JP2014206417A - 電源電圧歪みによる電流の特徴への影響除去法 - Google Patents

Abstract

【課題】電源の種別や電源電圧の歪みの程度にかかわらず、電流波形から使用されている電気機器の種別や動作状況を判断することが可能となる。
【解決手段】本発明の方法は、電源電圧歪みによる電流の特徴への影響除去のために電力需要家の配電線を流れる電流の波形を計測する方法であって、前記電力需要家の配電線を流れる電流の波形を記録するステップと、前記電力需要家の配電線に印加される電圧の波形を記録するステップと、前記記録した電流の波形と、前記記録した電圧の波形とを周波数特性領域に変換するステップと、前記周波数特性領域に変換した電圧の波形の逆数を前記周波数特性領域に変換した電流の波形に掛けて補正された電流の波形を取得するステップとを含むことを特徴とする。
【選択図】図５

Description

本発明は電力センサにおける電流測定方法に関し、より詳細には電源電圧歪みによる電流の特徴への影響を除去した電流測定方法に関する。

電力センサは、一般家庭や事務所などの電力需要家に電力を供給する電源線の引き込み線や、分電盤内の電力線などに設置され、電力需要家が使用している電気機器等の種別や動作状況、消費電力等を把握するためのモニタ装置として使用される。また、モニタした情報を通信ネットワークを介して転送することにより、遠隔で情報の把握やその情報に基づく電力制御等を行うことが出来る。

このようなモニタ装置により、家庭内消費電力を効果的に節減するための情報提供サービスや、機器故障の把握、通知サービス、独居老人や要介護者の見守りサービスを、電力需要家に提供することが可能となる。

近年、一般家庭やオフィス等の電力需要家の宅内に電力センサを設置し、電力の効率的利用や電気機器の遠隔制御を図る、ＨＥＭＳ（Ｈｏｍｅ Ｅｎｅｒｇｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）技術に関する検討、開発が進んでいる。

一般に、ＨＥＭＳは家電製品等の電気機器の各々に取り付けられた電力センサからの消費電力量の総量や電流、電圧等の情報を、有線もしくは無線の通信手段を用いて集約、転送することにより、必要な情報を収集する方法が考えられている。

一方で、電力需要家に電力を供給する電源線の引込み線や分電盤の位置に設置した１台のセンサで消費電力や電流波形をモニタし、その特徴に基づいて各電気機器の種別や動作状態、消費電力等を識別、把握する方法が提案されている。（非特許文献１参照）
このような方式は、必要なセンサが１台で済むことから経済性が高く、また既存の電気製品にセンサを追加したり、新しい電気製品に規格の統一されたセンサを埋め込んだりしておく必要が無いことから、導入への障壁が少ない点で、実用性が高く有効な実現手段になると考えられる。しかしながら、得られる情報は積算された電力データに限られ、個々の電気機器の電力消費の状態を直接把握することはできないため、何らかの方法で、積算された電力データから個々の機器の電力データを推測する必要がある。

そのための方法としては、非特許文献１に記載の電力データの推測方法としては、あらかじめ個々の電気機器の電力消費や電流波形等のデータを様々な動作状態に於いて測定、蓄積しておき、それらのデータベースと実測値とを照合して機器の種別の識別や、動作状態の推測を行う方法が考えられている。

Katsukura et al. "Life Pattern Sensor with Non-intrusive Appliance Monitoring," ICCE '09 pp.1-2, Jan.2009.

家庭に太陽光発電や風力発電等が導入する場合に、電力会社から供給される交流電力と合わせるためにパワーコンディショナーと呼ばれる機器が使用されるが、この機器は分電盤に接続されており、供給状態によって電源電圧に歪みを生じることがある。

家庭用の各機器の動作状態の推測は主として測定した電流を元に行うが、パワーコンディショナーを接続した場合、供給される電源電圧が歪むと、機器に流れる電流も同じ歪みの影響を受けてしまう。

この歪んだ電流をもとに周波数特徴量（例えば高調波など）を抽出した場合、接続している機器すべてにおいて電流の歪みが特徴として現れてしまい、個々の機器の動作状態等の特徴を発見するのが困難になってしまうという問題がある。

上記課題を解決するために、本発明では分電盤での電圧及び電流の波形を測定し、測定した電流波形に電源電圧の特徴の逆特性を持つ逆フィルタをかけることで余計な特徴を除去する。

