電中研のスマートグリッド研究
システム技術研究所
栗原 郁夫
• スマートグリッドの
コア
となる
「高効率、
高品質、高信頼度な電力供給・利用
システム」
に関わる領域
• 外部とも連携して多分野の基盤力を
発揮し
総合的に
研究開発
2次世代グリッド技術研究
• 次世代グリッド実現のための
課題分野
32010
2020
2030
PV大量導入対応
PV大量導入下での設備形成
出力特性など基礎的特性分析
PV大量導入下での電源・送電・配電運用
PV大量導入下での緊急時安定化・復旧
設備高経年化対応
エネルギー利用効率化・高度化
供
給
サ
イ
ド
対
応
需
要
家
サ
イ
ド
連
携
対
応
2010
2020
2030
PV大量導入対応
PV大量導入下での設備形成
出力特性など基礎的特性分析
PV大量導入下での電源・送電・配電運用
PV大量導入下での緊急時安定化・復旧
設備高経年化対応
エネルギー利用効率化・高度化
供
給
サ
イ
ド
対
応
需
要
家
サ
イ
ド
連
携
対
応
• 次世代グリッドの
中核技術領域
4① PV大量導入下
での高効率・安定
供給技術
② 次世代通信
ネットワーク技術
③ サイバー
セキュリティ技術
④ 需要家サイド
連携技術
変圧器分割設置、SVR/SVC/STATCOM設置 単独運転防止、FRT機能、無効電力調整機能
PV大量導入に伴う系統課題
5300
2800
PV
導入量(
万
kW)
2010
2020
2030
年
・PVシステム側での対策 5 ~1000
・配電系統対策 ・ローカルな配電対策 配電系の電圧管理 ・LPC等、新型配電機器の設置 ・電力用蓄電池活用 ・需要家側連携対策 需要家側電源としての 安全性、安定性2000年度からの
「需要地系統研究」で
基本技術を確立
導入量に応じた必要対策の明確化
SVCなど電圧調整機器の最適制御方式
ループコントローラ(LPC)の開発・実証
変圧器分割設置、SVR/SVC/STATCOM設置 単独運転防止、FRT機能、無効電力調整機能
PV大量導入に伴う系統課題
5300
2800
PV
導入量(
万
kW)
2010
2020
2030
年
・PVシステム単体としての対策 6 ~1000
・配電系統対策 ・ローカルな配電対策 配電系の電圧管理 ・LPC等、新型配電機器の設置 ・電力用蓄電池活用 需給、周波数調整 電力余剰 系統事故時安定性 ・系統対策 ・PVシステム側対策 ・需要家側連携対策 ・系統蓄電池 ・負荷機器/需要家蓄電池活用 ・PV出力制御(抑制) (カレンダー、通信) ・揚水増設 需要家側電源としての 安全性、安定性 ・需要家側連携対策0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 4 /2 8 ( 火) 4/2 9 ( 水) 4/3 0 ( 木) 5 /1 ( 金) (土) 5/2 (日) 5/3 (月 5/4 / 休) 5 /5 ( 火) (水) 5/6 (木) 5/7
PV電力余剰発生
75月連休(GW)
電力需要
(%) PV 1kW システム当たり (0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 4 /2 8 ( 火) 4/2 9 ( 水) 4/3 0 ( 木) 5 /1 ( 金) (土) 5/2 (日) 5/3 (月 5/4 / 休) 5 /5 ( 火) (水) 5/6 (木) 5/7
PV電力余剰発生
85月連休(GW)
0 10 20 30 40 50 60 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24原子力
水力
火力
火力(最低出力)
(揚水動力)PV余剰
PV(晴れ)
(揚水発電)電力需要
(%) (%) (シナリオ①
シナリオ③
シナリオ②
シナリオ⑤
シナリオ④
エネ庁:次世代送配電ネットワーク研究会 報告書 よりPV電力余剰対応
9蓄
電
池
出
力
抑
制
蓄
電
池
出
力
抑
制
(太陽光発電2,800万kW導入ケース)
