JP6617476B2 - 需要電力予測装置、需要電力予測方法及びコンピュータプログラム - Google Patents
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Description
具体的には、管理対象の電力機器として負荷装置を含む電力設備の需要電力を予測する方法の改良に関する。
運転計画の算出処理は、管理対象である電力機器の時間ステップごとの変数でモデル化した機器条件などを含む制約条件を設定し、設定した制約条件の下で、コストを最小にするなどの目的関数が満たされるように、時間ステップごとの電力機器の変数の解(運転計画)を求めるものである。
かかる需要電力の予測値を算出する方法の従来技術として、例えば、特許文献2〜4に記載の技術が知られている。
この需要予測モデルに、気象実績、需要実績あるいは予想気象を入力することにより予測対象日の需要を予測して、この予測した需要を表示する。
同様に、各日の最低気温と、その日の電力の最大需要量と最小需要量とを抽出して、気温別の電力需要量を示す需要カーブを作成する。この需要カーブに予測気温を当て嵌めることで需要予測を行う。
しかし、平日と休日の需要曲線の形状は異なり、また過去の同一時期の休日といった条件で得られる過去のサンプル数は少ないため、類似した期間をうまく抽出できない可能性も高く、予測に影響を与えることとなる。
しかし、類似日の需要電力曲線に純粋に気温のみの補正を加えるためには、気温による影響のみを考慮した係数の算出が必要である。例えば、明け方と夜間が同じ気温であったとしても、需要家設備における設備の使用量には差があり、空調による消費電力量は異なる。このため、人間活動が盛んでない時間帯における気温の需要電力に与える影響が、活動時間帯に比べて相対的に大きく現れることが考えられる。
しかし、一日の中での温度変化の様態が無視されている。例えば、気温が急激に変化したような場合の電力需要の変化が無視されているので、予測誤差が大きくなる要因となるおそれがある。
以下、本発明の実施形態の概要を列記して説明する。
(1) 本発明の実施形態に係る装置は、電力設備の需要電力を予測する装置であって、気温と需要電力との関係を表す適用可能な温度範囲が異なる2つの直線回帰式の係数及び切片を、各曜日の所定の時間帯ごとに記憶する記憶部と、現時点以後の予測時間と同じ曜日の同じ時間帯の前記係数及び切片のうち、前記予測時間の予測気温を含む前記温度範囲に用いる前記係数及び切片を前記記憶部から読み出し、読み出した前記係数及び切片を前記予測時間の予測気温に適用して、当該予測時間における前記電力設備の需要電力を算出する制御部と、を備える。
このため、負荷装置として空調設備などを有する電力設備の、人間活動の変化に応じて変動する需要電力を精度良く算出することができる。
その理由は、所定の時間帯が上記の時間を超える場合には、所内人数が大きく異なる状態での需要電力のデータが同じ時間帯に混在することになり、係数及び切片の精度が悪化する可能性があるからである。
このため、本実施形態のコンピュータプログラムは、上述の需要電力予測装置と同様の作用効果を奏する。
このため、本実施形態の需要電力予測方法は、上述の需要電力予測装置と同様の作用効果を奏する。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態の詳細を説明する。なお、以下に記載する実施形態の少なくとも一部を任意に組み合わせてもよい。
〔システムの全体構成〕
図1は、本発明の実施形態に係る電力システムの構成例を示すブロック図である。
本実施形態のEMSサーバ1は、例えばFEMS(Factory Energy Management System)サーバよりなる。従って、電力設備2は、工場内に配線された配電線3よりなる配電網と、配電線3に接続された負荷装置4、発電装置5及び蓄電装置6とを備える。
負荷装置4は、スマートタップ(図示せず)やスマート分電盤などの、制御と電力情報の計測とが可能な機器を介して配電線3に接続されている。
