(57)【要約】【課題】需給計測、高調波スペクトル、デジタル障害記録（ＤＦＲ）及び監視制御・データ収集（ＳＣＡＤＡ）機能を含む信号を監視し、報告する。【解決手段】多機能知的電子装置（ＩＥＤ）１０は、交流サブシステム８２と、交流サブシステムにより受信されたデータを処理するデジタル信号処理システム８４と、ＩＥＤを制御するマイクロプロセッサシステム８６とを含む。ＩＥＤは配電回路のフィールドセンサへの直接接続が可能である。ＩＥＤの交流サブシステム８２は、各々が電力線の位相１〜３の１つに関して動作する複数の変圧器（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３）と結合し、対応する変圧器の１次巻線の電流が計測範囲にあるか、又は過電流（ＤＦＲ）範囲にあるかに従ってスイッチングを行なう。【選択図】　　　　　　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
配電回路における電気信号を監視し且つ報告する多機能装置（１０）において、
電界変圧器から入力データを受信する第１のシステム（８２）と、
前記第１のシステムに結合するデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）システム（８４）と、
前記ＤＳＰシステムに結合するマイクロプロセッサシステム（８６）とを具備し、
前記第１のシステムは前記ＤＳＰシステム及び前記マイクロプロセッサシステムと組み合わされて、需給計測、高調波成分及び分散障害記録（ＤＦＲ）の各機能を実行するように機能する装置。
【請求項２】
前記第１のシステム（８２）は、
各々が前記配電回路の１つの位相に関して動作する複数の変圧器（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３）と、
各々が対応する１つの変圧器（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３）に結合し、更に、対応する変圧器の１次回路を流れる電流が計測範囲にあるか、又は過電流範囲にあるかに従って第１の位置又は第２の位置に切り替わる複数のスイッチング回路（Ｕ２、Ｕ３、Ｕ４）とを具備する請求項１記載の装置。
【請求項３】
正規モードサージ／インパルス保護を実行する回路アセンブリを更に具備する請求項２記載の装置。
【請求項４】
前記回路アセンブリは酸化金属被膜バリスタ（ＭＯＶ）（１３）と、コンデンサ（１４）とを具備する請求項３記載の装置。
【請求項５】
コモンモードサージ／インパルス保護を実行する回路アセンブリ（１５、１６、１７、１８）を更に具備する請求項２記載の装置。
【請求項６】
各変圧器の２次回路は、供給電圧より極性が高い信号に対してクローバー防護を実行するダイオードミラー回路（２１、２３）を含む請求項４記載の装置。
【請求項７】
複数の変圧器（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３）と、各変圧器と関連するスイッチング回路（Ｕ２、Ｕ３、Ｕ４）とを含む交流サブシステム（８２）を有する多機能装置（１０）にあって、電気信号を監視し且つ報告する方法において、
前記装置（１０）をフィールドセンサに電気的に結合する過程と、
前記フィールドセンサから前記交流サブシステム（８２）へデータを送信する過程と、
それぞれ対応する変圧器の１次回路を流れる電流が計測範囲にあるか、又は過電流範囲にあるかに従って、前記スイッチング回路を第１の位置又は第２の位置へ切り替えさせる過程とから成る方法。
【請求項８】
前記交流サブシステムにより受信されるデータを処理するためにデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）（８４）を設ける過程と、
前記装置のソフトウェアアプリケーションを制御する第１のマイクロプロセッサ（６８）を設ける過程と、
