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技術 電力ネットワークシステム

出願人 学校法人慶應義塾
発明者 山中直明山本草詩今村旭志丸一尚己
出願日 2013年5月10日 (6年10ヶ月経過) 出願番号 2013-099773
公開日 2014年11月20日 (5年4ヶ月経過) 公開番号 2014-220952
状態 特許登録済
技術分野 給配電網の遠方監視・制御 交流の給配電
主要キーワード 刻み値 発電管 総電力消費量 需要動向 発電期間 目的値 電力価格 総発電量
関連する未来課題
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この項目の情報は公開日時点(2014年11月20日)のものです。
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図面 (15)

課題

家庭における発電量電力消費量を適切に制御する。

解決手段

グループを構成する複数のユーザの各家庭に配置された制御装置および必要に応じて設けられる発電装置と、複数の前記制御装置を接続する論理的な通信経路とを備え、前記制御装置は、所定の情報を含めた通信信号を他の制御装置に巡回させるとともに、他の制御装置から受信した通信信号に基づいて発電量および/もしくは電力消費量を制御する。

概要

背景

電力需要抑制方式として、ダイナミックプライシングと呼ばれるものがある(例えば、特許文献1等を参照。)。

図1はダイナミックプライシングによる需要抑制の例を示す図であり、図1(a)に示すように、電力消費量(電力需要量)Eが多くなると電力料金Pが高くなるように、例えば電力料金Pを階段状に変動させるものである。

そして、図1(b)に示すように、電力料金Pをプライスシグナルとして各家庭通知することで、例えば各家庭に設置されたスマートメータに当該時刻の電力料金Pが表示される場合、ユーザは電気代が高くなったことで省エネに努める等、需要を抑制することが可能である。

また、今後、各家庭にCHP(Combined Heat and Power)等の発電装置が普及した場合には、電力料金に連動して家庭からの発電電力販売価格を変動させることにより、電力需要が多い場合には販売価格を高くすることで発電を積極的に行わせ、電力需要を満たす方向に作用させることが可能である。

概要

各家庭における発電量と電力消費量を適切に制御する。グループを構成する複数のユーザの各家庭に配置された制御装置および必要に応じて設けられる発電装置と、複数の前記制御装置を接続する論理的な通信経路とを備え、前記制御装置は、所定の情報を含めた通信信号を他の制御装置に巡回させるとともに、他の制御装置から受信した通信信号に基づいて発電量および/もしくは電力消費量を制御する。

目的

第1に、ダイナミックプライシングはある程度の広さの地域に対して一律のプライスシグナルを提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

グループを構成する複数のユーザの各家庭に配置された制御装置および必要に応じて設けられる発電装置と、複数の前記制御装置を接続する論理的な通信経路とを備え、前記制御装置は、所定の情報を含めた通信信号を他の制御装置に巡回させるとともに、他の制御装置から受信した通信信号に基づいて発電量および/もしくは電力消費量を制御することを特徴とする電力ネットワークシステム

請求項2

請求項1に記載の電力ネットワークシステムにおいて、前記通信信号には、電力価格総電力消費量および総発電量を含め、前記制御装置は、他の制御装置から受信した通信信号の総発電量が総電力消費量に満たない場合に、所定時間の発電を行うか否か電力価格に基づいて決定し、発電を行うと決定した場合は、総発電量を更新し、総発電量が総電力消費量を満たした場合に、通信信号の巡回を停止し、所定時間の経過後に通信信号の巡回を再開することを特徴とする電力ネットワークシステム。

請求項3

請求項2に記載の電力ネットワークシステムにおいて、前記制御装置は、通信信号がグループ内を一巡した時点で総発電量が総電力消費量を満たさない場合、電力会社から購入する電力料金を上限として電力価格を上げ、再び通信信号を巡回させることを特徴とする電力ネットワークシステム。

