JP2011123061A - 位相識別システム及び識別方法 - Google Patents

Abstract

【課題】三相配電網内の電力線の位相を識別する改良型の装置と方法を提供する。
【解決手段】配電変圧器の端子４６に結合され、電気的パラメータを検知するように構成されたセンサ４４と、電気的パラメータを処理するためにセンサに結合されたプロセッサ５０とを備え、センサとプロセッサは、配電変圧器のブッシング装置内５２に埋め込まれ、プロセッサは更に、配電変圧器での位相情報を識別し、ディスプレイ５４に表示するように構成される。
【選択図】図２

Description

本発明は、概して位相の識別に関し、特に配電変圧器での位相の識別に関する。

配電線路網は、発電所から顧客に電気を供給するために電力会社により使用される。配電電圧は国内でも電力会社によって異なる。典型的な配電線路網では、三相電力が高電圧で多重送電用変電所に送られる。これらの送電用変電所で、高圧電力は三相の中電圧に逓降する。各変電所からの中電圧三相電力は、次いで多重配電用変電所に送られる。配電用変電所で、中電圧は配電用の低電圧に逓降し、３本の単相の給電線に分離する。これらの各々の給電線は、複数の回路に分岐して複数の配電変圧器に電力を供給し、この変圧器は業務向け、及び住宅向けの顧客に送るために電圧を最終的な単相電圧に逓降する。

三相変圧器の各々の単相出力にかかる電流負荷が等しくなるように、平衡負荷の給電回路を有することが望ましい。しかし、時間の経過と共に顧客が負荷を加えたり取り除いたりすると、各単相出力にかかる負荷は変化し、不平衡になることがある。負荷を再び平衡にするため、一般的には分岐回路の幾つかが、より重い負荷がかかる位相からより軽い負荷の位相へ移動する。給電回路の各々の線の位相が厳密に判明していない場合は、線はより負荷が軽い位相からより負荷が重い位相へ誤って移動することがある。このようなエラーの結果、手順を繰り返さなければならなくなり、それによって位相補正された分岐回路上の全ての顧客に対するサービスが再び中断されてしまう。より重い負荷がかかる位相により大きい負荷を加えると、変電所での負荷が不平衡になり、その結果、過負荷がかかる位相の全ての顧客に停電が生じることがある。

従来の手動技術を用いた特定の給電線分岐の位相を識別するため、電力会社の職員は、位相が正確に判明している配電網のポイントに給電線が到達するまで様々な配電キャビネットをたどって給電線を物理的に追跡しなければならない。これは時間がかかり、労力を要する工程である。

通信リンクを確立するために、モデムや電話回線を利用するなどのように、位相を識別する様々な装置や方法が実施されてきた。給電線の位相が判明している配電網（基準線）のポイントでの位相に関連する信号が、通信リンクを介して、給電線の位相が判明していない配電網のポイント（試験中の給電線）に送信される。通信リンク内の遅延が位相測定の精度に影響を及ぼすと困難が生ずる。

通信遅延を軽減する一つの方法は、無線送信を介した通信リンクを実施する。別の方法は、基準線と試験中の給電線の両方からの、全地球測位システム（ＧＰＳ）を利用した時間軸同期によるリアルタイムでの電力システムの変電所のデータ相互の位相を比較して、遅延と同期化の問題を解消する方法である。

これらの方法では、事前に確立されたリアルタイムの通信リンクが必要である。すなわち、通信リンクが確立され、試験中の給電線の位相が測定される時点でアクティブ状態にある必要がある。そのため、これらの方法は、通信リンクを確立できない場所と時間には使用できない。更に、試験中の給電線の位相は各々の測定ごとに判定されるので、各々の試験が終わると測定装置を復旧しなければならない。そのため、例えば装置が取り付けられる「ホットスティック」を下げる前に、変電所内の何本もの異なる高架線の位相を測定するなど、装置にアクセスする前に幾つかの異なる試験を行うことができなくなる。

米国特許第７３７２２４６号明細書

従って、三相配電網内の電力線の位相を識別する改良型の装置と方法を提供する必要がある。

簡略に記載すると、位相識別システムが提案される。システムは、配電変圧器の端子に結合されたセンサを含む。センサには端子の位相情報を処理するためのプロセッサが結合され、センサ及びプロセッサはブッシング装置内に埋め込まれる。プロセッサは更に、配電変圧器での位相情報を識別し、表示するように構成される。

