負荷管理
ネットワーク上の電力供給のバランスをとるプロセス
毎日の負荷図。青は実際の負荷使用量を示し、緑は理想的な負荷を示します。

負荷管理（需要側管理、DSM ）は、発電所の出力ではなく負荷を調整または制御することにより、電力網への電力供給と電力負荷のバランスをとるプロセスです。これは、電力会社によるリアルタイムの直接介入、回路遮断器を作動させる周波数感応リレーの使用（リップル制御）、タイムクロック、または消費者行動に影響を与える特別料金の設定などによって実現できます。負荷管理により、電力会社はピーク使用時間帯の電力需要を削減（ピークシェービング）することができ、その結果、ピーク対応発電所の必要性がなくなるため、コスト削減につながります。さらに、ピーク対応発電所の中には、稼働開始までに1時間以上かかるものもあり、例えば発電所が予期せずオフラインになった場合などには、負荷管理がさらに重要になります。また、ピーク対応発電所や予備発電機は、ベースロード発電所よりも汚染度が高く、効率が低い場合が多いため、負荷管理は有害な排出物の削減にも役立ちます。民間企業[1]と公共機関[2]の両方で、新しい負荷管理技術が絶えず開発されています。[ 3]

簡単な歴史

近代的な電力会社負荷管理は、1938年頃にリップル制御を用いて始まりました。1948年までにリップル制御は実用的なシステムとなり、広く利用されるようになりました。[4]

チェコ人がリップル制御を初めて使用したのは1950年代でした。初期の送信機は、現代のシステムと比較するとわずか50キロボルトアンペアと低電力でした。回転発電機で、1050Hzの信号を配電網に接続された変圧器に供給していました。初期の受信機は電気機械式リレーでした。その後、1970年代には、高出力半導体を搭載した送信機が使用されるようになりました。これらは可動部品がないため、より信頼性が高いです。現代のチェコのシステムはデジタル「電報」を送信します。各電報の送信には約30秒かかります。電報は約1秒長のパルスで構成されています。いくつかのフォーマットがあり、地域によって使用されています。[5]

1972年、セオドア・ジョージ「テッド」パラスケバコスは、アラバマ州ハンツビルのボーイング社に勤務していた当時、セキュリティ、火災、医療警報システム、そしてあらゆる公共サービスのメーター読み取り機能にデジタル伝送を用いたセンサー監視システムを開発しました。この技術は、彼が特許を取得した自動電話回線識別システム（現在は発信者IDとして知られています）から派生したものです。1974年、パラスケバコスはこの技術で米国特許を取得しました。[6]

アラバマ電力会社からの依頼を受け、パラスケバコスは自動メーター読み取り技術と併せて負荷管理システムを開発しました。このシステムでは、ワット電力メーターのディスク速度とそれに基づく電力消費量を監視する機能を活用しました。この情報と時間帯を組み合わせることで、電力会社は個々のメーターに指示を与え、給湯器やエアコンの消費量を管理することで、日中の消費量が多い時間帯におけるピーク消費を防ぐことができました。この手法により、パラスケバコスは複数の特許を取得しました。[7]

利点と動作原理

電気エネルギーは、効率的に大量に貯蔵できないエネルギーであるため、即座に発電、配電、消費する必要があります。システムの負荷が最大発電能力に近づくと、ネットワーク事業者は追加のエネルギー供給源を見つけるか、負荷を抑制する方法、つまり負荷管理を見つける必要があります。もしこれらの対策が不十分な場合、システムは不安定になり、停電が発生する可能性があります。

長期的な負荷管理計画は、配電網の物理的特性（トポロジー、容量、その他の線路特性など）と負荷挙動を記述する高度なモデルの構築から始まる場合があります。分析には、気象予報、提案された負荷制限指令の影響予測、オフライン機器の推定修復時間、その他の要因を考慮したシナリオが含まれる場合があります。

