JP2016036252A - 配電系統電圧制御システム、配電系統電圧制御方法、集中電圧制御装置、及びローカル電圧制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】通信負荷を増大させることなく、太陽光発電量変化などの予測困難な要因による配電系統の電圧変動にも追従して電圧維持を行うこと。【解決手段】配電系統電圧制御システムは、配電線に接続され配電線の電圧を制御する電圧制御機器５と、電圧制御機器５に接続され、指令により更新される電圧上限値及び電圧下限値の範囲内に電圧制御機器５の制御する電圧値が維持されるように電圧制御機器５の制御量を調整するローカル電圧制御装置と、ローカル電圧制御装置と通信ネットワーク７を介して接続され、ローカル電圧制御装置の電圧上限値及び電圧下限値の範囲の大きさを変化させる指令をローカル電圧制御装置に対して送信する集中電圧制御装置８と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、配電系統の電圧を制御する配電系統電圧制御システム、配電系統電圧制御方法、及び集中電圧制御装置に関するものである。

配電系統は、一般に高圧系統（例えば３３００Ｖ〜６６００Ｖ）と低圧系統（例えば１００Ｖ〜２００Ｖ）とから構成され、一般需要家の受電端はこの低圧系統に接続されている。電力事業者は、一般需要家の受電端の電圧を適正範囲内に維持（例えば１００Ｖの受電の場合、電圧を９５Ｖ〜１０７Ｖに維持する。）することが義務付けられている。そのため、電力事業者は、高圧系統に接続された電圧制御機器（例えば、ＬＲＴ（Load Ratio Control Transformer：負荷時タップ切替変圧器）又はＳＶＲ（Step Voltage Regulator：自動電圧調整器）等）の制御量を調整すること（例えばタップを操作すること）により、一般需要家の受電端での電圧維持を図っている。なお、以下では、配電系統はその高圧系統を指すものとする。

従来、配電系統の電圧制御については、例えばＬＲＴ又はＳＶＲなどの変圧器型の電圧制御機器を、当該電圧制御機器と一体化され又は当該電圧制御装置に併設されるとともに、当該電圧制御機器の設置点付近での計測情報（電圧及び潮流）に基づいて自立分散型で電圧制御するローカル電圧制御装置が一般に普及している。なお、電圧制御機器としては、上記変圧器型のものの他、自動オンオフ調相設備（進相コンデンサ、分路リアクトル等）、ＳＶＣ（Static Var Compensator：静止型無効電力補償装置）、又は無効電力調整機能付のＰＣＳ（Power Conditioning System：パワーコンディショナ）等の無効電力制御型のものが知られており、これらの電圧制御機器にそれぞれ対応するローカル電圧制御装置も実用化段階に入っている。ここで、ＰＣＳは、例えば太陽光発電用パワーコンディショナであり、太陽光発電設備又は蓄電池と配電系統とを接続するものである。

これらのローカル電圧制御装置は、配電系統の負荷分布が一様、すなわち、時間経過に伴って配電系統各点の電圧が同方向に変化することを前提に構成されている。しかしながら、近年、電気の使い方の多様化、及び太陽光発電等による分散型電源の普及等により、配電系統の負荷分布が時間経過に伴って非一様に大きく変動する傾向にあるため、従来の配電系統の電圧制御では適正電圧の維持が困難となってきている。

このため、自立分散型の電圧制御方式に代わり、配電系統の電圧を系統全体で整合の取れた形で集中制御することが提案されている（集中制御方式）。具体的には、配電系統内の複数地点での計測情報（電圧及び潮流）を専用のネットワークを使って集中電圧制御装置に集約させ、この集中電圧制御装置はこれらの計測情報に基づいて各電圧制御機器の制御量（タップ位置等）を決定し、集中電圧制御装置から各電圧制御機器にその制御量が自動で遠隔指令される仕組みが提案されている（例えば、特許文献１〜３参照）。

なお、太陽光発電の増大に伴い、太陽光発電量を予測・補正する技術、配電線の潮流値を太陽光発電量と実負荷に分離する技術、配電線の潮流値から系統各点の負荷分布を推定する技術などについては複数の仕組みが研究・開示されている（例えば、特許文献１〜３参照）。

特開平９−１５４２３５号公報 特開平１１−２８９６６３号公報 特開平１１−２８９６６４号公報

ところが、近年、太陽光発電による分散型電源の低圧系統連系が年々増大しつつあり、例えば晴天時の雲の流れによる日射量急変により太陽光発電量が大きく変化し、これによる配電系統の電圧変化が無視できないレベルに達することが想定される。集中電圧制御装置では、配電系統各点の電圧及び潮流の計測情報を収集して各電圧制御機器に最適な制御を割り当てるが、最適制御の立案は、その時点での電圧及び潮流の計測情報に基づいて行われるため、太陽光発電の低圧系統大量連系時には以下のような問題が懸念される。
（１）計測監視周期を長く（例えば数十分程度）すると、雲の流れによる日射量急変により太陽光発電量が大きく変化した場合など、急激な電圧変動に追従できない。
（２）逆に、計測監視周期を短く（例えば数分以下程度）すると、計測監視のための通信負荷が増大するため、通信ネットワークへの設備投資が膨大となる。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、通信負荷を増大させることなく、太陽光発電量変化などの予測困難な要因による配電系統の電圧変動にも追従して電圧維持を行うことが可能な配電系統電圧制御システム、配電系統電圧制御方法、及び集中電圧制御装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る配電系統電圧制御システムは、配電線に接続され前記配電線の電圧を制御する電圧制御機器と、前記電圧制御機器に接続され、指令により更新される電圧上限値及び電圧下限値の範囲内に前記電圧制御機器の制御する電圧値が維持されるように前記電圧制御機器の制御量を調整するローカル電圧制御装置と、前記ローカル電圧制御装置と通信ネットワークを介して接続され、前記ローカル電圧制御装置の前記電圧上限値及び前記電圧下限値の範囲の大きさを変化させる前記指令を前記ローカル電圧制御装置に対して送信する集中電圧制御装置と、を備える。

