JP2013106359A - ディジタル保護制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】以上のことから本発明においては、リニアリティ誤差の補正機能をディジタル保護制御装置自身が備え、リニアリティ誤差の補正を簡便に行うことのできるディジタル保護制御装置を提供することを目的とする。
【解決手段】電力系統のアナログ量を計器用変成器で計測し、一定周期でのサンプルアンドホールド処理、アナログディジタル変換処理後にディジタル値として演算装置に取り込み、演算装置において前記電力系統の事故を検出する保護制御演算を実施する保護制御装置において、演算装置は、計器用変成器を含む入力部の特性をその励磁インピーダンスを用いて表す計算式と、理論式として保持し、入力したディジタル値と計算式並びに理論式とから、計器用変成器の入力側のアナログ量について計算値と理論値を求め、ディジタル値を計算値と理論値で補正して得たディジタル補正値により電力系統の事故を検出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ディジタル保護制御装置に係り、特にアナログ信号入力に使用する計器用変成器のリニアリティ補正機能を備えたディジタル保護制御装置に関する。

ディジタル保護制御装置は、電力系統の電圧や電流などのアナログ量を入力し、これをディジタル量に変換して所定の保護演算処理を実行し、電力系統の事故発生時に電力系統に設置されている遮断器の開閉操作を行い、事故を除去する機能を果たす。

この保護演算処理の中では、電圧や電流などのアナログ量の大きさや位相に応じて事故判定を行う。このため、電力系統の電圧や電流などを計測する電圧変成器ＶＴ（Ｖｏｌｔａｇｅ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）および変流器ＣＴ（Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）などの計器用変成器（ここには後段の補助変成器も含む）には高い入力精度が要求される。具体的には、電力系統のアナログ量は正常時と事故発生時とで値が大きく相違することから、アナログ入力の幅広い入力範囲において高いリニアリティ特性が必要とされている。

以下、計器用変成器の示す特性について説明する。まず図２は、計器用変成器の一次側電圧（横軸）と一次側電流（縦軸）の関係を示したものである。本来両者は比例関係を示すべきところ、鉄心材料のヒステリシス特性により飽和特性９を示し、かつ計器用変成器ごとに飽和特性にバラツキを生じる。この結果、定格値で見たときの電流値には誤差を生じる。

さらに図３には特定の計器用変成器についての入力電圧又は電流（横軸）と、出力電圧又は電流（縦軸）の関係を示す。従ってここには、図２に示した計器用変成器間のばらつきは現れていない。この場合、計器用変成器としての所望の特性１０は、入力に対して出力が比例する関係にある。これに対し実際の計器用変成器の特性１１は、鉄心材料のヒステリシス特性により飽和特性９（図２）を示す関係から定格値を基準としてみると、定格値以下では低い値として計測され、定格値以上では高い値として計測される。このように、計器用変成器は、その鉄心材料が持つヒステリシス特性により（定格値に対して）低い入力領域と高い入力領域では誤差が発生する。

このことから、リニアリティ特性を満足するために計器用変成器の大型化や構造改善を実施している。この結果、ディジタル保護制御装置の補助変成器を含む入力回路部分が大型化することが避けられず、ディジタル保護制御装置の小型化を困難にしていた。

この課題に対し、特許文献１、特許文献２では、リニアリティ補正の手法として、アナログ入力の幅広い入力範囲の全領域の代表ポイントにおける入出力特性を実測し、これを関数化して補正値としていた。

特開平５−１８０８７８号公報 特開平７−２９４２８１号公報

特許文献１、特許文献２の補正手法は、個別のディジタル保護制御装置ごとに実施する必要があった。かつ現場に設置される計器用変成器との相性を調整する必要があることから、工場出荷時に組み合わせ試験、調整が行えるときはよいが、据付後に現場調整が必要になる場合もある。このため、製品を量産する場合には各装置において調整が必要であり、実用運用が困難な方法であった。

以上のことから本発明においては、リニアリティ誤差の補正機能をディジタル保護制御装置自身が備え、リニアリティ誤差の補正を簡便に行うことのできるディジタル保護制御装置を提供することを目的とする。

以上のことから本発明においては、電力系統のアナログ量を計器用変成器で計測し、一定周期でのサンプルアンドホールド処理、アナログディジタル変換処理後にディジタル値として演算装置に取り込み、演算装置において電力系統の事故を検出する保護制御演算を実施する保護制御装置において、演算装置は、計器用変成器を含む入力部の特性をその励磁インピーダンスを用いて表す計算式と、理論式として保持し、入力したディジタル値と計算式並びに理論式とから、計器用変成器の入力側のアナログ量について計算値と理論値を求め、ディジタル値を計算値と理論値で補正して得たディジタル補正値により電力系統の事故を検出する。

