JPH09166630A - 周波数測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 アナログフィルタを特に設けることなく、ま
た入力信号のレベルにヒステリシスをもたせて二値化す
る必要をなくして、しかも高調波成分やノイズ成分が比
較的多くても正しく周波数測定を行う。 【解決手段】 入力信号を一定周期でサンプリングし、
これをデジタルデータに変換し、ゼロクロス点を挟む複
数点のデータに基づいて各々のゼロクロス点のタイミン
グを求め、隣接するゼロクロス点間の時間を入力信号の
基本波周波数の１周期として検出し、これから入力信号
の周波数を求める。

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、電力系統の周波
数などを測定する周波数測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、例えば発電所や変電所などに
おいて母線電圧などの系統周波数の監視を行うためにテ
レメータ盤（ＴＭ盤）や系統現象観測装置などによって
系統の周波数測定が行われている。

【０００３】電力系統の周波数を測定する場合、従来は
入力信号を二値化し、矩形波信号を生成し、その矩形波
信号の周期を基準クロック信号で計数することによって
周波数を算出するようにしている。図９はその例を示す
波形図であり、（Ａ）は入力信号の波形、（Ｂ）はこれ
を二値化して得た矩形波信号の波形である。入力信号を
二値化する際、入力信号に含まれている高調波成分やノ
イズによる影響を受けて、例えば基本波周波数の１周期
内に多数のゼロクロス点が存在する場合でも、これを例
えば（Ｃ）のように誤って二値化しないように、入力信
号のゼロクロス点を中心として一定のレベルを不感帯と
し、立ち上がり時の基準レベルと立ち下がり時の基準レ
ベルに差をもたせて、すなわちヒステリシスをもたせて
二値化を行っている。また、その他に、高調波やノイズ
による影響を受けないように、基本波周波数の高調波成
分をカットするアナログフィルタを設け、フィルタリン
グを行った信号について二値化を行う方法が採られてい
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、信号レベル
にヒステリシスをもたせて二値化する方法では、不感帯
の幅により測定可能な波形のレベルが制限されるため、
例えば事故発生時の波形などを扱う装置には適さないと
いう問題があった。また、上述のアナログフィルタを用
いて高調波やノイズによる影響を抑制する方法では、コ
ストが嵩むだけでなくその設置スペースを確保しなけれ
ばならなかった。尚、入力信号を一定周期でサンプリン
グし、ＡＤ変換して求めたデータ列からゼロクロス点を
検出する方法もあるが、波形の傾き（下降方向にあるの
か、上昇方向にあるのか）の判定とそれぞれに応じた二
値化のためのしきい値の設定処理が煩雑になる。

【０００５】この発明の目的は上述したアナログフィル
タを特に設けることなく、また入力信号のレベルにヒス
テリシスをもたせて二値化する必要をなくして、それら
による上述の欠点を解消した周波数測定装置を提供する
ことにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この発明の周波数測定装
置は、入力信号のレベルにヒステリシスをもたせて二値
化することなく、しかも高調波やノイズによる影響を受
けずに高精度に周波数測定を行えるようにするため、請
求項１に記載のとおり、入力信号を一定周期でサンプリ
ングし、これをディジタルデータに変換してデータ列を
求める手段と、前記データ列からそれぞれゼロクロス点
を挟む前後の複数点のデータに基づいて各々のゼロクロ
ス点のタイミングを求める手段と、ゼロレベルをそれぞ
れ同一方向にクロスする隣接する２つのゼロクロス点間
の時間を入力信号の基本波周波数の一周期として検出し
て当該入力信号の基本波周波数を求める手段とを備え
る。

