JP6191362B2

JP6191362B2 - 発電機出力推定装置

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Publication number: JP6191362B2
Application number: JP2013199895A
Authority: JP
Inventors: 西田　直樹; 直樹西田; 義昭吉田; 泰宏片岡
Original assignee: Tokyo Electric Power Co Inc; Tokyo Electric Power Co Holdings Inc
Current assignee: Tokyo Electric Power Co Holdings Inc
Priority date: 2013-09-26
Filing date: 2013-09-26
Publication date: 2017-09-06
Anticipated expiration: 2033-09-26
Also published as: JP2015070624A

Description

本発明は、電力系統の配電線区間開閉器から得られる情報を基に配電線区間内に連系される発電機の出力を推定する発電機出力推定装置に関する。

分散型電源の電力系統への連系が増加しつつある。分散型電源は主として需要家内に設置されるため、電力会社が直接その出力を常時計測し把握することは難しい。そのような分散型電源が大量に連系した場合、配電線事故復旧時や系統切り替え時において、分散型電源の出力を考慮せずに事故復旧や系統切り替えを行うと、配電線過負荷による電圧低下や停電が発生することがあり、電力品質の悪化が懸念される。

そこで、電力会社の設備を用いて、分散型電源の出力を精度良く推定することができる技術が求められている。発電機の出力を直接測定することなく、電力系統の配電線区間開閉器から得られる情報を基に配電線区間内に連系される発電機の出力を推定するようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。

これは、下記（１）式で示される正相電流Ｉ１と逆相電流Ｉ２との関係を表した負荷特性回帰式を予め作成しておき、配電線区間の正相電流と逆相電流とから負荷特性回帰式を用いて発電機の出力を推定するものである。Ａ、Ｂは係数であり、Ｉ１、Ｉ２、Ａ、Ｂはすべて複素数である。負荷特性回帰式の傾きの係数Ａ及び切片の係数Ｂは、所定期間の正相電流と逆相電流に基づいて最小二乗法によって計算され決定される。

Ｉ１＝Ａ・Ｉ２＋Ｂ …（１）
この負荷特性回帰式は、送配電線の対象区間に、電圧、電流、力率の要素を含む電気量を測定し、分散型電源の発電機（以下、発電機という）が停止中の配電線区間の逆相／正相電流を計算し、逆相／正相電流の関係から作成された区間負荷の特性を表す複素数での１次回帰式である。

図９に、逆相／正相電流の関係から作成された区間負荷の特性を表す負荷特性回帰式Ｃの一例を示す。実測した配電線区間の正相電流Ｉ１ａと逆相電流Ｉ２ａとから負荷特性回帰式Ｃを用いて発電機の出力を推定するには、まず、発電機が運転中の配電線区間の逆相電流（実測値）Ｉ２ａと負荷特性回帰式Ｃとに基づいて、発電機が停止中の配電線区間の正相電流Ｉ１１を推定する。発電機が運転中の配電線区間の正相電流Ｉ１ａと発電機が停止中の配電線区間の正相電流Ｉ１１との差分ΔＩ１から、発電機の出力を推定する。

これにより、適切な負荷特性回帰式を用いることができれば、電力会社が自ら所有する設備（常時、正相電流や逆相電流を計測できる設備）を用いて、発電機の出力を精度良く推定できる。さらに、経年的・季節的な負荷変動に対して、係数Ａ、Ｂを変更して適切な負荷特性回帰式に修正するようにしたものもある（特許文献２参照）

特開２０１０−２１３５１３特開２０１２−１９６０１２

しかし、発電機の停止中の配電線区間の負荷特性を表す正相電流と逆相電流の負荷特性回帰式は、１日を通して不平衡率が一定であると仮定し、１日１本の回帰式を基本としている。従って、１日の中で電気の使われ方が大きく変わる場合は、係数Ａ、Ｂを変更しても適切な負荷特性回帰式が得られず、１日１本の負荷特性回帰式では負荷分布を表現しきれず、誤差が大きくなることがある。

