スマートグリッドとは何か？そして、どのように機能するのか？

スマートグリッドとは何か、そしてどれだけの電力を節約できるのかは、エネルギーインフラに関するよくある質問です。スマートグリッドとは、都市のすべての家庭、企業、高度な計測インフラを相互接続する電力ネットワークです。スマートグリッド技術とは、通信と接続性を活用して資源利用を最適化する次世代エネルギーシステムを指します。スマートグリッドは、電力供給、配電線、電力使用量の管理に使用される通常のシステムとしてはまだ完全に開発されていません。スマートグリッドソリューションはまだ初期段階にあり、コンピュータ、送電線、送配電線、制御装置など、数百万もの部品で構成されます。電力グリッドソリューションは、今後10年間で段階的に進化していくと考えられます。完全に開発される頃には、スマートグリッドは電力供給システム全体を変革するでしょう。

センサー、無線モジュール、ゲートウェイ、スマートグリッドソリューション、ルーターなどは、IoT対応のスマートグリッド技術の一部です。これらのスマート技術により、消費者はより賢明なエネルギー利用を選択できるようになり、地域社会は電気料金を節約でき、電力会社は停電後により迅速に電力供給を復旧できます。これらのスマート電力ネットワーク機器は、高度なグリッド安定性を提供し、従来の電力網では頻繁に発生する停電を最小限に抑えます。

スマートグリッドの定義

「スマートグリッド」という用語は、持続可能な電力システムのさまざまな形態を包括する概念です。スマートグリッドは、高電圧と低電圧の両方を含む電圧レベルによって分類できます。電力網の目的は、消費者に安定した電力供給を行うことであり、スマートグリッドはこの目標達成に役立つ技術です。スマートグリッドには多くの利点があり、停電、過剰な電力使用、温室効果ガスの排出、高額な電気料金、高いエネルギー需要といった多くの課題を解決することができます。

電力網は、変圧器、送電線、変電所などからなる複雑なネットワークで、発電所から家庭や事業所へ電力を供給します。最初の電力網は1890年代に設置されましたが、その後、より高度な計測インフラを包含するように進化してきました。今日の電力網は、9,000基以上の発電設備と、30万マイル（約48万キロメートル）を超える送電線で構成されています。

電力網に接続される総負荷は、時間とともに大きく変動する可能性があります。これは、総負荷が顧客のさまざまな嗜好によって決まるため、安定していないからです。テレビ番組によっては、数秒で大量の電流を消費するものもあります。電力網は複数の機能をサポートする必要があるため、予備発電機の一部は電力消費を伴う待機モードに切り替えられます。一方、IoT技術を活用した電力網は、電力会社や大口顧客に負荷削減を促すことで、この問題の軽減に役立ちます。

スマートグリッドの定義は、単に電力を生成する技術の集合体にとどまりません。高度なセンサーや制御システムの活用など、グリッド管理への新たなアプローチを含みます。最終的には、消費者中心で安全かつ信頼性の高い電力供給源を提供することを目指しています。さらに、スマートグリッドはエネルギー市場における労働者の必要性を減らし、システムが完全に自給自足できるようになれば、既存サービスを効率的に管理するために必要な人員はごくわずかになるでしょう。

スマートグリッドの決定的な特徴は、その相互依存性です。通常、スマートグリッドの構成要素は異なる企業が所有しています。これらの企業の中には特許を保有しているものもあり、特許権者は自社の技術がネットワーク全体に広く普及するまで、その情報を開示しない場合があります。そのため、電力網を所有する企業もあれば、エネルギー消費レポートを所有する企業もありますが、エネルギー資源を賢明に配分し、最終的に電力コストを削減するためには、これらのエネルギー企業が情報を共有し、協力する必要があります。そうすることで、従来の電力網をスムーズに置き換え、スマート電力網を費用対効果の高い方法で統合することが可能になります。

スマートグリッド技術がこれほど人気を集めているのはなぜか？

エネルギー効率の高いスマートグリッドと高度な計測インフラの導入は、様々な理由から、今日のスマートグリッド企業の間で増加傾向にあります。その理由としては、エネルギーの無駄と電力消費の削減、顧客サービスの向上、停電時の災害対策、そして旧式でコストのかかる従来のグリッドをエネルギー効率の高いリソースに置き換える必要性などが挙げられます。さらに、電力網の技術進歩により、スマートグリッドアプリケーションにおけるセルラーやRF（無線周波数）などの無線技術の利用に伴うエネルギーコストと複雑さが軽減されています。

