JP2019193387A - 電力系統監視装置および電力系統監視方法 - Google Patents

Abstract

【課題】再生可能エネルギー発電装置の発電量の測定装置がなくても、高精度で発電量を推定できるようにする。【解決手段】電力系統が備える母線で測定された系統計測データを取得する系統計測データ取得部と、母線の下位系統に接続される負荷の負荷電圧特性値を取得する系統設備データ取得部と、系統計測データ取得部が取得した系統計測データと系統設備データ取得部が取得した負荷電圧特性値とから、負荷と電圧の相関関係を表す特性式を用いて、母線の下位系統に接続される負荷を合計した負荷電力量を算出する負荷電力算出部を備える。【選択図】図４

Description

本発明は、電力系統監視装置および電力系統監視方法に関する。

近年、地球環境保護を主目的として電力系統への再生可能エネルギー発電の接続容量が増加している。一方で、風力発電や太陽光発電は、気象条件の変動に伴い発電量が急峻に変化するリスクがある。このため電力系統を運用している電力会社には、再生可能エネルギー発電の出力を数秒間隔などで高頻度かつ正確に知りたいニーズがある。

一方で、特に家庭用太陽光発電のような再生可能エネルギー装置は電源が分散して存在することから、全ての電源に測定装置を設置して発電量を常時監視することはコスト面で非現実的であるため、発電量を検知できない電源が多数存在している。

発電量を検知できない電源の発電量を推定する技術の一つとして、例えば太陽光発電の場合に、気象観測データを用いて各地域の日射量を取得し、それに基づいて太陽光発電の発電量を算定することが知られている。

また特許文献１には、変電所において下位系統の負荷有効電力と負荷無効電力の関係を示す既知のロードカーブと、計測した下位系統に流れる有効電力Ｐと無効電力Ｑとを用いて、負荷電力ＰＬを求める技術が記載されている。負荷電力ＰＬを求めることで、既知のロードカーブとの差分から、太陽光発電の発電量を推定することができる。

特開２０１２−１９１７７７号公報

上述したように、再生可能エネルギー発電の正確な出力を監視することの重要度が増しているが、実際には、再生可能エネルギー発電の発電量は変動が大きく、再生可能エネルギー発電の発電量を正確に予測することは非常に難しいという問題があった。
例えば、太陽光発電の場合には、雲が日射をさえぎることによって分単位から秒単位で地域の太陽光発電量が減少してしまう。また風力発電の場合には、風速がある閾値を超えた場合、機器の安全性を保つために自動的に風力発電を停止し、発電出力をゼロとするカットアウトという動作が発生する。このような事象の発生頻度は高く、発電機が近接した地域に密集して設置された場合には、複数の発電機において同時発生する可能性が高いと予想される。

特許文献１に記載されるように、既知のロードカーブと、下位系統に流れる有効電力Ｐと無効電力Ｑとを用いて、太陽光発電の発電量を推定する手法では、負荷の持つ有効電力Ｐと無効電力Ｑの特性パターンを知る必要がある。この特性パターンを算出するためには、一定数のデータを収集する必要があり、また有用なデータを得られる時間領域も限られていた。

負荷の持つ有効電力Ｐや無効電力Ｑの特性は、接続される負荷や、送電における経済性や送電電力の限界や送電電圧の安定性の向上など様々な理由で変動する。したがって、蓄積した過去データが必ずしも現時刻の正しい有効電力Ｐや無効電力Ｑの特性であるとは限らず、算出した再生可能エネルギー発電の発電量の精度が高くないという問題があった。

本発明の目的は、太陽光発電を含む多種の再生可能エネルギー発電量を、従来よりも高精度に求めることができる電力系統監視装置および電力系統監視方法を提供するものである。

上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。
本願は、上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、電力系統が備える母線で測定された系統計測データを取得する系統計測データ取得部と、母線の下位系統に接続される負荷の負荷電圧特性値を取得する系統設備データ取得部と、系統計測データ取得部が取得した系統計測データと系統設備データ取得部が取得した負荷電圧特性値とから、負荷と電圧の相関関係を表す特性式を用いて、母線の下位系統に接続される負荷を合計した負荷電力量を算出する負荷電力算出部を備える。

本発明によれば、無効電力の計測結果を用いることなく短時間のうちに、正確な負荷電力量を算出することができる。したがって、算出した正確な負荷電力量に基づいて、母線の下位系統に接続される再生可能エネルギー発電機器の発電量を算出できるようになり、電圧安定度が高精度に確保できる電力系統の運用が可能になる。
上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の第１の実施の形態例による電力系統監視装置のハードウェア構成と、電力系統監視装置が監視する電力系統の例を示す構成図である。 本発明の第１の実施の形態例による電力系統監視装置の機能ブロック図である。 負荷電圧特性と電圧安定度曲線の交点によって定まる運用点の例を示す特性図である。 本発明の第１の実施の形態例による、負荷電圧特性と電圧安定度曲線とから再生可能エネルギー発電装置の出力を算出する例を示す概念図である。 本発明の第１の実施の形態例による電力系統監視装置による処理例を示すフローチャートである。 本発明の第１の実施の形態例による表示例を示す画面の構成図である。 本発明の第１の実施の形態例による電力系統監視装置の機能ブロック図である。 本発明の第２の実施の形態例による電力系統監視装置による処理例を示すフローチャートである。 本発明の第２の実施の形態例による、負荷電圧特性と電圧安定度曲線から負荷電力特性の値を算出する例を示す概念図である。 本発明の第２の実施の形態例による、負荷電圧特性値を算出する手順の例を示す概念図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下、「実施の形態」と記述する）について図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明や各図において、同一要素または同一機能を有する要素には同一符号を用い、重複する説明は省略する。

＜１．第１の実施の形態例＞
［１−１．電力系統監視装置の構成］
図１は、第１の実施の形態例による電力系統監視装置１０のハードウェア構成と、電力系統監視装置１０により監視する電力系統１００の全体構成例を示す。まず、本発明の電力系統監視装置１０が適用される電力系統１００の一例について説明する。

