JPH0456535B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、商用電力供給システムおよびその負
荷を制御する方法および装置に関するものであ
る。

近年、電力需要が供給を上回ることに起因する
長時間にわたる停電が、世界各地で頻繁に起こつ
ている。このよな停電は、システムが強固に相互
連結されていない場合、また、例えば供給線の一
線の故障が広範な地域の電力源に影響を与えるよ
うなシステムの場合に特に起こりやすい。このよ
うな停電が起きると、他の地域の発電所は、接続
を保つたまま負荷を供給し続ける結果、過負荷状
態となる。この場合、累積的かつ急速に過負荷状
態となるため、直ちにサーキツトブレーカを開い
て負荷をしや断しなければならない。通常ブラツ
クアウト（blackout）と呼ばれるこのような電
力損失が、近年各地でしばしば見られる。

電力会社から制御信号を伝送して負荷の選択切
換を行ない、消費者側の電力需要を制御して、重
要性の少ない負荷の選択切換による需要の削減を
行なうべく、様々な負荷調整システムが提案され
ている。しかしながら、上述のブラツクアウトを
防ぎ得るほどに確実な技術はこれまでに開発され
ていない。

本発明の目的の一つは、交流電力供給システム
を上記ブラツクアウトから保護するための方法お
よび装置を提供することである。

本発明は、発電所の交流発電機が過負荷状態に
なつた際の供給周波数の低下を利用するものであ
る。

本発明による、交流電力供給システムを発電容
量を越える電力需要から保護する方法は、複数の
各電力消費者毎に、電力供給周波数の所定値以下
への低下を感知し、感知された該所定値以下への
周波数の低下に応じて前記各電力消費者側の負荷
の少なくとも一部をしや断するものである。望ま
しくは、各電力消費者側において、前記負荷の少
なくとも一部は、供給周波数が前記所定値または
より高い周波数以上に増加すると、電力源に再投
入される。

本発明の方法においては、周波数が所定値以下
になると、直ちに負荷が自動的にしや断される。
すべての電力消費者が同一の所定周波数を使用す
る必要はない。通常、系統の電力供給容量が系統
に投入されている負荷の需要に見合つている場合
には、系統が安定状態となるように負荷のしや断
（Shed）が即時的ではなく一定短時間を越えて行
なわれることが望ましい。さらに、系統の過負荷
状態を防止するためには、負荷の自動再投入が
徐々に行なわれることが望ましい。従つて前記周
波数の設定値は一定の周波数帯域内で異なる消費
者に対しては異なる厳密な周波数の値が割り当て
られるようにするとよい。実際上の系統における
厳密な作動周波数は、消費者によつてわずかずつ
ながら必然的に相違する。供給周波数が50Hzの場
合、電力消費者側の負荷は46.5〜48.5Hzの範囲内
でしや断されるように調整してもよい。従つて、
周波数が低下すると、何割かの電力消費者につい
ては周波数が48.5Hzまで下がつた時点で負荷がし
や断され、周波数がさらに下がると、次第にスイ
ツチが開になり、周波数が46.5Hzまで低下すると
全電力消費者またはほとんど全電力消費者に電力
が供給されなくなる。

周波数が増加すると電力供給が自動回復するこ
とが望ましく、また、スイツチの開閉を防ぐ余裕
を残すためには、周波数値が供給のしや断された
時点での周波数値よりもわずかに高くなつた時点
で電力供給を電力消費者ごとに回復させるべきで
ある。

電力消費者の負荷の開閉は二つまたはそれ以上
の段階を経て行なわれるようにしてもよく、即ち
周波数が第１の値まで下がると負荷の一部がしや
断され、周波数が第２のより低い値まで下がる
と、負荷はさらにしや断される。

