JP2017044612A

JP2017044612A - 負荷電流計測方法およびその装置

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Publication number: JP2017044612A
Application number: JP2015168114A
Authority: JP
Inventors: 将樹香西; Masaki Kozai; 雅人丸山; Masahito Maruyama; 康直鈴木; Yasunao Suzuki; 孝大山; Takashi Oyama
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2015-08-27
Filing date: 2015-08-27
Publication date: 2017-03-02
Anticipated expiration: 2035-08-27
Also published as: JP6454242B2

Abstract

【課題】分電盤で測定される電流波形から進相コンデンサの影響を取り除くことにより、分電盤に接続されている負荷に流れる電流波形を正確に計測する。【解決手段】分電盤に接続されている負荷に流れる電流波形を計測するための負荷電流計測方法であって、前記分電盤に設置された電圧センサにより取得したゼロクロス点を基準にして、前記分電盤に設置された電流センサにより分電盤電流を測定するステップと、予め記録された前記分電盤の下流に接続された進相コンデンサの容量から、進相コンデンサによる電流波形を生成するステップと、前記分電盤電流から生成された電流波形から、前記作成された進相コンデンサによる電流波形を差し引いて、前記負荷に流れる電流波形のみを算出するステップとを備えた。【選択図】図１

Description

本発明は、負荷電流計測方法およびその装置に関し、より詳細には、電力の見える化システムにおいて、分電盤に接続されている負荷に流れる電流波形を正確に計測する負荷電流計測方法およびその装置に関する。

近年、省エネルギーの観点から電力消費の削減が強く望まれている。また、工場、店舗などにおいては、一般家庭に比べて使用電力量が大きく、これにかかる費用も大きいため、電力コストの削減が望まれている。このため、需要家において総使用電力量のみならず、個々の電気機器の電力使用状況を把握することができる「電力の見える化技術」、省エネルギーのための技術への関心が高まっている。

「電力の見える化技術」の１つとして、分電盤の主幹ブレーカに電圧・電流センサを取り付け、電力消費の経時変化を見える化したシステムが市販されている。しかし、主幹ブレーカにおける測定だけでは、総使用電力量のみしか把握することができず、分電盤の下流に設置された機器のどこに無駄があるのか分からないため、より詳細な見える化技術が強く望まれている。主幹ブレーカのみならず、分岐ブレーカにもセンサを取り付け、より詳細に電力消費を見える化したシステムも存在する。しかしながら、このようなシステムは、分電盤、配線設備の工事が必要となり、電気工事士の有資格者を要することが導入の障壁となっている。

そこで、主幹ブレーカで測定された全体の電流波形を分析し、分電盤に接続されている機器ごとの使用電力量を推定するシステムの研究開発がなされている（例えば、非特許文献１参照）。

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

しかし、工場、店舗などの高電圧受電契約を行っている需要家においては、力率改善のために進相コンデンサを設置する場合がある。進相コンデンサは、高圧側に一括して設置する場合と、低圧側の負荷に個別に設置する場合とがある。後者では、力率の悪い機器のみに取り付けたり、負荷が小さい場合には取り付けないなど、設置の形態は様々であり、負荷に対して１対１に取り付けられているわけではない。

進相コンデンサの設置により、誘導性負荷における電圧位相に対する電流位相の遅れを補償して、無効電力を低減する、すなわち皮相電力を有効電力に近づける。このとき、分電盤で測定される電流波形は、分電盤の下流に設置され、分析対象となる機器の電流波形が合成された電流波形と、一括または分散して配置された進相コンデンサによる位相補償分の電流波形とが、見かけ上合成された電流波形となる。このため、従来の電力の見える化システムにおいては、進相コンデンサの影響により使用電力量の推定精度が低下するという問題があった。

本発明の目的は、分電盤で測定される電流波形から進相コンデンサの影響を取り除くことにより、分電盤に接続されている負荷に流れる電流波形を正確に計測し、より詳細な電力の見える化を実現した負荷電流計測方法およびその装置を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、一実施態様は、分電盤に接続されている負荷に流れる電流波形を計測するための負荷電流計測方法であって、前記分電盤に設置された電圧センサにより取得したゼロクロス点を基準にして、前記分電盤に設置された電流センサにより分電盤電流を測定するステップと、進相コンデンサ電流波形生成装置が、予め進相コンデンサ容量記録装置に記録された前記分電盤の下流に接続された進相コンデンサの容量から、進相コンデンサによる電流波形を生成するステップと、進相コンデンサ電流波形除去装置が、前記分電盤電流から生成された電流波形から、前記進相コンデンサ電流波形生成装置で作成された進相コンデンサによる電流波形を差し引いて、前記負荷に流れる電流波形のみを算出するステップとを備えたことを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、分電盤で測定される電流波形から進相コンデンサの影響を取り除くことにより、分電盤に接続されている負荷に流れる電流波形を正確に計測し、より詳細な電力の見える化を実現することが可能となる。

