JP3855168B2

JP3855168B2 - 電力供給システム

Info

Publication number: JP3855168B2
Application number: JP2003029735A
Authority: JP
Inventors: 康則大野; 真一近藤; 倫行内山; 康信藤田; 直輝川村
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2002-02-06
Filing date: 2003-02-06
Publication date: 2006-12-06
Anticipated expiration: 2023-02-06
Also published as: JP2004032983A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電力供給システムとその運用方法に係り、特に、需要家内の発電装置の運用と送配電系統からの買電を組合せたものに好適な電力供給システムとその運用方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に需要家で消費する電力の大部分は、一般電気事業者（例えば電力会社）により供給され、料金については、電気供給約款に基づき契約種別による基本料金と電力量料金（使用電力量による）の合計により算出される。ここで、需要家とは、送配電系統との受電点を責任分界点として、送配電系統から負荷に対して電力の供給を受けるものをいう。
【０００３】
ところで、昼夜を通じてほぼ一定の電力を消費する負荷を持つ需要家においては、自家発電設備を持ち、一般電気事業者から電気を購入するよりも安いコストで電気を得ている例もある。また、蒸気や温水などの熱利用の割合が大きい需要家においては、熱電併給（コージェネレーション）が行われる場合もある。
【０００４】
一方、停電や瞬時電圧低下のない高品質の電力が必要な需要家では、無停電電源や自家発電設備を設置している例も多い。また、情報通信機器を多数設置したビルなどにおいては、停電や電圧低下による機器でのデータ喪失の問題がある。特に、保護しなければならない機器での消費電力が大きい場合は、無停電電源設備が膨大となるため、自家発電設備を併用することがある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
一般に自家発電設備による電力供給のコストは、一般電気事業者から購入する場合に比べ低いが、一般の需要家における消費電力は昼夜、季節により大きく変化するため、需要家はピーク負荷対応で発電設備を多く持つか、或いは一般電気事業者との契約最大電力を大きく設定する必要がある。この場合、自家発電設備を持っても、電力供給コストの低減効果がほとんど無い場合が少なくなかった。
【０００６】
尚、消費電力の変化に対処する方法としては、例えば、ＯＨＭ２０００／７、Ｐ.４４−４８に示されているように、予め設定した時刻に発電装置の起動停止を行う方法が用いられている。
【０００７】
本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、昼夜、季節等による消費電力の変化が大きい需要家においても、電力供給コストを低減できる電力供給システムとその運用方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明では、需要家内に設置された複数の発電装置の発電と外部の送配電系統からの買電を組み合わせて、前記需要家内に設置された負荷装置に電力を供給する電力供給システムであって、前記需要家内に前記発電装置の運用を制御する監視制御装置を設け、該監視制御装置は、前記負荷装置の消費電力の情報を５分以上３０分以下の設定時間間隔で順次収集し、収集した消費電力の情報に基づいて前記設定時間間隔ごとに消費電力を予測し、予測消費電力に基づいて電力供給コストを目的関数とする線形計画法により前記電力供給コストが最小となるように、前記各発電装置による発電量と買電量の割合を決定する最適化計算を前記発電装置で発電した電力は前記送配電系統には流さないものとして実行し、該最適化計算の結果に基づいて前記各発電装置の稼動或いは停止及び稼動時の発電出力を制御する指令を前記予測消費電力の予測周期内に前記各発電装置に出力するものとし、稼動する発電装置の異常がメンテナンス情報データベースに記録されているときは、他の発電装置に切換えて前記最適化計算を再度実行することを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る電力供給システムの一実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１０】
