JP4577841B2 - 分散型電源を配電ネットワークに連系する際の条件を決定する支援システム及び支援方法 - Google Patents

Description

本発明は、分散型電源を配電ネットワークに連系する際の条件を決定する支援システム及び支援方法に関する。

電力会社が持つ既存の配電系統（配電ネットワーク）に、別の電力供給者が持つ分散エネルギー源を連系し、配電系統に接続された各需要者に対しては、電力会社が発電し供給する電力と、分散エネルギー源から注入（逆潮流）される電力が合わさった状態で電気力供給されるようになっている。この分散エネルギー源は、省エネルギー効果や石油代替効果やＣＯ_２削減効果等から、例えば、太陽光発電などの自然エネルギーを利用したものが用いられることが増えている。

そして、係る自然エネルギーを用いた分散エネルギー源は、例えば、戸建て住宅の屋根に設置した比較的小型なものから、集合住宅その他の比較的大きな建築物等に設置された大型なものもある。従来から戸建て住宅からの注入は比較的盛んに行なわれてきたが、今後は、大型で出力電力の大きい分散エネルギーからの系統接続も増加することが見込まれる。

一般に、複数の配電線によって形成される配電ネットワークは、図１に示すように、事故時の供給信頼度を確保するために、開閉器により複数の負荷区間に分けられている。それぞれの負荷区間は、フィーダから電力の供給を受ける。そして、あるフィーダの配電線は、他のフィーダの配電線と、常時開の連系開閉器で連系されている。このような配電系統の各フィーダには、放射状（樹枝状）構成で運用する多分割多連系方式（たとえば、３分割３連系方式あるいは６分割３連系方式）が採用されている。係る放射状構成からなる配電ネットワークは、既設の設備として従来から存在しており、かかる配電ネットワークを構築した当時は、電力供給は電力会社の設備（発電所・変電所）から行なわれることを前提としており、上述した配電ネットワークの途中に分散エネルギー源が連系され、注入電力が逆潮流してくることは想定されていない。

配電ネットワークは、例えば、変電所から遠くなるほど配電線の径を小さくしたり、配電用変圧器のタップ切替による送出電圧制御その他様々な制御機器を用いた運用を行なったりすることで、需要家が消費する電力の品質が許容範囲内に収まるようにしている。これらは、いずれも上述した分散エネルギー源（分散型電源）による注入を前提としない状態で行なっているのが現状である。

一方、自然エネルギーを利用した分散電源の場合、自然現象に左右されるため、注入電力が時々刻々と変化するばかりでなく、発電量が制御できない。そのため、特に、大型の分散型電源の場合、注入電力の変動量も大きくなり、出力が大きい場合に配電ネットワークへ及ぼす影響が非常に大きく、系統の健全性を保つ観点から必然的に連系量が抑制される可能性を生じる。

また、現在の配電系統は、図１に示すように、樹枝状に構成されているため、将来予想される分散型電源による多数台連系まで対処可能な運用形態であるとは言い難い。そのため、分散型電源の多数台連系による電圧許容範囲（法律で規定されている）の逸脱可能性など、健全時や事故時で様々な技術課題が存在する。

これに対し、現在では、配電ネットワーク側の制御のみや、分散型電源側の制御だけといった一方向の断片的で簡易な計算シミュレーションによる検討しかなされていないのが現状である。

本発明は、樹枝状（放射状）に連系された配電ネットワークに分散型電源を連系するに際し、電力供給の品質の安定化を図りつつ、分散型電源の連系を希望する希望者にとっても満足する条件（例えば、できるだけ多くの電力注入を可能とするなど）を満たすことができる分散型電源を配電ネットワークに連系する際の条件を決定する支援システム及び支援方法を提供することを目的とする。

本発明の分散型電源を配電ネットワークに連系する際の条件を決定する支援システムは、配電系統情報と、過去の自然エネルギーを利用した分散型電源の出力情報と、が記憶された記憶手段と、前記記憶手段に格納された配電系統情報をもとに、配電線の指定された地点の指定された時期に、分散エネルギー源から注入しても安定供給に支障をきたさない量である受入限界量を算出し、その算出結果を出力手段に出力する出力地点別時間別受入限界量算出部と、前記記憶手段に格納された過去の自然エネルギーを利用した分散型電源の出力情報に基づき、これから想定される出力を予測する分散型電源出力変動推定部（ＤＣ出力変動推定部）と、負荷特性や分散型電源の出力特性の測定結果から、分散型電源に併設される貯蔵装置の出力制御並びに前記分散型電源の出力制御を組み合わせることで、補償特性を適切に行ない、前記分散型電源の出力変動による需給不整合を解消する出力変動補償機能により注入電力を決定する注入電力決定部と、分散エネルギー源を、配電ネットワーク上の希望するある地点に連系することを想定した状態で、配電損失と，供給支障電力と，電圧不平衡率と、高調波電圧歪みとを許容範囲内で最小化することを同時に達成するような、配電ネットワークの構成を算出する配電系統構成最適化部と、前記配電系統構成最適化部で決定された配電ネットワーク構成において分散型電源が連系された配電系統の電圧を、負荷の軽重に関わらず許容範囲内に納めるように送出電圧を制御する送出電圧制御部と、を備えた構成を前提とする。なお、前記貯蔵装置の容量決定に際しては、あらかじめ前記分散型電源変動推定部で求めた分散型電源の出力の時間推移に基づき、その分散型電源に併設される貯蔵装置の短時間刻みでの充放電パターンの影響を考慮して当該貯蔵装置の容量を決定する貯蔵装置の容量決定部によって最適容量が算出される。

記憶手段は、データベースに対応する。記憶手段に格納する各種の情報は、物理的に１つの記憶装置に格納しても良いし、異なる記憶装置に格納しても良い。また、記憶手段と、各処理部は同一の装置に実装しても良いし（この場合には、実施の形態に示すように支援装置となる）、記憶手段の一部または全部が、処理部が実装された装置と別の外部のデータベース等に配置されても良い。

