JP2009250976A

JP2009250976A - 導体の電流監視システム及び方法

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Publication number: JP2009250976A
Application number: JP2009081139A
Authority: JP
Inventors: Stephen James West; スティーブン・ジェイムズ・ウエスト; Nataniel Barbosa Vicente; ナタニエル・バルボサ・ビセント; Brian Patrick Lenhart; ブライアン・パトリック・レンハート; Todd Greenwood; トッド・グリーンウッド; Zubair Hameed; ズバール・ハミード; Sreenivasulu Devarapalli; スリーニバスル・デバラパリ
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2008-04-01
Filing date: 2009-03-30
Publication date: 2009-10-29
Also published as: US20090243590A1; CN101551416A; CA2660173A1; EP2107381A2

Abstract

【課題】導体内の電流振幅を測定するためのシステムを提供する。
【解決手段】導体内の電流振幅を測定するためのシステム１００は、少なくとも１つのロゴスキーコイル１０４と、該少なくとも１つのロゴスキーコイルに直接取り付けられた積分回路１０６と、該積分回路からの出力を受け、導体内の電流振幅からなるエネルギーデータを計算するように構成された、積分回路と通信するマイクロプロセッサ回路１１４とを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、エネルギーデータを監視するためのシステム、装置、及び方法に関する。より具体的には、本発明は電流振幅の監視に関する。

ロゴスキーコイルは、導体内を流れる電流の測定に有用である。ロゴスキーコイルは、従来の変流器のように電流出力ではなく、電流の時間導関数（ｄ_ｉ／ｄ_ｔ）に比例する電圧出力を提供する。ロゴスキーコイルの具体的な長所の１つは、電圧飽和の影響を受けないので幅広い電圧に利用できることである。

ロゴスキーコイルを製造する周知の方法には、プリント回路を使用するものがある。例えば特許文献１には、円形の切り抜きが設けられたプリント回路プレートの上に形成されたロゴスキーコイルが記載されている。このコイルは半径に沿って延在するプレートの両面の金属付着物で形成され、片面の半径と反対面の半径との間でプレートの厚み方向に開けられてメッキされたスルーホールによって電気接続される。しかしながら、この開示は外部ノイズ消去の適切な手段を提供できていない。

ノイズ消去が改善されたロゴスキーコイルを設計する試みは、特許文献２に記載されている。この開示には、時計回りの干渉場循環部の正中面に直交する磁気干渉場成分（Ｈ_ｓ）によって誘導された電圧が、反時計回りの干渉場循環部で誘導された電圧によってほぼ相殺されるように、一次導体の一部で時間依存電流（Ｉ_ｍ）を測定するための電流センサが記載されている。しかしながら、この回路ではコイル密度が著しく低下し、低周波（約５０／６０Ｈｚ）電流測定アプリケーションにはあまり相応しくない設計になってしまう。更に、改良されたとはいえ、報告されている全ての形状について、通常はＺ軸（基板の厚み）方向に相殺されるエラーパスを伴う、Ｚ軸（基板の厚み）に関連する感度効果の影響を受ける。

特許文献３には、その内部を通じて電気経路を収容するための開口部が形成された、プリント回路基板に基づくロゴスキーコイルが記載されている。この特許文献には外部磁場を消去するための抵抗回路網が記載されているが、この記載によれば複数のロゴスキーコイルを導体に沿って配置されるため、マザーボードがより複雑化している。

米国特許第５，４１４，４００号米国特許第６，６２４，６２４号米国特許第７，２２７，４４２号米国特許第７，１０９，８３８Ｂ２号米国特許第６，３８０，７２７Ｂ１号米国特許第６，３１３，６２３Ｂ１号米国特許出願公開第２００５／０１５６５８７Ａ１号

従って、ロゴスキーコイルを使用するための、比較的単純かつノイズフリーの回路が求められている。

本発明は、導体における電流振幅を測定するためのシステムであって、少なくとも１つのロゴスキーコイルと、前記少なくとも１つのロゴスキーコイルに直接接続された積分回路と、前記積分回路からの出力を受け、前記導体における電流振幅からなるエネルギーデータを計算するように構成された、前記積分回路と通信するマイクロプロセッサ回路と、を備えるシステムを開示する。

