(57)【要約】【課題】  入力変成器として採用しているホール素子センサの個々のセンサ特性に応じた制御を可能にする情報を保持した入力変換基板を提供する。【解決手段】  電力系統のディジタル保護制御装置の入力変換基板は、被測定電流が入力される入力側の一次側回路、電力系統の被測定電流を検知するホール素子センサ、被測定電流に対応して前記ホール素子センサで発生した電圧を出力する二次回路、前記ホール素子センサへ定電流を供給する定電流源、定電流の値の制御を行う制御回路、及び制御に関する情報を保持する不揮発性メモリを有し、センサ特性の誤差に関する情報に基づいて求めた定電流の補正値によって補正された定電流値を定電流源に設定する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力系統のディジタル保護制御装置の入力変換基板は、
被測定電流が入力される入力側の一次側回路、
電力系統の被測定電流を検知するホール素子センサ、
前記被測定電流に対応して前記ホール素子センサで発生した電圧を出力する二次回路、
前記ホール素子センサへ定電流を供給する定電流源、
前記定電流の値の制御を行う制御回路、及び
前記制御に関する情報を保持する不揮発性メモリ
を有することを特徴とするディジタル保護制御装置の入力変換基板。
【請求項２】
前記不揮発性メモリは、
前記ホール素子センサへの入力である前記被測定電流の電流値と前記ホール素子センサの出力である電圧値との比で決まるゲイン、
前記被測定電流と前記出力電圧との位相差のそれぞれに関する標準値からの誤差情報、及び、
前記定電流源の定電流の値と前記被測定電流の電流値の検知可能範囲であるダイナミックレンジとの関係を示す情報の少なくとも１つを保持することを特徴とする請求項１記載のディジタル保護制御装置の入力変換基板。
【請求項３】
前記制御回路は、
前記不揮発性メモリに保持されている前記ゲインの基準値からの誤差に関する情報に基づいて、前記定電流の基準値に対する補正値を求め、前記補正された前記定電流値を前記定電流源に設定することを特徴とする請求項２記載のディジタル保護制御装置の入力変換基板。
【請求項４】
前記不揮発性メモリは、
前記被測定電流の値に対応して、前記ゲインの基準値からの誤差に関する情報を保持することを特徴とする請求項２記載のディジタル保護制御装置の入力変換基板。
【請求項５】
電力系統のディジタル保護制御装置の入力変換基板は、
複数の被測定電流のそれぞれに対応した複数のチャネルを有し、
前記複数のチャネルのそれぞれは、
被測定電流が入力される入力側の一次側回路、
電力系統の被測定電流を検知するホール素子センサ、
前記被測定電流に対応して前記ホール素子センサで発生した電圧を出力する二次回路、
前記ホール素子センサへ定電流を供給する定電流源、及び
前記定電流の値の制御を行う制御回路、を有し、
前記複数のチャネルのそれぞれに接続された前記制御に関する情報を保持する不揮発性メモリ、
を有することを特徴とするディジタル保護制御装置の入力変換基板。
【請求項６】
前記不揮発性メモリは、前記複数のチャネルのそれぞれに対するセンサ特性のバラツキのパラメータをまとめて保持することを特徴とする請求項５記載のディジタル保護制御装置の入力変換基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ディジタル保護制御装置に係り、特に、電力系統の電気量を測定する入力変成器を実装した入力変換ユニットに対し、性能向上および生産性向上手法を適用した入力変換基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力系統の保護制御に用いられるディジタル保護制御装置においては、電力系統の電圧や電流を測定する入力変成器からの出力を取り込むための入力部と、保護制御演算を実行して電力系統の保護制御を行う制御部とは、それぞれ別のユニットとして構成される。