(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
商用電力系統などの主系統に連系された分散電源の出力電圧Ｅti、電流Ｉgi（i は正整数１〜ｎ）を経時的に計測し、
分散電源の出力電圧Ｅt 、電流Ｉg 、系統電源電圧Ｅs 、および系統インピーダンスＺ＝Ｒ＋ｊＸ（ただし、Ｒは線路抵抗、Ｘは線路リアクタンス）の間の関係式
Ｅt ＝Ｅs ＋Ｉg （Ｒ＋ｊＸ）
に計測電流値Ｉgiを代入して端子電圧推定値Ｅtif ＝Ｅs ＋Ｉgi（Ｒ＋ｊＸ）を演算し、さらに、前記端子電圧推定値Ｅtif と計測電圧値Ｅtiとの差を最小とするような、線路抵抗Ｒおよび線路リアクタンスＸからなる等価インピーダンス、前記分散電源から見た主系統側の等価電源電圧の少なくとも一方を推定演算することを特徴とする電力系統監視方法。
【請求項２】
前記出力電圧Ｅti、電流Ｉgiの計測は、分散電源の出力を変動させながら行なわれることを特徴とする請求項１に記載の電力系統監視方法。
【請求項３】
前記線路抵抗Ｒおよび線路リアクタンスＸからなる等価インピーダンスを推定演算する電力系統監視方法であり、さらに前記線路抵抗Ｒおよび線路リアクタンスＸのいずれかの変化量および変化速度の少なくとも一方が予定値を超えたときは、前記分散電源の単独運転を示す信号を発生することを含むことを特徴とする請求項１または２に記載の電力系統監視方法。
【請求項４】
前記分散電源から見た主系統側の等価電源電圧を推定演算する電力系統監視方法であり、さらに前記等価電源電圧が実質上ゼロに低下したときは、前記分散電源の単独運転を示す信号を発生することを含むことを特徴とする請求項１または２に記載の電力系統監視方法。
【請求項５】
前記分散電源から見た主系統側の等価電源電圧、線路抵抗Ｒおよび線路リアクタンスＸの推定演算は、前記線路抵抗Ｒおよび線路リアクタンスＸからなる等価インピーダンスおよび等価電源の直列回路が前記分散電源の出力端子に接続された等価回路に基づいて行なわれることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の電力系統監視方法。
【請求項６】
前記分散電源の出力電圧周波数をさらに計測し、
線路抵抗Ｒおよび線路リアクタンスＸからなる等価インピーダンス、前記分散電源から見た主系統側の等価電源電圧の少なくとも一方に基づき、前記出力電圧および周波数の少なくとも一方の変動量および／または変動速度をも考慮して、前記分散電源の単独運転を示す信号を発生させることを含むことを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の電力系統監視方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電力系統特に商用電力系統の等価インピーダンス推定、ならびにこのように推定された等価インピーダンスに基づいて、商用電力系統に連系された自家用発電設備などの分散電源の単独運転検出を行う電力系統監視方法に関する。さらに具体的には、電力系統に連系された分散電源の出力端子から見た電力系統の等価線路インピーダンスおよび／または電力系統の等価電源電圧を推定、ならびに推定された前記等価インピーダンスおよび／または等価電源電圧に基づいて、分散電源が連系している商用電力系統やその上位系統の引出口の遮断器が開放された状態で、分散電源が単独で運転（発電）を継続している事を検出する電力系統監視方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
エネルギの有効活用や電力供給事情改善の観点から、小水力発電、ゴミ焼却発電、風力発電、燃料電池、太陽電池などの自家用発電設備すなわち分散電源を商用電力系統に連系することが認可されるようになり、実用に供されるようになってきた。このような連系電力系統では、分散電源が連系している商用電力系統やその上位系統に事故が発生した場合や、系統の保守・修理・復旧作業などの際には、その引出口の遮断器が開放される。このような状態で、分散電源が解列されることなしに、商用電源から分離された部分系列内で単独運転（発電）を継続していると、本来は無電圧であるはずの商用電力線が充電されることになり、安全確保の面で問題がある。したがって、系統の保守・修理・復旧作業などの際における分散電源の単独運転は確実に検出され、防止されなければならない。
【０００３】
分散電源から電力系統へ向かう電力潮流が許されない発電設備、すなわち逆潮流のない連系の場合は、分散電源の受電点に逆電力継電器などを設置することによって逆潮流を検知し、自動的に分散電源を系統から解列する事ができる。しかし逆潮流が許容される連系の場合は、定常運転中にも分散電源から電力系統へ向かう電力潮流が存在するから逆電力継電器などは使用できない。
