特許 7580350 電圧制御装置、電圧制御方法および電圧制御システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-10-31

(45)【発行日】2024-11-11

(54)【発明の名称】電圧制御装置、電圧制御方法および電圧制御システム

(51)【国際特許分類】

   H02J 3/12 20060101AFI20241101BHJP

【ＦＩ】

H02J3/12

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2021129978

(22)【出願日】2021-08-06

(65)【公開番号】P2023023975

(43)【公開日】2023-02-16

【審査請求日】2023-11-20

(73)【特許権者】

【識別番号】000006013

【氏名又は名称】三菱電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002941

【氏名又は名称】弁理士法人ぱるも特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】石本 智之

(72)【発明者】

【氏名】高野 富裕

(72)【発明者】

【氏名】河野 俊介

【審査官】高野 誠治

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１３－１２１３０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－１４７７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－０４７６４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－１７５８００（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｊ ３／１２

Ｈ０２Ｊ ３／１８

Ｇ０５Ｆ １／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

配電系統の配電線に設置される自動電圧調整器の送り出し電圧を制御する電圧制御装置であって、
前記配電系統および前記配電線に接続される負荷の電力消費に関連するデータが入力されるデータ入力部と、
前記データ入力部に入力された前記データに基づいて整定値設定方式における整定値を計算する整定値計算部と、
前記整定値計算部で計算された前記整定値に基づいて前記配電線の電圧値を算出し、算出された前記電圧値が前記配電系統の電圧条件を満たしているか否かを判定する制御方式判定部と、
前記制御方式判定部の判定に基づいて制御方式を前記整定値設定方式からタップ直接制御方式に変更することを指令する制御方式変更指令部とを備えたことを特徴とする電圧制御装置。

【請求項2】

前記制御方式判定部は、算出された前記電圧値が前記配電系統の電圧条件を満たしていないと判定した場合に、新たな前記整定値を設定して前記整定値計算部へ出力することを特徴とする請求項１に記載の電圧制御装置。

【請求項3】

前記データ入力部は、前記配電線の複数の位置における電圧値を収集することを特徴とする請求項１または２に記載の電圧制御装置。

【請求項4】

配電系統の配電線に設置される自動電圧調整器と、
前記自動電圧調整器の電圧を制御する請求項１から３のいずれか１項の電圧制御装置とを備えたことを特徴とする電圧制御システム。

【請求項5】

配電系統の配電線に設置される自動電圧調整器の送り出し電圧を制御する電圧制御方法であって、
前記配電系統および前記配電線に接続される負荷の電力消費に関連するデータに基づいて整定値設定方式における整定値を計算する整定値計算ステップと、
前記整定値計算ステップで計算された前記整定値に基づいて前記配電線の電圧値を算出し、算出された前記電圧値が前記配電系統の電圧条件を満たしているか否かを判定する制御方式判定ステップと、
前記制御方式判定ステップの判定に基づいて制御方式を前記整定値設定方式からタップ直接制御方式に変更することを指令する制御方式変更指令ステップとを備えたことを特徴とする電圧制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本願は、電圧制御装置、電圧制御方法および電圧制御システムに関する。

【背景技術】

【0002】

配電系統の電圧は、配電用変電所に設置された負荷時タップ切替変圧器（Ｌｏａｄ Ｒａｔｉｏ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ：以下ＬＲＴと記す）、配電線上に設置された自動電圧調整器（Ｓｔｅｐ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｒｅｇｕｌａｔｏｒ：以下ＳＶＲと記す）で制御される。近年、配電線には工場、一般住宅、電気自動車用の急速充電器などの電力を消費する負荷だけでなく、蓄電池、太陽光発電など再生可能エネルギーを利用した電源などの電力を供給する負荷が接続されている。そのため、配電線の電圧変動が大きくなり、配電線の電圧が定格電圧から大きく逸脱する可能性がある。