負荷管理を活用すると、発電所は平均設備利用率の指標である設備利用率を高めることができます。設備利用率は、発電所が生産できる最大出力と比較した出力の指標です。設備利用率は、通常、平均負荷と容量の比率、または一定期間の平均負荷とピーク負荷の比率として定義されます。負荷率が高いほど有利な理由は、発電所は低負荷率では効率が低くなる可能性があり、負荷率が高いということは、固定費がより多くの kWh の出力に分散される (結果として電力単価が低くなる) ことを意味し、負荷率が高いということは、総出力が大きくなることを意味します。電力負荷率が、燃料不足、保守停止、予期せぬ故障、または需要の減少 (消費パターンは一日を通して変動するため) の影響を受ける場合は、グリッドエネルギー貯蔵が法外に高価になることが多いため、発電を調整する必要があります。

自家発電ではなく電力を購入している小規模電力会社も、負荷制御システムの導入によってメリットを享受できることに気づいています。ピーク電力使用時に電力会社に支払うペナルティを大幅に削減できます。多くの企業が、負荷制御システムは1シーズンで投資を回収できると報告しています。

デマンドレスポンスとの比較

負荷削減の決定は、システムの信頼性に基づいて行われます。電力会社はいわば「スイッチを所有」しており、配電システムの安定性または信頼性が脅かされる場合にのみ負荷を削減します。電力会社（発電、輸送、配電事業を営む）は、正当な理由なく業務プロセスを中断することはありません。負荷管理は適切に行われれば、非侵襲的であり、消費者に負担をかけることはありません。負荷はオフピーク時間帯に移行する必要があります。

デマンドレスポンスは、スマートグリッド制御の負荷制御スイッチなどのデバイスを用いて、消費者が「オンオフスイッチ」を操作できるようにします。多くの家庭消費者は年間を通して定額の電気料金を支払っていますが、電力会社のコストは実際には需要、配電網、そして電力会社の発電ポートフォリオの構成によって常に変動します。自由市場では、エネルギーの卸売価格は一日を通して大きく変動します。スマートグリッドによって実現されるようなデマンドレスポンスプログラムは、コストへの懸念に基づいて消費者が使用量を制限するよう促そうとします。日中にコストが上昇する（システムがピーク容量に達し、より高価なピーク時発電所が使用される）ため、自由市場経済では価格の上昇が許容されるべきです。商品に対する需要の減少はそれに応じて価格の下落と一致するはずです。これは予測可能な供給不足には有効ですが、予期せぬ機器の故障により、多くの危機は数秒以内に発生します。停電を回避するためには、これらの危機を同じ時間枠内で解決する必要があります。デマンドレスポンスに関心を持つ多くの電力会社は、価格更新が消費者に公開される前に「オンオフスイッチ」を操作できるように、負荷制御機能にも関心を示しています。[8]

負荷制御技術の応用は、無線周波数通信と電力線通信の両方をベースとしたシステムの販売により、今日も拡大を続けています。特定の種類のスマートメーターシステムは、負荷制御システムとしても機能します。充電制御システムは、ピーク時間帯における電気自動車の充電を抑制できます。V2Gシステムは、電気自動車のバッテリーから電力会社に電力を供給したり、車両バッテリーの充電速度を低下させたりすることができます。[9]

リップル制御

リップル制御は負荷制御の一般的な形態であり、米国、オーストラリア、チェコ共和国、ニュージーランド、英国、ドイツ、オランダ、南アフリカなど、世界中の多くの国で使用されています。リップル制御では、主電源信号の標準的な50～60Hzに、より高い周波数の信号（通常は100～1600Hz [10]）を重畳します。住宅や産業用の非必須負荷に接続された受信装置は、この信号を受信すると、信号が無効化されるか、別の周波数信号を受信するまで負荷を停止します。

リップル制御の初期導入は、第二次世界大戦中に世界各地で行われ、配電網を介して通信するシステムを用いていました。初期のシステムでは、変圧器を介して配電網に接続された回転発電機が使用されていました。リップル制御システムは通常、2段階（またはそれ以上）の料金体系と組み合わされており、ピーク時（夕方）には電気料金が高く、低利用時間帯（早朝）には電気料金が安くなります。

影響を受ける住宅用機器は地域によって異なりますが、住宅用電気温水器、エアコン、プールポンプ、作物灌漑用ポンプなどが含まれる可能性があります。負荷制御機能を備えた配電網では、これらの機器には通信制御装置が装備されており、制御対象機器のデューティサイクルを制限するプログラムを実行できます。消費者は通常、負荷制御プログラムへの参加に対して、電気料金の割引という特典を受けます。電力会社による適切な負荷管理により、計画停電を回避し、コストを削減する ための負荷制限を実施できます。

