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NISTのトランザクティブ・エネルギー（TE）に関する情報まとめの続きです。
前回は、NISTのTEチャレンジPhaseⅠについてまとめましたので、今回は、2019年5月に公開された「NIST Transactive Energy Modeling and Simulation Challenge Phase II Final Report」（PhaseⅡ報告書）をベースにして、TEチャレンジPhaseⅡについてまとめようと思います。
では、はじめます。
■NISTのTEチャレンジと、PhaseⅠ、PhaseⅡの概要
NIST（米国国立標準技術研究所）のトランザクティブエネルギー（TE）のモデリングとシミュレーションへのチャレンジ（TEチャレンジ）は、2015年から2018年にかけて行われました。
このTEチャレンジは、多様なモデリングとシミュレーションのプラットフォームを使用して、実際のグリッド問題へのTEアプローチの適用を実証するもので、米国エネルギー省と連携し、電力網の安全性、効率性、信頼性、回復力、適応性を向上させるためのTEの可能性を探求する目的で開始されたものです。
TEチャレンジPhaseⅠは2015年から2016年にかけて行われ、TEの概念に対する理解を深め、関連するシミュレーションツールと共同シミュレーションプラットフォームを特定し、PhaseIIに道を開くTE共同シミュレーションの抽象コンポーネントモデルの開発を促しました。
PhaseIIの取り組みは2017年春から2018年春にかけて行われ、チームは、共通のTE問題シナリオ、共通のグリッドトポロジー、および各チームのTEアプローチのシミュレーション結果を直接比較できる共通の報告指標を共同で開発しました。この報告書は、TEチャレンジ、TE抽象コンポーネントモデル、および共通のシナリオについての概要を提供しています。また、PhaseIIの個々のチャレンジ参加者の研究報告もまとめています。共通のシナリオでは、非常に高い太陽光発電の浸透率を持つ配電網に影響を与える天候イベントを含み、それによる電圧調整の課題をTE手法で軽減することが求められていました。4つのチームは、この共通のシナリオを、異なるTEモデルを用いて、電圧偏差に対する分散資源の反応を促すシミュレーションを、異なるシミュレーションプラットフォームで実施しました。5番目のチームは、既存の共同シミュレーションコンポーネントを用いたオンラインTEシミュレーションが可能な共同シミュレーションプラットフォームに焦点を当てました。TEチャレンジPhaseIIは、TEシステム性能分析のための共同シミュレーションモデリングツールとプラットフォームを進化させ、継続的な比較シミュレーションをサポートできる参照可能なTEシナリオを開発し、高い太陽光発電の浸透率を持つ配電網での電圧を管理するためのさまざまなTEアプローチを示しました。
■TEチャレンジPhaseⅠの成果の振り返り：共同シミュレーションプラットフォーム
サイバーフィジカルシステム（CPS）やモノのインターネット（IoT）のような相互接続された世界では、共同シミュレーションのようなドメイン固有のツールを結合することが有用です。トランザクティブ・エネルギー（TE）の共同シミュレーションでは、TEモデルが主要なコンポーネントとその間のインターフェース、そして通信するべき情報要素を定義していますが、このモデルは抽象的で、具体的な実装方法に制約をかけません。また、共同シミュレーションの中心にはGridコンポーネントのシミュレーションがあり、これは配電系統を模倣しています。このコンポーネントは、エネルギー供給と運用に関わる全てのデバイスを総合的に表現していますが、そこには、ローカルコントローラー（例えばエアコンのサーモスタットのような個々のデバイスを制御するもの）と監督コントローラー（DRアグリゲータとインターフェイスするHEMSのように、配下のリソースの電力消費・発電量を調整するもの）という二つの種類のコントローラーが存在し、トランザクティブ・エージェント（TA）が監督コントローラーと緊密に連携し、市場とのやり取りを担当します。
このような共同シミュレーションの枠組みは、研究者が他の研究者の成果に基づいて新しいシミュレーションを容易に構築できるようにするため、非常に有用で、異なる研究目的や異なるフォーカスに応じてコンポーネントを置き換えることができ、TEシステムやその他の複雑なシステムの評価と比較において、高い柔軟性と拡張性を提供しました。
