(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力ネットワーク（１００）内の発電機（４１０）に関連する制動トルクの非侵入的な推定に基づいて前記発電機（４１０）のトルク振動を制動するシステム（１２０）であって、前記発電機（４１０）に関連するフェーザ計測ユニット（ＰＭＵ）（３２０）と通信しているプロセッサ（１５２）を備え、前記プロセッサ（１５２）が、
前記発電機（４１０）の計測値を実質的に表す第１のデータサンプル集合を前記ＰＭＵ（３２０）から受信し、
前記第１のデータサンプル集合に基づいて前記発電機（４１０）の推定トルクを決定し、
前記推定トルクに基づいて推定平均トルクおよび推定制動トルク成分を決定し、
前記推定平均トルクおよび前記推定制動トルク成分に基づいて前記発電機（４１０）の励磁を調整することにより、前記発電機（４１０）のトルク振動を制動するように、
プログラムされている、システム（１２０）。
【請求項２】
前記推定制動トルク成分の各推定制動トルク成分が、モード角周波数により特徴付けられた振動モードに関連している、請求項１に記載のシステム（１２０）。
【請求項３】
推定平均トルクおよび推定制動トルク成分を決定することが、特性同定手法を用いて前記推定平均トルクおよび前記推定制動トルク成分を推定することを含む、請求項１または２に記載のシステム（１２０）。
【請求項４】
前記特性同定手法が、カルマンフィルタ、粒子フィルタ、ルーエンバーガ観測器、および適応ベクトル量子化（ＡＶＱ）のうちの１つである、請求項３に記載のシステム（１２０）。
【請求項５】
推定平均トルクおよび推定制動トルク成分を決定することが、時刻ｔでの前記推定平均トルクの値Ｔｅａｖｇ（ｔ）、ならびにｄ−ｑ基準系におけるｍ個の推定制動トルク成分Ｔｅｄ（ｉ）およびＴｅｑ（ｉ）を決定することに基づいており、ここで、ｉ＝１〜ｍであり、それにより、時刻ｔでの前記推定トルクＴｅ（ｔ）が、
【数１】
0006725306.tif 000037
に実質的に等しくなり、ここで、φｉ（ｔ）＝ωｉｔ＋φ０（ｉ）が推定角度であり、
ここで、ωｉがｉｔｈモード角周波数の推定速度であり、
【数２】
0006725306.tif 000038
が、推定空間フェーザがそのｄ−ｑ基準系でロックされる角度である、請求項１乃至４のいずれかに記載のシステム（１２０）。
【請求項６】
前記第１のデータサンプル集合が、時刻ｔでの電力Ｐｅのサンプルの離散値を含み、前記推定トルクが、前記発電機（４１０）の推定速度および計測速度ωの一方に対する前記電力Ｐｅの比として演算される、請求項１乃至５のいずれかに記載のシステム（１２０）。
【請求項７】
前記プロセッサ（１５２）が、
前記発電機（４１０）に関連する周囲条件データを用いて前記推定制動トルク成分に関連する複数の周波数を初期化し、
連続サンプルの位相角の間の誤差を最小化するために比例積分補償器（７４０）を用いて前記複数の周波数を更新するように、
さらにプログラムされている、請求項１乃至６のいずれかに記載のシステム（１２０）。
【請求項８】
電力ネットワーク（１００）内の発電機（４１０）に関連する制動トルクを、前記発電機（４１０）に関連するフェーザ計測ユニット（ＰＭＵ）（３２０）と通信しているプロセッサ（１５２）を含む演算装置（９１０）を用いて非侵入的に推定し、これに基づいて前記発電機（４１０）のトルク振動を制動するためのコンピュータベースの方法であって、
前記発電機（４１０）の計測値を実質的に表す第１のデータサンプル集合を前記ＰＭＵ（３２０）から受信することと、
前記第１のデータサンプル集合に基づいて前記発電機（４１０）の推定トルクを決定することと、
前記推定トルクに基づいて推定平均トルクおよび推定制動トルク成分を決定することと、
前記推定平均トルクおよび前記推定制動トルク成分に基づいて前記発電機（４１０）の励磁を調整することにより、前記発電機（４１０）のトルク振動を制動することと、
を含む方法。
【請求項９】
前記推定制動トルク成分の各推定制動トルク成分が、モード角周波数により特徴付けられた振動モードに関連している、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
推定平均トルクおよび推定制動トルク成分を決定することが、特性同定手法を用いて前記推定平均トルクおよび前記推定制動トルク成分を推定することを含む、請求項８または９に記載の方法。
【請求項１１】
前記特性同定手法が、カルマンフィルタ、粒子フィルタ、ルーエンバーガ観測器、および適応ベクトル量子化（ＡＶＱ）のうちの１つである、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
推定平均トルクおよび推定制動トルク成分を決定することが、時刻ｔでの前記推定平均トルクの値Ｔｅａｖｇ（ｔ）、ならびにｄ−ｑ基準系におけるｍ個の推定制動トルク成分Ｔｅｄ（ｉ）およびＴｅｑ（ｉ）を決定することに基づいており、ここで、ｉ＝１〜ｍであり、それにより、時刻ｔでの前記推定トルクＴｅ（ｔ）が、
【数３】
0006725306.tif 000039
に実質的に等しくなり、
ここで、φｉ（ｔ）＝ωｉｔ＋φ０（ｉ）が推定角度であり、ここで、ωｉがｉｔｈモード角周波数の推定速度であり、
【数４】
0006725306.tif 000040
が、推定空間フェーザがそのｄ−ｑ基準系でロックされる角度である、請求項８乃至１１のいずれかに記載の方法。
【請求項１３】
前記第１のデータサンプル集合が、時刻ｔでの電力Ｐｅのサンプルの離散値を含み、前記推定トルクが、前記発電機（４１０）の推定速度および計測速度ωの一方に対する前記電力Ｐｅの比として演算される、請求項８乃至１２のいずれかに記載の方法。
【請求項１４】
前記発電機（４１０）に関連する周囲条件データを用いて前記推定制動トルク成分に関連する複数の周波数を初期化することと、
連続サンプルの位相角の間の誤差を最小化するために比例積分補償器（７４０）を用いて前記複数の周波数を更新することと、
をさらに含む、請求項８乃至１３のいずれかに記載の方法。
【請求項１５】
非一時的なコンピュータ読取可能な記憶媒体（１５０）であって、前記記憶媒体（１５０）上に具現化されたコンピュータ実行命令を有し、プロセッサ（１５２）により実行されると、前記コンピュータ実行命令が、
前記プロセッサ（１５２）と通信しており電力ネットワーク（１００）内の発電機（４１０）に関連するフェーザ計測ユニット（ＰＭＵ）（３２０）から、前記発電機（４１０）の計測値を実質的に表す第１のデータサンプル集合を受信することと、
前記第１のデータサンプル集合に基づいて前記発電機（４１０）の推定トルクを決定することと、
前記推定トルクに基づいて推定平均トルクおよび推定制動トルク成分を決定することと、
前記推定平均トルクおよび前記推定制動トルク成分に基づいて前記発電機（４１０）の励磁を調整することにより、前記発電機（４１０）のトルク振動を制動することとを、
前記プロセッサ（１５２）に生じさせる、コンピュータ読取可能な記憶媒体（１５０）。
【請求項１６】
前記推定制動トルク成分の各推定制動トルク成分が、モード角周波数により特徴付けられた振動モードに関連している、請求項１５に記載のコンピュータ読取可能な記憶媒体（１５０）。
【請求項１７】
推定平均トルクおよび推定制動トルク成分を決定することが、特性同定手法を用いて前記推定平均トルクおよび前記推定制動トルク成分を推定することを含む、請求項１５または１６に記載のコンピュータ読取可能な記憶媒体（１５０）。
【請求項１８】
前記特性同定手法が、カルマンフィルタ、粒子フィルタ、ルーエンバーガ観測器、および適応ベクトル量子化（ＡＶＱ）のうちの１つである、請求項１７に記載のコンピュータ読取可能な記憶媒体（１５０）。
【請求項１９】
推定平均トルクおよび推定制動トルク成分を決定することが、時刻ｔでの前記推定平均トルクの値Ｔｅａｖｇ（ｔ）、ならびにｄ−ｑ基準系におけるｍ個の推定制動トルク成分Ｔｅｄ（ｉ）およびＴｅｑ（ｉ）を決定することに基づいており、ここで、ｉ＝１〜ｍであり、それにより、時刻ｔでの前記推定トルクＴｅ（ｔ）が、
【数５】
0006725306.tif 000041
に実質的に等しくなり、
ここで、φｉ（ｔ）＝ωｉｔ＋φ０（ｉ）が推定角度であり、ここで、ωｉがｉｔｈモード角周波数の推定速度であり、
【数６】
0006725306.tif 000042
が、推定空間フェーザがそのｄ−ｑ基準系でロックされる角度である、請求項１５乃至１８のいずれかに記載のコンピュータ読取可能な記憶媒体（１５０）。
【請求項２０】
