JP5410884B2 - 進相コンデンサ制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、電力需要家が電力負荷力率改善用に設置する進相コンデンサを入切制御し、力率改善に加えて、配電系統の適正電圧維持にも活用する、進相コンデンサ制御装置に関するものである。

現状の配電系統は、有効電力・無効電力ともに、配電用変電所から電力需要家の接続する配電線末端方向へと順方向に送られることを前提に設計されている。しかし、高圧需要家が力率改善用に設置する進相コンデンサの過剰設置により、無効電力は需要家側から配電用変電所方向へ逆方向に流れる状態が発生している。

電力が順方向に流れる場合は、配電系統の電圧は、配電用変電所を起点として配電線末端に近づくほど降下していく。しかし大量の無効電力が逆方向に流れると、配電系統の電圧は末端に近づくほど上昇していく電圧分布（“フェランチ現象”と呼ぶ）となる。この現象は、特に夜間での工業地域の配電線で顕著となる。
一方、近年のオール電化住宅の普及と共に、電気式給湯器の普及が進んでいる。これは深夜の安価な電力を使って湯を沸かすため、住宅地区の配電線では夜間に重負荷となり、配電線電圧降下が生じる。

このように電力負荷の変遷とともに、特に夜間帯においては配電線の電圧分布は配電線ごとに異なった様相を呈している。これにより、電気事業法で定められた規定電圧（低圧系統側で１０１±６Ｖ、２０２±２０Ｖ）を逸脱する恐れがある。

配電系統の電圧維持のためには、配電用変電所のＬＲＴ（Load Ratio Control Transformer：負荷時タップ切替え変圧器）が、タップ制御（変圧比の切替え）により、複数配電線の電圧を一括して補償している。また必要に応じてＳＶＲ（Step Voltage Regulator：自動電圧調整器）が配電線上に設置され、同じくタップ制御（変圧比の切替え）により自端より下流域の配電線電圧を補償している。
しかしＬＲＴは１装置で複数配電線を補償範囲とするため、電圧分布が配電線間で乖離（例えばある配電線は電圧が大きく上昇し、別の配電線では電圧が大きく下降）すると全ての配電線の電圧を規定内に維持できない。そこでＳＶＲを配電線ごとに設置することになるが、設置工事が大規模で、費用もかかる。

特許文献１では、配電線にリアクトルやコンデンサを設置し、その自律分散制御によって、配電系統の電圧を適正に維持している。即ち、配電系統電圧が上限以上に上昇した場合はリアクトルを投入、もしくはコンデンサを開放する。逆に下限以下に低下した場合はリアクトルを開放、もしくはコンデンサを投入する。このように無効電力の増減によって、配電系統の電圧を上下限内に維持するものである。

特開平１１−３３２１０３号公報（要約など）

高圧需要家が設置する進相コンデンサによる無効電力の配電系統への流出、並びに分散型電源による有効電力の配電系統への流出によって、配電系統上では電力が末端から配電
用変電所方向へ逆方向に流れ、その結果配電系統の電圧が末端方向に向かって上昇するという現象が、一部の配電線で生じる。その結果、配電系統の電圧分布が配電線ごとに不均等となり、既存のＬＲＴでは電圧維持できず、電圧逸脱が発生する。そこでＳＶＲのようなタップ式の電圧調整器、もしくは先述の特許文献１のようにリアクトルやコンデンサといった無効電力制御式の電圧調整器を配電線上に個別設置し、電圧分布の変化に応じて制御を実施する必要があった。
この発明は、配電系統に新たに電圧調整器を設置することなく配電系統の適正電圧維持を実現することを目的としている。

高圧配電系統から受電点を通じて配電される構内高圧母線に接続された進相コンデンサと進相コンデンサ開閉器との直列体と、構内高圧母線から構内変圧器により低電圧に電圧変換を行って配電される低圧母線に接続された負荷と、を有する構内配電系統に設けられ、進相コンデンサ開閉器を投入開放制御する進相コンデンサ制御装置において、現在時刻が所定時間帯の時刻であるかないかを判定する時間帯判定部と、構内高圧母線の電圧値が所定の電圧上限値以上に上限逸脱しているか否か、および所定の電圧下限値以下に下限逸脱しているか否かを判定する電圧逸脱判定部と、時間帯判定部が、現在時刻が所定時間帯の時刻であると判定した場合に進相コンデンサ開閉器を投入するよう制御し、時間帯判定部が、現在時刻が所定時間帯の時刻でないと判定した場合であって、電圧逸脱判定部が上限逸脱と判定した場合には進相コンデンサ開閉器を開放するよう制御し、電圧逸脱判定部が下限逸脱と判定した場合には進相コンデンサ開閉器を投入するよう制御する制御決定部とを備えた。

