JP2022045625A - 発電計画作成システム、発電計画作成方法、およびプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】発電計画を作成する際に、計算精度の低下を抑制しつつ、計算量を大幅に低減する。【解決手段】実施形態の発電計画作成システムは、複数の発電機を有する電力系統に関する第１の所定数の時間断面を含む計算対象期間における時系列の電力需要データのうち第１の所定数よりも小さい第２の所定数の時間断面の電力需要データに基づいて、時間断面ごとに発電機ごとの運転、停止、および、運転時の出力値を決定する場合に、発電機ごとの特性データと、電力需要データと、を含む制約条件データを用いて、所定の目的関数の最適化問題を解くとともに、電力需要データが大きい時間断面から順に発電機ごとの運転、停止を決定し、その際、経時的に運転から停止に変わった後に再び運転に変わる発電機がないようにして、発電機ごとの運転、停止、および、運転時の出力値を決定する第１の決定処理を行う。【選択図】図４

Description

本発明の実施形態は、発電計画作成システム、発電計画作成方法、およびプログラムに関する。

従来から、電力系統に接続された複数の発電機について、運転と停止の計画（以下、発電計画とも称する。）が作成される。その場合、例えば、目標の全体発電量や各発電機の性能などの各種制約条件の元で、発電コストを最小化するような発電計画を作成する。その際、例えば、各種制約条件や発電コストの目的関数を定式化し、数理計画ソルバー（数理計画問題を解くアルゴリズムが搭載されているソフトウェア）等の計算手法に基づいて発電計画を作成する。

しかしながら、上述の従来の計算手法では、発電機の台数や計算時間のコマ数（例えば３０分単位）が増加すると、発電機が取り得る状態の組合せが指数関数的に増大することに伴い計算時間が増大する恐れがあるため、それを防ぐための工夫が必要である。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、発電計画を作成する際に、計算精度の低下を抑制しつつ、計算量を大幅に低減することができる発電計画作成システム、発電計画作成方法、およびプログラムを提供することである。

実施形態の発電計画作成システムは、複数の発電機を有する電力系統に関する第１の所定数の時間断面を含む計算対象期間における時系列の電力需要データを取得する取得部と、前記電力需要データのうち前記第１の所定数よりも小さい第２の所定数の時間断面の電力需要データに基づいて、時間断面ごとに前記発電機ごとの運転、停止、および、運転時の出力値を決定する場合に、前記発電機ごとの特性データと、前記電力需要データと、を含む制約条件データを用いて、所定の目的関数の最適化問題を解くとともに、前記電力需要データが大きい時間断面から順に前記発電機ごとの運転、停止を決定し、その際、経時的に運転から停止に変わった後に再び運転に変わる前記発電機がないようにして、前記発電機ごとの運転、停止、および、運転時の出力値を決定する第１の決定処理を行い、前記第１の決定処理を繰り返すことで前記計算対象期間について時間断面ごとに前記発電機ごとの運転、停止、および、運転時の出力値を決定して発電計画を作成する第１の決定部と、を備える。

図１は、実施形態の電力システムの概略を示す全体構成図である。 図２は、実施形態の発電計画作成システムの発電計画作成部の構成等を示す図である。 図３は、ＵＣ計算結果の例を示す図である。 図４は、実施形態の発電計画作成システムによるＵＣ計算の概略を示す図である。 図５は、実施形態のＵＣ計算において発電機の間欠運転を回避するための手法の説明図である。 図６は、実施形態のＵＣ計算において発電機の並列運転を抑制するための手法の説明図である。 図７は、実施形態のＵＣ計算において発電機の運転時間を短縮するための手法の説明図である。 図８は、実施形態のＵＣ計算において発電機の出力増分を抑制するための手法の説明図である。 図９は、実施形態における同時考慮断面数＝１の場合のＵＣ計算結果の例を示す図である。 図１０は、実施形態における同時考慮断面数＝２の場合のＵＣ計算結果の例を示す図である。 図１１は、実施形態における同時考慮断面数＝３の場合のＵＣ計算結果の例を示す図である。 図１２は、実施形態における同時考慮断面数＝４の場合のＵＣ計算結果の例を示す図である。 図１３は、実施形態における同時考慮断面数＝５の場合のＵＣ計算結果の例を示す図である。 図１４は、実施形態における区分線形近似の説明図である。 図１５は、実施形態における発電機の状態の遷移図である。 図１６は、実施形態の発電計画作成システムによる処理を示すフローチャートである。

以下、実施形態の発電計画作成システム、発電計画作成方法、およびプログラムについて、図面を参照して説明する。なお、以下では、電力需要を単に「需要」とも称する。

図１は、実施形態の電力システムＳの概略を示す全体構成図である。電力システムＳは、発電機１、再エネ発電機２、ＢＥＳＳ(Battery Energy Storage System)３、負荷Ｌを含む電力系統Ｐと、気象情報提供会社４と、需要予測システム５と、発電予測システム６と、発電計画作成システム７と、を備える。気象情報提供会社４、需要予測システム５、発電予測システム６、発電計画作成システム７は、通信ネットワークＮで相互通信可能に接続される。なお、発電機１、再エネ発電機２、ＢＥＳＳ３は、それぞれ複数あるものとする。

発電機１は、火力発電機、水力発電機、原子力発電機などの大規模電源である。再エネ発電機２は、太陽光発電や風力発電などの再生可能エネルギーを利用した発電機である。

ＢＥＳＳ３は、例えば、電力を蓄積可能な蓄電池とＰＣＳ(Power Conditioning System：電力制御システム)の組み合わせにより構成され、電力の貯蔵（蓄積）と放出を行う。負荷Ｌは、ビル、工場、一般家庭などの複数の需要家により構成され、電力を消費する。

