JP2012034452A - スマートグリッドの監視制御方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スマートグリッド内の分散型電源の周波数制御を、商用電力系統と協調して安定かつ効率的に行い得る監視制御方法及び装置を提供する。
【解決手段】本発明では、複数の発電機と負荷を備え、連系用遮断器を介して商用電力系統に連系されて運用されるスマートグリッドの監視制御装置において、総電力需要と母線周波数を用いて連携された系統の周波数制御能力を算出する周波数制御能力算出部、周波数制御能力算出部の系統の周波数制御能力から商用電力系統の周波数制御能力を算出し、その大きさから連系または単独運転を判別する単独・連系運転検出部を備える。
【選択図】図１

Description

本発明はディーゼル発電機、ガスタービン発電機や自然エネルギーを利用する分散型電源などから構成されるスマートグリッドにおいて、負荷変動や事故時に分散電源を統合的かつ自律的に制御することによって、安定運転を実現するスマートグリッドの監視制御方法及び装置に関する。

スマートグリッドとは、最新のディジタル情報通信技術を活用することで、さまざまな集中型電源（水力・火力・原子力発電など）、送配電ネットワーク及び分散型電源（太陽光・風力発電・ディーゼル発電機など）と需要家（オフィス、工場、一般家庭）の情報を統合し、効率的に連系管理・運用する電力供給ネットワークの実現を目指すものである。スマートグリッドのネットワークでは、電気の流れを監視・管理すると同時に、発電設備と需要家との間で電気と情報を双方向に流すことが可能となる。

そのためには、今後は負荷変動に対する補償を商用系統に頼らず、スマートグリッド自体により電圧・周波数の安定化を行う自立運転することも必要と考えられ、またそのような分散型電源の独立運転を行うことは商用系統に対する分散型電源の自立性を高めるためにも重要であると考えられる。

これら需要地に近接して分散配置されるスマートグリッドは、既存の大規模電源を補完する役割を持つものとして注目されてきており、その役割を十分に発揮していくためには、既存の商用電力系統に連系させる必要がある。

ところで、商用電力系統に接続されたスマートグリッドは、送電線、配電線事故などにより他の一般需要家負荷を含んで単独運転になった場合、電力の供給信頼度や保守上の観点から、できるだけ速やかに配電系統から他の一般需要家負荷を解列することが要求される。ここで、単独運転とは、大規模電源からの電力供給が停止してもスマートグリッドだけで電力を供給し続ける状態を言う。

このため、スマートグリッドの単独運転を検出するものとして、種々の単独運転検出装置が開発され、実用化されている。これら単独運転検出装置は、大きく分けて、受動方式と能動方式に分類される。

受動方式の単独運転検出装置は、分散電源の連系点における電圧、周波数の変動、高周波ひずみの変動、位相変動などの測定可能な状態量を常時監視し、単独運転状態になったときにこれらの値が通常の系統連系時よりも大きく変動することを利用して単独運転を検出するものである。たとえば特許文献１では、単独運転が発生すると発電機の出力周波数が変動する場合があることから、この時周波数変化率がしきい値以上になったときに、単独運転を検出する。

また、能動方式の単独運転検出装置は、スマートグリッド側から系統に常時外乱を与えて、単独系統発生時に電圧や周波数などの系統現象を観測し、単独運転を早期に検出するものである。特許文献２では、商用電力系統に存在しない次数間高調波を注入し、異常時の系統インピーダンスを検出することで、単独運転状態を検出している。ただしこの方式は系統にコンデンサが常時接続されており、フリッカ負荷などのような系統ノイズが大きい場合には不要動作の原因となるため、事前計測などの調査が必要である。

特開２００２−２８１６７３号公報 特許第３３６７３７１号

多数の分散型電源から構成される自家発電設備を連系してスマートグリッドを構成する場合、分散型電源を効率的かつ経済的に運転するためには、既存の商用電力系統に連系させる必要がある。

この連系運転は、分散型電源にベースロードを負担させ、ベースロードを越える負荷は商用電力系統により対応することが基本となっている。すなわち、分散型電源を定負荷にて連続運転することでベースロードに見合う発電量を確保して、ベースロードを越える負荷はその変動に応じて商用系統からの受電量を調整することにより、その全体でスマートグリッド全体の需要を満たすようにしている。

この運用は商用系統側から見ると、負荷変動に伴う電圧や周波数の変動を補償するための調整機能が高度に要求されることを意味しており、今後、分散型電源が広く普及すると商用系統の負担が一層大きくなることが懸念される。

そのため、今後は負荷変動に対する補償を商用系統に頼らず、分散型電源自体により電圧・周波数の安定化を行うことも必要と考えられ、またそのような分散型電源の独立運転を行うことは商用系統に対する分散型電源の自立性を高めるためにも重要であると考えられる。既に欧州では分散電源に周波数制御機能を要求するような系統連系基準が公表されている。

以上の事情から、スマートグリッド内の分散型電源の周波数制御を、商用電力系統と協調して安定かつ効率的に行い得る監視制御手法の開発が不可欠であるとされ、本発明はそれを可能とする有効適切なスマートグリッドの監視制御方法及び装置を提供することを目的としている。

