JPH08275400A - 系統連系保護装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】需要家構内で自家発電設備と負荷がバランスし
て系統と電力の需給がほとんど無い時に単独運転となっ
ても即座に電力系統の停電を検出できる系統連系保護装
置を提供すること。 【構成】自家発電設備を電力系統に連系する発電システ
ムにおいて、発電機の周波数を制御する調速機と、発電
機出力の周波数を検出する周波数検出器と、周波数検出
器の出力である周波数検出値に対する関数を発生し，調
速機の周波数指令値とする関数発生器と、発電機の周波
数を所定の周期で微少振幅だけ揺動させる揺動装置と、
保護リレーとを有し、揺動装置により発電機の周波数に
微少な変動を発生させ，関数発生器により発電機の周波
数指令値を、発電機の周波数が所定の周波数以上では検
出した周波数よりも大きな値に、所定の周波数以下では
検出した周波数よりも小さい値に設定しているので、電
力系統の停電時に発電機の周波数を保護リレーが感知す
るレベルにシフトすることで電力系統の停電を検出する
ことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、系統連系方式（商用電
力線連系方式）において、系統事故時に自家発電設備の
単独運転を防止する系統連系保護装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、高圧需要家がコージェネレーショ
ン等の自家発電設備（以下自家発電設備という）を系統
連系するために、図７に示すような系統連系システムが
用いられている。すなわち、図７の系統連系システムに
おいて、１ａは自家発電設備、２は系統母線、３は配電
用変電所、４は変圧器、５は受電線送り出し遮断器であ
る。また、自家発電設備１ａは、発電機１１ａと、発電
機１１ａの端子電圧を制御する自動電圧調整装置１２ａ
と、発電機１１ａを駆動するエンジン１３ａと、エンジ
ン１３ａの回転速度を所定の速度に調整する調速機１４
ａと、発電機１１ａを構内系統に接続する遮断器１５ａ
と、系統母線２と構内系統母線１０ａとを接続する遮断
器１６ａと、構内負荷１７ａと、構内負荷１７ａ用の遮
断器１８ａを備えており、さらに保護装置として不足電
圧継電器２１ａ、周波数低下継電器２２ａ、過電圧継電
器２３ａ、過電流継電器２４ａ、方向地絡継電器２５
ａ、発電機異常検出用継電器２７ａ、周波数上昇継電器
２８ａ、周波数検出器３０ａ、周波数指令のための関数
発生器３１ａを備えている。また、１ｂは上記した自家
発電設備１ａと同様の構成の自家発電設備を備えた需要
家であり、１ｃは自家発電設備を有しない受電設備（遮
断器１６ｃと構内負荷１７ｃ）のみを備えた需要家であ
る。

【０００３】この様に構成された自家発電設備の系統連
系システムにおいて、電力系統や需要家自家発電設備で
異常が発生した場合には、速かにそれを検出し、自家発
電設備を解列する必要がある。この目的のために、不足
電圧継電器２１ａ、周波数低下継電器２２ａ、過電圧継
電器２３ａ、過電流継電器２４ａ、方向地絡継電器２５
ａ、発電機異常検出用継電器２７ａ、周波数上昇継電器
２８ａが設けられ、異常時には遮断器１６ａを開路して
系統から解列するように構成されている。

【０００４】ただし、電力系統のある種の異常時には、
これらの保護リレーだけでは異常を検出することができ
ないケースがある。それは電力系統と自家発電設備１ａ
の間で有効・無効電力の受給が小さいときに、電力系統
の遠端で事故が発生し、その為に図７中の受電線送り出
し遮断器５が開路となった場合、または受電線送り出し
遮断器５は閉路のままでも、もっと上流の遮断器が開路
して系統が停電した場合である。この時も、即時に自家
発電設備１ａ、１ｂを電力系統すなわち系統母線２から
解列する必要がある。それは受電線送り出し遮断器５が
開路となった後も、自家発電設備が系統母線２を充電し
て運転を継続すれば（以下この運転を単独運転と称す
る）、電力系統と自家発電設備の周波数の誤差により、
両者の電圧に位相差が発生するためである。位相差が発
生すれば、電力系統が復旧して、受電線送り出し遮断器
５が再閉路される場合に大きな電流が流れ、２次事故を
発生する恐れがある。

【０００５】単独運転を検出する方法として、従来は、
図７に示す如く周波数検出器３０ａ、周波数指令のため
の関数発生器３１ａによる保護装置が設けられていた。
図７において、周波数検出器３０ａは発電機端子電圧か
ら発電機周波数を検出し、関数発生器３１ａは周波数検
出器３０ａの検出値から、設定された関数により出力信
号を発生する。調速機１４ａは発電機１１ａの周波数が
関数発生器３１ａの出力信号に応じた値となるようエン
ジン１３ａの回転速度を制御する。

