JP5888952B2

JP5888952B2 - 地域エネルギー管理方法

Info

Publication number: JP5888952B2
Application number: JP2011263675A
Authority: JP
Inventors: 鈴木　勝幸; 勝幸鈴木; 正博吉岡
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2011-12-01
Filing date: 2011-12-01
Publication date: 2016-03-22
Anticipated expiration: 2031-12-01
Also published as: JP2013118722A

Description

本発明は、主に工場とその周辺地域のエネルギー管理を対象とし、平常時の工場省エネルギー運用と、災害発生等による非常時のエネルギー融通方法として、工場とその周辺地域の復旧を並行して行うことを可能とする方法である。

近年、情報通信技術をとりいれたスマートグリッドやマイクログリッドの研究開発が盛んである。これまで低炭素化と経済的電力運用実現を目的とした実証型の技術開発が主流であった。最近は、自然災害等による電力系統故障に対して、工場や自治体でのエネルギー確保における復旧支援機能が求められており、これまでも様々な方法が検討されている。

例えば、特許文献１では、被災地における支援機能として、ライフライン代替機能を有する装置を車両に搭載し、被災地近傍に直接設営する技術が記載されている。

また、特許文献２では、地域集会場（コミュニティセンター）を堅牢な建物と十分なライフライン機能を有する構成とし、災害発生時の防災拠点とする技術が記載されている。

また、特許文献３では、電力供給が停止した際に、太陽光発電などの分散電源からの電力供給の優先順序を制御し、復旧作業の効率化を図る技術が記載されている。

また、特許文献４では、災害時に防災拠点の構内配電系統に発電機を含む可搬型電力調整設備を接続し、防災拠点の電力品質確保を図る技術が記載されている。

以上のように、災害時における地域復旧対策に係わる技術開発が進められている。

特開平９−１０３４５号公報特開平１０−８８８３５号公報特開２００８−２７１７７７号公報特許第４７１９７０９号公報

災害復旧を効率よく進める一手段として、防災拠点や避難所における電源等エネルギー確保がある。これにより、照明や通信手段の確保を図ることができる。

特許文献１では、被災地における支援機能として、ライフライン代替機能を有する装置を車両に搭載し、被災地近傍に直接設営することで電源確保を図るが、災害規模により避難所の数は流動化するため、地域として当該車両を何台確保し、効率よく運用するかといった問題が生じる。また、大型車両ゆえに到達できない場所には、機能提供が困難であるという問題がある。

特許文献２では、地域集会場（コミュニティセンター）を堅牢な建物と十分なライフライン機能を有するものとするが、コミュニティセンターの平常時利用状況を考慮すると、全ての施設に適用するのは、敷地上の問題で困難である。例えば茨城県日立市では、コミュニティセンターが２０箇所以上あり、自治体の予算上も困難であるという問題がある。

特許文献３では、電力供給が停止した際に、太陽光発電などの分散電源からの電力供給の優先順序を制御するが、電力系統復旧以外の被災地復旧支援は、特にないという問題がある。

特許文献４では、災害時に防災拠点の構内配電系統に発電機を含む可搬型電力調整設備を接続し、防災拠点の電力品質確保を図る。平常時は防災拠点に具備されていない非常用発電機を搬入するが、設置先では消防法など法規制が求められることや、電力調整作業の監視要員を配置する必要が生じる。災害時、大規模防災拠点のみならず、小規模な避難所においても電源確保が必要となる場合、対応が困難である。また、平常時、可搬型電力調整設備を保管する設備拠点側の復旧対策が考慮されてなく、双方に被害が生じた場合の対応が困難であるという問題がある。

以上に記載した従来技術の問題により、解決するべき課題を以下に示す。

第一の課題として、災害発生後の災害対策拠点、防災拠点の電源確保のみならず、コミュニティセンターレベルの避難所での電源確保が必要となるが、避難所の数は流動的である点である。そのため、大がかりな災害復旧対策設備を適切に配することは困難である。また、避難所には発電設備の運用を担える人材が必ずしも確保されるとは限らず、電力品質制御を任せるのは難しい。

