WO2023218721A1 - 有効電力計量装置、調整力計量装置、計量方法、およびプログラム - Google Patents
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- G01R21/00—Arrangements for measuring electric power or power factor
- G01R21/133—Arrangements for measuring electric power or power factor by using digital technique
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- H02J13/00—Circuit arrangements for providing remote indication of network conditions, e.g. an instantaneous record of the open or closed condition of each circuitbreaker in the network; Circuit arrangements for providing remote control of switching means in a power distribution network, e.g. switching in and out of current consumers by using a pulse code signal carried by the network
Definitions
- the present disclosure relates to an active power measuring device, a regulating power measuring device, a measuring method, and a program that are used for adjusting supply and demand of an electric power system and settling electricity charges.
- the sample size N for the moving average is such that the length of the time window for moving average is an integral multiple of the AC cycle. For example, if the instantaneous power is sampled 32 times in one period and the width of the moving average window is 10 periods, then N is 320.
- the width of the time window of the moving average has been extended to, for example, 10 cycles to cope with the error caused by the shift in cycles.
- Patent Document 1 a moving average of instantaneous power for 10 cycles is obtained, and active power is calculated based on this moving average.
- the power demand in offices, factories, general households, etc. fluctuates from moment to moment.
- it is effective to increase the power supply (or reduce the power demand) if there is a shortage of power supply, and to reduce the power supply (or reduce the power demand) if the power supply is in excess.
- increasing electricity demand is effective.
- the sign of "increase/decrease” the power supply (or “reduce/increase” the power demand) is reversed depending on whether there is a shortage or surplus of power supply at the time.
- Supply and demand adjustment is mainly carried out by power plants adjusting the amount of power generated to keep the frequency of the power grid constant.
- the governor-free operation expressed by equation (2) is used.
- Pn is the rated power generation output (kW)
- fn is the reference frequency (Hz) of the frequency of the power system.
- ⁇ f is a deviation from the reference frequency (for example, 50 Hz or 60 Hz), and the generated power is reduced by ⁇ P in proportion to it.
- ⁇ is a value called an arbitration rate, and the value is set in the control device of the power plant.
- the arbitration rate is set to a value of about 0.04. This specifies the relationship between the excess ⁇ f with respect to the reference frequency and the power ⁇ P that is subtracted from it. When the arbitration rate is 0.04, it means that when the frequency increases by 0.04 ⁇ fn (Hz), ⁇ P decreases by Pn (kW).
- the power generation output is adjusted to lower ⁇ f to 0.
- ⁇ was explained as the deviation from the reference value. For example, it has been explained that ⁇ f is the deviation between the current frequency and the reference frequency. However, the same thing is true even if ⁇ is the previous value. For example, let us assume that a metric calculation is performed at a period of ⁇ t seconds. At this time, even if ⁇ f is considered to be the difference between the frequency of the current calculation cycle and the frequency of the previous control cycle, and ⁇ P is the difference between the active power of the current control cycle and the active power of the previous calculation cycle, equation (2) is To establish.
- equation (2) excess or deficiency in power supply and demand is measured by ⁇ f, and if ⁇ P is positive when ⁇ f is negative, that ⁇ P is considered to have contributed to supply and demand adjustment, and the absolute value of ⁇ P is added, and ⁇ f If ⁇ P is negative even though ⁇ P is negative, the absolute value of ⁇ P is subtracted as it is considered that ⁇ P obstructs the adjustment of supply and demand.
- the power contributing to supply and demand adjustment can be measured using equation (3).
- the time difference ⁇ P of active power is required.
- the active power P is obtained as a moving average value of the frequency of the power system, and the period of the moving average is about 10 periods. If the frequency is 50 Hz, 10 cycles are 200 ms, so equation (3) is calculated every 200 ms.
- governor-free adjustment is carried out autonomously by each power source without any commands, the adjustment force generated by the power source in short cycles is not measured or accounted for, and the electric power company cannot receive compensation. .
- the kinetic energy of the generator and the external combustion engine and internal combustion engine connected to it also play an important role. For example, when the frequency of the power system decreases, the rotational speed of the generator also decreases, and the reduction in kinetic energy due to fluctuations in rotational speed is supplied to the power system and functions as a regulating force.
- inertial energy acting on the side is attracting attention as a force for adjusting supply and demand (inertial force).
- inertial force In order to measure fast adjusting forces such as inertial force, the shorter the power measurement period, the better.
- the lower limit of the measurement period is 200 ms.
- An object of the present disclosure is to provide an active power measuring device, a regulating force measuring device, a measuring method, and a program that can improve the responsiveness of power measurement.
- the active power metering device includes a frequency estimation method that estimates the period and frequency of the alternating current based on a time series of the voltage of the alternating current that the target device transmits or receives from the power grid.
- a moving average value of the instantaneous power in a plurality of cycles of the alternating current is calculated for each cycle of the alternating current, and from the difference between the calculated moving average value and the previously calculated moving average value, one cycle of the alternating current is calculated. and an active power meter that measures the active power transmitted and received by the target device.
- the active power metering device includes a frequency estimation method that estimates the period and frequency of the alternating current based on a time series of the voltage of the alternating current that the target device transmits or receives from the power grid. and an active power meter that measures the active power delivered and received by the target device from the integrated value of instantaneous power in one cycle of the alternating current.
- the active power metering device includes a frequency estimation method that estimates the period and frequency of the alternating current based on a time series of the voltage of the alternating current that the target device transmits or receives from the power grid.
- an instantaneous power calculator that calculates the instantaneous power of the alternating current at a frequency that is an integral multiple of the frequency of the alternating current and outputs a discrete time signal of the instantaneous power in one cycle of the alternating current; a finite impulse response filter whose coefficient is a Hanning window matched to the calculation frequency of the instantaneous power; the finite impulse response filter filters the discrete signal of the instantaneous power to determine the effective power transmitted and received by the target device; and an active power meter for measuring.
- the active power metering device includes a frequency estimation method that estimates the period and frequency of the alternating current based on a time series of the voltage of the alternating current that the target device transmits or receives from the power grid.
- an instantaneous power calculator that calculates the instantaneous power of the alternating current at a frequency that is an integral multiple of the frequency of the alternating current and outputs a discrete time signal of the instantaneous power in one cycle of the alternating current; and an active power meter that filters the discrete signal of the instantaneous power with a finite impulse response filter that blocks a component corresponding to a vibration frequency, and measures the active power transmitted and received by the target device.
- the active power metering device calculates the voltage of at least one phase of the three-phase alternating current based on the time series of the voltage of the three-phase alternating current that the target device transmits or receives from the power grid.
- a frequency estimator that estimates the frequency of alternating current; and an active power meter that measures the active power in all three phases of the target device from a moving average value of the sum of instantaneous powers of each phase of the three-phase alternating current.
- an active power metering device receives as input an instantaneous voltage of AC that a target device transmits or receives from a power grid, and calculates the rotation speed of a synchronous motor included in the target device, Based on the synchronous motor model whose output is the frequency of the alternating current, the instantaneous current of the alternating current, the instantaneous voltage, and the frequency output from the synchronous motor model, the target device is controlled in one cycle of the alternating current.
- An active power meter that measures active power to be transferred and received.
- an adjustment force measuring device includes the active power metering device according to any one of the above aspects, the time difference in the active power, and the time difference in the frequency. and an adjusted power amount meter that calculates the supply and demand adjustment power of the target device based on the power consumption.
- the measurement method includes the steps of: estimating the period and frequency of the alternating current based on a time series of the voltage of the alternating current that the target device transmits or receives from the power grid; calculating the instantaneous power of the alternating current at a frequency that is an integer multiple of the frequency of the alternating current, and outputting a discrete time signal of the instantaneous power in one cycle of the alternating current; and adjusting the tap length at the frequency of calculating the instantaneous power. filtering the discrete signal of the instantaneous power with a finite impulse response filter using the matched Hanning window as a coefficient, and measuring the effective power transmitted and received by the target device.
- the program includes the steps of estimating the period and frequency of the AC based on a time series of the voltage of the AC that the target device transmits or receives from the power system; calculating the instantaneous power at a frequency that is an integral multiple of the frequency of the alternating current, and outputting a discrete time signal of the instantaneous power in one cycle of the alternating current, and making the tap length match the calculation frequency of the instantaneous power. filtering the discrete signal of the instantaneous power with a finite impulse response filter using the Hanning window obtained as a coefficient to measure the active power transmitted and received by the target device.
- the responsiveness of power measurement can be improved.
- FIG. 1 is a diagram showing a functional configuration of an adjustment force measuring device according to a first embodiment
- FIG. FIG. 2 is a first diagram for explaining the functions of the active power metering device according to the first embodiment.
- FIG. 2 is a second diagram for explaining the functions of the active power metering device according to the first embodiment. It is a figure showing the functional composition of the frequency estimator concerning modification 1 of a 1st embodiment. It is a figure which shows the functional structure of the adjustment force measuring device based on the modification 2 of 1st Embodiment.
- FIG. 7 is a diagram for explaining functions of an active power measuring device according to a second modification of the first embodiment. It is a figure which shows the functional structure of the adjustment force measuring device based on the modification 3 of 1st Embodiment.
- FIG. 7 is a first diagram for explaining the functions of an active power metering device according to a second embodiment.
- FIG. 7 is a second diagram for explaining the functions of the active power metering device according to the second embodiment.
- FIG. 7 is a third diagram for explaining the functions of the active power metering device according to the second embodiment.
- FIG. 4 is a fourth diagram for explaining the functions of the active power metering device according to the second embodiment. It is a figure for explaining the function of the active power metering device concerning a 3rd embodiment. It is a figure showing the functional composition of an active power meter concerning a 4th embodiment.
- FIG. 1 is a schematic block diagram showing the configuration of a computer according to at least one embodiment.
- FIG. 1 is a diagram showing the functional configuration of an adjustment force measuring device according to a first embodiment.
- an adjustment force providing means 2 is connected to the AC power system G.
- the adjusting force providing means 2 is a generator or a load.
- the adjusting force measuring device 1 is provided, for example, at a connection point between the AC power system G and the adjusting force providing means 2.
- the adjusting force measuring device 1 according to the present embodiment measures the supply and demand adjustment performed by the adjusting force providing means 2 on the AC power system G as adjusted electric energy.
- the regulating power measuring device 1 includes an active power measuring device 10 and a regulating power meter 15.
- the active power metering device 10 includes a voltage detector 11, a current detector 12, a frequency estimator 13, and an active power meter 14.
- the voltage detector 11 outputs a voltage signal v that is a measured value of the voltage of the power that the adjustment force providing means 2 transmits to or receives from the AC power system G. For example, the voltage detector 11 measures the voltage at the connection point between the AC power system G and the adjusting force providing means 2 or at the entrance and exit of the adjusting force providing means 2 on the AC power system G side. Measure the voltage.
- the current detector 12 outputs a current signal i, which is a measured value of the current of the power that the adjustment force providing means 2 transmits to or receives from the AC power system G.
- a current signal i which is a measured value of the current of the power that the adjustment force providing means 2 transmits to or receives from the AC power system G.
- the current detector 12 measures the current at the connection point between the AC power system G and the adjusting force providing means 2 or at the entrance and exit of the adjusting force providing means 2 on the AC power system G side.
- the frequency estimator 13 estimates the period and frequency f of the AC that the adjustment force providing means 2 exchanges with the AC power system G based on the time series of the voltage signal v.
- the active power meter 14 measures the active power P of the power that the adjusting force providing means 2 exchanges with the AC power system G from the moving average value of instantaneous power in a plurality of AC cycles.
- the adjusted power meter 15 calculates the power supply and demand adjustment power M based on the temporal difference in active power and the temporal difference in frequency.
- the active power meter 14 reads the voltage signal v and the current signal i at least every active power calculation cycle.
- the active power meter 14 calculates the instantaneous active power p t (hereinafter also simply referred to as "instantaneous power") at time t from the voltage signal v t at time t and the current signal i t at time t. do.
- the active power meter 14 outputs, as the active power Pt , a value obtained by retrospectively moving the instantaneous power Pt at each time, as shown in Equation (1) above.
- the active power calculation cycle is set to match the AC cycle. For example, when the reference frequency of the AC power system G is 50 Hz, the active power calculation cycle is 20 ms.
- the active power meter 14 calculates the instantaneous power p 32 times per period. Further, the active power meter 14 calculates the active power P by moving the average of the instantaneous power p for 10 cycles for each calculation cycle.
- the frequency estimator 13 receives the voltage signal v and calculates the alternating current frequency f from the time interval at which the voltage v alternately crosses zero.
- the voltage v crosses twice in one period: from a positive voltage to a negative voltage and from a negative voltage to a positive voltage.
- the time interval of the moving average in equation (1) an interval of 10 cycles
- the time of the first crossing is tX ,start-1
- the time of the last crossing is tX,start
- the number of crossings is nX .
- the frequency of the moving average section of equation (1) can be calculated using equation (4) below. Taking into consideration the direction of crossing, for example, if we take only those where the voltage crosses zero from positive to negative, crossing occurs once per period, and 1/2 times the right side of equation (9) is not necessary. be.
- the adjustment power meter 15 calculates the difference between the active power P and the frequency f of the previous time (time t-1) using equations (5) and (6) for each time width N of the moving average of equation (1). demand.
- FIG. 2 is a first diagram for explaining the functions of the active power metering device according to the first embodiment.
- the active power P t is the moving average value of the instantaneous power p in the past 10 cycles (cycles 1, 0, -1, -2, ..., -8) from time t
- the effective Power P t-1 is a moving average value of instantaneous power p over the past 10 cycles (cycles 0, -1, -2, -3, . . . -9) from the previous cycle.
- the frequency f t is the average value of frequencies in the past 10 cycles (cycles 1, 0, -1, -2, . . . , -8) from time t.
- the frequency f t-1 is the average value of frequencies over the past 10 cycles (cycles 0, -1, -2, -3, ..., -9) from the previous cycle. That is, the adjusted power meter 15 calculates the difference ⁇ P between the moving average values of the active power P and the difference ⁇ f between the average values of the frequency f in two periods shifted by one cycle.
- the adjusted power amount meter 15 calculates the adjusted power amount M using equation (3).
- FIG. 3 is a second diagram for explaining the functions of the active power metering device according to the first embodiment. Calculation of the time tx at which the voltages cross will be explained with reference to FIG. As shown in FIG. 3, the voltage crosses 0V between time t 1 and time t 2 when the sign of the voltage is reversed at adjacent times. The crossing time tX is calculated using the following equation (7).
- the adjusting force measuring device 1 includes a frequency estimator 13 that estimates the period and frequency of AC based on the time series of the AC voltage v transmitted or received by the adjusting force providing means 2; An active power meter 14 that measures active power P from a moving average value of instantaneous power P in multiple cycles (for example, 10 cycles) of AC, and a temporal difference (one cycle difference) between active power P and frequency. and an adjusted power amount meter 15 that calculates the power supply and demand adjustment power M based on the power supply and demand adjustment power M.
- the regulating force measuring device 1 can obtain the difference for each cycle of alternating current with respect to the active power P and the frequency f, and can calculate the supply and demand regulating force M for each cycle from these differences. For example, when the reference frequency of AC is 50 Hz, one cycle is 20 ms. Therefore, the adjustment force measuring device 1 can improve the quick response of measurement. Thereby, the adjusting force measuring device 1 can measure quick adjusting force such as inertial force.
