JP2009168586A

JP2009168586A - 電力量計測装置

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Publication number: JP2009168586A
Application number: JP2008006381A
Authority: JP
Inventors: Toshiro Fujimoto; 敏朗藤本
Original assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2008-01-16
Filing date: 2008-01-16
Publication date: 2009-07-30
Anticipated expiration: 2028-01-16
Also published as: JP5098654B2

Abstract

【課題】電力を計測しようとする電路や負荷を停電させることなく、簡易に電力の計測を行う。
【解決手段】設定用電圧入力回路２１に設定用電圧入力プローブＰ１，Ｐ２を取り付けて、測定対象電路の電圧を取り込む。取り込んだ電圧は、位相定数・電圧定数演算回路２２に入力され、ここで、位相差と電圧比を求める。求めた位相差と電圧比を位相定数と電圧定数として位相定数・電圧定数記憶回路２３で記憶しておく。記憶した２つの定数は、電力を計測する対象毎に電路（ＣＴの番号）設定機能回路２４でどの電路の電圧を取り込んだかを設定し、制御電源電圧と記憶回路の出力を線路電圧演算回路２５に入力する。この演算回路２５で演算した結果を電力演算回路２６に入力して電力を演算する。
【選択図】図１

Description

本発明は、低圧電路に接続された負荷の電力量を計測する電力量計測装置に関するものである。

例えば、単相３線式の電路に接続された負荷の電力量を計測する際には、電力計や電力量計等の電力量計測装置を用い、この計測装置に電路の電圧や電流を入力する配線が必要となる。

電流を入力するには、電路を構成する絶縁被覆電線を分割形ＣＴ（変流器）に貫通させることで、電路に対して非接触で電力量計測装置に取り込むことが可能であるため、施工面では問題となることはない。

しかし、電圧を入力するには、電路にリード線などの接続作業を行って電圧を電力量計測装置に取り込む必要がある。この接続作業は、活線状態で行うことは、人身の安全上問題となるので、必ず電力を計測しようとする電路や負荷を停電させてから、電力量計測装置を取り付ける必要がある。また、電力量計測装置としては、電圧を入力するための回路が必要となるので、装置の全体構成が複雑となる。

図５は、従来の単相３線式の電路の電力を２バンク分計測するための電力量計測装置の構成図で、この電力量計測装置ＷＭでは、２バンク分の電力を計測するために、電圧入力用のリード線Ｗ１，Ｗ２の配線が６本必要になる。また、同時に電圧入力回路も４回路必要になる。入力された電圧、電流は、図示しない電力演算部で演算される。

なお、装置制御電源として、電力計測用の電圧を共用する場合には、図中の装置制御電源の配線が不要になる。また、ＴＲ１，ＴＲ２は変圧器で、変圧器ＴＲ１，ＴＲ２の一次側は上位系統６，６ｋＶに接続され、その二次側は負荷１，負荷２に接続される。
特開平０７−１２０５００号公報

電力量測定には、有効電力と無効電力があり、有効電力は、電圧と電流のベクトル内積（ＩＶｃｏｓθ）で求められ、無効電力は、電流と電圧のベクトル外積の大きさ（ＩＶｓｉｎθ）で求められるので、いずれにおいても各バンクの電路電圧が必要である。

電力計測を行う対象回路の電圧・・・ｖＬ（ｔ）＝（√２）ＶＬｓｉｎ（ωｔ＋α）
電力計測を行う対象回路の電流・・・ｉＬ（ｔ）＝（√２）ＩＬｓｉｎ（ωｔ＋β）
電圧と電流の位相差（電流基準）・・・θ＝α−β
とすると、
有効電力（ＰＬ）は、ＰＬ＝ＶＬ・ＩＬｃｏｓθ
無効電力（ＱＬ）は、ＱＬ＝ＶＬ・ＩＬｓｉｎθ
となる。