【０００７】また、この発明は入力信号を一定周期でサ
ンプリングし、これをディジタルデータに変換してデー
タ列を求める手段と、前記データ列からゼロレベルをそ
れぞれ同一方向にクロスするゼロクロス点を検出するゼ
ロクロス点検出手段と、隣接するゼロクロス点間の時間
を入力信号の基本波周波数の一周期として検出して当該
入力信号の基本波周波数を求める手段とを備えた周波数
測定装置であって、入力信号の基本波周波数の周期によ
る１周期を誤りなく検出して周波数測定を行うために、
請求項２に記載のとおり、予め設定されている入力信号
の予測基本波周波数における１周期の中央部およびその
近傍での前記ゼロクロス点検出手段によるゼロクロス点
の検出を無効にする手段を設ける。

【０００８】請求項１に係る周波数測定装置では入力信
号が一定周期でサンプリングされ、これがデジタルデー
タに変換されてデータ列が求められ、このデータ列から
それぞれゼロクロス点を挟む複数点のデータに基づいて
各々のゼロクロス点のタイミングが求められる。図１は
この場合の例について示している。図１において（Ａ）
は入力信号の波形、（Ｂ）はその２つのゼロクロス点付
近の拡大波形図である。図１の（Ａ）に示すように、ｔ
１，ｔ２，ｔ３・・・のように一定周期で入力信号をサ
ンプリングし、Ｙ０，Ｙ１，Ｙ３・・・のデジタルデー
タ列を求める。これらのデータ列から０レベルをクロス
するゼロクロス点を挟む２点のデータＹ０，Ｙ１を求め
る。ここでサンプリング周期をΔｔとして、Ｙ０，Ｙ１
から直線補間によってゼロクロスタイミングを求めれ
ば、このゼロクロス点のタイミングは図１の（Ｂ）に示
すように、

【０００９】

【数１】

【００１０】で求められる。また、このゼロクロス点に
続く次のゼロクロス点を挟む２点のデータＹ_N,Ｙ_N+1 を
基に、次のゼロクロス点のタイミングは同様に、

【００１１】

【数２】

【００１２】で求められる。ここでＮはＮ番目にサンプ
リングされたことを示す値である。従ってこの２つのゼ
ロクロス点間の時間

【００１３】

【数３】

【００１４】が入力信号の基本波周波数の１周期として
求められ、

【００１５】

【数４】

【００１６】として入力信号の基本波周波数が求められ
る。

【００１７】請求項２に係る周波数測定装置では、入力
信号が一定周期でサンプリングされ、そのデジタルデー
タのデータ列からゼロレベルをそれぞれ同一方向にクロ
スするゼロクロス点が検出され、隣接する２つのゼロク
ロス点間の時間が入力信号の基本波周波数の１周期とし
て検出されて、当該入力信号の基本波周波数が求められ
るが、ゼロクロス点が検出されてから、予測される周波
数すなわち入力信号の予測基本波周波数として予め設定
されている周波数における１周期の中央部およびその近
傍でのゼロクロス点の検出が無効にされる。例えば図２
に示すように、予測される１周期をＴすれば、Ｔ／２の
タイミングであるｔｂ付近におけるゼロクロス点が無視
される。もし、入力信号に高調波やノイズが多く含まれ
ていれば、図２に示すように半周期付近のｔｂにおいて
ゼロレベルを負から正方向にクロスするゼロクロス点が
擬似的に生じ易くなるが、この部分におけるゼロクロス
点は無視され、それ以降のｔａ′に生じるゼロクロス点
が検出される。このことは、いわば１周期の中央部付近
を時間軸上の不感帯としたことに等しい。これにより高
調波成分やノイズ成分が比較的多くても、正しく周波数
測定が行われる。

