New power system and its digital transformation under the double carbon target

1. 新型電力システムの背景

現在、多くの人が「ゼロカーボン」について言及しているが、「ゼロカーボン」という考え方は誤りである。地球上のすべての生命は炭素を基盤としており、さまざまな動物、植物、有機体を含む。ゼロカーボンは生命の否定を意味する。

二酸化炭素は植物の光合成にとって重要な原料である。研究によると、二酸化炭素濃度の上昇に伴い、農作物の収量は増加することが示されている。通常、大気中の二酸化炭素濃度は約 100〜2000 ppm であり、50 ppm を下回ると光合成は停止する。そのため、火力発電所の煙突周辺の植被は通常よく生育している。

つまり、「デュアルカーボン」は「ゼロカーボン」ではない。「デュアルカーボン」とは、産業分野では低炭素化を、農業分野では高炭素化を意味する。


上図に示すように、デュアルカーボン目標下での中国の発電設備容量の推移を示している。その中で、太陽光発電と風力発電の設備容量はほぼ同規模である。しかし、日没後は 40 億 kW の太陽光発電は発電できず、夏の猛暑時には 40 億 kW の風力発電も発電できない。

現在、中国の総設備容量は 24 億 kW で、そのうち石炭火力が 11 億 kW を占めている。しかし、石炭火力が 50% を占める状況下でも、石炭不足と電力制限の状況は依然として深刻である。そのため、新型電力システムは依然として 5 つの構造的な安全課題に直面している。すなわち、電源構成、電力網構成、消費電力構成、ネットワーク情報、電力ディスパッチ制御である。

その中でも、電源構成、電力網構成、消費電力構成の問題は調整が困難である。電源構成には、ランダムな間欠性電源が多く、高速調整可能な電源が少ないという課題がある。電力網構成には、広域電力網がまだネットワーク化されておらず、システム全体の相互支援能力が低いという課題がある。消費電力構成には、デマンドレスポンスが不十分でエネルギー消費が高いという課題がある。

電力は光速で伝送され、貯蔵が容易ではないため、「送電・変電・配電・使用」はすべて瞬時に完了する。したがって、システムの需給バランスはリアルタイムで制御する必要がある。欧米諸国と比べ、中国はガス資源が乏しく、ガスタービンの割合が低いため、リアルタイム制御によるシステムバランスの維持は近年ますます困難になっている。


電力ディスパッチの需給バランス問題を解決するため、中国は主に火力発電による調整に依存している。近年、石炭価格の高騰などの理由により、一部地域では電力供給が逼迫しており、需給バランスの維持は非常に困難になっている。

大規模な新エネルギー（慣性ゼロの太陽光発電および直接駆動風力タービン、部分慣性を有する二重饋電風力タービン）が系統に連系され、大量の直流が受電端（慣性ゼロ）の電力網に送電されることで、システム全体の実効慣性は継続的に低下し、外乱抑制能力は悪化し続けている。

上図はその一例である。2015 年 9 月 19 日の金蘇直流閉鎖に伴う大規模電力不足時の華東電力網の周波数回復過程は 4 つの段階に分けられる。故障後約 0〜3 秒間は慣性緩衝調整が行われ、システムの慣性が小さい場合、系統周波数は急速に低下する。故障後約 3〜30 秒間は一次周波数調整動作により周波数の低下が緩やかになり、最低点に達した後、徐々に上昇する。故障後 30 秒以降は二次周波数調整が開始され、系統周波数は継続的に回復する。故障後 100 秒以降は揚水発電機などの高速電源が起動し、系統周波数の回復と維持を行う。

ネットワーク統計によると、過去 10 年間に世界のエネルギー貯蔵発電所で 32 件の火災または爆発事故が発生している。エネルギー貯蔵発電所の火災・爆発事故のほとんどは充電中または充電後に発生し、事故の大部分は三元系リチウムイオン電池を使用していた。

2021 年 4 月 16 日、北京国軒福維斯太陽光蓄充電技術有限公司のエネルギー貯蔵発電所（リン酸鉄リチウム電池）で事故が発生した。この事故により消防士 2 名が死亡、消防士 1 名が負傷、発電所の従業員 1 名が死亡した。対聯。

電気化学エネルギー貯蔵発電所と比較して、電力網と都市暖房網の連携方式の総合効率は 80% を超え、より安全で経済的である。北京を例に取ると、北京東郊火力発電所は発電と熱供給を連携・最適化し、総合効率は 80% を超えている。

