スマートメータリングをビッグデータ分析に活用する方法とは？

スマートメーターのデータ分析は、様々な用途に貢献できることから、近年ますます注目を集めています。この運用データは、エネルギー消費量の予測、デマンドレスポンス、機械学習アルゴリズム、セキュリティアラートなど、多岐にわたる用途に活用できます。しかし、データ分析プロセスを中断することなく、複数のユースケースに対応できるデータ分析プラットフォームが必要です。つまり、リアルタイムで動作し、膨大なデータ流入を処理できるビッグデータプラットフォームが求められるのです。

顧客セグメンテーション

スマートメーターの導入は、ここ数年、特に民間電力会社を中心に米国で著しく拡大している。最新の電力システムに統合され、遠隔設置も可能なこれらのメーターは、従来のメーターよりも年間でより多くの貴重なデータを生成できる。米国では、エネルギー供給事業者がスマートメーターの価値と、ビッグデータ分析における顧客セグメンテーションの重要性を理解し始めている。これは、住宅顧客の電力消費管理や、分散型エネルギー資源全般の管理を簡素化するためである。

水道・エネルギー会社は、スマートメーターのデータを利用して顧客セグメンテーション分析を行うことで、顧客のニーズに合わせて需要管理戦略を調整し、水とエネルギーの使用量を最適なレベルに維持することができます。また、生成されたデータを利用して、異なる顧客セグメント間での水の使用パターンを特定することも可能です。例えば、水道会社は、消費者の特性や負荷予測に基づいて、いわゆる「給水プラン」を特定のセグメントに合わせて調整することができます。スマートメーターは、水とエネルギー消費の根本的なパターンに基づいて個別のプランを作成するための顧客セグメンテーション分析に利用できます。消費データ分析は、消費者の嗜好に基づいて消費者を分類するプロセスを迅速化するだけでなく、提供されるサービスに対する顧客満足度を高めるため、公益事業者にとって大きなメリットとなります。

展開のサポート

政府の支援と政策により、スマートメーターの導入が加速しています。スマートメーターは、ビッグデータ管理、監視制御、負荷管理、予知保全などの目的で、住宅、産業、商業施設に設置されています。中国や米国などの大国におけるスマートメーターの導入は、電力会社における通信技術や高度な計測インフラへの需要を大幅に増加させています。スマートメーターはビッグデータの優れた情報源であるため、顧客セグメンテーションに活用できる方法は多岐にわたります。

考えられる課題

ビッグデータ技術における主要な課題の一つは、伝送線路上のすべてのデータのセキュリティです。データフローが保護されず、暗号化されずに送信されると、顧客のプライバシーが侵害され、データの消失につながる可能性があります。収集された生データは、顧客の消費習慣、エネルギー管理、配電網、エネルギー効率、データマイニングアルゴリズムに関する詳細な情報を提供します。このため、データ取得は匿名化され、スマートグリッドは複数のレイヤーで保護され、過去のデータ漏洩や開示の可能性を完全に排除する必要があります。したがって、収集したデータを即座に暗号化し、データ通信プロセスを安全に保護するデータ伝送装置とスマートメーターを選択することをお勧めします。

予測分析

スマートメーターのデータを需要応答や予測アプリケーションに活用することで、電力会社はピーク時や変動の激しい負荷をより正確に管理できるようになります。この情報は、顧客の行動を理解し、資源計画を立てる上で役立ちます。電力会社はこのデータを分析することで、料金の値上げや値下げのタイミングを判断し、無駄な水やエネルギー消費を削減するための需要応答プログラムを実施できます。データ分析技術は進化を続けており、予測の選択肢もますます増えています。

実際の使用例

ビッグデータ分析は既に多くの分野で活用されており、スマートメーターデータは既に水とエネルギーの効率向上に利用されています。例えば、ロンドン市内の5567世帯が参加した「ローカーボン・ロンドン」プロジェクトでは、スマートメーターを分析に活用し、換気を最適化するために必要なスマートメーター分析データを提供しました（London Datastore、2015年）。高度なメーターインフラデータ分析の別の例として、2021年に動的な時間帯別料金制度の下で3534人の顧客を対象に実施された分析があります（Guerrero-Prado、Alfonso-Morales、Caicedo-Bravo、2021年）。この分析の目的は、生データから貴重な知識を得て、データに基づいた意思決定を支援することでした。スマートメーターデータ分析は、電力会社に顧客の行動に関する貴重な洞察を提供し、効率と電力伝送品質の向上に役立ちます。

