JP5986428B2 - 配電保護システムおよび方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、一般には電力グリッドに、より具体的には、電力グリッド内の配電保護システムに関する。

分散型発電は、光電池および燃料電池などの多数の小型のエネルギー源から電気を生成する。人里離れた大型の発電装置ユニットを使用して電力を生産する代わりに、電力は、多数の小型の分散型発電装置を使用して、局所負荷需要を満たすように生成される。これらの小型の発電装置は、中電圧または低電圧のレベルでグリッドに相互接続される。例として、太陽ＰＶが、屋上の装置として、低電圧レベルでますます接続されてきている。

一般に、配電網のトポロジー、制御および保護は、電力が１つの方向に、すなわち変電所から負荷に流れているものとして設計される。しかしながら、分散型発電の存在により、配電網または配電システム内の電力潮流の、大きさと方向の両方が変化する場合がある。再生可能発電での断続性などの分散型発電での変動性により、システムの動作状態は頻繁に変動する。例えば、１つまたは複数の分散型発電装置の、損失または利得により、給電線電圧が、上下する場合があり、または望ましい範囲を破る場合すらある。調整がなければ、これらの変化が、過電流、過電圧、または不足電圧の継電器を含む保護継電器の誤ったトリップを誘発する場合がある。

さらに、配電システム内の外乱が、分散型発電装置の動作に影響を与える場合がある。例えば、ＩＥＥＥ規格１５４７では、分散型発電装置の母線の任意の電圧が所与の範囲外にある場合、分散型発電装置は、指定の除去時間以内に給電線への通電を中止する（すなわち、オフラインへのトリップによりシャットダウンする）ものとすると規定されている。除去時間は、外乱状態の開始と、分散型発電装置の給電線への通電の中止との間の時間である。１つの分散型発電装置のトリップが、電圧プロファイルをさらに悪化させ、潜在的には、他の分散型発電装置の縦続的なトリップという結果になる場合がある。

分散型発電装置の接続に関する別の問題点は、それが配電システムの故障電流を変化させることである。換言すれば、分散型発電装置を配電システムに接続する場合、それは、それが生成している電力に基づいて、故障電流の一因となることになる。これは、高いレベルの分散型発電が存在する場合には、故障を検出するための保護システムの障害を招く可能性がある。この問題を解決する手法の１つは、分散型発電の出力電力の変化と協調して継電器の設定を適応的に変化させることである。しかしながら、この手法では、継電器の設定は、分散型発電の出力が変化するほど高速には更新されない場合がある。潜在的な問題は、継電器の設定点が非常に低いレベルに低減されている場合、全負荷のもとでの分散型発電装置の突然の損失が、過電流継電器のトリップという結果になる場合があるということである。このように、分散型発電の大規模な進出により、故障の検出の低減、または分散型発電装置の損失に応答した誤ったトリップの生成のいずれかによって、保護スキームの有効性が低減することになる。

米国特許出願公開第２０１０／０２４４５６３号明細書

したがって、１つまたは複数の上述の問題点に対処するための、改良型の保護システムおよび方法が求められている。

本発明の実施形態によれば、配電システム用の保護システムが提供される。保護システムは、母線電圧もしくは負荷電圧を測定するための母線電圧検知ユニットと、関心期間（ｐｅｒｉｏｄ ｏｆ ｉｎｔｅｒｅｓｔ）の間、配電システム上で利用可能な需要資源を推定するための需要応答モジュールとを含む。保護システムは、利用可能な需要資源に対する電圧トリップ点を得るために、母線電圧もしくは負荷電圧とシステムパラメータとを分析するための配電システム分析器と、電圧トリップ点に基づいて利用可能な需要資源を制御するための負荷制御回路とをさらに含む。

本発明の別の実施形態によれば、配電システムを保護する方法が提供される。この方法は、需要応答プログラムに基づいて、関心期間の間、配電システム上で利用可能な需要資源を推定するステップを含む。この方法は、母線電圧もしくは負荷電圧とシステムパラメータとに基づいて、利用可能な需要資源に対する電圧トリップ点を確定するステップもまた含む。この方法は、電圧トリップ点に基づいて利用可能な需要資源を制御するステップをさらに含む。

