JP4202954B2 - 常用発電装置の系統連系保護装置 - Google Patents

Description

本発明は、商用電源の交流電力系統に連系して逆潮流を行う常用発電装置（自家発電装置）に適用される系統連系保護装置に関する。

従来、高価な転送遮断装置（特許文献１参照）を設けることなく、逆潮流ありの場合の系統側の事故時の自家発電設備の単独運転を自家発電設備側で確実に容易に検出し保護する発電設備の系統連系保護装置として、次のように構成されたものがある（特許文献２参照）。

これは、同期発電機の調速機の指令信号として、交流電力系統側の停電時に、関数発生手段の関数特性により発電機の周波数変化率を保護継電器手段が感知するレベルにシフトすることで、交流電力系統側の停電を検知するようにしたものである。

具体的には、有効電力調整手段と、関数発生手段と、保護継電器手段を備えている。有効電力調整手段は発電機の有効電力に応じた出力信号を出力する。関数発生手段は発電機の周波数の変化率を検出し、その値に対して大きな出力信号を出力するような周波数指令の関数特性を有する。保護継電器手段は発電機の周波数変化率の異常を感知する。前記関数発生手段の出力信号と、前記有効電力調整手段の出力信号とを合成した信号を調速機の指令信号とするものである。
特開平７−５９２５０号公報 特開２００２−１０１５６３号公報

以上述べた従来の構成によれば、微小な周波数変化率を、保護継電手段の感知するレベルにシフトさせることで、前述の転送遮断装置を設けることなく系統連系中の常用発電装置の単独運転を常用発電装置側で確実に検出して保護することができる。

ところで、近年、以上述べた従来の系統連系保護装置において、種々の構成に対して様々の開発が進められているが、必ずしも十分満足できるものとはいえないものもあり、その一例として発電機の周波数検出手段の検出精度を高めることができるものの開発が望まれている。

そこで、本発明の目的は、このような要望を満たすようになされたもので、高価な転送遮断装置を設けることなく、周波数の検出精度の確度を高めることができ、系統連系中の常用発電装置の単独運転を常用発電装置側で確実にかつ容易に検出して保護することが可能な常用発電装置の系統連系保護装置を提供することにある。

前記目的を達成するため請求項１に対応する発明は、自動電圧調整器によって出力電圧が調整される発電機を備え、遮断器を介して交流電力系統と逆潮流ありで連系される常用発電装置の系統連系保護装置において、
前記交流電力系統の三相交流電圧の瞬時値である、交流電圧信号を検出する電圧検出手段と、
前記電圧検出手段によって検出された三相交流電圧の瞬時値に基づいて交流電圧信号の実効値を演算する実効値演算回路と、
前記電圧検出手段によって検出された交流電圧信号を、前記実効値演算回路によって演算された実効値で除算した信号に基づき周波数を検出する周波数検出手段と、
前記周波数検出手段によって検出された周波数の変化率を検出する周波数変化率演算器と、
前記周波数変化率演算器によって検出された周波数変化率が正である場合は前記発電機の出力電圧を低下させ、前記周波数変化率が負である場合は前記発電機の出力電圧を上昇させる電圧揺動信号を前記発電機の自動電圧調整器に出力させる電圧揺動信号演算器と、
前記周波数変化率演算器によって検出された周波数変化率が所定値を超えた場合に前記遮断器を開放して前記交流電力系統から前記発電機を解列させる保護手段と、
を具備したことを特徴とする常用発電装置の系統連系保護装置である。

前記目的を達成するため請求項２に対応する発明は、自動電圧調整器によって出力電圧が調整される発電機を備え、遮断器を介して交流電力系統と逆潮流ありで連系される常用発電装置の系統連系保護装置において、
前記交流電力系統の三相交流電圧の瞬時値である、交流電圧信号を検出する電圧検出手段と、
前記電圧検出手段によって検出された三相交流電圧の瞬時値に基づいて交流電圧信号の平均値を演算する平均値演算回路と、
前記電圧検出手段によって検出された交流電圧信号を、前記平均値演算回路によって演算された平均値で除算した信号に基づき周波数を検出する周波数検出手段と、
前記周波数検出手段によって検出された周波数の変化率を検出する周波数変化率演算器と、
前記周波数変化率演算器によって検出された周波数変化率が正である場合は前記発電機の出力電圧を低下させ、前記周波数変化率が負である場合は前記発電機の出力電圧を上昇させる電圧揺動信号を前記発電機の自動電圧調整器に出力させる電圧揺動信号演算器と、
前記周波数変化率演算器によって検出された周波数変化率が所定値を超えた場合に前記遮断器を開放して前記交流電力系統から前記発電機を解列させる保護手段と、
を具備したことを特徴とする常用発電装置の系統連系保護装置である。

