(57)【要約】      （修正有）【課題】電力網内のスケールフリー通信網を提供する。【解決手段】スケールフリー通信網は、電力網内の複数の配電装置１０の各個に結合される、保護装置１２およびコントローラ１４を含む、電力網内で相互に通信可能に結合される複数の配電装置を備える。コントローラは、複数の切り離した配電装置を特定する。コントローラはさらに、電力網内の連系用開閉器を自動的に動作状態にすることにより、電力網内の複数の切り離した配電装置を復旧する。コントローラはさらに、電力網内の復旧した配電装置の各個に対する信頼性指標を計算する。さらに、コントローラは、計算した信頼性指標に基づいて、電力網内の重大な配電装置を特定し、特定した重大な配電装置に基づいて、電力網内部にスケールフリー通信網を確立する。【選択図】図１
2013017381.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力網内部で通信するための方法であって、
複数の切り離した配電装置を特定するステップと、
前記電力網内の連系用開閉器を自動的に動作状態にすることにより、前記電力網内の前記複数の切り離した配電装置を復旧するステップと、
前記電力網内の前記配電装置の各個に対する信頼性指標を計算するステップと、
前記計算した信頼性指標に基づいて、前記電力網内の重大な配電装置を特定するステップと、
前記特定した重大な配電装置に基づいて、前記電力網内部にスケールフリー通信網を確立するステップと
を含む方法。
【請求項２】
前記複数の切り離した配電装置を特定するステップが、前記配電装置のグラフラプラシアン行列を計算するステップを含む、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記複数の切り離した配電装置を特定するステップが、前記配電装置のグラフ表現の固有値および固有ベクトルを決定するステップを含む、請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記複数の切り離した配電装置を特定するステップが、前記配電装置の固有値を検査するステップを含む、請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記複数の切り離した配電装置を特定するステップが、前記配電装置の対応する固有値の固有ベクトルを検査するステップを含む、請求項１記載の方法。
【請求項６】
前記複数の復旧した配電装置を特定するステップが、前記復旧した配電装置のグラフラプラシアン行列を計算するステップを含む、請求項１記載の方法。
【請求項７】
前記複数の復旧した配電装置を特定するステップが、前記復旧した配電装置のグラフ表現の固有値および固有ベクトルを決定するステップを含む、請求項１記載の方法。
【請求項８】
前記複数の復旧した配電装置を特定するステップが、前記復旧した配電装置のグラフ表現の固有値を検査するステップを含む、請求項１記載の方法。
【請求項９】
前記複数の切り離した配電装置を特定するステップが、前記復旧した配電装置の対応する固有値の固有ベクトルを検査するステップを含む、請求項１記載の方法。
【請求項１０】
信頼性指標を計算するステップが、系統平均停電時間指数（ＳＡＩＤＩ）、系統平均停電頻度指数（ＳＡＩＦＩ）、瞬間平均停電頻度指数（ＭＡＩＦＩ）、需要家平均停電時間指数（ＣＡＩＤＩ）および需要家平均停電頻度指数（ＣＡＩＦＩ）を独立に計算するステップを含む、請求項１記載の方法。
【請求項１１】
前記重大な配電装置を特定するステップが、前記復旧した配電装置の各個の前記計算した信頼性指標を比較するステップを含む、請求項１記載の方法。
【請求項１２】
前記重大な配電装置を特定するステップが、前記計算した信頼性指標に関する前記重大な配電装置の影響に基づいて、前記復旧した配電装置の各個に対して階級を提供するステップを含む、請求項１記載の方法。
【請求項１３】