監視制御及びデータ収集（ＳＣＡＤＡ）機能を実行する第２のマイクロプロセッサ（７０）を設ける過程とを更に含む請求項７記載の方法。
【請求項９】
前記フィールドセンサと各変圧器の１次回路との間に正規モードサージ／インパルス保護回路（１３、１４）を設ける過程と、
前記第１のマイクロプロセッサ（６８）により前記交流サブシステム及び前記ＤＳＰを制御する過程とを更に含む請求項８記載の方法。
【請求項１０】
供給電圧より極性が高い信号に対してクローバー防護を実行する過程を更に含む請求項９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は配電回路における電気信号を監視する方法及び装置に関し、特に、需給計測、高調波成分、デジタル障害記録（ＤＦＲ）、並びに監視制御及びデータ収集（ＳＣＡＤＡ）の各機能を実行する多機能知的電子装置（ＩＥＤ）に関する。
【０００２】
【発明の背景】
適正な動作性能を確保するためには、通常電源電力を監視し且つ制御しなければならない。また、保守、利用率及び効率の改善を目的として、更に、安全性を脅かしかねない状況に応じて、通常電源電力をリアルタイムで制御することも必要である。更に、収入獲得を目的として、また、回路に最適の負荷が課されるように保証するために、様々な箇所で通常電源電力を計測することも必要である。コンピュータ機器や、自動車のドライバー向けの電子制御装置の急増に伴って、通常電源回路に「高調波」と呼ばれる望ましくない信号が散在して現れるようになっている。機器の妨害及び故障を防止するためには、それらの高調波を識別し、制御しなければならない。計測される信号及び高調波信号は相対的に値が小さいため、通常は「公称」範囲と呼ばれる範囲内でそれらの信号を高い精度で報告する必要がある。更に、照明、強風、氷による負荷、ねずみ、鳥などの自然の影響や、環境的影響によって、電力線は様々な妨害にさらされている。自動車事故などの人為的状況もそれらの妨害を更に増加させている。
【０００３】
高調波信号及び計測信号とは対照的に、妨害信号は、通常、値が大きく、典型的には「過電流」範囲と呼ばれる範囲の中で起こる。「過電流」範囲は「公称範囲」の「２〜４２」倍に及ぶ。電気事業は、計測情報及び妨害情報を共に記録し且つ報告することに加えて、電力線を正確、安全且つ経済的に制御できる機器を要求する。
【０００４】
計測機能及びＤＦＲ機能に関して、要求される測定範囲で複数の機能を実行するために一体化された装置を提供することが不可能であるため、周知の方法は、通常、需給計測、高調波スペクトル及び外乱の各機能を実行するために別個の機器ユニットを必要とする。従来の方法は需給計測機能及び高調波スペクトル機能を計測装置によって実現し、その一方で、デジタル障害記録装置（ＤＦＲ）を使用して妨害記録機能を実現していた。それらの装値は計器用変圧器（ＰＴ）及び変流器（ＣＴ）を介して電力線にインタフェースしていた。複数の機能を実行するために複数の装置を採用することにより、設置スペースをより広くとらなめればならないと共に、操作技術、コミッショニング及び保守に要する費用も増加していた。
【０００５】
【発明の概要】
従って、ここで説明する例の装置は、例えば、若干の例を挙げると、通信装置、及び複数のデジタル入力、変換器なし交流アナログ入力を有する機器などの複数の１次機器の電流範囲全体にわたり需給計測、高調波成分、デジタル障害記録（ＤＦＲ）及びＳＣＡＤＡ機能などの機能を実行する多機能知的電子装置（ＩＥＤ）及び方法を提供する。ＩＥＤは、電気信号を監視するために、配電回路の電圧センサ及び電流センサに直接に接続されても良い。
【０００６】
