JP2017046457A - 保護継電装置、電力系統保護システム及び電力系統保護方法 - Google Patents

Abstract

【課題】事故電流の電流値が微小であっても故障電流を検知することを可能にする。【解決手段】電力系統１には、発電所側回路ＧＳに並列用遮断器２ａが、受電線側回路１Ｓに送電線遮断器２ｂが、受電線側回路２Ｓに送電線遮断器２ｃが設けられ、発電所側回路ＧＳにはＡＶＲ４及び調速機５が設けられて計測装置６ａにより計測され、受電線側回路１Ｓ，２Ｓには計測装置６ｂ，６ｃが設けられて電流値とその向きが計測されている。この電力系統１には、保護継電装置１０が設けられ、保護継電装置１０は受信部１１と、判断処理部１２と、遮断器操作部１３とを備えている。判断処理部１２は、計測装置６ａ，６ｂ，６ｃの計測結果等から構成されている電力系統情報Ｅに基づいて、送電線の事故の有無を判断し、並列用遮断器２ａ及び送電線遮断器２ｂ，２ｃの入／切を判断する。これにより、事故電流の電流値が微小であっても故障電流を検知することが可能になる。【選択図】 図１

Description

この発明は、故障電流から電力系統を保護する保護継電装置、電力系統保護システム及び電力系統保護方法に関する。

従来、発電所において、送電線短絡事故が起きた時の送電線の保護は、保護継電器設置点の電圧および電流の位相から算出される送電線インピーダンスの値から事故発生を判定する方法や、故障電流の電圧に対する位相から短絡事故の方向を判定する方向特性付き過電流継電器を用いる方法で行われてきた。

図４は、２回線による送電時において送電線の１回線に故障が発生した場合の電力相差角曲線の例を示すグラフである。図４の横軸は、送電線の両端電圧、すなわち送電電圧と受電電圧との間の位相差である相差角δを示し、例えば、発電所の発電機は０°から９０°の間で稼働されている。縦軸は、有効電力Ｐを示している。曲線Ｌ１は、通常の２回線送電時における電力相差角曲線であり、相差角δが９０°である臨界相差角δｃのときに電力Ｐが定態安定極限電力Ｐｍａｘになる曲線である。曲線Ｌ２は、送電線の１回線に故障が発生した場合の電力相差角曲線である。曲線Ｌ３は、故障区間が除去された後の電力相差角曲線である。

故障発生前は、曲線Ｌ１において相差角がδ１であり有効電力がＰ０である点Ｐ１で稼働されている。このときに送電線の１回線に故障が発生すると、有効電力が減少して矢印Ｘ１方向へ移動し、曲線Ｌ２における点Ｐ２の状態になる。すると、発電機の入力エネルギーと出力エネルギーとのバランスが崩れたため、曲線Ｌ２上で有効電力がＰ０となるようにするため、矢印Ｘ２方向へ移動する。例えば、点Ｐ３の状態で故障区間が除去されたとすると、矢印Ｘ３方向へ移動し、曲線Ｌ３における点Ｐ４の状態になる。その後、曲線Ｌ３上で有効電力がＰ０となるようにするため、矢印Ｘ４方向へ移動し、曲線Ｌ３における点Ｐ５の状態になる。

このように、２回線による送電の場合、有効電力の変動が大きいため故障電流値も大きくなるが、一方、水力発電所のような場合において、電力系統が１回線受電の場合には、背後電源である発電機からの故障電流値が小さいため、保護継電器では事故を判断することは困難である。そのため、電流を要素としない転送遮断装置等の装置を使用して電力系統の保護を行っている。しかし、転送遮断装置は、通信線を用いて送電線において短絡等の故障発生情報を受信するものであるが、通信線の故障等により転送遮断装置が使用できない場合、送電線事故時の故障電流の供給元である水力発電所の発電機を停止する必要がある。そのため、計器用変流器から入力される電流値が閾値以上流れた場合、流れる電流の方向を判定し高速で故障区間を除去する方向特性付き過電流継電器が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２０１０−１４８３０５号公報

