位相識別システム及び方法
【課題】配電網の電力線の線位相を識別する。
【解決手段】位相識別システムは、配電所１２と位相検知装置とを含む。配電所１２は、配電所１２の３つの位相電圧信号の少なくとも１つの既知の調波周波数の電圧歪みを生成する、位相歪み装置を含んでいる。この位相検知は、歪んだ３つの位相電圧信号少なくとも１つを受信して、受信した電圧信号の位相を識別するように構成されている。位相検知装置は、受信した電圧信号の移相電圧信号を生成する遅延回路と、受信した電圧信号と移相電圧信号とを既知の調波周波数基準フレームのｄ−ｑドメイン電圧信号に変換する変換モジュールとを含んでいる。位相検知装置内の位相判定モジュールは、受信した電圧信号の既知の調波周波数の調波の振幅を閾値と比較することによって、受信した電圧信号の位相を判定する。
【解決手段】位相識別システムは、配電所１２と位相検知装置とを含む。配電所１２は、配電所１２の３つの位相電圧信号の少なくとも１つの既知の調波周波数の電圧歪みを生成する、位相歪み装置を含んでいる。この位相検知は、歪んだ３つの位相電圧信号少なくとも１つを受信して、受信した電圧信号の位相を識別するように構成されている。位相検知装置は、受信した電圧信号の移相電圧信号を生成する遅延回路と、受信した電圧信号と移相電圧信号とを既知の調波周波数基準フレームのｄ−ｑドメイン電圧信号に変換する変換モジュールとを含んでいる。位相検知装置内の位相判定モジュールは、受信した電圧信号の既知の調波周波数の調波の振幅を閾値と比較することによって、受信した電圧信号の位相を判定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は概して、三相電力配電網の分野に関する。より具体的には、本発明は三相電力配電網の電力線の位相を識別するシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近の配電システムは、ユーザに三相電圧を供給していることが多い。即ち、電力線は、例えば各々が特定の位相の電圧として指定された複数のコンダクタを含むことがある。更に、配電システムは、電力線の負荷が平衡化されるように（例えば、三相変圧器等の各相の出力から引き出される電力量が等しくなるように）動作するべく、セットアップされることがある。しかし、時間の経過と共に、ユーザが配電網に追加されたり、配電網から除外されたりする結果、位相電流と電圧の流れが不均衡になることがある。即ち、１つの位相の電圧に接続されるユーザが多すぎる一方で、第２の及び／又は第３の位相に接続されるユーザが少なすぎることがある。その結果、既存のインフラの利用が最適ではなくなることがある。このような負荷の不均衡を克服する方法の１つが、例えば顧客を使用の多い電圧位相から使用の少ない電圧位相に移すことによって、負荷の再平衡化を講じることであろう。
【０００３】
しかし、顧客を１つの電圧位相から別の電圧位相に移すには課題がある。顧客が配電網に追加されたり配電網から外されたりすると、或る顧客が接続されている電圧位相の確認は、或る電力線から配電網に至る（通常は現場作業員による）追跡なしでは確認が困難であり、コストがかかる。即ち、負荷の不均衡は遠隔地から検知可能であるが、個々のユーザが接続されている位相は、変電所からそれぞれのユーザの所在地に至る電力線を物理的に追跡しないと容易には判明しない。したがって、様々な所在地で受け取った電圧位相を物理的に判定するために一人又は複数のユーザ所在地に人員を派遣することなく、ユーザが接続されている電圧位相を確認することが有利であろう。更に、負荷の正しい位相を識別することによって、単相と三相の故障を区別することが可能になり、ひいては位相情報による停電管理システムの正確性が得られる。
【０００４】
位相を識別する方法の１つは、モデムと電話回線とを使用して通信リンクを確立することである。電力線の位相が既知である（基準線）配電網のポイントでの位相に関連する信号を、通信リンクを介して、電力線の位相が未知である（テスト中の電力線）配電網のポイントに送信する。別の方法では、通信用に、モデムと電話回線の代わりに無線信号を使用する。しかし、これらの技術はいずれも、効果的に使用するには較正処理と特別の訓練を要する。位相を測定するそれ以外の方法は、位相が既知である変電所と位相が未知である遠隔地での、（通常はＧＰＳを使用する）正確な時刻スタンプ付き測定によるものである。２つの信号の位相差を評価することによって、遠隔地の位相を判定できる。しかし、この方法には、位相を識別するために２つの異なる場所での双方向通信又は情報が必要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第７３７２２４６号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、配電網の電力線の線位相を識別する、改良された装置及び方法の提供が必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一実施形態により、位相識別システムを提供する。本システムは、配電所の三相電圧信号の少なくとも１つの既知の調波周波数の電圧歪みを生成する位相歪み装置を含む配電所を含む。本システムは更に、歪みのある三相電圧信号の１つを受信し、受信した電圧信号の位相を識別するように構成された位相検知装置を含む。位相検出装置は、受信した電圧信号の移相電圧信号を生成する遅延回路と、受信した電圧信号と移相電圧信号とを既知の調波周波数基準フレームのｄ−ｑドメイン電圧信号へと変換する変換モジュールとを含む。位相検知装置は更に、受信した電圧信号の既知の調波周波数の調波の振幅を閾値と比較することによって、受信した電圧信号の位相を判定する位相判定モジュールを含む。
【０００８】
本発明の別の実施形態により、既知の調波周波数を有する配電システムの三相電圧を各々歪ませるステップを含む位相識別方法を提供する。本方法は更に、配電システムから歪みのある３つの位相電圧信号の少なくとも１つを受信するステップと、受信した電圧信号を時間遅延させることによって、受信した電圧信号の移相電圧信号を生成するステップを含む。本方法は更に、受信した電圧信号と移相電圧信号とを既知の調波周波数基準フレームのｄ−ｑドメイン電圧信号へと変換するステップと、受信した電圧信号の既知の調波周波数の調波の振幅を閾値と比較することによって、受信した電圧信号の位相を判定するステップを含む。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態による電力網のブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態による図１の電力網のメータのブロック図である。
【図３】本発明の一実施形態による位相歪み装置を有する電力網の配電所のブロック図である。
【図４】本発明の一実施形態による図３の位相歪み装置の概略図である。
【図５】本発明の一実施形態によるコンバータコントローラのブロック図である。
【図６】位相検知装置のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
全図面を通じて同様の符号で同様の部品を表す添付図面を参照しながら、以下の詳細な説明を読めば、本発明の上記及びその他の特徴、態様、及び利点の理解が深まるであろう。
【００１１】
本発明の様々な実施形態の要素を説明する際、単数名詞は、その要素が１つ又は複数あることを意味する。「備える」、「含む」及び「有する」という用語は、包括的であり、列挙した要素以外にも追加の要素があり得ることを意味する。
