JP4024752B2 - 送電に関する改良 - Google Patents

Description

本発明は送電系統に関し、特に、高電圧大電力グリッド系統に関するものである。

熱的制限がないと仮定した場合、偶発事故における過渡的不安定または電圧不安定に関する懸念から、電力系統の送電限界がしばしば生じる。また、定常状態における不安定性に関する懸念も存在する。これらの潜在的な不安定性を定量化するためには、電力系統の動的特性についての知識が必要である。電力系統の動的特性を推定し、それによって送電限界を推定するために使用される既存の手法は、著しい不確定性を有する数学的動的モデリング検討に基づいている。従来、系統技術者は、大きな安全係数を組み入れ、余裕がかなり大きくなるように安全な送電容量を低めに設定していた。その結果、送電可能な電力を不当に制限したり、容量確保のために過大な投資を要求していた。

これまでに、送電限界の設定のために「信号エネルギ」手法の使用が提案されている。これは、電力フローが増大すると、漸近的に「信号エネルギ」が増大する（そして減衰が低下する）という観測に基づいている。

しかしながら、それらの提案は、つぎのような点において問題がある。
（ａ） それらの提案は、数学的動的モデリングにのみ依拠しており、前述した問題を有している。
（ｂ） 「信号エネルギ」を使用しているが、この量を周波数成分に分割していないため、問題の性質をあいまいにしている。
（ｃ） 信号エネルギおよび／または減衰と、メガワット電力フローとの関係は、実際には全く均一でない。

本発明によれば、高電圧大電力系統の監視方法が提供される。この方法は、前記電力系統の小信号動的特性の測定値を求めるステップであって、前記測定値は一般的な(prevailing) 系統条件のもとで得られ、前記系統条件は前記電力系統の動作パラメータによって定義されるステップと、前記測定値を利用して電力系統の送電限界を決定するステップとを有している。

よく知られているように、グリッド系統は、連続的に小さな摂動(perturbation)にさらされている。本発明は、送電系統における送電限界を決定する方法を提供する。その方法は、
（ａ） ある期間にわたって、系統の少なくとも一部の電線上で、小摂動の測定に基づいて電力系統の動的特性（モード減衰を含む）を測定するステップと、
（ｂ） 前記期間中に、電力フローを含む電力系統動作パラメータを測定するステップと、
（ｃ） ステップ（ａ）およびステップ（ｂ）において収集されたデータを使用し、各電線でのモード減衰特性と電力系統動作パラメータの間の関係を確立するステップと、
（ｄ） 各電線について、前記関係から電力フロー限界を計算し、電力供給の安全性において必要とされるレベルの信頼性を提供するステップと、
を有している。

好ましくは、ステップ（ｄ）は、固定された電力系統動作パラメータ／減衰関係を特定し、その関係における説明できないランダムな変動を取り扱うために、系統上の多数の点からのデータを多変量解析することによって実施される。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を例示として説明する。

本発明の方法は、電力系統の小信号すなわち定常状態の動的特性を測定することを含む。測定値は連続的にオンラインで獲得され、実際の支配的系統条件に関連づけられる。

具体的には、測定される動的特性は、系統のモード減衰、モード周波数およびモード振幅であって、これらは、有効電力フローまたは無効電力フロー、電圧、系統周波数などに基づいている。

これらのモード値は、有効電力、無効電力、電圧、系統周波数などの実際の支配的系統パラメータに関連づけられる。

さらに、測定時刻が常に記録される。ついで、これらの測定値は、系統の小信号送電限界を判定し、最も効率的な送電動作条件を保証するために使用される。

好ましくは、測定値は、次のように決定される係数によって修正される。

特定された偶発事象によって生じる制限的過渡条件すなわち電圧条件の前に、第１段階として、一連の小信号動的特性、好ましくはモード減衰特性、およびそれに関連する電力システムの動作パラメータが、系統の数学的モデルから得られる。

これらの一連の値から、特定の系統条件での小信号動的特性と過渡的制限の間の関係が導き出される。つぎに、この関係は、実際のオンライン小信号測定値とともに使用されて、系統の送電限界が決定される。

この方法は、電力系統がその送電限界にどれだけ近いかについてのオンライン情報を提供することができる。

減衰(damping)特性は、減衰比、モード減衰(decay) 時間などの適切な形態で測定することができる。

本発明は、さらに１つ以上の偶発条件に対する前記プロセスによって計算される安全限界を導くことを有している。

本発明は、注目する系統における電力系統動作パラメータおよびモード減衰の実際の過去データの利用に基づいている。そのようなデータは、履歴データから手作業で、または他の既知の手段で得ることができる。

