラー2の供給能力のみでは、不足分の熱量に達しない時刻については、複数のバックアップボイラー2を運転する。
そして、バックアップボイラー2も、少ない台数を、いわゆるフル稼働で継続的に運転する方が、エネルギー効率が高い。そこで、バックアップボイラー運転パターン作成部152bは、可能な限り少ない台数のバックアップボイラー2を、フル稼働させる運転パターンを作成する。
さらに、一旦起動したバックアップボイラー2は、できるだけ継続的に運転させることが、エネルギー効率の観点から望ましい。そこで、バックアップボイラー運転パターン作成部152bは、起動したバックアップボイラー2を、可能な限り継続的に運転させる運転パターンを作成する。
なお、不足分の熱量を超える熱量は、廃棄することも可能である。ただし、需要に適合するように、いずれかのバックアップボイラー2の出力を絞ることも可能である。例えば、点火後、蒸気出力をバルブで制御することができる。
[4−3.ユーザ所有ボイラー出力決定部]
全てのバックアップボイラー2による熱の出力値によっても、不足分の熱量のレベルに達しない場合もある。つまり、CGS1及びバックアップボイラー2の運転のみでは、熱の供給量が不足する時間帯が発生する場合があるため、ユーザ所有ボイラー4を起動し不足分を補う必要がある。
ユーザ所要ボイラー出力決定部153は、熱需要予測部142が予測した熱需要予測情報に応じて、ユーザ所有ボイラー4の熱の出力値を決定する処理部である。本実施形態では、CGS1の熱の出力値、バックアップボイラー2の熱の出力値では、各時刻における熱需要予測情報に満たない場合に、ユーザ所有ボイラー4が出力する熱の出力値を決定する。
このようなユーザ所有ボイラー出力決定部153は、不足熱量演算部153a、ユーザ所有ボイラー運転パターン作成部153b、起動タイミング決定部153cを有する。
(不足熱量演算部)
不足熱量演算部153aは、CGS運転パターン及びバックアップボイラー運転パターンに従った熱の出力値が、熱需要予測部142が作成した熱需要予測情報の各時刻の熱量に不足する熱量を演算する処理部である。なお、ユーザ所有ボイラー4は、設置した需要家3のみに熱を供給することができる場合が多い。この場合には、ユーザ所有ボイラー4により不足を補うことが可能な需要家3の熱量が演算の対象となる。
(ユーザ所有ボイラー運転パターン作成部)
ユーザ所有ボイラー運転パターン作成部153bは、不足熱量演算部153aにより演算された不足分の熱量に対応して、運転するユーザ所有ボイラー4の運転パターンを作成する処理部である。
つまり、ユーザ所有ボイラー運転パターン作成部153bは、可能な限り、対象日の各時刻の不足分の熱量を満たす1つ又は複数のユーザ所有ボイラー4の組み合わせを決定する。
ユーザ所有ボイラー運転パターン作成部153bによる1つ又は複数のユーザ所有ボイラー4の組み合わせの選択は、上記のように、各ユーザ所有ボイラー4の性能情報から得られる熱の供給能力に基づいて行う。
例えば、1つのユーザ所有ボイラー4の熱の供給能力が、ある時刻における不足分の熱量を満たす場合には、その時刻に運転するユーザ所有ボイラー4は1つとなる。一方、1つのユーザ所有ボイラー4の供給能力のみでは、不足分の熱量に達しない時刻については、複数のユーザ所有ボイラー4を運転する。
そして、ユーザ所有ボイラー4も、少ない台数を、いわゆるフル稼働で継続的に運転する方が、エネルギー効率が高い。そこで、ユーザ所有ボイラー運転パターン作成部153bは、可能な限り少ない台数のユーザ所有ボイラー4を、フル稼働させる運転パターンを作成する。
さらに、一旦起動したユーザ所有ボイラー4は、できるだけ継続的に運転させることが、エネルギー効率の観点から望ましい。そこで、ユーザ所有ボイラー運転パターン作成部153bは、起動したユーザ所有ボイラー4を、可能な限り継続的に運転させる運転パターンを作成する。
なお、不足分の熱量を超える熱量は、廃棄することも可能である。ただし、需要に適合するように、いずれかのユーザ所有ボイラー4の出力を絞ることも可能である。例えば、点火後、蒸気出力をバルブで制御することができる。