上記中の入力変成器は入力変換ユニットに実装されているが、入力変成器が大きく重い、複数個の実装が必要な仕様であることから、大型で質量が大きく配線が多い等、生産性が悪く製品全体のコストアップの要因となっている。そのため、従来の入力変換ユニットでは、高密度実装を目的とし漏れ磁束が少ないトロイダルコアを採用した入力変成器を採用しているが、体積が大きく質量が重い問題があるため、小型で高密度の入力変換ユニットとすることが困難であった。
【０００３】
そこで、電力系統の電流を測定する入力変成器として、特許文献１に記載のように、ホール素子センサを用いることによって、上記の問題を解決している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第２５５２６８３号公報（特開平１−８３１５４号公報）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、電力系統の電流を測定するための入力変成器として採用しているホール素子センサには、強磁性体コアとホール素子自身との位置関係やホール素子自身の特性などの固体ばらつきが発生するため、被測定電流とセンサ出力との関係（センサ特性）にばらつきが発生する。センサ出力に基づいて制御を行う保護制御装置では、この固体ばらつきをなくすためにセンサ特性に対する補正を実施する必要がある。特に、Ａ／Ｄ変換後にディジタル補正を実施することが一般的であり、マイコンを実装する制御部に補正値を保存する必要があり、マイコン実装ユニットと入力変換器ユニットの組合せを固定することが必要であった。
【０００６】
また、従来の入力変成器では、保護制御装置の要求仕様である、幅広いダイナミックレンジと低周波数での精度を満足しながら、センサ特性を補正する必要があった。
【０００７】
本発明の目的は、入力変成器として採用しているホール素子センサの個々のセンサ特性に応じた制御を可能にする情報を保持した入力変換基板を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、電力系統の被測定電流を検知するホール素子センサ、ホール素子センサの入力側の一次側回路及び出力側の二次回路、及びホール素子センサへ定電流を供給する定電流源からなる入力変換基板に、定電流の値の制御などを行う制御回路、及び定電流の値やセンサ特性に関する情報を保持する不揮発性メモリを具備したものである。
【０００９】
不揮発性メモリに保持される情報には、ホール素子センサへの入力である被測定電流の電流値とセンサの出力である電圧値との比で決まるゲイン、及び、被測定電流と出力電圧との位相差のそれぞれに関する標準値からの誤差情報、更に、定電流の値と、被測定電流の電流値の検知可能範囲（ダイナミックレンジ）との関係を示す情報が保持される。
【発明の効果】
【００１０】
電力系統の保護制御に用いられるディジタル保護制御装置は、入力変換基板の不揮発性メモリに保持される情報を参照することによって、ホール素子センサの個々のセンサ特性に応じた制御を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】ホール素子センサを使用した入力変換基板の構成図である。
【図２】入力変換基板のゲイン誤差の説明図である。
【図３】複数のチャネルに対応できる入力変換基板の構成の説明図である。
【図４】チャンネル間の入力の位相誤差を示す図である。
【図５】ホール素子センサの動作原理を示す図である。
