位相差計測システムおよび位相差計測方法
【課題】位相差を計測しようとする２点の入力波形の周波数が変動する場合であっても、２点間の交流電気量の位相差をこれらの２点間を互いに電気的に接続しないでも正確に計測することができる位相差計測システムおよび位相差計測方法を提供する。
【解決手段】互いに離れた２点間の交流電気量の位相差を計測する場合に、その２点にそれぞれ計測器を設置し、ＧＰＳ信号により互いに時刻同期させた基準波形とＧＰＳ信号から取得された時刻とを用い、それぞれ同一時刻に、その基準波形の立ち上がりと交流電気量の立ち上がりゼロクロスとの時間差を計測し、これらの時間差と時刻とを計測器間で相互に伝送し、これらの時間差の差から演算することによりこの２点間の交流電気量の位相差を求める。
【解決手段】互いに離れた２点間の交流電気量の位相差を計測する場合に、その２点にそれぞれ計測器を設置し、ＧＰＳ信号により互いに時刻同期させた基準波形とＧＰＳ信号から取得された時刻とを用い、それぞれ同一時刻に、その基準波形の立ち上がりと交流電気量の立ち上がりゼロクロスとの時間差を計測し、これらの時間差と時刻とを計測器間で相互に伝送し、これらの時間差の差から演算することによりこの２点間の交流電気量の位相差を求める。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、位相差計測システムおよび位相差計測方法に関し、特に、互いに離れた２地点間の位相差をこれらの地点間を互いに電気的に接続しないで計測する場合に適用して好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の一般的な位相計で電圧や電流などの交流電気量の位相差を計測するためには、一方の波形を基準として他方の波形との時間軸上の相対的な時間のずれ（時間差）を位相差に置き換えている（例えば、非特許文献１参照。）。例えば、図１１に示すように、入力波形Ａ、Ｂの時間差を求めることにより入力波形Ｂに対する入力波形Ａの位相差を求め、入力波形Ａは入力波形Ｂに対して○○［°］進んでいるとする。
【非特許文献１】［平成１９年３月７日検索］、インターネット〈ＵＲＬ：http://www.soukou.co.jp/pf15a.htm 〉
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、交流電気量の位相差を計測する２地点間を互いに電気的に接続せずに位相差を計測しなければならない場合には、一方の波形を基準として他方の波形との時間差を求めることにより位相差を求めることはできない。この場合、２地点間の位相差を求めるには、時間軸上に２地点共通の基準となる波形を用意すればよいことになる。
ところが、例えば、交流電気量が商用電源により供給される電圧である場合、商用電源の周波数は５０±１［Ｈｚ］の変動があるとされており、本発明者らの実測においてもそのような変動が確認されている。このように入力波形の周波数が変動し、基準波形と入力波形との周波数が互いに異なる場合は、基準波形との位相差は時間経過とともに常に変化することとなる。すなわち、図１２Ａに示すように、ある時刻では基準波形と入力波形との時間差がＡであっても、ある時間が経過した後には、図１２Ｂに示すように、基準波形と入力波形との時間差はＢ（≠Ａ）となる。具体的には、例えば、仮に基準波形の周波数５０［Ｈｚ］に対して、入力波形の周波数が４９［Ｈｚ］であれば、１／４秒経過する毎に位相差は９０［°］変化し、１秒を経過すると３６０［°］変化することになる。
【０００４】
従って、入力波形の周波数が変動する場合は、計測から位相差の相互伝送、位相差比較までをリアルタイムで処理しなければらないことになるが、伝送の遅延などを考えると伝送をリアルタイムで実現するのは困難である。
そこで、この発明が解決しようとする課題は、位相差を計測しようとする２点の入力波形の周波数が変動する場合であっても、２点間の交流電気量の位相差をこれらの２点間を互いに電気的に接続しないでも正確に計測することができる位相差計測システムおよび位相差計測方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するために、第１の発明は、
互いに離れた２点間の交流電気量の位相差を計測する位相差計測システムであって、
上記２点でそれぞれ同一時刻に、互いに時刻同期させた基準波形の立ち上がりと上記交流電気量の立ち上がりゼロクロスとの時間差を計測し、これらの時間差の差から演算することにより上記２点間の交流電気量の位相差を求めるようにしたことを特徴とする位相差計測システムである。
【０００６】
第２の発明は、
互いに離れた２点間の交流電気量の位相差を計測する位相差計測方法であって、
上記２点でそれぞれ同一時刻に、互いに時刻同期させた基準波形の立ち上がりと上記交流電気量の立ち上がりゼロクロスとの時間差を計測し、これらの時間差の差から演算することにより上記２点間の交流電気量の位相差を求めるようにしたことを特徴とする位相差計測方法である。
【０００７】
第１および第２の発明において、好適には、上記の２点の基準波形はＧＰＳ（Global Positioning System)信号により互いに時刻同期させたものであり、上記の時刻はＧＰＳ信号から取得した時刻であるが、これに限定されるものではなく、他の方法により得られる基準波形および時刻であってもよい。典型的には、上記の２点にそれぞれ計測器が設けられ、これらの計測器でそれぞれ同一時刻に、互いに時刻同期させた基準波形の立ち上がりと交流電気量の立ち上がりゼロクロスとの時間差を計測して保存し、これらの時間差のデータを計測器間で相互に伝送して同一時刻の２点間の時間差の差から演算することによりこれらの２点間の交流電気量の位相差を求めるが、これに限定されるものではない。これらの時間差のデータの伝送には各種のデータ通信サービス（あるいは無線パケットデータ通信サービス）を用いることができる。交流電気量は、典型的には電圧、電流などであるが、例えば、材料や構造などの振動波を電気信号に変換したものなどであってもよい。
【０００８】
この位相差計測システムおよび位相差計測方法は各種の交流電気量の位相差の計測に適用することができるが、例えば、鉄道分野への応用例を挙げると、上記の２点は鉄道沿線の自動信号高圧配電線路の１回線区間の２地点であり、交流電気量はこの２地点のそれぞれ外方に設けられた配電室から供給される電源電圧、特に商用電源の電圧である。
【発明の効果】
【０００９】
この発明によれば、互いに離れた２点でそれぞれ同一時刻に、互いに時刻同期させた基準波形の立ち上がりと交流電気量の立ち上がりゼロクロスとの時間差を計測し、これらの時間差の差から演算することによりその２点間の交流電気量の位相差を求めるようにしているので、位相差を計測しようとする２点の入力波形の周波数が変動する場合であっても、２点間の交流電気量の位相差をこれらの２点間を互いに電気的に接続しないでも正確に計測することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、この発明の一実施形態による位相差計測システムおよび位相差計測方法について図面を参照しながら説明する。
まず、この位相差計測システムおよび位相差計測方法の原理について説明する。
この位相差計測システムおよび位相差計測方法では、交流電気量の位相差を計測しようとする２地点それぞれで同一時刻に基準波形の立ち上がりとこの交流電気量の立ち上がりゼロクロスとの時間差を計測して保存する。例えば、図１ＡおよびＢに示すように、Ａ地点およびＢ地点にそれぞれ設けられた計測器により同一時刻に基準波形と入力波形との時間差Ａ、Ｂをそれぞれ計測して保存する。そして、計測時刻とＡ地点およびＢ地点でそれぞれ計測した時間差データとを相互に伝送することにより同一時刻のＡ地点の時間差ＡとＢ地点の時間差Ｂとを比較してその差を用いて演算し、位相差を算出する。この結果、例えば、入力波形Ａは入力波形Ｂに対して△△［°］進んでいることがわかる。基準波形は、例えば、ＧＰＳからの同期の取れたパルス（例えば、１秒パルス）、時刻もまたＧＰＳから取得した時刻を採用するが、これに限定されるものではない。
