技術紹介

デジタル・サンプリング方式標準電力量計の開発

技術紹介

デジタル・サンプリング方式標準電力量計の開発■ 後藤義英■ 竹内Yoshihide Goto1

利幸

Toshiyuki Takeuchi■ 高橋良和

Yoshikazu Takahashi「サンプリング方式電力量計」の技術供与を受けて開発はじめにする。②については，前記の性能を損なわず，ワーキン

東光東芝メーターシステムズ（以下「T2MS」と略記，T2MS は東光東芝メーターシステムズの登録商標第グ・スタンダードとしてロバスト性に優れ，取扱いの容易さを追求することとした。

5401335 号）は，電力演算方式にデジタル・サンプリング方式を採用した標準電力量計の開発を完了したので報告する。

2

従来標準電力量計の技術方式

T2MS の標準電力量計は，常に開発の時点で最高精度1.1を出しうる新技術方式により製品化している。ここで標準電力量計について

標準電力量計は，電力量計の精度を確認するための標は，電子式以降の各世代の技術方式を簡潔に紹介する。

準器である。電力量の単位 Wh は，複数の SI 単位から導かれるが，交流では，さらに実効値・位相が関係する。交流電力量は，産業界にとって非常に重要な単位であるが，非常に複雑な単位でもある。

2.1

高速多重移相時分割方式（第一世代）

電力演算器（乗算器）として，時分割乗算方式を採用したものである。本方式は，計測電流で振幅変調した信このために，（交流）電力量の国家（計量）標準が存号を計測電圧でパルス幅変調（PWM）すると，平均値在し，日本の電力量の国家標準は，指名計量標準機関でが電力に比例した大きさの信号になる原理に基づいていある日本電気計器検定所（以下「日電検」と略記）が維る。これを，信号の大きさに比例した周波数のパルス持にあたっている。

列に変換することで，1 パルスが電力量の重みを持った

この国家標準の直下に位置し，ワーキング・スタンダードとして産業界への標準供給業務に供される電力量「基準パルス」（被試験電力量計との比較に使用するパルス）が生成される。

計が，「一級基準電力量計」である。標準電力量計は，高速多重移相時分割方式は，PWM 周波数を高め，交計量法に基づく基準器検査に合格することで「基準電力流各相の電力演算を順次切替えながら行う方式である。

量計」を名乗ることができる。

記録に留めるべきは，半導体部品が高価で特性も現在ほT2MS は，この「一級基準電力量計」となることがでど良くはない時代において，最少の部品数かつ巧みなアきる性能を有した標準電力量計を供給してきた。標準電ナログ回路技術により誘導形を大きく超える高精度が実

力量計は誘導形から始まり，時代とともに半電子式とな現されたことである。PWM 制御デジタル部は，専用のり，現在は完全な電子式に移行した。

ワン・チップのカスタム LSI を開発し，基板の小型化にさらに，この技術を産業界へも展開しており，同一の技術方式を採用して，①「二級基準電力量計」となることができる一般産業向け

注 1）貢献した。
なお，本方式は後に，発電所向けの取引用電力量計に標準電力量計，②発電所向けの取引用電力量計（型式承認取得品），③発電量管理用の高精度電力量計を供給している。
今回開発したデジタル・サンプリング方式は，電子式標準電力量計の第三世代の製品である。
1.2

開発にあたって現行の標準電力量計は 1998 年に開発されたもので，入手難の電子部品が増加しているため，モデルチェンジを行うこととした。開発にあたっては，①現時点において最高精度を出しうる技術方式とする，②社会の要求に応える性能・機能を付加する，これら二つを念頭においた。
①の技術方式については，日電検の研究成果である
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図1

