JPWO2015145675A1 - 電圧信号検出装置および電圧信号調整方法 - Google Patents

Abstract

電力系統の電流または電圧を変成比に応じた電圧信号として出力する計器用変流器または計器用変圧器の前記電圧信号を検出する電圧信号検出装置において、増幅回路の出力のピーク値と基準電圧との大小を比較し、ピーク値が前記基準電圧よりも小さい場合には、ピーク値が基準電圧よりも大きくなるまで増幅回路４のディジタルポテンショメータの抵抗値を１段階ずつ大きくし、ピーク値が前記基準電圧よりも大きい場合には、ピーク値が基準電圧よりも小さくなるまで増幅回路４のディジタルポテンショメータの抵抗値を１段階ずつ小さくすることで、振幅調整をする。

Description

本発明は、電力系統の電流または電圧の計測値を変成比に応じた電圧信号として出力する計器用変流器または計器用変圧器の電圧信号を検出する電圧信号検出装置および電圧信号調整方法に関する。

ロゴスキーコイル（空芯コイル）を利用して電流を計測するロゴスキー計器用変流器は、電流を変成比に応じた電圧信号として出力する。また、タンクの浮遊容量を利用して電圧を計測する分圧型計器用変圧器は、電圧を変成比（分圧比）に応じた電圧信号として出力する。いずれの場合にも、計測機器の出力信号は電圧信号検出装置に入力され電圧信号として検出される。

従来の電圧信号検出装置は、ロゴスキー計器用変流器または分圧型計器用変圧器の出力信号が入力され、時間微分された出力信号を積分する積分回路と、この積分回路に接続され、ノイズをカットするフィルタ回路と、このフィルタ回路に接続され、電圧信号を規定の振幅まで増幅する増幅回路と、この増幅回路に接続され、アナログ信号をデジタル信号へ変換するＡ／Ｄ変換回路と、このＡ／Ｄ変換回路に接続され、用途に応じて種々の演算を実行し、処理結果を上位装置へ伝送する機能を有する信号処理回路とを備えた構成が一般的である。

また、増幅回路は、入力抵抗Ｒ１、オペアンプ、および可変抵抗Ｒ３を有するメカニカルポテンショメータを備えた構成が一般的であり、増幅率は比Ｒ３／Ｒ１で決まる。

また、同じ変成比のロゴスキー計器用変流器または分圧型計器用変圧器を用いる場合でも、実際には変成比に個体ばらつきがあるため、所望の大きさの電圧信号を検出すためには、機器ごとに増幅回路での振幅調整が必要となる。

そのため、メカニカルポテンショメータを有する増幅回路では、電圧信号検出装置が検出する電圧信号の振幅を所望の大きさとするために、メカニカルポテンショメータの可変抵抗Ｒ３を調整する必要がある。

特許文献１には、ディジタルポテンショメータを有する増幅回路が記載されている。

特開２０１０−６８５７２号公報

しかしながら、上記したメカニカルポテンショメータを有する増幅回路については、増幅率の調整は手動での調整となるため、課電状態では調整が出来ず、安全確保のために系統の停電を取らなければならない。また、所望の振幅値を得るためには、調整→特性確認→再調整の工程を複数回実行しなければならず、調整のたびに停電が必要となり、調整作業に時間を要することとなる。

一方、特許文献１では、調整を簡略化するために、ディジタルポテンショメータを有する増幅回路を用いている。この場合、信号処理回路は上位装置からの指令に応じて増幅回路に対してディジタルポテンショメータの可変抵抗Ｒ３を増減させ、Ａ／Ｄ変換回路の出力を予め設定された基準値と比較し、この比較結果に応じて同様の処理を繰り返すこととなる。

