(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
１ルートの連係線を介して２つの系統あるいは１発電所と系統が連係されている前記連係線にルート断故障が発生したとき、故障発生後に当該連係線の開放、投入を少なくとも１回以上複数回繰り返すと共に、前記連係線の開放，投入はルート断後、両系統の位相差が開いたことを条件に、下記とすることを特徴とする系統の同期引き込み方法。
記
【数１】
0003722387.tif 000006
【請求項２】
請求項１記載の系統の同期引き込み方法において、前記２つの系統に代えてビル内の電気所とすることを特徴とする系統の同期引き込み方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は連系線を介して接続された２つの系統が系統分離したとき、電源遮断等をすることなく同期化する系統の同期引き込み方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、２回線送電線で故障が発生した場合には、高速度再閉路方式により当該送電線の事故相を遮断した後、所定の無電圧時間（消イオン時間で、例えば５００ｋＶ以上の系統では１秒程度）経過後に事故相を再投入することにより、故障復旧させていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術による再閉路条件としては、各回線合計で事故相以外の異相２相残り以上で連系されている場合でなければならず、更に再閉路タイミングによっては、近傍発電機タービン軸にもショックを与えると言う問題があった。
【０００４】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、ルート断故障のように最も過酷な故障に対処できて、系統分離を回避すると共に、発電機タービン軸への影響を最小限に抑えることの可能な系統の同期引き込み方法を提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る系統の同期引き込み方法は、１ルートの連係線を介して２つの系統が連係されている前記連係線にルート断故障が発生したとき、故障発生後に当該連係線の開放，投入を少なくとも１回以上複数回繰り返すと共に、前記連係線の開放，投入はルート断後、両系統の位相差が開いたことを条件に、下記とした。このようにすれば、一方の系統の蓄積エネルギーを他方の系統に放出することができ、両系統を同期に引き込むことができる。
記
【数１】
0003722387.tif 000002
【０００６】
本発明の請求項２に係る系統の同期引き込み方法は、請求項１において、前記２つの系統に代えて夫々をビル内の電気所とした。このようにすれば各ビル間における融通系統で事故時に連係が解除された場合にも、速やかな同期引き込みが可能となる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１は連系系統を説明する図であり、系統Ａと系統Ｂが１ルートで連系された場合である。そして各系統間に流れる潮流をＰT 、矢印は流れる方向を示し、各慣性中心は∠θ1 ，∠θ2 とする。
【０００９】
先ず、連系線のルート断故障が発生した場合を考える。この時ルート断であるため事故前の連系線潮流ＰT に相当する需給アンバランスが、系統Ａと系統Ｂ間に生ずる。事故前の潮流方向からわかるように、系統Ａでは発電機群が加速し、系統Ｂでは減速する。
【００１０】
したがって、これらの加減速を防ぐためには電源遮断等が必要となる。即ち、系統Ａでは電源遮断し、系統Ｂでは負荷遮断を要する。ここで仮に、ルート断の発生後、直ちに連系線を投入することができれば、系統Ａ，系統Ｂを同期させることができるはずである。
【００１１】