【0003】

ＬＲＴ、ＳＶＲは、配電系統の電圧低下を補償するためにタップと組み合わされた線路電圧降下補償器（Ｌｉｎｅ Ｄｒｏｐ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ：以下ＬＤＣと記す）を有している。このＬＤＣは、ＳＶＲから負荷中心点までの線路インピーダンスの整合要素である抵抗およびリアクタンス成分を備えている。そして、ＬＤＣは、負荷中心点の電圧が一定になるように、抵抗の抵抗値およびリアクタンス成分のリアクタンス値が設定される。このＬＤＣの抵抗値およびリアクタンス値などは整定値と呼ばれる。そのため、このＬＤＣによる電圧制御方式は、整定値設定方式とも呼ばれる。

【0004】

整定値設定方式においては、配電線の電圧が定格電圧の許容範囲を逸脱しないように適切な整定値が設定される。例えば、従来の整定値設定方式を用いた電圧制御方法として、配電線に設置された計測器から実測データ収集し、この実測データに基づいて予め設定された運用期間において潮流計算を行って配電線の電圧を推定し、その推定された電圧が許容範囲に収まるように整定値を算出する方法が開示されている。そして、次の運用期間においても既に算出された整定値で推定される電圧が許容範囲に収まる場合はその運用期間を延ばしている（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２０１７－７００２５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、従来の電圧制御方法においては、整定値を適切に設定しようとしても推定される電圧が配電線の電圧の許容範囲を逸脱する場合には対応できないという問題があった。そのため、従来の電圧制御装置においては、整定値設定方式で推定される配電線の電圧が許容範囲を逸脱する場合は、新たにＳＶＲを増設する必要があった。

【0007】

本願は、上述の課題を解決するためになされたもので、整定値設定方式で推定される配電線の電圧が許容範囲を逸脱する場合でも、新たにＳＶＲを増設する必要のない電圧制御装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本願の電圧制御装置は、配電系統および配電線に接続される負荷の電力消費に関連するデータが入力されるデータ入力部と、データ入力部に入力されたデータに基づいて整定値設定方式における整定値を計算する整定値計算部と、整定値計算部で計算された整定値に基づいて配電線の電圧値を算出し、算出された電圧値が配電系統の電圧条件を満たしているか否かを判定する制御方式判定部と、制御方式判定部の判定に基づいて制御方式を整定値設定方式からタップ直接制御方式に変更することを指令する制御方式変更指令部とを備えている。

【発明の効果】

【0009】

本願の電圧制御装置は、整定値に基づいて配電線の電圧値を算出し、算出された電圧値が配電系統の電圧条件を満たしているか否かを判定する制御方式判定部と、制御方式判定部の判定に基づいて制御方式を整定値設定方式からタップ直接制御方式に変更することを指令する制御方式変更指令部とを備えているので、整定値設定方式で推定される配電線の電圧が許容範囲を逸脱する場合には、制御方式を整定値設定方式からタップ直接制御方式に変更することができる。そのため、本願の電圧制御装置においては、整定値設定方式で推定される配電線の電圧が許容範囲を逸脱する場合でも、新たにＳＶＲを増設する必要がない。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】実施の形態１に係る電圧制御システムの模式図である。

【図2】実施の形態１に係る電圧制御装置の模式図である。

【図3】実施の形態１における整定値設定方式の説明図である。

【図4】実施の形態１におけるタップ直接制御方式の説明図である。

【図5】実施の形態１における電圧制御方法のフローチャートである。

【図6】実施の形態１の制御方式判定部における計算例を示す説明図である。

【図7】実施の形態２における電圧制御方法のフローチャートである。

【図8】実施の形態３に係る電圧制御装置の模式図である。

【図9】実施の形態１から３に係る電圧制御装置のハードウェアの一例を示す模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本願を実施するための実施の形態に係る電圧制御装置および電圧制御システムについて、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一符号は同一もしくは相当部分を示している。

