JPWO2010026786A1 - 電力供給制御システムおよび電力供給制御方法 - Google Patents

Abstract

列車に生じた回生電力を無駄に消費することなく、有効に利用すること。変電所２側に設けられた遠隔制御装置２３と、列車１に設けられた列車情報管理装置１１４と、を用いて列車への供給電力を制御する電力供給制御システムにおいて、列車情報管理装置１１４は、列車１が走行している位置を示す列車現在位置情報および、架線電圧値／主回路電流値を用いて算出した消費／回生電力量の情報を遠隔制御装置２３に送信する。遠隔制御装置２３は、受信した消費／回生電力量情報の中から、当該消費／回生電力量情報に付された列車現在位置情報に基づいて制御対象である電力区間を走行中の列車に関する消費／回生電力量情報を抽出して消費／回生電力量情報の合計値を算出するとともに、算出した消費／回生電力量情報の合計値に基づいて、制御対象である電力区間に供給する電力量を制御する。

Description

本発明は、電気鉄道において電力供給制御を行う電力供給制御システムおよび電力供給制御方法に関する。

近年、運行される列車、特に近郊列車や特急列車においては、制動時に電動機を発電機として作用させ、車両から架線に電力を供給する回生ブレーキが採用されている。また、架線と列車との間で電力の制御を行う主回路には、電動機の電圧および周波数を可変することで加速走行および定速走行（以下「力行」という）および制動の制御を行うＶＶＶＦ（Variable Voltage Variable Frequency）インバータ制御が採用され、きめ細かい電力運用が行われている。なお、下記特許文献１に示されたエネルギー送受制御システムは、同一線区を走行中の複数の鉄道車両間における電力授受を可能としたものである。

特開２００４−３０４９８９号公報

上記特許文献１に示されたエネルギー送受制御システムは、同一線区を走行中の他の鉄道車両（列車）各々との間、または同一線区を走行中の鉄道車両を管理している地上制御装置との間で無線通信を行う無線通信制御装置との間で所要の通信を行うことにより、同一線区を走行中の鉄道車両間での電力授受を行っている。したがって、同一線区内に電力を消費する他の鉄道車両が存在する場合には、当該鉄道車両との間で電力授受が可能となる。

しかしながら、同一線区内に電力を消費する他の鉄道車両が存在しない場合、あるいは同一線区内に電力回生を行う鉄道車両が多数存在していても、電力を消費する鉄道車両が少ない場合には、回生電力の大部分を架線に戻すことはできず、負荷抵抗などを使用し、熱エネルギーに変換して消費する以外に有効な方法はなかった。また、回生電力を架線に戻すことができないときには、主回路側が回生を失効させる場合もあった。すなわち、従来技術では、列車に生じた回生電力を有効に利用できていないという課題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、列車に生じた回生電力を無駄に消費することなく、有効に利用することができる電力供給制御システムおよび電力供給制御方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかる電力供給制御システムは、変電所側に設けられた遠隔制御装置と、列車に設けられた列車情報管理装置と、を用いて列車への供給電力を制御する電力供給制御システムにおいて、前記列車情報管理装置は、列車が走行している位置を示す列車現在位置情報および、前記列車の消費電力量または回生電力量を示す消費／回生電力量情報を前記遠隔制御装置に出力し、前記遠隔制御装置は、入力された前記消費／回生電力量情報の中から、当該消費／回生電力量情報に付された列車現在位置情報に基づいて制御対象である電力区間を走行中の列車に関する消費／回生電力量情報を抽出し、抽出した消費／回生電力量情報の合計値を算出するとともに、算出した消費／回生電力量情報の合計値に基づいて、制御対象である電力区間に供給する電力量を制御することを特徴とする。

