JP5921390B2 - Energy management system, energy management method, program, and server device - Google Patents
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Description
本発明の実施形態は、加入者宅などの需要家側におけるエネルギー収支を管理するエネルギー管理システム、エネルギー管理方法、プログラムおよびサーバ装置に関する。 Embodiments described herein relate generally to an energy management system, an energy management method, a program, and a server device that manage an energy balance on a customer side such as a subscriber's house.
近年の環境保全意識の高まりと電力不足への不安を背景として、ゼロエネルギー住宅(Zero Energy Home:ZEH)、あるいはネット・ゼロエネルギー住宅に注目が集まっている。ネット・ゼロエネルギー住宅は、年間の一次エネルギー消費量がネット(正味)で概ねゼロとなる住宅を意味し、その実現のために不可欠なのが、太陽光発電(Photovoltaic Power Generation:PV)システム、蓄電池、あるいは燃料電池(Fuel Cell:FC)などの分散電源と、家庭エネルギー管理システム(Home Energy Management System:HEMS)である。 With the recent increase in environmental conservation awareness and concerns over power shortages, zero energy homes (ZEH) or net zero energy homes are attracting attention. A net zero energy house means a house where annual primary energy consumption is almost zero on the net, and indispensable for realizing this is a photovoltaic power generation (PV) system, storage battery. Or a distributed power source such as a fuel cell (FC) and a home energy management system (HEMS).
FCは、昼夜、天候を問わず安定して発電ができることと、排熱を利用して熱エネルギーを供給できることから、分散電源のなかでも特に有望視されている。しかしながらFCから商用電力系統(grid)への逆潮流は、電力会社との契約上、許されていない。そこで、FCにより発電された電力の逆潮流を防止するための技術が幾つか提案されている。 FC is particularly promising among distributed power sources because it can generate power stably day and night regardless of the weather and can supply heat energy using exhaust heat. However, reverse power flow from FC to the commercial power grid is not allowed under contract with the power company. Therefore, several techniques for preventing reverse power flow of power generated by FC have been proposed.
逆潮流を防止するための対策として、FCによる余剰電力をダミー負荷や逆潮流防止ヒータで消費するという技術がある。これは、エネルギーを無駄に消費することになる。余剰電力を蓄電池に充電するという技術もあるが、充電の必要が生じたときに既に満充電であり、充電できないことも考えられる。 As a measure for preventing the reverse power flow, there is a technique in which surplus power generated by the FC is consumed by a dummy load or a reverse power flow prevention heater. This wastes energy. There is also a technique for charging the storage battery with surplus power, but it may be considered that the battery is already fully charged when it needs to be charged and cannot be charged.
逆潮流防止ヒータと蓄電池とを併用しても、FCの出力を変化させるには長い時間を要するので、電力需要の少ない時間が長期に渡ると余剰電力の発生量が蓄電池容量を上回ってしまう。このようなケースではFCの運転を停止するか、逆潮流防止ヒータで余剰電力を消費せざるを得ない。リレーにより系統から解列することで逆潮流を防止するにしても、生じた余剰電力は無駄に消費されているのが現状である。 Even if the reverse power flow prevention heater and the storage battery are used in combination, it takes a long time to change the output of the FC. Therefore, if the amount of power demand is long, the amount of surplus power generated exceeds the storage battery capacity. In such a case, it is necessary to stop the operation of the FC or to consume surplus power with the reverse flow prevention heater. Even if the reverse power flow is prevented by disconnecting from the system by a relay, the surplus power generated is currently wasted.
目的は、余剰電力が無駄に消費されることを防止可能なエネルギー管理システム、エネルギー管理方法、プログラムおよびサーバ装置を提供することにある。 An object is to provide an energy management system, an energy management method, a program, and a server device that can prevent surplus power from being consumed unnecessarily.
実施形態によれば、エネルギー管理システムは、クライアント装置と、クライアント装置と通信可能なサーバ装置とを具備する。サーバ装置は、取得部と、予測部と、計算部と、制御部とを備える。取得部は、電力を生成する発電ユニットを含むエネルギー生産機器と、電力の系統への逆潮流の禁止により生じる余剰電力を蓄積可能な容量固定型の蓄電池と、エネルギー消費機器とを含む電気機器に係わるデータをクライアント装置から取得する。予測部は、クライアント装置の設置される建物におけるエネルギー需要量およびエネルギー生産量を、データに基づいて予測する。計算部は、蓄電池の満充電に伴い破棄される余剰電力を最小化する条件下で、建物におけるエネルギー収支を最適化すべく、エネルギー需要量およびエネルギー生産量に基づいて電気機器の運転計画を計算する。制御部は、計算された運転計画に基づいて、電気機器を制御するための制御情報をクライアント装置に送信する。 According to the embodiment, the energy management system includes a client device and a server device that can communicate with the client device. The server device includes an acquisition unit, a prediction unit, a calculation unit, and a control unit. The acquisition unit includes an energy production device including a power generation unit that generates power, a fixed-capacity storage battery capable of storing surplus power generated by prohibiting reverse power flow to the power system, and an electric device including an energy consuming device. Acquire related data from the client device. The prediction unit predicts the energy demand amount and the energy production amount in the building where the client device is installed based on the data. The calculation unit calculates the operation plan of the electric equipment based on the energy demand and the energy production amount in order to optimize the energy balance in the building under the condition of minimizing the surplus power discarded when the storage battery is fully charged. . A control part transmits the control information for controlling an electric equipment to a client apparatus based on the calculated operation plan.
図1は、実施形態に係わるシステムの一例を示す図である。図1は、いわゆるスマートグリッドとして知られる電力送配電網の一例を示す。既存の配電ネットワークでは原子力、火力、水力などの既存発電所と、一般家庭や、ビル、工場といった多種多様な需要家とが電力網によって接続される。次世代の配電ネットワークではこれらに加えて新たな電源として太陽光や風力などの再生可能エネルギーと蓄電装置とを組み合わせた分散型電源や、新たな需要として新交通システムや充電スタンドなどが電力送配電網に接続される。これら多種多様な要素は通信ネットワークを介して接続され統括的に制御される。もちろん、非再生可能エネルギーにより発電する燃料電池なども電力送配電網に接続することが可能である。 FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a system according to the embodiment. FIG. 1 shows an example of a power transmission and distribution network known as a so-called smart grid. In an existing power distribution network, existing power plants such as nuclear power, thermal power, and hydropower are connected to a wide variety of consumers such as ordinary households, buildings, and factories through a power network. In the next-generation distribution network, in addition to these, distributed power sources that combine renewable energy such as sunlight and wind power and power storage devices as new power sources, and new traffic systems and charging stations as new demand will be used for power transmission and distribution. Connected to the net. These various elements are connected via a communication network and controlled in a centralized manner. Of course, a fuel cell that generates power using non-renewable energy can be connected to the power transmission and distribution network.
