JP6629673B2

JP6629673B2 - 電力託送制御システム

Info

Publication number: JP6629673B2
Application number: JP2016104572A
Authority: JP
Inventors: コーテットアウン; 一弘前澤; 日野　徳昭; 徳昭日野; 白石　朋史; 朋史白石; 正利吉村
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2016-05-25
Filing date: 2016-05-25
Publication date: 2020-01-15
Anticipated expiration: 2036-05-25
Also published as: JP2017211836A

Description

本発明は、電力託送制御システムに関する。

近年、エネルギーコスト低減およびＣＯ_２排出削減を目的として、再生可能エネルギーや自家発電や分散型エネルギーを組み合わせたマイクログリッドのニーズが増大し、発電・送電・配電部門を分離し、電力エネルギーの有効活用を図る電力自由化が進んでいる。特に日本国内では、電力市場の構造改革に伴い、企業が自家発電で作った電気を電力会社の送配電網を使って送る（自己託送制度）料金が安価化され、電力量の変動範囲（同時同量制度）の条件も緩和されたことで、グループ企業のように密接な関係がある組織間で、自己託送制度の活用が増えつつある。

一般に需要家で消費する電力の大部分は、電力会社又は一般電気事業者にて供給され、電力料金は主に、（１）契約種類別による基本料金と、（２）使用する電力量による電力量料金との合計により精算される。基本料金は、使用する最大の電力（ｋＷ）による固定コストである。一方で、電力量料金は、使用する電気エネルギー容量（ｋＷｈ）による変動コストである。

需要家の中でも、昼夜を通じてほぼ一定の電力を消費する特徴がある負荷を持つ需要家は、自家発電設備を持ち、基本料金や電力量料金を抑えて、安いコストで電気を使用する例もある。また、蒸気や温水などの熱利用の割合が大きい需要家（例えば化学工場プラント）は、熱電供給が可能な発電プラントを持ち、エネルギー使用の効率化を図る例もある。また、グループ企業のように密接な関係がある組織は、工場からの余剰電力分を本社や支店など複数の需要家サイトへ送電すること（以下、託送）により、組織全体の電気料金を最小化する例もある。

複数の需要家サイトを持つ発電事業者は、各サイトで電力コスト低減を目的とした最適運転計画を作成し、電力供給が足りないサイトがあった場合、他のサイトから電力融通を行っている。しかし、電力系統運用者が安定供給を維持するために、発電事業者は、事前に託送する電力量の計画を提出する必要があり、一定の期間で一定の変動幅内にすることが義務付けられている（以下、同時同量制度）。もし、発電事業者が同時同量制度を維持できなかった場合、託送料金に、負荷変動に対応した料金が加算される。需要家サイト全体でみた場合、自家発電設備を持ったとしても、電力供給コストの低減効果がほとんど得られず、全体最適化を実現することが困難である。

特許文献１には、発電事業者が、同時同量の規定を達成するために、複数の需要家サイトの変動に基づいて調整用発電設備の給電量の調整を行わなくても、各特定需要家の目標受電量の変更量を決定する方法が開示されている。

特開２００４−４０９５６号公報

特許文献１では、同時同量規定の一定期間内の変動量に関するコストの把握や電力調整用設備の制約を考慮する必要があり、現実的には全体最適化を実現することが困難であり、電力系統から受け取る電力量が計画値から外れてしまい、電力品質および系統安定度を維持するための予備力が低下することがある。

上記課題を解決するために、本発明の一態様である電力託送制御システムは、複数のサイトの夫々に接続される計算機を備える。前記複数のサイトの夫々は、電力系統に連系し、前記複数のサイトの少なくとも一つは、電源を含み、前記複数のサイトの少なくとも一つは、負荷を含み、前記計算機は、前記電源の制約条件と、前記複数のサイトの夫々の電力契約を示す契約情報とを記憶し、前記複数のサイトの夫々の電力の計画データを取得し、前記複数のサイトの夫々の電力の計測データを取得し、前記計画データと前記計測データに基づいて前記負荷による消費電力の予測データを算出し、予め設定された単位時間毎に、前記計画データと前記予測データと前記契約情報とに基づいて、前記制約条件と、前記複数のサイトの電力の運用コストを最小化するというコスト条件との下、前記電力系統を介して前記複数のサイトの間で電力を託送するための、前記電源の出力の制御データを算出するように構成されている。

電源を制御して、複数のサイトの間の電力託送を行うことにより、複数のサイトの電力の運用コストを抑えることができる。

電力託送システムの構成を示す。需要家サイト２の構成を示す。需要家サイト３の構成を示す。発電プラント出力と総運用コストの関係を示す。最適化処理を示す。電力託送制御器４０１の画面４０１ｃを示す。表示の第１の具体例を示す。表示の第２の具体例を示す。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。

