JP2017060249A - 系統安定化システム - Google Patents

Abstract

【課題】小規模系統が単独系統となった場合、速やかに系統の安定化のための制御に移ることのできる系統安定化システムを提供する。【解決手段】系統安定化システム１は、演算部３によって、小規模系統５内の周波数を規定範囲内に維持する制御内容を定周期で事前演算しておく。また、系統安定化システム１は、遮断動作検出部２１を備え、一般電気事業者の広域系統１００との連系線５１を遮断状態にする事故除去リレーシステム５１ｂの動作を検出する。そして、系統安定化システム１は、連系線５１の遮断を検出すると、制御部４によって、事故波及防止のために演算部３が決定した制御対象を制御する。【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、連系線の遮断器が遮断動作したことよる系統内への事故波及を防止する系統安定化システムに関する。

所謂電力会社である一般電力事業者が管理する電力系統は、発電設備、変電設備及び送電設備等からなる。電力系統は、電力の需給バランスを図りながら、周波数変動、電圧変動及び停電の少ない電気を所謂電力需要家である一般産業事業者等に供給している。

電力系統には系統事故が発生したときに速やかに事故を除去して、安全確保や事故設備の損傷軽減を図るとともに、電力系統の安定運用を継続するために保護リレーシステムが設置されている。この保護リレーシステムは、事故除去リレーシステムと事故波及防止リレーシステムに大別される。このうち、事故除去リレーシステムは、事故区間と電力系統から速やかに切り離すことを目的とする。

事故除去リレーシステムの動作にもかかわらず、遮断器不動作に伴う事故除去時間の遅延、広範囲な事故遮断又はルート断等の重大事故の発生という結果を伴うことがある。この結果は、電力系統の構成を大幅に変更し、潮流急変や需給バランスの崩壊を引き起こす虞がある。潮流急変や需給バランスの崩壊は、脱調、電圧異常、周波数異常又は過負荷等の現象を電力系統に発生させる。すなわち、事故の影響が電力系統の全系に波及して広域停電に至る虞がある。

そこで、従来より、事故の影響が電力系統の広域へ波及することを防止すべく、電力系統には事故波及防止リレーシステムが設置されている。事故波及防止リレーシステムは、通称、系統安定化システムと呼ばれる。この系統安定化システムは一般的には、中央装置と複数の端末装置により構成される。端末装置には、事故発生を検出する事故検出端末装置と、発電機や負荷などを制御する制御端末装置がある。制御を行う電気所（発電所、変電所）は事故が発生した電気所とは異なる場合が多いため、制御端末装置では事故発生を直接検出することはできない。したがって、制御端末装置は誤動作防止のため、中央装置から受信した制御指令と、自装置に備えたフェイルセーフ要素（事故検出リレー動作）のＡＮＤ条件で制御を行う構成となっている。

電力系統内に事故が発生すると、その事故区間を保護する事故除去リレーシステムが事故を検出し、事故区間を遮断する。事故区間外に設置された系統安定化システムの制御端末装置は、事故区間外であることから事故を直接確認できない。そのため、この制御端末装置は、事故波及を確認し、中央装置から受信した制御内容情報とのＡＮＤ条件が成立する場合に制御対象に対する制御を実行する。事故波及を確認した事故区間外の制御端末装置は、遮断器の遮断により、制御対象の発電機や負荷を電力系統から切り離し、電力系統の周波数を正常方向へ導く。事故波及の確認手段は、周波数下降リレー（ＵＦＲ）や周波数上昇リレー（ＯＦＲ）等であり、制御端末装置が備えるフェイルセーフ要素は、電力系統に現れる周波数の増加又は低下を検出する。

ここで、一般電力事業者が有する電力系統には、一般産業事業者の電力系統も連系している。以下、一般電力事業者が有する大規模な電力系統を広域系統または本系統と呼び、一般産業事業者が有する電力系統を小規模系統と呼ぶ。また、一般電気事業者の広域系統（本系統）の一部分であって送電線等の事故発生によって本系統と分離して単独系統になり得る電力系統のことを小規模系統と呼ぶ。小規模系統に設置される系統安定化システムは、広域系統との連系線がルート断となって小規模系統内の需給バランスが崩れたときに、連系線のルート断の影響が小規模系統内に波及することを防止しなくてはならない。

