DEN-CHU-KEN

TOPICS
2 0 155 M AYVOL.

20

Central Research Institute of Electric Power Industry

再生可能エネルギー大量導入時の電力系統安定運用技術
1. 太陽光発電の大量導入と電力系統安定運用のための課題
2. 需要地系統における電力需給協調技術
3. 系統周波数維持のための電力貯蔵活用技術と日射量予測技術
4. 基幹系統事故に対する系統セキュリティ評価
5. 汎用技術を活用した電力系統監視制御用情報通信システム

1
再生可能エネルギー大量導入時の電力系統安定運用技術

1.太陽光発電の大量導入と電力系統安
わが国では電気事業に競争原理を導入するため、1995年から累次にわたる電気システム技術研究所
研究参事
井上

俊雄

事業制度改革が行われ、小売の部分自由化等が実施されました。また、地球温暖化対策の一環として、2003年から再生可能エネ ル ギ ー（ 再エネ）の 導 入が推 進され、さらなる再エネの普及拡大を目的として2012年に固定価格買取制度（FIT）が導入されました。2015年からの電力システム改革では、広域系統運用の拡大、小売および発電の全面自由化、法的分離方式
による送配電部門の中立性の一層の確保という3段階からなる改革が進められています。
このように、新しい電力供給体制に向け電気事業を取り巻く環境て電気事業を取り巻く環境は大きく変化
していますが、電力系統の供給信頼性 ※ 1の確保が根底にあることは変わりません。
本稿では電力系統の供給信頼性の確保に不可欠な電力系統の安定運用技術、特に再エネのうち近年導入量が急増している太陽光発電（PV）が大量導入された時の安定運用技術に関する電力中央研究所の主な研究成果を紹介します。

1

再生可能エネルギー導入量の推移
系統安定運用に影響する自然変動電源のうち、太陽光発電（PV）
がFIT導入後に急増※1 電力系統の供給信頼性：発電、送電、配電で構成される系統全体の頑健性のことで、その度合いは需要家の停電の少なさで測られる。

定運用のための課題
研 究 成 果 の 各 論 に入る前 の 予 備 知 識として、

これらの 課 題 の 顕 在 化 は P V の 導 入 量と関 係

PVの特徴（配電系統への連系（接続）、出力変動、すると考 えられます。導 入 量 が 増 加 するにつ れ

パワーコンディショナー ※ 2 連 系 ）によって生じるて、左記の①～⑤の課題が図1-1に示すように重系 統 安 定 運 用 面 の 課 題 を 表 1 - 1 に示します。配

畳していきます。

電 系 統 へ の 連 系 は、配 電 系 統 の ① 事 故 時 復 旧 、

本 稿では当 研 究 所の最 近の主な取り組 みとし②電圧管理に影響を与えます。出力変動は、系統て、第 2 章で ② 、③ 、第 3 章で ④ 、第 4 章で ⑤ の 各

全 体 の ③ 余 剰 電 力 、④ 需 給・周 波 数 調 整 力 ※ 3 に課 題 に対 する技 術 開 発 状 況を 紹 介します。最 後

影 響 を 与 えます。パ ワ ーコン ディショナ ー 連 系の 第 5 章で は 、各 技 術 を 活 用 するため に必 要 なは、系 統 全 体の⑤ 事 故 時の系 統 安 定 性に影 響を共通インフラである情報通信システムの開発状況与えます。

を紹介します。
表1-1
PVの特徴

PV大量導入による系統安定運用面の課題
影響⇒住宅・商店、小規模工場・ビル、大規模工場・事業用として、それぞれ、低圧（PV容量：50kW未満）、高圧（同：50

配電系統■配電系統に連系～2000kW未満）、特別高圧（同：2000kW以上）
で連系⇒出力制御可能な電源（火力、水力等）と比較して、発電
出力は天候依存で大きく変動⇒発電機（蒸気・水車タービン発電機）との直接連系電源と比較して、同期化力や慣性力を持たない

系統全体■パワーコンディショナーによって系統と連系

概要①事故時復旧

配電線事故で生じた停電区間に他の配電線から電力を融通する場合、停電区間で停止したPVの発電量も賄わなければならず、融通する配電線に過剰の電流が流れる可能性がある（過負荷が発生）

②電圧管理
系統全体

■出力が大きく変動する

課題

③余剰電力
④需給・周波
数調整力
⑤事故時の
系統安定性

PVから配電系統への逆潮流の増大に伴い、配電線電圧の管理が困難になる
火力発電が運転を継続するには一定値以上の発電出力を維持する必要があり、電力需要が少ない時でも出力をそれ以上下げることができず、再エネ電源の発電により系統の需要を超過する
PVや風力発電の出力変動幅の拡大に伴う調整力不足が発生し、周波数変動が拡大する
火力発電の運転台数減少に伴い同期化力（発電機が系統に連系している状態で、その同期状態を乱す系統事故などがあった場合、元の同期のとれた運転状態に戻すために発電機間に働く復元力）が低下するなど■導入量の増加とともに課題①～⑤が重畳⑤事故時の系統安定性④需給・周波数調整力③余剰電力

系統安定性評価、系統安定性維持に必要な火力発電の運転継続など
出力変動の吸収やバックアップのための電源確保（火力・揚水発電等）、各種蓄電池の活用など

再エネの出力抑制、各種蓄電池の活用、
軽負荷期の需要創出、揚水発電、地域間連系線の活用など②電圧管理

柱上変圧器の分割設置、電圧調整装置の設置、無効電力調整機能など①事故時安全性・復旧

単独運転防止（ＪＥＭＡ）、FRT機能（JEAC）、配電線ＰＶ発電出力推定など

図1-1

PV導入量と系統安定運用面の主な課題※2 パワーコンディショナー：PVなどで発電された「直流」の電気を家庭で用いられている「交流」に変換する機器。
※3 調整力：既存の火力発電機などが持つ調整能力。

