(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力需要家の受電点より負荷側に、この負荷と並列に接続されるよう設けられた力率改善用の進相コンデンサの接続を開閉器により制御する自動力率調整器において、
上記受電点より負荷側の電流の実効値を計算する実効値演算部と、
上記開閉器の投入・開放状態を制御する投入・開放決定制御部と、
上記投入・開放決定制御部により投入または開放制御された進相コンデンサの投入または開放前後の、上記実効値演算部により計算された電流実効値と、上記投入または開放された進相コンデンサの定格電流値とを用いて、上記負荷の負荷力率の推定値を求める負荷力率推定部と、
を備えたことを特徴とする自動力率調整器。
【請求項２】
進相コンデンサを定期的に投入または開放制御し、この進相コンデンサの投入または開放前後の電流実効値と、上記投入または開放制御された進相コンデンサの定格電流値とを用いて負荷力率の推定値を求めることを特徴とする請求項１に記載の自動力率調整器。
【請求項３】
負荷力率推定部は、複数回の進相コンデンサの投入または開放制御時に推定した、複数の負荷力率の推定値の平均値を、負荷力率の推定値とすることを特徴とする請求項１または２に記載の自動力率調整器。
【請求項４】
投入・開放決定制御部において、力率改善のために進相コンデンサの投入・開放を決定する閾値を、負荷力率推定部で推定された負荷力率を用いて演算して更新する閾値更新部を備えたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の自動力率調整器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電力需要家が負荷力率改善用に設置する進相コンデンサの投入・開放制御を行う、電力需要家向けの自動力率調整器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
高圧系統ならびに特高系統から受電する電力需要家（単に需要家と記載する場合もある）の受電点の力率は一般に遅れ方向（無効電力を消費）であり、受電点の力率を改善するほど基本料金が安くなる力率割引制度が用意されている。進み方向（無効電力を発生）の力率悪化は許容されるため、多くの需要家は受電点の力率を進み方向に改善するための進相コンデンサを設置する。
【０００３】
進相コンデンサを常時接続とすると、重負荷時には力率は１００％前後に適正に補償されても、軽負荷時には過補償、すなわち極端な進み力率となり、需要家構内系統や商用電力系統の電力損失を増加させるとともに、系統電圧を不要に上昇させるなどの弊害の要因となる。そこで受電点力率を常時１００％近くに維持する一般的な対策として、進相コンデンサ投入・開放制御装置、すなわち自動力率調整器の併設がある。
【０００４】
現状の自動力率調整器は、受電点など設置箇所の通過無効電力を計測し、その値がゼロに近づくように１台以上の進相コンデンサの投入・開放状態を決定する。通過無効電力を計測するには、電圧計と電流計の両方を設置し、両計測器の瞬時値から無効電力値を演算する必要があり、自動力率調整器のコストアップの要因となっている。
【０００５】
自動力率調整器の構成を単純化するため、特許文献１では、通過無効電力を計測する代わりに、簡易的に電流のみを計測し、電流が設定値以上に増加した時点で進相コンデンサを投入、それ以下に減少した時点で進相コンデンサを開放するようにしている。しかし、この方法では、需要家の構内負荷力率を事前に想定しておく必要がある。もし構内負荷力率の想定が実態と異なっていた場合は、進相コンデンサの投入・開放制御は適正に行われず、受電点力率は進み気味、もしくは遅れ気味となってしまう。
【０００６】
そこで特許文献２では、予め負荷力率を入力しておき、負荷力率を元に進相コンデンサ容量を電流値換算し、その電流値と計測負荷電流とを比較して、進相コンデンサの投入・開放を決定するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】実開平６−７０４４７号公報
