JP7101333B2

JP7101333B2 - 電源システム

Info

Publication number: JP7101333B2
Application number: JP2018073155A
Authority: JP
Inventors: 吉則河▲崎▼; 大偉邱; 怜史宇田
Original assignee: Nissin Electric Co Ltd
Current assignee: Nissin Electric Co Ltd
Priority date: 2018-04-05
Filing date: 2018-04-05
Publication date: 2022-07-15
Anticipated expiration: 2038-04-05
Also published as: JP2019187026A

Description

本発明は、電力系統の電圧異常を補償する電圧補償動作及び電力系統に対する需要家設備の消費電力を抑制するピークカット動作を行う電源システムに関するものである。

従来、電力供給インフラが整備されていない場所等においては、発動発電機を電力供給源とする電源装置が用いられている。この発動発電機を用いた電源装置では、発動発電機の動作状態の監視とともに、発動発電機の燃料管理が必要となる。

発動発電機の動作状態の監視とともに燃料管理を行うものとして、特許文献１に示すものが考えられている。
この電源装置では、発動発電機の稼働時間と、稼働中の供給電力を計測し、あらかじめ設定された発動発電機の電力稼働特性に基づいて、発動発電機の燃料消費量を算出し、さらに残燃料量を推定して、その結果を継続的に表示出力している。また、電力供給源として、発動発電機に加えて二次電池を備え、発動発電機の不足の停止などの場合には、停止直後から所定時間の間は二次電池から電力を供給している。

しかしながら、需要家設備に既設されている例えば非常用発電機等の電源装置には、上記の機能を備えていないものが多く、電源装置の動作状態の監視や燃料管理を遠隔で行うことが難しい。また、既設の電源装置の動作状態の監視や燃料管理を行うためには、既設されている電源装置の機種に合わせた様々なインターフェースが必要となり、製造コストが高くなってしまう。

特開２０１７－１１８７４号公報

そこで本発明は、上記問題点を解決すべくなされたものであり、需要家設備に既設された電源装置の機種に関わらず電源装置の状態を分析することをその主たる課題とするものである。

すなわち本発明に係る電源システムは、電力系統から給電される負荷と当該負荷に給電する電源装置とを有する需要家設備に配置され、前記電力系統の電圧異常を補償する電圧補償動作と、前記電力系統に対する前記需要家設備の消費電力を抑制するピークカット動作とを行う電源システムであって、蓄電装置と、前記蓄電装置の直流電力を交流電力に変換して前記負荷に供給する電力変換装置と、前記電源装置及び前記電力変換装置を制御して前記電圧補償動作及び前記ピークカット動作を行わせる動作制御部と、前記電源装置の出力電圧を検出する出力電圧検出部と、前記電源装置の出力電流を検出する出力電流検出部と、前記電源装置の状態を外部から検出する状態検出部と、前記出力電圧、前記出力電流及び前記検出状態を用いて前記電源装置の状態分析を行う装置分析部とを備えることを特徴とする。

このような電源システムであれば、電源装置の状態を外部から検出し、電源装置の出力電圧及び出力電流とともに電源装置の状態分析を行うので、需要家設備に既設された電源装置の機種に合わせたインターフェースが不要となり、需要家設備に既設された電源装置の機種に関わらず電源装置の状態を分析することができる。その結果、電源装置の状態に応じた点検、保守を行うことができる。また、電源装置の安定性及び稼働時間を向上させるとともに、電源装置の故障を防止して電源装置の信頼性を向上させることができる。

前記電源装置が発電機の場合には、前記状態検出部は、前記発電機の燃料メータを含む領域を撮像するカメラであることが考えられる。ここで燃料メータを含む領域とは例えば発電機の制御盤である。
この場合、前記装置分析部は、前記カメラにより得られた画像から前記燃料メータを認識し、認識した前記燃料メータから燃料消費量を算出するものであることが望ましい。