【0012】

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る電圧制御システムの模式図である。図１に示すように、本実施の形態の電圧制御システム１０は、配電系統の配電線１に設置された複数のＳＶＲ２と、ＳＶＲ２を制御する電圧制御装置３とで構成されている。配電線１には、配電用変電所に設けられたＬＲＴ４から電力が送られている。配電系統の目標電圧は、例えば６６００Ｖに設定されている。ＳＶＲ２は、タップと組み合わされたＬＤＣを有している。配電線１には、複数の負荷５が接続されている。複数の負荷５としては、電力を消費する負荷だけでなく電力を供給する負荷も含まれている。電力を消費する負荷としては、例えば工場、一般住宅、電気自動車用の急速充電器などがある。電力を供給する負荷としては、例えば蓄電池、太陽光発電など再生可能エネルギーを利用した電源などがある。また、配電線１には、複数のセンサ内蔵型開閉器６が設置されている。センサ内蔵型開閉器６は、設置された位置の配電線１の電圧を電圧制御装置３に送信する。

【0013】

図２は、本実施の形態に係る電圧制御装置３の模式図である。図２に示すように、本実施の形態の電圧制御装置３は、データ入力部３１、整定値計算部３２、制御方式判定部３３および制御方式変更指令部３４を有している。データ入力部３１には、外部のデータベース７から必要なデータが入力される。外部のデータベース７は、負荷データベース７１および系統データベース７２を有している。

【0014】

負荷データベース７１には、配電線１に接続されている負荷５に関するデータが保存されている。負荷データベース７１に保存されているデータとしては、例えば負荷が工場であれば１週間の時間毎の消費電力などであり、負荷が太陽光発電であれば天気に応じた発電電力などである。系統データベース７２には、配電線インピーダンス、配電系統トポロジー、ＬＲＴ４、ＳＶＲ２およびセンサ内蔵型開閉器６から送られてくる計測情報、ＳＶＲ２のタップ幅など仕様、設定されているＬＤＣの整定値などが保存されている。

【0015】

データ入力部３１は、データベース７から必要なデータを入手する。データ入力部３１は、データベース７から入手したデータを整定値計算部３２に出力する。整定値計算部３２は、データ入力部３１から入力されたデータに基づいて、ＬＤＣの整定値を算出する。ここで、ＬＤＣの整定値とは、基準電圧、ＬＤＣの抵抗値およびリアクタンス値である。制御方式変更指令部３４が整定値計算部３２により計算されたＬＤＣの整定値をＳＶＲ２へ指令した場合、ＬＤＣの整定値を受信したＳＶＲ２は、常時計測している送り出し電圧および通過電流と抵抗値およびリアクタンス値とから負荷中心点の電圧を推定し、負荷中心点の電圧が基準電圧に近づくように送り出し電圧を制御する。

【0016】

図３は、本実施の形態における整定値設定方式の電圧を示す説明図である。図３において、横軸は２つのＳＶＲ２間の配電線の位置、縦軸は配電線の電圧である。図３において、実線は理想の送り出し電圧による電圧分布である。ここで、理想の送り出し電圧とは、ＳＶＲ２間の電圧降下に対し、電圧上限および下限までの裕度がそれぞれ等しくなる送り出し電圧である。配電線の電圧の許容幅を４００Ｖ、２つのＳＶＲ２の間での最大電圧幅を３００Ｖ、不感帯幅を１９８Ｖ、ＬＤＣ推定誤差を５０Ｖとする。２つのＳＶＲ２の間での最大電圧幅とは、２つのＳＶＲ２の間の配電線１の電圧の最大変動幅である。不感帯幅とは、電圧制御において瞬間的な電圧変動に対して不要な電圧制御動作を行わないよう設けられる電圧であり、通常は目標電圧に対して±１．５％に設定されている。本実施の形態では、配電系統の目標電圧を６６００Ｖとしているので、不感帯幅は１９８Ｖとなる。ＬＤＣ推定誤差とは、理想の送り出し電圧とＬＤＣによって計算された送り出し電圧との誤差であり、２つのＳＶＲ２間の設置された負荷５などの条件によって決まる。

