スマートグリッドエネルギー研究センター

UCLA スマートグリッドエネルギー研究センター (SMERC)

設立	2010
監督	ラジット・ガド
位置	ロサンゼルス 、 カリフォルニア
所属	カリフォルニア大学ロサンゼルス校
Webサイト	公式サイト

カリフォルニア大学ロサンゼルス校（UCLA）キャンパスにあるUCLAスマートグリッドエネルギー研究センター（SMERC）は、スマートグリッドの次世代技術とイノベーションの開発に注力する組織です。^[1] SMERCは、政府機関、技術プロバイダー、エネルギー省（DOE）研究室、大学、公益事業会社、政策立案者、電気自動車メーカー、家電メーカーと提携しています。これらのパートナーシップにより、SMERCは多様な能力と優れた成熟したリーダーシップを獲得しています。^[2]

現在、SMERCはマイクログリッド、自動需要応答、^[3]電気自動車の統合（G2V、またはGrid-to-VehicleとV2G、またはVehicle-to-Grid）、サイバーセキュリティ、分散型および再生可能エネルギーの統合に関する研究を行っています。

SMERCは、スマートグリッド実証プロジェクトで南カリフォルニア大学、カリフォルニア工科大学/ジェット推進研究所（JPL）、LADWPと協力関係にあります。 ^[4]国際的には、SMERCは韓国エネルギー研究院（KIER）と協力関係にあります。このパートナーシップでは、SMERCがスマートグリッド技術に関連するソフトウェアとプラットフォームのテストと開発を行い、KIERは太陽光、風力、燃料電池などの複数の再生可能エネルギー技術、無線通信、半導体システムに重点を置いています。^[5]

「米国の電力網は非常に信頼性が高いが、新しい再生可能エネルギー源の導入、需要反応の効果的な管理、問題箇所の感知と監視、自己修復の能力が現在のところやや限られている。」^[6]人口が増加し、電力需要が増加する中で、電力網システムが同じままであれば、この信頼性は持続しない。この需要には、需要反応、感知/監視修復、自己修復を提供および管理し、電力網の安定化を支援する革新的な技術とシステムが必要である。SMERC は、2004 年秋からこれらの技術を構築してきた。このシステムでは、エネルギー生成者と節約者の効率性の向上も求められている。今日、北米の現在の電力網は非常に古く、多くの地域では 100 年も経過している。電力網は柔軟性に欠けており、再生可能エネルギー源 (太陽光発電、風力タービンなど) の断続性に対処するために近代化する必要がある。^[7]これらのエネルギー源は、適切にリソースが確保されれば、現在無駄になっているエネルギーを電力網に提供し、電力網にとって貴重なものとなるだろう。このような電力需要により、米国では、現在の電力網と、 RFIDおよび統合センサー、情報、ワイヤレス技術を 使用した次世代システムとの間でイノベーションを起こす大きなチャンスが生まれています。

スマートグリッドへの認識が高まるにつれ、新しい近代化されたグリッドがどのようなものになるのかという疑問が投げかけられています。残念ながら、グリッドがどのようなものになるのか明確な答えはありません。たとえば、1976 年に最初の Apple コンピューターが発売されたときに、今日の Apple コンピューターが何を実現できるかを予測するようなものです。 ^[8]現在、スマートグリッド技術の実験、創造性、研究には大きなチャンスがあります。起業家、大学、その他の革新者たちは、将来のスマートグリッドに言葉では言い表せないほどの可能性を生み出しています。

現在の電力網の近代化への投資の大きな出発点は、米国エネルギー省（DOE）の景気刺激策（アメリカ復興・再投資法、ARRA）でした。ARRAはスマートグリッド研究に約44億ドルを投資しました。^[9] LADWPはDOEの景気刺激策から6000万ドルを受け取りました。「この資金は「スマートグリッド」の実証プロジェクトに使用されます。このプロジェクトにより、米国最大の市営公益事業体である市の水道電力局は、大学の高度なメーターやその他の技術を使用して、電力の消費状況をグラフ化し、需要と潜在的な停電を予測し、エネルギー使用量を削減する方法を模索できるようになります。」^[10]

ワックスマン・マークリー包括的エネルギー法案（2009年米国クリーンエネルギー安全保障法）^[11]は、電力送電網に対する認識と影響を高めました。この法律は、 2020年までに温室効果ガス排出量を17％削減することを目的として策定されました。この削減には、エネルギーの消費と生産に集中する必要があります。この法案は、直接的および間接的に、大学や民間産業が送電網の新技術の革新者となることを刺激します。公益事業会社、政府、技術プロバイダー、大学間のコラボレーションは、新世代のスマートグリッドとスマートエネルギー技術に関する情報と技術を提供するために行われています。

