JP2019110710A - 分散型電源の保護装置及びそれを備えたシステム - Google Patents

Abstract

【課題】マイクログリッドの分散型電源の自立運転時に、短絡電流を防止し、分散型電源を保護するための保護装置及びそれを備えたシステムを提供する。【解決手段】保護装置１００は、高調波（整数次の高調波又は次数間高調波）を生成する高調波生成部１０４と、配電線の電圧の測定波形から高調波の電圧成分を算出する高調波成分算出部１０８と、制御部１０２とを含み、制御部は、配電線１１０が電力系統から切り離されたことを表す信号ＴＧが入力されたことを受けて、高調波生成部に、配電線に高調波を供給させ、電圧成分算出部により算出された電圧成分としきい値とを比較して短絡故障の有無を判定し、短絡故障が発生していなければ、分散型電源を起動させる起動信号Ｓ２を出力する。これにより、短絡電流を防止し、短絡電流による、分散型電源を構成する機器の寿命低下を防止することができる。【選択図】図３

Description

本発明は、電力系統における停電時に、マイクログリッドの給電設備（分散型電源）により自立運転を行なう場合の保護技術に関し、特に、短絡電流を防止し、分散型電源を保護するための保護装置及びそれを備えたシステムに関する。

近年、太陽光発電等の再生可能エネルギーの利用が促進されており、分散型電源によりマイクログリッドと呼ばれる小規模の電力供給システムが構築され、電力供給がなされている。マイクログリッドは、電力会社による電力系統と独立に運転される場合に限らず、電力会社による電力系統と連系運転し、電力不足、停電時等に、電力を供給することも行なわれている。

電力を供給する対象の設備には、停電により一旦停止した後にも速やかに電力を供給する必要がある設備がある。そのような重要設備に、停電時に電力を共有するためにも分散型電源が使用されている。

図１を参照して、電力供給システムは、電力系統９００から電力を供給する配電線９２０に、ディーゼル発電機等の発電機９０４、ＢＥＳＳ９０６及びＰＶ９０８から構成される分散型電源９１０が接続されている。配電線９２０には、系統スイッチ９０２が設けられており、これが投入（ＯＮ）されていれば、配電線９２０に電力が供給される。分散型電源９１０は、電力系統９００と系統連系し、ピークカット等のエネルギーコスト削減を目的に運転される。

ＢＥＳＳ９０６は、蓄電池システム（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｓｙｓｔｅｍ）であり、ＰＶ９０８は、太陽光発電システム（Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｓ Ｓｙｓｔｅｍ）である。ＢＥＳＳ９０６及びＰＶ９０８はそれぞれ、ＰＣＳ（Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）を備えており、インバータにより直流を交流に変換して、配電線９２０に出力することができる。

通常時には、系統スイッチ９０２が投入された状態で、電力系統９００から重要設備９１４に電力が供給される。分散型電源９１０は、電力系統９００と連系又は非連系で動作することができる。ＢＥＳＳ９０６は蓄電池を備えており、通常時には、電力系統９００、発電機９０４、ＰＶ９０８が供給する電力を蓄電池に蓄える。

図２を参照して、電力系統９００において事故、自然災害等が発生し、電力系統９００が停電した場合には、系統スイッチ９０２は開放され、分散型電源９１０は自立運転を開始し、配電線９２０に電力を供給する。具体的には、ＢＥＳＳ９０６の蓄電池から出力される直流が内部のインバータにより交流に変換されて、配電線９２０に出力される。自立運転時には、発電機９０４及びＰＶ９０８は、ＢＥＳＳ９０６に対して連系運転するように制御される。

このとき、停電が、自然災害（特に、地震等の大規模な自然災害）によるものであれば、重要設備側で短絡故障９３０が発生していることが考えられる。短絡故障９３０が発生していると、インピーダンスが非常に小さい値になり、電力が供給されると、配電線９２０には大電流（以下、短絡電流という）が流れる。短絡電流Isを防止するために、通常、分散型電源９１０には、過電流保護リレー９１２が設けられる。過電流保護リレー９１２は、電流を検出する機能と、大きな電流を検出すると、電気経路を開放する機構とを備える。短絡電流が流れると、過電流保護リレー９１２により、重要設備９１４への電力供給が遮断される。

一方、電力供給システムにおいて次数間高調波を使用する技術が知られている。例えば、下記特許文献１には、電気鉄道に交流又は直流を供給するき電（饋電）回路における短絡事故の検出に関して、次数間高調波を用いて、車両本数の増加、又は、車両の発進若しくは加速による重負荷状態があっても、短絡事故を確実に検出できる技術が開示されている。この技術では、次数間高調波信号を常に注入し、供給される電力の基本周波数及び次数間高調波信号の周波数のインピーダンスの変化を観測して、短絡事故を精度よく検出する。

特許第３８９３３３１号公報

過電流保護リレーにより短絡電流が流れ続けることを防止できるとしても、過電流保護リレーがトリップ（開放）するまでの間に短絡電流が流れることにより、配電線９２０に接続されている機器が悪影響を受ける。通常、過電流保護リレー９１２は、約１ミリ秒でトリップするが、短時間であっても、分散型電源９１０を構成する機器、即ち、ＰＶ、発電機、ＢＥＳＳ、及びそれに付属する機器（ＰＣＳ、トランス）には、大きな負担となり、機器の寿命が低下する原因になり得る。

