JP2015023678A - 配電系統負荷制御システム - Google Patents

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修 九津見
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Abstract

【課題】再生可能エネルギーの大量導入に伴う逆潮流変動に合わせて配電系統の負荷平準化を図ることができる配電系統負荷制御システムを提供する。
【解決手段】配電系統負荷制御システム10は、各グループにおける温水器33の容量がほぼ同じになるように変電所から近い顧客1からグループ化して変電所から近いグループからグループ番号を付与するためのグループ化処理部11と、配電系統全体の消費電力量データと高圧幹線に直接接続されている太陽光発電設備2および各顧客1の買電用計器25から送受信部14を介して入力される売電電力量データとに基づいて余剰電力を計算するための余剰電力演算部12と、余剰電力に基づいて若番のグループに属する顧客1から各顧客1の温水器33への通電を行うとともに逆の順番で各顧客1の温水器33への通電を停止して各顧客1の温水器33の通電制御を行うためのTS制御部13とを具備する。
【選択図】図1

Description

本発明は、太陽光発電などの再生可能エネルギーの大量導入に伴う逆潮流変動に合わせて配電系統の負荷制御を行うのに好適な配電系統負荷制御システムに関する。
近年、電力をデジタル処理で計測するとともに通信機能を持たせた電力量計であるスマートメーターが普及しつつある。
また、たとえば配電系統に設置された太陽光発電設備2が1台限りである場合には出力は短い周期で変動(数秒から数十分)をするのに対して、図2(a),(b)に示すように配電系統内に複数台の太陽光発電設備2を距離を離して設置した場合には出力は滑らかになると考えられている(ならし効果)が、ならし効果でも抑制できない変動分が存在するという問題があるほか、平成24年の再生可能エネルギー固定価格買取制度の施行に伴い、太陽光発電(PV)の大量導入によって電力系統の安定運用に様々な影響を与えることが懸念されており、懸念される問題としては周波数変動、余剰電力の発生および電圧変動などが挙げられる。
今後、これらの問題を解決するために、需要家サイドのエネルギーマネジメントが期待されている。特に、太陽光発電量(以下、「PV発電量」と称する。)は、日中が最も多く、一般家庭の電力消費量が少ない時間帯に逆潮流が多く発生するという問題がある。また、PV発電量は、天候に直接左右され、常に一定ではない。
たとえば、変電所バンクに電灯契約の顧客が6,000戸あり、そのうちの5%の顧客(300戸)に温水器(容量5kW)が設置されているとともに、変電所バンクには合計で容量7,000kW程度の複数の太陽光発電設備が接続されているとした場合の各顧客のスマートメーターによって取得したPV発電量の合計値(以下、「全PV発電量」と称する。)および一般負荷の消費量を30分単位で表示したグラフの一例を図8に示す。
この例では、晴れの日には、全PV発電量は緩やかに増加し、10時以降から全PV発電量が一般負荷の消費量を上回り、変電所バンクに逆潮流が発生すると考えられる。また、曇りの日には時間帯によって全PV発電量の差が非常に大きく、雨の日には全PV発電量が不安定であり、配電線系統に悪影響を与えることは確実である。
したがって、電力系統の安定化を図るためには、天候および時間帯によって変動する全PV発電量に合わせて配電系統の負荷制御を自動で行う必要がある。
下記の特許文献1には、分散電源の変動する発電電力総量を通信回線によって計測して、電力系統の従来の周波数制御に影響を与えないように、通信回線を介して、出力変動しても最終的機能を損なわない電気温水器などの特定の負荷を制御し、変動を吸収するように電力計測制御装置によって統括制御することにより、変動電力の影響を回避するようにした、通信回線を利用した電力系統安定化システムが開示されている。
特開2006−353079公報
しかしながら、上記の特許文献1に開示された電力系統安定化システムは、風力発電と発電電力の変動分を特定の負荷の台数で等分して、それを各々の特定の負荷の消費電力指令値に割り振るため(公報の段落0032参照)、負荷が急激に増加することとなる。その結果、大きな電圧変動となり、位相が遅れるほか電圧降下が発生して、フリッカ(照明のちらつき)が発生するなどの問題がある。