必要なインフラストラクチャコンポーネント

スマートメータリングのインフラストラクチャには、異種データ処理、クラウドコンピューティング、エネルギー管理にプラスの影響を与えるためのさまざまなコンポーネントが含まれている必要があります。予測に必要なスマートメータリングのデータ分析インフラストラクチャには、次のものが含まれます。

• スマートグリッド
• データストレージ;
• データ収集センサー。
• 機械学習システム。

スマートグリッド

スマートグリッドは、ビッグデータアーキテクチャ構築において不可欠な要素です。スマートグリッドは、多数のスマートメーターや計測機器の設置を可能にします。さらに、スマートグリッドは、エネルギー市場、地理情報システム、収集された人口統計ビッグデータなど、その他のデータソースも管理する必要があります。

スマートグリッドからのデータ利用は、電力需要予測に有益です。この技術により、電力会社は複数のソースから生成されたデータを分析することで、より正確な予測を作成できます。収集された生データは、新しい予測手法のテストや既存モデルの調整に利用できます。さらに、スマートメータリングにおけるリアルタイムデータ分析の利用により、電力会社は最適なエネルギーミックスを決定できます。スマートグリッドは、電力会社がエネルギー需要をリアルタイムで予測することも可能にします。

最終的に、スマートグリッドによる電力需要予測は、電力会社のコスト削減に貢献します。スマートグリッド技術を活用することで、電力会社は緊急対応要員や病院への電力供給を優先的に行うことができます。スマートグリッドに加え、電力会社が電力を供給できない状況では、顧客所有の発電機を利用して発電することも可能です。これにより、予期せぬ事態発生時にも必要不可欠なサービスを維持することができます。

データストレージ

スマートメーターを使用すると、大量のビッグデータが収集される可能性があります。このスマートエネルギーデータは、顧客セグメンテーションやデマンドレスポンスプログラムのためのビッグデータ分析など、さまざまな用途に活用できます。非構造化データを最大限に活用するには、データを一元管理された場所に保存することを検討すべきです。ただし、水道と電気の消費量を監視するために複数のメーターを使用している場合は、それぞれのメーターごとにデータを個別に保存することも可能です。そうすることで、各メーターのビッグデータ分析結果を比較し、さまざまなシナリオにおける性能を確認できます。

データ収集センサー

スマートセンサーをビッグデータ分析システムに統合することで、計測の未来が形作られつつあります。センサーは、ガス、水道、電気の消費に関する市場データを提供し、今後数か月間の使用量をより正確に予測するのに役立つため、ますます重要になっています。スマートセンサー技術を用いたビッグデータ分析には、制御指示や使用パターンが含まれます。収集されたデータは、顧客行動分析、エネルギー生成の最適化、電力系統のセキュリティのために分析できます。スマートセンサーの使用は、電力品質における2つの重要なステップである予知保全と故障検出も促進します。

計測予測にセンサーデータを使用することで、電力会社はより的確な意思決定を行うことができます。センサーによって収集された多変量データを用いることで、システムの故障予測が可能になります。さらに、機械学習アルゴリズムはシステムの通常の動作パターンを学習し、異常を検知してエンドユーザーにアラートを発信することができます。予測システムが将来の状況を予測する方法を学習すれば、エンドユーザーに情報を提供することでエネルギー消費を最適化するために活用できます。

機械学習システム

この機械学習アプローチは、3つの異なるフロー期間のビッグデータを再現します。従来、電力会社は機械学習機能がなかったため、適応することなく高電圧および中電圧レベルでのエネルギーフローの監視に依存していました。スマートメーターの導入により、電力会社は一般エネルギーと再生可能エネルギーの消費者消費に関するより詳細な情報を取得できるようになりました。スマートメーターにより、電力会社はスマートグリッドを分析し、データ統合の状態をより正確に推定できます。