電力をインテリジェントに分配するシステムは、エネルギーマネジメントシステム(Energy Management System:EMS)と総称される。EMSはその規模などに応じて幾つかに分類される。例えば一般家庭向けのHEMS(Home Energy Management System)、ビルディング向けのBEMS(Building Energy Management System)などがある。このほか、より小規模なシステム、あるいは地域コミュニティ向けのCEMS(Community Energy Management System)、大口の工場向けのFEMS(Factory Energy Management System)などがある。これらのシステムが連携することできめ細かな電力制御が実現される。 Systems that intelligently distribute power are collectively referred to as an energy management system (EMS). EMS is classified into several types according to its size. For example, there are HEMS (Home Energy Management System) for general households and BEMS (Building Energy Management System) for buildings. In addition, there are CEMS (Community Energy Management System) for smaller systems or local communities, and FEMS (Factory Energy Management System) for large factories. These systems can be linked to achieve fine power control.
この種のシステムによれば既存の発電所、分散型電源、太陽光や風力などの再生可能エネルギー源、および需要家の相互間で高度な協調運用が可能になる。これにより自然エネルギーを主体とするエネルギー供給システムや、需要家と事業者との双方向連携による需要家参加型のエネルギー供給といった、新規かつスマートな形態の電力供給サービスが生み出される。
図2は、実施形態に係るエネルギー管理システムの一例を示す図である。HEMSは、クライアントシステムと、クライアントシステムと通信可能なサーバシステムとしてのクラウドコンピューティングシステム(以下、クラウドと略称する)300とを備える。以下では、配電網から電力を供給される需要家の一例として、エネルギー管理サービスに加入する加入者を採りあげる。需要家は電気機器を備え、電気機器も配電網から電力を供給される。
This type of system enables highly coordinated operation among existing power plants, distributed power sources, renewable energy sources such as solar and wind power, and consumers. As a result, a new and smart power supply service such as an energy supply system mainly composed of natural energy and a customer-participation-type energy supply through bidirectional cooperation between the customer and the business operator is created.
FIG. 2 is a diagram illustrating an example of an energy management system according to the embodiment. The HEMS includes a client system and a cloud computing system (hereinafter abbreviated as a cloud) 300 as a server system capable of communicating with the client system. In the following, a subscriber who subscribes to an energy management service is taken as an example of a consumer who is supplied with power from a distribution network. The customer is equipped with electrical equipment, and the electrical equipment is also supplied with power from the distribution network.
クライアントシステムは、ホームゲートウェイ(Home Gateway:HGW)7を中核として形成される。ホームゲートウェイ7は、加入者宅100に設置されるクライアント装置であり、クラウド300から各種のサービスの提供を受けることができる。
The client system is formed with a home gateway (HGW) 7 as a core. The
クラウド300は、サーバコンピュータSVとデータベースDBとを備える。サーバコンピュータSVは単体でも複数でも良い。データベースDBは一つのサーバコンピュータSVに備えられていても、複数のサーバコンピュータSVに分散配置されていてもよい。
The
図2において、電力系統6から供給される電力(交流電圧)は、電柱の変圧器61などを経て各家庭に分配され、電力量計(スマートメータ)19を経て加入者宅100の分電盤20に供給される。電力量計19は、加入者宅100に備わるエネルギー生産機器の発電量、加入者宅100の消費電力量、電力系統6から流れ込む電力量、あるいは電力系統6に逆潮流する電力量などを計測する機能を備える。周知のように、再生可能エネルギーに基づいて発電された電力は、電力系統6に逆潮流することを許される。
In FIG. 2, the power (AC voltage) supplied from the
分電盤20は、この分電盤20に接続される電気機器(照明、エアコン、あるいはヒートポンプ式給湯器(HP)など)5やパワーコンディショニングシステム(PCS)104に配電線21を介して電力を供給する。また分電盤20は、フィーダごとの電力量を計測する計測装置を備える。
The
電気機器5は加入者宅内の配電線21に接続されることの可能な機器である。PVシステム101、燃料電池(以下、FCユニットと表記する)103などを含め、電力を消費する機器、電力を生成する機器、および電力を消費し生成する機器が、いずれも電気機器5に該当する。電気機器5はコンセント(図示せず)を介して配電線21に着脱可能に接続され、配電線21を介して分電盤20に接続される。
The
加入者宅100の屋根や外壁には太陽光パネルが設置されPVシステム101が形成される。PVシステム101で発生した直流電圧はPCS104に供給される。PCS104は加入者宅100ごとに据え置かれる蓄電池102を充電すべく、この直流電圧を蓄電池102に与える。
A solar panel is installed on the roof or outer wall of the subscriber's
PVシステム101は、再生可能エネルギーから電気機器5を稼動させるためのエネルギーを生産する創エネルギー機器であり、風力発電システムなどもその範疇に入る。これに対しFCユニット103は都市ガスやLPガス(液化プロパンガス)から電力を生産する発電ユニットである。
The
FCユニット103により生成された電力は電力系統6に逆潮流することを禁止されているので、余剰電力を生じることがある。余剰電力は蓄電池102に充電されることが可能であるが、蓄電池102の容量は固定的であり、限度を超えて無制限に充電することはできない。蓄電池102が満充電になると余剰電力は熱などに変換されて破棄されるので、エネルギーやコスト(ガス料金など)に無駄を生じる。実施形態ではこのような事態を回避可能とする技術について説明する。
Since the power generated by the
PCS104はコンバータ(図示せず)を備え、配電線21からの交流電力を直流電力に変換して蓄電池102に供給する。そして、電力系統6から送られる電力を深夜においても蓄電池102に充電することができる。さらにPCS104はインバータ(図示せず)を備え、蓄電池102あるいはFCユニット103から供給される直流電力を交流電力に変換して配電線21に供給する。これにより、電気機器はPCS104を介して、蓄電池102やFCユニット103からも電力の供給を受けることができる。
The