【0017】

図３に示すように、２つのＳＶＲ２の間での最大電圧幅が３００Ｖの場合、不感帯幅およびＬＤＣ推定誤差を考慮すると、整定値計算部３２で設定された送り出し電圧では配電線の電圧の許容範囲を逸脱する可能性がある。制御方式判定部３３は、整定値計算部３２で推定された理論上の送り出し電圧に対して不感帯幅を加えた電圧が配電線の電圧の許容範囲を逸脱するか否かを判定する。制御方式変更指令部３４は、制御方式判定部３３において整定値計算部３２で推定された理論上の送り出し電圧では配電線の電圧の許容範囲を逸脱すると判定された場合には、電圧の制御方式を整定値設定方式からタップ直接制御方式に変更することをＳＶＲ２に指令する。なお、制御方式判定部３３は、整定値計算部３２で推定された理論上の送り出し電圧では配電線の電圧の許容範囲を逸脱しないと判定した場合は、整定値計算部３２で算出された整定値である基準電圧、ＬＤＣの抵抗値およびリアクタンス値をＳＶＲ２に通知する。

【0018】

図４は、本実施の形態におけるタップ直接制御方式の電圧を示す説明図である。図４において、横軸は２つのＳＶＲ２間の配電線の位置、縦軸は配電線の電圧である。図４において、実線は理論上の送り出し電圧による電圧分布である。電圧制御装置３は、ＳＶＲ２にタップ直接制御方式に変更することを指令した場合は、複数のセンサ内蔵型開閉器６で検知された配電線１の電圧に基づいてＳＶＲ２のタップを直接制御する。図４に示すように、タップの刻み幅を例えば１００Ｖとした場合、整定値計算部３２で推定された理論上の送り出し電圧に対してＳＶＲ２はタップ刻み幅の±１００Ｖの幅で電圧を設定することができる。このように制御することで配電線の電圧が許容範囲を逸脱することを防ぐことができる。

【0019】

図５は、本実施の形態における電圧制御方法の手順を示すフローチャートである。電圧制御装置３の整定値計算部３２は、ステップＳ１において、電圧制御の運用期間を設定する。運用期間としては、例えば３０分単位、時間単位、日単位、週単位、月単位、年単位などである。また、整定値計算部３２は、運用期間に応じて時刻断面に分割する分割時間を設定する機能を有していてもよい。分割時間としては、例えば１分、１０分などである。次に、整定値計算部３２は、ステップＳ２において、任意の整定値を設定する。ここで、整定値は、基準電圧、ＬＤＣの抵抗値およびリアクタンス値である。なお、ステップＳ２で設定される整定値は任意ではあるが、データ入力部３１に入力されたデータに基づいて決定される。次に、整定値計算部３２は、ステップＳ３において、各時刻断面において、理論上の送り出し電圧Ｖ_ｓを算出する。Ｖ_ｓは次の（１）式で計算される。

【0020】

Ｖ_ｓ＝Ｖ_ｒｅｆ＋（Ｒ×ｉｒ_ｔ＋Ｘ×ｉｉ_ｔ） （１）

【0021】

ここで、Ｖ_ｒｅｆは、基準電圧すなわち系統の目標電圧である。ＲおよびＸは、それぞれＬＤＣの抵抗値およびリアクタンス値である。また、ｉｒ_ｔおよびｉｉ_ｔは、それぞれ時刻断面ｔにおける通過電流の実部および虚部である。