スマートメーターによる予測にはどのようなメリットがありますか？

スマートメーターによる予測は、電力会社や一般消費者に多くのメリットをもたらします。例えば、スマートメーターからのエネルギー消費データは、発電計画の重要な部分である電力消費予測にますます活用されています。エネルギー消費を予測できる能力は、意思決定や、エネルギー供給事業者にとって今後の需要予測の精度向上に役立ちます。

より良い意思決定

スマートメーターインフラは、スマートグリッドのない同様のインフラよりも、より信頼性が高く正確なメーター使用量データを生成できます。これにより、顧客は最も費用対効果の高い料金プランを選択したり、機器の潜在的な問題を特定したりすることができます。エネルギー構造化データは、業務内容、スケジュール、さらには個人の習慣についても多くの情報を提供します。この情報は、電力会社と顧客がエネルギー使用量やその他の関連事項についてより良い意思決定を行うのに役立ちます。

最適化された操作

ビッグデータをより正確に理解することで、より効率的な意思決定が可能になります。例えば、石油流量のリアルタイム監視は、製油所の操業効率向上に役立ちます。さらに、多相流のリアルタイム監視は、運転・保守コストの削減にもつながり、これも大きなメリットです。このようにセンサーを活用することで、多相流計の最適化を図ることができます。

接続性の向上

スマートメーター分析は、電力会社がシステムの分散化に伴う課題に対処し、克服する上でも役立ちます。スマートグリッドは、事前通知や負荷予測を通じて顧客エンゲージメントを向上させる機能を提供します。さらに、電力会社が顧客に直接的な影響を与える新しいサービスを提供するのにも役立ちます。結果として、スマートメーターシステムは、配電設備の予防保全、回路品質分析、負荷プロファイリングなど、電力会社が消費者に新しいサービスを提供するのに役立ちます。

デマンドレスポンス

スマートメータリングにおけるデマンドレスポンスをビッグデータ分析に活用する方法を理解するには、様々な消費者の負荷プロファイルの特性を把握することが重要です。適切なモデルを作成するには、負荷プロファイルを変動性とプロファイル特性の観点から特徴づける必要があります。この分析には、スマートメータからの信頼性の高いデータが必要です。そのためには、ビッグデータ分析アルゴリズムの利用が不可欠です。このアルゴリズムの利用は、コスト削減と顧客満足度向上を目指すエネルギー企業にとって有益です。

スマートメーターにおけるデマンドレスポンスの利点は、電気料金の削減だけにとどまりません。これは、スマートメーターからのデータに基づいた経済的な配給システムです。当然ながら、一部の消費者は価格インセンティブを通じてこのシステムからオプトアウトできますが、もう一方の方式では、ピーク負荷時に輪番停電を実施します。まず最初に行うべきことは、どの消費者がデマンドレスポンスの恩恵を受けるかを特定することです。これは、電力会社が需要が最も高い時間帯と最も低い時間帯を特定するプロセスです。さらに、スマートメーターは運用上の柔軟性も提供します。特定の消費者グループをターゲットにすることで、電力会社は提供するサービスの種類について情報に基づいた意思決定を行うことができます。

負荷管理への影響

スマートメータリングにおけるデマンドレスポンスの適用には、多くのデータサービスが必要となる。スマートなエネルギー需要予測の作成を可能にするだけでなく、負荷管理の実装にも利用できる。さらに、この技術は、インセンティブベースや価格ベースのアプローチを含む、レスポンスプログラムの設計と実装にも役立つ。

さまざまな機器の需要応答ポテンシャルは、線形回帰と区分線形回帰の2つの方法で推定できます。コントロールグループを選択する最適な方法は、コントロールグループのベースライン負荷プロファイルの最良推定値に基づいています。最適なモデルでは、コントロールプロファイルと負荷プロファイルの差を最小化する必要があります。

電力価格への影響

スマートメーターの利点は、消費者が時間帯別料金（TOU）のシグナルに対応できる点にあります。本分析では、分析期間中、3つのTOU料金期間（オフピーク、ミッドピーク、オンピーク）が一定であると仮定しています。消費者は、大きな作業を延期したり、消費の一部を再生可能エネルギー源に切り替えたりすることで、消費量を削減できます。このようにして、電力システムはすべての人にとって料金を引き下げることができます。