本発明のこれらおよび他の、特徴、態様、および利点は、同じ符号が図面全体を通して同じ部分を表す添付の図面を参照して、以下の詳細な説明を読むことにより、より良く理解されよう。

典型的な放射状配電給電回路の図表示である。 分散型資源を電力システムと相互接続するためのＩＥＥＥ規格１５４７−２００３のグラフ表示である。 本発明の実施形態による配電システムの図表示である。 本発明の実施形態による保護システムのブロック図である。 配電システム上の給電線に沿った電圧プロファイルのグラフ表示である。 配電システム上の給電線に沿った電圧プロファイルの別のグラフ表示である。 配電システム上の様々な分岐部にわたる電流プロファイルのグラフ表示である。 本発明の実施形態による配電システムを保護する方法を表すフローチャートである。

本発明の様々な実施形態の要素を導入する場合、冠詞「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」、「その（ｔｈｅ）」、および「前記（ｓａｉｄ）」は、要素の１つまたは複数が存在することを意味することが意図される。用語「備える、含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、および「有する（ｈａｖｉｎｇ）」は、包含的であることが意図され、列挙した要素以外の追加的な要素が存在し得ることを意味する。

本明細書で詳細に考察するように、本発明の実施形態は、配電システム用の保護システムおよび方法を含む。基本理念は、配電システムにおいて従前の保護スキームの不必要なトリップを防止するために、総合的な需要側資源を利用かつ管理することである。この能力は、太陽発電システムなどの、可変の分散型発電の高い進出を伴う配電システムの管理において重要な助力となり得る。

図１は、従来型の放射状配電給電回路１０の単線接続図を例示する。発電所１１が、送電用および配電用の変電所１２に電力を供給する。次いで、変電所１２からの電力は、故障検出用に付与される継電器１６などの、瞬時および限時の過電流保護デバイスにより動作され得る、（要素１４などの）変電所１２のすぐ隣に設置される、または変電所１２内にあるがここでは図示しない、電力回路遮断器またはリクローザデバイスを介して、様々な負荷１８に給電される。当業者なら理解するように、故障は、異なる電圧にある、電気回路の２つのノード間で発生する任意の短絡状態を指す。検出する必要がある故障は、三相、相間、一相地絡、および複数相の地絡の短絡故障を含み得る。ある実施形態では、放射状配電給電回路１０の負荷能力は、例えば、１２．５から３４．５キロボルト（ｋＶ）の電圧に対して、１０から２５メガボルトアンペア（ＭＶＡ）にわたる場合がある。一部の実施形態では、放射状配電給電回路１０に沿って、故障に最も近いデバイスが最速でトリップすることになるように時間が調整されている、複数の他の過電流保護デバイスが存在し得る。さらに、継電器１６の設定は、より大きな故障電流に対して、継電器が、より小さな故障電流と比較して、より高速にリクローザをトリップするというものである。

分散型発電装置（ＤＧ）２２がさらに、リクローザデバイス２４を介して給電回路１０に接続され得る。リクローザデバイス２４は、過不足電圧継電器２６により動作され得る。故障状態が位置２８で発生するならば、例えば、継電器１６が、故障を検知することになり、遮断器１４をトリップすることになる。分散型発電装置２２が回路１０に接続される場合、位置２８での故障電流は、分散型発電装置２２が存在しない場合と比較して増大することになる。以下の式は、この問題を説明する。ＤＧの接続が存在しない場合は、
Ｉｆ＝Ｉｓ＝Ｉｒ１ （１）
となる。ただし、Ｉｆは故障電流であり、ＩｓはＤＧ２２が存在しない場合に変電所１２により供給される電流であり、Ｉｒ１は継電器１６により検知される電流である。前に考察したように、ＤＧ２２が回路１０に接続される場合、故障電流は、ＤＧ２２からの寄与により増大することになり、次式のように示すことができる。

