JPWO2012133756A1 - 消費電力管理システム - Google Patents

Abstract

消費電力管理システムは、電源線に接続されたメイン部と、前記メイン部に電気的に接続されるとともに、負荷に供給される電流を所定の設定値に制限するブレーカと、電流センサおよび信号処理部を有するセンサユニットとを具備する。前記電流センサは、前記メイン部から前記ブレーカに供給される電流を測定し、測定した電流に基づいて電流検出信号を出力する。前記信号処理部は、前記電流検出信号を所定時間に亘って受信し、受信された電流検出信号から信号レベルの範囲を判別し、その判別結果に応じて前記電流検出信号の入力レンジを調整する。

Description

本発明は、分電盤に適用される消費電力管理システムに関する。

従来より、図５あるいは図６に示される電流または電力を測定する機能を具備するセンサ付き分電盤が知られている。図５あるいは図６に示す分電盤は、主幹ブレーカＭＢと、複数のメインバー（あるいはメインプレート、以下略）Ｌ１、Ｌ２、Ｎと、複数の分岐バー（あるいは分岐プレート、以下略）２と、複数の分岐ブレーカＢと、複数の貫通型やクランプ型の電流センサＣＴと、複数の信号伝送路Ｐと、複数の入力信号ポートＰＴと、信号処理・測定回路（以下、センサユニットと称する）３とを備える。複数のメインバーＬ１、Ｌ２、Ｎは、主幹ブレーカＭＢの負荷側端子に接続される。複数の分岐バー２は、メインバーＬ１、Ｌ２、Ｎから延出する。複数の分岐ブレーカＢは、複数の分岐バー２に接続される。分岐バー２は、分岐ブレーカＢとメインバーＬ１、Ｌ２、Ｎとを繋いでいる。電流センサＣＴは、分岐バー２、または主幹ブレーカＭＢの負荷側端子から負荷に接続される電線に対して設置されている。複数の信号伝送路Ｐは、電流センサＣＴから出力される検出信号を伝送する。入力信号ポートＰＴは、電流センサＣＴから出力され、信号伝送路Ｐを伝送された検出信号を取り込む。センサユニット３は、入力信号ポートＰＴにより取り込まれた検出信号の処理および測定を行う。

日本国特開２０１０−１３０７３５号公報

上記分電盤では、複数の電流センサＣＴがどの分岐ブレーカＢに接続され、どの入力信号ポートＰＴに接続されているのかについては自動的には特定できない。このため、センサユニット３に対して、任意の分岐ブレーカＢと電流センサＣＴと入力信号ポートＰＴとの対応関係を人手や予め人手を介して作成された対応定義データ等で初期設定する必要があった。さらに、センサユニット３の測定結果としての個々の測定データの意味付けや対応づけが必須であった。その結果、多大な労力を伴う作業を要するという課題があった。また、電流センサの増設や組み換えを行う保守的な作業を行う場合も同様に多大な労力を伴う作業を要するという課題があった。
更に、ブレーカ（主幹ブレーカＭＢ、分岐ブレーカＢ）に接続された負荷の消費電流や消費電力により、電流センサＣＴからの電流検出信号がセンサユニット３に入力される際に、その入力レンジ（感度、ダイナミックレンジ）が、接続される負荷によりばらついてしまう。このため、正確に電流を測定できないという問題があった。

この発明は、上述した事情に鑑みてなされた。本発明の目的の一例は、任意の分岐ブレーカと電流センサと入力信号ポートとの対応関係を人手に依らずセンサユニット自身が自動的に認識し、測定結果としての個々の測定データの意味付けや対応づけを行う事が出来る消費電力管理システムを提供することである。また、本発明の目的の一例は、ブレーカ（主幹ブレーカＭＢ、分岐ブレーカＢ）に接続された負荷の消費電流や消費電力により、電流センサからの電流検出信号がセンサユニット３に入力される際に、その入力レンジ（感度、ダイナミックレンジ）が、接続される負荷によりばらつくが、それらの値を監視および判断して入力レンジ（感度、ダイナミックレンジ）を自動調整し正確な電流測定を行うことが可能な消費電力管理システムを提供することである。

