JP6985648B2

JP6985648B2 - 配電線の電圧不平衡を監視および抑制する方法および装置

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Publication number: JP6985648B2
Application number: JP2018059297A
Authority: JP
Inventors: 純弥菅野
Original assignee: Tokyo Electric Power Co Inc; Tokyo Electric Power Co Holdings Inc
Current assignee: Tokyo Electric Power Co Holdings Inc
Priority date: 2018-03-27
Filing date: 2018-03-27
Publication date: 2021-12-22
Anticipated expiration: 2038-03-27
Also published as: JP2019176543A

Description

本発明は、配電線の電圧不平衡を監視および抑制する方法および装置に関するものである。

一般に配電線では三相交流電力が送電され、柱上変圧器を介して、住宅、商店、工場などの電力需要家に三相または単相の交流電力が供給される。最も多く利用されている単相３線式では、柱上変圧器は、配電線における三相のうちのいずれか二相に接続される。このため、配電線の電圧に不平衡が生じる。
例えば、特許文献１には、配電線に生じる不平衡電流を補償し、マイクログリッド電力系統を構成する三相３線式の配電線を流れる電流の各相のバランスを保つ技術が開示されている。

特許第５１６４６７８号公報

図１を用いて、配電線の接続について説明する。
変電所から配電線に三相交流電力が送電されている。単相２線式の柱上変圧器Ｘの一次側は、配電線ｂｃに接続され、柱上変圧器Ｘの二次側は、電力需要家である住宅ｘ１、ｘ２、・・・に接続されている。単相３線式の柱上変圧器Ｙの一次側は、配電線ａｃに接続され、柱上変圧器Ｙの二次側は、電力需要家である住宅ｙ１、商店ｙ２、・・・に接続されている。三相３線式の柱上変圧器Ｚの一次側は、配電線ａｂｃに接続され、柱上変圧器Ｚの二次側は、電力需要家である工場ｚ１に接続されている。
例えば、柱上変圧器Ｙに接続されている電力需要家ｙ１、ｙ２、・・・における電力使用量が増加すると、配電線ａｃの電圧が低下し、配電線ａｂｃの電圧に不均衡が生ずる。
上述したように、単相３線式で接続されている電力需要家が大多数を占めるが、柱上変圧器の一次側が配電線ａｂｃのうちのいずれの二相に接続されているのかが現状では把握できていない。

そこで、本発明は、配電線の電圧不平衡を監視することにより、柱上変圧器の一次側が配電線ａｂｃのうちのいずれの二相に接続されているのかを把握し、さらに、電圧不平衡が生じていた場合、その電圧不平衡を抑制する方法および装置を提供することを目的とする。

本発明は、監視抑制装置を用いて配電線の電圧不平衡を監視するための方法であって、
前記監視抑制装置の電圧受信部により、柱上変圧器の一次側の配電線の第１の電圧を受信するステップと、
前記監視抑制装置の電力制御部により、前記柱上変圧器と送受電する電力需要家のパワーコンディショナーに対して、有効電力または無効電力を変化させるように制御するステップと、
前記電圧受信部により、前記柱上変圧器の一次側の第２の電圧を受信するステップと、
前記監視抑制装置の比較部により、前記第１の電圧と前記第２の電圧とを比較するステップと、
前記比較部により、比較の結果、配電線の電圧変化の有無を検出するステップと、
接続把握部により、前記柱上変圧器の一次側が接続されている配電線を把握するステップと、
を含む。

前記柱上変圧器に取り付けたセンサまたは前記柱上変圧器に近接する変電所のセンサを利用して、前記第１の電圧および前記第２の電圧を受信する、
ことが好ましい。

本発明は、監視抑制装置を用いて配電線の電圧不平衡を抑制するための方法であって、
前記監視抑制装置の電圧受信部により、柱上変圧器の一次側の配電線の電圧を受信するステップと、
前記監視抑制装置の計算部により、前記電圧に基づき、配電線における電圧不平衡率を計算するステップと、
前記監視抑制装置の電力制御部により、前記柱上変圧器と送受電する電力需要家のパワーコンディショナーに対して、有効電力または無効電力を変化させるように制御するステップと、
を含む。