前記第１のデータサンプル集合が、時刻ｔでの電力Ｐｅのサンプルの離散値を含み、前記推定トルクが、前記発電機（４１０）の推定速度および計測速度ωの一方に対する前記電力Ｐｅの比として演算される、請求項１５乃至１９のいずれかに記載のコンピュータ読取可能な記憶媒体（１５０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、概して発電および電力グリッド内の安定度に関し、より具体的には、電力グリッド内の発電機の制動トルクの非侵入的な推定のためのシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一部の既知の電力系統は、発電機、負荷、および制御装置の間の電気機械的な相互作用を考慮し得ない、システムの静的観点に基づいて系統安定度を解析する。再生可能発電（例えば、太陽および風発電機）、制御可能な負荷、エネルギー蓄積装置、および期待されるプラグインハイブリッド電気自動車の広範にわたる発展によって、サイバーインフラストラクチャ（例えば、通信、演算、および制御）の更なる統合、電力グリッドの動的性能のリアルタイムでの監視および制御が益々重要となる。
【０００３】
電力系統を解析するとき、電力系統の状態（例えば変数）は、２つのクラス、すなわち、静的状態および動的状態に分類され得る。静的状態は、母線電圧の各種の大きさおよび位相角を含む。これらの計測値は、期間に亘って緩やかに変化し得る。しかし、変動は小さく一時的である。一部の既知のシステムにおいて、これらの静的状態変数は、監視制御（ＳＣＡＤＡ）システムからの遠隔測定データを利用する状態推定器（ＳＥ）を用いて推定されてきた。動的状態は、発電機の回転子速度および回転子角度、発電機、励磁器、電力系統安定器、タービン調速機、風力発電システム、およびシステム内の他の動的構成要素（例えばモータ負荷）に関連する内部微分変数を含む。これらの状態クラスの両方は、時間とともに連続的に変化するが、動的状態は系統の過渡応答を支配する１次変数クラスである。多くの事例において、これらの動的状態の直接計測値はグリッドから入手可能とはなり得ない。
【０００４】
最新の電力系統は、稼働中に互いに実質的に同期化された多数の発電装置を含む。各発電機は、物理的構成ならびに運転性能の特性および制約において少なくとも幾らかの僅かな差を有し、したがって各発電機は、他の接続された発電機から負荷量に関して僅かに逸れる。電力系統上の総負荷は、負荷が加えられ除かれるにつれて時間とともに連続的に変化するので、各同期発電機は、変化に対して異なるように反応する。発電機の電磁および機械トルクの間の平衡は、実質的に保たれるが、電力系統の負荷量の小さな擾乱は、同期化された発電機が、それらの構造的および運転的な構成および制限に基づいてそれらの変化に合わせて調整するときに、電力系統内の電力需要と電力可用性の間の均衡のシフトを短期間に開始させる。擾乱に続く各同期発電機の電磁トルクの変化は、２つの成分、すなわち、回転子角度偏差と同じ位相の同期化トルク成分と、角速度偏差と同じ位相の制動トルク成分とに分解される。十分な同期化トルクの欠如は、非振動的な不安定度に関連し、制動トルクの欠如は、低周波振動を生じさせる。
【０００５】
より多様な発電源のグリッド統合に内在する増大する課題は、グリッド安定度など、より高レベルな系統全体の目的に対する個々の発電機の寄与を特徴付ける課題である。一部の既知の安定度解析ツールは、各発電機に関連する制動トルクを定義することにより振動の制動を扱う。しかし、フェーザ計測ユニット（ＰＭＵ）により提供される電圧および電流サンプルによるなどの、周辺装置の計測値を用いる制動トルク推定は、従来、限られた成功を伴う純粋に概念的なツールであった。したがって、個々の発電機の制動トルク評価を実施するために、発電機は、侵入的な検査を受けなければならず、すなわち、発電機は、検査および解析の間に非稼働にされるか、または、稼働中に人工的な擾乱を受けるかしなければならない。しかし、このような侵入的な検査は、異なる運転条件に渡って各発電機による制動トルクの寄与をリアルタイムで推定することをもたらさない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１４／０１４８９６２号明細書
【発明の概要】
【０００７】
ある態様において、電力ネットワーク内の発電機に関連する制動トルクの非侵入的な推定のための安定度解析システム（ＳＡＳ）が提供される。ＳＡＳは、発電機に関連するフェーザ計測ユニット（ＰＭＵ）と通信しているプロセッサを含む。プロセッサは、第１のデータサンプル集合をＰＭＵから受信するように構成される。第１のデータサンプル集合は、発電機の少なくとも１つの計測値を実質的に表す。プロセッサは、第１のデータサンプル集合に少なくとも部分的に基づいて発電機の推定トルクを決定するようにも構成される。プロセッサは、推定トルクに少なくとも部分的に基づいて推定平均トルクおよび１つ以上の推定トルク成分を決定するようにさらに構成される。プロセッサは、発電機および電力ネットワークのうちの１つ以上の安定度解析に用いるために推定平均トルクおよび１つ以上の推定トルク成分をオペレータに出力するようにも構成される。
【０００８】
更なる態様において、電力ネットワーク内の発電機に関連する制動トルクの非侵入的な推定のためのコンピュータベースの方法が提供される。方法は、発電機に関連するフェーザ計測ユニット（ＰＭＵ）と通信している少なくとも１つのプロセッサを含む演算装置を用いる。方法は、第１のデータサンプル集合をＰＭＵから受信することを含む。第１のデータサンプル集合は、発電機の少なくとも１つの計測値を実質的に表す。方法は、第１のデータサンプル集合に少なくとも部分的に基づいて発電機の推定トルクを決定することも含む。方法は、推定トルクに少なくとも部分的に基づいて推定平均トルクおよび１つ以上の推定トルク成分を決定することをさらに含む。方法は、発電機および電力ネットワークのうちの１つ以上の安定度解析に用いるために推定平均トルクおよび１つ以上の推定トルク成分をオペレータに出力することも含む。
【０００９】
別の態様において、少なくとも１つの非一時的なコンピュータ読取可能な記憶媒体であって、記憶媒体上に具現化されたコンピュータ実行命令を有する記憶媒体が提供される。少なくとも１つのプロセッサにより実行されると、コンピュータ実行命令は、プロセッサと通信しており電力ネットワーク内の発電機に関連するフェーザ計測ユニット（ＰＭＵ）から第１のデータサンプル集合をプロセッサに受信させる。第１のデータサンプル集合は、発電機の少なくとも１つの計測値を実質的に表す。また、少なくとも１つのプロセッサにより実行されると、コンピュータ実行命令は、第１のデータサンプル集合に少なくとも部分的に基づいて発電機の推定トルクをプロセッサに決定させる。さらに、少なくとも１つのプロセッサにより実行されると、コンピュータ実行命令は、推定トルクに少なくとも部分的に基づいて推定平均トルクおよび１つ以上の推定トルク成分をプロセッサに決定させる。その上、少なくとも１つのプロセッサにより実行されると、コンピュータ実行命令は、発電機および電力ネットワークのうちの１つ以上の安定度解析に用いるために推定平均トルクおよび１つ以上の推定トルク成分をオペレータに対してプロセッサに出力させる。
【００１０】
本開示のこれらおよび他の特徴、態様、および利点は、図面を通して同様の文字が同様の部品を表している添付図面を参照して以下の詳細な説明が読まれるときに、より良く理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】例示的な送電ネットワークと例示的な配電系統との両方の概略模式図である。
【図２】図１に示される送電ネットワークを解析するために用いられる例示的な安定度解析システム（ＳＡＳ）のブロック図である。
【図３】図２に示されるＳＡＳを用いて、図１に示される電力ネットワークを監視および管理するための、複数のフェーザ計測ユニット（ＰＭＵ）を含む例示的な広域測定システム（ＷＡＭＳ）のデータフロー図である。
【図４】例示的な発電機および図３に示されるＷＡＭＳを含む、図１に示される電力ネットワークの一部の図であり、そこでは、例示的な動的状態推定器を含む、図２に示されるＳＡＳによりＰＭＵデータが収集および解析される。
【図５】図４に示される動的状態推定器により生成された推定出力を用いて、図４に示される発電機の制動トルクを推定するための、図４に示される制動トルク推定器により実施される例示的な処理の図である。
【図６】図４に示される発電機に関連するフェーザ
【００１２】
【数１】
0006725306.tif 000002
【００１３】
【数２】
0006725306.tif 000003
および
【００１４】
【数３】
0006725306.tif 000004
のアライメントのグラフである。
【図７】図５に示される例示的なトルクフェーザ抽出器により実施される、各振動モードに対応するトルクフェーザを推定するための例示的な処理の図である。
【図８】図２に示されるＳＡＳを用いて、図４に示される発電機の制動トルクを非侵入的に推定する例示的な方法のフローチャートである。
【図９】本明細書に記述されるような制動トルクの非侵入的な推定のために用いられ得る、演算装置内のデータベースの例示的な構成を他の関連する演算構成要素と共に例示する。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
特に示されない限り、本明細書で提供される図面は、本開示の実施形態の特徴を例示することを意図している。これらの特徴は、本開示の１つ以上の実施形態を含む広範な各種のシステムに適用可能であると考えられる。よって、図面は、本明細書に開示される実践のために必要とされる、当業者にとって既知の全ての従来の特徴を含むことを意図していない。