したがって、本発明は、マイクログリッドの給電設備（分散型電源）の自立運転時に、短絡電流を防止し、分散型電源を保護するための保護装置及びそれを備えたシステムを提供することを目的とする。

本発明の第１の局面に係る保護装置は、分散型電源の保護装置である。この保護装置は、電力系統により所定周波数の交流電圧が供給される配電線に、所定周波数よりも高い周波数を有する高調波を生成する高調波生成部と、配電線の電圧値を測定する電圧測定部と、電圧測定部により測定された電圧値の時間変動波形から、高調波のフーリエ係数である電圧成分を算出する電圧成分算出部と、高調波生成部及び電圧成分算出部を制御する制御部とを含む。制御部は、配電線が電力系統から切り離されたことを表す信号が入力されたことを受けて、高調波生成部に、配電線に高調波を供給させ、電圧成分算出部に、電圧成分を算出させ、電圧成分算出部により算出された電圧成分と所定のしきい値とを比較することにより、配電線による送電の経路上に短絡故障が発生したか否かを判定し、短絡故障が発生していないと判定されたことを受けて、分散型電源を起動させる起動信号を出力する。

これにより、電力系統の停電時に分散型電源を自立運転する前に、配電線上で短絡故障の発生の有無を検出することができ、短絡電流が流れることを防止することができる。

好ましくは、制御部は、複数のスイッチの各々を投入又は開放するスイッチ制御部を含む。複数のスイッチは、電力系統から複数の設備に電力を供給するために、一端が配電線に接続され、相互に並列接続された複数の分岐配電線にそれぞれ設けられる。制御部は、スイッチ制御部により、複数のスイッチの各々の投入又は開放を設定した状態で、電圧成分算出部により算出された電圧成分としきい値とを比較することを、複数のスイッチのうち投入する組合せを変更して繰返すことにより、複数の分岐配電線の各々による送電の経路上に短絡故障が発生したか否かを判定する。

これにより、複数の分岐配電線のそれぞれに関して、短絡故障の発生の有無を検出することができ、分散型電源の自立運転により短絡電流が流れることを防止することができる。

より好ましくは、制御部は、複数の分岐配電線のうち、短絡故障が発生していると判定された分岐配電線に設けられたスイッチを開放し、短絡故障が発生していないと判定された分岐配電線に設けられたスイッチを投入した後、起動信号を出力する。

これにより、短絡故障が発生している分岐配電線を切り離して、分散型電源を自立運転することができ、短絡故障が発生していない分岐配電線に速やかに電力を供給することができる。

さらに好ましくは、高調波は、所定周波数の非整数倍の周波数を有する次数間高調波であり、振幅が一定の電流として供給される。

本発明の第２の局面に係るシステムは、上記の保護装置と、電力系統から電力を供給するための配電線を介して電力を供給し得る分散型電源とを含み、分散型電源は、起動信号により起動され、配電線に電力を供給する。

これにより、電力系統の停電時に分散型電源を自立運転する前に、配電線上で短絡故障の発生の有無を検出することができ、短絡電流が流れることを防止することができる。

好ましくは、高調波生成部による高調波を供給する機能は、分散型電源を構成する、直流を交流に変換するインバータにより実現される。

このように、既存の分散型電源のインバータに高調波を供給させることにより、高調波を供給するための装置が不要となり、コストを低減することができる。

本発明によれば、電力系統に停電が発生したときに、マイクログリッドの分散型電源を自立運転する前に、電力の供給経路又は供給対象設備に短絡故障が発生しているか否かを判定することができ、短絡故障が発生している場合には自立運転を禁止することができる。したがって、短絡電流を防止することができ、短絡電流による、分散型電源を構成する機器の寿命低下を防止することができる。

また、複数の配電線毎にスイッチを設けることにより、配電線毎に、短絡故障の発生の有無を検出することができ、短絡故障が発生している配電線を切り離すことができる。したがって、停電時に、短絡電流が流れることなく安全に分散型電源による自立運転を行なうことができ、速やかに重要設備に電力を供給することができる。

電力系統に分散型電源が設けられた従来の電力供給システムの概略構成を示すブロック図である。 図１の電力供給システムにおいて、停電が発生したときの状態を示すブロック図である。 本発明の保護装置の概略構成を示すブロック図である。 図３の保護装置と分散型電源とが電力系統に設けられた電力供給システムの概略構成を示すブロック図である。 電力系統の停電時における、図３に示した保護装置の動作を示すフローチャートである。 複数の重要設備に電力を供給する電力供給システムの構成を示すブロック図である。 図６のシステムで使用される保護装置の概略構成を示すブロック図である。 電力系統の停電時における、図７に示した保護装置の動作を示すフローチャートである。 短絡経路を特定する処理を示すフローチャートである。 しきい値の算出に使用したシステムの構成を示すブロック図である。

以下の実施の形態では、同一の部品には同一の参照番号を付してある。それらの名称及び機能も同一である。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。