この発明によれば、配電系統に新たに電圧調整器を設置することなく、配電系統の適正電圧を維持することができる。

本発明の実施の形態１による進相コンデンサ制御装置を含む構内配電系統全体の構成を示す概念図である。 本発明の実施の形態１による進相コンデンサ制御装置の制御フローを示すフロー図である。 本発明の効果を説明するための進相コンデンサならびに配電系統の電圧分布図である。 本発明の実施の形態２による進相コンデンサ制御装置を含む構内配電系統全体の構成を示す概念図である。 本発明の実施の形態２による進相コンデンサ制御装置の制御フローを示すフロー図である。 本発明の実施の形態３による進相コンデンサ制御装置における電圧上限値ならびに電圧下限値の設定方法を示す概念図である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に関わる進相コンデンサ制御装置と、その周辺の高圧進相コンデンサとその開閉器、高圧母線などの需要家構内配電系統を示す構成図である。また、図２は進相コンデンサ制御装置の制御フロー図である。図１において、１は需要家の受電点に設けられた受電点開閉器で、異常時などに高圧配電系統から需要家への配電を遮断するために設けられる。２は需要家内の構内高圧母線（例えば６．６ｋＶ）、３は構内高圧母線の高圧を低圧に変換する構内変圧器で、直列に開閉器４が設けられている。５は構内変圧器４により低圧（例えば基準電圧の２０２Ｖ）に変換されて配電される低圧母線
で、低圧母線５には通常複数の負荷６ａ、６ｂ、６ｃが接続されている。７ａ、７ｂは力率を改善するための進相コンデンサで、構内高圧母線２とそれぞれ進相コンデンサ開閉器８ａ、８ｂを介して接続されている。１０は本発明の対象である進相コンデンサ制御装置で、制御決定部１１、電圧逸脱判定部１２、時間帯判定部１３を備えている。電圧逸脱判定部１２は構内高圧母線２の電圧値を入力としている。

次に図１および図２を用いて動作を説明する。進相コンデンサ制御装置１０の時間帯判定部１３は、現在時刻が、平均力率算定対象時間帯（以後“昼間”と呼ぶことにする。また、所定時間帯とも呼ぶ。）か対象外の時間帯（以後“夜間”とする）かを判定する。昼間の場合は、進相コンデンサが切り状態（進相コンデンサ開閉器が開放状態）であれば制御決定部１１が進相コンデンサ開閉器に対し投入制御を実施し終了する。夜間の場合は、電圧逸脱判定部１２が構内高圧母線２より電圧値を取り込み、電圧逸脱（予め設定された電圧上限値Ｖ_Ｕを上回っていないか（Ｖ≧Ｖ_Ｕかどうか）、もしくは電圧下限値Ｖ_Ｌを下回っていないか（Ｖ≦Ｖ_Ｌかどうか））を判定する。上限逸脱が発生していた場合には、制御決定部１１により進相コンデンサ開閉器に対し開放する制御を行う。進相コンデンサ開放により、当該需要家から配電系統へ流出する無効電力は、進相コンデンサ容量分だけ削減されるため、結果的に配電系統の電圧は下がることになる。逆に下限逸脱が発生していた場合は、制御決定部１１により進相コンデンサ開閉器に対し投入する制御を行う。進相コンデンサ投入により、当該需要家から配電系統へ流出する無効電力は、進相コンデンサ容量分だけ増加されるため、結果的に配電系統の電圧は上がることになる。

図３は、本発明の効果を説明するための、配電系統（下の図）と１本の配電線の電圧分布イメージ図（上の図）である。図３において電圧上限値Ｖ_Ｕを一点鎖線１００、電圧下限値Ｖ_Ｌを一点鎖線２００で示している。配電用変電所ではＬＲＴ２０により規定の電圧に調整されて配電する。このとき、例えば進相コンデンサ７（図３では進相コンデンサは代表して１個で示している。進相コンデンサ開閉器８や負荷６も同様）が入り状態では、進相コンデンサ７が供給する無効電力により配電線の電圧は上の図の点線１１０で示すように上昇し電圧上限値Ｖ_Ｕを逸脱しているが、切り制御を実施することによって実線１２０で示すように上限より下方に維持できる。

この構成によれば、昼間は需要家の進相コンデンサ７が常に入り状態であるため、電力会社からの力率割引を確実に受けることが出来ると共に、夜間は配電系統の電圧維持にも貢献するため、自家のみならず周辺の配電系統の電圧適正化が図れる。

また、進相コンデンサ７の入切制御頻発を防止するには、制御決定部１１において、図２の制御フローの出力が一定時間同じである場合のみ、実際に入切制御を行えばよい。例えば制御演算周期が１分で、１０回連続して（＝１０分連続して）同じ入切方向となった場合のみ、進相コンデンサの開閉器８を同方向に制御する。