【００１８】

【発明の実施の形態】この発明の実施形態である周波数
測定装置の構成をブロック図として図３に示す。図３に
おいて入力回路１ａ，１ｂ・・・１ｃは、測定対象の母
線などに設けられているＰＴおよびＣＴの出力信号を入
力する補助ＰＴおよび補助ＣＴである。サンプルホール
ド回路２ａ，２ｂ・・・２ｃは入力回路１ａ，１ｂ・・
・１ｃの出力信号をサンプルホールドする。マルチプレ
クサ３はサンプルホールド回路２ａ，２ｂ・・・２ｃの
内いずれか１つの信号を選択してＡＤコンバータ４へ与
える。ＡＤコンバータ４はこれをデジタルデータに変換
する。ＣＰＵ６はＲＯＭ９に予め書き込んだプログラム
を実行してサンプリングされたデータを順次ＲＡＭ１０
の所定エリアに格納するとともに後述する処理によって
周波数測定を行う。ＣＰＵ６はＩ／Ｏポート５を介して
ＡＤコンバータ４、マルチプレクサ３および各サンプル
ホールド回路２ａ，２ｂ・・・２ｃに対しタイミング信
号を与えるとともに、ＡＤコンバータ４により変換され
たデータを読み取る。伝送インタフェース１１は求めた
周波数データなどをホスト装置へ伝送する場合などのデ
ータの伝送制御を行う。クロックジェネレータ７はＣＰ
Ｕ６などに対し基準クロック信号を与える。分周器８は
クロック信号を分周して、例えば50.0Hzの１周期を３２
点サンプリングするのに相当する周期（0.625 ms）でＣ
ＰＵ６に対して割り込み信号を与える。後述するよう
に、この割り込み信号に応答して、ＣＰＵ６はサンプリ
ングデータをＲＡＭ１０の所定エリアに蓄積記憶する。

【００１９】図４はゼロクロス点のタイミングを求める
方法を示す図であり、この例では、Ｙａ，Ｙｂ，Ｙｃ，
Ｙｄの４点のデータを基に、まずＹａ，Ｙｂ，Ｙｃの３
点の平均値Ｙｂ′を求め、またＹｂ，Ｙｃ，Ｙｄの３点
の平均値Ｙｃ′を求め、この２つの平均値Ｙｂ′，Ｙ
ｃ′の線分と０レベルとの交差点をゼロクロス点として
求める。このことは、連続する３つのデータについて移
動平均を行って、ゼロクロス点を挟む２点の平均化され
たデータに基づいてゼロクロス点のタイミングを求める
のに等しい。

【００２０】図５はサンプリングタイミング毎に行われ
る割り込み処理の手順を示すフローチャートである。ま
ず現在のサンプリングが何番目のサンプリングに相当す
るかをカウントし、各チャンネルの入力信号をサンプリ
ングし、チャンネル毎にＡＤ変換を行い、その値をＲＡ
Ｍ１０の所定エリアに蓄積する。

