(57)【要約】【課題】負荷変動源が連系している電力系統の電圧変動を短時間に解析することを可能とする。【解決手段】電力系統の系統インピーダンスを用いて負荷変動源の無効電力負荷の変化に対する母線電圧の感度である系統感度を算出すると共に、負荷変動源の瞬時無効電力を用いて算出した無効電力変動量に基づいて電力変動係数を算出し、系統感度と電力変動係数とを用いて母線のフリッカ値を算出するようにした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力系統の系統インピーダンスを用いて負荷変動源の無効電力負荷の変化に対する母線電圧の感度である系統感度を算出すると共に、前記負荷変動源の瞬時無効電力を用いて算出した無効電力変動量に基づいて電力変動係数を算出し、前記系統感度と前記電力変動係数とを用いて母線のフリッカ値を算出することを特徴とする電圧解析方法。
【請求項２】
電力系統の系統インピーダンスを用いて負荷変動源の無効電力負荷の変化に対する母線電圧の感度である系統感度を算出する手段と、前記負荷変動源の瞬時無効電力を用いて無効電力変動量を算出する手段と、前記無効電力変動量に基づいて電力変動係数を算出する手段と、前記系統感度と前記電力変動係数とを用いて母線のフリッカ値を算出する手段とを有することを特徴とする電圧解析装置。
【請求項３】
電力系統の系統インピーダンスデータが記録されたデータベースにアクセス可能なコンピュータに、前記系統インピーダンスデータを用いて負荷変動源の無効電力負荷の変化に対する母線電圧の感度である系統感度を算出する処理と、前記負荷変動源の瞬時無効電力を用いて無効電力変動量を算出する処理と、前記無効電力変動量に基づいて電力変動係数を算出する処理と、前記系統感度と前記電力変動係数とを用いて母線のフリッカ値を算出する処理とを行わせることを特徴とする電圧解析プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電圧解析方法、装置並びにプログラムに関する。さらに詳述すると、本発明は、例えばアーク炉などの負荷変動が電力系統に与える影響の検討や負荷変動対策装置の仕様の検討に用いて好適な電圧解析方法、装置並びにプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
アーク炉などの負荷変動が大きい電力消費設備（負荷変動源）が電力系統に連系されている場合、負荷変動によって電力系統の種々の地点の電圧が変動するだけでなく、この変動に起因して照明がちらつくという問題が生じる（このような電圧変動は電圧フリッカとも呼ばれる）。このため、これらの負荷変動源に近接させて無効電力の補償装置である他励式ＳＶＣ（ＳＶＣ：Ｓtatic  Ｖar  Ｃompensator）や自励式ＳＶＣなどの対策装置を設置することにより電力品質対策が講じられる。
【０００３】
上記の対策を講じる際の負荷変動源が電力系統に与える影響の検討は、従来、コンピュータを用いた例えば電力系統過渡現象（Ｅlectro-Ｍagnetic  Ｔtransients  Ｐrogram；以下、ＥＭＴＰと表記する）解析などの時間シミュレーションにより行われている（特許文献１）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−２３８１５７号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、負荷変動のパターンは膨大であるため、ＥＭＴＰ解析のような時間シミュレーションによる従来の方法では、電力系統の電圧変動の計算に膨大な時間が必要とされる。また、電圧フリッカ対策として他励式ＳＶＣや自励式ＳＶＣの適用を検討する際には、これらＳＶＣは高速に動作するために時間シミュレーションの時間幅を１０μｓ前後に設定する必要があり、且つ、電圧フリッカ評価の指標であるΔＶ10値を求めるのに一時点あたり例えば６０秒以上の解析時間が必要とされるため、ＥＭＴＰ解析のような時間シミュレーションによる従来の方法では、対策装置として用いられる無効電力補償装置の変換器の容量を求める計算に膨大な時間が必要とされる。このため、ＥＭＴＰ解析のような時間シミュレーションによる従来の方法は、迅速な検討を行うのに適した方法とは言えず、電力系統における電圧フリッカ対策について多数の代替案を検討するのに適した方法とは言い難い。
