JP2011200100A - 保護リレーシステム及び保護リレー装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＩＥＥＥ１５８８技術と保護リレー技術の両者を結び付けに活用する際に、同期のタイミングを制御し、パケットの衝突といった障害なく精度の高いサンプリング同期を実現する保護リレーシステム及び保護リレー装置を提供することを目的とする。
【解決手段】電力系統から所定の電気角毎に系統電流情報をサンプリングするユニットを電力系統の各端子に備え、各ユニット間で伝送された前記系統電流情報から電力系統の事故を検出するリレー演算を行う保護リレーシステムにおいて、複数の前記ユニットは、前記所定の電気角の期間を伝送の対象となるデータごとに複数のスロットに分割し、該複数のスロットには少なくとも、前記系統電流情報を前記複数のユニット間で伝送される第１のスロットと、前記サンプリング時刻の同期信号が伝送される第２のスロットと、が含まれることを特徴とする保護リレーシステム。
【選択図】 図１

Description

本発明は、伝送を用いた保護リレーシステム及び保護リレー装置に関する。

電力系統に発生する故障、いわゆる短絡，地絡故障等に対しては、電力系統を形成する送電線，変圧器，母線，発電機といった要素ごとに設置された保護リレー装置が、その守備範囲内に発生した故障に対して動作し、当該の故障点を含む区間を遮断器の引き外しにより、残りの健全な電力系統から切り離しすることで、故障の除去が行われている。このような電力系統の保護リレー装置の技術分野では、複数地点の同じ時刻の電気量情報を参照する必要性があるため、各地点の電気量のサンプリング時刻を同期化する必要がある。

この同期化の方法として、例えば特許文献１に記載の方法がある。この特許文献１では、電気量情報に送信時刻が含まれる伝送フレームを保護リレー装置間で送受信し、該フレームの送信時刻および受信時刻からずれを算出し同期を行う方法が開示されている。

特開２００７−３０６７３９号公報

IEEE Std 1588-2002，"IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems"

一方、伝送を介して基準時間源と時刻情報を交換し各ローカルクロックを同期化する方法として、非特許文献１に規定された時刻同期化プロトコルが知られている。非特許文献１で知られたＩＥＥＥ１５８８は、ナノ秒単位の時刻を扱い、ナノ秒単位の同期が可能な技術である。ＩＥＥＥ１５８８では、時刻情報を交換することで、ローカルクロックと基準時間源の間の伝送遅延と、相対的な時間差を示す時刻ずれを求めることができる。

ＩＥＥＥ１５８８の規格では、下記に示す事項等が定められている。
（ａ）基準時間源をマスタ、マスタに時刻を合わせる側をスレーブと呼ぶ。
（ｂ）マスタからスレーブへＳｙｎｃ、マスタからスレーブへFollow Up、スレーブからマスタへDelay Req、マスタからスレーブへDelay Respの４種類の同期化フレームをやりとりする。
（ｃ）Syncの送信時刻ｔ１，Syncの受信時刻ｔ２，Delay Reqの送信時刻ｔ３，Delay Reqの受信時刻ｔ４を採取する。
（ｄ）ｔ１〜ｔ４を用いると、以下の数式（１）で伝送遅延ｔ、数式（２）でスレーブから見たマスタの時刻ずれｄを計算できる。
〔数１〕
ｔ＝｛（ｔ４−ｔ３）＋（ｔ２−ｔ１）｝／２ （１）
〔数２〕
ｄ＝｛（ｔ４−ｔ３）−（ｔ２−ｔ１）｝／２ （２）
（ｅ）送信時刻，受信時刻は、プリアンブル終了とデータ開始を示すＳＦＤ（スタートフレームデリミタ）の時点とする。

ここで、ＩＥＥＥ１５８８の通信技術を、実用的な形で保護リレー装置に適用することを検討すると幾つかの解決すべき課題がある。例えば特許文献１に記載の方法に適用した場合、保護リレー装置としての機能を果たすため伝送情報、例えば電気量情報に同期信号を付して伝送しているため、ＩＥＥＥ１５８８のように同期に複数の信号が必要な場合には同期が遅延したり、同期のタイミングが煩雑となってしまう。また、これら複数の伝送情報のパケットの衝突といった事態を生じてしまう可能性がある。

上記のような課題を解決するために本発明においては、ＩＥＥＥ１５８８技術と保護リレー技術の両者を結び付けに活用する際に、同期のタイミングを制御し、パケットの衝突といった障害なく精度の高いサンプリング同期を実現する保護リレーシステム及び保護リレー装置を提供することを目的とする。

上記課題は、電力系統から所定の電気角毎に系統電流情報をサンプリングするユニットが電力系統の各端子に備えられ、各ユニット間で伝送された前記系統電流情報から電力系統の事故を検出するリレー演算を行う保護リレーシステムにおいて、複数の前記ユニットは、前記所定の電気角の期間を伝送の対象となるデータごとに複数のスロットに分割し、該複数のスロットには少なくとも、前記系統電流情報を前記複数のユニット間で伝送される第１のスロットと、前記サンプリング時刻の同期信号が伝送される第２のスロットと、が含まれることを特徴とする保護リレーシステムによって解決される。

本発明によれば、ＩＥＥＥ１５８８技術を用いて保護リレー技術の両者を結び付けに活用するに際し、同期のタイミングを制御し、パケットの衝突といった障害なく精度の高いサンプリング同期を実現することができる。

４端子送電系統に本発明装置を適用した場合の全体構成を示す図。 マスタユニットＭの構成例を示す図。 スレーブユニットＳＢの構成例を示す図。 マスタユニットＭ，スレーブユニットＳＢ，伝送路間の動作を示すタイムチャートを示す図。 大きな同期ずれが発生した際の、マスタユニットＭ，スレーブユニットＳＢ，伝送路間の動作を示すタイムチャートを示す図。 パケット通信にて送受信する場合のサンプリング同期方式について説明する図。 大きな同期ずれ発生情報を包含するパケットの構成。 時刻同期を図る時刻同期部２８０の構成例を示す図。 周期生成部２９０の構成例を示す図。 周期生成部２９０の動作を示すタイムチャートを示す図。

