JP2013005470A - 同時同量制御システム、その購入電力計画生成装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】上記需要予測部22が熱需要と「電気機器」の電力需要の予測値を求め、目的関数計算部25が、少なくとも「電気熱源機器」と「燃料熱源機器」とによって上記予測された熱需要を満たすことを制約条件として、電気優先、燃料優先の各ケースに対応する各目的関数を最小化する問題に対する解を求める。最適化計画部21は、この解に基づいて「電気熱源機器」に係る購入電力計画値を求める。電気・熱配分設定部24が、この購入電力計画値と上記「電気機器」の電力需要とに基づいて、需要家システム全体の購入電力計画値を求めて、データベース3aに格納する。
【選択図】図2
Description
同時同量制御を実現するために、
(1)蓄電池を用いることにより、電力量不足時は放電し、電力量過剰時は充電する方法をとることにより、電力量を調整する方法がある。
(2)畜熱装置によるエネルギーを用いて電力の使用時間をシフトさせる方法がある。
尚、本説明における「同時同量制御」とは、需要家側において購入電力量に関して30分単位で実際の使用量と計画量とを±3%以内に一致させる制御を意味する。ここでいう計画量とは、電力供給側から指定された供給可能電力量等をもとに、需要家側で作成した30分単位の未来の電力消費計画データである。但し、必ずしも30分単位に限るものではなく、1時間単位等であってもよい。また、±3%以内に限るものでもない。従って、「同時同量制御」は、広義には例えば、実際の電力使用量を、計画量にほぼ一致させる制御を意味するものと見做してもよい。尚、計画量は事前に電力供給側(発電事業者)に申告しておく。上記の通り、需要家側はこの事前申告通りに電力購入する必要がある。
特許文献1の従来技術は、自己が有するコージェネレーション装置で発電した電力及び電力取引所で売買する電力によって電力需要をまかなう各需要家、及び個々の需要家の代わりに複数の分散電源を統括して管理・運用する特定規模電気事業者において、電力コストを最小化する電力取引及びコージェネレーション装置の運用管理を行うものである。
従来技術(1)の場合は、電気の設備の応じた蓄電池設備が必要でありイニシャルコストが多くかかる。従来技術(2)の場合は、あくまでも電力料金の安い時間に熱源機器の消費電力をシフトさせることが目的であり、同時同量制御を達成させる技術ではない。
ところで、ここで、上記従来技術で述べたように、需要家(ビルや工場など)においては、電気によって動作する電気機器と、“燃料(ガス等)を用いる熱源機器”や“電気を用いる熱源機器”等が設置されている。電気機器は、例えば、照明、エレベータ、モータ等であり、これらを動作させる為に必要となる電力を、発電事業者から供給してもらうことになる。一方、熱源機器によって生成すべき熱を、電気と燃料(ガス等)とによって発生させることになる。従って、需要家における全消費電力は、「電気機器に係る消費電力+熱源機器に係る消費電力」となる。
図1は、本例の需要家システムの構成図である。
まず、制御対象(消費設備)6は、各種設備機器の集合である。ここで、例えば、不図示の設備A1、設備A2、設備P1、設備P2、設備F1、設備F2の6つの設備機器があるものとする。そして、これら各設備機器は、以下の3種類に分類されるものとする。
・電気を用いる機器であって、熱源機器以外の機器(照明、エレベータ等); 設備A1、設備A2
・電気を用いる熱源機器(スクリュー冷凍機など); 設備P1、設備P2
・電気を用いない(燃料を使う)熱源機器(ガス冷温水機など); 設備F1、設備F2
尚、ここでは、上記“電気を用いる機器であって、熱源機器以外の機器”を「電気機器」、“電気を用いる熱源機器”を「電気熱源機器」、“電気を用いない(燃料を使う)熱源機器”を「燃料熱源機器」等と呼ぶものとする。
計測装置5は、上記各種制御対象6の状態(消費電力量、消費ガス量等)を計測する。すなわち、計測装置5は、消費電力量、熱量(消費ガス量)などを計測するセンシング装置・モニタリング装置である。
