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負荷管理（需要側管理（DSM ）とも呼ばれる）は、発電所の出力ではなく負荷を調整または制御することによって、ネットワーク上の電力供給と電力負荷のバランスを取るプロセスです。これは、電力会社がリアルタイムで直接介入したり、周波数に敏感なリレーを使用して回路ブレーカーをトリガーしたり（リップル制御）、タイムクロックを使用したり、特別な料金体系を使用して消費者の行動に影響を与えたりすることによって実現できます。負荷管理により、電力会社はピーク使用時の電力需要を削減（ピークシェービング）することができ、その結果、ピーク発電所の必要性をなくすことでコストを削減できます。さらに、ピーク発電所の中には、オンラインになるまでに1時間以上かかるものもあり、たとえば発電所が予期せず停止した場合、負荷管理はさらに重要になります。負荷管理は、ピーク発電所やバックアップ発電機はベースロード発電所よりも汚染度が高く効率が低いことが多いため、有害な排出を削減するのにも役立ちます。新しい負荷管理技術は、民間企業[ 1 ]と公共機関[ 2 ] [ 3 ]の両方によって常に開発されています。
現代の電力負荷管理は、リップル制御を用いて1938年頃に始まった。1948年までにリップル制御は広く使用される実用的なシステムとなった。[ 4 ]
チェコスロバキアは1950年代に初めてリップル制御を採用しました。初期の送信機は現代のシステムに比べて低出力で、わずか50キロボルトアンペアでした。これらは回転発電機で、1050Hzの 信号を配電網に接続された変圧器に供給していました。初期の受信機は電気機械式リレーでした。その後、1970年代には高出力半導体を使用した送信機が使用されるようになりました。これらは可動部品がないため、より信頼性が高くなっています。現代のチェコのシステムはデジタル「電報」を送信します。各電報の送信には約30秒かかります。パルスの長さは約1秒です。さまざまな地域でいくつかのフォーマットが使用されています。[ 5 ]
1972年、アラバマ州ハンツビルのボーイング社に勤務していたセオドア・ジョージ「テッド」パラスケバコスは、セキュリティ、火災、医療警報システムにデジタル伝送を使用するセンサー監視システムと、すべての公益事業のメーター読み取り機能を開発しました。この技術は、現在発信者番号通知（Caller ID）として知られる、彼が特許を取得した自動電話回線識別システムから派生したものです。 1974年、パラスケバコスはこの技術で米国特許を取得しました。[ 6 ]
アラバマ電力会社の依頼により、パラスケヴァコスは負荷管理システムと自動検針技術を開発した。その際、彼はワット電力計のディスクの回転速度、ひいては電力消費量を監視するシステムの機能を活用した。この情報と時刻を組み合わせることで、電力会社は個々のメーターに給湯器やエアコンの消費量を管理するよう指示し、一日の消費量が多い時間帯のピーク使用を防ぐことができた。このアプローチにより、パラスケヴァコスは複数の特許を取得した。[ 7 ]
電気エネルギーは大量に貯蔵することが困難なエネルギー形態であるため、発電、配電、消費を即座に行う必要があります。系統負荷が最大発電容量に近づくと、系統運用者は追加のエネルギー供給源を確保するか、負荷を抑制する方法を見つけなければなりません。これが負荷管理です。これらの対策がうまくいかない場合、系統は不安定になり、停電が発生する可能性があります。
長期的な負荷管理計画は、配電網の物理的特性（トポロジー、容量、その他の送電線の特性など）と負荷挙動を記述する高度なモデルを構築することから始まる場合があります。この分析には、気象予報、提案されている負荷遮断命令の予測される影響、オフライン機器の復旧推定時間、その他の要因を考慮したシナリオが含まれる可能性があります。
