JPH01267465A - 交流量のサンプリング方式 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、交流電圧、交流電流等の各種交流量の瞬時値
を一定周期でアナログ量としてサンプリングし、このア
ナログ量をディジタル量に変換して前記交流量の振幅や
位相の計測を行い、或いは、該計測値と設定値との比較
判定を行うための、交流量のサンプリング方式に関する
。

（従来の技術） 交流電圧、交流電流等の交流量の振幅及び位相等の計測
や、例えばディジタルリレーにおける計測値と設定値と
の比較判定においては、一定周期ごとに交流量の瞬時値
をアナログ量としてサンプリングし、このサンプリング
したアナログ量をディジタル量に変換し、この後、前記
ディジタル量に基づき前記計測や比較判定を行うことが
通常行われている。

このような計測や比較判定等を行うために、従来から採
用されているサンプリング方式の一例を。

第３図及び第４図により説明する。

第３図（Ａ）は単一のサンプリング対象のみをサンプリ
ングする場合に用いられるサンプリング装置及び演算装
置を示し、同図（Ｂ）は２つのサンプリング対象をサン
プリングする場合に用いられるサンプリング装置及び演
算装置を示したものである。

同図（Ａ）中、１はサンプリング対象である交流量が入
力されるサンプルホールド回路（ＳＨ回路）であり、こ
のＳＨ回路１は、マイクロコンピュータ４からのサンプ
リング指令を受け、一定周期ごとに前記交流量の瞬時値
の抽出・保持を行う。

ＳＨ回路１により抽出・保持されたアナログ信号はアナ
ログ・ディジタル変換器（Ａ／Ｄ変換器）２に入力され
、Ａ／Ｄ変換器２は、アナログ入力信号をディジタル信
号に変換した後、これをサンプリングデータとしてメモ
リ３に格納する。この格納されたサンプリングデータは
マイクロコンピュータ４に読み込まれ、マイクロコンピ
ュータ４は交流量の振幅や位相等の計測、計測値と設定
値との比較判定を行う。

また第３図（Ｂ）において、符号２〜４を付した要素は
同図（Ａ）と同一であり、同図（Ａ）におけるＳＨ回路
１に代えて、２つのＳＨ回路１ａ及び１ｂが設けられて
いるほか、ＳＨ回路１ａ及び１ｂとＡ／Ｄ変換器２との
間にはマルチプレクサ５が設けられている。

この場合には、サンプリング対象である２つの交流量の
瞬時値はＳＨ回路１ａ、ｌｂにそれぞれ入力される。Ｓ
Ｈ回路１ａ、ｌｂは、マイクロコンピュータ４からサン
プリング指令を受け、一定周期で、各交流量の瞬時値の
抽出・保持を行う。ＳＨ回路１ａ、ｌｂにより抽出・保
持された各アナログ信号はマルチプレクサ５に入力され
、マルチプレクサ５はマイクロコンピュータ４からの信
号に基づき、ＳＨ回路１ａ、ｌｂからの入力を交互に切
り換えてＡ／Ｄ変換器２に出力する。Ａ／Ｄ変換器２は
、各アナログ入力信号をディジタル信号にそれぞれ変換
した後、これらの信号をサンプリングデータとしてメモ
リ３にそれぞれ格納し、以下、前記同様にマイクロコン
ピュータ４によって演算が実行される。

ところで、サンプリング間隔（電気角）θは、θ＝２π
／ｍ　　　　　　　　・・・（１）（ｍ：４以上の整数
） とすることが通常行われ、一般には、ｍ＝１２、すなわ
ちθ＝２π／１２　（３０＠）としてサンプリングが行
われている。

第４図（Ａ）は、第３図（Ａ）に示した装置により交流
電流のサンプリングを行う場合を、第４図（Ｂ）は第３
図（Ｂ）に示した装置により交流電圧及び交流電流のサ
ンプリングを行う場合をそれぞれ示している。