上記の前提において、配電系統の情報を格納した配電系統情報記憶装置と、グラフィクスモデルで表した前記配電系統を、立上がり部によってＸ連系（３連系等）未満の閉じられた複数の部分フィーダに分割した情報を記憶するノードモデル情報記憶装置と、そのノードモデル情報記憶装置に記憶された前記複数の部分フィーダを全件検索して、放射状構成制約を満たし、Ｙ分割（３分割等）制約を満たす分割態様を求める部分フィーダ作成手段と、その部分フィーダ作成手段で求めた分割態様のうちフィーダ根元の線路容量制約を満たす当該分割態様の組み合わせの全てを厳密解法（ＲＯＢＤＤ等）により算出する精密計算手段と、その精密計算手段により算出した前記分割態様の組み合わせについて、前記部分フィーダ内での配電損失を計算し、電圧降下制約を満たす候補の中から配電損失が最小となる候補１つを配電損失最小構成として特定する手段と、を備えて構成した。

また、本発明に係る方法は、分散型電源を配電ネットワークに連系する際の条件を決定する支援システムにおける条件を決定する方法であって、出力地点別時間別受入限界量算出部が、前記支援システムが持つ記憶手段に格納された配電系統情報をもとに、配電線の指定された地点の指定された時期に、分散エネルギー源から注入しても安定供給に支障をきたさない量である受入限界量を算出し、その算出結果を出力手段に出力する処理を実行し、分散型電源出力変動推定部が、前記記憶手段に格納された過去の自然エネルギーを利用した分散型電源の出力情報に基づき、これから想定される出力を予測する処理を実行し、注入電力決定部が、負荷特性や分散型電源の出力特性の測定結果から、分散型電源に併設される貯蔵装置の出力制御並びに前記分散型電源の出力制御を組み合わせることで、補償特性を適切に行ない、前記分散型電源の出力変動による需給不整合を解消する出力変動補償を求めることで注入電力を決定するとともに、その決定した注入電力を前記出力装置に出力する処理を実行し、配電系統構成最適化部が、分散エネルギー源を、配電ネットワーク上の希望するある地点に連系することを想定した状態で、配電損失と，供給支障電力と，電圧不平衡率と、高調波電圧歪みとを許容範囲内で最小化することを同時に達成するような、配電ネットワークの構成を決定し、送出電圧制御部が、前記配電系統構成最適化部で決定された配電ネットワーク構成において分散型電源が連系された配電系統の電圧を、負荷の軽重に関わらず許容範囲内に納めるように送出電圧を制御する制御パターンを決定する処理を実行するものであり、前記配電系統構成最適化部が、グラフィクスモデルで表した配電系統を、立上がり部によってＸ連系（３連系等）未満の閉じられた複数の部分フィーダに分割するステップと、前記各部分フィーダを、放射状構成制約を満たし、Ｙ分割（３分割等）制約を満たす分割態様を全数検索するステップと、その全数検索により求めた分割態様のうちフィーダ根元の線路容量制約を満たす当該分割態様の組み合わせの全てを厳密解法により算出するステップと、前記厳密解法により算出した前記分割態様の組み合わせについて、前記部分フィーダ内での配電損失を計算し、電圧降下制約を満たす候補の中から配電損失が最小となる候補１つを配電損失最小構成として特定するステップと、を実行するものとする。
なお、前記貯蔵装置の容量決定に際しては、あらかじめ貯蔵装置の容量決定部が、前記分散型電源変動推定部で求めた分散型電源の出力の時間推移に基づき、その分散型電源に併設される貯蔵装置の短時間刻みでの充放電パターンの影響を考慮して当該貯蔵装置の容量を決定する処理を実行することにより最適容量が算出される。上記各処理を所定回数（１回を含む）実行し、実行する都度、求めた前記受入限界量や前記注入電力を出力することで、分散型電源の連系を希望するものと、配電ネットワークの管理者側の双方が納得する前記条件を決定する。

本発明は、樹枝状（放射状）に連系された配電ネットワークに分散型電源を連系するに際し、電力供給の品質の安定化を図りつつ、分散型電源の連系を希望する希望者にとっても満足する条件（例えば、できるだけ多くの電力注入を可能とするなど）を満たすことができる。

本発明の配電系統構成最適化部の一実施形態を説明する。図２には、分散型電源と配電ネットワークの関係を示している。配電ネットワーク１は、複数の変電所Ｇ１，Ｇ２に接続されている。配電ネットワーク１は、変電所Ｇ１，Ｇ２に接続された立ち上がり点Ｕ１，Ｕ２を基点として複数の配電線２が複数の開閉器３により接続された構成を採る。これらの開閉器３には、常時開の開閉器（白抜き四角で示す）と、常時閉の開閉器（黒塗り四角で示す）とがあり、常時開の開閉器が連系開閉器として機能する。これにより、白抜き四角で示した常時開の開閉器で電気的に切断されるため、（１）から（３）までの区間が、変電所Ｇ１から電力供給を受けることになり、（４）から（６）までの区間が、変電所Ｇ２から電力供給を受けることになる。なお、図２では便宜上１本の線（分岐しない）として示したが、実際には、図１等に示すように樹枝状に枝分かれした状態で配電ネットワークが構築されている。

このような配電ネットワーク１に対し、ある地点（図示の場合には、区間（３））に分散エネルギー源５の連系を希望するユーザ（設置希望者）がいたとする。この分散エネルギー源５は、太陽光発電その他の自然エネルギーを利用して発電する分散型電源５ａと、その分散型電源５ａで発電した電力を蓄電するための貯蔵装置５ｂ（蓄電池）とを備えている。

本発明に係る支援装置は、配電ネットワークの運用管理者と分散型電源の設置希望者との双方の要望（多目的）を極力満たす条件や対策案を導き出すためのものであり、具体的には、以下に示すような構成を採る。

図３は、支援装置１０の一例を示している。この支援装置１０は、パソコン等のコンピュータに、以下に示す機能を実現するアプリケーションプログラムを実装することで実現することができる。各処理を実施するために必要なデータは、パソコンが持つハードディスクその他の記憶装置に記憶保持したものを用いたり、外部のデータベースにアクセスして取得したりすることができる。