全部またはほとんど全部の電力消費者側の電力
が上記のような方法で制御されるのが望ましいこ
とは明白であるが、病院、人工腎臓装置
（Kidney machines）等の優先的負荷は、周波数
低下が起こつても電力供給源への接続状態を維持
できるように安全装置を設けることも可能であ
る。制御手段は個々の電力消費者と組合わされて
いて、必要に応じて個々の負荷と組合わせること
も可能なので、前記のような優先的設備を設ける
ことができるのである。

本願発明者らの日本国特許願昭和55年第1991号
（出願日：昭和55年１月10日）等によつて、デー
タ処理を制御し、入力主供給周波数に同期するク
ロツクを有するデータ処理手段を利用して、交流
電力を供給された消費者によるエネルギー消費量
の測定を行なうことが提供されている。このよう
なシステムは、クロツク周波数を入力主周波数に
同期させるために位相固定ループを利用してお
り、入力主周波数またはその主周波数とデータと
のずれを示す信号が発生する。この信号を、電力
消費者側の負荷供給をしや断する前述のスイツチ
の制御に利用してもよい。位相固定ループは、通
常、一定の周波数範囲内でしか作動しないため、
位相固定ループが周波数の低下によつて位相同期
を維持できなくなつた時点で負荷をしや断するよ
うにスイツチ手段を作動させるとよい。位相固定
ループが同期を維持できなくなると、位相誤差が
急速に増加するので、この信号をスイツチ制御に
利用するとよい。

本発明による、複数の消費者に電力を供給する
発電手段を有する交流電力供給システムにおいて
は、電力消費者の少なくとも何割かが、それぞ
れ、電力供給周波数の所定値以下への低下を感知
する手段と、感知された前記所定値以下への周波
数の低下に応じて消費者の負荷の少なくとも一部
への電力供給をしや断すべく各消費者ごとに調整
されるスイツチ手段とを有している。

前記少なくとも何割かの消費者は、それぞれ、
その消費者の負荷の前記少なくとも一部を、供給
周波数が、前記スイツチ手段が供給をしや断すべ
く作動した前記所定値またはより高い周波数値以
上に増加するのに応じて再投入すべく作動する手
段を備えてもよい。

上記スイツチ手段は、電力消費者の負荷の一部
のみへの供給を制御するものであり、周波数が該
第１のスイツチ手段が作動する値よりもさらに低
下した場合にこれに感応して作動する第２のスイ
ツチ手段を設けてもよい。

これら制御スイツチ手段はソリツドステートス
イツチであることが望ましく、他の目的に利用さ
れるスイツチ、例えば最大需要を制限する自動制
御スイツチであつてもよい。このように、電力需
要が発電容量を上回ることによるブラツクアウト
から供給システムを保護するには、すでに他の目
的で取り付けられている設備にわずかの部品を追
加するだけで十分であることは明白である。

前記スイツチ手段はソリツドステートスイツチ
を備えていると都合がよい。供給電力の周波数に
感応する手段は、発振器と、該発振器の出力を入
力主電源と同期させる位相固定ループとを備えて
いることが望ましく、該位相固定ループは、供給
システムの名目上の周波数付近の周波数帯域で位
相固定を維持するが、周波数が所定値以下に下が
ると位相固定を解除すべく作動する。この場合、
スイツチ手段は、ループの位相固定解除に感応す
るようにしてもよい。

以下にこの発明の実施例を図面とともに説明す
る。

電力分配回路網１３で結合された発電所あるい
は変電所（以下単に発電所という。）１０，１１，
１２を有する発電系統が第１図に示される。電力
回路網１３は多数の電力消費者に電力を供給す
る。そのうちの３個の電力消費者（以下消費者と
いう。）を２０，２１，２２で示す。消費者２１，
２２は単に図形的に示されるが、消費者２０は少
し詳細に示され、複数の負荷３２，３３，３４に
接続される２本の配電線３０，３１によつて単相
電力が供給される。この実施例では、負荷３２及
び３３は消費者２０の主負荷を構成する。一方、
負荷３４は例えば電力回路網１３を発電所１０へ
結合する電力ライン１５における損傷あるいは中
断による“ブラツクアウト”に対して系統を保護
する時にもし可能ならば停電しないで給電される
ことを要する特有の目的を有する小さな負荷を表
わす。ソリツドステートスイツチ３６は負荷３
２，３３へ電力を供給するために設けられ、この
ソリツドステートスイツチ３６は配線３７で送ら
れるスイツチ制御信号によつて制御される。

