需要家エネルギーを最適化するs EMSA®

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きみかずうばら
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環境エネルギー需要家エネルギーを最適化する Energy Management System ( ) Achieving Energy Cost Minimization 堀 * 広生石垣圭久木村恵敬 Hiroo Hori Yoshihisa Ishigaki Yoshitaka Kimura チャンスンマイ尾崎智也横瀬誉実 Tran Xuan Mai Tomoya Ozaki

数理計画法を用いた最適な運用計画と実時間をベースとする動的再配分制御の技術を特徴とするさらにデマンドレスポンス信号を全自動で最適な運用計画に取り込み最適性を維持しつつ受電電力の引き下げが可能である本稿ではの概要および横浜製作所とN 社製作所の実証結果について報告する We have developed an energy management system, which

1 環境エネルギー需要家エネルギーを最適化する Energy Management System ( ) Achieving Energy Cost Minimization 堀 * 広生石垣圭久木村恵敬 Hiroo Hori Yoshihisa Ishigaki Yoshitaka Kimura チャンスンマイ尾崎智也横瀬誉実 Tran Xuan Mai Tomoya Ozaki Takami Yokose 近年分散電源の普及と 2016 年度の電力自由化などのエネルギー政策に伴い EMS(Energy Management System) が普及しさらに地域全体の電力需給調整とも連携が進んできている当社は工場向けEMS( ) を開発し 2014 年度の横浜製作所とN 社製作所での実証を経て 2015 年度製品化を準備中である当社が開発したは数理計画法を用いた最適な運用計画と実時間をベースとする動的再配分制御の技術を特徴とするさらにデマンドレスポンス信号を全自動で最適な運用計画に取り込み最適性を維持しつつ受電電力の引き下げが可能である本稿ではの概要および横浜製作所とN 社製作所の実証結果について報告する We have developed an energy management system, which optimally controls multiple power sources based on mathematical programming in customer premises. realizes energy cost minimization by newly developed optimal planning of power sources and real time control. In addition, this system automatically regulates grid incoming power corresponding to the power company's demand requests. We have completed field tests of at Sumitomo Electric Yokohama Works and another company s factory. for factory use will be released in キーワード : 数理計画法デマンドレスポンス蓄電池発電機太陽光発電 (PV) 1. 緒言近年再生可能エネルギーをはじめとした分散電源の普及やエネルギー政策さらにデマンドレスポンスによる地域全体の電力需給調整の進展により分散電源の効率的な運用の必要性が高まっている当社では複数かつ異種の分散電源を最適に制御しデマンドレスポンスにも自動対応を可能としたエネルギーマネジメントシステム ( ) を開発した図 1に概要を示すは独自の需要予測太陽光発電予測をもとに数理計画法を活用することで分散電源の最適な運用計画を 48 時間先まで立案する計画の時間粒度を10 分と一般的な 30 分のデマンド時限に対して短く設定していることで高精度な計画が立案されるだけでなく計画立案の周期も10 分を実現しており高頻度に計算をやり直すことで予測の誤差による影響に対して頑健な仕組みとなっているさらに秒オーダーで受電点を監視し計画を加味した上でフィードバック制御する独自技術の動的再配分制御 (DRC:Dynamic Reallocation Control) によって 30 分デマンドの超過防止デマンドレスポンスによる受電電力の削減に高精度で対応するはこの最適運用計画機能と動的再配分制御を特徴とする当社では 2014 年度に当社横浜製作所と導入されている分散電源および電力需給契約が異なるN 社製作所の2 地点でを導入検証し連続自動運転と有効性を確認した本稿ではの概要当社横浜製作所とN 社製作所における検証結果について報告する図 1 概要図 2. 開発指針は図 2に示す住友電工 EMSアーキテクチャに基づいて開発している住友電工 EMSアーキテクチャは EMSに必要な要素を5 階層に分類し階層間のインターフェースを定義することにより各層間を独立させている 54 需要家エネルギーを最適化する

s EMSA は住友電工EMSアーキテクチャに従って開発の運用計画の立案は数理計画法を用いることで顧客の望し各層の多数のソフトを部品として品揃え可能とするこむ条件を最適に満たしていることが数学的に保証される最とで多様な顧客ニーズに迅速

システム構成を示す計測したをグラフィカルに表示電力見える化過去の実績を基に自然エネルギーの発電と需要の予測を実施 (10分毎,48時間先まで) 発電需要予測数理計画法に基づく電力最適運用計画予測と現状を基に発電機/蓄電池の

動的再配分制御産業用 network 図2 住友電工EMSアーキテクチャ受電電力計装制御制御制御電力 3.

