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電力の地産地消を実現する電力スケジューリングの解明

Author(s)井口, 寧Citation

科学研究費助成事業研究成果報告書: 1‑5

Issue Date

2016‑06‑08

TypeResearch Paper

Text version

publisher

URL

http://hdl.handle.net/10119/13697

RightsDescription

挑戦的萌芽研究, 研究期間：2013〜2015, 課題番号：25540145, 研究者番号：90293406, 研究分野：並列分散処理

Japan Advanced Institute of Science and Technology

３版

様式

Ｃ−１９、Ｆ−１９、Ｚ−１９ （共通）

科学研究費助成事業

研究成果報告書
平成 ２８ 年

６ 月

８ 日現在

機関番号： １３３０２
研究種目： 挑戦的萌芽研究
研究期間： 2013 〜 2015
課題番号： ２５５４０１４５
研究課題名（和文）電力の地産地消を実現する電力スケジューリングの解明

研究課題名（英文）Electric power scheduling of local consumption for local production

研究代表者
井口寧（INOGUCHI, Yasushi）

北陸先端科学技術大学院大学・情報社会基盤研究センター・教授
研究者番号：９０２９３４０６
交付決定額（研究期間全体）：（直接経費）

2,900,000 円

研究成果の概要（和文）：本研究では，再生可能エネルギーを電力として効率的に利用するため必要となる，超分散化された発電拠点や負荷機器の運転スケジューリングの問題に対し，分散型計算機システムのタスクスケジューリング手法を電力制御に適用し，地域内での発電と消費をバランスさせるための，マイクログリッド向けの能動的な制御スキームを解明した．
小規模な太陽光発電の発電量などを実際に測定評価するシステムを構築し，発電量の予測を行うアルゴリズムを検討した．その結果，天気予報によって予測アルゴリズムを変化させることによって，電力利用率を向上させることに成功した．本研究は情報処理学会 北陸支部 優秀論文発表賞を受賞した．

研究成果の概要（英文）：This research develops an electric power control scheme for natural energy suchas electric power generated by solar panel. Adopting load estimation method for a computer system forestimation of electric power generated by solar panel, we can improve effectiveness of the use of naturalenergy.
A small prototype system was built to evaluate an estimation algorithm. The prototype system estimates
the amount of electric power by solar panel using not only estimation scheme for load of computer system
but weather forecast. We can improve the accuracy of electric power generation by solar panel switching
several estimation algorithms by weather forecast. This research has received a commendation as anexcellent presentation award from Information Processing Society Japan, Hokuriku branch.

研究分野： 並列分散処理
キーワード： 太陽光

自然エネルギー

負荷予測

スケジューリング

天気予報

計算基盤

様 式 Ｃ−１９、Ｆ−１９、Ｚ−１９（共通）１．研究開始当初の背景
計算機システムでは，多数の計算資源に対して効率良くタスクを割り当てるためのタスクスケジューリングが研究され，多くの成果を上げてきた．タスクスケジューリン
グでは，(1) 計算機システムの運転状況によって，利用可能な計算機資源が変動する点，(2) それぞれのタスクにデッドラインが設けられ，デッドラインまでに各タスクを完了するようにスケジューリングする点，および (3) タスクに優先順位が割り当てられ，デッドラインを順守するように優先順位別スケジューリングを行う点，などの特徴がある．
一方，自然エネルギーによる電力供給では，(1) 天候や需要の変動によって，利用可能な電力量が変動する点，(2)機器の中には，例えば PHV の充電など，利便性を損なわずに電力需要を時間的にシフト可能な機器がある点，および(3) 電力需要には優先順位を設けることも可能な点 (例えばPHV 充電の優先順位は高いが，空調の温度の若干の上下は低い優先順位で許容可能)という，計算機システムに類似した特性がある．そこで，これまでの計算機システム向けタスクスケジューリングを電力制御に適用しようというのが本提案の着想である．