第二の課題として、工場のような大規模施設の周辺地域との連携実現である。例えば工場では、生産活動など事業継続性をはかるため、太陽光発電や風力発電等分散電源導入や非常用電源を運用するが、災害発生後の生産能力が低下しているときは、自然エネルギーによる電力が余剰となり、結果的に非常用電源の部分負荷運転が必要となり効率的ではない。また、工場での作業従事者を確保するためには、周辺地域のいち早い復旧が必要となる。

本発明は、上記の課題を解決するため、工場など復旧拠点と周辺地域の避難所における可搬型蓄電機能の融通方式を構築し、避難所の電源確保と、工場の分散電源有効活用を可能とする手段を提供する。具体的には、工場など復旧拠点の事業活動情報を入力し、分配可能な蓄電機能を見積り、周辺地域の避難所からの電源要求と比較評価のうえ、蓄電池の分配量を決める。また、事業活動に比べて自然エネルギーによる電力量が多く見積もられた場合は、地域避難所に蓄電池充電可能情報を発し、蓄電機能更新を実施する。

本発明の地域エネルギー管理方法により、災害発生後の避難所の電源確保が実現し、復旧作業効率化と避難中の生活レベル向上が可能となる。工場など事業家側も、自然エネルギーの有効活用と、余剰時の非常用電源効率低下を防ぐことができ、工場復旧作業効率化と省エネルギー運転が両立できる。また、周辺地域の復旧促進により、工場従事者の確保が可能となり、結果として、工場、地域双方での復旧が進むこととなる。

本発明の実施例１の地域エネルギー管理方法の説明図を示す。本発明の実施例１における可搬型蓄電池の送達または回収操作とコミセンの一例を示す。本発明のＣＥＭＳ1の蓄電池管理機能に関する説明図を示す。本発明のＦＥＭＳ2の蓄電池管理機能に関する説明図を示す。本発明に係る蓄電池運用情報の一例を示す。本発明の実施例２の地域エネルギー管理方法の説明図を示す。本発明の地域エネルギー管理方法の情報の流れを、工場、ＦＥＭＳ、ＣＥＭＳおよびコミセンで併記した説明図を示す。（ａ）は、従来の蓄電池管理機能により、非常用電源の出力を下げて部分負荷運転で運用した場合を、（ｂ）は、本発明により、分散電源の余剰電力を蓄電池に充電指令を出すことにより、非常用電源の省エネルギー運転を継続する場合を示す。

［実施例１］
本発明による地域エネルギー管理方法の実施例１を、図１および図２を用いて以下に説明する。

図１は、本発明の一つの実施態様である実施例１の地域エネルギー管理方法の説明図である。地域エネルギー管理機能1（以下「ＣＥＭＳ」と略記）は、情報通信信号S110を介して地域避難所の役割を担うコミュニティセンター（以下「コミセン」と略記）100a、100b、110cと情報送受信を行う。前記コミセン間は、情報連携信号S120を介して、相互に情報交換を行う。情報信号S110, S120の通信経路は、電話回線のような専用線の他、携帯電話を介した無線等であって、その形態は限定されない。

前記各コミセンは、防災拠点として活用できるように非常用電源を有するものから、一般住宅のような小規模なものまで、建物形態に限定は無いものとする。平常時に地域コミュニケーションの場として活用され、災害時は避難場所として自治体に複数存在するものであり、電源系統や上下水インフラを有するものを想定する。

一方、事業家の一例である工場300（図２参照）は、平常時は商用系統から電源を確保する。工場エネルギー管理機能2は、平常時は工場の生産設備の稼働状況、エネルギー消費状況を監視するとともに蓄電池の運用状況を蓄電池管理機能20において管理する。蓄電池管理機能20では、可搬型蓄電池200の状態信号S21の監視と、据置型蓄電池210、分散電源220および工場の重要負荷230、一般負荷240、配線経路用開閉器状態信号S22を監視する。

非常時において、事業継続のため、重要負荷230の手前で工場配電系統から切り離し、分散電源220による自立運転を行う。その際、可搬型蓄電池200は、電力供給量をみて、系統から切り離す場合と、反対に可搬型蓄電池200を系統に接続して電力供給を可能とする場合がある。