この発明はとくに系統の発生電力容量を越える
電力需要を招来するような重大な故障において電
力消費者の負荷への電力供給を中断するためのス
イツチの運転に関する。前述したように、この事
態が生じた時、供給電力の周波数は直ちに低下し
始める。

説明を容易にするために、以下の記述は、定格
周波数が50Hzの電力供給系に関係して説明する。
これは他の周波数、例えば60Hzの周波数の電力供
給系においても同様な構成がとられることは容易
に理解される。

消費者側の設備は情報のデイジタルデータ処理
のためクロツク（時計装置）を含み、このクロツ
クは入力される電源の交流と常時同期している。
このクロツクは電源周波数の倍数、典型的には電
源周波数の数千倍の周波数において動作する電圧
制御型発振器４０（以下単に発振器という。）を
含む。デイジタル信号である発振器４０の出力は
分周器４１によつて分周され、分周されたパルス
は例えば電力計（図示せず）に供給する電圧と電
流の瞬時値と波形をサンプリングするためにサン
プラ４３に供給される。分周器４１は電源周波数
を有するパルス幅の短いパルスを出力し、そのパ
ルスのそのタイミングは配電線３０，３１上の入
力電圧波形の電圧零交叉点における短い継続期間
のパルスのタイミングと比較器４４において比較
される。この目的のために、比較器４４に電圧波
形を供給する出力巻線を有する変圧器４５が配線
３０，３１間に設けられる。比較器４４によつて
決定される時間差は配線４６上で分周器４１から
のクロツクパルスを用いてデイジタル的に計測さ
れ、そして、そのデイジタル出力はクロツクの周
波数と入力波形の周波数との間の位相誤差を表わ
す計測値である。この位相誤差は電圧制御型発振
器４０のための制御信号を配線４８上に供給する
ための積分器４７においてデイジタル的に積分さ
れる。このような位相制御装置は電圧制御型発振
器４０の周波数を制御するために動作する。した
がつて、その電圧制御型発振器４０の出力は入力
波形とその位相が同期している。比較器４４から
の出力の位相誤差はクロツクと電源との同期が保
たれている限り通常小さい。

このように電圧制御型発振器４０、分周器４
１、比較器４４、積分器４７で位相固定ループ４
１を形成している。

もし、同期が外れると位相誤差は増大する。例
えば積分器４７からの出力信号のレンジを制御す
ることによつて、電源周波数の所定の値だけ低下
したとき位相同期の喪失が生起するように構成で
きる。位相誤差の急激な増大を示す信号は制御ユ
ニツト５０へ引加され、該制御ユニツト５０はス
イツチ３６を動作させるための制御信号を配線３
７上に発生して、負荷３２，３３への電源供給を
遮断する。

電源の周波数の低下を検出し、スイツチ３６を
動作させるための他の多くの方法があることが理
解される。

即ち、電源の周波数が位相固定ループの周波数
範囲から外れると、位相固定ループは固定が解け
て、位相誤差を示す信号を積分器４７が出力す
る。そしてこの位相誤差を示す積分器４７の信号
が制御ユニツト５０に引加され、制御ユニツト５
０はスイツチ３６を遮断して負荷が電源から遮断
される。

