多ゾーン交直流混在配電網の効率化を実現する新たな最適化手法
電力系統の脱炭素化が加速する中、再生可能エネルギー源と新種電力負荷の大規模接続に伴う課題に対処するため、中低圧交直流混在型配電網向けの革新的な二層協調最適化手法が開発された。本手法は、太陽光発電や電気自動車（EV）、5G基地局など分散型資源が混在する多様なゾーン間の電力融通を高度に制御することで、系統全体の効率性と安定性を飛躍的に向上させる。
配電網の構造変化と新たな課題 従来の放射状・単方向型配電網から、メッシュ構造かつ双方向電力流を可能にする多電圧階層システムへ進化する過程で、電力品質の維持が重大な課題となっている。特に以下の点が顕在化している：
- 太陽光発電の出力変動による電圧偏差の拡大
- EV急速充電需要の時間帯集中化
- 5G基地局の高密度配置に伴う熱負荷増加
- 異種ゾーン間の需給不均衡による電力損失の増大
これらの課題を解決する鍵は、系統全体の協調制御と分散型リソースの柔軟性活用にある。本手法では、中圧層と低圧層を二階層に分離し、各階層の最適化目標を明確化するとともに、双方向通信による反復調整プロセスを確立した。
二階層最適化フレームワークの構成 第一層（低圧ゾーン最適化） 各低圧ゾーンは独立した意思決定主体として、以下の要素を考慮しながら24時間スケジュールを策定する：
- 蓄電池システム（ESS）の充放電パターン
- V2G対応EVの稼働計画
- 太陽光発電の自家消費/系統逆潮流バランス
- 5G基地局の電力需要特性
最適化の目的関数は、ゾーン内の運用コスト最小化であり、具体的には：
- 外部からの電力調達費
- 太陽光出力抑制コスト
- ネットワーク損失
- EVユーザーへのインセンティブ支出
第二層（中圧系統最適化） 中圧層では複数の低圧ゾーンを接続する電圧源形コンバータ（VSC）を介した電力融通量を決定し、以下の目標を達成する：
- 系統全体の電圧偏差最小化
- 総合運用コストの低減
- ゾーン間接続設備の容量制約遵守
反復調整プロセスの革新性 両階層間で以下のパラメータを反復的に交換し、システム全体の平衡状態を探索する：
- 低圧→中圧：電力需要/供給プロファイル、局所電圧値
- 中圧→低圧：接続点電圧制約、許容電力融通量
このプロセスの核心は、ゾーン自治性と系統全体最適化の両立にある。各低圧ゾーンは地域の特性に応じた運用を維持しつつ、中圧層からの調整信号に基づき柔軟に行動を修正する。
検証シミュレーションの設計 改良IEEE 33ノード試験系統を用い、3種類の低圧ゾーンを構成：
- DC優位型ゾーン：屋根置き太陽光＋ESS
- AC型EVゾーン：急速充電ステーション集中
- AC型5Gゾーン：高密度基地局配置
評価シナリオ：
- 非連系・非協調（ベースライン）
- 物理連系のみ（部分最適化）
- 二層協調制御（提案手法）
シミュレーション結果の分析 ベースラインケース
- 太陽光抑制量：76kW
- 最大電圧偏差：1.076pu
- ピーク電力損失：23.4kW
部分最適化ケース
- 抑制量改善率：58%
- コスト削減率：29.8%
- 電圧変動幅：±3.2%
提案手法適用時
- 太陽光抑制量：0.9kW
- 許容接続量増加率：112%
- 総合コスト削減率：31.4%
- ピーク電力損失低減率：26.3%
- 最大電圧偏差：1.042pu
技術的特長と実用メリット
- 動的電力再分配機構：ゾーン間の需給ギャップをリアルタイム解消
- リソース柔軟性の高度活用：ESS/V2Gを系統安定化ツールとして再定義
- 5G負荷の能動的制御：通信品質維持を前提とした需給調整
- 階層別ソルバー最適化：遺伝的アルゴリズムと二次錐計画法の併用
社会実装への展開可能性 既存配電設備への適用を考慮し、以下の実装戦略が有効：
- VSCのスマート化改修
- ゾーン管理コントローラーの設置
- マルチエージェント制御プラットフォームの構築
さらに、気象予測データやEV移動パターンの確率論的モデルを組み込むことで、不確実性の高い環境下でのロバスト性向上が期待できる。
今後の展開方向
- 水電解装置や燃料電池の統合
- 需要応答プログラムとの連携
- 送電系統レベルとの広域協調
- AIを用いた異常状態予測機能の付加
本手法は配電系統のデジタル変革において中核的役割を果たす。分散型資源の最大活用と系統安定性を両立する技術基盤として、脱炭素社会実現に不可欠なインフラとなることが期待される。
研究チーム 著者： リウ・ケイアン、シャン・ワンシン、ザン・ホイユ（中国電力科学研究院 配電技術センター） トン・ボウ、チャン・ルー、タン・ウェイ（中国農業大学 情報・電気工学部）
掲載誌： 『電力建設』第45巻第1号（2024年1月）
識別子： DOI: 10.12204/j.issn.1000-7229.2024.01.004