JP2015145847A - 直流アーク検出装置及び方法 - Google Patents

直流アーク検出装置及び方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 簡単な構成を有し安価に製造できる直流アーク検出装置を提供する。
【解決手段】 直流系統ラインに流れる電流から直流アークノイズ成分が重畳される周波数帯域を含むアナログ信号を抽出し、抽出されたアナログ信号をディジタルデータに変換し、変換されたディジタルデータに窓関数を乗算して、乗算結果のディジタルデータを出力する。乗算結果のディジタルデータを高速フーリエ変換して、変換結果のディジタルデータを出力し、変換結果のディジタルデータから複数のパワースペクトルを算出し、算出された複数のパワースペクトルをパワーの大きさの順序でソートする。ソートした複数のパワースペクトルから、しきい値処理するデータ領域に含まれる複数のパワースペクトルを抽出した後、抽出した複数のパワースペクトルの少なくとも1つを所定のしきい値と比較し、所定の比率以上のパワースペクトルがしきい値を超えたときに直流アークの発生を判定する。
【選択図】図1

Description

本発明は、例えば太陽光発電システムにおける直流系統において、直流アークの発生を検出する直流アーク検出装置及び方法に関する。
太陽光発電などの直流系統においては、交流系統と異なり、電圧がゼロクロスしないため、ネジの締め付け不良や、ケーブル劣化により、系統が微弱な距離で直列に離れた状態となって直流アークが発生するとアークが消弧せずに高熱状態となり、最悪発火して火災に至る場合がある。これは、アークが発生すると、発生箇所で陰極降下電圧である15V程度の電圧ドロップが発生し、直流アークの発生前とほぼ同じ程度の電流が流れ、発生箇所で電圧と電流を乗算した電力により発熱するが、過電流が流れるわけではないため、ブレーカやヒューズにより事故発生箇所を遮断することができないためである。
直流アークが発生すると、1kHz〜100kHz程度の範囲に渡り、白色雑音に近いノイズが出力される。これは電圧や電流に成分として現れる。以下、この成分を「直流アークノイズ」という。
太陽光発電には通常パワーコンディショナー(以下、「パワコン」という。)が接続されており、これが、発電した直流電圧を交流電圧に変換して、電力会社等の配電系統に重畳して買電する。パワコンは通常直流電圧をスイッチングによるインバータ処理により、これを実現している。このスイッチング処理により発生するスイッチング周波数とその高調波成分を含む高周波成分が電圧や電流に重畳される。このスイッチング周波数は数kHz〜数10kHzであり、機種により固定周波数であったり、周波数が変動したりする。また、このパワコンのスイッチングにより発生する高周波成分は、直流アークにより発生する成分よりも大きな値である。そのため、直流アークノイズ成分が単純に増えたという処理では直流アークを検知することができない。
このような状況で直流アークを検出する手法としては、高速フーリエ変換(以下、「FFT」という。)による周波数変換をした後に、マハラノビス距離を算出してパラメータ化して評価値とし、予め決めたしきい値を超えたときに、直流アークの発生を検出するものがある(例えば、特許文献1参照)。
特開2009−278744号公報
しかし、上記方法では、マハラノビス距離の算出など複雑な処理が必要であり、高速検知が必要な直流アークの検出のためには、高価なCPUを必要としていた。
本発明の目的は以上の問題点を解決し、従来技術に比較して簡単な構成を有し、しかも安価に製造できる直流アーク検出装置及び方法を提供することにある。
本発明の一態様に係る直流アーク検出装置は、
直流系統ラインに流れる電流を検出する電流検出手段と、
上記検出された電流から直流アークノイズ成分が重畳される周波数帯域を含むアナログ信号を抽出する信号抽出手段と、
上記抽出されたアナログ信号をディジタルデータに変換するA/D変換手段と、
上記変換されたディジタルデータに窓関数を乗算して、乗算結果のディジタルデータを出力する窓関数演算手段と、
上記乗算結果のディジタルデータを高速フーリエ変換して、変換結果のディジタルデータを出力するFFT演算手段と、