以下、本発明の実施例について図を用いて説明する。

本発明の保護リレー装置は、伝送を利用して保護対象である機器あるいは送電系統を保護するものに適用できるが、具体的には差動原理により保護を行うディジタル差動保護リレー装置に適用するのが良い。特に、電気量計測点が距離的に遠方にあり、かつ装置数が多い場合に、本発明の効果がより大きいと考えられることから、ここでは図１の多端子送電系統に本発明装置を適用する場合について説明する。

図１は、４端子送電系統に本発明装置を適用した場合の全体構成を示している。この送電系統は、４つの端子Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ間に設けられた３つの送電線Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３からなる。各端子Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄには、遮断器ＣＢと変流器ＣＴが設けられている。そして、変流器ＣＴにより、各端子での電流が検出され、遮断器ＣＢに対して投入あるいは引きはずし指令信号が与えられる。

端子Ａには、マスタユニットＭが設置され、端子Ｂ，Ｃ，ＤにはスレーブユニットＳが設置される。マスタユニットＭと、スレーブユニットＳＢ，ＳＣ，ＳＤの間には、伝送路１６１，１６２，１６３が設けられている。この伝送路は、高価な専用の伝送回線ではなく、イーサネット（登録商標）等の安価な高速汎用伝送を用い、かつリアルタイムＯＳによるパケット送信制御とする。

各端子のユニットでは、その端子での電流Ｉと遮断器ＣＢの接点情報Ｘを取り込み、さらにスレーブユニットＳＢ，ＳＣ，ＳＤでは、これらの情報を、伝送路１６１，１６２，１６３を介してマスタユニットＭに送信する。マスタユニットＭでは、各端子からの電流情報Ｉを用いて差動演算を実施し、最終的に各ユニットから各端子の遮断器に対して引きはずし指令Ｘを与える。なお、図１では表記の都合上、接点情報も引きはずし指令も記号Ｘで表している。

このように、マスタ／スレーブユニットを送電線の各端子に対応させて配置し、その間を上記伝送路で接続することで送電線保護用の電流差動保護リレー装置を構成することが可能となる。

ここで、端子Ａのユニットをマスタと呼び、他の端子のユニットをスレーブと呼称するのには２つの意味がある。ひとつの意味は、ＩＥＥＥ１５８８の規格に合わせて時刻信号を送出する側（マスタ）と、これを受信して時刻修正する側（スレーブ）を表しているということである。

もう１つの理由は、後で図４を用いてスロット処理について説明するが、この説明を簡便に行うためには、端子Ａのみが保護リレー演算を行い、他の端子はその判断に従い転送遮断を行う実施例とするのがもっとも適していたことによる。このときの各端子の関係がマスタ／スレーブと呼ぶに相応しいものであった。従って、全ての端子で相互に電流情報を交換し合い、それぞれで事故判定するように構成することも本発明では可能であり、この場合に、この理由だけであれば、マスタ／スレーブと呼ぶのは適切ではない。

なお、スレーブユニットＳＢには、表示部１５０が備えられており、ここへ表示情報１５１を出力し、表示部１５０はその表示情報１５１に基づき、様々な情報を人間が認識できる形で表示させる。表示部１５０は、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）等を用いた基板で実現してもよいし、表示情報１５１をＨＴＭＬのファイルとし、表示部１５０はパソコンとして、汎用のｗｅｂブラウザで表示させるような形でも可能である。これらの表示部１５０は、適宜他のユニットにも設けることができる。

次に、図６を用いて、パケット通信にて送受信する場合のサンプリング同期方式について説明する。図６は、マスタユニットＭとスレーブユニットＳの２端子の構成のサンプリング同期について記載しているものである。この図は、下向きに時間が経過していくタイムチャートとなっている。この同期方式は、ＩＥＥＥ１５８８にて規定されている手法であり、動作の説明については概要を述べるに留める。

まず、マスタユニットＭはスレーブユニットＳに対して同期制御するための送信パケット６１（通常、Syncと称する）を送信する。引き続き、マスタユニットＭはスレーブユニットＳに対して上記信号６１（Sync）を送出した時刻データｔ２ｔ１を、次の送信パケット６２（通常、Follow Upと称する）に含めて送信する。一方、スレーブユニットＳは、最初の送信パケット６１（Sync）を受信した時刻ｔ１ｔ２を確認し、次の送信パケット４ｄ６２（Follow Up）内の送信時刻データｔ２ｔ１を取り出す。

次に、スレーブユニットＳはマスタユニットＭに対して同期制御するために、送信パケット６３（通常Delay Requestと称する）を送信する。この際に、スレーブユニットＳは送信した時刻ｔ３を取得する。次に、マスタユニットＭは、送信パケット６３（Dlay Request）を受信した時刻ｔ４を、次の送信パケット６４（通常Delay Responseと称する）に乗せてスレーブユニットＳへ送信する。

これらの一連の動作により、スレーブユニットＳは、ｔ１〜ｔ４の時刻データを取得することができ、この時刻データから、先に説明した数式（１），数式（２）に示す演算により、マスタユニットＭとスレーブユニットＳ間のサンプリングタイミングのずれを補正するためのデータである、遅延時間ｔとオフセット時間とｄとを得ることができる。

上記数式（１），数式（２）より、遅延時間ｔを０に近づけるように制御することで、スレーブユニットＳはマスタユニットＭに対してサンプリング時刻が同一となるように制御できる。このように、定期的に通信の遅延時間を計測するパケットを送受することで可能である。なお、当然ながら、サンプリング同期制御の状態については、上記遅延時間ｔを常時監視する必要があり、例えば、このオフセットが１μｓ以下であることを監視することで電流差動演算に及ぼす影響を把握し、必要であれば装置ロックさせる。