本発明では、複数の発電機と負荷を備え、商用電力系統に連系されて運用されるスマートグリッドの監視制御方法において、商用電力系統の周波数制御能力を算出し、その大きさから連系または単独運転を判別する。

また、商用電力系統とスマートグリッドの連系と判別されたときに、スマートグリッド内発電機のガバナフリー容量を商用電力系統の周波数制御能力に応じて調整する。

また、商用電力系統とスマートグリッドの周波数制御能力を比較し、商用電力系統の周波数制御能力に合致すべくスマートグリッド内発電機のガバナフリー容量を調整する。

また、スマートグリッドの単独運転と判別されたときに、スマートグリッドの目標周波数変動に応じて、ガバナフリー容量を決定する。

また、商用電力系統の周波数制御能力の変化からスマートグリッドの単独運転と判別されたときに、商用電力系統とスマートグリッドの連系用の遮断器に開放指令を与える。

また、商用電力系統の周波数制御能力の変化からスマートグリッドの単独運転と判別され、かつ能動型単独運転判定手段の判別結果の一致を持って、商用電力系統とスマートグリッドの連系用の遮断器に開放指令を与える。

また、系統負荷の短周期変動成分の時系列的標準偏差と、系統周波数の短周期変動成分の時系列的標準偏差の比として、周波数制御能力を算出する。

また、大きさから連系または単独運転を判別するための周波数制御能力は、商用電力系統とスマートグリッドが連携された系統の周波数制御能力とされる。

本発明では、複数の発電機と負荷を備え、連系用遮断器を介して商用電力系統に連系されて運用されるスマートグリッドの監視制御装置において、総電力需要と母線周波数を用いて連携された系統の周波数制御能力を算出する周波数制御能力算出部、周波数制御能力算出部の系統の周波数制御能力から商用電力系統の周波数制御能力を算出し、その大きさから連系または単独運転を判別する単独・連系運転検出部を備える。

また、単独・連系運転検出部が連系と判別したときに、スマートグリッド内発電機のガバナフリー容量を商用電力系統の周波数制御能力に応じて調整する協調運転制御部を備える。

また、単独・連系運転検出部は、商用電力系統とスマートグリッドの周波数制御能力を算出し、協調運転制御部は、商用電力系統の周波数制御能力に合致すべくスマートグリッド内発電機のガバナフリー容量を調整する。

また、単独・連系運転検出部が単独と判別したときに、スマートグリッドの目標周波数変動に応じて、ガバナフリー容量を決定する単独運転制御部を備える。

また、単独・連系運転検出部が単独と判別したときに、商用電力系統とスマートグリッドの間の前記連系用遮断器に開放指令を与える連系用遮断器制御部を備える。

また、連系用遮断器制御部は、単独・連系運転検出部が単独と判別し、かつ能動型単独運転判定手段の判別結果の一致を持って、商用電力系統とスマートグリッドの間の連系用遮断器に開放指令を与える。

また、周波数制御能力算出部は、系統負荷の短周期変動成分の時系列的標準偏差と、系統周波数の短周期変動成分の時系列的標準偏差の比として、周波数制御能力を算出する。

本発明によれば、商用系統と連系している場合には、系統容量に見合った周波数制御能力を期待できるので、必要以上の分散型電源の周波数制御能力や電力貯蔵機能を要求しなくて済む。また商用系統に高度のアンシラリー機能を要求することがなく、したがって商用系統に大きな負担を強いることなく分散型電源との連系が可能となり、また太陽光や風力といった自然エネルギーを利用する分散型電源の発電量の変動も同様に補償でき、分散型電源の自立性や信頼性を十分に高めることが可能である。

スマートグリッドと、その監視制御装置の全体構成を示す図。 スマートグリッド内発生電力と負荷の関係を、模式的に示した図。 図２を等価的な周波数制御における伝達関数モデルで示した図。 商用電力系統とスマートグリッドを連系した系統を示す図。 スマートグリッド監視制御装置の１Ａ，１Ｂ，１Ｃを示す図。 周波数制御能力算出処理１Ａを示すフロー図。 単独・連系運転検出処理１Ｂを示すフロー図。 協調運転制御処理１Ｃを示すフロー図。 スマートグリッド監視制御装置の１Ａ，１Ｂ，１Ｄを示す図。 スマートグリッド監視制御装置の１Ａ，１Ｂ，１Ｅを示す図。

以下本発明を実施するための形態について図面を参照して説明する。

図１は、スマートグリッドを構成する電力系統と、その監視制御装置１の全体構成を示している。

まず、スマートグリッド２Ｂを構成する電力系統について説明する。スマートグリッド２Ｂには、スマートグリッド母線５が設置されており、スマートグリッド母線５は、連系用変圧器４、連系用遮断器７７、連系用送電線３を介して商用電力系統２Ａに接続可能とされている。スマートグリッド母線５としては、ループ構成、メッシュ構成または放射状構成などが考えられるが、図１ではループ構成の例を示している。