(将来価値で試算、単位:兆円) シナリオ 合計 うち、 蓄電池 設置コスト 余剰電力対策に 係る蓄電池設置が 必要となる太陽光 発電導入量 ①出力抑制なし (系統側蓄電池) 16.2 15.1 1,000万kW以降 (2015年見込) ①´出力抑制なし (需要家側蓄電池) 45.9~ 57.2 45.4~ 56.7 1,000万kW以降 (2015年見込) ②年間14日出力抑制 3.67 2.80 1,300万kW以降 (2016年見込) ③年間14日半量抑制 8.54 7.56 1,000万kW以降 (2015年見込) ④年間30日出力抑制 1.36 0.55 2,700万kW以降 (2020年見込) ⑤年間30日出力抑制 +EV等活用 1.45 0.55 2,900万kW以降① PV出力抑制
– 抑制頻度、抑制方法、抑制量
– 確実性、受容性、インセンティブ
② 電力貯蔵(蓄電池)
– 設置量、設置個所、利用率
– 信頼度、コスト
③ 需要創出(含む自家消費)
– 対象負荷機器、利便性影響
– 確実性、受容性、経済性、インセンティブ
①、②、③の時間展開
PV電力余剰対応に関わる課題
10天候・地域を考慮したPV電力余剰検討
11(観測地点:計97箇所)
• 東京電力管内
– 1990~2009年の
20年間の気象データ
– 97の観測地点
(日射量推定)
– 342の代表地点
(市区町村の役所)
– PV:一戸建て住宅設置
天候・地域を考慮したPV電力余剰検討
12
• カレンダー
によるPV出力抑制(特定日の停止)
PCS
(インバータ)停
停
停
停
停
停
天候・地域を考慮したPV電力余剰検討
13• カレンダー
によるPV出力抑制(特定日の停止)
2020年5月
PV
出力(
kWh/
日)
系統電源の調整力(PV吸収)上限
本来必要
な抑制
過剰に抑制
(過剰抑制)
抑制が必要
でないのに
抑制
(不要抑制)
停
停
停
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
1600
2400
3200
4000
4800
天候・地域を考慮したPV電力余剰検討
145月
PV導入量(日本全国大相当量)(万kW)
系統電源調整力: 2500万kWh/日ケース休日余剰
発生
土曜余剰
発生
平日余剰
発生
不要抑制
過剰抑制
抑制必要量
• カレンダー
によるPV出力抑制(特定日の停止)
P
V出
力抑制
量(
5
月)
(億
kW
h)
(東電管内量)
発電量0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
1600
2400
3200
4000
4800
天候・地域を考慮したPV電力余剰検討
15• 通信の活用
:翌日の最大抑制ケース(快晴)を
想定し
抑制量を決定
し抑制
(抑制は連続量)
5月
過剰抑制
抑制必要量
P
V出力抑制量(
5
月)
(億
kW
h)
(東電管内量)
平日余剰
発生
PV導入量(日本全国大相当量)(万kW)
休日余剰
発生
土曜余剰
発生
発電量抑制回避
系統電源調整力: 2500万kWh/日ケース大量導入が進むと通信を用いても
抑制量が増加
160
10000
20000
30000
40000
50000
60000
70000
80000
90000
1600
2400
3200
4000
4800
PV導入量(日本全国大相当量)(万kW)
1
2
9
8
7
6
5
4
3
P
V出
力抑制
量(
5
月)
(億
kW
h)
(東電管内量)
蓄電池
需要創出
系統電源調整力: 2500万kWh/日ケース17
PV電力余剰対応
• 通信を用いたPV出力抑制
→ 不要な抑制や過剰抑制を低減
• 必要な抑制量はPV導入量とともに増大
→ PV余剰を需要創出(自家消費)する方策
→ 余剰が急増(5月の土曜や平日、その他
の月の休日や土曜)では蓄電池による
対策も
ポイント:
ヒートポンプ式給湯機の昼間運転
18機能面:昼間運転可能か(貯湯槽が夜間運転で
満杯になっていないか)?
