JP6993178B2 - 電力系統の監視装置および監視方法 - Google Patents

電力系統の監視装置および監視方法 Download PDF

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Description

本発明は、電力系統の監視装置および監視方法に関するものであり、特に需給変動の大きさを精度良く監視する電力系統の監視装置および監視方法に関するものである。
電力系統を安定に運用するためには、周波数を適切な範囲に維持する必要がある。周波数維持は、電力系統全体における需要と供給とのバランスの関係で整理される。供給過剰な場合には、余剰分の一部は発電機の回転エネルギーとなり、電力系統の周波数上昇につながる。逆に、需要過剰な場合には、周波数が低下する。
従来、火力発電機など制御可能な調整電源で構成された電力系統の需給運用は、需要変動に応じて調整電源を制御し、周波数を適正範囲に維持していた。しかし、近年、太陽光発電や風力発電などの自然エネルギー電源の連系量が増加している。自然エネルギー電源は、気象条件に支配されて出力が大きく変動する。そのため、自然エネルギー電源の出力変動による供給変動が生じ、需給変動は大きくなってきている。
そこで、需給変動の大きさを監視する方法が提案されている。例えば、特許文献１には、変動周期の一定範囲毎に区分した区間のそれぞれにおける需給変動の大きさを求める方法が開示されている。
特開2015-42127
特許文献１の技術に関しては、需給変動の大きさを供給過剰と需要過剰に区別して求めていない。自然エネルギー電源の出力は気象条件に支配されるため、気象条件によっては、需給変動は供給過剰と需要過剰の一方に偏る可能性がある。
そこで本発明では、需給変動の大きさを精度良く監視することを目的とする。
前記目的を達成するため、本発明の監視装置は、電力系統と、前記電力系統に接続され出力調整可能な調整電源と、前記電力系統に応じて前記調整電源に出力調整指令を送信する制御装置と、前記出力調整指令実績を記憶する調整指令記憶部と、前記電力系統に接続され気象条件によって出力変動するエネルギー電源と、前記エネルギー電源の出力実績を記憶する出力記憶部と、前記調整指令記憶部及び前記出力記憶部の情報をもとに、前記電力系統に対しての需要及び供給の変動を需要過剰と供給過剰とに区別して需給変動を算出する需給変動演算部と、を備える電力系統監視装置。
本発明によれば、需給変動の大きさを精度良く監視することが可能になる。
実施例１における電力システムの全体構成を示す図である。 実施例１における監視装置の構成を示す図である。 実施例１における第１需給変動演算部の機能ブロックを示す図である。 実施例１における第２需給変動演算部の機能ブロックを示す図である。 実施例１における需給変動評価部が作成する需給変動演算結果の表示例を示すグラフである。 実施例１における太陽光発電機の運用ルールの例を示す説明図である。 実施例2における監視装置の構成を示す図である。 実施例2における太陽光発電地理情報記憶部に保存される地理情報を示す説明図である。 実施例2における需給変動変化率演算部の算出結果のテーブルを示す図である。
発明を実施するための形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
図1は、第1実施例における電力システムの全体構成を示す図である。電力系統6には、出力調整が可能な調整電源である火力発電機4と、自然エネルギー電源である太陽光発電機5が連系される。発電事業者が保有する火力運用システム3は、火力発電4の出力制御を担当する。送配電運用者が保有する発電指令システム1は、制御装置11および監視装置12で構成される。制御装置11は、電力系統6の周波数の上昇または低下に応じて、火力運用システム3に火力発電機4の出力調整指令を送信する。監視装置12は、制御装置11から出力調整指令、太陽光発電機5から太陽光発電出力計測値、気象情報サービス2から日射量計測値を収集し、それらの情報から需給変動を算出し、算出結果を通信網7を介して公示手段8に送信する。
図2は、監視装置12の構成図である。監視装置12は、火力発電機4の出力調整指令、太陽光発電出力値、および日射量計測値を受信部124によって取得する。出力調整指令は、出力調整指令履歴記憶部122に保存される。太陽光発電出力計測値は、太陽光発電出力履歴記憶部121に保存される。日射量計測値は、気象情報履歴記憶部123に保存される。