しかしながら、特許文献１に記載された増幅率の調整方法では、ディジタルポテンショメータの可変抵抗Ｒ３を最適値に設定するためには、粗調整用と微調整用など２個以上のディジタルポテンショメータを用いる必要があり、回路構成が複雑になると共に、２個のディジタルポテンショメータを調整するためのアルゴリズムが複雑になるという問題がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、簡素な回路構成で、かつ、複雑な調整アルゴリズムを必要とすることなく高精度な振幅調整が可能な電圧信号検出装置および電圧信号調整方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る電圧信号検出装置は、電力系統の電流または電圧を変成比に応じた電圧信号として出力する計器用変流器または計器用変圧器の前記電圧信号を検出する電圧信号検出装置であって、抵抗値が段階的に変更可能な可変抵抗器を有し、当該可変抵抗器の抵抗値に応じた増幅率で前記電圧信号を増幅する増幅回路と、前記増幅回路の出力のピーク値を出力するピークホールド回路と、前記ピークホールド回路の出力と基準電圧との大小を比較するコンパレータ回路と、前記コンパレータ回路の出力に基づき、前記ピークホールド回路の出力が前記基準電圧よりも小さい場合には、前記ピークホールド回路の出力が前記基準電圧よりも大きくなるまで前記可変抵抗器の抵抗値を１段階ずつ大きくし、前記ピークホールド回路の出力が前記基準電圧よりも大きい場合には、前記ピークホールド回路の出力が前記基準電圧よりも小さくなるまで前記可変抵抗器の抵抗値を１段階ずつ小さくする信号処理回路と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、簡素な回路構成で、かつ、複雑な調整アルゴリズムを必要とすることなく高精度な振幅調整が可能になる、という効果を奏する。

図１は、実施の形態に係る電圧信号検出システムの構成を示すブロック図である。 図２は、実施の形態に係る振幅調整回路の回路構成を示す図である。 図３は、増幅回路の出力Ｖとピークホールド回路が保持するピーク値Ｖｐと基準電圧Ｖｒｅｆとの関係を示した図である。 図４は、実施の形態に係る電圧信号調整方法を示したフローチャートである。

以下に、本発明の実施の形態に係る電圧信号検出装置および電圧信号調整方法を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本実施の形態に係る電圧信号検出システムの構成を示すブロック図である。図１に示すように、実施の形態に係る電圧信号検出システムは、計測機器５０と、計測機器５０に接続された電圧信号検出装置１と、電圧信号検出装置１に接続された上位装置７とを備えている。

計測機器５０は、電力系統の電流または電圧を変成比に応じた電圧信号として出力する計器用変流器または計器用変圧器である。具体的には、計器用変流器は、ロゴスキー計器用変流器である。ロゴスキー計器用変流器は、ロゴスキーコイル（空芯コイル）を利用して電流を計測し、電流を変成比に応じた電圧信号として出力する。また、計器用変圧器は、キャパシタを利用して電圧を計測する分圧型計器用変圧器である。分圧型計器用変圧器は、電圧を変成比（分圧比）に応じた電圧信号として出力する。より詳細には、ロゴスキー計器用変流器およびロゴスキー計器用変流器は、それぞれ電圧信号を時間微分した信号を出力する。計測機器５０の出力信号は電圧信号検出装置１に入力される。

電圧信号検出装置１は、計測機器５０からの時間微分された出力信号を積分する積分回路２と、積分回路２に接続され、ノイズをカットするフィルタ回路３と、フィルタ回路３に接続され、電圧信号を規定の振幅まで増幅する増幅回路４と、増幅回路４に接続され、アナログ信号をデジタル信号へ変換するＡ／Ｄ変換回路５と、Ａ／Ｄ変換回路５および増幅回路４に接続され、用途に応じて種々の演算を実行し、処理結果を上位装置７へ伝送する機能を有する信号処理回路６と、増幅回路４の出力側および信号処理回路６に接続されたピークホールド回路１０と、ピークホールド回路１０の出力側および基準電圧が入力側に接続されると共に出力側が信号処理回路６に接続されたコンパレータ回路１１とを備えている。

図２は、本実施の形態に係る振幅調整回路の回路構成を示す図である。なお、図２では、信号処理回路６とＡ／Ｄ変換回路５との接続等については図示を省略している。図２に示すように、本実施の形態に係る振幅調整回路は、増幅回路４、ピークホールド回路１０、コンパレータ回路１１、および信号処理回路６を備えている。

