JP3029390B2 - 波形サンプリング方法とその装置および交流計測方法とその装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、複数の波形をサ
ンプリングして計測する波形サンプリング方法と波形サ
ンプリング装置、および、交流信号の電圧および電流を
サンプリングして計測し、この計測した電圧値および電
流値から電力・無効電力・電力量・無効電力量・力率な
どの電気量を求める交流計測方法と交流計測装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】図１２は、例えば特開昭６２−８０６１
号公報に示された従来の交流計測装置のブロック図であ
る。図において、１は電流／電圧変換回路、２ａは多相
交流の電圧入力を相選択するマルチプレクサ、２ｂは多
相交流の電流入力を相選択するマルチプレクサ、３ａ、
３ｂは相選択された電圧入力と電流入力を同一タイミン
グで保持するサンプルホールド回路、２ｃは同一タイミ
ングで保持された電圧および電流入力を選択するマルチ
プレクサ、４はアナログ信号をデジタル信号に変換する
Ａ／Ｄ変換回路、５はＡ／Ｄ変換回路４のデジタル出力
信号がサイクリックに書き込まれるサンプルメモリ、６
はマルチプレクサ２、サンプルホールド回路３、Ａ／Ｄ
変換回路４およびサンプルメモリ５の動作タイミングを
制御する記憶制御回路、７はサンプリングにより得られ
た計測データを演算処理し出力情報に変換するマイクロ
コンピュータ、８はサンプリングにより得られた計測デ
ータを格納および演算結果を保存する内部メモリであ
る。

【０００３】次に上記構成の動作について説明する。図
１２において、電流入力信号は電流／電圧変換回路１に
より電圧信号に変換されマルチプレクサ２ｂにより選択
されてサンプルホールド回路３ｂに入力される。一方、
電圧入力信号はマルチプレクサ２ａにより選択されてサ
ンプルホールド回路３ａに入力される。サンプルホール
ド回路３ａ、３ｂは記憶制御回路６から送られるサンプ
ル信号により同一タイミングでサンプルされる。マルチ
プレクサ２ｃはサンプルホールド回路３ａ、３ｂの信号
を選択してＡ／Ｄ変換回路４に出力し、該出力はＡ／Ｄ
変換回路４によりデジタル信号に変換されてサンプルメ
モリ５に記憶される。マイクロコンピュータ７ではサン
プルメモリ５に記憶されているサンプルデータ（ｅ1 、
ｅ2 、・・・ｅn 、ｉ1 、ｉ2 、・・・ｉn ）を読みと
り、計測出力として各種電気量の演算を実行する。

【０００４】計測出力用のデータ処理は、入力信号の１
周期毎に以下の電気量演算処理を行う。電圧および電流
の出力が平均値出力の場合、ＶＭおよびＩＭで表し、電
圧および電流が実効値出力の場合、ＶＥおよびＩＥで表
し、また、平均電力値をＷで表すと、これらの出力は
（数１）による。

【０００５】

【数１】

【０００６】無効電力値の出力は電圧と電流の位相を９
０゜ずらせて平均電力と同様の処理を行う。また、力率
は ＰＦ＝Ｗ／（Ｗ² ＋ＶＡＲ² ）^1/2 の計算を
する。電力量および無効電力量についてはそれぞれＷお
よびＶＡＲの値を積分することにより出力を得る。

【０００７】従来の交流計測装置は上記のように構成さ
れ、マルチプレクサ２ａ、２ｂ、サンプルホールド回路
３ａ、３ｂの作用により電圧入力と電流入力の各相ごと
に同一タイミングでのサンプリングを可能にして各種電
気量計測の精度を確保するようにしている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記のような従来の交
流計測装置では、同一タイミングでサンプリングを行う
ことにより計測精度を確保しようとするためにマルチプ
レクサとサンプルホールド回路が必要となる。このた
め、計測装置を構成する部品が多くなり装置を安価に製
作することが困難になるという問題点があった。また、
サンプリング方式による計測においては、そのサンプリ
ング周波数は計測する最大周波数に対して充分高く取る
必要があり、例えば、入力信号の基本周波数の１０〜１
００倍に設定する必要がある。このため、従来の交流計
測装置では、入力信号の１周期の間に１０〜１００のサ
ンプリングを電流、電圧の６要素分（３相の場合）につ
いて行う必要があるため、Ａ／Ｄ変換回路は高速に変換
を行える高価な部品が必要となるという問題点があっ
た。さらに、サンプリングした計測データを格納するメ
モリエリアにおいては、計測要素数と１周期のサンプリ
ング数を乗じた容量は必要であり、十分なメモリ容量の
確保が必要であった。

【０００９】この発明は、係る問題点を解決するために
なされたものであり、簡単な回路構成でしかも安価な低
速Ａ／Ｄ変換器により同等の計測精度を得ることを目的
としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】（１）この発明に係る波
形サンプリング方法は、同一周期を有する複数（ａ個）
の波形を、一周期中におけるサンプリング回数をａ×ｎ
±１（ｎは正の整数）として順次１データづつサンプリ
ングし、これをａ周期にわたって続行して収集したａ×
（ａ×ｎ±１）個以上のデータから、ａ個毎に存在する
同一波形のサンプリングデータを（ａ×ｎ±１）個づ
つ、ａ組を複数の波形の波形別のサンプリングデータと
して抽出するようにしたものである。