そこで、小規模系統に設置される系統安定化システムは、小規模系統が単独系統となった際の目標制御量と制御対象を事前に演算する演算部を備える。そして、連系線がルート断となったことを検出すると共に、広域系統での事故波及防止確認手段と同じ周波数変動の検出機能を用いて事故波及を検出し、事前に決定した制御対象に対する発電機制御や負荷制御を実行していた。例えば、広域系統から小規模系統へ送電している状態において、連系線がルート断になると、小規模系統が広域系統から受電していた潮流は事故前の値からゼロへ変化するため、小規模系統内の電力供給と電力消費のバランスが崩れ、周波数が変動する。周波数変動を防止するため、系統安定化システムで小規模系統内の電力供給と電力消費のバランスを維持する制御として、事故前の潮流に相当する電力の抑制を達成する負荷の切り離しが行われていた。

電気学会技術報告 第８０１号「系統脱調・事故波及防止リレー技術」，（社）電気学会，２０００年１０月，ｐ５，６，１０ 電気学会技術報告 第１１２７号「周波数リレーシステムによる事故波及防止技術」，（社）電気学会，２００８年９月，ｐ３０，３２

系統容量Ｐ（ＭＷ）、需給アンバランス量ΔＰ（ＭＷ）、周波数変化量Δｆ（Ｈｚ）及び系統周波数特性Ｋ（ＭＷ／Ｈｚ）は、次式（１）の関係を有することが知られている。

小規模系統は広域系統に比べて系統容量Ｐが小さい。そのため、上記式（１）で示されるように、系統容量Ｐが小さい場合、周波数変化量Δｆが大きくなる傾向がある。さらに、系統容量Ｐに対する需給アンバランス量ΔＰの割合が広域系統の場合に比べて大きくなるため、急激に周波数が変化する傾向がある。しかしながら、従来の小規模系統に対する系統安定化システムでは、広域系統との連系線がルート断となれば事故波及が確実であるにもかかわらず、事故波及を確認する周波数変動の検出を行っていたため、急激な周波数変化に対して周波数変動の制御が間に合わず、周波数の維持が困難となってしまう虞があった。

本実施形態は、上述の課題を解決すべく、小規模系統が単独系統となった場合、速やかに系統の安定化のための制御に移ることのできる系統安定化システムを提供することにある。

上記の目的を達成するために、本実施形態の系統安定化システムは、一般電気事業者の広域系統と連系する一般産業事業者の電力系統、又は一般電気事業者の広域系統の一部分であって送電線等の事故によって当該広域系統と分離して単独系統になり得る小規模系統に対する系統安定化システムであって、連系遮断が検出する第１の検出部と、前記潮流情報を用いて単独系統の運転を維持するための目標制御量および制御対象を決定する演算部と、前記第１の検出部の前記検出と前記演算部の前記決定をＡＮＤ条件として、発電機または負荷を電力系統から解列する制御部と、を備えることを、を特徴とする。

第１の実施形態に係る系統安定化システムと小規模系統を示す図である。 第１の実施形態に係る系統安定化システムの構成を示すブロック図である。 第１の実施形態に係る系統安定化システムと従来の動作タイミングを示す模式図である。 第２の実施形態に係る系統安定化システムと小規模系統を示す図である。 第２の実施形態に係る系統安定化システムの構成を示すブロック図である。 第３の実施形態に係る系統安定化システムの構成を示すブロック図である。 第３の実施形態と第１の実施形態に係る系統安定化システムの動作タイミングを示す模式図である。

