JP4430702B2 - 分散電源の単独運転検出装置 - Google Patents

Description

この発明は、上位系統に変電所を介して配電線が接続され、この配電線に、分散電源を有する分散電源保有設備が接続された構成の配電系統に適用されるものであって、分散電源の単独運転を検出する単独運転検出装置に関する。

分散電源の単独運転を検出する装置の一例として、上位系統に変電所を介して配電線が接続され、この配電線に、分散電源を有する分散電源保有設備が接続された構成の配電系統に適用される単独運転検出装置であって、前記配電線から前記分散電源保有設備への引込線に、当該配電系統の基本波の１倍よりも大きい非整数倍の注入次数（例えば２．４次、２．５次等）の注入電流を注入する電流注入装置と、前記分散電源保有設備の受電点から眺めた前記配電系統の前記注入次数のアドミタンスまたはサセプタンスを計測して、当該アドミタンスまたはサセプタンスの変化から、前記分散電源が単独運転になったことを検出して単独運転検出信号を出力する単独運転監視装置とを備えている単独運転検出装置が既に提案されている（例えば特許文献１参照）。

また、単独運転検出装置の検出速度を高速化（換言すれば、検出時間を短縮。以下同様）することによって、地絡過電圧継電器（ＯＶＧＲ）の代替として、単独運転検出装置を用いることができ（即ち、単独運転検出装置による地絡事故の間接検出）、それによって地絡過電圧継電器およびそれ用の接地形計器用変圧器（ＧＰＴ）を省略することのできることが、非特許文献１および２に記載されている。

特に、配電系統が特別高圧（以下これを特高と略称する）の場合は、接地形計器用変圧器は電気絶縁のために大型、高価になるので、それを省略することによる効果は大きい。なお、この明細書では、電気設備技術基準と同じく、電圧が７ｋＶ超を特高と呼び、６００Ｖ超７ｋＶ以下を高圧と呼ぶ。

更に、非特許文献２には、検出時間の短縮（例えば５０ｍ秒以下にする。これにする理由は後述）を目的として、上記特許文献１に記載のような単独運転検出装置を改良して、（ａ）電流注入装置から低次注入次数（例えば２．２５次または２．５次等）および高次注入次数（例えば１５．７５次または１７．５次等）の注入電流を同時に注入し、（ｂ）単独運転検出装置において、上記低次注入次数のサセプタンスおよび高次注入次数のサセプタンスをそれぞれ所定の判定値と比較して、両者の判定結果のＡＮＤ条件で単独運転を検出するようにした単独運転検出装置が提案されている。

特開２００１−２５１７６７号公報（段落０００９、００３５−００３７、図１） 系統連系専門部会編集、「系統連系規程（電気技術規程系統連系編）ＪＥＡＣ ９７０１−２００６」、第４版、社団法人日本電気協会、平成１８年８月３０日、頁３３２−３３３ 山本文雄、他４名「高速検出型次数間高調波注入方式単独運転検出装置の検証試験」、平成１９年電気学会全国大会講演論文集、社団法人電気学会、平成１９年３月１５日、第６分冊、頁１４６−１４７

前述したように、単独運転検出装置によって地絡事故の間接検出を行うためには、単独運転の検出時間を短縮する（例えば前述したように５０ｍ秒以下にする）必要がある。その一手段として、単独運転監視装置を構成していて注入次数の電圧、電流を抽出する離散フーリエ変換器における計測時間を短縮することが挙げられる。

しかし、離散フーリエ変換器における計測時間を短縮すると、低次注入次数の電圧計測のＳＮ比が低下し、アドミタンスやサセプタンスの監視結果が不安定になる。これは簡単に言うと、注入電流Ｊ_m によって発生する注入次数電圧Ｖ_m は（数字のｍは注入次数を表している）、次式で表され、注入次数ｍが小さいと注入次数電圧Ｖ_m が小さくなってＳＮ比が低下するからである。ωは角周波数、Ｌは配電系統のインダクタンスである。

［数１］
Ｖ_m ＝ｊωＬ・Ｊ_m ∝ｊｍＬ・Ｊ_m

その結果、系統の過渡変動（例えば、瞬時電圧低下、容量の大きな力率改善用コンデンサの投入、容量の大きなモータの並列・解列等）の影響によってアドミタンスやサセプタンスの変動が大きくなり、不要動作（即ち、本来検出すべきでないのに誤検出すること）を起こしやすくなる。

これに対して、上記数１からも分かるように、高次注入次数の注入電流Ｊ_m によって発生する注入次数電圧Ｖ_m は、注入次数ｍが大きいぶん大きくなるので、低次注入次数の場合に比べてＳＮ比が高くなる。従って、ＳＮ比の観点からは、高次注入次数を使用することが有効であり、それによって、過渡変動時の不要動作を防止することができる。

このような観点から、上記非特許文献２に記載の単独運転検出装置は、検出時間の短縮に伴って発生する不要動作を防止するために、低次注入次数の判定結果と高次注入次数の判定結果とのＡＮＤ条件で単独運転を検出するようにしている。