2

2再生可能エネルギー大量導入時の電力系統安定運用技術

2.需要地系統における電力需給協調
再生可能エネルギーの導入促進策や、システム技術研究所
研究参事

停電リスク回避の意識の高まりにより、太小林

広武

陽光発電、コージェネレーション（熱電併給 ）システム、蓄 電 池 等 の 分 散 形 エネ ル
ギーシステムを所有する需要家が増えており、今後は需要家群単位で一括運用されるケースも想定されます。
これによって、配電線の電圧管理や事故時運用への影響が一層増大するとともに、電力系統全体の安定運用にも影響を及ぼす可能性があります。これらの対応策として、当研究所所有の需要地系統実験設備
による実験と、開発した各種プログラムによるシミュレーション解析により、スマート
メータ情報を活用した配電自動化システ
ムの高度化、ならびに需要家の利便性や需要地系統実験設備（赤城試験センター）

経済性を維持しながら系統影響を低減させる給湯機や蓄電池等の機器の運転方法

電圧上昇が特に大きい区間の研究開発を進めています。

逆潮流
発生区間

本章では、需要地系統の電力需給協調
技 術 開 発 の 概 要と、これまでの 成 果として、配電技術の高度化を図るツールとなる「配電系統総合解析プログラム」、および
需要家の便益と系統への影響（逆潮流）抑制を両立させるための「需要家機器運転計画手法」について紹介します。

3

配電線潮流の大きさ（色の濃淡）
と向き

潮流大
潮流小
逆潮流

配電系統総合解析プログラムの出力結果表示例

技術
2.1 需要地系統における課題!

太 陽 光 発 電（P V）を中 心に、今 後さらに多くの分散形エネルギーシステムが需要地系統 ※1に連系されることが想定されます。
これにより、配電系統では逆潮流 ※ 2 に伴う電圧上昇など、電圧管理面への影響が一層増大する可能 性 があります。また、配 電 線 事 故 により分 散 形
エネルギーシステムが停止した場合、他の配電線

図2-1

配電自動化・制御システムの概念（通常時）
配電線センサ・スマートメータ情報をもとに、PV出力の逐次推定や、配電用変電所変圧器タップ、SVR、SVC制御を実施

からの融通時に過負荷が発生するなど、復旧運用の需要地系統実験設備（各種分散形エネルギーに支 障 が 生じる可 能 性 があります。さらに、三 相システムを連系した実規模配電系統実験設備）に配電線において一相が断線した場合、分散形エネ

おいて過去10年余りにわたって実施した各種実ルギーシステムにより電圧が維持されて事故検出

証試験の結果を反映させたもので、現バージョン

が困難になるなど、保護・保安面への影響も増大

は 電 力 1 0 社 にお いて実 際 の 配 電 運 用 や 研 究 開する可能性があります。

発に活用されています。

配電系統ならびに電力系統全体の安定運用をまた、本プログラムでの解析および需要地系統

的 確 かつ 合 理 的に図るためには、需 要 家 や 需 要

実験設備での実験により、電力各社が設置・更新

家群（以下、コミュニティ）との連携・協調を考慮しを進めている配電線センサと、設置が始まっていた電力需給協調技術の開発が重要です。

るスマートメータの情報を活用した配電線負荷やPV出力の推定手法の開発を行っています。

2.2 電力需給協調技術開発の概要

これらの情報に基づき、配電用変電所の変圧器
タップ、配電線に設置される自動電圧調整器（SVR:（1）配電自動化・制御システム高度化技術

Step Voltage Regulator、TVR：Thyristor type

当 研 究 所では分 散 形 エネルギーシステムなど

step Voltage Regulator）、静止形無効電力補償の需要家機器との協調・連携を考慮した配電系統装置（SVC：Static Bar Compensator）などの配電の管理・運用面の対策技術として、配電線センサ

線電圧制御装置をより的確に制御する方式の開発※3やスマートメータ情報を活用した配電自動化 ※4・も進めています。

制御システム高度化技術（図2-1）を開発しています。

さらに、配電線センサやスマートメータ情報を

その中では、電力会社の配電系統の管理・運用

活 用した配 電 線 事 故 地 点の探 索 方 式、断 線 検 出の現場で活用できるように、配電系統の電圧管理方式などを開発する計画です。

への影響評価と、分散形電源と配電系統との協調制御も含めた対応策の検討を支援する解析ツール（2）需要家と既存系統との協調運用技術「配電系統総合解析プログラム」の開発を進めてい電力系統大の需給運用面を含め、分散形エネル

ます 。本プログラムは、当研究所赤城試験センター

ギーシステム導入時の各種課題に対応する技術[1]※1 需要地系統：従来の配電系統に需要家などが保有する分散型エネルギーシステムが多数連系した系統。
※2 逆潮流：需要家の余剰電力が電力会社の配電線側に流れること。
※3 配電線センサ：断線などの事故を検出するため、配電線上の異なる地点の電圧などを計測するセンサ。
※4 配電自動化：配電線の各開閉器を自動で操作し、系統事故による停電の早期復旧や平常時の系統運用の効率化を図る配電システム。

4

として、自律分散形の概念を取り入れた需要家やターン・電 圧 制 御 方 式 など）に対 応しています。

コミュニティと既存系統との協調運用技術の開発

また、配電線側のあらゆる対策技術の評価（各種を進めています。

技術適用時の各地点電圧・潮流時系列特性、分散

その中では、利便性や経済性などの需要家便益を考慮しながらPVからの逆潮流を抑制し、配電線
電圧上昇や余剰電力問題に対応する「需要家機器
運転計画手法」の開発、実証を行いました[2][3]。

形電源の抑制出力量など）や、三相不平衡解析 ※6も可能です。
図2-2にPC上の高圧配電線構成例と入・出力項
目を示します。配電線電圧制御機器としては、配電

将来的には、分散形エネルギーシステムを所有し用変電所の主変圧器タップ制御方式、SVC、SVR、たコミュニティ単位で一括運用されるケースも考えら

TVR、LPC（Loop Power Controller、当研究所開れます。このため、コミュニティと既存系統との協調

発の配電線間に接続する双方向形潮流・電圧制御

運用方式の確立を目的に、経済性を考慮した実現

機器）、および需要家力率改善コンデンサの各制

可能性のあるコミュニティモデルの調査・類型化、御方式を設定できます。

コミュニティが配電系統運用や電力系統大の需給GUIにより容易に系統図の作成、需要、分散形電源および機器の設定が可能

運 用に与える影 響の解 明、およびコミュニティの便 益 を 維 持しな がら上 記 の 各 影 響 を 回 避 する
コミュニティ構成・運用方式について研究を進めて

