JP2014011933A - 電力系統安定化解析装置、電力系統安定化解析方法及び電力系統安定化解析プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】過度安定度及び電圧安定性の双方を維持する制御を提示する電力系統安定化解析装置、電力系統安定化解析方法及び電力系統安定化解析プログラムを提供する。
【解決手段】過度安定度解析部は、正常時の電力系統における電力状態及び想定故障のデータを基に、想定故障が発生した場合に過度安定度を維持するための過度安定度維持制御を決定する。電圧安定性解析部は、過度安定度解析部により決定された電源制限を行った場合における電力状態及び想定故障のデータを基に、想定故障が発生した場合に電圧安定性を維持するための電圧安定性維持制御を決定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力系統安定化解析装置、電力系統安定化解析方法及び電力系統安定化解析プログラムに関する。

発電装置から電力を供給する電力系統においては、雷撃などによる短絡や地絡などの障害の発生や、使用電力の増減などによる負荷変動の発生などが考えられる。このように、故障や負荷変動などの外的要因が発電装置の運転中に発生した場合、電力系統において電圧などが振動を起こす電力動揺という現象が発生する場合がある。さらに、電力動揺により、発電機間の回転数の同期がとれなくなり、系統全体の運転維持が困難な事態を生じるおそれがある。そこで、発電機の電力系統からの分離を行い、同期を回復することが行われる場合がある。故障や負荷変動などの外的要因が発生した場合に、発電機の脱落や系統分離を起こすことなく、再び発電機の回転が同期し安定な運用状態を回復する度合いを同期安定度という。その中でも、故障などの大きなじょう乱を原因とする場合の同期安定度を過渡安定度といい、負荷変動などの微小じょう乱を原因とする場合の同期安定度を定態安定度という。

例えば、従来、事故発生直後に、電力系統から発電機や負荷を遮断すると同時に、電力系統における変電所等に設置された電力用コンデンサや分路リアクトル等の調相器の開閉などを行なうことによって、同電力系統の安定化を図る電力系統安定化装置が知られている。

また、電気の使用が変化し、電力系統における電力需要が急変した場合や発電機が脱落した場合などに、電力系統において電圧が維持できなくなるおそれがある。需要が急変した場合などにも電力系統における電圧を維持し安定に運転できる能力は電圧安定性と呼ばれる。

例えば、電力系統において電圧が低下した場合に、負荷を遮断して電圧安定性を維持する従来技術が知られている。

この点、火力発電などの従来の発電機では、電力を維持する能力が高いため、電圧変化がそれほど大きくなければ安定に運転を継続することができていた。このような理由から、従来の発電機を用いた電力系統においては、発電機と負荷との距離が長い場合などで負荷が変動したときに電圧安定性が問題となっていた。そのため、従来の電力系統において地絡や短絡などの故障が発生した場合には、過渡安定度の維持を主として考慮すればよく、電圧安定性はそれほど問題にならなかった。

また、近年、地球温暖化の原因と考えられている二酸化炭素排出量の削減などが現代社会における大きな課題になっている。そして、二酸化炭素排出量削減の手段として、風力発電や太陽光発電などの再生可能エネルギーを利用した発電システムの導入が盛んになってきている。

再生可能エネルギーを利用した発電システムを導入する場合、供給電力量を負荷と等量に保つため、火力発電などの従来の発電機を発電システムからはずすことが行われる。再生可能エネルギーを利用した発電システム、特に太陽光発電は電圧を支える能力が弱い。そのため、再生可能エネルギーを利用した発電システムと従来の発電機とを取り換えた場合、電力系統の電圧を支える能力が落ちてしまう。

そこで、再生可能エネルギーを利用した発電システムを導入した電力系統では、故障などが発生した場合に、過渡安定度を維持するだけでなく、電圧安定性の維持も考慮することが好ましい。

特開２０１１−０９７７０５号公報

しかしながら、従来の発電機を利用した電力系統では、上述したように、過渡安定度と電圧安定性は別の場面において考慮されてきていた。そのため、過度安定度を維持する従来技術又は電圧安定性を維持する従来技術のいずれにおいても、故障などによる電力動揺発生時に過渡安定度と電圧安定性を関連付けて考慮することが困難である。すなわち、再生可能エネルギーなどが導入された電力系統において、過度安定度及び電圧安定性の問題が関連しながら発生する局面においては、従来技術では、電力系統の安定運用を維持することは困難であった。

開示の技術は、上記に鑑みてなされたものであって、過度安定度及び電圧安定性の双方を維持する制御を提示する電力系統安定化解析装置、電力系統安定化解析方法及び電力系統安定化解析プログラムを提供することを目的とする。

本願の開示する電力系統安定化解析装置、電力系統安定化解析方法及び電力系統安定化解析プログラムは、一つの態様において、過度安定度解析部は、正常時の電力系統における電力状態及び想定故障のデータを基に、前記想定故障が発生した場合に過度安定度を維持するための電源制限を決定する。電圧安定性解析部は、前記過度安定度解析部により決定された電源制限を行った場合における電力状態及び前記想定故障のデータを基に、前記想定故障が発生した場合に電圧安定性を維持するための電源制限又は負荷制限のいずれか一方又は双方を決定する。

本願の開示する電力系統安定化解析装置、電力系統安定化解析方法及び電力系統安定化解析プログラムの一つの態様によれば、過度安定度及び電圧安定性の双方を維持する制御を提示することができるという効果を奏する。