【００２１】図６は周波数測定のための処理手順を示す
フローチャートである。まずＲＡＭ１０の所定エリアに
蓄積記憶されているデータのうち電圧信号を入力するチ
ャンネルのデータを読み出し、最新のデータと１点前の
データおよび２点前のデータの計３点のデータの平均値
を求め、これを１点前の平均化データとして求める処理
を行う（ｎ１→ｎ２）。このような移動平均化処理を行
うとともに、平均値の値が０レベルを超えたか否かを判
定し、超えるまで上記の処理を繰り返す（ｎ３→ｎ１→
・・・）。例えば図４の例では、Ｙｃのデータを読み出
し、すでに読み出しているデータＹｂ，Ｙａとともにこ
れらの３点のデータの平均値Ｙｂ′を求める。次のルー
プでＹｄを読み出し、Ｙｄ，Ｙｃ，Ｙｂの平均値Ｙｃ′
を求める。このＹｃ′の極性がＹｂ′に比較して反転し
たなら、ゼロクロス点を通過したものと見なし、Ｙ
ｂ′，Ｙｃ′をＹ０，Ｙ１として記憶する（ｎ４）。続
いて、予め設定されている入力信号の予測基本波周波数
の略３／４波長後の点を次回のゼロクロス検出開始点と
して定める（ｎ５）。そして、ゼロクロス検出開始点を
通過するまで同様にしてデータの読み出しおよび移動平
均化を行う（ｎ６→ｎ７→ｎ８→ｎ６・・・）。このよ
うにして予測基本波周波数における１周期の中央部およ
びその近傍ではゼロクロス点を検出しない。ゼロクロス
検出開始点を通過すれば、ステップｎ１〜ｎ３に示した
処理と同様にして、ゼロクロス点を通過するまでデータ
の読み出しおよび移動平均化の処理を繰り返し行う（ｎ
９→ｎ１０→ｎ１１→ｎ９・・・）。ゼロクロス点を通
過したことを検出すれば、そのゼロクロス点を挟む２点
の平均化されたデータをＹ_N ，Ｙ_N+1 として記憶する
（ｎ１２）。その後、Ｙ０，Ｙ１，Ｙ_N ，Ｙ_N+1 の４点
のデータに基づき基本波周波数の周期Ｔを算出し、その
逆数を周波数ｆ′として算出する（ｎ１３）。すなわ
ち、図１に示したように、Ｙ０とＹ１で挟まれるゼロク
ロス点のタイミングは〔数１〕で示され、Ｙ_N とＹ_N+1
で挟まれるゼロクロス点のタイミングは〔数２〕で示さ
れ、周期Ｔは〔数３〕で示される。従って、周波数ｆ′
は〔数４〕で求める。続いてｆ′の例えば６周期分（６
回分）の平均値ｆを算出し、これを周波数の測定結果と
して出力する（ｎ１４）。この周波数ｆ′の平均化は、
複数回分（例えば６回分）毎に繰り返し求めてもよい
し、毎回移動平均を行ってもよい。その後、ステップｎ
１２で求めたＹ_N ，Ｙ_N+1 をＹ０，Ｙ１として記憶し、
基本波周波数の３／４波長後の点を次回のゼロクロス検
出開始点として決定する（ｎ１６）。その後は、ステッ
プｎ６へ戻り、以降同様の処理を繰り返す。このように
して予測基本波周波数における１周期の中央部およびそ
の近傍ではゼロクロス点を検出しない。尚、ステップｎ
５での次回ゼロクロス検出開始点は予め設定されている
入力信号の予測基本波周波数（60.0Hzまたは50.0Hz）の
３／４波長後の点として決定するが、ステップｎ１６で
は、ステップｎ１３で実際に求めた周期Ｔの３／４波長
後の点を次回ゼロクロス検出開始点として決定する。

【００２２】尚、上記実施形態ではサンプリングタイミ
ングとは別に並行して周波数測定を行う例を示したが、
サンプリングタイミング毎に、すなわち新たなサンプリ
ングを行う毎に図６に示した処理を行ってリアルタイム
で周波数を求めることもできるし、図５に示した処理を
繰り返して一定時間分のサンプリングデータを蓄積して
から、図６に示した処理によって周波数を求めることも
できる。

【００２３】また、上述した例では隣接する３点のデー
タについて移動平均化処理を行い、ゼロクロス点を挟む
２点の平均化されたデータに基づいてゼロクロス点のタ
イミングを求めるようにしたが、他の方法によって、ゼ
ロクロス点を挟む複数点のデータに基づいてゼロクロス
点のタイミングを求めるようにした周波数測定装置の例
を図７および図８を基に次に説明する。

【００２４】その一つの方法は、図７に示すように、ゼ
ロクロス点を挟む４点のデータＹａ，Ｙｂ，Ｙｃ，Ｙｄ
に基づいて近似直線を最小二乗法により求め、その近似
直線と０レベルとの交点をゼロクロスタイミングとして
求める。また、もう一つの方法は、図８に示すように、
ゼロクロス点を挟む内側の２点Ｙｂ，Ｙｃを結ぶ直線と
０レベルとの交点のタイミングｔｂを求め、ゼロクロス
点を挟むＹｃ，Ｙｂより外側の２点Ｙｄ，Ｙａを結ぶ直
線と０レベルとの交点のタイミングｔａを求め、ｔａと
ｔｂの中間点を真のゼロクロスタイミングとして求め
る。

