JP5201034B2 - キャリブレーションシステムおよび電力測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力測定装置における電力量の測定結果を調整するキャリブレーション技術に関する。

各種の施設に供給される電力あるいは各種の負荷装置に供給される出力を測定する電力測定装置がある。電力会社は、電力測定装置の測定結果に基づいて電気料金の請求を行う。つまり、電力測定装置の測定結果は、電気料金計算の基礎になる情報であり、高い精度が求められる。

電力測定装置内には、各種のアナログ回路が組み込まれている。電力量を測定するために入力した電流信号や電圧信号は、アナログ回路で処理されることによりゲインや位相にずれが生じる。その結果、電力量の測定値に誤差が生じる。

このように、ある負荷装置に対して電力測定装置が測定する電力量と、負荷装置本来の負荷電力との間には誤差が生じることになるが、この誤差の大きさは電力測定装置ごとに異なる。つまり、電力測定装置には装置ごとに固有の特性があり、正確な電力量を測定するためには、電力測定装置ごとの特性を調整するキャリブレーションを行う必要がある。

図３は、従来のキャリブレーションシステム５０を示す図である。キャリブレーションシステム５０は、電力測定装置５１、交流電源装置５２、負荷装置５３、パーソナルコンピュータ５４および周波数カウンタ５６を備えて構成される。このキャリブレーションシステム５０は、電力測定装置５１の電力測定精度を調整するためのシステムである。

負荷装置５３は、力率１．０の装置である。まず、キャリブレーションシステム５０は、力率１．０の負荷装置５３を利用して、ゲインのキャリブレーションを行う。負荷装置５３には、交流電源装置５２から電力が供給される。電力測定装置５１は、交流電源装置５２から負荷装置５３に供給される電力量を測定し、ＣＦ端子５５から測定した電力量に応じたパルス周波数を出力する。ＣＦ端子５５から出力されたパルス周波数は、周波数カウンタ５６でカウントされる。パーソナルコンピュータ５４は、電力測定装置５１内のレジスタから情報を取得し、あるいは、電力測定装置５１内のレジスタに情報を入力する。

ＣＦ端子５５から出力されるパルス周波数は、理論上は、数（１）式に示すとおりである。

数（１）式において、ＣＦ＿ｅｘｐは、計算により求められる理論上のパルス周波数（Ｈｚ）であり、ＭＣは、電力メータ定数（ｉｍｐ／Ｗｈ）であり、ＬＤは、負荷装置５３の負荷電力（Ｗ）であり、ＰＦは、負荷装置５３の力率である。ここでは、負荷装置５３の力率は１．０であるから、ＰＦ＝１．０である。

これに対して、実際に電力測定装置５１において測定されるパルス周波数は、数（２）式で表される。

数（２）式において、ＣＦ＿ｒｅａｌは、電力測定装置５１内のレジスタ値に基づいて演算されたパルス周波数（Ｈｚ）であり、ＰＭＲは、電力測定装置５１内の電力情報レジスタの値である。また、Ｔは、測定時間（秒）であり、ＧＲは、電力測定装置５１内の電力情報レジスタの値を補正するためのゲイン調整レジスタの値である。

そして、数（３）式に示すように、理論上のパルス周波数ＣＦ＿ｅｘｐと測定されたパルス周波数ＣＦ＿ｒｅａｌとのゲイン誤差ＰｏｗｅｒＥｒｒｏｒを求める。ゲイン誤差ＰｏｗｅｒＥｒｒｏｒとは、電流信号と電圧信号のゲインのずれによって生じるパルス周波数の誤差である。

このようにして、ゲイン誤差ＰｏｗｅｒＥｒｒｏｒが求められるので、ゲイン誤差ＰｏｗｅｒＥｒｒｏｒが０となるように、ゲイン調整レジスタの値を調整する。そして、ゲイン誤差ＰｏｗｅｒＥｒｒｏｒが０となったところで、周波数カウンタ５６のカウント値を確認し、負荷装置５３の負荷電力と一致していれば、ゲインキャリブレーションを終了する。ゲインキャリブレーションが終了した時点でゲイン調整レジスタに設定されていた値は固定される。