変流器（ＣＴ）及び計器用変圧器（ＰＴ）などの電界変圧器からの入力データは、フィールドインタフェースターミナルユニットを介して電界変圧器に結合する交流入力サブシステムにより受信される。交流入力サブシステムは、需給計測、高調波成分及びＤＦＲの各機能を監視し且つ報告するために電界変圧器から受信されたデータを処理するデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）システムに結合している。ＤＳＰサブシステムは、ＭＵＸ／Ａ／Ｄ変換器／信号調整ユニットを使用して、アナログ入力信号をデジタル表現に変換する。ＤＳＰサブシステムは、過電流範囲及び計測範囲における交流入力サブシステムのスイッチング機能を含むＩＥＤ装置の様々な機能を制御するために１次マイクロプロセッサの制御の下に動作する第１及び第２の信号処理装置を含む。第２のマイクロプロセッサは１次マイクロプロセッサと共に動作して、ＳＣＡＤＡ機能の監視及び報告を制御する。
【０００７】
各変圧器は正規モードサージ／インパルス保護回路と、正極性で供給電圧＋Ｖより高い信号及び供給電圧−Ｖより負極性である信号に対して保護を実行するクローバー防護回路とを更に含む。ＩＥＤのスイッチング回路は、それぞれ対応する変圧器の１次回路における界磁電流が計測範囲にあるか、又は過電流範囲にあるかに従って適切なスイッチング機能を実行する。マイクロプロセッサは、アナログ／デジタル変換、多重化機能などの機能を実行することに加えて、各々のスイッチングユニットの機能を制御する。
【０００８】
１つの面において、本発明は、配電回路における電気信号を監視し且つ報告する多機能装置であって、電界変圧器から入力データを受信する第１のシステムと、第１のシステムに結合するデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）システムと、ＤＳＰシステムに結合するマイクロプロセッサシステムとを含み、第１のシステムはＤＳＰシステム及びマイクロプロセッサシステムと組み合わされて、需給計測、高調波成分及び分散障害記録（ＤＦＲ）の各機能を実行するように機能する装置を提供する。第１のシステムは、各々が配電回路の１つの位相に関して動作する複数の変圧器と、各々が対応する１つの変圧器に結合し、更に、対応する変圧器の１次回路を流れる電流が計測範囲にあるか、又は過電流範囲にあるかに従って第１の位置又は第２の位置に切り替わる複数のスイッチング回路と、正規モードサージ／インパルス保護を実行する回路アセンブリとを含むのが好ましい。　回路アセンブリは酸化金属被膜バリスタ（ＭＯＶ）と、コンデンサとを含むのが好ましい。また、各変圧器の２次回路は、供給電圧より極性が高い信号に対してクローバー防護を実行するダイオードミラー回路を含む。
【０００９】
別の面においては、本発明は、複数の変圧器と、各変圧器と関連するスイッチング回路とを含む交流サブシステムを有する多機能装置にあって、装置をフィールドセンサに電気的に結合し、フィールドセンサから交流サブシステムへデータを送信し、それぞれ対応する変圧器の１次回路を流れる電流が計測範囲にあるか、又は過電流範囲にあるかに従って、スイッチング回路を第１の位置又は第２の位置へ切り替えさせることにより、電気信号を監視し且つ報告する方法を提供する。方法は、交流サブシステムにより受信されるデータを処理するためにデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）を設けることと、装置のソフトウェアアプリケーションを制御する第１のマイクロプロセッサを設けることと、監視制御及びデータ収集（ＳＣＡＤＡ）機能を実行する第２のマイクロプロセッサを設けることとを更に含む。方法は、フィールドセンサと各変圧器の１次回路との間に正規モードサージ／インパルス保護回路を設けることと、第１のマイクロプロセッサ６８により交流サブシステム及びＤＳＰを制御することとを更に含む。方法は、供給電圧より極性が高い信号に対してクローバー防護を更に実行する。
【００１０】