【００１１】

【００１２】

【００１３】（２）また、交流の同一周期を有する電圧
および電流の複数（ａ個）の計測要素をサンプリングし
て計測し、この計測した電圧値および電流値から電力・
無効電力・力率などの電気量を求める交流計測方法にお
いて、前記計測要素を、一周期中におけるサンプリング
回数をａ×ｎ±１（ｎは正の整数）として順次１データ
づつサンプリングし、これをａ周期にわたって続行して
収集したａ×（ａ×ｎ±１）個以上のデータから、ａ個
毎に存在する同一波形のサンプリングデータを（ａ×ｎ
±１）個づつ、ａ組を複数の計測要素の計測要素別サン
プリングデータとして抽出し、この計測要素別サンプリ
ングデータに基づいて前記電気量を演算するようにした
ものである。

【００１４】

【００１５】（３）また、１周期分のサンプリングデー
タを格納しえる容量のメモリブロックを（ａ＋１）個設
け、順次最も古いサンプリングデータを格納したメモリ
ブロックに最新の１周期分のサンプリングデータを更
新、格納するとともに、格納された最新のａ周期分のサ
ンプリングデータを用いて１周期毎に電気量の演算をす
るようにしたものである。

【００１６】（４）また、交流の電圧および電流の複数
（ａ個）の計測要素をサンプリングして計測し、この計
測した電圧値および電流値から電力・無効電力・力率な
どの電気量を求める交流計測方法において、前記計測要
素を、一周期中におけるサンプリング回数を（ａ／２）
×ｎ±１（ｎは正の整数）として前記計測要素中から１
周期当たりの計測する要素数を電圧・電流共ａ／２個と
して、かつ、電圧の複数の計測要素および電流の複数の
計測要素をａ／２周期毎に交互にサンプリングし、これ
を２ａ周期にわたって続行して収集した（２ａ×ａ×ｎ
±１）個のデータから、ａ個毎に存在する同一波形のサ
ンプリングデータを（ａ×ｎ±１）個づつ、ａ組を複数
の計測要素の計測要素別サンプリングデータとして抽出
し、電圧の演算については、連続したａ／２周期分の電
圧の計測データに基づいて、電流の演算については、連
続したａ／２周期分の電流の計測データに基づいて、電
圧・電流以外の電気量の演算については、連続したａ周
期分の計測データに基づいて電気量を演算するようにし
たものである。

【００１７】（５）また、１周期分のサンプリングデー
タを格納し得る容量のメモリブロックを（ａ／２）＋１
個設け、（ａ／２）＋１個のメモリブロックには順次、
最も古いサンプリングデータを格納したメモリブロック
に最新の電圧・電流の各周期の計測データを更新、格納
し、１個のメモリブロックには、無効電力演算用として
電圧の第１周期の３／４個分の計測データを順次、最も
古いサンプリングデータを格納したメモリブロックの部
分に更新、格納し、格納された最新のａ／２周期分の電
圧の計測データを用いて、ａ周期毎に電圧計算を行い、
格納された最新のａ／２周期分の電流の計測データを用
いて、ａ周期毎に電流計算を行い、格納された最新のａ
周期分の電圧・電流の計測データを用いて、ａ周期毎に
電圧および電流の計算以外の電気量の演算を行うように
したものである。

【００１８】（６）また、交流の電圧および電流の複数
（ａ個）の計測要素をサンプリングして計測し、この計
測した電圧値および電流値から電力・無効電力・力率な
どの電気量を求める交流計測方法において、前記計測要
素を、一周期中におけるサンプリング回数を（ａ／２）
×ｎ±１（ｎは正の整数）として前記計測要素中から１
周期当たりの計測する要素数を電圧・電流共ａ／２個と
して、かつ、電圧の複数の計測要素および電流の複数の
計測要素をａ／２周期毎に交互にサンプリングし、これ
を２ａ周期にわたって続行して収集した（２ａ×ａ×ｎ
±１）個のデータから、２ａ個毎に存在する同一波形の
サンプリングデータを（ａ×ｎ±１）個づつ、ａ組を複
数の計測要素の計測要素別サンプリングデータとして抽
出し、電圧の演算については、連続したａ／２周期分の
電圧の計測データに基づいて、電流の演算については、
連続したａ／２周期分の電流の計測データに基づいて、
電圧・電流以外の電気量の演算については、連続したａ
周期分の計測データに基づいて電気量を演算するように
したものである。

【００１９】（７）また、電気量の演算は、サンプリン
グによる電圧の計測データ（瞬時値）および電流の計測
のデータ（瞬時値）を得る都度、これらの計測データを
用いて電気量の演算をするための瞬時値分の演算を行う
と共に、この瞬時値分の演算結果を用いて電気量の演算
を行うようにしたものである。

【００２０】（８）また、この発明の交流計測方法を用
いて交流計測装置を構成したものである。

【００２１】

【発明の実施の形態】

実施の形態１．図１は、この発明の一実施の形態を示す
交流計測装置の回路構成図であり、３相交流の電圧、電
流信号から各種電気量を計測する場合を例に説明する。
図において、１は入力電流信号を電圧信号に変換する電
流／電圧変換回路、２は計測要素を選択するマルチプレ
クサ、４はアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／
Ｄ変換回路、７はサンプリングにより得られた計測デー
タを演算処理し出力情報に変換するマイクロコンピュー
タ、８はサンプリングにより得られた計測データを格納
および演算結果を保存する内部メモリである。

