(57)【要約】      （修正有）【課題】電力系統における単独運転を検出する方法を提供する。【解決手段】送電網における状態は、その送電網における電圧をサンプリングすることによって検出される。正常状態仮説は正弦曲線としてモデル化され、過渡条件仮説が減衰した正弦曲線の和としてモデル化される。サンプルを用いて確率密度関数を構築する。ｐｄｆ及び仮説に基づく尤度比をしきい値と比較して、状態が正常状態であるか又は過渡状態であるかを判断する。【選択図】図１
2014166133.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力系統における単独運転を検出する方法であって、
前記電力系統において電力線に対するシーケンス信号を生成するステップと、
分散発電機において前記信号シーケンスを含む電力信号のサンプルを測定するステップと、
正常状態仮説及び単独運転仮説をモデル化するステップと、
前記サンプルから確率密度関数を構築するステップと、
前記確率密度関数及び前記仮説に基づく尤度比をしきい値と比較して前記単独運転を判断する、比較するステップと、
を含み、前記ステップはプロセッサにおいて実行される、電力系統における単独運転を検出する方法。
【請求項２】
前記信号シーケンスは信号発生器によって生成され、測定デバイスが前記サンプルを測定する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記電力信号は単相又は三相である、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記分散発電機は、ソーラーパネル、風力タービン、潮力発電機、波力発電機及びバックアップ発電機からなる群から選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記信号発生器及び測定デバイスは非同期である、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記サンプルは、確率論的検出器において前記確率密度関数に対する最良適合について解析される、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記サンプルは正常サンプル及び単独運転サンプルを含み、正常仮説は
Ｈ０：  ｙ  ＝  θＰｋａ  ＋  ｗ，
であり、単独運転仮説は
Ｈ１：  ｙ  ＝  ｗ
である、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
尤度比テストを用いてｋ及びθを推定するステップを更に含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記比較するステップは、
正常確率密度関数及び単独運転確率密度関数の尤度比を求めるステップと、
前記尤度比をしきい値処理するステップと、
を更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記しきい値処理は誤警報の所望の確率に基づく、請求項９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、包括的には、電力系統における異常状態を検出することに関し、より詳細には、単独運転を検出することに関する。
【背景技術】
【０００２】
電力系統における単独運転
分散発電機は、電力系統における重要な構成要素となっている。分散発電機は小型であり、ソーラーエネルギー、風力エネルギー及び水力エネルギー等の再生可能エネルギーとともに用いることができる。したがって、分散発電機は、局地的な電力不足問題を解決する等、電力系統に多数の利点を与える。
【０００３】
しかしながら、分散発電機が従来の電力系統において動作するとき、単独運転が発生する可能性がある。単独運転とは、送電網からの一次電力がもはや存在しない場合であっても、１つ又は複数の分散発電機が系統の一部に電力を供給し続ける異常状態である。
【０００４】
２つのタイプの単独運転、すなわち、意図的な単独運転及び意図しない単独運転が存在する。意図的な単独運転は、スケジューリングされた単独運転である。意図的な単独運転の間、分散発電機は系統のオペレーターによって調整及び制御される。意図的な単独運転は安全である。意図しない単独運転は計画されていない異常状態であり、系統、接続された機器及び人々に害を及ぼす可能性がある。したがって、意図しない単独運転は、全ての分散発電機がシャットダウンされるか又は送電網から迅速に切断されるように非常に短時間で検出されなくてはならない。例えば、電力系統に分散リソースを相互接続すること（Interconnecting Distributed Resources with Electric Power Systems）に関するＩＥＥＥ１５４７標準規格は、２秒未満の検出時間を必要としている。ＩＥＥＥ１５４７標準規格のセクション４．４．１は、「分散リソース（ＤＲ：distributed resource）が共通結合点（ＰＣＣ：points of common coupling）を通じてエリア電力系統（ＥＰＳ：electric power system）の一部分にエネルギー供給する意図しない単独運転の場合、ＤＲ（分散リソース）相互接続システムはこの単独運転を検出し、単独運転の形成から２秒以内にエリアＥＰＳへのエネルギー供給を止めるものとする」と述べている。
