電気学会

2.7 大災害時にも電気を届けるには12電気の送り手側に関する対策が考えられている。
他方，大学などでは電気を消費する側の手段として，家の「天災は忘れた頃にやって来る。
」と言ったのは物理学者の屋根に設置された太陽光発電装置（以下，PV）を非常用電源寺田寅彦と言われている。阪神・淡路大震災からすでに 20 年として利用する方法，特に電気自動車（以下，EV）に積載さ以上が経過し，東日本大震災からも 6 年が経った。自然災害れている蓄電池と組み合わせることで夜間でも電気を利用での多い国土に住む私たちは，大震災のようなつらい災禍をききる方法が検討されている。ただし，この方法は EV や PV をれいさっぱり忘れて，毎日を明るく生きていきたいと思う習所有していない人には適用できない。そこで PV や EV を所性を持っているのかもしれないが，今は次なる自然災害に備有していない人でも電気を得る方法として，被害を受けなかえて十分な用意をする時期であろう。特に電気に支えられたった電力システムのネットワーク設備を活用する「自立運転現代の社会では，大災害による停電は私たちの生活を一変さ配電ネットワーク IDN」という方法が提案されている。このせてしまう。マンション高層階の住人はエレベータ停止によ

概略を図 2.7.2 に示す。このような電力ネットワーク設備の使り移動に大変な苦労をするであろう。また電車が停止して通い方を単独運転と呼び，現在，この運転は安全性の観点から勤・通学に時間がかかり会社や学校は正常に機能しなくなる。

法律で禁止されている。ただし非常時に限って単独運転が許もちろんモーターを使ってポンプを動かして供給される水やされるならば，PV と EV を所有していない人も災害時に電気ガスも停止し，夜間の照明は無く，スマートフォンも充電でを利用できることになるであろう。この IDN を実現するためきずに通信手段を失う。東日本大震災では多くの人々がこのには，ネットワークの電圧を適正値に保ちながら電灯や冷蔵ような経験をしたと思う。

庫などの負荷機器と PV や EV を一緒に調子を合わせてコン

一方，電気を供給する側はどうなるのかというと，大津波

トロールするためのエネルギー管理システムを開発する必要が発生するような大震災の場合，沿岸部に位置する大型火力がある。また IDN を普及させるためには，コストパーフォー発電所や原子力発電所が津波による浸水等が原因で長期間停マンスの良い技術を開発しなければならないという課題もあ止することになろう。しかし図 2.7.1 に示すように東日本大震

る。

災の場合には，電力技術者の懸命な復旧活動により一週間程これまで停電が起きない電力システムを構築するため種々度でほとんどの停電が解消されている。ただし都市近郊直下の技術が開発されてきたが，人知を超える自然災害に対して型地震による阪神・淡路大震災と大きく異なり，電気の発生停電を皆無にすることは不可能であろう。しかし電力システ源である発電所（以下，電源）が多大な損害を受けたため，ムの一部の設備が破壊されて停電が発生しても，破壊されず長期間に亘る供給力不足が生じ，東京電力管内では 10 日間に残った健全な設備を上手く使用する技術を開発すれば，大の計画停電（輪番停電）が実施された。この経験から得られ災害時にも安全かつ効率的に電気を届けられる電力システム

る教訓は，大災害時には，とにかく電源を確保することと言が構築できるであろう。

える。
さて，大きな自然災害が起きた時でも電気を送り届けられる電気のネットワーク（電力系統または電力システムと呼ぶ）の能力は，レジリエンスという視点から整理すると次の 4 項目で特徴づけられる。なお，レジリエンスとは，何かのインパクトでシステムが破壊されたとき，元に復元する能力（回復力）のことである。
・丈夫さ Robustness：電力システムを構成する発電所や送電線の一部が破壊されても停電を起こさずに消費者に電気を届けられる能力。
・余裕 Redunduncy：電気を送るルートが複数存在するなど多図 2.7.1

