JP6039982B2 - 電力需給システム - Google Patents

Description

本発明は、鉄道における電力需給システムに関わり、特にダイヤ乱れが生じた場合でもダイヤ乱れを最小限に抑えるようにき電線電圧を制御する電力需給システムに関する。

自然災害、車両故障などの要因により、列車ダイヤ、車両および乗務員に関する運行計画を変更しなければならない場合がある，このような運行中に行う運行計画の変更を運転整理と呼ぶ。

運転整理を円滑に実施するための技術として、例えば特許文献１の運行管理システムが挙げられる。特許文献１では、制御対象となる列車と後方にある列車の遅延時間をもとに制御対象列車の最適な停車時間の調整幅を決定して、出発時機を与えることによって遅延を早期に回復する技術が記載されている。

特開平５−７７７３４号

運行管理システムは、列車の情報、ダイヤ等に基づき列車運行の支障を回避することのできる運転整理（時隔調整等）案を決定する。そして、決定内容を列車運行ダイヤに反映し、反映されたダイヤに基づいて列車を制御する。ダイヤ乱れにより先行列車との間隔が開いた列車の運転士は、できるだけダイヤの乱れを回復するように列車を運転する。

しかし、特許文献１のように従来技術では、ダイヤ乱れを挽回する時の列車の運転は、個々の運転士が通常時とは異なるダイヤ、通常時とは異なる走行パターンで運行するため、複数の列車が同時に力行等されることによって電線電圧が低下してしまう場合がある。
その結果、き電線の電圧低下により加速性能が低下し、ダイヤの回復には時間が掛かってしまっていた。すなわち、き電線電圧の低下によりダイヤの回復が遅れるという課題があった。

本発明は上記課題に鑑み、ダイヤが乱れた際にき電線電圧の低下を抑制し、き電線電圧低下に伴う列車の加速性能低下を抑制することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明による電力需給システムは、地上に設置された電力貯蔵装置と、前記電力貯蔵装置とき電線との間に接続し、該電力貯蔵装置からき電線への放電及びき電線から該電力貯蔵装置への充電をする電力変換器と、前記電力変換器へ制御信号を出力し、前記電力変換装置の充放電を制御する充放電制御装置と、を有する電力需給システムにおいて、前記充放電制御装置は、将来の各列車の運行状態が予測された予測ダイヤを取得し、前記予測ダイヤに基づいて運行に遅延が発生している列車を求め、当該遅延している列車が加速するタイミングに合わせて前記電力貯蔵装置からき電線へ放電するように前記電力変換器を制御することを特徴とする。

本発明を用いることによって、ダイヤが乱れた際に、き電線電圧の低下を抑制することができ、き電線電圧低下に伴う列車の加速性能低下を抑制できる。その結果、遅延回復が迅速に行われ、ダイヤ乱れの早期復旧につながる。

第１の実施形態の鉄道向け電力需給システムを含む鉄道システム 第１の実施形態のダイヤのデータフォーマットの例。 第１の実施形態の負荷予測部、充放電制御部のフローチャート。 第１の実施形態の充放電制御の動作マップ 第１の実施形態の列車速度‐トルクの関係 第１の実施形態の制御未適用時のダイヤスジ 第１の実施形態の制御適用時の動作例 第１の実施形態の制御適用時のダイヤスジ 第２の実施形態の負荷予測部、充放電制御部のフローチャート。 第２の実施形態の充放電制御の動作マップ 第３の実施形態の負荷予測部、充放電制御部のフローチャート。 第３の実施形態の制御適用時の動作例 第４の実施形態の負荷予測部、充放電制御部のフローチャート。 第４の実施形態の制御適用時の動作例 第５の実施形態の鉄道向け電力需給システムを含む鉄道システム 第５の実施形態の制御未適用時のダイヤスジ及び電力消費量 第５の実施形態の制御適用時のダイヤスジ及び電力消費量

本発明による電力需給システムの実施の形態を、図面を参照して説明する。

図１は本発明による電力需給システムを含む鉄道システムである。２は列車の運行を管理する運行管理システム、１は運行管理システムと連携する電力需給システムである。

まず、電力系統について説明する。交流系統３から変電所４の変圧器４１，整流器４２を介してき電線６とレール７の間に、例えば１５００［Ｖ］の直流電力を列車５に供給する。以下、き電線６とレール７を、単に、き電線６，７と呼ぶ。き電線６，７に、バッテリ１４を充放電する電力需給システム１が接続されている。

続いて、運行管理システム２について説明する。運行管理システム２は、ダイヤ管理部２１、過去ダイヤＤＢ２２、客扱い時間推定部２３、予測ダイヤ計算部２４、画面表示部２５を備えている。運行管理システム２０は、列車の運行計画にあたる計画ダイヤ、及び列車の現在の位置である列車在線位置を外部からの入力として受取り、計画ダイヤと列車の現在の位置とのズレを監視し、必要に応じて列車や現場設備に列車運行指示を行うことで、列車の運行を制御するシステムである。

ダイヤ管理部２１は、計画ダイヤ、列車在線位置に基づき列車に対して運行指示を送るとともに、計画に対して列車が遅延した場合にはその変化を予測ダイヤ計算部２４に伝達し、その変化に対応したダイヤ変更を元に列車運行指示を修正する。ここでダイヤ管理部２１が扱うダイヤの種類とそのデータフォーマットについて説明する。

ダイヤの種類は、計画ダイヤ、実績ダイヤ、予測ダイヤの３種類を備える。計画ダイヤは、運行管理システム外部から与えられ、列車運行計画に基づくダイヤである。障害による遅延等の乱れが発生していない通常時は、基本的にこの計画ダイヤに従って列車は運行する。実績ダイヤは、列車の走行実績である列車在線位置を元にダイヤのデータフォーマットに変換したものである。予測ダイヤは、実績ダイヤを元に現時刻以降の列車運行を予測したダイヤである。

