JP6316500B2 - 電力系統安定化システム - Google Patents

Description

本発明は、電力系統の安定度を向上する電力系統安定化システムに関するものである。

電力系統の安定度には同期安定度、電圧安定度、周波数安定度がある。このうち同期安定度は、電力系統の主要発電機が同期発電機であることに由来する。同期発電機は電力系統上の連系位置によって回転子の位相角が異なるものの、基本的には同じ回転速度で同期運転している。ところが、地絡等の系統事故や分散電源の出力急変といった外乱が生じると、同期発電機の位相角が動揺する。位相角動揺が拡大・波及すると同期発電機は回転速度の同期を取れなくなり脱調に至る。

このような位相角動揺を減衰させるために、安定化機器が電力系統には設置されている。具体的には、発電機の励磁電圧を変化させたり、電力貯蔵装置における有効電力や無効電力の出力を変化させたり、可変インピーダンス型の直列コンデンサのインピーダンスを変化させたりすることで、位相角動揺を減衰させて電力系統の安定度を向上することが可能となる。

安定化機器を制御する制御装置は、位相角動揺に応じて変動する信号、たとえば線路潮流や周波数偏差を検出し、その信号に対してゲインや位相補償を掛けることで制御信号を出力する。ゲインの大きさや位相補償の時定数といった制御パラメータに応じた安定化作用は、制御対象である安定化機器の機器状態や電力系統の潮流状態によって異なる。

このため、安定化機器の制御パラメータを決定する手法が検討されており、たとえば特許文献１に記載の技術がある。特許文献１には、「操作量制御手段の入力信号より検出した動揺の大きさに基づいて複数の制御手段の出力である制御操作量の加算の割合を変化させるように構成したので、制御操作量の割合を決定できる回路を複雑な回路を要せずに実現できて、動揺の大きさに応じて協調する割合を簡単に制御でき、これにより広域な周波数範囲の動揺を抑制でき、発電機の安定度を向上させることができるという効果が得られる。」という記載がある。

特開平８−２８０１３８号公報

特許文献１に記載の技術は、複数の制御手段の出力である制御操作量の加算の割合を変化させることで、広域な周波数範囲の位相角動揺を抑制可能である。しかし、この技術は単一の安定化機器を制御するものであるため、複数の安定化機器を組み合わせた制御によって電力系統の安定度を向上させる効果は得られない。また、近年では電力取引市場を通して、送電系統の運用者が安定化機器の運用者から、安定化機器が供給する調整力を調達する場合があるが、調達価格を公平化するには、安定化作用の大小に応じた価格決定手段が必要である。

本発明は上記課題に鑑みてなされたもので、その目的は、安定化機器の機器状態や電力系統の潮流状態に応じた安定化作用を指標化し、安定化作用の大きな安定化機器を優先して調整力を調達し、当該安定化機器を安定化作用の大小に応じて制御することで、電力系統の安定度を向上することにある。

以上のことから本発明においては、電力系統に連系された安定化機器を操作するための電力系統安定化システムであって、データベースとして、安定化機器の機器状態を記録した機器状態データベースと、電力系統の潮流状態を記録した潮流状態データベースと、電力系統の系統構成を記録した系統構成データベースのうち、前記機器状態データベースを含む２つ以上の機器状態データベースを備え、機器状態と、潮流状態と系統構成の一方または双方とに基づいて安定化機器の安定化作用を指標化する安定化作用指標算出機能と、安定化作用指標算出機能で求めた安定化作用指標を、機器状態、潮流状態、系統構成に含まれる対比要素との対比で表示または出力する表示手段を備えている。

また本発明においては、電力系統に連系された安定化機器を操作するための電力系統安定化システムであって、安定化機器の機器状態と、電力系統の潮流状態と、電力系統の系統構成を得て、安定化機器の安定化作用を指標化する安定化作用指標算出機能と、安定化作用指標算出機能で求めた安定化作用指標と、入力した機器状態、潮流状態、系統構成を、数値もしくはグラフで表示する出力部を備える。

本発明によれば、安定化機器の機器状態や電力系統の潮流状態に応じた安定化作用を指標化し、安定化作用の大きな安定化機器を優先して調整力を調達し、当該安定化機器を安定化作用の大小に応じて制御することで、電力系統の安定度を向上することが出来る。

電力系統と系統安定化システムの構成機器を示す図。 電力系統安定化システムの機能構成図。 安定化機器と同期発電機との電気的距離を示した模式図。 複数の安定化機器を、出力容量と安定化作用指標の２軸についてプロットした散布図。 応答速度と安定化作用指標の２軸についてプロットした散布図。 複数の安定化機器を、出力容量と応答速度を線形合成した軸と、安定化作用指標の軸についてプロットした散布図。 類似のプロット座標にある安定化機器をクラスタリング等によって集約して示した散布図。 安定化機器の連系位置と位相角動揺の発生位置との電気的距離と、位相角動揺の周期の２軸について、ある安定化機器の安定化作用指標を丸の大きさで示したバブルチャートの散布図。 色分けして複数の安定化機器の安定化作用指標を比較して示す散布図。 制御パラメータの補正方法を示した図。 本発明の実施の形態に係る電力系統安定化システムの処理フローを示す図。