本発明によれば、通信負荷を増大させることなく、太陽光発電量変化などの予測困難な要因による配電系統の電圧変動にも追従して電圧維持を行うことができる、という効果を奏する。

図１は、実施の形態に係る配電系統電圧制御システムの構成の一例を示した図である。 図２は、集中電圧制御装置８の内部構成の一例を示した図である。 図３は、実施の形態の動作を説明するためのフローチャートである。 図４は、図３のＳ１０３の処理の詳細を説明するためのフローチャートである。 図５は、図３のＳ１０４の処理の詳細を説明するための図である。 図６は、低圧系統９の構成の一例を示した図である。 図７は、ローカル電圧制御装置に対して指令された電圧上下限値の時間変動の一例を示した図である。

以下に、本発明に係る配電系統電圧制御システム、配電系統電圧制御方法、及び集中電圧制御装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本実施の形態に係る配電系統電圧制御システムの構成の一例を示した図である。図１において、電圧制御機器１は例えば変電所に設置された配電用変圧器としてのＬＲＴ（Load Ratio Control Transformer：負荷時タップ切替変圧器）である。電圧制御機器１にはローカル電圧制御装置１１が接続されており、ローカル電圧制御装置１１は電圧制御機器１の制御を行う。ローカル電圧制御装置１１は、例えば電圧制御機器１と一体的に又は併設することができる。ローカル電圧制御装置１１は、電圧制御機器１の制御量を調整することにより、具体的にはタップ位置を調整することにより、電圧制御機器１の制御を行う。また、ローカル電圧制御装置１１は、通信機能を有し、通信ネットワーク７に接続されている。

電圧制御機器１の二次側には母線２が接続されている。母線２には例えば２本の配電線４−１，４−２が並列に接続されている。配電線４−１，４−２は、高圧系統（電圧レベルが例えば３３００Ｖ〜６６００Ｖ）の配電線である。

配電線４−１は、その一端が遮断器３−１を介して母線２に接続されている。配電線４−１上の複数箇所には、配電線４−１の電圧及び潮流を計測する電圧潮流計測装置１０がそれぞれ設置されている。すなわち、電圧潮流計測装置１０は、配電線４−１に接続され、その接続箇所における電圧及び潮流を計測し、その計測値を計測情報として出力する。電圧潮流計測装置１０は通信機能を有し、通信ネットワーク７に接続されている。電圧潮流計測装置１０は、通信ネットワーク７を介して、例えば定期的に計測情報を集中電圧制御装置８に送信する。

また、配電線４−１上には、電圧降下補償用のＳＶＲ（Step Voltage Regulator：自動電圧調整器）である電圧制御機器５が接続されている。この電圧制御機器５には、電圧制御機器５を制御するローカル電圧制御装置１５が接続されている。ローカル電圧制御装置１５は、例えば電圧制御機器５と一体的に又は併設することができる。ローカル電圧制御装置１５は、電圧制御機器５の制御量を調整することにより、具体的にはタップ位置を調整することにより、電圧制御機器５の制御を行う。また、ローカル電圧制御装置１５は、通信機能を有し、通信ネットワーク７に接続されている。

配電線４−２は、その一端が遮断器３−２を介して母線２に接続されている。配電線４−２上の複数個所には、配線４−１と同様に、配電線４−２の電圧及び潮流を計測する電圧潮流計測装置１０がそれぞれ設置されている。

また、配電線４−２上には、無効電力補償用の自動オンオフ調相設備である電圧制御機器６が接続されている。電圧制御機器６は、例えば分路リアクトル（Shunt Reactor：ＳｈＲ）である。なお、調相設備は、一般に、ＳｈＲ若しくは進相コンデンサ（Static Capacitor：ＳＣ）又はその双方からなり、遮断器（図示せず）を介して系統に投入又は解列することにより無効電力を補償することができる。この電圧制御機器６には、電圧制御機器６を制御するローカル電圧制御装置１６が接続されている。ローカル電圧制御装置１６は、例えば電圧制御機器６と一体的に又は併設することができる。ローカル電圧制御装置１６は、電圧制御機器６の制御量を調整することにより、具体的には無効電力出力を調整することにより、電圧制御機器６の制御を行う。また、ローカル電圧制御装置１６は、通信機能を有し、通信ネットワーク７に接続されている。

配電線４−１，４−２は高圧系統の配電線であり、図示は省略しているが、配電線４−１，４−２にはそれぞれ変圧器を介して低圧系統（電圧レベルが例えば１００Ｖ〜２００Ｖ）を構成する低圧配電線が接続されている。低圧配電線には負荷が接続されるが、さらに太陽光発電装置などの分散型電源が接続される。すなわち、本実施の形態は、低圧系統に分散型電源が連系されているものとする。ただし、本実施の形態は、低圧系統に分散型電源が含まれていない場合でも適用することができることは言うまでもない。以下、特に断らない限り、配電系統とは高圧系統を意味するものとする。なお、以下では、分散型電源として例えば太陽光発電装置を例に説明する。また、配電系統の電圧制御とは、高圧系統の電圧制御を意味する。この配電系統は、電圧制御機器１，５，６、ローカル電圧制御装置１１，１５，１６、母線２、遮断器３−１，３−２、配電線４−１，４−２、及び電圧潮流計測装置１０を備えて構成される。

なお、図示例では、母線２に接続される配電線数を例えば２本としているが、この例に限定されない。また、電圧制御機器の設置台数も図示例に限定されない。また、電圧制御機器は、図１に例示したＬＲＴ，ＳＶＲ，ＳｈＲの他、例えば、静止型無効電力補償装置（ＳＶＣ：Static Var Compensator）、無効電力調整機能付のＰＣＳ（Power Conditioning System：パワーコンディショナ）などを構成に応じて設けることができる。