具体的に前記装置分析部は、前記燃料メータの例えば指針やフロート等の指示部の変化量を算出することが望ましい。この指示部の変化量は燃料消費量に対応する。

発電機の状態を分析するうえで発電機の燃料消費量は重要な判断要素である。このため、前記装置分析部は、前記出力電圧及び前記出力電流から前記電源装置の出力電力を算出し、前記指示部の変化量と比較して前記電源装置の状態を分析することが望ましい。

発電機の燃料切れを防止するとともに燃料補充を滞りなくスムーズに行うためには、前記装置分析部は、前記発電装置の燃料の残量を算出し、算出した前記燃料の残量が所定値を下回った場合に報知信号を生成するものであることが望ましい。また、ユーザは燃料の残量を知ることができるので、需要家設備の負荷における消費電力を調整することによって発電機の稼働時間を長くすることができる。

電源装置の状態を分析するうえでは電源装置の温度、電源装置の振動又は電源装置が発する騒音も重要な判断要素となる。このため、前記状態検出部は、前記電源装置の温度を検出する温度センサ、前記電源装置の振動を検出する振動センサ又は前記電源装置が発する騒音を測定する音センサを有し、前記装置分析部は、前記出力電圧及び前記出力電流から前記電源装置の出力電力を算出し、算出した前記出力電力と前記温度センサ、前記振動センサ又は前記音センサの検出信号とを用いて、前記電源装置の状態分析を行うことが望ましい。

このような本発明であれば、電源装置の状態を外部から検出し、電源装置の出力電圧及び出力電流とともに電源装置の状態分析を行うので、需要家設備に既設された電源装置の機種に関わらず電源装置の状態を分析することができる。

このように構成した本発明によれば、需要家設備に既設された電源装置とともに電圧補償動作及びピークカット動作を行うとともに、電源装置の状態を分析することができる。

本実施形態の電源システムの構成を示す模式図である。同実施形態の電源システムの電圧補償動作を示す模式図である。同実施形態の電源システムのピークカット動作を示す模式図である。発電機の制御盤の一例を示す図である。同実施形態の燃料メータを認識するフローチャートである。同実施形態の目盛認識のフローチャートである。燃料メータの指示部の変化前後の状態及び経過面積を示す図である。

以下に、本発明に係る電源システムの一実施形態について、図面を参照して説明する。

本実施形態の電源システム１００は、図１に示すように、電力系統２００から給電される負荷３０１と当該負荷３０１に給電する電源装置３０２とを有する需要家設備３００に配置されるものである。そして、この電源システム１００は、需要家設備３００に既設の電源装置３０２とともに電力系統１０の電圧異常を補償する電圧補償動作と、電力系統２００に対する需要家設備３００の消費電力を抑制するピークカット動作とを行うものである。なお、以下では電源装置３０２として発電機を例に挙げて説明する。

＜基本構成＞
具体的に電源システム１００は、例えば蓄電池等の蓄電装置２と、蓄電装置２の直流電力を交流電力に変換して負荷３０１に供給する例えば双方向型の電力変換装置３と、発電機３０２及び電力変換装置３を制御して電圧補償動作及びピークカット動作を行わせる制御装置４とを備えている。

以下に制御装置４の基本機能とともに電源システム１００の動作について説明する。

＜電圧補償動作：図２参照＞
電力系統側の系統電圧が整定値以下となった場合に、制御装置４の動作制御部４１は、電力変換装置３を起動して蓄電装置２の直流電力を交流電力に変換して負荷３０１に供給する。

また、動作制御部４１は、発電機３０２を起動させて、発電機３０２の出力電圧が安定した場合に、蓄電装置２に代えて発電機３０２からの交流電力を負荷３０１に供給する。この切り替えの前において動作制御部４１は、電力変換装置３を制御して、電力変換装置３から出力される交流電力を発電機３０２から出力される交流電力と同期させる。