コスト面:予想が外れて(雨/曇)系統電力で沸か
すことにならないか?
余剰が出
そうな日
翌日天気予報
翌日予測給湯需要
ヒートポンプ式給湯機の昼間運転
19 天候,給湯需要等の不確実性を考慮した
ヒートポンプ式給湯機運転計画
PM
最も期待
経済的な
運転計画
翌日予測電力需要
統計的不確実性
大
(
需
要
)
大
(
需
要
)
ヒートポンプ式給湯機の昼間運転
200
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23電
力
(kW)
時
逆潮流
(上限:2KW)
PV抑制量
一般負荷+昼間ヒートポンプ(HP)
一般負荷
+夜間HP
PV出力
0
1
2
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23電
力
(k
W)
時
PV抑制量
従来
HP昼間運転
快晴日
0
20
40
60
80
100
120
0
2
4
6
8
10
12
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
1
日
平
均
抑
制
量
K
w
h
逆潮流許容量(kW)
ヒートポンプ式給湯機の昼間運転
21HP運転なし
PVによる
HP運転
HPによるPV余剰
電力活用率
HP
による
活用率(
%)
年間
(4~12月)
PV抑制量
系統としての抑制必要量
小
大
1
日あた
りP
V出
力抑制
量
(k
W
h
)
2030年
2020年
ヒートポンプ式給湯機の昼間運転
221
日あ
たりP
V抑制量
(k
W
h
)
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
4月
5月
6月
7月
8月
9月
10月
11月
12月
Month
HP
消費電力
量
(k
W
h)
PV電力による
HPの運転
系統電力によるHPの運転(昼間)
(夜間)
月
HP運転なし
HP運転あり
月別
(逆潮流許容
1kW)
需要家サイドとの連携
(需給一体化運用・制御)
23• PVの発電電力を有効活用する効果的な
方法
• 抑制量が小さいうちが相対的に有効
(PV導入量が大きくないうち)
• 通信
システム
などの
インフラ
整備や料金等
の制度問題と歩調を合わせて検討
赤城試験センター:
需給一体化運用・制御実験設備
系統事故時の安定性
24PVの電源としての特性上の違い
(1) 慣性(回転エネルギー)がない
(2) 周波数調整能力がない
(日射に応じた最大出力追従)
(3) 系統事故時に出力が一時的に低下する
(インバータの特性)
(4) 電圧調整能力がない
(あってもローカル)
(5) 一斉脱落
(FRT機能検討中)
PV大量導入時の
系統事故時の安定性の懸念
発 電 機 同 士 が
同 期 を 保 っ て 安 定 運 転
す る 力
(同期安定度)の低下
電 力 の 不 足 が 生 じ た 時 に 発 電 機 の 回 転
エネルギーを放出し
周波数の低下を抑える
力
(周波数安定性)の低下
需給上、系統電源が相対的に減ることで基幹
系統の
電圧調整能力
が低下
系統事故時などにPVが
一斉脱落
して、系統状態
をより悪化させる
系統事故時の安定性
25火力 2号機 火力 3号機 275kV模擬送電線 連系用 変圧器
基幹系
