JP5774421B2 - 電力系統安定化システムおよび電力系統安定化方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、電力系統安定化システムおよび電力系統安定化方法に関する。

電力系統に落雷などの事故が発生した場合、事故除去リレーシステムによって高速かつ最小範囲での事故除去が行われ、系統への影響は最小限に抑えられる。しかし、事故除去リレーシステムの動作にもかかわらず、遮断器不動作などによる事故除去時間の遅延、広範囲な事故遮断、ルート断事故などの重大事故の発生などに起因して事故除去後の系統構成が大幅に変化したりする場合には、潮流急変、大幅な需給アンバランスなどを引き起こし、系統の異常現象が発生する場合がある。これを放置すると、発生した異常現象が電力系統全体へ波及して大停電に拡大する恐れがあるため、このような異常現象の発生を未然に防止したり、系統全体への波及拡大を防止したりする事故波及防止リレーシステムがある。

事故波及防止リレーシステムは、通称、電力系統安定化システムあるいは電力系統安定化装置と呼ばれ、対象とする電力系統における異常現象（脱調現象、周波数異常、電圧異常、過負荷）に応じて様々な種類がある。

以下、説明を簡単化するため、電力系統安定化システムの例として発電機や系統間の脱調現象の発生を未然に防止する脱調未然防止リレーシステムを用いて説明する。他の異常現象（周波数異常、電圧異常、過負荷）を対象とする電力系統安定化システムについても同様のことが言える。

電力系統安定化システムを制御内容の演算方式で分類すると、大きく分けて事前演算型と事後演算型の２つに分類される。

事後演算型は、事故中および事故後の系統情報を用いて将来の現象について予測計算を行い、その結果に基づき制御対象発電機などの制御量を演算して制御を実施する方式である。

一方、事前演算型は、事故および系統現象を想定して、事故前の系統情報を用いて制御量を予め演算、設定しておき、実際に事故が発生した場合、設定を参照して制御を実施する方式である。さらに事前演算型は、オフライン事前演算型とオンライン事前演算型に分類される。事前演算型は現象想定型と呼ばれることがある。

オフライン事前演算型はオフラインの詳細安定度計算に基づいて制御テーブルを決定するのに対し、オンライン事前演算型はオンラインで入手した系統情報（オンラインデータ）を用いて詳細安定度計算を実施して制御テーブルを作成する点が異なるが、想定する系統事故種別について事前に制御内容を演算して決定し、その結果を制御テーブルとして記憶しておき、事故発生時に事故種別と制御テーブルを照合して制御内容を決定する点は共通である。オンライン事前演算型の特徴は、オンラインデータを用いて制御テーブルを作成するので、現在の系統構成や運用状態に対応した安定化制御が可能なことである。

特開平９−５６０６９号公報 特開平７−２９８４９８号公報

電気学会技術報告 第８０１号「系統脱調・事故波及防止リレー技術」、（社）電気学会、２０００年１０月、ｐ５、ｐ６、ｐ５２、ｐ５４、ｐ５５、ｐ８５、ｐ８７、ｐ８８、ｐ８９

従来のオンライン事前演算型の電力系統安定化システムは、中央演算装置で全ての想定事故について安定度判定、電制機選択、および設定が完了した後に電制機の設定結果（制御テーブル）を演算装置へ送信している。すなわち、全ての想定事故についての電制機設定が終わるまで中央演算装置から演算装置への制御テーブルの送信は行われないため、想定事故ケースが多い場合に電制機の設定結果が演算装置に反映されるまでの時間が長くなるという問題がある。

発明が解決しようとする課題は、電制機の設定結果を直ちに制御に反映させて現在の系統状態に合った適切な制御を行うことを可能とするオンライン事前演算型の電力系統安定化システムおよび電力系統安定化方法を提供することにある。

実施形態に係る電力系統安定化システムは、電力系統の現在の接続状態および需給状態と予め記憶されている系統設備データに基づいて解析用系統モデルを作成して複数の想定事故データの各解析条件に対する電力系統の安定度を判定し、各想定事故が発生した際に電力系統の安定度維持に必要な電制機を制御テーブルとして設定する中央演算装置と、電力系統に事故が発生したことを起動条件として当該事故の種別を判定し検出する事故検出端末装置と、検出した事故種別を制御テーブルと照合して電制機を決定する演算装置と、この演算装置で決定した電制機を電力系統から解列する制御端末装置と、を備えて成るオンライン事前演算型の電力系統安定化システムにおいて、安定度判定、電制機選択、および制御テーブルへの電制機設定が完了した想定事故がある場合は、他の想定事故の処理完了を待つことなく、前記中央演算装置から前記演算装置へ電制機設定結果を示す制御テーブルを送信することを特徴とする。

