JP6725760B2

JP6725760B2 - 電力設備の運転計画立案装置および方法、電力設備の運転制御装置

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Publication number: JP6725760B2
Application number: JP2019526051A
Authority: JP
Inventors: 亮介中村; 勉河村; 広考高橋
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2017-06-29
Filing date: 2017-06-29
Publication date: 2020-07-22
Anticipated expiration: 2037-06-29
Also published as: JPWO2019003366A1; WO2019003366A1

Description

列車蓄電池を活用するための電力設備の運転計画立案装置および方法、作成した運転計画に基づいて電力設備を制御する電力設備の運転制御装置に関する。

鉄道会社の消費電力の６割を占める列車運行の電力コストを削減するため、回生電力の利用が進められている。その方法の１つとして、列車備え付けあるいは定置型の蓄電池を利用して回生電力を貯蔵して使用する方法がある。これに関して、回生電力を無駄なく蓄電池に充電する方法として特開２０１６−７８８００号公報（特許文献１）に記載の技術がある。この公報には、「電車が走行する路線線形及び運行ダイヤが記憶されたデータベースと、電車の路線線形及び運行ダイヤに基づいて電車の走行予測を行う予測部」を備え、「地上蓄電設備の少なくとも一方の情報及び走行予測に基づいて蓄電池の充放電計画を作成する」と記載されている。

特開２０１６−７８８００号

鉄道会社の列車運行系以外の消費電力はほぼ駅および駅ビルで消費される電力であり、運行系と同じく電力コストの削減が求められている。その１手段として、駅および駅ビルの電力コスト削減のために蓄電池を用いる手法がある。例えば、朝の電気代が安い時間帯に貯めた電力を電気代が高い時間帯に使用する、あるいは契約電力超過による基本料金増を防ぐために電力超過を防ぐためにピークカットする、等の使い方がある。しかし、各駅でこの方式を実現するためには各駅および駅ビルに蓄電池を導入しなければならず、初期導入コストが大きくなるデメリットがある。そのため、列車蓄電池を駅側からも利用して列車と併用すれば、駅専用の蓄電池を導入するための初期コストを削減できると考えられる。しかし、駅の送電系統は数駅ごとの変電所管轄区間ごとに分かれているため、列車蓄電池が列車と共に移動することで単に距離が離れるだけでなく、その区間を離れた列車とは物理的に接続がなくなるため使用できない。そのため、電車蓄電池の移動を考慮した駅電力設備の運転計画立案装置が必要となる。

特許文献１には、列車運行情報に基づいて蓄電池の充放電計画を作成する手法が示されているが、これは列車から回生電力が出力される前に蓄電池内の残量を減らすことで、回生失効を防ぐものであり、移動する列車の蓄電池を駅および駅ビルから使用するための制御方法については記載されていない。

上記課題を解決するため、本発明に係る電力設備の運転計画立案装置において、列車運行情報を入力として、列車の位置を予測する列車位置予測部と、運転計画の対象となる複数駅の選択結果と前記予測した列車の位置を用いて運転計画対象駅の列車蓄電池の各駅利用可能時刻を求める蓄電池利用可能時刻算出部と、回生電力の充放電実績データを入力として、前記列車蓄電池の利用可能量を求める列車蓄電池利用可能量算出部と、前記各駅利用可能時刻、前記利用可能量、及び駅の電力設備情報の情報を用いて、駅の電力設備の運転計画を作成する駅電力設備運転計画作成部と、を備える。

本発明によれば、移動する列車の蓄電池を駅および駅ビルから使用する電力設備の運転計画を立案することが可能。

本発明の実施例１における電力設備の運転計画立案装置１０１の構成図列車の位置を示す運行情報１０３の例列車蓄電池が存在する時刻と位置を表わす表示画面の例回生電力充放電量実績データ１０５の例各列車蓄電池の駅からの使用可能量を表わす表示画面の例本発明の実施例２における電力設備の運転計画立案装置１０１の構成図列車仕様６０１の列車速度と乗客数予測６０２の乗車率の例本発明の実施例３における電力設備の運転計画立案装置１０１の構成図本発明の実施例４における電力設備の運転計画立案装置１０１の構成図

