(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力をエンドユーザーに供給するように構成された電力系統を備える電力配電用のシステムであって、
前記電力系統が直流電力を供給するように動作する構成であり、
エンドユーザーの接続部での電力消費の変化を検出し、その変化がしきい値よりも大きい場合には前記エンドユーザーの接続部での電力消費を制限する保護装置を備え、
前記保護装置は、高調波電流成分又は高調波電圧成分の存在に基づいて前記消費電力の変化を検出するように構成されたことを特徴とする電力配電用のシステム。
【請求項２】
前記保護装置は、電力消費量を検出し、検出した電力消費量が所定のしきい値より大きい場合には前記エンドユーザーとの接続を制限または遮断するように構成されたことを特徴とする請求項１に記載の電力配電用のシステム。
【請求項３】
システム近傍の建物の金属補強部を介した漏れ電流を検出する測定装置と、
システム内へ電流を印加する電流印加装置とを備え、
前記金属補強部を介した漏れ電流をゼロにするように前記電流印加装置による電流の印加を制御する制御装置を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の電力配電用のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力交換用のシステムに関する。このようなシステムは、電力配電ネットワークとして一般的に知られており、どこでも知られている。電力は、それが発生される場所から、そのようなネットワークを介してエンドユーザーに長年に亘って輸送されてきている。通常の場合としては、高い交流電圧が発生場所からエンドユーザーに近い配電場所までに用いられており、ここからの更なる配電は、中圧または低圧のネットワークを用いて行われる。ほとんど世界のどこでも、実際には、周波数５０〜６０Ｈｚの交流電圧ネットワークが適用されている。このエネルギー配電方法が特に保護の可能性および低い輸送損失について利点があるという長年抱いてきた信念および標準化の理由のために、直流電圧配電は決して普及してきてはいない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００２】
しかしながら、本発明の目的は、上述の交流配電の代わりを提供すること、特にそれらに予想される多くの欠点を除去することである。
【課題を解決するための手段】
【０００３】
本発明は、この目的のために、エンドユーザーに電力を供給するように構成された、直流電圧で動作する電力系統（electricity grid）を備える電力配電システムを提案する。
【０００４】
そのような系統の利用を容易にするために、本発明は、さらに、エンドユーザーの接続部での電力消費の変化を検出し、その変化が所定のしきい値よりも大きい場合にはそのエンドユーザーの接続部での電力消費を制限するように構成された上述のシステム用の保護装置を提案する。
【０００５】
印加される電流または電圧がしきい値である通常の保護装置とは大きく異なり、意図しない短絡や他の過剰な電力消費のような不規則性の検出が、例えば、消費電流の過剰な増加などによる消費電力の過剰な増加を検出することにより行われる。特に、このような増加が突然に生じて段差が電力消費図で可視化できる場合には、本発明によれば不規則性が生じていることが実証される。
【０００６】
このような段差形状は、電力消費の周波数分析をモニタすることにより容易に検出可能である。これは、段差形状が、漸進的な移行では生じない多数の高調波を含むからである。好ましい実施形態においては、保護装置は、従って、測定された高調波電流成分または高調波電圧成分の存在に基づいて変化を検出するように構成されている。加えて、電力消費を検出するように、および、その電力消費が所定のしきい値よりも大きい場合にはエンドユーザーとの接続を制限または遮断するように構成することができる。
【０００７】
電力はＬＦ（低周波）時間領域では使用できるが、ＨＦ（高周波）時間領域では電力は使用できない。ユーザは従って、矩形波（square wave）法によってではなく、傾斜立ち
上がり（ramp-up）法によって電源を入れてもよい。要するに、障害を意味する高調波の