請求項4

請求項2または3のいずれか一項に記載の電力ネットワークシステムにおいて、電力価格として、ユーザが電力を買う購入価格と電力を売る販売価格を明示し、前記制御装置は、ユーザの申告する消費電力に基づいて総電力消費量を算出し、ユーザの申告する発電電力に基づいて総発電量を算出することを特徴とする電力ネットワークシステム。

請求項5

請求項1乃至4のいずれか一項に記載のグループを複数備えるとともに、当該複数のグループを管理するサーバを備え、前記サーバはグループ毎に異なる電力消費量の目的値を付与し、通信信号に目的値を含め、前記制御装置は、グループ内の総電力消費量が目的値を上回っている場合に、家庭内の電力使用を制限することを特徴とする電力ネットワークシステム。

請求項6

請求項5に記載の電力ネットワークシステムにおいて、前記サーバは各グループでシフト可能な需要に比例して目的値を付与することを特徴とする電力ネットワークシステム。

請求項7

グループを構成する複数のユーザの各家庭に配置された制御装置および必要に応じて設けられる発電装置と、複数の前記制御装置を接続する論理的な通信経路とを備えた電力ネットワークシステムに用いられる前記制御装置であって、所定の情報を含めた通信信号を他の制御装置に巡回させる手段と、他の制御装置から受信した通信信号に基づいて発電量および/もしくは電力消費量を制御する手段とを備えたことを特徴とする電力ネットワークシステム用制御装置。

技術分野

0001

本発明は、電力供給の制御技術に関する。

背景技術

0002

電力需要抑制方式として、ダイナミックプライシングと呼ばれるものがある(例えば、特許文献1等を参照。)。

0003

図1はダイナミックプライシングによる需要抑制の例を示す図であり、図1(a)に示すように、電力消費量(電力需要量)Eが多くなると電力料金Pが高くなるように、例えば電力料金Pを階段状に変動させるものである。

0004

そして、図1(b)に示すように、電力料金Pをプライスシグナルとして各家庭通知することで、例えば各家庭に設置されたスマートメータに当該時刻の電力料金Pが表示される場合、ユーザは電気代が高くなったことで省エネに努める等、需要を抑制することが可能である。

0005

また、今後、各家庭にCHP(Combined Heat and Power)等の発電装置が普及した場合には、電力料金に連動して家庭からの発電電力販売価格を変動させることにより、電力需要が多い場合には販売価格を高くすることで発電を積極的に行わせ、電力需要を満たす方向に作用させることが可能である。

先行技術

0006

特開2012−69105号公報

発明が解決しようとする課題

0007

上述したダイナミックプライシングは、マクロ的には効果を発揮するものであるが、次のような問題が指摘されている。

0008

第1に、ダイナミックプライシングはある程度の広さの地域に対して一律のプライスシグナルを提供するものであるため、ローカル需要動向を考慮しておらず、ローカルには電力の過不足が生じてしまう。発電装置の比率が高い場合、過剰な発電量廃棄されることになるため無駄が多く、有効発電量(発電量のうち廃棄せずに有効に使用された量)が小さくなってしまう。

0009

第2に、ダイナミックプライシングは電力料金のみによって需要を制御しようとするものであるため、過制御等により電力料金が低価格に移った瞬間に大きな需要が生じることがあり、需要が多くなり過ぎて需要を満たせなくなる場合がある。

0010

このように、電力料金だけでは、マクロに概略的には制御できるが、充分ではなく、より高度な制御方式が必要となる。

0011

本発明は上記の従来の問題点に鑑み提案されたものであり、その目的とするところは、各家庭における発電量と電力消費量を適切に制御することにある。

課題を解決するための手段

0012

上記の課題を解決するため、本発明にあっては、グループを構成する複数のユーザの各家庭に配置された制御装置および必要に応じて設けられる発電装置と、複数の前記制御装置を接続する論理的な通信経路とを備え、前記制御装置は、所定の情報を含めた通信信号を他の制御装置に巡回させるとともに、他の制御装置から受信した通信信号に基づいて発電量および/もしくは電力消費量を制御するようにしている。

