マイクロ​グリッド​エネルギー​管理​システム​を​NI​の​LabVIEW​と​DAQ​で​構築

Gooi Hoay Beng, 南洋​工科大学

"LabVIEW​は、​行列​計算​に​基づく​定式​化​や​処理​に​向け​て、​発電​システム​アプリケーション​を​より​簡単​に​コーディング​でき、​プログラマ​の​時間​を​大幅​に​短縮​できる​プログラミング​ツール​群​を​備え​てい​ます。"

- Gooi Hoay Beng, 南洋​工科大学

課題:

持続​可能​な​エネルギー​源​を​探​し​出し、​現在​の​エネルギー​供給​システム​の​効率​を​改善​する​こと​で、​シンガポール​の​エネルギー​ニーズ​に​応える。 ​

ソリューション:

NI LabVIEW​ソフトウェア​と​NI​データ​集録​(DAQ)​ハードウェア​を​用​い​て、​低​価格​の​マイクロ​グリッド​エネルギー​管理​システム​(MEMS:Microgrid Energy Management System)​を​開発​する。​この​MEMS​システム​は、​情報​通信​技術​(ICT)​や、​スマート​メータ、​高度​な​最適​化​アプリケーション​を​備え、​再生​可能​エネルギー​源​を​取り込む​ため​の​プラットフォーム​と​なる​配電​網​を​管理​する​役割​を​果たす。 ​

作成​者:

Cheah Peng Huat - 南洋​工科大学
​Siow Lip Kian - 南洋​工科大学
​Liang Hong Zhu - 南洋​工科大学
​Vo Quoc Nguyen - 南洋​工科大学
​Nguyen Dinh Duc - 南洋​工科大学
​Gooi Hoay Beng - 南洋​工科大学

 

南洋​工科大学​(NTU:Nanyang Technological University)​の​電気​電子​工学科​(EEE:School of Electrical and Electronic Engineering)​に​ある​クリーン​エネルギー​研究​センター​(LaCER:Laboratory for Clean Energy Research)​では、​学生​による​マイクロ​グリッド​の​試作​機​を​製作​しま​した。​マイクロ​グリッド​は、​太陽光​発電​(PV)​装置​や、​風力​タービン、​燃料​電池、​蓄電池​群​など​の​エネルギー​供給​源​を​備え​た​小規模​な​エネルギー​ネットワーク​です。​Web​ベース​の​MEMS​サーバ​で​この​マイクロ​グリッド​全体​を​制御​し、​電源​管理​の​さまざま​な​面​を​制御​した​り​監視​した​り​し​ます。

 

 

この​プロジェクト​では、​センサ​で​収集​した​情報​を​管理​し、​負荷​制御​および​発電​配分​を​行う​ソフトウェア​プログラム​を​開発​しま​した。​図​1​は、​データベース​と​さまざま​な​ソフトウェア​モジュール​を​つなぐ​インタフェース​の​ダイアグラム​を​示し​た​もの​です。​当​研究​チーム​では、LabVIEWソフトウェア​を​用​い​て、​高度​な​センシング​と​通信​を​行う​モジュール​や、​負荷​予測、​ユニット​コミットメント​(発電​機​の​起動​停止)、​状態​推定、​最適​潮流​計算​を​実行​する​モジュール​を​開発​しま​した。

 

高度​検出・​通信​システム

マイクロ​グリッド​では、​RS232​シリアル​通信​や​RS422/485​ベース​の​Modbus​通信​など​複数​の​プロトコル​が​混在​する​ため、​セン​シン​グ​デバイス​や​制御​デバイス​を​統合​した​り​インタフェース​を​確立​した​り​する​の​は​簡単​では​ありま​せん。​今回​は​この​課題​に​対処​する​ため、​情報​を​単一​の​標準​的​な​プロトコル、​つまり​Ethernet​に​変換​しま​した。​その​際​に、​通信​プロトコル​コンバータ​を​使う​こと​で、​簡単​に、​しかも​経済​的​に​変換​を​行う​こと​が​でき​ま​した。

