(57)【要約】【課題】配電系統の需要家側からの出力調整を行い、電圧適正範囲の維持を可能にする。【解決手段】本実施形態に係る電圧管理装置１は、電圧管理ノード間の線路インピーダンスを記憶する記憶部３と、配電系統の配電線電圧及び配電線負荷電流を収集する入力部３と、記憶部３に記憶された電圧管理ノード間の線路インピーダンス並びに前記収集した配電線電圧及び配電線負荷電流に基づき、各電圧管理ノードの配電線電圧と予め定められた電圧目標値との差の二乗和を最小化するように、電圧管理ノード毎の電力目標値を計算し、前記電圧管理ノード毎の電力目標値を、当該電圧管理ノードに連系される分散電源の種類に応じて需要家毎に配分する配分する演算部４と、前記需要家毎に配分された電力目標値を各需要家へ与える出力部５とを具備する。【選択図】図１
2014073064.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
需要家が異なる種類の分散電源を有する複数の連系される電圧管理ノード毎の電圧を管理する配電系統の電圧管理装置であって、
前記電圧管理ノード間の線路インピーダンスを記憶する記憶手段と、
前記配電系統の配電線電圧及び配電線負荷電流を収集する収集手段と、
前記記憶された電圧管理ノード間の線路インピーダンス並びに前記収集した配電線電圧及び配電線負荷電流に基づき、各電圧管理ノードの配電線電圧と予め定められた電圧目標値との差の二乗和を最小化するように、電圧管理ノード毎の電力目標値を計算する計算手段と、
前記電圧管理ノード毎の電力目標値を、当該電圧管理ノードに連系される分散電源の種類に応じて需要家毎に配分する配分手段と、
前記需要家毎に配分された電力目標値を各需要家へ与える出力手段と
を具備することを特徴とする電圧管理装置。
【請求項２】
前記配分手段は、さらに前記需要家エリアの気象情報に基づいて、前記電圧管理ノード毎の電力目標値を需要家に配分することを特徴とする請求項１に記載の電圧管理装置。
【請求項３】
前記収集手段は、さらに、前記需要家に設置されたスマートメータを介して前記需要家毎の消費電力及び発電電力を収集し、
前記計算手段は、さらに前記需要家毎の消費電力及び発電電力に基づいて前記電力目標値を計算することを特徴とする請求項１記載の電圧管理装置。
【請求項４】
前記計算手段は、複数の需要家へ与える目標電力が均等になるよう按分した状態を初期状態として潮流計算を行い、電圧管理ノードの電圧が収束するまで目標電力を均等に修正する処理を行うことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電圧管理装置。
【請求項５】
前記計算手段は、複数の需要へ与える目標電力として、有効電力と無効電力を計算することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電圧管理装置。
【請求項６】
請求項１乃至５に記載の各処理に基づいて、コンピュータに実現させることを特徴とする電圧管理プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、配電系統の電圧を管理する電圧管理装置及び電圧管理プログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に配電系統は、配電用変電所から引き出された複数の配電線により需要家へ電力を供給している。従来、配電系統の電圧は、配電線に設置された自動電圧調整装置（ＳＶＲ：Step Voltage Regulator）のタップ切り替え、進相コンデンサ（ＳＣ：Static Condenser）の入切、無効電力補償装置（ＳＶＣ：Static Var Compensator）の無効電力制御などを行い、設置箇所の電圧に基づいた自律制御によって電圧を適正範囲に維持している。
【０００３】
例えば、特許文献１には、配電線全体の電圧を適正範囲とするように各電圧調整機器の操作量を演算する手法が提案されている。また、特許文献２には、ＳＶＲを設置して自然エネルギー発電システムの出力変動に起因する電力系統の電圧変動を、最小容量の電力貯蔵装置で確実に一定範囲内に抑える手法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２７８６５８号公報