ところが、例えば特高配電系統を例に取ると、特高配電系統には、通常、図１に示す例のように、高圧配電用変電所の変圧器４４と、それに直列接続された高圧需要家の力率改善用コンデンサ（ＳＣ）４８とが設けられており、両者４４、４８によって、４次以上の次数において直列共振が発生する場合がある（これと同様のことは、例えば特許第３３６７３７１号公報の段落００２２−００２４にも記載されている）。

図１は、図５に示す配電系統と同様の（但し、単独運転検出装置３０はこの発明の実施形態に係る特有のものである）配電系統を簡略化して示す回路モデルであり、両図において同一または相当する部分には同一符号を付している。上位系統２に特高配電用変電所の遮断器８を介して特高の配電線１０が接続されており、この配電線１０に、高圧配電用変電所の変圧器４４を介して高圧需要家負荷４６および高圧需要家の力率改善用コンデンサ４８が接続されている。配電線１０には、特高需要家負荷１２が接続されており、かつ、受電点Ｐに電流注入装置３２ａから注入電流Ｊ_m が注入される。受電点Ｐから眺めた配電系統のサセプタンスをＢとしている。

この図１の回路モデルにおいて、上位系統２のインピーダンス（正確には、１０ＭＶＡベースのパーセントインピーダンス。以下同様）を０．１＋ｊ２％、変圧器４４のインピーダンスを０．３３＋ｊ２．６７％、高圧需要家負荷４６のインピーダンスを１０００％、力率改善用コンデンサ４８のインピーダンスを−ｊ１６６．７％、配電線１０のインピーダンスをｊ０．０１％として、力率改善用コンデンサ４８がない場合（換言すれば力率改善用コンデンサ４８による直列共振がない場合）のサセプタンスＢの周波数特性を図２に示し、力率改善用コンデンサ４８があり直列共振がある場合のサセプタンスＢの周波数特性を図３に示す。

この図２、図３から分かるように、力率改善用コンデンサ４８による直列共振がない場合（図２）と、ある場合（図３）とでは、単独運転時のサセプタンスＢが大きく異なる。一般的に、高圧需要家の力率改善用コンデンサの量は、高圧需要家負荷４６の状態によって変化する（例えば、単独運転検出装置の設置後に、負荷の増大に伴って力率改善用コンデンサ４８の量が増大する）ことが多いので、単独運転を判定する判定値をうまく定めることができない。

即ち、低次注入次数を例えば２．５次とすると、低次注入次数の判定値Ｊ_u3は、力率改善用コンデンサ４８による直列共振の有無に拘わらず、所定の値（例えば−０．２Ｓ（ジーメンス））に設定しておけば良く、それによって、力率改善用コンデンサ４８による直列共振の有無に拘わらず、分散電源の単独運転を検出することができる。これは、連系運転から単独運転に移行すると、サセプタンスＢは、実線で示す状態から一点鎖線で示す状態に、判定値Ｊ_u3を超えて容量性方向（即ち正方向）に変化するので、単独運転になったことを判定値Ｊ_u3によって判定することができるからである（図２、図３参照）。

しかし、高次注入次数を例えば１７．５次とすると、力率改善用コンデンサ４８による直列共振がない場合を想定して高次注入次数の判定値Ｊ_u4を所定の値（例えば−０．０３Ｓ）に設定しておいた場合、（ａ）力率改善用コンデンサ４８による直列共振がない場合は、連系運転から単独運転に移行すると、サセプタンスＢは、判定値Ｊ_u4を超えて容量性方向に変化するので、単独運転になったことを判定値Ｊ_u4によって判定することができるけれども（図２参照）、（ｂ）力率改善用コンデンサ４８による直列共振がある場合は、連系運転から単独運転に移行しても、サセプタンスＢは、容量性方向に変化するけれども判定値Ｊ_u4を超えないので、単独運転になったことを判定値Ｊ_u4によって判定することはできない（図３参照）。

仮に、力率改善用コンデンサ４８による直列共振がある場合を想定して高次注入次数の判定値Ｊ_u5を所定の値（例えば−０．１Ｓ程度）に設定しておくと、（ａ）力率改善用コンデンサ４８による直列共振がある場合は、連系運転から単独運転に移行すると、サセプタンスＢは、判定値Ｊ_u5を超えて容量性方向に変化するので、単独運転になったことを判定値Ｊ_u5によって判定することはできるけれども（図３参照）、（ｂ）力率改善用コンデンサ４８による直列共振がない場合は、連系運転時にサセプタンスＢは既に判定値Ｊ_u5を容量性方向に超えているので単独運転と判定してしまい、初めから不要検出を起こしているので単独運転を検出することはできない（図２参照）。

従って、非特許文献２に記載のように低次注入次数のサセプタンスおよび高次注入次数のサセプタンスをそれぞれ所定の判定値と比較して、両者のＡＮＤ条件で単独運転を検出するようにしても、単独運転を高速で検出することはできても、確実に（即ち、不検出や不要検出を起こさずに）検出することができない場合があるという点になお改善の余地がある。これを表１にまとめて示す。

以上は、サセプタンスで判定する場合を例に説明したが、配電系統のアドミタンスは殆どがサセプタンスであるので、アドミタンスで判定する場合も上記と同様のことが言える。

そこでこの発明は、非特許文献２に記載の単独運転検出装置を更に改良して、分散電源の単独運転を高速で、しかも確実に検出することができるようにした単独運転検出装置を提供することを主たる目的としている。