要するにPCS104は、蓄電池102、FCユニット103と配電線21との間でエネルギーを授受するための電力変換器としての機能を備える。PCS104は蓄電池102やFCユニット103を安定に制御する機能も備える。
加入者宅100にはLAN(Local Area Network)などの通信回線が配設され、ホームネットワーク25が形成される。ホームゲートウェイ7はホームネットワーク25とIPネットワーク200との双方に、コネクタ(図示せず)などを介して着脱可能に接続される。これによりホームゲートウェイ7は、ホームネットワーク25に接続される電力量計19、分電盤20、PCS104、および電気機器5と相互に通信可能である。なおホームネットワーク25は有線回線、あるいは無線回線のいずれでも良い。
In short, the
A communication line such as a LAN (Local Area Network) is arranged in the subscriber's
ホームゲートウェイ7は、実施形態に係る処理機能として通信部7aを備える。通信部7aは、クラウド300に各種のデータを送信し、またクラウド300から各種のデータを受信する。
The
ホームゲートウェイ7はCentral Processing Unit(CPU)とメモリ(図示せず)を備えるコンピュータである。メモリは、クラウド300と通信したり、クラウド300に、電気機器の動作に係わる運転計画の計算を要求したり、システムの制御に加入者の意思を反映させたりするための命令を含むプログラムを記憶する。CPUが各種のプログラムに基づいて機能することで、ホームゲートウェイ7に係る諸機能が実現される。
The
すなわちホームゲートウェイ7は、クラウド300に各種のデータを送信し、またクラウド300から各種のデータを受信する。ホームゲートウェイ7は、クラウド300、サーバコンピュータSVと通信可能なクライアント装置である。ホームゲートウェイ7から送信される各種データには、クラウド300に各種の演算を要求するための要求信号が含まれる。
That is, the
ホームゲートウェイ7は有線回線または無線回線を介して端末105に接続される。ホームゲートウェイ7と端末105とを合わせて上記クライアント装置としての機能を実現することも可能である。端末105はいわゆるタッチパネルなどのほか、例えば汎用的な携帯情報機器やパーソナルコンピュータなどでもよい。
The
端末105は電気機器5、PV装置101、蓄電池102、FCユニット103の稼働状況や消費電力量を例えばLCD(Liquid Crystal Display)に表示したり、音声ガイダンスなどで加入者(ユーザ)に報知する。また端末105は操作パネルを備え、加入者による各種の操作や設定入力を受け付ける。
The terminal 105 displays, for example, an LCD (Liquid Crystal Display) on the operating status and power consumption of the
IPネットワーク200は、いわゆるインターネット、あるいはシステムベンダのVPN(Virtual Private Network)などである。ホームゲートウェイ7は、IPネットワーク200を経由してサーバコンピュータSVと通信したり、データベースDBとデータを授受したりできる。なおIPネットワーク200は、ホームゲートウェイ7とクラウド300との間に双方向の通信環境を形成するための、無線または有線の通信インフラストラクチャを含んで良い。
The
クラウド300は、収集部300a、予測部300b、計算部300c、および制御部300dを備える。また、FCユニット103の制御対象モデル300g、および各種のデータ300hがクラウド300のデータベースDBに記憶される。収集部300a、予測部300b、計算部300c、および制御部300dは、単体のサーバコンピュータSV、あるいは、クラウド300に分散配置される機能オブジェクトである。これらの機能オブジェクトを如何にしてシステムにインプリメントするかは、当業者によれば容易に理解されるであろう。
The
例えば収集部300a、予測部300b、計算部300c、および制御部300dは、クラウド300のサーバコンピュータSVにより実行されるプログラムとして実現される。このプログラムは単体のコンピュータにより実行されることもできるし、複数のコンピュータを備えるシステムにより実行されることも可能である。プログラムに記載される命令が実行されることで、実施形態に係わる諸機能が実現される。
For example, the
収集部300aは、加入者宅100の電気機器5に係わる各種データを各加入者宅100のホームゲートウェイ7から、定期的、あるいは不定期に取得する。また収集部300aは、端末105におけるユーザの操作履歴などを端末105から取得する。なお収集部300aと端末105とが通信回線40を介して直接通信することも可能である。
The
取得されたデータはデータベースDBにデータ300hとして保持される。データ300hは、各加入者宅100の電力需要量、各電気機器5の消費電力量、給湯量、稼動状態、蓄電池102の充電残量や充放電電力、PVシステム101の発電量などを含む。加えて、気象庁などから提供される気象データなどもデータ300hに含めることが可能である。
The acquired data is stored as data 300h in the database DB. The data 300h includes the power demand amount of each
予測部300bは、収集部300aにより取得されたデータ300hに基づいて、加入者宅100におけるエネルギー需要量およびエネルギー生産量を予測する。予測部300は、例えば加入者宅100の電力需要量、給湯需要量、PVの発電量などを予測する。
The
計算部300cは、制御対象モデル300gと、予測されたエネルギー需要量およびエネルギー生産量とに基づいて、電気機器5(PVシステム101、蓄電池102、FCユニット103を含む)の運転計画を計算する。つまり計算部300cは、例えば電力需要量、給湯需要量、およびPV発電量に基づいて、例えば蓄電池102の充放電スケジュール、またはFCユニット103の発電スケジュールを計算する。
The
すなわち計算部300cは、加入者宅100におけるエネルギー収支を最適化すべく、電気機器5の運転計画を決定する。この処理を最適スケジューリングと称する。エネルギー収支とは例えば光熱費収支であり、電気機器5により消費される電力エネルギーのコストと、主にPVシステム101により生成されるエネルギーの売電料金とのバランスにより評価される量である。計算された電気機器5の時系列の運転計画はデータベースDBに記憶される。
さらに計算部300cは、既定の制約条件に従って運転計画を算出する。この実施形態では、計算部300cは、蓄電池102の満充電に伴い破棄される余剰電力を最小化する、という条件に基づいて運転計画を算出する。
That is, the
Furthermore, the
制御部300dは、計算された運転計画に基づいて電気機器5を制御するための制御情報を生成する。すなわち制御部300dは、最適スケジューリングの結果から蓄電池102の充放電、稼動、またはFCユニット103の発電のための運転・停止指示、出力目標値などを生成する。これらの制御情報は、通信回線40を介して端末105やホームゲートウェイ7に送信される。
The
加入者宅100の端末105は、制御部300dから送信された制御情報に基づく電気機器5の制御に、加入者の意思を反映させるためのインタフェース部(図3のユーザインタフェース105a)を備える。ユーザインタフェース105aは、蓄電池102の充放電スケジュールやFCユニット103の発電スケジュールを表示するために表示器を備える。加入者は、表示器に表示された内容を見てスケジュールを確認したり、表示されたスケジュールの実行の許可または拒否を選択したりすることができる。これによりスケジュールの実行に加入者の意思を反映させることができる。
The
また、加入者は、クラウド300にスケジュールの再計算を要求したり、そのために必要になる情報をシステムに与えたりするための指示(コマンド)を、ユーザインタフェース105aを介して入力することができる。
なお上記構成において、サーバコンピュータは主装置としての位置付けにあり、ホームゲートウェイは主装置からの制御信号を受信する従装置としての位置付けにあると理解することが可能である。
In addition, the subscriber can input an instruction (command) for requesting recalculation of the schedule to the
In the above configuration, it can be understood that the server computer is positioned as a master device, and the home gateway is positioned as a slave device that receives a control signal from the master device.
