JP4886666B2 - 電圧不平衡解消支援装置、支援方法およびそのプログラム - Google Patents

Description

本発明は、配電系統の電圧不平衡解消支援装置および、支援方法およびコンピュータにその支援方法を実行させるプログラムに関する。

電力会社としては、設備を有効利用して更なる電力供給コストを低減することが重要な課題となっている。また、情報機器をはじめとする重要負荷の増加により、電力品質の維持、向上の必要性が高まっている。
特に、電力品質の１つである電圧不平衡は、その増加により、設備利用率の低下、負荷の効率低下などを招くため、これらの問題が発生しないよう、電力会社として、必要に応じて電圧不平衡を軽減する管理が必要になる。

電圧不平衡が存在すると、系統側では、設備利用率の低下、電圧降下の増大、需要家側では、誘導電動機の加熱、効率低下、トルク減少、出力制限を招く。したがって、これらの問題が発生しないよう、電圧不平衡を常に許容限度値（管理目標）以下に管理する必要がある。

電圧不平衡を軽減する対策としては、１）負荷の適切な組合せ、２）平衡三相−二相変換用変圧器による単相負荷の接続、３）ＭＧ（モータ／ゼネレータ）またはインバータによる単相負荷の接続、４）リアクトルおよびコンデンサによる補償、などがある。
ここで、１）負荷の適切な組合せは、柱上変圧器などの小容量の単相交流負荷が数多くある場合、これらの負荷を適切に組合せて三相交流系統に接続し、実効的に負荷を平衡させる方法である。一般的に広く行われている方法であり、簡単な割にもっとも効果のある不平衡対策である。

非特許文献１では、不平衡軽減対策として、単相負荷接続相の切り替えをターゲットとし、不平衡電圧を解消するための負荷移動量を算出する手法が示されている。
測定された不平衡電圧値と、潮流計算から得られる負荷を増減させた場合の電圧変化度合いを示す感度により、不平衡を解消するために必要となる負荷移動量を最適化問題を解くことで求める。
目的関数として負荷移動量最小が定義される。また、相電圧上下限制約、負荷移動量上下限制約、相間負荷移動制約が定義される。

非特許文献２では、分散型電源が連系された配電系統の電圧不平衡を改善するために、単相負荷の接続替えの最適計画案の決定を支援する計算手法が示されている。
送り出し電圧、負荷、ならびに分散型電源出力が変動する複数の時間断面（例えば２４時間毎の時間断面）において、最大電圧不平衡率を指定値以下に抑制するという制約条件下で、単相負荷の接続替えの総数が最小となる単相負荷の接続状態を決定する計算アルゴリズムが提案されている。
目的関数として接続替えされた単相負荷の総数すなわち接続替えの総回数の最小化が定義される。また、各ノードの単相負荷の接続制約すなわち単相負荷が三相のうちいずれか一相に接続されていなければならないという制約や、最大電圧不平衡率の許容範囲制約が定義される。
武藤、他：「配電系統不平衡解消支援手法の開発(１)」，平成１２年電気学会電力・エネルギー部門大会，２０００年，３１６ 林、他：「単相負荷の接続替えによる三相電圧不平衡の改善支援手法」，電気学会論文誌Ｂ，２００５年，１２５巻，４号，ｐ．３６５−３７２

しかしながら、非特許文献１では、単一時間断面のみを対象に電圧不平衡を軽減するための負荷移動量を算出しているので、その他の電圧不平衡の様相が異なる時間断面において、電圧不平衡を軽減できない場合が考えられる。
実際の配電系統では、上位系統の電圧不平衡様相、配電系統の負荷需要の変化により、電圧不平衡の様相が変化しており、電圧不平衡の様相の異なる複数の時間断面にわたる状態を考慮した対策が重要となる。

また、非特許文献２では、配電系統の三相電圧を計算し、電圧不平衡率を定量的に評価するために、三相、単相負荷の正確で詳細な負荷容量、需要率などの負荷情報が必要となる。しかし、実際の配電系統においては、計算に必要なすべての負荷の詳細な情報を把握することは不可能と考えられる。さらに、接続されている単相負荷の全容量を接続替えする方式のため、系統、負荷条件によっては、制約を満足する解が得られない場合が考えられる。
この対策として、単相負荷の全容量を接続替えする方式を改善するには、単相負荷を適当な容量に分割して複数の単相負荷として扱う方法が考えられる。しかし、接続替え対象とする単相負荷の増加により、計算時間の大幅な増加が懸念される。また、単相負荷を適当な容量に分割しても、接続替え対象とする単相負荷容量は離散値となるという問題がある。

