JP2010193676A - 異常検出システム - Google Patents

Abstract

【課題】看過される異常を低減することができるカレントセンサの異常検出システムを提供すること。
【解決手段】異常検出システム１は、消費電力が変動する第１の電力負荷６１及び消費電力が可変の第２の電力負荷６２に電力を伝搬する電力ケーブル３０Ｍと、電力ケーブル３０Ｍに設けられたカレントトランス１１を有するカレントセンサ１０と、所定の期間にカレントセンサ１０で検出された値と相関関係を有する第１の比較対象値及び第２の比較対象値の差が第１の所定の値未満のときに両比較対象値差が第１の所定の値より大きい第２の所定の値変動すべき電流を第２の電力負荷６２に供給してカレントセンサ１０の異常の有無を検出する制御装置５０を備える。制御装置５０は、第１の比較対象値と第２の比較対象値との差という相対的な値で異常の有無を検出することとなり、検出値がゼロ付近にならない異常がカレントセンサに発生しても異常を検出することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は異常検出システムに関し、特にカレントトランスを有するセンサの異常の有無を検出する異常検出システムに関する。

燃料電池やガスエンジン発電機等の自家発電装置を商用電源に連系して電力負荷に電力を供給するシステムがある。自家発電装置を商用電源に連系する場合、商用電源への逆潮流を防ぐために、商用電源側から自家発電装置側に電力が供給されていることを検出する検出器を設置するのが一般的である。そして、逆潮流を確実に防ぐために、検出器自体に異常がないことを確認すべく、検出器で検出された電力の値が所定範囲内にある時間が所定時間になったときに電力負荷が受電する電力を変動させて検出される電力が変動するかにより検出器の異常の有無を確認する技術がある（例えば、特許文献１参照。）。あるいは、自家発電装置の停止中に検出器で検出された電力が電力負荷の消費電力よりも低い場合又はゼロに近い場合に別の負荷に商用電源から電力を供給させて検出器で検出される電力が変動するかにより検出器の異常の有無を確認する技術がある（例えば、特許文献２参照。）。

特開２００６−３３８９９４号公報（段落０００７、図１等） 特開２００４−２６０９１６号公報（段落００２９、図１等）

図１に例示するカレントトランス１１を有するカレントセンサ１０を、上述の検出器として用いると、検出器の設置及びメンテナンスが簡便になる。カレントセンサ１０は、電力ケーブル３０を流れる交流電流によって変化する磁場を相互インダクタンスで結合された出力巻線に伝達することによって電流を出力するカレントトランス１１が開閉可能なクランプに構成されており、カレントトランス１１の出力巻線をケーブル３０の上から囲むだけでケーブル３０を伝搬する電力又は電流を検出できるからである。しかしながら、上述の各特許文献に記載されている技術は、検出器で検出された絶対的な値が閾値を超えない場合に検出器に異常が発生した可能性があるとして確認措置を施しているため、例えば図１に示す回路図中の検出抵抗２１が損傷して検出値が閾値よりも大きくなる異常が発生した場合等、検出器に異常があるにもかかわらず異常を発見できない場合があった。

本発明は上述の課題に鑑み、看過される異常を低減することができるカレントセンサの異常検出システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の第１の態様に係る異常検出システムは、例えば図１に示すように、消費電力が変動する第１の電力負荷６１及び消費電力が可変の第２の電力負荷６２に電力を伝搬する電力ケーブル３０Ｍと；電力ケーブル３０Ｍに設けられたカレントトランス１１を有するカレントセンサ１０と；所定の期間におけるカレントセンサ１０で検出された値と相関関係を有する第１の比較対象値及び第２の比較対象値の差が第１の所定の値未満のときに、前記第１の比較対象値と前記第２の比較対象値との差が前記第１の所定の値よりも大きい第２の所定の値変動するべき量の電流を第２の電力負荷６２に供給して、カレントセンサ１０の異常の有無を検出する制御装置５０とを備える。