本発明の一実施態様に係る消費電力管理システムは、複数のメインバーと、複数の分岐バーと、複数の分岐ブレーカと、電線と、複数の電流センサと、複数の信号伝送路と、入力信号ポートと、センサユニットとを有する分電盤を備える。複数のメインバーは、主幹ブレーカの負荷側端子に接続される。複数の分岐バーは、メインバーから延出し、分岐ブレーカとメインバーとを繋ぐ。複数の分岐ブレーカは、複数の分岐バーに接続される。電線は、負荷側端子から負荷に接続される。複数の電流センサは、貫通型やクランプ型であり、分岐バー、または電線に対して設置される。複数の信号伝送路は、電流センサから出力される検出信号を伝送する。複数の入力信号ポートは、検出信号を取り込む。センサユニットは、検出信号を処理する。分電盤は、電流センサとブレーカの物理的な位置を結び付けるセンサ・位置対応信号を出力し、この信号をセンサユニットで認識する機構を有する。この構成により、任意の分岐ブレーカと電流センサと入力信号ポートとの対応関係を人手に依らずセンサユニット自身が自動的に認識し、測定結果としての個々の測定データの意味付けや対応づけを行う事が出来る。また、ブレーカ（主幹ブレーカ、分岐ブレーカ）に接続された負荷の消費電流や消費電力により、電流センサからの電流検出信号がセンサユニットに入力される際に、その入力レンジ（感度、ダイナミックレンジ）が、接続される負荷によりばらつく。消費電力管理システムは、電流検出信号の値を一定時間（最大値、最小値を含む運用サイクルに対応した周期）監視および判断して入力レンジ（感度、ダイナミックレンジ）を、最大の分解能を持つ出力レベルになるように調整できる機構を有する。この構成により、自動調整し正確な電流測定を行うことができる。

本発明の実施形態によれば、任意の分岐ブレーカと電流センサと入力信号ポートとの対応関係を人手に依らずセンサユニット自身が自動的に認識し、測定結果としての個々の測定データの意味付けや対応づけを行う事が出来る。例えば、任意のブレーカの位置に電流センサの電流検出信号の受け口としての受信コネクタに取り付け位置を一意に示す信号を駆動するショートピンを設ける。センサユニットから出力される任意の受信コネクタのショートピンを選択するエンコーダから出力される選択ラインが、非選択時：オープン状態、選択時：導通状態で接地状態となる。この構成により、任意の電流センサの電流検知信号の送信コネクタが、任意の受信コネクタに差し込まれた状態でショートピン間が導通状態となり、その導通状態をセンサユニットに含まれる導通状態検知回路で検知する事で、電流センサがどの任意の位置に差し込まれたかを認識できる。
ブレーカ（主幹ブレーカ、分岐ブレーカ）に接続された負荷の消費電流や消費電力により、電流センサからの電流検出信号がセンサユニットに入力される際に、その入力レンジ（感度、ダイナミックレンジ）が、接続される負荷によりばらつく。本発明の実施形態によれば、電流検出信号の値を一定時間（最大値、最小値を含む運用サイクルに対応した周期）監視および判断して入力レンジ（感度、ダイナミックレンジ）を、最大の分解能を持つ出力レベルになるように調整できる機構を有する事により、自動調整し正確な電流測定を行うことが可能となる。
例えば、センサユニットは、互いに並列に接続された異なる抵抗値の複数の抵抗体を有しかつその抵抗体が電流センサと直列に接続された抵抗回路を具備する。その抵抗回路の抵抗体のいずれかの１つを選択することで、電流検出信号の入力レンジを最適値に調整することができる。

メイン部とブレーカの配置を示す回路図である。 センサユニットで検出されるセンス電圧（Ｖｓ）を説明するための回路図である。 図２を具体的に示す回路図である。 図１で示す回路図の他の形態を示す図である。 電流または電力を測定する機能を具備する一般的なセンサ付き分電盤の一例を示す構成図である。 電流または電力を測定する機能を具備する一般的なセンサ付き分電盤の他の例を示す構成図である。

