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スマートグリッドは、双方向通信と分散型いわゆるインテリジェントデバイスを使用して、20世紀の電力網を強化したものです。 [1]双方向の電気と情報の流れにより、配送ネットワークが改善される可能性があります。研究は主に、スマートグリッドの3つのシステム、つまりインフラストラクチャシステム、管理システム、保護システムに焦点が当てられています。[2]電子電力調整と電力の生産と配電の制御は、スマートグリッドの重要な側面です。[3]
スマートグリッドは、電力供給の課題に対する現在の対応と提案されている対応のすべてを網羅しています。スマートグリッド技術の導入、特に需要側管理の導入により、エネルギーインフラの効率を全体的に改善する多くの貢献が期待されています。スマートグリッドの柔軟性の向上により、エネルギー貯蔵を追加しなくても、太陽光発電や風力発電などの変動の大きい再生可能エネルギー源をより多く導入することができます。スマートグリッドは、ピーク電力消費時には重要でない住宅用デバイスを監視/制御し、ピーク時以外はその機能を回復することもできます。[4]
スマートグリッドには、さまざまな運用とエネルギー対策が含まれます。
- 高度な計測インフラストラクチャ（スマートメーターは、光ファイバールーターなどのより高性能なユーティリティ側デバイスの総称です）
- スマート配電盤と回路ブレーカーは、家庭内の制御と需要応答（電力会社の観点からは
メーターの後ろ）と統合されています。
- 負荷制御スイッチやスマート家電は、多くの場合、自治体のプログラムによる効率化によって資金が調達されます（例：PACE ファイナンス）
- 再生可能エネルギー資源には、駐車中の（電気自動車の）バッテリーや、そこからリサイクルされたより大きなバッテリーアレイ、またはその他のエネルギー貯蔵を充電する能力が含まれます。
- エネルギー効率の高いリソース
- 送電線と自動スマートスイッチによる余剰電力の配電
- 上記の接続と監視に十分なユーティリティグレードの光ファイバーブロードバンドと、バックアップとしての無線。フェイルオーバーを確実に行うために十分な予備の「ダーク」容量。収益のためにリースされることが多い。[5] [6]
スマートグリッド技術に関する懸念は、主にスマートメーター、スマートメーターによって実現されるアイテム、および一般的なセキュリティ問題に集中しています。スマートグリッド技術の導入は、電力サービス業界の根本的な再構築も意味しますが、この用語の典型的な使用法は技術インフラストラクチャに焦点を当てています。[7]
スマートグリッド政策は、欧州ではスマートグリッド欧州技術プラットフォームとして組織化されている。[8]米国における政策は、米国法典第42編に記載されている。[9]
背景
電力網の歴史的発展
最初の交流 電力網システムは1886年にマサチューセッツ州グレートバリントンに設置されました。[10]当時の電力網は、電力送電、配電、需要主導型制御の集中型一方向システムでした。
20 世紀には、ローカル グリッドが時間とともに成長し、最終的には経済性と信頼性の理由から相互接続されました。1960 年代までには、先進国の電力グリッドは非常に大規模で成熟し、高度に相互接続され、数千の「中央」発電所が大容量の送電線を介して主要な負荷センターに電力を供給し、その後、その送電線が分岐および分割されて、供給エリア全体の小規模な産業および家庭ユーザーに電力を供給していました。1960 年代のグリッドのトポロジーは、強力な規模の経済の結果でした。1 GW (1000 MW) から 3 GW 規模の大規模な石炭、ガス、石油火力発電所は、発電所が非常に大規模になった場合にのみ費用対効果が高くなる効率向上機能により、依然として費用対効果が高いことがわかりました。
発電所は、化石燃料の埋蔵量（鉱山や井戸自体、あるいは鉄道、道路、港湾の供給ラインの近く）に近いように戦略的に配置されました。山岳地帯の水力発電ダムの立地も、新興の送電網の構造に大きな影響を与えました。原子力発電所は、冷却水を確保するために立地されました。最後に、化石燃料火力発電所は当初、汚染がひどかったため、配電網が許せば、経済的に可能な限り人口密集地から離れた場所に設置されました。1960 年代後半までに、電力網は先進国の人口の圧倒的多数にまで広がり、地方の辺境地域だけが「オフグリッド」のままでした。
異なるユーザーの（大きく変動する）消費レベルに応じて適切な料金を請求できるようにするには、ユーザーごとに電力消費量を計測する必要がありました。送電網の成長期にはデータ収集と処理能力が限られていたため、固定料金制度が一般的に導入され、夜間の電力が昼間の電力よりも低い料金で請求される二重料金制度も導入されました。二重料金制度が導入されたのは、夜間の需要が低いためです。二重料金制度により、低コストの夜間電力を「ヒートバンク」の維持などの用途で使用できるようになりました。ヒートバンクは毎日の需要を「平準化」し、夜間に停止する必要のあるタービンの数を減らして、発電施設と送電施設の利用率と収益性を向上させました。1960 年代の送電網の計測能力は、価格シグナルをシステム全体に伝播できる程度に技術的な制限があることを意味していました。
1970 年代から 1990 年代にかけて、需要の増加により発電所の数が増加しました。一部の地域では、特にピーク時の電力供給がこの需要に追いつかず、停電、電力カット、電圧低下などの電力品質の低下が発生しました。産業、暖房、通信、照明、娯楽はますます電気に依存するようになり、消費者はこれまで以上に高いレベルの信頼性を求めました。
20 世紀末には、電力需要のパターンが確立されました。家庭の暖房と空調によって毎日の需要がピークに達し、その需要は、毎日短時間だけ稼働する一連の「ピーク時発電装置」によって満たされました。これらのピーク時発電装置 (一般的には、比較的資本コストが低く、起動時間が速いためガスタービンが使用されました) の利用率は比較的低く、電力網に必要な冗長性も相まって、電力会社のコストが高騰し、料金の値上げという形で転嫁されました。
21世紀には、中国、インド、ブラジルなどの発展途上国がスマートグリッド導入の先駆者として見られました。[11]
近代化の機会
21世紀初頭以来、電子通信技術の向上を利用して電力網の限界とコストを解決する機会が明らかになりました。計測に関する技術的な限界により、ピーク電力価格を平均化してすべての消費者に平等に転嫁する必要がなくなりました。同時に、化石燃料発電所による環境破壊への懸念の高まりから、再生可能エネルギーを大量に使用したいという要望が生まれました。風力や太陽光発電などの主流の形態は非常に変動しやすいため、制御性の高いグリッドに電源を簡単に接続できるように、より高度な制御システムの必要性が明らかになりました。[12]太陽光発電セル（およびそれほどではないが風力タービン）からの電力は、大規模な集中型発電所の必要性にも大きな疑問を投げかけています。コストが急速に低下していることは、集中型のグリッドトポロジーから、電力がグリッドの限界で生成および消費される、高度に分散されたグリッドトポロジーへの大きな変化を示しています。最後に、一部の国ではテロ攻撃に対する懸念が高まっており、潜在的な攻撃目標とみなされる集中型発電所への依存度が低い、より堅牢なエネルギーグリッドを求める声が高まっています。[13]
「スマートグリッド」の定義
アメリカ合衆国
スマート グリッドの最初の公式定義は、2007 年エネルギー独立安全保障法 (EISA-2007)によって提供されました。この法律は、2007 年 1 月に米国議会で承認され、 2007 年 12 月にジョージ W. ブッシュ大統領によって署名されて法律となりました。この法案のタイトル XIII では、スマート グリッドの定義と考えられる 10 の特徴を次のように説明しています。
「米国の政策は、将来の需要増加に対応できる信頼性が高く安全な電力インフラを維持し、スマートグリッドの特徴となる以下の各項目を達成するために、国の送電および配電システムの近代化を支援することです。(1) 電力網の信頼性、セキュリティ、効率性を向上させるためのデジタル情報および制御技術の活用拡大。(2) 完全なサイバーセキュリティを備えた、電力網の運用とリソースの動的な最適化。(3) 再生可能リソースを含む分散型リソースと発電の導入と統合。(4) 需要応答、需要側リソース、エネルギー効率リソースの開発と組み込み。(5) 計測、電力網の運用と状態に関する通信、配電自動化のための「スマート」技術 (機器と消費者向けデバイスの物理的操作を最適化するリアルタイムの自動化されたインタラクティブ技術) の導入。(6) 「スマート」機器と消費者向けデバイスの統合。(7) プラグイン電気自動車、ハイブリッド電気自動車、蓄熱空調などの高度な電力貯蔵およびピークカット技術の導入と統合。 （８）消費者へのタイムリーな情報と制御オプションの提供。（９）電力網に接続された機器や装置の通信と相互運用性に関する標準の開発（電力網にサービスを提供するインフラストラクチャを含む）。（１０）スマートグリッド技術、実践、サービスの採用に対する不当または不必要な障壁の特定と低減。
