JP2010038580A - 電力量計 - Google Patents

Abstract

【課題】
比較的簡単な回路で構成され、高精度な使用電力測定が可能な電力量計を提供する。
【解決手段】
空芯結合等のコイルからなる電流検出部１０４から出力された使用電流の微分値に関する信号と、電圧検出部１０５にて検出された使用電圧に関する信号を微分回路１０８にて微分した信号とを、乗算部１０９にて乗算し、さらに当該乗算部１０９にて乗算された信号と、周波数検出部１１１にて検出された周波数に関する信号とを演算し電力を算出するようにした。
【選択図】 図１

Description

本発明は被測定系の使用電力量等を測定する電力量計に関する。

従来より、一般家庭や工場、事業所の使用電力量を測定する電力量計が普及してきている。当該電力量計は被測定系の使用電力量を測定する使用量検出手段と、使用量検出手段で測定された使用量をデータに編集する制御部と、制御部にて編集されたデータを表示する表示部とを具備している。当該被測定系の使用電力量を測定する使用量検出手段は、被測定系の使用電圧を測定する電圧検出手段と被測定系の使用電流を測定する電流検出手段を具備している。被測定系の使用電流を測定する電流検出手段としては特許文献１に示すようなものがある。
特開２００４−２７９１３９公報（第７頁、図１）

一般的に電力量計は、被測定系の使用電力量を測定する使用量検出手段と、使用量検出手段にて測定された使用量をデータに編集する制御部と、制御部にて編集されたデータを表示する表示部とを具備している。当該被測定系の使用電力量を測定する使用量検出手段は、被測定系の使用電圧を測定する電圧検出手段と被測定系の使用電流を測定する電流検出手段を具備している。当該電流検出手段には、比較的安価な空芯結合型のコイルが用いられる。空芯結合型のコイルは、被測定系の使用電流を磁気的に検出するため、その出力信号は被測定系の使用電流を微分した波形に正比例した信号となる。当該空芯結合型のコイルから出力される、被測定系の使用電流を微分した波形に正比例した信号は、積分回路により積分すれば、被測定系の使用電流に正比例した信号に復元することができるが、積分回路等で発生するオフセット等の誤差成分をも積分してしまう。また、電流検出手段を特許文献１に示すような構成とすることも考えられるが、回路構成が複雑になるという問題点があった。

本発明は前記問題点に鑑み、比較的簡単な回路で構成され、高精度な電力量計を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明による電力量計は、被測定系の電流を磁気結合にて検出する電流検出手段と、前記電流検出手段により検出された電流を符号化データに変換する第一の符号化手段と、被測定系の電圧を検出する電圧検出手段と、前記電圧検出手段により検出された電圧を符号化データに変換する第二の符号化手段と、前記第二の符号化手段により変換された符号化データの微分値データを作成する微分部と、前記第一の符号化手段により変換された符号化データと前記微分部により作成された微分値データを乗算し乗算データを作成する乗算部と、前記電圧検出手段により検出された電圧の周波数を検出する周波数検出手段と、前記乗算部に作成された乗算データと前記周波数検出手段により検出された周波数とを演算し、有効電力を演算する演算手段とを具備したことを特徴とする。

本発明によれば、前記問題点に鑑み、比較的簡単な回路で構成され高精度な電力量計を提供することができる。

以下、本発明の実施例を説明する。

［実施例１］
本発明による電力量計の実施例１につき、図１を参照して説明する。図１は本発明による電力量計の実施例１を示す内部構成図である。なお、本実施例は単相二線式の電力量計について示されている。
図１において、１００は電力量計本体である。

１０１Ａ、１０１Ｂは端子部で、真鋳や銅等の導電性のある金属からなる導電部分が、フェノール樹脂やＰＢＴ樹脂等、絶縁性の高いプラスチック等の材質からなる固定部分に配置された構成からなり、外部の配電線を電力量計本体１００に接続する。端子部１０１Ａの１Ｓ、２Ｓ各端子は電力供給会社から電力を受電する電源側配電線に、端子部１０１Ｂの１Ｌ、２Ｌ各端子は需要家内へ電力を供給する負荷側配電線に接続される。

１０２、１０３は導電部で、銅等の導電性の有る金属材料により構成されており、導電部１０２は端子部１０１Ａの１Ｓと端子部１０１Ｂの１Ｌの間を、導電部１０３は端子部１０１Ａの２Ｓと端子部１０１Ｂの２Ｌの間を、電気的に導通させる。