【００１６】
以下の明細書および特許請求の範囲では、多くの用語が参照されており、それらは、以下の意味を有するように定義されるべきである。
【００１７】
単数形「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」、および「前記（ｔｈｅ）」は、文脈上別様の記述が明らかにない限り複数の参照を含む。
【００１８】
「随意な（ｏｐｔｉｏｎａｌ）」または「随意に（ｏｐｔｉｏｎａｌｌｙ）」は、その後に説明する事象もしくは状況が生じ得もしくは生じ得ないことを意味し、その説明が、事象が生じる事例および事象が生じない事例を含むことを意味する。
【００１９】
明細書および特許請求の範囲を通して本明細書で使用する近似語は、関連する基本的な機能を変化させずに、変化することが許され得る任意の量的表現を修飾するために適用され得る。したがって、「約」、「ほぼ」、および「実質的に」等の１つまたは複数の用語により修飾される値は、指定する厳密な値に限定されない。少なくとも幾つかの事例では、近似語は、その値を測定するための計器の精度に対応し得る。ここで、ならびに明細書および特許請求の範囲を通して、範囲の限定は、文脈上または文言上別様の記述がない限り、そのような範囲が特定され、その範囲に含まれる全ての副次的な範囲を含むように、組み合わされ、および／または相互交換されてもよい。
【００２０】
本明細書で用いられるとき、用語「プロセッサ」および「コンピュータ」ならびに関連する用語、例えば、「処理装置」、「演算装置」、および「コントローラ」は、当該分野でコンピュータと称するそれらの集積回路のみに限定されず、マイクロコントローラ、マイクロコンピュータ、プログラムマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）、特定用途向け集積回路、および他のプログラマブル回路を広く指し、それらの用語は、本明細書で相互交換可能に用いられる。本明細書に記述される実施形態において、メモリは、非限定的にではあるが、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）などのコンピュータ読取可能な媒体、およびフラッシュメモリなどのコンピュータ読取可能な不揮発性媒体を含み得る。代わりに、フロッピーディスク、コンパクトディスク−リードオンリーメモリ（ＣＤ−ＲＯＭ）、光磁気ディスク（ＭＯＤ）、および／またはデジタル多目的ディスク（ＤＶＤ）が用いられてもよい。また、本明細書に記述される実施形態において、追加の入力チャネルは、非限定的にではあるが、マウスおよびキーボードなどのオペレータインターフェースに関連するコンピュータ周辺装置であり得る。代わりに、例えば、非限定的にではあるがスキャナを含み得る他のコンピュータ周辺装置が用いられてもよい。さらに、例示的な実施形態において、追加の出力チャネルは、非限定的にではあるがオペレータインターフェースモニタを含み得る。
【００２１】
本明細書で用いられるとき、用語「非一時的なコンピュータ読取可能な媒体」は、コンピュータ読取可能命令、データ構造、プログラムモジュールおよびサブモジュール、または任意の装置内の他のデータなど、短期的および長期的な情報記憶のための任意の方法または技術で実施される任意の有形のコンピュータベースの装置を表すことを意図している。したがって、本明細書に記述される方法は、記憶装置および／またはメモリ装置を非限定的に含む、有形の非一時的なコンピュータ読取可能な媒体上に具現化された実行命令としてコード化され得る。このような命令は、プロセッサにより実行されると、本明細書に記述される方法の少なくとも一部をプロセッサに実施させる。その上、本明細書で用いられるとき、用語「非一時的なコンピュータ読取可能な媒体」は、一時的な伝搬信号を唯一の例外として、非限定的に、揮発性および不揮発性媒体、およびファームウェアなどのリムーバブルおよび非リムーバブル媒体、物理的および仮想的ストレージ、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤおよび、ネットワークもしくはインターネットなどの任意の他のデジタルソースを非限定的に含む、非一時的なコンピュータ記憶装置、ならびに、まだ開発されていないデジタル媒体を含む、全ての有形のコンピュータ読取可能な媒体を含む。
【００２２】
本明細書で用いられるとき、用語「ソフトウェア」および「ファームウェア」は、相互交換可能であり、モバイル装置、クラスタ、パーソナルコンピュータ、ワークステーション、クライアント、およびサーバを非限定的に含む装置による実行のためにメモリに記憶された任意のコンピュータプログラムを含む。
【００２３】
さらに、本明細書で用いられるとき、用語「リアルタイム」は、関連するイベントの発生時刻、予め定められたデータの計測および収集の時刻、データを処理するための時刻、ならびに、イベントおよび環境に対するシステム応答の時刻のうちの少なくとも１つを指す。本明細書に記述される実施形態において、これらのアクティビティおよびイベントは、実質的に瞬時に起きる。
【００２４】
本明細書で用いられるとき、用語「オペレータ」は、本明細書に記述されるシステムのユーザ、シフト運転要員、メンテナンス技術者、およびシステム監督者を非限定的に含む、配電系統を運転および維持することに関連する任意の権限を有する任意の個人を含む。
【００２５】
本明細書で用いられるとき、用語「データストリーム」は、例えば、１つの装置から収集されて通信ネットワークを横断して別の装置に送られる、データ値の順序系列を指すために概ね用いられる。より具体的には、一部の実施形態において、フェーザ計測ユニット（ＰＭＵ）は、送電ネットワーク内の特定の箇所から、電流および電圧レベルなどのデータ値を取り込む。一部の実施形態において、これらの値は、毎秒６０回の頻度で、すなわち、６０分の１秒毎に１つの値が収集される。ＰＭＵは、この一連の収集値を「データストリーム」としてフェーザデータ集信装置（ＰＤＣ）および／または安定度解析システム（ＳＡＳ）などの別の演算装置に更なる処理のために連続的に送る。
【００２６】
本明細書で用いられるとき、用語「安定度解析」は、個々の発電機の動的状態を推定するため、および、周波数振動の各個々のモードに関するそれぞれの発電機の制動トルクの実際の推定をリアルタイムで可能にするための、少なくとも１つのフェーザ計測ユニット（ＰＭＵ）により記録されたリアルタイムデータの解析を指すために用いられる。
【００２７】
本明細書で用いられるとき、用語「モード」は、電力系統内の低周波振動の電気機械モードを指すために用いられる。各振動モードは、電力系統全体の振動の関連するモード角周波数、制動、および形状により定義される。モード形状は、系統全体の振動の振幅および位相を定義し、振動の効果的な制動は、電力系統の電気機械モード特性の効果的な特定に少なくとも部分的に依存する。
【００２８】
本明細書に記述される方法およびシステムは、フェーザ計測ユニット（ＰＭＵ）から送電および／または配電ネットワーク（「電力グリッド」）内のフェーザデータ集信装置（ＰＤＣ）および／または安定度解析システム（ＳＡＳ）に送られたデータストリームを解析することを含む。これらのシステムおよび方法は、電力グリッドの安定度を提供することを対象とし、より具体的には、電力グリッド内の発電機に関連する制動トルクを推定するための安定度解析のシステムおよび方法を対象とする。本明細書に記述されるようなＳＡＳは、発電機の動的状態を推定するためのＰＭＵ技術の進歩に影響を及ぼし、個々の発電機、さらに個々のモードに関する制動トルクの実際の推定を可能にする。本明細書に記述されるＳＡＳは、グリッド安定度についての洞察をもたらすために高分解能ＰＭＵ計測値を用いて動的状態を推定する。グリッドオペレータから独立した企業主体により多くの量の発電が提供され、個々の発電機施設での侵入的な計測を伴わずに個々の発電機によるグリッド安定化の寄与を定量化および検証することが必要になるにつれて、これらの計測値は、グリッド運転にとって益々重要となりつつある。ＰＭＵは、系統の動的状態を推定し、広域にわたる動的性能をリアルタイムで把握するために、向上したアルゴリズムおよび演算ハードウェアと組み合わせられ、広い地理的位置に渡って時刻同期化される。
【００２９】
図１は、例示的な電力ネットワーク１００の概略模式図である。電力ネットワーク１００は、典型的に、送電グリッド１０３を通じて電力を出力する発電所１０２を含み、送電グリッド１０３は、例示的な配電系統１１０に電力を送る超高圧送電グリッド１０４および高圧送電グリッド１０６を含む。電力ネットワーク１００は、非限定的に、任意の数、種類および構成の超高圧送電グリッド１０４、高圧送電グリッド１０６、および配電系統１１０、ならびに、配電系統１１０、例えば１１０超〜２６５キロボルト（ｋＶ）の高圧送電グリッド１０６、および、例えば２６５ｋＶ超の超高圧送電グリッド１０４内の任意数の消費者を含み得る。
【００３０】
