(57)【要約】【課題】０クロス点を用いず高精度でノイズに強い電力関連量および位相角演算装置を提供する。【解決手段】各相の電圧値（例えばＶ１）および電流値（例えばＩ１）にもとづいて各相の電力（例えばＷ１）を演算する電力演算手段１７Ａ，１８Ａ，１９Ａ、上記電圧値および電流値を入力してそれぞれの間に９０°の位相角を有する電圧出力および電流出力を得るヒルベルト変換手段１５，１６、上記電圧出力および電流出力にもとづいて各相の無効電力（例えばｖａｒ１）を演算する無効電力演算手段１７Ｂ，１８Ｂ，１９Ｂ、上記電力演算手段および無効電力演算手段の演算結果にもとづいて各相の電圧、電流間の位相角を演算する位相角演算手段を備えた構成とする。【選択図】        図１
2004301550.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
各相の電圧値および電流値にもとづいて各相の電力を演算する電力演算手段、上記電圧値および電流値を入力してそれぞれの間に９０°の位相角を有する電圧出力および電流出力を得るヒルベルト変換手段、上記電圧出力および電流出力にもとづいて各相の無効電力を演算する無効電力演算手段、上記電力演算手段および無効電力演算手段の演算結果にもとづいて各相の電圧、電流間の位相角を演算する位相角演算手段を備えたことを特徴とする電力関連量および位相角演算装置。
【請求項２】
所定相と他相の電圧値にもとづいて両電圧間同相乗算値である仮想電力を演算する仮想電力演算手段、上記両電圧値を入力してそれぞれの間に９０°の位相角を有する電圧出力を得るヒルベルト変換手段、上記両電圧出力にもとづいて両電圧間直交相乗算値である仮想無効電力を演算する仮想無効電力演算手段、上記仮想電力演算手段および仮想無効電力演算手段の演算結果にもとづいて両電圧間の位相角を演算する位相角演算手段を備えたことを特徴とする電力関連量および位相角演算装置。
【請求項３】
上記位相角は、電力（仮想電力を含む）をＷｎ、無効電力（仮想無効電力を含む）をｖａｒｎとしたとき、
【数１】
2004301550.tif 000016
によって演算することを特徴とする請求項１または請求項２記載の電力関連量および位相角演算装置。
【請求項４】
同相の電圧と電流の間の位相角および電圧間の位相角を用いて、所定相の電圧と他相の電流の間の位相角（Ｖ１Ｉ２間位相角、Ｖ１Ｉ３間位相角）を求めることを特徴とする請求項３記載の電力関連量および位相角演算装置。
【請求項５】
上記位相角の演算時に、アナログ特性にもとづく位相ずれ角を予め演算して補正しておくことを特徴とする請求項３記載の電力関連量および位相角演算装置。
【請求項６】
上記位相角θが４５°≦θ≦１３５°または２２５°≦θ≦３１５°の場合には、
【数２】
2004301550.tif 000017
によって演算し、その他の位相角の場合には、
【数３】
2004301550.tif 000018
によって演算することを特徴とする請求項３記載の電力関連量および位相角演算装置。
【請求項７】
上記各相の電圧値および電流値または所定相と他相の電圧値のサンプリング間隔を間引くことにより、電力（仮想電力を含む）および無効電力（仮想無効電力を含む）の演算量を削減することを特徴とする請求項１または請求項２記載の電力関連量および位相角演算装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電圧電流値の同期検波を利用した電力関連量、即ち、電力、無効電力、電力量、無効電力量およびこれらの高調波成分の少なくとも１つ並びに位相角を演算する電力関連量および位相角演算装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