図２は、マスタユニットＭの構成例を示す。マスタユニットＭは、ＣＰＵ２１０，接点制御部２２０，Ａ／Ｄ変換部２３０，プロトコル制御部２４０，受信部２５１，２５２，２５３，送信部２６０，物理層２７１，２７２，２７３，時刻同期部２８０，周期生成部２９０からなる。

Ａ／Ｄ変換部２３０は、端子Ａの変流器ＣＴから得た端子電流ＩＡを入力し、これをサンプリングしてディジタル電気量データに変換する。また、接点制御部２２０は、端子Ａの遮断器ＣＢの接点状態情報Ｘを入力する。これらディジタル電気量データ，接点状態情報は、ＣＰＵバス２１１を通じてＣＰＵ２１０とやりとりされ、さらにプロトコル制御部２４０に渡される。

プロトコル制御部２４０は、各種フレームのデータ構造を作成し、送信部２６０に送信プロトコルデータ２４１を出力し、また受信部２５１，２５２，２５３から受信プロトコルデータ２５４，２５５，２５６を入力する。なお、受信部２５１，２５２，２５３は、それぞれスレーブユニットＳＢ，ＳＣ，ＳＤからの信号の受信部である。

送信部２６０は、物理層２７１，２７２，２７３を介して、スレーブユニットＳＢ，ＳＣ，ＳＤへ送信データ２６１を出力し、受信部２５１，２５２，２５３はスレーブユニットＳＢ，ＳＣ，ＳＤからの受信データ２７４，２７５，２７６を入力する。物理層２７１，２７２，２７３は、伝送可能な電気信号へ変換等を行い、伝送路１６１，１６２，１６３を通じて伝送を行う。

時刻同期部２８０は、具体的な回路構成についてはあとで図９を用いて説明するが、マスタユニットＭの時刻同期部２８０は、自己発振して信号２８１を与えればよく、一般には電力系統の交流電気量の周波数の倍数で定まる自己発振を行うものとされることが多い。

周期生成部２９０は、時刻同期部２８０からの信号２８１を用いて周期開始信号２９１を生成し、Ａ／Ｄ変換部２３０のサンプリングのタイミングを決める。

図３は、図２のスレーブユニットＳＢの構成例を示す。スレーブユニットＳＢには、図１のマスタユニットＭと比較して、時刻同期部２８０と、ＣＰＵバス２１１から表示情報１５１を出力するパスが追加されている点が異なっているが、それ以外は同じである。図２のスレーブユニットＳＣ，ＳＤもスレーブユニットＳＢと同様の構成となる。

図３のスレーブユニットＳＢにおいて、時刻同期部２８０は、受信部２５１から受信タイミング２５９，送信部２６０から送信タイミング２６２を入力し、プロトコル制御部２４０からプロトコル情報２４２を入力する。それらに基づいてＩＥＥＥ１５８８で定義された同期パケットの受信時刻，送信時刻を作成／保持し、そこからＩＥＥＥ１５８８で定義された数式（１），数式（２）の計算に従って、伝送遅延ｔとマスタユニットとスレーブユニットの時刻ずれｄを計算する。伝送遅延ｔ，時刻ずれｄは、ＣＰＵバス２１１に接続され、ＣＰＵ２１０で読み出すことが可能となる。

また時刻同期部２８０は、現在時刻２８１を作成し、周期生成部２９０に与える。このように、図２に示すマスタユニットの周期生成部２９０は自己内で決定した周期での発振を行ってサンプリングタイミングを決定し、図３に示すスレーブユニットの周期生成部２９０は時刻同期部２８０の与える現在時刻２８１に従って、サンプリングタイミングを決定する。さらに、時刻同期部２８０は伝送遅延ｔとマスタユニットとスレーブユニットの時刻ずれｄを反映した現在時刻２８１を作成しているので、結果的にはサンプリングタイミングの同期化が実現される。

なお、受信タイミング２５９，送信タイミング２６２は，ＩＥＥＥ１５８８で定義されたプリアンブル終了とデータ開始を示すＳＦＤ（スタートフレームデリミタ）のタイミングを示すものである。

このように、本発明の適用される保護対象と各端子が備える装置の一例を図１に、またマスタユニットＭの構成例を図２に、スレーブユニットＳＢの構成例を図３に示している。これら装置を使用して、本発明では計測した電気量などを伝送し、保護リレー演算を実行し、遮断器の引き外しを指令するわけであるが、この間の時系列的な処理について図４を用いて説明する。

図４は、本発明装置の全体の動作を示すタイムチャートである。このタイムチャートでは、横軸に電力系統の交流電気量の電気角６０度を、１６スロットに分割した時間期間を記載している。なお、これらのスロットを、それぞれスロット０からスロット１５と呼ぶことにする。なお、電気角６０度は、５０Ｈｚ系では３.３３３ミリ秒、６０Ｈｚ系では２.７７７ミリ秒なので、単位のスロット長はその１６分の１という長さである。５０Ｈｚ系では２００.８２０８.３マイクロ秒、６０Ｈｚ系１７３.６マイクロ秒になる。

同図縦軸には、マスタユニットＭ内の各部，伝送路１６１，スレーブユニットＳＢ内の各部を示しており、この結果図４によれば、各スロットのときに通信システム全体として、どこがどういう働きをしているのかが理解できる。なお、この図では、スレーブユニットを代表してスレーブユニットＳＢの動作のみを示しているが、他のスレーブユニットＳＣ，ＳＤが、スレーブユニットＳＢと同じ時刻に同じように動作していることはいうまでもない。

図４の各スロットでの動作説明を行うにあたり、ここには保護リレー装置としての保護リレー機能部分と、保護リレー装置で必要とする電流情報などが伝送により収集される情報収集機能部分と、伝送によりサンプリング同期化を図る同期化機能部分とがあり、図４に表記されているので、以下この機能の順序に従い、説明する。