図１は、実施例に係る電力系統安定化解析装置のブロック図である。 図２は、本実施例に係る電力系統安定化解析装置が解析の対象とする電力系統モデルの概念図である。 図３は、同期安定度及び電圧安定性による影響が発生する時間領域を表す図である。 図４は、実施例に係る電力系統安定化解析装置が解析の対象とする電力系統モデルの一例を表す図である。 図５は、過度安定度検討の発電機の内部相差角の経時変化を表す図である。 図６は、過度安定度維持制御対象の発電機１０１から出力される電圧及びその有効出力を表す図である。 図７は、ＰＶカーブの遷移を表す図である。 図８Ａは、電圧安定性維持制御対象の発電機１０２から出力される電圧及びその有効出力を表す図である。 図８Ｂは、電圧安定性維持制御対象の負荷ノード１０５における有効負荷及びその無効負荷を表す図である。 図９は、電圧制御装置の運転状態及び電圧の変化を表す図である。 図１０は、電圧安定性制御後の発電機の内部相差角の経時変化を表す図である。 図１１は、電圧制御装置動作後の負荷ノード１０３におけるＰＶカーブを表す図である。 図１２は、実施例に係る電力系統安定化解析装置による解析処理のフローチャートである。

以下に、本願の開示する電力系統安定化解析装置、電力系統安定化解析方法及び電力系統安定化解析プログラムの実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施例により本願の開示する電力系統安定化解析装置、電力系統安定化解析方法及び電力系統安定化解析プログラムが限定されるものではない。

図１は、実施例に係る電力系統安定化解析装置のブロック図である。また、図２は、本実施例に係る電力系統安定化解析装置が解析の対象とする電力系統モデルの概念図である。

図２に示すように、例えば、解析対象とする電力系統は、複数の発電機１１〜１３及び２１〜２３、負荷ノード４１及び４２、電圧制御装置５１及び５２を有する。発電機１１〜１３と発電機２１〜２３とは、複数の系統の送電線３１及び３２で結ばれている。また、負荷ノード４１及び４２、電圧制御装置５１及び５２と送電線３１及び３２とはノード３４で結ばれている。送電線３１及び３２には、発電機１１〜１３及び２１〜２３で発電された電気が流れている。そして、発電機１１〜１３及び２１〜２３から出力された電力は、変電所において変圧などが行われ、負荷ノード４１及び４２に供給される。負荷ノード４１及び４２は、家庭や工場などの電力を使用する物の集合体である。以下では、負荷ノード４１及び４２などにおける電気の使用量を「負荷」と言う。電圧制御装置５１及び５２は、変電所などに配置される。

また、図３は、同期安定度及び電圧安定性による影響が発生する時間領域を表す図である。図３の横軸は時間の経過を表している。図３では、時点２００で故障が発生した場合を表している。実際の電力系統において、時点２００で故障が発生すると、その直後から同期安定度領域２０１で表される期間にかけて同期安定度に対する影響が生じる。ここで、同期安定度には、故障などの大じょう乱による電力動揺の安定度をあらわす過度安定度と、負荷ノードにおける負荷の変化などの微小じょう乱による電力動揺の安定度を表す定態安定度が含まれる。そして、同期安定度領域２０１の最後付近から電圧安定性領域２０２で表される期間にかけて電圧安定性に対する影響が生じる。さらに、電圧安定性に対する影響が生じている間の電圧制御装置動作領域２０３において、各負荷ノードの電圧の調整を行う電圧制御装置動作が動作する。このように、電力系統で故障が発生すると、同期安定度への影響が発生した後に、電圧安定性への影響が発生する。

そこで、本実施例に係る電力系統安定化解析装置は、影響発生の順番にしたがって、同期安定度における過度安定度を維持するための検討を行い、その後、電圧安定性を維持するための検討を行う。さらに、本実施例に係る電力系統安定化解析装置は、電圧安定性の維持を確保した後の状態で、電圧制御装置が動作した場合の定態安定度を検討する。

図１に示すように、本実施例に係る電力系統安定化解析装置は、入力部１、過度安定度解析部２、電圧安定性解析部３、電圧制御装置動作確認部４、定態安定度確認部５及び制御情報通知部６を有する。

操作者は、入力部１を用いて、解析対象の電力系統において発生を想定する故障（以下では、「想定故障」という。）の条件の入力を行う。入力部１は、操作者により入力された想定故障の条件などを過度安定度解析部２へ送信する。ここでは、想定故障を、送電線３２に落雷が発生し地絡や短絡などが起こったために事故箇所３３に故障が発生したという故障とする。そして、操作者は、想定故障が発生したために事故箇所３３を含む送電線３２の両端の接続を開放し、送電線３２に電気が流れなくなるようにした状態を想定故障の条件として入力する。

過度安定度解析部２は、解析対象の電力系統における、発電機１１〜１３及び２１〜２３の通常時の電圧、有効出力、無効出力、有効負荷、無効負荷及び電圧制御装置の運転状態を予め記憶している。

過度安定度解析部２は、想定故障の条件の入力を入力部１から受ける。そして、過度安定度解析部２は、想定故障が発生した場合の各発電機の内部相差角の経時変化を求める。例えば、図２のような電力系統において、正常な状態であれば、発電機１１〜１３の回転数と発電機２１〜２３の回転数は一致している。これに対して、想定故障が発生し送電線３２の両端の接続を開放した場合、発電機１１〜１３と発電機２１〜２３との回転数が異なっていく場合がある。過度安定度解析部２は、発電機１１〜１３と発電機２１〜２３との回転数のずれが大きくなり発散してしまう場合に、過度安定度が維持できなくなっていると判定する。ここでは、過度安定度が維持できなくなるような想定故障を想定しているので、過度安定度解析部２は、想定故障が発生した場合の各発電機の内部相差角が経時変化により発散することを確認する。

次に、過度安定度解析部２は、発電機１１〜１３と発電機２１〜２３との回転数のずれを小さくすることで電力動揺を収束させるように、電力系統から切り離す発電機を発電機１１〜１３と発電機２１〜２３の中から選択する。以下では、電力系統から発電機を切り離すことを「電源制限」という。また、電力系統からどの程度の発電機を切り離したかを表す量を「電源制限量」という。

