JP4648848B2

JP4648848B2 - 同期投入装置

Info

Publication number: JP4648848B2
Application number: JP2006027866A
Authority: JP
Inventors: 建平関
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-02-06
Filing date: 2006-02-06
Publication date: 2011-03-09
Anticipated expiration: 2026-02-06
Also published as: JP2007209171A

Description

本発明は、２つの電力系統を連系接続する場合に必要となる同期投入装置に関するもので、特に、同期投入により発生する過渡電流等を低減し系統への影響を抑制するものである。

従来の同期投入装置は、投入対象である両系統の電圧瞬時値および周波数のそれぞれの差を検出し、これらが所定の許容値以内であること、および両系統の位相が所定範囲で一致していることを判定して遮断器に同期投入指令を出力する（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−１２９３７号（段落０００２、０００７〜００１０、図１）

従来の同期投入装置では、両系統の電圧、周波数、位相のそれぞれの差が所定の範囲内であることを条件に投入するようにしているので、投入時のこれら差分に基づく過渡電流、過渡電圧等の過渡現象が大きくなり、系統への影響が大きくなることが懸念される。
この発明は、以上のような問題点を解消するためになされたもので、投入時の両系統の電圧差を極力小さくすることで、投入に基づく過渡電流等の発生を一層抑制して系統への影響をより小さくすることができる同期投入装置を得ることを目的とする。

この発明に係る同期投入装置は、投入対象である両系統のそれぞれの電圧瞬時値を計測する電圧計測手段、電圧瞬時値の計測値に基づき両系統のそれぞれの電圧実効値を算出する電圧実効値算出手段、電圧瞬時値の計測値に基づき所定の基準時における両系統のそれぞれの周波数を算出する周波数算出手段、電圧瞬時値の計測値に基づき基準時における両系統のそれぞれの電圧の絶対位相角を算出する絶対位相算出手段、周波数の算出値と絶対位相角の算出値とに基づき、基準時から両系統のそれぞれの電圧の位相が一致する迄の経過時間を予測する経過時間予測手段、および経過時間の予測値に基づき同期投入の投入時間を算出し同期投入操作信号を出力する投入時間算出手段を備え、
更に、両系統の電圧実効値の算出値を比較する両系電圧実効値比較手段、および両系統の周波数の算出値を比較する両系周波数比較手段を備え、
経過時間予測手段は、両比較手段の出力に基づき、両系統の電圧実効値の算出値差および両系統の周波数の算出値差がそれぞれ所定の設定値以下である条件で動作するようにするとともに、
基準時における、両系統の一方の系統の周波数算出値をｆＡ、絶対位相角算出値をβＡ、両系統の他方の系統の周波数算出値をｆＢ、絶対位相角算出値をβＢとしたとき、経過時間ｔｓを下式に従って算出することを特徴とするものである。
ｔｓ＝（βＢ−βＡ）／（２π×（ｆＡ−ｆＢ））

この発明は以上のように、特に、絶対位相算出手段、経過時間予測手段および投入時間算出手段、更に、両系電圧実効値比較手段、および両系周波数比較手段を備え、経過時間予測手段は、両比較手段の出力に基づき、両系統の電圧実効値の算出値差および両系統の周波数の算出値差がそれぞれ所定の設定値以下である条件で動作するようにするとともに、
基準時における、両系統の一方の系統の周波数算出値をｆＡ、絶対位相角算出値をβＡ、両系統の他方の系統の周波数算出値をｆＢ、絶対位相角算出値をβＢとしたとき、経過時間ｔｓを下式に従って算出するものとしたので、
両系統の電圧の位相が一致するまでの経過時間を定量的に予測演算することができ、投入に基づく過渡電流等を安定確実に十分小さいレベルに抑制することができる。
ｔｓ＝（βＢ−βＡ）／（２π×（ｆＡ−ｆＢ））

