The coordination between TSO and DSO in the context of energy transition - A review

この論文は、エネルギー転換の進展に伴う系統運用上の課題に対処するため、送電系統運用者（TSO）と配電系統運用者（DSO）の間の調整スキームを包括的にレビューし、分散型エネルギー資源の柔軟性を活用したシステム全体の需給バランス維持とネットワーク混雑回避のための効果的な手法を分析している。

要約

🌍 背景：エネルギーの「大転換」

今、世界中で化石燃料（石炭や石油）から、太陽光や風力などの「再生可能エネルギー」へ切り替わっています。
これは環境には素晴らしいことですが、電気システムにとっては**「新しいトラブル」**が生まれました。

• 昔： 大きな発電所から、一方向に電気が流れていました（高速道路の渋滞は起きにくい）。
• 今： 家々の屋根に太陽光パネルが並び、電気があちこちで生まれたり消えたりします（街路に車が溢れ、行き先がバラバラ）。

この混乱を収めるために、**「上層部の管理者（TSO）」と「下層部の管理者（DSO）」**が手を取り合う必要があります。

---

🚦 2 つの管理者と彼らの役割

1. TSO（送電系統運用者）：

   • 役割： 国全体の「高速道路」を管理。全国規模で電気の需給バランス（供給と需要の一致）を保つのが仕事。
   • 悩み： 街中の細かい事情（どこで電気が足りて、どこが渋滞しているか）が見えていない。

2. DSO（配電系統運用者）：

   • 役割： 地域の「街路」を管理。地域内の電圧や、電線が熱くなりすぎないか（混雑）をチェック。
   • 悩み： 地域には太陽光パネルや蓄電池（柔軟なリソース）がたくさんあるのに、TSO がそれを使おうとして、逆に地域で渋滞（混雑）が起きるかもしれない。

🤝 解決策：「柔軟性（フレキシビリティ）」の活用

この論文の核心は、**「柔軟性」という言葉をどう使うかです。
「柔軟性」とは、「電気を少し増やしたり、減らしたりできる能力」**のことです。

• 例：太陽光パネルが曇りで発電量を減らす、蓄電池から電気を放つ、工場が一時的に電力消費を控えるなど。

TSO は全国をバランスさせるためにこの「柔軟性」を欲しがりますが、DSO は「地域内の電線がパンクしないように」守らなければなりません。

---

🧩 協力のパターン（5 つのシナリオ）

論文では、TSO と DSO がどう協力するか、いくつかのパターン（協調スキーム）を比較しています。

1. TSO 独裁型（中央集権）：
   • TSO が全部コントロールする。
   • メリット： 管理がシンプル。
   • デメリット： TSO が地域の事情を知らないので、街路で渋滞が起きるリスクがある。計算も大変。
2. DSO 優先型（分散型）：
   • DSO がまず地域の問題を解決し、余った分だけ TSO に渡す。
   • メリット： 地域の渋滞は防げる。
   • デメリット： DSO 同士が競い合ったり、計算が大変になったりする。
3. 共通市場型（理想の形）：
   • TSO と DSO が一緒に「市場」を作り、すべての発電所や蓄電池を一堂に集めて、最も効率的な使い方を決める。
   • メリット： 全体のコストが最も安く、社会全体に利益が出る。
   • デメリット： 技術的に難しく、ルール作りが複雑。

結論： 最も有望なのは、**「共通の市場」**を作ることですが、現実的には「ハイブリッド型（TSO と DSO が役割分担しつつ、情報を共有する形）」が現実的だと提案されています。

---

🇳🇱 オランダの具体例：「事前のチェック」と「リアルタイムの連携」

論文では、オランダの現状を例に、具体的な連携の仕組みを提案しています。

【現在の状況】

• TSO が「電気を増やして！」と指令を出すと、DSO は「あ、でもその指令だと私の地域の電線がパンクします！」と気づくのが遅い（あるいは気づかない）。
• その結果、TSO が電気を送ろうとしても、地域で渋滞が起き、電気が届かない、あるいは設備が壊れるリスクがある。