電力需要予測産業用ネットワークによって接続され各種の収集と制太陽光発電予測は過去の発電電力と計測した気象御を実現している収集したはWebブラウザベースのおよび気象予測から太陽光発電による未来の発電電力を GUIによってリアルタイムやヒストリカルのトレンドとして

電力需要予測の予測周期予測の時間粒度行うこれら予測と収集した分散電源の現在状態などの予測期間を表1に示す太陽光発電電力需要予測の予測周種々のに基づいて分散電源の運用計画を立案するこ期予測の時間粒度予測期間は最適運用計画のそれと同一タイミングである

2 s EMSA は住友電工EMSアーキテクチャに従って開発の運用計画の立案は数理計画法を用いることで顧客の望し各層の多数のソフトを部品として品揃え可能とするこむ条件を最適に満たしていることが数学的に保証される最とで多様な顧客ニーズに迅速かつ低コストで対応可能な後に立案された計画と収集された分散電源の現在状態や予 EMSソフトパッケージとした測と実績の乖離などを加味して分散電源に対する制御指令値を決定する決定した制御指令値は産業用ネットワークを介して分散電源に設定される図4にs EMSA システム構成を示す計測したをグラフィカルに表示電力見える化過去の実績を基に自然エネルギーの発電と需要の予測を実施 (10分毎,48時間先まで) 発電需要予測数理計画法に基づく電力最適運用計画予測と現状を基に発電機/蓄電池の出力計画を立案(10分毎,48時間先まで) 予測の外れによる計画と現状の差異に対して計画値をベースに各発電機/蓄電池の出力を調整する(10秒毎) 産業用ネットワークを介して現在状態のを収集し同時に各発電機/蓄電池に制御を指令する(収集1秒毎/制御指令10秒毎) 動的再配分制御産業用 network 図2 住友電工EMSアーキテクチャ受電電力計装制御制御制御電力 3. s EMSA 制御機能 3 1 構成図4 s EMSA システム構成は顧客の望む条件を満たしながら発電機蓄電池をはじめとした分散電源を最適に制御するシステムである分散電源とs EMSA はMELSECNET/HやFL-netといった 3 2 太陽光発電電力需要予測産業用ネットワークによって接続され各種の収集と制太陽光発電予測は過去の発電電力と計測した気象御を実現している収集したはWebブラウザベースのおよび気象予測から太陽光発電による未来の発電電力を GUIによってリアルタイムやヒストリカルのトレンドとして予測する機能である表示し見える化を行う図3 また収集し蓄積された自然エネルギーの発電実績や気象電力需要予測は過去の電力需要と計測した気象および気象予測から未来の電力需要を予測する機能である実績電力需要実績等をベースに発電予測と需要予測を太陽光発電電力需要予測の予測周期予測の時間粒度行うこれら予測と収集した分散電源の現在状態などの予測期間を表1に示す太陽光発電電力需要予測の予測周種々のに基づいて分散電源の運用計画を立案するこ期予測の時間粒度予測期間は最適運用計画のそれと同一タイミングである表1 太陽光発電電力需要予測の周期粒度期間項目予測周期予測の時間粒度予測期間 s EMSA の仕様 10分 10分 48時間 s EMSA では 10分毎に予測を実施し直すことで予測と実績との差つまり予測誤差を低減し高精度な制御を実現している図5に予測計画立案の周期が12時間である既存EMSとs EMSA の電力需要予測の予測誤差について図3 s EMSA GUI画面イメージ推移を例示する 2015 年 7 月 S E I テクニカルレビュー第 187 号 55

