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はじめに
太陽光や蓄電池、EV充電器を現場に据え付けるとき、ほとんどは既存の配電線につながっている。停電すれば困るし、余れば流し、足りなければ買う。広域の電力網は、すでにそこにある。
それでも、その網をこれからも巨大な一つの仕組みとして増強し、高度化し、中央から協調制御し続けることが、いつも最善なのかは別の問いだ。すでに敷かれた設備をどう使うかと、これから積み増す投資をどこへ向けるかは、分けて考えた方がよい。
この記事の中心は、直流化そのものでも、マイクログリッドそのものでもない。システム全体を正しく制御することより先に、各要素が境界の外へ与えられる影響の最大値を、物理的に制限することだ。
電源なら最大の電力・電流・変化率・故障時のエネルギー寄与。セルなら最大の受電・送電量と、境界を維持できなくなったときの切離し条件。遠隔指令なら、それによって変更できる物理量の範囲である。
私はこれを bounded contribution（有界な寄与）と呼ぶ。正常に制御できることだけを信頼性の根拠にしない。制御を失い、通信が壊れ、ソフトウェアが誤動作し、外部から不正な指令を受けた場合にも、一つの要素が系全体へ与えられる最大の影響を有限にする。境界契約、現場の自律、直流電源のモジュール化、サイバー耐性、需要応答の位置づけは、この一本の原理の別面である。
広域に電気でつながっていることと、広域を一つの制御対象として扱うことは同じではない。通信は価格や予測、取引を良くするために使い、通信が止まっても現場の最低限の運転は続けたい。壊れないことを前提にするより、壊れても小さく済む構造を先に置く。
季節をまたぐ不足や、洋上風力の長距離輸送、製鉄のような大きな瞬時電力まで、この考え方ですべて解けるわけではない。届く範囲と届かない範囲を、順に書く。
全体像
任意の情報層（なくても運転は続く）
価格・予報・市場・経済最適化
│
↓
既存系統 ←─── ゲートウェイ（有界な交換）───→ 既存系統
│
┌──────────────┴──────────────┐
│ 自律エネルギーセル │
PV─DC/DC┤ │
蓄電池─DC/DC┤── 共通DCエネルギー母線 ──┤←→ 隣のセル
EV─DC/DC┤ │
│ ↓ │
│ GFM │
│ ↓ │
│ 局所交流網 │
│ ↓ │
│ 負荷 │
└──────────────────────────────┘
↑ 現場で測る物理量 ↑
V / I / P / Q / SOC / f
局所制御は、通信なしでも生き続ける
近くで発電し、近くで蓄え、近くでバランスし、境界に上限を付け、隣と交換し、広域系統は役に立つときに使う。この順が、以下の議論の骨組みだ。
19世紀に生まれた電力網
交流の高圧送電と、都市への集中供給は、19世紀末から20世紀にかけて産業社会の標準になった。どんな制約の下で、巨大な同期系統が答えになったか。
当時、大規模な電力貯蔵はほとんどできなかった。発電した瞬間に消費しなければならなかった。大型の蒸気タービンや水力は規模の経済を持ち、燃料や落差のある場所に縛られた。需要は都市に集まり、交流変圧器が電圧を上げて遠くまで運ぶ手段を与えた。多数の需要家を一つの系統に載せれば、負荷も平準化された。
その条件では、「発電を大きくし、送電線で結び、中央で需給を合わせる」は自然な設計だった。
なぜ巨大系統は合理的だったのか
貯蔵が難しいから、瞬時の広域バランスが要る。発電に規模の経済があるから、少数の大電源が有利になる。発電の場所と需要の場所が違うから、長距離送電が要る。交流変圧が実用だから、高圧送電が経済的になる。需要が多様だから、平準化が効く。
そこから出てくるのは、広域の同期系統を安定の主装置とする考え方だ。周波数は全体の共通信号になり、慣性と同期機の制御が中心になる。前提が変わらなければ、この構造は今でも強い。前提のいくつかは、すでに動いている。
PV・蓄電池・EVで変わったこと
太陽光発電は、追加で発電するときの費用がほとんどゼロに近く、需要のすぐそばに置ける。IEAは、リチウムイオン電池のパック価格が2023年にキロワット時あたり140ドルを下回ったと報告している[1]。IRENAの2024年の整理では、大規模蓄電池の設置一式の費用はキロワット時あたり約192ドルまで下がったとされる[2]。EVは動く蓄電池でもあり、多くの充電は時間をずらせる需要でもある。
