JP6152969B2

JP6152969B2 - 電力計測器

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Publication number: JP6152969B2
Application number: JP2013066616A
Authority: JP
Inventors: 明実塩川; 洋二水野; 英昭永利; 省互一村
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2013-03-27
Filing date: 2013-03-27
Publication date: 2017-06-28
Anticipated expiration: 2033-03-27
Also published as: JP2014190837A

Description

本発明は、変流器（ＣＴ：Current Transformer)を用いて分電盤内などにおける回路の電力を計測する電力計測器に関する。

従来より、住宅内やビルディングなどの施設に設けられた分電盤内における回路の電力を計測する際、変流器が用いられる。一般的に、この変流器の受け側回路には電力計測器が接続され、この電力計測器は、変流器と接続される回路に負担抵抗を挿入して、この負担抵抗の両端の電圧を検出することで電流値を計測して電力演算を行う。

ここで、従来の電力計測器の機能構成に関して図７を参照して説明する。電力計測器１００は、電流検出部１０１、電圧検出部１０２、及び電力演算部１０３を備える。電力演算部１０３に備わる乗算部１０３ａは、変流器（ＣＴ）１０４に接続された電流検出部１０１において検出した電流値と、電圧検出部１０２において検出した電圧値とに基づいて電力（Ｗ）などの電力値演算を行う。伝送回路部１０３ｂは、乗算部１０３ａにおける演算結果を計測電力値として出力する。

電力計測器１００には、ノイズ対策のために、電流検出部１０１にて検出された電流値が所定の閾値Ｔ_ｈ未満であれば、ゼロ電流と判定し、電力演算を開始しない潜動防止性能が設定されている。また、電力計測器１００は、電力演算の始動判定のために、電流検出部１０１において検出した電流値（実際には実効値）が閾値Ｔ_ｈ以上（「始動電流」とも言う）となると電力演算を始動する性能を有する。なお、閾値Ｔ_ｈは、電力計測器１００の定格電流の所定比率（非常に小さなレベル）で決められており、例えば、定格電流１００Ａ、所定比率０．３％の場合なら閾値Ｔ_ｈは０．３Ａに設定される。

ところで、電流検知手段及び電圧検知手段を備えた電力計測器をブレーカに着脱可能にした電力計測システムが開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９−１０３５３８号公報

しかしながら、電力計測器１００の処理回路には、実際には、増幅回路や抵抗体における熱雑音、輻射無線、磁界などに由来する様々な外来ノイズが発生し、その結果、電流信号にノイズが重畳することがある。なお、当該ノイズは、高周波を含んでおり、不規則に上下方向に振動するホワイトノイズである。

ここで、従来の電力計測器１００におけるノイズの影響に関して図８を参照して説明する。電圧検出部１０２に入力される電圧波形は、図８（ａ）に示すように、交流電圧の実効値１００Ｖ、周波数５０Ｈｚの正弦波形とする。また、負荷１０５に対して０Ａの無通電時であるため、図８（ｂ）に示すように、電流検出部１０１に入力される電流波形は検出されない。そして、電流検出部１０１において、図８（ｃ）に示すような外来ノイズが発生すると、電流検出部１０１から出力される電流波形は、図８（ｄ）に示すように、図８（ｂ）に示す電流波形に図８（ｃ）に示すノイズが重畳された電流波形となる。

