JP5423357B2

JP5423357B2 - 電圧無効電力監視システム

Info

Publication number: JP5423357B2
Application number: JP2009272059A
Authority: JP
Inventors: 智久三谷; 康弘小島; 弘和大岡
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-11-30
Filing date: 2009-11-30
Publication date: 2014-02-19
Anticipated expiration: 2029-11-30
Also published as: JP2011115024A

Description

この発明は、電力系統の電圧、無効電力の監視を行う電圧無効電力監視システムに関するものである。

従来の電圧無効電力監視システムでは、Ｐ−Ｖ曲線（電力系統の総需要Ｐと負荷母線電圧Ｖの関係を示す曲線）の算出において、現在状態（現在の総需要）を始点とし総需要Ｐを１単位ずつ増加させながら繰り返し計算し、総需要Ｐに対する負荷母線電圧Ｖを算出することで負荷母線ごとのＰ−Ｖ曲線を作成する。この際、総需用電力がΔＬだけ増加した時、発電機母線および負荷母線における有効電力と無効電力の変化量は、以下の式にて指定される（例えば、特許文献１）。

ΔＰｉ＝ＫＧｉ×ΔＬ・・・（式１）
ΔＰｊ＝ＫＬｊ×ΔＬ・・・（式２）
ΔＱｊ＝ＰＦｊ×ΔＰｊ・・・（式３）
ただし、
ΔＰ：母線の有効電力の変化量
ΔＱ：母線の無効電力の変化量
ＫＧｉ：総需要に対する発電機有効電力出力ｉの配分比率
ＫＬｊ：総需要に対する有効電力負荷ｊの比率
ＰＦｊ：負荷ｊの有効電力に対する無効電力の比率
ｉ＝ｉ１、ｉ２、・・・、ｉｍ：発電機母線
ｊ＝ｊ１、ｊ２、・・・、ｊｎ：負荷母線

さらに、電力系統の状態を表す電力方程式は、電力系統の状態変数をｘ（母線電圧の大きさＶとその位相角δ）とすると、
ｐｉ（ｘ）＝０・・・（式４）
ｐｊ（ｘ）＝０・・・（式５）
ｑｊ（ｘ）＝０・・・（式６）
ここで、ｐ（ｘ）：母線有効電力の関数ベクトル、ｑ（ｘ）：母線無効電力の関数ベクトルを表す。

以上の（式４）、（式５）、（式６）の各式、及び発電機母線電圧Ｖｉは変化しないという一般的な仮定を用いると、従来技術においては発電機母線は有効電力Ｐｉ、及び電圧Ｖｉを、負荷母線は有効電力Ｐｊ、無効電力Ｑｊを、各々固定値として与えた連立方程式を解くことで、発電機無効電力Ｑｉ、負荷母線電圧Ｖｊ、及び母線位相角δを算出するものであったといえる。

特開平４−１２７８４２（２−３頁）

しかしながら、上記特許文献１に示された計算方法では各負荷母線ｊのみの最適化を局所的に行うので、系統全体で見た場合には必ずしも最適な状態とは言えず、Ｐ−Ｖ曲線も実態に即した精度のよいものではないという問題があった。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、電力系統全体で見た場合に実際の各母線における状態変数の動きに合致させて、精度のよいＰ−Ｖ曲線を算出することができるため、電力系統の運用者に対して正確な電圧安定性指標を提示することができる電圧無効電力監視システムを得ることを目的とする。

この発明に係る電圧無効電力監視システムによると、電力系統に関する系統情報が入力される電力系統情報入力手段と、系統情報をもとに電力系統の状態変数を推定する状態推定手段と、状態変数をもとに電力系統に属する発電機の発電機出力変化シナリオおよび電力系統に属する負荷の負荷増加シナリオを作成する需給増加シナリオ作成手段と、発電機出力変化シナリオおよび負荷増加シナリオにおいて、所定の目的関数を最小化するように状態変数を最適化した最適化状態変数を得る最適潮流計算手段と、最適化状態変数に基づいてＰ−Ｖ曲線の低め解を求める多根解析手段と、Ｐ−Ｖ曲線から電圧安定性余裕量ΔＰを算出するΔＰ計算手段と、電力系統に属する各装置の動作有無の状態情報を格納する装置動作格納手段と、状態情報を最適潮流計算手段に取り込む装置動作設定手段と、各装置の事故発生時に運転停止となる装置の装置番号の情報を格納する想定事故格納手段と、装置番号の情報を最適潮流計算手段に取り込む想定事故設定手段とを備え、最適潮流計算手段は、電力系統に属する各装置の状態を制御変数として扱い、各装置の動作有無について、動作有りで設定した各装置は変数として扱い、動作なしで設定した各装置は初期状態の固定タップ段数で扱うことを特徴とする。

