JP2016509459A - 予備電源システムと、地域配電網を上位送電網から切断する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、上位送電網（２０）と地域配電網（３０）に接続するための予備電源システム（１０）に関し、これは、地域配電網（３０）を上位送電網（２０）に、それぞれに開閉接点（１１３、１１６）が関連付けられた少なくとも２つの直列接続された開閉素子（１１１、１１４）によって接続するための網断路装置（１１）を有し、地域配電網（３０）に関する分離状況を特定するための分離網検出器（１２１）を備える地域電源装置（１２）を有する。予備電源システム（１０）は、２つの開閉素子のうちの第一の素子（１１１）が、その作動を目的として上位送電網（２０）に直接接続され、２つの開閉素子のうちの第二の素子（１１４）が、その作動を目的として地域電源装置（１２）に接続されるという点を特徴とする。本発明はさらに、地域配電網（３０）を上位送電網（２０）から断路するための方法に関する。【選択図】図２

Description

本発明は、上位送電網と地域配電網に接続するための予備電源システムに関する。予備電源システムは網切断装置を有し、これは地域配電網の上位送電網との接続または切断を、各々に開閉接点が割り当てられる少なくとも２つの直列接続された開閉素子によって行う。予備電源システムは、地域配電網の単独運転状況を検出するための単独運転検出器を含む地域電源装置をさらに有する。本発明はさらに、より下位の配電網を上位の送電網から切断する方法に関する。

予備電源システムは、電力を、上位の、おそらくは公共の送電網がこの電力を供給できない場合に地域配電網内の消費者の装置に供給するために使用される。そのような場合が生じる理由は例えば、上位送電網の故障および／または障害でありうる。予備電源システムは、この目的のために上記の切断装置を有し、これは上位送電網が正常に動作している間は前記送電網を地域配電網に接続し、上位送電網に故障および／または障害が発生した場合に、地域配電網を上位送電網から切断する。地域配電網が切断された後は、地域電源装置がこの地域網に接続されることにより、消費者の装置に電流を供給し続けることができる。地域発電装置はこの場合、特にインバータであり、これはエネルギー貯蓄手段、例えばバッテリに連結される。上位送電網を介して供給する場合の通常の動作モードから地域発電ユニットにより供給する場合の単独運転動作に切り替えるためのこのような予備電源システムは、例えば欧州特許出願公開第１ ９５６ ４８３ Ａ１号明細書と独国実用新案第２０ ２０１０ ００８ １２３ Ｕ１号明細書の文献から知られている。

このような地域電源装置はこの場合、一般に、単独運転検出器を有して、地域配電網の単独運転状況を検出し、上記のステップを実行する。こうした単独運転状況を検出する方法（「単独運転防止検出」、ＡＩＤ）は、例えば欧州特許出願公開第２ ００３ ７５９ Ａ１号明細書と欧州特許第０ ８１０ ７１３ Ｂ１号明細書の文献から知られている。

このような予備電源システムの場合、安全上の理由により、地域電源装置が地域配電網に、前記網が依然として上位送電網に接続されている間に電力を供給するという状況を避ける必要がある。このような状況では、例えば、実際には電圧フリーの上位送電網で保守作業を行う人員の安全が確保されなくなるであろう。したがって、一般に、いわゆる安全開離機能付き接触器とチェックバック接点が開閉素子として網切断設備の中に設けられるようになされている。これらの接触器の場合、チェックバック接点は確実に、主接点が実際に切断された時およびその時だけ閉じる。するとチェックバック接点は地域電源装置に接続され、前記地域電源装置はチェックバック接点が閉じた時のみ地域電源供給網に電力を供給する。これに加えて、２つの直列接続された接触器が提供されて、冗長性により安全性がさらに高まる。安全開離機能が設けられていない、「設備接触器」とも呼ばれる従来の接触器と比較して、上記のような安全開離機能付き接触器は、第一に、より高価であり、第二に、その大きさから、家内設備で使用される従来の設備ボックス（「ヒューズボックス」、「住宅内副分電盤」）には使用できない。