スマートグリッド母線５には複数の電源、負荷が接続されている。電源としては、例えば複数の発電機８が設置されており、遮断器７、発電機母線１５、発電機用変圧器６を介してスマートグリッド母線５に接続されている。また負荷９が、遮断器７、電力線１９を介して、発電機母線１５に接続されている。

一般に、スマートグリッド系統２Ｂは、このような複数の電源８、発電機用変圧器６、負荷９等によって構成されているが、さらに電源として電力貯蔵装置１０、交流・直流変換装置１３、風力発電設備１１や太陽光発電設備１２等が設置される場合もある。

スマートグリッドを構成する電力系統は、概略以上のようなものであるが、この監視制御装置１は、電力系統を構成する電源（発電機８、電力貯蔵装置１０、交流・直流変換装置１３、風力発電設備１１や太陽光発電設備１２等）や負荷９における供給電力や負荷についての状態を常時、検出端末高速伝送装置１４を介して取り込んでいる。また、監視制御装置１は、スマートグリッド系統２Ｂ内の複数の発電機８に対して、その起動・停止を指令し、また出力変更指令値、制御モード指令値を与える。

なお、通常の大規模電力系統では、総発電電力や総負荷として、これらをマクロに取り込み、電力系統の制御に反映することはできるが、スマートグリッド監視制御装置１では、規模が小さいこともあり、各発電機８や、各負荷９における供給電力や負荷についての状態を取り込む点に特徴がある。

スマートグリッド監視制御装置１は、周波数制御能力算出部１Ａ，単独・連系運転検出部１Ｂ，協調運転制御部１Ｃ，単独運転制御部１Ｄ，連系用遮断器制御部１Ｅなどで構成されるが、この詳細については別途図を用いて詳細に説明する。

図２は、スマートグリッド内の発生電力Ｐ_ＧＯと負荷Ｐ_Ｌの関係を、一点モデルとして模式的に示した図である。このうち、発生電力Ｐ_ＧＯは、発電機８に機械結合された原動機１６に与える燃料タンク１７からの燃料量を、調速装置１８により制御することで決定される。負荷９は、送電線１９、母線１５を介して発電機と電気的に接続されており、負荷の大きさＰ_Ｌは負荷側の事情により決定される。

調速装置１８は、発電機８の回転数、従って電力系統の周波数を一定に制御しており、発電機８の出力Ｐ_ＧＯと負荷９の大きさＰ_Ｌが等しければ、電力の需要と供給がバランスし、周波数を定格値に保つ。

しかし負荷９が変動し、発電機出力とアンバランスになると、周波数が変動する。周波数は、発電機８の出力が負荷の大きさに比べて過剰になると上昇する。逆に発電機出力が負荷の大きさに比べて不足すると、周波数は下降する。この時調速機１８は、発電機の周波数により需給アンバランスを検出して、燃料タンク１７からの燃料などを制御して、原動機１６に与える。周波数上昇の場合には燃料タンク１７からの燃料を減らして原動機１６を減速方向とし、周波数下降の場合には燃料タンク１７からの燃料を増やして原動機１６を加速方向とする。

図２で説明した上記の関係は、スマートグリッドばかりでなく、一般の商用電力系統でも成り立つ関係であるが、電力需給のアンバランスにより周波数の変動を生じたときに、安定状態に復旧してこの安定を保つには周波数制御能力が高い必要がある。そのため、周波数制御能力を数値化して把握し、常時から評価しておく必要がある。

以下、周波数制御能力を数値化して把握することについて、数式を用いて説明する。周波数制御能力の数値化は、最終的には、（９）式または（１０）式の関係から求めることができる。この結論は、図２の電力の需要と供給がもたらす電力系統の運動方程式（１）式から導かれる。なお、周波数変動現象を対象とするときは系統発電機の位相角動揺に関する項は無視でき、発電機慣性を考慮すればよい。

ここで、Ｍは発電機慣性定数、Ｄ（ｆ）は負荷の周波数特性関数、Δｆは周波数偏差、μ（ｆ）は調速機の周波数特性関数である。

（１）式をラプラス変換すると、（２）式となる。但しｓはラプラス演算子である。

ここで、負荷の周波数特性関数の項Ｄ（ｓ）と，調速機の周波数特性関数の項μ（ｓ）は、それぞれ（３）（４）式で表される。

ここで、Ｋ_Ｌは負荷周波数特性定数（単位系統容量あたり）、Ｔ_Ｌは負荷周波数特性時定数、Ｋ_Ｇは発電機周波数特性定数（単位系統容量あたり）、Ｔ_Ｇは発電機周波数特性時定数である。

なお、周波数制御能力の数値化とは、（３）（４）式を構成する周波数特性定数の具体数値を算出することであり、以下、この具体数値を求めることについて説明する。

図２の電気回路モデルを等価的な周波数制御における伝達関数モデルとして表現したのが図３である。図３において、７０は（３）式で表される負荷９の周波数特性モデル、７１は発電機８の慣性モデル、７２は（４）式で表される発電機８の周波数特性モデルである。

