JP6547374B2 - 電力推定装置および電力推定方法 - Google Patents

Description

本発明は、電力推定装置および電力推定方法に関し、特に、電力系統に連系した太陽光発電装置が出力する有効電力または負荷が消費する有効電力を推定する技術に関する。

近年、配電系統に大量の太陽光発電装置が導入されている。配電系統の適切な運用のためには、太陽光発電装置が出力する有効電力並びに負荷が消費する（実負荷）有効電力を正確に把握する必要がある。

下記に示す特許文献１には、計測した負荷の有効電力と日射量，気温から、太陽光発電装置が出力する有効電力と、負荷が消費する有効電力を推定する技術が開示されている。
また下記特許文献２には、計測した負荷の有効電力と日射量から、太陽光発電装置が出力する有効電力と、負荷が消費する有効電力を推定する技術が開示されている。

これら特許文献１及び特許文献２の両者間に本質的な違いは無く、どちらも太陽光発電装置の出力が日射量に比例することから、計測した負荷の有効電力と日射量から回帰式を構築し、得られた回帰係数に日射量を乗ずることで太陽光発電装置の有効電力を推定し、さらには計測した負荷の有効電力から推定した太陽光発電装置の有効電力の差分を取ることで実負荷の有効電力を推定するものである。

両者を更に詳しく比較すれば、両者の違いの根本は実負荷の仮定の仕方にある。特許文献１では、実負荷が気温に依存することから、同時間帯の実負荷を気温によって定式化した式によって実負荷を仮定する。一方、特許文献２では、実負荷が一定となる時間帯のデータを用いることを条件に、実負荷が常に一定の定数となることを仮定しているもので、両者間に本質的な差異はなく、特許文献１において、回帰式の学習データを気温によって抽出すれば、実負荷について気温を用いずに定数として仮定する特許文献２と同義になる。

特許第５４９３８８６号公報 特許第５５０５１９１号公報

特許文献１及び特許文献２では、計測した負荷の有効電力と日射量から太陽光発電装置の発電係数を算出しているが、この値は、回帰式を構築する学習データのバラつきによって様々に変動する値になる。そのため、両特許文献の課題として適切な発電係数を推定することが必要になるものである。

本発明は、信頼性の高い太陽光発電装置の発電係数（実稼動容量）を推定し、それを用いて太陽光発電装置が出力する有効電力または負荷が消費する有効電力を従来技術よりも精度高く推定することを目的とするものである。

上記課題を解決するために本発明の電力推定装置は、電力系統に複数の太陽光発電装置及び複数の負荷が接続され、計測した電力の値と計測もしくは推定した日射量の値から太陽光発電装置が出力する有効電力又は負荷が消費する有効電力を推定する電力推定装置において、
該電力推定装置は、
１もしくは複数の電力需要家が消費する負荷の有効電力を計測する有効電力計測手段と、
１もしくは複数の日射量を計測又は推定する日射量計測・推定手段と、
前記有効電力計測手段で計測して蓄積した過去の電力需要家が消費する負荷の有効電力と前記日射量計測・推定手段で計測又は推定して蓄積した過去の日射量とから回帰式を用いて、前記太陽光発電装置の第１の実稼動容量を推定する第１の実稼動容量推定手段と、
前記第１の実稼動容量推定手段が推定した前記第１の実稼動容量の各日のバラつきを算出し、前記第１の実稼動容量推定手段が推定した複数個の第１の実稼動容量の中から所定期間内において前記バラつきの小さい日の第１の実稼動容量を複数抽出し、それらの統計値を太陽光発電装置の第２の実稼動容量として算出する第２の実稼動容量推定手段と、を備え、
前記第２の実稼動容量並びに所望の推定時点における計測負荷の有効電力及び日射量を用いて、太陽光発電装置の有効電力または実負荷の有効電力を推定する、ことを特徴とする。