本発明の別の実施例では、電流を監視する方法であって、第１の導体からロゴスキーコイルを経由して電流データを収集するステップと、前記ロゴスキーコイルに直接接続された積分回路を提供するステップと、電流データを前記積分回路からシリアル、パラレル、または無線通信によってメイン回路基板へ送信するステップと、電流読み出しを提供するためにデータを処理するステップと、を備える方法を提供する。

添付図面と関連付けられた以下の説明を参照することにより、本発明のさらなる特徴及び利点が明らかになるであろう。

本発明による電流監視システムのブロック図である。本発明の実施例に基づく電気回路図である。本発明の別の実施例に基づくステップごとの方法を示すフローチャートである。

図面を通じて同一の参照番号で同一の又は対応する構成要素を示し、これらの図面は特に記載のない限り縮尺通りではない。

本発明の実施例は、少なくとも１つのロゴスキーコイルと、ロゴスキーコイルに取り付けられてプロセッサ入力用の電流振幅データを出力する測定／積分回路とを備えた電流監視システムに関する。本発明によって得られる具体的な利点は、ロゴスキーコイルにおけるノイズ低減の改良及び信号劣化の減少である。

本発明の具体的な構成及び配置を、あくまでも例示目的において添付図面を参照しながら以下に示す。当業者に想起可能なその他の構成及び配置は、添付の特許請求の範囲の精神及び本質から逸脱することなく、作製、使用、及び販売可能である。例えば、本発明のいくつかの実施例は商業プラントでの実使用に照らして本明細書に記載されているが、当業者には、本発明の実施例は、エネルギーデータの遠隔監視が好都合となる如何なる設定にも実施できることが理解できよう。

本明細書で使用されているように、単数形で記載される構成要素又は機能は、明白に述べられていない限り、複数の前記構成要素又は機能を除外するものではないものとする。更に、本発明の「実施例」は、記載された特徴を組み込んだ付加的な実施例の可能性を除外するものではない。

図１に、導体における電流を監視するための例示的なシステムのブロック図を参照番号１００で概略的に示す。システム１００は、導体１０２の内部を流れる電流レベルを監視するために提供され、少なくとも１つのロゴスキーコイル１０４、測定／積分回路１０６、及びプロセッサ１１６を備える。

ロゴスキーコイル１０４は、導体１０２の周囲にループ状に設けられていてもよい。本発明の１つの実施例において、導体は３相配線、バスバー、又はチップユニット又は回路ブレーカと連動して動くその他の配線からなっていてもよい。変流器と異なり、ロゴスキーコイルの両端は分離しており、大型のバスバーの周囲に適合しているので、電流測定のための本発明の実施例にロゴスキーコイルを使用することは有益である。更に、変流器に使われる強磁性体とは対照的に、ロゴスキーコイルは空芯なので、飽和すべき実在の芯がない。

ロゴスキーコイル１０４は、電気的に対抗方向に巻かれたワイヤを有することで各ループから発生する電界を実質的に減少させるようになっている、２本のワイヤループを備えていてもよい。また、ロゴスキーコイルは、同軸ケーブル等の可撓性芯を有するよう設計されていてもよく、あるいは高性能アプリケーションにおいては、芯は鋼棒からなっていてもよいと理解されるべきである。一般的に、導体１０２からの電圧はロゴスキーコイル内に誘導され、導体１０２の内部を電流が流れる時の変化率に比例する。ロゴスキーコイル１０４の出力を時間関数（ｄ_ｉ／ｄ_ｔ）として積分することにより、電流の振幅が得られる。

図１を更に参照すると、測定及び積分回路（以下「積分回路」）１０６は、ロゴスキーコイル１０４に直接接続されていてもよい。ここで、「直接接続される」とは、電気／電子部品及び／又はおよそ０．２５０インチ（６．３５ミリメートル）より大きい電気的導線部のいかなる介入も回避した状態で接続されることを意味するものとする。

ロゴスキーコイル１０４は、配線１２８を経由して積分回路１０６に電気的に接続されるが、これについては後に図２を参照してより詳細に説明する。積分回路１０６は、ロゴスキーコイル１０４から出力される電圧を電流振幅に変換する積分ステップを実行するように構成されていてもよい。積分回路１０６は、適切に構成されたハードウェア又はソフトウェアを備え、更にゲイン回路１１０と接続されていてもよい。