また、１日１本の負荷特性回帰式で推定を行った場合、非発電時に推定誤差が大きくなる傾向があり、定格発電時に推定発電量が定格発電量を超過する場合がある。図１０は、１日１本の負荷特性回帰式で推定を行った場合の発電機出力電流の実測値曲線Ｓ１及び推定値曲線Ｓ２を示すグラフである。図１０に示すように、非発電時Ｔ１に推定誤差が大きくなる傾向があり、定格発電時Ｔ２に推定発電量Ｓ２１が定格発電量Ｐｒを超過する場合がある。

非発電時Ｔ１に推定誤差の原因は、負荷特性回帰式作成時の誤差や日ごとの負荷特性の違いが考えられる。発電有無の判断ができないために、非発電時Ｔ１に不要な推定をしている。また、定格発電量Ｐｒを超過するのは、回帰式作成時の誤差や日ごとの負荷特性の違いが原因と考えられる。

本発明の目的は、１日の中で電気の使われ方が大きく変わる場合であっても配電線区間の負荷特性を精度良く表現でき、非発電時や定格発電時の推定誤差をなくすことができる発電機出力推定装置を提供することである。

本発明の発電機出力推定装置は、配電線区間における発電機が停止中の負荷の不平衡率が一定と近似できる期間ごとに測定された正相電流を実部と虚部に分解し正相電流特性変化を把握することにより１日を区分し前記期間ごとに正相電流と逆相電流との関係を表した複数の負荷特性回帰式を作成する負荷特性回帰式演算部と、前記発電機の運転中における前記配電線区間の正相電流の実部または虚部に基づいて前記正相電流特性変化を判定しその判定結果により前記負荷特性回帰式演算部で作成された複数の負荷特性回帰式のいずれかの負荷特性回帰式を選択する負荷特性回帰式選択部と、前記配電線区間の正相電流と逆相電流及び前記負荷特性回帰式選択部で選択された負荷特性回帰式を用いて前記発電機の出力を推定演算する発電機出力推定演算部とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、１日の中で電気の使われ方が大きく変わる場合であっても配電線区間の負荷特性を精度良く表現でき、非発電時や定格発電時の推定誤差をなくすことができる。

本発明の実施形態による発電機出力推定装置の構成図。１日の中で電気の使われ方が大きく変わる負荷が接続された配電区間の正相電流の特性変化の一例を示すグラフ。発電機の運転中における配電線区間の正相電流の実部及び虚部の一例を示すグラフ。１日の中で電気の使われ方が大きく変わる負荷が接続された配電区間の有効電力Ｐと無効電力Ｑとの特性変化の一例を示すグラフ。発電機の運転中における配電線区間の有効電力Ｐ及び無効電力Ｑの一例を示すグラフ。発電機出力電流ＩＧと配電線区間の逆相インピーダンスＺＧ２との関係を示すグラフ。発電機出力電流ＩＧと配電線区間の第３次高調波電流ｆ３との関係を示すグラフ。本発明の実施形態による複数の負荷特性回帰式を用い非発電時や定格発電時の推定誤差を修正した場合の発電機出力電流の推定値曲線Ｓ３のグラフ。逆相／正相電流の関係から作成された区間負荷の特性を表す負荷特性回帰式の一例のグラフ。１日１本の負荷特性回帰式で推定を行った場合の発電機出力電流の実測値曲線Ｓ１及び推定値曲線Ｓ２を示すグラフ。

以下、本発明の実施形態を説明する。図１は、本発明の実施形態による発電機出力推定装置の構成図である。対象配電区間として、変圧器１１からの電力が供給される２個のＩＴ開閉器１２ａ、１２ｂに挟まれた配電線区間１３について考える。ＩＴ開閉器１２ａ、１２ｂは、電圧、電流及び力率などの電気量などを測定する機能を有し、電気量の測定の際に時刻ｈをＧＰＳ等を用いて同期させる機能を有する開閉器である。