不動産業界への影響

商業不動産業界では、エネルギーの取り扱い方法に劇的な変化がすでに現れています。スマートメーターの導入により、商業施設はデマンドレスポンスプログラムを利用してエネルギーコストを削減しつつ、テナントの満足度を維持できるようになりました。これらのプログラムは、多くのメリットがあることから、近年ますます人気が高まっています。

SEPAが発表した報告書によると、商業・産業（C&I）分野のデマンドレスポンスプログラムは、年間13ギガワット以上ものデマンドレスポンス容量に貢献している（SEPA、2019年）。スマートメーターを活用することで、商業施設は電気料金が最も高い時間帯やエネルギー料金が最も安い時間帯にエネルギー使用量を削減できる。また、これらのプログラムは、建物が電力網から最も多くのエネルギーを消費するピーク負荷を削減することで、建物の所有者や管理者のコスト削減にも役立つ。こうした新たなプログラムにより、電力会社はそのメリットに着目し、顧客に対してより柔軟なエネルギー管理プログラムを提供するようになっている。

保護アラート

スマートメーターをビッグデータ分析に活用することで、企業はセキュリティおよび安全に関するアラートを受信できるようになり、発生した問題への対応速度を大幅に向上させることができます。これらのアラートは、顧客セグメンテーション、需要応答プログラム、予測など、さまざまな目的に利用できます。また、ビッグデータ分析は、公益事業者が重要な業務やインフラの相互依存関係を特定するのにも役立ちます。

考慮すべき重要な要素

スマートメーターシステムは、インテリジェントビルに不可欠であり、スマートグリッドの重要な構成要素です。サービスプロバイダーと消費者にリアルタイムの計測情報を提供することで、電力消費行動の調整を支援します。スマートグリッドは、発電量のバランスを取り、需要に合わせて調整するためにもスマートメーターに依存しています。しかし、これらのシステムはグローバルネットワークに接続されているため、設計、セキュリティ、プライバシーに関する要件を考慮する必要があります。

プライバシー

スマートメーターから得られるデータのプライバシー、特にエネルギー消費に関する機密データは、一部の人々にとって大きな懸念事項となっています。スマートメーターは通常、電力会社が顧客アカウントを管理するために使用されますが、これらのデバイスから得られるデータは、消費者の貴重な行動パターンを明らかにする可能性もあります。そのため、スマートメーターからのデータが暗号化され、安全に送信されることが不可欠です。公開鍵基盤（PKI）を使用してメッセージを保護することは、その解決策の一つです。この技術を使用することで、エネルギー会社はスマートメーターからのすべてのメッセージが安全であり、第三者がデータや認証情報にアクセスできないことを保証できます。

セキュリティ

スマートメーターの重要な原則の一つは、ユーザーデータのセキュリティを維持することです。幸いなことに、スマートメーター向けのセキュリティアラート機能が現在利用可能です。セキュリティを確保するため、スマートメーターは単一のアカウントに割り当てられることはありません。メーターが悪意のある第三者に割り当てられるのを防ぐため、電力会社は事前共有キーを使用します。このキーは、デバイス固有のIDを検証するために使用されます。その後、サービスオペレーターがデバイスを認証する必要があります。このようにして、デバイスのセキュリティレベルは高く保たれます。

設計

スマートメーターのセキュリティを確保する鍵は、設計段階からのセキュリティ対策です。これは、システムを構成するどのコンポーネントも脆弱にならないように設計し、すべてのユーザーのデータがプライベートに保たれるようにすることを意味します。これにより、メーター上のデータを誰も操作したり変更したりすることができなくなります。このような設計を行うことで、情報漏洩のリスクを最小限に抑えることができます。

スマートメータリング市場において、TEKTELICはどのようなサービスを提供していますか？

TEKTELICは、さまざまな業界向けにIoTデバイスとソリューションを提供する革新的な企業です。産業用IoTからスマート農業まで、TEKTELICのソリューションは、企業がコネクテッドでインテリジェントなシステムの未来を構築するのに役立ちます。TEKTELICは、スマートメーターをはじめとするスマートシティやその他の業界向けに、多種多様な製品を提供しています。

TEKTELIC IoTゲートウェイ

TEKTELICのIoTゲートウェイ製品は、世界中のIoTアプリケーションに対応しています。主要なISMバンドをすべてカバーしているため、TEKTELICのゲートウェイはどの国でも迅速かつ容易に導入できます。また、低消費電力と高速データ転送を実現するように設計されているため、さまざまなアプリケーションに最適です。

