JPH041306B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は電力潮流の方向を判別して電力量の
表示ができる電子式電力量計に関する。

電力供給会社は、時々刻々と変動する電力需要
に対し、常に供給力を確保して需要と供給すなわ
ち送電量と発電量のバランスを保つようにしてい
る。電力供給会社は需要と供給のバランスを保つ
ためには、例えば、他の電力供給会社から送電を
受ける場合がある。実際上は、負荷の増大に伴つ
て送電量が大きくなり、発電量とのバランスが保
てなくなると、他の電力供給会社から送電を受け
電力不足を補う。この場合、電力供給会社は他の
電力供給会社から電力を買うことになる。このよ
うな電力供給会社間の電力供給状態を示す電力潮
流が時々刻々変化するので、電力供給会社は常に
その状態を監視し、潮流の変化に応じて適切な電
力系統の運用を行う。

従来、送電量と受電量を次のような装置により
測定した。

その１つは、通常の誘導型電力量計を２個用い
る方法であり、電力量計の個数増加による専有面
積の増加という問題が生じる。すなわち、一方の
電力量計は、例えば、送電時にのみ電力を測定で
きるよう円板の回転方向が規制される。

逆の受電時には、円板が先の電力量計とは逆の
方向に回る他の電力量計を用いる。従つて、他の
電力量計は、送電時の電力を測定できないように
円板の回転方向が規制される。

もう一つの方法は、誘導型電力量計を１個だけ
用いる場合である。電力の流れる方向すなわち送
電あるいは受電を検知する回路が電圧検出回路あ
るいは電流検出回路の極性を切換えるのである。
すなわち、電圧検出回路あるいは電流検出回路に
用いられる計器用変圧器あるいは計器用変流器の
極性を検知回路が切換える。この方法であると、
電力量計は、電力の流通方向が送電あるいは受電
であつても、一方向に回転するだけで、電力量を
測定できる。しかし、計器用変圧器あるいは計器
用変流器の極性を変えると本来通常の極性で用い
られていれば生じなかつた誤差が現われ、その影
響により電力量測定の精度が落ちる。

時分割方式乗算器を用いた電子式電力量計で
は、乗算器の出力を積分した直流電圧を電圧−周
波数変換回路に導いて、電力量に応じたパルス信
号を出力する。従来の潮流判別には、電圧−周波
数変換回路内の積分器の出力の正・負が検知され
る。この場合、出力電圧が正であれば電力が送電
されており、負であれば電力の受電状態と判別す
る。受電状態であれば、積分器の入力電圧極性が
反転され、受電表示欄に正の電力量が表示され
る。送電状態であれば、そのまま送電表示欄に電
力量が表示される。このような電子式電力量計で
は、積分器の出力に応じて潮流方向が判別される
ため、積分器を構成する演算増幅器のオフセツト
電圧の影響を受け易い。すなわち、オフセツト電
圧が積分器の出力に現われるため潮流方向判別の
精度が劣る。

この発明は、以上のような問題点を除去し、電力
潮流の方向に応じて電力量表示が可能な電子式電
力量計を提供することを目的とする。

以下、この発明の一実施例を図面を参照して説
明する。

第１図は、この発明による電子式電力量計の構
成を説明するための回路図である。電力給電線１
０に図のように結線された計器用変圧器１１は、
電力給電線の負荷電圧に比例した電圧信号e_vを出
力する。さらに、電力給電線１０に、第１図のよ
うに結線された計器用変流器１２は、負荷電流に
比例した電圧信号e_iを出力し、抵抗１２ａの両端
に電力給電線の負荷電流に比例した電圧信号±e_i
を出力する。この変流器１２の２次コイル１２ｂ
の中間端子は接地されている。

パルス幅変調回路１３の構成は以下の通りであ
る。電圧信号e_vは抵抗１４を介して演算増幅器で
構成される積分回路１５の負入力端に加えられ
る。この積分回路１５の出力は演算増幅器で構成
されるコンパレータ回路１６の正入力端に加えら
れる。コンデンサ１７は入力信号の積分のため積
分回路１５の負入力端と出力端の間に接続され
る。コンパレータ回路１６の出力は抵抗１８を介
して積分回路１５の負入力端に加えられ、また、
インバータ回路１９で反転したのち、抵抗２０，
２１で分圧してコンパレータ回路１６の負入力端
に加えられる。この実施例では、抵抗２０，２１
の抵抗値は等しい。抵抗２０の一端は、コンパレ
ータ回路１６の負入力端に接続され、他端はイン
バータ回路１９の出力端に接続される。抵抗２１
の一端は接地され、他端は抵抗２０の一端に接続
される。コンパレータ回路１６の出力端にインバ
ータ回路２２の入力端が接続される。