双方向の変換器、直流変換、安価なセンサ、現場のエネルギー管理は、「発電して送って使う」以外の道を現実にした。系統形成型インバータ（grid-forming inverter、GFM）は、内部に電圧の位相を保ち、弱い系統や単独運転、場合によっては停電後の立ち上げを支える技術として、NERCやUNIFIが仕様を進めている[3][4]。
変わったのは、現場近くで発電し、蓄え、変換し、測るコストと可能性だ。残っているのは、季節や何日も続く天候、発電適地と大都市の距離、都市の負荷密度、重工業が求める電源品質だ。
「再エネが増えたから、スマートグリッドですべてを制御する」は一つの答えではある。それが唯一の答えなのかは、疑ってよい。
一本の原理：有界な寄与
分散電源が増えたとき、よく出てくる答えはこうだ。中央から見えるようにし、指令で協調し、通信とサイバー対策を厚くし、足りなければ送配電を増やす。
別の答えがある。はじめに書いた有界な寄与——境界の外へ出せる電力・電流・変化率・故障時エネルギー、セルの受電・送電上限と切離し条件、遠隔指令で変えられる物理量の範囲——を、先に物理で決める。正常に制御できることだけを信頼性の根拠にしない。制御を失っても、一つの要素が系全体へ与えられる最大の影響を有限にする。
全体を正しく制御できることより、外へ出せる害の上限が先にある。後述する境界契約、隣とのやり取り、直流電源のモジュール化、サイバーの封じ込め、需要応答の分け方は、いずれもこの原理の具体化だ。
いま解いている問題の形
政策や産業、研究が解こうとしている話の多くは、次の形をしている。
既存の広域系統を主たる安定装置として残したまま、大量の分散電源をつなぐ。すると電圧が暴れ、逆潮流が出て、予測が外れ、保護が難しくなり、サイバー攻撃の入り口が増える。そこで分散電源の管理システム（DERMS）や仮想発電所（VPP）、広域監視、通信、サイバー対策、系統用蓄電池、送配電の増強で解く。
置かれた制約の中では、それぞれの手段に意味がある。
制約を一つ外すと、景色が変わる。各需要のまとまりが、最低限の電力を、その場の電圧や周波数や蓄電残量といった物理量で維持できる。広域系統は、余った分と足りない分を交換する。境界での寄与が有界なら、中央から何百万台もの機器を協調制御しなければならない理由の一部は薄くなる。
道は二つある。一つは、送配電の増強と広域のエネルギー管理、DERMS、VPP、需要応答、通信、系統用蓄電池、サイバー防御で、巨大系統をさらに高度化する道だ。もう一つは、現場の太陽光、蓄電池、EV、直流まわり、GFM、局所制御、必要なときの単独運転、上限のあるセル間のやり取りを基本にし、既存の広域系統を共用の交換インフラとして使う道だ。
問うているのは、追加の投資をどちらへ寄せるかだ。
なぜ分散電源を中央から動かしたくなるのか
卸市場や調整力の市場は、束ねたリソースとして扱う方が既存の制度に載せやすい。米国のFERC Order No. 2222はその典型だ[5]。送配電の運用は、指令と遠隔計測と可視化を中心に育ってきた。末端が見えないと、従来の信頼度管理が不安になる。束ねること自体が事業にもなる。
それでも、中央制御だけが物理の解だということにはならない。見えにくさは、境界での振る舞いを有界に約束することでも和らげられる。市場には参加したままで、周波数や電圧といった物理の安全を通信経路から外す、という分け方はできる。
需要応答を二つに分ける
需要応答には、物理の安定に関わる部分と、経済の最適化に関わる部分がある。
周波数が落ちた、電圧が外れた、というときに、中央から仲介事業者を経由し、通信で指令を出して機器を動かす経路は、遅れや欠落や改ざん、一度に同じ誤りを起こす経路でもある。代わりになるのは、物理のずれをその場で測り、その場で応えることだ。発電機のガバナも、インバータのドループ制御も、多くの保護も、もともとそう動いている。機器側の応答幅そのものが有界なら、誤指令の被害も有界になる。
一方で、価格や予測や取引、翌日の計画では、通信と集約に本質的な価値がある。VPPやDERMSの出番は、主にこちらだ。
つながっていることと、一括で制御することは違う
欧州の研究プログラム ELECTRA が提案した Web-of-Cells は、系統を地理的なセルに分け、各セルが境界での合意された電力交換を、内部の柔軟性で維持する構想だ[6]。局所の問題をセル内で解くことで、通信の複雑さを抑え、すべての局所問題を広域の中央に晒さなくてよい、という整理もある[7]。セル同士のやり取りは、主に境界まわりに寄せられる。
