モノのインターネットを活用したスマートグリッド技術

伝統的な電力系統は、多数の疎結合の同期交流（AC）グリッドで構成されている。電力系統は、発電、送電、配電の3つの主な機能を果たしている。第一に、発電では、多くの発電所が炭素やウランをベースとした燃料を燃焼させて電気エネルギーを生成している。第二に、送電では、発電所から高圧送電線を介して遠隔地の需要地に電気を伝送する。第三に、配電では、配電システムは、電圧を下げて最終消費者に電気エネルギーを配布する。

各グリッドは中央制御され、発電所は、電力システムの制約の中で消費者のニーズに応じて電気エネルギーを生成することを確認するために監視されている。ほぼ、すべての発電、送電、電気エネルギーの分布は、消費者に電気エネルギーを提供し、それらのコストを回収し、利益を得るためにそれに応じてそれらを請求するユーティリティ企業によって所有されている。

伝統的な電力系統は、1870年の創設から1970年まで非常にうまく機能していた。消費者のエネルギー需要が指数関数的に増加したにもかかわらず、それはまだむしろ予測可能なものだった。しかし、1970年以降、電子機器の負荷が電力需要全体の中で最も急速に増加し、電気自動車（EV）のような高電力消費の新しい供給源が開発されたため、電気エネルギー消費の性質に劇的な変化があった。電力系統は、消費者の非効率な電化製品やスマート技術の欠如、電気エネルギーの効率的なルーティングと分配の不備、信頼性の低い通信と監視、そして最も重要なことは、発電された電気エネルギーを蓄える仕組みの欠如など、多くの要因により、大きなエネルギーの浪費を強いられている。さらに、配電網は、エネルギー需要の増大、信頼性、セキュリティ、再生可能エネルギー源の出現、インフラの老朽化など、他の課題にも直面している。

これらの課題を解決するために、さまざまな情報通信技術を用いたスマートグリッド（SG）が有望な解決策として登場している。このような技術は、電力系統の有効性、効率性、信頼性、安全性、持続可能性、安定性、およびスケーラビリティを向上させることができる。SGは、従来の電力系統とは多くの点で異なる。例えば、従来の電力系統では、サービス提供者から消費者への一方向通信しか提供していないのに対し、SGは、サービス提供者と消費者の間で双方向の通信フローを提供している。SGは、アドバンスト・メータリング・インフラストラクチャ（AMI）、スマートメータ、耐障害性、不正使用の検出、負荷分散、および自己回復、すなわち障害の検出と障害からの回復を提供する。

SGは、需要に密着した電気エネルギーを生成することで、電気エネルギーの無駄遣いの問題を解決する。SGは、リアルタイムプライシング、電力消費スケジューリング、電気エネルギー利用の最適化など、エネルギー需要に応じた重要な意思決定を支援する。このような決定は、発電量と使用量のバランスを維持することで、電力品質とグリッドの効率を大幅に向上させることができる

SGは、グリッドの監視、調整、制御のために、さまざまなタイプの装置を配備している。このような監視装置は、発電所、送電線、送電鉄塔、配電センター、消費者施設に配備されており、その数は数億、数十億にも上る。SGの主な関心事の1つは、このような多数の機器の接続性、自動化、追跡であり、高速、ユビキタス、双方向のデジタル通信による分散監視、分析、制御が必要となる。これは、モノのインターネット（IoT）技術によって、すでに現実の世界で実現されている。IoTは、監視、追跡、管理、位置特定の目的を達成するために、様々なスマートデバイス間で情報交換や通信を行うためのプロトコルに基づいて、あらゆる物体をインターネットに接続することができるネットワークと定義されている。ここ数年、IoT技術は様々なアプリケーションで注目を集めており、日常生活で使用される様々なネットワーク内蔵機器とインターネットの相互接続を可能にしている。

2008年には、インターネットに接続されたモノの数が世界の人の数を上回り、IoT 技術の影響力は高まり続けている。IoTとは、インターネットに接続された物理的な物体やモノのネットワークのことである。このようなオブジェクトは、その内部および外部環境と相互作用するための組み込み技術を備えている。これらのモノは、個別に、あるいは他のモノと連携して、高速かつ双方向のデジタル通信を介して、分散型、自律型、ユビキタス型の方法で、感知、分析、制御、決定を行う。これはまさにSGに求められていることです。したがって、IoT技術は、IoTデバイス（センサ、アクチュエータ、スマートメータなど）を組み込むことで、発電、蓄電、送電、配電、消費の各段階で様々なネットワーク機能をサポートするとともに、そのようなデバイスの接続性、自動化、追跡を提供することで、SGを支援することができる。

SGは、IoTの最大のアプリケーションの1つと考えられている。今日では、電気を使用する家庭用機器の多くがインターネットに接続されているが、インターネットに接続されていない家庭用機器も多数存在する。例えば、世界全体では、インターネットに接続されている電子レンジや洗濯機の数は、インターネットに接続されていないものよりもはるかに少ない。本質的には、電気を使うあらゆるものがインターネットに接続されることで、より便利になる可能性があります（例えば、インターネットに接続された電子レンジや洗濯機は、オフピーク時にリモートで操作することができ、コストを節約できるだけでなく、自動化によって人間に快適さを提供することができます）。したがって、将来的には、IoTと統合されたSGは現在のSGよりも大規模になり、IoT技術なしでは近代的でインテリジェントなグリッド（すなわちSG）は実現できないと予測できる。