欧州連合
欧州委員会のスマートグリッドタスクフォースもスマートグリッドの定義を次のように示している[14] [15] [16]。
「スマートグリッドとは、接続しているすべてのユーザー（発電者、消費者、および両方）の行動と活動をコスト効率よく統合できる電力ネットワークです。これにより、損失が少なく、高品質で供給と安全性のセキュリティが確保された、経済的に効率的で持続可能な電力システムを確保できます。スマートグリッドは、革新的な製品とサービスをインテリジェントな監視、制御、通信、および自己修復技術と組み合わせて使用し、次のことを実現します。
- あらゆるサイズと技術の発電機の接続と操作をより容易にします。
- 消費者がシステムの運用の最適化に参加できるようにします。
- 消費者に、供給品をどのように使用するかについて、より多くの情報と選択肢を提供します。
- 電力供給システム全体の環境影響を大幅に削減します。
- システムの信頼性、品質、供給の安全性の既存の高いレベルを維持、またはさらに向上させます。
- 既存のサービスを効率的に維持・改善します。
この定義は欧州委員会のコミュニケーション（2011）202で使用されました。[17]
ほとんどの定義に共通する要素は、デジタル処理と通信を電力網に適用し、データフローと情報管理をスマートグリッドの中心に据えることである。電力網とデジタル技術を深く統合して使用することで、さまざまな機能が生まれる。新しいグリッド情報の統合は、スマートグリッドの設計における重要な課題の 1 つである。電力会社は現在、3 つの変革を行っている。中国では「強固なグリッド」と呼ばれるインフラの改善、スマートグリッドの本質であるデジタル層の追加、そしてスマート技術への投資を有効活用するために必要なビジネス プロセスの変革である。電力網の近代化、特に変電所と配電の自動化で行われてきた作業の多くは、現在、スマートグリッドの一般的な概念に含まれます。[18]
初期の技術革新
スマートグリッド技術は、電子制御、計測、監視を利用する初期の試みから生まれました。1980 年代には、自動メーター読み取りが大口顧客からの負荷を監視するために使用され、 1990 年代には高度メーターインフラストラクチャへと進化しました。このインフラストラクチャのメーターは、1 日のさまざまな時間帯の電気の使用状況を保存できます。[19] スマートメーターは継続的な通信を追加して、リアルタイムで監視できるようにし、需要応答を認識するデバイスや家庭内の「スマートソケット」へのゲートウェイとして使用できます。このような需要側管理技術の初期の形態は、電力供給周波数の変化を監視することでグリッドの負荷を受動的に感知する動的な需要認識デバイスでした。産業用および家庭用のエアコン、冷蔵庫、ヒーターなどのデバイスは、グリッドがピーク状態に陥っているときにアクティブにならないようにデューティサイクルを調整しました。2000 年以降、イタリアの Telegestore プロジェクトは、低帯域幅の電力線通信を介して接続されたスマートメーターを使用して、多数 (2,700 万) の家庭をネットワーク化した最初のプロジェクトでした。[20]いくつかの実験では電力線を介したブロードバンド（BPL）という用語が使用されましたが、他の実験では、家庭内のさまざまなデバイスへのより信頼性の高い接続や、ガスや水道などの他のユーティリティの計測をサポートするために推進されているメッシュネットワークなどの無線技術が使用されました。[12]
広域ネットワークの監視と同期は、1990年代初頭にボンネビル電力局がスマートグリッド研究を拡大し、非常に広い地理的範囲にわたる電力品質の異常を非常に迅速に分析できるプロトタイプセンサーを導入したことで革命を起こしました。この研究の集大成は、2000年に初めて運用された広域測定システム（WAMS）でした。 [21]他の国々もこの技術を急速に取り入れており、中国は2012年に過去5年間の経済計画が完了したときに包括的な国家WAMSを導入し始めました。[22]
スマート グリッドの最も初期の導入には、イタリアのシステムTelegestore (2005 年)、テキサス州オースティンのメッシュ ネットワーク(2003 年以降)、コロラド州ボルダーのスマート グリッド(2008 年) などがあります。以下の「§ 導入と導入の試み」を参照してください。
特徴
スマートグリッドにより、電力業界はシステムの一部を時間と空間のより高い解像度で観察し、制御できるようになります。[23]スマートグリッドの目的の1つは、リアルタイムの情報交換によって運用を可能な限り効率的にすることです。これにより、マイクロ秒単位の高周波スイッチングデバイスから、分単位の風力および太陽光発電の出力変動、10年単位の発電による炭素排出量の将来的な影響まで、あらゆる時間スケールでグリッドを管理できるようになります。
スマート グリッドは、電力供給の課題に対する現在の対応策と提案されている対応策のすべてを表わしています。要因が多岐にわたるため、競合する分類法が多数存在し、普遍的な定義についての合意は得られていません。ただし、ここでは 1 つの分類法を示します。
信頼性
スマートグリッドは、状態推定[24]などの技術を利用して、障害検出を改善し、技術者の介入なしにネットワークの自己修復を可能にします。これにより、より信頼性の高い電力供給が保証され、自然災害や攻撃に対する脆弱性が軽減されます。
スマートグリッドの特徴として複数のルートが宣伝されているが、古いグリッドにも複数のルートがあった。グリッド内の初期の電力線は放射状モデルを使用して構築され、後にネットワーク構造と呼ばれる複数のルートを介して接続が保証された。しかし、これにより新たな問題が発生した。ネットワーク全体の電流の流れまたは関連する影響が特定のネットワーク要素の制限を超えると、そのネットワーク要素が故障し、電流が他のネットワーク要素に分流され、最終的にその要素も故障してドミノ効果を引き起こす可能性がある。停電を参照。これを防ぐ技術は、計画停電または電圧低下（ブラウンアウト）による負荷制限である。[25] [26]
ネットワークトポロジの柔軟性
次世代の送電・配電インフラは、双方向のエネルギーフローをより適切に処理できるようになり、建物の屋根の太陽光発電パネルなどの分散型発電だけでなく、電気自動車のバッテリー、風力タービン、揚水発電、燃料電池などの充電も可能になります。
従来の送電網は一方向の電力の流れを想定して設計されていたが、ローカルサブネットワークが消費する電力よりも多くの電力を発電した場合、逆の流れによって安全性と信頼性の問題が生じる可能性がある。[27]スマートグリッドはこのような状況を管理することを目的としている。[12]
効率
スマートグリッド技術の導入により、エネルギーインフラの効率を全体的に改善するための数多くの貢献が期待されており、特に需要側管理（例えば、電気料金の短期的な急騰時にエアコンをオフにする、[28]電圧/無効電力最適化（VVO）を通じて可能な場合は配電線の電圧を下げる、メーター読み取りのためのトラックロールをなくす、高度計量インフラシステムのデータを使用して停電管理を改善することでトラックロールを減らすなど）が含まれる。全体的な効果は、送電線と配電線の冗長性が減り、発電機の利用率が高くなり、電力価格が下がることである。[要出典]
負荷調整/負荷分散
電力網に接続された総負荷は、時間の経過とともに大幅に変化する可能性があります。総負荷はクライアントの個々の選択の合計ですが、全体の負荷は必ずしも安定していたり、ゆっくりと変化したりするわけではありません。たとえば、人気のあるテレビ番組が始まると、何百万台ものテレビが瞬時に電流を消費し始めます。従来、大型発電機の起動時間よりも速い電力消費の急激な増加に対応するために、いくつかの予備発電機が散逸スタンバイ モードに設定されます。[要出典]スマート グリッドは、すべての個別のテレビ セットまたは他の大規模な顧客に、一時的に[29] (大型発電機を起動する時間を確保するため) または継続的に (リソースが限られている場合) 負荷を減らすように警告する場合があります。数学的予測アルゴリズムを使用すると、特定の故障率に達するために必要なスタンバイ発電機の数を予測できます。従来のグリッドでは、スタンバイ発電機を増やすことでのみ故障率を下げることができます。スマート グリッドでは、クライアントのごく一部による負荷削減でも、問題が解消される場合があります。
ピークカット/平準化と時間帯別料金