前記柱上変圧器に取り付けたセンサまたは前記柱上変圧器に近接する変電所のセンサを利用して、前記電圧を受信する、
ことが好ましい。

本発明は、配電線の電圧不平衡を監視するための監視抑制装置であって、前記監視抑制装置は、
柱上変圧器と送受電する電力需要家のパワーコンディショナーに対して、有効電力または無効電力を変化させるように制御する電力制御部と、
有効電力または無効電力を変化させる前に前記柱上変圧器の一次側の配電線の第１の電圧を受信するとともに、有効電力または無効電力を変化させた後に前記柱上変圧器の一次側の配電線の第２の電圧を受信する電圧受信部と、
前記第１の電圧と前記第２の電圧とを比較し、比較の結果、配電線の電圧変化の有無を検出する比較部と、
前記柱上変圧器の一次側が接続されている配電線を把握する接続把握部と、
を有する。

本発明は、配電線の電圧不平衡を抑制するための監視抑制装置であって、
柱上変圧器の一次側の配電線の電圧を受信する電圧受信部と、
前記電圧に基づき、配電線における電圧不平衡率を計算する計算部と、
前記柱上変圧器と送受電する電力需要家のパワーコンディショナーに対して、有効電力または無効電力を変化させるように制御する電力制御部と、
を有する。

配電線の接続について説明するための図である。本発明の配電線の電圧不平衡を監視および抑制するための監視抑制装置を含むシステムの全体図である。パワーコンディショナーにより制御される太陽光発電システムの一例を示す図である。本発明の配電線の電圧不平衡を監視する方法を説明するためのフローチャートである。本発明の配電線の電圧不平衡を抑制する方法を説明するためのフローチャートである。

図２は、本発明の配電線の電圧不平衡を監視および抑制するための監視抑制装置を含むシステムの全体図である。
監視抑制装置１００は、ネットワーク（無線ネットワーク、光ネットワーク等）を介して、柱上変圧器の一次側の電圧を測定するためのセンサＳＥｘ、ＳＥｙ、ＳＥｚ・・・および各電力需要家のパワーコンディショナーＰＣＳ＿ｙ１、ＰＣＳ＿ｚ１・・・に接続されている。以下、センサＳＥｘ、ＳＥｙ、ＳＥｚ・・・を特に区別しないときには、センサＳＥと記載し、パワーコンディショナーＰＣＳ＿ｙ１、ＰＣＳ＿ｚ１・・・を特に区別しないときには、パワーコンディショナーＰＣＳと記載する。
監視抑制装置１００は、ＰＣ、サーバ、ワークステーション等のコンピュータであり、ハードウェア構成として、ＣＰＵ、メモリ、通信Ｉ／Ｆ、入出力装置等を有する。ＣＰＵは、メモリに格納されているプログラムを読み出して実行する。メモリには、プログラムおよびデータ等が格納される。通信Ｉ／Ｆは、センサＳＥおよびパワーコンディショナーＰＣＳと通信する。
監視抑制装置１００は、電力制御部１０、電圧受信部２０、比較部３０、接続把握部４０および計算部５０を有する。監視抑制装置１００のこれらの機能は、監視抑制装置１００のハードウェア自体が備える機能によって実現されるか、または、メモリに格納されているプログラムがＣＰＵにより実行されることによって実現される。
センサＳＥは、柱上変圧器の一次側の配電線ａｂｃの電圧を測定する。センサＳＥは、柱上変圧器に新たに取り付けたセンサを利用してもよいし、センサを内蔵したＩＴ開閉器のセンサを利用してもよいし、柱上変圧器が変電所に近接する場合、変電所のセンサを利用してもよい。図１の例では、センサＳＥｘ、ＳＥｙ、ＳＥｚはそれぞれ、柱上変圧器Ｘ、Ｙ、Ｚの一次側に取り付けられているものとする。
パワーコンディショナーＰＣＳは、太陽光発電システムや家庭用燃料電池を利用する上で、発電された電気（直流）を家庭などの環境で使用できるように交流に変換する機器であり、スマートインバータとも称される。図１の例では、住宅ｙ１が太陽光発電システムのパワーコンディショナーＰＣＳ＿ｙ１を有し、工場ｚ１が太陽光発電システムのパワーコンディショナーＰＣＳ＿ｚ１を有する。

