送配電ネットワークの革新的アーキテクチャ：強靭性と弾力性を備えた新たなパラダイム
クリーンエネルギーへの移行と産業・交通の電化が急速に進む現代において、電力配送システムのアーキテクチャは根本的な変革を迎えている。従来の受動的な集中型送電網の概念を超え、双方向電力流の管理、変動型再生可能エネルギーの統合、需要パターンへのリアルタイム対応が可能な動的なプラットフォームへと進化しつつある。この潮流の最先端をゆくのが、中国・威海電力供給会社の技術チームが提唱する中高圧配電ネットワークの革新的設計である。
従来システムの限界と新設計の核心原理
伝統的な放射状または開ループ構造の配電網は、分散型エネルギー資源（屋上太陽光、風力発電、蓄電池、EV充電ステーション）の急増に伴い、電圧不安定、保護協調の失敗、非効率な電力経路選択といった課題に直面している。「閉ループ設計・開ループ運用」という旧来の妥協案は、短路電流制御や継電器設定の簡素化には有効だったが、高再生可能エネルギー導入時代の要件に対応できなくなっている。
この課題を打破するため、龔淳祥らが提案する「階層的並列ループ型プラットフォーム配電ネットワーク」は、110kV高圧層と10kV中圧層の両方で閉ループ運用を実現する。蜂の巣を模した空間配置（ハニカム構造）により、冗長性、耐障害性、局所的なエネルギー需給バランスが強化される。重要なのは、問題発生時にまず10kV饋線内で、次に110kV変電所レベルで解決を図り、最終手段として220kV送電レベルに依存する「局所最優先」のエネルギー管理哲学である。
高圧層の革新設計：212型と323型構造
110kV層の中核を成すのが、二つの新しいトポロジーである。
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212デュアルソースチェーン構造
同一の220kV上位変電所から二つの並列饋線を受け入れ、通常時は閉ループで運用する。隣接220kVゾーンとの接続はホットスタンバイ状態の接続線でバックアップを確保。全ての線区間と変圧器に瞬時動作型一次保護装置を装備し、ミリ秒単位での故障区画隔離を実現する。従来の自動切替方式による数秒間の停電を解消し、「停電ゼロ」の信頼性を達成する。 -
323トリプルソースチェーン構造
三つの220kV変電所が二本ずつ送電線を供給し、三つの110kV変電所を環状接続。各110kVユニットは異なる上位ノードから電源を受ける多方向供給網を形成する。一つの220kV変電所が完全に喪失するような最悪の事態でも、10kV側の安全自動化システムが負荷を再配分し、サービスの継続性を維持する。
これらの構造はハニカム状の空間パターンへ拡張可能だ。六角形の各頂点に220kV/110kV変電所を配置することで、最小限のインフラで最適な接続性を実現する。例えば110kV変電所が故障した場合、負荷を四つの隣接ノードに均等分散でき、電圧安定性を保ちながら大規模停電を防止する。
220kV変電所の再設計
新アーキテクチャに対応するため、220kV変電所は三巻線変圧器（220/110/35kV）を採用し、110kV母線を分割リング方式または二重母線方式で構成する。並列運転時の短路電流を40kA（110kVレベル）および31.5kA（35kVレベル）に制御しつつ、閉ループ運用を可能にする。具体的な数値計算によれば、高-中巻線インピーダンス14%、高-低巻線24%の変圧器特性下で、故障電流が設計限界内に収まることが確認されている。
110kV変電所の機能向上
「212構造」用の110kV変電所では、分巻変圧器（63/40/40MVA、分巻係数Kf=4）を三台使用する。各変圧器の二つの10kV巻線は異なる母線セクションに接続され、インテリジェント軟性開放点（SOP）で相互接続される。SOPは単なる接続装置ではなく、電力潮流制御、負荷バランス調整、動的な無効電力補償を実行する高度なパワーエレクトロニクスデバイスである。変圧器故障時には仮想同期発電機として動作し、電圧・周波数サポートを提供する。
「323構造」向けには従来型二巻線変圧器を採用しつつ、10kV母線群をバイパス機能付きSOPで接続する。深刻な事故時にはSOPの機械的バイパススイッチで健全饋線に直接接続し、通常運用時の電子制御機能との両立を図る。15MVAのSOP容量が定常状態と過渡状態の両要件を満たすことが計算により示されている。
10kV中圧層の再定義
新設計の真価が発揮されるのは10kV層である。110kV母線群から二つの饋線を引き出し閉ループを形成する「212デュアルソースリング構造」を基本とし、異なる変電所のループをSOP装備の接続線でメッシュ状に結合する。これにより、従来の変圧器グループによる電気的隔離を維持しつつ、故障電流制限の枠組みを超えた柔軟な運用が可能になる。
具体的な仕様では、400mm²銅ケーブル（連続電流容量480A）、デュアル饋線ループあたり8.3MW容量、環状母線セクションあたり2MW制限が設定される。都市計画上の制約と熱容量、故障電流管理のバランスを考慮した数値である。
システム全体の整合性と実用性
本アーキテクチャの真の革新性は、220kVから10kVまでの各層を個別に最適化するのではなく、統合的な視点で再設計した点にある。その結果として実現されるのは：
- 耐故障性：多重故障に対する耐性
- 適応性：変動する発電量・需要パターンへの即応
- 効率性：不必要な電力転送の最小化
さらに、電力取引プラットフォーム、バーチャルパワープラント、グリッドエッジオーケストレーションといった先進機能の基盤を提供する。
著者らは現実的なエンジニアリング課題（短路電流制限、変圧器インピーダンス選定、無効電力補償要件、電圧偏差許容値）について具体的な計算例と装置選定指針を示しており、単なる概念提案ではなく実用的な実装マニュアルとしての価値を持つ。
エネルギー転換時代の基盤技術へ
分散化と脱炭素化の潮流が電力系統を再定義する中、本提案は21世紀の送配電網のあるべき姿を提示している。脆弱性を冗長性に、受動性を知能化に、孤立性を相互接続に置き換えることで、クリーンでスマートかつ強靭なエネルギー生態系の骨格が形成される。山東省での初期導入を超え、同様の課題に直面する世界中の系統運用者にとって貴重な指針となるだろう。
著者：龔 淳祥、徐 友林、張 静、徐 春華
所属：国家電網威海電力供給会社，威海 264200
掲載誌：山東電力，第51巻第1号，2024
DOI: 10.20097/j.cnki.issn1007-9904.2024.01.005