図3は、実施形態に係るHEMSの要部を示す機能ブロック図である。図3において、加入者宅100のPCS104、電気機器5、蓄電池102、FCユニット103、電力量計19、および分電盤20から各電気機器5の所定時間ごとの消費電力量、稼動状態、蓄電池102の充電残量や充放電電力量、加入者宅100の電力需要量、給湯需要量、PV発電量などのデータが、ホームゲートウェイ7を介して定期的、あるいは不定期にクラウド300に送信される。
FIG. 3 is a functional block diagram illustrating a main part of the HEMS according to the embodiment. In FIG. 3, from the
需要家あるいは加入者により、ユーザインタフェース105aを介して設定された各需要量・発電量に係る変動所定量に対し、実際のデータが上回る、あるいは下回る状態になると、ホームゲートウェイ7は、上記データをクラウド300に送信する。不定期とは、このようなタイミングでの送信を意味する。また加入者の端末105の操作履歴なども、クラウド300に送信される。これらのデータや情報はデータベースDB群に格納される。
When the actual data exceeds or falls below the predetermined fluctuation amount related to each demand amount / power generation amount set by the customer or subscriber via the user interface 105a, the
加入者ごとに設けられる予測部300bは、収集したデータのうち電力需要量、給湯需要量、PV発電量に加えて天気予報などの気象データなども用いて、対象とする日の所定時間ごとの電力需要量、給湯需要量、PV発電量を予測する。気象データは1日数回のタイミングで他のサーバ(気象庁など)から配信される。この気象データを受信したタイミングに合わせて予測計算を実行してもよい。
The
そして、加入者ごとに設けられる計算部300cは、予測計算により算出された所定時間ごとのエネルギー需要量、エネルギー供給量、エネルギー単価、および制御対象モデル300gなどに基づいて、電気機器5の動作制御に係わる最適スケジューリングを実行する。
予測部300b、計算部300cは、例えば加入者ごとに専用に設けられる機能オブジェクトとしてインプリメントされることが可能である。つまり予測部300b、計算部300cの機能を加入者ごとに設けることが可能である。例えばプログラムの実行過程においてスレッドを複数立てることで、このような形態が可能である。このような形態によればセキュリティを確保し易いなどのメリットがある。
And the
The
あるいは、予測部300b、計算部300cを、複数の加入者に対して設けられる機能オブジェクトとしてインプリメントすることも可能である。つまり予測部300b、計算部300cによる演算を、複数の加入者をまとめた単位で実行することも可能である。このような形態によれば計算リソースの節約などのメリットを得ることが可能である。
Alternatively, the
図4は制御対象モデル300gについて説明するための図である。制御対象モデル300gは、電力系統6、FCユニット103、蓄電池102、PVシステム101、および負荷(家電)205の各構成要素を含む。FCユニット103は、FC本体220、補助ボイラ221、逆潮流防止ヒータ222、および貯湯槽223の各構成要素を含む。図4に示される変量を次の表に示す。
制御対象モデル300gは、それぞれの構成要素の入出力関係と、構成要素間の入力変数、あるいは出力変数の間の関係式を示す。例えば次式(1)〜(10)により制御対象モデル300gを表現することが可能である。
式(1)において、ガス供給量F(t)は、FCへの供給量FFC(t)と補助ボイラへの供給量FB(t)との和として示される。FC本体220は、FFC(t)のガス供給量に対してPFC(t)だけ発電し、QFC(t)だけ排熱するとする。このFC本体220の入出力特性、すなわちFC本体220におけるガス供給量、発電量、および排熱量の関係を、式(2)、(3)のように近似して示す。
In the equation (1), the gas supply amount F (t) is shown as the sum of the supply amount F FC (t) to FC and the supply amount F B (t) to the auxiliary boiler. The FC
逆潮流防止ヒータ222は、余剰電力PH(t)を熱量QH(t)の熱に変換にして消費させる、つまり廃棄することで、余剰電力が電力系統6に逆潮流しないように制御する。補助ボイラ221は、給湯需要のうち貯湯槽223からの給湯QST(t)で賄いきれない分の給湯QB(t)を供給する。
The reverse power
貯湯槽223の貯湯量H(t)は、式(4)に示されるように、FC本体220の排熱QFC(t)、逆潮流防止ヒータ222の発熱量QH(t)、および給湯QST(t)により増減する。なお放熱などで失われる熱量は貯湯効率rにより表現される。式(5)は貯湯槽223の容量制約を示す。蓄電池102は、充放電電力PSB(t)により充電残量S(t)が増減するモデルとしてモデル化することが可能である。
The hot water storage amount H (t) of the hot
式(6)は、電力の需給バランスを示す。PD(t)は加入者宅100の電力需要を示し、PC(t)は購入電力または売電電力を示し、PPV(t)はPV101の発電量を示す。式(7)、(8)はFC本体220と蓄電池102からの逆潮流を禁止するという制約条件を示す。式(9)は蓄電池102の容量の制約条件を示す。
Formula (6) shows the power supply-demand balance. P D (t) indicates the power demand of the subscriber's
式(10)は、FCユニット103(FC本体220)の、発電量の時間に対する変化を既定の範囲内に制限するという制約条件を示す。つまり式(10)は、或る時刻t−1から次の時刻tにおけるFC本体220発電量の変化量を、FC発電量の減少速度の下限である−PFC_DOWNとFC発電量の増加速度の上限であるPFC_UPとの間に制限するという制約条件である。
Expression (10) shows a constraint condition that the change of the power generation amount with respect to time of the FC unit 103 (FC main body 220) is limited within a predetermined range. In other words, the expression (10) indicates that the change in the power generation amount of the FC
計算部300c(図2、図3)は、以上のような条件のもとで、電力・給湯需要量とPV発電量、電気・ガスの料金単価および電力買い取り価格が与えられたとき、光熱費収支(エネルギーコスト)が最小となるように、FCユニット103の発電PFC(t)、蓄電池102の充放電PSB(t)のスケジュールを求める。最適化アルゴリズムには例えば遺伝的アルゴリズムを用いることができる。次に、上記構成における作用を説明する。
The
図5は、実施形態における処理手順を示すフローチャートである。最適化演算には電力需要量予測、給湯需要量予測、PV発電量予測などが必要であり、この最適化演算は予測計算が実行される1日数回のタイミングに合わせて実行される。 FIG. 5 is a flowchart illustrating a processing procedure in the embodiment. The optimization calculation requires power demand prediction, hot water supply demand prediction, PV power generation prediction, and the like, and this optimization calculation is executed at the timing of several times a day when the prediction calculation is executed.