集中電圧制御装置８は、通信ネットワーク７を介して、ローカル電圧制御装置１１，１５，１６及び複数個の電圧潮流計測装置１０とそれぞれ接続されている。通信ネットワーク７は、例えば専用のネットワークであり、配電系統監視制御を目的として配設されている。集中電圧制御装置８は、例えば電圧潮流計測装置１０から送信された計測情報に基づき、各ローカル電圧制御装置の制御目標電圧範囲を規定する電圧上限値及び電圧下限値（以下、電圧上下限値ともいう。）を例えば集中制御周期（例えば１時間周期）で決定し、通信ネットワーク７を介して各ローカル電圧制御装置に対して電圧上下限値を個別に指令する。

各ローカル電圧制御装置は、集中電圧制御装置８からの電圧上下限値指令に基づき、当該電圧上下限値間に電圧を維持するようにその制御対象である電圧制御機器を制御する。各ローカル電圧制御装置は、集中電圧制御装置８からの電圧上下限値指令を受ける毎に、電圧上限値及び電圧下限値を更新し設定する。例えば、ローカル電圧制御装置１１は、集中電圧制御装置８から指令された電圧上下限値に基づき、当該電圧上下限値が適用される集中制御周期期間内においては、電圧制御機器１の二次側の電圧が当該電圧上下限値間（制御目標電圧範囲内）に収まるように電圧制御機器１の制御量を集中制御周期よりも短い周期のローカル制御周期で調整する。また、例えば、ローカル電圧制御装置１６は、集中電圧制御装置８から指令された電圧上下限値に基づき、当該電圧上下限値が適用される集中制御周期期間内においては、電圧制御機器６の配電系統連系点での電圧が当該電圧上下限値間（制御目標電圧範囲内）に収まるように電圧制御機器６の制御量を集中制御周期（第１の周期）よりも短いローカル制御周期（第２の周期）で調整する。

図２は、集中電圧制御装置８の内部構成の一例を示した図である。図２に示すように、集中電圧制御装置８は、制御部２０と、この制御部２０に接続された記憶部２９と、制御部２０、記憶部２９、及び通信ネットワーク７に接続された送受信部２８とを備えている。

制御部２０は、その機能構成として、負荷発電量予測部２１、負荷発電量予測値補正部２２、最適電圧分布決定部２３、及び電圧上下限値決定部２４を備えている。負荷発電量予測部２１は、将来の配電系統の負荷／発電量分布を例えば集中制御周期（例えば１時間周期）で予測する。なお、負荷／発電量分布の詳細については後述する。負荷発電量予測値補正部２２は、集中制御周期期間内における負荷／発電量分布の予測値を、その直前の集中制御周期期間内における負荷／発電量分布の実績値と当該期間内におけるその予測値との比較結果に基づいて補正する。ここで、負荷／発電量分布の実績値は、計測情報（電圧及び潮流）に基づいて算出される。

最適電圧分布決定部２３は、補正された負荷／発電量分布の予測値に基づいて潮流計算を行うとともに、配電系統の評価関数の値を最良にする最良解を探索することにより、当該集中制御周期期間内の最適電圧分布及び各電圧制御機器の最適制御量を決定する。

電圧上下限値決定部２４は、決定された最適電圧分布に基づき、当該集中制御周期期間内における各ローカル電圧制御装置の制御目標電圧範囲の上下限である電圧上下限値を決定し、通信ネットワーク７を介してこれを各ローカル電圧制御装置に指令する。なお、電圧上下限値決定部２４による電圧上下限値を決定する処理の詳細については後述するが、概略は次の通りである。

まず、電圧上下限値決定部２４は、ローカル電圧制御装置毎に予め割り当てられた電圧制御責任範囲に関する情報を記憶部２９から取得する。ここで、電圧制御責任範囲は、配電線４−１又は４−２上の範囲（又は区間）であって、当該範囲内における電圧の制御について当該範囲を割り当てられたローカル電圧制御装置又はこれに接続された電圧制御機器がその責任を負う範囲である。また、電圧制御責任範囲毎に、適正電圧範囲が予め設定されている。この適正電圧範囲は、高圧系統が維持すべき適正な電圧範囲である。電圧上下限値決定部２４は、各ローカル電圧制御装置に対して、その電圧制御責任範囲内における最適電圧と適正電圧の上限値との差分である電圧上限余裕量のうちから最小のものを選択し、その電圧制御責任範囲内における最適電圧と適正電圧の下限値との差分である電圧下限余裕量のうちから最小のものを選択し、電圧制御機器の最適電圧に電圧制御責任範囲内で最小の電圧上限余裕量を加えたものを制御目標電圧範囲の電圧上限値とし、電圧制御機器の最適電圧から電圧制御責任範囲内で最小の電圧下限余裕量を差し引いたものを制御目標電圧範囲の電圧下限値として決定する。

集中電圧制御装置８は、例えばＣＰＵ、メモリ、ハードディスク等の記憶装置、及び通信機能を備えたサーバとして構成することができる。制御部２０は、メモリに記憶された制御プログラムにしたがって制御処理を行うＣＰＵによって実現される。記憶部２９は、メモリ及び記憶装置等を総括的に表している。送受信部２８は通信機能を表している。なお、集中電圧制御装置８は、例えば変電所に設置することができる。