66kV模擬 送電線 ・抵抗負荷 ・エアコン負荷 ・回転機負荷 ・インバータ負荷 ±200kW 90kVA 60kVA 90kVA 27kW 通信系 模擬装置 負荷合計で 50kW程度 計測装置 負荷用 変圧器 60kVA 連系用 変圧器 90kVA 負荷用 変圧器 60kVA 負荷用 変圧器 60kVA 負荷 風力 PV 模擬 分散形 電源 25kW 分散形 電源 12kW 40.5kW 30kW ・抵抗負荷 ・エアコン負荷 ・回転機負荷 ・インバータ負荷 40.5kW 12kW 負荷合計で 50kW程度 9km 9km 9km 200km 9km 200km 200km 9km 66kV模擬 送電線 66kV模擬 送電線 系統事故 (3LG-O) 隣接した 系統模擬用 インバータ電源負荷系
9km PV PV電力系統シミュレータによる検討
26既存の電力系統シミュレータに「PV大量導入
の模擬」を追加
PV大量導入時の試験系統構成例電力系統シミュレータによる検討
27 原子力発電所 工場 変電所 水力発電所 基幹系統 負荷供給系統 火力発電所 住宅電力系統シミュレータによる検討
28 原子力発電所 工場 変電所 水力発電所 基幹系統 負荷供給系統 火力発電所 住宅モデル化
検証
系統シミュレータ
火力 2号機 火力 3号機 275kV模擬送電線 連系用 変圧器
基幹系
66kV模擬 送電線 ・抵抗負荷 ・エアコン負荷 ・回転機負荷 ・インバータ負荷 ±200kW 90kVA 60kVA 90kVA 27kW 通信系 模擬装置 負荷合計で 50kW程度 計測装置 負荷用 変圧器 60kVA 連系用 変圧器 90kVA 負荷用 変圧器 60kVA 負荷用 変圧器 60kVA 負荷 風力 PV 模擬 分散形 電源 25kW 分散形 電源 12kW 40.5kW 30kW ・抵抗負荷 ・エアコン負荷 ・回転機負荷 ・インバータ負荷 40.5kW 12kW 負荷合計で 50kW程度 9km 9km 9km 200km 9km 200km 200km 9km 66kV模擬 送電線 66kV模擬 送電線 系統事故 (3LG-O) 隣接した 系統模擬用 インバータ電源負荷系
9km PV PV電力系統シミュレータによる検討
29既存の電力系統シミュレータに「PV大量導入
の模擬」を追加
火力 2号機 火力 3号機 275kV模擬送電線 連系用 変圧器
基幹系
66kV模擬 送電線 ・抵抗負荷 ・エアコン負荷 ・回転機負荷 ・インバータ負荷 ±200kW 90kVA 60kVA 90kVA 27kW 通信系 模擬装置 負荷合計で 50kW程度 計測装置 負荷用 変圧器 60kVA 連系用 変圧器 90kVA 負荷用 変圧器 60kVA 負荷用 変圧器 60kVA 負荷 風力 PV 模擬 分散形 電源 25kW 分散形 電源 12kW 40.5kW 30kW ・抵抗負荷 ・エアコン負荷 ・回転機負荷 ・インバータ負荷 40.5kW 12kW 負荷合計で 50kW程度 9km 9km 9km 200km 9km 200km 200km 9km 66kV模擬 送電線 66kV模擬 送電線 系統事故 (3LG-O) 隣接した 系統模擬用 インバータ電源負荷系
9km PV PV電力系統シミュレータによる検討
30既存の電力系統シミュレータに「PV大量導入
の模擬」を追加
火力 2号機 火力 3号機 275kV模擬送電線 連系用 変圧器
基幹系
66kV模擬 送電線 ・抵抗負荷 ・エアコン負荷 ・回転機負荷 ・インバータ負荷 ±200kW 90kVA 60kVA 90kVA 27kW 通信系 模擬装置 負荷合計で 50kW程度 計測装置 負荷用 変圧器 60kVA 連系用 変圧器 90kVA 負荷用 変圧器 60kVA 負荷用 変圧器 60kVA 負荷 風力 PV 模擬 分散形 電源 25kW 分散形 電源 12kW 40.5kW 30kW ・抵抗負荷 ・エアコン負荷 ・回転機負荷 ・インバータ負荷 40.5kW 12kW 負荷合計で 50kW程度 9km 9km 9km 200km 9km 200km 200km 9km 66kV模擬 送電線 66kV模擬 送電線 系統事故 (3LG-O) 隣接した 系統模擬用 インバータ電源負荷系
