(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転型発電機による自家発電設備を配電系統に逆潮流ありで連系する系統連系システムにおいて、前記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、前記周波数検出器で検出した周波数の微小変動に基づいて前記調速機の速度設定値を大きく変化させるもので、周波数が上昇時にはさらに上昇させるように前記速度設定値を設定し、周波数が下降時にはさらに下降させるように前記速度設定値を設定する関数発生器と、前記発電機の周波数を揺動させる周波数揺動手段と、前記発電機と系統間の潮流を検出する潮流検出装置と、前記潮流検出装置で検出した潮流量を判定し、潮流量が少なければ、前記周波数揺動手段を動作させる潮流量判定要素と、前記発電機の周波数の異常を感知する保護リレーとからなり、系統側の停電時には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して系統側の停電を検知することを特徴とする系統連系保護装置。
【請求項２】
請求項１記載の系統連系保護装置において、前記周波数揺動手段は、前記調速機の速度設定値に変動を与える速度指令揺動信号発生装置で構成したことを特徴とする系統連系保護装置。
【請求項３】
請求項１記載の系統連系保護装置において、前記周波数揺動手段は、前記発電機の負荷インピーダンスに変動を与える負荷インピーダンス投入遮断装置で構成したことを特徴とする系統連系保護装置。
【請求項４】
請求項１記載の系統連系保護装置において、前記周波数揺動手段は、前記発電機の電圧制御系の電圧設定値に変動を与える電圧指令揺動信号発生装置で構成したことを特徴とする系統連系保護装置。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４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に応じた信号を出力する有効電力調整装置を設け、前記関数発生器の出力と前記有効電力調整装置の出力を加算して前記発電機の周波数を制御する調速機の速度指令に用いることを特徴とする系統連系保護装置。
【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】
一般に、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、１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、６は転送受信装置である。また、自家発電設備１は、発電機１１と、発電機１１の電圧を制御する自動電圧調整装置１２と、発電機１１を駆動する原動機１３と、原動機１３の回転速度を調整する調速機１４と、発電機１１を構内系統に接続する遮断器１５と、系統母線２と構内系統母線１０とを接続する遮断器１６と、構内負荷１７と、構内負荷用遮断器１８を備えており、さらに保護装置として不足電圧継電器２１、周波数低下継電器２２、過電圧継電器２３、過電流継電器２４、方向地絡継電器２５、逆電力継電器２６、発電機異常検出用継電器２７を備えている。
【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、次のような異常が発生したときには、即時に自家発電設備１を電力系統から解列する必要がある。
（１）コージェネレーション設置需要家の構内事故時
（２）電力系統事故時
【０００４】
これらの事故時の事故状態を検出する方法として、通常、図７に示す系統連系保護装置により検出されている。すなわち、逆潮流なしの場合は、周波数低下継電器２２、過電流継電器２４、方向地絡継電器２５、逆電力継電器２６、発電機異常検出用継電器２７等で自家発電設備１あるいは系統の事故時の異常を検出し、遮断器１６を開路して系統から解列するようにしている。
【０００５】
一方、逆潮流ありの場合は、需要家構内で自家発電設備１と負荷１７がほぼバランスして系統と電力の受給がほとんどないときは、前述した継電器等では系統の異常時の変電所３の遮断器５の解列の検出は困難である。そのために転送受信装置６を設けて保護を行っている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明（請求項１乃至請求項５対応）は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は逆潮流ありの場合、高価な転送遮断装置を設けることなく、配電系統連系において、構内自家発電設備内にて系統側の事故時における発電機単独運転を検出することができる系統連系保護装置を提供することにある。
【０００７】
【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は、回転型発電機による自家発電設備を配電系統に逆潮流ありで連系する系統連系システムにおいて、前記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、前記周波数検出器で検出した周波数の微小変動に基づいて前記調速機の速度設定値を大きく変化させるもので、周波数が上昇時にはさらに上昇させるように前記速度設定値を設定し、周波数が下降時にはさらに下降させるように前記速度設定値を設定する関数発生器と、前記発電機の周波数を揺動させる周波数揺動手段と、前記発電機と系統間の潮流を検出する潮流検出装置と、前記潮流検出装置で検出した潮流量を判定し、潮流量が少なければ、前記周波数揺動手段を動作させる潮流量判定要素と、前記発電機の周波数の異常を感知する保護リレーとからなり、系統側の停電時には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して系統側の停電を検知することを特徴とする。
【０００８】
本発明の請求項２は、請求項１記載の系統連系保護装置において、前記周波数揺動手段は、前記調速機の速度設定値に変動を与える速度指令揺動信号発生装置で構成したことを特徴とする。
【０００９】
本発明の請求項３は、請求項１記載の系統連系保護装置において、前記周波数揺動手段は、前記発電機の負荷インピーダンスに変動を与える負荷インピーダンス投入遮断装置で構成したことを特徴とする。
【００１０】