本発明の第１の実施形態にかかる電力の見える化システムの構成を示す図である。本発明の第２の実施形態にかかる電力の見える化システムの構成を示す図である。ある店舗における１日２４時間分の分電盤電流の測定結果を示す図である。推定された進相コンデンサによる電流波形を示す図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。本実施形態においては、進相コンデンサによる電流波形を推定し、分電盤の電流波形から進相コンデンサによる電流波形を差し引くことにより、分電盤に接続されている機器に流れる負荷電流のみを取り出して、機器ごとの使用電力量を推定する。

図１に、本発明の第１の実施形態にかかる電力の見える化システムの構成を示す。電力の見える化システムは、分電盤１１に設置された電圧センサ１２および電流センサ１３と、進相コンデンサ容量記録装置１４と、進相コンデンサ電流波形生成装置１５と、進相コンデンサ電流波形除去装置１６とから構成されている。分電盤１１には、分電盤に接続されている機器に流れる負荷電流と、一括または分散して配置された進相コンデンサによる位相補償分の電流とが、見かけ上合成された電流が流れている。ここでは、電圧センサ１２で取得した電圧波形のゼロクロス点をトリガにして、電流センサ１３により分電盤１１における分電盤電流を瞬時値を測定する。分電盤電流の電流波形を生成するために、例えば、標本化周波数５ｋＨｚで電流センサ１３の電流値を読取り、数周期分の平均値から１周期分の電流波形を生成する。

進相コンデンサ容量記録装置１４には、事前に、分電盤１１の下流に接続された進相コンデンサの総容量Ｃを記録しておく。進相コンデンサは容量性であることから、抵抗負荷である負荷に対して９０度位相の進んだ正弦波となる。そこで、電源電圧
Ｖ＝Ｖ₀ｓｉｎωｔ
に対して、進相コンデンサによる電流は、
Ｉｃ＝ωＣＶ₀ｃｏｓωｔ
と表すことができる。ここで、Ｖ₀は電源電の実効値であり、ωは電源の角周波数であり、電源の周波数ｆとして、ω＝２πｆで表される。進相コンデンサ電流波形生成装置１５は、進相コンデンサによる電流Ｉｃから進相コンデンサによる１周期分の電流波形を生成する。

進相コンデンサ電流波形除去装置１６は、上述したように、電流センサ１３の電流値から生成した分電盤電流の電流波形から、進相コンデンサによる電流波形を差し引くことにより、分電盤に接続されている機器のみに流れる電流波形を得ることができる。

図２に、本発明の第２の実施形態にかかる電力の見える化システムの構成を示す。電力の見える化システムは、分電盤２１に設置された電圧センサ２２および電流センサ２３と、進相コンデンサ容量記録装置２４と、進相コンデンサ電流波形生成装置２５と、進相コンデンサ電流波形除去装置２６とから構成され、さらに、電流波形記録装置２７および進相コンデンサ容量推定装置２８を備えている。

第１の実施形態では、進相コンデンサ容量記録装置１４において、分電盤１１に接続された進相コンデンサの総容量Ｃが既知であることを前提としていた。しかしながら、上述したように、進相コンデンサの設置位置は、様々であり、極端な場合には、需要家が大型の負荷を導入した時に設置したものの、設備更改に伴って撤去されずに残り、接続位置や容量が把握できない場合もある。そこで、第２の実施形態では、電流センサ２３で所定の期間の分電盤電流の電流値を測定し、電流波形記録装置２７に記録しておき、進相コンデンサ容量推定装置２８が進相コンデンサの総容量Ｃを推定する。

電流センサ２３は、定期的に、例えば数分間隔で分電盤２１を流れる電流の瞬時値と実効値とを測定し、測定した電流値を電流波形記録装置２７に記録する。記録する間隔、期間は、分電盤に接続された機器の利用サイクルに合わせて決定する。標準的には、１日２４時間分の電流波形を記録しておく。

進相コンデンサには常時電流が流れており、ほぼ純粋な容量成分である。また、エネルギーとして電力を多く必要とする機器は、多くが誘導性負荷である。そこで、進相コンデンサ容量推定装置２８は、所定の期間、電流波形記録装置２７に記録された電流波形から有効電力、無効電力および皮相電力を計算する。進相コンデンサ容量推定装置２８は、測定期間内で皮相電力の最も小さい時の無効電力を求め、その無効電力が進相コンデンサに起因すると仮定して進相コンデンサの容量を推定する。

図３に、ある店舗における１日２４時間分の分電盤電流の測定結果を示す。分電盤において１分間隔でＲ相電流ｉ_rの実効値およびＴ相電流ｉ_tの実効値を測定し、１日継続して電流波形記録装置２７に記録し、皮相電力を計算した結果である。なお、皮相電力Ｓは、測定された電流ｉ_r,ｉ_tについて、それぞれ自乗平均平方根の値Ｉ_r，Ｉ_tを計算し、