【特許文献２】特開２００９−６５８２０号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】小向俊彦・色川彰一・加藤政一著、「セメスター大学講義  電力システム工学」、丸善株式会社、1999年9月、ｐ．35−44
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところが、近年、配電系統へ太陽光発電などの自家発電装置の導入が進んでおり、分散電源からの逆潮流により系統電圧が上昇し、電圧が適正範囲から逸脱する可能性が出てくる。電圧が適正範囲から逸脱すると、負荷機器への影響（効率低下や停止、寿命の短縮）、送電損失の増加といった問題がある。また、今後は蓄電池の普及も進んでいくと考えられ、需要家の太陽光発電システムと蓄電池も活用することで、配電系統の適正電圧を維持する効果が期待できる。そこで、配電系統に接続する負荷、太陽光発電、蓄電池、電圧調整機器の挙動の相互作用によって電圧が変わるため、配電系統の状態を監視しながら電圧を管理することが重要である。
【０００７】
本実施形態の目的は、配電系統の需要家側からの出力調整を行い、電圧適正範囲の維持を可能にする電圧管理装置及び電圧管理プログラムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本実施形態に係る電圧管理装置は、需要家が異なる種類の分散電源を有する複数の連系される電圧管理ノード毎の電圧を管理する配電系統の電圧管理装置であって、前記電圧管理ノード間の線路インピーダンスを記憶する記憶手段と、前記配電系統の配電線電圧及び配電線負荷電流を収集する収集手段と、前記記憶された電圧管理ノード間の線路インピーダンス並びに前記収集した配電線電圧及び配電線負荷電流に基づき、各電圧管理ノードの配電線電圧と予め定められた電圧目標値との差の二乗和を最小化するように、電圧管理ノード毎の電力目標値を計算する計算手段と、前記電圧管理ノード毎の電力目標値を、当該電圧管理ノードに連系される分散電源の種類に応じて需要家毎に配分する配分手段と、前記需要家毎に配分された電力目標値を各需要家へ与える出力手段とを具備するものである。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１実施形態に係る配電系統の電圧管理装置の構成例を示す図。
【図２】配電系統の構成例を示す図。
【図３】第１実施形態に係る処理手順の一例を示すフローチャート。
【図４】第２実施形態に係る配電系統の電圧管理装置の構成例を示す図。
【図５】第２実施形態に係る処理手順の一例を示すフローチャート。
【図６】第３実施形態に係る処理手順の一例を示すフローチャート。
【図７】第４実施形態に係る処理手順の一例を示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照しながら本実施形態に係る電圧管理装置及び電圧管理プログラムについて説明する。
【００１１】
（第１実施形態）  
図１は、第１実施形態に係る配電系統の電圧管理装置の構成例を示す図である。この電圧管理装置１は、各需要家２１，２２，２３，…へ電力供給するための配電系統１０の電圧管理を行うものである。需要家２１は、太陽光発電システムと蓄電池を備え、需要家２２は、太陽光発電システムを備え、需要家２３は、蓄電池を備えるものとする。
【００１２】
図２は、配電系統の構成例を示す図である。送電されてきた電力は、配電用変電所で電圧が変圧された後、配電用変電所から引き出された複数のフィーダ（配電線）Ｆ１，Ｆ２から開閉器（以下、開閉器設置場所を電圧管理ノードと称する）を介して需要家群へ供給される。また、フィーダＦ１，Ｆ２には、電圧調整のために、自動電圧調整装置（ＳＶＲ：Step Voltage Regulator），無効電力補償装置（ＳＶＣ：Static Var Compensator），進相コンデンサ（ＳＣ：Static Condenser）等が設置されている。
【００１３】
図１において、電圧管理装置１は、記憶部２、入力部３、演算部４、及び出力部５を備える。記憶部２には、配電系統１０に関するデータとして、配電線接続構成情報、各電圧管理ノード間の線路インピーダンス、負荷データ及び設備情報が予め記憶される。配電線接続構成情報は、配電系統において、どの配電線とどの配電線が接続するかを示す情報であり、電圧管理ノードが接続点となる。線路インピーダンスは、抵抗ＲとリアクタンスＸからインピーダンスＺ＝Ｒ＋ｊＸにより求められる。負荷データは、配電線の負荷容量［Ｗ］（電圧管理ノード毎）である。設備情報は、各需要家が持つ分散電源の種類を示し、ここでは、太陽光発電システムと蓄電池、太陽光発電システムのみ、あるいは蓄電池のみを表すものである。
