電源の時差測定結果のオフセット拡大とその対策

◆まえがき

電源周波数モニタ(50Hz)の時差測定結果にオフセットが目立つようになってきたので、原因の調査と対策を行いました。

◆時差測定結果の状況

2022年の8月の終わり頃からGPSの1PPSパルスを基準とした時差測定を開始しました。快調に動いていると思っていたのですが、最近の時差の平均値が+2秒付近になっていて負の値になることはめったに無くなっていました。本来ならゼロを中心に正負に振れていて欲しいのでちょっと残念な状況です。

時差の値がゼロの状態は電力会社の中の人にしか判らないので、相対的な変化が判ればとりあえずは良いのですが、それでも徐々に値が上にずれていくのはやっぱりまずいです。

・時差の測定値の変化

グラフがギザギザしているのは電源の需給状況を反映していて、矢印で示すような大きなピークは周波数の変動の時間が長かったことを表わしています。

測定開始から10月中旬あたりまでは、ばらつきの中心はほぼ一定で、10月10日時点の分析では、平均値は+0.5Hz付近にありました。

10月23日以降は中心値が僅かに右上がりの傾向に変わっていて、直近では+2Hzも中心値が上にズレていることが判ります。140日で平均値が1.5秒増加していますが、これを周波数の精度に換算すると 4E-8 の誤差に過ぎません。でもGPSがこんなにズレていることは考えられないし、東京電力の実力がこの程度である訳は無いので、うちの測定系に何か問題がありそうです。

◆調査

GPSモジュールの位置を変えたりしていると、1PPSの確認LEDが激しく点滅することがありました。このGPSモジュールは衛星をロストしたらすぐに判る様に、1PPS信号を8PPSで出力するように設定しています。つまり、衛星をロストしていたようです。簡単にロストすることは無いと思っていたのですが、たまたま衛星の位置が悪かった？あるいは感度劣化があるのかも知れません。

8PPSで信号が出るとソフト側は無視するようになっているので時差変化無しと見なす、つまり同じ時差の値が報告されるはずです。だったら値が変化しなかった回数をカウントしてグラフで確認してみました。

・変化ゼロの回数の変化

普通に測定していても時差の値が変化しない場合もあるので右上がりのグラフになります。ただ赤矢印のタイミングで明らかに変化が認められます。つまりこのタイミングで衛星をロストしていた可能性があります。

10月半ばから異常が始まっていることから思い当たるのが、窓に付いている虫よけ網のアルミサッシの位置です。気温が下がったことで窓の開け方が変わり、防虫ネットの位置変わったためにGPSのアンテナの視界を遮るようになった可能性がありそうです。

細かい話になりますが、8PPSで信号が来るとソフトで異常を検出して測定を行わない仕掛けになっています。つまりそれだけでは時差が増えたり減ったりはしないはずです。ただその切り替えのタイミングでは不正確な1PPS信号が出来てしまうので、その影響を受けてプラス側に誤差が出易くなるメカニズムが存在しているのだと推定しています。

◆対策

GPSモジュールを窓に貼り付ける位置を少し内側に移動しました。そのままではモジュールのケースにぶつかって窓が全開出来なくなるので、ケースを薄型の物に作り直しました。なおここは普段はカーテンの影になるので目立たない位置です。

・網戸の枠の干渉

この位置に網戸が来るとGPSアンテナを遮っちゃうのですが、そういう使い方はしないので気にしないことにしました。

◆測定系をリセット

対策が出来たので測定系をリセットしました。リセット直前の前の時差は+1.66秒だったのがゼロになりました。つまり、2023年1月10日 9:30の時点で測定結果には-1.66秒のオフセットがかかったことになります。

なお、リセットは商用電源とUTCの時差が少ない時に行った方が測定結果のオフセットが小さくなって好都合です。実は、休日明けの火曜日の朝の8時から10時はこれまでの経験からUTCに対する商用電源の時差が少ないことが判っているので、このタイミングを狙ってリセットを行いました。

・リセット後

本体に表示されている時差の値もゼロになりましたが、すぐに値は変化します。

◆まとめ

完全な対策にはなっていない可能性があるのですが、とりあえずこの状態で様子を見たいと思います。

予備として屋外にアンテナを設置出来るタイプのGPSモジュールを入手しておこうと思います。ただ、数年ぶりにAliExpressでGPSモジュールを探すとずいぶん値段が高くなっていて、「外れでも良いから買っちゃえー」なんて気楽に注文出せない値段になっていました。だんだん遊び難い世の中になってきて困ったものです。