重化されていること。
・動員力 Resoucefullness：局所的に電気を供給できる電源車の保有台数や他電力会社等からの応援要員の人数など。

東日本大震災における停電解消の様子

出典：経済産業省：「原子力安全・保安部会電力安全小委員会電気設備地震対策ワーキンググループ報告書(案)参考資料」，2012
年3月

・回復の速さ Rapidity：停電発生時から復電（停電解消）するまでの時間。

配電用
変電所

このレジリエンスをどのような方法で向上させることができるかという点を，国では将来発生が予想されている南海ト

IDN #1

IDN #2

IDN #3

送電ネットワーク

発電所

ラフ巨大地震や首都直下型地震を念頭に置いて検討している。その代表的な方法としては，電力システムのシミュレーションにより停電規模を事前に把握する方法や，災害で停止した大型火力発電所の運転を早期に再開する方法など，主にPV

遮断器

EV

Battery

自動区分開閉器

図 2.7.2

自立運転配電ネットワーク IDN の概念図

EV

電気学会

3.7 大災害時における電力システム運用

地震

3.7.1 はじめに我が国の電力システムは夏季の台風，冬季の暴風雪など毎鉄塔倒壊等による送変電
配電設備の被災

津波

暴風雨
沿岸の発電所の浸水

49

発変電所浸水送配電
設備の被害

年繰り返し厳しい自然環境にさらされている。また地震や火山が多い国土であるため，これらの自然現象の被害を受ける
電力分配機能の低下による停電可能性も高い。記憶の新しいところでは 1995 年 1 月の阪神・淡路大震災や 2011 年 3 月の東日本大震災が広域の停電を引き起こした。また我が国に限らず 2012 年 10 月の米国東部で

図 3.7.1

電力供給源不足による停電

電力供給
分配機能の低下による停電

自然災害による電力システム設備の典型的な被害のハリケーンの上陸により大規模停電が発生している。
本稿では，地震・津波・暴風雨による電力システムの被害の特徴とその対策を紹介する。対策についてはレジリエンス存するが，発電所や変電所の浸水，送配電設備の損傷により（Resilience，回復力，弾力性）という視点から電力システム停電が広域化する可能性がある。に望まれる性質や機能を整理している。また私案であるが，レジリエンス向上方策として，災害時に生き残った分散電源と配電ネットワークを活用する電力供給のコンセプトも紹介する。

3.7.3 電力システムのレジリエンス
前述した自然災害に代表されるインパクトを電力システムが受けた際，如何に可能な限り速やかに健全な状態に回復できるのかをレジリエンスという視点から整理してみる。まず，

3.7.2 自然災害による電力システムの被害
電力システムにとって代表的な自然の脅威は雷である。しかし，避雷・絶縁・保護システム技術の高度化により雷が原因となる大停電は現代の日本では稀である。大停電を引き起こす最たる自然災害はやはり地震と台風であろう。地震による大停電と言えば 1995 年 1 月 17 日の早朝に発生した兵庫県南部地震による阪神・淡路大震災である。この災害により約260 万軒が停電し，停電解消まで 6 日間ほどかかっている。
都市近郊で発生した直下型地震であったので，架空配電設備の被害が多かったようである(1)(2)。

物理的・社会的システムのレジリエンスを特徴づける項目を文献(7)に従って示すと表 3.7.1 の第 1 列目のようになる。第2 列目には，著者が各項目に対応すると考える電力システムの性質と機能を記している。
Robustness は，システムの機能性を失わずにサービスを提供できるシステム固有の能力を指す。電力システムに対応させてみると，被害を受けても発送配電の機能を失うことなく需要に電力供給を行える能力，要するに停電を起こさない能力であり，電力システムの“丈夫さ”と言える。
Redundancy は代替となる選択肢や代用となる物を備えてまた 2011 年 3 月 11 日午後に発生した東北地方太平洋沖地いる性質を指し，電力システムで言えば送電ルートが複数あ