すなわち、支援装置１０は、キーボード、マウス等の入力装置１１と、各種の処理の実行結果を表示する表示装置１２とを備えている。図示省略するが、通信機能も備えており、インターネット或いはその他の通信回線を介して外部のデータベースにアクセスする機能も備えている。また、内部構造としては、地点別時間別受入限界量算出部１３と、ＤＧ出力変動推定部１４と、貯蔵装置の容量決定部１５と、注入電力決定部１６と、配電系統構成最適化部１７と、送出電圧制御部１８とを備えている。これら各処理部１３から１８は、パソコンのＣＰＵにて稼働される。

また、パソコンのデータベース１９には、配電系統情報（図１に示すように各配線の接続状況と、開閉器の設置位置と、開閉器の状態（常開／常閉）と、変電所との接続位置と、各区間の負荷等の各種の情報）と、過去の自然エネルギーを利用したＤＧ出力（分散型電源の出力）の情報（日付，時間毎の出力の推移データ）と、が格納されている。

地点別時間別受入限界量算出部１３は、データベース１９にアクセスし、そこに記憶された配電系統情報をもとに、いつ、配電線のどこに、どれだけの電力なら分散エネルギー源５から注入しても安定供給に支障をきたさないのかを算出し、その算出結果を表示装置１２に出力する。併せて、データベースに格納しても良い。ここで、地点別時間別受入限界量とは、「任意の連系地点」の「任意の時間」に分散エネルギー源５からの逆潮流を、配電ネットワーク１が受入可能な上限値であり、換言すると、空き容量とも言える。任意の連系地点は、設置希望者が配電ネットワーク１上の連系を希望する地点であり、その地点は、例えば、運用管理者が入力装置１１を介して与える。この入力の仕方は、例えば予め各連系地点（区間）にインデックス（区間番号）を設定しておき、そのインデックスを直接入力しても良いし、地図，配電系統図などを表示し、その表示した図上で任意の点を指定するようにしても良い。

また、この地点別時間別受入限界量算出部１３は、指定された地点における任意の時間の地点別時間別受入限界量を求めることができるため、たとえば、１日を単位として１時間毎（或いはもっと短い時間間隔）で各時間（時刻）の地点別時間別受入限界量算出する。これにより、例えば図４に示すように１日を単位とした２４時間の受入限界量をグラフ化して表示することができる。設置希望者は、この表示装置１２に表示された「地点別時間別受入限界量」を見ることで、連系希望地点における受入限界量を視覚的にとらえることができる。

この配電系統情報をもとに地点別時間別受入限界量を算出するアルゴリズムは、例えば、「分散型電源の連系許容出力範囲の算出手法」（平成１７年電気学会全国大会講演論文集［６］，ｐｐ．１２７−１２８：電気学会：平成１７年３月１９日発行）にて発表された公知のアルゴリズムを適用することで実現できる。

ＤＧ出力変動推定部１４は、過去の自然エネルギーを利用したＤＧ出力（分散型電源の出力）の履歴データベースに基づき、これから想定される出力を予測する機能を有する。例えば、自然エネルギーが風力発電の場合には、過去の風速と発電出力の相関データをデータベース化し、現在の風速状況からΔＴ後の風速状況（予測データ）に基づき、発電出力を予測するものである。また、自然エネルギーが太陽光の場合には、過去の日照時間や日照時刻や天候状態（晴れ，曇り，雨，…）等の気象条件と、発電出力との相関データをデータベース化し、現在の気象条件からΔＴ後の気象条件（予測データ）に基づき、発電出力を予測するものである。ΔＴは、時間単位でも良いし、翌日のように比較的長いスパンでも良い。ΔＴ後の風速状況や、気象条件は、たとえば気象庁のサイトにアクセスし、取得することができる。

過去の自然エネルギーを利用したＤＧ出力（分散型電源の出力）の履歴データベースに基づき、これから想定されるＤＣ出力を予測するためのアルゴリズム（分散型電源の容量決定）は、例えば、「データベースに基づく風力発電機の風況−出力モデリングに関する基礎的検討」（太陽／風力エネルギー講演論文集 ２００４，Ｐ３４５−３４８：日本太陽エネルギー学会：平成１６年１１月４日発行）にて発表された公知のアルゴリズムを適用することで実現できる。

ところで、自然エネルギーを利用した分散エネルギー源５がインバータを用いて系統に連系する場合、インバータの制御方法の工夫により、配電系統に存在する高調波電圧歪みを補正することが可能である。そこで、本実施の形態では、ＤＣ出力変動推定部１４に、上述した過去の履歴データベースに基づく分散型電源の容量決定機能に加え、地点別ＤＧ高調波制御機能も備え、高調波電圧歪みを補償するようにした。すなわち、自然エネルギーを利用した分散電源に併設される系統連系インバータは、不規則で大きな自然エネルギーの出力変動を考慮して、一般に容量に余裕を持った設計となっている。従って、この地点別ＤＧ高調波制御機能は、インバータの空き容量をオンラインで評価し、インバータ容量を考慮して高調波補償の深さを調整することで新たな制御機器を導入することなく高調波を抑制するものである。これにより、図５に示すように、高調波が抑制された時間に対するＤＧ出力（分散電源出力）のパターンが形成され、表示装置１２に出力することができる。

係る地点別ＤＧ高調波抑制機能を実施するためのアルゴリズムは、例えば、「太陽光発電系統連系インバータを活用した高調波抑制手法の検討」（平成１７年電気学会電力・エネルギー部門大会講演論文集，ｐｐ．５−６：電気学会：平成１７年８月１０日発行）にて発表された公知のアルゴリズムを適用することで実現できる。