本発明の常用発電装置の系統連系保護装置によれば、高価な転送遮断装置を設けることなく、周波数の検出精度の確度を高めることができ、系統連系中の常用発電装置の単独運転を常用発電装置側で確実にかつ容易に検出して保護することが可能な常用発電装置の系統連系保護装置を得ることが可能となる。

（第１の実施の形態）
以下、本発明の第１の実施の形態を図１を参照して説明する。第１の実施の形態の概略構成は、自動電圧調整器２２によって出力電圧が調整される同期発電機１０を備え、自家発電設備需要家受電点遮断器１２を介して上位変電所４内に設置されている系統電源（交流電力系統）１と逆潮流ありで連系される常用発電装置（自家用発電装置、分散電源）の系統連系保護装置において、以下のような構成を備えたものである。

すなわち、交流電力系統の交流電圧信号（三相交流電圧の瞬時値）を検出する電圧検出手段例えば計器用変圧器３８と、計器用変圧器３８によって検出された交流電圧信号を、実効値演算回路３０、除算器３１、フィルタ回路３２、コンパレータ３５、計数回路３６、逆数演算器３７からなる周波数検出手段４１により、交流電力系統の交流電圧信号の周波数を検出する。

このうち、実効値演算回路３０は、計器用変圧器３８によって検出された交流電圧信号を、後述する演算式(１)、(２)、(３)式により電圧実効値を演算する。

除算器３１は、交流電圧信号を、実効値演算回路３０で演算され電圧実効値で除算する。このことにより、交流電圧信号（入力電圧）が変動しても、除算器３１からの出力電圧波形の振幅は一定となる。

そのため、電圧変動により次段のフィルタ回路３２及びコンパレータ３５を介して出力される零クロスのタイミングがずれることを防止できる。ここで、フィルタ回路３２は抵抗器３３とコンデンサ３４からなり、交流電圧信号に含まれる高調波を除去する。これにより、高調波の影響により次段のコンパレータ３５から出力される零クロスのタイミングがずれることを防止できる。

このように除算器３１、フィルタ回路３２により正確な周波数を検出することができる。

図３は、図１を元に簡略化した図で、図１と同一部分には同一符号を付している。負荷６は、負荷６Ａおよび負荷６Ｂを合成した負荷で、配電系統に存在する負荷全体を表す。

いま、図３において同期発電機１０からの出力の有効電力をＰ、無効電力をＱ、負荷６が必要とする有効電力をＰ_Ｌ、無効電力をＱ_Ｌとすると、系統電源１へ流出する有効電力ΔＰおよび無効電力ΔＱは、それぞれ次の（４）式のように表される。

ΔＰ＝Ｐ―Ｐ_Ｌ
ΔＱ＝Ｑ―Ｑ_Ｌ （４）
ここで、負荷６の電圧をＶ、周波数をｆとする。

そうすると、通常の場合は、ΔＰ≒０、ΔＱ≒０に近い状態で遮断器３が開となっても、負荷６の電圧Ｖ、周波数ｆはほとんど変化しないため、各保護継電器１５〜１９が検出できず、単独運転を継続することになる。

しかし、微少な周波数差から、系統電源１と負荷６の位相がゆっくりとずれてくるので、遮断器３の再投入は、事故拡大につながって危険な状態となり、配電系統の安定性を低下させることになる。

