< 研究の背景背景と経緯再生可能エネルギーなどの分散型電源が大量導入された次世代電力ネットワークでは発電量の変動が大きいためネットワーク全体を集中管理することが難しく発電機を含めた電力ネットワークを分散的に管理することが求められていますその中でも細かい時間単位で電力価格を変動させるリアル

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かおりちゅうか
5 years ago
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平成 2 7 年 7 月 2 4 日科学技術振興機構 ( JST) Tel:03-5214-8404( 広報課 ) 慶應義塾大学 Tel:03-5427-1541( 広報室 ) 分散型電力価格決定の基本基本メカニズムをカニズムを考案 ~ 電力自由化後の電力市場参加者電力市場参加者の利益利益を保証 ~ ポイント

1 平成 2 7 年 7 月 2 4 日科学技術振興機構 ( JST) Tel: ( 広報課 ) 慶應義塾大学 Tel: ( 広報室 ) 分散型電力価格決定の基本基本メカニズムをカニズムを考案 ~ 電力自由化後の電力市場参加者電力市場参加者の利益利益を保証 ~ ポイント電力自由化後に電力ネットワークを安定して運用するための電力価格決定メカニズムの考案が求められていた時間や需給状況の変化に合わせて電力価格を変化させる制度を用いることで電力市場参加者の利益を保証する分散型電力価格決定メカニズムを考案した電力自由化後の安定な電力ネットワークの経済制御モデルの構築に貢献できる JST 戦略的創造研究推進事業において慶應義塾大学の滑川徹教授らは電力自由化後注 1) の電力市場で市場参加者の利益 ( 個人合理性注 2) ) を保証する分散型電力価格決定メカニズムを世界に先駆けて考案しました電力系統では電力需給の不均衡が周波数変動などの電力品質の低下を引き起こすため電力の需要量と供給量は厳密に一致させる必要がありますさらに 2016 年に予定されている家庭向け電力小売自由化や2018~2020 年に予定されている発送電分離後には自身の利益のみを追求し電力需要量や発電量を決めること ( 利己的な振る舞い ) ができるようになりますそのため利己的な振る舞いを電力需給のバランスを考慮した振る舞いへと誘導する方法をゲーム理論注 3) に基づいて考案しました考案したメカニズムは電力価格を変化させるプライシング ( 価格設定 ) によって社会全体の公共利益が達成できることを示しましたさらに提案手法を電力網に適用した実験を行い当初の目的である各需要家と供給者の利己的な振る舞いを公共利益へと誘導できることを証明しましたこの結果から考案したメカニズムは電力自由化に対応した安定な電力ネットワークの経済制御モデルの構築に役立つことが期待され注ます今後は独立系統運用機関 (ISO 4) ) が市場参加者へ支払うインセンティブのコストを考慮したアルゴリズムの検討を実施し実用化に向けた研究を加速します本研究は NASA ジェット推進研究所の小野雅裕研究員と共同で行ったものです本研究成果は 2015 年 7 月 24 日 ( 米国東部時間 ) に米国電気電子学会論文誌 IEEE Trans. on Smart Grid のオンライン速報版で公開されます本成果は以下の事業研究領域研究課題によって得られました戦略的創造研究推進事業チーム型研究 (CREST) 研究領域 : 分散協調型エネルギー管理システム構築のための理論及び基盤技術の創出と融合展開 ( 研究総括 : 藤田政之東京工業大学大学院理工学研究科教授 ) 研究課題名 : エネルギー需給システム構築のための経済モデルと物理モデルの融合に基づく設計理論及び実証実装提言研究代表者 : 内田健康 ( 早稲田大学理工学術院教授 ) 研究期間 : 平成 27 年 4 月 ~ 平成 32 年 3 月 JST は本領域で分散協調型エネルギー管理システムを実現するための研究を電力制御経済などの多角的な観点から進めています上記研究課題ではエネルギー需給システム構築のための経済モデルと物理モデルの融合に基づく設計理論および実証実装提言を目指しています 1

