JP2009020114A

JP2009020114A - 電流センサにおけるｄｃの影響を検出する方法およびシステム

Info

Publication number: JP2009020114A
Application number: JP2008182153A
Authority: JP
Inventors: Robert Edward Lee Jr; ロバート・エドワード・リー，ジュニア; Donald Frank Bullock; ドナルド・フランク・ブロック
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2007-07-16
Filing date: 2008-07-14
Publication date: 2009-01-29
Also published as: US7541800B2; US20090021235A1; EP2017631A1

Abstract

【課題】電流センサにおけるＤＣ成分の影響を検出できる電気計器を提供する。
【解決手段】電気計器は、導体１０４と伝達的に連結するように構成された変流器１０２と、変流器１０２と伝達的に接続されたプロセッサ１２２と、を含み、前記プロセッサ１２２は、前記導体１０４を通る電流の流れを表す信号を受け取るように構成される。前記プロセッサ１２２は、さらに、前記信号を処理して、前記導体１０４を通って流れる電流の正の半サイクルと、前記導体を通って流れる電流の負の半サイクルの間の不均衡を特定するように構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、概して電気計測に関し、より詳細には、計器用変流器においてＤＣの影響を検出する方法および装置に関する。

既知の少なくともいくつかの計測システムにおいて、その計測機能は、負荷の消費量を監視する計器から電流を引き出す整流ＤＣ負荷による影響を受ける。電流センサを通って流れる電流のＤＣ成分は、電流センサから流れ出さないようになっているが、このＤＣ成分は、電流センサのコアを飽和させることがある。コアの飽和により、計器は、電流の流れと、電流に関連する回収値（revenue）とを過小評価することになり得る。既知の一部の計器には、ＤＣの影響を受けないか、あるいはＤＣに影響され難い変流器（ＣＴ）が利用されているが、このようなＣＴは、比較的高価であり、サイズが大きいことに加え、温度変化に伴って大きな位相変化を生じる傾向がある。
米国特許第６，６５７，４２４号米国特許第５，３０７，００８号米国特許第４，９７０，４５９号米国特許第４，８８７，０２８号米国特許第４，７６１，６０５号米国特許第４，２７８，９４０号米国特許第４，２５５，７０４号米国特許第４，２１７，５４６号米国特許出願公開第２００６００２８１９７号

一実施形態において、電気計器は、導体と伝達的に連結されるように構成された電流センサと、前記電流センサと伝達的に接続されたプロセッサと、を含み、前記プロセッサは、前記導体を通る電流の流れを示す信号を受け取るように構成され、前記プロセッサは、さらに、前記信号を処理して、前記導体を通って流れる電流の正の半サイクルと、前記導体を通って流れる電流の負の半サイクルとの間の不均衡を特定するように構成される。

また他の実施形態において、電流センサのＤＣの影響を検出する方法は、所定の期間に前記センサから得られる合計ＲＭＳ電流の二乗サンプル値を合計し、所定の期間における正の半サイクルのＲＭＳ電流および負の半サイクルのＲＭＳ電流のうちの少なくとも１つの二乗サンプル値を合計し、合計ＲＭＳ電流の二乗の合計と、正の半サイクルのＲＭＳ電流の二乗の合計と、負の半サイクルのＲＭＳ電流の二乗の合計と、のうちの少なくとも２つを用いて、正の半サイクルのＲＭＳ電流と、負の半サイクルのＲＭＳ電流との間の不均衡を特定すること、を含む。

他の実施形態において、計測システムは、導体と伝達的に連結されるように構成された電流センサと、第１および第２の累算器とを含み、前記第１および第２の累算器は、前記電流センサからサンプルを受け取って、前記導体を通って流れる合計電流と、正の半サイクルの間に前記導体を通って流れる電流と、負の半サイクルの間に前記導体を通って流れる電流と、のうちの少なくとも２つ表す値を、所定のサンプル期間に渡って、それぞれ個別に累積するように構成される。本システムは、また、正の半サイクルの間に前記導体を通って流れる電流と、負の半サイクルの間に前記導体を通って流れる電流との間の不均衡を、累積された値を用いて特定するようにプログラムされたプロセッサも含む。