図１は、電力託送システムの構成を示す。

この電力託送システムは、需要家Ａの需要家サイト２と、需要家Ｂの需要家サイト３と、電力会社又は一般電気事業者５、需要家サイト２、３の間での電力流通に関する総運用コストを最小化にする電力託送制御システム４と、を含む。需要家サイト２、３は、電力網（送配電網、電力系統）１に接続され、電力網１に対して電力の送電および受電を行うことができる。需要家Ａ、Ｂは、グループ企業等、連携するグループであり、需要家サイト２、３の電力は、共通の管理者により管理される。

電力託送制御システム４は、電力を託送する需要家サイト２に設置される電力託送制御器４０１と、託送した電力を受ける需要家サイト３に設置される電力託送制御器４０２と、電力託送制御器４０１、４０２の間に設けられる計算機４０３とを含む。計算機４０３は、記憶装置と通信装置とプロセッサとを含む。計算機４０３は、事前の需要家サイトの電力の計画データに基づいて評価された電力の固定の計画コストと、負荷変化の予測に伴う需給調整による可変の調整コストとを考慮した、最適化潮流計算を行うアルゴリズムを記憶する。各電力託送制御器４０１、４０２は、計算機であり、記憶装置と通信装置とプロセッサとを含む。各電力託送制御器４０１、４０２は、対応する需要家サイトにおいて計測された電力の計測データを取得し、計算機４０３へ送信する。計算機４０３は、当該アルゴリズムを用いて指標を計算し、指標に基づいて決定された制御データを電力託送制御器４０１、４０２へ送信する。各電力託送制御器４０１、４０２は、受信した制御データに従い、対応する需要家サイト内の電力設備の制御指令（調整指令）を生成して、対応する需要家サイトへ送信する。

図２は、需要家サイト２の構成を示す。

需要家サイト２は、短時間で出力調整が可能な発電プラント（調整可能電源）２０１と、短時間で出力調整が不可能な発電プラント（非調整可能電源）２０２と、負荷２０３と、電力制御システム２０４とを含む。電力制御システム２０４は、発電プラント２０１と発電プラント２０２と負荷２０３との夫々の電力を計測し、計測データを電力託送制御器４０１へ送信する。また、電力制御システム２０４は、電力託送制御器４０１からの指示に基づいて、発電プラント２０１、２０２を制御する。短時間で出力調整が可能な発電プラント２０１は、電力託送する際、同時同量制度を維持するために、発電プラントの蒸気圧力バルブや燃料バルブを許容範囲以内で調整することで、同時同量制度の単位時間（例えば３０分）内で発電出力の調整が可能である。発電プラント２０１は、例えばガスタービン発電機、ガスエンジン発電機、蓄電池、フライホイール等である。一方、短時間で出力調整が不可能な発電プラント２０２は、一定のベース発電出力を維持し、単位時間より長時間で出力調整が可能となる。発電プラント２０２は例えば、蒸気タービン発電機である。また、需要家サイト２は、サイト内の余剰電力を電力網１へ送電する。

図３は、需要家サイト３の構成を示す。

需要家サイト３では、消費電力調整が可能な負荷（調整可能負荷）３０１と、短時間で出力調整が不可能な発電プラント（非調整可能電源）３０２と、一般の負荷３０３と、電力制御システム３０４とを含む。電力制御システム３０４は、負荷３０１と発電プラント３０２と負荷３０３との夫々の電力を計測し、計測データを電力託送制御器４０２へ送信する。また、電力制御システム３０４は、電力託送制御器４０２からの指示に基づいて、負荷３０１と、発電プラント３０２を制御する。消費電力調整が可能な負荷３０１は、例えば、空調設備等であり、電力制御システム３０４からの調整指令に応じて、オフにしたり、出力を低下させたりする。また、需要家サイト３は、サイト内で不足する電力を電力網１から受電する。

電力制御システム２０４、３０４の夫々は、単位時間内に複数回、電力を計測する。即ち、計測の時間間隔である計測時間は、単位時間より短い。電力制御システム２０４、３０４は、夫々電力託送制御器４０１、４０２と一体であってもよい。

この構成により、計算機４０３は、上記に述べた各発電プラントや負荷の特徴を把握し、電力託送コスト、負荷変動対応の電力料金（買電コストやペナルティ料金）、および自家発電の燃料コストを含む総運用コストと、電力調整用設備の制約とを考慮した、最適化潮流計算を行うことにより、同時同量制度を維持する。ここで、計算機４０３は、発電プラントの出力の変化により変わる総運用コストを評価する。