【００２２】次に動作について説明する。電圧入力信
号、および、電流／電圧変換回路１から出力される電流
入力信号は、マイクロコンピュータ７の制御によりマル
チプレクサ２によって選択されＡ／Ｄ変換回路４に入力
される。Ａ／Ｄ変換回路４はマルチプレクサ２への選択
信号と連動した変換指令をマイクロコンピュータ７から
受けてＡ／Ｄ変換を行いデジタル信号をマイクロコンピ
ュータ７へ出力する。マイクロコンピュータ７はＡ／Ｄ
変換回路４の信号を内部メモリ８に記憶する。

【００２３】前記の入力信号の選択からデジタル信号の
記憶にいたる動作は、サンプリング頻度をｊとすると、
入力信号の１周期を、 ｊ＝計測要素数の正の整数倍＋１ に分割した頻度でサンプリングを行い、且つ、計測要素
数に等しい周期にわたって行なう。この実施の形態では
計測要素数６であるので、ｊ＝６ｎ＋１のサンプリング
頻度で、６周期にわたってサンプリングする。

【００２４】図２は各相の電圧と電流の波形を示す図で
あり、図３は各相の電圧と電流のサンプリング位置を示
す図である。図２および図３において、第１周期では電
圧入力のＲ相、Ｓ相、Ｔ相、次いで電流入力のＲ相、Ｓ
相、Ｔ相の順序で繰り返しサンプリングを行い、サンプ
リングのタイミングが計測要素数の正の整数倍＋１であ
ることにより第１周期の最終部分（ｊ番目）において
は、電圧入力のＲ相のサンプリングで終了する。

【００２５】次に、第２周期では電圧入力のＳ相、Ｔ
相、電流入力のＲ相、Ｓ相、Ｔ相、電圧入力のＲ相の順
序でサンプリングを行う。図示しないが、第１周期の場
合と同様に、第２周期の最終部分（ｊ番目）において
は、電圧入力のＳ相のサンプリングで終了する。

【００２６】以下、同様にして計測要素数に等しい周期
（この実施の形態では６周期）にわたってサンプリング
を行うことにより、各周期で得られるデータはサンプリ
ング位置が１づつずれたデータとなり、これらのデータ
群から各計測要素のサンプリング位置に相当するデータ
を取り出すことができる。

【００２７】図４はサンプリングされたデータがマイク
ロコンピュータの内部メモリに記憶される状態を示す。
図４において、各サンプル位置のデータは図３における
周期とサンプル位置の番号の組み合わせで表示してお
り、例えば、一番左上のデータ「１−１」は１周期目の
１番目のサンプル位置を示している。従って、６周期に
わたってサンプリングすることにより、図４の丸で囲ん
だように「１−１」「１−２」「１−３」・・・と順次
データが記憶されていき、最終の「６−ｊ」まで図４の
全てのデータがマイクロコンピュータの内部メモリに記
憶されることになる。

【００２８】そして図４に示すように、各計測要素の各
サンプル位置に相当するデータは前記サンプリングデー
タ群から抽出することができる。抽出したデータを計測
要素別サンプリングデータと呼ぶ。そして電気量の演算
の場合は、同一サンプリング位置に相当する各データの
電圧値・電流値を抽出し、所定の演算を実行する。各電
気量の演算方法は前記の従来のものと同様であるので説
明を省略する。

【００２９】なお、無効電力計測の場合は、同一サンプ
リング位置のデータでなく電圧と電流との位相を９０゜
ずらせるようなサンプリング位置のデータを抽出して演
算する。このようにマイクロコンピュータの内部メモリ
の電圧・電流のデータを用いて電力・無効電力等の各種
の電気量を算出し、また、算出結果を出力することがで
きる。

【００３０】以上のように、サンプリング方法を改善す
ることにより、従来の図１２の装置から図１に示すこの
実施の形態の装置のように大幅に簡易化された回路で構
成することができる。このように大幅に回路を削減し簡
易化できるのは、従来の装置では、１周期当たり１９の
サンプリング頻度でサンプリングするとすれば、１９回
／１周期のサンプリングを計測要素数（この実施の形態
では６計測要素）のそれぞれについて行う必要があり、
Ａ／Ｄ変換は「１９×６＝１１４／１周期」の高速変換
が必要である。

【００３１】この発明のものは、１周期当たり１９のサ
ンプリング（ａ×ｎ＋１で、ａ＝６、ｎ＝３とすれば、
６×３＋１＝１９のサンプリング）を６周期にわたって
行えばよく、計測要素の数とは関係がなく１計測要素分
行えばよい。従ってＡ／Ｄ変換は「１９／１周期」の変
換でよく大幅に変換速度を低減することができる。つま
り、１回のサンプリング間隔内にＡ／Ｄ変換する要素数
を１つで済ませることができ、変換速度は「１／（計測
用素数）」に低減できる。

【００３２】また、計測精度はサンプリング頻度に依存
するが、この例では、従来もこの発明の場合も同じく１
９であるので、同一の精度で計測することができる。こ
のことは、もし従来のものとこの発明のものと同一のＡ
／Ｄ変換速度でＡ／Ｄ変換すれば、この発明のものは従
来のものよりも精度を向上することができる。

【００３３】以上のように、同一周波数を有する複数の
波形（計測要素）に対し、１周期当たりのサンプリング
頻度を計測要素数の正の整数倍±１の頻度とし、複数の
計測要素を順次サンプリングし、収集されたサンプリン
グデータの内、計測要素数に等しい周期のデータから必
要なデータを取り出して演算を行うようにしたので、簡
単な回路構成でしかも安価な低速のＡ／Ｄ変換器が利用
できる効果がある。