別の実施形態では、配電変圧器の端子での位相情報を識別する方法が提案される。この方法は、配電変圧器の端子に結合されたセンサから配電パラメータを検知するステップと、変電所から変電所の電気的パラメータを取得するステップと、配電パラメータを変電所パラメータと比較するステップとを含む。方法は更に、端子の位相情報を識別し、配電変圧器での端子の位相情報を表示するステップを含む。

別の実施形態では、システムは、複数の配電変圧器に結合された変電所を有する配電網を含む。システムは更に、配電変圧器の端子及び変電所に結合された複数のセンサを含み、各センサは、少なくとも１つの電気的パラメータを検知するように構成される。システムは、電気的パラメータを処理して比較するデータセンターと、データセンターに結合され、配電変圧器の端子に埋め込まれた位相識別ユニットとを含む。位相識別ユニットは、配電変圧器の端子での位相情報を識別するように構成される。

本発明の上記及びその他の特徴、態様及び利点は、添付図面を参照して以下の詳細な説明を読めばより明確に理解されよう。図面中、同様の参照符号は同様の部品を示す。

本発明の実施形態による位相識別システムを実装した配電網を示す図である。 本発明の実施形態による位相識別ユニットを使用した配電変圧器内の端子の部分図である。 本発明の実施形態によるノイズ相関を実装した位相識別システムのブロック図である。 本発明の実施形態による幾何学的調波変調信号を実装した位相識別システムのブロック図である。 本発明の実施形態による例示的な位相識別方法を示す図である。

図１は本発明の実施形態による位相識別システムを実装した配電網を示す。配電網１０は、発電所１２で発生した電力を１つ又は複数の電力会社に伝送する送電線を含む。発電所１２は例えば、１つ又は複数の水力、火力、原子力、又は複合ガス化・サイクル発電設備を含んでも良い。発電所１２からの電力は高圧送電線１６を介して高圧で伝送される。高電圧は送電用変電所１４で中間電圧に逓降される。更に下流側では、中電圧は配電用変電所１８で中電圧に更に逓降される。給電線２０は配電用変電所を、業務向け又は住宅向け顧客２８、３０、３２などの最終ユーザーに給電する配電変圧器２２、２４、２６に結合する。説明を簡略にするため、単一の発電所、単一の配電用変電所、及び単一の給電線を図示する。しかし、複数のこのような発電所を、複数の給電線を備える複数の送電用変電所及び配電用変電所に結合して、配電網すなわちグリッドを形成しても良い。

配電変圧器に結合された位相識別ユニット３４は、配電変圧器の端子での位相情報を示す電気的パラメータを提供するように構成される。更に、１つ又は複数の位相識別ユニット３６が変電所の変圧器に配置される。一実施形態では、データセンター３８が地域配電変圧器３４及び変電所１８から遠隔位置に設置され、位相識別ユニット３４、３６に結合される。例示的実施形態では、データセンター３８は配電変圧器と変電所変圧器からの電気的パラメータを比較するために相関技術を実装しても良い。更に、位相情報は、地域に通知するために配電変圧器にある位相識別ユニットに再伝送されても良い。

