JP2013074637A - 電力監視システム - Google Patents

Abstract

【課題】逆潮流を迅速に検出する。
【解決手段】電力計測センサ１０は、電力系統２００と需要家構内の機器とを繋ぐ電力線を介して供給される電力量を計測する。逆潮流センサ２０は、電力線における逆潮流を検出する。制御装置３０は、電力計測センサ１０および逆潮流センサ２０と同一通信回線で接続され、電力計測センサ１０および逆潮流センサ２０とシリアル通信する。通信回線を介して、制御装置３０から電力計測センサ１０への計測データ要求の送信、およびその要求に対する応答としての電力計測センサ１０から制御装置３０への計測データの送信が定期的に実行される。逆潮流センサ２０は、電力線における逆潮流を検出すると、通信回線に割込処理を実行して、制御装置３０へ逆潮流検出通知を送信する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力系統と需要家構内の機器とを繋ぐ電力線の電力を監視する電力監視システムに関する。

近年、太陽光発電システムの普及が加速している。太陽光発電システムでは、太陽電池で発電された電力を需要家構内の負荷で使用することができる。それとともに、日本を含む多くの国や地域では、余剰電力を電力系統へ逆潮流させて電力会社に売電することができる。

太陽光発電システムでは、センサを設けて発電電力を検出し、ユーザが確認できるように構成することが一般的である（たとえば、特許文献１参照）。センサを電力系統と分電盤との間に設置すれば、逆潮流の有無を検出できる。

特開２００６−２０３９０号公報

ところで近年、太陽光発電システムに蓄電システムを連携させたシステムが実用化されている。日本では夜間電力の割引制度があり、夜間に系統から蓄電池（二次電池ともいう）に充電した電力を昼間に逆潮流させて売電することを防止するため、電力会社は蓄電池からの逆潮流を禁止している（２０１１年９月現在）。したがって、逆潮流が発生した場合において逆潮流電力に蓄電池から放電された電力が含まれると判定される場合、速やかに蓄電池からの放電を中止する必要がある。その前提として、逆潮流自体を迅速に検出する必要がある。

本発明はこうした状況に鑑みなされたものであり、その目的は、逆潮流を迅速に検出する技術を提供することにある。

本発明のある態様の電力監視システムは、電力系統と需要家構内の機器とを繋ぐ電力線を介して供給される電力量を計測するための電力計測センサと、電力線における逆潮流を検出するための逆潮流センサと、電力計測センサおよび逆潮流センサと同一通信回線で接続され、電力計測センサおよび逆潮流センサとシリアル通信する制御装置と、を備える。通信回線を介して、制御装置から電力計測センサへの計測データ要求の送信、およびその要求に対する応答としての電力計測センサから制御装置への計測データの送信が定期的に実行され、逆潮流センサは、電力線における逆潮流を検出すると、通信回線に割込処理を実行して、制御装置へ逆潮流検出通知を送信する。

本発明によれば、逆潮流を迅速に検出できる。

電力監視システムを説明するための図である。 電力計測センサおよび逆潮流センサの構成例を示す図である。 本発明の実施の形態に係る、電力計測センサ、逆潮流センサおよび制御装置間の通信シーケンスの一例を示す図である。 本発明の実施の形態に係る、電力計測センサ、逆潮流センサおよび制御装置間の通信シーケンスの別の例を示す図である。 図５（ａ）、（ｂ）は、図４の動作シーケンスの詳細図である。

図１は、電力監視システム１００を説明するための図である。電力系統２００は電力線を介して需要家構内の分電盤３００に配電する。本明細書では需要家として一般家庭を想定する。分電盤３００は電力線を分岐して、負荷４００、太陽電池５００および蓄電池ユニット６００にそれぞれ接続する。また、分電盤３００はそれぞれの経路ごとに分岐ブレーカを有する。

分電盤３００と太陽電池５００との間に、パワーコンディショナ５２０および切替ユニット５１０が挿入される。太陽電池５００は複数の太陽電池パネルを有し、複数の太陽電池パネルのそれぞれからの配線は、図示しない接続箱により束ねられ、切替ユニット５１０に接続される。切替ユニット５１０は、太陽電池５００により発電された直流電力をパワーコンディショナ５２０に供給するか、蓄電池ユニット６００に供給するか切り替える。パワーコンディショナ５２０は、太陽電池５００により発電された直流電力を交流電力に変換して分電盤３００に供給する。分電盤３００に供給された当該交流電力は、負荷４００に供給されるか、電力系統２００に逆潮流される。