【０００６】次に、図８を用いて関数発生器３１ａの関
数とその働きを説明する。同図は、関数発生器３１ａが
有する関数の特性の一例を示すもので、図の横軸は周波
数検出値を示している。そして、図中にａ周波数指令関
数と明示している曲線が関数発生器３１ａが有する関数
で、検出周波数と周波数指令の関係を示している。ま
た、ｂは検出周波数に対する発電機周波数の関係（同
一）を示している。縦軸と横軸の交差するポイントを定
格周波数と考え、今、系統と連系して定格周波数で運転
しており、系統と電力の受給がほとんどないとする。こ
の状態で系統が解列して単独運転となっても、周波数変
動は微少であり、従来の周波数低下継電器２２ａや周波
数上昇継電器２８ａでは感知できない。

【０００７】関数発生器３１ａを用いると、周波数のゆ
らぎにより周波数が定格周波数よりわずかに上昇した場
合でも、この関数ａ（ｄ点までは検出値に対して指令値
の方が大きい）の働きで、周波数変動を増大させ、ｄ点
に向かってシフトしていく。つまり、関数発生器３１ａ
は、周波数の微少な増加をより大きな増加に増幅する正
帰還の働きをする。ｄ点は発電機周波数と周波数指令が
バランスするポイントなので、ここで周波数は落ち着
く。ｄ点の周波数を、周波数上昇継電器２８ａが感知で
きるレベルに設定することで、異常を検出し受電点遮断
器１６ａを切り離すことができる。逆に、わずかに周波
数が下がった場合では、ｃ点にシフトしていき、周波数
低下継電器２２ａにて感知できる。

【０００８】系統と連系運転されている場合は、周波数
は系統の周波数で決まり、発電機の周波数はそれに追従
するだけである。系統の周波数変動は僅かであるが、も
し変動して関数発生器３１ａにより調速機１４ａへの回
転指令値を増加させても、調速機１４ａのドループ特性
の範囲内で、少し有効電力が変動するだけである。単独
運転時のように正帰還がかかって、周波数変動が増幅さ
れることはない。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】この様に構成される従
来の系統連系保護装置では、変電所の受電線送り出し遮
断器の開放や、電力系統の停電による単独運転時に、微
少な周波数のゆらぎを増幅して保護リレーが感知できる
レベルにシフトすることにより、単独運転を検出するこ
とができた。

【００１０】しかし、従来の装置では、周波数検出器、
関数発生器として非常に高分解能・高精度・高速応答な
ものが必要であった。それは、ケースによっては、単独
運転に移行したときの周波数のゆらぎが非常に小さい場
合があるためである。

【００１１】近年、発電用原動機の調速機には電子式調
速機が多く用いられている。電子式調速機は制御性能が
良好であり、周波数変動のない極めて安定な運転が可能
である。また一般に、単独運転に移行した事を検出すべ
き時限として数秒のオーダーが要求される。その様な短
時間中であれば、負荷の変動が無い可能性も大きい。そ
の場合は、周波数のゆらぎは、非常に小さなものにな
る。その小さなゆらぎを検出し、さらに正しい極性で増
幅するためには、非常に高分解能・高精度・高速応答な
周波数検出器、関数発生器が必要であった。これは系統
連系保護装置の価格を引き上げ、普及を妨げる要因とも
なっていた。

【００１２】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
で、その目的は需要家構内で自家発電設備と負荷がバラ
ンスして系統と電力の需給がほとんど無い時に単独運転
となっても即座に電力系統の停電を検出できる系統連系
保護装置を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の請求項１の系統連系保護装置は、自家発電
設備を電力系統に連系する発電システムにおいて、発電
機の周波数を制御する調速機と、前記発電機出力の周波
数を検出する周波数検出器と、前記周波数検出器の出力
である周波数検出値に対する関数を発生し，前記調速機
の周波数指令値とする関数発生器と、前記発電機の周波
数を所定の周期で微少振幅だけ揺動させる揺動装置と、
保護リレーとを有し、前記揺動装置により前記発電機の
周波数に微少な変動を発生させ，前記関数発生器により
前記発電機の周波数指令値を、発電機の周波数が所定の
周波数以上では検出した周波数よりも大きな値に、所定
の周波数以下では検出した周波数よりも小さい値に設定
することにより、前記電力系統の停電時に前記発電機の
周波数を前記保護リレーが感知するレベルにシフトする
ことで当該電力系統の停電を検出することを特徴とす
る。