ここで「所定の期間」は、典型的には、通常ならば遅くとも第１の電力負荷の消費電力に変動が生じることになる期間である。また「第１の所定の値」は、典型的には、通常ならば所定の期間に第１の電力負荷の消費電力に変動があれば変化すると考えられる値である。「第２の所定の値」は、典型的には、第１の所定の値よりも大きい任意の値である。「変動するべき量の電流」とは、典型的には、カレントセンサに異常がなければ検出するであろう電流値である。

このように構成すると、所定の期間におけるカレントセンサで検出された値と相関関係を有する第１の比較対象値及び第２の比較対象値の差が第１の所定の値未満のときに、第１の比較対象値と第２の比較対象値との差が第１の所定の値よりも大きい第２の所定の値変動するべき量の電流を第２の電力負荷に供給してカレントセンサの異常の有無を検出するので、「第１の比較対象値と第２の比較対象値との差」という相対的な値で異常の有無を検出することとなり、検出値がゼロ付近にならないような異常がカレントセンサに発生した場合でも、異常を検出することができる。

また、本発明の第２の態様に係る異常検出システムは、上記本発明の第１の態様に係る異常検出システムにおいて、前記第１の比較対象値が最大値であり；前記第２の比較対象値が最小値である。

このように構成すると、第１の電力負荷の消費電力が変動したときの正常なカレントセンサで検出された値と相関関係を有する第１の比較対象値と第２の比較対象値との差が最も大きくなり、カレントセンサに異常が発生した可能性がある状態で検出された値との区別が容易になる。

また、本発明の第３の態様に係る異常検出システムは、上記本発明の第１の態様に係る異常検出システムにおいて、前記第１の比較対象値が平均値であり；前記第２の比較対象値が前記所定の期間経過時に前記カレントセンサで検出された値である。

このように構成すると、経年劣化等の原因により第１の電力負荷の消費電力の変動幅が変化した場合であっても、カレントセンサに異常が発生した可能性がある状態を検出しやすくなる。

本発明によれば、所定の期間におけるカレントセンサで検出された値と相関関係を有する第１の比較対象値及び第２の比較対象値の差が第１の所定の値未満のときに、第１の比較対象値と第２の比較対象値との差が第１の所定の値よりも大きい第２の所定の値変動するべき量の電流を第２の電力負荷に供給してカレントセンサの異常の有無を検出するので、相対的な値で異常の有無を検出することとなり、検出値がゼロ付近にならないような異常がカレントセンサに発生した場合でも、異常を検出することができる。

本発明の実施の形態に係る異常検出システムの概略構成を示すブロック図である。 カレントセンサの異常の有無の検出のシーケンスを示すフローチャートである。 カレントセンサの増幅回路の変形例を示す回路図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において互いに同一又は相当する部材には同一あるいは類似の符号を付し、重複した説明は省略する。

まず図１を参照して、本発明の実施の形態に係る異常検出システム１を説明する。図１は、異常検出システム１の概略構成を示すブロック図である。異常検出システム１は、商用電源８０の電力を電力負荷６１、６２に伝搬する電力ケーブル３０と、商用電源８０から電力負荷６１、６２に供給される電力及び／又は電流を検出するカレントセンサ１０と、制御装置５０とを備えている。

