JP4719691B2 - 送電網切断の検出のための方法、メモリ媒体及び装置 - Google Patents

Description

本開示は、送電網の切断を検出するための方法及び装置に関する。より具体的には、本開示は、アイランディング及びその防止に関する。

送電網接続式分散発電機（ＤＧ）のアイランディング（islanding）は、ＤＧを含む送電網の区域がメイン電力供給設備から切断された場合に起こるが、ＤＧは、分離された区域（アイランドと呼ばれる）内の送電網ラインに電力を供給し続ける。

例えば、変圧器を介して給電線に接続されたＤＧシステムを考える。負荷（ＤＧオーナが所有していない）もまた、別の変圧器を介して同一の給電線に接続されている。送電網切断装置（回路遮断器、開閉器、ヒューズ又は区分器）が開いた場合に、ＤＧは送電網の分離区域に電流を供給し続けることが可能である。これがアイランディングであり、ＤＧシステムによって電力供給されている送電網の分離区域はアイランド（島）と呼ばれる。
米国特許第６４２９５４６号

従って、アイランディングを防止する方法及びコントローラに対する要求が引き続き存在している。

本発明の実施形態の方法では、分散発電機と少なくとも１つの負荷とを備えた回路として接続された給電線を有する送電網を含む電力システムにおけるアイランディングが防止される。本方法は、分散発電機の出力における電圧の位相シフトを求める。位相シフトは、給電線からの送電網の切断による位相シフトを示す閾値位相シフトと比較される。位相シフトが閾値位相シフトよりも大きい場合には、給電線からの分散発電機の切断のためのコマンドが出される。

本発明の別の方法の実施形態では、分散発電機と少なくとも１つの負荷とを備えた回路として接続された給電線を有する送電網を含む電力システムにおけるアイランディングが防止される。本方法は、分散発電機と負荷との間の電力ミスマッチが閾値を越えた場合には、位相シフト処理法によって給電線から送電網を切断することを決定する。本方法はさらに、如何なる電力ミスマッチも閾値を越えていない場合には、不足／過周波数処理法及び不足／過電圧処理法のいずれか又は両方によって切断することを決定する。

本発明のコントローラの実施形態では、分散発電機と少なくとも１つの負荷とを備えた回路として接続された給電線を有する送電網を含む電力システムにおけるアイランディングが防止される。本コントローラは、プロセッサと、メモリと、入力／出力ユニットとを含む。メモリは、プロセッサに分散発電機の出力における電圧の位相シフトを求めさせる送電網切断プログラムを含む。プログラムはまた、プロセッサに、位相シフトを給電線からの送電網の切断による位相シフトを示す閾値位相シフトと比較させる。位相シフトが閾値位相シフトよりも大きい場合には、プロセッサは、給電線からの分散発電機の切断のためのコマンドを出す。

図１を参照すると、電力送電網２０は、負荷２４とＤＧ２６とを備えた回路として接続された給電線２２に接続される。送電網２０は、公共電力供給設備（図示せず）と接続される。切断装置２８は、万一送電網２０内に異常な障害が起こった場合に給電線２２から送電網２０を切断する目的のために給電線２２内に配置される。別の切断装置３０は、給電線２２からＤＧ２６を切断する目的のために給電線２２内に配置される。１つよりも多い負荷を給電線２２に接続することができること、またＤＧ２６及び負荷２４は変圧器（図示せず）を介して給電線２２に接続することができることは、当業者には明らかであろう。

切断装置２８及び３０は、回路遮断器、開閉器、ヒューズ、区分器及びその他同種類のもののようなあらゆる適切な切断装置とすることができる。ＤＧ２６は、光電池システム、燃料電池、マイクロタービン、小型エンジン及びその他同種類のもののようなあらゆる分散発電機又は分散発電機群とすることができる。