高速多重移相時分割方式のブロック図

デジタル・サンプリング方式標準電力量計の開発

技術紹介も展開され，日本初の電子式電力量計の型式承認を得た。

タル・サンプリング方式となり，AD コンバータも含めこの「第 814 号特別精密電力量計 SH3A-K11VR 形」

た，ワン・チップ電力量計用 LSI が流通している。これは，長きにわたり発変電所で使用された。

らは，汎用電力量計用として十分な性能と有すると思われる。

2.2

自己校正形精密乗算方式（第二世代）

時 分 割 乗 算 方 式 は ア ナ ロ グ 方 式 に 分 類 さ れ る が，

しかし標準電力量計には，基本は同様であっても，より高い性能が必要である。

PWM 動作により離散的である。1 サイクルの PWM 動作で瞬時電力量が確定する。回路固有の周波数要素を持っていることの影響を最小レベルに抑えるため，高速多重移相時分割方式は PWM 周波数を高く設計していた。

3.1

ブロック図

デジタル・サンプリング方式標準電力量計のブロック図を以下に示す。

これに対して，純粋なアナログ乗算 IC を利用すれば，乗算動作そのものに周波数要素はなく高速な乗算動作が得られる。しかし，アナログ IC にはオフセットやゲインのドリフトがあり，そのままでは高精度な電力量計に使用できなかった。
その一方で，AD コンバータ，DA コンバータ等のデジタル系 IC が普及してきたが，高速なデジタル乗算は速度・分解能が及ばないか，可能であっても大規模な回路が必要という状況であった。
そこで，純アナログ乗算の特長を生かし，ドリフトのような低速の誤差変化は，デジタル補償（自己校正）でアシストするという発想から開発されたものが，自己校正形精密乗算器である。
本方式は，高精度基準電圧回路，測定と校正の二つの状態を排他的に切り替えられる多重化されたアナログ乗

図3

算器，誤差量をデジタル化する AD コンバータ，校正値（1）電圧入力部を演算するマイクロ・コントローラ，デジタル校正値をアナログ化する DA コンバータで構成された。

デジタル・サンプリング方式のブロック図

計器に印加される電圧は，抵抗分圧にて低電圧の信号に変換する。
（2）電流入力部
計器に印加される電流は，補償 CT にて低電圧の信号に変換する。
（3）AD 変換回路
電圧入力部，電流入力部で低電圧に変換された信号を，AD 変換回路でデジタル・データに変換する。
（4）絶縁回路デジタル・データに変換された信号を，電気的に絶縁し，サンプリング方式電力演算コアに入力する。
（5）サンプリング方式電力演算コア
サンプリングされたデジタル・データを電力演算し，

図2

3

自己校正形精密乗算方式のブロック図

デジタル・サンプリング方式

電力量の重みを持った基準パルスに変換する。
また，基準パルスを分周し，標準パルスを発生する。
3.2

技術ポイント（1）AD 変換回路

第三世代となる，デジタル・サンプリング方式電力量

デジタル・サンプリング電力量計のサンプリング方式

計は，電圧信号と電流信号を AD コンバータによるサン

電力演算コアは，必要な分解能と高速演算性能を確保

プリングで量子化・離散化したのち，デジタル演算処理し，理論に忠実な演算機能を実現すれば，ほぼ完全かつで電力量を求める。現在のほとんどの電力量計はデジ経年的にも変化しない性能を確保できる。

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デジタル・サンプリング方式標準電力量計の開発

よって，デジタル・サンプリング電力量計の性能は，フル・カスタム LSI は，特定機器専用に設計したロ電力量計の電圧・電流入力部から AD 変換までのハードジック回路を作りこんだものである。ゲート・アレイウェアの性能にかかっている。プリント基板においてLSI は，基本ゲートを多数配置した汎用のウェハをあらも，サンプリング方式電力演算コアは一つの LSI の中かじめ用意し，これに任意の配線を施すことで，専用ロに集積され，プリント基板上のハードウェアは，電圧・ジック LSI を作成できるもので，セミ・カスタム LSI と電流入力回路，AD 変換回路，電源回路，計器内のインも呼ばれた。