前記ＣＥＭＳ1は、前記工場300の系統連系情報S10により、商用系統に連系しているか確認する。これにより、例えば工場300が電源復旧中か自立して操業しているか確認することができる。一方、前記ＣＥＭＳ1は、平常時の工場エネルギー監視状態信号S11を参照し、災害時の工場300の電源復旧情報を得る。前記ＣＥＭＳ1の蓄電池管理機能10と前記ＦＥＭＳ2の蓄電池管理機能20は、蓄電池運用情報S12により、前記各コミセンで要求する電源容量と、工場300で分配可能な蓄電量とを比較し、蓄電池管理機能20より蓄電池の蓄電池送達回収要求信号S12を出力する。また、蓄電池管理機能10では、前記各コミセンで使用した蓄電池の充電指示を、蓄電池送達回収要求信号S12を出力し、工場300に向けて回収要求を行う。

図２は、本発明の実施例１の地域エネルギー管理方法における、可搬型蓄電池200の送達または回収操作と、各コミセンの一例である。

各コミセンは様々な形態をもつが、図２では、太陽光パネルを具備するコミセン100a、分散電源を持たないコミセン100b、および据置型蓄電池を具備するコミセン100cが、工場300の周辺地域に存在するものとする。各コミセンは、工場300と同じ商用系統に接続し、平常時は各々節電運用をする。ここで節電運用とは、図８の電力需要データD300を最小化するよう、電力消費を抑制することをいう。電力需要は、時系列データEdemand(t)で表すと次式のとおりとなる。

Edemand(t) → minimum （１）
もしくは、
ΣEdemand(t) → minimum （２）
t
ここで、ｔは時刻を表す。式２では積算範囲を明記していないが、一般に２４時間の電力量積算を用いることが多い。

一方、災害時に商用系統が使えない場合に、各コミセンの照明や通信設備等の一般負荷の電源確保が必要事項の一つである。コミセンが病院機能を有する場合は、医療設備は重要負荷であり、非常用電源を設置する必要がある。一方、いわゆる避難所として機能する場合、先ず照明と通信手段確保が、本発明のエネルギー管理方法の対象である。

可搬型蓄電池200の送達回収要求信号S12は、通信回線または、防災無線、携帯電話など無線通信手段により送受信するものとする。各コミセンの電源必要量は、前記ＣＥＭＳ1の蓄電池管理機能10にて収集し、前記ＦＥＭＳ2の蓄電池管理機能20に送信する。蓄電池管理機能20は、電源分配を決定し、送達回収手段500により、前記各コミセンに対して送達回収経路12を経由して可搬型蓄電池200の送達回収が行われる。

図３は、ＣＥＭＳ1の蓄電池管理機能10に関する説明図である。前記ＣＥＭＳ1では、蓄電池送達回収対象の各コミセン周辺に存在する工場300の配線経路用開閉器（ＦＴＵ）状態監視信号S10を入力される。前記信号S10は、系統連系判定15にて、前記工場300と商用系統が連系しているか判定し、その判定結果から復旧状態推定16にて前記工場300の復旧状態を判定する。蓄電池管理機能10では、工場の復旧状態に応じて蓄電池分配を決定する。

避難所の役割を担う各コミセンのエネルギー管理機能の情報は、前記情報通信信号S110として前記ＣＥＭＳ1に対し出力される。これを受け取った前記ＣＥＭＳ1は、工場300に近接する各コミセンのエネルギー管理情報を選択収集する。蓄電池管理機能10は、各コミセンからの電源要求を前記情報通信信号S110として入力し、そのデータを工場300のＦＥＭＳ2に前記蓄電池送達回収要求信号S12として出力する。この際、工場300の商用系統連系状態を示す配線経路用開閉器状態監視信号S10に基づき、商用系統と連系している場合は、コミセンの要求量をそのままS12に出力するが、商用系統から切り離し、自立運転している場合は、前記ＦＥＭＳ2の蓄電池管理機能20からの工場エネルギー監視状態信号S11を参照し、電源要求量を調整し、前記蓄電池送達回収要求信号S12として出力する。