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１における同期投入装置の機能ブロック図である。図において、同期投入装置１００は、系統として、発電機Ｇ１が接続された発電機母線Ａ３と、電力系統２が接続された電力系統母線Ｂ４とを、遮断器ＣＢ５を介して同期投入する機能を有するものである。そして、同期投入装置１００は、母線Ａ、Ｂのそれぞれについて、電圧実数瞬時値を計測する電圧計測手段６と、計測された電圧実数瞬時値をデジタルな電圧実数瞬時値に変換するＡ／Ｄ変換手段７と、デジタルな電圧実数瞬時値に基づき電圧実効値を算出する電圧実効値算出手段８と、デジタルな電圧実数瞬時値に基づき周波数を算出する周波数算出手段９と、デジタルな電圧実数瞬時値に基づき所定の基準時における電圧の絶対位相角を算出する絶対位相算出手段１０と、両母線の電圧実効値の計算値を比較する両系電圧実効値比較手段１１と、両母線の周波数の計算値を比較する両系周波数比較手段１２と、両母線の周波数の算出値と絶対位相角の算出値とに基づき、基準時から両母線のそれぞれの電圧の位相が一致する迄の経過時間を予測する経過時間予測手段１３と、経過時間の予測値に基づき同期投入の投入時間を算出し同期投入操作信号を出力する投入時間算出手段１４と、各演算ステップでデジタル値を記憶する記憶手段１５とを備えている。

遮断器制御装置２００は、同期投入装置１００からの同期投入操作信号を受信する遮断器操作指令受信手段１６と、同期投入操作信号の受信に応じて遮断器ＣＢ５の投入コイルに投入駆動電流を供給する遮断器操作実施手段１７とを備えている。

図２は、複素数平面上に表された両母線Ａ、Ｂの電圧ベクトルを説明する図である。即ち、この実施の形態１では、先に本願発明者が創案した同期フェーザ測定法（特開２００５−２０４３６７号参照）を適用して必要な電圧等の算出を行うことを前提に説明する。以下、図２のベクトル図を参考にし、同期投入操作の処理の流れを示す図３のフローチャートに従って同期投入装置の動作について説明するが、計算手法自体の詳細は、上述文献に開示されているので、ここでは、適宜省略するものとする。

なお、本願で採用する、上述文献に開示する同期フェーザ測定法は、絶対位相角を電圧フェーザの実数部と虚数部とから正接関数を用いて求めるため、算出値の連続性がなくなり数値安定性が悪いというそれまでの測定法に替わって、絶対位相角を余弦関数を使用して求めることで、不連続な変化がなく数値安定性および連続性に優れているという利点を有するものである。
従って、以下に詳述するように、両母線の電圧位相が一致するタイミングを予想算出することを最大の特徴とする本願の同期投入装置に上述した同期フェーザ測定法を応用した場合、当該測定方法の利点が有効に生かされ、予想タイミングを安定確実に算出することができる訳である。

先ず、ステップ１０１で、両母線Ａ、Ｂの電圧瞬時値を入力して更にＡ／Ｄ変換を行い記憶手段に記憶する。
次に、ステップ１０２で、両母線Ａ、Ｂの電圧実効値を算出する。母線Ａの電圧実効値および母線Ｂの電圧実効値は、それぞれ（１）式および（２）式で求められる。

ここで、Ｖ_Ａ、Ｖ_Ｂは、それぞれ母線Ａ、母線Ｂの電圧実効値、ｖ_Ａｒｅ、ｖ_Ｂｒｅは、それぞれ母線Ａ、母線Ｂで測定した単相の電圧瞬時値である。なお、サンプリングは、基準周波数（後述）の１周期の４Ｎ（Ｎは正の整数）分の１の周期で行い、ここでは、Ｎ＝６とした、電気角１５度の周期で行う。
次に、ステップ１０３で、（３）式により、両母線Ａ、Ｂの電圧実効値差が一定範囲内か否かを判定する。

ここで、Ｖ_ＳＥＴは整定値で、例えば、定格電圧Ｖ_Ｎの５％に設定する。
（３）式が満足されない（ステップ１０３でＮＯ）場合は、ステップ１０１に戻る。（３）式を満足する（ステップ１０３でＹＥＳ）場合は、ステップ１０４に進み両母線Ａ、Ｂの周波数を算出する。母線Ａの周波数および母線Ｂの周波数は、それぞれ（４）式および（５）式で求められる。

ここで、ｆ_Ａ（ｔ）、ｆ_Ｂ（ｔ）は、時刻ｔにおける両母線Ａ、Ｂの周波数、ψ_Ａ（ｔ）、ψ_Ｂ（ｔ）は、時刻ｔにおける両母線Ａ、Ｂの、基準周波数１周期における電圧回転ベクトルの回転位相角、ｆ_Ｎは、基準周波数である。なお、この基準周波数は、算出に当たって予め設定する周波数で、例えば、５０Ｈｚ系では、ｆ_Ｎ＝５０、６０Ｈｚ系では、ｆ_Ｎ＝６０と設定する。
次に、ステップ１０５で、（６）式により、両母線Ａ、Ｂの周波数差が一定範囲内か否かを判定する。