入力装置1は、キーボード/マウスなどであり、ユーザが任意の情報(目的関数や各種制約条件など)の入力作業を行うための装置である。出力装置2は、例えばディスプレイやプリンタなどである。尚、入力装置1、出力装置2、演算装置20、データ収集装置3は、バス4に接続されている。
演算装置20は、最適化計画部21、需要予測部22、制約設定部23、電気・熱配分設定部24、目的関数計算部25の各種機能部を有する。演算装置20は、不図示の例えばCPUや記憶部(メモリ等)を有しており、記憶部には予め所定のアプリケーションプログラムが記憶されている。不図示のCPUがこのアプリケーションプログラムを読出し・実行することによって、上記各種機能部の後述する処理が実現される。詳しくは後述する。
その為に、まず、上記需要予測部22が、所定期間に関して、事前に、熱需要の予測値と“電気機器に係る電力需要”の予測値を求める。この予測値も30分単位である。
そして、目的関数計算部25が、この制約条件に従って所定の目的関数を最小化する問題に対する解を求める。これは、少なくとも、「電気熱源機器」と「燃料熱源機器」とによって上記予測された熱需要を満たすことが、最低限の制約条件となる。これに加えて更に、「電気機器」によって上記予測された“電気機器に係る電力需要”を満たしつつ、且つ、電気を用いる全ての機器(つまり全「電気機器」及び全「電気熱源機器」)による上記所定期間全体でのトータルの電力使用量が、予め契約によって決められている上限を越えないようにすることが、制約条件に加わっても良い。更に他の条件が加わっても良い。
すなわち、予測される熱需要に対して電気優先で熱を生産するケース(換言すれば、燃料の使用量を最小にするケース;第1のケースという場合もある)の解を求める。この解には、第1のケースにおける各「電気熱源機器」毎の消費電力計画値が含まれる。
(1)需要予測部22による予測処理(事前(前日)段階)
事前に(本例では上記所定期間の前日に)、需要予測部22によって、所定期間(2日間;本例では翌日と翌々日)における電力需要、熱需要の予測を行う(例えば30分単位)。但し、需要予測部22によって予測する電力需要は、上記「電気機器」による電力需要であり、従って本例では“設備A1+設備A2”による電力需要を意味する。よって、需要家システム全体の電力消費量は、全ての「電気機器」(設備A1+設備A2)による電力消費量に、全ての「電気熱源機器」(設備P1+設備P2)による電力消費量が加算された値となることになる。
電力需要予測における入力データは、“設備A1+設備A2”の過去の電力消費量の実績値(例えば30分単位で計測している)である。出力データは、本例では翌日、翌々日の電力需要予測値(本例ではこれも30分単位とする)である。
図3(a)に、電力需要の予測結果の一例を示す。
図示のグラフの“a1”が、上記「電気機器」による電力需要の予測結果を表す。尚、図示の“a1”は、上記96点のデータを線で繋いだものである。尚、“a1”は、各時間帯i毎(本例では30分単位)のデータであるので、“a1(i)”と記すことが望ましい。
図3(b)において、横軸は所定期間内の各時間(30分単位;96点)、縦軸は熱需要予測値である。
(2)購入計画電力を求める(事前(前日)段階)
(a) 事前に(例えば上記所定期間の前日に)、下記の(i)、(ii)の2つのケースそれぞれにおける電力消費予測の計算(上記購入電力計画値を求める為の基準になるものの計算)を行う。
・製品名:LINDO (LINDO社)
http://www.lindo.jp/LindoJ_Products/LindoJ_ProdLG.html
・製品名:CPLEX(ILOG社)
http://www-06.ibm.com/software/jp/websphere/ilog/optimization/core-products-technologies/cplex/
・製品名:NUOPT(数理システム);http://www.msi.co.jp/nuopt/
尚、目的関数を最小化する計算は、図2の目的関数計算部25の機能に対応する。
[(基本的な)目的関数]
コスト(料金) = Cpw+Cgs
=Σ(購入電力料金)+Σ(使用ガス料金)
