JP2023500471A - 過電流保護の統合によるマイクログリッドの三次制御の方法および装置 - Google Patents

過電流保護の統合によるマイクログリッドの三次制御の方法および装置 Download PDF

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Abstract

過電流保護により三次制御するための方法および装置。1つの実施形態においては、方法は、電力ネットワークのエリアについての少なくとも1つの無制限の最適正味インタータイ目標を計算するステップと、エリア内の各リソースについて、少なくとも1つの無制限の最適正味インタータイ目標を達成するのに最適なスケジュールされた電流を計算するステップと、最適なスケジュールされた電流、および複数の応力係数を用いて、エリア内の各電力線区間についての正味スケジュールされた電流を計算するステップと、正味スケジュールされた電流を対応する応力閾値と比較して、応力違反を特定するステップと、比較するステップにより、1つまたは複数の応力違反が特定されたとき、1つまたは複数の応力違反に寄与する1つまたは複数のリソースについて最適なスケジュールされた電流を低減させるステップと、比較するステップにより、1つまたは複数の応力違反が特定されたとき、1つまたは複数の応力違反に寄与しない1つまたは複数のリソースについて更新された最適なスケジュールされた電流を計算するステップとを含む。

Description

本開示の実施形態は、一般に、電力システムのための三次制御に関し、より詳細には、過電流保護による三次制御に関する。
「三次制御(Tertiary Control)」は、相互接続された電力システムを通る電力潮流を最適化して、「エリア経済(area economy)」を最適化する(すなわち、運用コストを最小限に抑える)制御システムについて説明するのに使用される用語である。これを達成するために採用される技法は色々あるが、ほとんどが、ある種の階層的市場構造を用いている。
階層的市場においては、グリッドは、制御エリアに分割される。リソースはすべて、地域市場に「入札(bid)」され、マネージャは、可能な限り低コストで、正味エリア要件(地域需要+正味インタータイ要件)を満たすすべての参加者に対する最適な配分(dispatch)を決定する。そのエリアがより大きいネットワークの一部である場合、マネージャはまた、地域結果に基づいて集約入札を作成し、上流の市場への1つの集約入札を行い、次いで、それにより、その領域内の各下位エリアの新しい最適な配分が更新される。この処理は、電力システムの各階層レベルについて定期的に繰り返される。
また、実用的電力システム内の市場マネージャは、ネットワークを安全な運転範囲から外れて運転しないように注意しなければならない。運転コストの観点から技術的に最適である可能性がある電力潮流は、配電線の送電部分に過電流すること、または相互接続機器のいくつかの部分から供給される電力に依存すぎることがあり、それにより、システム全体が故障しやすくなる。
これらの要因が考えられる場合、それは「リソース制限付き」経済的配分として知られており、リソース制限付き配分の解決は、一般に、当分野においては、最適電力潮流(Optimal-Power-Flow、OPF)解析として知られている。
今日の電源(utility)は、一般に、非常に複雑なネットワーク、および関連のネットワーク制限に対処し、したがって、複雑な数値的解法を用いてその問題に立ち向かわなくてはならない。より多くの分散型リソースがグリッドの配電システム内で利用されるようになるにつれて、これらの解法が扱う必要のあるノードの数は指数関数的に増加し、それにより、それらはそのような分散型電力システムにおける使用には実用的でない。
そのため、より単純な、より分散されたリソース制限付き最適化の必要性が先行技術において存在する。
本発明の実施形態は、一般に、図のうちの少なくとも1つに示されおよび/またはそれに関連して説明される電力システムの三次制御に関する。
本開示のこれらのおよび他の特徴および利点については、全体を通して同様の参照符号が同様の部品を指す添付の図とともに、本開示の次の詳細な説明を検討することにより理解することができる。
本発明の上記に列挙した特徴を詳細に理解することができるように、上記に簡潔に要約した本発明のより具体的な説明は、実施形態を参照することによって行うことができ、そのうちのいくつかを添付の図面に例示する。ただし、添付の図面が単に本発明の典型的な実施形態を示しているにすぎず、そのため、その範囲の限定と見なすべきではなく、本発明では、他の同様に有効な実施形態を認める場合があることに留意されたい。
本発明の1つまたは複数の実施形態による電力システムのブロック図である。 本発明の1つまたは複数の実施形態による電力ネットワークを示す図である。 本発明の1つまたは複数の実施形態による、本明細書において説明する三次制御技法の状態を示す状態図である。 本発明の1つまたは複数の実施形態によるコントローラのブロック図である。 分散型リソース制限付き最適化のための方法のフロー図である。
本発明の実施形態は、一般に、全体的な三次制御処理の一部としての配電システムにおける調整された過電流保護のための方法および装置に関する。そのような過電流保護スキームにより、マイクログリッドは、小ぶりで、それによってコスト効率の高い配電ワイヤを利用することが可能になる。既存の配電システムでは、本明細書に説明する技法により、より高レベルの過剰契約(over-subscription)が可能になり、それによって、既存の機器によってサービス提供されることになる負荷をより多くすることが可能になる。
図1は、本発明の1つまたは複数の実施形態による電力システム100のブロック図である。このブロック図は、単に、無数の可能なシステム構成のうちの1つの変形形態を描写しているにすぎない。本発明は、種々の環境およびシステムにおいて機能することができる。
電力システム100は、電源102(従来の商用電源など)と、電源グリッド104(たとえば、三相の電源グリッド)を介して電源102に結合された複数のマイクログリッド150-1、150-2、・・・、150-X(まとめてマイクログリッド150と称す)とを含む。それらが電源グリッド104に接続されることにより、各マイクログリッド150は、全体として、電源グリッド104からエネルギーを受け取ること、または電源グリッド104にエネルギーを取り込ませることもできる。いくつかの実施形態においては、商用電源グリッドに対するエネルギーの結合は、規制によって厳しく管理されており、マイクログリッド150は、ゼロエネルギー生産政策を維持する、または維持することを目指している。
各マイクログリッド150は、エネルギーが電源102から供給されなくても運転することができ、「マイクログリッド(microgrid)」という用語が特定のシステムサイズを含意することを意図していないとき、近隣、村、または小さい町などをカバーすることができる。
