(57)【要約】【課題】分散型電源が自律的に電力系統全体の周波数維持に貢献すること。【解決手段】電力系統に連系する電源の監視制御装置０１００は、電源の出力調整の対象とする系統周波数の変動周期である調整対象変動周期を決定する調整対象変動周期決定手段０１０４と、決定した調整対象変動周期と系統周波数とを用いて、電源の出力を調整するための出力調整量を決定し、決定した出力調整量を電源に入力して当該電源の出力を調整する出力調整量決定手段０１０３と、決定した調整対象変動周期を通信網を介して送信する通信手段０１０６とを備える。これにより、監視制御装置は、決定した調整対象変動周期と系統周波数とにより定まる出力調整量をもって、電源の出力を調整できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力系統に連系する電源の監視制御装置において、
前記電源の出力調整の対象とする系統周波数の変動周期である調整対象変動周期を決定する調整対象変動周期決定手段と、
前記決定した調整対象変動周期と系統周波数とを用いて、前記電源の出力を調整するための出力調整量を決定し、決定した前記出力調整量を前記電源に入力して当該電源の出力を調整する出力調整量決定手段と、
前記決定した調整対象変動周期を通信網を介して送信する通信手段と、
を備えることを特徴とする電源の監視制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電源の監視制御装置において、
前記出力調整量決定手段は、前記系統周波数と予め設定される基準周波数との偏差を入力する演算式を用いて、前記出力調整量を決定する電源の監視制御装置。
【請求項３】
請求項１に記載の電源の監視制御装置において、
前記調整対象変動周期決定手段は、前記系統周波数の時系列変化について変動周期成分に分解する演算の結果から、前記調整対象変動周期を決定する電源の監視制御装置。
【請求項４】
請求項１に記載の電源の監視制御装置において、
前記通信手段は、一つ以上の監視制御装置からの受信履歴を蓄積する機能を有する演算装置に対して、前記調整対象変動周期を送信する電源の監視制御装置。
【請求項５】
請求項１に記載の電源の監視制御装置において、
前記通信手段は、一つ以上の監視制御装置からの受信内容を画面に表示する機能を有する演算装置に対して、前記調整対象変動周期を送信する電源の監視制御装置。
【請求項６】
請求項１に記載の電源の監視制御装置において、
前記通信手段は、一つ以上の監視制御装置からの受信履歴に従って、電力系統全体の周波数調整に貢献した報償量を定量化する機能を有する演算装置に対して、前記調整対象変動周期を送信する電源の監視制御装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載の電源の監視制御装置において、
前記調整対象変動周期決定手段は、前記系統周波数の変動周期を複数区間に区切り、該各区間における前記系統周波数の変動量の大きさと乱数とに基づいて、前記各区間のうちいずれか一つの区間を選択し、選択した区間に対応する変動周期を前記調整対象変動周期として決定する電源の監視制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電源の監視制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
旧来、電力系統における電力供給源の主体は、基幹系の系統に連系する大型発電機であった。多くの場合、電力系統を主体的に運用する機関が存在して、その機関が計画的に発電設備および送電設備の建設計画を進めてきた。
【０００３】
しかし、今後は、太陽光や風力などに代表される再生可能エネルギーを利用した分散型電源と呼ばれる中小型発電機の大量導入が想定される。この場合、中小の発電事業者が乱立する可能性が高く、発電設備の増設や廃止について不確実性が増加する。従って、分散型電源が電力系統に多数接続されると、旧来のように発電設備の増設や廃止を計画的に進めることが難しくなると考えられる。
【０００４】
