JP2012055087A - 電力網制御ネットワーク - Google Patents
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Abstract
【解決手段】電力消費源又は電力供給源1にはスマートメータ2が取り付けられており、各スマートメータ2は送電網3と制御網4に接続されている。ネットワーク全体は複数のエリアに分割され、さらに各エリアはそれぞれ複数のゾーンに分割されている。スマートメータ2は、定期的に必要とする電力量又は供給可能な電力量を自身のゾーン内に広告し、一方で、受信した広告情報に対して自身の電力需給情報に基づき応答を行う。ゾーン内では分散的に電力需要のマッチングを行うことで、高速に電力使用の最適化を図るとともに、電力の長距離伝送による送電ロスを減らすことが可能になる。エリア内では、各エリアごとに設置されたエリアブローカーがゾーン間の電力需給を集中管理する。
【選択図】図1
Description
また、前記制御網を複数の第1の領域に分割し、該第1の領域における電力配分は、第1の領域ごとに設けられたサーバーにより集中的に制御し、前記第1の領域をさらに複数の第2の領域に分割し、該第2の領域内における電力配分は、前記スマートメータが前記電力需給情報をフラッディング広告することにより分散制御するものである。
さらに、前記電力配分は、消費電力量、供給可能電力量、及び、それぞれの電力消費源又は電力供給源の有する性質に基づいて決定されるものである。
さらにまた、前記スマートメータは、配電会社指定部と、前記配電会社指定部により設定された配電会社のユーザーからの電力需給情報のみを受信する手段を備えており、仮想的に配電会社ごとに分割された前記制御網を実現するものである。
また、集中制御に基づく広域的な最適化と分散制御に基づく局所的な最適化を組み合わせることにより、全体の電力使用量を最適化することができる。
さらに、管理サーバーによる時間的な電力のスケジューリングと近隣での分散的な電力の融通を行うことによって、電力消費を平準化することで、電力消費を削減することができる。
さらにまた、電力会社の発電所等からユーザー(家庭、オフィスなど)に電力供給される1:N型のツリー構造の電力網から、家庭の太陽光発電や小型ガスタービンなどの小規模な発電源といった従来考慮されていなかった電力供給源も含めたM:N型の新しい電力網を構築することができ、距離(ユーザーの位置)と要求電力に応じて電力供給源とユーザーの間に低コストの仮想送電線を提供することができる。
この図において、1は電力消費源(需要家)、電力供給源(発電源)、又は、電力消費源及び電力供給源の両方である家庭やオフィス(以下、「電力消費源又は電力供給源」とよぶ。なお、煩雑さを避けるために単に「家庭」とよぶこともある)である。ここで、発電源としては、太陽光発電システム、小型ガスタービン、燃料電池など各種のものがある。
各電力消費源又は電力供給源1にはスマートメータ2が備えられており、各電力消費源及び電力供給源1はスマートメータ2を介して送電網3に接続されている。
送電網3は、各電力消費源又は電力供給源1をスマートメータ2を介してメッシュ状に接続し、電力消費源又は電力供給源1間の電力の伝送を行う。なお、図示していないが、送電網3には、送電網を管理する配電会社の設備なども含まれている。
前記スマートメータ2は、また、制御網4にも接続されている。制御網4は、各スマートメータ2をノードとし、各ノード間を接続する前記送電網3と同じメッシュ状に構成された通信ネットワークである。制御網4は、例えば、インターネットなどにより実現することができる。
本発明では、制御網4及びスマートメータ2からなるネットワークを用いて、電力消費源又は電力供給源1、スマートメータ2及び送電網3からなる電力網の電力供給を制御するようにしている。
図示するように、本発明の電力網制御ネットワークにおいては、制御対象の電力網10(電力消費源及び電力供給源1、スマートメータ2及び送電網3からなるネットワーク)をエリアと呼ぶ広域的な複数の第1の領域21〜24に分割し、さらに、各エリア21〜24を、ゾーンと呼ぶ局所的な複数の第2の領域に分割している。図2には、エリア22が複数のゾーン31〜34に分割されている様子のみを示しているが、他のエリア21、23及び24も同様に複数のゾーンに分割される。ゾーンは、例えば、10戸〜20戸程度の領域とされ、エリアは、例えば、市町村レベルの領域とされる。