本発明の目的は、再生可能エネルギーの大量導入に伴う逆潮流変動に合わせて配電系統の負荷平準化を図ることができる配電系統負荷制御システムを提供することにある。
本発明の配電系統負荷制御システムは、再生可能エネルギーの大量導入に伴う逆潮流変動に合わせて配電系統の負荷制御を行うための配電系統負荷制御システム(10)であって、前記配電系統から通電される温水器(33)を所有する各顧客(1)に対して、各グループにおける温水器の容量がほぼ同じになるように該配電系統の変電所から近い顧客からグループ化して、該変電所から近いグループからグループ番号を付与するためのグループ化処理部(11)と、外部から入力される前記配電系統全体の消費電力量データと該配電系統の高圧幹線に直接接続されている太陽光発電設備(2)および前記各顧客の買電用計器(25)から送受信部(14)を介して入力される売電電力量データとに基づいて余剰電力を計算するための余剰電力演算部(12)と、該余剰電力演算部によって計算された前記余剰電力に基づいて、若番のグループに属する顧客から前記各顧客の前記温水器への通電を行うとともに逆の順番で該各顧客の該温水器への通電を停止して、該各顧客の該温水器の通電制御を行うための制御部(13)とを具備することを特徴とする。
ここで、前記制御部が、前記各顧客の前記温水器に接続された温水器用計器(32)に前記送受信部を介してTSオン/オフ制御信号を送信し、該各顧客の引込口と該温水器用計器との間に接続されたタイムスイッチ(31)に該温水器用計器から該TSオン/オフ制御信号を入力し、かつ、若番のグループに属する顧客から該各顧客の該タイムスイッチをオンにして該各顧客の前記温水器への通電を行うとともに逆の順番で該各顧客の該タイムスイッチをオフにして該各顧客の該温水器への通電を停止して、該各顧客の該温水器の通電制御を行ってもよい。
パワーコンディショナ(22)を介して太陽光発電装置(21)に接続されるとともに負荷(23)に接続された売電用計器(24)で計測した売電電力量を示す売電電力量データを前記買電用計器に送信したのち、該買電用計器から該売電電力量データを前記配電系統負荷制御システムに送信して、前記各顧客から前記配電系統に流入する逆潮流の計測を行ってもよい。
前記制御部が、曇りの日には、所定の発電量以上の不安定な発電量を前記余剰電力として該余剰電力に基づいて前記各顧客の前記タイムスイッチをオン/オフ制御してもよい。
本発明の配電系統負荷制御システムは、以下に示す効果を奏する。
(1)再生可能エネルギーの大量導入に伴う逆潮流変動に合わせて配電系統の負荷制御を安定的に行って負荷平準化を図ることができる。
(2)配電系統の逆潮流の監視をすることができる。
(3)ならし効果でも抑制できない出力変動分について平準化を図ることができる。
本発明の一実施例による配電系統負荷制御システム10の構成を示すブロック図である。 図1に示したグループ化処理部11の動作について説明するための図である。 図2に示した各顧客1から配電系統に流入する逆潮流の計測方法および各顧客1の温水器33の通電制御方法について説明するための図である。 グループデータおよびグループ番号G1のグループの各顧客データの一例を示す図である。 図1に示したTS制御部13の晴れの日の場合における動作について説明するための図である。 図1に示したTS制御部13の曇りの日の場合における動作について説明するための図である。 各温水器33の通電時間のスケジューリングの一例を示す図である。 全PV発電量および一般負荷の消費量を30分単位で表示したグラフの一例を示す図である。
上記の目的を、各グループにおける温水器の容量がほぼ同じになるように変電所から近い顧客からグループ化して変電所から近いグループからグループ番号を付与し、余剰電力に基づいて若番のグループに属する顧客から温水器への通電を行うとともに逆の順番で温水器への通電を停止することにより実現した。
以下、本発明の配電系統負荷制御システムの実施例について図面を参照して説明する。
本発明の一実施例による配電系統負荷制御システム10は、図1に示すように、グループ化処理部11と、余剰電力演算部12と、TS制御部13と、送受信部14と、顧客データメモリ15と、グループデータメモリ16とを具備する。