リップル制御は、電力の過剰生産が発生した場合に 太陽光発電システムをオフにするためにも使用されます。

リップル制御は、温水器やベースボード式電気ヒーターなどの快適機器の電源をオンにするための信号を機器が受信できないことがあるため、あまり一般的ではありません。最新の電子受信機は、古い電気機械式システムよりも信頼性が高くなっています。また、一部の最新システムでは、快適機器の電源をオンにするためにテレグラムを複製しています。また、多くの要望に応えて、多くのリップル制御受信機には快適機器を強制的にオンにするスイッチが搭載されています。

現代のリップル制御は、30秒から180秒の長さのデジタル電報を送信します。元々は電気機械式リレーによって受信されていましたが、現在ではマイクロプロセッサによって受信されることが多くなっています。多くのシステムは、快適機器（例えば給湯器）が確実に作動するように、電報を繰り返し送信しています。送信周波数は人間の可聴範囲にあるため、電線、白熱電球、変圧器などを振動させて聞こえるほどに振動させることがよくあります。[5]

電報は地域によって異なる規格に従っています。例えばチェコ共和国では、地域によって「ZPA II 32S」、「ZPA II 64S」、そしてVersacomが使用されています。ZPA II 32Sは、2.33秒のオン、2.99秒のオフ、そして1秒間隔のパルス（オンまたはオフ）を32回送信します。各パルスの間には1秒の「オフタイム」が設けられています。ZPA II 64Sはオフタイムがはるかに短く、64個のパルスを送信またはスキップすることができます。[5]

近隣地域では、電報が希望する地域でのみ機能するように、異なる周波数や電報を使用しています。地域電力網を連系線に接続する変圧器には、リップル制御信号を長距離電力線に伝送するための装置（ブリッジコンデンサ）が意図的に設置されていません。[5]

電報の各データパルスはコマンド数を2倍に増やすことができ、32個のパルスで2^32個の異なるコマンドを処理できます。しかし実際には、特定のパルスは特定の種類のデバイスまたはサービスに関連付けられています。一部の電報には特殊な目的があります。例えば、ほとんどのリップル制御システムには、接続されたデバイスの時計を例えば真夜中に設定するための電報があります。[5]

Zellweger オフピークは、リップル制御システムの一般的なブランドの 1 つです。

無線リップル制御

近年、従来の電力線リップル信号システムに代わる無線負荷管理（「無線リップル制御」とも呼ばれる）信号システムが導入されている。 [11]一部の無線負荷管理システムは、セキュリティ対策が不十分で、電力網のセキュリティを危険にさらしたり、街灯の点灯・消灯を可能にしたりする可能性があると批判されている。[12]

周波数ベースの分散型需要制御

負荷が大きくなると、系統の同期発電機の回転子の回転速度が物理的に遅くなります。そのため、系統の負荷が大きい場合、AC 主電源の周波数がわずかに低下します。周波数の低下は、系統全体に直ちに影響を及ぼします。安価なローカル電子機器を使用すれば、主電源の周波数を簡単かつ正確に測定し、遮断可能な負荷をオフにすることができます。制御機器 (電力メーター、空調システムのサーモスタットなど) にすでにマイクロコントローラが搭載されている場合など、この機能はほぼ無料です。ほとんどの電子式電力メーターは内部で周波数を測定しており、機器をオフにするには需要制御リレーのみが必要です。他の機器では、主電源サイクルを検知する抵抗器分割器と、マイクロコントローラのデジタル入力が信頼性の高い高速デジタルエッジを検知できるようにするためのシュミット トリガ(小型の集積回路) のみが必要な場合もあります。シュミット トリガは、多くのマイクロコントローラで既に標準装備されています。

リップル制御に対する主な利点は、顧客の利便性の向上です。リップル制御電文が受信されないと、給湯器が停止したままになり、シャワーが冷たくなってしまう可能性があります。また、エアコンが停止したままになり、家の中が蒸し暑くなることもあります。一方、電力系統が回復すると周波数は自然に正常値に戻るため、周波数制御負荷制御では給湯器、エアコン、その他の快適機器が自動的に作動します。機器コストは低く抑えられ、リップル制御領域の重複や未到達、誤受信コード、送信機電力などの問題もありません。

