(57)【要約】【課題】ロゴスキーコイルを用いて低電流計測を行う場合、検出信号に外部ノイズが発生するため、検出信号から外部ノイズをいかに除去するかが課題であった。【解決手段】電流が流れる導体の周囲を取り囲むように配置したロゴスキーコイル２と、ロゴスキーコイル２の電圧信号を増幅したアナログ信号を出力するアナログ回路３と、アナログ信号をデジタル信号に変換するアナログデジタル変換器１１と、デジタル信号を、回帰型ＤＦＴ（離散フーリエ変換）によるデジタルフィルタ処理で特定周波数の信号を抽出するデジタルフィルタ手段、抽出信号をデジタル積分するデジタル積分手段、および、デジタル積分信号から導体の電流値を演算するマイクロプロセッサと、を備えて電流計測装置を構成する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電流が流れる導体の周囲を取り囲むように配置され、電圧信号を出力するロゴスキーコイルと、
前記ロゴスキーコイルの電圧信号を増幅したアナログ信号を出力するアナログ回路と、
前記アナログ信号をデジタル信号に変換するアナログデジタル変換器と、
前記デジタル信号を、回帰型ＤＦＴ（離散フーリエ変換）によるデジタルフィルタ処理により特定周波数の信号を抽出するデジタルフィルタ手段、該抽出信号をデジタル積分するデジタル積分手段、および、該デジタル積分信号から前記導体の電流値を演算する電流値演算手段を有するマイクロプロセッサと、を備えることを特徴とする電流計測装置。
【請求項２】
前記ロゴスキーコイルは、多相交流の全相の導体を取り囲むように配置して、零相電流を計測するようにしたロゴスキーコイルである請求項１に記載の電流計測装置。
【請求項３】
前記アナログ回路は、計測用の増幅度を有する第１のアナログ回路と、電力系統保護用の増幅度を有する第２のアナログ回路から構成される請求項１または２に記載の電流計測装置。
【請求項４】
前記ロゴスキーコイルは、多相交流の各相の導体を取り囲むように配置した複数の多相計測用ロゴスキーコイルであって、
各前記多相計測用ロゴスキーコイルから得られた前記電流値を、前記マイクロプロセッサにより積算することによって、零相電流を計測する請求項１に記載の電流計測装置。
【請求項５】
前記演算した電流値を、上位システムに送信するためのインタフェースモジュールを備える請求項１〜４に記載の電流計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ロゴスキーコイルを用いた電流計測装置に関し、特に、電流検出精度を損なうことなく低電流測定を実現した電流計測装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、電力系統回路の送変電機器等に通電される交流電流を測定する手段として貫通形変流器が用いられることが多い。従来の貫通型変流器は、円環状の巻芯に二次巻線を巻回し、測定対象の一次電流が通電される導体を巻芯中央の開口部に貫通した変流器（ＣＴ）である。このような貫通型変流器には、上記巻芯として鉄芯を用いるもの（鉄芯型ＣＴ）と、非磁性材料を用いるものとがある。このうち非磁性材料を用いる変流器は、ロゴスキーコイルを利用したＣＴとして、ロゴスキーＣＴと呼ばれる。
【０００３】
ロゴスキーＣＴは、鉄芯型ＣＴと比して、１次側導体の電流に対し、微小電流域から大電流域まで磁気飽和のない優れた線形特性が得られるという特徴がある。しかし、鉄芯型ＣＴと比して、コイル内の透磁率が低く、コイルに生ずる誘導電圧、または、誘導電流が小さい。１次側電流が小さくなると、比例して検出信号である誘導電圧も小さくなる。そのため、検出波形中に、外部磁場または電場から発生するノイズ（以後、外部ノイズという。）が相対的に増え、Ｓ／Ｎ比が劣化する。従って、一般に、ロゴスキーＣＴは、高電流計測用に使用され、低電流測定用ＣＴとしては、鉄芯型ＣＴが使われている。