このような電源構成の変化は、電力系統の運用方法に影響を及ぼす。旧来の電力系統の運用においては、主に大型発電機を制御することで需給バランスを維持していた。しかし、再生可能エネルギーなどの分散型電源が電力系統に普及するにつれて、このような従来の系統運用方法も見直しが求められる（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−６０７４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
電力系統を安定に維持するためには、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。
【０００７】
現在の電力系統運用では、このような需給バランスの変動に対して、複数の制御体系を組み合わせて解消する対策が採られている。制御体系を大きく分けると、発電機の調速機能の自律的な制御モード（Governor-Free operation、以下ＧＦと略記）、負荷周波数制御（Load Frequency Control、以下ＬＦＣと略記）、需要予測に基づく経済負荷配分制御(Economic Load Dispatching Control、以下ＥＬＤと略記)が挙げられる。
【０００８】
しかし、現時点では、再生可能エネルギー電源を含む分散型電源の多くは、上述した従来の系統運用のための制御対象になっていない。そのような分散型電源は、一般的に、ＧＦやＬＦＣのような周波数維持のための機能を持つことは少ない。
【０００９】
系統運用に貢献しない分散型電源が増えるにつれて、従来の系統運用方法による電力系統の維持が難しくなる。周波数維持についても、火力発電などの大型発電所が負担する出力調整要求は厳しくなる。大型発電所に対する、高頻度かつ広範囲にわたる出力調整要求は、燃料費の増加を招き経済的損失につながる。また、大型発電所の調整能力の限界を超えた場合には、周波数逸脱などを生じ、系統維持に支障をきたす恐れがある。
【００１０】
そこで、分散型電源に対しても、系統運用に貢献させる考え方が議論されている。例えば、特許文献１は、分散型電源が自律的に出力調整する制御ネットワークを設けることを提案している。特許文献１では、周波数変動に対して、それぞれの分散型電源が需給アンバランスを解消しようとする動作を実現している。
【００１１】
しかしながら、特許文献１の試みは、比較的小規模な特定地域における電力系統を制御対象としており、電力系統の構成が事前に特定されている。その上で、特許文献１では、周波数維持に必要な需給制御のために、望ましい制御パラメータを事前に同定する必要がある。しかし、比較的大規模な電力系統では、広範囲にわたって分散型電源が無計画に追加されたり除去されたりするため、電力系統全体の構成を正確に把握するのが難しい。従って、比較的大規模な電力系統においては、分散型電源毎に望ましい制御パラメータを設定するのは手間がかかり、難しい。これに対し、特許文献１では、広い範囲に無計画に増加していく分散型電源を積極的に活用することは考えられていない。
【００１２】
本発明は、上記の課題に着目してなされたもので、その目的は、電力系統に連系する電源の出力を調整することで電力系統の安定化に寄与できるようにした電源の監視制御装置を提供することにある。本発明のさらなる目的は、出力調整の対象として決定した系統周波数の変動周期について、系統周波数に応じた出力調整量を算出し、電源の出力を調整できるようにした電源の監視制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決すべく、本発明に従う電源の監視制御装置は、電力系統に連系する電源を監視して制御するものであり、電源の出力調整の対象とする系統周波数の変動周期である調整対象変動周期を決定する調整対象変動周期決定手段と、決定した調整対象変動周期と系統周波数とを用いて、電源の出力を調整するための出力調整量を決定し、決定した出力調整量を電源に入力して当該電源の出力を調整する出力調整量決定手段と、決定した調整対象変動周期を通信網を介して送信する通信手段と、を備える。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、監視制御装置は、決定した調整対象変動周期と系統周波数とにより定まる出力調整量をもって、電源の出力を調整することができる。この結果、電源が自律的に電力系統全体の周波数維持に貢献するための制御システムを構築できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態に係る監視制御装置の機能構成例を示す。