以下、図面を用いて本発明の実施の形態について説明する。

図１は、電力系統と系統安定化システムの構成機器を示す図である。

図１において、まず電力系統１０２には発電機１０３、負荷１０４、安定化機器１０５（１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃ）、計測装置１０６などが接続されている。

ここで安定化機器１０５は、たとえば、ＰＳＳ（Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ Ｓｔａｂｉｌｉｚｅｒ）を備えた同期発電機、出力調整可能な分散電源や電力貯蔵装置、ＳＴＡＴＣＯＭ（Ｓｔａｔｉｃ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ）、直列コンデンサ等である。なお、ＰＳＳを備えた同期発電機としてはガスタービン発電機も含まれ、またＳＴＡＴＣＯＭの概念にはＳＶＣ（Ｓｔａｔｉｃ Ｖａｒ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｒ）などを含む。これらの安定化機器１０５は、有効電力および無効電力の出力調整、あるいは線路インピーダンスの調整によって、線路潮流を変化させて位相角動揺を減衰させ、電力系統の同期安定度を向上する作用を持つ。

以下の説明において、これらの安定化機器１０５を保有し運用するものには、系統安定化システム運用者と安定化機器運用者の２種類がある。図１の安定化機器１０５のうち、１０５ａは系統安定化システム運用者が運用する安定化機器である。従って、系統安定化システム運用者は自己の判断により、誰の許可を得る必要もなく、安定化機器１０５ａの操作による電力系統の同期安定度向上策を実行可能である。

これに対し、安定化機器１０５ｂ、１０５Ｃは安定化機器運用者の保有、運用に係る機器である。またこのうち安定化機器１０５ｂは、電力取引市場１０７で調整力（制御可能な出力容量）が取引される安定化機器のうち、系統安定化システム運用者が電力取引市場に提示した調達価格に対して、安定化機器運用者による応札が成立し、調整力を調達したものである。安定化機器１０５ｃは電力取引市場１０７で調整力が取引される安定化機器のうち、応札が成立しなかったものである。

この結果この場合に、系統安定化システム運用者が電力系統の同期安定度向上策を実行可能な安定化機器１０５は、１０５ａと１０５ｂであり、安定度向上に貢献可能な制御量はこれらの安定化機器１０５ａと１０５ｂにより定まる。この安定度向上に貢献可能な制御量は、電力取引市場１０７での取引を反映して、時間とともに変化することになる。

系統安定化システム１０１は、通信回線１０８を介して、安定化機器１０５の機器状態、および計測装置１０６で計測された電力系統１０２の潮流状態を監視し、安定化機器１０５のうち操作可能な安定化機器１０５ａと１０５ｂに制御パラメータを出力する。

表示装置１０９（１０９ａ、１０９ｂ）は、安定化機器１０５の安定化作用を数値あるいはグラフで表示する。表示装置１０９ａは系統安定化システム運用者が安定化作用の確認に用いる表示装置であり、表示装置１０９ｂは安定化機器運用者などの電力取引市場のステークホルダー（利害関係者）が安定化作用の確認に用いる表示装置である。また、操作装置１１０は、安定化機器１０５に出力する制御パラメータを補正するインタフェースを、系統安定化システムの運転員に提供する。

図２は、系統安定化システム１０１の機能構成図である。図２には、系統安定化システム１０１内で実行される各種処理機能（２０３から２１０）と、これら処理に利用するデータを保有するデータベースＤＢとが記述されている。

データベースＤＢのうち、機器状態データベースＤＢ１は、安定化機器１０５の機器状態を記録したデータベースである。機器状態とは、安定化機器の連系位置、および、動的に変化する出力容量や応答速度等である。機器状態データベースＤＢ１の情報源は、たとえば連系位置に関してデータベース登録機能２０３を介して登録された指定値であり、出力容量と応答速度に関して安定化機器１０５の監視によって得られた計測値である。これらは現在の機器状態を示すとともに、蓄積することによって過去の機器状態も示す。あるいは、計測値の代わりに、将来を想定したシミュレーションによる予測値を、データベース登録機能２０３を介して登録することで、将来の機器状態も示すことができる。

潮流状態データベースＤＢ２は、電力系統１０２の潮流状態を記録したデータベースである。潮流状態とは、電力系統の線路を流れる有効電力と無効電力、線路電圧、位相角、および、位相角動揺の振幅、周期、発生位置等である。潮流状態データベースＤＢ２の情報源は、電力系統１０２の監視によって得られた計測値である。これらは現在の潮流状態を示すとともに、蓄積することによって過去の潮流状態も示す。あるいは、計測値の代わりに、将来を想定したシミュレーションによる予測値を、データベース登録機能２０３を介して登録することで、将来の潮流状態も示すことができる。