過度安定度解析部２は、電源制限を行ったことで発電機の内部相差角が経時変化により収束し、電力系統における電力動揺が収束するか否かを判定する。過度安定度解析部２は、電力動揺が収束しない場合には電源制限量を増加させていく。このようにして、過度安定度解析部２は、電源制限量を徐々に増やしながら、電力動揺が収束する電源制限量を求める。これにより、過度安定度解析部２は、電力動揺を収束させるための電源制限の対象とする発電機を決定する。以下では、電力動揺を収束させ過度安定度を維持するための制御を「過度安定度維持制御」という。

ここでは、過度安定度解析部２が電力系統から切り離す発電機として発電機１１を選択した場合で説明する。過度安定度解析部２は、発電機１１〜１３及び２１〜２３、並びに、負荷ノード４１及び４２における電圧、有効出力、無効出力、有効負荷、無効負荷及び電圧制御装置の運転状態を求める。この場合、発電機１１は電力系統から切り離されているので、発電機１１の電圧及び有効出力は０になり、その結果、電力系統の有効出力、無効出力は減少する。また、発電機１２、１３及び２１〜２３、並びに、負荷ノード４１及び４２における電圧及び有効出力などは、発電機１１が切り離されたことにより、上昇などの変化が起きる。

過度安定度解析部２は、発電機１１〜１３及び２１〜２３、並びに、負荷ノード４１及び４２における電圧、有効出力、無効出力、有効負荷、無効負荷及び電圧制御装置の運転状態の値を用いて、過度安定度維持のための制限を行った状態での発電機の内部相差角の経時変化を取得する。例えば、発電機１１を電力系統から切り離すことで、発電機の内部相差角ずれが小さくなっていき、電力動揺は収束する。そこで、過度安定度解析部２は、想定故障に対して過度安定度を維持するための電源制限として、電力系統から発電機１１を切り離すことを過度安定度維持制御として決定する。

過度安定度解析部２は、過度安定度維持制御を行った場合の発電機１１〜１３及び２１〜２３、並びに、負荷ノード４１及び４２における電圧、有効出力、無効出力、有効負荷、無効負荷及び電圧制御装置の運転状態の値を求める。そして、過度安定度解析部２は、求めた発電機１１〜１３及び２１〜２３、並びに、負荷ノード４１及び４２における電圧、有効出力、無効出力、有効負荷、無効負荷及び電圧制御装置の運転状態を含む電圧解析データを生成する。そして、過度安定度解析部２は、電圧解析データを電圧安定性解析部３へ出力する。

内部相差角が発散している場合、過度安定度解析部２は、過度安定度が維持可能となるまで、すなわち、各発電機１１〜１３及び２１〜２３の内部相差角が収束するまで電源制限量を増加させる。そして、過度安定度解析部２は、過度安定度が維持可能となった状態（電力動揺が収束した状態）の制御情報から電圧解析データを生成する。そして、過度安定度解析部２は、電圧解析データを電圧安定性解析部３へ出力する。

また、過度安定度解析部２は、後述する電圧安定性解析部３による電圧安定性維持のための制御（以下では、「電圧安定性維持制御」という。）を加えた電圧安定性維持制御後の制御情報を電圧安定性解析部３から取得する。電圧安定性維持制御を加えた後の制御情報には、過度安定度解析部２が電圧安定性解析部３へ出力した制御情報に加えて、電圧安定性解析部３が追加した電源制限の情報などが含まれる。負荷制限とは、電力系統から負荷を切り離すことを示す。そして、過度安定度解析部２は、受信した電圧安定性維持制御後の制御情報にしたがい電源制限及び負荷制限などを行った状態での各発電機の内部相差角の経時変化を取得する。内部相差角が発散している場合、過度安定度解析部２は、電圧安定性維持制御の変更を電圧安定性解析部３に通知する。

これに対して、内部相差角が収束する場合、過度安定度解析部２は、過度安定度維持可能の通知を電圧安定性解析部３へ出力する。

電圧安定性解析部３は、電圧解析データの入力を過度安定度解析部２から受ける。そして、電圧安定性解析部３は、受信した電圧解析データを用いて、過度安定度解析部２によって決定された電源制限による制御が行われた場合に、各負荷ノードにおいて電圧安定性が維持できるか否かを判定する。この時、電圧安定性解析部３は、電圧制御装置が動作しないという条件を付加するため、電圧制御装置の動作をロックした上で各負荷ノードにおける電圧安定性の維持の判定を行う。

電圧安定性解析部３は、全ての負荷ノードにおけるＰＶカーブの運転点が電圧高め解の領域にあり、且つＰＶカーブの安定限界の負荷と運転点における負荷との差が判定閾値以上となる場合に、電圧安定性の維持ができていると判定する。ＰＶカーブとは、横軸である負荷ノードにおける負荷量を表し、縦軸でその負荷ノードにおける電圧を表したグラフである。また、ＰＶカーブの運転点とは、負荷特性とＰＶカーブとの交点であり、電力系統における電圧及び負荷が平衡状態となっていることを表す点である。また、ＰＶカーブの安定限界とは、ＰＶカーブの頂点として表され、負荷ノードにおける負荷の上限を表している。ここで、判定閾値は、求められる安定性によって決められることが好ましい。判定閾値は、求められる安定性が低い場合には判定閾値は小さくなり、求められる安定性が高い場合には判定閾値は大きくなる。

電圧安定性解析部３は、過度安定度解析部２によって決定された過度安定度維持制御が行われた状態で、電圧安定性が維持できていない負荷ノードが１つでもある場合、電圧安定性が維持できる状態となるように電源制限及び負荷制限を加える。そして、電圧安定性解析部３は、電圧安定性維持制御を行った場合の制御情報を過度安定度解析部２へ出力する。