マイクログリッド150-1について、図1に詳細に示し本明細書に説明しているが、マイクログリッド150-2～150-Xは、マイクログリッド150-1と類似している。ただし、様々なマイクログリッド構成部品の数および/またはタイプは、マイクログリッド150間で異なっていてもよい。
マイクログリッド150-1は、複数のマイクログリッド要素(member)152-1、152-2、・・・、152-M(まとめてマイクログリッド要素152と称す)を含み、これらのマイクログリッド要素はそれぞれ、残りのマイクログリッド150から分離されると、運転することができるマイクログリッドである。マイクログリッド要素152は、地域グリッド132に結合され、この地域グリッド132は、ひいては、マイクログリッド相互接続デバイス(microgrid interconnect device、MID)134(アイランド相互接続デバイス(island interconnect device)、すなわちIIDと称すこともある)を介して、電源グリッド104に結合される。地域グリッド132は、電源グリッド104のトランクとすることも、またはマイクログリッド150-1のために特に設計された地域グリッドとすることもできる。いくつかの実施形態においては、地域グリッド132は、三相グリッドであってよいが、他の実施形態においては、単相グリッドであってもよい。
MID134は、概して、プロセッサ(図示せず)を有するコントローラを含み、マイクログリッド150-1を電源グリッド104との間で切断/接続すべきときを決定し、切断/接続を行う(ただし、いくつかの実施形態においては、MID134は、電源グリッド104との間の切断/接続について、別の構成部品またはシステムから命令を受け取ることもある)。マイクログリッド150-1は、電源グリッド104に接続されているとき、グリッド接続型(grid connected、GC)モードで運転し、マイクログリッド150-1は、電源グリッド104から切断されているとき、アイランド型(islanded、IS)モードで運転する。たとえば、MID134は、電源グリッド104に関する変動、妨害、または機能停止を検出し、結果として、電源グリッド104からマイクログリッド150-1を切断することができる。また、MID134は、マイクログリッド150-1がエネルギーを過剰生産しているか、または電源グリッド104に過剰負荷をかけているかのいずれかのとき、電源グリッド104からマイクログリッド150-1を切断することができる。マイクログリッド150-1は、一旦、電源グリッド104から切断されると、電源グリッド104において作業している場合があるいずれのライン作業者にも安全性リスクを負わせることなく、意図的なアイランドとして、電力の生成を継続することができる。MID134は、マイクログリッド構成部品のうちの1つまたは複数と通信するための送受信機(図示せず)を追加的に含むこともある。特定の実施形態においては、MID134は、MID134によって生成されても、または別のデバイスから受け取ってもよい二次制御命令(たとえば、リソースコントローラに対する有効電流コマンドおよび無効電流コマンド)などのコマンド信号および制御信号を1つまたは複数のマイクログリッド要素構成部品(たとえば、コントローラ108、電力調整器110、発電機130、および負荷118)に送ることができる。
マイクログリッド要素152-1は、負荷センター126に結合されている建物116(たとえば、住宅、または商用建物など)を含み、この負荷センター126は、建物116内にあっても、または建物116の外部にあってもよい。負荷センター126は、電源計器120および地域MID122を介して地域グリッド132、分散型エネルギーリソース(distributed energy resource、DER)106、発電機130、および複数の負荷118、・・・、118-P(まとめて負荷118と称す)に結合されて、これらの構成部品間で電力が結合される。マイクログリッド要素152-1について、図1に詳細に示し本明細書に説明しているが、マイクログリッド要素152-2～152-Mは、マイクログリッド要素152-1と類似している。ただし、様々なマイクログリッド要素構成部品の数および/またはタイプは、マイクログリッド要素152間で異なっていてもよい。
地域MID122は、概して、プロセッサ(図示せず)を有するコントローラを含み、マイクログリッド要素152-1を地域グリッド132との間で切断/接続すべきときを決定し、切断/接続を行う(ただし、いくつかの実施形態においては、地域MID122は、地域グリッド132との間の切断/接続について、別の構成部品またはシステムから命令を受け取ることもある)。たとえば、地域MID122は、グリッドの変動、妨害、または機能停止を検出し、結果として、地域グリッド132からマイクログリッド要素152-1を切断することができる。また、MID122は、マイクログリッド要素152-1がエネルギーを過剰生産しているか、または地域グリッド132に過剰負荷をかけているかのいずれかのとき、地域グリッド132からマイクログリッド要素152-1を切断することができる。マイクログリッド要素152-1は、地域グリッド132に接続されているとき、グリッド接続型(GC)モードで運転し、マイクログリッド要素152-1は、地域グリッド132から切断されているとき、アイランド型(IS)モードで運転する。マイクログリッド要素152-1は、一旦、地域グリッド132から切断されると、地域グリッド132において作業している場合があるいずれのライン作業者にも安全性リスクを負わせることなく、意図的なアイランドとして、電力の生成を継続することができる。地域MID122は、マイクログリッド要素構成部品のうちの1つまたは複数と通信するための送受信機(図示せず)を含むこともある。特定の実施形態においては、MID122は、コマンド信号および制御信号(たとえば、MID122によって生成されても、または別のデバイスから受け取ってもよい、リソースコントローラに対する有効電流コマンドおよび無効電流コマンドなどの二次制御命令)をコントローラ108、電力調整器110、発電機130、および負荷118のうちの1つまたは複数に送ることができる。
計器120は、マイクログリッド要素152-1についてのエネルギーの進入および放出を測定し、いくつかの実施形態においては、計器120は、MID122またはその一部分を含む。計器120は、概して、有効電力潮流(kWh)、無効電力潮流(kVAR)、グリッド周波数、およびグリッド電圧(本明細書においては、測定されたパラメータと称す)を測定する。特定の実施形態においては、これらの測定されたパラメータは、マイクログリッド要素152のそれぞれを監視するマイクログリッド監視システム(図示せず)に伝達され得る。