 

この​プロジェクト​で​実施​する​主​な​設計​作業​に​は、​センシング​の​ほか、​MEMS​サーバ​と​電力​センサ​間​の​通信、​そして​サーキットブレーカ​(回路​遮断​器)​や​プログラマブル​AC​電源、​プログラマブル​ロジック​コントローラ​(PLC:Programmable Logic Controller)​など​の​制御​機器​と​の​通信​が​含​まれ​ます。​マイクロ​グリッド​の​ネットワーク​全体​に​合計​32​個​の​Modbus​プロトコル​対応​電力​センサ​を​配置​し、​電圧​や​電流、​有効​電力、​無効​電力、​サーキット​ブ​レ​ー​カ​の​状態​といった​パラメータ​を​計測​する​こと​で、​電力​を​監視​しま​した。​MEMS​サーバ​と​全て​の​電力​センサ​間​の​通信​を​確立​する​際​に​高い​コスト​効率​が​得​られる​よう​に、​センサ​を​8​台​ごと、​4​つ​の​グループ​に​分ける​ことに​しま​した。​各​グループ​は​最終​的​に、​RS485-​TCP/​IP​コンバータに接続され、​Modbus​プロトコル​は​Ethernet LAN​ネットワーク​上​で​動作​する​Modbus TCP​に​変換​さ​れ​ます。​各​コンバータ​と​各​電力​センサグループ​に対して、​個別​の​ID​と​固有​の​IP​アドレス​を​発行​しま​した。

 

この​システム​では、LabVIEW​データ​ロギング・​監視​制御​(DSC:Datalogging and Supervisory Control)​モジュールに、​対象​と​する​電力​センサ​の​IP​アドレス​と、​センサ​ID、​登録​アドレス​を​入力​する​こと​で、​その​センサ​の​電力​測定​結果​を​抽出​でき​ます。​ユーザ​は​Modbus​の​メッセージ​を​厳密​に​定義​し​なく​て​も​情報​を​取得​できる​ため、​貴重​な​時間​を​節約​できる​よう​に​なり​ま​した。​この​システム​では、​すべて​の​電力​測定​結果​が​それぞれ​LabVIEW​の​グローバル​変数​に​送信​さ​れる​ので、​ユーザ​は​メイン​GUI​に​表示​さ​れ​た​データ​を​監視​する​こと​が​可能​です​(図​2​を​参照)。​データ​監視​以外​の​アプリケーション​でも、​これらの​グローバル​変数​を​介​し​て、​計測​結果​を​簡単​に​利用​でき​ます。​また、​PLC​でも​同様​の​技術​を​用​い​て、​マイクロ​グリッド​の​サーキット​ブ​レ​ー​カ​を​制御​し​てい​ます。

 

マイクロ​グリッド​の​テスト​ベッド​では、​プログラマブル​AC​電源​を​使​って、​スタンドアロン​型​マイクロ​グリッド​を​テスト​し​ます。​今回​の​プロジェクト​では、​これらの​電源​と​の​通信​手段​として、​LabVIEW​の​TCP​関数​ブロック​を​利用​しま​した。​これ​により、​電源​を​監視​した​り​制御​した​り​する​際​に​各​電源​の​IP​アドレス​を​入力​する​だけ​で​済む​ため、​ユーザ​は​プログラミング​コード​を​書く​面倒​な​作業​から​解放​さ​れ​ます。

 

負荷​予測

負荷​予測​は、​需要​側​の​総​負荷​を​15​分​前​に​予測​する​こと​を​目的​として​い​ます。​マイクロ​グリッド​を​効率​的​に​運用​した​り​制御​した​り、​計画​した​り​できる​か​どうか​は、​この​負荷​予測​に​か​かって​いる​ため、​市場​に​与える​影響​は​多大​です。​正確な予測値を算出できれば、​コスト​の​削減​だけ​で​なく、​システム​の​運用​保全​の​強化​に​も​つながり​ます。

 

 