SMERCは、カリフォルニア州エネルギー委員会、EPRI、KIER、UCLAスマートグリッド産業パートナープログラム（SMERC-IPP）からも資金提供を受けています。 ^[12]

スマートグリッドエネルギー研究センター (SMERC) は、次のようないくつかの主要プロジェクトで構成されています。

CAEVTMはUCLAが主導するコンソーシアムで、そのメンバーは現代の自動車会社、電気および自動運転輸送プロバイダー、電力会社で構成されており、自動車産業を電気、デジタル、コネクテッド、スマート、自動運転へと近代化し、21世紀以降の社会の輸送とエネルギーのニーズに応えています。コンソーシアムの目的は、カリフォルニアの電気自動車および自動運転車メーカーのパートナーシップを構築し、技術を進歩させ、革新的なビジネスモデルを作成し、次世代の学生を教育および訓練する新しいエネルギー企業と提携して、世界中の自動車部門の様相を変える産業を創造することです。^[13]

「UCLA WINSmartGridTM [1 ^[14]は、プラグイン自動車、洗濯機、乾燥機、エアコンなどの電気で動く機器を、スマートワイヤレスハブを介してワイヤレスで監視、接続、制御できるようにするネットワークプラットフォーム技術です。」^[15]

全体的に、WINSmartGridTMの利点は次のとおりです。テクノロジー、低標準ベースのハードウェアを使用することで全体的なコストを削減、監視と制御のためのワイヤレスインフラストラクチャ、簡単に統合できるオープンアーキテクチャ、プラグアンドプレイアプローチ、再構成可能な機能、エッジウェア、ミドルウェア、セントラルウェアの3層からなるサービスアーキテクチャ。^[16]

WINSmartGridTM テクノロジーは、ReWINS テクノロジーとともに 3 層のサービスウェア アーキテクチャを使用します。

このプロセスを簡単に説明すると、セントラルウェアが決定を下し、ミドルウェアがその決定を読み取り、これらの決定をエッジウェアにマッピングしてルーティングし、エッジウェアでその決定が低レベルの制御信号を通じて送信されるというものです。

エッジウェアは、ワイヤレス テクノロジ ネットワークの制御と利用、およびソフトウェアとファームウェアの作成、管理、セットアップ、メンテナンスを行います。これは、RFID タグ、モーション ディテクター、温度モニター、または冷蔵庫の 10X コントローラーに接続します。WINSmartGridTM ハブ内では、湿度、電流、電圧、電力、衝撃、モーション、化学物質など、エッジウェアが接続するさまざまなモニターとセンサーがサポートされています。このハブは、ワイヤレス プロトコル ( WiFi、Bluetooth、Zigbee、GPRS、RFIDなど) をサポートできます。最も効率的なプロトコルは、Zigbee などの低電力プロトコルのようです。

ミドルウェアは、エッジウェアとセントラルウェアの間の「仲介者」です。データのフィルタリング、意味のある情報の抽出、エッジウェアからのデータの集約とメッセージング、適切な宛先または Web サービスへの情報の配信などの機能を提供できます。

Centralware意思決定 Web サービス。すべての情報を受信し、ルールに基づいて最適な決定を決定し、その決定を実行します。現在、WINSmartGridTM Centralware は基本的なルール セットに基づいて実行されていますが、最終的には外部のインテリジェント サービスがオンラインになり始めると、それらとも連携するようになります。

「自動需要応答（ADR）^[17]プログラムは、制御モデルと安全なメッセージングスキーム、負荷削減の自動化、複数の通信技術の活用、スマートグリッド自動化アーキテクチャ層間の相互運用性の維持を示しています。」^[18]

SMERC は、消費者のエネルギー使用状況と公共サービスからのエネルギーの分配に関する情報を提供するテスト エリアを作成中です。テスト ベッドは UCLA キャンパスに設置され、ADR コンセプトの実証実験のリビング ラボとして機能します。UCLA は、そのエネルギーの 75% を天然ガス 発電所で生産しているため、キャンパスは ADR の研究と実証を行うのに簡単で望ましい場所です。

