JP5959312B2

JP5959312B2 - 電圧無効電力制御システム

Info

Publication number: JP5959312B2
Application number: JP2012120169A
Authority: JP
Inventors: 小和田　靖之; 靖之小和田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-05-25
Filing date: 2012-05-25
Publication date: 2016-08-02
Anticipated expiration: 2032-05-25
Also published as: JP2013247785A

Description

本発明は、電圧無効電力制御システムに関する。

一般に、電力系統においては、負荷の状態によって電力の電圧及び無効電力が変化する。このことから電力系統の運用にあたっては電圧及び無効電力を目標値内に調整するようにしている。電圧および無効電力の調整は、電圧無効電力制御（ＶｏｌｔａｇｅＲｅａｃｔｉｖｅｐｏｗｅｒＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）装置もしくはシステムにて電圧無効電力制御機器を制御することにより行われる。

電圧無効電力制御機器としては、電力系統に設けられた電力用コンデンサ（ＳＣ）や分路リアクトル（ＳｈＲ）等の調相設備、タップ付変圧器のタップが用いられる。ＶＱＣシステムは、電力系統の電圧及び無効電力とタップ付変圧器のタップ位置と調相設備の動作情報とに基づいて、タップ付変圧器のタップ位置と調相設備をそれぞれ制御して電圧及び無効電力を目標値内に調整するように構成されている（例えば、特許文献１）。

特開２０１０−５１０９７号公報

３つ以上の電圧レベル（Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３）を有する変電所に上記ＶＱＣシステムを設置する場合、一般的には、高中圧（Ｖ１，Ｖ２）用ＶＱＣ装置と中低圧（Ｖ２，Ｖ３）用ＶＱＣ装置の２つを用い、それぞれが独立に電圧無効電力制御機器を操作するように構成される場合が多い。この場合、中圧母線電圧（Ｖ２）を２つのＶＱＣ装置にて制御するため、母線電圧の状況によっては、ほぼ同一時刻に制御指令を出力する可能性がある。

また、一方のＶＱＣ装置が出力した制御指令による電力系統の擾乱が収まる前に、他方のＶＱＣ装置が制御指令を出力する可能性がある。その際、電圧値及び無効電力値が目標値内に収まらないことがある。そのため、高中圧用ＶＱＣ装置または中低圧用ＶＱＣ装置の何れかが再度制御指令を出して、電圧及び無効電力を目標値内に収めることになる。電圧無効電力制御機器の操作は１日に数十回と頻繁に行われる。電圧無効電力制御機器は、操作回数を目安にメンテナンスを実施するため、不要な操作回数が増えるとメンテナンス間隔が短くなるという問題がある。また、前述したように、不要な操作により電力系統に不要な擾乱を与えてしまう。

このような課題に対処するため、例えば、上記特許文献１においては、各ＶＱＣ装置の制御出力予定時間が接近している場合に、これが離れるよう、何れかのＶＱＣ装置の出力時間を遅延させるという手法が提案されている。この手法を用いれば、機器の操作回数をある程度削減できるとは考えられる。

しかしながら、この特許文献１の手法では、２つの電圧レベルを想定した従来の制御平面を踏襲しており、ＶＱＣ装置間の相互影響については本質的には回避できていないことから、その効果については自ずと限界があるという問題点があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、より少ない機器操作での電圧制御を実現できる電圧無効電力制御（ＶＱＣ）システムを得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、電力系統の電圧レベルが異なる３つの母線のうち、高圧母線と中圧母線との間に接続された第１のタップ付変圧器と、前記中圧母線と低圧母線との間に接続された第２のタップ付変圧器と、これら第１および第２のタップ付変圧器の１次側および２次側の状態量をそれぞれ制御する複数の調相設備とが設けられる構成に適用され、前記状態量を監視し、前記第１のタップ付変圧器におけるタップ位置（第１のタップ位置）、前記第２のタップ付変圧器におけるタップ位置（第２のタップ位置）および前記調相設備に対する制御指令を出力して前記状態量を目標値内に調整する電圧無効電力制御システムにおいて、２つある制御平面のうち、一方の制御平面には全ての調相設備を制御対象とする制御内容と、前記第１のタップ位置を制御対象とする制御内容とが含まれ、他方の制御平面には前記第２のタップ位置を制御対象とする制御内容が含まれることを特徴とする。