次にダイヤのデータフォーマットについて説明する。図２は本発明で用いるデータフォーマットの例である。ダイヤフォーマット２００は、計画、実績、予測ダイヤで共通であるとする（項目の有無は異なっていてもよい）。ダイヤフォーマット２００は縦方向に進行方向順の通番をとり、列車ごと、進行方向順に、駅の到着時刻、出発時刻を持つ。それぞれの列車を識別するために列車番号２０１を含む。また列車に通過駅が存在する場合には、当該駅の到着、出発時刻を持たなくてもよく（図２の列車番号Ａ７０２のＣ駅の例「−」で表現）、代わりに通過時刻を持ってもよい。また、フォーマット２０２に示すように駅以外の速度変化や停止を表現するために、駅中間での位置とそれに対応する時刻を持つ。図の例では、フォーマット２０２、列車番号Ａ７０１の列車がＢ駅から１．０［ｋｍ］地点で停止が発生したことを表現している。データフォーマット２００の通番に添え字を与える形でフォーマット２０２は通番を持っている。本発明では、フォーマット２０２に示すような駅中間での位置、時刻を表現することで、駅中間の列車状態を把握、推定することが可能となる。

再び図１に戻りデータの流れについて説明する。過去ダイヤＤＢ２２は、ダイヤ管理部２１が管理する実績ダイヤを蓄積したものである。客扱い時間推定部２３は、実績ダイヤ（駅、方面、日付、時刻、先行列車との時隔等）と前記過去の実績ダイヤ情報を突き合わせ、駅での客扱い時間を推定する。ダイヤ管理部２１が管理する計画ダイヤ、実績ダイヤは予測ダイヤ計算部２４の入力として与える。予測ダイヤ計算部２４は、実績ダイヤと客扱い時間を考慮した予測ダイヤを作成する。また、予測ダイヤ計算部２４は、作成した予測ダイヤを電力需給システム１に伝送する。画面表示部２５は、各種ダイヤを提示する。
ダイヤ乱れ時には、図示しないオペレータが、画面表示部２５を見ながら、必要に応じて運転整理の対策案を指示する。

運行管理システム２では、列車在線位置がダイヤ管理部の入力となっており、ダイヤ管理部が実績ダイヤを生成しているが、実績ダイヤが外部装置により生成され列車在線位置とともに入力情報として与えてもよい。また列車運行指示は、列車を制御する設備により異なってもよい。列車制御設備が自動進路制御機能を備えている場合にはダイヤ自体を運行指示とすればよい。ダイヤ管理部が、信号機、転てつ器等の地上設備を制御する連動装置と接続する場合には、列車の進路が列車運行指示となる。また、直接列車に対する指示が可能な場合には、運転の抑止や走行速度等の指示を含めてもよい。

次に、電力需給システム１について説明する。電力需給システム１は、充放電制御装置１６、バッテリ１４、電力変換装置１５から成る。また、充放電制御装置１６には演算処理部１７と、記憶部１８が備えられ、演算処理部１７が実行するプログラムとして負荷予測部１２，充放電制御部１３、を有し、記憶部１８には、列車走行パタンＤＢ１１、加速性能ＤＢが記憶される。負荷予測部１２は、運行管理システム２で算出された予測ダイヤ及び列車走行パタンに基づき，直流系統に掛かる負荷とその負荷がどの列車によって発生しているかを推定する。充放電制御部１３は、詳細は後述するが、上記負荷情報及びバッテリ電圧、充放電電流、き電線電圧に基づき、電力変換装置１５のゲート信号を制御してバッテリ１４を充電あるいは放電する。なお、本実施例では、電力貯蔵装置としてバッテリ１４を用いているが、キャパシタ等の他の電力貯蔵装置を用いてもよい。

続いて、図３を用いて、負荷予測部１２、充放電制御部１３のフローチャートを説明する。Ｓ３０１では、負荷予測部１２が、列車走行パタンと運行管理システム２が算出した予測ダイヤに基づいて、直流系統に掛かる負荷とその負荷がどの列車に起因するかを推定する。列車走行パタンＤＢには、駅間における列車の加減速を含む走行パタンが記憶されており、各列車の予測ダイヤに走行パタンを当てはめることによって直流系統に掛かる負荷とその負荷がどの列車に起因するかを推定することができる。なお、ダイヤ乱れ時の走行パタンは平常時とは異なるため、ダイヤ乱れを回復する時の走行パタンを用いると負荷の予測精度が向上する。続いて、Ｓ３０２にて、ダイヤが乱れているかどうかを判断する。ＹＥＳの場合はＳ３０３に，ＮＯの場合はＳ３０４に進む。Ｓ３０３では、図４（ｂ）に示すダイヤ乱れ時の動作マップを基に、Ｓ３０４では、図４（ａ）に示す平常時の動作マップを基に、充放電制御部１３が電力変換装置１５を制御する。

続いて、図４の充放電制御の動作マップを説明する。この動作マップは図１の記憶部１８に記憶されている。図４（ａ）はダイヤ平常時の動作マップ，図４（ｂ）は、ダイヤ乱れ時の動作マップである。まず、図４（ａ）を用いてダイヤ平常時の動作マップを説明する。縦軸はき電線電圧Ｖｓ、横軸はバッテリ１４の充電率ＳＯＣである。電力充電運転開始電圧Ｖａｂｓ、及び、電力放電運転開始電圧Ｖｄｉｓｃは、運転条件を判定する閾値である。ＳＯＣｒｅｆはバッテリ１４の充電率の指令値、充電率ＳＯＣと充電率指令値ＳＯＣｒｅｆの偏差の基準値ΔＳＯＣは図示しないＩＧＢＴのスイッチングを停止する条件である。回生車両がき電線６、７上に存在しないとき、すなわち、無負荷時の整流器４２の出力電圧をＶｓｓ０とする。