また、電力系統のアナログ量を計測する計器用変成器が複数設けられており、演算装置は、複数の計器用変成器のそれぞれの励磁インピーダンスを予め保持している。

また、演算装置は、入力したディジタル値の大きさから事故判定するものであり、計算値と理論値は大きさについての情報を含む。

また、ディジタル補正値は、ディジタル値に計算値と理論値の大きさの比を乗じて求められる。

また、演算装置は、計測した複数の電力系統のアナログ量間の位相差から事故判定するものであり、計算値と理論値は位相についての情報を含む。

また、ディジタル値は計測した複数の電力系統のアナログ量間の位相差に対応する情報を含み、ディジタル補正値は、ディジタル値の位相差の情報に計算値と理論値の間の位相差を加味して求められる。

本発明によれば、所望のリニアリティ特性を有さないＶＴ・ＣＴなどの計器用変成器でも容易にディジタル補正することができる。

演算装置４で実行する補正値計算と誤差補正計算の処理プログラムを示す図。 計器用変成器の一次側電圧（横軸）と一次側電流（縦軸）の関係を示した図。 特定の計器用変成器の入力と、出力の関係を示す図。 ディジタル保護制御装置の入力部分の概略構成を示す図。 計器用変成器１とアナログ入力回路２の等価回路を示す図。 図３下の入出力電圧の計算式を位相について求めた結果を示す図。

以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。

図４にディジタル保護制御装置の入力部分の概略構成を示す。ここでは、電圧変成器や変流器などの計器用変成器１において、電力系統の電圧・電流を計測する。アナログ入力回路２では、アナログ量の基本波形のみを抽出するとともに、例えば電力系統のアナログ量の３０度間隔でのサンプルアンドホールド処理を行う。Ａ／Ｄ変換回路３では、３０度間隔でサンプルアンドホールドされたアナログ値をディジタル値に変換して演算装置（ＣＰＵ）４に取り込む。演算装置（ＣＰＵ）４では、取り込んだディジタルデータを用いて、ディジタル演算処理を実行し、電力系統の事故判別を実行する。本発明では、電力系統の事故判別に先立ち、入力したディジタル値を用いて、リニアリティ特性を確保するために必要な補正値計算と誤差補正計算を実施する。

本発明の補正計算においては、その前提として計器用変成器１とアナログ入力回路２を図５上の等価回路で表現する。まず、計器用変成器１をＴ形等価回路で表現した等価計器用変成器１Ａとする。等価計器用変成器１ＡのＴ字の頭部には一次巻線抵抗ｒ１と二次巻線抵抗ｒ２を直列配置し、Ｔ字の脚部には励磁インピーダンスＺ１を配置する。また等価アナログ入力回路２Ａでは、これをインピーダンスＺ２で表現する。但し、二次巻線抵抗ｒ２は、巻線比ｎを考慮した値である。

この図５上の等価回路において、計器用変成器１に印加される電圧はＶｉ，アナログ入力回路２から得られる電圧はＶｏである。また、励磁インピーダンスＺ１と二次巻線抵抗ｒ２とアナログ入力回路２ＡのインピーダンスＺ２で定まる総インピーダンスをＺとする。このとき、図５上の等価回路は図５下の等価回路のように更に簡便に表現できる。

この場合計算式では出力電圧Ｖｏは、一次巻線抵抗ｒ１と総インピーダンスＺの比に入力電圧Ｖｉを乗じた値として演算装置（ＣＰＵ）４内の演算で導出することが可能である。他方において、理論式上では出力電圧Ｖｏは、巻線比ｎに入力電圧Ｖｉを乗じた値である。

先に説明した図３の入出力特性は、図５下の計算式の結果が実際の計器用変成器の特性１１に相当し、図５下の理論式の結果が計器用変成器としての所望の特性（理想特性）１０に対応している。図３は、計器用変成器の入出力を大きさの観点から比較したものであるが、同様に位相の点から検討することもできる。

図３下の入出力電圧の計算式を位相について求めたものが図６である。ここでは、横軸に入力電圧、縦軸に出力電圧の位相を示している。この位相特性１３は、図３下の計算式において、入力を可変としながら、そのときの出力との間の位相差θを整理した特性である。他方、理論式上では位相差は発生しないはずであり、入力電圧に対して一定値を示す。この理論式上の位相差が１２で表されている。図６の結果によれば、入力電圧定格を基準としたとき、位相差は定格値以下では大きくなり（遅れ方向）、定格値以上では小さくなる（進み方向）。

