JP4313991B2

JP4313991B2 - 電力系統安定化制御システム

Info

Publication number: JP4313991B2
Application number: JP2002203492A
Authority: JP
Inventors: 隆畠山; 博道佐藤; 隆白崎; 亘和山; 康夫高木; 和太郎篠原; 洋市上村; 憲史三ツ本
Original assignee: Toshiba Corp; Tohoku Electric Power Co Inc
Current assignee: Toshiba Corp; Tohoku Electric Power Co Inc
Priority date: 2002-07-12
Filing date: 2002-07-12
Publication date: 2009-08-12
Anticipated expiration: 2022-07-12
Also published as: JP2004048915A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電力系統に発生する発電機制御にかかる電力動揺を抑制する電力系統安定化制御システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電力系統は図６に示すように、送配電線に複数の同期発電機１３が連係され、この同期発電機１３は機械トルク入力を制御するガバナ制御装置１１、当該同期発電機１３で発生する界磁の強さを制御する励磁制御装置１２等により構成されている。
【０００３】
励磁制御装置１２は、同期発電機の端子電圧を一定に保つ自動電圧調整器（ＡＶＲ）１４、その目標電圧を調整することにより発電機の安定化を図る系統安定化器（ＰＳＳ）１５等を有している。
【０００４】
自動電圧調整器１４は、同期発電機１３の端子電圧を一定に保つために励磁機１６の例えばサイリスタに点弧角指令信号を与えて点弧角を制御し、これにより励磁巻線１７の励磁電圧を調整する。
【０００５】
系統安定化器１５は、有効電力の変化分ΔＰｅ、同期発電機１３における角速度の変化分Δω、または系統側周波数の変化分Δｆを検出・演算する。そして、これらの信号を図示しないリセットフィルター、進み遅れ回路、または帯域除去フィルターを通して、ノイズと電圧の定常偏差とを低減又は除去し、さらに位相を修正することにより端子電圧を調整して自動電圧調整器１４に出力する。
【０００６】
なお、図６では有効電力の変化分ΔＰｅ及び角速度の変化分Δωを利用して、端子電圧の調整を行う場合を示している。
【０００７】
これにより、同期発電機１３の回転まわりの動揺に対して速度フィードバックがかけられて、当該同期発電機１３及び電力系統の安定化が図られている。
【０００８】
一方、ガバナ制御装置１１は、一般に同期発電機１３の角速度ωがフィードバックされて、これを一定にするように蒸気流量又は水量を制御する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したように従来における電力系統の安定化制御は、発電機における端子情報にのみ基づいて行っているため、電力系統で深刻な故障が発生した場合等のように大きな状態変動が生じたときには電力系統の状態が大きく変化しているのにも関わらずその実体が十分把握できないために的確な安定化動作が困難となる恐れがあった。
【００１０】
しかし、この様な方法では例えば送配電線で断線や地絡等の深刻な事故が発生した場合には、その影響が端子情報に現れる範囲でのみ事故状態を推定して制御を行っており、安定化制御が非常に困難となってしまっている場合がある。
【００１１】
そこで、本発明は、電力系統の安定化制御の情報を各発電機の端子電圧のみならず電力系統全体から取得し、これらに基づき各発電機の制御を行うことで安定化制御の適用範囲及びその信頼性を向上させた電力系統安定化制御システムを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１にかかる発明は、複数の発電機を有する電力系統の電力系統安定化制御システムにおいて、前記電力系統の状態変動及び前記状態変動が検出された検出時刻を含む系統情報をインターネットまたはイントラネット上にブロードキャストする情報出力手段と、前記情報出力手段の検出点毎に前記電力系統に関連する情報を想定してシミュレーションにより得られ、予め想定された前記電力系統の状態変動に