切断装置２８が開いた場合に、ＤＧ２６は、開いた切断装置２８によって送電網２０から分離されることになった給電線２２に電流を供給し続けることが可能である。これが、アイランディングであり、送電網の分離区域（給電線２２と給電線２２に接続された回路）は、アイランドと呼ばれる。

電圧測定装置３６は、ＤＧ２６の出力における電圧をモニタする。電圧測定装置３６は、モニタした電圧のサンプルをコントローラ４０に供給する。コントローラ４０は、電圧サンプルを処理して、切断装置２８の動作によって送電網２０が切断された時に起こる位相ジャンプを検出する。

通常の状態の下では、ＤＧ２６の出力電圧は送電網２０によって調整される。切断装置２８を開くことによって送電網２０が切断された場合、ＤＧ２６は、アイランド状態になる。ＤＧ２６と負荷２４との間に電力ミスマッチが存在する場合には、電圧ベクトルは、オームの法則による無効電力をバランスさせるためにその位相をシフトすることになる。この位相シフトは通常、送電網２０が切断された直後に起こる。

本発明の第１の実施形態では、位相ジャンプの検出は、電圧測定値に基づいて最初の１又は数サイクルにおける電圧ベクトルの位相変化を捕捉することを試み、次に切断装置３０にそれを開くトリップ信号を送る。この動作により、ＤＧ２６が給電線２２から切断され、それによってアイランディングが防止される。

電力ミスマッチと位相ジャンプとの関係θは、以下のように導き出すことができる。

ここで、ΔＰ及びΔＱは、電力ミスマッチであり、θ_thresholdは、位相ジャンプ設定閾値である。

位相シフトθが閾値位相シフトθ_thresholdよりも大きい場合には、位相ジャンプ（すなわち、送電網２０の切断）が検出される。位相シフトθが閾値位相シフトθ_thresholdに等しいか又はそれよりも小さい場合には、いずれの位相シフトも通常の障害によるものであると考えられる。

閾値位相シフトθ_thresholdは、その中で装置を使用するシステムの最大可能障害に基づいて選択される。閾値は、通常の送電網接続作動時の誤った切断を防止するために障害によって引き起こされる位相シフトよりも大きく（一定のマージンを持つ状態で）すべきである。

等式（１）は、送電網切断時点での電力ミスマッチΔＰ及びΔＱが条件（θ＝θ_threshold）を満たす場合には、実際の位相ジャンプが閾値よりも小さいのでアイランディングが検出される筈がないことを明らかにしている。

位相ジャンプ方法の有効性が負荷２４のクオリティファクタＱｆによって影響を受けないことも等式（１）から理解することができる。不足／過周波数保護は、より高いクオリティファクタ負荷の場合にその効果がより低下する。

本発明の第２の実施形態では、位相シフト検出方法は、不足／過周波数及び不足／過電圧保護と組合される。この組合せにより、不足／過周波数保護の非検出ゾーン（ΔＰ及びΔＱ間隔内に形成され、ΔＰ及びΔＱは、検出プロセスのゾーン内で応答するのに十分なほど小さい）が減少する。また、位相ジャンプ方法は高有効電力ミスマッチに対しては殆ど効果がないが、不足／過電圧保護は、高有効電力ミスマッチに対して感受性が高いことを理解することができる。従って、位相ジャンプ、不足／過周波数及び不足／過電圧を組合せることにより、アイランディング防止非検出ゾーンが減少することになる。この実施形態では、ＤＧ２６と負荷２４との間の電力ミスマッチが閾値を越えた場合には、位相シフト処理法を使用して送電網を切断することを決定し、如何なる電力ミスマッチも閾値を越えていない場合には、不足／過周波数処理法及び不足／過電圧処理法のいずれか又は両方を使用する。この実施形態は、あらゆる従来型の不足／過周波数処理法及び不足／過電圧処理法を採用することができる。