したがって、本発明の目的は、安全開離機能付き開閉素子やチェックバック接点がなくても、確実に地域配電網が上位送電網から関連規則により求められる安全レベルで切断されてからでなければ地域電源装置による地域網への電力供給が行われないようにする予備電源システムを提供することである。

この目的は、特許請求の範囲の独立項のそれぞれの特徴を有する予備電源システムおよび地域配電網を上位送電網から切断する方法によって達成される。有利な構成と発展形は従属項に明記される。

冒頭で述べた種類の本発明による予備電源システムは、網切断装置の２つの開閉素子のうちの第一の素子が、その作動のために上位送電網に直接接続され、網切断装置の２つの開閉素子の第二の素子が、その作動のために地域電源装置に接続されるという事実によって特徴付けられる。

上位送電網に直接接続される第一の開閉素子の作動によって、前記開閉素子は、上位送電網の電圧（保持電圧）が開閉素子を作動させるのに十分でなくなった時、すなわち上位送電網が故障した時に開く。この時点で、２つの網はすでに切断されている。２つの開閉素子のうちの第二の素子は地域電源装置によって作動され、これは単独運転検出器を介して単独運転状況を特定し、それに対応して、同様に、第二の開閉素子を安全に開くことができ、これは第一の開閉素子の正しい動作とはまったく関係ない。それゆえ、第一の開閉素子に関して、しばしば送配電網事業者が要求する「単一故障安全」が、安全開離機能付き接触器を使用することなく確保される。

地域配電網を上位送電網から切断するための本発明による方法の場合、上記の２つの網は、各々に開閉接点が割り当てられている少なくとも２つの直列接続された開閉素子を含む網切断装置により接続される。この場合、開閉素子のうちの第一の素子は、その作動のために上位送電網に直接接続される。少なくとも１つの地域電源装置が地域配電網内に設けられ、前記地域電源装置は、地域配電網の単独運転状況を検出するための単独運転検出器と、地域電源装置を地域配電網から切断するための内部開閉素子と、を含む。さらに、制御接点が設けられ、これを介して第二の開閉素子がその作動のために上位送電網に接続される。この方法において、地域配電網は、単独運転検出器によって単独運転状況の有無が監視される。単独運転状況が検出されると、制御接点を開くことによって第二の開閉素子の開閉接点が開かれ、内部開閉素子によって地域電源装置が地域配電網から切断されて、第一の開閉素子の開閉接点が開かれる。

このようにして、この方法により、第二の開閉素子に関する「単一故障安全」が確保される。第二の開閉素子による上位送電網からの切断が失敗した場合、第一の開閉素子が必ず安全に開くことが必要である。この目的のために、地域電源装置は、第一の開閉素子のための保持電圧が生成されないように地域網に電源供給するべきではなく、この目的のために、地域配電網から切断される。

理想的には、地域電源装置は地域配電網の電圧が短時間にわたり低下したことを監視することにより、設けられ得る他の電源供給手段、例えば関連するインバータを有するＰＶ発電機もまた地域配電網から切断される。それゆえ、確実に第一の開閉素子が保持電圧を受けなくなり、それゆえ、第二の開閉素子が誤動作したとしても、地域配電網の上位送電網からの安全な切断が実現される。

以下に、次のような図面の助けを借りて、本発明を例示的実施形態に関してより詳しく説明する。

図１は、地域配電網が予備電源システムを介して接続されている上位送電網の詳細を示す。 図２は、図１に示される予備電源システムの詳細な略図を示す。 図３は、予備電源システムのための切断装置の略図を示す。

図１はとりわけ、全体図の中で予備電源システム１０を概略的に示しており、これは、第一に上位送電網２０に、第二に消費者３１が接続される地域配電網３０に接続されている。

上位送電網２０の一部のみ、いわゆる二次配電網２３が示されている。電力は、上位のシステムとして、中電圧コネクタ２１と二次配電網変圧器２２を介して二次配電網２３に供給される。二次配電網２３には複数の家内設備２４が接続される。