【００１４】
入力部３は、配電系統１０から配電用変電所の配電線負荷電流データ、配電線電圧データを、気象システム４０から需要家エリアの気象情報をそれぞれ取得する。演算部４は、配電線接続構成情報、線路インピーダンス及び負荷データ並びに配電線負荷電流データ及び配電線電圧データをもとに、複数の需要家２１，２２，２３，…へ与える電力目標値を計算する。出力部４は、演算部４で計算された目標電力値を需要家２１，２２，２３，…へ伝送網３０を介して伝送する。
【００１５】
なお、電圧管理装置１は、ＣＰＵ等の演算処理装置やメモリ等の記憶装置を備えたコンピュータにより構成可能なものであり、各部の処理はプログラムによって実行される。このプログラムは記憶装置に記憶されており、記録媒体に記録することも、通信ネットワークを通して提供することも可能である。
【００１６】
次に、このように構成された電圧管理装置１の動作について説明する。  
図２は、第１実施形態に係る処理手順の一例を示すフローチャートである。  
図１のように構成される電圧管理装置１において、入力部３は、記憶部２に記憶されている配電線接続構成情報、線路インピーダンス、及び負荷データを読み出す（ステップＳ１０１）。次に、入力部３は、配電系統１０から各電圧管理ノードの配電線負荷電流と配電線電圧とを収集する（ステップＳ１０２）。
【００１７】
そして、演算部４は、取得したデータに基づき、各電圧管理ノードの配電線電圧と予め定められる電圧目標値との差の二乗和、すなわち下記の式１の評価関数を最小化するように、電圧管理ノード毎の電力目標値を計算する（ステップＳ１０３）。
【数１】
2014073064.tif 000003
【００１８】
ここで、各電圧管理ノードｉの電圧Ｖｉは、入力部３で収集した配電用変電所の配電線電圧Ｖ及び配電線負荷電流Ｉを用いて、例えば以下のように計算できる。ノード間の電圧降下ΔＶは、配電用変電所の電圧Ｖ、配電用変電所から管理ノード間の単位長さ当たりの配電線インピーダンス（Ｚ＝Ｒ＋ｊＸ）、配電用変電所から管理ノードまでの距離Δｘを用いて、式２のように表される。
【数２】
2014073064.tif 000004
【００１９】
また、有効電力Ｐ、無効電力Ｑと電圧Ｖ、電流Ｉの関係は式３及び式４で表される。なお、＊は、複素共役であることを示す。
【数３】
2014073064.tif 000005
【００２０】
そして、式２、式３、式４から、下記の式５を導くことができる。この式５において、Δｘ→０の極限をとると、下記の式６となる。さらに、式６の複素共役をとると、下記の式７を導くことができる。
【数４】
2014073064.tif 000006
【００２１】
ここで、式６と式７の和をとると、式８のようになる。
【数５】
2014073064.tif 000007
【００２２】
上記式８の両辺をｘで積分すると、以下のようになる。
【数６】
2014073064.tif 000008
【００２３】
需要家の位置をｘ＝ｌとし、需要家は太陽光発電システムと蓄電池を用いて、この点の電力負荷をΔＰだけ増加させることができるものとする。このとき、送電線の電力負荷分布は、０≦ｘ≦ｌの範囲でΔＰ増加し、ｌ＜ｘでは変化しないものとする。すなわち、式１４、式１５が成り立つものとする。
【数７】
2014073064.tif 000009
【００２４】
ここで、式１２より、
【数８】
2014073064.tif 000010
【００２５】
式１６から式１２を引くと、式１７となる。ここで、ノードｉｊには、複数の需要家が接続しており、これを需要家群ｊとする。
【数９】
2014073064.tif 000011
【００２６】
各電圧管理ノードの電圧は、各需要家群の電力変化量ΔＰｊを変数として、下記の式１８、式１９のように表せる。
【数１０】
2014073064.tif 000012
【００２７】
目標電力削減量あるいは増加量（電力変化量ΔＰｊ）は、式１８、式１９を制約として式１を最小化する問題の解として得られる。
【００２８】