3 時間後 12 時間後 12 時間後 ~10 分 : 平均誤差率 % 最大誤差率 % 誤差推移需要電力 (kw) 図最適運用計画機能予測誤差は時間と共に拡大需要電力 ( 実績 ) 既存 EMS との電力需要予測の予測誤差推移最適運用計画機能は発電機や蓄電池などの制御対象である分散電源の起動停止および出力値について最適な運用計画を立案する機能である立案される計画は時間粒度 10 分で 48 時間先までであり 10 分毎に再計算される計画立案にあたっては電力需要予測や太陽光発電予測を用いて電力の需給バランス制御対象設備の特性電力およびガスの需給契約を制約とし制御対象設備の起動停止状態および出力値を需要家のコストが最小となるように決定する以下に最適運用計画機能で扱う最適化問題を示す目的関数 minimize: コスト制御変数制御対象分散電源の起動停止状態と出力値制約条件電力需給バランス制約制御対象分散電源の出力上下限制約制御対象分散電源のメンテナンスコスト制約発電機の出力変化率上下限制約と燃料消費量制約蓄電池の充電残量制約と充放電効率制約買電電力上限制約本機能にて立案した計画例を図 6に示す買電分散電源による発電をソース別に表現した積み上げグラフでありグラフの上端は需要電力を示している蓄電池によるピークシ受電電力及び各設備の出力 ( 目標電力で規格化 ) 目標電力蓄電池 1_ 充電残量 ( 規格値 ) 20:00 21:00 22:00 23:00 0:00 1:00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 0:00 1:00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 図 6 蓄電池によるピークシフト放電蓄電池 2_ 充電残量 ( 規格値 ) 充電時間発電機 1 発電機 2 受電電力蓄電池 2_ 出力発電機 2_ 出力最適運用計画機能による計画例発電機によるピークカット蓄電池 1_ 出力発電機 1_ 出力発電機 3_ 出力フト運転と発電機によるピークカット運転により買電電力が目標電力以下となる運用計画が立案されているまた図 6 は発電機の発電単価が買電単価よりも相当に高い条件であるため蓄電池のみで需要を満たせない時間にのみ発電機を運転する計画となっている 3 4 動的再配分制御最適運用計画機能が立案した計画そのままに分散電源を制御すると 2つの問題がある 1つは計画の時間粒度が 10 分であるため10 分以下の状況の変化や要求に対応できないもう1つは計画はあくまで需要と自然エネルギーの予測に基づいて立案されるため予測が外れた場合に所期の目標を達することができない動的再配分制御はこれら問題点を補う仕組みである動的再配分制御は計画の粒度である 10 分に対してより短時間である10 秒を制御周期とし先に述べたような状況の変化や予測の外れを補償するように分散電源の出力を調整し制御指令値を決定する図 7に予想 / 最適運用計画とDRC 実行周期を示す / DRC DRC 図 7 分散電源の出力調整に際しては計画や予測の外れ具合と各分散電源の発電コスト等の設備特性を勘案するさらに必要に応じて計画で予定されていなかった分散電源の起動を実施するこの動的再配分制御を最適運用計画と組み合わせることによって受電電力を自在に所望の有り様に制御することが可能となる 4. 拡張機能 / / DRC DRC 予測 / 最適運用計画と DRC 実行周期 DRC デマンドレスポンス機能デマンドレスポンス (DR) とは電力会社が供給する電力の逼迫時にデマンドレスポンスを発令しそれを受けた需要家が節電や自家発電等によって系統からの受電電力を削減し需給バランスを調整する仕組みである当社は 2014 年度横浜製作所に設置されているガス発電機 (4MW) に加えてレドックスフロー (RF) 電池 (1MW 5MWh) および集光型 PV(100kW) の分散電源を制御するを導入し需要家として経済産業省が支援するDRの実証事業に参加した図 8に本 DR 実証のシステム構成を示す本 DR 実証ではを用いた全自動運転により以下の制御を正確に実行できることを確認した (t) 56 需要家エネルギーを最適化する

シミュレーション結果の契約電力と年間エネルギーコストの関係を求めた例であるこれにより需要家はエネルギーコストが極小となる契約電力および常用する発電機の台数や用途を検討する集光型 PVV RF 電池

0 1 によるDR 信号の受信 2 DR 信号受信後即座にアグリゲータと契約した受電電力の削減量を制約条件とした設備の運転計画の立案 3 コスト最小化しつつ受電電力の削減量の堅守図 9にが実際にDR

図 2のアーキテクチャにおけるネットワークインターフェース以下の設備層をエミュレートする設備エミュレータ ( 図 11) を開発した発電所工場図 9 DR 発令により受電電力を削減した PV

