JP3424408B2 - 電力系統解析装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は電力系統解析装置に
より、特に計算機によるディジタル解析で実現象と同じ
リアルタイムの進行速度で電力系統を解析することので
きる電力系統解析装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】電力系統の解析装置として、従来から電
力系統を微分方程式や連立方程式で表し、これを計算機
で解くディジタルシミュレーションや、実系統の発電機
や変圧器等の電力機器を実系統に比べて動作電圧，電流
を小さくしたミニチュアモデルで模擬し、これらを組み
合わせて電力系統を模擬して系統動作を解析するアナロ
グシミュレータ等がある。前者は任意の系統を計算機上
で簡単に模擬することができるので系統構成の自由度や
操作性に富むが、電力機器／装置のモデル化が困難であ
ったり解析時間に制約がある。また後者では実系統のミ
ニチュアモデルを用いているので解析結果は間違いない
結果が得られるが、ミニチュアモデルを用いるので実系
統に比べてモデルの損失が大きいとか、解析装置が占め
る場所が大きいといった欠点がある。解析装置としては
精度良く解析でき、簡単に扱え、かつ装置が場所をとら
ないといったことが望まれる。

【０００３】最近、高速なプロセッサの開発によって、
電力系統のディジタル解析がリアルタイムで行えるよう
になってきた。この解析装置を用いればディジタル解析
装置の操作性の良さや装置コンパクトに組め場所をとら
ないといった利点を持ち、アナログシミュレータの利点
である実機器と同様の動作波形が瞬時に得られ、長時間
解析が可能であるという利点を兼ね備えた解析装置が得
られる。このため将来の解析装置として早期開発が期待
されている。しかし、ディジタル解析をリアルタイムで
解析するためには任意の時間刻みで解析できるわけでは
なく、扱える刻み時間に制約がある。また、解析できる
電力系統のモデルにも制約があり、複雑なモデルはリア
ルタイムで解析できない。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は高速な
応答をする装置を含む電力系統をリアルタイムで効率よ
く解析することのできる電力系統解析装置を提供するこ
とにある。

【０００５】また、本発明の電力系統解析装置において
は、高速な応答をする装置が電力系統の電圧源または電
流源に等価される場合においても、効率よく解析できる
ようにする。

【０００６】さらに、可制御半導体素子を用いた電力系
統制御機器が系統内に組み込まれている場合でも、効率
よく解析できるようにする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】高速な応答をする装置と
応答の遅い装置を含む電力系統を解析する系統解析装置
において、所定の刻み時間で解析する第１の系統解析手
段と、この所定の刻み時間よりも早い刻み時間で解析す
る第２の系統解析手段を複数台組み合わせて解析装置を
構成し、これらを役割分担して電力系統を模擬して電力
系統の解析を行う。このため第１の系統解析手段と第２
の系統解析手段との間で必要なデータのやり取りをして
電力系統全体の解析を第１の系統解析手段で解析する。

【０００８】また、第２の系統解析手段が電力系統の電
圧源または電流源と等価に判断される装置を解析する場
合、それら電圧源または電流源の振幅情報、または位相
情報を第１の系統解析手段との間でやり取りをするよう
にしたものである。

【０００９】さらに、高速な応答をする装置が可制御型
半導体素子で構成される場合、この半導体素子を制御す
る制御パルス入力情報をやり取りすることを特徴とする
ようにしたものである。

【００１０】１つの刻み時間で解析する第１の解析装置
と、これよりも早い刻み時間を必要とする電力系統の機
器／装置のモデルを解析する第２の解析装置を複数台組
み合わせて解析装置を構成する。

【００１１】電力系統には電力変換装置のように時定数
小さい、即ち応答が早く解析には刻みを小さくして解析
する必要がある機器／装置もあれば、発電機の動揺のよ
うに時定数の比較的大きい、即ち、解析の刻みが大きく
ても良い機器／装置がある。これらの機器／装置を含む
電力系統をリアルタイムで解析する場合は刻みの小さい
装置／機器に刻みを合わせないと全体系統の解析が行え
ない。このため、刻みの小さい装置を別途第２の解析装
置で解析し、刻みの粗い電力系統の機器／装置を第１の
解析装置で模擬し、解析結果を解析結果を互いに交換し
て全体系統の解析を正確に行う。