の位相角の演算は、所定相の電圧値Ｖ１と、その他の信号、例えば他相の電圧値Ｖ２、Ｖ３または電流値Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３との位相角を演算する場合、所定相の電圧値Ｖ１の１周期の時間Ａおよび所定相の電圧値Ｖ１と位相角を演算する他相の電圧または電流信号Ｖ２、Ｖ３、Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３との０クロス点または事前に決められた一定レベルでのクロス点の時間のずれＢを検出し、（Ｂ／Ａ）×３６０°として算出していた。（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平７−１２０５１１号公報（段落０００２、図４）
【特許文献２】
特開平６−３００７９６号公報
【特許文献３】
特許第３２０６２７３号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の位相角の演算装置では、Ａ／Ｄ変換器のサンプリング周波数が例えば４０００Ｈｚの場合、１／４０００秒の精度でしか時間を検出できないため、０クロス点を正確に演算するために直線補間などの処理が必要であった。しかし、直線補間などの処理を行なっても、実際の時間ずれは正確に算出できないため、高精度の位相角算出は不可能であった。また、上記の時間の算出は０クロス点の時間のずれが必要であるため、リアルタイムで位相角を算出することが不可能であるという欠点も生じていた。さらに、０クロス点については、信号に基本波以外のノイズ信号が含まれる場合には、０クロス点が複数点発生することがあるため、正確な演算ができないという問題点があった。
【０００５】
この発明は、上述のような問題点を解決するためになされたもので、第１の目的は、０クロス点を用いずに高精度な位相角を求める電力関連量および位相角演算装置を提供することである。
【０００６】
また、第２の目的は、信号に基本波以外のノイズ信号が含まれる場合でも、ノイズ信号の影響がほとんどない電力関連量および位相角演算装置を提供することである。
【０００７】
さらに、第３の目的は、リアルタイムで演算可能な電力関連量および位相角演算装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る電力関連量および位相角演算装置は、各相の電圧値および電流値にもとづいて各相の電力を演算する電力演算手段、上記電圧値および電流値を入力してそれぞれの間に９０°の位相角を有する電圧出力および電流出力を得るヒルベルト変換手段、上記電圧出力および電流出力にもとづいて各相の無効電力を演算する無効電力演算手段、上記電力演算手段および無効電力演算手段の演算結果にもとづいて各相の電圧、電流間の位相角を演算する位相角演算手段を備えたものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図にもとづいて説明する。図１は、実施の形態１による電力関連量演算装置の構成を示すブロック図である。この図において、入力信号である各相の入力電圧をＶｉｎ、各相の入力電流をＩｉｎで示している。
所定相の入力電圧である１側入力電圧Ｖｉｎ−１は、１側電圧センサ１１ＡでＡ／Ｄ変換可能な電圧レベルに降圧し、さらに、１側電圧Ａ／Ｄ変換器１２Ａでデジタル信号である１側電圧値Ｖ１に変換される。同様に、２側入力電圧Ｖｉｎ−２は２側電圧センサ２１Ａ、２側電圧Ａ／Ｄ変換器２２Ａを介して２側電圧値Ｖ２に変換され、３側入力電圧Ｖｉｎ−３は３側電圧センサ３１Ａ、３側電圧Ａ／Ｄ変換器３２Ａを介して３側電圧値Ｖ３に変換される。また、所定相の入力電流である１側入力電流Ｉｉｎ−１は、１側電流センサ１１Ｂで電圧値に変換され、さらに、１側電流Ａ／Ｄ変換器１２Ｂでデジタル信号である１側電流値Ｉ１に変換される。同様に、２側入力電流Ｉｉｎ−２は２側電流センサ２１Ｂ、２側電流Ａ／Ｄ変換器２２Ｂを介して２側電流値Ｉ２に変換され、３側入力電流Ｉｉｎ−３は３側電流センサ３１Ｂ、３側電流Ａ／Ｄ変換器３２Ｂを介して３側電流値Ｉ３に変換される。