電力系統１００は、ノード（母線）１０１およびブランチ（線路）１０２を備える。また、電力系統１００の母線１０１には、変圧器１０３を介して、発電機１０４、負荷１０５および再生可能エネルギー発電装置１０６が接続されている。図１の例では、発電機１０４は、電力系統１００の部分系統１１０に接続されている。

電力系統１００の各所には、適宜、計測装置２０１が設置されており、通信ネットワーク２００を介して計測データＤ１が電力系統監視装置１０に取り込まれている。このため計測装置２０１などは、通信機能を備える。
なお、図１では図示を省略するが、電力系統１００には、その他の計測装置や電力を制御可能な装置を接続するようにしてもよい。電力を制御可能な装置としては、例えばバッテリー、充放電可能な二次電池、電気自動車（ＥＶ）の蓄電池、フライホイールなどがある。

電力系統１００が備える発電機１０４の例としては、火力発電機、水力発電機、原子力発電機などの大型電源を代表とした発電機が挙げられる。
また、電力系統１００に変圧器１０３を介して接続される再生可能エネルギー発電装置１０６は、太陽光発電や風力発電に代表されるような再生可能エネルギー発電機の他に、蓄電池や電気自動車などの電力系統に接続されるエネルギー貯蔵装置を含む。これらのエネルギー貯蔵装置は、分散型電源の一種である。再生可能エネルギー発電機や分散型電源は、いずれも電力系統１００が必要とする交流電源を得るインバータを備え、インバータを介して電力系統１００に接続される。

なお、図１に示す電力系統１００の構成はあくまでも一例である。本実施の形態例での電力系統１００は、電力系統監視装置１０が電力系統１００を解析する上で、実質的に図１に示す形式の電力系統１００に縮約できる場合を含むものとする。

計測装置２０１は、ノード電圧Ｖ、ブランチ電流Ｉ、力率Φ、有効電力Ｐ、無効電力Ｑ、のいずれか一つまたは複数を計測する装置（例えば電圧変成器ＶＴ、電力検出器ＰＴ、変流器ＣＴなど）である。この計測装置２０１は、データ計測箇所識別符号ＩＤや計測装置の内蔵タイムスタンプを含んでデータを送信するテレメータ機能を備える。また、計測装置２０１として、その他の構成の計測機器を使用してもよい。

さらに、計測装置２０１として、計測周期が短い、ＧＰＳ（Global Positioning System）を利用した絶対時刻付きの電力情報（電圧および電流のフェーザ情報）を計測する装置や位相計測装置（ＰＭＵ：Phasor Measurement Units）を使用してもよい。あるいは、同様の種類の情報を提供できる他の計測器を計測装置２０１として使用してもよい。
なお、図１では計測装置２０１は、電力系統１００内に配置したが、発電機１０４と変圧器１０３に接続する母線や送電線などに設置してもよい。

電力系統１００における系統計測データＤ１は、計測装置２０１などにより計測された各データであり、通信ネットワーク２００を介して電力系統監視装置１０内の通信部１３経由で受信され、系統計測データベースＤＢ１に記憶される。系統計測データＤ１には、データを識別するための固有番号と、タイムスタンプとが含まれている。
ただし、計測装置２０１から電力系統監視装置１０が直接計測データＤ１を受信する代わりに、不図示の監視制御装置やデータサーバなどに一度集約されてから、通信ネットワーク２００を介して電力系統監視装置１０の通信部１３で受信するようにしてもよい。あるいはまた、監視制御装置やデータサーバなどに集約して取得する処理と、計測装置２０１から電力系統監視装置１０で直接計測データＤ１を受信する処理を、併用してもよい。

次に、電力系統監視装置１０が、系統計測データＤ１を取り込んで、電圧安定度計算を実行するための構成について説明する。電力系統監視装置１０は、図１に示すように計算機システムとして構成されている。
すなわち、電力系統監視装置１０は表示部１１、キーボードやマウスなどの入力部１２、通信部１３、中央制御ユニット（ＣＰＵ：Central Processing Unit）１４、メモリ１５、各種データベースＤＢ１〜ＤＢ５が、バス線３１により接続されて構成されている。
データベースＤＢ１〜ＤＢ５には、系統計測データベースＤＢ１、系統設備データベースＤＢ２、計算設定データベースＤＢ３、計算結果データベースＤＢ４およびプログラムデータベースＤＢ５が含まれる。

系統計測データベースＤＢ１は、系統計測データＤ１を記憶し保持する。
系統設備データベースＤＢ２は、系統設備データＤ２を記憶し保持する。
計算設定データベースＤＢ３は、計算設定データＤ３を記憶し保持する。
計算結果データベースＤＢ４は、計算結果データＤ４を記憶し保持する。
プログラムデータベースＤＢ５は、プログラムデータＤ５を記憶し保持する。

表示部１１は、例えば、ディスプレイ装置として構成される。あるいは、ディスプレイ装置に代えて、またはディスプレイ装置と共に、プリンタ装置または音声出力装置等を用いる構成にしてもよい。
入力部１２は、例えば、キーボードスイッチ、マウス等のポインティング装置、タッチパネル、音声指示装置等のいずれか一つまたは複数で構成される。
通信部１３は、通信ネットワーク２００に接続するための回路および通信プロトコルを備える。

ＣＰＵ１４は、プログラムデータベースＤＢ５から所定のコンピュータプログラムを読み込んで、プログラムに基づいた演算処理を実行する。ＣＰＵ１４は、一つまたは複数の半導体チップとして構成してもよいし、計算サーバのようなコンピュータ装置として構成してもよい。
メモリ１５は、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）として構成され、プログラムデータベースＤＢ５から読み出されたコンピュータプログラムを記憶したり、各処理に必要な計算結果データおよび画像データ等を記憶したりする。メモリ１５に格納された画面データは、表示部１１に送られて表示される。なお、表示される画面の例は後述する（図６）。