また、電力系統Ｐに接続された系統状態情報収集装置（不図示）は、発電機１による発電実績や、再エネ発電機２によるＲＥ（Renewable Energy）発電実績や、負荷Ｌの需要実績等の情報を収集し、収集した情報を需要予測システム５や発電予測システム６等に送信する。

気象情報提供会社４は、気象データを需要予測システム５や発電予測システム６に送信する。

需要予測システム５は、需要を予測するコンピュータシステムであり、気象データ５１と、需要実績データ５２と、需要予測データ５３と、を記憶する。

気象データ５１は、気象情報提供会社４から受信した気象データである。需要実績データ５２は、系統状態情報収集装置（不図示）から受信した需要実績データである。需要予測データ５３は、気象データ５１と需要実績データ５２に基づいて予測した需要のデータである。

発電予測システム６は、再エネ発電機２によるＲＥ発電量を予測するコンピュータシステムであり、気象データ６１と、ＲＥ発電実績データ６２と、ＲＥ発電予測データ６３と、を記憶する。気象データ６１は、気象情報提供会社４から受信した気象データである。ＲＥ発電実績データ６２は、系統状態情報収集装置（不図示）から受信したＲＥ発電実績データである。ＲＥ発電予測データ６３は、気象データ６１とＲＥ発電実績データ６２に基づいて予測したＲＥ発電量のデータである。なお、太陽光発電や風力発電などの再エネ発電機２の出力値は天候に応じて変動するため、ＲＥ発電予測データ６３として想定されるパターンを複数保持しておいてもよい。

発電計画作成システム７は、発電計画を作成するコンピュータシステムであり、単体のコンピュータ装置であってもよいし、二以上に分散化されたコンピュータ装置であってもよい。発電計画作成システム７は、運用制約データ７２１や発電設備データ７２２や需要予測データ７２３やＲＥ発電予測データ７２４等に基づいて、発電機１やＢＥＳＳ３の運転体制や、発電機１の発電量や売買電量などの決定を行う。その際に、需給バランスだけでなく、適切な運転予備力を確保しつつできるだけ経済的になるように運転体制、発電量、売買電量などの決定を行う。

また、本実施形態では、目標の全体発電量や各発電機の性能などの各種制約条件の元で、発電コストを最小化するような発電計画を作成する。その際に、例えば、各種制約条件や発電コストの目的関数を定式化し、数理計画ソルバー（以下、単に「ソルバー」とも称する。）等の計算手法に基づいて発電計画を作成する。

しかしながら、上述の従来の計算手法では、発電機の台数や計算時間のコマ数（例えば３０分単位）が増加すると、発電機が取り得る状態の組合せが指数関数的に増大することに伴い計算時間が増大する恐れがあるため、それを防ぐための工夫が必要である。

また、発電計画の作成は３０分程度の周期で実行されることが要求されるため、計算時間の制約がある。したがって、計算時間が大きくならないようにする必要がある。

そこで、以下では、このような計算時間の制約を考慮した上で、発電計画を作成する際に、計算精度の低下を抑制しつつ、計算量を大幅に低減することができる技術について説明する。

発電計画作成システム７は、処理部７１と、記憶部７２と、入力部７３と、表示部７４と、を備える。

記憶部７２は、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＳＳＤ（Solid State Drive）、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）などによって構成される。記憶部７２は、例えば、運用制約データ７２１と、発電設備データ７２２と、需要予測データ７２３と、ＲＥ発電予測データ７２４と、を記憶する。

運用制約データ７２１は、目標の全体発電量や各発電機の性能などの各種制約条件のデータである。制約条件としては、例えば、以下のものが考えられる（詳細は後述）。なお、発電機１を「ＤＧ」（Diesel Generator）とも称する。
・需給バランス制約（各時間帯）
・予備力制約（各時間帯）
・ＤＧの計算開始時間帯の運転状態（各ＤＧ）
・ＤＧマストラン／マストストップ制約（各時間帯×各ＤＧ）
・ＢＥＳＳの出力上下限制約（各時間帯×各ＢＥＳＳ）
・ＢＥＳＳマストラン／マストストップ制約（各時間帯×各ＢＥＳＳ）
・ＳＯＣ（State Of Charge）上下限制約（各時間帯×各ＢＥＳＳ）
・ＳＯＣと充放電量の関係（充電効率と放電効率を考慮）

発電設備データ７２２は、発電機１に関する最小出力、最大出力、上げ出力変化速度、下げ出力変化速度、上げ調整単価、下げ調整単価などの諸元（諸要素）の情報である。

需要予測データ７２３は、需要予測システム５から受信した需要予測データ（需要予測データ５３）である。ＲＥ発電予測データ７２４は、発電予測システム６から受信したＲＥ発電予測データ（ＲＥ発電予測データ６３）である。

入力部７３は、ユーザが情報を入力するための手段であり、例えば、各種キー、ボタン、ダイヤルスイッチ、マウス、表示部７４と一体として形成されるタッチパネルなどである。

表示部７４は、例えば、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）や有機ＥＬ（Electro-luminescence）表示装置などである。

処理部７１は、機能部として、発電計画作成部７１１を備える。発電計画作成部７１１は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサがプログラム（ソフトウェア）を実行することで実現される。また、この機能部は、ＬＳＩ（Large Scale Integration）やＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）、ＧＰＵ（Graphics Processing Unit）等のハードウェア（回路部；circuitryを含む。）によって実現されてもよいし、ソフトウェアとハードウェアの協働によって実現されてもよい。

