JP2016042748A - Energy management system and power demand plan optimization method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、エネルギーマネジメントシステムおよび電力需給計画最適化方法に関する。 The present invention relates to an energy management system and a power supply and demand plan optimization method.
特許文献1に記載されるように、蓄電ユニットと、車載蓄電装置に充電するための充電スタンドと、太陽光発電機と、一般負荷とを備えた電力供給システムが知られている。これらの機器は住宅等に設けられており、統合電力制御装置を介して交流電力線に接続されている。統合電力制御装置は、消費電力量の予測データ、発電量の予測データおよび車載蓄電装置の使用スケジュールに基づいて、電力機器の充放電スケジュールを決定する。統合電力制御装置は、充放電スケジュールに従って、蓄電ユニットおよび車載蓄電装置へ充電する電力と、蓄電ユニットおよび車載蓄電装置から交流電力線に放電する電力とを制御する。
As described in
統合電力制御装置は、予め設定された評価指標が所定値となるように、充放電スケジュールを混合整数計画問題に定式化して算出する。混合整数計画問題では、論理変数を用いた線形不等式制約によって条件分岐が表現されている。このように条件分岐を表現することにより、最適化ツールを用いて解を求めている。 The integrated power control apparatus formulates and calculates a charge / discharge schedule into a mixed integer programming problem so that a preset evaluation index becomes a predetermined value. In mixed integer programming problems, conditional branches are expressed by linear inequality constraints using logical variables. By expressing conditional branches in this way, a solution is obtained using an optimization tool.
ところで、電力の需給や電池の充放電に関する需給計画問題は、非線形混合整数問題となるのが一般的である。特に整数問題においては、解析解を得ることは困難である。従来は、たとえば連続緩和等の手法によって近似的に解を得た後、メタヒューリスティクス等の手法により、整数問題の解を得ていた。しかしながら、このような従来の手法では、解の取得に時間を要したり、最適解が得られなかったりすることがあった。 By the way, the supply and demand planning problem related to power supply and demand and battery charge and discharge is generally a nonlinear mixed integer problem. Especially in the integer problem, it is difficult to obtain an analytical solution. Conventionally, an approximate solution is obtained by a technique such as continuous relaxation, and then an integer problem is obtained by a technique such as metaheuristics. However, with such a conventional method, it may take time to obtain a solution or an optimal solution may not be obtained.
本発明は、解の取得に要する時間を短縮でき、しかも確実に解を得ることができるエネルギーマネジメントシステムおよび電力需給計画最適化方法を提供することを目的とする。 It is an object of the present invention to provide an energy management system and an electric power supply and demand plan optimization method that can shorten the time required to obtain a solution and can reliably obtain the solution.
本発明は、蓄電装置を含む出力制御可能な機器と再生可能エネルギーにより発電を行う発電機と負荷とを備えると共に外部電力系統に接続されたマイクログリッドにおける、エネルギーの需給計画を最適化するエネルギーマネジメントシステムであって、最適化の指標である目的関数の最適化問題を解くことにより、計画期間内の複数の時刻における機器に対する制御値を含む需給計画の解を得る需給計画計算部を備え、需給計画計算部は、制御値の変数である独立変数の値を分割した複数の第1離散値を探索することにより1次最適解を取得し、さらに、1次最適解を含む一定範囲の独立変数の値を複数の第1離散値よりも細かく分割した複数の第2離散値を探索することにより2次最適解を取得する。 The present invention provides energy management for optimizing energy supply and demand plans in a microgrid that includes a power-controllable device including a power storage device, a generator that generates power using renewable energy, and a load, and that is connected to an external power system The system is equipped with a supply and demand plan calculation unit that obtains a solution to supply and demand plans including control values for equipment at multiple times within the planning period by solving the optimization problem of the objective function that is an optimization index. The plan calculation unit obtains a primary optimal solution by searching for a plurality of first discrete values obtained by dividing the value of the independent variable that is a variable of the control value, and further, an independent variable within a certain range including the primary optimal solution. A second optimal solution is obtained by searching for a plurality of second discrete values obtained by dividing the value of more finely than the plurality of first discrete values.
このエネルギーマネジメントシステムによれば、需給計画計算部によって、最適化の指標である目的関数の最適化問題が解かれ、計画期間内の複数の時刻における需給計画の解が得られる。この解は、機器に対する制御値を含んでおり、この解によって、マイクログリッド内の機器が制御される。まず、需給計画計算部は、制御値の変数である独立変数の値を分割した複数の第1離散値を探索することにより、1次最適解を取得する。よって、独立変数が連続状態である場合でも、独立変数の値を分割して(すなわち離散化して)第1離散値に置き換え、探索手法を用いることにより、確実に解が得られる。たとえば、最適化問題が非線形混合整数問題であっても、確実に解が得られる。さらに、需給計画計算部は、1次最適解を含む一定範囲の独立変数の値を分割した複数の第2離散値を探索することにより、2次最適解を取得する。これらの第2離散値は、1次最適解の周りにおいて、第1離散値よりも細かく分割された離散値である。このように、1次最適解の周りにおいて独立変数の値を細かく再分割し、同様の探索を再度行うことにより、解の精度が向上する。上記の2段階の探索手法によれば、同様の探索を2回行えばよいので、解の取得に要する時間が短縮されている。しかも、一定精度の解が確実に得られる。 According to this energy management system, an optimization problem of an objective function that is an optimization index is solved by the supply and demand plan calculation unit, and a supply and demand plan solution at a plurality of times within the planning period is obtained. This solution contains control values for the device, which controls the device in the microgrid. First, the demand-and-supply plan calculation unit obtains a first optimal solution by searching for a plurality of first discrete values obtained by dividing the value of an independent variable that is a variable of a control value. Therefore, even when the independent variable is in a continuous state, the value of the independent variable is divided (that is, discretized) and replaced with the first discrete value, and the search method is used, so that a solution can be reliably obtained. For example, even if the optimization problem is a nonlinear mixed integer problem, a solution can be obtained reliably. Furthermore, the demand-and-supply plan calculation unit obtains the secondary optimal solution by searching for a plurality of second discrete values obtained by dividing the value of the independent variable within a certain range including the primary optimal solution. These second discrete values are discrete values divided more finely than the first discrete value around the first-order optimal solution. In this way, the value of the independent variable is finely subdivided around the first-order optimal solution, and the same search is performed again, thereby improving the accuracy of the solution. According to the above two-stage search method, the same search may be performed twice, so that the time required for obtaining the solution is shortened. Moreover, a solution with a certain accuracy can be obtained with certainty.
