JP6093332B2

JP6093332B2 - 電圧・電流間の位相遅延推定装置およびその方法

Info

Publication number: JP6093332B2
Application number: JP2014156522A
Authority: JP
Inventors: 将樹香西; 雅人丸山; 康直鈴木; 孝大山
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2014-07-31
Filing date: 2014-07-31
Publication date: 2017-03-08
Anticipated expiration: 2034-07-31
Also published as: JP2016033488A

Description

本発明は、非接触型の電圧・電流センサを用いた電圧・電流間の位相遅延推定装置およびその方法に関する。

近年、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、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ため、電力見える化システムへの需要は高まっておる。そこで、ＨＥＭＳ（ＨｏｍｅＥｎｅｒｇｙＭａｎａｇｅｍｅｎｔＳｙｓｔｅｍ）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。

しかし、電力見える化システムは、その導入に向けて設置コストが大きな障壁となっている。機器毎にセンサを設置したりする手法では、電力見える化を実施したい機器数だけセンサが必要となり、コストが膨大となる。

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、１台のセンサから直接的に得られる情報は家庭内全体の積算された電流や電力に限られ、個々の電気機器の電力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、積算されたデータから個々の機器のデータを推定する必要がある。そのための方法としては、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や、動作状態を推定する方法が一般的である。

推定は主として測定した電流波形を元に行うが、この電流波形の測定にあたっては、電圧波形に対する位相遅延を正確に把握しておかなければ推定にかかる計算コストが増大する上に、精度も低下することから実用的とはなりえない。

そのため、電流と電圧を同時に測定することが望ましいが、一般に電流はＣｕｒｒｅｎｔＴｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ（以下、ＣＴ）と呼ばれる変流器を用いて、電線の導体部分に触れることなく比較的安全かつ容易に測定を行うことが可能である一方で、電圧を導体部分に触れること無く精度よく測定することは困難である。また電圧を接触で測定する場合には、工事者に電気工事士の資格が必要であったり、機器側に電気用品安全法への届け出が必要であったりと大きなコスト増となる。

そこで、電線とセンサ間に発生する浮遊容量を用いた非接触型の電圧・電流センサによって電流波形を電圧波形に同期して取得する方法が提案されている。図３に、従来の非接触型電圧・電流センサの構成を示す。２本の電線Ｌ１、Ｌ２をそれぞれ囲むように円筒形の電極３０１、３０２を配置し、電圧測定装置３０５で電線間の電圧を測定する。電極３０１、３０２はそれぞれ、電極と電線とが電気的に接触せず、一定の間隔を持って電線を取り囲むように設置されている。電線Ｌ１および電極３０１の外側に電流測定トランス３０３を設置し、電流が流れるときにこの磁性体コアに発生する磁束やその変化量を検出することで、電流測定装置３０４で電流やその波形の測定を行う。電圧測定装置３０５の出力情報から得られた電圧波形から電圧のゼロクロス点などのタイミング情報を得ることが出来る。位相特性がほぼフラットな周波数範囲においては、予め電流波形と電圧波形の位相差を、純抵抗を負荷とした測定などによって測定、把握しておくことにより電力波形を補正し、電流波形を電圧と同期した形で取得することが出来る。

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

本手法によって、電流波形を電圧波形に同期して測定することは可能であるが、この手法においても浮遊容量が電線の太さや材質、さらに取り付け方によって値が変わってしまい、センサ設置後の位相遅延の値は一定となるが、その値は設置環境によって異なる。そのため、電流波形を電圧波形に同期して測定することは可能であるが、それらの間の位相遅延については、環境依存性があることから、非接触の測定結果のみからは知ることは難しいという課題がある。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、非接触型の電圧・電流センサを用いて、電圧波形と電流波形との間の位相遅延を推定する電圧・電流間の位相遅延推定装置およびその方法を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明は、電圧・電流間の位相遅延推定装置であって、測定対象の１対の電線に設置する非接触型電圧センサと、前記測定対象の１対の電線の一方に設置する非接触型電流センサと、前記非接触型電圧センサで測定された電圧波形からゼロクロス点を検出してトリガ信号を出力するトリガ検出部と、前記非接触型電流センサで測定された電流波形を、前記トリガ信号に基づき、電圧波形の整数周期分毎に記憶する電流波形蓄積部と、前記各電流波形と所定の周波数の正弦波との間に一定の位相遅延があるとして、前記各電流波形と前記正弦波で表される電圧波形との力率が最大となる位相遅延を算出し、算出した複数の前記位相遅延の平均値を算出する位相遅延推定部と、を備えたことを特徴する。

