JP2012145574A - 相同定システム及び方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】相同定システム及び方法を提供する。
【解決手段】相同定システム（７０）は、三相電圧の内の少なくとも２つの対の相電圧の交差点において歪みを生成する相歪み装置（１３）を有する電力分配所（１２）と、三相電圧の内の１つの相電圧を受け取って、該受け取った電圧中の歪みの特徴に基づいて該受け取った電圧の相を同定する相検出装置（２４）とを含む。
【選択図】図３

Description

本発明は、一般的に云えば、三相配電回路網の分野に関するものである。より具体的には、本発明は、三相配電回路網内の或る電力線路の相を同定（又は識別）する分野に関するものである。
現代の電力分配システムは使用者に三相電圧を供給することが多い。すなわち、電力線路は、例えば、各々が特定の電圧相として表される複数の導体を含むことができる。更に、電力分配システムは、電力線路の負荷を平衡させるように（例えば、三相変圧器の各々の相出力から流れる電力の量が等しくなるように）動作するように設定することができる。しかしながら、時間につれて、使用者が回路網に追加され又はそこから除去されることがあり、その結果として、相電流及び電圧の流れが不平衡になることがある。すなわち、１つの電圧相に接続される使用者が多過ぎるのに対して、第２及び／又は第３の相に接続される使用者が少な過ぎることがある。この結果、既存の社会基盤施設の最適な利用ができないことがある。この負荷の不平衡を解決する１つの態様として、例えば、使用量の多い電圧相から少量の少ない電圧相へ顧客を移すことによって、負荷を再び平衡させるようにすることができる。
しかしながら、１つの電圧相から別の電圧相へ顧客を移す際には課題がある。例えば、顧客が配電回路網に追加され及びそこから除去されるとき、所与の顧客が接続されている電圧相は、回路網に対する所与の電力線路についての（典型的には、現場の作業者による）経費の掛かる物理的な追跡を行わないと、確認することが困難なことがある。すなわち、負荷の不平衡は遠隔に検出することができるが、個別の使用者が接続されている相は、変電所からそれぞれの使用者の場所までの電力線路を物理的に追跡しないと容易に明らかにすることができない。従って、様々な場所で受け取られている電圧相を物理的に決定するために１つ又は複数の使用者の場所へ人員を派遣することなく、使用者が接続されている電圧相を確認できれば有利であろう。更に、負荷の正しい相を同定すれば、単相及び三相事故の間の弁別が可能になり、次いで停電管理システムの精度を相情報に依存させることができる。
相を同定する方法の１つは、モデム及び電話線を利用して通信リンクを確立することである。線路の相が既知（参照線路）である回路網内の一点における相に関連した信号が、通信リンクを介して、線路の相が未知（試験中の線路）である回路網内の一点に伝送される。別の方法では、モデム及び電話線の代わりに通信のために無線信号が使用される。しかしながら、これらの両方の手法は、較正手順と、効果的に使用するための特別な訓練とを必要とする。相を測定する別の方法は、（相が既知である）変電所と相が未知である遠隔の場所とにおける（通常ＧＰＳを用いた）正確な時刻記録された測定によるものである。２つの信号の間の位相差を推定することによって、遠隔の場所における相を決定することができる。しかしながら、この方法は、相を同定するために２つの異なる場所において２方向の通信又は情報を必要とする。
従って、配電回路網内の一つの電力線路の相を同定するための改良された装置及び方法を提供することが必要である。
本発明の一実施形態によれば、相同定(phase identification)システムを提供する。本システムは、三相電圧のの内の少なくとも２対の相電圧の交差点において歪みを生成するための相歪み装置を有する電力分配所を含む。本システムはまた、三相電圧の内の１つの相電圧を受け取って、該受け取った電圧中の歪みの特徴に基づいて該受け取った電圧の相を検出するための相検出装置を含む。