さらに、演算部４は、得られた各需要家群の電力変化量ΔＰｊを、例えば重みα、β、γによって次の式２０のように配分する（ステップＳ１０４）。
【数１１】
2014073064.tif 000013
【００２９】
重みα、β、γは、例えば、太陽光発電システムと蓄電池を有する需要家の重みを大きくし、蓄電池のみの需要家を小さくするように設定する。さらに、気象情報を参照することができれば、晴れの予報であれば、太陽光発電を有する需要家の重みを大きくする、雨の予報であれば蓄電池を有する需要家の重みを大きくする、というように設定する。
【００３０】
出力部５は、上記配分された目標電力削減量あるいは増加量を需要家毎の目標値として各需要家へ送信する（ステップＳ１０５）。需要家は、目標値にしたがって、配電線電圧が適正範囲となるように太陽光発電出力と蓄電池の充放電量を変化させる。
【００３１】
以上述べたように、第１実施形態によれば、配電系統の負荷状態と電圧調整状態に基づく電圧と電流を考慮した目標電力を計算し、複数の需要家へ目標電力を与えて太陽光発電出力と蓄電池の充放電量を変化させ、配電線電圧の適正範囲維持に効果が期待できる。また、気象情報によって、太陽光発電システムと蓄電池とで電力変化量の分配の重みを変化させることで、太陽光発電システム等により発電された自然エネルギーを無駄にすることなく、優先的に活用することができる。
【００３２】
（第２実施形態）  
次に、第２実施形態に係る配電系統の電圧管理装置を、図４と図５を用いて説明する。なお、上記第１実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。図４の構成では、需要家２１，２２，２３，…にスマートメータ４１，４２，４３，…が設置され、第２実施形態に係る電圧管理装置１は伝送網３０を介してスマートメータ４１，４２，４３，…と双方向で通信することができる。
【００３３】
入力部３は、配電系統１０から各電圧管理ノードの配電線負荷電流データ、配電線電圧データの取り込みを行うとともに、需要家に設置されたスマートメータ４１，４２，４３，…を介して各需要家の消費電力と発電電力を受信する。演算部４は、配電線接続構成情報、線路インピーダンス及び負荷データ並びに配電線負荷電流データ及び配電線電圧データと、さらに入力部３で受信した現在の消費電力と発電電力を用いて、複数の需要家２１，２２，２３，…へ与える電力目標値［Ｗ］を計算する。出力部４は、演算部４で計算された電力目標値を、伝送網３０を介して需要家に設置されたスマートメータ４１，４２，４３，…へ伝送する。
【００３４】
図５は、第２実施形態に係る処理手順の一例を示すフローチャートである。図５のステップＳ１０１，Ｓ１０２は、第１実施形態と同じ処理を実行する。  
電圧管理装置１において、入力部３は各需要家の現在の消費電力と発電電力をスマートメータ４１，４２，４３，…を介して収集する（ステップＳ１０６）。
【００３５】
ステップＳ１０３ａでは、演算部４は、配電線の電圧が適正値となる各ノードの目標値（目標電力Ｐｊ）を計算する。目標電力Ｐｊは、例えば第１実施形態に示したように各需要家群の電力変化量ΔＰｊを計算すると、各需要家毎の現在の消費電力量（又は発電電力量）を合計した需要家群の電力量Ｐｊ０に目標削減量（または増加量）ΔＰｊを加えて、式２１のように求めることができる。
【数１２】
2014073064.tif 000014
【００３６】
そして、演算部４は、上記計算した各需要家群の目標電力Ｐｊについて、例えば、各需要家毎の現在の消費電力量（又は発電電力量）と、上記重みα、β、γとによって配分量を計算する（ステップＳ１０４ａ）。このようにすることで、各需要家への配分方法がより現状に即したものとなる。
【００３７】
出力部５は、上記計算された目標電力削減量あるいは増加量を目標値としてスマートメータ４１，４２，４３，…を介して各需要家へ送信する（ステップＳ１０５）。需要家は目標電力を受け、配電線電圧が適正範囲となるように太陽光発電出力と蓄電池の充放電量を変化させる。
【００３８】
なお、太陽光発電出力と蓄電池の充放電量は、需要家のホームエナジーマネージメントシステムなどによって調整することができる。需要家に太陽光発電システムだけが設置されている場合は、太陽光発電出力を変化させ、蓄電池システムだけが設置されている場合は、蓄電池充放電量を変化させてもよい。