しかし、故障直後の再投入は１秒の消イオン時間が必要となることを考慮すると実現不可能である。そこで両系統間の位相が開いて２π（３６０゜）となった時点で遮断器の再投入を行ない、その後、必要に応じて適切なタイミングで遮断器のＯＦＦ／ＯＮを繰り返して、系統Ａの蓄積エネルギーを系統Ｂに放出させるようにすれば、両系統を同時に引き込むことができるはずである。
【００１２】
図２は連系系統での位相角の動きと放出・蓄積されるエネルギーとの関係図である。図２において縦軸は連系線潮流ＰT を示し、横軸は発電機群の回転子位相角差θを示す。なお、Ｐ0 は機械入力であり、最初は一定と考える。図２をもとに系統Ａによる蓄積エネルギーを系統Ｂに放出させる作用について、等面積法を用いて説明する。
【００１３】
ＰＴを電力潮流とするとき、Ｓ０＋Ｓ１が系統Ａに蓄積されるエネルギーであり、Ｓ２が系統Ａから放出されるエネルギーである。ここで各系統Ａ，Ｂの発電機群の回転子位相角の慣性中心をθ１，θ２とすれば、これらの動作式は（１）式，（２）式で表わされる。
【００１４】
【数２】
0003722387.tif 000003
【００１５】
（１）式，（２）式より系統Ａ，Ｂの慣性中心の相対運動は（３）式で表わされる。
【数３】
0003722387.tif 000004
（３）式は等価的に慣性定数Ｍ，機械入力Ｐ０，電気出力ＰＴの発電機の動揺方程式となっており、等面積法によって過渡安定度を論じることができる。
【００１６】
今、調速手段（ＧＯＶ）の動作を無視し、負荷が定電力特性をもつとすれば、上記（３）式の機械入力Ｐ０は一定値となる。ここでルート断後に両系統の位相差が開き角度が２π（３６０度）となった時点で遮断器を再投入し、その後も位相が開いていく場合を考える。
【００１７】
この状態において、遮断器を（４）式のように動作させれば１回のＯＦＦ／ＯＮにて、図２に示されるＳ２−Ｓ１に相当する分だけ、系統Ａの蓄積エネルギーを系統Ｂに放出できるので、両系統を同期に引き込むことができる。なお、ＯＦＦ／ＯＮの繰り返し動作は位相差が開いている場合であり、その開閉のタイミングは（４）式の通りとし減少に転じたときは後述する。
【００１８】
【数４】
0003722387.tif 000005
【００１９】
これらの動作をさせるにはＳ1 ＜Ｓ2 となる必要がある。ＰT ＝Ｐsin θが成立する場合にはこの条件は（５）式で表わせる。
【数５】
Ｐ0 ／Ｐ＜１／π          …………………（５）
【００２０】
しかし実際には調速手段（ＧＯＶ）と負荷変動の影響があるため、Ｐ0 の値は一定ではなくて時間と共に減少してゆく。又、等価慣性定数Ｍに対する連系線潮流の比が小さいほど、両系統間の加速が緩やかになるため、系統Ａ，Ｂが共に大規模系統になるほど、スイッチングのタイミングはゆっくりでよい。逆に一機無限大母線系統の場合（系統Ａが対象発電機，系統Ｂが無限大母線）が、この制御を行なう上で制御速度の面で最も厳しくなる。
【００２１】
次に開閉制御の終了条件について説明する。遮断器投入後の系統Ａ，Ｂ間の位相差が増加から減少に転じた後（即ち、両系統が同期に引き込まれた後）には（４）式の条件により遮断器のＯＦＦ／ＯＮを前記同様に繰り返すと、かえって動揺が大きくなるため制御を終了する必要がある。
【００２２】
このことを図を用いて前記同様等面積法にて説明する。先ず、図３のＡ点において、系統Ａ，Ｂ間の位相差は減少に転じ、系統の状態は電力曲線に沿って左下の方向に動いていく。この時、前記した（４）式の条件によりＢ点で連系線を開放すると、系統Ｂに蓄えられた蓄積エネルギーを放出し終わるＣ点まで、ＢＣ線上を矢印に沿って位相差は減少し再び位相差が開いていく。
【００２３】
一方、Ｂ点での連系線開放を行なわなかった場合には、電力曲線に沿ってＡ→Ｂ→Ｄと進み、系統Ｂの蓄積エネルギーを放出し終わるので、結果として動揺が小さくなる。
【００２４】