負荷管理を活用することで、発電所は平均設備利用率の指標である設備利用率を高めることができます。設備利用率は、発電所の出力と最大出力との比率です。設備利用率は、一定期間における平均負荷と設備容量の比率、または平均負荷とピーク負荷の比率として定義されることがよくあります。設備利用率が高い方が有利な理由は、設備利用率が低いと発電所の効率が低下する可能性があること、設備利用率が高いと固定費がより多くのkWhの出力に分散されるため（結果として電力1単位あたりの価格が低くなる）、設備利用率が高いと総出力が大きくなるためです。燃料の不足、メンテナンスによる停止、計画外の故障、または需要の減少（消費パターンが一日を通して変動するため）によって電力設備利用率が影響を受ける場合、送電網のエネルギー貯蔵は多くの場合非常に高価であるため、発電量を調整する必要があります。
自家発電ではなく電力購入を選択している小規模電力会社も、負荷制御システムを導入することでメリットが得られることに気づいています。ピーク時の電力使用量に応じて電力会社に支払う違約金を大幅に削減できるからです。多くの電力会社が、負荷制御システムは1シーズンで投資額を回収できると報告しています。
負荷抑制の決定は、系統の信頼性に基づいて行われます。電力会社は、ある意味で「スイッチを所有」しており、配電系統の安定性や信頼性が脅かされる場合にのみ負荷を抑制します。電力会社は（発電、送電、配電を事業としているため）、正当な理由なく事業プロセスを中断することはありません。負荷管理は、適切に行われれば、消費者に負担をかけることなく、非侵襲的な方法で実施されます。負荷は、ピーク時以外の時間帯にシフトされるべきです。
デマンドレスポンスは、スマートグリッド制御の負荷制御スイッチなどのデバイスを使用して、消費者に「オン/オフスイッチ」を委ねます。多くの住宅消費者は年間を通して電気料金を定額で支払いますが、電力会社のコストは需要、配電網、および電力会社の発電ポートフォリオの構成に応じて、実際には常に変動します。自由市場では、エネルギーの卸売価格は一日を通して大きく変動します。スマートグリッドによって実現されるデマンドレスポンスプログラムは、コストへの懸念に基づいて消費者が使用量を制限するよう促そうとします。日中にコストが上昇すると（システムがピーク容量に達し、より高価なピーク発電所が使用されるため）、自由市場経済では価格の上昇が許容されるはずです。商品の需要の相応の減少は、価格の下落と一致するはずです。これは予測可能な不足には有効ですが、多くの危機は予期せぬ機器の故障により数秒以内に発生します。停電を避けるためには、同じ時間枠で解決する必要があります。デマンドレスポンスに関心のある多くの電力会社は、消費者に価格更新を公表する前に「オンオフスイッチ」を操作できるように、負荷制御機能にも関心を示している。[ 8 ]
負荷制御技術の応用は、無線周波数と電力線通信ベースのシステムの両方が販売される今日でも拡大し続けている。特定のタイプのスマートメーターシステムも負荷制御システムとして機能することができる。充電制御システムは、ピーク時間帯に電気自動車の再充電を防ぐことができる。V2Gシステムは、電気自動車のバッテリーから電力会社に電力を戻すことができるか、または車両バッテリーの再充電速度を遅くすることができる。[ 9 ]
リップル制御は一般的な負荷制御方式であり、米国、オーストラリア、チェコ共和国、ニュージーランド、英国、ドイツ、オランダ、南アフリカなど、世界中の多くの国で使用されています。リップル制御では、主電源信号の標準周波数である50～60Hzに、より高周波の信号（通常100～1600Hz [10]）を重畳します。住宅用または産業用負荷のうち重要でない機器に接続された受信装置がこの信号を受信すると、信号が無効になるか、別の周波数の信号を受信するまで負荷を停止します。
リップル制御の初期実装は第二次世界大戦中に世界各地で行われ、配電システムを介して通信するシステムが用いられました。初期のシステムでは、変圧器を介して配電網に接続された回転発電機が使用されていました。リップル制御システムは一般的に2段階（またはそれ以上）の料金体系と組み合わされ、電力料金はピーク時（夕方）は高く、低使用量時（早朝）は安くなります。
影響を受ける家庭用機器は地域によって異なりますが、家庭用電気温水器、エアコン、プールポンプ、農作物灌漑ポンプなどが含まれる可能性があります。負荷制御機能を備えた配電網では、これらの機器には通信機能付きコントローラーが搭載されており、制御対象機器の稼働時間を制限するプログラムを実行できます。消費者は通常、負荷制御プログラムに参加することで、電気料金の割引という形で報われます。電力会社による適切な負荷管理により、計画停電を回避し、コストを削減するための負荷遮断を実施することが可能になります。