本例では、き電線電圧Ｖｓが電力充電運転開始電圧Ｖａｂｓより大きい場合には、バッテリ１４の充電を行う。き電線電圧Ｖｓが電力放電運転開始電圧Ｖｄｉｓｃより小さい場合には、バッテリ１４の放電を行う。こうすることで、複数車両の同時回生などでき電線電圧Ｖｓが増加した時に、バッテリを充電することになり，従来は有効活用されていなかった電力を吸収できる。さらに、複数車両の同時力行などでき電線電圧Ｖｓが低下した時に、バッテリを放電することになり，回生電力を再利用することができる。

き電線電圧Ｖｓが電力充電運転開始電圧Ｖａｂｓ以下且つ電力放電運転開始電圧Ｖｄｉｓｃ以上の場合には、バッテリ１４の充電率制御を行う。充電率制御では、バッテリ１４の充電率ＳＯＣが充電率指令値ＳＯＣｒｅｆに一致するように、充放電制御を行う。すなわち、この領域では、バッテリ１４の充電率ＳＯＣが充電率指令値ＳＯＣｒｅｆより大きい場合には放電を行い、バッテリ１４の充電率ＳＯＣが充電率指令値ＳＯＣｒｅｆより小さい場合には充電を行う。

また、充電率制御において、バッテリ１４の充電率ＳＯＣと充電率指令値ＳＯＣｒｅｆの偏差の絶対値が基準値ΔＳＯＣより小さい場合には、図示しないＩＧＢＴのスイッチングを停止し、充放電を行わない。これをサプレス制御と呼ぶ。それにより、電力変換装置１５の待機時損失を低減することができる。

電力充電運転開始電圧Ｖａｂｓは無負荷時の整流器４２の出力電圧Ｖｓｓ０より高い値に設定する。もし、電力充電運転開始電圧Ｖａｂｓを、無負荷時の整流器４２の出力電圧Ｖｓｓ０より低い値に設定してしまうと、回生車両５が、き電線６、７上に存在しないときでも、整流器４２を介して交流系統３からバッテリ１４へ電力が吸収され、バッテリ１４を充電してしまう。電力充電運転開始電圧Ｖａｂｓを無負荷時の整流器４２の出力電圧Ｖｓｓ０より高くすることにより、き電線６、７上に回生電力が発生しているときのみバッテリ１４の充電が行われる。逆に、電力充電運転開始電圧Ｖａｂｓが高すぎると回生電力の吸収が遅れる。すなわち、電力充電運転開始電圧Ｖａｂｓは、無負荷時の整流器４２の出力電圧Ｖｓｓ０より数十［Ｖ］高い電圧に設定するのが望ましい。なお，本例ではＶａｂｓをＳＯＣに対して一定の例を示しているが，変化させてもよい。例えば、ＳＯＣが所定値以上で、Ｖａｂｓが高くなるように設定すると、ＳＯＣが大きくなった時に充電を開始する電圧が高くなり、バッテリ１４の過充電を防ぐことが可能である。

電力放電運転開始電圧Ｖｄｉｓｃは、無負荷時の整流器４２の出力電圧Ｖｓｓ０より低い値に設定する。このように設定することで、き電線６、７上に電力が不足したときのみバッテリ１４の放電が行われる。電力放電運転開始電圧Ｖｄｉｓｃが低すぎると、き電線電圧の低下を抑制する効果が十分に得られない。すなわち、電力放電運転開始電圧Ｖｄｉｓｃは、無負荷時の整流器４２の出力電圧Ｖｓｓ０より数十［Ｖ］低い値に設定する。なお，本例ではＶｄｉｓｃをＳＯＣに対して一定の例を示しているが，変化させてもよい。
例えば、ＳＯＣが所定値以下で、Ｖｄｉｓｃが低くなるように設定すると、ＳＯＣが小さくなった時に放電を開始する電圧が低くなる。すなわち、ＳＯＣが小さい場合はバッテリ１４の過放電を防ぐことが可能である。

図４（ａ）の例では、充電率指令値ＳＯＣｒｅｆは５０％よりも低い値に設定されている。これは、バッテリ１４によって多量の回生電力を吸収することを重視している場合である。しかし、充電率指令値ＳＯＣｒｅｆが低すぎると、き電線の不足電圧の補充を確実に行うことができないため、充電率指令値ＳＯＣｒｅｆは１０％〜４０％程度とするのが望ましい。上記はバッテリ１４で回生電力を吸収することを重視しているが、バッテリ１４によって回生電力を吸収することよりも、き電線６、７上に不足電力を供給することを重視し、充電率指令値ＳＯＣｒｅｆは５０％よりも高い値に設定してもよい。

偏差の基準値ΔＳＯＣは、小さすぎるとスイッチングを停止する状態が長く続かないため、待機時損失の低減効果が減る。一方で、偏差の基準値ΔＳＯＣが大きすぎると充電率制御を実施できる範囲が低下し、バッテリの利用率向上に支障が出る。従って、偏差の基準値ΔＳＯＣは満充電を１００％とすると数％程度にするべきである。本例ではサプレスする領域を、充電率指令値ＳＯＣｒｅｆ±ΔＳＯＣ以内としているが、非対称でも良い。

