JP3629324B2 - 同期発電機の単独運転検出方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、同期発電機の単独運転検出装置に係り、特に逆潮流有りの電力系統に連系された同期発電機の単独運転検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１８は電力系統の概略構成を示すもので、１は第１の電源としての商用電源側の配電変電所、２（ＳＧ）は配電線３を介して配電変電所１に接続された第２の電源としての需要家側の同期発電機、４（ＣＢ１）は配電線３に配設された系統連系点遮断器、５は受電点遮断器である。
【０００３】
かかる電力系統において、配電線に系統連系された同期発電機が、系統連系点の遮断（配電変電所の送り出し遮断器の開放）によって、単独運転状態になると系統信頼度及び保安上の問題からこの状態を検出して、受電点の遮断器を開放しなければならない。これに関する現在の技術は以下の通りである。
【０００４】
（１）配電線送り出し遮断器の開放を配電変電所で検出して、受電点の遮断器にトリップ信号を転送する転送遮断方式。
【０００５】
（２）単独運転状態が検出されるべき同期発電機の自動電圧調整器の電圧設定値に周期的微少変動を与え、発電機周波数変動が一定値以上になったことによって同期発電機の単独運転状態を検出して、受電点の遮断器を開放する方式（例えば特開平７−３１１９７号公報において開示されている同期発電機の単独運転検出装置）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記（１）の転送遮断方式では、コストがかかり発電機を系統連系するメリットが薄れることや、系統連系された発電機の台数が増加すると配電変電所の転送遮断装置が増加し保守が煩雑になるなどの問題点がある。
【０００７】
上記（２）の方式として、特開平７−３１１９７号公報に開示されている同期発電機の単独運転検出装置では、同期発電機の自動電圧調整器の周期的微少変動に対して、どういう大きさやどういう周期で変動させ、また発電機の周波数変動がどういう値にすれば単独運転検出機能を発揮できるかについては述べられておらず、系統短絡事故に対する単独運転検出装置の誤動作防止対策が充分でなく、かつ単独運転検出装置の信頼性監視機能が備わっていない。
【０００８】
本発明は上述の問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、誤動作防止対策が充分にして、高信頼性の同期発電機の単独運転検出方法を提供することである。
【０００９】
本発明が対象とするのは同期発電機の単独運転検出機能（能動方式，受動方式）の中で能動方式に関するものである。自家用発電設備を系統に連系する場合の技術要件を通産省はガイドラインとして制定し、平成５年３月このガイドラインに「逆潮流がある状態で低圧線及び高圧一般配電線への連系要件」が追加された。これにより、従来の転送遮断方式の他、単独運転検出機能による分散型電源の逆潮流条件での系統連系が可能になった。本能動方式は同期発電機の自動電圧調整器（ＡＶＲ）の電圧設定値を常時一定周期で微少変動させて、単独運転状態で生じる発電機周波数変動によりこの状態を検出するもので、系統側連系点の遮断器が潮流零の条件で遮断される最過酷の条件でも単独運転状態の検出を可能にするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の同期発電機の単独運転検出方法は、基本的には、
系統連系された同期発電機の自動電圧調整器（ＡＶＲ）に対して、その電圧設定値を常時一定周期で微少変動させるための信号を出力する機能１と、単独運転状態を最適な条件で検出するため発電機出力、発電機の機器定数、その自動電圧調整器の伝達関数およびその調速機の伝達関数とから機能１の信号に対して最適な微少変動量と周期を演算して機能１に出力する機能２と、発電機周波数の変動分を演算してその変動分が整定値以上になったことによって単独運転状態を検出する周波数リレーである機能３を備えたことを特徴とする。
【００１１】
単独運転の誤検出の防止策として、機能３において低整定値を持つ第１段の周波数リレーと高整定値を持つ第２段周波数リレーの２種類の周波数リレーを設け、第１段リレー動作、第２段リレー不動作の条件が成立してから一定期間だけ自動電圧調整器の電圧設定値の微少変動量の大きさを増幅しその条件が成立してから一定期間かつ第１段リレーと第２段リレーが共に動作した場合のみ単独運転を検出し、また、第１段、第２段のリレーが共に動作した場合は微少変動量の大きさを増幅せずに単独運転を検出することを特徴とする。
【００１２】
発電機が連系されていない系統の短絡事故時の発電機の加速に対して単独運転状態の誤検出を系統の短絡事故除去リレーとの時限協調によって防止するため、機能３において周波数の変動分が整定値以上になった時間を積分しその値が一定時間以上になったことによって単独運転状態を検出することを特徴とする。
【００１３】
発電機が連系されていない系統の短絡事故時の発電機の加速に対して単独運転状態の誤検出を防止するため、機能３において短絡事故検出リレーの動作によって周波数リレーの出力信号をロックすることを特徴とする。
【００１４】
機能１に対して、発電機の系統連系条件を系統連系用遮断器の開閉信号によって検出し、発電機が系統連系されているときだけ自動電圧調整器に微少変動信号を出力することを特徴とする。
【００１５】
常時、発電機の無効電力出力の変動分を監視することによって機能１の不良を検出することを特徴とする。
【００１６】
機能１の自動電圧調整器の電圧整定値微少変動による発電機の無効電力出力の変動分が単独運転時に小さくなることによって機能１の不良が誤検出されることを防止するため、発電機の系統連系条件を系統連系用遮断器の開閉信号によって検出し、発電機が系統連系されているときだけ機能１の不良検出をすることを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図１〜図６を参照しながら説明する。
【００１８】
図１は本発明による同期電動機の単独運転検出装置の実施の形態を示すもので、図１において６は変圧器、７は配電線３に配設された変流器、８は計器用変圧器、９は自動電圧調整器（ＡＶＲ）である。
【００１９】
また、図１において１０は演算制御部であって、演算部１１を有する。演算部１１は、変流器７による配電線３に流れる電流検出信号Ｉと計器用変圧器８による電圧信号Ｖを入力とし、後述する発電機定数，自動電圧調整器伝達関数および調速機伝達関数をもとに演算して、最適な微少変動周波数やその大きさを算出する。
【００２０】
２０は周波数リレー部であって、詳細には図２に示す構成であり、電流検出信号Ｉと電圧検出信号Ｖを入力として、第１段リレー動作信号，同期発電機２の単独運転検出信号，リセット信号および不良検出信号を出力する。３０は外乱信号発生部であって、演算制御部１０の演算部１１の演算出力信号である最適な微少変動周波数信号を入力として外乱信号を発生する外乱信号発生器３１と、外乱信号発生器３１の低ゲイン出力信号，周波数リレー部２０の第１段リレー動作信号，およびしゃ断器４と５の補助接点４ｂと５ｂの接点信号を入力とするナンドゲート３２と、外乱信号発生器３１の高ゲイン出力信号，第１段リレー動作信号および補助接点４ｂと５ｂの接点信号を入力とするアンドゲート３３およびナンドゲート３２の出力信号とナンドゲート３３の出力信号をオア条件とするオアゲート３４によって構成されている。