具体的には、本発明の方法は、電源電圧歪みによる電流の特徴への影響除去のために電力需要家の配電線を流れる電流の波形を計測する方法であって、前記電力需要家の配電線を流れる電流の波形を記録するステップと、前記電力需要家の配電線に印加される電圧の波形を記録するステップと、前記記録した電流の波形と、前記記録した電圧の波形とを周波数特性領域に変換するステップと、前記周波数特性領域に変換した電圧の波形の逆数を前記周波数特性領域に変換した電流の波形に掛けて補正された電流の波形を取得するステップとを含むことを特徴とする。

また、本発明の方法における前記周波数特性領域に変換した電圧の波形の逆数を前記周波数特性領域に変換した電流の波形に掛けるステップは、前記周波数特性領域に変換した電流の波形を表すスペクトルを前記周波数特性領域に変換した電圧の波形を表すスペクトルの逆特性を持つフィルタに通すことを特徴とする。

また、本発明の方法は、前記補正された電流の波形から、前記電力需要家において使用されている電気機器の種別を識別するステップをさらに含むことを特徴とする。

また、本発明の方法は、前記補正された電流の波形から、前記電力需要家において使用されている電気機器の動作状況を把握するステップをさらに含むことを特徴とする。

また、本発明の方法における前記電力需要家には、複数の電気機器が接続され、前記電気機器の種別を識別するステップは、前記接続されている複数の電気機器のそれぞれの電流波形を基に電気機器の種別を識別することを特徴とする。

また、本発明の方法における前記電力需要家には複数の電気機器が接続され、前記電気機器の動作状況を把握するステップは、前記接続されている複数の電気機器のそれぞれの電流波形を基に電気機器の動作状況を把握することを特徴とする。

分電盤において取得した電流波形に、電源電圧の歪みに起因する電流波形成分が含まれていても、電気機器に固有の電流波形成分を正確に抽出することが可能となり、電源の種別や電源電圧の歪みの程度にかかわらず、電流波形から使用されている電気機器の種別や動作状況を判断することが可能となる。

テレビ及びエアコンそれぞれの動作時の電圧の測定結果の波形を示す図である。 テレビ及びエアコンそれぞれの動作時の電流の測定結果の波形を示す図である。 分電盤において計測した電圧の周波数特性を示す図である。 分電盤において計測した電流の周波数特性を示す図である。 電圧波形の逆数を電流波形に掛けて補正した電流のスペクトルを示す図である。

本発明では、分電盤において電流波形と電圧波形をともに記録し、両者をＦＦＴなどにより周波数領域に変換する。その後、電圧波形の逆数を電流波形に掛けることにより、電源電圧の特徴に基づき電流を補正する。これにより、電源電圧の歪みに起因する電流波形成分を選択的に除去し、各電気機器の種別や動作状態、消費電力等の識別、把握を容易にする。

以下、本発明の１の実施形態について説明する。

一般に、分電盤の電力センサにおいて接続された電気機器の消費される電圧および電流をそれぞれ測定すると、それぞれの電気機器の電圧波形はほとんど負荷によらず一定の波形を示す。しかし、電流波形は負荷によって、つまり各電気機器それぞれが大きく異なっている。

例えば図１、図２はテレビ及びエアコンそれぞれの動作時の電圧（図１）及び電流（図２）の測定結果の波形であるが、図１に示す電圧の測定結果は、テレビ（実線部分）及びエアコン（破線部分）の間で波形にほとんど差がない。つまり電圧の差はほとんどない。しかし、図２のテレビ（実線部分）及びエアコン（破線部分）それぞれの電流の測定結果を見ると、波形がそれぞれ大きく異なっている。

そこで、図２に示すそれぞれの機器の電流の測定結果の波形を元に各電気機器の識別、動作状況、消費電力等の把握を行うが、電力需要家に供給される電源電圧に想定しない歪みが生じた場合、その歪みの特徴がすべての機器の電流波形に現れてしまい、個々の電気機器の電流波形の特徴を埋もれさせてしまうことになる。そうすると、個々の電気機器の電流波形の特徴の発見が困難となる。

電力需要家に供給される電源電圧の歪みは、パワーコンディショナーなどから発生する雑音が要因として分電盤での電圧に生じている。したがって、まず、分電盤での電圧および電流の周波数特性をＦＦＴなどによって求める。