図１は、本実施形態の機器の構成を示す模式図である。該図において、需要家１は６６ｋＶの送配電系統１０から受電しておりこの受電した電力は、電力計測装置１０４、連系保護装置２を経て変圧器３で３.３ｋＶに降圧する。変圧器３の２次側は、遮断器４を経て母線１１に接続され、母線１１は発電装置連絡用遮断器８、発電装置出力端遮断器９を介して発電装置３０に接続されている。
【００１１】
母線１１からは遮断器５を経て、構内の２次変電所に向って配電線が伸び供給された電力は、変圧器６で更に電圧が低減され、配線用遮断器７を経て負荷４０に供給される。また、母線１１には、無効電力調整装置５０も接続されている。
【００１２】
連系保護装置２は、保護リレー（電流、電圧、周波数、地絡）、単独運転検出装置、遮断器から構成されている。
【００１３】
発電装置３０（４台）は、発電監視制御装置３１により監視制御されており、原動機の制御、同期発電機の起動・停止、並列運転、無効電力制御などを行っている。発電監視制御装置３１の他、変圧器、遮断器の状態信号は、構内通信線２１を経て監視制御装置２２に集められる。また、必要に応じ、監視制御装置２２から制御信号が各機器へ送られる。監視制御装置２２は、通信線２０により構外との通信も可能である。
【００１４】
図２は、監視制御装置２２の構成を示すブロック図である。同装置２２は、負荷４０での消費電力に関する情報を、例えば、５分以上３０分以下の所定時間間隔で順次収集し、収集した情報を基に所定時間後、例えば、５分以上３０分以下の所定時間後の必要電力を予測する情報収集手段として、通信装置２３１と需要予測や発電装置出力の最適化等を行うための演算処理装置２３２、入力装置２３３、及び表示装置２３４を備えて構成されている。演算処理装置２３２には、各種データベース（以下、ＤＢと略記する）が接続されている。各種ＤＢには、負荷・稼動状況情報ＤＢ、メンテナンス情報ＤＢ、コスト情報ＤＢが含まれる。また、演算処理装置２３２は、構内通信ネットワークによりリモート入出力装置２７５に接続されている。リモート入出力装置２７５は、構内の各機器の状態信号を取り込むとともに、各機器に制御信号を出力する。表示装置２３４には、負荷状態、発電装置稼動状況、電圧・力率・電力フロー、開閉器状態、需要予測、発電装置指令値、機器異常、メンテナンス指示等が表示される。
【００１５】
図３は、演算処理装置２３２の構成と動作を示すブロック図である。演算処理装置２３２は、状態信号受信部２５１と制御信号発生部２５２と演算処理部253とメモリ部２５４と構外との通信を行うための、通信機能部２５５からなっている。
【００１６】
状態信号受信部２５１には、負荷装置状態信号（＃１〜＃ｎ）の信号、発電装置状態信号（＃１〜＃ｍ）、電圧・力率モニタ信号、開閉器状態信号、機器異常信号が与えられる。負荷装置状態信号の中には負荷での消費電力が含まれており、需要予測のベースデータとなる。機器異常信号には原動機（ディーゼルエンジン）の燃焼異常や温度異常、発電機の異常振動や絶縁異常、受変電設備・連系装置の絶縁物異常などが含まれる。
【００１７】
状態信号受信部２５１で得られた情報に基づき、演算処理部２５３において、需要予測および発電装置出力の最適化を行い、その結果に基づく制御信号を発生する。具体的には、調速器、電圧調整器の指令値からなる、発電装置制御信号（＃１〜＃ｍ）、無効電圧調整器制御信号、開閉器制御信号（負荷制御を含む）を発して、各装置の制御を行う。制御の結果は監視制御装置２２でモニタされる。
【００１８】
図４は、監視制御装置２２の処理を示すフローチャート図である。本例では、１０分間隔で同図のフローチャートで示される処理を行った。