同期発電機１０の単独運転を検出する原理を、以下に説明する。

図３において、負荷６の有効電力Ｐ_Ｌは
Ｐ_Ｌ＝Ｖ^２／Ｒ （５）
（Ｖ：電圧、Ｒ：抵抗値）
で表される。

電圧揺動信号演算器４４は、一例として図４に示すような関数を内蔵しており、周波数変化率演算器４２で検出された周波数変化率に基づいて、周波数変化率が正である場合は同期発電機の出力電圧を低下させ、周波数変化率が負である場合は同期発電機の出力電圧を上昇させる電圧揺動信号を自動電圧調整器２２に出力させる。（ΔＶ^＊：電圧揺動信号、ｄｆ／ｄｔ：周波数変化率）
以上述べた構成以外に、図１に示すように、周波数検出手段４１によって検出された周波数の変化率を演算する周波数変化率演算手段４２と、前記周波数変化率の過大を判定する変化率過大判定器４３と、前記周波数変化率に基づいて、当該周波数変化率が正である場合は同期発電機１０の出力電圧を低下させ、周波数変化率が負である場合は発電機１０の出力電圧を上昇させる電圧揺動信号ΔＶ^＊を発電機１０の自動電圧調整器２２に出力させる電圧揺動信号演算器４４と、周波数変化率が予め定められた判定値を超えて過大となったとき、発電機１０の単独運転と判断し、異常信号Ｖ_３１を出力する変化率過大判定器４３と、変化率過大判定器４３からの異常信号Ｖ_３１を入力し、自家発電設備設置需要家（分散電源設置需要家）５５側に設けられている自家発電設備需要家受電点遮断器１２に対してトリップ指令を与え、交流電力系統から発電機１０を解列させる故障トリップ回路１３を備えている。

さらに、交流電力系統である上位変電所４では、系統電源１の電圧を変圧器２を介して降圧し、交流系統連系遮断器３を通して、上位変電所４側からの電力を需要家に配電する配電線２６により、一般需要家７に電力を供給している。一般需要家７は、負荷遮断器５Ｂを介して負荷６Ｂで電力を消費する。

一方、常用発電装置および系統連系保護装置２９を設置している分散電源設置需要家９では、常用発電装置として原動機２４により駆動される発電機１０の出力を、構内遮断器２８、遮断器１２を介して、上位変電所４と連系している。

発電機１０の出力電圧の制御は、発電機の電圧制御手段である自動電圧調整器（ＡＶＲ）２２により同期発電機１０の界磁巻線２３の電圧を制御することによって行い、同期発電機１０の出力周波数の制御は、同期発電機１０を駆動する原動機２４の図示しない調速機により原動機２４の出力を制御することによって行われている。

また、分散電源設置需要家５５では、上位変電所４側からの電力を、遮断器１２、遮断器５Ａを介して受け、同期発電機１０からの電力を発電機用遮断器２８、負荷遮断器５Ａを介して受け、負荷（構内負荷）６Ａで消費するようにしている。

一方、系統連系保護装置２９は、遮断器１２の発電機側に変流器１４を設け、また当該変流器１４の出力電流に基づいて過電流を検出する過電流継電器（ＯＣ）１５と、系統電源１の異常時、特に系統電源１が例えば遮断器３の開放によって遮断された時、同期発電機１０の出力電力と負荷６Ａの負荷電力とのアンバランスから、周波数や電圧が異常になることを検出する周波数低下継電器（ＵＦ）１６、周波数上昇継電器（ＯＦ）１７、過電圧継電器（ＯＶ）１８、および不足電圧継電器（ＵＶ）１９とを設け、これら各保護継電器の検出信号に基づいて故障トリップ回路１３を動作させ、トリップ信号を出力して遮断器１２を開放し、遮断器３の再閉路が可能な状態にするようにしている。

さらに、この他に、発電機１０の保護手段として、発電機１０の出力側にその出力電流を検出する変流器１１を設け、また変流器１１の出力電流に基づいて発電機１０の過電流を検出する過電流継電器（ＯＣ）５１と、発電機１０の出力電圧異常を検出する過電圧継電器（ＯＶ）５２および不足電圧継電器（ＵＶ）５３と、同期発電機１０の逆電力を検出する逆電力継電器（ＲＰＲ）５４とを設け、これら各保護継電器の検出信号に基づいて故障トリップ回路２７を動作させ、トリップ信号を出力して遮断器２８を開放するようにしている。

ここで、同期発電機１０の単独運転中に、わずかに周波数が低下した場合を考える。周波数変化率は、負数でごく小さい値となる。

この時、電圧揺動信号演算器４４では、同期発電機１０の電圧をわずかに上げるように電圧揺動信号を出力する。自動電圧調整器２２の働きにより電圧が上昇することになる。

すると、前記（４）式で表される負荷の有効電力Ｐ_Ｌが増加するので、負荷のトルクが増加し、同期発電機１０の回転速度、すなわち周波数が低下する方向に作用するので、さらに周波数が低下するという正帰還作用が形成され、周波数の変動を増大させる。

