地域供給系統モデル

2. 文献調査の結果

　系統モデルの作成の際の参考とするため、現在までに発表された国内外の論文について、系統モデルの利用状況に焦点を当てて文献調査を行った。アンケートの結果より、地域供給系統モデルの適用目的に対するニーズは把握できたが、既存の系統モデルを用いて過去に行われた研究の動向をも参考とするべく実施した。調査対象としたのは 表 2.1 にあげた電力関連の学術雑誌などである。すべての対象論文を調査し、地域供給系統に該当すると思われる系統モデルが適用されている論文を列挙した。ただし海外文献の場合、系統分類上の基準が日本と異なることから、二次系統に関連すると明確に記されている論文は少ない。よって、文中に明記されていなくとも 66kV、77kV クラスのものであれば調査対象とした。調査した国内外の文献の一覧表を 表 2.1 に掲載する。
　その結果、最初に行った予備的な調査においてあげられた論分数は 表 2.1 のようになった。これら該当論文についてさらに調査し、考察問題の種類、適用されている系統モデルの特徴などを抽出した。

2.1 国内文献

国内文献においては、実際の系統の一部分を切り出してモデル化しているものがほとんどであった。適用されていた問題は主に、事故復旧 (負荷切換え)、信頼度解析、系統計画、最適構成決定などである。図 2.1 にその内訳を示す。事故復旧に関する論文が圧倒的に多く、アンケート結果に一致する。

　電圧階級としては 66kV 系が中心であり、上位側 154kV 系までを含めた文献も散見された。系統モデルの規模については考察している問題の種類やその解法などに依存するが、電源変電所数で 3 ～ 1 箇所、負荷点数が 6 ～ 5 箇所であるような単独二次系統や、電力会社の支店スケールの二次系統を 3 階層に分けたモデルなどが見受けられた。

2.2 海外文献

　海外文献にて対象となっている問題は、主に事故復旧、信頼度解析、系統計画 (停電コスト最小化)、事故区間判定などであった。やはり、基本的に事故復旧や信頼度解析、系統計画のために用いられていたものが多く、その内訳は 図 2.2 に示されている。ただし、なかには配電系統に関する問題と思われるものも含まれており、幅広い種類にわたるという結果になった。これは、海外における系統分類上の基準が日本と異なり、かなり広い範囲が調査対象となっているためである。これを国内文献での基準とそろえるため、電圧階級にかかわらず明らかに配電系統が対象であるものを除くと図 2.3 のようになる。やはり事故復旧が最も多く、信頼度解析、事故区間判定と続く。順位こそ異なるが、ほぼ国内文献の場合と同様の結果となった。
　系統モデルの作成方法としては、実系統の一部を切り出したモデルが多かったが、信頼度解析に関しては IEEE Reliability Test System を用いている文献もあった。系統モデルの規模は、電源変電所数で 1 ～ 6 程度、ノード・ブランチ表現したもので最大 300 ノード近い規模のものも見受けられた。

2.3 文献調査結果のまとめ

　以上のように、国内外を問わず、事前に行ったアンケート結果と同様の傾向が現れた。よって地域供給系統モデルとしては、ニーズの高かった事故復旧、系統切換え問題や信頼度解析問題などに必要十分は種類のデータが具備されている必要がある。また、系統モデルの規模に関しても、ある程度のむずかしさを伴っていないと汎用系統モデルとしてふさわしくなく、文献調査の結果を踏まえて決定された。

3. 地域供給系統モデル

3.1 系統 I 77kV 架空送電線系統

　本系統モデルは、系統事故復旧を主体とした検討用に、大規模事故復旧検討にも対応できるよう、系統規模の大きなモデルとして作成した。なお、検討内容に応じて選択できる 2 とおりの負荷ケースを設定している。

3.1.1 系統モデルの概要

　本系統モデルは、電源変電所一次側母線以下 77kV 系統を対象に模擬してある。系統モデルを 図 3.1、図 3.2 に示すとともに、以下に概要を述べる。

(1) 系統について

系統は、12 の電源変電所および各電源変電所間を連系する送電線、その途中にある線路開閉設備を有する発変電所 (以下「連系変電所」と呼称)、小規模水力発電所から構成されており、各系統は、連系変電所または電源変電所で系統分離されている。なお、送電線から分岐する配電用変電所、特高需要家は集約してある。系統 I の規模を 表 3.1 に示す。

