大規模停電回避に向けて～ 系統周波数維持の取組み ～地震や台風等の災害が頻発する日本列島において、電源脱落が発生しても周波数を維持し続け、大規模停電を回避するため

私共、一般送配電事業者は、様々な方策を講じています周波数の基礎知識

2○ 周波数とは、1秒間に繰り返される波の数で、単位はヘルツ(Hz)。日本の商用（交流）電源の周波数は、東日本で50Hz、西日本で60Hzとなっています。
○ 西日本と東日本で電力を相互融通するには、一旦電気を直流に変換する周波数変換設備（FC)を介する必要があり、東日本大震災で供給力が大幅に不足する事態の発生を契機に、周波数変換設備の増強を進めています。

50Hz
60Hz

50Hzと60Hzは4箇所の周波数変換設備で接続されています。

周波数変換設備（FC：Frequency Converter）
・飛騨信濃FC 90万kW（2021年3月運用開始）
・新信濃FC
60万kW
・佐久間FC30万kW
・東清水FC
30万kW
合 計
210万kW（2022年4月現在）※ 2027年度までに、合計300万kWまで増強予定

画像：北陸送配電株式会社ホームページより©Transmission & Distribution Grid Council

周波数が変動する要因

3○ 電気は大量に貯めることが難しく、需要（電気の使用量）と供給（発電する量）を常時バランスさせる必要があり、この需給バランスが崩れると、周波数が変動します。
○ 需要は、人々や社会の活動に応じ、昼間は多く、夜間は少なくなり、天候やイベントなど様々な要因によって変化します。供給は、太陽光発電や風力発電のような自然変動電源の場合、時間帯や天候に応じて発電量が変動します。

需要の変動

需要が増えると周波数が下がる

太陽光発電の変動

供給が増えると周波数が上がる
画像：中部電力パワーグリッド株式会社ホームページほかより©Transmission & Distribution Grid Council

周波数調整のイメージ

4○ 電気の量をバランスさせるための役割として、電気事業法において、小売電気事業者による供給能力確保義務と、一般送配電事業者による周波数維持義務が課されています。
○ 一般送配電事業者の中央給電指令所は、下図のように、重りの高さを維持するように、時々刻々と変化する需要（電気の使用量）に合わせて、調整力を提供できる発電所の供給（発電量）を調整し、周波数を保つ役割を担っています。
中央給電指令所

周波数維持義務【一般送配電事業者】

発電所の出力下げろ

発電機等の調整力を用いて周波数を一定に保つこと
1万kW

2万kW
↓
1万kW 13万kW 14万kW

供給能力確保義務【小売電気事業者】
需要とバランスの取れた供給能力を確保すること

10万kW

10万kW
9万kW

50/60Hz【発電所】【電力需要】

合計30万kWから29万kWへ調整

29万kW©Transmission & Distribution Grid Council

周波数低下のリスク

5○ 発電所の保護装置は、発電機や系統の異常を検出すると、発電機等の遮断器を動作させて発電機を停止（解列）することで、損傷などを防ぎます。大規模に発電機が解列した場合、他の発電機の緊急的な出力増加や、一部の負荷遮断等の対応を実施しますが、それでも需要に対し供給が大幅に不足する場合は、急激に周波数が低下します。
○ 周波数が大幅に低下すると、他の発電機も安定に運転できず、発電機が連鎖的に解列した
場合、全てのお客さまが停電する大規模停電（ブラックアウト）に至る可能性もあります。
○ なお、各エリアは、大規模停電が連鎖的に波及することを防止するため、負荷遮断を実施しても周波数が回復しない場合は、連系線を分離することがあります。

【発電所】
合計29万kWから16万kWへ減少↓
発電所の緊急的な出力増加などにより、合計16万kWから20万kWへ増加させるが電力需要29万kWは支えられない↓
急激に周波数が低下