- FIG. 1 shows an example in which the active power measuring device 10 is provided inside the regulating force measuring device 1, the present invention is not limited to this.
- the active power metering device 10 may be provided independently as a device separate from the regulating force metering device 1.
- the active power measuring device 10 is provided on a power line connected to the outlet of a generator, and measures the active power P of the power transmitted by the generator.
- the active power metering device 10 is provided on a power line connected to an inlet of a load, and measures the active power P of the power received by the load.
- a generator or a load is an example of a target device whose active power is measured by the active power measuring device 10.
- the active power meter 14 of the active power metering device 10 measures the active power delivered and received by the target device during one cycle of AC using equation (5). This makes it possible to improve the responsiveness of effective power measurement.
- the active power for one cycle measured by the active power measuring device 10 is used, for example, for automatic control of output in a generator control device. Since the active power measuring device 10 can measure the active power of the generator without delay, the control performance of the generator can also be improved.
- FIG. 4 is a diagram showing a functional configuration of a frequency estimator according to Modification 1 of the first embodiment. Further, as shown in FIG. 4, the frequency estimator 13 may use a zero-crossing detector 131 (hereinafter also referred to as "ZC detector") to determine the crossing time tX .
- ZC detector zero-crossing detector 131
- the output of the ZC detector 131 changes in steps at the moment the voltage signal crosses 0V.
- the output of the ZC detector 131 and the time of the timer 130 are input to the sampler 132 .
- the sampler 132 outputs the time of the timer 130 at the moment when the output of the ZC detector 131 changes step by step. This corresponds to tX .
- the frequency calculation unit 133 calculates the reciprocal of the difference between t X between the previous time and the current time as ⁇ 2 t X , as the frequency f.
- FIG. 5 is a diagram showing a functional configuration of an adjustment force measuring device according to a second modification of the first embodiment.
- the active power meter 14 may include an instantaneous power integrator 142, a sampler 143, and an active power calculation unit 144. Further, as the frequency estimator 13, the one in modification example 1 is used.
- the instantaneous power oscillates at 2f, which is twice the AC frequency f. Therefore, when the instantaneous power is moved and averaged over a period of 1/2 f seconds, which is the oscillation period, or an integral multiple thereof, the oscillation components are canceled out, and the effective power, which is the average value of the instantaneous power, can be obtained.
- the instantaneous power is moved and averaged over a period of 10 cycles of the reference frequency to obtain the active power. Since the frequency of the AC power system changes constantly, the period of one cycle also changes constantly. Therefore, in the prior art, approximation is performed by averaging the period of 10 cycles. When smoothed out in this way, the responsiveness of active power detection deteriorates. As long as the wattmeter is used for the purpose of billing electricity bills, quick response is not important. For example, it is sufficient to know the integrated value of electricity for one month. However, in order to accurately measure the regulating force exerted by a governor free, inertial, or system stabilizing device, it is meaningful to estimate one cycle of alternating current and accurately calculate the active power for one cycle.
- the active power was calculated from a moving average of 10 cycles of AC. If the AC reference frequency is 50 Hz, the width of the moving average time window is 200 ms. In the second modification, the width of the moving average time window can be set to one period (20 ms). This makes it possible to measure components of power supply and demand that have a fast adjustment ability.
- the active power PX is accumulated using the following equation (8) from the difference in the amount of power between two zero crosses.
- tX is the time of the most recent zero cross
- tX ,prev2 is the time of the two previous zero crosses
- WtX is the amount of power at time tX .
- FIG. 6 is a diagram for explaining the functions of the active power measuring device according to the second modification of the first embodiment. As shown in FIG. 6, when t 1 is the time of the integration calculation immediately before the zero crossing, and t 2 is the time of the integration calculation immediately after the zero crossing, W tX is determined by the following equation (9).
- the adjusted power amount for every two zero crossings may be calculated using the following equation (10).
- Modification 2 it is possible to accurately calculate the active power per cycle of AC. This makes it possible to measure the ability to adjust power supply and demand for each cycle of alternating current. As a result, it becomes possible to measure fast components of adjustment forces, which originate from inertial forces, for example.
- FIG. 7 is a diagram showing a functional configuration of an adjustment force measuring device according to modification 3 of the first embodiment.
- the calculation of the instantaneous power integrator 142 of the second modification is not strictly synchronized with the cycle of alternating current. Therefore, the power amount W tX at the zero-crossing time tX was estimated by performing interpolation approximation using equation ( 9).
- the calculation of the instantaneous power integrator 142 is made to match the cycle of alternating current, thereby eliminating the need for interpolation approximation. As shown in FIG. 7, the instantaneous power integrator 142_1 receives the multiplied ZC signal.
- the multiplied ZC signal is a signal obtained by multiplying the frequency of the ZC signal by a multiplier 145. For example, if the ZC signal is 100Hz, the multiplied ZC signal is 320Hz. Furthermore, the phase of the multiplied ZC signal is adjusted by the ZC detection unit 146 so that it turns on at the same time as the ZC signal turns on.
- the instantaneous power integrator 142_1 calculates instantaneous power p from voltage v and current i based on the multiplied ZC signal, and outputs an integrated value W tXm/2 of active power.
- the period of the multiplied ZC signal is required for the integration calculation, and it is determined from the time tXm when the multiplied ZC signal output from the timer 147 and the sampler 148 turns ON. According to such arithmetic processing, the period of alternating current and the calculation period of the active power integrated value W tXm/2 are synchronized, so interpolation approximation of equation (8) is not necessary, and the calculation is simple.
- FIG. 8 is a diagram showing the functional configuration of an active power meter according to the second embodiment.
- the active power meter 14 includes an instantaneous power calculator 140 and a finite impulse response filter 141 (hereinafter also referred to as "FIR filter"). It is characterized by comprising:
- the instantaneous power calculator 140 calculates the instantaneous power of the alternating current at a frequency f s (sampling frequency) that is an integral multiple m of the frequency f of the alternating current, and outputs a discrete time signal of the instantaneous power in one cycle of the alternating current.
- the FIR filter 141 uses as a coefficient a Hanning window whose tap length matches the instantaneous power calculation frequency m plus 1 (m+1).
- the FIR filter 141 filters the instantaneous power discrete time signal input from the instantaneous power calculator 140 and outputs active power.
- the active power meter 14 sets the calculation frequency fs to an integer multiple m of the frequency f of AC power, and uses a Hanning window with a tap length of m+1 as a coefficient instead of a moving average.
- This embodiment differs from the first embodiment in that a filter 141 is used. Note that in this embodiment, a reference frequency (for example, 50 Hz) is used as the frequency f of the AC power.
- equation (1) used in the first embodiment is the same as multiplying the instantaneous power by a rectangular window function. Therefore, equation (1) can be expressed as equation (13) using the weighting coefficient w ⁇ R N of the rectangular window of length N shown in equation (12).
- the value of N is 320. If the number of instantaneous power samples per period is set to an integer m, the sampling frequency f s is m times the frequency f.
- a second embodiment uses a Hanning window.
- the length of the Hanning window is assumed to be m+1.
- the weighting coefficient h ⁇ R m+1 of the Hanning window is expressed by the following equation (14).
- FIG. 9 is a first diagram for explaining the functions of the active power metering device according to the second embodiment.
- FIG. 9 is a comparison example between the Hanning window function h after gain correction and the moving average rectangular window function w.
- FIG. 10 is a second diagram for explaining the functions of the active power metering device according to the second embodiment.
- FIG. 10 is a comparison example of the frequency characteristics of the response of the active power P to the instantaneous power P of the Hanning window and the rectangular window.
- the response gain decreases from around 2 Hz.
- the Hanning window the gain does not decrease up to about 30 Hz, so the Hanning window has better quick response than the rectangular window.
- FIG. 12 is a fourth diagram for explaining the functions of the active power metering device according to the second embodiment.
- the instantaneous power oscillation corresponds to 100 Hz.
- both the Hanning window and the rectangular window have a response gain valley near 100 Hz, it is recognized that they have the ability to remove this vibration. Comparing the two, the width of the valley in the Hanning window is wider than that in the rectangular window, so even when the AC frequency fluctuates, the same vibration can be better removed.
- the response gain at frequencies around 100 Hz is also about 10 dB smaller for the Hanning window than for the rectangular window (about 1/3 times the gain), so the Hanning window is more suitable for measuring active power.
- the adjustment force measuring device 1 calculates the instantaneous power of AC at a frequency that is an integral multiple of the frequency of AC, instead of the active power meter of the first embodiment. It has an instantaneous power calculator 140 that outputs a discrete time signal of instantaneous power in a period, and an FIR filter 141 whose coefficient is a Hanning window whose tap length matches the calculation frequency of the instantaneous power calculator 140. An active power meter 14 is provided that measures the active power P by filtering the discrete signal of the instantaneous power.
- the active power meter according to the first embodiment had to perform a moving average over 10 alternating current cycles, for example.
- the active power meter 14 according to the second embodiment can calculate the active power in only one period, and therefore can further improve the responsiveness of active power measurement.
- the regulating force measuring device 1 is able to measure the component of the power demand and supply regulating force that is fast.
- the adjustment force measuring device 1 can remove fluctuations in instantaneous power more effectively than the first embodiment. Thereby, the regulating power measuring device 1 can accurately measure the power supply and demand regulating power of electric power.
- the third embodiment will be described in detail with reference to FIG. 13. Components common to those of the above-described embodiments are given the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
- the second embodiment an example has been described in which an FIR filter whose coefficient is a Hanning window whose tap length matches the calculation frequency (m+1) of instantaneous power is used.
- the third embodiment is characterized by using an FIR filter 141 that blocks a component corresponding to a frequency 2f (vibration frequency) that is twice the frequency f of alternating current.
- a reference frequency for example, 50 Hz
- a reference frequency for example, 50 Hz
- the active power is the time average value represented by the first term on the right side.
- FIG. 13 is a diagram for explaining the functions of the active power measuring device according to the third embodiment.
- the positions of the FIR filter 141 on the unit circle of the complex plane are ⁇ a 1 ⁇ jb 1 , a 2 ⁇ jb 2 , ..., a m/2 ⁇
- the zero point may be placed at jb m/2 ⁇ .
- the zero point is determined as shown in equation (21) below.
- N(z) the numerator polynomial of the transfer function
- D(z) the denominator polynomial
- the entire filter is expressed as N(z)/D(z).
- the numerator of the temporary FIR filter is determined according to the zero points.
- the numerator polynomial of the FIR filter is the following equation (22).
- the polynomial of the denominator of the temporary FIR filter is the following equation (23).
- the FIR filter must have a gain of 1 for the DC signal.
- the value N0 of the numerator polynomial N(z) for the DC signal is calculated using the following equation (24).
- the final FIR filter H(z) is obtained by correcting the temporary FIR filter using the following equation (26) so that its DC gain becomes 1.
- the case where the number of zero points is six has been described. This is just an example, and the number of zero points is not limited to six. If the number of zero points is odd, the present embodiment may be applied to the remaining even number of zero points by setting an odd number of zero points on the real axis, for example, ⁇ 1+j0. Further, in the present embodiment, the zero point is twice, four times, and six times the AC frequency as an example, but the zero point is not limited to this. In other embodiments, the number of zero points may be increased by a factor of 8, 10, etc. Furthermore, it may be added 3 times, 5 times, 7 times, etc.
- the active power meter 14 includes an FIR filter 141 that blocks a component corresponding to the vibration frequency of alternating current, instead of the FIR filter of the second embodiment.
- the vibration frequency of alternating current is twice the reference frequency of alternating current.
- the FIR filter 141 has a zero point on the unit circle of the complex plane at a position where the deflection angle corresponds to one time the vibration frequency.
- the regulating force measuring device 1 can effectively remove vibrations in instantaneous power as in the second embodiment, so that it is possible to accurately measure the power supply and demand regulating force of electric power. .
- the FIR filter 141 may block components corresponding to frequencies that are an integral multiple of twice or more the vibration frequency. Specifically, the FIR filter 141 has a zero point on the unit circle of the complex plane at a position where the deflection angle corresponds to an integer multiple of twice, three times, or more than the vibration frequency.
- harmonic components that are twice, three times, or more than the vibration frequency can be similarly blocked.
- FIG. 14 is a diagram showing the functional configuration of an active power meter according to the fourth embodiment.
- the active power meter 14 is characterized in that the active power P is calculated by serially coupling a plurality of low-order FIR filters 141_1, 141_2, ..., 141_m. do. Further, each of these low-order FIR filters 141_1 to 141_m is characterized in that the tap length of the coefficient is 3, and that each has one conjugate pair of zero points on the unit circle of the complex plane.
- the FIR filter H(z) is expressed as a product of low-order FIR filters 141_1 to 141_m with a tap length of 3, as shown in equation (27) below.
- the low-order FIR filter 141_1 blocks a response of 1 times the vibration frequency
- the low-order FIR filter 141_2 blocks a response of 2 times the vibration frequency
- the low-order FIR filter 141_m blocks a response of m times the vibration frequency. Cut off. In this way, by sequentially passing through each low-order FIR filter, it is possible to effectively remove instantaneous power oscillations at frequencies that are 1, 2, . . . , m times the oscillation frequency.
- the active power meter 14 has a coefficient tap length of 3 and a plurality of low
- the active power P is calculated by combining the order FIR filters in series.
- the number of coefficients of the low-order FIR filter is m/2 (three in the example of this embodiment), the number of memory variables is m (six in the example of this embodiment), It is easy because each requires 1/2.
- the active power meter 14 removes the vibration component of the frequency 2f of the instantaneous power by always tuning the cutoff frequency of the FIR filter 141 to 2f.
- the value of f estimated by the frequency estimator 13 is substituted for f in the following equation (28) instead of equation (14). , recalculate the Hanning window weighting coefficients.
- the tap length is made shorter than in the second embodiment. It may be set to a longer value (for example, 34, etc.). At this time, if the frequency f is 50 Hz and the number of acquired samples is 32, the values of the 33rd and 34th samples are set to 0. Thereby, even if the frequency f fluctuates, necessary samples can be appropriately acquired.
- the value of f estimated by the frequency estimator 13 is substituted for f in the following equation (29) instead of equation (21), Determine the zero point.
- the active power meter 14 changes the coefficient of the FIR filter 141 based on the frequency estimated by the frequency estimator 13.
- the adjustment force measuring device 1 can measure the active power with higher accuracy by changing the coefficient of the FIR filter 141 according to the frequency f that changes from time to time.
- FIG. 15 is a diagram showing a functional configuration of an active power meter according to a modification of the fifth embodiment.
- the computation of the FIR filter 141 is synchronized with the cycle of alternating current, thereby eliminating the need to recalculate the weighting coefficient of the Hanning window.
- the instantaneous power calculator 140_1 of Modification 1 inputs the multiplied ZC signal shown in FIG. 7, calculates and outputs a discrete time signal of instantaneous power p from voltage v and current i based on the multiplied ZC signal.
- the FIR filter 141 is the same as in the fifth embodiment.
- the FIR filter 141 calculates the active power P by inputting the discrete time signal of the instantaneous power p.
- FIG. 16 is a diagram showing the functional configuration of an adjustment force measuring device according to the sixth embodiment. As shown in FIG. 16, the AC power system G according to the sixth embodiment uses three-phase AC.