この​プロジェクト​では、​人工​神経​網​(ANN:Artificial Neural Network)​に​基​づ​い​た​予測​手法​を​採用​し、​LabVIEW​を​用​い​て​アルゴリズム​を​開発​しま​した​(図​3​を​参照)。​さらに、​その​負荷​予測​アルゴリズム​の​性能​を​向上​させる​ため、​以下​の​機能​を​追加​しま​した。

 

  • 不良​もしくは​不規則​な​データ​を​検出​し、​該当​データ​を​ANN​における​学習​アルゴリズム​に​使用​する​前​に​除外​した​り​調整​した​り​する、​データ​前​処理​機能。
  • 学習​用​データ​の​収束​を​早め​て​過剰​な​フィッティング​を​防ぐ、​早期​停止​機能。
  • 負荷​プロファイル​が​特異​的​に​なる​日​を​把握​し、​ANN​の​学習​アルゴリズム​から​除外​する​こと​によって、​負荷​モデル​の​崩壊​を​防ぐ、​特異​日​スケジューリング​機能。​ユーザ​は​特異​日​を​GUI​から​更新​できる。
  • 入力​データ​と​ターゲット​データ​の​間​の​線形​性​を​直線​を​使​って​見つけ出す、​相関​分析​と​線形​回帰​分析​機能。

 

この​プロジェクト​では、​DAQ​デバイスのNI USB-6215を​使用​し​て、​NTU​の​ウィー・​キム・​ウィー​通信・​情報​専攻​(Wee Kim Wee School of Communication and Information)​の​建物​から、​負荷​の​履歴​データ​を​収集​しま​した。​LabVIEW​を​使​って、​収集​した​データ​を​処理​し、​当​プロジェクト​で​開発​した​データベース​に​保存​し​ます。​日​次​の​負荷​データ​を​収集​する​ため、​DAQ​デバイス​の​アナログ​入力​端子​を​ステップ​ダウン​変圧​器​を​介​し​て​建物​内​の​配電​網​に​接続​しま​した。​この​変圧​器​は、​電流​データ​と​電圧​データ​それぞれ​を​取得​する​センサ​に​も​接続​さ​れ​てい​ます。

 

この​手法​を​用いる​こと​で、​負荷​予測​アルゴリズム​を​MEMS​ユニット​内​の​ソフトウェア​モジュール​に​統合​する​こと​が​でき​ま​した。​実装​した​予測​システム​は​信頼​性​が​高​く、​十分​な​精度​も​得​ら​れ​てい​ます。

 

 

ユニット​コミットメント

ユニット​コミットメント​(発電​機​の​起動​停止)​を​担う​ソフトウェア​モジュール​は、​MEMS​に​不可欠​な​要素​の​1​つ​です。​この​ソフトウェア​モジュール​は、​マイクロ​グリッド​の​事業​者​が​最適​な​発電​スケジュール​を​た​て​られる​よう​に 支援​し​ます。​具体​的​に​は、​需要​プロファイル​の​予測​に​基​づ​い​て、​マイクロ​グリッド​が​メイン​グリッド​に​接続​さ​れ​て​いる​とき​は​総​便益​を​最大​化​し、​未​接続​時​は​総​運用​コスト​を​最小​化​する​スケジュール​を​作成​し​ます。​最適​化​の​プロセス​が​完了​すると、​稼働・​非​稼働​の​状況​や、​発​電源​から​供給​さ​れ​た​電力​量​(kW)​など​の​情報​が、​MEMS​の​最適​潮流​計算​(OPF:Optimal Power Flow)​モジュールに送信され、​処理​が​行​われ​ます。​ユニット​コミットメント​は​発電​システム​の​管理​において、​最も​最適​化​が​難しい​問題​の​1​つ​です。​この​ソフトウェア​では、​LabVIEW​の​MATLAB​スクリプト​機能​を​用​い​て、​いくつか​の​制約​条件​と​数百​個​の​変数​を​組​込​ん​だ、​定式​化​さ​れ​た​問題​に対する​最適​解​を​わずか​数​秒​で​見つけ出す​こと​が​でき​ます。​図​5​は、​ユニット​コミットメント​モジュール​の​メイン​GUI​を​示し​た​もの​です。