IoT技術を通信の世界標準とし、SGの基盤とすることで、将来のイノベーションの可能性を最大限に引き出すための新たな扉が開かれることになる。

どう統合するか？

SGは、電気エネルギーの無駄を最小限に抑えるための有望なソリューションとして、また、従来の電力系統の問題を解決する手段として、効率性、有効性、信頼性、安全性、安定性、電気エネルギーの需要の増加などの面で可能な限りの進歩をもたらすものとして推進されてきた。SGの主な特徴は、自己回復、電力品質の向上、分散型発電とデマンドレスポンス、相互運用と利用者参加、効果的な資産管理である。

SGを語る上で最も重要なのはEVである。EVは、ガス排出量や石油需要の削減、エネルギー転換率の向上に有効なツールと考えられている。SGの登場は、EVに新たな機会をもたらした。現在、EVは電力系統とのエネルギー交換に利用されている。EVは電力系統からエネルギーを消費するだけでなく、実際には双方向充電器を介して電力系統にエネルギーを分配している。EVの充放電能力に基づいた3つの主要なコンセプトが登場している。Vehicle-to-Grid（V2G）、Vehicle-to-Vehicle（V2V）、Vehicle-to-Home（V2H）である。V2Gでは、EVは電力系統に接続されている。

EVはエネルギーを得るだけでなく、電力系統にエネルギーを送り返すこともできる。収入を得る方法の一つは、オフピーク時に電力系統から低価格でエネルギーを購入することである。そして、オンピーク時には、EVはより高い価格で電力系統にエネルギーを送り返すことができる。V2Vでは、EVは他のEV間でエネルギーを分配する。双方向充電器を使って、EVはまずローカルグリッドを使ってエネルギーを送電し、その後、コントローラ（アグリゲータとも呼ばれる）を使ってEV間でエネルギーを分配する。V2Hでは、EVが家庭にエネルギーを供給する。EVはオフピーク時にグリッドから低価格で充電する。そして、エネルギー価格が高くなるオンピーク時には、住宅はEVの電池からエネルギーを消費し、住宅の全体または一部の需要を満たすことで、オンピーク時に高価なエネルギーを購入しなくて済むかもしれない。

SGは、情報センシング、伝送、処理の分野ですでに広く普及しており、現在ではIoT技術が系統構築に大きな役割を果たしている。SGの取り組みの原動力は、電力網の各構成要素が「聞く」「話す」ことができるようにすることで、計画、保守、運用を改善し、SGの自動化を可能にすることである。例えば、従来の送電網では、電力会社は、顧客が自ら通知した場合にのみ、サービスの中断を知ることができる。SGでは、SGの特定のコンポーネント（愛情領域のスマートメーターなど）が収集したセンサーデータの送信を停止するため、電力会社は自動的にサービスの中断を知ることになる。ここでは、グリッドのすべてのコンポーネント（図2参照）がIPアドレスを持っていなければならず、双方向通信が可能でなければならないため、IoTがこのシナリオを可能にする上で重要な役割を果たす。IoT技術は、様々な通信技術を介したユーザーや機器、様々なIoTスマートデバイスを介した電力機器へのインタラクティブなリアルタイムネットワーク接続を提供し、様々なアプリケーション間でのリアルタイム、双方向、高速データ共有を実現するために必要な連携を実現し、SGの全体的な効率を高める。

IoTセンシングデバイスは、一般的に、無線センサ、RFID、M2M（machine-to-machine）デバイス、カムエラ、赤外線センサ、レーザスキャナ、GPS、各種データ収集デバイスなどで構成される。SGにおける情報センシングは、IoT技術によって高度にサポートされ、改善されます。IoT技術は、ネットワーク構築、運用、安全管理、保守、セキュリティ監視、情報収集、計測、ユーザインタラクションなどを支援し、SGのデータセンシングと伝送のインフラストラクチャー展開においても重要な役割を果たしています。さらに、IoTは、SG内の情報フロー、電力フロー、配電フローの統合も可能にする。さらに、既存のSGアーキテクチャは、完全な電力網を管理するための配電者のニーズに主に焦点を当てている。消費者は、ブロードバンドやその他のモーバイルネットワークを利用して、スマートメーターのネットワークでアクセスする。

参考文献

Y. Saleem, N. Crespi, M. H. Rehmani and R. Copeland, "Internet of Things-Aided Smart Grid: Technologies, Architectures, Applications, Prototypes, and Future Research Directions," in IEEE Access, vol. 7, pp. 62962-63003, 2019, doi: 10.1109/ACCESS.2019.2913984.

Photo: "Smart Meter Installation"by portland general is licensed under CC BY-ND 2.0