【００１２】第２の解析装置は、例えば実ハードのディ
ジタル制御装置と同じまたは信頼性を実運用装置でない
ので落した装置でよい。

【００１３】また複数台組み合わせる第２の解析装置と
第１の解析装置インターフェースは、第１の解析装置内
の従属電圧源または従属電流源の電圧または電流の振幅
と位相の指令値とする。

【００１４】さらに第１のリアルタイム解析装置内の変
換器モデルの制御パルス入力指令をインターフェースと
する。このようなインターフェースとすることにより第
１のリアルタイム解析装置と第２のリアルタイム解析装
置の間でエネルギーの授受を行うことなく、ドッキング
でき電力系統全体の解析が行える。

【００１５】

【発明の実施の形態】本発明の電力系統のリアルタイム
解析装置の一実施例を図１に示す。図１は２つの解析刻
み時間の異なる系統解析装置から構成されている場合を
示す。各々の系統解析装置は詳細は不記であるが、既に
承知のようにマイクロプロセッサ，記憶装置，アナログ
／ディジタルの入出力装置等からなる。系統解析手段と
して用いられているリアルタイム解析装置Ａ１０２は刻
みの大きい電力系統を模擬し、またリアルタイム解析装
置Ｂ１０４は刻みの小さい電力系統の機器／装置を模擬
している。それぞれの解析装置の処理フローを図２に示
す。解析装置Ａ，Ｂは解析規模が異なるが、処理フロー
は同じである。当然解析装置Ａが解析装置Ｂに比べて模
擬する系統規模は大きくなる。解析開始により解析の初
期値を読み込み、それぞれの模擬系統に応じて解析を行
う。解析の結果は出力ポートに出力される。解析装置Ａ
で解析された結果は解析装置Ｂの入力となり、解析装置
Ｂの解析結果はＡの入力となって、お互いの結果を使っ
て次の時刻の解析結果が計算される。刻み時間がＡとＢ
で異なるので、解析ループを廻る処理時間がＡとＢで異
なっている。しかし、出力ポートに次の結果が出力され
るまで保持する機能を持たせておけば、２つの解析装置
は非同期で動作してもなんら問題なく解析できる。

【００１６】この解析を１台のリアルタイム解析装置で
行おうとすると、電力系統の解析は時定数、即ち刻みの
小さい方に合わせて解析することになるので、解析規模
が大きくなると小さな刻みでのリアルタイム解析は不可
能となる。当然のこととして、２つのリアルタイム解析
装置が同じ機能のものであれば、刻みの小さい機器／装
置を模擬する解析装置は処理ステップが短いものでなけ
ればならない。またもう１つが処理速度の早いリアルタ
イム解析装置であれば、刻み時間は小さくても処理ステ
ップの長いものがリアルタイムで処理できることにな
る。

【００１７】具体的な一実施例を自励式変換器を含む電
力系統の解析を行った場合について説明する。自励式変
換器を無効電力補償装置(自励式無効電力補償装置)に適
用した解析模擬回路を図３に示す。図においてＬｓは背
後交流系統のインピーダンス、Ｔｒは自励式変換器を交
流系統に接続する変換用変圧器、Ｄｉ３１１〜３１６
（ｉ＝１‥‥６）はダイオード、ＧＴｉ６２１〜６２６
はゲートターンオフサイリスタ等の自己消弧機能を持っ
た可制御型のスイッチング素子で、自励式変換器はこの
ダイオードとスイッチング素子が逆並列に接続され、３
相ブリッジ結線されて構成されている。Ｌｄ３３２は電
流の急峻な立上りを抑えるリアクトル、Ｄ３３４はもう
１つのダイオード、Ｃ３３６は電力用コンデンサ、ＣＯ
ＮＴ３５２は自励式変換器の制御回路である。自励式変
換器を用いた自励式無効電力補償装置はこのように構成
される。