上記目的関数を後述する各種制約条件のもとで最小化する解を求めるものである。
(A)Σ(購入電力料金)
電力会社による電力種別・契約種別等に応じて、当該需要家システムに対する電力料金単価Cwが予め決まっているので、この電気料金単価Cwの値を予め設定しておく。そして、以下に示すように上記Cpwは、上記電力を使用する全ての設備(設備A1、設備A2、設備P1、設備P2)毎に、時間単位電力コスト(各時間帯i毎の電力コスト;本例では30分単位の電力コスト)を算出して、これらの合計値(i=1〜96までの合計値;電力コスト合計値)を求める計算、更に全ての設備(A1,A2,P1,P2)の電力コスト合計値の和(総計値;需要家システム全体の2日分の電気料金)を求める計算を行う式となる。
ここで、
Cpw:需要家システム全体の2日間の電力料金合計[円]
E(i,j):各設備j毎の時間帯i毎の電力消費量[kWh]
Cw:電力料金単価[円/kWh]
i:時間(30分単位)
j:電気を使用する機器の識別用の番号(ここでは、設備A1(j=1)、設備A2(j=2)、設備P1(j=3)、設備P2(j=4)とする)。
(B)Σ(使用ガス料金)
ガス料金単価Cfも、予め分かっているので、その値は予め設定しておく。
Cgs:需要家システム全体の2日間のガス料金合計[円]
F(i,j):各設備j毎の時間帯i毎のガス消費量[Nm3/h]
Cf:ガス料金単価[円/Nm3]
i:時間(30分単位)
j:ガスを使う熱源機器の識別用の番号(ここでは、設備F1(j=5)、設備F2(j=6)とする)。
尚、下記の各種制約条件は、例えば予め制約設定部23によってユーザが任意に設定しておくものである。制約設定部23は、例えば不図示の制約条件設定画面を、出力装置2(ディスプレイ等)に表示する。ユーザは、入力装置1を操作して、この制約条件設定画面上で任意の制約条件を入力する。制約設定部23は、入力された制約条件を、例えばデータベース3aに格納する。
[等式制約]
・電力等式制約
使用電力(i)[予測値]=E(i,1)[計画値]+E(i,2)[計画値]
(i=1,96)
尚、E(i,1)は上記「電気機器」A1による各時間帯i毎の電力消費量である。同様に、E(i,2)は上記「電気機器」A2による各時間帯i毎の電力消費量である。
・熱等式制約
熱量(i)[予測値]=E(i,3)[計画値]×W1+E(i,4)[計画値]×W2+F(i,5)[計画値]×S1+F(i,6)[計画値]×S2
(i=1,96)
但し、
W1: 設備P1の設備能力係数 (J/kW)
W2: 設備P2の設備能力係数 (J/kW)
S1: 設備F1の設備能力係数 (J/Nm3)
S2: 設備F2の設備能力係数 (J/Nm3)
である。
[不等式制約]
最低購入電力≦ΣE(i,j)≦契約購入電力(j=1,4)
0≦ΣF(i,j)≦使用ガス流量((j=5,6)
0≦E(i,j)≦各設備毎の使用電力上限(j=1,4)
0≦F(i,j)≦各設備毎の使用ガス流量上限(j=5,6)
(i=1,96)
ここで、上記「契約購入電力」は、予め電力供給側(電力会社等)との契約等によって決められている、所定期間における(ここでは2日分の)需要家システム全体での使用電力量の上限を意味する。尚、契約によって需要家システム全体での毎日の使用電力量の上限が決められているならば、本例の場合にはこの上限×2(二日分)を上記「契約購入電力」とすればよい。上記制約条件では、所定期間(2日間)における全電気熱源機器による全消費電力が、予め電力供給側との間で決められた所定期間における上記「契約購入電力」を越えないことが、条件の1つとなる。
目的関数計算部25は、以下の各ステップによる処理を実行する。
・ステップS2;目的関数を「コスト(料金)=Σ(使用ガス料金)」とする。そして、上記各種制約条件のもとで上記需要予測結果を用いてこの目的関数を最小にする解を求める。すなわち、熱生成に関して、ガスの使用量を最小とし、残りは、電気を使用するものとして最適化計算をする。換言すれば、電気優先で熱生成するものとしたケースの最適解を求める。
r1(i)=“E(i,3)+E(i,4)”
r2(i)=“E(i,3)+E(i,4)”
が求められることになる。