1万kW
↓
2万kW

14万kW
1万kW
↓
↓
2万kW 13万kW 16万kW

10万kW

50/60Hz

10万kW
9万kW

【電力需要】
発電機のトラブル停止

29万kW
0万kW

周波数
低下49/59Hz
48/58Hz©Transmission & Distribution Grid Council

電源脱落発生時の周波数変化のイメージ

6○ 小規模の電源脱落では周波数は大きく変動しませんが、電源の脱落量が大きくなるほど影響は大きくなります。
○ その際問題となるのは、周波数の絶対的な低下量と周波数の時間変化率(傾き)です。
○ 周波数変化の状況に応じ、電力融通・負荷遮断の実施や、発電量の増加、周波数低下を抑制する連系設備の要件整備により、すみやかな周波数回復等の対応を実施しています。
周波数[Hz]
標準周波数
EPPS動作（緊急融通の実施）
UFR（負荷側）動作（停電の発生）系統全体の「慣性力」が不足すると ⇒周波数変化率に敏感なPV等同程度の電源脱落であっても周波数低下の抑制対策が必要
周波数の時間変化率が大きくなる④連系設備の要件検討
需要>供給50.0/60.0①緊急的な電力融通

ガバナフリー※や 49.6/59.6
揚水発電による周波数回復

需要>>供給②負荷遮断

地域間連系線の分断

UFR（発電側）動作（発電機の運転限界）

49.0/59.1⑤調整力による発電量増加

需要>>>供給

これ以上周波数が低下するとブラックアウトの可能性大③発電設備の解列防止

時間©Transmission & Distribution Grid Council※ガバナフリー：タービンの回転速度を一定に保つように発電機の動力を自動的に調整する機能

①50/60Hz間の緊急的な電力融通：EPPS

7○ 50Hzと60Hzの間を接続する周波数変換設備（FC）では、一方のエリアの周波数が予め設定した値を下回った場合、もう一方のエリアの周波数が健全であることを条件に、予め設定した電力を瞬時に送電するEPPS※という機能を具備しています。
※Emergency Power Presetting Switch○ 受電側（周波数が低下した側）エリアと送電側（健全側）エリアの周波数偏差が原則として逆転しないように、60万kW＋α（空き容量以内）の電力を送電します。
○ 2022年3月16日の福島地震においても電源脱落により50Hz地域の周波数が低下し、EPPSにより63万kWの緊急送電が行われています。
（EPPS機能のイメージ）
周波数監視

FC

50Hz
60Hz

60Hz系統60Hz
健全50Hz系統
緊急電力融通50Hz

低49Hz 下

10万kW

50Hz

10万kW
9万kW

瞬時に助けるよ！

発電機のトラブル停止

0万kW

周波数
低下49Hz©Transmission & Distribution Grid Council

②負荷側UFRによる負荷遮断8○ 周波数が一定時間、設定値以下となった場合、周波数低下を検出する装置（UFR）が動作します。UFR（負荷側）は、予め設定された周波数以下となった場合、大規模停電を回避するために、一部の需要を切り離して（停電させる）低下した周波数を回復させます。
UFR：Under Frequency Relay（周波数低下リレー）発電機の保護や電力系統の安定化の為に、周波数低下を検出し、自動的に発電設備や一部の需要を電力系統から切り離す装置のこと。
【参考リンク】 資源エネルギー庁スペシャルコンテンツ
2月13日、なぜ東京エリアで停電が起こったのか？～震源地からはなれたエリアが停電したワケ
https://www.enecho.meti.go.jp/about/special/johoteikyo/why_teiden.html