図４は、発電プラント出力と総運用コストの関係を示す。

計算機４０３は、発電プラントｉ（ｉ＝１，…，Ｎ：Ｎは１以上の整数）の出力に対する総運用コストの関係として曲線４０３ａで表される評価関数（コスト関数）を使用する。総運用コストは、計画コストと調整コストを含む。電力託送料金を考慮していない従来の総運用コストの評価関数を用いる場合、発電プラント出力に対する総運用コストの関係は、曲線４０３ｂで表される。従来の評価関数は、同時同量制度による基本料金や託送料金を表現した評価関数ではないため、現実的には総運用コストを最小化できない。本実施例の評価関数は例えば、式（１）で表される。

この評価関数は、需要家サイトに設置されている各発電プラントの燃料コスト、電力託送コスト、自家発電以外の各買電コスト、系統運用者によるペナルティ料金等を含む総運用コストを、複数の係数（ａ_ｉ，ｂ_ｉ，ｃ_ｉ，ｄ_ｉ，ｅ_ｉ）を用いて示す。Ｐ_ｉは、発電プラントｉの出力を示す。Ｐ_ｉ ^ｍｉｎは、発電プラントｉの最小出力を示す。ａ_ｉ，ｂ_ｉ，ｃ_ｉを含む第１項は、燃料コスト等、発電プラントｉの計画を実行するコストである計画コストを示す。ｄ_ｉ，ｅ_ｉを含む第２項は、電力託送コスト、買電コスト、電力託送や買電のペナルティ料金等、負荷の消費電力の変動に対応するための調整のコストである調整コストを示す。計画コストは、出力の増大に対して２次関数で増大する。調整コストは、出力の増大に対して周期的に変動する。例えば、買電電力が、契約により定められた上限を超える場合や、託送電力量が契約により定められた変動幅を逸脱する場合、ペナルティ料金が発生する。同時同量制度により、託送電力量は、単位時間の計画値に対して所定の変動幅以内であることが要求される。変動幅は例えば、計画値の±３％である。電力託送コストは、託送するための送電線の容量、使用量、電気的距離等によって決定される。このような評価関数を用いることにより、電力託送コストやペナルティ料金等の調整コストを考慮して、発電プラントの出力を調整することができる。また、複数の需要家サイト内に設置された複数の発電プラントや負荷の電力と、連系している電力系統から購入する電力を組み合わせて評価することができる。計算機４０３は、発電プラントｉの代わりに、消費電力調整が可能な負荷を用いてもよい。

計算機４０３は、単位時間毎に、次の単位時間の評価関数を最小化するように（コスト条件）、次の単位時間の各発電プラントの出力（制御データ）を求め、電力託送制御器４０１、４０２へ指示する、最適化処理を行う。

図５は、最適化処理を示す。

計算機４０３は、需要家サイト２、３における電力の需給の計画データや、需要家Ａ、Ｂの電力契約を示す契約情報を示すモデルパラメターと、発電プラントおよび負荷の計測データとを取得する（Ｓ１１０）。ここで、計算機は、各発電プラントが出力を下げる場合と上げる場合のそれぞれの出力変化速度を制約条件とする。式（２）は、発電プラントｉの単位時間の出力低下速度の上限ＤＲ_ｉを示し、式（３）は、発電プラントｉの単位時間の出力増大速度の上限ＵＲ_ｉを示す。これにより、最適化処理は、発電プラントの出力の変化速度を考慮する。

ここで、Ｐ_ｉは現在の単位時間の発電プラントｉの出力であり、Ｐ_ｉ ^０は前回の単位時間の発電プラントｉの出力である。このように、計算機４０３は、発電プラントｉの出力の変化速度を制約条件として用いることにより、同時同量制度の要求を満たす調整を行うことができる。

また、計算機４０３は、各発電プラントにより調整可能な電力の上下限、また電力会社との契約にて決めている買電電力や託送電力の上下限を考慮し、最適化計算の制約条件とする。式（４）は、発電プラントｉの調整可能な電力の下限Ｐ_{ｉ（ｍｉｎ）}と上限Ｐ_{ｉ（ｍａｘ）}とを示す。

計算機４０３は、負荷について、負荷の消費電力の時間変化の予測データを示す負荷変化データを取得する。負荷変化データは、単位時間内の複数のサンプルを含む。即ち、負荷変化データのサンプリング周期は、単位時間より短い。計算機４０３は、計測データ、天気予報、負荷の計画等に基づいて、負荷変化データを予測してもよい。他の装置が負荷変化データを予測してもよい。計算機４０３は、単位時間より短い時間間隔を持つ負荷変化データを用いることで、単位時間より速い速度で発電プラントの出力を調整することができる。