前記復旧した配電装置の各個に対して階級を提供するステップが、前記信頼性指標の値に対応する階級を降順で提供するステップを含む、請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
電力網内で相互に通信可能に結合される複数の配電装置と、
前記電力網内で送電するように構成される、前記複数の配電装置の各個に結合される保護装置と、
複数の切り離した配電装置を特定するように、
前記電力網内の連系用開閉器を自動的に動作状態にすることにより、前記電力網内の前記複数の切り離した配電装置を復旧するように、
複数の復旧した配電装置を特定するように、
前記電力網内の前記復旧した配電装置の各個に対する信頼性指標を計算するように、
前記計算した信頼性指標に基づいて、前記電力網内の重大な配電装置を特定するように、かつ、
前記特定した重大な配電装置に基づいて、前記電力網内部にスケールフリー通信網を確立するように
構成される、前記複数の配電装置の各個に結合されるコントローラと
を備えるシステム。
【請求項１５】
前記配電装置が、電柱または機器ボールトを備える、請求項１４記載のシステム。
【請求項１６】
前記電力網が、送電網または配電網を備える、請求項１４記載のシステム。
【請求項１７】
前記複数の配電装置が、通信の好適なモードで相互に通信可能に結合される、請求項１４記載のシステム。
【請求項１８】
前記好適な通信モードが、私設および公衆の、有線およびワイヤレスの網、ならびにそれらの任意の組み合わせを含む、請求項１７記載のシステム。
【請求項１９】
前記私設および公衆の、有線およびワイヤレスの網が、ＷＩＦＩ、ＷＩＭＡＸ、電力線搬送、固定電話通信、電気事業者無線またはセルラー電話通信を備える、請求項１８記載のシステム。
【請求項２０】
前記保護装置が、リクローザを備える、請求項１４記載のシステム。
【請求項２１】
プロセッサにより実行される場合に、前記プロセッサに方法を遂行させるコンピュータプログラムのコンピュータ可読命令を含む非一時的コンピュータ可読媒体であって、前記方法が、
複数の切り離した配電装置を特定するステップと、
電力網内の連系用開閉器を自動的に動作状態にすることにより、前記電力網内の前記複数の切り離した配電装置を復旧するステップと、
複数の復旧した配電装置を特定するステップと、
前記電力網内の前記復旧した配電装置の各個に対する信頼性指標を計算するステップと、
前記計算した信頼性指標に基づいて、前記電力網内の重大な配電装置を特定するステップと、
前記特定した重大な配電装置に基づいて、前記電力網内部にスケールフリー通信網を確立するステップと
を含む媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力網内部で通信するための方法およびシステム等に関する。
【背景技術】
【０００２】
スマートグリッドは、消費者に電気を送出し、一方で、財政的コストを最小限に抑え、エネルギーを節約し、信頼性を増大するために、デジタルの通信および制御の技術を活用する。適切に設計するならば、スマートグリッドは、発電および配電の産業界において、広範囲の態様の改善に著しい影響を与えることになる。例としては、自己回復、高信頼性、サイバー攻撃に対する抵抗性、多種多様のタイプの分散型の発電および蓄電の機構の調節、最適化した資産配分、ならびに、運転保守費用の最小化とともに、先進的メータリングおよび需要応答を組み込む高分解の市場管理がある。
【０００３】
スマートグリッドの動作における重要な構成要素は、スマートグリッドの障害検出、切り離し、および復旧である。今日、電力網内の配電装置の大部分は、スター、メッシュ、またはリングのトポロジーのいずれかで通信可能に結合される。上述の通信トポロジーは、変電所から遠くに位置する配電装置で発生する障害の検出での遅延を招く。障害の検出での遅延により、結果として、障害の切り離しが最適未満となり、障害の際にサービスの供給停止に遭遇する消費者が、必然的な数より多くなる。さらに、これらの通信トポロジーは、同時伝送による望ましくない輻輳、衝突、ならびに、電力網内部の配電装置の過度の計算および管理につながるので、これらの通信トポロジー上で動作する電力網の復旧は遅延し、非効率的である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００７／０２９８８２１号明細書
