電力系統の構成

発電機による電気エネルギー発生が実現して以来，電力系統工学は急速に発展してきた。

電気を発生して，輸送し，供給・販売するという電気事業はエジソンによって 1882 年に始められた。

電気事業の根幹たる電力系統は，ベースロードありき，集中型，一方通行を前提として構成され，各国の経済発展を支えてきた。

しかし，一部の国では経済発展が停滞していることに加え，地球温暖化を背景とした脱炭素に向けて，電力系統は，分散型，双方向型，再生可能エネルギー発電中心へとシフトしていくことが求められている。

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電気主任技術者

電力系統の構成
安定度及び電圧安定性
- 電力系統の安定度
信頼度
- 電力系統の信頼度を評価する場合
  - 事故による供給支障の確率の計算
潮流運用
- ループ状送電系統の潮流制御
短絡電流
標準電圧
- 送電電圧の増加
参考文献
更新履歴

電力系統の構成は，ループ系統と放射状系統に大別される。

ループ系統（loop system）

発変電所間ならびに変電所相互間が異なったルートの電線路で環状に接続，運用されている系統。

ループ系統では，送電ルートが複数あるため，安定度，電圧安定性が高く，送電可能電力が大きい。

ループ系統では，片方のルートが使えなくなっても，残りのルートで送電でき，信頼度が高い。しかし，保護システムが適切でなければ，事故が系統全体に波及し，広域停電に至る可能性がある。

ループ系統では，ループ間の潮流を制御することが難しい。

また，片方のループが使えなくなったとき，潮流分布が大きく変化する。

ループ系統では，短絡電流が大きくなりやすく，上位定格の遮断器の採用，あるいは，高インピーダンス機器，限流リアクトルの採用，上位電圧，母線分割の採用による系統分割などの抑制策が必要となることがある。

放射状系統（radial system）

発変電所間ならびに変電所相互間が単一ルートの電線路で放射状に接続，運用されている系統。

放射状系統では，送電ルートが一つしかないため，安定度，電圧安定性はループ系統ほど高くなく，送電可能能力も大きくない。

放射状系統では，ルート断により下位系統への送電が完全にできなくなるので，ループ系統ほど信頼度は高くない。回線数を増やすことでルート断を防ぐ，あるいは，構成上はループ系統とし，常時運用は放射状系統で事故時に系統切換えを行うことで，信頼度低下を抑えることができる。事故が系統全体に波及することはない。

放射状系統では，潮流制御の必要がない。

また，事故時を含み，潮流状況の把握が容易である。

放射状系統では，短絡電流はループ系統ほど大きくならない。

グリッド系統（grid system）

中規模の需要地が散在し，電源がその間に分散している場合に，電源と需要地が交互に接続，運用されている系統。

マイクログリッド

マイクログリッドは，米国エネルギー省において次のように定義されている。

明確に定義でき，グリッドという形で一元的に管理できる事業体として機能する電力系統の中で，負荷と分散型エネルギー資源を相互に接続したグループを指す。

マイクログリッドは，グリッドに接続した状態でも分離状態（アイランド状態）でも動作するように，グリッドとの接続と切り離しが可能である。

なお，この定義では，系統と全く連系されないオフグリッド型はマイクログリッドには当てはまらないが，近年では，マイクログリッドに入れる場合が多い。

電力系統の構成の特徴を，安定度及び電圧安定性，信頼度，潮流運用，短絡電流の観点から対比して説明する。

オフグリッド

オフグリッド（off-grid あるいは offgrid）とは，ある建物やコミュニティが，既存あるいは公共のインフラストラクチャーに依存せずに，電力，ガス，水道などのライフラインのうち少なくとも 1 つを自分たちで確保できている状態を指す。

とりわけ電力の場合は，小規模な電力系統が，既存の大規模な電力系統から切り離された状態を指す。

オフグリッド化のメリット

オフグリッド化している系統は大規模系統の影響を受けないように設計されているため，自前の電源さえ動作していれば電力の自給自足が可能であることが多い。

電気料金の削減についても，電力の自給自足により達成される。

オフグリッド化の課題

オフグリッド化の課題として，外部に協力を求めることができないため，系統内で怒るすべての事象に対して自前の設備で対応する必要がある。

太陽光電池と蓄電池を組み合わせた電源構成は比較的容易に創造できるが，これらは電圧や周波数の瞬間的な変動に対して，既存の大規模系統よりも弱い。

加えて中長期的に天候が晴れや曇り・雨のどちらかに偏るような場合も，エネルギーの面からバランスを保つことが難しい。

安定度及び電圧安定性

ループ系統では，送電ルートが複数あるため，安定度，電圧安定性が高く，送電可能電力が大きい。

放射状系統では，送電ルートが一つしかないため，安定度，電圧安定性はループ系統ほど高くなく，送電可能能力も大きくない。

電力系統の安定度

電力系統の安定度とは，負荷変動，系統操作，短絡や地絡事故などの系統内の擾乱に対して安定に送電を継続できる度合いをいい，定態安定度と過渡安定度とがある。

定態安定度とは，徐々に負荷を増加した場合など微小な擾乱に対して安定に運転を行える度合いをいい，その限界の電力を定態安定極限電力と呼ぶ。

なお，定態安定度，過渡安定度は，擾乱の大きさからの分類であり，発電機の自動電圧調整装置等の制御装置を考慮した分類もある。

線路抵抗の損失を無視した場合の受電端有効電力の最大は，相差角が π/2 のときで，これが定態安定極限電力となる。

この定態安定度の説明には，P - δ 曲線（電力・相差角曲線）が用いられる。

ここで，相差角が微小変化したときの送電電力の変化の割合を同期化力という。

相差角の小さな領域ではその増加とともに送電電力は増加するが，相差角が π/2 を超えると逆に減少するようになる。

これは，負荷増加に対応して相差角が大きくなり，送電電力が増えようとしても，反対に送電電力が減少することを意味し，安定な送電は継続できない。

信頼度

放射状系統では，ルート断により下位系統への送電が完全にできなくなるので，ループ系統ほど信頼度は高くない。

回線数を増やすことでルート断を防ぐ，あるいは，構成上はループ系統とし，常時運用は放射状系統で事故時に系統切換えを行うことで，信頼度低下を抑えることができる。

事故が系統全体に波及することはない。

電力系統の信頼度を評価する場合

電力系統の信頼度を評価する場合，事故による供給支障の確率を用いることがある。供給設備からみた場合，$n$ 台の同一仕様の発電機からなる電源で，発電機 1 台当たりの事故停止確率が $s$ であるとき，同時に発電機 $k$ 台が事故停止している（残りの $(n-k)$ 台の発電機は健全である確率 $p_k$ は，下式で表される。

\[ p_{k}=_{n}C_{k}\cdot s^{k} \cdot (1-s)^{n-k} \]

これによれば，発電機 3 台の電力系統において，発電機 1 台当たりの事故停止確率が 0.05 であるとき，同時に発電機 2 台が事故停止している（残りの 1 台の発電機は健全である）確率は，0.00713 である。