【０００６】
そこで、本発明は、負荷変動源が連系している電力系統の電圧変動を短時間に解析することができる電圧解析方法、装置並びにプログラムを提供することを目的とする。
【０００７】
なお、ΔＶ10値とは、鉄鋼用アーク炉などの負荷変動によって生じる電圧フリッカの評価に用いられる指標であって、電灯照明のちらつき具合を表す指標である（例えば、電力系統利用協議会：電力系統利用協議会ルール，平成１８年６月１３日第８回改正，p.４４を参照）。以下では、ΔＶ10値をフリッカ値と呼ぶ。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
かかる目的を達成するため、請求項１記載の電圧解析方法は、電力系統の系統インピーダンスを用いて負荷変動源の無効電力負荷の変化に対する母線電圧の感度である系統感度を算出すると共に、負荷変動源の瞬時無効電力を用いて算出した無効電力変動量に基づいて電力変動係数を算出し、系統感度と電力変動係数とを用いて母線のフリッカ値を算出するようにしている。
【０００９】
また、請求項２記載の電圧解析装置は、電力系統の系統インピーダンスを用いて負荷変動源の無効電力負荷の変化に対する母線電圧の感度である系統感度を算出する手段と、負荷変動源の瞬時無効電力を用いて無効電力変動量を算出する手段と、無効電力変動量に基づいて電力変動係数を算出する手段と、系統感度と電力変動係数とを用いて母線のフリッカ値を算出する手段とを有するようにしている。
【００１０】
さらに、請求項３記載の電圧解析プログラムは、電力系統の系統インピーダンスデータが記録されたデータベースにアクセス可能なコンピュータに、系統インピーダンスデータを用いて負荷変動源の無効電力負荷の変化に対する母線電圧の感度である系統感度を算出する処理と、負荷変動源の瞬時無効電力を用いて無効電力変動量を算出する処理と、無効電力変動量に基づいて電力変動係数を算出する処理と、系統感度と電力変動係数とを用いて母線のフリッカ値を算出する処理とを行わせるようにしている。
【００１１】
したがって、この電圧解析方法、装置並びにプログラムによると、電力系統の系統インピーダンスを用いて算出される指標であって負荷変動源の無効電力負荷の変化に対する母線電圧の感度である系統感度と、負荷変動源の瞬時無効電力を用いて算出される無効電力変動量に基づく電力変動係数とを用いて母線のフリッカ値を算出するようにしているので、感度解析を適用した電力系統の電圧解析が行われる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の電圧解析方法、装置並びにプログラムによれば、電力系統の特性が反映された負荷変動の系統感度と電力変動係数とを用いて感度解析による電力系統の電圧解析を行うことが可能であり、時間シミュレーションによる従来の方法と比べて電力系統の電圧変動の解析を短時間で行うことができる。そのため、電圧変動からみた電力系統の問題点の早期発見が可能であり、また、問題改善策の検討の際に多数の代替案の評価が可能であり、電力系統の電圧変動補償作業の迅速性向上と精度向上とを図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の構成を図面に示す最良の形態に基づいて詳細に説明する。なお、本実施形態では、図３に示す電力系統１に対して本発明を適用した場合について説明する。図３において、符号２は、本実施例で解析対象とする電力系統１の上位系統を指す。そして、電力系統１は、送電線３及び変圧器４を介して母線Ｂ０に母線Ｂｎが連系していると共に、母線Ｂｎに負荷変動源Ｆｎが連系している。なお、本明細書においてｎ＝１，２，３，…である。