震による被害は甚大で，発生した停電は東北電力管内で約ること，中央給電指令所のバックアップがあることなど，設466 万軒（全戸数の約 70%，8 日後に約 94%停電解消），東京備が多重化されていることに相当する。すなわち停電を起こ

電力管内で約 405 万軒（全戸数の約 20%，7 日後にすべて停電解消）であった。この震災の特徴は東北地方北部太平洋沿岸から関東地方北部沿岸までの広い範囲で大津波が発生し，それによる沿岸部の火力・原子力発電所が浸水被害を受けた
結果，電力供給源を失った点である(3)(4)。
台風については我が国では毎年 2，3 個の台風が上陸しており，それに伴う暴風雨や土砂崩れによる被害は絶えることが無い。しかし幸いなことに近年は阪神・淡路大震災クラスの大規模停電を発生させてはいない。一方，米国東部において 2012 年 10 月 29 日にハリケーン・サンディが上陸し，広範さないための電力システムの“余裕”を表わしている。
Resourcefulness は緊急時に必要な物資やサービスを動員できる能力を意味している。電力システムでは，設備の保守・点検時に使用される電源車の保有台数や災害時に他電力会社等から人員等の応援の得やすさなどが対応すると思われる。
要するに，停電してもそれを軽減できる“補う力”あるいは“動員力”と言ってもよいであろう。
Rapidity はシステムの機能が復旧する速さを指し，電力システムでは停電発生時から復電するまでの時間に対応する。

囲で停電を発生させた。停電件数は約 860 万軒と東日本大震災のときの停電に匹敵している。文献(5)によると完全復旧するまでに 10 日間以上を費やしている。

表 3.7.1

自然災害に対する電力システムのレジリエンス

レジリエンスを評価する項目

対応する電力システムの性質・機能

これらの自然災害による電力システムの被害を図として簡Robustness 丈夫さ◎停電しない能力：電力設備の地震動耐力、浸水耐力など略表現したのが図 3.7.1 である。地震による直接的被害として

Redundancy 余裕◎電力設備の多重化：
送電ルートの複数化、中央給電指令所のバックアップなど

り，電力分配機能の低下により停電を招く。津波は沿岸に位

Resourcefulness 動員力◎緊急時の動員力：
電源車の保有、他組織からの支援など置する発電所を浸水させる危険性があり，発電能力不足によ

Rapidity 回復の速さ◎停電からの復旧時間：
復旧要員の人数、技術水準などに依存

は，鉄塔や電柱の倒壊等による送変電・配電設備の損傷がある停電を引き起こす。台風などの暴風雨は上陸した経路に依

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要するに健全状態に戻る“回復の速さ”を表わしている。な
おこの速さは復旧要員の人数や技術水準に依存する。
さて，システムの丈夫さと回復の速さを定量的に示したのが図 3.7.2 である。システムの丈夫さは，被害を受けた直後（時刻 t0）のサービス提供能力によって表わされる。またサービス提供能力が，被害を受ける前のレベルにまで回復する

サービスの質100
傾き:Rapidity
回復の速さ

50Robustness
丈夫さ

過程の傾きが回復の速さに対応する。したがって，被害直後のサービス提供能力が大きく，回復するまでの時間が短いシレジリエンスの低いシステム

レジリエンスの高いシステム

0t0

ステムがレジリエンスの高いシステムである。
このレジリエンスの定量的な見方を図 3.7.3 に示す東日本

図 3.7.2

t1t2

時刻レジリエントシステムの応答特性

大震災における停電戸数の推移とハリケーン・サンディのときのデータ(5)に適用してみると，おおよそ表 3.7.2 に示す数値が得られた。ただし，東北管内と東京管内の電力システムが地震や津波によって受けたインパクトの大きさは異なるので
表 3.7.2 に示した数値の単純比較はできないが，米国のハリケーンの場合よりは早期に回復できているようである。電力システムのような巨大なインフラシステムの復旧過程には，送配電設備と需要の地理的広がり，復旧要員の行動力など多様な要因が絡んでいる。したがって，レジリエンスを正確に評価するためには停電戸数の減少過程の因果関係をきめ細かく分析し，それに基づく対策を立てておくことが，将来の大災害に対する備えになると思われる。
国では将来発生が予想されている南海トラフ巨大地震や首都直下型地震を念頭に電力システムのレジリエンスを向上さ(a)