その後、計算機４０３は、調整可能な負荷を所有するサイトに対して、稼動している調整可能な負荷の容量により制約条件を変更する（Ｓ１２０）。そして、計算機４０３は、需給バランスを用いてそれぞれの発電プラントｉから調達する電力を潮流計算で算出する（Ｓ１３０）。式（５）は、需給バランスを示す。

ここで、Ｐ_Ｄｊは、各負荷ｊ（ｊ＝１，…，Ｍ：Ｍは１以上の整数）の容量を示し、Ｐ_Ｌは、託送による電力のロスを示す。

計算機は、潮流計算結果に基づいて、需要家サイト間の託送電力を算出する（Ｓ１４０）。その後、計算機は、収束条件を満たすか否かの判定を行い、収束条件を満たす場合は、このフローを終了し、そうでない場合は、託送電力を変更し（Ｓ１６０）、Ｓ１２０へ戻る。ここで、計算機は、同時同量制度の単位時間より短い時間内で収束させるように反復計算を行うことで、最適な託送電力を決定する。

電力託送制御器４０１は、表示装置と、入力装置と、記憶装置と、演算装置とを含む。表示装置は、画面を表示する。入力装置は、ユーザからの入力を受け付ける。記憶装置は、制御プログラムおよび制御データを記憶する。演算装置は、記憶装置に格納された制御プログラムおよび制御データに基づいて、電力制御システム２０４、３０４を制御する。この構成により、電力託送制御器４０１は、発電プラントおよび負荷から電力の計測データを取得し、計算機４０３と通信し、発電プラントおよび調整可能負荷へ制御指令を送信する。電力託送制御器４０２も電力託送制御器４０１と同様である。

図６は、電力託送制御器４０１の画面４０１ｃを示す。

表示装置により表示される画面４０１ｃは、状態表示部４０１ａと、モード選択部４０１ｂとを含む。状態表示部４０１ａは、電力託送する際に、計算条件や係数や発電量や運用コストを表示する。モード選択部４０１ｂは、入力に応じて、発電プラントの出力調整により電力託送を行う「発電電力調整モード」と、発電プラントに加えて調整可能な負荷を組み合わせて電力託送を行う「発電・負荷電力調整モード」との何れか一つのモードを示す。

図７は、表示の第１の具体例を示す。

この図の例において、状態表示部４０１ａは、発電プラントｉの出力と、発電プラントｉの運用コストとの関係を示す情報４０１ａａを表示する。この場合、計算機４０３は、需要家サイト間の託送料金と、電源や負荷の制約条件を考慮して、総運用コストを最小化するために、運転領域Ｄ、Ｅで出力調整のための運転を行わず、それ以外の運転領域Ａ、Ｂ、Ｃの範囲で出力調整を行う。計算機４０３は、運転領域Ｄ、Ｅで必要な電力を、別の発電プラントや電力網１によって確保する。

このような表示によれば、需要家サイト２、３の管理者は、発電プラントｉの出力の調整を確認することができる。

図８は、表示の第２の具体例を示す。

この図の例において、需要家Ａの需要家サイト２における電力託送制御器４０１は、状態表示部４０１ａに、時間変化を示す情報４０１ａｂを表示し、需要家Ｂの需要家サイト３における電力託送制御器４０２は、状態表示部４０１ａに、時間変化を示す情報４０２ａｂを表示する。情報４０１ａｂは、需要家Ａの需要家サイト２における、電力および運用コストの時間変化をリアルタイムで示す。情報４０２ａｂは、需要家Ｂの需要家サイト３における、電力および運用コストの時間変化をリアルタイムで示す。

この例において、需要家サイト３では、需要が買電契約上限（契約電力）を超えて増大することが予測されている。この場合、ペナルティ料金が発生することになる。一方、需要家サイト２では、需要に比べて発電プラントの出力に余裕がある。この場合、電力託送システムは、同時同量制御により、需要家サイト２から需要家サイト３へ電力託送を行う。ここで、計算機４０３は、単位時間の託送電力量が予め契約により決定された託送電力量に対して変動幅の範囲内になるように、託送電力を決定する。これにより、電力託送コストの増大分だけ運用コストが増大するものの、買電電力量が買電契約上限を超えることによるペナルティ料金を回避することができる。ここで、電力託送コストは、ペナルティ料金より小さい。これにより、需要家サイト２、３の運用コストの合計である運用コストを最小化できる。

