JP7221898B2

JP7221898B2 - 電力系統制御装置、電力系統制御方法、および、電力系統制御プログラム

Info

Publication number: JP7221898B2
Application number: JP2020036389A
Authority: JP
Inventors: 照久松井; 廣次鳥羽; 駿介河内; 道彦犬飼
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2020-03-04
Filing date: 2020-03-04
Publication date: 2023-02-14
Anticipated expiration: 2040-03-04
Also published as: JP2021141681A

Description

本発明の実施形態は、電力系統制御装置、電力系統制御方法、および、電力系統制御プログラムに関する。

電力設備の高経年化が進行すると、設備更新が必要となる。一方、人口減少等によりエネルギー需要の減少が想定されると、電力設備容量の抑制が求められる。

また、電力供給設備には、供給電力が確率分布として表されるものがある。例えば、太陽光発電設備や風力発電設備などである。太陽光発電設備の発電電力は、日射量に依存するので、確率分布として表される。また、風力発電設備の発電電力は、風速に依存するので、確率分布として表される。

例えば、そのような電力供給設備が複数ある場合、それらの発電電力量の相関（経時的な相関）が低いと仮定すると、合計の発電電力量を統計学的に充分に確保するための電力設備容量は比較的抑制できる。

特許第４２０３９９３号公報

しかしながら、実際には、そのような複数の電力供給設備の発電電力量の相関が高い場合もある。そのようなときに、統計的に極低頻度に発生する場合に対して電力設備容量を決定した場合、設備利用率や設備コストの観点で好ましくない。

そこで、本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、供給電力が確率分布として表される複数の電力供給設備の相関が高い場合でも、必要な電力供給設備容量を抑制することができる電力系統制御装置、電力系統制御方法、および、電力系統制御プログラムを提供することを目的の一つとする。

実施形態の電力系統制御装置は、供給電力が第１の確率分布として表される第１の電力供給設備と、第１の電力供給設備に対応し、充電量と放電量の少なくともいずれかを調節可能な第１の可変電力源と、供給電力が第２の確率分布として表される第２の電力供給設備と、を含む電力系統を制御する。電力系統制御装置は、第１の電力供給設備から時系列の第１の電力供給量データを取得するとともに、第２の電力供給設備から時系列の第２の電力供給量データを取得する取得部と、第１の電力供給量データと第２の電力供給量データの相関値を算出する算出部と、相関値が所定の閾値範囲から外れていた場合、第１の電力供給設備による電力供給量と第１の可変電力源による充放電量の合計が第１の確率分布の平均に近づくように、第１の可変電力源に対して充電量と放電量の少なくともいずれかの調節を指示する制御部と、を備える。

図１は、第１実施形態の電力システムの概要を模式的に示す全体構成図である。図２は、第１実施形態の電力系統制御装置の機能構成を模式的に示すブロック図である。図３は、第１実施形態の電力供給設備による発電量の確率分布を示すグラフである。図４は、第１実施形態の電力供給設備による発電量の経時的変化の様子を示すグラフである。図５は、第１実施形態の２つの電力供給設備による発電量の相関図である。図６は、第１実施形態の電力系統制御装置による処理を示すフローチャートである。図７は、第５実施形態の電力システムの概要を模式的に示す全体構成図である。図８は、第５実施形態の２つの電力供給設備によるそれぞれの発電量の確率分布を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態（第１実施形態～第５実施形態）について、図面を参照して説明する。なお、以下に記載する実施形態の構成、ならびに当該構成によってもたらされる作用および結果（効果）は、あくまで一例であって、本発明は以下の記載内容に限定されない。また、第２実施形態以降において、それまでの実施形態と同様の事項については、説明を適宜省略する。

（第１実施形態）
まず、第１実施形態の電力システムの全体構成について説明する。図１は、第１実施形態の電力システムＳの概要を模式的に示す全体構成図である。

図１に示すように、電力システムＳは、変電所１、変圧器２、第１の電力供給設備３、第１の可変電力源４、第２の電力供給設備５、電力系統制御装置６、電力線ＰＬ等を備える。