実施の形態２．
図４は、本発明の実施の形態２に関わる進相コンデンサ制御装置１０と、その周辺の進相コンデンサとその開閉器、高圧母線などの需要家構内系統を示す構成図である。また、図５は進相コンデンサ制御装置１０の制御フロー図である。図４において、図１と同一符号は同一または相当する部分を示す。実施の形態２による進相コンデンサ制御装置１０では、実施の形態１に加え、電圧逸脱の積算機能を有する逸脱量積算部１４と動作時限生成部１５を備えている。逸脱量積算部１４を備えることにより、電圧逸脱が発生しても直ぐに入切制御を実施せず、複数進相コンデンサの一斉動作と、それによる過剰制御を防止すると共に、特定の進相コンデンサに入切制御が集中して需要家間で公平感を損なわないようにできる。

図４および図５を用いて実施の形態２による進相コンデンサ制御装置１０の動作を説明する。動作時限生成部１５は、夜間に入る前（昼間時間帯終了時）に進相コンデンサごとの動作時限を、予め決められた動作時限範囲（例えば100秒〜1,000秒）でランダムに生成する。ランダム値とするのは、特定のコンデンサに入切制御が集中するのを回避するためであり、ランダム値に範囲を持たせるのは、配電線につながる複数の進相コンデンサの一斉動作を回避するためである。ランダム値の設定方法は、乱数表を用いて生成する方法などがある。
また、ランダム値を生成するのではなく、前日の動作時限値に一定値（例えば１００秒）を加算（もしくは減算）し、その結果動作時限範囲の上限（例えば１０００秒）（もしくは下限（例えば１００秒））を超過した場合は範囲下限（もしくは上限）を以って当日の動作時限とする方法もある。

また、動作時限生成部１５は、コンデンサ入切制御が１回実施されるごとに、現在の動作時限値に固定値（例えば１００秒）を加算して更新し、次の電圧逸脱時には動作が他の進相コンデンサより遅れるようにする。

また、動作時限は前述のように時間であっても良いし、定周期で動作する制御装置の制御周期回数であっても良いし、電圧逸脱幅と逸脱時間を乗じた逸脱量の積分値でも良い。逸脱量の積分値とする方式は電圧調整器でも一般的に用いられており、逸脱幅（Ｖ）×時間（秒）で算出する。この場合の“時間”は、本装置の制御周期に該当し、例えば１秒周期、１分周期など様々が考えられる。“逸脱幅”は、上限逸脱時には現在の系統電圧と電圧上限値、下限逸脱時には現在の系統電圧と電圧下限値との差分に該当する。

進相コンデンサ制御装置１０の時間帯判定部１３は、現在時刻が、昼間か夜間かを判定する。昼間の場合は、進相コンデンサが切り状態であれば入り制御を実施し終了する。
夜間の場合は、電圧逸脱判定部１２が構内高圧母線２の電圧値を取り込み、電圧逸脱、すなわち予め設定された電圧上限値を上回っているか（Ｖ≧Ｖ_Ｕかどうか）、もしくは電圧下限値を下回っているか（Ｖ≦Ｖ_Ｌかどうか）を判定する。逸脱が発生していた場合は、逸脱量積算部１４により、逸脱経過時間、逸脱経過回数、もしくは逸脱量を積算する。

上限逸脱の積算値が、予め設定された動作時限Ｌ（例えば５００秒）を超過した場合には、制御決定部１１が進相コンデンサ開閉器に対し開放する制御を行う。進相コンデンサ開放により、当該需要家から配電系統へ流出する無効電力は、進相コンデンサ容量分だけ削減されるため、結果的に配電系統の電圧は下がることになる。
逆に下限逸脱の積算値が、動作時限Ｌを超過した場合には、制御決定部１１が進相コンデンサ開閉器に対し投入する制御を行う。進相コンデンサ投入により、当該需要家から配電系統へ流出する無効電力は、進相コンデンサ容量分だけ増加されるため、結果的に配電系統の電圧は上がることになる。

この構成によれば、配電系統の電圧逸脱が発生しても、逸脱を解消する方向への進相コンデンサの入切制御が一斉に行われることがなく、系統電圧の変化を見ながら徐々に逸脱を解消できる。また、特定の進相コンデンサに入切制御が集中することが回避でき、進相コンデンサを保有する需要家間の不公平感を回避できる。