また上記において、前記第２の実稼動容量推定手段は、前記第１の実稼動容量推定手段が推定した前記第１の実稼動容量の各日の標準偏差を算出する手段、および、前記第１の実稼動容量推定手段が推定した複数個の第１の実稼動容量の中から所定期間内において前記標準偏差が所定値以下である日の第１の実稼動容量を複数抽出し、それらの統計値を太陽光発電装置の前記第２の実稼動容量として算出する手段を有する、ことを特徴とする。

さらに上記のいずれかにおいて、前記第１の実稼動容量推定手段は、太陽光発電装置の有効電力と日射量の線形な関係から太陽光発電装置の第１の実稼動容量を推定する、ことを特徴とする。

上記課題を解決するために本発明の電力推定方法は、電力系統に複数の太陽光発電装置及び複数の負荷が接続され、計測した電力の値と計測もしくは推定した日射量の値から太陽光発電装置が出力する有効電力又は負荷が消費する有効電力を推定する電力推定装置における電力推定方法であって、
１もしくは複数の電力需要家が消費する負荷の有効電力を計測するステップと、
１もしくは複数の日射量を計測又は推定するステップと、
前記計測して蓄積した過去の電力需要家が消費する負荷の有効電力と前記計測又は推定して蓄積した過去の日射量とから回帰式を用いて、前記太陽光発電装置の第１の実稼動容量を推定するステップと、
推定した前記第１の実稼動容量の各日のバラつきを算出するステップと、
推定した複数個の前記第１の実稼動容量の中から所定期間内において前記バラつきの小さい日の第１の実稼動容量を複数抽出し、それらの統計値を太陽光発電装置の第２の実稼動容量として算出するステップと、
前記第２の実稼動容量並びに所望の推定時点における計測負荷の有効電力及び日射量を用いて、太陽光発電装置の有効電力または実負荷の有効電力を推定するステップと、を含むことを特徴とする。

また上記において、推定した前記第１の実稼動容量の各日のバラつきを算出するステップは、推定した前記第１の実稼動容量の各日の標準偏差を算出するステップを含み、前記第２の実稼動容量として算出するステップは、推定した複数個の前記第１の実稼動容量の中から所定期間内において前記標準偏差が所定値以下である日の第１の実稼動容量を複数抽出し、それらの統計値を太陽光発電装置の前記第２の実稼動容量として算出するステップ、を含むことを特徴とする。

さらに上記のいずれかにおいて、前記太陽光発電装置の第１の実稼動容量を推定するステップは、太陽光発電装置の有効電力と日射量の線形な関係から太陽光発電装置の第１の実稼動容量を推定するステップ、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、信頼性の高い太陽光発電装置の実稼動容量を推定して求めるので、精度良く実負荷の有効電力または太陽光発電装置の有効電力を推定することができる。

本発明の実施形態に係る配電系統の構成例を示す図である。 本発明の実施形態に係る電力推定装置の構成例を示す図である。 本発明の実施形態に係る定式化の系統構成縮約を示す図である。 本発明の実施形態に係る計測負荷の傾向並びに計測負荷と日射量の関係を示す図である。 本発明の実施形態に係る学習データによる回帰式の一例を示す図である。 本発明の実施形態に係る推定処理部による処理フローを示す図である。 本発明の実施形態に係る信頼性の高い太陽光発電実稼動容量の推定の様子を示す図である。 本発明による実負荷推定結果を真値と比較して示したグラフである。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る配電系統の構成例を示す図である。図１において本発明の実施形態に係る配電系統は、変電所１以下の配電線に、日射量計Ｉ、負荷および太陽光発電装置がつながる構成になっている。図示例で配電線は、Ａ系統、Ｂ系統に分けられているが、配電線には１もしくは複数の電力計P1，・・・,P4が設けられており、当該電力計P1，・・・,P4が計測した有効電力は定期的に電力推定装置１０に伝送される。

また日射量計Ｉによって計測された日射量も定期的に電力推定装置１０に伝送される。なお、日射量計Ｉを設置することは、本発明において必須の構成要素ではなく、日射量計Ｉが設置されていなくとも、電力推定装置１０において気象庁などが提供する日照時間を基に所定の計算式により日射量を推定しそれを用いるようにしても良い。