以下、実施例を図面を用いて説明する。

図１は、本発明の電力設備の運転計画立案装置１０１の構成図の例である。電力設備の運転計画立案装置１０１は、
ネットワーク１０２を介して得られる列車運行情報１０３を入力として、列車の位置を予測する列車位置予測部１０４と、
運転計画の対象となる複数駅の選択結果１１１と列車位置予測部１０４の出力を用いて運転計画対象駅の蓄電池利用可能時刻を求める列車蓄電池利用可能時刻導出部１０７と、
回生電力充放電実績データ１０５を入力として、列車蓄電池の利用可能量を求める列車蓄電池利用可能量導出部１０６と、
列車蓄電池利用可能時刻導出部１０７の出力と列車蓄電池利用可能量導出部１０６の出力と駅電力設備情報１０８を用いて、駅電力設備運転計画１０９を求める駅電力設備運転計画作成部１１０からなる。

以下、各要素についてその詳細を示す。

列車運行情報１０３は列車の運行状況を示す情報である。図２に列車の位置を示す運行情報の例を示す。２０１〜２０３の各黒い四角が列車の位置を表わし、列車の位置が変化する毎にその位置が変化する。なお、この図面に記載したものに限定されず、列車位置がある駅からx[m]の位置にある等、各列車が路線内のどの位置にいるかを確認できる情報であればよい。また２０４に記載されているような、列車の遅延状況も含んでいる。また図には記載されていないが、事故の発生で運転を見合わせている、あるいは一部区間が運休となっている場合にはその情報も含める。

列車位置予測部１０４は列車運行情報１０３の情報を用いて、その時刻以降に電車が存在する位置を予測する。例えば各駅間を電車が走る平均速度や各駅での停車時間等の情報を用いることでその位置を決めることができる。列車が遅延していて速度を上げて走る場合には、その速度を用いて計算する。また事故が発生して、一部区間の運休等が発生している場合には区間端の駅から折り返し運転等をするといった情報を含めて列車の位置を予測する。

計画対象駅選択結果１１１は単にどの駅を計画対象とするかを示す情報である。本実施例では、簡単のため図２にも示されている駅１〜駅３のみが同一の変電所管轄区間(区間aとする)に存在するとして、これらの駅に対して計画を立案する場合を示す。

列車蓄電池利用可能時刻導出部１０７は、列車蓄電池利用可能量とその利用可能時刻を求める。列車の位置が列車位置予測部１０４で与えられるため使用可能な列車蓄電池が存在する時刻は例えば図３に示す形で与えられる。例えば列車Aの蓄電池については３０１で表わされるように１０:００〜１１:３０に区間aで使用可能なことが分かる。

回生電力充放電量実績データ１０５は、各時間帯に自他含めた各列車から発生した回生電力を蓄電池へ充電した量、および蓄電池から自他含めた各列車で使用するために放電した量を示す過去データであり、例えば図４のようなデータで表される。列車Aに対して、時間帯毎の回生電力充電量と放電量の値が示されている。なおこの図では、３０分間隔のデータを記載しているが、電力設備の運転計画を立案する時間単位に合わせて６０分間隔のように長くしても良いし、１０分等の短時間としてもよい。