【発明の概要】
【０００５】
これらおよび他の理由で、本発明の実施形態が求められている。
【０００６】
電力網内のスケールフリー通信網が提供される。スケールフリー通信網は、電力網内の複数の配電装置の各個に結合される、保護装置およびコントローラを含む、電力網内で相互に通信可能に結合される複数の配電装置を含む。コントローラは、複数の切り離した配電装置を特定する。コントローラはさらに、電力網内の連系用開閉器を自動的に動作状態にすることにより、電力網内の複数の切り離した配電装置を復旧する。コントローラはさらに、電力網内の復旧した配電装置の各個に対する信頼性指標を計算する。さらに、コントローラは、計算した信頼性指標に基づいて、電力網内の重大な配電装置を特定し、特定した重大な配電装置に基づいて、電力網内部にスケールフリー通信網を確立する。
【０００７】
本発明のこれらおよび他の、特徴および態様は、同様な符号が図面全体を通して同様な部分を表す添付の図面を参照して、以下の詳細な説明を読むことにより、より良く理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の例示的な実施形態による、配電装置の図表現である。
【図２】本発明の例示的な実施形態による、相互に結合される複数の配電装置を含む電力網の例示的な表現である。
【図３】本発明の実施形態による、電力網内の複数の配電装置の内部にスケールフリー通信網を自動的に確立するための方法で必要とされるステップを表すフローチャートである。
【図４】本発明の実施形態による、電力網内に設けられるスケールフリー通信網の例示的な概略表現である。
【図５】本発明の実施形態による、電力障害を含む電力網の例示的な概略表現である。
【図６】本発明の実施形態による、電力障害の場合の配電装置間の通信を図示する、電力網内に設けられるスケールフリー通信網の例示的な概略表現である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明の実施形態は、スケールフリー通信網を含む。電力網内のスケールフリー通信網は、電力網内の複数の配電装置の各個に結合される、保護装置およびコントローラを含む、電力網内で相互に通信可能に結合される複数の配電装置を備える。コントローラは、複数の切り離した配電装置を特定する。コントローラは、自動的に、特定した配電装置を開状態にし、電力網内の連系用開閉器を動作状態にすることにより、電力網内の複数の切り離した配電装置を復旧する。コントローラはさらに、複数の復旧した配電装置を特定し、電力網内の復旧した配電装置の各個に対する信頼性指標を計算する。さらに、コントローラは、計算した信頼性指標に基づいて、電力網内の重大な配電装置を特定し、特定した重大な配電装置に基づいて、電力網内部にスケールフリー通信網を確立する。
【００１０】
電力網は、電力の送電および配電のために長距離にわたって相互に電気的に結合される、複数の配電装置を含む。電力網内の配電装置は、通信の好適な媒体を介して、通信トポロジーに基づいて相互に通信する。スター、リングまたはメッシュのトポロジーが、配電装置間の通信用に提供され得る。動作中、障害の際に、配電装置は、配電装置が通信可能に結合されるトポロジーによって、他の配電装置に障害メッセージを送る。しかしながら、通信トポロジーは、望ましくない遅延および電力供給停止をもたらす場合がある。
【００１１】
メッシュ網の信頼性を、スター網またはリング網の低減した複雑性と両立させる通信網が、電力網で使用され得る。この配置構成では、各個のノード間の冗長通信経路が、指定の信頼性要件に基づいて縮小され、そのような網アーキテクチャは、スケールフリー網と呼ばれ得る。電力網用のこの通信トポロジーを、以下で説明する。
【００１２】