発明の効果

0013

本発明にあっては、分散協調制御により、各家庭における発電量と電力消費量を適切に制御することができる。

図面の簡単な説明

0014

ダイナミックプライシングによる需要抑制の例を示す図である。
スマートグリッドネットワークにおける電圧維持の概念を示す図である。
EVNOの概念を示す図である。
第1の実施形態にかかるシステムの構成例を示す図である。
制御装置の構成例を示す図である。
第1の実施形態におけるトークンに含まれる情報の例を示す図である。
第1の実施形態における制御装置の処理例を示すフローチャートである。
第1の実施形態の処理例を示す図である。
シミュレーション結果を示す図である。
第2の実施形態における制御装置の処理例を示すフローチャートである。
第3の実施形態におけるトークンに含まれる情報の例を示す図である。
第4の実施形態にかかるシステムの構成例を示す図である。
目的値(目的曲線)の例を示す図である。
第5の実施形態における目的値の決め方の例を示す図である。

実施例

0015

以下、本発明の好適な実施形態につき説明する。

0016

前提となるスマートグリッドネットワーク>
図2はスマートグリッドネットワークにおける電圧維持の概念を示す図である。

0017

図2において、スマートグリッドネットワーク1は、流入する電力量と流出する電力量を同じにすることで、一定の電圧に維持される。電力が流入する場所と電力が流出する場所は、スマートグリッドネットワーク1のどこでもよい。

0018

図3はEVNO(Energy Virtual Network Operator)の概念を示す図である。

0019

図3において、スマートグリッドネットワーク1の全部もしくは一部を複数のヴァーチャルネットワーク11〜1Nにより構成する。各ヴァーチャルネットワーク11〜1Nは任意の事業者によって運営され、独自のポリシーに従ってユーザへの電力サービスを提供する。各ヴァーチャルネットワーク11〜1Nにおいて流入する電力量と流出する電力量を同じにすることで、それらが組み合わされたスマートグリッドネットワーク1の全体としても、流入する電力量と流出する電力量が同じになり、一定の電圧が維持される。

0020

<第1の実施形態>
図4は第1の実施形態にかかるシステムの構成例を示す図である。

0021

図4において、仮想的に1つのグループを構成する、自由な位置に分散した複数の家庭2A〜2Cを対象とする。説明を簡単にするために3つの家庭2A〜2Cについて図示しているが、実際には任意の数とすることができる。仮想的というのは、各家庭が地理的に隣接している必要はなく、図3で説明したEVNOの考えを取り入れて、EVNOとしてのある事業者のサービスを受けている所定数(例えば30)を1つのグループとする、ということである。

0022

各家庭2A〜2Cには、主たる制御を行う制御装置21A〜21Cと、電力を消費する電気機器22A〜22Cと、CHP等の発電装置23A〜23Cとが設けられている。制御装置21A〜21Cは、電気機器22A〜22Cの電力消費を制御するとともに、発電装置23A〜23Cの制御を行う。

0023

また、1つのグループを構成する各家庭2A〜2Cの制御装置21A〜21Cの間には、リング状の論理的な通信経路3が設けられている。通信経路3は、送電線と一体となったものでもよいし、送電線とは別のものでもよい。送電線と別の場合は、例えば、インターネットによる通信経路を用いることができる。

0024

また、各家庭2A〜2Cの制御装置21A〜21Cを統括して管理するグループ管理サーバ4を設けてもよい。各家庭2A〜2Cの制御装置21A〜21Cがグループ管理機能を分散して有する場合には、グループ管理サーバ4を省略することができる。

0025

図5は制御装置21(21A〜21C)の構成例を示す図である。

0026

図5において、制御装置21は、ユーザに対して各種の情報の表示を行う情報表示部211と、ユーザから各種の情報の入力を行う情報入力部212とを備えている。

0027

また、制御装置21は、電気機器22(22A〜22C)による電力消費を制御する需要管理部213と、発電装置23(23A〜23C)の制御を行う発電管理部214とを備えている。