第４図（Ａ）において、サンプリング対象として交流電
流ｉ　＋ｔ＋＝Ｉａｓｉｎωｔ（Ｉｍ　：　ｉ　＜ｔ＞
の波高値、ω：ｉ（いの角周波数）はＳＨ回路１に入力
され。

このｉ＋ｔ＋の瞬時値は、電気角３０’間隔でＳＨ回路
１により抽出・保持される。これらのアナログ瞬時値デ
ータはＡ／Ｄ変換器２に出力され、ディジタル量に変換
された後、メモリ３に格納される。

例えば、交流電流の実効値Ｉ　ｒｍｓの算出は以下のよ
うに行われる。

交流電流の瞬時値のサンプリング間隔３０６でのｎ番目
のサンプリング値をｉｎ、ｎ＋３番目のサンプリング値
をｉｎ＋３とすると、ｉｎとｉ　ｎ＊ａは位相差π／２
を有するので、波高値Ｉｎは、Ｉ　ｍ　”　（ｉ　ｎ２
＋　ｉ　ｎ＋３”）””で表される。従って、実効値Ｉ
　ｒｍｓは、（ｉｎ”＋ｉｈ◆、ｚ）ｉ／Ｚ 徨 となる。

第４図（Ｂ）においては、サンプリング対象である交流
電圧ｖ　（ｔ＋＝　Ｖｍｓｉｎωｔ、　ｉ　ｔｔ）＝Ｉ
ｍｓｉｎ　（（１１を−φ）（Ｖ鵬：　ｖ（ｔｔの波高
値、■鳳：１（ｔ）の波高値。

ω：　ｖ（ｔ）、ｉ（ｔｔの角周波数、φ：ｖ（ｔ）に
対する１（ｔ）の遅れ位相差）はＳＨ回路１に入力され
、これらの交流量■（い、　ｉ　（ｔｔの瞬時値は、電
気角３０″間隔でＳＨ回路１ａ、ｌｂによりそれぞれ抽
出・保持される。ここで、ＳＨ回路１ａ、ｌｂによるＶ
（ｔ）ｅ　ｌ　（ｔ）のサンプリングのタイミングは、
約１５゜の位相差を持たせて行われる。このようにして
。

抽出・保持された各アナログ瞬時値データはマルチプレ
クサ５に出力され、マルチプレクサ５は、入力されたｖ
（ｔ＞、　ｉ　（ｔｔの各瞬時値データをＡ／Ｄ変換器
２に交互に出力する。これらのｖ（ｔｔ、　ｉ＋１＋の
各瞬時値データはＡ／Ｄ変換器２によりディジタル量に
変換された後、メモリ３に格納される。

（発明が解決しようとする課題） 一般に、サンプリング装置のサンプリングデータ処理時
間Δｔは、Ａ／Ｄ変換器２のアナログ・ディジタル変換
処理時間Δｔ１と、マイクロコンピュータ４の計測、演
算処理時間Δｔｚとの和で表される１例えば、第４図（
Ａ）に示したｉ　（ｔ＋のサンプリング周期をτ′とす
ると、一般に、 Δｔ＝Δｔ１＋Δｔｚ（τ′ であり、Ａ／Ｄ変換器２の変換処理、マイクロコンピュ
ータ４の計測、演算処理等がまだ終了していないのに次
のサンプリングが行われるというような不都合は生じな
い。

しかし、例えば一般に適用し易いとされている１２ビツ
トの汎用Ａ／Ｄ変換器の変換処理時間Δｔ１は、変換時
間の比較的速い逐次比較形の場合でも、２０〜４０μＳ
程度の長さを要する。

このため、サンプリング対象である交流量の周波数が高
い場合、前記処理時間Δｔは、Δｔ；Δｔ１＋Δｔｉ）
τ′ となり、従来からのサンプリング方式の採用は原理的に
不可能となる。