系統構成データベースＤＢ３は、電力系統１０２の系統構成を記録したデータベースである。系統構成とは、系統トポロジー、線路インピーダンス、負荷容量、電源容量、発電機定数等である。系統構成データベースＤＢ２の情報源は、データベース登録機能２０３を介して登録された指定値である。これらは現在の系統構成を示すとともに、蓄積することによって過去の系統構成も示す。あるいは、将来を想定した指定値を、データベース登録機能２０３を介して登録することで、将来の系統構成も示すことができる。

上記データベースＤＢ１、ＤＢ２、ＤＢ３に蓄積された各種のデータを用いて系統安定化システム１０１内で実行される各種処理機能の具体的な処理内容は、以下のようである。

まず安定化作用指標算出機能２０４は、機器状態（機器状態データベースＤＢ１）、潮流状態（潮流状態データベースＤＢ２）、系統構成（系統構成データベースＤＢ３）に基づいて、安定化機器１０５が位相角動揺を減衰させ、同期安定度を向上する安定化作用を数値として指標化する機能である。安定化作用指標の一例は、安定化機器１０５の単位出力変化に対する、位相角動揺の減衰率変化である。

この場合に安定化作用指標は、機器状態データベースＤＢ１内に記憶されている安定化機器１０５の出力容量、応答速度、連系位置に着目するのがよい。

たとえば、安定化機器１０５の出力容量に着目すると、出力容量の大きな安定化機器１０５は、位相角動揺の大小によらず高い安定化作用が得られる。一方、出力容量の小さな安定化機器１０５は、小規模な位相角動揺に対して高い安定化作用を得られるが、大規模な位相角動揺に対しては出力の飽和によって、低い安定化作用しか得られない。

あるいは、安定化機器１０５の応答速度に着目すると、応答速度の速い安定化機器１０５は、位相角動揺の周期によらず高い安定化作用が得られる。一方、応答速度の遅い安定化機器１０５は、長周期の位相角動揺に対して高い安定化作用を得られるが、短周期の位相角動揺に対しては出力の遅れによって、低い安定化作用しか得られない。

また安定化機器の連系位置に着目すると、安定化機器出力は連系線潮流を介して、各所に連系された同期発電機の位相角に作用するが、安定化機器の連系位置と位相角動揺の発生位置が近いほど、安定化作用は大きい。その理由を図３によって模式的に説明する。図３の模式図では、２つの同期発電機１０３Ａ、１０３Ｂが連系線３０４を介して接続されており、同期発電機１０３Ａの近傍に安定化機器１０５が設置されているものとする。

ここでは、安定化機器１０５の至近に連系された同期発電機１０３Ａに対して、安定化機器１０５の出力の変化は直ちに電気的トルクの変化として作用し、位相角を変化させることができる。一方、連系線３０４の先に連系された同期発電機１０３Ｂに対しては、安定化機器出力に由来する連系線潮流の変化が電気的トルクの変化として作用し、位相角を変化させる。ここで、位相角は電気的トルクに対して機械的慣性による遅れ要素を持ち、また、連系線３０４の潮流の大きさは連系線両端の位相角の差に比例する。つまり、同期発電機１０３Ａに作用する電気的トルクと比べて、同期発電機１０３Ｂに作用する電気的トルクは機械的慣性による遅れ要素を持つ。遅れ要素は制御において利得の低下をもたらすため、安定化機器１０５による安定化作用は、同期発電機１０３Ｂにおいて同期発電機１０３Ａよりも低くなる。

以上のように、電力系統に連系された安定化機器１０５の安定化作用は同期発電機に対して一様ではなく、ｉ番目の安定化機器３０５の出力容量Ｃ１ｉ、応答速度Ｃ２ｉ、連系位置Ｃ３ｉと、位相角動揺ｋの振幅Ｐ１ｋ、周期Ｐ２ｋ、発生位置Ｐ３ｋの組み合わせによって異なる。ここで、添え字ｉは安定化機器３０５に付した番号である。添え字ｋは位相角動揺を、たとえば動揺モードで区別して付した番号であり、かかる位相角動揺の区別は、計測装置１０６として、例えばＰＭＵ（Ｐｈａｓｏｒ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｕｎｉｔ）の計測値を用いたＰｒｏｎｙ解析によって可能であることが知られている。