リップル制御と比較した主な欠点は、制御の粒度が小さいことです。例えば、系統管理者はどの負荷を遮断するかを選択できる権限が限られています。戦時中の統制経済においては、これは大きなデメリットとなり得ます。

このシステムは21世紀初頭にPNNLで発明され、グリッドを安定化させることが実証されています。 [13]

スキームの例

アメリカ、イギリス、フランスを含む多くの国では、電力網は負荷管理計画において民間の緊急ディーゼル発電機を日常的に使用しています[14]

フロリダ

世界最大の住宅用負荷制御システム[15]はフロリダ州にあり、フロリダ・パワー・アンド・ライト社（ FPL）によって管理されています。このシステムは80万台の負荷制御トランスポンダー（LCT）を活用し、1,000MW（緊急時には2,000MW）の電力を制御しています。FPLは、この負荷管理プログラムのおかげで、多くの新規発電所の建設を回避することができました。[16]

オーストラリアとニュージーランド

ニュージーランドの住宅に設置されたリップル制御受信機。左側のブレーカーは貯湯式ヒーター（現在オン）への供給を制御し、右側のブレーカーは夜間蓄熱ヒーター（現在オフ）への供給を制御している。

1950 年代以来、オーストラリアとニュージーランドではリップル制御に基づく負荷管理システムが導入されており、家庭用および業務用の貯湯式ヒーターへの電力供給のオン/オフや、夜間店舗のヒーターや街灯の遠隔制御が可能になっています。各ローカル配電網内にあるリップル注入装置は、顧客構内のリップル制御受信機に信号を送ります。制御は、ローカル配電網会社がローカル停電や送電システムオペレータ( Transpower など)からの需要削減要請に応じて手動で行う場合と、注入装置が主電源周波数が 49.2 Hz を下回ったことを検出した場合に自動的に行う場合があります。リップル制御受信機は複数のリップル チャネルの 1 つに割り当てられ、ネットワーク会社はネットワークの一部でのみ供給をオフにし、一定期間の停電後に給湯器への電力供給が回復したときに段階的に供給を回復して需要急増の影響を軽減することができます。

地域によっては、消費者が2つの電力メーターを所有している場合があり、1つは通常供給用（「いつでも」）で、もう1つは負荷管理供給用（「制御」）です。制御供給は、いつでも供給よりもキロワット時あたりの料金が低くなります。負荷管理供給はあるもののメーターが1つしかない場合は、いつでも供給と制御供給の中間の料金である「複合」料金で電気料金が請求されます。

チェコ共和国

チェコ人は1950年代からリップル制御システムを運用している。[5]

フランス

フランスにはEJP料金制度があり、これにより特定の負荷を切断したり、消費者に特定の負荷の切断を促したりすることができます。[17]この料金は、新規顧客は利用できなくなりました（2009年7月現在）。[18] Tempo料金制度には、異なる料金で異なる日数が含まれていますが、これも新規顧客向けには廃止されました（2009年7月現在）。[19]夜間の割引料金は、月額料金を高くすることで利用できます。[20]

ドイツ

配電事業者のWestnetzとgridXは、負荷管理ソリューションの試験運用を行いました。このソリューションにより、送電事業者は地域のエネルギー管理システムと通信し、送電網の状態に応じてEV充電に利用可能な負荷を調整できるようになります。[21]

イギリス

英国のRltecは2009年、家庭用冷蔵庫に同社の動的負荷応答システムが搭載されていると報告した。2011年には、セインズベリー・スーパーマーケットチェーンが暖房・換気設備に動的需要技術を採用すると発表された。[22]

英国では、夜間蓄熱式ヒーターは、時間切替式のオフピーク供給オプション（エコノミー7またはエコノミー10）と組み合わせて使用​​されることが多い。また、設置された周波数感応リレーによって自動的に作動する遮断器を用いて産業用負荷を遮断するプログラムもある。これは、ディーゼル発電機を使用するプログラムであるStanding Reserveと連携して運用される。 [23]これらの電力は、BBCラジオ4の長波ラジオのテレスイッチを用いて遠隔で切り替えることも可能である。