本発明の電力供給制御システムによれば、変電所側に設けられた遠隔制御装置は、入力された消費／回生電力量情報の中から、当該消費／回生電力量情報に付された列車現在位置情報に基づいて制御対象である電力区間を走行中の列車に関する消費／回生電力量情報を抽出し、抽出した消費／回生電力量情報の合計値を算出するとともに、算出した消費／回生電力量情報の合計値に基づいて、制御対象である電力区間に供給する電力量を制御するようにしているので、列車に生じた回生電力を無駄に消費することなく、有効に利用することができる、という効果を奏する。

図１は、本実施の形態１にかかる電力供給制御システムの概要を示す図である。 図２は、本実施の形態１にかかる電力供給制御システムの、主に列車側の一構成例を示す図である。 図３は、本実施の形態１にかかる電力供給制御システムの、主に変電所側の一構成例および広域ネットワークとの接続の一例を示す図である。 図４は、本実施の形態２にかかる電力供給制御システムの、主に列車側の一構成例を示す図である。

符号の説明

１ 列車
１１ 先頭車両
１１０ 電力変換装置
１１１ 電動機
１１２ パンタグラフ
１１３ 主回路
１１４，１１４ａ 列車情報管理装置
１１５，１１５ａ 先頭車両のモニタ装置
１１６ 列車情報送受信装置
１１７ 列車アンテナ
１１８ コンデンサ
１２ 駆動車両
１２５ 駆動車両のモニタ装置
２，２Ａ，２Ｂ 変電所
２１ 変電設備
２１１ 断路器
２１２ 遮断器
２１３ 系統
２１３ａ 遮断器
２１３ｂ 変圧器
２１３ｃ 整流器
２１３ｄ 断路器
２１４ 直流遮断器
２２ 配電盤
２３ 遠隔制御装置
３ 広域ネットワーク
４ 指令所
５ 架線
６ 母線
８ 通信路

以下に本発明にかかる電力供給制御システムおよび電力供給方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施の形態により本発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる電力供給制御システムの概要を示す図である。変電所２は、配電盤２２を介して変電設備２１の制御を行う遠隔制御装置２３を有している。また、列車１は、搭載される装備の制御および情報の管理を行い、収集した情報を例えば広域ネットワーク３を介して変電所２の遠隔制御装置２３に伝達する列車情報管理装置１１４を有している。

つぎに、実施の形態１にかかる電力供給制御システムの列車側における構成および動作を説明する。図２は、本実施の形態１にかかる電力供給制御システムの、主に列車側の一構成例を示す図である。

図２において、列車１は、先頭車両１１および先頭車両以外の駆動車両１２で編成されている。先頭車両１１は、電動機１１１、パンタグラフ１１２、電力変換装置１１０、ならびに列車情報管理装置１１４を構成するモニタ装置１１５、列車情報送受信装置１１６および列車アンテナ１１７を備えて構成される。また、駆動車両１２は、電動機１１１、パンタグラフ１１２、電力変換装置１１０、ならびに列車情報管理装置１１４を構成するモニタ装置１２５を備えて構成される。

電動機１１１は、先頭車両１１および駆動車両１２の駆動を行うとともに、発電機として動作する際に制動力を発生する。パンタグラフ１１２は、架線５と列車１との間で電力の送受を行う。電力変換装置１１０は、先頭車両１１および駆動車両１２において、架線５から供給される電力を電力変換して電動機１１１に供給する。モニタ装置１１５は、列車１に搭載される装備品やサービス機器の情報（以下「列車情報」という）の一括管理を行う。なお、先頭車両１１以外の情報は、駆動車両１２を含み他の車両に搭載されたモニタ装置１２５との間の通信路８を介した通信によって収集される。列車情報送受信装置１１６は、モニタ装置１１５が保有する情報を列車アンテナ１１７および、指令所４と変電所２との間を接続する広域ネットワーク３を介して他の列車あるいは外部の装置（システム）に伝送する。なお、列車情報管理装置１１４と外部のシステムとの間の通信は、無線通信や広域ネットワークなどに限定されず、衛星通信や有線通信などの各種通信手段を用いてもよいことは無論である。