いくつかの態様において、需給計画計算部は、第1離散値の探索および第2離散値の探索のそれぞれに動的計画法を適用することにより、1次最適解および2次最適解を取得する。この場合、動的計画法を用いた探索によって、より確実に解を得ることができる。 In some aspects, the supply and demand plan calculation unit obtains the primary optimal solution and the secondary optimal solution by applying dynamic programming to each of the search for the first discrete value and the search for the second discrete value. . In this case, a solution can be obtained more reliably by a search using dynamic programming.
いくつかの態様において、需給計画計算部は、1つの独立変数からなる1次元の探索空間を探索する。この場合、計算量が比較的少ないため、ある1つの独立変数に関する需給計画の解を短時間で取得できる。 In some aspects, the supply and demand plan calculation unit searches a one-dimensional search space composed of one independent variable. In this case, since the amount of calculation is relatively small, it is possible to obtain a solution of the supply and demand plan for a certain independent variable in a short time.
いくつかの態様において、需給計画計算部は、複数の独立変数からなる多次元の探索空間を探索する。この場合、複数の独立変数に関する需給計画の解を取得でき、マイクログリッドにおける機器の柔軟な運転制御が可能になる。 In some embodiments, the supply and demand plan calculation unit searches a multidimensional search space including a plurality of independent variables. In this case, it is possible to obtain a solution of the supply and demand plan for a plurality of independent variables, and to enable flexible operation control of the equipment in the microgrid.
本発明は、蓄電装置を含む出力制御可能な機器と再生可能エネルギーにより発電を行う発電機と負荷とを備えると共に外部電力系統に接続されたマイクログリッドにおける、エネルギーの需給計画を最適化する電力需給計画最適化方法であって、エネルギーマネジメントシステムが、最適化の指標である目的関数の最適化問題を解くことにより、計画期間内の複数の時刻における機器に対する制御値を含む需給計画の解を得る需給計画計算ステップを含み、需給計画計算ステップにおいて、エネルギーマネジメントシステムは、制御値の変数である独立変数の値を分割した複数の第1離散値を探索することにより1次最適解を取得し、さらに、1次最適解を含む一定範囲の独立変数の値を複数の第1離散値よりも細かく分割した複数の第2離散値を探索することにより2次最適解を取得する。この電力需給計画最適化方法によれば、上記したエネルギーマネジメントシステムと同様の作用効果が奏される。 The present invention provides a power supply and demand that optimizes an energy supply and demand plan in a microgrid that includes a power-controllable device including a power storage device, a generator that generates power using renewable energy, and a load, and that is connected to an external power system A plan optimization method in which an energy management system solves an optimization problem of an objective function that is an optimization index, thereby obtaining a supply and demand plan solution including control values for devices at multiple times within the planning period. Including a supply and demand plan calculation step, wherein the energy management system obtains a first optimal solution by searching for a plurality of first discrete values obtained by dividing the value of the independent variable that is a variable of the control value; Further, a plurality of second separation values obtained by dividing the value of the independent variable including the first-order optimal solution more finely than the plurality of first discrete values. Acquiring secondary optimal solution by searching the values. According to this electric power supply and demand plan optimization method, the same operation effect as the above-mentioned energy management system is produced.
本発明によれば、解の取得に要する時間を短縮でき、しかも、一定精度の解が確実に得られる。 According to the present invention, the time required to obtain a solution can be shortened, and a solution with a certain accuracy can be obtained with certainty.
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、図面の説明において同一要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant descriptions are omitted.