まず、保護リレー機能部分についてみると、この図によれば、マスタユニットＭと、スレーブユニットＳＢのＡ／Ｄ変換部２３０では、スロット１からスロット７の期間、およびスロット９からスロット１５の期間で、Ａ／Ｄ変換を実施する。また、この図には記載していないがこの期間の先頭で、電力系統の電流のサンプリングが実施されている。

マスタユニットＭと、スレーブユニットＳＢのＣＰＵ２１０は、スロット１からスロット７の期間で変換したディジタル電気量値はスロット８で、またスロット９からスロット１５の期間で変換したディジタル電気量値は、次の周期のスロット０で、Ａ／Ｄ変換部２３０からＣＰＵ２１０への読み出し処理を行う。

このディジタル電気量値を用いて、それぞれのＣＰＵ２１０では、続く３スロット（スロット１−３、またはスロット９−１１）でフィルタ演算を実施する。ここまでの双方のＣＰＵ２１０の動きは同じであるが、更に続く３スロット（スロット４−６またはスロット１２−１４）で、マスタユニットＭのＣＰＵ２１０が保護リレー演算を行うのに対し、スレーブユニットＳＢのＣＰＵ２１０はこの保護リレー演算を実施しない。以降、双方のＣＰＵ２１０は、８スロットごとに、この繰り返し処理を実行する。

以上が、図４において説明を行いたい機能部分のうち保護リレー機能部分のものである。この状態では保護リレー装置が差動原理演算を行う上で必要とする他端子電流などの情報が、マスタユニットＭに供給されていない。あくまでも、自端子での検出電流がそのユニット内に得られたことを説明したのみである。

このため、次に、保護リレー装置で必要とする電流情報などが伝送により収集される情報収集機能部分について説明する。この場合に、必要な情報は、各端子での検出電流Ｉと、各端子遮断器ＣＢの接点情報Ｘであるが、異なるタイムスロットで処理されるので、以下この順番に従い順次説明する。

なお、以下の説明で明らかになることであるが、スレーブユニットＳでは電流情報収集と、フィルタ演算後のマスタユニットＭへのデータ提供を行い、マスタユニットＭでの保護リレー演算の結果を受け入れて遮断器操作を行う。

以下、情報収集機能部分のうち、電流情報の流れについて説明を行う。図４では、電流情報の流れをパスＰ１として示している。この段階では電流情報は、フィルタ演算された値として保持されており、まずスレーブユニットＳＢのＣＰＵ２１０は、スロット１−３のフィルタ演算期間後のスロット５で、プロトコル制御部２４０に、フィルタ演算結果を渡す。

スレーブユニットＳＢのプロトコル制御部２４０にシフトされたフィルタ演算結果は、スロット９と１０でスレーブユニットＳＢの送信部２６０を経て、伝送路１６１でアナログ値伝送される。マスタユニットＭの受信部２５１では、このタイミングのスロット９と１０でスレーブユニットＳＢからのフィルタ演算結果を受信する。マスタユニットＭの受信部２５１に受信されたアナログ値伝送は、そのプロトコル制御部２４０を経て、次の周期のスロット０でマスタユニットＭのＣＰＵ２１０に読み出され、保護リレー演算に利用される。

以上、電流伝送パスＰ１について説明したが、再度整理して説明すると、図４の電気角６０度のスロット０において、マスタユニットＭのＣＰＵ２１０に読み出され、保護リレー演算に利用されるスレーブユニットＳＢからの電流は、その前の電気角６０度のスロット５を始点とする電流パスＰ１の流れで得られるものであるが、更にその先を辿ると、さらにその前の電気角６０度のスロット９−１５でスレーブユニットＳＢにおいてＡ／Ｄ変換されたものである。このように、実際にサンプリングされた時点からは９０度以上経過して初めて保護リレー演算に利用される。

なお、ここでは電流伝送パスＰ１として示した。これはＡ／Ｄ変換されたデータを、ＣＰＵなどの各部を経由して最終的にマスタユニットのＣＰＵに届けるまでのルートとして示したものであるが、別の言い方をすると、これはこの間の一連の複数の作業手順を幾つかに分割し、適宜分割した手順ごとに各スロットでの作業に割り振ったものということができる。例えばスロット５の処理内容はＣＰＵからプロトコル制御部にデータを転送する作業手順、スロット９と１０はスレーブユニットからマスタユニットへの電流情報移転のための作業手順といった具合である。

この一連の複数の作業手順を幾つかに分割し、適宜分割した手順ごとに各スロットに割り振るという考えは、以下に説明するほかのパス、あるいは同期化機能の処理においても同じ考えを踏襲している。

また、図４の電気角６０度の時間範囲内には、もう１つの図示していない電流伝送パスＰ１がある。これは、フィルタ演算を行うスロット９−１１後のスロット１２を始点とし、次に続く電気角６０度のタイムスロットのスロット８でマスタユニットＭのＣＰＵ２１０に読み出されるまでのパスである。

具体的には、スレーブユニットＳＢのＣＰＵ２１０がスロット８で読みこんだ電気量値は、フィルタ演算されスロット１３でプロトコル制御部２４０へ渡され、次の周期のスロット１と２でスレーブユニットＳＢの送信部２６０を経て伝送１６１でアナログ値伝送される。さらに次の周期のスロット１と２でマスタユニットＭの受信部２５１で受信したアナログ値伝送は、プロトコル制御部２４０を経て、スロット８でマスタユニットＭのＣＰＵ２１０に読み出される。

このことから電流の取り込みが３０度間隔で実行され、Ａ／Ｄ変換とフィルタ処理並びに伝送処理に９０度程度の時間を経過して初めて、保護リレー演算に提供されていることが理解できる。このようにして、マスタユニットＭとスレーブユニットＳが取得したディジタル電気量を、マスタユニットＭのＣＰＵ２１０へ集約することができる。