また、処理部７１は、例えば、複数の発電機１を有する電力系統Ｐに関する第１の所定数（例えば１～５程度）の時間断面（以下、単に断面とも称する。）を含む計算対象期間における時系列の需要予測データ７２３（電力需要データ）を取得する取得部として機能する。ここで、一例として、時間断面は３０分ごととし、計算対象期間は２４時間であるものとする。つまり、計算単位の１コマは３０分単位で、計算対象期間が２４時間なので計算対象コマ数は４８コマである。

また、以下で所定の計算を行う際、一例として、複数の再エネ発電機２を集約して１つとして所定の発電を行うものと仮定し、また、複数のＢＥＳＳ３を集約して１つとして扱い、その上で、複数の発電機１について、時間断面（例えば３０分単位）ごとに発電機１ごとの運転、停止、および、運転時の出力値を決定することを考える。ただし、計算の仕方はこれに限定されない。例えば、複数のＢＥＳＳ３を集約して１つとして扱うことは必須ではなく、複数のＢＥＳＳ３のそれぞれを個別に扱ってもよい。

ここで、図２は、実施形態の発電計画作成システム７の発電計画作成部７１１の構成等を示す図である。発電計画作成部７１１は、分担負荷作成部７１１１と、計算順序リスト作成部７１１２と、断面最適化部７１１３と、期間最適化部７１１４と、を備える。

また、以下では、ＵＣ計算(Unit Commitment)について説明する。ＵＣ計算とは、与えられた需要に対して複数の発電機１の中からどの時間（コマ）にどの発電機１を運転するべきかの組合せとそれらの配分出力を決定する計算である。ＵＣ計算の入力データは、例えば、以下の通りである。
（１）総需要
（２）ＰＶ（太陽光発電）発電量
（３）ＷＴ（風力発電）発電量
（４）ＤＧ定格出力、最低出力
（５）ＤＧ起動コスト、停止コスト（または起動、停止に伴うＣＯ_２消費量）
（６）ＤＧ燃料費特性（またはＣＯ_２消費特性）、その線形近似点数
（７）ＤＧ出力上下限（時間帯毎）
（８）総需要に対する予備率（上げ方向／下げ方向）
（９）ＤＧ起動時動作（起動カーブ）出力／停止前動作（起動カーブ）出力（１コマのみ）
（１０）マストラン／マストストップ（作業停止もここに含む）
（１１）ＤＧの計算開始時間帯の状態
（１２）ＢＥＳＳ充電最大／放電最大
（１３）ＢＥＳＳ充電効率／放電効率
（１４）ＢＥＳＳ充電容量

また、計算パラメータは、例えば、以下の通りである。
（１５）計算期間
（１６）期間最適化計算の繰り返し回数上限値
（１７）並列運転抑制候補の連続運転時間
（１８）燃料消費特性の近似点数
（１９）ピーク間幅最小値
（２０）初期状態の考慮有無

また、出力データは、例えば、以下の通りである。
（１） ＤＧ出力（各時間帯×各ＤＧ）
（２） ＢＥＳＳ充電量／放電量（各時間帯×各ＤＧ）
（２） ＤＧ運転状態（各時間帯×各ＤＧ）
（３） 上げ／下げ予備力と余裕量（各時間帯）
（４） 燃料費（またはＣＯ_２消費量）（各時間帯×各ＤＧ）
（５） 起動停止コスト（または起動、停止に伴うＣＯ_２消費量） （各時間帯×各ＤＧ）
（６） ＳＯＣ（各ＢＥＳＳ）
（７） 需給バランス（各時間帯）
（８） 最適化ステータスと目的関数値（最適化計算単位）

ここで、図３は、ＵＣ計算結果の例を示す図である。ＵＣ計算で大切なことの１つは、発電機１をなるべく止める、ということである。ただし、これには条件が付く。需給バランスと予備力（上げ予備力、下げ予備力）が確保されていることである。この制約の元でできるだけ発電機１を止める運転体制にしたい。そうすると、必然的に経済性の良い答えになる場合が多い。

図３において、（ａ）が良い答えで、（ｂ）が悪い答えである。（ａ）と（ｂ）は、需給バランス（（ａ６）、（ｂ６））を満たしている点では同じである。しかし、（ａ）ではＤＧ１～ＤＧ５のうち、ＤＧ３、ＤＧ４が全停止しているのに対し（（ａ１）～（ａ５））、（ｂ）ではＤＧ１～ＤＧ５のすべてが運転している（（ｂ１）～（ｂ５））。また、（ａ）の上げ予備力（ａ７）と下げ予備力（ａ８）に対し、（ｂ）の上げ予備力（ｂ７）と下げ予備力（ｂ８）は余裕があり過ぎている。

図２に戻って、分担負荷作成部７１１１は、需要予測データ７２３とＲＥ発電予測データ７２４に基づいて、分担負荷を作成する。ここで、分担負荷とは、複数の発電機１（ＤＧ）への配分必要量のことで、総需要から再エネ発電機２による発電量を減算したものである。

計算順序リスト作成部７１１２は、計算順序リストを作成する。以下、図４を参照して説明する。図４は、実施形態の発電計画作成システム７によるＵＣ計算の概略を示す図である。計算順序リスト作成部７１１２は、分担負荷Ａに対し、ピークと、ボトムと、極大と、中間点を決定する。