この時、ノイズのレベルによっては、電流検出部１０１において計測した電流値が閾値Ｔ_ｈ（図８においては０．３Ａ）を超えてしまい、電力演算部１０３における電力演算が誤始動される。すなわち、実際には負荷１０５に対して電流が流れていないにも関わらず、ノイズレベルによっては電力計測器１００から計測電力値が出力（電力計測器１００が潜動）される。この結果、電力計測器１００から出力される計測電力値の精度が悪化するという問題が発生している。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、電流信号に外来ノイズなどが重畳した場合においても、より正確な計測電力値を出力できるようにした電力計測器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は、回路から電圧の信号を検出する電圧検出部と、前記回路に取り付けられた変流器からの出力に基づいて電流の信号を検出する電流検出部と、前記電圧検出部及び電流検出部で検出される電圧値及び電流値の各信号を乗算して前記回路の電力を演算する電力演算部と、を備える電力計測器において、前記電力演算部において演算された電力を所定時間において積算した電力量を求め、当該電力量が所定の閾値を超えた場合、当該閾値を超えたと判断した時点以降の電力値を、計測電力値として出力するように制御する測定制御部を備え、前記電力計測器の定格電圧と、前記電力計測器の定格電流の所定比率とを乗算して求めた電力値に、電流波形と電圧波形との位相差に基づく力率の値を乗算した値を、前記所定の閾値とする、ことを特徴とする。

この電力計測器において、前記定格電圧は、前記電圧検出部において計測される実際の計測電圧値に基づいて算出されることが好ましい。

この電力計測器において、前記測定制御部は、さらに、前記電流検出部において検出された電流値と、前記電力計測器の定格電流の所定比率との乗算で決定される所定の閾値に基づいて、当該電流値が当該所定の閾値を超える場合に、当該閾値を超えたと判断した時点以降の電力値を、計測電力値として出力するように制御することが好ましい。

この電力計測器において、前記測定制御部は、始動電流に対して前記制御を行うことが好ましい。

本発明に係る電力計測器において、測定制御部は、所定時間における電力量と、所定の閾値Ｔ_ｈとを比較し、当該電力量が所定の閾値Ｔ_ｈを超える場合に、計測電力値を出力するように制御する。このため、本発明では、電流信号や電圧信号に外来ノイズなどが重畳したとしても、より正確に計測電力値を出力できる。

本発明の実施の形態に係る電力計測システムの全体構成図である。同上電力計測システムに備わる電力計測器の機能ブロック図である。（ａ）前記電力計測器の電圧検出部に入力される電圧波形、（ｂ）外来ノイズが発生していない状態において前記電力計測器の電流検出部に入力される電流波形、（ｃ）前記電流検出部から出力される電流波形、（ｄ）前記電力計測器の電力演算部において演算された電力波形を示す図である。（ａ）前記電圧検出部に入力される電圧波形、（ｂ）前記電流検出部に入力される電流波形、（ｃ）外来ノイズが発生した状態において前記電流検出部において検出される電流波形、（ｄ）前記電流検出部から出力される電流波形、（ｅ）前記電力演算部において演算された電力波形を示す図である。（ａ）前記電圧検出部に入力される電圧波形、（ｂ）負荷に対して通電したときに前記電流検出部に入力される電流波形、（ｃ）外来ノイズが発生した状態において前記電流検出部において検出される電流波形、（ｄ）前記電流検出部から出力される電流波形、（ｅ）前記電力演算部において演算された電力波形を示す図である。前記電力計測器の動作手順を示すフローチャートである。従来の電力計測器の機能ブロック図である。（ａ）従来の電力計測器の電圧検出部に入力される電圧波形、（ｂ）当該電力計測器の電流検出部に入力される電流波形、（ｃ）外来ノイズが発生した状態において前記電流検出部から出力される電流波形、（ｄ）当該電力計測器の電力演算部において演算された電力波形を示す図である。

（実施の形態）
本発明の実施の形態に係る電力計測器について図面を参照して説明する。本実施の形態に係る電力計測器が使用される電力計測システムの一例を図１に示す。電力計測システムＳは、分電盤１、変流器２ａ，２ｂ、電力計測器３、監視装置４、負荷５、及びブレーカ６ａ〜６ｃを備える。この電力計測システムＳは、例えば一般住宅内やオフィスビル内において、分電盤１から電力供給を受ける照明器具やパソコンなどの様々な負荷５の消費電力を監視して、電力の「見える化」を実現している。