（保護装置の構成）
図３を参照して、本発明の実施の形態に係る保護装置１００は、制御部１０２、高調波生成部１０４、電圧測定部１０６及び高調波成分算出部１０８を含む。保護装置１００は、各部を作動させるための電源等（図示せず）をも含む。

制御部１０２は、高調波生成部１０４及び高調波成分算出部１０８の動作を制御する。制御部１０２は、高調波生成部１０４及び高調波成分算出部１０８のそれぞれに出力する制御信号Ｃ１及びＣ２の電圧レベルを変更して、高調波生成部１０４及び高調波成分算出部１０８の起動及び停止を制御する。例えば、制御部１０２は、制御信号Ｃ１のレベルをローレベルからハイレベルに変化させることにより、高調波生成部１０４に対して動作開始を指示し、制御信号Ｃ１のレベルをハイレベルからローレベルに戻すことにより、動作中の高調波生成部１０４に対して動作停止を指示する。同様に、制御部１０２は、制御信号Ｃ２のレベルを制御することにより、高調波成分算出部１０８の動作を制御する。

高調波生成部１０４は、制御部１０２からの制御信号Ｃ１がハイレベルになることにより起動された後、制御信号Ｃ１がローレベルに戻ることにより停止するまで、一定周波数の信号Ｓ０を生成して配電線１１０に供給する。信号Ｓ０の周波数は、配電線１１０に電力を供給している電力系統９００が出力している電力（電圧）の基本周波数（例えば、５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ）よりも高い周波数であればよい。高調波生成部１０４が生成する信号Ｓ０の周波数は、周波数情報Ｓ１として、制御部１０２から供給される。高調波Ｓ０は電流源モード（定電流）で供給されることが好ましい。なお、所定周波数を有する信号の生成は、公知の発振回路により行なうことができる。

信号Ｓ０の周波数は、基本周波数の整数倍の周波数と、非整数倍の周波数とに分類することができる。このうち、基本周波数の整数倍の周波数の信号は、いわゆる高調波である。基本周波数の非整数倍の周波数の信号は、整数倍の高調波の間の信号であるので、次数間高調波と呼ばれ、その次数は正の非整数で表される。本願明細書では、次数間高調波の用語を使用する関係で、基本周波数の整数倍の周波数の信号を「整数次高調波」と記載し、次数間高調波と整数次高調波とを合わせて「高調波」と記載することとする。したがって、信号Ｓ０を高調波Ｓ０とも記載する。

電圧測定部１０６は、常に配電線１１０の電圧Ｖ（アナログ）を測定して出力する。測定された電圧Ｖは、高調波成分算出部１０８に入力される。

高調波成分算出部１０８は、制御部１０２からの制御信号Ｃ２により動作が制御される。高調波成分算出部１０８は動作を開始すると、電圧測定部１０６から入力されているアナログ信号である電圧値を、所定の時間間隔でサンプリングして、デジタルの電圧データを取得し、所定の時間分のデータを、内部のバッファ等に一時記憶する。高調波成分算出部１０８は、記憶した電圧の時系列データに含まれる所定周波数の電圧成分Ｖｓを算出して、制御部１０２に出力する。電圧成分Ｖｓを算出する対象の周波数は、周波数情報Ｓ１として、制御部１０２から供給される。所定周波数の電圧成分は、公知のフーリエ変換を使用して、フーリエ係数として算出できる。

整数次高調波に関しては、フーリエ変換の基本周波数として、電力の基本周波数を使用することができるが、次数間高調波に関しては、次数が非整数であるので、電力の基本周波数をそのままフーリエ変換の基本周波数として使用することはできない。次数間高調波の次数が整数値になるように、フーリエ変換の基本周波数を決定する。例えば、電力の基本周波数が５０Ｈｚである場合、２．５次の次数間高調波（１２５Ｈｚ）のフーリエ係数を算出するには、フーリエ変換の基本周波数を２５Ｈｚにすればよい。フーリエ係数ａ_ｎは、次式により求められる。

Ｖ（ｔ）は測定された電圧波形、Ｔはフーリエ変換の基本周波数の周期、τは任意時刻である。２．５次の次数間高調波の場合、その電圧成分は、ｎ＝５のフーリエ係数として算出できる。

制御部１０２は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）と、記憶部とを備えている。制御部１０２は、外部からトリガー信号ＴＧが入力されると、上記のように制御信号Ｃ１及びＣ２により、高調波生成部１０４及び高調波成分算出部１０８に動作開始を指示する。その後、制御部１０２は、高調波成分算出部１０８から入力された電圧成分Ｖｓを記憶部に記憶し、電圧成分Ｖｓを所定のしきい値Ｖｔｈと比較して、短絡故障の発生の有無を判定する。判定が終われば、制御部１０２は、制御信号Ｃ１及びＣ２により、高調波生成部１０４及び高調波成分算出部１０８を停止させる。これらの機能は、記憶部に予め記憶されたプログラムをＣＰＵが読出して実行することにより実現される。