DER106は、バス124に並列に結合された電力調整器110-1、・・・、110-N、110-N+1を含み、さらには、バス124は負荷センター126に結合されている。概して、電力調整器110は、双方向インバータであり、電力調整器110の第1のサブセットは、DCエネルギー源(たとえば、風力、太陽光、および水力などの再生可能なエネルギー源)から電力を生成し、一方、電力調整器110の第2のサブセットは、エネルギー貯蔵/供給デバイス(たとえば、バッテリーなど)から電力を生成し/エネルギー貯蔵/供給デバイス(たとえば、バッテリーなど)にエネルギーを結合する。DCエネルギー源と対応する電力調整器110との組合せは、本明細書においては、DER発電機(たとえば、DER発電機162-1～162-N)と称すことがある。電力調整器110がDC/ACインバータであるそれらの実施形態においては、エネルギー貯蔵/供給デバイスに結合された電力調整器110はともにACバッテリーと称すことがあり、電力調整器110がDC/DCコンバータであるそれらの実施形態においては、エネルギー貯蔵/供給デバイスに結合された電力調整器110はともにバッテリーDC供給部と称すことがある。
図1に示された実施形態などの1つまたは複数の実施形態においては、電力調整器110-1、・・・、110-Nは、DCエネルギー源112-1、・・・、112-N(たとえば、風力、太陽光、および水力などの再生可能なエネルギー源)にそれぞれ結合されて、DC電力を受け取り、バス124に結合されている商用グリッド準拠のAC電力を生成する。これらのうちのいくつかの実施形態においては、各DC源112は、光起電力(photovoltaic、PV)モジュールである。いくつかの代替の実施形態においては、多数のDC源112が、単一の電力調整器110(たとえば、単一の集中型電力調整器)に結合される。
図1にさらに示されているように、電力調整器110-N+1は、エネルギー貯蔵/供給デバイス114に結合されて、ACバッテリー180を形成する。ACバッテリー180の電力調整器110は、バス124からのAC電力をエネルギー貯蔵/供給デバイス114に貯蔵されるエネルギーに変換することができ、さらには、エネルギー貯蔵/供給デバイス114からのエネルギーをバス124に結合される商用グリッド準拠のAC電力に変換することができる。エネルギー貯蔵/供給デバイス114は、バッテリー、フライホイール、または圧縮空気貯蔵部など、「充電レベル(charge level)」を有する任意のエネルギー貯蔵デバイスであってもよい。図1には単一のACバッテリー180のみが示されているが、他の実施形態は、より多くのACバッテリー180を含むことも、またはACバッテリー180をまったく含まないことすらあってもよい。
電力調整器110はそれぞれ、対応する電力調整器110を制御するための電力調整器コントローラ140を含み、それは、マイクログリッド要素152-1が電源102または地域グリッド132から切断されているとき(または代替として、グリッド接続型モードで運転しているとき)、安全で安定した形で電力調整器110が負荷を共有できるようにするドループ制御技法(droop control technique)を実装することなど、一次制御技法を含んでもよい。
コントローラ108は、負荷センター126を介してバス124に結合され、電力調整器110、発電機130、および負荷118と(たとえば、電力線通信(power line communication、PLC)、ならびに/または他のタイプのワイヤードおよび/もしくはワイヤレスの技法により)通信する。コントローラ108は、コマンド信号および制御信号(たとえば、コントローラ108によって生成されても、もしくは別のデバイスから受け取ってもよい、リソースコントローラに対する有効電流コマンドおよび無効電流コマンドなどの二次制御命令)を電力調整器110、発電機130、および負荷118のうちの1つまたは複数に送り、ならびに/または電力調整器110、発電機130、および負荷118のうちの1つまたは複数からデータ(たとえば、ステータス情報、および性能データなど)を受け取ることができる。いくつかの実施形態においては、コントローラ108は、ゲートウェイであってよく、ゲートウェイは、通信ネットワーク172(たとえば、Internet)を介してワイヤレスおよび/またはワイヤードの技法によってマスターコントローラ170にさらに結合されて、データ(たとえば、性能情報、アラーム、メッセージ、および制御命令など)をマスターコントローラ170に伝達し/マスターコントローラ170から受け取る。いくつかの実施形態においては、マスターコントローラ170は、コマンド信号および制御信号(たとえば、マスターコントローラ170によって生成されても、または別のデバイスから受け取ってもよい、リソースコントローラに対する有効電流コマンドおよび無効電流コマンドなどの二次制御命令)をコントローラ108、電力調整器110、発電機130、および負荷118のうちの1つまたは複数に送ることができる。
特定の実施形態においては、コントローラ108は、地域MID122または地域MID122の一部分(たとえば、グリッドヘルス(health)を監視し、グリッド故障および妨害を検出し、地域グリッド132との間で切断/接続すべきときを決定し、それに応じて、コントローラ108の一部であっても、または代替として、DERコントローラ108とは別個であってもよい切断構成部品を駆動させるためのアイランド化モジュール)を含む。いくつかの実施形態においては、コントローラ108は、たとえばPLCを使用して、地域MID122と連携することができる。
マイクログリッド要素152-1は、単一のDER106を有すると図1に示されているが、他の実施形態においては、マイクログリッド要素152-1は、追加のDERを有してもよく、それらはそれぞれ、異なるタイプ(たとえば、太陽光、および風力など)のDERであってもよい。いくつかの代替の実施形態においては、DERコントローラ108およびDER発電機162がマイクログリッド要素152-1に存在せず、DER106は、1つまたは複数のACバッテリー180しか含まない。
発電機130は、マイクログリッド要素152-1の要求に応じて、エネルギー出力を自動的に増加または抑制する、ディーゼル発電機などのエネルギー発電機である。発電機130は、発電機コントローラ129を含む。発電機コントローラ129は、マイクログリッド要素152-1および/またはマイクログリッド150-1に関して発電機130の運転を(たとえば、発電機130についての制御命令を生成することによって)最適化すること、発電機130を運転するための制御命令(たとえば、コントローラ108などの別の構成部品から、もしくは別のシステムから受け取った命令)を実装すること、別の構成部品またはシステムにさらに伝達され得る発電機130に関するデータ(たとえば、性能データ、もしくは運転データなど)を取得すること、あるいは同様の機能を実行することができる。発電機コントローラ129は、マイクログリッド要素152-1がアイランド型モードで運転しているとき、発電機130の運転を制御するためにドループ制御技法を実装することができるが、いくつかの代替の実施形態においては、発電機130はグリッド接続型モードで運転しているときもまた、ドループ制御を用いて制御され得る。