この伝達関数モデルは、ごく簡単には、発電機８に与えられた原動機１６の機械トルク初期値Ｔｍｏと、負荷トルク初期値ＴＬｏの状態において、電気出力の差分ΔＰが発電機８の慣性Ｍの元に積分されて発電機角速度Δωとなって現れ、この結果が一次遅れ回路で表現された発電機８の周波数特性モデル７２と、負荷９の周波数特性モデル７０に与えられ、それぞれ最終的に原動機１６の機械トルク初期値Ｔｍｏと、負荷トルク初期値ＴＬｏに対する電気出力として、帰還されることを意味している。従ってこの回路では、機械入力Ｔｍｏと電気出力が一致すれば周波数も一定に安定することになる。

ところで、負荷は周波数が上がると消費電力が増加し、下がると消費電力も減少するという特性を持っており、この特性を負荷の周波数特性という。消費電力の変わり方は負荷によって相当異なり、例えば同期電動機負荷は周波数変化の影響をまともに受けるが、誘導電動機負荷にはすべりというクッションがあり周波数変化の影響が少ない。また電灯・電熱負荷は周波数変化の影響をほとんど受けない。さらに、太陽光発電と組合わせて設置する交流・直流変換装置や風力発電については負荷として扱うことができる。従って負荷がどのような割合で存在するかによって、総合特性が決定される。

また、周波数の変化に対する発電力の変化としては、発電機の慣性、発電機相互間の位相差により生ずる同期化力、調速機動作による出力変化などがある。これらのうち、定常状態で考慮すべきなのは、調速機動作による出力変化のみである。

ところで、ランダムに発生する負荷変動を数式で表現すると、定常状態における統計的な周波数変動Δｆｉ（ｓ）は、近似的に以下のようになる。ランダムな負荷変動ΔＰｉ（ｓ）を負荷の多数回のステップ的変動の総和と考えると、ｉ番目の負荷ΔＰｉのステップ変化に対応する周波数変動のラプラス変換は（５）式で表現される。

（５）式において、定常状態における周波数Δｆｉは最終値定理により、（６）式で表すことができる。

さらに、十分大きなＮ個の周波数観測データに基づいて周波数変動の標準偏差をσ_Δｆとすると、（７）式が得られる。

また、負荷変動の標準偏差をσ_ΔＰとすると、（６）式より（８）式が得られる。

従って周波数変動の標準偏差σ_Δｆと負荷変動の標準偏差σ_ΔＰとの間には（９）式の関係が成り立つ。

上記の数式を用いた説明は、図２のモデル系統で表現されたスマートグリッド２Ｂの場合であるが、スマートグリッド２Ｂは、図４に示すように商用電力系統２Ａと連系されて使用されることがある。この連系電力系統を構成する場合においても、先に説明した（９）式の関係は成立する。

図４に示すようにスマートグリッド２Ｂと商用電力系統２Ａが連系されている場合には、商用電力系統２Ａは大きな容量を持つ発電機と考えられるので、周波数変動の標準偏差σ_Δｆ２と負荷変動の標準偏差σ_ΔＰとの間には（１０）式の関係が成り立つ。

ここで、Ｋ_ＬＳはスマートグリッド内の負荷周波数特性定数（単位系統容量あたり）、Ｋ_ＧＳはスマートグリッド内の発電機周波数特性定数（単位系統容量あたり）、Ｐ_ＧＳはスマートグリッド内の発電機定格容量の総和、Ｋ_ＬＣは商用電力系統内の負荷周波数特性定数（単位系統容量あたり）、Ｋ_ＧＣは商用電力系統内の発電機周波数特性定数（単位系統容量あたり）、Ｐ_ＧＣは商用電力系統内の発電機定格容量の総和である。

本発明では、最終的に（９）（１０）式を求めているが、ここで（９）式は、図１のスマートグリッド２Ｂが単独運転するときに成立する関係であり、（１０）式は、図１においてスマートグリッド２Ｂと商用電力系統２Ａが連系しているときに成立する関係である。これらの式において、周波数変動の標準偏差σ_Δｆまたは、σ_Δｆ２と、負荷変動の標準偏差σ_ΔＰは、電力系統の周波数または負荷の実測データから導出できる値である。従ってこれら実測値の比として、（９）（１０）式の定数部分の値がそれぞれ得られ、この得られた数値を、周波数制御能力の評価数値として把握する。

上記の関係を利用して、スマートグリッド２Ｂと商用電力系統２Ａが連系して使用される協調運転のときのスマートグリッド２Ｂ内の発電機制御、単独運転とされたときの発電機制御、ならびに協調運転から単独運転に移行するときの遮断器制御について、以下順次図５、図９、図１０の実施例に基づき説明する。

なお、これら各図の実施例のスマートグリッド監視制御装置１は、例えば、ディジタル計算機により構成され、上記の関係を利用する機能として、標準的に周波数制御能力算出部１Ａと、ガバナフリー発電機設定部１Ｂを備えている。更にその上で、個別に図５では協調運転制御部１Ｃ，図９では単独運転制御部１Ｄ，図１０では連系用遮断器制御部１Ｅを備えている。