制御部１０２は、電圧成分Ｖｓがしきい値Ｖｔｈ以上であれば、短絡故障は発生していないと判定し、起動信号Ｓ２を出力する。起動信号Ｓ２は、分散型電源２１０を構成するＢＥＳＳ２０６に入力され、ＢＥＳＳ２０６は自立運転を開始する。一方、制御部１０２は、電圧成分Ｖｓがしきい値Ｖｔｈよりも小さければ、短絡故障が発生していると判定し、起動信号Ｓ２を出力せず、ＢＥＳＳ２０６は自立運転を開始しない。

短絡故障が発生していなければ、供給される高調波電流により、重要設備２１４のインピーダンスに応じた電圧値が検出される。短絡故障が発生していると、インピーダンスがほぼ“０”になり、供給される高調波電流により生じる電圧は非常に小さい値となる。したがって、適切にしきい値を設定しておけば、短絡故障の有無を検出することができる。

高調波生成部１０４及び高調波成分算出部１０８は、それぞれ、ＡＳＩＣ等の専用の半導体装置として構成されていても、制御部１０２と同様に、汎用ＣＰＵ及び記憶部により構成されていてもよい。高調波生成部１０４及び高調波成分算出部１０８が汎用ＣＰＵにより実現されている場合には、所定のプログラムによりそれらの機能が実行される。

上記では、制御部１０２から、高調波生成部１０４及び高調波成分算出部１０８に高調波の周波数情報を送信する場合を説明したが、これに限定されない。例えば、周波数情報（周波数値）に代えて、基本周波数と次数とを送信してもよい。また、周波数情報は、制御部１０２から高調波生成部１０４のみに送信し、高調波成分算出部１０８には高調波生成部１０４から、高調波の周波数情報を送信してもよい。高調波生成部１０４から固定周波数の高調波を出力するようにしてもよい。

（保護装置を含むシステム）
保護装置１００を電力供給システムに適用する構成に関して説明する。図４を参照して、電力供給システムは、電力系統２００と、発電機２０４、ＢＥＳＳ２０６及びＰＶ２０８で構成される分散型電源２１０（一点鎖線で示す）とを備え、配電線１１０を介して重要設備２１４に電力を供給する。配電線１１０には、重要設備２１４側への電力供給を停止するための系統スイッチ２０２が設けられている。電力供給システムは、さらに、分散型電源２１０と重要設備２１４との間に保護装置１００を備えている。

通常運転時には、分散型電源２１０を構成する発電機２０４、ＢＥＳＳ２０６及びＰＶ２０８は、電力系統と系統連系し、ピークカット等、エネルギーコスト削減を目的として動作している。電力系統２００の停電時には、系統スイッチ２０２が開放される。系統スイッチ２０２の開放により、保護装置１００には、トリガー信号ＴＧが入力され、保護装置１００は上記したように、高調波Ｓ０を配電線１１０に供給し、配電線１１０の電圧波形を測定し、その波形に含まれる高調波に対応する周波数の電圧成分を、しきい値と比較して、短絡故障２３０の発生の有無を判定する。短絡故障２３０が発生していなければ、分散型電源２１０に自立運転を開始させる。一方、短絡故障２３０が発生していれば、例えば、警告を提示して、分散型電源２１０に自立運転を開始させない。

なお、図４では、配電線１１０上に短絡故障２３０が位置しているが、これは配電線１１０自体が短絡していることを意味するだけではなく、配電線１１０による送電の経路上に短絡故障が発生していることを意味する。例えば、重要設備２１４で短絡故障が発生している場合も意味する。

（短絡故障の検出処理）
以下に、図５を参照して、図４に示した電力供給システムにおいて、短絡故障を検出する処理に関して、より具体的に説明する。図５のプログラムは、停電時に系統スイッチ２０２が開放されたことを表すトリガー信号ＴＧが保護装置１００に入力されたことを受けて、保護装置１００により実行される。上記したように、保護装置１００は制御部１０２を備え、制御部１０２の内部にＣＰＵ及び記憶部を含む。したがって、保護装置１００が実行する処理は、制御部１０２のＣＰＵが実行する処理を意味する。

ステップ３００において、制御部１０２は、制御信号Ｃ１により、高調波生成部１０４に動作開始を指示し、高調波生成部１０４に高調波を出力させる。出力された高調波Ｓ０は、配電線１１０に供給され、重要設備２１４側に供給される。

ステップ３０２において、制御部１０２は、制御信号Ｃ２により、高調波成分算出部１０８に動作開始を指示し、高調波成分算出部１０８に、電圧測定部１０６から入力される配電線１１０の電圧波形を記憶させ、その波形から高調波の周波数成分の振幅（電圧成分）を算出させる。これにより、制御部１０２は、高調波成分算出部１０８から算出された電圧成分Ｖｓを取得する。

ステップ３０４において、制御部１０２は、短絡故障が発生しているか否かを判定するために、ステップ３０２で取得した電圧成分Ｖｓがしきい値Ｖｔｈ以上であるか否かを判定する。しきい値Ｖｔｈは、予め制御部１０２内部の記憶部に記憶させておけばよい。電圧成分Ｖｓがしきい値Ｖｔｈ以上（Ｖｓ≧Ｖｔｈ）であると判定された場合（短絡故障が発生していない場合）、制御はステップ３０６に移行する。そうでなければ（Ｖｓ＜Ｖｔｈ、短絡故障が発生している場合）、制御はステップ３０８に移行する。