■TEチャレンジPhase Ⅱのゴール
TEチャレンジの目指すゴールは以下のとおりでした：
- シミュレーション結果の比較の基準として機能するTEシナリオを共同開発し、それを使用してTEシミュレーションを実行する。
- みんなが、自分たちの分析にトランザクティブな要素を組み込めるよう、シミュレーションプラットフォームに依存しない共通の理解と相互運用可能なTEモデリングアプローチを開発する。
- TEコミュニティを構築し、TE実装を推進する取り組みをサポートできる協力関係を促進する。
- 異なる共同シミュレーションプラットフォームに対する可視性を提供し、それぞれの強みについての理解を深める。
報告書では、PhaseIIのチームが使用した共通のシナリオをレビューし、個々のチームの報告をまとめています。
■PhaseⅡのTEチャレンジ・シナリオ
TEチャレンジPhaseⅡで共同開発されたTEシナリオは、PhaseⅡ参加チームがTEシナリオを共有することで理解を促進し、それぞれのTEアプローチやシミュレーション目標についての共通の基準を提供するものです。
このシナリオは、太陽光発電（PV）システムの高い浸透率による電圧の不均衡に焦点を当てています。IEEE 8500基準グリッドに基づいた大規模なフィーダーモデルが使用され、約2000軒の家庭が含まれています。各家庭には制御可能なエアコンシステムと制御されていないプラグ負荷があり、90%がPVシステムを持ち、50%が電気温水器を持っています。
シナリオでは、特定の日に嵐の影響で午後2:30から4:30までの太陽放射量が大幅に減少することが想定され、PhaseⅡ参加の各チームは、その電圧変動を管理するために異なるアプローチをシミュレーションしました。
■TEチャレンジPhaseⅡに参加した５チームについて
TEチャレンジPhaseIIには5つのチームが参加し、TEチャレンジ・シナリオを開発した後、共同シミュレーション実験を実施しました。参加したチームは、①太平洋北西部国立研究所（PNNL）、②国立再生可能エネルギー研究所（NREL）、③タタ・コンサルタンシー・サービス（TCS）、④マサチューセッツ工科大学（MIT）、および⑤ヴァンダービルト大学です。以下に、各チームの作業の概要を示します。
- PNNLチーム
PNNLチームは、特定の負荷、発電、家庭モデル、およびデバイスコントローラーを含むIEEE 8500基準グリッドのモデルを開発し、TEシナリオ用の天候データと価格シナリオとともに他のチームと共有し、それらは各チームのシミュレーションで使用されました。
それだけではなく、PNNLチームは、GridLAB-Dが開発中のTEシミュレーションプラットフォームを使用して、HVAC（暖房、換気、エアコン）の温度設定とインバーターのVolt-VARおよびVolt-Watt制御が配電網の電圧違反に与える影響を調査しました。（また、TE市場が想定する5分間の市場サイクルの応答能力よりも速く電圧変動が発生する場合があると認識して、TEチャレンジとは別に研究しています。）
その結果、負荷のシフトとPV（太陽光発電）システムの実・無効電力調整が、配電網での局所的な電圧制御に強い可能性を持っていることが示されました。特に、Volt-VAR制御は電圧違反の期間を基準の574時間から222時間に削減し、最も効果的でした。Volt-Watt制御は、違反限界に達した後にのみPVインバーターで実電力を削減し、電圧違反の期間を553時間に削減しました。HVACの設定点調整も実施され、PVシステムからの過剰発電を吸収するために、上限の電圧違反限界に達した場合に設定温度を4°F（約2°C）下げました。これにより、電圧違反の期間が464時間になりました。
- NRELチーム
NRELチームは、異なる電気料金と市場構造の下で新興の消費者技術の影響を評価するために開発されたIntegrated Energy Systems Model（IESM）という共同シミュレーションプラットフォームを使用してシミュレーションを行いました。
NRELのシミュレーションでは、家庭の位置に応じて電力を調整するための位置固有の価格信号を実装しました。これにより、各家庭は独自の価格信号を受け取ります。この制御は「ネットワーク認識型」であり、リアルタイムの最適電力フロー（OPF）に基づいて配電フィーダーの電圧を管理します。そして、屋根の太陽光発電（PV）システムによる発電が引き起こす過電圧を減らすために、スマートPVインバーターとスマートサーモスタット付きのエアコンが、電圧パフォーマンスを改善するためにTE制御に参加するインセンティブがどのように働くかを示しました。