0028

また、制御装置21は、リング状の通信経路3における前段の制御装置からトークン(通信信号)を受信するトークン受信部215と、トークンの内容を更新するトークン更新部216と、リング状の通信経路3における後段の制御装置に対してトークンを送信するトークン送信部217とを備えている。

0029

図6は第1の実施形態におけるトークンに含まれる情報の例を示す図であり、電力価格総発電量および総電力消費量が含まれている。電力価格は、図1に示したダイナミックプライシングと同様に、電力需要に連動して決定される値である。総発電量は、グループを構成する各家庭での発電量の総和である。総電力消費量は、グループを構成する各家庭での電力消費量の総和である。なお、本実施形態では、今現在の電力量を制御するのではなく、次の制御期間における電力量を制御するものであるため、総発電量は次の制御期間における発電量である。また、総電力消費量は、過去の実績プロファイル)等から予測される値や、ユーザから申告される値等が用いられる。

0030

図7は第1の実施形態における制御装置21の処理例を示すフローチャートである。

0031

図7において、制御装置21は、前段の家庭2の制御装置21からトークンを受信すると(ステップS101)、総発電量が総電力消費量に満たない場合(トークンが送信されてきたということは、既にこの条件は満たされている)、所定時間の発電を行うか否か電力価格に基づいて決定する(ステップS102)。例えば、制御装置21は、発電に要するコストを電力価格と比較し、有利である場合に発電するものと決定する。また、発電した場合に総電力消費量を総発電量が超えることとなる場合は発電しないと決定することができる。発電量が固定である場合には、先にそれを判断してもいい。

0032

発電すると決定した場合(ステップS103のYes)、制御装置21は、現状の総発電量に自己の発電量を加算することにより、総発電量を更新する(ステップS104)。発電すると決定しなかった場合(ステップS103のNo)、総発電量の更新は行わない。

0033

次いで、制御装置21は、総発電量が総電力消費量を満たしたか否か判断する(ステップS105)。総発電量が総電力消費量を満たしたとは、単に総発電量が総電力消費量と等しくなる場合だけでなく、発電すると総電力消費量を超えてしまうため発電しなかった場合も含む。

0034

総発電量が総電力消費量を満たしていないと判断した場合(ステップS105のNo)、制御装置21は、次段の家庭2の制御装置21にトークンを送信する(ステップS108)。

0035

総発電量が総電力消費量を満たしたと判断した場合(ステップS105のYes)、制御装置21は、それ以上に発電すると廃棄電力となるため、トークンを止め、発電時間に相当する所定時間(制御期間に相当)だけ待機する(ステップS106)。

0036

そして、所定時間の経過後、制御装置21は、トークンを初期化する(ステップS107)。すなわち、総発電量は「0」にリセットし、総電力消費量は次の制御期間に対応する値に更新する。

0037

次いで、制御装置21は、次段の家庭2の制御装置21にトークンを送信する(ステップS108)。

0038

また、全くの初回にトークンを送信する場合には、ステップS107から処理を開始するものとする。なお、トークンを初期化した後に、ステップS102から処理を開始するようにしてもよい。

0039

グループ内をトークンが一巡しても総電力消費量を総発電量でカバーできない場合は、一般的には電力会社から電力を購入することになる。

0040

図8は上記の第1の実施形態の処理例を示す図である。

0041

図8において、家庭2Aの発電装置23Aが前の制御期間において発電がONであったとすると、発電時間の経過により、制御装置21Aは発電装置23Aの次の発電期間における発電をOFFにする(ステップS1)。

0042

そして、家庭2Aの制御装置21Aは、次段の家庭2Bの制御装置21Bに初期化したトークンを送信する(ステップS2)。ここでは、総発電量は「0」にリセットされており、電力価格は「30」、総電力消費量は「150」としている。