東北電力管内の停電戸数せる方策を検討し，電力安全小委員会の報告書(6)としてまとめている。それに依ると大規模電源・基幹送変電設備側の対策として次の方策が挙げられている。
•

想定被災ケースの電力需給シミュレーションによる供給支障量の把握•

中長期的視野の設備形成•

火力発電の早期再開運用法，増出力運転活用など•技術水準を維持した復旧要員の確保•

復電の優先順位の判断基準の合意形成・最適化•

公的機関等への非常用発電導入の推奨(b)3.7.4 分散電源を活用したレジリエンス向上方策(１) 提案されている方策

図 3.7.3

東京電力管内の停電戸数
レジリエントシステムの応答特性

前述した電力システムのレ（出典：経済産業省：「原子力安全・保安部会電力安全小委員会電ジリエント向上方策は主に大規模電源と基幹送変電設備に関気設備地震対策ワーキンググループ報告書(案)参考資料」，2012 年

するものであるが，需要側の分散電源を利用する方策も考え3 月）られている。その一つの方策として，著者は災害時に健全な状態で生き残った既存の配電ネットワークを使用して自立運表 3.7.2

自然災害に対する電力システムの丈夫さと回復の速さの転を行うことを提案している(10)。これについては次節で少し詳しく紹介したい。もう一つの方策は最も標準的な考え方であると思うが，各消費者単位で自身の家屋等の屋根に設置さ例
レジリエンスの評価項目

東北電力管内れた太陽光発電装置（以下，PV）を非常用電源として使用する方法である。蓄電池が導入されていれば昼間に蓄えた太陽エネルギーを夜間にも使用できる。この方法の必要性は神戸

ハリケーン・サンディ

東北地方太平洋沖地震
東京電力管内米国東部

本震
2011年3月11日
14:46

余震
2011年4月7日
23:32

本震
2011年3月11日
14:46

上陸2012年10月29日

大学による阪神・淡路大震災の研究(2)において指摘されてい丈夫さ
Robustness

３７．０%

４５．８％

８５．９％

８７．６％

る。ただし，この方法の問題点は発電装置を所有している人

回復の速さ
Rapidity

０．３１％／時間

１．１％／時間

０．１９％／時間

０．０５％／時間は系統停止時にも電気を利用できるが，所有していない人は

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電気を使用できない点である。要するに大災害時の異常事態

配電線は無電圧になり，配電線は遮断器と自動区分開閉器にに，電気を使用できる人と使用できない人が同じ町内などにより複数の区間に分離される。提案の自立運転は，その配電存在し，それが長期間に及ぶと，場合によっては社会的な不線の各区間に接続している分散電源を活用して，各区間にお安定を招きかねない点が危惧される。

ける分散電源出力と重要負荷の需給平衡および電圧と周波数他に提案されている方策としては，クラスター拡張型グリの品質を保つように自律分散制御を行う方式である。著者は，ッドというマイクログリッドに類似した方法がある(9)。このそのような配電線の区間を「自立運転可能な配電ネットワー

方法では，ある地域に存在する分散電源と電力貯蔵装置およク（Islanded Distribution Network, IDN）」と呼び，主に家庭用び需要の組を，ひとかたまり（クラスターと呼ぶ）とみて，の PV や燃料電池 FC，電気自動車 EV などの交直変換器を介正常時はクラスター間が連系して運転されている。ただし，して配電線に連系する分散電源の活用を想定している。

クラスターが接続している上位系統に事故が発生したときには，各クラスターが自立運転を行うという方法である。このIDN の安定な運用を可能にするため，次の監視・制御技術を開発する必要があると考えている。