米国国立再生可能エネルギー研究所（NREL）の Autonomous Energy Systems は、中央の運用がデータと通信に押しつぶされないよう、大規模な中央制御を小さな決定へ分解する、と説明する[8]。スケーラブルな設計として、数億台規模のデバイス制御を目標に掲げている[8]。つながりの形と、制御の階層は分けられる、というのがここでの要点だ。自動発電制御（AGC）や広域の保護、復旧の計画は、それでも残る。
まず測るべきは、その場の物理量だ
最低限の安定と保護については、外から届く状態情報より、その場で測れる量を優先したい。電圧、周波数、電流、有効電力と無効電力、周波数の変化率、現場の発電と負荷、蓄電残量、境界の潮流。
2015年12月、ウクライナでは攻撃者が正規の認証や遠隔操作の経路を使い、遮断器を操作して約22万5千の顧客に影響を与えた、と米国のサイバーセキュリティ機関 CISA が整理している[9]。通信と中央のITが、物理のスイッチになった事例だ。その場の物理を優先し、境界の寄与が有界なら、同じ侵入でも被害の形は変わりうる。
電気の境界を契約する
通信のプロトコルを全員で揃えるより先に、電気の境界条件を標準化する。セルの中のメーカも、ソフトも、電池の種類も自由でよい。境界では、電圧や電流、受電・送電の上限、無効電力、周波数、保護の動き、切り離しと再並列の条件、故障時に外へ出せる最大寄与を約束する。
IEEE 1547 や各国の系統連系ルール、ドループ制御と重なる部分は大きい。違うのは、中身の実装を自由にすること、通信が生きていることを前提にしないこと、有界な寄与を境界契約の中心に置くことだ。
隣のセルとの関係も同じだ。広域のすべてを知る必要はない。自分と境界で、約束した範囲を守る。マイクログリッドの標準（IEEE 2030.7）や意図的な単独運転の指針（IEEE 1547.4）は、この方向に近い[10][11]。一方で、大陸規模で風も日射も足りない期間——いわゆる Dunkelflaute——は、境界の制御だけでは解けない[12]。
直流をエネルギーの主層にし、交流は互換層に残す
現場のまとまりを考えると、太陽光も蓄電池もEVも、多くの電子負荷も、本質は直流だ。太陽光・蓄電池・EVから直流変換を経て共通の直流母線へ入り、GFMで局所の交流をつくり、負荷へ供給する——この並びは、変換の回数と制御点の整理として筋がよい。
交流を廃止する話ではない。モータもコンセントも規制もある。GFMが、現場用の疑似的な交流をつくる。直流がエネルギーの主層。交流が、現場の互換層。既存の系統が、外との交換層。保護、規格、施工の技能、既存機器との互換は、現実の壁になる。
直流の遮断を、供給側の封じ込めへ変換する
「直流は大電流を切れないから大規模化できない」は、重要な制約だ。ただし、「母線が100キロワットだから、100キロワット相当を一つの接点で切らねばならない」とは限らない。
よくある反論がある。5キロワットの電源を20台並べても、母線短絡の瞬間には20台から同時に故障電流が流れうる、というものだ。その通りだ。だから「台数で割れば遮断容量が要らない」ではない。
ここでも効くのが、有界な寄与だ。一台の電源が故障点へ継続して供給できる電流とエネルギーに上限を持ち、それぞれを独立に停止できれば、大きな母線全体の電力を一つの遮断器で負荷遮断する必要はない。
重要なのは、短絡直後の瞬間的なピーク電流をゼロにすることではない。各電源から故障点へエネルギーを供給し続ける能力を、短時間で一つずつ消していくことである。
異常を検出する。各変換器が自らの故障電流寄与を制限する。各電源が独立してエネルギー供給を停止する。母線や配線に残ったエネルギーを処理する。そして電源側からの継続的な電流が消えた状態で、機械接点によって確実な絶縁分離を取る。
これは「100 kWを安全に切れる接点をどう作るか」という問題を、「5 kWの電源20台を、それぞれ安全に停止して隔離できるか」という問題へ変える。母線そのものは大きくてもよい。小さくするのは、必ずしも母線ではない。一つの故障源・電源・制御単位が外部へ与えられる寄与である。
もちろん、母線容量、DCリンクコンデンサ、ケーブルインダクタンス、電池の直結故障、半導体の短絡故障、検出時間、アークなどは別途設計しなければならない[13]。ここで消えるのはDC故障という問題そのものではなく、「巨大なDC電力を一つの遮断器で切らなければならない」という設計上の前提である。直流遮断器の進歩を待つだけではなく、巨大な直流遮断器を必要とするトポロジーを採用しない、という選択肢でもある。
小さく壊れる前提へ