本発明の別の実施形態によれば、相を同定する方法を提供する。本方法は、電力分配システムから歪んだ電圧を受け取る段階を含み、該歪んだ電圧は、前記電力分配システムの三相電圧を該三相電圧の内の少なくとも２対の相電圧の交差点の近くで歪ませることによって形成されたものである。本方法はまた、受け取った電圧中の歪みの特徴に基づいて該受け取った電圧の相に関する情報を決定する段階を含む。
本発明のこれらの及び他の特徴、面及び利点は、添付の図面を参照して以下の説明を読めばより良く理解されよう。添付の図面では、同様な参照符号は図面全体を通じて同様な部品を表す。
図１は、本発明の一実施形態に従った電力網のブロック図である。 図２は、本発明の一実施形態に従った、図１の電力網の相検出装置のブロック図である。 図３は、本発明の一実施形態に従った、図１の電力網の電力分配所のブロック図である。 図４は、逓降変圧器を利用する相同定システムの回路図である。 図５は、本発明の一実施形態に従った歪んだ電圧信号の波形図である。
図１は、電力分配所１２から電圧を供給するように動作することのできる電力網１０を例示する。電力分配所１２には、例えば、電力網１０で伝送するための電圧を発生することのできる１つ以上の発電機を有する発電所を含むことができる。それに加えて、又はその代わりに、電力分配所は１つ以上の変電所を含むことができ、該変電所は、１つの電圧から別の電圧へ変圧する（例えば、受け取った電圧を、例えば、１０００００ボルトから１００００ボルト以下へ逓降する）ように動作する１つ以上の変圧器、及び／又は電力を更に転送するための１つ以上の配電母線を有することができる。電力分配所１２はまた、例えば、１つ以上の電力線路１４を介して、配電回路網１６に接続することができる。
一実施形態では、複数の電力線路１４には、電力分配所１２から配電回路網１６へ電力を伝送するための複数の伝送路を含むことができる。例えば、複数の電力線路１４は、三相の電圧、例えば、相Ａ〜Ｃの電圧を伝送することができる。更に、複数の電力線路１４は、三相の電圧の伝送路に加えて、中性線路を含むことができる。
配電回路網１６は、三相電圧を複数の使用者へ分配することができる。配電回路網１６は、例えば、１つ以上のタップ１８を含むことができる。１つ以上のタップは、１つ以上の電力線路１４を、例えば、１つ以上の使用者が所在する枝路へ分割するように作用することができる。従って、タップ１８は、電圧相Ａ〜Ｃの内の１つ以上をこの枝路上の使用者へ分割するように作用することができる。配電回路網１６はまた複数の使用者線路２０を含むことができる。これらの使用者線路２０は複数の電力線路１４への直接接続部として作用することができる。すなわち、各々の使用者線路２０は、例えば、電圧を約７２００ボルトから約２４０ボルトへ逓降するための変圧器を含むことができる。更に、各々の使用者線路２０は単相の電圧に接続することができることに留意されたい。すなわち、各々の使用者線路２０は、相Ａ、相Ｂ又は相Ｃの電圧に接続することができる。２４０ボルトの相Ａ、相Ｂ又は相Ｃ電圧を、回路中に接続されたメータ２２Ａ〜２２Ｇを持つ使用者へ伝送することができる。
メータ２２Ａ〜２２Ｇ（例えば、相検出装置）の各々は、特定の使用者に伝送されて消費されるエネルギ量を監視するように動作することができる。一実施形態では、メータ２２Ａ〜２２Ｇの内の１つ以上は、該メータ２２Ａ〜２２Ｇが使用量データを所定の時間周期にわたる（例えば、１分毎の又は１時間毎の）特定の量で測定して記録すると共に、その測定及び記録された情報を電力分配所１２へ伝送することができるように、高度計量施設（ＡＭＩ）の一部分とすることができる。別の実施形態では、メータ２２Ａ〜２２Ｇは、評価のために電力分配所１２へ送るべき追加の情報（例えば、停電、電圧相情報、又は他の施設情報）の伝送を可能にすることができる。