列車蓄電池利用可能量導出部１０６は、回生電力充放電量実績データ１０５の情報から列車蓄電池の利用可能量を予測する。そのために、まずは図４に示したような回生電力充電量と蓄電池放電量を個別に予測する。手法としては、例えば平日や休日等の同じダイヤで運行される日の過去データを用いてその平均をとっても良いし、またはMBR(Memory Based Reasoning：記憶ベース推論)等の手法を用いて求めても良い。なお、列車に遅れがある場合には通常時と比べて発生する時刻がずれるため、その場合は前記手法にて求めた時間帯とは発生時刻をずらす等の手法により求める。なお、平均値によって求める場合には、ダイヤの乱れを考慮して発生時刻が合わないデータを除外して計算する等して精度を上げることができる。次に、得られた回生電力充電量と蓄電池放電量の情報を元に、各時刻にて各列車に対して使用可能な蓄電池量を求める。例として、図４の値が予測結果として与えられる場合について示す。また列車A,B,Cに備え付けられている蓄電池の容量は全て５０[kWh]で、１０:００以前はどの蓄電池も充電量は０[kWh]とする。このとき、充電量と放電量が分かっているため、各列車蓄電池の使用可能量は図５のように求められる。例えば５０１で示す列車Aの場合には、図４のように１０:００〜１０:３０の間に２０[kWh]の充放電があるため、使える蓄電池の使用可能量は３０[kWh]となる。その後１０:３０〜１１:３０にかけては充放電が行われないため５０[kWh]全てを使うことできる。続いて、１１:３０〜１２:００の間には１０[kWh]の充電があるため、使用可能量は４０[kWh]に減る。１２:００〜１２:３０の間はこの時間のどこかで１０[kWh]の放電があるが、この時刻のどこで行われるかまでは含んでいないため使用可能量は４０[kWh]のまま変化しない。続く１２:３０〜１３:００には手前の時刻で放電が終わり、また充放電も行われないため使用可能量は再び５０[kWh]となる。列車BとCについても同様にして求められる。

駅電力設備情報１０８は、駅の電力に関連する諸量の情報であり、例えば駅および駅ビルの電力需要や買電の購入単価などである。

駅電力設備運転計画作成部１１０は、得られた情報を元に運転計画を生成する。本実施例では最適化問題として解く場合について記載する。まず、蓄電池に関しては使用可能量と時刻が与えられているため、以下の式が記述できる。

ここでtは時刻、iは列車番号、a,bは列車蓄電池利用可能時間の始めと終わりの時刻、E_MAXは今回運転計画を立案する区間A での列車iに対する蓄電池使用可能量を、E_MAX’は各列車に対する駅からの蓄電池の使用可能量を表わす。この式は、時刻a-b間に列車iの蓄電池を使用可能とした場合について示している。時刻a,bは列車位置予測部１０４によって求められる。E_MAX’については蓄電池利用可能量導出部１０６によって求められる。

以下、運転計画の最も単純な例として、買電量および列車蓄電池への充放電量を決定する場合について、以下記載する。電力の需給制約を示す制約は以下の数２および数３で与えられる。

ここでe_buyは系統からの買電量、e_useは駅の電力需要、Eは電車iの蓄電池の蓄電残量、ΔEは電車iの蓄電池への充放電量を表わす。さらに、数１に示された蓄電池容量の制約があるため、以下数４の制約が成り立つ。

一方、目的関数は次の数５で表わされる。

ここで目的関数Jは総コストであり、αは買電単価である。なお、Jとして総CO_２排出量を採用して発電単価αの代わりに買電のCO２排出原単位を用いても良い。

以上の制約と目的関数を元に、買電量e_buy、蓄放電量ΔEを変数として最適化問題を解くことでその計画値が求められる。最適化問題の求解は従来手法として例えばMILP(Mixed Integer Linear Programming)等の解析的な手法で求めても良いし、あるいはPSO(Particle Swarm Optimization)やGA(Genetic Algorithm)といったヒューリスティック手法を用いても良い。

本実施例では簡単のために１つの区間aのみを対象とした計画立案方法について述べているが、その他区間に対しても同様に対象に含めて演算することも当然可能である。その場合は全区間に対して数４の買電コストを足し合わせたものが全体の目的関数となる。複数の区間を対象とすることで、ある区間で電車蓄電池への充電を実施し、その充電を別の区間にて放電するといった、区間をまたいだ電力設備の運用計画を立案できる。