ゲインキャリブレーションが終了すると、続いて、位相キャリブレーションを行う。図４に示すように、キャリブレーションシステム５０には、力率０．５の負荷装置５７が接続される。その他の構成は、図３と同様である。

ＣＦ端子５５から出力されるパルス周波数の理論値は、数（１）式と同様の式で求められる。ただし、ＰＦ＝１．０となるため、力率１．０の状態で求められた理論値ＣＦ＿ｅｘｐを用いて表すと、ＰＦ＝０．５の場合の理論値は、ＣＦ＿ｅｘｐ／２となる。

これに対して、実際に電力測定装置５１において測定されるパルス周波数は、数（４）式で表される。

数（４）式において、ＣＦ（０．５）＿ｒｅａｌは、電力測定装置５１内のレジスタ値に基づいて演算されたパルス周波数（Ｈｚ）である。ＰＲは、電力測定装置５１内の電力情報レジスタの値を補正するための位相調整レジスタの値である。

そして、数（５）式に示すように、理論上のパルス周波数ＣＦ＿ｅｘｐ／２と測定されたパルス周波数ＣＦ（０．５）＿ｒｅａｌとの位相誤差ＰｈａｓｅＥｒｒｏｒを求める。位相誤差ＰｈａｓｅＥｒｒｏｒとは、電流信号と電圧信号の位相のずれによって生じるパルス周波数の誤差である。

このようにして、位相誤差ＰｈａｓｅＥｒｒｏｒが求められるので、位相誤差ＰｈａｓｅＥｒｒｏｒが０となるように、位相調整レジスタの値を調整する。そして、位相誤差ＰｈａｓｅＥｒｒｏｒが０となったところで、周波数カウンタ５６のカウント値を確認し、負荷装置５７の負荷電力と一致していれば、位相キャリブレーションを終了する。位相キャリブレーションが終了した時点での位相調整レジスタの値を固定することで、電力測定装置５１の調整作業は終了する。調整作業の終了した電力測定装置５１は、出荷され、実際の環境で電力測定に用いられる。

特開２０００−７４９６１号公報

上述したように、従来のキャリブレーションシステム５０においては、まず、力率１．０の負荷装置５３を用いてゲインキャリブレーションを行い、続いて、力率０．５の負荷装置５７を利用して位相キャリブレーションを行うようにしていた。なお、位相キャリブレーションを行うためには、力率１．０以外の値であれば他の力率の負荷装置を利用することもできる。そして、ゲイン調整レジスタおよび位相調整レジスタの値を調整することで、電力測定装置５１に対するゲインおよび位相キャリブレーションを行うことができる。

しかし、ゲインキャリブレーションシステム５０を利用する場合、ゲインキャリブレーションを行うための力率１．０の負荷装置と、位相キャリブレーションを行う力率１．０以外の負荷装置を２種類用意する必要があった。また、力率１．０の負荷装置に比べると、力率０．５などの精度の高い負荷装置を準備することは簡単ではない。したがって、従来のキャリブレーションシステム５０は、システムの設定、構築に手間がかかり、生産性が悪かった。さらには、負荷装置の理論上の負荷電力を比較対象とするため、負荷装置の高い精度が必要であった。

上記特許文献１において、電力計は位相調整回路を備えている。特許文献１に係る位相調整回路は、アナログ回路により構成されており、可変抵抗器の抵抗値を加減することによって、電流・電圧間の位相を調整するようにしている。