電圧安定性維持制御を行った場合の制御情報に対して、過度安定度解析部２から過度安定度維持可能の通知を受けた場合、電圧安定性解析部３は、電圧安定性維持制御を行った場合の発電機１１〜１３及び２１〜２３、並びに、負荷ノード４１及び４２における電圧、有効出力、無効出力、有効負荷、無効負荷及び電圧制御装置の運転状態の値を求める。そして、電圧安定性解析部３は、求めた発電機１１〜１３及び２１〜２３、並びに、負荷ノード４１及び４２における電圧、有効出力、無効出力、有効負荷、無効負荷及び電圧制御装置の運転状態を含む動作確認データを作成する。そして、電圧安定性解析部３は、作成した動作確認データを電圧制御装置動作確認部４へ出力する。

これに対して、電圧安定性解析部３は、電圧安定性維持制御を行った場合の制御情報に対して、電圧安定性維持制御の変更通知を過度安定度解析部２から受けた場合、再度電圧安定性の検討を行う。

電圧安定性解析部３は、過度安定度解析部２によって決定された過度安定度維持制御に電源制限や負荷制限を追加せずに全ての負荷ノードにおいて電圧安定性が維持できている場合、過度安定度解析部２から受信した電圧解析データから動作確認データを作成する。そして、電圧安定性解析部３は、作成した動作確認データを電圧制御装置動作確認部４へ出力する。この場合、動作確認データに含まれる発電機１１〜１３及び２１〜２３、並びに、負荷ノード４１及び４２における電圧、有効出力、無効出力、有効負荷、無効負荷及び電圧制御装置の運転状態の値は電圧解析データのものと同じである。そこで、この場合は、電圧安定性解析部３は、電圧解析データを動作確認データとして使用しても良い。

電圧制御装置動作確認部４は、動作確認データの入力を電圧安定性解析部３から受ける。そして、電圧制御装置動作確認部４は、動作データを用いて過度安定度及び電圧安定性の双方を維持した状態の電力系統における電圧変化を確認する。電圧制約違反ノードがあれば、電圧制御装置動作確認部４は、電力系統における電圧制御装置による制御を加え、電圧制約違反を解消する。ここで、電圧制約違反とは、ノードの電圧が、基準電圧から予め決められた閾値以上になっている場合を指す。例えば、図２のノード３４における基準電圧が５０万Ｖであり、閾値が±５％の場合に、ノード３４の電圧が５０万Ｖ±５％の間に収まらなければ、電圧制御装置動作確認部４は、電圧制約違反ノードありと判定する。その場合、電圧制御装置動作確認部４は、電圧制約違反ノードであるノード３４に対応する電圧制御装置を動作させ、その母線の電圧が５０万Ｖ±５％の間に収まるように制御する。

動作確認データを用いて確認した電圧変化において電圧制約違反ノードがなければ、電圧制御装置動作確認部４は、電圧制約違反ノードがない状態の発電機１１〜１３及び２１〜２３、並びに、負荷ノード４１及び４２における電圧、有効出力、無効出力、有効負荷、無効負荷及び電圧制御装置の運転状態の値を求める。そして、電圧制御装置動作確認部４は、求めた発電機１１〜１３及び２１〜２３、並びに、負荷ノード４１及び４２における電圧、有効出力、無効出力、有効負荷、無効負荷及び電圧制御装置の運転状態を含む定態安定度確認データを作成する。そして、電圧制御装置動作確認部４は、作成した定態安定度確認データを定態安定度確認部５へ出力する。また、電圧制御装置の動作がない場合は、定態安定度確認データに含まれる発電機１１〜１３及び２１〜２３、並びに、負荷ノード４１及び４２における電圧、有効出力、無効出力、有効負荷、無効負荷及び電圧制御装置の運転状態の値は動作確認データのものと同じである。そこで、この場合は、電圧制御装置動作確認部４は、動作確認データを定態安定度確認データとして使用しても良い。

定態安定度確認部５は、定態安定度確認データの入力を電圧制御装置動作確認部４から受ける。そして、定態安定度確認部５は、受信した定態安定度確認データを用いて、過度安定度解析部２、電圧安定性解析部３及び電圧制御装置動作確認部４により加えられた制御が行われた場合に、各負荷ノードにおいて定態安定度が維持できるか否かを判定する。具体的には、定態安定度確認部５は、故障が発生し過度安定度及び電圧安定性の維持、並びに電圧制御装置による制御が行われてしばらく時間が経過した後の負荷の変化などの微小じょう乱による定態安定度の検討を行う。

定態安定度確認部５は、定態安定度が維持できると判定すると、定態安定度が維持できると判定した状態での電源制限、負荷制限及び電圧制御装置の動作の情報を制御情報通知部６へ出力する。

これに対し、定態安定度が維持できないと判定した場合、定態安定度確認部５は、電圧安定度制御の情報及び電圧安定性維持制御の情報に加え、電圧制御装置動作確認部４で動作した電圧制御装置のロック制御及び電圧制約違反ノードの発生情報を制御情報通知部６へ出力する。

制御情報通知部６は、電源制限、負荷制限及び電圧制御装置の動作の情報の入力を定態安定度確認部５から受ける。そして、制御情報通知部６は、受信した電源制限、負荷制限及び電圧制御装置の動作の情報をモニタなどの出力装置に出力するなどして、操作者に安定化制御の情報を通知する。

次に、図４の電力系統モデルを例に、本実施例に係る電力系統安定化解析装置による安定化解析をさらに具体的に説明する。図４は、実施例に係る電力系統安定化解析装置が解析の対象とする電力系統モデルの一例を表す図である。具体的には、図４の電力系統モデルは、電気学会ＷＥＳＴ３０機系統モデルの昼間断面を一部修正したモデルである。

図４において、Ｇに数字が付加された記号が割り当てられている対象が発電機を表している。また、図４において、数字のみが割り当てられている対象が負荷及び送電線、変圧器を表している。