【００１１】
具体的な計測処理は次の通りである。
基準波形としてはＧＰＳ受信機から出力される１秒間隔のパルスを用いる。計測時刻の情報もＧＰＳからの時間情報を用いる。
計測のタイミングは、あらかじめ決めたＡ地点の計測器とＢ地点の計測器とに共通の時刻で、かつ基準波形の立ち上がりで計測を開始する。これらの計測器が同一時刻の計測により得た１０回分の時間差を互いに相手の計測器に伝送する。
具体的には、図２に示すように、Ａ地点で９：０５：００に計測された時間差をＡt1、同様に９：０５：０１に計測された時間差をＡt2、…、９：０５：０９に計測された時間差をＡt10 とする。また、Ｂ地点で９：０５：００に計測された時間差をＢt1、同様に９：０５：０１に計測された時間差をＢt2、…、９：０５：０９に計測された時間差をＢt10 とする。そして、これらの計測された時間差データを相互に伝送する。
【００１２】
伝送により得られた相手の計測器からの時間差データは、下記のように、同一時刻の時間差毎に差を求める。こうして得られた１０個の計測器間の時間差のうち、最新データをＡ地点およびＢ地点間の時間差とする。
Ａ地点の計測器の時間差の算出を例に取って説明する。
Ａ地点の計測器の計測データは下記の通りである。
データ１ ９：０５：００の時間差Ａt1
データ２ ９：０５：０１の時間差Ａt2
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
データ１０ ９：０５：０９の時間差Ａt10
Ｂ地点の計測器からの受信データは下記の通りである。
データ１ ９：０５：００の時間差Ｂt1
データ２ ９：０５：０１の時間差Ｂt2
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
データ１０ ９：０５：０９の時間差Ｂt10
この場合、Ａ地点の計測器の計測データ１０の時間差Ａt10 とＢ地点の計測器から受信されるデータ１０の時間差Ｂt10 との差、すなわちＡt10 −Ｂt10 がＡ地点およびＢ地点間の時間差となる。
【００１３】
時間差を位相差の単位に変換するのは、計測器間時間差が得られた後になる。位相差への変換は具体的には次のように行う。
３６０［°］÷１［ｓｅｃ］÷使用周波数［Ｈｚ］×計測器間時間差＝計測器間位相差［°］
【００１４】
〈実施例〉
位相差計測システムの実施例について説明する。
この位相差計測システムでは、互いに離れた２地点間の電源位相差を計測・表示する。位相差が一定以上となった場合、警報鳴動および表示により計測者に知らせる。
また、位相の計測は、ＧＰＳ信号を受信し、時刻同期させた１［パルス／ｓ］（［ＰＰＳ］）の基本波形の立ち上がりと計測電気量の立ち上がりゼロクロスとの位相差を算出し、その位相差データを相互に伝送し合う。送信したデータと受信したデータとを比較し、２地点間の位相差を表示する。
【００１５】
この位相差計測システムの仕様は下記の通りである。
・サイズ：２０４×３０４×１８０［ｍｍ］
・通信方式：マスター、スレーブ方式（各々切替スイッチあり）
ただし、設定値はマスターの設定値がスレーブでも有効となる。
・電源、計測入力：ＡＣ１００±２０％［Ｖ］
電源ケーブル（コンセントプラグ）：装置電源、計測入力共用
・通信：ＤｏＰａ（株式会社エヌ・ティ・ティ・ドコモの登録商標、以下においては単に「登録商標」という）
・ＧＰＳ：１［μｓ］精度
・アンテナ：ＤｏＰａ（登録商標）用、ＧＰＳ用（外部据置、三脚に取り付け）
・位相差表示：±○○○．○°（−１７９．９〜＋１８０．０［°］）
（相手側計測器に対する相対位相差表示）
・記録内容：時分秒，±°，Ｅ→○○○○○○，±○○○．○，○○（１６［Ｂ］）
１６Ｂ×２４時間×６０＝２３［ｋＢ／日］（１分記録間隔）
ただし、Ｅはエラーコードであり、１６進数２桁（最大１Ｆ）とし、２進数に直して８桁で、５つの警報（下記の記録媒体以外）を各１［ｂｉｔ］使用し、下５桁ビット以外は不使用
・記録媒体：コンパクトフラッシュ（登録商標）カード（ＣＦカード）（１２８［ＭＢ］）、ＳＤメモリカード、メモリスティックなどのメモリ
内部メモリ（６４［ｋＢ］）
・表示
・警報ランプ
・７セグメントＬＥＤ：時刻、位相差
・状態ＬＥＤランプ：マスター
・警報種別ＬＥＤランプ：警報、接近、電源断、通信断、ＧＰＳ、ＣＦカード
・無線パケット通信端末（あるいはユビキタスモジュール）の表示：電源、通信中、圏内、電波強度表示
・スイッチ
・スライドＳＷ：電源ＯＮ／ＯＦＦ
・デジタルＳＷ：計測間隔、接近設定
デジタルＳＷ番号対応表を表１に示す。
【００１６】
【表１】
【００１７】
・トグルＳＷ（オルタネート）：マスター／スレーブ、計測モード通信／非通信、
電源ＯＮ／ＯＦＦ、警報音ＯＮ／ＯＦＦ
計測モードに関わらず、停電から復電後、自動的に計測開始となる。
・トグルＳＷ（モーメンタリ）：表示上／下
・プッシュＳＷ（オルタネート）：計測開始／終了、内部ランプ点灯機能付
・プッシュＳＷ（モーメンタリ）：警報停止、フリッカ停止
・警報器：ＤＣ５Ｖ圧電ブザー
・警報鳴動：警報、接近、電源断、ＧＰＳ、通信断
ただし、接近のみ鳴動断続
・使用温度範囲：−２０〜５０［℃］
・警報出力端子（ＤＣ１００Ｖ用無電圧接点）
・警報
・接近
・電源断、ＧＰＳ、通信断
ただし、操作なしで復帰条件成立で自動復帰する。位相差計測システム自体は警報表示が残る。
【００１８】
この位相差計測システムの機能および操作方法について説明する。
計測開始後、２地点の計測器間で、ＧＰＳの１［ＰＰＳ］で生成した基本波形との時間差を設定時間間隔で相互に伝送し、同時刻の受信データと比較し、最新の比較結果データを位相差として表示する。
電源ＯＮ後、無線パケット通信端末（あるいはユビキタスモジュール）の電源ランプが点灯する。その後、マスターの場合はマスターランプが点灯し、スレーブの場合はマスターランプが消灯する。そして、位相差表示部にＣＦカードなどのメモリの容量［ＭＢ］が表示され、時刻カウントが開始される。
ＧＰＳから正常に１ＰＰＳが出力されると、１ＰＰＳ故障表示が消灯する。
計測開始／終了ボタンが点滅した状態が計測待機状態となる。
計測待機状態で、マスター、スレーブともに計測開始／終了ボタンを押下すると、計測・記録を開始する。この際、計測開始／終了ボタン自体が点灯する。
計測中の状態で、計測開始／終了ボタンを押下で、計測・記録を終了する。この際、計測開始／終了ボタン自体が消灯する。
電源ＯＦＦ後、１０分以内に電源ＯＮすると、アイドリング時間が省略できる。
ただし、電源投入後、５秒以内に電源を切らないようにする。故障を防止するためである。
【００１９】
計測データは、内部メモリおよびＣＦカードなどのメモリへ計測間隔毎に同時に保存する。
内部メモリのデータは計測終了時、停電時、２次電源で５秒間電源を保持している間に書き込み終了した後、ＣＦカードなどのメモリへ書き込みを行ってからシャットダウンする。
記録表示は内部メモリに記録されたデータを表示する。
最大記録時間はカード１２８［ＭＢ］で約５９２５日間（１分記録間隔の場合）、内部メモリ６４［ｋＢ］で約２．９日間（１分記録間隔の場合）である。
ＣＦカードなどのメモリの記録はＣＳＶファイル形式で保存する。設定値も含む。
ファイル名は計測開始日（年月日）が識別可能とする。
記録フォーマットは次の通りである。
時分秒、±°，Ｅ→○○○○○○，±○○○．○，○○（１６［Ｂ］）
ただし、Ｅはエラーコードである。
【００２０】
記録データ表示操作については、トグルＳＷを上に倒すと新順、下に倒すと旧順に記録データを表示する。例えば、２秒以上倒し続けると１０倍速で移動する。
警報については次の通りである。
（１）計測間隔１秒の場合
位相差を毎秒監視し、警報設定値以上となった場合、フリッカするとともに、警報鳴動し警報ランプが点灯する。
（２）計測間隔１０秒未満（１秒以外）の場合
位相差表示より設定秒前から位相差を毎秒監視し、３回連続で警報設定値以上となった場合、フリッカするとともに、警報鳴動し警報ランプが点灯する。