図２は、メータ２２Ａ〜２２Ｇの内のいずれかを表すことができる１つのメータ２２のブロック図である。図示のように、メータ２２は、センサ２４、信号変換回路２６、１つ以上の処理装置２８、記憶装置３０、及び通信回路３２を含むことができる。センサ２４、信号変換回路２６、１つ以上の処理装置２８、記憶装置３０及び通信回路３２は組み合わさって、メータ２２が、該メータ２２で受け取っている電圧の相を表す信号を決定して送信できるようにすることができる。この態様では、メータ２２は相検出装置として動作することができる。メータ２２、一実施形態では、電力を使用している場所に物理的に取り付けることができる。それに加えて又はその代わりに、相検出装置は手持ち型計量装置を有することができ、従って、受け取っている電圧の相を表す信号の決定及び／又は送信はその手持ち型計量装置によって達成することができる。一実施形態では、センサ２４は、使用者線路２０から電流及び電圧を受け取って測定するための電気構成部品を含むことができる。前に述べたように、この電圧は、三相、すなわち、位相が互いに１２０度ずれている相Ａ、相Ｂ及び相Ｃの内の１つであってよい。センサ２４は、検出した電圧及び／又は電流を信号変換回路２６へ信号として送信することができる。更に、センサ２４は、メータ２２における電圧信号中の歪みを検出することができる。後でより詳しく説明するように、電圧信号中の歪みは、メータ２２で受け取った電圧の相を決定するために用いることができる。
また図２には信号変換回路２６も示されている。信号変換回路２６は、例えば、センサ２４から受け取った信号の電圧を２４０ボルトから約５ボルト以下へ変換する電圧変換回路２６を含むことができる。更に、電圧変換回路は、例えば、センサ２４から受け取った信号（例えば、電圧信号又は注入された信号）を、アナログ形式から、１つ以上の処理装置２８によって処理するためのディジタル信号へ変換するために、少なくとも１つのアナログ・ディジタル変換器を含むことができる。
１つ以上の処理装置２８はメータ２２のための処理能力を備えることができる。１つ以上の処理装置２８は、１つ以上のマイクロプロセッサ（例えば、１つ以上の汎用マイクロプロセッサ、１つ以上の専用マイクロプロセッサ及び／又はＡＳＩＣＳ）、或いはこのような処理装置の任意の組合せを含むことができる。更に、１つ以上の処理装置２８によって実行するプログラム又は命令は任意の適当な媒体に記憶することができ、該媒体には、、限定するものではないが、以下に説明する記憶装置のような、少なくとも実行される命令又はルーチンを包括的に記憶する１つ以上の有形のコンピュータ読取り可能な媒体が含まれる。このような場合、メータ２２は、（記憶装置３０のような）コンピュータ・プログラム製品上で符号化されたプログラムを含むことができ、該プログラムは、例えば、電圧信号中の歪みに基づいてメータ２２で受け取った電圧の相を決定することを含む様々な機能をメータ２２に行わせるように、１つ以上の処理装置２８によって実行することのできる命令を含むことができる。
１つ以上の処理装置２８によって処理すべき命令及び／又はデータは、記憶装置３０のようなコンピュータ読取り可能な媒体に記憶させることができる。記憶装置３０は、ランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）のような揮発性メモリ、又は読出し専用メモリ（ＲＯＭ）のような非揮発性メモリを含むことができる。一実施形態では、記憶装置３０は、（メータ２２上で実行することのできる様々なプログラム、アプリケーション又はルーチンのような）メータ２２のためのファームウエアを記憶することができる。更に、記憶装置３０は、メータ２２の動作中にバッファ又はキャッシュとして作用させるために使用することができる。記憶装置３０は、例えば、フラッシュ・メモリ、ハードディスク・ドライブ、又は任意の他の光学的、磁気及び／又は半導体記憶媒体を含むことができる。記憶装置３０はまた、最終的に通信回路３２介して伝送するための情報を記憶するように使用することができる。記憶される情報は、例えば、後で電気事業者によるメータ読取りの際に用いることのできる相情報を含むことができる。
