JP3655470B2

JP3655470B2 - 電力設備運転支援システム

Info

Publication number: JP3655470B2
Application number: JP16071898A
Authority: JP
Inventors: 秀雄篠原
Original assignee: ティーエム・ティーアンドディー株式会社
Priority date: 1998-06-09
Filing date: 1998-06-09
Publication date: 2005-06-02
Anticipated expiration: 2018-06-09
Also published as: JPH11354233A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、複数の変圧器あるいは変圧器およびリアクトルと、これらの機器を冷却する共通の冷却システムから構成される変電所等、複数の電力機器と共通の冷却システムとからなる電力設備において、当該電力機器の高効率運転を支援する電力設備運転支援システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電力機器を高効率運転（高負荷運転）することで設備投資を抑制することが進められているが、この流れに伴い、電力機器の過負荷運転時における高信頼運転のための、機器監視、異常予測システムなどの運転支援装置（あるいはシステム）の要求がでている。
このような要求に対応する従来技術として、例えば特開平３−２７４４７３号公報に、油入変圧器の余寿命を診断する装置が示されている。これは、油温度と周囲温度、あるいは二次負荷電流と周囲温度とから当該変圧器の巻線最高点温度を算出し、当該変圧器の余寿命を算出するものである。
また、例えば特開昭５７−４８２０９号公報に示された変圧器の運転制御方法では、変圧器の冷却装置の運転状態、冷却媒体温度、二次巻線電流等の各情報に基づいて変圧器巻線の温度上昇率を推定し、最高点温度に達するまでの時間を推定することで、過負荷発生時に、その負荷が継続するものとしての運転可能時間（余裕時間）を算出するものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような従来の運転支援装置あるいは制御装置においては、制御対象が電力機器単体であるので、対象外の電力機器の負荷状態に影響される冷却条件を考慮できず、複数台の電力機器と共通の冷却システムとで構成される電力設備レベルのシステムには対応できなかった。
また、現状の冷却媒体温度等の情報に基づいて過負荷運転時の巻線温度を推定することにより、余寿命や運転余裕時間を推定しているが、予測される時間的な変動負荷や冷却装置の運転制御条件に対するシミュレーションができないことから、電力機器の劣化予測の精度が非常に低く実用的でなかった。もし、電力機器の限界まで有効に運転させようとすれば、機器監視、異常予測等の運転員の負担が増大してしまうといった問題点があった。
【０００４】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、複数の電力機器と共通の冷却システムとから構成される電力設備において、各電力機器の限界到達時間や高負荷時の寿命損失を高精度に予測し、運転員に提示できる電力設備運転支援システムを得るものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る電力設備運転支援システムにおいては、電力設備を構成している複数の電力機器の経時的に変化する運転状態を検出する手段、検出した運転状態を合成して電力機器全体としての運転状態とする手段、合成して得られた電力機器全体の運転状態と、上記複数の電力機器共通の冷却システムの運転状態とをもとに、各電力機器劣化に寄与する部位の経時的温度変化を熱的等価モデルによってシミュレーションする手段、およびこのシミュレーションの結果をもとに各電力機器の劣化予測情報を出力する手段を備えるものである。
【０００６】
また、経時的に変化する運転状態として、電力機器への通電電流（負荷）と、各電力機器および冷却システムの冷却媒体温度および冷却媒体流量とを検出するものである。
【０００７】