したがって、本発明の課題は、電圧不平衡の様相の異なる複数の時間断面において、電圧不平衡を軽減できる負荷移動量を算出する不平衡解消支援装置、支援方法およびコンピュータにその支援方法を実行させるプログラムを提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の不平衡解消支援装置は、配電系統の複数時間断面の計測情報を格納する計測情報データベースと、配電系統の系統構成と線路インピーダンスとを格納する設備情報データベースと、配電系統の負荷定格容量と複数時間断面の負荷需要率または日負荷曲線とを格納する負荷情報データベースと、不平衡率許容値および前記各データベースから出力される各情報から線間電圧変化量上下限値と負荷移動量上下限値とを算出する上下限値算出部と、前記上下限値算出部により算出された前記線間電圧変化量上下限値と前記負荷移動量上下限値とに基づいて電圧不平衡の最小化を目的関数として配電系統の複数時間断面の電圧不平衡を解消するための負荷移動量を最適化計算により求める負荷移動量算出部とで構成することを特徴とする。

本発明の電圧不平衡解消支援装置によると、電圧不平衡の様相の異なった時間断面における異なる複数の状態を考慮して、電圧不平衡を軽減できる負荷移動量を算出することが可能になる。こうして算出された負荷移動量を参考に、単相負荷接続相の切り替えを行うことで、電圧不平衡の軽減が可能となり、電力品質の維持、向上が期待される。また、電圧不平衡の軽減により、設備利用の不平衡が改善され、電力供給能力の向上が可能となる。その結果、設備有効利用による電力供給コスト低減が期待される。

電圧不平衡は三相交流の各相電圧の異なる度合いを表す。指標としては、一般に電圧不平衡率が用いられる。電圧不平衡率は（式1a）〜（式1b）で表される。

本発明は、この電圧不平衡率を基に、電圧不平衡の解消を支援する装置とその方法を実現するものである。

≪第１の実施形態≫
以下、本発明における第１の実施形態について、図面に沿って詳細に説明する。

図１は、本発明の電圧不平衡解消支援装置の一実施形態の構成図である。
電圧不平衡解消支援装置１０は、計測情報データベース１１、設備情報データベース１２、負荷情報データベース１３、上下限値算出部１４、負荷移動量算出部１５により構成される。さらに、周辺の装置として各データベース１１，１２，１３にデータを入力する入力装置１６と負荷移動量算出部１５からの出力を受ける出力装置１７とを備えている。
入力装置１６はユーザ入力（ユーザからの入力）を受け付けるキーボード、マウスやスキャナ、デジタイザ、データを入力するために通信回線を介して接続される端末装置や計測装置が含まれる。出力装置１７には、モニタやプリンタのほか、通信回線を介して接続され電圧不平衡解消を制御する制御装置が含まれる。

計測情報データベース１１には、配電系統内の電圧不平衡を解消したい地点（以下、不平衡解消地点と呼ぶ）の複数時間断面の線間電圧などの計測情報が格納される。これらの計測情報は、入力装置１６を介して、ユーザ入力、または、配電自動化システムなどからの通信伝送などにより設定される。
設備情報データベース１２には、配電系統の配電線、負荷、分散型電源などの接続状態を表す系統構成データ、線路インピーダンスなどの情報が記憶されている。これらの情報は、入力装置１６を介して、ユーザ入力または、配電自動化システムなどからの通信伝送などにより設定される。

負荷情報データベース１３には、電圧不平衡を解消するために調整する負荷（以下、調整負荷と呼ぶ）の負荷定格容量（設備容量）、複数時間断面の負荷需要率などの情報が格納される。負荷需要率は、負荷定格容量（設備容量）に対する実際の負荷消費電力で定義される。なお、負荷需要率は、需要率の日負荷曲線と時間情報として設定しても良い。これらの負荷情報は、入力装置１６を介して、ユーザ入力、または、配電自動化システムなどからの通信伝送などにより設定される。

上下限値算出部１４は、ユーザ入力により設定される電圧不平衡率許容値、および、前記計測情報データベース１１、前記設備情報データベース１２、前記負荷情報データベース１３の各情報から、後述の負荷移動量算出部１５での最適化計算で使用する線間電圧変化量上下限値、負荷移動量上下限値を算出する。
ここで、電圧不平衡率許容値は、計算時にユーザ入力により設定されることとしたが、前記計測情報などと同様に、事前に前記計測情報データベース１１などに設定、格納しておき、計算時に参照しても良い。

