分散型発電統合配電網における過電流継電器調整の比較最適化：水循環アルゴリズム対遺伝的アルゴリズムおよびビッグバン–ビッグクランチ

電力が双方向に流れるときも停電を防ぐ

住宅や事業所に屋根置き太陽光パネル、小型風力タービン、その他の局所発電が増えると、電力はもはや大規模発電所から一方向にだけ流れるわけではなくなります。特に系統から切り離された島状の「マイクログリッド」として運転する区間では、電力は同時に多方向へ流れることがあります。この変化はクリーンエネルギーにとって歓迎されますが、短絡などの故障をすばやく検出して必要最小限の範囲だけを遮断することを保証するのを難しくします。本研究は、現代の探索アルゴリズムが保護機器の設定をどのように調整し、この新しく複雑な環境でも確実に機能させられるかを検討します。

なぜ新しい電源が従来の保護を混乱させるのか

従来の配電網は単純な考え方に基づいて構築されてきました：電力は大系統から配電線や変圧器を通って需要家へ流れる、というものです。過電流継電器と呼ばれる保護装置は流れる電流量を監視し、電流が急増して故障を示した場合には近接する継電器が最初に動作し、他は少し遅らせてバックアップとして機能します。この慎重な時間調整（コーディネーション）は故障電流が常に一方向から来るという前提に依存しています。しかし、ネットワーク内に太陽光や風力などの局所発電が広く導入されると、その前提は崩れます。故障電流は複数箇所から、かつ双方向に来るようになり、その大きさや経路は発電機や線路のその時点での構成に応じて変化します。

グリッドが島になるとき

近隣の配電区間が大きな系統から切り離され単独で運転する、いわゆる島状態では問題がさらに厳しくなります。この場合、インバータ駆動の発電機は故障電流を十分に供給できないため、通常時と故障時の電流差が小さくなります。これは継電器の時限設定における許容余地を縮めます：動作を早くしすぎれば正常な区間を切り離してしまい、遅すぎれば機器損傷や長時間の停電リスクを招きます。著者らは、単純な9バスのラジアル系統とより複雑な30バスのメッシュ系統の2つの試験ネットワークを用い、系統連系時、発電在り時、島運転時それぞれで異なる最適化手法がどれだけ有効に継電器設定を見つけられるかを検証します。

アルゴリズムによりより良い設定を探索する

研究者たちは継電器設定を手作業で調整する代わりに、これを最適化問題として扱います。目的はプライマリ継電器が故障を除去するまでの時間を最小化しつつ、バックアップ継電器が動作するまでの安全な時間差を確保することです。故障電流の計算には専用の電力系統ソフトウェアを用い、ついで3種のメタヒューリスティックアルゴリズム—遺伝的アルゴリズム（GA）、水循環アルゴリズム（WCA）、およびビッグバン–ビッグクランチ（BB‑BC）—を各継電器の時間乗数設定の探索に適用します。これらの手法は進化、流水、宇宙の膨張・収縮といった自然過程を模して、多数の組合せを詳細な勾配情報なしに探索します。

単純系と複雑系で何が起きるか

単純な9バス系統の通常の系統連系モード（局所発電なし）では、3手法とも短い総遮断時間と適切なコーディネーションを満たす良好な解を短時間で見つけます。分散型発電が追加されて故障電流が双方向化すると、課題は難化します。GAは総遮断時間が最短になることが多い一方で、ある場合にはプライマリとバックアップの安全余地が所望値に近接、あるいはわずかに超えてしまうことがあります。WCAとBB‑BCは総遮断時間がやや長くなる代わりにコーディネーションの余地を健全に保ちます。故障電流が最も小さく余地が最も厳しい島運転下では、GAは再び総時間が最短ですが少なくとも1組の継電器対でコーディネーション違反を示すのに対し、WCAは若干遅い動作を容認することでコーディネーションを維持し、BB‑BCは最も苦戦します。より複雑な30バスのメッシュ系統では、順方向・逆方向の故障を識別する継電器を用いる設定で3手法とも成功し、WCAが総合的に最も低い総遮断時間を示しました。

将来の系統にとっての意味

非専門家向けの要点は、クリーンで信頼性の高い電力システムを維持することはバランスの問題だということです。継電器の動作をできるだけ速くすることが、局所のインバータ発電が関与し故障電流が小さい場合に必ずしも最良とは限りません。速度、頑健性、安全余地の尊重を両立するような水循環アルゴリズムのような手法は、系統がより動的かつ分散化するにつれて、より信頼できる保護を提供する可能性があります。本研究は、故障挙動の現実的なモデルと組み合わせた慎重に選択された最適化手法が、電力の流れが複雑になっても故障を選択的に除去し、ほとんどの需要家の通電を維持するのに役立つことを示唆しています。

引用: Mohamed, R.E., Saleh, S.M. & Ahmad, A.G. Comparative optimization of overcurrent relay coordination in DG-integrated distribution networks: water cycle algorithm versus genetic algorithm and big bang–big crunch. Sci Rep 16, 10529 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43242-z

キーワード: 分散型発電, マイクログリッド保護, 過電流継電器, 継電器調整, メタヒューリスティック最適化