更に別の面においては、本発明は、電気信号を監視し且つ報告する多機能装置であって、複数の変圧器と、各々がそれぞれ対応する変圧器の１次回路を流れる電流が計測範囲にあるか、又は過電流範囲にあるかに従って第１の位置又は第２の位置に切り替わることが可能である複数のスイッチング回路とを含み、フィールドセンサから入力データを受信する第１のサブシステムと、第１のサブシステムにより受信されるデータを処理するデジタルシグナルプロセッサ手段と、第１のサブシステム及びＤＳＰ手段を制御するマイクロプロセッサ手段とを含む装置を提供する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
そこで図１を参照すると、本発明によるＩＥＤの高レベルブロック線図が示されている。ＩＥＤ１０は、一般に、交流入力サブシステム８２と、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）サブシステム８４と、マイクロプロセッサシステム８６とを含む。ＩＥＤ１０はフィールドインタフェースターミナルブロックＰ２を介して電界変圧器８０に結合されている。電界変圧器８０は変流器（ＣＴ）又は計器用変圧器（ＰＴ）のいずれかであれば良い。電界変圧器８０からの入力データは、需給計測、高調波成分及びデジタル障害記録（ＤＦＲ）の各機能を監視する交流入力サブシステム８２で受信される。ＤＳＰサブシステム８４は第１及び第２のＤＳＰ装置５４、５６（図３）を含み、それらの装置の一方は交流入力サブシステム８２の機能状態を監視し、他方はＤＦＲ機能を監視する働きをする。マイクロプロセッサシステム８６は、交流入力サブシステム８２及びＤＳＰサブシステム８４の機能状態を含めて、ＩＥＤ装置１０全体の動作を制御する。マイクロプロセッサシステム８６はマイクロプロセッサ６８、７０（図４）を含む。マイクロプロセッサ７０は、ＳＣＡＤＡ機能を実行するために、マイクロプロセッサ６８の制御の下に動作する。
【００１２】
次に図２を参照すると、多機能ＩＥＤ１０の交流入力サブシステム８２の詳細な回路図が示されている。電界変圧器８０からの入力信号は第１のターミナルブロック位置Ｐ２−１を介してターミナルブロックＰ２で受信される。受信された信号は導体１１に入り、導体１１が終端する第２のターミナルブロック位置Ｐ２−２を通って出る。尚、電界変圧器８０は必ずしもターミナルブロックＰ２で終わる必要はなく、変圧器８０からの接続線が変圧器Ｔ１の１次巻線まで伸びていても良いことに注意すべきである。酸化金属被膜バリスタ（ＭＯＶ）１３及びコンデンサ１４は、ＩＥＤ１０を電力線の各位相におけるサージから保護するための正規モードサージ／インパルス保護機能を有する。ＭＯＶ１５、１７及びコンデンサ１６、１８により形成される回路は、導体１１により形成される回路に対するコモンモードサージ／インパルス保護を行う。図２の実施例では、本発明の概念を明確に説明するために、交流入力サブシステム８２を一般に位相１、位相２及び位相３として識別される３つの位相に関して説明する。本発明は実際には配電回路の最大で１４の位相に対して動作することが可能である。
【００１３】
導体１１は変圧器Ｔ１の１次巻線に結合する。変圧器Ｔ１の１次巻線の電流は、２次巻線に信号を出現させる磁界を誘起する。供給電圧＋Ｖ及び−Ｖはダイオード２１、２２にそれぞれ供給される。ダイオード２１、２２は接続点２３で２次巻線に接続し、正極性及び負極性で供給電圧＋Ｖ及び−Ｖよりそれぞれ高い信号に対してクローバー防護を行う。スイッチング集積回路（ＳＩＣ）Ｕ２は２次巻線に接続し、ＤＳＰ８４（図３）により制御される。ＤＳＰ８４はインタフェースコネクタ５０を介して交流入力サブシステム８２に接続している。ＤＳＰ８４はマイクロプロセッサ６８、７０（図４）の少なくとも一方により制御される。ＤＳＰ８４はＭＵＸ／Ａ／Ｄ変換器／信号調整ユニット（「ＭＡＳ」）６４（図３）を使用して、アナログ信号４２、４４、４６をデジタル信号に変換する。それらのデジタル信号はＤＳＰ１　５４（図３）へ送信され、ＤＳＰ１　５４は電気的プログラム可能論理装置であっても良いＣＰＬＤ　Ｂ６０に配置されたコンプレッサレジスタに信号を書き込む。その結果、図２の装値３２における制御信号が得られる。装置３２の制御信号は、アナログ信号４２、４４、４６が過電流範囲にあるときは圧縮モードを指示するハイである。しかし、アナログ信号４２、４４、４６が計測範囲にあるときには、装置３２の制御信号はローである。