【００２１】
図２は周波数リレー部２０の構成を示すもので、同図において２１ａは計器用変圧器８の電圧検出信号Ｖを入力とする第１段リレー、２１ｂは同じく電圧検出信号Ｖを入力とする第２段リレー、２２ａは第１段リレー２１ａの出力を入力とする第１の積分タイマー、２２ｂは第２段リレー２１ｂの出力信号を入力とする第２の積分タイマーである。２３ａは第１の積分タイマー２２ａと第２の積分タイマー２２ｂの出力信号をナンド条件とする第１のナンドゲート、２４はナンドゲート２３ａのナンド出力信号を入力としてオンするオンディレイタイマー、２５ａおよび２５ｂはオンディレイタイマー２４のオン出力信号を入力として一定時間オンして、信号Ｂ１，Ｂ２を出力する第１のスイッチング増幅回路および第２のスイッチング増幅回路である。２６ａは第２のスイッチング増幅回路２５ｂ，第１の積分タイマー２２ａおよび第２の積分タイマー２２ｂの出力信号をアンド条件とする第１のアンドゲート、２７ａはアンドゲート２６ａの出力信号Ａ１とナンドゲート２３ｂの出力信号Ａ２を入力とする第１のオアゲートである。また、図２において２８は計器用変圧器８の電圧検出信号Ｖを入力とする不足電圧リレー（ＵＶＲ）、２７ｂは第２のオアゲート、２９は電流検出信号Ｉと電圧検出信号Ｖを入力とする無効電力検出回路、２６ｂは無効電力検出回路（Ｑ）２９の出力信号としゃ断器４と５の補助接点４ａと４ｂの接点入力信号をアンド条件とする第２のアンドゲート、２２ｃは第３の積分タイマーである。
【００２２】
図１に示す同期発電機の単独運転検出装置において、機能２である演算制御部１０においては演算部１１が、配電線３すなわち電源１の電流検出信号Ｉと電圧検出信号Ｖを入力として同期発電機２の発電機定数，自動電圧調整器９の伝達関数および調速機（図示せず）の伝達関数をもとに演算処理して最適な微少変動周波数の大きさを算出する。
【００２３】
機能３である周波数リレー部２０では、第１段周波数リレー２１ａと第２段周波数リレー２１ｂは、それぞれ、電圧検出信号Ｖを入力して動作する。第１の積分タイマー（Ｔ１）２２ａは第１段周波数リレー２１ａの出力信号を、積分遅延して第１のナンドゲート２３ａ，第１のアンドゲート２６ｂおよび第２のナンドゲート２３ｂに導く。同様にして、第２の積分タイマー（Ｔ２）２２ｂは第２段周波数リレー２１ｂの出力信号を、積分遅延して第１のナンドゲート２３ａ，第１のアンドゲート２６ａおよび第２のナンドゲート２３ｂに導く。第１のナンドゲート２３ａは第１の積分タイマー２２ａの出力有りのときのみ導通し、その出力信号をオンディレータイマー２４に導く。オンディレータイマー２４の出力信号は第１，第２のスイッチング増幅回路２５ａ，２５ｂおよび第２のナンドゲート２３ｂに導かれる。第１のスイッチング増幅回路２５ａは、入力有りで一定時間オンになり、第１段周波数リレーだけ動作時の微少変動量増幅信号を出力した第１段リレー動作信号を機能１である外乱信号発生部３０に出力する。第２のスイッチング増幅回路２５ｂもオンディレータイマー２４からの入力有りの時だけ一定時間オンし、その出力信号を第１のナンドゲート２６ａに導く。第１のナンドゲート２６ａは、第１の積分タイマー２２ａの出力，第２の積分タイマー２６ｂの出力および第２のスイッチング増幅回路２５ｂの出力が全て有りの状態で動作して出力信号Ａ１を第１のノアゲート２７ａに導く。第２のナンドゲート２３ｂは、第１，第２の積分タイマー２２ａ，２２ｂの出力有りとオンディレータイマー２４の出力無しの条件で動作し、出力信号Ａ２を第１のオアゲート２７ａに導く。第１のノアゲート２７ａは第１のナンドゲート２６ａの出力信号Ａ１と第２のナンドゲート２３ｂの出力信号Ａ２をオア条件として同期発電機２の単独運転検出信号を遮断器４に導き制御する。
【００２４】
また、機能３である周波数リレー部２０において、不足電圧リレー２８は、電圧検出信号Ｖを入力として不足電圧を検出し、その出力信号を第２のオアゲート２７ｂに入力する。オアゲート２７ｂは不足電圧リレー２８の出力信号と、第１段周波数リレー２１ａの不動作期間が一定値以上である条件と、第２段周波数リレー２１ｂの不動作期間が一定値以上であるという条件のもとにリセット信号を出力する。無効電力検出リレー２９は、電流検出信号Ｉと電圧検出信号Ｖを入力として、その出力信号を第２のアンドゲート２６ｂに導く。第２のアンドゲート２６ｂはさらに遮断器４の補助接点４ａの接点信号および遮断器５の補助接点５ａの接点信号を入力条件として外乱信号発生部３０が不良であることを示す検出信号を出力する。
【００２５】
外乱信号発生部３０では、外乱信号発生器３１が演算制御部１０の演算部１１の出力信号を入力として低ゲインの外乱信号と高ゲインの外乱信号を出力する。ナンドゲート３２は、外乱信号発生器３１からの低ゲイン外乱信号と、周波数リレー部２０からの第１段周波数リレー動作信号と、遮断器４の補助接点４ｂと遮断器５の補助接点５ｂのそれぞれの接点信号を入力条件として出力信号をオアゲート３４に導く。アンドゲート３３は、外乱信号発生器３１の高ゲイン外乱信号と、周波数リレー部２０の第１段周波数リレー動作信号と補助接点４ｂと５ｂの接点信号を入力条件として、その出力信号を自動電圧調整器９に電圧設定値微少変動信号として入力する。
【００２６】
外乱信号発生部３０は、同期発電機２の自動電圧調整器９の電圧設定値に対して一定周期の微少変動を与えるもので、外乱信号発生器３１により一定周期の微少変動信号を発生する。その周期と大きさは演算制御部１０によって演算された最適な値とする。
【００２７】
演算制御部１０は、微少変動周期と大きさを後述する（１１）式または（１２）式から演算してその結果を機能（１）３０に出力するものである。このため、演算部１１に発電機の電圧（Ｖ）と電流（Ｉ）及び発電機１の機器定数、自動電圧調整器９の伝達関数、調速機の伝達関数を入力し、ＶとＩから発電機１の出力を求めた結果と上記定数や伝達関数値を（１１）式に代入することによって（１２）式のように伝達関数が演算されるので、最高感度となる変動周期を求めることができる。
【００２８】
また、周波数リレー部２０の周波数リレーの整定値は系統連系時の常時の周波数によって誤動作しない値に決められるので、変動量の大きさは同期発電機の単独運転時の周波数変動がこの整定値を超える様に決められる。このようにして演算された最適な変動量の大きさと周波数は機能２である演算制御部１０に出力される。周波数リレー部２０は発電機の電圧（Ｖ）を入力として、それより周波数変動を求め、この値が整定値を超えたことによって同期発電機の単独運転状態を検出し、受電点の遮断器４にトリップ指令を出力し、これにより同期発電機の単独運転を防止する。
【００２９】
単独運転の誤検出対策として、単独運転を検出する周波数リレー部２０は、低整定値を持つ第１段周波数リレー（ＦＲ１）２１ａと高整定値を持つ第２段周波数リレー（ＦＲ２）２１ｂの２種類を設け、第１段リレー動作、第２段リレー不動作の条件が成立してから一定時間だけ（回路２５ａが入力が有ってから一定時間だけオン）自動電圧調整器９の電圧整定値の微少変動量の大きさを増幅し、その条件が成立してから一定期間（回路２５ｂも回路２５ａと同じ）かつ第１段周波数リレー２１ａと第２段周波数リレー２１ｂが共に動作した場合のみ同期発電機の単独運転状態として検出する。