Ｉｆ＝Ｉｓ＋Ｉｄｇ＝Ｉｒ２ （２）
ただし、Ｉｄｇは、変電所の電力が存在しない場合の、ＤＧ２２により供給される電流である。さらに、和Ｉｓ＋Ｉｄｇはベクトル和である、すなわち上記の項はすべて複素数またはベクトル表現であることに留意されたい。このように、ＤＧ２２が存在する場合の継電器電流Ｉｒ２は、ＤＧ２２が存在しない場合の継電器電流Ｉｒ１より大きいことがわかる。その結果、そのような場合では、過電流継電器１６の設定を更新する必要がある。例えば、継電器１６が、ＤＧ２２が存在しない場合に１．５ｐｕの電流値で動作するように設定されているならば、それは、ＤＧ２２が存在する場合には２ｐｕに更新する必要がある場合がある。しかしながら、ＤＧからの電力出力は上下しているので、継電器の設定を高い精度で更新する際には、かなりの遅延が存在し得る。ある場合では、これにより、瞬間的な故障に対してでさえ、リクローザ１４のトリップという結果になる場合がある。

ＤＧは故障状態に迅速に順応するものであるが、故障によっては、ＤＧが給電線から切断される場合があることに留意されたい。故障の位置がＤＧに十分に近いならば、これにより、ＤＧの母線電圧が容認可能な限度より低く降下することになり、次いで、これが、電圧継電器２６がリクローザ２４をトリップすることを誘発することになる。電圧継電器２６の速度および電圧の値に対する要件は、分散型資源を電力システムと相互接続するためのＩＥＥＥ規格で述べられている。

図２は、分散型資源を電力システムと相互接続するためのＩＥＥＥ規格１５４７−２００３のプロット５０を示す。プロット５０では、水平軸５２は、ＤＧが接続される給電線上の母線またはノードでの電圧を（単位法で）表し、垂直軸５４は、除去時間を秒で表す。除去時間は、故障などの異常状態の開始と、ＤＧが給電線への通電を中止する時点との間の時間である。プロット５０からわかるように、母線電圧が、０．５ｐｕより低い、または１．２ｐｕより高い場合、ＤＧは０．１６秒以内に給電線から切断されるべきである。一方で、母線電圧が０．５から０．８８ｐ．ｕの間であるならば、ＤＧは２秒以内にトリップすべきである。同様に、母線電圧が１．１から１．２ｐｕの間である場合、ＤＧは１秒以内にトリップすべきである。さらに、０．８８から１．１ｐｕの母線電圧は容認可能な範囲を表し、それによって、ＤＧはこの時間中にグリッドから切断される必要がないことがわかる。したがって、故障の際のＤＧの地位（すなわち、それが給電線に接続されるべきであるか否か）は、電圧保護継電器によって決定されることになる。しかしながら、母線電圧は、一時的な高インピーダンス故障もしくは近隣の給電線上の故障のために、またはＤＧからの電力の進出がかなり大きくなることでも上下し得る。したがって、ＤＧは、故障が存在しない場合でも不必要にトリップする場合がある。ＤＧの損失は、別の分散型発電装置をトリップさせ、適切な緩和処置がなければ、他のＤＧをさらにトリップする場合がある。換言すれば、分散型発電またはグリッドでの、急速な変動または外乱が、時には、分散型発電装置と給電線の両方に対する保護継電器の不必要なトリップという結果になる場合がある。これらの誤ったトリップは、主に、電力潮流の急速な変化に起因する電圧および電流の変動による。

図３は、本発明の実施形態による配電システム７０を示す。配電システム７０は、複数の保護システム７２を含む。各保護システム７２は、それが接続される母線７４での電圧を決定し、利用可能な需要資源または負荷を、スイッチオンまたはスイッチオフすることにより、異常状態の間の母線電圧を制御する際に需要応答を利用する。前に考察したように、異常状態は、図２に示すような許容可能な限度を超える故障および電圧変動を含み得る。保護システム７２は、その機能が電圧継電器と類似するので、仮想継電器と呼ぶ場合もあることに留意されたい。一実施形態では、保護システム７２は、単一の母線上のすべての負荷に対する単一のコントローラとして、集中型の様式で実装され得る。例えば、図３は、単一の母線に対する単一のコントローラすなわち単一の保護システム７２を示す。さらに、その配置構成は、すべての母線７４に対して繰り返される。別の実施形態では、保護システム７２は、特定の母線上の単一の負荷に対する単一のコントローラとして、分散型の様式で実装され得る。負荷の複数の部分集合に対する複数の保護システムなどの他の実施形態もまた、本発明の範囲内にある。