（３）計測間隔１０秒以上の場合
位相差表示より１０秒前から位相差を毎秒監視し、３回連続で警報設定値以上となった場合、フリッカするとともに、警報鳴動し警報ランプが点灯する。
【００２１】
位相差が接近設定範囲内に入った場合、フリッカするとともに、警報が断続的に鳴動し警報ランプが点灯する。
通信の遮断については、互いにデータ送信後、相手からの応答がないことを条件に、再送回数繰り返してもなお応答がない場合、フリッカするとともに、警報鳴動し警報ランプが点灯する。
電源の遮断については、計測中に停電した場合、フリッカするとともに、５秒後にシャットダウンし、２次電池により５秒間警報鳴動させる。５秒以内に警報停止ボタンを押すと警報鳴動停止となり、シャットダウンする。
無人計測時には、復電後に自動的に計測開始となる。ただし、２秒以内の場合は瞬間停電扱いとし、警報無発報とする。
ＧＰＳが正常に受信できない状況の場合、フリッカする。また、警報鳴動し警報ランプが点灯する。
ＣＦカードなどのメモリの未挿入および認識が失敗した場合、フリッカする。また、ＣＦカードなどのメモリの記録空き容量が不足および、ＣＦカードなどのメモリの不良の場合、フリッカする。なお、どちらの場合も計測は継続するが記録はできない。
【００２２】
警報発生時は、警報が鳴動するとともに警報ランプ点灯、警報種別ＬＥＤランプがフリッカする。
警報停止ボタン押下で警報鳴動停止となる。
フリッカ停止ボタン押下で警報ランプが消灯し、警報種別ＬＥＤランプのフリッカが点灯に変わる。以降、警報発生原因が解消されれば、自動的に警報種別ＬＥＤランプが消灯し、正常状態に復帰する。
無人計測時には、警報出力端子から無電圧接点（ＤＣ１００Ｖ用）で指令監視装置からの入力回路を開閉する。
表２に警報関係表示一覧を示す。
【００２３】
【表２】
【００２４】
各警報時の位相差表示について説明する。
警報については次の通りである。
警報発報時の位相差表示がフリッカし、フリッカ停止ボタンを押下でフリッカ停止となる。設定値未満となり警報解除となるまで保持し続け、フリッカ停止ボタンを押下中、最新表示となるものとする。
例：位相差１０°で警報発報→位相差１０°フリッカ表示
→フリッカ停止ボタン押下→位相差１０°表示がフリッカ停止→（１）または
（２）
（１）位相差が９°に変化した場合→位相差９°表示（以降、正常に更新開始）
（２）位相差１３°に変化した場合→（３）または（４）
（３）フリッカ停止ボタン押下しない→位相差１０°表示を保持
（４）フリッカ停止ボタン押下中→位相差１３°表示に更新
ただし、設定値は１０°とする。
接近のときには正常に更新される。
通信遮断時には−−−表示となる。位相差を算出するデータがないことによる。
電源遮断時は「警報」と同様である。
ＧＰＳについては通信遮断時と同様である。
ＣＦカードなどのメモリについては「接近」と同様である。
計測間隔、警報設定、接近設定などの各種設定の変更は、デジタルスイッチにより実現する。
【００２５】
図３にこの位相差計測システムの計測器のブロック図を示す。マスター、スレーブともに同様とする。
図３に示すように、この計測器では、ＧＰＳアンテナ１１によりＧＰＳ受信器１２が受信するＧＰＳ信号はＣＰＵ１３に送られる。このＧＰＳ信号から、時刻同期させた１ＰＰＳによる基本波形と時刻とが得られる。ＣＰＵ１３にはＤｏＰａ（登録商標）／無線パケット通信端末１４が接続され、このＤｏＰａ（登録商標）／無線パケット通信端末１４と接続されたアンテナ１５によりＤｏＰａ（登録商標）網を介して位相差の伝送が行われるようになっている。ＣＰＵ１３により計測部１６で位相差が計測される。ＣＰＵ１３には電源入力回路１７を介してリレー架またはコンセントから電源１００［Ｖ］が供給されるようになっている。また、ＣＰＵ１３により表示部１８および警報部１９が制御されるようになっている。ＣＰＵ１３はバッテリー２０でバックアップされている。ＧＰＳアンテナ１１およびアンテナ１５を除く構成要素の全体は筐体に収納されている。
【００２６】
この位相差計測システムにおけるデータ伝送の流れの一例を図４に示す。この例はマスターからスレーブへデータを送信する例である。図４に示すように、マスター２１のアンテナ１５からＧＰＳの１ＰＰＳ基本波形および計測電圧の位相差をＤｏＰａ（登録商標）網２２に伝送し、アンテナ１５により受信したこれらのデータをスレーブ２３で比較して位相差を表示する。この位相差計測システムの使用者のサーバ２４はＬＡＮ２５を介して専用線によりＤｏＰａ（登録商標）網２２と接続されている。
なお、スレーブ２３も同様にマスター２１に送信を行う。
【００２７】
次に、この位相差計測システムおよび位相差計測方法を鉄道沿線の自動信号高圧配電線路（ＳＨＴ）の１回線区間において配電線路が故障したときに、故障点への電源供給を行うことを可能とする方法について説明する。
鉄道沿線のＳＨＴは、最重要負荷である信号設備などへの電力供給を行っている。これまで、ＳＨＴ１回線区間において配電線路の地絡、短絡などの故障時には、故障点を区分するため、常用配電室側電源（常用電源）と予備配電室側電源（予備電源）とをオーバーラップ設備を設けた箇所で電源突き合わせを行っている。図５Ａに示すように、ＳＨＴが正常な場合には、定位側配電室であるＡ配電室から反位側配電室であるＢ配電室に電源供給が行われるが、図５Ｂに示すように、ＳＨＴ１回線区間で故障が発生した場合、故障点を系統から切り離すことでＡ配電室とＢ配電室とから電源を供給すること（「異電源突き合わせ」と呼ぶ）は可能であるものの、信号異現示（信号が正しく表示されないこと）の可能性があることから行われていない。
【００２８】
しかしながら、本発明者らは、常用電源と予備電源とを受電点で電力会社から供給される電源の位相と極性を合わせておくことにより、オーバーラップ設備を設けない箇所でも異電源突き合わせを行い、常用閉そくを確保できる可能性を見出し、この方式の実現に向けて各種の計測・検証を行った。その結果について説明する。
〈異電源突き合わせ時の正常な信号現示の条件〉
上述のように、異電源突き合わせを行った場合には、信号異現示の危険性がある。そこで異電源でも正常な信号現示とすることができないか検討した結果、次の条件が満たされる必要があることがわかった。この条件は、ＳＨＴ系統内のいかなる地点で異電源を突き合わせても、突き合わせた箇所における常用電源と予備電源との位相差が許容範囲内に保たれていること、である。ここで、「許容範囲内の位相差」とは、信号現示を決定するリレー特性から安全率を考慮して、両電源の電圧位相差が±１０°以内と設定した。
【００２９】
〈各配電室の電源同期状態の調査〉
この研究を行うにあたり、故障発生時に列車への影響が大きい函館配電室〜鷲別変電所を試験区間として選定した。試験区間の設備配置とＳＨＴ系統を図６に、計測結果を図７ＡおよびＢに示す。
図７Ａに示す計測結果から、大沼配電室以外の各配電室電源は６０°の整数倍であることが判明した。これらを統一することで大まかな同期が取れることが推測された。大沼配電室については、電力会社のＹ−Δ巻線三相変圧器が設備されていることにより他の配電室とは３０°位相差が発生することが判明した。
【００３０】
〈位相調整の実施と実設備での信号現示の検証〉
上述のことより、大沼配電室にΔ−Ｙ巻線三相変圧器を設備し他の配電室との同期を取ることとし、他配電室では受電点の結線振替による位相・極性の調整を行った。位相調整後の各配電室の電源位相差は図７Ｂに示すように１〜２°程度となり、推測通り「位相差±１０°以内の位相差」を満たす結果を得ることができた。この結果を基に定位配電時と異電源突き合わせ時の信号現示の確認を実際の軌道回路にて行った。結果を表３に示す。表３に示すように、軌道リレーにおける各電圧値、位相差ともにほぼ変化はなく、信号現示も正常であった。
【００３１】
【表３】
【００３２】
〈位相差変化の長期監視と結果〉
これまで述べてきた検証結果は全て「ある瞬間」での状態であり、位相差は時間とともに変化する。このため、予備側配電室にて位相差の常時監視を行った。洞爺配電室での位相差変化計測結果のうち、特に変化量の大きいものを表４に示す。