蓄電装置6には、例えば、レドックスフロー(RF)電池、リチウムイオン電池、溶融塩電池、鉛蓄電池のうちの少なくとも1つが含まれる。蓄電装置6は、双方向のDC/AC変換器(図示せず)を介して配電線3に接続されている。
EMSサーバ1は、複数種類の制御指令E1〜E3を、電力設備2に含まれる通信可能な電力機器に送信可能である。EMSサーバ1は、電力設備2の運転状況を表す現在情報S1を、電力設備2に含まれる通信可能な電力機器から受信可能である。
EMSサーバ1は、負荷装置4に制御指令E1を送信することにより、当該負荷装置4に含まれる消費電力を調整可能な負荷の消費電力の調整を行うこともできる。
EMSサーバ1は、発電量を調整可能な発電装置5に制御指令E2を送信することにより、当該発電装置5の発電量の調整を行うこともできる。
EMSサーバ1は、配電線3に接続中の蓄電装置6に対する充電電力及び放電電力の少なくとも一方の調整を、制御指令E3によって行うこともできる。この調整は、例えば、DC/AC変換器に含まれるPWM回路に対するデューティ比の調整によって行われる。
EMSサーバ1が取得する現在情報S1には、現時点における蓄電装置6の充電残量(以下、「SOC(State Of Charge)」ともいう。)の値もしくはSOCの算出に必要な現在情報も含まれる。
テーブル参照方式は、電池セルの端子電圧から推定される開放電圧に対応するSOC値を、予め記憶された参照デーブルから求める方式である。電流積分方式は、電池セルに流れる電流を微小時間ごとに積分することにより、SOC値を算出する方式である。
前者の場合、蓄電装置6は、自身が算出したSOC値を現在情報S1としてEMSサーバ1に送信し、送信されたSOC値をEMSサーバ1の通信部13(図1参照)が受信する。従って、この場合には、EMSサーバ1の通信部13が現時点のSOC値の取得部となる。
従って、この場合には、EMSサーバ1の制御部11自身が、現時点のSOC値の取得部となる。
図1に示すように、EMSサーバ1は、制御部11、記憶部12及び通信部13を含むコンピュータ装置によって構成されている。
制御部11は、CPU(Central Processing Unit)を含む情報処理装置よりなる。記憶部12は、RAM(Random Access Memory)を含むメモリと、HDD(Hard Disk Drive)などよりなる大容量記憶部とを有する。
通信部13は、有線LAN又は無線LANあるいはその他の通信方式により、電力設備2に含まれる各種の電力機器と通信可能である。
通信部13は、制御部11による通信制御に基づき、電力設備2に含まれる通信可能な各電力機器に制御指令E1〜E3を送信し、電力設備2の運転状況を示す現在情報S1を、各電力機器から受信して制御部11に転送する。
計画制御は、比較的長期(例えば24時間)に渡る電力設備2の将来の運転計画を算出し、算出した運転計画に従って電力機器を稼働させる制御である。動的制御は、例えば、運転計画の実行中に発生した需要増などの外乱に対応するために、所定の電力機器を稼働させる制御である。
その理由は、例えば受電電力(瞬時値)が大きく変動したために、受電電力の30分平均値が所定の目標電力(≦契約電力)を超えると、電力会社に対するペナルティが発生する可能性が高くなるからである。
電力設備2における現時点の電力需要は、現時点における受電電力(例えばスマートメーターの計測値)と、発電装置5による現時点の発電電力と、蓄電装置6による現時点の放電電力を合計して算出することができる。電力設備2における現時点の需要電力は、負荷装置4の現時点の消費電力を合計して算出することもできる。
図2は、EMSサーバ1の制御部11の機能的構成の一例を示すブロック図である。
図2に示すように、EMSサーバ1の制御部11は、コンピュータプログラムの実行により実現される機能部分として、発電予測部31、需要予測部32、計画演算部33、及び計画実行部34を備えている。
なお、自然エネルギー発電装置が含まれない電力設備2の場合には、発電予測部31を省略してもよいし、発電予測部31を機能させなくしてもよい。
需要予測部32は、現時点から所定の予測期間(例えば24時間)だけ先までの需要電力の予測値を単位時間(例えば30分)ごとに算出し、算出した予測値を記憶部12に含まれる需要予測用のデータベースDB2に記録する。
