EV統合と再生可能エネルギーに基づく新規グリッド損失モデルの開発
電力システムにおいて電気自動車（EV）と再生可能エネルギー源の普及が進む中、配電ネットワークの管理複雑性が大幅に増大している。風力や太陽光発電などの分散型電源（DG）の統合、およびEVの双方向充放電行動は、系統安定性と効率性の維持において新たな課題を生み出している。特に変動する負荷条件や高調波歪みを考慮した送電線損失の正確な計算は、運用効率の最適化とコスト削減を目指す事業者にとって重要な課題となっている。
従来モデルの限界
従来の送電線損失推定手法は、決定論的モデルまたは簡素化された統計的アプローチに依存しており、現代的な系統動態がもたらす変動性の全容を捕捉できない問題があった。一部の研究ではDG導入を考慮しているものの、異種負荷間の相互依存関係を無視している場合が多く、高調波影響を固定仮定で扱い実時間稼働条件に基づく確率変数として処理しないケースも見られた。こうした制約は誤った予測を招き、インフラ計画の誤判断や効率化努力の阻害につながるリスクがあった。
確率的モデリングの革新
この課題を解決するため、Wang Tianlinら研究チームは累積量法を基盤とし、改良型Nataf変換を組み合わせた先進的な確率モデルを開発した。この手法は風速、日射量、EV充放電パターンなどの確率的入力変数に対し半不変モデルを構築する。風速には地理的多様性を反映できるワイブル分布、日射量にはベータ分布が採用され、EV充放電電力には実測データに基づく正規分布が適用された。
複数負荷間の相関処理については、現実の系統運用で生じる共変動（例：夏季午後の冷房需要増加と夜間照明需要のピーク）を適切に表現するため、改良型Nataf変換を適用した。この数学的手法により、相関を持つ非正規確率変数を独立な標準正規変数に変換しつつ統計的関係性を保持することで、計算処理性を維持しながら精度向上を実現している。
高調波損失の動的評価
従来モデルが軽視してきた高調波損失について、本研究では実測データに基づく動的評価手法を導入した。代表的な20km送電線と50kVA配電変圧器のシミュレーション結果から、高調波含有率と損失増加の経験的関係式を導出。95%信頼区間内で損失変動を表現する指数関数を開発し、実稼働条件に応じて損失推定値を動的に調整する仕組みを構築した。
線形化確率潮流計算の効率化
ニュートン・ラプソン法による基本潮流解を出発点とし、ヤコビアン行列と感度行列を事前計算して保存する手法を採用。確率的評価時にはこれらの行列を再利用することで、大規模配電網への適用性を確保しつつ計算負荷を大幅に軽減した。状態変数の累積量算出後、コーニッシュ・フィッシャー展開を用いて確率密度関数を再構築する方式により、正規分布からの逸脱が大きい場合でも安定した近似精度を実現している。
実証研究の成果
IEEE 34ノード試験系統を改変した環境での実証研究では、以下の主要知見が得られた：
- DG導入により平均母線電圧が上昇する一方、断続的な発電特性が電圧変動を増大
- EVの双方向充放電が系統電圧プロファイルを改善し、需要曲線の平準化に貢献
- 負荷相関を無視するとノード電圧や支線電力の分散を過大評価し保守的な計画を招く
- 高調波影響を考慮しない場合、総損失を最大30%過小評価するリスクを確認
95%信頼水準での解析では、EV統合後に送電線損失の変動幅が著しく縮小し、管理された充電戦略の安定化効果が明らかとなった。計算効率においても、モンテカルロシミュレーション（5,000試行）に比べ40倍以上の高速化を達成しつつ、平均損失誤差1.5%以内、分散誤差2%未満の精度を維持した。
システム全体への影響
EV統合シナリオでは、充電需要が集中するノード33で電圧低下が見られる一方、V2G放電を行うノード29では電圧上昇が観測された。全体的な系統電圧レベルは改善傾向を示し、電力品質の向上に寄与することが確認された。負荷相関を適切に考慮した場合、モンテカルロ基準値との整合性が高まり、現実に即したリスク評価が可能となる。
高調波含有率20～30%の典型条件下では、損失推定値の下方バイアスが顕著に現れる。固定高調波仮定ではこの偏りを部分的にしか補正できず、負荷構成やDG出力に応じて変化する実際の高調波スペクトルを確率的に扱う必要性が明らかになった。
将来展望と適用可能性
本研究で開発された枠組みは、脱炭素化と分散型エネルギー統合が進む将来の系統運用において重要な役割を果たす。線路損失の上限・下限を定量的に評価できる機能は、次の分野での応用が期待される：
- インフラ投資判断の高度化
- 予防保全スケジュールの最適化
- 規制基準適合性の検証
- 異なるEV普及率・DG導入レベル・高調波対策のシナリオ分析
さらに、温度依存性導体抵抗や時間変動料金体系、サイバー物理セキュリティ脅威などの拡張要素を取り込むことで、モデルの適用範囲を拡大できる可能性がある。
社会的意義
地球規模の脱炭素化が加速する中、本研究成果は電力系統の技術的健全性と経済的持続可能性を両立させる基盤技術として位置付けられる。再生可能エネルギーとEVを統合した次世代グリッドの設計・運用において、不確実性を定量化し極端事象を評価可能な本モデルは、環境目標と技術的現実性のバランスを取る上で不可欠なツールとなると期待される。
王天林（Wang Tianlin）、高沖（Gao Chong）、張俊暁（Zhang Junxiao）、張震（Zhang Zhen）、楊墨淵（Yang Moyuan）、欧陽森（Ouyang Sen）
広東電力網株式会社、南華理工大学
Electrical Measurement & Instrumentation
DOI: 10.19753/j.issn1001-1390.2024.12.010