この発明に係る電圧無効電力監視システムによると、最適潮流計算手段においては所定の目的関数が最小化されるように最適潮流計算を行った上でＰ−Ｖ曲線を定めており、またこの最適潮流計算手段においては電力系統に属する全ての負荷母線の状態変数を所定の規定値内に収めることができるため、電力系統全体で見た場合に実際の電力系統全体の動きに合致させることができる。
従って精度のよいＰ−Ｖ曲線を算出することができ、電力系統の運用者に対して正確な電圧安定性指標を提示することが可能となる。

本発明の実施の形態１に係る電圧無効電力監視システムの動作フローチャートである。本発明の実施の形態２に係る電圧無効電力監視システムにおいて、各装置と制御変数との対応を示す図である。本発明に係る電圧無効電力監視システムによるＰ−Ｖ曲線を示す図である。本発明の実施の形態２に係る電圧無効電力監視システムの動作フローチャートである。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係る電圧無効電力監視システムの動作フローチャートを示す。図１において、電力系統情報入力手段１は、情報伝送装置を介して電力系統に関する系統情報、すなわち母線電圧、送電線・変圧器の有効電力潮流値および無効電力潮流値、発電機の有効電力出力値および無効電力出力値、変圧器タップ値、ＬＰＣ（ＬｏｏｐＰｏｗｅｒＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）タップ値、ＡＶＱＣ装置（自動電圧無効電力調整装置）状態などの各種測定値が入力される。

次に、状態推定手段２において、前記電力系統情報入力手段１において入力された系統情報をもとに、電力系統の状態変数ｘ_０（母線電圧の大きさＶ_０とその位相角δ_０）の推定が行われる。この推定方法は公知の技術であるのでその説明は省略する。

需給増加シナリオ作成手段３では、状態推定手段２において推定された状態変数ｘ_０をもとに、電力系統に属する発電機の発電機出力変化シナリオおよび負荷の負荷増加シナリオの作成を行う。ここで、発電機出力変化シナリオとは、出力上限に達していない発電機を選んでその出力を増加させるシナリオのことである。また、負荷増加シナリオは、その日予想されている朝の立ち上がり負荷量と昼のピーク時の負荷量の差の比率から作成される。

最適潮流計算手段４では、需給増加シナリオ作成手段３において作成された発電機出力変化シナリオおよび負荷増加シナリオにおいて、以下に示す最適潮流計算を実施し、前記状態変数ｘ_０を最適化した最適化状態変数ｘ_１（母線電圧の大きさＶ_１とその位相角δ_１）を得る。ここで最適潮流計算とは、送電電力ロス量や発電機運転コストなどを所定の目的関数として定め、この目的関数を最小化するように系統の状態変数を求めるものである。

最適潮流計算については、制約付き最適化問題として例えば以下の（式７）のような数式として記述することができる。
ｍｉｎｉｍｉｚｅｆ（ｚ）；ｓｕｂｊｅｃｔｔｏｇ（ｚ）＝０、ｈ（ｚ）≦０
・・・（式７）
ここで、ｚ：変数ベクトル、ｆ（ｚ）：目的関数、ｇ（ｚ）：等式制約、ｈ（ｚ）：不等式制約を各々表す。

変数ベクトルｚは、全ての制御変数ｘ及び状態変数ｙを含んだものである。ここで状態変数ｘは電力系統の状態により決定される変数であり、前述の通り母線電圧の大きさＶとその位相角δがある。制御変数ｙは装置の操作により制御可能な変数であり、変圧器タップや発電機出力等がある。

よく用いられる目的関数ｆ（ｚ）としては、前述の発電機運転コスト、送電電力ロス量のほかに、制御変数偏差などがあり、各関数に重みを掛けて足し合わせたものを目的関数に用いる場合も多い。
等式制約ｇ（ｚ）には、各母線における潮流方程式がある。また、不等式制約ｈ（ｚ）には、装置の物理的制約と運用上の制約に分類することができるが、母線電圧制約、変圧器タップ制約、発電機出力制約、線路潮流制約などがある。

更に、本実施の形態においては、ＡＶＱＣ装置、変圧器タップ、ＬＰＣタップ、ＰＳＶＲ、ＳＶＣ、ＳＶＧ等の電力系統に属する各装置の状態を制御変数ｙとして扱うことにより、前記各装置の応答特性を考慮している。具体的な装置名称とその制御変数ｙとの対応を図２に示す。