図５は、スマートグリッド監視制御装置１の機能１Ａ，１Ｂ，１Ｃを示すブロック図である。ここでは、スマートグリッド２Ｂと商用電力系統２Ａが連系して使用される協調運転のときのスマートグリッド２Ｂ内の発電機制御について説明する。図５は、標準機能としての周波数制御能力算出部１Ａ、ガバナフリー発電機設定部１Ｂと、個別機能としての協調運転制御部１Ｃから構成される。

これら一連の処理を実行するために、スマートグリッド監視制御装置１では、図１のスマートグリッド２Ｂ内外の全ての電源の発生電力を例えば１秒周期で求め、その各周期での合計値として総電力需要２０を入力している。また、（スマートグリッド）母線周波数を例えば１秒周期で求め母線周波数２１として入力している。なお、スマートグリッド２Ｂ内電源の発生電力は、図１の検出端末高速伝送装置１４から入手できるが、スマートグリッド２Ｂ外電源の総発生電力は、例えば商用電力系統を監視制御する中央給電指令所などから入手するのがよい。

標準機能である周波数制御能力算出部１Ａでは、１秒周期での総電力需要２０を入力して、例えば１分間の移動平均値をその入力の都度移動平均処理部２５で求める。次に短周期変動分抽出部２６にて、総電力需要２０とその移動平均値の差を求めることで、短周期負荷変動成分を抽出する。さらに、この負荷変動成分を入力として負荷変動標準偏差算出部２７にて、負荷変動成分を１分間分ずつ取り出し、複数の負荷変動成分から、その標準偏差を算出する。このようにして算出した負荷変動標準偏差は、（９）（１０）式の負荷変動の標準偏差σ_ΔＰに相当する。

同様の考え方による処理を母線周波数２１に対しても実行する。つまり、母線周波数２１を入力とした移動平均処理部２８の出力をベースとして差し引いて、短周期変動分抽出部２９にて短周期周波数変動成分を抽出する。さらに、この周波数変動成分を入力として標準偏差算出部３０にて周波数変動成分を１分間分ずつ取り出し標準偏差を算出する。このようにして算出した周波数変動標準偏差は、（９）または（１０）式の周波数変動の標準偏差σ_Δｆまたは、σ_Δｆ２をに相当する。

連系系統の系統周波数特性算出部３１では、負荷変動の標準偏差σ_ΔＰを周波数変動の標準偏差σ_Δｆ２で除することにより、スマートグリッドが商用電力系統と連系した状態での系統周波数特性定数すなわち周波数制御能力を算出する。このようにして求めた数値は、（１０）式の定数部分である。

次に単独・連系運転検出部１Ｂの働きについて説明する。ここでの入力の一方は、系統周波数特性算出部３１でもとめた連系運転時の周波数制御能力であり、（１０）式の定数部分である。入力の他方は、スマートグリッド単独運転時の周波数制御能力である。

スマートグリッド単独運転時の周波数制御能力を求めることについては、二つの手法が考えられる。その１つはスマートグリッド２Ｂが小電力系統であることから、設計データとして事前に計算し準備しておくものであり、他の一つはスマートグリッド単独運転時に入力したデータから求めた周波数制御能力のデータを以後の運転に利用することである。図５では、単独・連系運転検出部１Ｂにおけるスマートグリッド内周波数特性定数算出部３２において、スマートグリッド内の負荷周波数特性定数と発電機周波数特性定数の設計データ２２，２３に基づいて、スマートグリッド単体の周波数特性定数を算出している。なお、スマートグリッド単独運転時に入力したデータから周波数制御能力のデータを求める手法については、周波数制御能力算出部１Ａの処理を利用すればよい。

商用電力系統周波数制御能力算出部３３では、連系系統の系統周波数特性算出部３１の出力から、スマートグリッド内周波数制御能力算出部３２の出力を差し引く。この結果に基づいて、商用電力系統の周波数制御能力を算出する。このことは、（１０）式の定数部（商用電力系統周波数制御能力算出部３３の出力）の中から、スマートグリッド内の定数部分（Ｋ_ＬＳ、Ｋ_ＧＳ、Ｐ_ＧＳで成立する項）を除外して、商用電力系統の周波数制御能力の定数部分（Ｋ_ＬＣ、Ｋ_ＧＣ、Ｐ_ＧＣで成立する項）のみを抽出しておくことを意味する。

このようにして求められた商用電力系統の周波数制御能力は、発電所、負荷といった設備変更、或いは電力系統の故障により変動するが、前者の変動は予定されたものであり、通常は所定の値の範囲内にある。このため、商用電力系統周波数制御能力判定部３４で、商用電力系統の周波数制御能力を基準値と比較することで、連系運転と判定することができる。つまり、商用電力系統での故障時には周波数制御能力を失うので、その値が正常時から大きく変化する。本発明ではこの変化を捉えて連系から単独に移行したことを判別する。