第１の実施形態に係る系統安定化システムの構成の一例を示す図。 同実施形態に係る系統安定化システムを構成する各装置の設置の一例を示す図。 同実施形態に係る系統安定化システムで使用される制御テーブルの一例を示す図。 同実施形態に係る系統安定化システムの動作を示すフローチャート。 同実施形態に係る系統安定化システムで使用される制御テーブルの更新タイミングを示すタイムチャート。 第２の実施形態に係る系統安定化システムで使用される制御テーブルの更新タイミングを示すタイムチャート。 第３の実施形態に係る系統安定化システムの第１の動作を示すフローチャート。 同実施形態に係る系統安定化システムの第２の動作を示すフローチャート。 第４の実施形態に係る系統安定化システムの第２の動作を示すフローチャート。

以下、図面を参照して、実施の形態について説明する。

（第１の実施形態）
最初に、図１〜図５を参照して、第１の実施形態について説明する。なお、これらの図は、後述する第２〜第４の実施形態においても適宜使用する。

図１は、第１の実施形態に係る系統安定化システムの構成の一例を示す図である。

図１に示される系統安定化システムは、オンライン事前演算型の系統安定化システムであり、電力系統の接続状態および電力の需給状態を系統情報として給電情報網Ｎ経由で定周期で収集する系統情報収集手段１０１と、系統情報収集手段１０１により収集された系統情報とあらかじめ記憶されている系統設備データとに基づいて、現在の潮流状態を表わす解析用系統モデルを作成する系統モデル作成手段１０２と、系統モデル作成手段１０２により作成された解析用系統モデルと、あらかじめ記憶されている複数の想定事故種別データとに基づいて、複数の解析条件を設定する解析条件設定手段１０３と、解析条件設定手段１０３により設定された各解析条件に従って安定度計算を行ない、各解析条件に対する電力系統の安定度を判定し、各想定事故種別が発生した際に電力系統の安定度維持に必要な電制機（電源制限する発電機）を制御テーブルとして設定する安定度判定手段１０４と、電力系統に事故が発生したことを起動条件とし、当該事故の種別を判定し検出する事故種別検出手段１０６と、事故種別検出手段１０６により検出された事故種別と安定度判定手段１０４により設定された各想定事故種別に対する電制機を記録した制御テーブルとを照合して、電制機を決定する電制機決定手段１０５と、電制機決定手段１０５により決定された電制機を電力系統から解列する制御手段１０７と、を備えて成る。

ここで、上記解析条件設定手段１０３は、系統モデル作成手段１０２により作成された解析用系統モデルを記憶する系統モデル記憶部１０３ａと、想定する複数の事故種別データを記憶している想定事故種別記憶部１０３ｂと、系統モデル記憶部１０３ａおよび想定事故種別記憶部１０３ｂにそれぞれ記憶されている解析用系統モデルおよび想定事故種別データとを用いて、電制機の組み合わせを変えて複数の解析条件を設定する解析条件設定部１０３ｃとから成るものであることが望ましい。

また、上記安定度判定手段１０４は、解析条件設定手段１０３により設定された各解析条件を記憶する解析条件記憶部１０４ａと、当該解析条件記憶部１０４ａに記憶されている各解析条件に対して安定度計算を行なう安定度計算部１０４ｂと、当該安定度計算部１０４ｂによる計算結果を用いて、各解析条件に対する安定度を判定し、各想定事故種別が発生した際に電力系統の安定度維持に必要な電制機を求める安定度判定部１０４ｃと、安定度判定部１０４ｃの判定結果を制御テーブルとして設定する制御テーブル設定部１０４ｄと、から成るものであることが望ましい。

また、上記電制機決定手段１０５は、安定度判定手段１０４により設定された制御テーブルを記憶する制御テーブル記憶部１０５ａと、事故種別検出手段１０６により検出された事故種別と前記制御テーブルとを照合して、電制機を決定する照合処理部１０５ｂと、から成るものであることが望ましい。