続いて、図４（ｂ）を用いてダイヤ乱れ時の充放電制御の動作マップを説明する。基本的な動作はダイヤ平常時と同じであるが、図３のＳ３０１で推定した負荷が何に起因しているかに基づき，遅延している車両の力行時のみＶｄｉｓｃを維持するように放電制御を行う。ここで遅延している車両は、運行管理システム２が有する各列車の計画ダイヤと予測ダイヤとの差分を求めて、差分が一定値以上ある車両を遅延している車両として求めることができる。それ以外の車両の力行の時は放電を禁止する。これにより，ダイヤ乱れを挽回しようとしている車両の力行時に、確実にき電線電圧の低下を抑制でき，ダイヤ乱れの車両が加速する時に、バッテリ１４の充電量が足りず、き電線電圧の低下を抑制できないといった状況を回避することができる。

続いて、図１の加速性能ＤＢ１９に記憶される、き電線電圧の低下を抑制した時の車両の加速性能への影響について，図５を用いて説明する。図５は、横軸に列車の速度，縦軸に列車のトルクを取ったグラフである。モータは一般に、速度がＶ１以下のトルクが一定の領域（以下、定トルク領域）、速度がＶ１以上Ｖ２以下の電力が一定の領域（以下、定電力領域）、速度がＶ２以上の特性領域の３つの領域を持つ。き電線電圧を上昇させるとＶ１の速度が上昇し、加速性能を向上させることができる。すなわち，本制御により，ダイヤ乱れを挽回しようとしている車両の力行時にき電線電圧の低下を抑制することで、列車の加速性能の低下を抑制することができ，ダイヤ乱れを早く収束させることができる。
加速性能ＤＢ１９には、複数の車両ごとに図５に示す加速性能が記憶される。

続いて、図６を用いて本制御を適用しない時のダイヤスジを説明する。図６の縦軸は路線における位置を表しており，横軸は時刻を表している。凡例は、細い実線が計画ダイヤ，太い実線が実績ダイヤ，破線が予測ダイヤを表わしている。現時刻は７：０９である。
時刻７：０１に、Ｏ駅に停車中の列車Ａ７０１にトラブルが発生し、Ａ７０１が予定時刻７：０１よりも少し遅れて発車した。その結果，Ａ７０１は計画ダイヤから４分遅れて７：０９分にＡ駅に到着した。客扱い時間推定部２３は、実績ダイヤより，列車の駅、方面、日付、時刻、先行列車との時隔を読み込み、過去のダイヤデータと照らし合わせて、客扱い時間を予測する。ここでは、４分遅れた分，Ａ駅でＡ７０１に乗車する乗客が多くなり，その結果，客扱い時間が平常時よりも長くなると推定する。Ｂ駅に到着する時刻がさらに遅れ，客扱い時間がさらに長くなる。このように、Ａ７０１で発生した少しの遅れが波及し、拡大していくことで、後続列車Ａ７０２，Ａ７０３・・へダイヤ乱れが波及すると予測される。これに対し、特許文献１では，列車運行の支障を回避することのできる運転整理（時隔調整等）を実施していた。運転士は、上記運転整理に基づきできるだけダイヤの乱れを回復するように列車が最速となるように運転していた。しかし、ダイヤが乱れた列車の運転は、運転士にのみ任されているため、各列車の力行などでき電線電圧が低下する場合、電圧低下により加速性能が低下し、その結果ダイヤの回復には時間が掛かるという課題があった。

続いて、図７、８を用いて、上記課題に対する本制御を適用した場合の効果を説明する。図７は，本制御を適用した場合の動作例である。但し、図７では簡易のため、図４に示す電力放電運転開始電圧Ｖｄｉｓｃと電力充電運転開始電圧Ｖａｂｓとが同じ値に設定されているとして説明する（すなわち、充電率制御は考えない。）。図７は、横軸が時間、縦軸が速度、き電線電圧，充放電指令，バッテリ１４のＳＯＣである。下り線でダイヤ乱れが発生しているが、上り線ではダイヤが乱れていない状況である。図３のフローチャートより，上り線、下り線ともに図４−ｂに示すダイヤ乱れ時の充放電制御が適用される。
図４−ｂの充放電制御より、時刻Ａ〜Ｂのように、電力需給システム１は，平常ダイヤで走っている列車ａの力行でき電線電圧が低下してもバッテリ１４を放電しない。続いて、時刻Ｃで、列車ａが回生ブレーキを開始している。回生ブレーキによるき電線電圧上昇に基づき、電力需給システム１は，電圧制御（充電）を行いバッテリ１４に充電している。
時刻Ｄ〜Ｅでは、ダイヤが乱れている列車Ａが力行を開始しているが、列車ａの回生電力の方が列車Ａの力行電力よりも大きいので、電力需給システム１は，電圧制御（充電）を継続している。時刻Ｅから、列車Ａの力行電力の方が、列車ａの回生電力よりも大きくなり，き電線電圧が低下する。よって、時刻Ｅ以降では、電力需給システム１が、き電線電圧低下に対して電圧制御（放電）を行い、き電線電圧の低下を抑制している。時刻Ｆ以降、本制御を適用しない車両は、図５の低電圧のトルク特性であるため，加速が遅くなっている。一方，本制御を適用した車両は，放電制御によりき電線電圧の低下を抑制し、列車の加速性能の低下を抑制している。よって，図７のように駅間の走行時分を短縮することが可能で，ダイヤ乱れを早く収束させることができる。時刻Ｈから、列車Ａは回生ブレーキを掛け始める。これに伴い，き電線電圧が上昇するので，電力需給システム１は，電圧制御（充電）に制御を切り替え、バッテリ１４に列車Ａの回生電力を充電する。