この発明によれば、より少ない機器操作での電圧制御を実現できる、という効果を奏する。

図１は、本発明の実施の形態１に係るＶＱＣシステムの実施例を示す構成図である。図２は、ＶＱＣシステムにて実行する演算内容の一例を示すフローチャートである。図３は、実施の形態１に係る制御演算を実行する際に用いる制御平面の一例を示す図である。図４は、実施の形態２に係る制御演算を実行する際に用いる制御平面の一例を示す図である。図５は、実施の形態３に係る制御演算を実行する際に用いる制御平面の一例を示す図である。図６は、実施の形態４に係る制御演算を実行する際に用いる制御平面の一例を示す図である。図７は、比較例としての一般的な制御平面を示す図である。

以下に添付図面を参照し、本発明の実施の形態に係る電圧無効電力制御システム（以下「ＶＱＣシステム」という。）について説明する。なお、以下に示す実施の形態により本発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係るＶＱＣシステムの実施例を示す構成図である。実施の形態１に係るＶＱＣシステム１１は、例えば図示のように、３つの電圧レベルに区分される母線（高圧母線１、中圧母線２および低圧母線３）を有する電力系統（変電所など）に設置される。高圧母線１と中圧母線２との間には、第１のタップ付変圧器であるタップ付き変圧器４が接続され、中圧母線２と低圧母線３との間には、第２のタップ付変圧器であるタップ付き変圧器５が接続される。タップ付き変圧器４の３次側には調相設備６が接続され、タップ付き変圧器５の３次側（３次巻線）には調相設備７が接続される。高圧母線１、中圧母線２および低圧母線３には、それぞれ電圧検出器８，９，１０が接続され、それぞれが測定した母線電圧Ｖ１、母線電圧Ｖ２および母線電圧Ｖ３は、一定周期でＶＱＣシステム１１に取り込まれる構成である。なお、図１では、調相設備６，７がタップ付き変圧器４，５の各３次巻線にそれぞれ接続される構成を例示したが、調相設備６，７が互いに異なる何れかの母線に接続される構成であっても構わない。

ＶＱＣシステム１１は、着目する状態量を監視し、当該状態量に基づいて制御の要否を判定して必要な制御を行うが、その処理の一例を図２にフローチャートとして示している。ステップＳＴ１では、母線電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３の計測値を取り込み、それらの各実効値を算出する。ステップＳＴ２では、ステップＳＴ１にて算出した電圧実効値と後述する制御平面にて規定されるしきい値との間の偏差を算出し、それらの各偏差を積分演算する。ステップＳＴ３では、積分値があらかじめ定めたしきい値を超えたか否かの動作判定を行うと共に、積分値がしきい値を超えた場合に、制御平面により定められた内容に従って、制御対象を選択する処理を実行する。

図３は、実施の形態１に係る制御演算を実行する際に用いる制御平面の一例を示す図であり、制御平面１と制御平面２による２つの制御平面を有している。制御平面１は、調相設備６，７およびタップ付き変圧器４におけるタップ（Ｔａｐ１）の制御要否を決定するものであり、制御平面２は、タップ付き変圧器５におけるタップ（Ｔａｐ２）の制御要否を決定するものである。制御平面１，２の何れも、平面上に、着目する状態量とそのしきい値、不感帯が設定されている。

具体的に説明すると、制御平面１において、Ｖ１の軸（横軸）に垂直に引いた境界線Ｋ１，Ｋ２は、調相設備６，７の制御要否を判定するためのしきい値を表している。例えば、母線電圧Ｖ１が境界線Ｋ１の右側に位置する場合（すなわち、電圧Ｖ１が該当しきい値よりも大きい場合）には、調相設備６，７におけるコンデンサなどを解列することなどにより母線電圧Ｖ１を下げる方向に制御する。これに対し、母線電圧Ｖ１が境界線Ｋ２の左側に位置する場合（すなわち、母線電圧Ｖ１が該当しきい値よりも大きい場合）には、調相設備６，７におけるコンデンサなどを投入することなどにより母線電圧Ｖ１を上げる方向に制御する。