さらに、 KONA Mega IoT GatewayやKONA Mega Ex GatewayといったTEKTELIC製ゲートウェイの中には、2つの異なる周波数での通信を同時にサポートする設計になっているものがあります。特許取得済みのデュアルモード技術により、情報の送受信を同時に行うことができますが、他社製のゲートウェイではデータを受信するために送信を一時停止する必要があります。また、当社のゲートウェイは堅牢性にも優れています。例えば、TEKTELIC製ゲートウェイは、様々な温度環境下でも安定して動作するように設計されています。

TEKTELICのゲートウェイはLoRa技術に基づいて動作します。LoRaWANは低消費電力の無線伝送を可能にする無線規格です。LoRaネットワークは現在、スマートメータリングやスマートシティインフラなどの公益事業用途向けに展開されています。LoRaWAN技術は、漏洩検知、ガス安全ソリューション、スマートメータリング、電力消費量監視、重要資産監視といった自治体向けアプリケーションで使用されています。スマートメータリング向けTEKTELIC IoTゲートウェイもLoRaWANプロトコルをサポートしており、優れたパフォーマンスを維持します。

TEKTELICセンサー

TEKTELIC社のスマートエネルギー・水道計測用センサーは、スマート計測業界の新たなトレンドになりつつあります。LoRaWANベースのこれらのデバイスは高度な設定が可能で、ユーザーは個々のセンサー、しきい値、およびタイミング間隔を制御できます。農業、医療、ビル管理など、あらゆる業界で活用できます。

TEKTELIC COMFORTおよびVIVIDセンサーは、光検知、湿度検知、温度検知、漏水検知という4つの主要な機能を備えています。これらのセンサーは、室内環境を監視してエネルギー使用量を最適化するのに最適です。温度、相対湿度、光量、漏水状況を報告するほか、VIVIDは動きも検知し、ドアや窓の開閉状態を通知します。さらに、これらのセンサーには3軸加速度計が内蔵されています。

要約

既にお気づきかもしれませんが、スマートメーターのデータはビッグデータ分析において多くの用途があります。電力会社は、どの顧客が他社プランに切り替える可能性が高いか、あるいは既存のプランを継続する可能性が高いかを把握できます。また、需要予測やデマンドレスポンスプログラムにも活用できます。顧客セグメンテーションは、電力会社が顧客基盤をより深く理解し、サービスを向上させるのに役立ちます。

スマートメーターの導入により、電力会社は顧客のエネルギー使用パターンを追跡できるようになります。また、夏季の電力使用量を削減することで、顧客に節電を促すことも可能です。さらに、冷房需要で電力需要が最も高まる夜間には、より安価な電力料金を提供することもできます。スマートメーターはスマートグリッドの一部であり、電力網との間で双方向の情報伝達を可能にします。

世界中でスマートメーターのインフラ整備が進むにつれ、多くの公益事業者がビッグデータ分析のためにスマートメーターを活用するようになっています。こうした分析結果は、公益事業者の業務効率化に役立つだけでなく、個々の顧客の利便性向上や電力供給の信頼性向上にも貢献します。スマートメーターのデータ分析は大きな可能性を秘めており、公益事業者はこの技術を積極的に活用していく必要があります。もし貴社もメーターシステムの最適化をご検討されている場合は、info@tektelic.comまでお気軽にお問い合わせください。

1. Guerrero-Prado, JS、Alfonso-Morales, W.、およびCaicedo-Bravo, EF (2021)。高度計測インフラデータのためのデータ分析/ビッグデータフレームワーク。 センサー (バーゼル、スイス), 21（16）、5650。 https://doi.org/10.3390/s21165650
2. ロンドンデータストア。（2015）。ロンドン世帯のスマートメーターエネルギー消費データ。2022年6月14日取得。 https://data.london.gov.uk/dataset/smartmeter-energy-use-data-in-london-households
3. SEPA. (2019). SEPAレポート：次世代のデマンドレスポンス。2022年6月16日取得。 https://sepapower.org/knowledge/sepa-report-the-next-generation-of-demand-response/