そこで、本発明は前記問題点に鑑み、キャリブレーションを効率的に実行可能な電力測定装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１記載の発明は、交流電源装置と、前記交流電源装置から電力の供給を受ける力率１の交流負荷装置と、前記交流電源装置から前記交流負荷装置に供給される電力を測定する電力測定装置と、を備え、前記電力測定装置は、前記交流電源装置と前記交流負荷装置との間の電流信号を入力する第１アナログ回路と、前記交流電源装置と前記交流負荷装置との間の電圧信号を入力する第２アナログ回路と、前記第１アナログ回路から出力された電流信号をデジタル変換する第１変換回路と、前記第２アナログ回路から出力された電圧信号をデジタル変換する第２変換回路と、前記第１変換回路から出力されたデジタル電流信号と前記第２変換回路から出力されたデジタル電圧信号とから電力値を演算する電力演算回路と、前記電力演算回路で演算される電力値がピーク値を取るようにデジタル電流信号とデジタル電圧信号との間の位相を調整する制御回路と、を備えることを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１に記載のキャリブレーションシステムにおいて、さらに、前記第２変換回路から出力されたデジタル電圧信号の位相を調整する位相調整回路、を備え、前記制御回路は、前記位相調整回路を制御することで、前記電力演算回路で演算される電力値がピーク値を取るようにデジタル電流信号とデジタル電圧信号との間の位相を調整することを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１に記載のキャリブレーションシステムにおいて、さらに、前記第１変換回路から出力されたデジタル電流信号の位相を調整する位相調整回路、を備え、前記制御回路は、前記位相調整回路を制御することで、前記電力演算回路で演算される電力値がピーク値を取るようにデジタル電流信号とデジタル電圧信号との間の位相を調整することを特徴とする。

請求項４記載の発明は、キャリブレーション機能を備えた電力測定装置であって、前記電力測定装置は、交流電源装置および力率１の交流負荷装置に接続されることで前記交流電源装置から前記交流負荷装置に供給される電力を測定することが可能であり、前記電力測定装置は、前記交流電源装置と前記交流負荷装置との間の電流信号を入力する第１アナログ回路と、前記交流電源装置と前記交流負荷装置との間の電圧信号を入力する第２アナログ回路と、前記第１アナログ回路から出力された電流信号をデジタル変換する第１変換回路と、前記第２アナログ回路から出力された電圧信号をデジタル変換する第２変換回路と、前記第１変換回路から出力されたデジタル電流信号と前記第２変換回路から出力されたデジタル電圧信号とから電力値を演算する電力演算回路と、前記電力演算回路で演算される電力値がピーク値を取るようにデジタル電流信号とデジタル電圧信号との間の位相を調整する制御回路と、を備えることを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項４に記載の電力測定装置において、さらに、前記第２変換回路から出力されたデジタル電圧信号の位相を調整する位相調整回路、を備え、前記制御回路は、前記位相調整回路を制御することで、前記電力演算回路で演算される電力値がピーク値を取るようにデジタル電流信号とデジタル電圧信号との間の位相を調整することを特徴とする。

請求項６記載の発明は、請求項４に記載の電力測定装置において、さらに、前記第１変換回路から出力されたデジタル電流信号の位相を調整する位相調整回路、を備え、前記制御回路は、前記位相調整回路を制御することで、前記電力演算回路で演算される電力値がピーク値を取るようにデジタル電流信号とデジタル電圧信号との間の位相を調整することを特徴とする。

本発明のキャリブレーションシステムは、デジタル領域で電流信号と電圧信号の位相を調整するので、電力測定装置のキャリブレーション作業を自動化させることが可能である。

また、力率１の交流負荷装置を利用して、位相キャリブレーションを行うことができるので、ゲインキャリブレーションと位相キャリブレーションを行うために、２種類の力率の負荷装置を準備する必要はない。力率１の負荷装置を利用して、ゲインキャリブレーションと位相キャリブレーションの両方を行うことができる。

また、力率０．５など力率１以外の負荷装置を準備する必要がないので、汎用的な力率１の負荷装置を利用することができ、キャリブレーションシステムの構築、設定が容易である。

さらには、負荷装置の理論上の負荷電力を比較対象とするのではなく、計測された電力の分布から位相調整を行うので、負荷装置に求められる精度のレベルを低減させることができる。

本実施の形態のキャリブレーションシステムを示す図である。 位相調整方法を示す図である。 従来のキャリブレーションシステムを示す図である。 従来のキャリブレーションシステムを示す図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。図１は、本実施の形態に係るキャリブレーションシステム１を示す図である。キャリブレーションシステム１は、電力測定装置１０、交流電源装置２０および交流負荷装置３０などを備えて構成される。