データベースDB2は、需要電力の予測値用のデータベースである。需要予測部32は、算出した需要電力の予測値を、年月日データと対応づけて時系列にデータベースDB2に蓄積する。
需要予測部32は、予測時間tpに該当する時間帯の係数a及び切片bをデータベースDB3から読み出し、この係数a及び切片bを予測時間tpにおける予測気温T(tp)に適用して、当該予測時間tpにおける電力設備の需要電力P(tp)を算出する。
図3に示すように、計画演算部33は、現在から未来の所定時間長(例えば24時間)の計画期間Tpを所定時間長の計画の刻み幅(以下、「ステップ間隔」ともいう。)Tcごとの時間ステップt(t=1〜N:N=Tp/Tc)に区切る。
そして、計画演算部33は、電力設備2に含まれる電力機器の状態変数(当該装置のオンオフや接続、接続解除、電力量などを表す変数)を、N次元の時間ステップt(時間変数)の関係式に展開する。
すなわち、運転計画は、所定の計画期間Tpに含まれる時間ステップtごとの、対象装置の運転状態を表す。計画演算部33による計画演算を行う場合のアルゴリズムは、例えば、線形計画法に代表される数理計画法を用いることができる。
具体的には、計画実行部34は、負荷装置4の接続又は接続解除や消費電力の調整のための制御指令E1を取得すると、その制御指令E2を、電力設備2内のスマートタップや消費電力の調整対象である負荷装置4に送信する。
計画実行部34は、蓄電装置6の接続又は接続解除や充放電電力の調整のための制御指令E3を取得すると、その制御指令E3を、蓄電装置6のDC/AC変換器や当該蓄電装置6に送信する。
工場内の電力設備2の負荷装置4には、生産機械などの需要電力がほぼ一定のものの他に、エアコンや暖房設備など、気温によって需要電力が変動すると考えられる負荷装置も含まれる。
そこで、本願発明者は、自社工場における気温と需要電力との間に相関があるか否かを調査した。
図4に示すように、データの総体を1年間分のすべての気温と需要電力の実績値とした場合には、気温と需要電力との間に有意な相関は認められなかった。
そこで、本願発明者は、人間の活動実態に影響を与えるパラメータとして、曜日ごとの時間帯を想定した。すなわち、1年間分の気温と需要電力の実績値のデータを、各曜日の1時間ごとのデータに区分し、各曜日の1時間ごとの気温と需要電力の間に相関があるか否かを調査した。
図5に示すように、データを月曜日の1時間分の気温と需要電力の実績値に絞った場合には、気温と需要電力との間に有意な相関が認められた。
また、他の曜日の1時間ごとのデータの場合にも、需要電力P(t)は、2つの直線L1,L2の線形関係で表すことができることが判明した。すなわち、特に季節に影響されず、気温と需要電力と関係にそれぞれ異なる線形性が見られた。
図6は、各曜日の1時間ごとの回帰式の一例を示す説明図である。
この場合、図6に示すように、記憶部12のデータベースDB3には、日曜日から土曜日までの各曜日を1時間ごと計168個に区分した時間テーブルTbが含まれる。時間テーブルTbの各項目には、それぞれの曜日の時間帯で使用する直線回帰式の係数a及び切片bの値が予め格納されている。
また、同様に、金曜日の22:00の項目には、20°C以下の温度範囲に適用する係数a3及び切片b3と、20°C以上の温度範囲に適用する係数a4及び切片b4が格納されている。
また、需要予測部32は、読み出した係数a及び切片bを予測時間における予測気温に適用して、当該予測時間における電力設備2の需要電力を算出する。
P1(t)=a1×T(t)+b1 ……予測温度T(t)が20°以下の場合
P2(t)=a2×T(t)+b2 ……予測温度T(t)が20°以上の場合
P3(t)=a3×T(t)+b3 ……予測温度T(t)が20°以下の場合
P4(t)=a4×T(t)+b4 ……予測温度T(t)が20°以上の場合
図7において、横軸は1日の時間帯であり、縦軸は実績電力との差分量である。細い線のグラフは、気温を考慮しない場合の差分量(絶対平均誤差)であり、太い線のグラフは、気温を考慮した場合の差分量(絶対平均誤差)である。図7に示すように、1年分の気温と需要電力の実績値のデータを各曜日の所定の時間帯(例えば1時間)に分け、気温の影響を当該時間帯ごとに考慮すれば、予測値の誤差を小さくすることができる。