【特許文献２】特開平１１−３５３０４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
電流計測のみで進相コンデンサを投入・開放制御する自動力率調整器は、無効電力を直接計測する自動力率調整器に比べて、設備が簡易で費用が少なくて済むが、事前に負荷力率を適切に想定する必要がある。しかし、実際には個々の負荷機器の力率特性は仕様書やカタログなどには必ずしも明記されておらず、それらを包括した構内全体の負荷力率を事前に想定することは困難であった。また、負荷機器の取替えや増設などが合った場合、再度負荷力率を想定し直す必要があった。
【０００９】
本発明は、以上のような従来の自動力率調整器の問題点を解消するためになされたもので、電流計測のみで進相コンデンサを投入・開放制御する自動力率調整器において、負荷力率を予め想定することなく、また負荷機器の取替えや増設があった場合でも、再度負荷力率を想定し直さずに、適切な進相コンデンサの投入・開放制御ができる自動力率調整器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】
【００１０】
本発明は、電力需要家の受電点より負荷側に、この負荷と並列に接続されるよう設けられた力率改善用の進相コンデンサの接続を開閉器により制御する自動力率調整器において、受電点より負荷側の電流の実効値を計算する実効値演算部と、開閉器の投入・開放状態を制御する投入・開放決定制御部と、投入・開放決定制御部により投入または開放制御された進相コンデンサの投入または開放前後の、実効値演算部により計算された電流実効値と、投入または開放された進相コンデンサの定格電流値とを用いて、負荷の負荷力率の推定値を求める負荷力率推定部とを備えたものである。
【発明の効果】
【００１１】
この発明によれば、負荷力率を予め想定することなく、また負荷機器の取替えや増設があった場合でも、再度負荷力率を想定し直さずに、適切な進相コンデンサの投入・開放制御ができる自動力率調整器が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態１による自動力率調整器を含む需要家構内系統を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施の形態１による自動力率調整器の要部の処理フローを示すフロー図である。
【図３】本発明の実施の形態１による自動力率調整器における負荷力率の算定方法を示す概念図である。
【図４】本発明の実施の形態２による自動力率調整器を含む需要家構内系統を示すブロック図である。
【図５】本発明の実施の形態２による自動力率調整器の要部の処理フローを示すフロー図である。
【図６】本発明の実施の形態２による自動力率調整器における負荷力率の別の算定方法を示す概念図である。
【図７】本発明の実施の形態３による自動力率調整器を含む需要家構内系統を示すブロック図である。
【図８】本発明の実施の形態３による自動力率調整器の要部の処理フローを示すフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１による自動力率調整器１を含む需要家構内系統を示すブロック図である。力率割引対象の電力需用家は三相受電であるため、図１でも三相回路で記載している。受電点２から構内に伸びる三相回路において、進相コンデンサ３は、負荷の無効電力成分をキャンセルし、受電点力率を改善するための設備であり、負荷の大きさに応じて投入・開放するための開閉器４を併設している。進相コンデンサ３は、通常は図１のように受電点２近傍の負荷側、もしくは負荷側にある変圧器（図示せず）の二次側に１台もしくは複数台設置される。
【００１４】
進相コンデンサ３の設置点５の受電点側には、負荷の大きさを把握するための電流計（ＣＴ）ＣＴ１、ＣＴ２を代表相に（図ではＲ相を代表相としている）設置する。負荷の三相不平衡が大きい需要家では、ＣＴ数は代表相以外にも設置する例も考えられる。図１では、電流計ＣＴ１は負荷電流のみが計測され、電流計ＣＴ２では負荷電流と投入中の進相コンデンサ３の電流が合成（ベクトル和）された電流が計測される。