この発明に係る単独運転検出装置は、前記配電線から前記分散電源保有設備への引込線に、当該配電系統の基本波の１倍よりも大きい非整数倍の注入次数の注入電流を注入する電流注入装置と、前記分散電源保有設備の受電点から眺めた前記配電系統の前記注入次数のアドミタンスまたはサセプタンスを計測して、当該アドミタンスまたはサセプタンスの変化から、前記分散電源が単独運転になったことを検出して単独運転検出信号を出力する単独運転監視装置とを備えている単独運転検出装置において、（１）前記電流注入装置は、４次未満の低次注入次数の注入電流および４次以上の高次注入次数の注入電流を注入するものであり、（２）前記単独運転監視装置は、（ａ）前記低次注入次数の前記アドミタンスまたはサセプタンスを計測する低次側計測手段と、（ｂ）前記低次側計測手段で計測したアドミタンスまたはサセプタンスを所定の低次側判定値と比較することによって、前記分散電源が単独運転になったことを検出して低次側検出信号を出力する低次側判定手段と、（ｃ）前記高次注入次数の前記アドミタンスまたはサセプタンスを計測する高次側計測手段と、（ｄ）前記高次側計測手段で計測したアドミタンスまたはサセプタンスの、所定時間前からの変化分を検出する変化分検出手段と、（ｅ）前記変化分検出手段で検出したアドミタンスまたはサセプタンスの変化分を所定の高次側判定値と比較することによって、前記分散電源が単独運転になったことを検出して高次側検出信号を出力する高次側判定手段と、（ｆ）前記低次側判定手段からの出力および前記高次側判定手段からの出力の論理積を取り、前記低次側検出信号および高次側検出信号が共に出力されているときに前記単独運転検出信号を出力する論理積手段とを備えている、ことを特徴としている。

配電系統について検討したところ、分散電源保有設備の受電点から眺めた配電系統のアドミタンスまたはサセプタンスの、所定時間（例えば１秒程度）前からの変化分は、力率改善用コンデンサの有無や量に依らずに、換言すれば力率改善用コンデンサによる直列共振の影響を受けずに、安定していることが分かった。

従って、上記のように高次注入次数側はアドミタンスまたはサセプタンスの変化分を計測し判定することによって、力率改善用コンデンサによる直列共振の影響を受けずに、分散電源の単独運転を確実に検出することができる。

また、過渡変動に対しては、前述したようにＳＮ比の高い高次注入次数のアドミタンスまたはサセプタンスの変化分を計測し判定することによって、計測結果が安定しているので、計測時間を短くして検出を高速化しても、不要検出を防止することができる。

更に、論理積手段において、低次側判定手段からの出力と高次側判定手段からの出力の論理積（ＡＮＤ）を取り、両出力のＡＮＤ条件で単独運転検出信号を出力するようにしたことによって、一つの上位系統から他の上位系統へ系統を切り替える系統切り替えの際の不要検出を防止することができる。

これらの結果、分散電源の単独運転を高速で、しかも不検出や不要検出を防止して確実に検出することができる。

この発明によれば、低次注入次数のアドミタンスまたはサセプタンスの判定と、高次注入次数のアドミタンスまたはサセプタンスの変化分の判定とのＡＮＤ条件による判定を採用しているので、分散電源の単独運転を高速で、しかも確実に検出することができる。

従って例えば、この発明に係る単独運転検出装置を、地絡事故の間接検出（換言すれば、単独運転検出装置による地絡過電圧継電器の代替）に用いることが可能になる。それに用いることによって、変電所の地絡事故検出感度の低下を防止することができる。しかも、分散電源保有設備側において、地絡過電圧継電器およびそれ用の接地形計器用変圧器を省略することが可能になり、設備コストを低減することができる。
更に、低次注入次数のアドミタンスまたはサセプタンスの判定と、高次注入次数のアドミタンスまたはサセプタンスの変化分の判定とのＡＮＤ条件による判定を採用しているので、一つの上位系統から他の上位系統へ系統を切り替える系統切り替えの際の不要検出を防止することができる。

図５は、この発明に係る分散電源の単独運転検出装置を備える配電系統の一例を示す単線接続図である。この配電系統は、配電線１０が特高の配電線の場合の例であるが、それに限られるものではなく、配電線１０は高圧の配電線でも良い。

この配電系統は、上位系統２に特高配電用変電所４を介して特高配電線１０が接続された構成をしている。変電所４は、変圧器６と、その２次側と配電線１０とを接続する遮断器８とを備えている。なお、電圧が７ｋＶを超える特高の場合の配電線は、特高電線路と呼ばれるが、この明細書では、この場合も統一して配電線と呼ぶことにしている。

配電線１０は、上記のようにこの例では、特高（即ち電圧が７ｋＶ超）の配電線であり、その電圧は、例えば１１ｋＶ、２２ｋＶ、３３ｋＶ、６６ｋＶ、７７ｋＶである。但し配電線１０は、高圧（即ち電圧が７ｋＶ以下）の配電線でも良く、その場合の電圧は、例えば３．３ｋＶ、６．６ｋＶである。