（第１の実施形態）
（構成）
以下、第１の実施形態に係る系統安定化システム１について図面を参照しつつ詳細に説明する。図１に示すように、広域系統１００の母線１０１と小規模系統５とは連系線５１を介して接続されている。系統安定化システム１は、小規模系統５側を安定化させる事故波及防止リレーシステムである。広域系統１００は、所謂電力会社等の一般電力事業者が所有する電力系統である所謂本系統である。小規模系統５は、主に電力需要家となる一般産業事業者が所有する電力系統、又は広域系統の一部であって系統事故などによって単独系統になり得る電力系統である。電力系統とは、発電設備、変電設備及び送電設備等によりなり、適正な電力を供給するシステムである。更に小規模系統５は複数の発電機５２及び複数の負荷５３を有する。

連系線５１の両端子には遮断器５１ａが接続される。また、これら遮断器５１ａの開閉を制御する事故除去リレーシステム５１ｂが設けられる。連系線５１には変流器５１ｃ（ＣＴ）及び計器用変圧器５１ｄ（ＶＴ）が接続される。事故除去リレーシステム５１ｂは、変流器５１ｃ及び計器用変圧器５１ｄの電流値及び電圧値等により連系線５１の事故を検出する。事故除去リレーシステム５１ｂは、連系線５１の事故を検出し、連系線５１の遮断器５１ａを遮断動作させることで、連系線５１を遮断する。

系統安定化システム１は、事故波及防止のために小規模系統５の一部の各発電機５２又は各負荷５３を制限する。各発電機５２及び各負荷５３は、遮断器５４を介して小規模系統５の送電線５５に接続する。系統安定化システム１は、遮断器５４によって一部の発電機５２又は各負荷５３を系統から切り離し、小規模系統５内の周波数を規定範囲内に制御することで周波数異常の発生を防止する。

この系統安定化システム１は、連系線５１を保護する事故除去リレーシステム５１ｂ及び遮断器５１ａと信号伝送路５６により接続されている。系統安定化システム１は、事故除去リレーシステム５１ｂと遮断器５１ａの各々から連系線５１の接続状態を示す遮断信号を受信する。また、系統安定化システム１は、連系線５１に設置された変流器５１ｃ及び計器用変圧器５１ｄと信号伝送路５６により接続されている。系統安定化システム１は、連系線５１に設置された変流器５１ｃ及び計器用変圧器５１ｄから連系線５１の電気量情報を受信する。すなわち、電気量情報は電流値及び電圧値である。

図２に示すように、系統安定化システム１は、演算部３と遮断動作検出部２１と制御部４を備える。演算部３は、連系線５１が遮断され小規模系統５が単独系統になった際に小規模系統５内の需給バランスを維持し周波数異常の発生を防止するに必要な目標制御量と制御対象を事前に演算し、制御対象を示す制御内容情報を制御部４へ入力する。遮断動作検出部２１は、連系線５１の遮断を検出する。制御部４は、遮断動作検出部２１による検出を契機として、演算部３が決定した制御対象を制御する。

演算部３は、連系線の潮流情報を用いて単独系統の運転を維持するために必要な目標制御量と制御対象（一部の発電機又は負荷）を演算する。例えば、目標制御量を等量制御方式で求める場合、目標制御量は連系線５１が遮断される前に連系線５１に流れていた電力（事前潮流）と同一の値となる。小規模系統５が単独系統となると、広域系統１００から小規模系統５への潮流はゼロになる。従って、等量制御の場合、目標制御量は、小規模系統５が単独系統となる前、換言すると連系線５１のルート断前における広域系統１００から小規模系統５への潮流である。演算部３は、変流器５１ｃ及び計器用変圧器５１ｄから受信した電流値及び電圧値を乗算することで、連系線潮流を計測する。

上記は等量制御の場合であるが、その他に系統の周波数特性を加味した制御方式がある。系統の周波数特性を加味した制御方式の場合、例えば、目標制御量Ｐｃは、系統容量Ｐ０、潮流変化量ΔＰ、目標周波数偏差Δｆ及び電力周波数特性Ｋをパラメータとする次式（２）により演算される。

