JP2016036221A - 電力推定装置および電力推定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】無効電力が調整されている負荷が系統に存在していても電力推定を行うことが可能な電力推定装置及び電力推定方法を提供する。
【解決手段】ステップS１では、入力された現在までの計測した有効電力と日射量からICAによる分析を行うための学習データを作成する。その際、学習データのサンプル数は、任意に決定できる。ステップS２では、ステップS１において作成した学習データを用いて定式化した混合行列の逆行列である復元行列を算出する。ステップS３では、ステップS２において算出した復元行列に、推定時刻に計測した有効電力と日射量を行列演算して、個別に、実負荷の有効電力と太陽光発電量の有効電力を推定する。
【選択図】図４

Description

本発明は、電力推定装置および電力推定方法に関し、特に、電力系統に連系した負荷が消費する有効電力および太陽光発電装置が出力する有効電力を正確に推定する技術に関する。

近年、配電系統に大量の太陽光発電装置が導入されている。配電系統の適切な運用のためには、負荷（以下，実負荷とも呼ぶ）が消費する有効電力並びに太陽光発電装置が出力する有効電力を正確に把握する必要がある。

下記に示す特許文献１および特許文献２には、計測した有効電力と無効電力から、負荷が消費する有効電力と、太陽光発電装置が出力する有効電力とを独立成分分析を用いて分離する技術が開示されている。

この特許文献１及び特許文献２は、両者間に本質的な差は無く、計測した有効電力と無効電力から、負荷が消費する有効電力と、太陽光発電装置が出力する有効電力とを独立成分分析を用いて分離することが記載されている。簡潔に両者を区別すれば、特許文献１はオフラインで行う推定技術であるのに対して、特許文献２はリアルタイムで行う推定技術であり、両者は同じ技術と考えられる。

特開２０１２−０９５４７８号公報 特開２０１２−１７０２３６号公報

特許文献１及び特許文献２では、計測した有効電力と無効電力から独立成分分析により実負荷の有効電力と太陽光発電量出力の有効電力を分離している。しかし、独立成分分析の混合行列の定式化の際に、負荷の力率を一定と仮定しているため、スタティック・コンデンサ(Static Condenser)等の無効電力を調整する機器が導入されていると、負荷の力率が一定とならず、適用することが困難である。

そこで本発明は、無効電力が調整されている負荷が系統に存在していても電力推定を行うことが可能な電力推定装置及び電力推定方法を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するために本発明の電力推定装置は、電力系統に複数の負荷及び複数の太陽光発電装置が接続され、計測した電力の値と計測もしくは推定した日射量の値から負荷が消費する有効電力及び又は太陽光発電が出力する有効電力を推定する電力推定装置において、
該電力推定装置は、
１もしくは複数の有効電力を計測する有効電力計測手段と、
１もしくは複数の日射量を計測及び又は推定する日射量計測・推定手段と、
前記有効電力計測手段で計測した有効電力と前記日射量計測・推定手段で計測及び又は推定した日射量とから独立成分分析を用いて、２種類の有効電力を分離する有効電力分離手段と、を備え、
推定時点に計測した有効電力と計測及び又は推定した日射量を用いて、前記有効電力分離手段により、実負荷が消費する有効電力と、太陽光発電装置の有効電力を推定することを特徴とする。

また上記において、独立成分分析を用いる前記有効電力分離手段は、日射量と太陽光発電装置の有効電力の線形な関係から太陽光発電実稼働容量を用いて混合行列を定式化する機能を備え、該機能を用いて２種類の有効電力を分離する、ことを特徴とする。

また上記において、前記太陽光発電実稼働容量を表示画面に画面表示する、ことを特徴とする。
上記課題を解決するために本発明の電力推定方法は、電力系統に複数の負荷及び複数の太陽光発電装置が接続され、計測した電力の値と計測もしくは推定した日射量の値から負荷が消費する有効電力及び又は太陽光発電が出力する有効電力を推定する電力推定装置における電力推定方法であって、
１もしくは複数の有効電力を計測するステップ、
１もしくは複数の日射量を計測及び又は推定するステップ、
前記計測した有効電力と前記計測及び又は推定した日射量を観測信号として独立成分分析を用いて、２種類の有効電力の原信号を分離する混合行列の定式化を構築するステップ、
推定時点に計測した有効電力と計測及び又は推定した日射量および前記構築化した混合行列の定式化を用いて、２種類の前記有効電力を、実負荷の有効電力と、太陽光発電装置の有効電力を推定するステップ、を含むことを特徴とする。