負荷移動量算出部１５は、前記上下限値算出部１４により算出された線間電圧変化量上下限値、負荷移動量上下限値に基づいて配電系統の複数時間断面の電圧不平衡を解消するための負荷移動量を電圧不平衡の最小化を目的関数として最適化計算により求める。

次に、電圧不平衡解消支援装置の処理内容について説明する。
図２は、電圧不平衡解消支援手法の処理手順を示すフローチャートである。以下、処理手順の内容について説明する。

電圧不平衡解消支援処理が開始されると、まず、ステップＳ１では、計測情報の設定を行う。ここでは、不平衡解消地点の複数時間断面の線間電圧などの情報（系統電圧など）を計測情報データベース１１に設定する。これらの計測情報は、入力装置１６を介してユーザ入力、または、配電自動化システムなどからの通信伝送などにより設定される。また、各不平衡解消地点毎の電圧不平衡率許容値がユーザ入力により設定される。
次に、ステップＳ２では、負荷情報の設定を行う。ここでは、調整負荷の各相間の負荷定格容量（設備容量）、複数時間断面の負荷需要率などの情報を負荷情報データベース１３に設定する。これらの負荷情報は、入力装置１６を介してユーザ入力、または、配電自動化システムなどからの通信伝送などにより設定される。

ステップＳ３では、後述の負荷移動量の最適化計算で使用する線間電圧変化量上下限値の計算を行う。線間電圧変化量上下限値は、電圧不平衡率許容値を満足するために、変化させなければならない線間電圧の変化量の範囲を表す。線間電圧変化量上下限値の計算では、まず、線間電圧の三相平均値、線間電圧のばらつきと電圧不平衡率の関係、および、電圧不平衡率許容値から、線間電圧の上下限値を求める。次に、線間電圧の上下限値、各相の線間電圧の計測情報から、各相の線間電圧変化量上下限値を求める。この計算を各不平衡解消地点の各相について実行する。

ステップＳ４では、後述の負荷移動量の最適化計算で使用する負荷移動量上下限値の計算を行う。負荷移動量上下限値は、電圧不平衡を解消するために調整できる最大負荷定格容量（設備容量）を表す。負荷移動量上限値は、自相以外の２相の負荷定格容量の合計により求める。負荷移動量下限値は、自相の負荷定格容量となる。
ステップＳ５では、感度係数の計算を行う。この感度係数は、調整負荷の有効電力および無効電力の変化に対する不平衡解消地点の線間電圧の変化を表す係数である。この計算方法の詳細は後述する。

ステップＳ６では、負荷移動量の最適化計算を行う。負荷移動量の計算では、線間電圧変化量上下限値、負荷移動量上下限値に基づいて、不平衡解消地点での複数時間断面の電圧不平衡率許容値を満足するための、すなわち電圧不平衡を解消するための負荷移動量を求める。ここで、負荷移動量は感度係数などを用いて問題を二次計画問題として定式化を行い、それを最適化計算プログラムで解くことで計算することができる。定式化方法の詳細は後述する。最適化計算プログラムとしては一般的な二次計画法を解くアルゴリズムを用いることで、一意に解が得られる。これで一連の処理が終了する。

ここで、図２のステップＳ６で行う最適化計算のための定式化の詳細について説明する。前述の負荷移動量計算問題は、二次計画法として定式化される。
まず、目的関数について説明する。目的関数は、線間電圧変化量の計測値と計算値の差に重み係数をかけたものの総和とし、（式２）で定義される。

ここで、yは線間電圧変化量の計測値と計算値の差を定義する中間変数であり、（式３a）〜（式３b）で定義される。

これらの式は、二次計画問題の中の等式制約として扱われる。ここで、ΔL_jyは、ノードjの相間yに接続される調整負荷の負荷定格容量（設備容量）の移動量を表す。ΔL_jyが最適化問題の変数となる。

次に、不等式制約として、線間電圧変化量の上下限制約を定式化する。これは、不平衡解消地点における線間電圧の変化量に上下限を設ける制約である。線間電圧変化量の上下限制約は（式４a）〜（式４e）で定義される。