【００３０】
また、系統側連系点の潮流が大きな場合は単独運転に移行すると同期発電機２の入力と出力のアンバランスが大きくなり同期発電機の周波数もそれに伴い大きくなるので、単独運転移行直後に周波数リレーが第１段および第２段ともに動作することがある。これに対して検出時間に遅れが生じないように、第１段、第２段のリレーが共に動作すると微少変動量の大きさを増幅せずに単独運転を検出する。第１段周波数リレー２６ａの整定値は、系統連系時の常時の周波数変動で誤動作しないように決め、第２段周波数リレー２１ｂの整定値は増幅された微少変動量の大きさに対して決めれば、信頼性の高い単独運転が可能になる。
【００３１】
系統連系点の潮流が零の条件で同期発電機の単独運転に移行した後の能動方式周波数リレーの応動を図３に示す。同期発電機単独運転移行後の発電機周波数は、後述する図１０〜図１３のシュミレーション結果で示すように、ほぼ正弦波状に変化し、その大きさは時間と共に徐々に大きくなり定常状態に落ちつく。よって、周波の変動値が一定値以上になると動作する能動方式の周波数リレーは図示するように動作復帰を繰り返す。
【００３２】
一方、配電系統短絡事故時には同期発電機は加速されて周波数が増加するので、その場合の誤検出を防止するため周波数リレーの出力にタイマーを設ける。そのタイマーの整定値は配電変電所に設置されている短絡事故用リレーによる事故除去時間に裕度を持たせた値とする。そのタイマーのカウントは上述のように単独運転移行後に動作、復帰を繰返すので積分方式として検出時間の遅延を防止する。また、短絡事故は不足電圧リレー（ＵＶＲ）２８によって検出できることがあるので、不足電圧リレー２８を設けて周波数リレーの出力をロックし、短絡事故の誤検出を防止する。
【００３３】
タイマーのセット条件は、不足電圧リレー２８の動作時とする。図４〜図６に機能（３）２０の動作シーケンスを示す。図４は基本動作波形図、図５は第１段周波数リレー２１ａのみの動作動作による微少変動増幅における単独運転検出の動作波形図、図５は第１段周波数リレー２１ａと第２段周波数リレー２１ｂの動作が同じである場合の動作波形図、図６は第１段周波数リレー２１ａの動作による微少変動値増幅時における波形図である。図４と図５において、ＦＲ１，ＦＲ２は第１段，第２段周波数リレー２１ａ，２１ｂの動作波形を示し、タイマ１，タイマ２は積分タイマー２２ａ，２２ｂの動作波形、Ｂ１，Ｂ２はスイッチング増幅回路２５ａ，２５ｂの出力波形、Ａ１はアンドゲート２６ａの出力波形、Ａ２はナンドゲート２３ｂの出力波形、Ｃは単独運転検出波形を示す。図５に示すように、オンディレイタイマー整定値は第１の積分タイマー２２ａのリセット信号Ｔ１と第２の積分タイマー２２ｂのリセット信号Ｔ２の整定値が同じである場合、第１段周波数リレー２１ａと第２段周波数リレー２１ｂの動作時間のばらつき以上にする。
【００３４】
【実施例】
以下に、能動方式の性能をシミュレーション結果で示す。その条件は以下の通りである。
【００３５】
図７は同期発電機Ｇ１が系統連系されている系統図と系統定数を示す。表１と２および図８と図９は、その発電機の機器定数と調速機の定数および自動電圧調整器の定数を示す。発電機の有効電力出力を１．８３ＭＷ，無効電力出力を０．４ＭＶαγ（遅れ），構内負荷Ｌ１の消費電力を有効電力０．９１６ＭＷ，無効電力０．４ＭＶαγ（遅れ）とし、残りの有効電力０．９１６ＭＷが逆潮流され外部負荷Ｌ０で消費されるものとする。この条件では系統側連系点の遮断器ＣＢＯの潮流は零になる。
【００３６】
【表１】
【００３７】
【表２】
【００３８】
自動電圧調整器（ＡＶＲ）の電圧設定値を定格電圧の大きさに対して１％のピーク値をもつ０．４Ｈｚの正弦波で微少変動させ、系統側連系点の遮断器を１秒で開放させた場合のＡＶＲ電圧設定値変動量，発電機周波数，端子電圧，発電機の無効電力の変動量を図１０〜１３に示す。
【００３９】
図１０〜図１３に示すように、系統連系時には発電機周波数は殆ど変動しないが、単独運転移行後の周波数変動は大きい。発電機の端子電圧の変動量も同様である。一方、無効電力の変動量は逆の傾向になっている。
【００４０】
次に、自動電圧調整器（ＡＶＲ）の電圧設定値の変動量（１％）を一定として、変動周期を変化させた場合の単独運転時の周波数変動（第一波の大きさ）を図１４に示す。これより変動周期０．４Ｈｚで最高感度が得られることが分かる。系統連系時の系統へ与える影響をより少なくするために、このような最高感度となる変動周期の選択が重要である。また、ＡＶＲの電圧設定値の変動量、変動周期を１％，０．４Ｈｚ一定として、発電機の有効電力出力を変化させた場合の単独運転時の発電機周波数（第一波の大きさ）を図１５に示す。これより発電機の有効電力に比例して周波数が変動することが分かる。
【００４１】
能動方式の性能（理論的検討結果）
次に能動方式について理論的な検討を行う。発電機モデルは、能動方式に対してダンパ巻線の影響は殆どないので、この巻線の影響を無視した過渡モデルを使用する。
【００４２】
同期発電機に対する二軸理論より、単独運転時には次式が成立する。
【００４３】
【数１】
Ｉｅ＝ＬＴ（Ｅ′ｑ）２ ………（１）
【００４４】
【数２】
Ｖｆｄ＝ＬｆｄＥｑ′＋Ｔｄ′０（ｄ／ｄｔ）Ｅｑ′……（２）
【００４５】
【数３】
Ｅｔ＝ＬｅｔＥｑ′ ………（３）
但し、Ｔｅ，Ｖｆｄ，Ｅｔは発電機の電気的出力トルク，界磁電圧、Ｅｑ′は発電機のｑ軸過渡電圧、Ｔｄ′０はｄ軸開路過渡時定数であって、ＬＴ，Ｌｆｄ，Ｌｅｔは次式で定義される。
【００４６】
【数４】
【００４７】
ＺＬ＝ＲＬ＋ｊＸＬは発電機出力に対応するインピーダンスであり、（４）式でＺＬ以外の定数は表１に示してある。能動方式による変動は微少なので（１）〜（３）式を線形近似してラプラス変換すると次式が得られる。
【００４８】
【数５】
△Ｔｅ＝２ＬＴＥｑ′０・△Ｅｑ′ ………（５）
【００４９】
【数６】
△Ｖｆｄ（Ｌｆｄ＋ＳＴｄ′０）△Ｅｑ′……（６）
【００５０】
【数７】
△ｅｔ＝Ｌｅｔ△Ｅｑ′ ………（７）
但し、△Ｔｅ，△Ｖｆｄ，△ｅｔ，△Ｅ′ｑはＴｅ，Ｖｆｄ，ｅｔ，Ｅ′ｑの微少変動に対するラプラス変換値、Ｅｑ′０は系統連系時のＥｑ′の平均値である。
【００５１】
次に図８の調速機回路について、基準速度と負荷設定値が一定として線形近似すると次式が得られる。
【００５２】
【数８】
△Ｔｍ＝−ＧＧＯＶ △ωｍ ………（８）
但し、△Ｔｍ，△ωｍは原動機出力Ｔｍ，発電機回転速度ωｍの微少変動に対するラプラス変換値、ＧＧＯＶは調速機（ガバナー）回路伝達関数であって、ＧＧＯＶ＝｛１０．０／（１＋０．１Ｓ）｝×｛１．０／（１＋０．６Ｓ）｝である。
【００５３】
また、図９の自動電圧調整器（ＡＶＲ）回路について、端子電圧検出回路の時定数は小さいのでこれを無視して線形近似すると次式が得られる。
【００５４】
【数９】
△Ｖｆｄ＝ＧＡＶＲ（△ＶＡＶＲ−△ｅｔ） ………（９）
但し、△ＶＡＶＲはＡＶＲ電圧設定値の微少変動に対する伝達関数、ＧＡＶＲはＡＶＲ回路伝達関数であって、ＧＡＶＲ＝｛１０．０（１＋１．５６Ｓ）／１．５６Ｓ｝×｛１．０／（１＋０．２Ｓ）｝である。発電機の動揺方程式を線形近似すると次式が成立する。
【００５５】
【数１０】