この​ソフトウェア モジュール​は、​以下​の​特徴​を​備え​てい​ます。

  • LabVIEW​の​MATLAB​スクリプト​機能​を​使​って、​複雑​な​ユニット​コミットメント​問題​を​数​秒​で​解決​できる。
  • ユーザ​は、​LabVIEW​に​構築​さ​れ​た​グラフィカル​インタフェース​を​用いる​こと​で、​デフォルト​設定​でも​カスタム​設定​でも、​ユニット​コミットメント​最適​化​を​クリック​操作​のみ​で​簡単​に​実行​できる。
  • LabVIEW​の​リアルタイム​キ​ャ​プチ​ャ​機能​を​使う​こと​で、​ユーザ​が​設定​した​自動​起動​時刻​に​ソフトウェア​を​自動​で​実行​できる。
  • 最適​化​が​完了​すると、​結果はサーバシステム内のユーザが規定したパスに自動保存され、​同時に​MEMS​の​OPF​モジュール​に​送信​さ​れ​ます。

 

 

状態​推定

状態​推定​は​MEMS​の​リアルタイム​機能​の​1​つ​で​あり、​SCADA(Supervisory Control and Data Acquisition:​監視​制御・​情報​集録)​によって​収集​さ​れ​た​計測​結果​や、​サーキット​ブ​レ​ー​カ​の​状態、​電圧​レギュレータ​の​タップ​位置​など​の​情報​を​用​い​て、​電力​システム​における​バス​電圧​を​検証​した​り​推定​した​り​し​ます。​推定​した​バス​電圧​の​振幅​や​位相​角​は、​このシステムの状態値として信頼できるデータと考えられ、​OPF​モジュール​に対する​入力​の​1​つ​として​用​い​ます。​一方、​処理​後​の​バス​負荷​値​は、​負荷​予測​(Load Forecasting)​モジュール​に対する​入力​として​使い​ます。

状態​推定​器​に​は、​LabVIEW​プラットフォーム​上​で​MATLAB​プログラミング​言語​で​コーディング​さ​れ​た​次​の​3​つ​の​サブ​関数​が​含​まれ​てい​ます。

  1. ト​ポロ​ジ​プロセッサ:​ノード​型​の​ネットワーク​を​バス​型​の​ネットワーク​に​変換​する​こと​で、​ネットワーク​構成​を​決定​する​関数。
  2. 状態​推定​器:​バス​電圧​の​振幅​と​位相​角​を​算出​する​関数。
  3. 不良​データ​の​検出・​特定:​生​の​計測​データ​を​状態​推定​器​で​使用​する​前​に、​その​データ​が​良質​か​どうか​を​検証​する​関数。

 

 

あらゆる​電力​網​で​確実​に​動作​する​よう​な​状態​推定​器​を​コーディング​する​こと​は​困難​です。​そこで、​スクリプト​ブロック​を​使用​すると、​複雑​な​アルゴリズム​の​記述​における​柔軟性​を​高める​こと​が​でき​ます。​これらの​サブ​関数​は​それぞれ、​LabVIEW​上​で​スクリプト​ブロック​を​用​い​て​実装​さ​れ​てい​ます。​スクリプト​ブロック​から​他の​ブロック​へ​データ​を​渡し​たり、​フロント​パネル​へ​データ​を​送​って​結果​を​表示​した​り​する​ため、​入力​と​出力​(1D​と​2D)​を​作成​しま​した。​さらに、​不良​データ​を​検出・​特定​する​フィルタ​として、​フィードバック​ノード​を​使用​しま​した。

LabVIEW​は、​行列​計算​に​基づく​定式​化​や​処理​に​向け​て、​発電​システム​アプリケーション​を​より​簡単​に​コーディング​でき、​プログラマ​の​時間​を​大幅​に​短縮​できる​プログラミング​ツール​群​を​備え​てい​ます。