配電線区間１３内には、需要家の負荷１４と発電機１５とが接続されている。図１では、負荷１４は１個に集約して図示しているが、複数の需要家による１日の中で電気の使われ方が大きく変わる負荷である。また、発電機１５は分散型電源を有した需要家の発電機である。

ＩＴ開閉器１２ａ、１２ｂで検出された電気量は、発電機出力推定装置１６の入力部１７により所定の周期でサンプリングされ、入力データ記憶部１８に記憶される。入力データ記憶部１８に記憶されるデータには、配電線区間１３の正相電流及び逆相電流が含まれる。負荷特性回帰式演算部１９は、入力記憶部１８に記憶されたデータを入力し、配電線区間１３における発電機１５が停止中の負荷１４の不平衡率が一定と近似できる期間ごとに１日を区分し、期間ごとに正相電流と逆相電流との関係を表した複数の負荷特性回帰式を作成する。発電機１５が停止中の負荷１４の不平衡率が一定と近似できる期間ごとの区分は、測定された正相電流Ｉ１を実部と虚部に分解し、正相電流特性変化を把握することにより行う。

図２は、１日の中で電気の使われ方が大きく変わる負荷が接続された配電区間の正相電流の特性変化の一例を示すグラフである。図中のＩ１は正相電流、Ｉ１ｒは正相電流実部、Ｉ１ｉは正相電流虚部である。図２から分かるように、時点ｔａにおいて、正相電流実部Ｉ１ｒが急激に大きくなり、正相電流虚部Ｉ１ｉが急激に小さくなっている。また、時点ｔｂにおいて、正相電流実部Ｉ１ｒが急激に小さくなり、正相電流虚部Ｉ１ｉが急激に大きくなっている。

このように、正相電流Ｉ１を実部と虚部とに分解することにより、正相電流Ｉ１の特性変化が明らかになり、顕著な特性変化が現れた。すなわち、時点ｔａ〜時点ｔｂの期間は、他の期間（時点０〜時点ｔａ、時点ｔｂ〜時点２３）と異なる特性変化をしている。そこで、本発明の実施形態では、１日を、時点ｔａ〜時点ｔｂの期間と、その他の期間（時点０〜時点ｔａ、時点ｔｂ〜時点２３）との２つの期間に区分する。

そして、負荷特性回帰式演算部１９は、その期間の負荷パターンに基づき、その期間ごとの負荷パターンに適合した負荷特性回帰式を作成する。つまり、（１）式で示される正相電流Ｉ１と逆相電流Ｉ２との関係を表した負荷特性回帰式を予め作成する。本実施例の場合は、２つの期間に区分したので、各期間に対応した２つの負荷特性回帰式を作成することになる。例えば、時点ｔａ〜時点ｔｂの期間の負荷特性回帰式をＣ１とし、その他の期間（時点０〜時点ｔａ、時点ｔｂ〜時点２３）の負荷特性回帰式をＣ２とする。負荷特性回帰式演算部１９で作成された負荷特性回帰式Ｃ１、Ｃ２は、負荷特性回帰式記憶部２０に記憶される。

次に、負荷特性回帰式選択部２１は、入力データ記憶部１８から発電機１５の運転中における配電線区間１３の正相電流を入力し、正相電流を実部と虚部とに分解して、正相電流の実部または虚部に基づいて負荷特性回帰式記憶部２０に記憶された複数の負荷特性回帰式Ｃ１、Ｃ２のいずれかの負荷特性回帰式を選択する。

図３は、発電機１５の運転中における配電線区間１３の正相電流の実部及び虚部の一例を示すグラフである。図３に示すように、時点ｔａ１において、正相電流実部Ｉ１ｒが急激に大きくなり、正相電流虚部Ｉ１ｉが急激に小さくなっている。従って、時点ｔａ１以前の時点０〜時点ｔａ１の期間は、負荷特性回帰式Ｃ２を選択している状態である。この負荷特性回帰式Ｃ２を選択している状態から、負荷特性回帰式Ｃ１に選択を切り替える場合の切り替えの判定は、正相電流実部の変化分△Ｉ１ｒ及び正相電流虚部の変化分△Ｉ１ｉの双方が閾値を超えたときか否かで判定する。そして、正相電流実部の変化分△Ｉ１ｒ及び正相電流虚部の変化分△Ｉ１ｉの双方が閾値を超えたときは、負荷特性回帰式Ｃ１に選択を切り替える。