潮流方向判別回路２３の構造は以下の通りであ
る。

コンパレータ回路２４は演算増幅器で構成さ
れ、その正入力端が計器用変圧器１１の二次巻線
１１ｂの一端に接続される。コンパレータ回路２
４の負入力端は接地される。コンパレータ回路２
４により、計器用変圧器１１の出力信号e_vがその
位相に応じたパルス信号に変換される。

コンパレータ回路２５は演算増幅器で構成さ
れ、その正入力端が計器用変流器１２の二次巻線
１２ｂの一端に接続される。その負入力端は接地
される。コンパレータ回路２５により、信号e_iが
その位相に応じたパルス信号に変換される。

アンド回路２６の一端には、コンパレータ回路
２４の出力信号が入力される。その他端には、コ
ンパレータ回路２５の出力信号がインバータ回路
２７を介して入力される。アンド回路２６は、電
圧信号e_vとインバータ回路２７により電圧信号e_i
を反転した信号との間の位相差に応じたパルス信
号を出力する。

抵抗２８の一端はアンド回路２６の出力端に接
続され、抵抗２８の他端はコンデンサ２９の一端
に接続される。コンデンサ２９の他端は所定のマ
イナス電源Vssに接続される。抵抗２８およびコ
ンデンサ２９で構成する積分回路はアンド回路２
６の出力信号を積分する。

抵抗３０の一端はコンパレータ回路２４の出力
端に接続され、抵抗３０の他端はコンデンサ３１
の一端が接続される。コンデンサ３１の他端は所
定のマイナス電源Vssに接続される。抵抗３０お
よびコンデンサ３１で構成する積分回路はコンパ
レータ２４の出力信号、すなわち180°に相当する
幅のパルスを積分する。

抵抗３２の一端は抵抗３０の一端に接続され、
抵抗３２の他端は抵抗３３の一端に接続される。
抵抗３３の他端は所定のマイナス電源Vssに接続
される。この実施例では、説明の都合上、例えば
抵抗３２，３３の抵抗値は同一であるとする。こ
の場合、抵抗３２，３３で構成する分圧回路は抵
抗３０，コンデンサ３１で構成する積分回路の出
力電圧を１／２に分圧する。すなわち、90°に相当す る幅のパルスを積分した電圧をこの分圧回路は出
力する。

コンパレータ回路３４は演算増幅器で構成さ
れ、その正入力端は抵抗２８の一端に接続され、
その負入力端は抵抗３２の一端に接続される。コ
ンパレータ回路３４は抵抗３２，３３で構成する
分圧回路の出力電圧に比較して抵抗２８およびコ
ンデンサ２９で構成する積分回路の出力電圧が大
きくなるとパルス信号を発生する。この判別回路
２３では、アンド回路２６の出力を分析した出力
電圧が90°幅に相当するパルスを積分した電圧よ
りも大きいとコンパレータ３４は信号を出力す
る。

コンパレータ回路２４，２５は、それぞれ電圧
信号e_v，e_iを位相に応じてパルス信号に変換す
る。アンド回路２６はコンパレータ回路２４，２
５からの出力信号を比較してパルス信号を出力す
る。抵抗２８およびコンデンサ２９で構成する積
分回路は、アンド回路２６の出力信号を積分す
る。抵抗３０およびコンデンサ３１で構成する積
分回路は、コンパレータ回路２４の出力信号を積
分する。この積分回路では、180°の位相に当たる
パルスが積分される。抵抗３２，３３で構成する
分圧回路は、積分出力を例えば1/2に分圧する。
すなわち、90°の位相に当たる電圧が分圧される。
コンパレータ回路３４は、分圧された出力電圧を
基準にしてコンデンサ２８および抵抗２９で構成
する積分回路の出力電圧と比較する。コンパレー
タ回路３４は、この積分された出力電圧が90°の
位相に当たる積分された電圧より大きいとパルス
信号を出力する。コンパレータ回路３４が論理信
号“１”を出力すると、電力潮流の方向が受電状
態と判別される。論理信号“０”の場合は、送電
状態である。