また、所定の時間前から現時刻までのシミュレーションによって得られた各電力機器劣化に寄与する部位の温度を現時刻における当該温度とし、その温度を初期値として現時刻以降のシミュレーションを行うことにより、各電力機器の劣化を予測するものである。
【０００８】
また、熱的等価モデルに、各電力機器ごとに冷却媒体温度と冷却媒体流量とを積算し、それぞれの積算値を合計して総冷却媒体流量で除する合成回路を設け、現時刻以降のシミュレーションにおける冷却システムへ流入する冷却媒体温度は上記合成回路により求めるものである。
【０００９】
また、現時刻までのシミュレーションは、現時刻から巻線の温度上昇の時定数以上の時間前から行うものである。
【００１０】
また、現時刻以降のシミュレーションにおいて、予測される電力機器の負荷変動および予測される冷却システム制御条件を入力するものである。
【００１１】
また、シミュレーションの結果、電力機器劣化に寄与する部位の予測温度が予め設定された限界値を超える場合は、異常と判定して、その判定結果を出力するものである。
【００１２】
また、シミュレーションの結果、電力機器劣化に寄与する部位の予測温度をもとに当該部位の劣化度合を算出して、その算出結果を出力するものである。
【００１３】
また、シミュレーションにより得られた、電力機器劣化に寄与する部位の経時的温度変化をグラフで表示するものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、この発明による電力設備運転支援システムを、油入変圧器１および油入リアクトル２の各１台とそれら電力機器のそれぞれを強制冷却する水−油熱交換器３ａ，３ｂ、およびこれらの機器を冷却する共通のクーリングタワー４と水ポンプ５とからなる冷却システムで構成される地下変電所に適用したものである。
地下変電所においては、油入変圧器１内の油（絶縁油）を油ポンプ６ａで油配管７ａを通じて変圧器用水−油熱交換器３ａ（以降、単に変圧器用熱交換器３ａという）へ送油し、変圧器用熱交換器３ａにおいては、油入変圧器１で発生した損失（熱量）をクーリングタワー４に放出することにより上記送油された油を冷却して、油入変圧器１に返送する。
一方、油入リアクトル２は、夜間の電力負荷低下時の電力系統の力率改善に系統に投入されるものであるが、これも油入変圧器１と同様、油入リアクトル２で発生した損失（熱量）をクーリングタワー４に放出するリアクトル用熱交換器３ｂへ油を油ポンプ６ｂで油配管７ｂを通じて送油し、リアクトル用熱交換器３ｂで冷却された油を油入リアクトル２に返送する。
各熱交換器３ａ，３ｂで昇温された水（冷却媒体）の熱量は、水配管を通り、水ポンプ５によりクーリングタワー４で大気中へ熱放散する。水配管に設置されたバルブ８ａ，８ｂは、冷却システム制御盤９から制御され、油入変圧器１および油入リアクトル２が系統投入時に開かれ、系統開放時に閉められる。
【００１５】
この発明に係る運転支援システムは、上記のように構成された地下変電所各機器に対して、経時的に変化する運転状態を検出し、その検出信号をもとに、まず、上位コンピュータ内で熱的等価モデルにより現時刻までのシミュレーションを行うことにより、機器劣化に寄与する部位の現時刻における温度を高精度で把握する。続いて、現時刻以降に予測される変動負荷および予測される冷却制御条件等を考慮しつつ、現時刻以降のシミュレーションを行うことにより、上記部位の現時刻以降の温度変化の予測を行うものである。
上記図１において、１０は油入変圧器１の負荷を検出する変流器（ＣＴ）、１１ａ，１１ｂは油温を検出する油温センサ、１２ａ，１２ｂはそれぞれ熱交換器３ａ，３ｂへの水流量を検出する流量検出器、１３ａ，１３ｂはクーリングタワー４の入口と出口での水温を検出する水温センサ、１４はクーリングタワー４への大気湿球温度を検出する温度センサである。
これら各検出器またはセンサからの信号およびバルブ開閉信号は現地信号処理盤内計測インターフェース１５経由で、演算処理部１６に収集される。演算処理部１６ではそれらの信号を物理量に変換し、伝送インターフェース１７経由で情報処理インフェース１８に伝送する。さらに、情報処理インターフェース１８は、伝送された情報および変電所監視・制御盤１９からの系統投入・開放信号を、上位コンピュータ２０（以降、ＥＷＳ（エンジニアリングワークステーション）と称する）に伝送する。