電力変換装置１１０は、主回路１１３を有するとともに、主回路１１３の入力端（パンタグラフ１１２側）には、入出力フィルタ回路の一部であるコンデンサ１１８が設けられている。主回路１１３は、コンデンサ１１８の両端の電圧を観測し、観測した電圧を架線電圧値として列車情報管理装置１１４に出力する。また、主回路１１３は、パンタグラフ１１２を介して架線５と主回路１１３との間に流れる電流を観測し、主回路電流値として列車情報管理装置１１４に出力する。

ここで、列車１が力行を行っている場合には、電動機１１１によって電力が消費され、主回路電流はパンタグラフ１１２側から主回路１１３に供給される向きの電流となり、このときの主回路電流値を「＋（プラス）」の電流値として定義する。一方、電動機１１１が発電機として動作する場合には、電動機１１１自身が電力を発生するので、主回路電流は主回路１１３からパンタグラフ１１２側に供給される向きの電流となり、このときの主回路電流値を「−（マイナス）」の電流値として定義する。なお、架線電圧値および主回路電流値の観測方法は如何なる方法でもよく、例えばＰＴ（計器用変圧器：Potential Transformer）やＣＴ（計器用変流器：Current Transformer）などを用いることが可能である。

列車情報管理装置１１４は、先頭車両１１および各駆動車両１２の主回路１１３で観測された架線電圧値および主回路電流値から、各車両毎に電力量を算出し、列車１に連結されている全車両の電力量を加算して、列車全体の電力量を算出する。ここで、算出された電力量が「＋（プラス）」であれば列車１が電力を消費していることになり、「−（マイナス）」であれば列車１が電力を回生していることになる。なお、これ以降、列車情報管理装置１１４が算出した電力量を消費／回生電力量として表記する。

また、列車情報管理装置１１４を構成する先頭車両１１のモニタ装置１１５は、列車１の運行情報としてキロ程情報を保有しており、このキロ程情報に基づいて、列車１が走行している現在位置を特定する。なお、列車１の現在位置を特定する方法は、例えばＧＰＳ（Global Positioning System）によるものであってもよい。

列車情報管理装置１１４は、算出した消費／回生電力量に関する情報（以下「消費／回生電力量情報」という）および、列車１が走行している位置を示す列車現在位置情報を広域ネットワーク３に出力する。

つぎに、実施の形態１にかかる電力供給制御システムの変電所側の構成および動作を説明する。図３は、実施の形態１にかかる電力供給制御システムの、主に変電所側の一構成例および広域ネットワークとの接続の一例を示す図である。

指令所４は、広域ネットワーク３を介して各変電所２（２Ａ，２Ｂ）に電力供給スケジュールを出力する。電力供給スケジュールは、列車の運行スケジュールに基づいて予め予測され、作成されている。

つぎに、変電所２の構成について、より詳細に図示した変電所２Ａを用いて説明する。変電所２Ａは、変電設備２１、配電盤２２、および遠隔制御装置２３を備えている。変電設備２１は、電力の供給源である母線６から架線５に供給する電力を生成する。遠隔制御装置２３は、配電盤２２を介して変電設備２１の制御を行う。

変電設備２１の電力供給経路は、母線６から断路器２１１および遮断器２１２を介して複数の系統２１３に分岐している。各系統２１３は、遮断器２１３ａ、変圧器２１３ｂ、整流器２１３ｃ、および断路器２１３ｄを含み構成される。各系統２１３の出力は、再度一つに合流された後、並列に接続された複数の直流遮断器２１４を介して、架線５に接続されている。

遠隔制御装置２３は、広域ネットワーク３を介して指令所４から入力された電力供給スケジュールに基づく静的な制御に加えて、その遠隔制御装置２３が設置された変電所２が電力を供給している電力区間を走行している列車１からリアルタイムに出力された消費／回生電力量情報に基づき、以下に説明する動的な制御を行う。なお、静的な制御と動的な制御との切り替えタイミングは、電力供給が最も効率よく行えるよう適宜切り替えればよい（例えば、回生電力が余るような、走行列車が少ない昼間のみ動的な制御を行う等）。