図１の右側部分は、住居受電点２５から始まる家内設備２４の１つをより詳しく示している。この家内設備２４は、予備電源システム１０と、地域配電網３０と、を含む。予備電源システム１０はこの場合、網切断装置１１と、地域電源装置１２、この場合は例えばエネルギー貯蓄部としてバッテリ１３が接続されているバッテリインバータと、を有する。網切断装置１１は、地域電源装置１２によって制御線１４を介して作動される。地域配電網３０には上述の消費者３１に加えて、ＰＶ発電機３３が割り当てられた光起電力（ＰＶ）インバータ３２がさらに設けられている。ＰＶインバータはここでは、例えば地域給電手段または発電ユニットを表し、これは既存の電力網に電源供給するが、これはしかしながら、独立して網を形成できない。他にも所望のあらゆる電源を含めることができる。

図１は、例えば、二次配電網２３の中の２つのありうる網障害状況を示している。どちらの状況も、二次配電網の線に切断に基づく網故障に関する。このような切断は、例えば建設工事の結果として二次配電網のケーブルが切れたことにより、または保守作業中に、偶発的に発生しうる。住宅受電点２５に関して、図の第一の網障害２６の位置は、住宅受電点２５に直接、物理的に近い所で発生する図の第二の網障害２７に関して比較的離れている。したがって、第一の網障害２６を遠隔網障害とも呼び、これに対応して第二の網障害２７を近接網障害２７と呼ぶ。近接網障害２７の場合、住居受電点２５から見た時に、上位送電網３０の高抵抗切断が存在する。遠隔網障害２６の場合、住居受電点２５から見た時、一連の家内設備２４は同様に、切れた二次配電網ケーブルに依然として接続されている。住居受電点２５から見た時、遠隔網障害２６は、家内設備２４の中の消費者の数がおそらく多いことにより低抵抗状態であるか、短絡した二次配電網ケーブルに近くなる。

図２は、予備電源システム１０の設計をブロック回路図でより詳しく示す。予備電源システム１０は、第一に上位送電網２０に、第二に地域配電網３０に接続される。図２は、例として、各々の場合にここでは２本のみの接続線、すなわちＰＥＮ導体Ｎと位相導体Ｌ１を示している。言うまでもなく、ＰＥＮ導体Ｎへの３相接続と３本の別々の位相線Ｌ１〜Ｌ３および、おそらくはアース接続を設けることもできる。上位送電網２０と地域配電網３０との間の接続において、網切断装置１１の領域で、第一の開閉素子１１１と第二の開閉素子１１４が直列接続で配置される。２つの開閉素子は、開閉接点（ここでは図示せず）を介した２つの網２０、３０のすべての電極を切断することができる。これに加えて、網監視ユニット１６が上位送電網２０のために設けられ、前記網監視ユニットは、地域配電網３０と上位送電網２０の切断後に上位送電網２０の故障が生じた場合に、引き続き上位送電網２０を監視する。上位送電網２０が復旧すると、これは網監視ユニット１６によって地域電源装置１２に知らされて、２つの網２０、３０の位相角が同期されたところで、前記網を再び相互に接続することができる。

地域電源装置１２はインバータ１２６を含み、これはバッテリ１３（ここでは図示せず）に接続される。ＡＣ側では、内部開閉素子１２３、例えば接触器がインバータ１２６の下流に接続されるほか、地域配電網のための網監視装置１２７が接続される。インバータ１２６はＡＣ電圧側で内部開閉素子１２３を介して地域配電網３０に接続される。この接続はこの場合、同様に、網２０、３０の構成に対応する単相である。言うまでもなく、多相網２０、３０の場合は、インバータ１２６および地域配電網３０との接続もまた多相とすることができる。