【００１５】
自動力率調整器１は、設置されている１台以上の進相コンデンサの各容量を記憶する進相コンデンサＤＢ１１と、電流計ＣＴ１とＣＴ２で計測される電流瞬時値を各々実効値に随時変換する実効値演算部１２と、電流計ＣＴ１で計測した実効値が所定の閾値を超過した場合に進相コンデンサ３を投入、低下した場合は進相コンデンサ３を開放するように制御する、投入・開放決定制御部１３と、進相コンデンサ３が投入されている任意の時間に、電流計ＣＴ１とＣＴ２の各電流実効値と、投入している進相コンデンサ容量を進相コンデンサＤＢ（データベース）１１から読み込み、負荷力率を推定する負荷力率推定部１４と、推定した負荷力率を元に進相コンデンサ投入・開放の閾値電流を更新する閾値更新部１５とを備えている。
【００１６】
図２は、図１の構成における自動力率調整器１内の負荷力率推定部１４および閾値更新部１５の処理フローチャートの一例である。また、その他の、実効値演算部１２は、一般的な回路などで構成され、瞬時値計測値を実効値に変換する機能を有しており、投入・開放決定制御部は、電流演算部１２で変換される電流計ＣＴ１の電流実効値を常時監視し、電流実効値が閾値以上になった場合に所定コンデンサを投入し、閾値以下になった場合は開放する制御を行う。
【００１７】
図２のフローは、例えば１時間など、所定間隔の定周期で実施する。まず、現在投入中の進相コンデンサがあるか否かを判定（ＳＴ１）し、もし無ければ終了する。もし投入中の進相コンデンサがあれば、実効値演算部１２で計算した電流計ＣＴ１の電流実効値Ｉａと電流計ＣＴ２の電流実効値Ｉｂを取り込む（ＳＴ２）。同時に、進相コンデンサＤＢ１１から現在投入中の進相コンデンサの各定格電流値を取り込み、その合算値Ｉｃを算出する（ＳＴ３）。
【００１８】
次に、Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃから負荷力率を算定する（ＳＴ４）。図３は負荷力率を算定する方法の概念図である。図３は、１台目の進相コンデンサ投入を例にしている。Ｉａは進相コンデンサ投入前の受電点２における電流値、Ｉｂは投入後の受電点２における電流値に該当する。Ｉｃは進相コンデンサの容量C（kVar）から定格電圧V(kV)を元に電流値に換算した定格電流値であり、例えば三相回路では以下によって算出できる。
Ｉｃ＝Ｃ／（Ｖ×√３）
ここで、進相コンデンサＤＢ１１に、このＩｃそのものをデータとして保存しておいても良く、この場合、ステップＳＴ３は、「進相コンデンサＤＢ１１から定格電流値を読み込む」という手順になる。
【００１９】
負荷の無効電力成分は一般に遅れ方向である。進相コンデンサを投入すれば、図３に示すように、進相コンデンサを加味した無効電力成分はＩａからＩｂへと進み方向に変化する。負荷電流の位相をθ（電圧を基準としている）とすると、負荷力率ＦＬは
ＦＬ＝ｃｏｓθ
として定義される。
【００２０】
図３のＩｂを長辺、「電流有効分軸」と「電流無効分軸」の２方向を短辺とする直角三角形を考えると、ピタゴラスの定理より、下式が成立する。
（Ｉｃ−Ｉａ・ｓｉｎθ）２＋（Ｉａ・ｃｏｓθ）２＝Ｉｂ２
左辺を展開し、sinθの式に置き換えると、
Ｉａ２（ｓｉｎ２θ＋ｃｏｓ２θ）−２・Ｉａ・Ｉｃ・ｓｉｎθ＋Ｉｃ２＝Ｉｂ２すなわち、
Ｉａ２−２・Ｉａ・Ｉｃ・ｓｉｎθ＋Ｉｃ２＝Ｉｂ２
となって、
【数１】
0005419830.tif 000002
（１）
となる。負荷力率ＦＬは
【数２】
0005419830.tif 000003
（２）
と算定でき、負荷力率ＦＬの推定値が得られる。
【００２１】
このように負荷力率ＦＬや図３におけるsinθが推定されると、計測した電流の電流実
効値から進相コンデンサの閾値設定が可能となる。例えば受電点力率を１００％近くに維持したい場合は、図３において、電流計ＣＴ１の計測電流実効値Ｉａに式（１）のsinθ