また、上記のように、ユーザ所有ボイラー4は、設置した需要家3のみに熱を供給することができる場合が多い。このため、ユーザ所有ボイラー運転パターン作成部153bは、供給可能な需要家3の熱需要の不足を満たすように、起動させるユーザ所有ボイラー4を決定する。
(起動タイミング決定部)
起動タイミング決定部153cは、ユーザ所有ボイラー4の起動から蒸気出力までにかかる時間に応じて、起動タイミングを決定する処理部である。つまり、起動タイミング決定部153cは、熱を供給する必要がある時刻に、ユーザ所有ボイラー4が熱出力を開始できるように、ユーザ所有ボイラー4の起動から熱出力までの時間だけ、起動タイミングを早く設定する。
なお、上記の処理においては、需要予測されたエネルギーの量に一致したエネルギーの供給量が得られることが望ましいが、必ずしも一致する場合には限定されない。つまり、「需要予測情報に応じて」とは、需要予測情報若しくはこれに対応する供給量が不足する分に、一致する値を得る場合のみならず、需要予測量に対して過不足が生じる場合も含む。ただし、不足することは好ましくないため、予備率をある程度見込む必要がある。
つまり、「応じて」とは、需要に対して供給するエネルギー量を可能な限り合わせることを意味し、結果として供給量が予備率等により過剰となる場合がある。CGS1、バックアップボイラー2、ユーザ所有ボイラー4等のエネルギー供給機器は、起動数によっては、需要を上回る供給量となる場合もある。なお、CGS1のみの起動では需要予測量に不足する場合や、さらにバックアップボイラー2を起動しても需要予測量に不足する場合もあり、これをユーザ所有ボイラー4で補うことは、上述の通りである。
上記のように作成されるCGS運転パターン、バックアップボイラー運転パターン、ユーザ所有ボイラー運転パターンは、運転計画を構成する。運転計画は、需要予測情報の時間の経過による変化に応じた各エネルギー供給機器の起動及び停止タイミング、制御出力値等の情報である。この運転計画は、記憶部120が記憶する。
[5.制御情報出力部]
制御情報出力部160は、運転計画作成部150が作成した運転計画に従って、制御情報を、送受信部110に出力する処理部である。送受信部110は、制御情報を各CGS1、各バックアップボイラー2、各ユーザ所有ボイラー4に送信する。
なお、エネルギー制御装置100は、CPU等を含むコンピュータを所定のプログラムで制御することによって実現できる。この場合のプログラムは、コンピュータのハードウェアを物理的に活用することで、上記のような各部の処理を実現するものである。
上記の各部の処理を実行する方法、プログラム及びプログラムを記録した記録媒体も、本実施形態の一態様である。また、ハードウェアで処理する範囲、プログラムを含むソフトウェアで処理する範囲をどのように設定するかは、特定の態様には限定されない。例えば、上記の各部のいずれかを、それぞれの処理を実現する回路として構成することも可能である。
また、エネルギー制御装置100は、通常の入出力装置等(キーボード、マウス、ディスプレイ、プリンタ、入出力用端末等)を備えているが、説明を省略する。この入出力装置において、上記の各部の処理に必要な情報の入力を行うことができるとともに、各部の処理結果等を表示、印刷等させることができる。
さらに、エネルギー制御装置100は、単一のコンピュータによって実現されるものには限定されない。記憶部120をデータベース用等のコンピュータとして、他の各部とは別のコンピュータに構成し、ネットワークにより接続してもよい。また、各部の処理を、ネットワークで接続された複数台のコンピュータで連繋して処理を行う装置として構成することもできる。
[C.実施形態の作用]
[1.処理の概要]
本実施形態による運転計画作成処理の手順を、図6のフローチャートに沿って説明する。まず、需要取得部130は、各需要家4に設置されているRTUから送信され、送受信部110が受信した需要情報を取得し、グリッドS全体の需要情報を求める。この需要情報は、記憶部120が記憶し、過去の需要実績データとして蓄積される。需要情報には、上記のように、電力需要情報、熱需要情報が含まれる。
[2.電力需要の予測]
以上のように蓄積されたグリッドS全体の電力需要情報に基づいて、電力需要予測部141が需要予測を行う(ステップ101)。つまり、電力需要予測部141は、あらかじめ記憶部120に記憶された予測の対象日について、電力需要予測情報を作成する。