ターフェース回路がほとんどを占めることになる。
これらの回路は，日電検の知見を参考に，取引用電力量計等への展開も考慮し，T2MS にて部品選定から始めた設計となっている。
・AD コンバータ IC は最重要部品の一つで，その性能を十分に検討し，実機評価を経て決定した。
・計器の電圧入力回路は，これまでは性能の優れるトロイダル・コアの VT を採用していた。しかしわずかに残る位相角誤差もデジタル・サンプリング方式にとっては大きな誤差となるため，抵抗分圧方式を採用した。

これにより，フル・カスタム LSI に比べれば，専用のLSI を実現しやすくなった。
デジタル・サンプリング方式では，高速な並列演算処理を必要としており，マイクロ・コントローラによるソフトウェア処理には難があった。回路規模を大きくすればソフトウェア処理も可能であると思われるが，消費電力とコストは増大する。ソフトウェアに依らないハードウェア・ロジック回路が再度必要となった。
こ の よ う な 中， ゲ ー ト・ ア レ イ LSI に 代 わ っ て，FPGA（ユーザー側でプログラム可能なゲート・アレ・計器の電流入力回路は，初代の電子式標準電力量計

イ LSI）が実用的に使用できるようになった。当初は，から使用実績のある，補償 CT 方式を引き続き採用した。

ゲート・アレイの試作評価用として使用された FPGA・電圧，電流入力回路から AD コンバータまでの回路であるが，その利便性が注目されると，多様な製品の要については，AD コンバータの性能を十分に引き出すア求に適合できるよう，それぞれの特長を持った品種を選ナログ回路設計を行った。

択できるようになった。

・電圧入力回路を抵抗分圧方式としたため，安全確保

日電検はサンプリング方式を FPGA に実装し，T2MSの観点から必要な箇所に電気的絶縁を施した。

は，この性能を損なうことなく量産製品に必要な機能を（2）AD 変換誤差への対応追加搭載することができた。

AD 変換において，アナログ値をデジタル値に変換す（4）試作とその評価る過程で量子化誤差が発生する。これは信号対ノイズ比

デジタル・サンプリング方式の個々の要素から組み上SNR で表され，理論的に以下の式で表すことができる。

げと，FPGA の採用など，T2MS にとって初めてとなっ

SNR = 1.76 + 6.02 n [dB］ n：量子化ビット数た本開発は，優れた性能を量産設計で再現することと外かりに n = 16 として試算すると，信号を 0 dB とす乱耐性の確保を両立することに時間を費やした。

れば，量子化雑音は− 98.08 dB となるが，実際の AD前者は，標準電力量計メーカとして当然であり，後者コンバータ素子の性能，周辺回路の影響等を受けて性能は今後の製品展開を考慮した場合に必須の課題であっは劣化する。今回の開発では，これらの影響を可能な限た。

り抑える設計を行った。

T2MS における優れた性能の確保については，そのほまた，電力量計は，基本的に測定電流のレンジが広とんどをアナログ回路設計に施した。高速・高分解能デく，軽負荷電流時においても精度の高いことが求められジタルの性能を十分に発揮させるには，アナログ性能がる。この要求は，省エネ社会にあって今後さらに強いも重要である。このため，アナログ回路構造を大きく変更のとなって行くであろう。

する対策も行った。

電力量計の誤差は，軽負荷電流時には増大する。この外乱耐性についてもいくつかの問題が発生したが，問影響を避けるため，標準電力量計は定格電流でのみ使用

題事象の真因を追究し，最終的な社内評価では，単独普するのが一般的である。しかしこのような設計では，取通級電力量計に加えるような条件にも耐えうることを確引用電力量計に展開できない。この問題についても設計認した。

的な対策を折り込むことで，軽負荷電流域まで連続平坦な誤差特性を有したものとした。
（3）サンプリング方式電力演算コア LSI
電力量計のデジタル部にマイクロ・コントローラが普及する以前は，フル・カスタム LSI やゲート・アレイ
LSI によるハードウェア・ロジック専用 LSI を積極的に採用してきた。
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3.3仕様