第２図は位相固定ループの特定の状態における
位相差（縦軸にプロツト）と周波数（横軸にプロ
ツト）との間の関係を曲線６０で示す。周波数が
低下するにしたがつて発振器の出力は主電源の入
力電圧波形よりも徐々に遅れる。49Hzの周波数に
おいて、位相誤差は8゜である。位相誤差は前述の
電圧制御型発振器４０へ印加される制御信号を示
す。装置のデザインに依存して特定の位相誤差が
生じたとき、位相固定ループは入力波形で位相固
定を与えるための周波数をもはやホールドし得な
くなる。これが生じたとき、比較器４４によつて
決められる位相差は増加しそしてスイツチ３６が
動作する。

一般に、すべての消費者は第１図の消費者２０
として示されるように、周波数が低下すると負荷
がカツトオフするような制御装置を備えるべきで
ある。異なつた消費者のための個々の位相固定装
置における要素の特性のバラツキによつて個々の
スイツチ３６が動作するための周波数にある広が
りが生じることは不可避である。典型的な系統に
おいて、その広がりは２Hz以上であり、例えば、
46.5Hzから48.5Hzにおいて、周波数が中間値47.25
Hzに低下したとき半数の消費者が停電する。第２
図において、曲線６５は周波数のレンジにおいて
特定の周波数において位相固定を喪失する消費者
の比率を示す分配曲線である。48.5Hz以上の周波
数で全ての消費者が位相固定の状態にあるが、周
波数が46Hzに低下すると約５％の周波数だけ、位
相固定される。この曲線はある消費者あるいはあ
る独立の負荷が周波数の低下によつてスイツチオ
フされず、電源が供給されることを示す。ある消
費者は他よりも大幅に低い周波数に低下しても位
相を保持するようにセツトされる位相固定ループ
４１を有する。

発電系統において、全体的な停電が生じた場合
には、結果として生ずる周波数の低下が直ちにい
くつかの消費者のスイツチ３６をしや断して負荷
を減少させる。一般に、ある顕著な量の発生電力
量が未だ残つていることを条件として、系統の安
定度を十分に保持するために負荷の低減が急速に
行なわれる。

もし発電量が回復したならば、あるいは、も
し、電力が供給されている負荷がしや断されるな
らば、系統の周波数は上昇する傾向を有する。周
波数が十分に高くなると消費者２０用の上述の位
相固定で、位相同期は再び確立され、そのため制
御ユニツト５０への信号は除去される。一般に、
スイツチ３６を閉じることによつて負荷への電力
供給の自動的な回復は制御ユニツト５０によつて
行なわれる。しかしながら、ある負荷への電力供
給が自動回復される他の負荷に対しては手動リセ
ツトスイツチによつてのみ電力供給の回復がなさ
れるように構成されることもある。

このように電源の周波数が位相固定ループで決
められている所定値以上に回復したとき、負荷を
電源に自動的に再投入できるようにすることによ
つて負荷の電源への再投入手動操作とシステムの
リセツト等の操作を不要にできる。

制御ループに内在するヒステリシス効果の故
に、電力供給の回復が生じるときの周波数は電力
供給がしや断されるときの周波数よりも高い。考
慮されている特定の実施例において、破線で示す
曲線６６は、周波数の上昇にしたがつて種々の異
なつた周波数で電力が回復した消費者の数を示
す。最後の負荷が回復するまでに少なくとも49.5
Hzに周波数が上昇しなければならないことが注目
される。しかしながら、負荷の回復は周波数が上
昇し始めると直ぐに開始される。

この発明の上述の実施例において、クロツク信
号発生器と入力波形との間の位相固定を保持する
ための位相固定ループの位相固定の喪失をスイツ
チングを制御するために利用した。このようなク
ロツク信号発生器を制御する位相固定ループは、
例えば特許願昭和55年第1991号の明細書に記載さ
れるように、個々の消費者の電力消費を計量する
ための装置の一部分を形成する。スイツチ３６
は、例えば自動最大需要量調節装置を利用して消
費者による最大需要の自動調整のために負荷管理
のためにも用いられるスイツチである。例えば、
発電容量の突然の喪失による大規模なブラツクア
ウトに対する系統の保護が、他の目的のために設
置される消費者側の構内装置にわずかな装置を追
加されるだけで得られることが明白である。系統
の保護は、消費者の構内装置におけるスイツチン
グによつて得られる。伝送ラインに沿つて信号を
送ることは必要ではなく、発電所においてあるい
は消費者の構内における装置から離れた回路網上
で何らかの特別な装置を備える必要はない。