シミュレーションの結果、提案されたTE制御手法は電圧違反数の大幅削減に貢献することが示されました。TEアプローチにより、同じ天気シナリオでの単純なTOU（時間帯別料金）レートと比較して、累積した電圧違反が約80％削減されました。ただ、平均の家庭エネルギーコストはTOU基準と比較して変わらなかったものの、TE制御シナリオではエネルギーコストの異常値が多く、一部の家庭では中央値よりもかなり高いまたは低いコストとなりました。
- TCSチーム
TCSチームは、TEチャレンジを活用して、再生可能エネルギーの最大活用を目指しながらレジリエンス（耐障害性）を向上させるためのダイナミックなマイクログリッドの再構成を探究しました。TCSは、三相ネットワークで動作するダイナミックマイクログリッドアルゴリズムを適用するため、特定のグリッド構成を修正しています。さらに、独立したTEマーケットモデルも開発し、GridLab-Dシミュレーション環境でその有効性を検証しました。
TCSチームは、ダイナミックマイクログリッドコンフィギュレータ（DMC）を作成しました。このDMCは、グリッドのトポロジー、負荷状態、各瞬間での再生可能エネルギー生成を継続的に監視して、セグメント化されたマイクログリッドの運用を計画します。DMCは、障害が発生した場合に、最小限の負荷削減でグリッドの運用を維持できるようにフィーダーをマイクログリッドに区分します。
テストシーケンスでは、基本的な晴れと曇りのシナリオ、DMCによる障害発生シナリオ、そしてDMCとは独立したTEマーケットアプローチの4つのシナリオが用いられました。結果として、DMCの再構成により、再生可能エネルギーの利用率が高く、負荷の損失が少なく、供給される負荷の割合も高かったことが示されました。特に、一般的な運用と比較して、障害が発生した場合でも負荷の供給を継続できる可能性が高まりました。
- MITチーム
MITチームは、Scalable Electric Power System Simulator（SEPSS）を使用して、TEチャレンジのグリッドから切り取られた特定の部分でのシミュレーション研究を行いました。MITのアプローチでは、配電網オペレーターが交流（AC）最適電力フロー（OPF）を使用してグリッド上の電圧をモデル化し、各DER（分散エネルギーリソース）の実電力と無効電力の消費/発電を表すモデルと組み合わせています。
MITの目標は、DERの参加を最大化し、グリッド損失を最小化することです。これは、快適性要件の緩和、バッテリーの使用、および無効電力生成のためのインバーターの使用を通じて達成されます。また、変電所の電圧調整により、グリッド損失が最小化されます。
シミュレーションの結果、LMP（Locational Marginal Pricing）ベースの動的価格方式が、TOU（Time-of-Use）方式と比較して顧客のエネルギー請求額を約30%削減すると報告されています。また、バッテリーがグリッド損失を平均で約20%削減する効果があること、インバーターが日中の晴れた時間帯に無効電力の流れを約15%削減する効果があることも指摘しています。
- ヴァンダービルト大学チーム
このチームは、共同シミュレーションプラットフォームの開発というTEチャレンジの目標に焦点を当て、さまざまな異種のシミュレーションをサポートするためにカスタマイズと拡張が可能な、ウェブベースの一般的な共同シミュレーションプラットフォームを開発しました。この共同シミュレーションプラットフォームCPSWT-TE（Cyber-Physical Systems Wind Tunnel for Transactive Energy）は、広く使用されているIEEEの分散シミュレーション標準であるHigh-Level Architecture（HLA）に基づいています。
この共同シミュレーションプラットフォームのユーザーは、独自の実験を構築する際に既存のライブラリコンポーネントを使用し、独自の特定のコンポーネントを追加することができます。
■TEチャレンジPhaseⅡの成果