反転回路３５は、排他的論理和回路３５ａ，３
５ｂで構成される。排他的論理和回路３５ａ，３
５ｂのそれぞれ一方の入力端は、コンパレータ回
路３４の出力端に接続される。また、排他的論理
和回路３５ａの他方の入力端はコンパレータ回路
１６の出力端に接続される。排他的論理和回路３
５ｂの他方の入力端はインバータ回路２２の出力
端に接続される。パルス幅デユーテイサイクル信
号Ｄはコンパレータ回路３４の出力信号が“０”
である限り、排他的論理和回路３５ａからそのま
まの極性にて出力される。コンパレータ回路３４
の出力信号が“１”になれば、パルス幅デユーテ
イサイクル信号Ｄの極性は反転され、信号を排
他的論理和回路３５ａが出力する。インバータ回
路２２の出力であるパルス幅デユーテイサイクル
信号も、同様に極性の反転が行われ、信号Ｄを
排他的論理和回路３５ｂが出力する。

次に乗算回路３６には、電圧信号±e_iが入力さ
れる。乗算回路３６は、論理信号“１”でオン
し、“０”でオフする複数個のアナログスイツチ
で構成される。このアナログスイツチには、例え
ばＪ−FETあるいはMOS−FET等の半導体素子
が使用される。アナログスイツチ３６ａ，３６ｂ
の入力端は計器用変流器１２の二次巻線１２ｂの
一端に接続され、アナログスイツチ３６ｃ，３６
ｄの入力端は二次巻線１２ｂの他端に接続され
る。アナログスイツチ３６ａ，３６ｂは、排他的
論理和回路３５ａの出力信号により駆動され、ア
ナログスイツチ３６ｂ，３６ｃは排他的論理和回
路３５ｂの出力信号により駆動される。アナログ
スイツチ３６ａ，３６ｃの出力端の接続点に瞬時
電圧信号e_poを得、この接続点は積分回路３７に
接続される。アナログスイツチ３６ｂ，３６ｄの
出力端の接続点に瞬時電圧信号e_ppを得、この接
続点は積分回路３７に接続される。

積分回路３７は抵抗３８，３９およびコンデン
サ４０，４１で構成される。抵抗３８の一端は、
アナログスイツチ３６ａ，３６ｃの出力端に接続
され、他端はコンデンサ４０の一端に接続され
る。抵抗３９の一端は、アナログスイツチ３６
ｂ，３６ｄの出力端に接続され、他端はコンデン
サ４１の一端に接続される。コンデンサ４０，４
１の他端は共通にして接地される。積分回路３７
の出力端には、絶対値が等しく互いに異なる正・
負の極性を有する電圧信号_pp，_poが出力される。
電圧信号_pp，_poは、電力給電線の負荷電圧に比
較した電圧信号e_vおよび負荷電流に比例した電圧
信号e_iの積、すなわち、瞬時電力に比例した直流
電圧である。

この直流電圧信号_pp，_poは、電圧−周波数変
換回路４２に入力される。アナログスイツチ４３
ａ，４３ｂは、それぞれ積分回路３７の出力端に
接続される。アナログスイツチ４３ａ，４３ｂの
出力端は、共通に接続され、さらに抵抗４４を介
して演算増幅器で構成された積分回路４５の負入
力端に接続される。この積分回路４５の正入力端
は接地される。また、積分回路４５の出力端は、
積分出力が一定電圧に達するごとに論理信号
“１”または“０”を出力する演算増幅器で構成
されたコンパレータ回路４６の正端子に接続され
る。積分回路４５の出力は、コンデンサ４７を介
して負入力端に帰還される。コンパレータ回路４
６の負入力端は抵抗４８を介して接地されてい
る。コンパレータ回路４６の出力は、アナログス
イツチ４３ａ，４３ｂを駆動し、開閉する。スイ
ツチ４３ｂはスイツチ４３ａと反対の開閉を行う
ため、インバータ回路４９を介して、コンパレー
タ回路４６の出力を受ける。コンパレータ回路４
６の出力はインバータ回路５０，抵抗５１を介し
てコンパレータ回路４６の負入力端に接続され
る。