２Ｈ（ｄ△ωｎ／ｄｔ）＝△Ｔｍ−△Ｔｅ ………（１０）
但し、２Ｈは発電機（原動機を含む）慣性定数であり、（５），（６），（７），（８），（９），（１０）式から単独運転時の伝達関数ブロック図を作成すると図１６になる。図１６のブロック図よりＡＶＲ電圧設定値変動△ＶＡＶＲに対する発電機周波数の伝達関数△ωｍ（発電機回転速度）は次式になる。
【００５６】
【数１１】
【００５７】
（１１）式より、単独運転時の発電機の周波数変動は、発電機の機器定数とその出力状態で定まる定数Ｌｔ，Ｌｆｄ，Ｌｅｔと系統連系時のｑ軸過渡電圧の平均値Ｅｑ′Ｏ、ｄ軸開路過渡時定数Ｔｄ′Ｏ及びＡＶＲ，ガバナー回路の伝達関数ＧＡＶＲ，ＧＧＯＶ、発電機の単位慣性定数２Ｈで決定される。（１１）式に於いて、発電機の有効電力出力が１．８３ＭＷ，無効電力出力が０．２６７ＭＶαγでかつ系統側連系点の潮流が零の条件で△ωｍの伝達関数を求めた結果を次式に示す。
【００５８】
【数１２】
【００５９】
（１２）式は発電機の出力状態、発電機の機器定数、ＡＶＲ，ガバナー回路の伝達関数、ＡＶＲの電圧設定値の変動量、変動周期によって発電機の周波数変動を演算できることを示している。（１２）式に対してボード線図を求めると図１７になりＡＶＲ電圧設定値の変動周波数が０．４Ｈｚで、発電機周波数に対して最高感度が得られることを示している。これは図１４に示すシミュレーション結果とほぼ一致している。
【００６０】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、発電機出力、発電機の機器定数、その自動電圧調整器の伝達関数およびその調速機の伝達関数とからその微少変動量に対して最適な周期、大きさを演算し、その値を自動電圧調整器の電圧設定値変動量とすることによって効果的な単独運転検出が可能になる。
【００６１】
請求項２の発明によれば、単独運転の誤検出防止策として、単独運転を検出する周波数リレーは低整定値を持つ第１段と高整定値を持つ第２段の２種類を設け、第１段リレー動作、第２段リレー不動作の条件が成立してから一定期間だけ自動電圧調整器の電圧設定値の微少変動量の大きさを増幅し、その条件が成立してから一定期間かつ第１段リレーと第２段リレーが共に動作した場合のみ同期発電機の単独運転状態として検出する。また、系統側連系点の潮流が大きな場合は単独運転に移行すると同期発電機の入力と出力のアンバランスが大きくなり発電機周波数もそれに伴い大きくなるので、単独運転移行直後に周波数リレーが第１段及び第２段共に動作することがある。これに対して検出時間に遅れが生じないよう、第１段、第２段のリレーが共に動作すると微少変動量の大きさを増幅せずに単独運転を検出する。第１段リレーの整定値は、系統連系時の常時の周波数変動で誤動作しないように決め、第２段リレーの整定値は増幅された微少変動量の大きさに対して決めれば、信頼性の高い単独運転検出が可能になる。
【００６２】
請求項３又は４の発明によれば、系統短絡事故に対する単独運転検出の誤動作対策に関する発明であり、これによって短絡事故時の誤動作を防止できる。
【００６３】
請求項５の発明によれば、系統連系されているときだけ、自動電圧調整器の電圧設定値に微少変動を与えることにより信頼性の高い単独運転検出方式が可能になる。
【００６４】
請求項６の発明によれば、発電機の無効電力出力の変動量が一定値以下になることによって自動電圧調整器の電圧設定値に微少変動を与える回路の不良を検出することにより、信頼性の高い単独運転検出方式が可能になる。
【００６５】
請求項７の発明によれば、請求項６の発明に対して系統連系されているときだけ不良検出することにより信頼性の高い監視が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態による同期発電機の単独運転検出装置を示すブロック結線図。
【図２】図１の同期発電機の単独運転検出装置の要部のブロック結線図。
【図３】能動方式による周波数変動とリレー応動を示す波形図。
【図４】図１の装置における要部の動作シーケンス図。
【図５】図１の装置における要部の動作シーケンス図。
【図６】図１の装置における要部の動作シーケンス図。
【図７】本発明の実施例としてのシミュレーションを示すブロック図。
【図８】本発明の実施例としてのシミュレーションを示すブロック図。
【図９】本発明の実施例としてのシミュレーションを示すブロック図。
【図１０】本発明の実施例としてのシミュレーションによる特性波形図。
【図１１】本発明の実施例としてのシミュレーションによる特性波形図。
【図１２】本発明の実施例としてのシミュレーションによる特性波形図。
【図１３】本発明の実施例としてのシミュレーションによる特性波形図。
【図１４】本発明の実施例としてのシミュレーションによる特性波形図。
【図１５】本発明の実施例としてのシミュレーションによる特性波形図。
【図１６】本発明の実施例としてのシミュレーションによる伝達関数ブロック図。
【図１７】図１６の伝達関数を用いた発電機周波数のボード線図。
【図１８】同期発電機を連系した電力系統のブロック図。
【符号の説明】
１…電力系統の配電変電所
２…同期発電機
３…配電線
４…系統連系遮断器
４ａ，４ｂ…遮断器補助接点
５ａ，５ｂ…遮断器補助接点
５…遮断器
７…変流器
８…計器用変圧器
９…自動電圧調整器
１０…演算制御部
１１…演算部
２０…周波数リレー部
２１ａ…第１段周波数リレー
２１ｂ…第２段周波数リレー
２２ａ…第１の積分タイマー
２２ｂ…第２の積分タイマー
２３ａ，２３ｂ…ナンドゲート
２４…オンディレータイマー
２５ａ，２５ｂ…スイッチング増幅回路
２６ａ，２６ｂ…アンドゲート
２７ａ，２７ｂ…オアゲート
２８…不足電圧リレー
２９…無効電力検出回路
３０…外乱信号発生部
３１…外乱信号発生器
３２…ナンドゲート
３３…アンドゲート
３４…オアゲート
【発明の属する技術分野】
本発明は、同期発電機の単独運転検出装置に係り、特に逆潮流有りの電力系統に連系された同期発電機の単独運転検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１８は電力系統の概略構成を示すもので、１は第１の電源としての商用電源側の配電変電所、２（ＳＧ）は配電線３を介して配電変電所１に接続された第２の電源としての需要家側の同期発電機、４（ＣＢ１）は配電線３に配設された系統連系点遮断器、５は受電点遮断器である。
【０００３】
かかる電力系統において、配電線に系統連系された同期発電機が、系統連系点の遮断（配電変電所の送り出し遮断器の開放）によって、単独運転状態になると系統信頼度及び保安上の問題からこの状態を検出して、受電点の遮断器を開放しなければならない。これに関する現在の技術は以下の通りである。
【０００４】
（１）配電線送り出し遮断器の開放を配電変電所で検出して、受電点の遮断器にトリップ信号を転送する転送遮断方式。
【０００５】
（２）単独運転状態が検出されるべき同期発電機の自動電圧調整器の電圧設定値に周期的微少変動を与え、発電機周波数変動が一定値以上になったことによって同期発電機の単独運転状態を検出して、受電点の遮断器を開放する方式（例えば特開平７−３１１９７号公報において開示されている同期発電機の単独運転検出装置）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記（１）の転送遮断方式では、コストがかかり発電機を系統連系するメリットが薄れることや、系統連系された発電機の台数が増加すると配電変電所の転送遮断装置が増加し保守が煩雑になるなどの問題点がある。
