JP2015050843A

JP2015050843A - ディジタル保護リレー装置

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Publication number: JP2015050843A
Application number: JP2013181134A
Authority: JP
Inventors: 匡史北山; Tadashi Kitayama; 岩丸　明史; Akihito Iwamaru; 明史岩丸; 涼介宇田; Ryosuke Uda
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2013-09-02
Filing date: 2013-09-02
Publication date: 2015-03-16

Abstract

【課題】ディジタル保護リレー装置において、アナログ部品の経年劣化を検出し、系統の運用の信頼性を向上させる技術を提供する。【解決手段】ディジタル保護リレー装置２は、電力系統の電圧および電流のアナログ計測値と、基準となるアナログ信号の入力とをＡＤ（Analog to Digital）変換部１０５において受け付ける。ＡＤ変換部１０５は、入力されたアナログ信号をディジタルデータに変換する。ディジタル保護リレー装置２は、ＦＦＴ処理部３５と特性変化検出部３６とを備え、ＦＦＴ処理部３５は、基準となるアナログ信号がＡＤ変換部１０５によりディジタルデータに変換された基準信号に対しＦＦＴ処理を施して、基準信号の周波数の位相を算出する。特性変化検出部３６は、ＦＦＴ処理の位相の算出結果に基づいて、基準信号の変化量が一定値を超えることを検出する。【選択図】図２

Description

本発明は、電力系統を保護するためのディジタル保護リレー装置に関する。

電力系統の運用を安定させるため、電力系統で発生した事故または異常を検出するための各種の装置が使用されている。例えば、ディジタル保護リレー装置は、系統の電圧値および電流値を計測し、故障等による過電圧、電圧の不足、または過電流などが発生したことを検出し、遮断器へ制御信号を送出する。これにより、電力系統の運用者は、故障区間を電力系統から切り離す等の対処を速やかに行うことができる。

電力系統の運用を行うには、これら系統で発生している事故または異常を検出するための装置の精度を確保することが必要である。例えばディジタル保護リレー装置の電圧および電流の計測の精度を確保することが求められている。例えば、特開２０１０−１８３８１７号公報（特許文献１）は、リレー演算の精度やリレー演算の定周期性を確保することができる保護継電装置を記載している。特許文献１の保護継電装置は、複数の系統電気量をディジタル化する機器それぞれのサンプリング周波数が異なっている場合においても、ディジタル化機器からのデータをバッファ回路に格納し、時刻的に最も古い時刻データが示す時刻を基準時刻とし、基準時刻と同時刻のデータを抽出して保護演算を実行する。

特開２０１０−１８３８１７号公報

ディジタル保護リレー装置は、例えば２０年以上の長期間にわたって使用されるため、使用に伴う経年劣化に対処することが要請されている。例えば、入力変換器やアナログフィルタなど、ディジタル保護リレー装置に用いられるアナログ部品は、経年劣化によって特性が変化し、この変化により、系統の電圧および電流の計測値の誤差が発生する。

したがって、ディジタル保護リレー装置において、アナログ部品の経年劣化を検出し、系統の運用の信頼性を向上させるための技術が必要とされている。本開示は、上述の課題に鑑みて、アナログ部品の経年劣化を検出することを可能とするディジタル保護リレー装置を提供することを目的とする。

一実施形態に従うディジタル保護リレー装置は、電力系統の電圧および電流のアナログ計測値と、基準となるアナログ信号の入力とをＡＤ（Analog to Digital）変換部において受け付ける。ＡＤ変換部は、入力されたアナログ信号をディジタルデータに変換する。ディジタル保護リレー装置は、ＦＦＴ（Fast Fourier Transform）処理部と検出部とを備え、ＦＦＴ処理部は、基準となるアナログ信号がＡＤ変換部によりディジタルデータに変換された基準信号に対しＦＦＴ処理を施して、基準信号の周波数の位相を算出する。検出部は、ＦＦＴ処理の位相の算出結果に基づいて、基準信号の変化量が一定値を超えることを検出する。

上記一実施形態に従うディジタル保護リレー装置は、基準信号を入力としてアナログ部の出力信号をＦＦＴ処理することにより、各信号の変化量が一定値を超えることを検出することで、入力変換器やアナログフィルタなどのアナログ部品の特性の変化を検出する。これにより、系統の運用の信頼性を向上させることができる。

