JPS5811027B2 - 電力測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は電力測定装置、さらに詳細には静的電気計器に
用いられる交流電流網における電力を測定する電力測定
装置に関する。

すでにスイス特許第５３８１２２号には２つの変調器に
よって発生したパルスをアンドゲートに加え、パルス発
生器から発生した測定パルスによって測定されるような
電力測定装置が知られている。

このようにして発生した出力パルスの平均頻度が電力の
尺度となっている。

種々の影響によって２つの変調器によって発生したパル
スは電圧ないし電流が零の値を持つとき正確に対称では
なくなってしまう。

そのような非対称によって生じる測定の零点誤差は従来
の測定装置においてはアンドゲートをイクスクルーシブ
オアゲートにおきかえることによって部分的に補償する
ことができる。

しかしこのように変調器の対称誤差を保証する方法では
電圧と電流の積の形成を統計的な一致法により行なうこ
とが必要でありデジタル的に積を形成する測定装置では
用いることができないという欠点がある。

したがって本発明の目的は電圧と電流の積の形成をデジ
タル的に行なうということができ両変調器によって発生
したパルスの対称誤差が測定結果におよぼす影響をなく
するようにした交流網における電力測定装置を提供する
ことにある。

本発明によればパルス期間が電圧ないし電流の瞬時値に
相当したパルスを発生させる２つの変調器が用いられ、
パルスカウンターを用いてそのパルスからデジタル電圧
測定値および電流測定値が求められる。

このパルスの平均値を求めるために同様にパルスカウン
ターによって構成される平均値形成回路が用いられる。

減算器によって測定値と平均値の差が計算され、それに
よって測定回路における非対称性ならびに交流網におけ
る直流電圧ならびに直流電流による影響が補償される。

平均値はマイクロコンピュータ−のメモリーに記憶され
た平滑アルゴリズムによって作動する平滑フィルターに
よって平滑にされる。

減算回路によってデジタル電圧あるいは電流測定値が得
られるが、これらの測定値は電圧ないしは電流から形成
されたパルスの平均値に従って補正されるので、両パル
スの対称誤差が測定結果におよぼす影響は完全に除去す
ることができるという利点が得られる。

次に添付図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明す
る。

第１図の上半分には電圧測定回路１が、また下半分には
電流測定回路２が図示されている。

パルス発生器３およびそれによって制御される三角波発
生器４は筒測定回路１，２に共通に用いられる。

電圧測定回路１はパルス比較器１１゜アンドゲート１２
．パルスカウンター１３．デジタル平均値を形成するパ
ルスカウンター１４．平滑フィルター１５ならびにデジ
タル減算回路１６から構成される。

同様に電流測定回路２も比較器２１、アンドゲート２２
．パルスカウンター２３゜デジタル平均値を形成するパ
ルスカウンター２４゜平滑フィルター２５ならびにデジ
タル減算回路２６から構成される。

測定すべき電圧と比例する電気信号Ｕ（ｔ）が比較器１
１の第１の入力に、また測定すべき電流に比例する電気
信号１（ｔ）が比較器２１の第１の入力にそれぞれ印加
される。

三角波発生器４の出力はそれぞれ比較器１１，２１の第
２の入力に接続される。

比較器１１，２１は三角波発生器４とともに、パルス幅
が信号Ｕ（ｔ）ないし１（ｔ）の瞬時値を示すパルスＳ
１ｕないしＳ１ｉを形成するいわゆるマークスペース変
調器（パルス幅変調器）として動作する。

パルス発生器３は３つの出力５，６，７を有する。

出力５には周波数ｆａ を持つ測定パルスが、また出力
６には周波数ｆｂ をもつリセットパルスが、また出カ
フには周波数ｆｃをもつリセットパルスがそれぞれ出力
される。

好ましくはパルス発生器３は周波数ｆａ を有する水晶
発振器から構成され、それを分周することによってそれ
ぞれ周波数ｆｂ、ｆｃが得られる。

出力５は比較器１１に接続されたアンドゲート１２と、
また比較器２１に接続されたアンドゲート２２にそれぞ
れ接続され、一方出力６はパルスカウンター１３，２３
のリセット入力Ｒと出カフはパルスカウンター１４゜２
４のそれぞれのリセット入力Ｒと接続される。