中国の電力網は空気絶縁を使用しているため、大規模な災害や損傷に対する耐性が不十分である。雷、吹雪、山火事などの自然災害に加え、黒鉛爆弾や電磁パルス爆弾の攻撃にも対抗できない。

地下 XLPE ケーブルまたは地下ガス絶縁パイプライン（GIL）を使用する場合、コストは現在の 10〜20 倍となる。

中国の発電資源と電力負荷は逆向きに分布しており、黒河・騰衝線を越えた西から東への送電が主要なエネルギーフローとなっている。UHV（超高圧）の運用規模は「交流 11 回線・直流 11 回線」に達し、UHV 交直ハイブリッド接続と大規模な広域送電が国家電網の典型的な特徴となっている。

電力網における「強直弱交」とは、交流系統が弱すぎる一方で直流系統が強すぎる状態を指す。現在、世界的に認められている技術は「直流送電・交流ネットワーク化」であり、これにより花かご構造を形成する。
ただし、実践を通じて、直流電力網の最大の問題はその信頼性であることが判明している。高圧直流送電のバルブ群は数百個のサイリスタを直列接続した構成で、信頼性が低く損失も大きい。グラウンドバイアスが深刻で、電圧安定性が悪化する。この問題を解決するために大量の冷却が必要で、エネルギーコストは交流よりも高い。

上図は全国の電力消費量のグラフで、明らかなピークと谷の特徴を示している。

電気自動車のエネルギー貯蔵に関しては、G2V および V2G はまだ規模を形成しておらず、多くの基本的な問題を抱えている。

マイクログリッドに関しては、自家消費、余剰電力の系統連系、自律制御、地元調整を実現することを目的としている。しかし、マイクログリッドの関連技術仕様は依然として改善が必要で、現在は電圧不安定性のボトルネックが生じやすい。

家庭用太陽光発電と家電製品に関しては、中央から配信される系統状態情報ブロードキャストを活用して判断を支援する。ユーザーのホームビジネスアプリケーションは WiFi 経由でインターネットにアクセスできる。

大規模エネルギー貯蔵と大規模電源に関しては、「電気法」によりディスパッチャーが制御に責任を負うことが定められている。小規模エネルギー貯蔵に関しては、居住者は系統連系点の電圧と周波数に基づき、系統ディスパッチャーが配信する系統事故状況情報と組み合わせて、エネルギー貯蔵機器のオンオフを完全に自律的に制御できる。

上図に示すように、電力システムの安全性・安定性には 3 つの防衛ラインがある。すなわち、リレー保護、安定性制御、負荷削減制御である。

中国の電力網自動化技術は過去 40 年間で 4 つの発展段階を経験してきた。すなわち、初期探索、導入・消化、自主開発、段階的超越である。電力システムのデジタル技術変革は 20 年前に完了し、現在はインテリジェント技術へと進化しており、スマートグリッドの新時代を切り開いている。

2. スマートグリッドとセキュリティ保護

スマートグリッドディスパッチ制御システム D5000 は、すべての国家電網の省級三段階ディスパッチおよび大半の地級市制御センターに導入され、電力網ディスパッチ専用クラウド（約 10 万コンピューティングノード）と専用 IoT（約 2 億リアルタイムポイント）を形成し、複数レベルの電力網ディスパッチの協調運用を実現している。地級市以上のディスパッチ制御センターの標準構成は、300 台のコンピュータ（100 台のラックサーバ、100 台のブレードサーバ、100 台のグラフィックスワークステーション）である。

過去 10 年間で、スマートグリッドディスパッチ制御システムの段階的な構築と改善に伴い、現在は 10 万台以上のコンピュータと 10 万台以上のネットワーク機器が全国に配置されている。

さらに、中国は電力網の複数連続故障のオンライン早期警戒を実現した。従来の年 2 回（夏季・冬季）の電力網運用計算から、15 分ごとのサイクル計算と秒単位の大規模擾乱イベントによるリアルタイム計算へと改善され、世界で初めて分単位の電力網複数連続故障のリアルタイム追跡・分析を実現し、ディスパッチが電力網の複数連続故障に対処する能力を効果的に向上させた。

制御システムには独自の法則があり、電力システムにも独自の法則がある。上図に示すように、制御機能の応答時間は動作距離に比例する。したがって、制御システムを一つの領域に集中させてはならない。そうでなければ、非常に深刻な事故を引き起こす可能性がある。