保護システム７２を分散型の形で実装するための例として、それぞれの需要資源または負荷は、それぞれ過電圧または不足電圧の状態に応答して、ターンオンまたはターンオフするための局所電圧設定点が与えられる。したがって、応答性の需要資源は、局所電圧（すなわち、需要資源の地点での電圧）を検知すること、および、それらを所定の時間遅延電圧設定点と比較することにより制御される。換言すれば、局所電圧が所定の時間の間所定の値を超えるならば、応答性の需要資源がターンオフする。さらに、需要資源は、非故障外乱の場合に、配電システムを所期の動作プロファイルに戻すために、既存の電圧継電器より高速にトリップするように設定される。保護システム７２は、給電線の動作を途絶させることなく、重大ではない外乱による１つの分散型発電装置の損失に応答することができ、一方で、従前の保護継電器（例えば１６）は、保護システム７２の処置にかかわらず、真の故障を受けて回路遮断器を別様にトリップすることになる。この方法は、既存の保護継電器の誤ったトリップにより引き起こされる停電期間を低減するのみである。保護システム７２は、さらに、給電線の過電流継電器の設定が十分に高速に更新されない場合に、不必要な給電線の不通を防止し、一方で、高インピーダンス故障から保護するためのより厳格な継電器の設定を可能にする。

図４は、本発明の実施形態による保護システム７２のブロック図を示す。保護システム７２は、母線電圧検知ユニット９２、配電システム分析器９３、需要応答モジュール９４、および負荷制御回路９６を含む。本明細書で説明するブロック（例えば９２、９３、９４、および９６）のいずれも、本明細書で説明する処理を実行または促進する、ソフトウェア、またはハードウェア、またはファームウェア、またはこれらの任意の組み合わせ、または任意のシステム、処理、もしくは機能性であり得ることに留意されたい。母線電圧検知ユニット９２は、母線電圧を測定し、それを配電システム分析器９３に提供する。一実施形態では、母線電圧検知ユニット９２は、電圧計、または、そのより高い電圧側が給電線上の母線（例えば図３の７４）に接続される計器用変圧器（ＰＴ）、および、母線上の比例する電圧を測定するために利用される、そのより低い電圧側に接続される電圧計であり得る。別の実施形態では、母線電圧検知ユニット９２は、様々な母線上の電圧情報を提供する負荷潮流アルゴリズムを実行するプロセッサであり得る。需要応答モジュール９４は、所与の時間に配電システム内で利用可能な需要応答の資源または事象を推定し、次いで、その情報を配電システム分析器９３に提供する。以下の段落で詳細に説明するように、需要応答資源は、ある場合に何らかの金銭的利益と引き換えに自分の負荷を制限することに同意する需要家の電気負荷を指す。次いで、配電システム分析器９３は、誤った継電器のトリップを軽減するために、利用可能な需要応答資源を利用する。

一般に、需要応答は、特定の時間期間の間、公益事業の総需要を低減するために、公益事業の需要家が、その人たちの個別の需要を抑制する、またはずらすように勧奨／誘導するために使用される機構を指す。例えば、本実施形態では、電気事業者が、電力の不均衡を軽減するために、および不必要なＤＧ継電器のトリップを回避するために、母線電圧が規定の範囲を破る場合に、需要応答事象を使用する。公益事業者により供与される需要応答プログラムは、典型的には、需要家に、ある時間期間の間、その人たちの需要を低減することへの同意に対するインセンティブを供与する。

緊急ピーク時間帯料金（ｃｒｉｔｉｃａｌ ｐｅａｋ ｐｒｉｃｉｎｇ）（ＣＰＰ）、可変ピーク時間帯料金（Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｐｅａｋ Ｐｒｉｃｉｎｇ）（ＶＰＰ）、直接負荷制御（ＤＬＣ）、および他の様々なインセンティブプログラムなどの需要応答プログラムは、公益事業者が、参加需要家に対して需要応答事象の時間、頻度、および継続時間に関する契約上の義務を明示するプログラムの例である。例えば、契約では、公益事業者が、年間に１５事象まで実施することができ、年間で総計６０時間の最大値までの間、各事象が、午後１２時から午後６時の間の時間に発生することになるということが明示される場合がある。