【００１０】
また、１側電圧値Ｖ１と２側電圧値Ｖ２は積算器４７Ａに入力され、それぞれの信号が掛け合わされる。掛け合わされた信号は、ローパスフィルタ（以下、ＬＰＦという）４８Ａと加算平均器４９Ａで高周波成分とホワイトノイズの除去を行ない、Ｖ１とＶ２の仮想電力（以下、Ｖ１Ｖ２間同相乗算値という）４１が得られる。同様に、１側電圧値Ｖ１と３側電圧値Ｖ３を積算器５７Ａで掛け合わせ、ＬＰＦ５８Ａ、加算平均器５９Ａを経てＶ１とＶ３の仮想電力（以下、Ｖ１Ｖ３間同相乗算値という）５１が得られる。また、１側電圧値Ｖ１と１側電流値Ｉ１を積算器１７Ａで掛け合わせ、ＬＰＦ１８Ａ、加算平均器１９Ａを経て１側電力値Ｗ１を得、同様に、２側電圧値Ｖ２と２側電流値Ｉ２を積算器２７Ａで掛け合わせて２側電力値Ｗ２を得、３側電圧値Ｖ３と３側電流値Ｉ３を積算器３７Ａで掛け合わせて３側電力値Ｗ３を得ている。
【００１１】
さらに、この実施の形態は２つの入力信号の位相を９０°ずらせるための手段として、ヒルベルト直交相変換器１５、２５、３５とヒルベルト同相変換器１６、２６、３６、４６、５６を有し、ヒルベルト直交相変換器１５を通った１側電圧値Ｖ１とヒルベルト同相変換器４６を通った２側電圧値Ｖ２を積算器４７Ｂに入力し、ここで掛け合わされた信号をＬＰＦ４８Ｂと加算平均器４９Ｂでノイズ除去することにより、Ｖ１とＶ２の仮想無効電力（以下、Ｖ１Ｖ２間直交相乗算値という）４２を得ている。
同様に、ヒルベルト直交相変換器１５を通った１側電圧値Ｖ１とヒルベルト同相変換器５６を通った３側電圧値Ｖ３を積算器５７Ｂに入力し、ＬＰＦ５８Ｂ、加算平均器５９Ｂを経てＶ１とＶ３の仮想無効電力（以下、Ｖ１Ｖ３間直交相乗算値という）５２を得ている。また、ヒルベルト直交相変換器１５を通った１側電圧値Ｖ１とヒルベルト同相変換器１６を通った１側電流値Ｉ１を積算器１７Ｂに入力し、ＬＰＦ１８Ｂ、加算平均器１９Ｂを経て１側無効電力値ｖａｒ１を得、ヒルベルト直交相変換器２５を通った２側電圧値Ｖ２とヒルベルト同相変換器２６を通った２側電流値Ｉ２を積算器２７Ｂに入力し、ＬＰＦ２８Ｂ、加算平均器２９Ｂを経て２側無効電力値ｖａｒ２を得、ヒルベルト直交相変換器３５を通った３側電圧値Ｖ３とヒルベルト同相変換器３６を通った３側電流値Ｉ３を積算器３７Ｂに入力し、ＬＰＦ３８Ｂ、加算平均器３９Ｂを経て３側無効電力値ｖａｒ３を得ている。
この実施の形態では、説明をわかりやすくするため、２側電圧値Ｖ２および３側電圧値Ｖ３にヒルベルト同相変換器４６，５６を通す例について説明したが、１側電圧値Ｖ１に図示しないヒルベルト同相変換器を通し、２側電圧値Ｖ２および３側電圧値Ｖ３は無効電力演算のために通すヒルベルト直交相変換器２５，３５の結果を用いれば、同様の機能をさらに演算量を削減して実現できる。
【００１２】
この電力関連量演算装置においては、ホワイトノイズは、ＬＰＦ１８Ａ〜５８Ｂと加算平均器１９Ａ〜５９Ｂを通すことにより除去することができ、また、ｎ次高周波は、電流にのりやすく電圧にのりにくい性質であるため、積算器１７Ａ〜５７Ｂにおいて電圧値Ｖｎと電流値Ｉｎ（仮想のときは、電圧値Ｖｍ）の積をとることによってカットすることができ、ノイズを含んだ信号に対しても高精度な電力（仮想電力も含む）および無効電力（仮想無効電力も含む）の演算が可能である。