電圧測定装置３６は、ＤＧ２６の出力における電圧を継続的にモニタし、そのサンプルをコントローラ４０に送る。測定電圧に基づき、ゼロクロッシング、位相ロックループ、ＤＱ（直二次関数（direct quadric））位相ロックループ、又は他の周波数追跡処理法のいずれかに基づいて周波数を計算することができる。

図２を参照すると、ゼロクロッシング法の実施例を、送電網２０が切断された後の電圧特性波形４４によって示している。送電網２０が切断される前に、周波数は、２つの連続する波形のゼロクロッシングのＴ _n-1 として定義した時間に基づいて測定することができる。送電網２０が切断された後に、ＤＧ２６と負荷との電力ミスマッチに起因して位相シフトが存在することになる。次に、２つの連続するゼロクロッシングのＴ _n として定義した次の時間は、Ｔ _n-1 とは異なることになる。ここで、Ｔ _n 及びＴ _n-1 は、２つの連続する周波数測定値の逆数、すなわちｆ _n ＝（１／Ｔ _n ）及びｆ _n-1 ＝（１／Ｔ _n-1 ）である。前に測定した周波数ｆ _n-1 に基づいて、恰も送電網切断がなかったように次のゼロクロッシング時間を計算することができる。計算したゼロクロッシングと実際に測定したゼロクロッシングとの間の角度は、送電網切断による位相シフトθ _n であり、次の等式によって得られる。

性能を向上させるために、本発明の他の実施形態は、２つの連続する測定値を有する１つの期間の位相変化を使用する代わりに３つの期間を使用する。この場合、より多くの記憶容量が必要であるが、安全確保及び信頼性が著しく向上する。その理由は、送電網切断がない状態でさえ、送電網の過渡事象に起因して幾らかの位相変化が瞬間的に起こる可能性があるからである。コントローラ４０は、そのような過渡事象をアイランディングとしてピックアップし、誤った切断を起こす可能性がある。これらの過渡事象は通常、１つの方向にずらすのではなく、瞬間的に周波数のアップ及びダウンを引き起こしている。従って、３つの期間を行うことによって、短期周波数振動は、位相変化をそれほど引き起こさないことになる。３期間測定の実行は、次の等式で表わすことができる。

図３を参照すると、コントローラ４０は、プロセッサ５０と、入力／出力（Ｉ／Ｏ）ユニット５２と、メモリ５４と、バス５６とを含む。バス５６は、プロセッサ５０、Ｉ／Ｏユニット５２及びメモリ５４を相互接続する。Ｉ／Ｏユニット５２は、キーボード、ディスプレイ、プリンタ、ネットワークを介して通信するための通信装置、信号（例えば、電圧測定装置３６からの電圧サンプル）を受信するための又は信号（例えば、装置３０を切断するためのトリップ信号）を送信するためのポート、及びその他同種類のもののようないずれかの所望のＩ／Ｏ装置を含む。メモリ５４は、オペレーティングシステム５８とコントローラプログラム６０とを含む。コントローラ６０は、送電網切断検出プログラム６２を含む。メモリ媒体６４（例えば、ディスク）は、送電網切断プログラム６２のコピーを包含し、またメモリ５４内にロードすることができるオペレーティングシステム５８、コントローラプログラム６０又は他のソフトウェアのコピーを含むことができる。

オペレーティングシステム５８は、プロセッサ５０を制御し、コントローラプログラム６０と、給電線２２からの送電網２０の切断を検出するための送電網切断検出プログラム６２とを実行する。送電網切断プログラム６２は、電圧サンプルを処理して、現在のゼロクロッシングと１つ又はそれ以上の前のゼロクロッシングと間の位相シフトθ_ｎを求める。位相シフトθ_ｎは、位相シフト閾値θ_thresholdと比較され、位相シフト閾値よりも大きい場合には、位相シフトθ_ｎは送電網切断を示す。次に、給電線２２からＤＧ２６を切断するために装置３０を切断するためのトリップ信号を送信させるコマンドが出される。