ＨＦ（高周波）信号は存在しない。
【０００８】
例えば短絡の場合、電力は短時間使用できない。１０Ａの電流が流れているときに短絡が生じた場合には、１０Ａは依然０Ｖで流れるので０ワットである。電流が増加すれば、その瞬間に遮断が起こり、これにより、スパークやアーク、または熱の発生は起こらない。
【０００９】
先行技術によるＤＣ用の商業的な解決策は、障害がエスカレ−トすることを許容することであり、このため、通常は故障になるヒューズの形態である最も弱い構成要素が故障し、半導体もまた、たびたび故障するという欠点がある。
【００１０】
本発明は、効率的で信頼性のあるインフラを構築することを可能にする。通常の状態では、その動作は、ユーザは許容された範囲内で電力を消費できる、いわゆる堅固なネットワークである。しかしながら、予期しない電流が生じれば、それは障害とみなされて、関連するＬＶＤＣ（低電圧直流電流）接続はエネルギーが不要になる。
【００１１】
この保護は、絶対的な公称保護による高周波（ＨＦ）電流の挙動が監視されるように構成される。これにより、保護が起動されないことを確保するために、ユーザが所定の電力使用動作に従わなければならないという結果になる。
【００１２】
本発明は、また、前述のいずれかの特許請求の範囲によるシステム内でのエネルギー消費課金用の装置に関する。
この装置は、電力系統からの電力消費用の接続部と、消費者の接続部への電力供給用の接続部と、電力系統の管理部とのデータ通信用の接続部と、消費用の接続部およびデータ通信用の接続部に接続されて、消費場所での消費電力の量をモニタし、および電力が消費される瞬間をモニタするように構成された計量装置と、
計量装置とデータ通信用の接続部に接続されて、データ通信用の接続部を介して消費用の接続部で消費可能な電力を決定し、計量装置への接続部を介して消費電力を決定し、消費用の接続部で消費可能な電力の量をデータ出力として出力することが可能なように構成されたデータ処理ユニットと、を備える。
【００１３】
好ましい実施形態によれば、エネルギー消費課金用の装置は、消費される電力に対する目標値を設定し、電力の目標値を消費し、制御要素に接続されたユーザによって実際に消費された電力が目標値よりも少ない場合には制御要素に結合されたエネルギーバッファに電力を供給し、制御要素に接続されたユーザによって実際に消費された電力が目標値よりも大きい場合には制御要素に結合されたエネルギーバッファから電力を取り出すように構成された制御要素に結合された装置である。
【００１４】
その装置は、供給者（ネットワーク管理部）と消費者（顧客）との間で（少なくともデータに関しては）最大のプライバーをもたらす徹底的な分離があるという利点を提供する。供給者は、単に消費データを確認して使用可能な電力レベルを伝えることができる一方で、ユーザは、使用可能な電力を受け入れるか否かについての自由な選択を有する。制御パネルが使用されれば一定の使用が消費者によって作り出されることができるが、これによりユーザプロファイルを検索することはできない。通信は、ここでは、商業的な方法で制御されて、先行技術のようなエネルギー需要主導の代わりに、エネルギー供給主導で制御される。
【００１５】
本発明の別の観点は、測定装置が電流レベルを測定するための消費者の接続部への電力供給用の接続部の第１の極線に直列に配置されており、コントローラが測定された信号に基づいて電力系統からの電力消費用の接続部と消費者の接続部への電力供給用の接続部との間の接続を遮断するために設けられており、コイルが電流レベルの急速な変動を防止するために第２の極線に直列に配置されている、装置に関する。
【００１６】
このコイルは、半導体を保護し、この目的のために、短絡の場合には電流がコントローラが測定に必要な時間内では変化しないことを保障するために十分に大きな値を有する。短絡の際には、電流はコイルの値に応じて時間と共に増加する。電流がしきい値を超えた
場合には、電子スイッチが開放される。その瞬間に流れている電流は、そのとき、ダイオードに引き継がれる。その瞬間に電圧はダイオードの電圧降下に等しくなり、この値は通常１Ｖ未満である。ネットワーク内で電気アークが生じれば高調波電流が発生する。
【００１７】