【図６】ホール素子の定電流とダイナミックレンジの関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（入力変換基板の構成）
図１は、本実施例における、電力系統のディジタル保護制御装置における入力変換基板の構成を示す。入力変換基板は、電力系統の被測定電流の大きさを検知するホール素子センサ１、ホール素子センサ１の入力側の被測定電流を入力する一次側回路２及び出力側のセンサの出力電圧を出力する二次側回路３、及びホール素子センサ１へ定電流を供給する定電流源４、定電流の値の制御などを行う制御回路５、及び定電流の値やセンサ特性に関する情報を保持する不揮発性メモリ６からなり、被測定電流が入力７から入力され、被測定電流に対応してホール素子センサ１で発生した電圧が出力８から出力される。ホール素子センサ１は、後述するように、被測定電流の大きさを検知する電流センサの中に設けられている。
【００１３】
不揮発性メモリ６に保持される情報には、ホール素子センサ１への入力である被測定電流の電流値とセンサの出力である電圧値との比で決まるゲイン、及び、被測定電流と出力電圧との位相差のそれぞれに関する標準値からの誤差情報、更に、定電流源４の定電流の値と、被測定電流の電流値の検知可能範囲（ダイナミックレンジ）との関係を示す情報が保持される。
【００１４】
（ホール素子センサの動作原理）
図５は、ホール素子センサ１の動作原理を示す図である。
【００１５】
特許文献１の第１図に示す電流センサのように、ホール素子センサ１は、リング状の強磁性コアのリングの一部の空隙に設けられている。リング状の強磁性コアのリングの中心を貫通する被測定電流によって発生し、強磁性コアによってかき集められた磁界がホール素子センサ１を貫通すると、この磁界と垂直な方向に、被測定電流に対応した電圧がホール素子センサ１から出力される。この出力電圧の源となる電荷（電子）を供給する定電流は、定電流源４によって、磁界の方向及び出力電圧の検知の方向に垂直な方向に印加される。
【００１６】
上記の動作を模式的に示したのが図５である。被測定電流が矢印１８方向に流れると、被測定電流の周りの矢印１９の方向に磁界が発生する。（●）は紙面の裏側から表側への磁界の方向を示し、（×）は紙面の表側から裏側への磁界の方向を示す。
【００１７】
一方、定電流源１７からホール素子センサに実線の矢印方向に定電流を流すことによって、ホール素子センサに電荷を供給すると、定電流の周りの矢印２０の方向に磁界が発生する。（なお、図５では正の電荷が供給されたものとして図示しているが、実際は、負の電荷の電子がセンサの中の矢印とは逆方向から供給される。）
その結果、ホール素子センサの被測定電流に近い側では双方の磁界が強め合い、反対側では磁界が弱め合うため、センサに供給された電荷の進路が被測定電流側とは反対の方向に曲げられる（電磁気学で知られているローレンツ力）。（実際は、図５の左側から供給された電子は被測定電流側に曲げられる。）電荷の進路が曲げられることによって、ホール素子センサの被測定電流側とは反対の側に正の電荷がたまり（２１）、反対側には負の電荷がたまり（１６）、この電荷の偏りが、ホール素子センサの出力電圧２２として出力される。
【００１８】
被測定電流の電流値が大きい程、その周りに発生する磁界１９が大きくなり、更に、センサに供給された電荷の進路の曲がり具合も大きくなるので、それだけホール素子センサの出力電圧２２が大きくなる。即ち、ホール素子センサによって、被測定電流の電流値に応じた出力電圧が得られる。なお、定電流の電流値、出力電圧、及び被測定電流の電流値の関係は、図６に関連して後述する。
【００１９】
（ゲインと位相の誤差について）