次に、情報収集機能部分のうち、接点情報の流れについて説明を行う。図４では、接点情報の流れをパスＰ２とパスＰ３として示している。パスＰ２は、スレーブユニットＳからマスタユニットＭへ接点情報を伝達するときであり、パスＰ３は、その逆にマスタユニットＭからスレーブユニットＳへ接点情報を伝達するときである。

まず、スレーブユニットＳからマスタユニットＭへのパスＰ２は、スレーブユニットＳのスロット０で接点制御部２２０に取り込んだ接点情報を、スロット４において、スレーブユニットＳＢの接点制御部２２０，スレーブユニットＳＢの送信部２６０，伝送１６１，マスタユニットＭの受信部２５１，マスタユニットＭの接点制御部２２０と転送し、スロット８でマスタユニットＭのＣＰＵ２１０に読み出される。なお、このパスは、スロット８から、次の周期のスロット０の間にも存在するが、ここでは説明を省略する。

その逆に、マスタユニットＭからスレーブユニットＳへ接点情報を伝達するパスＰ３は、スロット１２において、マスタユニットＭの接点制御部２２０，マスタユニットＭの送信部２６０，伝送１６１，スレーブユニットＳＢの受信部２５１，スレーブユニットＳＢの接点制御部２２０と転送し、次の周期のスロット０でスレーブユニットＳＢのＣＰＵ２１０で読み出される。なお、このパスは、スロット０から、スロット８の間にも存在するが、ここでは説明を省略する。

このようにして、マスタユニットＭとスレーブユニットＳの接点情報を交換しあう。特に、マスタユニットＭからスレーブユニットＳへ接点情報を伝達するパスＰ３においては、スレーブユニットＳ側の遮断器ＣＢに対するトリップ信号を含むことがあるが、これはスロット４−６におけるＣＰＵ２１０の保護リレー演算の結果を、スロット８で接点制御部２２０に移し、先に説明したパスＰ３でスレーブユニットＳ側に送り、次の周期のスロット０でＣＰＵ２１０が認知することで実現される。なお、マスタユニットＭ側における遮断操作は、スレーブユニットＳ側の遮断操作に先行してスロット８で行ってもよいし、スレーブユニットＳ側の遮断操作に合わせて次の周期のスロット０で行うようにしてもよい。以上、図４を用いて、パスＰ１とＰ２とＰ３により、保護リレー装置で必要とする電流情報などが伝送により収集される情報収集機能部分について説明を行った。

最後に、伝送によりサンプリング同期化を図る同期化機能部分について説明する。この処理は、図４のスロット６と１４を用いて実施される。スロット６においては、マスタユニットＭのプロトコル制御部２４０から、マスタユニットＭの送信部２６０，伝送１６１，スレーブユニットＳＢの受信部２５１，スレーブユニットＳＢのプロトコル制御部２４０のルートで、まずＩＥＥＥ１５８８で定義されるＳＹＮＣパケットを伝送し、次いでFollow Upパケットを伝送する。なお、この場合のマスタユニットＭからスレーブユニットＳＢ，ＳＣ，ＳＤに対する伝送は、全員に対していわゆる同報通信の形で実施される。

また、スロット１４においてスレーブユニットＳＢのプロトコル制御部２４０，スレーブユニットＳＢの送信部２６０，伝送１６１，マスタユニットＭの受信部２５１，マスタユニットＭのプロトコル制御部２４０のルートで、ＩＥＥＥ１５８８で定義されるDelay Reqパケットを伝送する。この場合のスレーブユニットからの伝送は、各スレーブユニットからマスタユニットＭに向けて個別に実施される。従って、スロット１４の期間内で３つのスレーブユニットからの個別伝送が実施されることになる。

さらに引き続き、スロット１４においてその応答Delay Respパケットを、マスタユニットＭのプロトコル制御部２４０から、マスタユニットＭの送信部２６０，伝送１６１，スレーブユニットＳＢの受信部２５１，スレーブユニットＳＢのプロトコル制御部２４０のルートで伝送する。この場合のマスタユニットＭからスレーブユニットＳＢ，ＳＣ，ＳＤに対する伝送は、スレーブユニット毎に異なる内容の伝送を実施することになる。従って、スロット１４の期間内では、Delay Reqパケットも含めると合計６つの個別伝送が実施されることになる。マスタユニットＭからDelay Respパケットを受信したスレーブユニットＳＢ，ＳＣ，ＳＤでは、サンプリングタイミングのずれを計算し、ずれを無くすようにサンプリング時刻を補正する。

このように、本発明においてはスロット０−７までの前半期間で、ＩＥＥＥ１５８８のＳＹＮＣとFollow Upパケットを伝送、スロット８−１５までの後半期間で、ＩＥＥＥ１５８８のDelay ReqとDelay Respパケットを伝送するように機能分散させることで、保護リレー装置としての機能と、同期化の機能とを効率よく使い分けて実施することができる。

以上、主に図４を用いて、この期間内に保護リレー装置としての保護リレー機能部分と、保護リレー装置で必要とする電流情報，接点情報などが伝送により収集される情報収集機能部分と、伝送によりサンプリング同期化を図る同期化機能部分とを実行することを説明した。本発明によれば、このように、電気量データ，接点情報，同期パケットなどの伝送を行うに当り、あらかじめ伝送するスロットを割り当てておくことで、周期的な伝送を、異なる情報の間での衝突を発生することなく伝送させることが可能となる。

また、図４では簡便な説明を目的として、転送遮断方式の場合のタイムチャートを示しているが、これは各端子で相互に電流を送信しあい、端子ごとに事故判断するように装置構成することも可能である。この場合には、図４のスロットをより細かく分割し（スロット数を多くし）、各端子相互間、さらには端子内の各装置間の信号授受の流れを漏れなく、各スロットに割り振ればよい。逆な言い方をすると、各機能の複数の手順の数に応じて、所定の電気角の期間を分割するスロット数を決定すればよい。