- the voltage detector 11 measures and outputs the phase voltage of each phase of the three-phase AC.
- the current detector 12 detects and outputs two phase currents of the three-phase alternating current.
- the frequency estimator 13 estimates the frequency f of at least one phase of the three-phase alternating current.
- the active power meter 14 estimates the active power P of all three phases from the moving average value of the sum of the instantaneous powers of each phase of the three-phase AC.
- the adjusted power meter 15 calculates the power supply and demand adjustment power M based on the temporal difference ⁇ P in the active power P in all three phases and the temporal difference ⁇ f in the frequency f.
- the width of the moving average time window had to be an integral multiple of the AC period.
- the moving average window width must be an integer multiple of 2ms. Therefore, even if the active power value is calculated at a certain time, the newly measured instantaneous power I had to wait 2ms until I could calculate the value of active power. Note that when the alternating current is vertically symmetrical, 1 ms, which is a half cycle of the alternating current, may be sufficient.
- the length of the moving average window can be determined independently of the AC cycle, as in the case of single-phase active power.
- the voltage detector 11 measures the phase voltage v of each phase of the three-phase alternating current.
- the current detector 12 detects current i in two of the three phases. If each of the three phases is represented by the symbol ⁇ a, b, c ⁇ , the instantaneous power p abc that is the sum of the three phases can be calculated by calculating the sum of the two powers from Blondel's theorem, as shown in equation (30). It is sufficient.
- the instantaneous power p abc which is the sum of the three phases, represents the active power. Therefore, the value of the three-phase active power can be determined by the frequency of calculation of the instantaneous active power.
- the frequency estimator 13 calculates the frequency f from the time of zero crossing of the voltage. There are two zero crossings per cycle for one phase. In three-phase, there are six zero crossings per cycle, so the frequency value can be determined six times per cycle. If we denote the time of zero crossing as tX , without distinguishing between phases or whether it is a zero crossing from positive to negative or from negative to positive, the calculation of frequency can be performed using equation (31) , Equation (32), Equation (33), and other methods can be considered.
- Equation (31) calculates the frequency from the time difference of the previous zero cross.
- Equation (32) is calculated from the time difference from the three previous zero crosses. This distinguishes between phases and calculates the frequency from the time difference with the zero crossing half a period before the same phase.
- Equation (33) distinguishes the phases and calculates the frequency from the time difference with the zero cross of the same phase one cycle before.
- various methods can be used to calculate the frequency. Generalized, it is expressed by equation (34) using the weighting coefficient ⁇ .
- tX ,0 represents the time of the most recent zero cross.
- the frequency estimator 13 outputs a ZC signal representing the occurrence of a zero cross, a time t x of the zero cross, and a frequency f.
- the active power meter 14 calculates the average active power of the frequency calculation time interval in synchronization with the frequency calculation. If the frequency is calculated using equation (31), the average active power is calculated using equation (35).
- the adjusted power amount meter 15 measures the adjusted power amount using the following equation (36), similar to equation (11).
- the adjustment force measuring device 1 includes a frequency estimator 13 that estimates the frequency of at least one phase of the three-phase alternating current, and a frequency estimator 13 that estimates the frequency of the alternating current of at least one phase of the three-phase alternating current. Based on the moving average value, the active power meter 14 measures the active power in all three phases, the time difference in active power, and the time difference in frequency to calculate power supply and demand adjustment power. and a regulating power meter 15.
- the adjustment force measuring device 1 can determine the length of the moving average window regardless of the cycle of alternating current, unlike the first embodiment.
- the regulating power meter 15 loads loads of a temporal difference in the frequency of alternating current, a temporal second-order difference in the frequency, and a deviation of the frequency from the reference frequency.
- the power supply and demand adjustment power may be calculated based on the sum and the temporal difference in active power. Note that for other configurations, any one of the first to sixth embodiments described above is applied.
- equation (38) is obtained as the supply and demand adjustment force for the PID controller.
- ⁇ , ⁇ , and ⁇ are load coefficients for proportional control, integral control, and differential control, respectively.
- a transfer function may also be used.
- the adjustment force measuring device 1 can accurately evaluate whether the direction in which the response should be responded to the frequency fluctuation matches the direction of the actual change in power supply and demand based on various parameters. can do.
- the active power P is calculated from the moving average of the instantaneous power P for n cycles (for example, 10 cycles) of AC.
- the temporal length of the n periods varies with the frequency of the alternating current, so that a ripple remains in the active power.
- it is conceivable to increase the cycle of moving average for example, 50 cycles or 100 cycles.
- the moving average value is delayed in time, and rapid response components of 1 second or less cannot be measured.
- FIG. 17 is a diagram showing the functional configuration of an adjustment force measuring device according to the eighth embodiment.
- the adjustment force measuring device 1 according to the present embodiment includes an instantaneous power calculator 16 and a synchronous motor model 17.
- the instantaneous power calculator 16 calculates the instantaneous value of the alternating current transmitted and received between the alternating current power system G and the adjustment force providing means 2, based on the instantaneous voltage vt and instantaneous current it measured by the voltage detector 11 and the current detector 12. Calculate the power p t .
- the synchronous motor model 17 is a numerical model that inputs the instantaneous voltage v t , calculates the rotation speed of the synchronous motor included in the adjustment force providing means 2, and outputs the alternating current frequency f t' .
- the rotational speed of a synchronous motor has been determined by detecting zero crosses, so the rotational speed could only be measured intermittently (once or twice per cycle).
- the rotation speed of the synchronous motor can be virtually continuously calculated based on the frequency of inputting the instantaneous voltage vt , and furthermore, the rotation speed can be converted into a frequency, so the synchronous motor model 17 can be calculated.
- the frequency of alternating current can be measured virtually continuously.
- substantially continuous is meant a temporally dense discrete signal, eg, 32 or more times per period, continuous as opposed to once or twice per period.
- the adjusted power amount meter 15 calculates the adjustment force M t at time t using the following equation (39) instead of the above-mentioned equation (3).
- the adjustment force measuring device 1 can improve the responsiveness of adjustment force measurement.
- the synchronous motor model 17 inputs the instantaneous voltage v t and outputs the alternating current frequency f t' of the synchronous motor.
- the synchronous motor model 17 The adjustment power meter 15 may calculate the alternating current frequency f t' from the rotation speed of the synchronous motor.
- the adjusting force measuring device 1 may function as an active power measuring device 10 having an active power meter 14.
- the ZC signal and the multiplied ZC signal may be generated from the AC frequency f t' output by the synchronous motor.
- the frequency represents the phase velocity, and by integrating it over time, the phase angle is obtained. For example, if the phase angle when the voltage v crosses zero is determined to be 0 degrees, the phase angle of the voltage v can be determined. If a signal is transmitted every time the phase angle of the voltage v crosses 0 degrees, it can be used as a substitute for the ZC signal.
- a ZC signal is transmitted each time the phase angle exceeds 0 degrees, 90 degrees, 180 degrees, or 270 degrees, it can be used as a substitute for the multiplied ZC signal.
- the multiplied ZC signal generator 146_1 in FIG. 17 inputs the AC frequency f t' , performs the above-described processing, and outputs a multiplied ZC signal.
- ripples can be removed by the FIR filter 141 and the active power P can be calculated.
- the multiplication rate of the multiplication ZC signal can be freely determined. For example, since it is possible to transmit a multiplied ZC signal every 1 degree of motor rotation angle, it is possible to improve the responsiveness of measurement of active power.
- FIG. 18 is a schematic block diagram showing the configuration of a computer according to at least one embodiment.
- the computer 90 includes a processor 91, a main memory 92, a storage 93, and an interface 94.
- the above-described adjustment force measuring device 1 is implemented in the computer 90.
- the operations of each processing section described above are stored in the storage 93 in the form of a program.
- the processor 91 reads the program from the storage 93, expands it into the main memory 92, and executes the above processing according to the program. Further, the processor 91 reserves storage areas corresponding to each of the above-mentioned storage units in the main memory 92 according to the program.
- the program may be one for realizing a part of the functions to be performed by the computer 90.
- the program may function in combination with other programs already stored in storage or in combination with other programs installed in other devices.
- the computer may include a custom LSI (Large Scale Integrated Circuit) such as a PLD (Programmable Logic Device) in addition to or in place of the above configuration.
- PLDs include PAL (Programmable Array Logic), GAL (Generic Array Logic), CPLD (Complex Programmable Logic Device), FPGA (Field Programmable Gate Array), and the like.
- PLDs Programmable Logic Device
- PAL Programmable Array Logic
- GAL Generic Array Logic
- CPLD Complex Programmable Logic Device
- FPGA Field Programmable Gate Array
- Storage 93 examples include HDD (Hard Disk Drive), SSD (Solid State Drive), magnetic disk, magneto-optical disk, CD-ROM (Compact Disc Read Only Memory), and DVD-ROM (Digital Versatile Disc Read Only Memory). , semiconductor memory, etc.
- Storage 93 may be an internal medium connected directly to the bus of computer 90, or may be an external medium connected to computer 90 via an interface 94 or a communication line. Furthermore, when this program is distributed to the computer 90 via a communication line, the computer 90 that received the distribution may develop the program in the main memory 92 and execute the above processing.
- storage 93 is a non-transitory, tangible storage medium.
- the active power metering device 10 estimates the cycle and frequency of AC based on the time series of AC voltage that the target device 2 transmits or receives from the power grid.
- a frequency estimator 13 calculates a moving average value of instantaneous power in multiple cycles of AC for each cycle of AC, and calculates one cycle of AC from the difference between the calculated moving average value and the previously calculated moving average value.
- the target device 2 includes an active power meter 14 that measures the active power transmitted and received by the target device 2.
- the active power measuring device 10 can measure active power at short intervals of one cycle. For example, when the reference frequency of AC is 50 Hz, one cycle is 20 ms. Therefore, the active power measuring device 10 can significantly improve the quick response of measurement compared to the conventional technology that can only measure every 10 cycles (200 ms).
- the active power metering device 10 estimates the period and frequency of the AC based on the time series of the AC voltage that the target device 2 transmits or receives from the power grid. and an active power meter 14 that measures the active power delivered and received by the target device 2 from the integrated value of instantaneous power in one cycle of AC.
- the active power measuring device 10 can accurately calculate the active power per cycle of AC.
- the active power metering device 10 estimates the period and frequency of the AC based on the time series of the AC voltage that the target device 2 transmits or receives from the power grid.
- a frequency estimator 13 that calculates the instantaneous power of the alternating current at a frequency that is an integral multiple of the frequency of the alternating current, and an instantaneous power calculator 140 that outputs a discrete time signal of the instantaneous power in one cycle of the alternating current;
- the finite impulse response filter 141 has a finite impulse response filter 141 whose coefficient is a Hanning window that matches the calculation frequency of the instantaneous power. and an active power meter 14 for measuring.
- the active power meter 14 can calculate the active power in only one cycle, and thus can further improve the responsiveness of active power measurement.
- the active power metering device 10 estimates the period and frequency of the AC based on the time series of the AC voltage that the target device 2 transmits or receives from the power grid.
- a frequency estimator 13 that calculates the instantaneous power of the alternating current at a frequency that is an integral multiple of the frequency of the alternating current, and an instantaneous power calculator 140 that outputs a discrete time signal of the instantaneous power in one cycle of the alternating current; It includes an active power meter 14 that measures the active power delivered and received by the target device 2 by filtering the discrete signal of instantaneous power with a finite impulse response filter 141 that blocks a component corresponding to the vibration frequency.
- the active power measuring device 10 can effectively remove vibrations in instantaneous power, and therefore can accurately measure active power.
- the finite impulse response filter 141 is on the unit circle of the complex plane, and the deflection angle is one or more times the vibration frequency. It has a zero point at a position corresponding to an integer multiple of 2 or more.
- harmonic components for example, twice or three times the vibration frequency.
- the finite impulse response filter 141 has a coefficient tap length of 3 and a conjugate of zero points on the unit circle of the complex plane. It is constructed by connecting a plurality of low-order finite impulse response filters in series, each having one pair.
- the number of coefficients of the low-order FIR filter is m/2 (three in the example of the above embodiment), and the number of storage variables is m (six in the example of the above embodiment), each of which is 1/2. /2 is sufficient, so it is easy.
- the active power metering device 10 calculates at least one of the three-phase AC voltages based on the time series of the three-phase AC voltages that the target device 2 transmits to or receives from the power system.
- a frequency estimator 13 that estimates the frequency of two-phase AC, and an effective power that measures the active power of the target device 2 in all three phases from the moving average of the sum of the instantaneous power of each phase of the three-phase AC.
- a power meter 14 is provided.
- the active power metering device 10 can determine the length of the window for the moving average of active power regardless of the cycle of AC.
- the active power meter 14 converts the coefficients of the finite impulse response filter 141 into the frequency estimator 13. changes based on the estimated frequency.
- the active power measuring device 10 can measure active power with higher accuracy by changing the coefficient of the FIR filter 141 according to the frequency f that changes from moment to moment.
- the active power metering device 10 receives as input the instantaneous AC voltage v that the target device 2 transmits or receives from the power system, and rotates the synchronous motor that the target device 2 has.
- One cycle of AC is calculated based on the synchronous motor model 17 that outputs the AC frequency f, the AC instantaneous current i, the instantaneous voltage v, and the frequency f output from the synchronous motor model 17.
- the target device 2 includes an active power meter 14 that measures the active power P exchanged by the target device 2.
- the active power measuring device 10 can reliably eliminate the influence of ripples and improve the quick response of measurement.
- the adjustment force measuring device 1 includes the active power measuring device 10 according to any one of the first to ninth aspects, the time difference of the active power, and the time difference of the frequency. and an adjustment power meter 15 that calculates the supply and demand adjustment power of the target device 2 based on the difference between the two.
- the regulating force measuring device 1 can obtain the difference for each cycle of alternating current with respect to the active power P and the frequency f, and can calculate the supply and demand regulating force M for each cycle from these differences. , it is possible to improve the quick response of adjustment force measurement. Thereby, the adjusting force measuring device 1 can measure quick adjusting force such as inertial force.
- the adjustment power amount meter 15 is configured to detect a temporal difference in frequency of alternating current and a temporal second-order difference in frequency. , the supply and demand adjustment power is calculated based on the weighted sum of the deviation of the frequency from the reference frequency and the temporal difference in active power.
- the adjustment force measuring device 1 accurately evaluates whether the direction in which the response should be made to the frequency vibration matches the direction of the actual change in power supply and demand, based on various parameters. can do.
- the measurement method includes the step of estimating the cycle and frequency of AC based on the time series of voltage of AC that the target device 2 transmits or receives from the power grid. , a step of calculating the instantaneous power of the AC at a frequency that is an integral multiple of the frequency of the AC and outputting a discrete time signal of the instantaneous power in one cycle of the AC, and making the tap length match the calculation frequency of the instantaneous power.
- the method includes the step of filtering the discrete signal of instantaneous power using a finite impulse response filter 141 that uses a Hanning window as a coefficient, and measuring the effective power that the target device 2 sends and receives.
- the program includes the step of estimating the period and frequency of AC based on the time series of voltage of AC that the target device 2 transmits or receives from the power grid; A step of calculating the instantaneous power of the AC at a frequency that is an integral multiple of the frequency of the AC and outputting a discrete time signal of the instantaneous power in one cycle of the AC, and a Hanning method in which the tap length is made to match the calculation frequency of the instantaneous power.