１０４は電流検出部で、空芯結合のコイルやロゴスキーコイルと呼ばれるコイル等により構成されており、導電部１０２に取り付けられ、端子部１０１Ａの１Ｓと端子部１０１Ｂの１Ｌ間の電流（Ａ１）を検出し、需要家の使用電流に対応した低レベルの電圧信号に変換し出力する。なお、電流検出部１０４は、需要家の使用電流の磁界の変化を検出するコイル等から構成されているため、電流検出部１０４から出力される当該使用電流に対応した低レベルの電圧信号は、使用電流を微分した波形となる。したがって当該使用電流が正弦波状の波形である場合、電流検出部１０４から出力される使用電流に対応した低レベルの電圧信号の位相は当該使用電流に対し９０度進んだ波形となる。

１０５は電圧検出部で、アテネッタ等の分圧抵抗器や電圧トランス等により構成されており、端子部１０１Ａの１Ｓと２Ｓ間の電圧（Ｖ１）を検出し需要家の使用電圧に正比例した低レベルの電圧信号に変換し出力する。

１０６は符号化部で、アナログ−デジタル変換器等により構成されており、電流検出部１０４から出力された端子１Ｓ−１Ｌ間の、需要家の使用電流（Ａ１）に対応した低レベルの電圧信号をアナログ−デジタル変換し、例えば１６ｂｉｔのデジタルデータとして出力する。

１０７は符号化部で、アナログ−デジタル変換器等により構成されており、電圧検出部１０５から出力された端子１Ｓ−２Ｓ間の需要家の使用電圧（Ｖ１）に正比例した低レベルの電圧信号をアナログ−デジタル変換し、例えば１６ｂｉｔのデジタルデータとして出力する。

１０８は微分部で、デジタル回路やＤＳＰ（デジタル・シグナル・プロセッサ）等により構成されており、符号化部１０７により出力された電圧（Ｖ１)に関するデジタルデータを微分したデータを作成する。微分データの作成は、今回のサンプリングデータＶ_ｎと前回のサンプリングデータＶ_ｎ−１の差をサンプリング時間間隔Δｔで除し（Ｖ_ｎ−Ｖ_ｎ−１）／Δｔを演算することにより行われる。

１０９は乗算部で、デジタル乗算回路やＤＳＰ（デジタル・シグナル・プロセッサ）等により構成されており、符号化部１０６により出力された電流（Ａ１）に関するデジタルデータと、微分部１０８により微分された電圧（Ｖ１)に関するデジタルデータとを乗算し、需要家の使用有効電力に関するデジタルデータｐ１に変換し出力する。

１１０は乗算部で、デジタル乗算回路やＤＳＰ（デジタル・シグナル・プロセッサ）等により構成されており、符号化部１０６により出力された電流（Ａ１）に関するデジタルデータと、符号化部１０７により出力された電圧（Ｖ１)に関するデジタルデータとを乗算し、需要家の使用無効電力に関するデジタルデータｑ１に変換し出力する。

１１１は周波数検出部で、カウンタ回路やＤＳＰ（デジタル・シグナル・プロセッサ）等により構成されており、電圧検出部１０５により出力された電圧（Ｖ１)に関するデータから周波数を検出しデジタルデータｆとして出力する。

１１２はタイマ部で、水晶発振回路を有する計数回路等により構成されており、時刻を計数する。

１１３は制御部で、マイクロコンピュータ等により構成されており、乗算部１０９から出力された需要家の使用有効電力に関するデジタルデータｐ１と周波数検出部１１１から出力された周波数に関するデジタルデータｆとを演算し、需要家の使用有効電力Ｐ０＝Ｖ１・Ａ１・ｃｏｓφを算出し、さらに有効電力使用量データとして編集し、記憶、表示、伝送を制御する。なお、ここで有効電力使用量データとは被測定系の総積算有効電力量ならびに各時間帯毎の時間帯有効電力量等、需要家の使用有効電力に関するデータをいう。

さらに制御部１１３は、乗算部１１０から出力された需要家の使用無効電力に関するデジタルデータｑ１と周波数検出部１１１から出力された周波数に関するデジタルデータｆとを演算し、需要家の使用無効電力Ｑ０＝Ｖ１・Ａ１・ｓｉｎφを算出し、さらに無効電力使用量データとして編集し、記憶、表示、伝送を制御する。なお、ここで無効電力使用量データとは被測定系の総積算無効電力量ならびに各時間帯毎の時間帯無効電力量等、需要家の使用無効電力に関するデータをいう。