通信および計測技術は、エネルギー需要が高いときに家庭や企業のスマートデバイスに通知し、電気の使用量と使用時間を追跡します。また、電力会社は、システムの過負荷を防ぐためにデバイスに直接通信することで消費を削減できるようになります。例としては、電力会社が電気自動車の充電ステーションのグループの使用量を減らしたり、都市のエアコンの温度設定値をシフトしたりすることが挙げられます。[29]使用量を削減し、ピークカットまたはピーク平準化と呼ばれるものを実行するように動機付けるために、需要が高い時間帯には電気料金を上げ、需要が低い時間帯には電気料金を下げます。[12]消費者と消費者向けデバイスがピーク時に電気を使用すると高額な料金がかかることを認識できれば、消費者と企業は需要が高い時間帯に消費を減らす傾向があると考えられています。これは、エアコンのオン/オフを切り替えたり、食器洗い機を午後 5 時ではなく午後 9 時に稼働させたりするなどのトレードオフを意味する可能性があります。企業や消費者がオフピーク時にエネルギーを使用することで直接的な経済的利益が得られることに気づけば、消費者向けデバイスや建物の建設に関する決定に運用のエネルギーコストを考慮し、よりエネルギー効率が高くなるというのが理論です。
持続可能性
スマートグリッドの柔軟性の向上により、エネルギー貯蔵を追加しなくても、太陽光発電や風力発電などの変動の大きい再生可能エネルギー源をより多く導入できるようになります。現在のネットワークインフラストラクチャは、多くの分散型フィードインポイントを許可するように構築されておらず、通常、ローカル（配電）レベルでいくらかのフィードインが許可されていても、送電レベルのインフラストラクチャはそれに対応できません。曇りや突風などによる分散型発電の急激な変動は、ガスタービンや水力発電機などのより制御可能な発電機の出力を変化させることで安定した電力レベルを確保する必要がある電力技術者にとって大きな課題となります。このため、スマートグリッドテクノロジーは、グリッド上で非常に大量の再生可能電力を供給するための必須条件です。V2G（車両からグリッドへの接続）のサポートもあります。[30]
市場化
スマート グリッドは、供給者 (エネルギー価格) と消費者 (支払い意思額) の間の体系的なコミュニケーションを可能にし、供給者と消費者の両方がより柔軟で洗練された運用戦略をとることを可能にします。重要な負荷のみがピーク時のエネルギー価格を支払う必要があり、消費者はエネルギーを使用する時期をより戦略的に決めることができます。柔軟性の高い発電機は、最大の利益を得るために戦略的にエネルギーを販売できますが、ベースロードの蒸気タービンや風力タービンなどの柔軟性のない発電機は、需要レベルと現在稼働している他の発電機の状態に基づいて、さまざまな料金を受け取ります。全体的な効果は、エネルギー効率と、時間によって変化する供給の制限に敏感なエネルギー消費を評価するシグナルです。家庭レベルでは、ある程度のエネルギー貯蔵または熱質量を備えた機器(冷蔵庫、ヒート バンク、ヒート ポンプなど) は、市場を「利用」し、需要を低コストのエネルギー サポート期間に適応させることでエネルギー コストを最小限に抑えるのに適しています。これは、前述の二重料金エネルギー価格設定の延長です。
需要応答サポート
需要応答サポートにより、発電機と負荷がリアルタイムで自動的に相互作用し、需要を調整してスパイクを平らにすることができます。これらのスパイクで発生する需要の一部を排除することで、予備発電機を追加するコストがなくなり、摩耗が減り、機器の寿命が延び、優先度の低いデバイスに最も安価なときにのみエネルギーを使用するように指示することで、ユーザーはエネルギー料金を削減できます。[31]
現在、電力網システムでは、発電所、送電線、変電所、主要なエネルギー使用者などの高価値資産の制御システム内でさまざまなレベルの通信が行われています。一般に、情報はユーザーとそれらが制御する負荷から電力会社に一方向に流れます。電力会社は需要に応えようとしますが、成功または失敗の度合いはさまざまです (電圧低下、計画停電、制御不能な停電)。ユーザーが要求する電力の総量は非常に広い確率分布を持つ場合があり、急速に変化する電力使用量に対応するために予備の発電所をスタンバイ モードにする必要があります。この一方向の情報の流れはコストがかかります。発電容量の最後の 10% は、わずか 1% の時間しか必要とされない可能性があり、電圧低下や停電は消費者にとってコスト高になる可能性があります。
需要応答は、商業、住宅、産業の負荷によって提供できます。[32]たとえば、アルコアのウォーリックオペレーションは、適格な需要応答リソースとしてMISOに参加しています。[33]また、トリメットアルミニウムは、その製錬所を短期メガバッテリーとして使用しています。[34]
データフローの遅延は大きな懸念事項であり、初期のスマートメーターアーキテクチャでは、データの受信に24時間もの遅延が許容され、供給側または要求側のデバイスによる反応が妨げられていました。[35]
テクノロジー
スマートグリッド技術の大部分はすでに製造業や通信業などの他の用途で使用されており、グリッド運用にも応用されつつあります。[36]
- 統合通信：改善すべき分野としては、変電所自動化、需要応答、配電自動化、監視制御およびデータ収集（SCADA）、エネルギー管理システム、無線メッシュネットワークおよびその他の技術、電力線搬送通信、光ファイバーなどがある。[12]統合通信により、リアルタイムの制御、情報、データ交換が可能になり、システムの信頼性、資産活用、セキュリティが最適化される。[37]
- センシングと測定：主な任務は、混雑とグリッドの安定性の評価、機器の健全性の監視、エネルギー盗難の防止、[38]および制御戦略のサポートです。テクノロジーには、高度なマイクロプロセッサメーター（スマートメーター）とメーター読み取り装置、広域監視システム（通常は分散温度センシングとリアルタイム熱評価（RTTR）システムを組み合わせたオンライン読み取りに基づく）、電磁シグネチャ測定/分析、使用時間、およびリアルタイムの価格設定ツール、高度なスイッチとケーブル、バックスキャッター無線テクノロジー、デジタル保護リレーが含まれます。
- スマートメーター。
- 位相測定ユニット。電力システム工学の分野では、2003年の北東部の停電は、広域位相測定ネットワークが整備されていれば、はるかに狭い範囲に抑えられたはずだと多くの人が考えています。[39]
- 分散型電力フロー制御：電力フロー制御装置は既存の送電線にクランプして、送電線内の電力の流れを制御します。このような装置を備えた送電線は、送電網内でのエネルギーの経路をより一貫してリアルタイムに制御することで、再生可能エネルギーのさらなる利用をサポートします。この技術により、送電網は再生可能エネルギーからの断続的なエネルギーをより効果的に貯蔵し、後で使用することが可能になります。[40]
- 先進的なコンポーネントを使用したスマート発電：スマート発電は、複数の同一の発電機を使用して発電と需要を一致させる概念である。これらの発電機は、他の発電機とは独立して、選択された負荷で効率的に起動、停止、操作できるため、ベースロード発電およびピーク発電に適している。[41]需要と供給の一致は負荷バランシングと呼ばれ、[29]安定した信頼性の高い電力供給に不可欠である。バランスの短期的な逸脱は周波数の変動につながり、不一致が長引くと停電につながる。送電システムのオペレーターは、すべての発電機の電力出力を電力網の負荷に一致させるバランス調整タスクを担当している。風力タービンや太陽電池などの断続的で変動性の高い発電機がグリッドに追加されるにつれて、負荷バランシングタスクははるかに困難になり、他の生産者は以前よりもずっと頻繁に出力を調整することを余儀なくされている。このコンセプトを採用した最初の2つの動的グリッド安定性発電所はEleringによって注文され、エストニアのKiisaにWärtsiläによって建設される予定である（Kiisa発電所）。その目的は「電力供給の突然の予期せぬ低下に対応するための動的な発電能力を提供すること」である。2013年から2014年にかけて完成する予定で、総出力は250MWとなる。[42]
- 電力システムの自動化により、特定のグリッドの混乱や停電を迅速に診断し、正確な解決策を講じることができます。これらの技術は、他の 4 つの主要領域のそれぞれに依存し、貢献しています。高度な制御方法の 3 つの技術カテゴリは、分散型インテリジェント エージェント (制御システム)、分析ツール (ソフトウェア アルゴリズムと高速コンピューター)、および運用アプリケーション (SCADA、変電所の自動化、需要応答など) です。中国の福建省電力網は、人工知能プログラミング技術を使用して、制御戦略を迅速に正確に計算して実行できる広域保護システムを作成しました。[43]電圧安定性監視および制御 (VSMC) ソフトウェアは、感度ベースの逐次線形計画法を使用して、最適な制御ソリューションを確実に決定します。[44]
研究
主なプログラム
IntelliGrid – 電力研究所 (EPRI) によって作成された IntelliGrid アーキテクチャは、高度な計測、配電自動化、需要応答などの IT ベースのシステムの計画、指定、調達に電力会社が使用する標準と技術に関する方法論、ツール、推奨事項を提供します。このアーキテクチャは、デバイス、システム、技術を評価するための生きた実験室も提供します。南カリフォルニア エジソン、ロングアイランド電力公社、ソルト リバー プロジェクト、TXU 電力供給など、いくつかの電力会社が IntelliGrid アーキテクチャを適用しています。IntelliGrid コンソーシアムは、グローバルな研究活動を統合および最適化し、技術研究開発に資金を提供し、技術統合に取り組んでおり、技術情報を広めている官民パートナーシップです。 [45]