図１は、本発明の例示的な実施形態による、配電装置１０の図表現である。配電装置１０は、配電装置１０に取り付けられる保護装置１２およびコントローラ１４を含む。一実施形態では、配電装置１０は、電柱を含み得る。別の実施形態では、保護装置１２は、リクローザ、継電器、距離保護装置、差動保護装置、フェーザに基づく保護装置、電流制限装置および大電力電子装置を含む。他の実施形態では、コントローラ１４は、保護装置１２と一体化され得る。コントローラは、電力網内部での通信に責任を負い、そのような通信に基づいて、保護装置の動作を制御する。
【００１３】
図２は、本発明の例示的な実施形態による、相互に結合される複数の配電装置を含む電力網２０の例示的な表現である。電力網２０は、相互に電気的に結合される配電装置２２、２４、２６、２８、３０、３２、３４、３６、３８、４０を含む。電力網２０は、配電装置２２および３４を介して、電力網２０内のすべての配電装置に電気的に結合される変電所４２および４４をさらに含み、連系用開閉器４６が、その２つの端部で電気的に結合される配電装置２４および４０を介して、電力網に接続される。一実施形態では、連系用開閉器は、配電装置を含む。正常動作の際に、連系用開閉器は非導通状態にあり、変電所４２および４４は、電力網２０に電力を給電する。さらに、電力網２０が、最初に導入され、命令を受ける場合、配電装置２２、２４、２６、２８、３０、３２、３４、３６、３８、４０は、電力網２０内で相互に通信するために、スケールフリー通信網を自動的に確立する。電力網２０内でスケールフリー通信網を確立するための方法を、以下で詳細に説明する。
【００１４】
図３は、本発明の実施形態による、電力網内の複数の配電装置の内部にスケールフリー網を自動的に確立するための方法５０で必要とされるステップを表すフローチャートである。方法５０は、ステップ５２で、電力網内の切り離した配電装置を特定するステップを含む。一実施形態では、切り離した配電装置は、電力網内の配電装置のグラフラプラシアン行列を計算することにより特定される。別の実施形態では、配電装置の各個の固有値および固有ベクトルが、決定され、グラフラプラシアン行列で提供される。さらに別の実施形態では、固有値および対応する固有ベクトルが、切り離した配電装置を特定するために検査される。ステップ５４では、切り離した配電装置が、電力網内の連系用開閉器を動作状態にすることにより、自動的に復旧される。一実施形態では、復旧しない切り離した配電装置は、手動で復旧される。復旧した配電装置が、ステップ５６で特定される。一実施形態では、復旧した配電装置は、電力網内の復旧した配電装置のグラフラプラシアン行列を計算することにより特定される。別の実施形態では、復旧した配電装置の各個の固有値および固有ベクトルが、決定され、グラフラプラシアン行列で提供される。さらに別の実施形態では、復旧した配電装置の固有値および対応する固有ベクトルが、復旧した配電装置を特定するために検査される。その後、電力網内の配電装置の各個に対する信頼性指標が、ステップ５８で計算される。例示的な実施形態では、計算される信頼性指標には、系統平均停電時間指数（ｓｙｓｔｅｍ  ａｖｅｒａｇｅ  ｉｎｔｅｒｒｕｐｔｉｏｎ  ｄｕｒａｔｉｏｎ  ｉｎｄｅｘ）（ＳＡＩＤＩ）、系統平均停電頻度指数（ｓｙｓｔｅｍ  ａｖｅｒａｇｅ  ｉｎｔｅｒｒｕｐｔｉｏｎ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｉｎｄｅｘ）（ＳＡＩＦＩ）、瞬間平均停電頻度指数（ｍｏｍｅｎｔａｒｙ  ａｖｅｒａｇｅ  ｉｎｔｅｒｒｕｐｔｉｏｎ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｉｎｄｅｘ）（ＭＡＩＦＩ）、需要家平均停電時間指数（ｃｕｓｔｏｍｅｒ  ａｖｅｒａｇｅ  ｉｎｔｅｒｒｕｐｔｉｏｎ  ｄｕｒａｔｉｏｎ  ｉｎｄｅｘ）（ＣＡＩＤＩ）および需要家平均停電頻度指数（ｃｕｓｔｏｍｅｒ  ａｖｅｒａｇｅ  ｉｎｔｅｒｒｕｐｔｉｏｎ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｉｎｄｅｘ）（ＣＡＩＦＩ）がある。