変電所１は、電力系統中で電気の電圧の変換（変電）を行い、各電力系統の接続や開閉等を行って、電力の流れを制御する施設である。

変圧器２は、変電所１からの電力を所定の電圧に変換する機器である。

第１の電力供給設備３は、供給電力が第１の確率分布として表される電力供給設備である。第１の電力供給設備３は、例えば、発電電力が日射量に依存して確率分布として表される太陽光発電設備である。また、第１の電力供給設備３は、例えば、発電電力が風速に依存して確率分布として表される風力発電設備である。

ここで、図３は、第１実施形態の電力供給設備による発電量の確率分布を示すグラフである。図３のグラフにおいて、縦軸は発生確率、横軸は発電量である。図３に示すように、第１の電力供給設備３による供給電力（発電電力）は、確率分布（グラフＧ１）として表される。

図１に戻って、第１の可変電力源４は、第１の電力供給設備３に対応し、充電量と放電量の少なくともいずれかを調節可能な可変電力源である。第１の可変電力源４は、例えば、充電池である。

第２の電力供給設備５は、供給電力が第２の確率分布として表される電力供給設備である。第２の電力供給設備５は、例えば、第１の電力供給設備３と同様に、太陽光発電設備や風力発電設備である。

電力系統制御装置６について、図２を参照して説明する。図２は、第１実施形態の電力系統制御装置６の機能構成を模式的に示すブロック図である。

電力系統制御装置６は、コンピュータ装置であり、処理部６１、記憶部６２、入力部６３、表示部６４を備える。なお、電力系統制御装置６は、他の装置と通信するための通信インタフェースも備えるが、説明を簡潔にするために、その図示と説明を省略する。

処理部６１は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）であり、機能構成として、取得部６１１、計測情報演算部６１２、相関値算出部６１３、制御部６１４、潮流計算部６１５を備える。

取得部６１１は、例えば、電力系統内に存在する変圧器２や架空線やケーブルなどの電力設備の定格容量やインピーダンスなどの情報を外部装置等から取得する。

また、取得部６１１は、第１の電力供給設備３から時系列の第１の電力供給量データを取得するとともに、第２の電力供給設備５から時系列の第２の電力供給量データを取得し、それらのデータを記憶部６２に日時情報付の計測情報として保存する。

ここで、図４は、第１実施形態の電力供給設備による発電量の経時的変化の様子を示すグラフである。図４に示すように、第１の電力供給設備３や第２の電力供給設備５による発電量は、経時的に変化する。

図２に戻って、計測情報演算部６１２は、記憶部６２に保存された過去の計測情報、および、現在の計測情報を用いて、計測情報（電力供給量。発電量）の平均値や標準偏差などの統計量、および、確率密度関数、累積分布関数等の演算を行う。演算結果は、記憶部６２に保存される。また、計測情報演算部６１２は、計測情報についてのこのような演算を、時間帯別や、平日、休日別で行ってもよい。

相関値算出部６１３は、計測情報演算部６１２による演算結果等に基づいて、第１の電力供給量データと第２の電力供給量データの相関値を算出する。相関値算出部６１３は、例えば、ケンドール、またはスピアマンの順位相関係数を用いてこのような相関値を算出することができる。

また、相関値算出部６１３は、例えば、接合分布関数を用いてこのような相関値を算出してもよい。接合分布関数は、複数の確率変数の同時分布とそれぞれの確率変数の累積分布関数の積との関係を表す関数である。接合分布関数を用いることで、確率変数の値の組み合わせに対して相関の強さを表現可能であるため、特に低頻度事象（第１の電力供給設備３と第２の電力供給設備５のそれぞれの供給電力がともに非常に低い事象等）における相関の程度を評価したい本実施形態において適している。