力率改善用
コンデンサ
を模擬可能

配電線の末端電圧の解析例（住宅地域配電線、住宅負荷）

メガソーラ

高圧需要家（工場・ビル）
需要や分散形電源の変化を時系列で入力可能います。
以下に、これまでの成果として、「配電系統総合
解析プログラム」の概要と解析事例、ならびに「需要家機器運転計画手法」の概要と実証結果につい

SVR
SVC
配電用変電所の変圧器のタップ
制御を模擬可能高圧系統（三相）と低圧系統（単相）
を同時に解析可能

て紹介します。

PV付低圧需要家
低圧PVの電圧上昇抑制機能を模擬可能

2.3 配電系統総合解析プログラムの開発

図2-2

高圧配電線構成例と入・出力項目

本プログラムによる解析結果例を図2-3に示しPVを中心とした分散形エネルギーシステムの連ます。PV連系時に、逆送形SVRでは電圧を適正に系量拡大や、高圧需要家における力率 改善用コン

維持できますが、従来形SVRでは逆潮流が発生す

デンサによる電圧上昇問題が顕在化しています。

ると電圧を適正に制御できなくなる場合があるこ本プログラムはそれらの電圧管理上の問題解明とと、またSVRの代わりに1000kVA程度のSVCを配解決策の検討・開発を支援するツールです 。その電線末端に接続すると適正電圧に制御可能である

特徴は、電力会社の配電業務の現場でも利用できことを示しています。現在、電力10社が本プログラ

るように、汎 用 P C 上で 動 作し、G U （I Graphicalムを使用しており、一部の会社では配電運用業務

User Interface）を用いることにより操作が容易でシステムに組み込み、実務で活用されています。

※5

[1]

あり、任意の配電系統構成（高圧・低圧線路形態、各地点の電力需要パターン、分散形電源の運転パ

5

今 後 は、本プログラムにより、配 電 線 センサやスマートメータ情報を活用した配電自動化・制御※5 力率：交流電源から供給された電力のうち、モーターなどの負荷によって有効に消費された電力（有効電力）の割合。
消費されなかった電力（無効電力）
は、負荷と電源を往復するだけで実際に仕事をしない電力。
※6 三相不平衡解析：三相の配電線において、各相に接続している負荷や分散形エネルギーシステムの量が相間で不均一の場合の解析。

システム高度化技術の開発を進めます。

力需要パターンの予測に基づき、需要家の利便性に影響を与えないことを条件に、各機器の翌日の運転計画を作成するものです。また、予測の不確実性を考慮し、統計的手法を取り入れて、予測がある

SVR
配電用
変電所

程度はずれた場合でも、需要家の利便性や電気料
SVC（注）SVRとSVCはいずれかを設置(1000kVA)

金への影響を最小限に抑えるようにしています。
HP式給湯機を用いた本手法の実証試験結果例
を図2-4に示します。HP式給湯機が日中に運転され、逆潮流制約条件（2kW）により本来損失となっ!

てしまうPV出力電力の一部が有効利用されていることがわかります。年間を通じて同様の逆潮流制
約条件が与えられた場合、発電機会損失を30％程度低減できる見通しを得ています。また、予測はずれに伴う利便性、電気料金への影響をさらに抑える蓄電池による予測誤差のリアルタイム補償方式も開発し、実験とシミュレーションによりその有効性を検証しました[3]。

図2-3 配電線電圧制御方式の解析結果例

2.4 需要家機器運転計画手法の開発
逆潮流に伴う電力系統への様々な影響を回避

図2-4

するための技術として、PVによる需要家からの逆
潮流値（もしくはPV出力値）に制限がかかった場
合に、需要家所有のヒートポンプ（HP）式給湯機や蓄電池などを運転し、PVの機会損失（出力抑制により失われる電力）を極力低減させる需要家機器
運転計画手法を開発しました。本手法は、系統から送られてくる逆潮流制約情報、翌日のPV出力や電需要家機器運転計画手法の実験結果例
需要地系統実験設備（赤城試験センター）設置の4kW級PVと1kW級
HP式給湯機によるもの。逆潮流上限値：2kW＜参考文献＞[1]上村:配電系統総合解析ツールの開発（その1）－PV大量導入に対応する
配電・需要家機器動作解析プログラム－、電力中央研究所報告R11025、
2012[2]浅利:需要家機器との連携制御を用いた太陽光発電逆潮流制御方式－ヒートポンプ式給湯機翌日運転計画手法の実証試験と改良－、電力中央研究所報告R10042、2011[3]大嶺、浅利:需要家機器による太陽光発電余剰電力有効利用手法の改良－当日補正機能の追加と検証－、電力中央研究所報告R13022、2014

6

3
再生可能エネルギー大量導入時の電力系統安定運用技術

3.系統周波数維持のための電力貯蔵活用
工場や家庭などで安心して電気を使う
ためには、発電所から送られてくる電気の周 波 数 、電 圧 、系 統 安 定 度 ※ 1 の 3 種 類 の地球工学研究所
主任研究員
田村 英寿

システム技術研究所
上席研究員
吉村 健司

指標が適正な範囲に維持されることが重要です。周波数については、天候に左右され需要の変化に対応した電源の組み合わせ（ベストミックス）やすい再生可能エネルギー（再エネ）電源
ピーク対応電源