Ｐｃ：制御目標量［ＭＷ］
ΔＰ：潮流変化量（需給アンバランス量）［ＭＷ］
Ｐ０：小規模系統の系統容量［ＭＷ］
Δｆ：目標周波数偏差［Ｈｚ］
Ｋ：電力周波数特性［ＭＷ／Ｈｚ］

更に、演算部３は、目標制御量を達成する制御対象を決定する。制御対象は、小規模系統５の発電機５２及び負荷５３である。演算部３は、発電機５２又は負荷５３の小規模系統５に対する接続又は切り離しにより実現される供給増加量と需要減少量を演算し、目標制御量に最も近づく発電機５２と負荷５３の組み合わせを決定する。目標制御量と制御対象の決定は、系統の刻々として変化に対応して、数秒から数分単位で繰り返され、更新される。

遮断動作検出部２１は、連系遮断を検出する。この遮断動作検出部２１は、事故除去リレーシステム５１ｂから遮断器５１ａの遮断を示す遮断信号を受信する。更に、遮断動作検出部２１は、遮断器５１ａから遮断信号を受信する。この遮断信号の受信によって連系遮断の検出とする。連系線５１の遮断を確実に、かつ出来るだけ早期に検出するためである。本実施形態の遮断動作検出部２１は、事故除去リレーシステム５１ｂと遮断器５１ａの両方から遮断信号を受信することを条件とする。

制御部４は、遮断動作検出部２１による連系遮断の検出及び演算部３の制御対象（制御内容情報）の決定をＡＮＤ条件として、制御対象を制御し、発電機又は負荷を解列させる。ＡＮＤ条件は、遮断動作検出部２１が検出信号を発し、及び演算部３が制御内容情報を発し、検出信号及び制御内容情報を制御部４が受信することで成就する。発電機又は負荷の解列では、制御対象となっている発電機５２又は負荷５３と送電線５５との間に介在する遮断器５１ａに対して遮断指令信号を送信する。

（作用効果）
図３は、この系統安定化システム１の動作タイミングを示す作用図である。タイミングＴ１において連系線５１に落雷等の事故が発生する。タイミングＴ２において、事故除去リレーシステム５１ｂは、変流器５１ｃ及び計器用変圧器５１ｄの電気量情報等から其の事故を検出する。事故除去リレーシステム５１ｂは、連系線５１の遮断器５１ａに遮断指令信号を出力し、同時に系統安定化システム１に遮断を示す遮断信号を出力する。遮断器５１ａは、遮断指令信号を受けて遮断動作を行い、系統安定化システム１に遮断を示す遮断信号を出力する。通常、事故発生のタイミングＴ１と事故除去リレーシステム５１ｂが事故検出し遮断器５１ａで事故除去が行われるタイミングＴ２との時間差は数十ｍｓｅｃ程度である。

タイミングＴ３において、系統安定化システム１は、事故除去リレーシステム５１ｂから遮断信号を受信する。タイミングＴ４において、系統安定化システム１は、遮断器５１ａから遮断信号を受信する。タイミングＴ３のタイミングＴ２に対する遅延は、事故除去リレーシステム５１ｂと系統安定化システム１との間の信号伝送路５６の経路長に依る。また、タイミングＴ４のタイミングＴ３に対する遅延は、事故除去リレーシステム５１ｂと遮断器５１ａとの間及び遮断器５１ａと系統安定化システム１との間の信号経路の経路長と、遮断器５１ａの動作完了に要する時間に依る。

タイミングＴ４において、遮断動作検出部２１は、事故除去リレーシステム５１ｂと遮断器５１ａから遮断信号を受信し、連系線５１の遮断を検出する。遮断動作検出部２１は検出信号を制御部４へ出力する。また、演算部３は、定周期で制御内容情報を演算し、制御部４へ事前に出力する。制御部４では、演算部３が演算した制御内容情報に従って、制御対象の発電機５２又は負荷５３の制御を開始する。

一方、従来のように、周波数変動を検出してから制御を開始する事故波及防止リレーシステムの場合、周波数変動は事故発生タイミングＴ１から秒オーダーで遅延したタイミングＴ５で検出されることになる。