図1を参照して、第1実施形態に係るエネルギーマネジメントシステムが適用された電力供給システム1について説明する。図1に示されるように、電力供給システム1は、複数種類の発電機と電力消費機器とを備えたマイクログリッドGと、マイクログリッドGにおける各機器の制御値を計算するエネルギーマネジメントシステム20とを備える。以下の説明において、「エネルギーマネジメントシステム」を「EMS」と略称する。図1において、実線の矢印は電気の流れを示しており、破線の矢印は情報の流れを示している。
With reference to FIG. 1, the
電力供給システム1は、たとえばビルまたは工場等を所有する需要家によって利用され得る。電力供給システム1は、たとえば再生可能エネルギー発電機を所有する売電事業者によって利用され得る。EMS20は、このような需要家または売電事業者に対して、最適化されたエネルギーの需給計画を提供する。
The
マイクログリッドGは、太陽光発電機3および風力発電機4を含む再生可能エネルギー発電機5と、化石燃料を用いて発電を行う原動機7とを備える。原動機7としては、たとえばガスタービンを用いることができる。また、原動機7として、コージェネレーション用ガスタービンを用いることもできる。マイクログリッドGは、マイクログリッドG内の電力を消費する負荷6と、マイクログリッドG内の電力を用いて走行する電気自動車(蓄電装置)8とを更に備える。負荷6は、電力を消費する複数の機器を含み得る。電気自動車8は、図示しない蓄電池を含んでおり、電力を蓄電および放電可能である。電気自動車8は、たとえば充電スタンドを含み得る。マイクログリッドGは、電力を蓄電および放電可能な蓄電池(蓄電装置)9を更に備える。蓄電池9としては、たとえばリチウムイオン電池を用いることができる。マイクログリッドGは、上記した複数の電力機器が電気的に接続されたグリッド制御装置10を備える。グリッド制御装置10は、外部電力系統2に接続されている。言い換えれば、上記した複数の電力機器のそれぞれは、グリッド制御装置10を介して外部電力系統2に接続されている。
The microgrid G includes a
マイクログリッドGにおける使用電力は、再生可能エネルギー発電機5または原動機7または電気自動車8または蓄電池9によって賄われる。その他、マイクログリッドGでは、外部電力系統2から電力を購入(すなわち買電)したり、外部電力系統2に対する逆潮流により電力を売却(すなわち売電)したりすることが可能である。一般的に、買電価格は電力会社との契約に依存してもよく、時間帯に依存して変化してもよい。売電価格は、たとえば「電気事業者による再生可能エネルギー電気の調達に関する特別措置法」により規定される。なお、買電価格または売電価格は、上記の制度とは別に定められてもよい。
The electric power used in the microgrid G is covered by the
グリッド制御装置10は、たとえばCPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、およびRAM(Random Access Memory)等のハードウェアと、ROMに記憶されたプログラム等のソフトウェアと、を備えている。グリッド制御装置10は、グリッド制御装置10に接続された電力機器を統括的に制御する。グリッド制御装置10は、電気の流れを制御するための制御回路および蓄電池等を備える。グリッド制御装置10は、外部電力系統2からの受電電力および外部電力系統2への逆潮流電力を制御する。グリッド制御装置10と各電力機器とは、互いに情報通信を行うことができる。グリッド制御装置10は、各電力機器の現在状態に関する情報等を取得する。グリッド制御装置10は、各電力機器に制御値を出力する。グリッド制御装置10は、取得した各電力機器に関する情報を記憶する。グリッド制御装置10は、各電力機器に関する情報をEMS20に送信する。
The
上記したグリッド制御装置10の各電力機器のうち、原動機7、電気自動車8および蓄電池9は、グリッド制御装置10によって出力制御可能な機器に相当する。グリッド制御装置10は、EMS20からの制御値を入力し、その制御値に基づいて、原動機7に対して起動、停止および出力指令等を出力する。グリッド制御装置10は、EMS20からの制御値を入力し、その制御値に基づいて、蓄電池9に対して充放電指令等を出力する。
Among the power devices of the
EMS20は、たとえばCPU、ROM、およびRAM等のハードウェアと、ROMに記憶されたプログラム等のソフトウェアと、から構成されたコンピュータである。EMS20とグリッド制御装置10とは、互いに情報通信を行うことができる。EMS20とグリッド制御装置10とは、インターネットを介して通信可能であってもよいし、有線または無線のLAN等を介して通信可能であってもよい。EMS20は、マイクログリッドG内の各電力機器に対する制御値を計算する機能を有する。言い換えれば、EMS20は、グリッド制御装置10に制御値を送信することにより、グリッド制御装置10を通じて、マイクログリッドG内の各電力機器を制御する。
The
より詳細には、EMS20は、ある一定の指標を目的関数として、マイクログリッドGにおける将来一定期間のエネルギーの需給計画を最適化する。最適化の指標すなわち目的関数としては、たとえば、グリッド運用コストすなわち計画期間(たとえば一日)を通しての電気料金の最小化、計画期間を通しての受電電力変動量の最小化、排出CO2の最小化等が挙げられる。EMS20は、目的関数の最適化問題を解くことにより、需給計画を計算する。目的関数は、上記した3つの指標以外の指標であってもよい。目的関数とされる指標は、特に限定されない。また、目的関数は複数の目的関数の加重和で定義されていてもよい。
More specifically, the
目的関数の独立変数としては、たとえば、以下の表1に示される変数が挙げられる。独立変数は、マイクログリッドG内において制御可能なものであれば、何であってもよい。マイクログリッドG内の制御可能機器である原動機7、電気自動車8、蓄電池9の数は全体で1以上であれば任意個であってよく、機器ごとに異なる性能を有していてもよい。
一方で、電力供給システム1は、マイクログリッドGにおける需要電力量および発電量の予測値を記憶する需要・発電量予測データベース12を備える。EMS20と需要・発電量予測データベース12とは、互いに情報通信を行うことができる。EMS20は、特定の日時における需要電力量および発電量の予測値を需要・発電量予測データベース12から取得する。需要・発電量予測データベース12に記憶される需要電力量および発電量の予測値は、定期的に更新される。
On the other hand, the
EMS20は、グリッド制御装置10から取得するマイクログリッドGの各電力機器に関する最新の情報(たとえば機器状態等)と、需要・発電量予測データベース12から取得する発電量および需要電力量に関する最新の情報(たとえば予測値等)とに基づいて、需給計画を修正する(すなわち需給計画を更新する)。マイクログリッドGの各電力機器に関する情報(たとえば機器状態等)および/または発電量および需要電力量に関する情報(たとえば予測値等)は、需給計画の計算において、パラメータとして用いられる。すなわち、パラメータは、再生可能エネルギー発電機5、原動機7、蓄電池9および負荷6の少なくとも1つに関する現在値または予測値を含んでいる。具体的なパラメータとしては、たとえば、以下の表2に示される各種のパラメータが挙げられる。
The
上表において、SOCは充放電状態(State of Charge)を意味し、満充電の状態を100%としたときの充電率を表す。PCSはパワーコンディショナ(Power Conditioning Subsystem)を意味する。
In the above table, SOC means a charge / discharge state (State of Charge), and represents a charging rate when the fully charged state is 100%. PCS stands for Power Conditioning Subsystem.
