JP2013537631A - 電気メータの電流測定方法及びシステム - Google Patents

Abstract

電気メータを流れる電流を測定する方法及びシステム。この電気メータは、メータ内のブスバーと直列に設けられた反応型センサを有している。反応型センサはインダクタを有し、インダクタンスの電圧が測定される。電気メータに設けられた制御装置は、検出された電圧に基づいてインダクタの電流及び値を計算する。５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ等の既知の周波数でインダクタに基準電流を流すことによりインダクタの値が測定され、インダクタの電圧降下が測定される。インダクタの値が測定されると、この値が制御装置に記憶される。

Description

（発明の背景）
本開示は概略的には電気メータの電流測定ためのシステム及び方法に関する。より詳しくは、本開示は、反応型（ｒｅａｃｔｉｖｅ）センサを使用して電流を測定する電気メータのシステムと方法に関する。

電気メータの電流を測定するためにいくつかの方法が用いられているが、これらの方法は、ロゴスキー・コイル、電流変圧器又は分流器（ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ ｓｈｕｎｔｓ）を用いるものである。これらの方法はいずれも電気メータを流れる電流量を測定するのに有用ではあるが、現在利用可能なこの３つの選択肢はそれぞれ、メータへのコストの追加をもたらすことになる。

現在、電気メータの製品において正確に電流を測定するのに最も低い費用で済むのは分流器の利用である。電気メータを流れる電流は分流器を通るように向けられ、分流器の電圧（ｖｏｌｔａｇｅ ａｃｒｏｓｓ ｔｈｅ ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ ｓｈｕｎｔ）が測定される。この方法は電流の測定には効果的だが、分流器は最終的に温度が上がり、分流器の抵抗は温度変化に伴って変化する。そこで、測定時間の間の抵抗の変化の影響を排除するために温度の補正が必要であり、これが電気メータのコストを上げ複雑さを増大させる。

そのうえ、１００アンペア以上のハイパワーの電気メータでは、分流器は非常に多くの電力を浪費する可能性がある。電力の浪費を減らすために２５マイクロオームの分流器を作ることができるが、このような小さい抵抗の電圧を測定することは難しく、このような装置のコストは非常に高価であり得る。本開示は、今現在使用されている電流検出システムのこれらの欠点の多くに対処するものである。

（発明の開示）
本開示は、電気メータを流れる電気量を測定する監視システムに関する。電気メータは、ユーティリティの電力供給装置から電気の供給を受け取る１本以上のブスバー（ｂｕｓ ｂａｒｓ）を有し、電気メータからサービスを受けている住宅内の負荷に電気を供給している（ｄｉｒｅｃｔｓ）。

電気メータは、電気メータからサービスを受けている住宅によって使用される電気の量を監視する監視回路を有している。この監視回路は、単相又は三相の電力供給を監視することができる。

監視回路は、ブスバーの１本を流れている電流と直列に設けられたインダクタを有している。ブスバーを流れる電流はインダクタを流れてインダクタの電圧（ｖｏｌｔａｇｅ ａｃｒｏｓｓ ｔｈｅ ｉｎｄｕｃｔｏｒ）を発生させる。電気メータに設けられている電圧検出器はインダクタの電圧を監視し、電気メータ内に収容されている制御装置は検出された電圧に基いて電流を算出する。

電気メータのキャリブレーション（ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ）の間、既知の値及び位相を有する電流源を含んでいるキャリブレーション回路により、電流が電気メータを通過する。既知の電流の値が電気メータに供給されると、キャリブレーション回路によって、インダクタの電圧と電流源との関係に基づいてインダクタの値（ｖａｌｕｅ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｄｕｃｔｏｒ）が測定される。

インダクタンスの値が測定されることに加えて、キャリブレーション回路はまた、検出された電圧と電流供給の間の位相差（ｐｈａｓｅ ｓｈｉｆｔ）に基づいてインダクタに含まれる直列抵抗を測定する。その位相差に基づいて、キャリブレーション回路により直列抵抗の値が測定される。直列抵抗の値、位相差及び直列インダクタンスの値は、制御装置のメモリに記憶される。