ゲイン回路１１０は、配線１１８を経由して積分回路１０６に電気的に接続されていてもよい。本発明の好適な実施例において、ゲイン回路は積分回路からの電流振幅を増幅させるように構成されていてもよい。例えば、本発明の実施例に使用可能なゲイン回路は、複数の異なるロゴスキーコイルのいかなるハードウェアディレーティング、マイクロコントローラを使用したいかなる補正／較正、又は範囲ウィンドウを最小化することで最大Ａ／Ｄ分解能まで拡大するための如何なる範囲／ゲイン操作を含んでもよい。

アナログ−デジタル変換回路１１２は、配線１２０を経由してゲイン回路に電気的に接続されていてもよい。この好適な実施例において、アナログ−デジタル変換回路１２０は、バイナリコード、グレイコード、又はｔｗｏ’ｓバイナリコードの数字処理を経て、ゲイン回路１１０からの増幅された入力アナログ−デジタル変換回路１２０をデジタル電流振幅データに変換するように構成されていてもよい。アナログ信号からデジタル信号への変換（例えば、シリアル又はパラレル通信）は、システムに内在するノイズを大いに減少させるかもしれない。しかし、デジタル信号は、従来技術の回路に関するノイズ問題を回避し、それによって正確な電流読み出しを実現するのに有益である一方、適切に増幅されたアナログ信号を使用しなければならない。更に、本発明においてはリニア反応型アナログ−デジタル変換器がもっとも有益であるが、信号の確率密度関数が一定なアプリケーションには、ノンリニア無反応型アナログ−デジタル変換器を使用してもよいということは理解されるべきである。

アナログ−デジタル変換器は、更にマイクロプロセッサ１１４と電子的に結合している。マイクロプロセッサ１１４はマイクロコントローラを備え、マイクロコントローラは更に、データの一時保存用の読み書きメモリ、又はデータの永久保存用の読み出し専用メモリ又はＥＥＰＲＯＭを備える。消費電力が低いため（ミリワット単位）、費用効率の高いアプリケーションではマイクロコントローラの使用が好ましい。しかし、高速アプリケーションにおいては、はるかにスループットが高いので、ＡＲＭ／ＤＳＰプロセッサを使用することが有益であろう。マイクロプロセッサ１１４は、電流振幅情報を取得して波形データを記録するように（例えば、フォルト状態の時）、又は電流振幅及び／又は消費電力からなるエネルギーデータを計算するように構成されていてもよい。更に、プロセッサは、ＭＣＲ及び／又は高設定ハードウェア閾値（すなわち、ハードウェア回路中のピーク検出器）の構成を呈してもよい。

本発明の１つの具体的な実施例において、マイクロプロセッサ１１４は、プロセッサによって分極された時に、配線１２４を経由してプロセッサ１１６に計算されたエネルギーデータを送信するように構成されている。任意に、マイクロプロセッサ１１４は、継続的又は所定の一定間隔を空けて、エネルギーデータ情報をプロセッサ１１６に送信するように構成されていてもよい。配線１２４は、シリアル通信用の一組の線、又はパラレル通信用のケーブルからなっていてもよい。

プロセッサ１１６は、マイクロプロセッサ１１４から受け取ったエネルギーデータを収集し、管理するように構成されていてもよい。プロセッサ１１６は更に、回路ブレーカの要件を満たすための通常オプションステップを自動的に実行するように構成されていてもよい。これにより、通常は向上で行うべきオプション（ロゴスキーコイルの要件と無数のアプリケーションに応じた回路基板及び回路ブレーカの要件のマッチング等）が不要になる。同様に、これにより、複数のロゴスキーコイルが設置済みのシステムに追加される時に、メインプロセッサを再設計する必要が無くなる。更に、積分回路を経由してロゴスキーコイル１０４で積分が実行されるため、外部ノイズ及び測定値劣化が厳しく制限される。これはオペレータに、プロセッサ１１６を配置する能力と、測定が行われる位置からより遠く離れたシステムの意志決定の側面を与え、これによって、例えば抵抗回路網等の、更なるノイズ減少ステップの必要がなくなる。

本発明の別の実施例において、プロセッサ１１６は、配線１２８を経由して回路ブレーカアッセンブリ１２６と電気的に接続されていてもよい。ブレーカアッセンブリは、プロセッサ１１６と更に接続されていてもよいフラックスシフタ（図示せず）を備えていてもよい。同様に、プロセッサ１１６は、トリップ時間を超過した場合には、フラックスシフタを遮断するように構成されていてもよい。