【００１４】
ピンＵ２−１０及びＵ２−１１並びにピンＵ２−１４及びＵ２−１５を有するＳＩＣ　Ｕ２は、Ｔ１の１次巻線を流れる界磁電流が計測範囲にあるときは抵抗３８を回路に挿入することにより、Ｔ１の１次巻線を流れる電流に比例する電圧をピンＵ２−１０で発生させる。Ｔ１の１次巻線を流れる界磁電流が過電流（ＤＦＲ）範囲にあるときには、接点Ｕ２−２及びＵ２−３、Ｕ２−６及びＵ２−７を閉成し且つ接点Ｕ２−１４及びＵ２−１５、Ｕ２−１０及びＵ２−１１を開成することにより抵抗３９を挿入し、それにより、変圧器Ｔ１の１次巻線を流れる電流に比例する電圧をピンＵ２−７で発生させる。ＳＩＣ　Ｕ２のピンＵ２−７又はピンＵ２−１０で発生する電圧は、その後、図中符号４２で示される信号を発生するために電圧を緩衝する演算増幅器４０のピン３に現れる。４２で示される信号は、電力線の他の位相に関する４４、４６で示される同様の信号と多重化される。多重化信号はＤＳＰ８４のＭＡＳ６４によりデジタル信号に変換される。
【００１５】
ＤＳＰ８４は２つのデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ１　５４及びＤＳＰ２５６）を含む。ＤＳＰ８４はＤＳＰ　Ｉ／Ｏアプリケーション及びＤＳＰ　ＤＦＲアプリケーションをソフトウェアの形で更に含む。ＤＳＰ１　５４又はＤＳＰ２　５６のいずれかは交流入力データの収集専用のプロセッサであり、他方はＤＦＲ機能を実行する働きをしても良い。ＤＳＰ　Ｉ／ＯアプリケーションはＤＳＰ１　５４で実行され、ＭＡＳ６４からサンプルデータを受信し、受信したサンプルデータを処理して、処理済データをデュアルポートメモリ７２（図４）を介してプロセッサ６８（図４）に報告する。ＤＳＰ８４で実行される割り込みルーチンはＭＡＳ６４からサンプルを受信し、それらを１次入力バッファにコピーする。１つの完全サイクルに関するデータを収集した後、プロセッサ６８の割り込みルーチンは、変圧器８０の製造許容差をオフセットするためにユーザインタフェースを介してユーザにより識別される修正係数を使用してデータの大きさ成分を修正することにより、主処理ルーチンを開始するためにフラグをセットする。その後、修正済みデータは離散的フーリエ変換（ＤＦＴ）を適用する周波数ドメインに変換される。ＭＡＳ６４のアナログマルチプレクサにより導入された位相ずれを補正するために、変換データに対して位相修正が実行される。その後、プロセッサ６８の制御の下に、総高調波ひずみ（ＴＨＤ）、電流及び電圧の実効値（ＲＭＳ）、有効電力、無効電力及び皮相電力、力率、エネルギー値並びに対称分がＤＳＰ１５４、ＤＳＰ２　５６により計算される。６０／５０Ｈｚフィルタリングがイネーブルされている場合、それらの値は基本周波数成分のみを使用して計算される。しかし、６０／５０Ｈｚフィルタリングがディスエーブルされている場合には、それらの値は全てのＤＦＴ連続係数を使用して計算される。その後、計算された値はデュアルポートメモリ７２にコピーされ、プロセッサ６８に対する割り込みが発行される。次に、サンプリング周期が調整され、割り込みルーチンが再びフラグをセットして、別のデータサイクルが処理可能であることが指示されるまで処理は休止する。
【００１６】