キャリブレーションプロセスの完了後、電気メータを設置し、ブスバーそれぞれを流れる電流値を監視するために使用することができる。

本発明のさまざまな他の特徴、目的及び効果は、図面を参照してなされた以下の記載から明らかとなる。

図面は本開示の主題を示している。
本開示の三相の電子式電気メータの斜視図である。 加えられた電力の３相それぞれについてのブスバー電流検出ブレードのＡＮＳＩ規格構成を示す三相の電気メータの背面図である。 電流検出ブスバー及び測定回路基板の位置関係（ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ）を示す斜視図である。 電流及びブスバーの１本と直列に設けられているインダクタンスの測定電圧の概略図である。 ブスバーを流れる電流と直列インダクタンスの電圧との間の位相差を示す図である。 センサ電圧と負荷電流の関係を示すグラフである。 インダクタンスの関数として、インピーダンスに対する位相差を示すグラフである。 抵抗の関数として、インピーダンスに対する位相差を示すグラフである。 回路基板の一部として構成することができるインダクタの一型式を示す。 回路基板の一部として構成することができるインダクタの一型式を示す。 本開示による電気メータの構成要素のブロック図である。 インダクタを含んで構成されたブスバーの斜視図である。 図１１の１２−１２線に沿った断面図である。 本開示の一部で使用できる別の型式の提案されたインダクタを示す斜視図である。

（発明の詳細な説明）
図１は、本開示に従って構成された三相の電子式電気メータ１０を示している。電気メータ１０は、ベース部材１４に取り付けられたカバー部材１２で構成されている密閉メータハウジングを有している。カバー部材１２は、デジタルディスプレイ１８を電気メータ１０の外側から読むことができるようにほぼ透明な表側面１６を有している。カバー部材１２及びベース部材１４は、ベース部材１４及びカバー部材１２で密閉メータハウジングを構成するように、従来からの方法で互いに連結されている。メータハウジングは、湿気及び他の周囲異物が三相の電気メータ１０内に収容されている内部回路に入るのを防止している。

さて、図２には、ベース部材１４の底面図が示されているが、ベース部材１４は、ベース部材１４の一部を構成するほぼ平らなベースプレート２０を有している。ベースプレート２０は、ベースプレート２０の周りに等間隔で設けられた複数の支持脚２２を有している。支持脚２２は、住宅又は店舗（ｒｅｓｉｄｅｎｔｉａｌ ｏｒ ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌ ｌｏｃａｔｉｏｎ）への電気の供給にインライン（ｉｎ−ｌｉｎｅ）で設けられた相手側ソケットに電気メータを取り付けるときに、電気メータを安定させるものである。支持脚２２は、典型的にはプラスチック成形により形成されていて、ベース部材１４の空いている部分（ｒｅｍａｉｎｉｎｇ ｐｏｒｔｉｏｎｓ）に一体的に形成されている。

図２でわかるように、電気メータの基部は、第１の一対の検出ブレード２４ａ、２４ｂ、第２の一対の検出ブレード２６ａ、２６ｂ及び第３の一対の検出ブレード２８ａ、２８ｂを有して構成されている。検出ブレード２４乃至２８は、典型的には電流検出ブレードとして構成され、図３に示されているように、３本の別々のブスバー３０、３２及び３４の一部を形成している。図３に示されているように、ブスバー３０、３２及び３４は支持片３８及び検出フランジ３９によってそれぞれ回路基板３６に固定されている。回路基板３６は前側面４２と裏側支持面４０を含んでいる。回路基板３６の表側面４２は、以下に詳しく説明するが、電気メータ１０が使用されている施設が消費する電気の量を監視するために動作可能な測定回路を含んでいる。表側面４２に取り付けられた測定回路は、以下に説明する、ブスバー３０、３２及び３４の検出フランジ３９を流れる電流の量を検出する電流検出装置を有している。この測定回路は、以下にさらに詳しく説明するように、裏側面４０に沿った検出フランジ３９に物理的に接触し、表側面に取り付けられた測定回路と電気的に接続されるように、回路基板３６の厚みを通って延びる複数のコンタクトパッドを有している。