配電系統１１０は、低ワット形消費者１１２および産業用中ワット形消費者１１４を含む。配電系統１１０は、都市型発電所１３２、ソーラファーム１３４、およびウィンドファーム１３６を含む、分散型発電機１３０も含む。配電系統１１０が例示的な数および種類の分散型発電機１３０と共に示されているが、配電系統１１０は、ディーゼル発電機、マイクロタービン、太陽熱収集アレイ、光起電アレイ、および風力タービンを非限定的に含む、任意の数および種類の分散型発電機１３０を含んでもよい。
【００３１】
図２は、ネットワーク１００（図１に示されている）を解析するために用いられる例示的な安定度解析システム（ＳＡＳ）１２０のブロック図である。代わりに、本明細書に記述されるようなＳＡＳ１２０の動作を可能にする任意のコンピュータアーキテクチャを用いてもよい。ＳＡＳ１２０は、ネットワーク１００内などの発電機の相互接続点からのＰＭＵデータの収集、動的状態変数（例えば、発電機回転子角度および回転子速度）の解析、計測、および推定、非限定的にではあるが、発電機の制動トルクの寄与の推定、不適切に調整された構成要素（例えば、電力系統安定器、励磁器）を伴う発電機の特定、系統安定度を向上させるための制御にとって重要な発電機の特定、安定度マージンのリアルタイムでの特定および追跡、ならびに解析結果の提示を含む各種の安定度解析、および／またはネットワーク１００に対する構成変更の実行を容易にする。
【００３２】
例示的な実施形態において、ＳＡＳ１２０は、メモリ装置１５０と、命令を実行するようにメモリ装置１５０に動作可能に接続されたプロセッサ１５２とを含む。一部の実施形態において、メモリ装置１５０には実行命令が記憶される。ＳＡＳ１２０は、プロセッサ１５２をプログラムすることにより、本明細書に記述される１つ以上の動作を実施するように構成可能である。例えば、プロセッサ１５２は、１つ以上の実行命令として動作をコード化し、実行命令をメモリ装置１５０内に提供することによって、プログラムされ得る。プロセッサ１５２は、例えば非限定的にマルチコア構成の、１つ以上の処理ユニットを含み得る。
【００３３】
さらに、例示的な実施形態において、メモリ装置１５０は、実行命令および／または他のデータなどの情報の記憶および読出しを可能にする１つ以上の装置である。メモリ装置１５０は、非限定的に、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、ダイナミックランダムアクセスメモリ（ＤＲＡＭ）、スタティックランダムアクセスメモリ（ＳＲＡＭ）、固体ディスク、ハードディスク、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、消去可能なプログラマブルＲＯＭ（ＥＰＲＯＭ）、電気的に消去可能なプログラマブルＲＯＭ（ＥＥＰＲＯＭ）、および／または不揮発性ＲＡＭ（ＮＶＲＡＭ）メモリなどの、１つ以上の有形の非一時的なコンピュータ読取可能な媒体を含み得る。上記のメモリの種類は、例示にすぎず、よって、コンピュータプログラムの記憶のために使用可能なメモリの種類を限定するものではない。
【００３４】
また、例示的な実施形態において、メモリ装置１５０は、発電所１０２の構成要素に関連する各種の運転データ、ならびに、送電グリッド１０３内の関心箇所にある電圧および電流フェーザを非限定的に含む、送電グリッド１０３の構成要素に関連してＰＭＵ（図１に示されていない）から送られた運転データを記憶するように構成され得る。
【００３５】
一部の実施形態において、ＳＡＳ１２０は、プロセッサ１５２に接続された提示インターフェース１５４を含む。提示インターフェース１５４は、ユーザインターフェースおよび／またはアラームなどの情報をユーザ１５６に提示する。例えば、提示インターフェース１５４は、ブラウン管（ＣＲＴ）、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、有機ＬＥＤ（ＯＬＥＤ）ディスプレイ、および／またはディスプレイ付きハンドヘルド装置などのディスプレイ装置（示されていない）に接続され得るディスプレイアダプタ（示されていない）を含み得る。一部の実施形態において、提示インターフェース１５４は、１つ以上のディスプレイ装置を含む。加えてまたは代わりに、提示インターフェース１５４は、オーディオ出力装置（示されていない）、例えば、オーディオアダプタおよび／またはスピーカを含んでもよい。
【００３６】
一部の実施形態において、ＳＡＳ１２０はユーザ入力インターフェース１５８を含む。例示的な実施形態において、ユーザ入力インターフェース１５８は、プロセッサ１５２に接続され、ユーザ１５６からの入力を受ける。ユーザ入力インターフェース１５８は、例えば、キーボード、ポインティング装置、マウス、スタイラス、および／または接触感知パネル、例えば、タッチパッドもしくはタッチスクリーンを含み得る。タッチスクリーンなどの単一の構成要素は、提示インターフェース１５４のディスプレイ装置とユーザ入力インターフェース１５８の両方として機能し得る。
【００３７】
さらに、通信インターフェース１６０は、プロセッサ１５２に接続され、非限定的に、送電グリッド１０３内の構成要素、別のＳＡＳ１２０、１つ以上のＰＭＵ（図２には示されていない）、ならびに、携帯用のラップトップコンピュータ、携帯情報端末（ＰＤＡ）、およびスマートフォンを非限定的に含む、ＳＡＳ１２０にアクセス可能な任意の装置など、１つ以上の他の装置と通信状態に接続されるように構成される。通信インターフェース１６０は、有線ネットワークアダプタ、無線ネットワークアダプタ、移動遠隔通信アダプタ、シリアル通信アダプタ、および／またはパラレル通信アダプタを非限定的に含み得る。通信インターフェース１６０は、１つ以上の遠隔装置からデータを受信し、および／または１つ以上の遠隔装置にデータを送信し得る。例えば、１つのＳＡＳ１２０の通信インターフェース１６０は、別のＳＡＳ１２０および／またはＰＭＵ（図２には示されていない）の通信インターフェース１６０にトランザクション情報を送信し得る。ＳＡＳ１２０は、例えば遠隔のデスクトップコンピュータ（示されていない）との遠隔通信のために、ウェブを利用可能であり得る。例示的な実施形態において、通信インターフェース１６０は、電気電子技術協会（ＩＥＥＥ）のＣ３７．１１８−２規格を非限定的に含む規格により少なくとも部分的に決定された通信プロトコルに基づいてＰＭＵからの信号を受信および処理する。
【００３８】
また、提示インターフェース１５４および／または通信インターフェース１６０の両方は、本明細書に記述される方法で用いるのに適した情報を、例えばユーザ１５６または別の装置に提供可能である。よって、提示インターフェース１５４および通信インターフェース１６０は、出力装置と称され得る。同様に、ユーザ入力インターフェース１５８および通信インターフェース１６０は、本明細書に記述される方法で用いるのに適した情報を受信可能であり、入力装置と称され得る。
【００３９】
さらに、プロセッサ１５２および／またはメモリ装置１５０は、記憶装置１６２にも動作可能に接続され得る。記憶装置１６２は、非限定的にではあるが、データベース１６４に関連するデータなどのデータを記憶および／または読出しするのに適した、コンピュータにより動作する任意のハードウェアである。例示的な実施形態において、記憶装置１６２はＳＡＳ１２０に統合される。例えば、ＳＡＳ１２０は、記憶装置１６２として１つ以上のハードディスクドライブを含み得る。その上、例えば、記憶装置１６２は、低廉な複数のディスクからなる冗長な配列（ＲＡＩＤ）構成でハードディスクおよび／または固体ディスクなどの複数の記憶ユニットを含んでもよい。記憶装置１６２は、ストレージエリアネットワーク（ＳＡＮ）、ネットワーク接続ストレージ（ＮＡＳ）システム、および／またはクラウドベースストレージを含んでもよい。代わりに、記憶装置１６２は、ＳＡＳ１２０の外部にあり、記憶インターフェース（示されていない）によりアクセスされてもよい。
【００４０】
その上、例示的な実施形態において、データベース１６４は、構成要素に関連する各種の静的および動的運転データを収容し、それらの一部は、ネットワーク１００内の関心箇所にある電圧および電流フェーザを非限定的に含む、ネットワーク１００内の構成要素に関連するＰＭＵ（図２に示されていない）から送信され得る。
【００４１】
例示される実施形態および本明細書に記述される実施形態、ならびに本明細書に具体的に記述されていないが本開示の態様の範囲内にある実施形態は、１つ以上のＰＭＵからのデータ値を用いて制動トルクを推定するための例示的な手段を構成する。例えば、ＳＡＳ１２０、ならびに、それに追加されたまたはそれの内部に含まれた任意の他の同様なコンピュータ装置は、一緒に統合されたときに、本明細書に記述されるようなプロセッサにより処理および技術を実行するための十分なコンピュータ実行命令でプログラムされる十分なコンピュータ読取可能な記憶媒体を含む。具体的には、ＳＡＳ１２０、ならびに、それに追加されたまたはそれの内部に含まれた任意の他の同様なコンピュータ装置は、一緒に統合されたときに、ネットワーク１００内の１つ以上の発電機に関連する制動トルクを推定するための例示的な手段を構成する。
【００４２】