【００１４】
図１から図４に、本発明の電圧解析方法、装置並びにプログラムの実施形態の一例を示す。この電圧解析方法は、電力系統の系統インピーダンスを用いて負荷変動源の無効電力負荷の変化に対する母線電圧の感度である系統感度を算出すると共に、負荷変動源の瞬時無効電力を用いて算出した無効電力変動量に基づいて電力変動係数を算出し、系統感度と電力変動係数とを用いて母線のフリッカ値を算出するようにしている。
【００１５】
そして、上記電圧解析方法は、図１に示すように、解析対象の電力系統の系統インピーダンスデータ及び送電線に流れている有効電力・無効電力の値や変電所の電圧値など電力系統の潮流条件（以下、系統インピーダンス等と呼ぶ）の読み込みを行うステップ（Ｓ１）と、Ｓ１の処理で読み込んだ系統インピーダンス等を用いて負荷変動源の無効電力負荷の変化に対する母線電圧の感度である系統感度の算出を行うステップ（Ｓ２）と、負荷変動源の瞬時無効電力を用いて無効電力変動量の算出を行うステップ（Ｓ３）と、Ｓ３の処理で算出した無効電力変動量に基づいて電力変動係数の算出を行うステップ（Ｓ４）と、Ｓ２の処理で算出した系統感度とＳ４の処理で算出した電力変動係数とを用いて母線のフリッカ値の算出を行うステップ（Ｓ５）とからなる処理構成により実現される。
【００１６】
また、上記電圧解析方法は、本発明の電圧解析装置として実現され得る。本発明の電圧解析装置は、電力系統の電圧変動の解析に係るデータを読み込む手段と、電力系統の系統インピーダンス等を用いて負荷変動源の無効電力負荷の変化に対する母線電圧の感度である系統感度を算出する手段と、負荷変動源の瞬時無効電力を用いて無効電力変動量を算出する手段と、無効電力変動量に基づいて電力変動係数を算出する手段と、系統感度と電力変動係数とを用いて母線のフリッカ値を算出する手段とを有する。
【００１７】
上述の電圧解析方法並びに電圧解析装置は、本発明の電圧解析プログラムをコンピュータ上で実行することによっても実現される。本実施形態では、電圧解析プログラムをコンピュータ上で実行する場合を例に挙げて説明する。
【００１８】
電圧解析プログラム１７を実行するための本実施形態の電圧解析装置１０の全体構成を図２に示す。この電圧解析装置１０は、制御部１１、記憶部１２、入力部１３、表示部１４及びメモリ１５を備え相互にバス等の信号回線により接続されている。また、電圧解析装置１０にはデータサーバ１６が通信回線等により接続されており、その通信回線等を介して相互にデータや制御指令等の信号の送受信（出入力）が行われる。
【００１９】
制御部１１は記憶部１２に記憶されている電圧解析プログラム１７により電圧解析装置１０全体の制御並びに電力系統の電圧変動の解析に係る演算を行うものであり、例えばＣＰＵである。記憶部１２は少なくともデータやプログラムを記憶可能な装置であり、例えばハードディスクである。入力部１３は少なくとも作業者の命令を制御部１１に与えるためのインターフェイスであり、例えばキーボードである。表示部１４は制御部１１の制御により文字や図形等の表示を行うものであり、例えばディスプレイである。メモリ１５は制御部１１が各種制御や演算を実行する際の作業領域であるメモリ空間となる。また、データサーバ１６は少なくともデータを記憶可能なサーバである。
【００２０】
電圧解析装置１０の制御部１１には、電圧解析プログラム１７を実行することにより、電力系統の電圧変動の解析に係るデータの読み込みを行うデータ読込部１１ａと、