増幅回路４は、フィルタ回路３に接続される入力抵抗Ｒ１と、一方の入力端子には入力抵抗Ｒ１が接続され他方の入力端子がグランドに接続されたオペアンプ４１と、入力抵抗Ｒ１とオペアンプ４１の出力端子との間に直列に接続された抵抗Ｒ２１およびディジタルポテンショメータ４２とを備えている。ここで、抵抗Ｒ２１は固定抵抗である。抵抗Ｒ２１はディジタルポテンショメータ４２と直列に接続される。ディジタルポテンショメータ４２は、抵抗値を段階的（離散的）に変更可能な可変抵抗器を有し、その抵抗はＲ２２で表される。抵抗Ｒ２１および抵抗Ｒ２２は増幅回路４の帰還抵抗を構成する。増幅回路４の増幅率は、−（Ｒ２１＋Ｒ２２）／Ｒ１で与えられる。

ピークホールド回路１０には、増幅回路４の出力が入力される。ピークホールド回路１０は、増幅回路４の出力のピーク値（波高値）を保持し出力する。

コンパレータ回路１１の一方の入力端子には、ピークホールド回路１０の出力が入力され、他方の入力端子には、予め設定された基準電圧Ｖｒｅｆが入力される。コンパレータ回路１１は、ピークホールド回路１０の出力と基準電圧Ｖｒｅｆとの大小を比較し、比較結果に応じた出力をする。

図３は、増幅回路４の出力Ｖとピークホールド回路１０が保持するピーク値Ｖｐと基準電圧Ｖｒｅｆとの関係を示した図である。図３（ａ）は、Ｖｐ＜Ｖｒｅｆの場合を示し、この場合は、コンパレータ回路１１は、“Ｌ”を出力する。図３（ｂ）は、Ｖｐ＞Ｖｒｅｆの場合を示し、この場合は、コンパレータ回路１１は、“Ｈ”を出力する。コンパレータ回路１１の出力は信号処理回路６に入力される。

信号処理回路６は、ＣＰＵ等を備えて構成される制御処理部６１を備えており、入出力ポートおよび割込ポートを介してコンパレータ回路１１に接続されている。信号処理回路６は、ピークホールド回路１０と接続され、ピークホールド回路１０にリセット信号を送信することができる。ピークホールド回路１０は、リセット信号を受信すると、保持されたピーク値をリセットする。また、信号処理回路６は、バスを介して増幅回路４と接続されている。信号処理回路６は、バスを介してディジタルポテンショメータ４２の抵抗Ｒ２２を調整することができる。

次に、本実施の形態の動作について説明する。図４は、本実施の形態に係る電圧信号調整方法を示したフローチャートである。

まず、上位装置７からの指令に応じて信号処理回路６が振幅調整を開始する。増幅回路４は、この抵抗２２で決まる増幅率に応じた出力をする。ピークホールド回路１０は、増幅回路４の出力のピーク値を保持し出力する（Ｓ１）。

コンパレータ回路１１は、ピークホールド回路１０が出力するピーク値と予め設定された基準電圧Ｖｒｅｆとを比較し、比較結果を信号処理回路６に出力する（Ｓ２）。なお、ピークホールド回路１０の出力が基準電圧Ｖｒｅｆよりも小さい場合、コンパレータ回路１１の出力は“Ｌ”となる。ピークホールド回路１０の出力が基準電圧Ｖｒｅｆよりも大きい場合、コンパレータ回路１１の出力は“Ｈ”となる。

信号処理回路６では、制御処理部６１が入出力ポートを介してコンパレータ回路１１の出力を受け取ると、コンパレータ回路１１の出力が“Ｌ”であるか否かの判定をする（Ｓ３）。

判定の結果、コンパレータ回路１１の出力が“Ｌ”である場合には（Ｓ３，Ｙｅｓ）、制御処理部６１はディジタルポテンショメータ４２の抵抗Ｒ２２を１段階大きくし（Ｓ４）、ピークホールド回路１０をリセットする（Ｓ５）。

続いて、ピークホールド回路１０が、増幅率が１段増大した増幅回路４の出力のピーク値を出力し（Ｓ６）、コンパレータ回路１１が、ピークホールド回路１０が出力するピーク値と基準電圧Ｖｒｅｆとを比較し（Ｓ７）、制御処理部６１は、再度、コンパレータ回路１１の出力が“Ｌ”であるか否かの判定をする（Ｓ８）。