【００１３】
次に、位相角を求める手順について説明する。図２は、電圧、電流の位相角を説明するためのベクトル図、図３は、電力と無効電力から位相角を求める場合の説明図、図４は、仮想電力と仮想無効電力から位相角を求める場合の説明図である。
【００１４】
所定相の電圧値Ｖ１とその他の信号、例えば他相の電圧値Ｖ２、Ｖ３または電流値Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３との位相角を演算する場合には、上述した電力関連量演算装置で算出ずみの各相の電力Ｗｎおよび無効電力ｖａｒｎを利用して、図２に示すＶ１とＩ１間の位相角、Ｖ２とＩ２間の位相角、Ｖ３とＩ３間の位相角を算出する。
この場合、電力Ｗｎおよび無効電力ｖａｒｎを（式１）に代入することにより、図３に示すように、Ｖｎを基準としたＶｎＩｎ間の位相角θを求めることができる。
しかし、（式１）で求めたＶｎＩｎ間の位相角θは、０°≦θ≦１８０°の範囲に限られるので、位相角θが１８０°＜θ＜３６０°、つまりｖａｒｎ＜０の場合には、（式１）による演算結果を３６０°から減算する形で位相角を求める。
【００１５】
【数４】
2004301550.tif 000003
【００１６】
また、Ｖ１とＶ２間の位相角およびＶ１とＶ３間の位相角は、上述した電力関連量演算装置にて算出したＶ１Ｖ２間同相乗算値、Ｖ１Ｖ２間直交相乗算値、Ｖ１Ｖ３間同相乗算値、Ｖ１Ｖ３間直交相乗算値を用いて位相角を演算する。即ち、Ｖ１Ｖｎ間同相乗算値、Ｖ１Ｖｎ間直交相乗算値を（式２）に代入することにより、図４に示すように、Ｖ１を基準としたＶ１Ｖｎ間位相角θを求めることができる。しかし、（式２）で求めたＶ１Ｖｎ間の位相角θは、０°≦θ≦１８０°の範囲に限られるので、位相角θが１８０°＜θ＜３６０°、つまりｖａｒｎ＜０の場合には、（式２）による演算結果を３６０°から減算する形で位相角を求める。
【００１７】
【数５】
2004301550.tif 000004
【００１８】
なお、図２は、三相４線式の場合の入力電圧Ｖｎおよび入力電流Ｉｎの関係を示すものであるため、Ｖ１Ｖ２間位相角、Ｖ１Ｖ３間位相角およびＶ１Ｉ１間位相角は、（式２）および（式１）で求めた位相角をそのまま利用することができる。また、Ｖ１Ｉ２間位相角は、Ｖ１Ｖ２間位相角とＶ２Ｉ２間位相角を加算することで求めることができ、Ｖ１Ｉ３間位相角は、Ｖ１Ｖ３間位相角とＶ３Ｉ３間位相角を減算することで求めることができる。さらに、位相角が３６０°を超えた場合は、３６０°を減算することで、出力範囲を０〜３６０°とすることができる。
【００１９】
実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２について説明する。電圧値Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３と電流値Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３はセンサ、例えば電圧トランスとＣＴなどの種類および基板のアナログ回路特性により、実際の信号とＡ／Ｄ変換器で取得する信号に位相ずれが発生することがあるため、この実施の形態は以下の処理をすることにより上述の位相ずれを調整するようにしたものである。
【００２０】
例えば、１側電力Ｗ１を求める過程でＬＰＦ１８Ａから出力された値をＷ１ｉｎ、加算平均器１９Ａに入力する値をＷ１ｏｕｔとし、１側無効電力ｖａｒ１を求める過程でＬＰＦ１８Ｂから出力された値をｖａｒ１ｉｎ、加算平均器１９Ｂに入力する値をｖａｒ１ｏｕｔとし、ＬＰＦ１８Ａ、１８Ｂと加算平均器１９Ａ、１９Ｂの間で
【数６】
2004301550.tif 000005