本発明の任意の実施例において、システムは更に、以下に記載されるように、１つ以上の接続解放（ＭＣＲ：ＭａｋｅＣｏｎｔａｃｔＲｅｌｅａｓｅ）回路等のフォルト検出器、及び回路ブレーカ１２６を備えていてもよい。ＭＣＲ回路は、電流レベルが所定のレベル（例えば、ロジックハイレベル）に達した時、フォルト位置に電力供給するように構成されていてもよい。

次に図２に、本発明の実施に当たって使用可能な積分回路の好適な実施例を、参照番号２００で概略的に示す。積分回路２００は、第１入力レッグ２０４、第２入力レッグ２０６、及び出力レッグ２０８と共に、回路内に差分増幅器２０２を備える。

第１入力レッグ２０４は、ロゴスキーコイルの巻き線２１２と抵抗器２１４に直列的に接続された端子２１０を備える。フィルタリングするため、別の抵抗器２１８と共にハイパスコンデンサ２１６が設けられている。

第２入力レッグ２０６は、ロゴスキーコイルの巻き線２２２と抵抗器２２４に直列的に接続された端子２２０を備える。やはりフィルタリングするため、更なる抵抗器２２８と共にハイパスコンデンサ２２６が設けられている。残留ノイズを除去するため、コンデンサ２３０は、第１及び第２入力レッグ２３０を相互接続させている。

平滑回路２３２は、第２入力レッグ２０６と並列に接続され、第１ＭＣＲ回路２３７によって分離されたコンデンサ２３４及び抵抗器２３６を備える。また、平滑回路２３２は、差分増幅器２０２が２．５ボルトを基準とするように構成されている。

出力レッグ２０８は、同様に、並列配置の抵抗器２４０及びコンデンサ２４２を備えるフィードバック回路２３８を備える。フィードバック回路２３８は、ノード２４４で第１入力レッグ２０４に接続されている。

差分増幅器は、コンデンサ２４８と直列のＭＣＲ回路を備える電源回路２４６によって電圧を印加されてもよい。差分回路の出力は、バッファ２５０を経由して端子２５２まで伝達される。

本発明の別の実施例では、電流を監視する方法であって、第１の導体からロゴスキーコイルを経由して電流データを収集するステップと、前記ロゴスキーコイルに直接接続された積分回路を提供するステップと、電流データを前記積分回路からプロセッサへ送信するステップと、電流読み出しを提供するためにデータを処理するステップと、を備える方法を提供する。

図３に、エネルギーデータを監視する方法の説明を助けるフローチャートを、参照番号３００で概略的に示す。フローチャートには例示的なステップごとの方法が示されているが、得られる成果を維持する限りステップを並べ替えてもよいことは、当業者に理解されるべきである。

ロゴスキーコイルを経由して第１導体からデータを収集するステップ３０２は、導体路に沿って様々な場所に配置された複数のロゴスキーコイルの利用を含んでもよい。導体は、例えば、典型的な３相電源系、又は高電圧アプリケーションに使用される大型のバスバーを備えてもよい。

ロゴスキーコイルに直接接続された積分回路を提供するステップは、参照番号３０４で示され、これには少なくとも２つの目的がある。ロゴスキーコイルは電流レベルを直接測定するのではなく、むしろ電圧データを収集するものであって、電圧データは導体内の電流の時の可能性に比例するので、電流値を導き出すためには積分（ｄ_ｉ／ｄ_ｔ）をする必要がある。従って、電流出力を提供するのに必要な計算をするために、測定／積分回路が提供されてもよい。更に、ロゴスキーコイルは測定位置からの距離が制限されているので（すなわち、プロセッサからロゴスキーコイルまでの配線が長すぎると、著しい信号劣化及びノイズが発生し、それによって出力読み出しが曖昧になる可能性がある）、積分回路をロゴスキーコイルに直接取り付けることにより、システムに内在するノイズを大幅に減少させることができる。従って、積分回路をロゴスキーコイルに直接取り付けることにより、出力の劣化及びシステム中のノイズの大部分を除去することができる。

電流データを積分回路からプロセッサに送信するステップは、参照番号３０６で示され、アナログ又はデジタル（パラレル又はシリアルプロトコル）通信によって実行される。本発明のいくつかの実施例において、中間のステップは、データ送信中に実行されてもよい。例えば、性能及び精度に関して有利であれば、測定／積分回路は信号を増幅するためにゲイン回路に電気的に接続されていてもよい。また、デジタル通信が必要な場合、本発明はアナログ−デジタル変換回路を利用してもよい。更に、このステップは、データ保存用読み書きメモリ、読み出し専用メモリ、データの永久保存用ＥＥＰＲＯＭ、又はＭＣＵ又は同等のプロセッサ上に位置するフラッシュメモリ、用に構成されたマイクロコントローラ又はマイクロプロセッサの追加を含んでもよい。