【００１８】ここで自励式変換器は電圧型であるので出
力電圧を等価な電圧とする電圧源で表すことができる。
この等価回路を図４に示す。ここにＶｓ４０２は交流系
統の電圧、Ｖｉ４０４は自励式無効電力補償装置の出力
電圧で、Ｘは変換用変圧器のリアクタンスである。この
装置の動作を簡単に説明する。リアクタンスＸ４０６に
流れる電流ｉは次式で表される。

【００１９】

【数１】ｉ＝（Ｖｓ−Ｖｉ）／Ｘ Ｖｓ＞Ｖｉのときは系統から遅れの無効電力を取り、逆
にＶｓ＜Ｖｉのときは遅れの無効電力を系統に出す、即
ち進みの無効電力を系統から取る。このように自励式変
換器の出力電圧の大きさを変えることにより遅れから進
みまで任意に無効電力を出すことができる。電圧の大き
さを系統の状況に応じて決めるのが自励式変換器の制御
回路になる。制御回路には電力用コンデンサの充電電圧
を一定に保つためにコンデンサ両端の電圧がＶＤで検出
され取り込まれる。また交流側の無効電力等を検出する
ために交流電流と交流電圧等がＣＴおよびＰＴ等で検出
されて取り込まれる。

【００２０】このような装置のディジタル解析は装置の
電流，電圧を規定の値に制御するために高速な処理が必
要とされるので数μｓオーダの計算刻みを必要とする。
一方、送電線，発電機等一般の電力系統の解析は瞬時値
解析であっても数百μｓもあれば充分である。自励式変
換器を電力系統に含む解析では一番小さな刻みに合わせ
て解析する必要があり、自励式変換器の解析のために全
体を小さい計算刻みで解析するのは非常に解析効率が悪
くなる。そこで、一般の刻みの粗くてよい電力系統の模
擬は図１に示すリアルタイム解析装置Ａに割り振り、刻
みの小さいものは解析装置Ｂで処理するように解析装置
の役割を分担する。即ち、この場合は自励式無効電力補
償装置の動作解析を解析装置Ｂで行うことになる。

【００２１】２つのリアルタイム解析装置で互いに計算
刻みの異なった解析を行い、お互いで解析に必要なデー
タをやり取りすれば効率よい電力系統全体の解析がリア
ルタイムで行える。

【００２２】このことを実現したリアルタイム解析装置
Ａと解析装置Ｂとのインターフェースを含めた解析装置
の処理のフローの一例を図５に示す。解析装置Ａでは一
般の刻みの粗い電力系統の解析をリアルタイムで行い、
解析装置Ｂに必要なデータ、図３の場合は自励式無効電
力補償装置を等価電圧源として模擬した電圧源と交流系
統との接続点の交流電圧とそこを流れる交流電流の計算
結果を出力ポート５０４に出力する。また、解析に必要
な等価電圧源の振幅と位相を含んだ瞬時電圧波形の時々
刻々の値を解析装置Ｂから入力ポート５０６を介しても
らい、瞬時、瞬時の電圧源の値として電力系統の解析を
行う。一方、解析装置Ｂでは解析装置Ａによって解析さ
れた瞬時値の交流電圧と交流電流から必要な無効電力を
出すための等価電圧源の電圧の振幅と位相を含んだ瞬
時、瞬時の電圧を計算し出力ポート５０６にいれてお
く。解析装置Ｂの処理は、解析に必要なデータの読み込
み５１２（交流系統の電圧電流等），系統制御演算５１
４（例えば必要な無効電力の指令値等の作成），変換器
制御演算５１６（作成された指令値に基づいて基準電圧
信号を作成），ＰＷＭ制御演算５１８（基準電圧信号を
出力するためのＰＷＭパルスを作成），得られたＰＷＭ
波形のフィルタリングによる瞬時電圧波形化５２０、及
び結果の出力５２２と言った処理となり、フィルタリン
グの操作を除いて自励式無効電力補償装置の実際のディ
ジタル制御装置と同じ処理を行うことになる。言葉を変
えて言うと自励式無効電力補償装置の実ハードのディジ
タル制御装置そのものがリアルタイム解析装置Ｂとして
使うことができる。また解析装置Ａは電力系統をリアル
タイムで解析しているので、自励式無効電力補償装置が
入った実際の電力系統と同じ動きをしていることにな
る。この場合、自励式変換器を含んでいるが、リアルタ
イム解析装置Ａの解析刻み幅は自励式変換器を解析する
ために必要な刻み幅である必要はなく、一般の電力系統
解析の刻み幅でよいことになる。なぜなら刻み幅の小さ
い解析はリアルタイム解析装置Ｂで行っており、瞬時電
圧波形となった段階では小さい刻みによる解析はもはや
必要ないからである。このようにしてリアルタイム電力
系統解析装置は構成される。