上記変換結果のディジタルデータから複数のパワースペクトルを算出するパワースペクトル演算手段と、
上記算出された複数のパワースペクトルをパワーの大きさの順序でソートするソート処理手段と、
上記ソートした複数のパワースペクトルから、しきい値処理するデータ領域に含まれる複数のパワースペクトルを抽出した後、上記抽出した複数のパワースペクトルの少なくとも1つを所定のしきい値と比較し、所定の比率以上のパワースペクトルが上記しきい値を超えたときに直流アークの発生を判定する直流アーク判定手段とを備えることを特徴とする。
従って、本発明によれば、FFT演算後のパワースペクトルデータをソート処理し、パワコンノイズ除去後にしきい値処理することにより、パワコンのスイッチング周波数によらずパワコンノイズを除去して、簡単な処理により直流アークを検出できる。
本発明の実施の形態1に係る直流アークを検出するための直流アーク検出装置の構成を示すブロック図である。 図1の直流アーク検知部4の詳細構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態3に係る直流アーク検出装置の直流アーク検知部4Aの詳細構成を示すブロック図である。 図1の直流アーク検出装置において、データ収集区間とデータ処理周期を説明する第一の図である。 図1の直流アーク検出装置において、データ収集区間とデータ処理周期を説明する第二の図である。 一般的なパワコンノイズのパワースペクトルを説明する図である。 一般的な直流アークノイズが重畳したときのパワースペクトルを説明する図である。 図1のソート処理部14により実行されるパワースペクトルのソート処理を説明する図である。 本発明の実施の形態2に係る直流アーク検出装置における複数回しきい値処理を説明する第一の図である。 本発明の実施の形態2に係る直流アーク検出装置における複数回しきい値処理を説明する第二の図である。
以下、本発明に係る実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の各実施形態において、同様の構成要素については同一の符号を付している。
実施の形態1.
図1は本発明の実施の形態1に係る直流アークを検出するための直流アーク検出装置の構成を示すブロック図である。図1において、直流アーク検出装置は、電流検出器1と、直流アークノイズ成分抽出部2と、A/D変換器3と、直流アーク検知部4とを備えて構成される。
図1において、直流系統ライン10に電流を検出するための電流検出器1を取り付ける。ここで、電流検出器1としては、電流変成器、シャント抵抗、ホール素子、MR素子などを使った電流センサがある。電流が取り出せるセンサであれば何でも良い。次いで、直流アークノイズ成分抽出部2は、電流検出器1で検出した電流から直流アークノイズが重畳される周波数帯域の成分を含むアナログ信号を取り出す。直流アークノイズ成分は主に1kHz〜100kHz程度に存在する白色ノイズに似た成分である。これらをアナログバンドパスフィルタなどにより抽出する。なお、広帯域高速A/D変換器でサンプリングしておいて、後でデジタルフィルタなどにより抽出しても構わない。直流アークノイズは数10mA程度の振幅を持つ信号であり、パワコンのノイズは数百mA程度の振幅をもつ信号であるので、後段にあるA/D変換器3の入力レンジに合わせてアンプなどにより適切に増幅する。A/D変換器3では必要とする成分の周波数よりも2倍以上のサンプリング周波数でアナログ信号をディジタルデータに変換する。サンプリング周波数は例えば500kHz程度に設定される。A/D変換されたディジタルデータは直流アーク検知部4に送られて、直流アークを検知して直流アーク検知出力信号を出力する。当該直流アーク検知出力信号を出力する先としては、警報装置や直流系統を保護するための遮断器などがある。
図2は図1の直流アーク検知部4の詳細構成を示すブロック図である。図2において、直流アーク検知部4は、窓関数演算部11と、FFT演算部12と、パワースペクトル演算部13と、ソート処理部14と、直流アーク判定部15とを備えて構成され、例えばディジタル演算回路などのハードウエア、もしくはディジタル計算機のソフトウェアなどで構成される。以下、図2の各ブロックについて説明する。