ステップ３０６において、短絡故障が発生していないので、制御部１０２は、分散型電源による自立運転を開始させるために起動信号Ｓ２を出力する。起動信号Ｓ２は、ＢＥＳＳ２０６に入力され、ＢＥＳＳ２０６が自立運転を開始する。

ステップ３０８において、短絡故障が発生しているので、制御部１０２は、分散型電源による自立運転をさせないために、起動信号Ｓ２を出力しない。起動信号Ｓ２が分散型電源２１０に入力されないので、分散型電源２１０は自立運転を開始しない。

このとき、短絡故障が発生している旨の警告を提示することが好ましい。警告の提示方法は任意であり、例えば、視覚的な提示（文字又は画像の表示）、聴覚的な提示（警告音を流す）、又は、これらの組合せとして行なうことができる。提示方法に応じて、保護装置１００又は分散型電源２１０に、提示装置（画像表示装置、音響装置等）を設けておけばよい。

ステップ３１０において、制御部１０２は、制御信号Ｃ１及びＣ２を制御して、高調波生成部１０４及び高調波成分算出部１０８を停止させ、プログラムを終了する。これにより、高調波の供給は停止する。

以上により、保護装置１００は、停電が発生したときに、分散型電源２１０が直ちに自立運転することを抑制し、短絡故障の発生の有無を確認し、短絡故障が発生していない場合に、自立運転を開始させることができる。短絡故障が発生している場合には、自立運転を開始させない。したがって、短絡電流が流れることを防止することができ、それによる分散型電源２１０を構成する機器へのダメージの発生及び寿命低下を抑制することができる。

高調波Ｓ０を電流源モード（定電流）で供給することにより、インピーダンス又はアドミタンスの代わりに、高調波成分の電圧により、短絡故障の有無を判定することができる。したがって、配電線の電圧を測定すればよく、電流を測定する必要はない。

図４のように、保護装置１００を設けることにより、電力供給システムは過電流保護リレーを備えていなくてもよいが、過電流保護リレーを備えた電力供給システムにおいても保護装置１００は適用可能である。高調波は微弱電流として供給されるので、過電流保護リレーが作動することはない。

高調波Ｓ０が次数間高調波である場合、その次数は、任意の非整数であればよい。例えば、２次〜４次の間のもの、即ち次数ｎが２＜ｎ＜４（ｎ＝３を除く）のものを使用することができる。高調波は、通常、電力システムにはほとんど存在せず、存在しても非常に振幅が小さいので、高調波を使用することにより、ノイズ等の想定外の原因による影響を排除して、短絡故障を検出するには好ましい。

また、高調波Ｓ０は、次数間高調波に限らず、整数次高調波であってもよい。通常、電力システムにおいては、基本周波数の奇数倍の周波数の高調波（奇数次の高調波）は、無視できない程度の大きさで存在するが、基本周波数の偶数倍の周波数の高調波（偶数次の高調波）は少ない（振幅が小さい）。したがって、偶数次の高調波を使用すれば、配電線に既に存在している信号と干渉して減衰する等の影響を受けることなく、配電線に供給した高調波Ｓ０の電圧成分及び電流成分を抽出することができ、短絡故障の発生を検出することができる。例えば、４次又は２次の高調波を使用することができる。

後述するように、しきい値は、供給する高調波の電流値と、マイクログリッドのシステム構成に応じて、短絡故障のない場合の電圧値と明確に区別できる適切な値に設定されていればよく、任意である。しきい値を変更可能に構成されていてもよい。

上記では、保護装置１００が高調波生成部１０４及び電圧測定部１０６を備える場合を説明したが、これに限定されない。ＢＥＳＳ２０６が備える直流を交流に変換するインバータにより、高調波を生成してもよい。ＢＥＳＳ２０６のインバータは、例えば、内部にマイクロコントローラ等の制御装置を備え、公知の制御プログラム（例えば、ＰＷＭ制御）を実行し、所定周波数（例えば、５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ）の交流電力を生成する。したがって、インバータの制御プログラムを変更することにより、所定の振幅及び所定の周波数を有する高調波信号を生成して出力することができる。その場合、高調波の周波数情報Ｓ１は、制御部１０２からＢＥＳＳ２０６に入力すればよい。ＢＥＳＳ２０６が自立運転する前には、ＢＥＳＳ２０６のインバータは電力供給には使用されないので、高調波の供給に使用しても支障はない。

同様に、ＰＶ２０８が備えているインバータを用いて、高調波を供給してもよい。その場合、高調波の周波数情報Ｓ１は、制御部１０２からＰＶ２０８に入力すればよい。

また、配電線１１０に、公知の計器用変圧器を備えていれば、それを電圧測定部１０６の代わりに使用する構成とすることもできる。

マイクログリッドの分散型電源の構成は、図４のような構成に限定されず、任意である。例えば、ＢＥＳＳを備えていない場合には、保護装置からの起動信号Ｓ２は、発電機又はＰＶに入力すればよい。起動信号Ｓ２は、例えば、自立運転を開始するときに最初に起動する機器に入力すればよい。