として計算した。ここで、Ｖ₀は電圧の実効値であり、２１０Ｖとしている。

次に、進相コンデンサ容量推定装置２８は、図３の中で、皮相電力が最小となっている点（黒丸で囲んだ点）の電流値から、無効電力

を計算する。ここで、有効電力Ｐは、

である。計算された無効電力Ｑをもとに、進相コンデンサの総容量Ｃを、

として求める。進相コンデンサ容量推定装置２８は、求めた進相コンデンサの総容量Ｃを進相コンデンサ容量記録装置２４に記録する。この値を用いて、進相コンデンサ電流波形生成装置２５は、進相コンデンサによる電流波形を生成し、進相コンデンサ電流波形除去装置２６が、分電盤電流の電流波形から、進相コンデンサによる電流波形を差し引くことにより、分電盤に接続されている機器のみに流れる電流波形を得ることができる。

なお、図３に示した店舗の例では、店内の機器の中で使用電力量が最も大きい冷凍庫が、６時間ごとに、霜取りのために一時的に停止する。冷凍庫のコンプレッサを駆動するモータは、誘導性負荷の代表的なものであり、モータが停止している期間の無効電力が、進相コンデンサに起因すると仮定することができる。

図４に、推定された進相コンデンサによる電流波形を示す図である。図３に示した店舗の例において、進相コンデンサ容量推定装置２８は、進相コンデンサの総容量Ｃを１７０μＦと推定し、進相コンデンサ電流波形生成装置２５により生成された電流波形である。

Ｒ相、Ｔ相としてプロットした電流波形は、実際に店舗に設置されていた進相コンデンサのみについて、電流波形を計測した結果である。Ｒ相（推定値）、Ｔ相（推定値）としてプロットした電流波形は、進相コンデンサの総容量Ｃを１７０μＦと推定した結果から計算した電流波形である。両者はノイズ成分を除いてよく一致しており、本実施形態により進相コンデンサの電流が精度よく推定できていることがわかる。

従来、進相コンデンサが存在することにより、分電盤には、負荷に流れる電流以外に電流が流れてしまい（無効電力）、分析が困難であったが、本実施形態により、分電盤に流れる電流波形から、負荷に流れる電流波形を推定することができ、より詳細な電力の見える化を実現することができる。

１１，２１分電盤
１２，２２電圧センサ
１３，２３電流センサ
１４，２４進相コンデンサ容量記録装置
１５，２５進相コンデンサ電流波形生成装置
１６，２６進相コンデンサ電流波形除去装置
２７電流波形記録装置
２８進相コンデンサ容量推定装置

Claims

分電盤に接続されている負荷に流れる電流波形を計測するための負荷電流計測方法であって、
前記分電盤に設置された電圧センサにより取得したゼロクロス点を基準にして、前記分電盤に設置された電流センサにより分電盤電流を測定するステップと、
進相コンデンサ電流波形生成装置が、予め進相コンデンサ容量記録装置に記録された前記分電盤の下流に接続された進相コンデンサの容量から、進相コンデンサによる電流波形を生成するステップと、
進相コンデンサ電流波形除去装置が、前記分電盤電流から生成された電流波形から、前記進相コンデンサ電流波形生成装置で作成された進相コンデンサによる電流波形を差し引いて、前記負荷に流れる電流波形のみを算出するステップと
を備えたことを特徴とする負荷電流計測方法。
前記進相コンデンサ容量記録装置には、所定の期間の前記分電盤電流が記録された電流波形記録装置から、進相コンデンサ容量推定装置が、皮相電力が最小となっている点の電流値を読み出し、その点の無効電力から求めた進相コンデンサの容量が記録されていることを特徴とする請求項１に記載の負荷電流計測方法。
分電盤に接続されている負荷に流れる電流波形を計測するための負荷電流計測装置であって、
前記分電盤に設置された電圧センサと、
前記分電盤に設置され、前記電圧センサにより取得したゼロクロス点を基準にして、分電盤電流を測定する電流センサと、
予め進相コンデンサ容量記録装置に記録された前記分電盤の下流に接続された進相コンデンサの容量から、進相コンデンサによる電流波形を生成する進相コンデンサ電流波形生成装置と、
前記分電盤電流から生成された電流波形から、前記進相コンデンサ電流波形生成装置で作成された進相コンデンサによる電流波形を差し引いて、前記負荷に流れる電流波形のみを算出する進相コンデンサ電流波形除去装置と
を備えたことを特徴とする負荷電流計測装置。
所定の期間の前記分電盤電流を記録する電流波形記録装置と、
前記電流波形記録装置から、皮相電力が最小となっている点の電流値を読み出し、その点の無効電力から進相コンデンサの容量を求め、前記進相コンデンサ容量記録装置に記録する進相コンデンサ容量推定装置と
をさらに備えたことを特徴とする請求項３に記載の負荷電流計測装置。