したがって、サンプリング間隔θ（電気角）が−定だと
すると、サンプリング周期（サンプリング時間間隔τ′
）を必然的に短くせざるを得ない。

また、例えば、第３図（Ｂ）の装置に示した、マルチプ
レクサ５を用いてＳＨ回路１ａ、ｌｂからのアナログ入
力信号を切り換えながらＡ／Ｄ変換器２に出力する場合
には、サンプリング周期τ′のほぼ半分の時間間隔τ′
／２内でＡ／Ｄ変換器２によるアナログ・ディジタル変
換処理及びマイクロコンピュータ４の計測演算処理を行
わなければならない。従って、サンプリング周期τ′／
２が、Δｔより短くなると、すなわち。

Δｔ〉τ′／２ になると、前述した従来からのサンプリング方式の採用
は不可能となる。

このように、従来からのサンプリング方式では。

サンプリング対象の上限周波数に大きな制限を受け、ま
た、サンプリング対象の点数に大きな制限を受けること
になるという欠点があった。

本発明は上記の問題点を解決するべく提案されたもので
、その目的とするところは、サンプリング対象である交
流量の周波数が高い場合や、或いは、サンプリング対象
の点数が多い場合においても、本来のサンプリング周期
がＡ／Ｄ変換器のアナログ・ディジタル変換器やマイク
ロコンピュータの処理時間より小さくてもサンプリング
を可能とだ交流量のサンプリング方式を提供することを
目的とする。

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するため、本発明は、サンプリング間隔
θ（電気角）を、 θ＝２π・ｋ＋（２π／ｍ） （ｋ：任意の自然数からなる定数、 ｍ：４以上の整数からなる定数） としてサンプリングをおこなうことを特徴とする。

（作用） 本発明では、サンプリング対象である交流量を　　１ｆ
　＜ｔ＞＝　Ａｓ１ｎωｔとすると、ｆ（ｔ＋のサンプ
リングを電気角２π・ｋ＋（２π／ｍ）間隔で行う。

この、サンプリング間隔２π・ｋ＋（２π／ｍ）相当の
時間間隔（サンプリング周期）τは、電気角２π／ｍ相
当のサンプリング周期をτ′とすると。

τ＝（ｋ口ｍ＋１）τ′ で表される。

従って、サンプリング周期τでサンプリングを行えば、
サンプリング周期τ′で交流量ｆ（ｔ）＝Ａｓｉｎωｔ
のサンプリングを行った場合と同一のサンプリング結果
を得ることができる。

即ち１時刻ｔにおけるサンプリング値Ｓ　＋ｔ）は、ω Ｓ　（ｔ）＝　Ａｓ１ｎ　　　　　　ｔ　　　　−（２
）ｋ−ｍ＋１ として検出されることになる。

ここで、交流量のアナログ・ディジタル変換処理、サン
プリングデータのメモリへの格納及びマイクロコンピュ
ータにおける計測演算処理は上記サンプリング周期での
間に終了する。

（実施例） 以下１本発明の第１実施例を第１図により説明する。

第１図は、第３図（Ａ）に示した装置により、すンプリ
ング周期τで交流電流ｉ　＋ｔ）＝　Ｉ　ｍ５ｉｎωｔ
のサンプリングを行った場合のサンプリング時刻ｔ　ｎ
　（ｎ　＝　０　、１　、２　、３　、・・・）と、サ
ンプリング値５ｓ（ｔｎ）との関係を示したものである
。ここで。

Ｉ＋−はｉ　＜ｔ＞の波高値、ωは１（ｔ）の角周波数
である。また、（２）式におけるｍの値を１２、すなわ
ち、サンプリング間隔θ（電気角）を２π＋π１６とし
、（２）式におけるｋの値として１を採用している。

まず、サンプリング対象である交流電流ｉ　＋ｔ）がＳ
Ｈ回路１に入力される。

ＳＨ回路１はマイクロコンピュータ４からサンプリング
周期制御信号を受け、この信号に基づき、サンプリング
周期τ、電気角θで表すとθ＝２π＋π／６＝１３π／
６ のサンプリング間隔で１（ｔ）のサンプリングを行う。