第３図に第１図の装置の一部分の変形した態様
を示す。この場合、消費者の構内における一部の
負荷のしや断が２段階で生じる。第３図におい
て、相当する構成要素を示すために第１図と同じ
参照記号が用いられ、第３図の特徴とする部分の
みについて記述する。消費者は優先度の低い別の
負荷７０を有する。この負荷７０への電力供給を
しや断するためのトライアツクスイツチ７１が、
基準電圧源７３からの基準電圧と比較器４４から
の電圧出力とを比較する比較器７２によつて制御
される。この基準電圧は、周波数が正常な供給周
波数とスイツチ３６が動作する周波数の間の前も
つて定められた中間値に低下したとき、スイツチ
７１が負荷７０への電力供給をカツトするために
動作するように選択される。多くの消費者によ
り、この方法で部分的に負荷をしや断することに
より以上の周波数低下を防止するために十分であ
るが、スイツチ３６は電力供給網の重大な過負荷
の事態が生じたとき操作される。

以上詳述したように、この発明の電力供給系統
を保護する方法によれば、電源周波数が所定値以
下になつたとき電源から負荷を自動的に遮断する
ことができる。それ故確実に過負荷から配電系統
を保護することができる。

さらにこの発明の交流電力供給システムにおい
ては、過負荷が生じたき容易にこの負荷を遮断し
て過負荷を保護できる電力供給システムを提供で
きるとともに、各消費者が上記位相固定ループに
よつて制御される、電源用のスイツチ３６を有し
ているので、電源の周波数が低下したとき、地域
全体ではなく各消費者が個々に負荷を電源から遮
断することができ、制御の自由度を高めた電力供
給システムを提供することができる。

さらに各消費者のスイツチを遮断する周波数は
位相固定ループ４１の積分器の出力の周波数範囲
を変化することによつて所望の値に設定できるの
で、各消費者個々に負荷を電源から遮断する周波
数を随意に設定できる。