　系統の地域性としては、大きく分けて系統図上部の山間部と左部および下部の需要密集地に分けられる。山間部は系統間連系が弱く水力が並列している。それに対し需要密集地は電源変電所が集中し、複数連系している。

(2) 負荷ケースについて

本系統モデルでは、負荷設定の異なる 2 ケースを用意してある。

• 標準負荷ケースを 図 3.1 に示す。
  このケースは実運用に近い負荷設定としてある。
  適用例 : 復旧時間最小化検討 など
• 増加負荷ケースを 図 3.2 に示す。
  このケースは標準負荷ケースに対し、一部の負荷設定を大きくして設備余力を減らし、事故復旧後の残存供給支障が大きい負荷設定としてある。
  適用例 : 供給支障最小化検討 など

3.1.2 系統データ

本系統モデルでは、以下のデータを系統図上に表示している。

(1) 電源変電所

• 変圧器連続容量 (MW) : 変圧器個別および合計の連続容量値を表示している。合計値は、インピーダンスのアンバランスがある箇所は、インピーダンス比を考慮した値としてある。
• 変圧器事前潮流限度 (MW) : 図 3.3 および 図 3.4 の変圧器過負荷パターンから決まる常時の変圧器潮流限度値を表示している。
• 変圧器インピーダンス (% / 10MVA ベース) : 変圧器個別の 10MVA ベースでのインピーダンス値を表示している。
• 二次側母線構成 : 2 重母線構成となっており、各変圧器、送電線、負荷の母線接続状態を表示している。
• 位相差 : 変電所 No.1 の一次側母線に対する各電源変電所一次側母線の位相差を表示している。

(3) 連系送電線

• 連続容量 (MW) : 1 回線あたりの連続容量値を表示している。
• 短時間容量 (MW) : 図 3.5 の送電線過負荷パターンから決まる 1 回線あたりの短時間過負荷値を表示している。
• インピーダンス (% / 10MVA ベース) : 1 回線あたりの 10MVA ベースでのインピーダンス値 (X 成分のみ) を表示している。

(4) 負荷

• 復旧優先度 : 各負荷を 3 段階に区分し、復旧優先度の高い順に I、II、III として表示している。

3.1.3 制約事項

(1) 変圧器の事前潮流値

電源変電所変圧器潮流は、変圧器並列運用時は合計潮流を事前潮流限度以内とし、単独運用時は連続容量以内とする。

(2) 送電線の事前潮流値

連系送電線潮流は、2 回線並用運用時は合計潮流を 1 回線短時間容量以内とし、1 回線単独運用時は連続容量以内とする。

(3) 事故時の変圧器潮流値

変圧器並列運用時に変圧器が事故停止した場合の残り変圧器潮流は、図 3.3 または 図 3.4 の過負荷パターン内とし、パターン内に入らない場合は、負荷遮断を行う。また、隣接系統から事故復旧を行う場合の隣接変電所変圧器潮流は、連続容量以内とする。

(4) 事故時の送電線潮流値

2 回線並用運用時に 1 回線が事故停止した場合の残り回線潮流は、図 3.5 の過負荷パターン内とし、パターン内に入らない場合は、負荷遮断を行う。また、隣接系統から事故復旧を行う場合の隣接連系送電線潮流は、連続容量以内とする。

3.2 系統 II 77kV 地中送電系統

　本モデルは、ケーブル系統を主体とする都市部においての事故復旧操作の検討を行う際のモデル系統として開発した。特徴としては、復旧手段として系統切換えの他に配電切換えによる負荷移行を可能としている。

3.2.1 系統モデルの概要

　本系統は、オフィス街、商業地域を中心とした都市の中枢部であり、主として地中ケーブルで構成されている供給地域である。上位系統から受電している電源変電所が隣接しており、配電用変電所はこれらの電源変電所から受電している。
　本系統には 6 カ所の電源変電所、2 箇所の連系変電所、1 箇所の開閉所および 27 箇所の配電用変電所が存在する。系統構成は放射状で運用されており、常時開放点で系統を区分している。したがって、電源変電所の事故による全停範囲を限定することができ、復旧時には隣接系統からの供給が可能である。