前述の手段を備えて成るオンライン事前演算型の系統安定化システムは、中央演算装置９と演算装置１０と事故検出端末装置１１と制御端末装置１２で構成される。

図２は、本実施形態に係る系統安定化システムを構成する各装置の設置の一例を示す図である。

前述の中央演算装置９、演算装置１０、事故検出端末装置１１、および制御端末装置１２は、図２に示されるように信号線などの通信設備８により接続される。また、電力系統には、発電機１、母線２、変圧器あるいは送電線３、遮断器（ＣＢ）４、電流計測器（ＣＴ）５、電圧計測器（ＰＴ）６、事故除去リレーシステム７が存在する。

事故検出端末装置１１は変電所など、制御端末装置１２は発電所などにそれぞれ設置される。演算装置１０は他の装置との通信が可能な個所に設置される。事故検出端末装置１１や制御端末装置１２と同じ場所に設置されることもある。さらには、演算装置１０に、事故検出端末装置１１や制御端末装置１２の機能を含めて構成することもある。中央演算装置９は中央給電指令所など給電情報網Ｎと接続可能な個所に設置される。

図３は、制御テーブルの一例を示す図である。

制御テーブルは、項目として、「想定事故Ｎｏ．」，「想定事故ケース」，「電制機」が設けられている。「想定事故Ｎｏ．」の欄には、想定事故の種類を識別するための情報（番号１，２，３…）が記録される。「想定事故ケース」の欄には、事故の様相を示す情報（想定事故１，２，３…）が記録される。「電制機」の欄には、選択・設定した電制機を示す情報（Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３…）が記録される。なお、電制機は、想定事故時の安定度判定の結果が安定な場合は設定されず、不安定な場合に１つ又は複数の電制機が設定される。

本実施形態においては、中央演算装置９は、安定度判定、電制機選択、および制御テーブルへの電制機設定が完了した想定事故がある場合は、他の想定事故の処理完了を待つことなく、電制機設定結果を示す制御テーブルを演算装置１０へ送信する。

図４に、本実施形態に係るオンライン事前演算型の電力系統安定化システムの処理フローの一例を示す。また、図５に、制御テーブルの更新タイミングを示すタイムチャートの一例を示す。

図４に示されるように、中央演算装置９は、オンライン系統情報とあらかじめ記憶されている系統設備データとを用いて状態推定／系統縮約を行って、現在の潮流状態を表す解析用系統モデルを作成し（ステップＳ１）、これに基づき、想定事故ケース毎に、後述するステップＳ２〜Ｓ８の処理を行う。

中央演算装置９は、対象の想定事故のデータを所定の記憶領域に設定し（ステップＳ２）、解析用系統モデルと想定事故データに基づき、対象の想定事故の詳細安定度計算を行い（ステップＳ３）、事故が発生した場合の電力系統の安定度判定を行う（ステップＳ４）。そして、中央演算装置９は、電力系統の安定度が維持できないと判定した場合は（ステップＳ５のＮｏ）、安定度維持に必要な制御内容算出を行い、安定度維持に必要な電制機を選択し（ステップＳ６）、ステップＳ３からの処理を繰り返す一方で、電力系統の安定度が維持できると判定した場合は（ステップＳ５のＹｅｓ）、制御テーブルに電制機を設定し、電制機設定結果を示す制御テーブルを演算装置１０へ送信する（ステップＳ７）。そして、全ての想定事故ケースの処理が完了しなければ（ステップＳ８のＮｏ）、ステップＳ２からの処理を繰り返し、一方、全ての想定事故ケースの処理が完了したら（ステップＳ８のＹｅｓ）、終了する。中央演算装置９は，これら一連の処理（ステップＳ１〜Ｓ８）を定周期で繰り返し実施する。この処理によって，現在の電力系統の状態に応じた制御を可能としている。

上記の一連の処理からわかるように、全ての想定事故の詳細安定度計算、安定度判定、電制機選択の処理が完了するのを待たずに、制御テーブルへの電制機設定が完了した想定事故があれば、図５に示されるように、逐次、制御テーブルの送信を行う。

電制機設定が開始されてから電制機が演算装置に設定されるまでの時間Ｔｓは、概ね（１）式で表される。

ここで、Ｔｃｉ：想定事故ｉの安定度判定および電制機選択に要する時間
ｎ：想定事故ケース数
Ｔｄ：中央演算装置から演算装置へ電制機設定結果を示す制御テーブルを送信するのに要する時間
また、１つの想定事故、例えば想定事故１について電制機が演算装置に設定される時間Ｔｓ１は、概ね（２）式で表される。この時間Ｔｓ１は、従来のように全ての想定事故について電制機が演算装置に設定される時間よりもかなり短い。