【００２５】以上に示した幾つかの平均化処理によれ
ば、入力信号に高レベルのノイズや高調波成分が含まれ
ていても、また、サンプリング信号のＡＤ変換時に生じ
るノーミッシングコード（量子化ステップ近傍での変換
時のコードデータのばらつき）による影響が除かれて、
高精度な周波数測定が可能となる。

【００２６】

【発明の効果】請求項１に係る発明によれば、入力信号
が一定周期でサンプリングされ、これがデジタルデータ
に変換されてデータ列が求められ、このデータ列からそ
れぞれゼロクロス点を挟む複数点のデータに基づいて各
々のゼロクロス点のタイミングが求められ、この隣接す
るゼロクロス点間の時間を入力信号の基本波周波数の一
周期として基本波周波数が求められるため、入力信号の
レベルにヒステリシスをもたせて二値化する必要がな
く、且つ高調波やノイズによる影響を受けずに高精度に
周波数測定を行える。

【００２７】また、請求項２に係る発明によれば、入力
信号が一定周期でサンプリングされ、そのデジタルデー
タのデータ列からゼロクロス点が検出され、隣接するゼ
ロクロス点間の時間が入力信号の基本波周波数の１周期
として検出されて、当該入力信号の基本波周波数が求め
られるが、予め設定されている入力信号の予測基本波周
波数における１周期の中央部およびその近傍でのゼロク
ロス点の検出が無効にされるため、入力信号に高調波や
ノイズが含まれていて、半周期付近に生じる擬似的なゼ
ロクロス点が周波数測定に用いられず、高調波成分やノ
イズ成分が比較的多くても、正しく周波数測定が行われ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】入力信号とサンプリングタイミングおよびゼロ
クロスタイミングとの関係を示す図である。

【図２】ゼロクロス点の検出期間を示す図である。

【図３】この発明の実施形態に係る周波数測定装置の構
成を示すブロック図である。

【図４】ゼロクロス点のタイミングを求める方法を示す
図である。

【図５】サンプリングタイミング毎に行われる割り込み
処理の手順を示すフローチャートである。

【図６】周波数測定の手順を示すフローチャートであ
る。

【図７】他のゼロクロスタイミングの検出方法を示す図
である。

【図８】他のゼロクロスタイミングの検出方法を示す図
である。

【図９】従来の周波数測定装置における波形を示す図で
ある。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 入力信号を一定周期でサンプリングし、
   これをディジタルデータに変換してデータ列を求める手
   段と、前記データ列からそれぞれゼロクロス点を挟む前
   後の複数点のデータに基づいて各々のゼロクロス点のタ
   イミングを求める手段と、ゼロレベルをそれぞれ同一方
   向にクロスする隣接する２つのゼロクロス点間の時間を
   入力信号の基本波周波数の一周期として検出して当該入
   力信号の基本波周波数を求める手段とを備えた周波数測
   定装置。
2. 【請求項２】 入力信号を一定周期でサンプリングし、
   これをディジタルデータに変換してデータ列を求める手
   段と、前記データ列からゼロレベルをそれぞれ同一方向
   にクロスするゼロクロス点を検出するゼロクロス点検出
   手段と、隣接する２つのゼロクロス点間の時間を入力信
   号の基本波周波数の一周期として検出して当該入力信号
   の基本波周波数を求める手段とを備えた周波数測定装置
   であって、 予め設定されている入力信号の予測基本波周波数におけ
   る１周期の中央部およびその近傍での前記ゼロクロス点
   検出手段によるゼロクロス点の検出を無効にする手段を
   設けた周波数測定装置。