電圧揺動信号による周波数の変動は、電圧揺動信号が大きいほど周波数の変動も大きくなる。

系統連系中であれば、自動電圧調整器２２への電圧指令を変動させても、周波数は系統電源１に支配されているので変動しないが、単独運転状態であれば系統電源１と切り離されているので、周波数が大きく変動し、周波数変化率が大きくなる。変化率過大判定器４３は周波数変化率が予め定められた判定値を超えると、単独運転と判定する。このことにより単独運転を判定することができる。

単独運転と判定すると、異常信号Ｖ_３１を出力する。

故障トリップ回路１３では、この異常信号Ｖ_３１により、遮断器１２を遮断操作して同期発電機１０を解列する。

このことにより、従来用いていた転送遮断装置８を用いなくても、常用発電装置側で単独運転を検出することが可能となる。

（効果）
以上述べたように、第１の実施形態による発電装置の系統連系保護装置では、常用発電装置の交流電圧信号を検出し、電圧変動の影響と高調波を除去して正確な周波数を検出し、周波数変化率（ｄｆ／ｄｔ）を演算し、周波数変化率が正の場合には同期発電機１０の電圧を下げ方向に変化させ、周波数変化率が負の場合には同期発電機１０の電圧を上げ方向に変化させるようにしており、発電機の周波数が大きく変化した場合に単独運転と判定するようにしているので、前述した従来のように高価な転送遮断装置８を設けることなく、周波数の検出精度の確度を高めることができ、また系統連系中の常用発電装置の単独運転を常用発電装置側で確実にかつ容易に検出して同期発電機１０を解列し保護することが可能となる。

（第２の実施形態）
図５は、本実施形態による発電装置の系統連系保護装置を説明するための概略構成図である。本実施形態は、図１の実効値演算回路３０のみを、平均値演算回路０１に代えたものであり、これ以外の構成は図１と同一であるので、ここではその説明を省略する。この場合、平均値演算回路０１は、計器用変圧器３８により検出された三相交流電圧の瞬時値に基づいて交流電圧信号の例えば半周期毎の瞬時値の平均値を演算する。除算器３１は計器用変圧器３８により検出された交流電圧信号を、上記交流電圧信号の平均値で除算する。このことにより、入力交流電圧が変動しても、除算器３１からの出力電圧波形の振幅は一定となる。そのため、電圧変動により次段のフィルタ回路３２及びコンパレータ３５を介して出力される零クロスのタイミングがずれることを防止できる。これ以外の作用効果は、第１の実施形態と同様である。

（第３の実施形態）
図６は、本実施の形態による監視装置の構成例を示す図であり、図１と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。

図６に示すように、本実施の形態による系統連系保護装置が図１に示した第１の実施の形態と異なる点は、変化率過大判定器４３の代わりに変化率過大判定器４５とタイマー４６を備えたことである。

（作用）
第１の実施の形態と同様に、周波数変化率演算器４２より周波数変化率が出力される。変化率過大判定器４５は前記周波数変化率が予め定められた判定値を超えたかどうかを判定する。タイマー４６は前記変化率過大判定器４５にて判定値を超えた状態が所定時間継続すると単独運転と判定し、異常信号Ｖ_３１を故障トリップ回路１３へ出力する。

このことにより、従来用いていた転送遮断装置８を用いなくても、常用発電装置側で単独運転を検出することが可能となる。

（効果）
以上述べたように、本実施の形態による発電装置の系統連系保護装置では、常用発電装置の交流電圧信号を検出し、電圧変動の影響と高調波を除去して正確な周波数を検出し、周波数変化率（ｄｆ／ｄｔ）を演算し、周波数変化率が正の場合には同期発電機１０の電圧を下げ方向に変化させ、周波数変化率が負の場合には同期発電機１０の電圧を上げ方向に変化させるようにしており、発電機の周波数が大きく変化した状態が所定時間継続した場合に単独運転と判定するようにしているので、前述した従来のように高価な転送遮断装置８を設けることなく、系統連系中の常用発電装置の単独運転を常用発電装置側で確実にかつ容易に検出して同期発電機１０を解列し保護することが可能となる。

本実施の形態と第１の実施の形態との違いは、本実施の形態では周波数変化率が判定値を超えた状態が所定時間継続すると単独運転と判定するようにしているので、単独運転でない時に一時的な外乱により誤って単独運転と判定することを防止していることである。