本発明の請求項４は、請求項１記載の系統連系保護装置において、前記周波数揺動手段は、前記発電機の電圧制御系の電圧設定値に変動を与える電圧指令揺動信号発生装置で構成したことを特徴とする。
【００１１】
本発明の請求項５は、請求項１乃至請求項４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に応じた信号を出力する有効電力調整装置を設け、前記関数発生器の出力と前記有効電力調整装置の出力を加算して前記発電機の周波数を制御する調速機の速度指令に用いることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態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及び請求項２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、既に説明した図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。
【００１４】
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、自家発電設備１内の調速機１４に周波数検出器１９と速度指令にその出力を用いる関数発生器２０を付加した点と、潮流検出装置３１と潮流量判定要素３２と発電機の周波数を揺動させる手段である速度指令揺動信号発生装置３３を付加した点と、転送遮断装置６を廃止した点と、逆潮流ありなので逆電力継電器２６と周波数上昇継電器２８を取り替えた点である。
【００１５】
まず、図２を用いて関数発生器２０の関数とその働きを説明する。
同図は関数発生器２０が有する関数の一例を示すものである。図の横軸は発電機周波数（連系中は系統周波数に支配されるので系統周波数でもある）を示している。そして、図中にａ速度（周波数）指令関数と明示している曲線が関数発生器２０が有する関数で、周波数検出値と速度指令の関係を示している。また、ｂは周波数検出値と周波数の関係（比例関係）を示している。
【００１６】
今、縦軸と横軸の交差するポイントを定格周波数と考え、自家発電設備１が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も周波数変動は微少であり、従来のリレーでは感知できない。関数発生器２０を用いると、定格周波数よりわずかに周波数が上昇変動した場合でも、この関数ａ（ｄ点までは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。ｄ点は検出周波数と速度指令がバランスするポイントであるので、ここで周波数は落ち着き、周波数上昇継電器２８が感知できるレベルとなり、系統側の停電を知ることになる。よって、受電点遮断器１６を切り離すことができる。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２２にて感知できる。
【００１７】
しかしながら、系統が解列しても、非常に希ではあるが需要家構内で自家発電設備１の出力と負荷１７がバランスして全く周波数変動がなかったり、あるいは周波数検出の段階で微少な周波数変動を捉えることができなかったら、上記の動作は起こり得ないことが懸念される。発電機周波数を揺動させる手段である速度指令揺動信号発生装置３３と潮流検出装置３１及び潮流量判定要素３２は、これを考慮して設けているものである。
【００１８】
潮流検出装置３１は発電機と系統間の潮流を検出するもので、図１の構成では、電流を監視することで潮流検出としている。勿論、電流だけでなく計器用変圧器を介して電圧検出を行い、電圧要素も用いて有効電力や無効電力で潮流検出としてもよい。潮流量判定要素３２は、潮流検出装置３１にて検出した潮流量に対し、あるしきい値を設けることで、そのしきい値より小さいと発電機と系統間の潮流はほとんどないとの判断を行う。
【００１９】
周波数を揺動させる速度指令揺動信号発生装置３３の出力信号は、図３（ａ）の三角波、同図（ｂ）の矩形波あるいは同図（ｃ）の正弦波状等の時間周期関数、または、同図（ｄ）や（ｅ）のような信号が考えられる。潮流検出装置３１と潮流量判定要素３２により発電機と系統間にほとんど潮流がない（自家発電設備出力と負荷がバランスしてくる）と判断されると、速度指令揺動信号発生装置３３が図３に示す如き信号を出力し、発電機周波数を揺動させようとする。系統連系中の発電機周波数は系統周波数に支配されているので、発電機の周波数を揺動させる手段による周波数揺動は観測されないが、系統が解列されると発電機周波数が揺動することになる。そうすると、関数発生器２０による周波数シフトを誘起することになり、上記の図２に基づく説明の如く系統解列を検出することになる。速度指令揺動信号発生装置３３から時間周期信号を出力する場合、その信号の周期は、調速機１４の働きによる周波数制御系の反応速度よりもゆったりしたものである必要がある。
【００２０】
なお、図１の実施例において、自家発電設備１が系統と連系するための遮断器１６が開路している状態では、関数発生器２０及び発電機の周波数を揺動させる手段３３の動作は停止させることにする。
【００２１】
図４は本発明の第２実施例（請求項３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、既に説明した図１の実施例における発電機周波数を揺動させる手段である速度指令揺動信号発生装置３３の代わりに、同様に発電機周波数を揺動させる手段として負荷インピーダンス投入遮断装置３４を設けている点が相違し、その他の点は同一であるので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。
【００２２】
同図に示すように、負荷インピーダンス投入遮断装置３４は、負荷インピーダンス３４１と負荷インピーダンス３４１を構内母線１０に投入あるいは遮断するスイッチ３４２とスイッチ３４２のオン・オフを制御するコントローラー３４３とから構成されている。コントローラー３４３は、潮流検出装置３１と潮流量判定要素３２により発電機と系統間にほとんど潮流がない（自家発電設備出力と負荷がバランスしている）と判断すると、スイッチ３４２を周期的にオン・オフさせる等して負荷変動を起こし、系統解列時に発電機周波数が揺動することになる。そうすると、関数発生器２０による周波数シフトを誘起することになり、上記の図２に基づく説明の如く系統解列を検出することになる。
【００２３】