次に図４は、ＦＥＭＳ2の蓄電池管理機能20に関する説明図である。蓄電池管理機能20では、前記ＣＥＭＳ1の蓄電池管理機能10からのコミセン電源要求を示す蓄電池送達回収要求信号S12を入力する。続いて可搬型蓄電池200が配電系統と接続しているかを、前記配線経路用開閉器状態信号S22を入力した配電系統連系判定25により判定し、判定結果により蓄電池送達回収可能性判定26により、可搬型蓄電池200の送達回収を判定する。可搬型蓄電池状態信号S21を参照し、前記各コミセンに分配可能な蓄電池を決定し、前記S21に出力する。

前記各コミセンで保有する蓄電池の充電要求を前記蓄電池送達回収要求信号S12で受けた場合も、同様の判定処理を行う。前記ＦＥＭＳ2では、分散電源220の発電量が事業継続に対して必要以上に得られる場合に、余剰分を可搬型蓄電池200に充電するとともに、前記信号S12を介して、前記各コミセンに蓄電池充電可能情報を前記ＣＥＭＳ1から、前記信号S110およびS120を介して出力する。

ここで、図５は、ＣＥＭＳ1の蓄電池管理機能10とＦＥＭＳ2の蓄電池管理機能20の間で送受信をする、蓄電池運用情報S12の一例を示す。

蓄電池運用情報S12では、蓄電池の所在地、充放電回数、ステータス、用途および充電特性をデータとして具備する。データ更新処理は、蓄電池機能20を管理するＦＥＭＳ2で行い、ＣＥＭＳ1は、複数の工場300から入力された蓄電池運用情報S12を管理し、前記送達または回収処理を、信号S21を介して指示する。充電特性としては、充放電に要する時間情報を設定する。これを用いて、当該蓄電池機能がどの程度で送達可能となるか管理可能とする。

［実施例２］
図６は、本発明の実施例２の地域エネルギー管理方法の説明図である。
図１の構成との相違点は、前記分散電源220から、可搬型蓄電池200に対して、直流給電を可能とする電力線260を設けたことである。前記可搬型蓄電池200には、直流コンセントが具備されているとし、本来、直流を出力する太陽光発電設備から、直接給電する場合を想定した。

図７は、本発明による地域エネルギー管理方法の情報の流れを、工場300、ＦＥＭＳ2、ＣＥＭＳ1およびコミセンで併記した説明図である。

通常時（平常時）において、事業家の一つである工場300では、省エネ操業を行う。この場合、ＦＥＭＳ2は省エネ監視、すなわちエネルギー消費量のモニタリングをするとともに、自然エネルギー等の分散電源220に対して、周波数制御による電力品質安定化を図る。一方、前記各コミセンでは、同様に施設の省エネ運用を図るため、ＣＥＭＳ1によるユーティリティ管理を実施する。このように、ＦＥＭＳ2とＣＥＭＳ1での情報連携はなく、個別にエネルギー管理を行うのが一般的である。

災害時、工場300では、生産ライン停止に対して、重要負荷230を重視した復旧作業にあたる。すなわち事業継続計画に基づき、非常用電源としての分散電源220の運用により、前記重要負荷230の運転継続を図る。近年、大規模工場では太陽光発電などの自然エネルギー発電設備を設け、前述の事業継続計画に用いる。つまり、前記非常用電源の補完機能として、据置型蓄電設備210と組合せることで電力品質を確保する。

一方、各コミセンは避難所として機能し、復旧活動が優先される。この場合、電源確保が必要となり、ＦＥＭＳ2から調達した電源を活用する。ここで、ＦＥＭＳ2、ＣＥＭＳ1間で相互に蓄電池機能を管理することで、工場事業継続とコミセン復旧活動を両立するエネルギー管理が行われる。

図８は、地域エネルギー管理方法による、工場自立運転時の電力調整の一例である。この場合、工場設備として分散電源220の他、非常用電源として自家発電設備を具備し、分散電源による発電出力変動を非常用電源で吸収することとする。