これより、本開示を限定目的ではなく例示目的において詳細に説明する。下記の説明において、当業者による本開示内容の明確な実行および活用を可能にし、本開示のいくつかの実施形態と、改造例と、変形例と、代替物と、用途とを示すと共に、現時点で考え得る本開示内容を実施する最良の形態を示す。本開示は、好ましい実施形態、すなわち、電気計測システムにおけるＤＣの影響を検出するシステムおよび方法に適用された場合について説明する。ただし、本開示は、狭義の電力供給装置システム以外においても計測異常を検出する一般的な用途を持つことが意図される。

図１は、本発明の実施形態に係る電気計測システム１００の一例を示すブロック図である。例示的実施形態において、計測システム１００は、導体１０４と磁気的に連結されるように構成された変流器１０２を含み、前記導体１０４は、電源１０６から負荷１０８に電流を送るように構成される。他の各種実施形態において、変流器１０２は、本明細書に記載した機能を実行できるあらゆる電流センサに組み込まれてよい。変流器１０２は、導体１０４を通る電流の流れを表す電気信号を生成するように構成される。例示する本実施形態において、計測システム１００を駆動する動力は、電源機構１１０によって導体１０４から供給される。導体１０４の両端の電圧、または、アースを基準とした導体１０４の電圧を示す電圧信号は、検出タップ１１２およびスケーリング検出タップ１１４を介して受け取られる。電圧スケーリング回路１１６は、計測システム１００内で演算に利用される電圧値のスケーリングを容易にする。計測盤１１８は、Ａ／Ｄ変換計測回路１２０と、マイクロコントローラなどのプロセッサ１２２とを含む。Ａ／Ｄ変換計測回路１２０は、変流器１０２から信号を受け取り、受け取った信号、通常はアナログの信号を、プロセッサ１２２、および最終的に前記信号を処理するプロセッサが利用できるデジタル信号に変換する。

計測システム１００は、一般に、少なくとも１つのプロセッサを含み、このプロセッサは、本明細書に記載した機能を実行するようにプログラムされる。ここで利用するプロセッサは、この分野でプロセッサと呼ばれる集積回路のみに限定されるものではなく、広義において、コンピュータと、マイクロプロセッサと、マイクロコントローラと、プログラム可能論理制御装置と、特定用途向け集積回路と、他のプログラム可能回路とを指すものであり、これらの用語は本明細書において交換可能に使用されている。

計測システム１００は、プロセッサ１２２と伝達的に接続される不揮発性ＲＡＭ１２４を含む。プロセッサ１２２は、シリアルインターフェイス１２６と光ポート１２８とを用いて、計測システム１００外部の装置と通信する。例示する本実施形態において、計測システム１００は、液晶表示装置（ＬＣＤ）１３０を介して出力パラメータを表示する。

例示する本実施形態において、変流器１０２の出力は、低周波または変流器１０２の近傍のＤＣ磁界による影響を受けることがある。たとえば、整流電流、特に限定するものではないが、たとえば、ベースボードヒータや温水暖房機は、変流器１０２のコア１３２を飽和させる可能性があり、この飽和によって、変流器１０２は、導体１０４を通って流れる電流を過小評価することになる。整流波形は、第２次高調波および他の偶数次高調波を含んでおり、この高調波は、電流の正の半サイクルと負の半サイクルとの間の不均衡状態を引き起こす。