例えば、電力需要予測部141は、図7の実線の曲線に示すように、対象日における時刻毎の予測電力量に従った電力需要予測図(電力の予測日負荷曲線)を作成する。
[3.熱需要の予測]
また、熱需要予測部142は、マイクログリッドS全体の熱需要情報に基づいて、需要予測を行う(ステップ102)。つまり、熱需要予測部142は、対象日について、熱需要予測情報を作成する。例えば、熱需要予測部142は、図7の点線の曲線に示すように、対象日における時刻毎の予測熱量に従った熱需要予測図(蒸気の予測日負荷曲線)を作成する。
[4.CGS出力の決定]
そして、CGS出力決定部151は、電力需要予測情報及び性能情報に基づいて、CGS1の電力の出力値を決定する(ステップ103)。つまり、電力需要判定部151aが、対象日の時刻毎の電力需要を判定する。そして、CGS運転パターン作成部151bが、時刻毎の電力需要に応じて、各CGS1の起動及び停止タイミング、制御出力値を決定する。なお、図7における黒色の棒は、電力需要に応じて、時刻毎に決定されたCGS1の熱の出力値を示している。
[5.バックアップボイラーの出力決定]
バックアップボイラー出力決定部152は、熱需要予測情報及び性能情報に基づいて、バックアップボイラー2の熱の出力値を決定する。つまり、不足熱量演算部152aが、電力需要に応じて決定されたCGS1の運転による熱の出力値では、熱需要予測情報に足りない分の熱量を演算する(ステップ104)。
不足分がある場合(ステップ104のYES)、バックアップボイラー運転パターン作成部152bは、不足分の熱量に対応して、各バックアップボイラー2の供給及び停止タイミング、制御出力値を決定する(ステップ105)。なお、バックアップボイラー2は、起動と蒸気出力の時間差がほとんどないものを想定しているため、供給タイミングと起動タイミングは同義である。例えば、バックアップボイラー2は、起動後3〜5分で熱を出力できるので、供給タイミングに合わせて起動させればよい。
図7における白色の棒は、電力需要に応じて、時刻毎に決定されたバックアップボイラー2の熱の出力値を示している。図7では、CGS1の熱の出力値は、4時〜7時において、熱需要を満たしていない。そして、バックアップボイラー2の熱の出力値によって、4時、7時の不足分の熱需要を満たしている。
不足分がない場合(ステップ104のNO)、バックアップボイラー2の起動は不要となり、CGS1のみの起動となる(ステップ108)。
[6.ユーザ所有ボイラーの出力決定]
ユーザ所有ボイラー出力決定部153は、熱需要予測情報及び性能情報に基づいて、ユーザ所要ボイラー4の熱の出力値を決定する。つまり、不足熱量演算部153aが、CGS1及びバックアップボイラー2の熱出力では、熱需要予測情報に足りない分の熱量を演算する(ステップ106)。
不足分がある場合(ステップ106のYES)、ユーザ所有ボイラー運転パターン作成部153bは、不足分の熱量に対応して、各ユーザ所有ボイラー4の供給及び停止タイミング、制御出力値を決定する(ステップ107)。
図7におけるハッチングがされた棒は、バックアップボイラー2の熱出力によっても不足している5時、6時の熱需要を、ユーザ所有ボイラー4によって満たす場合の熱の出力値を示している。
なお、ユーザ所有ボイラー4は、起動と蒸気出力の時間差があるものを想定しているため、後述する起動タイミング決定部153cにより、供給タイミングよりも前に起動タイミングを設定する必要がある。つまり、起動タイミング決定部153cは、ユーザ所有ボイラー4の起動から蒸気出力までの時間に応じて、ユーザ所有ボイラー4の起動タイミングを決定する。
例えば、図7におけるユーザ所有ボイラー4への起動指令は、炉筒煙管ボイラーの起動から熱出力までの時間(炊き上げ時間)を考慮して、実際に熱を供給する時間である5時よりも2時間前の3時に起動させている。
不足分がない場合(ステップ106のNO)、ユーザ所有ボイラー4の起動は不要となり、CGS1及びバックアップボイラー2のみの起動となる(ステップ108)。
[7.制御情報出力]