判定の結果、コンパレータ回路１１の出力が“Ｌ”である場合には（Ｓ８，Ｙｅｓ）、再度、Ｓ４〜Ｓ８の処理を繰り返す。判定の結果、コンパレータ回路１１の出力が“Ｈ”である場合には（Ｓ８，Ｎｏ）、振幅調整処理を終了する。

すなわち、制御処理部６１は、コンパレータ回路１１から“Ｌ”信号を受けると、増幅回路４のディジタルポテンショメータ４２の抵抗Ｒ２２を１段階ずつ大きくしていき、コンパレータ回路１１の出力が“Ｌ”から“Ｈ”へ切り替わるまでＲ２２を大きくする。コンパレータ回路１１の出力が“Ｌ”から“Ｈ”へ切り替わったときは、増幅回路４の出力が所望の電圧値に達したこと（つまり、所望の増幅率を得たこと）を意味するため、制御処理部６１は、コンパレータ回路１１の出力の切り替わりを割り込みポートで受け取ったときに、ディジタルポテンショメータ４２の抵抗Ｒ２２の増加を終了する。ディジタルポテンショメータ４２の最終的な抵抗Ｒ２２は、コンパレータ回路１１の出力が“Ｌ”から“Ｈ”へ切り替わった後の抵抗値とすることができるし、切り替わる直前の抵抗値とすることもできる。

なお、制御処理部６１によりＲ２２を増加させる周期は、系統の電流または電圧の周期よりも長くしなければならない。これにより、Ｒ２２を増加させた後の増幅回路４の出力のピーク値がピークホールド回路１０により確実に捉えられる。

他方、Ｓ３における判定の結果、コンパレータ回路１１の出力が“Ｈ”である場合には（Ｓ３，Ｎｏ）、制御処理部６１はディジタルポテンショメータ４２の抵抗Ｒ２２を１段階小さくし（Ｓ９）、ピークホールド回路１０をリセットする（Ｓ１０）。

続いて、ピークホールド回路１０が、増幅率が１段減少した増幅回路４の出力のピーク値を出力し（Ｓ１１）、コンパレータ回路１１が、ピークホールド回路１０が出力するピーク値と基準電圧Ｖｒｅｆとを比較し（Ｓ１２）、制御処理部６１は、コンパレータ回路１１の出力が“Ｈ”であるか否かの判定をする（Ｓ１２）。

判定の結果、コンパレータ回路１１の出力が“Ｈ”である場合には（Ｓ１３，Ｙｅｓ）、再度、Ｓ９〜Ｓ１３の処理を繰り返す。判定の結果、コンパレータ回路１１の出力が“Ｌ”である場合には（Ｓ１３，Ｎｏ）、振幅調整処理を終了する。

すなわち、制御処理部６１は、コンパレータ回路１１から“Ｈ”信号を受けると、増幅回路４のディジタルポテンショメータ４２の抵抗Ｒ２２を１段階ずつ小さくしていき、コンパレータ回路１１の出力が“Ｈ”から“Ｌ”へ切り替わるまでＲ２２を小さくする。コンパレータ回路１１の出力が“Ｈ”から“Ｌ”へ切り替わったときは、増幅回路４の出力が所望の電圧値に達したこと（つまり、所望の増幅率を得たこと）を意味するため、制御処理部６１は、コンパレータ回路１１の出力の切り替わりを割り込みポートで受け取ったときに、ディジタルポテンショメータ４２の抵抗Ｒ２２の減少を終了する。ディジタルポテンショメータ４２の最終的な抵抗Ｒ２２は、コンパレータ回路１１の出力が“Ｈ”から“Ｌ”へ切り替わった後の抵抗値とすることができるし、切り替わる直前の抵抗値とすることもできる。