図８は、本制御を適用した時のダイヤスジである。ダイヤから遅れた列車Ａ７０１の加速時に、電力需給システム１が、バッテリ１４を放電し、き電線電圧の低下を抑制しているため、列車Ａ７０１の加速性能の低下を抑制して、走行時分が短縮している。さらに計画ダイヤに対する遅れを小さくすることができるので、客扱い時間も短くなるという効果もある。以上により，本発明による電力需給システム１によって、ダイヤ乱れの波及を最小限にとどめ、ダイヤの乱れを早く収束させることができる。結果的に，ダイヤが大きく乱れた時よりも省エネにつながる。さらに，本制御を適用しない場合に比べて、駆動システムに流れる電流が小さくてすむので電流損失が減り，省エネにつながる効果も期待できる。

さらに、本制御は、ダイヤ遅れが発生していない車両に対しては、き電線電圧が低下しても、バッテリ１４を放電しないので、不要な電力消費を抑制できる。そうすることで，ダイヤ乱れの車両が加速する時に、バッテリ１４の充電量が足りず、き電線電圧の低下を抑制することができないといった状況を回避することができる。

本発明の第２の実施形態について，第１の実施形態と相違のある部分を説明する。第２の実施形態のフローチャートを図９に示す。Ｓ９０１の処理は，Ｓ３０１と同様のため省略する。Ｓ９０２では、図１０の充放電制御の動作マップを用いて，充放電制御をする。
すなわち，第２の実施例ではダイヤ乱れの有無によって動作マップを切り替えない。

続いて，充放電制御の動作マップを図１０に示す。基本的な動作は，第１の実施形態の図４（ａ）と同じである。相違点は，ダイヤが乱れている車両の力行に対する電力放電運転開始電圧Ｖｄｉｓｃ２が，電力放電運転開始電圧Ｖｄｉｓｃと無負荷時の整流器４２の出力電圧Ｖｓｓ０の間に設定されていることである。電力放電運転開始電圧Ｖｄｉｓｃは、遅延している車両以外の車両に対する電圧制御（放電）の閾値である。

第２の実施形態により，ダイヤ乱れを挽回しようとしている車両の力行時に、き電線電圧をＶｄｉｓｃ２に制御することができ、ダイヤ乱れを挽回しようとしている車両の加速性能を実施例１に比較して向上できる。その結果，走行時分の大幅な短縮と、それによる客扱い時間も短縮が期待でき，ダイヤの乱れを早く収束させることができる。

本発明の第３の実施形態について，第１の実施形態と相違のある部分を説明する。第３の実施形態のフローチャートを図１１に示す。Ｓ１１０１の処理は，Ｓ３０１と同様のため省略する。Ｓ１１０２では、充放電制御部１３が、ダイヤ乱れが発生している列車の速度を、速度パタンＤＢ及び予測ダイヤの出力を基に推定する。ただし、列車の速度は、列車から直接取得してもよく他の方法でもよい。続いて，Ｓ１１０３で、ダイヤ乱れが発生しているかどうかを判断し、ダイヤが乱れている場合はＳ１１０４に、ダイヤが乱れていない場合はＳ１１０７に進む。Ｓ１１０４では、列車の速度が、定トルク領域から定電力領域に切り替わる速度（図５のＶ１）以上かどうか判断する。なお、定トルク領域から定電力領域に切り替わる速度Ｖ１は、一定ではなくき電線電圧によって変化する。ＹＥＳの場合は、Ｓ１００６に、ＮＯの場合は、Ｓ１１０５に進む。Ｓ１１０５では、放電制御を禁止する。放電制御は許可が初期設定になっているので、Ｓ１１０５で放電制御が禁止されていない時は常に許可になっている。Ｓ１１０６では、図４−ｂのダイヤ乱れ発生時の動作マップを基に充放電制御をする。Ｓ１１０７では、図４−ａの平常時の動作マップを基に充放電制御を行う。

第３の実施形態を適用した時の動作例を、図１２を用いて説明する。図１２も図７と同様に簡易のため、電力放電運転開始電圧Ｖｄｉｓｃと電力充電運転開始電圧Ｖａｂｓとが同じ値に設定されているとして説明する（すなわち、充電率制御は考えない。）。第１の実施形態を適用した時の動作例図７と相違のある時刻Ｅ〜Ｆだけ説明する。時刻Ｅ〜Ｆ間では、き電線電圧がＶｄｉｓｃを下回っているが、Ｓ１１０４で、列車の速度が定トルク領域から定電力領域に切り替わる速度（図５のＶ１）以下だと判断し、Ｓ１１０５で放電制御を禁止する。そのため、電力需給システム１は放電制御をしない。時刻Ｆで、列車の速度がＶ１を超えたのを検知し、電力需給システム１は放電制御を開始し、き電線の電圧をＶｄｉｓｃに制御する。以降は，図７と同様のため説明を省略する。

以上のように，第３の実施形態では、ダイヤ乱れを挽回しようとしている車両の力行時でかつＶ１以上である時にのみ、バッテリ１４を放電する。本制御により、実施形態１に比べて、加速性能に影響しない時（図１２のＥ〜Ｆ）に、バッテリ１４を放電しないので、実施例１に比較して余分な電力消費を抑制することができる。また、力行時のき電線電圧の低下を抑制でき、ダイヤ乱れを挽回しようとしている車両の加速性能の低下を抑制できる。