【提案する新しい仕組み】

1. 事前の「免許証」チェック（プレクオリフィケーション）：
   • 発電所や蓄電池が「TSO の指令に応じられるか」を、DSO が事前に「地域内の電線が耐えられるか」を確認して許可を出す。
   • 例え： 高速道路に入る前に、地域警察（DSO）が「この車、狭い道を通れるか？」をチェックして、TSO に「OK」のスタンプを押す。
2. 指令時の「制限付き」連携：
   • TSO が「電気を 20MW 増やして！」と指令を出そうとした時、DSO が「いや、地域がパンクするので、15MW に抑えてください」とリアルタイムで修正する。
   • 例え： 高速道路の入口で「20 台入れます」と言おうとしたら、地域警察が「狭いので 15 台まで」と制限して、渋滞を防ぐ。

---

💡 結論：何が重要なのか？

この論文が伝えたいことはシンプルです。

「電気という川の流れを、上流（TSO）と下流（DSO）が別々に管理していては、あちこちで水害（混雑）が起きる。情報を共有し、一緒に川の流れをコントロールする『共通の市場』を作れば、環境にも経済にも良い未来が作れる。」

まとめ：

• 課題： 再生可能エネルギーの増加で、電気の管理が難しくなっている。
• 解決策： TSO と DSO が「柔軟性（電気の増減能力）」を一緒に使い、地域で渋滞が起きないように調整する。
• 未来： オランダなどで実証実験が進んでおり、情報共有のルール作りが急務。

このように、**「上と下が手を取り合う」**ことで、脱炭素社会のエネルギー問題を解決しようという、非常に現実的で重要な提案です。

技術概要

論文要約：エネルギー転換における TSO と DSO の連携

1. 背景と課題 (Problem)

世界的なエネルギー転換（脱炭素化）の進展に伴い、再生可能エネルギー源（DERs：分散型エネルギー資源）の配電網（DN）への接続が急増しています。これにより、従来の送電網（TN）と配電網（DN）をそれぞれ独立して運用する「送電系統運用者（TSO）」と「配電系統運用者（DSO）」の間で、以下の課題が生じています。

• 技術的課題: DERs の大量導入による系統の不安定化、電圧制御、混雑（コンジェスチョン）の発生リスク。
• 運用上の非効率: TSO と DSO が個別に柔軟性リソース（需要応答や蓄電池など）を調達・利用しようとする際、情報の非対称性や調整不足により、システム全体の最適化が阻害される。
• 競合とリスク: 両者が相反する方向で柔軟性を発動した場合、系統の混雑や不均衡を悪化させるリスクがある。
• インフラの限界: 情報通信技術（ICT）インフラの不足や、小規模顧客の市場参加の障壁。

本研究は、これらの課題を克服し、システム全体のバランス維持と混雑防止を両立させるための、TSO と DSO の効果的な連携スキーム（Coordination Schemes: CS）を調査・評価することを目的としています。

2. 研究方法 (Methodology)

本研究は、以下の手法を用いた体系的なレビューと提案です。

• 文献レビュー: ScienceDirect、IEEE Xplore、および ENTSO-E、IRENA などの国際機関の報告書を対象に、「TSO-DSO 連携」「TSO-DSO 統合」「分散型柔軟性」などのキーワードで検索し、既存の連携モデル、分類、物理的パイロットプロジェクト（SmartNet, CoordiNet, GOPACS など）を分析しました。
• 分類と評価: 既存の連携スキームを「中央集権型」と「分散型」に大別し、さらに市場設計やデータ交換の観点から 6 つの主要なモデルに分類しました。各モデルの長所・短所、DSO の役割、技術的実現可能性を定性的に評価しました。
• ケーススタディと提案: オランダの電力市場（TenneT 等）の現状を基に、TSO と DSO の連携を強化した「ハイブリッド型連携スキーム」を提案し、そのプロセス（事前資格審査、入札、発動）をシーケンス図で可視化しました。