第1需給変動演算部125は、図3に示すような機能ブロックを用いる。第1需給変動演算部125は、太陽光発電機5の出力変動に起因する需給変動を算出する。基準出力決定部1251は、例えば、太陽光発電出力履歴記憶部121に保存される太陽光発電出力の時系列データから、予め定める期間の平均値を基準出力として出力する。予め定める期間は、後述する計算対象の周波数帯より大きい値に設定する。または、基準出力決定部1251の代わりに、太陽光発電出力の予測値を基準出力としても良い。
そして、太陽光発電出力の時系列データから基準出力を引くことで、太陽光発電出力変動の時系列データを求める。その時系列データをバンドパスフィルタ1252に通した上で、振幅演算部1253によって第1～3の各周期帯に対する供給過剰方向(正の値)および需要過剰方向(負の値)それぞれの変動の大きさを求める。その変動の大きさを太陽光発電機5の出力変動に起因する需給変動(1254～1259)の大きさとして決定する。なお、バンドパスフィルタ1252には、第1～3の各周期帯で対象とする周波数範囲の下限周波数TL、中心周波数T0、上限周波数THを予め入力する。
第2需給変動演算部126は、図4に示すような機能ブロックを用いる。第2需給変動演算部126は、需要変動に起因する需給変動を算出する。まず、火力発電機4の出力調整指令について、需要過剰の場合は、火力発電4の出力を増加させるために出力調整指令は正の値となる。供給過剰の場合、火力発電4の出力を減少させるために出力調整指令は負の値となる。第2需要変動演算部126は、第1需要変動演算部125と正負の関係を統一するため、需給変動計算結果の正の値が供給過剰(出力調整指令は負の値)、負の値が需要過剰(出力指令指令は正の値)を示すように、正負反転演算部1261によって、出力調整指令の正負を反転する。そして、出力調整指令の時系列データをバンドパスフィルタ1262に通した上で、振幅演算部1263によって第1～3の各周期帯に対する供給過剰方向(正の値)および需要過剰方向(負の値)それぞれの出力調整指令変動の大きさ(1264～1269)を求める。出力調整指令変動(1264～1269)は、太陽光発電機5の出力変動に起因する需給変動(1254～1259)を含んだ値である。そのため、出力調整指令変動(1264～1269)から太陽光発電機5の出力変動に起因する需給変動(1254～1259)を引いた値を、需要変動に起因する需給変動(12610～12615)として決定する。なお、バンドパスフィルタ1252には、第1～3の各周期帯で対象とする周波数範囲の下限周波数TL、中心周波数T0、上限周波数THを予め入力する。
第1および第2のそれぞれの需給変動の算出結果（1254～1259、12610～12615）を収集し、日射量の大きさと対応づけて表示部129(ディスプレイやプリンタなど)に出力する。表示部129によって、監視装置12を保有する送配電運用者は、各日射量に対する需給変動の特徴を監視できる。また、需給変動の算出結果（1254～1259、12610～12615）は、送信部128と通信網7を介して、送配電運用者のホームページに公示することができる。
図5に示す画面は、表示部129(ディスプレイやプリンタなど)に出力するグラフの一例である。グラフの横軸は、需給変動の変動周期を示す。グラフの縦軸は、変動周期毎の需給変動の大きさを示している。図3の第１需給変動演算部125で述べた太陽光発電機5の出力変動に起因する需給変動(1254～1259)は、斜線で塗りつぶした四角形で表す領域として描写している。図4の第2需給変動演算部126で述べた需要変動に起因する需給変動(12610～12615)を白抜きの四角形で表す領域として描写している。太陽光発電機5の出力変動に起因する需給変動(1254～1259)と、需要変動に起因する需給変動(12610～12615)との積み上げにより、電力系統全体の需給変動を示している。また、図5では、別途指定される周波数維持に用いる火力発電機4の全体での調整範囲の上限1271と下限1272をあわせて表示することによって、送配電運用者1は現状の調整能力の確保量の是非を判断することが可能となる。