【００１２】
本明細書で用いる「モジュール」という用語は、ソフトウエア、ハードウエア、ファームウエア、又はこれらのいずれかの組み合わせ、或いは本明細書に記載のプロセスを実行又は推進する、何らかのシステム、プロセス、又は機能を指す。
【００１３】
図１は、電力網１０のブロック図である。電力網１０は、電力を配電所１２から配電網１６に、例えば１本又は複数本の電力線１４を用いて送電する。配電所１２は、例えば、電力網１０で送電を行うための電圧を生成可能な１つ又は複数の発電機を含む発電所を含む。それに加えて、又はその代わりに、配電所は、１つの電圧から別の電圧に変圧する（例えば、受け取った電圧を１００，０００ボルトから１０，０００ボルト未満に降圧する）ように動作する１つ又は複数の変圧器、及び／又は電力を更に転送する１本又は複数本の配電母線を含む、１つ又は複数の変電所を含み得る。
【００１４】
一実施形態では、電力線１４が、電力を配電所１２から配電網１６に送電する複数の送電経路を含む。例えば、電力線１４は、電圧を３つの位相、例えば位相Ａ、Ｂ、及びＣで送電できる。加えて、電力線１４は、三相電圧を送電する経路の他に中性線を含んでいてもよい。
【００１５】
配電網１６は、三相電圧を複数のユーザに配電し得る。配電網１６は、例えば１つ又は複数のタップ１８を含む。１つ又は複数のタップは、１本又は複数本の電力線１４を、例えば１人又は複数のユーザが居住する路地に分割するように動作する。したがって、タップ１８は、電圧位相Ａ、Ｂ、及びＣ（「Ａ〜Ｃ」）のうちの１つ又は複数の位相をこの路地のユーザに分割するように動作する。配電網１６は更に、ユーザ用電線２０を含んでいてもよい。ユーザ用電線２０は、電力線１４への直接の接続部として動作する。一実施形態では、各ユーザ用電線２０が、電圧を或るレベルから別のレベルに降圧する変圧器を含む。２つの電圧レベルは、例えば７２００ボルトと２４０ボルトである。なお、各ユーザ用電線２０は、位相Ａ、位相Ｂ、及び位相Ｃの電圧に接続可能である。２４０ボルトの位相Ａ、位相Ｂ、又は位相Ｃの電圧は、回路に接続されたメータ２２Ａ〜２２Ｇを用いてユーザに送電される。
【００１６】
メータ２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ、２２Ｄ、２２Ｅ、２２Ｆ、及び２２Ｇ（「２２Ａ〜２２Ｇ」）は各々が、伝送され、特定のユーザが消費したエネルギの量をモニタするように動作する。一実施形態では、１つ又は複数のメータ２２Ａ〜２２Ｇが、高性能メータインフラ（ＡＭＩ）の一部であり、メータ２２Ａ〜２２Ｇが、（例えば１分ごと又は１時間ごと等の）所定時間での所定量の使用量を測定及び記録し、この測定及び記録された情報を配電所１２に送信する。別の実施形態では、メータ２２Ａ〜２２Ｇが、停電、電圧位相情報、又はその他のインフラ情報等の追加情報を配電所１２に送ってこれを評価する。
【００１７】
図２は、メータ２２Ａ〜２２Ｇのいずれかを表すメータ２２のブロック図を示す。図示のように、メータ２２は、センサ２４、信号変換回路２６、１つ又は複数のプロセッサ２８、記憶装置３０、及び通信回路３２を含む。センサ２４、信号変換回路２６、１つ又は複数のプロセッサ２８、記憶装置３０、及び通信回路３２が連係することにより、メータ２２が受信する電圧の位相を示す信号の判定及び送信をメータ２２で行える。このように、メータ２２は位相検知装置として動作する。一実施形態では、メータ２２を電力が使用される場所に物理的に取り付ける。それに加えて、又はその代わりに、位相検知装置は携帯型のメータ装置を含み、受信した電圧の位相を示す信号の判定及び／又は送信をこの携帯メータで行ってもよい。一実施形態では、センサ２４が、ユーザ用電線２０から電流及び電圧を受け取ってこれを測定するための電気部品を含む。前述のように、この電圧は３つの位相、即ち位相Ａ、位相Ｂ、及び位相Ｃのいずれかであり、各々が互いに１２０°位相ずれしているものであり得る。センサ２４は、検知した電圧及び／又は電流を信号変換回路２６への信号として送信する。加えて、センサ２４は、メータ２２での電圧信号の歪みを検知する。以下に更に詳細に記載するように、電圧信号の歪みを用いて、メータ２２で受信した電圧位相を判定できる。
【００１８】
信号変換回路２６は、例えばセンサ２４から受信した信号の電圧を、例えば２４０ボルトから約５ボルトに変換する電圧変換回路を含む。加えて、電圧変換回路は、例えばセンサ２４から受信した（電圧信号又は注入信号等の）信号を、１つ又は複数のプロセッサ２８で処理するために、アナログ信号をデジタル信号に変換する少なくとも１つのアナログ−デジタル変換器を含む。
【００１９】
１つ又は複数のプロセッサ２８は、メータ２２の処理能力の少なくとも一部を与える。１つ又は複数のプロセッサ２８は、１つ又は複数の「汎用」マイクロプロセッサ、１つ又は複数の専用マイクロプロセッサ、及び／又はＡＳＩＣ、又はこのような処理コンポーネントの何らかの組み合わせ等、１つ又は複数のマイクロプロセッサから成る。加えて、１つ又は複数のプロセッサ２８が実行するプログラム又は命令は、実行命令又はルーチンを少なくとも集合的に格納する、下記の記憶装置を含むがそれに限定されない１つ又は複数の実体的な、コンピュータ読取可能な媒体を含む、いずれかの適当な媒体に格納される。このように、メータ２２は、例えば電圧信号の歪み等に基づいてメータ２２で受け取った電圧の位相の判定を含む様々な機能をメータ２２で行えるようにする、１つ又は複数のプロセッサ２８が実行する命令を含む（記憶装置３０等の）コンピュータプログラム製品でエンコードされるプログラムを含む。
【００２０】
１つ又は複数のプロセッサ２８で処理される命令及び／又はデータは、記憶装置３０等のコンピュータ読取可能媒体に格納される。記憶装置３０には、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）等の揮発性メモリ、及び／又は読出し専用メモリ（ＲＯＭ）等の不揮発性メモリが含まれる。一実施形態では、記憶装置３０は、（メータ２２で実行可能な様々なプログラム、アプリケーション、又はルーチン等の）メータ２２のファームウエアを格納する。加えて、記憶装置３０を使用して、メータ２２の動作中にバッファリング又はキャッシングを行える。記憶装置３０には、例えばフラッシュメモリ、ハードドライブ、又はその他の光学、磁気、及び／又はソリッドステートの媒体が含まれる。更に、記憶装置３０を使用して、通信回路３２を用いて最終的に送信される情報を格納できる。格納する情報には、後に、例えば電力会社によるメータの読取り中に使用できる位相情報が含まれる。
【００２１】
通信回路３２を使用して、メータ２２から例えば配電所１２（図１）に情報を送信できる。情報には、例えばメータ２２で受信する電圧の位相を示す１つ又は複数の信号、メータ２２での電圧使用量、及び／又はメータ２２の動作に関するその他の情報が含まれる。したがって、通信回路３２には、例えば配電所１２及び／又はその他のメータ（例えば２２Ａ〜２２Ｇ）との間で情報を送受信するトランシーバが含まれる。或いは、通信回路３２は、例えば配電所１２及び／又はその他のメータに情報を送信できるが、情報の受信は行わない送信機を含み得る。通信回路３２は更に、情報をワイヤレスで送受信する、ワイヤレス送信要素及び／又はトランシーバ要素を含み得る。それに加えて、及び／又はその代わりに、通信回路３２を、例えば有線通信モード、電力線搬送通信（ＰＬＣ）回線を介して配電所１２に物理的に結合してもよい。送信媒体にかかわらず、メータ２２は、通信回路３２を使用することによって、メータ２２で受信する電圧の位相を含む、収集された情報を送信できる。