図１０は、ユーティリティの電力供給源４４と住宅４６内のエネルギーを消費する多数の負荷との間にある電気メータ１０の位置を概略的に示している。図１０に示されているように、ユーティリティからの電力は、ブスバーのうちの１本３０の検出ブレード２４ａで受け取られる。ブスバーのうちのブスバー３０が１本だけ図１０の実施の形態に示されているが、三相の電気メータでは、３本の別々のブスバー、すなわち三相電源のそれぞれの相に１本のブスバーが必要であることを理解されたい。図１０は単純化されたもので、単相、したがって単一のブスバー３０のみを示している。ブスバー３０の２つ目の検出ブレード２４ｂは、電流がユーティリティ４４から住宅４６にブスバー３０を通って流れるように、住宅４６に接続されている。

よく知られているように、メータ１０は住宅４６によって消費される電流量を検出するために設置されている。図に示されている実施の形態では、インダクタ４８がブスバー３０を流れる電流と直列に配置され、メータ１０用の検出素子として機能している。インダクタ４８の電圧は、電圧検出器５０によってサンプリングされる。図示された実施の形態では、電圧検出器５０はインダクタ４８の電圧をサンプリングするために作動する２４ビットのアナログ−デジタル変換器である。サンプリングされたインダクタ４８の電圧は電気メータ１０の制御装置５２に伝えられる。制御装置５２は、電気メータで現在使われているようなどんなタイプのプロセッサでもかまわない。制御装置５２は、インダクタ４８の測定された値を含めて、電気メータ１０に関する電圧測定及び情報を記憶する内蔵メモリ５４を含んでいる。インダクタ４８の値は、最初のキャリブレーションプロセスで測定されるが、詳細は以下に詳しく説明される。

電圧検出器５０で測定される電圧の値に基づいて、制御装置５２はインダクタ４８の値を利用してブスバー３０を流れる電流量を計算する。ブスバー３０を流れる電流量は、メモリ５４に記憶され、最終的にディスプレイ１８に表示される。

図１０の具体例では、インダクタ４８の電圧は下記の式に基づいて求められる。
Ｖ_L＝Ｉ_LＸ_L 式１

上記の方程式で、Ｘ_L＝２πｆＬ、ｆは回線周波数、Ｌは直列インダクタンス、そして、Ｉは負荷電流である。インダクタの電圧と電流の関係は、図６でライン７２によって示されている。図１０で理解できるように、インダクタ４８の直列インダクタンスと回線周波数がわかっていれば、電圧検出器５０は単純な数学の方程式によって負荷電流を測定することができる。

例えば、インダクタ４８が１３３ｎＨのインダクタンスを有している場合、電圧検出器で測定されるインダクタの電圧は２００アンペアで１０ｍＶである。インダクタ４８の抵抗を考慮に入れない理論上の分析では、インダクタ４８の電圧は９０°電流より先行する。しかしながら、以下に詳しく説明するように、インダクタ４８は、後述するように、電圧が電流に先行する量を変化させる小さい抵抗を含んでいる。

上記したように、電圧検出器５０は２４ビットのアナログ−デジタル変換器とすることができる。必要に応じて、電圧検出器５０によるサンプリングに先だってインダクタ４８の電圧信号を増幅するために増幅器を組み込むことができる。このような増幅は、起動電流等の住宅によって引き込まれる低い電流に対しては必要であろう。

図４は、住宅４６の負荷とユーティリティの電圧源４４の間に位置するブスバーの１本を流れる電流構成を概略図で示している。住宅４６の負荷によって取り込まれた電流は電流計５６で測定される。電流計５６で測定された電流はインダクタ４８を流れる。インダクタ４８は、図４では直列インダクタンス５８及び直列抵抗６０で表されている。全てのインダクタは回路基板に形成された金属ワイヤ又は金属線（ｍｅｔａｌｌｉｃ ｔｒａｃｅｓ）を含んでいるが、金属線にはわずかな抵抗があり、図４ではその抵抗を直列抵抗６０として視覚的に表している。直列抵抗６０なしでモデル化されたシステムでは、電流５６は９０°、インダクタ４８の測定された電圧６２から遅れる。図４では、インダクタ４８の電圧は電圧メータ６２によって示されている。

