JP4098198B2 - 電力系統の同期並列方法及び同期投入装置 - Google Patents

Description

本発明は複数の電力系統を同期並列させる電力系統の同期並列方法及び同期投入装置に関し、特に、非常時において分離した電力系統を速やかに並列させる手法に関する。

大規模な電力系統における需給バランスが不均衡な状態で、系統事故により単独系統が発生した場合には、一部負荷の遮断を実施して単独系統を維持する措置が施される。この様な場合に、前記単独系統を再び接続する同期並列に時間がかかると、当該一部負荷地域の停電が長くなり社会の諸活動に悪影響を及ぼすこととなる。

分離している二つの電力系統（又は発電機）が並列接続しようとする場合は、次の条件が成立していることが望ましい。（１）両者の電圧ができるだけ等しいこと。（２）両者の周波数ができるだけ等しいこと。（３）両者の位相ができるだけ等しいこと。そこで、例えば、分離している電力系統（又は発電機）の電圧差△Ｖ、周波数差△ｆ、及び位相差△φが、設定電圧差ＳV、設定周波数差Ｓf、設定位相差Ｓφ以下となったとき、遮断器に投入指令を出し前記両者の同期並列を行うと言った手法が採られている（特許文献１並びに図７（Ａ）（Ｂ）参照）。
特開平９−１３０９７８号公報

当該手法では、前記電圧、周波数、或いは位相の単なる瞬時値を評価する手法であるから、いったん設定値以下となったとしても、遮断器の動作に要する遅延時間を経て、実際に遮断器が稼働し並列運転となるまでの間に設定値を上回ってしまう場合もあり同期投入の正確さに欠けるという問題がある。

そこで、それら電圧、周波数、或いは位相のサンプルを定期的に採取し、当該サンプルの経時的変化を用いて位相差ゼロで並列運転出来る様に遮断器へ投入指令を出力するという予測制御を行う手法も紹介されているが、当該手法は、位相差がゼロとなることを前提として予測制御が行われる為に、前記サンプルの経時的変化によっては、位相差がゼロには到底なり得ない場合もあり、その場合には、待機時間が冗長となり系統投入が不可能となる場合が多い。

この様な問題を解消すべく、先の手法の様に単に瞬時値を比較するだけではなく、分離している二つの電力系統（又は発電機）の電圧差△Ｖ、周波数差△ｆ、及び位相差△φが、所定範囲内に一定時間以上滞在した場合に、遮断器に投入指令を出し同期投入を行うと言った手法も採られた。

しかしながら、当該手法では、一定時間滞在することが条件となっている為に、滞在時間が短いと系統投入できず、系統分離の状態が長く継続し停電リスクを多大に被るという問題がある。また、電圧、周波数、或いは位相といった個別の要件に着目して制御を行う為に、正常に系統投入出来る条件設定を狭め系統分離の状態を長期化させる要因を含むという問題もある。

本発明の課題は、上記従来手法の問題点を解決し、同期投入の正確さを確保しつつ系統投入条件を拡大でき、且つ同期投入のタイミングを逃さず速やかに同期並列できる電力系統の同期並列方法及び装置の提供にある。

上記課題を解決するための手段は、同期並列させる二系統の電源周波数差Δｆおよび位相差Δδを用いて、

ここで、Ｍ ：単独系統の単位慣性定数（sec）
Δω：二系統の角周波数差２πΔｆ（rad/sec）
Ｘ ：単独系統のインピーダンス（系統容量ベースのp.u）
Δδ：二系統の位相差のラジアン値：２πΔθ（°）/360（rad/sec）
の値を算出し、当該エネルギー関数：Ｕの値が予め設定した許容範囲内になったことを条件として遮断器に対し同期投入指令を出力する電力系統の同期並列方法である。