【０００４】
電力系統の事故、保守・修理などの理由で当該系統の引出口の遮断器が開放された場合、主系列から切り離された分散電源を含む部分系列内（例えば、分散電源の出力端）での発電量と負荷量が異なるときは、部分系列の周波数や電圧が変動するので、これらを監視することによって単独運転を検知でき、これに基づいて分散電源を解列できることは、容易に推測できる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前述のような部分系列内での周波数や電圧変動を検知する手法では、主系列から切り離された分散電源を含む部分系列内での発電量と負荷量との差が小さくなるにつれて前記周波数や電圧の変動も小さくなってその検知が困難になり、両者がバランスした状態では前記周波数や電圧変動は事実上生じなくなるので、単独運転の検知ができなくなる。したがって当然に、単独運転状態が継続する事になるという不都合が予想される。
【０００６】
本発明の目的は、電力系統に連系された電源から見た電力系統の等価インピーダンスおよび／または等価電源電圧を推定、ならびに主系列から切り離された部分系列内での発電量と負荷量とのバランス状態に関係なく、上記のように両者の差が小さい場合でも確実に分散電源の単独運転を検知する電力系統監視方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明においては、まず第１に、商用電力系統などの主系統に連系された分散電源の出力電圧Ｅti、電流Ｉgi（i は正整数１〜ｎ）を経時的に計測し、分散電源の出力電圧Ｅt 、電流Ｉg 、系統電源電圧Ｅs 、および系統インピーダンスＺ＝Ｒ＋ｊＸ（ただし、Ｒは線路抵抗、Ｘは線路リアクタンス）の間の関係式Ｅt ＝Ｅs ＋Ｉg （Ｒ＋ｊＸ）に計測電流値Ｉgiを代入して端子電圧推定値Ｅtif ＝Ｅs ＋Ｉgi（Ｒ＋ｊＸ）を演算し、さらに、前記端子電圧推定値Ｅtif と計測電圧値Ｅtiとの差を最小とするような、線路抵抗Ｒおよび線路リアクタンスＸからなる等価インピーダンス、前記分散電源から見た主系統側の等価電源電圧の少なくとも一方を推定演算する。そして、推定された主系統側の等価インピーダンスの変化量および変化速度の少なくとも一方が予定値を超えたとき、あるいは主系統側の等価電源電圧が実質上ゼロに低下した時、または分散電源出力周波数の変動量／変動速度が基準値を超えたときは、前記分散電源の単独運転を示す信号を発生する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図２に示すように、電源インピーダンスがＺ1 、線路インピーダンスがＺ2 の主系統（商用電力系統）電源Ｅs に負荷Ｌ1 が接続され、これに連系された分散電源Ｇには負荷Ｌi が接続された電力系統においては、図５の式１が成立する。そして通常は、負荷Ｌ1 、Ｌi のインピーダンスＺＬ1 、ＺＬi は電源インピーダンスや線路インピーダンスに比べて非常に大きいから、分散電源Ｇから主系統側を見たインピーダンスを考える場合、負荷インピーダンスは無視することができる。したがって、図２の系統では、分散電源Ｇの端子電圧Ｅt と出力電流Ｉg との間には図５の式２が成立する。
【００１１】
いま主系統電源Ｅs が図２のＡ点において遮断されたとすると、分散電源Ｇから見た主系統電源Ｅs はゼロであり、電源インピーダンスＺ1 は無限大になるから、式１は式３に変化する。ここで、電流Ｉg の微小変動分に対する端子電圧Ｅｔの変動分を求めると、系統に連系されている場合は式２の微分から式４が得られ、系統から解列された場合は式３の微分から式５の関係が得られる。明らかなように式５は、負荷インピーダンスＺL1、ＺL2に較べて線路インピーダンスＺ1 、Ｚ2 は十分に小さいことを考慮して、これらを無視したものであり、分散電源に負荷ＺＬi とＺＬ1 が並列接続された状態に対応する。以上の解析から、分散電源から系統側を見たインピーダンスは、正常な連系運転中は式４で表わされ、解列されて単独運転に移行した時は式５に急変することが分かる。
【００１２】
本発明は、分散電源から系統側を見た等価インピーダンスおよび／または系統側電源電圧Ｅs を推定し、あるいはさらにこれらの推定値の変化量および／または変化速度を監視して分散電源が単独運転状態になったことを検出しようとするものである。このために、分散電源Ｇからの出力電流Ｉg を、商用周波数に比べて十分に低い周期で変動させる場合を考える。このような系統においては、また線路や並列コンデンサの静電容量も無視できるので、その等価回路は図３のように表わされる。ここで、Ｒ、Ｌは線路の抵抗およびインダクタンス成分であり、Ｌg は分散電源Ｇの出力端子から分散電源側をみたインピーダンスである。またこの場合のベクトル図は図４のようになり、図５に示す式６の関係が得られる。