対象日において、制御情報出力部160は、作成された運転計画に基づく制御情報を出力する。例えば、起動の時刻に合わせて起動指令を出力し、停止の時刻に合わせて停止指令を出力する。送受信部110は、制御情報を、通信系統9を介して、CGS1、バックアップボイラー2、ユーザ所有ボイラー4に送信する。
CGS1及びバックアップボイラー2の制御盤1A、2A、ユーザ所有ボイラー4のRTUは、受信した制御情報に従って、CGS1、バックアップボイラー2、ユーザ所有ボイラー4の起動、停止を制御する。
つまり、制御情報出力部160は、運転計画に従ったCGS1の起動指令を出力して、CGS1による電力、熱出力を開始させる(ステップ108)。そして、制御情報出力部160は、熱需要が不足するバックアップボイラー2の起動時刻になるまで、CGS1のみによる運転を継続する(ステップ109のYES)。
バックアップボイラー2の起動時刻になると(ステップ109のYES)、制御情報出力部160は、バックアップボイラー2の起動指令を出力する(ステップ110)。
なお、バックアップボイラー2の起動時刻が到来しなくても(ステップ109のNO)、起動から熱出力までの時間を考慮して、ユーザ所有ボイラー4の起動時刻が到来する場合がある(ステップ111のYES)。この場合には、制御情報出力部160は、ユーザ所有ボイラー4の起動指令を出力する(ステップ112)。
バックアップボイラー2の起動指令出力後、バックアップボイラーの停止時刻が到来した場合(ステップ113のYES)、制御情報出力部160は、バックアップボイラー2の停止指令を出力する(ステップ114)。
ユーザ所有ボイラー4の起動指令出力後、ユーザ所有ボイラーの停止時刻が到来した場合(ステップ115のYES)、制御情報出力部160は、ユーザ所有ボイラー4の停止指令を出力する(ステップ116)。
これにより、CGS1からの蒸気出力のみで足りる時間帯になったら、バックアップボイラー2、ユーザ所有ボイラー4が停止する。
[D.実施形態の効果]
以上のように、本実施形態では、電力需要に合わせてCGS1を運転させる電主熱従型の運転を行う。この場合、CGS1のみでは、電力需要を満たすことはできても、熱需要に不足が生じる場合が生じる。そこで、本実施形態では、追加設置したバックアップボイラー2によって不足の熱需要を補うとともに、さらに不足する場合にのみ、ユーザ所有ボイラー4を起動させている。
このように、商用電源から独立したCGS1から安定的に電力を得るとともに、同時に生じる熱及びバックアップボイラー2からの熱を得ることにより、エネルギー需要を効率良く賄うことができる。このため、コスト高となる自家用発電設備が不要となるとともに、ユーザ所有ボイラー4の稼働率を大幅に低減できる。従って、安価な料金で、安定的にエネルギー供給ができる。また、ユーザ所有ボイラー4の稼働を抑えることで、設備管理者の負担も軽減される。
また、エネルギー制御装置100は、ユーザ所有ボイラー4を、起動から蒸気出力までの時間を見越して、起動させるように制御する。このため、設備管理者の負担を、より一層軽減することができる。つまり、新興国で主流の炉筒煙管ボイラーが要する起動から蒸気出力までの1〜2時間の焚き上げ時間を考慮して、蒸気出力が間に合うように自動的に起動指令を出力する。このため、設備管理者は、蒸気出力が必要な時間に合わせて、あらかじめ起動する時間を管理する負担がなくなる。
さらに、CGS1、バックアップボイラー2等は、フル稼働させた状態を組み合わせる形でエネルギー需要を賄う。このため、ガス等の一次エネルギーを、最も効率良く電気、熱等へ変換することができ、全体のエネルギー変換効率を最適化できる。
CGS1により供給する電力は、商用の電力系統との価格のみとの比較では、コスト高となる。但し、安定的に稼働できるため、電力断、電圧及び周波数変動に頻繁に対応する手間と労力が軽減され、自家用発電設備から高価な電力を得る必要がなくなり、自家用発電設備自体の設置も不要となる。さらに、電力の共有と同時に、安価に熱を供給できる。このため、総合的には、エネルギーコストを低減させることができる。特に、個々の需要家は、バックアップ電源となる自家用発電設備を設置する必要がなくなるため、空いたスペースに、他の設備を設置できる。