図２は、システム１００（図１に示したシステム）で受け取り可能な半波整流サイン波電流を例示したグラフ２００である。例示する本実施形態において、グラフ２００は、度の単位で目盛り付けされたｘ軸２０２と、アンペアの単位で目盛り付けされたｙ軸２０４とを含む。グラフ線２０６は、概算で１アンペアの半波整流電流を表す。グラフ線２０８は、導体１０４を通って流れる電流のＤＣ成分を表す。変流器１０２は、変流器１０２の二次巻線にＤＣ成分を渡さないが、このＤＣ成分はコア１３２を飽和させる傾向を持つ。ＤＣ成分は、グラフ線２１０によって示されるオリジナルのＲＭＳ電流の約４５％の値を持つ。グラフ線２１０は、信号のＡＣ成分と、オリジナルのＲＭＳ電流の約７１％の６０Ｈｚ成分と、無限に連続する偶数高調波と、を表す。高調波の大きさは、高調波次数が増えるにつれて、著しく減衰し、第２次と第４次の高調波の大きさは、それぞれ、オリジナルのＲＭＳ電流の約３０．０％および６．０％になる。グラフ２００から判るように、グラフ線２１０とグラフ線２０６とは、グラフ線２０８によって示されるＤＣ成分の分がオフセットされている点を除いて、ほぼ一致する。グラフ線２１２は、グラフ線２１０の電流二乗値を表す。正の半サイクルと負の半サイクルにおけるＲＭＳ電流の電流二乗値の間の不均衡の量は、電流のＤＣ成分の量であることが示されている。

図３は、システム１００（図１に示したシステム）で受け取れる、１アンペアの整流負荷および３アンペアの標準負荷に対応する負荷電流のグラフ線を例示したグラフ３００である。例示する本実施形態において、グラフ３００は、度の単位で目盛り付けされたｘ軸３０２と、アンペアの単位で目盛り付けされたｙ軸３０４とを含む。グラフ線３０６は、概算で１アンペアの半波整流電流を表す。グラフ線３０８は、導体１０４を通って流れる電流のＤＣ成分を表す。グラフ線３１０は、約３アンペアの信号のＡＣ成分と、整流信号のＡＣ成分とを表す。グラフ線３１０は、約３０度、グラフ線３０６より遅れている。グラフ線３１２は、グラフ線３１０の電流二乗値を表す。ＲＭＳ電流の電流二乗値間の不均衡の量は、電流内のＤＣ成分の量であることが示されている。

図４は、本発明の実施形態に係る、電流検出器におけるＤＣの影響を検出する方法４００を例示したフローチャートである。方法４００は、合計電流の測定４０２と、合計電流が所定の最小電流よりも大きいかどうかの判定４０４と、を含む。計測システム１００の出力に影響を与えるＤＣの影響についての誤った肯定情報を容易に削減できるようにするため、方法４００はいくつかの検査を含み、この検査は、比較的短時間の過渡電流、または計測システム１００の回収値に基づく出力に影響を与える可能性がある負荷特性の変化のいずれに起因するのかを判定するステップ４０４を含む。電流が所定の閾値よりも大きい場合、方法４００は、所定の期間における電流二乗時間積（合計Ｉ^２ｈ）の累積４０６と、同一期間における正の電流サンプルについての電流二乗時間積（正のＩ^２ｈ）の累積４０８とを行う。代替の実施形態では、同一期間における負の電流サンプルについての電流二乗時間積（負のＩ^２ｈ）が蓄積される。さらに他の代替実施形態において、電圧波形の正の半サイクルについての電流二乗時間積が蓄積される。アルゴリズムを用いて、電流の流れの全波の正および負の半サイクル間の電流不均衡を特定する。一実施形態において、この不均衡は、合計の電流二乗時間積と、正の半サイクルの電流二乗時間積とを用いて特定される。他の実施形態では、合計の電流二乗時間積と負の半サイクルの電流二乗時間積とが利用される。さらに他の実施形態において、正の半サイクルの電流二乗時間積と負の半サイクル電流二乗時間積とが利用される。３つの電流二乗時間積の項のうちの２項を累積して、３番目の項を算出することによりメモリが節約される。ただし、３つの電流二乗時間積の項をすべて累積してもよい。