【００３３】
【表４】
【００３４】
〈監視方法の位相差計測原理〉
図８に示すように、ＧＰＳとＤｏＰａ（登録商標）とを利用したこの一実施形態による位相差計測システムおよび位相差計測方法による監視方法を用いた。
既に述べたように、一般的には、位相差を計測するためには、あらかじめ基準とする波形を決めておき、時間軸上のずれを計測する必要がある。しかしながら、いま考えている場合では、２地点間を電気的に接続せずに計測することから、一方の波形を基準として位相差を求めることはできない。従って、２地点間にある共通の基準点を設けることが必要となる。また、５０Ｈｚの波形情報を比較するためには、双方のシステムがμｓｅｃオーダーで時刻同期が取れていることが必須条件と言える。そこで、この２つの問題を解消するためにＧＰＳの正確な時刻情報を利用することとした。
【００３５】
具体的な計測処理の方法について説明する。まず、図９に示すＧＰＳの１［ＰＰＳ］を基準として、２つの計測点（Ａ点、Ｂ点）各々で電圧波形との比較を行う。この時、ＧＰＳのパルスに最も近い電圧波形の立ち上がりゼロクロス時刻までの時間を計測する（図１０参照）。
計測間隔はユーザー側で設定することができるが、その間隔に応じた計測データが蓄積された段階で、他方とＤｏＰａ（登録商標）を用いて送受信を行う。これを各計測器内で同一時刻のデータ毎に比較を行うことで、Ａ点とＢ点間における電圧波形の時間差を求める。
以上の処理により得られた時間差を、次式に示す変換式に代入することで位相差を求めることができる。
３６０［°］÷１［ｓｅｃ］÷使用周波数［Ｈｚ］×計測器間時間差＝計測器間位相差［°］
【００３６】
〈原理確認試験〉
これまで述べてきた方法の実用性を検証するために確認用の装置を試作し、原理確認試験を行った。ここでは離れた２点でのＧＰＳの時刻同期の精度など、位相差の計測誤差を確認した。位相差の演算は電力会社の商用電源の周波数が５０Ｈｚであることを前提にしているため、周波数の誤差も位相差誤差に直結する要因の一つである。電力会社で保証する周波数誤差±１Ｈｚを加味した試験でも、位相差の計測誤差は最大０．１°程度という結果が得られた。
【００３７】
〈まとめ〉
（１）各配電室で相と極性とを一致させることで、ＳＨＴ故障時には異電源突き合わせにより正常な信号現示が確保できることを検証できた。
（２）（１）の運用時は常用電源と予備電源との同期状態を監視する必要がある。
（３）電気的に接続のない２点間での位相差を計測・監視する手法を確立した。
【００３８】
以上のように、この一実施形態による位相差計測システムおよび位相差計測方法によれば、ＧＰＳ信号により互いに時刻同期させた基準波形とＧＰＳ信号から取得された時刻とを用い、２地点でそれぞれ同一時刻に、基準波形の立ち上がりと電源電圧などの交流電気量の立ち上がりゼロクロスとの時間差を計測し、これらの時間差の差から演算することによりその２地点間の交流電気量の位相差を求めるようにしているので、この２地点の交流電気量の周波数が変動する場合であっても、この２地点間の交流電気量の位相差をこれらの２地点間を互いに電気的に接続しないでも正確に計測することができる。
【００３９】
以上、この発明の一実施形態および実施例について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施形態および実施例に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。例えば、上述の実施形態および実施例において挙げた仕様、数値、構成、機能などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれらと異なる仕様、数値、構成、機能などを用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】この発明の一実施形態による位相差計測システムおよび位相差計測方法の原理を説明するための略線図である。
【図２】この発明の一実施形態による位相差計測システムおよび位相差計測方法の原理を説明するための略線図である。
【図３】この発明の一実施形態による位相差計測システムの構成の具体例を示すブロック図である。
【図４】この発明の一実施形態による位相差計測システムのデータ伝送の具体例を示すブロック図である。
【図５】鉄道沿線の自動信号高圧配電線路の運用系統を示す略線図である。
【図６】配電室の配置および自動信号高圧配電線路の一例を示す略線図である。
【図７】図６に示す配電室の配置および自動信号高圧配電線路について各配電室の電源同期状態の調査を行った結果を示す位相調整前および位相調整後の位相差ベクトル図である。
【図８】この発明の一実施形態による位相差計測システムによる自動信号高圧配電線路の位相差監視方法を説明するための略線図である。
【図９】この発明の一実施形態による位相差計測システムによる自動信号高圧配電線路の位相差監視方法において用いる基準波形を示す略線図である。
【図１０】この発明の一実施形態による位相差計測システムによる自動信号高圧配電線路の位相差監視方法で実際に計測された位相差を示す略線図である。
【図１１】従来の位相計による位相差計測方法を説明するための略線図である。
【図１２】従来の位相計による位相差計測方法の問題点を説明するための略線図である。
【符号の説明】
【００４１】
１１…ＧＰＳアンテナ、１２…ＧＰＳ受信機、１３…ＣＰＵ、１４…ＤｏＰａ（登録商標）／無線パケット通信端末、１５…アンテナ、１６…計測部、１７…電源入力回路、１８…表示部、１９…警報部、２０…バッテリー
【技術分野】
【０００１】
この発明は、位相差計測システムおよび位相差計測方法に関し、特に、互いに離れた２地点間の位相差をこれらの地点間を互いに電気的に接続しないで計測する場合に適用して好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の一般的な位相計で電圧や電流などの交流電気量の位相差を計測するためには、一方の波形を基準として他方の波形との時間軸上の相対的な時間のずれ（時間差）を位相差に置き換えている（例えば、非特許文献１参照。）。例えば、図１１に示すように、入力波形Ａ、Ｂの時間差を求めることにより入力波形Ｂに対する入力波形Ａの位相差を求め、入力波形Ａは入力波形Ｂに対して○○［°］進んでいるとする。
【非特許文献１】［平成１９年３月７日検索］、インターネット〈ＵＲＬ：http://www.soukou.co.jp/pf15a.htm 〉
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、交流電気量の位相差を計測する２地点間を互いに電気的に接続せずに位相差を計測しなければならない場合には、一方の波形を基準として他方の波形との時間差を求めることにより位相差を求めることはできない。この場合、２地点間の位相差を求めるには、時間軸上に２地点共通の基準となる波形を用意すればよいことになる。
ところが、例えば、交流電気量が商用電源により供給される電圧である場合、商用電源の周波数は５０±１［Ｈｚ］の変動があるとされており、本発明者らの実測においてもそのような変動が確認されている。このように入力波形の周波数が変動し、基準波形と入力波形との周波数が互いに異なる場合は、基準波形との位相差は時間経過とともに常に変化することとなる。すなわち、図１２Ａに示すように、ある時刻では基準波形と入力波形との時間差がＡであっても、ある時間が経過した後には、図１２Ｂに示すように、基準波形と入力波形との時間差はＢ（≠Ａ）となる。具体的には、例えば、仮に基準波形の周波数５０［Ｈｚ］に対して、入力波形の周波数が４９［Ｈｚ］であれば、１／４秒経過する毎に位相差は９０［°］変化し、１秒を経過すると３６０［°］変化することになる。
【０００４】
従って、入力波形の周波数が変動する場合は、計測から位相差の相互伝送、位相差比較までをリアルタイムで処理しなければらないことになるが、伝送の遅延などを考えると伝送をリアルタイムで実現するのは困難である。