1つまたは複数の実施形態においては、電力調整器110および発電機130は、ドループ制御され、それにより、マイクログリッド要素152-1が、(たとえば、MID122および/またはMID134を使用して)地域グリッド132または電源グリッド104から切断され、かつ自律モードで運転しているとき、電力調整器110および発電機130は、構成部品間の共通の制御回路機構または通信を何ら必要とせずに、同じドループ制御技法を採用して、並列運転することになる。
負荷118は、負荷センター126を介して得られるマイクログリッド構成部品(マイクログリッド要素のグリッド、マイクログリッドのグリッド、または単純にグリッドと称すことがある)を電気的に相互接続する送電線からのエネルギーを消費する重要性の低い負荷(たとえば、温水器、冷蔵庫、HVAC機器、ポンプ、電気自動車、および室内照明など)である。負荷118は、図1には、建物116内にあると示されているが、負荷118のうちの1つまたは複数が、建物116の外部に位置していてもよい。負荷118は、静的負荷であっても、動的負荷であっても、またはそれらの何らかの組合せであってもよい(すなわち、負荷118のうちのいくつかが静的負荷であり、他の負荷118が動的負荷である)。
負荷118は、対応する負荷118の運転を制御するための(たとえば、プリセット制御命令、および/もしくはコントローラ108などの別の構成部品から、たとえばPLCを介して受け取った制御命令を実装するための)、別の構成部品もしくはシステムにさらに伝達され得る対応する負荷118に関するデータ(たとえば、性能データ、および運転データなど)を取得するための、ならびに/または同様の機能を行うための、負荷コントローラ128をそれぞれが備えるインテリジェント負荷(「スマート負荷(smart load)」とも称すことがある)である。
コントローラ108、128、129、140、および170はそれぞれ、ハードウェア、ソフトウェア、またはそれらの組合せで構成されていてもよく、特定の実施形態においては、サポート回路のそれぞれに結合された中央処理ユニット(CPU)、およびメモリを含むことができる。コントローラ108、128、129、140、および170はそれぞれ、特定のソフトウェアを実行すると、本発明の様々な実施形態を行うための専用コンピュータになる汎用コンピュータを使用して実装してもよい。コントローラがCPUを含むそれらの実施形態においては、CPUは、本明細書に説明する処理を行うことができる1つまたは複数の従来の入手可能なマイクロプロセッサ、およびマイクロコントローラなどを含んでもよく、たとえば、CPUは、実行されると、本明細書に説明する機能を行うコントローラファームウェアを記憶するための内部メモリを含むマイクロコントローラであってもよい。特定の実施形態においては、CPUは、1つまたは複数の特定用途向け集積回路(ASIC)を含んでもよい。CPUに結合されているサポート回路は、CPUの機能を促進するのに用いられるよく知られている回路(たとえば、キャッシュ、電力供給部、クロック回路、バス、ネットワークカード、および入力/出力(I/O)回路など)である。CPUに結合されているメモリは、ランダムアクセスメモリ、読取り専用メモリ、リムーバブルディスクメモリ、フラッシュメモリ、およびこれらのタイプのメモリの様々な組合せを含むことができる。メモリは、メインメモリと称す場合があり、一部、キャッシュメモリまたはバッファメモリとして使用してもよい。メモリは、概して、コントローラのオペレーティングシステム(OS)を記憶し、それは、Linux(登録商標)、およびリアルタイムオペレーティングシステム(Real-Time Operating System、RTOS)など、いくつかの市販のOSのうちの1つとすることができるが、それらに限定するものではない。メモリは、概して、実行されると、本明細書に説明する1つまたは複数の機能を行う様々な形態のアプリケーションソフトウェアを記憶する。
本明細書に説明する技法は、各市場マネージャに対して、すべての地域ネットワーク制限を無視した経済的に最適な電力潮流をまずは計算するように要求することによって働く。次いで、マネージャは、「Kマトリクス」を用いて、電力線の各区間上の正味電力潮流を計算し、この「Kマトリクス」は、ネットワーク設計の関数であり、各バス上の電流投入が電力ネットワークの各区間上の全電流に対してもたらす寄与に関する情報を含んでいる。「Kマトリクス」は、M×Nになり、式中、Mは、システム内の区間の数であり、Nは、電流投入を伴うシステム上のバスの数である。この手法は、システム電圧に関する、または電流をまったく有しないバスからのシステム電圧またはモデリング寄与に関する懸念事項がまったくないので、電力システムの一般化されたアドミタンスマトリクス(すなわち、「Yマトリクス」)に対してはるかにより単純である。
市場マネージャは、一旦、各区間上の総電流を解析すると、それを、時間/温度依存性であっても、または他の何らかの動的限界計算に基づいていることもあり得る許容可能レベルと比較する。三次コントローラが、いずれかの応力閾値に違反するスケジュールされたインタータイを計算する場合には、応力電流を寄与するリソース(電流発生器と負荷の両方を含み得る)のうちの1つまたは複数におけるスケジュールされた電流を低減させなければならず、三次最適化をやり直さなければならない。これを最適に行うために、システムは2つのグループに分けられる。グループAは、過剰負荷がかかった区間上の電流に寄与するリソース/負荷を含み、グループBは、寄与しないリソースを含む。グループAの正味インタータイは応力限界に設定され、グループBの新しい正味インタータイは、グループAとグループBとの総正味電流が変更されないように設定される。次いで、グループAおよびグループBにおけるすべてのリソースの三次バイアスが別個に再計算される。その後に、応力計算は、グループBのみに対して再計算される(すなわち、グループAの行は、Kマトリクスおよびリソース電流から削除される)。この処理は、応力違反がもはや何ら存在しなくなるか、または残されている行が1つだけになるまで繰り返される。この処理により、過剰負荷がかかっているのがたった1個の行にまでなった場合、そのことは、応力要件を満たす解決策が1つもないことを意味し、その場合には、通知が生成され得、たとえば緊急のSYSTEM WIRING OVERLOAD警告がフラグされ、処理全体が、応力マトリクス(stress matrix)の増加により再実行される(すなわち、ある量、たとえば10%だけ増やし、再度試行する、それでもなお解決策がなければ、さらなる量、たとえばさらに10%増やす、などである)。
図2は、本発明の1つまたは複数の実施形態による電力ネットワーク200の例示である。電力ネットワーク200は、本明細書に説明する三次制御を示すための例示的なネットワークである。