ここで、出力容量Ｃ１ｉ、応答速度Ｃ２ｉ、連系位置Ｃ３ｉは機器状態データベースＤＢ１に保有されたデータであり、連系位置Ｃ３ｉおよび発生位置Ｐ３ｋは、系統構成データベースＤＢ３に記録されたデータである。また連系位置Ｃ３ｉおよび発生位置Ｐ３ｋは、系統構成データベースＤＢ３に記録された系統トポロジーのノード番号によって示され、両者の電気的距離は系統構成データベースＤＢ３に記録された線路インピーダンスによって算出される。

安定化作用指標算出機能２０４が出力する安定化作用指標Ｓ（ｉ、ｋ）は、これらの関数であり、（１）式のように記述される。
［数１］
Ｓ（ｉ、ｋ）＝ｆ（Ｃ１ｉ、Ｃ２ｉ、Ｃ３ｉ、Ｐ１ｋ、Ｐ２ｋ、Ｐ３ｋ）・・・（１）
（１）式の関数ｆは一例として、次のような関数形によって、機器状態と潮流状態を安定化作用指標安定化作用指標Ｓ（ｉ、ｋ）に写像する。関数形１は、安定化機器の出力容量Ｃ１ｉと、位相角動揺の振幅Ｐ１ｋとの積に比例することである。関数形２は、安定化機器の応答速度Ｃ２ｉと、位相角動揺の周期Ｐ２ｋの逆数との積に比例することである。関数形３は、安定化機器の連系位置Ｃ３ｉと位相角動揺の発生位置Ｐ３ｉとの電気的距離の逆数に比例することである。

上記関数形１から関数形３によって、振幅が大きい位相角動揺に対して出力容量が大きい安定化機器、あるいは、周期が短い位相角動揺に対して応答速度が大きい安定化機器、あるいは、位相角動揺の発生位置との電気的距離が近い位置に連系されている安定化機器ほど、大きな安定化作用指標が算出される。このような関数出力は、上記関数形１から関数形３を予め定式化して簡易的に生成することも可能であり、また、安定化機器の機器状態と、電力系統の潮流状態と、電力系統の系統構成とに基づく過渡解析によって、詳細に生成することも可能である。

上記（１）式は要するに、安定化機器の機器状態を記録した機器状態データベースと、電力系統の系統構成を記録した系統構成データベースとを備え、機器状態と系統構成とに基づいて安定化機器の安定化作用を指標化したものということができる。

なお、上記事例では安定化作用指標として、Ｓ（ｉ、ｋ）を求める事例を示したが、この安定化作用指標は、３つのデータベースに蓄積されたデータの組み合わせによって、任意の安定化作用指標とすることが可能である。機器状態のデータと潮流状態のデータにより安定化指標を得てもよいし、機器状態のデータと系統構成のデータにより安定化指標を得てもよい。さらには、３つのデータの組み合わせで安定化指標を得てもよい。要するに、複数の異なるデータを安定化作用を示す１つのデータとして集約するものであればよい。

図２の調達価格算出機能２０５は、安定化機器１０５の安定化作用指標Ｓ（ｉ、ｋ）を用いて調整力の調達価格を算出する機能である。単一の位相角動揺ｋに対する安定化作用に基づいて調達価格を決定するのであれば、ｉ番目の安定化機器１０５の調達価格Ｖ（ｉ、ｋ）は（２）式のように、安定化作用指標Ｓ（ｉ、ｋ）の関数ｇによって算出される。関数ｇはたとえば、安定化作用指標Ｓ（ｉ、ｋ）の１次式などの単調増加関数だが、その関数形は限定されない。
［数２］
Ｖ（ｉ、ｋ）＝ｇ（Ｓ（ｉ、ｋ）） ・・・（２）
一方、実際の電力系統では複数の位相角動揺ｋが同時に発生していることがあるため、（２）式では電力系統に対する広域的な安定化作用を考慮した調達価格とはならない。そこで、（２）式の線形合成である（３）式によって、複数の位相角動揺ｋに対する安定化作用に基づく調達価格Ｖｉを算出する。（３）式でＮは電力系統に発生している位相角動揺ｋの数（ｋ＝１、２、、、、、 、Ｎ）である。

この場合に、複数の位相角動揺ｋの情報を反映することになるが、当該情報は潮流状態データベースＤＢ２内に潮流状態（位相角動揺の振幅、周期、発生位置）として記録されたデータである。このため、さらに電力系統の潮流状態を記録した潮流状態データベースをも備えて、潮流状態を反映させたことになる。
［数３］
Ｖｉ＝Σｋ（ｇ（Ｓ（ｉ、ｋ））） ・・・（３）
ここで、（３）式で算出された調達価格Ｖｉは、安定化機器１０５ごとの調達価格の大小を相対的に示すものだが、たとえば（４）式のように正規化して、電力取引市場１０７における基準価格Ｖｓｔｄを安定化作用の大小に応じて重み付けした調達価格Ｖ’ｉとすることもできる。なお（４）式で、ｊは電力系統に連系された安定化機器１０５の数（ｊ＝１、２、、、、、 、Ｍ）である。
［数４］
Ｖ’ｉ＝Ｖｓｔｄ×（Ｖｉ／Σｊ（Ｖｊ）） ・・・（４）
このように、安定化作用指標算出機能２０４が、現在の機器状態（機器状態データベースＤＢ１）、潮流状態（潮流状態データベースＤＢ２）、系統構成（系統構成データベースＤＢ３）を用いて安定化作用指標Ｓ（ｉ、ｋ）を算出することで、調達価格算出機能２０５は現在の実績に基づいた調達価格を算出する。