電力ケーブル３０は、商用電源８０から領域内に引き込むメインケーブル３０Ｍと、メインケーブル３０Ｍから分かれて第１の電力負荷６１に接続される第１ケーブル３１と、メインケーブル３０Ｍから分かれて第２の電力負荷６２に接続される第２ケーブル３２とを含んで構成されている。また、メインケーブル３０Ｍには、自家発電装置としての燃料電池６０に接続された燃料電池ケーブル３０Ｆが接続されており、燃料電池６０が商用電源８０に連系されて構成されている。第１の電力負荷６１は、その機器の特性に基づいた固有の条件を充足するように消費電力が時間によって変動するものであり、例えば冷蔵庫や、燃料電池６０に付帯して燃料電池システムを構成する補機類等が挙げられる。この例で言えば、冷蔵庫は設定温度になるようにコンプレッサを可変速運転するのに伴い消費電力が変動し、燃料電池システムは運転状態に応じて補機類の消費電力電源が変わるため消費電力が変動する。第２の電力負荷６２は、消費電力を任意に変えることができるものであり、例えば電気ヒータ等の内部負荷が挙げられる。燃料電池システムの補機類が第１の電力負荷６１と第２の電力負荷６２とを兼ねるようにしてもよい。第１の電力負荷６１及び第２の電力負荷６２は、図では各々１つずつを示しているが、それぞれ複数有していてもよい。カレントセンサ１０は、燃料電池ケーブル３０Ｆとの接続部よりも上流側のメインケーブル３０Ｍに設置されている。

カレントセンサ１０は、カレントトランス１１と、増幅回路２０とを有している。カレントセンサ１０は、計器用変流器であるカレントトランス１１を有し、電力ケーブル３０を流れる交流電流によって変化する磁場を相互インダクタンスで結合された出力巻線に伝達することにより、その交流電流を検出抵抗により変換された電圧信号として出力するものである。この出力電圧と、カレントトランス１１固有の巻数比及び検出抵抗の値により、電力ケーブル３０を流れる交流電力又は交流電流の値を検出することができる。カレントトランス１１は、電力ケーブル３０を切断して挿入することなく電力ケーブル３０の外側から取り付けるように構成されているため、分流器を用いた場合に生じ得るような抵抗による熱損失等が問題になることがない。

カレントトランス１１は、入力巻線（１次巻線）として機能する電力ケーブル３０を流れる交流電流によって誘導起電力を得る出力巻線（２次巻線）である巻線部１２を有している。出力巻線は、両端が開閉可能なクランプになっており、メインケーブル３０Ｍに外側から装着できるように構成されている。出力巻線は、両端がそれぞれ取り出されて取出電線１８、１９を形成している。取出電線１８、１９は増幅回路２０に接続されている。

増幅回路２０は、負配線２８及び中立配線２９でカレントトランス１１と接続されている。負配線２８の一端はカレントトランス１１の取出電線１８に接続されており、他端は入力抵抗２２を介して増幅器２３のマイナス側に接続されている。中立配線２９の一端はカレントトランス１１の取出電線１９に接続されており、他端はグランドに接地されている。入力抵抗２２よりもカレントトランス１１側の負配線２８と中立配線２９とは、検出抵抗２１を介して接続されている。増幅器２３のプラス側には正配線２７の一端が接続されており、正配線２７の他端はグランドに接地されている。また、正配線２７には、コンデンサ２６を介して接地された接地配線２６ｗが接続されている。なお、接地配線２６ｗは設けない場合もある。増幅器２３の出力側には、出力配線２５が接続されている。出力配線２５の先は、制御装置５０に接続されている。出力配線２５と、入力抵抗２２と増幅器２３との間の負配線２８とは、負帰還抵抗２４を介して接続されている。負帰還抵抗２４を設けることにより、増幅回路２０の動作を安定させることができる。

制御装置５０は、増幅回路２０から出力電圧信号を入力して演算することにより、メインケーブル３０Ｍを伝搬する電流及び／又は電力を検出することができるように構成されている。検出する電流及び／又は電力の値は実効値でも最大値でもよい。また、制御装置５０は、第２の電力負荷６２と信号ケーブルで接続されており、第２の電力負荷６２の消費電力を変えることができるように構成されている。また、制御装置５０には、カレントセンサ１０の異常の有無の検出を実行するプログラムが実装されている。このプログラムの内容については後述する。