エリア21〜24には、それぞれ、そのエリア内の電力配分を集中的に制御するサーバーであるエリアブローカー40が設けられている。エリアブローカー40は例えばデータセンター内に設けられる。
各家庭(電力消費源又は電力供給源)1に備えられているスマートメータ2は、電力の供給可能量もしくは要求する電力消費量の情報を含む電力需給情報を自身のゾーン内に広告し、一方で、受信した広告情報に対して自身の電力需給情報に基づき応答を行う。これにより、ゾーン内では分散的に電力需要のマッチングを行うことで、中央サーバーを用いずに高速に電力使用の最適化を図るとともに、電力の長距離伝送による送電ロスを減らすことが可能になる。なお、電力需給情報には、電力が必要となる時間の制約条件に関する情報や、電力供給源の性質(制御可能か、自然環境に左右されるか、CO2排出の有無など)に関する情報が含まれていてもよい。
この図に示すように、スマートメータ70には、このスマートメータ70内各部の制御を行うとともに、このスマートメータ70が設けられている家庭やオフィス(電力消費源又は電力供給源)1内に設置されている設備機器とZigbeeやEthernet(登録商標)で接続され、それら設備機器の動作を制御する制御部71、前記設備機器に接続された家庭内配電線と前記送電網3に接続され、電力の供給可能量や要求する電力消費量の情報を取得する使用状況処理部72、及び、前記制御網4と接続する通信部73が設けられている。スマートメータ70は、前記使用状況処理部72により電力の消費又は発電をモニタすると同時に、家庭内のセンサや機器に接続されている前記制御部71により、家庭内のエネルギー状況を把握することができる。
図5は、ゾーンにおけるマッチング処理(ゾーン内の電力需給制御処理)の流れを示すフローチャートである。この図において、ステップS1とS2は電力の供給要求を行うリクエストノード(スマートメータ)において実行される処理であり、ステップS3〜S7はゾーン内のリクエストノード以外のノード(スマートメータ)において実行される処理である。
前記リクエストノードからのパケットを受信したノードは、自ノードにそのパケットに含まれている電力需要に対応する供給能力があるか否かを判定し(S3)、供給能力がある場合には、レスポンスパケットを生成して前記リクエストノードに送信する(S7)。このレスポンスパケットには、例えば、自ノードが供給できる電力量、ノードのホップ数、及び、このレスポンスパケットを送信するノード(スマートメータ)の識別番号SID(スマートメータID)などの情報が含まれる。
該ノードAからのパケット61を受信したノードAの隣接ノード(ノードB、ノードD、・・・)は、自ノードに依頼された電力を供給する能力があるか否かを判定する。図6に示した例では、ノードBは供給能力がないが、ノードDは供給可能電力に余裕があり、ノードAに電力を供給することができる。この場合は、ノードBは、受信したパケット61に含まれているホップ数を+1して「2hop」とし、該+1したホップ数が予め設定されているホップリミット数よりも小さいので、電力量「-10kWh」、ノードのホップ数「2hop」を含む電力需給情報のパケット63をノードA以外の隣接ノード(ノードCなど)に送信する。
また、前記ノードBによりフラッディングされた電力需給情報のパケット63を受信したノードCも、ノードDと同様に電力に余裕があり、ノードAが要求する電力を供給することができるものとする。このとき、ノードCは、ノードDと同様に、ノードAに供給する電力量「+10kWh」、ノードのホップ数「2hop」のレスポンスパケット64を作成して送信する。また、ノードBから受信したパケット63の隣接するノードへのフラッディングは行わない。
上記においては、電力の供給要求が発生したスマートメータから送信される電力需給情報に応じてマッチング処理を行う場合について説明したが、電力供給能力があるスマートメータからの供給可能電力量の情報を含む電力需給情報に応じて、電力を必要とするスマートメータがレスポンスパケットを返すことによっても同様にマッチング処理が行われる。