電圧−周波数変換回路４２の出力信号は、判別
回路２３の出力信号により制御されるスイツチ５
２の切換えで、表示装置５３あるいは５４に表示
される。例えば、送電時には、スイツチ５２が５
２ａに切換わり、電力量が表示装置５３に表示さ
れる。受電時には、スイツチ５２が５２ｂに切換
わり電力量が表示装置５４に表示される。

次に第１図に示す回路の動作について説明す
る。

計器用変圧器１１の出力信号e_vが、パルス幅変
調回路１３によりパルス幅デユーテイサイクル信
号に変換される。このパルス幅デユーテイ・サイ
クル信号Ｄ，は論理信号“１”あるいは“０”
の区間が信号e_vの大きさに比例する。パルス幅デ
ユーテイサイクル信号Ｄ，^D―は次式で表わされ
る。

Ｄ＝e_r−e_v／2e_r＝t_a／Ｔ …(1) ＝e_r＋e_v／2e_r＝t_b／Ｔ …(2) ただし、e_rはパルス幅変調回路１３のコンパレー
タ回路１６の負入力端に印加される基準電圧、t_a
はパルス幅デユーテイサイクル信号Ｄの論理信号
“１”の区間、t_bは前記信号Ｄの論理信号“０”
の区間、Ｔは前記信号Ｄの周期を示す。

潮流方向判別回路２３は、信号e_v，e_iをパルス
に変換する２つのコンパレータとこれらのコンパ
レータの出力を比較して信号e_v，e_i間の位相値を
検出してパルスに変換し、このパルスを積分した
直流電圧を基準電圧と比較して潮流方向を示す信
号を出力する。電力の流れが送電状態のときは、
判別回路２３の出力は論理信号“０”、電力の流
れが受電状態のときは、論理信号“１”とする。

判別回路３５は、判別回路２３の出力信号によ
り通常の状態すなわち送電時にはパルス幅変調回
路１３の出力信号Ｄ，をそのまま出力する。逆
の受電時には、判別回路３５は、パルス幅変調回
路１３の出力信号の極性を反転させて出力する。
すなわち、送電時には、先に説明したように、判
別回路２３の出力信号は”０”であり、パルス幅
変調回路１３の出力信号の極性を変えない。受電
時には、判別回路２３の出力信号”１”であり、
パルス幅変調回路１３の出力信号の極性を反転さ
せる。

乗算回路３６には、計器用変流器１２及び抵抗
１２ａから生じる電圧信号±e_iが入力される。

判別回路２３を経てパルス幅変調回路１３のパ
ルス幅デユーテイサイクル信号（受電時は、判別
回路２３が、パルス幅変調回路１３の出力信号の
極性を反転させる）が複数個のアナログスイツチ
を選択的にオン・オフする。結果的に、乗算回路
３６は、パルス幅が信号e_vの大きさに比例し、振
幅が信号e_iの大きさに比例した信号を出力する。

(イ) 送電時においては、パルス幅デユーテイ・サ
イクル信号Ｄおよびのうち、Ｄの“１”信号
で乗算回路３６のアナログスイツチ３６ａ，３
６ｄをオンし、の“１”信号でアナログスイ
ツチ３６ｂ，３６ｃをオンする。そして、電力
給電線の負荷電流に比例した電圧信号±e_iをア
ナログスイツチ３６ａ〜３６ｃで導入して直流
電圧信号e_pp，e_poを得る。即ち、パルス幅変調
回路１３のパルス幅デユーテイ・サイクル信号
Ｄ，でアナログスイツチ３６ａ〜３６ｃをオ
ン・オフ制御することにより、電圧信号e_vとe_i
とを乗算した直流電圧信号e_pp，e_poを取り出す。
これを式で表わせば次のようになる。

e_pp＝e_i・＋（−e_i）・Ｄ ＝e_i・e_r＋e_v／2e_r＋（−e_i・e_r−e_v／2e_r）＝e_i・e_v
／e_r…(3) e_po＝e_i・Ｄ＋（−e_i）・ ＝e_i・e_r−e_v／2e_r＋（−e_i・e_r＋e_v／2e_r） ＝−e_i・e_v／e_r …(4) 積分回路３７は、乗算回路３６の出力信号
e_pp，e_poを積分し、直流電圧信号e_pp，e_poを得
る。このe_pp，e_poを式で表わせば、次のように
なる。

e_pp ＝（e_i・e_v／e_r） …(5) e_po ＝（−e_i・e_v／e_r） …(6) この(5)式，(6)式から明らかなように、_pp，
e_poはそれぞれ絶対値が等しく、e_i，e_vよりなる
瞬時電力に比例した正・負の直流電圧信号であ
る。