対して、前記状態変動の抑制に適する前記各発電機における目標端子電圧の補正値及び補正継続時間により構成された補正情報を記憶し、前記情報出力手段の前記系統情報に基づき前記電力系統の状態変動を制御すべく、前記インターネットまたは前記イントラネット上にブロードキャストされた前記系統情報に基づき前記補正情報を読み出し、前記発電機の励磁制御装置に対し前記補正情報を含む制御信号を前記インターネットまたは前記イントラネット上に出力する協調制御手段と、前記励磁制御装置は、前記発電機の端子電圧を所定の目標端子電圧になるように調整する自動電圧調整器ＡＶＲと、前記協調制御手段から入力された前記制御信号に含まれる前記補正情報を構成する前記目標端子電圧の補正値を前記補正継続時間の間継続させ、補正信号として出力する過渡時電圧目標値補正回路と、前記過渡時電圧目標値補正回路から出力された補正信号を、前記自動電圧調整器ＡＶＲへの入力信号に加算する加算器とを備えて、電力系統の安定化制御の情報を各発電機の端子情報のみならず電力系統全体から取得し、これらに基づき各同期発電機の制御を行うことで安定化制御の適用範囲及びその信頼性を向上させたことを特徴とする。
【００１３】
請求項２にかかる発明は、情報出力手段を電力系統保護のために設けられている保護継電機器により構成して、既存の保護継電器を用いることによる資源の有効利用を図りながら安定化制御の適用範囲及びその信頼性を向上させたことを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図を参照して説明する。なお、従来と同一構成は同一符号を用いて説明を適宜省略する。また、以下の説明においては、発電機として同期発電機を例に説明するが、本発明はこれに限定されるものではなく、巻線型誘導発電機等であってもよいことを予め付言する。
【００２０】
先ず、本発明の原理を説明する。電力系統を図２に示すような一機無限大母線系統にモデル化して考える。この場合、上述した系統安定化器１５における位相の修正は進み遅れ回路により行われ、当該進み遅れ回路に用いる進み遅れ関数は、一機無限大母線系統に対して有効なダンピングが得られるように設計される。
【００２１】
この一機無限大母線系統は、１台の同期発電機１３がトランスのインピーダンスや送配電線のインピーダンスを介して無限大母線に連係されたとする最も単純化されたモデルで、定量的評価が容易に行えることから制御系の設計によく利用されている。
【００２２】
なお、図２において、Ｘｔはトランスのインピーダンス、Ｘｅは送配電線のインピーダンス、Ｅｂは母線電圧を示している。
【００２３】
このようなモデルにおいて、送配電線の有効電力Ｐｅは、
Ｐｅ＝（Ｅｑ’＊Ｅｂ）／（Ｘｄ’＋Ｘｅ）＊ｓｉｎδ −−−（１）
で与えられる。ここでＥｑ’は自端の磁界、Ｘｄ’は過渡直軸インピーダンス、δは位相差角である。
【００２４】
この式１から、例えば送配電線で断線や地絡等の事態が発生して電力系統の状態変動が生じた場合には分母のインピーダンスの項が変動したと考えることができ、当該インピーダンスが大きくなる場合には送配電線の有効電力Ｐｅが減少するようになる。
【００２５】
この状態を放置すると、有効電力の減少による同期発電機１３でのトルクバランスが崩れて当該同期発電機１３が加速等してしまう場合が生じる。
【００２６】
そこで、従来は、自端の端子電圧を検出して目標電圧になるように同期発電機１３に速度フィードバックをかけて自端の磁界Ｅｑ’を上昇させ、これにより同期発電機１３の加速等にブレーキをかけることでインピーダンスの増加等に対する安定化が図られていた。また、ガバナ制御装置１１により蒸気流量又は水量が制御されて同期発電機１３の角速度ωが調整されて安定化が図られていた。
【００２７】
このような安定化制御は、角速度ωの加速等を規制することにより同期発電機１３を安定化させ、これにより有効電力Ｐｅの変動を抑制するのに有効な方法であるが、少なくとも端子状態に現れる系統の変動の範囲でしか制御を行うことができないので、十分な制御動作が実現できない場合が生じる。
【００２８】
しかしながら、式１から系統電圧Ｅｂを調整しても、自端の磁界Ｅｑ’を調整するのと同様の効果を得ることが可能であることがわかる。
【００２９】
特に、系統電圧Ｅｂを調整する場合は、送配電線には複数の同期発電機１３が連係されてこれらの同期発電機１３が互いに大きく影響し合うので、従来のように個々の同期発電機１３を独立に考えて制御する場合（自端の端子情報のみによる制御）には、他の同期発電機１３の影響が考慮されていないため過剰な制御となったりする不都合が生じるが、系統電圧Ｅｂをも制御情報とすることによりこれら複数の同期発電機１３の影響を含めて制御できるようになる。