0043

次いで、トークンを受信した家庭2Bの制御装置21Bは、総発電量「0」が総電力消費量「150」を満たしておらず、自己の発電量を「100」とすると、発電しても総電力消費量「150」を超えることとはならないため、発電コストの観点から有利と判断したとして、発電装置23Bの発電をONにする(ステップS3)。

0044

そして、家庭2Bの制御装置21Bは、トークンの総発電量を更新して「100」とし、次段の家庭2Cの制御装置21Cに更新したトークンを送信する(ステップS4)。

0045

次いで、トークンを受信した家庭2Cの制御装置21Cは、総発電量「100」が総電力消費量「150」を満たしておらず、自己の発電量を「100」とすると、発電することで総電力消費量「150」を超えてしまうため、発電はしないものとし(ステップS5)、総発電量が総電力消費量を満たしたとして所定時間の待機に入る。

0046

所定時間の経過後、家庭2Cの制御装置21Cは、次段の家庭2Aの制御装置21Aに初期化したトークンを送信する(ステップS6)。ここでは、総発電量は「0」にリセットされており、電力価格と総電力消費量は変化なしとしている。

0047

図9は上記の実施形態の効果を確認するためのシミュレーション結果を示す図である。条件として、家庭数を500、CHP普及率を65%、LPガスによる発電、発電量を0.8〜2kW、最低連続運転時間を30分とした。

0048

図9において、菱形の点でプロットした曲線は需要(総電力消費量)であり、黒く塗りつぶした曲線は本実施形態を適用しない場合の発電量であり、四角の点でプロットした曲線は本実施形態による発電量である。

0049

a1、a2で囲った部分では、従来は需要を超えた発電が行われ、それらは廃棄電力となっていたが、本実施形態によればそのような廃棄電力がなくなり、廃棄電力量が1/30に削減されることが確認できた。また、電力が必要なタイミングにおけるa3、a4の部分での発電が行われたため、トータルとして有効発電量が20%増加することが確認できた。

0050

<第2の実施形態>
第2の実施形態は、トークンが一巡しても総発電量が総電力消費量を満たせない場合に、電力価格を変更することで発電を促進させるようにしたものである。

0051

図10は第2の実施形態における制御装置21の処理例を示すフローチャートである。なお、システム構成図4および図5に示したのと同様であり、トークンに含まれる情報は図6に示したのと同様である。

0052

図10において、前段からのトークンの受信(ステップS201)の後に、トークンが一巡したか否か判断し(ステップS202)、一巡したと判断した場合(ステップS202のYes)に、電力価格を、電力会社から購入する電力料金を上限に、ΔP加算するようにしている(ステップS202)。ΔPは、電力価格を増加する刻み値であり、例えば、1円とか2円とかという値である。その他の処理は、図7に示したものと同様である。なお、トークンの受信直後に電力価格を上昇させることに代え、次段へのトークンの送信前に電力価格を上昇させるようにしてもよい。

0053

このような処理により、電力会社よりも安いコストで電力を購入できる可能性が高くなる。

0054

<第3の実施形態>
第3の実施形態は、廃棄電力量を削減するとともに有効発電量を増大させる上述した実施形態の基本的な機能を維持しつつ、ダイナミックプライシングを積極的に導入することで、発電と電力消費をより円滑に制御するようにしたものである。

0055

図11は第3の実施形態におけるトークンに含まれる情報の例を示す図であり、電力価格として、ユーザが電力を買う購入価格と電力を売る販売価格を明示している。また、トークンには、総発電量と総電力消費量が含まれている。電力の購入と販売は、電力会社とユーザの間だけでなく、ユーザ間でも行われる。