50Hz
48Hz
周波数が下がったので切り離し
一部負荷送電の停止
50.5
50.0
59.5
59.0
58.5
58.0

Hz

事故発生
周波数

一部負荷送電の停止
0306090120秒

一部負荷送電の停止による周波数回復のイメージ©Transmission & Distribution Grid Council

②´系統安定化システムによる負荷遮断

9○ 2回線送電線の同時故障（ルート断）による電源脱落など、想定される大規模電源脱落に対して予め演算した量の負荷遮断（揚水動力などお客さまの停電に至らないものから優先）をすることで、早期の周波数回復や、発電機が不安定な状態に至ることの防止を図る系統安定化システムの導入事例もあります。
1.発電機の脱落を検出

3.瞬時に負荷を必要量だけ切り離し

系統安定化システム
事故検出装置

1万kW

1万kW

13万kW
↓
0万kW

系統安定化システム
負荷制御装置
10万kW

14万kW

10万kW

9万kW

発電機の停止高速伝送
系統安定化システム
中央演算装置2.系統安定化に必要な制御を瞬時に判断

高速伝送
50.5
50.0
59.5
59.0
58.5
58.0Hz

事故発生
周波数

一部負荷送電の停止

0306090120秒

系統安定化システムによる周波数回復のイメージ©Transmission & Distribution Grid Council

（参考）系統安定化システムと負荷側UFRの違い周波数が下がる前の対応

1050.0/60.0Hz

系統安定化システム
想定する電源脱落故障（送電線ルート断故障等）発生時に、周波数が負荷側UFRの動作値を下回ることがないよう、予め演算した量の負荷遮断（揚水動力などお客さまの停電に至らないものから優先）を瞬時に行う装置。
周波数が下がった後の対応

負荷側UFR
想定を超える電源脱落故障が発生し、周波数が負荷側UFR動作値を下回る場合、これを検出し自動的に負荷制限を行う装置。

負荷側UFR動作値

50.0/60.0Hz

負荷側UFR動作値©Transmission & Distribution Grid Council

③発電設備の解列防止：発電側UFRの設定適正化

11○ 過去に発生した周波数低下事象において、周波数変化を敏感に検出して発電を停止する太陽光発電設備（PV）や、発電側UFR（周波数低下リレー）の動作により、比較的高い周波数で発電を停止するPVや自家発等があることが分かりました。
○ そのため、主にパワーコンディショナー（PCS)で系統連系する発電設備に対する「系統擾乱時の運転継続機能の要件（FRT要件）」を整備し、周波数変化を敏感に検出しないよう対策することや、優先順位を決めて発電側UFRの動作周波数を見直していただくよう、発電事業者にお願いする等の取り組みを実施しています。
周波数

周波数低下により発電側UFRが動作し停止↓
さらにに周波数低下し，他の発電設備が発電側UFRにより次々に停止

50/60

FRT非対応PVのUFR動作値
10万kW

周波数低下ﾘﾚｰ

周波数低下ﾘﾚｰ

10万kW
9万kW

9万kW

0万kW

0万kW

0万kW

周波数常時変動分

50Hz
49Hz
48Hz
47Hz

さらに周波数低下

0Hz【電力需要】
29万kW

FRT対応に置き換わる
負荷側UFR
動作値

引き下げ
PVや自家発等のUFR
動作値

発電側
UFR
動作値

こうならないよう発電側UFRの動作値を見直し©Transmission & Distribution Grid Council

④連系設備の要件検討：グリッドコード

12○ 再エネ導入拡大と電力品質確保の両立を図るために、電力系統に接続される設備に求めるルール（グリッドコード）を整備し、守って頂くことが重要です。グリッドコードに反映すべき事項について、技術検討や内容の審議を、電力広域的運営推進機関と連携して進めています。
○ 広域機関での審議を経たグリッドコードは、系統連系技術要件(託送供給等約款別冊）等に反映され、経産大臣に認可されれば、法的効力を有する要件となります。