通信回路３２は、メータ２２から、例えば、電力分配所１２（図１）へ情報を伝送するように利用することができる。該情報には、例えば、メータ２２で受け取っている電圧の相、メータ２２における電圧使用量、及び／又はメータ２２の動作に関する他の情報を表す１つ以上の信号を含むことができる。このため、通信回路３２は、例えば、電力分配所１２及び／又は他のメータ（例えば、２２Ａ〜２２Ｇ）に対して情報を送受信するためのトランシーバを含むことができる。代わりに、通信回路３２は、例えば、電力分配所１２及び／又は他のメータへ情報を送ることができるが、情報を受け取らない送信器を含むことができる。通信回路３２は更に、情報の無線送信及び／又は受信のための無線送信及び／又は送受信素子を含むことができる。それに加えて及び／又はその代わりに、通信回路３２は、例えば、有線通信モードの電力線搬送通信（ＰＬＣ）回路を介して電力分配所１２に物理的に結合することができる。伝送媒体に関係なく、通信回路３２の使用により、メータ２２は、メータ２２で受け取っている電圧の相を含む収集された情報を伝送することができる。
図３は、所与の使用者に供給されている電圧の相を決定するためにメータ２２と共に利用することができる相歪み装置１３を備えた電力分配所１２のブロック図７０である。電力分配所１２は、変圧器、メータ及び開閉装置構成部品のような、電力供給のための電源及び他の適当な構成部品３４を含むことができる。この電源は、例えば、前に述べたように、発電機又は１つ以上の変圧器を含むことができる。電源３４は、電力線路１４を介して三相電圧を伝送するように動作することができ、そのため、相Ａ電圧を線路３６を介して伝送することができ、相Ｂ電圧を線路３８を介して伝送することができ、また相Ｃ電圧を線路４０を介して伝送することができる。ここで、線路３６、３８及び４０について相Ａ、相Ｂ及び相Ｃと標示した相線路は例として示すためだけであることに留意されたい。一実施形態では、相歪み装置１３は、相電圧信号を歪ませるように動作することができる。相電圧信号は指令により又はスケジュールに従って歪ませることができる。例えば、電気事業者は、回路網に現れる不平衡の量に応じて歪みを開始させることができる。それに加えて又はその代わりに、歪みは、例えば、毎日の特定の時間に生じるように、一定の頻度で生じさせることができる。歪んだ相電圧は線路３６，３８，４０を介して伝送されて、配電回路網１６内のメータ２２（図１）に到達し、そこで、メータ２２は歪みを同定（識別）し、従って受け取った歪みの特徴に応じて相を同定する。一実施形態では、メータ２２はまた、同定された相情報を電力分配所１２（図１）へ伝送することができる。
電圧信号中の歪みは多数のやり方のいずれかで生じさせることができる。一実施形態では、電圧信号中の歪みは、インダクタ又は抵抗器−インダクタ対を介して一時的に（例えば、電圧波形の時間周期の６分の１未満の間）２つの相を短絡することによって、生じさせることができる。一実施形態では、一時的な短絡は、固体素子４６，４８及びインダクタ５０又は抵抗器（５２）−インダクタ（５０）対を用いることによって行うことができる。図３の実施形態では、固体素子４６，４８は一対の逆並列サイリスタとして図示されている。しかしながら、一実施形態では、逆並列サイリスタ対の代わりに、単一のサイリスタを上側を下に又は下側を上にした態様で用いて、部品数を減らし、且つ電圧波形の１つの半サイクル中にのみ歪みを生じさせることができる。他の固体素子４６，４８としては、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ（ＩＧＢＴ）、及びゲート・ターンオフ・サイリスタ（ＧＴＯ）が挙げられる。固体素子４６，４８は、一実施形態では、例えば、炭化珪素（ＳｉＣ）のような材料で構成することができる。一実施形態では、固体素子は、電圧定格を増大させるために複数の低電圧固体素子を直列に接続して構成することができる。一実施形態では、固体素子４６は、相Ａ及び相Ｂ電圧に歪みを生じさせるために、２つの相３６及び３８の間に抵抗器−インダクタ対（５２，５０）により接続された一対の逆並列サイリスタ４５及び４７で構成することができる。同様に、固体素子４８は、相Ｃ及び相Ｂ電圧に歪みを生じさせるために、相３８及び４０の間に抵抗器−インダクタ対と共に接続された一対の逆並列サイリスタ４９及び５１で構成することができる。図３の実施形態では、固体素子４６及び４８の両方に対して共通の抵抗−インダクタ対が用いられているが、特定の実施形態では、固体素子４６及び４８の各々について別々の抵抗器−インダクタ対を用いることができる。