（ａ） 観測可能な動作条件の下での連続的な直接的動的測定によって確認された電力系統の動的モデルを利用することにより、モデル予測の信頼性を必要なレベルにすることが望ましい。

電力系統動特性のオンライン推定は、ネットワーク上の一以上の点における電力系統動作パラメータを獲得して、常に存在する小摂動を解析することによって、モード周波数、振幅および減衰について導出される。

このデータから多数の特徴を見出しうる。たとえば、１本の電線上の有効電力フローが増大するとき、その電線上のモード減衰は低下する。さらに、多くの場合、モード減衰比は、監視されている電線上のメガワット電力フローに対してほぼ直線的な関係にある。たとえば、図３で、電力フローとモード減衰比との関係は、
減衰比 ＝ 0.105 − 0.0005 × 電力フロー
小信号送電限界は、減衰比がゼロ、すなわち電力フローが 0.105／ 0.0005 ＝ 210 ＭＷの点として確定される。

しかしながら、この関係が常に成り立つわけではない。ネットワーク内の２本の電線（電線１および電線２）が監視され、これらの電線に２つのモード（モードＡおよびモードＢ）が存在すると仮定する。電線１においては、モードＡに対する減衰は、図１に示すように、電線１上の有効電力フローに関係づけられる。しかしながら、電線２においては、モードＡに対する減衰比は、図２に示すように、電線２での有効電力フローと全く無関係であるかもしれない。それと同時に、モードＢに対する減衰比は、電線１および電線２においての有効電力フローとほぼ直線的関係にあるかもしれない。

一見すると、減衰と有効電力フローとの間に明確な関係がないように見えるかもしれない。

この問題を解決するためには、見た目に関係がないように見えるのが実際には多変量の問題であるのにもかかわらず、状況を１変量の問題として見ていることに起因していることを認識する必要がある。１本の電線上の１つのモードに対する減衰とメガワット電力フローとの間の関係を確立する上で、他の関連する電線上の同時の電力フローを、そして恐らく減衰をも考慮する必要がある。

多変量解析（あるいは、必要に応じてニューラルネットワーク）を利用することによって、系統内の各電線について、どのモードが電力系統動作パラメータとモード減衰比の間の固定的関係を有しているかを確定することができる。これは、たとえば、多変量関係のパラメータを導出できるような観察のマトリックスを作ることによって実現できる。その後、固定された多変量関係は、前述したように、各電線について送電限界を計算するために使用されうる。

電線上の減衰とメガワット電力フローの間の関係における「説明できない」変動のもう１つの原因が、個々の発電機およびプラントに関連する非効率的なまたは動作不良を起こしている制御システムに由来しているということがわかった。

付加的利点として、多変量関係を確立するときに個々の発電機や他の関連するプラントと関連する電力系統動作パラメータについての観察を含めることによって、観察されている発電機やプラントの内のどの部位が系統減衰に寄与しているかを特定することができる。

なお、このようにして得られた送電限界は、電圧と過渡的不安定性の両方に適用でき、このようにして、電力系統が具体的な偶発事象に耐えられる可能性を推定できる。

この評価は観察データに大きく依拠しており、ネットワークモデリングのみが、偶発事象前の小信号動的特性と過渡限界の間の関係を導き出すために必要とされるという点を認識するのが重要である。

この技術のもう１つの重要な特徴は、送電限界を支配的な電力系統動的条件に依拠させることによって、「周辺(marginal)」確率ではなく「条件付き(conditional)」確率が使用されており、この事実によって、送電限界の評価の精度が向上し、柔軟性が増すことである。

他の側面で、送電線上の電力フローにおいて、高電圧送電線上に減衰の弱い振動が「自励的に」現れることがしばしばある。これらの振動は、数分間持続することもあるし、数時間持続することもある。これらの減衰の弱い振動が存在している間、電力系統の安全な供給が危機にさらされており、通常、電圧または過渡的不安定性の危機の形態を取る。振動の原因は、発電機またはその送電系統に接続された他のプラントに関連する制御システムの動作不良に関連することが多い。

送電系統に多くの発電機やその他のプラント機器が接続されており、これらの多くの機器の中でどのプラント機器が故障しているかを特定することは現状では極めて困難である。個別のプラント機器が特定されたとき、修正動作を取ることができ、これにより、供給損失(loss of supply) の危険を低下させることができる。

また、本発明は、電力系統から得た電圧、電流、有効電力フロー、無効電力フローおよび系統周波数の測定値のモード解析に基づいて、個々のプラント機器を識別する手段をも提供する。