次に、図３を参照して、本実施の形態の動作について説明する。図３は、本実施の形態の動作を説明するためのフローチャートである。

まず、電圧潮流計測装置１０は、それぞれ設置点における電圧及び潮流を定期的に計測し、電圧及び潮流データを保存している。電圧潮流計測装置１０は、それぞれ計測した電圧及び潮流データの例えば１０分間の平均値を、通信ネットワーク７を介して集中電圧制御装置８へ送信する。集中電圧制御装置８は、電圧及び潮流データの１０分間の平均値を送受信部２８により受信した後、隣り合う計測点間で潮流平均値の差分をとることなどにより、配電系統各点における負荷／発電量を求めることができ、これを負荷発電量データとして記憶部２９に保存する。ここで、負荷／発電量（負荷発電量データ）は、例えば純粋な負荷から発電量を差し引いた量に相当するものであり、負荷と発電量とのバランスにより正又は負の値を取り得る。つまり、負荷／発電量（負荷発電量データ）は、配電系統各点における純粋な負荷と発電量との差分に相当する。負荷発電量データは、定期的に保存され、データベース化されている。

次に、図３のＳ１０１では、負荷発電量予測部２１は、記憶部２９に保存された配電系統各点の負荷発電量データから、例えば翌日１時間毎の配電系統の負荷／発電量分布を予測する。この際、負荷発電量予測部２１は、負荷と発電量を分離して予測するため、まず、快晴時間帯の負荷発電量データのみを使用し、これから理論発電量（太陽光発電定格容量、太陽光パネル設置角、緯度、日時、予想気温、及び発電効率から算出）を除いて純粋な負荷である実績負荷を算出する。

続いて、負荷発電量予測部２１は、実績負荷を複数日集め、同一曜日（平日／休日区分）、同一時間帯の負荷と気温との相関を求め、この相関と翌日の予想気温から翌日１時間毎の配電系統各点の負荷を予測する。また、翌日の発電量については理論発電量とし、負荷発電量予測部２１は、予測負荷から予測発電量を差し引いて、翌日１時間毎の配電系統各点の負荷発電量データを作成する。

なお、本実施の形態では、例えば翌日１時間毎の負荷／発電量分布を予測するとしたが、これに限らず、例えば将来の一定期間毎の負荷／発電量分布を予測するとしてもよい。なお、この１時間又は一定期間が上述した集中制御周期に相当する。また、負荷／発電量の予測が例えば１時間毎であるのに対して、電圧及び潮流の計測値は１時間の平均値ではなく例えば１０分間の平均値とするのは、同一曜日（平日／休日区分）、同一時間帯の負荷と気温との相関を求めるにあたって、計測データ数を増やすことにより相関の精度を上げるためと、１時間の中での負荷の変動具合を把握するためである。これは、後述する図４のＳ３０１の各電圧制御機器の制御限界の設定において、負荷変動の大きな時間帯を把握するために使用可能である。ただし、電圧及び潮流の計測値を例えば１時間の平均値としても構わない。

次に、Ｓ１０２では、負荷発電量予測値補正部２２は、将来１時間の配電系統の負荷／発電量の予測値を補正する。具体的には、負荷発電量予測値補正部２２は、過去１時間の配電系統各点の負荷／発電量の平均値について、実績値（実際の計測値に基づいて算出される）と予測値とを比較してその比率を求め、この比率を将来１時間の負荷／発電量の予測値に乗ずることにより、将来１時間の系統各点の負荷／発電量の予測値を補正する。これにより、予測値の精度が向上することが期待される。

次に、Ｓ１０３では、最適電圧分布決定部２３は、Ｓ１０２で作成した将来１時間の配電系統各点の負荷／発電量の予測値に基づき、将来１時間の配電系統の最適電圧分布を決定する。この処理の詳細は、図４を用いて後述する。なお、Ｓ１０２の処理を省略し、最適電圧分布決定部２３が、Ｓ１０１で作成した将来１時間の配電系統各点の負荷／発電量の予測値に基づいて、将来１時間の配電系統の最適電圧分布を決定するようにしてもよい。また、Ｓ１０１では、負荷発電量予測部２１は、電圧潮流計測装置１０から送信された計測情報に基づいて将来１時間の負荷／発電量分布を予測しているが、これに限定されず、例えば負荷発電量データに関するデータベースを予め記憶部２９に付与するようにし、負荷発電量予測部２１が、このデータベースを参照して負荷／発電量分布を予測するようにしてもよい。この場合は、電圧潮流計測装置１０を設けなくともよいが、Ｓ１０２の処理も省略される。

次に、Ｓ１０４では、電圧上下限値決定部２４は、配電系統の最適電圧分布に基づき、将来１時間の各ローカル電圧制御装置の電圧上限値及び電圧下限値を算出する。この処理の詳細は、図５を用いて後述する。

次に、Ｓ１０５では、電圧上下限値決定部２４は、各ローカル電圧制御装置に対して電圧上限値及び電圧下限値を指令する。なお、ＬＲＴの負荷側にＳＶＲが設置されている場合等（配電線４−１を参照）、電圧制御機器の下流側に別の電圧制御機器が設置されている場合には、先に下流側のローカル電圧制御装置に対して電圧上下限値を指令することとし、制御の順序を規定する。

各ローカル電圧制御装置は、集中電圧制御装置８からの電圧上下限値指令に基づき、制御対象である各電圧制御機器の制御量の調整を行う。詳細には、各ローカル電圧制御装置は、電圧上下限値間に電圧を維持するように、集中制御周期（１時間）よりも短周期のローカル制御周期で必要に応じて電圧制御機器の制御量を調整する。また、各ローカル電圧制御装置は、集中電圧制御装置８から集中制御周期で電圧上下限値指令を受ける毎に、電圧上限値及び電圧下限値を更新し設定する。

次に、図３のＳ１０３の処理の詳細について、図４を参照して説明する。図４は、図３のＳ１０３の処理の詳細を説明するためのフローチャートであり、将来１時間の配電系統の最適電圧分布を計算するためのフローを表している。