【図２】監視制御装置の設置例を示す説明図である。
【図３】出力調整量決定手段の制御ブロック図である。
【図４】電力系統の周波数調整のための制御体系の概念図である。
【図５】周波数偏差の時系列変動に関する変動周期の分析例を示すグラフである。
【図６】サーバが管理する、監視制御装置の稼働情報データベースの構成例を示す説明図である。
【図７】電力系統の周波数調整能力に関する状況表示例を示す説明図である。
【図８】監視制御装置が管理する分散型電源の動作履歴テーブルの構成例を示す説明図である。
【図９】電力系統の周波数を調整する責務の分担に関する報償授受体系の例を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面に基づいて、本発明の実施の形態を説明する。本実施形態に係る監視制御装置は、後述のように、電力系統に連系する電源が担当する系統周波数の変動周期（調整対象の変動周期）を決定し、決定した変動周期と自端の系統周波数とに応じて出力調整量を決定し、その出力調整量で電源からの出力を調整する。これにより、電源は、電力系統全体の周波数維持に自律的に参加する。従って、監視制御装置を各分散型電源に使用することで、各分散型電源は、それぞれの調整対象変動周期に関して、系統周波数の維持に寄与することができる。この結果、各分散型電源は、電力系統全体の周波数安定について応分の責務を果たすことができ、大型発電機の需給調整の負担を軽減することができる。
【実施例１】
【００１７】
本実施例に係る監視制御装置によって、電力系統に連系する分散型電源を監視制御する方法を説明する。これらの分散型電源は、大型発電機のように専用通信網を介した高頻度な監視制御の対象には含まれていない。一方で、それらの分散型電源は、公衆通信網を介して通信する機能を有している。そこで、監視制御装置は、その通信機能を用いて分散型電源を監視制御することで、電力系統全体の周波数調整に貢献する。
【００１８】
図１は、分散型電源の監視制御装置０１００の機能構成の例である。監視制御装置０１００は、例えば、系統周波数検出手段０１０１、周波数履歴データベース０１０２、出力調整量決定手段０１０３、調整対象変動周期決定手段０１０４、電源特性データベース０１０５、通信手段０１０６を含む。監視制御装置０１００は、例えば、マイクロプロセッサ、主記憶装置、補助記憶装置、通信回路、入出力回路（いずれも不図示）などを有するコンピュータ装置として構成することができる。マイクロプロセッサが所定のコンピュータプログラムを実行することで、図１に示す各種機能を実現することができる。なお、コンピュータプログラムに代えて専用のハードウェア回路を用いてもよい。
【００１９】
図１を用いて、まず、監視制御装置０１００の動作の概略を説明する。系統周波数検出手段０１０１は、分散型電源０２０２が連系する電力系統０２０１（いずれも図２参照）の系統周波数を検出している。検出された系統周波数は周波数履歴データベース０１０２に格納されると共に、出力調整量決定手段０１０３にも出力される。出力調整量決定手段０１０３は、分散型電源の出力調整量を算出して、分散型電源に指令を出す。出力調整量を算出する際には、出力調整量決定手段０１０３は、算出式のパラメータを調整対象変動周期決定手段０１０４から入手する。
【００２０】
調整対象変動周期決定手段０１０４は、周波数履歴データベース０１０２および電源特性データベース０１０５の参照処理に基づいて、また、通信手段０１０６を介して電力系統相当の規模を持つ外部通信網０２０４との送受信処理に基づいて、前記算出式のパラメータを決定する。
【００２１】
図２は、監視制御装置０１００を電力系統０２０１に連系する電源０２０２に設置した例である。電力系統０２０１には、複数の分散型電源０２０２および大型発電機０２０３が連系されている。
【００２２】