同様に、負荷特性回帰式Ｃ１を選択している状態から、負荷特性回帰式Ｃ２に選択を切り替える場合の切り替えの判定も、正相電流実部の変化分△Ｉ１ｒ及び正相電流虚部の変化分△Ｉ１ｉの双方が閾値を超えたときか否かで判定する。つまり、正相電流実部の変化分△Ｉ１ｒ及び正相電流虚部の変化分△Ｉ１ｉの双方が閾値を超えた時点ｔｂ１で、負荷特性回帰式Ｃ１から負荷特性回帰式Ｃ２に切り替えられることになる。

以上の説明では、正相電流実部の変化分△Ｉ１ｒ及び正相電流虚部の変化分△Ｉ１ｉの双方が閾値を超えたときに、負荷特性回帰式Ｃ１、Ｃ２の切り替えを行うようにしたが、正相電流実部Ｉ１ｒと正相電流虚部Ｉ１ｉとのクロス点で切り替えるようにしてもよい。その場合は、図３において、負荷特性回帰式Ｃ２から負荷特性回帰式Ｃ１への切り替えは、時点ｔ１ａで同じであるが、負荷特性回帰式Ｃ１から負荷特性回帰式Ｃ２への切り替えは、時点ｔ１ｂではなく時点２０となる。

また、発電機１５からは、ほぼ有効電力分のみ供給されるため、ＩＴ開閉器の正相電流虚部と実負荷の正相電流虚部とはほぼ一致する。従って、正相電流実部の変化分△Ｉ１ｒ及び正相電流虚部の変化分△Ｉ１ｉの双方が閾値を超えたときに、負荷特性回帰式Ｃ１、Ｃ２の切り替えを行うようにしたが、正相電流虚部の変化分△Ｉ１ｉのみが閾値を超えたか否かで切り替えるようにしてもよい。

このように、負荷特性回帰式選択部２１は、発電機１５の運転中における配電線区間１３の正相電流を入力し、負荷特性回帰式Ｃ１、Ｃ２のいずれかの負荷特性回帰式を選択するので、負荷特性の日ごとの違いに沿って負荷特性回帰式を選択できる。

発電機出力推定演算部２２は、入力データ記憶部１８から発電機１５の運転中における配電線区間１３の正相電流を入力し、その配電線区間１３の正相電流と逆相電流、及び負荷特性回帰式選択部２１で選択された負荷特性回帰式を用いて、発電機１５の出力を推定演算する。この発電機出力推定演算は、前述したように、発電機１５が運転中の配電線区間の逆相電流と負荷特性回帰式とに基づいて、発電機が停止中の配電線区間の正相電流を推定し、発電機１５が運転中の配電線区間の正相電流と発電機１５が停止中の配電線区間の正相電流との差分から、発電機１５の出力を推定する。発電機出力推定演算部２２で演算された発電機出力推定値は、演算結果記憶部２３に記憶され、必要に応じて出力部２４を介して外部に出力される。

以上の説明では、正相電流を実部と虚部に分解し正相電流特性変化を把握することにより複数の負荷特性回帰式を作成し、負荷特性回帰式の選択の切り替えは測定された正相電流の実部及び虚部に基づき行うようにしたが、配電線区間１３の正相電流の実部と虚部とに代えて、配電線区間１３の有効電力Ｐと無効電力Ｑとしてもよい。