あるいは、安定化作用指標算出機能２０４が過去に記録された機器状態と潮流状態と系統構成を用いて安定化作用指標を算出することで、調達価格算出機能２０５は過去の履歴に基づいた調達価格を算出する。

あるいは、安定化作用指標算出機能２０４が将来に想定される機器状態と潮流状態と系統構成を用いて安定化作用指標を算出することで、調達価格算出機能２０５は将来の想定に基づいた調達価格を算出する。

図２の調整力調達機能２０６は、調達価格算出機能２０５が算出した調達価格Ｖ’ｉを電力取引市場１０７に提示して、安定化機器１０５の運用者から調整力を調達する機能である。

電力取引市場１０７それ自体は既に実用化された仕組みであり説明を省略するが、本発明の電力系統安定化システム１０１では、安定化作用に基づいて算出された調達価格を取引に用いることで、調整力調達機能２０６が安定化作用の高い安定化機器１０５を優先して調整力を調達する。なお、（４）式では正規化のために、系統安定化システム運用者が保有する安定化機器１０５ａの調達価格も仮想的な値として計算に含めているが、調整力調達機能２０６による調整力の調達においては、当該安定化機器１０５ａの調達価格を電力取引市場に提示する必要はない。

図２の制御パラメータ算出機能２０７は、系統安定化システム運用者が運用する安定化機器１０５ａと、電力取引市場１０７で調整力を調達した安定化機器１０５ｂの、制御パラメータを算出する機能である。安定化機器１０５の制御パラメータの種類は複数あるが、ここでは安定化機器１０５の入力信号である線路潮流偏差や周波数偏差に対する制御ゲインを例に説明する。

線路潮流偏差や周波数偏差に対して、安定化機器１０５が発生する出力は制御ゲインの大きさに比例する。そこで、制御ゲインを安定化作用指標Ｓ（ｉ、ｋ）に基づいて算出することで、安定化作用が大きい安定化機器１０５をより積極的に活用して、電力系統に発生している位相角動揺を減衰させる。

制御パラメータ算出機能２０７による制御ゲインの計算方法は、調達価格算出機能２０５による調達価格の計算方法と同様に、安定化作用指標Ｓ（ｉ、ｋ）の関数によって記述される。

ただし、安定化機器１０５には入力信号に応じて個別に最適化された制御ゲインＧｓｔｄｉがあるため、ここではｉ番目の安定化機器１０５の制御ゲインＧ’ｉを（５）、（６）式によって算出する。この場合に、関数ｈはたとえば安定化作用指標Ｓ（ｉ、ｋ）の１次式などの単調増加関数だが、その関数形は限定されない。（６）式で（ｊ＝１、２、、、、、Ｍ’）は、電力系統に連系された安定化機器のうち、系統安定化システム運用者が保有する安定化機器１０５ａと、電力取引市場１０７で調整力を調達した安定化機器１０５ｂの合計数である。
［数５］
Ｇｉ＝Σｋ（ｈ（Ｓ（ｉ、ｋ））） ・・・（５）
［数６］
Ｇ’ｉ＝Ｇｓｔｄｉ×（Ｇｉ／Σｊ（Ｇｊ）） ・・・（６）
あるいは、系統安定化システム運用者が運用する安定化機器１０５ａと、電力取引市場１０７で調整力を調達した安定化機器１０５ｂについて、それぞれ補正係数Ｇａ、Ｇｂを（７）、（８）式のように乗じて、たとえばＧａ＞Ｇｂとすることで、安定化機器１０５ａを安定化機器１０５ｂより優先して活用する。
［数７］
Ｇ’ｉ＝Ｇａ×Ｇｓｔｄｉ×（Ｇｉ／Σｊ（Ｇｊ）） ・・（７）
［数７］
Ｇ’ｉ＝Ｇｂ×Ｇｓｔｄｉ×（Ｇｉ／Σｊ（Ｇｊ）） ・・・（８）
図２の制御パラメータ設定機能２０８は、制御パラメータ算出機能２０７が算出した制御パラメータを、通信回線１０８を介して制御可能な安定化機器１０５ａ、１０５ｂに設定する。制御パラメータ算出機能２０７と制御パラメータ設定機能２０８は、以上のように安定化機器１０５のゲインを算出して設定し、安定化作用が大きい安定化機器１０５の出力を増大させつつ、安定化作用が小さい安定化機器１０５の出力を減少させることで、位相角動揺を減衰させるのに必要な安定化機器１０５の合計出力を低く抑える。