プログラムデータベースＤＢ５に記憶されたプログラムデータＤ５としては、例えば、負荷電力推定計算プログラム、再生可能エネルギー発電出力推定計算プログラムが挙げられる。
ＣＰＵ１４は、プログラムデータベースＤＢ５からメモリ１５に読み出された計算プログラム（負荷電力推定計算プログラム、再生可能エネルギー発電出力推定計算プログラムなど）を適宜逐次実行する。これらのプログラムを実行することにより、ＣＰＵ１４は、負荷電力の推定値の算出、および再生可能エネルギー発電出力の推定値の算出を行う。

メモリ１５は表示用の画像データ、計算結果データ等の計算一時データおよび計算結果データを一旦格納するメモリである。メモリ１５に格納された表示用の画像データに基づいて、表示部１１に画面が表示される。なお、電力系統監視装置１０の表示部１１には、各制御プログラムやデータベースの書き換えを行うための簡単な画面表示を行うようにしてもよい。

次に、各データベースＤＢ１〜５の詳細な記憶内容について説明する。先に説明したように、電力系統監視装置１０には、系統計測データベースＤＢ１、系統設備データベースＤＢ２、計算設定データベースＤＢ３、計算結果データベースＤＢ４、およびプログラムデータベースＤＢ５が設けられている。プログラムデータベースＤＢ５については既に説明しているので、残りの４つのデータベースＤＢ１〜ＤＢ４について説明する。

系統計測データベースＤＢ１には、系統計測データＤ１が記憶され保持される。系統計測データＤ１には、有効電力Ｐ、無効電力Ｑ、電圧Ｖ、電圧位相角δ、電流Ｉ、電流位相角θ、力率Φなどが含まれる。これらは時刻スタンプ付きデータやＰＭＵデータであることが望ましい。
なお、電圧位相角δや電流位相角θは、ＰＭＵ（Micro Processing Unit）やＧＰＳ（Global Positioning System）を利用した他の計測機器を利用して計測したものでもよい。ここでの計測装置としては、電圧変成器ＶＴ、電力検出器ＰＴ、あるいは変流器ＣＴなどである。電圧変成器ＶＴ、電力検出器ＰＴ、および変流器ＣＴなどで計測した電流Ｉと電圧Ｖと力率Φから線路潮流（Ｐ＋ｊＱ）を計算することができる。

系統設備データベースＤＢ２には、系統設備データＤ２が記憶され保持される。系統設備データＤ２には、系統構成、線路インピーダンス（Ｒ＋ｊＸ）、対地静電容量（アドミタンス：Ｙ）、発電機データが含まれる。また、系統設備データＤ２には、これらのデータに対する補正データ、負荷電圧特性データ、その他負荷電圧特性の決定や算出、負荷電力算出、再生可能エネルギー発電出力算出計算に必要なデータが含まれる。

なお、計測値は、監視制御装置や中央給電指令所やＥＭＳ（Energy Management System）から入手してもよいし、系統全体の計測装置から直接入手してもよい。なお、作業者が手動で入力する際には、入力部１２から手動で入力され記憶される。なお、入力の際はＣＰＵ１４によって必要な画像データを生成して、表示部１１に表示する。作業者による入力の際には、補完機能を利用して、大量のデータを設定できるようにし、半手動で入力するようにしてもよい。

計算設定データベースＤＢ３には、計算設定データＤ３が記憶され保持される。計算設定データＤ３には、負荷電力推定計算プログラム、再生可能エネルギー発電出力推定計算プログラムが含まれる。また、計算設定データＤ３には、各プログラム内の電力系統において想定される、潮流の擾乱に対する閾値、取得データの設定値、統計処理に用いられる設定値、系統構成の変化条件、計算アルゴリズム、近似計算の閾値、重み、などを組み合わせたリストなどが含まれる。これらのデータは、例えば電力系統監視装置１０の入力部１２を用いて入力される。

なお、計算設定データＤ３は入力部１２を用いずに事前に設定したり、設定した値を通信ネットワーク２００および通信部１３を介して設定したりしてもよい。これらの設定を可能とすることで、計算設定データＤ３を柔軟に設定することができる。

図２は、電力系統監視装置１０で電圧安定度計算を実行する機能ブロック図を示す。
データベースＤＢ１，ＤＢ２，ＤＢ３に記憶された系統計測データＤ１、系統設備データＤ２、および計算設定データＤ３に基づいて、計算結果データＤ４が得られ、計算結果データＤＢ４に格納される。また、計算結果データＤ４は、表示部１１に表示される。図２は、この計算結果データＤ４を得る処理を示す電力系統監視装置１０の機能ブロック図である。

すなわち、電力系統監視装置１０は、測定データを読み出す監視対象母線データ選択部２１と、対象とする負荷の負荷電圧特性を読み出す負荷電圧特性決定部２２と、負荷電力算出部２３と、再生可能エネルギー発電出力算出部２４とを備える。
監視対象母線データ選択部２１は、系統計測データベースＤＢ１から監視対象となる母線の測定データを読み出す。監視対象母線データ選択部２１は、系統計測データ取得処理を行う系統計測データ取得部として機能する。
負荷電圧特性決定部２２は、監視対象となる母線に接続された負荷の負荷電圧特性を、系統設備データＤ２から読み出す。負荷電圧特性決定部２２は、系統設備データ取得処理を行う系統設備データ取得部として機能する。
負荷電力算出部２３は、負荷電力推定計算プログラムを実行する。再生可能エネルギー発電出力算出部２４は、再生可能エネルギー発電出力推定計算プログラムを実行する。負荷電力推定計算プログラムと再生可能エネルギー発電出力推定計算プログラムが行う処理手順については後述する。

［１−２．負荷電力および発電出力を計算する原理］
図３および図４は、電力系統監視装置１０において、負荷電力の推定値および再生可能エネルギー発電出力の推定値を求めるための考え方を説明するための図である。
電力系統においてある特定の負荷を対象としたときに、負荷に対してどれだけ電力Ｐを送電することが可能で、またその際にどれだけ負荷が接続された母線の電圧Ｖが変化するかを表す指標として電圧安定度曲線というものが存在する。