【０００５】
能動的検出及び受動的検出を含む、複数の単独運転検出方法が知られている。能動的方法は、送電網に接続された分散発電機の電圧、周波数、電流又は位相にバイアスをかける。次に、系統動作パラメーターに対するバイアスの影響を測定して単独運転が存在するか否かを判断することができる。受動的方法は、電圧、周波数、電流又は位相における異常の検出に依拠する。これらのパラメーターが通常動作値を上回るか又は下回っている場合、単独運転が発生する可能性がある。従来の単独運転検出方法の共通の欠点は、非検出ゾーンの存在である。換言すれば、単独運転を検出する信頼性のある方法は存在しない。
【０００６】
信頼性のある単独運転検出に関して、通信に基づく方法が知られている。これらの方法は、送電網から分散発電機に信号を送信し、動作を止めるとき又は継続するときを判断する。
【０００７】
例えば、特許文献１は、公共送電網（utility grid）における意図しない単独運転を検出する方法及び装置について記載している。この方法は、ユーザー定義の制御信号を生成し、この制御信号を公共送電網に相互接続された分散リソースに適用する。
【０００８】
特許文献２は、電力線電圧を有する送電網における単独運転を検出する方法について記載している。この方法は、発電所における電力線電圧と異なる検出可能な信号を監視し、この検出可能な信号を発電所の外側の送電線上の点（grid point）において電力線電圧上に印加する。発電所は、信号が存在しないとき、送電網接続動作モードから単独運転動作モードに切り替わる。
【０００９】
特許文献３は、分散発電の単独運転防止技法について記載している。この方法は、分散電源の出力における電流パルスを含む。送電網電圧をノードにおいて監視して、パルスに関連する外乱が生じるときを判断する。送電網が存在する場合、パルスに関連する外乱は生じない。パルスに関連する外乱の検出を用いて単独運転をシグナリングする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許第７，２２５，０８７号
【特許文献２】米国特許第７，３７６，４９１号
【特許文献３】米国特許第７，１３８，７２８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の実施形態は、電力系統における単独運転を検出する方法を提供する。信号発生器は局所的な電力系統に対し信号シーケンスを周期的に生成する。単独運転検出器は分散発電機において電力信号をサンプリングする。バイナリ仮説テスト及び尤度比テスト（ＬＲＴ：likelihood ratio test）を用いて単独運転を検出する。信号発生器及び分散発電機は、コスト効率及び動作効率を得るように非同期にすることができる。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本方法は、基本周波数、初期位相又は電圧振幅を必要としない。したがって、本方法の性能は、送電網の公称周波数からの周波数偏差等の理想的でない状況下において保持される。
【００１３】
サンプルを正常確率密度関数（ｐｄｆ：probability density function）及び単独運転ｐｄｆと比較して、単独運転を検出することができる。なぜなら、これらのｐｄｆは異なる平均及び共分散を有するためである。
【００１４】
尤度比テストは、信号サンプルが正常仮説（Ｈ０）に対応するか又は単独運転仮説（Ｈ１）に対応するかを判断する。
【００１５】
一実施形態では、単独運転検出はパラメーターテストとして定式化され、尤度比テスト（ＬＲＴ）を用いて解かれる。この実施形態では、ＬＲＴは２つのモデルの適合を比較する統計的テストである。２つのモデルは一方が正常状態のモデルであり、他方が単独運転のモデルである。テストはモデルの尤度比に基づく。
【００１６】
例えば、ＬＲＴ比が１に等しくない場合、単独運転が検出される。この実施形態の一変形形態において、単独運転は、１とＬＲＴ比との間の差がしきい値よりも大きい場合に検出される。
【００１７】