上述のように構成された異常検出システム１は、カレントセンサ１０により、商用電源８０から第１の電力負荷６１及び第２の電力負荷６２に供給される電流及び／又は電力が検出されるが、長時間にわたって検出された値に変動がない場合、商用電源８０から第１の電力負荷６１及び第２の電力負荷６２に供給される電力値（ゼロの場合も含む）が安定しているか、カレントセンサ１０に異常が発生して正しく検出できない状態になっていることが考えられる。そこで、制御装置５０は、記憶されているプログラムに従って、以下のカレントセンサ１０の異常の有無の検出を行う。

図２は、カレントセンサ１０の異常の有無の検出のシーケンスを示すフローチャートである。制御装置５０は、所定の期間においてカレントセンサ１０から出力された電圧信号を入力し演算して検出された値のうち、第１の比較対象値と第２の比較対象値との差（以下「比較対象値差」という。）を算出する（ＳＴ１）。本実施の形態では、第１の比較対象値として最大値を採用し、第２の比較対象値として最小値を採用している。「所定の期間」は、通常ならば遅くとも第１の電力負荷６１（例えば冷蔵庫）の消費電力に変動が生じていると考えられる期間である。比較対象値差を算出したら、比較対象値差が第１の所定の値未満か否かを判断する（ＳＴ２）。「第１の所定の値」は、通常ならば第１の電力負荷６１（例えば冷蔵庫）の消費電力に変動があれば変化すると考えられる値である。第１の所定の値未満でなければ再び比較対象値差を算出する工程（ＳＴ１）に戻る。

他方、比較対象値差が第１の所定の値未満か否かを判断する工程（ＳＴ２）において第１の所定値未満の場合は、制御装置５０は第２の電力負荷６２（例えばヒータ）の消費電力を、比較対象値差が第２の所定の値となるべき分変動させる（ＳＴ３）。「第２の所定の値」は、第１の所定の値よりも大きい任意の値である。比較対象値差が第２の所定の値となるべき分の消費電力を変動させる際、第２の電力負荷６２が既に起動中の場合は、その時点の消費電力からさらに第２の所定の値分増加させてもよく、逆に第２の所定の値分減少させてもよい。制御装置５０は、第２の電力負荷６２（例えばヒータ）の消費電力を第２の所定の値分変動させたら、カレントセンサ１０からの出力電圧信号を入力し演算して検出された値がこれに伴い第２の所定の値に相当する値分変動したか否かを判断する（ＳＴ４）。検出された値が第２の所定の値に相当する値分変動したときは、制御装置５０はカレントセンサ１０に異常がないと判断して（ＳＴ５）、再び比較対象値差を算出する工程（ＳＴ１）に戻る。他方、検出された値が第２の所定の値に相当する値分変動しないときは、制御装置５０はカレントセンサ１０に異常があると判断して（ＳＴ６）、その旨の警報を出す、あるいは燃料電池６０から第１の電力負荷６１及び第２の電力負荷６２への電力の供給を遮断する。このようにすることで、制御不良による逆潮流を防ぐことができる。

ところで、上述のように構成された異常検出システム１は、次に示すいずれの異常をも検出することができる。
第１に、負配線２８又は取出電線１８と、中立配線２９又は取出電線１９とが短絡した場合、第２の電力負荷６２の消費電力を第２の所定の値分変動させてもカレントセンサ１０からの出力電圧は最大値及び最小値共にゼロとなり、比較対象値差がゼロとなって、カレントセンサ１０の異常を検出することができる。
第２に、取出電線１８、取出電線１９、出力配線２５、負配線２８、中立配線２９のいずれかが断線した場合、第２の電力負荷６２の消費電力を第２の所定の値分変動させてもカレントセンサ１０からの出力電圧は最大値及び最小値共にゼロとなり、比較対象値差がゼロとなって、カレントセンサ１０の異常を検出することができる。
第３に、検出抵抗２１が破損して電流が流れなくなった場合（この場合検出抵抗２１は無限大となる）、カレントセンサ１０からの出力電圧を入力した制御装置５０で演算されて検出された値は、多少の振れはあるものの略最大値となるため、最小値及び最大値共に略同一の値を示すこととなり、比較対象値差が第１の所定の値未満の値となって、カレントセンサ１０の異常を検出することができる。

