電力品質

電力品質とは、電力供給システムの電圧、周波数、波形が規定の仕様にどの程度適合しているかのことです。良好な電力品質とは、規定の範囲内にとどまる安定した供給電圧、定格値に近い安定した交流周波数、および滑らかな電圧曲線波形（正弦波に似たもの）として定義できます。一般に、電力品質は、電気コンセントから出力されるものとそこに接続される負荷との間の適合性と考えると便利です。^{[1]この用語は、}電気負荷を駆動する電力と、負荷が適切に機能する能力を表すために使用されます。適切な電力がないと、電気機器（または負荷）は誤動作したり、早期に故障したり、まったく動作しなくなったりする可能性があります。電力の品質が低下する原因は数多くあります。

電力産業は、発電(交流電力)、送電、そして最終的には電力の最終ユーザーの敷地内にある電力メーターへの配電から構成されます。その後、電気は最終ユーザーの配線システムを通って負荷に到達します。電気エネルギーを生産地点から消費地点まで移動させるシステムの複雑さと、天候、発電、需要、その他の要因の変動が組み合わさって、供給品質が損なわれる可能性が高くなります。

「電力品質」は多くの人にとって便利な用語ですが、この用語で実際に説明されるのは電力や電流ではなく、電圧の品質です。電力は単にエネルギーの流れであり、負荷によって要求される電流は、ほとんど制御できません。

導入

電力の品質は、次のようなパラメータの値のセットとして説明できます。

サービスの継続性（電力が閾値レベルを下回ったり上回ったりして電圧低下や過電圧が発生し、停電や電圧低下を引き起こすかどうか^[2]）
電圧の大きさの変化（下記参照）
過渡電圧と電流
AC電源の波形における高調波成分

電力品質を互換性の問題として考えると役立つことがよくあります。つまり、グリッドに接続された機器はグリッド上のイベントと互換性があるか、イベントを含め、グリッドから供給される電力は接続されている機器と互換性があるかということです。互換性の問題には常に少なくとも 2 つの解決策があります。この場合、電力をクリーンアップするか、機器の耐障害性を高めるかのいずれかです。

データ処理装置の電圧変動に対する許容度は、許容できる電圧変動の持続時間と大きさを示すCBEMA曲線によって特徴付けられることが多い。 ^[3]

理想的には、AC 電圧は、国家規格 (主電源の場合) またはシステム仕様 (主電源に直接接続されていない電源供給の場合) によって指定された振幅と周波数を持ち、すべての周波数でインピーダンスがゼロオームである正弦波として公益事業体によって供給されます。

逸脱

実際の電源はどれも理想的ではなく、一般的に少なくとも次の点で逸脱する可能性があります。

電圧

ピーク電圧または実効値(RMS) 電圧の変動は、さまざまなタイプの機器にとって重要です。
RMS 電圧が 0.5 サイクルから 1 分間にわたって公称電圧を 10 ～ 80% 超える場合、そのイベントは「スウェル」と呼ばれます。
「ディップ」（イギリス英語）または「サグ」（アメリカ英語では 2 つの用語は同義）は反対の状況です。つまり、RMS 電圧が 0.5 サイクルから 1 分間、公称電圧より 10 ～ 90% 低い状態です。
RMS 電圧が公称値の 90 ～ 110% の間でランダムにまたは繰り返し変動すると、照明機器で「フリッカー」と呼ばれる現象が発生する可能性があります。フリッカーとは、光レベルの急激な変化のことです。不快な光のフリッカーを引き起こす電圧変動の特性の定義は、現在も研究が続けられています。
突然の非常に短い電圧の増加は、「スパイク」、「インパルス」、または「サージ」と呼ばれ、通常は大きな誘導負荷がオンになることによって発生しますが、より深刻な場合は雷によって引き起こされます。
「低電圧」は、公称電圧が 1 分以上 90% を下回ると発生します。^[4] 「電圧低下」という用語は、フルパワー (明るい光) とブラックアウト (電力なし、つまり光なし) の間のどこかで電圧が低下することを表すのに適切です。これは、システム障害や過負荷などが発生し、(通常は) 家庭用照明で十分な明るさを得るための電力が不足しているときに、通常の白熱灯が著しく暗くなることに由来しています。この用語は一般的に使用されており、正式な定義はありませんが、需要を減らすため、またはシステムの動作マージンを増やすために、電力会社またはシステムオペレーターがシステム電圧を下げることを表すのによく使用されます。
「過電圧」は、公称電圧が1分以上110％を超えた場合に発生します。^[4]