【００１９】
該図に示す如く、先ず天気、気温、電気料金や燃料費を最新の時間ステップの値に更新する（１２０１）。次に負荷モニタリングにより最新の負荷需要を求める（１２０２）とともに、負荷・稼動状態情報ＤＢに蓄積される（１２０３）。負荷の時間変化、天気、気温に基づき、ニューラル・ネットワーク法を用いて１０分後の需要を予測する（１２０４）。実際に計測された負荷の時間変化（負荷曲線）に関して、ニューラル・ネットワーク法を適用したところ、５％以下の誤差で予測できることを確認した。
【００２０】
制御値更新の時間間隔は、必要とされる予測の精度と発電装置を起動、停止するのに必要な時間により決定する。系統への逆潮流を防止するため、時間間隔は３０分以下で、典型的には１０分あるいは５分に設定する。
【００２１】
上記需要を満たすため、構内の発電装置による発電と送受配電系統からの買電でまかなうが、電力供給コストがほぼ最小となるように発電量と買電の割合を決定した。具体的には、電力供給コストを目的関数として線形計画法を適用し最適化を行った（１２０５）。ただし、本実施形態では逆潮流なし、即ち、構内で発電した電力は構内の負荷装置で消費し、送配電系統には流さないものとして扱った。上記最適化の結果に基づき、発電装置の稼動／停止、また稼動の場合は出力の設定を行う（１２０６）。電圧・力率のモニタリング結果に基づき（１２０７）、電圧調整装置の設定を行う（１２０８）。
【００２２】
機器、特に発電装置の異常が検出された時（１２０９）は、メンテナンス情報ＤＢに記録する（１２１０）とともに、発電装置の切換えができるかどうかを調べ（１２１１）、可能であれば、再度最適化計算を行い、出力の設定を再度行う（１２１３）。切換えができない場合は、予め定めた優先順位により負荷選択遮断を行う（１２１２）。実際に、負荷選択遮断を行う前に警報を出し、負荷を軽減することで、負荷選択遮断を回避できる場合もある。
【００２３】
図５（ａ）は、図１の実施形態における電力供給の例である。同図（ｂ）は、従来から行われている予め設定した時刻に発電装置の起動停止を行う方法で電力供給を行った例である。いずれも、４台の発電装置を用いている。図中の曲線は、それぞれ電力需要、自家発電量、買電量を示している。
【００２４】
該図から明らかな如く、本実施形態の手法（（ａ）の方法）によれば、従来の（ｂ）の方法に比べ買電量を３０％程度軽減できる。この場合、電力供給コストは、約１２％の低減ができた。
【００２５】
なお、発電装置を稼動させる場合は、総稼動時間が短い装置から稼動させることにより、４台の発電装置の総稼動時間をほぼ等しくでき、特定の発電装置のメンテナンスや装置更新が早くなるのを防止することができた。
【００２６】
これまで、需要家内の発電装置を負荷に合わせて効率的に運用し、不足する電力は一般電気事業者から供給を受ける場合について説明してきたが、一般電気事業者に代わって、予め定めた需要家に対して、集中供給センタから託送により不足する電力の供給を受けることも可能である。集中供給センタから供給される電力を、「補給電力」と呼ぶことにする。
【００２７】
図６は、集中供給センタ１１０を含む主要機器の構成を示す模式図である。需要家の構内の設備は図１の実施形態と同様であるが、簡単のため、主な機器のみを示している。また、同図では、２需要家のみを記載しているが、５つの需要家に集中供給センタから電力が供給される。
【００２８】
集中供給センタ１１０の発電装置３０で発電された電力は、変電所１０２ａで昇圧して送電線１０１を経て送電され、変電所１０２ｂで降圧されて送配電系統１０を経て、各需要家に電力が供給される。送配電系統１０への受電電力量を計測する受電用計測器１０５、各需要家への供給電力量を計測する計測器１０６ａ、１０６ｂが設けられている。
【００２９】
集中供給センタ１１０には、発電設備として５台の発電装置３０（各２０００ｋＷ）が設置されており、集中供給センタ１１０では、各需要家に対して供給される補給電力に合わせて、発電設備の稼動・停止を決定するとともに、稼動の場合はその出力を決定する。集中供給センタ１１０での各発電装置３０の稼動状況は、集中監視制御装置１２０で監視される。