図８は、本発明において、図６の理論に基づいて時刻同期を図る時刻同期部２８０の構成例として、スレーブユニットＳＢに設置される時刻同期部２８０を示している。時刻同期部２８０は、加算器５０，現在時刻レジスタ５１，受信時刻レジスタ５４，送信時刻レジスタ５５，伝送遅延／時刻ずれ計算回路５６，伝送遅延レジスタ５７，時刻ずれレジスタ５８からなる。

加算器５０は通常時、現在時刻レジスタ５１の出力である現在時刻２８１に、動作周波数の時間（例えば２５ＭＨｚであれば４０ｎｓであり、１６進数で表わせば０ｘ２８）を、被加算値５９２を介して毎サイクル加算し、現在時刻レジスタ５１を更新する。

一方、受信時刻レジスタ５４と、送信時刻レジスタ５５は、２種類の信号を入力している。その１つは受信部２５１，送信部２６０から来る受信タイミング２５９，送信タイミング２６２の信号であり、このタイミング信号の受付時刻に従ってもう１つの入力信号である現在時刻を入力保持し、それぞれ受信時刻５４１，送信時刻５５１として記憶保持する。

伝送遅延／時刻ずれ計算回路５６は、受信時刻レジスタ５４，送信時刻レジスタ５５の出力である受信時刻５４１，送信時刻５５１を入力し、プロトコル制御部２４からプロトコル情報２４２を入力し、それに基づいてＩＥＥＥ１５８８で定義された数式（１），数式（２）に基づき、伝送遅延ｔ，時刻ずれｄを計算し、伝送遅延レジスタ５７，時刻ずれレジスタ５８へ出力する。伝送遅延レジスタ５７，時刻ずれレジスタ５８は、伝送遅延ｔ，時刻ずれｄを保持／出力する。また、時刻補正信号５６３を作成し、時刻ずれｄを、被加算値５９２を介し加算器５０で足し込むことで現在時刻の補正を行う。

なお、図８は、スレーブユニットＳＢの時刻同期部２８０の回路構成を示しているが、他のスレーブユニットＳの時刻同期部２８０の回路構成では、自己ユニット内の受信部，送信部２６０からの信号を入力して同様に回路構成すればよい。

また、マスタユニットＭの時刻同期部２８０については、自己発振していればよいことを先に説明したが、具体的な回路構成としては、図８の回路において加算器５０，現在時刻レジスタ５１のみを使用し、被加算値５９２として動作周波数の時間「０ｘ２８」を用いればよい。マスタユニットＭの時刻同期部２８０では、他の回路を必要としない。

図９は、スレーブユニットＳＢの周期生成部２９０の構成例を示す。周期生成部２９０は、加算器６１，周期終了時刻レジスタ６２，比較器６３からなる。ここでは、周期終了時刻レジスタ６２の出力である周期終了時刻６２１と、図６で定めた現在時刻２８１を比較し、現在時刻２８１が周期終了時刻６２１を超えていたら、周期開始信号２９１がアサートされ、このとき周期終了時刻６２１と周期時間６０１が加算され、次の周期終了時刻が周期終了時刻レジスタ６２に格納される。

周期時間６１は、例えば電気角６０度の値であれば、５０Ｈｚ系の場合３３３３３３３３ｎｓであり、１６進数に直すと０ｘ３２ＤＣＤ５という数になる。６０Ｈｚ系の場合２７７７７７８ｎｓであり、１６進数に直すと０ｘ２Ａ６２Ｂ２という数になる。

図１０は、本発明の周期生成部２９０の動作を示すタイムチャートである。現在時刻２８１は、毎サイクル４０ｎｓ（０ｘ２８）ずつ加算されていく。現在時刻２８１が周期終了時刻６２の０ｘ３２ＤＣＤ５という値を超える０ｘ３２ＤＣＦ０という値になった時、周期開始信号２９１が１となり、次のサイクルで周期終了時刻６２０は０ｘ３２ＤＣＤ５が加算され、０ｘ６５Ｂ９ＡＡという値となり、現在時刻２８１がこの値となるまで、次の周期の時間が過ぎていくことになる。

このように、非常に簡単な回路で周期を開始するタイミングを生成することが可能であり、これに基づいてＡ／Ｄ変換のタイミングを決めれば、精度の高いサンプリング同期を実現することができる。

以上のように本実施例では、伝送に用いる各スロットを保護リレー装置としての機能と、同期化の機能とに機能分散させ効率よく使い分けて実施することができる。また、本実施例では、今まで高価な専用の伝送を用いて構成していた保護リレー装置に対し、イーサネット（登録商標）等の安価な汎用の伝送を用いて保護リレー装置を構成することができ、大幅なコストダウンが可能となる。また、サンプリング同期の精度についても、専用の伝送路を用いた場合にはマイクロ秒レベルだったものをナノ秒レベルに向上させることが可能となる。さらには、これら同期処理をハードウェアで実現することで同期の精度が向上し、また、ＣＰＵ２１０の処理に干渉することなく同期が可能となる。

ＩＥＥＥ１５８８の同期合せにおいて、大きな同期ずれが生じた場合の対応を検討する必要がある。なぜなら、大きな同期ずれが生じると、取得した電気量情報が異なる時刻に取得したものとなり不正な値となるが、不正な値を用いた保護リレー演算は演算結果も不正となり遮断器が誤動作し、停電など社会的に大きな影響を及ぼすことにつながるからである。しかしながら、ＩＥＥＥ１５８８では、同期ずれの処置は各スレーブでそれぞれ行う仕様となっており、大きな同期ずれが起きた情報を大域的に集めて対処するような機能がない。そこで、本実施例では同期ずれが発生した際の対応について記す。