【００３０】
また、電力系統の状態変動が発生した直後（検出した直後）から安定化制御を行うことができるので、当該系統変動の度合いが大きくなる前に、即ち系統の不安定度が大きくなる前に安定化制御が開始できるので安定化制御の適用範囲が広がると共に信頼性の向上が見込まれる。
【００３１】
無論、電力系統の安定化制御は、各同期発電機１３が安定に運転されていることが前提となり、系統電圧Ｅｂのみを制御情報とする場合には同期発電機１３のトルクバランスが崩れる等の問題も生じ得るので自端の磁界Ｅｑ’も併せて制御情報とする。
【００３２】
なお、実際の電力系統では無限大母線は存在しないので、電力系統の状態変動が検出された地点に近接する同期発電機１３の端子電圧を許容範囲内で上昇させることにより、近似的に系統電圧Ｅｂを上昇させる制御を行う。
【００３３】
このような原理に基づき構成された電力系統安定化制御システムの概略構成を図１に示す。当該電力系統安定化制御システムには、送配電線２１の電流及び電圧を検出する電流センサ及び電圧センサから構成される検出器２２が設けられて、電圧と電流とが検出されるようになっている。
【００３４】
そして、検出器２２からの検出信号は電力系統保護のために設けられている保護継電機器２３に送られ、ここで電力系統の状態変動（電流や電圧の揺動、短絡や地絡等の系統事故など）が判定される。
【００３５】
無論、電流や電圧は常に許容範囲で変動しているので、この場合の状態変動の判断は許容範囲（予め設定されている）以上に揺動した場合とする。
【００３６】
電力系統の状態変動が検出されると、その状態内容（短絡や地絡や電力揺動等の状態変動の種類、及びその程度等）、検出点、検出時刻等の情報が伝送手段である通信回線２４を介して協調制御手段である協調制御器２５に送られる。
【００３７】
この協調制御器２５には、同期発電機１３の運用状況が励磁制御装置１２等からも通信回線２４を介して送られてきている。この同期発電機１３の運用状況としては、当該同期発電機１３が連係状態にあるか否かの情報やその負荷情報などである。
【００３８】
そして、協調制御器２５は、情報出力手段である保護継電機器２３および励磁制御装置１２からの送信されてくる各情報に基づき、系統の状態内容や同期発電機１３の運用状況に適した端子電圧の補正値とその継続時間を動作指示信号として該当する同期発電機１３の自動電圧調整器１４に送信する。
【００３９】
この動作指示信号を受信した励磁制御装置１２は、目標端子電圧を補正して同期発電機１３の制御を行う。
【００４０】
なお、検出時刻も伝送する理由は、電力系統の状態変動の検出から実際に各同期発電機１３が制御されるまでに時間差が発生する。そのため、受信した情報に基づき一律に安定化制御を行うと、状態変動がほぼ収束しているにもかかわらず後追いで制御が行われることで電力系統を不安定化することを防止するためである。
【００４１】
即ち、保護継電機器２３から受信した電力系統の状態変動の情報に基づき同期発電機１３の制御を行うが、例えば状態内容が電圧変動でその変動幅が許容範囲を少しだけ超えたようなときには、当該状態変動の検出点に近接する同期発電機１３が自端の端子電圧からのフィードバック制御により制御されて電力系統が一見して安定化しているような場合が想定される。
【００４２】
また、地絡など発生したために系統の切離し等が行われ、系統状態が大きく変化する場合も考えられる。
【００４３】
このような場合に、保護継電機器２３から受信した電力系統の状態変動の情報に基づき一律に同期発電機１３の制御を行うと、電力系統が不安定化する可能性がある。
【００４４】
そこで、安定化制御が必要か否かを状態変動の内容に加え検出時刻からの経過時間に基づき判断し、不要の場合（当該時間内で略安定化していると判断した場合）には、動作指示信号の出力を行わないようにするべく、検出時刻も伝送する。
【００４５】
保護継電機器２３と協調制御器２５、及び、協調制御器２５と自動電圧調整器１４とは、通信回線２４を介して情報の授受を行うが、当該通信回線２４としては、例えばイントラネット、インターネットなどの専用回線の種々の構成が利用可能で、イントラネットやインターネットに出力された系統情報はブロードキャストされて相手先の送られる。
【００４６】