図５は、測定された負荷電流５６を表す電流波形６４（ｃｕｒｒｅｎｔ ｔｒａｃｅ）及びインダクタ４８の測定された電圧６２を表す電圧波形（ｖｏｌｔａｇｅ ｔｒａｃｅ）６６を示している。直列抵抗６０を考慮に入れないモデルでは、図５の符号Ａで示すように、電圧波形６６は電流の波形６４より９０°進んでいる。図示されているように、電圧の波形６６のトラフ６８は、電流の波形６４の対応するトラフ７０より９０°進んでいる。

前述したように、電圧は直列抵抗６０が考慮されていない実施の形態では、９０°電流より進んでいるが、実際には、直列抵抗６０は電流モニタリング（ｃｕｒｒｅｎｔ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ）に位相差効果（ｐｈａｓｅ ｓｈｉｆｔｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ）を有している。このように、図１０に示されているインダクタ４８を有している電気メータの最初のキャリブレーションの際には、キャリブレーションプロセスは、直列インダクタンス５８の値と直列抵抗６０の値の両方を測定しなくてはならない。

まず最初に、キャリブレーションプロセスの間、既知の電流源はブスバーそれぞれに適用される。既知の電流源は、既知の電流値（ｋｎｏｗｎ ｃｕｒｒｅｎｔ ｖａｌｕｅ）及び固定の周波数の両方を有している。一例では、テスト電流源は、最大２００アンペアの値及び６０Ｈｚの周波数を有することができる。５０Ｈｚのテスト周波数もまた、使用できるであろう。

いったんテスト電流が電気メータに接続されると、テスト回路は電流をメータに流し、インダクタ４８の電圧を測定する。前に説明したように、図６でライン７２で示したが、インダクタ４８の電圧は負荷電流に直接関連している。電圧及び電流が分かっているとき、キャリブレーション回路はそれから以下の方程式とともに式１を利用して直列インダクタンス５８を計算するために用いられる。
Ｖ_R＝I_LＲ_L 式２
Ｖ_TOTAL＝Ｚ_LＩ_L 式３
Ｚ_L＝Ｒ_L＋ｊＸ_L 式４

いったん直列インダクタンス５８が計算されると、図１０に示すように、直列インダクタンスはメータ１０のメモリ５４に記憶される。直列インピーダンス５８＋６０は、式３を使った測定電圧６２を測定電流５６で割ることにより容易に計算することができる。誘導及び抵抗成分を引き出すことは、位相差を測定することによって行うことができ、この観点から、インピーダンスは純粋な抵抗Ｒ及び純粋なインダクタンスＬに分けることができ、このようにして、式１からリアクタンス成分Ｘ_Lを計算することができる。

キャリブレーションプロセスの間、既知の電流値及び周波数を有する既知の電流源が電気メータに適用され、位相差はインダクタ５６を流れる負荷電流とインダクタ４８の電圧の間で測定される。図８に示されているように、直列抵抗６０の値は、ライン７４で示されているように、負荷電流とインダクタの電圧の間の位相差に基づいて測定することができる。例えば、負荷電流とインダクタの電圧との間の位相差がわかっていれば、インダクタインピーダンスの抵抗成分Ｚ（Ｒ）を測定することができる。同様に、インピーダンスの誘導成分Ｚ（Ｘ_L）もまた、負荷電流とインダクタの電圧との間の位相差に基づいて測定することができる。周波数がわかっていて、直列インピーダンス４８が前もって測定されているので、キャリブレーションプロセスは負荷電流とインダクタの電圧との間の位相差を測定し、結果として直列抵抗６０及び直列インダクタンス５８が計算される。

図７は、抵抗成分が一定に保たれているときの、位相差とインダクタインピーダンスＺ（Ｘ_L）との関係を表すライン７６を示している。図７及び８のグラフは、このようにわかっているいくつかの初期値から、様々な直列抵抗６０及び様々なインダクタンス５８によって生じる位相差を示している。位相差、直列抵抗６０の値及び直列インダクタンス５８の値は、全て図１０に示されている制御装置５２のメモリ５４に記憶されている。