サイエンティフィック・アメリカン誌によると、米国では20万マイルに及ぶ高圧送電線を通じて100万メガワット以上の電力が送電されている。米国にとって大きな問題は、このインフラの多くが20世紀に数十億ドル規模のプロジェクトの一環として建設されたことであり、その構想と実施はインターネットの発明以前、そして高価なケーブルに代わる実用的な代替手段として携帯電話（および無線周波数技術）が登場する以前に行われたものであることだ。

スマートグリッド技術の基本要素

スマートグリッドの基本要素は、配電線、スマート発電システム、デジタル変電所、パワーエレクトロニクス、および高度な制御システムです。これらの技術は、発電システムの制御、性能監視、および電力使用量の監視に役立ちます。これらのシステムは、過去のデータと動作パターンから学習する分散型強化学習コントローラ（DRLC）を使用して、絶えず変化する環境下でグリッドの動作を制御します。これにより、制御システムは、信頼性とコストが異なる複数の変電所と電子スイッチを運用することが可能になります。

スマートグリッドは、設備投資の最適化と運用コストの最小化に加え、発電所の維持管理コストを削減し、エネルギーシステムの効率性を向上させ、温室効果ガスの排出量を削減します。分散型エネルギー資源を統合することで、エネルギー業界における緊急サービスの管理と優先順位付けが容易になります。さらに、スマートグリッドは顧客所有の発電機を統合し、緊急時にも地域社会の運営を維持できるようにします。加えて、スマートグリッドは、老朽化し​​た発電インフラ、エネルギー効率、余剰エネルギーの管理、停電、そして電力使用と環境との関連性といった課題にも対応します。

さらに、スマートグリッドは電力会社のデジタル変革において重要な役割を担いつつあります。従来の電力網は時代遅れで非効率な面もありますが、再生可能エネルギー、太陽光発電技術、スマートグリッド通信システムの新たな活用により、電力会社は効率的で信頼性の高い電力ネットワークに基づいた、より高度な再生可能エネルギー管理システムを実現できるようになっています。スマートグリッドは電力の一括配電を可能にし、エネルギー損失の削減に貢献します。また、エネルギー使用パターンを監視し、エネルギー部門で発生する課題に積極的に対応することで、エネルギーの無駄を削減します。このIoTスマートテクノロジーは、通信業界をはじめとする様々な分野でますます普及が進んでいます。

スマートグリッドの実力を試す

電力会社、都市サービス、個人など、電力網からエネルギーを利用するすべての人々は、政府がスマートグリッド技術を導入することで恩恵を受ける。すべての利用事例を網羅するわけではないが、いくつかの重要な事例を通して、スマートグリッドへの移行がもたらす効果を示すことができる。

スマートグリッドのおかげで、電力会社のシステム健全性評価能力は飛躍的に向上しました。例えば、スマートメーターを使用することで、電力会社はこれまで不可能だったレベルの粒度と精度でリアルタイムの電力需要を把握できるようになります。その結果、需要の急増をより的確に予測し、対応できるようになり、停電のリスクを低減できます。

変圧器や変電所などのスマート機器は、セルラーおよびRF技術を用いたIoT（モノのインターネット）デバイスを搭載することで、停電時に電力を自律的に再配分し、エネルギー資源を最適に分散させることができます。発電所にスマートメーターを導入することで、電力会社は停電や温室効果ガスの過剰排出のリスクがあるたびに、サービス担当者をトラックで派遣する必要がなくなります。以下はSmartGrid.govからの引用です。

「スマートグリッドの導入により、ハリケーン、地震、大規模な太陽フレア、テロ攻撃といった災害への対応能力が向上します。機器の故障や停電が発生した場合でも、スマートグリッドの双方向通信機能により、自動的に送電経路を変更することが可能になります。」

スマートグリッドを活用してテロ攻撃の影響を軽減するという発想は革新的であり、後ほど詳しく説明します。まずは、都市のエネルギー消費部門にとってスマートグリッドがもたらす利点について理解を深めておきましょう。

データと電力の伝送

スマートグリッドの開発は、屋上ソーラーパネル、スマート家電、再生可能エネルギー、スマートメーターなどのいくつかの重要な技術によって促進されています。最近のスマートグリッドの研究によると、IoT技術とビッグデータ分析は、再生可能エネルギー、屋上ソーラーパネルの使用、温室効果ガス排出量の削減のプロセスにおいて重要な役割を果たしています（Abir、Anwar、Choi & Kayes、2021）。結果として得られるデータを活用することで、スマートグリッドはカスタマイズされた電力プランを提供できます。また、顧客の行動や日々の電力負荷プロファイルから学習することもできます。そのような技術の1つが、新しいイベント分類です。人工ニューラルネットワークは、さまざまなクラスのイベントを認識できます。Haddadらは最近、スマートグリッドでイベントを分類するための人工ニューラルネットワークを開発しました（2018）。