分電盤１は、外部からビル内や宅内に供給される商用電源を、三相３線式などの電線７を介して一次側に受ける主幹回路と、主幹回路の２次側から分岐した電路に介装される複数の分岐回路とを備える。各分岐回路には照明器具やパソコンのほか、空調機器やＩＨ機器などの様々な負荷５が接続される。また、ブレーカ６ａは、主幹回路の電線７に接続された主幹ブレーカであり、ブレーカ６ｂは、主幹回路から分岐した複数の分岐回路に配設された分岐ブレーカである。

変流器２ａ，２ｂ（総称して変流器２）は、各回路の電流を一定の割合で小さくして専用ケーブルである信号線８を介して電力計測器３に供給する。本実施の形態において、変流器２ａは、比較的大きな電流の流れる主幹回路を流れる主幹電流を定期的に計測するために設置され、本図においては、主幹回路の配線の２本の電線に貫通され、電力計測器３と信号線８にて接続される。変流器２ｂは、比較的小さな電流の流れる各分岐回路を流れる分岐電流を分岐回路毎に定期的に計測するために設置され、分岐回路の電線の所定位置に取り付けられ、電力計測器３と信号線８にて接続される。なお、電流検出手段は、変流器２に限定されるものではなく、例えば、ホール素子やシャントなどを備える他の電流センサを用いても構わない。

電力計測器３は、変流器２と接続され、これら変流器２と接続される回路に挿入する負担抵抗を備え、変流器２が設置された回路の電力を計測する。電力計測器３は、通信線を介して監視装置４に計測電力値を出力する。この電力計測器３は、分電盤１内の所定箇所に設置される。

監視装置４は、モニタを有する専用のパソコンなどであり、各分岐回路の電力情報を管理し表示する監視ユニットである。監視装置４は、電力計測器３とネットワーク接続され、各負荷５の電力使用に関するデータ収集を行い、データ解析のためグラフなどの表示を行う。そして、監視装置４は、例えば一時間ごとや一日ごとの電力使用に関するデータを自動記録し、電力計測器３と接続されたネットワーク経由によるエネルギーの一括管理を行い、効率のよい電力使用量の「見える化」を実現する。

負荷５は、分岐回路に接続された駆動電圧１００Ｖや２００Ｖの照明器具やパソコンのほか、空調機器やＩＨ機器などの様々な電気機器である。

次に、本実施の形態に係る電力計測器３の機能構成に関して図２を参照して説明する。電力計測器３は、変流器２の信号から電流を検出する電流検出部３１、回路の電圧の信号を検出する電圧検出部３２、及び電流検出部３１における電流及び電圧検出部３２における電圧の各信号に基づいて電力演算する電力演算部３３を備える。

電流検出部３１は、変流器２と接続される回路に挿入された負担抵抗３１１、所定周波数帯の信号を通過させるフィルタ３１２、及びフィルタ３１２を通過した電流信号に所定値を加算する加算回路３１３を備える。

電圧検出部３２は、図１に示すブレーカ６ｃなどを介して電線７と端子で接続され、電圧降圧回路３２１、フィルタ３２２、及び加算回路３２３を備える。電圧降圧回路３２１は、電圧を降圧させ、フィルタ３２２は、所定周波数帯の電圧信号を通過させ、加算回路３２３は、電圧波形が例えば０〜５Ｖの範囲となるように電圧信号に適切なバイアスをかける。

電力演算部３３は、電流検出部３１で計測された電流、及び電圧検出部３２で検出される電圧に基づいて、変流器２が取付けられた電線７に接続された負荷５に供給される電力を演算するマイコンである。この電力演算部３３は、Ａ／Ｄ変換部３３１，３３２、乗算部３３３、測定制御部３３４及び伝送回路部３３５を備える。

Ａ／Ｄ変換部３３１は、電圧検出部３２から受信するアナログ信号をデジタル信号に変換する。Ａ／Ｄ変換部３３２は、電流検出部３１から受信するアナログ信号をデジタル信号に変換する。乗算部３３３は、Ａ／Ｄ変換部３３１及び３３２から出力される信号を乗算する回路であり、すなわち電力（Ｗ）を算出する。このように、電力演算部３３は、電圧値及び電流値をアナログ信号からデジタル信号に変換して、デジタル値での演算処理を行う。