なお、上記の説明では商用電力系統の周波数制御能力をとりだして、これを基準値と比較する事例について述べたが、これは連系系統の周波数制御能力算出部３１の出力を監視し、その変化から連系から単独に移行したことを判別してもよい。なお、周波数制御能力を用いたこの判断は、受動方式の判断である。

協調運転制御部１Ｃにおいては、商用電力系統周波数制御能力判定部３４の判定が連系運転であれば、系統連系状態取り込み部３５で条件を取り込み、次の処理を開始する。協調運転制御部１Ｃにて行なうことを、極く簡単に述べると、これは連系運転時にスマートグリッドの周波数制御能力を、商用電力系統の周波数制御能力と同等に保つものである。つまり、負荷変動に対する補償を商用系統に頼らず、スマートグリッド自体により電圧・周波数の安定化を行う自立運転を指向した制御を行わせるものである。

このためにまず、スマートグリッド内周波数特性定数調整部３６にて、スマートグリッド内の周波数特性定数を調整する。具体的には、商用電力系統との連系運転時の系統周波数特性定数と、スマートグリッド単体の周波数特性定数に偏差がある場合には、スマートグリッド内の周波数特性定数を、連系系統周波数特性定数に合わせるようにする。これにより、商用電力系統とスマートグリッド単体の出力分担を規定する。

次に、必要ガバナフリー容量決定部３７では、スマートグリッド内の周波数特性定数調整部３６の出力に基づいて、スマートグリッド内の必要ガバナフリー容量を決定する。さらに、必要な周波数特性定数を実現するために、スマートグリッド内の発電機周波数特性定数Ｋ_ＧＳを調整する。

発電機ガバナフリー容量配分部３８では必要ガバナフリー容量に基づいて、ガバナフリー運転する発電機の追加、削減を決定する。

協調運転制御部１Ｃにおける上記の決定を通じて、スマートグリッド内の発電機にはいっそうの出力分担が求められ、また周波数変動に対しても自立して対応できるようにガバナフリー容量が調整される。

なお、連系運転時にスマートグリッドの周波数制御能力を、商用電力系統の周波数制御能力と同等に保てるということは、商用電力系統から切り離されてスマートグリッド単独運転になったときにも自立して運転継続できることを意味する。

次に図５回路のうち、周波数制御能力算出部１Ａの詳細について、図６のフローチャート図を参照して説明する。まずステップＳ１０１でスマートグリッド内の周波数変動や総電力需要のオンラインデータを収集する。次にステップＳ１０２にて１秒間隔の周波数と電力需要データをサンプル数６０程度で１分程度の移動平均データとする。さらにステップＳ１０３で１秒間隔の周波数と電力需要データから移動平均された電力需要データを差し引くことにより短周期変動成分を抽出する。ステップＳ１０４では周波数変動、負荷の短周期変動成分の標準偏差を算出する。ステップＳ１０５では周波数変動、負荷の短周期変動成分の標準偏差を算出し、系統周波数特性定数（ＫＬ＋ＫＧ）を算出する。すなわち負荷の短周期変動成分の標準偏差を周波数変動の短周期変動成分の標準偏差で除して、系統周波数特性定数を算出し登録する。

次に図５回路のうち、単独・連系運転出部１Ｂの詳細について、図７のフローチャート図を参照して説明する。まずステップＳ２０１で商用電力系統と連系時の系統周波数特性定数を読み出す。次にステップＳ２０２でスマートグリッド内の負荷と発電機周波数特性情報から周波数制御能力を演算により算出する。ステップＳ２０３では連系系統全体の周波数制御能力からスマートグリッド単独の周波数制御能力を引き算し、商用電力系統の周波数制御能力を算出する。ステップＳ２０４では商用電力系統の周波数制御能力を判定する。判定の結果周波数制御能力なしであれば、ステップＳ２０５でスマートグリッドが単独運転状態と判定する。判定の結果周波数制御能力ありであれば、スマートグリッドが連系運転状態と判定する。なお、商用電力系統の周波数制御能力は、その内部の故障により低下するが、故障部位、故障の種類などにより、変動するのでステップＳ２０５での判定には適宜の閾値をもって確認決定するのがよい。

次に図５回路のうち、協調運転制御部１Ｃの詳細について、図８のフローチャート図を参照して説明する。まずステップＳ３０１でスマートグリッドの連系状態判定結果を取り込む。ステップＳ３０２で連系時の系統周波数特性定数とスマートグリッド内の系統周波数特性定数を比較する。比較の結果に偏差がなければ処理を終了する。もし連系時の系統周波数特性定数とスマートグリッド内の系統周波数特性定数に偏差があれば、ステップＳ３０３でスマートグリッド内の系統特性定数を連系時の値に合わせる。ステップＳ３０４ではスマートグリッド内必要ガバナフリー容量を算出し、ステップＳ３０５で発電機ガバナフリー運転指令対象を変更する。