また、制御平面１において、Ｖ２の軸（縦軸）に垂直に引いた境界線Ｋ３，Ｋ４は、タップ付き変圧器４におけるタップ（Ｔａｐ１）の制御要否を判定するためのしきい値を表している。例えば、母線電圧Ｖ２が境界線Ｋ３の上方側に位置する場合（すなわち、母線電圧Ｖ２が該当しきい値よりも大きい場合）には、タップ付き変圧器４のタップ位置を変更して母線電圧Ｖ２を下げる方向に制御する。これに対し、母線電圧Ｖ２が境界線Ｋ４の下方側に位置する場合（すなわち、母線電圧Ｖ２が該当しきい値よりも小さい場合）には、タップ付き変圧器４のタップ位置を変更して母線電圧Ｖ２を上げる方向に制御する。

同様に、制御平面２において、Ｖ３の軸（縦軸）に垂直に引いた境界線Ｋ５，Ｋ６は、タップ付き変圧器５におけるタップ（Ｔａｐ２）の制御要否を判定するためのしきい値を表している。例えば、母線電圧Ｖ３が境界線Ｋ５の上方側に位置する場合（すなわち、母線電圧Ｖ３が該当しきい値よりも大きい場合）には、タップ付き変圧器５のタップ位置を変更して母線電圧Ｖ３を下げる方向に制御する。これに対し、母線電圧Ｖ３が境界線Ｋ６の下方側に位置する場合（すなわち、母線電圧Ｖ３が該当しきい値よりも小さい場合）には、タップ付き変圧器５のタップ位置を変更して母線電圧Ｖ３を上げる方向に制御する。

つぎに、実施の形態１に係るＶＱＣシステムが有する効果について説明する。図３および図７を参照して説明する。ここで、図７は、比較例として示す一般的な制御平面を示す図である。図７に示す制御平面を図１に示すような３電圧階級の構成に用いた場合、制御効果としてはほぼ同等である調相設備６，７を別の制御平面にて制御する形となる。そのため、「発明が解決しようとする課題」の項においても述べたように、両者間での制御の競合（例えばＶ１の電圧が上昇すればＶ２の電圧も上昇する（この逆も然り））により、別途逆方向の制御が必要になるなど、機器操作回数が増大してしまうことになる。また、しきい値の設定次第では、全体的に見れば調相設備の操作が必要であるにもかかわらず、片方の調相設備にて制御が実施されない場合があるなど、幾つかの問題が発生してしまうことになる。

これに対し、図３に示す制御平面を用いれば、調相設備６，７を同じ制御平面（制御平面１）にて制御するため、原理的に両者間での競合は発生せず、必要最小限の操作回数で効率的な制御が実現できる。なお、調相設備６，７の何れの調相設備を選択するかについては、別途ルールを定めて決定すればよい。

なお、実施の形態１においては、図１に示すように、複数の機器を１つのＶＱＣ装置（システム）にて制御する形としているが、制御平面毎に１つのＶＱＣ装置を有する構成であってもよい。後述する他の実施の形態も同様である。

また、実施の形態１では、着目状態量として電圧のみを取り上げているが、通常のＶＱＣシステムと同様、電圧Ｖ１の代わりに無効電力Ｑ１を用いることも可能である。後述する他の実施の形態も同様である。

また、実施の形態１では、２つの調相設備を有する構成について例示しているが、３つ以上の調相設備を有する構成にも適用可能である。この場合、幾つかの調相設備を２つにグループ化して扱えばよい。後述する他の実施の形態も同様である。

また、実施の形態１では、２つある制御平面のうち、制御平面１には、調相設備６，７に対する制御内容と、タップ付き変圧器４におけるタップ位置（Ｔａｐ１）に関する制御内容とが含まれ、制御平面２には、タップ付き変圧器５におけるタップ位置（Ｔａｐ２）に関する制御内容が含まれるようにしているが、Ｔａｐ１とＴａｐ２の関係は入れ替えてもよい。すなわち、２つある制御平面のうち、一方の制御平面には、全ての調相設備を制御対象とする制御内容と、一方のタップ付き変圧器におけるタップ位置を制御対象とする制御内容とを含むようにし、残りの制御平面には、他方のタップ付き変圧器におけるタップ位置を制御対象とする制御内容を含むようにしてもよい。