電流の取り込みについては、前述したように分割形ＣＴを使用することにより、施工面で問題となることはない。しかし、電圧を取り込むことについては、前述のように作業を活線の状態で行うと、人身の安全上問題となる他、工事中に短絡や地絡を生じさせ、停電事故となって他の生産設備へ影響を与えてしまう虞がある。従って、電圧回路の工事を行う際には、必ず電路や負荷を停電させた後に、電圧回路へのリード線を電力計測装置に接続する必要がある。また、電力量計測装置としては、電圧を常時入力するための回路が必要となるので、装置構成が複雑となる問題もある。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、電力を計測しようとする電路や負荷を停電させることなく、簡易に電力の計測が行え、しかも装置構成の簡素化を図ることができる電力量計測装置を提供することを課題とする。

本発明は、上記の課題を達成するために、請求項１の発明は、複数の電気設備の無効もしくは有効電力量を計測する装置において、測定対象電路に接触させて電圧を得る設定用電圧入力プローブと、このプローブで得た測定対象電路の電圧を取り込む設定用電圧入力回路と、この入力回路で取り込んだ電圧と制御電源電圧とが入力され、位相差並びに電圧値の比を演算して位相定数・電圧定数を求める位相定数・電圧定数演算回路と、求められた位相定数・電圧定数を記憶する位相定数・電圧定数記憶回路と、この記憶回路に入力され、前記プローブがどの対象電路の電圧を取り込んでいるかを設定する電路設定機能回路と、前記記憶された位相定数・電圧定数が入力され、これら定数と装置制御電源電圧とから測定対象電路の線路電圧を演算して出力する線路電圧演算回路と、この演算回路で得られた線路電圧と測定対象電路に取り付けられた変流器の出力電流が入力され、これらから電力を演算する電力演算回路とを備えたことを特徴とするものである。

また、請求項２の発明は、前記装置制御電源が直流電源である場合、線路電圧を演算により求める際に、基準となる測定対象電路の電圧を、基準電圧入力回路を介して得るようにしたことを特徴とするものである。

本発明によれば、電力量計測装置を設置する際に、プローブを用いて電力測定対象箇所から一時的に電圧を入力すれば良いので、電力測定対象箇所から電力計測装置への電圧取り込み用のリード線などの配線が不要となる利点がある。

また、特に多チャネル（ｃｈ）形の電力量計測装置では、電圧設定用入力ｃｈが一つあれば、これらを測定対象毎に切り替えて使用できるので、電圧入力回路が簡素化できる。この効果は、ｃｈ数が多くなれば、なるほどより効果的である。例えば、図５に示す従来装置では、電圧入力用ｃｈが４回路必要であったが、本発明では、図４に示すように電圧設定用入力ｃｈが一つで済む。

以下本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の実施の第１形態を示す構成図で、図１において、電力量計測装置１１には、設定用電圧入力回路２１を設け、この回路２１に設定用電圧入力プローブＰ１，Ｐ２を取り付けて、測定対象電路の電圧を取り込む。さらに、電力量計測装置１１には、基準電圧入力回路２８、位相定数・電圧定数演算回路２２、位相定数・電圧定数記憶回路２３、電路（ＣＴの番号）設定機能回路２４、線路電圧演算回路２５および電力演算回路２６が設けられている。

次に電力量計測装置１１内の各回路の機能について述べる。

「１」位相定数・電圧定数演算回路２２は、装置制御電源電圧と電力計測対象電路の電路電圧を入力として、この位相差（φＬ）と電圧の比（ｋＬ）を求める回路である。

例えば、図１において、
装置制御電源電圧（ＴＲ１の低圧側電圧：端子Ｎ１−Ｌ１１間電圧）：ｖｋ（ｔ）＝（√２）Ｖｋｓｉｎ（ωｔ＋θｋ）
測定対象電路電圧（ＴＲ２の低圧側電圧：端子Ｎ２−Ｌ２１間電圧）：ｖＬ２（ｔ）＝（√２）ＶＬ２ｓｉｎ（ωｔ＋θＬ２）
とすると、
φＬ＝θＬ２−θｋ
ｋＬ＝ｖＬ／ｖｋ
となる。

この位相差（φＬ）と電圧値の比（ｋＬ）を求める手段としては、両電圧の瞬時値をＡ／Ｄ変換してディジタル的に演算で求める方法や、演算増幅器などを用いてアナログ的に求める方法などがある。