本発明の第１の実施形態である常用発電装置の系統連系保護装置を示す構成図。 本発明の第１の実施の形態による系統連系保護装置における実効値演算回路３０を説明するための図。 本発明の第１の実施の形態による系統連系保護装置における動作を説明するための図。 本発明の第１の実施の形態による系統連系保護装置における電圧揺動信号を決定する関数の例を示す図。 本発明の第２の実施形態である常用発電装置の系統連系保護装置を示す構成図。 本発明の第３の実施形態である常用発電装置の系統連系保護装置を示す構成図。

符号の説明

１…系統電源、０１…平均値演算回路、２…変圧器、３…交流系統連系遮断器、４…上位変電所、５Ａ…負荷遮断器、５Ｂ…負荷遮断器、６…負荷、６Ａ…負荷、６Ｂ…負荷、７…一般需要家、９…分散電源設置需要家、１０…同期発電機、１１…変流器、１２…自家発電設備需要家受電点遮断器、１３…故障トリップ回路、１４…変流器、１５…過電流継電器、１６…周波数低下継電器、１７…周波数上昇継電器、１８…過電圧継電器、１９…不足電圧継電器、２２…自動電圧調整器、２３…界磁巻線、２４…原動機、２６…配電線、２７…故障トリップ回路、２８…発電機用遮断器、２９…系統連系保護装置、３０…実効値演算回路、３１…除算器、３２…フィルタ回路、３３…抵抗器、３４…コンデンサ、３５…コンパレータ、３６…計数回路、３７…逆数演算器、３８…計器用変圧器、４１…周波数検出手段、４２…周波数変化率演算器、４３…変化率過大判定器、４４…電圧揺動信号演算器、４５…変化率過大判定器、４６…タイマー、５１…過電流継電器、５２…過電圧継電器、５３…不足電圧継電器、５４…逆電力継電器、５５…自家発電設備設置需要家。

Claims (3)

1. 自動電圧調整器によって出力電圧が調整される発電機を備え、遮断器を介して交流電力系統と逆潮流ありで連系される常用発電装置の系統連系保護装置において、
   前記交流電力系統の三相交流電圧の瞬時値である、交流電圧信号を検出する電圧検出手段と、
   前記電圧検出手段によって検出された三相交流電圧の瞬時値に基づいて交流電圧信号の実効値を演算する実効値演算回路と、
   前記電圧検出手段によって検出された交流電圧信号を、前記実効値演算回路によって演算された実効値で除算した信号に基づき周波数を検出する周波数検出手段と、
   前記周波数検出手段によって検出された周波数の変化率を検出する周波数変化率演算器と、
   前記周波数変化率演算器によって検出された周波数変化率が正である場合は前記発電機の出力電圧を低下させ、前記周波数変化率が負である場合は前記発電機の出力電圧を上昇させる電圧揺動信号を前記発電機の自動電圧調整器に出力させる電圧揺動信号演算器と、
   前記周波数変化率演算器によって検出された周波数変化率が所定値を超えた場合に前記遮断器を開放して前記交流電力系統から前記発電機を解列させる保護手段と、
   を具備したことを特徴とする常用発電装置の系統連系保護装置。
2. 自動電圧調整器によって出力電圧が調整される発電機を備え、遮断器を介して交流電力系統と逆潮流ありで連系される常用発電装置の系統連系保護装置において、
   前記交流電力系統の三相交流電圧の瞬時値である、交流電圧信号を検出する電圧検出手段と、
   前記電圧検出手段によって検出された三相交流電圧の瞬時値に基づいて交流電圧信号の平均値を演算する平均値演算回路と、
   前記電圧検出手段によって検出された交流電圧信号を、前記平均値演算回路によって演算された平均値で除算した信号に基づき周波数を検出する周波数検出手段と、
   前記周波数検出手段によって検出された周波数の変化率を検出する周波数変化率演算器と、
   前記周波数変化率演算器によって検出された周波数変化率が正である場合は前記発電機の出力電圧を低下させ、前記周波数変化率が負である場合は前記発電機の出力電圧を上昇させる電圧揺動信号を前記発電機の自動電圧調整器に出力させる電圧揺動信号演算器と、
   前記周波数変化率演算器によって検出された周波数変化率が所定値を超えた場合に前記遮断器を開放して前記交流電力系統から前記発電機を解列させる保護手段と、
   を具備したことを特徴とする常用発電装置の系統連系保護装置。
3. 前記周波数変化率演算器によって検出された周波数変化率が所定値を超えた状態が所定時間継続した場合に前記遮断器を開放する手段を更に具備したことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の常用発電装置の系統連系保護装置。

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