電力ネットワーク200は、電力配電グリッドに結合された家屋1、2、および3を含むエリアである。電力ネットワーク200は、電柱P4において逓降変圧器を介して電力線区間S7に結合されている高圧電力線区間S8を含む。電流I1を生成するための1つまたは複数のリソースを含む家屋H1は、電力線区間S1に結合されている。電流I2を生成するための1つまたは複数のリソースを含む家屋H2は、電力線区間S2に結合されている。また電流I3を生成するための1つまたは複数のリソースを含む家屋H3は、電力線区間S3に結合されている。電力線区間S1は、電柱P1とP2との間を延びる電力線区間S4に電柱P1においてさらに結合されている。電力線区間S2は、電柱P2とP4との間を延び電柱P4において区間S7に結合されている電力線区間S5に電柱P2においてさらに結合されている。電力線区間S3は、電柱P3とP4との間を延び電柱P4において区間S7に結合されている電力線区間S6に電柱P3においてさらに結合されている。
この処理の最初のステップは、Kマトリクスを導出することである。このネットワークは単純であるので、マトリクスは、式(1)に示されているKマトリクスを生成するために直接推論することができる。
Figure 2023500471000002
三次コントローラの最初の反復により、家屋1からI1=+30A、家屋2からI2=+20A、および家屋3からI3=-50Aという最適配分が計算される。
次に、Kマトリクスを用いて、式(2)に示されているように、各ワイヤ部分上の電流が計算される。
Figure 2023500471000003
いくつかの実施形態においては、1つまたは複数の家屋は、配線の最大許容可能電流が、他の家屋の配線の最大許容可能電流よりも小さい場合がある。たとえば、家屋1は他の家屋から遠く離れて建てられている場合があり、コストを節約するために、その配線は20Aに対処することしかできないが、配電システムの他のすべての素子は100Aに対処するように設計済みである。そのような実施形態においては、(3)に示されているように、行1および行4に違反を認めることができる。
Figure 2023500471000004
したがって、アルゴリズムにより、まず、制御エリアを2つのグループ、すなわち、最初の違反に寄与しているものと、そうでないものとに分けることになる。行1における過剰応力に寄与しているインタータイが何かについて知るために、Kマトリクスの行1の非ゼロ値が、(4)に示されているように特定される。
K[1,:]=[1 0 0] (4)
そのため、家1インタータイのみがこの過剰応力に寄与していることがわかり得る。次いで、これを別個の制御エリアに分類し、その配電素子を最大限度まで達するように目標インタータイを20Aに設定する。家2と家3は、両方のエリアの総正味インタータイを元の0Aに維持するために、新たな正味インタータイを-20Aにした第2の制御エリアに分けられることになる。この時点で、三次コントローラは、各制御エリアを構成する個々のシステムに最適なインタータイを再計算することになる。ここでは、エリア1は、家屋1だけで構成されており、したがって、そのインタータイは20Aだけになる。たとえば、三次計算の結果として、家屋2について25Aのエクスポート、および家屋3について45Aのインポートが得られた場合、式(5)に示されているように、ここでは、応力計算は、次のようになる。
Figure 2023500471000005
これにより、行1と行4の両方における過剰応力が解消されたことがわかり得る。この理由は、応力係数マトリクスKの行1と行4が同一である(すなわち、素子1および素子4には、つねに、同じ電流が通っている)からである。したがって、一方の行における応力が解消されると、他方の行における応力が自動的に解消されたことになる。OCPアルゴリズムの効率性を向上させるために、マトリクスは、最初に、最大電流許容可能量が同じまたより小さい重複をもつ行をすべて削除することによって減らすことができる(すなわち、最弱リンクを保護するだけで十分である)。
この処理については、図3に示されている図により、状態機械の形態で説明することができる。
図3は、本発明の1つまたは複数の実施形態により、本明細書に説明する三次制御技法の状態を示す状態図300である。1つまたは複数の実施形態においては、状態図300は、三次制御モジュール416によって実装され方法500で概説される三次制御に関連する状態を示し、これらについてはともにさらに後述する。
システムは、エリアの最適インタータイが計算される状態302から開始することができ、様々な実施形態においては、状態302は、上流コントローラから新しいNETインタータイ目標を受け取ると同時に入力される。システムは、状態302から状態304に移行し、ここで、(コンピュータ計算された最適インタータイ、およびKマトリクスを使用して)応力計算が行われて、エリアの電力線の各区間上の電流がコンピュータ計算される。システムは、状態306に移行し、過電流が検出されたかどうかを判定する。過電流が検出されない場合、システムは、状態308に移行し、ここで、三次制御コマンドが送信されて実装される。状態306において、過電流が検出された場合、システムは、状態310に移行する。
状態310において、最後の区間に到達したかどうかが判定される。最後のノードに到達している場合、システムは、状態314に移行する。状態314においては、(たとえば、システム配線の過剰負荷を示す)アラームが送られ、応力マトリクスは、たとえば10%だけ増やされる。システムは、状態302に戻るように移行する。
状態310において、最後のノードに到達していないと判定された場合、システムは、状態312に移行する。状態312において、エリアは、2つのエリア、すなわち、過剰負荷がかかった区間上の電流に寄与するそれらのリソース/負荷を有する第1のエリアと、寄与しないそれらのリソース/負荷を有する第2のエリアとに分割される。正味目標インタータイは、エリアのそれぞれについて別個にコンピュータ計算され、システムは、状態304に移行し、ここで、応力が、再度計算される。
図4は、本発明の1つまたは複数の実施形態によるコントローラ400のブロック図である。コントローラ400は、図1に関して上述した様々なコントローラに類似している。
1つまたは複数の実施形態においては、コントローラ400は、そのエリアにおける三次制御を管理するための三次制御モジュール(市場マネージャと称すこともある)を含むエリアコントローラである。エリアコントローラは、その割り当てられたリソースを制御するが、制御するエリア内に物理的に位置する必要はなく、1つまたは複数の実施形態において、エリアコントローラは、上流機器からの物理的な切断を制御することができる。エリアコントローラは、(後述する)三次制御モジュールを備え、様々な実施形態においては、一次制御を実装するための一次制御モジュール、および/または二次制御を実装するための二次制御モジュールも備える。図1に関して上述したコントローラのうちのいずれかがエリアコントローラであってもよく、各エリアコントローラは、システム100内のエリアコントローラの階層内でその下流リソースを管理する。たとえば、コントローラ108は、マイクログリッド要素152-1のリソースを管理するエリアコントローラであってよく、マイクログリッド150-1内のマイクログリッド要素152-2～152-Mはそれぞれ、同様のエリアコントローラを有し、マスターコントローラ170は、マイクログリッド150-1のリソースを管理するエリアコントローラである。他の実施形態においては、図1には示されていない1つまたは複数の追加のコントローラが存在し、システム100の様々なエリアのためのエリアコントローラとして機能することができ、たとえば、別のコントローラが存在し、マイクログリッド要素152-1のためのエリアコントローラ(たとえば、地域MID122と地域グリッド134との間に結合された(鎖線で示されている)コントローラ160)として機能することができる。エリアコントローラは、ワイヤード(たとえば、電力線通信)および/またはワイヤレスの技法など、任意の適切な通信技法によりそのリソースと通信することができる。