グリッド 2030 – グリッド 2030 は、電力業界、機器メーカー、情報技術プロバイダー、連邦政府および州政府機関、利益団体、大学、国立研究所によって開発された、米国の電力システムに関する共同ビジョン ステートメントです。発電、送電、配電、貯蔵、最終使用をカバーしています。 [46]国家電力供給技術ロードマップは、グリッド 2030 ビジョンの実装文書です。ロードマップは、グリッドの近代化に関する主要な問題と課題を概説し、政府と業界がアメリカの将来の電力供給システムを構築するために取ることができる道筋を示しています。 [47]
モダングリッドイニシアチブ（MGI）は、米国エネルギー省（DOE）、国立エネルギー技術研究所（NETL）、公益事業会社、消費者、研究者、およびその他のグリッド関係者による、米国の電力網の近代化と統合を目的とした共同の取り組みです。DOEの電力供給およびエネルギー信頼性局（OE）が後援するこのイニシアチブは、Grid 2030と国家電力供給技術ロードマップに基づいており、GridWiseやGridWorksなどの他のプログラムと連携しています。 [48]
GridWise – 米国の電力網を近代化するための情報技術の開発に焦点を当てたDOE OEプログラム。GridWise Allianceと連携して、このプログラムは通信アーキテクチャと標準、シミュレーションと分析ツール、スマートテクノロジー、テストベッドとデモンストレーションプロジェクト、新しい規制、制度、市場の枠組みに投資しています。GridWise Allianceは、公共および民間の電力部門の利害関係者のコンソーシアムであり、アイデアの交換、協力、連邦および州レベルの政策立案者との会議のためのフォーラムを提供しています。 [49]
グリッドワイズ アーキテクチャ カウンシル (GWAC) は、米国の電力システムと相互作用する多くの組織間の相互運用性を促進し、実現するために米国エネルギー省によって設立されました。GWAC のメンバーは、電力供給チェーンとユーザーの多くの構成員を代表する、バランスのとれた尊敬されるチームです。GWAC は、電力システム全体の相互運用性の目標を明確にし、相互運用性を可能にするために必要な概念とアーキテクチャを特定し、国の電力システムを網羅するシステム、デバイス、および機関の相互運用を促進するための実用的な手順を開発するための業界ガイダンスとツールを提供します。グリッドワイズ アーキテクチャ カウンシルの相互運用性コンテキスト設定フレームワーク、バージョン 1.1 では、必要なガイドラインと原則が定義されています。 [50]
GridWorks – ケーブルや導体、変電所や保護システム、パワーエレクトロニクスなどの主要なグリッドコンポーネントを近代化することで、電力システムの信頼性を向上させることに焦点を当てたDOEのOEプログラム。このプログラムの焦点には、高温超伝導システム、送電信頼性技術、配電技術、エネルギー貯蔵装置、GridWiseシステムに関する取り組みの調整が含まれます。 [51]
太平洋北西部スマートグリッド実証プロジェクト。 - このプロジェクトは、アイダホ州、モンタナ州、オレゴン州、ワシントン州、ワイオミング州の太平洋北西部の5州にわたる実証です。約6万人のメーター顧客が関与し、将来のスマートグリッドの重要な機能が多数含まれています。 [52]
ソーラーシティ- オーストラリアのソーラーシティプログラムには、スマートメーター、ピークおよびオフピーク価格設定、遠隔スイッチングなどの取り組みを試験的に実施するためにエネルギー会社と緊密に協力することが含まれていました。また、グリッドのアップグレードのために限定的な資金も提供されました。 [53]
スマートグリッドエネルギー研究センター（SMERC） -カリフォルニア大学ロサンゼルス校に位置しスマートEV充電ネットワーク技術の大規模テストに力を注いでいます。このセンターは、電力会社と消費者のエンドデバイス間の双方向の情報フローのための別のプラットフォームを作成しました。SMERCは、制御センター、需要応答自動化サーバー（DRAS）、ホームエリアネットワーク（HAN）、バッテリーエネルギー貯蔵システム（BESS）、および太陽光発電（PV）パネルで構成される需要応答（DR）テストベッドも開発しました。これらの技術は、EV充電器、バッテリーエネルギー貯蔵システム、ソーラーパネル、DC急速充電器、および車両対グリッド（V2G）ユニットのネットワークとして、ロサンゼルス水道電力局と南カリフォルニアエジソンの管轄区域内に設置されています。これらのプラットフォーム、通信、および制御ネットワークにより、UCLA主導のプロジェクトを、2つの地元電力会社、SCEとLADWPと提携してテストすることができます。[54]
スマートクォート-ドイツでは、スマートクォートプロジェクトが3つのスマート地区を開発し、スマートグリッドを運用するための技術を開発、テスト、展示しています。このプロジェクトは、 E.ON、 Viessmann、gridX、hydrogeniousがアーヘン工科大学と共同で実施しています。2024年末までに、3つの地区すべてに地元で発電されたエネルギーが供給され、化石エネルギー源からほぼ独立することが計画されています。 [55]
Smart5Grid – ポルトガルでは、エネルギー分野の事業者が5Gネットワークの利用に伴うメリットを確実に享受できるようにすることを目指しています。信頼性とセキュリティを備え、高速データ転送やリアルタイム監視など、スマートグリッドに課せられる特定の要件に正確に対応するソリューションが提案されています。 [56]
スマートグリッドモデリング
インテリジェント電力網をモデル化するために、さまざまな概念が使用されてきました。それらは通常、複雑系の枠組みの中で研究されています。最近のブレーンストーミングセッションでは、[57]電力網は最適制御、生態学、人間の認知、ガラスダイナミクス、情報理論、雲の微視的物理学、その他多くの文脈の中で検討されました。ここでは、近年登場した分析の種類をいくつか紹介します。
- 連合学習システム
いくつかの研究では、実際のスマートグリッドデータのネットワークトラフィックフローをモデル化する連合学習ソリューションを検討し、そのようなシステムへの侵入を継続的に検出して分類することを目的として、具体的にはスマートグリッド変電所の構造を類推的に模倣した3レベルの階層を調査しました。[58] [59]
- 自らを検証し監視する保護システム
ペルキム・スパヒウとイアン・R・エヴァンスは研究の中で、変電所ベースのスマート保護とハイブリッド検査ユニットの概念を紹介した。[60] [61]
- 倉本発振器
倉本モデルはよく研究されているシステムです。電力網もこの文脈で説明されています。[62] [63]目標はシステムのバランスを保つこと、つまり位相同期（位相ロックとも呼ばれる）を維持することです。非均一発振器は、さまざまな技術、さまざまなタイプの発電機、消費パターンなどをモデル化するのに役立ち、このモデルはホタルの点滅の同期パターンを説明するためにも使用されています。[62]
- スマートグリッド通信ネットワーク
ネットワークシミュレータは、ネットワーク通信効果をシミュレート/エミュレートするために使用されます。通常、ネットワークシミュレータによって提供される仮想ネットワークを使用して、スマートグリッドデバイス、アプリケーションなどを備えたラボをセットアップする必要があります。[64] [65]
- ニューラルネットワーク
ニューラル ネットワークは、電力網の管理にも利用されてきました。電力システムは、非線形、動的、離散的、ランダムなど、さまざまな方法で分類できます。人工ニューラル ネットワーク (ANN) は、これらの問題の中で最も難しい非線形問題を解決しようとします。
- 需要予測
ANN の用途の 1 つは、需要予測です。グリッドが経済的かつ確実に運用されるためには、需要予測が不可欠です。需要予測は、負荷によって消費される電力量を予測するために使用されるからです。これは、気象条件、日の種類、ランダム イベント、インシデントなどに依存します。ただし、非線形負荷の場合、負荷プロファイルは滑らかではなく、予測も容易ではないため、従来の人工知能モデルを使用すると、不確実性が高まり、精度が低下します。ANN がこの種のモデルを開発する際に考慮する要素には、電力消費量に基づくさまざまな顧客クラスの負荷プロファイルの分類、従来のグリッドと比較してリアルタイムの電気料金を予測するための需要の応答性の向上、過去の需要を単一の入力に結合するのではなく、ピーク負荷、ベース負荷、谷間負荷、平均負荷などのさまざまなコンポーネントとして入力する必要性、そして最後に、特定の入力変数に対するタイプの依存性などがあります。最後のケースの例としては、平日か週末かという日の種類によって、病院の送電網にはあまり影響がないが、居住者の住宅送電網の負荷プロファイルには大きな要因となることが挙げられます。[66] [67] [68] [69] [70]