なお、マイクログリッドGにおいては、独立変数やパラメータは最適化問題の構築の仕方に依存するため、同じグリッドに対して唯一には定まらない。たとえば、蓄電池9の充放電電力を独立変数にとると、SOCは従属変数となる。一方、SOCを独立変数とすると、蓄電池9の充放電電力を従属変数とする定式化も可能である。 In the microgrid G, the independent variables and parameters depend on how the optimization problem is constructed, and therefore cannot be uniquely determined for the same grid. For example, if charging / discharging power of the storage battery 9 is an independent variable, the SOC becomes a dependent variable. On the other hand, when the SOC is an independent variable, a formulation with the charge / discharge power of the storage battery 9 as a dependent variable is also possible.
EMS20は、需給計画の計算において、所与の制約条件のもとで目的関数を最小化するような独立変数の値を求める。たとえば、EMS20は、目的関数の最適化問題を解くことにより、原動機7における各時刻の発電電力を計算する。EMS20は、電気自動車8における各時刻の充放電電力を計算する。EMS20は、蓄電池9における各時刻の充放電電力を計算する。EMS20は、蓄電池9における各時刻のSOCを計算してもよい。EMS20は、原動機7の発電電力、電気自動車8の充放電電力、蓄電池9の充放電電力に従属するかたちで、外部電力系統2から購入する各時刻の受電電力を計算する。
The
図2を参照して、EMS20の機能構成について説明する。EMS20は、統括制御部20aと、通信部21と、計算部22と、記憶部23と、表示部24とを備える。統括制御部20aは、EMS20における処理を統括制御する。統括制御部20aは、たとえば、需給予測処理の時刻であるか否かを判断する。統括制御部20aは、需給バランス制御の時刻であるか否かを判断する。通信部21は、グリッド制御装置10および需要・発電量予測データベース12に対して情報通信を行う入出力部である。計算部22は、需給計画を計算する。
A functional configuration of the
計算部22は、需給予測計算部22aと、離散値決定部22bと、需給計画計算部22cと、需給バランス制御部22dとを含む。需給予測計算部22aは、過去の統計情報、天気予報および需要予測等の各種データに基づいて、需給予測処理を実行する。需給予測計算部22aは、需給予測処理を実行することにより、需給予測情報を生成する。需給予測計算部22aは、所定時間間隔(たとえば30分間隔)で、計画時間内(たとえば24時間分)の需給予測情報を生成および出力する。
The
離散値決定部22bは、需給計画計算部22cによる計算に用いられる第1離散値および第2離散値を決定する。EMS20では、需給計画を計算する際、2段階の探索を行う。この2段階の探索のそれぞれにおいて、独立変数の値である、第1離散値および第2離散値が用いられる。離散値決定部22bは、独立変数の値を所定数に分割することにより、複数の第1離散値を生成する。なお、第1離散値は、予め定められてもよい。離散値決定部22bは、第1段階の探索によって得られる1次最適解に基づいて、第2離散値を決定する。すなわち、離散値決定部22bは、1次最適解を含む一定範囲の独立変数の値を所定数に分割することにより、複数の第2離散値を生成する。このように、離散値決定部22bは、本来連続状態である独立変数の値(たとえば蓄電池9における充放電電力量またはSOC値)を離散状態へと変換する。なお、第2離散値は、1次最適解の周りにおいて、第1離散値よりも細かく分割された離散値である。
The discrete
需給計画計算部22cは、最適化問題を解くことにより、需給計画処理を実行する(需給計画を計算する)。より詳しくは、需給計画計算部22cは、離散値決定部22bによって離散化された第1離散値および第2離散値に対して動的計画法(探索手法)を用い、2段階の探索を行う。需給計画計算部22cは、2段階の探索を行うことにより、最適化問題を解き、計画期間内の複数の時刻における需給計画の最適解を得る。言い換えれば、まず、需給計画計算部22cは、複数の第1離散値を探索することにより、1次最適解を取得する。さらに、需給計画計算部22cは、1次最適解の周りに生成された複数の第2離散値を探索することにより、2次最適解を取得する。この2次最適解は、原動機7、電気自動車8および蓄電池9等の出力制御可能な機器に対する計画情報(制御値)を含んでいる。需給計画計算部22cは、所定時間間隔(たとえば30分間隔)で、計画時間内(たとえば24時間分)の計画情報を生成および出力する。
The supply and demand
需給バランス制御部22dは、需給バランス制御を実行する。需給バランス制御部22dは、公知の手法を用いて需給バランス制御を実行してもよい。需給バランス制御部22dは、たとえばヒステリシス制御を用いて、制御対象の機器に対する需給バランス制御を実行する。需給バランス制御部22dは、需給バランス処理を実行することにより、修正された計画情報である制御情報(制御値)を生成する。需給バランス制御部22dは、所定時間間隔(たとえば1分間隔)で、制御情報を生成および出力する。
The supply / demand
記憶部23は、ハードディスク装置またはフラッシュメモリなどを有している。記憶部23は、需給予測記憶部23aと、需給計画記憶部23bと、制御値記憶部23cとを含む。需給予測記憶部23aは、需給予測計算部22aによって生成された需給予測情報を記憶する。需給計画記憶部23bは、需給計画計算部22cによって計算された計画情報を記憶する。需給計画記憶部23bは、1次最適解記憶部23baと、2次最適解記憶部23bbとを含む。1次最適解記憶部23baは、需給計画計算部22cによって取得および生成された1次最適解を記憶する。2次最適解記憶部23bbは、需給計画計算部22cによって取得および生成された2次最適解を記憶する。制御値記憶部23cは、需給バランス制御部22dによって生成された制御情報を記憶する。
The
表示部24は、たとえばディスプレイであり、パラメータ、需給計画等を表示する。表示部24は、パラメータ、需給計画等に含まれる詳細な情報を表示してもよい。たとえば、表示部24は、タッチパネル等を備えており、マイクログリッドG内の電力機器が選択されることにより、当該電力機器の運転スケジュール(充放電スケジュールまたは発電スケジュール等)を表示してもよい。表示部24は、計算部22によって制御されて、EMS20のユーザに対して所定のメッセージ(たとえば案内メッセージまたは警告メッセージ等)を表示してもよい。