図5において、予測部300bは所定時間ごとの電力需要量、給湯需要量、PV発電量をデータベースDBから取得する(ステップS1−1)。このステップでは現在のデータだけでなく、例えば前年同日のデータなど過去のデータを取得しても良い。次に予測部300bは、運転計画算出のため所定時間ごとの電力需要量、給湯需要量、PV発電量を予測する(ステップS1−2)。
In FIG. 5, the
次に計算部300cは、光熱費収支を最小とすべく燃料電池103の発電量と蓄電池102の充放電量の所定時間ごとのスケジュールを算出する(ステップS1−3)。算出されたスケジュールはデータベースDBに記憶される。
Next, the
次にシステムは、蓄電池の充放電量スケジュールまたは燃料電池103の発電量のスケジュールを示すメッセージ信号を、IPネットワーク200を介して端末105に送信する。端末105はメッセージ信号を解読して各種スケジュールをインタフェースに表示する(ステップS1−4)。メッセージ信号の送信から表示に係わるルーチンは定期的に、あるいはユーザからの要求に応じて実行される。
Next, the system transmits a message signal indicating the charge / discharge amount schedule of the storage battery or the schedule of the power generation amount of the
次に、クラウド300は、機器運転スケジュールの実行がユーザにより許可されたことを示す許可メッセージ信号の到来を待ち受ける(ステップS1−5)。許可されれば、機器運転スケジューラ(制御部300d)は、作成されたスケジュールに沿って加入者宅100の電気機器5を制御するための制御情報を、IPネットワーク200経由で加入者宅100のホームゲートウェイ7に送信する(ステップS1−6)。制御情報は、例えば蓄電池102の充放電、燃料電池103の発電のための運転・停止指示、出力目標値などを含む。以上の手順はスケジュールの時間間隔ごとに繰り返される。
Next, the
制御部(機器運転スケジューラ)300dは、最適スケジューリングの結果から蓄電池102の充放電、またはFCユニット103の発電のための運転・停止指示、出力目標値などをスケジュールの時間間隔ごとに生成し、加入者宅100のホームゲートウェイ7に送信する。加入者は送信された制御情報に基づく制御の可否を、ユーザインタフェース105aを介してシステムに指示する。
The control unit (equipment operation scheduler) 300d generates a charge / discharge of the
図6は、実施形態に係る遺伝的アルゴリズムの遺伝子設計の一例を示す概念図である。実施形態では、遺伝子にFCユニット103の発電量PFC(t)と蓄電池102の充放電電力PSB(t)とを組み込むようにした。1日分の蓄電池102およびFCユニット103の運転計画を個体とし、複数の個体から世代を形成する。
FIG. 6 is a conceptual diagram illustrating an example of gene design of the genetic algorithm according to the embodiment. In the embodiment, the power generation amount P FC (t) of the
式(11)に、最大化すべき適合度Fitを示す。このFitを目的関数として最適化することにより、運転計画を算出することができる。光熱費収支Cを式(12)に示し、機器稼動の不連続性に掛かるコストg(PFC、PSB)を式(13)に示す。光熱費収支Cにおけるt=0〜t=23までの総和は24時間に渡る和を求めることに対応する。
式(11)において、適合度Fitを、1日あたりの光熱費収支Cを変数とする単調増加関数f(C)に機器稼動の不連続性に掛かるコストg(PFC、PSB)>0を加算し、その逆数として表す。これは、加入者宅100の電力需要をPV発電量が大きく上回ると光熱費収支Cが負になる可能性を考慮し、光熱費収支Cの減少と適合度Fitの増加とを対応させるためである。実施形態ではf(C)>0となる関数を用いる。
In equation (11), the fitness Fit is the cost g (P FC , P SB )> 0 for the discontinuity of the equipment operation to the monotonically increasing function f (C) with the daily energy bill C as a variable. Is added and expressed as the reciprocal thereof. This is in order to correspond to the decrease in the utility cost balance C and the increase in the fitness Fit in consideration of the possibility that the utility bill C will become negative if the PV power generation amount greatly exceeds the power demand of the subscriber's
以上の式に、電力需要、給湯需要、PV発電量、電気料金単価、ガス料金単価、およびPV買取価格を与え、突然変異、交差、淘汰など、遺伝的操作を繰り返してFitを最大化することにより、光熱費収支Cが小さくなるようにFCユニット103の発電量PFC(t)と蓄電池102の充放電PSB(t)の系列を求めることが可能になる。
Give power demand, hot water demand, PV power generation amount, electricity unit price, gas unit price, and PV purchase price to the above formula, and repeat genetic operations such as mutation, crossing, dredging, etc. to maximize Fit Thus, it is possible to obtain a series of the power generation amount P FC (t) of the
図7は、実施形態に係る最適化演算の流れの一例を示すフローチャートである。先に述べたように、計算部300cは遺伝的アルゴリズムにより最適化演算を実施する。
(ステップS2−1) 初期個体群の生成
ランダムまたは過去の実績値に基づいて、制約条件を満足するn個の初期個体を発生させる。制約条件を満足しない固体は遺伝子をビット反転させて、制約条件を満足させるように改変する。
FIG. 7 is a flowchart illustrating an example of the flow of the optimization calculation according to the embodiment. As described above, the
(Step S2-1) Generation of Initial Individual Group Based on random or past actual values, n initial individuals that satisfy the constraint condition are generated. Solids that do not satisfy the constraint condition are bit-inverted to modify the gene to satisfy the constraint condition.