過度安定度解析部２は、図４の電力系統モデルを記憶している。そして、過度安定度解析部２は、入力された想定故障が図４の電力系統モデルで発生した場合の各発電機の内部相差角の経時変化を求める。ここでは、想定故障として、ポイント１００において落雷などによる短絡や地絡が発生した場合で説明する。

過度安定度解析部２は、想定故障が発生した場合の各発電機の内部相差角の経時変化として、図５のグラフ３０１を取得する。図５は、過度安定度検討の発電機の内部相差角の経時変化を表す図である。図５は、縦軸で内部相差角を表し、横軸で時間の経過を表している。グラフ３０１に示すように、過度安定度維持制御を行う前には、内部相差角が発散していることが分かる。すなわち、過度安定度解析部２は、想定故障が発生した場合、過度安定度が維持できなくなっていると判定する。そこで、過度安定度解析部２は、電源制限を加え過度安定度の維持を行う。例えば、過度安定度解析部２は、発電機１０１を電力系統から切り離す電源制限（以下では、発電機１０１の電源制限という。）を行う。

さらに、過度安定度解析部２は、電源制限を行った場合の、電力系統モデルの発電機及び負荷ノードにおける電圧、有効出力、無効出力、有効負荷、無効負荷及び電圧制御装置の運転状態を求める。そして、過度安定度解析部２は、求めた他の発電機及び負荷ノードにおける電圧、有効出力、無効出力、有効負荷、無効負荷及び電圧制御装置の運転状態の値を用いて、過度安定度維持制御を行った後の発電機の内部相差角の経時変化を取得する。本実施例では、過度安定度解析部２は、発電機１０１を止めた後の発電機の内部相差角の経時変化として、図５のグラフ３０２を取得する。グラフ３０２は、内部相差角が収束していっており、電力動揺が収束していき過度安定度が維持できることが分かる。すなわち、過度安定度解析部２は、発電機１０１を電力系統から切り離すことで、過度安定度の維持ができると判定する。

過度安定度解析部２は、発電機１０１の電力系統からの切り離しという電源制限を行った場合の、各発電機及び負荷ノードの電圧、有効出力、無効出力、有効負荷、無効負荷及び電圧制御装置の運転状態の値を求め、それらを含む電圧解析データを作成する。

図６は、過度安定度解析部２によって作成される電圧解析データの一例について説明する。図６は、発電機１０１から出力される電圧及びその有効出力を表す図である。想定故障前は、発電機１０１からの電圧４０１は１．０１０（ｐｕ）であり、有効出力４０２は０．５００（ｐｕ）であった。これに対して、過度安定度を維持するために、過度安定度解析部２は、発電機１０１を電力系統から切り離す。そして、過度安定度解析部２は、過度安定度維持制御後の発電機１０１からの電圧４１１を０．０００（ｐｕ）と求め、有効出力４１２を０．０００（ｐｕ）と求める。さらに、過度安定度解析部２は、発電機１０１の切り離しにより変化する発電機１０１以外の発電機及び負荷ノードにおける電圧、有効出力、無効出力、有効負荷、無効負荷及び電圧制御装置の運転状態も求める。過度安定度解析部２は、このように求めた情報から電圧解析データを作成する。

電圧安定性解析部３は、発電機１０１の電力系統からの切り離しが行われた場合の電圧解析データの入力を過度安定度解析部２から受ける。そして、電圧安定性解析部３は、受信した電圧解析データから発電機１０１が電力系統から切り離された場合における各負荷ノードでのＰＶカーブを求める。この場合、電圧安定性解析部３は、電圧制御装置をロックし電圧制御装置が動作しない条件でＰＶカーブを求める。

図７は、ＰＶカーブの遷移を表す図である。図７の縦軸は、負荷ノード１０３における電圧を表している。また、図７の横軸は、負荷ノード１０３における負荷を表している。負荷特性５００は、ＰＶカーブを求めた負荷ノードにおける負荷特性（定電流特性）を表している。

負荷ノード１０３において、想定故障の発生前は、ＰＶカーブ５０１で示されるＰＶカーブであった。これに対して、電圧安定性解析部３は、故障が発生し発電機１０１が電力系統から切り離された場合のＰＶカーブとしてＰＶカーブ５０２を取得する。負荷特性５００とＰＶカーブ５０２との交点である運転点５０９は、ＰＶカーブの頂点である安定限界より下側に位置している。このようにして、電圧安定性解析部３は、例えば負荷ノード１０３において電圧低め解の発生を確認する。同様にして、本実施例では、電圧安定性解析部３は、例えば負荷ノード１０４においても電圧低め解の発生を確認する。

さらに、電圧安定性解析部３は、各負荷ノードにおける運転点と安定限界との差を求め、求めた差が閾値以下の負荷ノードを求める。例えば、電圧安定性解析部３は、０．０００５（ｐｕ）を閾値として使用する。運転点と安定限界との差は広いほど電圧安定性は増加する。ただし、あまり閾値を広くすると、電力系統における全ての負荷ノードで閾値を満たすことが難しくなってしまう。そこで、閾値は、電圧安定性の許容範囲などの電力系統の運用状態によって設定することが好ましい。

電圧低め解を有する負荷ノードや運転点と安定限界との差が閾値以下の負荷ノードがある場合、電圧安定性解析部３は、電源制限及び負荷制限を追加して、各負荷ノードが電圧高め解を有し、且つ運転点と安定限界との差が閾値以上となるようにする。ここでは、電圧安定性解析部３は、電圧安定性維持のため、図４に示す発電機１０２の電源制限及び負荷ノード１０５の負荷制限を行う。

電圧安定性維持制御により、負荷ノード１０３におけるＰＶカーブは、図７に示すＰＶカーブ５０３となる。ＰＶカーブ５０３は、負荷特性５００と安定限界５０５より上側の点である運転点５０４で交わっており、負荷ノード１０３では電圧高め解となっている。さらに、運転点５０４と安定限界５０５との差Ｐは閾値である０．０００５（ｐｕ）以上となっている。同様にして、電圧安定性解析部３は、負荷ノード１０４及びその他の負荷ノードにおいて、電圧高め解になっており、且つ運転点と安定限界との差が閾値以上となっていることを確認する。