データを処理して電流読み出しを提供するステップ３０８は、収集、保存、及び測定の目的で構成されたプロセッサを備える。このプロセッサは、古サイクル又はハーフサイクル積分（真の実行値）、ピーク検出、ＳＳＯ（二乗の和）演算を実行し、不具合発生後にハイピーク／波形データを取得し、通信に関するあらゆるエラーを記録し、ゲイン設定を実行し、ＭＣＲ／ＨＳＥＴ不良を認知し、ブレーカの中央トリップユニットと通信してもよい。更に、このプロセッサは、回路ブレーカの要件を満たすための通常オプションステップを自動的に実行するように構成されていてもよい。これにより、通常は向上で行うべきオプション（ロゴスキーコイルの要件と無数のアプリケーションに応じた回路基板及び回路ブレーカの要件のマッチング等）が不要になる。同様に、これにより、複数のロゴスキーコイルが設置済みのシステムに追加される時に、メインプロセッサを再設計する必要が無くなる。本発明を、様々な実施形態による特定の特徴のみに関連して添付図面とともに説明してきたが、これらは説明目的にすぎない。本発明の理念において、或る図面に関連する特徴を、その他の図面に関連するいずれかまたは全ての特徴に組み合わせることができる。本願における「含む」「有する」、「備える」などの用語は広義かつ包括的に解釈されるべきであり、物理的接続に限定するものではない。また、本願に記載の実施形態だけが本発明において可能な実施形態ではないことを理解されたい。むしろ、添付の特許請求の範囲の範疇には、様々な改変およびその他の実施形態が含まれる。

１０４ロゴスキーコイル
１０６積分回路１１０ゲイン回路
１１２アナログ−デジタル変換回路

Claims

導体内の電流振幅を測定するためのシステムにおいて、
少なくとも１つのロゴスキーコイル（１０４）と、
前記少なくとも１つのロゴスキーコイルに直接取り付けられた積分回路（１０６）と、
前記積分回路からの出力を受け、前記導体内の電流振幅からなるエネルギーデータを計算するように構成された、前記積分回路と通信するマイクロプロセッサ回路とを備えることを特徴とするシステム。
前記積分回路に電気的に接続され、前記積分回路からの出力を増幅するように構成されたゲイン回路（１１０）を更に備える、請求項１記載のシステム。
前記ゲイン回路に電気的に接続されたアナログ−デジタル変換回路（１１２）を更に備える、請求項２に記載のシステム。
前記マイクロプロセッサ回路と通信し、前記エネルギーデータを主制御装置に送信するように構成されたプロセッサを更に備え、前記プロセッサが前記少なくとも１つのロゴスキーコイルの向きを識別するように構成されることによって、前記少なくとも１つのロゴスキーコイルに基づいて前記エネルギーデータ計算に合うように自己を構成する、請求項１記載のシステム。
前記導体は３相電線を含む、請求項１記載のシステム。
前記プロセッサはフラックスシフタと通信するように構成されており、前記プロセッサは更に、トリップ時間を超過した場合にはフラックスシフタを遮断するように構成されている、請求項４記載のシステム。
ブレーカに電気的に接続され、電流レベルが所定の範囲外にある時に前記ブレーカをフォルト状態にするように構成された接続解放回路を更に備える、請求項１記載のシステム。
導体内の電流を監視する方法において、
ロゴスキーコイルを経由して第１導体から電流データを収集するステップと、
前記ロゴスキーコイルに直接接続された積分回路を提供するステップと、
電流データを前記積分回路からシリアル通信、パラレル通信、または無線通信によってメイン回路基板へ送信するステップと、電流読み出しを提供するためにデータを処理するステップとを備えることを特徴とする方法。
ゲイン回路に電気的に接続されるとともに、増幅された信号をアナログ通信からデジタル通信に変換するように構成されたアナログ−デジタル変換回路を提供するステップを更に備える、請求項８記載の方法。
前記積分回路は、電流データを計算する時間関数として、ロゴスキーコイルから取得した電圧データを積分するように構成されている、請求項８記載の方法。