コントローラ400は、サポート回路404、1つまたは複数の送受信機420、およびメモリ406を備え、それらはそれぞれ、中央処理ユニット(CPU)402に結合されている。1つまたは複数の送受信機420は、任意の適切なワイヤードおよび/またはワイヤレスの通信技法(たとえば、電力線通信)によってシステム100内の他のデバイスと通信する。CPU402は、1つまたは複数の従来の入手可能なマイクロプロセッサまたはマイクロコントローラを含むことができ、代替として、CPU402は、1つまたは複数の特定用途向け集積回路(ASIC)を含んでもよい。サポート回路404は、CPU402の機能を促進するために使用されるよく知られている回路である。そのような回路には、キャッシュ、電力供給部、クロック回路、バス、および入力/出力(I/O)回路などが含まれるが、それらに限定するものではない。コントローラ400は、特定のソフトウェアを実行すると本発明の様々な実施形態を行うための専用コンピュータになる汎用コンピュータを用いて実装されてもよい。他の実施形態においては、CPU402は、実行されると本明細書に説明するコントローラ機能を提供するコントローラファームウェアを記憶するための内部メモリを含むマイクロコントローラであってもよい。コントローラ400は、ハードウェア、ファームウェア、ローカルソフトウェア、もしくはクラウドソフトウェア、またはそれらの任意の組合せで構成されていてもよい。
メモリ406は、ランダムアクセスメモリ、読取り専用メモリ、リムーバブルディスクメモリ、フラッシュメモリ、およびこれらのタイプのメモリの様々な組合せを含むことができる。メモリ406は、メインメモリと称す場合もあり、一部、キャッシュメモリまたはバッファメモリとして使用してもよい。メモリ406は、概して、必要に応じて、CPU性能によってサポートされ得るオペレーティングシステム(OS)408を記憶する。いくつかの実施形態においては、OS408は、Linux(登録商標)、およびリアルタイムオペレーティングシステム(RTOS)など、いくつかの市販のオペレーティングシステムのうちの1つとすることができるが、それらに限定するものではない。メモリ406は、CPU402によって実行され得る、および/または使用され得る非一時的プロセッサ実行可能命令および/またはデータをさらに記憶する。これらのプロセッサ実行可能命令は、ファームウェア、およびソフトウェアなど、またはそれらの何らかの組合せを含むことができる。メモリ406は、本発明に関係するデータ(たとえば、応力閾値)などのデータを記憶するためのデータベース412を追加的に記憶することができる。
メモリ406は、コントローラ400に関連する1つまたは複数のエンティティを制御するためのエンティティ制御モジュール414など、様々な形態のアプリケーションソフトウェアを記憶する。たとえば、制御モジュール400が電力調整器コントローラ140である場合、エンティティ制御モジュール414は、対応する電力調整器110内の電力変換を制御する。
コントローラ400がエリアコントローラであるそれらの実施形態においては、メモリ406は、本明細書に説明する三次制御機能を実装するための三次制御モジュール416をさらに備える。コントローラ400が二次制御コマンドを受け取り、実装するリソースを制御するそれらの実施形態においては、メモリ406は、本明細書に説明する、受け取った二次制御コマンドを実装する三次制御コマンド実装モジュール418をさらに備える。
図5は、本発明の1つまたは複数の実施形態による、分散型リソース制限付き最適化のための方法500のフロー図である。いくつかの実施形態においては、方法500は、システム100に関して行うことができ、システム100は、それ自体が電力配電ネットワークのエリアであることも、および/またはその中に多数の階層的なエリアを有することもある。他の実施形態においては、方法500は、図2に示されている電力ネットワークエリアに関して行うことができる。様々な実施形態においては、方法500は、上述の三次制御モジュール416(そのエリアの市場マネージャと称すこともある)の実装形態である。特定の実施形態においては、コンピュータ可読媒体は、プロセッサ(上述のプロセッサなど)によって実行されると、方法500を行うプログラムを含む。
方法500は、ステップ502から始まり、ステップ504に進む。ステップ504において、応力係数マトリクスが、電力配電ネットワークのエリアについて導出される。本明細書においては「Kマトリクス」と称すこともある応力係数マトリクスは、各バス上の電流投入が、エリアについて導出された電力ネットワークの各区間上の全電流に対してもたらす寄与に関する情報を含む。先に説明したように、Kマトリクスは、M×Nマトリクスであり、式中、Mは、システムエリア内の区間の数(電力線区間の数)であり、Nは、電流投入を伴うシステムエリア上のバスの数である。Kマトリクスの1つの例は、式(1)で上記に示されている。
方法500は、ステップ506に進む。(状態図300における状態302に対応する)ステップ506において、すべての地域ネットワーク制限が無視され、エリアについての経済的に最適な電力潮流(無制限の正味インタータイ目標、または無制限の正味インタータイスケジュールと称すこともある)が計算される。たとえば、図2に関して先に説明した例示的な実施形態においては、エリアの最適な電力潮流は0Aであると決定される。方法500は、ステップ508に進む。
(状態図300における状態302に対応する)ステップ508において、エリアの経済的に最適な電力潮流を達成するために、エリア内の各リソースからの最適配分(各リソースのスケジュールされた電流と称すこともある)がコンピュータ計算される。たとえば、図2に関して先に説明した例示的な実施形態においては、リソース1、2、および3の最適配分は、+20A、+30A、および-50Aとしてそれぞれコンピュータ計算される。方法500は、ステップ510に進む。
(状態図300における状態304に対応する)ステップ510において、応力計算が、エリア内の各電力線区間上の電流を計算するために行われる。応力計算は、ステップ504において決定されたKマトリクス、およびステップ508においてコンピュータ計算された最適配分を用いて行われる。応力計算の1つの例は、(2)式において上記に示されている。