発電事業者 等
情報連携

電力広域的運営推進機関

審議結果報告【検討・審議】

情報連携【グリッドコードの例】

一般送配電事業者
送配電網協議会【検討・審議】【イメージ】

周波数低下時の対策として、発電設備の出力を維持したり、上昇させて周波数低下を抑制する機能を求める。
⇒ これらの対策により、対策しない場合に比べ、周波数の低下幅が抑制される（右図のイメージ）
画像：2020.12.16 第3回 グリッドコード検討会 資料3より©Transmission & Distribution Grid Council

⑤調整力による発電量増加：揚水発電

13○ 揚水発電所は、電力需要が比較的少ない深夜や、昼間の太陽光発電の余剰電力を用いて、下部貯水池の水を上部貯水池にポンプで汲み上げ、必要な時に水を落として発電します。
○ 起動・停止（最大出力に至るまでの時間および出力ゼロに落とすまでの時間）が短時間でできるため、電力不足時に緊急に発電する等、供給力や調整力として重要な役割があります。
○ 一方、貯水池の容量は限られているため、一定量の燃料を発電所近傍に蓄えられる火力発電等と比べ、発電できる出力や継続時間には制約があります。
【揚水時】

【発電時】

電気を使って水を汲み上げ汲み上げた水を使って発電

電源脱落時は即時に汲み上げを停止（揚水遮断）、発電を実施

画像：Wikipediaより

Σ64 - 投稿者自身による作品, CC 表示 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=90975590による©Transmission & Distribution Grid Council
Σ64 - 投稿者自身による作品, CC 表示 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=90975613による（参考）2022年3月の需給のひっ迫

14○ 揚水発電は、貯水池を活用した巨大な蓄電設備と言えますが、朝の時点までに貯められた上池貯水池の残量（＝発電可能量）を切らさないように運用する必要があります。
○ 2022年3月16日の福島沖地震後は、火力発電所等の停止や、寒波・悪天候等の影響により揚水発電の発電可能量が枯渇する恐れが出たことから、節電のお願いをするに至りました。

東京電力パワーグリッドのでんき予報における揚水発電可能量の目標と実績の表示
2022.3.25 第46回 電力・ガス基本政策小委員会 資料3-1より抜粋©Transmission & Distribution Grid Council

（参考）需給ひっ迫時の対応（1/2）

15○ 国からは過去の審議会における整理に基づき、初の需給ひっ迫警報が発令されました。

2022.3.25 第46回 電力・ガス基本政策小委員会 資料3-1より抜粋©Transmission & Distribution Grid Council

（参考）需給ひっ迫時の対応（2/2）

16○ 需給ひっ迫時には、予備率の水準に応じて、社会的影響等も考慮して実施する対策を設定しています。

2021.7.1 第63回 調整力及び需給バランス評価等に関する委員会 資料２より抜粋©Transmission & Distribution Grid Council

（参考）広域予備率とは

17○ 2022年4月より、これまでの各一般送配電事業者の管轄エリア内の予備率管理から、連系線混雑のない範囲で広域的な予備率を管理する運用を開始しております。
○ 特定エリアの予備率が低下する場合には、他エリアからの融通を最大限実施した上で、広域的な予備率に応じて必要な対策を実施します。

2019.6.25 第39回制度設計専門会合 資料４より抜粋©Transmission & Distribution Grid Council

おわりに

18

○ 北海道胆振東部地震等を受け設置された国の審議会「電力レジリエンスワーキンググループ」
において、「最大電源サイトの脱落」や「重要送電線におけるN-4事故」といった過酷な事象でブラックアウトに至らないかを定期的に確認することが提言されており、一般送配電事業者は、必要に応じ対策を実施することで、ブラックアウトに至らないことを確認しております。（下表）○ しかし、想定を超えて広域的に電源が脱落するケースに対しては、各一般送配電事業者が供給エリア単位で対応するのみならず、広域的に相互協力することがレジリエンスを高める上では重要と考えており、送配電網協議会としても、継続的に検討を進めてまいります。

2021.10.14 第66回調整力及び需給バランス評価等に関する委員会 資料8より抜粋©Transmission & Distribution Grid Council