また、相関値算出部６１３は、単純に、第１の電力供給量データと第２の電力供給量データの差を用いて、相関値を算出してもよい。

ここで、図５は、第１実施形態の２つの電力供給設備による発電量の相関図である。図５では、例えば、横軸のｘ_１は、第１の電力供給設備３による発電量である。また、縦軸のｘ_２は、第２の電力供給設備５による発電量である。これらの２つの発電量における相関は、線Ｌ１のように直線的な場合もあれば、線Ｌ２のように曲線的な場合もある。いずれの場合も、相関値算出部６１３によって、相関値を算出することができる。相関値は、例えば、－１～１で表される相関係数や、それに準じた指標値である。

図２に戻って、制御部６１４は、相関値算出部６１３によって算出された相関値が所定の閾値範囲から外れていた場合、第１の電力供給設備３による電力供給量と第１の可変電力源４による充放電量の合計が第１の確率分布の平均に近づくように（図３参照）、第１の可変電力源４に対して充電量と放電量の少なくともいずれかの調節を指示する。つまり、制御部６１４は、第１の可変電力源４に対してそのような制御指令を送信する。なお、所定の閾値範囲は、事前に設定しおいてもよいし、あるいは、外部装置から設定できるようにしておいてもよい。所定の閾値範囲は、例えば、－０．５～０．５の範囲である。

潮流計算部６１５は、記憶部６２に保存されている計測情報等に基づいて、電力系統内の電圧、位相、潮流状態を計算する。計算結果は記憶部６２に潮流計算結果として保存される。

記憶部６２は、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、ＣＤドライブ装置などから構成される。記憶部６２は、処理部６１が動作するためのプログラムや、計測情報や、潮流計算結果等の各情報を保存する。

入力部６３は、キーボードやマウスなどから構成される。表示部６４は、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）などから構成される。

次に、図６を参照して、第１実施形態の電力系統制御装置６による処理について説明する。図６は、第１実施形態の電力系統制御装置６による処理を示すフローチャートである。なお、定期的に、取得部６１１による第１の電力供給量データと第２の電力供給量データの取得や、計測情報演算部６１２による演算が行われているものとする。また、この図６の処理も定期的に行われる。

まず、ステップＳ１において、相関値算出部６１３は、計測情報演算部６１２による演算結果等に基づいて、第１の電力供給量データと第２の電力供給量データの相関値を算出する。

次に、ステップＳ２において、制御部６１４は、ステップＳ１で算出された相関値が所定の閾値範囲から外れているか否かを判定し、Ｙｅｓの場合はステップＳ３に進み、Ｎｏの場合はステップＳ１に戻る。

ステップＳ３において、制御部６１４は、第１の電力供給設備３による電力供給量と第１の可変電力源４による充放電量の合計が第１の確率分布の平均に近づくように（図３参照）、第１の可変電力源４に対して、充電量と放電量の少なくともいずれかの調節を指示するための制御指令を送信する。

このように、第１実施形態の電力系統制御装置６によれば、上述の相関値が所定の閾値範囲から外れていた場合、第１の電力供給設備３による電力供給量と第１の可変電力源４による充放電量の合計が第１の確率分布の平均に近づくように、第１の可変電力源４に対して充電量と放電量の少なくともいずれかの調節を指示する。これにより、供給電力が確率分布として表される複数の電力供給設備の相関が高い場合でも、必要な電力供給設備容量を抑制することができる。

つまり、例えば、第１の電力供給設備３と第２の電力供給設備５が太陽光発電設備の場合、日射量が少なくて両者の発電量が確率分布の平均から大きく外れて少ない場合でも、第１の可変電力源４から電力系統に電力を供給することで、電力系統の電力を安定化させることができる。その結果として、必要となる電力設備容量を低減することができ、設備利用率や設備コストの観点で好ましい状態とすることができる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態について説明する。第２実施形態では、潮流計算部６１５は、実データを用いて潮流計算を行うのではなく、電力潮流シミュレーションにおいて所定の電力負荷条件に基づいて電力系統の潮流計算を行う。