前記エネルギー関数：Ｕの値が予め設定した許容範囲内になったことを条件としてとは、例えば、前記エネルギー関数：Ｕの値が予め設定した許容範囲内になった時に、遮断器に対し同期投入指令を出力する形態でも良いし、前記エネルギー関数：Ｕの値が予め設定した許容範囲内になったことを条件として、同期並列させる二系統の電源周波数差Δｆおよび位相差Δδから前記エネルギー関数：Ｕの値を３サンプル以上算出し、当該算出された各エネルギー関数：Ｕの値からエネルギー関数：Ｕの時間的変化を示す二次関数の近似式：Ｕ（ｔ）を導き、当該近似式：Ｕ（ｔ）が最小値をとる推定時刻を算出し、当該推定時刻に同期並列となるタイミングで遮断器に対し同期投入指令を出力する形態でも良い。

また、上記同期並列方法を具現化する装置として、前記エネルギー関数：Ｕの値を算出する現状演算手段と、当該エネルギー関数：Ｕの値が予め設定した許容範囲内にあるか否かを判断する現状判定手段と、当該現状判定手段によって前記エネルギー関数：Ｕの値が予め設定した許容範囲内にあることを条件として遮断器に対し同期投入指令を出力する指令出力手段とを備えた電力系統の同期投入装置が挙げられる。

そして、同期投入する条件を具体的に定め、例えば、前記エネルギー関数：Ｕの値が予め設定した許容範囲内になった時点で、遮断器に対し同期投入指令を出力する前記同期投入指令出力手段を備えた形態や、前記エネルギー関数：Ｕの値が予め設定した許容範囲内にあることを条件として、同期並列させる二系統の電源周波数差Δｆおよび位相差Δδをそれぞれ算出すると共に、当該各サンプルにおける前記エネルギー関数：Ｕの値を３サンプル分以上それぞれ算出する前記推定演算手段と、当該各エネルギー関数：Ｕの値からエネルギー関数：Ｕの時間的変化を示す二次関数の近似式：Ｕ（ｔ）を導くと共に、当該近似式：Ｕ（ｔ）が最小値をとる推定時刻を算出する投入時算定手段と、当該推定時刻に同期並列となるタイミングで遮断器に対し同期投入指令を出力する前記指令出力手段を備えた形態が採られることとなる。

本発明による電力系統の同期並列方法及び装置によれば、同期投入に適したタイミングを逃さず系統投入を行う事が出来るため、停電時間が短縮され当該停電によって生じる悪影響を最小限に止めることが可能となる。

以下、本発明による電力系統の同期並列方法の実施の形態を図面に基づき説明する。
以下に示す電力系統の同期並列方法は、同期並列させる二系統の周波数差Δｆや位相差Δδがゼロにならない場合であっても、系統並列後に生じる動揺を許容範囲内に収めることを条件とする適当な系統投入の機会を造り出すものである。

前記許容範囲は、系統投入時における電力系統の発電機動揺（以下、系統動揺と記す。）の度合いを表す下記（１式）のエネルギー関数：Ｕ（Δω，Δδ）で定められる。

ここで、Ｍ ：単独系統の単位慣性定数（sec）
Δω：二系統の角周波数差２πΔｆ（rad/sec）
Ｘ ：単独系統のインピーダンス（系統容量ベースのp.u）
Δδ：二系統の位相差のラジアン値：２πΔθ（°）/360（rad/sec）

前記系統動揺は、異系統投入時の相差角Δδ_０と周波数差Δｆ_０が大きい場合に大きくなり、場合によっては過度の電圧低下や脱調に至る可能性がある。ここで、図３（Ｂ）においてスイッチを入れた後の系統動揺を考える。簡略化のために制動効果を無視すれば、前記系統動揺の方程式は下記（２式）のように与えられる。

ここで、ω_ｎ＝２πｆ

sinΔδ≒Δδとし、前記（２式）の両辺に

を掛けると、

となる。

また、

であるから、

となる。

これをｔ＝０〜ｔまでで積分すると、

となる。尚、ここで、ｔ＝０時のΔω及びΔδは、Δω_０及びΔδ_０であって、ｔ＝ｔ時のΔω及びΔδは、Δωt及びΔδtである。

これより、系統動揺中は、動揺の減衰を無視すれば、系統投入前後における系統動揺の大きさは、前記（１式）として記したエネルギー関数：Ｕの値で一定に保たれることになる。即ち、前記エネルギー関数：Ｕの値が出来るだけ小さくなるタイミングで系統投入させることによって、同期並列後の系統動揺を小さくすることが出来るものである。