【００２２】
図３は、メータ２２と一緒に使用して、或るユーザに供給される電圧の位相を判定する位相歪み装置７２を有する、配電所７０のブロック図である。配電所７０は、電力線１３で三相電圧を伝送するように動作可能であり、線３６で位相Ａの電圧を伝送し、線３８で位相Ｂの電圧を伝送し、線４０で位相Ｃの電圧を伝送する。なお、線３６、３８、４０の位相Ａ、位相Ｂ、位相Ｃの符号を付した位相線は、例示目的によるものにすぎない。一実施形態では、位相歪み装置７２は、いずれか１つの位相から調波電流を引き出し、配電網１６の負荷ポイントで位相電圧信号を歪ませるように構成された、分巻電流回路を含む。調波電流が位相から引き出されると、送電線の両端間に調波電圧降下が生じ、結果としてその位相の電力線の電圧信号に歪みが生じる。なお、図３には１つの位相歪み装置７２だけを示しているが、実施形態によっては、各々の位相が別個の位相歪み装置７２（即ち、３つの位相用の３つの位相歪み装置）を有する。
【００２３】
電力線電圧信号をコマンド又はスケジュールで歪ませることができる。例えば、電力会社が、送電網にみられる不均衡の量に応じて歪みを生じさせてもよい。それに加えて、又はその代わりに、例えば毎日特定の時間等に生じる一定の周波数で歪みが生じるように設定できる。特定の位相又は電力線で歪んだ位相電圧は次いで、例えば特定の電力線、例えば３６、３８、又は４０を用いて伝送されて配電網１６のメータ２２に到達し、メータ２２がこの歪みを識別し、受信した歪みの特性に応じて位相を識別する。一実施形態では、メータ２２で更に、識別した位相情報を配電所１２（図１）に送信できる。
【００２４】
図４は、本発明の実施形態による図３の位相歪み装置７２の概略図である。位相歪み装置は、電力線７４から調波電流を引き出すように構成され、結合変圧器８０、単相ＤＣ−ＡＣコンバータ８２、及び単相ＤＣ−ＡＣコンバータ８２に切換信号を供給するパルス幅変調（ＰＷＭ）発電機８４を含む。結合変圧器８０は、電力線の電圧を単相ＤＣ−ＡＣコンバータ８２の出力と整合させ、且つ電力線と単相ＤＣ−ＡＣコンバータ８２とを絶縁する。単相ＤＣ−ＡＣコンバータ８２は、ＤＣリンク８６と半導体スイッチ８８とを含む。結合変圧器８０の一次巻線７６が、電力線７４に分巻接続される（即ち、一次巻線７６が、電力線７４とアース接続部７５との間に接続される）。結合変圧器８０の二次巻線８７が、単相ＤＣ−ＡＣコンバータ８２の出力の両端間に接続される。ＰＷＭ発電機８４は、コンバータコントローラ１００が生成する基準電圧信号Ｖrefに基づいて、単相ＤＣ−ＡＣコンバータ８２に切換信号を供給する。基準電圧は、単相ＤＣ−ＡＣコンバータ８２が要する有効電力の量と、電圧歪みに対する調波電流の要件とに基づいて決まる。単相ＤＣ−ＡＣコンバータ８２が要する有効電力は、コンバータの損失のサポートとＤＣリンク８６の電圧維持のために使用される。
【００２５】
一実施形態では、異なる３つの調波周波数を異なる３つの相から引き出し、得られた電圧歪みを負荷ポイント（図示せず）でメータ２２によって解析する。次いで、電圧歪みの解析によって、負荷が接続されている電力線の位相を判定できる。電圧歪みを解析する方法は多数あるが、以下の段落ではその１つについて説明する。
【００２６】
図５は、本発明の一実施形態によるコンバータコントローラ１００のブロック図である。コンバータコントローラ１００は、電力線から引き出される必要な調波電流に基づいて、図４のＤＣ−ＡＣコンバータ８２用の基準電圧を生成する。コンバータコントローラ１００は、電流ｉc、線間電圧Ｖc、及びＤＣリンク電圧Ｖdcを入力として受け付け、基準電圧信号Ｖrefを出力として供給する。電流ｉcは、電力線７４からＤＣ−ＡＣコンバータ８２によって引き出される実電流であり、電圧Ｖcは、電力線７４の電圧である。基準信号ｉref及びＶdcrefは、システムオペレータによって決定される。基準電流ｉrefは、電力線から引き出す必要がある調波電流（例えば第８、第９、第１０調波等）であり、基準電圧Ｖdcrefは、ＤＣ−ＡＣコンバータ８２用に維持が必要なＤＣリンク電圧である。基準電流ｉrefは、第１のシフターモジュール１０２によって９０°移相され、次いで基準電流と移相電流とが、第１のα−βからｄ−ｑへのドメイン変換モジュール１０４によってｄ−ｑ成分ｉdref及びｉqrefに変換される。当業者には明らかなように、α−βからｄ−ｑへのドメイン変換モジュール１０４は、入力された位相信号に基づいて１つの基準フレームから別の基準フレームへと電圧信号を変換する変換マトリクスを含んでいてもよい。一実施形態では、変換マトリクスは下記の通りである。
【００２７】
【数１】
ωはラジアン／秒単位の周波数であり、ｔは秒単位の時間である。
【００２８】
第１のα−βからｄ−ｑへのドメイン変換モジュール１０４は、のこぎり波発生器モジュール１０６からの位相信号としてのこぎり波信号を受信し、基準電流をｄ−ｑ基準電流ｉdref及びｉqrefに変換する。のこぎり波信号は、基準電流信号と同期され、その周波数は基準電流信号の周波数、即ち調波周波数と同一である。
【００２９】
ＤＣ−ＡＣコンバータ８２により引き出される実電流ｉcも、第２の位相シフターモジュール１０８及び第２のα−βからｄ−ｑへのドメイン変換手段又はマトリクス１１０によって、測定されたｄ−ｑドメイン電流ｉcd及びｉcqに変換される。次いで、ｄ−ｑドメイン基準電流ｉdref及びｉqrefと測定されたｄ−ｑドメイン電流ｉcd及びｉcqとの差を表す誤差信号ｉderror及びｉqerrorが、２つの比例積分（ＰＩ）コントローラ１１２、１１４に送られて、ｄ−ｑドメイン基準電圧信号Ｖdref及びＶqrefが生成される。ＰＩコントローラ１１２、１１４は基本的に、実電流と基準電流との差を補償するために、ＤＣ−ＡＣコンバータ８２によって生成されるべき適当な電圧信号を生成する。次いで、ｄ−ｑからα−βへのドメイン変換モジュール１１６は、基準電圧Ｖrefの第１の部分、即ち調波部分Ｖarefを生成し、電力線から基準電流又は調波電流ｉrefを引き出す。ｄ−ｑからα−βへのドメイン変換モジュールは、方程式１の逆変換マトリクスに等しい、逆変換マトリクスを含み得る。
【００３０】
基準電圧Ｖrefの第２の部分、即ち基本の部分Ｖbrefが、ＤＣ−ＡＣコンバータ８２と電力線との間の有効電力の流れを制御するＤＣリンク電圧ループ１１８によって生成される。電圧ループ１１８は、基準ＤＣリンク電圧Ｖdcrefと実際のＤＣリンク電圧Ｖdcとの誤差Ｖdcerrorを、第３のＰＩコントローラ１２０を用いて位相角δへと変換する。位相角δは、正弦波モジュール１２４が生成する正弦波が線間電圧Ｖcに対して遅延する遅延角を表しており、基準ＤＣリンク電圧Ｖdcrefに等しいＤＣリンク電圧Ｖdcを保つために望ましい量の有効電力が引き出される。θ生成モジュール１２２は、線間電圧Ｖcの位相θを決定し、正弦モジュール１２４は、位相角δとθとを用いて基準電圧Ｖrefの第２の部分Ｖbrefを表す適宜の正弦波形を生成する。次いで、ＶarefとＶbrefとを加算して、ＤＣ−ＡＣコンバータ８２用の基準電圧Ｖrefが生成される。
【００３１】