配電線１０には、この例では特高需要家負荷１２、分散電源２８を有する分散電源保有設備１４および高圧配電用変電所４２が接続されている。

高圧配電用変電所４２は、前述したように、変圧器４４および遮断器４５を有している。この高圧配電用変電所４２には、前述したように、高圧需要家負荷４６および力率改善用コンデンサ４８が接続されている。

この例では、配電線１０に受電点Ｐで接続された分散電源保有設備１４内に、以下に説明するような単独運転検出装置３０を設けている。

分散電源保有設備１４においては、その受電点Ｐに引込線１８および変圧器１９を介して構内母線２２が接続されている。この構内母線２２に、遮断器２０および変圧器２６を介して分散電源２８が接続されており、分散電源２８から当該配電系統の基本波に同期した電力を構内母線２２に供給するようにしている。これを連系運転と呼ぶ。

系統事故等の際には、特高配電用変電所４の遮断器８が開放される。その際、前述したように、分散電源２８が運転（即ち単独運転）していると、感電事故等が発生する恐れがあるので、分散電源２８の単独運転を確実に検出し、更には遮断器２０を開放して分散電源２８を配電系統から切り離す（解列する）必要がある。

そのために、この実施形態ではこの分散電源保有設備１４内に、分散電源２８の単独運転を検出する単独運転検出装置３０を設けている。この単独運転検出装置３０は、電流注入装置３２と、単独運転監視装置３４とを備えている。

引込線１８には、当該引込線１８に流れる電流を計測する計器用変流器４０が接続されており、構内母線２２にはその電圧を計測する計器用変圧器３８が接続されており、これら３８、４０で計測して得られる計測電圧Ｖ_t および計測電流Ｉ_t が単独運転監視装置３４に供給される。なお、計器用変流器４０は変圧器１９の二次側（低圧側）に設けても良い。計器用変圧器３８は、この例のように変圧器１９の二次側に設ける方が、絶縁が簡単になるので好ましい。

電流注入装置３２は、この例では電圧整合用の変圧器３６等を介して、引込線１８ひいては受電点Ｐおよび配電線１０に、当該配電系統の基本波の１倍よりも大きい非整数倍（即ち帯小数倍）の注入次数の注入電流を注入するものである。より具体的には、電流注入装置３２は、４次未満の低次注入次数ｍ１の注入電流Ｊ_m1および４次以上の高次注入次数ｍ２の注入電流Ｊ_m2の両方を同時に注入するものである。この注入電流Ｊ_m1、Ｊ_m2、後述する電圧Ｖ、電流Ｉ等に付した添字のｍ１、ｍ２は、上記注入次数を表している。

電流注入装置３２のより具体例を図６に示す。この電流注入装置３２は、上記注入次数ｍ１（例えば２．３次、２．５次等）の方形波電圧ＲＶ_m1を発生する方形波電源５０と、その出力ラインに直列に挿入された二つの直列共振回路（直列ＬＣ共振回路）５２、５４とを備えている。方形波電源５０は例えばインバータである。直列共振回路５２は上記低次注入次数ｍ１の共振周波数を有しており、直列共振回路５４は上記高次注入次数ｍ２の共振周波数を有している。高次注入次数ｍ２は、例えば、低次注入次数ｍ１の３以上の奇数（即ち、３、５、７、・・・）倍の次数である。より具体例を挙げると、低次注入次数ｍ１は２．５次、高次注入次数ｍ２は１７．５次である。但しこれらに限られるものではない。

このような１台の電流注入装置３２によって、上記二つの注入次数ｍ１およびｍ２の正弦波状の注入電流Ｊ_m1およびＪ_m2を同時に注入することができる。換言すれば、これら二つの注入電流Ｊ_m1およびＪ_m2を含む注入電流を注入することができる。従って、電流注入装置３２の構成の簡素化および小型化が可能になる。

単独運転監視装置３４のより具体例を図７に示す。一点鎖線１１０から上側が上記低次注入次数ｍ１用の回路であり、下側が上記高次注入次数ｍ２用の回路である。この単独運転監視装置３４は、上記計測電圧Ｖ_t 、計測電流Ｉ_t を受けて、配電系統の基本波およびその整数倍次数の高調波を除去するフィルタ６０〜６３と、それらから出力されるアナログの電圧、電流をディジタルに変換して電圧Ｖ_d1、Ｖ_d2、電流Ｉ_d1、Ｉ_d2をそれぞれ出力するＡＤ変換器６６〜６９とを備えている。ディジタル形のフィルタを用いる場合は、その前段にＡＤ変換器を設ければ良い。上記電圧Ｖ_d1、電流Ｉ_d1、電圧Ｖ_d2、電流Ｉ_d2は、離散フーリエ変換器７０〜７３にそれぞれ供給される。

離散フーリエ変換器７０は、上記電圧Ｖ_d1を離散フーリエ変換して、上記低次注入次数ｍ１の電圧Ｖ_m1を抽出して出力する。

離散フーリエ変換器７１は、上記電流Ｉ_d1を離散フーリエ変換して、上記低次注入次数ｍ１の電流Ｉ_m1を抽出して出力する。

離散フーリエ変換器７２は、上記電圧Ｖ_d2を離散フーリエ変換して、上記高次注入次数ｍ２の電圧Ｖ_m2を抽出して出力する。

離散フーリエ変換器７３は、上記電流Ｉ_d2を離散フーリエ変換して、上記高次注入次数ｍ２の電流Ｉ_m2を抽出して出力する。

上記電圧Ｖ_m1および電流Ｉ_m1は演算器７６に供給される。演算器７６は、供給された電圧Ｖ_m1、電流Ｉ_m1を用いて、低次注入次数ｍ１のアドミタンスＹ_m1を次式に従って演算し、更に当該アドミタンスＹ_m1の虚部であるサセプタンスＢ_m1を取り出して出力する。