また、電力系統に接続された負荷には、母線の電圧Ｖと負荷に流れる電力Ｐの関係を負荷の特性によって決定付ける負荷電圧特性と呼ばれるものが存在する。これもまた、電力Ｐと電圧Ｖの関係を示しているためにＰＶ平面に描写することが可能である。
一般的に用いられる指数モデルと呼ばれる負荷電圧特性式は（１）式になる。ここで、Ｐは負荷に流れる電力値、Ｐ_Ｒは負荷の定格電力または任意の時刻ｔ_０の値を基準とした電力値、Ｖは対象負荷が接続する母線の電圧値、Ｖ_Ｒは定格電圧または任意の時刻ｔ_０の値を基準とした電圧値、αは負荷電圧特性を決定する値である。負荷の特性が定電力特性の場合はαの値は０、定電流特性の場合はαの値は１、定インピーダンス特性の場合はαの値は２を取るが、実際の負荷の場合は０〜２付近の整数でない値を取りうる。

図３に示すように、電力Ｐと電圧Ｖに対する電圧安定度曲線Ｖａと、負荷電圧特性とを描画すると、電圧安定度曲線Ｖａと負荷電圧特性には、図３に示すように２つの交点が存在する。
図３（Ａ）はα＝０で定電力特性の場合を示し、この場合、Ｐ＝Ｐ_Ｒになる。図３の（Ｂ）はα＝１で定電流特性の場合を示し、Ｐ＝Ｐ_ＲＶ／Ｖ_Ｒになる。また、図３の（Ｃ）はα＝２で定インピーダンス特性の場合を示しており、Ｐ＝Ｐ_Ｒ（Ｖ／Ｖ_Ｒ）^２となる。
これらの図３（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）の横軸は電力値Ｐ、縦軸は母線の電圧値Ｖを示す。これらの図３の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示す電圧安定度曲線Ｖａは、いずれも同じ特性である。

電圧安定度曲線Ｖａと負荷電圧特性との２つの交点の内で、電圧が高いほうの交点が運用時の運転点となり、電力Ｐと電圧Ｖを決定する。
ここで図１に示す電力系統１００において、対象負荷の負荷電圧特性が定電流特性（α＝１）である場合を考える。再生可能エネルギー発電装置１０６はインバータを介して接続されるため、定電力特性を持つ。また、再生可能エネルギー発電装置１０６も負荷の一種とみなせば、図１のノード１０１から見た負荷は単純に２つの負荷を足したものと見える。すなわち、図１の負荷１０５と再生可能エネルギー発電装置１０６を足したものと見なすことができ、負荷特性も定電流特性と定電力特性を足したものとなる。

ここで、再生可能エネルギー発電出力が変化しない間に、電圧安定度曲線を変化させるパラメータである系統インピーダンスや送電側の電圧や力率などが変化した場合、つまり短時間の間に電圧安定度曲線が変化した場合を考える。例えば、図４に示すように、電圧安定度曲線Ｖａから電圧安定度曲線Ｖｂに変化した場合を考える。図４は、図３と同様に横軸は電力値Ｐ、縦軸は母線の電圧値Ｖを示す。

このとき、電圧安定度曲線Ｖａと負荷電圧特性との交点（Ｐ_１，Ｖ_１）から電圧安定度曲線Ｖｂと負荷電圧特性との交点（Ｐ_２，Ｖ_２）に変化したとする。図４では、負荷電圧特性が図４に破線で示すように直線を想定している。

ここで、もし、再生可能エネルギー発電装置の出力がゼロの場合、すなわち定電力特性による電力Ｐの入力が存在しない場合、２つの交点を結んだ直線は、原点を通る。しかしながら、図４に点線で示すように、再生可能エネルギー発電装置の出力がゼロでない場合、直線は原点を通らず電力Ｐ軸の負側に切片を持つ。これは定電力特性による電力Ｐの入力が存在するためである。
したがって、負荷電圧特性の電力Ｐ軸の切片が、再生可能エネルギー発電装置の出力値Ｐ_ＶＲＥを表すことになる。電力系統監視装置１０は、このような原理で、再生可能エネルギー発電装置の出力値Ｐ_ＶＲＥを推定する演算を行う。

［１−３．負荷電力および発電出力を計算する手順］
次に、このような原理に基づいて、電力系統監視装置１０が行う処理の詳細につい説明する。
図５は、電力系統監視装置１０における処理の全体を示すフローチャートの一例である。
まず、監視対象母線データ選択部２１が、系統計測データＤ１から観測対象母線のデータである電力Ｐと電圧Ｖ、さらに各データに付随する時刻スタンプを受信する（ステップＳ１１）

次に、負荷電圧特性決定部２２が、系統計測データＤ１、系統設備データＤ２、および計算設定データＤ３から対象とする負荷の負荷電圧特性を受信し、または負荷電圧特性を決定するために必要なデータを受信し負荷電圧特性を決定する（ステップＳ１２）。
このとき、系統設備データＤ２内から、対象とする母線と同じまたは下位の電圧に接続する一部または全ての負荷の負荷電力量Ｐ_Load、再生可能エネルギー発電装置の発電量Ｐ_ＶＲＥ、系統インピーダンス、調相機器設定、系統構成などを受信するようにしてもよい。
負荷電圧特性は、先に説明した（１）式の指数モデル用いて表現する。あるいは、次に示す（２）式のＺＩＰモデルや他のモデルを用いて、負荷電圧特性を得るようにしてもよい。

次に、負荷電力算出部２３において、（１）式を応用した負荷電力推定値を算出する。ここでは、次に示す（３）式を用いる（ステップＳ１３）。

この（３）式は、（４）式を電圧で微分して得られる数式であり、用いられているΓ（.）はガンマ関数と呼ばれる関数である。（４）式において、Ｐ_Ｔは対象負荷が接続する母線に流入する電力値、Ｐ_Ｌは対象負荷に流入する電力値、Ｐ_ＶＲＥは再生可能エネルギー発電装置の出力値である。