しかしながら、特許文献１に記載の方向特性付き過電流継電器は、故障電流の電流値が負荷電流の電流値より小さい場合、故障電流を検知できないため、保護継電器としての役割が果たせないものであった。また、故障電流が流れる方向は、継電器設置点の電圧を取り込んでいるため、送電線の故障点が継電器設置点の付近の場合、電圧値が０に近い値となり、故障電流の電流値が負荷電流の電流値より大きい場合であっても方向判定ができないおそれがあるものであった。

そこでこの発明は、事故電流の電流値が微小であっても故障電流を検知することを可能にする保護継電装置、電力系統保護システム及び電力系統保護方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１の発明は、発電機から送電線を介して複数の受電線へ電力を送る電力系統において、前記送電線の事故の際に発生する故障電流から前記電力系統を保護する保護継電装置であって、前記電力系統における各種管理情報である電力系統情報を取得する取得部と、前記電力系統情報に基づいて前記送電線の事故の有無を判断し、前記送電線及び前記複数の受電線に設けられた遮断器の入／切を判断する判断処理部と、を備え、前記判断処理部は、前記故障電流が一定以下であり、前記発電機の回転数と有効電力の変化が一定以上の場合に前記送電線の事故の発生を判断し、前記送電線に流れる前記事故電流の方向により切断する遮断器を選択する、ことを特徴とする。

この発明によれば、取得部が電力系統情報を取得し、判断処理部が取得された電力系統情報に基づいて送電線の事故の有無を判断し、送電線及び複数の受電線に設けられた遮断器の入／切を判断する。

請求項２の発明は、請求項１に記載の保護継電装置において、前記電力系統情報は、前記遮断器の入／切を示す遮断器情報と、前記電力系統に設置された自動電圧調整装置における電力、電流及び電圧の調整値である自動電圧調整装置情報と、前記発電機の回転数を示す調速機情報と、前記電力系統に設置された計測器により計測された前記送電線の計測情報と、前記発電機の出力値を示す発電機出力情報と、を有し、前記判断処理部は、前記遮断器情報、前記自動電圧調整装置情報、前記調速機情報、前記計測情報、及び前記発電機出力情報に基づき、前記送電線に設けられた遮断器の入／切を判断する、ことを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項２に記載の保護継電装置において、前記遮断器は、前記発電機側に設けられた並列用遮断器と、前記複数の受電線側に設けられた複数の送電線遮断器と、を有し、前記判断処理部は、前記遮断器情報、前記自動電圧調整装置情報、前記調速機情報、前記計測情報、及び前記発電機出力情報に基づき、前記並列用遮断器または前記複数の送電線遮断器のうちのいずれか一つまたは複数の遮断器の入／切を判断する、ことを特徴とする。

請求項４の発明は、発電機から送電線を介して複数の受電線へ電力を送る電力系統において、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の保護継電装置を備えた、ことを特徴とする電力系統保護システムである。

請求項５の発明は、発電機から送電線を介して複数の受電線へ電力を送る電力系統において、前記送電線の事故の際に発生する故障電流から前記電力系統を保護する電力系統保護方法であって、前記電力系統における各種管理情報である電力系統情報を取得し、前記電力系統情報に基づき、前記故障電流が一定以下であり、前記発電機の回転数と有効電力の変化が一定以上の場合に前記送電線の事故の発生を判断し、前記送電線に流れる前記事故電流の方向により切断する遮断器を選択する、ことを特徴とする。

請求項１、４及び５の発明によれば、故障電流が一定以下であり、発電機の回転数と有効電力の変化が一定以上の場合に送電線の事故の発生を判断し、送電線に流れる事故電流の方向により切断する遮断器を選択するので、発電所を構成する最低限の機器を活用できるため、新たな設備を設置することなく故障電流を検知することが可能になる。