そこで、この発明が解決しようとする課題は、位相差を計測しようとする２点の入力波形の周波数が変動する場合であっても、２点間の交流電気量の位相差をこれらの２点間を互いに電気的に接続しないでも正確に計測することができる位相差計測システムおよび位相差計測方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するために、第１の発明は、
互いに離れた２点間の交流電気量の位相差を計測する位相差計測システムであって、
上記２点でそれぞれ同一時刻に、互いに時刻同期させた基準波形の立ち上がりと上記交流電気量の立ち上がりゼロクロスとの時間差を計測し、これらの時間差の差から演算することにより上記２点間の交流電気量の位相差を求めるようにしたことを特徴とする位相差計測システムである。
【０００６】
第２の発明は、
互いに離れた２点間の交流電気量の位相差を計測する位相差計測方法であって、
上記２点でそれぞれ同一時刻に、互いに時刻同期させた基準波形の立ち上がりと上記交流電気量の立ち上がりゼロクロスとの時間差を計測し、これらの時間差の差から演算することにより上記２点間の交流電気量の位相差を求めるようにしたことを特徴とする位相差計測方法である。
【０００７】
第１および第２の発明において、好適には、上記の２点の基準波形はＧＰＳ（Global Positioning System)信号により互いに時刻同期させたものであり、上記の時刻はＧＰＳ信号から取得した時刻であるが、これに限定されるものではなく、他の方法により得られる基準波形および時刻であってもよい。典型的には、上記の２点にそれぞれ計測器が設けられ、これらの計測器でそれぞれ同一時刻に、互いに時刻同期させた基準波形の立ち上がりと交流電気量の立ち上がりゼロクロスとの時間差を計測して保存し、これらの時間差のデータを計測器間で相互に伝送して同一時刻の２点間の時間差の差から演算することによりこれらの２点間の交流電気量の位相差を求めるが、これに限定されるものではない。これらの時間差のデータの伝送には各種のデータ通信サービス（あるいは無線パケットデータ通信サービス）を用いることができる。交流電気量は、典型的には電圧、電流などであるが、例えば、材料や構造などの振動波を電気信号に変換したものなどであってもよい。
【０００８】
この位相差計測システムおよび位相差計測方法は各種の交流電気量の位相差の計測に適用することができるが、例えば、鉄道分野への応用例を挙げると、上記の２点は鉄道沿線の自動信号高圧配電線路の１回線区間の２地点であり、交流電気量はこの２地点のそれぞれ外方に設けられた配電室から供給される電源電圧、特に商用電源の電圧である。
【発明の効果】
【０００９】
この発明によれば、互いに離れた２点でそれぞれ同一時刻に、互いに時刻同期させた基準波形の立ち上がりと交流電気量の立ち上がりゼロクロスとの時間差を計測し、これらの時間差の差から演算することによりその２点間の交流電気量の位相差を求めるようにしているので、位相差を計測しようとする２点の入力波形の周波数が変動する場合であっても、２点間の交流電気量の位相差をこれらの２点間を互いに電気的に接続しないでも正確に計測することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、この発明の一実施形態による位相差計測システムおよび位相差計測方法について図面を参照しながら説明する。
まず、この位相差計測システムおよび位相差計測方法の原理について説明する。
この位相差計測システムおよび位相差計測方法では、交流電気量の位相差を計測しようとする２地点それぞれで同一時刻に基準波形の立ち上がりとこの交流電気量の立ち上がりゼロクロスとの時間差を計測して保存する。例えば、図１ＡおよびＢに示すように、Ａ地点およびＢ地点にそれぞれ設けられた計測器により同一時刻に基準波形と入力波形との時間差Ａ、Ｂをそれぞれ計測して保存する。そして、計測時刻とＡ地点およびＢ地点でそれぞれ計測した時間差データとを相互に伝送することにより同一時刻のＡ地点の時間差ＡとＢ地点の時間差Ｂとを比較してその差を用いて演算し、位相差を算出する。この結果、例えば、入力波形Ａは入力波形Ｂに対して△△［°］進んでいることがわかる。基準波形は、例えば、ＧＰＳからの同期の取れたパルス（例えば、１秒パルス）、時刻もまたＧＰＳから取得した時刻を採用するが、これに限定されるものではない。
【００１１】
具体的な計測処理は次の通りである。
基準波形としてはＧＰＳ受信機から出力される１秒間隔のパルスを用いる。計測時刻の情報もＧＰＳからの時間情報を用いる。
計測のタイミングは、あらかじめ決めたＡ地点の計測器とＢ地点の計測器とに共通の時刻で、かつ基準波形の立ち上がりで計測を開始する。これらの計測器が同一時刻の計測により得た１０回分の時間差を互いに相手の計測器に伝送する。
具体的には、図２に示すように、Ａ地点で９：０５：００に計測された時間差をＡt1、同様に９：０５：０１に計測された時間差をＡt2、…、９：０５：０９に計測された時間差をＡt10 とする。また、Ｂ地点で９：０５：００に計測された時間差をＢt1、同様に９：０５：０１に計測された時間差をＢt2、…、９：０５：０９に計測された時間差をＢt10 とする。そして、これらの計測された時間差データを相互に伝送する。
【００１２】
伝送により得られた相手の計測器からの時間差データは、下記のように、同一時刻の時間差毎に差を求める。こうして得られた１０個の計測器間の時間差のうち、最新データをＡ地点およびＢ地点間の時間差とする。
Ａ地点の計測器の時間差の算出を例に取って説明する。
Ａ地点の計測器の計測データは下記の通りである。
データ１ ９：０５：００の時間差Ａt1
データ２ ９：０５：０１の時間差Ａt2
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
データ１０ ９：０５：０９の時間差Ａt10
Ｂ地点の計測器からの受信データは下記の通りである。
データ１ ９：０５：００の時間差Ｂt1
データ２ ９：０５：０１の時間差Ｂt2
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
データ１０ ９：０５：０９の時間差Ｂt10
この場合、Ａ地点の計測器の計測データ１０の時間差Ａt10 とＢ地点の計測器から受信されるデータ１０の時間差Ｂt10 との差、すなわちＡt10 −Ｂt10 がＡ地点およびＢ地点間の時間差となる。
【００１３】
時間差を位相差の単位に変換するのは、計測器間時間差が得られた後になる。位相差への変換は具体的には次のように行う。
３６０［°］÷１［ｓｅｃ］÷使用周波数［Ｈｚ］×計測器間時間差＝計測器間位相差［°］
【００１４】
〈実施例〉
位相差計測システムの実施例について説明する。
この位相差計測システムでは、互いに離れた２地点間の電源位相差を計測・表示する。位相差が一定以上となった場合、警報鳴動および表示により計測者に知らせる。
また、位相の計測は、ＧＰＳ信号を受信し、時刻同期させた１［パルス／ｓ］（［ＰＰＳ］）の基本波形の立ち上がりと計測電気量の立ち上がりゼロクロスとの位相差を算出し、その位相差データを相互に伝送し合う。送信したデータと受信したデータとを比較し、２地点間の位相差を表示する。
【００１５】
この位相差計測システムの仕様は下記の通りである。
・サイズ：２０４×３０４×１８０［ｍｍ］
・通信方式：マスター、スレーブ方式（各々切替スイッチあり）
ただし、設定値はマスターの設定値がスレーブでも有効となる。
・電源、計測入力：ＡＣ１００±２０％［Ｖ］
電源ケーブル（コンセントプラグ）：装置電源、計測入力共用
・通信：ＤｏＰａ（株式会社エヌ・ティ・ティ・ドコモの登録商標、以下においては単に「登録商標」という）
・ＧＰＳ：１［μｓ］精度
・アンテナ：ＤｏＰａ（登録商標）用、ＧＰＳ用（外部据置、三脚に取り付け）
・位相差表示：±○○○．○°（−１７９．９〜＋１８０．０［°］）