測定制御部３３４は、乗算部３３３において演算された電力（Ｗ）を所定時間（例えば１０ｍｓ）において積算した電力量（Ｗ・ｓ）を演算する。また、測定制御部３３４は、演算された電力量が、予め設定された「所定の閾値Ｔ_ｈ」を超えるか否かを判定し、越える場合には、その時点以降の電力や電力量などの電力値を、計測電力値として伝送回路部３３５を介して管理装置４などに出力するように制御する。

この「所定の閾値Ｔ_ｈ」は、例えば、電力計測器３の「定格電圧（例えば２００Ｖ）」と、電力計測器３の「定格電流（例えば１００Ａ）の所定比率（例えば０．３％）」との乗算で演算された電力量となる。このため、測定制御部３３４は、従来の電力演算の始動判定に用いていた「定格電流の所定比率」を、本実施の形態に係る電力計測器３における「所定の閾値Ｔ_ｈ」の演算に用いることができる。従って、電力演算部３３における演算回路を必要以上に複雑にすることなく、同等の通電レベルでの計測電力値の出力制御が可能となる。

なお、測定制御部３３４は、始動電流に対して当該制御を行うことができ、この場合、当該制御を、電力計測器３の潜動防止、始動電流判定に用いることにより、耐ノイズ性のある正確な潜動防止、始動電流判定を実行できる。

伝送回路部３３５は、例えば、ＲＳ４８５などに準拠した２線式シリアル通信回路を有し、接続される通信線を介して相互に通信可能な監視装置４に計測電力値を送信する。

次に、本実施の形態に係る電力計測器３において検知される電圧波形、電流波形及び電力波形に関して図３〜図５を参照して説明する。

最初に、負荷５に対して約１Ａの電流を通電し、電流検出部３１に外来ノイズが発生していない状態における電圧波形、電流波形及び電力波形の一例を、図３（ａ）〜（ｄ）に示す。電圧検出部３２に入力される電圧波形は、図３（ａ）に示すように、交流電圧の実効値１００Ｖ、周波数５０Ｈｚの正弦波形とする。また、変流器２から電流検出部３１の負担抵抗３１１に入力される電流波形は、図３（ｂ）に示すように、交流電流の実効値１Ａ、周波数５０Ｈｚの正弦波形とする。ここで、電流検出部３１の処理回路において外来ノイズの影響を受けないため、加算回路３１３に入力される電流波形は、図３（ｃ）に示すように、図３（ｂ）と同一波形となる。次に、測定制御部３３４（又は乗算部３３３）は、Ａ／Ｄ変換部３３１，３３２から出力された電圧値及び電流値に基づいて図３（ｄ）に示す電力波形を演算する。この場合、測定制御部３３４は、所定時間（例えば２０ｍｓ）における電力量（すなわち、斜線Ａで示す面積）が、予め設定された「所定の閾値Ｔ_ｈ」を超える状態となるため、計測電力値の出力を開始するように制御する。

次に、負荷５に対して０Ａの無通電時において、電流検出部３１で外来ノイズが重畳した状態の電圧波形、電流波形及び電力波形の一例を、図４（ａ）〜（ｅ）に示す。電圧検出部３２に入力される電圧波形は、図４（ａ）に示すように、交流電圧の実効値１００Ｖ、周波数５０Ｈｚの正弦波形とする。また、図４（ｂ）に示すように、変流器２から電流検出部３１の負担抵抗３１１に入力される電流波形は検出されない。そして、電流検出部３１の回路において、図４（ｃ）に示すような外来ノイズが発生すると、電流検出部３１から出力される電流波形は、図４（ｄ）に示すように、図４（ｂ）に示す電流波形に図４（ｃ）に示すノイズが重畳された電流波形となる。次に、測定制御部３３４（又は乗算部３３３）は、図４（ａ）に示す電圧波形、及び図４（ｄ）に示す電流波形に基づいて、図４（ｅ）に示す電力波形を演算する。この図４（ｅ）に示す電力波形において、電力にはプラス値とマイナス値がランダムに発生しており、１周期期間（２０ｍｓ）で演算される電力量（すなわち、斜線Ｂで示す領域）は、プラスマイナスで打ち消され、ほぼ０となる。従って、測定制御部３３４は、所定時間における電力量が「所定の閾値Ｔ_ｈ」を超えていないと判定し、計測電力値の出力制御は行わない。