まず、Ｓ３０１では、最適電圧分布決定部２３は、各電圧制御機器のローカル制御の余地を確保するため、各電圧制御機器の制御限界（変圧器型の電圧制御機器の場合はタップ上下限、無効電力制御型の電圧制御機器の場合は無効電力出力上下限）を設定するが、大きな電圧変動が予想される時間帯、すなわち、負荷変動の大きな時間帯（例えば、朝、昼休み前後、点灯時間帯等）、及び、発電変動の大きな時間帯（例えば、理論発電量が大きい昼間等）については、上昇又は下降傾向などの変動の方向性も考慮の上、ローカル制御の余地を大きくとる。

次に、Ｓ３０２では、最適電圧分布決定部２３は、各電圧制御機器の制御量を初期設定するが、変圧器型の電圧制御機器の場合はタップ位置を例えば１時間前の最適電圧分布計算時の算出値（ただし、前回算出値がない場合はニュートラル値）とし、無効電力制御型の電圧制御機器の場合は無効電力出力を例えば０（無し）とする。

次に、Ｓ３０３では、最適電圧分布決定部２３は、配電系統各点の負荷／発電量分布の予測に基づき、設定された各電圧制御機器の制御量（タップ位置、無効電力量）での潮流計算を行い、配電系統各点の電圧を算出する。

次に、Ｓ３０４では、最適電圧分布決定部２３は、潮流計算の結果に基づき配電系統の評価を行う。具体的には、最適電圧分布決定部２３は、配電系統の評価項目について設定された評価関数（目的関数）の値を評価することにより、配電系統の評価を行う。ここで、第一優先の評価項目は、配電系統各点での電圧の適正電圧範囲（適正電圧上限値及び適正電圧下限値、図５参照）からの違反（逸脱）量である。すなわち、最適電圧分布は、第一に、配電系統各点での電圧の適正電圧範囲からの違反（逸脱）量の総和が最小となるように決定される。また、第二優先の評価項目は、例えば配電系統各点での電圧余裕（適正電圧上下限値までの余裕量）である。配電系統各点での電圧余裕が小さいと電圧制御機器の電圧上下限幅が小さくなり、僅かな電圧変動で頻繁に電圧制御機器が動作してしまう。従って、電圧余裕の総和が大きいほど高評価とする。第三優先の評価項目は、電圧制御機器の制御量のその初期設定値からの変化量の総和とすることができる。ここで、電圧制御機器の制御量のその初期設定値からの変化量は、無効電力制御型の電圧制御機器の場合は、無効電力出力量であり（Ｓ３０２）、変圧器型の電圧制御機器の場合は、タップ位置の初期設定タップ位置からの差である（Ｓ３０２）。当該変化量の総和を小さくすることにより、電圧制御機器の動作回数の低減につながる。さらに、第四優先の評価項目は、配電系統全体の送電ロス（有効電力ロス＋無効電力ロス）とすることができる。送電ロスが小さいほど高評価とする。なお、送電ロスは、有効電力ロスが大半を占め、電圧が高いほどロスが小さくなるが、その分、第二優先の配電系統各点での電圧余裕（上限値側）が小さくなるため、配電系統各点の電圧上下限にかなりの余裕がある場合にはじめて効果を表す評価項目である。

評価関数は、基本的には第一優先の評価項目について設定されるが、第一優先の項目と第二優先の項目について設定することもできる。この場合、各々の評価関数に重みを付けて和をとったものを全体の評価関数とする。さらに、配電系統に応じて高次の優先項目についても評価関数に含めることができる。評価関数は、例えば最小値をとるときに最も最適化（高評価）されるように構成することができる。

次に、Ｓ３０５では、最適電圧分布決定部２３は、所定回数の探索を行ったか否かを判定し、所定回数の探索を行った場合には（Ｓ３０５，Ｙｅｓ）、処理を終了し、所定回数の探索を行っていない場合には（Ｓ３０５，Ｎｏ）、Ｓ３０６の処理に進む。

次に、Ｓ３０６では、最適電圧分布決定部２３は、各電圧制御機器の制御量を例えば１単位変更（タップを例えば１段上げる／下げる、無効電力を定格の例えば５％増やす／減らす等）して配電系統各点の電圧算出（Ｓ３０３と同様）及び配電系統の評価（Ｓ３０４と同様）を行い、これを全ての電圧制御機器について実施して評価結果を比較し、最も評価が改善する方向へ電圧制御機器の制御量を設定変更する。最適化のアルゴリズムについては例えば特開２０１０−２５０５９９号公報等に開示されているので詳細は省略する。なお、ＳＶＣの無効電力制御等、制御量を連続的に変更可能な電圧制御機器については、連続系最適化手法の１つである２次計画法により最適制御量を算出しても同等の効果が得られる。

以上のようにして、所定回数の探索の後、最適電圧分布決定部２３は、評価関数の値を最良にする最良解として、将来１時間の配電系統の最適電圧分布及び各電圧制御機器の最適制御量を決定することができる。

次に、図３のＳ１０４の処理の詳細について、図５を参照して説明する。図５は、図３のＳ１０４の処理の詳細を説明するための図である。図５では、上側に配電系統の一部を示し、これに対応させて下側に配電線長と電圧との関係を示している。図５の上側では、図１に示した配電系統のうち主に配電線４−１を含む部分について示したものである。ただし、図５では、配電線４−１に接続された低圧系統９も示している。ここで、低圧系統９は、例えば図６のように構成され、配電線４−１に変圧器５６を介して負荷５７及び太陽光発電装置５８が接続される。

図５の下側では、変電所からの配電線４−１の配電線長に対して最適電圧３０が示されている。最適電圧３０は、図３のＳ１０３の処理で求められたものである。また、図５では、適正電圧範囲の上限値Ｖ_ｍａｘと下限値Ｖ_ｍｉｎが示されている。適正電圧範囲は、各負荷の設置点で高圧側の電圧が守るべき電圧範囲としてその設置点ごとに時間にも依存して予め決められたものであり、低圧側に電力を安定供給することが可能なように設定されている。なお、図５では、適正電圧範囲は例えば配電系統各点で同じとして記載しているが、一般には配電系統各点で異なっており、かつ、時間帯によって変化する。