図３は、ＳＡＳ１２０（図２に示されている）を用いて電力ネットワーク１００（図１に示されている）を監視および管理するための、複数のフェーザ計測ユニット（ＰＭＵ）３２０を含む例示的な広域測定システム（ＷＡＭＳ）３００のデータフロー図である。ＷＡＭＳ３００は、１つ以上のＰＭＵ３２０と少なくとも１つのフェーザデータ集信装置および／またはＳＡＳ１２０とをデータリンク３１２を用いて通信可能に接続するデータネットワーク３１０を含む。各ＰＭＵ３２０は、変電所３２２などの特定の位置で送電グリッド１０３（図１に示されている）に通信可能に接続される。一部の実施形態において、変電所３２２は、発電所１０２が送電グリッド１０３に接続される箇所である。さらに、一部の実施形態において、ＰＭＵ３２０およびＳＡＳ１２０は、例えば人工衛星３４０などの時刻同期源に通信可能に接続される。無線データリンク３４２は、収集されたサンプルの同期を既知のタイムスタンプ手法を用いて容易にするために、ＰＭＵ３２０およびＳＡＳ１２０が人工衛星３４０と通信することを可能にする。
【００４３】
動作中、例示的な実施形態において、ＰＭＵ３２０は、ネットワーク１００内の変電所３２２からのデータ、例えばフェーザデータなどを計測および／または収集する。ＰＭＵ３２０は、毎秒１０〜１２０のサンプルなど、毎秒当り多くの回数でデータ値をサンプリングし得る。ＰＭＵ３２０は、収集されたデータ値がタイムスタンプされ、複数のＰＭＵ３２０からの値が解析中に互いに時間相関され得るように、人工衛星３４０を用いて時刻を同期化もする。ＰＭＵ３２０は、データネットワーク３１０を横断してＳＡＳ１２０などの管理装置に計測値を「データストリーム」として送信する。ＳＡＳ１２０は、ネットワーク１００内の１つ以上の発電機の制動トルクを推定するなどの動作タスクのために、このデータストリームを用いる。
【００４４】
図４は、発電機４１０およびＷＡＭＳ３００（図３に示されている）を含む電力ネットワーク１００の図４００であり、ＷＡＭＳ３００内では、ＰＭＵデータがＳＡＳ１２０により収集および解析される。発電機４１０は、電力出力４１２を発生させ、ネットワーク１００に送る。例示的な実施形態において、ＳＡＳ１２０は、１つ以上のＰＭＵ３２０からのリアルタイムＰＭＵ計測値を用いて１つ以上の発電機４１０の動的状態（例えば、速度および角度）を生成するためのモデル４３２を含む動的状態推定器４３０を含む。これらの動的状態は、推定出力４４０として制動トルク推定器４５０に提供され、制動トルク推定器４５０は、推定制動トルク４６０を生成する。
【００４５】
より具体的には、例示的な実施形態において、モデル４３２（例えば、発電機の動的モデル）は、現在の時間サンプルでの動的変数を推定するため、ならびに、将来の幾つかの時間サンプルでのそれらの変数を予測するために、発電機母線（示されていない）での電圧および電流フェーザの形態のＰＭＵ３２０からのＰＭＵデータを用いる。加えて、モデル４３２は、特定の入力の計測値および計算値、ならびに、推定値、例えば、非限定的に、計測および推定電力、計測および推定速度、ならびに計算トルクを用いるように構成される。
【００４６】
一実施形態において、動的状態推定器４３０は、例えばルーエンバーガ観測器に基づくアプローチなどの状態観測器アルゴリズムを実施する。ルーエンバーガ観測器の１バージョンを適用するための仮定は、（ｉ）基礎物理系が線形時間不変（ＬＴＩ）の既知のモデルにより合理的な精度に近似され得ること、（ｉｉ）ＬＴＩモデルが観測可能でなければならない（例えば、ロバストな数値計算を可能にするための十分なマージンを伴って観測可能性についての代数順位検査を通過する）こと、（ｉｉｉ）入力量と出力値の両方のリアルタイム計測値が観測器アルゴリズムに提供するために利用可能であること、のうちの１つ以上を含む。歴史的に、これらの仮定は、特に、電力グリッドに対する駆動入力値として役立ち得る広範な量を計測値として入手可能であると仮定することが非現実的であるとしばしばみなされていた電力系統の場合、実用的に余りにも厳しかった。ここで、ＰＭＵ３２０からのデータは、これらの歴史的な制限の少なくとも一部を解消する。交流電流（ＡＣ）グリッド（例えばネットワーク１００）に結び付けられた同期発電機（例えば発電機４１０）の振舞いに関連する状態の文脈において、ＰＭＵ３２０は、用いられ得る出力量を提供する。適切に構築されたモデル４３２を用いて、動的状態推定器４３０は、発電機４１０の内部の侵入的な計測を伴わずに、状態観測器に供給するために発電機の入力量を表す信号を用いる。
【００４７】
この例示的な実施形態において、ＡＣグリッド（例えばネットワーク１００）に接続された同期機（例えば発電機４１０）は、２つの１次入力信号である、機械シャフトトルクおよび印加された界磁巻線電圧を有するとして記述される。焦点は、関連する励磁および調速機制御システムを考慮する前に、まず発電機４１０で始まる。出力値として取り扱われるべき量の選択がモデル化のアプローチによって変わり得る一方、この例示的な実施形態は、発電機４１０により決定された出力として固定子電流を考慮する。発電機の端子電圧および送出電力は、次いで、それらの電流と接続ＡＣネットワークの相互作用によりパワーフロー方程式によって決定される。グリッド運転において、ＳＡＳ１２０は、ほぼ正弦波信号としての、これらの電流の正シーケンス要素のフェーザの振舞いに焦点を合わせる。この振舞いは、ＰＭＵ３２０により提供されるような（例えば、発電機４１０からネットワーク１００に送出された電力出力４１２の報告）、大きさ、位相角、および周波数により決定される。
【００４８】
例示的な実施形態において、動的状態推定器４３０は、より単純なモデル４３２を評価して代数関係から入力量を復元する「ブートストラップ」処理を用いて入力量を推定し、次いでより詳細なモデル４３２で発電機の内部状態の推定を精密化する。この発見的アプローチは、低次元化ルーエンバーガ観測器の理論を利用し、入手可能な幾つかのＰＭＵ量がシステム状態の部分集合の直接計測値であるという事実を活用することによって、精密となり得る。例えば、入力トルク信号、ネットワーク１００に送出された発電機電流の所与のＰＭＵ計測値、ならびに、昇圧変圧器（示されていない）での端子電圧または代数関係量を復元する場合、ＳＡＳ１２０は、出力電力のデータを有する。ブートストラップの１要素は、この例示的な実施形態において、角加速度の「計測値」を直接導出するために電圧角度および周波数の計測値を用いることでもある。続いて、原動機により駆動される３位相同期発電機内の回転子の動力学を記述する「動揺方程式」は、入力機械トルクを復元するために加速度および電力による代数関係を提供する。動揺方程式の使用には、発電機の回転慣性が含まれる。低次元化観測器の構築によるこの例示的なアプローチは、擬状態として慣性に対する状態空間の拡大を可能にし、その値の推定値も観測器に生じさせることを可能にする。この低次元化ルーエンバーガ観測器アーキテクチャは、各発電機の内部状態の推定により本質的に分散しており、局所的に推定され得る制動トルクの寄与という利点をもたらす。
【００４９】
別の実施形態において、動的状態推定器４３０は、カルマンフィルタに基づく（「ＫＦ」）アプローチ（例えば、カルマンフィルタおよびその変形、例えば拡張カルマンフィルタ（ＥＫＦ））を実施する。この実施形態において、ＫＦアプローチは、未知の状態／変数の統計的に最適な推定値を生成するために、雑音が多い観測された計測値の時系列を再帰的に用いる。推定処理中、電力系統の動的状態は、計測ノイズを考慮して推定された平均および共分散を伴うランダム変数として取り扱われる。微分代数方程式（ＤＡＥ）により定義されたシステム動力学の非線形数学モデルを取り扱う可能性は、ＫＦアプローチを電力系統に適用することを考慮させる。処理を単純化するために、非線形ＤＡＥは、線形化およびヤコビアン演算により近似される。このような線形化は、時間とともに顕著となり得る近似誤差をもたらす。さらに、ヤコビアン演算は、アルゴリズムの各繰返しで実施される必要があるので、演算的に高価である。
【００５０】
これらの制限の少なくとも一部を解消するために、一実施形態において、アンセンテッド変換（ＵＴ）が用いられる（例えば、微分係数を伴わないアプローチ）。ＵＴは、アンセンテッドカルマンフィルタ（ＵＫＦ）アプローチを形成するためにＫＦと組み合わせられ、アンセンテッドカルマンフィルタ（ＵＫＦ）アプローチは、より単純であり、演算的により効率的である。ＵＫＦアプローチは、確率分布の非線形変換を近似するための一般的な手法である。アイデアの核心は、ＤＡＥモデルにより与えられる非線形変換を受けるランダム変数の平均および共分散の一定の効率的な不偏性の推定値を見出すことにある。離散的にサンプリングされた点の集合が平均および共分散をパラメータ化するために用いられ得るという原理を用いて、推定器は、線形系に対するＫＦと同様な性能を生じさせ、ＥＫＦにより必要とされる線形化ステップを伴わずに非線形系に一般化する。
【００５１】