監視制御装置０１００は、一つまたは複数の分散型電源０２０２に接続されており、接続先の分散型電源０２０２を監視制御対象として監視し制御する。また、監視制御装置０１００は、公衆通信網０２０４を介して、遠隔に設置されているサーバ０２０５と通信する機能を有している。サーバ０２０５は「演算装置」の一例である。サーバ０２０５は、例えば、マイクロプロセッサ、主記憶装置、補助記憶装置、入力装置、出力装置などを備えるコンピュータ装置として構成されており、電力系統０２０１についての系統周波数の調整状況を電力系統の運用管理者などに提示することができるようになっている。
【００２３】
以降、図１を参照しながら上述した監視制御装置０１００の処理手順について、それぞれの詳細を説明する。系統周波数検出手段０１０１は、一般的に用いられている技術の通り、電力系統０２０１に接続した電圧センサもしくは電流センサの計測値を用いて系統周波数を算出し、算出した系統周波数を出力する処理である。
【００２４】
出力調整量決定手段０１０３は、例えば図３に示すような制御ブロックを用いる。図３において、系統周波数偏差（Δｆ）０３０１は、系統周波数検出手段０１０１で検出された系統周波数と商用定格周波数との差分である。出力調整量決定手段０１０３は、系統周波数偏差０３０１をバンドパスフィルタ０３０２に通した上で、一次遅れ要素０３０３によって、上限（ＵＬ）０３０４と下限（ＬＬ）０３０５の制約のもとで出力調整量（ΔＰ）０３０６を算出する。
【００２５】
この出力調整量（ΔＰ）を分散型電源０２０２の現状の発電出力値に加算することで、分散型電源０２０２の目標出力値を得る。バンドパスフィルタ０３０２の動作内容は、パラメータ群０３０７として示すように、下限変動周期ＴＬ、中心変動周期Ｔ０、上限変動周期ＴＨで指定されている。監視制御装置０１００は、調整対象変動周期決定手段０１０４で決定された調整対象の変動周期に応じて、バンドパスフィルタ０３０２のパラメータ０３０７を動的に決定する機構を持つ。
【００２６】
次に、調整対象変動周期決定手段０１０４の概要を説明する。図４は、電力系統０２０１の周波数調整のための制御体系の概念を示す。横軸０４０１は、電力系統０２０１内で発生する需要変動に関する変動周期を示す。縦軸０４０２は、需要変動成分の大きさを示している。一般的に、短い変動周期における変動成分は小さく、一日相当の周期まで変動周期が大きくなるに従って変動成分も大きくなる。この関係は、図４に示すように、指数関数に近い傾向になることが知られている。
【００２７】
本実施例の監視制御装置０１００には、このような変動成分の特性について、変動周期を幾つかに分けた制御体系を組み込んでいる。ただし、領域０４０３における微小変動成分については、現状、特定の制御システムは構築されていない。需要そのものが持つ周波数特性に従ってダンピングされると考えられているためである。その他の領域０４０４、０４０５、０４０６については、複数の制御体系を組み合わせて解消している。
【００２８】
領域０４０４における短周期変動成分に対しては、大型発電機０２０３の調速機能として知られているＧＦ制御が用意されている。各々の発電機出力は、発電機端で観測される周波数に対する垂下特性を持たせており、周波数上昇に対して発電機出力を抑制し、周波数下降に対して発電出力を増加させる。ＧＦ制御は、発電機各々での観測情報のみを用いた制御であるため、自律的な高速制御を実現することができる。調速機能には機械的な限界があるので、一般的に、数十秒程度の周波数変動に対してＧＦ制御が責務を負う構成となっている。
【００２９】
領域０４０５の中周期変動成分については、ＬＦＣが用意される。ＬＦＣでは、中央制御所から大型発電機０２０３に対して目標出力を変更する制御体系が組まれている。中央制御所と大型発電機０２０３との間とを結ぶ通信網の通信速度の制約や、発電機出力調整の変化速度の制約から、一般的に、ＬＦＣでは、数分から数十分程度の周波数変動に対して発電機出力を調整している。
【００３０】
領域０４０６における長周期変動成分については、経済負荷配分制御(ＥＬＤ)が用意されている。ＥＬＤでは、ＬＦＣでも解消できない大きな需要変化について、需要予測に基づいて大型発電機０２０３への出力配分を指令する。調整対象変動周期決定手段０１０４は、このような周波数調整のための制御体系ＧＦ、ＬＦＣ、ＥＬＤを前提として、バンドパスフィルタ０３０２のパラメータ群０３０７を決定していく。