蓄電装置２から発電機３０２に切り替えた後、動作制御部４１は、電力変換装置３を制御して発電機３０２からの交流電力を直流電力に変換して蓄電装置２に充電する。

電力系統側の系統電圧が正常に戻った場合、動作制御部４１は、電力変換装置３を制御して蓄電装置２の直流電力を交流電力に変換して負荷３０１に供給する。この時、発電機３０２は無負荷運転となる。

そして、動作制御部４１は、電力変換装置３を制御して、電力変換装置３から出力される交流電力を電力系統２００からの交流電力と同期させる。

その後、動作制御部４１は、発電機３０２を停止させるとともに電力変換装置３を停止させる。これにより、負荷３０１には電力系統２００から交流電力が供給される。

＜ピークカット動作：図３参照＞
電力需要のピーク時間帯に、制御装置４の動作制御部４１は、電力変換装置３を起動して蓄電装置２の直流電力を交流電力に変換して負荷３０１に供給する。

ピークカット時間帯を経過した等のピークカットが不要となった場合に、動作制御部４１は、電力変換装置３を制御して蓄電装置２の直流電力を交流電力に変換して負荷３０１に供給する。この時、発電機３０２は無負荷運転となる。

＜発電機３０２の状態分析＞
そして、本実施形態の電源システム１００は、発電機３０２の出力電圧を検出する出力電圧検出部５と、発電機３０２の出力電流を検出する出力電流検出部６と発電機３０２の状態を外部から検出する状態検出部７と、発電機３０２の出力電圧、出力電流及び検出状態を用いて発電機３０２の状態分析を行う装置分析部４２とをさらに備えている。なお、装置分析部４２は、制御装置４によりその機能が発揮される。

状態検出部７は、発電機３０２の燃料メータが設けられた制御盤３０２ａ（図４参照）を撮像するカメラである。カメラ７としては、通常のＣＣＤカメラやＣＭＯＳカメラの他、赤外線カメラ、紫外線カメラなどであっても良い。また、カメラ７は、動画像を撮像するものであっても良いし、静止画像を撮像するものであっても良い。静止画像を撮像するものであれば、所定の時間間隔で周期的に制御盤３０２ａを撮像する。このカメラ７により撮像された画像データは制御装置４の装置分析部４２に送信される。ここで、カメラ７と制御装置４とは、有線又は無線で通信可能に接続されている。

装置分析部４２は、カメラ７から送信される画像データを取得して、当該画像データから燃料メータＭ１を認識して、燃料消費量や燃料残量などを算出する。

具体的に装置分析部４２は、図５に示すフローチャートに基づいて燃料メータＭ１を認識する。この燃料メータＭ１の認識は、電源システム１００を需要家設備３００に配置した初期の段階に行うことが考えられる。

（Ｓ１－１：発電機制御盤監視）
装置分析部４２は、カメラ７から送信される画像データを所定時間ｔ１に亘って取得する。

（Ｓ１－２：発電機電流電圧監視）
装置分析部４２は、出力電圧検出部５から発電機３０２の出力電圧（検出電圧）を所定時間ｔ１に亘って取得し、出力電流検出部６から発電機３０２の出力電流（検出電流）を所定時間ｔ１に亘って取得する。

（Ｓ１－３：メータ輪郭線がある？）
カメラ７で撮影した発電機制御盤の画像データを装置分析部４２に送信する。装置分析部４２は画像データの輝度（明暗差）に基づくエッジから対象物（発電機３０２の燃料メータＭ１）の輪郭線を特定する。特定された輪郭線の形状を抽出して、装置分析部４２に保存しているメータの形状情報と比較し、一致しているかどうか判定する。一致度の指標は、パターン認識等に用いられている指標（例えば相互相関）等を用いる。

（Ｓ１－４：センサ補正）
Ｓ１－３により各種メータＭ１～Ｍ３の輪郭線が認識できない場合には、装置分析部４２は、Ｓ１－１により取得した画像データを補正する。なお、画像データの補正としては、明るさ補正、歪み補正、ブレ補正、二値化、各種の画像処理フィルタなどが考えられる。この補正後に、装置分析部４２は、再度Ｓ１－３を行う。