スマート電力網はスマートメーターと同じ原理で動作します。分析機能を用いて適切な電力品質を確保し、再生可能エネルギーから電力への変換におけるダウンタイムを削減します。この技術は、現場機器との双方向通信と自己修復機能を活用しています。スマート電力網のその他の特徴としては、自動監視ツール、超電導ケーブル、エネルギー対策の自己最適化、および自己修復機能などが挙げられます。さらに、スマートグリッドとスマートメーターは、家庭や企業への電力供給を最適化し、自然災害が地域社会に与える影響を最小限に抑えるように設計することも可能です。

スマート発電所の通信インフラは、ホームエリアネットワーク（HAN）と近隣エリアネットワーク（WAN）など、複数の種類のネットワークで構成されています。スマートグリッドは、データに加えて、分散型発電・蓄電システムもサポートできます。これにより、電力会社は配電システムに対する制御を強化できます。この制御は送電部門にも及び、再生可能エネルギー分野におけるシステム全体の運用改善に連携して取り組みます。スマートグリッドの開発は、送配電ネットワークに大きな影響を与えるでしょう。

スマートグリッドやスマートメーターを電力網に接続することで、顧客のエネルギー利用への参加度を高め、行動変容を促す情報やインセンティブを提供できます。スマートメーターは、再生可能エネルギーへの転換を促す新たな市場や技術の発展にも貢献する可能性があります。スマートメーターは通常、多様な再生可能エネルギー技術や発電方法に対応可能です。発電オプションは、集中型発電所から分散型エネルギー資源（DER）まで多岐にわたり、建物規模の太陽光発電やコージェネレーションシステムなども含まれます。従来の発電技術に加え、スマート電力網は風力発電や太陽光発電など、様々なタイプの蓄電システムにも対応できます。

スマートシティがスマートグリッドを取り入れる方法

都市照明からエネルギー管理、自動交通管制、下水処理に至るまで、あらゆるものがスマートシティの応用例です。意思決定においては、信号機のセンサーがデータを中央拠点に送信して分析を行うこともあります。地上交通や公共交通機関は、インテリジェント交通システムを用いた経路設定や信号機制御によって、より効率的に制御することが可能です。

街灯を利用する IoTセンサー スマートグリッドに基づいて、街路灯のタイミングと明るさをリアルタイムで調整できます。数ワットの増減は大したことないように思えるかもしれません。しかし、都市にある数万、数十万のランプを含めると、経済的な節約と環境への影響の軽減は急速に大きくなります。ライトのメンテナンスが必要な場合、 センサー 監視システムが設置されていれば、アラームが発信される可能性があります。街灯がないことに腹を立てた顧客が苦情を言うのを待つ必要はありません。高度なリモート管理システムにより、専門家が遠隔で問題を診断し、トラックを派遣する必要があるかどうかを判断できます。以前は、トラックの出動は避けられない出来事であり、会社の本社でのファームウェアのアップデートやシステムの再起動よりもはるかにコストがかかりました。

デマンドレスポンスを活用するため、スマートメーターが家庭や企業に設置され、所有者はエネルギー価格をリアルタイムで監視し、それに応じて使用量を調整できるようになります。例えば、寒い時期にはサーモスタットの設定温度を下げたり、エアコンをオフにしたりできます。スマートメーターの恩恵を最も受けるのは電気自動車の所有者です。EV所有者は、リアルタイムの価格情報に基づいて、最も低コストで車両を充電できるようになります。また、需要の高い時間帯の充電を避けることも可能になります。

スマートグリッドの3つの最も価値のあるメリット

スマートグリッドは、電力会社が電力需要と供給をより効率的に管理できる能力でしばしば高く評価されています。しかし、スマートグリッドには、それと同等、あるいはそれ以上に価値のある他の利点も存在します。スマートグリッドには多くのメリットがありますが、以下の3つの例は、電力インフラのアップグレードがいかに有益であるかを明確に示しています。

1. スマートメーターで再生可能エネルギー発電が容易に

従来の技術を用いた電力網は、単一の中央発電所から多数の住​​宅や企業に電力を供給します。現状では、電力網は個人住宅や企業に設置された太陽光パネルや風力発電機で発電された電力を受け入れるようには設計されていません。再生可能エネルギー源はスマートグリッドに統合される可能性があります。さらに、無線機能を備えたスマートメーターは、正味エネルギーを生産する企業がどれだけのエネルギーを発電しているかを監視し、適切な報酬を支払うことができます。スマートグリッドは、さまざまな発電装置を追跡することも可能にします。