表 1 に一般産業向けの標準電力量計の仕様を示す。
現行品の KS8C 形（三相 3 線式），KS9C 形（三相 4 線式）との互換性を考慮した仕様としている。

デジタル・サンプリング方式標準電力量計の開発

表1形
相線

一般産業向けの標準電力量計の仕様
名KS22C 形

KS23C 形式

三相 3 線式

三相 4 線式

110 V

定格

電圧

定格

電流

定 格 周 波 数
基 準 パ ル ス

標 準 パ ル ス

5A
50 Hz または 60 Hz
有効正方向

有効正方向
有効逆方向
無効遅れ
無効進み

パルス出力形式

VOLTルス

幅5,000 pulse/kWs

9 pulse/3.6 kWs（500 pulse/3.6 kWs,375 pulse/3.6 kWs,
300 pulse/3.6 kWs,
144 pulse/3.6 kWs
も選択式で出力可能）

計量動作表示（LED 点滅頻度）

パ110/ √─3 ／ 110 V

9 pulse/3.6 kWs
9 pulse/3.6 kWs
9 pulse/3.6 kvars
9 pulse/3.6 kvars
およびPHOTO

基準パルス：40～100 μs
標準パルス：デューティ約 50％

電圧回路負担

0.1 VA 以下 / 回路

電流回路負担

0.3 VA 以下 / 回路

補助電源

AC100 V ± 10 V，50/60 Hz

補助電源負担10 VA 以下

使用温度範囲10～35℃

使用湿度範囲15～85％（ただし結露なきこと）

動作温度範囲

0～50℃

本体

質

量約 5 kg

外形

寸法

幅 260 ×高さ 156 ×奥行 251［mm］

技術紹介

図 4 は，今回開発した機能をフル実装した，三相 4線式・有効／無効 180 度形 4 象限基準パルス出力装備の KS24 形の外観である。

4まとめ

T2MS では，デジタル・サンプリング方式を採用した
標準電力量計の開発と並行して，これと同一方式である特別精密電力量計および高精度電力量計も開発した。
標準電力量計の性能は，新世代の標準電力量計として使用できる性能が確保できたと考える。
また，特別精密電力量計・高精度電力量計は，標準電力量計の性能を受け継ぎながらロバスト性を確保し，さらに本系列では初めて通信機能を搭載した。引き続き，大電力の公正な計量に使用できる製品を供給できる体制を整えた。なお特別精密電力量計は，2016 年 3 月に型式承認を取得（型式承認番号第 4112 号および第 4113号）した。
最後に，今回の開発にあたって，多大なるご指導をいただいた，日本電気計器検定所の関係各位に深く感謝の意を表する次第である。
■参考文献（1）小金実，山崎修快，楠井昭二：「高速多重移相時分割方式を用いた標準電力量計」，電気検定所技報，日本電気計器検定所，株式会社オーム社，第 15 巻第 1 号，pp.7-23（2）橋本昭憲，安井孝治，楠井昭二：「自己校正形精密乗算器を用いた単相標準電力量計」，電気検定所技報，日本電気計器検定所，株式会社オーム社，第 31 巻第 4 号，pp.1-8（3）川越順：「サンプリング方式による標準電力量計」，電気検定所技報，日本電気計器検定所，株式会社オーム社，第47 巻第 1 号，2012 年 1 月，pp.1-5■語句説明
注 1）一般産業向け：電力会社向け製品以外の物

後藤義英

竹内利幸

高橋良和

 光東芝メーターシステムズ株式会社
東開発部 設計第三グループ 所属

 光東芝メーターシステムズ株式会社
東開発部 設計第三グループ 所属

 光東芝メーターシステムズ株式会社
東開発部 設計第三グループ 所属

図 4 デジタル・サンプリング方式 KS24 形標準電力量計

東光高岳技報 Vol.3 201649