本発明の第４の実施形態について，第１の実施形態と相違のある部分を説明する。第４の実施形態の電力需給システム１のフローチャートを図１３に示す。第１の実施形態との相違点は，Ｓ１３０２〜Ｓ１３０４である。それ以外は説明を割愛する。Ｓ１３０２では、Ｓ１３０１で算出した今後の直流系統の負荷が、所定値以上かどうか判断する。ＮＯの場合は、Ｓ１３０３に進み、充電率指令値ＳＯＣｒｅｆを３０％に設定し、今後の回生電力に備える。Ｙｅｓの場合は、Ｓ１３０４に進み、充電率指令値ＳＯＣｒｅｆを７０％に設定し、今後の負荷増加に備える。なお、Ｓ１３０２では、直流系統の負荷が所定値以上かどうかで判断したが、バッテリ１４の充電率ＳＯＣで今後の直流系統の負荷を賄えるかどうかを判断してもよい。また、ＳＯＣｒｅｆの指令値は、Ｓ１３０３，１３０４でそれぞれ３０％、７０％と設定したがそれに限定しない。

第４の実施形態を適用した場合の動作例を図１４に示す。状況としては、Ａ駅、Ｂ駅の上下線でダイヤが乱れており、時刻Ａにて、運行管理システム２が、時刻Ｃで各列車が発車できると判断し，予測ダイヤを切り替えたケースである。時刻Ａで、電力需給システム１は，Ｓ１３０１、Ｓ１３０２で直流系統の負荷が所定値以上であると判断し、Ｓ１３０４で直流系統の負荷増大に備えて充電率指令値ＳＯＣｒｅｆを７０％に設定する。以上の処理により、時刻Ａより電力需給システム１は、負荷増大に備えて充電率制御でバッテリ１４に充電を開始する。時刻Ｂではバッテリ１４の充電率ＳＯＣがサプレス制御の領域に達したため、充電制御をやめている。時刻Ｃに、各列車が一斉に加速している。制御なしでは、き電線電圧が急激に低下するとともに、変電所の負荷が増加している。一方、本実施形態の制御を適用すると、電力需給システム１は、き電線電圧が下がらないようにバッテリ１４から放電するので，変電所の負荷を小さく抑えることができている。さらに、き電線電圧を制御なしに比べて高く保つことができ、ダイヤの遅れを挽回しようとしている列車の加速性能の低下を抑制できているため、ダイヤの乱れを早く収束することができる。

以上のように，電力需給システム１が、予測ダイヤに基づき将来の直流系統に掛かる負荷を予測し、充電率指令値ＳＯＣｒｅｆを変更することでバッテリ１４の容量を有効活用することができる。すなわち、ダイヤ乱れ時の同時力行のような負荷が集中する場合もき電線電圧を維持し、各列車の加速性能の低下を抑制して、ダイヤ乱れを速く収束させることができる。さらに、変電所の負担を減らすことができる。

本発明の第５の実施形態について，第１の実施形態と相違のある部分を説明する。第５の実施形態の電力需給システム１を含む鉄道システムを図１５に示す。第５の実施形態では、電力需給システム１が、列車走行パタンＤＢ１１、負荷推定部１２ではなく、電力消費推定部１５０１を備える。電力消費推定部１５０１は、運行管理システム２で推定した予測ダイヤに基づき、直流系統全体あるいは各変電所４に掛かる電力消費量を推定し、該電力消費量を運行管理システム２及び充放電制御部１３に伝送する。充放電制御部１３は、上記電力消費量及び電力供給量の最大値を表わす予測電力供給量に基づき、バッテリの放電制御を行う。運行管理システム２の予測ダイヤ計算部２４は、電力消費量を画面表示部２５に伝送する。それ以外は、第１の実施形態と同様のため説明を割愛する。

続いて、第５の実施形態の画面表示部２５の表示例を図１６に示す。１６０１は操作メニュー、１６０２はダイヤスジ及び電力消費量を表示するメイン画面表示領域、１６０３はメッセージ表示領域である。操作メニュー１６０１は、ダイヤスジの操作によってダイヤを変更する各種運転整理の操作、メイン画面表示領域１６０２の表示設定の変更の機能を備える。各種運転整理では列車の抑止、番線変更、順序変更、運休（部分運休）等、列車ダイヤを変更する機能を備える。表示設定ではダイヤスジの表示有無及び表示する種類、電力消費量の表示の有無等を備える。メイン画面表示領域１６０２は、横軸に時刻をとりダイヤスジ１６０５，１６０６，１６０７，１６０７−２，１６０７−３、及び電力消費量１６０９，１６１０，１６１１，１６１２を表示している。ダイヤスジの縦軸は駅の位置を表し、画面スクロール操作によりダイヤスジを表示する時刻、駅の区間を変更可能なものとする。電力消費量の縦軸は直流系統全体あるいはある変電所の電力消費量の総和を表す。メイン画面表示領域１６０２の直線１６０４は現在の時刻である現時刻線を表している。メイン画面表示領域１６０２の現時刻線１６０４より左側の領域が過去、右側の領域が未来であり、右側の領域のダイヤスジ及び電力消費量は予測ダイヤ計算部２４及び電力消費推定部１５０１によって算出したものである。