２．研究の目的
図 1 に本提案で想定するエネルギーシステムのイメージを示す．将来的には，太陽光や風力など再生可能エネルギーによる発電が普及すると考えられる．これらの再生可能エネルギーによる発電は，気象状況等によって刻一刻と状況が変化するが，電力は蓄積が不可能であり，逆潮流などの問題を避けるため，地域内で発電量に消費量を追従させる必要がある．一方で，負荷となる電化機器の中には，例えばプラグインハイブリッド車(PHV)
では翌日の通勤時間までに充電が完了していれば良く，給湯ポットでは夕食の準備までに湯が沸いていれば要求は満足される．そこ
で刻々と変動する再生可能エネルギーによる発電と各家庭の電化機器の運転状態をモニタリング・予測しながら，発電量に見合った電力消費となるように，電化機器の運転をスケジューリングし，地域内で発電と電力消費をバランスさせるマイクログリッドのための電力を制御するための仕組みを解明しようというのが本提案の大きな目的である．
さて，このような制約条件下でのスケジューリング問題は，計算機システムにおけるタスクスケジューリングに類似していることに気づく．計算機システムでのタスクスケジューリングは古くから研究がなされ，近年では(1)グリッドやクラウドなどの分散協調型タスクスケジューリング，(2) 組み込み機器向けの，一定時刻までに処理を完了させるリアルタイム・タスクスケジューリング，および(3) 携帯機器向けの低消費電力型スケジューリング手法などが成果を上げ，機器の効率化に役立っている．これらの分散協調型，リアルタイム型，低消費電力型のスケジューリン
グは，まさしく分散協調型の電力管理で求められていることに酷似している．そこで，計算機システムでのスケジューリング手法の知見を電力管理に応用し，効率的な電力スケジューリング基盤を確立しようというのが本研究の基本的な試みである．

図 1 本研究で想定するエネルギーシステムのイメージ図

３．研究の方法
最初に図 2 (A) 再生可能エネルギーの発電シミュレータを構成する．サーバにエージェン
ト(シミュレーションのためのプロセス)を設け，過去の日照や風力などのデータから発電量の時間変動を模擬する．複数のエージェントを同時に実行させ，マルチエージェント方式でシミュレーション環境を構築する．過去の気象データは，気象庁などの Web から入手可能であるので，これを用いて時間ごとの発電量を推定する．実際に小規模な太陽光発電の発電量などを実際に測定評価するシステムを構築し，発電量の予測を行うアルゴリズムを評価する．
第二に，負荷側のシミュレータとして，(B)負荷シミュレータを作成する．PHV やエアコン，電気ポットなどの電力消費を模擬し，応答として利得を返す．ここでは将来の情報家
電に実装されるべき機能を検証することも行う．発電シミュレータと同様に，マルチエージェント方式で構成し，機器の独立性を担保しながらシミュレーション環境の大規模化にも対応可能とする．
電力監視・スケジューラを構築する．電力を監視し，負荷の制御やスケジューリングを行うスキームを構成し，そのアルゴリズムを明らかにする．ここで求められる機能として，超分散の数万〜数十万からの機器から刻々と得られる電力情報から個々の機器ごとの相関や時間・天候との相関を計算し，負荷傾向を予測する方法，および時間的・エネルギ
ー的制約条件を満たしながら，電力消費のスケジュールを計算し，機器の運転を指示する機能である．この結果は負荷機器シミュレー

タに返され，機器の電力制約の変動に対する振る舞いを検証する．既存のグリッド・クラウド計算機向けのリアルタイム・タスクスケ
ジューリング手法を電力スケジューリング向けに改良し，アルゴリズムを開発する．

図 2 本提案の実施イメージと構築するシミュレーションシステム

４．研究成果次に，本研究の中核となる電力スケジューリング方式について述べる．この成果は，電気関連学会北陸支部連合大会にて，情報処理学会北陸支部 優秀論文発表賞を受賞したものである．
近年，エネルギー需要量の増大，災害問題，環境問題の関心から，分散型電源が注目されている．分散型電源とは，地域でクリーン発電によって電力を産出し，地域で電力を消費するという考え方のことをいう．エネルギーを地産地消することで，様々なメリットが得られる．しかし，再生可能エネルギーは時間や天候などに影響され供給量が安定しないという問題がある．そこで本研究では，電力をリアルタイムにスケジューリングすることによって，供給特性と需要特性を適合し，再生可能エネルギーの利用効率を高め，総消費外部電力量(火力発電などの大規模な発電から供給される電力)の削減を目指す．電力
スケジューリングに関する先行研究には，電力コストの低減化，消費電力のピークカットに焦点を当てた研究が多い．本研究では，総消費外部電力量の削減に注力する．
電力スケジューリング
電力スケジューリングとは，電気機器のタスクのスケジューリングを行うことを指す．また，再生可能エネルギーは，時間によって変動するため，電力スケジューリングにはリアルタイム性が求められる．本研究では，計算機のタスクスケジューリングを電力スケジューリングへ応用する．
電気機器のタスクとは，デッドラインが存在するタスクのことを指す．表 1 に電気機器のタスクの種類，図 3 に電気器のタスククラスの概念図を示す．