貯蔵装置の容量決定部１５は、ＤＧ出力変動推定部１４で求めたＤＧ出力の時間推移（変動）に基づき、分散型電源５ａに併設する貯蔵装置５ｂの容量を決定する。すなわち、自然エネルギー利用の分散型電源５ａの出力は、気象状態に応じて大きく変動するのは上述したとおりである。そこで、貯蔵装置（蓄電池）５ｂを併設して充電放電を行なうことで平滑化し、できるだけ出力変動を小さくするようにしている。この場合において、貯蔵装置の容量決定部１５は、自然エネルギー利用の分散型電源５ａの短時間の出力変動に対する貯蔵装置５ｂに対するバッファ動作、すなわち、数秒レベルの短時間刻みでの充放電パターンの影響を考慮して貯蔵装置（蓄電池）５ｂの最適な電池容量を算出する。すなわち、通常は、自然エネルギー利用分散型電源と負荷のエネルギーバランスのみに着目され、蓄電池容量に関しては、日単位・月単位などの長期間における充放電の積算値に概算的な安全係数を乗じて評価・決定する方法が主流であったが、ここでは、配電ネットワーク１の電力品質を視野に入れ、短時間の充放電に着目して容量を決定するようにした。また、本技術は、制御時に用いられるのではなく、どの程度の容量の貯蔵装置を設定するかを決める計画段階において活用されるものである。

係る電力貯蔵装置５ｂの容量決定の算出アルゴリズムは、例えば、「風力発電システムにおける併設蓄電池の容量決定に関する一考察」（太陽／風力エネルギー講演論文集2004，８３，ｐｐ．３４１−３４４：日本太陽エネルギー学会,風力エネルギー協会：平成１６年１１月４日発行）にて発表された公知のアルゴリズムを適用することで実現できる。

注入電力決定部１６は、分散型電源が配電系統に接続されたときの出力変動による需給不整合の改善を図ることを目的とした、出力変動補償機能を備えている。この出力変動補償機能により需給不整合が改善され、最終的な注入電力が決定される。すなわち、分散型電源は、系統に接続されている負荷需要とは無関係に電力を供給し、さらに、自然エネルギー源を基に発電を行なうため、出力が短時間に大きく変動する可能性がある。出力が大きくなりすぎると、系統側で変動分を補償しきれなくなる可能性がある。そこで、系統に対する需給不整合を解消するために、上述したように適切な容量の貯蔵装置５ｂの併設を行なうことを前提とし、さらに、負荷特性や分散型電源の出力特性の計測を行ない、その周波数特性などに着目して貯蔵装置５ｂの出力制御並びに分散型電源５ａの出力制御を組み合わせることで、補償特性を適切に行なう。このように、負荷や分散型電源近傍において有効・無効電力を補償することにより「仮想的な大規模系統」を構築し、大量の分散型電源を配電系統へ導入可能とする。

係る出力変動補償機能の算出アルゴリズムは、例えば、「Combined power supply method for micro grid by use of several types of distributed power generation systems」（11th European Conference on Power Electronics, CD-ROM：11th European Conference on Power Electronics：平成１７年9月１３日発行）にて発表された公知のアルゴリズムを適用することで実現できる。

このようにして決定された注入電力の時間推移は、例えば図６中ハッチングで示すパターンとなり、破線で示す地点別時間別受入限界量を超えることがなく、需要者に対する電力供給の品質の安定を図るとともに、設置希望者にとっても、できるだけ多くの注入電力を供給することが可能となる。そして、係る双方にとって良好な状態であることが、グラフで表示することで容易に理解できる。つまり、注入電力が何れの時刻でも地点別時間別受入限界量を超えることがないこととから、品質の安全が確保できることが理解でき、地点別時間別受入限界量に対してできるだけ多くの注入電力量を注入していることが一目で分かる。

このように、自然エネルギー利用分散型電源の設置希望者は、地点別気象データを用いた発電電力評価結果と、蓄電池容量の算定結果をもとに、電力品質面で配電ネットワークに与える悪影響を極力抑えた形で設置メリットが最大となる容量と運転パターンを、地点別時間別受入限界量を超えない範囲内で決定する。

配電ネットワークの運用管理者は、配電ネットワークの電力品質を維持した上で、その地点，その時間において系統に注入できる最大電力量を確保するための多目的開閉器制御と、同様の目的で実施される多目的送出電圧制御を実施して、配電ネットワークを効率的に運用することで、ネットワーク全体の配電損失の低減、ならびに、電圧不平衡や高調波電圧歪みなどの軽減による電力品質の向上を達成することができる。

上述した各手段を実行して求めた注入電力は、現在稼働中（運用中）の配電ネットワークを前提としている。この既存の稼働中の配電ネットワークは、当然のことながら今回連系を希望する分散エネルギー源５の存在は考慮しない状態で各開閉器の開閉状態が設定されている。従って、分散エネルギー源５を、配電ネットワーク１上の希望するある地点に連系することを想定した場合、両者（配電ネットワークの運用管理者と分散型電源の設置希望者）にとって、よりよい配電ネットワークの構成が存在する可能性がある。係る可能性を求めるのが、配電系統構成最適化部１７である。

この配電系統構成最適化部１７は、（１）配電損失，（２）供給支障電力，（3）電圧不平衡率並びに（４）高調波電圧歪みを許容範囲内で最小化するという「４つの目的」を同時に達成するような、配電ネットワークの構成（開閉器の開閉状態）を決定する機能を備えている。具体的な機能は後述するが、これにより、既存の変電所からの電力供給や、既存或いは新規の分散エネルギー源からの注入電力を考慮した状態での最適な配電ネットワーク構成を算出し、決定することができる。

送出電圧制御部１８は、分散型電源が連系された配電系統の電圧を許容範囲内に納めるという制約の下で、配電用変電所に設置された配電用変圧器のタップ切替回数と、電圧変動余裕の二乗和の重み付け和が最小となる送出電圧の２４時間プロフィールを決定するものである。イメージで示すと、図７に示すように、重負荷の場合と軽負荷の場合の何れの場合でも、電圧許容範囲内に収まるように決定するものである。

すなわち、配電ネットワークの各配電線の送出電圧は、配電用変電所における配電用変圧器のタップの切替により離散的に制御されているが、離散値で動作させる変圧タップ位置のパターンの組み合わせは膨大となる。これらの膨大なタップ位置のパターンの組み合わせの中から、全地点の時間毎の電圧を許容範囲内に納めつつ、かつ、変圧器の長寿命化を目的として切替回数が最小となる１つのパターンを決定するのが理想である。