（Ｓ１－５：メータ変化が電圧・電流と一致？）
電圧検出を例に説明する。装置分析部４２は画像データを元に、メータとして認識した輪郭内部で、時間ｔ１の間に輝度（明暗差）が変わる範囲の面積ΔＳ１を計測する（ΔＳ1はメータ針等の移動量に相当する）。これと同時に、発電機３０２出力の電圧変化量ΔＶ１を計測する。電圧変化量ΔＶ１と面積ΔＳ１との関係である単位変化量Ｇ１（ΔＶ１／ΔＳ１）を算出する。同じように、時間ｔ２を経って、輝度（明暗差）が変わる範囲の面積ΔＳ２を計測し、同時に、電圧変化量ΔＶ２を計測する。電圧変化量ΔＶ２と面積ΔＳ２との関係である単位変化量Ｇ２（ΔＶ２／ΔＳ２）を算出する。Ｇ１とＧ２の差は、事前に設置された閾値を超えない場合、メータ変化が電圧（電流）と一致を判定することで、電圧メータの認識ができる。

（Ｓ１－６：燃料メータ・目盛認識）
Ｓ１－５により認識した各種メータＭ１～Ｍ３の輪郭線の内部の変化が検出電圧及び検出電流と対応している場合には、装置分析部４２は、対応しているメータＭ１を燃料メータであると認識するとともに、指針やフロート等の指示部Ｘを認識する。

（Ｓ１－７：認識が正確？）
装置分析部４２は画像データを分析して、認識されたメータの輪郭の内部に、時間ｔ１１を経って、輝度（明暗差）が変わる範囲の面積ΔＳ１１を計測し、同時に、出力電力量Ｗ１を計測する。出力電力量Ｗ１と経過面積ΔＳ１１との関係である単位変化量Ｈ１（Ｗ１／Ｓ１１）を算出する。同じように、時間ｔ２２を経って、輝度（明暗差）が変わる範囲の面積ΔＳ２２を計測し、同時に、出力電力量Ｗ２を計測する。出力電力量Ｗ２と経過面積ΔＳ２２との関係である単位変化量Ｈ２（Ｗ２／Ｓ２２）を算出する。Ｈ１とＨ２の差は、事前に設置された閾値を超えない場合、燃料メータ認識が正確と判定する。なお、電圧・電流の変化は燃料変化より早いので、センサ補正のために、電圧・電流メータの認識が優先である。

次に、装置分析部４２による燃料メータＭ１の目盛の算出について、図６に示すフローチャートに基づいて説明する。なお、この目盛の算出は、発電機２の燃料タンクに所定量の燃料が入っている状態（例えば満タン状態）で発電機２を起動させることにより行われる。

（Ｓ２－１：出力電力の算出Ｗ＝Ｖ×Ｉ×ｔ１）
装置分析部４２は、Ｓ２により所定時間ｔ１において得られた検出電圧Ｖと検出電流Ａとから出力電力Ｗ（＝Ｖ×Ｉ×ｔ１）を算出する。

（Ｓ２－２：経過面積Ｓの算出）
また、装置分析部４２は、所定時間ｔ１において例えば指針やフロート等の指示部Ｘが経過した面積Ｓを算出する（図７参照）。

（Ｓ２－３：目盛算出Ｈ＝Ｗ／Ｓ）
上記Ｓ２－１及びＳ２－２により得られた値を用いて、装置分析部４２は、出力電力Ｗと経過面積Ｓとの関係である目盛Ｈ（＝Ｗ／Ｓ）を算出する。