図4は図1の直流アーク検出装置において、データ収集区間とデータ処理周期を説明する第一の図であり、A/D変換するデータを模式的に示したものである。図4において、横軸は時間、縦軸は振幅である。
図1のA/D変換器3は図4中の両矢印で示すデータ収集区間T0の波形をA/D変換する。データ収集区間T0において、例えば500kHzのサンプリング周波数で、2のn乗個(nは正の整数)のサンプリングを行うように、アナログ信号はサンプリング処理される。例えば1024点であれば約2msecのデータとなる。データ個数が多いほど周波数分解能を上げることができる。後段のFFTを考慮すると、サンプリング数は2のn乗個が望ましいが、2のn乗個である必要は無い。なお、図4はデータ収集区間とデータ処理周期が同じT0である場合である。
図5は図1の直流アーク検出装置において、データ収集区間T1とデータ処理周期T2を説明する第二の図であり、データ収集区間T1とデータ処理周期T2が異なる場合を模式的に示した図である。点線の両矢印区間がデータ処理周期T2となる。演算処理を行なうCPUなどのディジタル演算回路の処理能力に応じてデータ処理周期は設定することができ、データ収集区間T1は連続している必要はない。
A/D変換されたディジタルデータはデータ収集区間で直流オフセット除去処理をされた後に、窓関数演算部11において窓関数処理される。すなわち、窓関数演算部11は入力されるディジタルデータに対して所定の窓関数を乗算して、乗算結果のディジタルデータを出力する。ここで、窓関数としては、サイドローブを抑えることのできるブラックマンの窓が望ましいが、他の窓関数を用いても構わない。
次いで、FFT演算部12は入力されるディジタルデータに対してFFT演算を行って、周波数毎の実部と虚部のディジタルデータを生成して出力する。パワースペクトル演算部13は、FFT演算によって出力された周波数毎の実部と虚部のデータの自乗和(正規化していないが、以下、「パワースペクトル」という。)を演算して出力する。
ここで、直流系統ライン10にパワコンが接続され、当該パワコンが動作していて、系統電流にパワコンノイズがあるときのパワースペクトルについて説明する。
図6は一般的なパワコンノイズのパワースペクトルを説明する図であり、パワコンノイズが系統電流に重畳したときのパワースペクトルを示す。図6において、横軸は周波数、縦軸はパワーを表す。パワコンノイズが系統電流に重畳したときのパワースペクトルにおいては、パワコンのスイッチング周波数を基本波として、その高調波成分がパワースペクトルとして現れる。高調波成分はパワコンのスイッチング周波数のm倍(mは2以上の正の整数である。)の周波数となる。計測データには系統及び計測系に存在する暗ノイズ成分も存在する。暗ノイズは通常白色ノイズである。
次に直流アークが発生したときのパワースペクトルについて説明する。
図7は一般的な直流アークノイズが重畳したときのパワースペクトルを説明する図である。直流アークノイズは上述したように、1kHz〜100kHz程度の周波数を有し、白色ノイズに似た成分で重畳される。通常、パワコンのスイッチング周波数成分は直流アークノイズに比べて大きな値である。
図2のソート処理部14では、図6と図7におけるパワースペクトルデータを指定した所定の区間でソート処理を行なう。このソート処理はより小さいパワーからより大きいパワーに向かう昇順で並べ替える処理を行なう。指定する区間は例えば直流アークノイズが重畳する1kHz〜100kHzである。
図8は図1のソート処理部14により実行されるパワースペクトルのソート処理を説明する図であり、このソート処理を行なった結果を模式的に示した図である。図8において、縦軸はパワーであり、横軸はソート順序番号(昇順)である。ソート処理を実行すると、パワーの大きなパワコンのスイッチング周波数成分、及びその高調波成分は図8の右側に集中する。また、窓関数によりサイドローブは抑えられているが、その周辺のある程度大きな値も右側に集まる。これは、パワコンのスイッチング周波数によらず、右側に集まる。左側にはパワコンのスイッチング周波数やその高調波が存在しない区間のデータが集まる。