0056

購入価格をPbuy、販売価格をPsell、総発電量をG、総電力消費量をEとする。購入価格Pbuyと販売価格Psellの間には、
Pbuy≧Psell
の関係がある。総発電量G、総電力消費量Eは、
G= ΣGi
E= ΣEi
で表せる。iは各ユーザである。トークンに記載されて巡回している総発電量Gは、ユーザiの発電量Giの申告値の積分であり、総電力消費量Eもユーザiの電力必要量Eiの申告値の積分である。

0057

各ユーザは、分散的にこのトークンに対して電力必要量Eiとして記入している。しかし、購入価格Pbuyが高くなると節電をして、電力必要量Eiを減少させることもする。一方、販売価格Psellが高いと、発電をするモティベーションわき、発電量Giを申告しながら発電をする。

0058

しかし、総発電量Gが総電力消費量Eを超えると販売価格Psellはゼロとなり、発電しても使用するユーザがいないことを意味する。しかし、販売価格Psellの低下は購入価格Pbuyの低下にもつながり需要が大きくなる。

0059

このように繰り返しトークンを巡回させることにより、需要と供給が最適な売電買電のコストをネゴシエーションすることができる。

0060

<第4の実施形態>
第4の実施形態は、複数のグループに対して異なる電力消費量の目的値を与えることにより、電力消費のピークをずらして平坦化を行えるようにしたものである。

0061

図12は第4の実施形態にかかるシステムの構成例を示す図であり、対象となるエリア内の複数のグループG1〜G5を管理するエリアブローカ5が設けられている。グループは論理的なものであっても地理的なものであってもかまわない。各グループG1〜G5の構成は図4および図5に示したのと同様である。トークンは、図6に示したものでも、図11に示したものでもよい。

0062

エリアを制御するエリアブローカ5は、各グループG1〜G5に対して図13に示すような一定時間の需要を目的値(目的曲線、目的関数)として与える。目的値とは、各時間ごとの目標とすべき発電量ないしは電力使用量である。

0063

各グループG1〜G5に属する家庭2の制御装置21は、目的値と総電力消費量が一致するように、電気機器22による電力使用のタイミング調整を行なう。すなわち、シフト可能な需要(例えば、の○○時までに完了すればよい乾燥機の使用等)があれば使用開始時のシフトを行なう。あるいは、強制的に電力供給を遮断する。

0064

目的値として、グループごとにピークをずらすことで、複数のグループの電力消費のピークがずれ、エリア全体として需要をなめらかコントロールすることができる。

0065

<第5の実施形態>
第5の実施形態は、第4の実施形態における目的値の決め方に工夫を加えたものである。

0066

図14(a)に示すように、エリアブローカ5は各グループの時刻:6時、7時、8時においてシフト可能な需要を知っているとする。図示の例では、グループG1では900kw、グループG2では800kwがシフト可能である。

0067

時刻:9時での目的値を400kwとすると、図14(b)に示すように、シフト可能な需要による重みをかけて按分することにより、グループG1には
400kw×900kw/(900+800kw)
グループG2には
400kw×800kw/(900+800kw)
を目的値として与える。

0068

つまり、シフトのしやすさを考慮して目的値を調整し、複数のグループを全体として制御することができる。

0069

総括
以上説明したように、本実施形態によれば、分散協調制御により、各家庭における発電量と電力消費量を適切に制御することができる。

0070

以上、本発明の好適な実施の形態により本発明を説明した。ここでは特定の具体例を示して本発明を説明したが、特許請求の範囲に定義された本発明の広範な趣旨および範囲から逸脱することなく、これら具体例に様々な修正および変更を加えることができることは明らかである。すなわち、具体例の詳細および添付の図面により本発明が限定されるものと解釈してはならない。

0071

1スマートグリッドネットワーク
11〜1N ヴァーチャルネットワーク
2、2A〜2C家庭
21、21A〜21C制御装置
211情報表示部
212情報入力部
213需要管理部
214発電管理部
215トークン受信部
216 トークン更新部
217トークン送信部
22、22A〜22C電気機器
23、23A〜23C発電装置
3通信経路
4グループ管理サーバ
5エリアブローカ

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