また、配電系統には１以上の日射量計Ｉ（図１では１つ）が設置されるとともに該日射量計Ｉによって計測された日射量が上記した複数の電力計と同様に電力推定装置１０に伝送され、電力推定装置１０において負荷が消費する有効電力および太陽光発電装置が出力する有効電力の推定に利用される。

ところで図１には太陽光発電装置が一般家庭の屋根に設置されている例が示されており、太陽光発電装置によって発電された電力は、インバータを介して交流に変換されて一般家庭で消費されるとともに発電余力が生じた場合には系統に電力を供給することも可能にされている。

また配電系統には、一般家庭だけでなく工場も接続されている。そして図示例の工場は、太陽光発電装置(発電パネル)を有さずに、工場内に設置されている、モータ、コンデンサ（リアクタンス）、一般的な電力負荷、等から成るエネルギーを消費する負荷が接続され、配電線を経て供給される電力を消費するものとして記述されている。

なお、無効電力補償装置２０は、無効電力の調整を行うもので、それ自体の機能は当業者に知られているのでその説明を省略する。
また、図１に示す配電系統の構成例は、単なる例示であり、実際は、これより多くの一般家庭、工場等が配電線に接続されることになる。

図２は、本発明の実施形態に係る電力推定装置の構成を示す図である。図２に示す本発明の電力推定装置１０は、コンピュータ等の情報を処理する汎用の装置で構成されており、当該装置には、特に図示しないが、ＣＰＵ（中央処理ユニット）、記憶装置（ハードディスク）、内部メモリ、通信機能部、入出力インタフェース、入出力装置など当業者によく知られたハードウェア構成を備えている。そして上記記憶装置には予め所定のアプリケーションプログラムが記憶されており、上記ＣＰＵが内部メモリを使用しながらこのアプリケーションプログラムを読出して実行することにより下記に記述する推定処理部１４の機能を実現する。

上記電力推定装置１０が備えるハードウェア構成の下に、入力部１１，メモリ部１２，出力部１３および推定処理部１４がバス１５により相互に接続される。
入力部１１は、電力計P1〜P4から計測された有効電力、日射量計Ｉから計測された日射量を収集する。なお、日射量は、電力推定装置１０によって推定された値でも良い。例えば、日照時間が、「直達日射量が0.12kW/m²以上」として定義されていることから、気象庁によって配信されている日照時間から日射量を推定することができる。また、気象情報・暦情報も外部装置（不図示）から収集、もしくはオペレータ（不図示）により直接入力できるものとする。

メモリ部１２は、入力部１１から入力された情報を蓄積するとともに、後述する推定処理部１４などの他の機能で処理した情報を蓄積する。
出力部１３は、装置内に設けられた上記ＣＰＵ（不図示）が予め格納されているアプリケーションプログラム（不図示）を用いて計算してメモリ部１２内に蓄積された情報を、例えば装置内のディスプレイ(不図示)に表示したり、紙にプリントアウトすることができ、更に外部（不図示）に出力することもできる。

推定処理部１４は、後述する回帰式によって太陽光発電装置の第１の実稼動容量を推定し、その結果から信頼性の高い太陽光発電装置の第２の実稼動容量を推定により求めて、実負荷（有効電力）と太陽光発電量（有効電力）の推定を行うもので、後で詳しく説明する。

なお、推定対象は、図１において電力計P1の有効電力を用いた場合は電力計P1より下流となり、電力計P2の有効電力を用いた場合は電力計P2より下流となる。
図３は、本発明の実施形態に係る配電系統における定式化の系統構成縮約を示す図である。なお本発明は、配電系統だけではなく、送電系統にも適用可能である。