グリッド内の電力需要、熱需要の実績に基づいて、電力需要予測情報、熱需要予測情報を得るので、より正確な需要予測が可能となる。これにより、需要予測情報と実際の需要との乖離が少なくなり、需要予測情報に基づく運転計画による供給エネルギーの無駄を防止できる。
[E.他の実施形態]
本実施形態は、上記の態様に限定されるものではなく、以下に例示する態様も構成可能である。上記のエネルギー制御装置100は、単独のグリッドSにおける電力需要、熱需要を、当該グリッドS内のCGS1、バックアップボイラー2及びユーザ所有ボイラー4で賄う制御を行なっていた。但し、エネルギー制御装置100は、この態様には限定されず、所定の領域に設置された制御対象機器を制御する装置として、広く適用可能である。例えば、エネルギー制御装置100は、複数のグリッドが連系して電力需要、熱需要を賄うように制御する態様とすることも可能である。
図8は、エネルギー制御装置100が、複数のグリッドI、グリッドII、グリッドIIIを制御する例である。熱系統8は、配管等の熱損失により、熱供給可能な距離には限界があるため、複数のグリッドI、II、IIIの間で熱を融通し合うことができる距離は制限される。一方、電力系統7は、長距離まで延長可能であるため、複数のグリッドI、II、IIIの間での電力の融通し易い。また、通信系統9には、距離の制限はないので、各グリッドI、II、IIIにおけるCGS1、バックアップボイラー2及びユーザ所有ボイラー4を、エネルギー制御装置100が統一的に制御することも可能である。
そこで、次のような運転計画に基づく制御例が考えられる。まず、エネルギー制御装置100は、グリッドIにおいて、熱需要が非常に少ない時間帯がある場合、グリッドIのCGS1を、グリッドIの熱需要を賄える分の台数のみ運転する。グリッドIで不足する分の電力は、グリッドIIから供給する。すると、グリッドIIのCGS1は、高効率運転となり、燃料削減に繋がる。
また、グリッドIにおいて、熱需要が多い時間帯がある場合、グリッドIのCGS1、バックアップボイラー2をフル稼働させて、高効率運転を維持する。さらなる不足分がある場合には、上記のように、ユーザ所有ボイラー4を起動させる。グリッドIで消費しきれない電力は、グリッドII及びグリッドIIIに供給し、グリッドII、グリッドIIIのCGS1等の起動台数を削減する。
つまり、いずれかのグリッドにおいて、CGS1を電主熱従か、熱主電従かで運転して、いずれかのグリッドで余剰となる電力(距離が許す場合には熱)で、他のグリッドの電力(又は熱)の需要を補うことができる。このように、エネルギー制御装置100が、複数のグリッド間でエネルギーの需給を連携させるように全体を管理して、電力及び熱の最適制御を実現できる。
また、図8に示すように、蓄電池5を、電力系統7へ接続することもできる。エネルギー制御装置100は、電力系統7から受電した余分な電力を充電し、電力が不足する場合に、充電した電力を電力系統7へ放電するように制御する。これにより、電力の過不足を微調整することができる。
さらに、図8に示すように、冷水需要がある需要家3の場合に、熱を利用して冷水を生成する吸収式冷温水器又は吸収式冷凍機6を、熱系統8、冷水系統8aに接続することもできる。エネルギー制御装置100は、熱系統8の余分な熱によって、吸収式冷温水器又は吸収式冷凍機6が生成する冷水を、冷水系統8aに出力させるように制御する。これにより、オフィスビルの冷房等、多様な需要家3に合わせたエネルギー供給が可能となる。
また、複数のCGS1、複数のバックアップボイラー2、複数のユーザ所有ボイラー4は、性能が異なっていてもよいし、同じであってもよい。例えば、同一の性能のCGS1を複数用意することにより、出力されるエネルギー量を、CGS1の数で決定することができ、演算が簡易となる。
異なる性能のCGS1を、複数組み合わせることにより、多様に変化する需要に応じて、柔軟に対応することができる。例えば、1台の出力の大きいCGS1で需要の大半を賄い、他の1台の出力の小さいCGS1で、残余部分の需要を満たすように微調整することができる。
需要情報に応じて、複数のCGS1、複数のバックアップボイラー2、複数のユーザ所有ボイラー4の運転パターンをあらかじめ用意しておくことにより、簡易且つ高速に運転計画を作成できる。