以上のことから本発明においては、等価回路から求めた計算式と理論式との間の大きさならびに位相の関係から、これらの差分として補正値を計算し、かつ誤差補正計算を実施する。これらの補正値計算と誤差補正計算は、図４の演算装置（ＣＰＵ）４で実行される。図１に、演算装置（ＣＰＵ）４で実行する補正値計算と誤差補正計算の処理プログラムを示している。

図１の処理プログラムにおいては、その前提として図５の等価回路の情報が演算装置（ＣＰＵ）４に入力されて得られている。具体的には、図５の計算式を実行するに必用な値として、励磁インピーダンスＺ１、一次巻線抵抗ｒ１、二次巻線抵抗ｒ２、等価アナログ入力回路２ＡのインピーダンスＺ２が演算装置（ＣＰＵ）４に入力されて得られている。ここで、特に計器用変成器１の励磁インピーダンスＺ１は、図２で説明した特性のばらつきに直接関与する情報であるので、この情報を以後の計算式に反映させることに技術的な意味がある。

以上の前提において、処理プログラムの処理ステップＳ１００では、交流電気量の３０度間隔でサンプルアンドホールドされ、ディジタル変換されたディジタル値Ｄを取り込む。このディジタル値Ｄは、図５の計算式上の出力電圧Ｖｏに相当している。

次に処理ステップＳ１０１では、入力された図５の等価回路の情報の中から、計器用変成器１の励磁インピーダンスＺ１をとりだす。

処理ステップＳ１０２では、ディジタル値Ｄ（計器用変成器１の出力電圧Ｖｏ）と励磁インピーダンスＺ１を用いて計算式を実行し、これにより計器用変成器１の入力電圧Ｖｉを計算する。入力電圧Ｖｉは、計算式（１）式を用いて求めることができる。
［数１］
Ｖｏ（＝Ｄ）＝｜Ｚ／（Ｚ＋ｒ１）｜Ｖｉ （１）
なお、（１）式で、総インピーダンスＺは、図５の等価回路において、励磁インピーダンスＺ１と二次巻線抵抗ｒ２とアナログ入力回路２ＡのインピーダンスＺ２で定まる値である。

また同様に処理ステップＳ１０２では、ディジタル値Ｄ（計器用変成器１の出力電圧Ｖｏ）と励磁インピーダンスＺ１を用いて計算式を実行し、これにより入力電圧Ｖｉと出力電圧の位相θを計算する。位相θは、計算式（２）式を用いて求めることができる。
［数２］
θ＝ｔａｎ^−１（Ｖｏ／Ｖｉ）＝ｔａｎ^−１（Ｚ／（Ｚ＋ｒ１）） （２）
このように、計算式の実行により求められた入力電圧Ｖｉおよび位相θは、計器用変成器１の励磁インピーダンスＺ１の値を反映したものになっている。処理ステップＳ１０２で計算式の実行により求められた入力電圧および位相を、Ｖｉｃ、θｃと表すことにする。

次に処理ステップＳ１０３では、理論式（３）により入力電圧Ｖｉを求める。この計算では巻線比ｎを使用する。
［数３］
Ｖｏ（＝Ｄ）＝ｎ×Ｖｉ （３）
なお処理ステップＳ１０３では、理論式の考え方により位相θを求めるが、これは入力に関わりなく、一定値として扱えばよい。例えばゼロあるいは、（２）式で求めた定格値のときの位相とすることができる。処理ステップＳ１０３で計算式の実行により求められた入力電圧および位相を、Ｖｉｒ、θｒと表すことにする。

処理ステップＳ１０４では、計算式で求めた計算値と理論式で求めた理論値とから、補正値を求める。ここでは、計算式と理論式で求めた入力電圧について、（４）式でゲインΔＧを求める。
［数４］
ΔＧ＝Ｖｉｒ／Ｖｉｃ （４）
また処理ステップＳ１０４では、計算式と理論式で求めた位相θについて、（５）式で位相差Δθを求める。
［数５］
Δθ＝θｒ―θｃ＝―θｃ（θｒ＝０） （５）
処理ステップＳ１０５では、ディジタル値Ｄ（計器用変成器１の出力電圧Ｖｏ）に対して（６）式の誤差補正を実施し、誤差補正された計器用変成器１の二次電圧（電流）ＶｏＡを得る。
［数６］
Ｖｏ（＝Ｄ）×ΔＧ＝ＶｏＡ （６）
このようにして求められた計器用変成器１の二次電圧（電流）ＶｏＡは、計器用変成器１の励磁インピーダンスＺ１の値を反映した値であり、この結果計器用変成器間のバラツキを考慮した数値になっている。