【０００７】
上記（２）の方式として、特開平７−３１１９７号公報に開示されている同期発電機の単独運転検出装置では、同期発電機の自動電圧調整器の周期的微少変動に対して、どういう大きさやどういう周期で変動させ、また発電機の周波数変動がどういう値にすれば単独運転検出機能を発揮できるかについては述べられておらず、系統短絡事故に対する単独運転検出装置の誤動作防止対策が充分でなく、かつ単独運転検出装置の信頼性監視機能が備わっていない。
【０００８】
本発明は上述の問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、誤動作防止対策が充分にして、高信頼性の同期発電機の単独運転検出方法を提供することである。
【０００９】
本発明が対象とするのは同期発電機の単独運転検出機能（能動方式，受動方式）の中で能動方式に関するものである。自家用発電設備を系統に連系する場合の技術要件を通産省はガイドラインとして制定し、平成５年３月このガイドラインに「逆潮流がある状態で低圧線及び高圧一般配電線への連系要件」が追加された。これにより、従来の転送遮断方式の他、単独運転検出機能による分散型電源の逆潮流条件での系統連系が可能になった。本能動方式は同期発電機の自動電圧調整器（ＡＶＲ）の電圧設定値を常時一定周期で微少変動させて、単独運転状態で生じる発電機周波数変動によりこの状態を検出するもので、系統側連系点の遮断器が潮流零の条件で遮断される最過酷の条件でも単独運転状態の検出を可能にするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の同期発電機の単独運転検出方法は、基本的には、
系統連系された同期発電機の自動電圧調整器（ＡＶＲ）に対して、その電圧設定値を常時一定周期で微少変動させるための信号を出力する機能１と、単独運転状態を最適な条件で検出するため発電機出力、発電機の機器定数、その自動電圧調整器の伝達関数およびその調速機の伝達関数とから機能１の信号に対して最適な微少変動量と周期を演算して機能１に出力する機能２と、発電機周波数の変動分を演算してその変動分が整定値以上になったことによって単独運転状態を検出する周波数リレーである機能３を備えたことを特徴とする。
【００１１】
単独運転の誤検出の防止策として、機能３において低整定値を持つ第１段の周波数リレーと高整定値を持つ第２段周波数リレーの２種類の周波数リレーを設け、第１段リレー動作、第２段リレー不動作の条件が成立してから一定期間だけ自動電圧調整器の電圧設定値の微少変動量の大きさを増幅しその条件が成立してから一定期間かつ第１段リレーと第２段リレーが共に動作した場合のみ単独運転を検出し、また、第１段、第２段のリレーが共に動作した場合は微少変動量の大きさを増幅せずに単独運転を検出することを特徴とする。
【００１２】
発電機が連系されていない系統の短絡事故時の発電機の加速に対して単独運転状態の誤検出を系統の短絡事故除去リレーとの時限協調によって防止するため、機能３において周波数の変動分が整定値以上になった時間を積分しその値が一定時間以上になったことによって単独運転状態を検出することを特徴とする。
【００１３】
発電機が連系されていない系統の短絡事故時の発電機の加速に対して単独運転状態の誤検出を防止するため、機能３において短絡事故検出リレーの動作によって周波数リレーの出力信号をロックすることを特徴とする。
【００１４】
機能１に対して、発電機の系統連系条件を系統連系用遮断器の開閉信号によって検出し、発電機が系統連系されているときだけ自動電圧調整器に微少変動信号を出力することを特徴とする。
【００１５】
常時、発電機の無効電力出力の変動分を監視することによって機能１の不良を検出することを特徴とする。
【００１６】
機能１の自動電圧調整器の電圧整定値微少変動による発電機の無効電力出力の変動分が単独運転時に小さくなることによって機能１の不良が誤検出されることを防止するため、発電機の系統連系条件を系統連系用遮断器の開閉信号によって検出し、発電機が系統連系されているときだけ機能１の不良検出をすることを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図１〜図６を参照しながら説明する。
【００１８】
図１は本発明による同期電動機の単独運転検出装置の実施の形態を示すもので、図１において６は変圧器、７は配電線３に配設された変流器、８は計器用変圧器、９は自動電圧調整器（ＡＶＲ）である。
【００１９】
また、図１において１０は演算制御部であって、演算部１１を有する。演算部１１は、変流器７による配電線３に流れる電流検出信号Ｉと計器用変圧器８による電圧信号Ｖを入力とし、後述する発電機定数，自動電圧調整器伝達関数および調速機伝達関数をもとに演算して、最適な微少変動周波数やその大きさを算出する。
【００２０】
２０は周波数リレー部であって、詳細には図２に示す構成であり、電流検出信号Ｉと電圧検出信号Ｖを入力として、第１段リレー動作信号，同期発電機２の単独運転検出信号，リセット信号および不良検出信号を出力する。３０は外乱信号発生部であって、演算制御部１０の演算部１１の演算出力信号である最適な微少変動周波数信号を入力として外乱信号を発生する外乱信号発生器３１と、外乱信号発生器３１の低ゲイン出力信号，周波数リレー部２０の第１段リレー動作信号，およびしゃ断器４と５の補助接点４ｂと５ｂの接点信号を入力とするナンドゲート３２と、外乱信号発生器３１の高ゲイン出力信号，第１段リレー動作信号および補助接点４ｂと５ｂの接点信号を入力とするアンドゲート３３およびナンドゲート３２の出力信号とナンドゲート３３の出力信号をオア条件とするオアゲート３４によって構成されている。
【００２１】
図２は周波数リレー部２０の構成を示すもので、同図において２１ａは計器用変圧器８の電圧検出信号Ｖを入力とする第１段リレー、２１ｂは同じく電圧検出信号Ｖを入力とする第２段リレー、２２ａは第１段リレー２１ａの出力を入力とする第１の積分タイマー、２２ｂは第２段リレー２１ｂの出力信号を入力とする第２の積分タイマーである。２３ａは第１の積分タイマー２２ａと第２の積分タイマー２２ｂの出力信号をナンド条件とする第１のナンドゲート、２４はナンドゲート２３ａのナンド出力信号を入力としてオンするオンディレイタイマー、２５ａおよび２５ｂはオンディレイタイマー２４のオン出力信号を入力として一定時間オンして、信号Ｂ１，Ｂ２を出力する第１のスイッチング増幅回路および第２のスイッチング増幅回路である。２６ａは第２のスイッチング増幅回路２５ｂ，第１の積分タイマー２２ａおよび第２の積分タイマー２２ｂの出力信号をアンド条件とする第１のアンドゲート、２７ａはアンドゲート２６ａの出力信号Ａ１とナンドゲート２３ｂの出力信号Ａ２を入力とする第１のオアゲートである。また、図２において２８は計器用変圧器８の電圧検出信号Ｖを入力とする不足電圧リレー（ＵＶＲ）、２７ｂは第２のオアゲート、２９は電流検出信号Ｉと電圧検出信号Ｖを入力とする無効電力検出回路、２６ｂは無効電力検出回路（Ｑ）２９の出力信号としゃ断器４と５の補助接点４ａと４ｂの接点入力信号をアンド条件とする第２のアンドゲート、２２ｃは第３の積分タイマーである。