請求項２に記載の発明は、請求項１記載の電圧・電流間の位相遅延推定装置において、前記位相遅延推定部は、前記各電流波形について電流実効値を算出し、前記電流実効値で前記位相遅延に重み付けをして前記位相遅延の平均を算出することを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１記載の電圧・電流間の位相遅延推定装置において、前記位相遅延推定部は、前記各電流波形について電流実効値を算出し、前記電流実効値が所定の値よりも小さい前記位相遅延は切り捨てて前記位相遅延の平均を算出することを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の電圧・電流間の位相遅延推定装置において、前記所定の周波数の正弦波は、５０Ｈｚ又は６０Ｈｚであることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、電圧・電流間の位相遅延推定方法であって、測定対象の１対の電線に設置された非接触型電圧センサで電圧波形を測定するステップと、測定された前記電圧波形からゼロクロス点を検出してトリガ信号を出力するステップと、前記測定対象の１対の電線の一方に設置された非接触型電流センサで電流波形を測定するステップと、測定された前記電流波形を、前記トリガ信号に基づき、電圧波形の整数周期分毎に記憶装置に記憶するステップと、前記各電流波形と所定の周波数の正弦波との間に一定の位相遅延があるとして、前記各電流波形と前記正弦波で表される電圧波形との力率が最大となる位相遅延を算出し、算出した複数の前記位相遅延の平均値を算出するステップと、を有することを特徴する。

請求項６に記載の発明は、請求項５記載の電圧・電流間の位相遅延推定方法において、前記各電流波形について電流実効値を算出するステップをさらに有し、前記位相遅延の平均値は、前記電流実効値で前記位相遅延に重み付けをして前記位相遅延の平均を算出したものであることを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、請求項５記載の電圧・電流間の位相遅延推定方法において、前記各電流波形について電流実効値を算出するステップをさらに有し、
前記位相遅延の平均値は、前記電流実効値が所定の値よりも小さい前記位相遅延は切り捨てて前記位相遅延の平均を算出したものであることを特徴とする。

請求項８に記載の発明は、請求項５乃至７のいずれかに記載の電圧・電流間の位相遅延推定方法において、前記所定の周波数の正弦波は、５０Ｈｚ又は６０Ｈｚであることを特徴とする。

本発明は、資格なしに容易にシステムを導入することが出来、電力の見える化システムへの導入障壁を大きく下げる効果を奏する。

本願発明の一実施形態に係る電圧・電流間の位相遅延推定装置の機能構成を示す図である。本発明の一実施形態に係る電圧・電流間の位相遅延推定方法の手順を示す図である。従来の非接触型電圧・電流センサの構成を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

図１に、本願発明の一実施形態に係る電圧・電流間の位相遅延推定装置の機能構成を示す。本発明は、電圧波形測定部１０１、トリガ検出部１０２、電流波形測定部１０３、電流波形蓄積部１０４、位相遅延推定部１０５からなる。電圧波形測定部１０１、電流波形測定部１０３は、例えば、図３に示すような非接触型の電圧・電流センサである。トリガ検出部１０２、電流波形蓄積部１０４、位相遅延推定部１０５は、電子回路や、記憶装置と処理装置を含むコンピュータおよびその上で実行可能なソフトウェアから構成可能である。