(状態図300における状態306に対応する)ステップ512において、電力線区間について計算された電流のうちのいずれかが、対応する応力閾値を超えるかどうかの判定が行われる。この判定は、各区間上のコンピュータ計算された最適電流を許容可能電流レベルと比較することによって行われてもよい。いくつかの実施形態においては、許容可能レベル(すなわち、応力閾値)のうちの1つまたは複数が、動的限界計算に基づいてもよく、たとえば、許容可能レベルのうちの1つまたは複数が、時間依存性、または温度依存性などとすることができる。判定の結果が、計算されたスケジュールされた電流のうち、対応する応力閾値に違反しているものが1つもないという「NO」である場合、方法500は、ステップ524に進み、ここで、計算された最適リソース配分は、エリアについての三次制御に従って実装するようにスケジュールされる。たとえば、最適配分(すなわち、インタータイスケジュール)を実装するためのコマンドは、電力調整器110、発電機130、およびスマート負荷118など、マイクログリッド要素152-1の制御可能な電流生成/消費リソースに送信され得る。次いで、方法500は、ステップ526に進み、ここで、終了する。
ステップ512において、判定の結果が、電力線区間についての計算された電流のうちの1つまたは複数が、対応する応力閾値を超えているという「YES」である場合、方法500は、(状態図300における状態310に対応する)ステップ514に進む。ステップ514において、Kマトリクスに1個を上回る行が残っているかどうか(すなわち、解析に1個を上回る区間が残っているかどうか)の判定が行われる。判定の結果が、Kマトリクスに1個の行しか残っていないという「YES」である場合には、その残っている1個の区間には過剰負荷がかかっており、そのため、応力要件を満たす解決策は存在しない。次いで、方法500は、(状態図300における状態314に対応する)ステップ520に進み、ここで、システム配線の過剰負荷を示す緊急警告が生成される。次いで、方法500は、(状態図300における状態314に対応する)ステップ522に進み、ここで、応力マトリクス(すなわち、Kマトリクス)が、(たとえば、10%だけ)増やされ、方法500は、ステップ506に戻る。
ステップ514において、判定の結果が、1個を上回る行が残っているという「YES」である場合、方法500は、(状態図300における状態312に対応する)ステップ516に進み、応力計算が、最初に、すべてのリソースおよびKマトリクスにより行われた後、方法500はグループ分けを行い、閾値を超えたものを制限し、総正味が同じままであるように第2のグループの新しい正味を設定する。ステップ516において、エリアは2つの新しいエリアに分けられる。第1のエリアは、過剰負荷がかかった区間上の電流に寄与するそれらのリソース/負荷を含んでいると定義され、第2のエリアは、寄与しないものを含んでいると定義される。方法500は、ステップ518に進む。
ステップ518において、正味インタータイ目標は、第1のエリアおよび第2のエリアについて別個に設定される。第1のエリアでは、(電力の観点であっても、または電流の観点であってもよい)正味インタータイ目標は、対応する応力限界に設定され、第2のエリアでは、正味インタータイ目標は、第1のエリアと第2のエリアとの総正味電流が、元のエリアについての元の正味目標インタータイから変更されないように設定される。方法500は、ステップ520に進む。
ステップ520において、第1のエリアおよび第2のエリアについての正味インタータイ目標の観点での各リソースからの最適配分が計算される。次いで、方法500は、ステップ510に戻って、第2のエリアのみについて応力計算を繰り返すが、いくつかの他の実施形態においては、応力計算は、(たとえば、図2に関して上述したように)両方のエリアを用いて繰り返してもよい。第2のエリアについての応力計算を行うために、第1のエリアに関係するKマトリクスの行は、Kマトリクスおよびリソース電流から削除される。次いで、方法500は、ステップ512に進む。
1つまたは複数の実施形態においては、Kマトリクスは、最初に、最大電流許容可能量が同じまたより小さい重複をもつ行をすべて削除することによって減らすことができる(すなわち、最弱リンクを保護するだけで十分である)。
上述は、本発明の実施形態を対象としているが、本発明の他のおよびさらなる実施形態は、その基本範囲から逸脱することなく考案することができ、その範囲は、添付の特許請求の範囲によって定義される。
1、2、3、H1、H2、H3 家屋
1、2、3 家、リソース
100 電力システム
102 電源
104 電源グリッド
106 分散型エネルギーリソース、DER
108 コントローラ
110、110-1、・・・、110-N、110-N+1 電力調整器
112、112-1、・・・、112-N DC エネルギー源
114 エネルギー貯蔵/供給デバイス
116 建物
118、・・・、118-P 負荷
120 計器
122 地域MID
124 バス
126 負荷センター
128 負荷コントローラ
129 発電機コントローラ
130 発電機
132 地域グリッド
134 マイクログリッド相互接続デバイス、MID
140 電力調整器コントローラ
150、150-1、150-2、・・・、150-X マイクログリッド
152、152-1、152-2、・・・、152-M マイクログリッド要素
162 DER発電機
170 マスターコントローラ
172 通信ネットワーク
180 ACバッテリー
200 電力ネットワーク
300 状態図
400 コントローラ
402 中央処理ユニット、CPU
404 サポート回路
406 メモリ
408 OS
412 データベース
414 エンティティ制御モジュール
416 三次制御モジュール
418 三次制御コマンド実装モジュール
420 送受信機
500 方法
I1、I2、I3 電流
P1、P2、P3、P4 電柱
S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8 電力線区間

Claims (20)

  1. 過電流保護により三次制御するための方法であって、
    電力配電ネットワークのエリアについての少なくとも1つの無制限の最適正味インタータイ目標を計算するステップと、
    前記エリア内の複数のリソースの各リソースについて、前記少なくとも1つの無制限の最適正味インタータイ目標を達成するのに最適なスケジュールされた電流を計算するステップと、
    前記最適なスケジュールされた電流、および複数の応力係数を用いて、前記エリア内の各電力線区間についての正味スケジュールされた電流を計算するステップと、
    前記正味スケジュールされた電流を対応する応力閾値と比較して、応力違反を特定するステップと、
    前記比較するステップにより、1つまたは複数の応力違反が特定されると、前記複数のリソースのうち、前記1つまたは複数の応力違反に寄与する1つまたは複数のリソースについて前記最適なスケジュールされた電流を低減させるステップと、