さらに、送配電運用者は、図5に示す画面を、太陽光発電機5の運用ルールを決める支援情報として活用できる。太陽光発電機5の運用ルールを決定する具体例を図6を用いて説明する。図6のグラフには、横軸を時刻とした、太陽光発電機5の出力波形51を示す。太陽光発電機5の出力波形51に示すスパイク状の変動は、第2周期帯の需給変動(1256、1257)を表している。前述した図5のグラフによって、第2周期帯の供給過剰方向の需給変動1256が調整可能範囲の上限1271を超過していることを把握できていれば、太陽光発電機5の第2周期帯の出力上昇を制限する運用ルール52を定めることができ、その結果、第2周期帯の供給過剰方向の需給変動1256を抑制することができる。比較対象として、出力上限を制限する運用ルール53と比べると、図6に示すように運用ルール52は第2周期帯の受給変動の大きさを同等程度に抑制でき、かつ太陽光発電機5の発電機会損失を最小限に抑えることができる。
本実施例１では、自然エネルギー電源を太陽光発電機5として説明したが、風力発電機としても良い。また、本実施例では、太陽光発電機5の出力に影響を与える気象情報に代表として日射量を用いて説明したが、気象情報に天候、気温、日射量、気圧配置、季節、湿度を用いても良い。自然エネルギー電源を風力発電機とする場合には、上記に加え、気象情報に風速を用いる。さらに、太陽光発電機5と風力発電機の合計を自然エネルギー電源としても良く、この場合は太陽光発電機5と風力発電機それぞれに対し気象情報と対応づけた需給変動を算出する。
本実施例１では、調整電源を火力発電機として説明したが、揚水発電機、水力発電機、または原子力発電機、であっても良い。
本実施例１では上述の構成を備えるため、監視装置12は、電力系統6における需給変動の大きさを供給過剰と需要過剰に区別して監視することできる。その結果、本発明の監視装置12を保有する送配電運用者は、供給過剰と需要過剰のそれぞれの対策に必要な調整能力を精度良く判断することができる。
本実施例１では、需給変動の大きさを、自然エネルギー電源に起因する需給変動と、需要変動に起因する需給変動とに区別して監視することができる。その結果、送配電運用者は、自然エネルギー電源に起因する需給変動の算出結果を、自然エネルギー電源の運用ルールを決定するための支援情報として活用できる。
本実施例１では、需給変動の大きさを、気象条件毎に区別して監視することができる。その結果、送配電運用者は、気象条件に応じた需給変動の特徴を把握することができ、自然エネルギー電源の運用ルールを決定するための支援情報として活用できる。
本実施例１では、変動周期を一定範囲毎に区分した区間のそれぞれに対して需給変動の大きさを求める。各需給変動の大きさと、別途指定される周波数維持に用いる火力発電4の全体での調整範囲の上限および下限とを比較する。その結果、送配電運用者1は、変動周期毎に現状の調整能力の過不足を判断することが可能となる。
実施例2が実施例1と異なる点は、自然エネルギー電源である太陽光発電機5の連系量の変化に対する需給変動の変化を監視することである。監視装置12aの構成は、実施例1の監視装置12と異なり、図7の構成となる。監視装置12aでは、太陽光発電地理情報記憶部1210と、連系変化演算部1211と、第1受給変動記憶部1212と、需給変動変化演算部1213が追加される。
太陽光発電地理情報記憶部1210は、図8に示すように、太陽光発電機5の設置地点に関する地理情報に基づいて区分されたエリア(A～D)と、電力系統6に連系される太陽光発電機(5a～5d)の配置および連系量とを対応づけて保存する。地理情報には、例えば、緯度、経度、地上高、山地や平野などの地表特性を用いる。また、太陽光発電地理情報記憶部1210は、太陽光発電機(5a～5d)が追加または撤去されたときに、監視装置12aを保有する送配電運用者によって更新される。
連系変化演算部1211は、太陽光発電地理情報記憶部1210が更新されたことを検出し、太陽光発電機(5a～5d)の連系量変化ΔP(変化後の連系量－変化前の連系量)を算出する。そして、連系量変化ΔPとエリア(A～D)を対応づけて出力する。
第1需給変動記憶部1212には、図3で説明した第1需給変動演算部125が算出する、太陽光発電機5の出力変動に起因する需給変動の履歴が保存される。