- マルコフ過程
風力発電の人気が高まるにつれ、それは現実的な電力網研究に欠かせない要素となってきました。オフライン貯蔵、風力変動、供給、需要、価格設定、その他の要因は数学的なゲームとしてモデル化することができます。ここでの目標は勝利戦略を開発することです。マルコフ過程はこの種のシステムのモデル化と研究に使用されてきました。[71]
経済
市場見通し
2009年、米国のスマートグリッド産業の価値は約214億ドルだったが、2014年までに少なくとも428億ドルを超えると予測されている。米国でのスマートグリッドの成功を考えると、世界市場はより速いペースで成長し、2009年の693億ドルから2014年までに1714億ドルに急増すると予想されている。最も恩恵を受ける分野は、スマートメーターハードウェアの販売業者と、メーターが収集した膨大な量のデータを送信および整理するために使用されるソフトウェアのメーカーである。[72]
電力研究所による2011年の調査では、米国のスマートグリッドへの投資は20年間で最大4,760億ドルの費用がかかるものの、その間に顧客に最大2兆ドルの利益をもたらすと結論付けている。[73] 2015年、世界経済フォーラムは、技術革新を鍵として電力インフラを近代化、拡張、分散化するために、今後25年間でOECD加盟国による7.6兆ドル以上の変革投資（年間3,000億ドル）が必要であると報告した。[74]国際エネルギー機関による2019年の調査では、米国の電力網の現在の（減価償却後の）価値は1兆ドル以上と推定されている。これをスマートグリッドに置き換える総コストは4兆ドル以上と推定されている。スマートグリッドが米国全土で完全に導入されれば、国は年間1,300億ドルの節約を見込んでいる。[75]
一般的な経済動向
顧客は異なる料金体系に応じて電力供給業者を選択できるため、輸送コストへの重点が高まります。メンテナンスおよび交換コストの削減により、より高度な制御が促進されます。
スマートグリッドは、住宅レベルまで電力を正確に制限し、小規模な分散型エネルギー生成および貯蔵デバイスをネットワーク化し、動作状況やニーズに関する情報を通信し、価格やグリッドの状態に関する情報を収集し、グリッドを中央制御から協調ネットワークに移行させます。[76]
米国と英国の貯蓄推定と懸念
2003年の米国エネルギー省の調査では、スマートグリッド機能を備えた米国の送電網の内部近代化により、調査から数年以内に実施された場合、今後20年間で460億〜1170億ドルの節約になると計算されています。[77]これらの産業近代化の利点に加えて、スマートグリッド機能は、給湯器などの優先度の低い家庭用機器を調整して、最も望ましいエネルギー源を電力使用することで、送電網を超えて家庭にエネルギー効率を拡大することができます。スマートグリッドは、屋上ソーラーパネルの所有者など、多数の小規模発電事業者からの電力生産を調整することもできます。これは、そうでなければ地方の電力会社の電力システムオペレーターにとって問題となる取り決めです。
重要な疑問の 1 つは、消費者が市場のシグナルに応じて行動するかどうかです。米国エネルギー省 (DOE) は、アメリカ復興・再投資法スマート グリッド投資助成金および実証プログラムの一環として、高度な計測インフラストラクチャと、家庭内ディスプレイやプログラム可能な通信サーモスタットなどの顧客システムを含む時間ベースの公共料金プログラムに加入している消費者の受容、維持、および反応を調べるための特別な消費者行動調査に資金を提供しました。
もう 1 つの懸念は、スマート グリッドを完全にサポートするための通信コストが法外に高くなる可能性があることです。より安価な通信メカニズムが提案されています[引用が必要] 。これは、デバイスがグリッド周波数に応じて負荷をシフトすることでピークを削減する「動的需要管理」の形式を使用します。グリッド周波数を使用すると、追加の通信ネットワークを必要とせずに負荷情報を通信できますが、経済的な交渉や貢献の定量化をサポートすることはできません。
実証済みのスマートグリッド技術が使用されているが、スマートグリッドは特定の技術の名前ではなく、仕様が一般的に合意されている一連の関連技術の総称である。このような近代化された電力網の利点には、需要側管理と呼ばれる、ピーク時の消費者側の電力消費を削減する機能、分散型発電電力（太陽光発電アレイ、小型風力タービン、マイクロ水力発電、または建物内の熱電併給発電機を使用）のグリッド接続を可能にすること、分散型発電の負荷分散のためにグリッドエネルギー貯蔵を組み込むこと、広範囲にわたる電力網の連鎖障害などの障害を排除または封じ込めることなどがある。スマートグリッドの効率と信頼性の向上により、消費者のコストが削減され、 CO2排出量の削減に役立つと期待されている。[78]
反対と懸念
反対意見や懸念のほとんどは、スマート メーターと、それによって実現される項目 (リモート コントロール、リモート切断、変動料金設定など) に集中しています。スマート メーターに対する反対意見が見られる場合、反対派の目にはスマート グリッドとスマート メーターが結び付けられる「スマート グリッド」として宣伝されることがよくあります。反対意見や懸念の具体的な点は次のとおりです。
- プライバシーに関する消費者の懸念、例えば法執行機関による利用データの使用
- 電力の「公平な」供給に対する社会的な懸念
- 複雑な料金体系（変動料金など）により透明性と説明責任が失われ、サプライヤーが顧客を不当に利用できるようになるのではないかという懸念
- ほとんどのスマートメーターに組み込まれている遠隔操作可能な「キルスイッチ」に対する懸念
- エンロンのような情報レバレッジの濫用に対する社会的な懸念
- 政府にすべての権力行使活動を制御するメカニズムを与えることへの懸念
- スマートメーターからのRF放射に関する懸念
安全
電力網をスマートグリッドに近代化することで日常業務の最適化が可能になるが、オンラインになっているスマートグリッドはサイバー攻撃に対して脆弱である可能性がある。[79] [80] [59]発電所で発電された電気を長距離移動用に電圧を上げる変圧器、送電線自体、そして消費者に電気を送る配電線は特に影響を受けやすい。[81]これらのシステムは、現場から情報を収集してそれを制御センターに送信するセンサーに依存しており、そこでアルゴリズムが分析と意思決定プロセスを自動化する。これらの決定は現場に送り返され、既存の機器がそれを実行する。[82]ハッカーはこれらの自動制御システムを妨害し、発電された電気を利用できるチャネルを切断する可能性があります。[81]これはサービス拒否攻撃またはDoS攻撃と呼ばれています。ハッカーは、システムに沿って送信されている情報を破壊する整合性攻撃や、そのような情報が適切な場所に配信されるタイミングに影響を与える非同期攻撃を開始することもできます。[82]さらに、侵入者は再生可能エネルギー発電システムやグリッドに接続されたスマートメーターを介してアクセスし、より特殊な弱点やセキュリティが優先されていない弱点を悪用することができます。スマートグリッドにはスマートメーターなどのアクセスポイントが多数あるため、すべての弱点を防御することは困難です。[79]
インフラのセキュリティ、特に通信技術に関する懸念もある。懸念は主にスマートグリッドの中核をなす通信技術に集中している。顧客の家庭や事業所にある電力会社とメーターがリアルタイムで連絡できるように設計されているため、これらの機能が犯罪やテロ行為に悪用されるリスクがある。[12]この接続の重要な機能の1つは、遠隔で電源をオフにできることで、これにより電力会社は支払いを怠った顧客への供給を迅速かつ容易に停止または変更できる。これは間違いなくエネルギー供給業者にとって大きな恩恵だが、重大なセキュリティ問題も引き起こす。[83]サイバー犯罪者はこれまで何度も米国の電力網に侵入している。[84]コンピュータへの侵入以外にも、産業界で広く使用されているSCADAシステムを標的としたStuxnetのようなコンピュータマルウェアがスマートグリッドネットワークへの攻撃に使用される可能性があるという懸念もある。[85]
米国では、導入されているスマートメーターが送電網との通信に RF 技術を使用しているため、電力盗難が懸念されています。[引用が必要]電子工学の知識を持つ人は、干渉装置を考案して、スマートメーターが実際の使用量よりも低い使用量を報告するようにすることができます。[引用が必要]同様に、同じ技術を使用して、消費者が使用しているエネルギーが別の顧客によって使用されているように見せかけ、請求額を増やすこともできます。[引用が必要]