ダイヤスジ１６０５，１６０６，１６０７はそれぞれ計画ダイヤ、実績ダイヤ、予測ダイヤを表している。また文字列１６０８はそれぞれのダイヤに対応する列車番号及び計画ダイヤに対する電力消費量の増減分である。図１６の例では、実績ダイヤ１６０６の列車（列車番号Ａ７０１）に駅Ｏで遅延が発生し、計画ダイヤ１６０５に対してダイヤ乱れが発生した状況を表している。予測ダイヤ１６０７は実績ダイヤ１６０６のダイヤ乱れの影響を考慮して予測ダイヤ計算部２４が計算した予測ダイヤを表している。また、このときの計画ダイヤに対する電力消費量の増減を文字列１６０８に表現している（図１６の例では＋１％）。また１６０７−２，１６０７−３は１６０７で表された列車に後続する列車の予測ダイヤを表している。予測ダイヤ１６０７−２（列車番号Ａ７０２）は、先行する列車Ａ７０１の予想される遅延により、列車Ａ７０１と列車Ａ７０２の距離間隔が小さくなったことにより、駅間で停止が発生することを表現している（駅Ｂと駅Ｃの間で予測ダイヤ１６０７−２が横軸と水平となっている箇所）。これは予測ダイヤ算出にて信号・保安装置による停止、あるいは運転手による停止を考慮していることによる。また、予測ダイヤ１６０７−２は、前記と同様に距離間隔が小さくなったことによる減速を表現している（駅Ｃと駅Ｄの間で予測ダイヤ１６０７−２の傾きが変化している箇所）。予測ダイヤ１６０７−２に対応する列車番号文字列１６０８−２においても１６０８と同様に計画ダイヤに対する電力消費量の増減について表現している（図１６の例では＋１５％）。列車番号文字列１６０８−２の例のように、表示対象とする列車の中で最大の電力消費量増となる列車、あるいは設定したしきい値を超えた電力消費量増を示すものについては、列車番号文字列全体または電力消費量の増減を太字あるいは色換えすることによって、他の列車と区別する。当該列車を他の列車と区別することによって、画面表示部２５を用いて運転整理を行う指令員に対して当該列車あるいは当該列車に影響を与える列車の運転整理が必要であること示唆することが可能となる。予測ダイヤ１６０７−３、列車番号文字列１６０８−３はさらに後続の列車Ａ７０３の予測ダイヤ及び電力消費量を表している。電力消費量１６０９，１６１０，１６１１，１６１２は、それぞれ計画電力消費量、実績電力消費量、予測電力供給量、予測電力消費量の時間変化を表している。計画電力消費量１６０９、実績電力消費量１６１０、予測電力消費量１６１２は、それぞれ計画ダイヤ、実績ダイヤ、予測ダイヤに対応した電力消費量の区間、列車ごとの総和を一定時間幅で集計し、時系列グラフとして表現したものである。また予測電力供給量１６１１は、直流系統全体あるいは変電所４が供給可能な電力の最大値を示している。ただし、予測電力供給量は、電力会社との契約電力値としてもよい。図１６の例では予測電力消費量１６１２が予測電力供給量１６１１を上回る状況を示唆している。図１６ではこの状況が発生し、列車運行が困難となる時間帯を示しており、この表示によって指令員は運転整理が必要となる時間帯、列車を特定可能となる。メッセージ領域１６０３は、予測により電力消費量が増加し、指令員の操作によって電力消費量を低減する操作を促すメッセージを表示している。前述の例と同様、指令員は運転整理が必要であることが認識できる。画面表示部２５ではダイヤスジ、電力消費量、メッセージを同一画面上に表示しているが、いずれか一つ及びその組合せを表示する形態をとってもよい。図１７は、図１６の状況に対して指令員により運転整理が実施され、さらに、電力需給システム１でバッテリを放電しようとしている時の画面表示部２５の例を示している。図１７では例えば列車番号Ａ７００に対して駅Ｄで延発（出発時刻の意図的な遅延）を指示した例である。メイン画面表示領域１７０２は運転整理後のダイヤスジ及び電力消費量を表示する。１７０６は列車番号Ａ７００の運転整理後の予測ダイヤを表し、駅Ｄでの延発を表現している。画面表示部２５は、この運転整理操作による後続列車の予測ダイヤを再計算し表示する。１７０７， １７０７−２， １７０７−３は、運転整理後の各列車の予測ダイヤを表している。図１７の例では、列車番号Ａ７０１の駅Ｄでの遅延の解消（１７０７）、列車番号Ａ７０２の駅Ｃ−Ｄ間での減速の解消（１７０７−２）、列車番号Ａ７０３の駅Ｂ−Ｃ間での減速の解消（１７０７−３）を予測しており、またその予測ダイヤに基づく電力消費量増分の変化（例えば文字列１７０８）を表示する。また電力消費量の総和についても更新する。１３１２は運転整理後の予測電力消費量の時間変化、１７１１は予測電力供給量の時間変化を表している。図１７の例では電力需給システム１の充放電管理部１３が、このままでは予測電力量が電力消費量１を超えてしまうと判断し、７：１５よりバッテリ１４を放電し、予測電力供給量１７１１を増加することを予告している。以上のように、図１７は運行管理システム２と電力需給システム１が連携して電力消費量が電力供給量を下回るようになっている。またメッセージ表示領域１７０３では、電力消費量が低下し供給量を下回ったため指令員に対するメッセージ表示（図１７の１７０３の例）を非表示にしている。

以上に示したように、画面表示部２５が運転整理前後の電力消費量を表示することにより、本発明の列車運行管理システム１は、指令員に対して電力消費量を低減する運転整理を促す効果を有している。さらに、充放電制御部１３が、電力消費量及び予測電力供給量に基づきバッテリを放電制御することで、電力供給量を一時的に増加させることが可能となり、本発明の電力需給システム２は、電力消費量を電力供給量以下に抑える効果が期待できる。なお、本実施例では電力需給システムは１つを想定して記載したが、複数あってもよい。 また、実施例１〜５では、電力需給システム１内に負荷予測部１２、または、電力消費推定部１５０１を設ける例を示したが、これらを運行管理システム２内に設けることもできる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。
例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、ＳＳＤ（Solid State Drive）等の記録装置、または、ＩＣカード、ＳＤカード、ＤＶＤ等の記録媒体に置くことができる。
また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。