の処理を行なうことにより位相ずれを調整することができる。φは位相ずれ角であるが、センサの種類や基板のアナログ特性にもとづく位相ずれ角φを初期設定時に予め求めておき、初期位相ずれ角φとして保持しておけば容易に演算を行なうことができる。他の各相についても同様の処理を行なうことにより、各相ごとに位相ずれを調整することができる。また、Ｖ１Ｖｎ間同相乗算値とＶ１Ｖｎ間直交相乗算値についても同様の処理を行なうことができる。
なお、各電圧値の位相については、同一のセンサ、例えば抵抗分圧回路などを用いる場合、位相ずれはほとんど生じないため問題はない。
【００２１】
実施の形態３．
次に、この発明の実施の形態３について説明する。この実施の形態は、実施の形態１で求めた位相角の精度を上げるために、求める位相角の角度によって演算式を変えるようにしたものである。即ち、図３、図４において、位相角θが４５°≦θ≦１３５°および２２５°≦θ≦３１５°のいずれかの領域にある場合、つまり｜Ｗｎ｜≦｜ｖａｒｎ｜の場合には、位相角θが微小に変化したとき、Ｗｎの変化量の方がｖａｒｎの変化量より大きいため、
【数７】
2004301550.tif 000006
で求めた方が
【数８】
2004301550.tif 000007
で求めるよりも精度がよくなる。
【００２２】
逆に、位相角θが０°＜θ＜４５°、１３５°＜θ＜２２５°および３１５°＜θ＜３６０°のいずれかの領域にある場合、つまり｜Ｗｎ｜＞｜ｖａｒｎ｜の場合には、位相角θが微小に変化したとき、ｖａｒｎの変化量の方がＷｎの変化量より大きいため、
【数９】
2004301550.tif 000008
で求めた方が
【数１０】
2004301550.tif 000009
で求めるよりも精度がよくなる。
【００２３】
ここで、
【数１１】
2004301550.tif 000010
によって求めた位相角θは、０°≦θ≦１８０°の範囲に限られるので、位相角θが１８０°＜θ＜３６０°、つまりｖａｒｎ（またはＶ１Ｖｎ間直交相乗算値）＜０の場合には、３６０°から演算結果を減算して位相角を求める。また、
【数１２】
2004301550.tif 000011
によって求めた位相角θは、−９０°≦θ≦９０°の範囲に限られるので、位相角θが９０°＜θ＜２７０°、つまりＷｎ（またはＶ１Ｖｎ間同相乗算値）＜０の場合には、演算結果に１８０°を加算して位相角を求め、さらに、位相角θが２７０°≦θ＜３６０°、つまりＷｎ（またはＶ１Ｖｎ間同相乗算値）≧０で演算結果が負の場合には、演算結果に３６０°を加算して位相角を求める。
【００２４】
よって、ＶｎＩｎ間の位相角θは、（式３）、（式４）によって求めることができる。
【数１３】
2004301550.tif 000012
【００２５】
なお、（式３）の演算結果は表１の項目ｂとｃ、（式４）の演算結果は表１の項目ａとｄのように操作して補正される。
【表１】
2004301550.tif 000013
【００２６】
また、Ｖ１Ｖｎ間位相角θは、上述したＶｎＩｎ間位相角と同様に（式５）、（式６）を用いて求めることができる。
【数１４】
2004301550.tif 000014
【００２７】
なお、（式５）の演算結果は表２の項目ｆとｇ、（式６）の演算結果は表２の項目ｅとｈのように操作して補正される。この表で「同相」は同相乗算値を、「直交相」は直交相乗算値をそれぞれ示す。
【表２】
2004301550.tif 000015
【００２８】