また上記において、独立成分分析を用いて、２種類の有効電力の原信号を分離する混合行列の定式化を構築するステップは、日射量と太陽光発電装置の有効電力の線形な関係から太陽光発電実稼働容量を用いて混合行列を定式化する、ことを特徴とする。

また上記において、前記太陽光発電実稼働容量を表示画面に画面表示するステップをさらに含む、ことを特徴とする。

本発明によれば、無効電力が調整されている負荷に対しても、独立成分分析における混合行列の定式化として日射量と太陽発電量の関係から太陽光発電実稼働容量を用いることで、適切に推定することができる。

本発明の実施形態に係る配電系統の構成例を示す図である。 本発明の実施形態に係る電力推定装置の構成例を示す図である。 本発明の実施形態に係る混合行列を定式化するための系統構成を縮約して示した図である。 本発明の実施形態に係る推定処理部による処理フローを示す図である。 本発明による実負荷推定結果と従来法による実負荷推定結果をそれぞれ真値と比較して示したグラフである。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る配電系統の構成例を示す図である。図１において本発明の実施形態に係る配電系統は、変電所１以下の配電線に、負荷および太陽光発電装置がつながる構成になっている。図示例で配電線は、Ａ系統、Ｂ系統に分けられているが、配電線には１もしくは複数の電力計P1，・・・,P4が設けられており、当該電力計P1，・・・,P4が計測した有効電力は定期的に電力推定装置１０に伝送される。

図１には、太陽光発電装置が一般家庭の屋根に設置されている例が示されており、太陽光発電装置によって発電された電力は、インバータを介して交流に変換されて一般家庭で消費されるとともに発電余力が生じた場合には系統に電力を供給することも可能にされている。また配電系統には一般家庭だけでなく、図示例のような工場は、太陽光発電装置(発電パネル)を有さずに、工場内のモータ、コンデンサ（リアクタンス）、及び、一般的な電力負荷、等から成るエネルギーを消費する負荷が接続され、配電線を経て供給される電力を消費するものとして記述されている。なお、無効電力補償装置２０は、無効電力の調整を行うもので、それ自体の機能は当業者に知られているのでその説明を省略する。なお、図１に示す配電系統の構成例は、単なる例示であり、実際は、これより多くの一般家庭、工場等が配電線に接続されることになる。

さらに、配電系統には１以上の日射量計Ｉ（図１には１つしか図示していない）が設置されるとともに該日射量計Ｉによって計測された日射量が上記した電力計と同様に電力推定装置１０に伝送され、電力推定装置１０により実負荷が消費する有効電力および太陽光発電装置が出力する有効電力の推定処理に利用される。なお日射量計Ｉを設置することは、本発明において必須の構成要素ではなく、日射量計が設置されていなくとも気象庁などが提供する日照時間を基に所定の計算式により日射量を推定しそれを用いるようにしても良い。

図２は、本発明の実施形態に係る電力推定装置の構成を示す図である。図２に示す本発明の電力推定装置１０は、コンピュータ等の情報を処理する汎用の装置で構成されており、当該装置には、特に図示しないが、ＣＰＵ（中央処理ユニット）、記憶装置（ハードディスク）、内部メモリ、通信機能部、入出力インタフェース、入出力装置など当業者によく知られたハードウェア構成を備えている。そして上記記憶装置には予め所定のアプリケーションプログラムが記憶されており、上記ＣＰＵが内部メモリを使用しながらこのアプリケーションプログラムを読出して実行することにより下記に記述する推定処理部１４の機能を実現する。

上記電力推定装置１０が備えるハードウェア構成の下に、バス１５で相互に接続されている、
入力部１１は、電力計P1〜P4から計測された有効電力を収集する。日射量も配電系統に接続された日射量計Ｉから収集するか、もしくは気象庁等から提供されるデータをオペレータが直接入力して得る。したがって日射量は、系統内に設置された日射量計Ｉの値もしくは気象庁等から提供されたデータを基に電力推定装置１０内で推定した値となる。また、気象情報・暦情報も外部装置（不図示）から収集、もしくは直接入力できるものとする。