［数２］
Ｙ_m1＝Ｉ_m1／Ｖ_m1

なお、上記電圧Ｖ_m1、Ｖ_m2、電流Ｉ_m1、Ｉ_m2、後述するサセプタンスＢ_m1、Ｂ_m2、アドミタンスＹ_m1、Ｙ_m2は、いずれも複素数の形で表される。

上記電圧Ｖ_m2および電流Ｉ_m2は演算器７８に供給される。演算器７８は、供給された電圧Ｖ_m2、電流Ｉ_m2を用いて、高次注入次数ｍ２のアドミタンスＹ_m2を次式に従って演算し、更に当該アドミタンスＹ_m2の虚部であるサセプタンスＢ_m2を取り出して出力する。

［数３］
Ｙ_m2＝Ｉ_m2／Ｖ_m2

上記フィルタ６０、６１、ＡＤ変換器６６、６７、離散フーリエ変換器７０、７１および演算器７６が低次側計測手段を構成しており、上記フィルタ６２、６３、ＡＤ変換器６８、６９、離散フーリエ変換器７２、７３および演算器７８が高次側計測手段を構成している。

上記サセプタンスＢ_m1は判定器８０に供給される。判定器８０は、当該サセプタンスＢ_m1を所定の低次側判定値Ｊ_u1と比較することによって、分散電源２８（図５参照）が単独運転になったことを検出して低次側検出信号Ｓ₁ を出力する。この判定器８０が低次側判定手段を構成している。

判定器８０は、この例ではより具体的には、図９Ａに示す例のように、サセプタンスＢ_m1が容量性方向（即ち正方向）に低次側判定値Ｊ_u1を超えて変化したときに、低次側検出信号Ｓ₁ を出力する。なお、図９は、時刻ｔ₁ で単独運転が発生したときの例を示す。低次側判定値Ｊ_u1は、例えば、連系運転時のサセプタンスＢ_m1の５０％程度に設定しておけば良く、図９Ａの例ではそのようにしている。

再び図７を参照して、上記サセプタンスＢ_m2は変化分検出回路９０に供給される。変化分検出回路９０は、当該サセプタンスＢ_m2の、所定時間前からの変化分ΔＢ_m2を検出する。この変化分検出回路９０が、変化分検出手段を構成している。

変化分検出回路９０は、この例では、演算器７８からのサセプタンスＢ_m2を所定時間Ｔ遅延させて出力する遅延回路９２と、演算器７８からのサセプタンスＢ_m2から遅延回路９２からのサセプタンスＢ_m2を減算してサセプタンスＢ_m2の変化分ΔＢ_m2を出力する減算器９４とを有している。所定時間Ｔは、例えば１秒とか２秒であるが、それに限られるものではない。

前述したように、配電系統について検討したところ、分散電源保有設備１４の受電点Ｐから眺めた配電系統のアドミタンスまたはサセプタンスの、所定時間Ｔ（例えば１秒程度）前からの変化分は、力率改善用コンデンサ４８の有無や量に依らずに、換言すれば力率改善用コンデンサ４８による直列共振の影響を受けずに、安定していることが分かった。

その理由を、サセプタンスを例に説明すると、サセプタンスを変化させる要因が発生しても、例えば力率改善用コンデンサ４８の有無や量に変化があっても、サセプタンスの変化分ΔＢが変化するのは所定時間Ｔの間だけであり、所定時間Ｔが経過した後は、サセプタンスを変化させる要因は既に収まってサセプタンスは安定しているので、サセプタンスの変化分ΔＢは実質的に０の状態に戻るからである。

なお、単独運転発生時も、所定時間Ｔの間だけサセプタンスの変化分ΔＢが０でなくなる。図４は、所定時間Ｔの間の変化分ΔＢを図示したものである。所定時間Ｔの経過後に変化分ΔＢは０に戻るけれども、所定時間Ｔの間に単独運転を検出するようにしておけば、支障はない。例えば、所定時間Ｔを１秒にしておいても、後述するように単独運転を５０ｍ秒以内で検出することができるので、支障はない。勿論、所定時間Ｔを１秒より長くしても良い。

図２、図３に示したサセプタンスＢの上記変化分ΔＢの周波数特性を図４に示す。実線で示す連系運転時はもちろんのこと、一点鎖線で示す単独運転発生時においても、サセプタンスの変化分ΔＢは、どの次数においても、力率改善用コンデンサ４８の有り無しで同じであり、力率改善用コンデンサ４８による直列共振の影響を受けずに安定していることが分かる。従って例えば、高次注入次数ｍ２に着目すると、当該高次注入次数ｍ２用の後述する高次側判定値Ｊ_u2を、力率改善用コンデンサ４８の有無や量に依らずに一定値にしておくことができる。