図４は、本発明の実施形態に係る計測負荷の傾向並びに計測負荷と日射量の関係を示す図である。図４（ａ）は、時刻を横座標軸にとり、計測負荷を縦座標軸にとり、各時刻における計測負荷を示した図である。図４（ａ）に示すように、計測される負荷は、晴天時に太陽光発電装置の出力の影響を受けて小さくなり、降雨時に太陽光発電装置の出力の影響を受けないために大きくなる。

この関係を、潮流の有効電力（計測負荷）を縦座標軸にまた日射量を横座標軸にして、昼間のある時間帯(図４（ａ）中に矩形表示)における同時刻のデータ（計測負荷）を図４（ｂ）に示すように座標にプロットすると、日射量に応じて、すなわち、日射量が小さいときは計測負荷と実負荷とがほぼ同じになり、日射量が大きくなるに比例して計測負荷は実負荷より小さくなるグラフとなる。

このことから、過去の計測負荷の有効電力と日射量の分布を取り、以下の(１)式，(２)式に表される式にしたがって回帰式の傾きを求めることで、太陽光発電装置の実稼動容量を算出することができる。すなわち、

太陽光発電装置の実稼動容量は、太陽光発電装置の稼動率、設置方面、設置角度、エネルギー変換効率、温度モジュール効率、経年劣化を含んだ値であり、季節によってほぼ一定とみなすことができる。

また、f(temp, daytype)は、通常は次数が２次の式で表されるものであるが、気温が高い領域，低い領域など範囲を区切って次数が１次の式として定式化したり、他の気象条件、イベント情報、電気料金等の需要要因を用いて定式化することもできる。

図５は、本発明の実施形態に係る学習データによる回帰式の一例を示す図である。算出される太陽光発電装置の実稼動容量は、図示例の学習データ(１)と学習データ(２)のグループのように、学習データのバラつきによって異なる値になってしまう。

そこで、太陽光発電装置の実稼動容量は常に一定となるとみなされることから、事前に第１の実稼動容量推定手段を使って太陽光発電装置の第１の実稼動容量を推定により求め、求めた太陽光発電装置の第１の実稼動容量から、第２の実稼動容量推定手段を使って、より信頼性の高い太陽光発電装置の第２の実稼動容量をさらに推定により求める。

すなわち第１及び第２の実稼動容量推定手段を使って信頼性の高い太陽光発電装置の(第２の)実稼動容量を推定により求めておき、計測負荷の有効電力と日射量とを用いることで、次の(３)式，(４)式から太陽光発電装置の有効電力と実負荷の有効電力を推定することが可能となる。

図６は、本発明の実施形態に係る推定処理部１４による処理フローを示す図である。なお、図６においては、ステップを“S”と略記する。

ステップS１における学習データの作成では、入力された推定日までの電力需要家が消費する負荷の有効電力と日射量から回帰式の学習データを作成する。
学習データの抽出方法は、実負荷が一定となるように、時間帯、気象情報、イベント情報、電力価格、暦情報等の需要要因から推定日に類似した日を抽出する。例えば推定日の暦情報が平日、推定時間帯の気温が 25℃ と与えられた場合は、暦情報が平日、同時間帯の気温が 25℃±3℃ 以内の過去データを複数抽出する。また、学習データのサンプル数は、任意に決定できるものとする。このとき、作成した学習データの形式は、以下の表１のように示すことができる。

次にステップS２における回帰式による太陽光発電実稼動容量の算出では、上記ステップS１において作成した学習データを用いて上記した(１)式または(２)式の回帰式を用いて太陽光発電装置の第１の実稼動容量α_PVを算出する（第１の実稼動容量推定手段を使った推定）。算出した太陽光発電装置の第１の実稼動容量α_PVは、推定（算出）のつどメモリ部２内に蓄積する。つまり、整時刻毎に１日２４回推定すれば１日２４回の推定値、実負荷が一定である時間帯毎に１日５回推定すれば１日５回の推定値を求めることができる。