配電システム分析器９３は、母線電圧検知ユニット９２により決定される母線電圧値、および他のシステムパラメータを分析する。そのようなシステムパラメータは、電圧レギュレータ情報、コンデンサバンク情報、適応継電器の設定および全体的なシステムの動作状態を含み得る。配電システム分析器９３は、ＩＥＥＥ１５４７の仕様による分散型発電の誤った継電器のトリップが、そのもとで発生し得る状況をさらに決定する。次いで、配電システム分析器９３は、その時間に対して、需要応答モジュール９４により特定される参加負荷資源のそれぞれに対する電圧トリップ点を確定する。電圧トリップ点は、利用可能な需要資源に対するオンおよびオフの時間を決定するそれぞれの除去時間と関連する電圧値である。したがって、母線電圧が指定の除去時間の間設定点を超えるならば、負荷制御回路９６は、応答性の負荷の一部または全部を、スイッチオンまたはスイッチオフすることになる。負荷制御回路９６は、電圧が容認可能な範囲に戻った後に、影響を受けた負荷を正常動作に戻すことができる。

負荷資源に対する電圧トリップ点を確定する際の配電システム分析器９３に対する主な基準の１つは、負荷をスイッチオフする、またはスイッチオンする処置が、既存の配電システムの電圧または電流の継電器（図３の２６または１６）より高速であるべきであるということである。表１は、ＩＥＥＥ１５４７によるＤＧ継電器のトリップに対する除去時間と、本発明の実施形態による需要応答に対する除去時間との比較を示す。

表からわかるように、０から０．５ｐｕの間の、および１．２ｐｕを超える母線電圧に対して、継電器は、それぞれのリクローザまたは回路遮断器を０．１６秒でトリップすることになる。しかしながら、需要応答事象は、まさに０．１６秒の前に発生する必要があり、したがって、０．１２秒以内に動作するように設定される。同様に、０．５ｐｕから０．８８ｐｕの間の電圧に対して、継電器は、リクローザを２秒以内でトリップすることになるが、需要応答は、ほんの１．６秒で発生することになる。０．９２ｐｕから１．０５ｐｕの間の電圧は通常であるとみなされ、継電器も需要応答も作動されない。表１での需要応答に対する除去時間の値は単に一例としてのものであり、他の実施形態では、配電システム分析器は、需要家に対する途絶を最小限に抑え、かつ分散型発電装置を保護する目的によって、全体的なシステムの状態に基づいて他の値を使用する場合があることに留意されたい。

負荷資源に対する電圧トリップ点を確定する際の配電システム分析器９３に対する別の基準は、需要応答資源の位置である。一実施形態では、分散型発電装置に近い需要資源が、その特定の分散型発電装置の損失に応答して、システムの電圧プロファイルを改善することに関して、最も大きな影響を与えることができる。したがって、応答性の需要資源は、回路特性または電圧プロファイルによって変動し得る、局所設定点および除去時間に基づいて作動する。複数の需要応答資源が、保護スキームに参加することを要求される場合があるということもまた起こり得る。例えば、特定のＤＧの位置での需要資源が十分でないならば、近接するノードでの資源が働き始める場合がある、というのは、近接するノードでの電圧の間には、何らかの相関関係が存在し得るためである。特定の需要資源に対する設定点は、保護に対する影響を最大化すること、ならびにさらに、特定の負荷が応答するように求められる回数の数を公平に、もしくは経済的に分散させることの両方のために調整され得る。例として、線の端部にある需要資源は、それが電圧プロファイルに関する改善に最も大きな影響を与えるので、常に選び出されることになるということが起こり得る。利用可能な需要資源の設定点の調整または無作為の選択が、この問題を解決するための選択肢となり得る。