電圧−周波数変換回路４２は積分回路３７の
出力である直流出力電圧に比例した周波数を有
するパルスを出力する。コンパレータ回路４６
は積分出力電圧値に応じて出力側の論理信号
“１”または“０”を出力し、これによつて信
号“１”の時にアナログスイツチ４３ａを閉じ
て直流電圧信号_poを積分回路４５に導入して
いる。また信号“０”の時にアナログスイツチ
４３ｂを閉じて直流電圧信号_ppを積分回路４
５に導入するようにしている。このことは、積
分回路４５の積分出力が直流電圧信号_pp，_po
（瞬時電力）に比例しており、かつこの積分出
力の一定電圧値でコンパレータ回路４６の論理
信号を反転してパルス周波数を作るので、コン
パレータ回路４６の出力端から電力に比例した
周波数信号を取り出すことができる。

コンパレータ回路４６の出力信号efの反転周
期T_pは次のようになる。

T_p＝t_c＋t_d …(7) ただし、t_cはアナログスイツチ４３ｂの導通
時間、t_dはアナログスイツチ４３ａの導通時間
である。従つて、論理信号の周波数は、 ＝１／T_p＝１／t_c＋t_d …(8) となる。t_c，t_dは次のように表わされる。

t_c＝e_p・R₁・C₁／e_pp …(9) t_d＝e_p・R₁・C₁／−e_po …(10) ただし、e_pはコンパレータ回路４６の負入力
端に印加される基準電圧、R₁は抵抗４４の抵
抗値、C₁はコンデンサ４７の容量値である。

これら(9)，(10)式に、(5)，(6)式を代入すると次
のようになる。

t_c＝e_p・R₁・C₁／e_i・e_v／e_r …（11） t_d＝e_p・R₁・C₁／e_i・e_v／e_r …（12） 従つて、周波数は次のように表わされる。

＝e_i・e_v／2e_r・e_p・R₁・C₁ …（13） この（13）式から明らかなようにe_r・e_p・
R₁・C₁はすべて定数なのでは_i・_vすなわち
消費電力に比例した出力周波数を示す。判別回
路２３の出力信号に応じてスイツチ５２を５２
に切換え電力量が表示装置５３に表示される。

(ロ) 受電時においては、反転回路３５がパルス幅
変調回路１３の出力信号の極性を反転させるた
め、e_pp，e_poは次のように表わせる。

e_pp＝e_i・Ｄ＋（−e_i）・＝−e_i・e_v／e_r …(3)′ e_po＝e_i・＋（−e_i）・Ｄ＝e_i・e_v／e_r…(4)′ この場合も、(イ)と同様に周波数を計算すると
次のように表わせる。

＝−e_i・e_v／2e_r・e_p・R₁・C₁ …（13）′ すなわち、受電時の電力量に比例した出力周波
数が得られ、判別回路２３の出力信号に応じてス
イツチ５２を５２ｂに切換え、電力量が表示装置
５４に表示される。

一実施例は、単相２線式電力量計への適用であ
るが、計器用変圧器，変流器，乗算回路等をそれ
ぞれ複数設けることにより多相式電力量計にも適
用できる。多相式電力量計の電力量は各相電力の
和であるので、それぞれの給電線の負荷電圧に比
例した電圧信号をe_v1，e_v2〜e_voとし、それぞれの
給電線の負荷電流に比例した電圧信号をe_i1，e_i2
〜e_ioとし、比例定数をK₁，K₂〜K_oとすると、電
力量P_pは、 P_p＝K₁e_v1・e_i1＋K₂e_v2・e_i2＋…＋K_oe_voe_io
…（14） で示される。したがつて、第一実施例と同様に信
号処理したそれぞれの乗算回路の出力を合成加算
すれば、（14）式を満足する電力P_pが得られる。