変電所２の供給電力量の切り替えは、通常であれば、上述したように、列車の運行情報に基づいて予め予測された電力供給スケジュールに基づいて行われる。一方、本実施の形態では、列車１からの消費／回生電力量情報に基づいて、変電設備２１における各系統２１３の個々の遮断器２１３ａの投入／遮断や、複数の直流遮断器２１４の個々の投入／遮断によって行われる。この制御により、よりきめ細かな供給電力量の切り替え制御を行うことが可能となる。

つぎに、各列車から送信された列車現在位置情報および消費／回生電力量情報に基づく供給電力量の制御について説明する。

遠隔制御装置２３は、広域ネットワーク３を介して入力された消費／回生電力量情報の中から、消費／回生電力量情報に付された列車現在位置情報に基づいて、制御対象である電力区間を走行中の列車に関する消費／回生電力量情報を抽出し、抽出した消費／回生電力量情報の合計値を算出する。図３に示す例では、変電所２Ａの遠隔制御装置２３は、列車１ａ〜１ｄに関する消費／回生電力量情報の中から、列車現在位置情報に基づいて抽出した列車１ａ，１ｂ，１ｃの消費／回生電力量の合計を算出する。

遠隔制御装置２３は、変電所２の電力区間を走行中の各列車の消費／回生電力量の合計が「−（マイナス）」のときは、消費／回生電力量の合計に応じて変電設備２１における複数の直流遮断器２１４のうちの幾つかを遮断して、変電所２の供給電力量を低減させる制御を行い、変電所２の電力区間を走行中の各列車の消費／回生電力量の合計が「＋（プラス）」のときは、消費／回生電力量の合計に応じて変電設備２１における複数の直流遮断器２１４のうちの幾つかを投入して、変電所２の供給電力量を増加させる制御を行う。なお、上記供給電力量の制御において、回生電力量の合計が消費電力量の合計を大幅に上回っている場合には、各系統２１３に設けられた個々の遮断器２１３ａを遮断することにより、供給電力量を低減させる制御を行うようにしてもよいことは無論である。

実施の形態１によれば、電力を供給する電力区間に在線する複数の列車を特定し、力行を行っている複数の列車の消費電力量および回生を行っている複数の列車の回生電力量の合計電力量に基づいて、変電所が供給する電力量を制御するようにしたので、変電所の電力区間内で回生を行っている列車の回生電力を、同一電力区間内で力行を行っている列車に供給することができ、列車が発生する電力を有効に利用できる。また、回生を行っている各列車の回生電力量の合計が、力行を行っている各列車の消費電力量の合計を上回っている場合は、変電所が供給する電力量を削減することができる。

実施の形態２．
実施の形態１では、遠隔制御装置２３が行う電力量の制御は、列車側から送信された消費／回生電力量情報に基づいて行っていた。一方、各列車は走行しているため、列車情報管理装置１１４が列車現在位置情報を出力してから、遠隔制御装置２３が変電所２の供給電力量の制御を実施するまでには、ある程度の時間差（タイムラグ）が生じる。この状況を示したのが、図３である。図３に示すように、時間ｔ１に変電所２Ａの電力区間を走行している列車１ａが列車現在位置情報を出力してから、時間ｔ２に変電所２Ａの遠隔制御装置２３が、変電所２Ａの電力区間に対して供給電力量の制御を実施するまでの間に、列車１ａは図中の矢印の進行方向７に進み、ニュートラルセクションを越えて変電所２Ｂの電力区間に移動しているという状況が発生する。この場合、列車１ａから送信された消費／回生電力量情報は、変電所２Ｂの遠隔制御装置２３が変電所２Ｂの電力区間に対して供給電力量の制御を行うときに用いられるのが好ましい制御態様となる。実施の形態２は、この制御を実現するものである。