図8において、直流アークノイズがある場合を破線で、直流アークノイズがない場合を実線で示す。右側にはパワコンのスイッチング周波数とその高調波成分が集まり、左側にはこれらの周波数成分のない区間のデータが集まる。すなわち、高調波の周波数がどこであるかを考えなくても、パワコンのスイッチング周波数と高調波成分を、それ以外の成分と分離することができることを意味する。例えば、図8のソート順序番号のAを境に左側をパワコンノイズとその高調波成分を除去したデータ使用区間として分離することが可能である。
ここで、図8のソート順序番号Aの設定方法について以下に補足する。ソート順序番号Aは、しきい値処理するためのデータ領域(データ使用区間)を決定するためのしきい値となる。ソート順序番号Aは、例えば、実際にパワコンが動作している状態と動作していない状態で計測を行い、ソート後にパワコンが動作している場合に右側に現れる大きな成分が、動作していない場合に対して大きく変化し始める付近に設定する。いくつか代表的なパワコンに対して対応できる閾値を設定する。または、通常はパワコンのスイッチング周波数を含めて5個程度の高調波成分が現れるので、窓関数による高調波成分のビンの幅を考慮して決めることもできる。例えばブラックマンの窓であれば5ビン程度の幅を持つので、5個×5ビン=25程度右側から数えた付近にソート順序番号Aを設定する。ソート順序番号Aについては計測データの平均値と分散や、最大値を基に設定する。
次に、図2の直流アーク判定部15について説明する。直流アーク判定部15は例えば図8における横軸Aにおいてしきい値を設定し、そのときのパワーが設定したしきい値を越えたときにアークが発生したと検知する。すなわち、直流アーク判定部15は、上記ソートした複数のパワースペクトルから、しきい値処理するデータ領域に含まれる複数のパワースペクトルを抽出した後、上記抽出した複数のパワースペクトルの少なくとも1つを所定のしきい値と比較し、所定の比率以上のパワースペクトルが上記しきい値を超えたときに直流アークの発生を判定する。もしくは、例えばデータ使用区間の各点においてしきい値を設定しておいて、データ使用区間内のデータを全て加算した値が、データ区間内のしきい値を全て加算した値を越えたときにアークが発生したと検知する。すなわち、直流アーク判定部15は、上記抽出した複数のパワースペクトルのパワーの総和を所定のしきい値と比較し、上記しきい値を超えたときに直流アークの発生を判定してもよい。
また、さらに別の構成としては、データ使用区間の複数の点に対してしきい値を設定しておき、各点においてパワーを設定したしきい値と比較する。比較した結果、パワーがしきい値を超えた点の比率が所定の比率以上であったときにアークが発生したと検知する。所定の比率としては、少なくとも50%であることが望ましい。具体例としては、データ使用区間の10点のパワーをしきい値と比較し、しきい値を超えた点が6点以上の場合、すなわち所定の比率が60%以上であったときにアークが発生したと検知する。これにより、データ使用区間内の複数のデータを用いてアークの発生を検知することで、誤検知を抑制する効果が得られる。一方、用いるデータの数を減らせば構成を簡易化することが可能となる。使用環境によって重視される項目を考慮して、構成を適宜選択することができる。
なお、横軸Aにおいてしきい値を設定する上述の例のように、1つのデータをしきい値と比較する構成では、パワーがしきい値を超える比率としては0%と100%しか発生せず、実質的にその1つのデータがしきい値を超えたか否かで判定することになる。
以上説明したように、パワースペクトルデータをソート処理することにより、パワコンのスイッチング周波数とその高調波を簡単に分離することができ、パワコンのスイッチング周波数がいくつであるかを気にすることなく、直流アークの発生を検知することが可能となる。
なお、ソート処理部14によるソート処理では昇順に並べたが、降順に並べても構わない。その場合には図8のグラフが左右反転するだけである。また、図8ではデータ使用区間を最も小さいソート順から使用したが、使用開始するソート順を設定しても構わない。さらに、ここでは、パワースペクトルとしたが対数を取ってdB化したデータや、パワースペクトルを平方根したデータを使用しても構わない。また、ここでは電流としたが、電圧又は電力に現れる直流アークノイズ成分に対しても同様の処理を行なうことで直流アークを検出することが可能である。
実施の形態2.