地域電源装置１２は、データ取得装置１２５をさらに含み、これはコントローラ１２４に接続される。データ取得装置１２５はインバータ１２６と網監視装置１２７から、およびおそらくは第二の開閉素子１１４のチェックバック接点から情報（測定値、状態データ）を抽出して、この情報をコントローラ１２４に供給する。代替的な構成では、データ取得装置１２５をコントローラ１２４に組み込むことが可能である。コントローラ１２４は予備電源システム１０、特にインバータ３２と開閉素子１２３、１２２の機能を制御する。

地域電源装置はさらに、コントローラ１２４の一部として、あるいはまたそれとは別に具現化された単独運転検出器１２１を含む。前記単独運転検出器は、地域電源網の網監視装置１２７にデータ接続され、これは電圧と周波数の許容限界に関して網の状態を監視する。これらの限界は国によって異なる数値に設定されることがある。

単独運転検出器１２１は、地域送電網３０内に存在する単独運転状況を検出することができる。単独運転状況の存在を検出するために、これは既知の単独運転防止検出（ＡＩＤ）方式を利用し、その目的のために、これは網監視装置１２７からデータ取得１２５を介して必要な測定値（接続された網３０の電圧、電流、周波数）を受け取り、インバータ１２６を、おそらく実行中のＡＩＤ方式のために相応に作動させる。

単独運転検出器１２１は、近接網障害２７（図１参照）が発生した時と遠隔網障害２６が存在する時の両方に単独運転状況を検出するように設定される。単独運転状況の検出はコントローラ１２４に伝えられ、これが開閉接点１２２を介して第二の開閉素子１１４を作動させ、前記開閉素子が開くようにする。第一の開閉素子１１１は、上位送電網２０を介して直接作動され、それが利用できる保持電圧がないため、開く。

例えばＰＶインバータ３２とＰＶ発電機３３を含む図１に示されるＰＶシステム等の他の地域エネルギー源が地域配電網３０内に配置されている場合、前記エネルギー源も同様に、単独運転状況が存在する時に切断できるようにするべきである。これは、例えばＰＶインバータ３２が単独運転状況を検出するための単独運転検出器１２１と同様の装置を有するという事実によって実現できる。あるいは、ＰＶインバータ３２を、予備電源システム１０の単独運転検出器１２１を介して作動させることも考えられる。

図３は、例えば図２の予備電源システム１０で使用可能な網切断装置１１の設計をより詳しく示す。

この場合、安全開離機能を持たない接触器、いわゆる設備接触器が開閉素子１１１と１１４として使用されている。それによって、有利な点として、網切断装置１１全体を安全基準に反することなく従来の「住宅内副分電システム」（「ヒューズボックス」）に統合することが可能となる。

図３において、網２０、３０は３相である。開閉素子１１１、１１４の各々は４つの開閉接点１１３、１１６を有する。したがって、開閉素子１１１、１１４はすべての電極における網２０、３０間の接続を切断する。２つの開閉素子１１１、１１４の開閉接点は各線について直列接続される。

開閉素子１１１、１１４は制御コイル１１２、１１５を有する。第一の開閉素子１１１の制御コイル１１２は上位送電網２０に直接接続される。第二の開閉素子１１４の制御コイル１１５は第一と第二の開閉素子１１１、１１４のそれぞれの開閉接点１１３と１１６との間のその供給電圧を停止し、前記供給電圧は制御線１４を介して地域電源装置１２の中の開閉接点１２２を介して受け渡される。２つの開閉素子はいわゆる「通常開接点」であり、すなわち、開閉素子の制御コイルに不十分な高さの電圧（保持電圧）があれば、開閉接点が開いている。

任意選択により、第二の開閉素子１１４にはチェックバック接点（図示せず）を設けることができ、これはデータ取得装置１２５により検出され、すると、インバータ１２６が地域配分網３０に接続される間に介在する内部開閉素子１２３が、チェックバック接点が開閉素子１１４の不作動を通信した時にのみオンに切り替えられるようになされる。これは、追加的な安全対策である。

図３の実施形態のように、安全開離機能を持たない開閉素子１１１、１１４が使用されていても、図の予備電源システム１０は、開閉素子１１１、１１４の動作モードに関する「単一故障安全機能」を有する。

