電圧安定性からみた送電可能容量の高速推定法の提案 - 愛知工業大学

1
5
愛知工業大学研究報告
第 41号 B平成 18年
電圧安定性からみた送電可能容量の高速推定法の提案
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智彦¥渡辺礼二¥谷口謙悟¥雪田和人¥後藤泰之¥
星 野 幸 雄 TT,山本信幸 TT,杉本重幸 tt
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NobuyukiYamamoto,
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.
1.まえカfき
て,各送電線故障時における送電可能余裕量の推定手法を
検証している。
近年の規制緩和と電力自由化の進展に伴い,信頼性と安
将来的に,電力自由化の進展や地球規模の環境問題など
定度を保ちつつ多様な電力取引に対応できる電力系統の
により,風力,太陽光を中心とした新エネルギーによる分
運用が求められている。そのためには,送電可能容量 (
A
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) を高速に算出するこ
散電源が多数導入されるようになる。このような系統は独
とが必要となる1)。一般に, A T CはN-l基準(系統を
されることが考えられる。本研究における提案法では系統
構成する設備のうち,任意の一つが停止しでも系統の供給
規模の大小に関係なく同様の手法が適用可能であること
能力を維持できるという基準)に基づいて,熱容量,過渡
から,巨大地震などの緊急災害時に孤立した地域では,電
安定度,電圧安定性などを考慮して決定される 1) 。しかし
力ネットワークの安定運用と電力エネルギー自給が可能
ながら,大規模系統になれば, A T Cの算出時聞が問題と
となる。
なる。 A T C算出に関して,種々の計算手法が提案されて
いる 1)-7)。文献 2
)では,電圧 A T Cに関して,健全時と
2 送電可能量推定システムの構築
故障発生後のノード電圧の差から得られる指標を比較す
ることにより,厳しい故障条件のスクリーニシグ、を行って
いる。ここで, N-l基準を満たすため,大規模な系統に
立した電力送電網(マイクログリッドと呼ぶ)として構成
2
.1提案する推定手法
本報告では P-vカーブの概念を用いて,図 1に示す送
おいては膨大な回数の潮流計算を繰り返す必要がある。筆
電可能容量凡叫 (ATC)を算出する。同図における
者らは,電圧安定度からみた送電電力余裕に関して,電圧
は,最大送電可能容量
Pm
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r
g
A T Cを表す指標の高速推定手法を提案した 7)0 A T Cは
(MT C , Maximum
Transmission C
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)から現時点における送電電力
N-l基準に基づいて,熱容量制約,安定度制約,電圧制
Pt
t
r
r
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x は想定される送電
r の差をとり算出した。ここで,P
Ptrmax
約などを考慮して決定されが,本報告では,これら 3つの
電力ノレート,想定故障ブランチ,送電電力量ごとに潮流計
制約のうち,電圧制約が最も支配的であると仮定して得ら
算を繰り返し実施し,算出する必要がある。したがって,
れる送電可能容量 P margをA T Cとし,
Pm
叫を高速に推定
大規模系統においてはかなりの時間を要すると考えられ
する手法を提案している。具体的に, 4機ループ系統およ
び電気学会 WEST
10機モデ、ノレ系統(放射状系統)を取り上げ
送電可能余裕容量の高速推定手法を提案する。提案手法に
愛知工業大学工学部電気学科電気工学専攻(豊田市)
什
中部電力(株)技術開発本部(名古屋市)
る。そこで本報告では,
ニューラノレネットワークによる
おいては,ニューラルネットワークの学習時には計算時間
がかかるが学習後の運用時においては,瞬時に推定できる
ことが期待される。
16
愛知工業大学研究報告,第 41号 B,平成 18年
, Vo1
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Mar,
2006
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いるものとした。また,発電機ノ)ド G3には電力会社の
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所 有 す る 発 電 機 に PPS(特 定 規 模 電 気 事 業 者 :Power
ProducerandSuppliers))が所有する分散電源が,負荷ノ
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9
ード L2には一般需要家に PPS事業者と電力託送契約を結
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.
8
定数および線路インピーダンスの値を表 1および表 2に
んだ契約需要家が含まれているものとした。用いた発電機
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図 3 モデ、ル系統 (
4機系統)
Fig3.4・ machinemodels
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表 1 発電機定数
図 2 ニユ}ラノレネットワークの構造
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2.2ニューラルネットワークの構築
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時に推定可能なニューラルネットワークシステムを構築
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した。図 2に,提案する送電可能容量推定のためのニュー
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本報告ではオフラインでの事前学習機能を有し,オンラ
イン適用時には学習結果に基づいて,送電電力余裕量を瞬
0
.
