JP2007228690A

JP2007228690A - 過酷事故検出装置

Info

Publication number: JP2007228690A
Application number: JP2006045404A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Kitauchi; 義弘北内
Original assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Current assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Priority date: 2006-02-22
Filing date: 2006-02-22
Publication date: 2007-09-06

Abstract

【課題】遠方端での過酷事故を発電機の自端にて正確に検出する。
【解決手段】発電機Ｇの自端にて、この発電機Ｇの端子電圧Ｅａと力率角θの少なくとも一方の変化速度を取り出し、この変化速度が過酷事故の発生に相当する第１設定値Ｅ１、θ１を超えた値か否かを判断する第１判断手段と、変化速度が第１設定値Ｅ１、θ１を超えた値であるとき、更に発電機Ｇの端子電圧Ｅａと力率角θとの少なくとも一方の変化速度を取り出し、この変化速度が過酷事故の除去に相当する第２設定値を超えた値か否かを判断する第２判断手段とを備えるようにしている。
【選択図】図１

Description

本発明は、落雷などによる２回線のうちの１回線三相地絡事故（３ＬＧ）のような過酷事故を検出する装置に関するものである。さらに詳述すると、本発明は、遠方端の過酷事故を、制御が必要な発電機の自端情報として得る過酷事故検出装置に関するものである。

電力系統は、図９に簡略に例示される電力系統図のように、複数の発電機Ｇ１、Ｇ２で発電された電力がそれぞれ昇圧変圧器Ｔ１、Ｔ２を介して送電線ＳＬにて伝送され、更に１次変電所Ｔ３、Ｔ４を介して別の送電線ＳＬにて伝送され、そして２次変電所や配電線（図示省略）を介して需要家に送られる。この電力系統においては、発電機Ｇや変電所Ｔあるいは送電線ＳＬには，その容量に応じて安定して電力を伝送するため、発電・送電電力に制約が存在する。このうち、最大送電可能電力は、落雷などによる１回線三相地絡事故のような過酷な系統事故時での過渡安定度の制約によってきまることが多い。ところが、この２回線のうちの１回線三相地絡事故の発生頻度は、極めて低いため、定常運転では、最大送電可能電力より送電電力が小さい状態で運転されており、また発電機や送変電設備については、運転電圧の大きさに関して、機器耐量限界までの裕度（機器を破損することなく安全に運転できる範囲）を残す。

本発明者等は、この点に着目して機器耐量限界までの裕度を活用し、１回線三相地絡事故のような過酷な系統事故が発生した場合、残り１回線にて事故復旧までの短時間、発電機や送変電設備の電圧を高めに維持し、送電可能電力を維持・向上し、安定度を向上することを提案している（非特許文献１）。

この非特許文献１に示されているいわゆる短時間電圧高め制御方式を以下簡略して述べる。発電機至近端に１回線三相地絡事故のような過酷事故が生じた場合、発電機の端子電圧Ｅａは低下する。そして、この端子電圧Ｅａがある値に低下し、その後、事故回線の開放により事故が除去され、端子電圧Ｅａの大きさが復帰した後は、通常は約１秒後に、長くても１０秒程度以内で事故回線が再閉路される。そこで、発電機の端子電圧を一定に制御する自動電圧調整器（ＡＶＲという）の設定電圧を例えばこの１０秒間だけ高くすれば、送電可能電力を増加させることができる。つまり、発電機の自端情報である端子電圧を計測することにより発電機至近端の過酷事故を検出し、端子電圧Ｅａに関する機器耐量限界までの裕度を利用して一定時間例えば１０秒程度の間だけ端子電圧設定値を高めに制御することで、発電機内部相差角の加速を抑えることにより安定度を向上（限界送電電力を増加）させる方式である。ここで、発電機のＡＶＲ（自動電圧調整器）の端子電圧設定値に大きさΔＥａｓの信号を約１０秒間加える。この信号の起動条件は例えば端子電圧が端子電圧設定値より０．１ｐｕ以上低下した後でかつ０．０５ｐｕ以上復帰した場合に、端子電圧設定値を裕度の範囲内で高めに変更する信号を端子電圧設定値に加えるようにしている。

この場合、発電機の端子電圧は界磁電流制御にて上昇することになるので、Φ∝Ｅａ／ｆ（磁束∝端子電圧／周波数）の関係から磁束が増大し、絶縁破壊・過熱や振動の原因になる。したがって、図１０のような過励磁耐量曲線にて安全運転可能範囲を定め、この範囲内の制約基づいて発電機の運転が行われる。更に端子電圧Ｅａｓを安全運転可能範囲内において上昇させあるいは低下するにしても、急激な上昇あるいは下降は脱調を引き起こす可能がある。したがってこの脱度防止のためには、事故後の発電機回転数の動揺周期に応じたある程度の時間をとって端子電圧を高くしあるいは低くする必要がある。

