エネルギーネットワーク研究チーム

Grid-Forming制御による周波数変動抑制効果の検証

インバータ電源が同期発電機に代わって普及した条件下では、系統慣性の減少により周波数が変動しやすくなることが懸念されます。
この問題に対するGrid-Formingインバータの導入効果を明らかにするため、瞬時値シミュレーションおよび、実機インバータとリアルタイムシミュレータを組み合わせたハードウェアインザループ（Hardware-In-the-Loop, HIL）試験による評価を実施しました。

インバータの電流制限がGrid-Forming制御の効果に与える影響の評価および対策制御の提案

インバータは同期発電機に比べ過電流耐量が低いことが知られており、インバータへのGrid-Forming制御の適用において、過電流の抑制機能を付与することが一般的です。
この電流制限には各種の方式があり、方式によってGrid-Forming制御の能力への影響が大きく変わります。
産総研では電流制限が電力系統の位相角安定性に与える影響を理論的に評価する手法を提案しています[1]。
また、電流制限によるGrid-Forming制御の不安定化を回避するための対策手法として、Grid-Forming制御が電圧源として生成する電圧の大きさおよび位相をインバータの出力に応じて修正する対策手法も併せて提案しています。

風力発電向けGrid-Forming制御の開発

Grid-Formingインバータは電力系統を形成する電圧源として、系統で生じる各種擾乱に対し素早く反応し、出力を調整します。
太陽光・風力発電では、あらかじめ出力を抑制し、出力の上昇、下降いずれにも対応できるようにしておくことで、Grid-Forming制御の能力を十分に活用することができます。
しかし、風力発電においては風車に常時回転エネルギーが蓄えられており、これを擾乱時の応答に活用することができれば出力抑制運転をする必要性を低減できる可能性があります。
産総研では瞬時値シミュレーションを通して、Grid-Forming制御が風力発電の運転を不安定化させずに回転エネルギーを活用するための条件を明らかにしています。

背景

• 再エネ・EV等の需要側リソース（DSR）の導入により、配電系統では電圧逸脱や設備容量超過の懸念。
  逸脱・超過回避のためDSRの出力抑制が行われることが想定される。
• 配電事業者は系統管理のために、DSR管理者は収益最大化のために、配電系統の状態把握が重要になる。

主な成果

• 提案手法では、将来的にスマートメータで取得される有効電力と電圧の関係性を学習する機械学習モデルを構築することで、系統モデルを使用せずに電圧推定を可能とする。
• また、電気回路における物理法則（キルヒホッフの法則）を学習手続きに組み込むことで、推定精度の向上を実現し、中間評価の目標である電圧誤差 1%以下を達成した。

スマートインバータのサイバーセキュリティ脆弱性分析と対策

スマートインバータやグリッドフォーミングインバーターは、再生可能エネルギー比率の高いシステムにおいて、電力系統の安定性を維持するために不可欠です。
しかし、電圧調整、周波数制御、無効電力制御等による積極的な系統サポート機能は、サイバー攻撃の標的にもなり得ます。

本研究では、スマートインバーターの制御論理と通信インターフェースを分析し、偽データ注入、コマンド偽装、ファームウェア操作などの潜在的な攻撃性を特定します。
Sora-Gridシミュレーションプラットフォームを用いて、現実的な攻撃シナリオをモデル化し、電力系統の運用への影響を評価しました。
本研究では、異常検出、セキュアなファームウェア更新、デバイス認証プロトコルを含む多層防御メカニズムを提案しています。
これらの結果は、配電レベルでのサイバーセキュリティ基準の必要性を強調し、メーカーと系統運用者に対し実践的な検証方法を提供します。

配電系統自動化および制御に求められるセキュアな通信プロトコル

現代のスマートグリッドは、保護、制御、監視機能を実現するためにリアルタイム通信プロトコルに依存しています。
IEC 61850やIEC 62351などのプロトコルは国際的に広く採用されているが、メッセージの完全性、認証、機密性を確保することに課題があります。
この研究では、堅牢な通信プロトコルを開発し、暗号技術を採用したSecure GOOSEとSampled Values（S-GoSV）フレームワークを提案します。
このフレームワークは、不正アクセスやデータ改竄を防止するための仕組みが実装されています。
さらに、リソース制約のあるデバイスや遅延に敏感なアプリケーションに適した軽量なセキュリティメカニズムも検証しています。
シミュレーションとハードウェア・イン・ザ・ループ（HIL）テストを通じて、プロトコル性能と堅牢性を検証しました。
これらの成果は、セキュアなデジタル変電所や配電自動化システムの開発を支援し、グリッドサイバーセキュリティに関する国際標準の進化に貢献しています。