多根解析手段５では、最適潮流計算手段４で得られた最適化状態変数ｘ_１に基づいて、公知の多根解析手法を用いて、Ｐ−Ｖ曲線の低め解を算出する。

以上説明したように需給増加シナリオ作成手段３、最適潮流計算手段４、多根解析手段５を経ることにより、Ｐ−Ｖ曲線上の１点を得ることができる。ここで現在状態（現在の総需要）を始点とし総需要Ｐを１単位ずつ増加させながら繰り返して低め解と併せて高め解も同様に計算し、低め解と高め解が一致するまで、すなわち電圧安定性限界に至るまでこの計算を繰り返す。尚、Ｐ−Ｖ曲線において低め解と高め解とが一致する需要量のことを電圧安定度限界総需要量と呼ぶ。

ΔＰ計算手段６は、前記需給増加シナリオ作成手段３、最適潮流計算手段４、多根解析手段５の繰り返し計算によって得られたＰ−Ｖ曲線および電圧安定度限界総需要量をもとに、各負荷母線の電圧安定性の余裕量ΔＰ（＝電圧安定度限界総需要量−現在の総需要量）を求める。

図３の曲線８は以上に基づいて描画を行ったＰ−Ｖ曲線の一例を示すものである。このＰ−Ｖ曲線８は、各装置の応答動作特性を考慮しているため鋸歯状の曲線となっており、鋸歯状の曲線のうちほぼ垂直に立ち上がる部分は離散値的に変化する各装置が動作したことを示し、その後に引き続く曲線は総需要の増加とともに電圧がなだらかに低下していることを示している。

最後に、表示手段７は、上記にて得られたＰ−Ｖ曲線、ΔＰ、ΔＶ（電圧余裕量＝現在状態の母線電圧−電圧安定度限界状態の電圧）を負荷母線ごとに画面に表示する。また、ΔＰが所定の閾値を下回り、電圧安定性余裕量ΔＰが十分に確保できない母線が存在する場合は、該当母線をリスト化し画面に表示する。

以上説明したとおり本実施の形態に係る電圧無効電力監視システムによると、最適潮流計算手段４においては所定の目的関数が最小化されるように最適潮流計算を行った上でＰ−Ｖ曲線を定めており、またこの最適潮流計算手段４においては電力系統に属する全ての負荷母線の状態変数を所定の規定値内に収めることができるため、電力系統全体で見た場合に実際の電力系統全体の動きに合致させることができる。
従って精度のよいＰ−Ｖ曲線を算出することができ、電力系統の運用者に対して正確な電圧安定性指標を提示することが可能となる。

また、本実施の形態に係る電圧無効電力監視システムによると、最適潮流計算手段４は、電力系統に属する各装置の状態を変数として扱うことにより、前記各装置の応答特性を考慮しており、更に実態の系統機器の動作に即した系統解析が可能となるため、より精度の高いＰ−Ｖ曲線を得ることができる。

さらに、本実施の形態に係る電圧無効電力監視システムによると、最適潮流計算手段４においては、送電電力ロス量を目的関数とし、この目的関数を最小化するように最適潮流計算を行うため、ここで得られたＰ−Ｖ曲線に基づいて系統監視を行うことにより、送電線における電力損失の低減、送電の効率化が図れ、引いてはＣＯ２削減による環境負荷低減を図ることができる

実施の形態２．
図４は本発明の実施の形態２に係る電圧無効電力監視システムの動作フローチャートを示す。本実施の形態では、実施の形態１と同様にＡＶＱＣ装置（自動電圧無効電力調整装置）、ＬＰＣタップ等の各種装置の動作条件（制御の除外設定など）を考慮するのに加えて、電力系統の想定事故も考慮した場合のＰ−Ｖ曲線を算出する。

実施の形態１では、各装置（ＡＶＱＣ装置など）が全て正常に動作し、且つ平常状態でのＰ−Ｖ曲線を作成しているが、この実施の形態２では、各装置の作業による停止や故障による制御不可を考慮した設定、および、電力系統における想定事故（送電線のルート断事故など）の設定を可能とする。このことにより、ＡＶＱＣ装置、ＬＰＣタップ等の動作を制限した、より電圧安定性の厳しい系統状態でのＰ−Ｖ曲線の作成が可能となり、更に電力系統内に事故が生じた際に電圧安定性を保つことができるかを解析することが可能となる。

以下、実施の形態２に係る電圧無効電力監視システムの動作を図４のフローチャートに基づいて説明する。尚、電力系統情報入力手段１、状態推定手段２、需給増加シナリオ作成手段３、最適潮流計算手段４、多根解析手段５、ΔＰ計算手段６、表示手段７については実施の形態１と同様であるため、その詳細な説明を省略する。