本発明の実施形態に係る消費電力管理システムについて図面を参照して説明する。
まず、図５および図６を参照し、本実施形態と共通のセンサ付分電盤の一般的な構成について説明する。図５および６は一般的な電流または電力を測定する機能を具備するセンサ付き分電盤を示す。図５に示す分電盤は、メインバーと分岐バーにより構成されている。図６に示す分電盤は、メインプレートと分岐プレートによる構成されている。図５および６では、一例として、単相３線の配電盤の接続を示す。以下では、メインバーとメインプレートとを総称して、メイン部という。また、分岐バーと分岐プレートとを総称して、分岐部という。さらに、メイン部と分岐部とを総称して、メイン部ということもある。板状の銅板からなるメイン部Ｌ１、Ｌ２、Ｎ、および分岐部２は、Ｌ１極、Ｎ極、およびＬ２極の３つの充電部で構成される。３つのメイン部Ｌ１、Ｌ２、Ｎの内の２つ（メイン部Ｌ１とＮ、メイン部Ｌ２とＮ、あるいはメイン部Ｌ１とＬ２）に接続することで、単相１００Ｖ、あるいは単相２００Ｖの電源の供給を受けることができる。

これらメイン部Ｌ１、Ｌ２、Ｎの端部には、複数の分岐部２が突出するように多足状に形成されている。これら分岐部２は、分岐ブレーカＢの有する複数の凹部ｂ１，ｂ２，ｂ３と各々噛み合う。図１は、このような接続状態と等価の回路を模式的に示す。
分岐ブレーカＢは、３つのメイン部Ｌ１、Ｌ２、Ｎの内２つのメイン部の分岐部２にそれぞれ嵌合して電気的に接続される。２つのメイン部とは、例えば、メイン部Ｌ１およびＮや、メイン部Ｌ２およびＮである。分岐ブレーカＢは、電源に接続される電気機器である負荷に供給される電流を既定の設定値に制限する。

メイン部Ｌ１、Ｌ２、Ｎの突出部、すなわち、分岐部２には、電流センサ（コイル部）ＣＴが設置されている。電流センサＣＴは、コア１０と二次コイル１１とからなる。コア１０はリング状の形状である。コア１０には、メイン部Ｌ１、Ｌ２、Ｎに供給される電流により誘導電流が生じる。二次コイル１１は、線状の形状を有し、コア１０に巻回される。二次コイル１１は、コア１０で発生する誘導電流を検出する。
この電流センサＣＴは、後述するセンサユニット２１の一部を構成している。電流センサＣＴは、メイン部Ｌ１、Ｌ２、Ｎの端部に位置する分岐バー２に、リング状のコア１０を挿入することで、その分岐バー２に取り付けている。このとき、隣接するコア１０同士が接触しないように、コア１０の分岐バー２に対する取り付け位置を分岐バー２の長さ方向にずらすことで、コア１０を隣接する別のコア１０に対して互い違いとなるように配置しても良い。

図２に示すように、線状体からなる二次コイル１１の各末端部は、コネクタＣの２つの端子に接続されている。そのコネクタＣの２端子は、基板２０上の配線を通じてセンサユニット２１に接続されている。また、この基板２０には、センサユニット２１、選択ライン駆動回路２２及び識別回路２３が接続されている。
コネクタＣは４端子により構成されている。これら４端子の中の２端子に電流センサＣＴの二次コイル１１の配線が接続された場合に、その２端子を通じて電流センサＣＴの電流検出信号がセンサユニット２１に供給される。また、４端子の中の２端子に電流センサＣＴが接続された場合には、残りの２端子にショート配線Ｓを設けてその２端子間を導通状態とする。
コネクタＣは、送信コネクタと、受信コネクタとから構成される。これら送信コネクタと、受信コネクタとが結合されることで、電流センサＣＴが基板２０上のラインに結合される。しかしながら、図面では、便宜上１つのコネクタのみが示されている。