人工知能（AI）を活用したスマートグリッドインフラのサイバーセキュリティメカニズム

複雑かつ大規模化するスマートグリッド技術は、AI技術を活用したサイバーセキュリティソリューションが必要になります。
この研究では、AIを様々なサイバーセキュリティメカニズムに統合することで、スマートグリッドインフラのレジリエンスを向上させることを目的としています。
AI技術は、侵入検知、異常検知、脅威予測、自動応答システムなど、グリッドセキュリティの複数のレイヤーに適用される可能性があります。
AIモデルは、運用データ、通信パターン、デバイス動作を分析することで、従来のシステムが見逃す可能性のあるサイバー脅威の微妙な兆候を検出可能となります。
侵入検知システム（IDS）は主要な応用分野であり、機械学習アルゴリズムがリアルタイムで不正アクセス、データ改ざん、協調攻撃を検知するように訓練することができます。

本研究は、IDSに限定せず、AI駆動型リスク評価ツール、動的ポリシー適応のための強化学習、分散型エネルギーリソースにおけるデータプライバシーを保持するためのフェデレーテッドラーニングアプローチを検証しています。
ここでは、AIによる意思決定の信頼性や解説性も重視し、系統運用者がシステム警告を効果的に理解し対応できるよう検討しています。
これらのAI強化メカニズムは、サイバーインシデントを予見し、耐え抜き、最小限の混乱で回復できるプロアクティブなサイバーセキュリティ態勢の構築を目的としています。

説明

エネルギーネットワーク研究チームでは、次世代電力ネットワークの研究開発を加速させるために、以下のような先進的な評価・開発環境を整備しています。

Rapid Control Prototyping（RCP）環境

開発中の制御アルゴリズムを高速プロトタイピング環境で検証し、実機制御器へ円滑に移行するための試作開発環境です。

• モデルベース開発を取り入れた設計・実装・検証フローの構築
• PHIL/CHILとの連携により、設計から実証まで一貫した開発が可能
• 各種制御手法を実機で迅速に検証・最適化できるRCP環境を整備

設備：Imperix, PE-Expert

このような設備群により、エネルギーネットワーク研究チームは、次世代インバータ技術やマイクログリッド制御、電力系統の高度化技術の実用化を加速しています。
また、これらの設備は国内外の企業・研究機関との共同研究・評価試験にも積極的に活用されています。

定常状態シミュレーション

• ソフトウェア・言語：OpenDSS，CPAT，Matlab
• 概要：
  

  特定の需要状況における電力系統の送電線を流れる電力（潮流）や各母線の電圧などを計算する際に使用します。
  交流のフェーザ表現（実効値表現）による電気回路計算に基づいています。

動的シミュレーション

• ソフトウェア・言語： PowerFactory，CPAT，Matlab
• 概要：
  

  短絡故障時の同期発電機の運転継続能力の評価（過渡安定性評価）、電源脱落時の系統周波数変化の評価（周波数安定性評価）などで使用します。

  送配電線、電源、需要などからなる電力系統モデルにおいて、交流のフェーザ表現による電気回路計算（潮流計算）と、電源等の動特性を表現する微分方程式の求解を反復的に行うことで、時系列での送電線および電源での電圧、電流、有効・無効電力などの挙動を解析します。

瞬時値シミュレーション（電磁過渡解析）

• ソフトウェア・言語： PSCAD，XTAP，Matlab Simulink
• 概要：
  

  電磁過渡現象(Electro-magnetic transients)までを考慮した瞬時値領域でのシミュレーションであり、マイクロ秒オーダーでのパワーエレクトロニクス機器の動作も考慮することができます。

  インバータ電源の導入増加に伴いニーズが高まっており、動的シミュレーションで対象とする現象から、共振等の高周波振動現象の解析まで対応しています。

電源運用シミュレーション（起動停止計画問題）

• ソフトウェア・言語： Gurobi，Matlab，Python
• 概要：
  

  電力の需要と供給のバランスを維持しつつ電源の最経済運用を算定する数理計画シミュレーション技術です。

  1日や1週間、1年間など任意の期間における30分、1時間など任意の粒度での既存電源の起動停止状態、出力、電力貯蔵設備の充放電電力、再生可能エネルギー電源の出力抑制量などを計算します。

制制御システム安定性評価

• ソフトウェア・言語： Matlab，Matlab Simulink
• 概要：
  

  電力系統の安定性（小擾乱位相角安定性、共振等）や、次世代インバータの制御の安定性(閉ループ安定性など）などを、極ゼロ解析、固有値解析、周波数特性解析などを通して評価する技術です。