なお、制御処理部６１によりＲ２２を減少させる周期は、系統の電流または電圧の周期よりも長くしなければならない。これにより、Ｒ２２を増加させた後の増幅回路４の出力のピーク値がピークホールド回路１０により確実に捉えられる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、振幅調整回路を構成する増幅回路４、ピークホールド回路１０、およびコンパレータ回路１１をアナログ回路で構成し、ディジタルポテンショメータ４２を有する増幅回路４を用いるようにしたので、簡素な回路構成で、かつ、複雑な調整アルゴリズムを必要とすることなく、高精度な振幅調整が可能になり、計測機器５０の変成比の個体ばらつきによる電圧振幅誤差を抑制することが可能となる。

なお、本実施の形態では、増幅回路４の帰還抵抗として固定抵抗Ｒ２１も設けるようにしたが、固定抵抗Ｒ２１を設けずに、ディジタルポテンショメータ４２のみを設ける構成も可能である。ただし、固定抵抗Ｒ２１も設けた場合には、次のような利点がある。計測機器の変成比の個体ばらつき幅が既知の場合には、このばらつき幅の中央で所望の電圧が得られるように、固定抵抗Ｒ２１を設定することができる。これにより、ディジタルポテンショメータ４２の抵抗Ｒ２２は個体ばらつきのみを調整すればよいので、高分解能の調整が可能となり、より短い調整時間で振幅調整の精度を向上させることができる。

以上のように、本発明は、電圧信号検出装置および電圧信号調整方法として有用である。

１ 電圧信号検出装置、２ 積分回路、３ フィルタ回路、４ 増幅回路、５ Ａ／Ｄ変換回路、６ 信号処理回路、７ 上位装置、１０ ピークホールド回路、１１ コンパレータ回路、４１ オペアンプ、４２ ディジタルポテンショメータ、６１ 制御処理部。

また、同じ変成比のロゴスキー計器用変流器または分圧型計器用変圧器を用いる場合でも、実際には変成比に個体ばらつきがあるため、所望の大きさの電圧信号を検出するためには、機器ごとに増幅回路での振幅調整が必要となる。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る電圧信号検出装置は、電力系統の電流または電圧を電圧信号として出力する計器用変流器または計器用変圧器からの前記電圧信号を検出する電圧信号検出装置であって、抵抗値が段階的に変更可能な可変抵抗器を有し、当該可変抵抗器の抵抗値に応じた増幅率で前記電圧信号を増幅する増幅回路と、前記増幅回路の出力のピーク値を出力するピークホールド回路と、前記ピークホールド回路の出力と基準電圧との大小を比較するコンパレータ回路と、上位装置からの指令に応じて振幅調整処理を開始し、前記コンパレータ回路の出力に基づき、前記ピークホールド回路の出力が前記基準電圧よりも小さい場合には、前記ピークホールド回路の出力が前記基準電圧よりも大きくなって前記コンパレータ回路の出力が切り替わるまで前記可変抵抗器の抵抗値を１段階ずつ大きくし、前記コンパレータ回路の出力が切り替わったときに前記振幅調整処理を終了し、前記ピークホールド回路の出力が前記基準電圧よりも大きい場合には、前記ピークホールド回路の出力が前記基準電圧よりも小さくなって前記コンパレータ回路の出力が切り替わるまで前記可変抵抗器の抵抗値を１段階ずつ小さくし、前記コンパレータ回路の出力が切り替わったときに前記振幅調整処理を終了する信号処理回路と、を備えることを特徴とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る電圧信号検出装置は、電力系統の電流または電圧を電圧信号として出力する計器用変流器または計器用変圧器からの前記電圧信号を検出する電圧信号検出装置であって、抵抗値が段階的に変更可能な可変抵抗器を有し、当該可変抵抗器の抵抗値に応じた増幅率で前記電圧信号を増幅する増幅回路と、前記増幅回路の出力のピーク値を出力するピークホールド回路と、前記ピークホールド回路の出力と基準電圧との大小を比較するコンパレータ回路と、上位装置からの指令に応じて振幅調整処理を開始し、前記振幅調整処理の開始後に、前記コンパレータ回路の出力に基づき、前記ピークホールド回路の出力と前記基準電圧とを比較し、比較判定の結果、前記ピークホールド回路の出力が前記基準電圧よりも小さい場合には、前記ピークホールド回路の出力が前記基準電圧よりも大きくなって前記コンパレータ回路の出力が切り替わるまで前記可変抵抗器の抵抗値を１段階ずつ一方向に大きくし、前記コンパレータ回路の出力が切り替わったときに前記抵抗値の増加を終了して前記振幅調整処理を終了し、前記比較判定の結果、前記ピークホールド回路の出力が前記基準電圧よりも大きい場合には、前記ピークホールド回路の出力が前記基準電圧よりも小さくなって前記コンパレータ回路の出力が切り替わるまで前記可変抵抗器の抵抗値を１段階ずつ一方向に小さくし、前記コンパレータ回路の出力が切り替わったときに前記抵抗値の減少を終了して前記振幅調整処理を終了する信号処理回路と、を備えることを特徴とする。