図９は、スマートグリッド監視制御装置１の機能１Ａ，１Ｂ，１Ｄを示すブロック図である。このうち、機能１Ａ，１Ｂについては、説明済みであるので、ここでは単独運転制御部１Ｄについて説明する。

単独運転制御部１Ｄにおいては、単独・連系運転制御部１Ｂの商用電力系統周波数制御能力判定部３４の判定結果に基づき、判定が単独運転であるとされた場合に駆動されて作動し、系統連系状態取り込み部４０で条件を取り込み、以下の処理を開始する。

単独運転制御部１Ｄにて行なうことを、極く簡単に述べると、これは単独運転時におけるスマートグリッド２Ｂの周波数制御能力を決定することである。つまり、連系運転時には商用電力系統の周波数制御能力と同等にしていたが、以後はスマートグリッド２Ｂの自己責任の範囲で運用することが可能であるので、自己にあった運用に修正するものである。

具体的には、スマートグリッド単体の目標周波数変動２４に基づいて、スマートグリッド内周波数特性定数調整部４１にてスマートグリッド内の周波数特性定数を調整する。必要ガバナフリー容量決定部４２では、スマートグリッド内の周波数特性定数調整部４１の出力に基づいて、スマートグリッド内の必要ガバナフリー容量を決定する。また、必要な周波数特性定数を実現するために、スマートグリッド内の発電機周波数特性定数Ｋ_ＧＳを調整する。さらに、発電機ガバナフリー容量配分部４３では必要ガバナフリー容量に基づいて、ガバナフリー運転する発電機の追加、削減を決定する。

なお、スマートグリッド２Ｂの自己責任の範囲で運用するに際し、スマートグリッド単体の目標周波数変動２４を大きめに設定すれば、周波数変動を許容することで、ガバナフリー容量を小さくすることができる。この運用は、スマートグリッド２Ｂ内の事情により適宜決定される。

図１０は、スマートグリッド監視制御装置１の機能１Ａ，１Ｂ，１Ｅを示すブロック図である。このうち、機能１Ａ，１Ｂについては、説明済みであるので、ここでは連系用遮断器制御部１Ｅについて説明する。連系用遮断器制御部１Ｅの機能を極く簡単に述べると、これは単独運転に移行したことを検知して連系用遮断器７７を引き外しすることである。

なお、図１において商用電力系統２Ａ内の故障により、商用電力系統２Ａが遮断された場合であっても、その一部配電系統がスマートグリッド２Ｂに接続されたまま残ってしまう場合がある。この残された配電系統はスマートグリッド２Ｂの責任管理下にはないので、連系用遮断機７７を開放して切り離す必要があることから、連系用遮断器制御部１Ｅの機能を備える。

このため、連系用遮断器制御部１Ｅにおいては、商用電力系統周波数制御能力判定部３４の判定が単独運転であれば、系統連系状態取り込み部４５で単独運転判定条件を取り込み、連系用遮断器の引き外し処理を実行する。但し、商用電力系統周波数制御能力判定部３４の判断に従う本方式は、受動方式の単独運転検出のため、能動方式の単独運転検出方式の出力との論理積４７で、最終的な遮断器開放指令４８出力するのがよい。なお、能動方式の単独運転検出方式としては、特許文献２のものがある。

本発明は、簡便な装置で構成することができるので、スマートグリッド監視制御装置として広く利用することができる。

１：マイクログリッド運転制御装置
１Ａ：必要ガバナフリー容量算出部
１Ｂ：発電機運転スケジュール設定部
１Ｃ：発電機出力指令設定部
１Ｄ：ガバナフリー発電機設定部
２Ａ：電力系統
２Ｂ：マイクログリッド
３：連系用送電線
４：連系用変圧器
５：マイクログリッド母線
６：発電機用変圧器
７７：連系用遮断器
８：発電機
９：負荷
１０：電力貯蔵装置
１１：風力発電設備
１２：太陽光発電設備
１３：交流・直流変換装置
１４：検出端末高速伝送装置
１５：発電機母線
１６：原動機
１７：燃料タンク
１８：調速機
１９：電力線
２０：総電力需要
２１：母線周波数
２２：負荷周波数特性情報
２３：発電機周波数特性情報
２４：目標周波数変動
２５：移動平均（１分）処理部
２６：短周期変動分抽出部
２７：負荷変動標準偏差算出部
２８：移動平均（１分）処理部
２９：短周期変動分抽出部
３０：周波数変動標準偏差算出部
３１：連系系統の周波数制御能力算出部
３２：スマートグリッド内周波数制御能力算出部
３３：商用電力系統周波数制御能力算出部
３４：商用電力系統周波数制御能力判定部
３５：系統連系状態取込部
３６：スマートグリッド内系統周波数特性定数調整
３７：必要ガバナフリー容量決定部
３８：発電機ガバナフリー容量配分部
３９：ガバナフリー指令
４０：系統連系状態取込部
４１：スマートグリッド内系統周波数特性定数調整部
４２：必要ガバナフリー容量決定部
４３：発電機ガバナフリー容量配分部
４４：ガバナフリー指令
４５：系統連系状態取込部
４６：連系用遮断器開放指令作成部
４７：論理積部