１…電力需給システム，２…運行管理システム，３…交流系統，４…変電所，５…列車，６…き電線，７…レール，１１…列車走行パタンＤＢ，１２…負荷予測部，１３…充放電制御部，１４…バッテリ，１５…電力変換装置，１６…充放電制御部，１７…演算処理部，１８…記憶部，１９…加速性能ＤＢ，２１…ダイヤ管理部，２２…過去ダイヤＤＢ，２３…客扱い時間推定部，２４…予測ダイヤ計算部，２５…画面表示部，４１…変圧器，４２…整流器，２００…ダイヤフォーマット，２０１…列車番号，２０２…駅以外の速度変化や停止を表現するダイヤフォーマット，１５０１…電力消費推定部，１６０１…操作メニュー、１６０２…ダイヤスジ及び電力消費量を表示するメイン画面表示領域，１６０３…メッセージ表示領域，１６０４…画面表示部の現在の時刻，１６０５，１６０６，１６０７，１６０７−２，１６０７−３，１７０６，１７０７…ダイヤスジ，１６０８，１７０８…列車番号文字列とその列車の計画ダイヤに対する電力消費量の増減，１６０９…計画電力消費量，１６１０…実績電力消費量，１６１１，１７１１…予測電力供給量，１６１２，１７１２…予測電力消費量

Claims (9)

1. 地上に設置された電力貯蔵装置と、前記電力貯蔵装置とき電線との間に接続し、該電力貯蔵装置からき電線への放電及びき電線から該電力貯蔵装置への充電をする電力変換装置と、前記電力変換装置へ制御信号を出力し、前記電力変換装置の充放電を制御する充放電制御装置と、を有する電力需給システムにおいて、
   前記充放電制御装置は、将来の各列車の運行状態が予測された予測ダイヤを取得し、前記予測ダイヤに基づいて運行に遅延が発生している列車を求め、当該遅延している列車が加速するタイミングに合わせて前記電力貯蔵装置からき電線へ放電するように前記電力変換装置を制御することを特徴とする電力需給システム。
2. 前記充放電制御装置は、駅間における列車の走行パターンが記憶された走行パターンDBを有し、前記予測ダイヤと前記走行パターンDBから、遅延が発生している列車の加速する
   タイミングを予測し、当該予測したタイミングに基づいて、前記電力貯蔵装置を放電するように前記電力変換装置を制御することを特徴とする請求項１に記載の電力需給システム。
3. 前記充放電制御装置には、予め電力放電開始電圧が定められ、き電線の電圧が前記電力放電開始電圧より低いときには、前記電力貯蔵装置からき電線へ放電するように前記電力変換装置を制御するものであって、
   遅延している列車の加速時に前記電力貯蔵装置を放電させる否かを判断する際には、遅延していない列車に対する前記電力放電開始電圧よりも高い前記電力放電開始電圧を用いて判断することを特徴とする請求項１又は２に記載の電力需給システム。
4. 前記充放電制御装置は、列車の走行速度によらず列車を駆動するモータのトルクがほぼ一定である列車ごとの速度範囲を記憶する加速性能DBを有し、
   遅延している列車が加速していて、かつ、当該遅延している列車の走行速度が前記加速性能DBに記憶される前記速度範囲を超えている場合に前記電力貯蔵装置を放電するように
   前記電力変換装置を制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の電力需給システム。
5. 前記充放電制御装置は、き電線に電力を供給する系統にかかる将来の負荷を前記予測ダイヤより予測し、前記予測した負荷が所定値以上の場合に、前記電力貯蔵装置を充電して充電率を高めるよう前記電力変換装置を制御することを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載の電力需給システム。
6. 前記充放電制御装置は、き電線に電力を供給する系統にかかる将来の負荷を前記予測ダイヤより予測し、前記予測した負荷が所定値以下の場合に、前記電力貯蔵装置を放電して充電率を減少させるよう前記電力変換装置を制御することを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載の電力需給システム。
7. 前記充放電制御装置は、予め電力放電開始電圧、及び、電力充電開始電圧が定められ、き電線の電圧が前記電力放電開始電圧より低いときには、前記電力貯蔵装置からき電線へ放電するように前記電力変換装置を制御し、き電線の電圧が前記電力充電開始電圧より高いときには、き電線から前記電力貯蔵装置へ充電するように前記電力変換装置を制御するものであって、
   き電線電圧が前記電力放電開始電圧より高く、かつ、前記電力充電開始電圧より低いとき、前記電力貯蔵装置の充電率を所定の充電率指令値に一致させるように前記電力変換装置を制御することを特徴とする請求項１に記載の電力需給システム。
8. 地上に設置された電力貯蔵装置と、前記電力貯蔵装置とき電線との間に接続し、該電力貯蔵装置からき電線への放電及びき電線から該電力貯蔵装置への充電をする電力変換装置と、前記電力変換装置へ制御信号を出力し、前記電力変換装置の充放電を制御する充放電制御装置と、を有する電力供給システムにおいて、
   前記充放電制御装置は、将来の各列車の運行状態が予測された予測ダイヤを取得し、前記予測ダイヤに基づいて列車の運行に消費する電力消費量の時間変化を予測し、前記電力消費量の予測値が所定値を超える場合に、前記電力消費量の時間変化に基づき前記電力貯蔵装置を放電するように前記電力変換装置を制御することを特徴とする電力供給システム。
9. 前記所定値とは、変電所の最大電力量又は契約電力量であることを特徴とする請求項８に記載の電力需給システム。