【０００４】
一方、小電流計測用のロゴスキーＣＴとしては、一次側電流に特殊な筐体を用意するＺＣＴ（零相電流計）がある（特許文献１）。しかし、このＺＣＴは、外部ノイズ除去のために、多相交流の全相の導体を取り囲む特殊な筐体を必要とするものである。
【０００５】
また、ロゴスキーコイルからの出力信号を積分処理するための積分回路を備える電流計測装置がある。例えば、図１に示すようなロゴスキーコイルを利用した電流計測装置が開示されている（特許文献２）。図１に示す電流計測装置は、測定対象となる１次側導体１、１次側導体１を取り囲むロゴスキーコイル２、ロゴスキーコイル２からの電圧値である出力信号を増幅するアナログ回路３、アナログ回路３の出力アナログ信号をデジタル変換するアナログデジタル（ＡＤ）変換器４、そして、デジタル信号を積分し、電流値を算出するＣＰＵ５を備える。しかし、ロゴスキーコイルを用いた低電流計測用の電流計測装置、および、デジタル変電所システムに適したリアルタイム性（即時応答性）のある電流計測装置は提案されていなかった。
【０００６】
【特許文献１】特許第２７１３４５９号明細書
【特許文献２】特許第３４１００４３号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
この発明は、上記のような従来の問題点を解決するためになされたものであり、特殊な部品を導入することなく、ロゴスキーコイルを使用して、１００［ｍＡ］程度の低電流を正確に計測することを可能にし、かつ、１次側導体の電流に対してリアルタイム性のある電流計測値を出力することを可能にするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
以上の課題を解決するために、本発明に係る電流計測装置は、電流が流れる導体の周囲を取り囲むように配置したロゴスキーコイルと、ロゴスキーコイルの電圧信号を増幅したアナログ信号を出力するアナログ回路と、アナログ信号をデジタル信号に変換するアナログデジタル変換器と、デジタル信号を、回帰型ＤＦＴ（離散フーリエ変換）によるデジタルフィルタ処理で特定周波数の信号を抽出するデジタルフィルタ手段、抽出信号をデジタル積分するデジタル積分手段、および、デジタル積分信号から導体の電流値を演算するマイクロプロセッサとを備えて構成する。
【発明の効果】
【０００９】
ロゴスキーコイルによる低電流計測時に、ロゴスキーコイルによる検出波形に生じる外部ノイズをデジタルフィルタ処理により除去し、フィルタ処理後の電圧値をデジタル積分することで、ロゴスキーコイルによる低電流計測を可能にする。このことにより、ロゴスキーコイルが本来得意とする大電流域から、小電流域までの広範囲にわたる電流測定を１つの電流計測装置で行うことを可能にする。さらに、デジタルフィルタ処理方法として、ＦＦＴフィルタやＦＩＲフィルタ等の良く知られたフィルタ処理に比べ、処理時間が短い回帰型ＤＦＴによるデジタルフィルタ処理を行うことで、処理時間が大幅に短縮され、リアルタイム性が向上し、１次側導体の電流波形に対する測定電流の位相遅れが抑えられる。
【００１０】
上記構成により、多相交流の各相の電流計測、および、零相の電流計測において、微小電流から大電流領域までのマルチレンジを、１個の電流計測装置で計測可能とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明による電流計測装置に係る実施形態について、添付図面を参照して詳述する。以下では、その実施形態を、本発明に係る電流計測装置の実施例として説明する。
【実施例】
【００１２】
図２は、本発明に係る電流計測装置に使用するロゴスキーコイルの一実施例である。導体１の周囲を取り囲むロゴスキーコイル２は、導体１を取り囲む空芯６の周りに、導体をｎ回巻回したコイルであり、ロゴスキーコイル出力端７により、外部のアナログ回路３と接続される。