電力系統からの電力消費用の接続部と、消費者の接続部への電力供給用の接続部との間の接続が遮断された場合、コントローラは、特に、消費者の接続部への電力供給用の接続部を電力供給部に接続する。
【００１８】
本発明のさらに別の観点は、前述のシステムの近傍の建物の金属補強部の腐食防止用の装置に関する。この装置は、金属補強部を介した特に漏れ電流である電流決定用の測定装置と、システム内への電流印加用の装置と、を備え、制御装置が、金属補強部を通過する電流がゼロになるように電流を印加するために設けられている。
【００１９】
直流電流における漏れ電流は腐食の原因となりうる。しかしながら、接地システムにおける漏れ電流を補償することによって、例えば、駐車場でのコンクリート強化棒を接地構造によって保護することができ、その結果、好ましくない直流電流挙動が、今や装置または構造物の保護に貢献する。
【００２０】
本発明は、さらに、請求項５に記載したシステムに使用するための漏れ電流検出校正装置の校正方法を提供する。その方法は、作動の際に既知の試験電流を印加するステップと、応答を測定するステップと、その応答が漏れ電流として試験電流と相関がないことを指定するステップと、障害としての漏れ電流とは異なる実質的に測定された電流を指定するステップと、および、前述の各ステップを所定の間隔で繰り返すステップと、を有する。
【００２１】
直流漏れ電流検出における大きな問題点は、故障および漏れ電流によって生じるずれの間の相違を検出することが困難であることである。このことは、本発明においては、システムが動作しているか否かを確認することを可能にするために、作動の際に、既知の正、負の漏れ電流を印加することにより解決される。オフの位置においては、システムは、ずれて校正され、動作位置においては正しい漏れ測定がモニタされる。漏電システムが継続的に点検されるので、システムが動作可能であることを高い信頼性を有して決定することができる。
【００２２】
さらに、本発明の別の観点は、ラダーネットワーク内の電気要素の順番を決定する方法に関する。ここで電気要素は、供給電圧測定用の測定装置と、少なくとも測定された電圧および制御装置に対するユニークなコードを電力接続を介して通信するための通信装置と、を備えて、電源投入または電源遮断の命令を通信装置を介して受信するように構成されている。順番を決定する方法は、ラダー内に配置されるに先立って電気要素の夫々に参照電圧を供給するステップと、電気要素をラダーネットワークに配置するステップと、制御装置を有して存在する電気要素のユニークなコードを検出するステップと、電気要素の投入および遮断を一つずつスイッチ制御するステップと、制御装置を有する電気要素によって測定された電圧を受信するステップと、より高い測定電圧ほど電源により近いという一般原理に基づいてラダー内に存在する電気要素の順番を決定するステップと、を有する。
【００２３】
本発明は、今から添付図面を参照してより詳細な説明を行う。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】エネルギー消費課金用の装置を示す説明図である。
【図２】図１による装置の詳細を示す説明図である。
【図３】本発明による保護装置を示す説明図である。
【図４】建物内の金属補強部の腐食を防ぐ装置を示す説明図である。
【図５ａ】漏れ電流検出校正装置および漏れ電流検出校正の際の電流曲線のグラフを示す説明図である。
【図５ｂ】障害が証明される場合を示唆するグラフを示す説明図である。
【図５ｃ】通信を有する直流電流（ＤＣ）保護システムを示す説明図である。
【図５ｄ】短絡が生じていないネットワーク内でユーザが電源を投入できることを保証する安全起動回路を示す説明図である。
【図５ｅ】短絡が生じないネットワークを実現することができる回路を示す説明図である。
【図６ａ】ラダーネットワーク内の電気要素の順番を決定する方法を示す説明図である。
【図６ｂ】ラダーネットワーク内の電気要素の順番を決定する方法を示す説明図である。
【図７ａ】ＵＳＢ接続によって接続されている電気機器内の消費者の接続部を示す説明図である。
【図７ｂ】ＵＳＢ接続によって接続されている電気機器内の消費者の接続部を示す説明図である。