【００３４】実施の形態２．上記実施の形態１では、サ
ンプリングの頻度（ｊ）を計測要素数（ａ）の正の整数
倍＋１の割合で実行したが、このサンプリング頻度
（ｊ）は、計測要素の正の整数倍−１（ｊ＝ａ×ｎ−
１）の割合で実行しても前記実施の形態１と同様に各周
期で得られるデータはサンプリング位置が１づつずれた
データとなり同様な効果が得られる。即ち、実施の形態
１と併せて、１周期当たりのサンプリング頻度は ｊ＝ａ×ｎ±１ を満足するようにすればよい。

【００３５】実施の形態３．前記実施の形態１では、１
回の演算が行われるまでの過程について説明したが、実
施の形態３では、この過程を繰り返し行う方法について
説明する。前記実施の形態１で示す過程は、計測要素数
（ａ）に等しい周期にわたってサンプリングを行った後
に１回の電気量演算を実行するため、計測開始から出力
までに時間がかかる。即ち、計測要素数（ａ）が６であ
れば６周期かかる。また、６周期毎の演算では演算頻度
が少ない場合がある。この実施の形態は演算出力までの
時間を短縮し、また、演算頻度を多くするものである。

【００３６】図５はマイクロコンピュータの内部メモリ
に格納するサンプリングデータブロックの配置を示す図
であり、内部メモリは前記サンプリング過程が必要とす
る周期（ａ）より１だけ大きい領域（ａ＋１の領域）の
リングバッファ（この実施の形態では７周期分）を持
ち、入力信号の１周期毎にバッファ領域に格納されいて
る最新の６周期分のデータを移動的に採用して電気量の
演算を実行することにより出力応答性を高めることがで
きる。なお、入力信号の１周期毎に実行される電気量演
算中にも次のサンプリングデータがリングバッファの使
用済みのメモリ内に逐次記憶される。

【００３７】図６に電気量演算およびサンプリングデー
タの格納の手順をフローチャートで示す。図の左側の電
気量演算のフローチャートを説明すると、電気量演算フ
ラグがＯＮになれば（Ｓ１）、図５に示すリードポイン
タから読み出しブロックの先頭位置を得て（Ｓ２）、同
一サンプリング位置に相当する各データを第１周期から
第６周期までのデータブロック中から抽出する（Ｓ
３）。抽出したデータを用いて電気量の演算を行い、結
果を出力する（Ｓ４）。リードポインタを次のブロック
にセットし（Ｓ５）、電気量演算フラグをリセットする
（Ｓ６）。

【００３８】次に図６右側のサンプリングデータ格納の
フローチャートを説明する。割込起動は、サンプリング
のタイミングで行われる。即ち、サンプリング位置「１
〜ｊ」の各タイミングで一つのデータを得る毎に、割込
が起動され、そのサンプリングデータを格納して割込み
が終了する。

【００３９】割込起動開始で、ライトポインタから書き
込みブロック（図５の次の第７周期データブロック）を
得て（Ｔ１）、サンプリング番号のメモリへ書き込む
（Ｔ２）、「サンプリング番号＋１」して（Ｔ３）、ｊ
まで書いたか否か判定し（Ｔ４）、否であれば、割込終
了し、次のサンプリングのタイミングでの割り込み起動
を待つ。このようにして、タイミングの１からｊまでの
データを各サンプリングのタイミング毎に割込起動して
書き込んでいき、ｊまで書けば、ステップＴ５へ行きラ
イトポインタを次のブロック（図５の第１周期のデータ
ブロックが第８周期データブロックとなり第８周期のデ
ータが書き込まれる）へ更新し、電気量演算フラグをセ
ットする（Ｔ６）。

【００４０】１〜ｊ迄の書き込みを終れば、電気量演算
フラグがセットされているので、図６のステップＳ１か
ら第２周期〜第７周期までの６周期分のデータを用い
て、電気量の演算を実行する。このような繰り返しによ
り順次１周期毎に電気量の演算が実行できるので、即応
性のよい計測結果を常に得ることができる。

【００４１】実施の形態４．実施の形態１では、サンプ
リングの順序をｅR ，ｅS ，ｅT ，ｉR ，ｉS ，ｉT に
したが、この順序はｅR ，ｉR ，ｅS ，ｉS ，ｅT ，ｉ
T としてもよく、その他の順序としてもよい。

【００４２】実施の形態５．実施の形態１では、サンプ
リング頻度が１周期当たり、ｊ＝ａ×ｎ±１で、６計測
要素数の場合、ｊ＝６ｎ±１としたが、これはｊ＝６ｎ
±５としても同一の結果が得られる。例えば、図７に示
すように、ｊ＝６ｎ＋５は、ｊ＝６（ｎ＋１）−１と同
一のｊが得られ、また、ｊ＝６ｎ−５は、ｊ＝６（ｎ−
１）＋１と同一のｊが得られる。また、同様に３要素数
でも図７のように、ｊ＝３ｎ±１とｊ＝３ｎ±２と同一
となる。