負荷資源に対する電圧設定点を確定する際の配電システム分析器９３に対するさらに別の基準は、応答性の負荷の量である。配電システム分析器９３は、所与の状態に対して必要な応答性の負荷の量を決定する必要がある。例えば、不十分な負荷低減では、分散型発電装置のトリップを防止することになるレベルに電圧は回復しないことになる。他方で、過度の負荷低減は、一部の需要家に対するサービスが不必要に途絶する結果になるであろう。一実施形態では、電力潮流変動に対するノード電圧変化の鋭敏性の理論的分析が、負荷低減がどの程度適切であるかを決定するために行われ得る。別の実施形態では、分散型の形でのサンプリング手法が、必要に応じて、負荷低減を段階的に導入するために利用される。典型的には、家庭の負荷は連続的ではない。１つの電気器具または１点の電子機器が、ターンオンまたはターンオフされる場合、負荷の消費は不連続に変化する。したがって、サンプリング手法では、家庭の負荷の一部が、すべての負荷を一度に制限する代わりに、増大する順に選択的に制限される。負荷の個別の要素のタイミングは、わずかに異なる場合があり、近隣の家庭が無作為のタイミングを有する場合がある。これにより、電圧を所望のレベルに戻すための適切な量の負荷低減が可能になる。

図５は、一例としての配電システム１３０に対する電圧プロファイルのプロット１２０を示す。配電システム１３０は、ＤＧ２２が母線３上にある５つの母線のシステムである。保護システム７２は、母線３、４、および５のそれぞれに位置する。プロット１２０は、配電システム１３０上の給電線に沿った電圧プロファイルを示す。プロット１２０上の水平軸１２２は母線番号を表し、プロット１２０上の垂直軸１２４は母線電圧をｐｕで表す。プロット１２０は、３つの異なる曲線１２６、１２８、および１２９を示す。曲線１２６は、ＤＧ２２が電力を配電システム１３０に供給している場合の電圧プロファイルである。曲線１２６は、母線１上の電圧が約１ｐｕであり、母線１と母線２との間の給電線上の電圧降下により、母線２上の電圧がおよそ０．９９ｐｕに下がることを示す。母線３では、ＤＧが接続されるので、電圧はおよそ１ｐｕに上昇し、一方で母線４および５上では、電圧はそれぞれ、およそ０．９７ｐｕおよび０．９６ｐｕに降下する。

曲線１２９は、保護システム７２が存在せず、ＤＧ２２が配電システム１３０から切断されている場合の、様々な母線上の電圧を示す。母線３上にはＤＧが存在しないので、母線１から母線５の電圧は、１ｐｕから約０．８６ｐｕまで降下し続ける。しかしながら、保護システム７２が使用される場合、配電システム１３０上の負荷は、母線４および母線５上の負荷の半分が、制限すなわちターンオフされるように制御される。これは、電圧が、曲線１２９でのように１ｐｕから０．８６ｐｕではなく、今度は１ｐｕから０．９１ｐｕまで変動する、母線１から５上の電圧プロファイル１２８での改善という結果になる。負荷が低減される場合、給電線内の電流が低減し、それによって、給電線全体での電圧降下が低減し、母線電圧が上昇するので、電圧プロファイルでの改善が行われる。

図６は、一例としての配電システム１７０に対する別の電圧プロファイルのプロット１５０を示す。配電システム１７０は、第１のＤＧ２２が母線３上でより高い定格電力を有し、別のＤＧ２２が母線５上でより低い定格電力を有する、５つの母線のシステムである。プロット１５０は、４つの異なる曲線１５２、１５４、１５６および１５８を示す。曲線１５２は、両方のＤＧ２２が電力を配電システム１７０に供給している場合の電圧プロファイルである。曲線１５４は、第１のＤＧ２２がシステム１７０から切断されている場合の電圧プロファイルを表す。第１のＤＧは、いくつかの理由のために切断される場合がある。例えば、風力発電プラントに関しては、特定の地域で十分な風が存在しない場合がある。第１のＤＧが切断された状態では、母線５上の電圧がほぼ０．８７ｐｕに降下することがわかる。この電圧値は、ＩＥＥＥ規格による規定の限度を超えるものであり、第２のＤＧ２２をトリップする結果になり、それによって、曲線１５６に示すように、全体的なシステムの電圧がさらにプルダウンされる。しかしながら、保護システム７２がシステム１７０で使用される場合、母線５での電圧は、曲線１５８に示すように０．９２ｐｕより高く上昇し、これにより、第２のＤＧ２２がシステムから切断される必要がないことが確実になる。