ここで、顧客データメモリ15には、対象の配電系統に接続されている全顧客1の位置情報、契約番号、計器番号(売電用計器24、買電用計器25、負荷用計器、温水器用計器32などの固有の番号)および温水器33(図3(b)参照)の有無、余剰電力による温水器自動運転制御の許諾の有無などを示す顧客データが格納されている。
なお、新規顧客があった場合には、新規顧客データが外部の入力装置(不図示)から入力されて顧客データメモリ15に格納される。
グループ化処理部11は、顧客データメモリ15に格納されている顧客データを参照して、温水器33を所有するとともに余剰電力による温水器自動運転制御を許諾した顧客1について、各グループにおける温水器33の容量がほぼ同じになるようにグループ分けを行う。
グループ分けについては、変電所から近い顧客1からグループ化するとともに、変電所から近いグループからグループ番号を付与する。
たとえば、図2(a)に示す配電系統において、説明の簡単のために、高圧幹線から分岐された各配電線に接続されている対象の全顧客1の温水器33の総容量が配電線ごとにほぼ同じであるとすると、変電所から最も近い配電線に接続されている対象の顧客1をグループ化してグループ番号G1のグループとし、変電所から二番目に近い配電線に接続されている対象の顧客1をグループ化してグループ番号G2のグループとし、以下同様にしてグループ番号G3以降のグループを構成する。
グループ化処理部11は、グループ分けした結果を示すグループデータおよび各グループの各顧客データをグループデータメモリ16に格納する。
図4(a),(b)に、グループデータおよびグループ番号G1のグループの各顧客データの一例を示す。
グループデータとして、グループ番号、温水器33の通電型、顧客数、制御回数、温水器33の総容量および温水器33の通電時間が格納され、また、各顧客データとして、契約番号、温水器用計器32の計器番号、温水器33の容量、前回通電時間および追加加熱時間が格納される。
この例では、説明の簡単のため、各グループは20戸の顧客数からなり、各顧客1の温水器33の容量は5kWであり、各グループの温水器33の総容量が100kWであるとしている。また、温水器33はすべて5時間通電型としている。
なお、温水器33の通電型(5時間通電型および9時間通電型など)によってグループ分けを行うと制御が行い易い。
余剰電力演算部12は、外部から入力される対象の配電系統全体の消費電力量データと、対象の配電系統の高圧幹線に直接接続されている太陽光発電設備2(図2(a)参照)および各顧客宅に設置されている買電用計器25から送受信部14を介して入力される売電電力量データとに基づいて、余剰電力を計算する。
なお、各顧客1から配電系統に流入する逆潮流の計測は、図3(a)に示すように、パワーコンディショナ(PCS)22を介して太陽光発電装置(PV)21に接続されるとともに負荷23に接続された売電用計器24で計測した売電電力量データを買電用計器25(スマートメーター)に送信したのち、買電用計器25から売電電力量データを配電系統負荷制御システム10に送信することにより行う。
TS制御部13は、外部から入力される天気情報が「晴れ」を示している場合には、余剰電力演算部12によって計算された余剰電力に基づいて各顧客1の温水器33の通電制御を行う。
このとき、温水器33の通電制御は、対象の顧客1の温水器33に接続された温水器用計器32(スマートメーター)の計器番号を顧客データメモリ16から読み出して、読み出した計器番号の温水器用計器32にTSオン/オフ制御信号をTS制御部13から送受信部14を介して送信し、対象の顧客1の引込口と温水器用計器32との間に接続されたタイムスイッチ(TS)31に電力線搬送通信(PLC)などを用いて温水器用計器32からTSオン/オフ制御信号を入力することにより行う(図3(b)参照)。
そのため、タイムスイッチ31は、TSオン/オフ制御信号に基づいて温水器33への通電をオン/オフするためのオン/オフ制御回路を備える。
また、すべての対象の顧客1の温水器33への通電を一斉に行った場合には、グループ番号G1〜G15の設備容量の合計値は1,500kW(100kW×15)になり、負荷が急激に増加することとなる。このような大形の間欠負荷があると、大きな電圧変動となり、位相が遅れるほか電圧降下が発生し、全温水器33の通電開始と同時にフリッカ(照明のちらつき)が発生するなど、配電線に悪影響が生じると考えられる。また、すべての対象の顧客1の温水器33への通電を一斉に停止した場合には、進み位相となり、電圧が上昇する。さらに、これらの動作によって変電所変圧器の負荷時タップ切替装置での電圧調整が困難になると考えられる。