このようにして過酷事故後の短時間にてＡＶＲの設定電圧の高め制御を行なった場合の特性が、図１１である。図１１においては、実際上端子電圧Ｅａｓを１０秒間ΔＥａｓだけ高めるとした時、図１０に示すようにＶ／ｆ（Ｅａ／ｆ）を約１．２ｐｕ以内に収め、脱調防止のため電圧上昇時２秒及び下降時４秒を採った特性を示している。この結果、この発電機の端子電圧高め制御により送電可能電力を増大させることができ、次式にて示すリアクタンスＸ、送受電端電圧Ｅａ、Ｖｒ、相差角δからなる電力Ｐの基本式に基づき送電端電圧Ｅａを高くすれば相差角δが小さくなり、過酷事故後の安定度を向上することができる。
Ｐ＝（Ｅａ×Ｖｒ／Ｘ）ｓｉｎδ

北内「機器耐量限界までの裕度を用いた安定度向上方式一短時間電圧高め制御による送電可能電力の増大−」，電力中央研究所研究報告TO3045，H16（2004）年4月

上述の発電機の端子電圧高め制御では、発電機至近端にて過酷事故が生じた場合を予定し、言い換えれば事故点近傍の発電機のみの自端情報を取り込んで、その発電機端子電圧Ｅａの高め制御を行なうものである。しかしながら、この電圧高め制御を実系統にて効果的に適用するためには、過酷事故に係る相互に連系する発電機の制御が必要であり、このため発電機にとって遠方端の過酷事故を正確に検出する必要がある。通常、遠方端の事故の発生は、予め系統全体に系統事故検出装置を設置しておき、この系統事故検出装置によって系統各所の電圧、有効電力並びに無効電力を計測し、その情報を通信システムを用いて転送することにより過酷事故を検出する必要がある。しかしながら、通信システムの構築には多大なコストがかかりコスト低減の障害となる。また、発電機の端子電圧を計測することにより発電機至近端の過酷事故を検出しようとしているため、例えば負荷が徐々に増加して電圧がゆっくりと下がって行く場合にも、三相地絡事故が発生したと誤認識してしまう可能性がある。

更には、最近の電力市場の自由化に伴い、刻々と変化する電力系統の状態量を正確に把握し、過酷事故を自端にて検出することによって電力設備の運用制御を行うことは、電力系統の信頼性を確保し経済的な運用を目指す点からも必要である。

本発明は、遠方端での過酷事故を自端にて正確に検出することにより、電圧高め制御を実系統へ効果的に適用することを可能とすると共に、電力系統の状態量を正確に把握して電力系統の信頼性を確保し経済的な運用を可能とする過酷事故検出装置の提供を目的とする。

かかる目的を達成するために、請求項１にかかる発明は、電力系統での過酷事故を発電機を基端とする情報に基づいて検出する過酷事故検出装置において、発電機の自端にて、この発電機の端子電圧と力率角との少なくとも一方の変化速度を取り出し、この変化速度が過酷事故の発生に相当する第１設定値を超えた値か否かを判断して超えたときに事故発生を検出する第１判断手段と、前記変化速度が第１設定値を超えた値であるとき、更に発電機の端子電圧と力率角との少なくとも一方の変化速度を取り出し、この変化速度が過酷事故の除去に相当する第２設定値を超えたときに事故除去を判断する第２判断手段とを備えるようにしている。

三相地絡事故が発生した時には、急激に電圧及び有効電力が減少し、無効電力が増加する。他方、三相地絡事故の除去（事故回線開放）時には、その逆即ち急激に無効電力が減少し、電圧及び有効電力が増加する。そこで、発電機の端子電圧の減少、増加速度および力率角θ（無効電力÷有効電力のアークタンジェント成分）の増加・減少速度により、遠方端の三相地絡事故を検出することができる。

また、請求項２にかかる発明は、請求項１記載の発明における第１判断手段は前記端子電圧と力率角の双方の変化速度が前記第１設定値を超えたときの論理積をとり、前記第２判断手段は前記第１判断手段のゲート信号並びに前記端子電圧と力率角の双方の変化速度が前記第２設定値を超えたときの論理積をとり、そのゲート信号を前記発電機の自動電圧調整器の端子電圧設定値を制御する制御手段に出力するものであることが好ましい。