図６は、本発明の実施形態による、歪み波電圧に基づいてユーザの所在地での電力線の位相を判定する位相検知装置１４０のブロック図である。例えば、異なる３つの調波周波数の異なる３つの電流を３本の電力線から引き出すと、電圧歪みが生じる。次いで各々の電力線内の位相検知装置１４０が電力線内の特定の調波電圧の振幅を計算し、計算された振幅がそれぞれの閾値を上回る場合は、受信した電圧又は電力線の位相（即ち位相Ａ、位相Ｂ、又は位相Ｃ）を判定する。位相検知装置１４０は、図３のメータ２２内で使用され、電圧を歪ませる方法にかかわらず、電力線の位相を判定できる。このように、電圧を歪ませる方法には、前述のように、直列調波電圧を電力線に注入する方法、又は電力線から調波電流を引き出す方法が含まれる。
【００３２】
位相検知装置１４０は、入力信号Ｖα及び遅延入力信号Ｖβをｄ−ｑドメイン信号Ｖd及びＶqに変換するドメイン変換モジュール１４２を含む。遅延入力信号Ｖβは、遅延モジュール１４４によって生成される。一実施形態では、遅延モジュールが、調波周波数の１／４又は９０°に等しい遅延角、即ち周波数が６００Ｈｚの場合は０．００６６６秒だけ入力信号Ｖαを遅延させる。なお、この遅延角の値９０°は典型的な例にすぎず、個々の実施形態では、遅延角の値が位相検知装置１４０のサンプリング周波数に依存し、９０°とは異なっていてもよい。ドメイン変換マトリクスは、調波角生成モジュール１４６からの調波周波数を表すのこぎり波信号を用いて、ｄ−ｑドメイン信号Ｖd及びＶqを生成する。調波周波数は、３本の電力線から引き出される３つの調波電流のうち１つの周波数に等しい。したがって、のこぎり波信号の周波数を２〜３回変更して、電力線がどの位相に属するかを検知できる。例えば、各位相の注入された電圧の調波周波数は既知であり、位相検知装置に格納されている。電力線の１つで特定の調波電圧信号の振幅が閾値を超えている場合は、その調波歪みが存在することを示し、次いで、位相検知装置に格納された調波周波数の情報に基づいて、この電力線の位相を容易に識別できる。
【００３３】
次いで、ドメイン変換マトリクス１４２からのｄ−ｑドメイン電圧信号Ｖd及びＶqをローパスフィルタ１４８、１５０にかけて、任意の基本調波信号又はそれよりも高い調波信号を除去し、ｄ−ｑドメイン調波信号Ｖdf及びＶqfを生成する。当業者には明らかなように、ローパスフィルタ１４８、１５０は、アナログドメイン又はデジタルドメインで実装可能である。一実施形態のローパスフィルタの伝達関数Ｇ（ｓ）は、下記の通りである。
【００３４】
【数２】
Ｋ、ａ1、ａ2は定数であり、ωcはローパスフィルタのカットオフ周波数である。一実施形態では、ローパスフィルタのカットオフ周波数ωcが基本周波数よりも低く、出力信号が実質的に一定の値になるように決定される。次いで、調波電圧信号の振幅が、ｄ−ｑドメイン調波信号α及びβの二乗値の和の平方根を特定する振幅計算モジュール１５２によって決定される。一実施形態では、振幅計算モジュール１５２の計算の複雑さを軽減するために、最初にｄ−ｑドメイン調波信号α及びβの絶対値を特定した後で、この絶対値を加算して調波信号の振幅を求める。
【００３５】
一実施形態では、位相判定モジュール１５４が、調波信号の振幅を閾値と比較する。振幅が閾値を超える場合は、位相判定モジュール１５４が、調波電流が位相から引き出されたと識別する。各々の電力線について、異なる周波数の調波電流が電力線から引き出される。一実施形態では、各位相の周波数が固定され、更に位相判定モジュール１５４に格納されている。したがって、その位相の位相判定モジュール１５４がそれぞれの調波信号の存在を検知すると、位相判定モジュール１５４はその電力線の位相を識別する。位相を判定する別の方法には、調波信号の振幅が閾値を超える時間を比較する方法、又は調波信号の振幅が閾値を超える瞬間の数を比較する方法が含まれる。
【００３６】
本明細書では、本発明の一部の特徴のみを図示及び記述したが、当業者には多くの修正及び変更が想到されよう。したがって、添付の特許請求の範囲は、このような変更及び修正の全てを、本発明の概念に含まれるものとして包含することを意図している。
【符号の説明】
【００３７】
１０ 電力網
１２ 配電所
１４ 電力線
１６ 配電網
１８ 電力線タップ
２０ ユーザ用電線
２２Ａ〜２２Ｇ メータ
２４ センサ
２６ 信号変換回路
２８ プロセッサ
３０ 記憶装置
３２ 通信回路
３６、３８、４０ 電力線
７０ 位相歪み装置及びメータを有する配電所
７２ 位相歪み装置
７４ 電力線
７５ アース接続部
７６ 一次巻線
８０ 結合変圧器
８２ 単相ＤＣ−ＡＣコンバータ
８４ パルス幅変調（ＰＷＭ）発電機
８６ ＤＣリンク
８７ 二次巻線
８８ 半導体スイッチ
１００ コンバータコントローラ
１０２ 第１のシフターモジュール
１０４ α−βからｄ−ｑドメインへの変換モジュール
１０６ のこぎり波発生モジュール
１０８ シフターモジュール
１１０ α−βからｄ−ｑへのドメイン変換手段又はマトリクス
１１２、１１４ 比例積分（ＰＩ）コントローラ
１１６ ｄ−ｑからα−βへのドメイン変換マトリクス
１１８ ＤＣリンク電圧ループ
１２０ ＰＩコントローラ
１２２ θ生成モジュール
１２４ 正弦波モジュール
１４０ 位相検知装置
１４２ ドメイン変換モジュール
１４４ 遅延モジュール
１４６ 調波角生成モジュール
１４８、１５０ ローパスフィルタ
１５２ 振幅計算モジュール
１５４ 位相判定モジュール
【技術分野】
【０００１】
本発明は概して、三相電力配電網の分野に関する。より具体的には、本発明は三相電力配電網の電力線の位相を識別するシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近の配電システムは、ユーザに三相電圧を供給していることが多い。即ち、電力線は、例えば各々が特定の位相の電圧として指定された複数のコンダクタを含むことがある。更に、配電システムは、電力線の負荷が平衡化されるように（例えば、三相変圧器等の各相の出力から引き出される電力量が等しくなるように）動作するべく、セットアップされることがある。しかし、時間の経過と共に、ユーザが配電網に追加されたり、配電網から除外されたりする結果、位相電流と電圧の流れが不均衡になることがある。即ち、１つの位相の電圧に接続されるユーザが多すぎる一方で、第２の及び／又は第３の位相に接続されるユーザが少なすぎることがある。その結果、既存のインフラの利用が最適ではなくなることがある。このような負荷の不均衡を克服する方法の１つが、例えば顧客を使用の多い電圧位相から使用の少ない電圧位相に移すことによって、負荷の再平衡化を講じることであろう。
【０００３】
しかし、顧客を１つの電圧位相から別の電圧位相に移すには課題がある。顧客が配電網に追加されたり配電網から外されたりすると、或る顧客が接続されている電圧位相の確認は、或る電力線から配電網に至る（通常は現場作業員による）追跡なしでは確認が困難であり、コストがかかる。即ち、負荷の不均衡は遠隔地から検知可能であるが、個々のユーザが接続されている位相は、変電所からそれぞれのユーザの所在地に至る電力線を物理的に追跡しないと容易には判明しない。したがって、様々な所在地で受け取った電圧位相を物理的に判定するために一人又は複数のユーザ所在地に人員を派遣することなく、ユーザが接続されている電圧位相を確認することが有利であろう。更に、負荷の正しい位相を識別することによって、単相と三相の故障を区別することが可能になり、ひいては位相情報による停電管理システムの正確性が得られる。
【０００４】