Claims (6)

1. 電力系統の電流または電圧を変成比に応じた電圧信号として出力する計器用変流器または計器用変圧器の前記電圧信号を検出する電圧信号検出装置であって、
   抵抗値が段階的に変更可能な可変抵抗器を有し、当該可変抵抗器の抵抗値に応じた増幅率で前記電圧信号を増幅する増幅回路と、
   前記増幅回路の出力のピーク値を出力するピークホールド回路と、
   前記ピークホールド回路の出力と基準電圧との大小を比較するコンパレータ回路と、
   前記コンパレータ回路の出力に基づき、前記ピークホールド回路の出力が前記基準電圧よりも小さい場合には、前記ピークホールド回路の出力が前記基準電圧よりも大きくなるまで前記可変抵抗器の抵抗値を１段階ずつ大きくし、前記ピークホールド回路の出力が前記基準電圧よりも大きい場合には、前記ピークホールド回路の出力が前記基準電圧よりも小さくなるまで前記可変抵抗器の抵抗値を１段階ずつ小さくする信号処理回路と、
   を備えることを特徴とする電圧信号検出装置。
2. 前記増幅回路の増幅率は、入力抵抗の抵抗値と帰還抵抗の抵抗値との比で決まり、
   前記帰還抵抗は、前記入力抵抗と前記可変抵抗器とに直列に接続され前記可変抵抗器の抵抗値よりも抵抗値が大きい固定抵抗と、前記可変抵抗器とから成ることを特徴とする請求項１に記載の電圧信号検出装置。
3. 前記信号処理回路により前記可変抵抗器の抵抗値が増加または減少する周期は、前記電力系統の電流または電圧の周期よりも長いことを特徴とする請求項１または２に記載の電圧信号検出装置。
4. 電力系統の電流または電圧を変成比に応じた電圧信号として出力する計器用変流器または計器用変圧器の前記電圧信号を検出する電圧信号調整方法であって、
   抵抗値が段階的に変更可能な可変抵抗器を有する増幅回路が、当該可変抵抗器の抵抗値に応じた増幅率で前記電圧信号を増幅して出力するステップと、
   ピークホールド回路が、前記増幅回路の出力のピーク値を出力するステップと、
   コンパレータ回路が、前記ピークホールド回路の出力と基準電圧との大小を比較するステップと、
   信号処理回路が、前記コンパレータ回路の出力に基づき、前記ピークホールド回路の出力が前記基準電圧よりも小さい場合には、前記ピークホールド回路の出力が前記基準電圧よりも大きくなるまで前記可変抵抗器の抵抗値を１段階ずつ大きくし、前記ピークホールド回路の出力が前記基準電圧よりも大きい場合には、前記ピークホールド回路の出力が前記基準電圧よりも小さくなるまで前記可変抵抗器の抵抗値を１段階ずつ小さくするステップと、
   を含むことを特徴とする電圧信号調整方法。
5. 前記増幅回路の増幅率は、入力抵抗の抵抗値と帰還抵抗の抵抗値との比で決まり、
   前記帰還抵抗は、前記入力抵抗と前記可変抵抗器とに直列に接続され前記可変抵抗器の抵抗値よりも抵抗値が大きい固定抵抗と、前記可変抵抗器とから成ることを特徴とする請求項４に記載の電圧信号調整方法。
6. 前記信号処理回路により前記可変抵抗器の抵抗値が増加または減少する周期は、前記電力系統の電流または電圧の周期よりも長いことを特徴とする請求項４または５に記載の電圧信号調整方法。

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