SP 送電は、内蔵発電をリアルタイムで監視し、送電ネットワークで過負荷が検出された場合はそれらを切断する動的負荷管理スキームをダンフリース・アンド・ガロウェイ地域に導入しました。

参照

参考文献

  1. ^ 民間企業が開発した最大の負荷管理システムの例
  2. ^ 米国エネルギー省、電力供給・電力信頼性局
  3. ^ 現在の米国エネルギー省プロジェクトの分析 2008年10月15日アーカイブ、Wayback Machine
  4. ^ Ross, TW; Smith, RMA (1948年10月). 「高電圧ネットワークにおける集中リップル制御」 . Journal of the Institution of Electrical Engineers - Part II: Power Engineering . 95 (47): 470– 480. doi :10.1049/ji-2.1948.0126 . 2019年10月18日閲覧。[リンク切れ]
  5. ^ abcdef 「リップル制御」。EnergoConsult CB SRO 。 2019年10月18日閲覧。
  6. ^ 米国特許第3,842,208号（センサー監視装置）
  7. ^ 米国特許第4,241,237号、第4,455,453号、および第7,940,901号（製品およびサービスの遠隔管理）およびカナダ特許第1,155,243号（遠隔センサー監視、計測および制御のための装置および方法）
  8. ^ NA Sinitsyn. S. Kundu, S. Backhaus (2013). 「不均一なサーモスタット制御負荷集団で電力パルス を生成するための安全なプロトコル」. Energy Conversion and Management . 67 : 297–308 . arXiv : 1211.0248 . Bibcode :2013ECM....67..297S. doi :10.1016/j.enconman.2012.11.021. S2CID  32067734.
  9. ^ Liasi, Sahand Ghaseminejad; Golkar, Masoud Aliakbar (2017). 「マイクログリッドへの電気自動車接続がピーク需要に及ぼす影響（需要応答の有無による）」. 2017年イラン電気工学会議 (ICEE) . pp.  1272– 1277. doi :10.1109/IranianCEE.2017.7985237. ISBN 978-1-5090-5963-8. S2CID  22071272。
  10. ^ Jean Marie Polard. 「リモートコントロール周波数」 . 2011年6月21日閲覧。
  11. ^ A. Dán; D. Divényi; B. Hartmann; P. Kiss; D. Raisz; I. Vokony (2024-01-17). 「スマートメーター環境における需要側管理の展望」. RE&PQJ . 9 (1). doi :10.24084/repqj09.564. ISSN  2172-038X.
  12. ^ Bräunlein, Fabian; Melette, Luca (2024). 「[38c3] BlinkenCity: 無線制御街灯と発電所」第38回カオスコミュニケーション会議. 2024年12月29日閲覧。
  13. ^ Kalsi, K.; et al. 「負荷を資源として：周波数応答型需要制御」（PDF）pnnl.gov .米国政府. 2018年2月16日閲覧。
  14. ^ Claverton Energy 専門家ライブラリ 2010年2月17日アーカイブ、Wayback Machine
  15. ^ Michael Andreolas (2004年2月). 「メガロードマネジメントシステムが利益をもたらす」 . 2011年6月21日閲覧。
  16. ^ 「FPL、省エネプログラム強化案を提出」2006年5月。2011年6月16日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2011年6月21日閲覧。
  17. ^ クラバートンエネルギー専門家
  18. ^ (フランス語) EDF EPJ 2009年6月24日アーカイブ、Wayback Machine
  19. ^ (フランス語) EDF Tempo Archived June 24, 2009, at the Wayback Machine
  20. ^ （フランス語） EDF価格表
  21. ^ 「GridX プレスリリース: パイロットの成功に続き、gridX は Westnetz との協力に合意」。
  22. ^ ニュース/メディア/ダウンロード | ダイナミックデマンド、スマートグリッドソリューション、エネルギーバランス
  23. ^ イングランド、スコットランド、ウェールズおよびオフショアの国営電力送電システム運用者 (NETSO) である National Grid によるバックアップ発電および負荷軽減の商業機会。
  • 自動車アプリケーション向け負荷マネージャー
  • 分散型エネルギー資源顧客採用モデル（DER-CAM）
  • エネルギーと革新技術センター
  • オランダにおける波及効果のすべて。オランダのトゥーンフリークエントでエールを飲む
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