実施の形態1ではしきい値を1回でも超えると直流アークノイズが発生したと判断した。しかし、系統ライン上にあるブレーカなどをオン、オフした際にもブレーカ内の端子間で短時間ではあるが直流アークが発生する。よって、1回だけのしきい値処理ではブレーカのオン、オフ動作を事故による直流アークの発生であると誤判定する可能性がある。また、オン、オフ時には直流アークノイズに比して非常に大きなインパルス的な電流変化が発生して広周波数帯域の成分となり、それを直流アークと判定してしまう可能性がある。また、それ以外の突発的なノイズに対して誤判定する可能性がある。
そこで、実施の形態2では、図2の直流アーク判定部15において、1回のしきい値処理だけでなく、複数回のしきい値処理により、確実に事故による直流アーク判定を行なうことを特徴としている。すなわち、直流アーク判定部15は、上記しきい値との比較を時系列で複数回行い、所定の期間内に上記しきい値を超えた回数が所定の回数以上となったときに直流アークの発生を判定する。
図9及び図10は本発明の実施の形態2に係る直流アーク検出装置における複数回しきい値処理を説明する図である。ここで、図9は事故による直流アークのしきい値処理データをデータ処理順に並べた模式図であり、図9において、縦軸はしきい値処理後データ、横軸は処理区間順序番号(昇順)である。また、図10は複数回のしきい値処理による方法を説明する図9に対応した説明図であり、図10において、縦軸は0を超える数(以下、「0超え数」という。)、横軸は処理区間順序番号(昇順)である。
図9のグラフにおいて、事故による直流アークが矢印Cで示す時点で発生したとする。直流アークは常に同じパワーではなく、大きくなったり、小さくなったりする。そのため、しきい値を超えたり超えなかったりする。図10のグラフでは、現在のデータ処理周期を含む過去10回のデータ処理周期においてしきい値を何回超えたかを示しており、直流アークの発生後はその数が徐々に増えていく。図10では事故による直流アークの発生のしきい値となる回数を6回とした。この個数はブレーカのオン、オフによる直流アークを検知しない長さに設定する。また、ここでは10回のデータ処理周期としたが、これも事故による直流アークを検知したい時間である所定の区間(時間期間)や規格などの制限により設定する。図10では、アーク検知は図10のBにおいて出力される。
以上説明したように、実施の形態2によれば、例えば所定の区間において、抽出したデータ領域の複数のパワースペクトルを所定のしきい値と比較し、複数のパワースペクトルのうち複数である所定数のパワースペクトルが上記しきい値を超えたときに直流アークの発生を判定する。従って、複数回のしきい値処理を行なえば、ブレーカのオン、オフ時における短いアークに対する誤判定や、突発的なノイズによる誤判定を防ぐことができる。
実施の形態3.
図3は本発明の実施の形態3に係る直流アーク検出装置の直流アーク検知部4Aの詳細構成を示すブロック図である。実施の形態3に係る直流アーク検知部4Aは、実施の形態1に係る図2の直流アーク検知部4に比較して、しきい値設定部16をさらに備えたことを特徴とする。
直流アークが発生しても、ある程度大きな電流が流れなければ端子損傷や火災までには至らない。直流アークを検知するためのしきい値はある程度損傷が発生すると思われる値に事前に設定される。しかし、微弱な直流アークノイズであっても検出するためには、しきい値を系統設置時に決めると良い。図3は系統ライン接続時にしきい値を決めるためのブロック図を示す。直流アークが発生してない直流系統ライン10においてパワコン動作時の波形を計測する。この波形を何回か計測してソート順のパワーデータを生成する。各ソート順で最大値を基準にしてしきい値を設定したり、分散を基準にしきい値を設定することが可能である。前者の場合は、例えば、パワーの最大値よりも若干のマージンを加算した値をしきい値とする。また、後者の場合は、前者に加えて分散を考慮してしきい値を設定する。
以上説明したように、実施の形態3によれば、直流系統ライン10を接続するときに、直流アークが発生していない直流系統ライン10におけるパワーに基づいて、上記しきい値を設定するので、系統毎に微弱な直流アークの発生時においても、確実に直流アークの発生を検知することが可能となる。
本発明は、例えば太陽光発電システムにおける直流系統において、直流アークの発生を検出する直流アーク検出装置及び方法を提供できる。
1 電流検出器、2 直流アークノイズ成分抽出部、3 A/D変換器、4,4A 直流アーク検知部、10 直流系統ライン、11 窓関数演算部、12 FFT演算部、13 パワースペクトル演算部、14 ソート処理部、15 直流アーク判定部、16 しきい値設定部。