【００１３】
図２を用いて、ロゴスキーコイルによる電流計測の原理を説明する。導体１に時間的に変化する１次電流Ｉ1が流れると、ロゴスキーコイル２には、この１次電流Ｉ1により発生した磁束φがロゴスキーコイルの導体と錯交することにより、磁束の時間変化（ｄφ／ｄｔ）、すなわち１次電流の時間変化（ｄＩ1／ｄｔ）に応じた電圧Ｖ２が発生する。
【００１４】
このとき、電圧Ｖ2と１次電流Ｉ1との間には、式１で示す関係が成り立つ。
Ｖ2＝Ｍ×ｄＩ1／ｄｔ・・・・（式１）
ここで、Ｍは、ロゴスキーコイルの相互インダクタンスである。相互インダクタンスＭは、式２に示すように、透磁率μ0、巻数ｎ、空芯６の軸心断面方向のロゴスキーコイル断面積Ａ、および、空芯６の長さｌの積によって求められる。
Ｍ＝μ0ｎＡ／ｌ・・・・（式２）
なお、鉄芯の場合、透磁率μ0がロゴスキーコイルと比べて大きくなるので、発生する電圧Ｖ2が大きい。このため鉄芯ＣＴでは、低電流測定においても、信号中の外部ノイズが問題にならない。
【００１５】
このようにして、ロゴスキーコイル出力端７の電圧Ｖ2を測定し、式１を書き換えた式３により、Ｖ２を積分することで、１次電流Ｉ１が求められる。
【００１６】
【数１】
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【００１７】
図３は、本発明に係るロゴスキーコイルによる電流計測装置の一実施例を示す。アナログ回路３は、ロゴスキーコイル２から出力された信号（上述の電圧Ｖ２）を、ＤＳＰボード１０内のＡＤ変換器１１の入力信号に適した入力値に増幅もしくは調整して、ＡＤ変換器１１に対して出力する。ＡＤ変換器１１は、アナログ回路３からの出力信号をデジタル信号に変換する。ＤＳＰボード１０内のＤＳＰ１２は、メモリ１３に処理結果を一時的に保存しながら、ＡＤ変換器１１からのデジタル信号に対し後述するデジタルフィルタ処理や、デジタル積分処理等を行い１次側の電流値を求め、インタフェース（Ｉ／Ｆ）モジュール１４に転送する。Ｉ／Ｆモジュール１４は、ＤＳＰ１２からの１次側電流値を上位システムに送信する。
【００１８】
図３に示した電流計測装置の１構成部品であるＤＳＰ（Digital Signal Processor）１２について、特に詳しく説明する。ＤＳＰ１２は、音声や画像などの処理に特化したマイクロプロセッサであり、通常は、コンピュータに搭載されてＣＰＵの処理を一部代行するために使用されるものである。従って、一般的なＣＰＵと比べて低コストであり、かつ、複雑なデジタル処理を効率よく行う機能を有している。本発明の実施例においては、ＣＰＵと共にではなく、ＤＳＰを単独で使用する。
【００１９】
本実施例においては、ＤＳＰ１２として、テキサス・インスツルメンツ社製の３２ビット浮動小数点演算型ＤＳＰ、ＴＭＳ３２０Ｃ６７１１を使用した。しかし、本発明に係る電流計測装置に使用するマイクロプロセッサは、ＤＳＰに限定せず、後述する演算処理を実行可能ないかなるマイクロプロセッサをも適用できる。また、テキサス・インスツルメンツ社のＴＭＳ３２０Ｃ６７１１と、ＤＳＰのメーカー、及び、型式を特定しているが、ＤＳＰのメーカー等を問わずに汎用のＤＳＰであっても良い。
【００２０】
ＤＳＰ１２が行う処理の概要について説明する。ＤＳＰ１２は、ＡＤ変換器１１のデジタル出力信号を、アナログ回路３、および、Ａ／Ｄ変換器１１で行われた変換比率等により、ロゴスキーコイル出力端７の出力信号を求める。次に、ＤＳＰ１２は、その出力信号に対しメモリ１３と共に後述するデジタルフィルタ処理を行い、外部ノイズを除去する。ＤＳＰ１２は、ノイズ除去した信号（電圧値Ｖ２）に対し、上述の式３に基づきデジタル積分処理を行うことで、１次電流値Ｉ１を算出する。ＤＳＰ１２は、電流値Ｉ1を、ＤＳＰボード１０内のＩ／Ｆ（インタフェース）モジュール１４に転送する。Ｉ／Ｆモジュール１４は、受信した導体１の電流値Ｉ1を上位システム２０に送信する。