図５は、動的状態推定器４３０により生成された推定出力を用いて発電機４１０（図４に示されている）の制動トルクを推定するための、制動トルク推定器４５０により実施される処理５００の図である。例示的な実施形態において、発電機４１０の電気機械トルクＴeは、相差角（δ）および速度（ω）平面に表される。絶対値を用いる代わりに、例示的な実施形態は、これらの量の偏差（例えば、ΔＴe、Δδ、およびΔω）を用いる。ネットワーク１００（図１に示されている）内の擾乱に続いて、Ｔe、δ、およびωは、ネットワーク１００上の発電機の電気機械応答を特徴付ける周波数で振動する。単モード特性を仮定すると、これらの量の偏差は、周波数ω1が同じであるが位相が異なる正弦波として表現され得る。結果として、トルク偏差ΔＴe、相差角偏差Δδ、および速度偏差Δωは、それぞれ回転フェーザ
【００５２】
【数４】
0006725306.tif 000005
【００５３】
【数５】
0006725306.tif 000006
および
【００５４】
【数６】
0006725306.tif 000007
として表現され得る。
【００５５】
図６は、発電機４１０（図４に示されている）に関連する、推定トルク偏差フェーザ
【００５６】
【数７】
0006725306.tif 000008
６１０、相差角偏差フェーザ
【００５７】
【数８】
0006725306.tif 000009
６２０、および速度偏差フェーザ
【００５８】
【数９】
0006725306.tif 000010
６３０のアライメントのグラフ６００である。グラフ６００は起点６０２を定義する。例示的な実施形態において、
【００５９】
【数１０】
0006725306.tif 000011
６１０はトルクフェーザであり、
【００６０】
【数１１】
0006725306.tif 000012
６２０は角度フェーザであり、
【００６１】
【数１２】
0006725306.tif 000013
６３０は速度フェーザであり、
【００６２】
【数１３】
0006725306.tif 000014
６３０軸は、
【００６３】
【数１４】
0006725306.tif 000015
であるので、
【００６４】
【数１５】
0006725306.tif 000016
６２０軸よりも９０度先行する。回転角速度は、振動の角周波数に等しい。よって、トルクフェーザ
【００６５】
【数１６】
0006725306.tif 000017
６１０は、
【００６６】
【数１７】
0006725306.tif 000018
と書かれ、ここで、ｊは、直交座標系の特定の軸が９０度回転されていることを示している（例えば、Δω６３０軸は
【００６７】
【数１８】
0006725306.tif 000019
６２０軸よりも９０度前方である）。速度フェーザ
【００６８】
【数１９】
0006725306.tif 000020
６３０に沿うトルクフェーザ
【００６９】
【数２０】
0006725306.tif 000021
６１０の成分は、制動トルクΔＴd６１４であり、Ｋdは制動トルク係数である。角度フェーザ
【００７０】
【数２１】
0006725306.tif 000022
６２０に沿うトルクフェーザ
【００７１】
【数２２】
0006725306.tif 000023
６１０の成分は、同期化トルクΔＴs６１２であり、Ｋsは同期化トルク係数である。
【００７２】
次に図５および図６を参照すると、例示的な実施形態において、制動トルク推定器４５０は、例えば発電機４１０の、制動トルクΔＴd６１４および制動トルク係数ＫdをＰＭＵ計測値４２０から推定する。動的状態推定器４３０により（例えばＤＳＥアルゴリズムにより）推定された速度ωおよび発電機端子で（例えばＰＭＵ３２０により）計測された電力出力Ｐeを用いて、発電機４１０の電気機械トルクＴeは、
【００７３】
【数２３】
0006725306.tif 000024
により計算され得、ここで、添字「ｅ」は、関連する変数が、例えば機械トルクまたは動力とは異なり電気トルクまたは動力であることを示している。代わりに、推定速度ω値を用いるよりもむしろ、設置計器からのリアルタイム計測速度ω値が用いられる。
【００７４】
実際の電力系統において、発電機４１０内の振動は、複数モードの識別特性を有し得る。制動トルクの概念は、それぞれのモード角周波数に速度が対応する個別の回転フェーザ基準系において個々のモードが解析されることを除いて同じである。例示的な実施形態において、制動トルク推定器４５０は、一般的な複数モード系統のための推定処理５００を実施する。以下では、トルクおよび速度は、フェーザ
【００７５】
【数２４】
0006725306.tif 000025
および
【００７６】
【数２５】
0006725306.tif 000026
の代わりに空間フェーザ
【００７７】
【数２６】
0006725306.tif 000027
および
【００７８】
【数２７】
0006725306.tif 000028
として表現される。空間フェーザの成分は、共通の回転直交−直接（「ｄ−ｑ」）基準系において計測される。本明細書では、ｉthモードを指すために添字ｉが用いられている。
【００７９】
ｍ個のモードがあると仮定すると、計測電力Ｐe（ｔ）５１１および推定速度ω（ｔ）５１２（一部の実施形態においては、計測速度ω（ｔ）が用いられる）により方程式２から得られた計算電磁トルクＴe（ｔ）５１０は、
【００８０】
【数２８】
0006725306.tif 000029
と表現され得、ここで、Ｔeavg（ｔ）はトルクの平均値であり、ここで、「Ｒｅ」は、複素量
【００８１】
【数２９】
0006725306.tif 000030
の実数部を示し、ωは回転子速度であり、ｔは時間であり、ｊは直交軸を表し、ｉは発電機インデックス「ｉ」を表す。空間フェーザは、個々の回転ｄ−ｑ基準系に分解され得る。
【００８２】
【数３０】
0006725306.tif 000031
よって、φi（ｔ）＝ωiｔ＋ω0(i)であり、ここでωiはｉthモード角周波数の推定速度であり、
【００８３】
【数３１】
0006725306.tif 000032
は、推定空間フェーザがそのｄ−ｑ基準系でロックされる角度である。
【００８４】
例示的な実施形態において、制動トルク推定器４５０の目的は、Ｔeavg（ｔ）５３０、Ｔeq(i)（ｔ）、およびＴed(i)（ｔ）の値を演算することにある。制動トルク推定器４５０は、パラメータベクトルを推定するために再帰的カルマンフィルタアプローチを用いてトルクフェーザ抽出５２０を実施する。
【００８５】
Θ＝［Ｔeavg（ｔ）、Ｔed(1)（ｔ）、…、Ｔed(m)（ｔ）、Ｔeq(1)（ｔ）、…、Ｔeq(m)（ｔ）］T      （方程式５）
各繰返しでは、幾つかのステップが実施される。ステップ１は、予測誤差を計算することを含む。
【００８６】
ε（ｔ）＝Ｔe（ｔ）−φ（ｔ）Θ（ｔ−１）      （方程式６）
ここで、φ（ｔ）は、以下に表現される独立変数である。
【００８７】
φ（ｔ）＝［１、ｃｏｓφ1（ｔ）、…、ｃｏｓφm（ｔ）、−ｓｉｎφ1（ｔ）、…、−ｓｉｎφm（ｔ）］      （方程式７）
ステップ２は、カルマンゲインベクトルＫd（ｔ）を演算することを含む。
【００８８】
【数３２】
0006725306.tif 000033
ステップ３は、共分散行列Ｐ（ｔ）を更新することを含む。
【００８９】
Ｐ（ｔ）＝［Ｉ−Ｋd（ｔ）φ（ｔ）］Ｐ（ｔ−１）＋Ｒ1   （方程式９）
ステップ４は、パラメータベクトルΘ（ｔ）を更新することを含む。
【００９０】
Θ（ｔ）＝Θ（ｔ−１）＋Ｋd（ｔ）ε（ｔ）      （方程式１０）
パラメータベクトルΘ（ｔ）は、０で初期化され、共分散行列Ｐ（ｔ）は、高い値（例えば１０4■、ここで、Ｉは単位行列）で初期化される。Ｒ1は、Ｒ2に関して要素が正規化
される直交行列であり、それは、Ｒ2が１になることを導く。Ｒ1の選択は、処理ノイズの共分散に依存し、それを演繹的に知ることは困難である。ここで、Ｒ1は、フィルタ収束速度とパラメータ推定値の安定との間の適正な均衡に到達するように調整され得る。
【００９１】
さらに、モード周波数は、例えば線形解析により得られた、それらの名目値で初期化されてもよく、それは、実際の大規模電力系統にとって必ずしも簡単ではない場合がある。このことを避けるために、例示的な実施形態において、計測データの周波数スペクトルを得て周波数を初期化するために周囲条件にとって適切な推定アルゴリズムが用いられる、自己初期化方法が利用される。履歴データおよび／またはオペレータの経験が利用されてもよい。この初期周波数は、次いで実際の計測値に依存して時間と共に更新される。運転条件の変化による周波数の変化は、個々のモードのための周波数補正ループによりオンラインで追跡され、ＰＩ補償器は、連続サンプルの位相角の間の誤差を最小化する。
【００９２】
例示的な実施形態において、制動トルク推定器４５０は、大きさ５４２および角度５４４を生成するために、トルクの大きさおよび位相５４０をトルクフェーザ抽出器５２０の出力値５２２から決定する。例示的な実施形態において、実際の制限を避けるために、計測データの周波数スペクトルを得て周波数を初期化するために周囲条件にとって適切な推定アルゴリズムが用いられる、自己初期化周波数補正ループ５２４が利用される。周波数補正ループ５２４は、周波数補正値５２６を生成する。