図４は、１日の中で電気の使われ方が大きく変わる負荷１４が接続された配電区間の有効電力Ｐと無効電力Ｑとの特性変化の一例を示すグラフである。図４から分かるように、時点ｔａにおいて、有効電力Ｐが急激に大きくなり、無効電力Ｑが急激に小さくなっている。また、時点ｔｂにおいて、有効電力Ｐが急激に小さくなり、無効電力Ｑが急激に大きくなっている。つまり、図２に示す正相電流の特性変化と同じような変化をしている。従って、負荷特性回帰式演算部１９は、その期間の電力パターンに基づき、その期間ごとの電力パターンに適合した負荷特性回帰式を作成できる。

図５は発電機の運転中における配電線区間１３の有効電力Ｐ及び無効電力Ｑの一例を示すグラフである。この場合も、図３に示す正相電流の実部及び虚部の特性変化と同様な変化をしているので、時点ｔａ１、時点ｔｂ１で負荷特性回帰式を切り替えることができる。

このように、負荷特性回帰式演算部１９は、正相電流の実部と虚部に代えて、配電線区間１３における有効電力Ｐまたは無効電力Ｑに基づいて複数の負荷特性回帰式を作成し、負荷特性回帰式選択部２１は、配電線区間における有効電力または無効電力に基づいて負荷特性回帰式演算部１９で作成された複数の負荷特性回帰式のいずれかの負荷特性回帰式を選択する。

次に、非発電時に推定誤差が大きくなることの対策について説明する。図１０に示すように、非発電時Ｔ１であっても、負荷特性回帰式を用いて発電機出力を推定演算すると、零ではなく有限値となる。そこで、発電機出力推定演算部２２は非発電時の発電機出力の推定誤差を以下のように修正する。すなわち、発電機１５が発電状態か否かを判断し、発電機１５が非発電状態であると判断したときは発電機の出力を零とする。

発電機１５が発電状態か否かの判断は、配電線区間１３の逆相インピーダンスが閾値より大きいか否か、または配電線区間１３の第３次高調波電流が閾値より大きいか否かで判断する。配電線区間１３の逆相インピーダンスが閾値より大きいときは発電機１５は非発電状態にあると判断する。また、配電線区間１３の第３次高調波電流が閾値より大きいときは、発電機１５は非発電状態にあると判断する。

図６は、発電機出力電流ＩＧと配電線区間１３の逆相インピーダンスＺＧ２との関係を示すグラフである。図６に示すように、発電機１５の発電時（時点８以降）は、配電線区間１３の逆相インピーダンスＺＧが減少する。これは、配電線区間１３の逆相インピーダンスＺＧ２は、発電機１５の逆相インピーダンスと負荷１４の逆相インピーダンスとが並列接続された状態で示され、発電機１５の逆相インピーダンスは、負荷１４の逆相インピーダンスに比べて非常に小さいためである。すなわち、発電時には、負荷１４の逆相インピーダンスに、非常に小さい発電機１５の逆相インピーダンスが並列接続されることになり、その合成インピーダンス（配電線区間１３の逆相インピーダンスＺＧ２）が小さくなるためである。

図７は、発電機出力電流ＩＧと配電線区間１３の第３次高調波電流ｆ３との関係を示すグラフである。図７に示すように、発電機１５の発電時（時点８以降）は、配電線区間１３の第３次高調波電流ｆ３が減少する。これは、負荷１４のインピーダンスに比較して発電機１５の拘束インピーダンスが非常に小さいためである。すなわち、発電時には、第３次高調波電流が系統から発電機１５方向へ流入し、発電機１５に接続された図示省略の昇圧変圧器のΔ結線で環流するためである。

これにより、発電機出力推定演算部２２は、逆相インピーダンスまたは第３次高調波電流が閾値より大きいときは、発電機は非発電状態にあると判断し、発電機１５の出力を零とする。

次に、定格発電時の推定誤差、つまり定格発電時に推定発電量が定格発電量を超過することに対する対策を説明する。図１０に示すように、定格発電時Ｔ２に推定発電量Ｓ２１が定格発電量Ｐｒを超過する場合がある。そこで、発電機出力推定演算部２２は定格発電時Ｔ２の発電機出力の推定誤差を以下のように修正する。