3.2.2 系統データ

　地中送電系統の構成を 表 3.2 に示し、系統モデルを図 3.6 に示す。すべての系統データを系統図上に表示している。データ項目の詳細は次の通りである。

(1) 電源変電所

• 連続容量 (MVA) : 送電用変圧器の連続容量を記述している。この値の総計が変電所容量である。
• 特高需要家負荷 (MW) : 送電用変電所から直接供給している負荷に対してはノード番号と負荷の値を記述している。
• 二次側母線構成 : 各変電所は 2 母線または 3 母線で構成されており、母線連絡開閉設備の投入または開放表示によって母線構成を示している。投入中の設備は○で表示し、開放中の設備は×で表示している。

(2) 配電用変電所

• 負荷 (MW) : 初期状態での負荷の値を示している。
• 連続容量 (MW) : 変電所の最大容量を示している。
• 負荷切換え先 : 配電切替が可能な配電用変電所は、負荷の移行先を矢印で示している。どちらか一方の変電所が停電したときは、他方の変電所へ負荷を切り換えることができる。
• 位相差 : 変電所 1 の変圧器二次側母線に対する各電源変電所二次側母線の位相差。

(3) 送電線

• 連続容量 (MW) : 連続許容値としての 1 回線あたりの送電容量を示している。
• 短時間容量 (MW) : 10 分以内の短時間許容値としての 1 回線あたりの送電容量を示している。
• インピーダンス (%) : 各送電線 1 回線あたりのインピーダンスを 10 MVA ベースで記述している。平行 2 回線または平行 3 回線の送電線の場合は、インピーダンスは同じ値であるため代表 1 回線の値のみを記述している。
• 開閉設備 : 送電線の開閉設備で投入中のものは図では省略しており、開放中の開閉設備のみ×印にて表示している。

(4) 復旧優先度

• 各負荷を 2 ランクに分類し、復旧優先度の高い負荷を I、復旧優先度の低い負荷を II と表示している。

3.2.3 事故復旧時の制約事項

(1) 事故復旧手順

　事故復旧の検討においては、電源変電所の全停事故に対して、系統切換えおよび配電切替えによって過負荷を解消しつつ停電箇所を復旧することを想定している。
　復旧手順としては、まず 77kV 系の系統切換えを行い、系統切換えのみでは線路の過負荷が解消できない場合や停電箇所を復旧できない場合には、配電切換えによる負荷移行を行う。

(2) 系統操作条件

　本系統では系統各部の電圧はほぼ一定であり、直流法潮流計算が使用できる。電圧などの制約がないため、77kV 系の系統切換え時における開閉設備の入切操作は任意に行うことができる。ただし、最終系統は各電源変電所ごとに系統を構成し、電源変電所同士は連系しないこととする。
　送電線と電源変圧器の短時間過負荷容量とその使用可能時間については 3.1.3 節 と同じ考え方とする。送電線の事前潮流は n-1 事故時に短時間容量を超えない値とする。
　配電切換え時の負荷の移行先はあらかじめ決められており、一つの切換え先に対して最大 30 MW まで切換え可能とする。ただし、各配電用変電所ごとの連続容量の最大値を超えない範囲とする。
　以下に、復旧手順の概略を示す。

• (a)手順
  • (i) 77kV 系の系統切換えを行う。
  • (ii) 系統切換えのみでは線路の過負荷が発生する場合には配電切換えを行う。
• (b) 条件
  • (i) 配電切換えは各切換え可能先に負荷を移行する。一つの切換え先に対して最大 30 MW まで切換え可能とする。
  • (ii) 各配電用変電所ごとの連続容量の最大値を超えない範囲とする。
  • (iii) 配電切換えは停電区間から健全区間へ負荷を移行するものとする。健全区間の負荷を移行することは行わない。
  • (iv) 最終系統は、各電源変電所ごとの系統を構成することとし、電源変電所同士は連系しない。

3.3 系統 III 66kV 架空線・地中線混在系統

　本系統モデルは、事故復旧検討ならびに信頼度評価を目的として、わが国の大都市近郊に見られる工業・商業・住宅地域が混在している系統を模擬し、可能なかぎり実在する系統に近づけた系統モデルである。