計算機４０３が情報４０１ａａ、４０１ａｂ、４０１ａｃ等を、表示装置に表示させてもよい。また、計算機４０３、電力託送制御器４０１、４０２等が、発電プラントの発電電力、需要家サイトの送電電力や受電電力、負荷の消費電力、運用コスト等について、計画データ、計測データ等の時間変化を、表示装置に表示させてもよい。

このような表示によれば、需要家サイト２、３の管理者は、計算機４０３による調整を確認することができる。

本実施例によれば、複数の需要家サイトの電力の全体最適となるように発電出力調整量と電力託送量を計算し、総運用コストを低減することが可能となる。これにより、託送料金や負荷変動に対応するための電力料金と、自家発電による運用コストとのバランスを保つだけではなく、系統安定化にも貢献する。需要家サイト数が増大しても、全体最適化を実現し、総運用コストを低減することが可能となる。また、託送料金や負荷変動対応の電力料金と自家発電との運用コストのバランスを改善し、系統安定化にも貢献する。

電源は、調整可能電源、調整可能負荷等に対応する。制約条件は、式（２）〜（４）等に対応する。制御装置は、電力託送制御器４０１、４０２、電力制御システム２０４、３０４等に対応する。

以上、本発明の実施形態を説明したが、これは本発明の説明のための例示であって、本発明の範囲を上記構成に限定する趣旨ではない。本発明は、他の種々の形態でも実施する事が可能である。

１…電力網、２、３…需要家サイト、４…電力託送制御システム、５…一般電気事業者、２０１、２０２、３０２…発電プラント、２０３、３０１、３０３…負荷、２０４、３０４…電力制御システム、４０１、４０２…電力託送制御器、４０３…計算機

Claims

複数のサイトの夫々に接続される計算機を備え、
前記複数のサイトの夫々は、電力系統に連系し、
前記複数のサイトの少なくとも一つは、電源を含み、
前記複数のサイトの少なくとも一つは、負荷を含み、
前記計算機は、
前記電源の制約条件と、前記複数のサイトの夫々の電力契約を示す契約情報とを記憶し、
前記複数のサイトの夫々の電力の計画データを取得し、
前記複数のサイトの夫々の電力の計測データを取得し、
前記計画データと前記計測データに基づいて前記負荷による消費電力の予測データを算出し、
予め設定された単位時間毎に、前記計画データと前記予測データと前記契約情報とに基づいて、前記制約条件と、前記複数のサイトの電力の運用コストを最小化するというコスト条件との下、前記電力系統を介して前記複数のサイトの間で電力を託送するための、前記電源の出力の制御データを算出する、
ように構成されている、
電力託送制御システム。
前記運用コストは、前記計画データを実行するコストである計画コストと、前記消費電力の変動に対する調整のコストである調整コストとの合計である、
請求項１に記載の電力託送制御システム。
前記制約条件は、前記電源の出力の変化速度の条件を含む、
請求項２に記載の電力託送制御システム。
前記調整コストは、前記複数のサイトの間の電力託送コストを含む、
請求項３に記載の電力託送制御システム。
前記調整コストは、前記電力契約に対するペナルティ料金を含む、
請求項４に記載の電力託送制御システム。
前記計画コストは、前記電源の出力の増大に伴って増大し、
前記調整コストは、前記電源の出力の増大に伴って周期的に変動する、
請求項５に記載の電力託送制御システム。
前記契約情報は、各サイトが前記電力系統から買電する買電電力の上限を含む、
請求項６に記載の電力託送制御システム。
前記計算機は、前記計画データと前記予測データと前記契約情報とに基づいて、前記複数のサイトの潮流計算を行うことで、前記運用コストを算出する、
請求項７に記載の電力託送制御システム。
前記計算機は、同時同量制度の単位時間より短い時間間隔を持つ前記予測データを算出する、
請求項８に記載の電力託送制御システム。
前記複数のサイトに夫々設けられる複数の制御装置を更に備え、
各制御装置は、前記計測データを取得し、前記計測データを前記計算機へ送信し、
前記計算機は、前記制御データを前記複数の制御装置へ送信し、
各制御装置は、前記制御データに基づいて対応する電源の出力を制御する、
請求項１〜９の何れか一項に記載の電力託送制御システム。
表示装置を更に備え、
前記表示装置は、前記電源の出力と前記運用コストとの関係を表示する、
請求項１〜９の何れか一項に記載の電力託送制御システム。
表示装置を更に備え、
前記表示装置は、前記電源の出力と前記運用コストとの時間変化を表示する、
請求項１〜９の何れか一項に記載の電力託送制御システム。