例えば第一の開閉素子１１１の開閉接点１１３の１つまたは複数が溶着し、正しく開かない場合、それでも開閉素子１１４は、単独運転状況が検出されると、地域電源装置１２の開閉接点１２２を介した作動によって開く。これに対して、第二の開閉素子１１４の開閉接点１１６のうちの１つまたは複数が融着して、正しく開かないと、上位送電網２０の故障によって制御コイル１１２に利用できる保持電圧がないため、開閉素子１１１が開く。

近接網障害２７（図１参照）の場合、発電と（消費者３１による）消費が、接続された地域電源装置１２の場合に地域送電網３０の場合、およびおそらくは別の発電ユニットによって少なくとも短期間に地域で賄える、という場合が発生するかもしれない。それゆえ、第二の開閉素子１１４の動作に障害が生じた場合に、地域電源装置１２が制御コイル１１２のための保持電流を発生するため、上位送電網２０が故障しても第一の開閉素子１１１が開かない、という状況が発生するかもしれない。この場合のために、地域電源装置１２は、第一の開閉素子１１１からの保持電圧の安全な引き出しのために内部開閉素子１２３によって地域配電網３０から切断される。

別の地域発電ユニットが地域配電網３０内に設けられている場合、地域電源装置１２は、その網監視装置１２７によって地域送電網３０の電圧低下を判定し、それゆえ、第一の開閉素子１１１が確実に開くようにすることができる。これに加えて、この手段により、制御接点１２２の動作障害もまた封じられる。前記制御接点が電源装置の作動にかかわらず開かない場合、制御された電圧ディップによって、第二の開閉素子１１４が確実に開くことになる。作動を上位送電網に連結することにより、さらに、第二の開閉素子は、上位送電網が復旧した時にのみ再びオンに切り替えられるようになる。

地域配電網３０が上位送電網２０から切断されると、地域電源装置１２をその内部開閉素子１２３によって再び接続して、地域電圧供給を確立することができる。地域的に復旧した網３０は、地域発電ユニット３２によっても特定されて、前記エネルギー生成ユニットも同様に再びオンに切り替えられ、地域配電網３０へと電源供給する。上位の電源供給の復旧は上位送電網１６（図２）の網監視装置によって監視され、地域配電網３０が電圧と周波数の点で上位送電網２０と同期されると、２つの網２０、３０を再び相互に接続できる。

１０ 予備電源システム
１１ 網切断装置
１１１ 第一の開閉素子
１１２ 第一の制御コイル
１１３ 第一の開閉接点
１１４ 第二の開閉素子
１１５ 第二の制御コイル
１１６ 第二の開閉接点
１１７ チェックバック接点
１２ 地域電源装置
１２１ 単独運転検出器
１２２ 制御接点
１２３ 内部開閉素子
１２４ コントローラ
１２５ データ取得装置
１２６ インバータ
１２７ 地域配電網の網監視装置
１３ バッテリ
１４ 制御線
１６ 上位送電網の網監視装置
２０ 上位送電網
２１ 中電圧コネクタ
２２ 二次配電網変圧器
２３ 二次配電網
２４ 家内設備
２５ 住居受電点
２６ 遠隔網障害
２７ 近接網障害
３０ 地域配電網
３１ 消費者
３２ ＰＶインバータ
３３ ＰＶ発電機

Claims (9)