需給変動変化率演算部1213は、第1受給変動記憶部1212から需給変動の大きさを読み込み、太陽光発電機5の連系量変化前後での需給変動変化ΔＥ(変化後の受給変動－変化前の受給変動)を算出する。需給変動変化ΔＥと、連系変化演算部1211で算出された連系量変化ΔPとから、連系量変化に対する需給変動変化率ΔＥ/ΔＰを求める。需給変動変化率ΔＥ/ΔＰは、例えば、図9に示すテーブルのように、自然エネルギー電源の種類(太陽光発電や風力発電など)、需給変動の変動周期（第１～３周期帯）、需給変動の供給過剰方向と需要過剰方向、のそれぞれについて算出する。また、図9に示すように、需給変動変化率ΔＥ/ΔＰが正の値となる場合は当該エリアに太陽光発電機5を追加連系すると受給変動が拡大し、負の値となる場合は受給変動が減少することを意味する。太陽光発電機5を追加連系すると受給変動が減少する理由には、ならし効果が関係している。ならし効果とは、太陽光発電機5を広域に分散配置したとき、地理的な違いにより、それぞれの気象条件が異なり、そのため合計の発電出力の変動が緩和されるというものである。
本実施例2では、自然エネルギー電源を太陽光発電機5として説明したが、風力発電機としても良い。さらに、太陽光発電機5と風力発電機の合計を自然エネルギー電源としても良く、この場合は太陽光発電機5と風力発電機それぞれに対し、連系量の変化に対する需給変動の変化率を算出する。
本実施例2では上述の構成を備えるため、監視装置12aは、地理情報に基づいて区分された複数エリアのそれぞれについて、自然エネルギー電源である太陽光発電機5およびの風力発電機の連系量変化に対する需給変動の変化を監視する。その結果、監視装置12aを保有する送配電運用者が、エリア毎の自然エネルギー電源のならし効果の大きさと、ならし効果による需給変動の低減を最大限活用するための自然エネルギー電源の適正配置を判断する支援情報となる。
なお、本発明は上記した実施例１および２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良い。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良い。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、又は、ＩＣカード、ＳＤカード、ＤＶＤ等の記録媒体に置くことができる。
１ 発電指令システム
２ 気象情報サービス
３ 火力運用システム
４ 火力発電機
５ 太陽光発電機
６ 電力系統
７ 通信網
８ 公示手段
１１ 制御装置
１２ 監視装置
５１ 太陽光発電機の出力波形
５２ 第２周期帯の出力上昇を制限する運用ルール
５３ 出力上限を制限する運用ルール
１２１ 太陽光発電出力履歴
１２２ 出力調整指令履歴
１２３ 気象情報履歴
１２４ 受信部
１２５ 第１需給変動演算部
１２６ 第２需給変動演算部
１２７ 受給変動評価部
１２８ 送信部
１２９ 表示部
１２１０ 太陽光発電地理情報
１２１１ 連系変化演算部
１２１２ 第１需給変動記憶部
１２１３ 受給変動変化率演算部
１２５１ 基準出力決定部
１２５２ ハイパスフィルタ
１２５３ 振幅演算部
１２５４ 太陽光発電機出力変動による第１周期帯の供給過剰方向の需給変動
１２５５ 太陽光発電機出力変動による第１周期帯の需要過剰方向の需給変動
１２５６ 太陽光発電機出力変動による第２周期帯の供給過剰方向の需給変動
１２５７ 太陽光発電機出力変動による第２周期帯の需要過剰方向の需給変動
１２５８ 太陽光発電機出力変動による第３周期帯の供給過剰方向の需給変動
１２５９ 太陽光発電機出力変動による第３周期帯の需要過剰方向の需給変動
１２６１ 正負反転演算部
１２６２ バンドパスフィルタ
１２６３ 振幅演算部
１２６４ 第１周期帯の供給過剰方向の出力調整指令変動
１２６５ 第１周期帯の需要過剰方向の出力調整指令変動
１２６６ 第２周期帯の供給過剰方向の出力調整指令変動
１２６７ 第２周期帯の需要過剰方向の出力調整指令変動
１２６８ 第３周期帯の供給過剰方向の出力調整指令変動
１２６９ 第３周期帯の需要過剰方向の出力調整指令変動
１２６１０ 需要変動による第１周期帯の供給過剰方向の需給変動
１２６１１ 需要変動による第１周期帯の需要過剰方向の需給変動
１２６１２ 需要変動による第２周期帯の供給過剰方向の需給変動
１２６１３ 需要変動による第２周期帯の需要過剰方向の需給変動