キャリブレーションシステム１は、電力測定装置１０のゲインおよび位相キャリブレーションを実行するためのシステムである。つまり、キャリブレーションシステム１は、電力測定装置１０の調整工程において利用されるシステムである。調整工程が終了すれば、電力測定装置１０は、キャリブレーションシステム１から取り外され、実際に電力を測定する環境で使用される。交流電源装置２０および交流負荷装置３０は、電力測定装置１０のキャリブレーション作業のために用いられる調整用の装置である。上記のように、本実施の形態のキャリブレーションシステム１は、ゲインおよび位相キャリブレーションの両方を実行することが可能であるが、以下の説明においては、位相キャリブレーションを実行する場合を例に説明する。

電力測定装置１０は、カレントトランス１０２、アナログ回路１０３、Ａ／Ｄ変換器１０４、アナログ回路１０５、Ａ／Ｄ変換回路１０６、波形移相器１０７、電力演算器１０８、ＣＰＵ１０９、メモリ１１０を備えて構成される。

交流電源装置２０と交流負荷装置３０とは、電力線１０１を介して接続されており、交流電源装置２０からの電力が電力線１０１を介して交流負荷装置３０に供給される。

電力線１０１には、カレントトランス１０２が取り付けられている。カレントトランス１０２によって取り出された電流信号は、アナログ回路１０３に入力される。

アナログ回路１０３は、アンプ、フィルタ回路などを備えており、電流信号の増幅やノイズ除去などを行う。アナログ回路１０３から出力された電流信号は、Ａ／Ｄ変換器１０４においてデジタル変換される。

Ａ／Ｄ変換器１０４においてデジタル変換された電流信号は、デジタルの電流信号として電力演算器１０８に入力される。

また、電力線１０１から取り出された電圧信号は、アナログ回路１０５に入力される。アナログ回路１０５は、アンプ、フィルタ回路などを備えており、電圧信号の増幅やノイズ除去などを行う。アナログ回路１０５から出力された電圧信号は、Ａ／Ｄ変換器１０６においてデジタル変換される。

Ａ／Ｄ変換器１０６においてデジタル変換された電圧信号は、波形移相器１０７に入力される。波形移相器１０７は、ＣＰＵ１０９から入力した位相補正値ＰＣに基づいて電圧信号の位相をシフトする。位相がシフトされたデジタルの電圧信号は、電力演算器１０８に入力される。

電力演算器１０８は、Ａ／Ｄ変換器１０４から入力したデジタルの電流信号と、波形移相器１０７から入力したデジタルの電圧信号とから有効電力値ＡＰを算出する。電力演算器１０８は、算出した有効電力値ＡＰをＣＰＵ１０９に出力する。

ＣＰＵ１０９は、有効電力値ＡＰを入力すると、現在、波形移相器１０７に設定している位相補正値ＰＣと電力演算器１０８から入力した有効電力値ＡＰとを対応付けてメモリ１１０に格納する。続いて、ＣＰＵ１０９は、現在設定されている位相補正値ＰＣを異なる値に変更し、変更後の位相補正値ＰＣを波形移相器１０７に出力する。

波形移相器１０７は、変更後の位相補正値ＰＣに基づいてデジタルの電圧信号の位相をシフトさせ、位相をシフトさせた電圧信号を電力演算器１０８に出力する。電力演算器１０８は、位相シフトされた電圧信号に基づいて有効電力値ＡＰを算出し、算出した有効電力値ＡＰをＣＰＵ１０９に出力する。ＣＰＵ１０９は、変更後の位相補正値ＰＣと更新された有効電力値ＡＰとを対応付けてメモリ１１０に格納する。

この後も同様に、ＣＰＵ１０９は、位相補正値ＰＣを順次変更し、変更された位相補正値ＰＣと、更新された有効電力値ＡＰとを対応付けてメモリ１１０に格納する。図２は、電流・電圧間の位相と有効電力値ＡＰとの関係を示す図である。

図２（Ａ）は、電流が電圧に対して遅れ位相となっている状態を示している。図２（Ｂ）は、電流と電圧が同位相となっている状態を示している。図２（Ｃ）は、電流が電圧に対して進み位相となっている状態を示している。図２（Ａ）および図２（Ｃ）の状態における有効電力値ＡＰと瞬時電力値ＩＰは、図２（Ｂ）の状態に比べて小さくなる。したがって、位相補正値ＰＣを変更し、電流と電圧との間の位相を変化させていくと、図２（Ｄ）に示すように、有効電力値ＡＰの値が変動する。そして、電流と電圧との位相が同じになったところで有効電圧値ＡＰのピークが検出される。