コネクタＣの４端子に、電流センサ（コイル部）ＣＴ及びショート配線Ｓが設置されている場合には、識別回路２３は、電流センサＣＴの存在を示す「電流センサＣＴあり（ハイ：Ｈ）」の信号を出力する。また、センサユニット２１は、電流センサＣＴからの電流検出信号を取り込む。さらに、選択ライン駆動回路２２は、識別回路２３にて「電流センサＣＴあり（ハイ）」と識別されたラインＬの中から、負荷（電気機器）に使用できるラインＬを選択し、そのラインＬのブレーカＢを経由した電力供給を可能とする。
コネクタＣの４端子に、電流センサＣＴ及びショート配線Ｓが設置されていない場合には、識別回路２３は、電流センサＣＴの存在を示さない「電流センサＣＴなし（ロー：Ｌ）」の出力となる。また、センサユニット２１は、電流センサＣＴからの電流検出信号を取り込むことができない。さらに、選択ライン駆動回路２２は、識別回路２３にて「電流センサＣＴなし（ロー）」と識別されたラインＬについては、負荷（電気機器）に使用できるラインＬとして選択しない。

次に、センサユニット２１の構成について図２及び図３を参照して説明する。
図２の基本構成図に示すように、センサユニット２１は、二次コイル１１を通じて供給される二次電流（Ｉｓ）の値に基づき決定されるセンス電圧（Ｖｓ）を測定することによって、メインバー１の分岐バー２を流れる負荷電流（Ｉ_Ｌ）を演算する。すなわち、図３に示すように、センス電圧（Ｖｓ）は、二次電流（Ｉｓ）とセンス負荷抵抗値（Ｒｓ）との積で示される。センス電圧（Ｖｓ）と二次電流（Ｉｓ）とセンス負荷抵抗値（Ｒｓ）と負荷電流（Ｉ_Ｌ）との関係は、以下の式１で示される。以下の式１において、「Ｋ」は結合係数、「Ｎ」は２次コイル巻数を示している。

上記式１に示されるように、センス電圧（Ｖｓ）を測定することによって、メイン部Ｌ１、Ｌ２、Ｎの分岐部２を流れる負荷電流（Ｉ_Ｌ）を演算することが可能となる。

次に、図３を参照して、上記式１で示されるセンス電圧（Ｖｓ）を最適値に調整するためのセンサユニット２１内の具体的な回路構成について説明する。
図３に示されるセンサユニット２１は、抵抗体Ｒｎ（Ｒｎ１〜Ｒｎ３）を切り替える抵抗切替部（抵抗回路）３０と、ＡＤ変換機３１と、Ｖｓ最大値記憶回路（以下、単に記憶回路と称する）３２と、最適センス負荷抵抗演算回路（抵抗回路、以下、単に演算回路と称する）３３とからなる信号処理部が設けられている。
抵抗体Ｒｎ１の抵抗値Ｒｓ１は１０Ωである。抵抗体Ｒｎ２の抵抗値Ｒｓ２は１００Ωである。抵抗体Ｒｎ３の抵抗値Ｒｓ３は１０００Ωである。抵抗体Ｒｎ１〜Ｒｎ３の抵抗値Ｒｓ１〜Ｒｓ３は一例であって、適宜、設定変更可能である。さらに、状況に応じて抵抗体（抵抗値）の種類を適宜増加しても良い。
このセンサユニット２１では、初期段階として抵抗切替部３０において、例えば、センス負荷抵抗値（Ｒｓ）が「抵抗値Ｒｓ１（＝１０Ω）」に設定されている。

電流測定値となるセンス電圧（Ｖｓ）は、まず、ＡＤ変換機３１にてデジタル値に変換されて、センサユニット２１の図示しない電圧計測部にて計測される。ＡＤ変換機３１から出力されたセンス電圧（Ｖｓ）は、記憶回路３２に出力される。この記憶回路３２は、予め設定した一定期間（例えば、１日、１時間）の間にＡＤ変換機３１から入力されたセンス電圧（Ｖｓ）の値を記憶する。なお、記憶回路３２および演算回路３３には、一定時間（規定時間）を設定する信号Ｔが入力される。さらに、記憶回路３２は、一定期間の間におけるセンス電圧（Ｖｓ）の最大値Ｍ（規定時間における最大値）を記憶する。