9km PV PV電力系統シミュレータによる検討
31既存の電力系統シミュレータに「PV大量導入
の模擬」を追加
系統事故時の安定性
32• 電力系統
シミュレータ
による基本技術
の開発
– 現象解明、シミュレーションモデル開発・
検証
• シミュレーション
による様々な系統状態
での検討
• 必要に応じた対策検討と効果検証
3つの次世代通信ネットワーク
33需要地系セキュア通信ネットワーク
広域・高速制御ネットワーク
設備監視用センサ
ネットワーク
広域・高速制御ネットワーク
34
マイクロ波無線ネットワーク
光ファイバネットワーク
広域・高速制御ネットワーク
35マイクロ波無線ネットワーク
光ファイバネットワーク
電力向け個別専用通信NW技術
リプレース
メーカーメンテナンスの継続性
利便性
コスト
PV大量導入に対応したより
高度な監視制御
広域・高速制御ネットワーク
36
マイクロ波無線ネットワーク
光ファイバネットワーク
標準・汎用技術による系統監視制御
37G
G
PQVF 計測 主保護 監視・制御 装置 後備保護 安定度監視• モジュール型の高速・広域監視制御
ネットワーク
安定度監視 後備保護 安定度監視 後備保護監視・制御
モジュール
主保護 PQVF計測 主保護• モジュール型の高速・広域監視制御
ネットワーク
PQVF 計測 主保護 監視・制御 装置 後備保護 安定度監視標準・汎用技術による系統監視制御
38G
G
広域イーサーネット
(データ伝送、時刻同期)
時刻同期方式
39監視制御装置
(スレーブ)
監視制御装置
(マスタ)
イーサネット上の
時刻同期ネットワーク
時刻同期誤差を測定
マスタのタイミング信号
スレーブのタイミング信号
数100km離れた
地点の同期誤差
-0.8~+0.6μs
(保護リレーシステムに必要
な同期精度を実現)
GPS信号は用いず
プロトタイプ機による機能検証
40時刻同期付き
イーサネット
スイッチ
監視制御装置
PQVF 計測 主保護 監視・制御 装置 後備保護 安定度監視G
G
• モジュール組合せ試験により、
ネットワーク内の任意の装置
からあらゆる箇所の監視制御
が行えることを確認
広域・高速制御ネットワーク
41• 技術的可能性を検証済み
• 大規模化対応の実験的検証
• 高信頼化対策(ネットワークや
機器の冗長構成の仕組み)
電力設備の高経年化
42 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 19 69 19 70 19 71 19 72 19 73 19 74 19 75 19 76 19 77 19 78 19 79 19 80 19 81 19 82 19 83 19 84 19 85 19 86 19 87 19 88 19 89 19 90 19 91 19 92 19 93 19 94 19 95 19 96 19 97 19 98 19 99 20 00 20 01 20 02 20 03 設 備 投 資 額 (億 円) 年度 送電 変電 配電 9社計2010
30年
40年 50年
30年 40年
1980
1990
設備投資額
2020
2030
センサネットワーク
43•
センサ技術
•
ネットワーク関連技術
•
データ処理技術
!?
S
S
S
S
センサネットワーク
44•
ネットワーク関連技術
プラグアンドプレイ
S
S
S
S
S
!?