累積期間の終了時に、次の式を用いて、負の電流二乗時間積の特定４１０を行う。

Ｉ^２ｈ_Ｎ＝Ｉ^２ｈ_Ｔ−Ｉ^２ｈ_Ｐ・・・（式１）
次の式のうちの少なくとも１つを用いて、不均衡の電流二乗時間積の特定４１２を行う。

不均衡のＩ^２ｈ＝ＡＢＳ（（Ｉ^２ｈ_Ｔ／２）−Ｉ^２ｈ_Ｐ）・・・（式２）
不均衡のＩ^２ｈ＝ＡＢＳ（（（Ｉ^２ｈ_Ｎ＋Ｉ^２ｈ_Ｐ）／２）−Ｉ^２ｈ_Ｐ）・・・（式３）
Ｉ^２ｈ_Ｔ＝Ｉ^２ｈ_Ｎ＋Ｉ^２ｈ_Ｐであるので、数式（２）および（３）は等価であるが、たとえば、８ビットのプロセッサを用いて計算する場合は、数式（２）の形式の方がより簡単である。

次の式を用いて、不均衡の特定４１４を行う。

不均衡＝（不均衡のＩ^２ｈ×１００）／（Ｉ^２ｈ_Ｔ／２）・・・（式４）
方法４００は、不均衡の大きさが所定の最小値を超えているかどうかの判定４１６を含む。Ｙｅｓの場合、方法４００は、不均衡が所定の最小時間よりも長い時間に渡って存在するかどうかの判定４１８に進む。Ｙｅｓの場合、ＤＣ不均衡状態の警告４２０が為される。この警告については、後の修正操作のために、表示、保存、またはオペレータや中央オフィスへの送信処理が行われてよい。また、不均衡の各判定は累積されてよく、不均衡が存在する時間も累積されてよい。このような情報により、不均衡が偽であるか否かの判定に利用できる選択可能な閾値を容易に設定できるようになる。このような情報を利用することで、後段の電気負荷または前段の電気供給における問題を容易に特定することもできる。

当業者によって前述の規定に基づいて理解されるように、本開示の前述した実施形態を、コンピュータのソフトウェア、ファームウェア、ハードウェア、またはこれらの任意の組み合わせやサブセットを含む、コンピュータのプログラミング技術またはエンジニアリング技術を利用して実施してもよく、その技術的効果は、計測システムに連結された電流センサにおけるＤＣの影響を検出して、負荷に送達される電力の正確な回収値測定を容易にすることである。このような結果的に得られるプログラムは、コンピュータ可読コード化手段を持ち、１つ以上のコンピュータ可読媒体内に実現、または提供されてよく、これにより、コンピュータプログラム製品、すなわち、本開示の前述した実施形態に係る製品が作製される。コンピュータ可読媒体は、たとえば、固定（ハード）ドライブと、ディスケットと、光ディスクと、磁気テープと、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）などの半導体メモリと、インターネットや、他の通信ネットワークや、通信リンクなどの任意の送受信媒体と、のうちの少なくともいずれかであってよいが、これらに限定されない。コンピュータコードを含む製品は、１つの媒体から直接コードを実行することによって、１つの媒体から他の媒体にコードをコピーすることによって、あるいは、ネットワークを介してコードを通信することによって、作製および利用されても、あるいは、作製または利用されてもよい。

電流センサにおけるＤＣの影響を検出する、前述した方法およびシステムは、費用対効果が高く、かつ信頼性も高い。この方法およびシステムは、正および負の半サイクルからの電流信号間の不均衡を特定して、電流のＤＣ成分を検出することを含む。したがって、本方法およびシステムは、費用対効果が高く、信頼性の高い電源の動作を容易にする。

本開示の実施形態について、各種の具体的な実施形態を参照しながら説明したが、本開示の実施形態は、請求項の精神および範囲から外れることなく変更して実施できることは、当業者であれば理解されるであろう。

本発明の実施形態に係る電気計測システムの一例を示すブロック図である。図１に示したシステムで受け取り可能な、半波整流サイン波電流の一例を示すグラフである。図１に示したシステムで受け取り可能な、１アンペアの整流負荷と、３アンペアの標準負荷に対応する負荷電流のグラフ線の例を示すグラフである。本発明の実施形態に係る、電流検出器におけるＤＣの影響を検出する方法の一例を示すフローチャートである。