（変形例）
上記では、マイクログリッドの分散型電源から、１本の配電線により１つの重要設備に電力を供給する場合を説明したが、複数の重要設備に異なる配電線を介して電力を供給する場合がある。その場合には、それぞれの配電線に関して短絡故障の有無を検出することが好ましい。そのような場合の電力供給システムの構成を図６に示す。

図６は図４と同様に構成されている。但し、図６のシステムは、図４と異なり、配電線１１０から並列に分岐した配電線（以下、分岐配電線という）を備えている。即ち、第１分岐配電線１１２、第２分岐配電線１１４及び第３分岐配電線１１６により、３つの重要設備２１４、２１６及び２１８に電力が供給され、第１分岐配電線１１２、第２分岐配電線１１４及び第３分岐配電線１１６にはそれぞれ第１スイッチ２２０、第２スイッチ２２２及び第３スイッチ２２４が配置されている。

図６のように、複数の重要設備が複数の分岐配電線に分かれている場合、特定の分岐配電線に短絡故障が発生することが考えられる。その場合、停電時に、短絡故障が発生している分岐配電線のみを切り離せば、それ以外の分岐配電線の重要設備には、分散型電源の自立運転により電力を供給することができる。

配電線１１０に供給される高調波電流をＩinj、各重要設備のインピーダンスをＺＬ１〜ＺＬ３とし、マイクログリッドは規模が小さいので、配電線のインピーダンスは十分に小さいとして無視する。短絡故障が発生していない場合、配電線１１０の高調波成分の電圧Ｖinjは、Ｖinj＝Ｉinj×（ＺＬ１・ＺＬ２・ＺＬ３）／（ＺＬ１・ＺＬ２＋ＺＬ２・ＺＬ３＋ＺＬ３・ＺＬ１） で表せる。したがって、いずれかの分岐配電線に短絡故障が発生していると、インピーダンスは“０”に近い値になり、Ｖinjは所定のしきい値よりも小さい値となる。

なお、図６では、第３分岐配電線１１６上に短絡故障２３０が位置しているが、これは第３分岐配電線１１６自体が短絡していることを意味するだけではなく、第３分岐配電線１１６による送電の経路上に短絡故障が発生していることを意味する。例えば、重要設備２１８で短絡故障が発生している場合も意味する。

図７を参照して、保護装置１２０は、保護装置１００と同様に構成されているが、制御部１０２に代えて制御部１２２を備える。制御部１２２は、制御信号Ｃ３〜Ｃ５を出力し、第１スイッチ２２０、第２スイッチ２２２及び第３スイッチ２２４の投入（ＯＮ）／開放（ＯＦＦ）を制御する機能を有する。図６及び図７において、それ以外の構成は、図４及び図３と同じであり、それぞれの機能も同じであるので、重複説明を繰返さない。

図８を参照して、図６の電力供給システムにおける保護装置１２０の動作を具体的に説明する。保護装置１２０が行なう処理を図８に示す。図８のフローチャートが、図５のフローチャートと異なるのは、ステップ５００及び５０２が追加されている点だけである。図８のフローチャートと図５のフローチャートにおいて、同じ符号が付された処理は同じであるので、重複説明を繰返さない。以下では、主に、異なる処理に関して説明する。

図８のプログラムは、系統スイッチ２０２が開放されたことを表すトリガー信号ＴＧが保護装置１２０に入力されたことを受けて、保護装置１２０により実行される。上記したように、保護装置１２０は保護装置１００と同様に構成されており、制御部１２２を備え、制御部１２２の内部にＣＰＵ及び記憶部を含む。したがって、保護装置１２０が実行する処理は、制御部１２２のＣＰＵが実行する処理を意味する。ここでは、停電前には、第１スイッチ２２０、第２スイッチ２２２及び第３スイッチ２２４は全て投入されており、全ての重要設備２１４〜２１８に電力が供給されているとする。

配電線１１０への高調波の供給（ステップ３００）、その電圧成分の算出（ステップ３０２）、及び、算出値としきい値との比較が行なわれ（ステップ３０４）、その結果、電圧成分Ｖｓがしきい値Ｖｔｈよりも小さければ、短絡故障が発生していることが検出される。したがって、ステップ５００において、制御部１２２は、短絡経路を特定する処理を実行する。その具体的な処理は、図９に示されている。

図９のステップ５１０において、制御部１２２は、第１スイッチ２２０、第２スイッチ２２２及び第３スイッチ２２４の全てを開放する制御信号Ｃ３〜Ｃ５（例えば全てローレベル）を出力し、第１分岐配電線１１２、第２分岐配電線１１４及び第３分岐配電線１１６に対応するフラグを、制御部１２２内部の記憶部に確保し、初期値として“０”をセットする。

ステップ５１２において、制御部１２２は、繰返し処理のカウンタｉに初期値として“１”をセットする。カウンタは、制御部１２２内部の記憶部に確保される。

ステップ５１４において、制御部１２２は、制御信号Ｃ３〜Ｃ５のうち、ｉ番目のスイッチに対応する制御信号を、スイッチが投入されるレベル（ハイレベル）に変更し、それ以外の制御信号は、そのときのレベルを維持させる。これにより、ｉ番目のスイッチが投入され、高調波がｉ番目の分岐配電線を介してｉ番目の重要設備側に供給される。