このとき、協調制御器２５からの制御信号が送信される励磁装置は、事故の種類、系統構成、潮流状態、発電機運転状態等により選択されたＩＰアドレスにより指定される。
【００４７】
なお、イントラネットやインターネットは、通信回線２４がある所で断線等しても、その断線箇所以外のネットを介して情報伝送が行えるために当該通信回線２４による制御の信頼性が向上する。
【００４８】
特に、イントラネットは、検出した電力系統の状態をタイムスタンプ付で伝送でき、またセキュリティが万全であるために外部からの不正操作に対しても信頼性が高い。
【００４９】
なお、協調制御器２５は図３に示すような端子電圧の補正値を状態変動の種類に応じてテーブル化して記憶しており、受信した状態変動の内容、検出点等に応じて該当する同期発電機１３における端子電圧の補正値及び補正継続時間を検索して出力するようになっている。
【００５０】
このテーブルは、状態変動の内容（例えば、検出点、電流や電圧の揺動、地絡、短絡、断線等を含めた事故情報）、電力系統構成（系統の接続状態等）、潮流状態（電力の供給状態等）、各同期発電機１３の運転状態などを想定して、電力系統の状態の安定化に最も有効な同期発電機１３に対する補正値やその継続時間を事前にシミュレーションにより求めて記憶されているものである。
【００５１】
図３では、検出器２２がブランチ１０００、ブランチ２０００、ブランチ３０００の検出点に設けられ、系統には同期発電機Ａ、同期発電機Ｂ、同期発電機Ｃが連係されて、上記検出点で状態変動を検出した場合の各同期発電機Ａ〜Ｃの補正値及び補正継続時間がテーブル化されている。
【００５２】
無論、検出点の数や連係されている同期発電機１３の数が多くなればそれに応じたデータが状態変動の種類に対応してシュミレーションされて記憶される。
【００５３】
例えば、電力系統のブランチ２０００で電圧揺動が発生したとすると、この電圧揺動に対応するテーブル（これを図３に例示したテーブルとする）から、同期発電機Ａに補正値０．０２ｐｕ、継続時間１．５ｓｅｃが通信回線２４を介して伝送され、また同期発電機Ｂには補正値０．０６ｐｕ、継続時間１．５ｓｅｃ、同期発電機Ｃには補正値０．０３ｐｕ、継続時間１．５ｓｅｃが同様に伝送される。
【００５４】
なお、補正値０．０２ｐｕは、定格値に対して２％増加することを意味し、定格値が例えば１００００Ｖであると目標端子電圧を２００Ｖ増加させ、その時間が１．５ｓｅｃであることを意味している。
【００５５】
図３においては全ての同期発電機の端子電圧が補正される場合が示されているが、検出点から離れた同期発電機等は補正されない場合もある（即ち、この場合は当該制御対象から外される）。
【００５６】
図４は、端子電圧の補正を行う励磁制御装置１２の詳細構成を示す図である。当該励磁制御装置１２はイントラネット等の通信回線２４を介して伝送されてきた動作指令信号を受信して、補正値を補正継続時間について出力する過渡電圧目標値補正回路１８、端子電圧と中央給電指令所等からの指示に基づき設定された端子電圧設定値との差分を演算して出力する減算器１９、該減算器１９からの差分信号と系統安定化器１５とを加算し、その際過渡電圧目標値補正回路１８からの補正値により当該加算信号を補正して自動電圧調整器１４に入力させる加算機２０を有している。
【００５７】
このように加算器２０にて補正された信号が目標端子電圧として自動電圧調整器１４に出力され、この目標端子電圧になるように同期発電機１３が制御される。
【００５８】
図５は、過渡電圧目標値補正回路１８から出力される補正信号の出力状態を示す模式図で、状態変動が検出されると、補正値δｖが時間δｔだけ継続して出力され、その後は徐々に減少する。
【００５９】
このように、補正値をステップ状に立ち上げ、所定時間後徐々に減少するようにしたのは、電力系統の状態変動が発生した際は、ステップ状に立ち上げることによる影響が系統に多少現れても速やかに安定化を図ることを優先したためである。逆に電力系統が略安定化した後（時間δｔ後）は、可能な限り系統への影響を抑えるために徐々に減少するようにしている。
【００６０】
以上により、電力系統の状態変動の情報により連係されている同期発電機１３が制御されるようになり、迅速かつ安定して電力系統の安全化が行え制御の信頼性が向上する。
【００６１】