そこで、TS制御部13は、優先順位を付けて各顧客1のタイムスイッチ31をオン/オフ制御して、各顧客1の温水器33への一斉通電および一斉通電停止を行わないようにする。
優先順位については、近年実証試験が行われている大型蓄電池なども変電所に取り付けられていること、変電所側に負荷が多く存在する方が高圧幹線に負担が掛からないと思われること、仮に高圧幹線の末端から投入すると、図2(b)に破線で示す余剰電力の電流と同図に実線で示す一般負荷の電流との両方が高圧幹線を流れることになり、高圧幹線に過大な電流が流れてしまう恐れがあることから、図2(a)に示すように変電所の特別高圧側に逆潮流が流れないようにするために、若番のグループに属する顧客1からタイムスイッチ31をオンにして温水器33への通電を行うとともに逆の順番でタイムスイッチ31をオフにして温水器33への通電を停止することとする。
TS制御部13は、各顧客1のタイムスイッチ31のオン/オフ制御を行うと、各顧客1の契約番号に基づいて顧客データメモリ14の「前回通電時間」の欄に通電時間(昼間にタイムスイッチ31をオンにした時間)を書き込む(図4(b)参照)。
次に、晴れの日の場合におけるTS制御部13の動作について、図5(a),(b)を参照して説明する。
図5(a)に、図8に示したグラフから晴れの日の場合について一般負荷よりも全PV発電量が増大する余剰電力分だけを抜き出したグラフを示す。この余剰電力を温水器33への通電によって消費するために、TS制御部13は、以下のようにして各顧客1のタイムスイッチ31のオン/オフ制御を行う。
10時から10時30分までに発生した余剰電力200kW、10時30分から11時までに発生した余剰電力400kW、11時から11時30分までに発生した余剰電力700kW、11時30分から12時までに発生した余剰電力800kW、12時から12時30分までに発生した余剰電力900kW、12時30分から13時までに発生した余剰電力700kW、13時から13時30分までに発生した余剰電力400kWおよび13時30分から14時までに発生した余剰電力300kWを消費するために、TS制御部13は、10時からグループ番号G1,G2のグループに属する各顧客1のタイムスイッチ31をオンさせ、10時30分からグループ番号G3,G4のグループに属する各顧客1のタイムスイッチ31をオンさせ、11時からグループ番号G5〜G7のグループに属する各顧客1のタイムスイッチ31をオンさせ、11時30分からグループ番号G8のグループに属する各顧客1のタイムスイッチ31をオンさせ、12時からグループ番号9のグループに属する各顧客1のタイムスイッチ31をオンさせるとともに、12時30分にグループ番号G8,G9のグループに属する各顧客1のタイムスイッチ31をオフさせ、13時にグループ番号G5〜G7のグループに属する各顧客1のタイムスイッチ31をオフさせ、13時30分にグループ番号G4のグループに属する各顧客1のタイムスイッチ31をオフさせ、14時にグループ番号G1〜G3のグループに属する各顧客1のタイムスイッチ31をオフさせる。
その結果、グループ番号G1,G2のグループに属する各顧客1の温水器33は10時から14時までの4時間ほど通電され、グループ番号G3のグループに属する各顧客1の温水器33は10時30分から14時までの3時間30分ほど通電され、グループ番号G4のグループに属する各顧客1の温水器33は10時30分から13時30分までの3時間ほど通電され、グループ番号G5〜G7のグループに属する各顧客1の温水器33は11時から13時までの2時間ほど通電され、グループ番号G8のグループに属する各顧客1の温水器33は11時30分から13時までの1時間30分ほど通電され、グループ番号9のグループに属する各顧客1の温水器33は12時から12時30分までの30分間ほど通電されることになるため、各温水器33の通電時間が不足する。そこで、この通電時間の不足分は、夜間にTS制御部13によって各タイムスイッチ31をオン/オフ制御して各温水器33への通電を行うことにより追加加熱して補う。