図５は、大きな同期ずれが発生した際の、マスタユニットＭ，スレーブユニットＳＢ，伝送路間の動作を説明するタイムチャートを示す図である。図４がスロット０からスロット１５までのタイムチャートとなっているのに対し、図５はスロット８からスロット１５までは共通で、さらに後続のスロット１６からスロット２３までを追加したタイムチャートとなっている。

図４におけるスロット６にて大きな同期ずれが発生した場合、スレーブからマスタへ大きなずれが発生した情報を伝える必要がある。このとき、大きなずれ発生情報を載せた新たなパケットを送出する例も考えられるが、新たなパケットには新たなスロットを割り当てる必要があるため、すでにスロットを割り当てている既存のパケットに大きなずれ発生情報を載せるのがよく、大きなずれ発生によりデータが無意味になる電気量を転送するアナログ値パケットに載せるのが最も良いと考えられる。

Ｐ１のパスにおいては、スロット９とスロット１０で電気量を包含したアナログ値が転送されるので、そのアナログ値パケットの中に同期ずれ発生の情報を載せて転送するのがよい。大きな同期ずれの発生は、計算されたオフセット時間ｄの値が所定の値を超えたか否か等の判断により、検知することができる。その後、Ｐ１のパスはスロット１６においてマスタのＣＰＵ２１０に取り込まれる。その点においてパケットの内容が精査され、同期ずれ発生の情報が包含されている場合には、スロット２０からスロット２２までのリレー演算を中止し、リレー演算の結果により遮断操作を行う際に、接点情報を伝達するＰ３で遮断器の状態を変えない（リレー出力をロックする）ような情報を送り、保護リレーの誤出力を防ぐ処置を行う。

また、リレー演算を中止した際、空いた時間に代わりに自己診断処理など別の処理を行うことが可能である。大きな同期ずれの発生の要因として、マスタのＣＰＵまわりの故障が原因である可能性も高いため、自己診断処理により故障を早期に発見ができる見込みがある。このようにして、同期ずれのデータを使ってリレー誤動作してしまう事態を回避でき、保護リレー装置の信頼性を向上させることができる。

図７は、大きな同期ずれ発生情報を包含するアナログ値パケットの構成例を示す。汎用のイーサネット（登録商標）の伝送を用いる場合、パケットは宛先ＭＡＣアドレス７１０，送信元ＭＡＣアドレス７２０から始まり、ＦＣＳ７５０で終わる形になる。この間にヘッダ部７３０，データ部７４１，７４２，・・・，７４９と送るべきアナログ値が並ぶ形となる。データの数は、イーサネット（登録商標）の最大サイズに入る限りにおいて、いくつでもかまわない。この時、ヘッダ部７３０の１ビットを同期ビット７３５として割当て、同期している場合１、同期していない場合０とするようにすれば、パケットに同期しているか否かの情報を載せることができ、各スレーブからマスタへ、それぞれのスレーブがマスタに同期しているか否かを伝送することが可能となる。

このように本実施例では、同期がはずれた時にリレーをロックするなど適切な処理を行うことによって、イーサネット（登録商標）等の安価な汎用の伝送と、その上でのサンプリング同期を実現することが可能となり、大幅なコストダウンとサンプリング同期精度の向上を図ることが可能となる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

また、上記の各構成，機能，処理部，処理手段等は、それらの一部又は全部を、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム，テーブル，ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク，ＳＳＤ（Solid State Drive）等の記録装置、または、ＩＣカード，ＳＤカード，ＤＶＤ等の記録媒体に置くことができる。

また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。

本発明による保護リレー装置は、安価な汎用高速伝送路を利用しつつ、高精度なサンプリングを実現できるので、専用回線伝送路を利用した既存システムに代わり、広く適用される可能性が高い。

５０，６１ 加算器
５１ 現在時刻レジスタ
５４ 受信時刻レジスタ
５５ 送信時刻レジスタ
５６ 伝送遅延／時刻ずれ計算回路
５７ 伝送遅延レジスタ
５８ 時刻ずれレジスタ
６２ 周期終了時刻レジスタ
６３ 比較器
１５０ 表示部
１５１ 表示情報
１６１，１６２，１６３ 伝送路
２１０ ＣＰＵ
２２０ 接点制御部
２３０ Ａ／Ｄ変換部
２４０ プロトコル制御部
２５１，２５２，２５３ 受信部
２６０ 送信部
２７１，２７２，２７３ 物理層
２８０ 時刻同期部
２９０ 周期生成部
ＣＢ 遮断器
ＣＴ 変流器
Ｉ 端子電流
Ｌ 送電線
Ｍ マスタユニット
ＳＢ，ＳＣ，ＳＤ スレーブユニット
Ｘ 遮断器接点又は遮断器操作指令

Claims (12)