【００２３】図６にリアルタイム解析装置Ａとリアルタ
イム解析装置Ｂの他の接続方法を示す。図５では解析装
置Ｂで解析した自励式無効電力補償装置の出力電圧の瞬
時、瞬時の値を解析装置Ａに取り込み解析装置Ａで電力
系統全体の解析を行う構成を示した。これに対して図６
では自励式無効電力補償装置から出る高調波を含んだＰ
ＷＭ波形を解析装置Ａとインターフェースしている。リ
アルタイム解析装置Ｂの処理の内容はまさに自励式無効
電力補償装置の実ディジタル制御装置と同じ処理内容で
ある。解析装置Ｂで演算処理されたＰＷＭの瞬時、瞬時
の値をリアルタイム解析装置Ａ１０２に取り込み、リア
ルタイム解析装置Ａで全体の電力系統の解析を行う。こ
の場合もリアルタイム解析装置Ａの解析刻みの幅は自励
式変換器動作を解くために必要な小さい刻み幅である必
要はなく、一般の電力系統解析における刻み幅で充分で
ある。この構成により自励式無効電力補償装置が出す高
調波の影響を考慮した電力系統の解析が行える。

【００２４】図７に更に別のリアルタイム解析装置Ａと
リアルタイム解析装置Ｂの他の接続方法を示す。図６で
は解析装置Ｂで解析した自励式無効電力補償装置の出力
電圧の瞬時、瞬時のＰＷＭ波形をインターフェースとす
るものであったが、図７では制御回路の出力そのものを
インターフェースとしている。即ち制御回路の変換器制
御演算結果は自励式変換器出力電圧の基準電圧信号を出
力とするので、これをリアルタイム解析装置Ａの自励式
無効電力補償装置の等価電圧源の基準電圧として使うこ
とができる。リアルタイム解析装置Ｂで解析した変換器
制御演算の結果を出力し、リアルタイム解析装置Ａに取
り込み、解析装置Ａではこの基準電圧を解析条件として
解析を実施し電力系統全体の動作解析を行う。この構成
では解析装置Ｂの処理を簡単にできるメリットがある。

【００２５】図８に本発明のもう１つの実施例であるリ
アルタイム解析装置の構成を示す。図１に対して解析刻
み幅の異なったリアルタイム解析装置３台からリアルタ
イム解析装置が構成されている。考え方は図１と同様で
ある。リアルタイム解析装置Ａで計算刻みが粗くて済む
電力系統全体の解析を行い、リアルタイム解析装置Ｂと
Ｃで小さな刻みを必要とする装置／機器の解析を行う。
例えば、解析装置Ｂで自励式無効電力補償装置，解析装
置Ｃで直流送電制御装置等を模擬する。解析装置Ｂと解
析装置Ａのインターフェースは上述図５〜図７に記載し
た方法でよい。一方、解析装置Ｃと解析装置Ａのインタ
ーフェースは、直流送電装置は従来、他励式変換器で構
成されており、これは上述の自励式変換器の場合の電圧
源模擬とは異なり、電流源として動作するので電流源を
表すことができる。従って、上述した電圧源での扱いと
同様に電流源の電流値を解析装置Ｃで求め、解析装置Ａ
で瞬時、瞬時の電流源の電流値を使って解析することが
できる。また、他励式変換器のディジタル制御装置の出
力である制御パルスをインターフェースとして解析装置
Ａと繋ぐことも可能である。この場合、解析装置Ａでは
他励式変換器を解析するサイリスタブリッジモデルを解
析装置Ｃからの制御パルスのオン・オフ指令に応じて解
析する必要がある。いずれのインターフェースにおいて
も解析装置間でのエネルギーのやり取りは不可能である
ので、このような電圧源や電流源の電圧，電流の指令値
や制御パルスと言ったレベルでのインターフェースとな
る。このような構成とすることにより動作の早い機器／
装置を含んだ電力系統の解析を行う場合に、これらの装
置／機器の最も小さい刻みに合わせた系統解析をする必
要がなくなるので、効率のよい解析が実施できる。