【００１６】
ＥＷＳでは、熱的等価モデルによってシミュレーションを行う。
図２は、上記図１で示した変電所システムの機器構成を熱的等価モデルによって示したもので、次の微分方程式(1)〜(3)で表すことができる。なお、図２においてΣで示された合成回路は、各機器の熱交換器からの水温度と水流量とを積算して、それぞれの積算値を合計して総水流量で除することにより、現時刻以降のシミュレーションにおけるクーリングタワーへの入口水温度を算出するもので、式(2-1)および式(2-2)で示される。

なお、上式(1)〜(3)は非線形であるため、例えばRunge-Kutta法などを用いることにより、短時間で容易に解が得られる。
【００１７】
次に、ＥＷＳにおいて行われる、上記微分方程式によるシミュレーションの演算処理について、図３のフローチャートを参照しながら説明する。
まず、現時刻以降に予測される負荷パターン、湿球温度、冷却器制御条件、機器定数、限界巻線最高点温度などを入力する（Ｓ１）。ここで、負荷パターンとは時刻対応の予測負荷であり、例えば曜日別に定められた日常的な負荷パターンを示す。湿球温度は、季節や天気予報による時刻別の温度などが考えられる。冷却器制御条件は、冷却器の運転台数や冷却能力（水流量、風量等）を設定する。また機器定数は、定格負荷時の抵抗損、漂遊損、無負荷損など上記微分方程式の定数であり、製品試験結果や設計値あるいは運転中の実測値をもとに、数値や関数の形で設定する。
次に、現時刻Ｔから計算時間ステップ△ｔのｎ倍前からの実測負荷率から、リアクトルの場合は系統への投入の有無から発生損失を求め、これと冷却システム制御盤９からの冷却器運転状態と、油温センサ１１ａ，１ｂ、水温センサ１３ａ，１３ｂからの冷却媒体温度との実測値をもとに、現時刻Ｔまでの各部位の温度変化を上記微分方程式(1)〜(3)によってシミュレーションする（Ｓ２）。
なお、機器の劣化には巻線温度上昇が最も関与するが、巻線部分は課電部であるため、巻線温度上昇は、センサ等によって計測することが非常に困難である。したがって、巻線温度の経時的変化を正確に予測することが最重要であり、計算時間のｎ△ｔは、推定精度向上のためには巻線の温度上昇の時定数以上が望ましい。
またＳ２における演算処理は、巻線温度により抵抗損および漂遊損が変動することから、巻線温度とそれに対する損失が収斂するまで繰り返し（Ｓ３でＮのとき）、収斂したならば（Ｓ３でＹのとき）、時刻の初期化（現時刻Ｔ，経過時間ｔ＝０）を行い（Ｓ４）、現時刻Ｔにおける各部位温度として、シミュレーションの最終値を設定する。
【００１８】
次に、上記Ｓ１で入力していた負荷パターン、湿球温度、冷却器制御条件の予測値をもとに、時刻Ｔにおけるそれぞれの値を設定し（Ｓ５）、微分方程式(1)〜(3)（式(2-1)および(2-2)を含む）によって、時刻Ｔ〜時刻（Ｔ＋△ｔ）間または経過時間（ｔ＋△ｔ）の各部位の平均発生損失を計算し、時刻（Ｔ＋△ｔ）または経過時間（ｔ＋△ｔ）の温度分布計算を結果が収斂するまで行う（Ｓ６〜Ｓ８）。
Ｓ８の処理で演算結果が収斂したならば、そのときの巻線平均温度θ_ic(t)から巻線最高点温度θ_iT(t)を次式(4)によって求める（Ｓ９）。
θ_iT(t)＝θ_ic(t)＋α（Ｑ_ip(t)）・△θ_iTn・Ｐ_ip(t)β ・・・(4)
但し、
α（Ｑ_ip）：冷却媒体流量Ｑ_ipによって定められた係数
△θ_iTn ：定格負荷時、定格流量時の平均巻線温度からの最高点温度差
Ｐ_ip ：変圧器、リアクトルの負荷率
β ：定数
求められた巻線最高点温度を記憶装置に格納し（Ｓ１０）、時刻（Ｔ＋△ｔ）が、予め巻線温度の経時的変化を予測しようと定めていた時刻を超過していなければ、または経過時間（ｔ＋△ｔ）が同様に定めていた時間を超過していなければ（Ｓ１１でＮのとき）、現時刻Ｔをさらに＋△ｔ、または経過時間ｔをさらに＋△ｔして、上記Ｓ５〜Ｓ１０の処理を繰り返す。
【００１９】
所定の時刻まで（所定の時間分）の巻線最高点温度の算出を行ったあと（Ｓ１１でＹのとき）、その巻線最高点温度と予め定められた限界巻線温度とを比較して、巻線最高点温度が限界巻線温度を越えた場合、異常と判定する。また、巻線最高点温度から、次式(5)によって、寿命損失計算を行う（Ｓ１２）。