今回​の​プロジェクト​では、​この​状態​推定​(SE:State Estimation)​関数​を、​他の​MEMS​関数​や、​NTU​の​LaCER(Laboratory for Clean Energy Research)​内​に​設置​した​マイクロ​グリッド​ハードウェア​と​組み合わせ​て​実証​する​ことに​成功​しま​した。​図​6​は、​状態​推定​器​の​メイン​GUI​を​示し​た​もの​です。

 

 

最適​潮流​計算

最適​潮流​計算​(OPF:Optimal Power Flow)​は、​MEMS​の​オンライン​機能​の​1​つ​です。​OPF​の​目的​は、​対象​と​する​発電​システム​ネットワーク​の​最適​設定​を​見つけ出す​ことに​あり​ます。​この​最適​設定​は、​電力​潮流​方程式​と、​バス​電圧​制約​や​分岐​流​限界、​発​電源​容量​限界​といった​装置​運転​限界​を​満​た​し​つつ、​総​発電​コスト​や​システム​損失​など​の​システム​目標​関数​を​最適​化​し​ます。​OPF​に​は、​入力​データ​として、​SE​モジュール​が​定義​した​ネットワーク​構成​や​負荷​情報​など​を​与​え​ます。​その​結果​として​OPF​は、​下記​の​項目​に対する​推奨​値​を​出力​し​ます。

  1. 発​電源​の​有効​電力​と​無効​電力
  2. 負荷​時​タップ​切り替え​変圧​器​の​タップ比

これらの​パラメータ​は、​サーキット​ブ​レ​ー​カ​コントローラ​や​インバータ​制御​装置、​発電​機​制御​装置、​負荷タップ制御装置に送られ、​システム​を​より​経済​的​かつ​効率​的​な​モード​で​継続​的​に​動作​させる​制御​に​利用​さ​れ​ます。

また、​OPF​問題​を​解く​ため​に、​二次​計画​法​を​採用​しま​した。​この​アルゴリズム​は、​まず​MATLAB​でコーディングされ、​次に​MATLAB​スクリプト​機能​を​介​し​て​LabVIEW​に​統合​さ​れ​ます。​OPF​は、​LabVIEW​プラットフォーム​上​で​SE​と​SCADA​の​両方​に​接続​さ​れ​て​おり、​マイクロ​グリッド​に​組​込​まれ​て​いる​特定​の​コンポーネント​を​管理​し​ます。​図​7​に、​NTU​の​LaCER​内​に​設置​した マイクロ​グリッド​の​最適​潮流​を​算出​する​プログラム​の​メイン​GUI​を​示し​ま​した。​これ​も、​LabVIEW​ツール​ボックス​を​用​い​て​作成​した​もの​です。

 

著者​情報:

Gooi Hoay Beng
南洋​工科大学
​School of Electrical and Electronic Engineering (S2-​B7c-05) Nanyang Technological University
​Singapore 639798
​Singapore
​Tel: +65-67905481
​Fax: +65-67933318
ehbgooi@ntu.edu.sg

図​1: ​ ​MEMS​データ​インタフェース​の​ブロック​ダイ​ア​グラム ​
図​2: ​ ​LabVIEW 2009​を​用​い​て​開発​した​MEMS​の​メイン​GUI​では、​設置​した​すべて​の​電源​センサ​を​監視​可能 ​
図​3: ​ ​LabVIEW​を​用​い​て​開発​した​人工​神経​網​学習​の​GUI ​
図​4: ​ ​LabVIEW​を​用​い​て​開発​した​負荷​予測​の​メイン​GUI ​
図​5: ​ ​LabVIEW​を​用​い​て​開発​した​ユニット​コミットメント​の​GUI ​
図​6: ​ ​LabVIEW​を​用​い​て​開発​した​状態​推定​機能​の​メイン​GUI ​
図​7: ​ ​LabVIEW​を​用​い​て​開発​した​最適​潮流​計算​機能​の​メイン​GUI ​