JP2015162997A - 電力系統監視装置、電力系統制御装置及び電力系統監視方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
従来の（Ｎ−１）信頼度基準に基づいた運用では、再生可能エネルギーが増加した電力系統において、適切な運用計画立案を行うことができない。
【解決手段】
電力系統を監視する電力系統監視装置において、前記電力系統の想定故障の発生頻度を含む想定系統故障データと、前記電力系統に接続する発電機の想定出力変化の発生頻度を含む想定出力変化データとを入力する入力部と、前記想定故障及び前記想定出力変化の発生頻度に基づいて、前記想定故障及び前記想定出力変化の各事象を組合せた条件を生成し、前記条件ごとに制御計画を出力する出力部とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、商用電力系統の監視及び制御計画の立案を行う電力系統監視装置及び方法、また前記制御計画に基づいて制御指令を行う電力系統制御装置に関する。

電力系統の運用においては、供給信頼度を維持するための計画立案が重要となる。電力系統の設備に不具合が発生した場合においても、電力系統の運用を維持して電力供給を継続する必要がある。電力系統は重要な社会インフラのひとつであり、電力系統における供給信頼度の維持は電力系統運用者の責務のひとつである。

信頼度維持の基本的な考え方は、事前解析による予防的な計画立案である。電力系統に発生しうる供給支障の要因を事前に想定した上で、解析計算の上で前記供給支障要因が発生した状態を評価して電力供給が継続できるか否かを判定する。想定される供給支障要因のいずれが発生しても問題ないことを条件として、電力系統運用計画を立案する。

上記電力系統運用技術の一例として、安定度維持制御が挙げられる。例えば、特許文献１、２などのように、オンラインで電力系統の観測情報を収集することで、最適な安定度維持方策を立案することが提案されている。このように、計算機技術および通信技術の進展によって、電力系統の信頼度が向上されつつある。

特開２０００−９２７１４号公報 特開２０００−３４１８５６号公報

しかしながら、上記特許文献を含め旧来の電力系統運用においては、重大な系統故障は単一でしか発生しないことを想定していた。電力系統の基幹部分における落雷などに起因する供給支障もしくは大型発電機における設備故障による供給支障などは、発生頻度が低く相関性も低いため、重複で発生することは考えてこなかった。いわゆる（Ｎ−１）信頼度基準である。

今後、太陽光や風力に代表される再生可能エネルギーの普及に伴って、異なった考え方が求められている。上記に挙げた自然エネルギーを活用した再生可能エネルギーの類は、出力変動型電源とも呼ばれており、発電出力に不確実性が伴う性格を持つ。また、分散型電源でありながら、自然エネルギーのリソースに地理的な偏在も伴う。例えばメガソーラやウィンドファームと呼ばれる形態では、太陽光発電設備や風力発電設備が集合して、従来の火力発電に代表される大型発電機に相当する大容量電源のように系統に連系する。

この場合、天候急変に起因して、大きな状態変化が同時多発する恐れがある。例えば、風力発電の場合、風力ブレードに当たる風速が一定値以上に高まった場合には、機械的な安全性を確保するために、ブレードを停止させて発電出力をゼロとするカットアウトと呼ばれる自動動作が行われる。このような天候急変の事象は、従来の信頼度維持において想定していた前記の供給支障原因に比較して発生頻度が多く、また、気象的に相関性を持つ地域においては同時発生する確率も高いことが懸念される。

よって、従来の（Ｎ−１）信頼度基準に基づいた運用では、再生可能エネルギーが増加した電力系統において、適切な運用計画立案を行うことができないという課題が生じる。

上記課題を解決する為本発明では、電力系統を監視する電力系統監視装置において、前記電力系統の想定故障の発生頻度を含む想定系統故障データと、前記電力系統に接続する発電機の想定出力変化の発生頻度を含む想定出力変化データとを入力する入力部と、前記想定故障及び前記想定出力変化の発生頻度に基づいて、前記想定故障及び前記想定出力変化の各事象を組合せた条件を生成し、前記条件ごとに制御計画を出力する出力部とを備える。

また、前記電力系統監視装置から出力された前記制御計画に基づいて、前記発電機に対して制御指令を行うことを特徴とする電力系統制御装置も含まれる。

本願によって、再生可能エネルギーなどの出力変動型電源が増加した電力系統において、複数の故障及び出力変動が発生した場合でも、適切に信頼度維持を図る電力系統の運用計画を作成できる。