なお、これまでは検出器２２で検出された電力系統の状態情報は、保護継電機器２３に送られ、当該保護継電機器２３で状態変動を判断して、その判断情報を協調制御器２５に伝送する場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、検出器２２で検出した情報及びその取得時間を直接協調制御器２５に伝送し、該協調制御器２５で電力系統の状態変動を判断するようにしてもよい。
【００６２】
このような構成では、少なくとも保護継電機器２３が用いられないために保守点検箇所が限定されるようになるので作業性が向上すると共に信頼性が向上する。
【００６３】
また、上記説明では協調制御器２５に予め状態変動の内容等に対応したテーブルを設けた場合を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、収集した情報に基づき電力系統の状態変動を判断し、状態変動の内容、電力系統構成、潮流状態、各同期発電機１３の運転状態などに基づき電力系統の状態の安定化に最も有効な同期発電機１３を決めて、その同期発電機１３に対する補正値や補正継続時間を演算して動作指令信号として出力するようにしてもよい。
【００６４】
これにより、種々の状態変動に対して、より適切な制御対象となる同期発電機を選定することができると共に補正値、補正継続時間を決定できるようになり、電力系統の安定性制御のみならず同期発電機の安定運転が可能になる。
【００６５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、電力系統の状態を検出して、その検出情報に基づき発電機を制御するようにしたので、電力系統の安定化が当該電力系統に連係されている発電機全体で行えるようになり安定化制御の信頼性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の説明に適用される電力系統安定化制御システムの概略構成を示す図である。
【図２】一機無限大母線系の構成を示す図である。
【図３】協調制御器に設けられているテーブルを例示した図である。
【図４】励磁制御装置の構成を示す図である。
【図５】補正値信号の時間変化を示した図である。
【図６】従来の技術の説明に適用される電力系統安定化制御システムの概略構成を示す図である。
【符号の説明】
１１ガバナ制御装置
１２励磁制御装置
１３同期発電機
１４自動電圧調整器
１５系統安定化器
１６励磁機
１８過渡電圧目標値補正回路
１９減算器
２０加算器
２１送配電線
２２検出器
２３保護継電機器
２４通信回線
２５協調制御器

Claims

複数の発電機を有する電力系統の電力系統安定化制御システムにおいて、
前記電力系統の状態変動及び前記状態変動が検出された検出時刻を含む系統情報をインターネットまたはイントラネット上にブロードキャストする情報出力手段と、
前記情報出力手段の検出点毎に前記電力系統に関連する情報を想定してシミュレーションにより得られ、予め想定された前記電力系統の状態変動に対して、前記状態変動の抑制に適する前記各発電機における目標端子電圧の補正値及び補正継続時間により構成された補正情報を記憶し、前記情報出力手段の前記系統情報に基づき前記電力系統の状態変動を制御すべく、前記インターネットまたは前記イントラネット上にブロードキャストされた前記系統情報に基づき前記補正情報を読み出し、前記発電機の励磁制御装置に対し前記補正情報を含む制御信号を前記インターネットまたは前記イントラネット上に出力する協調制御手段と、
前記励磁制御装置は、
前記発電機の端子電圧を所定の目標端子電圧になるように調整する自動電圧調整器ＡＶＲと、
前記協調制御手段から入力された前記制御信号に含まれる前記補正情報を構成する前記目標端子電圧の補正値を前記補正継続時間の間継続させ、補正信号として出力する過渡時電圧目標値補正回路と、
前記過渡時電圧目標値補正回路から出力された補正信号を、前記自動電圧調整器ＡＶＲへの入力信号に加算する加算器とを備えたことを特徴とする電力系統安定化制御システム。
前記情報出力手段は、電力系統保護のために設けられている保護継電機器を含むことを特徴とする請求項１記載の電力系統安定化制御システム。
前記協調制御手段は、前記系統情報に基づいて選択された前記励磁制御装置を識別するＩＰアドレスに前記制御信号を出力することを特徴とする請求項１又は２いずれか１項記載の電力系統安定化制御システム。
前記情報出力手段は、前記系統情報を前記インターネットまたは前記イントラネット上にブロードキャストする際に、タイムスタンプを付してブロードキャストすることを特徴とする請求項１乃至３いずれか１項記載の電力系統安定化制御システム。