このようにして、電圧安定性解析部３は、過度安定度維持制御で加えられた発電機１０１の電源制限に電圧安定性維持制御として発電機１０２の電源制限及び負荷ノード１０５の負荷制限を加えることを決定する。

過渡安定度解析部２は、電圧安定性解析部３による電源制限、負荷制限が追加された状態で各発電機の内部相差角の経時変化を求める。例えば、発電機１０１、１０２の電源制限及び負荷ノード１０５の負荷制限を実施した状態での各発電機の内部相差角の経時変化は図１０のグラフ３０３のようになる。図１０は、電圧安定性維持制御後の発電機の内部相差角の経時変化を表す図である。グラフ３０３は、時間が経過するにしたがい、発電機の内部相差角は収束している。そこで、過渡安定度解析部２は、電圧安定性維持制御後でも過渡安定度が維持されていることを確認する。そして、過渡安定度解析部２は、電圧安定性維持制御後でも過渡安定度が維持されていることを電圧安定度解析部３へ通知する。

そして、過渡安定度解析部２より電圧安定性維持制御後も過渡安定度が維持される情報を受けた電圧安定性解析部３は、電圧安定性維持制御後の発電機及び負荷ノードの電圧、有効出力、無効出力、有効負荷、無効負荷及び電圧制御装置の動作状態を求め、それらを含む動作確認データを作成する。

図８Ａは、発電機１０２から出力される電圧及びその有効出力を表す図である。過度安定度制御後は、発電機１０２から出力される電圧４１３は０．９８２（ｐｕ）であり、有効出力４１４は０．５０１（ｐｕ）であった。これに対して、電圧安定性を維持するために、電圧安定性解析部３は、発電機１０２を電力系統から切り離す。そこで、電圧安定性維持制御を行った後は、図８Ａに示すように発電機１０２からの電圧４２１は０．０００（ｐｕ）となり、有効出力４２２は０．０００（ｐｕ）となる。また、図８Ｂは、負荷ノード１０５における有効負荷及びその無効負荷を表す図である。過度安定度維持制御後は、負荷ノード１０５における有効負荷４１５は６．５４９（ｐｕ）であり、無効負荷４１６は１．３０８（ｐｕ）であった。これに対して、電圧安定性を維持するために、電圧安定性解析部３は、負荷ノード１０５の負荷制限を行う。そこで、電圧安定性維持制御を行った後は、図８Ｂに示すように負荷ノード１０５における有効負荷４２３は６．０９１（ｐｕ）となり、無効負荷４２４は１．２２３（ｐｕ）となる。

電圧制御装置動作確認部４は、発電機１０１及び発電機１０２の電源制限、並びに、負荷ノード１０５の負荷制限をした場合の動作確認データの入力を電圧安定性解析部３から受ける。そして、電圧制御装置動作確認部４は、電圧制御装置のロックを解除し、発電機１０１及び発電機１０２の電源制限、並びに、負荷ノード１０５の負荷制限をした場合の電圧制御装置の動作を求める。ここでは、電圧制御装置動作確認部４は、負荷ノード１０３に繋がるノード、負荷ノード１０６に繋がるノード及び発電機１０１、１０２及び１０７に繋がるノードが電圧制約違反ノードとなっていることを確認する。そこで、電圧制御装置動作確認部４は、負荷ノード１０３に繋がる電圧制御装置、負荷ノード１０６に繋がる電圧制御装置及び発電機１０１、１０２及び１０７に繋がる電圧制御装置が動作することを確認する。この場合、各電圧制御装置は、電圧を上昇させる制御を行う。

図９は、電圧制御装置の運転状態及び電圧の変化を表す図である。図９では、電圧制御装置が繋がるノードの図４に示す番号（１０５０、１１７０、２０４０）で各電圧制御装置を表している。具体的には、番号１０５０で表される電圧制御装置は、負荷ノード１０６に繋がっている。また、番号１１７０で表される電圧制御装置は、負荷ノード１０３に繋がっている。また、番号２０４０で表される電圧制御装置は、発電機１０１、１０２及び１０７に繋がっている。ここでは、分かり易いように各電圧制御装置の後の括弧の中にその電圧制御装置を表す図９の番号を記載する。

電圧安定性維持制御後は、負荷ノード１０６に繋がる電圧制御装置（１０５０）、負荷ノード１０３に繋がる電圧制御装置（１１７０）及び発電機１０１、１０２及び１０７に繋がる電圧制御装置（２０４０）はロックされており動作していない。そこで、それぞれの運転状態６０１、６０２及び６０３は０．０００（ｐｕ）である。また、負荷ノード１０６に繋がる電圧制御装置（１０５０）における電圧７０１は０．９９４（ｐｕ）である。また、負荷ノード１０３に繋がる電圧制御装置（１１７０）における電圧７０２は０．９９４（ｐｕ）である。さらに、発電機１０１、１０２及び１０７に繋がる電圧制御装置（２０４０）における電圧７０３は０．９９３（ｐｕ）である。これに対して、電圧制御装置動作後は、負荷ノード１０６に繋がる電圧制御装置（１０５０）及び負荷ノード１０３に繋がる電圧制御装置（１１７０）のぞれぞれの運転状態６０４及び６０５は０．１００（ｐｕ）となる。また、発電機１０１、１０２及び１０７に繋がる電圧制御装置（２０４０）の運転状態６０６は０．３００となる。また、負荷ノード１０６に繋がる電圧制御装置（１０５０）における電圧７０４は１．００１（ｐｕ）となり、負荷ノード１０３に繋がる電圧制御装置（１１７０）における電圧７０５は１．００３（ｐｕ）となり、発電機１０１、１０２及び１０７に繋がる電圧制御装置（２０４０）における電圧７０６は１．００２（ｐｕ）となる。これらの変化に応じて、電力系統における他の発電機及び負荷ノードの電圧、有効電力、有効負荷及び無効負荷も変化する。