【００２１】
次にＤＳＰ１２が行う処理の中で、特に、デジタルフィルタ処理について説明する。ロゴスキーコイル２は、低電流計測の場合、検出電圧Ｖ２が小さいために、検出波形中の外部ノイズが無視できない。従って、低電流になればなるほど、ノイズの問題は大きくなり、ノイズのデジタルフィルタ処理が必要となる。そこで、ＤＳＰ１２は、デジタルフィルタ処理、および、デジタル積分処理を実施する。ノイズ除去のためのデジタルフィルタ処理として、ＦＩＲ（有限期間インパルス応答）フィルタやＩＩＲ（無限期間インパルス応答）に代表される時間領域におけるデジタルフィルタ処理と、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）フィルタ処理に代表される周波数領域におけるデジタルフィルタ処理とがある。
【００２２】
デジタルフィルタ処理の説明として、ＦＩＲフィルタについて説明する。ＦＩＲフィルタは、時間領域におけるデジタルフィルタである。ＦＩＲフィルタは、下記の式４で示される。ここで、ｎは、サンプリング時間に対応する添え字、ｘ［ｎ］は入力値（測定電圧）、ｈmはフィルタ係数、ｙ［ｎ］は出力値（算出電圧）、Ｍはタップ数である。
【００２３】
【数２】
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【００２４】
フィルタ処理は、計測開始後、入力データ１ポイント目、ｘ［０］の入力値（測定電圧）を得てから処理が開始され、入力値とフィルタ係数との畳み込み演算を行い、ｙ［０］の出力値（算出電圧）を算出する逐次演算を行う。しかし、フィルタ出力の最初から（Ｍ−１）数分の入力値ｘ［ｎ］を取得しない限り、正しい結果を得ることは出来ない。つまり、Ｍ個のタップ数分の入力値を得るまで、フィルタとして機能しないことになり、サンプリング時間のＭ倍分の遅延時間が、測定信号に対して発生することになる。このことから、ＦＩＲフィルタ等の時間領域におけるデジタルフィルタ処理においては、サンプリング時間を短くとり、高速演算を行うことで、可能な限り遅延時間を短縮化するといった対応をとる必要がある。
【００２５】
次に、ＦＦＴフィルタについて説明する。ＦＦＴフィルタは、周波数領域におけるデジタルフィルタ処理である。周波数領域におけるフィルタ処理は、フーリエ変換で求められた入力信号の周波数成分とフィルタ係数とにより、ノイズを除去した電圧値を出力する。ここで用いるフィルタ係数は、周波数成分に対して直接帯域制限をかけるため、理想的なフィルタ特性が得られる。
【００２６】
ＦＦＴによるフィルタ処理は、入力データをＦＦＴのポイント数分蓄積した後、ＦＦＴ処理を行い、そのＦＦＴ結果と、所望の周波数成分のみ選択するフィルタ係数との乗算後、ＩＦＦＴ（逆高速フーリエ変換）によって、所望の周波数の電圧値を出力する。
【００２７】
図４に、ＦＦＴフィルタ処理工程を示す。図４（ａ）は、典型的なＦＦＴフィルタ処理の処理工程を示す。図４（ａ）に示すように、ＦＦＴ処理は、データ蓄積と、演算の繰返し処理となる。ＦＦＴフィルタ処理は、ポイント数分のデータが揃うまで出力することができず、また蓄積の時間が遅延となってしまう。
【００２８】
図４（ｂ）は、ＦＦＴフィルタ処理の並列処理工程を示す。ＦＦＴ処理の、データ蓄積処理と、演算処理を、複数のプロセッサで並列処理したり、あるいはパイプライン処理が可能なプロセッサで並列処理させる。図４（ｂ）に示すように、ＦＦＴ演算中に、データ蓄積処理を並列に行うことができる。その結果、１回目の蓄積においては遅延が発生するが、２回目以降は連続的にフィルタ処理を行うことができる。ＦＦＴフィルタ処理の並列処理は、入力信号に対する出力信号の遅延を、１回目の蓄積時間のみとすることが可能である。
【００２９】