実施の形態２．
図４は、実施の形態２に係る制御演算を実行する際に用いる制御平面の一例を示す図である。実施の形態１では、制御平面として図３を用いていたが、実施の形態２では、図４に示す制御平面を用いて制御演算を実行するようにしたものである。

図３における制御平面２は、タップ制御として一般的な考え方（変圧器の２次側電圧に着目）を踏襲しており、状態量としてＶ３を用いていた。ただ、Ｖ３自体は、調相設備６，７に対する制御やタップ付き変圧器４におけるタップ動作（Ｔａｐ１の動作）によっても変化するため、これらの制御動作とタップ付き変圧器５におけるタップ動作（Ｔａｐ２の動作）とは競合する場合があり、系統構成如何によっては操作回数（制御回数）の増大に繋がってしまう場合も想定される。なお、ここで言う系統構成とは、電圧階級の差異（高圧母線が５００ｋＶなのか２７５ｋＶなのか、中圧母線が２７５ｋＶなのか１５４ｋＶなのか）、電圧を支えている母線はどれなのか（どの電圧階級の母線にどのような発電設備が接続されているか否か）などの設備の差異である。

これに対し、図４では、制御平面２における着目状態量を「Ｖ３」から「Ｖ３／Ｖ２」、すなわちＴａｐ２のタップ位置を制御対象とする場合の状態量（Ｖ３）をＴａｐ１のタップ位置を制御対象とする場合の状態量（Ｖ２）で正規化した値（Ｖ３／Ｖ２）に変更している。状態量「Ｖ３／Ｖ２」は、「Ｖ３」に比べて、他の制御機器（調相設備６，７およびＴａｐ１）の動作の影響を受けにくいと考えられる。そのため、この制御平面を用いることにより、実施の形態１よりも操作回数を低減することが期待できる。なお、図４では、状態量を「Ｖ３／Ｖ２」としているが、この状態量を「Ｖ３」に戻し、その代わりに比較するしきい値をＶ２の関数に変更しても、ほぼ同等の制御が行える。このため、このような変更も実施の形態２の要旨に含まれる。

実施の形態３．
図５は、実施の形態３に係る制御演算を実行する際に用いる制御平面の一例を示す図である。まず、一般的な従来の制御手法では、調相設備を制御対象とするときの判定にＶ１およびＶ２を用いていた（図７参照）。一方、実施の形態１，２では、調相設備を制御対象とするときの判定にＶ１のみを用いるように変更した。この制御手法により、制御対象間の競合は回避可能になった。しかしながら、実施の形態１，２の制御手法は共に、電圧階級の最も高圧側（Ｖ１）にて調整を行なう手法であるがため、低圧側（Ｖ３）の電圧変動に対し効果が小さくなると考えられる。

そこで、実施の形態３では、図５に示すように、調相設備の制御判定に、高圧側（Ｖ１）と低圧側（Ｖ３）との中間電圧であるＶ２を用いるように変更している。また、これに加えて、Ｖ１，Ｖ２間の電圧調整をＴａｐ１にて行い、Ｖ２，Ｖ３間の電圧調整をＴａｐ２にて行う形とすることで、全体としての電圧変動を抑制することが可能となる。

なお、実施の形態３の手法では、調相設備６と調相設備７の制御要否を同じ状態量で判断しているものの、制御平面は別となっている。このため、例えば調相設備６を制御する際の制御平面１におけるしきい値（Ｖ２ｔｈ１）と、調相設備７を制御する際の制御平面２におけるしきい値（Ｖ２ｔｈ２）とを異ならせる（すなわち、｜Ｖ２ｔｈ１−Ｖ２ｔｈ２｜＞ε、εは有意差を持たせるための正の実数）などして、制御の競合を回避することが好ましい。なお、ここでは、制御平面における右側のしきい値について説明したが、左側のしきい値についても同様であり、しきい値に有意差を持たせて制御の競合を回避することが好ましい。