TEチャレンジPhaseⅡは、複数の重要な目標を達成しました。まず、TE共同シミュレーションのための基礎的な抽象モデルを開発しました。このモデルは、TE共同シミュレーションに関する共通の語彙を提供し、抽象モデルと互換性のあるシミュレーションコンポーネントに基づいて相互運用可能なTEシミュレーションの基盤を築きました。
次に、TEシステムの性能分析に対応するための先進的な共同シミュレーションモデリングツールとプラットフォームを進化させました。
さらに、継続的な比較シミュレーションをサポートするためのレファレンスTEシナリオを開発しました。このシナリオは、分散エネルギー資源（DER）を配電網に統合する際に、電圧をどのように管理するかについての多様なTEアプローチをテストするためのものです。
具体的な研究結果としては、Volt-VAR制御を用いることで電圧違反の期間が60％削減されたこと、リアルタイムの最適電力フローを用いて電圧違反が80％削減されたこと、ダイナミックなマイクログリッドの再構成が障害耐性を向上させるとともに再生可能エネルギーの利用を最大化したことなどがあります。
以上、PhaseⅡ報告書の1章からTEチャレンジPhaseⅡの概要をご紹介しました。
PhaseⅡ報告書では、この後2章：PNNLチームの報告（11ページ）、3章：NRELチームの報告（23ページ）、4章TCSチームの報告（24ページ）、5章：MITチームの報告（44ページ）、6章：ヴァンダービルト大学チームの報告（15ページ）と続いているのですが、ChatGPTの要約では内容を伝えきれないほど情報が詰まっていますので、詳細をご覧になりたい方は、是非報告書をご覧ください。
最後に、付録Aで示された、NISTのTEチャレンジ以前からTEの実証に関わってきたプロジェクトの実証サイトの地図と、実証プロジェクトサマリをご覧ください。
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プロジェクト |
説明 |
目標／スコープ |
主な参加者 |
タイミング |
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オリンピック半島グリッドワイズ実証実験
Olympic Peninsula GridWise Demonstration |
PNNLが管理するDOE出資の実証プロジェクト。 経済的な価格シグナルに基づいてリソースをディスパッチする、グリッドと分散型リソース間のインターネットベースの自動双方向通信のテストに焦点を当てた。 |
· 共通の通信フレームワークにより、分散型資源の経済的なディスパッチを可能にし、それらを統合して複数の利益を提供できることを示す。 · 一般的なグリッド管理目標を達成するために、これらのリソースが個々に、またほぼリアルタイムで相互作用した場合にどのように機能するかを理解する。 · 顧客の参加と提供する分散型資源に影響を与える経済的な料金体系とインセンティブ構造を評価する。 |
· PNNL · Bonneville Power Administration · Public Utility District #1 of Clallam County · City of Port Angeles · Portland General Electric |
2004年 – 2007年 |
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パシフィック・ノースウエスト・スマートグリッド実証プロジェクト
Pacific Northwest Smart Grid Demonstration Project |
PNNLが管理するDOE出資の実証プロジェクト。 世界初のトランザクティブ協調システムを導入。25の個別資産システムがトランザクティブ・ネットワークに組み込まれ、供給、需要、コストの信号を受信。 |
· 「この実証プロジェクトが完了した後も、持続可能な地域スマートグリッドの基盤を構築する。 · デマンドレスポンス、分散型発電と貯蔵、配電自動化を含む、幅広い顧客と電力会社の資産を調整するために、インセンティブ信号を使用した相互運用可能な通信と制御のインフラを開発し、検証する。 · 顧客、電力会社、規制当局、国にとってのスマートグリッドのコストと便益を測定・検証し、将来のスマートグリッド投資のビジネスケースの基礎を築く。 · 安全でスケーラブル、相互運用可能なスマートグリッドのための標準とトランザクティブ制御手法の開発に貢献する。 全国の非規制公益事業環境 |