方法は後述する著者の考えている方法とかなり類似したアイ（ａ）負荷制御を含むエネルギー管理システム EMSデアである。

（ｂ）隣接する IDN と無停電で同期連系する技術

また分散電源の活用に限定した考え方ではないが，（ｃ）低消費電力の監視とデータ収集・制御 SCADARESCUE (Resilient Energy System for Continuity in Ultimate（ｄ）自律分散型の保護システム

Emergency) というコンセプトも横浜国大から提唱されていEMS の目的は IDN 内の重要負荷へできるだけ長く安定にる。このシステムでは，被害の受けにくいエネルギー供給ネ電力を供給することであるので，需給平衡と電力品質を保ちットワークの構築，供給力不足時の電力需要の優先度付け，ながら分散電源と負荷を統一的に管理・制御する技術が必須

ネットワーク管理者と需要家の行動決定メカニズムなど，災となる。無停電同期連系技術は，復旧後の電力システムに配害時のエネルギー供給に適した社会・経済的なルールに重点電線が再連系する際や，IDN の安定運用のために複数の IDNが置かれている。

を接続または切り離しを柔軟に行うときに必要である。低消(２)配電ネットワークの非常時自立運転のコンセプト

費電力 SCADA は，言うまでもなく電力供給力が十分ではな

東日本太平洋沖地震発生後の電力システムでは，主要な大規い IDN の監視・制御にとって必須であろう。IDN の実現にお模発電所が停止したため，配電設備に大きな被害が出なかっいて最も困難な課題と考えられるのは保護システムである。

た地域であっても停電に見舞われた。著者も仙台市において

IDN 運用時に発生した事故の検出・除去と復旧の仕方は，現地震発生から丸二日間ほど停電を経験した。復旧は市内の他状の配電システムの保護システムと大きく異なるものと考えの地域よりも早い方であったと思うが，その二日間，特に夜られる。したがって，新たな開閉機器や保護システムの開発

間は真っ暗闇の中，早く電気の灯りが欲しいと家族とともになど，コスト面も含めた課題の解決が必要であろう。

切望した。そのような中，自宅近くの配電線や電柱は見た目

これまで，IDN を実現するための技術上の課題の中で，負には壊れたところも無さそうで，このような健全な配電設備

荷制御と EV バッテリ群による最適需給運用(11)や，単相分散と可制御の分散電源があれば町内の近隣の人々に電灯や暖電源群による IDN の電圧制御(12)について基礎的な研究に取房，携帯電話用の電源など，最低限の生活を維持するために必要な電力を供給できるのではないかと感じた。そしてそれを実現するための研究を始めなければいけないのではないかと，電力システムを研究する一人として強い使命感を感じた。

配電用
変電所

発電所

この停電の経験が，以下に述べる非常時の電力供給方法を研究するきっかけになった。

PV遮断器

ところで，上述した配電ネットワークの運用は一般に単独運転と呼ばれ，保守技術者の安全性の観点から電気設備技術

IDN #1

IDN #2

IDN #3

送電ネットワーク
Battery

EVEV

自動区分開閉器

図 3.7.4

緊急時の自立運転配電ネットワークのコンセプト

基準の省令により禁止されている。したがって現在の法規制の下では，以下に紹介する電力供給の方法は実現できない。
しかし，もし非常時に限って単独運転が許されるならば，将来起こり得る災害発生時に，部分的ではあるかもしれないが多くの人が電力不足の危機を免れることができるかもしれな
い。なお本稿では，通常の単独運転と非常時の単独運転を区別するため，後者の単独運転を配電ネットワークの自立運転と呼ぶことにする。
現在，図 3.7.4 に示す配電ネットワークの自立運転の技術的

柱上変圧器
#4.

ZH

高圧
配電線
12.0[kW]
側2.4[kvar] 6等
価回路・ ・

図 3.7.5.

ZL

#1

低圧配電線
.
#2.

Zv

Zv

#3分

Slack 散～電2.0[kW]
0.4[kvar]源.

2.0[kW]
0.4[kvar].

ZL

2.0[kW]
0.4[kvar].