符号の説明

１００電気計測システム
１０２変流器
１０４導体
１０６電源
１０８負荷
１１０電源機構
１１２検出タップ
１１４スケーリング検出タップ
１１６電圧スケーリング回路
１１８計測盤
１２０変換計測回路
１２２プロセッサ
１２４ＲＡＭ
１２６シリアルインターフェイス
１２８光ポート
１３０液晶表示装置（ＬＣＤ）
１３２コア
２００グラフ
２０２ｘ軸
２０４ｙ軸
２０６グラフ線
２０８グラフ線
２１０グラフ線
２１２グラフ線
３００グラフ
３０２ｘ軸
３０４ｙ軸
３０６グラフ線
３０８グラフ線
３１０グラフ線
３１２グラフ線
４００方法
４０２合計電流の測定
４０４合計電流は所定の最小値を超えているか？
４０６所定の期間における電流二乗時間積（Ｉ^２ｈ）の累積
４０８同一期間における正の電流サンプルについての電流二乗時間積（正のＩ^２ｈ）の累積
４１０累積期間の終了時における負のＩ^２ｈ＝合計Ｉ^２ｈ−正のＩ^２ｈの算出
４１２不均衡のＩ^２ｈ＝ＡＢＳ（（Ｉ^２ｈ／２）−正のＩ^２ｈ）
４１４不均衡＝（不均衡のＩ^２ｈ×１００）／（合計Ｉ^２ｈ／２）
４１６不均衡は所定の最小値を超えているかどうか？
４１８不均衡は所定の時間より長く存在するかどうか？
４２０ＤＣ警告の出力。

Claims

導体（１０４）と伝達的に連結するように構成された電流センサと、
前記電流センサと伝達的に接続されたプロセッサ（１２２）と、を含む電気計器であって、
前記プロセッサは、前記導体を通る電流の流れを表す信号を受け取るように構成され、前記プロセッサは、さらに、前記信号を処理して、前記導体を通って流れる電流の正の半サイクルと、前記導体を通って流れる電流の負の半サイクルとの間の不均衡を特定するように構成される、電気計測システム。
前記プロセッサ（１２２）は、さらに、所定の期間に前記導体（１０４）を通って流れる電流の正の半サイクルについての正の電流二乗時間積（Ｉ^２ｈ_ｐ）と、前記所定の期間に前記導体を通って流れる電流の負の半サイクルについての負の電流二乗時間積（Ｉ^２ｈ_Ｎ）と、所定の期間に前記導体を通って流れる電流の合計電流二乗時間積（Ｉ^２ｈ_Ｔ）の値と、のうちの少なくとも２つを累積するように構成される、請求項１に記載のシステム（１００）。
前記プロセッサ（１２２）は、さらに、Ｉ^２ｈ_ＴおよびＩ^２ｈ_ｐを用いてＩ^２ｈ_Ｎを特定するように構成される、請求項２に記載のシステム（１００）。
前記プロセッサ（１２２）は、さらに、Ｉ^２ｈ_ＴおよびＩ^２ｈ_Ｎを用いてＩ^２ｈ_Ｐを特定するように構成される、請求項２に記載のシステム（１００）。
前記プロセッサ（１２２）は、さらに、Ｉ^２ｈ_ＰおよびＩ^２ｈ_Ｎを用いてＩ^２ｈ_Ｔを特定するように構成される、請求項２に記載のシステム（１００）。
前記プロセッサ（１２２）は、さらに、前記導体を通って流れる電流の前記正の半サイクルと、前記導体を通って流れる電流の前記負の半サイクルとの間の不均衡を、Ｉ^２ｈ_Ｔと、Ｉ^２ｈ_ＮおよびＩ^２ｈ_Ｐのうちの少なくとも１つと、を用いて特定するように構成される、請求項２に記載のシステム（１００）。
前記プロセッサ（１２２）は、さらに、前記導体（１０４）を通って流れる電流の前記正の半サイクルと、前記導体を通って流れる電流の前記負の半サイクルとの間の不均衡を、Ｉ^２ｈ_ＮおよびＩ^２ｈ_ｐを用いて特定するように構成される、請求項２に記載のシステム（１００）。
前記プロセッサ（１２２）は、さらに、前記導体を通る電流の流れが所定の閾値より大きいときに不均衡を算出するように構成される、請求項１に記載のシステム（１００）。