(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の発電機と電力を流通させる送電設備を有した電力系統に対して、発電機の負荷−燃料消費特性と送電設備の電力ロスを考慮し電力需要を経済的に個々の発電機の負荷に配分し発電機負荷指令値を作成する発電機負荷配分装置において、
発電機に配分すべき負荷の合計値に対し、フィルタ装置によりトレンド成分とフリンジ成分に分解する発電機配分負荷総量フィルタリング手段と、該発電機配分負荷総量フィルタリング手段に接続して設けられ増分燃料コストが一定の発電機には前記発電機配分負荷総量フィルタリング手段から出力されたトレンド成分のみを配分する負荷配分手段と、を有してなることを特徴とする発電機負荷配分装置。
【請求項２】
請求項１記載の発電機負荷配分装置において、電力の需要の値の時間的推移傾向と個々の発電機に配分された負荷の値の時間的推移傾向を比較し、増分燃料コストが一定の発電機の負荷変動方向と電力需要の値の変動方向が互いに反対の場合、増分燃料コストが一定の発電機の負荷の変動を抑止するように負荷配分値を調整する変動分負荷配分比較手段を設けたことを特徴とする発電機負荷配分装置。
【請求項３】
複数の発電機と電力を流通させる送電設備を有した電力系統に対して、発電機の負荷−燃料消費特性と送電設備の電力ロスを考慮し電力需要を経済的に個々の発電機の負荷に配分し発電機負荷指令値を作成する発電機負荷配分方法において、
発電機に配分すべき負荷の合計値をトレンド成分とフリンジ成分に分解し、増分燃料コストが一定の発電機にはトレンド成分のみを配分することを特徴とする発電機負荷配分方法。
【請求項４】
請求項３記載の発電機負荷配分方法において、電力の需要の値の時間的推移傾向と個々の発電機に配分された負荷の値の時間的推移傾向を比較し、増分燃料コストが一定の発電機の負荷の変動方向と電力需要の値の変動方向が互いに反対の場合、増分燃料コストが一定の発電機の負荷の変動を抑止するように負荷を配分することを特徴とする発電機負荷配分方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電力系統の電力の供給方式に係り、特に独立発電会社のような発電出力単価が一定である発電機を含む電力系統において、コンピュータを用いて発電燃料コストの最小化と発電機の運用制約を両立させつつ各発電機への負荷配分を行う発電機負荷配分装置及び負荷配分方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
発電機の負荷−燃料消費特性は、一般的に式（１）に示す発電機出力の２次式で表すことができる。
Ｆi＝ａi×Ｐi×Ｐi＋ｂi×Ｐi＋ｃi  ……（１）
Ｆi：発電機ｉの燃料消費量
Ｐi：発電機ｉの出力
ａi，ｂi，ｃi：係数
式（１）のＦiが、発電機ｉがＰiなる値の出力で運転される時の燃料消費量であるので、これに燃料単価を乗じた数が、燃料コストとなる。燃料消費量と燃料コストは、係数ａi，ｂi，ｃiが燃料単価を乗じたものか否かの違いであるため、以下の説明では、燃料消費量と発電燃料コストは同じものとして扱う。
【０００３】
今、電力需要をＬとすると、最経済となる個々の発電機の出力Ｐiは、式（２），式（３）を満たし、式（４）で表される総燃料消費量が最少となる時の値となる。
【０００４】
ΣＰi＝Ｌ＋送電ロス                ……（２）
下限値≦Ｐi≦上限値                ……（３）
総燃料消費量＝ΣＦi                ……（４）
すべての発電機の係数ａiは正であり、Ｐiも正であるために、式（４）は下凸関数となり、ラグランジェの未定乗数法にて上記に最経済なＰiを求めることができる。
【０００５】
＜ラグランジェの未定乗数法＞
Ｃ＝ΣＦi−λ（ΣＰi−Ｌ−送電ロス） ……（５）
Ｃを上記式（５）で定義したとき、下記式（６），式（７）を満たすＰiが総燃料消費量を最少にする。
【０００６】
δＣ／δＰi＝０                      ……（６）
δＣ／δλ＝０                       ……（７）
式（６）に式（１）を代入すると式（８）となり、その左辺を増分燃料特性と呼ぶ。
【０００７】
２×ａi×Ｐi＋ｂi＝λ                ……（８）
今、説明を簡単にするために送電ロスは一定であるとすると、ラグランジェの未定乗数法は、式（８）と式（２）を満たすλを求めることと等価である。
【０００８】