位相遅延推定部１０５は、力率・電流実効値計算部１５１、模擬電圧波形生成部１５２、平均化部１５３を含む。

従来の浮遊容量を用いた非接触型の電圧・電流センサにあるように、電線と電極の間の容量性結合を用いて電圧を測定した場合、電圧・電流センサに発生する電位は実際に電線間に発生する電圧に比べて一定の遅延を持っている。その遅延量は電線太さや電線材料など設置する場所や、設置の仕方によって変化するが、設置後にはほぼ一定とみなすことが可能である。

そのため、その電圧・電流センサにおいて測定した電圧波形から電圧のゼロクロス点をトリガに電流波形を測定した場合、電圧波形と電流波形との間には常に一定の位相遅延が発生することになる。

この位相遅延の値自体は電圧を接触で測定しない限りは未知の値であるが、本発明では、測定された電流波形と位相遅延を有する電圧波形との力率を計算し、その力率が最大となる位相遅延を真値と推定する。

図２に、本発明の一実施形態に係る電圧・電流間の位相遅延推定方法の手順を示す。電圧・電流位相差推定装置は、定期的（例えば１分毎，３分毎など）に動作し、電圧波形測定部１０１で電圧を測定し、測定された電圧波形からトリガ検出部電圧のゼロクロス点を検出する（Ｓ２０１）。電流波形測定部１０３は、この電圧のゼロクロス点をトリガとして、電流波形を電圧波形の整数周期分だけ測定し、測定した電流波形を電流波形蓄積部１０４に蓄積する（Ｓ２０２）。位相遅延推定部１０５は、電流波形蓄積部１０４に蓄積された各電流波形の実効値、および、各電流波形と位相遅延を有する模擬電圧波形との力率を算出し、力率が最大になる位相遅延を算出する（Ｓ２０３）。Ｓ２０３を繰り返すことにより、電流波形蓄積部１０４に蓄積された全ての電流波形について位相遅延を算出し、平均化部１５３で位相遅延の平均を算出する（Ｓ２０４）。

ここで、位相遅延の算出方法について説明する。位相遅延推定部１０５では、電流波形蓄積部１０４に蓄積された電流波形データを参照し、Ｎ個の整数周期分の電流波形データの内、ｎ番目の電流波形ｉ（ｎ，ｔ）に対応する電流の実効値Ｉ＿ｅ（ｎ）を計算する。次に、電流波形ｉ（ｎ，ｔ）と模擬電圧生成部１５２で生成した位相遅延τを有する模擬電圧波形ｖ（ｔ）との巡回畳み込みｈ（ｎ，τ）

を求める。ここで、ｈ（ｎ，τ）はｎ番目の電流波形ｉ（ｎ，ｔ）が模擬電圧波形ｖ（ｔ）に対して位相遅延τを持っていると仮定したときの電力である。模擬電圧波形ｖ（ｔ）は、理想的な５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの正弦波を用いる。

一般に力率が低い機器が多くなると、過剰な設備投資が必要となったり、高圧受電の場合においては割増料金が発生したりするなどデメリットが大きいことから、機器の力率は最大になるよう設計されているものと仮定する。このように機器の力率が最大である場合、電力ｈ（ｎ，τ）が最大となる位相遅延τを真値であると推定することができる。すなわち電力ｈ（ｎ，τ）がτ＝τ＿０のときに最大値を取る場合、τ＿０を使用した電流波形・電圧波形データに対する位相遅延と推定する。

このような位相遅延の推定を電流波形蓄積部１０４に蓄積された電流波形データ全てに対して実施することでＮ個の位相遅延τ＿０（ｎ）（ｎ＝１、２、・・・、Ｎ）を得る。この位相遅延τ＿０（ｎ）は電流波形データｉ（ｎ，ｔ）に対応する位相遅延である。

電圧・電流センサが設置された系全体の位相遅延は、Ｎ個の位相遅延を平均化することによって推定されるが、平均化の方法としては、最も簡便な手法としては、このτ＿０（ｎ）の平均値を取ることで推定することも可能である。