（相手側計測器に対する相対位相差表示）
・記録内容：時分秒，±°，Ｅ→○○○○○○，±○○○．○，○○（１６［Ｂ］）
１６Ｂ×２４時間×６０＝２３［ｋＢ／日］（１分記録間隔）
ただし、Ｅはエラーコードであり、１６進数２桁（最大１Ｆ）とし、２進数に直して８桁で、５つの警報（下記の記録媒体以外）を各１［ｂｉｔ］使用し、下５桁ビット以外は不使用
・記録媒体：コンパクトフラッシュ（登録商標）カード（ＣＦカード）（１２８［ＭＢ］）、ＳＤメモリカード、メモリスティックなどのメモリ
内部メモリ（６４［ｋＢ］）
・表示
・警報ランプ
・７セグメントＬＥＤ：時刻、位相差
・状態ＬＥＤランプ：マスター
・警報種別ＬＥＤランプ：警報、接近、電源断、通信断、ＧＰＳ、ＣＦカード
・無線パケット通信端末（あるいはユビキタスモジュール）の表示：電源、通信中、圏内、電波強度表示
・スイッチ
・スライドＳＷ：電源ＯＮ／ＯＦＦ
・デジタルＳＷ：計測間隔、接近設定
デジタルＳＷ番号対応表を表１に示す。
【００１６】
【表１】
【００１７】
・トグルＳＷ（オルタネート）：マスター／スレーブ、計測モード通信／非通信、
電源ＯＮ／ＯＦＦ、警報音ＯＮ／ＯＦＦ
計測モードに関わらず、停電から復電後、自動的に計測開始となる。
・トグルＳＷ（モーメンタリ）：表示上／下
・プッシュＳＷ（オルタネート）：計測開始／終了、内部ランプ点灯機能付
・プッシュＳＷ（モーメンタリ）：警報停止、フリッカ停止
・警報器：ＤＣ５Ｖ圧電ブザー
・警報鳴動：警報、接近、電源断、ＧＰＳ、通信断
ただし、接近のみ鳴動断続
・使用温度範囲：−２０〜５０［℃］
・警報出力端子（ＤＣ１００Ｖ用無電圧接点）
・警報
・接近
・電源断、ＧＰＳ、通信断
ただし、操作なしで復帰条件成立で自動復帰する。位相差計測システム自体は警報表示が残る。
【００１８】
この位相差計測システムの機能および操作方法について説明する。
計測開始後、２地点の計測器間で、ＧＰＳの１［ＰＰＳ］で生成した基本波形との時間差を設定時間間隔で相互に伝送し、同時刻の受信データと比較し、最新の比較結果データを位相差として表示する。
電源ＯＮ後、無線パケット通信端末（あるいはユビキタスモジュール）の電源ランプが点灯する。その後、マスターの場合はマスターランプが点灯し、スレーブの場合はマスターランプが消灯する。そして、位相差表示部にＣＦカードなどのメモリの容量［ＭＢ］が表示され、時刻カウントが開始される。
ＧＰＳから正常に１ＰＰＳが出力されると、１ＰＰＳ故障表示が消灯する。
計測開始／終了ボタンが点滅した状態が計測待機状態となる。
計測待機状態で、マスター、スレーブともに計測開始／終了ボタンを押下すると、計測・記録を開始する。この際、計測開始／終了ボタン自体が点灯する。
計測中の状態で、計測開始／終了ボタンを押下で、計測・記録を終了する。この際、計測開始／終了ボタン自体が消灯する。
電源ＯＦＦ後、１０分以内に電源ＯＮすると、アイドリング時間が省略できる。
ただし、電源投入後、５秒以内に電源を切らないようにする。故障を防止するためである。
【００１９】
計測データは、内部メモリおよびＣＦカードなどのメモリへ計測間隔毎に同時に保存する。
内部メモリのデータは計測終了時、停電時、２次電源で５秒間電源を保持している間に書き込み終了した後、ＣＦカードなどのメモリへ書き込みを行ってからシャットダウンする。
記録表示は内部メモリに記録されたデータを表示する。
最大記録時間はカード１２８［ＭＢ］で約５９２５日間（１分記録間隔の場合）、内部メモリ６４［ｋＢ］で約２．９日間（１分記録間隔の場合）である。
ＣＦカードなどのメモリの記録はＣＳＶファイル形式で保存する。設定値も含む。
ファイル名は計測開始日（年月日）が識別可能とする。
記録フォーマットは次の通りである。
時分秒、±°，Ｅ→○○○○○○，±○○○．○，○○（１６［Ｂ］）
ただし、Ｅはエラーコードである。
【００２０】
記録データ表示操作については、トグルＳＷを上に倒すと新順、下に倒すと旧順に記録データを表示する。例えば、２秒以上倒し続けると１０倍速で移動する。
警報については次の通りである。
（１）計測間隔１秒の場合
位相差を毎秒監視し、警報設定値以上となった場合、フリッカするとともに、警報鳴動し警報ランプが点灯する。
（２）計測間隔１０秒未満（１秒以外）の場合
位相差表示より設定秒前から位相差を毎秒監視し、３回連続で警報設定値以上となった場合、フリッカするとともに、警報鳴動し警報ランプが点灯する。
（３）計測間隔１０秒以上の場合
位相差表示より１０秒前から位相差を毎秒監視し、３回連続で警報設定値以上となった場合、フリッカするとともに、警報鳴動し警報ランプが点灯する。
【００２１】
位相差が接近設定範囲内に入った場合、フリッカするとともに、警報が断続的に鳴動し警報ランプが点灯する。
通信の遮断については、互いにデータ送信後、相手からの応答がないことを条件に、再送回数繰り返してもなお応答がない場合、フリッカするとともに、警報鳴動し警報ランプが点灯する。
電源の遮断については、計測中に停電した場合、フリッカするとともに、５秒後にシャットダウンし、２次電池により５秒間警報鳴動させる。５秒以内に警報停止ボタンを押すと警報鳴動停止となり、シャットダウンする。
無人計測時には、復電後に自動的に計測開始となる。ただし、２秒以内の場合は瞬間停電扱いとし、警報無発報とする。
ＧＰＳが正常に受信できない状況の場合、フリッカする。また、警報鳴動し警報ランプが点灯する。
ＣＦカードなどのメモリの未挿入および認識が失敗した場合、フリッカする。また、ＣＦカードなどのメモリの記録空き容量が不足および、ＣＦカードなどのメモリの不良の場合、フリッカする。なお、どちらの場合も計測は継続するが記録はできない。
【００２２】
警報発生時は、警報が鳴動するとともに警報ランプ点灯、警報種別ＬＥＤランプがフリッカする。
警報停止ボタン押下で警報鳴動停止となる。
フリッカ停止ボタン押下で警報ランプが消灯し、警報種別ＬＥＤランプのフリッカが点灯に変わる。以降、警報発生原因が解消されれば、自動的に警報種別ＬＥＤランプが消灯し、正常状態に復帰する。
無人計測時には、警報出力端子から無電圧接点（ＤＣ１００Ｖ用）で指令監視装置からの入力回路を開閉する。
表２に警報関係表示一覧を示す。
【００２３】
【表２】
【００２４】
各警報時の位相差表示について説明する。
警報については次の通りである。
警報発報時の位相差表示がフリッカし、フリッカ停止ボタンを押下でフリッカ停止となる。設定値未満となり警報解除となるまで保持し続け、フリッカ停止ボタンを押下中、最新表示となるものとする。
例：位相差１０°で警報発報→位相差１０°フリッカ表示
→フリッカ停止ボタン押下→位相差１０°表示がフリッカ停止→（１）または
（２）
（１）位相差が９°に変化した場合→位相差９°表示（以降、正常に更新開始）
（２）位相差１３°に変化した場合→（３）または（４）
（３）フリッカ停止ボタン押下しない→位相差１０°表示を保持
（４）フリッカ停止ボタン押下中→位相差１３°表示に更新
ただし、設定値は１０°とする。
接近のときには正常に更新される。
通信遮断時には−−−表示となる。位相差を算出するデータがないことによる。
電源遮断時は「警報」と同様である。
ＧＰＳについては通信遮断時と同様である。
ＣＦカードなどのメモリについては「接近」と同様である。
計測間隔、警報設定、接近設定などの各種設定の変更は、デジタルスイッチにより実現する。
【００２５】
図３にこの位相差計測システムの計測器のブロック図を示す。マスター、スレーブともに同様とする。
図３に示すように、この計測器では、ＧＰＳアンテナ１１によりＧＰＳ受信器１２が受信するＧＰＳ信号はＣＰＵ１３に送られる。このＧＰＳ信号から、時刻同期させた１ＰＰＳによる基本波形と時刻とが得られる。ＣＰＵ１３にはＤｏＰａ（登録商標）／無線パケット通信端末１４が接続され、このＤｏＰａ（登録商標）／無線パケット通信端末１４と接続されたアンテナ１５によりＤｏＰａ（登録商標）網を介して位相差の伝送が行われるようになっている。ＣＰＵ１３により計測部１６で位相差が計測される。ＣＰＵ１３には電源入力回路１７を介してリレー架またはコンセントから電源１００［Ｖ］が供給されるようになっている。また、ＣＰＵ１３により表示部１８および警報部１９が制御されるようになっている。ＣＰＵ１３はバッテリー２０でバックアップされている。ＧＰＳアンテナ１１およびアンテナ１５を除く構成要素の全体は筐体に収納されている。