- the active power measuring device 10 executes the step of filtering the instantaneous power discrete signal with the finite impulse response filter 141 having a window as a coefficient and measuring the active power transmitted and received by the target device.
- the responsiveness of power measurement can be improved.
- Adjustment force measuring device 2 Adjustment force providing means 10 Active power measuring device 11 Voltage detector 12 Current detector 13 Frequency estimator 130 Timer 131 Zero cross detector (ZC detector) 132 Sampler 133 Frequency calculation unit 14 Active power meter 140 Instantaneous power calculator 141 Finite impulse response filter (FIR filter) 141, 141_1, 141_2, 141_m Low-order FIR filter 142 Instantaneous power integrator 143 Sampler 144 Active power calculation unit 15 Adjusted power meter 16 Instantaneous power calculator 17 Synchronous motor model
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Abstract
有効電力計量装置は、対象装置が電力系統との間で送電または受電する交流の電圧の時系列に基づいて、前記交流の周期と周波数とを推定する周波数推定器と、前記交流の周期毎に前記交流の複数の周期における瞬時電力の移動平均値を算出し、算出した前記移動平均値と、前回算出した移動平均値との差から、前記交流の1周期の間に前記対象装置が授受する有効電力を計量する有効電力計量器と、を備える。
Description
本開示は、電力系統の需給調整や電気料金の精算に利用する有効電力計量装置、調整力計量装置、計量方法、およびプログラムに関する。
本願は、2022年5月9日に日本に出願された特願2022-076918号について優先権を主張し、その内容をここに援用する。
本願は、2022年5月9日に日本に出願された特願2022-076918号について優先権を主張し、その内容をここに援用する。
従来用いられている代表的な電力計は、電力系統の瞬時の電圧vおよび瞬時の電流iの積から瞬時電力pを求める。また、交流の瞬時電圧と瞬時の電流は正弦波状に山と谷を伴って変動するので、瞬時電力は交流の周期より短い時間スケールでは一定値とならない。このため、交流の電力は時間平均値で表すことが一般的である。例えば、特許文献1に記載の電力計は、時刻tの有効電力Ptを式(1)のように瞬時電力の移動平均値で計算し、出力する。
移動平均のサンプルサイズNは、移動平均する時間窓の長さを交流の周期の整数倍にすることが理想的である。例えば、1つの周期について瞬時電力を32回サンプルとし、移動平均の窓の幅を10周期分とするなら、Nは320である。
移動平均する時間窓の始点が0秒であり、終点がt1である(これを[0,t1]と記す)とする。これに対し、交流の周期が[0,T]であるとする。例えば、t1<Tであれば、区間[t1,T]の瞬時電力は移動平均に算入されることはない。このため、区間[t1,Y]にて瞬時電力が山を迎えるなら、移動平均値は真値よりも小さい側にバイアスする。一方、区間[t1,T]にて瞬時電力が谷を迎えるなら、移動平均値は真値よりも大きい側にバイアスする。バイアスを防ぐ一つの方法は、t1=Tとすることである。しかし、電力需給の不均衡のせいで電力系統の周波数は絶えず変動するので、t1=Tとはならない。
そこで、従来技術では、移動平均の時間窓の幅を例えば10周期分に延ばして周期のズレによる誤差に対応してきた。具体的に、特許文献1では、10周期分の瞬時電力の移動平均を求め、この移動平均に基づき有効電力を算出している。
また、オフィスや工場、一般家庭等における電力需要は時々刻々と変動する。電力系統の需給調整に貢献するには、電力供給が不足しているならば電力供給を増やす(あるいは電力需要を減らす)ことが有効であり、電力供給が過剰であるならば電力供給を減らす(あるいは電力需要を増やす)ことが有効である。このように、電力供給を「増やす/減らす」(あるいは電力需要を「減らす/増やす」は、そのときに電力供給が不足しているか、それとも過剰であるかによって正負が逆になる。従って、既存の電力量計のように、単純に電力を積算するだけでは正負が相殺され、需給調整への貢献を計ることができない。電力の需給調整に貢献した電力を計るには、その時々の電力需給の過不足を勘案しなければならない。そのためには、より短い時間のスケールで有効電力を計る技術が求められる。
需給調整は、主に発電所が電力系統の周波数を一定に保つように発電量を調節して行っている。代表的には、式(2)で表されるガバナフリー運転によっている。
式(2)のPnは定格の発電出力(kW)、fnは電力系統の周波数の基準周波数(Hz)である。Δfは、基準周波数(例えば、50Hz又は60Hz)に対する偏差であり、それに比例して発電する電力をΔPだけ減じる。δは調停率と呼ばれる値であり、発電所の制御装置に値が設定されている。一般に、調停率は0.04程度の値が設定される。これは、基準周波数に対する超過分Δfと、それに対して減じる電力ΔPとの関係を指定するものである。調停率が0.04のときには、周波数が0.04×fn(Hz)だけ増加すると、ΔPはPn(kW)だけ減じることを表している。例えば、定格の電気出力で運転中に、周波数が0.04×fn(基準周波数が50Hzであれば2.0Hz)だけ増加すると、発電出力はΔfを0まで下げるような調整が行われる。発電所が、このように急峻に発電を調整することによって、電力系統の周波数は一定に維持されている。
式(2)において、Δは基準値に対する偏差と説明した。例えば、Δfは現在の周波数と基準周波数の偏差であると説明した。しかし、Δを前回値としても同じことである。例えば、Δt秒周期で計量の演算をするとしよう。このとき、Δfを今の演算周期の周波数と前の制御周期の周波数の差、ΔPは今の制御周期の有効電力と前の演算周期の有効電力の差、とみなしても式(2)は成立する。従って、式(2)のように電力需給の過不足をΔfで計り、Δfが負のときにΔPが正であれば、そのΔPは需給調整に貢献したとしてΔPの絶対値を加算し、Δfが負であるにもかかわらずΔPが負であるならば、そのΔPは需給調整を阻害したとしてΔPの絶対を差し引く。例えば、式(3)によって需給調整に貢献する電力を計量することができる。
式(3)の計算をするためには、有効電力の時間差分ΔPが必要となる。前述のように、従来技術では有効電力Pを電力系統の周波数の移動平均値として求めており、移動平均の区間は10周期程度が取られている。周波数が50Hzであれば10周期は200msであるので、式(3)は200ms毎に計算する。
ガバナフリー運転は電力系統の需給調整の中心的な役割を果たしている。今後、脱炭素社会に向けて太陽光発電や風力発電のような変動性の発電の占める割合が年々増えるが、それらの発電量の変動が受け入れられるよう、ガバナフリー運転の能力の向上も並行的に進めなければならない。
ガバナフリーによる調整は指令によらず各電源で自律的に行われるので、電源が短周期で発生した調整力は計量されず、精算されることもなく、電力事業者は対価を得ることもできない。ガバナフリーに限らず、発電機やそれに接続した外燃機関や内燃機関の運動エネルギーも重要な役割を果たしている。たとえば、電力系統の周波数が低下するとそれに合わせて発電機の回転速度も低下することになるが、回転速度の変動による運動エネルギーの減少が電力系統に供給されて調整力として機能する。
電力系統の需給調整力を充実するためには、ガバナフリーや運動エネルギーの調整力を計量し対価が与えられるようにすることは必須である。しかしながら、例えば特許文献1のような従来の電力計には、調整力を計量する機能が設けられていない。
また、電力系統の安定化のためには,周波数の変動に対して遅滞なく調整力を発揮することには価値があり、発電機が電力系統の周波数に同期するときに系統の変動を抑制する側に働く慣性エネルギーの変化も速い需給調整力(慣性力)として注目されている。慣性力のような速い調整力を計量するために、電力の計測周期は短いほど良い。しかしながら、現状は、上述のように計測周期の下限は200msである。
本開示の目的は、電力の計測の速応性を向上することができる有効電力計量装置、調整力計量装置、計量方法、およびプログラムを提供することにある。
本開示の一態様によれば、有効電力計量装置は、対象装置が電力系統との間で送電または受電する交流の電圧の時系列に基づいて、前記交流の周期と周波数とを推定する周波数推定器と、前記交流の周期毎に前記交流の複数の周期における瞬時電力の移動平均値を算出し、算出した前記移動平均値と、前回算出した移動平均値との差から、前記交流の1周期において前記対象装置が授受する有効電力を計量する有効電力計量器と、を備える。
本開示の一態様によれば、有効電力計量装置は、対象装置が電力系統との間で送電または受電する交流の電圧の時系列に基づいて、前記交流の周期と周波数とを推定する周波数推定器と、前記交流の1周期における瞬時電力の積算値から、前記対象装置が授受する有効電力を計量する有効電力計量器と、を備える。
本開示の一態様によれば、有効電力計量装置は、対象装置が電力系統との間で送電または受電する交流の電圧の時系列に基づいて、前記交流の周期と周波数とを推定する周波数推定器と、前記交流の瞬時電力を、前記交流の周波数の整数倍となる頻度で演算して、前記交流の1周期における前記瞬時電力の離散時間信号を出力する瞬時電力演算器と、タップ長を前記瞬時電力の演算頻度に一致させたハニング窓を係数とする有限インパルス応答フィルタとを有し、前記有限インパルス応答フィルタで前記瞬時電力の離散信号をフィルタリングして、前記対象装置が授受する有効電力を計量する有効電力計量器と、を備える。
本開示の一態様によれば、有効電力計量装置は、対象装置が電力系統との間で送電または受電する交流の電圧の時系列に基づいて、前記交流の周期と周波数とを推定する周波数推定器と、前記交流の瞬時電力を、前記交流の周波数の整数倍となる頻度で演算して、前記交流の1周期における前記瞬時電力の離散時間信号を出力する瞬時電力演算器と、前記交流の振動周波数に対応する成分を遮断する有限インパルス応答フィルタで前記瞬時電力の離散信号をフィルタリングして、前記対象装置が授受する有効電力を計量する有効電力計量器と、を備える。
本開示の一態様によれば、有効電力計量装置は、対象装置が電力系統との間で送電または受電する三相交流の電圧の時系列に基づいて、前記三相交流の少なくとも一つの相の交流の周波数を推定する周波数推定器と、前記三相交流の一つ一つの相の瞬時電力の和の移動平均値から、前記対象装置の三相全体での有効電力を計量する有効電力計量器と、を備える。
本開示の一態様によれば、有効電力計量装置は、対象装置が電力系統との間で送電または受電する交流の瞬時電圧を入力とし、前記対象装置が有する同期モータの回転数を演算し、前記交流の周波数を出力とする同期モータモデルと、前記交流の瞬時電流と、前記瞬時電圧と、前記同期モータモデルから出力された前記周波数とに基づいて、前記交流の1周期において前記対象装置が授受する有効電力を計量する有効電力計量器と、を備える。
本開示の一態様によれば、調整力計量装置は、上述の何れか一の態様に記載の有効電力計量装置と、前記有効電力の時間的な差分と、前記周波数の時間的な差分とに基づいて、前記対象装置の需給調整力を算出する調整電力量計量器と、を備える。
本開示の一態様によれば、計量方法は、対象装置が電力系統との間で送電または受電する交流の電圧の時系列に基づいて、前記交流の周期と周波数とを推定するステップと、前記交流の瞬時電力を、前記交流の周波数の整数倍となる頻度で演算して、前記交流の1周期における前記瞬時電力の離散時間信号を出力するステップと、タップ長を前記瞬時電力の演算頻度に一致させたハニング窓を係数とする有限インパルス応答フィルタで前記瞬時電力の離散信号をフィルタリングして、前記対象装置が授受する有効電力を計量するステップと、を有する。
本開示の一態様によれば、プログラムは、対象装置が電力系統との間で送電または受電する交流の電圧の時系列に基づいて、前記交流の周期と周波数とを推定するステップと、前記交流の瞬時電力を、前記交流の周波数の整数倍となる頻度で演算して、前記交流の1周期における前記瞬時電力の離散時間信号を出力するステップと、タップ長を前記瞬時電力の演算頻度に一致させたハニング窓を係数とする有限インパルス応答フィルタで前記瞬時電力の離散信号をフィルタリングして、前記対象装置が授受する有効電力を計量するステップと、を有効電力計量装置に実行させる。
上記態様によれば、電力の計測の速応性を向上することができる。
<第1の実施形態>
以下、図1~図3を参照しながら第1の実施形態について詳しく説明する。
以下、図1~図3を参照しながら第1の実施形態について詳しく説明する。
(調整力計量装置の機能構成)
図1は、第1の実施形態に係る調整力計量装置の機能構成を示す図である。
図1に示すように、交流電力系統Gには、調整力提供手段2が接続されている。調整力提供手段2は、発電機または負荷である。また、調整力計量装置1は、例えば、交流電力系統Gと、調整力提供手段2との接続点に設けられる。本実施形態に係る調整力計量装置1は、調整力提供手段2が交流電力系統Gに対して行う需給調整を調整電力量として計測する。
図1は、第1の実施形態に係る調整力計量装置の機能構成を示す図である。
図1に示すように、交流電力系統Gには、調整力提供手段2が接続されている。調整力提供手段2は、発電機または負荷である。また、調整力計量装置1は、例えば、交流電力系統Gと、調整力提供手段2との接続点に設けられる。本実施形態に係る調整力計量装置1は、調整力提供手段2が交流電力系統Gに対して行う需給調整を調整電力量として計測する。
調整力計量装置1は、有効電力計量装置10と、調整電力量計量器15とを備える。有効電力計量装置10は、電圧検出器11と、電流検出器12と、周波数推定器13と、有効電力計量器14とを備える。
電圧検出器11は、調整力提供手段2が交流電力系統Gとの間で送電または受電する電力の電圧の計測値である電圧信号vを出力する。例えば、電圧検出器11は、交流電力系統Gと調整力提供手段2との接続点や、調整力提供手段2の交流電力系統G側の出入り口における電圧を計測する。
電圧を計測する。
電圧を計測する。
電流検出器12は、調整力提供手段2が交流電力系統Gとの間で送電または受電する電力の電流の計測値である電流信号iを出力する。例えば、電流検出器12は、交流電力系統Gと調整力提供手段2との接続点や、調整力提供手段2の交流電力系統G側の出入り口における電流を計測する。
周波数推定器13は、電圧信号vの時系列に基づいて、調整力提供手段2が交流電力系統Gとの間で授受する交流の周期と周波数fとを推定する。