次式(5)は、例えば電気学会技術報告(Ｉ部)第143号に示された油入変圧器運転指針から式を展開したもので、油入変圧器の絶縁物に対して巻線最高点温度95℃で連続運転したときの正規寿命がＹ₀である場合に、時間△ｔ間の寿命損失Ｖ（正規寿命Ｙ₀に対する劣化度合）を求める式である。
Ｖ＝（１／Ｙ₀）・Σ（ｅ^b(θ^T-95)・△ｔ）・・・(5)
但し、
ｂ：定数（温度差６℃で寿命半減とした場合はｂ＝0.1155）
θ_T ：巻線最高点温度
最後に、現時刻Ｔから所定の時刻まで（所定の時間分）の演算結果、異常発生までの余裕時間、寿命損失などを表示する（Ｓ１３）。
図４にその表示例を示す。現時刻Ｔ１から、巻線最高点温度の経時的温度変化のグラフが限界巻線温度に到達する時刻Ｔ２までが、異常発生までの余裕時間となる。また、演算結果として、巻線最高点温度、変圧器冷却媒体温度、クーリングタワー出口水温度、クーリングタワー入口湿球温度、変圧器負荷率などの経時的変化を同時に表示することにより、機器のより詳細な状態が予測できる。
【００２０】
さらに計算を継続する場合は（Ｓ１４でＹのとき）、各センサ等の入力があれば（Ｓ１５でＹのとき）、Ｓ２にもどって、新たな時刻での機器状態をもとにシミュレーションを行う。
以上により、機器を熱的等価モデルによって表現し、しかも、現時刻の巻線温度を各センサからの検出値をもとに高精度で算出し、その値を初期値として現時刻以降の経時的温度変化を演算するので、機器の異常発生までの余裕時間を高精度で予測することができ、機器の限界運転が可能となって効率が上がる。また、異常発生時点までの寿命損失を算出できるので、保守面から、これから起こるであろう異常に対してタイムリーなメンテナンスの実施や設備更新計画をたてることができる。
また、冷却器が一部あるいは全部停止した場合についても、上記図３の処理Ｓ１において、冷却システム制御条件として、停止冷却器台数や冷却器の冷却能力を入力すれば、同様に各機器の時間的な温度変化を演算することができる。この結果からも、異常発生までの運転余裕時間が予測できるので、運転員は、計画的な機器停止を行うこともできる。
なお、上記説明においては、冷却媒体を絶縁油として述べたが、冷却媒体をＳＦ₆のようなガスとしても、同様の効果を得ることができる。
【００２１】
【発明の効果】
この発明は、以上説明したように構成されているので、以下に示すような効果を奏する。
【００２２】
電力設備を構成する複数の電力機器および冷却システムを熱的等価モデルによってシミュレーションするので、電力機器の劣化予測、異常発生までの余裕時間等を高精度に算出でき、運転員に有効な支援ができる。
【００２３】
また、電力機器への通電電流（負荷）や、各電力機器および冷却システムの冷却媒体温度と冷却媒体流量とをセンサにより検出するようにし、その検出結果をもとにシミュレーションを行うので、実際の運転状態に合った予測がリアルタイムに行える。
【００２４】
また、所定の時間前から現時刻までのシミュレーションによって得られた各電力機器劣化に寄与する部位の温度を現時刻における当該温度とし、その温度を初期値として現時刻以降のシミュレーションを行うので、上記部位の経時的温度変化を高精度に予測できる。
【００２５】
また、熱的等価モデルに、各電力機器ごとに冷却媒体温度と冷却媒体流量とを積算し、それぞれの積算値を合計して総冷却媒体流量で除する合成回路を設けたので、複数の電力機器で構成される電力設備レベルのシステムにおいても、実際の冷却条件にあったシミュレーションが行える。
【００２６】
また、現時刻から巻線の温度上昇の時定数以上の時間前からシミュレーションを行うので、巻線温度を正確に推定することができる。
【００２７】
また、現時刻以降のシミュレーションにおいては、予測される電力機器の負荷変動および予測される冷却システム制御条件を入力するので、機器の正確な状態予測が行えるとともに、異なる条件における各機器の劣化予測が可能となり、運転員に対して、計画的な省エネ運転や設備故障時の対応が容易となる。
【００２８】
また、シミュレーションの結果、電力機器劣化に寄与する部位の予測温度が予め設定された限界値を超える場合は、異常と判定して、その判定結果を表示するので、その異常事態への対応に有効な支援が行える。
【００２９】