頻度

周波数の変化。
非ゼロの低周波インピーダンス（負荷がより多くの電力を消費すると、電圧が低下します）。
ゼロでない高周波インピーダンス (負荷が大量の電流を要求し、その後突然要求を停止すると、電源ラインのインダクタンスにより電圧の低下または急上昇が発生します)。
波形の変化 - 通常、低周波数 (通常 3 kHz 未満) では高調波として説明され、高周波数ではコモンモード歪みまたは次数間高調波として説明されます。

波形

電圧と電流の振動は理想的には正弦関数または余弦関数の形に従いますが、発電機や負荷の不完全性により変化する可能性があります。
通常、発電機は電圧歪みを引き起こし、負荷は電流歪みを引き起こします。これらの歪みは、公称周波数よりも速い振動として発生し、高調波と呼ばれます。
理想的な波形の歪みに対する高調波の相対的な寄与は、全高調波歪み (THD) と呼ばれます。
高調波は振動、ブザー音、機器の歪み、変圧器の損失や過熱を引き起こす可能性があるため、波形内の高調波含有量が低いことが理想的です。

これらの電力品質の問題にはそれぞれ異なる原因があります。一部の問題は共有インフラストラクチャの結果です。たとえば、ネットワークの障害により、一部の顧客に影響を与える電圧低下が発生する可能性があります。障害のレベルが高いほど、影響を受ける人数も多くなります。1 人の顧客のサイトで問題が発生すると、同じサブシステム上の他のすべての顧客に影響を与える過渡現象が発生する可能性があります。高調波などの問題は、顧客自身の設備内で発生し、ネットワークに伝播して他の顧客に影響を与える可能性があります。高調波の問題は、適切な設計手法と十分に実証された低減装置を組み合わせることで対処できます。

電力調整

電力調整とは、電力の品質を向上させるために電力を変更することです。

無停電電源装置（ UPS）は、回線に一時的な異常が発生した場合に主電源を遮断するために使用できます。しかし、安価なUPSユニットは、正弦波の上に高周波で振幅の小さい矩形波を重ねるようなもので、それ自体が低品質の電力を生成します。高品質のUPSユニットは、入力されたAC電力をDCに分解し、バッテリーを充電してからAC正弦波を再生成する二重変換トポロジを使用します。この再生成された正弦波は、元のAC電源供給よりも高品質です。^[5]

直列電圧低下補償には、動的電圧レギュレータ (DVR) と静的同期直列補償装置(SSSC) が使用されます。

サージプロテクタ、単純なコンデンサ、またはバリスタは、ほとんどの過電圧状態から保護できますが、避雷器は、深刻なスパイクから保護します。

電子フィルターは高調波を除去できます。

スマートグリッドと電力品質

現代のシステムでは、ネットワーク全体に分散された位相測定ユニット(PMU)と呼ばれるセンサーを使用して電力品質を監視し、場合によっては自動的に応答します。ネットワーク内の異常を迅速に検知して自動的に自己修復するこのようなスマートグリッド機能を使用すると、制御されない場合、電力品質が低下する断続的な電源と分散型発電からの電力を同時にサポートしながら、より高品質の電力とダウンタイムの短縮を実現できます。

圧縮アルゴリズム

電力品質圧縮アルゴリズムは、電力品質の分析に使用されるアルゴリズムです。高品質の電力サービスを提供するには、電力ネットワーク上のさまざまな場所で電力品質 (PQ) とも呼ばれる電気信号の品質を監視することが不可欠です。電力会社は、停電やブラックアウトなどの予期しないイベントの原因を把握するために、ネットワークのさまざまな場所で波形と電流を常に注意深く監視しています。これは、環境と公共の安全が危険にさらされている場所 (病院、下水処理場、鉱山などの施設) では特に重要です。

課題

エンジニアは、電力波形を読み取って表示し、波形のパラメータを計算するさまざまな種類のメーター^{[6]を使用します。たとえば、次のようなものを測定します。}

電流と電圧のRMS
多相信号の波形間の位相関係
力率
頻度
全高調波歪み（THD）
有効電力（kW）
無効電力 (kVAr)
皮相電力 (kVA)
有効エネルギー (kWh)
無効エネルギー (kVArh)
見かけのエネルギー (kVAh)
その他多数

^{Ribeiro ら[7]}は、不測の事態を十分に監視するためには、これらのパラメータを表示するだけでは不十分で、電圧波形データを常時取得する必要があると説明しています。これは、大量のデータが含まれるため実行不可能であり、いわゆる「ボトル効果」を引き起こします。たとえば、1 サイクルあたり 32 サンプルのサンプリングレートでは、1 秒あたり 1,920 サンプルが収集されます。電圧と電流の両方の波形を測定する 3 相メーターの場合、データは 6～8 倍になります。近年開発されたより実用的なソリューションでは、イベントが発生したとき (たとえば、高レベルの電力系統高調波が検出されたとき) のみデータを保存するか、代わりに電気信号の RMS 値を保存します。^[8]ただし、このデータだけでは、問題の正確な性質を判断するのに十分とは限りません。