図３に、パワーコンディショナーにより制御される太陽光発電システムの一例を示す。
図３において、矢印は電力の流れを表す。
太陽光発電システムでは、太陽光パネルにより発電された電力は、接続箱を介して、パワーコンディショナーＰＣＳに送られる。パワーコンディショナーＰＣＳは、直流電力を交流電力に変換し、交流電力を分電盤に送る。分電盤は、電力を各電化製品等に送る。電力量計は、売却した電力（売電）量および購入した電力（買電）量をそれぞれ表示する。
パワーコンディショナーＰＣＳは、図２に示したように、ネットワークに接続されており、監視抑制装置１００により太陽光発電システム全体の運転を制御する。例えば、パワーコンディショナーＰＣＳは、監視抑制装置１００に制御されて、太陽光発電システムの配電線に対する出力を変化させることができる。

図１および図４を用いて、本発明の配電線の電圧不平衡を監視する方法を説明する。
ステップＳ１において、電圧受信部２０は、柱上変圧器Ｙの一次側に取り付けられたセンサＳＥｙが測定した配電線ａｂｃの電圧（第１の電圧）を受信する。
ステップＳ２において、電圧受信部２０は、配電線ａｂｃの第１の電圧が基準電圧範囲内か否かを判断する。
ステップＳ２において、配電線ａｂｃの第１の電圧が基準電圧範囲内の場合（ｙｅｓ）、ステップＳ３において、電力制御部１０は、住宅ｙ１のパワーコンディショナーＰＣＳ＿ｙ１に対して、太陽光発電システムの有効電力または無効電力を変化させるように制御する。有効電力または無効電力を変化させる場合、軽負荷時または夜間等に、無効電力を遅相から進相へ急変させると、配電線ａｂｃにおける電圧変化が大きく出るため好ましい。
ステップＳ４において、電圧受信部２０は、柱上変圧器Ｙの一次側に取り付けられたセンサＳＥｙが測定した配電線ａｂｃの電圧（第２の電圧）を受信する。
ステップＳ５において、電圧受信部２０は、配電線ａｂｃの第２の電圧が基準電圧範囲内か否かを判断する。
ステップＳ５において、配電線ａｂｃの第２の電圧が基準電圧範囲内の場合（ｙｅｓ）、ステップＳ６において、比較部３０は、ステップＳ１において受信した配電線ａｂｃの第１の電圧と、ステップＳ４において受信した配電線ａｂｃの第２の電圧と、を比較する。
ステップＳ７において、比較部３０は、比較の結果、配電線ａｂｃの電圧変化の有無を検出する。例えば、配電線ａｃの電圧に変化があり、配電線ｂの電圧に変化がないことを検出する。
ステップＳ７において、比較部３０が、配電線ａｃの電圧変化を検出した場合（ｙｅｓ）、ステップＳ８において、接続把握部４０は、電圧が変化した配電線ａｃに、柱上変圧器Ｙの一次側が接続されている、ということを把握する。
ステップＳ７において、比較部３０が、配電線ａｂｃのいずれの電圧変化も検出しなかった場合（ｎｏ）、ステップＳ３に戻り、電力制御部１０は、住宅ｙ１のパワーコンディショナーＰＣＳ＿ｙ１に対して、有効電力または無効電力をさらに変化させるように制御する。
ステップＳ２およびステップＳ５において、配電線ａｂｃの電圧が基準電圧範囲外の場合（ｎｏ）、処理を終了する。
本発明の方法により、住宅ｙ１の太陽光発電システムの出力を変化させることで、柱上変圧器Ｙの一次側が配電線ａｂｃのうちの配電線ａｃに接続されていることを把握することができる。