次に発電機軸トルクへの影響について説明する。同期引き込みのためのスイッチングは遮断器の開閉と同様に発電機のエアーギャップに過渡的な電磁トルクを発生させ、軸疲労をまねく可能性がある。特に、遮断器投入時には通常大きな商用周波数の振動トルクが生じるため、チェックが必要である。
【００２５】
図４にほぼ理想的なタイミング（位相差３６０度）でスイッチングが行われた場合（ａ）と、スイッチングが３サイクル遅れた場合（ｂ）の発電機トルクを示す。なお、縦軸は発電機トルク［ｐｕ］を、又、横軸は時間［秒］を示す。
【００２６】
図４からわかるように、前者（ａ）では殆ど商用周波数の過渡振動分が見られないが、スイッチングが遅れた場合（ｂ）には大きな過渡振動トルクが現れている。これは、理想的なタイミングでは、母線間の位相差がなくなって、発電機出力の変化が０になっているのに対して、スイッチングが遅れると位相が開いて発電機出力がステップ上に変化しようとするためであると考えられる。又、スイッチングのタイミングが早過ぎた場合にも同様の過渡振動トルクが発生する。
【００２７】
上記図４（ｂ）に示されるような５０Ｈｚ振動分が発電機に加わると、発電機の軸にねじり力が働き、その結果ショックを加えることとなるが、同期引き込みのタイミングを合わせると図４（ａ）に示されるように殆ど５０Ｈｚ振動分はなく、発電機へのショックもないことがわかった。
【００２８】
図５はスイッチングタイミングのずれと発電機に生じる過渡振動トルクの関係図である。図５において縦軸は振動トルク［ｐｕ］を示し、横軸は時間［ｍｓ］を示す。図５からわかることは、過渡振動トルクはスイッチングのタイミングのずれに比例して大きくなる傾向にある、ということである。
【００２９】
上記実施の形態によれば、連系線のルート断後に少なくとも１回以上数回のスイッチングを繰り返すことで、電源遮断及び負荷遮断等の対策なしに、速やかに分離した系統を同期化することができるばかりか、遮断器の開閉タイミングが理想的であれば、発電機の電磁トルクの過渡振動分は非常に小さく、軸系の消耗への影響が小さくなることである。
【００３０】
上記実施の形態に示す同期化引き込みスイッチングの電力系統シミュレータ試験結果を以下に説明する。スイッチングによる同期化引き込み制御について、一機無限大母線系統による電力系統シミュレータ試験を実施して、その実現可能性を確認する。合わせて制御ロジックの検証と、ディジタル解析との比較検討を行なう。
【００３１】
図６はシミュレータ試験用モデル系統図であり、これを用いて試験を行なった。先ず、母線Ｎ2 ，Ｎ4 のａ相電圧を検出して、母線間の位相差を計算し、これを基に遮断器開閉信号を発生させている。位相差計算等を含むスイッチング制御ブロックは、パソコン上の制御系を用いて作成し、これをＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）上で動作させることで実現している。
【００３２】
位相差の検出は母線Ｎ2 及びＮ4 間の位相差θ＝θ1 −θ2 の検出を行なった。この場合、Ｖ1 Ｖ2 ×sin （θ1 −θ2 ）＝Ｖ1 sin （ωｔ＋θ1 ）×Ｖ2 cos （ωｔ＋θ2 ）−Ｖ1 cos （ωｔ＋θ1 ）×Ｖ2 sin （ωｔ＋θ2 ）となることを利用して、信号Ｖ1 Ｖ2 ×sin （θ1 −θ2 ）を計算するものである。
【００３３】
ルート断故障の発生後、位相差θ1 −θ2 が増加して３６０度を越える瞬間に遮断器を投入する。これらのブロックをコンピュータを用いて作成し、これをＤＳＰプログラムに変換することで、位相差の検出を行なっている。なお、ＤＳＰのサンプリング時間は０．５ｍｓである。
【００３４】
図７に試験結果を示す。図７（ａ）は発電機の内部状態を示す図であり、縦軸は発電機有効電力［ｐｕ］と発電機角速度偏差（％）である。又、図７（ｂ）はＤＳＰによるＶ1 Ｖ2 sin （θ1 −θ2 ）の計算値であり、縦軸はＶ1 Ｖ2 sin （θ）の値［ｐｕ］を、又、横軸は時間（ｓ）を示している。