3.3.1 系統モデルの概要

　本モデルの猛暑期 15 時の負荷断面を表した系統図を 図 3.7 として示す。系統の規模は 表 3.3 のとおりである。

　モデルの模擬範囲は電源変電所の一次側母線から、配電用変電所については変圧器二次側まで、需要家設備については一次側 (66kV) 母線までとした。　系統には 4 箇所の電源変電所が存在し通常はそのうち 1 箇所の電源は母線分割されており、66kV 系統については計 5 つの系統に分割されて放射状に運用されている。また需要の内訳は、住宅負荷 50%、商業負荷 25%、工業負荷 25% である。

3.3.2 事故復旧検討用のデータ

　系統モデルのデータについては 表 3.4 および 表 3.5 の二つの形で提供している。データ項目の種類は次の七つ。

個々のデータ項目の詳細については表中に解説を記した。

表 3.4 (a)　ノードデータ例

■ 解説

ノード番号の付け方は、ノードの種類によって次の 3 通りに分かれている。

• 変電所・特高需要家内の母線 (3 ～ 5 桁)変電所番号 (数字 1 ～ 3 桁) ＋ 母線番号 (数字 2 桁)　例 : 1402
• 電源変電所・開閉所内の仮想ノード変電所番号 (数字 1 ～ 2 桁) ＋ 母線番号 (アルファベット 1 桁 ＋ 数字 2 桁)　例 : 2o21
  ※ 仮想ノードの番号は、そのノードに接続する開閉器の開閉器番号と同じ。

• 送電線上のノードルート番号 (2 桁) ＋ 通し番号 (2 桁) ＋ 回線番号 (1 桁)　例 : 51012

■ ノード番号・開閉器番号の適用例

■ ノード種別

• N – 母線ノード : 通常の母線を表す
• J – 送電線分岐点ノード : 送電線の分岐点を表す
• C – 線種変更ノード : 送電線の線種変更点を表す
• H – 併架変更ノード : 送電線の併架状況が変わる点を表す
• V – 仮想ノード : 母線以外の設備と開閉器を接続するための仮想ノード

■ PV / PQ 指定

潮流計算を行う際の PV / PQ 指定の種類を表す

表 3.4 (b)　送電線データ例

■ 解説

送電線番号 (5 桁)　例 : 51011

ルート番号 (左 2 桁)	＋	区間番号 (中 2 桁)	＋	回線番号 (右 1 桁)
5　　1		0　　1		1
ルート 51		第1区間		1号線

上記の送電線データは 表 3.4 (a) の系統図と対応している
隣接ブランチ番号は、信頼度評価検討の際に、送電線ルート事故を表現する際に使用。

表 3.4 (c)　開閉器データ例

■ 解説

開閉器番号の付け方 (最大 7 桁 : 詳細は 表 3.4 (a) を参照)

• 変電所・需要家番号 (数字 1 ～ 3 桁) ＋ 遮断器番号 (アルファベット 1 桁 ＋ 数字 1 ～ 3 桁)

From / To ノードの設定

• 開閉器が分岐していなければ、母線ではない側を From ノードとする。両端とも母線の場合は、ノード番号が若い方を From 側と設定する。
• 開閉器が分岐している場合は、切替が不可能な側を From 側とする。つまり、複母線に接続する開閉器 (上表の 2o21 のような開閉器) では、送電線側を From 側とする。逆に、遮断器 1 台で 2 回線受電を行っている需要家などでは、母線側を From 側とし、送電線側を To 側とする。

表 3.4 (d)　変圧器データ例

■ 解説

変圧器番号 (数字 3 ～ 5 桁)　　例 : 212

変電所番号 (数字 1 ～ 3 桁)	＋	通し番号 (数字 1 桁)	＋	次数番号 (数字 1 桁)
2		1		2
変電所 2		1 号変圧器		2 次側

次数番号とは、3 次側出力が存在する変圧器の場合、1 台の変圧器を 1 次側、2 次側、3 次側に 3 分割して表現するために必要な数字で、3 次側出力が無い場合は 0 とする。

表 3.4 (e)　調相設備データ例

■ 解説

調相設備番号の付け方

• 変電所番号 (数字 1 ～ 3 桁) ＋ 設備種別 (アルファベット 1 文字) ＋ 通し番号 (数字 1 ～ 3 桁)

表 3.5 (a)　負荷曲線データ

日負荷曲線

日負荷については平日 15 時の値を 100とした 年負荷レベル

表 3.5 (b)　故障率・復旧時間データ

3.3.3 事故復旧検討時の制約事項

　送電線・変圧器の短時間容量とその使用可能時間は 図 3.8 のとおりである。
　事故復旧時の制約条件としては、復旧操作時に潮流が設備の短時間容量を超過しないことと、復旧後の系統にて潮流が設備の連続容量を超過しないことの二つである。