そこで、多地点実測により得られることが想定される通過電流データ（センサから取得）から各地点の三相電圧のプロフィールを算定し、全てのタップ値の変動パターンの組み合わせの中で、全地点の電圧を許容範囲内に押されることが可能なタップパターンを論理関数を用いて高速に全て抽出し、それらの中で１日（２４時間）のタップ切替回数が最小で、かつ電圧余裕が大きなパターン候補を抽出する。

係る送出電圧制御機能の算出アルゴリズムは、例えば、「分散型電源が連系された配電系統における最適送出し電圧の決定手法」（気学会論文誌Ｂ，１２５巻９号，２００５年,ｐｐ．８４６−８５４：電気学会：平成１７年９月１日発行）にて発表された公知のアルゴリズムを適用することで実現できる。

上記の一連の手続きが済んだ時点で、配電ネットワークの形状や電圧制御パターン、ならびに、連系された分散型電源の運転パターン等が確定する。配電ネットワーク運用管理者は、これらの情報をもとに再び地点別時間別受入限界量を算出し、新規の分散型電源設置希望者に対して提示し、以下、同様の手続きを繰返して行くことで、両者にとって好ましい条件を設定できる。

次に、配電系統構成最適化部１７について説明する。配電ネットワーク構成は、どの開閉器を連系開閉器とするかにより、系統構成が変わり、それに伴って配電損失も大きく異なることになる。すなわち、損失は電流の２乗に比例するので、たとえば、図８（Ａ）での電力損失Ｌ_Ａは、
Ｌ_Ａ＝（２５^２×０．０３）＋（１５^２×０．０２）＋（５^２×０．０１）＝２３．５〔Ｗ〕
であり、図８（Ｂ）での電力損失Ｌ_Ｂは、
Ｌ_Ｂ＝（１０^２×０．０３）＋（１５^２×０．０２）＋（２０^２×０．０１）＝１１．５〔Ｗ〕
となる。従って、図８（Ｂ）の配電系統を採った場合の電力損失は、図８（Ａ）の配電系統を採った場合の電力損失よりも小さくなる。

配電系統においては、多数の開閉器の開・閉の組み合わせを配電損失が最小となるように決定する必要がある。ところが、実際の配電系統では、面構成の網目状に需要家が広がって存在しており、通常、営業所単位でも開閉器数が１０００程度にまで及ぶ。このため、系統構成候補の総数（すなわち、開閉器の開・閉の組合わせ総数）は膨大な数となる。

たとえば、開閉器が１０００個の場合には、系統構成候補は２^１０００個であり、１つの構成を１０^−３０秒で評価できたとしても、全体で約１０２９３年を要することとなる。これら開閉器の開・閉の組合わせの全てについて配電損失を計算して比較するとした場合には、演算時間が膨大となり現実的ではない。

一般に実系統における配電損失は、３〜４％であるが、配電損失をたとえば１％改善することで数億円／年のコスト削減が見込まれている。しかし、配電系統の構築において、電力損失を最小にするような最適化処理は従来達成されていない。

ところで、電力系統において電力損失を低減するために、メタヒューリスティクス手法を適用した最適化技術（たとえば、タブーサーチ、遺伝的アルゴリズム、シミュレーテッドアニーリング等を用いた近似最適化技術）が開発されている。メタヒューリスティクス手法では、全ての解の組み合わせを探索することはあきらめ、あるルールや概念に基づき、それに近い精度の解（近似最適解）を短時間で取得することができる。

しかし、このメタヒューリスティクス手法では、大域的最適解自体の取得は保証されていないため、得られた解が最適解であるか否かが不明であり、かつ候補となる解の数が多数であるため、得られた解が最適解であるか否かの検証ができないという問題がある。

配電系統構成最適化部１７は、３分割３連系配電方式等の多分割多連系を採用した配電ネットワークにおいて、ＲＯＢＤＤ（Ｒｅｄｕｃｅｄ Ｏｒｄｅｒｅｄ Ｂｉｎａｒｙ Ｄｅｃｉｓｉｏｎ Ｄｉａｇｒａｍ）等の厳密解法を用いて、効率よく運用制約を満足する候補を搾り込むことで、厳密な配電損失最小構成を決定できるものであり、これはあらゆる多分割多連系で構成される配電ネットワークに応用できるものであるが、以下説明の便宜上、３分割３連系を例にとって説明する。

図９に示すように、配電系統構成最適化部１７は、配電系統情報記憶装置２１と、ノードモデル情報記憶装置２２と、部分フィーダ作成手段２３と、精密計算手段２４と、損失計算手段２５と、配電損失最小構成特定手段２６と、操作表示手段２７とを備えている。なお、ノードモデル情報記憶装置２２は、図３に示すデータベース１９内に実装することもできる。

配電系統情報記憶装置２１は、配電系統の情報を格納している。ノードモデル情報記憶装置２２は、グラフィクスモデルで表した配電系統を、立上がり部によって３連系未満の閉じられた複数の部分フィーダに分割した情報を記憶している。

また、部分フィーダ作成手段２３は、各部分フィーダを、放射状構成制約を満たし、３分割制約を満たす分割態様を全数検索することができる。

精密計算手段２４は、フィーダ根元の線路容量制約を満たす候補の全てを厳密解法により算出することができる。また、損失計算手段２５は、部分フィーダ内での配電損失を計算することができる。
配電損失最小構成特定手段２６は、電圧降下制約を満たす候補の中から配電損失が最小となる候補１つを配電損失最小構成として特定することができる。なお、損失計算手段２５の機能を配電損失最小構成特定手段２６により実行するようにしてもよい。操作表示手段２７はユーザインタフェースである。

配電系統構成最適化部１７の機能を図１０により説明する。図１０において、まず配電系統情報記憶装置（配電系統情報ＤＢ）２１から配電系統情報を抽出する（Ｓ１１０）。後述するように、この情報には、系統構成情報、線種情報、負荷情報、配電線情報、開閉器情報等が含まれる。次に、これら抽出した情報をグラフィクスモデルに変換する（Ｓ１２０）。これにより、後述するノードや辺が定義される。