【００２２】
図１に示す同期発電機の単独運転検出装置において、機能２である演算制御部１０においては演算部１１が、配電線３すなわち電源１の電流検出信号Ｉと電圧検出信号Ｖを入力として同期発電機２の発電機定数，自動電圧調整器９の伝達関数および調速機（図示せず）の伝達関数をもとに演算処理して最適な微少変動周波数の大きさを算出する。
【００２３】
機能３である周波数リレー部２０では、第１段周波数リレー２１ａと第２段周波数リレー２１ｂは、それぞれ、電圧検出信号Ｖを入力して動作する。第１の積分タイマー（Ｔ１）２２ａは第１段周波数リレー２１ａの出力信号を、積分遅延して第１のナンドゲート２３ａ，第１のアンドゲート２６ｂおよび第２のナンドゲート２３ｂに導く。同様にして、第２の積分タイマー（Ｔ２）２２ｂは第２段周波数リレー２１ｂの出力信号を、積分遅延して第１のナンドゲート２３ａ，第１のアンドゲート２６ａおよび第２のナンドゲート２３ｂに導く。第１のナンドゲート２３ａは第１の積分タイマー２２ａの出力有りのときのみ導通し、その出力信号をオンディレータイマー２４に導く。オンディレータイマー２４の出力信号は第１，第２のスイッチング増幅回路２５ａ，２５ｂおよび第２のナンドゲート２３ｂに導かれる。第１のスイッチング増幅回路２５ａは、入力有りで一定時間オンになり、第１段周波数リレーだけ動作時の微少変動量増幅信号を出力した第１段リレー動作信号を機能１である外乱信号発生部３０に出力する。第２のスイッチング増幅回路２５ｂもオンディレータイマー２４からの入力有りの時だけ一定時間オンし、その出力信号を第１のナンドゲート２６ａに導く。第１のナンドゲート２６ａは、第１の積分タイマー２２ａの出力，第２の積分タイマー２６ｂの出力および第２のスイッチング増幅回路２５ｂの出力が全て有りの状態で動作して出力信号Ａ１を第１のノアゲート２７ａに導く。第２のナンドゲート２３ｂは、第１，第２の積分タイマー２２ａ，２２ｂの出力有りとオンディレータイマー２４の出力無しの条件で動作し、出力信号Ａ２を第１のオアゲート２７ａに導く。第１のノアゲート２７ａは第１のナンドゲート２６ａの出力信号Ａ１と第２のナンドゲート２３ｂの出力信号Ａ２をオア条件として同期発電機２の単独運転検出信号を遮断器４に導き制御する。
【００２４】
また、機能３である周波数リレー部２０において、不足電圧リレー２８は、電圧検出信号Ｖを入力として不足電圧を検出し、その出力信号を第２のオアゲート２７ｂに入力する。オアゲート２７ｂは不足電圧リレー２８の出力信号と、第１段周波数リレー２１ａの不動作期間が一定値以上である条件と、第２段周波数リレー２１ｂの不動作期間が一定値以上であるという条件のもとにリセット信号を出力する。無効電力検出リレー２９は、電流検出信号Ｉと電圧検出信号Ｖを入力として、その出力信号を第２のアンドゲート２６ｂに導く。第２のアンドゲート２６ｂはさらに遮断器４の補助接点４ａの接点信号および遮断器５の補助接点５ａの接点信号を入力条件として外乱信号発生部３０が不良であることを示す検出信号を出力する。
【００２５】
外乱信号発生部３０では、外乱信号発生器３１が演算制御部１０の演算部１１の出力信号を入力として低ゲインの外乱信号と高ゲインの外乱信号を出力する。ナンドゲート３２は、外乱信号発生器３１からの低ゲイン外乱信号と、周波数リレー部２０からの第１段周波数リレー動作信号と、遮断器４の補助接点４ｂと遮断器５の補助接点５ｂのそれぞれの接点信号を入力条件として出力信号をオアゲート３４に導く。アンドゲート３３は、外乱信号発生器３１の高ゲイン外乱信号と、周波数リレー部２０の第１段周波数リレー動作信号と補助接点４ｂと５ｂの接点信号を入力条件として、その出力信号を自動電圧調整器９に電圧設定値微少変動信号として入力する。
【００２６】
外乱信号発生部３０は、同期発電機２の自動電圧調整器９の電圧設定値に対して一定周期の微少変動を与えるもので、外乱信号発生器３１により一定周期の微少変動信号を発生する。その周期と大きさは演算制御部１０によって演算された最適な値とする。
【００２７】
演算制御部１０は、微少変動周期と大きさを後述する（１１）式または（１２）式から演算してその結果を機能（１）３０に出力するものである。このため、演算部１１に発電機の電圧（Ｖ）と電流（Ｉ）及び発電機１の機器定数、自動電圧調整器９の伝達関数、調速機の伝達関数を入力し、ＶとＩから発電機１の出力を求めた結果と上記定数や伝達関数値を（１１）式に代入することによって（１２）式のように伝達関数が演算されるので、最高感度となる変動周期を求めることができる。
【００２８】
また、周波数リレー部２０の周波数リレーの整定値は系統連系時の常時の周波数によって誤動作しない値に決められるので、変動量の大きさは同期発電機の単独運転時の周波数変動がこの整定値を超える様に決められる。このようにして演算された最適な変動量の大きさと周波数は機能２である演算制御部１０に出力される。周波数リレー部２０は発電機の電圧（Ｖ）を入力として、それより周波数変動を求め、この値が整定値を超えたことによって同期発電機の単独運転状態を検出し、受電点の遮断器４にトリップ指令を出力し、これにより同期発電機の単独運転を防止する。
【００２９】
単独運転の誤検出対策として、単独運転を検出する周波数リレー部２０は、低整定値を持つ第１段周波数リレー（ＦＲ１）２１ａと高整定値を持つ第２段周波数リレー（ＦＲ２）２１ｂの２種類を設け、第１段リレー動作、第２段リレー不動作の条件が成立してから一定時間だけ（回路２５ａが入力が有ってから一定時間だけオン）自動電圧調整器９の電圧整定値の微少変動量の大きさを増幅し、その条件が成立してから一定期間（回路２５ｂも回路２５ａと同じ）かつ第１段周波数リレー２１ａと第２段周波数リレー２１ｂが共に動作した場合のみ同期発電機の単独運転状態として検出する。
【００３０】
また、系統側連系点の潮流が大きな場合は単独運転に移行すると同期発電機２の入力と出力のアンバランスが大きくなり同期発電機の周波数もそれに伴い大きくなるので、単独運転移行直後に周波数リレーが第１段および第２段ともに動作することがある。これに対して検出時間に遅れが生じないように、第１段、第２段のリレーが共に動作すると微少変動量の大きさを増幅せずに単独運転を検出する。第１段周波数リレー２６ａの整定値は、系統連系時の常時の周波数変動で誤動作しないように決め、第２段周波数リレー２１ｂの整定値は増幅された微少変動量の大きさに対して決めれば、信頼性の高い単独運転が可能になる。
【００３１】
系統連系点の潮流が零の条件で同期発電機の単独運転に移行した後の能動方式周波数リレーの応動を図３に示す。同期発電機単独運転移行後の発電機周波数は、後述する図１０〜図１３のシュミレーション結果で示すように、ほぼ正弦波状に変化し、その大きさは時間と共に徐々に大きくなり定常状態に落ちつく。よって、周波の変動値が一定値以上になると動作する能動方式の周波数リレーは図示するように動作復帰を繰り返す。
【００３２】
一方、配電系統短絡事故時には同期発電機は加速されて周波数が増加するので、その場合の誤検出を防止するため周波数リレーの出力にタイマーを設ける。そのタイマーの整定値は配電変電所に設置されている短絡事故用リレーによる事故除去時間に裕度を持たせた値とする。そのタイマーのカウントは上述のように単独運転移行後に動作、復帰を繰返すので積分方式として検出時間の遅延を防止する。また、短絡事故は不足電圧リレー（ＵＶＲ）２８によって検出できることがあるので、不足電圧リレー２８を設けて周波数リレーの出力をロックし、短絡事故の誤検出を防止する。
