JP6795509B2 - デジタル出力回路における改善またはデジタル出力回路に関する改善 - Google Patents

Description

本発明は、デジタル出力回路に関する。

配電ネットワークにおいては、例えばプラントの事物または他の負荷などの個々の機器の制御が、それぞれのデジタル出力によって行われる。そのようなデジタル出力の各々は、典型的には、例えば機器を動作させることができるように電源から機器への電流の流れを選択的に可能にすべく開閉可能なスイッチ素子の形態をとる。

各々のスイッチ素子は、リレー接点、あるいは典型的にはリレー接点をトランジスタの形態の半導体スイッチング素子などの電子スイッチング素子に並列に配置してなるいわゆる高速ハイブレーク（ｈｉｇｈ−ｓｐｅｅｄ ｈｉｇｈ−ｂｒｅａｋ）接点であってよい。

米国特許第７，１７７，１２５号明細書

本発明の一態様によれば、配電ネットワーク内の機器を制御するためのデジタル出力回路であって、
使用時に前記デジタル出力回路によって制御される機器への電流の流れを選択的に可能にすべく開閉可能であるスイッチ素子と、
前記スイッチ素子を通って流れる電流を測定するための電流取得回路と、
前記電流取得回路に連絡させて配置され、前記スイッチ素子が閉じられるときに前記スイッチ素子を通って流れる測定電流を記録することによってスイッチ素子の閉鎖の痕跡（ｃｌｏｓｉｎｇ ｓｉｇｎａｔｕｒｅ）を確立するように構成された状態監視回路と
を備えるデジタル出力回路が提供される。

状態監視回路を備えることにより、デジタル出力回路によって制御されている機器の性能および劣化を監視することが可能になる。これにより、機器の正しい動作に悪影響が及ぶ前に、予知保全を計画し、さらには／あるいは初期の故障を検出することが可能になる。

さらに、そのような状態監視は、全体としての制御システムの残りの部分への統合が困難である高価な外部監視装置を必要とせずに提供される。

好ましくは、前記スイッチ素子の閉鎖の痕跡は、制御対象の機器の特定の能力形質を表し、したがってこの機器に係る問題の特定を可能にする。

スイッチ素子の閉鎖の痕跡のみによって制御対象の機器に係る潜在的な問題を特定できる能力は、先取りでの保守または修理の実行を可能にするがゆえに、きわめて有益である。

随意により、前記状態監視回路は、さらに閉鎖痕跡評価ユニットにも連絡させて配置され、閉鎖痕跡評価ユニットは、前記スイッチ素子の閉鎖の痕跡を既知の基準の痕跡（ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｓｉｇｎａｔｕｒｅ）と比較し、この比較に基づいて前記機器に係る特定の問題の存在を知らせるように構成される。

このような構成は、制御対象の機器に係る問題のタイムリー、正確、かつ再現性のある特定を提供する。

本発明の好ましい実施形態において、前記閉鎖痕跡評価ユニットは、前記スイッチ素子の閉鎖の痕跡が前記基準の痕跡から所定の程度まで逸脱するときに前記機器に係る特定の問題の存在を知らせるように構成される。

このように構成された閉鎖痕跡評価ユニットを有することにより、基準の痕跡からのわずかな逸脱を無視するという選択肢が提供され、機器に係る問題の誤報の可能性を低減するうえで有用である。

本発明のさらに好ましい実施形態において、前記状態監視回路は、前記スイッチ素子を通って流れる測定電流を記録するためのバッファを含む。

このようなバッファを備えることにより、電流取得回路によってもたらされる測定電流サンプルを記録する便利でコンパクトな方法が提供される。

バッファを、記録した測定電流サンプルを前記閉鎖痕跡評価ユニットへと送信するように構成することができる。

このような構成は、デジタル出力回路によって制御される機器の劣化の評価を実行可能にすることで、接触抵抗の増大、機械的摩耗、汚染、および／または電気的欠陥などの機器において生じ得る問題の特定を助ける。