図４は、実施の形態２にかかる電力供給制御システムの、主に列車１側の一構成例を示す図である。なお、実施の形態１と同一または同等の構成部には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。

実施の形態２では、架線電圧値および主回路電流値に加えて、列車情報管理装置１１４ａが保有する列車情報のうち、列車１の速度情報および加速度情報を利用する。列車情報管理装置１１４ａは、列車１の消費／回生電力量情報および列車現在位置情報に加えて、列車１の速度情報および加速度情報を広域ネットワーク３に出力する。

遠隔制御装置２３は、各列車が出力する列車現在位置情報、速度情報および加速度情報に基づいて、供給電力量の制御が実施される時間（時刻）における列車１の位置を予測し、その予測に基づいて、供給電力量の制御が実施される時間に電力区間に在線する各列車の電力量の合計を算出する。そして、その算出結果に基づいて、変電所２の供給電力量の制御を行う。なお、列車現在位置情報および速度情報を基に、列車１の位置を予測可能だが、加速度情報を加味することで、より正確に位置予測ができる。

実施の形態２によれば、遠隔制御装置による供給電力量の制御が実施される時間において、変電所が電力を供給する電力区間に在線する在線予定列車を予測し、力行を行っている複数の在線予定列車の消費電力量および回生を行っている複数の在線予定列車の回生電力量の合計電力量に基づいて、変電所が供給する電力量を制御するようにしたので、実施の形態１よりも正確に変電所の供給電力量を制御することができ、列車が発生する電力をさらに有効に利用することができる。

なお、速度情報および加速度情報は、如何なる方法で算出してもよく、例えばタコジェネレータ（速度発電機）の速度情報と列車現在位置情報とにより、加速度情報を算出することができる。

また、運転台のマスコンから入力される運転指令（力行、ブレーキ）情報を列車情報管理装置１１４ａから遠隔制御装置２３にさらに出力し、列車１の走行状態（加速状態か減速状態か）を加味して列車１の位置を予測することにより、より正確に変電所の供給電力量を制御することができる。

以上のように、本発明にかかる電力供給制御システムは、電気鉄道における電力供給制御システムにおいて、列車の回生電力を有効に利用し、変電所の供給電力を削減できる発明として有用である。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかる電力供給制御システムは、変電所側に設けられた遠隔制御装置と、列車に設けられ、列車情報の一括管理を行うとともに、収集した情報を広域ネットワークを介して前記遠隔制御装置に伝達する列車情報管理装置と、を用いて前記列車への供給電力を制御する電力供給制御システムにおいて、前記列車情報管理装置は、前記列車が走行している位置を示す列車現在位置情報および、前記列車に搭載された電力変換装置の主回路で観測された架線電圧値と主回路電流値とにより算出した前記列車の消費電力量および回生電力量を示す消費／回生電力量情報を前記遠隔制御装置に出力し、前記遠隔制御装置は、入力された前記消費／回生電力量情報の中から、当該消費／回生電力量情報に付された列車現在位置情報に基づいて制御対象である電力区間を走行中の列車に関する消費／回生電力量情報を抽出し、抽出した消費／回生電力量情報の合計値を算出するとともに、算出した消費／回生電力量情報の合計値に基づいて、制御対象である電力区間に供給する電力量を制御することを特徴とする。

Claims (6)