(ステップS2−2) 終了判定処理
ステップS2−3〜S2−6の処理を繰り返す処理である。各個体の適合度およびその世代での平均適合度を計算する。ステップS2−2のループが規定回数になればアルゴリズム演算を終了する。または、その世代における平均適応度を前2世代の平均適応度と比較し、その結果が任意に設定した値ε以下であればアルゴリズムを終了する。
(Step S2-2) End determination process This process repeats the processes of steps S2-3 to S2-6. Calculate the fitness of each individual and the average fitness for that generation. If the loop in step S2-2 reaches the specified number of times, the algorithm operation is terminated. Alternatively, the average fitness of the generation is compared with the average fitness of the previous two generations, and if the result is equal to or less than the arbitrarily set value ε, the algorithm is terminated.
(ステップS2−3) 淘汰
制約条件を満足しない個体を淘汰する。また、予め定義した個体数以上の個体が存在する場合は適応度の悪い(適応度の小さい)個体をその個数まで淘汰する。
(Step S2-3) 淘汰 Select individuals that do not satisfy the constraints. If there are more than a predetermined number of individuals, the number of individuals having poor fitness (small fitness) is selected.
(ステップS2−4) 増殖
個体数が予め定義した個体数より少ない場合、適応度が最良の個体を増殖させる。
(Step S2-4) Proliferation When the number of individuals is less than the predefined number of individuals, the individual with the best fitness is proliferated.
(ステップS2−5) 交叉
ランダムにペアリングを行う。ペアリングは全個体数に対する割合(交叉率)分だけ行い、ペアごとにランダムに遺伝子座を選び、一点交叉させる。
(Step S2-5) Crossover Pairing is performed at random. Pairing is performed as much as the ratio (crossover rate) to the total number of individuals, and gene loci are randomly selected for each pair and crossed at one point.
(ステップS2−6) 突然変異
全個体数に対する割合(突然変異率)分だけランダムに個体を選び、各個体の任意(ランダムに決定する)の遺伝子座の遺伝子をビット反転させる。
(Step S2-6) Mutation Individuals are randomly selected by the ratio (mutation rate) to the total number of individuals, and the genes at arbitrary (randomly determined) loci of each individual are bit-inverted.
(ステップS2−2)〜(ステップS2−6)の手順は、世代数<最大世代数の条件が満たされるまで、世代数をインクリメントしつつ繰り返される。この条件が満たされれば結果出力(ステップS2−7)ののち終了となる。 The procedure of (Step S2-2) to (Step S2-6) is repeated while incrementing the number of generations until the condition of the number of generations <the maximum number of generations is satisfied. If this condition is satisfied, the process ends after the result output (step S2-7).
図8は、実施形態により得られる効果を説明するための図である。図8は加入者宅100の1日の電力需要と給湯需要の予測結果に基づき算出された、蓄電池102およびFCユニット103の1日分の運転計画の一例を示す。電気料金単価は7:00から23:00までが28円/kWh、23:00から翌日7:00までが9円/kWhの昼夜別料金を想定した。図8においては売電による光熱費収支の改善については想定せず、電力需要、給湯需要と電気、ガスの料金単価のみを用いた計算結果を示す。
FIG. 8 is a diagram for explaining an effect obtained by the embodiment. FIG. 8 shows an example of an operation plan for one day of the
蓄電池102の運転計画は、電気料金単価の安い時間帯(0:00〜6:00)に充電し、電気料金単価の高い時間帯(7:00〜10:00、13:00〜22:00)に放電するようになっている。これにより、電気料金単価の高い時間帯の購入電力が減るので電気代を減らすことできる。
The operation plan of the
FCユニット103は最大出力で運転し、発電量が電力需要を上回る時間(12:00〜14:00)は余剰発電量を蓄電池102に充電している。よって発電された電力が逆潮流防止ヒータ222で無駄に消費(廃棄)されることを防止でき、ガス代も削減することが可能になる。逆潮流防止ヒータ222は、24時間に渡って稼働することなく推移していることが分かる。
The
以上述べたように実施形態では、加入者宅100におけるPV発電量、電力需要量、および給湯需要量を予測し、予測値に基づいて、設定した制約条件下で評価関数を最小化する最適化計算を実行することで、エネルギーコスト(光熱費)を最小化すべくエネルギー管理を行うようにしている。つまり、FCユニット103の発電量を可変としたモデルに基づいて、FCユニット103の運転計画および蓄電池102の充放電スケジュールを最適化することで、逆潮流防止ヒータ222を無駄に稼動させず、光熱費を安くすることが可能になる。
As described above, in the embodiment, the PV power generation amount, the power demand amount, and the hot water supply demand amount in the subscriber's
式(11)、(12)に示すように、最大化すべき適合度Fitを示す関数に、FCユニット103の稼働に要するガス料金を含めるようにしている。これにより、可能解が存在するという条件下で、逆潮流防止ヒータ222を無駄に動作させるようなスケジュールは最適化計算の過程で淘汰される方向に作用する。
As shown in equations (11) and (12), the gas charge required for the operation of the
また、式(10)により、或る時刻t−1から次の時刻tにおけるFCユニット103の発電量の変化量を、FCユニット103の発電量の減少速度の下限−PFC_DOWNからFCユニット103の発電量の増加速度の上限PFC_UPの範囲に収める制約条件を設けたので、FCユニット103の発電量の変化量が電力需要への追従能力を超えないような発電スケジュールを生成することが可能となる。つまり上記制約条件により、電力需要への追従能力を超えない範囲で、FCユニット103の発電スケジュールを生成することが可能になる。つまり、HEMSの立てた発電スケジュールに応じてFCユニット103を稼働させることが可能になる。
Further, according to the equation (10), the change amount of the power generation amount of the
特に、ステップS1−2の予測手順と、ステップS1−3の最適スケジューリング(図5)とを組み合せることで、一日分程度のまとまった期間の電力需要予測、給湯需要予測、PV発電予測に応じて、FCの発電スケジュールや蓄電池の充放電スケジュールといった需給計画を、全体のバランスを考慮したうえで作成できるようになる。
従って、蓄電池102が満充電になり、FCユニット103の余剰電力を充電できないケースや、蓄電池102から放電すべきときに充電残量が足りないといったケースを回避することが可能になる。
In particular, by combining the prediction procedure of step S1-2 and the optimal scheduling of step S1-3 (FIG. 5), it is possible to predict power demand, hot water supply demand prediction, and PV power generation prediction for a period of about one day. Accordingly, supply and demand plans such as FC power generation schedules and storage battery charge / discharge schedules can be created in consideration of the overall balance.