また、請求項３にかかる発明は、請求項１または２にかかる発明において、第２判断手段にて変化速度が第２設定値を超えた値であるとき、発電機の端子電圧を脱調を起こさずに上昇及び降下させて耐量限界内にて一定期間高く保持する制御を、発電機の自動電圧調整器に入力される電圧設定器からの設定電圧を変えて行なう電圧制御器を備えたものであることが好ましい。

また、請求項４にかかる発明は、請求項１または２にかかる発明において、自動電圧調整器が系統安定化装置付き自動電圧調整器であることが好ましい。

また、請求項５にかかる発明は、請求項１から４のいずれか１つに記載の発明において、変化速度が第１設定値を超えた値であるとき、継電器の作動時間に相応して待機する保持手段を備えることが好ましい。

請求項１にかかる発明によれば、発電機の端子電圧の減少、増加速度および力率角θの増加・減少速度により、三相地絡事故を検出することができるので、発電機の自端にて遠方端での過酷事故を直ちにそして正確に検出することができ、過酷事故での電力系統の状態量を正確に把握して電力系統の信頼性を確保し、経済的な運用を可能とする。殊に、端子電圧と力率角の双方の変化速度のアンド（論理積）を採って設定値の値を超えたか否かの判断をする場合には、状態量の正確な把握と電力系統の信頼性の確保は十分なものとなる。

また、請求項３にかかる発明によれば、発電機の自端にて従来のように至近端のみならず遠方端での過酷事故を直ちにそして正確に検出することができ、いわゆる電圧高め制御を実系統へ効果的に適用することが可能となる。

また、請求項４にかかる発明によれば、系統安定化装置によって過酷事故の連系線での限界送電電力を一層向上することができる。

また、請求項５にかかる発明によれば、過酷事故時の継電器の動作をも踏まえることにより、過酷事故除去の一層確実な検出が可能となる。

以下、本発明の構成を図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。

図１〜図４に本発明にかかる過酷事故検出装置の一実施形態を示す。まず、図１に本発明の実施形態にかかる過去事故検出装置を含む発電電気設備の構成例を示すブロック図を示す。界磁巻線Ｆを有する発電機Ｇには、その発電電力を送出する出力ライン１を備え、界磁巻線Ｆには自動電圧調整器（ＡＶＲという）２が接続されている。ＡＶＲ２の一方の入力端子は出力ライン１に接続され、他方の入力端子は設定電圧Ｅａｓを出力する電圧設定器３に接続されている。更にＡＶＲ２の他方の入力端子は、端子電圧高め制御を行なう電圧制御器８の出力端子に接続されている。電圧制御器８に接続される事故検出器４の入力端子は、有効電力（Ｐ）検出器５、無効電力（Ｑ）検出器６、及び出力ライン１に直接接続されている。また、ここでは、９は、電流検出のための変流器である。

ここで、ＡＶＲ２は、例えば図２に示すような簡略構成を成し、発電機Ｇの端子電圧Ｅａと電圧設定器３からの設定電圧Ｅａｓとを比較する比較部２１、この比較部２１の出力に応じて界磁電圧を制御することにより、界磁電流を界磁巻線Ｆに流す励磁部２２を有する。そして、このＡＶＲ２では、端子電圧Ｅａと設定電圧Ｅａｓとを比較し、その比較の差分にて励磁部２２を制御し、端子電圧Ｅａが設定電圧Ｅａｓとなるように界磁電圧および界磁電流を制御する。尚この比較部２１は、電圧制御器８の出力も接続される。

ＡＶＲ２の設定電圧Ｅａｓの信号に追加される信号を出力する電圧制御器８は、前述した電圧高め制御を実行するようにプログラムされた制御器である。すなわち、図３にて例示するように過酷事故発生から（過酷事故除去された後）０．１秒経過した後に２秒かけてΔＥａｓまで上昇し、その状態で１０秒保持してから今度は４秒かけて元に戻る特性を有する。この電圧の上昇及び下降の時間は、発電機の脱調防止のための時間であり、またΔＥａｓは、前述のように過励磁耐量曲線の安全運転可能範囲での電圧上昇分である。

事故検出器４は、例えば図４に示すようにブロック構成を有する。この図４においては、端子電圧Ｅａを出力ライン１から取り込み、リセット回路４１にて端子電圧Ｅａの変化速度ｄＥを得ると共に、図１に示すＰ検出器５及びＱ検出器６から演算器４２にて力率角θを演算し、次いでリセット回路４３にて力率角θの変化速度ｄθを得る。ここで、リセット回路４１、４３の時定数０．２は、偏差のパラメータであるが、ここでは後述の継電器の作動時間を考慮して決定している。