ステップ６０では、重大な配電装置が、配電装置の各個の計算した信頼性指標を比較することにより特定される。本明細書では、配電装置の重大性（ｃｒｉｔｉｃａｌｎｅｓｓ）は、電力網の信頼性に関する配電装置の影響に正比例する。配電装置の影響がより大きいならば、配電装置の重大性はより大きい。一実施形態では、階級が、配電装置の各個に対して、計算した信頼性指標の比較に基づいて提供される。別の実施形態では、配電装置の階級は、信頼性指標の対応する値に対して降順で提供される。例えば、より高いＳＡＩＤＩを伴う配電装置は、より高い階級を割り当てられることになる。その後、ステップ６２で、スケールフリー通信網が、特定した重大な配電装置に基づいて、電力網内部に確立される。一実施形態では、配電装置に専用の最適な数の通信経路は、配電装置の保護装置による、全体的な電力システムの信頼性に対する影響に基づいて算出される。例示的な実施形態では、配��装置は、その保護装置が、電力システムの信頼性に対する影響がより大きいならば、より大きな数の通信リンクを割り当てられる。
【００１５】
図４は、本発明の実施形態による、電力網２０内に設けられるスケールフリー通信網７０の例示的な概略表現である。配電装置２２、２６、２８、３０、３２、３４、３６、３８、４０および連系用開閉器４６が、上述の方法によって、通信の好適な媒体を用いてスケールフリー通信網７０を形成するために通信可能に結合される。一実施形態では、連系用開閉器４６は、配電装置を含む。本明細書では、用語「スケールフリー網」は、その次数分布が、少なくとも漸近的にべき法則にしたがう網と定義される、すなわち、他のノードに対してｋ個の接続を有する網内のノードの割合Ｐ（ｋ）は、ｋの大きな値に対して、Ｐ（ｋ）≒ｃｋ-γのようになり、ここで、ｃは規格化定数であり、γは、その値が典型的には２＜γ＜３の範囲にあるパラメータであるが、時折それは、これらの境界の外側にある場合がある。一実施形態では、通信の好適な媒体は、私設および公衆の、有線およびワイヤレスの網、ならびにそれらの任意の組み合わせを含む。そのような網の例には、ＷＩＦＩ、ＷＩＭＡＸ、電力線搬送、固定電話通信、電気事業者無線（ｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｕｔｉｌｉｔｙ  ｒａｄｉｏ）またはセルラー電話通信がある。例えば、配電装置２２、３４および４６を考慮すると、連系用開閉器４６は、信頼性指標の最も高い値を所有し、第１の階級を割り当てられることになる。配電装置２２は、信頼性指標の中間の値を所有し、第２の階級を割り当てられる。配電装置３４は、３つの配電装置２２、４６および３４の中で最も低い値を所有し、第３の階級を割り当てられることになる。配電装置の割り当てられた階級に基づいて、配電装置４６が最も重大であるというような、配電装置の重大度（ｃｒｉｔｉｃａｌｉｔｙ）が特定される。その後、最も高い冗長性が、配電装置４６に、それに続いて、配電装置２２および３４にそれぞれ提供される。本明細書では、用語「冗長性」は、配電装置が他の配電装置と、それを介して同時に通信可能である通信リンクの数と定義される。
【００１６】
例えば、正常動作の際に、配電装置２２は、配電装置２８を介して配電装置３０と通信する。しかしながら、配電装置２８での通信障害の場合には、配電装置２２は、配電装置４６を介して、ただ１つのホップによって、配電装置３０に達することができる。本明細書では、用語「通信障害」は、配電装置の通信システムで発生した障害に関するものであり、以下で説明する任意の電力障害は除く。本明細書では、用語「ホップ」は、２つの配電装置の間に設けられる単一の通信経路と定義される。したがって、配電装置２２は、最も少ない数のホップによって、配電装置３０に達するメッセージを送信するために代替経路を利用する。理解されるように、最も重大な配電装置が、最も高い冗長性を有することになり、通信網内で最も多い数の配電装置と通信可能になり、結果として、特定の配電装置に達する代替経路の数が最も大きくなる。