The
図3を参照して、EMS20において実行される処理、すなわち本実施形態の電力需給計画最適化方法について説明する。以下の処理は、EMS20が起動している間、定期的に実行される。図3に示されるように、需給予測計算部22aは、過去の統計情報、天気予報および需要予測等の各種データを取得する(ステップS01)。需給予測計算部22aは、取得した各種データに基づいて、需給予測処理を実行する(ステップS02)。需給予測計算部22aは、計画時間内(たとえば24時間分)の需給予測情報を生成および出力する(ステップS03)。
With reference to FIG. 3, the process performed in EMS20, ie, the power supply and demand plan optimization method of this embodiment, is demonstrated. The following processing is periodically executed while the
続いて、需給計画計算部22cは、グリッド制御装置10を介して、マイクログリッドGの機器の実測値を取得する(ステップS04)。そして、需給計画計算部22cは、需給計画処理を実行する(ステップS05;需給計画計算ステップ)。この需給計画処理は、たとえば図4に示される処理手順に従って実行される。
Subsequently, the supply and demand
以下、図4および図5〜図9を参照して、需給計画処理について詳細に説明する。以下では、説明を簡単にするため、蓄電池9におけるピークカットを目的とした需給計画を想定する。この場合、買電による電気料金が最も低くなり、ピークカットを実現するようなマイクログリッドGの運転が求められる。すなわち、最適化問題は、各時刻における蓄電池9の充放電電力量を決定する問題となる。この最適化問題は、需給予測情報をもとに、何時に蓄電池9を充放電すればよいか、を計画する問題である。以下、ピークカットを制約条件として、買電コストを最も下げる(すなわち最も安価にする)ための、蓄電池9の充放電計画を考える。 Hereinafter, the supply and demand planning process will be described in detail with reference to FIGS. 4 and 5 to 9. In the following, in order to simplify the explanation, a supply and demand plan for the purpose of peak cut in the storage battery 9 is assumed. In this case, the operation of the microgrid G that realizes the peak cut is required because the electricity charge due to power purchase is the lowest. That is, the optimization problem becomes a problem of determining the charge / discharge power amount of the storage battery 9 at each time. This optimization problem is a problem of planning when the storage battery 9 should be charged / discharged based on the supply and demand prediction information. Hereinafter, a charging / discharging plan of the storage battery 9 for reducing the power purchase cost (that is, making it the cheapest) with the peak cut as a constraint is considered.
評価関数と制約条件は、下記の式(1)、式(2)および式(3)で表される。
ここで、CEr(i)は、時刻iでの電気料金(円/kWh)であり、Er(i)は、時刻iでの30分間の買電電力である。Eb(i)は、時刻iでの蓄電池9の充放電電力であり、EL(i)は、時刻iでの負荷である。Ermax(i)は、時刻iにおける買電電力の上限(すなわちピークカット値)である。
The evaluation function and the constraint condition are expressed by the following formula (1), formula (2), and formula (3).
Here, C Er (i) is the electricity bill (yen / kWh) at time i, and E r (i) is the purchased power for 30 minutes at time i. E b (i) is the charge / discharge power of the storage battery 9 at time i, and E L (i) is the load at time i. E rmax (i) is the upper limit (that is, the peak cut value) of the purchased power at time i.
また、下記式(4)および式(5)が成り立つ。
ここで、SOC(i)は、時刻iでの電池残量(%)、係数kは、充放電電力量に対する蓄電池9のSOCの変化量を示す。ここでは、手法の説明を簡単にするため、充電量(SOC)を決定変数にとる。
Further, the following expressions (4) and (5) are established.
Here, SOC (i) indicates the remaining battery level (%) at time i, and the coefficient k indicates the amount of change in the SOC of the storage battery 9 with respect to the charge / discharge power amount. Here, in order to simplify the description of the method, the amount of charge (SOC) is taken as a decision variable.