有効電力計量器14は、交流の複数の周期における瞬時電力の移動平均値から、調整力提供手段2が交流電力系統Gとの間で授受する電力の有効電力Pを計量する。
調整電力量計量器15は、有効電力の時間的な差分と、前記周波数の時間的な差分とに基づいて、電力の需給調整力Mを算出する。
(調整力計量装置の処理について)
次に、調整力計量装置1の処理について詳細に説明する。
次に、調整力計量装置1の処理について詳細に説明する。
有効電力計量器14は、少なくとも有効電力の演算周期毎に電圧信号vおよび電流信号iを読み取る。有効電力計量器14は、時刻tの電圧信号vtと、時刻tの電流信号itとから、時刻tの瞬時の有効電力pt(以下、単に「瞬時電力」とも記載する。)を計算する。また、有効電力計量器14は、上記した式(1)のように、各時刻における瞬時電力ptを過去に遡って移動平均した値を、有効電力Ptとして出力する。
本実施形態では、有効電力の演算周期は、交流の周期と一致するように設定される。例えば、交流電力系統Gの基準周波数が50Hzである場合、有効電力の演算周期は20msである。有効電力計量器14は、1周期につき瞬時電力pを32回計算する。また、有効電力計量器14は、演算周期毎に、10周期分の瞬時電力pを移動平均して有効電力Pを算出する。
周波数推定器13は、電圧信号vを入力し、電圧vが交番して零を横切る時間間隔から交流の周波数fを計算する。電圧vは一回の周期のなかで、正電圧から負電圧への交差と、負電圧から正電圧への交差との、二回の交差がある。式(1)の移動平均の時間的区間(10周期分の区間)において、最初の交差の時刻をtX,start-1、最後の交差の時刻をtX,start、交差の回数をnXと記すと、式(1)の移動平均区間の周波数は次式(4)で計算することができる。交差の方向を考慮して、例えば電圧が零を正から負に横切るものだけを取り上げるならば、交差は一つの周期に一回であり、式(9)の右辺の1/2倍は不要である。
調整電力量計量器15は、式(1)の移動平均の時間幅N毎に、前回(時刻t-1)の有効電力Pおよび周波数fとの差分を式(5)と式(6)により求める。
図2は、第1の実施形態に係る有効電力計量装置の機能を説明するための第1の図である。
例えば、図2に示すように、有効電力Ptは時刻tから過去の10周期(周期1,0,-1,-2,…,-8)における瞬時電力pの移動平均値であり、有効電力Pt-1は1つ前の周期から過去の10周期分(周期0,-1,-2,-3,…,-9)における瞬時電力pの移動平均値である。また、周波数ftは、時刻tから過去の10周期分(周期1,0,-1,-2,…,-8)における周波数の平均値である。周波数ft-1は、1つ前の周期から過去の10周期分(周期0,-1,-2,-3,…,-9)における周波数の平均値である。つまり、調整電力量計量器15は、1周期分ずらした2つの期間における有効電力Pの移動平均値の差分ΔP、および周波数fの平均値の差分Δfをそれぞれ求める。
例えば、図2に示すように、有効電力Ptは時刻tから過去の10周期(周期1,0,-1,-2,…,-8)における瞬時電力pの移動平均値であり、有効電力Pt-1は1つ前の周期から過去の10周期分(周期0,-1,-2,-3,…,-9)における瞬時電力pの移動平均値である。また、周波数ftは、時刻tから過去の10周期分(周期1,0,-1,-2,…,-8)における周波数の平均値である。周波数ft-1は、1つ前の周期から過去の10周期分(周期0,-1,-2,-3,…,-9)における周波数の平均値である。つまり、調整電力量計量器15は、1周期分ずらした2つの期間における有効電力Pの移動平均値の差分ΔP、および周波数fの平均値の差分Δfをそれぞれ求める。
そして、調整電力量計量器15は、式(3)により調整電力量Mを計算する。
図3は、第1の実施形態に係る有効電力計量装置の機能を説明するための第2の図である。
電圧が交差する時刻txの計算を図3を参照しながら説明する。図3に示すように、隣り合う時刻で電圧の符号が反転する時刻t1と時刻t2の間で電圧は0Vを交差する。交差する時刻tXは次式(7)で計算する。
電圧が交差する時刻txの計算を図3を参照しながら説明する。図3に示すように、隣り合う時刻で電圧の符号が反転する時刻t1と時刻t2の間で電圧は0Vを交差する。交差する時刻tXは次式(7)で計算する。
(作用、効果)
第1の実施形態に係る調整力計量装置1は、調整力提供手段2が送電または受電する交流の電圧vの時系列に基づいて、交流の周期と周波数とを推定する周波数推定器13と、交流の複数周期(例えば、10周期)における瞬時電力pの移動平均値から、有効電力Pを計量する有効電力計量器14と、有効電力Pおよび周波数それぞれの時間的な差分(1周期の差分)に基づいて、電力の需給調整力Mを算出する調整電力量計量器15と、を備える。
第1の実施形態に係る調整力計量装置1は、調整力提供手段2が送電または受電する交流の電圧vの時系列に基づいて、交流の周期と周波数とを推定する周波数推定器13と、交流の複数周期(例えば、10周期)における瞬時電力pの移動平均値から、有効電力Pを計量する有効電力計量器14と、有効電力Pおよび周波数それぞれの時間的な差分(1周期の差分)に基づいて、電力の需給調整力Mを算出する調整電力量計量器15と、を備える。
このようにすることで、調整力計量装置1は、有効電力Pおよび周波数fについて、交流の1周期毎の差分を求め、これら差分から1周期毎の需給調整力Mを算出することができる。例えば、交流の基準周波数が50Hzである場合、1周期は20msである。したがって、調整力計量装置1は、計測の速応性を向上させることができる。これにより、調整力計量装置1は、慣性力のような早い調整力を計量することができる。
なお、図1には、有効電力計量装置10が調整力計量装置1の内部に設けられる例が示されているが、これに限られることはない。他の実施形態では、有効電力計量装置10は、調整力計量装置1とは別の装置として独立に設けられてもよい。例えば、有効電力計量装置10は、発電機の出口に接続される電力線に設けられ、発電機が送電する電力の有効電力Pを計測する。また、さらに他の実施形態では、有効電力計量装置10は、負荷の入口に接続される電力線に設けられ、負荷が受電する電力の有効電力Pを計測する。発電機または負荷は、有効電力計量装置10が有効電力を計量する対象装置の一例である。また、この場合、有効電力計量装置10の有効電力計量器14は、式(5)により、対象装置が交流の1周期の間に授受する有効電力を計量する。これにより、有効電力の計測の速応性を向上することができる。なお、有効電力計量装置10が計量した1周期分の有効電力は、例えば、発電機の制御装置において出力の自動制御に用いられる。有効電力計量装置10によって発電機の有効電力を遅滞なく計測することができるので、発電機の制御性能も向上することができる。
(変形例1)
図4は、第1の実施形態の変形例1に係る周波数推定器の機能構成を示す図である。
また、周波数推定器13は、図4に示すように、ゼロクロス検出器131(以下、「ZC検出器」とも記載する。)を使って交差する時刻tXを求めてもよい。
図4は、第1の実施形態の変形例1に係る周波数推定器の機能構成を示す図である。
また、周波数推定器13は、図4に示すように、ゼロクロス検出器131(以下、「ZC検出器」とも記載する。)を使って交差する時刻tXを求めてもよい。
ZC検出器131は、電圧信号が0Vを横切る瞬間に出力がステップ変化する。サンプラ132にはZC検出器131の出力とタイマ130の時刻が入力される。サンプラ132はZC検出器131の出力がステップ変化する瞬間のタイマ130の時刻を出力する。これがtXに相当する。1回の周期で2回のゼロクロスがある。従って、前々回のtXと今回のtXの差分が1周期に相当する。周波数算出部133は、前々回と今回のtXの差分をΔ2tXと記すと、その逆数を周波数fとして計算する。
(変形例2)
図5は、第1の実施形態の変形例2に係る調整力計量装置の機能構成を示す図である。
図5に示すように、有効電力計量器14は、瞬時電力積算器142、サンプラ143、有効電力算出部144により構成されてもよい。また、周波数推定器13は、変形例1のものを使用する。
図5は、第1の実施形態の変形例2に係る調整力計量装置の機能構成を示す図である。
図5に示すように、有効電力計量器14は、瞬時電力積算器142、サンプラ143、有効電力算出部144により構成されてもよい。また、周波数推定器13は、変形例1のものを使用する。
瞬時電力は、交流周波数fの2倍の2fで振動する。従って、瞬時電力を、その振動周期である1/2f秒、またはその整数倍の時間だけ移動平均すると、振動成分は相殺され、瞬時電力の平均値であるところの有効電力を得ることがきる。
従来技術によると、例えば、基準周波数の10周期分の期間、瞬時電力を移動平均して有効電力としている。交流電力系統の周波数は絶えず変動するので、1周期の期間も絶えず変動する。そこで、従来技術では、10周期分の期間で均して近似している。このように均すと,有効電力検出の速応性は劣化する。電力計を、電気代の課金の目的に利用する限りにおいては、速応性は重要でない。例えば、電力をひと月分積算した値さえわかれば充分である。しかし、ガバナフリーや慣性または系統安定化装置が発揮する調整力を正確に計量するには、交流の1周期を推定して、正確に1周期の有効電力を算出することに意味がある。
第1の実施形態は、例えば、交流の10周期分の移動平均から有効電力を算出していた。交流の基準周波数が50Hzであれば移動平均の時間窓の幅は200msである。本変形例2では、移動平均の時間窓の幅を1周期分(20ms)にすることができる。これにより、電力需給の調整力の速い成分を計量することが可能となる。
具体的な処理の内容を、図5を参照しながら説明する。第1の実施形態との違いは、有効電力を1周期毎に計量することである。本変形例2では、1周期毎に計量することを強調するために、有効電力はPXで表している。
1周期にゼロクロスが2回あるので、有効電力PXはゼロクロス2回毎の電力量の差分から、次式(8)で積算する。
ここで、tXは直近のゼロクロスの時刻、tX,prev2はその2回前のゼロクロスの時刻、WtXは時刻tXにおける電力量である。
図6は、第1の実施形態の変形例2に係る有効電力計量装置の機能を説明するための図である。
図6に示すように、t1はゼロクロス直前の積算演算の時刻、t2はゼロクロス直後の積算演算の時刻とすると、WtXは次式(9)で定める。
図6に示すように、t1はゼロクロス直前の積算演算の時刻、t2はゼロクロス直後の積算演算の時刻とすると、WtXは次式(9)で定める。
ゼロクロス2回毎の差分をΔ2と記すと、交差2回毎に(すなわち1周期に一度)調整電力量は次式(10)で計算してもよい。
または、交差一回ごとに次式(11)で計算してもよい。Δはゼロクロス一回ごとの差分である。
変形例2によれば、交流の1周期当たりの有効電力を正確に計算することができる。これによって、電力需給の調整力を交流の1周期毎に計量することが可能となる。その結果、例えば慣性力に由来する、調整力の速い成分を計量することが可能となる。
(変形例3)
図7は、第1の実施形態の変形例3に係る調整力計量装置の機能構成を示す図である。
変形例2の瞬時電力積算器142の演算は、交流の周期と厳密には同期しない。このため、式(9)の内挿近似を行ってゼロクロスする時刻tXにおける電力量WtXを推定した。変形例3は、瞬時電力積算器142の演算を交流の周期に一致させ内挿近似を不要とする。図7に示すように、瞬時電力積算器142_1は逓倍ZC信号を入力する。逓倍ZC信号は、逓倍器145によりZC信号の周波数を逓倍した信号である。例えば、ZC信号が100Hzであれば、逓倍ZC信号は320Hzである。さらに,ZC検出部146により逓倍ZC信号はZC信号がONのタイミングで同時にONとなるように位相調整されている。
図7は、第1の実施形態の変形例3に係る調整力計量装置の機能構成を示す図である。
変形例2の瞬時電力積算器142の演算は、交流の周期と厳密には同期しない。このため、式(9)の内挿近似を行ってゼロクロスする時刻tXにおける電力量WtXを推定した。変形例3は、瞬時電力積算器142の演算を交流の周期に一致させ内挿近似を不要とする。図7に示すように、瞬時電力積算器142_1は逓倍ZC信号を入力する。逓倍ZC信号は、逓倍器145によりZC信号の周波数を逓倍した信号である。例えば、ZC信号が100Hzであれば、逓倍ZC信号は320Hzである。さらに,ZC検出部146により逓倍ZC信号はZC信号がONのタイミングで同時にONとなるように位相調整されている。
瞬時電力積算器142_1では、逓倍ZC信号に基づき電圧vと電流iから瞬時電力pを演算し、有効電力の積算値WtXm/2を出力する。積算計算には、逓倍ZC信号の周期が必要となるが、それは、タイマ147とサンプラ148が出力する逓倍ZC信号がONとなる時刻tXmから求める。このような演算処理によると、交流の周期と有効電力の積算値WtXm/2の演算周期が同期するので、式(8)の内挿近似が不要となり、演算が簡単である。
<第2の実施形態>
次に、図8~図12を参照しながら第2の実施形態について詳しく説明する。上述の実施形態と共通の構成要素には同一の符号を付して詳細説明を省略する。
次に、図8~図12を参照しながら第2の実施形態について詳しく説明する。上述の実施形態と共通の構成要素には同一の符号を付して詳細説明を省略する。
(有効電力計量器の機能構成)
図8は、第2の実施形態に係る有効電力計量器の機能構成を示す図である。
図8に示すように、本実施形態に係る調整力計量装置1において、有効電力計量器14は、瞬時電力演算器140と、有限インパルス応答フィルタ141(以下、「FIRフィルタ」とも記載する。)とを備えることを特徴とする。
図8は、第2の実施形態に係る有効電力計量器の機能構成を示す図である。
図8に示すように、本実施形態に係る調整力計量装置1において、有効電力計量器14は、瞬時電力演算器140と、有限インパルス応答フィルタ141(以下、「FIRフィルタ」とも記載する。)とを備えることを特徴とする。
瞬時電力演算器140は、交流の瞬時電力を、交流の周波数fの整数倍mの頻度fs(サンプリング周波数)で演算して、交流の1周期における瞬時電力の離散時間信号を出力する。
FIRフィルタ141は、タップ長を瞬時電力の演算頻度mに1を加えた(m+1)に一致させたハニング窓を係数とする。FIRフィルタ141は、瞬時電力演算器140から入力された瞬時電力の離散時間信号をフィルタリングして、有効電力を出力する。
(有効電力計量器の処理について)
第2の実施形態は、有効電力計量器14が演算頻度fsを交流電力の周波数fの整数倍mにすること、かつ、移動平均に変えてタップ長がm+1のハニング窓を係数とするFIRフィルタ141を用いる点において、第1の実施形態と異なっている。なお、本実施形態では、交流電力の周波数fとして、基準周波数(例えば、50Hz)を用いる。
第2の実施形態は、有効電力計量器14が演算頻度fsを交流電力の周波数fの整数倍mにすること、かつ、移動平均に変えてタップ長がm+1のハニング窓を係数とするFIRフィルタ141を用いる点において、第1の実施形態と異なっている。なお、本実施形態では、交流電力の周波数fとして、基準周波数(例えば、50Hz)を用いる。
第1の実施形態で用いた式(1)の移動平均の処理は、瞬時電力に矩形窓関数を掛けることと同じである。したがって、式(1)は、式(12)に示す長さNの矩形窓の重み係数w∈RNにより、式(13)のように表すことができる。
1周期について瞬時電力を32回サンプルし、すなわちmを32とし、移動平均の窓の幅を10周期分とするなら、Nの値は320である。1周期あたりの瞬時電力のサンプル回数を整数mに設定するならば、サンプルの頻度fsは周波数fのm倍である。