3.3.4 信頼度評価検討用データ項

　信頼度、すなわち供給支障量や供給支障時間を評価検討するには、3.3.1 に示したようなノード・ブランチデータに加えて、設備の故障率データが必要となる。また、故障発生時にほかの設備に切換え可能か否かによって供給支障量が変化するので設備容量データに加え、時々刻々と変化する需要レベルのデータも必要となる。
　既存の信頼度評価用系統モデルとしては IEEE Reliability Test System が著名であり、このモデルでも送電系統モデルに加えて、信頼度評価に必要な電源特性、需要モデル、故障率データが用意されている。
　今回のモデルは地域供給系統の信頼度評価を目標とするため、電源特性は考慮しないが、特に最近検討が進められている信頼度を確率に評価する手法においては、負荷変動データが重要となることから、需要モデルについては全負荷一律だけでなく、負荷の種別によって使い分けられるようにきめ細かく設定した。

(1) 負荷変動データ (需要モデル)

　表 3.5 (a) に示すとおり、負荷変動データは住宅負荷・商業負荷・工業負荷に分け、日負荷曲線 (平日・休日別) と月別の年負荷レベルから、1 年間 8,760 時間の負荷変動を設定できるようにしている。特に季節による日負荷曲線の変化が著しい住宅負荷については、夏季・冬季・春秋季の 3 とおりの日負荷曲線を用意した。図 3.7 の各負荷がどの種別に分類されるかはノードデータに示されている [ 表 3.4 (a) ] 。これらの負荷曲線を 図 3.9 (a) ～ (e) に示す。月別負荷レベルは、特にピーク需要がせん鋭化している日本の需要特性を模擬するため、通常の月とは別に、7 月末に 5 日間の猛暑期 [ データファイル ( 表 3.5 ) 中では「P」で表記 ] 設定している。月別負荷レベルを 図 3.9 (f) に示す。
　また、負荷種別まで考慮できないユーザのために全系の年間デュレーションデータもディジタルデータとしては用意しており、これを用いて全負荷一律に負荷変動するとして信頼度評価を行うことも可能である。

(2) 故障率・復旧時間データ

　故障率データを 表 3.5 (b) に示す。故障率は、電気協同研究「変電設備保全の高度化・効率化」 (50, No.2) に示される値や電力会社の実績値を使用した。母線の故障率は電源変電所、配電用変電所などの別を問わず同一とした。なお、送電線再送電成功以外の復旧時間は現実には、故障設備が復旧できる時間ではなく、配電切換えなどの対策により故障が継続した状態でも供給支障が解消される系統を構築するために必要となる時間に相当している。

(3) 系統切換え時間

　系統モデルの中で系統切換えを考慮し、上記の復旧時間よりも早く供給支障が解消されることを模擬し、信頼度評価に反映できるよう系統切換え時間を下記のように設定した。

• 配変 1 次側の受電切換え : 1 分
• 配変バンクの切換え : 10 分
• その他の切換え : 初期応動 3 分に加えて、1 回の切換えに対して必要な操作時間を 5 分とする。したがって、供給支障解消までに N 回の系統切換えが必要な場合、停電時間は (3+5N) 分。

系統データのダウンロード

　ここでは、系統のデータおよびマップをダウンロードすることができる。Microsoft Excel 形式 (.xls) のファイルを、自動解凍形式 (.exe) で圧縮している（拡張子の”.jpg”を削除して下さい）。

• 系統 I 77kV 架空送電線系統 (架空線系統)
  Model I : 77kV Provincial system model　
  (221 KB)
• 系統 II 77kV 地中送電線系統 (地中系統)
  Model II : 77kV Metropolitan system model　
  (103 KB)
• 系統 III 66kV 架空線地中線混在系統 (架地混系統)
  Model III : 66kV Suburban system model　
  (653 KB)

　なお、系統 III に関しては、事故復旧検討用と信頼度評価検討用の 2 種類を作成した。配変 2 次母線までのデータおよび設備事故率のデータを揃えているかどうかが主に異なる。詳しくは、ダウンロードおよび解凍後、readme.txt を参照されたい。