この発明の上記および他の目的、特徴、局面および利点は、添付の図面と関連して理解されるこの発明に関する次の詳細な説明から明らかとなるであろう。

関連技術のディジタル保護リレー装置を示す図である。実施の形態のディジタル保護リレー装置２の構成を示す図である。のこぎり波の波形を示す図である。特性変化検出部３６が位相の変化を検出する例を示す図である。のこぎり波を構成する各周波数と、位相ずれのない基本周波数との位相が同一であるときの波形を示す図である。のこぎり波を構成する各周波数と、基本周波数との位相にずれがある場合の、位相の差分を示す図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰り返さない。

＜関連技術＞
まず、本実施形態のディジタル保護リレー装置に関連する技術について説明する。図１は、関連技術のディジタル保護リレー装置を示す図である。

図１に示すように、関連技術のディジタル保護リレー装置１は、ＶＴ（Voltage Transformer）１１と、入力変換器１２と、アナログ／ディジタル変換部１００と、制御部１０１と、メモリ１０２と、通信ポート１０３とを含む。アナログ／ディジタル変換部１００は、アナログフィルタ１３と、サンプルホールド回路１４と、マルチプレクサ１５と、ＡＤ（Analog to Digital）変換器１６とを含む。

ＶＴ１１は、電力系統での電圧および電流をアナログ信号で計測する。
入力変換器１２は、ＶＴ１１で計測されたアナログ信号を低電圧に変換する。アナログ／ディジタル変換部１００に入力される電圧および電流は、入力変換器１２によって、系統側と絶縁される。

アナログフィルタ１３は、低電圧に変換されたアナログ信号をＡＤ変換する際のエイリアシング（折り返し誤差）などを取り除く。

サンプルホールド回路１４は、サンプリング周波数によって定まるサンプリング期間において、入力されたアナログ信号を保持するための回路である。ディジタル保護リレー装置は、これらＶＴ１１、入力変換器１２、アナログフィルタ１３およびサンプルホールド回路１４からなる組を複数含む。

マルチプレクサ１５は、複数のアナログ信号の入力を受け付けて、時分割で１つのアナログ信号を出力する。

ＡＤ変換器１６は、アナログ信号をディジタル信号に変換する。
制御部１０１は、プロセッサなどを備え、ディジタル保護リレー装置の動作を制御する。制御部１０１は、ＡＤ変換器１６から入力される、ディジタルに変換された信号を、通信ポート１０３を介して他の装置へ送信する。

メモリ１０２は、プログラム等のデータを記憶する。
通信ポート１０３は、信号を、ディジタル保護リレー装置１と他の装置との間で送受信するためのインタフェースとして機能する。

関連技術のディジタル保護リレー装置１の構成は、ＡＤ変換器１６から出力されるディジタル信号を用いて演算を行なって電力系統の電圧の過不足、過電流などの異常が発生したことを検出する。しかし、ディジタル保護リレー装置は、例えば２０年以上の長期間に渡って使用することが多く、アナログ信号を処理するための各回路が経年劣化し、ＶＴ１１および入力変換器１２等によるアナログ信号の計測値に測定誤差を生ずる。そのため、電力系統の電圧および電流の計測の精度を向上させるには、これらアナログ部分の特性の変化を検出することができ、さらに、電圧および電流の計測誤差を補正することができることが望ましい。

＜実施の形態＞
そこで、図２を参照して、本実施の形態のディジタル保護リレー装置２を説明する。図２は、実施の形態のディジタル保護リレー装置２の構成を示す図である。

本実施の形態のディジタル保護リレー装置２は、アナログ部分の特性の変化を検出し、電圧および電流の計測誤差を補正するために、基準となるアナログ信号をアナログ／ディジタル変換回路に入力する。ディジタル保護リレー装置２は、ＡＤ変換によって出力されるディジタルデータに対し、ＦＦＴ（Fast Fourier Transform）処理を行なって、各次の周波数の振幅および位相を得て、位相の変化量に基づいて、アナログ部分の特性の変化を検出する。ディジタル保護リレー装置２は、振幅および位相の変化量を計算し、計算によって得られる変化量を用いて、電圧および電流のディジタル値を補正する。

図２に示すように、本実施の形態のディジタル保護リレー装置２は、ＶＴ２１と、入力変換器２２と、基準信号発生部３１と、入力変換器３２と、計測制御部１０４と、制御部１０１と、メモリ１０２と、通信ポート１０３とを含む。計測制御部１０４は、アナログ／ディジタル変換部１０５と、高速フーリエ変換部２７と、特性補正部２８と、逆フーリエ変換部２９と、高速フーリエ変換部３５と、特性変化検出部３６とを含む。