電力需要ＬがＬ＋ΔＬに変化したとすると、式（２），式（８）から、各発電機の出力は式（９）に示すように、ΔＰiだけ変化することがわかる。
【０００９】
ΔＰi＝ΔＬ×（１／（２ａi））／Σ（１／（２ａi））……（９）
発電機の物理特性では、発電燃料コストは、式（１）に示したような発電機出力の２次式で表現される。しかし、独立発電業者が電力会社に電力を販売する場合、販売単価は発電機の特性に基づいて変動するのではなく、ＭＷあたりの固定単価で供給することが一般的である。これは前記説明の中の式（１）の２次の係数項ａiがゼロの時に相当する。２次の係数項ａiがゼロの場合、電力需要がΔＬだけ変動した時に当該発電機に式（９）の適用はできず、最経済の配分負荷は以下のように不連続な値となる。
【００１０】
λ≦ｂiの時   Ｐi＝下限値
λ＞ｂiの時   Ｐi＝上限値
λは電力需要Ｌによって決定される値であるので、電力需要が変動すると当該発電機の出力は上下限値間を変動することになる。例えば、電力需要が上記不連続点の付近で上下に変動すると、当該発電機出力は、上限→下限→上限→下限→と変動することになる。発電機の運用制約上、出力をこのように連続的に大きく変動させることは得策ではないため、従来技術では式（１）で示す燃料消費特性が１次式となる発電機に対しては最経済配分を適用せず、マニュアルで設定した一定出力運転を行っていた。
【００１１】
特開平８−１９６０４１号公報には、発電機毎に、その発電機出力と燃料消費量との関係を自己回帰移動平均モデルで表現する動特性モデル同定部を設け、該自己回帰移動平均モデルを用いて全発電機の燃料消費量の総量を表す目的関数を作成し、予め定められた制約条件の下で、発電機出力の予想需要値に基づいて上記目的関数の値が最少になるように各発電機出力を求める発電機負荷配分装置が開示されている。しかし、この技術では、燃料消費特性が発電機出力の１次式となるような場合の負荷の変動の経済性については考慮されていない。
【００１２】
また、特開平５−５６５６２号公報には、負荷配分を発電コストと送電損失とＣＯ2排出量の任意の組合せの関数で定義された評価関数が最少となるように決定する発電機負荷配分方法が開示されている。この技術においても、燃料消費特性が発電機出力の１次式となるような場合の負荷の変動の経済性については考慮されていない。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、燃料消費特性が１次式となる発電機（増分燃料コスト一定である発電機）に対しても経済性を犠牲にせず、かつ出力を大きく変動させることなく、負荷を配分するにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
電力需要は多くの周波数成分を含んでいる。電力系統の運用においては、数秒周期で変化する電力需要短周期変動分は、ガバナーフリーやＬＦＣ（周波数維持装置）により制御される。発電機負荷配分装置が制御する変動分は、１〜５分以上の電力需要の中長期変動分である。実態として、電力需要の中長期変動分は、上げ方向と下げ方向に分けられる。この変動分が前述した燃料消費特性が１次式となる発電機に対して出力を連続的に大きく変動させる要因である。しかし、一般に数１０分単位でみると、電力需要はなだらかに変化する。つまり、電力需要の中長期変動分は、なだらかな変化分（以下、トレンド分と呼ぶ）と、上げ方向と下げ方向に変動する数分単位の変動分（以下、フリンジ分と呼ぶ）が重畳されたものである。
【００１５】
本発明では、負荷を配分すべき電力需要をトレンド分とフリンジ分に分割するフィルタを設け、トレンド分に対して燃料消費特性が１次式となる発電機を含めた負荷配分対象のすべての発電機に対して負荷を配分し、フリンジ分に対しては燃料消費特性が２次式となる発電機のみで配分し、それらの合計値が発電機負荷となるように配分する。
【００１６】
まず、電力需要を式（１０）のように分割する。
【００１７】
電力需要＝トレンド分＋フリンジ分     ……（１０）
ここで、トレンド分は、ある時間幅以上に渡って、時刻ｔのトレンド分≦時刻ｔ＋１のトレンド分、もしくは、時刻ｔのトレンド分≧時刻ｔ＋１のトレンド分となるように、分割する。
【００１８】
前述したように、燃料消費特性が１次式となる発電機に対する経済負荷配分値は、
ΔＬ＞０ならばΔＰ≧０
ΔＬ＜０ならばΔＰ≦０
となる単調性があるため、上記トレンド分を燃料消費特性が１次式となる発電機に対して経済負荷配分を行っても、Ｐiが上限→下限→上限→下限→と頻繁に変動することはなくなる。