図１０を再び参照するが、ここでの直列インダクタ４８は、多くの異なる方法で電気メータに組み込むことができる。図１３に示されている一実施形態のように、インダクタ４８は複数の巻き部分７７を有するワイヤ７５で形成することもできるであろう。この図示の形態では、ワイヤ７５は、図１３に示されている複数の巻き部分を形成するように曲げられている錫めっきされた銅の固体片である。巻き部分と巻き部分の間隔、ワイヤの径及び巻き部分７７それぞれの径によって、ワイヤ７５及び巻き部分７７によって作られるインダクタンスをコントロールできる。

さて、図９ａ及び９ｂを参照すると、インダクタ４８のさらに別の実施の形態が示されている。 図９ａ及び９ｂに示されている実施の形態では、インダクタ４８は回路基板３６のそれぞれの側に形成された第１のコイル７８（図９ａ）及び第２のコイル８０（図９ｂ）として形成されている。コイル７８及び８０はそれぞれ、金属材料を回路基板３６の裏側面４０又は表側面４２にプリントするプリントプロセスによって形成されている。一対の配線は、好ましくは銅材料で形成され、互いに結合されて一対のコイルを形成している。それぞれのコイルは開放コア８２を囲んでいる。図９ａ及び９ｂでよく理解できるように、開放コア８２は回路基板３６の一部を除去することにより形成される。回路基板の任意の部分に形成できる一対のコイル７８、８０により、監視回路の構成要素を経済的かつ小型化できる。

さらにもう一つの別の実施の形態として、図１０に示されているインダクタ４８をブスバーの一部として形成することができ、インダクタの電圧を電圧検出器５０によって測定することができる。図１１はインダクタがブスバー３０の一部として形成されている一実施の形態を示している。図１１に示されている実施の形態では、ブスバー３０は２枚の同一のプレート８４ａ及び８４ｂで形成されている。プレート８４ａ、８４ｂは互いに隣接して配置され結合されてブスバー３０を形成している。プレート８４ａ、８４ｂそれぞれは、図３に示されたブスバーと同様の取り付け方法でブスバー３０を回路基板の下側に取り付けるために用いられる一対の支持片８６を有している。一対のプレート８４ａ、８４ｂは一体化され、一対の検出ブレード８８を構成している。

さて、図１２では、ブスバー３０を構成するときに、一対のプレート８４ａと８４ｂの間に介在させられた薄い誘電体（ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ）スペーサ９０が示されている。誘電体スペーサ９０はブスバー３０にインダクタンスを導入する。このインダクタンスは、一対のプレート８４ａ及び８４ｂの自己誘導と、ブスバー３０の別々のプレートを流れる電流によって起きる相互誘導とで形成される。自己誘導及び相互誘導とを組合せることにより、ブスバー３０は、結果的に約１００ｎＨのインダクタンスを有することとなる。しかしながら、誘電体スペーサ９０及び／又はスペーサの厚みを形成するために用いる材料は、ブスバー３０のインダクタンスを希望通りにするために変更することもできるであろう。

図１１及び１２に示されたブスバー３０が電気メータで使用されるとき、電気メータは、前に説明した方法で、ブスバー３０によって作られた直列インダクタンス５８及びインダクタの直列抵抗６０（図４）の両方を測定するために再度キャリブレーションされる。このキャリブレーションプロセスでいったんこれらの値が測定されると、これらの値は電気メータに記憶される。

さまざまな異なる種類のインダクタが説明されたが、図１０に示されているインダクタ４８は、現在の開示の範囲内で作動するかぎり任意の異なる種類の方法又はプロセスで形成することができる。

Claims (23)