図７は、一例としての配電システム２００に対する電流プロファイルのプロット１８０を示す。配電システム２００は、図６の配電システム１７０と同様であり、適応過電流継電器１６を伴う。例示の実施形態では、適応過電流継電器の設定は、何らかのＤＧが存在しない場合、過電流継電器１６は、過電流継電器が２ｐｕの電流を検知する場合に０．２秒以内にリクローザ１４をトリップするというものである。適応過電流継電器の設定は、ＤＧが存在する場合は０．８５ｐｕに変更される。プロット１８０は、様々な分岐部にわたる６つの電流プロファイル曲線１８６、１８８、１９０、１９２、１９４および１９６を示す。プロット１８０の水平軸１８２は分岐部番号を表し、一方で垂直軸１８４は、その特定の分岐部から供給される電流を表す。曲線１９６は、ＤＧが存在しない場合の適応過電流継電器１６の設定点を単に表すものであり、ただし、設定点は、継電器がトリップすべきである電流値を指す。曲線１９４は、第１のＤＧ２２が全負荷でシステム２００に接続される場合の電流プロファイルを示す。第１のＤＧ２２が、全負荷が依然として存在している状態で切断される場合、曲線１９０に示すように、分岐部１からの電流がおよそ０．９ｐｕに増大する。この電流は、適応過電流継電器１６の設定点を超えるので、継電器１６は、回路遮断器またはリクローザ１４をトリップする。このように、配電システム２００からの１つのＤＧの切断が、電力グリッドからの回路２００全体の切断という結果になる。しかしながら、保護システム７２が使用される場合、保護システムは、母線４および母線５上の負荷の一部を切断し、曲線１９２に示すように、分岐部に沿った電流プロファイルを改善する。今度は、分岐部１からの電流（０．８ｐｕ）は、適応継電器の設定（０．８５ｐｕ）より小さいので、それは回路遮断器１４をトリップせず、それによって、回路２００を通電状態に維持する。このように、保護システム７２は、システム２００の完全な絶縁破壊を防止する。

さらに、曲線１８６は、ＤＧが存在しない場合での、母線４上に短絡故障が存在する場合の電流プロファイルを示し、一方で曲線１８８は、ＤＧが存在する場合での同様の電流プロファイルを示す。曲線１８８からわかるように、ＤＧが存在する場合に故障が存在する場合、母線１での故障電流は、０．８５ｐｕの適応継電器の設定を超えておよそ１．４ｐｕに上昇し、したがって、リクローザ１４をトリップして回路２００を保護する。このように、保護システム７２は、故障が存在する場合の過電流継電器の動作に影響を与えない。

図８は、本発明の実施形態による配電システムを保護する方法２２０を示す。方法２２０のステップ２２２では、需要応答に対する利用可能な需要資源が決定される。前に考察したように、需要応答プログラムには、緊急ピーク時間帯料金（ＣＰＰ）、可変ピーク時間帯料金（ＶＰＰ）、直接負荷制御（ＤＬＣ）、および他の様々なインセンティブプログラムがある。ステップ２２４では、電圧トリップ点が、利用可能な需要資源に対して確定される。一実施形態では、電圧トリップ点は、制御が集中型である場合は母線電圧に基づいて、または、制御が分散型である場合は局所負荷電圧に基づいて決定され得る。電圧トリップ点を特定する際に一助となる他の要因には、電圧レギュレータ情報、コンデンサバンク情報、および適応継電器の設定などのシステムパラメータがある。ステップ２２６では、利用可能な需要資源が、電圧トリップ点にしたがって制御される。利用可能な需要資源を制御することは、負荷の一部または全部を、一度に、または複数段階でのいずれかで、スイッチオンまたはスイッチオフすることを含み得る。

提案するシステムの利点の１つは、それが、高インピーダンス故障を検出するための、配電システム内の保護継電器用のより厳格な設定を考慮することである。高インピーダンス故障は、電力線と地面との間の木または芝生などの高インピーダンスによって、より小さな故障電流を有するものである。一般に、保護継電器は、これらの高インピーダンス故障と通常の負荷の不均衡とを区別することができない。本発明の一実施形態では、この問題は、保護継電器の設定を低減することにより解決される。例えば、継電器の電流設定を１．５ｐｕから１．３ｐｕに低減することにより、１．３ｐｕの高インピーダンス故障の検出能力が与えられる。これは、故障に対するＤＧの寄与が、今度はある量の負荷に転用され得るので、可能である。