図１および図５を用いて、本発明の配電線の電圧不平衡を抑制する方法を説明する。
図４に示した本発明の方法または他の方法により、配電線ａｃに、柱上変圧器Ｙの一次側が接続されている、ということを把握していることを前提とする。
ステップＳ１１において、電圧受信部２０は、柱上変圧器Ｙの一次側に取り付けられたセンサＳＥｙが測定した配電線ａｂｃの電圧を受信する。例えば、配電線ａｂｃの電圧はそれぞれ、Ｖ_ａｂ＝６６００Ｖ、Ｖ_ｂｃ＝６４００Ｖ、Ｖ_ｃａ＝６８００Ｖであるとする。
ステップＳ１２において、電圧受信部２０は、配電線ａｂｃの電圧が基準電圧範囲内か否かを判断する。
ステップＳ１２において、配電線ａｂｃの電圧が基準電圧範囲内の場合（ｙｅｓ）、ステップＳ１３において、計算部５０は、配電線ａｂｃの電圧（Ｖ_ａｂ、Ｖ_ｂｃ、Ｖ_ｃａ）を式（１）に代入して、配電線ａｂｃにおける電圧不平衡率Ｕを計算する。本例では、Ｖ_ａｂ＝６６００Ｖ、Ｖ_ｂｃ＝６４００Ｖ、Ｖ_ｃａ＝６８００Ｖであり、電圧不平衡率Ｕ＝３．５％である。

ステップＳ１４において、計算部５０は、電圧不平衡率Ｕが基準範囲外か否かを判断する。
ステップＳ１４において、電圧不平衡率Ｕが基準電圧範囲外の場合（ｙｅｓ）、すなわち、配電線ａｂｃの電圧が不平衡の場合、ステップＳ１５において、電力制御部１０は、住宅ｙ１のパワーコンディショナーＰＣＳ＿ｙ１に対して、有効電力または無効電力を変化させるように制御する。上述したように、住宅ｙ１と送受電する柱上変圧器Ｙの一次側が配電線ａｃに接続されていることが分かっているため、パワーコンディショナーＰＣＳ＿ｙ１により住宅ｙ１の太陽光発電システムの出力を変化させると、配電線ａｃの電圧Ｖ_ｃａが変化する。そこで、例えば、配電線ａｃの電圧Ｖ_ｃａが６８００Ｖから６５００Ｖに減少するように、電力制御部１０は、住宅ｙ１のパワーコンディショナーＰＣＳ＿ｙ１に対して、有効電力または無効電力を減少させるように制御する。その結果、電圧不平衡率は１．８％になり、配電線ａｂｃの電圧不平衡が改善することが分かる。
ステップＳ１５において、電力制御部１０が有効電力または無効電力を変化させるように制御した後、ステップＳ１１に戻り、電圧受信部２０は、配電線ａｂｃの電圧を受信し、ステップＳ１２において、電圧受信部２０は、配電線ａｂｃの電圧が基準電圧範囲内か否かを判断する。このように、電圧不平衡を抑制するために有効電力または無効電力を変化させる際は、配電線ａｂｃの電圧を監視し、基準範囲内に収まる範囲で実施する必要がある。
本発明の方法により、住宅ｙ１の太陽光発電システムの出力を変化させることで、配電線ａｂｃの電圧不平衡を改善することができる。

図示を省略するが、その後さらに配電線ａｂｃの電圧不平衡を改善するために、ステップＳ１５において、電力制御部１０は、配電線ａｂに接続されている別の柱上変圧器（柱上変圧器Ｙの付近に存在する）と送受電する電力需要家のパワーコンディショナーに対して、有効電力または無効電力を減少させるように制御することもできる。例えば、配電線ａｂの電圧が６６００Ｖから６４５０Ｖに減少すると、電圧不平衡率は０．９％になり、配電線ａｂｃの電圧不平衡がさらに改善することが分かる。
表１に、上述した方法により改善した電圧不平衡率および配電線ａｂｃの電圧を示す。