【００３０】
一方、集中供給センタ１１０での発電設備の制御値の決定に必要な各需要家で必要になる補給電力の予測値は、監視制御装置２２から通信線２０、公衆回線１２１を経て、集中監視制御装置１２０に集められる。
【００３１】
図７は、集中供給センタにおける監視画面を示す模式図である。上部には、集中供給センタが管轄する各需要家（３５１）の予測需要（３５２）、自家供給電力（３５３）、各需要家に供給しなければならない補給電力（３５４）、供給地点での託送電力（３５５）、過不足（３５６）が表示され、更に、全補給電力（３５７）と全託送電力も表示される。下部には、集中供給センタに設置されている各発電装置および系統側（３６１）の電圧（３６２）、周波数（３６４）、位相（３６４）、発電出力（３６５）が表示されている。更に、受電点での託送電力（３６６）、受電電力と供給電力（合計）の偏差（３６７）も表示される。
３０分ごとの託送電力の変動範囲は、通常、送電サービスの契約電力の３％以内になるように発電出力が調整される。
【００３２】
次に、本実施形態における集中供給センタ１１０内の発電装置３０の最適な運用方法について述べる。
【００３３】
図８は、発電装置３０の運用方法を説明するための図であり、需要家における消費電力、発電電力、託送電力、集中供給センタ１１０における発電電力の量的な関係を模式的に示している。
【００３４】
需要家は１からｎまであるが、図では需要家１と需要家ｊのみを示している。４０１は各需要家での消費電力、４０２は需要家での発電電力、４０３は託送電力である。集中供給センタ１１０の発電電力４０５は、発電装置毎に示している。発電装置ｋの発電電力をＧ_ｋのように示している。簡単のため、託送時の損失はないものとして説明する。
【００３５】
需要家ｊでは、負荷における消費電力（Ｌ_j ）は、自家の発電電力（Ｇ_j ）と託送電力（Ｂ_j ）の和に等しくならなければならない。すなわち、１からｎについて、次式が成り立つ。
【００３６】
Ｌ_j＝Ｇ_j＋Ｂ_j …（１）
Ｇ_j は、複数の発電装置から供給されることもある。各需要家では、先に説明したように、電力供給コストが最小になるように、発電装置が運用される。その結果、各需要家で必要な託送電力は、
Ｂ_j＝Ｌ_j−Ｇ_j （ｊ＝１〜ｎ） …（２）
となる。
【００３７】
これらの託送電力を供給するための集中供給センタ１１０の運用を考える。全託送電力を供給するのに必要な費用Φは、発電に必要な費用、託送に必要な費用、その他の経費（ｅ）からなる。発電装置ｋでの発電電力をＧ_k 、発電単価ｇ_k とし、託送従量料金ｃ、託送基本料金ｄとすれば、
Φ＝Σ(ｇ_k×Ｇ_k）＋Σ(ｃ×Ｂ_j＋ｄ）＋ｅ …（３）
ここで、右辺第１項のΣは、ｋが１〜ｍまでの和を、第２項のΣは、ｊが１〜ｎまでの和を表す。（３）式第２項は、時間的に変化するが、Φが最小になるように、発電電力（Ｇ_k ：ｋ＝１〜ｍ）を決定することができる。
【００３８】
本手法を適用することにより、集中供給センタ１１０から各需要家への電力供給費用を低く抑える事ができ、低コストでの各需要家への電力供給が可能になる。
【００３９】
また、本実施形態における電力供給システムにおいては、図９に示すように、監視制御装置２２の表示装置２３４の表示画面上に、送配電系統１０と需要家内の各機器とを結ぶ分散型電源系統の系統図５００が表示されるとともに、系統図５００に隣接して情報画面や天候・日時・温度などに関する情報が表示されるようになっている。情報画面としては、例えば、買電情報画面５０１、受電変圧器情報画面５０２、発電機情報画面５０３、負荷・予測情報画面５０４が表示されるようになっており、各情報画面には、センサからの情報やオペレータの操作による情報が表示されるようになっている。例えば、買電情報画面５０１には、電力会社名、電力の種類、有効電力などが表示され、発電機情報画面５０３には、各発電機３０の仕様や運転状態に関する情報が表示され、負荷・予測情報画面５０４には、現在の消費電力、有効電力などが表示されるようになっている。また、負荷・予測情報画面５０４には、必要電力の予測値が設定値の範囲外になったときに、その旨が点滅表示されるようになっている。