【0022】

ここで、ＳＶＲ間に接続された負荷の数をＮとし、ｎをそれぞれの負荷に対応する１からＮまでの任意の整数とする。次に、制御方式判定部３３は、ステップＳ４において、各時刻断面における理論上の送り出し電圧Ｖ_ｓに各負荷までの電圧変化幅ΔＶｎ_ｔと不感帯幅とを加えた判定電圧Ｖｎ_ａを算出する。図６は、本実施の形態の制御方式判定部３３における計算例を示す説明図である。図６に示す例では、時刻断面は１分間隔である。ｉｒ_ｔおよびｉｉ_ｔは、各時刻断面で変化する。また、ＳＶＲ間の最大電圧幅Ｖ_ｓｔも各時刻断面で変化する。Ｖ_ｒｅｆ、ＲおよびＸは、各時刻断面で一定とする。なお、図６には示していないが、不感帯幅も各時刻断面で一定である。次に、制御方式判定部３３は、ステップＳ５において、全時刻断面において、判定電圧Ｖｎ_ａが配線電圧の上限または下限を超過するか否かを判定する。

【0023】

ステップＳ５において全時刻断面における判定電圧Ｖｎ_ａが配線電圧の上限または下限を超過しないと判定された場合（ＮＯ）、制御方式判定部３３は、ステップＳ６において、電圧制御方法として整定値設定方式を選択する。一方、ステップＳ５において全時刻断面における判定電圧Ｖｎ_ａが配線電圧の上限または下限を超過すると判定された場合（ＹＥＳ）、制御方式判定部３３は、ステップＳ７において、電圧制御方法としてタップ直接制御方式を選択する。ステップＳ７において、電圧制御方法としてタップ直接制御方式が選択されたときは、制御方式変更指令部３４は、電圧制御方法を整定値設定方式からタップ直接制御方式に変更するようにＳＶＲ２に指令する。

【0024】

このように構成された電圧制御装置においては、整定値設定方式で推定される配電線の電圧が許容範囲を逸脱する場合でも、電圧制御方法を整定値設定方式からより大きい電圧変動にも対応できるタップ直接制御方式に変更することができるので、新たにＳＶＲを増設する必要がない。なお、タップ直接制御方式は、整定値設定方式に比べて通信量が多い。本実施の形態の電圧制御装置は、整定値設定方式で推定される配電線の電圧が許容範囲を逸脱しない場合は、通信量の少ない整定値設定方式で配線電圧を制御し、整定値設定方式で推定される配電線の電圧が許容範囲を逸脱した場合のみタップ直接制御方式に変更しているので、通信量の増加も最小限に抑えることができる。さらに、配電線に接続される負荷が増加するなどの系統条件の変化に応じて適切な電圧制御方式に切り替えることができるので、新たにＳＶＲを増設することなく電圧の許容範囲の逸脱を回避することができる。

【0025】

なお、整定値計算部３２における整定値の初期値は、過去の実績データ、予測値などでもよい。また、判定電圧を算出するときに不感帯幅を加えているが、それ以外に三相不平衡誤差、計測誤差などを加えてもよい。

【0026】

実施の形態２．
実施の形態２に係る電圧制御装置の構成は、実施の形態１の電圧制御装置の構成と同じである。本実施の形態の電圧制御装置においては、制御方式判定部の動作が実施の形態１と異なっている。

【0027】

図７は、本実施の形態における電圧制御方法の手順を示すフローチャートである。図７に示すフローチャートにおいて、ステップＳ１からステップＳ６までの電圧制御装置の動作は実施の形態１と同じであるため、その説明を省略する。