本発明の限定された特徴のみを、本明細書で例示かつ説明したが、多数の修正および変更を当業者は想到するであろう。したがって、添付の特許請求の範囲は、本発明の真の趣旨の範囲に含まれるようなすべての修正および変更を包含することが意図されることを理解されたい。

１０ 従来型の放射状配電給電回路
１１ 発電所
１２ 変電所
１４ リクローザデバイス
１６ 過電流継電器
１８ 負荷
２２ 分散型発電装置（ＤＧ）
２４ リクローザデバイス
２６ 電圧継電器
２８ 故障位置
５０ ＩＥＥＥ規格のプロット
５２ 水平軸
５４ 垂直軸
７０ 配電システム
７２ 保護システム
７４ 母線
９２ 母線電圧検知ユニット
９３ 配電システム分析器
９４ 需要応答モジュール
９６ 負荷制御回路
１２０ 電圧プロファイルのプロット
１２２ 水平軸
１２４ 垂直軸
１２６、１２８、１２９ ３つの異なる状態に対する電圧プロファイル曲線
１３０ 一例としての配電システム
１５０ 電圧プロファイルのプロット
１５２、１５４、１５６、１５８ ４つの異なる状態に対する電圧プロファイル曲線
１７０ 一例としての配電システム
１８０ 電流プロファイルのプロット
１８２ 水平軸
１８４ 垂直軸
１８６〜１９６ 様々な状態に対する分岐部電流
２００ 一例としての配電システム
２２０ 配電システムを保護する方法を表すフローチャート

Claims (10)

1. 配電システム（７０）用の保護システム（７２）であって、
   母線電圧もしくは負荷電圧を測定するように構成される母線電圧検知ユニット（９２）と、
   関心期間の間、前記配電システム上で利用可能な需要資源を推定するための需要応答モジュール（９４）と、
   前記利用可能な需要資源に対する電圧トリップ点を得るために、前記母線電圧もしくは前記負荷電圧とシステムパラメータとを分析するための配電システム分析器（９３）と、
   前記電圧トリップ点に基づいて前記利用可能な需要資源を制御するための負荷制御回路（９６）と、
   を備え、
   前記電圧トリップ点は、分散型発電装置をトリップによりオフラインする点である、
   保護システム。
2. 前記需要応答モジュールが、緊急ピーク時間帯料金（ＣＰＰ）プログラム、可変ピーク時間帯料金（ＶＰＰ）プログラムまたは直接負荷制御（ＤＬＣ）プログラムを含む、請求項１に記載の保護システム。
3. システムパラメータが、電圧レギュレータ情報、コンデンサバンク情報、および適応継電器の設定を含む、請求項１または２に記載の保護システム。
4. 電圧トリップ点が、前記利用可能な需要資源に対するオンおよびオフの時間を決定するそれぞれの除去時間と関連する電圧値である、請求項１から３のいずれかに記載の保護システム。
5. 前記利用可能な需要資源を制御することが、前記需要資源の一部または全部を、スイッチオンまたはスイッチオフすることを含む、請求項１から４のいずれかに記載の保護システム。
6. 前記配電システム分析器が、需要資源の位置に基づいて電圧トリップ点を得る、請求項１から５のいずれかに記載の保護システム。
7. 前記配電システム分析器が、利用される必要がある利用可能な需要資源の量をさらに決定する、請求項１から６のいずれかに記載の保護システム。
8. 前記配電システム分析器が、電力潮流変動に対する母線電圧変化の鋭敏性に基づいて、利用可能な需要資源の前記量を決定する、請求項７に記載の保護システム。
9. 配電システム（７０）を保護する方法（２２０）であって、
   需要応答プログラムに基づいて、関心期間の間、前記配電システム上で利用可能な需要資源を推定するステップ（２２２）と、
   母線電圧もしくは負荷電圧とシステムパラメータとに基づいて、前記利用可能な需要資源に対する電圧トリップ点を確定するステップ（２２４）と、
   電圧トリップ点に基づいて前記利用可能な需要資源を制御するステップ（２２６）と、
   を含み、
   前記電圧トリップ点は、分散型発電装置をトリップによりオフラインする点である、
   方法。
10. 高インピーダンス故障を検出するための、前記配電システムの保護継電器用の継電器の設定を確定するステップをさらに含む、請求項９に記載の方法。
    

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