従来のように、検出器で検出された電力がゼロに近い場合等に検出器の異常を疑う構成では、前段落に例示した第１（配線の短絡）又は第２（配線の断線）の場合はゼロの値を検出するので検出器の異常を検出することができるが、第３の場合（検出抵抗の破損）は検出される値がゼロに近い値にならないために検出器に異常が発生していても異常を検出することができない。これに対し、本実施の形態に係る異常検出システム１では、比較対象値差という相対的な値で異常の有無を検出するので、前記第３の場合（検出抵抗の破損）のように検出される値がゼロ付近にならないような異常がカレントセンサ１０に発生した場合でも異常を検出することができるという、従来技術では得られなかった効果を得ることができる。

以上の説明では、カレントセンサ１０の増幅回路２０が図１に示すように反転増幅回路であるとしたが、以下に示す回路であってもよい。
図３は、カレントセンサ１０の増幅回路の変形例を示す回路図であり、（ａ）は第１の変形例、（ｂ）は第２の変形例を示している。図３（ａ）に示す第１の変形例に係る増幅回路１２０は非反転増幅回路となっており、増幅回路２０（図１参照）との異なる点は、取出電線１８に、他端が入力抵抗２２を介して増幅器２３のプラス側に接続されている正配線１２７の一端が接続されている点、一端が増幅器２３のマイナス側に接続され、途中で負帰還抵抗２４を介して出力配線２５と接続されている負配線１２８の他端がグランドに接地されている点である。図３（ｂ）に示す第２の変形例に係る増幅回路２２０は差動増幅回路となっており、増幅回路２０（図１参照）との異なる点は、取出電線１９に接続されるのが、中立配線２９（図１参照）に代えて、他端が入力抵抗２２Ｒを介して増幅器２３のプラス側に接続されている正配線２２７の一端が接続されている点、入力抵抗２２よりもカレントトランス１１側の負配線２８と、入力抵抗２２Ｒよりもカレントトランス１１側の正配線２２７とが、検出抵抗２１を介して接続されている点である。増幅回路１２０又は増幅回路２２０を採用した場合であっても、比較対象値差という相対的な値で異常の有無を検出することにより、カレントセンサ１０の、配線の短絡（第１の場合）、配線の断線（第２の場合）、検出抵抗の破損（第３の場合）のいずれの異常をも検出することができる。

以上の説明では、第１の比較対象値が最大値、第２の比較対象値が最小値であるとしたが、第１の比較対象値が所定の期間における平均値、第２の比較対象値が所定の期間経過時にカレントセンサ１０からの出力電圧を入力した制御装置５０で演算されて検出された値であることとしてもよい。この場合、平均値は、典型的には相加平均であり、平均の取り方は移動平均とするのが好ましく、あるいは指数化平均であってもよい。また、所定の期間経過時にカレントセンサ１０からの出力電圧を入力した制御装置５０で演算されて検出された値は、例えば比較対象値差を算出する直前に検出された値が挙げられる。このように、第１の比較対象値及び第２の比較対象値が、比較対象値差が正常時と異常時とで区別することができる値であれば、所定の期間における最大値及び最小値以外の値が採用されることとしてもよい。