次に、上記のグラフィクスモデルを部分フィーダに分割する（Ｓ１３０）。すなわち、部分フィーダ作成手段２３が、グラフィクスモデルから部分フィーダを作成する。後述するように、ノード（フィーダ根元分岐点）とノード（フィーダ根元分岐点）をつなぐ線とをひとつの単位とする。

次に、ノードモデルを作成し（Ｓ１４０）、これをノードモデル記憶手段２２に登録する（Ｓ１５０）。そして、このノードモデルに対して制約を通過する態様を抽出する（Ｓ１６０）。Ｓ１６０には、各部分フィーダを、放射状構成制約を満たし、３分割制約を満たす分割態様を全数検索するステップを含むことができる。

つぎに、精密計算手段２４により厳密解法を適用する（Ｓ１７０）。この厳密解法には、たとえばＲＯＢＤＤが適用される。最後に、損失計算手段２５により配線損失を求め、配線損失最小構成を特定する（Ｓ１８０）。

《配電系統のグラフィクスモデル化と部分フィーダの作成》
図１１は、配電系統の典型例を示すグラフィクスモデルである。図１１において、配電用変電所Ｇ１からフィーダＦ１，Ｆ２が引き出されており、配電用変電所Ｇ２からフィーダＦ３，Ｆ４が引き出されている。フィーダＦ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４の立上がり点Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３，Ｕ４（黒塗りの丸で示す）を基点として敷設された配電線には、複数の開閉器が設けられている。これらの開閉器には、常時開の開閉器（白抜き四角で示す）と、常時閉の開閉器（黒塗り四角で示す）とがあり、常時開の開閉器が連系開閉器として機能する。開閉器間の配電線には区間負荷が存在し、図１１では区間負荷をアンペア〔Ａ〕で示してある。

連系開閉器の選択が不適切な場合には、配電系統の供給電圧が低下する。図１２（Ａ），（Ｂ）に、３分割３連系方式の配電系統の供給電圧とフィーダ容量（電流容量）との関係を示す。図１２（Ａ）では、配電用変電所Ｇからの電力はフィーダＦを介して立上がり点Ｕ（黒塗りの丸で示す）に供給される。立上がり点Ｕから引き出された配電線は正常稼動時には連系開閉器Ａ３，Ａ４，Ａ５で閉じられており、立上がり点Ｕ，開閉器Ａ１，Ａ５により閉じられた負荷区間、開閉器Ａ１，Ａ２，Ａ３により閉じられた負荷区間、開閉器Ａ２，Ａ４により閉じられた負荷区間にはそれぞれ１５０〔Ａ〕が供給されている。図１２（Ａ）ではこれらの負荷区間を点線円で示す。連系開閉器は、立上がり点Ｕにおける送り出し電圧（本実施形態では６９００〔Ｖ〕）が、電圧許容限界（本実施形態では６６００〔Ｖ〕）を下回らないように、連系開閉器を選択する必要がある（図１２（Ｂ）参照）。

《系統のグラフィクスモデル化と部分フィーダの作成》
実際の配電系統の配電線は、図１１に例示したように、フィーダＦ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４の立上がり点Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３，Ｕ４を基点とした放射状構成とされる。これらの放射状の（複数の）配電線は互いに常時開の開閉器により小区域に分割されており、これらの小区域同士は当該開閉器により連系している。

本例では、図１１に示したような配電系統のグラフィクスモデルを以下のようにして作成する。まず、配電系統の情報を配電系統情報ＤＢから抽出する。この配電系統の情報には、
・系統構成情報（系統構成・設備の接続状態に関する情報）
・線種情報（電線の種類）
・負荷情報（区間ごとの負荷量（ｋＷ））
・配電線情報（立上がり点、最大送出電流（配電線電流の年間最大値）、変電所フィーダ番号、配電線定格容量（配電線の許容電流値））
・開閉器の入・切情報
が含まれる。

つぎに、上記配電系統の情報をノードによるグラフィクスモデル（ノードモデル）に変換する。この変換には（１）〜（４）の処理を行う。
（１）開閉器と負荷区間は両端をノードとした辺にする。
（２）分岐点（配電線が交差する部分）をノードとする。
（３）配電用変電所および立上がり点に至る地中線は変換対象外とする。
（４）辺、ノードに番号を付与する。

図１３にノードモデルへの変換結果を示す。この結果は、ノードモデルデータベースに格納される。図１３では、線路区間の連結点のノードを白抜きの丸で示し、立上がり点のノードを黒塗りの丸で示し、フィーダ根元分岐点のノードを２重丸で示す。また、開閉器を斜線抜きの太線の辺で示し、負荷区間を実線の辺で示し、フィーダ根元負荷区間を黒塗りの太線の辺で示す。なお、図１３ではノードを２桁の数字で、辺を３桁の数字で示す。
次に、図１４に示すように、立上がりと立上がりとをつなぐ配電線を単位（部分フィーダＰＦ１〜ＰＦ４）に３連系を満たすように分割する。

そして、図１５に示すように、運用制約として、
（１）放射状構成制約
（２）フィーダ容量制約
（３）３分割制約
（４）電圧降下制約
のうち、（１），（３）の条件を満たすように、連系開閉器の探索を行う。図１５では、部分フィーダＰＦ１，ＰＦ２，ＰＦ３，ＰＦ４の探索結果を符号Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３，Ｋ４で示し、連系開閉器は空白で示してある。

なお、探索結果を符号Ｋ３では、３分割制約を満たさない態様（分割態様）、すなわち分割した配電線に４つ以上に分割されている（開閉器が３つ以上含まれる）分割態様が生じるが、この分割態様での開閉器は、連系開閉器の候補から除外される。

次に、図１６，図１７に示すように（２）を満たす連系開閉器による分割態様を探索する。図１６，図１７では、楕円で囲った分割態様で連系開閉器を選択した場合に、（２）が満たされている場合を示している。図１８（Ａ），（Ｂ）は、この図１６，図１７に基づく系統の算出結果（第１，第２の制約充足解）を示す。これにより、配電損失最小構成が求められる。