その際、例えば、さまざまな負荷条件の組み合わせに対して、モンテカルロシミュレーションを行うことによって、電力設備の潮流状態と電力負荷の値を対応づけることができる。そして、そのシミュレーション結果から、複数の電力供給設備のうち、潮流状態に特に影響を与える電力供給設備を絞り込むことができる。つまり、例えば、図６の処理の対象施設として、第１の電力供給設備３と、第１の可変電力源４と、第２の電力供給設備５とを選択することができる。

このようにして、第２実施形態の電力系統制御装置６によれば、シミュレーション結果から図６の処理の対象施設を適切に選択できるので、すべての電力供給設備を対象に相関値を算出する必要が無いため、計算に必要となるハードウェア資源の低減や計算時間の短縮化を図ることができる。

また、必要なすべての負荷条件に対して潮流計算を実行するには膨大な計算時間が必要となる場合には、特定の負荷条件に対して潮流計算を行い、その他の負荷条件の潮流計算を特定の負荷条件の潮流計算結果の重み付きの値の和として近似計算することもできる。

（第３実施形態）
次に、第３実施形態について説明する。第３実施形態では、第１の可変電力源４は、電力の需要家（デマンドレスポンスに対応可能な需要家）が所持する電気機器である。そして、制御部６１４は、相関値が所定の閾値範囲から外れていた場合であって、電力系統の電力が通常よりも低下している場合、需要家に対して、第１の可変電力源４の消費電力量の低減を指示する。

このように、第３実施形態によれば、第１の可変電力源４を電力の需要家とすることができる。なお、指示をした対象のすべての需要家が消費電力を低減してくれるとは限らないので、この手法は制御したい電力量が小さい場合に特に適している。

（第４実施形態）
次に、第４実施形態について説明する。第４実施形態では、第１の電力供給設備３と第２の電力供給設備５は電気自動車の充電ステーションで、第１の可変電力源４は電気自動車である。

充電ステーションから電気自動車への充電電力は車両台数や車種や使用目的などにより変動するため、その充電電力量は確率分布として表される。また、電気自動車の充電電力を電力系統に放電し、電力系統の安定化に使用するＶｅｈｉｃｌｅｔｏＧｒｉｄ（Ｖ２Ｇ）を想定した充電ステーションにおいては、電気自動車から電力系統への放電も可能である。

このように、第４実施形態によれば、第１の電力供給設備３と第２の電力供給設備５を電気自動車の充電ステーションとし、第１の可変電力源４を電気自動車とすることができる。つまり、電気自動車を、移動可能な充電池と考え、有効活用することができる。

（第５実施形態）
次に、第５実施形態について説明する。図７は、第５実施形態の電力システムＳの概要を模式的に示す全体構成図である。図７では、図１と比べて、第２の電力供給設備５に対応し、充電量と放電量の少なくともいずれかを調節可能な第２の可変電力源７が追加されている点で異なっている。第２の可変電力源７は、第１の可変電力源４と同様の構成である。

そして、制御部６１４は、第１の確率分布の裾の広がり度が、第２の確率分布の裾の広がり度よりも小さいときは、第１の電力供給設備３による電力供給量と第１の可変電力源４による充放電量の合計が第１の確率分布の平均に近づくように、第１の可変電力源４に対して充電量と放電量の少なくともいずれかの調節を指示する。

ここで、図８は、第５実施形態の２つの電力供給設備によるそれぞれの発電量の確率分布を示すグラフである。図８のグラフにおいて、縦軸は発生確率、横軸は発電量である。図８において、グラフＧ１が第１の確率分布である。グラフＧ２が第２の確率分布である。そして、グラフＧ１に示す第１の確率分布の裾の広がり度は、グラフＧ２に示す第２の確率分布の裾の広がり度よりも小さい。なお、図示を簡潔にするためにグラフＧ１とグラフＧ２の平均を同じとしているが、これに限定されず、両者の平均が異なっていてもよい。