１１４は記憶部でＲＡＭのような半導体メモリにより構成されており、有効電力使用量データならびに無効電力使用量データ等を記憶する。

１１５は表示部で液晶表示器等により構成されており、有効電力使用量データならびに無効電力使用量データ等を制御部１１３の制御のもと表示する。

１１６は通信部で電波送受信回路やカレントループ等のインタフェース回路等により構成されており、制御部１１３による制御のもと、外部との通信を行う。

次に、本実施例の動作について図１を参照しつつ説明する。

電流検出部１０４は、端子部１０１Ａの１Ｓと端子部１０１Ｂの１Ｌ間の電流（Ａ１）を検出し、需要家の使用電流（Ａ１）に対応した低レベルの電圧信号に変換し出力する。なお、電流検出部１０４は、空芯結合のコイルやロゴスキーコイルと呼ばれるコイル等により構成されており、需要家の使用電流の磁界の変化を検出するため、電流検出部１０４から出力される電圧信号は、使用電流を微分した波形となる。したがって当該使用電流が正弦波状の波形である場合、電流検出部１０４から出力された需要家の使用電流（Ａ１）に対応した低レベルの電圧信号の位相は、当該使用電流に対し９０度進んだ波形となる。例えば需要家の使用電流（Ａ１）が
Ａ１＝Ｍ１・ｓｉｎ（２πｆ・ｔ）
であったとすると電流検出部１０４から出力される信号ａ１はその微分値に正比例し
ａ１＝２πｆ・Ｍ１・ｍ１・ｃｏｓ（２πｆ・ｔ）
＝２πｆ・Ｍ１・ｍ１・ｓｉｎ（２πｆ・ｔ＋π／２）
となる。なお、ここでｍ１は変換比率である。

電圧検出部１０５は、端子部１０１Ａの１Ｓ−２Ｓ端子間に現れる電圧（Ｖ１）を検出し、需要家の使用電圧に正比例した低レベルの電圧信号に変換し出力する。電圧検出部１０５は、アテネッタ等の分圧抵抗器や電圧トランス等により構成されており、常時、需要家の使用電圧に正比例した低レベルの電圧信号を符号化部１０７に対して出力している。例えば需要家にて使用される電圧Ｖ１は
Ｖ１＝Ｎ１・ｓｉｎ（２πｆ・ｔ＋φ）
であったとすると電圧検出部１０５から出力される信号ｖ１は
ｖ１＝Ｎ１・ｎ１・ｓｉｎ（２πｆ・ｔ＋φ）
となる。なお、ここでｎ１は変換比率である。

符号化部１０６は、電流検出部１０４により出力された需要家の使用電流（Ａ１）に対応した低レベルの電圧信号ａ１をアナログ−デジタル変換し、例えば１６ｂｉｔのデジタルデータとして出力している。

符号化部１０７は、電圧検出部１０５により出力された需要家の使用電圧（Ｖ１）に正比例した低レベルの電圧信号ｖ１をアナログ−デジタル変換し、例えば１６ｂｉｔのデジタルデータとして出力している。

１０８は微分部で、デジタル回路やＤＳＰ（デジタル・シグナル・プロセッサ）等により構成されており、符号化部１０７により出力された信号ｖ１に対応したデジタルデータを微分したデータｕ１を作成する。微分データの作成は、今回のサンプリングデータＶ_ｎと前回のサンプリングデータＶ_ｎ−１の差をサンプリング時間間隔Δｔで除し（Ｖ_ｎ−Ｖ_ｎ−１）／Δｔを演算することにより求められる。需要家にて使用される電圧Ｖ１が
Ｖ１＝Ｎ１・ｓｉｎ（２πｆ・ｔ＋φ）
であった場合、電圧検出部１０５から出力される信号ｖ１は
ｖ１＝Ｎ１・ｎ１・ｓｉｎ（２πｆ・ｔ＋φ）
である。微分部１０８から出力される信号ｕ１はｖ１を微分した信号であり
ｕ１＝２πｆ・Ｎ１・ｎ１・ｃｏｓ（２πｆ・ｔ＋φ）
＝２πｆ・Ｎ１・ｎ１・ｓｉｎ（２πｆ・ｔ＋φ＋π／２）
となる。