第２図は、この発明を多相式電力量計に適用し
たこの発明の第二実施例の回路図である。なお、
第１図と同一回路には同一符号を付して具体的な
構成および説明は省略する。第二実施例は、第一
実施例の計器用変圧器１１、パルス幅変調回路１
３，計器用変流器１２，反転回路３５、乗算回路
３６をそれぞれ複数設け、それぞれの乗算回路３
６からの出力を積分回路３７より取り出して、電
圧−周波数変換器４２へ送出するような構成をと
つている。

この第二実施例では、２組の計器用変圧器１１
および計器用変流器１２はそれぞれ相間の電圧お
よび線電流を検出している。この実施例では、判
別回路２３に入力される信号は、線電流に基づく
電圧信号および相間電圧に基づく電圧信号が用い
られる。潮流方向の判別に当つては、線電流と相
間電圧の位相を合わせるため、この実施例におい
ては、線電流を検出する側に移相回路５５が計器
用変流器１２の２次巻線の一端と判別回路２３の
一方の入力端との間に設けられる。潮流の方向に
応じて移相回路５５を通過した線電流に基づく電
圧信号と相間電圧との間に移相差が生じ、判別回
路２３で潮流方向を検出する。なお、移相回路５
５には、例えば、周知の抵抗・コンデンサで構成
するフイルター回路が用いられる。

このような構成であるので、第二実施例におい
ても第一実施例と同様の効果が得られる。

以上、説明したように、この発明によれば、電
力給電線の負荷電圧および負荷電流波形間の位相
差を検知することで、電力潮流の方向を判別し、
送電・受電時の電力量を区別して表示装置に表示
を行う。従つて、通常の誘導型電力量計を２個使
用することによる専有面積の増加のおそれもな
い。また、電力給電線の電圧検出回路あるいは電
流検出回路に用いられる計器用変圧器あるいは計
器用変流器の極性を変えることに伴う誤差の影響
もない。さらには、演算増幅器で構成したコンパ
レータではオフセツト電圧は比較のための電圧に
対して同相に加わるので、誤差は生じない。従つ
て、演算増幅器で構成した積分器による潮流方向
の判別を行わないので、演算増幅器のオフセツト
電圧の影響を受けることがなく、精度の良い潮流
方向判別による送電・受電時の電力量表示が可能
となる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明による電子式電力量計の一実
施例の回路図、第２図はこの発明を多相の電子式
電力量計に応用したブロツク図である。 １１……計器用変圧器、１２……計器用変流
器、１３……パルス幅変調回路、２３……判別回
路、３５……反転回路、３６……乗算回路、３７
……積分回路、４２……電圧−周波数変換回路、
５２……スイツチ、５３，５４……表示装置、５
５……移相回路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 電力給電線の負荷電圧に比例した電圧信号を
   出力する第１の手段と、前記電力給電線の負荷電
   流に比例した電圧信号を出力する第２の手段と、
   前記第１の手段から出力される電圧信号に応じた
   パルス幅を有するパルス信号を出力するパルス幅
   変調回路と、前記第１および第２の手段から出力
   される電圧信号の位相に応じたパルス幅を有する
   パルス信号にそれぞれ変換し、これらのパルス信
   号の位相差に応じたパルス信号と前記第１の手段
   からの電圧信号の位相に応じたパルス信号とを比
   較して電力潮流の方向を判別する判別回路と、こ
   の判別回路の出力信号に応じて前記パルス幅変調
   回路の出力信号の極性を反転させる反転回路と、
   この反転回路から出力されるパルス信号によりス
   イツチ制御され前記第１の手段および第２の手段
   から出力されるそれぞれの電圧信号の乗算値を得
   てパルス信号として出力する乗算回路と、この乗
   算回路から出力されるパルス信号を積分して直流
   電圧信号を出力する積分回路と、この積分回路か
   ら出力される直流電圧信号の電圧レベルに比例し
   た周波数を有するパルス信号を出力する電圧−周
   波数変換回路と、前記判別回路の出力信号に応じ
   て電力潮流の方向により前記電圧−周波数変換回
   路の出力信号を表示する手段とを有する電子式電
   力量計。