第2の実施形態では、ハニング窓を使う。ハニング窓の長さはm+1とする。ハニング窓の重み係数h∈Rm+1は次式(14)で表される。
ハニング窓により信号の定常ゲインが下がるので、式(15)のように補正係数cHで補正する。
最終的に、ハニング窓の重み係数は次式(16)である。
また、ハニング窓による有効電力は次式(17)となる。
図9は、第2の実施形態に係る有効電力計量装置の機能を説明するための第1の図である。
図9は、ゲイン補正後のハニング窓関数hと移動平均の矩形窓関数wとの比較例である。ハニング窓の長さは時間ステップ数でm+1=33であり、矩形窓の長さN=320のおおよそ1/10である。
図9は、ゲイン補正後のハニング窓関数hと移動平均の矩形窓関数wとの比較例である。ハニング窓の長さは時間ステップ数でm+1=33であり、矩形窓の長さN=320のおおよそ1/10である。
図10は、第2の実施形態に係る有効電力計量装置の機能を説明するための第2の図である。
図10は、ハニング窓と矩形窓の瞬時電力pに対する有効電力Pの応答の周波数特性の比較例である。矩形窓では、2Hz付近から応答ゲインが低下している。一方、ハニング窓では、30Hz程度までゲイン低下がしないので、矩形窓よりもハニング窓の方が速応性に優れている。
図10は、ハニング窓と矩形窓の瞬時電力pに対する有効電力Pの応答の周波数特性の比較例である。矩形窓では、2Hz付近から応答ゲインが低下している。一方、ハニング窓では、30Hz程度までゲイン低下がしないので、矩形窓よりもハニング窓の方が速応性に優れている。
さらに、矩形窓では5Hz,10Hz,15Hz,20Hz,25Hz,…に応答の谷がある。これは、瞬時電力が例えば5Hzで変動しても、それが有効電力の変動として観測されないことを意味しており、電力の需給調整力の計量においては好ましくない。
図11は、第2の実施形態に係る有効電力計量装置の機能を説明するための第3の図である。
また、ハニング窓と矩形窓の違いを、単に窓関数の長短の違いによるものでないと示す目的で、矩形窓を1周期の長さに相当するN=32に変えて評価する。図11は長さをN=32にした矩形窓関数wと、長さm+1=33のハニング窓関数hとの比較例である。
また、ハニング窓と矩形窓の違いを、単に窓関数の長短の違いによるものでないと示す目的で、矩形窓を1周期の長さに相当するN=32に変えて評価する。図11は長さをN=32にした矩形窓関数wと、長さm+1=33のハニング窓関数hとの比較例である。
図12は、第2の実施形態に係る有効電力計量装置の機能を説明するための第4の図である。
図12は、矩形窓wの長さをN=32に変えたときの、矩形窓wとハニング窓hとの周波数特性の比較例である。矩形窓wが20Hzからゲインが下がるのに対し、ハニング窓hは30Hzからである。したがって、矩形窓よりもハニング窓の方が高周波数まで計測できる。
図12は、矩形窓wの長さをN=32に変えたときの、矩形窓wとハニング窓hとの周波数特性の比較例である。矩形窓wが20Hzからゲインが下がるのに対し、ハニング窓hは30Hzからである。したがって、矩形窓よりもハニング窓の方が高周波数まで計測できる。
さらに、単相交流の瞬時電力は交流周波数の2倍で振動する。50Hzの交流電力系統Gでは、瞬時電力の振動は100Hzに相当する。ハニング窓および矩形窓のいずれも100Hz付近に応答ゲインの谷を有しているので、同振動を除去する機能が認められる。両者を比較すると、矩形窓よりもハニング窓の方が谷の幅が広いので、交流周波数が変動したときにも同振動をより良く除去することができる。さらに、100Hzとその前後の周波数での応答ゲインも、矩形窓よりもハニング窓が10dB程度小さい(ゲインで1/3倍程度)ので、有効電力の計測にはハニング窓の方が適している。
(作用、効果)
第2の実施形態に係る調整力計量装置1は、第1の実施形態の有効電力計量器に代えて、交流の瞬時電力を交流の周波数の整数倍となる頻度で演算して、交流の1周期における瞬時電力の離散時間信号を出力する瞬時電力演算器140と、タップ長を瞬時電力演算器140の演算頻度に一致させたハニング窓を係数とするFIRフィルタ141とを有し、FIRフィルタで瞬時電力の離散信号をフィルタリングして、有効電力Pを計量する有効電力計量器14を備える。
第2の実施形態に係る調整力計量装置1は、第1の実施形態の有効電力計量器に代えて、交流の瞬時電力を交流の周波数の整数倍となる頻度で演算して、交流の1周期における瞬時電力の離散時間信号を出力する瞬時電力演算器140と、タップ長を瞬時電力演算器140の演算頻度に一致させたハニング窓を係数とするFIRフィルタ141とを有し、FIRフィルタで瞬時電力の離散信号をフィルタリングして、有効電力Pを計量する有効電力計量器14を備える。
第1の実施形態に係る有効電力計量器は、例えば、交流の周期10回分を移動平均しなければならなかった。これに対し、第2の実施形態に係る有効電力計量器14は、有効電力の演算を1周期分のみで済ませることができるので、有効電力計量の速応性をさらに改善することができる。これにより、調整力計量装置1は、電力の需給調整力の速い成分を計量することが可能となる。
また、第2の実施形態に係る調整力計量装置1は、第1の実施形態よりも瞬時電力の変動を効果的に除去することができる。これにより、調整力計量装置1は、電力の需給調整力を精度よく計量することができる。
<第3の実施形態>
次に、図13を参照しながら第3の実施形態について詳しく説明する。上述の実施形態と共通の構成要素には同一の符号を付して詳細説明を省略する。
第2の実施形態では、タップ長を瞬時電力の演算頻度(m+1)に一致させたハニング窓を係数とするFIRフィルタを用いる例について説明した。これに対し、第3の実施形態では、交流の周波数fの2倍の周波数2f(振動周波数)に対応する成分を遮断するFIRフィルタ141を用いることを特徴とする。なお、本実施形態では、交流電力の周波数fとして、基準周波数(例えば、50Hz)を用いる。
次に、図13を参照しながら第3の実施形態について詳しく説明する。上述の実施形態と共通の構成要素には同一の符号を付して詳細説明を省略する。
第2の実施形態では、タップ長を瞬時電力の演算頻度(m+1)に一致させたハニング窓を係数とするFIRフィルタを用いる例について説明した。これに対し、第3の実施形態では、交流の周波数fの2倍の周波数2f(振動周波数)に対応する成分を遮断するFIRフィルタ141を用いることを特徴とする。なお、本実施形態では、交流電力の周波数fとして、基準周波数(例えば、50Hz)を用いる。
(有効電力計量器の処理について)
周波数fsで離散化されたFIRシステムを考える。FIRシステムは式(18)の伝達関数H(z)で表されるとする。mはFIRフィルタ141のタップ長である。mの決定は後述する。
周波数fsで離散化されたFIRシステムを考える。FIRシステムは式(18)の伝達関数H(z)で表されるとする。mはFIRフィルタ141のタップ長である。mの決定は後述する。
伝達関数からFIRフィルタ141の周波数応答が分る。例えば、周波数fに対するゲインを求めるには、式(19)のように、z=exp(±j2πffs
-1)をHに代入して得られる複素数の絶対値をとればよい。
単相の瞬時電力は、交流の周波数fの2倍の2fを基本周波数として振動することが予め分かっている。以下、2fを交流の振動周波数とも記載する。例えば、電流iと電圧vが共にcоs(2πft)で表されるとする。このとき、瞬時電力は、式(20)であり、1/2を中心に周波数2fで振動する。
有効電力とは、右辺第一項が表す時間平均値である。FIRフィルタ141の目的は、右辺第二項を除去し、右辺第一項を残すことである。右辺第二項を除去するには、伝達関数H(z)の分子多項式の値がz=exp(±2πjffs
-1)において0になれば充分である。伝達関数の分子多項式=0の解は零点と呼ばれている。複素平面の単位円上のexp(±j2πffs
-1)に零点を配置すると、2π・2fHzにおいて伝達関数が0となり、2π・2fHzの成分を遮断することができる。
図13は、第3の実施形態に係る有効電力計量装置の機能を説明するための図である。
遮断周波数を複数設定するには、図13に示すように、FIRフィルタ141の複素平面の単位円上の位置である{a1±jb1,a2±jb2,…,am/2±jbm/2}に零点を配置すればよい。例えば、瞬時電力の2倍、4倍、6倍の高調波成分である{2f0,4f0,6f0}Hzを遮断するならば、零点は以下の式(21)のように定める。
遮断周波数を複数設定するには、図13に示すように、FIRフィルタ141の複素平面の単位円上の位置である{a1±jb1,a2±jb2,…,am/2±jbm/2}に零点を配置すればよい。例えば、瞬時電力の2倍、4倍、6倍の高調波成分である{2f0,4f0,6f0}Hzを遮断するならば、零点は以下の式(21)のように定める。
零点から、仮のFIRフィルタを定める。仮のFIRフィルタは伝達関数の分子多項式をN(z)、分母多項式をD(z)とし、全体をN(z)/D(z)で表すことにする。
零点の数をmとすると、仮のFIRフィルタのタップ長はm+1である。この事例ではm=6であり、仮のFIRのタップ長はm+1=7である。仮のFIRフィルタの分子は零点に従って定まる。FIRフィルタの分子の多項式は次式(22)である。
仮のFIRフィルタの分母の多項式は次式(23)である。
仮に瞬時電力の値が定常的に1であったならば、有効電力も1である。そうなるためには、FIRフィルタは直流信号に対するゲインが1でなければならない。仮のFIRフィルタの直流ゲインは、N(z)/D(z)にz=1を代入した値である。まず、分子多項式N(z)の直流信号に対する値N0を以下の式(24)で計算する。
分母多項式の直流信号に対する値D0は次式(25)である。
最終的なFIRフィルタH(z)は、仮のFIRフィルタをその直流ゲインが1になるよう次式(26)で補正したものである。
本実施例では零点の数が6の場合を説明した。これは一例であり零点の数は6に限定しない。零点の数が奇数の場合、零点を実軸に奇数個、例えば-1+j0に設定し、残った偶数個の零点に対して本実施形態を適用すればよい。さらに、本実施形態では零点は交流周波数の2倍、4倍、6倍を例に説明したが、これに限られることはない。他の実施形態では、零点を、これ以外に8倍、10倍等に追加しても良い。さらに、3倍、5倍、7倍などに追加しても良い。
(作用、効果)
第3の実施形態に係る調整力計量装置1において、有効電力計量器14は、第2の実施形態のFIRフィルタに代えて、交流の振動周波数に対応する成分を遮断するFIRフィルタ141を有する。交流の振動周波数は、交流の基準周波数の2倍の値である。具体的には、FIRフィルタ141は、複素平面の単位円上であって、偏角が振動周波数の1倍に対応する位置に零点を有する。
第3の実施形態に係る調整力計量装置1において、有効電力計量器14は、第2の実施形態のFIRフィルタに代えて、交流の振動周波数に対応する成分を遮断するFIRフィルタ141を有する。交流の振動周波数は、交流の基準周波数の2倍の値である。具体的には、FIRフィルタ141は、複素平面の単位円上であって、偏角が振動周波数の1倍に対応する位置に零点を有する。
このようにすることで、調整力計量装置1は、第2の実施形態と同様に瞬時電力の振動を効果的に除去することができるので、電力の需給調整力を精度よく計量することができる。
また、FIRフィルタ141は、振動周波数の2倍以上の整数倍の周波数に対応する成分を遮断してもよい。具体的には、FIRフィルタ141は、複素平面の単位円上であって、偏角が振動周波数の2倍、3倍、もしくはそれ以上の整数倍に対応する位置に零点を有する。
このようにすることで、例えば、振動周波数の2倍、3倍、もしくはそれ以上の高調波成分についても同様に遮断することができる。
<第4の実施形態>
次に、図14を参照しながら第4の実施形態について詳しく説明する。上述の実施形態と共通の構成要素には同一の符号を付して詳細説明を省略する。
次に、図14を参照しながら第4の実施形態について詳しく説明する。上述の実施形態と共通の構成要素には同一の符号を付して詳細説明を省略する。
(有効電力計量器の機能構成)
図14は、第4の実施形態に係る有効電力計量器の機能構成を示す図である。
第4の実施形態では、図14に示すように、有効電力計量器14は、複数の低次FIRフィルタ141_1、141_2、…、141_mを直列結合して、有効電力Pを計算することを特徴とする。また、これら低次FIRフィルタ141_1~141_mは、それぞれ、係数のタップ長が3であり、複素平面の単位円上に零点の共役対を一つずつ有することを特徴とする。
図14は、第4の実施形態に係る有効電力計量器の機能構成を示す図である。
第4の実施形態では、図14に示すように、有効電力計量器14は、複数の低次FIRフィルタ141_1、141_2、…、141_mを直列結合して、有効電力Pを計算することを特徴とする。また、これら低次FIRフィルタ141_1~141_mは、それぞれ、係数のタップ長が3であり、複素平面の単位円上に零点の共役対を一つずつ有することを特徴とする。
(有効電力計量器の処理について)
本実施形態では、FIRフィルタH(z)を以下の式(27)のようにタップ長3の低次FIRフィルタ141_1~141_mの積として表現する。
本実施形態では、FIRフィルタH(z)を以下の式(27)のようにタップ長3の低次FIRフィルタ141_1~141_mの積として表現する。
例えば、低次FIRフィルタ141_1は振動周波数の1倍の応答を遮断し、低次FIRフィルタ141_2は振動周波数の2倍の応答を遮断し、低次FIRフィルタ141_mは振動周波数のm倍の応答を遮断する。このように、各低次FIRフィルタを順次通していくことにより、振動周波数の1倍、2倍、…、m倍の周波数における瞬時電力の振動を効果的に除去することができる。
(作用、効果)
第4の実施形態に係る調整力計量装置1において、有効電力計量器14は、係数のタップ長が3であり、複素平面の単位円上に零点の共役対を一つずつ有する、複数の低次FIRフィルタを直列に結合して、有効電力Pを計算する。
第4の実施形態に係る調整力計量装置1において、有効電力計量器14は、係数のタップ長が3であり、複素平面の単位円上に零点の共役対を一つずつ有する、複数の低次FIRフィルタを直列に結合して、有効電力Pを計算する。
第3の実施形態では、FIRフィルタの係数はm個、記憶変数は2m個が必要であった。これに対し、第4の実施形態では、低次FIRフィルタの係数はm/2個(本実施形態の例では3個)、記憶変数はm個(本実施形態の例では6個)となり、それぞれ1/2で済むので簡単である。
<第5の実施形態>
第2~第4の実施形態では、交流電力の周波数fとして、基準周波数(例えば、50Hz)を用いる例について説明した。これに対し、第5の実施形態では、交流の実際の周波数fに基づいてFIRフィルタ141の係数を可変とすることを特徴とする。
第2~第4の実施形態では、交流電力の周波数fとして、基準周波数(例えば、50Hz)を用いる例について説明した。これに対し、第5の実施形態では、交流の実際の周波数fに基づいてFIRフィルタ141の係数を可変とすることを特徴とする。
(有効電力計量器の処理について)
本実施形態では、有効電力計量器14は、瞬時電力が有する周波数2fの振動成分を、FIRフィルタ141の遮断周波数を常に2fに同調させることにより除去する。
本実施形態では、有効電力計量器14は、瞬時電力が有する周波数2fの振動成分を、FIRフィルタ141の遮断周波数を常に2fに同調させることにより除去する。
具体的には、第2の実施形態に係る調整力計量装置1において、式(14)に代えて、次式(28)のfに、周波数推定器13が推定したfの値を代入して、ハニング窓の重み係数を再計算する。