このように、本実施形態の系統安定化システム１は、連系線５１の遮断を検出して事故波及防止の制御を行う。広域系統１００と小規模系統５との間の連系線５１が遮断となれば、小規模系統５内の需給バランスは連系線５１に流れていた電力がゼロに変化する分だけ崩れることが明確であるためである。従って、事故除去タイミングＴ２から僅かに遅れるタイミングＴ４の時点で、小規模系統５内の事故波及防止の制御を開始できる。すなわち、事故波及の確認のための周波数変動の検出が排除でき、事故除去タイミングとほとんど変わらないタイミングで事故波及防止の制御を行うことができる。

これにより、系統容量が小さい小規模系統５であっても、速やかに周波数制御等の事故波及防止制御ができ、速い周波数変動速度に間に合わないといった事態は発生し難く、事故波及防止をより確実にする。

尚、事故除去リレーシステム５１ｂの遮断信号によって連系線５１の遮断を検出してもよい。これにより、事故の検出に更に近いタイミングで事故波及防止の制御を開始できる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態に係る系統安定化システム１について図面を参照しつつ詳細に説明する。第１の実施形態と同一構成及び同一機能については同一符号を付して詳細な説明を省略する。

図４に示すように、小規模系統５内には送電線５５の各所に変流器５５ａ及び計器用変圧器５５ｂが備えられる。系統安定化システム１は、この変流器５５ａ及び計器用変圧器５５ｂと信号伝送路５６で接続され、変流器５５ａ及び計器用変圧器５５ｂの電気量情報を受信する。

図５に示すように、この系統安定化システム１は事故要素検出部２２を更に備える。事故要素検出部２２は、連系線５１の事故によって現れる小規模系統５内の現象を検出する。この事故要素検出部２２は、交流不足電圧リレーや有効電力変化率リレーにより構成され、変流器５１ｃ及び計器用変圧器５１ｄの電気量情報から交流電圧の不足や有効電力の一定以上の変化から小規模系統５の近傍で事故が発生したことを検出する。事故要素検出部２２は、交流電圧の不足や一定以上の有効電力の変化を検出すると、制御部４に検出信号を出力する。

制御部４は、遮断動作検出部２１と事故要素検出部２２の両方の検出信号と演算部３の制御内容情報の計３つの信号発生をＡＮＤ条件として、演算部３が決定した制御対象の制御を開始する。このように、この系統安定化システム１では、広域系統１００との連系線５１を遮断にする動作と連系線５１の事故によって現れる小規模系統５内の現象の両方を検出することで、事故波及防止の制御を開始するようにした。これにより、連系線５１のルート断動作を誤認識したとしても、事故要素検出部２２がフェイルセーフ機能として働き、系統安定化システム１の事故波及防止制御の信頼性を更に向上させることができる。

尚、事故要素検出部２２の検出手法は、周波数変動よりも小規模系統５内に早く現れる現象を利用しているため、小規模系統５の系統容量が小さくても制御が間に合わなくなる可能性は少ない。

（第３の実施形態）
第３の実施形態に係る系統安定化システム１について図面を参照しつつ詳細に説明する。第１及び第２の実施形態と同一構成及び同一機能については同一符号を付して詳細な説明を省略する。

この系統安定化システム１は、能動的に連系線５１の遮断を推測する。具体的には、図６に示すように、系統安定化システム１は事故検出部２３を備える。事故検出部２３は、事故検出によって遮断動作を制御する事故除去リレーシステム５１ｂと同一の事故検出演算を行い、演算が事故発生の結果を導くと事故検出とし、制御部４へ検出信号を出力する。この事故検出部２３は、連系線５１の変流器５１ｃと計器用変圧器５１ｄから電気量情報を受信する。事故検出部２３は、電気量情報から連系線事故を検出し、連系線遮断に至る事故の場合、連系線５１の遮断の検出とする。