計算機のタスクスケジューリングと電力スケジューリングの違い
計算機のタスクスケジューリングと電力スケジューリングは共にデッドラインが存在するタスクのスケジューリングを行うものだが，相違する点もある．その相違点を表2 にまとめる．特に電力スケジューリングの場合，QoS に加え，電力も考慮する必要がある．
シミュレーション実験
今回行った実験では，オフライン時における一日(24 時間)のデータを測定した．
電力スケジューリングにおけるオンラインとは，システムの稼働中にスケジューリング行う方式のことをいう．電気機器のタスクの実行時間，デッドライン，要求電力，各世帯の契約電力，プリエンティブ性が既知である．
一方，オフラインとはシステムの稼働前にスケジューリングを行う方式のことをいう．オンラインの仮定に加え，再生可能エネルギーによる供給電力，電気機器のタスクの到着時間が既知である．
また，電力スケジューリングは NP 問題であるため現実時間でのシミュレーションは不可能である．よって，先行研究[1]に契約電力制約を追加し応用することで，最適解は保証しないが優良解を算出するオフラインスケジューラを実装した．
オフライン総消費外部電力量カット指向
スケジューリングアルゴリズムを図 4 に示す．
初めに評価式(1)を用いてタスク Ti の評価値H(Ti)を算出する．タスク Ti はプリエンプテ
ィブ性 Fi, デッドライン Di， 到着時間 Ai,実行時間 Ui，消費電力 Ci, 世帯番号 Li の情報を持つ．また N はタスク数，ti は時間，α，βはコントロール変数を表す．評価値の低い
順に総消費外部電力量が最少となるように，スタートタイムまたはサスペンドタイムを決め，電力計画の上書きを行う．
(1)

評価
提案手法をシミュレーションによって評価した．次にシミュレーション実験の条件について述べる．
・要求電力，実行時間，クラス，到着時間，デッドラインの異なるタスクを 1200 個処理．
・各世帯(30 帯)契約アンペア（同時に使用可能な電気の量）を 3kVA に設定．
・電力モデルには，太陽光発電を想定．
・一分毎にスケジューリングを行う．
・スケジューラは，オフライン時における総消費外部電力量カット指向，ピーク消費電力カット指向[1]のスケジューラとオンライン時における Earlist Start Time First(ESTF)
スケジューラの 3 パターン．
シミュレーションの結果を図 4 および表 3

に示す． 図 4 からは，電力の推移とピーク電力がわかる．特にオフライン外部電力供給を減少させる(off‑line exterior cut)アプ
ローチは，太陽光で発電された電力によく追従している様子が分かる．
表 3 から，オフライン時のスケジューラは，電気機器のタスクのスタート時間を遅らせることで, online ESTF と比べ，総消費外部電力量，ピーク消費電力，ピーク消費外部電力をそれぞれ削減できることがわかった．
一方，平均応答時間，全計算時間，平均遅延時間，最大遅延時間が増大した．

図 4 電力の推移グラフ

表 1 電気機器のタスク

表 3 消費電力状況

図 3 電気機器のタスククラスの概念図

表 2 計算機のタスクスケジューリングと電力スケジューリングの相違

関連する成果上記電力スケジューリング方式のほか，電力計算の基盤となる FPGA を用いたアクセラレーション方式，メニーコア時代の相互結合網として有望な階層型相互結合網についても研究をした．
階層型相互結合網として，3D‑TESH およびその派生型の相互結合網を考案した．階層間で消費電力や信号伝達速度が異なるので，違った物理特性を持つ接続リンクを階層的に扱えるようにし，次世代の計算基盤に必要な技術を開発した．これらの提案や評価は雑誌
論文 1, および国際会議論文として掲載された．
FPGA を用いたアクセラレーション方式では，要求要件を元に演算器などの最適配置を行う手法を考案し，雑誌論文 2 として発表した．アクセラレーションについては，FPGA の他に GPGPU の可能性も検討し，学会発表論文7 として発表した．
参考文献[1] Junghoon Lee, Gyung‑Leen Park,Sang‑Wook Kim, Hye‑Jin Kim and Chang OanSung, Power consumption scheduling forpeak load reduction in smart grid homes ,SAC '11 Proceedings of the 2011 ACM
Symposium on Applied Computing, Pages
584‑588 (2011)