ピークは、自身の周囲の所定範囲内に自身よりも大きい分担負荷が無い時間帯である。ボトムは、ピークとピークの間で分担負荷の最小値の時間帯である。極大は、前後の値より小さくなく、かつ、少なくとも前後の時間帯のいずれかの分担負荷よりもその分担負荷が大きい時間帯である。中間点は、上記３種類以外の時間帯である。なお、計算開始時間帯および計算終了時間帯はピークおよびボトムのいずれかを設定する。

そして、計算順序リスト作成部７１１２は、ピークとボトムを境界に、分担負荷Ａをブロック１～３に分割する。そして、断面最適化部７１１３は、各ブロックにおいて、ピークからボトムの方向で計算を行う。つまり、ブロック１，３では図４の右方向に、ブロック２では図４の左方向に計算を行う。

断面最適化部７１１３は、分担負荷Ａ（電力需要データの例）のうち第１の所定数（例えば４８コマ）よりも小さい第２の所定数（例えば１～５コマ程度）の時間断面の分担負荷Ａに基づいて、時間断面ごとに発電機１ごとの運転、停止、および、運転時の出力値を決定する。その場合に、発電機１ごとの特性データと、分担負荷Ａと、を含む制約条件データを用いて、所定の目的関数の最適化問題（以下、最適化計算とも称する。）を解く。

また、断面最適化部７１１３は、分担負荷Ａに対して、上述のブロックごとに、分担負荷が大きい時間断面から順に発電機１ごとの運転、停止を決定し、その際、経時的に運転から停止に変わった後に再び運転に変わる発電機１がないようにして、発電機１ごとの運転、停止、および、運転時の出力値を決定する第１の決定処理を行う。これについて、図５を参照して説明する。

図５は、実施形態のＵＣ計算において発電機１の間欠運転を回避するための手法の説明図である。図５において、ＤＧ１、ＤＧ２、ＤＧ５、ＤＧ７、ＤＧ９のうち、文字の背景が白い場合は運転を示し、文字の背景が灰色の場合は停止を示す。

時間順方向に解く場合（図４のブロック１，３の場合）、まず、分担負荷の極大（１）を見つける。そして、極大（１）における運転メンバＭ（ｔ１）を最適化計算により決定する。

次に、時間順方向に見つかる極大（１）よりも小さい準極大（３）を見つける。そして、準極大（３）の運転メンバＭ（ｔ３）を最適化計算により決定する。その際にＭ（ｔ１）⊇Ｍ（ｔ３）という条件を付加する。

次に、極大（１）と準極大（３）との間にある中間点（２）について最適化計算をする場合は、Ｍ（ｔ１）⊇Ｍ（ｔ２）⊇Ｍ（ｔ３）という条件を付加する。つまり、中間点（２）について独立して最適化計算をしてＤＧ２とＤＧ９が停止となった場合でも、Ｍ（ｔ１）⊇Ｍ（ｔ２）⊇Ｍ（ｔ３）という包含関係の条件により、ＤＧ９は停止ではなく運転とする。このようにして、間欠運転（ＤＧ９の運転→停止→運転）を防ぐことができる。

なお、このような計算の際、発電機１ごとのマストラン（運転必須）やマストストップ（停止必須）の制約がある場合はそれらも考慮する。マストラン制約が生じるケースとしては、例えば、作業等の制約から指定された場合や、上述の包含関係の条件がある場合が考えられる。例えば、あるＤＧをある時間帯ｔにマストランにするには、「０」が停止を示し「１」が運転を示す０－１変数であれば、「１」しか取れないという制約条件を与えた上で計算すればよい。

また、マストストップ制約が生じるケースとしては、例えば、作業等の制約から指定された場合や、上述の包含関係の条件がある場合が考えられる。例えば、あるＤＧをある時間帯ｔにマストストップにするには、０－１変数であれば、「０」しか取れないという制約条件を与えた上で計算すればよい。

また、時間逆方向に解く場合（図４のブロック２の場合）も、同様にして、間欠運転を防ぐことができる。

断面最適化部７１１３は、このような第１の決定処理を繰り返すことで計算対象期間について時間断面ごとに発電機１ごとの運転、停止、および、運転時の出力値を決定して発電計画を作成する。例えば、図４の例では、５断面ごとの最適化計算Ｄ１を行い、５断面ごとの最適化計算Ｄ２を行い、その後、５断面ごとの最適化計算Ｄ３だと計算がブロックの境界を超えるので代わりに少し時間をずらして５断面ごとの最適化計算Ｄ４を行う。

また、目的関数としては、例えば、複数の発電機１による発電コストに関する目的関数を用いる。その場合、断面最適化部７１１３は、制約条件として、運転を開始する場合の起動コストと、停止を実行する場合の停止コストと、をさらに用いて第１の決定処理を行ってもよい。

ここで、図１５は、実施形態における発電機１の状態の遷移図である。ＤＧは一般に起動した直後はフル出力を出せない。同様にＤＧは停止に入る直前にはフル出力に近い出力からいきなり出力をゼロにできない。この点を考慮するために、停止状態と運転状態との中間状態として、起動時動作（起動カーブ）および停止前動作（停止カーブ）の状態を設ける。したがって、ＤＧが各コマで取れる状態は、停止Ｃ１、起動時動作Ｃ２（起動カーブ）、運転Ｃ３、停止前動作Ｃ４のいずれかとなる。図１５における矢印は遷移可能な方向を示す。