【００１４】本発明の請求項２は、第１項記載の系統連
系保護装置において、前記揺動装置は、前記発電機の周
波数制御系に外乱を与えることで実現することを特徴と
する。本発明の請求項３は、第１項記載の系統連系保護
装置において、前記揺動装置は、前記発電機の電圧制御
系に外乱を与えることで実現することを特徴とする。

【００１５】本発明の請求項４は、第１項記載の系統連
系保護装置において、前記揺動装置は、前記発電機の出
力にダミー負荷を設置し、当該ダミー負荷をスイッチに
より断続することで実現することを特徴とする。

【００１６】本発明の請求項５は、第１項ないし第４項
記載の系統連系保護装置において、前記発電機の有効電
力を制御する有効電力制御器を設け、前記関数発生器の
出力信号と前記有効電力制御器の出力信号を加算して前
記調速機の指令値とすることを特徴とする。

【００１７】本発明の請求項６は、第１項ないし第５項
記載の系統連系保護装置において、前記自家発電設備
は、前記電力系統と連系するための遮断器を有し、前記
遮断器が開路している状態では、前記揺動装置及び前記
関数発生器の少くともいずれか一方の動作を停止させる
ことを特徴とする。

【００１８】本発明の請求項７は、第１項ないし第６項
記載の系統連系保護装置において、前記周波数検出器、
関数発生器、揺動装置の少なくとも一つをマイクロコン
ピュータのソフトウェアにより実現することを特徴とす
る。

【００１９】

【作用】本発明の請求項１の系統連系保護装置による
と、発電機周波数が系統運転中は、系統周波数に支配さ
れているが、単独運転時には発電機に接続されているエ
ンジンの調速機により支配されることに着目してなされ
たもので、揺動装置により発電機周波数の微少変動を発
生させ、単独運転になった時にはこの微少変動を関数発
生器が有する周波数指令の関数の特性により増大させる
よう働き、保護リレーが感知するレベルにシフトし、単
独運転を検出することができる。

【００２０】本発明の請求項２の系統連系保護装置よる
と、揺動装置は周波数制御系に外乱を与えるようになっ
ているので、単独運転になると発電機により周波数が微
少に変動し、その変動を関数発生器が有する周波数指令
の関数の特性により増大させるよう働き、保護リレーが
感知するレベルにシフトし、単独運転を検出することが
できる。

【００２１】本発明の請求項３の系統連系保護装置によ
ると、揺動装置は発電機の電圧制御系に外乱を与えるよ
うになっているので、単独運転になると発電機端子電圧
が微少に変動し、そのために発電機周波数にも微少変動
が発生する。その変動を関数発生器が有する周波数指令
の関数の特性により増大させるよう働き、保護リレーが
感知するレベルにシフトし、単独運転を検出することが
できる。

【００２２】本発明の請求項４の系統連系保護装置によ
ると、揺動装置は発電機の出力端子にダミー負荷を設
け、それをスイッチにより断続する構成としているの
で、単独運転になると発電機の負荷が変動し、それによ
り発電機周波数に微少変動が発生する。その変動を関数
発生器が有する周波数指令の関数の特性により増大させ
るよう働き、保護リレーが感知するレベルにシフトし、
単独運転を検出することができる。

【００２３】本発明の請求項５の系統連系保護装置によ
ると、有効電力制御器により、系統連系中に系統周波数
変化により有効電力が変動するのを抑えるよう構成して
いるので、系統連系中の有効電力の安定性を向上させ、
かつ単独運転になればすみやかに単独運転を検出するこ
とができる。

【００２４】本発明の請求項６の系統連系保護装置によ
ると、自家発電設備と電力系統を連系する遮断器が開路
している状態では、前記揺動装置及び前記関数発生器の
両方またはいずれか一方の動作を停止させることによ
り、発電機の始動時および単独運転時の安定性を高める
ことができる。

【００２５】本発明の請求項７の系統連系保護装置によ
ると、周波数検出器、関数発生器、揺動装置の一部また
は全部をマイクロコンピュータのソフトウェアにより実
現するので、保護装置の価格低減を実現できる。

【００２６】

【実施例】以下、本発明の実施例を図を参照して説明す
る。図１は本発明の一実施例（請求項１対応）である自
家発電設備の系統連系保護装置の構成図であり、すでに
説明した図７の従来の系統連系システムと同一構成部分
には同一符号を付して重複説明は省略する。