図4に示されるように、離散値決定部22bは、第1離散値を決定する(ステップS51)。動的計画法は、離散状態の探索に適用される方法である。図5に示されるように、離散値決定部22bは、SOCの値を10%毎に離散化して定義する。すなわち、離散値決定部22bは、0〜100%の範囲のSOCの値を10個に分割する。なお、横軸の時刻も、30分間隔に離散化して定義される。この場合、独立変数はSOCのみであり、探索空間は1次元である。
As shown in FIG. 4, the discrete
次に、需給計画計算部22cは、複数の第1離散値および複数の時刻に対して、動的計画法による1次探索を行う(ステップS52)。ここでは、開始状態から、終了時刻のいずれかの状態までの経路探索と同じ問題となり、評価関数の値が最小となる経路が、最適解となる。このように、1次探索では、ツリー構造に対して探索アルゴリズムを適用する。なお、1次探索における初期値は、たとえば、計算実行時のSOCの現在値(実測値)とすることができる。
Next, the supply and demand
動的計画法について説明する。動的計画法の定式化としては、たとえば、下記の式(6)の形式が一例として挙げられる。
ここで、fN(sN)は、状態SNでのコスト値、Siは、時刻iでのSOC、xiは、時刻iでの充放電電力量であり、i=1,2,3,4,…,Nとする。上記式(6)は、時刻iに関して、下記式(7)のように表される。
Here, f N (s N ) is the cost value in the state S N , S i is the SOC at the time i, x i is the charge / discharge power amount at the time i, and i = 1, 2, 3, 4, ..., N. The above formula (6) is expressed as the following formula (7) with respect to the time i.
式(7)において、f2(x2)+f1(S2,x2)の最小値を求める。これは、x2をとりうる値に定めると、siについての1変数の最適化であるので、比較的容易に計算できる。これをi=N−1まで繰り返す。fN(sN)は、下記の式(8)のように表される。
以上のようにして、需給計画計算部22cは、最適な蓄電池9の充放電の量と時刻を決定することができる。
In Expression (7), the minimum value of f 2 (x 2 ) + f 1 (S 2 , x 2 ) is obtained. This is because, if determined to a value that can take x 2, since the optimization of one variable for s i, can be relatively easily calculated. This is repeated until i = N-1. f N (s N ) is expressed as in the following formula (8).
As described above, the supply and demand
図6に示されるように、Ax, Bx,Cx, Dx, Exのそれぞれは、各時刻でとりうる離散化されたSOCの値である。Cxxは、とりうる遷移にかかるコスト(本実施形態では買電コスト)である。変数xは、どの経路を通って次の時刻の状態に遷移したか、に相当する。図6から読み取れるように、時刻t2においては、B1〜B5の状態から、s2={C1,C2,…,C5}の状態に遷移する。この状態で最も低いコストは、下記式(9)のように表される。
需給計画計算部22cは、上記の最適化lをfNまで繰り返すことにより、最小のコストを得る。また、最小のコストが得られるxiを記録しておけば、それが蓄電池9において実現すべきSOCの挙動となる。以上のようにして、需給計画計算部22cは、1次最適解を取得する(ステップS53。図7に示される1次最適解S1参照)。需給計画計算部22cは、1次最適解を1次最適解記憶部23baに記憶させる。
Supply
続いて、離散値決定部22bは、第2離散値を決定する(ステップS54)。離散値決定部22bは、1次最適解を中心にして、上下に一定の幅を設定する。図8に示される例では、1次最適解を中心として、正(プラス)方向に10%および負(マイナス)方向に10%の一定範囲が設定されている。そして、離散値決定部22bは、この20%の範囲のSOCの値を2%毎に離散化して定義する。すなわち、離散値決定部22bは、20%の範囲のSOCの値を10個に分割(再分割)する。第1離散値の個数と第2離散値の個数は、このように同じであってもよいが、異なっていてもよい。
Subsequently, the discrete
そして、需給計画計算部22cは、複数の第2離散値および複数の時刻に対して、動的計画法による2次探索を行う(ステップS55)。ここでは、上記したのと同様の手法により、動的計画法を用いた探索を行う。そして、需給計画計算部22cは、1次最適解S1を含む一定範囲内において、2次最適解を取得する(ステップS56。図9に示される2次最適解S2参照)。需給計画計算部22cは、2次最適解を2次最適解記憶部23bbに記憶させる。
And the demand-and-supply
このようにして、離散値決定部22bが、1次最適解S1を中心として正方向および負方向に一定範囲を設定し、当該範囲を再分割する。再分割後に、需給計画計算部22cが同様の探索を再度行うことにより、分解能が上昇し、解の精度が向上している。なお、この場合、1次最適解から大きく異なる最適解が存在しないことが望ましい。
In this way, the discrete
そして、需給計画計算部22cは、計画情報を生成し(ステップS57)、当該計画情報を出力する(図3に示されるステップS06)。
Then, the supply and demand
続いて、需給バランス制御部22dは、グリッド制御装置10を介して、マイクログリッドGの機器の実測値を取得する(ステップS07)。そして、需給バランス制御部22dは、需給バランス制御を実行する(ステップS08)。この需給バランス制御は、たとえば図10に示される処理手順に従って実行される。