CGS1、複数のバックアップボイラー2、複数のユーザ所有ボイラー4は、特定のものが集中的に利用されることを防止するために、均一な回数で利用されるような順位が設定されていてもよい。
CGS1、バックアップボイラー2の設置数は、電力需要、熱需要に応じて、自由に設定可能である。電力需要、熱需要が少ない場合には、CGS1又はバックアップボイラー2を1台として、エネルギー制御装置100が、出力を制御することも可能である。
CGS1としては、ガスタービンシステム、ガスエンジンシステム、燃料電池システム又はこれらの組み合わせを用いることもできる。なお、石油等のガス以外の燃料を一次エネルギーとして、発電及び発熱するシステムも、CGS1に含まれる。第1の熱源、第2の熱源としても、上記で例示したボイラー以外の熱源機器を用いることもできる。需要家3も、工場、オフィスビル、居住用建物等、電力、熱の消費機器を備えた各種も設備が適用可能である。
通信系統9について、どのような媒体を使用するかは限定されない。有線若しくは無線のあらゆる伝送媒体を適用可能であり、どのようなLANやWANを経由するか若しくは経由しないかは問わない。通信プロトコルについても、現在又は将来において利用可能なあらゆるものを適用可能である。
記憶部120に記憶される各情報の記憶領域は、それぞれが各情報の記憶部として構成できる。これらの記憶部は、典型的には、内蔵された又は外部接続された各種メモリ、ハードディスク等により構成できる。
ただし、記憶部120としては、現在又は将来において利用可能なあらゆる記憶媒体を利用可能である。演算に用いるレジスタ等も、記憶部120として捉えることができる。記憶の態様も、長時間記憶が保持される態様のみならず、処理のために一時的に記憶され、短時間で消去又は更新される態様も含む。
実施形態に用いられる情報の具体的な内容、値は自由であり、特定の内容、数値には限定されない。実施形態において、情報が示す値に対する過不足、大小判断、一致不一致の判断等において、以上、以下、として値を含めるように判断するか、より大きい、より小さい、超える、超えない、上回る、下回る、不足する、足りない、未満として値を含めないように判断するかも自由である。従って、「上回る」を「以上」に読み替えても、実質的には同じである。
さらに、電力、熱の出力値は、出力されるエネルギー量を表現できる値であれば、上記の実施形態で例示したものには限定されない。一般的には、電力の出力値は、ワット数、熱を示す出力値は、蒸気量で表すことができるが、他の表現による値を用いてもよい。電力及び熱を、共通の単位であるカロリーで換算した値を用いてもよい。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
1…CGS
1A、2A…制御盤
2…バックアップボイラー
3…需要家
4…ユーザ所有ボイラー
5…蓄電池
6…吸収式冷温水器・冷凍機
7…電力系統
8…熱系統
9…通信系統
31…電力設備
100…エネルギー制御装置
110…送受信部
120…記憶部
130…需要取得部
131…電力需要取得部
132…熱需要取得部
140…需要予測部
141…電力需要予測部
142…熱需要予測部
150…運転計画作成部
151…CGS出力決定部
151a…電力需要判定部
151b…CGS運転パターン作成部
152…バックアップボイラー出力決定部
152a…不足熱量演算部
152b…バックアップボイラー運転パターン作成部
153…ユーザ所有ボイラー出力決定部
153a…不足熱量演算部
153b…ユーザ所有ボイラー運転パターン作成部
153c…起動タイミング決定部
160…制御情報出力部

Claims (8)

  1. 電力とともに熱を出力するコージェネレーションシステムの性能情報に基づき、電力需要を予測した電力需要予測情報に応じてコージェネレーションシステムの電力の出力値を決定するコージェネレーションシステム出力決定部と、
    熱を出力する第1の熱源の性能情報に基づいて、前記コージェネレーションシステム出力決定部が決定した電力の出力値に対応する熱の出力値では、熱需要を予測した熱需要予測情報に不足する場合に、前記第1の熱源の熱の出力値を決定する第1の熱源出力決定部と、