また、再生可能エネルギーの普及に対して過剰な設備対策を求めることはなくなり、再生可能エネルギーの普及促進にも寄与できる。

本発明を用いた電力系統監視装置の構成及び処理フローの一例である。 本発明を用いた電力系統監視装置及び電力系統制御装置の設置例である。 想定故障を示すデータを格納するデータベース構成の一例である。 想定出力変化を示すデータを格納するデータベース構成の一例である。 想定出力変化を示す表現の一例である。 評価対象系統条件データを格納するデータベース構成の一例である。 電力系統の過渡安定度評価の一例である。 系統安定度維持のための制御計画を格納するデータベース構成の一例である。 想定安定度向上策を示すデータを格納するデータベース構成の一例である。 想定安定度向上策を伴う電力系統の過渡安定度評価の一例である。 制御計画提示手段の画面構成の一例である。

以下、実施例について図面を用いて説明する。尚、下記はあくまでも実施の例に過ぎず、下記具体的内容に発明自体が限定されることを意図する趣旨ではない。

本実施例では、本発明を採用した電力系統監視装置及び電力系統制御装置（以下、監視制御装置）によって、電力系統の安定化制御計画を立案する方法を説明する。電力系統には、火力などの大型発電設備に加えて、大規模な風力発電設備と太陽光発電が連系されている。これら電源などを制御対象とした安定化制御計画として、系統故障発生後に直ちに実施すべき電源遮断などの緊急制御の事前立案、および、上記緊急制御の必要性を低減させるための風力発電量抑制などの予防制御の立案を実施して、運用者に提示する機能を有している。

図１は本願を適用した電力系統監視装置の構成及び処理フローを示した図である。以下に処理手順の概略を説明していく。

当該監視制御装置は、図２の監視制御装置0201のように、電力系統0202に連系する大型火力電源0203や再生可能エネルギー電源0204を監視制御する監視制御装置0205,0206、および、電力系統内の潮流分布を測定する計測装置0207を監視する監視端末0208と、通信網0209を介してデータ送受できる。

想定故障データベース0101は、電力系統の基幹部分における落雷など、供給支障を引き起こす想定事象に関する詳細内容を格納する記憶部である。このデータベースの構成としては、図３のように、想定故障ＩＤを示す記号0301毎に、電力系統上での想定発生箇所を示す番号0302、および、その故障様相を示す記号0303、その頻度を示す記号0304が格納されている。ここで、想定される発生箇所を示す番号0302は、別途定義されている電力系統地点情報と紐づけられている。例えば、送電線送電端もしくは受電端、母線などを指摘できる。故障様相は、一般的な表現に従って、例えば二回線併架の三相三線式送電線における２相３線故障などが定義されている。また、頻度0304についても、別途定義されている発生頻度クラス情報と紐づけられている。例えば、年間５０回以上の一分以上継続して発生し得るクラスＡから、年間０．１回以下の発生確率で継続時間も短い発生頻度クラスＥ等のような定義ができる。

想定出力変化データベース0102は、大規模な風力ファームの一斉カットアウトのように、電力系統の基幹潮流に影響し得る発電設備群の出力変化に関する詳細内容を格納する記憶部である。このデータベースの構成としては、図４のように、想定出力変化ＩＤを示す記号0401毎に、発生電源を示す番号0402、および、その出力変化様相を示す文字列0403、その発生頻度を示す記号0404が格納されている。ここで、想定される発生電源を示す番号0402は、別途定義されている電力系統地点情報と紐づけられている。例えば、大規模風力ファームが連系する母線が指摘される。出力変化様相については、別途定義されている。例えば風力発電のカットアウトについては、図５のように、横軸0501が示す出力変化発生後t1秒までの間に、縦軸0502が示す発電出力が定格から０まで出力低下する形状が定義されている。同様に、太陽光発電設備や風力発電設備の故障停止や不具合による出力抑制なども定義されている。また、頻度0404については、想定故障データベース0101における頻度0304と同様に発生頻度クラス情報と紐づけられる。これら想定出力変化は、想定故障に比較して、より高頻度に発生し得る事象として定義されている。