「２」位相定数・電圧定数記憶回路２３は、上記位相定数・電圧定数演算回路２２で求めた位相差（φＬ）と電圧値の比（ｋＬ）を、それぞれ位相定数（φＬｍ＝φＬ）と電圧定数（ｋＬｍ＝ｋＬ）として記憶しておくための回路で、ディジタル的に記憶するには、半導体メモリ上に記憶する。なお、アナログ的に記憶するには、ポテンショメータなどを人手により設定する。

上記記憶が行われた後は、設定用の電圧入力や位相定数・電圧定数演算は不要となる。なお、測定対象設備が変更されればその都度やり直す必要がある。

また、この２つの定数は、電力を計測する対象毎（具体的にはＣＴ毎）に持たせる必要があるので、プローブＰ１，Ｐ２がどの電路の電圧を取り込んでいるかを、設定するためのダイヤルＳＷなどの設定器が必要になる。このため、電路（ＣＴの番号）設定機能回路２４が設けられている。また、記憶するためのメモリも電路毎に必要となる。

「３」線路電圧演算回路２５は、装置制御電源電圧と上記位相定数・電圧定数記憶回路２３の出力を本回路の入力とし、本回路の内部で装置制御電源電圧（Ｖｋ（ｔ））の位相を位相定数（φＬ）分シフトし、電圧を電圧定数（ｋＬ）倍して出力とする回路である。この回路の出力をｖＬ２ｋ（ｔ）とすると、
ｖＬ２（ｔ）＝ｋＬ×（√２）Ｖｋｓｉｎ（ωｔ＋θｋ＋φＬ）＝（√２）ＶＬ２ｓｉｎ（ωｔ＋θＬ２）となる。即ち、装置制御電源電圧を元にして、測定対象電路の電圧を求めることができる。

「４」電力演算回路２６は、測定対象電路の電流と上記線路電圧演算回路２５の電圧から電力を演算する回路で、例えば、測定対象電路をＴＲ２のＬ２２−Ｎ２とすると、電流はＣＴ１をもって入力されることになる。

上記実施の第１形態に示す電力計測装置１１では、変圧器ＴＲ１で、端子Ｎ１−Ｌ１１間の電力と端子Ｎ１−Ｌ１２間の電力、変圧器ＴＲ２で、端子Ｎ１−Ｌ２１間の電力と端子Ｎ２−Ｌ２２間の電力の４チャネル（ｃｈ）の電力を計測しているので、位相定数・電圧定数記憶回路２３、線路電圧演算回路２５と電力演算回路２６の３つの回路は、電力計測のチャネル数分だけ必要になってくる。

しかし、プローブＰ１，Ｐ２、設定用電圧入力回路２１と位相定数・電圧定数演算回路２２は、１つだけでよいので、位相定数・電圧定数演算回路２２の出力に、図２に示すような切り替えスイッチ２７を設けて、各チャネルをこのスイッチ２７により切替えて電力計測を行う。この図２が、実施の第２形態である。

上記実施の第１、第２形態は単相３線式の変圧器の例の場合で説明を行ってきたが、三相変圧器の場合でも全く同じである。

図３は実施の第３形態を示す構成図で、この第３形態において、変圧器ＴＲ２は、二次側が２００Ｖ三相３線式のもので、三相電路の電圧ＶａｂとＣＴ１の電流とから電力を計測し、電圧ＶｃｂとＣＴ２の電流とから電力を計測し、これを加算処理すれば三相電力が求まる。このようにして電力を計測することは、一般的に二電力計法と称されている。

具体的には、制御電源電圧とＴＲ２の二次側電圧Ｖａｂの位相定数・電圧定数を計算記憶してｃｈ１で電力を計測（Ｐｃｈ１）し、制御電源電圧とＴＲ２の二次側電圧Ｖｃｂの位相定数・電圧定数を計算記憶してｃｈ２で電力を計測（Ｐｃｈ２）し、
Ｐ３φ＝Ｐｃｈ１＋Ｐｃｈ２
として電力を求めれば良い。なお、電力量計測装置１１の構成は、第１形態と同じ構成であるので、詳細な構成は省略してある。