交流負荷装置３０は、力率１．０の負荷装置であり、電流と電圧とは同位相である。電力演算器１０８に入力される電流信号と電圧信号に生じている位相のずれは、電力測定装置１０内、特にアナログ回路１０３、１０５において生じた位相のずれである。したがって、波形移相器１０７において電流と電圧との間の位相を調整することで、有効電力値ＡＰのピークが得られれば、その有効電力値ＡＰは、交流負荷装置３０の負荷電力値と等しくなる。

ＣＰＵ１０９は、上述したように、位相補正値ＰＣと有効電力値ＡＰとを対応付けてメモリ１１０に格納している。ＣＰＵ１０９は、メモリ１１０に格納された位相補正値ＰＣと有効電力値ＡＰとの情報から、有効電力値ＡＰがピーク値をとる位相補正値ＰＣを特定することができる。

たとえば、ＣＰＵ１０９は、所定の間隔で順番に位相補正値ＰＣを変化させて、位相補正値ＰＣを−１８０度から＋１８０度まで変化させ、全ての位相補正値ＰＣと有効電力値ＡＰとの対応を取得することで、有効電力値ＡＰのピークを検出することができる。あるいは、交流負荷装置３０の力率は１．０であり、位相のずれはそれ程大きな値でないことを考慮し、位相補正値ＰＣの設定範囲を狭くしてもよい。あるいは、有効電力値ＡＰの値が上昇から下降に転じたポイントでピークを検出するようにしてもよい。

ＣＰＵ１０９は、有効電力値ＡＰがピーク値をとる位相補正値ＰＣを波形移相器１０７に出力し、キャリブレーションを終了する。ＣＰＵ１０９は、波形移相器１０７に対する位相補正値ＰＣの出力を停止する。これにより、有効電力値ＡＰがピーク値をとる状態で波形移相器１０７における位相シフト量が固定される。

このように、本実施の形態のキャリブレーションシステム１は、デジタル領域において、電流信号と電圧信号の位相を調整するので、電力測定装置１０に対するキャリブレーション作業を自動化することができる。

そして、交流負荷装置３０として、力率１．０の負荷装置を利用することで、位相キャリブレーションを行うことができる。したがって、位相キャリブレーションを行うために、力率１．０以外の他の力率の負荷装置を準備する必要はない。力率１．０の負荷装置を利用して、ゲインおよび位相の両方のキャリブレーションを行うことができる。また、力率１．０の装置は、汎用的な装置を容易に準備することができるので、システムの構築、設定が容易である。

上記の実施の形態においては、電圧信号を波形移相器１０７に入力し、電圧信号の位相をシフトさせた。別の実施の形態として、電流信号を波形移相器に入力し、電流信号の位相をシフトさせることで、電流信号と電圧信号との間の位相を調整するようにしてもよい。

つまり、図１に示した電力測定装置１０においては、Ａ／Ｄ変換器１０６と電力演算器１０８との間に波形移相器１０７が設けられているが、これに代えて、Ａ／Ｄ変換器１０４と電力演算器１０８との間に波形移相器を設ける。そして、ＣＰＵ１０９から出力される位相補正値に基づいて電流信号の位相をシフトさせるのである。

上記の実施の形態においては、キャリブレーションシステム１によって電力測定装置１０内で生じる位相のずれを補正する場合を例に説明した。上述したように、本実施の形態の電力測定装置１は、ゲインキャリブレーションを行う場合にもそのまま利用できる。実際には、本実施の形態のキャリブレーションシステム１を利用して、まずゲインキャリブレーションを行い、次に、位相キャリブレーションを行えばよい。