系統インピーダンス等を用いて負荷変動源の無効電力負荷の変化に対する母線電圧の感度である系統感度の算出を行う系統感度算出部１１ｂと、負荷変動源の瞬時無効電力を用いて無効電力変動量の算出を行う無効電力変動量算出部１１ｃと、無効電力変動量に基づいて電力変動係数の算出を行う電力変動係数算出部１１ｄと、系統感度と電力変動係数とを用いて母線のフリッカ値の算出を行うフリッカ値算出部１１ｅとが構成される。
【００２１】
本発明の電圧解析方法の実行にあたっては、まず、制御部１１のデータ読込部１１ａは、Ｓ２の処理である系統感度の算出に用いる解析対象の電力系統１の系統インピーダンス等の読み込みを行う（Ｓ１）。
【００２２】
系統インピーダンスデータは、電力系統内の発電機や送電線、負荷変動源でない需要家負荷のデータから算出される系統のインピーダンスの値であり、それらを整理したものは系統インピーダンスマップとも呼ばれる。系統インピーダンスマップの作成自体は周知の技術であるのでここでは詳細については省略する（例えば、大川良泰：わかる短絡保護協調  高圧需要設備の実践的短絡計算，オーム社，ＩＳＢＮ４−２７４−５００１７−９、又は、（社）電気学会  電力系統モデル標準化調査専門委員会編：電力系統の標準モデル，電気学会技術報告  第７５４号を参照）。
【００２３】
系統インピーダンス等は、系統インピーダンスデータベース１８としてデータサーバ１６に予め保存される。そして、データ読込部１１ａは、系統インピーダンスデータベース１８から解析対象の電力系統１の系統インピーダンス等の値を読み込み、メモリ１５に記憶させる。なお、解析の対象とする電力系統１に限定されない範囲のデータが系統インピーダンスデータベース１８に蓄積されている場合には、データ読込部１１ａは、解析の対象とする電力系統１に係るデータのみを読み込み、メモリ１５に記憶させる。
【００２４】
次に、制御部１１の系統感度算出部１１ｂは、Ｓ１の処理で読み込んだ系統インピーダンス等を用いて系統感度Ｚを算出する（Ｓ２）。
【００２５】
系統感度Ｚは各負荷変動源Ｆｎの負荷変動に対する各母線Ｂｎの電圧の感度を表す。すなわち、系統感度Ｚの大きさは各負荷変動源Ｆｎの各母線Ｂｎへの影響度合いを表す。系統感度Ｚは、具体的には、負荷変動源Ｆｎの無効電力負荷が０．１［ｐｕ］変化した場合の負荷電流の変化量ΔＩ_fnと各母線Ｂｎの電圧変動量ΔＶbn_fnとから数式１により算出される。そして、系統感度Ｚは系統構成によって一意に決まる。
【００２６】
（数１）Ｚbn_fn＝ΔＶbn_fn／ΔＩ_fn
ここに、Ｚbn_fn：負荷変動源Ｆｎの負荷変動に対する母線Ｂｎの電圧の感度，ΔＶbn_fn：負荷変動源Ｆｎの負荷変動に対する母線Ｂｎの電圧の変動量，ΔＩ_fn：負荷変動源Ｆｎの無効電力負荷が０．１［ｐｕ］変化した場合の負荷電流の変化量。ただし、ｎ＝１，２，３，…。
【００２７】
なお、一つの母線Ｂｎに複数の負荷変動源が連系している場合には、それら負荷変動源の負荷変動を足し合わせたものを当該母線Ｂｎの負荷変動源Ｆｎの値として用いれば良い。具体的には例えば、母線Ｂｎに二つの負荷変動源Ｆｎ-1とＦｎ-2とが連系し、それぞれの負荷電流の変化量がΔＩ_fn1，ΔＩ_fn2である場合には、負荷電流の変化量ΔＩ_fnとしてΔＩ_fn＝ΔＩ_fn1＋ΔＩ_fn2で算出される値を用いれば良い。
【００２８】
系統感度算出部１１ｂは、メモリ１５から電力系統１の系統インピーダンス等を読み込み、数式１を用いて母線Ｂｎ毎に各負荷変動源Ｆｎの負荷変動に対する系統感度Ｚbn_fnを算出する。そして、系統感度算出部１１ｂは、算出した系統感度Ｚbn_fnの値をメモリ１５に記憶させる。
【００２９】
次に、制御部１１の無効電力変動量算出部１１ｃは、無効電力変動量ΔＱを算出する（Ｓ３）。
【００３０】
無効電力変動量ΔＱはＦＦＴ解析により算出する。ＦＦＴ解析自体は周知の技術であるのでここでは詳細については省略する（例えば、町田東一・小島紀男：ＦＯＲＴＲＡＮ応用数値計算，pp.９４−１１９，東海大学出版会，ＩＳＢＮ４−４８６−０１０５０−７、又は、小池慎一：Ｃによる科学技術計算，pp.２５７−２６３，ＣＱ出版社，ＩＳＢＮ４−７８９８−３０２９−２）。