メモリ部１２は、入力部１１から入力された情報を蓄積するとともに、後述する推定処理部１４などの他の機能で処理した情報を蓄積する。
出力部１３は、装置内に設けられた上記ＣＰＵ（不図示）が予め格納されているアプリケーションプログラム（不図示）を用いて計算してメモリ部１２内に蓄積された情報を、例えば装置内のディスプレイ(不図示)に表示したり、紙にプリントアウトすることができ、更に外部（不図示）に出力することもできる。

推定処理部１４は、後述する独立成分分析を用いて実負荷が消費する有効電力および太陽光発電装置が出力する有効電力を推定する。この推定処理を以下で詳細に説明する。すなわち、
独立成分分析（以下、ICA: Independent Component Analysisと略記）は、多変量解析の１手法であり、未知の複数の信号が混合した観測信号を基にして原信号に分離する手法である。ICAの基本となる式を次式１に示す。すなわち、

ICAは、原信号が互いに統計的に独立であることを条件とし、次の式２に示すように混合行列の逆行列と観測信号の積の分布が最もガウス分布から遠ざかるように復元行列Ｗを求める。

ICAでは、観測信号の数が原信号の数以上あれば原信号の分離・推定が行えるが、不確定要素としてScaling問題（復元信号の大きさが原信号の定数倍したものになること）、Permutation問題（推定信号と原信号の順序が異なること）への対応が必要となる。これらの対応として、先行技術文献として提示した上記特許文献１及び２では、配電系統における負荷と太陽光との関係から、次の式３に示すような混合行列の定式化が行われている。そして混合行列の未知の要素を定式化することで、上述のScaling問題、Permutation問題に対応することができる。

しかし、従来の定式化では、負荷の力率を一定と仮定しているため、無効電力が調整されている負荷に対してそのまま適用することができない。そこで本発明は、図３に示すような系統構成縮約図を基にして、混合行列を定式化する。本発明では計測機器（図示例ではセンサ）が計測した有効電力と日射量情報（例えば、上述した日射量計Ｉから得た日射量データ）を用いて、次式４に示す新しい定式化を発案し、これを用いるようにしたものである。

上記式４に示した本発明による定式化では、センサによって計測した有効電力と日射量を観測信号として用い、実負荷が消費する有効電力と太陽光発電装置が出力する有効電力を原信号として定式化したものである。

計測した有効電力
は、配電損失を無視すると、実負荷が消費する有効電力
と太陽光発電装置が出力する有効電力
の差分から求めることができる。一方、日射量
は、太陽光発電量
に比例することから、“太陽光発電実稼働容量”
という係数を定義してこれを用いて算出することができる。定義する“太陽光発電実稼働容量”とは、太陽光発電装置の稼働率，太陽光パネルの設置方面，太陽光パネルの設置角度，太陽光パネルの効率，太陽光パネルの温度モジュール効率，太陽光パネルの経年劣化を含んだ値であり、季節によってほぼ一定とみなせるものである。

図４は本発明の実施形態に係る推定処理部による処理フローを示す図である。なお、図４においてはステップを“S”と略記する。
ステップS１における学習データの作成では、メモリ部１２に入力された現在までの計測した有効電力と日射量からICAによる分析を行うための学習データを作成する。学習データの抽出方法は、気象情報・暦情報から気象や曜日種別を考慮した日のデータを抽出してもよい。また、学習データのサンプル数は、任意に決定できるものとする。

次にステップS２におけるICAによる復元行列の算出では、上記ステップS１において作成した学習データを用いて上記した式４で定式化した混合行列の逆行列である復元行列を算出する。

最後のステップS３における実負荷と太陽光発電量の推定では、上記ステップS２において算出した復元行列及び推定時刻に計測した有効電力と日射量を用いて、上記した式２により実負荷と太陽光発電量の有効電力を推定する。