変化分検出回路９０は、図７に示す例のものに限られるものではなく、例えば図８に示す例のように、上記遅延回路９２の代わりに移動平均算出回路９６を有するものでも良い。移動平均算出回路９６は、上記サセプタンスＢ_m2を第１の所定時間Ｔ₁ （例えば１秒間）遅延して出力する遅延回路９８と、上記サセプタンスＢ_m2を第２の所定時間Ｔ₂ （例えば２秒間）遅延して出力する遅延回路１００と、両遅延回路９８、１００からの出力を加算する加算器１０２と、加算器１０２からの出力を１／２にする増幅器１０４とを有している。また、上記遅延回路９２や移動平均算出回路９６の代わりに、時定数の非常に長い（例えば１０秒程度の）ローパスフィルタを設けても良い。

再び図７を参照して、変化分検出回路９０から出力されるサセプタンスの変化分ΔＢ_m2は判定器８２に供給される。

判定器８２は、当該変化分ΔＢ_m2を所定の高次側判定値Ｊ_u2と比較することによって、分散電源２８（図５参照）が単独運転になったことを検出して高次側検出信号Ｓ₂ を出力する。この判定器８２が高次側判定手段を構成している。

判定器８２は、この例ではより具体的には、図９Ｂに示す例のように、サセプタンスの変化分ΔＢ_m2が容量性方向（即ち正方向）に高次側判定値Ｊ_u2を超えて変化したときに、高次側検出信号Ｓ₂ を出力する。高次側判定値Ｊ_u2は、例えば、連系運転から単独運転に移行したときのサセプタンスの変化分ΔＢ_m2の５０％程度に設定しておけば良く、図９Ｂの例ではそのようにしている。

なお、上記判定値Ｊ_u1、Ｊ_u2は、例えば、適用対象の配電系統のシミュレーションや実測試験を行うこと等によって、適切な値を予め比較的簡単に求めることができるので、その値を上記判定器８０、８２に設定しておけば良い。

上記低次側検出信号Ｓ₁ および高次側検出信号Ｓ₂ はＡＮＤ回路８４に供給される。ＡＮＤ回路８４は、両検出信号Ｓ₁ 、Ｓ₂ の論理積（ＡＮＤ）を取り、両検出信号Ｓ₁ 、Ｓ₂ が共に出力されているときに検出信号Ｓ₃ を出力する。このＡＮＤ回路８４が論理積手段を構成している。

上記検出信号Ｓ₃ を単独運転検出信号として単独運転監視装置３４からそのまま出力するよりも、この例のように、継続時間判定器８６によって、検出信号Ｓ₃ が所定の継続確認時間Ｔ₃ 継続していることを判定して継続したときに単独運転検出信号Ｓ₄ を出力するようにするのが好ましい。そのようにすると、単独運転以外の何らかの原因による電圧Ｖ_t 等の瞬時の変動による誤検出を防止することができる。この継続確認時間Ｔ₃ は、それを長くすると、その分、単独運転検出が遅くなるので、例えば３０ｍ秒程度にすれば良い。この例では、この単独運転検出信号Ｓ₄ の出力によって、単独運転監視装置３４は、最終的に、それが設けられている分散電源保有設備１４内の分散電源２８が単独運転になったことを検出したことになる。

単独運転監視装置３４による単独運転検出後に分散電源２８の解列を行うには、例えば、図５に示す例のように、上記単独運転検出信号Ｓ₄ によって遮断器２０を開放すれば良い。

この単独運転検出装置３０によれば、高次注入次数ｍ２側はサセプタンスの変化分ΔＢ_m2を計測し判定することによって、力率改善用コンデンサ４８による直列共振の影響を受けずに、分散電源２８の単独運転を確実に検出することができる。

また、過渡変動に対しては、前述したようにＳＮ比の高い高次注入次数ｍ２のサセプタンスの変化分ΔＢ_m2を計測し判定することによって、計測結果が安定しているので、離散フーリエ変換器７０〜７３における計測時間を短くして検出を高速化しても、不要検出を防止することができる。

更に、ＡＮＤ回路８４において、低次側の判定器８０からの出力Ｓ₁ と高次側の判定器８２からの出力Ｓ₂ の論理積（ＡＮＤ）を取り、両出力Ｓ₁ 、Ｓ₂ のＡＮＤ条件で検出信号Ｓ₃ ひいては単独運転検出信号Ｓ₄ を出力するようにしたことによって、一つの上位系統から他の上位系統へ系統を切り替える系統切り替えの際の不要検出を防止することができる。

この系統切り替えについて説明する。図１０に示すように、上位系統が２ａ、２ｂの２系統あり、これらに、特高配電用変電所の遮断器８ａ、８ｂをそれぞれ介して、上記配電線１０が接続され、この配電線１０に、単独運転検出装置３０を有する分散電源保有設備１４が接続されている場合を考える。

上位系統２ａから上位系統２ｂへの系統切り替えの際は、表２に示す手順によって、遮断器８ａ、８ｂを開閉することによって行われる。逆方向に切り替える場合は逆の手順によって行われる。ループ状態を作るのは停電を防止するためである。