1. 上位送電網（２０）と地域配電網（３０）に接続するための予備電源システム（１０）において、
   −前記地域配電網（３０）を前記上位送電網（２０）に、各々に開閉接点（１１３、１１６）が割り当てられた少なくとも２つの直列接続された開閉素子（１１１、１１４）によって接続するための網切断装置（１１）と、
   −前記地域配電網（３０）の単独運転状況を検出するための単独運転検出器（１２１）を含む地域電源装置（１２）と、
   を含み、
   −前記２つの開閉素子のうちの第一の素子（１１１）が、その作動のために前記上位送電網（２０）に直接接続され、
   −前記２つの開閉素子のうちの第二の素子（１１４）が、その作動のために前記地域電源装置（１２）に接続される
   ことを特徴とする予備電源システム（１０）。
2. 請求項１に記載の予備電源システム（１０）において、
   前記地域電源装置（１２）が制御接点（１２２）を有し、それによって前記第二の開閉素子（１１４）が、その作動のために前記上位送電網（２０）に接続されることを特徴とする予備電源システム（１０）。
3. 請求項１に記載の予備電源システム（１０）において、
   前記第二の開閉素子（１１４）が、単独運転状況がある時にそれに関連付けられた開閉接点（１１６）が開くような方法で作動されることを特徴とする予備電源システム（１０）。
4. 請求項１乃至３の何れか１項に記載の予備電源システム（１０）において、
   前記網切断装置（１１）の前記２つの開閉素子（１１１、１１４）が、安全開離機能を持たない設備接触器であることを特徴とする予備電源システム（１０）。
5. 請求項１乃至４の何れか１項に記載の予備電源システム（１０）において、
   前記第二の開閉素子（１１４）が、前記第二の開閉素子（１１４）に属する前記開閉接点（１１６）が開いたことを示す少なくとも１つのチェックバック接点（１１７）を有することを特徴とする予備電源システム（１０）。
6. 請求項５に記載の予備電源システム（１０）において、
   前記チェックバック接点（１１７）が前記地域電源装置（１２）に接続され、前記地域電源装置（１２）による地域電源供給の確立が、前記チェックバック接点（１１７）により前記開閉接点（１１６）が開いたことが示されるまで阻止されることを特徴とする予備電源システム（１０）。
7. 請求項１乃至６の何れか１項に記載の予備電源システム（１０）において、
   前記切断装置（１１）が住宅内副分電システムの中に組み込まれることを特徴とする予備電源システム（１０）。
8. 地域配電網（３０）を上位送電網（２０）から切断する方法において、
   −前記２つの網（３０、２０）が、各々に開閉接点（１１３、１１６）が割り当てられた少なくとも２つの直列接続された開閉素子（１１１、１１４）を含む網切断装置（１１）によって接続され、前記開閉素子のうちの第一の素子（１１１）が、その作動のために前記上位送電網（２０）に直接接続され、
   −少なくとも１つの地域電源装置（１２）が前記地域送電網（３０）内に設けられ、前記地域電源装置が、前記地域配電網（３０）の単独運転状況を検出するための単独運転検出器（１２１）と、前記地域電源装置（１２）を前記地域配電網（３０）から切断するための内部開閉素子（１２３）と、前記第二の開閉素子（１１４）がその作動のために前記上位送電網（２０）に接続されるための手段となる制御接点（１２２）と、を含み、
   −前記地域配電網（３０）を、前記単独運転検出器（１２１）によって単独運転状況の存在について監視するステップと、
   −前記制御接点（１２２）を開くことによって前記第二の開閉素子（１１４）の前記開閉接点（１１６）を開くステップと、
   −前記第一の開閉素子（１１１）の前記開閉接点（１１３）を開くために、前記内部開閉素子（１２３）によって前記地域電源装置（１２）を前記地域配電網（３０）から切断するステップと、
   を含むことを特徴とする方法。
9. 請求項８に記載の切断する方法において、
   −前記地域送電網（３０）が少なくとも１つの地域発電ユニット、特にそこに接続されたＰＶ発電機（３３）を含むＰＶインバータ（３２）を含み、
   −前記地域電源装置（１２）が、前記地域配電網の網監視装置（１２７）によって前記地域配電網（３０）の電圧低下を判定し、
   −不完全な低下の場合、前記地域発電ユニットのすべてが前記地域送電網（３０）から切断されるまで待機し、
   −前記地域送電網（３０）の電圧が完全に低下した後、前記地域電源装置（１２）が前記内部開閉素子（１２３）による前記地域配電網（３０）からの前記切断を取り消し、
   −前記地域配電網（３０）の中で独立した地域電源供給を確立する
   ことを特徴とする方法。
   

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