【００９３】
一部の実施形態において、制動トルク推定器４５０は、速度位相抽出出力値５５２および平均速度ωavg（ｔ）５６０をするために速度フェーザ抽出器５５０を用いる。速度の大きさおよび位相５７０は、大きさ５７２および角度５７４を生成するために決定される。角度５４４および５７４は、各モードの相対角度５４８を決定するために比較される５４６。
【００９４】
例示的な実施形態において、制動トルク係数Ｋdは、速度フェーザ５７２の大きさにより制動トルクフェーザ５４２の大きさを正規化することにより、以下のように決定される。
【００９５】
【数３３】
0006725306.tif 000034
また、例示的な実施形態において、制動トルク推定器からの出力値、例えば、推定制動トルク４６０（図４に示されている）および／または推定制動トルク係数Ｋdは、不適切に調整された構成要素、例えば、非限定的にではあるが、自動電圧調整器（ＡＶＲ）、励磁器、および電力系統安定器（ＰＳＳ）を伴う、発電機を特定するため、系統安定度を向上させるために制御処置にとって重要な発電機を特定するため、全体系統安定度に対する発電機の寄与を特定するため、ならびに、系統安定度をリアルタイムで追跡するために用いられる。
【００９６】
さらに、例示的な実施形態において、上述されたような情報決定に加えて、制動トルク推定器４５０からの出力値、例えば、非限定的に、推定制動トルク４６０および推定制動トルク係数Ｋdは、１つ以上の発電機、例えば、発電所１０２（図１に示されている）内に存在する発電機４１０（図４に示されている）、および／または回転型の分散型発電機１３０（図１に示されている）の、制御によりトルク振動を制動するための制御信号を生成するために用いられる。具体的には、電力ネットワーク１００（図１に示されている）などの系統が電気機械モードに関して振動的に安定するために、発電機の制動トルク係数は正でなければならない。電気機械モードの制動トルクは、もちろん発電機の制動巻線（存在する場合）により提供される。電力系統安定器（ＰＳＳ）は、特定の運転条件に対する所望の制動を実現するために用いられる。調整されると、これらの制御パラメータは固定される。制動トルクが系統運転条件の関数であるので、正の制動を提供するにはＰＳＳの一部が効果的ではなくなる可能性がある。したがって、発電機の制動トルク係数および／または制動トルク値をリアルタイムで系統的に演算および追跡することによって、それらを振動的な安定度の指標として用いることができる。アプローチは、系統の振動条件を素早く予測し、問題のある発電機もしくはＰＳＳを正確に指摘し、制御可能な効果的な発電機を特定し、オペレータが予防的もしくは是正的処置を取ることを容易にすることができる。
【００９７】
その上、例えば、推定制動トルク４６０および／または推定制動トルク係数Ｋdの決定は、発電機４１０に連系される制御システムに送信される。このような決定は、各発電機４１０に対して個々に取り扱われ、各発電機４１０の制御により系統安定度パラメータのマージンを拡大するために関連するＰＳＳに送信される。ＰＳＳは、関連する発電機４１０の励磁を調整するために、それらの安定度信号を関連するＡＶＲに送信する。各発電機４１０の制動機構は、決定された速度の大きさおよび位相５７０と同じ位相の発電機４１０の関連する回転子に制動トルクを発生させることにより、他の発電機４１０に対する各発電機４１０に関連する振動を制動するために用いられる。
【００９８】
図７は、各振動モードに対応するトルクフェーザを推定するための、トルクフェーザ抽出器５２０（図５に示されている）により実施される例示的な処理７００の図である。モード周波数は、線形解析により得られたそれらの名目値で初期化されてもよく、それは、実際の大規模電力系統にとって必ずしも簡単ではない場合がある。例示的な実施形態において、実際の制限を避けるために、計測データの周波数スペクトルを得て周波数を初期化するために周囲条件にとって適切な推定アルゴリズムが用いられる、自己初期化周波数補正ループ５２４（図５に示されている）が利用される。この処理では、履歴データまたはオペレータの経験も役割を果たし得る。初期周波数７５４は、次いで、実際の計測値に依存する時間で更新される。運転条件の変化による周波数の変化は、個々のモードのための周波数補正ループによりオンラインで追跡され、ＰＩ補償器７４０は、連続サンプルの位相角７５０（例えば、周波数補正ループ５２４の位相角演算７２０）の間の誤差を最小化する。周波数補正は、複数モード信号に存在する隣り合う周波数の重なりを避けるために合理的な帯域（例えば±０．１Ｈｚ）に限定され得る。自走発振器７６０は、周波数ωi７５６を統合するように角度φi（ｔ）７６２を生成するために利用され得る。
【００９９】
図８は、安定度解析システム（ＳＡＳ）１２０（図４に示されている）を用いて発電機４１０（図４に示されている）の制動トルクを非侵入的に推定する例示的な方法８００のフローチャートである。例示的な実施形態において、方法８００は、ＳＡＳ１２０（図２に示されている）または演算装置９１０（図９に示されている）などの１つ以上の演算システムにより実施される。方法８００は、第１のデータサンプル集合をＰＭＵ３２０（図３に示されている）から受信すること８１０を含む。方法８００は、第１のデータサンプル集合に少なくとも部分的に基づいて発電機４１０の推定トルクを決定すること８２０も含む。
【０１００】
例示的な実施形態において、方法８００は、推定トルクに少なくとも部分的に基づいて推定平均トルクおよび１つ以上の推定トルク成分を決定すること８３０を含む。一部の実施形態において、１つ以上の推定トルク成分の各トルク成分は、モード角周波数により特徴付けられる振動モードに関連する。さらに、一部の実施形態において、推定平均トルクおよび１つ以上の推定トルク成分を決定すること８３０は、特性同定手法を用いて平均トルクおよび１つ以上の推定トルク成分を推定することを含む。一部の実施形態において、特性同定手法はカルマンフィルタである。代わりに、粒子フィルタ、ルーエンバーガ観測器、および適応ベクトル量子化（ＡＶＱ）を非限定的に含む任意の特性同定手法が用いられる。加えて、一部の実施形態において、推定平均トルクおよび１つ以上の推定トルク成分を決定すること８３０は、時刻ｔでの推定平均トルクの値Ｔeavg（ｔ）、ならびにｄ−ｑ基準系におけるｍ個の推定トルク成分Ｔed(i)およびＴeq(i)を決定することに少なくとも部分的に基づいており、ここで、ｉ＝１〜ｍであり、それにより、時刻ｔでの推定トルクＴe（ｔ）は、
【０１０１】
【数３４】
0006725306.tif 000035
に実質的に等しくなり、ここで、φi（ｔ）＝ωiｔ＋φ0(i)は推定角度であり、ここで、ωiはｉthモード角周波数の推定速度であり、
【０１０２】
【数３５】
0006725306.tif 000036
は、推定空間フェーザがそのｄ−ｑ基準系でロックされる角度である。一部の実施形態において、第１のデータサンプルは、時刻ｔでの電力Ｐeのサンプルの離散値を含み、推定トルクは、発電機の推定速度ωに対する電力Ｐeの比として演算される。
【０１０３】
例示的な実施形態において、方法８００は、１つ以上の発電機および電力ネットワークの安定度解析に用いるために推定平均トルクおよび１つ以上の推定トルク成分をオペレータに出力すること８４０を含む。一部の実施形態において、方法８００は、発電機に関連する周囲条件データを用いて１つ以上のトルク成分に関連する複数の周波数を初期化すること、および／または連続サンプルの位相角の間の誤差を最小化するために比例積分補償器を用いて複数の周波数を更新することも含む。本明細書で用いられるとき、用語「周囲条件データ」は、定態条件、すなわち擾乱のない条件を指す。
【０１０４】
図９は、本明細書に記述されるような制動トルクの非侵入的な推定のために用いられ得る、演算装置９１０内のデータベース９２０の例示的な構成９００を他の関連する演算構成要素と共に例示する。データベース９２０は、演算装置９１０内の幾つかの個別構成要素に接続され、個別構成要素は特定のタスクを実施する。例示的な実施形態において、演算装置９１０はＳＡＳ１２０（図２〜図４に示されている）であり得る。
【０１０５】
例示的な実施形態において、データベース９２０は、ＰＭＵデータ９２２、ネットワークデータ９２４、および推定データ９２６を含む。ＰＭＵデータ９２２は、ＰＭＵ３２０（図３に示されている）などの装置からのデータストリームに関連する情報を含む。ネットワークデータ９２４は、モデル４３２（図４に示されている）などのネットワーク１００（図１および図４に示されている）に関連する情報を含む。推定データ９２６は、推定出力４４０（図４に示されている）および推定制動トルク４６０（図４に示されている）などの推定値に関連する情報を含む。
【０１０６】
演算装置９１０は、データベース９２０およびデータ記憶装置９３０を含む。演算装置９１０は、例えば発電機４１０（図４に示されている）に関連する状態を推定するための動的状態推定器の構成要素９４０も含む。演算装置９１０は、例えば動的状態推定器の構成要素９５０の出力に基づいて、制動トルク推定値を演算するための制動トルク推定器の構成要素９５０も含む。演算装置９１０は、ＰＭＵ３２０および／または他の演算装置と通信するための通信構成要素９６０も含む。処理構成要素９８０は、システムに関連するコンピュータ実行命令の実行を援助する。