【００２６】
この位相差計測システムにおけるデータ伝送の流れの一例を図４に示す。この例はマスターからスレーブへデータを送信する例である。図４に示すように、マスター２１のアンテナ１５からＧＰＳの１ＰＰＳ基本波形および計測電圧の位相差をＤｏＰａ（登録商標）網２２に伝送し、アンテナ１５により受信したこれらのデータをスレーブ２３で比較して位相差を表示する。この位相差計測システムの使用者のサーバ２４はＬＡＮ２５を介して専用線によりＤｏＰａ（登録商標）網２２と接続されている。
なお、スレーブ２３も同様にマスター２１に送信を行う。
【００２７】
次に、この位相差計測システムおよび位相差計測方法を鉄道沿線の自動信号高圧配電線路（ＳＨＴ）の１回線区間において配電線路が故障したときに、故障点への電源供給を行うことを可能とする方法について説明する。
鉄道沿線のＳＨＴは、最重要負荷である信号設備などへの電力供給を行っている。これまで、ＳＨＴ１回線区間において配電線路の地絡、短絡などの故障時には、故障点を区分するため、常用配電室側電源（常用電源）と予備配電室側電源（予備電源）とをオーバーラップ設備を設けた箇所で電源突き合わせを行っている。図５Ａに示すように、ＳＨＴが正常な場合には、定位側配電室であるＡ配電室から反位側配電室であるＢ配電室に電源供給が行われるが、図５Ｂに示すように、ＳＨＴ１回線区間で故障が発生した場合、故障点を系統から切り離すことでＡ配電室とＢ配電室とから電源を供給すること（「異電源突き合わせ」と呼ぶ）は可能であるものの、信号異現示（信号が正しく表示されないこと）の可能性があることから行われていない。
【００２８】
しかしながら、本発明者らは、常用電源と予備電源とを受電点で電力会社から供給される電源の位相と極性を合わせておくことにより、オーバーラップ設備を設けない箇所でも異電源突き合わせを行い、常用閉そくを確保できる可能性を見出し、この方式の実現に向けて各種の計測・検証を行った。その結果について説明する。
〈異電源突き合わせ時の正常な信号現示の条件〉
上述のように、異電源突き合わせを行った場合には、信号異現示の危険性がある。そこで異電源でも正常な信号現示とすることができないか検討した結果、次の条件が満たされる必要があることがわかった。この条件は、ＳＨＴ系統内のいかなる地点で異電源を突き合わせても、突き合わせた箇所における常用電源と予備電源との位相差が許容範囲内に保たれていること、である。ここで、「許容範囲内の位相差」とは、信号現示を決定するリレー特性から安全率を考慮して、両電源の電圧位相差が±１０°以内と設定した。
【００２９】
〈各配電室の電源同期状態の調査〉
この研究を行うにあたり、故障発生時に列車への影響が大きい函館配電室〜鷲別変電所を試験区間として選定した。試験区間の設備配置とＳＨＴ系統を図６に、計測結果を図７ＡおよびＢに示す。
図７Ａに示す計測結果から、大沼配電室以外の各配電室電源は６０°の整数倍であることが判明した。これらを統一することで大まかな同期が取れることが推測された。大沼配電室については、電力会社のＹ−Δ巻線三相変圧器が設備されていることにより他の配電室とは３０°位相差が発生することが判明した。
【００３０】
〈位相調整の実施と実設備での信号現示の検証〉
上述のことより、大沼配電室にΔ−Ｙ巻線三相変圧器を設備し他の配電室との同期を取ることとし、他配電室では受電点の結線振替による位相・極性の調整を行った。位相調整後の各配電室の電源位相差は図７Ｂに示すように１〜２°程度となり、推測通り「位相差±１０°以内の位相差」を満たす結果を得ることができた。この結果を基に定位配電時と異電源突き合わせ時の信号現示の確認を実際の軌道回路にて行った。結果を表３に示す。表３に示すように、軌道リレーにおける各電圧値、位相差ともにほぼ変化はなく、信号現示も正常であった。
【００３１】
【表３】
【００３２】
〈位相差変化の長期監視と結果〉
これまで述べてきた検証結果は全て「ある瞬間」での状態であり、位相差は時間とともに変化する。このため、予備側配電室にて位相差の常時監視を行った。洞爺配電室での位相差変化計測結果のうち、特に変化量の大きいものを表４に示す。
【００３３】
【表４】
【００３４】
〈監視方法の位相差計測原理〉
図８に示すように、ＧＰＳとＤｏＰａ（登録商標）とを利用したこの一実施形態による位相差計測システムおよび位相差計測方法による監視方法を用いた。
既に述べたように、一般的には、位相差を計測するためには、あらかじめ基準とする波形を決めておき、時間軸上のずれを計測する必要がある。しかしながら、いま考えている場合では、２地点間を電気的に接続せずに計測することから、一方の波形を基準として位相差を求めることはできない。従って、２地点間にある共通の基準点を設けることが必要となる。また、５０Ｈｚの波形情報を比較するためには、双方のシステムがμｓｅｃオーダーで時刻同期が取れていることが必須条件と言える。そこで、この２つの問題を解消するためにＧＰＳの正確な時刻情報を利用することとした。
【００３５】
具体的な計測処理の方法について説明する。まず、図９に示すＧＰＳの１［ＰＰＳ］を基準として、２つの計測点（Ａ点、Ｂ点）各々で電圧波形との比較を行う。この時、ＧＰＳのパルスに最も近い電圧波形の立ち上がりゼロクロス時刻までの時間を計測する（図１０参照）。
計測間隔はユーザー側で設定することができるが、その間隔に応じた計測データが蓄積された段階で、他方とＤｏＰａ（登録商標）を用いて送受信を行う。これを各計測器内で同一時刻のデータ毎に比較を行うことで、Ａ点とＢ点間における電圧波形の時間差を求める。
以上の処理により得られた時間差を、次式に示す変換式に代入することで位相差を求めることができる。
３６０［°］÷１［ｓｅｃ］÷使用周波数［Ｈｚ］×計測器間時間差＝計測器間位相差［°］
【００３６】
〈原理確認試験〉
これまで述べてきた方法の実用性を検証するために確認用の装置を試作し、原理確認試験を行った。ここでは離れた２点でのＧＰＳの時刻同期の精度など、位相差の計測誤差を確認した。位相差の演算は電力会社の商用電源の周波数が５０Ｈｚであることを前提にしているため、周波数の誤差も位相差誤差に直結する要因の一つである。電力会社で保証する周波数誤差±１Ｈｚを加味した試験でも、位相差の計測誤差は最大０．１°程度という結果が得られた。
【００３７】
〈まとめ〉
（１）各配電室で相と極性とを一致させることで、ＳＨＴ故障時には異電源突き合わせにより正常な信号現示が確保できることを検証できた。
（２）（１）の運用時は常用電源と予備電源との同期状態を監視する必要がある。
（３）電気的に接続のない２点間での位相差を計測・監視する手法を確立した。
【００３８】
以上のように、この一実施形態による位相差計測システムおよび位相差計測方法によれば、ＧＰＳ信号により互いに時刻同期させた基準波形とＧＰＳ信号から取得された時刻とを用い、２地点でそれぞれ同一時刻に、基準波形の立ち上がりと電源電圧などの交流電気量の立ち上がりゼロクロスとの時間差を計測し、これらの時間差の差から演算することによりその２地点間の交流電気量の位相差を求めるようにしているので、この２地点の交流電気量の周波数が変動する場合であっても、この２地点間の交流電気量の位相差をこれらの２地点間を互いに電気的に接続しないでも正確に計測することができる。
【００３９】