TS制御部13は、このような追加加熱を行うと、各顧客1の契約番号に基づいて顧客データメモリ14の「追加加熱時間」の欄に追加加熱時間(夜間にタイムスイッチ31をオンにした時間)を書き込む(図4(b)参照)。
次に、曇りの日の場合におけるTS制御部13の動作について、図6(a),(b)を参照して説明する。
図8に一例を示したように曇りの日にはPV発電量の変動が特に激しく配電系統への影響も大きいと考えられるため、外部から入力される天気情報が「曇り」を示している場合には、TS制御部13は、各タイムスイッチ31をオン/オフ制御して各温水器33に通電することにより、図6(a)に一例を示すように所定の発電量(この例では1,800kW)以上の不安定な発電量(余剰電力)を緩和させる。
すなわち、7時30分から8時まで発生した余剰電力300kW、9時から9時30分まで発生した余剰電力300kW、10時から10時30分まで発生した余剰電力900kW、10時30分から11時30分まで発生した余剰電力600kW、11時30分から12時まで発生した余剰電力300kW、12時30分から13時30分まで発生した余剰電力300kW、14時分から14時30分まで発生した余剰電力600kW、14時30分から15時まで発生した余剰電力1,300kW、15時から15時30分まで発生した余剰電力600kWおよび15時30分から16時までに発生した余剰電力300kWを消費するために、TS制御部13は、7時30分から8時、9時から9時30分、10時から12時、12時30分から13時30分および14時から15時の5時間ほどグループ番号G1〜G3のグループに属する各顧客1のタイムスイッチ31をオンさせ、10時から11時30分および14時から15時30分の3時間ほどグループ番号G4〜G6のグループに属する各顧客1のタイムスイッチ31をオンさせ、10時から10時30分および14時30分から16時までの2時間ほどグループ番号G7〜G9のグループに属する各顧客1のタイムスイッチ31をオンさせるとともに、14時30分から15時の0.5時間ほどグループ番号G10〜G13のグループに属する各顧客1のタイムスイッチ31をオンさせる。
なお、14時30分から16時までの2時間ほどグループ番号G7〜G9のグループに属する各顧客1のタイムスイッチ31をオンさせるのは、グループ番号G1〜G3のグループに属する各顧客1の温水器33(5時間通電型)には15時までに5時間ほど通電しているためにこれ以上通電させることはできなく、かつ、グループ番号G4〜G6のグループに属する各顧客1の温水器33には15時30まで通電することから、各温水器33の通電時間の継続性を確保するためである。
また、各温水器33の通電時間の不足分については、上述した晴れの日の場合と同様に、夜間にTS制御部13によって各タイムスイッチ31のオン/オフ制御を行って各温水器33に通電して追加加熱することにより補う(図6(b)参照)。
図7に、各温水器33の通電時間のスケジューリングの一例を示す。
変電所から近いグループ(グループ番号G1〜G6)については、上述したように昼間に通電する確率が非常に高くなるため、夜間は追加加熱という形でスケジュールを行うことになる。一方、その他のグループ(グループ番号G7〜G13)については、夜間に長時間通電する確率が高い。そのため、夜間の追加加熱の際にも負荷平準化が図れるように各温水器33の夜間加熱時間のスケジュール再編成を行い、TS制御部13によって各タイムスイッチ31をオン/オフ制御する。
なお、グループ番号G1〜G3のグループに属する各顧客1の温水器33については、昼間の加熱後の温水器33の容量に応じた温度低下を概算して、概算した温度低下分を補うように夜間に追加加熱する(図7参照)。
雨の日についても、必要に応じて曇りの日と同様にTS制御部13を動作せせるようにしてもよい。
以上説明したように、本発明の配電系統負荷制御システムは、エネルギー貯蔵装置としての蓄電池は非常に高価であり配電系統に組み込むにはコスト問題が発生するため、エネルギーを熱として蓄える温水器を太陽光発電などの再生可能エネルギーの大量導入に伴う逆潮流変動を吸収するための装置に用いれば非常に効果があることに鑑みて、一般家庭の温水器の他にも大型の大衆浴場や温水プールなどの負荷も自動制御を行えば非常に効果があると考え、スマートメーターを介してタイムスイッチの投入時間を通信制御し、配電系統に逆潮流が大量に流入した際に自動で通電して負荷制御を行うことを特徴とする。