図２は、本発明の実施形態による、位相識別ユニット４２を使用した配電変圧器の端子の部分図を示す。図２の実施形態では、センサ４４が配電変圧器４８の端子４６に結合される。端子４６は位相識別を要する変圧器の高電圧端子、又は低電圧端子を含んでも良い。センサ４４は例えば、ノイズパターン、幾何学的調波変調信号、又は電流／電圧調波の振幅の少なくとも１つを検知する電流変圧器を含んでも良い。プロセッサ５０はセンサ４４に結合され、端子４６の位相情報を計算する。本明細書で用いる「プロセッサ」は、電気的パラメータなどのデータの取得、システムデータの計算、比較、又は分析を行うように構成されたデジタル／アナログ回路又は集積回路を含み、情報を保存し、或いはコマンド信号を判定して動作を制御する。センサ４４及びプロセッサ５０は、配電変圧器４８のブッシング装置５２内に埋め込まれる。プロセッサ５０に結合され、ブッシング装置５２の外側に配置されたディスプレイ５４は、位相情報を表示するように構成される。ディスプレイは位相情報を表示するＬＥＤディスプレイ又はカラーコードライトなどの通知システムを含んでも良い。一実施形態では、位相識別ユニット４２は、代替として、又は追加として電気的パラメータをデータセンターに無線送信するために、プロセッサに結合されたアンテナ５６を含む。センサ４４及びプロセッサ５０、及びその他の構成部品を動作させる電力は、変圧器内にある電圧から取り込んでも良い。任意に、システム４２は、センサ４４、プロセッサ５０及び任意のディスプレイ５４に電力を供給するために、端子４６に磁気結合された誘導ピックアップコイル６０を備えた電力ハーベスタを含んでも良い。或いは、電力ハーベスタは、端子４６及びアースに適宜接続された容量結合又は逓降変圧器（図示せず）を含んでも良い。動作時に、位相識別ユニット４２は、図３〜５を参照した記載する３つの技術のうちの少なくとも１つを実装しても良い。センサ、プロセッサ及びディスプレイを有する位相識別ユニットは、目下動作中の配電変圧器のブッシング装置内に後付けするように構成されても良い。

図３は、本発明の実施形態による、ノイズ相関を実装した位相識別システムのブロック図を示す。この実施形態では、センサ４４は、（位相情報が判定される必要がある）ユーティリティノード６６でノイズパターンを含む電気的パラメータを検知し、変電所６８、又は位相が判明しているいずれかの別の場所でのノイズパターンと比較されるように構成される。一実施形態では、ユーティリティノード６６は、例えば図２に示すような配電変圧器４８の端子４６を備えても良い。相関技術は、１つの位相にある１つの場所（例えばユーティリティノード６６）で採取されたノイズサンプルと、３つの位相７０、７２、７４で（変電所６８などの）上流で採取されたノイズサンプルとの最大相互相関を見出すことによるものである。両方の場所（６６、６８）でサンプリングが同時に行われると、相互相関が最も効果的であるため、同期化を確実なものにする通信及びサンプリングプロトコルを有することが有用である。一実施形態では、同期化されたサンプルを得るため、変電所での電気的パラメータが継続的にサンプリングされ、時間情報と共に（データセンターに）保存され、配電変圧器からのサンプルも時間情報と共に保存される。

例示的な方法では、電力線８０上の電圧の位相の位相情報をユーティリティノード６６で計算するため、例えば電力線８０に結合されたセンサ４４、及び電力線７４に結合されたセンサ４５を介してノイズサンプルが同時に収集される。一実施形態では、例えばセンサ４４及び４５は誘導結合器からなる。例えば１２０Ｈｚと１８０Ｈｚなどの２つの連続調波の間に中心周波数を有するバンドパスフィルタ８２を、２つの連続調波の間のノイズをフィルタリングするように構成しても良い。フィルタリングされたノイズは次いでサンプリングされ、サンプリング時間でのノイズ電圧を表すデジタルパケット９０を生成するためにアナログ−デジタル変換器８６を使用する。これらのパケットはデータセンター３８に通信され、そこで変電所６８からのノイズサンプルと、ユーティリティノード６６でのノイズサンプルとの相互相関が行われる。一実施形態では、変電所からノイズサンプルを収集するプロセスは、変電所の３つの位相の全て（線７０、７２、７４）と、ユーティリティノードでの３本の線の全てで行われ、最も強い相関を利用して電力線８０上の電圧の位相を判定する。

図２を再び参照すると、位相識別ユニット４２は、プロセッサ５０内に、フィルタ８２と、（図３の）アナログ−デジタル変換器８６とを含む。更に、ディスプレイ５４に位相情報を表示するため、データセンター３８（図３）からの相関された位相情報がプロセッサ５０に再び通信される。プロセッサ５０とデータセンター３８との間の通信は有線伝送、又はアンテナ５６を介した無線伝送を含む。

図４は、本発明の実施形態による、幾何学的調波変調信号を実装する位相識別システムのブロック図を示す。この実施形態では、位相が判明している配電網内の１つ又は複数のポイントで１つ又は複数のＧＨＭ信号が注入され、位相情報が判定されるべきポイントで復調される。一例では、信号は変電所６８で注入され、ユーティリティノード６６で復調される。