ＶＴ２１は、電力系統での電圧および電流をアナログ信号で計測する。
入力変換器２２は、ＶＴ２１で計測されたアナログ信号を低電圧に変換する。アナログ／ディジタル変換部１０５に入力される電圧および電流は、入力変換器２２によって、系統側と絶縁される。

基準信号発生部３１は、基準となるアナログ信号（基準信号）を発生する。基準信号発生部３１は、各次の周波数が規定されている信号として、以下の式（１）で示されるのこぎり波を発生する。図３は、のこぎり波の波形を示す図である。

入力変換器３２は、基準信号発生部３１から入力される基準信号を低電圧に変換する。
アナログ／ディジタル変換部１０５は、電力系統から入力されるアナログ信号および基準信号発生部３１から入力される基準信号をディジタル信号に変換する。アナログ／ディジタル変換部１０５は、アナログフィルタ２３と、サンプルホールド回路２４と、アナログフィルタ３３と、サンプルホールド回路３４と、マルチプレクサ２５と、ＡＤ変換器２６とを含む。

アナログ／ディジタル変換部１０５において、アナログフィルタ２３、サンプルホールド回路２４、マルチプレクサ２５およびＡＤ変換器２６から構成される部分は、関連技術で示したアナログフィルタ１３、サンプルホールド回路１４、マルチプレクサ１５およびＡＤ変換器１６の構成と同様である。

アナログフィルタ２３は、入力変換器２２によって低電圧に変換されたアナログ信号をＡＤ変換する際のエイリアシングなどを取り除く。

アナログフィルタ３３は、入力変換器３２によって低電圧に変換された基準信号をＡＤ変換する際のエイリアシングを取り除く。

サンプルホールド回路２４とサンプルホールド回路３４とは、サンプリング周波数によって定まるサンプリング期間において、入力されたアナログ信号を保持するための回路である。

マルチプレクサ２５は、複数のアナログ信号の入力を集約して受け付けて、時分割で１つのアナログ信号を出力する。

ＡＤ変換器２６は、入力されるアナログ信号をディジタル信号に変換する。
高速フーリエ変換部２７は、電力系統から入力されてＡＤ変換されたディジタルデータから、各次の周波数の振幅と位相とを得る。

高速フーリエ変換部３５は、基準信号が入力されてＡＤ変換されたディジタルデータから、各次の周波数の振幅と位相とを得る。

高速フーリエ変換部２７と高速フーリエ変換部３５とは、電圧および電流の値を示すデジタル信号を、以下の式（２）の式に従って周波数ｊの値に変換する。なお、式（２）において、Ｘ_ｋは、時刻ｋにおける電圧または電流を示すデジタル信号、ｆ_ｊは、周波数ｊの複素数の変換後の信号である。

ここで、高速フーリエ変換部２７と高速フーリエ変換部３５とは、周波数ｆ_ｊの振幅Ａ_ｊおよび位相θ_ｊを、以下の式（３）によって計算する。

特性変化検出部３６は、ディジタル保護リレー装置２に入力される基準信号のアナログ信号について、ディジタル保護リレー装置２のアナログ部分に基づく特性の変化を検出する。特性変化検出部３６は、位相ずれのないデータ（基本周波数）と、基準信号のＡＤ変換後のデータとを比較して、ディジタル保護リレー装置２に入力される信号の位相の変化を検出する。

図４は、特性変化検出部３６が位相の変化を検出する例を示す図である。ディジタル保護リレー装置２に入力される信号の位相は、時間の経過とともに変化する。特性変化検出部３６は、ディジタル保護リレー装置２に入力される基準信号の位相が変化し、予め設定されたθmaxを超えるか、あるいはθminを下回るときに、ディジタル保護リレー装置２のアナログ部分の特性に変化があると判断する。

図５は、のこぎり波を構成する各周波数と、位相ずれのない基本周波数との位相が同一であるときの波形を示す図である。図５を参照して、のこぎり波を構成している各周波数（2sinX, -2sin2X/2, 2sin3X/3, ・・・）を点線または一点鎖線で示し、基準信号に基づくのこぎり波の波形を細線で示す。また、基準信号に基づくのこぎり波と位相ずれのないのこぎり波の差分ΔF(X)を、太線で示す。図５に太線で示す差分ΔF(X)は、変化量が「０」のままであり、基準信号に基づくのこぎり波と、基本周波数とで位相ずれがない。