また、起動時動作Ｃ２、停止前動作Ｃ４は一コマ分（３０分）とし、それらのときは出力の上限と下限を設定値として与えるものとする。また、起動時動作Ｃ２、停止前動作Ｃ４のときの予備力は運転Ｃ３のときとは異なるため、その点も考慮する。

図２に戻って、断面最適化部７１１３は、制約条件データおよび目的関数の少なくとも一方が非線形データである場合に、区分線形近似することで線形データとして処理するようにしてもよい。図１４は、実施形態における区分線形近似（ｑ＝ｆ（ｐ）→Ｑ）の説明図である。区分線形近似の目的は、非線形な関数（例えばＤＧの燃料費特性やＣＯ_２消費特性）をいくつかの区分に分割された線形な関数で近似することである。区分線形近似をすることにより、原問題を線形計画問題に近似できる場合がある。

図２に戻って、期間最適化部７１１４は、例えば、断面最適化部７１１３によって決定された発電計画に対して、運転予定の発電機１の少なくとも１つ以上を全停止させたと仮定し、運転から停止に変わった時間帯について、電力を補うために、ＢＥＳＳ３による放電、および、他の運転中の発電機１による出力値増加の少なくともいずれかを行うものとして目的関数の最適化問題を解き、目的関数の値が良くなった場合、発電計画を更新する第２の決定部として機能する。このようにして、発電機１の並列運転を抑制する。

ここで、図６は、実施形態のＵＣ計算において発電機１の並列運転を抑制するための手法の説明図である。まず、ＤＧ１～ＤＧ５のうち（（ａ）～（ｅ））、短時間（少コマ数）運転のＤＧ１（領域Ｒ１）を停止候補とする。

そして、ＤＧ１を停止した時間帯でＢＥＳＳ３を放電し（領域Ｒ３）、他のＤＧ４、ＤＧ５を増出力する（領域Ｒ３）。また、ＢＥＳＳ３が放電した分、他時間帯で充電する（領域Ｒ２、Ｒ４）。このとき、ＢＥＳＳ３の充放電効率も考慮する。この代替で目的関数が減少し（目的関数の値が良くなり）、かつ、需給バランス制約などの各種制約条件の違反が無いならば代替を実施する。例えば、目的関数が運転コストの場合、図６の例では、目的関数の減分は、次式（１）で表せる。

目的関数の減分＝（領域Ｒ１）におけるＤＧ１の（燃料費＋起動コスト＋停止コスト）減少
－（領域Ｒ３）におけるＤＧ４およびＤＧ５の出力増による燃料費増加
－（領域Ｒ２、Ｒ４）におけるＤＧ４およびＤＧ５の出力増による燃料費増加 ・・・式（１）

なお、ＢＥＳＳ３を使わずに他のＤＧの増出力だけで代替を実施してもよい。

図２に戻って、また、期間最適化部７１１４は、例えば、断面最適化部７１１３によって決定された発電計画に対して、運転予定の発電機１の少なくとも１つ以上について運転時間を短縮させたと仮定し、運転から停止に変わった時間帯について、電力を補うために、ＢＥＳＳ３による放電、および、他の運転中の発電機１による出力値増加の少なくともいずれかを行うものとして目的関数の最適化問題を解き、目的関数の値が良くなった場合、発電計画を更新する第２の決定部として機能する。このようにして、発電機１の運転時間を短縮する。

ここで、図７は、実施形態のＵＣ計算において発電機１の運転時間を短縮するための手法の説明図である。例として、ＤＧ１の運転時間を短縮するものとする（領域Ｒ５）。そして、ＤＧ１を停止した時間帯でＢＥＳＳ３を放電し（領域Ｒ７）、他のＤＧ４、ＧＤ５を増出力する。また、ＢＥＳＳ３が放電した分、他時間帯で充電する（領域Ｒ６）。このとき、ＢＥＳＳ３の充放電効率も考慮する。この代替で目的関数が減少し、かつ、需給バランス制約などの各種制約条件の違反が無いならば代替を実施する。例えば、目的関数が運転コストの場合、図７の例では、目的関数の減分は、次式（２）で表せる。

目的関数の減分＝（領域Ｒ５）におけるＤＧ１の燃料費減少
－（領域Ｒ７）におけるＤＧ４およびＤＧ５の出力増による燃料費増加
－（領域Ｒ６）におけるＤＧ４およびＤＧ５の出力増による燃料費増加 ・・・式（２）

なお、ＢＥＳＳ３を使わずに他のＤＧの増出力だけで代替を実施してもよい。

図２に戻って、また、期間最適化部７１１４は、例えば、断面最適化部７１１３によって決定された発電計画に対して、運転予定の発電機１の少なくとも１つ以上について出力値の増分を抑制させたと仮定し、出力値の増分を抑制させた時間帯について、電力を補うために、ＢＥＳＳ３による放電、および、他の運転中の発電機１による出力値増加の少なくともいずれかを行うものとして目的関数の最適化問題を解き、目的関数の値が良くなった場合、発電計画を更新する第２の決定部として機能する。このようにして、発電機１の出力増分を抑制する。

図８は、実施形態のＵＣ計算において発電機１の出力増分を抑制するための手法の説明図である。例として、ＤＧ１とＤＧ２の出力増分を抑制するものとする（領域Ｒ８、Ｒ９）。そして、ＤＧ１とＤＧ２を出力抑制した時間帯でＢＥＳＳ３を放電し（領域Ｒ１１）、他のＤＧ４、ＤＧ５を増出力する。また、ＢＥＳＳ３が放電した分、他時間帯で充電する（領域Ｒ１０）。このとき、ＢＥＳＳ３の充放電効率を考慮する。この代替で目的関数が減少し、かつ、需給バランス制約などの各種制約条件の違反が無いならば、代替を実施する。例えば、目的関数が運転コストの場合、図８の例では、目的関数の減分は、次式（３）で表せる。