を乗じた値が、１台目コンデンサ定格電流Ｉｃ１の半分となるように閾値を設定すれば良い。すなわち１台目進相コンデンサの投入・開放の閾値Ｉ１は
【数３】
0005419830.tif 000004
となる。２台目以降の閾値Ｉｎは、
【数４】
0005419830.tif 000005
とすれば良い。このようにして、負荷力率ＦＬを推定する毎に、進相コンデンサの各段（各台目）の閾値電流を更新する（ＳＴ５）。
【００２２】
式（２）の負荷力率ＦＬの推定値や、式（１）のsinθは、一回の算出値のみで決定せ
ず、複数回算出値の平均値を取れば、さらに推定精度の向上が期待できる。
以上のように、本実施の形態１によれば、無効電力を直接計測することなく、電流計測のみでも負荷力率の推定が可能となり、さらには、進相コンデンサの適正制御が可能となる。
【００２３】
実施の形態２．
図４は、本発明の実施の形態２による自動力率調整器１と需要家構内系統を示すブロック図である。図４において、図１と同一符号は、同一または相当する部分を示す。この実施の形態２では、図１に示す実施の形態１において進相コンデンサ３の設置点５より負荷側に設けていた電流計ＣＴ１を省略し、進相コンデンサ投入前後の電流変化を電流計ＣＴ２にて計測する点にあり、その他の構成は同じである。
【００２４】
図５は、図４の構成における自動力率調整器１内の投入・開放決定制御部１３、負荷力率推定部１４、および閾値更新部１５の処理フローチャートの一例である。なお、実効値演算部１２は、実施の形態１と同様、電流計ＣＴ２の瞬時値計測値を実効値に変換する一般的な回路である。
【００２５】
図５のフローは、例えば１秒など、高速の定周期で実施する。まず、実効値演算部１２で変換した電流計ＣＴ２の電流実効値Ｉａを取り込み（ＳＴ１）、自動力率調整器内部で記憶している閾値を超過している場合は進相コンデンサを投入、低下している場合は進相コンデンサを開放する（ＳＴ１２〜ＳＴ１５）。なお、進相コンデンサが複数台（例えばｎ台）ある場合は、閾値も各々の進相コンデンサごとに複数（ｎ段）存在する。
【００２６】
構内負荷の変化が小さく、新たに閾値を超過もしくは低下することが無ければ、そのまま終了する（ＳＴ１４）。もし進相コンデンサの投入・開放が実施された場合は、電流計ＣＴ２で計測される投入・開放後の電流値を更に取り込み（ＳＴ１６）、更に、投入・開放された進相コンデンサ定格電流を算出した（ＳＴ１７）後、負荷力率を推定する（ＳＴ１８）。
【００２７】
負荷力率推定方法は、実施の形態１と同じである。１台目の進相コンデンサが投入された場合の、進相コンデンサ投入前電流実効値Ｉａ（＝負荷電流）と、進相コンデンサ投入後電流実効値Ｉｂ、投入した進相コンデンサの定格電流Ｉｃの関係は、実施の形態１で説明した図３と同じであり、実施の形態１の式（２）と同じ計算式にて負荷力率が算出される。
【００２８】
図６は、１台以上の進相コンデンサが既に投入済みで、２台目以降の進相コンデンサが投入された場合の、進相コンデンサ投入前電流実効値Ｉａ、投入後電流実効値Ｉｂ、投入した進相コンデンサの定格電流Ｉｃ、負荷電流実効値Ｉｅ、既に投入済みの進相コンデンサの定格電流値Ｉｆの関係を表している。この場合も図３と同様の方式によって、位相δを、
【数５】
0005419830.tif 000006
によって求める。cosδが求まれば、sinδも自動的に求まる。
【００２９】
負荷力率ＦＬを求めるには、Ｉａを長辺、「電流有効分軸」と「電流無効分軸」の２方向を短辺とする直角三角形に着目し、ピタゴラスの定理から、
（Ｉｆ＋Ｉａ・ｓｉｎδ）２＋（Ｉａ・ｃｏｓδ）２＝Ｉｅ２
【数６】
0005419830.tif 000007
となる。従って負荷力率ＦＬは、
【数７】
0005419830.tif 000008
によって、求めることができる。
【００３０】
以上の負荷力率の推定値を求める例では、進相コンデンサが投入された場合を例にとって説明したが、進相コンデンサが開放された場合も同様に求めることができる。開放された場合は、上記の式におけるＩｂを進相コンデンサ開放前の電流、Ｉａを進相コンデンサ開放後の電流とすれば、上記と同じ式により負荷力率などを求めることができる。