被測定電流Ｉが交流であって、Ｉ＝Ｉ０sinωtの場合、被測定電流Ｉに対応するホール素子センサの出力電圧２２の出力Ｖは、一般に、Ｖ＝Ｖ０sin(ωt＋φ)と表わされる。ここで、φは、ホール素子センサ自身のセンサ特性や構造のばらつきなどによって生じる位相差である。また、Ｖ０/Ｉ０は、ホール素子センサの感度を示すゲインであり、このゲインもホール素子センサ自身のセンサ特性や構造のばらつきなどによって生じる。
【００２０】
図２は、入力変換基板のゲイン誤差の説明図である。入力変換基板は、入出力特性の理想特性(9)に対し、物の実力値による誤差(10)を有する。このため、理想特性に対しての誤差を補正する必要がある。この誤差の補正値を不揮発性メモリ(6)に記憶し、本入力変換基板を使用する際にＣＰＵ基板等にて誤差の補正値を使用し、ゲインの理想特性を得ることができる。
【００２１】
図４は、複数のチャネルにそれぞれ被測定電流を割り当てたときに、各チャネルに対応したホール素子センサの出力電圧の位相が不揃になる様子を示した図である。入力変換基板に有する各チャンネルは、出力電圧の実力値による位相特性を有する。また、各チャンネル毎に有する位相特性はそれぞれである。
【００２２】
保護制御装置では微小な電力系統の異常を検出することが目的であり、同一の入力を複数のチャネルに入力した場合、位相特性およびゲイン特性を同一にする必要がある。このため、基準チャンネルの出力波形(11)に対して、他チャンネルの出力波形(12、13)との位相差(14、15)を補正する必要がある。この補正値を不揮発性メモリ(6)に記憶し、本入力変換基板を使用する際にＣＰＵ基板等にて誤差の補正値を使用し、複数のチャンネルに同一入力した場合に、すべでのチャンネルで同一の位相特性を得ることができる。
【００２３】
（定電流とダイナミックレンジの関係）
ホール効果の関係式より、被測定電流Ｉ０による磁束密度Ｂ＝μ０Ｈ＝Ｉ０μ０/(２πｒ)、電流Ｉ０によって誘起され、電流Ｉ０に垂直な方向の電界Ｅｙ＝−ｅＢτＥｘ/ｍ、ｉ＝ｎｅ２τＥｘ/ｍ、Ｖ０＝−ｄＥｙ、ｄは電流Ｉ０に垂直な方向のホール素子の厚み、ｒは電流Ｉ０から強磁性コアまでの距離、ｎは電子密度、ｍは電子の質量、μ０は真空の透磁率、ｅは電子の電荷、及び定数ｋ＝(ｄ/ｒ)μ０/(２πｎｅ)によって、Ｖ０＝ｋ・Ｉ０・ｉの関係式（センサ特性）が得られる。
【００２４】
その結果、ホール素子センサの出力電圧Ｖ０は、被測定電流Ｉ０及び定電流ｉに比例する（Ｖ０＝ｋ・Ｉ０・ｉ）。従って、定電流ｉを調節することによって被測定電流Ｉ０の検知の感度（出力電圧Ｖ０の大きさ）を調節できる。
【００２５】
ここで、定数ｋにはホール素子センサを含む電流センサの形状に関するｒとｄが含まれるので、定電流の値を同じにしても、ｒやｄによって感度が異なる。即ち、個々の電流センサによってセンサ特性のばらつきが発生する。
【００２６】
一方、図５において、ホール素子に注入された定電流ｉが全て曲げられて素子の端部（被測定電流に垂直な方向）に集まると、磁界Ｈの値を大きくしても（被測定電流Ｉ０を大きくしても）、電流Ｉ０に垂直な方向（ｙ方向）の電界Ｅｙの大きさは変化せず（飽和状態）、従って、出力電圧Ｖ０も変化しない。また、定電流ｉが大きい程、磁界Ｈに対して早く飽和状態になる。この飽和状態に達した時の出力電圧の上限値はホール素子を構成する材料の組成などによって決まる。
【００２７】
上記の説明は、定電流の値の平均値についてのものであり、実際には、定電流の電流値の元になる速度ｖｘには統計力学的な分布があるため、電荷（電子）の中には素子の端部に達するもの（飽和状態）と、電流として素子の外部に流れて定電流源に戻るものとが混在し、定電流ｉが大きい程、また磁界Ｈが大きい程、飽和状態になる電荷の割合が多くなる。
【００２８】