続いて、負荷移動量の上下限制約を定式化する。これは、各調整負荷の移動量に上下限を設ける制約である。負荷変化量の上下限制約は（式５a）〜（式５c）で定義される。

ここで、相間負荷移動制約を等式制約に追加し定式化しても良い。相間負荷移動制約により、他のノードへの負荷の移動を制限し、同一ノードの負荷を他相につなぎ換えることだけで不平衡を解消することが可能となる。相間負荷移動制約は（式６）で定義される。

次に（式３a）、（式４a）で用いた感度係数αについて説明する。ここで、感度係数αは、図３に示すように、例えばノードjの相間yに接続された負荷（調整負荷L_jy）をΔL_jy変化させた場合に、ノードiの線間xの線間電圧変化量を表す指標である。これらの指標は、初期系統条件から負荷を微少量変化させて潮流計算を行い、初期系統条件での潮流計算結果との偏差を求めることで把握することができる。感度係数αの計算式は（式７）で表される。

以上のように定式化された二次計画問題を解くことで、負荷移動量ΔLを得ることができる。
したがって、本発明は、配電系統に設置された計測装置などによる複数の時間断面の電圧計測値から、電圧不平衡の様相の異なる複数の時間断面を考慮して、電圧不平衡を軽減できる負荷移動量を算出することができ、その計算結果を電圧不平衡解消の支援に適用することができる。

≪第２の実施形態≫
続いて、本発明の電圧不平衡解消支援プログラムを用いて電圧不平衡解消支援装置を実現する場合について説明する。
図４は、電圧不平衡解消支援プログラムを用いた電圧不平衡解消支援装置の第２の実施形態の構成図である。
以下、本実施形態の電圧不平衡解消支援装置の構成について説明する。

第２の実施形態における電圧不平衡解消支援装置４０は、表示装置４１、キーボードやマウス等の入力手段４２、ＣＰＵ（Central Processing Unit）４３、通信手段４４、ＲＡＭ（Random Access Memory）４５および計測情報データベース５１、設備情報データベース５２、負荷情報データベース５３、プログラムデータベース５４からなる各データベースを有し、これらがバス線６０に接続されている。
ＣＰＵ（コンピュータ）４３は、計算プログラムを実行して表示すべき画像データの指示、各種データベース内のデータの検索等を行う。
ＲＡＭ４５は表示用の画像データ、潮流計算結果、最適化計算結果等の計算結果データを一旦格納するメモリであり、ＣＰＵ４３によって必要な画像データを生成して表示ディスプレイ画面などの表示装置４１に表示する。

第２の実施形態の電圧不平衡解消支援装置４０内の記憶部には、計測情報データベース５１、設備情報データベース５２、負荷情報データベース５３、プログラムデータベース５４が格納される。
計測情報データベース５１、設備情報データベース５２、負荷情報データベース５３は、図１に示した電圧不平衡解消支援装置１０の第１の実施形態の各データベース１１〜１３と同様の情報を格納する。

計測情報データベース５１には、配電系統内の電圧不平衡を解消したい不平衡解消地点の複数時間断面の線間電圧などの計測情報が格納される。これらの計測情報は、入力手段４２によるユーザ入力、または、配電自動化システムなどからの通信伝送などにより通信手段４４を介して設定される。

設備情報データベース５２には、配電系統の配電線、負荷、分散型電源などの接続状態を表す系統構成データや線路インピーダンスなどの情報が記憶されている。
負荷情報データベース５３には、電圧不平衡を解消するために調整する調整負荷の負荷定格容量（設備容量）、複数時間断面の負荷需要率などの情報が格納される。負荷需要率は、負荷定格容量（設備容量）に対する実際の負荷消費電力で定義される。なお、負荷需要率は、需要率の日負荷曲線と時間情報として設定しても良い。これらの負荷情報は、入力手段４２によるユーザ入力、または、配電自動化システムなどからの伝送などにより通信手段４４を介して設定される。

プログラムデータベース５４は、計算プログラムである、潮流計算プログラム、電圧不平衡解消支援プログラム、最適化計算プログラムを格納する。これらのプログラムは必要に応じてＣＰＵ４３に読み出され、計算が実行される。

電圧不平衡解消支援プログラムを用いた電圧不平衡解消支援装置４０の計算手順は、図２に示した電圧不平衡解消支援手法の処理手順と同様である。したがって、ここでは計算手順の説明は省略する。

以上のように、本発明の電圧不平衡解消支援プログラムをコンピュータに適用しても、前述の電圧不平衡解消支援装置１０と同様に、電圧不平衡を軽減できる負荷移動量を算出することができる。