ここで、（３）式を用いる理由を説明する。まず、電力系統１００に対してノード１０１では、上述した（４）式が成り立つ。
ここで、負荷と再生可能エネルギー発電装置の負荷圧特性式を代入して、（４）式を（５）式に書き換える。このとき、再生可能エネルギー発電装置はインバータを介して電力系統に接続されており、かつ、このインバータが定電力運転を実施していることを前提とする。またＰ_ＬＲは任意の時刻ｔ_０の負荷の値を基準とした電力値であり、Ｖ_ＬＲは同様に任意の時刻ｔ_０の値を母線の電圧を基準とした電圧値である。

次に短時間の間に変化した電圧に対して電力がどのように変化をするか、すなわち電力の電圧に対する感度を考える。時刻ｔ_０と時刻ｔ_１の時点で計測した母線に流入する電力値Ｐ_Ｔと母線電圧Ｖが存在する場合、感度は（４）式に各時刻の測定値を代入して、次の（６）式で与えることが出来る。

ここで（６）式に示す時刻ｔ_０と時刻ｔ_１の間が短時間であるという条件のもと、再生可能エネルギー発電装置の出力が短時間の間に変化せずに、しかも定電力運転であるとすると、Ｐ_ＶＲＥの項は相殺され、負荷の電力変化分ΔＰ_Ｌｏａｄと電圧の変化分ΔＶだけが残る。つまり、発電出力の変動を無視できる短時間間隔で２つの測定を行って、負荷の電力変化分ΔＰ_Ｌｏａｄと電圧の変化分ΔＶを得る。
Ｖ（ｔ_０）およびＰ_Ｌ（ｔ_０）がＶ_ＬＲおよびＰ_ＬＲであるとして、（６）式を変形させていくと（３）式になる。このとき、対象母線の測定値からΔＰ_Ｔ、ΔＶ、Ｖ_ＬＲが既知であり、また系統設備データからαが既知であるため、時刻ｔ_０における負荷の電力消費量Ｐ_ＬＲ、すなわちＰ_Ｌ（ｔ_０）が計算できる。

図５のフローチャートの説明に戻ると、ステップＳ１３において時刻ｔ_０における負荷の電力量Ｐ_Ｌ（ｔ_０）が求められたので、再生可能エネルギー発電出力算出部２４は、再生可能エネルギー発電装置１０６の出力Ｐ_ＶＲＥ（ｔ_０）を得ることができる（ステップＳ１４）。すなわち、この再生可能エネルギーの出力推定値は、（４）式を再び用いて時刻ｔ_０における再生可能エネルギー発電装置の出力Ｐ_ＶＲＥ（ｔ_０）をＰ_Ｔ（ｔ_０）より差し引くことで求めることができる。
そして、ステップＳ１３およびＳ１４で求められた時刻ｔ_０における負荷の電力量と再生可能エネルギーの発電量を、外部に出力する（ステップＳ１５）。

以上説明した処理は、要するに再生可能エネルギー発電装置と電力系統を接続しているインバータが定電力運転時であることを利用した技術である。すなわち、インバータが定電力運転のときに、再生可能エネルギーの発電量が変化しない短時間の間の電圧の変動に対して電力の変動を計測する。そして、電力の電圧に対する感度から負荷電力量のみを抽出して推定し、再生可能エネルギー発電装置の発電量を推定するものである。

なお、本実施の形態例の技術は、インバータを用いた無効電力補償装置の無効電力量を推定する処理に適用することができる。
また、監視対象母線データ選択部２１で行われる処理ステップＳ１１と、負荷電圧特性決定部２２で行われる処理ステップＳ１２は必須のものではなく、予め対象としたい母線や読み込ませる負荷電圧特性値が決まっている場合には省略してもよい。

ただし、負荷電圧特性値が未知の場合は、何らかの手法を用いて負荷電圧特性値を算出して、その算出した値を使用するものとする。負荷電圧特性値を算出する方法の例としては、以下に示す方法を適用することができる。
例えば再生可能エネルギー発電装置の出力を、気象条件、時間帯、予め決められたメンテナンス時、目視による確認などによって推定する。そして、再生可能エネルギー発電装置の発電出力がゼロであると判定できる時間帯の系統計測データを用いて、（１）式に当てはめて負荷電圧特性値を算出する。

また、例えば工場や行楽施設やデータセンターなどの、対象地域の中で主要な負荷電力量を占める負荷の活殺や需要を、予想または算出する。ここで、負荷の活殺や需要の予想や算出には、稼働日カレンダーやそこへ至る交通機関の混雑具合、気象条件、株価や為替や仮想通貨などの経済・金融指標、ＳＮＳ上の会話データなどを、ＩｏＴ技術を用いて収集し、ビッグデータ解析や人工知能を用いて行われる。

［１−４．負荷電力および発電出力の表示画面］
図６は、表示部１１に表示される画面の例を示す。ここで、算出した再生可能エネルギー発電出力を電圧安定度監視に用いることを考慮した場合の画面の例を示す。
太陽光発電や風力発電などの再生可能エネルギー出力は、急峻な変動により最悪の場合急激にゼロになる可能性がある。このとき電圧安定度曲線の運転点は、変動した再生可能エネルギー発電出力と同じ分だけ送電可能限界点に近づき、電圧崩壊のリスクが高まることとなる。

図６の表示画面１００１では、そのようなリスクを可視化するための表示例である。画面１００１に、電圧安定度曲線Ｖａと運転点（Ｐ_０，Ｖ_０）と送電可能限界点までの電力余裕ΔＰが表示されている。さらに、図６の表示画面１００１では、現時刻またはもっとも最近の再生可能エネルギー発電出力Ｐ_ＶＲＥがゼロとなった場合の運転点とその場合の電力余裕ΔＰ′が表示されている。この電力余裕ΔＰ′は、再生可能エネルギー発電装置１０６の出力Ｐ_ＶＲＥを知ることで、算出することができる。
なお、ここで表示される再生可能エネルギー発電出力Ｐ_ＶＲＥは、上述した処理によって算出した値のうちの推定値とその誤差の範囲を示すようにしてもよい。