この記憶回路３２で記憶されたセンス電圧（Ｖｓ）の最大値Ｍは、演算回路３３に出力される。演算回路３３は、この最大値Ｍに基づいて、最適なセンス負荷抵抗値（Ｒｓ）を選択する。
具体的には、演算回路３３は、記憶回路３２で記憶されたセンス電圧（Ｖｓ）の最大値Ｍに基づき、そのセンス電圧（Ｖｓ）が予め設定しておいた最適値又はそれに近い値となるように、抵抗切替部３０のアナログスイッチ（ＳＷ）を切り替えて、センス負荷抵抗値（Ｒｓ）を変更する。

このような演算回路３３による抵抗切替部３０の切り替え操作により、センス負荷抵抗値（Ｒｓ）を、入力レンジ（感度、ダイナミックレンジ）の最も適した値にダイナミックに切り替えることができる。
複数の固定センス負荷を択一的に接続して入力レンジを切り替える方式に代え、可変抵抗を用いて入力レンジを調整する方式を採用しても良い。

以上のような消費電力管理システムでは、コネクタＣの４端子に、電流センサＣＴ及びショート配線Ｓが設置されている場合には、識別回路２３から電流センサＣＴの存在を示す「電流センサＣＴあり（ハイ）」の信号が出力される。また、センサユニット２１は電流センサＣＴからの電流検出信号が取り込まれる。さらに、選択ライン駆動回路２２は、識別回路２３にて「電流センサＣＴあり（ハイ）と識別されたラインＬの中から、負荷（電気機器）に使用できるラインＬが選択され、そのラインＬのブレーカＢを経由した電力供給が可能となる。

また、センサユニット２１は、取り込まれた二次電流（Ｉｓ）と、抵抗切替部３０にて予め設定されているセンス負荷抵抗値（Ｒｓ）に基づき、センス電圧（Ｖｓ）が計測される。その後、そのセンス電圧（Ｖｓ）が、記憶回路３２にて、予め設定した一定期間（例えば、１日、１時間）記憶され、かつその間の最大値Ｍが記憶される。その後、記憶回路３２で記憶されたセンス電圧（Ｖｓ）の最大値Ｍが、演算回路３３に出力される。この演算回路３３は、そのセンス電圧（Ｖｓ）の最大値Ｍに基づき、センス電圧（Ｖｓ）が、予め設定しておいた最適値となるように、抵抗切替部３０を切り替えて、センス負荷抵抗値（Ｒｓ１〜Ｒｓ３）を変更する。これによりセンス負荷抵抗値（Ｒｓ）を、入力レンジ（感度、ダイナミックレンジ）の最も適した値となるように調整する。

以上詳細に説明したように本実施形態に係る消費電力管理システムは、電流センサ（コイル部）ＣＴおよび信号処理部（抵抗切替部３０、ＡＤ変換機３１、記憶回路３２、演算回路３３）を有するセンサユニット２１を具備する。電流センサＣＴは、メイン部Ｌ１、Ｌ２、ＮからブレーカＢに供給される電流を測定し、測定した電流に基づいて電流検出信号を出力する。信号処理部は、電流センサＣＴで検出された電流検出信号を所定時間に亘って受信し、受信した電流検出信号から信号レベルの範囲を判別し、その判別結果に応じて前記電流検出信号の入力レンジを調整する。信号処理部において、ブレーカＢに流れる電流値を検出するためのコイル状の電流センサＣＴの形態に係らず、その入力レンジ（感度、ダイナミックレンジ）を最適値に調整することができる。よって、電流センサＣＴにて正確な電流測定を行うことが可能となる。
例えば、信号処理部は、抵抗回路（抵抗切替部３０、演算回路３３）を具備する。抵抗回路は、互いに並列に接続された異なる抵抗値の複数の抵抗体Ｒｎを有する。その抵抗体Ｒｎが二次コイル１１と直列に接続される。抵抗回路は、抵抗体Ｒｎのいずれかの１つを選択することで、電流検出信号の入力レンジを最適値に調整する。この構成により、抵抗回路にて複数ある抵抗体Ｒｎ（Ｒｎ１〜Ｒｎ３）のいずれかの１つを選択することで、電流検出信号の入力レンジを最適値に調整することができる。
また、電流センサＣＴを、分岐ブレーカＢが取り付けられるメイン部Ｌ１、Ｌ２、Ｎ２の分岐部２に取り付ける。この構成により、電流センサＣＴの取り付けが容易なる。その結果、取り付けに係る作業性を向上させることが可能となる。このとき、分岐部２を電流センサＣＴのコア１０の穴に通した後、分岐部の先端に分岐ブレーカＢの凹部を噛み合わせると、本線からの分岐を取る作業（分岐部２を分岐ブレーカＢに噛み込ませる作業）の際に、分岐部２をコイルに通すだけで、簡単に消費電力測定用の検出子を取り付けることが可能となる。