また、前記エネルギー関数：Ｕは、前記のごとく前記電源周波数差Δｆ及び位相差Δδを変数とし、且つ（Δω，Δδ）＝（０，０）を中心とする楕円軌道の関数を呈しているので（図４参照）、周波数及び位相に個別の許容値範囲を設定して行う制御と比較すると、前記周波数又は位相のいずれか一方のみが許容値範囲にあって十分に正常な系統投入が行える範囲を含んだ広範な条件設定が可能となり、その結果、より早く系統分離状態を解消できる確率が大きくなるという利点がある。

上記原理に基づき、図１に示す電力系統の同期投入装置の例は、二つの電力系統の並列及び遮断を行う遮断器（図３参照）３に対して同期投入指令を出力するものであって、前記遮断器の周波数検出部７及び位相検出部８より、当該遮断器３が備える接点に各々接続された二つの電力系統の各サンプリング時における電源周波数及び位相を取り込む入力手段９と、当該電源周波数及び位相から前記二つの電力系統間の電源周波数差Δｆ及び位相差Δδを算出すると共に、当該電源周波数差Δｆ及び位相差Δδを用いて前記（１式）のエネルギー関数：Ｕの値を算出する現状演算手段１と、当該エネルギー関数：Ｕの値が予め設定した許容範囲内にあるか否かを判断する現状判定手段２と、当該現状判定手段２によって、前記エネルギー関数：Ｕの値が予め設定した許容範囲内になったことを条件として遮断器３に対し同期投入指令を出力する指令出力手段４とを備えている。

図２は、前記電力系統の同期投入装置の実施の形態を、ＣＰＵ、メモリ、或いは入出力ポート等で構成されるコンピュータシステムを用いて実現する場合に用いるソフトウエアによる一連の処理を示すフローチャートである。前記入力手段９は、前記遮断器３の周波数検出部７及び位相検出部８とデータ通信を行うことより、同期並列しようとする二つの電力系統の電源周波数及び位相を一定の周期で当該同期投入装置に取り込む（ステップ０）。続いて、前記現状演算手段１は、前記二つの電力系統間の電源周波数及び位相の差として前記電源周波数差Δｆ及び位相差Δδを算出する（ステップ１）と共に、前記（１式）に前記電源周波数差Δｆ（Δω）及び位相差Δδを代入することによって前記二つの電力系統間の前記エネルギー関数：Ｕの値（以下、現状値と記す。）が算出する（ステップ２）。前記現状判定手段２は、前記現状値が、許容範囲として定めた前記楕円軌道の内側にあるか否か、即ち、エネルギー関数：Ｕの値が前記楕円軌道の半径に相当する閾値よりも小さいか否かを判定する（ステップ３）。

当該判定の結果、前記許容範囲として定めた閾値よりも前記現状値が小さければ、許容範囲内にあると判断し、その判断に基づき指令出力手段４によりデータ通信を以て前記遮断器３に対する同期投入指令を出力することとなる。

この様に、前記現状値が予め設定した許容範囲より小さくなった時点で、前記指令出力手段４から遮断器３に対し、即座に同期投入指令を出力する形態としても良い。しかしながら、系統並列を更に動揺の少ない確実なものとするために、前記エネルギー関数：Ｕの値が予め設定した許容範囲内になったことを条件として、当該同期並列させる二系統の電源周波数差Δｆおよび位相差Δδをそれぞれ算出すると共に、当該各サンプルにおける前記エネルギー関数：Ｕの値を３サンプル分以上それぞれ算出する前記推定演算手段５と、当該３サンプル以上のエネルギー関数：Ｕの値からエネルギー関数：Ｕの時間的変化を示す二次関数の近似式：Ｕ（ｔ）を導くと共に、当該近似式：Ｕ（ｔ）が最小値をとる推定時刻を算出する投入時算定手段６と、当該推定時刻に同期並列となるタイミングで遮断器３に対し同期投入指令を出力する前記指令出力手段４を備えた形態を採っても良い。