ＤＳＰ　ＤＦＲアプリケーションはＤＳＰ２　５６で実行され、ＭＡＳ６４のＡ／Ｄ変換器からサンプルデータを受信する。ＤＳＰ２　５６はリアルタイムクロックの形態でタイムスタンプを適用し、プロセッサ６８に常駐しているＤＦＲデータ変換アプリケーション（ＤＦＲ−ＤＴＡ）により更に処理するためにタイムスタンプをプロセッサ６８に報告する。ＤＳＰ−ＤＦＲアプリケーションは、プロセッサ間通信サブシステム（ＩＣＯＭ）ソフトウェア層（図示せず）を介してＤＳＰ　ＤＦＲとプロセッサ６８の双方に対してアクセス可能である共用メモリを介してＤＦＲ−ＤＴＡアプリケーションと通信する。ＩＣＯＭはプロセッサ６８に対するコードに常駐するコンポーネントと、ＤＳＰ２　５６に常駐する鏡像コンポーネントとを含む。ＤＳＰ　ＤＦＲアプリケーションの機能はＤＳＰ２　５６にあるＤＳＰ　ＤＦＲプロセッサのブート及び制御、プロセッサ６８との通信機能を実行すること（すなわち、ここではＩＣＯＭ−ＤＳＰと呼ばれるＩＣＯＭサブシステムのＤＳＰ側を提供すること）、ＤＦＲ　ＤＴＡ／ＤＳＰメッセージプロトコルに従ってプロセッサ６８で実行されるＤＦＲ　ＤＴＡアプリケーションとの通信機能を実行すること、交流アナログ入力端子でデータサンプルを読み取り且つ交流入力サブシステム８２により受信されるアナログ入力の各々にタイムスタンプを提供すること、並びにＤＦＲ　ＤＴＡアプリケーションで利用可能となるべき共用メモリへデータサンプルを転送することを含む。ＩＥＤ１０は、更に、プロセッサ７０（図４）の制御の下にＳＣＡＤＡ機能を監視することができる。プロセッサ７０は、そのデータを配分し且つ制御動作指令を受信するために、プロセッサ６８と通信する。従って、本発明のＩＥＤ１０はＳＣＡＤＡ機能及び性能を維持しつつ、需給計測、高調波成分及びＤＦＲの各機能を実現する。
【００１７】
図２に示すように３つの位相から構成される電力線に関して、ＩＥＤの交流入力サブシステムの動作を説明する。前述のように、位相１に関する回路動作を詳細に説明する。位相２及び３の動作は位相１の動作と同様である。ＩＥＤ１０の利点は、計測範囲並びに過電流（ＤＦＲ）範囲で正確に報告することが可能である点である。更に、ＩＥＤ１０は一般に使用されている全ての電界変圧器とインタフェースし、入力インピーダンスが低く、周波数応答範囲及び動作温度範囲が広い。また、電流過負荷及び電磁妨害の影響を受けない。ＩＥＤはＳＣＡＤＡ機能及び性能を維持しつつ、高精度の計測、高調波スペクトル及びダイナミックレンジの広いＤＦＲ機能を実現する。
【００１８】
本発明を現時点で最も実用的であり且つ好ましい実施例であると考えられるものに関して説明したが、本発明は開示された実施例に限定されず、特許請求の範囲の趣旨の範囲内に含まれる様々な変形及び等価の構成を包含することを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の装置を具現化した高レベルブロック線図。
【図２】３相電力線の信号を測定するための本発明の多機能知的電子装置の詳細な回路図。
【図３】図１の本発明のデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）を示す図。
【図４】図１に示すようなＤＳＰサブシステムと、装置の主プロセッサとの間の通信を示す図。
【符号の説明】
１０…知的電子装置（ＩＥＤ）、１３、１５、１７…酸化金属被膜バリスタ（ＭＯＶ）、１４、１６、１８…コンデンサ、２１、２２…ダイオード、６８、７０…マイクロプロセッサ、８０…電界変圧器、８２…交流入力サブシステム、８４…デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）サブシステム、８６…マイクロプロセッサシステム、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３…変圧器、Ｕ２、Ｕ３、Ｕ４…スイッチング回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【外国語明細書】
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