リップル制御は、電力過剰生産の場合に太陽光発電システムを停止させるためにも使用されます。
リップル制御は、温水器や電気式ベースボードヒーターなどの快適機器の電源を入れる信号が機器に届かない場合があるため、不評な場合があります。最新の電子受信機は、従来の電気機械式システムよりも信頼性が高くなっています。また、一部の最新システムでは、快適機器の電源を入れるために電報を繰り返すようになっています。さらに、多くの要望に応えて、リップル制御受信機には、快適機器を強制的にオンにするスイッチが搭載されています。
現代のリップル制御では、30秒から180秒の長さのデジタル電報が送信されます。当初は電気機械式リレーで受信されていましたが、現在ではマイクロプロセッサで受信されることが多くなっています。多くのシステムでは、快適機器（給湯器など）が確実にオンになるように電報を繰り返します。放送周波数は人間の可聴域にあるため、電線、白熱電球、変圧器などが可聴音を発するほど振動することがよくあります。[ 5 ]
電報は地域によって異なる規格に従っています。たとえば、チェコ共和国では、地域によって「ZPA II 32S」、「ZPA II 64S」、および Versacom が使用されています。ZPA II 32S は、2.33 秒間オン、2.99 秒間オフ、その後 32 回の 1 秒間のパルス (オンまたはオフ) を送信し、各パルスの間には 1 秒間の「オフ時間」があります。ZPA II 64S はオフ時間がはるかに短いため、64 回のパルスを送信またはスキップできます。[ 5 ]
近隣地域では、電報が目的の地域でのみ動作するように、異なる周波数または電報を使用します。ローカルグリッドを連系線に接続する変圧器には、リップル制御信号を長距離送電線に伝送するための機器（ブリッジングコンデンサ）が意図的に備えられていません。[ 5 ]
電報の各データパルスはコマンド数を倍増させることができ、32個のパルスで2^32個の異なるコマンドが可能になります。ただし、実際には、特定のパルスは特定の種類のデバイスまたはサービスに関連付けられています。電報の中には、通常とは異なる目的を持つものもあります。たとえば、ほとんどのリップル制御システムには、接続されたデバイスの時計を午前0時に設定するための電報があります。[ 5 ]
Zellweger off-peakは、リップル制御システムの一般的なブランドの一つです。
近年、従来の電力線リップル信号システムに代わるものとして、無線ベースの負荷管理（「無線リップル制御」とも呼ばれる）信号システムが導入されている。 [ 11 ]一部の無線ベースの負荷管理システムは、十分なセキュリティ対策が欠けており、電力網のセキュリティを損なう可能性があり、街路灯のオン/オフを制御できるという批判を受けている。[ 12 ]
負荷が増加すると、グリッドの同期発電機の回転速度が物理的に低下します。そのため、グリッドに過負荷がかかると、交流電源の周波数がわずかに低下します。この周波数低下は、グリッド全体で即座に感知できます。安価なローカル電子機器を使用すれば、電源周波数を簡単かつ正確に測定し、遮断可能な負荷をオフにすることができます。場合によっては、この機能はほぼ無料で利用できます。例えば、制御機器（電力計や空調システムのサーモスタットなど）にマイクロコントローラが既に搭載されている場合などです。ほとんどの電子式電力計は内部で周波数を測定し、機器をオフにするには需要制御リレーのみが必要です。その他の機器では、多くの場合、電源サイクルを検出するための抵抗分圧器と、マイクロコントローラのデジタル入力が信頼性の高い高速デジタルエッジを検出できるようにするためのシュミットトリガ（小型集積回路）のみが必要となります。シュミットトリガは、多くのマイクロコントローラに既に標準装備されています。
リップル制御に比べて主な利点は、顧客の利便性が向上することです。リップル制御電報が受信されないと、給湯器が作動せず、冷たいシャワーを浴びることになります。また、エアコンが作動せず、室内が蒸し暑くなることもあります。一方、周波数制御による負荷制御では、電力系統が回復するにつれて周波数が自然に正常値に戻るため、給湯器、エアコン、その他の快適機器が自動的に作動します。機器のコストも抑えられ、リップル制御領域の重複や未到達、誤受信コード、送信電力などに関する懸念もありません。