図８（a）は、従来の蓄電池管理機能により、工場の据置蓄電池210が満畜状態のため、分散電源による余剰発電分を補完するため、非常用電源の出力を下げ、部分負荷運転で運用した場合を示す。工場の電力品質確保はなされているが、非常用電源を部分負荷運転としたため、エネルギー効率が低下し、結果として省エネルギー運転とならない。非常用電源出力をPe(t)とした場合、最適運転とは、非常用電源出力の時間変化dPe(t)/dtが最小となることを意味する。

dPe(t)/dt → minimum （３）

一方、図８（b）に示すとおり、本発明の一実施例により、分散電源の余剰電力を蓄電池に充電指令を出すことにより、前記非常用電源は定格運転、すなわち省エネルギー運転を継続することが可能となる。

以上により、本発明の地域エネルギー管理方法により、災害発生後の避難所の電源確保が実現し、復旧作業効率化と避難中の生活レベル向上が可能となる。工場など事業家側も、自然エネルギーの有効活用と、余剰時の非常用電源効率低下を防ぐことができ、工場復旧作業効率化と省エネルギー運転が両立できる。また、周辺地域の復旧促進により、工場従事者の確保が可能となり、結果として、工場、地域双方での復旧が進むこととなる。

1 地域エネルギー管理機能、2 工場エネルギー管理機能、
10 地域エネルギー管理での蓄電池管理機能、12 蓄電池送達回収経路、15 系統連系判定、16 復旧状態推定、20 工場エネルギー管理における蓄電池管理機能、25 配電系統連系判定、26 蓄電池送達回収可能性判定、
100a, 100b, 100c コミュニティセンター、
200 可搬型蓄電池、210 据置型蓄電池、220 分散電源、230 工場重要負荷、240 一般負荷、250 工場低圧系統、260 直流配電系統、
300 工場、500 蓄電池配送手段、
S10 配線経路用開閉器状態監視信号、S11 工場エネルギー監視状態信号、S12 蓄電池運用情報（蓄電池送達回収要求信号）、S21 可搬型蓄電池状態信号、S22 配線経路用開閉器状態信号、
S110 工場とコミュニティセンター間の情報通信信号、S120 コミュニティ間の情報連携信号、
D200 非常用電源出力データ、D201 非常用電源出力データ、D220 分散電源出力データ、D300 電力需要データ

Claims

蓄電池機能を備えた事業家施設であって、災害が発生した場合に復旧拠点となる地域エネルギー管理機能と、地域避難所の役割を担うコミュニティセンターとの間で、電力を融通するネットワークを構築し、
災害が発生した時、前記地域エネルギー管理機能が、前記コミュニティセンターの電源要求と、前記事業家施設で必要とされる電源容量と、に基づいて、これらを最適に運転するように、前記ネットワークを利用して前記蓄電池機能の送達又は回収操作を行うことを特徴とする、地域エネルギーの管理方法。
請求項１に記載された方法において、
前記事業家施設の事業継続状態と、電力系統連系状態と、前記蓄電池機能の運用情報に基づいて、前記コミュニティセンターの電源要求に対して、前記事業家施設からの電源送達量を決定することを特徴とする地域エネルギーの管理方法。
請求項１に記載された方法において、
前記コミュニティセンターの電源が蓄電池機能を有し、
前記事業家施設の事業継続状態と、商用系統との電力系統連系状態と、前記事業家施設が備える前記蓄電池機能の運用情報、及び前記事業家施設が備える分散電源の出力推定量に基づいて、前記コミュニティセンターに前記蓄電池機能の送達又は回収操作に関する指示を出力することを特徴とする地域エネルギーの管理方法。
請求項１に記載された方法において、
前記蓄電池機能は、可搬型蓄電池を含むことを特徴とする地域エネルギーの管理方法。
請求項４に記載された方法において、
前記蓄電池機能は、前記可搬型蓄電池を、前記事業家施設の負荷への電力供給量に応じて、電力供給系統に接続又は該系統から切断することを特徴とする地域エネルギーの管理方法。
請求項３に記載された方法において、
前記分散電源は、大容量太陽光発電を用いることを特徴とする地域エネルギーの管理方法。
請求項１に記載された方法において、
前記事業家施設が複数あり、電力系統連系状態から事業家復旧状況を推定し、その推定結果を用いて前記蓄電池機能の送達又は回収量を調整することを特徴とする地域エネルギーの管理方法。
請求項１から請求項７のいずれか一項に記載された方法において、
前記事業家施設は、工場であることを特徴とする地域エネルギーの管理方法。