【００１９】
また、電力需要のうちのフリンジ分を燃料消費特性が２次式となる発電機のみで配分し、それらの合計を発電機負荷とするので、式（２）の需要供給制約を満たすことができる。
【００２０】
また、燃料消費特性が１次式となる発電機に対して経済負荷配分を実施する要因として、電力需要の変動だけでなく、発電機の起動停止がある。例えば、電力需要が大きくなる期間（例えば午前中）には、最大需要を満足させるために必要な発電機が徐々に並列される。発電機が並列されると負荷が配分される発電機台数が増え、電力需要が増えていても、１台あたりの配分負荷は減る可能性がある。このため、
ΔＬ＞０ならばΔＰ≧０
ΔＬ＜０ならばΔＰ≦０
という単調性は保証されず、燃料消費特性が１次式となる発電機に対する配分負荷の不連続性が発生する。このような事態の発生を避けるため、電力需要のトレンド成分の変動方向と、燃料消費特性が１次式となる発電機に対する経済負荷配分結果の変動を比較し、電力需要のトレンド成分の変動方向が上げ方向であれば燃料消費特性が１次式となる発電機の出力を下げないようにし、また、電力需要のトレンド成分の変動方向が下げ方向であれば燃料消費特性が１次式となる発電機の出力を上げないようにすることで、燃料消費特性が１次式となる発電機の出力の大きな変動が回避される。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図１，図２を参照して説明する。図１は本発明に係る発電機負荷配分装置の要部構成の例を示すブロック図で、図２はその処理フローを示す手順図である。
【００２２】
図示の発電機負荷配分装置は、発電機配分負荷総量算出手段１と、発電機配分負荷総量算出手段１の出力をトレンド分とフリンジ分に分けて出力する発電機配分負荷総量フィルタリング手段２と、発電機配分負荷総量フィルタリング手段２の出力側に接続されたトレンド分経済負荷配分手段３及びフリンジ分経済負荷配分手段４と、トレンド分経済負荷配分手段３及びフリンジ分経済負荷配分手段４双方の出力側に接続された変動分負荷配分比較手段５と、変動分負荷配分比較手段５の出力側に接続された再配分手段６と、入力側を前記再配分手段６の出力側に、出力側を前記変動分負荷配分比較手段５の入力側に、それぞれ接続して配置された前回値保存手段８と、前記再配分手段６の出力側に接続して配置された発電機指令送信手段７と、前記トレンド分経済負荷配分手段３及び再配分手段６に接続して配置された発電機上下限制約作成手段９と、を含んで構成されている。
【００２３】
図示の各手段は、それぞれＣＰＵあるいはメモリを備えたハードウェアとして構成してもよいし、汎用コンピュータで動作するソフトウェアとして構成することもできる。
【００２４】
次に図２を参照しながら、処理手順を説明する。処理がスタートしたら、まず、手順１０１で、発電機配分負荷総量算出手段１から出力される電力需要を入力とし、指数平滑を用いてトレンド分が抽出され、入力された電力需要とトレンド分の差がフリンジ分として抽出される。抽出されたトレンド分はトレンド分経済負荷配分手段３及び変動分負荷配分比較手段５へ出力され、抽出されたフリンジ分はフリンジ分経済負荷配分手段４へ出力される。
【００２５】
トレンド分経済負荷配分手段３は、入力されたトレンド分に対してラグランジェの未定乗数法にて、個々の発電機の負荷を配分し、配分結果を変動分負荷配分比較手段５へ出力する（手順１０２）。この配分は、燃料消費特性が１次式となる発電機（出力単価一定の発電機）も含むすべての発電機を対象に行われる。
【００２６】
フリンジ分経済負荷配分手段４は、入力されたフリンジ分に対してラグランジェの未定乗数法にて、個々の発電機に、トレンド分との偏差を配分し、配分結果を変動分負荷配分比較手段５へ出力する（手順１０３）。この配分には燃料消費特性が１次式となる発電機（出力単価一定の発電機）は対象に含めない。手順１０３の処理により、電力需要のフリンジ分の変動があっても、発電機の大きな出力変動を要求するような負荷配分がなくなる。
【００２７】