【００４３】この関係は、ｊ＝ａ×ｎ±１と、ｊ＝ａ×
ｎ±（ａ−１）とが同一の結果が得られることを示すも
のである。これは、ｊ＝ａ×ｎ＋（ａ−１）＝ａ×ｎ＋
ａ−１＝ａ（ｎ＋１）−１となり、ｊ＝ａ×ｎ−１と比
べてｎの値が１ずれるのみで同一の結果が得られる。従
って、ｊ＝ａ×ｎ＋（ａ−１）の式はｊ＝ａ×ｎ−１の
式に置き換えられる。また、ｊ＝ａ×ｎ−（ａ−１）＝
ａ×ｎ−ａ＋１＝ａ（ｎ−１）＋１となり、ｊ＝ａ×ｎ
＋１と比べてｎの値が１ずれるのみで同一の結果が得ら
れる。従って、ｊ＝ａ×ｎ−（ａ−１）の式はｊ＝ａ×
ｎ＋１の式に置き換えられる。

【００４４】実施の形態６．実施の形態３では、１周期
毎に最新の連続する計測用素数の周期数のデータを抽出
して所定の電気量の演算をしたが、１周期毎でなく半周
期（１／２周期）ごとに演算をするようにしてもよい。
この場合はデータブロックを半周期毎に分割して行えば
より即応性のある演算結果を出力することができる。

【００４５】更に、即応性を必要とする場合は、１サン
プル毎、２サンプル毎に演算するようにしてもよい。こ
れは今後マイクロコンピュータの高性能化で十分対応す
ることができ、また、並列演算などを用いて演算処理を
分散して行うようにしてもよい。また、あまり即応性を
必要としない場合は、２周期毎、３周期毎に演算するよ
うにしてもよい。

【００４６】実施の形態７．この実施の形態では、サン
プリング方法の異なる電気量の計測方法について説明す
る。図８は、電圧電流のサンプリングを分けて計測した
場合のサンプリング位置を示す図である。図８におい
て、３相の場合、計測要素数は６（ａ＝６）であるが、
これを電圧要素数（ａ／２＝３）と、電流要素数（ａ／
２＝３）に分け、それぞれａ／２＝３周期ずつサンプリ
ングする。

【００４７】そのサンプリング頻度は１周期当たり （ａ／２個）×ｎ±１ （ｎは正の整数） とする。なお、図８では、電圧波形・電流波形共１相分
のみを表していて、他の２相分は省略している。

【００４８】第１周期では電圧入力のＲ相、Ｓ相、Ｔ
相、第２周期では電圧入力のＳ相、Ｔ相、Ｒ相、第３周
期では電圧入力のＴ相、Ｒ相、Ｓ相、の順序でサンプリ
ングを行い、第３周期の最終部分（ｊ番目）において、
電圧入力Ｔ相で終了する。

【００４９】次に、第４周期では、電流のＲ相、Ｓ相、
Ｔ相の順序で繰り返し、以下、電圧と同様にして計測要
素数（電圧・電流共、ａ／２＝３）と等しい周期にわた
ってサンプリングを行うことにより、各計測要素のサン
プリング位置に相当するデータを取り出すことができ
る。

【００５０】このようにして得たサンプリングデータを
用いて、実施の形態１と同様の電圧・電流等の各種電気
量の演算を行うことができる。従って、演算方法は省略
する。

【００５１】次に、この実施の形態のサンプリング方法
を用いて、メモリブロックの節約を行う実施の形態を説
明する。メモリブロックは、（ａ／２周期＋１）個と
し、この場合は（３＋１）個となり、３個のメモリブロ
ックは、サンプリングした電圧データと電流データを交
互に格納するもので、その他の１個は無効電力演算用に
電圧データの第１周期の３／４のデータを格納する。

【００５２】図９および図１０は、サンプリングした計
測データがメモリブロックに格納される状態を示す。第
１周期の最初に電圧のＲ相のｅ_R 1,1 をサンプリングす
ると、電圧を求めるための計算を行い、その後、周期と
各相に対応したサンプリング位置に格納していく。さら
に、第１周期の３／４個目までは無効電力用に二重にデ
ータを格納しておく。

【００５３】同様に、電圧のＳ相、Ｔ相についても行
う。第３周期の各相の最後のサンプリングが終了する
と、今までの電圧計算の内容から最後の電圧演算を行
い、最終結果とする。

【００５４】次に、第４周期の電流のＲ相のｉ_R 4,1 を
サンプリングすると、電流を求めるための計算を開始
し、前回までにサンプリングして保存しておいた電圧の
同一サンプリング位置の計測データから電力を求めるた
めの計算を行う。さらに、無効電力の場合は、同一サン
プル位置ではなく、電圧と電流との位相を９０゜ずらせ
たサンプル位置から計測したデータを抽出して計算す
る。

【００５５】ただし、第４周期の１／４個目以降は、抽
出する電圧のデータは二重に格納しておいたメモリエリ
アからもってくる。電流、電力、無効電力を求めるため
の演算が終了すると電圧と同一のサンプリング位置へ上
書きして格納する。

【００５６】同様に、電流のＳ相、Ｔ相についても行
い、第６周期の各相の最後のサンプリングが終了する
と、今までの計算の内容から最後の電流、電力、無効電
力、さらに、力率の演算を行い最終結果とする。

【００５７】サンプリング中の計算内容は、電圧、電
流、電力、無効電力用にメモリエリアに保存しておく。

【００５８】電流のサンプリング中の計算において、計
算数が多いため、電圧のサンプリング時に、前回サンプ
リングして格納しておいた電流のデータを用いて電力の
演算を行ってもよい。