ADR には、セキュリティ、ネットワーク標準、メッセージング、プロトコルなどと連携し、運用パラメータと連携する制御テクノロジ コンポーネントとサブシステムが必要です。データ量とネットワークの側面に関して、 Advanced Metering Infrastructure (AMI) の適切な機能も確認されます。料金設計モデル、システム全体のデータとメタデータのモデリングなどのその他の要件は、システム アーキテクチャをガイドするために使用されます。デマンド レスポンス システムは、ユーティリティ システムと消費者に効率的なサービスを提供します。これは、ユーティリティ システムの技術評価と要件からの情報を使用して、バックエンド ユーティリティ システムの統合方式を支援するサービス指向アーキテクチャ(SOA) に基づいています。このアーキテクチャにより、課金、計測、配布などを含むネットワーク全体でリアルタイムのコラボレーションを実現できます。消費者はリクエストを行うことができ、監視制御システムが消費者の需要を監視し、利用可能な最善の決定を下します。このデマンド レスポンス システムは、さまざまな種類のエネルギー顧客 (商業、住宅、産業など) によっても表されます。これにより、各顧客ごとに独自の異なる負荷プロファイルと価格設定が作成され、システムでそのすべてを追跡する必要があります。WINSmartGrid™ テクノロジを使用すると、トランザクションはワイヤレス テクノロジを通じて通信され、共通のデータ ペイロードが伝達されます。現在、SOA はオープンな組み込みシステム スキャンと連携して、プラグ アンド プレイとセキュアなデマンド レスポンスをサポートしています。また、アプリケーション プログラミング インターフェイス (API) によって、システムのカスタマイズ性と拡張性が提供されます。

テスト ベッドでは自動化テクノロジが使用され、システムの機能、通信の忠実度と信頼性、データやプロトコルのテストなどのデモンストレーションが提供されます。これらのテクノロジには、AMI-DR モデル、ハードウェアおよびソフトウェア インターフェイス、ソフトウェア アーキテクチャ、アクセス制御ポリシー、推奨されるセキュリティ スキームとアルゴリズム、および必要な最適化のセットが含まれます。

テスト段階では、需要応答プロセスと技術コンポーネントまたはサブシステムに関する開発された詳細なパフォーマンスが提供され、目標とする負荷削減と消費者の需要を満たすために効率的な変更と予測を行うことができます。

現在の研究のためのテストベッドには、「プラグイン電気自動車、洗濯機、乾燥機、エアコンなどの家電製品をワイヤレス通信フレームワークを通じてワイヤレスで監視、接続、制御できるようにするネットワークプラットフォームがあります。これらのテストベッドの配置は、需要応答システムに関する重要な研究を提供します。」^[19]

現在、SMERC 内の技術は WINSmartEV™ プログラムに使用および構築されています。このプログラムは、ワイヤレスと RF の両方の監視および制御技術の統合に重点を置いています。^[20] EV 技術は、EV を充電するための、よりエネルギー効率が高く、経済的で、ユーザーフレンドリーなスマート技術を提供します。^[21] UCLA キャンパス内のいくつかの駐車場は現在、メンバーに EV 充電を提供しています。これらのステーションは、エンジニアリング部門の SMERC ソフトウェア システムによって監視されています。これらの充電ステーションに関するすべてのデータは、SMERC チームのメンバーによって収集され、ユーザーの傾向と要求を評価します。このデータは、ステーションのユーザーに EV 充電の可能な限り最適な管理を提供するために評価されます。^[22]

WINSmartEV™ の主な目的は、EV の充電で行われるすべての操作を管理することで、ローカル電力システムの安定性を高め、エネルギー コストを削減することです。開発された最新の実装では、異なるが制御可能な電流を受け取りながら、1 つの充電ステーションで複数の EV を充電できます。このタイプの充電システムは、EV の充電に関してユーザーに大きな柔軟性を提供します。このシステムは、駐車、価格、時間制限、および電力消費に関する利便性をユーザーに提供します。

WINSmartEV™ プログラムのもう 1 つの目的は、電力網と EV からワイヤレスで情報を収集し、EV のより効率的な充電機能を決定することです。EV を適切に管理することで、充電とバックフィル操作を利用して電気料金を下げ、負荷曲線を平坦化することができます。

ユーザー インターフェイスにより、EV 所有者は、どこで、いつ、なぜ、どのように車両を充電するかを制御できます。EV ユーザーは、ハンドヘルド デバイスを使用して充電ステーションのマップを表示し、正確な充電時間をスケジュールし、都合の良いときに充電を開始および停止できます。これらはすべて、Smsrtphone またはその他のハンドヘルド デバイスを 1 回タッチするだけで実行できます。また、必要に応じて、または要求に応じて、バッテリー容量が少なくなり、充電が必要になると、ドライバーに警告を発することができます。