リセット回路４１、４３の出力である変化速度ｄＥ、ｄθは、判断部４４、４５に入力されて変化速度ｄＥ、ｄθが過酷事故に当るか否か判断される。すなわち、判断部４４では、変化速度ｄＥ（負号で表す）がある値Ｅ１よりも小さいか否か判断される。言い換えれば１回線三相地絡のような事故では端子電圧が急激に降下することになるので、判断部４４では、端子電圧の降下速度の程度がある値を超えるほど小さくなるか否かを判断しており、このＥ１(第１設定値)はその閾値である。また、判断部４５では、変化速度ｄθがある値θ１よりも大きいか否か判断される。ここでは、１回線三相地絡のような事故では有効電力Ｐが急激に減少し無効電力Ｑが極めて増大することに鑑み、力率角の変化速度ｄθが極端に大きくなるので、判断部４５では、力率角の増大の程度がある値を超えるほど大きくなるか否かの変化速度即ち変化率を判断しており、このθ１（第１設定値）はその閾値である。

判断部４４、４５の出力は、ＡＮＤ回路４６に入力され、このＡＮＤ回路４６では、判断部４４でのｄＥが閾値Ｅ１より小さく判断部４５でのｄθが閾値θ１より大きい場合は、ＡＮＤ出力が得られる。この結果、判定部４７では、１回線三相地絡の過酷事故の発生が判定される。以上が第１判断手段である。

判定部４７の後段には、過酷事故の発生後の一定時間だけゲート信号を保持する保持部４８（保持手段）を有する。ここでは過酷事故の除去がされているかを確認するため主保護の他にＰＣＭ電流差動継電器や距離継電器（図示省略）の作動を待機する機能を有する。なお、図中０．４秒は、距離継電器の過酷事故除去不能の時限に相応する保持時間の一例である。

保持部４８による一定時間（例えば０．４秒）経過以前に、過酷事故が除去されることによって上述の過酷事故の発生とは逆の現象が生じ、変化速度ｄＥ、ｄθが過酷事故の除去に当るか否か判断される。判断部４９では、変化速度ｄＥ（負号で表す）がある値Ｅ２よりも大きいか否かが判断される。過酷事故の除去によって端子電圧が急激に上昇することになるので、判断部４９では、端子電圧の上昇速度の程度即ち変化率を判断しており、このＥ２(第２設定値)はその閾値である。また、判断部５０では、変化速度ｄθがある値θ２よりも小さいか否かが判断される。ここでは、変化速度ｄθが極端に小さくなるので、判断部５０では、力率角の減少速度の程度即ち変化率を判断しており、このθ２（第２設定値）はその閾値である。

判断部４９、５０の出力は、保持部４８の事故発生出力と共にＡＮＤ回路５１に入力され、このＡＮＤ回路５１では、判断部４９でのｄＥが閾値Ｅ２より大きく判断部５０でのｄθが閾値θ２より小さい場合は、ＡＮＤ出力が得られる。この結果、判定部５２では、１回線三相地絡の過酷事故の除去が判定される。以上が第２判断手段である。尚、図４において、端子電圧高め制御の起動条件の一例としてＥ１＝−０．１ｐｕ、Ｅ２＝−０．０５ｐｕ、θ１＝１０度、θ２＝５度が挙げられる。

上述の第１判断手段及び第２判断手段の説明は、過酷事故の発生及び除去を確実に判断するため端子電圧の変化速度と力率角の変化速度の双方を基準とした。しかし、端子電圧の変化速度と力率角の変化速度の少なくとも一方のみの情報でも過酷事故の発生及び除去の検出は可能である。さらに、保持部４８は、過酷事故の除去検出を確実に行なうために設けられており、場合によってはなくても良い。

図５に示す電気学会ＷＥＳＴ３０機系統モデルを用い、発電機Ｇ１〜Ｇ８を用いて過酷事故発生地点でのシミュレーションを行った。その結果を図６に示す。ここでは、図５においてブランチ１１００左側にて発生した事故にてブランチ１０９０と１１００との送電可能電力を「電力系統動特性解析プログラム」を用いてシミュレートした。この際、事故発生及び事故除去での端子電圧Ｅａの変化速度ｄＥと力率角θの変化速度ｄθの特性を図６にて示す。この図６にて横軸の時間０．００は事故発生時刻、時間０．０７は事故除去時刻を示す。そして、図中Ｇ１〜Ｇ８の表示は図５のモデルに示す発電機自端での事故検出器の変化速度の変化を示す。図６では図示のとおり事故発生にて変化速度ｄＥが閾値Ｅ１より小さく変化速度ｄθが閾値θ１より大きくなっており、また事故除去にて変化速度ｄＥが閾値Ｅ２より大きく変化速度ｄθが閾値θ２より小さくなっている。