（Ｓ２－４：ＷとＳはリニア関係？）
装置分析部４２は画像データを分析して、認識されたメータの輪郭の内部に、時間ｔ１１を経って、輝度（明暗差）が変わる範囲の面積ΔＳ１１を計測し、同時に、出力電力量Ｗ１を計測する。出力電力量Ｗ１と経過面積ΔＳ１１との関係である単位変化量Ｈ１（Ｗ１／ΔＳ１１）を算出する。同じように、時間ｔ２２を経って、輝度（明暗差）が変わる範囲の面積ΔＳ２２を計測し、同時に、出力電力量Ｗ２を計測する。出力電力量Ｗ２と経過面積ΔＳ２２との関係である単位変化量Ｈ２（Ｗ２／ΔＳ２２）を算出する。Ｈ１とＨ２の差は、事前に設置された閾値を超えない場合、ＷとΔＳはリニア関係と判定する。

装置分析部４２は、上記のように算出した目盛Ｈを用いて、装置分析部４２は発電機３０２の状態分析を行う。装置分析部４２による状態分析は、常時行うものであっても良いし、定期的に行うものであっても良い。また、状態分析は、発電機２が起動した状態だけでなく停止した状態にも行われる。

具体的に装置分析部４２は、算出した目盛Ｈにより発電機３０２の燃料消費量及び燃料残量を算出する。
例えば、燃料メータを認識後、メータの輪郭の内部に、輝度（明暗差）が変わる範囲の最大面積をＳＭＡＸとして、発電機の出力（Ｗ＞０）を検出する時から、ある時間Ｔが経って、輝度（明暗差）が変わった範囲ΔＳを計測して、燃料消費量Ｏｃ＝ΔＳ/ＳＭＡＸ（％）を算出する。燃料残量Ｏｌは、Ｏｌ＝１００－Ｏｃ（％）により算出する。なお、ＳＭＡＸを計測するために、燃料残量が１００％から０％までの過程にて、燃料メータの輪郭の内部の輝度の最大変化面積を記録する。

また、装置分析部４２は、発電機３０２の出力電力と目盛の変化とを比較して、発電機３０２の故障を判断する。例えば、発電機３０２の出力電力に対する目盛Ｈの変化パターンが正常時の変化パターンとは異なる場合に、発電機３０２が故障であると判断することが考えられる。

その他、燃料消費量を例とした場合、以下も考えられる。
燃料メータＭ１を認識後、標準燃料消費単位変化量はＨ（Ｗ/ΔＳ）とする。発電機の出力（Ｗ＞０）を検出する時から、認識された燃料メータＭ１の輪郭の内部に、時間ｔ０を経って、輝度（明暗差）が変わる範囲の面積ΔＳ０を計測し、同時に、出力電力量Ｗ０を計測する。単位変化量Ｈ０（Ｗ０／ΔＳ０）とＨの差が事前に設置された閾値を超える場合、燃料消費異常と判断する。

そして、装置分析部４２は、発電機３０２の燃料残量が所定値を下回った場合には、そのことを示す報知信号を生成して、例えば携帯端末やラップトップなどのユーザ端末８に送信する。また、装置分析部４２は、発電機３０２が故障であると判断した場合には、そのことを示す報知信号を生成して、ユーザ端末８に送信する。報知信号を取得したユーザ端末８は、警告メッセージや警告音を発する。その他、ユーザ端末８は、装置分析部４２から各種データを取得して、それらデータを記録するとともに、例えば出力電力や燃料状態などの状態情報を表示しても良い。また、装置分析部４２又はユーザ端末８は、発電機３０２の運営・点検計画を作成するものであっても良い。

＜本実施形態の効果＞
このように構成した本実施形態の電源システム１００によれば、発電機３０２の状態を外部から検出し、発電機３０２の出力電圧及び出力電流とともに発電機３０２の状態分析を行うので、需要家設備３００に既設された発電機３０２の機種に合わせたインターフェースが不要となり、需要家設備３００に既設された発電機３０２の機種に関わらず発電機３０２の状態を分析することができる。その結果、発電機３０２の状態に応じた点検、保守を行うことができる。また、発電機３０２の安定性及び稼働時間を向上させるとともに、発電機３０２の故障を防止して発電機３０２の信頼性を向上させることができる。