図２の安定化作用指標開示機能２０９は、調整力調達機能２０６が電力取引市場１０７に提示する調達価格の根拠である安定化作用指標Ｓ（ｉ、ｋ）を、安定化機器１０５の機器状態および電力系統の潮流状態と関連付けて開示して説明するための機能であり、表示装置１０９ｂを用いる。（３）式に記述のとおり、機器状態と潮流状態は複数の要素から成るため、これらを一度に提示するのは視認性の点で適当ではない。

そこで、安定化作用指標開示機能２０９は、たとえば図４〜図９のようにして機器状態と潮流状態を簡単化し、安定化作用指標Ｓ（ｉ、ｋ）と関連付けて可視化する。

図４は複数の安定化機器を、出力容量と安定化作用指標の２軸についてプロットした散布図のグラフである。ここで安定化作用指標Ｓ（ｉ、ｋ）は、（３）式で計算された複数の位相角動揺に関する安定化作用指標の平均値である。図５は同様に、応答速度と安定化作用指標の２軸についてプロットした散布図である。

図４と図５の散布図は、それぞれ単独で安定化作用に寄与する機器状態を特定するものではないが、たとえば図４と図５を並べて可視化することで、出力容量と応答速度に対する安定化作用指標の変化傾向を示し、高い安定化作用を持つ安定化機器を定量的に示すことが出来る。

あるいは、図６は複数の安定化機器を、出力容量と応答速度を線形合成した軸と、安定化作用指標の軸についてプロットした散布図であり、高い安定化作用を持つ安定化機器を、機器状態の要素を集約したうえで定量的に示すことが出来る。

これらの可視化された安定化作用指標の表示において、実際に安定化制御に使用する安定化機器の選択は、一般には安定化作用指標が高いものを選択するのがよい。また各安定化機器は、系統安定化システム運用者に所属するものと、安定化機器運用者に所属するものとがあることから、安定化機器の表示において所有者の区別を含めて表示するのがよい。系統安定化システム運用者に所属するものと、安定化機器運用者に所属するものとで、安定化作用指標に大きな相違がないのであれば、無理に調達に走る必要もなく、自前設備での対応による経済性向上が可能である。

次に、多数の安定化機器を比較して示す場合には、類似のプロット座標にある安定化機器をクラスタリング等によって集約して示し、その一部を図７のように拡大して、同一クラスタに内包される安定化機器を比較して示すことができる。

図８の表示例は、横軸に安定化機器の連系位置と位相角動揺の発生位置との電気的距離を示し、縦軸に位相角動揺の周期を示し、かつある安定化機器の安定化作用指標を丸の大きさで示したバブルチャートのグラフである。このグラフにより、当該安定化機器が、どのような位相角動揺に対して高い安定化作用指標を持つか、定量的に示すことが出来る。

図８は単一の安定化機器に関するグラフだが、図９のように色分けして複数の安定化機器の安定化作用指標を比較して示すことも出来る。

以上図４から図９まで、安定化作用指標の表示事例を示してきたが、実際の運用に際してはこれらをそれぞれ表示しておき、そのときどきにおける系統状態に鑑みて、最も注目すべき表示事例を選択して以後の判断に利用するのがよい。例えば、系統状態として振動が大であることが見て取れる場合には容量重視の観点から図４、図６に着目すべきであり、系統状態として振動が早い特徴が見受けられるのであれば応答重視の観点から図５、図６に着目すべきである。さらに、系統状態として振動が局所的であることが見て取れる場合には電気的距離の観点から図８、図９に着目すべきである。なお系統状態に応じてどの図に着目すべきであるかは運転員の判断に委ねてもよいし、あるいは計算機の判断により選択した表示画面を切替表示し、運転員に強制的に認識させるということであってもよい。

なおこれらの表示画面を作成する場合に、安定化機器の機器状態を記録した機器状態データベースと、電力系統の潮流状態を記録した潮流状態データベースと、電力系統の系統構成を記録した系統構成データベースを備えて、機器状態と潮流状態と系統構成とに基づいて安定化機器の安定化作用を指標化することになるが、このときに機器状態と潮流状態に着目した指標化により現在時点の状況を的確に反映したオンライン表示とすることができる。また機器状態と系統構成とに基づいて安定化機器の安定化作用を指標化することにより特に電気的な距離に着目した表示とすることができる。このため、機器状態と潮流状態と系統構成のデータは、適宜２種類以上のものが組み合わせて利用されるのがよい。