図４を参照すると、送電網切断検出プログラム６２の第１の実施形態は、ステップ７０において、ＤＧ２６の出力電圧を測定する。ステップ７０では、電圧サンプルを受信し、ゼロクロッシング時間を求める。ステップ７２では、現在のゼロクロッシングに基づいて現在の周波数ｆ_ｎを求める。ステップ７４では、現在の周波数ｆ_ｎと前の周波数ｆ_ｎ?１とに基づいて位相変化θ_ｎを求める。例えば、ステップ７４では、等式（２）を使用する。ステップ７６では、現在の位相シフトθ_ｎを閾値位相シフトθ_thresholdと比較する。現在の位相シフトθ_ｎの方が大きい場合には、ステップ７８で、トリップが装置３０を切断し、それによってＤＧ２６を給電線２２から切断するトリップ信号を生成するためのコマンドを出す。現在の位相シフトθ_ｎが閾値位相シフトθ_thresholdに等しいか又はそれよりも小さい場合には、ステップ８０で、次の反復時に使用するための現在の周波数ｆ_ｎを記憶する。ステップ７０からステップ７６及びステップ８０は、現在の位相シフトθ_ｎが閾値位相シフトθ_thresholdよりも大きいとステップ７６により判定されるまで連続して繰り返される。次に、ステップ７８で、トリップ信号のためのコマンドを出し、プログラム５２をリセットする。

図５を参照すると、送電網切断プログラム６２の別の実施形態は、現在の位相変化θ_ｎが現在の周波数ｆｎと３つの前の周波数ｆ_ｎ?１、ｆ_ｎ?２及びｆ_ｎ?３とに基づいて求められる以外は図４に示した実施形態と同じである。図４に示したステップと同一の図５のステップには、同じ参照数字を付している。図４のステップ７４は、図５ではステップ８４に置き換えられ、ステップ８４では、現在の周波数ｆ_ｎと３つの前の周波数ｆ_ｎ?１、ｆ_ｎ?２及びｆ_ｎ?３とに基づいて位相シフトを求めることを行う。例えば、ステップ８４では、等式（３）を使用することができる。

プログラムステップのための命令が記憶されている場所に関係なく、それらプログラムステップをプロセッサによって実行した時、命令は、ＤＧを含む回路からの送電網切断の検出を可能にする技術的な効果をもたらす。

「第１」、「第２」、「第３」、「上方」、「下方」及びその他同種類の用語は、本明細書では種々の要素を修飾するために使用している場合がある点に留意されたい。これらの修飾語は、特に説明しない限り、修飾した要素への空間的、連続的或いは階層的な順序を意味するものではない。

本発明を１つ又はそれ以上の例示的な実施形態に関して説明してきたが、本発明の技術的範囲から逸脱することなく、本発明の要素に対して様々な変更を加えることができ、また本発明の要素を均等物で置き換えることができることは当業者には明らかであろう。さらに、本発明の技術的範囲から逸脱することなく、特定の状況又は物的要件を本開示の教示に適合させるように多くの修正を加えることができる。従って、本発明は、本発明を実施するために考えられる最良の形態として開示した１つ又は複数の特定の実施形態に限定されるものではなく、本発明は添付の特許請求の範囲の技術的範囲内に属する全ての実施形態を含むことになることを意図している。

送電網切断検出装置の実施形態を示すブロック図。 図１の装置の分散発電機の出力電圧を示す波形図。 図１の装置のコントローラを示すブロック図。 図３のコントローラの送電網切断検出プログラムを示すフロー図。 図３のコントローラの送電網切断検出プログラムを示すフロー図。

符号の説明

２０ 送電網
２２ 給電線
２４ 負荷
２６ 分散発電機
２８ 切断装置
３０ 切断装置
３６ 電圧測定装置
４０ コントローラ

Claims (3)