さらにこの発明の制御装置によれば各消費者毎
に電源周波数の低下に応じて負荷を電源から遮断
できる制御装置を提供できるとともに位相固定ル
ープの採用によつて、消費者別により低い周波数
で負荷を電源から遮断することができるようにな
り、負荷によつて遮断の時間差をもたせることが
でき、負荷に優先順位をもたせることができる制
御装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、電力消費者に交流電力を供給する電
力供給システムの一部および本発明の一実施例を
示すブロツク線図、第２図は、第１図の装置の一
部の作動状態を示す図、第３図は、第１図の装置
の別の態様を示す図である。 １０，１１，１２…発電所、１３…電力回路
網、１５…電力ライン、２０，２１，２２…電力
消費者、３２，３３，３４…負荷、３６…ソリツ
ドステートスイツチ、４０…電圧制御型発振器、
４４…比較器、４７…積分器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 複数の消費者２０，２１，２２の各々につい
   て、電源供給周波数が所定の周波数以下に低下し
   たことを検知する段階と、上記所定の周波数以下
   への周波数の低下を検出することに応じて、上記
   各々の消費者において少なくとも一部の負荷への
   電力供給を遮断する段階とを有し、発振器４０を
   電源周波数と同期させている位相固定ループ４
   １，４６，４４，４７からの信号によつて、電源
   の周波数が所定値以下に低下したことを検出し、
   かつ上記所定の周波数は特定の周波数帯域内にお
   いて各消費者毎に異なつていることを特徴とする
   系統への発生電力容量を越える電力需要に対して
   交流電力供給系統を保護する方法。 ２ 各々の消費者について、電源周波数が上記所
   定の周波数以上に上昇したとき、少なくとも一部
   の負を電源に再投入する特許請求の範囲第１項に
   記載の方法。 ３ 位相固定ループは電源周波数が所定の周波数
   以下に低下したとき位相固定を失い、位相固定を
   失つたことを検出すると上記少なくとも一部の負
   荷を電源から遮断させる信号を得るようにした特
   許請求の範囲第１項あるいは第２項に記載の方
   法。 ４ 消費者に対する負荷の開閉は周波数が第１の
   値に低下したとき一部の負荷７０をしや断し、周
   波数が第２の低い値に低下したとき後続の負荷を
   しや断するように２あるいはそれ以上の段階で行
   なわれる特許請求の範囲第１項に記載の方法。 ５ 複数の消費者２０，２１，２２に電力を供給
   するように構成された電力発生手段１０を有する
   交流電力供給システムであつて、少なくともいく
   つかの消費者２０は、発振器４０を電源周波数と
   同期させている位相固定ループ４１，４６，４
   ４，４７を備えてなり、各々電源周波数が所定値
   以下に低下したことを検出する検出手段と、所定
   値以下に周波数が低下したことを検出したことに
   応答して少なくとも一部の消費者の負荷３２，３
   ３を電源からしや断するスイツチ手段３６，７１
   とを備え上記所定の周波数は特定の周波数帯域内
   で、各消費者毎に異なつていることを特徴とする
   交流電力供給システム。 ６ 少なくともいくらかの消費者２０，２１，２
   ２の各々が、その消費者用のスイツチ手段が電源
   を遮断するように駆動された上記所定の周波数以
   上に供給周波数が上昇したことを検知することに
   応じて少なくとも一部の消費者の負荷を電源に再
   投入する手段５０を上記少なくともいくらかの消
   費者２０，２１，２２の各々が有する特許請求の
   範囲第５項に記載の交流電力供給システム。 ７ 位相固定ループ４１，４６，４４，４７は電
   源周波数が所定値よりも高いときのみ同期を保つ
   ように作動し、さらに位相固定の喪失を検出する
   手段をも備えた特許請求の範囲第５項あるいは第
   ６項のいずれかに記載の交流電力供給システム。 ８ スイツチ手段３６，７１がソリツドステート
   スイツチである特許請求の範囲第５項に記載の交
   流電力供給システム。 ９ 発振器４０を電源周波数と同期させている位
   相固定ループ４１，４６，４４，４７からの信号
   によつて、電源の周波数が所定値以下に低下した
   ことを検出して負荷に供給される交流電力の周波
   数に応答する手段と、負荷に供給する電力を制御
   するスイツチ手段とを備え、上記スイツチ手段は
   周波数に応答する手段によつて検出された周波数
   が所定値以下になつたとき遮断するようにし、上
   記所定の周波数は特定の周波数帯域内で、各消費
   者毎に異なつていることを特徴とする交流電力系
   統からの電力を用いる消費者に用いる装置。 １０ 位相固定ループは供給周波数が上記所定の
   周波数以上であるとき同期を保持するとともに、
   位相固定が喪失したことを検出する手段５０を備
   えた特許請求の範囲第９項に記載の装置。 １１ 電力供給源の周波数が上記所定の周波数以
   上の値に上昇したとき、上記負荷への電力供給を
   自動的に回復する手段を備えた特許請求の範囲第
   ９項または第１０項に記載の装置。 １２ スイツチ手段３６は消費者の負荷の一部３
   ２，３３への電力供給を制御するとともに、異な
   つた周波数で、その消費者の他の負荷への電力供
   給を制御するスイツチ７１を有する特許請求の範
   囲第１１項に記載の装置。