生データ圧縮

Nisenblatら^{[9] は、電力品質圧縮アルゴリズム (}非可逆圧縮法に類似) というアイデアを提案しています。このアルゴリズムでは、関心のあるイベントが識別されたかどうかに関係なく、メーターが 1 つ以上の電力信号の波形を継続的に保存できます。PQZip と呼ばれるこのアルゴリズムは、通常の電力条件下で、少なくとも 1 か月、2 か月、または 1 年という長期間にわたって波形を保存するのに十分なメモリをプロセッサに提供します。圧縮は、信号が取得されるとリアルタイムで実行されます。すべての圧縮データが受信される前に、圧縮の決定が計算されます。たとえば、1 つのパラメータが一定のままで、他のさまざまなパラメータが変動する場合、圧縮の決定では、一定データから関連するものだけを保持し、変動データはすべて保持します。次に、波形のさまざまな期間にわたって、多数のコンポーネントの電力信号の波形を分解します。このプロセスは、これらのコンポーネントの少なくとも一部の値を異なる期間にわたって個別に圧縮することで終了します。このリアルタイム圧縮アルゴリズムは、サンプリングとは独立して実行され、データのギャップを防ぎ、標準的な 1000:1 の圧縮率を実現します。

集約データ圧縮

電力アナライザの一般的な機能は、特定の間隔で集約されたデータアーカイブの生成です。最も一般的には、IEC/IEEE PQ 規格で指定されている 10 分または 1 分間隔が使用されます。このような機器の操作中に、かなり大きなサイズのアーカイブが作成されます。Krausら^[10]がLempel–Ziv–Markov 連鎖アルゴリズム、bzip、またはその他の同様のロスレス圧縮アルゴリズムを使用したこのようなアーカイブの圧縮率を実証したように、実際の電力品質アーカイブに保存された時系列に予測とモデリングを使用することで、通常、後処理圧縮の効率がさらに向上します。この単純な手法の組み合わせにより、データストレージとデータ取得プロセスの両方が節約されます。

標準

供給される電力の品質は、国際基準と各国で採用されているその現地の派生基準で規定されています。

EN50160 は、AC 電源の電圧を定義するさまざまなパラメータの歪みの許容限度を設定した、電力品質に関する欧州規格です。

IEEE-519は、北米の電力システムに関するガイドラインです。これは「推奨される方法」^[11]として定義されており、EN50160とは異なり、このガイドラインは電圧だけでなく電流の歪みにも言及しています。

IEC 61000-4-30 は、電力品質を監視するための方法を定義した規格です。第 3 版 (2015) には、電圧測定のみに関する以前の版とは異なり、電流測定が含まれています。

参照

参考文献

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文学

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[1] Von Meier, Alexandra (2006).電力システム: 概念的入門 (PDF) . John Wiley & Sons . p. 1. ISBN 9780470036402。

[2] エネルギー貯蔵協会

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[6] Galli; et al. (1996年10月). 「ウェーブレット解析の威力を探る」. IEEE Computer Applications in Power . 9 (4). IEEE: 37–41. doi :10.1109/67.539845.

[7] Ribeiro 他 (2001)。「電力品質分析アプリケーション向けの強化されたデータ圧縮方法」。IECON '01。2001 年 11 月 29 日～12 月 2 日、IEEE、IEEE 産業用エレクトロニクス協会第 27 回年次会議。第 1 巻。pp. 676～681。doi : 10.1109/IECON.2001.976594。

[8] Ribeiro; et al. (2004 年 4 月). 「電力品質評価における信号処理と圧縮の改良法」. 2003 IEEE Power Engineering Society General Meeting (IEEE Cat. No.03CH37491) . 第 19 巻. IEEE. pp. 464–471. doi :10.1109/PES.2003.1270480. ISBN 0-7803-7989-6. S2CID 62578540。 {{cite book}}:|journal=無視されました (ヘルプ)

[9] US 7415370、Nisenblat、Pol、Broshi、Amir M.、Efrati、Ofir、「電力品質監視」、2004 年 4 月 18 日発行、2006 年 9 月 21 日発行

[10] Kraus, Jan; Tobiska, Tomas; Bubla, Viktor (2009). 「電力品質データセットに適用されるロスレスエンコーディングと圧縮アルゴリズム」。CIRED 2009 - 第 20 回国際電力供給会議および展示会 - パート 1。第 20 回国際電力供給会議および展示会、2009 年 6 月 8 ～ 11 日。pp. 1 ～4。ISBN 978-1-84919126-5。

[11] 「IEEE 519-2014 - 電力システムにおける高調波制御に関するIEEE推奨プラクティスおよび要件」。IEEE 。2020年11月16日閲覧。