4
4
ラルネットワークを示す。
ニューラノレネットワークは,入力層には各負荷ノードの需
,
要量に対応するユニット m個
N - l基準を考慮するた
めの想定故障ブランチに対応するユニット n個の計 (
m
切)
ユニットを設けた。故障ブランチユニットには,故障点に
1,その他の健全ブランチに 0 を与えた。また,出力層に
は故障線路除去時に対応する最大送電可能容量
Ptrmax を 1
ユニットとした。これにより推定システムの出カとして送
電可能余裕容量凡叫の推定が可能となる。
3
. 送電可能容量の推定シミュレーション
3
.
1ループ型系統の例
図 3に示す 4機系統 8) を用いて,送電可能容量 A T C
(
P
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g
) の推定シミュレーションを実施した。同図において,
刷
各ノード聞はいずれも 2回線の送電線により接続されて
表 2 線路定数
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7
大規模電力系統故障時における電源制限のための過渡安定度シミュレーション
電力託送としては G
3から L
2の間で行われるものと仮定
し,各負荷潮流状態において, 2回線送電中 1回線の 3相
表 4 推定に用いたデ}タ
地絡故障 (N-l基準)を想定した。託送電力が 0の負荷状
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態(ベース潮流時)における故障線路除去後の系統につい
て,託送電力量を O
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p
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.づっ増加させることにより,図
1に示すような最大送電可能容量 Ptrmaxを算出した。
負荷の潮流状態,故障綜路および P
t
r
回目の関係を図 2のニ
ューラノレネットワ}クに学習させた。
本報告では,推定システムの入力ユニット数の増加によ
る学習の収束性悪化を防ぐために,先に報告した電圧安定
度からみた送電電力余裕の推定手法 7)を用いることによ
り,厳しい故障線路のスクリーニングを実施し,想定故障
ブランチを選定した。想定故障ブランチに対応するユニッ
トは,ノード 5
6間
, 6
7間
, 7
8間
, 8
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とした(図 3の F
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e記号で示す)。推定システムの
入力層にはベ}ス負荷L1 ~L3 に対応する 3 ユニット,想
表 5 推定結果
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定故障ブランチに対応する 4ユニットの計 7ユニットを
凡m
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x
)を
対応させ,出力層には最大送電可能容量MTC(
対応させた。中間層には学習の収束性と誤差の検討結果か
ら4ユニットとした。
学習に用いた各負荷ノードの需要量,故障線路および最
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大送電可能容量 Ftr叩の値を表 3に示す。故障線路は故障
点に 1,その他の健全ブランチに 0を与え故障のないケ}
スも与えた。
学習後のニューラノレネットワークを用いて,学習に用いな
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表 3 学習に用いたデータ
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MTC:最大送電可能容量,ATC:送電可能容量
結果を表 5に示す。同表に見られるように, P
il"m
a
xの推定値
から得られる送電可能容量凡叫の値は実績値に比較的近
い値で推定できており,送電可能容量の誤差は少なめの最
大で 0
.