また、シミュレーションの結果、電力機器劣化に寄与する部位の予測温度をもとに、当該部位の劣化度合を判定して、その判定結果を表示するので、タイムリーなメンテナンスの実施や設備更新計画をたてることができる。
【００３０】
また、シミュレーションにより得られた、電力機器劣化に寄与する部位の経時的温度変化をグラフで表示するようにしたので、運転の継続のリスクを容易に把握でき、電力機器の限界運転が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の一形態例による電力設備運転支援システムを地下変電所に適用した場合の構成図である。
【図２】変電所システムの過渡応答付き熱的等価モデルを示す図である。
【図３】図２の過渡応答付き熱的等価モデルによるシミュレーションの処理の流れを示すフローチャートである。
【図４】シミュレーション演算結果の表示例を示す図である。
【符号の説明】
１油入変圧器、２油入リアクトル、３ａ,３ｂ水−油間熱交換器、
４クーリングタワー、５水ポンプ、６ａ,６ｂ油ポンプ、
７ａ,７ｂ油配管、８ａ,８ｂバルブ、９冷却システム制御盤、
１０変流器（ＣＴ）、１１ａ,１１ｂ油温センサ、
１２ａ，１２ｂ流量検出器、１３ａ,１３ｂ水温センサ、
１４大気湿球温度センサ、１５計測インターフェース、１６演算処理部、
１７伝送インターフェース、１８情報処理インターフェース、
１９変電所監視・制御盤、２０ＥＷＳ。

Claims

複数の電力機器およびこれら各機器内に発生する損失（熱量）を冷却する機器共通の冷却システムから構成される電力設備において、
上記各電力機器の経時的に変化する運転状態を検出する手段、検出した運転状態を合成して電力機器全体としての運転状態を算出する手段、算出した上記電力機器全体の運転状態と上記冷却システムの運転状態とをもとに、上記各電力機器劣化に寄与する部位の経時的温度変化を熱的等価モデルによってシミュレーションする手段、およびこのシミュレーションの結果をもとに上記各電力機器の劣化予測情報を出力する手段を備えたことを特徴とする電力設備運転支援システム。
運転状態として、電力機器への通電電流（負荷）と、各電力機器および冷却システムの冷却媒体温度および冷却媒体流量とを検出することを特徴とする請求項１記載の電力設備運転支援システム。
所定の時間前から現時刻までのシミュレーションによって得られた各電力機器劣化に寄与する部位の温度を現時刻における当該温度とし、その温度を初期値として現時刻以降のシミュレーションを行うことにより、上記各電力機器の劣化を予測することを特徴とする請求項１または２記載の電力設備運転支援システム。
熱的等価モデルに、各電力機器ごとに冷却媒体温度と冷却媒体流量とを積算し、それぞれの積算値を合計して総冷却媒体流量で除算する合成回路を設け、現時刻以降のシミュレーションにおける冷却システムへ流入する冷却媒体温度は上記合成回路により求めることを特徴とする請求項３記載の電力設備運転支援システム。
所定の時間を、巻線の温度上昇の時定数以上とすることを特徴とする請求項３または４記載の電力設備運転支援システム。
現時刻以降のシミュレーションにおいては、予測される電力機器の負荷変動および予測される冷却システム制御条件を入力することを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の電力設備運転支援システム。
シミュレーションの結果、各電力機器劣化に寄与する部位の予測温度が予め設定された限界値を超える場合は、異常と判定して、その判定結果を出力するようにしたことを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の電力設備運転支援システム。
シミュレーションの結果、各電力機器劣化に寄与する部位の予測温度をもとに当該部位の劣化度合を算出して、その算出結果を表示するようにしたことを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の電力設備運転支援システム。
シミュレーションにより得られた、各電力機器劣化に寄与する部位の経時的温度変化をグラフで表示するようにしたことを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載の電力設備運転支援システム。