さらにパルス発生器３の出力６は三角波発生器４を制御
し、それによって得られる三角波電圧Ｕ１の基本周波数
が周波数ｆｂ と等しくなるようにされる。

アンドゲート１２ないし２２の出力にはパルス群Ｓ２ｕ
、Ｓ２ｉ が出力され、それぞれパルスカウンター１３
ないし２３のカウント入力Ｚにまたパルスカウンター１
４ないし２４のカウント入力Ｚにそれぞれ入力される。

パルスカウンター１３，２３はそれぞれデータバス１７
，２７を経て減算回路１６，２６に接続される。

さらにパルスカウンター１４，２４はデータバス１８，
２８（必要な場合にはさらに平滑フィルター１５，２５
を経て）それぞれ減算回路１６．２６に接続される。

減算回路１６，２６はデータバス１９，２９を経て計算
回路３０に接続され、その計算回路３０にはパルスカウ
ンター３１が接続される。

平滑フィルター１５，２５゜減算回路１６，２６および
計算回路３０は好ましくはマイクロコンピュータ−３２
によって構成される。

パルスＳ１ｕならびにパルス群Ｓ２ｕがそれぞれ第２図
に図示されており、第２ａ図には零レベルに対して対称
な三角波電圧Ｕ１ と点Ｐ１ からＰ４で交差する信
号Ｕ（ｔ）のカーブの例が図示されている。

それぞれの交点において比較器１１から発生したパルス
５１ｕ（第２ｂ図）の論理状態が変化する。

その場合 が成立する。

ただしＴ１ はパルスＳ１ｕのパルス期間、Ｔ２はその
休止期間を示す。

パルス期間Ｔ１の間パルス発生器３によって発生した測
定パルスはアンドゲート１２を通過するので、アンドゲ
ート１２の出力にはパルス群５２ｕ（第２ｃ図）が表わ
れ、その場合パルス群は周波数ｆｂで表われ、ひとつの
パルス群内のパルス数は信号Ｕ（ｔ）の瞬時値に関連し
た値を示す。

周波数ｆｂの各周期ごとにパルスカウンター１３はパル
スを計数し、その後リセットパルスがリセット入力Ｒに
入力されてカウンターはリセットされる。

パルスカウンターのカウント内容はリセット直前データ
バス１７を経て減算回路１６に転送される。

この計数内容は信号Ｕ（ｔ）の瞬時値したがって交流電
源回路の交流電圧のデジタル測定値Ｍｕを表わすことに
なる。

パルスカウンター１４によってパルスＳ１ｕの平均値Ｍ
ｍｕがＮ電源周期にわたって求められる。

ただしＮは整数である。

そのためにパルス群Ｓ２ｕのパルスが継続的にパルスカ
ウンター１４で計数される。

それぞれＮ電源周期のあとパルスカラン−１４は周波数
ｆｃのりセットパルスによってリセットされふたたび新
しく計数を始める。

この各加算期間 の間に（ｆＮは電源周波数）パルスカウンター１４はそ
れぞれ電圧測定値Ｍｕを加算し、Σ値を形成する。

ただし である。

電圧測定値Ｍｕの平均値Ｍｍｕ に対してはが成立する
。

パルスカウンター１４がそれぞれリセットされる前に平
均値Ｍｍｕはデータバス１８．また必要な場合には平滑
フィルター１５をそれぞれ介して減算回路１６に転送さ
れる。

パルスカウンター１４の計数内容をｎでわって平均値Ｍ
ｍｕ を形成するに必要なステップは後で詳細に説明す
るようにカウンターの内容を適当に読み出すことによっ
て行なわれる。

電圧測定回路１に対して説明した動作は同様に電流測定
回路２に対してもあてはまる。

すなわち周波数ｆｂの各周期のおわりにパルスＳ１ｉの
パルス期間に相当し、電流のデジタル測定値Ｍｉを表わ
すパルスカウンター２３の計数内容はデータバス２７を
経て減算回路２６に転送される。