なお運転計画は随時与えられる列車運行情報に対して、定期的に更新可能であるとし、その更新頻度も任意に設定可能である。

以上により、電車蓄電池の移動を考慮した駅電力設備の運転計画が立案可能となる。

図２は、実施例２における本発明の電力設備の運転計画立案装置１０１の構成図の例である。本実施例では、蓄電池利用可能量を列車仕様６０１と乗客数予測６０２の情報を使って求める。電車仕様６０１は、列車の重量および各駅区間における列車の速度についての情報である。図７に列車仕様６０１として列車速度を、乗客数予測６０２として乗車率を使用する場合の例を示す。速度については、最高速度または平均速度など適切なものを用いる。列車蓄電池利用可能量導出部１０６は、列車の回生電力および加速に用いられるエネルギーをこれらの値を用いて例えば以下の数６,７のように求める。

ここでMは乗客数予測によって求められる乗客の重量、mは列車の重量、vは列車の速度、ε１は回生電力を求めるための補正係数(ε１<１)、ε２は加速時の消費電力を求めるための補正係数(ε２>１)、を表わす。図６に示すように実施例１と異なり、列車蓄電池利用可能量導出部１０６は、列車位置予測部１０４のデータを入力として受け取る。列車位置予測部１０４の情報を用いることで列車の発車・停止時刻が求められるため、回生電力の発生する時刻および加速のための放電が行われる時刻が求められる。これにより、図４で示すような回生電力充電量と蓄電池放電量の時系列データが得られる。これ以外は実施例１と同様の処理をすることで駅電力設備の運転計画を立案できる。

また本実施例では、加速時の消費電力しか考慮されていないが、速度維持のための電力も、速度および摩擦係数等の値によって求めて付け加えてもよい。

以上により、蓄電池利用可能量を列車仕様６０１と乗客数予測６０２の情報を使って求め、電車蓄電池の移動を考慮した駅電力設備の運転計画が立案可能となる。

図３は、実施例３における本発明の電力設備の運転計画立案装置１０１の構成図の例である。本実施例では、列車位置予測部１０４の入力として時刻表８０１を用いる。運行情報１０３のみを用いて列車位置を予測する場合、直近の正確な予測が可能だが１日単位の長期間の運転計画を立案するには向いていない。そこで時刻表８０１の情報を用いることで、列車の位置を仮決めし、図３の使用可能な列車蓄電池が存在する時刻の情報を求める。時刻表８０１としては特殊なものではなく、一般的な時刻表を利用すればよい。これにより、長期間の電力設備の運転計画を立案できる。一方で、列車運行情報１０３としてリアルタイムの情報が与えられるため、列車の遅延や事故による運休等が発生した場合にはそれらの情報を随時利用して元々時刻表で与えられている列車位置予測を更新して、運転計画を更新する。なお、実施例１で記載したような方式で列車位置を求める時間帯と、時刻表によって求める時間帯について、その割合は可変である。

以上により、列車位置予測部１０４の入力として時刻表８０１を用いて、電車蓄電池の移動を考慮した駅電力設備の運転計画が立案可能となる。

図９は、実施例４における本発明の電力設備の運転計画立案装置１０１の構成図の例である。本実施例では、電力設備として駅のコジェネ等の発電機を含め、また熱源設備も含めた運転計画の立案方法について記載する。実施例１に対して、入力として前記各種設備についての情報である駅熱電設備情報９０１を追加する。これらは具体的には、以降の数８から数１２までの熱電設備に関係する各種係数を表わす情報である。

本実施例では、駅の発電設備も対象となることから電力の需給バランスを表わす数２は数８となる。

ここで新たに追加された変数について、jは駅に設置されている発電機の番号、e_genは駅の発電機によって生成される電力である。さらに各発電機に関して発電量とそれに伴う燃料消費量を示す式として以下の数９と数１０が成り立つ。

ここで、e_sは発電機jの定格発電量、x_genは発電機jの負荷率を表わす。またF_genは発電機jのガス消費量を、f_(j)は負荷率x_genからガス消費量を求めるための関数を表わす。関数形としては例えば負荷率に対する二次や三次の多項式や、あるいは最適化手法として線形計画で解く場合には区分線形近似等の関数で表わされる。