蓄電池ユニット６００は、蓄電池と充放電回路を有する。蓄電池にはリチウムイオン電池、ニッケル水素電池、鉛電池などが採用される。充放電回路は充電スイッチおよび放電スイッチを有する。蓄電池は充電スイッチを介して電力系統２００または太陽電池５００から充電される。また、蓄電池は放電スイッチを介して負荷４００または図示しない蓄電池専用の負荷に放電する。

分電盤３００と蓄電池ユニット６００との間に、双方向ＡＣ−ＤＣコンバータ６１０が挿入される。双方向ＡＣ−ＤＣコンバータ６１０は、電力系統２００から分電盤３００を介して供給される交流電力を直流電力に変換して、蓄電池ユニット６００に供給する。また、双方向ＡＣ−ＤＣコンバータ６１０は、蓄電池ユニット６００から供給される直流電力を交流電力に変換し、分電盤３００を介して負荷４００に供給する。なお、双方向ＡＣ−ＤＣコンバータ６１０の代わりに、ＡＣ−ＤＣコンバータとＤＣ−ＡＣコンバータを別々に設けてもよい。

電力監視システム１００は、電力計測センサ１０、逆潮流センサ２０および制御装置３０を備える。電力計測センサ１０は、電力系統２００と需要家構内の機器（本実施の形態では、負荷４００、太陽電池５００、蓄電池ユニット６００）とを繋ぐ電力線を介して供給される電力量を計測する。より具体的には、電力系統２００と分電盤３００とを繋ぐ電力線に取付けられ、電力系統２００から分電盤３００への順方向電力および分電盤３００から電力系統２００への逆潮流電力を検出する。電力量の検出方法の具体例は後述する。逆潮流センサ２０は、上述の電力線に取付けられ、当該電力線における逆潮流を検出する。逆潮流の検出方法の具体例は後述する。

制御装置３０、電力計測センサ１０および逆潮流センサ２０は、同一通信回線で接続され、制御装置３０、電力計測センサ１０および逆潮流センサ２０は相互にシリアル通信する。本実施の形態ではＲＳ−４８５に準拠したシリアル通信を行う。また、通信回線は有線、無線および両者の併用のいずれでもよいが、本実施の形態ではノイズの影響を受けにくい有線ケーブルを用いる。制御装置３０、電力計測センサ１０および逆潮流センサ２０はバス型のネットワークを構築し、バス４０には、別のセンサや装置をさらに接続してネットワークを拡張できる。

上記通信回線を介して、制御装置３０から電力計測センサ１０への計測データ要求の送信、およびその要求に対する応答としての電力計測センサ１０から制御装置３０への計測データの送信が定期的（たとえば、毎秒１回）に実行される。これにより、制御装置３０は時々刻々変化する電力線の電力量を取得できる。順方向電力が検出されている間は、需要家の使用電力量が取得される。太陽電池５００により発電された電力が負荷４００に供給されている間は、その分の電力量が本来の使用電力量から差し引かれる。逆潮流電力が検出されている間は逆潮流電力量が取得される。

逆潮流センサ２０は、上記電力線における逆潮流を検出すると、上記通信回線に割込処理を実行して、制御装置３０へ逆潮流検出通知を送信する。より具体的には、逆潮流センサ２０は、当該電力線における逆潮流を検出すると、当該通信回線が空いているとき当該通信回線を介して制御装置３０へ逆潮流検出通知を送信し、当該通信回線が使用中のとき当該通信回線に通信妨害データを送出し、当該通信回線が空いてから制御装置３０へ逆潮流検出通知を送信する。

制御装置３０は、上記逆潮流検出通知を受信すると、逆潮流センサ２０に当該逆潮流検出通知に対する応答を送信する。逆潮流センサ２０は、その応答を受信すると一定時間、上記電力線における逆潮流センサ２０の検出を中断する。これにより、制御装置３０への無駄な逆潮流検出通知の送信が回避される。制御装置３０は一定時間経過後に新たな逆潮流検出通知を受信すれば逆潮流が止まっていないと判断し、受信しなければ逆潮流が止まったと判断する。