図５の下側では、電圧制御機器１の二次側（負荷側）を起点（配電線長Ｌ０）とし、電圧制御機器５の一次側（電源側）までの配電線長をＬ１で、電圧制御機器５（ＳＶＲ）の二次側までの配電線長をＬ２で示している。

上述したように、各電圧制御機器はそれぞれ電圧制御責任範囲を有している。電圧制御機器１の電圧制御責任範囲は、電圧制御機器１から下流側の電圧制御機器５までの範囲であり、同図では配電線長がＬ０からＬ１までの配電線４−１の範囲Ｒ１として示している。また、電圧制御機器５の電圧制御責任範囲は、電圧制御機器５から下流側の次の電圧制御機器（図示せず）までの範囲であり、同図では配電線長がＬ２からそれ以降の配電線４−１の範囲Ｒ２として示している。

電圧上下限値決定部２４は、ローカル電圧制御装置１１，１５にそれぞれ指令する制御目標電圧範囲の上下限である電圧上下限値を以下のようにして決定する。

まず、ローカル電圧制御装置１１の場合について説明する。電圧上下限値決定部２４は、ローカル電圧制御装置１１の電圧制御責任範囲である範囲Ｒ１内において、最適電圧３０と適正電圧の上限値Ｖ_ｍａｘとの差分である電圧上限余裕量のうちから最小のものを選択する。図示例では、最小の電圧上限余裕量は配電線長がＬ０の点で与えられ、その値をｕｍ１_ｍｉｎで表している。また、電圧上下限値決定部２４は、ローカル電圧制御装置１１の電圧制御責任範囲である範囲Ｒ１内において、最適電圧３０と適正電圧の下限値Ｖ_ｍｉｎとの差分である電圧下限余裕量のうちから最小のものを選択する。図示例では、最小の電圧下限余裕量は配電線長がＬ１の点で与えられ、その値をｌｍ１_ｍｉｎで表している。そして、電圧上下限値決定部２４は、電圧制御機器１の最適電圧３０の値に最小の電圧上限余裕量ｕｍ１_ｍｉｎを加えたものを制御目標電圧範囲の電圧上限値とし、電圧制御機器１の最適電圧３０の値から最小の電圧上限余裕量ｌｍ１_ｍｉｎを差し引いたものを制御目標電圧範囲の電圧下限値とする。ここで、電圧制御機器１の最適電圧３０の値とは、詳細には、電圧制御機器１の出力側（負荷側又は二次側）における最適電圧３０の値であり、図中Ｐ２で示した点における電圧値を表す。また、当該電圧上限値はｖ１_ｍａｘで表され、当該電圧下限値はｖ１_ｍｉｎで表されており、ローカル電圧制御装置１１の制御目標電圧範囲は点Ｐ３と点Ｐ１との間の範囲である。なお、図示例では、ｖ１_ｍａｘ＝Ｖ_ｍａｘとなる。

このように、ローカル電圧制御装置１１の制御目標電圧範囲は、電圧制御機器１の設置箇所近傍における電圧上下限余裕量のみならず、その電圧制御責任範囲である範囲Ｒ１内の各点における電圧上下限余裕量も考慮して決定されているので、ローカル電圧制御装置１１自体は制御目標電圧範囲内で電圧制御機器１をローカル制御するにもかかわらず、広域の範囲Ｒ１内で適正電圧の維持が可能となる。

次に、ローカル電圧制御装置１５の場合について説明する。電圧上下限値決定部２４は、ローカル電圧制御装置１５の電圧制御責任範囲である範囲Ｒ２内において、最適電圧３０と適正電圧の上限値Ｖ_ｍａｘとの差の絶対値である電圧上限余裕量のうちから最小のものを選択する。図示例では、最小の電圧上限余裕量は配電線長がＬ４の点で与えられ、その値をｕｍ２_ｍｉｎで表している。また、電圧上下限値決定部２４は、ローカル電圧制御装置１５の電圧制御責任範囲である範囲Ｒ２内において、最適電圧３０と適正電圧の下限値Ｖ_ｍｉｎとの差の絶対値である電圧下限余裕量のうちから最小のものを選択する。図示例では、最小の電圧下限余裕量は配電線長がＬ３の点で与えられ、その値をｌｍ２_ｍｉｎで表している。そして、電圧上下限値決定部２４は、電圧制御機器５の最適電圧３０の値に最小の電圧上限余裕量ｕｍ２_ｍｉｎを加えたものを制御目標電圧範囲の電圧上限値とし、電圧制御機器１の最適電圧３０の値から最小の電圧上限余裕量ｌｍ２_ｍｉｎを差し引いたものを制御目標電圧範囲の電圧下限値とする。ここで、電圧制御機器５の最適電圧３０の値とは、詳細には、電圧制御機器５の出力側（負荷側又は二次側）における最適電圧３０の値であり、図中Ｐ５で示した点における電圧値を表す。なお、電圧制御機器が無効電力補償型のものである場合は、電圧制御機器の最適電圧は、電圧制御機器の配電系統連系点における最適電圧である。図５では、当該電圧上限値はｖ２_ｍａｘで表され、当該電圧下限値はｖ２_ｍｉｎで表されており、ローカル電圧制御装置１５の制御目標電圧範囲は点Ｐ４と点Ｐ６との間の範囲である。

このように、ローカル電圧制御装置１５の制御目標電圧範囲は、電圧制御機器５の設置箇所近傍における電圧上下限余裕量のみならず、その電圧制御責任範囲である範囲Ｒ２内の各点における電圧上下限余裕量も考慮して決定されているので、ローカル電圧制御装置１５自体は制御目標電圧範囲内で電圧制御機器５をローカル制御するにもかかわらず、広域の範囲Ｒ２内で適正電圧の維持が可能となる。