電源需要が大量に導入される状況の中、時々刻々変化する電力需要に合わせて供給量を一ミドル対応電源

致させる需給調整技術が必要です。
需給を適切に調整するには、まず翌日のベース対応電源

需要や再エネ出力の大きさを予測して事

0

6

12

18

24
（時）

需要カーブ
（イメージ図）前に発電機群を準備し（需給計画）、当日に生じる需給計画との誤差を解消するた

需 要＜発 電めの周波数制御を実施します。その時、電周波数上昇

力貯蔵装置を上手く活用することで、より経済的で効果の高い周波数制御が期待で需 要＞発 電きます。また、需給計画における再エネ出
周波数低下

力予測結果の精度も重要な鍵を握ります。
本章では、既存電源と蓄電池の協調制

需給バランス（イメージ図）御による新しい周波数制御方式、太陽光
発電出力変動の主因である日射量を数値

短波
放射気象モデルを用いて予測する技術、実系
統を用いた実証例を紹介します。

循環流

水
熱蒸
気

長波
放射
雪
陸地

風

雲
降水
海洋

気象モデル
（イメージ図）7※1 系統安定度：発電された電力と使用された電力のバランスが事故などによって崩れた場合、バランスがとれた状態に収束する力のこと。

海氷

技術と日射量予測技術
3.1 PV大量導入による需給運用面での課題
低 炭 素 社 会 の 実 現 に 向 け て 、太 陽 光 発 電

3.2 電力貯蔵装置を活用した周波数制御技術[2]（1）実系統を対象とした当研究所の取り組み（ P V ）や 風 力 発 電（ W T ）等 の 再 エ ネ 導 入 の 動き

再エネ大量導入に伴い増大する周波数の乱れを抑制が 進 む 中、固 定 価 格 買 取 制 度（ F I T ）の 導 入を契するためには、既存の火力発電だけでなく電力貯蔵装機として、さらにその動きが活発化しました。

置を効果的に活用する方策が考えられます。これに関P V 大 量 導 入 による影 響 の ひとつとして、見 かし、沖縄電力は経済産業省の離島独立型系統新エネル

曲線の変化が挙げられます。従前は、ギー導入事業として、宮古島の実系統に電力貯蔵装置

昼 間 にピーク需 要 を 記 録し、深 夜 に向 かって次としてナトリウム硫黄電池（NaS）を併設してPVを大量に第に減少していく山のような曲線となることが多導入し、その影響や蓄電池を用いた系統周波数維持効

くありました。PVの大量導入により、昼間にPVに果等を検討する実証試験を行っています。宮古島系統

よる発 電 量 が 急 増 することで、見 か けの 需 要 はは系統規模に対するPV連系量と蓄電池の容量が比較減少し、PVの発電量が減少する日没後に見かけ的大きいこと、需給運用を島内で独立して行う給電所おの 需 要 は 急 増 する傾 向 が 強まりました 。火 力 発

よび 給 電 設 備 を 有していること、複 数 の 系 統 電 源

電 機 は 出 力 可 能 な 上 下 限 値 が 決まって いるた（ディーゼル（DG）、ガスタービン（GT））で供給しているこ

め 、昼 間 の 見 か けの 需 要 が 想 定よりも低 すぎるとなどから、宮古島で得られた知見は再エネが今後大量と、発 電 機 の 安 定 運 転 に支 障 が 生じる可 能 性 が導入されると想定されている本土系統でも活用できるとあります。このため、従 来 以 上 に、精 度 の 高 い 需

期待されます。当研究所では、沖縄電力の協力を得て、要予測と再エネ出力予測が重要です。

宮古島で既存電源と蓄電池を組み合わせた協調制御技

けの需要

※2

また、P V や W T は 天 候 によって発 電 出 力 が 大術の研究開発に取り組んでいます。

きく変 動 するため 、大 量 に導 入され た 場 合 の 出

これまでに、周波数変動を生じさせるLFC対象の需要

力 変 動 に対して、既 存 の 火 力 発 電 機 等 による負変動を長周期成分と短周期成分に分割し、既存電源に荷周波数制御（LFC：瞬時瞬時の需給のアンバラは追従可能な範囲の長周期の変動を分担させ、蓄電池

ンス量を解消させる制御）では、系統周波数が適には残りの短周期の変動を分担させる技術を開発・提正範囲を逸脱するおそれがあります（図3-1

案しました（図3-2）。これにより、少ない蓄電池容量で高

）。

［1］

い周波数変動抑制効果を期待できます。
微調整の限界を超過

電気の使用量の変動と太陽光の変動の合計

LFC対象の需要変動(周期の長い成分と短い成分が混在)

既存電源が追従可能な長周期の成分を抽出
長周期成分

発電機出力の微調整限界

電気の使用量の変動

1

既存の電源が追従できない短周期の速い応答成分

短周期成分
蓄電池が分担する短い周期の成分を抽出

図3-1

再エネ大量導入時の周波数面の課題※2 見かけの需要：トータルの電力需要からPV発電量を差し引いた既存電源が分担する需要。

図3-2

提案した新しいLFC方式

8

（2）実証試験設備の概要と試験結果効果が小さく、試験期間中の最大のEDC制御残を

宮 古 島 系 統 は 、総 需 要 が お よ そ 1 8 , 0 0 0 ～想定すると、周波数変動の3σ相当値を今回の試55,000kWの離島独立系統です。電源構成はDGと験での目標値である60±0.3Hz以内に抑制でき

GT発電機で合計80,000kW、WTが4,200kW、PV

ないおそれがあります。

（メガソーラー）が4,000kW、NaSが4,000kWと一方、B方式と提案方式は、試験期間中の最大なっています。また、中央制御システムから、経済負の E D C 制 御 残を想 定しても周 波 数 変 動 の 3 σ 相

荷配分制御（EDC）およびLFCを行うことが可能です

当値を60±0.3Hz以内に抑制できます。さらに、（図3-3）。

提案方式はB方式よりもNaSのLFC出力変動の3

オンライン制御（当日運用）
既設火力
太陽光 風力制御分担概略
GF：ガバナフリー運転
LFC：負荷周波数制御
EDC：経済負荷配分

負
荷
変
EDC
動
の 負荷特性
大
ＬFC
き
GF
さ

σ相当値が小さく、周波数変動の抑制に必要な蓄電池容量を低減できます。

20秒 2～3分 10～20分
変動周期

系統周波数 LFC指令

中央制御システム
（中給）
周波数
偏差

NaS
図3-3

需給
アンバランス

LFC指令

LFC実証試験のイメージ

本実証試験では、DGのみによるLFC方式（A方式）、応答速度の速いNaSのみによるLFC方式（B方式）、DGとNaSの協調LFC方式（提案方式）の3方式
で実系統においてLFC制御を行い、周波数変動抑制効果と蓄電池所要容量を分析しました。