条件組合せ手段0103は、想定故障データベース0101と想定出力変化データベース0102の内容を参照して、安定化制御立案において評価対象とすべき系統条件群を生成する。ここで、評価対象系統条件とは、複数の想定故障と想定出力変化の組合せを意味している。条件組合せ手段における組合せ方法については、多様な処理方法が存在するが、本実施例では想定故障および想定出力変動それぞれの発生頻度を考慮しながら段階的に組合せを作成していく処理を行う。また当該組合せを作成する際に、想定故障と想定出力変化の地点情報に基づいて以下の処理で組合せを生成する。例えば地理的に近い位置にあることから地理的相関が高く、同時発生する可能性がある場合等適宜考慮する。まず、レベル１として、単一の想定故障に単一の出力変化が重複した事象を想定した組合せを生成する。想定故障および想定出力変化の両方について発生頻度に高いクラスが指定されている事象のみに抽出して、前記組合せを作成する。次に、レベル２として、単一の想定故障に二つの出力変化が重複した事象を想定した組合せを生成する。同様に、別途定められる運用規定の考え方に従って、想定レベル毎に組合せを生成していく。このような段階的な組合せ作成方法のほかにも、発生頻度を示すクラス別に確率値を与えて、複数の想定故障および想定出力変化の多重発生の確率が一定値以下になる組合せを自動生成する方法も考えられる。組合せ数が膨大となるため、意味のある組合せを高速に作成するために、動的計画法などの数理計画手法を適用する。さらには、想定出力変化データベースの中で、出力変化事象の間の地理的相関を示すデータも格納することで、上記自動生成において条件付き確率を算出する方法も考えられる。

このような条件組合せ手段の結果は、図６のような評価対象系統条件群データベース0104に格納される。通し番号が振られた条件Ｎｏの番号0601毎に、その系統条件に採用した想定故障群を示す文字列0602および想定出力変化を示す文字列0603、そして、その想定レベルを示す記号0604が格納されている。文字列0602と文字列0603の表現はそれぞれ、上記想定故障データベース内の想定故障ＩＤと上記想定出力変化データベース内の想定出力変化ＩＤの表現に従っていて、ひとつもしくは複数の事象を示す文字列となっている。

次に、系統安定化制御立案手段0105では、電力系統の時系列応動を模擬するシミュレーションを繰り返し実施することによって、上記系統条件が発生した場合に必要な安定化制御内容を事前立案する。過渡安定度を維持するために、例えば、図７のように、時間軸0701に対して縦軸0702として、大型火力発電機個々の内部相差角の応動を把握するためにシミュレーションを行う。電力系統が平常状態から上記系統状態に変化した際の時刻T0を基準として、故障が除去される時刻T1、さらにその後の挙動をシミュレーションする。そして、時刻T2において内部相差角が閾値0703よりも大きくなってしまう発電機については、電源制御として緊急的な電源遮断が必要と判断する。その上で、この電源制御を実行した場合について更にシミュレーションで評価することによって、過渡安定度が維持されるか、つまり、他発電機の内部相差角の推移0704が収束していくのか判断する。これが不安定な場合には、内部相差角の挙動から、追加の電源制御の対象となる発電機を選択する。このような処理を繰り返すことによって、過渡安定度維持のために必要となる電源制御の組合せ等の制御計画を適宜変更する。また、系統安定化制御立案手段0105では、系統電圧を維持するための制御に関しても事前立案する。時間軸に対する縦軸0705として、電力系統内の主要ノードにおけるノード電圧の応動を把握するためにシミュレーションを行う。電圧が一定レベル0706を下回るノードが発生する場合には、電圧低下ノードの電圧回復を図るための電圧補償装置の投入を立案して、これら制御を想定した場合について再度シミュレーション評価する。この動作を繰り返すことによって、各ノード電圧の推移0707が適正範囲に収束させる系統安定化制御計画を適宜変更して立案する。

このような系統安定化制御立案手段の結果、図８のような系統安定化制御計画群データベース0107が生成される。番号0801は、評価対象系統条件群データベース0104と共通の条件Ｎｏである。この条件Ｎｏ毎に、制御対象電源ＩＤ群を示す数列0802およびその電源制御時間を示す数値0803、制御対象負荷ＩＤ群を示す数列0804およびその負荷制御時間を示す数値0805を格納している。なお、上記電源制御時間および負荷制御時間は、平常状態から上記系統状態に変化した時を基準としている。