電力系統の動的特性が、モード周波数、モード減衰、モード振幅について測定される。ネットワーク上の種々の測定位置の間のこれらのモード測定値の一部またはすべてを比較することによって、減衰を弱める原因となっている場所を特定化することが可能となる。これまで伝統的に、あるモードについての周波数と減衰は、送電ネットワークを通じて一定であって、場所によってモード振幅のみが変わる、すなわち、電力系統がその意味で直線的に振る舞うと仮定していた。

個々のプラントの近くで得た信号についてモード解析がなされる場合は、この電力系統の非直線的振る舞いは、個々の動作不良を起こしているプラントを特定するために利用できる。

振動源の検出を可能にする他の側面は、電力系統周波数および有効電力（あるいは無効電力）に関連するモードについての位相関係を調べることによって可能となる。振動源が測定点の近くにある場合、測定点が振動源から離れている場合よりも大きなモード間位相差が生じるものと予測される。

本発明のこの側面を利用する一例を図５〜図７を参照して説明する。

図５は、送電系統でしばしば見られる典型的な「自励」振動を示す。図６は、振動源から電気的に離れた位置にある送電ネットワーク上の点Ａにおいて、この事象について、有効電力、無効電力および電圧の信号を解析したときに得られた結果を示す。図７は、振動源から電気的に近い位置にある送電ネットワーク上の点Ｂにおいて、この事象について、有効電力、無効電力および電圧の信号を解析したときに得られた結果を示す。

これらの図からつぎのことがわかる。すなわち、点Ｂにおける無効電力信号についてのモード減衰時間定数は、
（ａ） 振動周期にわたる平均値および最大値について、より高いレベルを有する。
（ｂ） 点Ａに対応する信号よりも早い時点で高い値に達する。

また、振動の周期における有効電力および電圧の信号についての平均値および最大値は、点Ａよりも点Ｂの方が全体的に高いということがわかる。

種々の信号についてのモード解析結果における前記およびその他の同様の兆候により、振動源がネットワーク上で、点Ａよりも点Ｂに近い位置にあることが特定される。ネットワーク上で点Ｂから電気的にさらに離れた他の点において同様の測定を行なうことによって、振動源が点Ｂの近くにあることが確認される。

これによって、振動源の位置が特定され、その個別のプラントにおいて修正動作の目標を定めることができ、それによって、この電力供給損失の危機が回避される。

種々の信号における欠陥の出現の具体的な形態は、プラントの故障または動作不良のタイプによって変わる。出現の正確な特徴は、故障の分類分けと取るべき回復措置の形態についてのガイダンスの提供に利用されるであろう。

本発明の範囲内で修正や改良を行うことが可能であろう。

電力フローとモード減衰比の関係を示すグラフ 電力フローとモード減衰比の関係を示すグラフ 電力フローとモード減衰比の関係を示すグラフ 電力フローとモード減衰時間の関係を示すグラフ 他の実施の形態に係るグラフ 他の実施の形態に係るグラフ 他の実施の形態に係るグラフ

Claims (10)

1. 複数の電力電線を含む送電系統における送電限界を決定する方法であって、
   （ａ） 電線の内の選択されたものについてのモード動的特性を、ある期間にわたっての前記電線での電力系統の電力パラメータの小摂動の測定から導くステップと、
   （ｂ） 前記期間にわたって前記電線の内の一部または全てについての電力系統の動作パラメータを測定するステップと、
   （ｃ） ステップ（ａ）およびステップ（ｂ）により収集されたデータを使用し、多変量関係についてのパラメータを導出可能な観測値のマトリクスを形成することによって多変量解析を使用して前記電線の各々における動的特性と動作パラメータとの間に固定された関係を確立するステップと、
   （ｄ） 前記関係の各々から各電線についての送電限界を計算するステップと、
   を有する方法。
2. 動的特性には、系統のモード減衰、モード周波数またはモード振幅が含まれる請求項１に記載の方法。
3. 導かれた動的特性および対応する動作パラメータは、限定的過渡条件または電圧条件の前の送電系統を表す数学モデルから得られる請求項１に記載の方法。
4. 数学モデルは、限定的過渡条件または電圧条件の後の送電系統をも表す請求項２に記載の方法。
5. ステップ（ｃ）は、ニューラルネットワークを使用して固定的関係を確立することをさらに有する請求項１に記載の方法。
6. 系統の１つ以上の箇所において、電圧フェーザ、電流フェーザ、電圧フェーザ角度差、電流フェーザ角度差、有効電力値、無効電力値、電圧値、電流値、系統周波数、および各値の発生時刻の内の１つ以上のものについての小摂動を測定することを有する請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の方法。
7. 測定された動的特性は、支配的系統条件に関連づけられる請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記測定が所定の間隔で実行される請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記測定が実質的に連続的に実行される請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の方法。
10. 前記動作パラメータは、前記電線における電力フローを含んでいる請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の方法。