【００５９】上記演算方法について詳細を説明する。第
１周期の最初に電圧Ｒ相のｅ_R 1,1 からサンプリングし
て、Ｒ相の電圧実効値を求めるための計算は、（数２）
の式を用いて次のように計算する。

【００６０】

【数２】

【００６１】１周期１回目のサンプリングで、 ｖｅ_R ＝ｅ_R 1,1 ² １周期４回目のサンプリングで、 ｖｅ_R ＝ｅ_R 1,1 ² ＋ｅ_R 1,4 ² １周期Ｌ回目のサンプリングで、 ｖｅ_R ＝ｅ_R 1,1 ² ＋ｅ_R 1,4 ² ＋・・・＋ｅ_R 1,L ² ２周期３回目のサンプリングで、 ｖｅ_R ＝ｅ_R 1,1 ² ＋ｅ_R 1,4 ² ＋・・・＋ｅ_R 1,L ²
＋・・・＋ｅ_R 2,3 ²

【００６２】３周期２回目のサンプリングで、 ｖｅ_R ＝ｅ_R 1,1 ² ＋ｅ_R 1,4 ² ＋・・・＋ｅ_R 1,L ²
＋・・・＋ｅ_R 2,3 ²＋・・・ ＋ｅ_R 3,2 ² ３周期ｊ−２回目のサンプリングで、 ｖｅ_R ＝ｅ_R 1,1 ² ＋ｅ_R 1,4 ² ＋・・・＋ｅ_R 1,L ²
＋・・・＋ｅ_R 2,3 ²＋・・・ ＋ｅ_R 3,2 ² ＋・・・＋ｅ_R 3,j −２²

【００６３】以上のようにサンプリングデータを２乗し
累計する計算をサンプリングの都度行う。即ち、サンプ
リングの都度、瞬時値分の計算を行う。３周期で全サン
プリングを終了し、この終了時点で、実際の実効値 ＶＥ_R ＝［（ｖｅ_R ）／ｊ］^1/2 を求める。

【００６４】次にＳ相の電圧計算は、上記Ｒ相の電圧計
算と同様に行い、ｅ_S のサンプリングデータから求め
る。

【００６５】１周期２回目のサンプリングで、 ｖｅ_S ＝ｅ_S 1,2 ² ・・・・・・・・・・・・・・・ ３周期ｊ−１回目のサンプリングで、 ｖｅ_S ＝ｅ_S 1,2 ² ＋・・・＋ｅ_S 3,j-1 ² ３周期で全サンプリングを終了し、この終了時点で、実
際の実効値 ＶＥ_S ＝［（ｖｅ_S ）／ｊ］^1/2 を求める。

【００６６】次にＴ相の電圧計算も、上記Ｒ相、Ｓ相の
の電圧計算と同様に行い、ｅ_T のサンプリングデータか
ら ＶＥ_T ＝［（ｖｅ_T ）／ｊ］^1/2 を求める。

【００６７】以上のようにして、１〜３周期で電圧のサ
ンプリングデータを全て得ると共に、電圧の計測要素数
（ａ／２＝３）であるＲ相、Ｓ相、Ｔ相の電圧計算をす
ることができる。なお、電圧の平均値（ＶＭ）を求める
場合は、サンプリングデータを得るごとに単に加算して
いき、データ数で除して求める。

【００６８】電流計算する場合も上記電圧計算の場合と
同様であるが、４周期から６周期の３周期分のサンプリ
ングデータを電圧データを格納したメモリブロックに上
書きして行き、サンプリングデータを得るごとに、電圧
計算と同様、瞬時値分の計算を行い、６周期目で全ての
電流データを得て電流計算を行う。

【００６９】電力計算をする場合は、（数３）の式で求
めるために、次のように計算を行う。

【００７０】

【数３】

【００７１】４周期１回目のサンプリングで、 Ｗ_R ＝ｅ_R 1,1 ×ｉ_R 4,1 ４周期４回目のサンプリングで、 Ｗ_R ＝ｅ_R 1,1 ×ｉ_R 4,1 ＋ｅ_R 1,4 ×ｉ_R 4,4 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ ６周期ｊ−２回目のサンプリングで、 Ｗ_R ＝ｅ_R 1,1 ×ｉ_R 4,1 ＋ｅ_R 1,4 ×ｉ_R 4,4 ・・・
＋ｅ_R 3,j-2 ×ｉ_R 6,j-2

【００７２】以上のように、サンプリングする都度、電
圧と電流を乗じ累計をとる。全サンプリングを終了（６
周期終了）した時点で、次式で電力を求める。 Ｗ_R ＝ｗ_R ／ｊ

【００７３】無効電力も電力と同様にして求めるが、９
０度位相がずれているので、１相につき３／４×ｊ個分
の電圧データが格納された二重のメモリブロックからデ
ータを使用する。この計算は下記の式（数４〜数９を含
む）により行う。二重のメモリブロックから用いたデー
タをアンダーラインで示す。

【００７４】４周期１回目のサンプリングで、 Ｖｅｒ_R ＝ｅ_R 1,22×ｉ_R 4,1 ４周期４回目のサンプリングで、 Ｖｅｒ_R ＝ｅ_R 1,22×ｉ_R 4,1 ＋ｅ_R 1,25×ｉ_R 4,4 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・