また、系統安定化制御立案手段0105においては、安定度向上策についても合わせて評価する。安定度向上策は事前に立案されて、図９のような想定安定度向上策データベース0106に格納されている。安定度向上策を通し番号で管理する数値0901毎に、制御対象とする電源ＩＤを示す数値0902、および、その制御種別を示す記号0903が格納されている。制御種別は事前に定義された発電機に対する制御内容であり、例えば、風力発電設備に対して規定比率で発電出力を抑制する指令などが表現されている。これら安定度向上策の一つもしくは複数が実施された場合を想定して、図７で説明した手順と同様に、安定化制御内容を事前立案する。まず、過渡安定度に関する評価として、時間軸1001に対して縦軸1002として、大型火力発電機個々の内部相差角の応動をシミュレーションする。例えば、安定度向上策に依って、内部相差角が閾値1003よりも大きくなる発電機は無くなり、全ての発電機の内部相差角の推移1004が収束していくことが確認される。閾値1003を超える発電機がある場合には、図７の動作と同様に、電源制御の対象となる発電機を選択する処理を繰り返すことによって、過渡安定度維持のために必要となる電源制御の組合せを作成する。系統電圧に関しても図７と同様に処理する。主要ノードにおけるノード電圧を縦軸1005として、電圧が一定レベル1006を下回るノードが発生しなくなるまで、電圧低下ノードの電圧回復を図るための電圧補償装置の投入を繰り返して、各ノード電圧の推移1007が適正範囲に収束させる系統安定化制御を立案する。

安定度向上策を想定した場合の安定化制御内容についても、系統安定化制御計画群データベース0107に格納される。安定度向上策毎の系統安定化制御立案結果が、図８と同様構成のデータテーブルとして格納される。

最後に、制御計画提示手段0108を説明する。同手段が提供する操作画面としては、例えば、図１１のような表示を含む。横軸1101は、評価対象系統条件の発生頻度を示すレベルを数値化している。上記条件組合せ手段0103に関する説明で前述した通り、複数の想定故障と想定出力変化それぞれの発生頻度から、それらを組み合わせた評価対象系統条件の発生頻度についても確率値として定量化して表現している。本実施例では、レベル１の事象は、単一の想定故障に単一の出力変化が重複した事象を想定した組合せ群となっている。縦軸1102は、レベル毎の評価対象系統条件において立案された系統安定化制御のうちの電源制御量を示している。上記レベルの一つには複数の評価対象系統条件が属しており、これら評価対象系統条件群で必要となる系統安定化制御立案結果群について電源制御量の合算値を採用する。これをレベル毎に求めてプロットすることによって、折れ線形状のグラフを得ることができる。例えば、折れ線1103は、安定度向上策を実施しない場合の電源制御量について、レベル別の変化を示している。同様に、折れ線1104と折れ線1105はそれぞれ異なった安定度向上策を想定した場合の電源制御量を示している。別途規定された許容電源制御量1106を判定基準として、安定度向上策が無い場合にはどのレベルの系統変化まで許容されるか判断できる。また、安定度維持で目的とするレベルが存在する場合には、どの安定度向上策を実施することによって許容電源制御量以下に想定制御量が抑制できるかも判断できる。同様に、別グラフ1107としては、負荷制御量についてもレベル別に必要負荷制御量を可視化している。上述した許容電源制御量の考え方と同様に、同画面の操作者は、現時点の系統状態からどのレベルの系統変化が許容されるかまた、どの安定度向上施策が必要かを判断する材料を得ることができる。

なお、図１において、電力系統監視装置のハードウェアの主構成として、メモリ等の記憶媒体及びCPUに区分でき、後述する処理部へ入力するデータを格納する想定故障データベース0101, 想定出力変化データベース0102，評価対象系統条件群データベース0104、想定安定度向上策データベース0106、系統安定化制御計画群データベース0107を記憶部0109とし、前記記憶部から入力されたデータに基づいて制御計画を作成及び提示して出力する当該CPUの処理機能である条件組合せ手段0103，系統安定化制御立案手段0105，制御計画提示手段0108を処理部0110と区分する。

以上のような本願を適用した監視制御装置を利用することによって、系統状態が大きく変化した場合には、系統安定化制御計画群データベースを参照することによって、必要となる電源制御および負荷制御の内容を直ちに把握することが可能となる。風力発電などの出力変動型電源を含む電力系統状況をオンライン監視する機能、および、系統状態変化のオンライン判定機構、制御指令機構を設けることによって、系統状況に応じた制御計画を迅速に実施することが可能となる。この制御計画は、従来の（Ｎ−１）信頼度基準に従った系統故障に対する評価だけでなく、風力発電のカットアウトなど頻度の高い出力変化も合わせて評価されている。オフライン解析に基づいて事前整定した安定化制御計画に比較して、過剰な制御を抑制しつつ系統安定化に寄与する。