【0028】

ステップＳ５において全時刻断面において判定電圧Ｖｎ_ａが配線電圧の上限または下限を超過すると判断された場合（ＹＥＳ）、制御方式判定部３３は、ステップＳ８に進む。制御方式判定部３３は、ステップＳ８において、全時刻断面においてＶｎ_ａが配線電圧の上限または下限を超過しないように新たな整定値を探索するか否かを判断する。ステップＳ８において新たな整定値を探索しないと判断された場合（ＮＯ）、制御方式判定部３３は、ステップＳ７において、電圧制御方法としてタップ直接制御方式を選択する。一方、ステップＳ８において新たな整定値を探索すると判断された場合（ＹＥＳ）、制御方式判定部３３は、ステップＳ９において、新たな整定値を設定して整定値計算部３２へ送る。ここで、新たな整定値の決定方法としては、例えば、最適化問題として定式化し、線形計画法、タブーサーチなどのメタヒューリスティックのような探索ロジックを用いる方法を採用することができる。また、ステップＳ８の新たな整定値を探索しない条件としては、探索回数があらかじめ決められた上限回数に到達した場合、整定値を更新してもＶｎａの上限または下限からの最大違反量が決められた回数以上連続で改善しなかった場合などが考えられる。なお、新たな整定値の決定方法および新た整定値の探索条件は、これらの方法に限定されない。整定値計算部３２は、ステップＳ３において、新たな整定値を用いて各時刻断面における理論上の送り出し電圧Ｖ_ｓを再度算出する。

【0029】

このように構成された電圧制御装置においては、可能な限り整定値設定方式を用いて電圧制御を行うことができるので、通信量の増加をさらに抑えることができる。

【0030】

実施の形態３．
図８は、実施の形態３に係る電圧制御装置の模式図である。本実施の形態に係る電圧制御装置の構成は、実施の形態１の電圧制御装置の構成から整定値計算部を除き、計測データ収集部３５が追加されたものである。計測データ収集部３５は、センサ内蔵型開閉器６で計測された配電線１の電圧値をリアルタイムまたはある一定の時間間隔毎に収集する。データ入力部３１は、計測データ収集部３５で収集された配電線１の電圧値をデータベース７から入力されたデータに加えて制御方式判定部３３出力する。

【0031】

制御方式判定部３３で電圧制御方式を選択する手順は、実施の形態１または実施の形態２と同様である。

【0032】

このように構成された電圧制御装置においては、リアルタイムまたはある一定の時間間隔毎の実際の配電線の電圧に基づいて電圧制御方式を選択しているので、配電線に想定外の電圧変動が発生した場合でも配線電圧の上限または下限を超過することを防ぐことができる。

【0033】

なお、本実施の形態において、計測データ収集部３５が収集する配電線の電圧はセンサ内蔵型開閉器６で計測されている。配電線の電圧の計測には必ずしもセンサ内蔵型開閉器を用いる必要はなく、安価な電圧センサなどを用いてもよい。

【0034】

実施の形態１から３に係る電圧制御装置３は、ハードウェアの一例を図９に示すように、プロセッサ１００と記憶装置１０１から構成される。記憶装置１０１は、図示していないが、ランダムアクセスメモリなどの揮発性記憶装置と、フラッシュメモリなどの不揮発性の補助記憶装置とを具備する。また、フラッシュメモリの代わりにハードディスクの補助記憶装置を具備してもよい。プロセッサ１００は、記憶装置１０１から入力されたプログラムを実行する。この場合、補助記憶装置から揮発性記憶装置を介してプロセッサ１００にプログラムが入力される。また、プロセッサ１００は、演算結果などのデータを記憶装置１０１の揮発性記憶装置に出力してもよいし、揮発性記憶装置を介して補助記憶装置にデータを保存してもよい。

【0035】

本願は、様々な例示的な実施の形態が記載されているが、１つまたは複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、および機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
したがって、例示されていない無数の変形例が、本願に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

【符号の説明】

【0036】

１ 配電線、２ ＳＶＲ、３ 電圧制御装置、４ ＬＲＴ、５ 負荷、６ センサ内蔵型開閉器、７ データベース、１０ 電圧制御システム、３１ データ入力部、３２ 整定値計算部、３３ 制御方式判定部、３４ 制御方式変更指令部、３５ 計測データ収集部、７１ 負荷データベース、７２ 系統データベース、１００ プロセッサ、１０１ 記憶装置。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】