位相を識別する方法の１つは、モデムと電話回線とを使用して通信リンクを確立することである。電力線の位相が既知である（基準線）配電網のポイントでの位相に関連する信号を、通信リンクを介して、電力線の位相が未知である（テスト中の電力線）配電網のポイントに送信する。別の方法では、通信用に、モデムと電話回線の代わりに無線信号を使用する。しかし、これらの技術はいずれも、効果的に使用するには較正処理と特別の訓練を要する。位相を測定するそれ以外の方法は、位相が既知である変電所と位相が未知である遠隔地での、（通常はＧＰＳを使用する）正確な時刻スタンプ付き測定によるものである。２つの信号の位相差を評価することによって、遠隔地の位相を判定できる。しかし、この方法には、位相を識別するために２つの異なる場所での双方向通信又は情報が必要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第７３７２２４６号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、配電網の電力線の線位相を識別する、改良された装置及び方法の提供が必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一実施形態により、位相識別システムを提供する。本システムは、配電所の三相電圧信号の少なくとも１つの既知の調波周波数の電圧歪みを生成する位相歪み装置を含む配電所を含む。本システムは更に、歪みのある三相電圧信号の１つを受信し、受信した電圧信号の位相を識別するように構成された位相検知装置を含む。位相検出装置は、受信した電圧信号の移相電圧信号を生成する遅延回路と、受信した電圧信号と移相電圧信号とを既知の調波周波数基準フレームのｄ−ｑドメイン電圧信号へと変換する変換モジュールとを含む。位相検知装置は更に、受信した電圧信号の既知の調波周波数の調波の振幅を閾値と比較することによって、受信した電圧信号の位相を判定する位相判定モジュールを含む。
【０００８】
本発明の別の実施形態により、既知の調波周波数を有する配電システムの三相電圧を各々歪ませるステップを含む位相識別方法を提供する。本方法は更に、配電システムから歪みのある３つの位相電圧信号の少なくとも１つを受信するステップと、受信した電圧信号を時間遅延させることによって、受信した電圧信号の移相電圧信号を生成するステップを含む。本方法は更に、受信した電圧信号と移相電圧信号とを既知の調波周波数基準フレームのｄ−ｑドメイン電圧信号へと変換するステップと、受信した電圧信号の既知の調波周波数の調波の振幅を閾値と比較することによって、受信した電圧信号の位相を判定するステップを含む。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態による電力網のブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態による図１の電力網のメータのブロック図である。
【図３】本発明の一実施形態による位相歪み装置を有する電力網の配電所のブロック図である。
【図４】本発明の一実施形態による図３の位相歪み装置の概略図である。
【図５】本発明の一実施形態によるコンバータコントローラのブロック図である。
【図６】位相検知装置のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
全図面を通じて同様の符号で同様の部品を表す添付図面を参照しながら、以下の詳細な説明を読めば、本発明の上記及びその他の特徴、態様、及び利点の理解が深まるであろう。
【００１１】
本発明の様々な実施形態の要素を説明する際、単数名詞は、その要素が１つ又は複数あることを意味する。「備える」、「含む」及び「有する」という用語は、包括的であり、列挙した要素以外にも追加の要素があり得ることを意味する。
【００１２】
本明細書で用いる「モジュール」という用語は、ソフトウエア、ハードウエア、ファームウエア、又はこれらのいずれかの組み合わせ、或いは本明細書に記載のプロセスを実行又は推進する、何らかのシステム、プロセス、又は機能を指す。
【００１３】
図１は、電力網１０のブロック図である。電力網１０は、電力を配電所１２から配電網１６に、例えば１本又は複数本の電力線１４を用いて送電する。配電所１２は、例えば、電力網１０で送電を行うための電圧を生成可能な１つ又は複数の発電機を含む発電所を含む。それに加えて、又はその代わりに、配電所は、１つの電圧から別の電圧に変圧する（例えば、受け取った電圧を１００，０００ボルトから１０，０００ボルト未満に降圧する）ように動作する１つ又は複数の変圧器、及び／又は電力を更に転送する１本又は複数本の配電母線を含む、１つ又は複数の変電所を含み得る。
【００１４】
一実施形態では、電力線１４が、電力を配電所１２から配電網１６に送電する複数の送電経路を含む。例えば、電力線１４は、電圧を３つの位相、例えば位相Ａ、Ｂ、及びＣで送電できる。加えて、電力線１４は、三相電圧を送電する経路の他に中性線を含んでいてもよい。
【００１５】
配電網１６は、三相電圧を複数のユーザに配電し得る。配電網１６は、例えば１つ又は複数のタップ１８を含む。１つ又は複数のタップは、１本又は複数本の電力線１４を、例えば１人又は複数のユーザが居住する路地に分割するように動作する。したがって、タップ１８は、電圧位相Ａ、Ｂ、及びＣ（「Ａ〜Ｃ」）のうちの１つ又は複数の位相をこの路地のユーザに分割するように動作する。配電網１６は更に、ユーザ用電線２０を含んでいてもよい。ユーザ用電線２０は、電力線１４への直接の接続部として動作する。一実施形態では、各ユーザ用電線２０が、電圧を或るレベルから別のレベルに降圧する変圧器を含む。２つの電圧レベルは、例えば７２００ボルトと２４０ボルトである。なお、各ユーザ用電線２０は、位相Ａ、位相Ｂ、及び位相Ｃの電圧に接続可能である。２４０ボルトの位相Ａ、位相Ｂ、又は位相Ｃの電圧は、回路に接続されたメータ２２Ａ〜２２Ｇを用いてユーザに送電される。
【００１６】
メータ２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ、２２Ｄ、２２Ｅ、２２Ｆ、及び２２Ｇ（「２２Ａ〜２２Ｇ」）は各々が、伝送され、特定のユーザが消費したエネルギの量をモニタするように動作する。一実施形態では、１つ又は複数のメータ２２Ａ〜２２Ｇが、高性能メータインフラ（ＡＭＩ）の一部であり、メータ２２Ａ〜２２Ｇが、（例えば１分ごと又は１時間ごと等の）所定時間での所定量の使用量を測定及び記録し、この測定及び記録された情報を配電所１２に送信する。別の実施形態では、メータ２２Ａ〜２２Ｇが、停電、電圧位相情報、又はその他のインフラ情報等の追加情報を配電所１２に送ってこれを評価する。
【００１７】
図２は、メータ２２Ａ〜２２Ｇのいずれかを表すメータ２２のブロック図を示す。図示のように、メータ２２は、センサ２４、信号変換回路２６、１つ又は複数のプロセッサ２８、記憶装置３０、及び通信回路３２を含む。センサ２４、信号変換回路２６、１つ又は複数のプロセッサ２８、記憶装置３０、及び通信回路３２が連係することにより、メータ２２が受信する電圧の位相を示す信号の判定及び送信をメータ２２で行える。このように、メータ２２は位相検知装置として動作する。一実施形態では、メータ２２を電力が使用される場所に物理的に取り付ける。それに加えて、又はその代わりに、位相検知装置は携帯型のメータ装置を含み、受信した電圧の位相を示す信号の判定及び／又は送信をこの携帯メータで行ってもよい。一実施形態では、センサ２４が、ユーザ用電線２０から電流及び電圧を受け取ってこれを測定するための電気部品を含む。前述のように、この電圧は３つの位相、即ち位相Ａ、位相Ｂ、及び位相Ｃのいずれかであり、各々が互いに１２０°位相ずれしているものであり得る。センサ２４は、検知した電圧及び／又は電流を信号変換回路２６への信号として送信する。加えて、センサ２４は、メータ２２での電圧信号の歪みを検知する。以下に更に詳細に記載するように、電圧信号の歪みを用いて、メータ２２で受信した電圧位相を判定できる。