本発明による単独運転検出方法は、単層電力系統又は三相電力系統における複数の分散発電機、及び他の分散発電機を有する電力系統に適用することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明は、バイナリ仮説テストを用いて単独運転を検出する方法を提供する。信号発生器は、信号のシーケンスを電力線内に周期的に送信する。単独運転検出器は送信された信号サンプルを測定し、測定されたサンプルを用いて単独運転状態を判断する。正常状態は仮説（Ｈ０）としてモデル化され、単独運転は仮説（Ｈ１）としてモデル化される。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明による単独運転検出方法が動作する電力系統の概略図である。
【図２】本発明の一実施形態による、電力系統の単独運転を検出し、分散発電機の動作を制御する方法のブロック図である。
【図３】本発明の実施形態による、確率論的な単独運転検出器及び検出プロセスのブロック図である。
【図４】本発明の実施形態によって用いられる信号シーケンスのブロック図である。
【図５】本発明の一実施形態による単独運転検出方法の性能のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図１は、本発明の単独運転検出方法が動作することができる電力系統の概略図を示している。送電網電源１００が電力系統に一次電力を提供する。二次電源として電力系統に接続された、ソーラーパネル、風力タービン、潮力発電機、波力発電機又はバックアップ発電機等の複数の分散発電機１５０が存在する。
【００２１】
通常、電力系統に接続された複数の負荷１６０も存在する。分散発電機及び負荷は局所電力系統１１０を形成する。信号発生器１２０がブレーカースイッチ１４０の外側の配電網内に設置され、局所電力系統用の信号シーケンス１３０を生成する。各分散発電機において、単独運転を検出して分散発電機の動作を制御する単独運転検出及び制御ユニット１７０が設置される。信号発生器と単独運転検出及び制御ユニットとは、コスト及びメンテナンスを低減するように非同期にされる。なぜなら、同期は特に頻繁に調整される電力潮流の場合に複雑であるためである。
【００２２】
図２は、単独運転検出及び制御ユニット１７０のブロック図を示している。この方法は、電力線からの信号を測定し（２１０）、サンプル２２０を取得する。サンプルは確率論的検出器２３０の入力である。信号処理結果に基づいて、確率論的検出器は分散発電機１５０に対する制御信号２４０を生成する。単独運転が検出される場合、分散発電機はシャットダウンするか、又は単独運転モードで動作することができる。単独運転モードで動作する場合、分散発電機は単独運転モードの構成に従わなくてはならない。
【００２３】
図３は、確率論的検出器のブロック図を示している。単独運転検出問題はバイナリ仮説テストとしてモデル化される。既知のシーケンスエネルギー及び未知のシーケンスエネルギーを用いた検出がそれぞれ導出される。
【００２４】
信号発生器１２０は、電力線に対し信号シーケンスａ＝［ａ１，ａ２，．．．，ａｎ］Ｔを周期的に生成する。図４を参照されたい。式中、Ｔは転置演算子である。
【００２５】
図４はシーケンス例１３０及び９個のサンプルのサンプリング間隔４００を示している。
【００２６】
分散発電機における単独運転検出及び制御ユニット１７０は、電力線信号をサンプリングして、局所的な電力系統１１０が単独運転しているか否かを判断する。基本周波数成分が除去されていると仮定する。局所電力系統が送電網に接続されている場合、送信される信号シーケンスは単独運転検出及び制御ユニットに流れることができる。したがって、抽出される信号サンプルは以下のように表すことができる。
【００２７】
【数１】
2014166133.tif 000003
【００２８】
式中、
【数２】
2014166133.tif 000004
はゼロ平均白色ガウス受信機雑音を表し、Ｉｎはｎ×ｎの恒等行列を表し、θ＞０は既知又は未知とすることができ、θ２はシーケンスの電力を表し、Ｐは単位時間シフト行列
【数３】
2014166133.tif 000005
であり、０≦ｋ≦ｎ−１は、未知の整数であり、サンプルが開始する場所を示す。
【００２９】
単独運転が発生する場合、サンプルは以下の雑音ベクトルを形成する。
ｙ  ＝  ｗ                                                            （３）
【００３０】
このため、単独運転検出問題をバイナリ仮説テストとして以下のように計算し直す。
【００３１】
【数４】
2014166133.tif 000006
【００３２】
式中、仮説Ｈ０は正常状態を表し、Ｈ１は単独運転を示す。
【００３３】
θが既知の場合の確率論的検出