次にステップS３において、信頼性の高い太陽光発電装置の第２の実稼動容量の推定（第２の実稼動容量推定手段を使った推定）を行う。上記ステップS２において推定（算出）した太陽光発電装置の第１の実稼動容量α_PVには学習データのバラつきによって誤差が少なからず含まれているため、検定により妥当な実稼動容量α_PVを抽出し、稼動信頼性の高い太陽光発電装置の第２の実稼動容量Α_PVを推定（算出）する。第１の実稼動容量推定手段を使った推定した第１の実稼動容量に対して所定の演算を行う第２の実稼動容量推定手段を使って、信頼性の高い太陽光発電装置の第２の実稼動容量を推定するための手順を以下に説明する。

手順１：太陽光発電装置の第１の実稼動容量α_PVを検定し、妥当な複数個の実稼動容量α_PVを抽出する。検定方法は、a)実稼動容量α_PVのバラつきを考慮した方法、もしくは、b)妥当な実稼動容量α_PVの閾値を用いた方法を用いる。

a) 実稼動容量α_PVのバラつきを考慮した方法では、S２において推定した1日の実稼動容量α_PVの標準偏差を各日ごとに算出し、標準偏差が小さい（標準偏差が所定値以下の）日の実稼動容量α _PV を妥当な実稼動容量α_PVとして所定の期間から抽出する。

b) 実稼動容量の閾値を用いた方法では、実稼動容量の閾値（太陽光発電装置の契約容量等）を運用者が設定し、S２において推定した実稼動容量α_PVが前記閾値の範囲を満たすデータを所定の期間から抽出する。

手順２：手順１にて抽出した複数個の実稼動容量α_PVから、それらの統計値を信頼性の高い太陽光発電装置の第２の実稼動容量Α_PVとして算出する。統計値は、実稼動容量α_PVの平均値や中央値や最頻値，または気温等の因子を説明変数とした回帰式等を用いる。

図７は、太陽光発電装置の実稼動容量α_PVの検定方法として、a) 実稼動容量α_PVのバラつきを考慮した方法を用いて、本発明の実施形態に係る信頼性の高い太陽光発電装置の第２の実稼動容量の推定の様子を示す図である。図７に示すグラフの意義についてその概略を説明すると、複数の鋸歯状の波形は、上記ステップS２において推定（算出）した太陽光発電装置の実稼動容量α_PVのバラつき具合を示している。複数の波形のうち、上述したように１日の実稼動容量α_PVのバラつきが小さいデータ、すなわち鋸の歯が尖っていない、もしくは尖り方が小さい波形の１又は複数のデータを検定することで、信頼性の高い太陽光発電装置の第２の実稼動容量Α_PVを推定（算出）する。

ここで再び図６の推定処理フローに戻り、ステップS４における実負荷と太陽光発電量の推定では、推定（算出）した信頼性の高い太陽光発電装置の第２の実稼動容量Α_PV及び推定時刻の電力需要家が消費する負荷の有効電力と日射量を用いて、上記した(３)式，(４)式により実負荷と太陽光発電装置の有効電力を推定する。

なお、上記したステップS１〜ステップS３の処理を日ごとにオフラインで行い、上記したステップS４の処理をオンラインで行うことで常に安定した実負荷と太陽光発電装置の有効電力の推定を行うことができる。

図８は、本発明による実負荷推定結果を真値と比較して示したグラフである。図８では、計測周期を15分周期(１日96点)とし、電力需要家の実データを用いた年間オンライン評価を実施した際の結果である。図８に示すことから、本発明による実負荷の推定は真値に追従しており、推定精度が良好であることがわかる。

１ 変電所
１０ 電力推定装置
１１ 入力部
１２ メモリ部
１３ 出力部
１４ 推定処理部
１５ バス
２０ 無効電力補償装置
３０ 開閉器S5
Ｉ 日射量計
P1〜P4 電力計
S1〜S4 開閉器

Claims (6)