【００２７】本実施例が図７の従来の系統連系システム
と相違する構成は、揺動装置４９ａ、発振器５０ａ、加
算器５１ａを備え、発振器５０ａの出力信号と関数発生
器３１ａの出力信号とを加算器５１ａにより加算し、そ
の信号を調速機１４ａの周波数指令とする点であり、そ
の他の構成は同一である。図２は図１の発振器５０ａの
出力信号の波形例を示す。この波形は単独運転時に発電
機周波数に微少な外乱を与えるものであれば、正弦波で
も矩形波でもランダム波でも何でも良い。図２では、同
図（ａ）の三角波、同図（ｂ）の矩形波、同図（ｃ）の
正弦波の３例を示した。

【００２８】本実施例によれば、発振器５０ａにより周
波数を揺動させる為に、絶えず微少な周波数ゆらぎを発
生させることができる。そのため、周波数検出器３０
ａ、関数発生器３１ａを高精度・高分解能・高速応答と
せずとも、自家発電装置が単独運転に移行したときに、
即時に周波数検出器３０ａ、関数発生器３１ａによる正
帰還ループが作動し、発電機周波数を周波数上昇継電器
２８ａまたは周波数低下継電器２２ａが感知する周波数
にシフトすることができる。系統連系時には発振器５０
ａの出力信号は有効電力に微少な外乱を与える事にな
る。しかし、周波数検出器３０ａ、関数発生器３１ａに
安価な回路を用いたとしても、外乱は定格電力値に比べ
充分小さくできる。

【００２９】図３は本発明の他の実施例（請求項２対
応）の構成図である。本実施例では、発振器５０ａの出
力信号を加算器５１ａにより調速機１４ａの出力信号に
加算している。単独運転時に発電機周波数を微少に揺動
させるものであれば、発振器の出力は、発電機周波数に
関係する制御ループのどこにいれても良い。

【００３０】図４は本発明のさらに他の実施例（請求項
３対応）の構成図である。本実施例は、図３の実施例と
同様に、発振器５０ａの出力を発電機の端子電圧を制御
する自動電圧調整装置の指令値としている。系統連系時
は発電機端子電圧のゆらぎは無効電力のゆらぎとなるだ
けであるが、単独運転時には有効電力のゆらぎとなり、
発電機周波数を微少変動させる。

【００３１】図５は本発明の別の実施例（請求項４対
応）の構成図である。同図において、６０ａは上記各実
施例とは別構成の揺動装置である。６１ａはダミー負
荷、６２ａは接続スイッチ、６３ａは信号発生器であ
る。

【００３２】本実施例では、信号発生器６３ａが所定の
周期により接続スイッチ６２ａを瞬時閉路し、負荷６１
ａに発電機から電力を供給することで、発電機周波数を
揺動させることを特徴としている。このように、周波数
を揺動させるものであれば、発振器を制御系に接続する
構成のものでなくても良い。

【００３３】図６は本発明のさらに別の実施例（請求項
５対応）の構成図である。本実施例は図１の実施例に有
効電力制御器７０ａを付加し、その出力を関数発生器３
１ａの出力と加算器７１ａにより加算することで連系中
に系統周波数が変動したときに、周波数検出器３０ａ関
数発生器３１ａの特性により発生する有効電力の変動を
小さく抑えるよう構成したものである。有効電力制御器
７０ａの応答は低速とし、単独運転時の単独運転検出に
影響を及ぼさないようにしておけばよい。

【００３４】さらに、本発明の他の実施例（請求項６対
応）として、以上説明した各実施例において、自家発電
設備と電力系統を連系する遮断器が開路している状態で
は、前記揺動装置及び前記関数発生器の両方またはいず
れか一方の動作を停止させることにより、発電機の始動
時および単独運転時の安定性を高めるようにしてもよ
い。

【００３５】また、本発明のさらに他の実施例（請求項
７対応）として、上記各実施例の説明では、周波数検出
器、関数発生器、揺動装置を独立したハードウェアで構
成しているが、それら構成の一部または全部をマイクロ
コンピュータのソフトウェアにより実現する様にしても
よい。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によると、
自家発電設備が配電系統に連系される逆潮流ありのシス
テムにおいて、需要家構内で自家発電設備と負荷がバラ
ンスして系統と電力の需給がほとんど無い時に単独運転
となっても、発振器により周波数を揺動させる為に、絶
えず微少な周波数のゆらぎを発生させることができる。
そのため、自家発電装置が単独運転に移行したときに、
即時に周波数検出器、関数発生器による正帰還ループが
作動し、発電機周波数を周波数上昇継電器または周波数
低下継電器が感知する周波数にシフトすることができ
る。したがって周波数検出器、関数発生器を高精度・高
分解能・高速応答の高価な設備としなくても、発電機の
単独運転を検出することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例である自家発電設備の系統連
系保護装置の構成図。