この図５、図６から判明するように、至近端の発電機Ｇ３などのみならず遠方端での発電機Ｇ８などによる自端事故検出器での過酷事故の検出が可能となった。

図１に基づく事故検出器４での事故検出のみにて電力系統の運用状態の把握が可能であり、また事故検出器４の事故検出と除去を契機として電圧制御器８にてＡＶＲ２に対し電圧高め制御を行うことができる。更に本実施形態では、ＡＶＲ２に対して系統安定化装置（ＰＳＳという）を接続し電力動揺を抑えることで、更なる安定度を向上させることができる。ＰＳＳは、基本的には、図７に示すようにリセット回路７１、ゲイン７２、位相調整回路７３、リミッタ７４からなり、この入力としては有効電力Ｐ、無効電力Ｑ、回転数ωが挙げられる。そしてこのＰＳＳでは、その入力によっていわゆるΔＰ形ＰＳＳ，ΔＰ＋Δω形ＰＳＳ、多入力ＰＳＳに分けることができる。なお、多入力ＰＳＳについてはいわゆる過渡安定度向上論理を加える。これら各種ＰＳＳとＡＶＲとの組み合わせ、及び電圧高め制御の有無との組み合わせにてシミュレートした結果、図８のように電圧高め制御と各種ＰＳＳとの組合わせにて限界送電電力が各段に向上した。

本発明の実施形態を示すブロック図である。ＡＶＲの簡略ブロック図である。電圧高め制御のための電圧制御器のブロック図である。事故検出器のブロック図である。ＷＥＳＴ３０系統モデルの一部を示す図である。シミュレーションによる変化速度の特性線図である。ＰＳＳの基本ブロック図である。ＰＳＳと電圧高め制御の組合せによる限界送電電力の特性図である。電力系統の簡略図である。Ｖ／ｆ特性による過励磁耐量曲線図である。電圧高め制御の特性線図である。

符号の説明

２ＡＶＲ
３電圧設定器
４事故検出器
８電圧制御器
２１比較部
２２励磁部
４１、４３リセット回路
４２演算部、
４４、４５、４９、５０判断部
４７、５２判定部、
４８保持部。

Claims

電力系統での過酷事故を発電機を基端とする情報に基づいて検出する過酷事故検出装置において、前記発電機の自端にて、この発電機の端子電圧と力率角との少なくとも一方の変化速度を取り出し、この変化速度が前記過酷事故の発生に相当する第１設定値を超えた値か否かを判断して超えたときに事故発生を検出する第１判断手段と、前記変化速度が前記第１設定値を超えた値であるとき、更に前記発電機の端子電圧と力率角との少なくとも一方の変化速度を取り出し、この変化速度が前記過酷事故の除去に相当する第２設定値を超えたときに事故除去を判断する第２判断手段とを備えるものであることを特徴とする過酷事故検出装置。
前記第１判断手段は前記端子電圧と力率角の双方の変化速度が前記第１設定値を超えたときの論理積をとり、前記第２判断手段は前記第１判断手段のゲート信号並びに前記端子電圧と力率角の双方の変化速度が前記第２設定値を超えたときの論理積をとり、そのゲート信号を前記発電機の自動電圧調整器の端子電圧設定値を制御する制御手段に出力するものである請求項１記載の過酷事故検出装置。
前記第２判断手段にて前記変化速度が第２設定値を超えた値であるとき、前記発電機の端子電圧を脱調を起こさずに上昇及び降下させて耐量限界内にて一定期間高く保持する制御を、前記発電機の自動電圧調整器に入力される電圧設定器からの端子電圧設定値を高めに制御することにより、発電機内部の相差角の加速を押さえることにより系統安定度を向上させることを特徴とする請求項１または２に記載の過酷事故検出装置。
前記自動電圧調整器は、系統安定化装置付き自動電圧調整器であることを特徴とする請求項２または３に記載の過酷事故検出装置。
前記変化速度が前記第１設定値を超えた値であるとき、継電器の作動時間に相応して待機する保持手段を備えたことを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の過酷事故検出装置。