1. 電力系統に複数の太陽光発電装置及び複数の負荷が接続され、計測した電力の値と計測もしくは推定した日射量の値から太陽光発電装置が出力する有効電力又は負荷が消費する有効電力を推定する電力推定装置において、
   該電力推定装置は、
   １もしくは複数の電力需要家が消費する負荷の有効電力を計測する有効電力計測手段と、
   １もしくは複数の日射量を計測又は推定する日射量計測・推定手段と、
   前記有効電力計測手段で計測して蓄積した過去の電力需要家が消費する負荷の有効電力と前記日射量計測・推定手段で計測又は推定して蓄積した過去の日射量とから回帰式を用いて、前記太陽光発電装置の第１の実稼動容量を推定する第１の実稼動容量推定手段と、
   前記第１の実稼動容量推定手段が推定した前記第１の実稼動容量の各日のバラつきを算出し、前記第１の実稼動容量推定手段が推定した複数個の第１の実稼動容量の中から所定期間内において前記バラつきの小さい日の第１の実稼動容量を複数抽出し、それらの統計値を太陽光発電装置の第２の実稼動容量として算出する第２の実稼動容量推定手段と、を備え、
   前記第２の実稼動容量並びに所望の推定時点における計測負荷の有効電力及び日射量を用いて、太陽光発電装置の有効電力または実負荷の有効電力を推定する、
   ことを特徴とする電力推定装置。
2. 請求項１記載の電力推定装置において、
   前記第２の実稼動容量推定手段は、前記第１の実稼動容量推定手段が推定した前記第１の実稼動容量の各日の標準偏差を算出する手段、および、前記第１の実稼動容量推定手段が推定した複数個の第１の実稼動容量の中から所定期間内において前記標準偏差が所定値以下である日の第１の実稼動容量を複数抽出し、それらの統計値を太陽光発電装置の前記第２の実稼動容量として算出する手段を有する、ことを特徴とする電力推定装置。
3. 請求項１または２に記載の電力推定装置において、
   前記第１の実稼動容量推定手段は、太陽光発電装置の有効電力と日射量の線形な関係から太陽光発電装置の第１の実稼動容量を推定する、ことを特徴とする電力推定装置。
4. 電力系統に複数の太陽光発電装置及び複数の負荷が接続され、計測した電力の値と計測もしくは推定した日射量の値から太陽光発電装置が出力する有効電力又は負荷が消費する有効電力を推定する電力推定装置における電力推定方法であって、
   １もしくは複数の電力需要家が消費する負荷の有効電力を計測するステップと、
   １もしくは複数の日射量を計測又は推定するステップと、
   前記計測して蓄積した過去の電力需要家が消費する負荷の有効電力と前記計測又は推定して蓄積した過去の日射量とから回帰式を用いて、前記太陽光発電装置の第１の実稼動容量を推定するステップと、
   推定した前記第１の実稼動容量の各日のバラつきを算出するステップと、
   推定した複数個の前記第１の実稼動容量の中から所定期間内において前記バラつきの小さい日の第１の実稼動容量を複数抽出し、それらの統計値を太陽光発電装置の第２の実稼動容量として算出するステップと、
   前記第２の実稼動容量並びに所望の推定時点における計測負荷の有効電力及び日射量を用いて、太陽光発電装置の有効電力または実負荷の有効電力を推定するステップと、
   を含むことを特徴とする電力推定方法。
5. 請求項４記載の電力推定方法において、
   推定した前記第１の実稼動容量の各日のバラつきを算出するステップは、推定した前記第１の実稼動容量の各日の標準偏差を算出するステップを含み、
   前記第２の実稼動容量として算出するステップは、推定した複数個の前記第１の実稼動容量の中から所定期間内において前記標準偏差が所定値以下である日の第１の実稼動容量を複数抽出し、それらの統計値を太陽光発電装置の前記第２の実稼動容量として算出するステップ、を含むことを特徴とする電力推定方法。
6. 請求項４または５に記載の電力推定方法において、
   前記太陽光発電装置の第１の実稼動容量を推定するステップは、太陽光発電装置の有効電力と日射量の線形な関係から太陽光発電装置の第１の実稼動容量を推定するステップ、を含むことを特徴とする電力推定方法。