次に、負荷５に対して微少電流が通電した時において、電流検出部３１で外来ノイズが重畳した状態の電圧波形、電流波形及び電力波形の一例を、図５（ａ）〜（ｅ）に示す。電圧検出部３２に入力される電圧波形は、図５（ａ）に示すように、交流電圧の実効値１００Ｖ、周波数５０Ｈｚの正弦波形とする。また、変流器２から電流検出部３１の負担抵抗３１１に入力される電流波形は、図５（ｂ）に示すように、微少な波高であり、周波数５０Ｈｚの正弦波形とする。そして、電流検出部３１の回路において、図５（ｃ）に示すような外来ノイズが発生すると、電流検出部３１から出力される電流波形は、図５（ｄ）に示すように、図５（ｂ）に示す電流波形に図５（ｃ）に示すノイズが重畳された電流波形となる。次に、測定制御部３３４（又は乗算部３３３）は、図５（ａ）に示す電圧波形、及び図５（ｄ）に示す電流波形に基づいて、図５（ｅ）に示すような電力波形を演算する。この場合、測定制御部３３４は、所定時間（例えば２０ｍｓ）における電力量（すなわち、斜線Ｃで示す面積）が、予め設定された「所定の閾値Ｔ_ｈ」を超えることとなるため、計測電力値の出力を開始するように制御する。

次に、測定制御部３３４の動作手順に関して図６に示すフローチャートを参照して説明する。最初に、測定制御部３３４は、電流検出部３１から入力された電流値、及び電圧検出部３２から入力された電圧値に基づいて、所定時間における電力量を演算する（Ｓ６１）。次に、測定制御部３３４は、この電力量が、予め設定された所定の閾値Ｔ_ｈを超えるか否かを判定し（Ｓ６２）、閾値Ｔ_ｈを超える場合に（Ｓ６２でＹｅｓ）、計測電力値の出力を指令する（Ｓ６３）。

以上のように、本実施の形態に係る電力計測器３において、測定制御部３３４は、所定時間における電力量と、所定の閾値Ｔ_ｈとを比較し、当該電力量が所定の閾値Ｔ_ｈを超える場合に、閾値Ｔ_ｈを超える以降の電力値を、計測電力値として出力するように制御する。この構成により、電力計測器３においては、電流や電圧の検出信号に重畳するノイズの影響を回避でき、電流信号や電圧信号に外来ノイズなどが重畳したとしても、より正確な計測電力値を出力できる。

（第１の変形例）
本実施の形態の第１の変形例について説明する。本変形例１では、電力計測器３に備わる測定制御部３３４は、閾値Ｔ_ｈの演算に用いる定格電圧を、電圧検出部３２において計測される実際の計測電圧値に基づいて算出する。

一般的に、電圧は、電力会社からの供給状態や、負荷５の種類や計測条件等により変動するものである。このため、電力計測器３によっては、計測電圧の範囲を広く（例えば、１００〜４４０Ｖ）設定されているものがある。従って、このような電力計測器３においては、予め設定された定格電圧のみに基づいて閾値Ｔ_ｈを設定すると、正確に計測電力値の出力制御が行えなくなる可能性がある。

従って、本変形例１において、測定制御部３３４は、電圧検出部３２において検出される実際の電圧値に基づいて定格電圧を決定し、この定格電圧を、上述した所定の閾値Ｔ_ｈの設定演算に使用する。このように、実際に計測した定格電圧に基づいて閾値Ｔ_ｈを導出することで、閾値Ｔ_ｈを、より正確に設定できる。また、実際の計測した電圧に定格電圧を追従させることができるため、閾値Ｔ_ｈを定期的に更新でき、実際の電力計測器３の動作に基づいて、より正確な計測電力値を出力できる。