デジタル化が攻撃の入り口を増やすことは、米国エネルギー省（DOE）やNRELの整理でも指摘されている[14]。認証を強め、通信を守り、冗長にすることは必要だ。
そのうえで、情報システムへの侵害が広域の停電に直結しうる形を、唯一の前提として抱え続ける必要があるのか、を問いたい。攻撃を防ぐ設計と、侵害されても影響をセルの中に閉じ込める設計は、両立できる。有界な寄与は、サイバー事故の影響半径を物理で切る手段でもある。
既存の系統を、共用の交換インフラとして見る
各セルが最低限のサービスを自分で保てれば、広域は余剰と不足の交換、地理的な多様性、季節のバランス、大規模発電、大きな工場、市場の取引を担える。つながることの価値と、一括で制御することの必要性は、分けてよい。
次の1兆円をどこへ置くか
電力広域的運営推進機関（OCCTO）のマスタープラン関連では、ベースラインの広域系統強化に約6.0〜7.0兆円、費用便益比はシナリオによりおおむね0.7〜1.5と示されている[15][16]。ベースラインでは、北海道・東北の再エネを東京方面へ運ぶための6〜8 GW級の高圧直流送電などが具体的に挙がる[15]。これはまさに、地理的にエネルギーを運ぶための投資だ。
では、仮に次の1兆円を置くとして、何を買うのか。送電増強に使えば、運ぶ能力が増える。現場の太陽光、蓄電池、GFM、単独運転できるセルに使えば、一定時間、運ばなくても生存できる能力が増える。同じ金額でも、得られるものは違う。
蓄電池のキロワット時単価は、何を含めるかで大きく変わる。IRENAは、設置・試運転まで含む大規模蓄電池プロジェクトの世界平均として、2024年にキロワット時あたり約192ドルと整理している[2]。一方、EPCや系統接続、開発費を除いたターンキー価格の指標は、放電時間によって別の数字になる[2]。だから、1兆円を単純にキロワット時へ割り戻す比較は粗い。主役にするべきは容量換算ではなく、「運ぶ能力」と「運ばなくても一定時間生きる能力」のどちらを買うか、という問いだ。
送電線を増やさずに需要側の対策で混雑を和らげる Non-Wires Alternatives の実例も、条件による。Con Edison の Jamaica では社会費用便益が正（SCT 1.44）と報告され[17]、York Region では成長シナリオで純節約が大きい一方、低成長では純コストになる[18]。BPA の I-5 では、非配線案は送電プロジェクトの置き換えにはならず、条件付きの延期が論点だった[19]。
地理的に運ぶことが主なら送電側へ。現場の停電耐性と配電の制約が主なら、局所の自律へ。両方要る局面もある。
この考え方が届かないところ
地理的な平準化。季節のずれ。Dunkelflaute。大都市の負荷密度。データセンタ。製鉄などの重工業。半導体工場の電源品質。電鉄。大きな電動機。洋上風力のように適地が遠い電源。水力や原子力が担ってきた系統支援。長時間の貯蔵。多数のインバータが干渉し合う安定性。保護協調。直流故障の未解決部分。再同期と再並列。停電後の立ち上げの制度化。
ENTSO-E の柔軟性評価は、連系が不足を和らげる一方、広い範囲が同時に足りなくなる局面ではなお厳しいことを示している[12]。局所の自律を優先する考え方にも、はっきりした限界がある。
私たちが測れること
I-S3の現場では、SolarEdgeのようなモジュール単位の監視、自家消費の設計、EV充電と負荷の分担（A-Charge）、通信が切れても現場が動く設計を、すでに扱っている。
まだ足りない中核は、共通の直流母線とモジュール化した電源、GFM、意図的な単独運転、誤った指令の現場拒否、電源単位の電流制限から絶縁分離までの時間軸を、一つのセルとして測ることだ。通信が切れても重要負荷が持てるか。誤指令が境界の約束を越えられないか。一つのモジュールが壊れても母線全体が落ちないか。単独運転から戻せるか。そこを、これから実験として積み上げたい。
おわりに
近くで発電し、近くで蓄え、近くでバランスし、近くで測る。まず物理量を信じる。与えられる影響には上限を付ける。隣と境界を守る。通信は最適化のために使い、生き延びるための命綱にしない。波及する前に切る。小さく壊れる。安全なら戻る。既存の系統は、使えるときに使う。
中心にあるのは二つだ。広域に接続されていることは、広域を一括で制御することと同じではない。あらゆる故障を防ぐことが必要なシステムより、故障が小さく済むシステムを設計する。その「小さく」を物理で保証するのが、有界な寄与だ。