したがって、ユーザまたは或る種の自動化システムが、例えば機器の保守を計画すること、または機器を緊急修理のために休止させることを、提案することができる。

好ましくは、スイッチ素子が開かれるとき、バッファは空にされる。

そのようなバッファは、次にスイッチ素子が閉じられるときのために状態監視回路を再び整え、したがって次にスイッチ素子が閉じられたときに機器の所望の状態監視を再び提供することができる。

本発明のまたさらに好ましい実施形態において、前記電流取得回路は、電流センサを含む。

このような電流センサは、スイッチ素子を通って流れる電流を正確かつ確実に測定することができる。

随意により、前記電流取得回路は、前記電流センサによってもたらされる測定電流をフィルタ処理および増幅する調整モジュールをさらに含む。

この調整モジュールは、好ましくは、測定電流を個々の測定電流サンプルへと変換するためのアナログ−デジタル変換器を含む。

このような特徴を備えることで、望ましいことに、下流の処理に適した測定電流サンプルがもたらされる。

本発明の別の好ましい実施形態において、前記電流取得回路は、前記スイッチ素子を通って流れる測定電流が所定の限界値を超えるときに前記スイッチ素子の開放を開始させるように構成された二次保護回路を含む。

電流取得回路内に二次保護回路を備えることにより、スイッチ素子およびデジタル出力回路によって制御される機器の両方の即座の保護が、すなわち例えば短絡故障の場合にスイッチ素子の開放を開始させることによってもたらされる。

次に、本発明の好ましい実施形態を、図１を参照して、あくまでも本発明を限定するものではない例として、簡単に説明する。

本発明の第１の実施形態によるデジタル出力回路の概略図を示している。

本発明の第１の実施形態によるデジタル出力回路が、全体として参照番号１０によって示されている。

デジタル出力回路１０は、使用時にデジタル出力回路１０に接続されてデジタル出力回路１０によって制御される例えば負荷１６などの機器１４への電流Ｉの流れを選択的に可能にするために、開閉可能なスイッチ素子１２を含む。また、デジタル出力回路１０は、使用時に、機器１４によって使用される前述の電流Ｉを供給する電源１８にも接続される。

図示の実施形態において、スイッチ素子１２は、従来からのリレー接点２２を絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）２３の形態の半導体スイッチング素子に並列に配置して構成された高速ハイブレーク接点２０である。電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）などの他の形態の半導体スイッチング素子、ならびに電気機械スイッチなどの他の種類のスイッチング素子も、可能である。

さらに、デジタル出力回路１０は、スイッチ素子１２を流れる電流Ｉを測定するための電流取得回路２４を含む。

電流取得回路２４は、図示の実施形態では、スイッチ素子１２に直列に接続されたインピーダンス２８の形態をとる電流センサ２６を含む。しかしながら、例えばホール効果センサなどの電界効果センサまたは変流器などの絶縁された検出の構成など、他の種類の電流センサ２６も可能である。直流（ＤＣ）を取り扱うことができ、急な電流の変化を測定できるように広い周波数応答を有するあらゆる電流センサが、適切であると考えられる。

一方で、前述の絶縁され、あるいは離れて位置する検出の構成は、必ずしもデジタル出力回路１０の内部に統合される必要はなく、その代わりに、測定電流Ｉ_mをデジタル出力回路１０へともたらすことができる。

以上に加え、電流取得回路２４は、電流センサ２６によってもたらされる測定電流Ｉ_mをフィルタ処理および増幅するための調整モジュール３０をさらに含む。

より詳細には、調整モジュール３０は、測定電流Ｉ_mを個々の測定電流サンプルＩ_sへと変換するためのアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）３２を含む。ＡＤＣ３２は、測定電流Ｉ_mを変換およびスケーリングし、ＡＤＣ３２の分解能およびサンプリングレートは、得られる測定電流サンプルＩ_s（デジタル出力回路１０の内部のさらなる回路によって利用される）において電流および時間の両方に関して充分な分解能が存在するような分解能およびサンプリングレートである。

この点に関して、図示のデジタル出力回路１０は、随意による一次保護回路３４および状態監視回路３６の両者をさらに含み、これらの各々は、電流取得回路２４に連絡して配置され、より詳細には、電流取得回路２４からそれぞれの測定電流サンプルＩ_sを受け取るように配置される。