図２に示した本発明の電力推定装置１０によって推定された、実負荷（図上）と太陽光発電量（図下）の推定結果を図５に示す。図５は、計測周期を15分周期(１日96点)とし、無効電力が調整された負荷の実データを用いた年間オンライン評価を実施した際の結果である。本発明の手法としては、計測した有効電力（Ｐ）と日射量（Ｉ）から上記の式４に示した混合行列の定式化を用いた場合とした。これに対し従来法としては、計測した有効電力（Ｐ）と無効電力（Ｑ）から上記した式３に示した混合行列の定式化を用いた場合とした。

この結果、図５の（ａ）に示す本発明の推定結果は真値に追従しているのに対して、図５の（ｂ）に示す従来法では推定値がバラついており、本発明による推定精度が良好であることがわかる。

なお、図５の（ａ）に示す本発明の推定結果を画像表示するに当たっては、上記の式４に示した混合行列の定式化を用いているので、混合行列に記載されている、
（太陽光発電実稼動容量）について、その変化の推移をグラフに表示することができる。つまり、上記したように、
（太陽光発電実稼動容量）は、太陽光発電装置の稼働率，太陽光パネルの設置方面，太陽光パネルの設置角度，太陽光パネルの効率，太陽光パネルの温度モジュール効率，太陽光パネルの経年劣化を含んだ値であり、季節によってほぼ一定とみなせるものであるが、季節の途中でもその推移が急変した時点を捉えることで太陽光パネルの異変をいち早く察知することが可能となる。

１ 変電所
１０ 電力推定装置
１１ 入力部
１２ メモリ部
１３ 出力部
１４ 推定処理部
１５ バス
２０ 無効電力補償装置
３０ 開閉器S5
Ｉ 日射量計
P1〜P4 電力計
S1〜S4 開閉器

Claims (6)

1. 電力系統に複数の負荷及び複数の太陽光発電装置が接続され、計測した電力の値と計測もしくは推定した日射量の値から負荷が消費する有効電力及び又は太陽光発電が出力する有効電力を推定する電力推定装置において、
   該電力推定装置は、
   １もしくは複数の有効電力を計測する有効電力計測手段と、
   １もしくは複数の日射量を計測及び又は推定する日射量計測・推定手段と、
   前記有効電力計測手段で計測した有効電力と前記日射量計測・推定手段で計測及び又は推定した日射量とから独立成分分析を用いて、２種類の有効電力を分離する有効電力分離手段と、を備え、
   推定時点に計測した有効電力と計測及び又は推定した日射量を用いて、前記有効電力分離手段により、実負荷が消費する有効電力と、太陽光発電装置の有効電力を推定することを特徴とする実負荷推定装置。
2. 請求項１記載の電力推定装置において、
   独立成分分析を用いる前記有効電力分離手段は、日射量と太陽光発電装置の有効電力の線形な関係から太陽光発電実稼働容量を用いて混合行列を定式化する機能を備え、該機能を用いて２種類の有効電力を分離する、ことを特徴とする電力推定装置。
3. 請求項１又は２記載の電力推定装置において、
   前記太陽光発電実稼働容量を表示画面に画面表示する、ことを特徴とする電力推定装置。
4. 電力系統に複数の負荷及び複数の太陽光発電装置が接続され、計測した電力の値と計測もしくは推定した日射量の値から負荷が消費する有効電力及び又は太陽光発電が出力する有効電力を推定する電力推定装置における電力推定方法であって、
   １もしくは複数の有効電力を計測するステップ、
   １もしくは複数の日射量を計測及び又は推定するステップ、
   前記計測した有効電力と前記計測及び又は推定した日射量を観測信号として独立成分分析を用いて、２種類の有効電力の原信号を分離する混合行列の定式化を構築するステップ、
   推定時点に計測した有効電力と計測及び又は推定した日射量および前記構築化した混合行列の定式化を用いて、２種類の前記有効電力を、実負荷の有効電力と、太陽光発電装置の有効電力を推定するステップ、
   を含むことを特徴とする電力推定方法。
5. 請求項４記載の電力推定方法において、
   独立成分分析を用いて、２種類の有効電力の原信号を分離する混合行列の定式化を構築するステップは、日射量と太陽光発電装置の有効電力の線形な関係から太陽光発電実稼働容量を用いて混合行列を定式化する、ことを特徴とする電力推定方法。
6. 請求項５記載の電力推定方法において、
   前記太陽光発電実稼働容量を表示画面に画面表示するステップをさらに含む、ことを特徴とする電力推定方法。