次に、回帰型ＤＦＴ（Discrete Fourier Transform）フィルタについて説明する。まず、回帰型ＤＦＴについて、下記の式５を用いて説明する。ｆ0は、ＤＦＴ設計周波数（抽出する信号成分の周波数）、ｋは、１高調波次数、Ｎは、１周期当たりのサンプリング数、Ｔｓはサンプリング周波数である。回帰型ＤＦＴは、直前のフェーザＶrに最新の瞬時値Ｖr+1を加え、１サンプリング周波数前のＶr-N+1を差し引くことにより、最新のフェーザＶr+1を回帰的に求める方法である。
【００３０】
【数３】
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【００３１】
プログラム開始後入力データの１ポイント目を取得した時点から処理を開始し、回帰型ＤＦＴ演算により所望する信号の周波数成分を求め、逆ＤＦＴによりフィルタ出力を得る。従って、回帰型ＤＦＴは、入力データをＦＦＴのポイント数分蓄積し、かつ、全周波数帯域を演算対象とする通常のＦＦＴと異なり、１ポイントのデータを取得した時点で演算を開始でき、所望周波数のみを演算対象とするため、演算量が少なく、高速演算が可能となる。また、ＦＩＲフィルタと同様に逐次演算可能なため、リアルタイム性に優れる。
【００３２】
図５に、本発明に係る実施例におけるフィルタ処理の処理対象信号を示す。この信号は、１００ｍＡｒｍｓ、５０Ｈｚの１次側電流を、ロゴスキーコイル２で計測し、その計測結果である電圧Ｖ２をＡＤ変換器１１とＤＳＰ１２により２５ｋＨｚのサンプリングタイムで取得した計測データである。
【００３３】
図６は、図５の対象信号をＦＩＲ、ＦＦＴ、回帰型ＤＦＴでのフィルタ処理により、５０Ｈｚの信号成分のみを抽出した処理結果の波形を示す。この計測には、図３に示した電流計測装置を用いて、ＤＳＰ１２には、上述したテキサス・インスツルメンツ社製の３２ビット浮動小数点演算型ＤＳＰ、ＴＭＳ３２０Ｃ６７１１を使用し、フィルタ処理を行った。
【００３４】
図６で示すフィルタ処理に使用したフィルタは、タップ数を変えた３つのＦＩＲフィルタ（３１タップ、５０１タップ、１７０１タップ）、１つのＦＦＴフィルタ（５１２ポイント）、および、ポイント数を変えた２つの回帰型ＤＦＴ（５１２ポイント、１０２４ポイント）によるフィルタ処理結果を示す。
【００３５】
ＦＩＲフィルタの定常状態になるまでの時間は、タップ数×サンプリング時間で表され、遅延時間は、その半分の時間となる。また、出力電圧はタップ数を増やすにつれて大きくなり、１７０１タップでは、約０．０３Ｖとなっている。
【００３６】
５１２ポイントＦＦＴにおいては、定常状態になるまでの時間、即ち、遅延時間が同じで、２０．５２ｍｓとなっており、出力の振幅は、０．０８Ｖとなっている。また、５１２ポイント、１０２４ポイントＤＦＴでは、定常状態になるまでの時間は、２０．５２ｍｓ、４１ｍｓ、遅延時間はどちらも４０μ秒、出力の振幅は、ＦＦＴと同様に０．０８Ｖとなっている。
【００３７】
従って、ＦＦＴ並びに回帰型ＤＦＴと比べて、１７０１タップ数のＦＩＲは、出力の振幅が小さく、回帰型ＤＦＴ等と同じ出力振幅を得るには、サンプリング時間を短縮し、演算処理速度を増大させる必要がある。さらに、ＦＦＴと比べて演算量が少ない回帰型ＤＦＴは、ＦＦＴと同じ出力振幅を得ることができる。このことから、回帰型ＤＦＴ処理によれば、電流計測装置に安価なＤＳＰを採用することを可能にする。さらに、回帰型ＤＦＴは、他のフィルタ処理と比べて、リアルタイム性が優れている。以上より、定常状態になるまでの時間、即ち、遅延時間、及び、出力の振幅を考慮すると、回帰型ＤＦＴフィルタが最も有効なフィルタである。
【００３８】
このように、回帰型ＤＦＴ処理等を汎用で安価なＤＳＰにより行わせることにより、１次側の低電流に対してロゴスキーコイルが出力した外部ノイズを含む電圧信号から、リアルタイムにノイズ除去処理を行い、かつ、ノイズ除去後の電圧信号に積分処理等をすることで１次側導体の電流計測を可能にする。
【００３９】