実施の形態３．
上記実施の形態１および実施の形態２では、電圧上限値Ｖ_Ｕおよび電圧下限値Ｖ_Ｌは一定の値としたが、図６の一点鎖線で示すように、配電用変電所からの距離で電圧上限値Ｖ_Ｕ、電圧下限値Ｖ_Ｌを変化させても良い。このように電圧上限値Ｖ_Ｕおよび電圧下限値Ｖ_Ｌを変化させて実施の形態１および実施の形態２と同様の制御を行えば、特定の進相コンデンサに入切制御が集中することが回避でき、進相コンデンサを保有する需要家間の不公
平感を回避できる。すなわち、１０１の一点鎖線で示すように、電圧上限値Ｖ_Ｕを配電用変電所に近い場所では低く、距離が離れるに従って高く設定し、２０１の一点鎖線で示すように、電圧下限値Ｖ_Ｌは配電用変電所に近い場所では高く、距離が離れるに従って低く設定する。一般に上限逸脱／下限逸脱は配電線の下流側（即ち、配電用変電所から遠い末端側）に行くほど頻発する。そのため、末端部の進相コンデンサのみが制御を実施することになる。そこで制御目標上下限を末端へ行くほど緩和することにより、配電線の上流側（即ち、変電所側）コンデンサ制御実施回数と下流側コンデンサ制御実施回数の偏りを是正できる。
これにより、各進相コンデンサは実施の形態１や実施の形態２と同じ原理により動作しつつ、配電線上での進相コンデンサ接続箇所による動作頻度の偏りを回避できる。

本発明は、電力需要家が電力負荷力率改善用に設置する進相コンデンサを配電線の電圧維持機能としても活用するもので、配電線の電圧品質の改善に利用できる。

２：構内高圧母線 ３：構内変圧器
５：低圧母線 ６、６ａ、６ｂ、６ｃ：負荷
７、７ａ、７ｂ：進相コンデンサ ８、８ａ、８ｂ：進相コンデンサ用開閉器
１０：進相コンデンサ制御装置 １１：制御決定部
１２：電圧逸脱判定部 １３：時間帯判定部
１４：逸脱量積算部 １５：動作時限生成部
１００、１０１：電圧上限値 ２００、２０１：電圧下限値

Claims (6)

1. 高圧配電系統から受電点を通じて配電される構内高圧母線に接続された進相コンデンサと進相コンデンサ開閉器との直列体と、上記構内高圧母線から構内変圧器により低電圧に電圧変換を行って配電される低圧母線に接続された負荷と、を有する構内配電系統に設けられ、上記進相コンデンサ開閉器を投入開放制御する進相コンデンサ制御装置において、
   現在時刻が所定時間帯の時刻であるかないかを判定する時間帯判定部と、
   上記構内高圧母線の電圧値が所定の電圧上限値以上に上限逸脱しているか否か、および所定の電圧下限値以下に下限逸脱しているか否かを判定する電圧逸脱判定部と、
   上記時間帯判定部が、現在時刻が上記所定時間帯の時刻であると判定した場合に上記進相コンデンサ開閉器を投入するよう制御し、
   上記時間帯判定部が、現在時刻が上記所定時間帯の時刻でないと判定した場合であって、上記電圧逸脱判定部が上限逸脱と判定した場合には上記進相コンデンサ開閉器を開放するよう制御し、上記電圧逸脱判定部が下限逸脱と判定した場合には上記進相コンデンサ開閉器を投入するよう制御する制御決定部とを
   備えたことを特徴とする進相コンデンサ制御装置。
2. 動作時限を生成する動作時限生成部と、
   電圧逸脱判定部が連続して上限逸脱と判定した場合に上限逸脱を積算し、連続して下限逸脱と判定した場合に下限逸脱を積算する逸脱量積算部とを備え、
   該逸脱量積算部が積算した上限逸脱または下限逸脱の積算量が、動作時限生成部が生成する動作時限を超過した場合に、制御決定部が進相コンデンサ開閉器を投入または開放する制御をおこなうことを特徴とする請求項１に記載の進相コンデンサ制御装置。
3. 動作時限生成部は、毎日の所定時間帯終了時に、制御装置に内蔵された乱数発生装置によって動作時限を生成することを特徴とする請求項２に記載の進相コンデンサ制御装置。
4. 動作時限生成部は、同日の所定時間帯以外の時間帯に、制御決定部が進相コンデンサ開閉
   器を投入する制御または開放する制御を実施するごとに、動作時限に一定値を加算していくことを特徴とする請求項２に記載の進相コンデンサ制御装置。
5. 逸脱量積算部は、上限逸脱の場合は電圧上限値からの逸脱量に逸脱時間を乗じた値を、下限逸脱の場合は電圧下限値からの逸脱量に逸脱時間を乗じた値を、積算することを特徴とする請求項２に記載の進相コンデンサ制御装置。
6. 高圧配電系統の配電変電所から受電点までの距離が遠いほど、電圧上限値と電圧下限値との差である電圧上下限値幅が大きな値となるよう電圧上限値と電圧下限値を設定することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の進相コンデンサ制御装置。

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