請求項２の発明によれば、判断処理部は、遮断器情報、自動電圧調整装置情報、調速機情報、計測情報、及び発電機出力情報に基づいて送電線に設けられた遮断器の入／切を判断するため、発電機からの事故電流の電流値が微小であっても故障電流を検知することが可能になり、また、確実な送電線事故区間の切り離しが可能になる。

請求項３の発明によれば、並列用遮断器または複数の送電線遮断器のうちのいずれか一つまたは複数の遮断器の入／切を判断するため、１回線受電の場合は並列用遮断器を切断することが可能となるので、事故区間除去後の電源端からの復旧時に操作なしで配電線に供給することが可能になる。

この発明の実施の形態１に係る電力系統１を示す図であり、電力系統１を示す配線図（ａ）、及び電力系統１に設置される保護継電装置の概略を示す機能構成図（ｂ）である。 図１の電力系統情報５の詳細を示すブロック図である。 図１の判断処理部３における電力系統保護方法の処理内容を示す論理回路図である。 ２回線による送電時において送電線の１回線に故障が発生した場合の電力相差角曲線の例を示すグラフである。

以下、この発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。

図１は、この発明の実施の形態１に係る電力系統１を示す図であり、電力系統１を示す配線図（ａ）、及び電力系統１に設置される保護継電装置の概略を示す機能構成図（ｂ）である。この電力系統１は、発電機Ｇから供給される電力が送電線を介して複数の受電線へ送電される電力系統であり、発電所側回路ＧＳ、受電線側回路１Ｓ，２Ｓを備え，それぞれ送電線Ｓに接続されている。

図１（ａ）に示す発電所側回路ＧＳは、発電機Ｇと送電線Ｓとに接続された回路であり、並列用遮断器２ａと、変圧器３とを有している。並列用遮断器２ａは、発電機Ｇに接続されて発電機Ｇと送電線Ｓとの接続の入／切を制御するための装置である。変圧器３は、並列用遮断器２ａと送電線Ｓとの間に接続され、発電機Ｇによって発電された電気の電圧を変換するための装置である。また、並列用遮断器２ａと変圧器３との間には、ＡＶＲ（自動電圧調整装置）４が接続されている。ＡＶＲ４は、発電機Ｇの電圧を一定値に制御するための装置である。このＡＶＲ４と、電力系統１に設けられた調速機５とが、計測装置６ａに接続されている。調速機５は、発電機Ｇの回転数を制御する装置である。計測装置６ａは、ＡＶＲ４によって制御されている発電機Ｇの電力、電流、及び電圧の調整値及び発電機の出力情報と、調速機５によって制御されている発電機Ｇの回転数とを取得するための装置である。計測装置６ａによる計測値は、後述する保護継電装置１０に送信される。

受電線側回路１Ｓは、送電線Ｓに接続されて発電機Ｇの出力電力を無限大母線へ送電するための回路であり、送電線遮断器２ｂを有し、送電線１Ｌによって接続されている。送電線遮断器２ｂは、送電線Ｓに接続されて送電線Ｓと無限大母線との接続の入／切を制御するための装置である。また、送電線遮断器２ｂと無限大母線との間には、計測装置６ｂが接続されている。計測装置６ｂは、送電線１Ｌを流れる電流の電流値及び電流の向きと、電圧値とを計測するための装置である。計測装置６ｂによる計測値は、後述する保護継電装置１０に送信される。

受電線側回路２Ｓは、送電線Ｓに接続されて発電機Ｇの出力電力を無限大母線へ送電するための回路であり、送電線遮断器２ｃを有し、送電線２Ｌによって接続されている。送電線遮断器２ｃは、送電線Ｓに接続されて送電線Ｓと無限大母線との接続の入／切を制御するための装置である。また、送電線遮断器２ｃと無限大母線との間には、計測装置６ｃが接続されている。計測装置６ｃは、送電線２Ｌを流れる電流の電流値及び電流の向きと、電圧値とを計測するための装置である。計測装置６ｃによる計測値は、後述する保護継電装置１０に送信される。