ステップ５１６において、制御部１２２は、ステップ３０２と同様に、制御信号Ｃ２により、高調波成分算出部１０８に動作開始を指示し、高調波成分算出部１０８に、電圧測定部１０６から入力される配電線１１０の電圧波形を記憶させ、その波形から高調波の周波数成分の振幅（電圧成分）を算出させる。これにより、制御部１２２は、高調波成分算出部１０８から算出された電圧成分Ｖｓを取得する。

ステップ５１８において、制御部１２２は、短絡故障が発生しているか否かを判定するために、ステップ５１６で取得した電圧成分Ｖｓがしきい値Ｖｔｈ以上であるか否かを判定する。しきい値Ｖｔｈは、ステップ３０２で使用される値と同じである。電圧成分Ｖｓがしきい値Ｖｔｈ以上（Ｖｓ≧Ｖｔｈ）であると判定された場合（短絡故障が発生していない場合）、制御はステップ５２０に移行する。そうでなければ（Ｖｓ＜Ｖｔｈ、短絡故障が発生している場合）、制御はステップ５２２に移行する。

ステップ５２０において、制御部１２２は、ｉ番目のフラグを、初期値と異なる値“１”にセットする。これにより、ｉ番目の分岐配電線に関して短絡故障が発生していないことが、フラグ情報として記憶される。

ステップ５２２において、制御部１２２は、ｉ番目のスイッチに対応する制御信号を、スイッチが開放されるレベル（ローレベル）に変更し、それ以外の制御信号は、そのときのレベルを維持させる。これにより、直前のステップ５１４で投入されたｉ番目のスイッチが開放される。これは、短絡故障が発生している分岐配電線に通電されないようにするためである。

ステップ５２４において、制御部１２２は、現在のカウンタｉが最大値ｉmaxよりも小さいか否かを判定する。カウンタｉが最大値ｉmaxよりも小さい（ｉ＜ｉmax）と判定された場合、制御はステップ５２６に移行し、そうでなければ（ｉ≧ｉmax）、短絡経路の特定処理を終了し、制御は、図８のステップ５０２に移行する。

ステップ５２６において、制御部１２２は、現在のカウンタｉに“１”を加算して得られた値を新たなカウンタｉとし、制御はステップ５１４に戻る。最大値ｉmaxは、予め分岐配電線の数（即ち、スイッチの数）に設定しておけば、ステップ５１４〜５２２の処理が、スイッチの数と同じ回数繰返される。

図８のステップ５０２において、制御部１２２は、全てのフラグが“０”（初期値のまま）であるか否かを判定する。１つでも“１”（初期値と異なる値）のフラグがあれば、制御はステップ３０６に移行し、上記したように、分散型電源が自立運転を開始する。そうでなければ（全てのフラグが“０”）、制御はステップ３０８に移行し、自立運転は開始されない。その後、制御部１２２は、高調波の供給を停止し（ステップ３１０）、プログラムを終了する。

以上により、分岐配電線のそれぞれに関して短絡故障の発生の有無を判定することができ、短絡故障が発生している分岐配線に関しては、スイッチを開放して、分散型電源による自立運転が開示されても通電されないようにする、即ち、短絡電流が流れないようにすることができる。

なお、複数の分岐配電線に設けられたスイッチを投入する方法（投入する組合せ及びその順序）は、上記に限定されず、任意である。高調波が供給される分岐配電線の組合せ（即ち、投入するスイッチの組合せ）を変更する度に、高調波の電圧成分Ｖｓと及びしきい値Ｖｔｈとの比較を行なうことにより、各分岐配電線に関して短絡故障の有無を検出することができる。例えば、複数のスイッチのうちの１つだけを投入した状態で、高調波の電圧成分Ｖｓとしきい値Ｖｔｈとの比較を行なうことにより、短絡故障の有無を判定してもよい。

上記では、短絡故障が発生している分岐配電線のスイッチを開放して、それ以外のスイッチを投入したまま、起動信号Ｓ２を出力して、分散型電源に自立運転を開始させる場合を説明したが、これに限定されない。短絡故障が発生していることが検出された場合、より安全のために、起動信号Ｓ２を出力しなくてもよい。その場合、フラグに設定されている値に基づいて、短絡故障が発生している分岐配電線を特定する情報を提示することが好ましい。

また、最初に、全てのスイッチが投入された状態で、ステップ３００〜３０４を行なわずにステップ５００から開始してもよい。

（しきい値の例）
しきい値は、電力供給システムの構成に応じて適宜設定することができる。ここでは、図１０に示す構成での算出例を示す。

図１０を参照して、自立運転と関係する構成として、電源として最初に起動するＢＥＳＳと、１つの重要設備のみを考える。高調波は、２．５次の次数間高調波とし、ＢＥＳＳのパワーコンディショナ（ＰＣＳ）のインバータを使用して供給するとする。