2 < 研究の背景背景と経緯再生可能エネルギーなどの分散型電源が大量導入された次世代電力ネットワークでは発電量の変動が大きいためネットワーク全体を集中管理することが難しく発電機を含めた電力ネットワークを分散的に管理することが求められていますその中でも細かい時間単位で電力価格を変動させるリアルタイムプライシング注 5) を用いて電力需給量を間接的に制御する取り組みは電力システムや制御理論といった工学の観点からだけでなく経済学の観点からも非常に多くの注目を集めています電力ネットワークを安定して運用するためには各時刻で電力需給量を一致させ系統内の周波数変動を抑制する必要があります周波数変動量が拡大すると電気機器の動作に影響を与えるだけではなく発電機の運転継続が困難になり停電を引き起こす可能性がありますしかし電力自由化後の電力市場では電力需要家および電力供給者は市場管理者より提示された電力価格をもとに自身の電力需要量や発電量の決定をそれぞれ利己的に行います従ってこのような利己的な市場参加者の電力消費発電行動を電力ネットワークでの公共利益へと誘導するような電力価格決定メカニズムの考案が求められています一方で従来のプライシング制度では電力市場取引に参加した市場参加者の金銭的利益が固定価格制度の利益を上回ること ( 個人合理性 ) が保証されておらずそのため市場参加者が電力市場取引に参加することで金銭的に損をする可能性がありましたこのような金銭的な損失は人々が電力市場取引へと参加する意欲を妨げるものであり次世代電力ネットワークの実現に向けて解決すべき問題となっていました < 研究の内容本研究グループはゲーム理論のアプローチを用いて市場参加者の個人合理性を保証した分散型電力価格決定メカニズムを考案しました本研究では図 1に示すような電力市場を対象としています本電力市場では以下のアルゴリズムに従って市場管理者であるISOと市場参加者である電力需要家および電力供給者が電力価格を介して市場取引を行うことで電力ネットワーク内の電力需給量の分散的な管理を行います電力市場の電力需給管理アルゴリズム ⅰ)ISO: 初期電力価格初期インセンティブ価格注 6) を任意に設定 ⅱ) 需要家 :ISO より伝えられた電力価格およびインセンティブ価格をもとに自身の電力需要量を利己的に決定供給者 :ISO より伝えられた電力価格およびインセンティブ価格をもとに自身の発電量を利己的に決定 ⅲ)ISO: ネットワーク内の電力需給偏差を計測しその需給偏差が小さくなるように電力価格を更新さらにその際の需要家および供給者の個人合理性を保証するようにインセンティブ価格を再設計 ⅳ) ステップ ⅱ) に戻る本研究では上記の電力市場で以下の 2 つの目標を同時に達成する分散型電力価格決定メカニズムを考案しました 2