実施の形態４．
図６は、実施の形態４に係る制御演算を実行する際に用いる制御平面の一例を示す図である。一般的な制御手法や上述した実施の形態１〜３では、３電圧階級を有する系統の電圧制御として、２つの制御平面を用いる手法について開示したが、実施の形態４では、図６に示すように、３つの制御平面を用いて制御演算を実行するようにしたものである。

図３〜５および図７に示した制御平面では、調相設備６，７を制御する際に、Ｔａｐ１（タップ付き変圧器４）もしくはＴａｐ２（タップ付き変圧器５）の制御判断を行う状態量も変化するため、結果としてＴａｐ制御を引き起こす場合が多いと考えられる。つまり、タップ制御は、本来的に調相設備の制御とは独立的に行える方が効率的であるとも考えられる。

そこで、実施の形態４では、図６に示すように、調相設備６，７をＶ１に基づき制御すると共に、Ｔａｐ１をＶ１／Ｖ２を用いて制御し、Ｔａｐ２をＶ２／Ｖ３を用いて制御するように変更している。これにより、タップ制御が調相設備制御から切り離され、独立して行うことができる。この制御手法により、制御機器間の競合が最低限に留められ、操作回数を低減することができ、各制御機器を最大限有効に活用できるようになる。

なお、図６に示す制御平面１においては、調相設備の制御を行う際の状態量としてＶ１を用いているが、Ｖ１に限定されるものではなく、これをＶ２もしくはＶ３に変更してもよい。

また、このＶ１に代えて、Ｖ１〜Ｖ３の全てを用いた平均値あるいは、Ｖ１〜Ｖ３のうちの何れか２つの平均値を用いるように変更してもよい。なお、平均値を用いる場合、各電圧階級における電圧値の寄与が均等に表れるように、例えば次式に示す平均値を用いることが好ましい。

（Ｖ１〜Ｖ３の全てを用いる場合）
Ｖave＝（Ｖ１／Ｖref1＋Ｖ２／Ｖref2＋Ｖ３／Ｖref3）／３
Ｖ１〜Ｖ３：各電圧階級での計測値（実効値）
Ｖref1〜Ｖref3：各電圧階級における公称電圧値

（Ｖ１，Ｖ２を用いる場合）
Ｖave1＝（Ｖ１／Ｖref1＋Ｖ２／Ｖref2）／２

（Ｖ２，Ｖ３を用いる場合）
Ｖave2＝（Ｖ２／Ｖref2＋Ｖ３／Ｖref3）／２

（Ｖ１，Ｖ３を用いる場合）
Ｖave3＝（Ｖ１／Ｖref1＋Ｖ３／Ｖref3）／２

以上のように、本発明は、より少ない機器操作での電圧制御を可能とする電圧無効電力制御システムとして有用である。

１高圧母線
２中圧母線
３低圧母線
４タップ付き変圧器（第１のタップ付き変圧器）
５タップ付き変圧器（第２のタップ付き変圧器）
６，７調相設備
８，９，１０電圧検出器
１１電圧無効電力制御（ＶＱＣ）システム