【００３１】
調整対象変動周期決定手段０１０４の処理を説明する。調整対象変動周期決定手段０１０４は、まず、周波数履歴データベース０１０２を参照して、過去一定時間内に発生した周波数偏差の時系列変動を獲得する。その上で、図５に示すように、調整対象変動周期決定手段０１０４は、周波数偏差の時系列変動について、変動周期０５０１の一定範囲ごとに区分した区間１〜Ｎ（中心変動周期Ｔｃ１からＴｃＮ）のそれぞれにおける実需給変動０５０２の大きさ０５０３を求める。
【００３２】
そして、調整対象変動周期決定手段０１０４は、上記の区間ごとの実需給変動の大きさに従って、一定時間ごとに確率的に区間を選択する。一例として、調整対象変動周期決定手段０１０４は、実需給変動の大きさ０５０３が大きいほどその区間を選択するように、一定時間毎に乱数を用いて選択する。
【００３３】
調整対象変動周期決定手段０１０４は、選択した区間の中心変動周期と上下限の値とから、バンドパスフィルタ０３０２のパラメータ０３０７として、下限変動周期ＴＬと中心変動周期Ｔ０、上限変動周期ＴＨを決定する。ただし、この際、調整対象変動周期決定手段０１０４は、電源特性データベース０１０５を参照して、各電源０２０２について別途指定された変動周期の上下限範囲を超えないようにしている。
【００３４】
監視制御装置０１００の稼働状況は、通信網０２０４を介して、サーバ０２０５に収集されている。図６は、サーバ０２０５が監視制御装置０１００から収集した電源０２０２の稼働情報を管理するデータベースの構成例である。それぞれの監視制御対象の電源毎に対象ＩＤを採番してあり、これをインデックスとして列０６０１に格納してある。
【００３５】
それぞれの監視制御対象の電源０２０２について、調整対象変動周期決定手段０１０４が決定した中心変動周期Ｔ０を列０６０２に、また、それぞれの電源０２０２の調整可能量上限０３０４を列０６０３に、調整可能量下限０３０５を列０６０４に、それぞれ格納する構成である。
【００３６】
上述した稼働情報を収集して管理する機能によって、サーバ０２０５は、電力系統全体の周波数調整能力を監視することができる。図７は、電力系統０２０１の周波数調整能力に関する状況表示の一例である。図７に示す画面は、サーバ０２０５の有する出力装置（ディスプレイやプリンタなど）に出力することができる。
【００３７】
グラフの横軸０７０１は、需給バランスの変動周期を示す。グラフの縦軸０７０２は、変動周期ごとに想定している需給変動の大きさを示している。図６の稼働情報データベースで述べたように、各分散型電源０２０２の監視制御装置０１００から収集された値を用いて、各分散型電源０２０２が持っている周波数調整能力を白抜きの四角形で表す領域０７０３として描画している。
【００３８】
図７のグラフには、分散型電源０２０２の周波数調整能力と共に、大型発電機０２０３が有する周波数調整能力について、斜線で塗りつぶした四角形で表す領域０７０４が描画されている。分散型電源０２０２による周波数調整能力と大型発電機０２０３による周波数調整能力との積み上げにより、電力系統全体の周波数調整能力を示している。
【００３９】
また、図７では、別途指定される周波数調整能力の中心基準０７０５、上限０７０６および下限０７０７をあわせて表示することによって、サーバ０２０５において、電力系統の運用管理者が現状の周波数調整能力の是非を判断することが可能となっている。電力系統の運用管理者は、図７に示す画面を、分散型電源０２０２による、大型発電機０２０３の運用における支援情報として活用できる。
【００４０】
一方で、電力系統全体の周波数調整に協力した分散型電源０２０２については、その貢献を定量化しておく必要がある。図８は、監視制御装置０１００により制御される分散型電源０２０２の動作履歴を管理するテーブルの一例である。
【００４１】
列０８０１に格納される時刻毎に、列８０２に格納される調整対象変動周期Ｔ０の情報と、列０８０３に格納される調整可能量の下限ＬＬの情報と、列０８０４に格納される調整可能量の上限ＵＬの情報とが記録されている。図８に示す分散型電源動作履歴テーブルによって、分散型電源０２０２のそれぞれが、どの程度、発電機会を損失しながら予備力として、電力系統に対し周波数調整能力を提供してきたかが記録される。