このようにして、ゾーン内でローカルに太陽光パネルなどの発生電力を消費し、電力の長距離伝送による送電ロスを低減することができる。
前述のように、各エリアには、そのエリア内の電力需給を管理し、エリア内の広域的な最適化を行うエリアブローカーが設けられている。エリアブローカーは、そのエリア内の各ゾーンの代表と定められたノード(代表ノード)と接続されている。前述のようにゾーン内の各ノード(スマートメータ)は、ゾーン内の全てのスマートメータにおける電力の過不足の情報を取得しており、代表ノードはそれらを集約したそのゾーンにおける電力の需給情報をそのエリアのエリアブローカーに通知する。エリアブローカーは、各ゾーン内で集約された電力の需給情報に基づいて、管理するエリア内のゾーンの電力の過不足を把握し、ゾーン間での電力の融通を行うことで、広域的な電力使用の最適化を図る。また、エリアブローカーは、各電力供給源や電力消費源が有する、環境負荷や環境による変動の有無、時間制約、保持時間などの特性の違い(以下、「電力QoS」という)を考慮して、各家庭のスマートメータと連携することにより、時間軸方向のスケジューリングを用いた最適化を行う。これによって、電力QoSも考慮した最適化を行うことが可能となる。
図7に示した例では、ゾーンA〜ゾーンEの5つのゾーンを有するエリア20が記載されており、各ゾーンの代表ノードがそれぞれのゾーン内で集約した電力需給情報がこのエリアを管理するエリアブローカー40に通知される。これにより、エリアブローカー40はエリア20内の電力の過不足を把握することができる。なお、上記においては、各ゾーンの代表ノードのみがエリアブローカーに接続するものとしたが、各ゾーン内の複数のノードがエリアブローカー40に接続するようにしてもよい。
図8はエリアブローカー40の構成例を示す図である。
図8に示すように、エリアブローカー40は、このエリア内の電力配分を決定する処理、電力予約処理などの各種処理を行う制御部41、ゾーンA、ゾーンB、・・・、ゾーンEの各ゾーンと信号の授受を行う信号受信部42、各ゾーンにおける電力需要のスケジュール情報を記録したタイムスケジュールテーブル43、ゾーンごとにその電力供給源から供給される電力の性質を示すエネルギーQoSテーブル44を備えている。
ゾーンA〜ゾーンEから通知される各ゾーンの電力需給情報には、電力が必要となる時間の制約条件や電力供給源の性質(電力QoS)などの情報が含まれている。前記制御部41は、各ゾーンから通知される電力需給情報に基づいてタイムスケジュールテーブル43及びエネルギーQoSテーブル44を作成する。
このように、タイムスケジュールテーブル43は、時間ごとに各ゾーンで必要とされる電力の情報が記録される。
この例のエネルギーQoSテーブル44は、ゾーンごとに、そのゾーンから供給することができる電力量を電力QoSを3種類に分類したカテゴリー別に記録したものである。図示する例では、ゾーンAはカテゴリー1(太陽光、クリーンエネルギーなど)の供給可能量が10kWh、カテゴリー2(蓄電池など)の供給可能量が30kWh、カテゴリー3(自家発電などのCO2排出量が大なもの)の供給可能量が170kWhであることが示されている。他のゾーンについても同様に供給可能な電力量がカテゴリー別に記録されている。なお、ここでは、電力QoSを3つのカテゴリーに分類した例を示したがこれに限られることはなく、任意の数のカテゴリーに分類することができる。
エリアブローカーによる電力の予約方式としては、エリアブローカーがエリア内の各ノード(スマートメータ)に対して個別に予約の指示を行う集中管理型、あるいは、エリアブローカーがゾーンに対してゾーンに割り当てる電力量のみの指示を行い、各ゾーン内でエリアブローカーに指示された電力量を元に自律分散的に各スマートメータへの個別の予約量を決定する分散管理型のいずれであってもよい。
前記制御部41は、まず、最初のゾーン(この場合はゾーンA)を選択し(S11)、その必要としている電力量を前記タイムスケジュールテーブル43から取得する(S12)。
そして、そのゾーンのカテゴリー1の供給可能量を使用することで、そのゾーンが必要としている電力量を満足するか否かを判定し(S13)、満足しているときは、カテゴリー1の供給電力を使用することに決定し、次のゾーンの処理に進む。