【００３５】
故障除去後ほぼ１秒後に、制御ロジックにしたがって遮断器が投入され、系統は過渡脱調せずに安定に保たれていることがわかる。又、ＤＳＰによって計算されているＶ1 Ｖ2 ×sin （θ1 −θ2 ）の信号を見ると、遮断器が投入されている状態では、発電機有効電力出力に比例した値となっており、正しく計算が行なわれていることがわかる。
【００３６】
又、位相差が３６０度となる瞬間に、遮断器が投入されていることも確認できる。遮断器投入後の発電機出力には商用周波数成分が殆ど含まれず、振動性の過渡電磁トルクが殆ど発生していないことがわかる。したがって軸系へのショックも小さい。
【００３７】
次にディジタル解析結果との比較結果を示す。シミュレーション試験と同じ系統について、ＥＭＴＰ（電磁過渡現象解析プログラム）による瞬時値ディジタルシミュレーションと実効値ディジタルシミュレーションを実施した。結果を図８，図９に示す。これらはいずれも図７のシミュレータ試験結果とほぼ完全に一致していることがわかる。
【００３８】
以上のシミュレーション結果によれば、以下（イ），（ロ），（ハ）に列挙する事項が確認できた。
（イ）スイッチング制御の実現可能性と制御ロジックの妥当性をシミュレータ試験により確認できた。
（ロ）アナログシミュレータ試験結果は、ＥＭＴＰによる瞬時値ディジタルシミュレーション結果及び実効値ディジタルシミュレーション結果とほぼ一致し、これらの解析ツールを用いての検討が可能であることが明らかになった。振動性の軸トルクを計算する必要がない場合には、実効値シミュレーションで十分な精度が得られる。
（ハ）理想的なタイミングでスイッチングを行なえば、発電機に発生する振動性の過渡電磁トルクは非常に小さく、軸系に与える影響は少ない。
【００３９】
上記実施の形態によれば、送電系統についてのみの説明をしたが、本発明はこれに限定されるものではない。即ち、近年の都市においては各ビル単位に発電設備を有して、互いに隣接するビルとの間で連系する局地的な融通系統があるが、これらの各系統間においても本方法は適用できる。
【００４０】
この場合は系統Ａ，系統Ｂをそっくりそのままビル単位の電気所（発電設備、あるいは発電機単体を有する）に置き換えるだけで、連系系統のＯＦＦ／ＯＮは上記実施の形態で説明した通りでよいことは明らかである。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば連系線のルート断後に所定位相差に合わせて遮断器のオフ・オンを複数回繰り返すことにより、系統間の蓄積エネルギーを放出するようにしたので、各系統間の位相差が順次なくなって同期引き込みが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】連系系統を説明する図。
【図２】連系系統での位相角の動きと放出・蓄積エネルギーの関係図。
【図３】開閉制御の終了条件を説明する図。
【図４】スイッチングのタイミングによる過渡振動トルクの差を説明する図。
【図５】スイッチングのタイミングのずれを発電機に生じる過渡振動トルクの関係図。
【図６】電力系統シミュレータ用モデル系統図。
【図７】シミュレータの試験結果を示す図。
【図８】瞬時値ディジタルシミュレータ結果を示す図。
【図９】実効値ディジタルシミュレーション結果を示す図。
【図１】
0003722387.tif 000007
【図２】
0003722387.tif 000008
【図３】
0003722387.tif 000009
【図４】
0003722387.tif 000010
【図５】
0003722387.tif 000011
【図６】
0003722387.tif 000012
【図７】
0003722387.tif 000013
【図８】
0003722387.tif 000014
【図９】
0003722387.tif 000015