Claims (15)

1. 複数の発電機と負荷を備え、商用電力系統に連系されて運用されるスマートグリッドの監視制御方法において、
   前記商用電力系統の周波数制御能力を算出し、その大きさから連系または単独運転を判別することを特徴とするスマートグリッド監視制御方法。
2. 第１項記載のスマートグリッドの監視制御方法において、
   前記商用電力系統と前記スマートグリッドの連系と判別されたときに、前記スマートグリッド内発電機のガバナフリー容量を前記商用電力系統の周波数制御能力に応じて調整することを特徴とするスマートグリッド監視制御方法。
3. 第２項記載のスマートグリッドの監視制御方法において、
   前記商用電力系統と前記スマートグリッドの周波数制御能力を比較し、前記商用電力系統の周波数制御能力に合致すべく前記スマートグリッド内発電機のガバナフリー容量を調整することを特徴とするスマートグリッド監視制御方法。
4. 第１項記載のスマートグリッドの監視制御方法において、
   前記スマートグリッドの単独運転と判別されたときに、前記スマートグリッドの目標周波数変動に応じて、ガバナフリー容量を決定することを特徴とするスマートグリッド監視制御方法。
5. 第１項記載のスマートグリッドの監視制御方法において、
   前記商用電力系統の周波数制御能力の変化から前記スマートグリッドの単独運転と判別されたときに、前記商用電力系統と前記スマートグリッドの連系用の遮断器に開放指令を与えることを特徴とするスマートグリッド監視制御方法。
6. 第５項記載のスマートグリッドの監視制御方法において、
   前記商用電力系統の周波数制御能力の変化から前記スマートグリッドの単独運転と判別され、かつ能動型単独運転判定手段の判別結果の一致を持って、前記商用電力系統と前記スマートグリッドの連系用の遮断器に開放指令を与えることを特徴とするスマートグリッド監視制御方法。
7. 第１項から第６項のいずれかに記載のスマートグリッドの監視制御方法において、
   系統負荷の短周期変動成分の時系列的標準偏差と、系統周波数の短周期変動成分の時系列的標準偏差の比として、前記周波数制御能力を算出することを特徴とするスマートグリッド監視制御方法。
8. 第１項記載のスマートグリッドの監視制御方法において、
   大きさから連系または単独運転を判別するための周波数制御能力は、前記商用電力系統と前記スマートグリッドが連携された系統の周波数制御能力とされることを特徴とするスマートグリッド監視制御方法。
9. 複数の発電機と負荷を備え、連系用遮断器を介して商用電力系統に連系されて運用されるスマートグリッドの監視制御装置において、
   総電力需要と母線周波数を用いて連携された系統の周波数制御能力を算出する周波数制御能力算出部、該周波数制御能力算出部の系統の周波数制御能力から前記商用電力系統の周波数制御能力を算出し、その大きさから連系または単独運転を判別する単独・連系運転検出部を備えることを特徴とするスマートグリッド監視制御装置。
10. 第９項記載のスマートグリッドの監視制御装置において、
    前記単独・連系運転検出部が連系と判別したときに、前記スマートグリッド内発電機のガバナフリー容量を前記商用電力系統の周波数制御能力に応じて調整する協調運転制御部を備えることを特徴とするスマートグリッド監視制御装置。
11. 第１０項記載のスマートグリッドの監視制御装置において、
    前記単独・連系運転検出部は、前記商用電力系統と前記スマートグリッドの周波数制御能力を算出し、前記協調運転制御部は、前記商用電力系統の周波数制御能力に合致すべく前記スマートグリッド内発電機のガバナフリー容量を調整することを特徴とするスマートグリッド監視制御装置。
12. 第９項記載のスマートグリッドの監視制御装置において、
    前記単独・連系運転検出部が単独と判別したときに、前記スマートグリッドの目標周波数変動に応じて、ガバナフリー容量を決定する単独運転制御部を備えたことを特徴とするスマートグリッド監視制御装置。
13. 第９項記載のスマートグリッドの監視制御装置において、
    前記単独・連系運転検出部が単独と判別したときに、前記商用電力系統と前記スマートグリッドの間の前記連系用遮断器に開放指令を与える連系用遮断器制御部を備えることを特徴とするスマートグリッド監視制御装置。
14. 第１３項記載のスマートグリッドの監視制御装置において、
    前記連系用遮断器制御部は、前記単独・連系運転検出部が単独と判別し、かつ能動型単独運転判定手段の判別結果の一致を持って、前記商用電力系統と前記スマートグリッドの間の前記連系用遮断器に開放指令を与えることを特徴とするスマートグリッド監視制御装置。
15. 第９項から第１４項のいずれかに記載のスマートグリッドの監視制御装置において、
    前記周波数制御能力算出部は、系統負荷の短周期変動成分の時系列的標準偏差と、系統周波数の短周期変動成分の時系列的標準偏差の比として、前記周波数制御能力を算出することを特徴とするスマートグリッド監視制御装置。

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