制御装置３０は、蓄電池が放電中に、上記逆潮流検出通知を受信すると、蓄電池の放電を停止させる。具体的には放電スイッチをオフする信号を蓄電池ユニット６００に送出する。また、太陽電池５００により発電された電力も逆潮流させない設定の場合、蓄電池の状態に関わらず、切替ユニット５１０からパワーコンディショナ５２０への経路を開路するための信号を切替ユニット５１０に送出する。その場合、切替ユニット５１０から蓄電池ユニット６００への経路を閉路して蓄電池に充電してもよい。制御装置３０と蓄電池ユニット６００との間、および制御装置３０と切替ユニット５１０との間の信号線は、上記通信回線と別に設けられる。

図２は、電力計測センサ１０および逆潮流センサ２０の構成例を示す。電力計測センサ１０は、第１電流センサ１１、第１電圧センサ１２、第１演算部１３および第１通信制御部１４を含む。第１電流センサ１１および第１電圧センサ１２は、上記電力線に取付けられる。なお、第１電流センサ１１はクランプ式であってもよい。第１演算部１３は、第１電圧センサ１２の検出値と第１電流センサ１１の検出値をもとに、上記電力線の電力量を算出する。第１通信制御部１４は、電力計測センサ１０と制御装置３０との間の通信を制御する。

逆潮流センサ２０は、第２電流センサ２１、第２電圧センサ２２、第２演算部２３および第２通信制御部２４を含む。第２電流センサ２１および第２電圧センサ２２は、上記電力線に取付けられる。なお、第２電流センサ２１はクランプ式であってもよい。第２演算部２３は、第２電圧センサ２２の検出値と第２電流センサ２１の検出値をもとに、上記電力線における逆潮流を検出する。第２通信制御部２４は、逆潮流センサ２０と制御装置３０との間の通信を制御する。

第１演算部１３および第２演算部２３は、マイクロコンピュータで構成されてもよいし、それぞれの演算を実行する各種ハードウェア回路の組合せにより構成されてもよい。または両者の併用でもよい。

電力計測センサ１０および逆潮流センサ２０には、基本的に同一種類または同一仕様のセンサを採用できる。ただし、両者の間で演算アルゴリズムまたは回路構成が異なる。第２演算部２３は、第１演算部１３より簡易な演算を実行することにより、第１演算部１３より高速に逆潮流を検出する。

すなわち、逆潮流センサ２０は逆潮流を検出できればよいため、厳密な有効電力の算出は必要ない。一方、電力計測センサ１０は厳密な有効電力を算出する必要がある。したがって、逆潮流センサ２０は、簡易な演算を実行することにより、有効電力を算出せずに、または低精度な有効電力を算出し、その代わり逆潮流を高速に検出する。なお、電流計、電圧計および通信制御部は、電力計測センサ１０と逆潮流センサ２０との間で同一のものを使用できる。

図２では、単相三線式の配電方法を例に説明する。上記電力線は、電力系統２００のＲ相、Ｏ相およびＴ相に対応して、Ｒ相電力線、Ｏ相電力線およびＴ相電力線の三本の線からなる。Ｒ−Ｏ線間電圧は交流１００Ｖ、Ｔ−Ｏ線間電圧は交流１００Ｖ、およびＲ−Ｔ線間電圧は交流２００Ｖである。

第１電流計１１ａはＲ相電力線の交流電流を検出する。第１電流計１１ｂはＴ相電力線の交流電流を検出する。第１電圧計１２ａはＲ−Ｏ線間の交流電圧を検出する。第１電圧計１２ｂはＴ−Ｏ線間の交流電圧を検出する。第１電流計１１ａ、第１電流計１１ｂ、第１電圧計１２ａおよび第１電圧計１２ｂはそれぞれの検出結果を第１演算部１３に出力する。なお、第１電流計１１ａおよび第１電流計１１ｂの検出値は、図示しない電流−電圧変換回路により電圧に変換され、図示しないＡ／Ｄ変換回路によりデジタル値に変換されて、第１演算部１３に出力される。第１電圧計１２ａおよび第１電圧計１２ｂの検出値は、図示しないＡ／Ｄ変換回路によりデジタル値に変換されて、第１演算部１３に出力される。