このような表示を行うことで、電力系統運用者は再生可能エネルギー発電出力を考慮にいれた電圧安定度監視が実施できることとなり、再生可能エネルギー発電出力の急峻な変動に対してもより明確な対応が可能となる。これにより、電圧崩壊を起こすリスクを増やすことなく送電可能限界点までの電力余裕ΔＰを制御することができ、電力送電における経済性の向上や機器操作回数の低減などの効果が見込まれる。

＜２．第２の実施の形態例＞
次に、本発明の第２の実施の形態例を説明する。
第２の実施の形態例においては、再生可能エネルギー発電出力が既知であるとして、電力系統監視装置１０が負荷電圧特性を算出するようにしたものである。
第２の実施の形態例において、電力系統監視装置１０のハードウェア構成と、電力系統監視装置１０により監視する電力系統１００の全体構成例については、第１の実施の形態例で説明した図１をそのまま適用する。

［２−１．電力系統監視装置の構成］
図７は、第２の実施の形態例による電力系統監視装置１０の構成を示す。
電力系統監視装置１０が持つデータベースＤＢ１〜ＤＢ３については、第１の実施の形態例で説明した電力系統監視装置１０と同じである。
そして、データベースＤＢ１，ＤＢ２，ＤＢ３に記憶された系統計測データＤ１と系統設備データＤ２と計算設定データＤ３に基づいて、計算結果データＤ４′が得られ、計算結果データＤＢ４に格納される。また、この計算結果データＤ４′は、表示部１１に表示される。図７は、この計算結果データＤ４′を得る処理を行うための電力系統監視装置１０の機能ブロック図である。

すなわち、電力系統監視装置１０は、監視対象母線データ選択部６１と、再生可能エネルギー発電出力決定部６２と、負荷電力算出部６３と、負荷電力特性算出部６４と、表示部１１とを備える。
監視対象母線データ選択部６１は、監視対象となる母線を選択する。
再生可能エネルギー発電出力決定部６２は、対象とする母線に接続された再生可能エネルギー発電装置の出力を得る。この再生可能エネルギー発電出力は、例えば対象地域の再生可能エネルギー発電装置を管理するセンタ等から取得する。
負荷電力算出部６３は、負荷電力推定計算プログラムを実行する。
負荷電力特性算出部６４は、負荷電力算出部６３が算出した負荷電力から、負荷電力特性を算出する。表示部１１は、算出した負荷電力特性などを表示画面に表示する。

［２−２．負荷電圧特性を計算する手順］
次に、電力系統監視装置１０が行う処理の詳細につい説明する。
図８は、電力系統監視装置の処理の全体を示すフローチャートの一例である。
まず、監視対象母線データ選択部６１が、系統計測データＤ１から観測対象母線のデータである電力Ｐと電圧Ｖ、さらに各データに付随する時刻スタンプを受信する（ステップＳ２１）

次に、再生可能エネルギー発電出力決定部６２が、対象地域の再生可能エネルギー出力値を読み込む（ステップＳ２２）。ここでは、系統計測データＤ１、系統設備データＤ２、および計算設定データＤ３を用いて再生可能エネルギー発電装置の出力を決定する。これは、系統計測データＤ１に直接測定した再生可能エネルギー発電出力のデータが存在すればそれを用いるだけでもよいが、その他の測定機器や通信機器からの情報や設備容量などの系統設備データを用いて算出または推定された値であってもよい。

そして、負荷電力算出部６３が、観測対象母線のデータである電力Ｐと電圧Ｖ、および再生可能エネルギー出力値に基づいて、母線に接続された負荷の負荷電力を算出する（ステップＳ２３）。ここでは、既に説明した（４）式を用いて負荷電力を算出する。あるいは、その他の測定機器や通信機器からの情報や設備容量などの系統設備データを用いて、負荷電力を算出するようにしてもよい。

ステップＳ２３で負荷電力を算出した後、負荷電力特性算出部６４は、電圧安定度曲線を用いた負荷電圧特性の推定値を算出する（ステップＳ２４）。ここでは、負荷が接続される母線の電圧安定度曲線を、計算結果データＤ４を用いて算出する。ここで用いる系統計測データＤ１や計算結果データＤ４は、再生可能エネルギー発電装置の出力が変動しているが、負荷の電力量が変動しないような時間間隔のデータを用いるのが望ましい。そのため、そのような時間領域やデータを選択するアルゴリズムをステップＳ２４で実行してもよい。
そして、ステップＳ２３で求められた時刻ｔ_０における負荷の電力量と、ステップＳ２４で求められた負荷電圧特性を、外部に出力する（ステップＳ２５）。

［２−３．負荷電圧特性を算出する概念］
次に、図９を用いて、負荷電圧特性を算出するアルゴリズムの概念を説明する。
図９は、電力系統１００（図１）において、負荷が定電力特性（Ａ）、定電流特性（Ｂ）、定インピーダンス特性（Ｃ）の負荷電圧特性を持つ場合に、ノード１０１の電圧安定度曲線がどのように変化するかを示したものである。図９に示す特性図は、横軸は電力値Ｐ、縦軸は母線の電圧値Ｖを示し、図９（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示す電圧安定度曲線Ｖａは、いずれも同じ特性である。

再生可能エネルギー発電装置の出力の値が変動した場合、例えば再生可能エネルギー発電装置の出力がゼロからある一定の値まで増えた場合、上位の系統からノード１０１に注入される有効電力Ｐは減少し、また電圧Ｖは上昇する。しかしながら、図９の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）から分かるように、同じ電圧安定度曲線Ｖａの場合では、有効電力Ｐおよび電圧Ｖの変化量は、負荷電圧特性が定電力、定電流、定インピーダンスかどうかで変わってくる。