【００２６】図８では解析刻み幅の異なったリアルタイ
ム解析装置３台から構成される電力系統のリアルタイム
解析装置について述べたが、リアルタイム解析装置が複
数台から構成される場合も同様に考えることができる。

【００２７】

【発明の効果】動作の早い機器／装置を含んだ電力系統
の解析を行う場合に、これらの装置／機器の最も小さい
刻みに合わせた系統解析をする必要がなくなるので、効
率のよい解析が実施できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の電力系統のリアルタイム解析装置の１
構成。

【図２】図１のリアルタイム解析装置の処理フロー。

【図３】本発明の実施例を説明するための自励式無効電
力補償装置の構成。

【図４】自励式無効電力補償装置の等価回路。

【図５】リアルタイム解析装置間のインターフェースの
一例を示す図。

【図６】リアルタイム解析装置間のインターフェースの
一例を示す図。

【図７】リアルタイム解析装置間のインターフェースの
一例を示す図。

【図８】本発明の電力系統のリアルタイム解析装置の他
の構成。

【符号の説明】

６２１，６２２，６２３，６２４，６２５，６２６…自
己消弧形スイッチング素子、３１１，３１２，３１３，
３１４，３１５，３１６…ダイオード、３３４…ダイオ
ード、３３２…リアクトル、３３６…電力用コンデン
サ、３４２…変換用変圧器、３５２…制御装置、３６２
…交流電圧検出器、３６４…交流電流検出器、３６６…
直流電圧検出器、４０２…交流系統電圧。

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電力系統の解析を行う電力系統解析装置に
   おいて、 所定の刻み時間で解析する第１の系統解析手段と、前記
   所定の刻み時間よりも早い刻み時間で解析する第２の系
   統解析手段とを備え、前記第１の系統解析手段の解析結
   果と第２の系統解析手段との刻み時間は非同期で解析す
   るものであって、前記第１の系統解析手段の解析結果と
   第２の系統解析手段の解析結果とを互いに同期を取って
   交換し、前記電力系統を構成する応答の早い電力機器と
   応答の遅い電力機器とを含む電力系統のリアルタイム解
   析を行い、前記第２の系統解析手段は、前記応答の早い
   電力機器の実ディジタル制御装置を用いて構成したこと
   を特徴とする電力系統解析装置。
2. 【請求項２】前記第２の系統解析手段は、前記第１の系
   統解析手段との間で、前記第１の系統解析手段が解析対
   象としている電力系統を構成する従属電圧源または従属
   電流源の振幅情報または位相指令情報をインターフェー
   スすることを特徴とする請求項１記載の電力系統解析装
   置。
3. 【請求項３】前記第２の系統解析手段は、前記第１の系
   統解析手段が解析対象としている電力系統における該電
   力系統の状態を制御する可制御型半導体素子を用いた電
   力系統制御機器をコントロールするディジタル制御装置
   の入出力情報をインターフェースすることを特徴とする
   請求項１記載の電力系統解析装置。
4. 【請求項４】前記ディジタル制御装置の入出力情報とし
   て、前記可制御型半導体素子を制御する制御パルス入力
   をインターフェースすることを特徴とする請求項３記載
   の電力系統解析装置。