同様に、第２電流計２１ａはＲ相電力線の交流電流を検出する。第２電流計２１ｂはＴ相電力線の交流電流を検出する。第２電圧計２２ａはＲ−Ｏ線間の交流電圧を検出する。第２電圧計２２ｂはＴ−Ｏ線間の交流電圧を検出する。第２電流計２１ａ、第２電流計２１ｂ、第２電圧計２２ａおよび第２電圧計２２ｂはそれぞれの検出結果を第２演算部２３に出力する。

第１演算部１３は、Ｒ−Ｏ線間の交流電圧およびＴ−Ｏ線間の交流電圧を、単位周期内に所定のサンプリング間隔で複数回サンプリングする。第１演算部１３は、Ｒ−Ｏ線間の交流電圧およびＴ−Ｏ線間の交流電圧に同期して、Ｒ相電力線の交流電流およびＴ相電力線の交流電流をサンプリングする。第１演算部１３は、Ｒ−Ｏ線間の交流電圧およびＲ相電力線の交流電流にもとづき、Ｒ相の有効電力を算出し、Ｔ−Ｏ線間の交流電圧およびＴ相電力線の交流電流にもとづき、Ｔ相の有効電力を算出する。

以下、より具体的に説明する。第１演算部１３は、Ｒ−Ｏ線間の交流電圧およびＲ相電力線の交流電流の対応する時刻のサンプリング値を乗算し、単位周期内の複数の乗算値を積算する。そして、この積算値を単位周期内のサンプリング回数で除算してＲ相の有効電力を算出する。Ｔ相の有効電力も同様の演算により算出する。

ここで、Ｒ相の有効電力またはＴ相の有効電力が負の値の場合、逆潮流が発生していると判断できる。Ｒ相電力線において逆潮流が発生していない場合、Ｒ−Ｏ線間の交流電圧とＲ相電力線の交流電流との位相差は９０°以内であり、Ｒ相の有効電力は０または正の値となる。Ｔ相電力線において逆潮流が発生していない場合、Ｔ−Ｏ線間の交流電圧とＴ相電力線の交流電流との位相差は９０°以内であり、Ｔ相の有効電力は０または正の値となる。

反対に、Ｒ相電力線において逆潮流が発生している場合、Ｒ−Ｏ線間の交流電圧とＲ相電力線の交流電流との位相差は９０°より大きくなり、Ｒ相の有効電力は負の値となる。同様に、Ｔ相電力線において逆潮流が発生している場合、Ｔ−Ｏ線間の交流電圧とＴ相電力線の交流電流との位相差は９０°より大きくなり、Ｔ相の有効電力は負の値となる。

電力計測センサ１０はこれら有効電力を制御装置３０に通知する。逆潮流センサ２０は電力計測センサ１０より高速に逆潮流を検出しなければならない。たとえば、逆潮流センサ２０が電力計測センサ１０と同じ演算方法を採用する場合、単位周期あたりのサンプリング数を減らすことにより、有効電力を算出するための演算時間を短縮できる。また、第２演算部２３は位相差検出器を備え、Ｒ−Ｏ線間の交流電圧とＲ相電力線の交流電流との位相差、およびＴ−Ｏ線間の交流電圧とＴ相電力線の交流電流との位相差を直接検出してもよい。

図３は、本発明の実施の形態に係る、電力計測センサ１０、逆潮流センサ２０および制御装置３０間の通信シーケンスの一例を示す図である。図３に示す例は、逆潮流センサ２０が逆潮流を検出し、逆潮流検出通知を制御装置３０に送出する際、上記通信回線が空いている例である。

まず、制御装置３０は上記通信回線を介して電力計測センサ１０に初期化コマンドを送信する。電力計測センサ１０は当該初期化コマンドを受信すると、その初期化コマンドに応じた初期化処理を実行し、正常／異常を示す応答を当該通信回線を介して制御装置３０に送信する。