また熱についても考慮するため、各駅に対して駅ビルの空調等のように局地的な需給条件が存在する。その例として温熱として温水を供給する場合の制約式の例を以下、数１１に示す。

ここで、H_demは温熱の需要量、kは各駅を示す番号、lは各駅に存在する温熱供給設備の番号、Hgは各温熱供給設備lの温熱供給量を表わす。温熱供給設備に対しても数９や数１０に示したものと同様の関係式が成立し、負荷率に対する燃料消費量やあるいは電力の消費量が求められる。これらの関係式は温熱以外では冷熱供給のための冷水や、蒸気に関しても同様である。なおコジェネの場合には電力以外に温水や蒸気も出力するため、こうした場合は例えば温水に関して、その出力を数１１の右辺に追加した形で記載する。

そして、目的関数の数５は以下の数１２となる。

ここで、βは燃料単価、F_totalは運転計画の対象としている全ての燃料消費設備のある時刻における燃料消費量の合計量を表わす。本最適化問題を、各設備の出力と買電量を変数として解くことで、運転計画が生成される。

以上により、電力設備として駅のコジェネ等の発電機を含め、また熱源設備も含めた運転計画を立案可能となる。

これまで記載した各実施例では運転計画立案装置として記述しているが、立案した運転計画に従って各設備を制御すれば運転制御装置ともなる。

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。

１０１電力設備の運転計画立案装置
１０２ネットワーク
１０３列車運行情報
１０４列車位置予測部
１０５回生電力充放電実績データ
１０６蓄電池利用可能量導出部
１０７蓄電池利用可能時刻導出部
１０８駅電力設備情報
１０９駅電力設備運転計画
１１０駅電力設備運転計画作成部
１１１計画対象駅選択結果

Claims

電力設備の運転計画立案装置において、
列車運行情報を入力として、列車の位置を予測する列車位置予測部と、
運転計画の対象となる複数駅の選択結果と前記予測した列車の位置を用いて運転計画対象駅の列車蓄電池の各駅利用可能時刻を求める蓄電池利用可能時刻算出部と、
回生電力の充放電実績データを入力として、前記列車蓄電池の利用可能量を求める列車蓄電池利用可能量算出部と、
前記各駅利用可能時刻、前記利用可能量、及び駅の電力設備情報の情報を用いて、駅の電力設備の運転計画を作成する駅電力設備運転計画作成部と、
を備えることを特徴とする電力設備の運転計画立案装置。
請求項１に記載の電力設備の運転計画立案装置において、
前記利用可能量を列車仕様と乗客数予測の情報によって求めること
を特徴とする電力設備の運転計画立案装置。
請求項１に記載の電力設備の運転計画立案装置において、
前記列車運行情報にかえて時刻表を用いて列車位置を予測し、得られた予測結果を列車運行情報によって補正すること
を特徴とする電力設備の運転計画立案装置。
請求項１に記載の電力設備の運転計画立案装置において、
駅熱電設備の情報を入力として、駅の電力設備と熱源設備の運転計画をまとめて立案すること
を特徴とする電力設備の運転計画立案装置。
請求項１に記載の電力設備の運転計画立案装置で作成する運転計画に基づいて、前記電力設備を制御すること
を特徴とする電力設備の運転制御装置。
電力設備の運転計画立案方法において、
列車運行情報を入力として、列車の位置を予測し、
運転計画の対象となる複数駅の選択結果と前記予測した列車の位置を用いて運転計画対象駅の列車蓄電池の各駅利用可能時刻を求め、
回生電力の充放電実績データを入力として、前記列車蓄電池の利用可能量を求め、
前記各駅利用可能時刻、前記利用可能量、及び駅の電力設備情報の情報を用いて、駅の電力設備の運転計画を作成すること、
を特徴とする電力設備の運転計画立案方法。