SMERC は、EV と充電ステーションのパターンを評価して、最適なワイヤレス テクノロジーとセンサー モジュールを決定します。結論として、EV を WINSmardGrid™ と統合すると、ローカル AMI とデマンド レスポンスが WINSmartETM の通信システムと警告システムを提供します。

電力供給システムは劇的に複雑かつ動的になりつつあり、電力網はスマートグリッドへの移行期にあります。太陽光パネルやエネルギー貯蔵装置などの分散型エネルギー資源(DER) の導入が急増しています。さまざまな高度な配電網プラットフォームから、多数の入力と制御がプッシュおよびプルされます。入力と制御の一部は、グリッド リソースをパブリック インターネットに接続します。センシング、通信、および制御機能の向上により、電力網のパフォーマンスを大幅に向上させることができますが、その代償として、意図的な攻撃や偶発的な障害に対する脆弱性が高まり、グリッドの機能と信頼性が脅かされます。スマート グリッドに接続する EV 充電システムは、ユーティリティ、EV および DER 制御センター、EV 供給装置 (EVSE)、および電力メーター間の大規模な通信を備えた情報ネットワークと見なされます。EV 充電は大量の電力を消費し、配電システムに大きな影響を与える可能性があるため、EV 充電ドメインのサイバー セキュリティは配電網と同じくらい重要です。

^{現在UCLRP（UCOP LFR-18-548175 [24]} ）が後援している「UC-Lab電力配電サイバーセキュリティセンター^[23] 」という進行中の研究プロジェクトでは、サイバーセキュリティと電力インフラの専門家からなるUC-Labの多分野にわたるチームが結集し、電力配電インフラに対するサイバー攻撃の影響を調査し、脆弱性の緩和、侵入の検出、システム全体に悪影響を及ぼすことに対する保護のための新しい戦略を開発しています。

SMERC チームは、システムの脆弱性分析、リスク評価、サイバー攻撃の影響、異常検出など、EV 充電ネットワークのサイバーセキュリティに重点を置いています。

チームは、UCLAキャンパスのWINSmartEV™と呼ばれる充電システムをベースにしたスマート充電インフラストラクチャの脆弱性分析とリスク評価を研究してきました。この研究では、EV充電ネットワークに対するサイバーフィジカル攻撃の脆弱性とリスクを評価するための体系化された方法論と分類法を概説し、一般化可能で包括的なソリューションを作成しました。^[25]異常検出については、チームはWINSmartEV™内の建物負荷、太陽光発電、動的電気料金、EV負荷などの多次元時系列データを分析します。目的は、通常のEV充電操作を特徴付けて相関不変ネットワークを確立し、システム内の相関関係を乱す異常や悪意のあるデータ注入を特定することです。

SMERC で初期段階または現在開発中のその他のプロジェクトには、再生可能太陽光発電とのバッテリー ストレージの統合、EV と太陽光発電の統合、V2G、サイバー セキュリティ テスト、グリッドのワイヤレス監視と制御、マイクログリッドのモデリングと制御、自律型電気自動車、ホーム エリア ネットワーク、EV 統合と DR における消費者問題などがあります。

SMERCはUCLAの内外で、学界と産業界の著名な講演者を招いて数々のイベントを主催してきました。^[26]セミナーやパネルディスカッションの開催地として有名なのは、上海交通大学、インド工科大学、サクラメントのカリフォルニア州議会議事堂などです。ラボの所長であるRajit Gadh博士は、Fast Companyなどの著名な記事で引用されており、^[27]エネルギー資源研究所の所長との面会や、2018年のIntercharge Network Conferenceなどのさまざまなイベントへの出演などが活動の柱となっています。さらに、毎年、電気自動車産業について議論するElectric and Autonomous Transportation UCLA CAEV Annual Conferenceが開催されています。^[28]その他の注目すべきイベントには、輸送と電力の技術動向に関するワークショップ、人工知能と自律システム：技術革新とビジネスチャンス、現代のグリッドのための分散型エネルギーリソース（DER）—EV、PV、ストレージ—などがあります。

• スマートグリッドエネルギー研究センター - 公式サイト
• WINSmartGrid™ WINMEC UCLA 2012-07-25 にWayback Machineにアーカイブされました