以上の説明では、正配線２７あるいは中立配線２９がグランドに接地されていることとしたが、ゼロ以外の安定的な電位の部分と接触している構成としてもよい。従来のように、検出器で検出された値がゼロに近い場合等に検出器の異常を疑う構成では、ゼロ以外の安定的な電位の部分に接触する構成とすると、検出器で検出される値がゼロに近い値とならずに接触部分の安定的な電位に近いと値となるため、検出器に異常が発生していても異常を検出することができなかったが、本実施の形態に係る異常検出システム１（変形例を含む）では、比較対象値差という相対的な値で異常の有無を検出するので、ゼロ以外の安定的な電位の部分と接触している構成としてもカレントセンサ１０に発生した異常を検出することができるという、従来技術では得られなかった効果を得ることができる。

以上の説明では、第１の所定の値は、通常ならば第１の電力負荷６１の消費電力に変動があれば変化すると考えられる値であるとしたが、例えば異常検出システム１をユニットとして構築するような場合は、工場等であらかじめ設定された値としてもよい。この場合、第１の所定の値は、第１の電力負荷６１として様々な種類のもの（したがって変動する消費電力も様々である）を想定して広範囲な第１の電力負荷６１に対応できるように設定されるところ、想定される第１の電力負荷６１の消費電力の変動が生じたときに検出できる値未満、かつ、仮にノイズ等により検出値が振れてもカレントセンサ１０の異常の有無を区別可能な値（ノイズ等の振れによって検出される値を超える値）とするのが好ましい。設定された第１の所定の値が、実際は、第１の電力負荷６１の消費電力の変動が生じたときに検出される値以上であった場合は、カレントセンサ１０が正常であってもカレントセンサ１０の異常の可能性が検出される場合があり得るが、図２に示すカレントセンサ１０の異常の有無の検出のシーケンスが実行されることによって実際の異常の有無が検出される。しかしながら、図２に示すシーケンスの頻繁な実行を抑制する観点から、第１の所定の値は第１の電力負荷６１の消費電力の変動が生じたときに検出される値未満であるのが好ましい。また、ノイズ等による検出値の振れは、メインケーブル３０Ｍを伝搬する電力（電流）が大きくなるほど大きくなると考えられることから、予定されるメインケーブル３０Ｍを伝搬する電力（電流）の値に応じて第１の所定の値を設定することが好ましい。例えば、第１の所定の値を、予定されるメインケーブル３０Ｍを伝搬する電力が５０００Ｗ以下の場合は１０Ｗの一定値としつつ、５０００Ｗ以上の場合は予定されるメインケーブル３０Ｍを伝搬する電力の０．２％としてもよい。第１の所定の値を一定値とする場合（例えば５０００Ｗ以下）と比例値とする場合（例えば５０００Ｗ以上）との境界は、適宜決定してもよい。以上のような、第１の所定の値が工場等であらかじめ設定される場合に、異常検出システム１が設置された現場において、第１の電力負荷６１の消費電力の変動に適合させるため、第１の所定の値を変更できるように構成されていてもよい。

１ 異常検出システム
１０ カレントセンサ
１１ カレントトランス
３０Ｍ メインケーブル
５０ 制御装置
６１ 第１の電力負荷
６２ 第２の電力負荷

Claims (3)

1. 消費電力が変動する第１の電力負荷及び消費電力が可変の第２の電力負荷に電力を伝搬する電力ケーブルと；
   前記電力ケーブルに設けられたカレントトランスを有するカレントセンサと；
   所定の期間における前記カレントセンサで検出された値と相関関係を有する第１の比較対象値及び第２の比較対象値の差が第１の所定の値未満のときに、前記第１の比較対象値と前記第２の比較対象値との差が前記第１の所定の値よりも大きい第２の所定の値変動するべき量の電流を前記第２の電力負荷に供給して、前記カレントセンサの異常の有無を検出する制御装置とを備える；
   異常検出システム。
2. 前記第１の比較対象値が最大値であり；
   前記第２の比較対象値が最小値である；
   請求項１に記載の異常検出システム。
3. 前記第１の比較対象値が平均値であり；
   前記第２の比較対象値が前記所定の期間経過時に前記カレントセンサで検出された値である；
   請求項１に記載の異常検出システム。
   
   

Images