【００１８】
信号変換回路２６は、例えばセンサ２４から受信した信号の電圧を、例えば２４０ボルトから約５ボルトに変換する電圧変換回路を含む。加えて、電圧変換回路は、例えばセンサ２４から受信した（電圧信号又は注入信号等の）信号を、１つ又は複数のプロセッサ２８で処理するために、アナログ信号をデジタル信号に変換する少なくとも１つのアナログ−デジタル変換器を含む。
【００１９】
１つ又は複数のプロセッサ２８は、メータ２２の処理能力の少なくとも一部を与える。１つ又は複数のプロセッサ２８は、１つ又は複数の「汎用」マイクロプロセッサ、１つ又は複数の専用マイクロプロセッサ、及び／又はＡＳＩＣ、又はこのような処理コンポーネントの何らかの組み合わせ等、１つ又は複数のマイクロプロセッサから成る。加えて、１つ又は複数のプロセッサ２８が実行するプログラム又は命令は、実行命令又はルーチンを少なくとも集合的に格納する、下記の記憶装置を含むがそれに限定されない１つ又は複数の実体的な、コンピュータ読取可能な媒体を含む、いずれかの適当な媒体に格納される。このように、メータ２２は、例えば電圧信号の歪み等に基づいてメータ２２で受け取った電圧の位相の判定を含む様々な機能をメータ２２で行えるようにする、１つ又は複数のプロセッサ２８が実行する命令を含む（記憶装置３０等の）コンピュータプログラム製品でエンコードされるプログラムを含む。
【００２０】
１つ又は複数のプロセッサ２８で処理される命令及び／又はデータは、記憶装置３０等のコンピュータ読取可能媒体に格納される。記憶装置３０には、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）等の揮発性メモリ、及び／又は読出し専用メモリ（ＲＯＭ）等の不揮発性メモリが含まれる。一実施形態では、記憶装置３０は、（メータ２２で実行可能な様々なプログラム、アプリケーション、又はルーチン等の）メータ２２のファームウエアを格納する。加えて、記憶装置３０を使用して、メータ２２の動作中にバッファリング又はキャッシングを行える。記憶装置３０には、例えばフラッシュメモリ、ハードドライブ、又はその他の光学、磁気、及び／又はソリッドステートの媒体が含まれる。更に、記憶装置３０を使用して、通信回路３２を用いて最終的に送信される情報を格納できる。格納する情報には、後に、例えば電力会社によるメータの読取り中に使用できる位相情報が含まれる。
【００２１】
通信回路３２を使用して、メータ２２から例えば配電所１２（図１）に情報を送信できる。情報には、例えばメータ２２で受信する電圧の位相を示す１つ又は複数の信号、メータ２２での電圧使用量、及び／又はメータ２２の動作に関するその他の情報が含まれる。したがって、通信回路３２には、例えば配電所１２及び／又はその他のメータ（例えば２２Ａ〜２２Ｇ）との間で情報を送受信するトランシーバが含まれる。或いは、通信回路３２は、例えば配電所１２及び／又はその他のメータに情報を送信できるが、情報の受信は行わない送信機を含み得る。通信回路３２は更に、情報をワイヤレスで送受信する、ワイヤレス送信要素及び／又はトランシーバ要素を含み得る。それに加えて、及び／又はその代わりに、通信回路３２を、例えば有線通信モード、電力線搬送通信（ＰＬＣ）回線を介して配電所１２に物理的に結合してもよい。送信媒体にかかわらず、メータ２２は、通信回路３２を使用することによって、メータ２２で受信する電圧の位相を含む、収集された情報を送信できる。
【００２２】
図３は、メータ２２と一緒に使用して、或るユーザに供給される電圧の位相を判定する位相歪み装置７２を有する、配電所７０のブロック図である。配電所７０は、電力線１３で三相電圧を伝送するように動作可能であり、線３６で位相Ａの電圧を伝送し、線３８で位相Ｂの電圧を伝送し、線４０で位相Ｃの電圧を伝送する。なお、線３６、３８、４０の位相Ａ、位相Ｂ、位相Ｃの符号を付した位相線は、例示目的によるものにすぎない。一実施形態では、位相歪み装置７２は、いずれか１つの位相から調波電流を引き出し、配電網１６の負荷ポイントで位相電圧信号を歪ませるように構成された、分巻電流回路を含む。調波電流が位相から引き出されると、送電線の両端間に調波電圧降下が生じ、結果としてその位相の電力線の電圧信号に歪みが生じる。なお、図３には１つの位相歪み装置７２だけを示しているが、実施形態によっては、各々の位相が別個の位相歪み装置７２（即ち、３つの位相用の３つの位相歪み装置）を有する。
【００２３】
電力線電圧信号をコマンド又はスケジュールで歪ませることができる。例えば、電力会社が、送電網にみられる不均衡の量に応じて歪みを生じさせてもよい。それに加えて、又はその代わりに、例えば毎日特定の時間等に生じる一定の周波数で歪みが生じるように設定できる。特定の位相又は電力線で歪んだ位相電圧は次いで、例えば特定の電力線、例えば３６、３８、又は４０を用いて伝送されて配電網１６のメータ２２に到達し、メータ２２がこの歪みを識別し、受信した歪みの特性に応じて位相を識別する。一実施形態では、メータ２２で更に、識別した位相情報を配電所１２（図１）に送信できる。
【００２４】
図４は、本発明の実施形態による図３の位相歪み装置７２の概略図である。位相歪み装置は、電力線７４から調波電流を引き出すように構成され、結合変圧器８０、単相ＤＣ−ＡＣコンバータ８２、及び単相ＤＣ−ＡＣコンバータ８２に切換信号を供給するパルス幅変調（ＰＷＭ）発電機８４を含む。結合変圧器８０は、電力線の電圧を単相ＤＣ−ＡＣコンバータ８２の出力と整合させ、且つ電力線と単相ＤＣ−ＡＣコンバータ８２とを絶縁する。単相ＤＣ−ＡＣコンバータ８２は、ＤＣリンク８６と半導体スイッチ８８とを含む。結合変圧器８０の一次巻線７６が、電力線７４に分巻接続される（即ち、一次巻線７６が、電力線７４とアース接続部７５との間に接続される）。結合変圧器８０の二次巻線８７が、単相ＤＣ−ＡＣコンバータ８２の出力の両端間に接続される。ＰＷＭ発電機８４は、コンバータコントローラ１００が生成する基準電圧信号Ｖrefに基づいて、単相ＤＣ−ＡＣコンバータ８２に切換信号を供給する。基準電圧は、単相ＤＣ−ＡＣコンバータ８２が要する有効電力の量と、電圧歪みに対する調波電流の要件とに基づいて決まる。単相ＤＣ−ＡＣコンバータ８２が要する有効電力は、コンバータの損失のサポートとＤＣリンク８６の電圧維持のために使用される。
【００２５】
一実施形態では、異なる３つの調波周波数を異なる３つの相から引き出し、得られた電圧歪みを負荷ポイント（図示せず）でメータ２２によって解析する。次いで、電圧歪みの解析によって、負荷が接続されている電力線の位相を判定できる。電圧歪みを解析する方法は多数あるが、以下の段落ではその１つについて説明する。
【００２６】
図５は、本発明の一実施形態によるコンバータコントローラ１００のブロック図である。コンバータコントローラ１００は、電力線から引き出される必要な調波電流に基づいて、図４のＤＣ−ＡＣコンバータ８２用の基準電圧を生成する。コンバータコントローラ１００は、電流ｉc、線間電圧Ｖc、及びＤＣリンク電圧Ｖdcを入力として受け付け、基準電圧信号Ｖrefを出力として供給する。電流ｉcは、電力線７４からＤＣ−ＡＣコンバータ８２によって引き出される実電流であり、電圧Ｖcは、電力線７４の電圧である。基準信号ｉref及びＶdcrefは、システムオペレータによって決定される。基準電流ｉrefは、電力線から引き出す必要がある調波電流（例えば第８、第９、第１０調波等）であり、基準電圧Ｖdcrefは、ＤＣ−ＡＣコンバータ８２用に維持が必要なＤＣリンク電圧である。基準電流ｉrefは、第１のシフターモジュール１０２によって９０°移相され、次いで基準電流と移相電流とが、第１のα−βからｄ−ｑへのドメイン変換モジュール１０４によってｄ−ｑ成分ｉdref及びｉqrefに変換される。当業者には明らかなように、α−βからｄ−ｑへのドメイン変換モジュール１０４は、入力された位相信号に基づいて１つの基準フレームから別の基準フレームへと電圧信号を変換する変換マトリクスを含んでいてもよい。一実施形態では、変換マトリクスは下記の通りである。