現在、中国のスマートグリッドシステムは一系列の基準を形成しており、その中で最も重要な 5 つの基準は、汎用グラフィカルインターフェース、汎用サービスインターフェース、汎用モデル記述、汎用通信プロトコル、汎用セキュリティ保護である。中国のスマートグリッド基準は国際電気標準会議（ICE）に 2 つの規範ガイドラインを寄稿しており、このシステムが既に世界をリードしていることを示している。

現在、中国のスマートグリッドは世界最大規模となっている。デジタル化（情報化）、自動化、インテリジェント化は、電力システムの実用的要件を満たさなければならない。

半導体デバイスは高エネルギー消費デバイスであるため、過度のインテリジェント化による不必要な高エネルギー消費（ビットコインマイニングなど）に注意が必要である。


近年、スマート電力一次機器の取り組みが数回行われた。ビデオ監視隔離スイッチを例に取ると、大量のリソース浪費を引き起こした。

したがって、過度のインテリジェント化は多くの問題をもたらしている。たとえば、一次機器の信頼性低下、一次・二次機器の寿命不一致、実用的でないインテリジェント機器の多さ、変電所のリアルタイム測定点数の 10 倍以上の増加などである。

一次機器自体の品質をいかに向上させるか。スマートデバイスの実用レベルをいかに向上させるか。過度のデジタル化とインテリジェント化をいかに防止するか。これらはすべての関係者が考え、解決に取り組み始める必要がある課題である。


スマートメーターと電力消費情報収集に関しては、パブリックネットワークのリモート制御にセキュリティリスクがある。将来的には、非リアルタイムのリモート検針機能のみを保持する可能性がある。インターネット企業は、ユーザーの機密データとプライバシー情報の保護を高度に強化する必要がある。

現在、ネットワークセキュリティの脅威状況はますます深刻化している。2008 年 8 月のオリンピック期間中（2 週間）だけで、オリンピック電力網は外部ネットワークから 8,939 回の攻撃を受けた。

2017 年 5 月、Google は Intel の CPU に Minix オペレーティングシステムが組み込まれていることを発見し、まもなく Google のテンソルプロセッサ TPU にも脆弱性が見つかり、その後 Meltdown、Spectre、POP SS、Zombie Load などの隠れた危険が次々と明らかになった。アウト・オブ・オーダー実行と分岐予測をサポートするすべてのプロセッサ（CPU、GPU、TPU など）に問題が存在する。このように、ネットワークセキュリティの脅威はソフトウェアからハードウェアへと発展している。

上図に示すように、近年、中国の電力網は外部ネットワークからの悪意ある攻撃を受ける頻度が増加している。現在、中国の電力網は平均 8 秒に 1 回攻撃を受け、1 日に 10,000 件以上の攻撃を受けている。国家的重要行事の際、電力網への悪意ある外部攻撃の頻度は通常時の数倍に上る。

つまり、産業用制御システムには内生的セキュリティが必要である。すなわち、機能セキュリティ、暗号技術、ネットワークセキュリティの 3 つの統合である。産業システム SCADA、DCS、CCS、PLC などに適用される。

各産業分野の業務特性は大きく異なり、保護対策も同一ではないが、ネットワークセキュリティ保護システムは共通である。産業分野において、GB/Z41288-2022 は重要産業用制御システムのネットワークセキュリティ保護のガイドラインであり、産業分野のネットワークセキュリティにおけるハードシステムである。

重要産業用制御システムネットワークセキュリティ保護システム（TEMt）は、主に総合セキュリティ管理、緊急バックアップ対策、セキュリティ保護対策の 3 つの側面から産業ネットワークセキュリティ保護を実施する。

内生的セキュリティに関しては、監視システムに悪意あるソフトウェアが含まれないこと、オペレーティングシステムに悪意あるバックドアが存在しないこと、マシン全体のマザーボードに悪意あるチップがないこと、主要チップに悪意ある命令が含まれていないこと、およびトラステッドコンピューティングによるセキュリティ免疫性を確保する必要がある。

最新国家基準によると、重要産業向けに利用可能なプライベートクラウドは、企業が管理するプライベートクラウドから効果的かつ安全に隔離されなければならず、ソーシャルパブリッククラウドを使用してはならない。情報漏洩を回避し、産業システムのネットワークセキュリティを保護するためである。

重要な産業用制御に関しては、万物の相互接続と混乱を避けるため、産業用制御は専用 IoT を活用して必要に応じた相互接続を実現し、国家の産業財産の安全を確保できる。