上記実施形態では、４端子のコネクタＣを使用し、そのコネクタＣの２端子にショート配線Ｓを設置することで、識別回路２３にて電流センサＣＴの存在を検出した。しかしながらこの構成に限定されない。図４に示すように２端子のコネクタＣを使用し、そのコネクタＣの２端子にショート配線Ｓを設置しない構造とし、識別回路２３での電流センサＣＴの検出を省略しても良い。
図４では、センサユニット２１にて、電流センサＣＴから出力された電流検出信号に基づきメインバー１からブレーカＢに供給される電力を測定する。また、選択ライン駆動回路２２は、電流センサＣＴからセンサユニット２１に供給される電流検出信号があるラインについて、抵抗負荷４０（電気機器）を経由して一定の直流の負荷電流を流す。電流センサＣＴが接続されている場合と接続されていない場合のセンサユニット２２への入力電圧が異なることにより、そのラインの電流測定を可能とする。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
例えば、電流センサとしてカレントトランスに代えてホール素子を用いることもできる。

この出願は、２０１１年３月３１日に出願された日本出願特願２０１１−０７７７３２を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

本発明による消費電力管理システムは、分電盤に適用することができる。

Ｌ１、Ｌ２、Ｎ 、メイン部（メインバー、またはメインプレート）
２ 分岐部（分岐バー、または分岐プレート）
３ センサユニット
１１ 二次コイル
２１ センサユニット
３０ 抵抗切替部（抵抗回路）
３３ 最適センス負荷抵抗演算回路（抵抗回路）
Ｂ 分岐ブレーカ
ＣＴ 電流センサ（コイル部）
Ｒｎ 抵抗体

Claims (5)

1. 電源線に接続されたメイン部と、
   前記メイン部に電気的に接続されるとともに、負荷に供給される電流を所定の設定値に制限するブレーカと、
   電流センサおよび信号処理部を有するセンサユニットとを具備し、
   前記電流センサは、前記メイン部から前記ブレーカに供給される電流を測定し、測定した電流に基づいて電流検出信号を出力し、
   前記信号処理部は、前記電流検出信号を所定時間に亘って受信し、受信された電流検出信号から信号レベルの範囲を判別し、その判別結果に応じて前記電流検出信号の入力レンジを調整する消費電力管理システム。
2. 前記電流センサは、前記メイン部から前記ブレーカに供給される電流により誘導電流を生じさせるコアと、前記誘導電流を検出する二次コイルとを有し、
   前記信号処理部は、互いに並列に接続された異なる抵抗値の複数の抵抗体を有しかつ前記抵抗体が前記二次コイルと直列に接続された抵抗回路を具備し、前記抵抗体のいずれかの１つを選択することで、前記電流検出信号の入力レンジを最適値に調整する請求項１記載の消費電力管理システム。
3. 前記電流センサは、前記メイン部から前記ブレーカに供給される電流により誘導電流を生じさせるコアと、前記誘導電流を検出する二次コイルとを有し、
   前記信号処理部は、前記二次コイルと直列に接続された可変抵抗回路を具備し、前記可変抵抗回路の抵抗値を変更することで、前記電流検出信号の入力レンジを最適値に調整する請求項１記載の消費電力管理システム。
4. 前記メイン部は、互いに平行に複数配置され、前記ブレーカは、前記メイン部に嵌合していずれかの相の電源に接続される凹部を複数有する請求項１ないし３のいずれか１項に記載の消費電力管理システム。
5. 前記電流センサは、前記ブレーカが設置される前記メイン部バーの分岐部に取り付けられる請求項２ないし４のいずれか１項に記載の消費電力管理システム。

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