この場合、裾の広がり度が小さいグラフＧ１に示す第１の確率分布に対応する第１の可変電力源４に対して上述の調節を指示するほうが、第２の可変電力源７に対して上述の調節を指示するよりも有効である。

つまり、複数の可変電力源から制御対象の可変電力源を選択する場合に、裾の広がり度が小さい確率分布に対応する電力供給設備から電気的に近接している（電力供給設備に対応している）可変電力源を優先的に制御することが望ましい。ここで、電気的に近接しているとは電力供給設備と可変電力源の間のインピーダンスが小さいことを意味する。裾の広がり度が大きい確率分布に対応する電力供給設備から電気的に近接している（電力供給設備に対応している）可変電力源を制御すると、可変電力源に必要となる電力容量が大きくなってしまうためである。

このように、第５実施形態によれば、複数の可変電力源がある場合に、確率分布の裾の広がり度に基づいて制御対象の可変電力源を選択することで、可変電力源に必要となる電力容量を抑制することができる。

また、制御対象の可変電力源が複数あることで、上述の低頻度事象が起きた場合でも、電力系統における電力量低下を打ち消すように複数の可変電力源から電力系統に電力を供給でき、より効果的である。

本実施形態の電力系統制御装置６で実行されるプログラム（電力系統制御プログラム）は、インストール可能な形式又は実行可能な形式のファイルでＣＤ－ＲＯＭ、フレキシブルディスク（ＦＤ）、ＣＤ－Ｒ、ＤＶＤ（Digital Versatile Disk）等のコンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録されて提供される。

また、当該プログラムを、インターネット等のネットワークに接続されたコンピュータ上に格納し、ネットワーク経由でダウンロードさせることにより提供するように構成しても良い。また、当該プログラムをインターネット等のネットワーク経由で提供または配布するように構成しても良い。また、当該プログラムを、ＲＯＭ等に予め組み込んで提供するように構成してもよい。

当該プログラムは、上述した各部６１１～６１５を含むモジュール構成となっており、実際のハードウェアとしてはＣＰＵが上記記憶媒体からプログラムを読み出して実行することにより上記各部６１１～６１５が主記憶装置上にロードされ、主記憶装置上に生成される。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

例えば、上述の各実施形態では、説明を簡潔にするために、電力供給設備を２つ（第１の電力供給設備３と第２の電力供給設備５）としたが、これに限定されない。電力供給設備は３つ以上であってもよい。その場合、３つ以上の電力供給設備の相関値を算出してもよいし、任意の組合せの２つの電力供給設備の相関値を算出してもよい。後者の場合、潮流状態への影響の多い２つの電力供給設備の組合せをそれまでの情報から特定しておき、それ以降は、その組合せの２つの電力供給設備についてだけ相関値を算出するようにしてもよい。

１…変電所、２…変圧器、３…第１の電力供給設備、４…第１の可変電力源、５…第２の電力供給設備、６…電力系統制御装置、７…第２の可変電力源、６１…処理部、６２…記憶部、６３…入力部、６４…表示部、６１１…取得部、６１２…計測情報演算部、６１３…相関値算出部、６１４…制御部、６１５…潮流計算部、ＰＬ…電力線、Ｓ…電力システム