式(28)によれば、周波数fが基準周波数(例えば、50Hz)よりも高い(例えば、50.1Hz)場合に、係数ωkが2πを超えないよう(次の周期のデータを含まないように)に調整される。また、周波数fが基準周波数よりも低い(例えば、49.9Hz)場合に、波形が延びた分、1周期分のサンプルを取りこぼすことがないように、タップ長を第2の実施形態よりも長め(例えば、34など)に設定してもよい。このとき、周波数fが50Hzであり、取得できたサンプル数が32個であった場合には、33、34個目のサンプルの値は0にする。これにより、周波数fが変動しても、必要なサンプルを適切に取得することができる。
また、第3および第4の実施形態に係る調整力計量装置1において、式(21)に代えて、次式(29)のfに周波数推定器13が推定したfの値を代入して、零点を定める。
(作用、効果)
第5の実施形態に係る調整力計量装置1において、有効電力計量器14は、FIRフィルタ141の係数を周波数推定器13が推定した周波数に基づいて変更する。
第5の実施形態に係る調整力計量装置1において、有効電力計量器14は、FIRフィルタ141の係数を周波数推定器13が推定した周波数に基づいて変更する。
このようにすることで、調整力計量装置1は、時々刻々と変動する周波数fに応じて、FIRフィルタ141の係数を変えることにより、より精度よく有効電力を計量することができる。
(変形例1)
図15は、第5の実施形態の変形例に係る有効電力計量器の機能構成を示す図である。
変形例1では、FIRフィルタ141の演算を、交流の周期に同期させることにより、ハニング窓の重み係数の再計算を不要とする。図15を用いて説明する。変形例1の瞬時電力演算器140_1は、図7に示した逓倍ZC信号を入力し、逓倍ZC信号に基づき、電圧vと電流iから瞬時電力pの離散時間信号を演算して出力する。FIRフィルタ141は第5の実施形態と同様である。FIRフィルタ141は、前記瞬時電力pの離散時間信号を入力して有効電力Pを演算する。
図15は、第5の実施形態の変形例に係る有効電力計量器の機能構成を示す図である。
変形例1では、FIRフィルタ141の演算を、交流の周期に同期させることにより、ハニング窓の重み係数の再計算を不要とする。図15を用いて説明する。変形例1の瞬時電力演算器140_1は、図7に示した逓倍ZC信号を入力し、逓倍ZC信号に基づき、電圧vと電流iから瞬時電力pの離散時間信号を演算して出力する。FIRフィルタ141は第5の実施形態と同様である。FIRフィルタ141は、前記瞬時電力pの離散時間信号を入力して有効電力Pを演算する。
<第6の実施形態>
次に、図16を参照しながら第6の実施形態について詳しく説明する。上述の実施形態と共通の構成要素には同一の符号を付して詳細説明を省略する。
次に、図16を参照しながら第6の実施形態について詳しく説明する。上述の実施形態と共通の構成要素には同一の符号を付して詳細説明を省略する。
(調整力計量装置の機能構成)
図16は、第6の実施形態に係る調整力計量装置の機能構成を示す図である。
図16に示すように、第6の実施形態に係る交流電力系統Gでは、三相交流が用いられる。
図16は、第6の実施形態に係る調整力計量装置の機能構成を示す図である。
図16に示すように、第6の実施形態に係る交流電力系統Gでは、三相交流が用いられる。
電圧検出器11は、三相交流の一つ一つの相の相電圧を計測して出力する。
電流検出器12は、三相交流のうち二つの相の電流を検出して出力する。
周波数推定器13は、三相交流の少なくとも1つの相の周波数fを推定する。
有効電力計量器14は、三相交流の各相の瞬時電力の和の移動平均値から、三相全体での有効電力Pを推定する。
調整電力量計量器15は、三相全体での有効電力Pの時間的な差分ΔPと、周波数fの時間的な差分Δfとに基づいて、電力の需給調整力Mを算出する。
(調整力計量装置の処理について)
単相交流の場合、交流の電流と電圧が一定であっても、瞬時有効電力は交流の2倍の周波数で周期的に変動する。従って、有効電力の計算において、移動平均の時間窓の幅は交流の周期の整数倍にしなければならなかった。例えば50Hzの交流の場合、有効電力の計測には移動平均を窓の幅を2msの整数倍にしなければならず、従って、ある時刻に有効電力の値を計算したとして、新規に計測した瞬時電力で有効電力の値を計算できるまで2ms待たなければならなかった。なお、交流が上下対称であるときには、交流の半周期の1msでよい。
単相交流の場合、交流の電流と電圧が一定であっても、瞬時有効電力は交流の2倍の周波数で周期的に変動する。従って、有効電力の計算において、移動平均の時間窓の幅は交流の周期の整数倍にしなければならなかった。例えば50Hzの交流の場合、有効電力の計測には移動平均を窓の幅を2msの整数倍にしなければならず、従って、ある時刻に有効電力の値を計算したとして、新規に計測した瞬時電力で有効電力の値を計算できるまで2ms待たなければならなかった。なお、交流が上下対称であるときには、交流の半周期の1msでよい。
しかし、計測対象が三相交流の場合は、電流と電圧が一定であれば、三相の瞬時有効電力の和は時間的に一定である。従って、移動平均の窓の長さを単相の有効電力のときのように、交流の周期と無関係に定めることができる。
本実施形態では、電圧検出器11は、三相交流の一つ一つの相の相電圧vを計測する。電流検出器12は、三相のうち二つの相の電流iを検出する。三相の一つ一つを記号{a,b,c}で表すと、式(30)のように、三相を合計した瞬時電力pabcはブロンデルの定理から二つの電力の和を計算すれば充分である。
前述のとおり、三相の瞬時有効電力の和は時間的に一定であるので、三相を合計した瞬時電力pabcは有効電力を表している。よって、三相の有効電力は瞬時有効電力の演算の頻度で値がわかる。
一方、周波数推定器13は、電圧のゼロクロスの時刻から周波数fを算出する。一つの相について1周期毎にゼロクロスは2回ある。三相では、1周期あたり6回のゼロクロスがあるので周波数は周期毎に6回の頻度で値が分る。相を区別することなく、また、正から負へのゼロクロスであるか負から正のそれであるかを区別することなく、ゼロクロスの時刻をtXと記すと、周波数の演算は、式(31)、式(32)、式(33)などの方法が考えられる。
式(31)は周波数を1回前のゼロクロスの時間差から算出する。式(32)は、3回前のゼロクロスとの時間差から算出する。これは、相を区別して、同じ相の半周期前のゼロクロスとの時間差から周波数を計算する。式(33)は、相を区別して、同じ相の1周期前のゼロクロスとの時間差から周波数を算出する。周波数の計算は、これらの式の外に、様々なものが考えられる。一般化すると、荷重係数βを用いて、式(34)で表される。tX,0は直近のゼロクロスの時刻を表す。tX,-1は1回前のゼロクロスの時刻である。例えば、β={6,-6,0,0,0,0,0,0,…}とすれば式(22)と同じになる。
周波数推定器13は、ゼロクロスの発生を表すZC信号、ゼロクロスの時刻tX、および周波数fを出力する。
有効電力計量器14は、周波数推定器13の出力信号に基づき、周波数計算に同期して周波数計算の時間間隔の平均有効電力を計算する。周波数を式(31)で計算するならば、平均有効電力の計算は式(35)で表される。
調整電力量計量器15は、式(11)と同様に、次式(36)で調整電力量を計量する。
(作用、効果)
第6の実施形態に係る調整力計量装置1は、三相交流の少なくとも一つの相の交流の周波数を推定する周波数推定器13と、三相交流の一つ一つの相の瞬時電力の和の移動平均値から、三相全体での有効電力を計量する有効電力計量器14と、有効電力の時間的な差分と、周波数の時間的な差分とに基づいて、電力の需給調整力を算出する調整電力量計量器15とを備える。
第6の実施形態に係る調整力計量装置1は、三相交流の少なくとも一つの相の交流の周波数を推定する周波数推定器13と、三相交流の一つ一つの相の瞬時電力の和の移動平均値から、三相全体での有効電力を計量する有効電力計量器14と、有効電力の時間的な差分と、周波数の時間的な差分とに基づいて、電力の需給調整力を算出する調整電力量計量器15とを備える。
このようにすることで、調整力計量装置1は、第1の実施形態とは異なり、移動平均の窓の長さを交流の周期と無関係に定めることができる。
<第7の実施形態>
第7の実施形態では、調整力計量装置1において、調整電力量計量器15は、交流の周波数の時間的な差分と、周波数の時間的な二階差分と、周波数の基準周波数との偏差の荷重和と、有効電力の時間的な差分とに基づいて、電力の需給調整力を算出してもよい。なお、他の構成については、上述の第1~第6の実施形態の何れかを適用する。
第7の実施形態では、調整力計量装置1において、調整電力量計量器15は、交流の周波数の時間的な差分と、周波数の時間的な二階差分と、周波数の基準周波数との偏差の荷重和と、有効電力の時間的な差分とに基づいて、電力の需給調整力を算出してもよい。なお、他の構成については、上述の第1~第6の実施形態の何れかを適用する。
従来技術の説明において、電力系統の需給調整の具体例として、式(2)のガバナフリー運転を説明した。ガバナフリー運転は、周波数の時間差分と有効電力の時間差分は比例関係にあるので、比例制御器で実現できる。比例制御器として、一般にはPID制御器が知られている。PIDのPは比例、Iは積分、Dは微分を表している。PID制御器を電力の需給調整に適用すると、その出力は、比例制御器、積分制御器、そして微分制御器の出力の荷重和として、式(37)で表される。Δ2は時間的な二階差分の意味である。
式(37)が与えるΔPを調整力の式(3)に適用して、PID制御器に対する需給調整力として次式(38)を得る。
α,β,γは、それぞれ、比例制御、積分制御、微分制御の荷重係数である。比例、積分、微分の他に、伝達関数を用いても良い。
このようにすることで、調整力計量装置1は、各種パラメータに基づいて、周波数の変動に対し応答すべき方向と、実際の電力需給の変化の方向とが一致しているかを、正確に評価することができる。
<第8の実施形態>
次に、図17を参照しながら第8の実施形態について詳しく説明する。上述の実施形態と共通の構成要素には同一の符号を付して詳細説明を省略する。
次に、図17を参照しながら第8の実施形態について詳しく説明する。上述の実施形態と共通の構成要素には同一の符号を付して詳細説明を省略する。
従来技術では、前述のとおり交流のn周期(例えば、10周期)分の瞬時電力pの移動平均より有効電力Pを計算した。n周期の時間的長さは交流の周波数とともに変動し、その結果、有効電力にはリップルが残る。リップルの影響をより確実に除去するためには、移動平均する周期を、例えば50周期、100周期のように大きくすることが考えられる。しかし、この場合、移動平均値は時間的に遅れたものになり、1秒以下の速応成分を計量することができない。
このような課題を踏まえ、上述の各実施形態では、リップルを小さくするために、交流の1周期毎の有効電力を計算し、この有効電力に基づいて調整力を計量する技術について説明した。これに対し、本実施形態では、有効電力の計算を行わず、交流の瞬時電力と、同期モータモデル17で計算した交流の周波数とに基づいて調整力を計量する技術について説明する。
図17は、第8の実施形態に係る調整力計量装置の機能構成を示す図である。
図17に示すように、本実施形態に係る調整力計量装置1は、瞬時電力演算器16および同期モータモデル17を備える。
図17に示すように、本実施形態に係る調整力計量装置1は、瞬時電力演算器16および同期モータモデル17を備える。
瞬時電力演算器16は、電圧検出器11および電流検出器12が計測した瞬時電圧vtおよび瞬時電流itより、交流電力系統Gと調整力提供手段2との間で授受される交流の瞬時電力ptを算出する。
同期モータモデル17は、瞬時電圧vtを入力とし、調整力提供手段2が有する同期モータの回転数を演算し、さらに交流の周波数ft’を出力とする数値モデルである。従来、同期モータの回転数はゼロクロスを検出して求めていたので、回転数を間欠的(1周期に1回または2回)にしか計測することができなかった。しかし、本実施形態では、同期モータの回転数は瞬時電圧vtを入力する頻度で事実上連続的に計算することが可能であり、さらに回転数は周波数に換算できるので、同期モータモデル17を使うことにより、交流の周波数を事実上連続的に計測することができる。事実上連続的にとは、1周期に例えば32回またはそれ以上に時間的に密な離散信号であり、1周期に1回または2回との対比で連続的であるとの意味である。
また、本実施形態に係る調整電力量計量器15は、前述の式(3)に代えて、次式(39)により時刻tの調整力Mtを算出する。
このようにすることで、調整力計量装置1は、調整力の計測の速応性を向上させることができる。
なお、本実施形態では、同期モータモデル17が瞬時電圧vtを入力として同期モータの交流の周波数ft’を出力する例について説明したが、他の実施形態では、同期モータモデル17は同期モータの回転数を出力し、調整電力量計量器15が同期モータの回転数から交流の周波数ft’を計算してもよい。
さらに、本実施形態に係る調整力計量装置1は、有効電力計量器14を有する有効電力計量装置10として機能してもよい。この場合、同期モータが出力する交流の周波数ft’から、ZC信号と逓倍ZC信号を生成してもよい。周波数は位相速度を表すものであり、それを時間的に積分すると位相の角度が得られる。例えば、電圧vがゼロクロスするときの位相角度を0度と定めるならば電圧vの位相角度がわかる。電圧vの位相角度が0度をクロスする度に信号を発信すればZC信号の代用となる。さらに、例えば位相角度が0度、90度、180度、270度を超える度にZC信号を発信すれば逓倍ZC信号の代用となる。図17の逓倍ZC信号発生器146_1は、交流の周波数ft’を入力し、前述の処理を行い、逓倍ZC信号を出力する。逓倍ZC信号を瞬時電力演算器140に入力するとFIRフィルタ141でリップルを除去して有効電力Pを算出することができる。同期モータモデル17を用いると逓倍ZC信号の逓倍率を自由に定めることができる。例えば、モータ回転角度1度毎に逓倍ZC信号を発信することも可能となるので、有効電力の計量の速応性を改善することができる。
<コンピュータ構成>
図18は、少なくとも1つの実施形態に係るコンピュータの構成を示す概略ブロック図である。
図18に示すように、コンピュータ90は、プロセッサ91、メインメモリ92、ストレージ93、および、インタフェース94を備える。
図18は、少なくとも1つの実施形態に係るコンピュータの構成を示す概略ブロック図である。
図18に示すように、コンピュータ90は、プロセッサ91、メインメモリ92、ストレージ93、および、インタフェース94を備える。
上述の調整力計量装置1は、コンピュータ90に実装される。そして、上述した各処理部の動作は、プログラムの形式でストレージ93に記憶されている。プロセッサ91は、プログラムをストレージ93から読み出してメインメモリ92に展開し、当該プログラムに従って上記処理を実行する。また、プロセッサ91は、プログラムに従って、上述した各記憶部に対応する記憶領域をメインメモリ92に確保する。