1. 分散発電機（２６）と少なくとも１つの負荷（２４）とを備えた回路として接続された給電線（２２）を有する送電網（２０）を含む電力システムにおけるアイランディングを防止する方法であって、
   前記分散発電機の出力における連続する周波数測定のみに基づいて電圧の位相シフトを求める段階（７４、８４）と、
   前記位相シフトを、前記給電線からの送電網の切断による位相シフトを示す閾値位相シフトと比較する段階（７６）と、
   前記位相シフトが前記閾値位相シフトよりも大きい場合には、前記給電線からの分散発電機の切断のためのコマンドを出す段階（７８）と、
   を含み、
   前記位相シフトが、次の等式によって求められ、
   ここで、θｔｏｔａｌは、該位相シフトであり、θｎ、θｎ−１及びθｎ−２は、それぞれ連続する前記現在の位相シフト、第１の前の位相シフト及び第２の前の位相シフトであり、ｆｎ、ｆｎ−１、ｆｎ−２、ｆｎ−３は、それぞれ前記電圧の現在のゼロクロッシングの周波数、第１の前のゼロクロッシングの周波数、第２の前のゼロクロッシングの周波数及び第３の前のゼロクロッシングの周波数である、
   方法。
2. 分散発電機（２６）と少なくとも１つの負荷（２４）とを備えた回路として接続された給電線（２２）を有する送電網（２０）を含む電力システムにおけるアイランディングを防止するためのコントローラ（４０）であって、
   プロセッサ（５０）と、メモリ（５４）と、入力／出力ユニット（５２）とを含み、前記メモリが、
   前記分散発電機の出力における連続する周波数測定のみに基づいて電圧の位相シフトを求める動作（７４、８４）と、
   前記位相シフトを、前記給電線からの送電網の切断による位相シフトを示す閾値位相シフトと比較する動作（７６）と、
   前記位相シフトが前記閾値位相シフトよりも大きい場合には、前記給電線からの分散発電機の切断のためのコマンドを出す動作（７８）と、
   を前記プロセッサに実行させる送電網切断プログラム（６２）を含み、
   前記位相シフトが、次の等式によって求められ、
   ここで、θｔｏｔａｌは、該位相シフトであり、θｎ、θｎ−１及びθｎ−２は、それぞれ連続する前記現在の位相シフト、第１の前の位相シフト及び第２の前の位相シフトであり、ｆｎ、ｆｎ−１、ｆｎ−２、ｆｎ−３は、それぞれ前記電圧の現在のゼロクロッシングの周波数、第１の前のゼロクロッシングの周波数、第２の前のゼロクロッシングの周波数及び第３の前のゼロクロッシングの周波数である、
   コントローラ。
3. 分散発電機（２６）と少なくとも１つの負荷（２４）とを備えた回路として接続された給電線（２２）を有する送電網（２０）を含む電力システムにおけるアイランディングを防止する制御を行うプロセッサのプログラムを備える記憶媒体であって、該プログラムが前記プロセッサに
   前記分散発電機の出力における連続する周波数測定のみに基づいて電圧の位相シフトを求める段階（７４、８４）と、
   前記位相シフトを、前記給電線からの送電網の切断による位相シフトを示す閾値位相シフトと比較する段階（７６）と、
   前記位相シフトが前記閾値位相シフトよりも大きい場合には、前記給電線からの分散発電機の切断のためのコマンドを出す段階（７８）と、
   を実行させ、
   前記位相シフトが、次の等式によって求められ、
   ここで、θｔｏｔａｌは、該位相シフトであり、θｎ、θｎ−１及びθｎ−２は、それぞれ連続する前記現在の位相シフト、第１の前の位相シフト及び第２の前の位相シフトであり、ｆｎ、ｆｎ−１、ｆｎ−２、ｆｎ−３は、それぞれ前記電圧の現在のゼロクロッシングの周波数、第１の前のゼロクロッシングの周波数、第２の前のゼロクロッシングの周波数及び第３の前のゼロクロッシングの周波数である、
   記憶媒体。