巧妙に実行された大規模なサイバー攻撃による被害は、広範囲かつ長期にわたる可能性がある。機能停止した変電所の修復には、攻撃の性質に応じて9日から1年以上かかる可能性がある。また、狭い範囲で数時間にわたる停電が発生する可能性もある。交通インフラに即時の影響を及ぼす可能性がある。なぜなら、信号機やその他の経路制御機構、地下道路の換気設備は電気に依存しているからである。[86]さらに、廃水処理施設、情報技術部門、通信システムなど、電力網に依存するインフラも影響を受ける可能性がある。[86]
2015年12月にウクライナの電力網に起きたサイバー攻撃は、この種のものとしては初めて記録されたもので、変電所をオフラインにすることで25万人近くの人々に電力供給を妨害した。[87] [88]外交問題評議会は、国家がこのような攻撃の加害者である可能性が最も高いと指摘している。なぜなら、国家は攻撃を実行するためのリソースにアクセスできるからであり、攻撃の実行は非常に困難である。サイバー侵入は、軍事的またはその他のより大規模な攻撃の一部として使用される可能性がある。[88]一部のセキュリティ専門家は、この種のイベントは他の電力網にも簡単に拡張できると警告している。[89]保険会社ロイズ・オブ・ロンドンは、東部相互接続へのサイバー攻撃の結果をすでにモデル化しており、この攻撃は15の州に影響を与え、9,300万人を停電に陥れ、国の経済に2,430億ドルから1兆ドルのさまざまな損害を与える可能性がある。[90]
米国下院の経済開発、公共建築物、緊急事態管理小委員会によると、電力網はすでにかなりの数のサイバー侵入に見舞われており、5回に2回は電力網の無力化を狙っている。[81]そのため、米国エネルギー省は、2017年の4年ごとのエネルギーレビューでサイバー攻撃を「差し迫った危険」と呼び、電力網のサイバー攻撃に対する脆弱性を軽減するための研究開発を優先している。[91]エネルギー省はまた、攻撃耐性と自己修復の両方が、今日のスマートグリッドが将来に耐えうるものであることを保証するための主要な鍵であるとしている。[82]北米電力信頼性評議会によって導入された重要インフラ保護基準など、すでに規制は施行されているが、その多くは義務ではなく提案である。[88]ほとんどの発電、送電、配電施設と機器は民間の利害関係者が所有しており、そのような基準の遵守を評価する作業をさらに複雑にしている。[91]さらに、たとえ電力会社が完全に準拠したいと思っても、そうするには費用がかかりすぎると判断される可能性がある。[88]
一部の専門家は、スマート電力網のサイバー防御を強化するための第一歩は、ソフトウェア、ハードウェア、通信プロセスの調査を含む、既存のインフラストラクチャの包括的なリスク分析を完了することであると主張しています。さらに、侵入自体が貴重な情報を提供する可能性があるため、侵入の性質とタイミングに関するシステム ログやその他の記録を分析すると役立つ場合があります。国土安全保障省がこのような方法を使用してすでに特定している一般的な弱点には、コードの品質が低い、認証が不適切、ファイアウォール ルールが弱いなどがあります。このステップが完了したら、前述の障害や欠陥の潜在的な結果の分析を完了するのが理にかなっていると考える人もいます。これには、即時の結果だけでなく、並列システムへの 2 次および 3 次カスケード効果も含まれます。最後に、インフラストラクチャの不備の単純な修復や新しい戦略など、リスク軽減ソリューションを展開して状況に対処できます。このような対策には、サイバー攻撃への抵抗力と回復力を高めるための制御システム アルゴリズムの再コーディングや、異常なデータ変更や不正なデータ変更をより効率的に検出できる予防手法などがあります。システムを危険にさらす可能性のある人為的ミスに対処するための戦略には、たとえ内容を確認するためであっても、挿入されるとマルウェアが侵入する可能性がある見慣れないUSBドライブに注意するよう現場の作業員を教育することが含まれる。[82]
その他のソリューションとしては、送電変電所の利用、制約付き SCADA ネットワーク、ポリシーベースのデータ共有、制約付きスマートメーターの認証などがあります。
送電変電所では、ワンタイム署名認証技術と一方向ハッシュチェーン構造が利用されている。これらの制約は、高速署名・検証技術とバッファリングフリーのデータ処理の開発によって解消された。[92]
制約のあるSCADAネットワーク向けにも同様のソリューションが構築されている。これは、ハッシュベースのメッセージ認証コードをバイトストリームに適用し、従来のシステムで利用可能なランダムエラー検出をデータの信頼性を保証するメカニズムに変換するものである。[92]
ポリシーベースのデータ共有は、GPSクロック同期のきめ細かい電力網測定を利用して、電力網の安定性と信頼性を高めます。これは、PMUによって収集された同期位相器要件を通じて行われます。[92]
しかし、制約付きスマートメーターの認証には、少し異なる課題があります。制約付きスマートメーターの認証における最大の問題の1つは、エネルギー盗難や同様の攻撃を防ぐために、サイバーセキュリティプロバイダーがデバイスのソフトウェアが本物であることを確認する必要があることです。この問題に対処するために、制約付きスマートネットワークのアーキテクチャが作成され、組み込みシステムの低レベルで実装されています。[92]
スマートグリッドの保護システムは、グリッドの信頼性分析、障害保護、セキュリティおよびプライバシー保護サービスを提供します。スマートグリッドの追加通信インフラストラクチャは追加の保護およびセキュリティメカニズムを提供しますが、外部攻撃や内部障害のリスクももたらします。2010年に最初に作成され、その後2014年に更新されたスマートグリッド技術のサイバーセキュリティに関するレポートで、米国国立標準技術研究所は、顧客のスマートメーターからエネルギー使用に関するより多くのデータを収集する機能も、データ侵害に対して潜在的に脆弱なメーターに保存された情報から顧客の個人情報をマイニングできるため、大きなプライバシーの懸念を引き起こすと指摘しました。 [93]
採用におけるその他の課題
電力会社は、高度計測システムやあらゆる種類のスマートシステムを導入する前に、投資のビジネスケースを作成する必要があります。発電機に搭載される電力系統安定装置（PSS）[明確化が必要]など の一部のコンポーネントは非常に高価で、グリッドの制御システムへの複雑な統合が必要であり、緊急時にのみ必要であり、ネットワーク上の他の供給者がそれらを導入している場合にのみ有効です。導入するインセンティブがなければ、電力供給者は導入しません。[94]ほとんどの電力会社は、単一のアプリケーション（メーターの読み取りなど）のために通信インフラストラクチャを導入することを正当化するのが難しいと感じています。このため、電力会社は通常、同じ通信インフラストラクチャを使用する複数のアプリケーションを特定する必要があります。たとえば、メーターの読み取り、電力品質の監視、顧客のリモート接続と切断、需要応答の有効化などです。理想的には、通信インフラストラクチャは短期的なアプリケーションだけでなく、将来発生する予期しないアプリケーションもサポートします。規制や法律の措置によって、電力会社がスマートグリッドパズルのピースを実装することもあります。各公益事業には、投資を導くビジネス、規制、立法上の要因がそれぞれ異なります。つまり、各公益事業はスマート グリッドの構築に異なる道をたどり、異なる公益事業は異なる導入率でスマート グリッドを構築することになります。[要出典]
スマートグリッドのいくつかの特徴は、現在同様のサービスを提供している、または提供したいと考えている業界からの反対を引き起こします。一例として、電力線インターネットアクセスを介したブロードバンドとケーブルおよびDSLインターネットプロバイダーとの競争があります。グリッド用のSCADA制御システムのプロバイダーは、顧客をベンダーに縛り付けるために、他のシステムと相互運用できないように意図的に独自のハードウェア、プロトコル、ソフトウェアを設計しています。[95]
デジタル通信とコンピュータインフラをグリッドの既存の物理インフラに組み込むことは、課題と固有の脆弱性をもたらします。IEEE Security and Privacy Magazineによると、スマートグリッドでは、より高度な状況認識をサポートし、より具体的なコマンドと制御操作を可能にする大規模なコンピュータと通信インフラを開発して使用する必要があります。このプロセスは、需要応答の広域測定と制御、電気の貯蔵と輸送、配電の自動化などの主要なシステムをサポートするために必要です。[96]
電力盗難/電力損失
さまざまな「スマート グリッド」システムには、2 つの機能があります。これには、さまざまなソフトウェアと併用することで、電力盗難を検出し、消去法によって機器の故障が発生した場所を検出できる高度計量インフラストラクチャ システムが含まれます。これらは、人間によるメーター読み取りの必要性を排除し、電気の使用時間を測定するという主な機能に加えて提供されます。
盗難を含む全世界の電力損失は年間2000億ドルと推定されています。[97]
発展途上国で信頼性の高い電気サービスを提供する上で、電力盗難も大きな課題となっている。[38]