具体的に本実施形態によれば、発電機３０２の燃料切れを防止するとともに燃料補充を滞りなくスムーズに行うことができる。ユーザは燃料の残量を知ることができるので、需要家設備の負荷３０１における消費電力を調整することによって発電機３０２の稼働時間を長くすることができる。

なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。
前記実施形態の状態検出部７としてはカメラ７の他に、電源装置３０２の温度を検出する温度センサ、電源装置３０２の振動を検出する振動センサ、又は、電源装置３０２が発する騒音を測定する音センサであっても良い。この場合、装置分析部４２は、出力電圧及び出力電流から電源装置３０２の出力電力を算出し、算出した出力電力と温度センサ、振動センサ又は音センサの検出信号とを用いて、電源装置３０２の状態分析を行う。

例えば、電源装置３０２の出力電力に対して想定される温度に比べて検出温度が大きい場合に故障と判断することができる。電源装置３０２の出力電力に対して想定される振動に比べて検出振動が大きい場合に故障と判断することができる。電源装置３０２の出力電力に対して想定される騒音に比べて検出音が大きい場合に故障と判断することができる。

前記実施形態では、燃料メータＭ１を用いて発電機の診断等を行っているが、例えば出力メータ等の他のメータを用いて発電機の診断等を行うものであっても良い。

また、前記実施形態では電源装置３０２として発電機を例に挙げているが、その他、コジェネ、電動機、風力発電機、太陽光発電システム又は蓄電池であっても良い。

さらに、前記実施形態では、既設された電源装置３０２の状態を分析、監視するものであったが、需要家設備の負荷３０１の状態を分析、監視するものであっても良い。

その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

１００・・・電源システム
２００・・・電力系統
３００・・・需要家設備
３０１・・・負荷
３０２・・・電源装置
２・・・蓄電装置
３・・・電力変換装置
４・・・制御装置
４１・・・動作制御部
４２・・・装置分析部
５・・・出力電圧検出部
６・・・出力電流検出部
７・・・状態検出部
Ｍ１・・・燃料メータ
Ｘ・・・指示部

Claims

電力系統から給電される負荷と当該負荷に給電する電源装置とを有する需要家設備に配置され、前記電力系統の電圧異常を補償する電圧補償動作と、前記電力系統に対する前記需要家設備の消費電力を抑制するピークカット動作とを行う電源システムであって、
蓄電装置と、
前記蓄電装置の直流電力を交流電力に変換して前記負荷に供給する電力変換装置と、
前記電源装置及び前記電力変換装置を制御して前記電圧補償動作及び前記ピークカット動作を行わせる動作制御部と、
前記電源装置の出力電圧を検出する出力電圧検出部と、
前記電源装置の出力電流を検出する出力電流検出部と、
前記電源装置の状態を外部から検出する状態検出部と、
前記出力電圧、前記出力電流及び前記検出状態を用いて前記電源装置の状態分析を行う装置分析部とを備え、
前記電源装置は発電機であり、
前記状態検出部は、前記発電機の燃料メータを含む領域を撮像するカメラを有し、
前記装置分析部は、前記カメラにより得られた画像から前記燃料メータを認識し、前記燃料メータの指示部の変化量を算出し、前記出力電圧及び前記出力電流から前記発電機の出力電力を算出し、前記指示部の変化量と比較して前記発電機の状態を分析する、電源システム。
前記装置分析部は、前記発電機の燃料の残量を算出し、算出した前記燃料の残量が所定値を下回った場合に報知信号を生成するものである、請求項１に記載の電源システム。
前記状態検出部は、前記電源装置の温度を検出する温度センサ、前記電源装置の振動を検出する振動センサ又は前記電源装置が発する騒音を測定する音センサを有し、
前記装置分析部は、前記出力電圧及び前記出力電流から前記電源装置の出力電力を算出し、算出した前記出力電力と前記温度センサ、前記振動センサ又は前記音センサの検出信号とを用いて、前記電源装置の状態分析を行う、請求項１又は２に記載の電源システム。