【００２７】
【数１】
ωはラジアン／秒単位の周波数であり、ｔは秒単位の時間である。
【００２８】
第１のα−βからｄ−ｑへのドメイン変換モジュール１０４は、のこぎり波発生器モジュール１０６からの位相信号としてのこぎり波信号を受信し、基準電流をｄ−ｑ基準電流ｉdref及びｉqrefに変換する。のこぎり波信号は、基準電流信号と同期され、その周波数は基準電流信号の周波数、即ち調波周波数と同一である。
【００２９】
ＤＣ−ＡＣコンバータ８２により引き出される実電流ｉcも、第２の位相シフターモジュール１０８及び第２のα−βからｄ−ｑへのドメイン変換手段又はマトリクス１１０によって、測定されたｄ−ｑドメイン電流ｉcd及びｉcqに変換される。次いで、ｄ−ｑドメイン基準電流ｉdref及びｉqrefと測定されたｄ−ｑドメイン電流ｉcd及びｉcqとの差を表す誤差信号ｉderror及びｉqerrorが、２つの比例積分（ＰＩ）コントローラ１１２、１１４に送られて、ｄ−ｑドメイン基準電圧信号Ｖdref及びＶqrefが生成される。ＰＩコントローラ１１２、１１４は基本的に、実電流と基準電流との差を補償するために、ＤＣ−ＡＣコンバータ８２によって生成されるべき適当な電圧信号を生成する。次いで、ｄ−ｑからα−βへのドメイン変換モジュール１１６は、基準電圧Ｖrefの第１の部分、即ち調波部分Ｖarefを生成し、電力線から基準電流又は調波電流ｉrefを引き出す。ｄ−ｑからα−βへのドメイン変換モジュールは、方程式１の逆変換マトリクスに等しい、逆変換マトリクスを含み得る。
【００３０】
基準電圧Ｖrefの第２の部分、即ち基本の部分Ｖbrefが、ＤＣ−ＡＣコンバータ８２と電力線との間の有効電力の流れを制御するＤＣリンク電圧ループ１１８によって生成される。電圧ループ１１８は、基準ＤＣリンク電圧Ｖdcrefと実際のＤＣリンク電圧Ｖdcとの誤差Ｖdcerrorを、第３のＰＩコントローラ１２０を用いて位相角δへと変換する。位相角δは、正弦波モジュール１２４が生成する正弦波が線間電圧Ｖcに対して遅延する遅延角を表しており、基準ＤＣリンク電圧Ｖdcrefに等しいＤＣリンク電圧Ｖdcを保つために望ましい量の有効電力が引き出される。θ生成モジュール１２２は、線間電圧Ｖcの位相θを決定し、正弦モジュール１２４は、位相角δとθとを用いて基準電圧Ｖrefの第２の部分Ｖbrefを表す適宜の正弦波形を生成する。次いで、ＶarefとＶbrefとを加算して、ＤＣ−ＡＣコンバータ８２用の基準電圧Ｖrefが生成される。
【００３１】
図６は、本発明の実施形態による、歪み波電圧に基づいてユーザの所在地での電力線の位相を判定する位相検知装置１４０のブロック図である。例えば、異なる３つの調波周波数の異なる３つの電流を３本の電力線から引き出すと、電圧歪みが生じる。次いで各々の電力線内の位相検知装置１４０が電力線内の特定の調波電圧の振幅を計算し、計算された振幅がそれぞれの閾値を上回る場合は、受信した電圧又は電力線の位相（即ち位相Ａ、位相Ｂ、又は位相Ｃ）を判定する。位相検知装置１４０は、図３のメータ２２内で使用され、電圧を歪ませる方法にかかわらず、電力線の位相を判定できる。このように、電圧を歪ませる方法には、前述のように、直列調波電圧を電力線に注入する方法、又は電力線から調波電流を引き出す方法が含まれる。
【００３２】
位相検知装置１４０は、入力信号Ｖα及び遅延入力信号Ｖβをｄ−ｑドメイン信号Ｖd及びＶqに変換するドメイン変換モジュール１４２を含む。遅延入力信号Ｖβは、遅延モジュール１４４によって生成される。一実施形態では、遅延モジュールが、調波周波数の１／４又は９０°に等しい遅延角、即ち周波数が６００Ｈｚの場合は０．００６６６秒だけ入力信号Ｖαを遅延させる。なお、この遅延角の値９０°は典型的な例にすぎず、個々の実施形態では、遅延角の値が位相検知装置１４０のサンプリング周波数に依存し、９０°とは異なっていてもよい。ドメイン変換マトリクスは、調波角生成モジュール１４６からの調波周波数を表すのこぎり波信号を用いて、ｄ−ｑドメイン信号Ｖd及びＶqを生成する。調波周波数は、３本の電力線から引き出される３つの調波電流のうち１つの周波数に等しい。したがって、のこぎり波信号の周波数を２〜３回変更して、電力線がどの位相に属するかを検知できる。例えば、各位相の注入された電圧の調波周波数は既知であり、位相検知装置に格納されている。電力線の１つで特定の調波電圧信号の振幅が閾値を超えている場合は、その調波歪みが存在することを示し、次いで、位相検知装置に格納された調波周波数の情報に基づいて、この電力線の位相を容易に識別できる。
【００３３】
次いで、ドメイン変換マトリクス１４２からのｄ−ｑドメイン電圧信号Ｖd及びＶqをローパスフィルタ１４８、１５０にかけて、任意の基本調波信号又はそれよりも高い調波信号を除去し、ｄ−ｑドメイン調波信号Ｖdf及びＶqfを生成する。当業者には明らかなように、ローパスフィルタ１４８、１５０は、アナログドメイン又はデジタルドメインで実装可能である。一実施形態のローパスフィルタの伝達関数Ｇ（ｓ）は、下記の通りである。
【００３４】
【数２】
Ｋ、ａ1、ａ2は定数であり、ωcはローパスフィルタのカットオフ周波数である。一実施形態では、ローパスフィルタのカットオフ周波数ωcが基本周波数よりも低く、出力信号が実質的に一定の値になるように決定される。次いで、調波電圧信号の振幅が、ｄ−ｑドメイン調波信号α及びβの二乗値の和の平方根を特定する振幅計算モジュール１５２によって決定される。一実施形態では、振幅計算モジュール１５２の計算の複雑さを軽減するために、最初にｄ−ｑドメイン調波信号α及びβの絶対値を特定した後で、この絶対値を加算して調波信号の振幅を求める。
【００３５】
一実施形態では、位相判定モジュール１５４が、調波信号の振幅を閾値と比較する。振幅が閾値を超える場合は、位相判定モジュール１５４が、調波電流が位相から引き出されたと識別する。各々の電力線について、異なる周波数の調波電流が電力線から引き出される。一実施形態では、各位相の周波数が固定され、更に位相判定モジュール１５４に格納されている。したがって、その位相の位相判定モジュール１５４がそれぞれの調波信号の存在を検知すると、位相判定モジュール１５４はその電力線の位相を識別する。位相を判定する別の方法には、調波信号の振幅が閾値を超える時間を比較する方法、又は調波信号の振幅が閾値を超える瞬間の数を比較する方法が含まれる。
【００３６】
本明細書では、本発明の一部の特徴のみを図示及び記述したが、当業者には多くの修正及び変更が想到されよう。したがって、添付の特許請求の範囲は、このような変更及び修正の全てを、本発明の概念に含まれるものとして包含することを意図している。
【符号の説明】
【００３７】
１０ 電力網
１２ 配電所
１４ 電力線
１６ 配電網
１８ 電力線タップ
２０ ユーザ用電線
２２Ａ〜２２Ｇ メータ
２４ センサ
２６ 信号変換回路
２８ プロセッサ
３０ 記憶装置
３２ 通信回路
３６、３８、４０ 電力線