ＧＨＭ信号は、例示目的で１つだけを示すＧＨＭ信号発生器９４で生成され、結合器９２を介した変電所６８の、例えば３つの位相線７０、７２、７４への誘導結合によって配電網に加えられる。ＧＨＭ信号の成分は、コンデンサバンク及び配電網にある別のローパスフィルタを横断するためにできるだけ低い周波数を有するように構成される。一実施例では、これらの周波数は数百ヘルツの範囲にある。ユーティリティノード６６などの測定場所で、例えばセンサ４４を用いた誘導結合を介して、３つのＧＨＭ信号が抽出される。例示のために１つだけを示す、候補となるＧＨＭ信号のトーンの周りに狭い帯域通過区間を有するフィルタ８２は、ＧＨＭ信号をフィルタリングするように構成される。一実施例では、フィルタはアナログ減算を行うアクティブフィルタを含んでも良い。フィルタリングされたＧＨＭ信号は、データセンター３８で可能性のある３つの送信済み信号と相互相関され、最も強い相互相関のピークを用いて、候補であるこれらの３つのＧＨＭ信号のどれが電力線８０上の電圧の位相上にあるかが識別される。

別の例示的実施形態では、図２の位相識別ユニット４２は電気的パラメータを相関する方法を実装し、電気的パラメータは電圧波形、電流波形、ノイズパターン及び調波振幅の少なくとも１つを含む。電圧又は電流波形は、例えばピーク振幅、位相差及び調波ピーク振幅などの周波数領域属性を含む。一実施形態では、電圧又は電流波形全体の相関を行う代わりに、相関のために調波周波数成分間のノイズのより狭い周波数帯域を利用する。調波の明確な周波数依存性、又は調波間のスペクトル領域内に可視的な背景ノイズが存在することがある。より低い周波数で存在する同様の電気的ノイズ特性は、それぞれの位相に接続された個々の配電変圧器に伝わることがある。変電所での１つの位相上のノイズが配電変圧器に存在する忠実性は、電力線上のノイズ又は干渉信号に依存し、更に配電網の一部を横断する際に受ける減衰にも依存する。

図５は、本発明の実施形態による例示的な位相識別方法を示す。方法１００は、ステップ１０２で、変電所、又は位相が判明しているいずれか別の位置で電気的パラメータを判定するステップを含む。方法は更に、ステップ１０４で位相情報が判定されるべきユーティリティノードで電気的パラメータを判定するステップを含む。その次のステップは、ステップ１０６で電気的パラメータをアナログ信号からデジタル信号に変換するステップを含む。電気的パラメータには、それに限定されないが、電圧／電流調波、又はノイズパターンが含まれても良い。ステップ１０６からのデジタル信号は、ステップ１０８で、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を介して周波数領域に変換される。基本周波数、及び例えば第３、第５及び第７の複数の調波にある電力が、ＦＦＴにより得られた周波数スペクトルから抽出される（ステップ１１０）。例えば第１と第３、又は第３と第５の調波間の電力振幅、又はその組み合わせの比率などのさまざまな比率がステップ１１４で計算される。計算された比率にステップ１１６で時間情報が付与される。ステップ１１８で、変電所からの比率がユーティリティノードからの比率と比較される。変電所の比率とユーティリティノードの比率との間に強い相関が認められると、ステップ１２０でユーティリティノードでの位相が判定される。

有利なことには、配電変圧器での位相情報のこのようなオンライン監視によって、ネットワークの運用にとって重要な有用情報が得られる。位相識別は、グリッド全体に負荷を分散して安定性を高めることに役立つ。更に、負荷の、及び配電変圧器の正しい位相を識別することによって、単相故障と三相故障とを識別することができ、ひいては位相情報に依存する停電管理システムが可能になる。更なる利点として、システムを正確にモデリングし、送電線上の負荷を予測して、分析するための信頼できるネットワークモデルを確実に利用できることが含まれる。本明細書に記載の位相識別システムは、配電変圧器が接続される位相を示す地域通知を含む。このようなオンラインシステムにより、配電変圧器から変電所までの位相を手動で追跡する労力を要する工程が省かれる。更に、このようなシステムでは通信遅延や同期化の問題がなく、較正手順が不要である。