【００３９】
第２実施形態によれば、配電系統の負荷状態と電圧調整状態に基づく電圧と電流を考慮した目標電力を計算し、複数の需要家へ目標電力を与えて太陽光発電出力と蓄電池の充放電量を変化させ、配電線電圧の適正範囲維持に効果が期待できる。需要家との双方向の電力情報の伝送を行うことで、需要家の現在の機器状況に応じて細やかに調整が可能となる。
【００４０】
（第３実施形態）  
次に、第３実施形態に係る配電系統の電圧管理装置を、図６を用いて説明する。なお、第３実施形態に係る電圧管理装置の構成は、上記第１実施形態の構成と同様であるため、図１を用いて説明を行う。
【００４１】
図６は、第３実施形態に係る電圧管理装置の処理手順の一例を示すフローチャートである。なお、図６において、ステップＳ１０１〜１０３，１０４，１０５は、第１実施形態と同様の処理を実行する。
【００４２】
図１のような構成において、演算部４は、ステップＳ１０３で計算された目標電力Ｐを各需要家へ按分した状態を初期状態として潮流計算（例えば、非特許文献１を参照）を行い、各電圧管理ノードの電圧が収束するまで目標電力を均等に修正する（ステップＳ１０７）。
【００４３】
第３実施形態によれば、各需要家の設置場所によって配電系統への影響度が異なるため、目標電力とする調整量分配の偏りを少なくすることができる。
【００４４】
（第４実施形態）  
次に、第４実施形態に係る配電系統の電圧管理装置について、図７を用いて説明する。なお、第４実施形態に係る電圧管理装置の構成は、上記第１実施形態又は第２実施形態の構成と同様である。ここでは、図１を用いて説明を行う。
【００４５】
図７は、第４実施形態に係る処理手順の一例を示すフローチャートである。なお、図７において、ステップＳ１０１，Ｓ１０２，Ｓ１０４は、第１実施形態と同様の処理を実行する。
【００４６】
図１のように構成された電圧管理装置１において、演算部４は、目標とする有効電力［Ｗ］と無効電力［Ｖａｒ］を計算する（ステップ１０３ｂ）。
【００４７】
ここで、無効電力の目標値の求め方について、第１実施形態と同様の方法で無効電力を対象に解く方法を一例として以下に説明する。
【００４８】
需要家の位置をｘ＝ｌとし、需要家は太陽光発電システム、または蓄電池システムｊを用いて、この点の電力負荷をΔＱだけ増加させることができるものとする。このとき、送電線の無効電力分布は、下記の式２２，２３に示すように、０≦ｘ≦ｌの範囲でΔＱ増加し、ｌ＜ｘでは変化しないものとする。
【数１３】
2014073064.tif 000015
【００４９】
ここで、式１１より、
【数１４】
2014073064.tif 000016
【００５０】
式２４から式１１を引くと、式２５のようになる。
【数１５】
2014073064.tif 000017
【００５１】
したがって、各電圧管理ノードの電圧は、需要家群の無効電力変化量ΔＱｊを変数として、下記の式２６，式２７のように表せる。
【数１６】
2014073064.tif 000018
【００５２】
ステップＳ１０４とステップＳ１０５ｂでは計算した有効電力目標値Ｐｊと無効電力目標値Ｑｊについて、各需要家への配分量計算と伝送を行う。需要家は目標電力を受け、配電線電圧が適正範囲となるように太陽光発電システムと（あるいは）蓄電池システムの有効電力出力及び無効電力出力を変化させる。
【００５３】
第４実施形態によれば、無効電力は配電線の電圧を変化させる効果が有効電力よりも大きいため、有効電力だけの場合よりもさらに効率良く配電線電圧を適正範囲に維持することが期待できる。
【００５４】
なお、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。
【符号の説明】
【００５５】
１…電圧管理装置、２…記憶部、３…入力部、４…演算部、５…出力部、１０…配電系統、２１，２２，２３…需要家、３０…伝送網、４０…気象システム、４１，４２，４３…スマートメータ。
【図１】
2014073064.tif 000019
【図２】
2014073064.tif 000020
【図３】
2014073064.tif 000021
【図４】
2014073064.tif 000022
【図５】
2014073064.tif 000023
【図６】
2014073064.tif 000024
【図７】
2014073064.tif 000025