【図７ｃ】ＵＳＢ接続によって接続されている電気機器内の消費者の接続部を示す説明図である。
【００２５】
図１はエネルギー消費課金用の装置１を示す。装置は、電力系統３からの電力消費用の接続部２と、消費者の接続部への電力供給用の接続部４と、電力系統の管理部とのデータ通信用の接続部５と、消費用の接続部およびデータ通信用の接続部に接続されて、消費場所で消費された電力の量をモニタし、および電力が消費される瞬間をモニタするように構成された計量装置６と、計量装置およびデータ通信用の接続部に接続されて、データ通信接続部を介してその接続部での消費可能な電力量を決定するように構成されて、計量装置への接続部を介して消費された電力を決定し、その接続部での消費可能な電力量をデータ出力として出力することが可能に構成されたデータ処理ユニット７とを備える。
【００２６】
好ましい実施形態においては、エネルギー消費課金用の装置は、制御要素８に結合されており、制御要素は、電力消費用の目標値を設定し、電力の目標値を消費し、制御要素に接続されているユーザによって実際に消費された電力が、目標値よりも小さい場合には、電力を制御要素に結合されたエネルギーバッファに供給し、制御要素に接続されているユーザによって実際に消費された電力が、目標値よりも大きい場合には、電力を制御要素に結合されたエネルギーバッファから取り出すように構成されている。
【００２７】
図２は、いわゆる輻湊（congestion）管理が行われる図１によるシステムの詳細９を示す。一定の供給があり、完全に計画／調整することができる。保証された低いしきい値を有する一定の電力が電力系統から使用可能であり、オプション的には、補充的な「幸福時間（happy hour）」電力が利用可能である。これにより、「スマートグリッド（smart grid）」が、計量装置の上流の代わりに、（示されたサークル内で）計量装置の下流に構築される。このことにより、各装置が優先度スケジュールに従って電力を消費することが達成される。システム内にはマスターはなく、各装置が知性を備える。
【００２８】
図３は、本発明による保護装置１０を示す。ここで、測定装置１２が電流レベルを測定するために消費者の接続部への電力供給用の接続部の第１の極線１１に直列に配置されており、コントローラ１３が電力系統からの電力の消費用の接続部と消費者の接続部への電力供給用の接続部との間の接続を測定された信号に基づいて遮断する目的で備えられている。さらに、電流レベルの急速な変動を防止するためにコイル１５が第２の極線１４に直列に配置されている。
【００２９】
電力系統からの電力の消費用の接続部と、消費者の接続部への電力供給用の接続部との間の接続が遮断される場合には、コントローラは、特に、消費者の接続部への電力供給用の接続部を電力供給部に接続する。
【００３０】
図４は、建物内の金属補強部の腐食を防ぐ装置１６を示しており、この装置は、金属補強部１８を介した（特に漏れ電流である）電流決定用の測定装置１７、および、システム内への電流印加用の装置１９を備えており、さらにここでは、制御装置が金属補強部を通過する電流がゼロになるように電流を印加するために設けられている。硫酸銀（II）（AgSO4）で指定されたこのユニットは、ガルバニック電位差（galvanic potentials）を測定するために装置の内部に用いられたリファレンスセルである。硫酸銀および硫酸銅の両方とも適している。
【００３１】
図５ａは、漏れ電流検出校正装置および漏れ電流検出校正の際の電流曲線のグラフを示す。漏れ電流検出校正方法は、作動の際に既知の試験電流を注入するステップと、応答を測定するステップと、その応答が漏れ電流としての試験電流と相関がないことを指定するステップと、障害としての漏れ電流とは異なる実質的に測定された電流を指定するステップと、および、前述の各ステップを所定の間隔で繰り返すステップと、を有する。
【００３２】
図５ｂは、障害が決定される場合を示すグラフである。
【００３３】
図５ｃは、電力線通信（ＰＬＣ）から構成される通信、過負荷保護、短絡保護、漏電保護、を有する直流電流（ＤＣ）保護システムを示す。
【００３４】
図５ｄは、短絡が生じていないネットワーク内でユーザが電源を投入できることを保障する安全起動回路を示す。
【００３５】