蓄電池及びＰＣＳは、３相２１０Ｖ、出力２５０ｋＷであり、高調波出力は定格電流の１％とする。重要設備は、３相２１０Ｖ、容量２５０ｋＷの抵抗負荷（電灯負荷を想定）とする。

この場合、高調波電流は、２５０（ｋＷ）／［３^１／２×２１０（Ｖ）］×１（％）≒６．８７（Ａ）であり、負荷のインピーダンスは、２１０（Ｖ）^２／２５０（ｋＷ）＝０．１７６４（Ω）となる。したがって、ＰＣＳから見た高調波電圧は、６．８７（Ａ）×０．１７６４（Ω）＝１．２１（Ｖ）となる。短絡故障が発生した場合、ＰＣＳから見たインピーダンスは略“０”になり、高調波電圧は非常に小さい値になる。したがって、しきい値を、１．２１（Ｖ）の約１／２の値である６Ｖに設定すれば、短絡故障を精度よく検出することができる。

このように、マイクログリッドの構成を考慮して、短絡故障が発生していない前提で、供給する高調波電流から算出した高調波電圧の約１／２の値にしきい値を設定することができるが、あくまで一例であり、これに限定されない。これ以外の値にしきい値を設定することもできる。

なお、電力系統の供給電力は、２相電力及び３相電力の何れであってもよい。

以上、実施の形態を説明することにより本発明を説明したが、上記した実施の形態は例示であって、本発明は上記した実施の形態のみに制限されるわけではない。本発明の範囲は、発明の詳細な説明の記載を参酌した上で、特許請求の範囲の各請求項によって示され、そこに記載された文言と均等の意味及び範囲内での全ての変更を含む。

１００、１２０ 保護装置
１０２、１２２ 制御部
１０４ 高調波生成部
１０６ 電圧測定部
１０８ 高調波成分算出部
１１０、９２０ 配電線
１１２ 第１分岐配電線
１１４ 第２分岐配電線
１１６ 第３分岐配電線
２００、９００ 電力系統
２０２、９０２ 系統スイッチ
２０４、９０４ 発電機
２０６、９０６ ＢＥＳＳ
２０８、９０８ ＰＶ
２１０、９１０ 分散型電源
９１２ 過電流保護リレー
２１４、２１６、２１８、９１４ 重要設備
２２０ 第１スイッチ
２２２ 第２スイッチ
２２４ 第３スイッチ
２３０、９３０ 短絡故障
Ｉｓ 短絡電流
ＴＧ トリガー信号
Ｓ０ 高調波
Ｓ１ 周波数情報
Ｓ２ 起動信号
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｃ５ 制御信号
Ｖ 電圧
Ｖｓ 所定周波数の電圧成分

Claims (5)

1. 分散型電源の保護装置であって、
   電力系統により所定周波数の交流電圧が供給される配電線に、前記所定周波数よりも高い周波数を有する高調波を生成する高調波生成手段と、
   前記配電線の電圧値を測定する電圧測定手段と、
   前記電圧測定手段により測定された前記電圧値の時間変動波形から、前記高調波のフーリエ係数である電圧成分を算出する電圧成分算出手段と、
   前記高調波生成手段及び前記電圧成分算出手段を制御する制御手段とを含み、
   前記制御手段は、
   前記配電線が前記電力系統から切り離されたことを表す信号が入力されたことを受けて、前記高調波生成手段に、前記配電線に前記高調波を供給させ、前記電圧成分算出手段に、前記電圧成分を算出させ、
   前記電圧成分算出手段により算出された電圧成分と所定のしきい値とを比較することにより、前記配電線による送電の経路上に短絡故障が発生したか否かを判定し、
   短絡故障が発生していないと判定されたことを受けて、前記分散型電源を起動させる起動信号を出力することを特徴とする保護装置。
2. 前記制御手段は、複数のスイッチの各々を投入又は開放するスイッチ制御手段を含み、
   複数の前記スイッチは、前記電力系統から複数の設備に電力を供給するために、一端が前記配電線に接続され、相互に並列接続された複数の分岐配電線にそれぞれ設けられ、
   前記制御手段は、前記スイッチ制御手段により、複数の前記スイッチの各々の投入又は開放を設定した状態で、前記電圧成分算出手段により算出された電圧成分と前記しきい値とを比較することを、複数の前記スイッチのうち投入する組合せを変更して繰返すことにより、複数の前記分岐配電線の各々による送電の経路上に短絡故障が発生したか否かを判定することを特徴とする、請求項１に記載の保護装置。
3. 前記制御手段は、複数の前記分岐配電線のうち、短絡故障が発生していると判定された分岐配電線に設けられたスイッチを開放し、短絡故障が発生していないと判定された分岐配電線に設けられたスイッチを投入した後、前記起動信号を出力することを特徴とする、請求項２に記載の保護装置。
4. 前記高調波は、前記所定周波数の非整数倍の周波数を有する次数間高調波であり、振幅が一定の電流として供給されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の保護装置。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の保護装置と、
   電力系統から電力を供給するための配電線を介して電力を供給し得る分散型電源とを含み、
   前記分散型電源は、前記起動信号により起動され、前記配電線に電力を供給することを特徴とするシステム。

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