4 住友電工横浜製作所 OpenADR2.0 DR アグリゲータデマンドレスポンス発令デマンドレスポンス発令力を変更した場合の年間エネルギーコストの変化についてのシミュレーションを可能とした図 10はシミュレーション結果の契約電力と年間エネルギーコストの関係を求めた例であるこれにより需要家はエネルギーコストが極小となる契約電力および常用する発電機の台数や用途を検討する集光型 PVV RF 電池ガス発電機図 8 DR 実証システムの構成 1 DRアグリゲータからのOpenADR2.0 1 によるDR 信号の受信 2 DR 信号受信後即座にアグリゲータと契約した受電電力の削減量を制約条件とした設備の運転計画の立案 3 コスト最小化しつつ受電電力の削減量の堅守図 9にが実際にDR 信号を受信し受電電力を削減した結果を示す年間エネルギーコスト [ 百万円 / 年 ] 発電機 5 台常用図 10 エネルギーコスト極小の契約電力発電機 4 台常用契約電力 [kw] 発電機 1 台常用エネルギーコストと契約電力の関係目標電力 5. 開発プラットフォームは特定の設備のためのEMSではなくまた需要家の設備は多種多様であるそのため個別需要家向けのカスタマイズやシステム検証を実設備ではなく仮想環境で実施できると好都合であるそこで当社は図 2のアーキテクチャにおけるネットワークインターフェース以下の設備層をエミュレートする設備エミュレータ ( 図 11) を開発した発電所工場図 9 DR 発令により受電電力を削減した PV 発電機制御蓄電池収集 PLC 電力 PLC: Programmable Logic Controller 産業ネットワーク設備と需要変動を模擬発電所工場 4 2 契約電力検討支援機能は与えられた契約電力のもとエネルギーコストが最小となるように分散電源を制御するが需要家の更なるエネルギーコスト削減には最適な契約電力を検討し電力需給契約を見直す必要があるそこで契約電力検討支援機能によりに蓄積された年間の電力需要データ電気燃料料金分散電源の各種を用いて契約電図 11 制御設備エミュレータ収集 PLC PLC: Programmable Logic Controller PV 発電機蓄電池産業ネットワーク設備と需要変動を模擬する設備エミュレータ 2015 年 7 月 S E I テクニカルレビュー第 187 号 57

5 この設備エミュレータは急激な需要変動などの需要家側の環境や分散電源の故障なども忠実に再現することができることに加え MELSECNET/H FL-netなど複数の産業用ネットワークもサポートすることで多種多様な条件を模擬するプラットフォームとなっているからは設備エミュレータは実際の設備と同一に見えるこのプラットフォームでの開発を進め様々な環境におけるの有効性を検証した 6. 実証結果 6 1 横浜製作所実証横浜製作所における受電一定制御とによる制御の比較試験の結果について述べる横浜製作所の分散電源の構成を表 2に示すが可能であることや発電機の起動回数抑制による固定費の低減も見込むことが可能である制御受電一定制御系統電力発電機時 6 時 12 時 18 時 0 時 6 時 12 時 18 時 0 時 6 時 12 時 18 時 0 時不要な発停 1400 需要電力受電電力契約電力 1000 系統電力発電機発電機時 6 時 12 時 18 時 0 時 6 時 12 時 18 時 0 時 6 時 12 時 18 時 0 時契約電力 1000 発電機出力 [kw] 発電機出力 [kw] 表 2 横浜製作所の分散電源の構成図 12 発電機制御手法の比較試験結果設備種類出力容量蓄電装置レドックスフロー電池 500kW(2500kWh)1 台 250kW(1250kWh)2 台太陽光集光型化合物 100kW 1 台発電機コージェネレーション 648kW 6 台 6 2 N 社製作所実証 2015 年 1 月に N 社製作所にを導入した結果について述べる N 社製作所の分散電源の構成を表 3 に示す受電一定制御は従来から使用されている発電機の制御手法である受電電力が目標電力を一定時間超過した場合に発電機を1 台ずつ起動し受電電力が目標とする電力以下の場合に1 台ずつ停止させる起動停止制御と受電電力を目標とする電力に保つために起動中発電機の出力を調整するフィードバック制御が行われる但しそれぞれの発電機は連携しておらず独立して自立制御が行われる前項で述べた開発プラットフォームによって横浜製作所を模擬した環境において比較試験を行った試験条件は夏期平日の3 日間における電力需要に対し分散電源として発電機 3 台を制御対象としたまた発電機の発電単価は買電単価よりも相当に高いものとする比較結果を図 12に示す図 12において受電一定制御に対しによる制御では発電機の不要な発停が抑制されたほかより契約電力に近い電力まで受電電力を活用しているこれは発電機の発電単価が高いため発電機の出力電力を最小に運用しているためである以上より効率の良い電力制御が行われていることが確認できるこの結果従量料金は約 2 万円 / 日低減され夏季の平日を約 64 日と仮定すると約 128 万円 / 年のコストメリットが得られる計算となる加えての制御では従来の受電一定制御に比して契約電力を超過しないように設けていた契約電力に対する受電目標電力のマージンを縮小とすることができるため更なる契約電力の引き下げ表 3 N 社製作所の分散電源の構成設備種類出力容量蓄電装置 Liイオン電池 250kW(96kWh)1 台太陽光多結晶シリコン 500kW 1 台発電機コージェネレーション 700kW 1 台実証を行った時期のN 社製作所の電力需要は最大 1800kW 程度であり太陽光発電の発電で賄える割合が非常に大きい特徴がある今回の実証ではの制御によって出力調整が難しい再生可能エネルギーを最大限に有効活用しつつピークカット ( 最大受電電力 1300kW) の実施と逆潮流を防止するために最小受電電力 100kWという制限を設けながら Li イオン電池と発電機の運用によってエネルギーコストを最小化できることを確認した図 13は2015 年 1 月 22 日 ( 木 ) に蓄電池と発電機に対して時間によるパターン運転を実施したものと2015 年 1 月 29 日 ( 金 ) にによる自動制御を実施した場合の結果であるこの2 日を比較対象とした理由は PVの発電電力に違いがあるが電力需要の値形状が似通っているものだったためであるパターン運転では発電機を9:00に起動 18:30に停止とし発電機の停止後 30 分間および起動前 30 分間に蓄電池を 58 需要家エネルギーを最適化する