１２６１４ 需要変動による第３周期帯の供給過剰方向の需給変動
１２６１５ 需要変動による第３周期帯の需要過剰方向の需給変動
１２７１ 火力発電機の全体での調整範囲の上限
１２７２ 火力発電機の全体での調整範囲の下限

Claims (11)

  1. 電力系統と、
    前記電力系統に接続され出力調整可能な調整電源と、
    前記電力系統に応じて前記調整電源に出力調整指令を送信する制御装置と、
    前記出力調整指令の実績を記憶する調整指令記憶部と、
    前記電力系統に接続され気象条件によって出力変動するエネルギー電源と、
    前記エネルギー電源の出力実績を記憶する出力記憶部と、
    前記調整指令記憶部及び前記出力記憶部の情報をもとに、前記電力系統に対しての需要及び供給の変動を需要過剰と供給過剰とに区別して需給変動を算出する需給変動演算部と、を備える電力系統監視装置。
  2. 請求項１に記載の電力系統監視装置であって、
    前記需給変動演算部は、
    前記出力記憶部の情報から需給変動を算出する第１需給変動演算部と、
    前記調整指令記憶部の情報から需給変動を算出する第２需給変動演算部と、から成ることを特徴とする電力系統監視装置。
  3. 請求項２に記載の電力系統監視装置であって、
    前記第２需給変動演算部は、第１需給変動演算部で算出した前記需給変動を除き第２需給変動演算部の前記需給変動を算出することを特徴とする電力系統監視装置。
  4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載の電力系統監視装置であって、
    前記需給変動の算出結果を通信網へ送信する送信部を備えることを特徴とする電力系統監視装置。
  5. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載の電力系統監視装置であって、
    前記需給変動演算部は、前記需給変動を予め定めた周波数範囲毎に算出することを特徴とする電力系統監視装置。
  6. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載の電力系統監視装置であって、
    天候、気温、日射量、気圧配置、季節、湿度の少なくとも１つの気象情報を保存する気象情報記憶装置を備え、前記需給変動演算部は前記気象情報毎に前記需給変動を算出することを特徴とする電力系統監視装置。
  7. 請求項１ないし６のいずれか１項に記載の電力系統監視装置であって、
    前記需給変動を画面に表示する表示部を備えることを特徴とする電力系統監視装置。
  8. 請求項２または３に記載の電力系統監視装置であって、
    前記エネルギー電源の配置地点に関する地理情報を記憶するエネルギー電源地理情報記憶部と、
    前記エネルギー電源地理情報記憶部が更新された際に前記電力系統に連系される前記エネルギー電源の連系量変化を算出する連系変化演算部と、
    前記第１需給変動演算部が算出する前記需給変動を記憶する第１需給変動記憶部と、
    前記連系量変化に対する前記第１需給変動演算部が算出する前記需給変動を算出する需給変動変化率演算部と、を備えることを特徴とする電力系統監視装置。
  9. 請求項８に記載の電力系統監視装置であって、
    前記地理情報は緯度、経度、地上高、地表特性の少なくとも１つであることを特徴とする電力系統監視装置。
  10. 請求項８または９に記載の電力系統監視装置であって、
    前記需給変動変化率演算部の算出結果を表示する表示部を備えることを特徴とする電力系統監視装置。
  11. 電力系統と、
    前記電力系統に接続され出力調整可能な調整電源と、
    前記電力系統に応じて前記調整電源に出力調整指令を送信する制御装置と、
    前記出力調整指令の実績を記憶する調整指令記憶部と、
    前記電力系統に接続され気象条件によって出力変動するエネルギー電源と、
    前記エネルギー電源の出力実績を記憶する出力記憶部と、
    前記調整指令記憶部及び前記出力記憶部の情報をもとに、前記電力系統に対しての需要及び供給の変動を需要過剰と供給過剰とに区別して需給変動を算出する需給変動演算部と、を備える電力系統監視方法。
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