すなわち、発電機１５の出力の演算結果から理論最大発電量超過分をカットする。発電機出力推定演算部２２は、発電機１５の出力の演算結果が発電機１５の理論最大発電量を超過するときは、超過分をカットした発電機１５の理論最大発電量を発電機１５の出力とする。これにより、定格発電時Ｔ２の発電機出力の推定誤差を修正する。

図８は、本発明の実施形態による複数の負荷特性回帰式を用い非発電時や定格発電時の推定誤差を修正した場合の発電機出力電流の推定値曲線Ｓ３のグラフである。図８に示すように、非発電時や定格発電時の推定誤差を修正しているので、推定値曲線Ｓ３は、非発電時に発電機出力電流が有限値を示すことがなく、また、定格発電時に定格発電量を超過することがない。また、配電線区間の負荷特性に応じて負荷特性回帰式を切り替えて選択しているので、配電線区間の負荷特性を精度良く表現できている。推定値曲線Ｓ３と図１０の発電機出力電流の実測値曲線Ｓ１とを比較すると、推定値曲線Ｓ３は実測値曲線Ｓ１に近いことがわかる。これにより、１日の中で電気の使われ方が大きく変わる場合であっても配電線区間の負荷特性を精度良く表現でき、非発電時や定格発電時の推定誤差をなくすことができる。

以上の説明では、ＩＴ開閉器１２ａ、１２ｂを用いた場合について説明したが、ＩＴ開閉器１２ａ、１２ｂでなくとも、通常の開閉器の両端に別途センサを設けて、このセンサで電気量を測定するようにしてもよい。

以上、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、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。この新規な実施形態は、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。この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、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。

１１…変圧器、１２…ＩＴ開閉器、１３…配電区間、１４…負荷、１５…発電機、１６…発電機出力推定装置、１７…入力部、１８…入力データ記憶部、１９…負荷特性回帰式演算部、２０…負荷特性回帰式記憶部、２１…負荷特性回帰式選択部、２２…発電機出力推定演算部、２３…演算結果記憶部、２４…出力部

Claims

配電線区間における発電機が停止中の負荷の不平衡率が一定と近似できる期間ごとに測定された正相電流を実部と虚部に分解し正相電流特性変化を把握することにより１日を区分し前記期間ごとに正相電流と逆相電流との関係を表した複数の負荷特性回帰式を作成する負荷特性回帰式演算部と、
前記発電機の運転中における前記配電線区間の正相電流の実部または虚部に基づいて前記正相電流特性変化を判定しその判定結果により前記負荷特性回帰式演算部で作成された複数の負荷特性回帰式のいずれかの負荷特性回帰式を選択する負荷特性回帰式選択部と、
前記配電線区間の正相電流と逆相電流及び前記負荷特性回帰式選択部で選択された負荷特性回帰式を用いて前記発電機の出力を推定演算する発電機出力推定演算部とを備えたことを特徴とする発電機出力推定装置。
前記発電機出力推定演算部は、配電線区間の逆相インピーダンスまたは配電線区間の第３次高調波電流が閾値より大きいときは前記発電機は非発電状態にあると判断し、前記発電機の出力を零とすることを特徴とする請求項１に記載の発電機出力推定装置。
前記発電機出力推定演算部は、前記発電機の出力の演算結果が前記発電機の理論最大発電量を超過するときは、超過分をカットした前記発電機の理論最大発電量を前記発電機の出力とすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の発電機出力推定装置。
前記負荷特性回帰式演算部は、前記正相電流の実部と虚部に代えて、配電線区間における有効電力または無効電力に基づいて複数の負荷特性回帰式を作成し、前記負荷特性回帰式選択部は、配電線区間における有効電力または無効電力に基づいて前記負荷特性回帰式演算部で作成された複数の負荷特性回帰式のいずれかの負荷特性回帰式を選択することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の発電機出力推定装置。