リップル制御と比較した場合の主な欠点は、制御の粒度が粗いことである。例えば、電力系統管理者は、どの負荷を遮断するかを選択できる範囲が限られている。戦時下のような統制された経済状況においては、これは大きな欠点となり得る。
このシステムは21世紀初頭にPNNLで発明され、グリッドを安定させることが実証されている。 [ 13 ]
米国、英国、フランスを含む多くの国では、電力網は負荷管理計画において、民間所有の非常用ディーゼル発電機を日常的に使用している[ 14 ]。
世界最大の住宅用負荷制御システム[ 15 ]はフロリダ州にあり、フロリダ・パワー・アンド・ライト社によって管理されています。このシステムは80万個の負荷制御トランスポンダ（LCT）を使用し、1,000MWの電力（緊急時には2,000MW）を制御しています。FPLは負荷管理プログラムのおかげで、多数の新しい発電所の建設を回避することができました。[ 16 ]
1950年代以降、オーストラリアとニュージーランドではリップル制御に基づく負荷管理システムが採用されており、家庭用および業務用貯湯式給湯器への電力供給のオン/オフ切り替え、夜間蓄熱式給湯器や街灯の遠隔制御が可能となっている。各地域配電網内に設置されたリップル注入装置が、顧客宅のリップル制御受信機に信号を送る。制御は、地域停電や送電系統運用者（ Transpowerなど）からの需要削減要請に応じて、地域配電網会社が手動で行う場合と、注入装置が主電源周波数が49.2Hzを下回ったことを検知して自動的に行う場合がある 。リップル制御受信機は複数のリップルチャネルのいずれかに割り当てられており、配電網会社がネットワークの一部のみの供給を停止したり、給湯器への電力供給が一定時間停止した後に復旧した際の需要急増の影響を軽減するために段階的な供給再開を可能にしたりすることができる。
地域によっては、消費者は2つの電力メーターを所有している場合があります。1つは通常供給（「いつでも」）用、もう1つは負荷管理供給（「制御」）用で、制御供給はいつでも供給よりも1キロワット時あたりの料金が低く設定されています。負荷管理供給を受けているもののメーターが1つしかない場合は、いつでも供給と制御の中間の料金である「複合」料金が適用されます。
チェコでは1950年代から波紋制御システムが運用されている。[ 5 ]
フランスには、特定の負荷を遮断したり、消費者に特定の負荷を遮断するよう促したりするEJP料金制度があります。[ 17 ]この料金制度は、新規顧客には利用できなくなりました（2009年7月現在）。[ 18 ] Tempo料金制度にも、異なる料金の異なる曜日が含まれていますが、これも新規顧客向けには廃止されました（2009年7月現在）。[ 19 ]夜間の割引料金は、月額料金を高く設定することで顧客に提供されます。[ 20 ]
配電システム事業者のWestnetzとgridXは、負荷管理ソリューションの試験運用を行った。このソリューションにより、グリッド事業者は地域のエネルギー管理システムと通信し、グリッドの状態に応じてEV充電に利用可能な負荷を調整することができる。[ 21 ]
2009年に英国のRLTECは、家庭用冷蔵庫に同社の動的負荷応答システムが搭載されて販売されていると報告した。2011年には、スーパーマーケットチェーンのセインズベリーが暖房および換気設備に動的需要技術を採用すると発表された。[ 22 ]
英国では、夜間蓄熱暖房器は、時間帯によって切り替えられるオフピーク供給オプション（エコノミー7またはエコノミー10）と併用されることが多い。また、現場に設置された周波数感知リレーによって自動的に作動する回路ブレーカーを使用して産業用負荷を遮断できるプログラムもある。これは、ディーゼル発電機を使用するプログラムであるスタンディングリザーブと連携して動作する。 [ 23 ]これらは、BBCラジオ4ロングウェーブラジオのテレスイッチを使用して遠隔で切り替えることもできる。
SPトランスミッションは、ダムフリース・アンド・ギャロウェイ地域において、分散型発電設備をリアルタイムで監視し、送電網に過負荷が検出された場合にはそれらを切り離す動的負荷管理方式を導入した。