そのゾーンのカテゴリー1の供給可能量では必要としている電力量に不足しているとき(S13が不足)は、そのゾーンのカテゴリー2の供給可能量を用いることにより必要としている電力量を満足するか否かを判定する(S14)。その結果、必要としている電力量を満足するときは、カテゴリー1及びカテゴリー2の供給電力を使用することに決定し、次のゾーンに進む。
このようにこの実施の形態では、カテゴリー3の電力を極力使用しないようにして電力予約を行うようにしている。
この例は、電力を使用するデッドラインが存在する場合の電力QoSカテゴリーの使い方の一例を示す。例えば、乾燥機のように、翌朝までに乾燥すればよい場合であるとする。図12に示すように、時刻tまでに、30kWhの電力を必要とする場合、該デッドラインの時刻tまでに比較的余裕がある時間帯(図中のベストエフォート時間)には、前記エネルギーQoSテーブル44のカテゴリー1又はカテゴリー2の電力源の中から使用する電力供給源を探索し、電力供給源が決定できないうちにデッドラインに近づいてきたら(図中の優先時間になったら)、カテゴリー3の中から電力供給源を探す。
このように、この例では、デッドラインまでの時間に応じて、探索するカテゴリーを変えることにより、カテゴリー1又は2を優先して使用するようにしている。
図13に示すように、実際の電力網は、異なる配電会社と契約している複数のユーザーのスマートメータが同一の送電網80に接続されている。ここで、A-1、A-2、A-3、A-4はA社という配電会社のユーザーのスマートメータ、B-1、B-2、B-3はB社という配電会社と契約しているユーザーのスマートメータ、C-1及びC-2はC社という配電会社と契約しているユーザーのスマートメータである。このように、この実施の形態では、送電網80は1つで共用であるが、A,B,C3社が共有して利用することができる。
このようにA社〜C社が各々独立に、給電と売電のバランスをとることで、トータルでもバランスがとれることとなる。
また、図15に示すように、配電会社を指定すると、仮想網として、その電力会社のみの制御パケットを受信するので、配電会社指定部95の指定を変更することにより、任意の配電会社より電力を購入していることにもなる。
Claims (4)
- 電力消費源又は電力供給源にそれぞれ設置され、送電網及び制御網に接続されるスマートメータであって、前記電力消費源又は電力供給源と前記送電網との間の電力需給を制御する機能と、前記電力消費源又は電力供給源において必要な電力量又は供給可能な電力量を示す情報である電力需給情報を前記制御網に出力して他のスマートメータに広告するとともに、受信した他のスマートメータの電力需給情報に対して自身の電力需給情報に基づいて応答を行う機能を有するスマートメータと、
複数の前記スマートメータに接続され、各スマートメータから出力された前記電力需給情報を転送する制御網とを有し、
前記スマートメータは、前記制御網から受信した電力需給情報に基づいて、自身が設置されている電力消費源又は電力供給源における電力需給を制御することを特徴とする電力網制御ネットワーク。 - 前記制御網を複数の第1の領域に分割し、該第1の領域における電力配分は、第1の領域ごとに設けられたサーバーにより集中的に制御し、前記第1の領域をさらに複数の第2の領域に分割し、該第2の領域内における電力配分は、前記スマートメータが前記電力需給情報をフラッディング広告することにより分散制御することを特徴とする請求項1記載の電力網制御ネットワーク。
- 前記電力配分は、消費電力量、供給可能電力量、及び、それぞれの電力消費源又は電力供給源の有する性質に基づいて決定されることを特徴とする請求項2に記載の電力網制御ネットワーク。
- 前記スマートメータは、配電会社指定部と、前記配電会社指定部により設定された配電会社のユーザーからの電力需給情報のみを受信する手段を備えており、仮想的に配電会社ごとに分割された前記制御網を実現することを特徴とする請求項1記載の電力網制御ネットワーク。
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