（注）試験期間中のEDC制御残の3σ相当値の最大値を想定して周波数変動とDG・NaSのLFC出力変動の3σ相当値を算出した。
（ 実際の試験はいずれの方式についても周波数変動3σ相当値が±0.3Hz以内の範囲で実施した。）

図3-4

LFC実証試験結果（3方式の比較）（3）本土系統への展開
PVが大量導入された場合の周波数維持方策として、今 回 開 発したL F C 方 式 が 有 効であることをA方式の制御定数は可能な限り周波数変動を抑実系統において確認しました。本LFC方式は本土制できる設定とし、B方式と提案方式の制御定数は系統への展開も期待されますが、系統の既存電源

周波数変動の約99.7%（3σ相当値）が管理目標の応答速度により蓄電池の所要容量が異なること

値である60±0.3Hz以内に収まる範囲でNaSの所を試験で確認しており、留意する必要があります。

要容量が可能な限り小さくなる設定としました。

適用する系統の特性に応じた蓄電池所要容量とLFCの制御対象量（見かけの需要のうち、数分～数十分程度の比較的周期の短い需要変動量）することで、設 置コストを抑 制させた効 果の高 い
系統安定化対策とすることが期待できます。

に対する周波数変動およびDGやNaSのLFC出力
変 動の関 係をP V、W Tの出 力 変 動 が 共に大きい

3.3 経済的な需給運用のための日射量予測技術

時間帯を対象として分析しました（図3-4）。
A方式は、他の2方式に比べて周波数変動抑制

9

翌日の需給バランスを決める需給計画において、既存電源のコスト（燃料費や起動費）を抑えつの日射量予測結果の信頼性指標を算出するもの

つ、限りある容量の蓄電池を有効活用するためにです。予 測の時 点で得られるこの信 頼 性 指 標と、は、PV出力が不安定に変動する最大の要因であ事後に得られる観測値に基づくNuWFASの日射る日射量を前日計画の段階で精度よく予測するこ量予測誤差とを比べたところ、信頼性が低いと判とが重要です。日射量の予測は様々な手法で行え

定された日に誤差が大きくなりやすい傾向が見らますが、翌日以降を対象としたやや長期の予測をれ（図3-6）、本指標が予測誤差を事前に推定する有高 い 精 度で行うには雲の複 雑な動きを考 慮する

益な付加情報となりうることがわかりました。

ことが重要で、それに適した手法として数値気象
モデルがあります。
特定の地点・
エリアの48時間分の
時系列

20km（1）数値気象モデルで日射量を予測する技術（出典：気象庁ホームページ）（最下段が日射量）

当研究所では、電力施設を雨、風、雪などによる気象災害から守ることを目的として、数値気象モ
デ ル を 中 核 と す る「 気 象 予 測・解 析 シ ス テ ム

日射量分布

（10、
12、14時と日平均）（ N u W F A S ）」（ 図 3 - 5 ）を 開 発しました。この N u

21

W FA Sを関 東 地 方の翌日の日射 量 予 測に適 用して精度検証を行ったところ、特に夏季に予測誤差

図 3-5

NuWFAS による日射量予測の概要

そこで、日射量をより高い精度で予測できるよう、
日射変動の主因である雲の予測条件を改良した(Wm-2)

が大きく、改良の余地があることがわかりました。

せることができました [ 3 ] 。さらに、雲の凝結に関わる物理モデルを詳細に改良したところ、夏季に日射量が実際よりも非常に大きく予測された日の予測誤差が大きく改善されました。
（2）予測結果の信頼性を評価する技術
気 象を1 0 0 ％に近 い 精 度で予 測することは非
常に困 難です。このため、予 測 精 度を向 上させる
取り組 みに加えて、日々の予 測 誤 差の大きさ、つまり予 測 結 果の信 頼 性に関する情 報を事 前に把握する手法を検討しました [4]。この手法は、気象庁の 週 間アンサンブル 予 報で得られた複 数ケースの雲量の計算結果のバラツキ具合をもとに、日々

NuWFAS(Wm-2)

結果、夏季の日射量の予測誤差を約20％低下さ

2011 7図3-631日間の信頼性評価を行った例
赤囲みの信頼性が低い日に誤差が大きくなりやすい＜参考文献＞[1]資源エネルギー庁：新エネルギーの大量導入に伴う影響とその対応策について、2008[2]天野、島、川上、井上、上原、仲間、大城、渡久地：既存電源と蓄電池を協調させたLFC方式の制御効果の実証、平成25年電気学会電力・エネルギー部門大会、1-103[3]田村、平口、橋本、西澤、和田:太陽光発電のための日射量予測手法の開発（その1）－気象予測・解析システムNuWFASによる翌日の予測精度の評価－、電力中央研究所報告N10029、2011[ 4 ] 野原、田村:太陽光発電のための日射量予測の信頼性指標、電力中央研
究所報告V12015、201310

4
再生可能エネルギー大量導入時の電力系統安定運用技術

4.基幹系統事故に対する系統セキュリ
再生可能エネルギー（再エネ）、特に太陽光発電（PV）の大量導入は、配電系統かシステム技術研究所
副研究参事
北内

義弘

ら基幹系統まで、また電力系統の計画から運用・制御まで、様々な影響を与えるため、その解決に向けた技術課題が数多く挙げられます。現在、再エネ導入可能量は平常時の周波数を一定に保つための需給バランスのみを考慮して決定されています。
しかし、多くの大規模停電は落雷などによる
基幹系統事故が原因で、電力系統が不安定になり引き起こされます。そのため、再エネ大量導入時の基幹系統の事故が電力系統の安定性（周波数、電圧、系統安定度

電力系統シミュレータ（電中研 狛江地区）など）に与える影響の評価、および安定性を保つための対策の開発が喫緊の課題となっています。
本章では、再エネ大量導入時の基幹系
統事故が電力系統に与える影響を、当研究所の電力系統シミュレータを用いた実験、およびPV用パワーコンディショナーの大容量発電機模擬装置