ここで、ｆ_ＳＥＴは整定値で、例えば、２Ｈｚに設定する。
（６）式が満足されない（ステップ１０５でＮＯ）場合は、ステップ１０１に戻る。（６）式を満足する（ステップ１０５でＹＥＳ）場合は、ステップ１０６に進み両母線Ａ、Ｂの絶対位相角を算出する。母線Ａの絶対位相角および母線Ｂの絶対位相角は、それぞれ（７）式および（８）式で求められる。

ここで、β_Ａ（ｔ）、β_Ｂ（ｔ）は、時刻ｔにおける両母線Ａ、Ｂの絶対位相角、Ｖ_Ａａｖｅ（ｔ）、Ｖ_Ｂａｖｅ（ｔ）は、時刻ｔにおける両母線Ａ、Ｂの電圧実効値平均値である。なお、この電圧実効値平均値は、先の電圧実効値を更に平均化処理して求めたもので、計測対象周波数と基準周波数とのずれによる振動成分を除去できるので算出精度が向上する。従って、このずれが十分小さいと想定できる場合等では、絶対位相角を先に求めた電圧実効値を使って算出してもよい。

次に、ステップ１０７で、同期投入予測演算を行う。母線Ａおよび母線Ｂの回転ベクトル方程式は、それぞれ（９）式および（１１）式で表される。

ここで、ω_Ａ、β_Ａは、それぞれ母線Ａの計算時点の角回転数および絶対位相角である。また、ω_Ｂ、β_Ｂは、それぞれ母線Ｂの計算時点の角回転数および絶対位相角である。

以上の関係式から、母線Ａと母線Ｂの回転位相角が等しくなる時点ｔ＝ｔｓでは、（１３）式が成立する。

即ち、このｔｓは、計算開始時点（同期投入装置１００が同期投入指令を受信した時点が相当し、本願請求項では、基準時と称しているタイミングに相当する）から両母線Ａ、Ｂの電圧の位相が一致するまでの経過時間となる。そして、その値は、（１３）式を変形した（１４）式で求められる。

次に、ステップ１０８で、遅れ時間が零より大きいか否かを判定する。ここで、遅れ時間Ｔ_{ｄｅｌａｙ}とは、同期投入装置１００が同期投入操作信号出力時点から投入遮断器投入時点までの時間を投入操作時間Ｔ_ｃ（Ｔ_ｃ＝本願による同期投入予測演算に要する時間Ｔ_ｃａｌｃ＋同期投入操作信号等制御信号の転送通信に要する時間および遮断器の動作時間Ｔ_{ｃｏｎｔｒｏｌ}）としたとき、（１５）式で表される。

（１５）式が満足されない（ステップ１０８でＮＯ）場合は、ステップ１０１に戻る。（１５）式を満足する（ステップ１０８でＹＥＳ）場合は、基準時から遅れ時間を取って（ステップ１０９）、遮断器に同期投入操作信号を送信し（ステップ１１０）、遮断器の操作指令が実行され遮断器が閉路して両母線Ａ、Ｂが投入される（ステップ１１１）。

図４は、両系統の同期投入操作の具体例を示す波形図である。ここでは、母線Ａの周波数ｆ_Ａ＝５１Ｈｚ、母線Ｂの周波数ｆ_Ｂ＝５０Ｈｚである。また、Ｔ_ｃａｌｃ＝５ｍｓ、
Ｔ_{ｃｏｎｔｒｏｌ}＝１５ｍｓとしている。
そして、時間軸0．083333秒時点で予測演算が開始され、予測時間（経過時間）ｔｓは0．041666667秒、遅れ時間Ｔ_{ｄｅｌａｙ}は0．021667秒で、時間軸0．125秒の時点で同期投入操作が行われていることが分かる。

以上のように、この発明の実施の形態１における同期投入装置では、両母線Ａ、Ｂの絶対位相角を算出し、両母線の電圧の位相が一致するタイミングで両母線を投入するようにしたので、投入に基づく過渡電流等を十分小さく抑えることができる。また、その絶対位相角を余弦関数を使用した方法で算出しているので、数値安定性、連続性に優れており、同期投入の予想タイミングを安定確実に得ることができる。