図７は、ローカル電圧制御装置に対して指令された電圧上下限値の時間変動の一例を示した図である。図示例では、適正電圧範囲は時間帯によらずに６４００Ｖ〜６８００Ｖの範囲となっている。この例のように、一般に、電圧上下限値は時間帯によって変動する。

ここで、電圧制御機器の電圧制御責任範囲について詳述する。変圧器型の電圧制御機器は、例えば当該変圧器の負荷側（下流側）を電圧制御責任範囲とするが、負荷側に別の電圧制御機器が存在する場合は、当該別の電圧制御機器の電源側（上流側）までをその電圧制御責任範囲とする。

また、無効電力制御型の電圧制御機器は、当該電圧制御機器の電源側（上流側）に変圧器型の電圧制御機器が存在する場合には、この変圧器型の電圧制御機器の変圧器の負荷側（下流側）までの範囲、及び、当該電圧制御機器の負荷側（下流側）の範囲を電圧制御責任範囲とするが、負荷側（下流側）にさらに別の電圧制御機器が存在する場合は、当該別の電圧制御機器の電源側（上流側）までを電圧制御責任範囲に含める。そのため、無効電力制御型の電圧制御機器については、その電圧制御責任範囲がその電源側（上流側）に存在する変圧器型の電圧制御機器の電圧制御責任範囲と重複する。

このため、無効電力制御型の電圧制御機器を制御するローカル電圧制御装置は、変圧器型の電圧制御機器を制御するローカル電圧制御装置よりも電圧上下限値逸脱判定の積分量閾値が小さく設定されて、電圧変化に対して素早く無効電力制御（短周期制御）を行うとともに、ゆっくりと無効電力制御量積分値をゼロに近づける長周期制御を同時に行うことにより、ローカル制御の余力を確保する構成とする。すなわち、配電系統の急激な電圧変動に対しては、高速に反応が可能な無効電力制御型の電圧制御機器により即応させるとともに、次の急激な電圧変動に備えて無効電力制御型の電圧制御機器の無効電力出力を徐々に０に向かう方向に調整しつつ、これを補うように上流側に存在する変圧器型の電圧制御機器が作動するようにする。電圧制御責任範囲の重複範囲では、以上のような制御が実施される。

以上説明したように、本実施の形態では、集中電圧制御装置８は、将来の一定期間内（集中制御周期期間内）の最適電圧分布を求め、この最適電圧分布と適正電圧範囲との関係に基づいてローカル電圧制御装置毎にその電圧制御責任範囲内の各点における電圧上下限余裕量を加味して各ローカル電圧制御装置に対して指令する電圧上下限値を決定している。他方、ローカル電圧制御装置は、通信ネットワーク７を介して集中電圧制御装置８から指令された電圧上下限値に基づき、その制御対象である電圧制御機器の制御電圧を電圧上下限値間に維持するように集中制御周期期間よりも短周期のローカル制御周期でその制御量を調整する。このように、集中電圧制御装置８は各ローカル電圧制御装置に対して電圧上下限値指令のみを行い、各ローカル電圧制御装置は集中電圧制御装置８からの指令に従って自立的にローカル制御をしており、集中電圧制御装置８による集中制御と各ローカル電圧制御装置によるローカル制御が役割分担されている。

これにより、電圧制御機器の制御自体はローカル電圧制御装置によりローカルに実施されるので、例えば太陽光発電量変化などの予測困難な要因による配電系統の電圧変動にも追従して電圧維持を行うことができる。すなわち、急激な電圧変動に対して集中電圧制御装置８との通信を待たずにローカル電圧制御装置だけで対応できるため、早期の電圧制御が可能である。

また、本実施の形態では、集中電圧制御装置８と各ローカル電圧制御装置との間の通信は例えば１時間である集中制御周期で行えばよいので、ローカル制御周期で電圧指令を送信する場合などと比較して、通信頻度が低減され、通信負荷を増大させることがない。

このように、本実施の形態によれば、通信負荷を増大させることなく、太陽光発電量変化などの予測困難な要因による配電系統の電圧変動にも追従して電圧維持を行うことができる。なお、集中電圧制御装置８における電圧上下限値の決定方法は、本実施の形態以外の方法で決定するものであってもよい。その場合でも、上記のように集中電圧制御装置８による集中制御と各ローカル電圧制御装置によるローカル制御が役割分担される限りは、上記課題を達成可能である。ただし、本実施の形態のように電圧上下限値を決定することにより配電系統の電圧制御の信頼性が向上する。

また、本実施の形態によれば、電圧制御機器の制御目標電圧範囲は最適化のロジックに従って決定されているので、電圧制御機器の操作回数も適正化されることが期待される。そのため、例えばＬＲＴ又はＳＶＲ等の変圧器型の電圧制御機器に対しては、タップの切替回数を低減することができるので、その寿命を延ばすことができる。

他方、従来の集中電圧制御装置は、ローカル電圧制御装置を介さずに、電圧制御機器に直接その制御量の指令を行っていた。また、従来は、現時点での電圧計測値が適正電圧範囲から逸脱していることを検知したことを受けて制御を実施しているが、本実施の形態は、将来の一定期間内における電圧変動を予測し、当該一定期間内において電圧が適正範囲から逸脱しないように事前に制御量を決定して制御を実施するものである。また、従来のローカル制御装置では、その電圧上下限値は一般にオフラインでかつ計画段階で決められており、たとえ時間変化に応じて変化させる場合でも、自端の潮流に応じて変化させている。したがって、本実施の形態における電圧上下限値の決定方法とは本質的に異なる。