上記のセンサ特性（Ｖ０＝ｋ・Ｉ０・ｉ）と出力電圧の上限値とを考慮すると、定電流ｉをパラメータとする、ホール素子センサのセンサ特性（被測定電流Ｉ０と出力電圧Ｖ０との関係）は、図６のようになる。図６では、出力電圧の上限値によって決まる、検知可能な入力（被測定電流Ｉ０）の範囲（ダイナミックレンジ）を合わせて示している。
【００２９】
図６に示すように、図５に示すホール素子において、定電流の値(23)を増減することで、ダイナミックレンジが変化する特性がある。定電流の値が小さいときはダイナミックレンジが小さく(24)、定電流の値が大きいときはダイナミックレンジが大きく(26)なる特性がある。このことから、ホール素子センサ(1)に入力する定電流(4)を制御回路(5)で制御することで、ダイナミックレンジを変化させることが可能となる。この制御回路(5)の制御値を不揮発性メモリ(6)に記憶する。
本入力変換基板を使用する際にＣＰＵ基板等にて定電流の補正値(ダイナミックレンジの補正値)を使用し、各チャンネルのダイナミックレンジを管理することができる。また、定電流源を任意に変化させることで、ダイナミックレンジを任意に変化させることが可能となる。
【００３０】
但し、既に述べたように、センサ特性（Ｖ０＝ｋ・Ｉ０・ｉ）における定数ｋは、ホール素子センサを含む個々の電流センサによって異なるため、それぞれの電流センサ毎にダイナミックレンジを管理する必要がある。
【００３１】
（不揮発性メモリ６で保持する情報）
以上に述べたように、ホール素子センサを含む個々の電流センサは、センサ特性やダイナミックレンジが異なる。従って、以下のパラメータを個々の電流センサ毎に計測しておき、得られたパラメータを入力基板上の不揮発性メモリ６に保持し、そのパラメータを保護制御装置が参照することによって、個々の電流センサのばらつきに応じた制御を行うことができる。
【００３２】
（ａ）ゲイン（Ｖ０/Ｉ０）
（ｂ）位相φ
（ｃ）定電流の値とダイナミックレンジの関係
上記のパラメータの標準的な値が予め与えられている場合、その標準値からの誤差を、個々の電流センサのばらつきとして不揮発性メモリ６に保持しておいてもよい。
【００３３】
（定電流によるゲインの補正）
ホール素子センサを含む個々の電流センサのゲイン（Ｖ０/Ｉ０）の値が基準の値からずれた場合に、定電流の値を補正することにより、ゲインの値を基準の値に補正する制御について説明する。即ち、不揮発性メモリ６に予め、個々の電流センサのゲインの誤差を保持しておき、制御回路５は、その誤差の値を用いて、定電流源４の電流を制御することで、ゲインの値を基準の値に補正する。以下の計算では二次の微小量は無視する。
【００３４】
上記で述べたセンサ特性の関係式Ｖ＝ｋ・Ｉ・ｉ（Ｖは出力電圧、ｋは電流センサの構造によって決まる定数、Ｉは被測定電流、ｉは定電流源の定電流値）より、ゲインｇは、ｇ＝Ｖ/Ｉ＝ｋ・ｉで定義され、ゲインの基準値ｇ０をｇ０＝ｋ０・ｉ０とすると、定電流値がｉ０の時に定数ｋが基準の値ｋ０からずれてｇ′＝(ｋ０＋Δｋ)・ｉ０＝ｇ０＋Δｇとなったとする。但し、Δｇ＝Δｋ・ｉ０である。
【００３５】
そこで、定電流値ｉをｉ０＋Δｉと補正した時のゲインｇが基準のゲインｇ０（＝ｋ０・ｉ０）と同じになる条件を求めると、ｇ＝(ｋ０＋Δｋ)(ｉ０＋Δｉ)＝ｇ０＝ｋ０・ｉ０より、Δｋ０・ｉ０＋ｋ０・Δｉ＝０となる。その結果、定電流値の補正値Δｉは、不揮発性メモリ６に保持されている既知の値であるゲインの誤差Δｇを用いて表すと、Δｉ＝Δｋ・ｉ０/ｋ０＝−(Δｇ/ｇ０)ｉ０となる。この値だけ、定電流源４に定電流値を補正すれば、ゲインが基準値からずれても元の基準の値に補正できる。このとき、(Δｉ/ｉ０)＋(Δｇ/ｇ０)＝０が成り立つ。
【００３６】