Subsequently, the supply and demand
まず、需給バランス制御部22dは、蓄電池9におけるSOCの計画値と実測値との差分値Dsを取得する(ステップS81)。次に、需給バランス制御部22dは、差分値Dsが許容値εよりも大きいか否かを判断する(ステップS82)。ここで、許容値εは、5%以下の値とすることができる。ステップS82において差分値Dsが許容値εよりも大きいと判断すると、需給バランス制御部22dは、実測値が計画値よりも多いとして、蓄電池9の充放電電力Ebを増加させ、負荷Erおよび原動機7の出力EGTを減少させるような制御情報を生成する(ステップS83)。
First, the supply-and-demand
ステップS82において差分値Dsが許容値ε以下であると判断すると、需給バランス制御部22dは、差分値Dsが許容値−εよりも小さいか否かを判断する(ステップS84)。ステップS84において差分値Dsが許容値−εよりも小さいと判断すると、需給バランス制御部22dは、実測値が計画値よりも少ないとして、蓄電池9の充放電電力Ebを減少させ、負荷Erおよび原動機7の出力EGTを増加させるような制御情報を生成する(ステップS85)。
If it is determined in step S82 that the difference value Ds is less than or equal to the allowable value ε, the supply and demand
ステップS84において差分値Dsが許容値−ε以上であると判断すると、需給バランス制御部22dは、実測値が計画値に略一致しているとして、蓄電池9の充放電電力Ebを変化させず、負荷Erおよび原動機7の出力EGTも変化させないような制御情報を生成する(ステップS86)。そして、需給バランス制御部22dは、生成した制御情報を出力する(図3に示されるステップS09)。
If it is determined in step S84 that the difference value Ds is greater than or equal to the allowable value −ε, the supply and demand
統括制御部20aは、需給予測処理の時刻であるか否かを判断する(ステップS10)。需給予測処理の時刻は、たとえば30分間隔に設定されている。統括制御部20aは、ステップS10において需給予測処理の時刻であると判断すると、需給予測計算部22a、離散値決定部22b、需給計画計算部22cおよび需給バランス制御部22dに、ステップS01〜S09の処理を実行させる。
The
統括制御部20aは、ステップS10において需給予測処理の時刻ではないと判断すると、需給バランス制御の時刻であるか否かを判断する(ステップS11)。需給予測処理の時刻は、たとえば1分間隔に設定されている。統括制御部20aは、ステップS11において需給バランス制御の時刻であると判断すると、需給バランス制御部22dに、ステップS07〜S09の処理を実行させる。統括制御部20aは、ステップS11おいて需給バランス制御の時刻ではないと判断すると、図3に示される一連の処理を終了する。
If the
以上説明したEMS20および電力需給計画最適化方法によれば、需給計画計算部22cによって、最適化の指標である目的関数の最適化問題が解かれ、計画期間内の複数の時刻における需給計画の解が得られる。この解は、機器(原動機7、電気自動車8および蓄電池9等)に対する制御値を含んでおり、この解によって、当該機器が制御される。需給計画計算部22cは、制御値の変数である独立変数の値を分割した複数の第1離散値を探索することにより、1次最適解S1を取得する(図5および図7参照)。よって、独立変数が連続状態である場合でも、独立変数の値を分割して(すなわち離散化して)第1離散値に置き換え、探索手法を用いることにより、確実に解が得られる。たとえば、最適化問題が非線形混合整数問題であっても、確実に解が得られる。さらに、需給計画計算部22cは、1次最適解S1を含む一定範囲の独立変数の値を分割した複数の第2離散値を探索することにより、2次最適解S2を取得する(図8および図9参照)。これらの第2離散値は、1次最適解S1の周りにおいて、第1離散値よりも細かく分割された離散値である。このように、1次最適解S1の周りにおいて独立変数の値を細かく再分割し、同様の探索を再度行うことにより、解の精度が向上している。このような2段階の探索手法によれば、同様の探索を2回行えばよいので、解の取得に要する時間が短縮されている。しかも、一定精度の解が確実に得られる。
According to the
需給計画計算部22cは、1次探索および2次探索のそれぞれにおいて、動的計画法を適用している。動的計画法を用いた探索によって、より確実に解が得られる。
The supply and demand
需給計画計算部22cは、1つの独立変数からなる1次元の探索空間を探索する。この場合、計算量が比較的少ないため、ある1つの独立変数に関する需給計画の解を短時間で取得できる。また、EMS20におけるメモリの使用量が低減されている。
The supply and demand
続いて、本発明の第2実施形態について説明する。第2実施形態のEMS20では、需給計画計算部22cは、複数の独立変数からなる多次元の探索空間を探索する。たとえば、第1実施形態で扱った最適化問題に、原動機7を加味し、原動機7の起動および停止時刻と発電量もあわせて決定する問題とした場合、最適化問題は、非線形混合整数問題となる。
Subsequently, a second embodiment of the present invention will be described. In the
この場合、評価関数は、下記の式(10)で表される。
ここで、CEr(i)は、時刻iでの電気料金(円/kWh)であり、Er(i)は、時刻iでの30分間の買電電力である。また、CEGT(i)は、原動機7にて1kWhを発電するための燃料コスト(円/kWh)であり、EGT(i)は、時刻iでの30分間の原動機7の発電電力である。
In this case, the evaluation function is represented by the following formula (10).