次に変動分負荷配分比較手段５は、発電機配分負荷総量フィルタリング手段２からトレンド分が入力され、トレンド分経済負荷配分手段３からトレンド分配分結果が入力されると、前回値保存手段８から、格納されているトレンド分の前回値と発電機ごとの負荷配分結果を読みだし、入力された前記トレンド分と発電機ごとのトレンド分配分結果を、前回値保存手段８から読みだしたそれぞれの前回値と比較する。もし、電力需要のトレンド分が前回値と比較して増加しており、かつ、燃料消費特性が１次式となる発電機（出力単価一定の発電機）に配分された負荷が前回値に比べて減少している場合には、当該発電機の出力値（負荷配分値）を前回値と同じとする。また、もし、電力需要のトレンド分が前回値と比較して減少しており、かつ、燃料消費特性が１次式となる発電機（出力単価一定の発電機）に配分された負荷が前回値と比べて増加している場合には、当該発電機の出力値（負荷配分値）を前回値と同じとする。変動分負荷配分比較手段５は上記手順を終えたら、電力需要のトレンド分とフリンジ分経済負荷配分手段４の出力とトレンド分負荷配分調整結果（調整が不要な場合はトレンド分経済負荷配分手段３の出力）を再配分手段６に出力する（手順１０４）。このように、燃料消費特性が１次式となる発電機（出力単価一定の発電機）への負荷配分値を調整することにより、発電機起動停止に伴う大きな出力変動が防止される。
【００２８】
変動分負荷配分比較手段５から負荷配分調整結果が再配分手段６に出力されると手順１０５に進む。手順１０５では、燃料消費特性が１次式となる発電機（出力単価一定の発電機）への負荷配分値が前回値に調整された場合、それにより不足あるいは過剰となる分が、再配分手段６により、負荷配分値が前回値と同じに修正された発電機以外の発電機（例えば燃料消費特性が２次式となる発電機）に再配分され、発電機ごとの負荷配分値が定まる。変動分負荷配分比較手段５でトレンド分の配分が調整されていない場合は、再配分手段６で、入力されたトレンド分の配分値とフリンジ分の配分値に基づいて、各発電機への負荷配分値が算定される。
【００２９】
各発電機への負荷配分値が算定されたら、配分されたＰiが各発電機の運用制約条件として設定された負荷の上下限値の中に収まっているかどうかが確認され、必要なら上下限値の中に収まるよう再調整される。
【００３０】
再配分手段６によるトレンド分再配分（入力されたトレンド分の配分値とフリンジ分の配分値に基づく各発電機への負荷配分値設定）が終了したら、各発電機への負荷配分値が再配分手段６から発電機指令送信手段７に出力され、各発電機の制御装置に送信されると共に、電力需要のトレンド分と各発電機への負荷配分値が再配分手段６から前回値保存手段８に出力され、格納されていた前回値が更新される（手順１０６）。
【００３１】
なお、発電機上下限制約作成手段９では、発電機出力の上限値、下限値を表す信号が作成され、トレンド分経済負荷配分手段３及び再配分手段６に出力される。トレンド分経済負荷配分手段３及び再配分手段６に出力された発電機出力の上限値、下限値を表す信号は、トレンド分経済負荷配分手段３及び再配分手段６における負荷配分に際し、配分された負荷Ｐiが前記式（３）の条件を満たすかどうかの確認に使用される。
【００３２】
上記実施例は、トレンド分の配分とフリンジ分の配分をそれぞれ別々に行い、最後に合算して発電機個別の負荷配分値を得るように構成されているが、まず、全部の発電機に対してトレンド分を配分し、燃料消費特性が２次式で表される発電機に対するフリンジ分の配分は、それら発電機に配分されたトレンド分の合計と配分すべきフリンジ分を合わせたものを、改めてラグランジェの未定乗数法で配分するようにしてもよい。
【００３３】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、出力単価が一定（燃料消費特性が出力Ｐiの１次式と見做される発電機）を含む電力系統に対して、経済性と運用制約を両立させる経済負荷配分が可能となる。また、出力単価が一定の発電機だけでなく、発電機負荷が連続して上げ下げ変化するのを避けたいという運用上の制約を持つ発電機に対しても本発明を適用することで、電力系統の経済運用と個々の発電機の特性に合わせた負荷配分が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例の要部構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示す実施例の動作の例を示す手順図である。
【符号の説明】
１  発電機配分負荷総量算出手段
２  発電機配分負荷総量フィルタリング手段
３  トレンド分経済負荷配分手段
４  フリンジ分経済負荷配分手段
５  変動分負荷配分比較手段
６  再配分手段
７  発電機指令送信手段
８  前回値保存手段
９  発電機上下限制約作成手段
【図１】
0003543191.tif 000002
【図２】
0003543191.tif 000003