一方、出力電圧Ｖの最大値Ｖｍで決まる被測定電流Ｉの最大値Ｉｍ（ダイナミックレンジ）も、定電流値が基準値のｉ０の時に定数ｋが基準値ｋ０からのずれによって変化する。
【００３７】
定電流値が基準値のｉ０であって、定数ｋが基準値ｋ０の時のダイナミックレンジをＩｍ０とすると、Ｖｍ＝ｋ・Ｉｍ・ｉ＝ｋ０・Ｉｍ０・ｉ０が成り立ち、ｋ＝ｋ０＋Δｋのとき、ｉ＝ｉ０とすると、その場合のダイナミックレンジをゲインの基準値ｇ０及びゲインのずれΔｇを用いて表すと、Ｉｍ＝Ｉｍ０(ｋ０/ｋ)＝Ｉｍ０(１−Δｇ/ｇ０)となり、ダイナミックレンジが変化する。
【００３８】
そこで、上記の定電流源の電流値を補正値Δｉによって補正すると、ダイナミックレンジＩｍは、Ｉｍ＝Ｉｍ０(ｋ０/ｋ)(ｉ０/ｉ)＝Ｉｍ０(１−Δｇ/ｇ０)(１−Δｉ/ｉ０)＝Ｉｍ０(１−Δｇ/ｇ０−Δｉ/ｉ０)＝Ｉｍ０となって、ダイナミックレンジＩｍが基準の値Ｉｍ０に補正される。即ち、定電流値をゲインのずれに応じて補正すると、ゲイン及びダイナミックレンジの双方が基準の値に補正される。
【００３９】
（定数ｋに被測定電流Ｉの依存性がある場合）
定数ｋに被測定電流Ｉの依存性があり、被測定電流Ｉと出力電圧Ｖとの間に若干の非線形の関係（上に凸とする）がある場合、定数ｋをｋ(１−αＩ)とおくと（但し、αは微小量とする。）、定数ｋのずれは、Δｋ＝−ｋ・α・Ｉとなり、ゲインｇのずれは、Δｇ＝−ｋ・α・Ｉ・ｉとなる。上記と同様に、ゲインを基準値に補正するための、定電流源の電流値ｉの補正値Δｉは、Δｉ/ｉ０＝−Δｇ/ｇ０＝αＩとなる。この補正値Δｉによってゲインは基準値に設定される。
【００４０】
しかし、ダイナミックレンジＩｍは、定電流源の電流値ｉを上記のように補正しても、ダイナミックレンジの基準値Ｉｍ０を用いて、Ｉｍ＝Ｉｍ０(１＋αＩｍ０)となり、基準値からずれる。即ち、定電流源の電流値を補正してもゲインとダイナミックレンジがそれぞれ基準値となるように設定でき内ので、被測定電流Ｉと出力電圧Ｖとの間に若干の非線形の関係がある場合、適用する被測定電流Ｉ毎に、ゲインとダイナミックレンジとの関係を不揮発性メモリ６で管理する必要がある。
【００４１】
なお、被測定電流Ｉと出力電圧Ｖとの間に若干の非線形の関係がある場合、ゲインｇを、被測定電流Ｉに対する出力電圧Ｖの微係数ｄＶ/ｄＩで定義すると、ゲインの誤差Δｇは、Δｇ＝−２ｋ・α・Ｉ・ｉで与えられ、上記のΔｇの値の２倍である。この場合も、適用する被測定電流Ｉに対するゲインｇの関係を不揮発性メモリ６で管理する必要がある。
【００４２】
（複数チャネルの構成）
図１では、入力変換基板のそれぞれにバラツキのパラメータを保持する不揮発性メモリ６を設けた構成を示した。複数の被測定電流のそれぞれに対して、図１に示したホール素子センサ１、一次側回路２、二次回路３、定電流源４、及び定制御回路５からなるチャネルを割り当て、１つの入力変換基板に複数のチャネル１００１、１００２、１００３、・・・、１００Ｎを搭載し、複数チャネルに対するバラツキのパラメータを一つの不揮発性メモリにまとめて保持する図３の構成としてもよい。即ち、入力変換基板は、複数のチャンネルを有するものとする。また、それぞれのチャンネルに対して、不揮発性メモリで補正値を記憶する。
【００４３】
図３に示す構成とすることにより、個々の被測定電流に関するバラツキのパラメータを、一つの不揮発性メモリによって一括して管理できる。
【符号の説明】
【００４４】
１：ホール素子センサ、２：一次側回路、３：二次側回路、４：定電流源、
５：制御回路、６：不揮発性メモリ、７：入力、８：出力
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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