また、一般に電流実効値が大きいほど力率は高くなる傾向にあることから、τ＿０（ｎ）を電流の実効値Ｉ＿ｅ（ｎ）で重み付けをしてその平均値を計算したり、電流の実効値Ｉ＿ｅ（ｎ）が小さいところを切り捨てたトリム平均を計算したりすることで、より精度を向上させることができる。

従来は電流波形を測定する際に電線に接触して測定した電圧波形から位相遅延を求めていたが、本発明では、一定期間分の複数の整数周期分の電流波形データを蓄積し、それらの力率を計算することで、非接触の電圧波形・電流波形の測定のみで位相遅延の推定を精度良く行うことが可能となる。そして、このようにして求めた位相遅延を用いて測定された電流波形の位相を修正して揃えることで、データベースに蓄積された教師データとの比較の誤差を抑制し、機器の推定精度を向上することが可能になる。

１０１電圧波形測定部
１０２トリガ検出部
１０３電流波形測定部
１０４電流波形蓄積部
１０５位相遅延推定部
１５１力率・電流実効値計算部
１５２模擬電圧波形生成部
１５３平均化部

Claims

測定対象の１対の電線に設置する非接触型電圧センサと、
前記測定対象の１対の電線の一方に設置する非接触型電流センサと、
前記非接触型電圧センサで測定された電圧波形からゼロクロス点を検出してトリガ信号を出力するトリガ検出部と、
前記非接触型電流センサで測定された電流波形を、前記トリガ信号に基づき、電圧波形の整数周期分毎に記憶する電流波形蓄積部と、
前記各電流波形と所定の周波数の正弦波との間に一定の位相遅延があるとして、前記各電流波形と前記正弦波で表される電圧波形との力率が最大となる位相遅延を算出し、算出した複数の前記位相遅延の平均値を算出する位相遅延推定部と、
を備えたことを特徴する電圧・電流間の位相遅延推定装置。
前記位相遅延推定部は、前記各電流波形について電流実効値を算出し、前記電流実効値で前記位相遅延に重み付けをして前記位相遅延の平均を算出することを特徴とする請求項１記載の電圧・電流間の位相遅延推定装置。
前記位相遅延推定部は、前記各電流波形について電流実効値を算出し、前記電流実効値が所定の値よりも小さい前記位相遅延は切り捨てて前記位相遅延の平均を算出することを特徴とする請求項１記載の電圧・電流間の位相遅延推定装置。
前記所定の周波数の正弦波は、５０Ｈｚ又は６０Ｈｚであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の電圧・電流間の位相遅延推定装置。
測定対象の１対の電線に設置された非接触型電圧センサで電圧波形を測定するステップと、
測定された前記電圧波形からゼロクロス点を検出してトリガ信号を出力するステップと、
前記測定対象の１対の電線の一方に設置された非接触型電流センサで電流波形を測定するステップと、
測定された前記電流波形を、前記トリガ信号に基づき、電圧波形の整数周期分毎に記憶装置に記憶するステップと、
前記各電流波形と所定の周波数の正弦波との間に一定の位相遅延があるとして、前記各電流波形と前記正弦波で表される電圧波形との力率が最大となる位相遅延を算出し、算出した複数の前記位相遅延の平均値を算出するステップと、
を有することを特徴する電圧・電流間の位相遅延推定方法。
前記各電流波形について電流実効値を算出するステップをさらに有し、
前記位相遅延の平均値は、前記電流実効値で前記位相遅延に重み付けをして前記位相遅延の平均を算出したものであることを特徴とする請求項５記載の電圧・電流間の位相遅延推定方法。
前記各電流波形について電流実効値を算出するステップをさらに有し、
前記位相遅延の平均値は、前記電流実効値が所定の値よりも小さい前記位相遅延は切り捨てて前記位相遅延の平均を算出したものであることを特徴とする請求項５記載の電圧・電流間の位相遅延推定方法。
前記所定の周波数の正弦波は、５０Ｈｚ又は６０Ｈｚであることを特徴とする請求項５乃至７のいずれかに記載の電圧・電流間の位相遅延推定方法。