また、図２は、三相４線式の場合の入力電圧Ｖｎおよび入力電流Ｉｎの関係を示すものであるため、Ｖ１Ｖ２間位相角、Ｖ１Ｖ３間位相角およびＶ１Ｉ１間位相角は、（式２）および（式１）で求めた位相角をそのまま利用することができる。また、Ｖ１Ｉ２間位相角は、Ｖ１Ｖ２間位相角とＶ２Ｉ２間位相角を加算することで求めることができ、Ｖ１Ｉ３間位相角は、Ｖ１Ｖ３間位相角とＶ３Ｉ３間位相角を減算することで求めることができる。さらに、位相角が３６０°を超えた場合は、３６０°を減算することで、出力範囲を０〜３６０°とすることができる。
【００２９】
実施の形態４．
次に、この発明の実施の形態４を図にもとづいて説明する。図５は、実施の形態４による電力関連量演算装置の構成を示すブロック図である。この図において、図１と同一または相当部分には同一符号を付して説明を省略する。図１と異なる点は、図１のデジタル信号（１側電圧値Ｖ１、２側電圧値Ｖ２、３側電圧値Ｖ３、１側電流値Ｉ１、２側電流値Ｉ２、３側電流値Ｉ３）に対し、８点移動平均器１３Ａ、１３Ｂ、２３Ａ、２３Ｂ、３３Ａ、３３Ｂ、で８点の移動平均をとり、その信号を１／４リサンプリング１４Ａ、１４Ｂ、２４Ａ、２４Ｂ、３４Ａ、３４Ｂに入力することにより、入力信号を４回に１回しか通さず、電力（仮想電力を含む）および無効電力（仮想無効電力を含む）の演算量を１／４に間引いている点である。
【００３０】
実施の形態１では、全てのサンプリング点で位相角演算を行なっているのに対し、実施の形態４では上述のように、サンプリング間隔を間引くことにより、演算量を削減することができ、位相角演算にかかる負荷を減らすことができる。
【００３１】
【発明の効果】
この発明に係る電力関連量および位相角演算装置は、以上のように構成されているため、０クロス点を用いず各相の電力および無効電力とその演算ルーチンを利用して各相の電圧値から算出した仮想電力および仮想無効電力を利用し高精度で位相角を求めることができる。また、信号に基本波以外のノイズ信号が含まれる場合でも、ノイズ信号の影響をほとんど受けることなく位相角の演算ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１の構成を示すブロック図である。
【図２】この発明の実施の形態１における電圧間および電圧電流間の位相差の関係を示すベクトル図である。
【図３】この発明の実施の形態１において、電力と無効電力から位相角を求める場合の説明図である。
【図４】この発明の実施の形態１において、仮想電力と仮想無効電力から位相角を求める場合の説明図である。
【図５】この発明の実施の形態４の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１１Ａ，１１Ｂ，２１Ａ，２１Ｂ，３１Ａ，３１Ｂ  電圧センサ，
１２Ａ，１２Ｂ，２２Ａ，２２Ｂ，３２Ａ，３２Ｂ電圧Ａ／Ｄ変換器，
１３Ａ，１３Ｂ，２３Ａ，２３Ｂ，３３Ａ，３３Ｂ  ８点移動平均器，
１４Ａ，１４Ｂ，２４Ａ，２４Ｂ，３４Ａ，３４Ｂ    １／４リサンプリング，
１５，２５，３５  ヒルベルト直交相変換器，
１６，２６，３６，４６，５６  ヒルベルト同相変換器，
１７Ａ，１７Ｂ，２７Ａ，２７Ｂ，３７Ａ，３７Ｂ，４７Ａ，４７Ｂ，５７Ａ，５７Ｂ  積算器，
１８Ａ，１８Ｂ，２８Ａ，２８Ｂ，３８Ａ，３８Ｂ，４８Ａ，４８Ｂ，５８Ａ，５８Ｂ  ローパスフィルタ，
１９Ａ，１９Ｂ，２９Ａ，２９Ｂ，３９Ａ，３９Ｂ，４９Ａ，４９Ｂ，５９Ａ，５９Ｂ  加算平均器，
４１  Ｖ１Ｖ２間同相乗算値，      ４２  Ｖ１Ｖ２間直交相乗算値，
５１  Ｖ１Ｖ３間同相乗算値，      ５２  Ｖ１Ｖ３間直交相乗算値。
【図１】
2004301550.tif 000019
【図２】
2004301550.tif 000020
【図３】
2004301550.tif 000021
【図４】
2004301550.tif 000022
【図５】
2004301550.tif 000023