分散型エネルギー生産のおかげで、スマートグリッドはテロ攻撃や自然災害といった大惨事が発電所に与える影響を軽減できる可能性があります。従来、都市は限られた数の大規模発電所によって電力供給されていました。そのため、大規模停電やエネルギー不足といった脅威が現実のものとなっていました。分散型アーキテクチャのおかげで、たとえ中央集権型の発電所が停止しても、風力や太陽光などの多数の代替電源がグリッドのリソースを代替できます。1つの発電所で都市全体に電力を供給することはできませんが、スマートグリッドに基づく分散型システムは停止させるのがはるかに難しく、従来では実現不可能なレベルの回復力を提供できます。

2. 請求および予測の改善

上記2つの利点は、スマートメーターの利用によってもたらされます。まず、スマートメーターは無線IoTデバイスを用いて膨大な量のデータを収集できます。これは、電力会社がこれまで入手できなかったデータです。このデータを利用することで、電力会社はエネルギー消費が最も多くなる時期と場所をより正確に予測できるようになります。

複雑な構成要素とセキュリティの脆弱性を抱えるスマートグリッドの開発には、機械学習とビッグデータ分析が不可欠です。これらのシステムの信頼性は、円滑な運用を保証する鍵となります。機械学習と人工ニューラルネットワークは、エネルギー予測を提供することが可能です。さらに、これらの技術は、グリッド全体の運用効率を向上させるためにも活用できます。

スマートグリッドは、顧客にとってより効率的な請求システムも実現します。従来、電気料金は需要の高い時間帯に町や地域ごとに平均化されていました。使用していない電化製品の電源を切ることでエネルギーを節約すれば、電気料金は下がります。スマートメーターの導入により、今後誰もがより賢明にエネルギーを利用するようになるでしょう。

3. スマートグリッドは設計上、より強靭である

米国エネルギー省（DOE）のデータによると、停電による米国企業の損失は年間150億ドルに上ります。たとえ復旧費用が年間50億ドルに過ぎないとしても、停電は依然として大きな問題です。スマートグリッド技術を用いることで、停電発生時に即座に電力供給を振り向け、家庭や企業における停電被害を最小限に抑えることができます。IoT（モノのインターネット）を活用した電力網センサーにより、機器の状態を監視し、故障前に修理することが可能になります。電力会社は、停電の報告を顧客から受けて事後対応するのではなく、停電発生時に（メールやソーシャルメディアを通じて）顧客に情報を提供できるようになります。

太陽エネルギー産業協会（SEIA）によると、2018年までに米国の住宅に設置される太陽光パネルは、12.3万世帯の電力需要を賄えるだけの規模に達する見込みだ。発電容量全体で見ると、太陽光発電は2013年以降、米国で最も増加しているエネルギー源となっている。再生可能エネルギーによる発電は都市にとってますます不可欠なものとなりつつあり、こうした膨大なエネルギーを処理するためにはスマートグリッドが必要となる。充電が必要な電気自動車を選ぶ人が増えるにつれ、電力インフラのアップグレードはますます重要になるだろう。

電力網の回復力は、一連の手順を経て電力供給が復旧するまでの時間で測定されます。テキサス州で最近発生した停電を受け、スマートグリッドの回復力というテーマが改めて注目を集めています。電力会社は、回復力の高い電力網を構築するために、回復力を評価し、電力網への先進技術の導入を促進するための指標やフレームワークを開発しています。

レジリエンス（精神的回復力）がなぜそれほど重要なのか？

レジリエンスとは、電力網が運用上の障害から回復する能力を指します。スマートグリッドは、人間の介入なしにこれを実現できます。この技術は、成果重視型のモデルを特定し、エネルギー消費量を削減するのに役立ちます。エネルギー貯蔵は、エネルギー管理において重要な役割を果たします。高密度バッテリーは、コストとサイズが縮小することで、システム性能を向上させています。また、温室効果ガスの排出量削減にも貢献します。

再生可能エネルギー資源の動的な挙動は、負荷変動の柔軟性に大きな影響を与える可能性があります。この点を考慮したシミュレーション研究は数多く行われています。これらの研究では、物理インフラと制御インフラの両方を考慮し、基準グリッドを用いてシミュレーションを実施しています。確率モデルを用いることで、シミュレーション研究はこれら2つの領域の相互作用を考慮に入れることができます。このアプローチにより、システムの回復力をより深く理解するために、障害シナリオに対するシステムの応答をモデル化することが可能になります。