つぎに、厳密解法による処理を行う。すなわち、各部分フィーダから１つずつ解を選び、（２）のフィーダ容量制約と、（３）の３分割制約とを満足する解の組み合わせの全てを、ＲＯＢＤＤ（Ｒｅｄｕｃｅｄ Ｏｒｄｅｒｅｄ Ｂｉｎａｒｙ Ｄｅｃｉｓｉｏｎ Ｄｉａｇｒａｍ）を用いて算出する。ＲＯＢＤＤは、図１９（Ａ），（Ｂ）に示すような、論理関数を表現した二分決定グラフ（ＢＤＤ）をさらにコンパクトに効率良く表現したグラフである。図１９（Ａ），（Ｂ）では、ｘ_１からｘ_３に至るまでの経路（論理関数ｆ（ｘ_１，ｘ_２，ｘ_３））を求める際のＢＤＤを、ＲＯＢＤＤに変更した場合の例を示している。

算術制約式ではフィーダ容量制約は、
Ｓ（ｘ_１１，ｘ_１２，．．．，ｘ_ｉｊ）≦４５０
で表され、
構成選択制約（各部分フィーダからは１つの制約充足構成しか選択できないという制約）は、
Ｒ（ｘ_１１，ｘ_１２，．．．，ｘ_ｉｊ）＝１
で表され、
３分割制約（各フィーダには閉の開閉器を３つ未満という制約）は、
Ｆ（ｘ_１１，ｘ_１２，．．．，ｘ_ｉｊ）＝２
（ただし、ｘ_ｉｊ：０−１変数（部分フィーダｉのｊ番目の制約充足解が選ばれるなら１それ以外は０）を満たす解を全て抽出する）で表されるが、これは、図１４に示す節点「１」に至る経路を全て見つける場合と等価である。図２０において、Ｓ，Ｒ，ＦのＲＯＢＤＤによる論理式Ｗは、
Ｗ（ｘ_１１，ｘ_１２，．．．，ｘ_ｉｊ）＝１
Ｗ（ｘ_１，ｘ_２，ｘ_３）＝ｘ_１＋＜ｘ_２＞ｘ_３
（＜ｘ_２＞はｘ_２の共役）
で表される。

次に、配線損失最小構成を特定する処理を行う。すなわち、（４）電圧降下制約を満足する候補となる分割態様の中で、配電損失が最小となる構成を最適系統構成として決定する。ここで配電損失Ｌｏｓｓは、
Ｌｏｓｓ＝（各部分フィーダで計算した損失）＋（各フィーダ根元区間の損失）
で表される。

各フィーダの潮流から損失（電圧降下を含む）計算し、（４）の電圧降下制約を満足する構成の中から配電損失が最小となる構成を決定する。図２１（Ａ）に配電損失が電圧降下制約を満たす場合を示し、図２１（Ｂ）に配電損失が電圧降下制約を満たさない場合を示す。

図２２に示すような、３分割３連系配電系統のグラフィクスモデル、
開閉器数：１４０
フィーダ数：４０
系統構成候補：２^１４０個＝約１．３９×１０^４２個
に対し、本形態の配電系統構成最適化部１７の手法を適用して配電損失最小構成の決定を行なった場合、第１問題を通過した時点で、候補数は、約４．４４×１０^１３個であり、厳密解法による処理を通過した時点で候補は３２個になり、配線損失最小構成を特定する処理を通過した時点で候補は２つとなる。

この場合損失最小値は８１６．６３２［ｋＷ］であり、系統総需要は４９．７３１ＭＷに対して損失は１．６４２％であった。すなわち、実系統における損失が３〜４％であるので提案手法により約１．５％程度の損失改善がみられ、１年で４億円のコスト削減が見込める。このときの計算時間は、内部クロック１．７ＧＨｚのＣＰＵを用いて約３０分で計算が終了した。本発明との関係で言うと、任意の地点に連系されたフィーダが分散型電源とすることで最適な配電ネットワーク構成を短時間で求めることができる。

配電ネットワークを示す図である。 配電ネットワークに分散エネルギー源を連系する場合の概略図を示す図である。 本発明に係る支援装置の一例を示す図である。 支援装置の動作原理（各処理部の実施結果）を説明する図である。 支援装置の動作原理（各処理部の実施結果）を説明する図である。 支援装置の動作原理（各処理部の実施結果）を説明する図である。 支援装置の動作原理を説明する図である。 連系開閉器の選択態様により配電損失が異なる例を示す図であり、（Ａ）は電力損失が大きい場合を、（Ｂ）は電力損失が小さい場合を示す図である。 本発明の配電系統構成最適化部の一実施形態を示す構成図である。 本発明の配電系統構成最適化方法の一実施形態を示すフローチャートである。 配電系統の典型例を示すグラフィクスモデルである。 （Ａ），（Ｂ）は、３分割３連系方式の配電系統の供給電圧とフィーダ容量（電流容量）との関係を示す図である。 ノードモデルへの変換結果を示す図である。 立上がりと立上がりとをつなぐ配電線を単位に３連系を満たすように分割した様子を示す図である。 運用制約として、放射状構成制約、フィーダ容量制約、３分割制約、電圧降下制約のうち、放射状構成制約、３分割制約を満たすように連系開閉器の探索を行った場合の探索結果を示す図である。 フィーダ容量制約を満たす連系開閉器による分割態様を探索した結果を示す図である。 フィーダ容量制約を満たす連系開閉器による分割態様を探索した他の結果を示す図である。 （Ａ），（Ｂ）は、第１，第２の制約充足解を示す図である。 （Ａ）はＢＤＤの算出法を，（Ｂ）はＲＯＢＤＤの算出法を示す図である。 ＲＯＢＤＤによる算出法を具体的に示す説明図である。 （Ａ）は配電損失が電圧降下制約を満たす場合を示し、（Ｂ）は配電損失が電圧降下制約を満たさない場合を示す説明図である。 ３分割３連系配電系統のグラフィクスモデルを示す図である。