【００３３】
タイマーのセット条件は、不足電圧リレー２８の動作時とする。図４〜図６に機能（３）２０の動作シーケンスを示す。図４は基本動作波形図、図５は第１段周波数リレー２１ａのみの動作動作による微少変動増幅における単独運転検出の動作波形図、図５は第１段周波数リレー２１ａと第２段周波数リレー２１ｂの動作が同じである場合の動作波形図、図６は第１段周波数リレー２１ａの動作による微少変動値増幅時における波形図である。図４と図５において、ＦＲ１，ＦＲ２は第１段，第２段周波数リレー２１ａ，２１ｂの動作波形を示し、タイマ１，タイマ２は積分タイマー２２ａ，２２ｂの動作波形、Ｂ１，Ｂ２はスイッチング増幅回路２５ａ，２５ｂの出力波形、Ａ１はアンドゲート２６ａの出力波形、Ａ２はナンドゲート２３ｂの出力波形、Ｃは単独運転検出波形を示す。図５に示すように、オンディレイタイマー整定値は第１の積分タイマー２２ａのリセット信号Ｔ１と第２の積分タイマー２２ｂのリセット信号Ｔ２の整定値が同じである場合、第１段周波数リレー２１ａと第２段周波数リレー２１ｂの動作時間のばらつき以上にする。
【００３４】
【実施例】
以下に、能動方式の性能をシミュレーション結果で示す。その条件は以下の通りである。
【００３５】
図７は同期発電機Ｇ１が系統連系されている系統図と系統定数を示す。表１と２および図８と図９は、その発電機の機器定数と調速機の定数および自動電圧調整器の定数を示す。発電機の有効電力出力を１．８３ＭＷ，無効電力出力を０．４ＭＶαγ（遅れ），構内負荷Ｌ１の消費電力を有効電力０．９１６ＭＷ，無効電力０．４ＭＶαγ（遅れ）とし、残りの有効電力０．９１６ＭＷが逆潮流され外部負荷Ｌ０で消費されるものとする。この条件では系統側連系点の遮断器ＣＢＯの潮流は零になる。
【００３６】
【表１】
【表２】
自動電圧調整器（ＡＶＲ）の電圧設定値を定格電圧の大きさに対して１％のピーク値をもつ０．４Ｈｚの正弦波で微少変動させ、系統側連系点の遮断器を１秒で開放させた場合のＡＶＲ電圧設定値変動量，発電機周波数，端子電圧，発電機の無効電力の変動量を図１０〜１３に示す。
【００３９】
図１０〜図１３に示すように、系統連系時には発電機周波数は殆ど変動しないが、単独運転移行後の周波数変動は大きい。発電機の端子電圧の変動量も同様である。一方、無効電力の変動量は逆の傾向になっている。
【００４０】
次に、自動電圧調整器（ＡＶＲ）の電圧設定値の変動量（１％）を一定として、変動周期を変化させた場合の単独運転時の周波数変動（第一波の大きさ）を図１４に示す。これより変動周期０．４Ｈｚで最高感度が得られることが分かる。系統連系時の系統へ与える影響をより少なくするために、このような最高感度となる変動周期の選択が重要である。また、ＡＶＲの電圧設定値の変動量、変動周期を１％，０．４Ｈｚ一定として、発電機の有効電力出力を変化させた場合の単独運転時の発電機周波数（第一波の大きさ）を図１５に示す。これより発電機の有効電力に比例して周波数が変動することが分かる。
【００４１】
能動方式の性能（理論的検討結果）
次に能動方式について理論的な検討を行う。発電機モデルは、能動方式に対してダンパ巻線の影響は殆どないので、この巻線の影響を無視した過渡モデルを使用する。
【００４２】
同期発電機に対する二軸理論より、単独運転時には次式が成立する。
【００４３】
【数１】
Ｉｅ＝ＬＴ（Ｅ′ｑ）２ ………（１）
【００４４】
【数２】
Ｖｆｄ＝ＬｆｄＥｑ′＋Ｔｄ′０（ｄ／ｄｔ）Ｅｑ′……（２）
【００４５】
【数３】
Ｅｔ＝ＬｅｔＥｑ′ ………（３）
但し、Ｔｅ，Ｖｆｄ，Ｅｔは発電機の電気的出力トルク，界磁電圧、Ｅｑ′は発電機のｑ軸過渡電圧、Ｔｄ′０はｄ軸開路過渡時定数であって、ＬＴ，Ｌｆｄ，Ｌｅｔは次式で定義される。
【００４６】
【数４】
ＺＬ＝ＲＬ＋ｊＸＬは発電機出力に対応するインピーダンスであり、（４）式でＺＬ以外の定数は表１に示してある。能動方式による変動は微少なので（１）〜（３）式を線形近似してラプラス変換すると次式が得られる。
【００４８】
【数５】
△Ｔｅ＝２ＬＴＥｑ′０・△Ｅｑ′ ………（５）
【００４９】
【数６】
△Ｖｆｄ（Ｌｆｄ＋ＳＴｄ′０）△Ｅｑ′……（６）
【００５０】
【数７】
△ｅｔ＝Ｌｅｔ△Ｅｑ′ ………（７）
但し、△Ｔｅ，△Ｖｆｄ，△ｅｔ，△Ｅ′ｑはＴｅ，Ｖｆｄ，ｅｔ，Ｅ′ｑの微少変動に対するラプラス変換値、Ｅｑ′０は系統連系時のＥｑ′の平均値である。
【００５１】
次に図８の調速機回路について、基準速度と負荷設定値が一定として線形近似すると次式が得られる。
【００５２】
【数８】
△Ｔｍ＝−ＧＧＯＶ △ωｍ ………（８）
但し、△Ｔｍ，△ωｍは原動機出力Ｔｍ，発電機回転速度ωｍの微少変動に対するラプラス変換値、ＧＧＯＶは調速機（ガバナー）回路伝達関数であって、ＧＧＯＶ＝｛１０．０／（１＋０．１Ｓ）｝×｛１．０／（１＋０．６Ｓ）｝である。
【００５３】
また、図９の自動電圧調整器（ＡＶＲ）回路について、端子電圧検出回路の時定数は小さいのでこれを無視して線形近似すると次式が得られる。
【００５４】
【数９】
△Ｖｆｄ＝ＧＡＶＲ（△ＶＡＶＲ−△ｅｔ） ………（９）
但し、△ＶＡＶＲはＡＶＲ電圧設定値の微少変動に対する伝達関数、ＧＡＶＲはＡＶＲ回路伝達関数であって、ＧＡＶＲ＝｛１０．０（１＋１．５６Ｓ）／１．５６Ｓ｝×｛１．０／（１＋０．２Ｓ）｝である。発電機の動揺方程式を線形近似すると次式が成立する。
【００５５】
【数１０】
２Ｈ（ｄ△ωｎ／ｄｔ）＝△Ｔｍ−△Ｔｅ ………（１０）
但し、２Ｈは発電機（原動機を含む）慣性定数であり、（５），（６），（７），（８），（９），（１０）式から単独運転時の伝達関数ブロック図を作成すると図１６になる。図１６のブロック図よりＡＶＲ電圧設定値変動△ＶＡＶＲに対する発電機周波数の伝達関数△ωｍ（発電機回転速度）は次式になる。
【００５６】
【数１１】
（１１）式より、単独運転時の発電機の周波数変動は、発電機の機器定数とその出力状態で定まる定数Ｌｔ，Ｌｆｄ，Ｌｅｔと系統連系時のｑ軸過渡電圧の平均値Ｅｑ′Ｏ、ｄ軸開路過渡時定数Ｔｄ′Ｏ及びＡＶＲ，ガバナー回路の伝達関数ＧＡＶＲ，ＧＧＯＶ、発電機の単位慣性定数２Ｈで決定される。（１１）式に於いて、発電機の有効電力出力が１．８３ＭＷ，無効電力出力が０．２６７ＭＶαγでかつ系統側連系点の潮流が零の条件で△ωｍの伝達関数を求めた結果を次式に示す。
【００５８】
【数１２】
（１２）式は発電機の出力状態、発電機の機器定数、ＡＶＲ，ガバナー回路の伝達関数、ＡＶＲの電圧設定値の変動量、変動周期によって発電機の周波数変動を演算できることを示している。（１２）式に対してボード線図を求めると図１７になりＡＶＲ電圧設定値の変動周波数が０．４Ｈｚで、発電機周波数に対して最高感度が得られることを示している。これは図１４に示すシミュレーション結果とほぼ一致している。
【００６０】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、発電機出力、発電機の機器定数、その自動電圧調整器の伝達関数およびその調速機の伝達関数とからその微少変動量に対して最適な周期、大きさを演算し、その値を自動電圧調整器の電圧設定値変動量とすることによって効果的な単独運転検出が可能になる。