以下、最適化計画部21の処理について説明する。
a2(i)=(r1(i)+r2(i))÷2 (i=1,96)
を求める。
すなわち、上記基準計画r1(i)は、電気優先であるので、各「電気熱源機器」毎の性能上の上限や契約上の上限を守りつつ、出来るだけ「電気熱源機器」を用いて(換言すれば出来るだけ「燃料熱源機器」は用いずに)熱を生産しようとした場合の、全「電気熱源機器」によるトータルの消費電力を意味することになる。よって、全「電気熱源機器」による実際の各時間帯i毎の消費電力を、基準計画r1(i)よりも大きくすることは、困難である(上記上限を守れなくなる等)と考えられる。
a2(i)={(r1(i)+r2(i))÷2}+α ;(i=1,96)
等としてもよいし、あるいは
a2(i)={(r1(i)+r2(i))÷2}−α ;(i=1,96)
(但し、αは予め設定される所定値)
等としてもよい。
a3(i)=a1(i)+a2(i) ;(i=1,96)
を求める。
そして、当日は、制御装置10が、上記データベース3aに格納された購入電力計画値a3(i)を参照しながら、需要家システム全体の実際の消費電力(設備A1,A2,P1,P2の各消費電力の合計)が、「a3(i)±3%以内」となるように、制御が行われることになる。これについては、後に図6を参照して説明する。
a3(i)=a1(i)+r1(i)
しかしながら、この場合、予測が外れると調整困難となる可能性が高くなる。
a2(i)={(r1(i)+r2(i))÷2}+α
の例の場合でも、例えばα=10(kWh)としたならば、a1(4)={(200+100)÷2}+10=160となり、これよりa3(4)=100+160=260(kWh)となる。
(a)システム全体の使用電力が購入電力計画値を超えそうになったら、熱源機器をガス優先にし、消費電力量を減少させるように制御装置10にてコントロールする(極端に言えば、例えば、設備P1でなく、設備F1を使用するように変える)。
(b)システム全体の使用電力が購入電力計画値を下回りそうなら、熱源機器を電気優先にし、消費電力量を増加させるように制御装置10にてコントロールする(極端に言えば、例えば、設備F1でなく、設備P1を使用するように変える)。
ここで、一例として上記a3(i)=60(kWh)の例を用いて説明するならば、まず5分経過時点で、この時間帯iのスタートから5分経過時点までの各「電気機器」及び各「電気熱源機器」の消費電力量を取得して、これら消費電力量の合計値を求める。すなわち、設備A1、設備A2、設備P1、設備P2の4つの設備それぞれの5分経過時点での消費電力量(5分間の消費電力量)を取得して、これら4つの消費電力量の合計値を求める。この合計値が上記“消費電力量”累積値Qに相当する。
これより、ここでは、Q=20か、Q>20か、あるいはQ<20であるかを判定して、判定結果に応じて、次の5分間(分割時間帯k=3)に関して、上記(a)〜(c)何れかのパターンで対応することになる。
尚、上記「電気熱源機器」への指示値は、本例では「設備P1への指示値+設備P2への指示値」を意味することになる。上記のように「電気熱源機器」への指示値を変更することで、各設備P1,P2への指示値も変更することになるが、どの様に変更するかについては特に言及しない(単純に、α/2ずつ変更してもよいが、この例に限らない)。「電気熱源機器」への指示値を変更することで、「燃料熱源機器」への指示値も変更することになるが、これについても特に具体的な制御方法は言及しない。単純に、「電気熱源機器」では指示値に応じた熱量が生成されるものとし、熱需要に対して足りない分を、「燃料熱源機器」によって生成させるように制御してもよいが、この例に限らない。
2 出力装置
3 データ収集装置
3a データベース
4 バス
5 計測装置
6 制御対象(設備)
7 ネットワーク
10 制御装置
11 同時同量制御部
12 出力部
20 演算装置
21 最適化計画部
22 需要予測部
23 制約設定部
24 電気・熱配分設定部
25 目的関数計算部
Claims (6)
- 電気を用いる熱源機器である電気熱源機器と、燃料を用いる熱源機器である燃料熱源機器と、電気を用いる機器であって熱源機器以外の機器である電気機器とを備える需要家システムにおいて、