【００４０】
ここで、買電契約や受電変圧器に関する情報を設定するための操作を行なうと、図１０に示すように、電力会社との契約に関する設定画面や受電変圧器の特性などに関する設定画面が表示されるようになっている。また、各発電機３０の詳細を設定するための操作を行なうと、図１１に示すように、発電機３０の仕様などを設定するための設定画面が表示されるようになっている。
【００４１】
一方、モニタ画面の表示を選択すると、図１２に示すように、予測需要、総発電機出力、買電量、実需要に関する情報が時間軸に沿ってトレンド表示されるようになっている。また、図１３に示すように、各発電機３０の出力をモニタするためのモニタ画面を選択すると、各発電機３０の出力の推移が時間軸に沿ってトレンド表示されるようになっている。さらに、図１４に示すように、１日分の消費電力や買電量などの情報が集計されると、演算処理装置２３２において、１日分のコストが評価され、その分析結果が表示装置２３４の表示画面上に表示されるようになっている。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明した本発明によれば、一般電気事業者から購入する電力を、昼夜、季節を通じて低く抑える事ができ、低コストで電力を得る事ができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電力供給システムの運用方法の一実施形態を説明するためのシステム構成図である。
【図２】図１の実施形態に採用される監視制御装置の構成を示すブロック図である。
【図３】図１の実施形態に採用される演算処理装置の構成を示すブロック図である。
【図４】図２に示した監視制御装置の処理を示すフローチャート図である。
【図５】本発明と従来例における電力供給の例を示し、（ａ）は本発明の場合であり、（ｂ）は従来例の場合である。
【図６】本発明の他の実施形態を説明するための集中供給センタを含む主要機器の構成図である。
【図７】図６に示した集中供給センタにおける監視画面を示す図である。
【図８】本発明における発電設備の運用方法を説明するための図である。
【図９】電力供給システムの系統図の表示例を示す図である。
【図１０】買電契約・受電変圧器の設定画面の表示例を示す図である。
【図１１】発電機の詳細設定画面の表示例を示す図である。
【図１２】日負荷曲線の表示例を示す図である。
【図１３】発電機モニタ画面の表示例を示す図である。
【図１４】コスト評価の分析結果の表示例を示す図である。
【符号の説明】
１…需要家、２…連系保護装置、３、６…変圧器、４、５…遮断器、７…配線用遮断器、８…発電装置連絡用遮断器、９…発電装置出力端遮断器、１０…送配電系統、１１…母線、２０…通信線、２１…構内通信線、２２…監視制御装置、３０…発電装置、３１…発電監視制御装置、４０…負荷、５０…無効電力調整装置、１０１…送電線、１０２ａ、１０２ｂ…変電所、１０４…電力計測装置、１０５…受電用計測器、１０６ａ、１０６ｂ…計測器、１１０…集中供給センタ、１２０…集中監視制御装置、１２１…公衆回線。

Claims

需要家内に設置された複数の発電装置の発電と外部の送配電系統からの買電を組み合わせて、前記需要家内に設置された負荷装置に電力を供給する電力供給システムであって、前記需要家内に前記発電装置の運用を制御する監視制御装置を設け、該監視制御装置は、前記負荷装置の消費電力の情報を５分以上３０分以下の設定時間間隔で順次収集し、収集した消費電力の情報に基づいて前記設定時間間隔ごとに消費電力を予測し、予測消費電力に基づいて電力供給コストを目的関数とする線形計画法により前記電力供給コストが最小となるように、前記各発電装置による発電量と買電量の割合を決定する最適化計算を前記発電装置で発電した電力は前記送配電系統には流さないものとして実行し、該最適化計算の結果に基づいて前記各発電装置の稼動或いは停止及び稼動時の発電出力を制御する指令を前記予測消費電力の予測周期内に前記各発電装置に出力するものとし、稼動する発電装置の異常がメンテナンス情報データベースに記録されているときは、他の発電装置に切換えて前記最適化計算を再度実行することを特徴とする電力供給システム。