3. 主要な貢献と知見 (Key Contributions & Results)

A. 連携スキームの分類と評価
TSO と DSO の連携モデルは、主に以下の 6 つに分類され、それぞれに特徴があります（表 1 参照）。

1. TSO 管理モデル（中央集権型）: TSO が直接 DERs と契約。計算負荷が TSO に集中し、配電網の制約を把握できない欠点がある。
2. DSO 管理モデル（ローカル市場）: DSO がローカル混雑管理を優先。TSO は残りを活用。DSO 間の利害対立や計算負荷の課題がある。
3. 共有バランス責任モデル（分断市場）: 役割を時間軸等で分割。TSO は DERs にアクセスできない。
4. TSO-DSO ハイブリッド管理モデル（マルチレベル市場）: DSO が DERs の入札を検証した上で TSO がアクセス可能。配電網制約を尊重しつつ、TSO のアクセスを可能にするバランス型。
5. 共通 TSO-DSO 市場モデル: 両者が共同で市場を管理。総コスト最小化が可能だが、調整プロセスが複雑。
6. 統合柔軟性市場モデル: 独立した市場事業者を介し、支払意思額（Willingness to Pay）が高い者に優先的に割り当て。

B. 物理的パイロットプロジェクトからの知見
SmartNet や CoordiNet などの欧州プロジェクトの結果から、以下のことが示されました。

• 配電網に顕著な混雑がない場合、中央集権型が有効な場合もあるが、一般的には分散型モデルが研究の主流（90% 以上）である。
• 分散型制御は、完全なスマートグリッド制御に比べて経済的改善効果が約 90% 達成可能であり、コスト効率が良い。
• 単一の「万能なアプローチ」は存在せず、国の特性、ネットワークトポロジー、柔軟性リソースの特性に応じて最適なモデルを選択する必要がある。

C. 提案スキーム（オランダのバランス市場向け）
オランダの現状を踏まえ、TSO と DSO の連携を強化した以下のプロセスを提案しました。

• 事前資格審査（Prequalification）: DSO が配電網接続資産の技術データを検証し、TSO に転送する。これにより、TSO は配電網制約を考慮した上で資産を登録できる。
• 入札と発動（Offering & Activation）: TSO が作成したMerit Order List（価格順の入札リスト）を DSO に送付し、配電網の電力潮流計算（Power Flow）による制約違反チェックを行う。DSO が上限・下限を更新して TSO に返却し、有効な入札のみが発動される仕組み。
• 効果: この連携により、TSO の発動が配電網の混雑を引き起こすこと（逆方向の発動など）を防ぎ、システム全体の運用コストを削減できる。

4. 意義と結論 (Significance & Conclusion)

• システム全体の最適化: TSO と DSO の連携を強化することで、DERs が提供する柔軟性を最大限に活用し、系統のバランス維持と混雑管理を同時に達成できる。
• DSO の役割拡大: DSO は単なる配電網管理者から、柔軟性リソースの管理と市場参加の促進においてより積極的な役割を担う必要がある。
• データ交換の重要性: 電力フロー、予測データだけでなく、価格、スケジューリング、アクティベーションに関するデータ交換が不可欠であり、国際的なデータセキュリティ基準と共通通信フレームワークの確立が急務である。
• 将来展望: 現在のリアルタイム連携の不足はネットワークリスクとなり得る。今後は、送配電網の混雑やバランス問題を定量化し、将来のシナリオ（高 DER 導入）における連携スキームの定量的評価を行うことが必要である。

本論文は、エネルギー転換の成功には、技術的な統合だけでなく、TSO と DSO の間の制度的・運用上の連携モデルの設計が不可欠であることを示唆しており、今後の電力市場設計やグリッド運用の指針となる重要なレビューです。