【００３１】
このようにして推定した負荷力率ＦＬを用いて進相コンデンサの各段の閾値電流を更新する（ＳＴ１９）。推定した負荷力率の閾値への反映は、実施の形態１で説明したのと同様にして行う。また、負荷力率の推定値は、一回のコンデンサ投入・開放結果の算出値のみで決定せず、複数回の平均値を取れば、さらに推定精度の向上が期待できる。
【００３２】
実施の形態３．
図７は、本発明の実施の形態３による自動力率調整器１と需要家構内系統を示すブロック図である。図７において、図１、図４と同一符号は同一または相当する部分を示す。この実施の形態３は、実施の形態２に対して、自動力率調整器内に定周期投入・開放指示部１６が追加されただけで、他は同じである。
【００３３】
図８は、図７の構成における自動力率調整器内の定周期投入・開放指示部１６、投入・開放決定制御部１３、負荷力率推定部１４、閾値更新部１５の処理フローチャートの一例である。図８のフローは、例えば３時間など、定周期で実施する。まず、前回の定周期起動から今回の定周期起動までの間で、図２の処理フローのように、投入・開放決定制御部１３による進相コンデンサ投入・開放制御が実施されたかどうかを判定（ＳＴ２１）し、もし制御が実施されていた場合は終了する（ＳＴ２１）。
【００３４】
もし制御が実施されていない場合は、負荷変化の有無に関らず、負荷力率把握のために、進相コンデンサの投入・開放制御を実施する。まず、投入前の電流計ＣＴ２の電流実効値を取り込み（ＳＴ２２）、その後、次段目の進相コンデンサの投入を指示し、投入制御する（ＳＴ２３）。投入後の電流計ＣＴ２の電流実効値を取り込み（ＳＴ２４）、その後、投入した次段目の進相コンデンサを開放して、進相コンデンサの接続状態を元の状態に戻す。ここで、投入・開放制御対象は、その時点で未投入である「次段目のコンデンサ」である（例えば１段目が投入済みであれば、２段目が「次段目のコンデンサ」となる）。進相コンデンサ投入・開放後の処理（ＳＴ１７〜ＳＴ１９）は、実施の形態２の図５と同様である。すなわち、投入した次段目のコンデンサの定格電流をＩｃとして（ＳＴ１７）、負荷力率ＦＬを推定し（ＳＴ１８）、推定した負荷力率を用いて各段のコンデンサの閾値電流を更新する（ＳＴ１９）。
【００３５】
上記では、負荷力率把握のために進相コンデンサを投入する例で説明したが、既に投入されている進相コンデンサを一時開放して、その開放前後の電流実効値と進相コンデンサの定格電流値から負荷力率の推定値を求めることができるのは、実施の形態２で説明したのと同様で、言うまでもない。
また、複数回の負荷力率の推定値の平均値を負荷力率の推定値として決定するようにしても良く、さらに推定精度の向上が期待できる。
【００３６】
本実施の形態３によれば、進相コンデンサの投入・開放が少ない場合でも、試し打ち的に次段目の進相コンデンサの投入・開放が実施され、負荷力率の把握が可能である。また、次段目の進相コンデンサ投入後に、直に開放して元に戻すため、電力損失や需要家の力率割引きへの影響は殆ど無視できる。さらに、進相コンデンサの投入・開放が少ない場合に適用するため、開閉器の寿命への影響も小さい。
【符号の説明】
【００３７】
１：自動力率調整器                    ２：受電点
３：進相コンデンサ                    ４：開閉器
１２：実効値演算部                    １３投入・開放決定制御部
１４：負荷力率推定部                  １５：閾値更新部
【図１】
0005419830.tif 000009
【図２】
0005419830.tif 000010
【図３】
0005419830.tif 000011
【図４】
0005419830.tif 000012
【図５】
0005419830.tif 000013
【図６】
0005419830.tif 000014
【図７】
0005419830.tif 000015
【図８】
0005419830.tif 000016