具体的には、定電力特性時（図９（Ａ））に、有効電力Ｐおよび電圧Ｖの変動量が一番大きく、ついで定電流特性（図９（Ｂ））、そして定インピーダンス特性（図９（Ｃ））のときが一番小さい。このように、負荷電圧特性値によって同じ再生可能エネルギー発電出力の変動量でも有効電力Ｐおよび電圧Ｖの変化量に違いが生じるのである。本実施の形態例においては、これを用いることで、負荷の負荷電圧特性値を算出する。

具体的な計算手法の一例として、以下説明する。
まず、再生可能エネルギー発電出力変動前のＰ軸切片、すなわちＰＶ平面上における再生可能エネルギー発電出力量を示す点と、運転点（Ｐ_１，Ｖ_１）を通る負荷電圧特性曲線を、いくつかの負荷電圧特性値で描写する。ここでは、電圧安定度曲線と再生可能エネルギー発電出力の変動量ΔＰ_ＶＲＥが既知であることを利用して描画する。

そして、Ｐ軸切片を、再生可能エネルギー発電出力変動後の値に動かし、負荷電圧特性曲線と電圧安定度曲線との交点が、運転点（Ｐ_２，Ｖ_２）に一番近くなる負荷電圧特性値を選ぶ。
その後、負荷電圧特性値を少しずつ変化させて交点が、変動後の運転点（Ｐ_２，Ｖ_２）に収束するように反復計算を行えば、負荷電圧特性値を決定することができる。

具体的な描画例を図１０に示す。まず、図１０（Ａ）は、再生可能エネルギー発電出力変動前の運転点（Ｐ_１，Ｖ_１）を通る負荷電圧特性を、３つの負荷電圧特性値α＝０、α＝１、α＝２で描画した例を示している。αが０、１または２に定まることで、（１）式に基づいて、図１０（Ａ）に示すように負荷電圧特性が求まる。

次に、図１０（Ｂ）に示すように、再生可能エネルギー発電出力の変動量ΔＰ_ＶＲＥが加わった場合の運転点（Ｐ_２，Ｖ_２）と、３つの負荷電圧特性値α＝０、α＝１、α＝２の特性をＰＶ平面上に描写する。このような描画から、運転点（Ｐ_２，Ｖ_２）は、αが１と２の間の負荷電圧特性値α（１＜α＜２）を持つ（１）式の特性と、電圧安定度曲線との交点になることが想定される。

そして、図１０（Ｃ）に示すように、運転点（Ｐ_１，Ｖ_１）を通るようなα値を持つ（１）式で、再生可能エネルギー発電出力の変動量ΔＰ_ＶＲＥを加えると、運転点（Ｐ_２，Ｖ_２）を通るようなα値を収束計算アルゴリズムなどで探すことで、負荷電圧特性値を決定することができる。
例えば、図１０（Ｃ）の例では、負荷電圧特性値α＝約１．５と求まる。

なお、電圧安定度曲線は、連続潮流計算結果によって描写されたものを用いてもよいし、ＰＭＵ（Phasor Measurement Unit）のような測定装置を用いて系統の等価インピーダンス回路および負荷電力余裕を計算し、それらの結果を用いて描写されたものを用いてもよい。

なお、図１０に示す原理では、運転点（Ｐ，Ｖ）を２点計測した例を示すが、運転点（Ｐ，Ｖ）を３点以上計測してもよい。この場合、運転点（Ｐ，Ｖ）を３点以上計測し、各運転点に対応する再生可能エネルギー発電出力Ｐ_ＶＲＥが既知であれば、（４）式に代入することで、未知の変数Ｐ_０，Ｖ_０，αに対して３つの方程式を組み立てることが可能となり、負荷電圧特性値αを求めることが可能になる。

また、上述した各実施の形態例では、負荷電圧特性を（１）式のような指数モデルで考えた場合の手順を示しているが、（２）式のようなＺＩＰモデルでも計測する運転点を４点以上にして連立方程式を解くようにしてもよい。

第２の実施の形態例によると、従来の負荷電圧特性を算出する手法のように変圧器のタップを変える必要や、負荷側の負荷電力量を変える必要がなく、系統運用者や需要側に負担を強いることなく負荷電圧特性を知ることができるようになる。
また、第２の実施の形態例によると、定性的により精度の高い負荷電圧特性値の算出が可能になる。複数の種類の負荷が接続されたノードの場合、系統の上位側から見たノードの負荷電圧特性値は、接続された複数の種類の負荷の負荷電圧特性値と、その負荷の需要量に依存する。つまり負荷の需要量の変動はノードから見た負荷電圧特性値も変動させるため、負荷電圧特性値を精度よく算出したい場合には負荷需要を大きく変動させることができないが、小さい負荷需要の変動では電圧の変動を正確に測定できないというトレードオフが存在する。しかし、本実施の形態例の場合は対象とする負荷の需要量を変動させることなく負荷電圧特性値が測定できるため、トレードオフの関係にとらわれずに、定性的に精度の高い負荷電圧特性値の測定が可能となる。

また、本実施の形態例の一つの特徴として、リアルタイムに近い算出が可能となる点がある。これは、変圧器のタップを調節して電圧及び負荷の電力量を変動させて負荷電圧特性値を算出する手法や、事故中の測定データと予め準備した負荷モデルを用いて負荷電圧特性値を算出する手法に比べて、再生可能エネルギー発電装置の出力変動がより頻繁に起こるためである。これにより、負荷電圧特性値を逐次算出して表示部１１に表示してもよい。
さらに、本実施の形態例では、再生可能エネルギー発電装置を無効電力補償装置として、有効電力を無効電力に置き換えた場合にも適用が可能である。
なお、予め対象としたい母線が決まっている場合には、図８のフローチャートにおけるステップＳ２１での監視対象母線の選択は省略してもよい。