展開と展開の試み
エネル
スマートグリッドの最も初期かつ最大の例の1つは、イタリアのEnel SpAが導入したイタリアのシステムです。2005年に完成したTelegestoreプロジェクトは、同社が独自のメーターを設計・製造し、独自のシステムインテグレーターとして機能し、独自のシステムソフトウェアを開発したため、公益事業の世界では非常に珍しいものでした。Telegestoreプロジェクトは、スマートグリッド技術を家庭に初めて商業規模で導入したプロジェクトとして広く認識されており、プロジェクト費用21億ユーロで年間5億ユーロの節約を実現しています。[20]
米国エネルギー省 - ARRA スマートグリッド プロジェクト
現在までに世界で最大規模の導入プログラムの 1 つは、2009 年の米国復興・再投資法によって資金提供を受けた米国エネルギー省のスマート グリッド プログラムです。このプログラムには、個々の公益事業体からのマッチング資金が必要でした。このプログラムの一環として、合計 90 億ドルを超える公的資金と民間資金が投資されました。テクノロジには、6,500 万台を超える高度な「スマート」メーターを含む高度なメーター インフラストラクチャ、顧客インターフェイス システム、配電および変電所の自動化、電圧/無効電力最適化システム、1,000 台を超える同期位相計、動的ライン レーティング、サイバー セキュリティ プロジェクト、高度な配電管理システム、エネルギー貯蔵システム、再生可能エネルギー統合プロジェクトなどが含まれています。このプログラムは、投資助成金 (マッチング)、デモンストレーション プロジェクト、消費者受容性調査、および労働力教育プログラムで構成されていました。すべての個々の公益事業体プログラムからのレポートと全体的な影響レポートは、2015 年の第 2 四半期までに完了する予定です。
米国では、2005年のエネルギー政策法と2007年のエネルギー独立安全保障法第13条により、スマートグリッド開発を促進するための資金が提供されています。その目的は、電力会社がニーズをより正確に予測できるようにし、場合によっては消費者を時間帯別料金に巻き込むことです。より堅牢なエネルギー制御技術の開発にも資金が割り当てられています。[98] [99]
テキサス州オースティン
米国では、テキサス州オースティン市が2003年以来スマートグリッドの構築に取り組んでおり、その年に初めて市の公共事業体が手動メーターの3分の1を無線メッシュネットワーク経由で通信するスマートメーターに交換した。現在、同市は20万台のデバイス（サービスエリア全体のスマートメーター、スマートサーモスタット、センサー）をリアルタイムで管理しており、2009年には50万台のデバイスをリアルタイムでサポートし、100万人の消費者と43,000の企業にサービスを提供する予定である。[100]
コロラド州ボルダー
コロラド州ボルダーは、2008年8月にスマートグリッドプロジェクトの第1フェーズを完了しました。どちらのシステムも、スマートソケットやデバイスを制御するホームオートメーションネットワーク（HAN）へのゲートウェイとしてスマートメーターを使用しています。HAN設計者の中には、急速に変化する家庭用電子機器のビジネスセグメントから入手可能な新しい標準や技術との将来の不一致を懸念して、メーターから制御機能を分離することを支持する人もいます。[101]
ハイドロワン
カナダのオンタリオ州にあるハイドロワンは、大規模なスマートグリッド構想の真っ最中で、トリリアント社の標準準拠の通信インフラを導入している。2010年末までに、このシステムはオンタリオ州の130万人の顧客にサービスを提供する予定である。この構想は、ユーティリティプランニングネットワークから「北米最優秀AMR構想」賞を受賞した。[102]
ユー島
イル・デュ・ユーは2020年春に2年間のパイロットプログラムを開始した。ケル・ピソ地区とその周辺地域の23軒の家が、 Engieのソフトウェアを使用してスマートグリッドとして自動化されたマイクログリッドで相互接続された。5軒の家にはピーク容量23.7kWのソーラーパネル64枚が設置され、1軒の家には蓄電容量15kWhのバッテリーが設置された。6軒の家では余剰の太陽エネルギーを給湯器に蓄えている。動的システムは、ソーラーパネルから供給され、バッテリーと給湯器に蓄えられたエネルギーを23軒の家に分配する。スマートグリッドソフトウェアは、5分間隔でエネルギーの供給と需要を動的に更新し、バッテリーからエネルギーを引き出すか、パネルから引き出すか、いつ給湯器に蓄えるかを決定する。このパイロットプログラムは、フランスで最初のプロジェクトだった。[103] [104]
マンハイム
ドイツのマンハイム市は、モデル都市マンハイム「MoMa」プロジェクトでリアルタイムブロードバンド電力線（BPL）通信を使用しています。 [105]
シドニー
オーストラリアのシドニーもオーストラリア政府と提携してスマートグリッド、スマートシティプログラムを実施した。[106]
エヴォラ
InovGridはポルトガルのエヴォラで行われている革新的なプロジェクトで、電力網に情報とデバイスを装備して、電力網管理を自動化し、サービス品質を向上させ、運用コストを削減し、エネルギー効率と環境の持続可能性を促進し、再生可能エネルギーと電気自動車の普及率を高めることを目的としています。任意の時点で電力配電網全体の状態を制御および管理することが可能になり、サプライヤーとエネルギーサービス会社はこの技術プラットフォームを使用して、消費者に情報と付加価値のあるエネルギー製品とサービスを提供できるようになります。インテリジェントエネルギーグリッドを設置するこのプロジェクトにより、ポルトガルとEDPはヨーロッパの技術革新とサービス提供の最先端に立つことになります。[107] [108]
電子エネルギー
いわゆるE-エネルギープロジェクトでは、ドイツの複数の電力会社が6つの独立したモデル地域に最初の核小体を作成しています。技術競争により、これらのモデル地域は「エネルギーのインターネット」を構築することを主な目的とした研究開発活動を行う場所として特定されました。[109]
マサチューセッツ州
米国で最初に試みられた「スマートグリッド」技術の導入計画の1つは、 2009年にマサチューセッツ州の電力規制当局によって却下された。[110]ボストン・グローブ紙の記事によると、ノースイースト・ユーティリティーズの子会社であるウェスタン・マサチューセッツ・エレクトリック社は、低所得者層の顧客を後払いから前払い（「スマートカード」を使用）に切り替える公的補助金と、一定量を超える電気使用に対する特別に値上げされた「プレミアム」料金を使って「スマートグリッド」プログラムを作成しようとした。[110]この計画は、「低所得者層の顧客を電力供給停止から守る重要な手段を弱める」として規制当局に却下された。 [110]ボストン・グローブ紙によると、この計画は「低所得者層を不当にターゲットにし、電気を供給し続けるのに苦労している消費者を支援することを目的としたマサチューセッツ州の法律を回避した」という。[110]スマートグリッド計画、特に前述のウェスタン・マサチューセッツ・エレクトリックの「スマートグリッド」計画を支持する環境団体のスポークスマンは、「スマートグリッド技術は適切に使用すれば、ピーク需要を削減する大きな可能性を秘めており、最も古く汚染の多い発電所のいくつかを閉鎖することができるようになるだろう...これはツールだ」と述べた。[110]
eEnergy バーモント コンソーシアム
eEnergy Vermontコンソーシアム[111]は、2009年のアメリカ復興・再投資法を通じて部分的に資金提供を受けた、米国バーモント州全体の取り組みであり、州内のすべての電力会社は、約90％の高度計測インフラの導入を含むさまざまなスマートグリッド技術を急速に採用し、現在はさまざまな動的料金体系を評価しています。
オランダ
オランダでは、統合されたスマートグリッド技術、サービス、ビジネスケースを実証するための大規模プロジェクト（5000以上の接続、20以上のパートナー）が開始されました。[112]
チャタヌーガ
テネシー州チャタヌーガのEPBは、2008 年にスマート グリッドの構築を開始した市営電力会社で、2009 年に米国エネルギー省から 111,567,606 ドルの助成金を受け、構築と実装を迅速化しました (総予算 232,219,350 ドル)。電力線遮断器 (1170 台) の配備は 2012 年 4 月に完了し、スマート メーター (172,079 台) の配備は 2013 年に完了しました。スマート グリッドのバックボーン光ファイバー システムは、Fiber to the Home イニシアチブを通じて米国で初めて住宅顧客にギガビット速度のインターネット接続を提供するためにも使用され、現在、住民は最大 10 ギガビット/秒の速度を利用できます。スマート グリッドにより、停電が平均 60% 減少し、市は年間約 6,000 万ドルを節約したと推定されています。また、障害の調査とトラブルシューティングのための「トラックロール」の必要性も減り、推定63万マイルのトラック走行距離と470万ポンドの炭素排出量が削減されました。2016年1月、EPBは主要な配電システムとして初めて、電力再生におけるパフォーマンスエクセレンス（PEER）認証を取得しました。[113] [114] [115] [116]