θが既知の場合、単独運転検出問題は尤度比テスト（ＬＲＴ）により解くことができる。
【００３４】
【数５】
2014166133.tif 000007
【００３５】
式中、Ｔはしきい値を表し、
【数６】
2014166133.tif 000008
３００及び
【数７】
2014166133.tif 000009
３１０は尤度関数である。
【数８】
2014166133.tif 000010
であるので、式（５）の尤度比テストは以下のように簡単化することができる。
【００３６】
【数９】
2014166133.tif 000011
【００３７】
式中、しきい値Ｔは適切に変換されている。しきい値は誤警報の所望の確率に基づくことができる。式（７）によって表される最適な検出器は、意思決定において最も可能性の高い開始点ｋを選択する（３２０）。ｋ及びθの双方が求められると、尤度関数
【数１０】
2014166133.tif 000012
３００及び
【数１１】
2014166133.tif 000013
３１０を用いて尤度比を求める（３３０）。これを用いて、変換されたしきい値Ｔと比較して単独運転を判断し（３４０）、分散発電機に対し、例えばその発電機を切断するか又はオフにする制御信号を生成する（２４０）。
【００３８】
θが未知の場合の確率論的検出
θが未知の場合、バイナリ仮説テストは２つの未知のパラメーター、すなわちθ及びｋを含む。検出は一般化されたＬＲＴ
【数１２】
2014166133.tif 000014
により解くことができるか、又は同等に
【数１３】
2014166133.tif 000015
により解くことができる。式中、しきい値Ｔも適切に変換されている。最適な検出器は、式（１０）に従って意思決定において最も可能性の高い開始点ｋ及びθを選択する（３２０）。ｋ及びθの双方が求められると、尤度関数
【数１４】
2014166133.tif 000016
３００及び
【数１５】
2014166133.tif 000017
３１０を用いて尤度比を求める（３３０）。これを用いて、変換されたしきい値Ｔと比較して単独運転を判断し（３４０）、分散発電機に対し制御信号を生成する（２４０）。
【００３９】
図５は、検出方法の性能を、同期信号及び非同期信号での理論的結果及び数値結果について、検出確率対誤警報確率の確率関数として示している。例えば、０．９５の検出確率は、１２ｄＢのＳＮＲ及び０．０２の誤警報確率で達成される。
【００４０】
分散発電機は電力系統における重要な構成要素であると予期される。しかしながら、分散発電機は、電力系統に追加の電力を提供することに加えて、電力系統において意図しない単独運転を発生させる可能性もある。意図しない単独運転は確実に検出されなくてはならず、分散発電機の動作は単独運転検出判定に基づいて制御されなくてはならない。
【００４１】
本発明は、バイナリ仮説テストを用いて単独運転を検出する方法を提供する。信号発生器は、信号のシーケンスを電力線内に周期的に送信する。単独運転検出器は送信された信号サンプルを測定し、測定されたサンプルを用いて単独運転状態を判断する。正常状態は仮説（Ｈ０）としてモデル化され、単独運転は仮説（Ｈ１）としてモデル化される。
【００４２】
モデルのパラメーターは未知であるため、電力線の測定されたサンプルから構築された確率密度関数に対して尤度比テストが用いられる。ｐｄｆの尤度比はしきい値と比較され、ネットワークの状態が正常であるか又は単独運転であるかが判断される。
【図１】
2014166133.tif 000018
【図２】
2014166133.tif 000019
【図３】
2014166133.tif 000020
【図４】
2014166133.tif 000021
【図５】
2014166133.tif 000022
【外国語明細書】
2014166133.tif 000023
2014166133.tif 000024
2014166133.tif 000025
2014166133.tif 000026
2014166133.tif 000027
2014166133.tif 000028
2014166133.tif 000029
2014166133.tif 000030
2014166133.tif 000031
2014166133.tif 000032
2014166133.tif 000033
2014166133.tif 000034
2014166133.tif 000035
2014166133.tif 000036
2014166133.tif 000037
2014166133.tif 000038
2014166133.tif 000039
2014166133.tif 000040
2014166133.tif 000041
2014166133.tif 000042