即ち、当該判定の結果、前記許容範囲として定めた閾値よりも前記現状値が小さければ、許容範囲内にあると判断し、更に、前記入力手段９を以て前記遮断器３の周波数検出部７及び位相検出部８から二つの電力系統の電源周波数及び位相を取り込み（ステップ４）、前記推定演算手段５は、続いて取り込まれた二つの電力系統の電源周波数及び位相から、当該同期並列させる二系統の電源周波数差Δｆおよび位相差Δδを算出する（ステップ５）と共に、当該各サンプルにおける前記エネルギー関数：Ｕの値をそれぞれ算出する（ステップ６）。

前記投入時算定手段６は、この様に算出されたエネルギー関数：Ｕの値や、前記現状値が前記閾値より小さいという条件を満たす前に算出されたエネルギー関数：Ｕの値の中から３サンプル分以上抽出して、当該抽出されたエネルギー関数：Ｕの値、及び各サンプルが得られた時刻ｔからエネルギー関数：Ｕの値の時間的変化を示す二次関数の近似式

を導く（ステップ７）と共に、当該二次関数が最小値を採る前記推定時刻ｔを導く（ステップ８）。そして、前記指令出力手段４は、前記同期投入指令の送出から前記遮断器３の接点が閉じ、実際に二つの電力系統の並列が開始されるまでの遅延時間（例えば、１５０ｍｓ程度）を考慮した早めの同期投入指令の出力時を算定し（ステップ９）、そのタイミングを逃すことなく同期投入指令を出力する（ステップ１０）。

例えば、周波数差Δｆが０．６Ｈｚ付近で位相差Δδが０点を通過する場合（図５参照）や、周波数差Δｆが＋０．０２Ｈｚから−０．０２Ｈｚへ変化し、位相差Δδが０とならない場合（図６参照）のいずれであってもエネルギー関数：Ｕの時間的変化は二次関数でほぼ近似できることがわかる。

前者の様に周波数差Δｆが比較的大きい場合には、前記エネルギー関数：Ｕの時間的変化が大きく得られるので二次関数の近似式を得るためのサンプリング時間は小さくなるが、約１０ｍｓ〜２０ｍｓ程度のサンプリング時間で十分である。また、後者の様に周波数差Δｆが比較的小さい場合には、前記エネルギー関数：Ｕの時間的変化は小さく、サンプリング時間は大きくできるが、約１０ｍｓ〜２０ｍｓ程度のサンプリング時間に設定すれば、先のいずれにあっても、前記推定時刻の算出に必要な二次関数の近似式を得ることができる。

また、場合によっては、同期前記遮断器としての機能、即ち、前記周波数検出部７及び位相検出部８を備えると共に、前記同期投入指令を受けて実際に二つの電力系統の同期並列を行う同期投入手段を備えた同期投入装置として構成することも可能である。

電力系統の事故の復旧において停電時間の短縮に利用できる。

本発明による電力系統の同期投入装置及び遮断器の一例を示す機能ブロック図である。 本発明による電力系統の同期並列方法及び同期投入装置における処理の一例を示すフローチャートである。 （Ａ）は、本発明による電力系統の同期並列方法の実施態様例を示すブロック図、（Ｂ）は、本発明による電力系統の同期並列方法の実施態様例を示す等価回路図である。 本発明による電力系統の同期並列方法での投入許容範囲と、従来の投入許容範囲とを比較した説明図である。 （Ａ）は、位相差Δδが０点を通過する例における周波数差Δｆと位相差Δδとの関係を示すチャート、（Ｂ）は、当該位相差Δδが０点を通過する例におけるエネルギー関数：Ｕの値の時間的変化を示すチャートである。 （Ａ）は、位相差Δδが０点を通過しない例における周波数差Δｆと位相差Δδとの関係を示すチャート、（Ｂ）は、当該位相差Δδが０点を通過しない例におけるエネルギー関数：Ｕの値の時間的変化を示すチャートである。 従来の電力系統の同期並列方法での投入許容範囲の例を示した説明図である。