1. 少なくとも１本のブスバー（ｂｕｓ ｂａｒ）を介してユーティリティソースに接続されている電気メータを流れる電気量の測定システムであって、
   ブスバーと直列に設けられたインダクタと、
   前記インダクタの電圧を検出するために設けられた電圧検出器と、
   前記電圧検出器に接続され、前記インダクタの値（ｖａｌｕｅ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｄｕｃｔｏｒ）及び検出された電圧に基づいて前記電気メータを流れる電流を計算するために作動する制御装置と、を備えていることを特徴とする測定システム。
2. 前記インダクタの値はあらかじめ決められていて、前記制御装置に記憶されている、ことを特徴とする請求項１の測定システム。
3. 前記制御装置は、前記電気メータ内に設けられた回路基板に搭載され、前記インダクタは前記回路基板に形成されている、ことを特徴とする請求項１の測定システム。
4. 前記インダクタは前記ブスバーに形成されている、ことを特徴とする請求項１の測定システム。
5. 前記インダクタは複数の巻き部を有している、ことを特徴とする請求項３の測定システム。
6. 前記インダクタは、電流測定に必要な自己インダクタンス及び誘導インダクタンスの組み合わせを有している、ことを特徴とする請求項１の測定システム。
7. 前記電圧検出器はアナログ−デジタル変換器を有している、ことを特徴とする請求項１の測定システム。
8. 電気メータを流れる電流の測定方法であって、
   前記電気メータに設けられたブスバー（ｂｕｓ ｂａｒ）と直列にインダクタを設けるステップと、
   前記インダクタの前記電圧を検出するステップと、
   前記インダクタの値（ｖａｌｕｅ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｄｕｃｔｏｒ）及び検出された電圧に基づいて前記電気メータを流れる電流を計算するステップと、を備えることを特徴とする測定方法。
9. 前記電気メータに既知の基準電流を供給するステップと、
   前記インダクタの電圧を検出するステップと、
   前記既知の基準電流及び検出された電圧に基づいて前記インダクタの前記値を計算するステップと、をさらに備えたことを特徴とする請求項８の測定方法。
10. 前記電気メータに供給される前記既知の基準電流は既知の周波数で供給され、前記インダクタの前記値は、前記既知の基準電流、前記既知の周波数及び検出された電圧に基づいて計算される、ことを特徴とする請求項９の測定方法。
11. 前記インダクタの計算された値を前記電気メータの制御装置に記憶するステップと、
    前記インダクタの計算された値、前記既知の前記周波数及び検出された電圧に基づいて電流を計算するステップと、をさらに備えたことを特徴とする請求項１０の測定方法。
12. 前記電流は、前記電気メータ内の回路基板に搭載された制御装置で計算される、ことを特徴とする請求項８の測定方法。
13. 前記インダクタは前記回路基板に形成されている、ことを特徴とする請求項１２の測定方法。
14. 前記インダクタは前記ブスバーに形成されている、ことを特徴とする請求項８の測定方法。
15. 前記インダクタは前記ブスバー構造の一部である、ことを特徴とする請求項８の測定方法。
16. 前記インダクタは１００ｎＨと２００ｎＨとの間である、ことを特徴とする請求項８の測定方法。
17. 前記電流と検出された前記電圧との間の位相差を測定するステップと、
    この位相差を前記制御装置に記憶させるステップと、をさらに備えたことを特徴とする請求項１１の測定方法。
18. 電気メータであって、
    ユーティリティによって提供された所定の周波数の電源に電気メータを接続するための少なくとも１本のブスバー（ｂｕｓ ｂａｒ）と、
    前記ブスバーと直列に設けられたインダクタと、
    前記インダクタの電圧を検出するために設けられた電圧検出器と、前記電圧検出器に接続され、前記インダクタの値（ｖａｌｕｅ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｄｕｃｔｏｒ）、前記周波数及び検出された電圧に基づいて前記電気メータを流れる電流を計算するために作動する制御装置と、を備えていることを特徴とする電気メータ。
19. 前記インダクタの値はあらかじめ定められて前記制御装置に記憶されている、ことを特徴とする請求項１８のシステム。
20. 前記制御装置は、前記電気メータ内に設けられた回路基板に搭載され、前記インダクタは前記回路基板に形成されている、ことを特徴とする請求項１８のシステム。
21. 前記インダクタは前記ブスバーに形成されている、ことを特徴とする請求項１５のシステム。
22. 前記インダクタは複数の巻き部を有している、ことを特徴とする請求項１８のシステム。
23. 前記電圧検出器はアナログ−デジタル変換器を有している、ことを特徴とする請求項１８のシステム。

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