プログラムは、コンピュータ90に発揮させる機能の一部を実現するためのものであってもよい。例えば、プログラムは、ストレージに既に記憶されている他のプログラムとの組み合わせ、または他の装置に実装された他のプログラムとの組み合わせによって機能を発揮させるものであってもよい。なお、他の実施形態においては、コンピュータは、上記構成に加えて、または上記構成に代えてPLD(Programmable Logic Device)などのカスタムLSI(Large Scale Integrated Circuit)を備えてもよい。PLDの例としては、PAL(Programmable Array Logic)、GAL(Generic Array Logic)、CPLD(Complex Programmable Logic Device)、FPGA(Field Programmable Gate Array)等が挙げられる。この場合、プロセッサによって実現される機能の一部または全部が当該集積回路によって実現されてよい。
ストレージ93の例としては、HDD(Hard Disk Drive)、SSD(Solid State Drive)、磁気ディスク、光磁気ディスク、CD-ROM(Compact Disc Read Only Memory)、DVD-ROM(Digital Versatile Disc Read Only Memory)、半導体メモリ等が挙げられる。ストレージ93は、コンピュータ90のバスに直接接続された内部メディアであってもよいし、インタフェース94または通信回線を介してコンピュータ90に接続される外部メディアであってもよい。また、このプログラムが通信回線によってコンピュータ90に配信される場合、配信を受けたコンピュータ90が当該プログラムをメインメモリ92に展開し、上記処理を実行してもよい。少なくとも1つの実施形態において、ストレージ93は、一時的でない有形の記憶媒体である。
以上のとおり、本開示に係るいくつかの実施形態を説明したが、これら全ての実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図していない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態及びその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
<付記>
上述の各実施形態は、例えば以下のように把握される。
上述の各実施形態は、例えば以下のように把握される。
(1)第1の態様によれば、有効電力計量装置10は、対象装置2が電力系統との間で送電または受電する交流の電圧の時系列に基づいて、交流の周期と周波数とを推定する周波数推定器13と、交流の周期毎に交流の複数の周期における瞬時電力の移動平均値を算出し、算出した移動平均値と、前回算出した移動平均値との差から、交流の1周期において対象装置2が授受する有効電力を計量する有効電力計量器14と、を備える。
このようにすることで、有効電力計量装置10は、有効電力を1周期毎の短い間隔で計量することができる。例えば、交流の基準周波数が50Hzである場合、1周期は20msである。したがって、有効電力計量装置10は、10周期(200ms)毎にしか計測ができない従来技術と比較して、計測の速応性を大幅に向上させることができる。
(2)第2の態様によれば、有効電力計量装置10は、対象装置2が電力系統との間で送電または受電する交流の電圧の時系列に基づいて、交流の周期と周波数とを推定する周波数推定器13と、交流の1周期における瞬時電力の積算値から、対象装置2が授受する有効電力を計量する有効電力計量器14と、を備える。
このようにすることで、有効電力計量装置10は、交流の1周期当たりの有効電力を正確に計算することができる。
(3)第3の態様によれば、有効電力計量装置10は、対象装置2が電力系統との間で送電または受電する交流の電圧の時系列に基づいて、交流の周期と周波数とを推定する周波数推定器13と、交流の瞬時電力を、交流の周波数の整数倍となる頻度で演算して、交流の1周期における瞬時電力の離散時間信号を出力する瞬時電力演算器140と、タップ長を瞬時電力の演算頻度に一致させたハニング窓を係数とする有限インパルス応答フィルタ141とを有し、有限インパルス応答フィルタ141で瞬時電力の離散信号をフィルタリングして、対象装置2が授受する有効電力を計量する有効電力計量器14と、を備える。
このようにすることで、有効電力計量器14は、有効電力の演算を1周期分のみで済ませることができるので、有効電力計量の速応性をさらに改善することができる。
(4)第4の態様によれば、有効電力計量装置10は、対象装置2が電力系統との間で送電または受電する交流の電圧の時系列に基づいて、交流の周期と周波数とを推定する周波数推定器13と、交流の瞬時電力を、交流の周波数の整数倍となる頻度で演算して、交流の1周期における瞬時電力の離散時間信号を出力する瞬時電力演算器140と、交流の振動周波数に対応する成分を遮断する有限インパルス応答フィルタ141で瞬時電力の離散信号をフィルタリングして、対象装置2が授受する有効電力を計量する有効電力計量器14と、を備える。
このようにすることで、有効電力計量装置10は、瞬時電力の振動を効果的に除去することができるので、有効電力を精度よく計量することができる。
(5)第5の態様によれば、第4の態様に係る有効電力計量装置10において、有限インパルス応答フィルタ141は、複素平面の単位円上であって、偏角が振動周波数の1倍または2倍以上の整数倍に対応する位置に零点を有する。
このようにすることで、例えば、振動周波数の2倍、3倍などの高調波成分についても同様に遮断することができる。
(6)第6の態様によれば、第4の態様に係る有効電力計量装置10において、有限インパルス応答フィルタ141は、係数のタップ長が3であり、複素平面の単位円上に零点の共役対を一つずつ有する複数の低次有限インパルス応答フィルタを直列に結合して構成される。
このようにすることで、低次FIRフィルタの係数はm/2個(上述の実施形態の例では3個)、記憶変数はm個(上述の実施形態の例では6個)となり、それぞれ1/2で済むので簡単である。
(7)第7の態様によれば、有効電力計量装置10は、対象装置2が電力系統との間で送電または受電する三相交流の電圧の時系列に基づいて、三相交流の少なくとも一つの相の交流の周波数を推定する周波数推定器13と、三相交流の一つ一つの相の瞬時電力の和の移動平均値から、三相全体での対象装置2の有効電力を計量する有効電力計量器14と、を備える。
このようにすることで、有効電力計量装置10は、有効電力の移動平均の窓の長さを交流の周期と無関係に定めることができる。
(8)第8の態様によれば、第3から第6の何れか一の態様に係る有効電力計量装置10において、有効電力計量器14は、有限インパルス応答フィルタ141の係数を周波数推定器13が推定した周波数に基づいて変更する。
このようにすることで、有効電力計量装置10は、時々刻々と変動する周波数fに応じて、FIRフィルタ141の係数を変えることにより、より精度よく有効電力を計量することができる。
(9)第9の態様によれば、有効電力計量装置10は、対象装置2が電力系統との間で送電または受電する交流の瞬時電圧vを入力とし、対象装置2が有する同期モータの回転数を演算し、交流の周波数fを出力とする同期モータモデル17と、交流の瞬時電流iと、瞬時電圧vと、同期モータモデル17から出力された周波数fとに基づいて、交流の1周期において対象装置2が授受する有効電力Pを計量する有効電力計量器14と、を備える。
このようにすることで、有効電力計量装置10は、リップルの影響を確実に除去できるとともに、計測の速応性を向上させることができる。
(10)第10の態様によれば、調整力計量装置1は、第1から第9の何れか一の態様に係る有効電力計量装置10と、有効電力の時間的な差分と、周波数の時間的な差分とに基づいて、対象装置2の需給調整力を算出する調整電力量計量器15と、を備える。
このようにすることで、調整力計量装置1は、有効電力Pおよび周波数fについて、交流の1周期毎の差分を求め、これら差分から1周期毎の需給調整力Mを算出することができるので、調整力計測の速応性を向上させることができる。これにより、調整力計量装置1は、慣性力のような早い調整力を計量することができる。
(11)第11の態様によれば、第10の態様に係る調整力計量装置1において、調整電力量計量器15は、交流の周波数の時間的な差分と、周波数の時間的な二階差分と、周波数の基準周波数との偏差の荷重和と、有効電力の時間的な差分とに基づいて、需給調整力を算出する。
このようにすることで、調整力計量装置1は、各種パラメータに基づいて、周波数の振動に対し応答すべき方向と、実際の電力需給の変化の方向とが一致しているかを、正確に評価することができる。
(12)第12の態様によれば、計量方法は、対象装置2が電力系統との間で送電または受電する交流の電圧の時系列に基づいて、交流の周期と周波数とを推定するステップと、交流の瞬時電力を、交流の周波数の整数倍となる頻度で演算して、交流の1周期における瞬時電力の離散時間信号を出力するステップと、タップ長を瞬時電力の演算頻度に一致させたハニング窓を係数とする有限インパルス応答フィルタ141で瞬時電力の離散信号をフィルタリングして、対象装置2が授受する有効電力を計量するステップと、を有する。
(13)第13の態様によれば、プログラムは、対象装置2が電力系統との間で送電または受電する交流の電圧の時系列に基づいて、交流の周期と周波数とを推定するステップと、交流の瞬時電力を、交流の周波数の整数倍となる頻度で演算して、交流の1周期における瞬時電力の離散時間信号を出力するステップと、タップ長を瞬時電力の演算頻度に一致させたハニング窓を係数とする有限インパルス応答フィルタ141で瞬時電力の離散信号をフィルタリングして、対象装置が授受する有効電力を計量するステップと、を有効電力計量装置10に実行させる。
上記態様によれば、電力の計測の速応性を向上することができる。
1 調整力計量装置
2 調整力提供手段
10 有効電力計量装置
11 電圧検出器
12 電流検出器
13 周波数推定器
130 タイマ
131 ゼロクロス検出器(ZC検出器)
132 サンプラ
133 周波数算出部
14 有効電力計量器
140 瞬時電力演算器
141 有限インパルス応答フィルタ(FIRフィルタ)
141,141_1,141_2,141_m 低次FIRフィルタ
142 瞬時電力積算器
143 サンプラ
144 有効電力算出部
15 調整電力量計量器
16 瞬時電力演算器
17 同期モータモデル
2 調整力提供手段
10 有効電力計量装置
11 電圧検出器
12 電流検出器
13 周波数推定器
130 タイマ
131 ゼロクロス検出器(ZC検出器)
132 サンプラ
133 周波数算出部
14 有効電力計量器
140 瞬時電力演算器
141 有限インパルス応答フィルタ(FIRフィルタ)
141,141_1,141_2,141_m 低次FIRフィルタ
142 瞬時電力積算器
143 サンプラ
144 有効電力算出部
15 調整電力量計量器
16 瞬時電力演算器
17 同期モータモデル
Claims (13)
- 対象装置が電力系統との間で送電または受電する交流の電圧の時系列に基づいて、前記交流の周期と周波数とを推定する周波数推定器と、
前記交流の周期毎に前記交流の複数の周期における瞬時電力の移動平均値を算出し、算出した前記移動平均値と、前回算出した移動平均値との差から、前記交流の1周期において前記対象装置が授受する有効電力を計量する有効電力計量器と、
を備える有効電力計量装置。 - 対象装置が電力系統との間で送電または受電する交流の電圧の時系列に基づいて、前記交流の周期と周波数とを推定する周波数推定器と、
前記交流の1周期における瞬時電力の積算値から、前記対象装置が授受する有効電力を計量する有効電力計量器と、
を備える有効電力計量装置。 - 対象装置が電力系統との間で送電または受電する交流の電圧の時系列に基づいて、前記交流の周期と周波数とを推定する周波数推定器と、
前記交流の瞬時電力を、前記交流の周波数の整数倍となる頻度で演算して、前記交流の1周期における前記瞬時電力の離散時間信号を出力する瞬時電力演算器と、タップ長を前記瞬時電力の演算頻度に一致させたハニング窓を係数とする有限インパルス応答フィルタとを有し、前記有限インパルス応答フィルタで前記瞬時電力の離散信号をフィルタリングして、前記対象装置が授受する有効電力を計量する有効電力計量器と、
を備える有効電力計量装置。 - 対象装置が電力系統との間で送電または受電する交流の電圧の時系列に基づいて、前記交流の周期と周波数とを推定する周波数推定器と、
前記交流の瞬時電力を、前記交流の周波数の整数倍となる頻度で演算して、前記交流の1周期における前記瞬時電力の離散時間信号を出力する瞬時電力演算器と、
前記交流の振動周波数に対応する成分を遮断する有限インパルス応答フィルタで前記瞬時電力の離散信号をフィルタリングして、前記対象装置が授受する有効電力を計量する有効電力計量器と、
を備える有効電力計量装置。 - 前記有限インパルス応答フィルタは、複素平面の単位円上であって、偏角が前記振動周波数の1倍または2倍以上の整数倍に対応する位置に零点を有する、
請求項4に記載の有効電力計量装置。 - 前記有限インパルス応答フィルタは、係数のタップ長が3であり、複素平面の単位円上に零点の共役対を一つずつ有する複数の低次有限インパルス応答フィルタを直列に結合して構成される、
請求項4に記載の有効電力計量装置。 - 対象装置が電力系統との間で送電または受電する三相交流の電圧の時系列に基づいて、前記三相交流の少なくとも一つの相の交流の周波数を推定する周波数推定器と、
前記三相交流の一つ一つの相の瞬時電力の和の移動平均値から、前記対象装置の三相全体での有効電力を計量する有効電力計量器と、
を備える有効電力計量装置。 - 前記有効電力計量器は、前記有限インパルス応答フィルタの係数を前記周波数推定器が推定した周波数に基づいて変更する、
請求項3に記載の有効電力計量装置。 - 対象装置が電力系統との間で送電または受電する交流の瞬時電圧を入力とし、前記対象装置が有する同期モータの回転数を演算し、前記交流の周波数を出力とする同期モータモデルと、
前記交流の瞬時電流と、前記瞬時電圧と、前記同期モータモデルから出力された前記周波数とに基づいて、前記交流の1周期において前記対象装置が授受する有効電力を計量する有効電力計量器と、
を備える有効電力計量装置。 - 請求項1から9の何れか一項に記載の有効電力計量装置と、
前記有効電力の時間的な差分と、前記周波数の時間的な差分とに基づいて、前記対象装置の需給調整力を算出する調整電力量計量器と、
を備える調整力計量装置。 - 前記調整電力量計量器は、前記交流の前記周波数の時間的な差分と、前記周波数の時間的な二階差分と、前記周波数の基準周波数との偏差の荷重和と、前記有効電力の時間的な差分とに基づいて、前記需給調整力を算出する、
請求項10に記載の調整力計量装置。 - 対象装置が電力系統との間で送電または受電する交流の電圧の時系列に基づいて、前記交流の周期と周波数とを推定するステップと、
前記交流の瞬時電力を、前記交流の周波数の整数倍となる頻度で演算して、前記交流の1周期における前記瞬時電力の離散時間信号を出力するステップと、
タップ長を前記瞬時電力の演算頻度に一致させたハニング窓を係数とする有限インパルス応答フィルタで前記瞬時電力の離散信号をフィルタリングして、前記対象装置が授受する有効電力を計量するステップと、
を有する計量方法。 - 対象装置が電力系統との間で送電または受電する交流の電圧の時系列に基づいて、前記交流の周期と周波数とを推定するステップと、
前記交流の瞬時電力を、前記交流の周波数の整数倍となる頻度で演算して、前記交流の1周期における前記瞬時電力の離散時間信号を出力するステップと、
タップ長を前記瞬時電力の演算頻度に一致させたハニング窓を係数とする有限インパルス応答フィルタで前記瞬時電力の離散信号をフィルタリングして、前記対象装置が授受する授受される有効電力を計量するステップと、
を有効電力計量装置に実行させるプログラム。
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