Here, C Er (i) is the electricity bill (yen / kWh) at time i, and E r (i) is the purchased power for 30 minutes at time i. C EGT (i) is the fuel cost (yen / kWh) for generating 1 kWh at the
また、制約条件は、下記の式(11)〜式(15)で表される。
上記の各式において、Eb(i)は、時刻iでの蓄電池9の充放電電力であり、EL(i)は、時刻iでの負荷である。Ermax(i)は、時刻iにおける買電電力の上限(すなわちピークカット値)である。また、EGTmax(i)は、原動機7の出力の上限値であり、EGTmin(i)は、原動機7の出力の下限値である。SOC(i)は、時刻iでの電池残量(%)、係数kは、充放電電力量に対する蓄電池9のSOCの変化量を示す。
In each of the above equations, E b (i) is the charge / discharge power of the storage battery 9 at time i, and E L (i) is the load at time i. E rmax (i) is the upper limit (that is, the peak cut value) of the purchased power at time i. E GTmax (i) is an upper limit value of the output of the
このような第2実施形態の評価関数および制約条件に対しても、EMS20は、第1実施形態と同様の2段階の探索を行うことができる。最適化問題が非線形混合整数問題であっても、解の取得に要する時間が短縮されており、しかも、一定精度の解が確実に得られる。また、複数の独立変数(すなわち原動機7および蓄電池9の制御値)に関する需給計画の解を取得でき、マイクログリッドGにおける機器の柔軟な運転制御が可能になる。
The
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限られない。たとえば、上記の第1実施形態では、探索を2回行う場合について説明したが、同様の探索を3回以上繰り返してもよい。その場合、順次得られる最適解に基づいて、次の探索の離散値を決定すればよい。また、上記実施形態では、需給計画計算部22cが動的計画法により探索を行う場合について説明したが、これに限られず、他の探索手法(探索アルゴリズム)を適用してもよい。たとえば、貪欲法または分枝限定法等を採用してもよい。
As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to the said embodiment. For example, in the first embodiment, the case where the search is performed twice has been described, but the same search may be repeated three or more times. In that case, a discrete value for the next search may be determined based on the optimal solution obtained sequentially. Moreover, although the said embodiment demonstrated the case where the supply-and-demand
また、1次最適解の周りの一定範囲は、どのように決定されてもよい。1次最適解が中心に位置するような一定範囲であってもよいが、1次最適解が中心に位置しないような一定範囲であってもよい。一定範囲の大きさは、適宜変更することができる。 The fixed range around the first-order optimal solution may be determined in any way. It may be a fixed range where the first-order optimal solution is located at the center, but may be a fixed range where the first-order optimal solution is not located at the center. The size of the certain range can be changed as appropriate.
また、分割の細かさ(刻み幅、分割数)は、どのように決定されてもよい。1次探索の分割数と2次探索の分割数は、同じであってもよいし、異なってもよい。計画期間の分割数、すなわち解が得られる複数の時刻は、マイクログリッドGの運用方針等に応じて、どのように決定されてもよい。 Further, the fineness of division (step size, number of divisions) may be determined in any way. The number of divisions in the primary search and the number of divisions in the secondary search may be the same or different. The number of divisions of the planning period, that is, a plurality of times at which solutions can be obtained, may be determined in any manner according to the operation policy of the microgrid G.
上記実施形態では、EMS20がマイクログリッドGとは別に設けられる場合について説明したが、マイクログリッドGのグリッド制御装置10が、EMS20と同様の機能を備えていてもよい。マイクログリッドGは、たとえば燃料電池システムを備えていてもよい。
In the above embodiment, the case where the
1 電力供給システム
2 外部電力系統
3 太陽光発電機
4 風力発電機
5 再生可能エネルギー発電機
6 負荷
7 原動機
8 電気自動車
9 蓄電池
20 エネルギーマネジメントシステム
20a 統括制御部
22 計算部
22a 需給予測計算部
22b 離散値決定部
22c 需給計画計算部
22d 需給バランス制御部
23 記憶部
23a 需給予測記憶部
23b 需給計画記憶部
23ba 1次最適解記憶部
23bb 2次最適解記憶部
23c 制御値記憶部
G マイクログリッド
DESCRIPTION OF
Claims (5)
最適化の指標である目的関数の最適化問題を解くことにより、計画期間内の複数の時刻における前記機器に対する制御値を含む前記需給計画の解を得る需給計画計算部を備え、
前記需給計画計算部は、前記制御値の変数である独立変数の値を分割した複数の第1離散値を探索することにより1次最適解を取得し、さらに、前記1次最適解を含む一定範囲の前記独立変数の値を前記複数の第1離散値よりも細かく分割した複数の第2離散値を探索することにより2次最適解を取得する、エネルギーマネジメントシステム。 An energy management system for optimizing energy supply and demand plans in a microgrid that includes a power-controllable device including a power storage device, a generator that generates power using renewable energy, and a load, and that is connected to an external power system ,
A demand-and-supply plan calculation unit that obtains a solution of the demand-and-supply plan including control values for the equipment at a plurality of times within a planning period by solving an optimization problem of an objective function that is an optimization index;
The supply and demand plan calculation unit obtains a primary optimal solution by searching for a plurality of first discrete values obtained by dividing the value of an independent variable that is a variable of the control value, and further includes a constant including the primary optimal solution. The energy management system which acquires a secondary optimal solution by searching the several 2nd discrete value which divided | segmented the value of the said independent variable of the range finer than the said several 1st discrete value.
エネルギーマネジメントシステムが、最適化の指標である目的関数の最適化問題を解くことにより、計画期間内の複数の時刻における前記機器に対する制御値を含む前記需給計画の解を得る需給計画計算ステップを含み、
前記需給計画計算ステップにおいて、エネルギーマネジメントシステムは、前記制御値の変数である独立変数の値を分割した複数の第1離散値を探索することにより1次最適解を取得し、さらに、前記1次最適解を含む一定範囲の前記独立変数の値を前記複数の第1離散値よりも細かく分割した複数の第2離散値を探索することにより2次最適解を取得する、電力需給計画最適化方法。 Electric power supply and demand plan optimization method for optimizing energy supply and demand plan in a microgrid equipped with an output-controllable device including a power storage device, a generator that generates power by renewable energy, and a load, and connected to an external power system Because
The energy management system includes a supply and demand plan calculation step for obtaining a solution of the supply and demand plan including control values for the equipment at a plurality of times within a planning period by solving an optimization problem of an objective function that is an optimization index. ,
In the supply and demand plan calculation step, the energy management system obtains a first-order optimal solution by searching for a plurality of first discrete values obtained by dividing the value of the independent variable that is the variable of the control value, and further, the first-order solution A power supply and demand plan optimization method for obtaining a secondary optimal solution by searching a plurality of second discrete values obtained by dividing a value of the independent variable in a certain range including the optimal solution more finely than the plurality of first discrete values. .
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