５．主な発表論文等（研究代表者、研究分担者及び連携研究者には下線）〔雑誌論文〕（計 2 件）1. Ala Ahmed Yahya Hag, M.M. Hafizur
Rahman, Rizal Mohd Nor, Tengku Mohd
Tengku Sembok, Yasuyuki Miura andYasushi Inoguchi, "Uniform Traffic
Patterns using Virtual Cut‑ThroughFlow Control on VMMN", Procedia
Computer Science, , Elsevier, Vol. 59,
pp.400‑409, Aug., 2015 (査読有)2. 荒木 光一, 佐藤 幸紀, 井口 寧, "FPGA
ベース組み込み向け HW 開発における低消費電力指向の 自動ハードウェアチューニング", 信学論 D, Vol. J98‑D, No.
1, pp.182‑192, Jan., 2015 (査読有)6.

7.

New Interconnection Network thatachieves high performance for Many‑
Core Processors", 2014 年度 電気関係学会 北陸支部連合大会, F1‑3, 1 pagein CD‑ROM, 富山高専(富山県射水市),
Sep. 11, 2014
赤碕 翔太, 佐藤 幸紀, 井口 寧, "QoSを考慮した電力スケジューリングに関する研究", 2014 年度 電気関係学会 北陸支部連合大会, F1‑1, 1 page in CD‑ROM,富山高専(富山県射水市), Sep. 11, 2014
中吉 達二, 佐藤 幸紀, Yiyu Tan, 井口寧, "GPGPU と MIC におけるアクセラレー
タ性能の比較", 2013 年度 電気関係学会 北陸支部連合大会, F1‑10, 1 page inCD‑ROM, 金沢大学(石川県金沢市), Sep.
21, 2013〔図書〕（計 0 件）〔学会発表〕（計 7 件）
1. M.M. Hafizur Rahman, M. A. H Akhand,
P.C. Shill and Yasushi Inoguchi,"Butterfly
traffic
patterninselection algorithm on hierarchicaltorus network", 2nd International
Conference on Electrical Engineering
and Information and Communication
Technology,
5pages,Dakka(Bangladesh), May. 21‑23, 2015
2. M.M. Hafizur Rahman, M.A.H. Akhand,
Yasuyuki Miura, and Yasushi Inoguchi,"Hot‑Spot
Traffic
Patternon
Hierarchical 3D Mesh Network", The 3rdInternational Conference on Advanced
Computer Science Applications andTechnologies, IEEE, pp.56‑60, Amman(Jordan), Dec. 29‑30, 2014
3. Faiz Al Faisal, M.M. Hafizur Rahman
and Yasushi Inoguchi, "Dynamic
Communication Performance of TTN withUniform and Non‑uniform Traffic
Patterns Using Virtual Cut‑ThroughFlow Control ", The 3rd International
Conference on Advanced Computer
Science Applications and Technologies,
IEEE, pp.133‑138, Amman (Jordan), Dec.
29‑30, 2014
4. Faiz Al Faisal, M.M. Hafizur Rahman
and Yasushi Inoguchi, "Dynamic
Communication Performance of STTN
under various Traffic Patterns using
Virtual Cut‑Through Flow Control",17th International Conference on
Computational Science and Engineering,IEEE, pp.1804‑1809, Chengdu (China),
Dec. 19‑21, 2014
5. Faiz Al Faisal, Yukinori Sato andYasushi Inoguchi, "Introduction of a

〔産業財産権〕○出願状況（計 0 件）

○取得状況（計 0 件）

〔その他〕
表彰
1. 情報処理学会北陸支部 優秀論文発表賞
赤碕 翔太, 佐藤 幸紀, 井口 寧, "QoSを考慮した電力スケジューリングに関する研究",2014 年度 電気関連学会 北陸支部連合大会, F1‑1, 1 page in CD‑ROM,
富 山 高 専 ( 富 山 県 射 水 市 ), Sep. 11,
2014.

６．研究組織(1)研究代表者
井口 寧（INOGUCHI YASUSHI）
北陸先端科学技術大学院大学・情報社会基盤研究センター・教授
研究者番号：90293406