以上の通り、本実施形態のEMSサーバ1によれば、制御部11が、現時点以後の予測時間と同じ曜日の同じ時間帯の2つの直線回帰式の係数a及び切片bを記憶部12から読み出し、読み出した係数a及び切片bを予測時間の予測気温に適用して、当該予測時間における電力設備2の需要電力を算出する。
このため、例えば、負荷装置4として空調設備を有する電力設備2などの、人間活動に応じて変動する需要電力を正確に算出することができる。
図8は、平日1日の時間帯と工場内の所内人数との関係を表すグラフである。
図8に示すように、通常、電力設備2を含む工場などの建物の所内人数は、夜間操業などの特殊な場合を除いて定時の就業時間の前後で急変し、空調設備の使用量は所内人数の変化に対して同期的に変動するため、電力需要もまた定時の就業時間の前後で急変すると考えられる。例えば、図8の例では、午前の7:00〜9:00の時間帯に電力需要が急増し、夕方の17:00〜19:00の時間帯に電力需要が急減している。
これを考慮すると、データを区分する時間帯の最大粒度Tmaxは、 所内人数の急激な増加の完了時点から急激な減少の開始時点までの時間(例えば、電力設備2を使用する事業体の就業時間=約8時間)が適当であると考えられる。
このため、母数となる1年分のデータ数にも関係するが、データを区分する時間帯の最小粒度は、少なくとも同じ時間帯に有意な係数a及び切片bが発現する程度のデータ数を含み得る時間長に設定する必要がある。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
2 電力設備
3 配電線
4 負荷装置
5 発電装置(補助電源装置)
6 蓄電装置(補助電源装置)
7 電力系統(商用電源)
8 通信線
11 制御部
12 記憶部
13 通信部
31 発電予測部
32 需要予測部
33 計画演算部
34 計画実行部
Claims (4)
- 電力設備の需要電力を予測する装置であって、
気温と需要電力との関係を表す適用可能な温度範囲が異なる2つの直線回帰式の係数及び切片を、各曜日の所定の時間帯ごとに記憶する記憶部と、
現時点以後の予測時間と同じ曜日の同じ時間帯の前記係数及び切片のうち、前記予測時間の予測気温を含む前記温度範囲に用いる前記係数及び切片を前記記憶部から読み出し、読み出した前記係数及び切片を前記予測時間の予測気温に適用して、当該予測時間における前記電力設備の需要電力を算出する制御部と、を備える需要電力予測装置。 - 前記所定の時間帯の時間長は、前記電力設備を使用する事業体の就業時間以下に設定されている請求項1に記載の需要電力予測装置。
- 電力設備の需要電力を予測する処理を、コンピュータに実行させるためのコンピュータプログラムであって、前記処理には、
気温と需要電力との関係を表す適用可能な温度範囲が異なる2つの直線回帰式の係数及び切片を、各曜日の所定の時間帯ごとに記憶部に記憶させる記憶処理と、
現時点以後の予測時間と同じ曜日の同じ時間帯の前記係数及び切片のうち、前記予測時間の予測気温を含む前記温度範囲に用いる前記係数及び切片を前記記憶部から読み出し、読み出した前記係数及び切片を前記予測時間の予測気温に適用して、当該予測時間における前記電力設備の需要電力を算出する算出処理と、が含まれるコンピュータプログラム。 - 電力設備の需要電力を予測する方法であって、
気温と需要電力との関係を表す適用可能な温度範囲が異なる2つの直線回帰式の係数及び切片を、各曜日の所定の時間帯ごとに記憶部に記憶させるステップと、
現時点以後の予測時間と同じ曜日の同じ時間帯の前記係数及び切片のうち、前記予測時間の予測気温を含む前記温度範囲に用いる前記係数及び切片を前記記憶部から読み出し、読み出した前記係数及び切片を前記予測時間の予測気温に適用して、当該予測時間における前記電力設備の需要電力を算出するステップと、を含む需要電力予測方法。
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