また、本実施例において、自家発電設備１が系統と連系するための遮断器１６が開路している状態では、関数発生器２０及び発電機の周波数を揺動させる手段３４の動作は停止させることにする。
【００２４】
図５は本発明の第３実施例（請求項４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、既に説明した図４の実施例における発電機周波数を揺動させる手段である負荷インピーダンス投入遮断装置３４の代りに電圧指令揺動信号発生装置３５を設けている点が相違し、その他の点は同一であるので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。
【００２５】
同図に示すように、発電機の自動電圧調整装置１２の電圧制御系の電圧指令に電圧指令揺動信号発生装置３５を設け、図３に示すような三角波、矩形波あるいは正弦波状等の時間周期関数等の信号を発生させ、電圧指令を変動させるようにしても、上記各実施例と同様の効果が得られる。
【００２６】
また、本実施例において、自家発電設備１が系統と連系するための遮断器１６が開路している状態では、関数発生器２０及び発電機の周波数を揺動させる手段３５の動作は停止させることにする。
【００２７】
ここで、系統連系中における関数発生器が有する関数ａ（図２）の影響を考えてみる。
いま、何らかの原因で検出周波数が変動すると、調速機は関数ａにより発電機周波数を変化させようとするが、系統連系中は系統周波数に発電機周波数は支配されているので、発電機周波数は系統周波数のままである。そうすると、周波数は、周波数低下継電器や周波数上昇継電器の検出レベルを超えることはなく、運転は継続される、この時、有効電力が発電機側から系統側に、あるいはその反対方向に必要以上に流れる可能性がある。このような動作を問題とする場合には、次に示す図６の自家発電設備の系統連系保護装置を用いるとよい。
【００２８】
図６は本発明の第４実施例（請求項５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、既に説明した図１の実施例にさらに発電機有効電力を検出し、有効電力の調整を行う有効電力調整装置３６を設け、この有効電力調整装置３６の出力を調速機１４の指令値とする点が相違し、その他の点は同一であるので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。
【００２９】
本実施例によると、有効電力調整装置３６の出力で、図２の速度指令関数ａに補正を掛けて、系統側との有効電力の必要以上の潮流を防止することができる。また、単独運転になると、系統側との有効電力の潮流がなくなるので、有効電力調整装置３６により図２の速度指令関数ａの働きを抑制することもなくなるので、単独運転を検出することができる。
【００３０】
また、本実施例において、自家発電設備１が系統と連系するための遮断器１６が開路している状態では、関数発生器２０及び発電機の周波数を揺動させる手段３３の動作は停止させることにする。
【００３１】
なお、以上説明した本発明の各実施例では、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ことができる。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の系統連系保護装置（請求項１乃至請求項５対応）は、発電機周波数が系統連系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原動機の回転速度調整を行う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、関数発生器が有する関数の特性により単独運転になると、発電機周波数の微少変動を増大させるように働き、保護リレーが感知するレベルにシフトすることになり、系統の停電を検出することができる。ここで、発電機の周波数を揺動させる手段は、系統から電力を受け取らずに自家発電装置の発生電力と負荷電力がバランスしているため単独運転に陥っても発電機周波数が変動しない場合でも、発電機の周波数を揺動させる手段により発電機周波数を変動させることができるので、関数発生器の働きにより周波数のシフトへと導くことが可能となる。
【００３３】
従って、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受給がほとんど無い時に系統解列となっても、微少な周波数変動を増大させることで継電器に感知させ、受電線送り出し遮断器と自家発電設備需要家受電点遮断器との間に高価な転送遮断装置を設けることなく、速やかに受電点遮断器を切り離すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例の自家発電設備の系統連系保護システムの構成図。
【図２】本発明で用いる関数発生器の特性図。
【図３】揺動信号発生装置の出力信号の波形図。
【図４】本発明の第２実施例の自家発電設備の系統連系保護システムの構成図。
【図５】本発明の第３実施例の自家発電設備の系統連系保護システムの構成図。
【図６】本発明の第４実施例の自家発電設備の系統連系保護システムの構成図。
【図７】従来の自家発電設備の系統連系保護システムの構成図。
【符号の説明】
１…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、６…転送受信装置、１０…構内系統母線、１１…交流発電機、１２…自動電圧調整装置、１３…原動機、１４…調速機、１５，１８…遮断器、１６…自家発電設備需要家受電点遮断器、１７…構内負荷、１９…周波数検出器、２０…関数発生器、２１…不足電圧継電器、２２…周波数低下継電器、２３…過電圧継電器、２４…過電流継電器、２５…方向地絡継電器、２６…逆電力継電器、２７…発電機異常検出用継電器、２８…周波数上昇継電器、３１…潮流検出装置、３２…潮流量判定要素、３３…速度指令揺動信号発生装置、３４…負荷インピーダンス投入遮断装置、３５…電圧指令揺動信号発生装置、３４１…負荷インピーダンス、３４２…スイッチ、３４３…コントローラー、３６…有効電力調整装置、３７１，３７２…加算器。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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