【００７５】４周期１０回目のサンプリングで、

【００７６】

【数４】

【００７７】 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・

【００７８】５周期３回目のサンプリングで、

【００７９】

【数５】

【００８０】 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・

【００８１】５周期９回目のサンプリングで、

【００８２】

【数６】

【００８３】 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・

【００８４】６周期２回目のサンプリングで、

【００８５】

【数７】

【００８６】 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ ６周期８回目のサンプリングで、

【００８７】

【数８】

【００８８】 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ ６周期ｊ回目のサンプリングで、

【００８９】

【数９】

【００９０】以上のように、９０度位相をずらせた電圧
と電流とをサンプリングの都度乗じて累計する。全サン
プリング（６周期）を終了した時点で、無効電力（Ｖａ
ｒ）を求める。

【００９１】そうして力率（ＰＦ）は電力と無効電力を
求めた時点で、次の式で計算する。 ＰＦ＝Ｗ／（Ｗ² ＋Ｖａｒ² ）^1/2

【００９２】以上のように、この実施の形態は、電圧と
電流のサンプリングをａ／２周期毎に交互に行うように
したものであり、更に、メモリブロックを（ａ／２＋
１）個とメモリブロック数を少なくして電気量の計測を
実現することができる。

【００９３】なお、上記の説明では、電圧と電流のサン
プリングにおいて、電圧を１〜３周期、電流を４〜６周
期としたが、電流のサンプリングを先にして、電流を１
〜３周期、電圧を４〜６周期としてもよい。

【００９４】実施の形態８．実施の形態７では、電圧と
電流のサンプリングをａ／２周期毎に交互に行うように
したが、この実施の形態８では、電圧と電流のサンプリ
ング１周期毎に交互に行うようにしたものである。サン
プリング頻度は、実施の形態７と同一で、１周期当たり
（ａ／２個）×ｎ±１（ｎは正の整数）のサンプリング
頻度である。但し、メモリブロックの数は、ａ周期分が
必要である。

【００９５】図１１はサンプリングの関係を実施の形態
７と比較して示すものである。この図から分かるよう
に、ケース１とケース２は実施の形態７のサンプリング
方法で、ケース３とケース４はこの実施の形態８のサン
プリング方法である。ケース３のように、電圧の計算は
１，３，５周期の電圧データで、電流の計算は２，４，
６周期のデータで行うか、または、ケース４のように電
流の計算は、１，３，５周期の電流データで、電圧の計
算は２，４，６周期の電圧データで行う。また、電力、
無効電力、力率などは１〜６周期の電圧・電流データで
行う。

【００９６】この実施の形態においても、実施の形態７
と同様、サンプリングの都度、電気量を計算するための
瞬時値の計算を行うようにしてもよく、計算処理を分散
できる。従って、この実施の形態のサンプリング方法
は、実施の形態１と同様に、簡単な回路構成でしかも安
価な低速のＡ／Ｄ変換器が利用できる効果がある。

【００９７】実施の形態９．上記の実施の形態では、交
流の電気量の計測装置およびその計測方法について述べ
たが、この発明のサンプリング方法は、同一周波数を有
する複数の波形のサンプリングに適用することができ、
例えば、機械的振動波形の計測や解析、また、光信号波
形の計測、水の波形の計測等のサンプリングに適用でき
る。また、このサンプリング方法を用いてサンプリング
装置を構成することもできる。この回路構成は図１の構
成と同一のものでよく、入力にサンプリング対象の波形
を電気量に変換して入力すればよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の実施の形態１による交流計測装置
の回路構成図である。

【図２】 この発明の実施の形態１による各相の電圧と
電流の波形を示す図である。

【図３】 この発明の実施の形態１による各相のサンプ
リング位置を示す図である。

【図４】 この発明の実施の形態１おけるサンプリング
されたデータがマイクロコンピュータの内部メモリに記
憶される状態を示す図である。

【図５】 この発明の実施の形態３によるマイクロコン
ピュータの内部メモリに格納するサンプリングデータブ
ロックの配置を示す図である。

【図６】 この発明の実施の形態３による電気量演算お
よびサンプリングデータの格納の手順を示すフローチャ
ートである。

【図７】 この発明の実施の形態５による計測要素数と
サンプリング頻度との関係を示す図である。

【図８】 この発明の実施の形態７による電圧と電流の
サンプリングを分けて計測した場合の、サンプリング位
置を示す図である。

【図９】 この発明の実施の形態７によるサンプリング
した計測データがメモリブロックに格納される状態を示
す図である。

【図１０】 この発明の実施の形態７によるサンプリン
グした計測データがメモリブロックに格納される状態を
示す図である。

【図１１】 この発明の実施の形態８によるサンプリン
グ方法を説明する図である。

【図１２】 従来の交流計測装置のブロック図である。

【符号の説明】

１ 電流／電圧変換回路、２ マルチプレクサ、３ サ
ンプルホールド回路、 ４ Ａ／Ｄ変換回路、５ サン
プルメモリ、６ 記憶制御回路、７ マイクロコンピュ
ータ、８ 内部メモリ。