分

2.0[kW]
0.4[kvar]

.

Zv

単相
負荷

ZnZn

・nH:nL

実現可能性を検討している。送電網や大規模電源の故障により配電ネットワークへの電力供給が停止すると 6.6kV の高圧

#0

#0’

2.0[kW]
0.4[kvar]

.

Zv

～散~ 電
源

不平衡潮流計算法を開発するための IDN モデル電気学会

り組んできている。紙面の都合で研究内容の詳細は文献にゆずるが，IDN の運用・制御の検討に必須となる不平衡潮流計算法を，図 3.7.5 に示した低圧側のみに複数の単相電源が存在する電力回路を対象に開発中である。
3.7.5 あとがき
種々の技術が進歩しても大規模な自然災害による電力システムの被害とそれに伴う停電を皆無にすることは不可能であろう。したがって，システムの一部が破壊されても残りの健全な部分でシステムの機能を維持できる能力，すなわちレジリエンスを如何に電力システムに埋め込んでいくのかが今後の重要な技術開発の視点である。文献（13）によると，翼の一部を失ったジェット戦闘機をパイロットが巧みに操縦して無事に帰還した出来事が 1980 年代にあった。そしてその出来事を皮切りに，損傷を受けても安定な飛行を可能にするインテリジェント飛行制御システムの研究が始められたそうである。これに照らして考えてみると，災害時に被害を受けずに生き残った健全な分散電源や電力設備を上手に運用・制御して停電の被害を最小化する技術の研究開発は，自然災害の多い我が国にとって大変重要であると言える。

参考文献(１) 金山，西川：「阪神・淡路大震災における電力ライフラインの復旧について」，研究・技術計画学会第 11 回年次学術大会講演要旨集，２C11，pp.234-239(1996)(２) 大澤：「災害と電力供給システム」，平成 9 年度第 15 回神戸大学工学部公開講座テキスト，pp.53-62(３) 原子力安全・保安部会電力安全小委員会：「電気設備地震対策ワーキン
ググループ報告書」(平成 24 年)(４) 豊馬：「電力システムの被害・対応状況とその課題」，電気学会公開シンポジウム配付資料(平成 23 年)(５) Office of Electricity Delivery and Energy Reliability, U.S. Department ofEnergy, “Comparing the Impacts of Northeast Hurricanes on Energy
Infrastructure” (2013)(６) 産業構造審議会保安部会電力安全小委員会：「電気設備自然災害等対策 WG 中間報告書について」(平成 26 年)(７) T. D. O’ Rourke, “Critical Infrastructure, Interdependencies, and Resilience,”
The BRIDGE LINKING ENGINEERING AND SOCIETY, Vol. 37, No. 1,
pp.22-pp.29 (2007)(８) 豊田，白崎，千田：「電力供給システムの弾力性（レジリアンス）に関する検討」，電気学会電力技術・電力系統技術合同研究会，PE-11134/PSE-11-151，pp.63‐68 (2011)(９) 横山編著：「災害に強い電力ネットワーク スマートグリッドの基礎知識」，早稲田大学ブックレット「震災後」に考える (2011)(10) H. Saitoh, M. Abe, and W. Yashima, “A Proposal of Emergency Microgrid
Operation of Distribution Systems after Large Scale Disasters,” IEEE Region
10 Humanitarian Technology Conference 2013, pp.152-157 (2013)(11) M. Abe and H. Saitoh, “An Optimal Scheduling of Battery Output and LoadControl for Loss Minimizing Islanding Operation of Distribution Networks inEmergency,” Proceedings of 18th PSCC, ID382, pp.1-7 (2014)(12) 石倉，斎藤：「緊急時単独運転の配電系統を対象とした不平衡潮流計算法の基礎検討」，平成 26 年電気学会電力・エネルギー部門大会論文集(2014)(13) S. Massoud Amin and Bruce F. Wollenberg, “Toward a Smart Grid,” IEEE
Power and Energy Magazine, pp.34-41, Sept./Oct. 2005.

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