図７は、この系統安定化システム１の動作タイミングを示す作用図である。タイミングＴ１において連系線５１に落雷等の事故が発生する。タイミングＴ２において、事故除去リレーシステム５１ｂは、変流器５１ｃ及び計器用変圧器５１ｄの電気量情報等から其の事故を検出する。同じように、事故検出部２３は、変流器５１ｃ及び計器用変圧器５１ｄの電気量情報等から其の事故を検出する。事故検出部２３は、この事故の検出によって遮断動作が実行されると推測し、検出信号を制御部４へ出力する。制御部４では、演算部３が演算した制御内容情報に従って、制御対象の発電機５２又は負荷５３の制御を開始する。

一方、第１の実施形態の系統安定化システム１において、事故検出部２３は、タイミングＴ３で事故除去リレーシステム５１ｂから遮断信号を受信し、タイミングＴ４で遮断器５１ａから遮断信号を受信してから、検出信号を制御部４へ出力する。すなわち、第３の実施形態に係る系統安定化システム１は、事故除去リレーシステム５１ｂの事故検出タイミングＴ２と同じタイミングで事故波及防止の制御を開始することができる。

このように、この系統安定化システム１では、事故除去リレーシステム５１ｂと同一の事故検出演算を行うことで、事故除去リレーシステム５１ｂの動作を検出するようにした。これにより、事故除去リレーシステム５１ｂや遮断器５１ａから遮断信号を受け取る伝送時間を省いて制御動作に移ることができるため、より高速に事故波及防止の制御を開始でき、周波数変動が早くても十分に制御を間に合わせることができる。

（その他の実施形態）
本明細書においては、本発明に係る実施形態を説明したが、この実施形態は例として提示したものであって、発明の範囲を限定することを意図していない。以上のような実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の範囲を逸脱しない範囲で、種々の省略や置き換え、変更を行うことができる。実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１ 系統安定化システム
２１ 遮断動作検出部
２２ 事故要素検出部
２３ 事故検出部
３ 演算部
４ 制御部
５ 小規模系統
５１ 連系線
５１ａ 遮断器
５１ｂ 事故除去リレーシステム
５１ｃ 変流器（ＣＴ）
５１ｄ 計器用変圧器（ＶＴ）
５２ 発電機
５３ 負荷
５４ 遮断器（ＣＢ）
５５ 送電線
５５ａ 変流器
５５ｂ 計器用変圧器
５６ 信号伝送路
１００ 広域系統
１０１ 母線

Claims (6)

1. 一般電気事業者の広域系統と連系する一般産業事業者の電力系統、又は一般電気事業者の広域系統の一部分であって送電線等の事故によって当該広域系統と分離して単独系統になり得る電力系統に対する系統安定化システムであって、
   連系遮断を検出する第１の検出部と、
   潮流情報を用いて単独系統の運転を維持するための目標制御量および制御対象を決定する演算部と、
   前記第１の検出部の前記検出と前記演算部の前記決定をＡＮＤ条件として、制御対象である発電機又は負荷を電力系統から解列する制御部と、
   を備えることを、
   を特徴とする系統安定化システム。
2. 前記第１の検出部は、連系線に対する保護リレー装置の動作情報を収集し、前記保護リレー装置の動作を確認することで検出とすること、
   を特徴とする請求項１記載の系統安定化システム。
3. 前記第１の検出部は、連系線に対する保護リレー装置と事故除去リレーシステムが制御する遮断器の両方の動作を確認することで検出とすること、
   を特徴とする請求項１記載の系統安定化システム。
4. 前記電力系統内の電気量情報に基づき、連系線の事故を検出する第２の検出部を更に備え、
   前記制御部は、前記第１の検出部の検出と前記第２の検出部の検出の両方を満たすと、前記制御対象を制御すること、
   を特徴とする請求項１記載の系統安定化システム。
5. 前記第１の検出部は、連系線に対する保護リレー装置から前記動作を示す信号を受信することで、前記検出とすること、
   を特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の系統安定化システム。
6. 前記第１の検出部は、連系線に対する保護リレー装置と同一の事故検出演算を行うことで、連系線の保護リレー装置の動作を検出すること、
   を特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の系統安定化システム。

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