図４は電力量計測装置１１の装置制御電源が、直流電源ＤＣの場合の実施の第４形態を示す構成図である。通常、電力量計測装置１１の装置制御電源が交流電源ＡＣの場合は、これを電力計測対象設備の各電路の電圧を演算する際の基準として利用できるが、装置制御電源がＤＣの場合もある。

この第４形態では、その装置制御用の電源がＤＣ電源３０の場合のものであるから、基準電圧入力回路２８は、変圧器ＴＲ１の二次側の端子Ｎ１−Ｌ１１間電圧を、別途入力したものである。その他の動作等は第１形態と同じである。

上記各実施の形態では、制御電源電圧に演算で求められた電圧定数を掛けて、かつ、位相定数分位相をシフトする手段で等価的に測定対象設備の電圧を算出しているために、上記各実施の形態を有効に使用するには、以下に述べるような条件を必要とするとより効果的である。

制御電源と測定対象設備が同一電源系統であること。例えば、制御電源は、ＣＶＣＦ出力を使用して、測定対象設備は商用電源を使用しているような時は、両電源に周波数差があるため、位相関係が時刻と共に変化するので、このような方式には本実施の形態には使用しない方が良い。

また、制御電源の電圧変動と測定対象設備の電圧変動の差分は、電力計測の誤差として現れてくる。例えば、制御電源として使用する系統に電圧は負荷も一定しており、安定しているにも係わらず、測定対象設備の系統では負荷変動が大きく電圧が変動してしまう場合には、
電力計測誤差（％）≒測定対象設備の電圧変動割合（％）
の計測誤差が発生してしまう。

上記のような場合には、本実施の形態を使用するのはあまり好ましくない。なお、図１に示す形態において、上位系統６．６ｋＶ側の電圧変動は、制御電源電圧にも測定対象設備の電圧にも同じ割合の電圧変動として現れるので、キャンセルされて誤差を発生しない。

本発明の実施の第１形態を示す構成図。４ｃｈの電力量計測装置における本発明の実施の第２形態を示す構成図。三相電力計測における本発明の実施の第３形態を示す構成図。電力量計測装置の電源がＤＣの場合における本発明の実施の第４形態を示す構成図。従来の電力計測装置を示す構成図。

符号の説明

ＴＲ１，ＴＲ２…変圧器
Ｐ１、Ｐ２…プローブ
２１…設定用電圧入力回路
２２…位相定数・電圧定数演算回路
２３…位相定数・電圧定数記憶回路
２４…電路（ＣＴ番号）設定機能回路
２５…線路電圧演算回路
２６…電力演算回路
２７…切り替えスイッチ
２８…基準電圧入力回路

Claims

複数の電気設備の無効もしくは有効電力量を計測する装置において、
測定対象電路に接触させて電圧を得る設定用電圧入力プローブと、
このプローブで得た測定対象電路の電圧を取り込む設定用電圧入力回路と、
この入力回路で取り込んだ電圧と制御電源電圧とが入力され、位相差並びに電圧値の比を演算して位相定数・電圧定数を求める位相定数・電圧定数演算回路と、
求められた位相定数・電圧定数を記憶する位相定数・電圧定数記憶回路と、
この記憶回路に入力され、前記プローブがどの対象電路の電圧を取り込んでいるかを設定する電路設定機能回路と、
前記記憶された位相定数・電圧定数が入力され、これら定数と装置制御電源電圧とから測定対象電路の線路電圧を演算して出力する線路電圧演算回路と、
この演算回路で得られた線路電圧と測定対象電路に取り付けられた変流器の出力電流が入力され、これらから電力を演算する電力演算回路とを備えたことを特徴とする
電力量計測装置。
前記装置制御電源が直流電源である場合、線路電圧を演算により求める際に、基準となる測定対象電路の電圧を、基準電圧入力回路を介して得るようにしたことを特徴とする請求項１記載の電力量計測装置。