７０ 位相歪み装置及びメータを有する配電所
７２ 位相歪み装置
７４ 電力線
７５ アース接続部
７６ 一次巻線
８０ 結合変圧器
８２ 単相ＤＣ−ＡＣコンバータ
８４ パルス幅変調（ＰＷＭ）発電機
８６ ＤＣリンク
８７ 二次巻線
８８ 半導体スイッチ
１００ コンバータコントローラ
１０２ 第１のシフターモジュール
１０４ α−βからｄ−ｑドメインへの変換モジュール
１０６ のこぎり波発生モジュール
１０８ シフターモジュール
１１０ α−βからｄ−ｑへのドメイン変換手段又はマトリクス
１１２、１１４ 比例積分（ＰＩ）コントローラ
１１６ ｄ−ｑからα−βへのドメイン変換マトリクス
１１８ ＤＣリンク電圧ループ
１２０ ＰＩコントローラ
１２２ θ生成モジュール
１２４ 正弦波モジュール
１４０ 位相検知装置
１４２ ドメイン変換モジュール
１４４ 遅延モジュール
１４６ 調波角生成モジュール
１４８、１５０ ローパスフィルタ
１５２ 振幅計算モジュール
１５４ 位相判定モジュール
【特許請求の範囲】
【請求項１】
配電所（１２）の３つの位相電圧信号の少なくとも１つの既知の調波周波数の電圧歪みを生成する位相歪み装置（７２）を含む、配電所（１２）と、
歪んだ３つの位相電圧信号の少なくとも１つを受信し、該受信した電圧信号の位相を識別するように構成された位相検知装置（１４０）と、
を備え、該位相検知装置（１４０）が、
前記受信した電圧信号の移相電圧信号を生成する遅延回路（１４４）と、
前記受信した電圧信号と前記移相電圧信号とを既知の調波周波数基準フレームのｄ−ｑドメイン電圧信号へと変換する変換モジュール（１４２）と、
前記受信した電圧信号の前記既知の調波周波数の調波の振幅を閾値と比較することによって、前記受信した電圧信号の位相を判定する位相判定モジュール（１５４）と、
を備える、位相識別システム（７０）。
【請求項２】
前記既知の調波周波数が、位相電圧信号ごとに異なる、請求項１に記載の位相識別システム。
【請求項３】
前記閾値が、調波周波数ごとに異なる、請求項２に記載の位相識別システム。
【請求項４】
前記位相歪み装置が電圧歪み回路を含む、請求項１に記載の位相識別システム。
【請求項５】
前記電圧歪み回路が、調波電圧を前記配電所の電力に注入する直列電圧注入回路を含む、請求項４に記載の位相識別システム。
【請求項６】
前記電圧歪み回路が、調波電流を前記配電所の電力線から引き出す分巻電流回路を含む、請求項４に記載の位相識別システム。
【請求項７】
前記分路電流回路が、前記配電所の電力線から基準調波電流を引き出す単相ＤＣ−ＡＣコンバータを含む、請求項６に記載の位相識別システム。
【請求項８】
ｄ−ｑドメイン電圧信号の二乗値の平方根を得ることによって、前記受信した電圧信号の前記既知の調波周波数の調波の振幅を計算する、振幅計算モジュールを更に含む、請求項１に記載の位相識別システム。
【請求項９】
ｄ−ｑドメイン電圧信号の絶対値を加算することによって、前記受信した電圧信号の前記既知の調波周波数の調波の振幅を計算する、振幅計算モジュールを更に含む、請求項１に記載の位相識別システム。
【請求項１０】
既知の調波周波数信号を有する配電システムの３つの位相電圧信号の少なくとも１つを歪ませるステップ（７２）と、
前記配電システムから歪んだ３つの位相電圧信号の少なくとも１つを受信するステップと、
前記受信した電圧信号を時間遅延させる（１４４）ことによって前記受信した電圧信号の移相電圧信号を生成するステップと、
前記受信した電圧信号と前記移相電圧信号とを既知の調波周波数基準フレームのｄ−ｑドメイン電圧信号に変換するステップ（１４２）と、
前記受信した電圧信号の前記既知の調波周波数の調波の振幅を閾値と比較することによって、前記受信した電圧信号の位相を判定するステップ（１５４）と、
を含む、位相識別方法。
【請求項１】
配電所（１２）の３つの位相電圧信号の少なくとも１つの既知の調波周波数の電圧歪みを生成する位相歪み装置（７２）を含む、配電所（１２）と、
歪んだ３つの位相電圧信号の少なくとも１つを受信し、該受信した電圧信号の位相を識別するように構成された位相検知装置（１４０）と、
を備え、該位相検知装置（１４０）が、
前記受信した電圧信号の移相電圧信号を生成する遅延回路（１４４）と、
前記受信した電圧信号と前記移相電圧信号とを既知の調波周波数基準フレームのｄ−ｑドメイン電圧信号へと変換する変換モジュール（１４２）と、
前記受信した電圧信号の前記既知の調波周波数の調波の振幅を閾値と比較することによって、前記受信した電圧信号の位相を判定する位相判定モジュール（１５４）と、
を備える、位相識別システム（７０）。
【請求項２】
前記既知の調波周波数が、位相電圧信号ごとに異なる、請求項１に記載の位相識別システム。
【請求項３】
前記閾値が、調波周波数ごとに異なる、請求項２に記載の位相識別システム。
【請求項４】
前記位相歪み装置が電圧歪み回路を含む、請求項１に記載の位相識別システム。
【請求項５】
前記電圧歪み回路が、調波電圧を前記配電所の電力に注入する直列電圧注入回路を含む、請求項４に記載の位相識別システム。
【請求項６】
前記電圧歪み回路が、調波電流を前記配電所の電力線から引き出す分巻電流回路を含む、請求項４に記載の位相識別システム。
【請求項７】
前記分路電流回路が、前記配電所の電力線から基準調波電流を引き出す単相ＤＣ−ＡＣコンバータを含む、請求項６に記載の位相識別システム。
【請求項８】
ｄ−ｑドメイン電圧信号の二乗値の平方根を得ることによって、前記受信した電圧信号の前記既知の調波周波数の調波の振幅を計算する、振幅計算モジュールを更に含む、請求項１に記載の位相識別システム。
【請求項９】
ｄ−ｑドメイン電圧信号の絶対値を加算することによって、前記受信した電圧信号の前記既知の調波周波数の調波の振幅を計算する、振幅計算モジュールを更に含む、請求項１に記載の位相識別システム。
【請求項１０】
既知の調波周波数信号を有する配電システムの３つの位相電圧信号の少なくとも１つを歪ませるステップ（７２）と、
前記配電システムから歪んだ３つの位相電圧信号の少なくとも１つを受信するステップと、
前記受信した電圧信号を時間遅延させる（１４４）ことによって前記受信した電圧信号の移相電圧信号を生成するステップと、
前記受信した電圧信号と前記移相電圧信号とを既知の調波周波数基準フレームのｄ−ｑドメイン電圧信号に変換するステップ（１４２）と、
前記受信した電圧信号の前記既知の調波周波数の調波の振幅を閾値と比較することによって、前記受信した電圧信号の位相を判定するステップ（１５４）と、
を含む、位相識別方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１３−４４７５２（Ｐ２０１３−４４７５２Ａ）
【公開日】平成２５年３月４日（２０１３．３．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１８２８２２（Ｐ２０１２−１８２８２２）
【出願日】平成２４年８月２２日（２０１２．８．２２）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【公開日】平成２５年３月４日（２０１３．３．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年８月２２日（２０１２．８．２２）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
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