Therefore, it is possible to avoid a case where the
以上から実施形態によれば、商用電力系統に逆潮流できない余剰電力を無駄に消費することなく、有効に利用することが可能になる。これらのことから、余剰電力が無駄に消費されることを防止可能なエネルギー管理システム、エネルギー管理方法、プログラムおよびサーバ装置を提供することが可能になる。
なお、実施形態では遺伝的アルゴリズムを利用することについて説明したが、運転計画を算出するための解法として遺伝的アルゴリズムは唯一のものではない。他の種々のアルゴリズムを用いて最適な運転計画を算出することが可能である。
As described above, according to the embodiment, it is possible to effectively use surplus power that cannot flow backward to the commercial power system without wasting it. Accordingly, it is possible to provide an energy management system, an energy management method, a program, and a server device that can prevent excess power from being consumed wastefully.
In addition, although embodiment demonstrated using a genetic algorithm, a genetic algorithm is not the only solution as a solution for calculating an operation plan. It is possible to calculate an optimal operation plan using various other algorithms.
本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は例として提示するものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、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。この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。 Although an embodiment of the present invention has been described, this embodiment is presented as an example and is not intended to limit the scope of the invention. The novel embodiment can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. This embodiment and its modifications are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.
100…加入者宅、300…クラウドコンピューティングシステム、7…ホームゲートウェイ、7a…通信部、SV…サーバコンピュータ、DB…データベース、6…電力系統、61…変圧器、19…電力量計、20…分電盤、21…配電線、5…電気機器、104…パワーコンディショニングシステム(PCS)、101…PVシステム、102…蓄電池102…燃料電池、25…ホームネットワーク、105…端末、105a…ユーザインタフェース、200…IPネットワーク、300a…収集部、300b…予測部、300c…計算部、300d…制御部、300g…制御対象モデル、300h…データ、40…通信回線、220…FC本体、221…補助ボイラ、222…逆潮流防止ヒータ、223…貯湯槽
DESCRIPTION OF
Claims (24)
前記サーバ装置は、
燃料電池を含むエネルギー生産機器と、電力を蓄積可能な蓄電池と、エネルギー消費機器とを含む電気機器に係わるデータをクライアント装置から取得する取得部と、
前記クライアント装置の設置される建物におけるエネルギー需要量およびエネルギー生産量を、前記データに基づいて予測する予測部と、
前記蓄電池の満充電に伴って生じ、前記燃料電池の発電電力が系統に逆潮流することが禁止されているために破棄される余剰電力を最小化する条件下で、前記建物におけるエネルギー収支を最適化すべく、前記エネルギー需要量およびエネルギー生産量に基づいて前記電気機器の運転計画を計算する計算部と、
前記計算された運転計画に基づいて、前記電気機器を制御するための制御情報を前記クライアント装置に送信する制御部とを備える、エネルギー管理システム。 In an energy management system comprising a client device and a server device capable of communicating with the client device,
The server device
An acquisition unit for acquiring data relating to an electric device including an energy production device including a fuel cell, a storage battery capable of storing electric power, and an energy consuming device from a client device;
A prediction unit that predicts energy demand and energy production in a building where the client device is installed, based on the data;
Optimum energy balance in the building under conditions that minimize the surplus power that is discarded due to the fact that the power generated by the fuel cell is prohibited from flowing back into the grid due to the full charge of the storage battery A calculation unit for calculating an operation plan of the electrical device based on the energy demand and the energy production,
An energy management system comprising: a control unit that transmits control information for controlling the electric device to the client device based on the calculated operation plan.
前記計算部は、前記データベースに保持されるデータおよび前記燃料電池の制御対象モデルに基づいて前記運転計画を計算する、請求項2に記載のエネルギー管理システム。 And a database for holding the acquired data and a control target model of the electrical device,
The energy management system according to claim 2, wherein the calculation unit calculates the operation plan based on data held in the database and a control target model of the fuel cell.
前記計算部は、前記系統、前記蓄電池、前記燃料電池、前記補助ボイラ、前記逆潮流防止ヒータ、および前記貯湯槽に係わる変量を含む目的関数を最適化して、前記運転計画を計算する、請求項3に記載のエネルギー管理システム。 The control target model includes the system, the storage battery, the fuel cell, and an auxiliary boiler, a reverse power flow prevention heater, and a hot water tank provided in the fuel cell,
The calculation unit optimizes an objective function including variables related to the system, the storage battery, the fuel cell, the auxiliary boiler, the reverse flow prevention heater, and the hot water tank, and calculates the operation plan. 3. The energy management system according to 3.