· PNNL · IBM · QualityLogic · 3TIER (now Vaisala) · Alstom Grid · Bonneville Power Administration |
2009年12月 -2015年6月 |
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AEP gridSmart リアルタイムプライシング – ダブルオークション実証プロジェクト
AEP gridSmart Real-Time Pricing – Double Auction Demonstration Project |
PNNL後援の研究プロジェクトで、変動する5分間隔の価格シグナルに対応して、一般家庭がどのように電力消費を適応させるかを理解することに焦点を当てた。 |
· スマートグリッド機能を適用し、地域で急速に拡大する再生可能資源ポートフォリオの統合をサポートする。 · システム容量とフィーダー容量問題への影響について、リアルタイム価格設定とダブル・オークション・アプローチの潜在的な利点を理解する。 · リアルタイム（5分）市場での卸売購入の改善と、回転予備力市場への参加がもたらす潜在的利益を理解する。 · リアルタイム価格に対する消費者の感度を理解する。 |
· PNNL · AEP Ohio |
2011年 – 2013年 |
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クリーンエネルギーと トランザクティブ・キャンパス
Clean Energy and Transactive Campus |
DOEとワシントン州が資金提供するプロジェクトで、「建物負荷、再生可能エネルギー、その他の分散型エネルギー資源におけるトランザクティブ・エネルギー・アプローチの理解を深め、より広範に展開する」ことを目的としている。 |
· トランザクティブ・コントロールの手法を、全国のビル、キャンパス、コミュニティで応用できるよう、複製し、スケールアップするための青写真を確立する。 |
· PNNL · University of Washington · Washington State University · Case Western Reserve University · University of Toledo · NASA Glenn Research Center |
2016年 –
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トランザクティブ・エネルギー・ネットワーク デモ
Transactive Energy Network Demo |
SDTC（持続可能な開発技術カナダ）が資金を提供し、3つのマイクログリッド（トロント、ノヴァ州）を連結するプロジェクト。スコシア州、メイン州北部）をトランザクティブ・エネルギーの枠組みに組み込んだ。 |
· DERを技術的にも財政的にも電力系統に統合することを可能にする、スマートで統合されたトランザクティブ・エネルギー（TE）ネットワークを実証する。 |
· Opus One Solutions Energy Corporation · Advanced Microgrid Solutions · Emera Maine · Nova Scotia Power Inc. · Ryerson CUE-Toronto Hydro · Smarter Grid Solutions · Toronto Hydro |
2016年 –
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小売自動トランザクティブ・エネルギー・システム
Retail Automated Transactive Energy System (RATES)
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カリフォルニア州エネルギー委員会が資金を提供し、Southern California Edisonの住宅および小規模商業顧客200人を対象に、小売トランザクティブ・エネルギープラットフォームを開発・試験するプログラム。自動化されたエンドデバイスの制御と双方向のサブスクリプション・タリフを組み込む |