実施の形態２．
先の図３での説明では特に触れなかったが、ステップ１０３、１０５でＮＯとなった場合、即ち、両母線Ａ、Ｂの電圧や周波数が所定の設定値より大きい場合、また、ステップ１０８でＮＯとなった場合、即ち、遮断器を操作して位相一致のタイミングで投入する時間的余裕が不足する場合、運転操作員が、両系統のいずれかまたは双方の周波数や電圧を操作することでこれら各ステップでの条件成立を促すことになる。
図１で例示した系統構成では、母線Ａに接続された発電機Ｇのガバナや励磁を操作して周波数、電圧等を調整することになる。
この場合、従来の同期投入装置では、両系統の電圧差、周波数差、位相差は算出しているが、両系統それぞれの電圧値、周波数、位相自体は制御対象でないためこれらの値は表示されていない。このため、運転操作員による上述の操作が必ずしも迅速になされず、結果として、同期投入の指令を受けてから同期投入を実行する迄に要する時間が長くなる傾向が避けられなかった。

この実施の形態２は、本願発明では先の実施の形態１で説明したように、投入対象の両母線Ａ、Ｂの電圧実効値、周波数および絶対位相角をそれぞれ高精度で算出しているので、図示は省略するが、これらの算出値を表示する算出値表示手段を備えるようにしたものである。
従って、上記各ステップで条件が満足されない場合、運転操作員は、上記算出値表示手段に表示された両系統それぞれの電圧、周波数、位相の各値を直ちに把握でき、条件成立に向けての操作を確実迅速になし得る。その結果、同期投入の指令を受けてから同期投入を実行するまでの時間の長大化が回避され、円滑な系統運用が保証される。

また、この発明の各変形例において、同期投入操作信号出力時点から投入遮断器投入時点までの時間を投入操作時間としたとき、投入時間算出手段は、経過時間の予測値が投入操作時間より大である条件で同期投入操作信号を出力するようにしたので、電圧位相を一致させた同期投入が確実に実行される。

また、両系統のそれぞれの電圧実効値、周波数および絶対位相角の各算出値を表示する算出値表示手段を備えたので、同期投入操作実行に際して設定される運転特性の条件を満たすための調整操作が円滑迅速になし得る。

この発明の実施の形態１における同期投入装置の機能ブロック図である。複素数平面上に表された両母線の電圧ベクトルを説明する図である。同期投入操作の処理の流れを示すフローチャートである。両系統の同期投入操作の具体例を示す波形図である。

１発電機、２電力系統、３母線Ａ、４母線Ｂ、５遮断器、
６電圧計測手段、８電圧実効値算出手段、９周波数算出手段、
１０絶対位相算出手段、１１両系電圧実効値比較手段、１２両系周波数比較手段、１３経過時間予測手段、１４投入時間算出手段、１００同期投入装置、
２００遮断器制御装置。

Claims

投入対象である両系統のそれぞれの電圧瞬時値を計測する電圧計測手段、上記電圧瞬時値の計測値に基づき上記両系統のそれぞれの電圧実効値を算出する電圧実効値算出手段、上記電圧瞬時値の計測値に基づき所定の基準時における上記両系統のそれぞれの周波数を算出する周波数算出手段、上記電圧瞬時値の計測値に基づき上記基準時における上記両系統のそれぞれの電圧の絶対位相角を算出する絶対位相算出手段、上記周波数の算出値と上記絶対位相角の算出値とに基づき、上記基準時から上記両系統のそれぞれの電圧の位相が一致する迄の経過時間を予測する経過時間予測手段、および上記経過時間の予測値に基づき同期投入の投入時間を算出し同期投入操作信号を出力する投入時間算出手段を備え、
更に、上記両系統の電圧実効値の算出値を比較する両系電圧実効値比較手段、および上記両系統の周波数の算出値を比較する両系周波数比較手段を備え、
上記経過時間予測手段は、上記両比較手段の出力に基づき、上記両系統の電圧実効値の算出値差および上記両系統の周波数の算出値差がそれぞれ所定の設定値以下である条件で動作するようにするとともに、
上記基準時における、上記両系統の一方の系統の周波数算出値をｆＡ、絶対位相角算出値をβＡ、上記両系統の他方の系統の周波数算出値をｆＢ、絶対位相角算出値をβＢとしたとき、上記経過時間ｔｓを下式に従って算出することを特徴とする同期投入装置。
ｔｓ＝（βＢ−βＡ）／（２π×（ｆＡ−ｆＢ））
同期投入操作信号出力時点から投入遮断器投入時点までの時間を投入操作時間としたとき、上記投入時間算出手段は、上記経過時間の予測値が上記投入操作時間より大である条件で上記同期投入操作信号を出力するようにしたことを特徴とする請求項１記載の同期投入装置。
上記両系統のそれぞれの電圧実効値、周波数および絶対位相角の各算出値を表示する算出値表示手段を備えたことを特徴とする請求項２記載の同期投入装置。