新センサが設置されました。
変電所:XXX
変圧器:#1バンク、・・・・
社内保全システムとの連携
と管理を自動で開始します。
プラグアンドプレイ
-PCとの違い-
PC用
設備監視用
主な設定対象
デバイスドライバ
アプリケーション
実現されること
周辺機器の接続
監視データ設定、
データ送受信設定
実施環境
パソコン単体
分散システム
マルチベンダ対応 OSメーカ主導
国際標準
送受信主体
機器単位
監視データ単位
送受信端の指定
ユーザ操作
監視データ種別に
応じた自動設定
取外し・再接続
考慮不要
履歴との対応付け
45提案するプラグアンドプレイ
S
S
監視データ
B-1
分析Y-1
S
監視データ
A-1
分析X-1
分析Y-1
監視データ
B-1
マルチベンダ化
→変電所監視制御
通信の標準規格
(IEC 61850)
を拡張
46提案するプラグアンドプレイ
S
S
監視データ
B-1
監視データC
分析Y-1
分析Z
S
監視データ
A-1
分析X-1
分析Y-1
監視データ
B-1
監視データのひも付
→ 4種類の情報を用いて自動設定
・監視データの意味
・センサと監視データの関係
・個別監視データの状態
・個別監視データ間の送受信状態
S
47モデルシステムによる実験検証
模擬センサ
(油圧ポンプ動作センサ)
自動認識とひも付、データ収集
センサネットワーク
49• プラグアンドプレイ
基本機能については開発済み
国際標準化を狙った改良等
• センサ間の通信、大量データの
処理技術などICT活用の設備保全
システムの要素技術の開発
サイバーセキュリティ
50 http://www.rbbtoday.com/article/img/2010/02/10/65595/95367.html新種のマルウェア
(悪意のあるソフト等)の数
http://www.viruslistjp.com/viruses/analysis/?pubid=2047921012004
2005
2006
2007
2008
2009
1,800,000 1,600,000 1,400,000 1,200,000 1,000,000 800,000 600,000 400,000 200,000 0 確認された新種のマルウェアの数(年度別) 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009サイバーセキュリティ
51
制御システムを狙った初のマルウェア・・・
(2010/6)
http://www.symantec.com/content/en/us/enterprise/media/security_response/whitepapers/w32_stuxnet_dossier.pdf
Symantec Security Response “W32.Stuxnet Dossier”, September 2010, version 1.0
感染ホスト
数
IR
ID
IN
US
AZ
GB
MY
PK
UZ
SA
BR
SY
RU
CU
CL
KR
AE
AF
ZA
DO
KG
TM
AM
IT
UA
O
the
rs
国
一般的スマートグリッドの
通信ネットワーク
• スマートメータやPV等の需要家の
多様な機器
が
接続
– クローズしていない通信ネットワーク
– 需要家との双方向通信
• 広域にわたり
大量な機器
が接続
– 低コストで実現可能なネットワーク構成
– 汎用技術・標準の導入
• 多様なサービスや機能
の提供
– サービスプロバイダ等との相互接続・データ共有
– 相互運用性の確保、標準化
52インターネットとの違い
十分なセキュリティ対策を施せない機器
(家電機器など)が入ってくる可能性
停電等による物理的な被害
が生じる可能性
用途によっては
セキュリティ対策に制約
(通信途絶・遅延の許容範囲が狭いなど)
53サイバーセキュリティリスク
54大
リ
ス
ク
小
一方向
双方向
一方向
双方向
双方向
双方向
双方向
独自網による
自動検針
独自網による
PV/EV制御
公衆網による
PV/EV制御
公衆網による
HEMS連携
サービスの形態
公衆網による
サービスプロ
バイダ連携
オープンかつ多様
双方向
• 個人情報漏洩
• 課金情報等の書き換え
• 通信回線からの不正侵入
• 需要家電気機器の不正操作
• 不正な充放電操作
• EMS不正操作による停電
• 需要家内からの不正侵入
• サービス事業者からの不正侵入
• サービス事業者からの情報漏洩
サイバーセキュリティに対する
基本的考え方
55大
リ
ス
ク
小
独自網による
自動検針
独自網による
PV/EV制御
公衆網による
PV/EV制御
公衆網による
HEMS連携
一方向
双方向
一方向
双方向
双方向
双方向
双方向
サービスの形態
公衆網による
サービスプロ
バイダ連携
オープンかつ多様
①ベネフィットとリスクを
考慮したサービスの形態、
一定の制約
56