表２に示す系統切り替え時の低次注入次数ｍ１のサセプタンスＢ_m1および高次注入次数ｍ２のサセプタンスの変化分ΔＢ_m2の変化の様子を簡略化して図１１に示す。

図１１Ａに示すように、低次注入次数ｍ１のサセプタンスＢ_m1は、ループ状態時に負方向に（即ち誘導性方向に）増大する。二つの上位系統２ａ、２ｂのインピーダンスが並列になるからである。しかし、上記低次側判定値Ｊ_u1を超えることはないので、不要検出は生じない。

一方、図１１Ｂに示すように、高次注入次数ｍ２のサセプタンスの変化分ΔＢ_m2は、（ａ）ループ状態に移行（時刻ｔ₂ ）直後の所定時間（上記所定時間Ｔ）だけ負方向に増大し、更に（ｂ）系統２ｂ連系に移行（時刻ｔ₃ ）直後の所定時間（上記所定時間Ｔ）だけ正方向に増大する。いずれも所定時間Ｔが経過すると、前述したように、変化分ΔＢ_m は０に戻る。

上記（ａ）の増大は、二つの上位系統２ａ、２ｂのインピーダンスが並列になったからであり、上記（ｂ）の増大は、二つの並列だったインピーダンスが一つのインピーダンスになったからである。従って増大方向は互いに逆である。上記（ａ）の増大では、変化分ΔＢ_m2は上記高次側判定値Ｊ_u2を超えないけれども、上記（ｂ）の増大では、変化分のΔＢ_m2は上記高次側判定値Ｊ_u2を超えるので、不要検出が生じる。しかし、上述したように（図１１Ａ参照）、低次注入次数ｍ１側では不要検出は生じないので、上記ＡＮＤ条件による判定を採用したことによって、系統切り替えの際の不要検出を防止することができる。

配電系統における現象と、上記単独運転検出装置３０における上記判定結果とを、表３にまとめて示す。

この表３と、先の表１とを比べれば明らかなように、上記単独運転検出装置３０によれば、低次注入次数のサセプタンスＢ_m1の判定と、高次注入次数のサセプタンスの変化分ΔＢ_m2の判定とのＡＮＤ条件による判定を採用しているので、分散電源２８の単独運転を高速で、しかも不検出や不要検出を防止して確実に検出することができる。

従って例えば、この単独運転検出装置３０を、地絡事故の間接検出（換言すれば、単独運転検出装置３０による地絡過電圧継電器の代替）に用いることが可能になる。それに用いることによって、変電所４の地絡事故検出感度の低下を防止することができる。しかも、分散電源保有設備１４側において、地絡過電圧継電器（ＯＶＧＲ）およびそれ用の接地形計器用変圧器（ＧＰＴ）を省略することが可能になり、設備コストを低減することができる。特に、配電線１０が特高配電線の場合は、前述したように、特高用の接地形計器用変圧器は大型で高価であるため、これを省略することができる経済上等の効果は大きい。

次に、特高配電系統のモデルを用いて、単独運転検出のシミュレーションを行った結果の例を説明する。

図１２は、時刻ｔ₄ で単独運転を発生させた場合の例である。図１２Ａに示すように、低次注入次数ｍ１のサセプタンスＢ_m1は、時刻ｔ₄ から約５ｍ秒後の時刻ｔ₅ で低次側判定値Ｊ_u1を超えた。図１２Ｂに示すように、高次注入次数ｍ２のサセプタンスの変化分ΔＢ_m2は、時刻ｔ₄ から約２０ｍ秒後の時刻ｔ₆ で高次側判定値Ｊ_u2を超えた。単独運転検出装置３０は両者のＡＮＤ条件で判定するので、単独運転発生時刻ｔ₄ から約２０ｍ秒後の時刻ｔ₆ に上記検出信号Ｓ₃ が出力された。最終的な単独運転検出は、即ち上記単独運転検出信号Ｓ₄ の出力は、３０ｍ秒に設定している上記継続時間Ｔ₃ の経過後に行われた。

単独運転発生から最終的な単独運転検出までの時間Ｔ₄ は次式で表されるので、約５０ｍ秒以下の高速検出を行うことができた。

［数４］
Ｔ₄ ＝（ｔ₆ −ｔ₄ ）＋Ｔ₃
≒２０＋３０
≒５０［ｍ秒］

単独運転検出時間の目標を５０ｍ秒以内にする理由は次のとおりである。上記非特許文献１にも記載されているように、特高や高圧の配電系統においては、地絡事故発生から１秒以内に、地絡過電圧継電器による分散電源の解列または単独運転検出装置による分散電源の解列が求められている。地絡事故発生から特高配電用変電所４の遮断器８が開放されて単独運転が発生するまでに、通常は約０．９秒かかる。単独運転検出後に分散電源保有設備１４内の遮断器２０を開放して分散電源２８を解列するまでに、大きめにみると通常は約５０ｍ秒かかる。従って、単独運転検出に残された時間は約５０ｍ秒であるので、それ以下が検出時間の目標となる。

図１３は、時刻ｔ₇ で力率改善用コンデンサ４８を投入して過渡変動を発生させた場合の例である。図１３Ａに示すように、低次注入次数ｍ１のサセプタンスＢ_m1は、時刻ｔ₈ 〜ｔ₉ 間の約２０ｍ秒間に低次側判定値Ｊ_u1を超えており、その間は不要検出が生じている。しかし、図１３Ｂに示すように、高次注入次数ｍ２のサセプタンスの変化分ΔＢ_m2は、高次側判定値Ｊ_u2を超えていないので、不要検出は生じていない。単独運転検出装置３０は両者のＡＮＤ条件で判定するので、不要検出を防止することができた。