0
2
.u
.であり,容量以上の誤差は+
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づれも小さい値となった。対象とした 4機系統モデルによ
る結果によれば,提案手法は有効であることがわかる。
1
8
愛知工業大学研究報告,第 41号 B,平成 1
8年
, Vo
1
.41・B,
Mar,
2006
3.2放射状系統の例
図 4に示す IEEJWEST10機系統 9) を用いて,前節と同
様の方法により
,p,
arg の推定シミュレーションを実施し
皿
表 7 推定に用いたデ}タ
た。同図に示す各ノ}ド聞はいずれも 2回線の送電線によ
(WEST10機系統)
り接続されているものとした。また,発電機ノード G5に
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表 8 推定結果
(WEST10機系統)
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(WEST10機系統:一部抜粋)
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大規模電力系統故障時における電源制限のための過渡安定度シミュレーション
5から L
8の聞で行われるものと仮定
電力託送としては G
し,前節と同様にして,最大送電可能容量
Ptrmax を算出し
19
る。本研究は電力系統規模の大小に関係せず,安定供給に
対して,同様の手法が適用可能である。したがって,将来
た。負荷の潮流状態,故障線路および Ptr叩の関係を図 2
的に,巨大地震などの緊急災害時における孤立地域の電力
のニューラルネットワ}クに学習させた。
ネットワークの安定運用と電力エネノレギー自給が可能と
A T C推定の前処理として,前節と同様に,送電電力余
なる。
裕の推定手法7)を用いることにより,厳しい故障線路のス
クリーニングを実施し,想定故障ブランチを選定した。想
定故障ブランチに対応するユニットとしては,ノード 7
1
7
間,ノード 7
1
8間,ノード 8
一1
9間,ノード 8
一7間,ノード
8
9間の 5ユニットとした(図 4の F
a
u
ltL
ine記号で示す)。
推定システムの入力層にはベース負荷 L2~L8 に対応
する 7ユニット,想定故障ブランチに対応する 5ユニット
謝辞
平成 17年度愛知工業大学教育・研究特別助成のうち
「研究分野」による助成(研究テーマ:自然エネルギ一発
電による緊急災害時における孤立地域の電力自給に関す
る研究)を頂いたことを記して,感謝の意を表す。
の計 12ユニットを対応させ,出力層には最大送電可能容
量 凡
Pt
廿r
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束性と誤差の検討結果から 4ユニツトとした。
問 阻2
参考文献
推定システムの学習に用いた各負荷ノードの需要量,故
障線路および最大送電可能容量九四に関する全データの
うち,一部を抜粋して表 6に示す。前節の表 3と同様に,
故障線路は故障点に 1,その他の健全ブランチに 0を与え
学習後のニューラ/レネットワークを用いて,学習に用い
なかった負荷状態,故障線路を与え, Ptrmaxを推定したのち,
九 rgを算出した。推定に用いたデ}タを表 7に示し,その
凡叫の
推定値はその実績値に比べて全体として少な目の値を示
.1
pu
.であった。先の 4機系統モデ
し,誤差は最大で:tO
圃
ルによる結果と比べて,若干大きい誤差となっている。
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9
9
6
2
)永田
故障のないケースも与えた。
推定結果を表 8に示す。同表に見られるように,
1
)“
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a
竹原・田中
I
送電可能容量 (
A
T
C
) の評価手法
の開発一熱容量および電圧 ATCの高速計算手法
J,電
4年 4月
力中央研究所報告 T01020,平成 1
3
)岡本・田辺・多回・関根: I
電圧安定度制約を考慮した
最 適 潮 流 計 算 手 法 J , 電 学 論 B, 1
2
1, N
o
.1
2,
pp
1670-1680(2001-12)
4
) [email protected]: I
過渡安定度 A T C評価のための
想定事故スクリーニング手法 J,平成 14年電気学会全
-001,2002年 3月
国大会, 6
6 あとがき
A T Cは系統の有する送電能力の上限を数値化したも
のであり, (
1
)熱容量制約, (
2
)安定度制約, (
3
)電圧制約
5
)林・松木・池田: I
P
P
Sの系統参入に対する同時送電可
S
T
C
) の計算手法 J,電学論 B,1
2
2,N
o
.1
2,
pp
能容量 (
1366-1375(2001-12)
6
)永田・竹村・岡田・問中: IATC自動算定システムの
を考慮して決定される。本報告では,与えられた系統の特
開発 J,電気学会電力・エネルギ一部門大会論文集(分
性から,電圧制約が支配的な制約であるとして,送電可能
冊A
),No.143,平成 1
4年 8月
容量 (ATC)の高速推定法を提案した。具体的に,ニュー
7
)山田・雪問。後藤・一柳・回端・小川."多機電力系
ラルネットワークを用いることにより A T C推定システ
統の電圧安定度からみた送電電力余裕の推定",電気
ムを構築し, 4機ノレープ系統および 1
0機放射状系統を用
学会電力技術・電力系統技術合同研究会資料,
いて検討した。その結呆,学習後の推定システムを用いる
PE-03-127,
PSE-03-138,
pp.39-43,平成 1
5年 9月
ことにより,送電可能容量が比較的精度良く,高速に推定
8
)
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できることを確認した。以上により,本研究では大規模電
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力系統を例に,電力の安定供給に対して,提案手法の有用
1
7
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1
PAS-85,Noム
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s,pp169・
性を示した。
今後において,風力や太陽光を始めとする新エネルギー
による多くの分散電源の導入により,独立した電力送電網
(マイクログリッドと呼ぶ)が構成されることが考えられ
回
1
9
6
6
9
) 電力系統モデ、ノレ標準化調査専門委員会
I
電力系統の
, (
1
9
9
9
)
標準モデル J ,電気学会技術報告第 754号
(受理平成 1
8年 3月 1
8日)