Claims

電力系統の電圧レベルが異なる３つの母線のうち、高圧母線と中圧母線との間に接続された第１のタップ付き変圧器と、前記中圧母線と低圧母線との間に接続された第２のタップ付き変圧器と、これら第１および第２のタップ付き変圧器の１次側および２次側の状態量をそれぞれ制御する複数の調相設備とが設けられる構成に適用され、前記状態量を監視し、前記第１のタップ付き変圧器におけるタップ位置（第１のタップ位置）、前記第２のタップ付き変圧器におけるタップ位置（第２のタップ位置）および前記調相設備に対する制御指令を出力して前記状態量を目標値内に調整する電圧無効電力制御システムにおいて、
２つある制御平面のうち、一方の制御平面には全ての調相設備を制御対象とする制御内容と、前記第１のタップ位置を制御対象とする制御内容とが含まれ、他方の制御平面には前記第２のタップ位置を制御対象とする制御内容が含まれることを特徴とする電圧無効電力制御システム。
前記第２のタップ位置を制御対象とする場合の状態量として、前記第１のタップ位置を制御対象とする場合の状態量で正規化した値を用いることを特徴とする請求項１に記載の電圧無効電力制御システム。
電力系統の電圧レベルが異なる３つの母線のうち、高圧母線と中圧母線との間に接続された第１のタップ付き変圧器と、前記中圧母線と低圧母線との間に接続された第２のタップ付き変圧器と、これら第１および第２のタップ付き変圧器の１次側および２次側の状態量をそれぞれ制御する複数の調相設備とが設けられる構成に適用され、前記状態量を監視し、前記第１のタップ付き変圧器におけるタップ位置（第１のタップ位置）、前記第２のタップ付き変圧器におけるタップ位置（第２のタップ位置）および前記調相設備に対する制御指令を出力して前記状態量を目標値内に調整する電圧無効電力制御システムにおいて、
２つある制御平面のうち、一方の制御平面には前記第１のタップ位置を制御対象とする制御内容と、前記複数の調相設備のうちの幾つかの調相設備を制御対象とする制御内容とが含まれると共に、他方の制御平面には前記第２のタップ位置を制御対象とする制御内容と、前記複数の調相設備のうちの残りの調相設備を制御対象とする制御内容とが含まれ、且つ、前記一方および他方の制御平面における前記調相設備を制御対象とする場合の状態量として、前記中圧母線における電圧値または無効電力値を用いると共に、
前記調相設備を制御対象とする場合において、前記一方の制御平面における状態量の判定しきい値と、前記他方の制御平面における状態量の判定しきい値とが異なっていることを特徴とする電圧無効電力制御システム。
前記調相設備を制御対象とする場合の状態量が前記高圧母線における電圧値であり、前記第１のタップ位置を制御対象とする場合の状態量が前記中圧母線における電圧値であり、前記第２のタップ位置を制御対象とする場合の状態量が前記低圧母線における電圧値であることを特徴とする請求項１に記載の電圧無効電力制御システム。
前記調相設備を制御対象とする場合の状態量が前記高圧母線における電圧値であり、前記第１のタップ位置を制御対象とする場合の状態量が前記中圧母線における電圧値であり、前記第２のタップ位置を制御対象とする場合の状態量が前記低圧母線における電圧値を前記中圧母線における電圧値で正規化した値であることを特徴とする請求項２に記載の電圧無効電力制御システム。
前記高圧母線における状態量として、電圧値に代えて無効電力値を用いることを特徴とする請求項３から５の何れか１項に記載の電圧無効電力制御システム。
電力系統の電圧レベルが異なる３つの母線のうち、高圧母線と中圧母線との間に接続された第１のタップ付き変圧器と、前記中圧母線と低圧母線との間に接続された第２のタップ付き変圧器と、これら第１および第２のタップ付き変圧器の１次側および２次側の状態量をそれぞれ制御する複数の調相設備とが設けられる構成に適用され、前記状態量を監視し、前記第１のタップ付き変圧器におけるタップ位置（第１のタップ位置）、前記第２のタップ付き変圧器におけるタップ位置（第２のタップ位置）および前記調相設備に対する制御指令を出力して前記状態量を目標値内に調整する電圧無効電力制御システムにおいて、
３つある制御平面のうち、第１の制御平面には全ての調相設備を制御対象とする制御内容が含まれ、第２の制御平面には前記第１のタップ位置を制御対象とする制御内容が含まれ、第３の制御平面には前記第２のタップ位置を制御対象とする制御内容が含まれることを特徴とする電圧無効電力制御システム。
前記調相設備を制御対象とする場合の状態量が前記高圧母線における電圧値であり、前記第１のタップ位置を制御対象とする場合の状態量が前記高圧母線における電圧値を前記中圧母線における電圧値で正規化した値であり、前記第２のタップ位置を制御対象とする場合の状態量が前記中圧母線における電圧値を前記低圧母線における電圧値で正規化した値であることを特徴とする請求項７に記載の電圧無効電力制御システム。
前記調相設備を制御対象とする場合の状態量として、前記高圧母線における電圧値に代えて、前記高圧母線、前記中圧母線および前記低圧母線における各電圧値をそれぞれの公称電圧値で正規化した値の２つ以上の平均値を用いることを特徴とする請求項８に記載の電圧無効電力制御システム。