· 顧客が電力市場に参加する際のコストと複雑さを最小化する、ビハインド・ザ・メーターの負荷管理システム、運用戦略、小売料金の選択肢を開発し、試験的にテストする。 · あらゆる顧客セクターからの参加者を募るが、住宅および小規模商業用顧客に重点を置く。 |
· Universal Devices Inc. · TeMix Inc · Southern California Edison (SCE) · California Independent System Operator (CASIO) · OpenADR Alliance |
2016年6月 – 2019年3月 |
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トランザクティブグリッド
TransactiveGrid |
LO3のブロックチェーン・ベースのTransactiveGridプラットフォームは、ピアツーピアのエネルギー取引を可能にし、分散型エネルギー資源の価格ベースの制御を促進することを目的としている。 |
· ピアツーピアのエネルギー取引を可能にする「地域エネルギー市場」の開発 |
· LO3 Energy |
On-going
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電力ビジネスというのは、典型的な「規模の経済」の考え方が成立するインフラビジネスの1つでした。大規模発電所で効率よく発電した電力を、送電線を通じて遠く離れた需要地に送り届ける、よく言われる「川上から川下へ一方方向に電気を流す」ビジネスモデルは、変動型再生可能エネルギーで発電した電力が系統に「逆流」するようになるまで、理想的なビジネスモデルでした。
しかし、従来は電力を消費しかしなかった需要家が、自宅の太陽光パネルの余剰電力や、EVの車載バッテリーからの放電で電力を供給することもある、いわゆる「プロシューマ―」となり、配電系統だけでなく、送電系統にもメガソーラーやウィンドファームの大出力電源が接続されるようになって、今までの「川上から川下へ一方方向に電気を流す」ビジネスモデルを「どげんかせんといかん」と考えて登場したのがスマートグリッドの概念だと思います。
そして、TEは、電力流通の流れを、これまでの電力会社または系統運用者が行ってきた、長期需要予測の元に発電所の建設計画を立て、自由主義経済諸国でも、一種計画経済／社会主義経済的ビジネスモデルに立脚していた状態から抜け出し、すべてを市場主義経済に委ねる方向を模索するもので、1つのスマートグリッドの将来像を目指すものではなかったかと思います。
ただ、NIST自体は、TEチャレンジ以降、TEの進展に関してイニシアチブをとって何かしている様子はなく、NISTのTEチャレンジ共同サイトでも、TEチャレンジPhaseⅡ以降、情報はアップデートされていない模様です。
唯一、付録Aの表の最後に掲載されていたLO3 EnergyのTransactiveGridプラットフォームは、表中で「On-going」となっているとおり、現在も運用されているようです。
しかし、彼らのTransactiveGridプラットフォームは、「再エネに関してピアツーピアのエネルギー取引を可能にし、分散型エネルギー資源の価格ベースの制御」を行っていると言っているものの、実際には、価格情報に基づいてリアルタイムに市場取引しているわけではなく、スマートメーターから得られた需給調整結果に関して、ブロックチェーンのスマートコントラクトを頼りに、再エネ利用希望の需要家の電力需要量と再エネ供給者の電力供給量とを紐づけしているだけで、小売電力取引市場において価格ベースで電力供給者と電力需要家をマッチングするようなTEシステムではないと思っています。
ところで、株式市場において、マーケットが異常なほどに過熱して、株価が短期的に大きく変動してしまった際に、トレーダーの頭を冷やす目的で株式取引をストップする制度のことを「サーキットブレーカー（＝回路遮断器）」と呼ぶようですが、電力流通のリアルタイム市場で、市場が過熱（＝再エネの過剰逆潮流などで需給ひっ迫状況が発生）したからと言って、サーキットブレーカーを働かせると、一斉に停電してしまうことになってしまいます。
その意味で、すべてを市場原理に委ねると言うのも考えもので、市場の異常事態を含めたあらゆるシナリオに対する技術的な解決策が見いだされるまで、TEの実運用は難しいのではないかと感じた次第です。
終わり
- 投稿タグ
- Standard, トランザクティブ・エネルギー, 標準化