つぎに、制御装置３０は電力計測センサ１０から上記応答を受信すると、上記通信回線を介して逆潮流センサ２０に初期化コマンドを送信する。当該初期化コマンドには、逆潮流検出アルゴリズム、逆潮流検出通知が完了した後、検出を中断する時間などの設定データが含まれていてもよい。逆潮流センサ２０は初期化コマンドを受信すると、その初期化コマンドに応じた初期化処理を実行し、正常／異常を示す応答を当該通信回線を介して制御装置３０に送信する。図３では、電力計測センサ１０および逆潮流センサ２０とも正常である例を示している。

つぎに、制御装置３０は上記通信回線を介して電力計測センサ１０にデータ要求コマンドを送信する。電力計測センサ１０は当該データ要求コマンドを受信すると、計測データを含む応答を当該通信回線を介して制御装置３０に送信する。このデータ要求コマンドの送信とその応答の送信は、所定の間隔で繰り返し実行される。

逆潮流センサ２０は逆潮流を検出すると、上記通信回線が空いているか否かを検出し、当該通信回線が空いている場合、逆潮流検出通知を当該通信回線を介して制御装置３０に送信する。制御装置３０はその逆潮流検出通知を受信すると、逆潮流を止めるための所定の制御を実行するとともに、当該通信回線を介して逆潮流センサ２０に応答を送信する。逆潮流センサ２０は、制御装置３０から当該応答を受信すると、一定時間、逆潮流の検出を中断する。この中断時間は、初期化コマンドに含まれている時間データにもとづく時間であってもよいし、あらかじめ逆潮流センサ２０に設定された時間であってもよい。

図４は、本発明の実施の形態に係る、電力計測センサ１０、逆潮流センサ２０および制御装置３０間の通信シーケンスの別の例を示す図である。図４に示す例は、逆潮流センサ２０が逆潮流を検出し、逆潮流検出通知を制御装置３０に送出する際、制御装置３０から電力計測センサ１０にデータ要求コマンドが送信されていることにより、上記通信回線が使用中である例である。

制御装置３０と電力計測センサ１０との間の初期化処理、および制御装置３０と逆潮流センサ２０との初期化処理は、図３に示した通信シーケンスと同じであるため、図４では省略している。

逆潮流センサ２０は逆潮流を検出すると、上記通信回線が空いているか否かを検出する。図４の例では、制御装置３０から電力計測センサ１０にデータ要求コマンドが送信されている最中であり、当該通信回線はビジーである。この場合、逆潮流センサ２０は、通信妨害データを当該通信回線に送出する。制御装置３０は、通信妨害データを検出すると、データ要求コマンドの送信を停止する。

逆潮流センサ２０は上記通信回線が空いたことを確認すると、逆潮流検出通知を当該通信回線を介して制御装置３０に送信する。制御装置３０はその逆潮流検出通知を受信すると、逆潮流を止めるための所定の制御を実行するとともに、当該通信回線を介して逆潮流センサ２０に応答を送信する。逆潮流センサ２０は、制御装置３０から当該応答を受信すると、一定時間、逆潮流の検出を中断する。制御装置３０は、逆潮流センサ２０に応答を送信した後、当該通信回線を介して電力計測センサ１０にデータ要求コマンドを再送する。
以下、楕円ｆ５で囲まれた通信シーケンスをより具体的に説明する。

図５（ａ）、（ｂ）は、図４の動作シーケンスの詳細図である。図５（ａ）は逆潮流が検出されない通常時のシーケンスを、図５（ｂ）は逆潮流検出時のシーケンスを示す。図５（ａ）、（ｂ）において、１バイト（８ビット）データのスタートビットＳｔとストップビットＳｐを黒塗りで描いている。データ要求コマンドや応答などの各種の送出データは、複数バイトで構成される。

図５（ａ）において、電力計測センサ１０は、制御装置３０から送出されたデータ要求コマンドを受信すると、応答を送出する。図５（ｂ）において、逆潮流センサ２０は逆潮流を検出し、逆潮流検出通知を送出しようとする際、上記通信回線には制御装置３０から送出されたデータ要求コマンドが存在する（楕円ｔ１参照）。そこで、逆潮流センサ２０は通信妨害データを送出する。これにより、制御装置３０から送出されたデータ要求コマンドのエコーバックデータは少なくともフレーミングエラーを起こす（楕円ｔ２参照）。制御装置３０はこのエラーを検出すると、データ要求コマンドの送出を停止する。その後、上記通信回線上のデータがなくなり、空き状態となる（楕円ｔ３参照）。逆潮流センサ２０は、それを確認すると、逆潮流検出通知を送出する。電力計測センサ１０は、データ要求コマンドを受信しないため、無応答である。