これにより、既に普及している深夜電力契約のメーターとタイムスイッチとを変更するだけで、大規模な配電系統の負荷制御を行うことができる。
なお、各顧客1に対しては、エネルギー監理システム(HEMS)の表示端末に図6(a)、図7および図8に示した図表などを表示することにより、温水器通電の理由を説明するようにしてもよい。
また、各顧客1に対してタイムスイッチ31の制御回数に応じた電気料金の割引などを行ったり、再生可能エネルギーを購入したい顧客1に対してのサービスとしてこれらの制御を位置付けて提供したりしてもよい。
また、温水器としてタイムスイッチ31によって通電制御するタイプの温水器33を例として説明したが、近年普及しつつあるマイコン搭載型温水器を使用する顧客1については、図3(b)に示したようにタイムスイッチ31および温水器用計器32の代わりに時間帯別計器(スマートメーター)を用いることになるため、エネルギー監理システム(HEMS)を介してマイコン搭載型温水器への通電を通信制御してもよい。
さらに、30分単位で温水器33の通電制御を行った(図5(b)および図6(a)参照)が、より短い時間間隔(たとえば、10分単位など)で温水器33の通電制御を行って、より詳細な配電系統の負荷制御を可能としてもよい。
1 顧客
2 太陽光発電設備
10 配電系統負荷制御システム
11 グループ化処理部
12 余剰電力演算部
13 TS制御部
14 送受信部
15 顧客データメモリ
16 グループデータメモリ
21 太陽光発電装置
22 パワーコンディショナ
23 負荷
24 売電用計器
25 買電用計器
31 タイムスイッチ
32 温水器用計器
33 温水器
G1〜G15 グループ番号

Claims (4)

  1. 再生可能エネルギーの大量導入に伴う逆潮流変動に合わせて配電系統の負荷制御を行うための配電系統負荷制御システム(10)であって、
    前記配電系統から通電される温水器(33)を所有する各顧客(1)に対して、各グループにおける温水器の容量がほぼ同じになるように該配電系統の変電所から近い顧客からグループ化して、該変電所から近いグループからグループ番号を付与するためのグループ化処理部(11)と、
    外部から入力される前記配電系統全体の消費電力量データと該配電系統の高圧幹線に直接接続されている太陽光発電設備(2)および前記各顧客の買電用計器(25)から送受信部(14)を介して入力される売電電力量データとに基づいて余剰電力を計算するための余剰電力演算部(12)と、
    該余剰電力演算部によって計算された前記余剰電力に基づいて、若番のグループに属する顧客から前記各顧客の前記温水器への通電を行うとともに逆の順番で該各顧客の該温水器への通電を停止して、該各顧客の該温水器の通電制御を行うための制御部(13)と、
    を具備することを特徴とする、配電系統負荷制御システム。
  2. 前記制御部が、前記各顧客の前記温水器に接続された温水器用計器(32)に前記送受信部を介してTSオン/オフ制御信号を送信し、該各顧客の引込口と該温水器用計器との間に接続されたタイムスイッチ(31)に該温水器用計器から該TSオン/オフ制御信号を入力し、かつ、若番のグループに属する顧客から該各顧客の該タイムスイッチをオンにして該各顧客の前記温水器への通電を行うとともに逆の順番で該各顧客の該タイムスイッチをオフにして該各顧客の該温水器への通電を停止して、該各顧客の該温水器の通電制御を行うことを特徴とする、請求項1記載の配電系統負荷制御システム。
  3. パワーコンディショナ(22)を介して太陽光発電装置(21)に接続されるとともに負荷(23)に接続された売電用計器(24)で計測した売電電力量を示す売電電力量データを前記買電用計器に送信したのち、該買電用計器から該売電電力量データを前記配電系統負荷制御システムに送信して、前記各顧客から前記配電系統に流入する逆潮流の計測を行うことを特徴とする、請求項1または2記載の配電系統負荷制御システム。
  4. 前記制御部が、曇りの日には、所定の発電量以上の不安定な発電量を前記余剰電力として該余剰電力に基づいて前記各顧客の前記タイムスイッチをオン/オフ制御することを特徴とする、請求項2または3記載の配電系統負荷制御システム。
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