また最終的に安定化機器を決定する場面で、例えば安定化機器としてガスタービン発電機、ＳＶＣ、分散電源が利用可能であると仮定すると、高速の系統動揺であれば高速応答が可能なＳＶＣが適しており、大規模動揺であれば容量の大きいガスタービン発電機が適しており、高速、大規模の動揺であればガスタービン発電機、ＳＶＣ、分散電源を動員して対応に当たるのがよい。

また上記の図４から図１０の表示事例においては、安定化機器ごとの安定化作用指標を表示しているわけであるが、単に安定化作用指標のみが表示されるわけではなく、他の要素と共に２次元、あるいは３次元表示されている、この場合の対比される他の要素のことを、ここでは対比要素と呼ぶことにする。対比要素は図４、図７、図１０の出力容量、図５の応答速度、図６の出力容量、応答速度であり、図８、図９の電気的距離である。これら対比要素は、機器状態、潮流状態、系統構成に含まれる要素であり、出力容量と応答速度は、機器状態データベースＤＢ１に保持された機器状態の中のデータであり、電気的距離は系統構成データベースＤＢ３に保持された系統構成の中のデータである。

図２において制御パラメータ補正機能２１０は、制御パラメータ算出機能２０７が自動的に算出した制御パラメータを、系統安定化システム１０１の運転員が補正するための機能であって、表示装置１０９ａと操作装置１１０とを用いる。

たとえば、可視化には安定化作用指標開示機能２０９と同様の図４をベースとして、図１０のようにグラフ上で特定の安定化機器に関する安定化作用指標に補正項ΔＳを加え、Ｓ（ｉ、ｋ）からＳ（ｉ、ｋ）＋ΔＳとする。すると、（５）（６）式によって算出される制御ゲインも補正され、当該安定化機器の出力を運転員が補正することが出来る。あるいは、図１０において、安定化作用指標を軸としてプロットする代わりに、制御ゲインを軸としてプロットし、制御ゲインを直接に補正の対象としても良い。

図１１は、系統安定化システム１０１の処理フロー図である。図１１の最初の処理ステップＳ１１０１はデータ取得処理であり、機器状態データベースＤＢ１、潮流状態データベースＤＢ２、系統構成データベースＤＢ３から、機器状態、潮流状態、系統構成の各データを読み出す。

次の処理ステップＳ１１０２Ｓは、処理ステップＳ１１０２ＳとＳ１１０２Ｅの間の処理ステップを対象とする安定化機器１０５全てについて繰り返し実行する安定化機器に関する第１のループ処理である。また次の処理ステップＳ１１０３Ｓは、処理ステップＳ１１０３ＳとＳ１１０３Ｅの間の処理ステップを対象とする複数の位相角動揺の全てについて繰り返し実行する位相角動揺に関するループ処理である。

処理ステップＳ１１０４は、安定化作用指標算出機能２０４による安定化作用指標Ｓ（ｉ、ｋ）の算出処理であり、安定化機器に関する第１のループ処理対象の全ての安定化機器１０５と、位相角動揺に関するループ処理対象の位相角動揺に関して安定化作用指標Ｓ（ｉ、ｋ）を算出する。ここまでの処理により、全ての安定化機器について、全ての位相角動揺での安定化作用指標Ｓ（ｉ、ｋ）を算出したことになる。

ついで処理ステップＳ１１０５は調達価格算出機能２０５による調整力の調達価格の算出であり、第１のループ処理対象の安定化機器１０５に関して調達価格を算出する。

処理ステップＳ１１０６は安定化作用開示機能２０９による安定化作用指標Ｓ（ｉ、ｋ）の開示であるが、開示の必要性の有無に応じて省略可能である。

処理ステップＳ１１０７は調整力調達機能２０６による調整力の調達であり、調達価格算出機能２０５が算出した安定化機器１０５の調達価格を電力取引市場に提示し、応札した安定化機器の運用者から調整力を調達する。

処理ステップＳ１１０８は処理ステップＳ１１０８ＳとＳ１１０８Ｅの間の処理ステップを対象とする安定化機器１０５全てについて繰り返し実行する安定化機器に関する第２のループ処理であって、安定化機器１０５のうち、系統安定化システム運用者が保有する安定化機器１０５ａと、電力取引市場１０７で調整力を調達した安定化機器１０５ｂを対象とする。

処理ステップＳ１１０９は制御パラメータ算出機能２０７による制御パラメータの算出であり、安定化機器に関する第２のループ処理対象の安定化機器に関して制御パラメータを算出する。

処理ステップＳ１１１０は制御パラメータ操作機能２１０による制御パラメータの補正であるが、補正の必要性の有無に応じて省略可能である。

処理ステップＳ１１１１は制御パラメータ設定機能による制御パラメータの設定であり、通信回線１０８を介して安定化機器１０５ａ、１０５ｂに制御パラメータを送出する。

以上に示した本発明の系統安定化システムにおいて、たとえば、図２の機器状態データベースＤＢ１と、潮流状態データベースＤＢ２と、系統構成データベースＤＢ３と、安定化作用指標算出機能２０４と、調達価格算出機能２０５と、調整力調達機能２０６とを備える部分的な構成とした場合、安定化機器の機器状態や電力系統の潮流状態に応じた安定化作用を指標化し、安定化作用の大きな安定化機器を優先して調整力を調達し、電力系統の安定度を向上すること効果を持つ。