目的関数の減分＝（領域Ｒ８、Ｒ９）におけるＤＧ１の燃料費減少
－（領域Ｒ１１）におけるＤＧ４およびＤＧ５の出力増による燃料費増加
－（領域Ｒ１０）におけるＤＧ４およびＤＧ５の出力増による燃料費増加 ・・・式（３）

また、例えば、図６～図８で説明したＤＧの並列運転抑制、運転時間短縮および出力増分抑制を、次の（１１）～（１３）のような３つの０－１変数を用いて同時に実現することができる。
（１１）ＤＧの起動部分に関する運転時間短縮の有無（１：有 ０：無）
（１２）ＤＧの停止部分に関する運転時間短縮の有無（１：有 ０：無）
（１３）ＤＧの並列運転抑制の有無（１：有 ０：無）

このような３つの変数を新たに導入することで、変更箇所を何らかの基準で選択・修正して最適化計算を行うことを繰り返して解いていくトライアンドエラーの方法よりも修正箇所選択の順番を考慮しなくてもよいなどのメリットがある。

以上の処理をまとめると、以下の通りである。まず、ＤＧに関する短い時間帯毎の最適化計算（以下、「断面最適化計算」とも称する。）として１～５断面程度の期間における最適化を行い、その結果をつなぎ合わせて計算対象期間（２４時間など）の全体の解を求める。以下、これを初期解とも称する。断面最適化計算では分担負荷のピーク・ボトムや極大に着目した計算順序が重要になるので、この断面最適化計算を行う前に計算順序リストを作成する。

その後、ＢＥＳＳ３を追加して代替計算を行う。ＢＥＳＳ３のみならず他のＤＧの出力も使ってできるだけＤＧの運転時間を短縮することを考える。このＢＥＳＳ３の追加後の代替計算では、例えば、ＢＥＳＳ３に関する運転・停止とＤＧの起動箇所、停止箇所にだけ０－１変数を用いればよいので、計算時間の増大は避けられる。以下、この計算を期間最適化計算とも称する。

なお、起動停止コストを考えない場合は最適化すると需給バランス制約や予備力制約を満たす範囲でＤＧを積極的に止めるような結果になる。この場合は、断面最適化計算の同時考慮断面数は１であろうが５であろうがほとんど変わりない結果となる。一方で、起動停止コストを考える場合は起動停止に際してコストがかかるので、次の（１）と（２）がトレードオフの関係になる。

（１）発電機１を止めることによる固定費（燃料費特性の二次関数の定数項部分）削減
（２）発電機１を止めることによる起動停止コストの増加

この場合、（１）を妥当に評価するにはある程度長い断面で考えないとＤＧを積極的に止めないような結果になってしまう。ここで、図９～図１３を用いて、断面最適化計算における同時考慮断面数＝１～５で行ったシミュレーションの結果について説明する。

図９は、実施形態における同時考慮断面数＝１の場合のＵＣ計算結果の例を示す図である。領域Ｒ１２に関し、図１０～図１３の場合と比較すると運転時間が長い。また、領域Ｒ１３に関し、期間最適化計算で他のＤＧへの代替により運転時間が短縮されている。また、領域Ｒ１４に関し、ＢＥＳＳ３によってＤＧ１の出力増分が抑制されている。また、領域Ｒ１５に関し、ＢＥＳＳ３の放電等によってＤＧ１～ＤＧ３の運転時間が短縮されている。

図１０は、実施形態における同時考慮断面数＝２の場合のＵＣ計算結果の例を示す図である。領域Ｒ１６に関し、図９（同時考慮断面数＝１）に比較して運転時間が短くはなっているが、十分とは言えず、運転時間をもっと短くできそうであると考えられる。

図１１は、実施形態における同時考慮断面数＝３の場合のＵＣ計算結果の例を示す図である。領域Ｒ１７に関し、図９、図１０の場合と比較して運転時間が短く、同時考慮断面数を増やした効果が得られている。また、領域Ｒ１８に関し、ＤＧ４の運転時間短縮にＢＥＳＳ３が使われている。

図１２は、実施形態における同時考慮断面数＝４の場合のＵＣ計算結果の例を示す図である。例えば、図９～図１１の場合と比較して、ＤＧ４の運転時間が短くなっている。

図１３は、実施形態における同時考慮断面数＝５の場合のＵＣ計算結果の例を示す図である。例えば、図９～図１２の場合と比較して、ＤＧ３の運転時間が短くなっている。

このように、断面最適化計算での同時考慮断面数を増やすと運転時間短縮等の効果がある。しかし、同時考慮断面数を増やすと１回ごとの計算時間が線形よりも増大したりする場合があるので、例えば多くても５程度がよいと考えられる。

図１６は、実施形態の発電計画作成システム７による処理を示すフローチャートである。まず、ステップＳ１において、計算順序リスト作成部７１１２は、分担負荷のピーク、ボトム、極大を決定する。

次に、ステップＳ２において、計算順序リスト作成部７１１２は、計算順序リストを作成する。

次に、ステップＳ３、Ｓ４において、断面最適化部７１１３は、計算順序リスト数分のループ処理を行い、ＤＧのみによる断面最適化計算を行う。つまり、１～５断面程度の期間における最適化計算を行い、その結果をつなぎ合わせて計算対象期間の解（初期解）を求める。