以上、この発明の一実施形態および実施例について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施形態および実施例に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。例えば、上述の実施形態および実施例において挙げた仕様、数値、構成、機能などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれらと異なる仕様、数値、構成、機能などを用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】この発明の一実施形態による位相差計測システムおよび位相差計測方法の原理を説明するための略線図である。
【図２】この発明の一実施形態による位相差計測システムおよび位相差計測方法の原理を説明するための略線図である。
【図３】この発明の一実施形態による位相差計測システムの構成の具体例を示すブロック図である。
【図４】この発明の一実施形態による位相差計測システムのデータ伝送の具体例を示すブロック図である。
【図５】鉄道沿線の自動信号高圧配電線路の運用系統を示す略線図である。
【図６】配電室の配置および自動信号高圧配電線路の一例を示す略線図である。
【図７】図６に示す配電室の配置および自動信号高圧配電線路について各配電室の電源同期状態の調査を行った結果を示す位相調整前および位相調整後の位相差ベクトル図である。
【図８】この発明の一実施形態による位相差計測システムによる自動信号高圧配電線路の位相差監視方法を説明するための略線図である。
【図９】この発明の一実施形態による位相差計測システムによる自動信号高圧配電線路の位相差監視方法において用いる基準波形を示す略線図である。
【図１０】この発明の一実施形態による位相差計測システムによる自動信号高圧配電線路の位相差監視方法で実際に計測された位相差を示す略線図である。
【図１１】従来の位相計による位相差計測方法を説明するための略線図である。
【図１２】従来の位相計による位相差計測方法の問題点を説明するための略線図である。
【符号の説明】
【００４１】
１１…ＧＰＳアンテナ、１２…ＧＰＳ受信機、１３…ＣＰＵ、１４…ＤｏＰａ（登録商標）／無線パケット通信端末、１５…アンテナ、１６…計測部、１７…電源入力回路、１８…表示部、１９…警報部、２０…バッテリー
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに離れた２点間の交流電気量の位相差を計測する位相差計測システムであって、
上記２点でそれぞれ同一時刻に、互いに時刻同期させた基準波形の立ち上がりと上記交流電気量の立ち上がりゼロクロスとの時間差を計測し、これらの時間差の差から演算することにより上記２点間の交流電気量の位相差を求めるようにしたことを特徴とする位相差計測システム。
【請求項２】
上記２点の上記基準波形はＧＰＳ信号により互いに時刻同期させたものであり、上記時刻はＧＰＳ信号から取得した時刻であることを特徴とする請求項１記載の位相差計測システム。
【請求項３】
上記２点にそれぞれ位相の計測器が設けられ、これらの計測器でそれぞれ同一時刻に、互いに時刻同期させた基準波形の立ち上がりと上記交流電気量の立ち上がりゼロクロスとの時間差を計測して保存し、これらの時間差のデータを上記計測器間で相互に伝送して同一時刻の上記２点間の時間差の差から演算することにより上記２点間の上記交流電気量の位相差を求めるようにしたことを特徴とする請求項１または２記載の位相差計測システム。
【請求項４】
上記交流電気量は電圧または電流であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の位相差計測システム。
【請求項５】
上記２点は鉄道沿線の自動信号高圧配電線路の１回線区間の２地点であり、上記交流電気量は上記２地点のそれぞれ外方に設けられた配電室から供給される電源電圧であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の位相差計測システム。
【請求項６】
互いに離れた２点間の交流電気量の位相差を計測する位相差計測方法であって、
上記２点でそれぞれ同一時刻に、互いに時刻同期させた基準波形の立ち上がりと上記交流電気量の立ち上がりゼロクロスとの時間差を計測し、これらの時間差の差から演算することにより上記２点間の交流電気量の位相差を求めるようにしたことを特徴とする位相差計測方法。
【請求項１】
互いに離れた２点間の交流電気量の位相差を計測する位相差計測システムであって、
上記２点でそれぞれ同一時刻に、互いに時刻同期させた基準波形の立ち上がりと上記交流電気量の立ち上がりゼロクロスとの時間差を計測し、これらの時間差の差から演算することにより上記２点間の交流電気量の位相差を求めるようにしたことを特徴とする位相差計測システム。
【請求項２】
上記２点の上記基準波形はＧＰＳ信号により互いに時刻同期させたものであり、上記時刻はＧＰＳ信号から取得した時刻であることを特徴とする請求項１記載の位相差計測システム。
【請求項３】
上記２点にそれぞれ位相の計測器が設けられ、これらの計測器でそれぞれ同一時刻に、互いに時刻同期させた基準波形の立ち上がりと上記交流電気量の立ち上がりゼロクロスとの時間差を計測して保存し、これらの時間差のデータを上記計測器間で相互に伝送して同一時刻の上記２点間の時間差の差から演算することにより上記２点間の上記交流電気量の位相差を求めるようにしたことを特徴とする請求項１または２記載の位相差計測システム。
【請求項４】
上記交流電気量は電圧または電流であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の位相差計測システム。
【請求項５】
上記２点は鉄道沿線の自動信号高圧配電線路の１回線区間の２地点であり、上記交流電気量は上記２地点のそれぞれ外方に設けられた配電室から供給される電源電圧であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の位相差計測システム。
【請求項６】
互いに離れた２点間の交流電気量の位相差を計測する位相差計測方法であって、
上記２点でそれぞれ同一時刻に、互いに時刻同期させた基準波形の立ち上がりと上記交流電気量の立ち上がりゼロクロスとの時間差を計測し、これらの時間差の差から演算することにより上記２点間の交流電気量の位相差を求めるようにしたことを特徴とする位相差計測方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００８−２４９４７２（Ｐ２００８−２４９４７２Ａ）
【公開日】平成２０年１０月１６日（２００８．１０．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−９０８４４（Ｐ２００７−９０８４４）
【出願日】平成１９年３月３０日（２００７．３．３０）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 平成１９年２月２日 社団法人 日本鉄道電気技術協会発行の「第２０回鉄道電気テクニカルフォーラム論文集」に発表
【出願人】（５９０００３８２５）北海道旅客鉄道株式会社 (94)
【出願人】（５９９１４２５９０）北海道ジェイ・アール・サイバネット株式会社 (14)
【出願人】（５９１１２８２１３）株式会社前田電機製作所 (1)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１０月１６日（２００８．１０．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年３月３０日（２００７．３．３０）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 平成１９年２月２日 社団法人 日本鉄道電気技術協会発行の「第２０回鉄道電気テクニカルフォーラム論文集」に発表
【出願人】（５９０００３８２５）北海道旅客鉄道株式会社 (94)
【出願人】（５９９１４２５９０）北海道ジェイ・アール・サイバネット株式会社 (14)
【出願人】（５９１１２８２１３）株式会社前田電機製作所 (1)
【Ｆターム（参考）】
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