（第２の変形例）
本実施の形態の第２の変形例について説明する。本変形例２において測定制御部３３４は、上述した閾値Ｔ_ｈの演算において、電流波形と電圧波形との位相差に基づく力率の値を乗算する。

これは、同じ電圧波形及び電流波形でも、電圧と電流の位相θが異なる場合、すなわち力率が異なる場合には電力値は異なることとなる。従って、本変形例２に係る電力計測器３では、「所定の閾値Ｔ_ｈ」の設定演算において力率を乗算することで、測定制御部３３４において演算された所定時間の電力量と、「所定の閾値Ｔ_ｈ」とのずれ量を少なくすることができる。このため、本変形例２に係る電力計測器３においては、実際の電力計測器３の動作に基づいて、より正確な計測電力値を出力できる。

（第３の変形例）
本実施の形態の第３の変形例について説明する。本変形例３では、測定制御部３３４は、計測電力値の出力判定を、上記実施の形態１に示す制御か、又は従来の制御法かのＯＲ判定で実行する。すなわち、測定制御部３３４は、さらに、電流検出部３１において検出された電流値と、電力計測器３の定格電流の所定比率との乗算で別の閾値Ｔ_ｈを決定する。そして、測定制御部３３４は、当該電流値が当該閾値Ｔ_ｈを超える場合に、当該閾値Ｔ_ｈを超えた以降の電力値を、計測電力値として出力するように乗算部３３３などを制御する。このため、本変形例３では、電流などにノイズが発生しない場合は、基本的に従来の電力演算の始動判定に基づくことができ、電力演算部３３における演算負荷を低減できる。

なお、本発明は、上記実施の形態の構成に限られず、発明の趣旨を変更しない範囲で種々の変形が可能である。また、上記目的を達成するために、本発明は、電力計測器に含まれる特徴的な構成手段をステップとする電力計測方法としたり、それらの特徴的なステップを含むプログラムとして実現することもできる。そして、そのプログラムは、ＲＯＭ等に格納しておくだけでなく、ＵＳＢメモリ等の記録媒体や通信ネットワークを介して流通させることもできる。

１分電盤
２ａ，２ｂ変流器
３電力計測器
４監視装置
５負荷
６ａ，６ｂ，６ｃブレーカ
７電線
８信号線
３１電流検出部
３２電圧検出部
３３電力演算部
３３１，３３２Ａ／Ｄ変換部
３３３乗算部
３３４測定制御部
３３５伝送回路部
Ｓ電力計測システム

Claims

回路から電圧の信号を検出する電圧検出部と、前記回路に取り付けられた変流器からの出力に基づいて電流の信号を検出する電流検出部と、前記電圧検出部及び電流検出部で検出される電圧値及び電流値の各信号を乗算して前記回路の電力を演算する電力演算部と、を備える電力計測器において、
前記電力演算部において演算された電力を所定時間において積算した電力量を求め、当該電力量が所定の閾値を超えた場合、当該閾値を超えたと判断した時点以降の電力値を、計測電力値として出力するように制御する測定制御部を備え、
前記電力計測器の定格電圧と、前記電力計測器の定格電流の所定比率とを乗算して求めた電力値に、電流波形と電圧波形との位相差に基づく力率の値を乗算した値を、前記所定の閾値とする、ことを特徴とする電力計測器。
前記定格電圧は、前記電圧検出部において計測される実際の計測電圧値に基づいて算出される、ことを特徴とする請求項１に記載の電力計測器。
前記測定制御部は、さらに、前記電流検出部において検出された電流値と、前記電力計測器の定格電流の所定比率との乗算で決定される所定の閾値に基づいて、当該電流値が当該所定の閾値を超える場合に、当該閾値を超えたと判断した時点以降の電力値を、計測電力値として出力するように制御する、ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電力計測器。
前記測定制御部は、始動電流に対して前記制御を行う、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の電力計測器。