符号の説明

１ 現状演算手段，２ 現状判断手段，３ 遮断器，４ 指令出力手段，
５ 推定演算手段，６ 投入時算定手段，
７ 周波数検出部，８ 位相検出部，
９ 入力手段，

Claims (4)

1. 複数の電力系統を同期並列させる電力系統の同期並列方法において、
   同期並列させる二系統の電源周波数差Δｆおよび位相差Δδを検出し、当該電源周波数差Δｆおよび位相差Δδを用いて
   

   

   ここで、Ｍ ：単独系統の単位慣性定数（sec）
   Δω：二系統の角周波数差２πΔｆ（rad/sec）
   Ｘ ：単独系統のインピーダンス（系統容量ベースのp.u）
   Δδ：二系統の位相差のラジアン値：２πΔθ（°）/360（rad/sec）
   の値を算出し、当該エネルギー関数：Ｕの値が予め設定した許容範囲内になったことを条件として遮断器（３）に対し同期投入指令を出力する電力系統の同期並列方法。
2. 前記エネルギー関数：Ｕの値が予め設定した許容範囲内になったことを条件として、同期並列させる二系統の電源周波数差Δｆおよび位相差Δδから前記エネルギー関数：Ｕの値を３サンプル以上算出し、当該算出された各エネルギー関数：Ｕの値からエネルギー関数：Ｕの時間的変化を示す二次関数の近似式：Ｕ（ｔ）を導き、当該近似式：Ｕ（ｔ）が最小値をとる推定時刻を算出し、当該推定時刻に同期並列となるタイミングで遮断器（３）に対し同期投入指令を出力する前記請求項１に記載の電力系統の同期並列方法。
3. 複数の電力系統を同期並列させる電力系統の同期投入装置において、
   同期並列させる二系統の電源周波数ｆ及び位相δから電源周波数差Δｆ及び位相差Δδを算出すると共に、当該電源周波数差Δｆ及び位相差Δδを用いて
   

   

   ここで、Ｍ ：単独系統の単位慣性定数（sec）
   Δω：二系統の角周波数差２πΔｆ（rad/sec）
   Ｘ ：単独系統のインピーダンス（系統容量ベースのp.u）
   Δδ：二系統の位相差のラジアン値：２πΔθ（°）/360（rad/sec）
   の値を算出する現状演算手段（１）と、当該エネルギー関数：Ｕの値が予め設定した許容範囲内にあるか否かを判断する現状判定手段（２）と、当該現状判定手段（２）によって前記エネルギー関数：Ｕの値が予め設定した許容範囲内にあることを条件として遮断器（３）に対し同期投入指令を出力する指令出力手段（４）とを備えた電力系統の同期投入装置。
4. 前記エネルギー関数：Ｕの値が予め設定した許容範囲内にあることを条件として、同期並列させる二系統の電源周波数差Δｆおよび位相差Δδをそれぞれ算出すると共に、当該各サンプルにおける前記エネルギー関数：Ｕの値を３サンプル分以上それぞれ算出する前記推定演算手段（５）と、当該各エネルギー関数：Ｕの値からエネルギー関数：Ｕの時間的変化を示す二次関数の近似式：Ｕ（ｔ）を導くと共に、当該近似式：Ｕ（ｔ）が最小値をとる推定時刻を算出する投入時算定手段（６）と、当該推定時刻に同期並列となるタイミングで遮断器（３）に対し同期投入指令を出力する前記指令出力手段（４）を備えた前記請求項３に記載の電力系統の同期投入装置。
   

Images