広域接続が広域制御を要求しない理由は、こう言い換えられるかもしれない。安定の条件を、「全員が正しく協調すること」に置かない。「一人が間違っても、境界を越えて大きな影響を与えられないこと」を安定の条件にできる——だから、つながっていても、一括で制御し続けなくてよい場面が増える。
歴史的に合理的だった巨大系統は、今も多くの役割を持つ。それでも、追加の投資をいつもその延長に積むのが最適とは限らない。現場の自律が勝つところへ資本を寄せ、地理や季節や大きな負荷で広域が勝つところでは送電と長時間の貯蔵を残す。その切り分けが、分散電源の時代の電力の設計だと思っている。
注
- IEA, *Batteries and Secure Energy Transitions*（リチウムイオン電池パック価格が2023年にUSD 140/kWh未満）。 ↩
- IRENA, *Renewable Power Generation Costs in 2024*（fully installed and commissioned の utility-scale BESS 世界平均として2024年に約USD 192/kWh。同資料の turnkey storage system cost は放電時間により約USD 148–165/kWhで、EPC・系統接続・開発費を除く）。 ↩
- NERC, *White Paper: Grid Forming Technology*。 ↩
- UNIFI Consortium, *Specifications for Grid-Forming Inverter-Based Resources* (Version 3)。 ↩
- FERC Order No. 2222。 ↩
- Martini et al., “The ELECTRA Web-of-Cells control architecture concept…”, AEIT 2018。セルは境界での合意された電力交換を内部柔軟性で維持する、と定義。 ↩
- ELECTRA Deliverable D3.3（規制枠組み）。局所問題をセル内で解くことで通信の複雑さを抑えうる、と整理。 ↩
- NREL, “Control Algorithms for Autonomous Energy Systems”。中央運用がデータと通信に圧倒されないよう決定を分解する、と説明。スケーラブル設計として hundreds of millions of devices を目標に明記。 ↩
- CISA, IR-ALERT-H-16-056-01（ウクライナのサイバー攻撃。約225,000顧客への影響）。 ↩
- IEEE Std 2030.7-2017, *Standard for the Specification of Microgrid Controllers*。 ↩
- IEEE 1547.4（意図的島運転に関する指針系列）。 ↩
- ENTSO-E, *System Flexibility Needs for the Energy Transition*。 ↩
- 例: Nandakumar et al., modular bidirectional solid-state DC circuit breaker（IEEE JESTPE）；multi-source DC microgrid における SSCB 協調（IEEE ECCE）。供給側の電流制限・独立停止を前提にした保護研究。 ↩
- DOE CESER関連報告；NLR/NREL *DER Cybersecurity Standards: Assessment and Gap Analysis*（DOI 10.2172/3015061）。 ↩
- OCCTO, “Long-term Electrical Power Transmission Network Expansion Plan…”, ベースラインでJPY 6.0–7.0 trillion、6–8 GW級HVDC。 ↩
- OCCTO評議会資料「広域系統長期方針（マスタープラン）の検討状況について」、必要投資額 約6.0〜7.0兆円、B/C 0.7〜1.5。 ↩
- Con Edison, Jamaica Non-Wires Solutions BCA（SCT 1.44）。NY DPS公開届出。 ↩
- IESO, *York Region NWA Demonstration Project – Evaluation Report*（2024）。 ↩
- BPA / E3, *I-5 Corridor Reinforcement Project Non-Wires Analysis, Phase 2*（2011）。 ↩