1. 変電所側に設けられた遠隔制御装置と、列車に設けられた列車情報管理装置と、を用いて列車への供給電力を制御する電力供給制御システムにおいて、
   前記列車情報管理装置は、列車が走行している位置を示す列車現在位置情報および、前記列車の消費電力量または回生電力量を示す消費／回生電力量情報を前記遠隔制御装置に出力し、
   前記遠隔制御装置は、入力された前記消費／回生電力量情報の中から、当該消費／回生電力量情報に付された列車現在位置情報に基づいて制御対象である電力区間を走行中の列車に関する消費／回生電力量情報を抽出し、抽出した消費／回生電力量情報の合計値を算出するとともに、算出した消費／回生電力量情報の合計値に基づいて、制御対象である電力区間に供給する電力量を制御する
   ことを特徴とする電力供給制御システム。
2. 変電所側に設けられた遠隔制御装置と、列車に設けられた列車情報管理装置と、を用いて列車への供給電力を制御する電力供給制御システムにおいて、
   前記列車情報管理装置は、列車が走行している位置を示す列車現在位置情報、列車速度情報および列車加速度情報、ならびに前記列車の消費電力量または回生電力量を示す消費／回生電力量情報を前記遠隔制御装置に出力し、
   前記遠隔制御装置は、入力された前記消費／回生電力量情報の中から、当該消費／回生電力量情報に付された列車現在位置情報、列車速度情報および列車加速度情報に基づいて、供給電力量の制御を実施する時間に制御対象の電力区間に在線する在線予定列車を予測し、予測した在線予定列車に関する消費／回生電力量情報を抽出して消費／回生電力量情報の合計値を算出するとともに、算出した消費／回生電力量情報の合計値に基づいて、制御対象である電力区間に供給する電力量を制御する
   ことを特徴とする電力供給制御システム。
3. 前記遠隔制御装置は、前記消費／回生電力量情報の合計値が正である場合は、前記電力区間に供給する電力量を低減させる制御を行い、前記消費／回生電力量情報の合計値が負である場合は、前記電力区間に供給する電力量を増加させる制御を行うことを特徴とする請求項１または２に記載の電力供給制御システム。
4. 変電所側に設けられた遠隔制御装置と、列車に設けられた列車情報管理装置と、を用いて列車への供給電力を制御する電力供給制御方法において、
   前記遠隔制御装置は、
   列車の運行スケジュールに基づいて作成された電力供給スケジュールに基づいて、変電所が供給する電力量を制御する静的な制御と、
   前記列車の消費電力量または回生電力量を示す消費／回生電力量情報に基づいて、変電所が供給する電力量を制御する動的な制御と、
   を併用して行うことを特徴とする電力供給制御方法。
5. 前記動的な制御として、
   前記列車情報管理装置は、
   列車が走行している位置を示す列車現在位置情報および、前記消費／回生電力量情報を前記遠隔制御装置に送信するステップを含み、
   前記遠隔制御装置は、
   前記列車情報管理装置からの前記消費／回生電力量情報、および当該消費／回生電力量情報に付された列車現在位置情報を受信する受信ステップと、
   前記列車現在位置情報に基づいて制御対象である電力区間を走行中の列車に関する消費／回生電力量情報を抽出する抽出ステップと、
   抽出した消費／回生電力量情報の合計値を算出する算出ステップと、
   算出した消費／回生電力量情報の合計値に基づいて制御対象である電力区間に供給する電力量を制御する制御ステップと、
   を含むことを特徴とする請求項４に記載の電力供給制御方法。
6. 前記動的な制御として、
   前記列車情報管理装置は、
   列車が走行している位置を示す列車現在位置情報、列車速度情報および列車加速度情報、ならびに前記消費／回生電力量情報を前記遠隔制御装置に送信するステップを含み、
   前記遠隔制御装置は、
   前記列車情報管理装置からの前記消費／回生電力量情報、および当該消費／回生電力量情報に付された列車現在位置情報、列車速度情報および列車加速度情報を受信する受信ステップと、
   前記列車現在位置情報、列車速度情報および列車加速度情報に基づいて、供給電力量の制御を実施する時間に制御対象の電力区間に在線する在線予定列車を予測する予測ステップと、
   予測した在線予定列車に関する消費／回生電力量情報を抽出して消費／回生電力量情報の合計値を算出する算出ステップと、
   算出した消費／回生電力量情報の合計値に基づいて、制御対象である電力区間に供給する電力量を制御する制御ステップと、
   を含むことを特徴とする請求項４に記載の電力供給制御方法。

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