また、電圧安定性解析部３は、電圧制御装置動作確認部４による電圧制御装置の制御が追加された状態で各負荷ノードにおけるＰＶカーブを求め、各負荷ノードが電圧高め解を有し、運転点と安定限界との差が閾値以上となっているかを判定する。例えば、負荷ノード１０３及び１０６に繋がる電圧制御装置、並びに、発電機１０１、１０２及び１０７に繋がる電圧制御装置が動作した状態での負荷ノード１０３のＰＶカーブは、図１１のＰＶカーブ５０６のようになる。図１１は、電圧制御装置動作後の負荷ノード１０３におけるＰＶカーブを表す図である。図１１に示すように、ＰＶカーブ５０６における運転点５０７は、電圧高め解となっている。また、ＰＶカーブ５０６における運転点５０７と安定限界５０８との差は閾値以上となっている。ここでは、電力系統における全ての負荷ノードが電圧高め解を有し、且つ運転点と安定限界との差が閾値以上であるので、電圧安定性解析部３は、電圧制御装置動作後でも電圧安定性が維持されていることを確認する。

そして、過度安定度及び電圧安定性の維持が確認されると、電圧制御装置動作確認部４は、電圧装置動作制御後の制御情報から各発電機及び負荷ノードの電圧、有効電力、無効出力、有効負荷、無効負荷及び電圧制御装置の運転状態を求め、定態安定度確認データを作成する。

定態安定度確認部５は、発電機１０１及び１０２の電源制限や負荷ノード１０５の負荷制限を行い、負荷ノード１０３に繋がる電圧制御装置、負荷ノード１０６に繋がる電圧制御装置及び発電機１０１、１０２及び１０７に繋がる電圧制御装置を動作させた状態で負荷が変化しても電力系統が安定していることを確認する。

そして、制御情報通知部６は、想定故障が発生した場合の安定化制御として、発電機１０１及び１０２の電源制限、負荷ノード１０５の負荷制限、負荷ノード１０３に繋がる電圧制御装置、負荷ノード１０６に繋がる電圧制御装置及び発電機１０１、１０２及び１０７に繋がる電圧制御装置の動作を操作者に通知する。

次に、図１２を参照して、本実施例に係る電力系統安定化解析装置による解析処理の流れについて説明する。図１２は、実施例に係る電力系統安定化解析装置による解析処理のフローチャートである。

操作者は、入力部１を用いて想定故障の条件を入力する（ステップＳ１０１）。

過度安定度解析部２は、想定故障が発生した場合の過度安定度を検討し、過度安定度が維持できるように電源制限を加える過度安定度維持制御を決定する（ステップＳ１０２）。

過度安定度解析部２は、過度安定度維持制御を行った場合の電圧解析データを作成する（ステップＳ１０３）。過度安定度解析部２は、電圧解析データを電圧安定性解析部３へ出力する。

電圧安定性解析部３は、電圧解析データの入力を過度安定度解析部２から受ける。そして、電圧安定性解析部３は、電圧安定性の検討を行う（ステップＳ１０４）。そして、電圧安定性解析部３は、電圧安定性が維持できるように電源制限及び負荷制限を加える電圧安定性維持制御を決定する。

過度安定度解析部２は、電圧安定性維持制御後の制御情報を受信する。そして、過度安定度解析部２は、電圧安定性維持制御を行った場合に過度安定度が維持可能か否かを判定する（ステップＳ１０５）。

過度安定度が維持できない場合（ステップＳ１０５：否定）、過度安定度解析部２は、過度安定度が維持できていないことを電圧安定性解析部３へ通知する。過度安定度が維持できていないことを受信した電圧安定性解析部３は、電圧安定性維持制御を変更し、ステップＳ１０４に戻る。

過度安定度が維持可能な場合（ステップＳ１０５：肯定）、過度安定度解析部２は、過度安定度維持可能であることを電圧安定性解析部３へ通知する。電圧安定性解析部３は、電圧安定性維持制御後の制御情報から動作確認データを作成する（ステップＳ１０６）。電圧安定性解析部３は、作成した動作確認データを電圧制御装置動作確認部４へ出力する。

電圧制御装置動作確認部４は、動作確認データの入力を電圧安定性解析部３から受ける。そして、電圧制御装置動作確認部４は、電圧安定性維持制御を行った状態での電圧制御装置の動作を確認し、電圧制約違反を解消するように電圧制御装置の動作を追加する（ステップＳ１０７）。

電圧安定性解析部３は、電圧安定装置動作後に電圧安定性が維持可能か否かを判定する（ステップＳ１０８）。

電圧安定性が維持できない場合（ステップＳ１０８：否定）、電圧制御装置動作確認部４は、電圧安定性制御で加えられた電源制限及び負荷制限を変更し、ステップＳ１０４に戻る。

これに対して、電圧安定性が維持可能な場合（ステップＳ１０８：肯定）、電圧制御装置動作確認部４は、電圧制御装置動作後の制御情報から定態安定度確認データを作成する（ステップＳ１０９）。電圧制御装置動作確認部４は、作成した動作確認データを定態安定度確認部５へ出力する。

定態安定度確認部５は、定態安定度確認データの入力を電圧制御装置動作確認部４から受ける。そして、定態安定度確認部５は、電圧制御装置動作後の状態で負荷の変化などの微小じょう乱があった場合の定態安定度の検討を行う（ステップＳ１１０）。そして、定態安定度確認部５は、定態安定度の維持が可能か否かを判定する（ステップＳ１１１）。定態安定度が維持できない場合（ステップＳ１１１：否定）、定態安定度確認部５は、過渡安定度維持制御の情報及び電圧安定性維持制御の情報に電圧制御装置のロック制御及び電圧制約違反ノード発生情報を加え（ステップＳ１１２）、制御情報通知部６へ送信する。制御情報通信部６は、定態安定度確認部５から受けた制御情報などをモニタなどに出力して、想定故障が発生した場合の安定化制御を操作者に通知する（ステップＳ１１３）。