この第１の実施形態によれば、中央演算装置９で演算した電制機選択結果を示す制御テーブルを早く演算装置１０に反映できるので、現在の系統構成や運用状態に対応した安定化制御が可能になり、電力系統における電力供給の信頼度を向上できる。

（第２の実施形態）
次に、図１〜図４を参照するとともに図６も参照して、第２の実施形態について説明する。

この第２の実施形態においては、第１の実施形態と重複する部分の説明を省略する。以下では、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。

本実施形態においては、中央演算装置９は、安定度判定、電制機選択、および制御テーブルへの電制機設定が完了した想定事故について電制機設定および送信を行う際、制御テーブル一式を演算装置１０へ送信するのではなく、制御テーブルのうち演算が終わった想定事故の電制機設定内容だけを送信する。

図６に、本実施形態における制御テーブルの更新タイミングを示すタイムチャートの一例を示す。

電制機設定の処理開始から電制機が演算装置に設定されるまでの時間Ｔｓは概ね（３）式で表される。この時間Ｔｓは、第１の実施形態における時間Ｔｓよりも短い。

ここで、Ｔｃｉ：想定事故ｉの安定度判定および電制機選択に要する時間
ｎ：想定事故ケース数
Ｔｄｉ：想定事故ｉの電制機設定結果を中央演算装置から演算装置へ送信するのに要する時間
また、１つの想定事故、例えば想定事故１について電制機が演算装置に設定される時間Ｔｓ１は概ね（４）式で表される。この時間Ｔｓ１は、第１の実施形態における時間Ｔｓ１よりも短い。

この第２の実施形態によれば、制御テーブルの伝送時間が短縮され、中央演算装置９で演算した電制機選択結果を示す制御テーブルを早く演算装置１０に反映できるので、現在の系統構成や運用状態に対応した安定化制御が可能になり、電力系統における電力供給の信頼度を向上できる。

（第３の実施形態）
次に、図１〜図６を参照するとともに図７，図８も参照して、第３の実施形態について説明する。

この第３の実施形態においては、第１，第２の実施形態と重複する部分の説明を省略する。以下では、第１，第２の実施形態と異なる部分を中心に説明する。

本実施形態においては、中央演算装置９から演算装置１０への電制機設定結果もしくはそれを示す制御テーブルの送信は、安定度判定、電制機選択、および制御テーブルへの電制機設定の処理と分離して非同期で行う。すなわち、中央演算装置９において、演算装置１０への電制機送信の処理完了を待つことなく、電制機設定の処理を行う。

図７，図８に、本実施形態に係るオンライン事前演算型の電力系統安定化システムの処理フローの一例を示す。なお、図４中の処理と共通する処理には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

中央演算装置９は、第１の機能により図７に示すステップＳ２〜Ｓ６，Ｓ７ａ，Ｓ８の一連の処理を行うとともに、これとは非同期に、第２の機能により図８に示すステップＳ７ｂの処理を行う。

すなわち、第１の機能は、図７に示されるように、想定事故ケース毎に、ステップＳ２〜Ｓ６，Ｓ７ａ，Ｓ８の処理を行い、例えばステップＳ５で電力系統の安定度が維持できると判定した場合は、電制機の設定を行う（ステップＳ７ａ）。一方、第２の機能は、図８に示されるように、第１に機能により設定された電制機設定結果もしくはそれを示す制御テーブルを演算装置１０へ送信する（ステップＳ７ｂ）。

この第３の実施形態によれば、第１，第２の実施形態の効果が得られるほか、中央演算装置９における電制機設定の処理は、演算装置１０への送信処理の影響を受けず行うことができ、電制機設定の処理周期を短縮することが可能となる。

（第４の実施形態）
次に、図１〜図８を参照するとともに図９も参照して、第４の実施形態について説明する。

本実施形態においては、中央演算装置９から演算装置１０への電制機設定結果もしくはそれを示す制御テーブルの送信は、演算装置１０から中央演算装置９に対して電制機設定もしくは制御テーブルの送信要求があった際に行う。

図９に、本実施形態に係るオンライン事前演算型の電力系統安定化システムの処理フローの一例を示す。

中央演算装置９は、第１の機能により前述の図７に示すステップＳ２〜Ｓ６，Ｓ７ａ，Ｓ８の一連の処理を行うとともに、これとは非同期に、第２の機能により図９に示すステップＳ１１，Ｓ１２，Ｓ７ｂの処理を行う。