1. 電力系統から所定の電気角毎に系統電流情報をサンプリングするユニットを電力系統の各端子に備え、各ユニット間で伝送された前記系統電流情報から電力系統の事故を検出するリレー演算を行う保護リレーシステムにおいて、
   複数の前記ユニットは、前記所定の電気角の期間を伝送の対象となるデータごとに複数のスロットに分割し、該複数のスロットには少なくとも、
   前記系統電流情報を前記複数のユニット間で伝送される第１のスロットと、
   前記サンプリング時刻の同期信号が伝送される第２のスロットと、が含まれることを特徴とする保護リレーシステム。
2. 請求項１において、
   前記複数のユニットのうち前記サンプリングの基準時刻となるマスタユニットは、前記同期信号の送信後に該同期信号の送信時刻を付した追跡信号を他のユニットへ送信し、
   前記他のユニットは、前記追跡信号の受信時刻を付した遅延要求信号を前記マスタユニットへ返信し、
   前記マスタユニットは前記遅延要求信号の受信時刻を表した遅延応答信号を前記他のユニットへ送信し、
   前記遅延応答信号を受信した前記他のユニットは、前記同期信号の送信時刻，前記同期信号の受信時刻，前記遅延要求信号の送信時刻、及び前記遅延応答信号の受信時刻から前記１のユニットとの前記サンプリング時刻の誤差を算出し、前記マスタユニットの前記サンプリングの時刻に同期することを特徴とする保護リレーシステム。
3. 請求項２において、
   前記マスタユニットにて前記所定の電気角でサンプリングされた系統電流情報は、前記他のユニットでサンプリングされた系統電流情報と合わせて前記所定の電気角の複数周期後にリレー演算に用いられることを特徴とする保護リレーシステム。
4. 請求項２において、
   前記他のユニットは、算出したサンプリング時刻の誤差を示す情報を前記系統電流情報に付して前記１のユニットへ送信し、
   前記マスタユニットは、該誤差が所定の範囲内であることを条件に、該誤差を示す情報が付された前記系統電流情報をリレー演算に用いることを特徴とする保護リレーシステム。
5. 請求項４において、
   前記誤差が所定の範囲外であった場合には、前記マスタユニットは自己のユニットの健全性を診断することを特徴とする保護リレーシステム。
6. 請求項１において、
   前記第２のスロットは、前記第１のスロットの後に設けられることを特徴とする保護リレーシステム。
7. 電力系統から所定の電気角でサンプリングされたアナログ交流電流をディジタル電気量へ変換するＡ／Ｄ変換部と、
   前記ディジタル電気量を用いて電力系統のリレー演算を行う演算部と、
   伝送路を介して他装置とのデータの送受信制御を行うプロトコル制御部とを有し、
   前記プロトコル制御部は、前記所定の電気角の期間を伝送の対象となるデータごとに複数のスロットに分割し、
   前記複数のスロットのうち第１のスロットの期間に、前記他装置でサンプリングされた前記ディジタル電気量を前記他装置から受信し、
   第２のスロットの期間に、前記サンプリング時刻の同期信号及び前記同期信号の送信時刻が付された追跡信号を前記他装置へ送信し、前記追跡信号を受信した前記他装置から遅延要求信号を受信し、該遅延要求信号を受信した時刻が付された遅延応答信号を該他装置へ返信することを特徴とする保護リレー装置。
8. 請求項７において、
   前記遅延要求信号の受信及び前記遅延応答信号の送信は、前記同期信号の送信及び前記追跡信号の送信がされたスロットから前記所定の電気角が経過した次の周期のスロットで行われることを特徴とする保護リレー装置。
9. 電力系統の交流電流をサンプリングして得た情報から電力系統の事故を検出する保護リレー機能を備えた保護リレー装置を電力系統の各端子に備え、各端子間で信号伝送を行い、電力系統の遮断器を操作する保護リレーシステムにおいて、
   前記保護リレー機能が、保護リレー演算を実行するために必要な情報を収集する複数の手順からなる情報収集機能と、前記サンプリングの同期化のための複数の手順からなる同期化機能とを備え、
   前記電力系統の電気量の所定の電気角の期間を複数のスロットに分割し、前記保護リレー機能はこの期間内で電力系統の交流電気量をサンプリングして得た情報から電力系統の事故を検出する処理を実施し、この期間内で行う前記情報収集機能と前記同期化機能の複数の手順を前記スロットごとに定めたことを特徴とする保護リレーシステム。
10. 請求項９において、
    前記情報収集機能の複数の手順には、電力系統の各端子で検出した交流電気量を信号伝送し前記保護リレー機能の演算に供するための手順と、
    電力系統各端子の遮断器の接点情報を信号伝送し前記保護リレー機能の演算に供するための手順と、を含み、これらの複数の手順が異なる前記のスロットにて実行されるように制御されることを特徴とする保護リレーシステム。
11. 請求項９または請求項１０において、
    前記保護リレー機能と前記情報収集機能は、一連の複数スロット内での処理を単位として以降繰り返し実行され、前記同期化機能は一連の複数スロット内の特定位置スロットを用いて、電力系統の特定の端子から他の端子に向けて信号を２回送信し、次に続く一連の複数スロット内の特定位置スロットを用いて、他の端子から前記特定の端子に向けて第１の信号を送信し、これを受けて前記特定の端子から前記他の端子に向けて信号を返信するとともに、他の端子の前記同期化機能は、連続する２組の一連の複数スロット内での前記同期化機能間での信号授受から、信号伝送遅延時間と時刻ズレを算出して、前記サンプリングタイミングを修正することを特徴とする保護リレーシステム。
12. 電力系統の交流電気量をサンプリングして得た情報から電力系統の事故を検出する保護リレー機能を備えた保護リレー装置を電力系統の各端子に備え、各端子間で信号伝送を行い、電力系統の遮断器を操作する保護リレーシステムにおいて、
    前記保護リレー機能が、保護リレー演算を実行するために必要な情報を収集する複数の手順からなる情報収集機能と、前記サンプリングの同期化のための複数の手順からなる同期化機能とを備え、前記電力系統の電気量の所定の電気角の期間を複数のスロットに分割し、当該電気角の期間の半分の期間内で前記保護リレー機能は電力系統の交流電気量をサンプリングして得た情報から電力系統の事故を検出する処理を実施し、この電気角の期間の半分の期間内で前記情報収集機能は、前記保護リレー機能の演算に必要な情報を供する処理を実施し、電気角の期間の半分の期間を単位として繰り返し実行され、前記同期化機能は電気角の期間の半分の期間内の一連の複数スロット内の特定位置スロットを用いて、電力系統の特定の端子から他の端子に向けて信号を２回送信し、次に続く電気角の期間の半分の期間内の一連の複数スロット内の特定位置スロットを用いて、他の端子から前記特定の端子に向けて第１の信号を送信し、これを受けて前記特定の端子から前記他の端子に向けて信号を返信するとともに、他の端子の前記同期化機能は、連続する２組の一連の複数スロット内での前記同期化機能間での信号授受から、信号伝送遅延時間と時刻ズレを算出して、前記サンプリングタイミングを修正することを特徴とする保護リレーシステム。

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