また、本発明の実施例として、ＤＳＰ１２に代えてＲＩＳＣマイコン等に代表される高速ＣＰＵで代用することも可能である。その場合であっても、回帰型ＤＦＴの採用により、過剰な性能を要求することなく、１次側の低電流計測が可能である。
【００４０】
図７に、３相交流の各相電流計測及び零相（Ｚ相）計測用の電流計測装置を示す。各ロゴスキーコイルの出力毎にＡＤ変換器１１によりＡＤ変換し、上述のデジタル処理をＤＳＰ１２により行う。このデジタル処理結果から各相電流と零相電流を検出する。本発明に係る電流計測装置では、磁気飽和の無い優れた線形特性を有するロゴスキーコイル２の使用が低電流に対しても適応可能である。従って、特に、低電流測定が必要となる零相電流計測においても、本発明に係る電流計測装置が適用可能である。
【００４１】
また、零相電流の計測は、図７に示す電流計測装置の零相用ロゴスキーコイル９を取り除き、他の３相用ロゴスキーコイル２から得られた電流データから合成電流をデジタル演算により求めることにより行っても良い。
【００４２】
図８に、アナログ回路３を、計測用と保護用との２重化構成とした電流計測装置を示す。このように、各相毎に設けられるロゴスキーコイル２に、計測用の増幅度を持つアナログ回路と、電力系統保護用の増幅度を持つアナログ回路とを２重に持つことで、電力系統保護用電流を計測可能としても良い。
【００４３】
以上説明したように、本発明によれば、ロゴスキーコイルを用いた電流計測装置を、デジタルフィルタ処理によってノイズ除去を行うことで、１次側の低電流を計測可能とする。これにより、ロゴスキーコイルが本来得意とする、大電流域から小電流域までの広範囲にわたる電流測定を、１つの電流計測装置で行うことを可能にするものである。さらに、デジタルフィルタ処理に、回帰型ＤＦＴを採用することで、リアルタイム性に優れた計測結果を提供することを可能にしている。また、リアルタイム性の向上など監視精度の向上が図れることは、中央で遠隔監視をリアルタイムで行う必要のあるデジタル変電所システムにとって極めて有益である。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】ロゴスキーコイルを利用した一般的な電流計測装置を示す図である。
【図２】ロゴスキーコイルの詳細を示す図である。
【図３】本発明に係る電流計測装置の一実施例を示す図である。
【図４】（ａ）は、典型的なＦＦＴフィルタ処理の処理工程を示す図、（ｂ）は、ＦＦＴフィルタ処理の並列処理工程を示す図である。
【図５】本発明に係る実施例におけるフィルタ処理の処理対象信号を示す図である。
【図６】図５の対象信号をＦＩＲ、ＦＦＴ、回帰型ＤＦＴでのフィルタ処理により、５０Ｈｚの信号成分のみを抽出した処理結果を示す波形図である。
【図７】３相交流の各相の電流計測と零相（Ｚ相）計測とを行う電流計測装置を示す図である。
【図８】アナログ回路３を、計測用と保護用との２重化構成とした電流計測装置を示す図である。
【符号の説明】
【００４５】
１    １次側導体
２    ロゴスキーコイル
３    アナログ回路
４    ＡＤ変換器
５    ＣＰＵ
６    ロゴスキーコイル空芯
７    ロゴスキーコイル出力点
９    零相用ロゴスキーコイル
１０    ＤＳＰボード
１１    ＤＳＰボード内ＡＤ変換器
１２    ＤＳＰボード内ＤＳＰ
１３    ＤＳＰボード内メモリ
１４    上位インタフェース
２０    上位システム
【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】
2007155598.tif 000011
【図７】
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【図８】
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