符号の説明

１０ 支援装置
１１ 入力装置
１２ 表示装置
１３ 地点別時間別受入限界量算出部
１４ ＤＧ出力変動推定部
１５ 貯蔵装置の容量決定部
１６ 注入電力決定部
１７ 配電系統構成最適化部
１８ 送出電圧制御部
１９ データベース
２１ 配電系統情報記憶装置
２２ ノードモデル情報記憶装置
２３ 部分フィーダ作成手段
２４ 精密計算手段
２５ 損失計算手段
２６ 配線損失最小構成特定手段
２７ 操作表示手段

Claims (2)

1. 配電系統情報と、過去の自然エネルギーを利用した分散型電源の出力情報と、が記憶された記憶手段と、
   前記記憶手段に格納された配電系統情報をもとに、配電線の指定された地点の指定された時期に、分散エネルギー源から注入しても安定供給に支障をきたさない量である受入限界量を算出し、その算出結果を出力手段に出力する出力地点別時間別受入限界量算出部と、
   前記記憶手段に格納された過去の自然エネルギーを利用した分散型電源の出力情報に基づき、これから想定される出力を予測する分散型電源出力変動推定部と、
   前記分散型電源変動推定部で求めた分散型電源の出力の時間推移に基づき、その分散型電源に併設される貯蔵装置の短時間刻みでの充放電パターンの影響を考慮して当該貯蔵装置の容量を決定する貯蔵装置の容量決定部と、
   負荷特性や分散型電源の出力特性の測定結果から、前記貯蔵装置の出力制御並びに前記分散型電源の出力制御を組み合わせることで、補償特性を適切に行ない、前記分散型電源の出力変動による需給不整合を解消する出力変動補償機能により注入電力を決定する注入電力決定部と、
   分散エネルギー源を、配電ネットワーク上の希望するある地点に連系することを想定した状態で、配電損失と，供給支障電力と，電圧不平衡率と、高調波電圧歪みとを許容範囲内で最小化することを同時に達成するような、配電ネットワークの構成を算出する配電系統構成最適化部と、
   前記配電系統構成最適化部で決定された配電ネットワーク構成において分散型電源が連系された配電系統の電圧を、負荷の軽重に関わらず許容範囲内に納めるように送出電圧を制御する送出電圧制御部と、
   を備え、
   前記配電系統構成最適化部は、
   配電系統の情報を格納した配電系統情報記憶装置と、
   グラフィクスモデルで表した前記配電系統を立上がり部によってＸ連系未満の閉じられた複数の部分フィーダに分割した情報を記憶するノードモデル情報記憶装置と、
   そのノードモデル情報記憶装置に記憶された前記複数の部分フィーダを全件検索して、放射状構成制約を満たし、Ｙ分割制約を満たす分割態様を求める部分フィーダ作成手段と、
   その部分フィーダ作成手段で求めた分割態様のうちフィーダ根元の線路容量制約を満たす当該分割態様の組み合わせの全てを厳密解法により算出する精密計算手段と、
   その精密計算手段により算出した前記分割態様の組み合わせについて、前記部分フィーダ内での配電損失を計算し、電圧降下制約を満たす候補の中から配電損失が最小となる候補１つを配電損失最小構成として特定する手段と、
   を備えたことを特徴とする分散型電源を配電ネットワークに連系する際の条件を決定する支援システム。
2. 分散型電源を配電ネットワークに連系する際の条件を決定する支援システムにおける条件を決定する方法であって、
   出力地点別時間別受入限界量算出部が、前記支援システムが持つ記憶手段に格納された配電系統情報をもとに、配電線の指定された地点の指定された時期に、分散エネルギー源から注入しても安定供給に支障をきたさない量である受入限界量を算出し、その算出結果を出力手段に出力する処理を実行し、
   分散型電源出力変動推定部が、前記記憶手段に格納された過去の自然エネルギーを利用した分散型電源の出力情報に基づき、これから想定される出力を予測する処理を実行し、
   貯蔵装置の容量決定部が、前記分散型電源変動推定部で求めた分散型電源の出力の時間推移に基づき、その分散型電源に併設される貯蔵装置の短時間刻みでの充放電パターンの影響を考慮して当該貯蔵装置の容量を決定する処理を実行し、
   注入電力決定部が、負荷特性や分散型電源の出力特性の測定結果から、前記貯蔵装置の出力制御並びに前記分散型電源の出力制御を組み合わせることで、補償特性を適切に行ない、前記分散型電源の出力変動による需給不整合を解消する出力変動補償を求めることで注入電力を決定するとともに、その決定した注入電力を前記出力装置に出力する処理を実行し、
   配電系統構成最適化部が、分散エネルギー源を、配電ネットワーク上の希望するある地点に連系することを想定した状態で、配電損失と，供給支障電力と，電圧不平衡率と、高調波電圧歪みとを許容範囲内で最小化することを同時に達成するような、配電ネットワークの構成を決定し、
   送出電圧制御部が、前記配電系統構成最適化部で決定された配電ネットワーク構成において分散型電源が連系された配電系統の電圧を、負荷の軽重に関わらず許容範囲内に納めるように送出電圧を制御する制御パターンを決定する処理を実行し、
   上記各処理を所定回数実行し、実行する都度、求めた前記受入限界量や前記注入電力を出力することで前記条件を決定するものであり、
   前記配電系統構成最適化部が、
   グラフィクスモデルで表した配電系統を、立上がり部によってＸ連系未満の閉じられた複数の部分フィーダに分割するステップと、
   前記各部分フィーダを、放射状構成制約を満たし、Ｙ分割制約を満たす分割態様を全数検索するステップと、
   その全数検索により求めた分割態様のうちフィーダ根元の線路容量制約を満たす当該分割態様の組み合わせの全てを厳密解法により算出するステップと、
   前記厳密解法により算出した前記分割態様の組み合わせについて、前記部分フィーダ内での配電損失を計算し、電圧降下制約を満たす候補の中から配電損失が最小となる候補１つを配電損失最小構成として特定するステップを実行することを特徴とする分散型電源を配電ネットワークに連系する際の条件を決定する支援方法。

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