すなわち、第２の機能は、図９に示されるように、演算装置１０からの電制機設定結果もしくは制御テーブルの送信要求信号の有無を監視し（ステップＳ１１）、送信要求があった場合に（ステップＳ１２のＹｅｓ）、第１に機能により設定された電制機設定結果もしくはそれを示す制御テーブルを演算装置１０へ送信する（ステップＳ７ｂ）。

この第４の実施形態によれば、第１〜第３の実施形態の効果が得られるほか、送信の処理は演算装置１０の判断で行うことができ、演算装置１０の処理能力に応じて処理を進めることができる。

以上詳述したように、各実施形態によれば、電制機の設定結果を直ちに制御に反映させて現在の系統状態に合った適切な制御を行うことを可能とするオンライン事前演算型の電力系統安定化システムおよび電力系統安定化方法を提供することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１…発電機、２…母線、３…送電線あるいは変圧器、４…遮断器（ＣＢ）、５…電流計測器（ＣＴ）、６…電圧計測器（ＶＴ）、７…事故除去リレーシステム、８…通信設備、９…電力系統安定化システムの中央演算装置、１０…電力系統安定化システムの演算装置、１１…電力系統安定化システムの事故検出端末装置、１２…電力系統安定化システムの制御端末装置、１０１…系統情報収集手段、１０２…系統モデル作成手段、１０３…解析条件設定手段、１０３ａ…系統モデル記憶部、１０３ｂ…想定事故種別記憶部、１０３ｃ…解析条件設定部、１０４…安定度判定手段、１０４ａ…解析条件記憶部、１０４ｂ…安定度計算部、１０４ｃ…安定度判定部、１０４ｄ…制御テーブル設定部、１０５…電制機決定手段、１０５ａ…制御テーブル記憶部、１０５ｂ…照合処理部、１０６…事故種別検出手段、１０７…制御手段。

Claims (3)

1. 電力系統の現在の接続状態および需給状態と予め記憶されている系統設備データに基づいて解析用系統モデルを作成して複数の想定事故データの各解析条件に対する電力系統の安定度を判定し、各想定事故が発生した際に電力系統の安定度維持に必要な電制機（電源制限する発電機）を制御テーブルとして設定する中央演算装置と、電力系統に事故が発生したことを起動条件として当該事故の種別を判定し検出する事故検出端末装置と、検出した事故種別を制御テーブルと照合して電制機を決定する演算装置と、この演算装置で決定した電制機を電力系統から解列する制御端末装置と、を備えて成るオンライン事前演算型の電力系統安定化システムにおいて、
   前記中央演算装置は、安定度判定、電制機選択、および制御テーブルへの電制機設定が完了した想定事故がある場合は、他の想定事故の処理完了を待つことなく、電制機設定結果もしくはそれを示す制御テーブルを前記演算装置へ送信することを特徴とする電力系統安定化システム。
2. 請求項１に記載の電力系統安定化システムにおいて、前記中央演算装置は、安定度判定、電制機選択、および制御テーブルへの電制機設定が完了した想定事故について電制機設定および送信を行う際、制御テーブル一式を前記演算装置へ送信するのではなく、制御テーブルのうち演算が終わった想定事故の電制機設定内容だけを送信することを特徴とする電力系統安定化システム。
3. 電力系統の現在の接続状態および需給状態と予め記憶されている系統設備データに基づいて解析用系統モデルを作成して複数の想定事故データの各解析条件に対する電力系統の安定度を判定し、各想定事故が発生した際に電力系統の安定度維持に必要な電制機を制御テーブルとして設定する中央演算装置と、電力系統に事故が発生したことを起動条件として当該事故の種別を判定し検出する事故検出端末装置と、検出した事故種別を制御テーブルと照合して電制機を決定する演算装置と、この演算装置で決定した電制機を電力系統から解列する制御端末装置と、を備えて成るオンライン事前演算型の電力系統安定化システムに適用される電力系統安定化方法において、
   安定度判定、電制機選択、および制御テーブルへの電制機設定が完了した想定事故がある場合は、他の想定事故の処理完了を待つことなく、電制機設定結果もしくはそれを示す制御テーブルを前記中央演算装置から前記演算装置へ送信することを特徴とする電力系統安定化方法。

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