次に、ステップＳ５～Ｓ８において、期間最適化部７１１４は、設定された反復最大回数（期間最適化計算の繰り返し回数上限値）のループ処理を行い、ＢＥＳＳ３を追加した代替計算、つまり、期間最適化計算を行う。このとき、ＢＥＳＳ３だけではなく他のＤＧの出力も使ってできるだけＤＧの運転時間の短縮をすることを考える。つまり、ステップＳ７において、メリットあり、かつ、実行可能か否かが判定される。すなわち、期間最適化部７１１４は、代替計算を行い、代替で目的関数が減少し、かつ、需給バランス制約などの各種制約条件の違反が無いならば（ステップＳ７でＹｅｓ）結果を保存（代替を実施）する。

このように、本実施形態の発電計画作成システム７によれば、断面数１～５程度での上述の第１の決定処理を繰り返すことで計算対象期間について時間断面ごとに発電機１ごとの運転、停止、および、運転時の出力値を決定して発電計画を作成することで、計算精度の低下を抑制しつつ、計算量を大幅に低減することができる。

また、さらに、期間最適化処理を行うことで、上述のＢＥＳＳ３や他のＤＧによる代替によって並列運転の抑制や運転時間の短縮や出力増分の抑制を実現することができる。

したがって、実用上問題のない時間内で発電計画を作成することができる。つまり、本実施形態では、まず、同時最適化する断面数を計算期間全体ではなく、例えば数断面（例えば５断面など）程度に小さい問題に分解し、それらの結果をつなぎ合わせて解く方式（断面最適化計算）とすることで一度にソルバーに渡す問題を小さくすることにしたことで、このような作用効果が得られる。

また、その際に分担負荷のピーク、ボトム、極大点などに着目し、解く順番を決定することで発電機１の間欠運転を防ぐことができる。

また、ＢＥＳＳ３を追加してさらなる経済性を追求する場合は、例えば、発電機１の並列運転の抑制、発電機１の運転時間短縮、発電機１の増分抑制などを考慮する０－１変数を導入して期間最適化計算を行うことで、さらなる経済性を確保できる。

また、非線形の発電機特性等を区分線形近似することで線形の問題として扱えるようにした。

このようにして、十分な性能確保ができる。また、問題の規模が増大しても比較的安定した計算時間で計算できる。

また、同時考慮断面数を増やすと１回の断面最適化計算にかかる計算は増えるが、繰り返し計算の回数は減るので、トータルでは計算時間は増大しない。これは、上述の包含関係（Ｍ（ｔ１）⊇Ｍ（ｔ２）⊇Ｍ（ｔ３）など）を利用したヒューリスティクスの導入により断面間のつながりが密なので組合せの増大が増えていないためと考える。具体的には、上述の計算順序で断面最適化計算を行うことにより、運転する発電機１を減らすことはあるが、増やすことはないので、増やす場合に増やす発電機１のすべての可能性を考慮することによる計算時間の増大を回避できる。

なお、断面最適化計算の同時考慮断面数が多いと計算時間が減少する傾向があるが、単純な減少傾向とはならないこともある。これは、図４のＤ３、Ｄ４に示したように、計算期間の切れ目によって計算期間を変えたりするため、分担負荷の形状と同時考慮断面数の相性のようなものが影響していると考えられる。

また、同時考慮断面数が少ないときは、期間最適化計算で運転コストの改善の度合いが大きい傾向がある。

本実施形態の発電計画作成システム７で実行されるプログラムは、インストール可能な形式又は実行可能な形式のファイルでＣＤ（Compact Disc）－ＲＯＭ、フレキシブルディスク（ＦＤ）、ＣＤ－Ｒ、ＤＶＤ（Digital Versatile Disk）等のコンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録されて提供される。

また、当該プログラムを、インターネット等のネットワークに接続されたコンピュータ上に格納し、ネットワーク経由でダウンロードさせることにより提供するように構成しても良い。また、当該プログラムをインターネット等のネットワーク経由で提供または配布するように構成しても良い。また、当該プログラムを、ＲＯＭ等に予め組み込んで提供するように構成してもよい。

当該プログラムは、上述した機能部を含むモジュール構成となっており、実際のハードウェアとしてはＣＰＵが上記記憶媒体からプログラムを読み出して実行することにより機能部が主記憶装置上にロードされ、主記憶装置上に生成される。

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。これら新規な実施形態は、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ともに、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。

例えば、目的関数は、運転コスト最小化の目的関数に限定されず、ほかに、ＣＯ_２排出量最小化の目的関数などの他の目的関数であってもよい。

また、例えば、運転時間短縮と並列運転の抑制は同時に行わないようにしてもよい。

１…発電機、２…再エネ発電機、３…ＢＥＳＳ、４…気象情報提供会社、５…需要予測システム、６…発電予測システム、７…発電計画作成システム、５１…気象データ、５２…需要実績データ、５３…需要予測データ、６１…気象データ、６２…ＲＥ発電実績データ、６３…ＲＥ発電予測データ、７１…処理部、７２…記憶部、７３…入力部、７１１…発電計画作成部、７２１…運用制約データ、７２２…発電設備データ、７２３…需要予測データ、７２４…ＲＥ発電予測データ、７１１１…分担負荷作成部、７１１２…計算順序リスト作成部、７１１３…断面最適化部、７１１４…期間最適化部、Ｌ…負荷、Ｎ…通信ネットワーク、Ｐ…電力系統、Ｓ…電力システム

Claims (8)