3 1. 小規模電力ネットワークにおける周波数変動の抑制および電力需給均衡の達成本研究で考案した分散型電力価格決定メカニズムではゲーム理論のアプローチを用いることで自身の利益追求のみを考える利己的な市場参加者の電力消費および発電行動を系統周波数の安定化を考慮した公共利益の最大化へと誘導するような電力価格の決定を分散的に行うことを可能にしました具体的には双対分解注 7) を用いて公共利益最大化問題を各市場参加者の最適化問題へと分散化しその分散化した問題を非協力ゲーム問題として取り扱いますそしてこの問題に対して前述のアルゴリズムを適用することで上記の条件を満たす電力価格の決定を電力需給偏差情報のみを使用して分散的に行うことが可能となりますまた本研究では従来のゲーム理論に基づく電力価格決定問題では考慮されていなかった需給均衡に関する等式制約条件を含めてゲーム問題の構築とその分散化を行っておりこれにより本提案電力価格決定メカニズムは電力ネットワーク内の周波数変動の抑制と需給均衡の一致を同時に達成する分散型電力価格決定メカニズムとなっています 2. 変動型インセンティブを用いた市場参加者の個人合理性の保証本提案電力価格決定メカニズムでは上記の特徴に加え経済学に用いられるメカニズムデザイン理論注 8) に基づいて電力価格と同様に時間や状況に応じた金銭的なインセンティブを ISO が各市場参加者にリアルタイムで付与することで電力需要家および供給者双方の個人合理性を保証しています従って本提案電力価格決定メカニズムを適用した場合上記の周波数変動の抑制や電力の需給均衡達成のために大幅な電力価格の更新を行っても電力需要家および供給者の両市場参加者とも従来の固定価格制度のもとで得られる利益以上の利益を得られることが保証されています本研究ではこの時間や状況によって変動する金銭的なインセンティブの設計に関して電力需要家および供給者の双方の市場参加者が共に個人合理性を満たすためのインセンティブの設計指針に関する数学的な条件の導出を行いさらにその設計指針に基づいてインセンティブを設定することで各市場参加者の個人合理性が達成されることを理論的に証明しましたさらに本研究では提案手法の有効性の検証を数値シミュレーションにより行いました以下の図 2(a) (b) は分散型電力価格決定メカニズムに基づくリアルタイムプライシング制度および従来の固定価格制度を適用した場合の小規模電力ネットワークでの周波数変動および市場参加者 ( 供給者 ) の利益の推移を表しています図 2(a) からは本研究で提案した電力価格決定メカニズムを用いることで従来の固定価格制度を用いた場合と比べ電力ネットワーク内の公共利益である周波数変動の抑制が十分にできていることが分かります図 2(b) からはリアルタイムプライシング制度では市場参加者の利益は常に固定価格制度の利益を上回り市場参加者の個人合理性が達成されていることが分かります以上の結果より本研究で示した電力価格およびインセンティブの設計に関する定理の妥当性を確認することができました < 今後の展開本研究では電力市場参加者の個人合理性を保証したリアルタイムプライシング制度のための分散型電力価格決定メカニズムを考案しました今後は ISOが市場参加者へ支払うインセンティブのコストを考慮したアルゴリズムの検討を行いますさらに市場参加者と市場管理者との間の情報交換を行うためその実現には高い情報通信技術が必要と 3

4 なりますそのためアルゴリズムの高速化および計算量を低減するアルゴリズムの開発を考えています < 参考図図 1 電力市場の市場取引市場取引の概要本研究が対象とする電力市場およびその市場取引の概念図を上図に示すこの市場には市場参加者として電力供給者および電力需要家また市場管理者として ISO が存在するこのうち電力供給者および電力需要家は ISO より与えられる電力価格に基づいて自身の発電量または電力需要量を利己的に決定し一方で ISO は他の電力ネットワークからの電力潮流を考慮しながら自身のネットワーク内の電力需給偏差を解消するように電力価格およびインセンティブの更新を行う 4

5 (a) (b) 図 2 周波数変動の抑制抑制およびおよび市場参加者市場参加者の個人合理性個人合理性の達成複数の小規模電力ネットワークからなる電力系統に対して電力価格決定メカニズムを適用した際の周波数変動の様子および市場参加者 ( 供給者 ) の金銭的利益の推移に関するシミュレーション結果をそれぞれ (a) (b) に示すまた各図の青線はリアルタイムプライシング制度赤線は従来の固定価格制度を用いた場合のシミュレーション結果であるまず図 (a) よりリアルタイムプライシング制度を用いることで従来の固定価格制度の場合と比べ周波数変動を抑制していることが分かる特に 900 秒あたりで風力発電機の発電量が急激に変化した状況では本手法の効果が顕著に表れており従来の固定価格 5