18:30 9:00 1300[kW] 在準備中の製品化を成功裏に収めさらに当社大阪製作所伊丹製作所の2 拠点にを導入する予定である 1 22 1 23 需要電力 Li PV 100[kW]

0(Automated Demand Response) 自動デマンドレスポンスのために定義された国際通信プロトコルのバージョン2.

需要家向けエネルギーマネジメントシステムの開発平成 26 年電気学会電力エネルギー部門大会 309 pp.

充電を実施しているによる制御結果がパターン運転と異なる理由は発電機については発電機による発電単価が系統電力からの買電単価よりも約 1.

この方策による効果を計算するとパターン運転が発電機を停止させた夜間 (18:30~9:00) にによって発電機が出力した発電電力量は8055kWh であり同量を系統電力から買電したケースと比べ

まず充放電コストを考え充放電を必要最小限に抑える方策を選択しているただし蓄電池が発電機と異なり応答が速い特徴を活かして

6 18:30 9: [kW] 在準備中の製品化を成功裏に収めさらに当社大阪製作所伊丹製作所の2 拠点にを導入する予定である需要電力 Li PV 100[kW] 1300[kW] 用語集ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー 1 OpenADR2.0(Automated Demand Response) 自動デマンドレスポンスのために定義された国際通信プロトコルのバージョン2.0である 100[kW] MELSECNET は三菱電機株式会社の登録商標です図 13 N 社製作所制御結果参考文献 (1) 尾崎智也石垣圭久木村恵敬堀広生需要家向けエネルギーマネジメントシステムの開発平成 26 年電気学会電力エネルギー部門大会 309 pp (2014) 放電しているによる制御では発電機を一度も停止せず受電電力が設定された下限値を下回らないように出力を動的に調整し蓄電池は受電電力が下限を下回る可能性のある場面にて充電を実施しているによる制御結果がパターン運転と異なる理由は発電機については発電機による発電単価が系統電力からの買電単価よりも約 1.25 円 /kwh 安い条件であったことから発電機の発電電力量を最大にすることでエネルギーコストを最小にできると判断し可能な限り停止させずに運転を継続させる方策を選択したことによるこの方策による効果を計算するとパターン運転が発電機を停止させた夜間 (18:30~9:00) にによって発電機が出力した発電電力量は8055kWh であり同量を系統電力から買電したケースと比べエネルギーコストの削減量は1 万円強となった蓄電池の運用についてはパターン運転では発電機の起動 / 停止の際の受電電力変化を抑制するように発電機の補助システムとして使用しているのに対しではまず充放電コストを考え充放電を必要最小限に抑える方策を選択しているただし蓄電池が発電機と異なり応答が速い特徴を活かして受電電力が下限値以下になることを防ぐ場面において発電機の応答の遅さをサポートするための充電を行っているこのことはパターン運転が発電機と蓄電池を共に同じ電力を出力するだけの装置として使用していることに対しは異種の設備に対してそれぞれの特徴に応じた協調動作を実現していると言える執筆者堀石垣木村 * 広生 : パワーシステム研究開発センター主席圭久 : パワーシステム研究開発センター恵敬 : パワーシステム研究開発センターチャンスンマイ : パワーシステム研究開発センター尾崎横瀬智也 : パワーシステム研究開発センター誉実 : パワーシステム研究開発センター 7. 結言以上当社が開発したの制御技術および横浜製作所とN 社製作所の実証結果を紹介した 2015 年度は現 * 主執筆者 2015 年 7 月 S E I テクニカルレビュー第 187 号 59

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