なお、本実施の形態では、負荷／発電量の予測、及び、ローカル電圧制御装置への電圧上下限値指令を例えば１時間毎に実施するとしたが、これに限定されず、例えば数十分（例えば３０分）乃至数時間毎、あるいはそれ以上の時間間隔で実施することも可能である。さらに、ローカル電圧制御装置への電圧上下限値指令は、電圧上下限指令値が大きく変化した場合のみ実施することも可能である。これにより、通信負荷が一層低減される。

また、通信障害等により集中電圧制御装置８から集中制御周期で電圧上下限値指令が受信できないローカル電圧制御装置が発生する場合に備え、集中電圧制御装置８からローカル電圧制御装置へ事前に電圧上下限値を多時間断面分（例えば、翌日１日分）送信し、ローカル電圧制御装置でこれを記憶しておくことも可能である。この場合、あるローカル電圧制御装置の通信異常時に、当該ローカル電圧制御装置はこの記憶された電圧上下限値に基づいて動作することができ、また、集中電圧制御装置８では、当該ローカル電圧制御装置の動作を推定できる。なお、この場合は、図３のＳ１０２の処理は省略される。

以上のように、本発明は、配電系統電圧制御システム、配電系統電圧制御方法、及び集中電圧制御装置として有用である。

１，５，６ 電圧制御機器、２ 母線、３−１，３−２ 遮断器、４−１，４−２ 配電線、７ 通信ネットワーク、８ 集中電圧制御装置、９ 低圧系統、１０ 電圧潮流計測装置、１１，１５，１６ ローカル電圧制御装置、２０ 制御部、２１ 負荷発電量予測部、２２ 負荷発電量予測値補正部、２３ 最適電圧分布決定部、２４ 電圧上下限値決定部、２８ 送受信部、２９ 記憶部、５６ 変圧器、５７ 負荷、５８ 太陽光発電装置。

Claims (8)

1. 配電線に接続され前記配電線の電圧を制御する電圧制御機器と、
   前記電圧制御機器に接続され、指令により更新される電圧上限値及び電圧下限値の範囲内に前記電圧制御機器の制御する電圧値が維持されるように前記電圧制御機器の制御量を調整するローカル電圧制御装置と、
   前記ローカル電圧制御装置と通信ネットワークを介して接続され、前記ローカル電圧制御装置の前記電圧上限値及び前記電圧下限値の範囲の大きさを変化させる前記指令を前記ローカル電圧制御装置に対して送信する集中電圧制御装置と、
   を備える配電系統電圧制御システム。
2. 前記集中電圧制御装置は、前記配電線が構成する配電系統の各点の負荷または発電量のデータに関するデータベースを予め記憶し、前記データベースに基づき前記指令を決定し前記ローカル電圧制御装置に対して送信する請求項１に記載の配電系統電圧制御システム。
3. 配電線に接続され前記配電線の電圧を制御する電圧制御機器と、前記電圧制御機器に接続され指令により更新される電圧上限値及び電圧下限値の範囲内に前記電圧制御機器の制御する電圧値が維持されるように前記電圧制御機器の制御量を調整するローカル電圧制御装置と、前記ローカル電圧制御装置と通信ネットワークを介して接続される集中電圧制御装置とを備えた配電系統電圧制御システムの配電系統電圧制御方法であって、
   前記集中電圧制御装置が、前記ローカル電圧制御装置の前記電圧上限値及び前記電圧下限値の範囲の大きさを変化させる前記指令を前記ローカル電圧制御装置に対して送信するステップと、
   前記ローカル電圧制御装置が、前記集中電圧制御装置からの前記指令により前記電圧上限値及び前記電圧下限値の範囲の大きさを更新し、前記電圧上限値及び前記電圧下限値の範囲内にその制御対象である前記電圧制御機器の制御する電圧値が維持されるように前記電圧制御機器の制御量を調整するステップとを含む配電系統電圧制御方法。
4. 前記集中電圧制御装置は、前記配電線が構成する配電系統の各点の負荷または発電量のデータに関するデータベースを予め記憶し、前記データベースに基づき前記指令を決定し前記ローカル電圧制御装置に対して送信する請求項３に記載の配電系統電圧制御方法。
5. 配電線に接続され前記配電線の電圧を制御する電圧制御機器に接続され、指令により更新される電圧上限値及び電圧下限値の範囲内に前記電圧制御機器の制御する電圧値が維持されるように前記電圧制御機器の制御量を調整するローカル電圧制御装置と通信ネットワークを介して接続され、前記ローカル電圧制御装置の前記電圧上限値及び前記電圧下限値の範囲の大きさを変化させる前記指令を前記ローカル電圧制御装置に対して送信する集中電圧制御装置。
6. 前記配電線が構成する配電系統の各点の負荷または発電量のデータに関するデータベースを予め記憶し、前記データベースに基づき前記指令を決定し前記ローカル電圧制御装置に対して送信する請求項５に記載の集中電圧制御装置。
7. 配電線に接続され前記配電線の電圧を制御する電圧制御機器に接続され、指令により更新される電圧上限値及び電圧下限値の範囲内に前記電圧制御機器の制御する電圧値が維持されるように前記電圧制御機器の制御量を調整するローカル電圧制御装置であって、前記ローカル電圧制御装置の前記電圧上限値及び前記電圧下限値の範囲の大きさを変化させる前記指令を前記ローカル電圧制御装置に対して送信する集中電圧制御装置に通信ネットワークを介して接続され、前記集中電圧制御装置からの前記指令に基づき、前記電圧制御機器を制御する前記電圧上限値及び前記電圧下限値の範囲の大きさを更新するローカル電圧制御装置。
8. 前記集中電圧制御装置は、配電線が構成する配電系統の各点の負荷または発電量のデータに関するデータベースを予め記憶し、前記データベースに基づき前記指令を決定し前記ローカル電圧制御装置に対して送信する請求項７に記載のローカル電圧制御装置。

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