例えば、図３に分電盤において計測した電圧の周波数特性を、図４に分電盤において計測した電流の周波数特性を示す。図３の電圧のスペクトルは、例えば理想的な商用電源である５０／６０Ｈｚの正弦波電圧が供給されている場合、その周波数に応じた急峻なピークを１つだけ持つべきものである。しかし、実際計測した場合には、図３に示すように多くのピークが現れている。これらのピークは電圧の歪みを表しており、このことから供給される電源電圧に歪みが生じていることがわかる。一方、図４の電流のスペクトルは、負荷の電源回路などの実際の負荷の特徴を表しているピークも存在するが、電圧の歪みを表しているピークも含まれており、図４に現れているピークがそのどちらを表すかの判別は、図４に示された電流のスペクトルの状態からでは困難である。

そこで、電圧波形の逆数を電流波形に掛ける、つまり電流のスペクトルを電圧のスペクトルの逆特性を持つフィルタに通すことで、電圧の歪みによる影響を取り除く。その結果として得られる補正後の電流のスペクトルを図５に示す。

特に周波数の低い領域で電圧の歪みが由来となって現れているピークが消えているのがよく確認できる。また、９５０Ｈｚ付近に生ずる電気機器特有のピーク等は、図４に示す電流のスペクトルだけでは小さく埋もれがちであり、その発見が困難である。しかし、電圧のスペクトルの逆特性を持つフィルタを通すことで、電圧の歪みによるピークはが取り除かれるため、図５において電気機器特有のピークの特徴が強調されて見える。このように供給される電源電圧の歪みの影響を排除することにより機器の特徴を大きく捉える事ができるため、各電気機器の識別の精度の向上が可能となる。

分電盤において直接計測した電流の波形の代わりに、このような電流スペクトルの補正した電流波形を算出することにより、この算出した電流波形、さらにはあらかじめ測定した前記接続されている複数の電気機器のそれぞれの電流波形を基に、その特徴に基づいて各電気機器の種別や動作状態、消費電力等を識別、把握する。

これにより再生可能エネルギーやスマートグリッドなど電力の受給環境が複雑になる中で、その供給される電源電圧の不安定性などの影響を排除した上で機器の特徴を抽出できるようになることから、家庭内の機器の識別精度を向上することができ、電力の見える化や省エネ効果の高性能化が可能となる。

本発明は、一般家庭や事務所などの電力需要家に電力を供給する電源線の引き込み線や、分電盤内の電力線などに設置される電力センサにおいて、電力需要家が使用している電気機器等の種別や動作状況、消費電力等を把握するために使用される。

Claims (6)

1. 電源電圧歪みによる電流の特徴への影響除去のために電力需要家の配電線を流れる電流の波形を計測する方法において、
   前記電力需要家の配電線を流れる電流の波形を記録するステップと、
   前記電力需要家の配電線に印加される電圧の波形を記録するステップと、
   前記記録した電流の波形と、前記記録した電圧の波形とを周波数特性領域に変換するステップと、
   前記周波数特性領域に変換した電圧の波形の逆数を前記周波数特性領域に変換した電流の波形に掛けて補正された電流の波形を取得するステップと、
   を含むことを特徴とする方法。
2. 前記周波数特性領域に変換した電圧の波形の逆数を前記周波数特性領域に変換した電流の波形に掛けるステップは、前記周波数特性領域に変換した電流の波形を表すスペクトルを前記周波数特性領域に変換した電圧の波形を表すスペクトルの逆特性を持つフィルタに通すことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記補正された電流の波形から、前記電力需要家において使用されている電気機器の種別を識別するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 前記補正された電流の波形から、前記電力需要家において使用されている電気機器の動作状況を把握するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
5. 前記電力需要家には複数の電気機器が接続され、
   前記電気機器の種別を識別するステップは、あらかじめ測定した前記接続されている複数の電気機器のそれぞれの電流波形を基に電気機器の種別を識別することを特徴とする請求項３に記載の方法。
6. 前記電力需要家には複数の電気機器が接続され、
   前記電気機器の動作状況を把握するステップは、あらかじめ測定した前記接続されている複数の電気機器のそれぞれの電流波形を基に電気機器の動作状況を把握することを特徴とする請求項４に記載の方法。

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