本明細書には、本発明のある特定の特徴だけを図示し、記載したが、当業者には多くの修正や変更が想到されるであろう。従って、添付の特許請求の範囲は本発明の真の趣旨に含まれるこのような修正や変更の全てを包含することが意図されることを理解されたい。

１０ 配電網
１２ 発電所
１４ 送電用変電所
１６ 高圧送電線
１８ 配電用変電所
２０ 給電線
２１ 給電線
２３ 給電線
２２−２６ 配電変圧器
２８−３２ 業務向け又は住宅向け顧客（ユーティリティノード）
３４ 位相識別ユニット
３６ 位相識別ユニット
３８ データセンター
４２ 位相識別ユニット
４４ センサ
４５ センサ
４６ 端子
４８ 配電変圧器
５０ プロセッサ
５２ ブッシング装置
５４ ディスプレイ
５６ アンテナ
６０ 誘導ピックアップコイル
６６ ユーティリティノード
６８ 変電所
７０−７４ 三相電力線
８０ 電力線
８２ バンドパスフィルタ
８６ アナログ−デジタル変換器
９０ デジタルパケット
９２ 結合器
９４ ＧＨＭ信号発生器
９６ ＧＨＭ信号発生器
１００ 例示的な方法
１０２ 変電所での電気的パラメータを検知
１０４ ユーティリティでの電気的パラメータを検知
１０６ アナログ−デジタル変換器
１０８ 高速フーリエ変換（ＦＦＴ）
１１０ 基本周波数の電力を抽出
１１４ 比率を計算
１１６ 時間情報
１１８ 比率を比較
１２０ 位相を識別

Claims (11)

1. 配電変圧器の端子に結合され、電気的パラメータを検知するように構成されたセンサと、
   前記端子で前記電気的パラメータを処理するために前記センサに結合されたプロセッサとを備え、前記センサと前記プロセッサは、前記配電変圧器のブッシング装置内に埋め込まれ、
   前記プロセッサは更に、前記配電変圧器での位相情報を識別し、表示するように構成された、位相識別システム。
2. 前記プロセッサに結合され、前記位相情報をデータセンターに送信するためのアンテナを更に備える、請求項１に記載の位相識別システム。
3. 前記センサは、幾何学的調波変調信号を検知するように構成される、請求項１に記載の位相識別システム。
4. 前記プロセッサは更に、前記電気的パラメータを処理し、比較するためにデータセンターに結合される、請求項１に記載の位相識別システム。
5. 前記センサ、前記プロセッサ、及び前記ディスプレイに電力を供給する電力ハーベスタを更に備える、請求項１に記載の位相識別システム。
6. 配電変圧器の端子での位相情報を識別する方法であって、
   配電変圧器の端子に結合されたセンサから配電パラメータを検知するステップと、
   変電所から変電所の電気的パラメータを取得するステップと、
   前記配電パラメータと前記変電所パラメータとを比較するステップと、
   前記端子の位相情報を識別するステップと、
   前記端子の前記位相情報を前記配電変圧器で表示するステップとを含む方法。
7. 前記位相情報をデータセンターに通信するステップを更に含む、請求項６に記載の方法。
8. 前記配電パラメータを前記変電所パラメータと比較するステップは、配電パラメータと変電所パラメータの複数の電圧調波の電圧振幅を検知し、前記検知された電圧振幅を比較するステップを含む、請求項６に記載の方法。
9. 複数の配電変圧器に結合された変電所を含む配電網と、
   前記配電変圧器の端子と前記変電所とに結合され、各々が少なくとも１つの電気的パラメータを検知するように構成された複数のセンサと、
   前記電気的パラメータを処理し、比較するデータセンターと、
   前記データセンターに結合され、前記配電変圧器の端子内に埋め込まれ、前記配電変圧器の前記端子での位相情報を識別するように構成された位相識別ユニットとを備えるシステム。
10. 前記位相識別システムは、前記電気的パラメータをデジタル化するように構成されたデジタイザを備える、請求項９に記載のシステム。
11. 前記プロセッサは相対的な調波振幅を比較するように構成される、請求項９に記載のシステム。