さらに、同技術によって、風力発電の出力抑制など、事前立案できる系統安定化制御計画についても制御効果を事前評価できるため、電力系統運用の業務において適切な予防制御を採用することも可能になる。

この結果、風力発電や太陽光発電の不確実性に対して、電力系統の信頼度上で適切な対応が可能となる。再生可能エネルギーの普及に対して過剰な設備対策を求めることはなくなり、再生可能エネルギーの普及促進にも寄与できる。

0101 想定故障データベース
0102 想定出力変化データベース
0103 条件組合せ手段
0104 評価対象系統条件群データベース
0105 系統安定化制御立案手段
0106 想定安定度向上策データベース
0107 系統安定化制御計画群データベース
0108 制御計画提示手段
0109 記憶部
0110 処理部
0201 監視制御装置
0202 電力系統
0203 大型火力電源
0204 再生可能エネルギー電源
0205,0206 監視制御端末
0207 計測装置
0208 監視端末
0209 通信網

Claims (13)

1. 電力系統を監視する電力系統監視装置において、
   前記電力系統の想定故障の発生頻度を含む想定系統故障データと、前記電力系統に接続する発電機の想定出力変化の発生頻度を含む想定出力変化データとを入力する入力部と、
   前記想定故障及び前記想定出力変化の発生頻度に基づいて、前記想定故障及び前記想定出力変化の各事象を組合せた条件を生成し、前記条件ごとに制御計画を出力する出力部とを備えることを特徴とする電力系統監視装置。
2. 請求項１記載の電力系統監視装置において、
   前記出力部は、前記条件において、前記発電機の内部相差角及び前記電力系統における所定ノードの電圧が所定範囲内に収束するか模擬し、前記模擬の結果に基づいて前記制御計画を変更することを特徴とする電力系統監視装置。
3. 請求項1又は２記載の電力系統監視装置において、
   前記出力部は、前記条件ごとの制御計画を前記発生頻度と制御量の相関で表示することを特徴とする電力系統監視装置。
4. 請求項1記載の電力系統監視装置において、
   前記想定系統故障データには前記想定故障の地点情報を含み、かつ前記想定出力変化データには前記想定出力変化の地点情報を含み、それらの地点情報に基づいて、前記条件を生成することを特徴とする電力系統監視装置。
5. 請求項４記載の電力系統監視装置において、
   前記条件は、前記地点情報に基づいて前記想定出力変化の事象間で重み付けを行うことを特徴とする電力系統監視装置。
6. 請求項１記載の電力系統監視装置において、
   前記条件は、前記発生頻度が所定の範囲内となる前記想定故障及び前記想定出力変化の事象間の組合せで生成することを特徴とする電力系統監視装置。
7. 請求項１記載の電力系統監視装置において、
   前記想定系統故障データは、故障発生箇所に応じた故障様相のデータを含むことを特徴とする電力系統監視装置。
8. 請求項１記載の電力系統監視装置において、
   前記想定出力変化データは、前記発電機ごとの出力変化様相のデータを含むことを特徴とする電力系統監視装置。
9. 請求項８記載の電力系統監視装置において、
   前記出力変化様相のデータは、出力変化量及び出力変化速度を含むことを特徴とする電力系統監視装置。
10. 請求項８記載の電力系統監視装置において、
    前記出力変化様相のデータは、風力発電のカットアウト事象を含むことを特徴とする電力系統監視装置。
11. 請求項１記載の電力系統監視装置において、
    前記入力部に更に事前設定した発電機ごとの制御策を入力し、前記出力部で制御計画を作成することを特徴とする電力系統監視装置。
12. 請求項１乃至１１の何れかに記載の電力系統監視装置から出力された前記制御計画に基づいて、
    前記発電機に対して制御指令を行うことを特徴とする電力系統制御装置。
13. 電力系統を監視する電力系統監視方法において、
    前記電力系統の想定故障の発生頻度を含む想定系統故障データと、前記電力系統に接続する発電機の想定出力変化の発生頻度を含む想定出力変化データとを入力し、
    前記想定故障及び前記想定出力変化の発生頻度に基づいて、前記想定故障及び前記想定出力変化の各事象を組合せた条件を生成し、前記条件ごとに制御計画を出力することを特徴とする電力系統監視装置。