【００１３】
これらの関係に基づき、分散電源Ｇからの出力電流Ｉg を緩やかに変化させたとき、各時点ｔi （ｉは１〜ｎの正整数）での実測電流Ｉgiと実測端子電圧Ｅtiとの関係が式６を満足するような係数（パラメータ）Ｅs 、Ｒ、Ｘを、適当なパラメータ推定法によって求める。パラメータ推定法については、例えば、株式会社オーム社昭和５８年１０月３０日発行、計測自動制御学会編、「自動制御ハンドブック、機器・応用編」５１６頁「６・３  パラメータ推定」や、株式会社コロナ社昭和６３年３月２５日発行、「現代制御シリーズ（１）『信号解析とシステム同定』」中溝高好著第７〜１７頁「推定」、１２７頁「最小２乗推定」などに詳述されている。
【００１４】
パラメ−タ推定の１手法として、例えば前記文献にも記載されている代表的な最小２乗法を用いることができる。その場合は、前記実測電流Ｉgiを式６に代入して得られる推定端子電圧Ｅtif （式７）と前記実測端子電圧Ｅtiとの差εi 、すなわち式８、９で表されるε2 を最小にするような主系統電圧Ｅs 、線路の抵抗分Ｒおよびリアクタンス成分Ｘの推定値を求める。実測電流Ｉgiの主系統電圧Ｅs に対する位相角（β＋θ）は、図４から明らかなように、Ｒ、Ｘ、θが与えられると一義的に決まる。ところでθはθi として実測できるから、位相角（β＋θ）は一義的に決まることになる。また推定端子電圧Ｅtif と実測端子電圧Ｅtiとは前記実測電流Ｉgiに対して同一位相角であるから、Ｅtif とＥtiとの差は絶対値の差を採ればよい。
【００１５】
このようにして求められたＥs 、Ｒ、Ｘはｉ＝１〜ｎ時間内の主系統の電源電圧および線路インピーダンスの推定値である。図４に示したベクトル図から式１０が得られるから、これを式９に代入すると式１１が得られる。この式１１中のＥs 、Ｒ、Ｘを少しずつ変化させ、繰り返し計算により、式１１を最小にするＥs 、Ｒ、Ｘの値すなわち式８を最小にする係数Ｅs 、Ｒ、Ｘの値を求めることができる。
【００１６】
図１は本発明の方法を実施するのに好適な装置構成の１例を示すブロック図である。同図において、図２、３と同一の符号は同一または同等部分を表わす。分散電源Ｇの出力（電流Ｉg 、電圧Ｅt ）が出力制御装置１１によって、なるべくは商用電源周波数に比べて十分に低い周波数で、正弦波状、Ｍ系列または不規則（ランダム）に変化させられる。前記Ｍ系列（最長系列）に関しては、例えばジャテック出版株式会社昭和５９年１１月１５日発行、立野敏他著「最新スペクトラム拡散通信方式」５７頁以降に詳述されている。また、出力電流を強制的に変化させなくても、自然に発生する出力変動をそのまま検出、利用することもできる。時刻ｔi における分散電源Ｇの出力電流Ｉgti および電圧Ｅtiがそれぞれ計測されてパラメ−タ推定演算部１２に供給される。パラメ−タ推定演算部１２は、上述のような適当な手法（例えば、最小２乗法）で、主系統電源電圧Ｅs 、線路抵抗Ｒ、および線路リアクタンスＸの各最尤値の少なくとも１つを推定する。
【００１７】
パラメ−タ基準設定器１３は、各分散電源または連系系統、あるいは部分系統ごとに予め求められた、各分散電源の正常な連系運転状態における系統パラメ−タ、すなわち各分散電源の出力端から見た主系統電源電圧Ｅs 、線路抵抗Ｒ、および線路リアクタンスＸの標準値、ならびに異常判定に必要な偏差量などの設定値を記憶する。異常検出部１４は、推定演算部１２で推定された主系統電源電圧Ｅsf、線路抵抗Ｒf 、および線路リアクタンスＸf を供給され、これらをそれぞれの標準値と対比して、それぞれの偏差が予定値以上であれば異常を検出し、対応する異常信号を単独運転判定部１５に供給し、単独運転を示す信号を発生させる。単独運転の判定は、例えば次のような状態が設定時間（例えば、数秒〜１０秒）以上継続したことに基づいて行なうことができる。
【００１８】
（１）主系統電源電圧Ｅs の推定値がゼロになったとき。
連系運転中は当然に主系統電源電圧Ｅs の推定値は定格値に近いある値を示すのに対し、主系統が遮断されると、前述のように前記電圧の推定値はゼロになるから、これによって単独運転を判定できる。
【００１９】
（２）等価インピーダンス（Ｒおよび／またはＸ）が急増し、その変化幅及び／または変化速度が設定値よりも大きくなったとき。