一次保護回路３４は、スイッチ素子１２を流れる測定電流Ｉ_mに基づく電流トリップ特性を確立するように構成される。また、一次保護回路３４は、電流トリップ特性が所定のしきい値を超えたときにスイッチ素子１２の開放を開始するように構成される。

より詳細には、一次保護回路３４は、電流の二乗と時間とに基づく電流トリップ特性Ｉ²Ｔ（ただし、他の例えば自由裁量によるトリップ特性も可能である）を確立するように構成され、これを達成するために以下の回路要素を含み、すなわち使用時に電流取得回路２４によってもたらされる個々の測定電流サンプルＩ_sを保持するための第１のバッファ３８と、第１のバッファ３８に保持された電流サンプルＩ_sを合計し、現在のサンプルＩ_sの平均をもたらす積分器４０とを含む。

図示の実施形態において、第１のバッファ３８は、循環バッファ４２であり、新たな測定電流サンプルＩ_sを保持するときに、バッファ４２内の最も古い測定電流サンプルＩ_sが上書きされるように構成されている。

さらに、測定電流サンプルＩ_sの各々は、二乗される。これは、ＡＤＣ３２（図示の実施形態の場合のように）または循環バッファ４２のいずれかによって行うことができる。また、測定電流サンプルＩ_sは、積分器４０によって生成される平均が望ましい電流の二乗と時間とに基づく特性を有し、結果として同様の性質の電流トリップ特性Ｉ²Ｔが確立されるよう、例えばＡＤＣ３２のサンプリングレートによって決定されるとおりの固定のレートで得られる。

積分器４０は、新たな測定電流サンプルＩ_sが循環バッファ４２に保持されるたびに循環バッファ４２の内容を読み取り、その後に個々のサンプルを合計して、格納された一連のサンプルの全体の積分、すなわち平均をもたらす。さらに、第１のバッファ３８が循環バッファ４２であるので、積分器４０によって生成される平均は、移動平均（ｒｏｌｌｉｎｇ ａｖｅｒａｇｅ）であり、したがって電流トリップ特性Ｉ²Ｔも同様に移動平均値を追跡する。

第１のバッファ３８の長さ、すなわち循環バッファ４２の長さ、および第１のバッファ３８が個々の測定電流サンプルＩ_sを保持するレートの各々は、調整可能である。例えば、第１のバッファ３８が個々の測定電流サンプルＩ_sを保持するレートを、ＡＤＣ３２のサンプリングレートを変更することによって調整することができる。

上述のやり方にて、一次保護回路３４の所望の回路遮断特性に従って電流トリップ特性Ｉ²Ｔを操作することが可能である。例えば、高速なサンプリングレートおよび短い第１のバッファ３８が、高速な保護、すなわちスイッチ素子１２の開放のより速い開始をもたらす一方で、低速なサンプリングレートおよび長い第１のバッファ３８は、低速な保護、すなわちスイッチ素子１２の開放のより遅い開始をもたらす。

第１のバッファ３８の長さＬは、好ましくは、
Ｌ＝Ｆ_s＊ｔ_T
で与えられ、ここで、
Ｆ_sは、例えばＡＤＣ３２のサンプリングレートであり、
ｔ_Tは、トリッピング時間であり、すなわち公称トリップ電流Ｉ_nomを通しているときにスイッチ素子１２を完全に開くために必要な時間である。

さらに、一次保護回路３４はまた、電流トリップ特性Ｉ²Ｔを所定のしきい値と比較するためのしきい値比較器４４を含む。

所定のしきい値Ｔを、
Ｔ＝Ｌ＊Ｉ_nom ²
で与えることができ、ここで、
Ｌは、第１のバッファ３８の長さであり、
Ｉ_nom ²は、前述の公称トリップ電流Ｉ_nomの二乗である。

上記に加えて、一次保護回路３４は、電流トリップ特性Ｉ²Ｔが所定のしきい値を下回って低下するときに、スイッチ素子１２の閉鎖を開始し、すなわちデジタル出力回路１０を通常の動作の構成にリセットするようにさらに構成されている。