本発明は、上述した例に限定されず、さまざまな変形が可能である。
例えば、ステップＳ１５では、電力制御部１０は、住宅ｙ１のパワーコンディショナーＰＣＳ＿ｙ１に対して、有効電力または無効電力を減少させるように制御したが、有効電力または無効電力を増加させるように制御することもできる。また、電力制御部１０は、複数の電力需要家のパワーコンディショナーに対して、同時に有効電力または無効電力を変化させるように制御し、複数の配電線の電圧を同時に変化させることもできる。
また、太陽光発電システムの代わりに家庭用燃料電池等の任意の再エネルギー設備のパワーコンディショナーを利用することもできる。
また、電圧不平衡率を求める際には、上述した式（１）の代わりに、電圧ベクトル図を用いることもできる。

Claims

監視抑制装置を用いて配電線の電圧不平衡を監視するための方法であって、
前記監視抑制装置の電圧受信部により、柱上変圧器の一次側の配電線の第１の電圧を受信するステップと、
前記監視抑制装置の電力制御部により、前記柱上変圧器と送受電する電力需要家のパワーコンディショナーに対して、有効電力または無効電力を変化させるように制御するステップと、
前記電圧受信部により、前記柱上変圧器の一次側の第２の電圧を受信するステップと、
前記監視抑制装置の比較部により、前記第１の電圧と前記第２の電圧とを比較するステップと、
前記比較部により、比較の結果、配電線の電圧変化の有無を検出するステップと、
接続把握部により、前記柱上変圧器の一次側が接続されている配電線を把握するステップと、
を含む方法。
前記柱上変圧器に取り付けたセンサまたは前記柱上変圧器に近接する変電所のセンサを利用して、前記第１の電圧および前記第２の電圧を受信する、
請求項１に記載の方法。
監視抑制装置を用いて配電線の電圧不平衡を抑制するための方法であって、
前記監視抑制装置の電圧受信部により、柱上変圧器の一次側の配電線の電圧を受信するステップと、
前記監視抑制装置の計算部により、前記電圧に基づき、配電線における電圧不平衡率を計算するステップと、
前記監視抑制装置の電力制御部により、前記柱上変圧器と送受電する電力需要家のパワーコンディショナーに対して、有効電力または無効電力を変化させるように制御するステップと、
を含む方法。
前記柱上変圧器に取り付けたセンサまたは前記柱上変圧器に近接する変電所のセンサを利用して、前記電圧を受信する、
請求項３に記載の方法。
配電線の電圧不平衡を監視するための監視抑制装置であって、前記監視抑制装置は、
柱上変圧器と送受電する電力需要家のパワーコンディショナーに対して、有効電力または無効電力を変化させるように制御する電力制御部と、
有効電力または無効電力を変化させる前に前記柱上変圧器の一次側の配電線の第１の電圧を受信するとともに、有効電力または無効電力を変化させた後に前記柱上変圧器の一次側の配電線の第２の電圧を受信する電圧受信部と、
前記第１の電圧と前記第２の電圧とを比較し、比較の結果、配電線の電圧変化の有無を検出する比較部と、
前記柱上変圧器の一次側が接続されている配電線を把握する接続把握部と、
を有する監視抑制装置。
配電線の電圧不平衡を抑制するための監視抑制装置であって、
柱上変圧器の一次側の配電線の電圧を受信する電圧受信部と、
前記電圧に基づき、配電線における電圧不平衡率を計算する計算部と、
前記柱上変圧器と送受電する電力需要家のパワーコンディショナーに対して、有効電力または無効電力を変化させるように制御する電力制御部と、
を有する監視抑制装置。