【００３１】
本発明では、負荷変動源Ｆｎの三相の瞬時無効電力Ｑ_fnを用いて、母線Ｂ０と母線Ｂｎとの間における無効電力変動量ΔＱ_bnをＦＦＴ解析により算出する。この際、母線Ｂｎに無効電力補償装置５が連系されている場合には、無効電力補償装置５による補償後の瞬時無効電力をＦＦＴ解析により算出し、補償後の瞬時無効電力に基づいて無効電力変動量ΔＱ_bnを求める。以下では、母線Ｂ０と母線Ｂｎとの間における無効電力変動量ΔＱ_bnを母線Ｂｎに係る無効電力変動量と呼ぶ。なお、本発明は、無効電力補償装置５が他励式ＳＶＣである場合と自励式ＳＶＣである場合とのどちらに対しても適用可能である。
【００３２】
負荷変動源Ｆｎの瞬時無効電力等のＦＦＴ解析に用いるデータは、ＦＦＴ解析データベース１９としてデータサーバ１６に予め保存される。また、母線Ｂｎに無効電力補償装置５が連系されている場合には、変換器の容量など無効電力補償装置５の仕様に係るデータもＦＦＴ解析データベース１９に蓄積される。
【００３３】
データ読込部１１ａは、ＦＦＴ解析データベース１９から負荷変動源Ｆｎの瞬時無効電力や無効電力補償装置５の仕様に係るデータ等の値を読み込み、メモリ１５に記憶させる。そして、無効電力変動量算出部１１ｃは、算出した母線Ｂｎに係る無効電力変動量ΔＱ_bnの値をメモリ１５に記憶させる。
【００３４】
次に、制御部１１の電力変動係数算出部１１ｄは、Ｓ３の処理で算出した無効電力変動量ΔＱの値を用いて電力変動係数ΔＱ10を算出する（Ｓ４）。
【００３５】
電力変動係数ΔＱ10は、系統感度Ｚと組み合わせて用いることによって電力系統の電圧解析に感度解析を適用できるようにするための変数であり、系統感度Ｚが反映されたフリッカ値ΔＶ10を算出することができるようにするための変数である。以下では、母線Ｂ０と母線Ｂｎとの間における電力変動係数ΔＱ10を母線Ｂｎに係る電力変動係数と呼び、ΔＱ10_bnと表記する。
【００３６】
母線Ｂｎに係る電力変動係数ΔＱ10_bnは、フリッカ値ΔＶ10と同様にして数式２を用いて母線Ｂｎに係る無効電力変動量ΔＱ_bnから求める。なお、フリッカ値ΔＶ10の計算と電力変動係数ΔＱ10の計算とは、フリッカ値ΔＶ10計算の入力は線間電圧であるのに対して電力変動係数ΔＱ10計算の入力は瞬時無効電力である点で異なり、さらに、フリッカ値ΔＶ10の計算は各線間電圧に対して行われるのに対して電力変動係数ΔＱ10は三相の瞬時無効電力で計算される点で異なる。
【００３７】
【数２】
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ここに、ΔＱ10：電力変動係数，ΔＱ：無効電力変動量［ｐｕ］，α：ちらつき視感度係数。また、bn：母線Ｂｎに係る変数であることを表す，ｋ：変動周波数ｆの識別子（ｋ＝１，２，３，…）。
【００３８】
数式２で用いる変動周波数別のちらつき視感度係数を図４に示す。具体的には、図中黒丸が付与された変動周波数ｆkとそれに対応する視感度係数αkとの組み合わせを用いる。なお、変動周波数ｆk及びそれに対応する視感度係数αkの値は電圧解析プログラム１７に予め規定しておく。
【００３９】
電力変動係数算出部１１ｄは、メモリ１５から無効電力変動量ΔＱ_bnの値を読み込み、数式２を用いて母線Ｂｎ毎に電力変動係数ΔＱ10_bnを算出する。そして、電力変動係数算出部１１ｄは、算出した母線Ｂｎ毎の電力変動係数ΔＱ10_bnの値をメモリ１５に記憶させる。
【００４０】
次に、制御部１１のフリッカ値算出部１１ｅは、Ｓ２の処理で算出した系統感度ＺとＳ４の処理で算出した電力変動係数ΔＱ10とを用いてフリッカ値ΔＶ10を算出する（Ｓ５）。
【００４１】
ここで電圧変動量ΔＶと無効電力変動量ΔＱとの間の関係は、リアクタンスをＸとすると、数式３で表される。