Claims (10)

  1. 直流系統ラインに流れる電流を検出する電流検出手段と、
    上記検出された電流から直流アークノイズ成分が重畳される周波数帯域を含むアナログ信号を抽出する信号抽出手段と、
    上記抽出されたアナログ信号をディジタルデータに変換するA/D変換手段と、
    上記変換されたディジタルデータに窓関数を乗算して、乗算結果のディジタルデータを出力する窓関数演算手段と、
    上記乗算結果のディジタルデータを高速フーリエ変換して、変換結果のディジタルデータを出力するFFT演算手段と、
    上記変換結果のディジタルデータから複数のパワースペクトルを算出するパワースペクトル演算手段と、
    上記算出された複数のパワースペクトルをパワーの大きさの順序でソートするソート処理手段と、
    上記ソートした複数のパワースペクトルから、しきい値処理するデータ領域に含まれる複数のパワースペクトルを抽出した後、上記抽出した複数のパワースペクトルの少なくとも1つを所定のしきい値と比較し、所定の比率以上のパワースペクトルが上記しきい値を超えたときに直流アークの発生を判定する直流アーク判定手段とを備えることを特徴とする直流アーク検出装置。
  2. 上記直流アーク判定手段は、上記抽出した複数のパワースペクトルのパワーの総和を所定のしきい値と比較し、上記しきい値を超えたときに直流アークの発生を判定することを特徴とする請求項1記載の直流アーク検出装置。
  3. 上記直流アーク判定手段は、上記しきい値との比較を時系列で複数回行い、所定の期間内に上記しきい値を超えた回数が所定の回数以上となったときに直流アークの発生を判定することを特徴とする請求項1又は2記載の直流アーク検出装置。
  4. 上記直流系統ラインを接続するときに、直流アークが発生していない直流系統ラインにおけるパワーに基づいて、上記しきい値を設定する設定手段をさらに備えることを特徴とする請求項1〜3のうちのいずれか1つに記載の直流アーク検出装置。
  5. 上記設定手段は、直流アークが発生していない直流系統ラインにおけるパワーの最大値に基づいて、上記しきい値を設定することを特徴とする請求項4記載の直流アーク検出装置。
  6. 電流検出手段が、直流系統ラインに流れる電流を検出するステップ、
    信号抽出手段が、上記検出された電流から直流アークノイズ成分が重畳される周波数帯域を含むアナログ信号を抽出するステップと、
    A/D変換手段が、上記抽出されたアナログ信号をディジタルデータに変換するステップと、
    窓関数演算手段が、上記変換されたディジタルデータに窓関数を乗算して、乗算結果のディジタルデータを出力するステップと
    FFT演算手段が、上記乗算結果のディジタルデータを高速フーリエ変換して、変換結果のディジタルデータを出力するステップと、
    パワースペクトル演算手段が、上記変換結果のディジタルデータから複数のパワースペクトルを算出するステップと、
    ソート処理手段が、上記算出された複数のパワースペクトルをパワーの大きさの順序でソートするステップと、
    直流アーク判定手段が、上記ソートした複数のパワースペクトルから、しきい値処理するデータ領域に含まれる複数のパワースペクトルを抽出した後、上記抽出した複数のパワースペクトルの少なくとも1つを所定のしきい値と比較し、所定の比率以上のパワースペクトルが上記しきい値を超えたときに直流アークの発生を判定するステップとを含むことを特徴とする直流アーク検出方法。
  7. 上記直流アークの発生を判定するステップは、上記抽出した複数のパワースペクトルのパワーの総和を所定のしきい値と比較し、上記しきい値を超えたときに直流アークの発生を判定することを特徴とする請求項6記載の直流アーク検出方法。
  8. 上記直流アークの発生を判定するステップは、上記しきい値との比較を時系列で複数回行い、所定の期間内に上記しきい値を超えた回数が所定の回数以上となったときに直流アークの発生を判定することを特徴とする請求項6又は7記載の直流アーク検出方法。
  9. 設定手段が、上記直流系統ラインを接続するときに、直流アークが発生していない直流系統ラインにおけるパワーに基づいて、上記しきい値を設定するステップをさらに含むことを特徴とする請求項6〜8のうちのいずれか1つに記載の直流アーク検出方法。
  10. 上記設定するステップは、直流アークが発生していない直流系統ラインにおけるパワーの最大値に基づいて、上記しきい値を設定することを特徴とする請求項9記載の直流アーク検出方法。
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