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 同一周期を有する複数（ａ個）の波形
   を、上記一周期中におけるサンプリング回数をａ×ｎ±
   １（ｎは正の整数）として順次１データづつサンプリン
   グし、これをａ周期にわたって続行して収集したａ×
   （ａ×ｎ±１）個のデータから、ａ個毎に存在する同一
   波形のサンプリングデータを（ａ×ｎ±１）個づつ、ａ
   組を上記複数の波形の波形別のサンプリングデータとし
   て抽出するようにしたことを特徴とする波形サンプリン
   グ方法。
2. 【請求項２】 交流の同一周期を有する電圧および電流
   の複数（ａ個）の計測要素をサンプリングして計測し、
   この計測した電圧値および電流値から電力・無効電力・
   力率などの電気量を求める交流計測方法において、前記計測要素を、上記一周期中におけるサンプリング回
   数 をａ×ｎ±１（ｎは正の整数）として順次１データづ
   つサンプリングし、これをａ周期にわたって続行して収
   集したａ×（ａ×ｎ±１）個のデータから、ａ個毎に存
   在する同一波形のサンプリングデータを（ａ×ｎ±１）
   個づつ、ａ組を上記複数の計測要素の計測要素別サンプ
   リングデータとして抽出し、この計測要素別サンプリン
   グデータに基づいて前記電気量を演算するようにしたこ
   とを特徴とする交流計測方法。
3. 【請求項３】 請求項２において、１周期分のサンプリ
   ングデータを格納しえる容量のメモリブロックを（ａ＋
   １）個設け、順次最も古いサンプリングデータを格納し
   たメモリブロックに最新の１周期分のサンプリングデー
   タを更新、格納するとともに、格納された最新のａ周期
   分のサンプリングデータを用いて１周期毎に電気量の演
   算をするようにしたことを特徴とする交流計測方法。
4. 【請求項４】 交流の電圧および電流の複数（ａ個）の
   計測要素をサンプリングして計測し、この計測した電圧
   値および電流値から電力・無効電力・力率などの電気量
   を求める交流計測方法において、前記計測要素を、上記一周期中におけるサンプリング回
   数を （ａ／２）×ｎ±１（ｎは正の整数）として前記計
   測要素中から１周期当たりの計測する要素数を電圧・電
   流共ａ／２個として、かつ、電圧の複数の計測要素およ
   び電流の複数の計測要素をａ／２周期毎に交互にサンプ
   リングし、これを２ａ周期にわたって続行して収集した（２ａ×ａ
   ×ｎ±１）個のデータか ら、ａ個毎に存在する同一波形
   のサンプリングデータを（ａ×ｎ±１）個づつ、ａ組を
   上記複数の計測要素の計測要素別サンプリングデータと
   して抽出し、 電圧の演算については、連続したａ／２周期分の電圧の
   計測データに基づいて、電流の演算については、連続し
   たａ／２周期分の電流の計測データに基づいて、電圧・
   電流以外の電気量の演算については、連続したａ周期分
   の計測データに基づいて電気量を演算するようにしたこ
   とを特徴とする交流計測方法。
5. 【請求項５】 請求項４において、１周期分のサンプリ
   ングデータを格納し得る容量のメモリブロックを（ａ／
   ２）＋１個設け、 （ａ／２）＋１個のメモリブロックには順次、最も古い
   サンプリングデータを格納したメモリブロックに最新の
   電圧・電流の各周期の計測データを更新、格納し、上記
   １個のメモリブロックには、無効電力演算用として電圧
   の第１周期の３／４個分の計測データを順次、最も古い
   サンプリングデータを格納したメモリブロックの部分に
   更新、格納し、 上記格納された最新のａ／２周期分の電圧の計測データ
   を用いて、ａ周期毎に電圧計算を行い、 上記格納された最新のａ／２周期分の電流の計測データ
   を用いて、ａ周期毎に電流計算を行い、 上記格納された最新のａ周期分の電圧・電流の計測デー
   タを用いて、ａ周期毎に上記電圧および電流の計算以外
   の電気量の演算を行うようにしたことを特徴とする交流
   計測方法。
6. 【請求項６】 交流の電圧および電流の複数（ａ個）の
   計測要素をサンプリングして計測し、この計測した電圧
   値および電流値から電力・無効電力・力率などの電気量
   を求める交流計測方法において、前記計測要素を、上記一周期中におけるサンプリング回
   数を（ａ／２）×ｎ±１（ｎは正の整数）として前記計
   測要素中から１ 周期当たりの計測する要素数を電圧・電
   流共ａ／２個として、かつ、電圧の複数の計測要素およ
   び電流の複数の計測要素をａ／２周期毎に交互にサンプ
   リングし、これを２ａ周期にわたって続行して収集した（２ａ×ａ
   ×ｎ±１）個のデータから、２ａ個毎に存在する同一波
   形のサンプリングデータを（ａ×ｎ±１）個づつ 、ａ組
   を上記複数の計測要素の計測要素別サンプリングデータ
   として抽出し、 電圧の演算については、連続したａ／２
   周期分の電圧の計測データに基づいて、電流の演算につ
   いては、連続したａ／２周期分の電流の計測データに基
   づいて、電圧・電流以外の電気量の演算については、連
   続したａ周期分の計測データに基づいて電気量を演算す
   るようにしたことを特徴とする交流計測方法。
7. 【請求項７】 請求項４〜６のいずれか一項において、
   電気量の演算は、 サンプリングによる電圧の計測データ（瞬時値）および
   電流の計測のデータ（瞬時値）を得る都度、これらの計
   測データを用いて電気量の演算をするための瞬時値分の
   演算を行うと共に、 この瞬時値分の演算結果を用いて電気量の演算を行うよ
   うにしたことを特徴とする交流計測方法。
8. 【請求項８】 請求項１〜７のいずれか一項の交流計測
   方法を用いて構成したことを特徴とする交流計測装置。