数 値 計 算 モ デ ル を 用 い た 計 算 機 シミュ
レーションにより評価した結果について紹介します。

交流送電の概念的模型（周波数、電圧、系統安定度）

11

ティ評価
4.1 電力系統シミュレータの整備

発 電 機 ※ 2 によって維 持されています。表 4 - 1に大容量発電機が持つ特長をまとめました。

現在、電力系統への再エネ導入可能量は平常時の周波数を一定に保つための需給バランスのみを考慮して決定されています。ところが、多くの大規模停電は落雷などによる基幹系統事故が原因で発 生していますので、P V が 大 量 導 入された
場合の基幹系統事故時の系統現象を評価することが喫緊の課題になっています。しかし、そうした

太陽光パネル（4.5kW×3セット）

系統現象を実験的に評価した例はありません。また 、P V を 電 力 系 統 に 連 系 するた め に 必 要 な パ
ワーコンディショナー ※1（PCS）の系統事故時の動的な応 答 特 性 が、系 統の安 定 性に及ぼす影 響についても十分に解明されていません。
このため、当研究所の大形アナログシミュレー
タで ある 電 力 系 統 シミュレ ータに 、新 た に 新 形

電力系統シミュレータ 2階制御室

P C S 、P V パ ネル 模 擬 電 源 、6 6 k V 送 電 線 模 擬 装置、分散形模擬電源、負荷用変圧器、小容量調相設備などを導入・設置しました（図4-1）。そして、再エネ大量導入時の基幹系統事故が電力系統に与える基 本 的 な 影 響 の 実 験 的 検 証、および 計 算

PVパネル模擬電源（11kW×36台）▶PVパネルのI-V特性を模擬

機シミュレーションによる影響評価のためのPV用
PCSの数値計算モデルの開発を行っています。

4.2 電力系統の安定運用に必要な3つの条件

PCS合計45台（市販品および改造品）▶市販品 約4.5kW×3相×4社（12台）▶改造品 4.5kW×3相×8セット（24台）▶新形FRT対応品 4.0kW×3相×3セット（9台）

電力系統を安定に運用するために必要な条件
として、①周波数を一定に保つ、②電圧を一定に保つ、③ 系 統 安 定 度を維 持する、の3つ が 挙 げられます。
基幹系統の事故時にこれらの3条件を保つこと
を「系統セキュリティ」と呼びます。この系統セキュ
リティは、主に電力系統に並列されている大容量66kV送電線模擬装置（40km×6組）▶40kmは等価的に約9kmに相当

図4-1

負荷用変圧器（60kVA×3台）
3.3kV/1.65kV/200V
負荷時タップ切換器付（9タップ）

電力系統シミュレータに導入した設備※1 パワーコンディショナー：PVなどで発電された「直流」の電気を家庭で用いられている「交流」に変換する機器。
※2 大容量発電機：基幹系統の周波数や電圧を変えることができる大きな容量を持つ発電機。

12

表4-1

大容量発電機の系統セキュリティへの貢献
大容量発電機の特長

2系統セキュリティへの貢献■ 周波数に応じて出力調整が可能

BUS2

周波数

■ 同じ速度で回ろうとする力（同期化力）がある■ 慣性力を持っている（慣性定数が8秒程度）■ 系統事故時の瞬時電圧低下時（瞬低時）に停止しない2

PV PCS

周波数

1

1

系統安定度

PV PCS

周波数

1

系統安定度
電圧

2
PV PCS

系統安定度
電圧■ 基幹系統の電圧調整が可能

AVR

系統安定度

図4-3

4.3 PV大量導入時の基幹系統への基本的な影響に関する実験的検証
系統事故時の挙動が従来の大容量発電機と異

84kW
55kW

発電機をPVに置き換えた場合の試験結果

4.4 再エネ大量導入時の系統安定度への基本的な影響[1]

なるPVが大量導入された場合の基本的な影響を

再エネ大量導入が基幹系統の安定度に及ぼす影

電力系統シミュレータを用いて実験的に検証しま

響は、発電機や再エネの運転状態、導入地点などのした（図4-2）。図中の遮断器CB1を開放させた場

系統条件によって大きく異なるため、その影響把握が合に、発電機1が安定に送電できる電力（限界送電困難となっています。そのため、実系統データを用い電力）は、発電機1と発電機2が連系された場合はた解析結果から得た知見を活用し、再エネ大量導入

84kWでしたが、発電機2と同出力のPVが導入さ時の個々の系統条件が系統安定度に及ぼす基本的

れると55kWまで約2/3に低下することがわかりまな影響を整理しました（図4-4）。

した（図4-3）。
このように発電機を同容量のPVに置き換えること
により、系統安定度が低下することが示されました。

発電機2（20kW）
BUS1 275kV模擬送電線
発電機1
連系用Tr
（100kVA） 3300/1650V
BUS4
抵抗負荷
20kW

図4-2

13

中間電源のどちらか一つだけを連系

中間母線
BUS2
BUS3 所内電源
275kV模擬送電線

系統擾乱：1回線3LO
負荷用Tr
1650/220V

PV用PCS
3.3kW×6台=20kW

調相設備（発電機2 運転時のみ）発電機をPVに置き換えた場合の系統安定度への影響を検証するための実験系統

再エネ導入量の増加（基幹系統の系統
安定度に影響を及ぼす主要な条件を抜粋）

発電機運転状態による影響○発電機を出力抑制した場合、発電機内部の位相差が減少する。
×発電機を停止した場合、系統の慣性が減少し，さらに系統から見た発電機と主変圧器の等価インピーダンスが増加する。

再エネ導入地点・発電機出力の偏在化による影響
×送電系統側に偏在化していた場合、連系線潮流が増加する。
○受電系統側に偏在化していた場合、連系線潮流が減少する。

再エネ脱落時の影響○：系統安定度向上要因
×：系統安定度低下要因

配電系統で影響大

×見かけ上の負荷増加により無効電力損失が増加（再エネ導入時は減少）する。
○再エネ連系用変圧器における無効電力損失が減少（再エネ導入時は増加）する。

特高系統で影響大○送電系統側で脱落した場合、連系線潮流が減少する。
×受電系統側で脱落した場合、連系線潮流が増加する。

・全電源に占める発電機比率が小さいオフピーク断面においては、
主な影響度合いはより顕著となる。
・系統安定度の悪化によりPCS検出周波数の変動幅が拡大し、FRT要件を満足するPCSでも単独運転検出リレーが不要動作する場合がある。