第２の実施の形態例では、負荷電圧特性の表示画面の例は特に示さないが、第１の実施の形態例で説明した図６の画面と同様の形態での表示ができる。なお、第２の実施の形態例で表示を行う場合にも、算出した負荷量の誤差の範囲を表示してもよい。

＜３．各実施の形態例に共通の変形例＞
本発明は、上述した実施の形態例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。また、上述した実施の形態例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、図１，図２，図７の構成図や機能ブロック図では、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものだけを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。また、図２や図７に示す各機能部については、ソフトウェアで実現する場合の他、それらの一部または全部を、例えば集積回路で設計するなどによってハードウェアで実現してもよい。
さらに、図５や図８のフローチャートにおいて、実施の形態例の処理結果に影響がない範囲で、一部の処理ステップの実行順序を入れ替えたり、一部の処理ステップを同時に実行するようにしてもよい。

１０…電力系統監視装置、１１…表示部、１２…入力部、１３…通信部、１４…中央制御ユニット（ＣＰＵ）、１５…メモリ、２１…監視対象母線データ選択部、２２…負荷電圧特性決定部、２３…負荷電力算出部、２４…再生可能エネルギー発電出力算出部、３１…バス線、６１…監視対象母線データ選択部、６２…再生可能エネルギー発電出力決定部、６３…負荷電力算出部、６４…負荷電力特性算出部、１００…電力系統、１０１…ノード（母線）、１０２…ブランチ（線路）、１０３…変圧器、１０４…電源、１０５…負荷、１０６…再生可能エネルギー発電装置、１２０ａ、１２０ｂ、１２１ａ、１２１ｂ…母線、１３０ａ、１３０ｂ…変圧器、１４０ａ、１４０ｂ、１４１ａ、１４１ｂ…線路、１５０…負荷、２００…通信ネットワーク、２０１…測定装置、１００１…表示画面、Ｄ１…系統計測データ、Ｄ２…系統設備データ、Ｄ３…計算設定データ、Ｄ４…計算結果データ、Ｄ５…プログラムデータ、ＤＢ１…系統計測データベース、ＤＢ２…系統設備データベース、ＤＢ３…計算設定データベース、ＤＢ４…計算結果データベース、ＤＢ５…プログラムデータベース、ＤＢＩ…入力データベース

Claims (11)

1. 負荷機器と発電機器が接続された電力系統を監視する電力系統監視装置であって、
   電力系統が備える母線で測定された系統計測データを取得する系統計測データ取得部と、
   前記母線の下位系統に接続される負荷の負荷電圧特性値を取得する系統設備データ取得部と、
   前記系統計測データ取得部が取得した系統計測データと前記系統設備データ取得部が取得した負荷電圧特性値とから、負荷と電圧の相関関係を表す特性式を用いて、前記母線の下位系統に接続される負荷を合計した負荷電力量を算出する負荷電力算出部を備える
   電力系統監視装置。
2. さらに、前記負荷電力算出部が算出した負荷電力量から、前記母線の下位系統にインバータを介して接続される発電機器の発電量を算出する発電出力算出部を備える
   請求項１に記載の電力系統監視装置。
3. 前記負荷電力算出部は、負荷量と電圧を軸に取った平面上に負荷と電圧の相関関係を表す特性式によって描写された曲線と電圧安定度曲線との交点または交点がたどった軌跡を用いて、前記負荷の合計した負荷量および前記母線の下位系統にインバータを介して接続される発電機器を合計した発電量を算出する
   請求項２に記載の電力系統監視装置。
4. 前記負荷電力算出部は、前記特性式を電圧で微分した数式を用いて前記負荷の合計した負荷電力量を算出し、算出した負荷電力量から、前記発電出力算出部が発電量を算出する
   請求項２に記載の電力系統監視装置。
5. 前記負荷電力算出部は、前記発電機器の発電出力の変動を無視できる短時間間隔で測定した２時点以上における計測データを用いて、前記負荷を合計した負荷量を算出する
   請求項１に記載の電力系統監視装置。
6. 前記負荷電力算出部は、前記母線の下位系統にインバータを介して接続される発電機器の発電量を取得し、取得した発電量を用いて、負荷電圧特性を表す式と電圧安定度曲線から前記負荷の負荷電圧特性値を算出し、前記母線の下位系統に接続される負荷を合計した負荷電力量を算出する
   請求項１に記載の電力系統監視装置。
7. 前記負荷電力算出部は、負荷量と電圧を軸に取った平面上に、負荷と電圧の相関関係を表す特性式によって描写された曲線と電圧安定度曲線との交点またはその交点がとおった軌跡から、前記負荷電圧特性値を算出する
   請求項６に記載の電力系統監視装置。
8. 前記負荷電力算出部は、測定データのうち負荷量および電圧安定度曲線が変動せず、インバータを介して接続される発電機器の発電量が変動している時刻のデータを選択して、前記負荷電圧特性値を算出する
   請求項６に記載の電力系統監視装置。
9. 前記負荷電力算出部は、３つ以上の時刻における測定データと負荷電圧の特性式を用いて負荷電圧特性値を算出する
   請求項６に記載の電力系統監視装置。
10. 前記負荷電力算出部が算出した負荷量と、その算出した負荷量の誤差の範囲を表示する表示部を備えた
    請求項１〜９のいずれか１項に記載の電力系統監視装置。
11. 負荷機器と発電機器が接続された電力系統を電力系統監視装置によって監視する電力系統監視方法であって、
    前記電力系統が備える母線で測定された系統計測データを取得する系統計測データ取得処理と、
    前記母線の下位系統に接続される負荷の負荷電圧特性値を取得する系統設備データ取得処理と、
    前記系統計測データ取得処理により取得した系統計測データと前記系統設備データ取得処理により取得した負荷電圧特性値とから、負荷と電圧の相関関係を表す特性式を用いて、前記母線の下位系統に接続される負荷を合計した負荷電力量を算出する負荷電力算出処理と、を含む
    電力系統監視方法。

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