乗算部１０９は、デジタル乗算回路やＤＳＰ（デジタル・シグナル・プロセッサ）等により構成されており、符号化部１０６により出力された電流（Ａ１）に対応した信号ａ１にかかるデジタルデータと、微分部１０８により出力された電圧（Ｖ１)に対応した信号ｕ１にかかるデジタルデータとを乗算し、制御部１１３に対し出力する。

符号化部１０６から出力された信号ａ１は
ａ１＝２πｆ・Ｍ１・ｍ１・ｓｉｎ（２πｆ・ｔ＋π／２）
であり、微分部１０８から出力された信号ｕ１は
ｕ１＝２πｆ・Ｎ１・ｎ１・ｓｉｎ（２πｆ・ｔ＋φ＋π／２）
である。ａ１とｕ１の位相差はφであるので、電力を算出する場合においては
ａ１１＝２πｆ・Ｍ１・ｍ１・ｓｉｎ（２πｆ・ｔ）
ｕ１１＝２πｆ・Ｎ１・ｎ１・ｓｉｎ（２πｆ・ｔ＋φ）
を演算したのと同様でありａ１１とｕ１１を乗算した値であるｐ１は
ｐ１＝ａ１１・ｕ１１
＝２πｆ・Ｍ１・ｍ１・ｓｉｎ（２πｆ・ｔ）
・２πｆ・Ｎ１・ｎ１・ｓｉｎ（２πｆ・ｔ＋φ）
＝４π^２ｆ^２・ｍ１・ｎ１・Ａ１・Ｖ１
となる。

周波数検出部１１１は、デジタル回路やＤＳＰ（デジタル・シグナル・プロセッサ）等により構成されており、電圧検出部１０５により出力された電圧（Ｖ１)に関するデータから周波数を検出しデジタルデータｆを制御部１１３に出力している。

制御部１１３は、乗算部１０９から出力された信号ｐ１と、周波数演算部１１１から出力されたデジタルデータｆとから、有効電力であるＡ１・Ｖ１を求める。つまり、
ｐ１＝４π^２ｆ^２・ｍ１・ｎ１・Ａ１・Ｖ１
であるので有効電力をＰ１とすると
Ｐ１＝ｐ１／（４π^２ｆ^２・ｍ１・ｎ１）＝Ａ１・Ｖ１
なる乗算を逐次行う。制御部１１３は、Ｐ１を一定時間（例えば１秒間）累積加算し、需要家の使用有効電力Ｐ０＝Ｖ１・Ａ１・ｃｏｓφを算出する。さらに制御部１１３は、算出された有効電力Ｐ０＝Ｖ１・Ａ１・ｃｏｓφをもとに有効電力使用量データを編集し、記憶、表示、伝送するよう各部を制御する。なお、ここで有効電力使用量データとは被測定系の総積算有効電力量ならびに各時間帯毎の時間帯有効電力量等、需要家の使用有効電力に関するデータをいう。また、１秒間等の一定時間はタイマ部１１２により計時される。

一方無効電力の演算は以下の手順にて行われる。

乗算部１１０は、デジタル乗算回路やＤＳＰ（デジタル・シグナル・プロセッサ）等により構成されており、符号化部１０６により出力された電流（Ａ１）に対応した信号ａ１にかかるデジタルデータと、符号化部１０７により出力された電圧（Ｖ１)に対応した信号ｖ１にかかるデジタルデータとを乗算し、制御部１１３に対し出力する。

符号化部１０６から出力された信号ａ１は
ａ１＝２πｆ・Ｍ１・ｍ１・ｓｉｎ（２πｆ・ｔ＋π／２）
であり、符号化部１０７から出力された信号ｖ１は
ｖ１＝Ｎ１・ｎ１・ｓｉｎ（２πｆ・ｔ＋φ）
である。ａ１とｖ１を乗算した値であるｑ１は
ｑ１＝ａ１・ｖ１
＝２πｆ・Ｍ１・ｍ１・ｓｉｎ（２πｆ・ｔ＋π／２）
・Ｎ１・ｎ１・ｓｉｎ（２πｆ・ｔ＋φ）
＝２πｆ・ｍ１・ｎ１・Ａ１１・Ｖ１
となる。なおここでＡ１１はＡ１をπ／２だけ移相した信号である。

周波数検出部１１１は、デジタル回路やＤＳＰ（デジタル・シグナル・プロセッサ）等により構成されており、電圧検出部１０５により出力された電圧（Ｖ１)に関するデータから周波数を検出しデジタルデータｆを制御部１１３に出力している。