歪みを生じさせるために、固体素子がサイリスタ対で構成されている一実施形態では、サイリスタ対の内の一つのサイリスタを２つの相電圧信号の交差点の近くで点弧（ターンオン）することができる。例えば、サイリスタ４５は相Ａ電圧信号と相Ｂ電圧信号との交差点の近くで点弧することができ、他方、サイリスタ５１は相Ｃ及び相Ｂ電圧信号の交差点の近くで点弧することができる。一実施形態では、用語「交差点の近く」とは、交差点よりも前の６０°以内の任意の位相角を表す。ここで、交差点とは、２つの相電圧信号が互いと交差する点を表すことに留意されたい。交差点の近くでのスイッチングは、インダクタ５０の両端間の電圧差を低減すること、従って電流を低減することに役立つ。サイリスタの点弧の時点（又は波形中の度／点）はまた、回路網に惹起される歪みの量に影響を及ぼし、従って検出を容易にするために信号を調整するのに用いることができる。例えば、サイリスタが相電圧信号の交差点より前の４５°ではなく３０°の位相変位で点弧された場合、相電圧中の歪みはより小さくなる。点弧後、サイリスタは自動的にターンオフさせることができる。サイリスタを通る電流がゼロになり且つ該サイリスタの両端間の電圧が負になったとき、短絡回路が開放される。
図４に示されているように、一実施形態８０では、相電圧に歪みを生じさせるために電圧定格のより低いサイリスタを利用することができる。このような一実施形態では、逓降変圧器８２を三相の内の一対の相８４及び８６の間に利用することができ、その場合、一次巻線又は高電圧巻線８１が２つの相８４及び８６の間に接続され、また二次巻線又は低電圧巻線８３がサイリスタ対８８と並列に接続される。電圧に歪みを生じさせるために相８４及び８６を短絡すべきであるとき、イリスタ対８８の内の一方のサイリスタがターンオンされて、それによる二次巻線８３の短絡が一次巻線８１に反映されて、電圧の歪みを生じさせる。正常状態中、低電圧巻線８３は開放状態に保たれる。更に、この実施形態では、変圧器の漏洩インダクタンスが、別個のインダクタを用いなくても、インダクタとして作用することができる。一実施形態では、サイリスタ対８８よりは単一のサイリスタを使用することにより、電圧サイクルの半サイクルのみに歪みを生じさせ、且つ部品数を少なくすることができる。
図５は、本発明の一実施形態に従った歪んだ電圧信号の模擬波形図９０を示す。水平軸９２は秒単位で時間を表し、また垂直軸９４はボルト単位で電圧を表す。波形図９０は、３つの電圧信号、すなわち、相Ａ電圧信号９６と相Ｂ電圧信号９８と相Ｃ電圧信号１００とを示す。図３に関して説明したように、一実施形態では、サイリスタ４５が相Ａ及び相Ｂの電圧信号の交差点の近くで点弧され、また同様にサイリスタ５１が相Ｃ及び相Ｂの電圧信号の交差点の近くで点弧される。従って、相Ａ及び相Ｂの交差点の近く並びに相Ｃ及び相Ｂの交差点の近くにそれぞれ２つの電圧歪み１０２及び１０４が存在する。各々のメータ２２はこれらの歪んだ電圧信号を受け取って、それらの歪みを用いることにより、電圧信号中の歪みの少なくとも１つの特徴に応じて、該メータが接続されている相を検出することができる。例えば、本実施形態では、相Ｂ電圧信号９８は２つの切り込み（ノッチ）を持ち、その内の一方は歪み１０２の近くにあり、他方は歪み１０４の近くにある。従って、メータ２２がそのそれぞれの電圧信号中に２つの歪みを検出した場合、該メータは相Ｂに接続されていると決定することができる。同様に、相Ａ電圧信号は歪み１０２の近くの正の半サイクル中に切り込みを持つ。そこで、相Ａに接続されたメータ２２は正の半サイクル中の切り込みを観測し、そして対応する相を相Ａとして同定することができる。相Ｃの同定のために、メータ２２は電圧信号１００の負の半サイクル中に、すなわち歪み１０４の近くに、切り込みを観測する。ここで、図４に表された歪みは一例に過ぎないこと、また歪みは他の点でも生じさせることができること、またメータ２２はそれに応じて訓練することができることに留意されたい。