さらに周波数ｆｃの各周期の終了時に測定値Ｍｉの平均
値Ｍｍｉ はデータバス２８を経て減算回路２６に送ら
れる。

新しい測定値Ｍｕが発生した場合にそれぞれ減算回路１
６によってその測定値とそれぞれ発生する平均値Ｍｍｕ
とのひき算Ｍｕ−Ｍｍｕが形成される。

同様に減算回路２６によってひき算Ｍｉ−Ｍｍｉが形成
される。

この様にして補正された測定値は計算回路３０において
互いにかけ算される。

そのかけ算の結果は電力の瞬時値に相当する。

周波数ｆｂ ごとに発生する電力の瞬時値から従来知ら
れた方法で１電源周期にわたる電力の平均値が求められ
、パルスカウンター３１による積分によって電気エネル
ギーが測定される。

上に述べた測定装置の動作をさらに理解するために数値
を提示して説明する。

ｆＮ＝５０Ｈｚ。ｆａ＝２２２Ｈｚ、ｆｂ＝２１０Ｈｚ
＝１０２４Ｈｚ、ｆｃ＝２Ｈｚとするとｎ＝５１２＝２
９．Ｎ＝２５となる。

したがってこの例では平均値はおのおの２５電源周期ご
とに形成される。

またそれぞれ５１２個の測定値ＭｕないしＭｉに対して
平均値が形成される。

周波数ｆａ およびｆｂは電源周波数ｆＮの整数倍では
ないので、有限の測定周波数によって生じる原理的な測
定誤差は測定周期を多くとることによって補償するよう
にする。

パルスカウンター１４，２４の計数の内容を数値ｎ＝２
９によってわり算することは計数状態をよみだす場合下
位のけたにある９ビツトを無視して９ビツトだけシフト
させる演算によって行なうことができる。

パルスカウンター１３，２３にはＴ１＝Ｔ２の場合にそ
れぞれ２０４８個のパルスが、またＴ１＝０のときには
零個のＴ２＝０のときには４０９６のパルスがカウント
される。

したがってこれらのパルスカウンターは０と４０９６の
間の計数値によって電圧ないしは電流を表現する（ただ
し避けなければならないが比較器１１，２１は限界まで
制御されると仮定する）。

すなわち零線は２０４８の数値だけずれることになる。

同様に平均値ＭｍｕないしＭｍｉは２０４８の値を中心
に変動するので減算回路１６ないし２６によって形成さ
れる差はそれぞれ信号ｕ（ｔ）ないし１（ｔ）の大きさ
およびその符号にしたがってそれぞれ−２０４８と＋２
０４８の間の値をとる。

このような測定装置の利点は容易に理解することができ
る。

１以上の電源周期にわたる交流の平均値はよく知られて
いるように零であるが、パルスカウンター１４，２４に
よって求められる平均値の０からのずれ（すなわち上に
のべた例では２０４８の計数値からのずれ）は、測定に
用いられる回路素子のオフセット電圧、オフセット電流
、非対称性などによっであるいは交流電流における直流
電圧および直流電流によって生じる平均測定誤差に等し
いので、その測定誤差を完全に理論的に補正することが
できる。

電源周波数の変動をさけることができず、また測定周波
数を任意に高く選ぶことができないので、通常平均値に
は誤差が含まれるけれども、同時に非常な精度をもって
平均値を求めることもできる。

さらに精度を高める場合には平滑アルゴリズムによって
作動する従来の平均値フィルターあるいは指数関数フィ
ルターによって構成される平滑フィルター１５，２５が
用いられる。