他方で、状態監視回路３６は、スイッチ素子が閉じるときにスイッチ素子１２を通って流れる測定電流Ｉ_sを記録することで、スイッチ素子の閉鎖の痕跡、すなわちデジタル出力回路１０によって制御される機器１４の特定の能力形質（ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｔｒａｉｔ）を表す特有の電流特性を確立するように構成される。

より詳細には、状態監視回路３６は、閉鎖痕跡評価ユニット５４と連絡するように構成され、閉鎖痕跡評価ユニット５４は、コンピュータまたは他のマイクロプロセッサなどのプロセッサであってよく、いずれにせよスイッチ素子の閉鎖の痕跡を既知の基準の痕跡と比較し、比較に基づいて、例えばスイッチ素子の閉鎖の痕跡が基準の痕跡から所定の程度まで逸脱したときに、機器１４における特定の問題の存在を知らせるように構成される。

状態監視回路３６は、スイッチ素子１２を通って流れる測定電流Ｉ_mを記録するための状態バッファ４６の形態のバッファを含む。より詳細には、状態バッファ４６は、スイッチ素子１２を閉じる指示に続くスイッチ素子１２の動作の最初の数ミリ秒の最中に、測定電流サンプルＩ_s、すなわち電流取得回路２４によってもたらされるサンプルを記録する高速バッファである。

また、状態バッファ４６は、記録した測定電流サンプルＩ_rを閉鎖痕跡評価ユニット５４へと送信するように構成されている。記録された測定電流サンプルのこのような送信は、例えば、状態バッファ４６が満杯になったときに行われ得る。

加えて、状態バッファ４６は、スイッチ素子１２が再び開かれるときに、状態バッファ４６が上述の状態監視機能を再び実行することができるように空になるようにさらに構成される。

上述した前述の特徴のみならず、電流取得回路２４は、例えば短絡故障の場合などに生じ得るが、スイッチ素子１２を通って流れる測定電流Ｉ_mが所定の限界値を超えるときに、スイッチ素子１２の開放を開始させるように構成された二次保護回路（図示せず）をさらに含む。

図示のデジタル出力回路１０は、必要に応じ、電流取得回路２４および一次保護回路３４の各々からの指令信号に基づいて動作してスイッチ素子１２を開閉するスイッチ制御モジュール４８をさらに含む。

さらに、デジタル出力回路１０は、デジタル出力回路１０と保護リレーコントローラまたはベイ制御コンピュータなどのより上位のコントローラ５２との間の通信を確立するインターフェースモジュール５０を含む。また、インターフェースモジュール５０は、デジタル出力回路１０の通常の動作において、スイッチ素子１２の開閉を制御するために、より上位のコントローラ５２から受信した指令信号をスイッチ制御モジュール４８へと送信する。本発明のいくつかの実施形態において、より上位のコントローラ５２は、上述の閉鎖痕跡評価ユニット５４を備えることができる。

使用時に、デジタル出力回路１０は、以下のように動作する。

デジタル出力回路１０の通常の動作において、スイッチ制御モジュール４８は、インターフェースモジュール５０によってもたらされる指令信号（インターフェースモジュール５０は、これらの指令信号をより上位のコントローラ５２から受け取る）に応答して、スイッチ素子１２、すなわちスイッチ素子１２内のリレー接点２２およびＩＧＢＴ２３を、選択的に開閉する。このスイッチ素子１２の選択的な開閉は、電流源１８から機器１４への電流Ｉの流れを制御することにより、機器１４の動作を制御する。

一方で、電流取得回路２４、より具体的には電流取得回路２４の電流センサ２６、すなわち電流取得回路２４の直列接続されたインピーダンス２８は、スイッチ素子１２を通る電流Ｉの流れを測定する。

測定された電流Ｉ_mのレベルが所定の限界値を超える場合、電流取得回路２４は、スイッチ素子１２の開放を開始させるための指令信号をスイッチ制御モジュール４８へと送る。これにより、スイッチ素子１２の開放が開始されないならば発生してスイッチ素子１２および機器１４の一方または両方に損傷を引き起こしかねない過電流から、スイッチ素子１２および制御対象の機器１４の両方が保護される。