ここで、特定の実施形態では、三相変圧器が、メータと、電圧信号中の歪みを修正するシステムとの間に存在し得ることに留意されたい。しかしながら、このような場合、これらの変圧器に起因した電圧歪みの位相シフトを先験的に考慮することができ、またそれに対応してメータ２２を訓練することができる。
別途に定義しない限り、本書で用いられている技術及び科学用語は、本発明が属する分野の当業者によって通常理解されるのと同じ意味を持つ。また、「第１」、「第２」などの用語は、用いられるとき、順序や品質や重要性を表しているものではなく、むしろ一要素を別の要素から区別するために用いている。また、数を特記していない用語はその項目が１つであることを表しているのではなく、むしろその項目が少なくとも１つ存在していることを表す。例えば、「歪みの特徴」に関して、１つ以上の特徴及び１つ以上の歪みを用いることができる。
本発明の特定の特徴のみを例示し説明したが、当業者には種々の修正および変更をなし得よう。従って、「特許請求の範囲」の記載が本発明の真の精神内にあるこの様な全ての修正および変更を包含するものとして記載してあることを理解されたい。
１０ 電力網
１３ 相歪み装置
１４ 電力線路
１６ 配電回路網
１８ タップ
２０ 使用者線路
２２Ａ〜２２Ｇ メータ
２２ メータ
３６、３８、４０ 線路
４５、４７、４９、５１ サイリスタ
４６、４８ 固体素子
５０ インダクタ
５２ 抵抗器
７０ 相歪み装置を備えた配電回路網のブロック図
８０ 一実施形態
８１ 一次巻線
８２ 逓降変圧器
８３ 二次巻線
８４、８６ 相
８８ サイリスタ対
９０ 歪んだ電圧信号の模擬波形図
９２ 水平軸
９４ 垂直軸
９６、９８、１００ 相電圧信号
１０２、１０４ 電圧歪み

Claims (10)

  1. 三相電圧の内の少なくとも２つの対の相電圧の交差点において歪みを生成する相歪み装置（１３）を含む電力分配所（１２）と、
    三相電圧の内の１つの相電圧を受け取って、該受け取った電圧中の歪みの特徴に基づいて該受け取った電圧の相を同定する相検出装置（２４）と、
    を有する相同定システム（７０）。
  2. 前記受け取った電圧中の歪みの特徴は、前記受け取った電圧中の歪みの数及び歪みの時点を有している、請求項１記載のシステム。
  3. 前記相歪み装置は電圧歪み回路を有している、請求項１記載のシステム。
  4. 前記電圧歪み回路は、２つの相の間に接続された、インダクタ（５０）又は抵抗器−インダクタ対（５２、５０）を備えた逆並列のサイリスタ対（４６、４８）又はサイリスタを有している、請求項３記載のシステム。
  5. 前記相検出装置は、正の半サイクル中に歪みがある場合は第１の相を検出し、また負の半サイクル中に歪みがある場合は第２の相を検出し、また正及び負の半サイクル中に２つの歪みが存在する場合は第３の相を検出する、請求項１記載のシステム。
  6. 相を同定する方法をであって、
    電力分配システム（１２）から歪んだ電圧を受け取る段階であって、該歪んだ電圧が、前記電力分配システムの三相電圧を該三相電圧の内の少なくとも２つの異なる対の相電圧の交差点の近くで歪ませることによって形成されたものである、当該段階と、
    前記受け取った歪んだ電圧中の歪みの特徴に基づいて該受け取った歪んだ電圧の相に関する情報を決定する段階と、
    を有する方法。
  7. 前記三相電圧を歪ませることが、インダクタ又は抵抗器−インダクタ対を介して前記三相の内の２つの相を一時的に短絡することによって前記三相電圧に切り込みを生じさせることを有している、請求項６記載の方法。
  8. 前記受け取った電圧中の歪みの特徴は歪みの数を有している、請求項６記載の方法。
  9. 前記受け取った電圧中の歪みの特徴は歪みの時点を有している、請求項６記載の方法。
  10. 前記受け取った歪んだ電圧の相に関する情報を決定する段階は、正の半サイクル中に歪みがある場合は第１の相を同定し、また負の半サイクル中に歪みがある場合は第２の相を同定し、また正及び負の半サイクル中に２つの歪みが存在する場合は第３の相を同定する段階を有している、請求項６記載の方法。
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