【図２】本発明の発振器の出力波形を示す図。

【図３】本発明の他の実施例である自家発電設備の系統
連系保護装置の構成図。

【図４】本発明のさらに他の実施例の自家発電設備の系
統連系保護装置の構成図。

【図５】本発明の別の実施例である自家発電設備の系統
連系保護装置の構成図。

【図６】本発明のさらに別の実施例である自家発電設備
の系統連系保護装置の構成図。

【図７】従来の自家発電設備の系統連系保護装置の構成
図。

【図８】従来の自家発電設備の系統連系保護装置の関数
発生器の一例を示す図。

【符号の説明】

１ａ、１ｂ…自家発電設備、２…系統母線、３…配電用
変電所、４…変圧器、５…受電線送り出し遮断器、１０
…構内系統母線、１１ａ…発電機、１２ａ…自動電圧調
整装置、１３ａ…エンジン、１４ａ…調速機、１５ａ、
１６ｃ、１８ａ…遮断器、１６ａ…自家発電設備需要家
受電点遮断器、１７ａ、１７ｃ…構内負荷、２１ａ…不
足電圧継電器、２２ａ…周波数低下継電器、２３ａ…過
電圧継電器、２４ａ…過電流継電器、２５ａ…方向地絡
継電器、２７ａ…発電機異常検出用継電器、２８ａ…周
波数上昇継電器、３０ａ…周波数検出器、３１ａ…関数
発生器、４９ａ…揺動装置、５０ａ…発振器、５１ａ…
加算器、６０ａ…揺動装置、６１ａ…ダミー負荷、６２
ａ…接続スイッチ、６３ａ…信号発生器、７０ａ…有効
電力制御器、７１ａ…加算器。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 自家発電設備を電力系統に連系する発電
   システムにおいて、発電機の周波数を制御する調速機
   と、前記発電機出力の周波数を検出する周波数検出器
   と、前記周波数検出器の出力である周波数検出値に対す
   る関数を発生し，前記調速機の周波数指令値とする関数
   発生器と、前記発電機の周波数を所定の周期で微少振幅
   だけ揺動させる揺動装置と、保護リレーとを有し、前記
   揺動装置により前記発電機の周波数に微少な変動を発生
   させ，前記関数発生器により前記発電機の周波数指令値
   を、発電機の周波数が所定の周波数以上では検出した周
   波数よりも大きな値に、所定の周波数以下では検出した
   周波数よりも小さい値に設定することにより、前記電力
   系統の停電時に前記発電機の周波数を前記保護リレーが
   感知するレベルにシフトすることで当該電力系統の停電
   を検出することを特徴とする系統連系保護装置。
2. 【請求項２】 第１項記載の系統連系保護装置におい
   て、前記揺動装置は、前記発電機の周波数制御系に外乱
   を与えることで実現することを特徴とする系統連系保護
   装置。
3. 【請求項３】 第１項記載の系統連系保護装置におい
   て、前記揺動装置は、前記発電機の電圧制御系に外乱を
   与えることで実現することを特徴とする系統連系保護装
   置。
4. 【請求項４】 第１項記載の系統連系保護装置におい
   て、前記揺動装置は、前記発電機の出力にダミー負荷を
   設置し、当該ダミー負荷をスイッチにより断続すること
   で実現することを特徴とする系統連系保護装置。
5. 【請求項５】 第１項ないし第４項記載の系統連系保護
   装置において、前記発電機の有効電力を制御する有効電
   力制御器を設け、前記関数発生器の出力信号と前記有効
   電力制御器の出力信号を加算して前記調速機の指令値と
   することを特徴とする系統連系保護装置。
6. 【請求項６】 第１項ないし第５項記載の系統連系保護
   装置において、前記自家発電設備は、前記電力系統と連
   系するための遮断器を有し、前記遮断器が開路している
   状態では、前記揺動装置及び前記関数発生器の少くとも
   いずれか一方の動作を停止させることを特徴とする系統
   連系保護装置。
7. 【請求項７】 第１項ないし第６項記載の系統連系保護
   装置において、前記周波数検出器、関数発生器、揺動装
   置の少なくとも一つをマイクロコンピュータのソフトウ
   ェアにより実現することを特徴とする系統連系保護装
   置。