    前記第1の熱源よりも起動から熱の出力までの時間が遅い第2の熱源の性能情報に基づいて、前記コージェネレーションシステム出力決定部及び前記第1の熱源出力決定部が決定した熱の出力値では、前記熱需要予測情報に不足する場合に、前記第2の熱源が出力する熱の出力値を決定する第2の熱源出力決定部と、
    を有することを特徴とするエネルギー制御装置。
  2. 前記第2の熱源出力決定部は、
    複数の第2の熱源のうち、起動させる第2の熱源の運転パターンを作成する第2の熱源運転パターン作成部と、
    前記第2の熱源の起動から熱の出力までの時間に基づいて、前記第2の熱源の起動タイミングを決定する起動タイミング決定部と、
    を有することを特徴とする請求項1記載のエネルギー制御装置。
  3. 前記コージェネレーションシステム出力決定部は、複数のコージェネレーションシステムのうち、起動させるコージェネレーションシステムの運転パターンを作成するコージェネレーションシステム運転パターン作成部を有することを特徴とする請求項1又は請求項2記載のエネルギー制御装置。
  4. 前記第1の熱源出力決定部は、複数の第1の熱源のうち、起動させる第1の熱源の運転パターンを作成する第1の熱源運転パターン作成部を有することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のエネルギー制御装置。
  5. 前記第2の熱源は、前記熱需要の対象となる需要家側に設置されていることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のエネルギー制御装置。
  6. 電力需要の実績に基づいて、前記電力需要予測情報を作成する電力需要予測部と、
    熱需要の実績に基づいて、前記熱需要予測情報を作成する熱需要予測部と、
    を有することを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載のエネルギー制御装置。
  7. コンピュータ又は電子回路が、
    電力とともに熱を出力するコージェネレーションシステムの性能情報に基づき、電力需要を予測した電力需要予測情報に応じてコージェネレーションシステムの電力の出力値を決定するコージェネレーションシステム出力決定処理と、
    熱を出力する第1の熱源の性能情報に基づいて、前記コージェネレーションシステム出力決定処理により決定した電力の出力値に対応する熱の出力値では、熱需要を予測した熱需要予測情報に不足する場合に、前記第1の熱源の熱の出力値を決定する第1の熱源出力決定処理と、
    前記第1の熱源よりも起動から熱の出力までの時間が遅い第2の熱源の性能情報に基づいて、前記コージェネレーションシステム出力決定処理及び前記第1の熱源出力決定処理が決定した熱の出力値では、前記熱需要予測情報に不足する場合に、前記第2の熱源の熱の出力値を決定する第2の熱源出力決定処理と、
    を実行することを特徴とするエネルギー制御方法。
  8. コンピュータに、
    電力とともに熱を出力するコージェネレーションシステムの性能情報に基づき、電力需要を予測した電力需要予測情報に応じてコージェネレーションシステムの熱の出力値を決定するコージェネレーションシステム出力決定処理と、
    熱を出力する第1の熱源の性能情報に基づいて、前記コージェネレーションシステム出力決定処理により決定した電力の出力値に対応する熱の出力値では、熱需要を予測した熱需要予測情報に不足する場合に、前記第1の熱源の熱の出力値を決定する第1の熱源出力決定処理と、
    前記第1の熱源よりも起動から熱の出力までの時間が遅い第2の熱源の性能情報に基づいて、前記コージェネレーションシステム出力決定処理及び前記第1の熱源出力決定処理が決定した熱の出力値では、前記熱需要予測情報に不足する場合に、前記第2の熱源の熱の出力値を決定する第2の熱源出力決定処理と、
    を実行させることを特徴とするエネルギー制御プログラム。
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