電流センサ２６によってもたらされた測定電流Ｉ_mは、電流取得回路２４の調整モジュール３０に渡されてフィルタ処理および増幅された後に、ＡＤＣ３２によってサンプリングされ、個々の測定電流サンプルＩ_sが生成される。さらに、ＡＤＣ３２は、測定電流サンプルＩ_sを一次保護回路３４へと送る前に二乗する。

一次保護回路３４は、測定電流サンプルＩ_sに基づいて循環する電流トリップ特性Ｉ²Ｔを確立する。これを、一次保護回路３４は、それぞれの測定電流サンプルＩ_sを第１のバッファ３８に保持し、積分器４０を使用して個々のサンプルを合計することで、蓄積された一連のサンプルの全体にわたる積分、すなわち平均を得ることによって行う。

一次保護回路３４内のしきい値比較器４４が、循環する電流トリップ特性Ｉ²Ｔを所定のしきい値と比較し、電流トリップ特性Ｉ²Ｔが所定のしきい値（故障を表す）を超えるときにスイッチ制御モジュール４８へと送られる指令信号を介してスイッチ素子１２の開放を開始させる。

故障が一時的である場合、一次保護回路３４は、循環する電流トリップ特性Ｉ²Ｔが再び所定のしきい値を下回るまで低下したならば、スイッチ制御モジュール４８へと送られるさらなる指令信号を介してスイッチ素子１２の閉鎖を開始させることができる。

このようにして、一次保護回路３４および関連のスイッチ素子１２は、スイッチ素子１２およびデジタル出力回路１０によって制御される機器１４の両方を、過電流および過電流に関する損傷の可能性から保護することができる回路遮断機能を提供する。さらに、このような回路遮断機能は、係る故障が一時的な性質である場合に、取り消し、すなわち解除が可能である。

他方で、ＡＤＣ３２によって生成された二乗後の測定電流サンプルＩ_sは、状態監視回路３６にも送られる。

状態監視回路３６の状態バッファ４６は、一連のそのような二乗後の測定電流サンプルＩ_sの記録を、スイッチ素子１２の閉鎖を開始させる指令信号が生成されたときに開始することにより、スイッチ素子の閉鎖の痕跡を確立する。

この閉鎖の痕跡は、状態バッファ４６によって閉鎖痕跡評価ユニット５４へと送信され、閉鎖痕跡評価ユニット５４は、より上位のコントローラ５２の一部を形成しても、形成しなくてもよい。いずれにしても、閉鎖痕跡評価ユニット５４は、閉鎖の痕跡を基準の痕跡と比較し、閉鎖の痕跡が基準の痕跡から所定の程度まで逸脱する場合に、デジタル出力回路１０の制御対象機器１４の動作における問題を識別する。

スイッチ素子１２が再び開くとき、状態バッファ４６は空になる。

１０ デジタル出力回路
１２ スイッチ素子
１４ 機器
１６ 負荷
１８ 電源、電流源
２０ 高速ハイブレーク接点
２２ リレー接点
２３ ＩＧＢＴ
２４ 電流取得回路
２６ 電流センサ
２８ インピーダンス
３０ 調整モジュール
３２ ＡＤＣ
３４ 一次保護回路
３６ 状態監視回路
３８ 第１のバッファ
４０ 積分器
４２ 循環バッファ
４４ しきい値比較器
４６ 状態バッファ
４８ スイッチ制御モジュール
５０ インターフェースモジュール
５２ より上位のコントローラ
５４ 閉鎖痕跡評価ユニット

Claims (11)