レジリエンスとは、破壊的な出来事による悪影響を軽減する能力のことです。この点において、再生可能エネルギー資源は将来、エネルギーミックスの中で最大の割合を占めるようになると予想されています。再生可能エネルギー源の出現により、エネルギーミックスは大幅に多様化し、多くの分野で化石燃料がグリーン電力に置き換えられるでしょう。しかし、これらのエネルギー源は断続性があるため、柔軟な解決策を必要とする重大なシステム上の課題も抱えています。

TEKTELICはどのようなスマートグリッドを市場に提供できるのか？

電力需要の増加に伴い、スマートグリッドの必要性も高まっています。電力網とは、家庭や企業に電力を供給するネットワークであり、スマートグリッドとは、デジタル技術を用いて効率性、信頼性、セキュリティを向上させた、このネットワークのアップグレード版です。市場には多くのスマートグリッドが存在しますが、すべてが同等の性能を持つわけではありません。TEKTELICは、お客様の個々のニーズに合わせて設計された、多様なスマートグリッドを提供しています。当社のスマートメーターは市場で最も先進的な製品の一つであり、当社の電力網は世界で最も信頼性の高い電力網の一つです。

スマートグリッド構築のための主要デバイスとして、TEKTELIC KONA Macro IoT Gateway をご提供いたします。このゲートウェイは小型軽量で、屋外への設置に適しています。このゲートウェイを使用することで、数百ものセンサーやスマートデバイスをグリッドに接続できます。GPSと3G/4Gアンテナを内蔵し、堅牢なキャリアグレードの筐体を採用しているため、屋外設置に最適です。

スマートグリッドの構築に役立つもう一つのデバイスは、TEKTELIC KONA Mega IoT Gatewayです。このゲートウェイの特長は、過酷な気象条件にも耐えられること、そして16+16チャンネルの受信ダイバーシティをサポートする複数のアンテナ構成に対応していることです。さらに、KONA Mega IoT Gatewayは、北米仕様、欧州連合仕様、APAC仕様といったすべてのグローバルISMバンドをサポートしています。他のLoRaWANデバイスとの互換性も高く、エンドツーエンドソリューションの一部として活用できます。

さらに、商業ビルや住宅ビル内にスマートグリッドを構築する必要が生じる場合も少なくありません。TEKTELICは、このようなニーズに応えるため、屋内用ゲートウェイとして最適なKONA Micro IoT Gatewayを提供しています。このゲートウェイはバッテリーバックアップを内蔵しているため、メインサイトの電源が切れても動作を継続し、データの送信を行います。導入と設定も簡単なので、追加の人員や専門家を雇うことなく、ご自身で設定できます。TEKTELICのすべてのデバイスと同様に、KONA Micro IoT GatewayはLoRaWANネットワークのあらゆるセンサーと互換性があります。

TEKTELICのスマートグリッドソリューションは、世界中の電力会社がネットワーク管理に利用しているLoRaWANプラットフォームを基盤としています。LoRaWAN接続により、すべてのスマートグリッドアプリケーションを一元的に制御できるため、新しいサービスの導入やパフォーマンスの監視が容易になります。当社のスマートメーターはスマートグリッドの不可欠な要素であり、電力消費に関するリアルタイムデータを提供することで、電力供給の最適化に役立てることができます。

電力配電の未来：スマートグリッド

双方向通信機能を備えた新しい電力網こそが、スマートグリッド技術の本質です。電力需要の急増やその他の問題に対応するため、電力会社は停電の復旧や制御を迅速に行えるようになり、企業や消費者にリアルタイムの請求情報を初めて提供できるようになります。スマートグリッドは、信頼性、効率性、環境への配慮のすべてにおいて優れており、顧客、電力会社、そして環境にとって有益です。Wi-Fi技術により、スマートグリッドを現在のレベルまで拡張するために必要だった何マイルもの配線が不要になります。TEKTELIC Communicationsは、お客様のあらゆるニーズに合った最適なゲートウェイ選びをお手伝いいたします。

TEKTELICのIoTセンサー、ゲートウェイ、ソリューションに関するより詳細な情報については、弊社のサポートチームまでお問い合わせください。

1. Abir, S.、Anwar, A.、Choi, J.、Kayes, A. (2021). IoT対応スマートエネルギーグリッド：アプリケーションと課題。 IEEE アクセス、9、50961-50981。doi: 10.1109/access.2021.3067331
2. Haddad, RJ、Guha, B.、Kalaani, Y.、El-Shahat, A. (2018). 人工ニューラルネットワークに基づくイベント分類を用いたスマート分散型発電システム。 IEEE電力・エネルギー技術システムジャーナル、5、18-26。