以上は、サセプタンスで判定する場合を例に説明したが、配電系統のアドミタンスは殆どがサセプタンスであり両者は似ているので、サセプタンスの代わりにアドミタンスで判定するようにしても良い。

例えば、図７に示す演算器７６において低次注入次数ｍ１のアドミタンスＹ_m1を求め、演算器７８において高次注入次数ｍ２のアドミタンスＹ_m2を求め、変化分検出回路９０においてアドミタンスＹ_m2の変化分ΔＹ_m2を求め、判定器８０においてアドミタンスＹ_m1用の低次側判定値Ｊ_u1と比較し、判定器８２においてアドミタンスの変化分ΔＹ_m2用の高次側判定値Ｊ_u2と比較するようにしても良い。

あるいは、低次注入次数ｍ１側および高次注入次数ｍ２側の内の一方はサセプタンスで判定し、他方はアドミタンスで判定するようにしても良い。

特高配電系統を簡略化した回路モデルの一例を示す図である。 図１の回路において力率改善用コンデンサによる直列共振がない場合の、受電点から眺めたサセプタンスの周波数特性の一例を示す図である。 図１の回路において力率改善用コンデンサによる直列共振がある場合の、受電点から眺めたサセプタンスの周波数特性の一例を示す図である。 サセプタンスの変化分の周波数特性の一例を示す図である。 この発明に係る分散電源の単独運転検出装置を備える配電系統の一例を示す単線接続図である。 図５中の電流注入装置の一例を示す回路図である。 図５中の単独運転監視装置の一例を示すブロック図である。 サセプタンスの変化分検出回路の他の例を示すブロック図である。 単独運転発生時の低次注入次数のサセプタンスおよび高次注入次数のサセプタンスの変化分の変化の様子を簡略化して示す図である。 系統切り替えを説明するための回路モデルの一例を示す図である。 系統切り替え時の低次注入次数のサセプタンスおよび高次注入次数のサセプタンスの変化分の変化の様子を簡略化して示す図である。 単独運転発生時の低次注入次数のサセプタンスおよび高次注入次数のサセプタンスの変化分の変化をシミュレーションした結果の一例を示す図である。 過渡変動発生時の低次注入次数のサセプタンスおよび高次注入次数のサセプタンスの変化分の変化をシミュレーションした結果の一例を示す図である。

符号の説明

２ 上位系統
４ 特高配電用変電所
１０ 配電線
１４ 分散電源保有設備
１８ 引込線
２８ 分散電源
３０ 単独運転検出装置
３２ 電流注入装置
３４ 単独運転監視装置
７０〜７３ 離散フーリエ変換器
７６、７８ 演算器
８０、８２ 判定器
８４ ＡＮＤ回路
９０ 変化分検出回路
ｍ１ 低次注入次数
ｍ２ 高次注入次数
Ｊ_m1、Ｊ_m2 注入電流
Ｂ_m1 サセプタンス
ΔＢ_m2 サセプタンスの変化分
Ｓ₄ 単独運転検出信号

Claims (1)

1. 上位系統に変電所を介して配電線が接続され、この配電線に、分散電源を有する分散電源保有設備が接続された構成の配電系統に適用されるものであって、
   前記配電線から前記分散電源保有設備への引込線に、当該配電系統の基本波の１倍よりも大きい非整数倍の注入次数の注入電流を注入する電流注入装置と、
   前記分散電源保有設備の受電点から眺めた前記配電系統の前記注入次数のアドミタンスまたはサセプタンスを計測して、当該アドミタンスまたはサセプタンスの変化から、前記分散電源が単独運転になったことを検出して単独運転検出信号を出力する単独運転監視装置とを備えている単独運転検出装置において、
   （１）前記電流注入装置は、４次未満の低次注入次数の注入電流および４次以上の高次注入次数の注入電流を注入するものであり、
   （２）前記単独運転監視装置は、
   （ａ）前記低次注入次数の前記アドミタンスまたはサセプタンスを計測する低次側計測手段と、
   （ｂ）前記低次側計測手段で計測したアドミタンスまたはサセプタンスを所定の低次側判定値と比較することによって、前記分散電源が単独運転になったことを検出して低次側検出信号を出力する低次側判定手段と、
   （ｃ）前記高次注入次数の前記アドミタンスまたはサセプタンスを計測する高次側計測手段と、
   （ｄ）前記高次側計測手段で計測したアドミタンスまたはサセプタンスの、所定時間前からの変化分を検出する変化分検出手段と、
   （ｅ）前記変化分検出手段で検出したアドミタンスまたはサセプタンスの変化分を所定の高次側判定値と比較することによって、前記分散電源が単独運転になったことを検出して高次側検出信号を出力する高次側判定手段と、
   （ｆ）前記低次側判定手段からの出力および前記高次側判定手段からの出力の論理積を取り、前記低次側検出信号および高次側検出信号が共に出力されているときに前記単独運転検出信号を出力する論理積手段とを備えている、ことを特徴とする分散電源の単独運転検出装置。

Images