正常な連系運転中の前記等価インピーダンスは実質上線路インピーダンスのみであって非常に小さ小さいのに対して、単独運転になると連系端が開放となるので、たとえ図２に示したような負荷負荷インピーダンスＺＬ１が加わったとしても、前記等価インピーダンスは各段に大きくなる。このような事実に則り、前記等価インピーダンスの増加を監視することによって単独運転を判定できる。この場合の判定基準としては、各系統ごとにばらつきはあるが、例えば、０．５秒以内に数１０％以上の増加が検出され、かつこの状態が数秒〜１０秒以上継続した場合には単独運転と判定することが想定できる。
【００２０】
（３）Ｒ／Ｘの値が１〜１．５以上に大きくなったとき。
通常の送配電線ではＲ／Ｘの値は０．５〜１程度であるが、負荷が接続されたまま主系統電源が遮断されて単独運転に移行すると、前述のように、負荷インピーダンスが加わるのでその値は２以上に増加する（負荷の力率は通常９０％以上であるから）。したがって、このような変化に基づいて単独運転を判定できる。
【００２１】
さらに、分散電源Ｇの出力電圧（および必要に応じて、電流）信号を供給される電圧・周波数等異常検出部１６を付設し、分散電源の出力端でみた電圧や周波数の異常上昇下降、出力電圧に対する電流の位相差の異常変動などが発生し、これらの異常状態が予定時間（例えば、数秒〜１０秒）以上継続した場合には第２異常信号、または個々の異常信号を単独運転判定部１５に出力して単独運転を示す信号を発生させるようにしてもよい。
【００２２】
すなわち単独運転判定部１５は、電圧・周波数等異常検出部１６からの第２異常信号をアナログ信号の形（この場合は、電圧、周波数の標準値からの偏差量）で受信し、これと、異常検出部１４で得られる各種パラメータ（推定主系統電源電圧Ｅs 、抵抗Ｒ、リアクタンスＸ）の標準値からの偏差量（または比率）との組合せ（論理積や論理和）に基づいて、分散電源の単独運転状態を総合判断することができる。例えば、電力系統の遮断点（例えば、図２のＡ点）ごとに、前記各パラメ−タおよび分散電源の出力端における電圧、周波数の偏差量（または比率）を予め推定演算、または実測しておき、これらの組合わせをテーブルに蓄積しておけば、異常検出部１４および電圧・周波数等異常検出部１６からの各偏差量（または比率）の組合わせを前記テーブルに参照することによって、分散電源の単独運転を判定することができる。すなわち各偏差量（または比率）の組合わせに基づいて分散電源の単独運転を示す信号の発生を決定するようにしてもよい。
【００２３】
周波数変動については、例えば、０．５秒以内に±０．１％〜±０．３％（０．０６〜０．１８Ｈｚ）の変動が検出されれば異常を検出し、この異常が５〜１０秒継続すれば単独運転と判定することができる。その他のパラメータについてもほぼ同様の基準で異常の検出と単独運転判定を行うことができる。
【００２４】
上述の演算処理に必要な入力データ（端子電圧Ｅti、電流Ｉgti 、位相差θi ）の取り込みは、次のような手法で実施できる。
（１）電圧、電流振幅値と両者間の位相差を計測する。
（２）分散電源の出力電圧を商用周波数ωc よりも低い周波数ωm で変動させ、図５の式１２で表わされるような振幅変調された波形の電流Ｉgiを作り出し、同式中の（ωc ＋ωm ）成分または（ωc −ωm ）成分を、例えば既知の相関フィルタなどを用いて抽出する。相関フィルタ(Matched Filter)については、例えば、ＨＢＪ出版局１９８６年３月１３日発行、「詳解ディジタルアナログ通信方式」第４８４〜４９１頁や、現代工学社１９８２年６月２０日発行「アナログ・ディジタル信号解析」第２６３〜２６５頁に記述されている。
【００２５】
【発明の効果】
本発明によれば、分散電源の出力端において実測された出力電流、電圧（および両者の位相差）に基づいて、当該分散電源から見た主系列側のインピーダンスや電源電圧を推定することができ、このようにして推定インピーダンスおよび／または電源電圧、周波数などの変化を監視したり、予め準備された標準値と対比することにより、主系列から切り離された部分系列内での発電量と負荷量とがバランスしていたり、バランスに近い状態にあるときでも、確実に分散電源の単独運転を検知し、必要に応じて解列することができる。さらに、前記推定インピーダンスに基づいて当該電力系統の安定度を監視することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法を適用した装置の１例を示すブロック図である。
【図２】本発明を適用するのに好適な電力系統の例を示す図である。
【図３】図２の電力系統の等価回路図である。
【図４】図３の回路における電圧、電流のベクトル図である。
【図５】本発明において使用される演算式を示す図である。
【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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