6 制度の場合と比べてリアルタイムプライシングを用いることで周波数変動の抑制が達成されていることが分かるさらに図 (b) より青線のリアルタイムプライシング制度を用いた場合の市場参加者の金銭的利益は赤線の固定価格制度の場合の利益を常に上回っており本提案電力価格決定メカニズムを用いることで市場参加者の個人合理性が達成されていることを確認できるまた 2,600 秒あたりで隣接する他地域の急激な周波数変動により本地域でも市場参加者の利益に変化が生じているがその後周波数変動が十分抑制されると市場参加者の利益も再び定常状態となりまたその際に個人合理性が保証されていることが分かる < 用語解説注 1) 電力自由化電気事業において市場参入規制を緩和し市場競争を導入すること日本では2016 年に家庭向け電力小売自由化が予定されておりさらに2018~20 20 年に発電部門と送電部門を独立の組織とすることが予定されている注 2) 個人合理性経済学の一分野であるメカニズムデザインで扱われる財の配分制度 ( メカニズム ) の特性の一種他のエージェント ( 市場参加者 ) が最適反応を用いた場合メカニズムに参加したことにより利益が減少しないことを表す注 3) ゲーム理論複数の意思決定主体が存在する状況で他の主体の意思決定による自身の利害関係への影響を考慮しつつ自身がどのように行動すべきかを理論化した学問本研究では各主体が独自に意思決定を行う純粋戦略非協力ゲーム問題を扱う注 4)ISO 独立系統運用機関 (Independent System Operator) の略称電力系統と電力市場の管理を行う非営利組織であり本研究では ISO が各電力ネットワーク内の電力需給偏差情報に基づいて電力価格とインセンティブの更新を行う役割を担う注 5) リアルタイムプライシング時間や需給状況の変化に合わせて電力価格を動的に変化させる料金体系のことさまざまな目的問題設定が存在するが本研究では前日スポット市場で一度約定が成立していることを前提にリアルタイム市場で約定結果からのずれにより生じる系統内の周波数変動をプライシングにより抑制し電力システムの安定を効率的に保つことを目標とする注 6) インセンティブ価格市場参加者の意思決定や行動を変化させるような価格要因であり誘因価格とも呼ばれる本論文では価格決定問題を扱っておりここでは金銭的報償を示す注 7) 双対分解大規模な最適化問題を分散的に解く際に使われる手法の一種特に需給の一致を制約条件として持つような市場の最適化問題に対して双対分解を適用することでもとの最適化問題を需要家および供給者に関する個別の最適化問題へと分散化できる 6

7 注 8) メカニズムデザイン理論ゲーム理論分野において自身の利得の最大化を目指して行動する利己的なエージェント ( 市場参加者 ) の集団があるメカニズム ( ルール ) の元でどのように振る舞うかを分析しどのようにメカニズムを設計すれば社会全体に望ましい結果を達成できるかもしくは設計者の目的を満たす結果を達成できるかを扱う経済理論 < 論文タイトル Real-Time Pricing Mechanism for Electricity Market with Built-in Incentive for Participation ( 個人合理性を考慮した電力市場におけるリアルタイム価格決定メカニズム ) < お問い合わせ先 < 研究に関すること滑川徹 ( ナメリカワトオル ) 慶應義塾大学理工学部教授神奈川県横浜市港北区日吉 Tel: Fax: namerikawa@sd.keio.ac.jp <JST の事業に関すること松尾浩司 ( マツオコウジ ) 科学技術振興機構戦略研究推進部東京都千代田区五番町 7 K s 五番町 Tel: Fax: crest@jst.go.jp < 報道担当科学技術振興機構広報課東京都千代田区四番町 5 番地 3 Tel: Fax: jstkoho@jst.go.jp 慶應義塾広報室東京都港区三田 Tel: Fax: m-koho@adst.keio.ac.jp 7

発電単価 [JPY/kWh] 差が大きいピークシフトによる経済的価値が大きい Time 0 時 23 時 30 分発電単価 [JPY/kWh] 差が小さいピークシフトしても経済的価値

発電単価 [JPY/kWh] 差が大きいピークシフトによる経済的価値が大きい Time 0 時 23 時 30 分発電単価 [JPY/kWh] 差が小さいピークシフトしても経済的価値差が大きいピークシフトによる経済的価値が大きい 3 3 4 4 時 23 時 3 分差が小さいピークシフトしても経済的価値が小さい 3 3 4 4 時 23 時 3 分電力使用量を調整する経済的価値を明らかに ~ 発電コストの時間変動に着目した解析制御技術を開発 ~ ポイント電力需要ピーク時に電力使用量を調整するデマンドレスポンスはその経済的価値が明らかになっていなかったデマンドレスポンスが費用対効果を最大化するための制御技術を新たに開発