制御部１１３は、乗算部１０９から出力されたｑ１と周波数演算部１１１から出力されたｆとから無効電力Ｑ１を演算する。つまり
ｑ１＝２πｆ・ｍ１・ｎ１・Ａ１１・Ｖ１
であるので
Ｑ１＝ｑ１／（２πｆ・ｍ１・ｎ１）＝Ａ１１・Ｖ１
なる乗算を逐次行う。制御部１１３は、Ｑ１を一定時間（例えば１秒間）累積加算し、需要家の使用無効電力Ｑ０＝Ｖ１・Ａ１・ｓｉｎφを算出する。Ａ１１はＡ１を９０度移相した信号であるためＱ１を一定時間累積加算した値は、無効電力であるＶ１・Ａ１・ｓｉｎφとなる。さらに制御部１１３は、算出された無効電力であるＱ０＝Ｖ１・Ａ１・ｓｉｎφをもとに無効電力使用量データを編集し、記憶、表示、伝送するよう各部を制御する。なお、ここで無効電力使用量データとは被測定系の総積算無効電力量ならびに各時間帯毎の時間帯無効電力量等、需要家の使用無効電力に関するデータをいう。また、１秒間等の一定時間はタイマ部１１２により計時される。

本実施例を用いれば、電流検出部１０４の出力信号を積分することなく、乗算部１０９、乗算部１１０で乗算を行い、制御部１１３で周波数補正を行い、有効電力、無効電力の算出を行っているので、積分により回路のオフセット等の誤差信号を増大させることなく高精度の電力量計を構成することができる。

また、電流検出部１０４の出力信号の誤差補正を行う回路等が不要であり、比較的簡単な回路で電力量計を構成することができる。

また、空芯結合型のコイルは、被測定系の使用電流を磁気的に検出するため、その出力信号は被測定系の使用電流を微分した波形に正比例した信号となるが、当該微分した波形は被測定系の使用電流の波形に対し９０度移相された波形となる。当該移相された波形を無効電力の演算に用いているため比較的簡単な回路で電力量計を構成することができる。

以上のように本発明を用いれば、比較的簡単な回路で構成され、高精度な電力量計を提供することができる。

本発明による電力量計の実施例１の構成を示す内部構成図

符号の説明

１００ 電力量計本体
１０１Ａ、１０１Ｂ 端子部
１０２ 導電部
１０３ 導電部
１０４ 電流検出部
１０５ 電圧検出部
１０６ 符号化部
１０７ 符号化部
１０８ 微分部
１０９ 乗算部１
１１０ 乗算部２
１１１ 周波数検出部
１１２ タイマ部
１１３ 制御部
１１４ 記憶部
１１５ 表示部
１１６ 通信部

Claims (3)

1. 被測定系の電流を磁気結合にて検出する電流検出手段と、
   前記電流検出手段により検出された電流を符号化データに変換する第一の符号化手段と、
   被測定系の電圧を検出する電圧検出手段と、
   前記電圧検出手段により検出された電圧を符号化データに変換する第二の符号化手段と、
   前記第二の符号化手段により変換された符号化データの微分値データを作成する微分手段と、
   前記第一の符号化手段により変換された符号化データと前記微分手段により作成された微分値データを乗算し乗算データを作成する乗算部と、
   前記電圧検出手段により検出された電圧の周波数を検出する周波数検出手段と、
   前記乗算部に作成された乗算データと前記周波数検出手段により検出された周波数とを演算し、有効電力を演算する演算手段と
   を具備したことを特徴とする電力量計。
2. 被測定系の電流を磁気結合にて検出する電流検出手段と、
   前記電流検出手段により検出された電流を符号化データに変換する第一の符号化手段と、
   被測定系の電圧を検出する電圧検出手段と、
   前記電圧検出手段により検出された電圧を符号化データに変換する第二の符号化手段と、
   前記第一の符号化手段により変換された符号化データと前記第二の符号化手段により変換された符号化データを乗算し乗算データを作成する乗算部と、
   前記電圧検出手段により検出された電圧の周波数を検出する周波数検出手段と、
   前記乗算部により作成された乗算データと前記周波数検出手段により検出された周波数とを演算し、無効電力を演算する演算手段と
   を具備したことを特徴とする電力量計。
3. 前記電流検出手段は、空芯結合型のコイルからなることを特徴とする請求項１乃至２のいずれか１項記載の電力量計。

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