まず、ＳＨ回路１は、ｉ　＜ｔ＞のｔ　＝ｔ　ｏにおけ
る瞬時値ｉ　（ｔｏ　）　＝　Ｉ　ｍ５ｉｎωｔｏをマ
イクロコンピュータ４のサンプリング周期制御信号に基
づき、抽出・保持する。

このときのサンプリング値５ｉ（ｔｏ）は、甲を第時刻
ｔａにおける電気角とすると。

Ｓ　１（ｔａ　）＝　　Ｉ　ｍａｉｎ　’Ｐとなる。

次に、ＳＨ回路１は、サンプリング間隔θ＝　１３／　
６π 経過後、ｉ（ｔ＋のｔ　＝　ｔ　１における瞬時値ｉ（
ｔ工）＝Ｉ　ｍ５ｉｎωｔ１を、前述と同様に、抽出・
保持する。

このときのサンプリング値５Ｈｔｘ）は、電気角で表す
と、 Ｓ　１（ｔｘ　＞＝　Ｉ　ｍ５ｉｎ（１３π／　６　＋
　ＩＰ）となる。

一般に、サンプリング間隔を θ＝２π・ｋ＋（２π／ｍ） とし、２π／ｍ相当の時間間隔をτ′とすると、サンプ
リング周期（時間間隔）τは。

τ＝　（ｍｏｋ＋１）τ′ で表される。このことは、本発明は、従来のサンプリン
グ周期をτ′としてサンプリングを行う方式に比べて、
時間軸を（ｍ−に＋１）倍にしてサンプリングしたこと
と等価である。

従って、本実施例の場合には、に＝１、ｍ＝１２なので
、 τ＝　（ｍ−に＋１）τ′ ＝１３τ′ となるので１時間軸を１３倍にしてサンプリングできる
ことになるのである。

このときのサンプリング値５ｉｃｔ）は。

で表される。

（３）式において、　１２ωｔａ／１３はｉ＜ｔ、＞に
対する進み位相角である。即ち、サンプリング間隔（２
π＋π／６）でサンプリングを行うことと、サンプリン
グ間隔π／６（ｍ＝１２）でサンプリングを行うことと
は等価になる。

サンプリング周期τは、Ａ／Ｄ変換器２の変換処理時間
より大きく取っであるので、Ａ／Ｄ変換器２は上記サン
プリング周期τの間にサンプルホールド回路１から時刻
ｔ０における交流量瞬時値５ｉ（ｔｏ）を、アナログ・
ディジタル変換した後、メモリ３に格納し、マイクロコ
ンピュータ４は計測演算処理を終了する。

以下同様に、ｔｚ、　ｔａ、　ｔ４・・・のサンプリン
グが行われる。

第ｎ番目のサンプリング値５（ｎ）は、５ｉ（ｔｎ）＝
　ｌｍ５ｉｎ（ｎ　（１３π／６）＋ψ）−（４）或い
は、 で表される。

上記第１の実施例では、に＝１．ｍ＝１２の場合につい
て説明したが１ｍの値や、サンプリング対象の周波数の
大きさが本実施例と異なる場合には、Δｔ＝Δｔユ＋Δ
ｔｉ＜τ となるように、ｋの値として任意の正の整数（すなわち
自然数）を採用すればよい。

次に１本発明の第２実施例を第２図により説明する０本
実施例は、サンプリング対象がｖ＋ｔ＋＝Ｖｍｓｉｎω
ｔ、　１ｔｔ）＝　Ｉｎ５ｉｎ（ωｔ−φ）（φ：ｖ（
いに対するｉ（ｔ＞の遅れ位相差）の２点存在する場合
であって、この場合には第３図（Ｂ）で示す装置により
サンプリングが行われる。

本実施例においても第１実施例と同様、サンプリング間
隔θを２π＋π／６（ｍ＝１２）、ｋの値を１としてサ
ンプリングをＶ　（ｔ）及びｉ　ｔｔ）のそれぞれにつ
いて行う。