Claims

供給電力が第１の確率分布として表される第１の電力供給設備と、前記第１の電力供給設備に対応し、充電量と放電量の少なくともいずれかを調節可能な第１の可変電力源と、供給電力が第２の確率分布として表される第２の電力供給設備と、を含む電力系統を制御する電力系統制御装置であって、
前記第１の電力供給設備から時系列の第１の電力供給量データを取得するとともに、前記第２の電力供給設備から時系列の第２の電力供給量データを取得する取得部と、
前記第１の電力供給量データと前記第２の電力供給量データの相関値を算出する算出部と、
前記相関値が所定の閾値範囲から外れていた場合、前記第１の電力供給設備による電力供給量と前記第１の可変電力源による充放電量の合計が前記第１の確率分布の平均に近づくように、前記第１の可変電力源に対して充電量と放電量の少なくともいずれかの調節を指示する制御部と、を備える電力系統制御装置。
電力潮流シミュレーションにおいて所定の電力負荷条件に基づいて前記電力系統の潮流状態を計算する潮流計算部をさらに備え、
前記第１の電力供給設備と、前記第１の可変電力源と、前記第２の電力供給設備とは、前記潮流計算部による前記電力潮流シミュレーションの結果に基づいて選択されたものである、請求項１に記載の電力系統制御装置。
前記第１の可変電力源は、電力の需要家が所持する電気機器であり、
前記制御部は、前記相関値が所定の閾値範囲から外れていた場合であって、前記電力系統の電力が通常よりも低下している場合、前記需要家に対して、前記第１の可変電力源の消費電力量の低減を指示する、請求項１に記載の電力系統制御装置。
前記第１の可変電力源は、電気自動車である、請求項１に記載の電力系統制御装置。
前記電力系統は、
前記第２の電力供給設備に対応し、充電量と放電量の少なくともいずれかを調節可能な第２の可変電力源を、さらに備えており、
前記制御部は、
前記相関値が所定の閾値範囲から外れていた場合、
前記第１の確率分布の裾の広がり度が、前記第２の確率分布の裾の広がり度よりも小さいときは、前記第１の電力供給設備による電力供給量と前記第１の可変電力源による充放電量の合計が前記第１の確率分布の平均に近づくように、前記第１の可変電力源に対して充電量と放電量の少なくともいずれかの調節を指示する、請求項１に記載の電力系統制御装置。
供給電力が第１の確率分布として表される第１の電力供給設備と、前記第１の電力供給設備に対応し、充電量と放電量の少なくともいずれかを調節可能な第１の可変電力源と、供給電力が第２の確率分布として表される第２の電力供給設備と、を含む電力系統を制御する電力系統制御装置による電力系統制御方法であって、
前記第１の電力供給設備から時系列の第１の電力供給量データを取得するとともに、前記第２の電力供給設備から時系列の第２の電力供給量データを取得する取得ステップと、
前記第１の電力供給量データと前記第２の電力供給量データの相関値を算出する算出ステップと、
前記相関値が所定の閾値範囲から外れていた場合、前記第１の電力供給設備による電力供給量と前記第１の可変電力源による充放電量の合計が前記第１の確率分布の平均に近づくように、前記第１の可変電力源に対して充電量と放電量の少なくともいずれかの調節を指示する制御ステップと、を含む電力系統制御方法。
供給電力が第１の確率分布として表される第１の電力供給設備と、前記第１の電力供給設備に対応し、充電量と放電量の少なくともいずれかを調節可能な第１の可変電力源と、供給電力が第２の確率分布として表される第２の電力供給設備と、を含む電力系統を制御する電力系統制御装置としてコンピュータを機能させるための電力系統制御プログラムであって、
前記コンピュータに、
前記第１の電力供給設備から時系列の第１の電力供給量データを取得するとともに、前記第２の電力供給設備から時系列の第２の電力供給量データを取得する取得ステップと、
前記第１の電力供給量データと前記第２の電力供給量データの相関値を算出する算出ステップと、
前記相関値が所定の閾値範囲から外れていた場合、前記第１の電力供給設備による電力供給量と前記第１の可変電力源による充放電量の合計が前記第１の確率分布の平均に近づくように、前記第１の可変電力源に対して充電量と放電量の少なくともいずれかの調節を指示する制御ステップと、を実行させるための電力系統制御プログラム。