処理ステップＳ１０６以降は、通常の保護制御装置における処理である。ここでは、瞬時値（３０度間隔の離散値）として得られた入力値ＶｏＡを用いてその大きさを求め、事故判定を実施する。図１では、補正処理が完了しているので、既に知られた大きさを求める手法をそのまま適用することができる。

なお、図１の実施例では３０度間隔の離散値のそれぞれに対して誤差補正処理を実施したが、これは既に知られた大きさを求める手法を適用して平均値、実行値、最大値などを求めた後で、ステップＳ１０４のゲインΔＧを補正することにしてもよい。

また、処理ステップＳ１０６の保護制御装置における処理が、位相比較形の保護制御器である場合、交流量間の位相差を求めて事故判定を実施することになる。この場合に、交流量間の位相差に、（５）式で求めた位相差Δθを加味することで、計器用変成器１の励磁インピーダンスＺ１の値を反映することができ、この結果計器用変成器間のバラツキを排除することができる。

なお、本発明の計算式では励磁インピーダンスＺ１を、予め演算装置４内に取り込み設定しておく必要がある。一方で計器用変成器は、相、線間あるいは電圧、電流ごとに設置され、かつ保護制御装置は回線単位での保護機能を実現することがあるので、保護制御装置で使用する励磁インピーダンスＺ１としては、これら計器用変成器のそれぞれの値が取り込まれている必要がある。そのうえで、図１の処理は入力ごとに個別に実施される必要がある。

以上説明した本発明によれば、補正演算式は巻き線コアの形状にほぼ依存することから補正関数の共通化が実現でき、計器用変成器毎の補正値を計算する作業を短縮することができる。

また従来、所望の特性を得る為に小型のＶＴおよびＣＴなどの計器用変成器を採用することが出来なかったが、本発明の補正手法を使うことにより、所望の特性を得ることが出来ない小型のＶＴおよびＣＴも容易に使用可能となる。

また高性能の大型ＶＴおよびＣＴと組み合わせることで、リニアリティ特性を確保した広域ダイナミックレンジを実現することができ、更なる高精度のディジタル保護制御装置を提供することが可能となる。但し、完全に飽和した場合は対象外とする必要がある。

１：計器用変成器
１Ａ：等価計器用変成器
２：アナログ入力回路
２Ａ：等価アナログ入力回路
３：Ａ／Ｄ変換回路
４：演算装置（ＣＰＵ）
９：飽和特性
１０：計器用変成器としての所望の特性
１１：実際の計器用変成器の特性
１２：理論式上の位相
１３：位相特性
ｒ１：一次巻線抵抗
ｒ２：二次巻線抵抗
Ｎ：巻線比
Ｖｏ：出力電圧
Ｖｉ：入力電圧
θ：位相
ΔＧ：ゲイン
Ｚ１：励磁インピーダンス
Ｚ２：インピーダンスＺ

Claims (6)

1. 電力系統のアナログ量を計器用変成器で計測し、一定周期でのサンプルアンドホールド処理、アナログディジタル変換処理後にディジタル値として演算装置に取り込み、演算装置において前記電力系統の事故を検出する保護制御演算を実施する保護制御装置において、
   前記演算装置は、前記計器用変成器を含む入力部の特性をその励磁インピーダンスを用いて表す計算式と、理論式として保持し、入力したディジタル値と前記計算式並びに理論式とから、前記計器用変成器の入力側のアナログ量について計算値と理論値を求め、前記ディジタル値を前記計算値と理論値で補正して得たディジタル補正値により前記電力系統の事故を検出することを特徴とする保護制御装置。
2. 請求項１に記載の保護制御装置において、
   電力系統のアナログ量を計測する計器用変成器が複数設けられており、前記演算装置は、複数の計器用変成器のそれぞれの励磁インピーダンスを予め保持していることを特徴とする保護制御装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の保護制御装置において、
   前記演算装置は、入力したディジタル値の大きさから事故判定するものであり、前記計算値と理論値は大きさについての情報を含むことを特徴とする保護制御装置。
4. 請求項３に記載の保護制御装置において、
   前記ディジタル補正値は、前記ディジタル値に前記計算値と理論値の大きさの比を乗じて求められることを特徴とする保護制御装置。
5. 請求項１または請求項２に記載の保護制御装置において、
   前記演算装置は、計測した複数の電力系統のアナログ量間の位相差から事故判定するものであり、前記計算値と理論値は位相についての情報を含むことを特徴とする保護制御装置。
6. 請求項５に記載の保護制御装置において、
   前記ディジタル値は計測した複数の電力系統のアナログ量間の位相差に対応する情報を含み、前記ディジタル補正値は、前記ディジタル値の位相差の情報に前記計算値と理論値の間の位相差を加味して求められることを特徴とする保護制御装置。

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