OpenADR 実装
特定の展開では、需要が増加する期間に負荷制限と需要削減を行うために OpenADR標準が利用されます。
中国
中国のスマートグリッド市場は223億ドルと推定されており、2015年までに614億ドルに成長すると予測されています。ハネウェルは、OpenADR需要応答標準を使用して、中国国家電網公司と中国での需要応答パイロットと実現可能性調査を開発しています。国家電網公司、中国科学院、ゼネラルエレクトリックは、中国のスマートグリッド展開の標準を開発するために協力する予定です。[117] [118] [119]
アメリカ合衆国
2009年、米国エネルギー省は、参加産業顧客のピーク時に自動的にエネルギー使用量を減らす需要応答プログラムに対して、サザンカリフォルニアエジソン社とハネウェル社に1100万ドルの助成金を交付した。 [120] [121]エネルギー省は、OpenADR標準を使用してプログラムを実施するためにハネウェル社に1140万ドルの助成金を交付した。[122]
ハワイアン・エレクトリック・カンパニー（HECO）は、風力発電の断続性に対応するADRプログラムの能力をテストするための2年間のパイロットプロジェクトを実施しています。ハワイは、 2030年までに再生可能エネルギー源から電力の70％を得ることを目標としています。HECOは、通知から10分以内に電力消費を削減した顧客にインセンティブを提供します。[123]
ガイドライン、標準、ユーザーグループ
IEEEスマートグリッドイニシアチブ[ 124] の一部であるIEEE 2030.2は、送電網と配電網のユーティリティストレージシステムを対象とした作業の延長です。IEEE P2030グループは、2011年初頭にスマートグリッドインターフェースに関する包括的なガイドラインを提供する予定です。新しいガイドラインは、バッテリー、スーパーキャパシタ、フライホイールなどの領域をカバーします。このグループはまた、電気自動車をスマートグリッドに 統合するためのガイドラインを起草する2030.1の取り組みも開始しました。
IEC TC 57 は、スマート グリッドの一部として使用できる国際標準規格のファミリーを作成しました。これらの標準規格には、変電所自動化のアーキテクチャであるIEC 61850と、共通情報モデル (CIM)であるIEC 61970/61968が含まれます。CIM は、データを情報に変換するために使用する共通のセマンティクスを提供します。
OpenADRは、需要応答アプリケーションに使用されるオープンソースのスマートグリッド通信規格です。[125] 通常、需要が高まっている期間に電力を使用するデバイスの電源をオフにするための情報と信号を送信するために使用されます。
MultiSpeak は、スマート グリッドの配布機能をサポートする仕様を作成しました。MultiSpeak には、配布ユーティリティまたは垂直統合ユーティリティの配布部分に必要なほぼすべてのソフトウェア インターフェイスをサポートする強力な統合定義セットがあります。MultiSpeak の統合は、拡張マークアップ言語 (XML) と Web サービスを使用して定義されます。
IEEEは同期位相器をサポートするための標準規格C37.118を作成した。[126]
UCA 国際ユーザー グループは、スマート グリッドで使用される標準の実際の経験について議論し、サポートします。
LonMark International 内のユーティリティ タスク グループは、スマート グリッド関連の問題を扱っています。
スマートメーターアプリケーションの共通通信プラットフォームとしてTCP/IP技術を使用する傾向が高まっており、公益事業者はIP技術を共通管理プラットフォームとして使用しながら、複数の通信システムを導入することができるようになっています。[127] [128]
IEEE P2030は、「電力システム（EPS）、最終用途アプリケーション、負荷とエネルギー技術および情報技術運用のスマートグリッド相互運用性に関するドラフトガイド」を開発するIEEEプロジェクトです。 [129] [130]
NISTは、ITU-T G.hnを「利害関係者の強い合意があると考えられる」スマートグリッドの「実装のために特定された標準」の1つとして含めました。 [131] G.hnは、電力線、電話線、同軸ケーブルを介した高速通信の標準です。
OASIS EnergyInterop' – エネルギー相互運用のための XML 標準を開発する OASIS 技術委員会。その出発点はカリフォルニア OpenADR 標準です。
2007 年エネルギー独立安全保障法 (EISA) に基づき、NISTは、米国でスマート グリッドを実装するために必要な数百の標準の特定と選択を監督する責任を負っています。これらの標準は、 NISTから連邦エネルギー規制委員会(FERC)に照会されます。この作業は開始されており、最初の標準はすでに NIST のスマート グリッド カタログに含めるために選択されています。[132]ただし、一部のコメンテーターは、スマート グリッドの標準化から実現できる利点は、スマート グリッドのアーキテクチャとテクノロジをカバーする特許の増加によって脅かされる可能性があると示唆しています。[133]標準化されたスマート グリッド要素をカバーする特許が、テクノロジがネットワーク全体に広く配布されるまで公開されない場合 (「ロックイン」)、特許所有者が市場の大きなセグメントから予期しない利益を徴収しようとしたときに、大きな混乱が発生する可能性があります。
GridWise Allianceランキング
2017年11月、非営利団体のグリッドワイズ・アライアンスはクリーンエネルギー団体のクリーン・エッジ社と共同で、全50州の電力網近代化の取り組みのランキングを発表した。カリフォルニア州が1位だった。他の上位州はイリノイ州、テキサス州、メリーランド州、オレゴン州、アリゾナ州、コロンビア特別区、ニューヨーク州、ネバダ州、デラウェア州だった。「電力網の設計、構築、運用に携わる利害関係者を代表するグリッドワイズ・アライアンスの30ページを超えるレポートは、全国の電力網近代化の取り組みを詳細に調査し、州ごとにランキング付けしている。」[134]
参照
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文献
- Hans Glavitsch (1974 年 11 月)。「電力システムのコンピュータ制御」。Scientific American誌、第 231 巻、第 5 号。
- Christian Neureiter、「スマートグリッドにおけるシステムエンジニアリングのためのドメイン固有のモデル駆動エンジニアリングアプローチ」、Wayback Machineに 2018-01-22 にアーカイブ、MBSE4U、2017 年、ISBN 978-3981852929
外部リンク
ウィキメディア・コモンズには、スマートグリッドに関連するメディアがあります。
- スマートグリッド（欧州委員会）
- プロジェクト再生によるスマートマイクログリッド
- NIST スマートグリッドコラボレーションサイト 2015-02-24 にWayback MachineでアーカイブNIST のスマートグリッドに関する公開 wiki
- スマート多目的グリッドの出現 多目的に使用できるスケーラブルなワイヤレスネットワーク
- ビデオ講義: コンピュータシステムのセキュリティ: 信頼できる電力網を構築する上での技術的および社会的課題 2011-10-06 にWayback Machineでアーカイブ、イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校
- Wiley: スマートグリッドアプリケーション、通信、セキュリティ
- ビデオ講義: スマートグリッド: 持続可能なエネルギーインフラへの鍵 2011-09-14 にWayback Machineにアーカイブ、イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校
- IEC 61850 プロセスバスと IEEE 1588 時間同期に基づくスマート高電圧変電所
- 欧州の主要なスマートグリッド研究プロジェクトの一つであるEnergy To Smart Grid (E2SG)
- スマートグリッド: 電力網のための通信対応インテリジェンス
- LIFE Factory Microgrid Archived 2018-10-22 at the Wayback Machine : 欧州委員会が資金提供するスマートグリッドプロジェクト
- スマート ハブ SLES: 英国研究イノベーション機構が一部資金提供しているスマート グリッド プロジェクト