【００４２】
（数３）ΔＶ＝Ｘ・ΔＱ
【００４３】
また、母線の抵抗分が無視できると仮定すると，系統感度Ｚについて数式４が成り立つ。
【００４４】
（数４）Ｚ＝Ｘ＝ΔＶ／ΔＱ
【００４５】
そして、数式４の関係を用いると、電力変動係数ΔＱ10とフリッカ値ΔＶ10との間には、数式５の関係が近似的に導出される。なお、数式５は、大きさのみの情報を持っている変数であるスカラーとして近似的に導出されるものであり、大きさ及び位相の二つの情報を持っている変数であるベクトルとして成り立つものではない。
【００４６】
（数５）ΔＶ10＝(ΔＶ／ΔＱ)・ΔＱ10＝Ｚ・ΔＱ10
【００４７】
ここで、本実施形態の電力系統１のように、解析対象の系統内にＮ個の負荷変動源Ｆｎが存在する場合には、フリッカ値ΔＶ10について厳しい条件即ち複数のアーク炉電流がほぼ同位相となる場合を前提にし、母線ＢｎのΔＶ10_bnは重ねの理を用いて数式６により算出される。重ねの理は周知の技術であるのでここでは詳細については省略する（例えば、有馬泉・岩崎晴光：基礎電気回路１，森北出版株式会社，pp.７３−７５，ＩＳＢＮ４−６２７−７３１８０−９を参照）。
【００４８】
（数６）ΔＶ10_bn＝(Ｚbn_f1・ΔＱ10_b1＋Ｚbn_f2・ΔＱ10_b2＋…
＋Ｚbn_fi・ΔＱ10_bi)
なお、変数ｉは負荷変動源Ｆの識別子ｎに対応するものであり、変数ｉの最大値はｎである。
【００４９】
フリッカ値算出部１１ｅは、メモリ１５から系統感度Ｚbn_fn及び電力変動係数ΔＱ10_bnの値を読み込み、数式６を用いて母線Ｂｎ毎にフリッカ値ΔＶ10_bnを算出する。そして、フリッカ値算出部１１ｅは、算出した母線Ｂｎ毎のフリッカ値ΔＶ10_bnの値をメモリ１５に記憶させる。
【００５０】
以上により算出された母線Ｂｎ別のフリッカ値ΔＶ10_bnの値の大きさに基づいて、作業者は、電圧変動からみた電力系統１の問題の有無を判断することができる。
【００５１】
また、フリッカ値ΔＶ10_bnの値が大きいために改善の必要があると考えられた場合に、例えば無効電力補償装置５の変換器の容量を変更した場合や無効電力補償装置５を新たに連系させた場合等の電圧変動抑制効果の評価を行うことも可能である。その場合更に、無効電力補償装置として他励式ＳＶＣを用いた場合と自励式ＳＶＣを用いた場合との比較や、新たに設置するＳＶＣの設置地点を変えた場合の比較等を行うことが可能である。そして、本発明は電力系統の電圧変動を短時間に解析することが可能であるので、従来の時間シミュレーションを用いて解析する場合と比べて多数の改善代替案について比較評価することができる。したがって、問題改善策の検討の際に多数の改善代替案の評価が可能であり、電力系統の電圧変動補償作業の迅速性向上と精度向上とを図ることができる
【００５２】
なお、上述の形態は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の電圧解析方法の実施形態の一例を説明するフローチャートである。
【図２】本実施形態の電圧解析方法をプログラムを用いて実施する場合の電圧解析装置の機能ブロック図である。
【図３】本実施形態の解析対象の電力系統の構成を示す図である。
【図４】変動周波数別の視感度曲線を示す図である。
【符号の説明】
【００５４】
１  電力系統
５  無効電力補償装置
Ｂ０，Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，…，Ｂｎ  母線
Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，…，Ｆｎ  負荷変動源
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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