図4-4

再エネ大量導入時の系統安定度への基本的な影響の評価

また、275kV以下の下位系統モデルを追加した電気学会WEST10機系統モデル[2]（図4-5）を用いた再エネ大量導入シナリオ（表4-2）を設定し、地絡事故が4.5 再エネ大量導入時の対策

起きた場合の系統安定度に及ぼす影響をPV用PCS
数値計算モデルを用いた計算機シミュレーションに再エネ大量導入時の定常時のみならず落雷など

より評価しました（図4-6）。ただし、発電機の運転台数による系統事故発生時に基幹系統の安定性を保つを減らすと系統安定度が低下するため、中間導入時ため、以下の様々な対策が検討されています。

は再エネが導入された分だけ各発電機の出力を減（1）電力系統に連系する大容量火力発電機の台数の少させ、発電機の運転台数をほとんど減らさない条

確保（周波数・電圧・系統安定度の維持に貢献）

件で評価しています。その結果、系統安定度は再エネ（2）無効電力の供給・消費が可能な電圧制御機器

導入量の違いによって向上することも低下することも（STATCOM、SVCなど）の設置（電圧の維持に貢起こり得ること、またその要因を容易に把握できるこ

献）（3）蓄電池の設置（周波数の維持に貢献）とを示しました。

（4）再エネによる系統事故時の運転継続および事故除去後の速やかな有効・無効電力制御（周波数・電圧の維持に貢献）
当研究所では、電力系統シミュレータを用いた実図 4-5下位系統モデルを追加した電気学会
WEST10 機系統モデル

表4-2

再エネ大量導入シナリオ

験およびPV用PCS数値計算モデルを用いた計算機
シミュレーションにより得られた研究成果を活用して対策を検討する予定です。
今後、上記の対策を上手く組み合わせ、経済的で現実的な対策を選択する必要があると考えており、それに向けて当研究所はさらなる貢献をしたいと考えています。

再エネ導入前と比べ、系統安定度は中間導入時に向上し、最終導入時に低下する。
（黒、赤、緑の実線同士を比較）

再エネ脱落の場合、系統安定度は向上するが、周波数低下幅は拡大する。
（ 赤、緑の実線と点線を比較）＜参考文献＞：再エネ導入前

図4-6：再エネ中間導入 脱落無し
：再エネ中間導入 脱落有り

：再エネ最終導入 脱落無し
：再エネ最終導入 脱落有り

計算機シミュレーションによる再エネ大量導入時の系統安定度への影響評価例[1]白崎、北内：再生可能エネルギー大量導入時の各種系統条件が基幹系統の系統安定度に及ぼす基本的な影響、電力中央研究所報告R14013、
2015
（印刷中）
[2]電気学会技術報告 第754号、電力系統の標準モデル、電気学会 電力系
統モデル標準化調査専門委員会編、1999

14

5
再生可能エネルギー大量導入時の電力系統安定運用技術

5.汎用技術を活用した電力系統監視制御
これまで紹介したように、当研究所では
再 生 可 能 エネ ル ギ ー の 大 量 導 入を見 据
え、需要地系統における電力需給協調技

システム技術研究所
上席研究員
大場 英二

システム技術研究所
研究参事
芹澤 善積

術や蓄電池の活用技術、太陽光発電の出力予測技術、基幹系統事故時の系統安定性評価技術などの開発を進めています。
これらの技術を活用するためには、その基本となる電流、電圧、周波数などの情報をきめ細かく収集するとともに、電力潮流

IPが様々に変化する状況においても高速・確
実に事故を除去できる監視制御のための情報通信システムが必要です。
近年、通信ネットワークの分野では、インターネットプロトコル（IP）に代表される
汎 用・標 準 の 通 信 方 式 の 進 展が目覚まし
く、監視制御のための通信ネットワークにDMD

同期機構を備えたDMDとIP系ネットワークにより構成される
電力系統監視制御用情報通信システムのイメージ

おいても導入が進められています。汎用技術を活用することにより、システムの構
築コストを低減できるなどのメリットがあります。
本章では、当研究所が開発を進めている汎用技術を活用した電力系統監視制御
用情報通信システムの構成と検証・評価結果について紹介します。

DMDのプロトタイプ装置

15

用情報通信システム
5.1 電力系統監視制御用
情報通信システムの構成

これにより、必要な箇所に必要なモジュールを装備することができます。

当研究所が開発したシステムは監視制御装置

また、すべてのDMDは通信モジュールを持ち、と通信ネットワークから構成されます（図5-1 [1] ）。

高 速 通 信 ネットワークで 相 互 に接 続されていま

監視制御装置は、入出力機能、演算機能、通信機す。そのため、D M Dをネットワーク内のい かなる能をモジュール化するとともに、任意の装置が設

箇 所 にも設 置でき、任 意 の 箇 所 から必 要 な 処 理

置箇所に拘わらず通信ネットワークを介して処理（計測、演算、制御）を行うことができます。これに（計測、演算、制御）を行えるようにして、システム

より、従 来 の 装 置 単 位での 冗 長 化（ 多 重 化 ）に加の柔軟性や信頼性を向上させています。

え、複 数 D M D に演 算モジュールを搭 載して演 算

通 信 ネットワークは、インターネットでも使 用モジュール単位での冗長化を行うことや、作業にされている汎 用 的 なイーサネット技 術を 活 用 すより装 置を 停 止させる際 に演 算 モジュー ルを 切ることにより、システムの 構 築コストの 低 減 や 運

替えることによる可 用 性（システムが 稼 働できる

用性の向上を図っています。また、系統保護や安時 間の割 合）の向 上 が 可 能です。また、計 測 情 報定化制御などに必要な時刻同期機能も搭載しても任 意のD M Dで共 有できるため、後 備 保 護 ※ 1 にいます。

PCM電流差動リレーシステム※2を適用可能であり、従 来 の 距 離リレ ー 方 式よりも高 速 に事 故を除 去することが可能です。
（2）通信ネットワーク
電 力 会 社では 業 務 系 のネットワークとは 独 立に監 視 制 御 、保 護 制 御 、給 電 指 令 用 電 話 などの