【０１０７】
上述された方法およびシステムは、フェーザ計測ユニット（ＰＭＵ）から送電および／または配電ネットワーク（「電力グリッド」）内のフェーザデータ集信装置（ＰＤＣ）および／または安定度解析システム（ＳＡＳ）に送られたデータストリームを解析することを含む。これらのシステムおよび方法は、電力グリッドの安定度を提供することを対象とし、より具体的には、電力グリッド内の発電機に関連する制動トルクを推定するための安定度解析のシステムおよび方法を対象とする。本明細書に記述されるようなＳＡＳは、発電機の動的状態を推定するためのＰＭＵ技術の進歩に影響を及ぼし、個々の発電機、さらに個々のモードに関する、制動トルクの実際の推定を可能にする。本明細書に記述されるＳＡＳは、グリッド安定度についての洞察をもたらすために高分解能ＰＭＵ計測値を用いて動的状態を推定する。グリッドオペレータから独立した企業主体により多くの量の発電が提供され、個々の発電機施設での侵入的な計測を伴わずに個々の発電機によるグリッド安定化の寄与を定量化および検証することが必要になるにつれて、これらの計測値は、グリッド運転にとって益々重要となりつつある。ＰＭＵは、系統の動的状態を推定し、広域にわたる動的性能をリアルタイムで把握するために、向上したアルゴリズムおよび演算ハードウェアと組み合わせられ、広い地理的位置に渡って時刻同期化される。
【０１０８】
このシステムにより扱われる技術的課題の少なくとも１つは、（ｉ）例えば、ネットワークの擾乱中における発電機間の相互作用に基づく電力ネットワークの不安定度、（ｉｉ）より広範な電力ネットワークの系統安定度に対する個々の発電機の制動トルクの寄与を決定することの困難性、（ｉｉｉ）例えば、ネットワークの発電の減少もしくはロスおよび／または収益ロスを生じさせる制動パラメータを特定するために、段階検査を実施するために発電機をオフラインにする必要性、（ｉｖ）系統安定度に対する個々の発電機の個々のモード寄与を決定することの困難性、（ｖ）系統安定度の態様を決定するためにより広範な系統モデルに依存することに関連する演算の複雑さおよび誤りを含む。
【０１０９】
本明細書に記述される方法、システム、および機器の例示的な技術的効果は、（ａ）発電機の制動トルクをＰＭＵ計測値に基づいて非侵入的にリアルタイムで推定すること、（ｂ）時間がかかり、演算集約的である場合があり、モデルの誤りに悩まされる場合がある、完全な系統モデルおよびそれらの複雑な動的シミュレーションに依存する必要性を低減または排除し、演算処理の必要性を低減させること、（ｃ）例えば遠隔管理施設に、発電機の動的状態および制動トルクの演算を集中させること、（ｄ）例えば交差変電所の個々の発電機箇所に、発電機の動的状態および制動トルクの演算を分散させること、（ｅ）電力系統の発電機毎に関する制動トルクのリアルタイムでの追跡を向上させ、それにより系統安定度が向上した計測値をリアルタイムで得ること、のうちの少なくとも１つを含む。
【０１１０】
発電機の制動トルクの非侵入的な推定のためのシステムおよび方法の例示的な実施形態が詳しく上述された。本明細書に記述されるシステムおよび方法は、本明細書に記述される特定の実施形態に限定されず、むしろ、システムの構成要素および／または方法のステップは、本明細書に記述される他の構成要素および／またはステップから個々におよび個別に利用されてもよい。例えば、方法は、データストリームの解析を伴う他のシステムと組み合わせて用いられてもよく、本明細書に記述されるような送電のシステムおよび方法のみの実践に限定されない。むしろ、例示的な実施形態は、多くの他のデータストリーム解析用途に関して実施および利用することができる。
【０１１１】
各種の実施形態の具体的な特徴を幾つかの図面に示し、他の図面に示していない場合もあるが、これは、便宜的な理由のみによる。本明細書に記述されるシステムおよび方法の原理に従えば、図面の任意の特徴は、他の任意の図面の任意の特徴と組み合わせて、参照され得および／または特許請求され得る。
【０１１２】
一部の実施形態は、１つ以上の電子または演算装置の使用を伴う。このような装置は、典型的に、汎用中央処理ユニット（ＣＰＵ）、グラフイック処理ユニット（ＧＰＵ）、マイクロコントローラ、縮小命令セットコンピュータ（ＲＩＳＣ）プロセッサ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、プログラマブルロジック回路（ＰＬＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、デジタル信号処理（ＤＳＰ）装置などの、プロセッサ、処理装置、またはコントローラ、および／または本明細書に記述される機能を実行可能な任意の他の回路もしくは処理装置を含む。本明細書に記述される方法は、記憶装置および／またはメモリ装置を非限定的に含む、コンピュータ読取可能な媒体上に具現化された実行命令としてコード化されてもよい。このような命令は、処理装置により実行されると、本明細書に記述される方法の少なくとも一部を処理装置に実施させる。上記の例は、例示にすぎず、よって、いかなる場合も用語、プロセッサおよび処理装置の定義および／または意味を限定することを意図していない。
【０１１３】
この明細書は、ベストモードを含めて実施形態を開示するために、ならびに、任意の装置もしくはシステムの製作および使用、組み込まれた任意の方法の実施を含めて当業者が実施形態を実践することも可能にするために例示を用いている。本開示の特許可能な範囲は、特許請求の範囲により定義されており、当業者が思い付く他の例を含み得る。このような他の例は、特許請求の範囲の文言とは相違しない構成要素を有する場合、または、特許請求の範囲の文言から実質的に相違しない均等な構成要素を含む場合、特許請求の範囲内であることを意図される。
【符号の説明】
【０１１４】
１００  電力ネットワーク
１０２  発電所
１０３  送電グリッド
１０４  超高圧送電グリッド
１０６  高圧送電グリッド
１１０  配電系統
１１２  低ワット形消費者
１１４  中ワット形消費者
１１６  高ワット形消費者
１２０  安定度解析システム（ＳＡＳ）
１３０  分散型発電機
１３２  都市型発電所
１３４  ソーラファーム
１３６  ウィンドファーム
１５０  メモリ装置
１５２  プロセッサ
１５４  提示インターフェース
１５６  ユーザ
１５８  ユーザ入力インターフェース
１６０  通信インターフェース
１６２  記憶装置
１６４  データベース
３００  広域測定システム（ＷＡＭＳ）
３１０  データネットワーク
３１２  データリンク
３２０  フェーザ計測ユニット
３２２  変電所
３４０  人工衛星
３４２  無線データリンク
４００  図
４１０  発電機
４１２  電力出力
４２０  ＰＭＵ計測値
４３０  動的状態推定器
４３２  モデル
４４０  推定出力
４５０  制動トルク推定器
４６０  推定制動トルク
５００  処理
５１０  計算トルク
５１１  計測電力
５１２  推定速度
５２０  トルクフェーザ抽出器
５２２  出力値
５２４  周波数補正ループ
５２６  周波数補正値
５３０  トルク値
５４０  トルクの大きさおよび位相
５４２  大きさ
５４４  角度
５４６  比較
５４８  相対角度
５５０  速度フェーザ抽出器
５５２  出力値
５６０  平均速度
５７０  速度の大きさおよび位相
５７２  大きさ
５７４  角度
６００  グラフ
６０２  起点
６１０  トルク偏差フェーザ
６１２  同期化トルク
６１４  制動トルク
６２０  相差角偏差フェーザ
６３０  速度偏差フェーザ
７００  処理
７２０  位相角演算
７４０  ＰＩ補償器
７５０  位相角
７５４  初期周波数
７５６  周波数
７６０  自走発振器
７６２  角度
８００  方法
８１０  第１のデータサンプル集合をＰＭＵから受信
８２０  第１のデータサンプル集合に・・・発電機の推定トルクを決定
８３０  推定平均トルクおよび・・・を決定
８４０  推定平均トルクおよび・・・を出力
９００  構成
９１０  演算装置
９２０  データベース
９２２  ＰＭＵデータ
９２４  ネットワークデータ
９２６  推定データ
９３０  データ記憶装置
９４０  動的状態推定器の構成要素
９５０  制動トルク推定器の構成要素
９６０  通信構成要素
９８０  処理構成要素
【図１】
0006725306.tif 000043
【図２】
0006725306.tif 000044
【図３】
0006725306.tif 000045
【図４】
0006725306.tif 000046
【図５】
0006725306.tif 000047
【図６】
0006725306.tif 000048
【図７】
0006725306.tif 000049
【図８】
0006725306.tif 000050
【図９】
0006725306.tif 000051