これらに加えて、制御パラメータ算出機能２０７と、制御パラメータ設定機能２０８とを備える構成とした場合、安定化機器を安定化作用の大小に応じて制御することで、電力系統の安定度を向上する効果を持つ。これらに加えて、安定化作用指標開示機能２０９と、制御パラメータ補正機能２１０とを備える構成とすることで、それぞれ、安定化機器運用者などのステークホルダーに対する安定化作用指標の開示と、系統安定化システムの運転員による制御パラメータの補正が可能になる。

１０１：系統安定化システム，１０２：電力系統，１０３：発電機，１０４：負荷，１０５：安定化機器，１０６：計測装置，１０７：電力取引市場，１０８：通信回線，１０９：表示装置，１１０：操作装置，ＤＢ１：機器状態データベース，ＤＢ２：潮流状態データベース，ＤＢ３：系統構成データベース，２０４：安定化作用指標算出機能，２０５：調達価格算出機能，２０６：調整力調達機能，２０７：制御パラメータ算出機能，２０８：制御パラメータ設定機能，２０９：安定化作用指標開示機能，２１０：制御パラメータ補正機能，２０３：データベース登録機能，１０５：安定化機器，１０３Ａ：同期発電機１０３Ｂ：同期発電機，３０４：連系線

Claims (10)

1. 電力系統に連系された安定化機器を操作するための電力系統安定化システムであって、
   データベースとして、安定化機器の機器状態を記録した機器状態データベースと、電力系統の潮流状態を記録した潮流状態データベースと、電力系統の系統構成を記録した系統構成データベースのうち、前記機器状態データベースを含む２つ以上の機器状態データベースを備え、
   機器状態と、潮流状態と系統構成の一方または双方とに基づいて前記安定化機器の安定化作用を指標化する安定化作用指標算出機能と、該安定化作用指標算出機能で求めた安定化作用指標を、機器状態、潮流状態、または系統構成に含まれる対比要素と対比可能な状態で表示または出力する表示手段を備えてい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であって、
   前記対比要素は、安定化機器の出力容量、応答速度、および安定化機器の連系位置と位相角動揺の発生位置との電気的距離であって、いずれか１つ以上の対比要素を一方の軸とする平面上に前記安定化作用指標とともに表示されることを特徴とする電力系統安定化システム。
3. 請求項１または請求項２に記載の電力系統安定化システムであって、
   安定化機器の出力である調整力の調達価格を安定化作用指標に基づいて算出する調達価格算出機能と、調達価格に基づいて電力取引市場から調整力を調達する調整力調達機能とを備えることを特徴とする電力系統安定化システム。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電力系統安定化システムであって、
   安定化機器の制御パラメータを安定化作用指標に基づいて算出する制御パラメータ算出機能と、制御パラメータを安定化機器に設定する制御パラメータ設定機能とを備えることを特徴とする電力系統安定化システム。
5. 請求項４に記載の電力系統安定化システムであって、
   制御パラメータ算出機能が、電力取引市場から調達した調整力の供給源である安定化機器の制御パラメータを算出することを特徴とする電力系統安定化システム。
6. 請求項４に記載の電力系統安定化システムであって、
   制御パラメータ算出機能が、電力取引市場から調達した調整力の供給源である安定化機器と、電力取引市場を介さずに運用している調整力の供給源である安定化機器との制御パラメータを算出することを特徴とする電力系統安定化システム。
7. 請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の電力系統安定化システムであって、
   安定化作用指標算出機能は、同期安定度、電圧安定度、周波数安定度のいずれかに関する安定化作用を指標化することを特徴とする電力系統安定化システム。
8. 請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の電力系統安定化システムであって、
   安定化作用指標算出機能は、機器状態データベースに記録された安定化機器の出力容量と応答速度とに基づいて、電力系統の同期安定度に関する安定化作用を指標化することを特徴とする電力系統安定化システム。
9. 請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の電力系統安定化システムであって、
   安定化作用指標算出機能は、機器状態データベースに記録された安定化機器の出力容量と応答速度と連系位置とに基づいて、電力系統の同期安定度に関する安定化作用を指標化することを特徴とする電力系統安定化システム。
10. 請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の電力系統安定化システムであって、
    安定化作用指標算出機能は、潮流状態データベースに記録された位相角動揺の振幅と周期とに基づいて、電力系統の同期安定度に関する安定化作用を指標化することを特徴とする電力系統安定化システム。

Images