CB/CT/VT

各 種 アプリケ ー ション の 情 報 を 収 容 する 通 信
、

、

、
、

、

図5-1

、

情報通信システムの構成イメージ
破線部分は機能を除外したモジュール（1）監視制御装置

ネットワーク（以下、電力保安通信網）を構築して
い ま す。従 来 、電 力 保 安 通 信 網 で は 時 分 割 で
デ ータを伝 送 する通 信 方 式 が 利 用されてきました が 、近 年 の インター ネットの 進 展とともに I P（Internet Protocol）方式が利用されるようになってきました。

監 視 制 御 装 置 はネットワーク内 に水 平 的 に分I P 方 式では 複 数 のアプリケーションで伝 送 路

散配置できることから、水平分散モジュール型装の 帯 域を 共 有 することにより効 率 的 に帯 域を 利置（Decentralized Modular Device：DMD）と用できます。また、汎 用の通 信 機 器を利 用するこ呼んでいます。DMDは、その機能を計測・制御機とによりコストダウンが期待できます。一方、機器能を含 む 入 出 力モジュール、演 算モジュール、通や伝送路を通過する際に遅延時間が発生します。

信モジュールの三つに分離しています（図5-1）。

また、送 信 時に待ち合 わせ が 生じる場 合 があり、

※1 後備保護：電力設備には一般的に主保護と後備保護が設けられている。後備保護は主保護が何らかの原因で保護し損じた場合、または保護し得ない場合に動作する保護継電方式。
※2 PCM電流差動リレーシステム：保護対象とする送電線の各端の電流値を合計し、総和が0とならない場合に対象範囲に事故があると判定する方式を備えたシステム。

16

その度合いに応じた遅延時間や遅延時間変動が発生します。電力保安通信網を利用するアプリケー
ションのうち、PCM電流差動リレーや安定化制御は遅延時間や遅延時間変動に厳しい要件があります。
遅延時間については、近年普及している1Gbpsクラスの伝送速度のネットワークを構築することにより、要件を満足することが可能です。一方、遅延時間変動については、その影響を低減し、利用する電流データ等のサンプリングタイミングを同期させる仕組みが必要になります。

図 5-3

PTP 方式とリレー同期方式による時刻同期

PTP方式は通信インタフェースのハードウェアに本システムでは、図5-2に示すように、イーサネット

近い部分で時刻情報を処理することにより、ソフトウ技術を活用した専用の広域ネットワークを構築する

エア処理による同期精度への影響を極力低減する

ことにより、広帯域で低遅延な通信ネットワークを方式です。PTP方式では基準となる時刻（時計）を持実現しています。

つPTPマスタと呼ばれる装置に対して、図5-3の右側に示すような時刻情報のやり取りを行い、PTPスレー
ブと呼ばれる複数の装置の時刻を合わせることにより、ネットワーク全体を基準となる時刻に同期させます。P T P 方 式では、同 期 情 報を中 継する装 置として、発 生 する 遅 延 時 間 を 補 正 する 機 能（ T C：
Transparent Clock）を持つ装置を利用することも可能であり、
より高い同期精度を確保できます。
リレー同期方式は、従来のPCM電流差動リレー装

図 5-2

イーサネット技術を活用した通信ネットワーク置と同様に、装置間でのデータ送受信のタイミングを利用してサンプリング同期を確保する方式です。IP
系ネットワークの利用により発生する遅延時間変動（3）サンプリング同期の確保
IPネットワークにおいてサンプリング同期を行う方式として、IEC 61588で規定されている高精度時刻については、装置でデータ到着時間の揺らぎを補正する処理を行うことにより、その影響を低減する方式としました。

同期方式（PTP：Precision Time Protocol）と、従来のPCM電流差動リレーの同期方式をIP系プロトコルで

5.2 系統監視制御用情報通信システムの検証・評価

適用できるように置き換えたイーサネット型リレー同期方式（以下、リレー同期方式）を適用可能としました（図5-3）。

（1）保護機能の評価
DMDのプロトタイプを開発し、当研究所の電力系
統シミュレータを用いて、①PCM電流差動リレーに17

よる事故除去における主保護・後備保護機能、②送て、同期精度の評価を行いました。その結果、中継装

電線事故時の過負荷発生による電圧低下を回避す

置にTC機能を持たない装置を用いた場合は数十るための負荷遮断機能について検証を行ない、いずµsec、TC機能を持つ装置を用いた場合は1µsec以下

れの場合も装置が所期の動作を行うことを確認しまの同期精度を確保することができました。
リレー同期

した（図5-4、図5-5） 。

方式についても数十µsecの同期精度を得ることがで[1]きました[2]。
（3）システムの信頼度評価
本システムを基幹系の主保護システムであるPCM
電流差動リレーシステムに利用する場合、その目標
信頼度（不稼働率：10-7）を満足する必要があります。
各種装置の現状の不稼働率諸元に基づく机上評価を行った結果、図5-6に示すような光ファイバとマイ
クロ波無線を利用した構成により、目標信頼度を満足できることがわかりました[1]。
図 5-4

電力系統シミュレータによる保護機能試験構成

CB2 CT
A

DMD

1

CB3
A

CT

DMD
1

2

図 5-6

図 5-5

後備保護機能試験結果
CB不動作時、後備保護機能により第1段のCBが動作（2）同期性能の評価
PTP方式、
リレー同期方式のそれぞれに対し、5～10段程度の装置を中継する評価システムを構成し光ファイバ回線とマイクロ波回線構成による
高信頼通信ネットワーク＜参考文献＞[1]芹澤、藤川、大場、柴山、千家、杉浦、河原田、中司、田中、佐藤：汎用・標準技術に基づく広域系統監視・保護制御システムのアーキテクチャと電力系
統シミュレータでの検証、電力中央研究所報告R13012、2014[2]藤川：広域電力系統の高速制御ネットワークの大規模・高信頼化方式の開発－IEEE 1588による時刻同期網の大規模化・高信頼化手法とその検証、電力中央研究所報告R13023、201418

DEN- CHU-KEN

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発行：一般財団法人〒10 0 - 8126

電力中央研究所

広報グループ

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T EL：03 -32 01- 6 6 01

FA X：03 -32 8 7-2 8 6 3h t tp : / / crie p i.d e n ke n .o r.jp /2015 年5月発行