「ゼロトラスト」アーキテクチャは、境界セキュリティ保護を基盤として、アイデンティティベースの論理的セキュリティ境界をさらに追加し、アクセス制御を粗い粒度のネットワーク境界レベルから、すべての主体、客体、サービスを含む細かい粒度レベルに移行させる。人員、機器、アクセス要求などの本人確認と権限制御を実施し、内部と外部の両方の防御を実現する。境界を自ら取り除くことは、万里の長城を自ら破壊することに等しい。

このように、産業用クラウドにはハードウェアのクラスター志向化とソフトウェアのサービス志向化が必要である。その中で、ハードウェアはマルチコア・メニーコアチップ、対称マルチプロセッシング SMP、サーバークラスター NUMA を含む。ソフトウェアサービスは仮想化、ネットワークグリッド、クラウドコンピューティングを含む。

3. 電力業界のデジタルトランスフォーメーション

産業用制御システムはデータ中心ではなく業務中心であるべきである。システム全体をフロントエンド、ミドルプラットフォーム、バックエンドに分割する。その中で、フロントエンドは業務のアクセス層、ミドルプラットフォームは業務のアプリケーション層、バックエンドは業務のデータベース層である。

上図に示すように、データを通じて業務向けにモデル化する。産業用ビッグデータを分散処理した後、産業用スモールデータとなり、ミリ秒レベルの計算を実現する。また、業務モデルを持たないデータはゴミデータである。虚偽の数字を真実として数え、東へ西へと数え上げても、業務を離れれば純粋な電力の無駄遣いに過ぎない。

現在の人工知能は肢体が発達し、整った顔立ちだが思考は単純で、まだ成長段階にある。人工知能を電力システムや生産制御システムに適用する場合、必ず電力システムモデルと組み合わせなければならない。業務モデルを持たない AI リアルタイムクローズドループ制御には重大なセキュリティリスクがある。

現在、さまざまな光ファイバー通信が産業用制御サービスに適している。その中でも、可視光通信は光通信の利点を継承し、電磁干渉に強く、防水・防油で、機密性が高く、情報漏洩のリスクがない。レーザー通信と比べると、速度は低い（100K〜100 Mbps）ものの、媒体の加工が容易で（切断するだけでよい）、過酷な環境（曲げ、振動、摩耗）に耐性があり、産業現場の環境により適応しやすい。また、末端の無線光通信 LiFi との連携も容易で、インテリジェントな電子交通信号サービスにも適している。

無線通信は移動体を対象としているが、発電所、変電所、送電線、電力ビルは移動しないため、固定サービスには無線専用ネットワークは不要である。工場、変電所、作業場の金属反射、電磁干渉、粉塵環境は無線通信に大きな干渉を与える。したがって、固定サービスに適応するには、光ファイバーと無線を組み合わせた F5G 方式を採用すべきである。

上図に示すように、従来のアプリケーションシステムおよび従来の産業用制御システムは、段階的に新しい分散型産業用制御システムへアップグレードする必要がある。これらは産業用制御ネットワークで接続され、産業生産の安全性をさらに確保し、産業生産の効率を向上させる。

3 つの主要な構造問題を解決するためには、市場メカニズムまたは電気料金政策が急務である。現在、最も効果的な方法は双方向のピーク・バレー電気料金である。発電側と消費側のバランスを促進することが最も効果的だ。全体の電気料金と平均電気料金水準は据え置き、ピーク時間帯は 30% 増、バレー時間帯は 30% 減とし、各省の発展改革委員会が各地域の具体的状況に応じて策定し、段階的に電力市場へ移行させる。

上図に示すように、電源構造問題の解決には 50〜100 年かかり、電力網構造問題の解決には 10〜20 年かかるが、電力構造問題の解決策は即日で効果を発揮できる。

新型電力システムのコア目標は、電力システムをより安全に、よりコスト効率よく、よりグリーンに、より実用的でフレンドリーにすることである。

企業が注目すべき点として、新型電力システムにおいても、電力網のメイングリッドの構造、階層型制御方式、セキュリティ保護システム、電力通信ネットワークは変わっていない。

政府と企業は、デュアルカーボンの過度なゼロカーボン化、エネルギー貯蔵の過度なバッテリー化、電力網の過度な直流化、無線通信の過度な導入、機器の過度なインテリジェント化、業務の過度なデジタル化に注意しなければならない。