1. 配電ネットワーク内の機器（１４）を制御するためのデジタル出力回路（１０）であって、
   使用時に前記デジタル出力回路（１０）によって制御される機器（１４）への電流の流れを選択的に可能にすべく開閉可能であるスイッチ素子（１２）と、
   前記スイッチ素子（１２）を通って流れる電流を測定するための電流取得回路（２４）と、
   前記電流取得回路（２４）に連絡させて配置され、前記スイッチ素子（１２）が閉じられるときに前記スイッチ素子（１２）を通って流れる測定電流を記録することによってスイッチ素子の閉鎖の痕跡を確立するように構成された状態監視回路（３６）と
   を備え、
   前記状態監視回路（３６）は、さらに閉鎖痕跡評価ユニット（５４）にも連絡させて配置され、該閉鎖痕跡評価ユニット（５４）は、前記スイッチ素子の閉鎖の痕跡を既知の基準の痕跡と比較し、該比較に基づいて前記機器（１４）に係る特定の問題の存在を知らせるように構成されているデジタル出力回路（１０）。
2. 前記電流取得回路（２４）に連絡させて配置され、前記スイッチ素子（１２）が閉じられるときに前記スイッチ素子（１２）を通って流れる測定電流の電流サンプルを第１のバッファ（３８）に記録し、前記第１のバッファ（３８）に記録された電流サンプルの合計に応じて前記スイッチ素子（１２）の開放を開始するように構成された保護回路（３４）と、
   前記測定電流の前記電流サンプルを記録する状態バッファ（４６）と
   を備える、請求項１に記載のデジタル出力回路（１０）。
3. 前記スイッチ素子の閉鎖の痕跡は、前記制御されている機器（１４）の特定の能力形質を表し、したがって該機器（１４）に係る問題の特定を可能にする、請求項１または２に記載のデジタル出力回路（１０）。
4. 前記閉鎖痕跡評価ユニット（５４）は、前記スイッチ素子の閉鎖の痕跡が前記基準の痕跡から所定の程度まで逸脱するときに前記機器（１４）に係る特定の問題の存在を知らせるように構成されている、請求項１に記載のデジタル出力回路（１０）。
5. 前記保護回路（３４）は、前記第１のバッファ（３８）に保持された前記電流サンプルを合計する積分器（４０）を含み、
   前記第１のバッファ（３８）は、循環バッファ（４２）であり、新たな電流サンプルを保持するときに、前記循環バッファ（４２）内の最も古い測定電流サンプルが上書きされるように構成される、請求項２に記載のデジタル出力回路（１０）。
6. 前記状態バッファ（４６）は、前記状態バッファ（４６）が満杯になったときに前記状態バッファ（４６）に記録した測定電流サンプルを前記閉鎖痕跡評価ユニット（５４）へと伝えるように構成されている、請求項２または５に記載のデジタル出力回路（１０）。
7. 前記状態バッファ（４６）は、前記スイッチ素子（１２）が開くときに空にされる、請求項６に記載のデジタル出力回路（１０）。
8. 前記状態バッファ（４６）は、電流センサ（２６）と、前記電流センサ（２６）によってもたらされる測定電流をフィルタ処理および増幅する調整モジュール（３０）とを含む、請求項７に記載のデジタル出力回路（１０）。
9. 前記状態バッファ（４６）は、前記スイッチ素子（１２）を閉じる指示に続く前記スイッチ素子（１２）の動作の最初の数ミリ秒の最中に、前記電流サンプルを記録する高速バッファであり、
   前記調整モジュール（３０）は、前記測定電流を個々の測定電流サンプルへと変換するアナログ−デジタル変換器（３２）を含む、請求項８に記載のデジタル出力回路（１０）。
10. 上位のコントローラ（５２）からの指令信号を受け取るインターフェースモジュール（５０）と、
    インターフェースモジュール（５０）が受け取った前記指令信号に応答して、前記スイッチ素子（１２）を選択的に開閉するスイッチ制御モジュール（４８）と、
    を含む、請求項１乃至９のいずれか１項に記載のデジタル出力回路（１０）。
11. 前記電流は、電源（１８）がら配電ネットワークを介して前記デジタル出力回路（１０）に供給され、
    前記電流取得回路（２４）は、前記スイッチ素子（１２）を通って流れる測定電流が所定の限界値を超えるときに前記スイッチ素子（１２）の開放を開始させるように構成された二次保護回路を含む、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のデジタル出力回路（１０）。