平均値を平滑化する平滑アルゴリズムはマイクロコンピ
ュータ−３２のメモリーに記憶できる。

測定精度がそれほど要求されない場合には平均値の測定
ならびに測定値と平均値から差を求めることは両測定回
路１，２のうちの一方だけで行なうようにしてもいい。

というのは対称性にもとづく誤差は両測定回路に表われ
た場合計算回路３０において形成される積においてのみ
表われるからである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の電力測定装置の電気回路部分を示した
ブロック回路図、第２ａ図から第２ｃ図はそれぞれ第１
図の回路の動作を説明するための信号波形図である。 １・・・電圧測定回路、２・・・電流測定回路、３・・
・パルス発生器、４・・・三角波発生器、１１・・・比
較器、１３・・・パルスカウンター、１４・・・パルス
カウンター、１５・・・平滑フィルター、１６・・・デ
ジタル減算回路、２１・・・比較器、２４・・・パルス
カウンター、２５・・・平滑フィルター、２６・・・デ
ジタル減算回路、３０・・・計算回路、３１・・・パル
スカウンター、３２・・・マイクロコンピュータ−０

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ パルス期間が電圧ないし電流の瞬時値に対応した第
   １ないし第２のパルスを形成する第１と第２の変調器と
   、測定パルスを発生するパルス発生器と、電圧と電流の
   瞬時値の積を形成する計算回路とを有し交流電源網にお
   ける電力を測定する電力測定装置において、前記第１の
   変調器１１，４とパルス発生器３によって制御され第１
   のパルスＳ１ｕのパルス期間Ｔ１ に相当するデジタル
   電圧測定値Ｍｕを測定する第１のパルスカウンター１３
   と、第２の変調器２１，４とパルス発生器３によって制
   御され第２のパルスＳ１ｉのパルス期間に相当するデジ
   タル電流測定値Ｍｉを測定する第２のパルスカウンター
   ２３と、前記第１ないし第２のパルスＳ１ｕ、Ｓ１ｉの
   少なくとも一電源周期にわたる平均値Ｍｍｕ、Ｍｍｉを
   形成するデジタル平均値形成回路１４，２４と、電圧な
   いし電流測定値Ｍｕ。 Ｍｉとそれに関連した平均値Ｍｍｕ、Ｍｍｉの差を形成
   するデジタル減算回路１６，２６とをそなえた電力測定
   回路。 ２ 前記平均値形成回路１４，２４は第１ないし第２の
   変調器１１，４，２１，４およびパルス発生器３によっ
   て制御される他のパルスカウンターである特許請求範囲
   第１項に記載の電力測定装置。 ３ 平均値形成回路１４，２４と減算回路１６゜２６の
   間のデータバス１８，２８に平滑フィルター１５，２５
   が配置される特許請求の範囲第１項又は第２項に記載の
   電力測定装置。 ４ 前記平滑フィルター１５，２５と、減算回路１６．
   ２６と、計算回路３０はマイクロコンピュータ−３２に
   よって構成され、またマイクロコンピュータ−３２のメ
   モリーには平均値形成回路１４．２４によって求められ
   た平均値Ｍｍｕ、Ｍｍｉを平滑する平滑アルゴリズムが
   記憶される特許請求の範囲第３項に記載の電力測定装置
   。 ５ 前記パルス発生器３は３つの出力５，６，７を有し
   、その第１の出力５は第１の変調器１１゜４に接続され
   た第１のアンドゲート１２と、また第２の変調器１１，
   ４に接続された第２のアンドゲート２２に接続され、パ
   ルス発生器３の第２の出力６はそれぞれ第１と第２のパ
   ルスカウンター１３．２３のリセット入力Ｒと接続され
   、またパルス発生器３の第３の出カフは第２のパルスカ
   ウンター１４，２４のリセット入力Ｒと接続され、さら
   に第１ないし第２のアンドゲート１２，２２の出力は第
   １ないし第２のパルスカウンター１３゜２３の計数入力
   Ｚとまた他のパルスカウンター１４．２４の計数入力Ｚ
   にそれぞれ接続される特許請求の範囲第２項、第３項ま
   たは第４項に記載の電力測定装置。 ６ 前記パルス発生器３の第２の出力６は第１と第２の
   変調器１１，４，２１，４の周波数を制御する特許請求
   の範囲第５項に記載の電力測定装置。