【００６１】
請求項２の発明によれば、単独運転の誤検出防止策として、単独運転を検出する周波数リレーは低整定値を持つ第１段と高整定値を持つ第２段の２種類を設け、第１段リレー動作、第２段リレー不動作の条件が成立してから一定期間だけ自動電圧調整器の電圧設定値の微少変動量の大きさを増幅し、その条件が成立してから一定期間かつ第１段リレーと第２段リレーが共に動作した場合のみ同期発電機の単独運転状態として検出する。また、系統側連系点の潮流が大きな場合は単独運転に移行すると同期発電機の入力と出力のアンバランスが大きくなり発電機周波数もそれに伴い大きくなるので、単独運転移行直後に周波数リレーが第１段及び第２段共に動作することがある。これに対して検出時間に遅れが生じないよう、第１段、第２段のリレーが共に動作すると微少変動量の大きさを増幅せずに単独運転を検出する。第１段リレーの整定値は、系統連系時の常時の周波数変動で誤動作しないように決め、第２段リレーの整定値は増幅された微少変動量の大きさに対して決めれば、信頼性の高い単独運転検出が可能になる。
【００６２】
請求項３又は４の発明によれば、系統短絡事故に対する単独運転検出の誤動作対策に関する発明であり、これによって短絡事故時の誤動作を防止できる。
【００６３】
請求項５の発明によれば、系統連系されているときだけ、自動電圧調整器の電圧設定値に微少変動を与えることにより信頼性の高い単独運転検出方式が可能になる。
【００６４】
請求項６の発明によれば、発電機の無効電力出力の変動量が一定値以下になることによって自動電圧調整器の電圧設定値に微少変動を与える回路の不良を検出することにより、信頼性の高い単独運転検出方式が可能になる。
【００６５】
請求項７の発明によれば、請求項６の発明に対して系統連系されているときだけ不良検出することにより信頼性の高い監視が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態による同期発電機の単独運転検出装置を示すブロック結線図。
【図２】図１の同期発電機の単独運転検出装置の要部のブロック結線図。
【図３】能動方式による周波数変動とリレー応動を示す波形図。
【図４】図１の装置における要部の動作シーケンス図。
【図５】図１の装置における要部の動作シーケンス図。
【図６】図１の装置における要部の動作シーケンス図。
【図７】本発明の実施例としてのシミュレーションを示すブロック図。
【図８】本発明の実施例としてのシミュレーションを示すブロック図。
【図９】本発明の実施例としてのシミュレーションを示すブロック図。
【図１０】本発明の実施例としてのシミュレーションによる特性波形図。
【図１１】本発明の実施例としてのシミュレーションによる特性波形図。
【図１２】本発明の実施例としてのシミュレーションによる特性波形図。
【図１３】本発明の実施例としてのシミュレーションによる特性波形図。
【図１４】本発明の実施例としてのシミュレーションによる特性波形図。
【図１５】本発明の実施例としてのシミュレーションによる特性波形図。
【図１６】本発明の実施例としてのシミュレーションによる伝達関数ブロック図。
【図１７】図１６の伝達関数を用いた発電機周波数のボード線図。
【図１８】同期発電機を連系した電力系統のブロック図。
【符号の説明】
１…電力系統の配電変電所
２…同期発電機
３…配電線
４…系統連系遮断器
４ａ，４ｂ…遮断器補助接点
５ａ，５ｂ…遮断器補助接点
５…遮断器
７…変流器
８…計器用変圧器
９…自動電圧調整器
１０…演算制御部
１１…演算部
２０…周波数リレー部
２１ａ…第１段周波数リレー
２１ｂ…第２段周波数リレー
２２ａ…第１の積分タイマー
２２ｂ…第２の積分タイマー
２３ａ，２３ｂ…ナンドゲート
２４…オンディレータイマー
２５ａ，２５ｂ…スイッチング増幅回路
２６ａ，２６ｂ…アンドゲート
２７ａ，２７ｂ…オアゲート
２８…不足電圧リレー
２９…無効電力検出回路
３０…外乱信号発生部
３１…外乱信号発生器
３２…ナンドゲート
３３…アンドゲート
３４…オアゲート
Claims (7)
- 電力系統に分散型電源として連系された同期発電機を解列して単独運転となることを検出する単独運転検出方法において、
前記同期発電機の出力と機器定数，当該同期発電機の自動電圧調整器の伝達関数および当該調速機の伝達関数とから周波数の微少変動量と周期を算出する演算制御部と、
前記同期発電機周波数変動分を演算してその変動分が整定値以上になったことを条件に単独運転となったことを検出する周波数リレー部、および
前記演算部によって算出された電力量の微少変動量と同期と前記周波数リレー部の検出信号を入力条件として、前記同期発電機の自動電圧調整器に対して外乱信号を入力する外乱信号発生部からなり、
前記外乱信号発生部より前記自動電圧調整器に電圧設定値微少変動信号を出力し、その電圧設定値を所定周期で微少変動させることを特徴とする、
同期発電機の単独運転検出方法。 - 前記周波数リレー部において低整定値を持つ第１段の周波数リレーと高整定値を持つ第２段周波数リレーの２種類の周波数リレーを設け、第１段リレー動作、第２段リレー不動作の条件が成立してから一定期間だけ自動電圧調整器の電圧設定値の微少変動量の大きさを増幅しその条件が成立してから一定期間かつ第１段リレーと第２段リレーが共に動作した場合のみ単独運転を検出し、また、第１段、第２段のリレーが共に動作した場合は微少変動量の大きさを増幅せずに単独運転を検出することを特徴とする請求項１に記載の同期発電機の単独運転検出方法。
- 前記周波数リレー部において、周波数の変動分が整定値以上になった時間を積分しその値が所定時間以上になったことを条件に前記同期発電機の単独運転を検出し、前記同期発電機が連系されていない系統の短絡事故時の発電機の加速に対して単独運転状態の誤検出を系統の短絡事故除去リレーとの時限協調によって防止することを特徴とする、請求項１に記載の同期発電機の単独運転検出方法。
- 前記周波数リレー部において短絡事故検出リレーの動作によって周波数リレーの出力信号をロックし、前記同期発電機が連系されていない系統の短絡事故時の該同期発電機の加速に対して単独運転状態の誤検出を防止する、ことを特徴とする請求項１に記載の同期発電機の単独運転検出方法。
- 前記同期発電機の系統条件を連系用遮断器の開閉信号によって検出し、前記同期発電機が系統連系されているときのみ前記外乱信号発生部を前記自動電圧調整器への微少変動信号を出力させることを特徴とする請求項１に記載の同期発電機の単独運転検出方法。
- 前記周波数リレー部が、前記同期発電機の無効電力の変動分を監視し、前記外乱信号発生部の不良を検出することを特徴とする請求項１に記載の同期発電機の単独運転検出方法。
- 前記同期発電機の系統連系条件を系統連系用遮断器の開閉信号によって検出し、当該同期発電機が系統連系されているときだけ前記外乱信号発生部の不良を検出し、該同期発電機の電圧設定値微少変動による前記同期発電機の無効電力出力の変動分が単独運転時に小さくなることによる前記外乱信号発生部の不良が誤検出されることを防止することを特徴とする、請求項６に記載の同期発電機の単独運転検出方法。
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