事前に任意の所定期間における前記需要家システム全体の購入電力計画値を求める購入電力計画生成装置と、該購入電力計画値に基づいて同時同量制御を行う制御装置とを有し、
前記購入電力計画生成装置は、
前記所定期間に関して、事前に、熱需要の予測値と前記電気機器に係る電力需要の予測値を求める需要予測手段と、
前記所定期間に関して、事前に、所定の目的関数を所定の制約条件に従って最小化する問題に対する解として、前記熱需要に対して電気優先で熱を生産するケースの前記電気熱源機器に係る消費電力計画値を第1の解として求めると共に、前記熱需要に対して燃料優先で熱を生産するケースの前記電気熱源機器に係る消費電力計画値を第2の解として求める基準解算出手段と、
前記第1の解と第2の解とに基づいて、前記所定期間における前記電気熱源機器に係る購入電力計画値を求める電気熱源機器電力計画算出手段と、
該電気熱源機器電力計画算出手段で求めた前記電気熱源機器に係る購入電力計画値と、前記需要予測手段で求めた前記電気機器に係る電力需要予測値とに基づいて、前記所定期間における前記需要家システム全体の購入電力計画値を求める購入電力計画算出手段とを有し、
前記制御装置は、前記購入電力計画算出手段で求めた前記需要家システム全体の購入電力計画値に基づいて、前記電気機器及び前記電気熱源機器による全消費電力を計画値と略一致させる制御である前記同時同量制御を実現させることを特徴とする同時同量制御システム。 - 前記電気熱源機器電力計画算出手段は、前記第1の解と第2の解との平均値を、前記所定期間における前記電気熱源機器に係る購入電力計画値とすることを特徴とする請求項1記載の同時同量制御システム。
- 前記電気熱源機器に係る購入電力計画値は、所定の時間単位で求められ、
前記制御装置は、前記所定の時間単位を分割した複数の分割時間単位で少なくとも前記電気熱源機器の制御を行うものであって、該各分割時間単位毎に、前記所定の時間単位での前記電気熱源機器による全消費電力が前記購入電力計画値と略一致しそうか否かを判定し、該判定結果に応じて前記電気熱源機器の消費電力量を増減させる制御を行うことを特徴とする請求項1または2記載の同時同量制御システム。 - 前記所定の制約条件には、前記所定期間における全電気熱源機器による全消費電力が、予め電力供給側との間で決められた前記所定期間における契約購入電力を越えないことが含まれることを特徴とする請求項1〜3の何れかに記載の同時同量制御システム。
- 前記所定の制約条件には、前記所定期間における全電気熱源機器による全消費電力が、予め電力供給側との間で決められた前記所定期間における最低購入電力未満とならないことが含まれることを特徴とする請求項1〜4の何れかに記載の同時同量制御システム。
- 電気を用いる熱源機器である電気熱源機器と、燃料を用いる熱源機器である燃料熱源機器と、電気を用いる機器であって熱源機器以外の機器である電気機器とを備える需要家システムにおける、該需要家システム全体の購入電力計画値を求める購入電力計画生成装置であって、
前記所定期間に関して、事前に、熱需要の予測値と前記電気機器に係る電力需要の予測値を求める需要予測手段と、
前記所定期間に関して、事前に、所定の目的関数を所定の制約条件に従って最小化する問題に対する解として、前記熱需要に対して電気優先で熱を生産するケースの前記電気熱源機器に係る消費電力計画値を第1の解として求めると共に、前記熱需要に対して燃料優先で熱を生産するケースの前記電気熱源機器に係る消費電力計画値を第2の解として求める基準解算出手段と、
前記第1の解と第2の解とに基づいて、前記所定期間における前記電気熱源機器に係る購入電力計画値を求める電気熱源機器電力計画算出手段と、
該電気熱源機器電力計画算出手段で求めた前記電気熱源機器に係る購入電力計画値と、前記需要予測手段で求めた前記電気機器に係る電力需要予測値とに基づいて、前記所定期間における前記需要家システム全体の購入電力計画値を求める購入電力計画算出手段と、
を有することを特徴とする購入電力計画生成装置。
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