【００４２】
最後に、分散型電源０２０２の運用者に係る事業構造を説明する。図９は、周波数調整責務の分担に関する報償授受体系の例である。ここで、商用電力系統の運用責務は電力系統運用者０９０１が負っている。一方で、監視制御装置０１００の監視制御対象である分散型電源０２０２は、別の事業者である電源運用者０９０２が所有している。
【００４３】
まず、電源運用者０９０２は、分散型電源０２０２を商用電力系統０２０１に連系した後に、周波数調整の責務を分配する制度に参加するための申込０９０３を行う。その申込内容の審査が完了すると、分散型電源０２０２の監視制御装置０１００は、電力系統運用者０９０１に対して、図８に示したような稼働状況０９０４を定期的にサーバ０２０５に報告する。
【００４４】
サーバ０２０５は、通信網０２０４を介して各監視制御装置０１００から各分散型電源０２０２の稼働状況を定期的に収集する。時々刻々に、この稼働状況０９０４のサーバ０２０５への報告処理を繰り返した後、事後精算として、電力系統運用者０９０１は、分散型電源の運用者０９０２に対して、報償０９０５を提供する。
【００４５】
報償の算出方法としては色々考えられるが、例えば、周波数調整に対する予備力の価値[￥／ｋＷ］が時間帯別に事前に合意されており、実際に各分散型電源０２０２が周波数調整に提供した調整可能量の上下限の幅に応じて金銭を支払う事業構造が挙げられる。
【００４６】
図９で述べたような事業構造を構築することによって、本実施例では、分散型電源０２０２の事業収支を改善する環境も提供できる。
【００４７】
本実施例では上述の構成を備えるため、監視制御装置０１００は、その管理下の分散型電源０２０２の出力を調整対象変動周期と系統周波数との差に応じて調整することができ、その結果、分散型電源０２０２を自律的に電力系統全体の周波数維持に参加させることができる。
【００４８】
本実施例では、サーバ０２０５からの指示に応じて各分散型電源０２０２がその出力を調整する構成ではなく、各分散型電源０２０２に対応付けられている監視制御装置０１００が自端で計測する情報に基づいて、調整対象とする変動周期を自律的に選択し、選択した変動周期と系統周波数との差に応じて分散型電源０２０２の出力を調整する。従って、比較的多数の分散型電源０２０２が連系し、具体的な構成が随時変化する比較的大規模な電力系統０２０１においても、分散型電源０２０２を系統周波数の維持に貢献させることができる。
【００４９】
本実施例では、図５に示すように、周波数偏差の時系列変動について、変動周期０５０１の一定範囲ごとに区分した区間のそれぞれにおける実需給変動の大きさを求め、その大きさに従って、一定時間ごとに確率的に区間を選択する。従って、各分散型電源０２０２が調整対象とする変動周期を、サーバ０２０５からの指示に頼らずに、分散型電源０２０２全体として比較的適切に選択させることができる。これにより、制御構造を簡素化し、日々構成が変動する大規模な電力系統０２０１での系統周波数の維持に貢献することができる。
【００５０】
本実施例では、分散型電源０２０２の普及にあわせて、電力系統全体の効率を高めることができるため、分散型電源０２０２の普及促進に寄与することもできる。
【００５１】
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されない。当業者であれば、本発明の範囲内で、種々の追加や変更等を行うことができる。
【符号の説明】
【００５２】
０２０１：電力系統、０２０２：電源、０２０３：大型発電機、０２０４：通信網、０２０５：サーバ、０１００：監視制御装置、０１０１：系統周波数検出手段、０１０２：周波数履歴データベース、０１０３：出力調整量決定手段、０１０４：調整対象変動周期決定手段、０１０５：電源特性データベース、０１０６：通信手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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