これに対して、定態安定度が維持可能な場合（ステップＳ１１１：肯定）、定態安定度確認部５は、定態安定度の維持が可能と判定した状態の制御情報を制御情報通知部６へ送信する。制御情報通知部６は、定態安定度確認部５から受けた制御情報をモニタなどに出力して、想定故障が発生した場合の安定化制御を操作者に通知する（ステップＳ１１３）。

以上に説明したように、本実施例に係る電力系統安定化解析装置は、過度安定度の検討を行い過度安定度を維持する制御を決定し、その後、過度安定度を維持する制御を行った状態での電圧安定性を検討し、電圧安定性を維持する制御を決定する。これにより、本実施例に係る電力系統安定化解析装置は、過度安定度及び電圧安定性の双方を維持する制御を提示することができるという効果を奏する。また、本実施例に係る電力系統安定化解析装置は、過度安定度及び電圧安定性に対する影響発生の時系列に沿ってそれぞれの検討を行うので、実際の故障発生時の状況に応じた安定化制御を求めることができる。

また、以上の説明では、より正確な安定化制御を求めるため、電圧制御装置の動作や電圧制御装置動作後の定態安定度の確認を行ったが、安定化制御として求められるレベルがそれほど高くなければ、これらを行わなくてもよい。その場合、電圧制御装置動作確認部４及び定態安定度確認部５を除いても良い。また、電圧制御装置の動作の確認は行うが、電圧制御装置動作後の定態安定度の確認は行わないとすることも可能である。これらの場合でも、過度安定度及び電圧安定性の双方を維持する制御を提示することができるという効果を奏する。

１ 入力部
２ 過度安定度解析部
３ 電圧安定性解析部
４ 電圧制御装置動作確認部
５ 定態安定度確認部
６ 制御情報通知部

Claims (9)

1. 正常時の電力系統における電力状態を表すデータ及び想定故障の情報を基に、前記想定故障が発生した場合に過度安定度を維持するための過度安定度維持制御を決定する過度安定度解析部と、
   前記過度安定度解析部により決定された電源制限を行った場合における前記電力系統における電力状態及び前記想定故障の情報を基に、前記想定故障が発生した場合に電圧安定性を維持するための電圧安定性維持制御を決定する電圧安定性解析部と
   を備えたことを特徴とする電力系統安定化解析装置。
2. 前記過度安定度解析部は、過度安定度維持制御として、前記電力系統に配置された複数の発電機のうちのいくつかを前記電力系統から切り離す電源制限の実行を決定することを特徴とする請求項１に記載の電力系統安定化解析装置。
3. 前記電圧安定性解析部は、電圧安定性維持制御として、前記電力系統に配置された複数の発電機のうちのいくつかを前記電力系統から切り離す電源制限及び前記電力系統における電気の需要を減らす負荷制限のいずれか一方もしくは双方の実行を決定することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電力系統安定化解析装置。
4. 前記過度安定度解析部は、前記電圧安定性解析部により決定された電圧安定性維持制御を行った場合に前記電力系統における過度安定度が維持できるか否かを判定することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の電力系統安定化解析装置。
5. 前記過度安定度解析部は、正常時の電力系統における電力状態を表すデータ及び前記電圧安定性解析部により決定された電圧安定性維持制御の情報を基に、前記過度安定度解析部が決定した制限を行った場合に前記電力系統における過度安定度が維持できるか否かを判定することを特徴とする請求項４に記載の電力系統安定化解析装置。
6. 前記電力系統は負荷における電圧を制御する電圧制御装置を含み、
   前記過渡安定度維持制御及び電圧安定性維持制御を行った場合における電力状態を基に、前記電圧安定性維持制御を行った状態において、各負荷の電圧を維持するための電圧制御装置の動作を決定する電圧制御装置動作確認部をさらに備え、
   前記電圧安定性解析部は、前記電圧安定性維持制御を行った状態で前記電圧制御装置動作確認部により決定された電圧制御装置の動作が行われた場合に電圧安定性が維持できるか否かを判定する
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の電力系統安定化解析装置。
7. 前記電圧安定性維持制御を行った状態で前記電圧制御装置動作確認部により決定された電圧制御装置の動作が行われた状態で、前記電圧安定性が維持できる場合、定態安定度が維持できるか否かを判定する定態安定度確認部をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の電力系統安定化解析装置。
8. 正常時の電力系統における電力状態を表す第１データ及び想定故障のデータを基に、前記想定故障が発生した場合に過度安定度を維持するための電源制限をコンピュータに決定させ、
   決定した過度安定度を維持するための電源制限を行った場合における電力状態を表す第２データをコンピュータに作成させ、
   前記第２データ、前記想定故障のデータ及び決定した過度安定度を維持するための電源制限のデータを基に、前記想定故障が発生した場合に電圧安定性を維持するための電源制限又は負荷制限のいずれか一方又は双方をコンピュータに決定させる
   ことを特徴とする電力系統安定化解析方法。
9. 正常時の電力系統における電力状態を表す第１データ及び想定故障のデータを基に、前記想定故障が発生した場合に過度安定度を維持するための電源制限を決定し、
   決定した過度安定度を維持するための電源制限を行った場合における電力状態を表す第２データを作成し、
   前記第２データ、前記想定故障のデータ及び決定した過度安定度を維持するための電源制限のデータを基に、前記想定故障が発生した場合に電圧安定性を維持するための電源制限又は負荷制限のいずれか一方又は双方を決定する
   処理をコンピュータに実行させることを特徴とする電力系統安定化解析プログラム。

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