前記サーバ装置は、
燃料電池を含むエネルギー生産機器と、電力を蓄積可能な蓄電池と、エネルギー消費機器とを含む電気機器に係わるデータを前記クライアント装置から取得し、
前記クライアント装置の設置される建物におけるエネルギー需要量およびエネルギー生産量を、前記データに基づいて予測し、
前記蓄電池の満充電に伴って生じ、前記燃料電池の発電電力が系統に逆潮流することが禁止されているために破棄される余剰電力を最小化する条件下で、前記建物におけるエネルギー収支を最適化すべく、前記エネルギー需要量およびエネルギー生産量に基づいて前記電気機器の運転計画を計算し、
前記計算された運転計画に基づいて、前記電気機器を制御するための制御情報を前記クライアント装置に送信する、エネルギー管理方法。 An energy management method applicable to an energy management system comprising a client device and a server device capable of communicating with the client device,
The server device
Obtaining data related to electrical equipment including energy production equipment including fuel cells, storage batteries capable of storing power, and energy consuming equipment from the client device,
Predicting energy demand and energy production in the building where the client device is installed based on the data;
Optimum energy balance in the building under conditions that minimize the surplus power that is discarded due to the fact that the power generated by the fuel cell is prohibited from flowing back into the grid due to the full charge of the storage battery To calculate the operation plan of the electrical equipment based on the energy demand and energy production,
An energy management method for transmitting control information for controlling the electric device to the client device based on the calculated operation plan.
前記制御対象モデルは、前記系統、前記蓄電池、前記燃料電池、および、前記燃料電池に備わる前記補助ボイラ、前記逆潮流防止ヒータ、および前記貯湯槽を含む、請求項10に記載のエネルギー管理方法。 The calculating is based on the data held in a database holding the acquired data and a control target model of the electric device and the control target model of the fuel cell, the system, the storage battery, Optimize the objective function including variables related to the fuel cell and the auxiliary boiler, reverse power flow prevention heater, and hot water tank provided in the fuel cell, calculate the operation plan,
The energy management method according to claim 10, wherein the control target model includes the system, the storage battery, the fuel cell, and the auxiliary boiler, the reverse power flow prevention heater, and the hot water tank provided in the fuel cell .
前記プログラムは、
燃料電池を含むエネルギー生産機器と、電力を蓄積可能な蓄電池と、エネルギー消費機器とを含む電気機器に係わるデータをクライアント装置から取得し、
前記クライアント装置の設置される建物におけるエネルギー需要量およびエネルギー生産量を、前記データに基づいて予測し、
前記蓄電池の満充電に伴って生じ、前記燃料電池の発電電力が系統に逆潮流することが禁止されているために破棄される余剰電力を最小化する条件下で、前記建物におけるエネルギー収支を最適化すべく、前記エネルギー需要量およびエネルギー生産量に基づいて前記電気機器の運転計画を計算し、
前記計算された運転計画に基づいて、前記電気機器を制御するための制御情報を前記クライアント装置に送信する、プログラム。 A program executed by a computer,
The program is
Acquire data related to electrical equipment including energy production equipment including fuel cells, storage batteries capable of storing power, and energy consuming equipment from client devices,
Predicting energy demand and energy production in the building where the client device is installed based on the data;
Optimum energy balance in the building under conditions that minimize the surplus power that is discarded due to the fact that the power generated by the fuel cell is prohibited from flowing back into the grid due to the full charge of the storage battery To calculate the operation plan of the electrical equipment based on the energy demand and energy production,
The program which transmits the control information for controlling the said electric equipment to the said client apparatus based on the said calculated operation plan.
前記制御対象モデルは、前記系統、前記蓄電池、前記燃料電池、および、前記燃料電池に備わる前記補助ボイラ、前記逆潮流防止ヒータ、および前記貯湯槽を含む、請求項15に記載のプログラム。 The calculating is based on the data held in a database holding the acquired data and a control target model of the electric device and the control target model of the fuel cell, the system, the storage battery, Optimize the objective function including variables related to the fuel cell and the auxiliary boiler, reverse power flow prevention heater, and hot water tank provided in the fuel cell, calculate the operation plan,
The program according to claim 15, wherein the control target model includes the system, the storage battery, the fuel cell, and the auxiliary boiler provided in the fuel cell, the reverse power flow prevention heater, and the hot water storage tank .
燃料電池を含むエネルギー生産機器と、電力を蓄積可能な蓄電池と、エネルギー消費機器とを含む電気機器に係わるデータを前記クライアント装置から取得する取得部と、
前記クライアント装置の設置される建物におけるエネルギー需要量およびエネルギー生産量を、前記データに基づいて予測する予測部と、
前記蓄電池の満充電に伴って生じ、前記燃料電池の発電電力が系統に逆潮流することが禁止されているために破棄される余剰電力を最小化する条件下で、前記建物におけるエネルギー収支を最適化すべく、前記エネルギー需要量およびエネルギー生産量に基づいて前記電気機器の運転計画を計算する計算部と、
前記計算された運転計画に基づいて、前記電気機器を制御するための制御情報を前記クライアント装置に送信する制御部とを具備する、サーバ装置。 In a server device that can communicate with a client device,
An acquisition unit for acquiring data relating to an electrical device including an energy production device including a fuel cell, a storage battery capable of storing electric power, and an energy consuming device from the client device;
A prediction unit that predicts energy demand and energy production in a building where the client device is installed, based on the data;
Optimum energy balance in the building under conditions that minimize the surplus power that is discarded due to the fact that the power generated by the fuel cell is prohibited from flowing back into the grid due to the full charge of the storage battery A calculation unit for calculating an operation plan of the electrical device based on the energy demand and the energy production,
A server device comprising: a control unit that transmits control information for controlling the electric device to the client device based on the calculated operation plan.
前記計算部は、前記データベースに保持されるデータおよび前記燃料電池の制御対象モデルに基づいて前記運転計画を計算する、請求項20に記載のサーバ装置。 And a database for holding the acquired data and a control target model of the electrical device,
The server device according to claim 20, wherein the calculation unit calculates the operation plan based on data held in the database and a control target model of the fuel cell.
前記計算部は、前記系統、前記蓄電池、前記燃料電池、前記補助ボイラ、前記逆潮流防止ヒータ、および前記貯湯槽に係わる変量を含む目的関数を最適化して、前記運転計画を計算する、請求項21に記載のサーバ装置。 The control target model includes the system, the storage battery, the fuel cell, and an auxiliary boiler, a reverse power flow prevention heater, and a hot water tank provided in the fuel cell,
The calculation unit optimizes an objective function including variables related to the system, the storage battery, the fuel cell, the auxiliary boiler, the reverse flow prevention heater, and the hot water tank, and calculates the operation plan. The server device according to 21.
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