【００１７】
図５は、本発明の実施形態による、電力障害６４を含む電力網２０の例示的な概略表現である。正常動作では、連系用開閉器４６は開状態である。本明細書では、用語「電力障害」は、電力網で発生する障害に関するものであり、１つまたは複数の配電装置が、障害を切り離すために動作し、結果として、下流側の電力網内の他の配電装置に対しての電力の損失となり、供給停止という結果になる。例えば、動作中、電力障害６４が、配電装置２２と２８との間で発生する。変電所４２は、配電装置２２に給電しているが、配電装置２２は、下流側の需要家に対しての供給停止および停電を招く、下流側の障害が起きた部分に対する電力の流れを中断した状態である。その結果、配電装置２８と連系用開閉器４６との間の、配電フィーダの健全な部分に位置する需要家に対する電力を復旧するために、配電装置２２は、配電装置２８に開状態にするように通信し、その後連系用開閉器４６に閉状態にするように通信する。閉状態の連系用開閉器４６により、変電所４４から電力を伝達して、供給停止にみまわれる配電装置２４、２８、３２および３６の間に位置する需要家に給電することが可能になる。配電装置２２、２８および４６の間の通信は、以下で説明する図６に関連して、より良く理解され得る。
【００１８】
図６は、本発明の実施形態による、配電装置２２と４６との間の通信を図示する、電力網２０内に設けられるスケールフリー通信網７０の例示的な概略表現である。上述の電力障害６４の際に、配電装置２２は、何らかのホップおよび望ましくない遅延なしに、連系用開閉器４６と直接通信する。したがって、配電装置２４、２８、３２および３６に対する電力の供給は即座に復旧し、結果として、停電が最短となり、信頼性が最大となる。
【００１９】
上記で説明した方法の様々な実施形態は、電力網において供給停止を最小限に抑え、信頼性を最大にするための効率的な形を提供する。概略的に、上記で説明した方法は、電力網内の配電装置が、最小数のホップおよび最小の遅延で相互に通信することを可能にする、新しいスケールフリー通信トポロジーを自動的に確立する。さらに、スケールフリー通信トポロジーは、重大な配電装置を特定し、電力網内の他の配電装置と通信するための、重大な配電装置に対する複数の通信リンクを提供し、結果として、供給停止が最短となり、供給停止により影響を受ける需要家の数が最小となる。
【００２０】
当業者が、異なる実施形態から様々な特徴の互換性を認識するであろうということ、ならびに、本開示の原理によって、さらなるシステムおよび技法を構築するために、説明した様々な特徴、および各個の特徴に対する他の既知の等価物が、当業者により組み合わされ得るということを理解されたい。したがって、添付の特許請求の範囲は、本発明の真の趣旨の範囲に含まれるようなすべての修正および変更を包含することが意図されるということを理解されたい。
【００２１】
本発明のいくつかの特徴のみを、本明細書で例示かつ説明したが、多数の修正および変更を当業者は想到するであろう。したがって、添付の特許請求の範囲は、本発明の真の趣旨の範囲に含まれるようなすべての修正および変更を包含することが意図されるということを理解されたい。
【符号の説明】
【００２２】
１０  配電装置
１２  保護装置
１４  コントローラ
２０  電力網
２２、２４、２６、２８、３０、３２、３４、３６、３８、４０  配電装置
４２、４４  変電所
４６  連系用開閉器、配電装置
５０  方法
５２、５４、５６、５８、６０、６２  ステップ
６４  電力障害
７０  スケールフリー通信網
【図１】
2013017381.tif 000003
【図２】
2013017381.tif 000004
【図３】
2013017381.tif 000005
【図４】
2013017381.tif 000006
【図５】
2013017381.tif 000007
【図６】
2013017381.tif 000008
【外国語明細書】
2013017381000001.pdf