まず、マイクロコンピュータ４からのサンプリング周期
制御信号に基づき、ＳＨ回路１ａｔｌｂは’Ｖ（ｔ）＋
　ｉ　（ｔ＋の各瞬時値の抽出・保持をそれぞれ電気角
１３π７６間隔のサンプリング間隔で行う。

本実施例においては、ＳＨ回路１ａによるサンプリング
データの抽出・保持と、ＳＨ回路１ｂによるサンプリン
グデータの抽出・保持とは電気角１３π／１２の位相差
を持たせて行っている。

次に、マルチプレクサ５はＳＨ回路１ａまたは１ｂから
の信号のうち−のサンプリング対象の瞬時値を選択する
。この選択されたｖ（ｔ）及び１（ｔ）の瞬時値は、マ
ルチプレクサ５によりＡ／Ｄ変換器２に交互に出力され
る。

本実施例では、ｖｃｔ）のｎ番目のサンプリング値を５
ｖ（ｔｎ）Ｐｉ（ｔ）のｎ番目のサンプリング値を５ｉ
（ｔｎ＞とすると、５ｖ（ｔｎ＋、　Ｓ　１（ｔｎ）は
、（４）式と同様に Ｓｖ（ｔｎ）＝Ｖｍｓｉｎ（ｎ（１３π／６）十ψ）Ｓ
ｉ＋ｔｎ）＝　ｌｍ５ｉｎ（ｎ　（１３７Ｃ／６）＋　
９＋１３π／１２−φ） で表される。

Ａ／Ｄ変換器２及びマイクロコンピュータ４はサンプリ
ング間隔の半分の時間に相当する時間間隔（サンプリン
グ周期τの半分の時間）内に、Ｖ（ｔ＋またはｉ（切の
各瞬時値のアナログ・ディジタル変換、メモリ３への格
納を行い、マイクロコンピュータ４は計測演算処理を終
了する。

上記第２の実施例では、サンプリング対象が電圧及び電
流の２点の場合を説明したが、マルチプレクサ５による
Ａ／Ｄ変換器２への出力時間間隔τ／２が処理時間Δｔ
を越えるようにｋの値を大きく設定すれば、サンプリン
グ対象の点数を３点以上とすることが可能となる。

（発明の効果） 以上のように本発明では、サンプリング周期を２π・ｋ
＋（２π／ｍ） （ｋ：任意の自然数からなる定数１ｍ：４以上の整数か
らなる定数）としたので、サンプリング対象である交流
量の周波数が高い場合や、或いは。

サンプリング対象の点数が多い場合においても、本来の
サンプリング周期をＡ／Ｄ変換器の変換処理時間より大
きくすることで計測可能な交流量の上限周波数を著しく
高め、或いは、同一装置での計測可能点数を増加させる
ことができ、サンプリングによる交流量の波高値や位相
の計測、例えばディジタルリレーにおける計測値と設定
値との比較判定に際して計測対象を大幅に拡げることが
できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の本発明の第１実施例の説明図、第２図
は同じく第２実施例の説明図、第３図（Ａ）は第１実施
例及び従来技術に用いる装置を示すブロック図、同図（
Ｂ）は第２実施例及び従来技術に用いる装置を示すブロ
ック図、第４図（Ａ）、（Ｂ）は従来技術を説明するた
めの説明図である。 １、ｌａ、ｌｂ、・・・サンプルホールド回路２・・・
アナログ・ディジタル変換器 ３・・・メモリ ４・・・マイクロコンピュータ ５・・・マルチプレクサ 特許出願人　　　、富士電機株式会社

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 アナログ交流量の瞬時値を一定周期でサンプリングする
   サンプリング方式において、 サンプリング周期を、 ２π・ｋ＋（２π／ｍ） （ｋ：任意の自然数からなる定数、 ｍ：４以上の整数からなる定数） としてサンプリングを行うことを特徴とする交流量のサ
   ンプリング方式。