図５ｅは、短絡が生じないネットワークを実現することができる回路を示す。ユーザは、短絡電力なしでこの回路によって電源を入れることができる。これは、通常は不可能であるが、ここでは、条件が定義されており、電流が完全に低周波領域にあるので可能である。これにより、保護が介入せず、電流は完全に制御下にあり、傾斜立ち上がり（ramp-up）法によって動作する。
【００３６】
図６ａおよび６ｂは、ラダーネットワーク内の電気要素の順番を決定する方法を示す。ここで電気要素は、それらが供給される電圧を測定するための測定装置と、少なくとも測定された電圧および制御装置に対するユニークなコードを電力接続を介して通信するための通信装置と、を備えて、電源投入または電源遮断の命令をその通信装置を介して受信するように構成されている。順番を決定する方法は、ラダー内に配置されるに先立って電気要素の夫々に参照電圧を供給するステップと、電気要素をラダーネットワークに配置するステップと、制御装置を有して存在する電気要素のユニークなコードを検出するステップと、電気要素の投入および遮断を一つずつスイッチ制御するステップと、制御装置を有する電気要素によって測定された電圧を受信するステップと、より高い測定電圧ほど電源により近いという一般原理に基づいてラダー内に存在する電気要素の順番を決定するステップと、を有する。流入する直流電圧は低電力コントローラで測定される。各装置は、本質的にＡＤＣ（Ａ／Ｄ変換回路）を備えており、ＡＤＣは電源によって校正される。ランダムな装置は、その後、電源投入されて測定が再び始められる。電圧差を示す値（例えば、精密に１６ｂｉｔで）と、バス上でのＩＤ順番（sequence）との相違がこれに基づいて決定される。これらの番号は位置決定に使用できる。
【００３７】
図７ａ〜７ｃは、電力輸送とデータ送信が行われる際に、電気装置がＵＳＢ接続により接続される消費者の接続部（consumer connection）を示す。
【００３８】
小規模ユーザは、ＵＳＢ  ＰＤ（Power Delivery）１．０の接続によって電源が供給される。１００Ｗまでの多数の電力プロファイルがこの設定標準の範囲内で現在、利用可能であり、これらは近い将来には例えば６０Ｖで５Ａまで、すなわち３００Ｗの電力まで拡張することができる。選択すべきは、特にＵＳＢ電力供給用の安全な低電圧を有するネットワークを作り、接続場所における非絶縁ＤＣ／ＤＣ配置をすることである。これらは、非常にコンパクトで効率的であるので内蔵することができる。ＵＳＢ接続は、データをテレビジョンやコンピュータで利用できるように構成することもでき、これにより全ての装置で単一の接続が必要である。これは例えば、ネットワークを介して作動することができる標準のランプでもありうる。作動は、主電力供給部によって行われて、小さな電力供給部は、局所的に電力とＵＳＢデータと組み合わせて供給され、イーサネット（登録商標）のように動作する。このことは例えば、ラップトップがＵＳＢ  ＰＤからイーサネット（登録商標）（ＴＣＰ／ＩＰ）および電力を供給されることを意味するので、全てのユーザは、そのときイーサネット（登録商標）に接続されて、これにより、ホーム・オートメーションと電力供給とが組み合わされる。
【００３９】
上述の例は、純粋に説明用であり、以下の特許請求の範囲で規定される本発明の応用の保護範囲を制限するものではない。
【図１】
0006712269.tif 000002
【図２】
0006712269.tif 000003
【図３】
0006712269.tif 000004
【図４】
0006712269.tif 000005
【図５ａ】
0006712269.tif 000006
【図５ｂ】
0006712269.tif 000007
【図５ｃ】
0006712269.tif 000008
【図５ｄ】
0006712269.tif 000009
【図５ｅ】
0006712269.tif 000010
【図６ａ】
0006712269.tif 000011
【図６ｂ】
0006712269.tif 000012
【図７ａ】
0006712269.tif 000013
【図７ｂ】
0006712269.tif 000014
【図７ｃ】
0006712269.tif 000015