    前記比較するステップにより、前記1つまたは複数の応力違反が特定されると、前記複数のリソースのうち、前記1つまたは複数の応力違反に寄与しない1つまたは複数のリソースについて更新された最適なスケジュールされた電流を計算するステップと
    を含む、方法。
  2. 前記1つまたは複数の応力違反に寄与する前記1つまたは複数のリソースを含む第1のエリアについての第1の正味インタータイ目標を決定するステップと、
    前記1つまたは複数の応力違反に寄与しない前記1つまたは複数のリソースを含む第2のエリアについての第2の正味インタータイ目標を決定するステップと
    をさらに含む、請求項1に記載の方法。
  3. 前記更新された最適なスケジュールされた電流が、前記第2の正味インタータイ目標を達成するために計算される、請求項2に記載の方法。
  4. 前記第1の正味インタータイ目標および前記第2の正味インタータイ目標についての正味電流が、前記少なくとも1つの無制限の最適正味インタータイ目標についての正味電流に等しい、請求項2に記載の方法。
  5. 前記第1の正味インタータイ目標が、前記1つまたは複数の応力違反に対応する応力閾値に等しい、請求項2に記載の方法。
  6. 前記複数の応力係数が、M×Nマトリクスの形態であり、
    Mが、前記エリア内の電力線区間の数であり、Nが、電流投入を伴う前記エリア内のバスの数である、請求項1に記載の方法。
  7. 前記対応する応力閾値のうちの1つまたは複数が、動的限界計算に基づいている、請求項1に記載の方法。
  8. 過電流保護により三次制御するための装置であって、
    少なくとも1つのプロセッサを含むコントローラであって、
    電力配電ネットワークのエリアについての少なくとも1つの無制限の最適正味インタータイ目標を計算することと、
    前記エリア内の複数のリソースの各リソースについて、前記少なくとも1つの無制限の最適正味インタータイ目標を達成するのに最適なスケジュールされた電流を計算することと、
    前記最適なスケジュールされた電流、および複数の応力係数を用いて、前記エリア内の各電力線区間についての正味スケジュールされた電流を計算することと、
    前記正味スケジュールされた電流を対応する応力閾値と比較して、応力違反を特定することと、
    前記比較することにより、1つまたは複数の応力違反が特定されると、前記複数のリソースのうち、前記1つまたは複数の応力違反に寄与する1つまたは複数のリソースについて前記最適なスケジュールされた電流を低減させることと、
    前記比較することにより、前記1つまたは複数の応力違反が特定されると、前記複数のリソースのうち、前記1つまたは複数の応力違反に寄与しない1つまたは複数のリソースについて更新された最適なスケジュールされた電流を計算することと
    を行う、コントローラ
    を備える、装置。
  9. 前記コントローラが、
    前記1つまたは複数の応力違反に寄与する前記1つまたは複数のリソースを含む第1のエリアについての第1の正味インタータイ目標を決定することと、
    前記1つまたは複数の応力違反に寄与しない前記1つまたは複数のリソースを含む第2のエリアについての第2の正味インタータイ目標を決定することと
    をさらに行う、請求項8に記載の装置。
  10. 前記更新された最適なスケジュールされた電流が、前記第2の正味インタータイ目標を達成するために計算される、請求項9に記載の装置。
  11. 前記第1の正味インタータイ目標および前記第2の正味インタータイ目標についての正味電流が、前記少なくとも1つの無制限の最適正味インタータイ目標についての正味電流に等しい、請求項9に記載の装置。
  12. 前記第1の正味インタータイ目標が、前記1つまたは複数の応力違反に対応する応力閾値に等しい、請求項9に記載の装置。
  13. 前記複数の応力係数が、M×Nマトリクスの形態であり、
    Mが、前記エリア内の電力線区間の数であり、Nが、電流投入を伴う前記エリア内のバスの数である、請求項8に記載の装置。
  14. 前記対応する応力閾値のうちの1つまたは複数が、動的限界計算に基づいている、請求項8に記載の装置。
  15. プログラムを記憶したコンピュータ可読記録媒体であって、前記プログラムは、プロセッサによって実行されると、過電流保護により三次制御するための方法を実行し、前記方法が、
    電力配電ネットワークのエリアについての少なくとも1つの無制限の最適正味インタータイ目標を計算するステップと、
    前記エリア内の複数のリソースの各リソースについて、前記少なくとも1つの無制限の最適正味インタータイ目標を達成するのに最適なスケジュールされた電流を計算するステップと、
    前記最適なスケジュールされた電流、および複数の応力係数を用いて、前記エリア内の各電力線区間についての正味スケジュールされた電流を計算するステップと、
    前記正味スケジュールされた電流を対応する応力閾値と比較して、応力違反を特定するステップと、
    前記比較するステップにより、1つまたは複数の応力違反が特定されると、前記複数のリソースのうち、前記1つまたは複数の応力違反に寄与する1つまたは複数のリソースについて前記最適なスケジュールされた電流を低減させるステップと、
    前記比較するステップにより、前記1つまたは複数の応力違反が特定されると、前記複数のリソースのうち、前記1つまたは複数の応力違反に寄与しない1つまたは複数のリソースについて更新された最適なスケジュールされた電流を計算するステップと
    を含む、コンピュータ可読記録媒体。
  16. 前記方法が、
    前記1つまたは複数の応力違反に寄与する前記1つまたは複数のリソースを含む第1のエリアについての第1の正味インタータイ目標を決定するステップと、
    前記1つまたは複数の応力違反に寄与しない前記1つまたは複数のリソースを含む第2のエリアについての第2の正味インタータイ目標を決定するステップと
    をさらに含む、請求項15に記載のコンピュータ可読記録媒体。
  17. 前記更新された最適なスケジュールされた電流が、前記第2の正味インタータイ目標を達成するために計算される、請求項16に記載のコンピュータ可読記録媒体。
  18. 前記第1の正味インタータイ目標および前記第2の正味インタータイ目標についての正味電流が、前記少なくとも1つの無制限の最適正味インタータイ目標についての正味電流に等しい、請求項16に記載のコンピュータ可読記録媒体。
  19. 前記第1の正味インタータイ目標が、前記1つまたは複数の応力違反に対応する応力閾値に等しい、請求項16に記載のコンピュータ可読記録媒体。
  20. 前記複数の応力係数が、M×Nマトリクスの形態であり、
    Mが、前記エリア内の電力線区間の数であり、Nが、電流投入を伴う前記エリア内のバスの数である、請求項15に記載のコンピュータ可読記録媒体。
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