以上説明したように本実施の形態によれば、電力計測センサに加えて逆潮流センサを設けたことにより、逆潮流を低コストで迅速に検出できる。電力計測センサで逆潮流をリアルタイムに検出するためには、高速に有効電力を算出する必要があるが、それを実現するためにはハイスペックな回路構成が必要であり、コスト高を招く。この点、有効電力の検出と逆潮流の検出を別々のセンサで役割分担することにより、個々のセンサのコストを抑えることができる。また、電力計測センサしか設置されていない電力監視システムにおいて、追加的に逆潮流センサを設置することにより、既存の電力計測センサをそのまま生かすことができる。

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

１００ 電力監視システム、 １０ 電力計測センサ、 １１ａ，１１ｂ 第１電流計、 １２ａ，１２ｂ 第１電圧計、 １３ 第１演算部、 １４ 第１通信制御部、 ２０ 逆潮流センサ、 ２１ａ，２１ｂ 第２電流計、 ２２ａ，２２ｂ 第２電圧計、 ２３ 第２演算部、 ２４ 第２通信制御部、 ３０ 制御装置、 ４０ バス、 ２００ 電力系統、 ３００ 分電盤、 ４００ 負荷、 ５００ 太陽電池、 ５１０ 切替ユニット、 ５２０ パワーコンディショナ、 ６００ 蓄電池ユニット、 ６１０ 双方向ＡＣ−ＤＣコンバータ。

Claims (5)

1. 電力系統と需要家構内の機器とを繋ぐ電力線を介して供給される電力量を計測するための電力計測センサと、
   前記電力線における逆潮流を検出するための逆潮流センサと、
   前記電力計測センサおよび前記逆潮流センサと同一通信回線で接続され、前記電力計測センサおよび前記逆潮流センサとシリアル通信する制御装置と、を備え、
   前記通信回線を介して、前記制御装置から前記電力計測センサへの計測データ要求の送信、およびその要求に対する応答としての前記電力計測センサから前記制御装置への計測データの送信が定期的に実行され、
   前記逆潮流センサは、前記電力線における逆潮流を検出すると、前記通信回線に割込処理を実行して、前記制御装置へ逆潮流検出通知を送信することを特徴とする電力監視システム。
2. 前記逆潮流センサは、前記電力線における逆潮流を検出すると、前記通信回線が空いているとき通信回線を介して前記制御装置へ逆潮流検出通知を送信し、前記通信回線が使用中のとき前記通信回線に通信妨害データを送出し、前記通信回線が空いてから前記制御装置へ逆潮流検出通知を送信することを特徴とする請求項１に記載の電力監視システム。
3. 前記制御装置は、前記逆潮流検出通知を受信すると、前記逆潮流センサに前記逆潮流検出通知に対する応答を送信し、
   前記逆潮流センサは、前記応答を受信すると一定時間、前記電力線における逆潮流の検出を中断することを特徴とする請求項１または２に記載の電力監視システム。
4. 前記電力計測センサは、
   前記電力線に取付けられる第１電圧センサと、
   前記電力線に取付けられる第１電流センサと、
   前記第１電圧センサの検出値と前記第１電流センサの検出値をもとに、前記電力量を算出する第１演算部と、を有し、
   前記逆潮流センサは、
   前記電力線に取付けられる第２電圧センサと、
   前記電力線に取付けられる第２電流センサと、
   前記第２電圧センサの検出値と前記第２電流センサの検出値をもとに、前記電力線における逆潮流を検出する第２演算部と、を有し、
   前記第２演算部は、前記第１演算部より簡易な演算を実行することにより、前記第１演算部より高速に逆潮流を検出することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の電力監視システム。
5. 前記需要家構内の機器には、蓄電池が含まれ、
   前記制御装置は、前記蓄電池が放電中に、前記逆潮流検出通知を受信すると、前記蓄電池の放電を停止させることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の電力監視システム。