装置動作格納手段１０に、各装置（ＡＶＱＣ装置、変圧器、ＬＰＣ、ＰＳＶＲ、ＳＶＣ、ＳＶＧ）の動作有無の状態情報を格納する。動作有りで設定した装置は、後段の最適潮流計算手段４において変数として扱い、動作なしで設定した装置は最適潮流計算手段４において初期状態の固定タップ段数で扱う。装置動作設定手段１１では、装置動作格納手段１０に格納してある各装置の状態情報を最適潮流計算手段４に取り込む。

想定事故格納手段１２では、電力系統における想定事故において事故発生時に運転停止となる装置番号の情報を格納し、想定事故設定手段１３では、前記装置番号の情報を最適潮流計算手段４に取り込む。最適潮流計算手段４では、既に述べたとおり所定の制約条件の下で目的関数が最小化されるように、想定事故発生前後において電力系統最適状態を算出し、電圧安定性限界に至るまで多根解析手段５によって解を求めることにより、事故発生前後のＰ−Ｖ曲線を作成する。

ΔＰ計算手段６では、各母線のＰ−Ｖ曲線から想定事故発生前後の電圧安定性の余裕量ΔＰを計算する。想定事故発生後において、電圧安定性余裕量ΔＰが所定の閾値を下回った場合には、該当母線をリスト化し表示手段７により画面に表示を行う。

図３の曲線９は、想定事故発生後のＰ−Ｖ曲線を示す。想定事故がない場合のＰ−Ｖ曲線８と比較して、想定事故が発生した場合のＰ−Ｖ曲線９は、電圧安定性余裕量ΔＰが小さくなり、想定事故ケースや各装置の動作設定によっては、十分なΔＰが確保できない場合も想定される。なお、このＰ−Ｖ曲線９についてもＰ−Ｖ曲線８と同様に各装置の応答動作特性を考慮しているため鋸歯状の曲線となっている。

以上説明したとおり本実施の形態に係る電圧無効電力監視システムによると、実施の形態１に加えて、電力系統に属する各装置の動作有無の状態情報を格納する装置動作格納手段１０と、前記状態情報を最適潮流計算手段に取り込む装置動作設定手段１１と、各装置の事故発生時に運転停止となる装置の装置番号の情報を格納する想定事故格納手段１２と、装置番号の情報を最適潮流計算手段に取り込む想定事故設定手段１３とを更に備えているため、想定事故が発生した場合であっても、電力系統全体で見た場合に実際の電力系統全体の動きに合致させることができる。
従って精度のよいＰ−Ｖ曲線を算出することができ、電力系統の運用者に対して正確な電圧安定性指標を提示することが可能となる。

また、本実施の形態に係る電圧無効電力監視システムによると、上記各構成を備えているため、想定事故が発生した場合であっても、前記各装置の応答特性を考慮しており、更に実態の系統機器の動作に即した系統解析が可能となるため、より精度の高いＰ−Ｖ曲線を得ることができる。

１電力系統情報入力手段
２状態推定手段
３需給増加シナリオ作成手段
４最適潮流計算手段
５多根解析手法
６ ΔＰ計算手段
１０装置動作格納手段
１１装置動作設定手段
１２想定事故格納手段
１３想定事故設定手段

Claims

電力系統に関する系統情報が入力される電力系統情報入力手段と、
前記系統情報をもとに前記電力系統の状態変数を推定する状態推定手段と、
前記状態変数をもとに前記電力系統に属する発電機の発電機出力変化シナリオおよび前記電力系統に属する負荷の負荷増加シナリオを作成する需給増加シナリオ作成手段と、
前記発電機出力変化シナリオおよび前記負荷増加シナリオにおいて、所定の目的関数を最小化するように前記状態変数を最適化した最適化状態変数を得る最適潮流計算手段と、
前記最適化状態変数に基づいてＰ−Ｖ曲線の低め解を求める多根解析手段と、前記Ｐ−Ｖ曲線から電圧安定性余裕量ΔＰを算出するΔＰ計算手段と、
前記電力系統に属する各装置の動作有無の状態情報を格納する装置動作格納手段と、
前記状態情報を最適潮流計算手段に取り込む装置動作設定手段と、
前記各装置の事故発生時に運転停止となる前記装置の装置番号の情報を格納する想定事故格納手段と、
前記装置番号の情報を前記最適潮流計算手段に取り込む想定事故設定手段とを備え、
前記最適潮流計算手段は、前記電力系統に属する前記各装置の状態を制御変数として扱い、
前記各装置の動作有無について、動作有りで設定した前記各装置は変数として扱い、動作なしで設定した前記各装置は初期状態の固定タップ段数で扱うことを特徴とする電圧無効電力監視システム。
前記最適潮流計算手段は、前記各装置の応答特性を考慮することを特徴とした請求項１に記載の電圧無効電力監視システム。