最後に、参考までに非特許文献２で述べられた接続状態数について触れておく。この接続状態数は（式８）で表される。仮に、単相負荷５、接続替え（上限）制約２の条件で計算すると、接続状態数は５０となり、２４時間断面の場合、計算回数は（最大）１２００回となる。配電系統の主な単相負荷は柱上変圧器であり、（１配電線あたり数１０〜数１００台程度と）設置台数が多い傾向にある。従って、実際の配電系統に適用した場合、相当な計算回数、計算時間が必要になると考えられる。

電圧不平衡解消支援装置の第１の実施形態の構成を示すブロック図である。 電圧不平衡解消支援手法の処理手順を示すフローチャートである。 感度係数の求め方を補足する説明図である。 電圧不平衡解消支援プログラムを用いた電圧不平衡解消支援装置の第２の実施形態の構成図である。

符号の説明

１０ 電圧不平衡解消支援装置
１１ 計測情報データベース
１２ 設備情報データベース
１３ 負荷情報データベース
１４ 上下限値算出部
１５ 負荷移動量算出部
１６ 入力装置
１７ 出力装置
４０ 電圧不平衡解消支援装置
４１ 表示装置
４２ 入力手段
４３ ＣＰＵ（コンピュータ）
４４ 通信手段
４５ ＲＡＭ
５１ 計測情報データベース
５２ 設備情報データベース
５３ 負荷情報データベース
５４ プログラムデータベース
６０ バス線

Claims (4)

1. 配電系統の電圧不平衡の解消を支援する電圧不平衡解消支援装置であって、
   配電系統の複数時間断面の計測情報を格納する計測情報データベースと、
   配電系統の系統構成と線路インピーダンスとを格納する設備情報データベースと、
   配電系統の負荷定格容量と複数時間断面の負荷需要率とを格納する負荷情報データベースと、
   不平衡率許容値および前記各データベースから出力される各情報から線間電圧変化量上下限値と負荷移動量上下限値とを算出する上下限値算出部と、
   前記上下限値算出部により算出された前記線間電圧変化量上下限値と前記負荷移動量上下限値とに基づいて電圧不平衡の最小化を目的関数として配電系統の複数時間断面の電圧不平衡を解消するための負荷移動量を最適化計算により求める負荷移動量算出部と、
   を備えることを特徴とする配電系統の電圧不平衡解消支援装置。
2. 前記負荷移動量算出部は、負荷の変化に対する電圧の変化量を表す感度係数に基づいて電圧不平衡を解消するための負荷移動量を算出すること、
   を特徴とする請求項１に記載の配電系統の電圧不平衡解消支援装置。
3. 配電系統の電圧不平衡の解消を支援する電圧不平衡解消支援方法であって、
   配電系統の複数時間断面の計測情報を計測情報データベースに記憶する手順と、
   配電系統の系統構成と線路インピーダンスとを設備情報データベースに記憶する手順と、
   配電系統の負荷定格容量と複数時間断面の負荷需要率とを負荷情報データベースに記憶する手順と、
   不平衡率許容値および前記各データベースから出力される各情報から線間電圧変化量上下限値と負荷移動量上下限値とを算出する手順と、
   前記上下限値を算出する手順により算出された前記線間電圧変化量上下限値と前記負荷移動量上下限値とに基づいて電圧不平衡の最小化を目的関数として配電系統の複数時間断面の電圧不平衡を解消するための負荷移動量を最適化計算により求める手順と、
   を備えることを特徴とする配電系統の電圧不平衡解消支援方法。
4. コンピュータに、配電系統の複数時間断面の計測情報を格納する計測情報データベース、配電系統の系統構成と線路インピーダンスとを格納する設備情報データベースおよび配電系統の負荷定格容量と複数時間断面の負荷需要率とを格納する負荷情報データベースの各データベースを構築させるとともに、前記コンピュータを不平衡率許容値および前記各データベースから出力される各情報から線間電圧変化量上下限値と負荷移動量上下限値とを算出する上下限値算出部と、前記上下限値算出部により算出された前記線間電圧変化量上下限値と前記負荷移動量上下限値とに基づいて電圧不平衡の最小化を目的関数として配電系統の複数時間断面の電圧不平衡を解消するための負荷移動量を最適化計算により求める負荷移動量算出部として機能させること、
   を特徴とする配電系統の電圧不平衡解消支援プログラム。

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