ゲインキャリブレーションを実行する場合には、波形位相器１０７に代えてゲイン調整回路を動作させればよい。ゲイン調整器は、Ａ／Ｄ変換器１０４と電力演算器１０８との間に設けてもよいし、Ａ／Ｄ変換気１０６と電力演算器１０８との間に設けてもよい。ＣＰＵ１０９は。電力演算器１０８から入力した電力量と理論値との差を吸収するように、ゲイン調整器を制御すればよい。

１ キャリブレーションシステム
１０ 電力測定装置
２０ 交流電源装置
３０ 交流負荷装置
ＡＰ 有効電力値
ＩＰ 瞬時電力値
ＰＣ 位相補正値

Claims (6)

1. 交流電源装置と、
   前記交流電源装置から電力の供給を受ける力率１の交流負荷装置と、
   前記交流電源装置から前記交流負荷装置に供給される電力を測定する電力測定装置と、を備え、
   前記電力測定装置は、
   前記交流電源装置と前記交流負荷装置との間の電流信号を入力する第１アナログ回路と、
   前記交流電源装置と前記交流負荷装置との間の電圧信号を入力する第２アナログ回路と、
   前記第１アナログ回路から出力された電流信号をデジタル変換する第１変換回路と、
   前記第２アナログ回路から出力された電圧信号をデジタル変換する第２変換回路と、
   前記第１変換回路から出力されたデジタル電流信号と前記第２変換回路から出力されたデジタル電圧信号とから電力値を演算する電力演算回路と、
   前記電力演算回路で演算される電力値がピーク値を取るようにデジタル電流信号とデジタル電圧信号との間の位相を調整する制御回路と、
   を備えることを特徴とするキャリブレーションシステム。
2. 請求項１に記載のキャリブレーションシステムにおいて、さらに、
   前記第２変換回路から出力されたデジタル電圧信号の位相を調整する位相調整回路、
   を備え、
   前記制御回路は、前記位相調整回路を制御することで、前記電力演算回路で演算される電力値がピーク値を取るようにデジタル電流信号とデジタル電圧信号との間の位相を調整することを特徴とするキャリブレーションシステム。
3. 請求項１に記載のキャリブレーションシステムにおいて、さらに、
   前記第１変換回路から出力されたデジタル電流信号の位相を調整する位相調整回路、
   を備え、
   前記制御回路は、前記位相調整回路を制御することで、前記電力演算回路で演算される電力値がピーク値を取るようにデジタル電流信号とデジタル電圧信号との間の位相を調整することを特徴とするキャリブレーションシステム。
4. キャリブレーション機能を備えた電力測定装置であって、
   前記電力測定装置は、交流電源装置および力率１の交流負荷装置に接続されることで前記交流電源装置から前記交流負荷装置に供給される電力を測定することが可能であり、
   前記電力測定装置は、
   前記交流電源装置と前記交流負荷装置との間の電流信号を入力する第１アナログ回路と、
   前記交流電源装置と前記交流負荷装置との間の電圧信号を入力する第２アナログ回路と、
   前記第１アナログ回路から出力された電流信号をデジタル変換する第１変換回路と、
   前記第２アナログ回路から出力された電圧信号をデジタル変換する第２変換回路と、
   前記第１変換回路から出力されたデジタル電流信号と前記第２変換回路から出力されたデジタル電圧信号とから電力値を演算する電力演算回路と、
   前記電力演算回路で演算される電力値がピーク値を取るようにデジタル電流信号とデジタル電圧信号との間の位相を調整する制御回路と、
   を備えることを特徴とする電力測定装置。
5. 請求項４に記載の電力測定装置において、さらに、
   前記第２変換回路から出力されたデジタル電圧信号の位相を調整する位相調整回路、
   を備え、
   前記制御回路は、前記位相調整回路を制御することで、前記電力演算回路で演算される電力値がピーク値を取るようにデジタル電流信号とデジタル電圧信号との間の位相を調整することを特徴とする電力測定装置。
6. 請求項４に記載の電力測定装置において、さらに、
   前記第１変換回路から出力されたデジタル電流信号の位相を調整する位相調整回路、
   を備え、
   前記制御回路は、前記位相調整回路を制御することで、前記電力演算回路で演算される電力値がピーク値を取るようにデジタル電流信号とデジタル電圧信号との間の位相を調整することを特徴とする電力測定装置。

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