1. 複数の発電機を有する電力系統に関する第１の所定数の時間断面を含む計算対象期間における時系列の電力需要データを取得する取得部と、
   前記電力需要データのうち前記第１の所定数よりも小さい第２の所定数の時間断面の電力需要データに基づいて、時間断面ごとに前記発電機ごとの運転、停止、および、運転時の出力値を決定する場合に、前記発電機ごとの特性データと、前記電力需要データと、を含む制約条件データを用いて、所定の目的関数の最適化問題を解くとともに、前記電力需要データが大きい時間断面から順に前記発電機ごとの運転、停止を決定し、その際、経時的に運転から停止に変わった後に再び運転に変わる前記発電機がないようにして、前記発電機ごとの運転、停止、および、運転時の出力値を決定する第１の決定処理を行い、前記第１の決定処理を繰り返すことで前記計算対象期間について時間断面ごとに前記発電機ごとの運転、停止、および、運転時の出力値を決定して発電計画を作成する第１の決定部と、
   を備える発電計画作成システム。
2. 前記目的関数は、複数の前記発電機による発電コストに関する目的関数であり、
   前記第１の決定部は、前記制約条件データとして、前記運転を開始する場合の起動コストと、前記停止を実行する場合の停止コストと、をさらに用いて前記第１の決定処理を行う、請求項１に記載の発電計画作成システム。
3. 前記電力系統は、電力を蓄積可能な蓄電池をさらに備えており、
   前記発電計画作成システムは、
   前記第１の決定部によって決定された前記発電計画に対して、運転予定の前記発電機の少なくとも１つ以上を全停止させたと仮定し、運転から停止に変わった時間帯について、電力を補うために、前記蓄電池による放電、および、他の運転中の前記発電機による出力値増加の少なくともいずれかを行うものとして前記目的関数の最適化問題を解き、前記目的関数の値が良くなった場合、前記発電計画を更新する第２の決定部を、さらに備える請求項１に記載の発電計画作成システム。
4. 前記電力系統は、電力を蓄積可能な蓄電池をさらに備えており、
   前記発電計画作成システムは、
   前記第１の決定部によって決定された前記発電計画に対して、運転予定の前記発電機の少なくとも１つ以上について運転時間を短縮させたと仮定し、運転から停止に変わった時間帯について、電力を補うために、前記蓄電池による放電、および、他の運転中の前記発電機による出力値増加の少なくともいずれかを行うものとして前記目的関数の最適化問題を解き、前記目的関数の値が良くなった場合、前記発電計画を更新する第２の決定部を、さらに備える請求項１に記載の発電計画作成システム。
5. 前記電力系統は、電力を蓄積可能な蓄電池をさらに備えており、
   前記発電計画作成システムは、
   前記第１の決定部によって決定された前記発電計画に対して、運転予定の前記発電機の少なくとも１つ以上について出力値の増分を抑制させたと仮定し、出力値の増分を抑制させた時間帯について、電力を補うために、前記蓄電池による放電、および、他の運転中の前記発電機による出力値増加の少なくともいずれかを行うものとして前記目的関数の最適化問題を解き、前記目的関数の値が良くなった場合、前記発電計画を更新する第２の決定部を、さらに備える請求項１に記載の発電計画作成システム。
6. 前記第１の決定部は、前記制約条件データおよび前記目的関数の少なくとも一方が非線形データである場合に、区分線形近似することで線形データとして処理する、請求項１に記載の発電計画作成システム。
7. 複数の発電機を有する電力系統に関する第１の所定数の時間断面を含む計算対象期間における時系列の電力需要データを取得する取得ステップと、
   前記電力需要データのうち前記第１の所定数よりも小さい第２の所定数の時間断面の電力需要データに基づいて、時間断面ごとに前記発電機ごとの運転、停止、および、運転時の出力値を決定する場合に、前記発電機ごとの特性データと、前記電力需要データと、を含む制約条件データを用いて、所定の目的関数の最適化問題を解くとともに、前記電力需要データが大きい時間断面から順に前記発電機ごとの運転、停止を決定し、その際、経時的に運転から停止に変わった後に再び運転に変わる前記発電機がないようにして、前記発電機ごとの運転、停止、および、運転時の出力値を決定する第１の決定処理を行い、前記第１の決定処理を繰り返すことで前記計算対象期間について時間断面ごとに前記発電機ごとの運転、停止、および、運転時の出力値を決定して発電計画を作成する第１の決定ステップと、
   を含む発電計画作成方法。
8. コンピュータに、
   複数の発電機を有する電力系統に関する第１の所定数の時間断面を含む計算対象期間における時系列の電力需要データを取得する取得ステップと、
   前記電力需要データのうち前記第１の所定数よりも小さい第２の所定数の時間断面の電力需要データに基づいて、時間断面ごとに前記発電機ごとの運転、停止、および、運転時の出力値を決定する場合に、前記発電機ごとの特性データと、前記電力需要データと、を含む制約条件データを用いて、所定の目的関数の最適化問題を解くとともに、前記電力需要データが大きい時間断面から順に前記発電機ごとの運転、停止を決定し、その際、経時的に運転から停止に変わった後に再び運転に変わる前記発電機がないようにして、前記発電機ごとの運転、停止、および、運転時の出力値を決定する第１の決定処理を行い、前記第１の決定処理を繰り返すことで前記計算対象期間について時間断面ごとに前記発電機ごとの運転、停止、および、運転時の出力値を決定して発電計画を作成する第１の決定ステップと、
   を実行させるためのプログラム。

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