図６は、のこぎり波を構成する各周波数と、基本周波数との位相にずれがある場合の、位相の差分を示す図である。図６に差分ΔF(X)を太線で示す。このように、位相にずれが発生している。特性変化検出部３６は、ΔF(X)に示す位相のずれが、一定範囲を超えた場合に、ディジタル保護リレー装置２のアナログ部分の特性の変化を検出する。

すなわち、特性変化検出部３６は、位相ずれのないデータを生成し、基準信号のＡＤ変換後のデータと、位相ずれのないデータの位相の差分を監視して、位相の差分が一定範囲（θmaxからθminの間）にない場合に、特性の変化を検出する。この場合、特性変化検出部３６は、振幅および位相の特性の変化量を、以下の式（４）に従って計算する。

ここで、Ａ_{ｊ，ｉｎｉｔ}は、Ａ_ｊの時刻０における振幅の値、θ_{ｊ，ｉｎｉｔ}は、θ_ｊの時刻０における位相の値である。

特性補正部２８は、特性変化検出部３６において、ディジタル保護リレー装置２のアナログ部分の特性に変化があると判断される場合に、電力系統から入力される信号の振幅および位相の補正を行う。特性補正部２８は、式（４）で計算された変化量（ΔＡ_ｊ、Δθ_ｊ）を用いて、以下の式（５）に従って、上記の補正を行う。

ここで、Ａ_{ｊ，ｎｅｗ}は、Ａ_ｊの値を補正した値、θ_{ｊ，ｎｅｗ}は、θ_ｊの値を補正した値である。

逆フーリエ変換部２９は、周波数ｊの値を、以下の式（６）に従って、電圧および電流を示すデジタルデータに変換する。

＜まとめ＞
このように、実施形態で説明したディジタル保護リレー装置においては、基準信号のアナログ部による出力結果を周波数領域に変換して振幅および位相の変化量が一定値以上になることを検出して変化量を計算するとともに、電圧・電流の計測値のアナログ部による出力結果を周波数領域に変換して周波数および位相のずれを補正して時間領域に変換する。したがって、電圧・電流の計測値のアナログ部の特性変化をオンラインで補正することができるという効果がある。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものでないと考えられるべきである。この発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１００アナログ／ディジタル変換部、１０１制御部、１０２メモリ、１０３通信ポート、１０４計測制御部、１０５アナログ／ディジタル変換部、１１ＶＴ、１２入力変換器、１３アナログフィルタ、１４サンプルホールド回路、１５マルチプレクサ、１６ＡＤ変換器、２１ＶＴ、２２入力変換器、２３アナログフィルタ、２４サンプルホールド回路、２５マルチプレクサ、２６ＡＤ変換器、２７高速フーリエ変換部、２８特性補正部、２９逆フーリエ変換部、３１基準信号発生部、３２入力変換器、３３アナログフィルタ、３４サンプルホールド回路、３５高速フーリエ変換部、３６特性変化検出部。

Claims

ディジタル保護リレー装置であって、
電力系統の電圧および電流のアナログ計測値、および、基準となるアナログ信号の入力を受け付けて、入力されたアナログ信号をディジタルデータに変換するＡＤ（Analog to Digital）変換部と、
前記基準となるアナログ信号が前記ＡＤ変換部によりディジタルデータに変換された基準信号に対し、ＦＦＴ（Fast Fourier Transform）処理を施して、前記基準信号の周波数の位相を算出するＦＦＴ処理部と、
前記ＦＦＴ処理の位相の算出結果に基づき、前記基準信号の変化量が一定値を超えることを検出する検出部とを備える、ディジタル保護リレー装置。
前記検出部が、前記基準信号の変化量が一定値を超えることを検出した場合に、前記基準信号の位相および振幅の変化量に基づいて、前記ＡＤ変換部が出力する前記電力系統の電圧および電流のディジタルデータの補正量を算出し、前記補正量に基づいて前記電力系統のディジタルデータの補正値を出力する補正部をさらに備える、請求項１記載のディジタル保護リレー装置。
前記ディジタル保護リレー装置は、複数の周波数の信号を合成したアナログ信号を生成し、生成されたアナログ信号を前記基準となるアナログ信号として前記ＡＤ変換部へ出力する信号生成部をさらに備える、請求項１記載のディジタル保護リレー装置。
前記信号生成部は、前記基準となるアナログ信号として、のこぎり波を生成する、請求項３記載のディジタル保護リレー装置。