送電線Ｓにおける受電線側回路１Ｓとの接続点と、受電線側回路２Ｓとの接続点との間には、計測装置６ｄが接続されている。計測装置６ｄは、送電線Ｓを流れる電流の電流値と、電圧値とを計測するための装置である。計測装置６ｄによる計測値は、後述する保護継電装置１０に送信される。

図１（ｂ）に示す保護継電装置１０は、図１（ａ）に示す電力系統１に設置されて電力系統１を故障電流等から保護するための装置であり、電力系統１と保護継電装置１０とにより、電力系統保護システムが構成されている。この保護継電装置１０は、主として、受信部（取得部）１１と、判断処理部１２と、遮断器操作部１３とを備えている。受信部１１は、計測装置６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄによる計測結果等の電力系統情報Ｅを受信するための通信インターフェースである。判断処理部１２は、電力系統情報Ｅに基づいて送電線の事故の有無を判断し、並列用遮断器２ａ及び送電線遮断器２ｂ，２ｃの入／切を判断するためのものである。遮断器操作部１３は、判断処理部１２の判断により並列用遮断器２ａ及び送電線遮断器２ｂ，２ｃの入／切を制御するためのものである。判断処理部１２及び遮断器操作部１３は、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）等により構成されている。

図２は、図１の電力系統情報Ｅの詳細を示すブロック図である。この電力系統情報Ｅは、例えば、送電線遮断器情報Ｅ１、ＡＶＲ情報（自動電圧調整装置情報）Ｅ２、調速機情報Ｅ３、並列用遮断器情報Ｅ４、母線電圧・送電線電流などの計測情報Ｅ５、発電機出力情報Ｅ６により構成されている。

送電線遮断器情報Ｅ１は、送電線遮断器２ｂ，２ｃのスイッチの入切状態に関する情報を有している。ＡＶＲ情報Ｅ２は、ＡＶＲ４によって制御されている発電機Ｇの電力、電流、及び電圧の調整値を有している。調速機情報Ｅ３は、発電機Ｇの回転数に関する情報を有している。並列用遮断器情報Ｅ４は、並列用遮断器２ａのスイッチの入切状態に関する情報を有している。母線電圧・送電線電流などの計測情報Ｅ５は、計測装置６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄによる計測結果を有している。発電機出力情報Ｅ６は、発電機Ｇの出力情報を有している。

この電力系統１における電力系統保護方法は、例えば、以下のように処理される。

図３は、図１の判断処理部３における電力系統保護方法の処理内容を示す論理回路図である。この論理回路図は、論理ゲート２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂ，２４ａ，２４ｂ，２５，２６，２７ａ，２７ｂ，２８と、タイマＴ１，Ｔ２，Ｔ３とから構成されている。

論理ゲート２１ａは、計測装置６ｂによる電流値の計測結果が一定値以上である場合、かつ、計測装置６ｂによる電流の向きが構内（無限大母線）側である場合に「真」となるＡＮＤゲートである。論理ゲート２１ｂは、計測装置６ｃによる電流値の計測結果が一定値以上である場合、かつ、計測装置６ｃによる電流の向きが構内（無限大母線）側である場合に「真」となるＡＮＤゲートである。論理ゲート２２ａは、計測装置６ｂによる電流値の計測結果が一定値以上である場合、かつ、計測装置６ｂによる電流の向きが送電線Ｓ側である場合に「真」となるＡＮＤゲートである。論理ゲート２２ｂは、計測装置６ｃによる電流値の計測結果が一定値以上である場合、かつ、計測装置６ｃによる電流の向きが送電線Ｓ側である場合に「真」となるＡＮＤゲートである。論理ゲート２３ａは、論理ゲート２１ａが「真」である場合、かつ、論理ゲート２２ｂが「真」である場合に「真」となるＡＮＤゲートである。論理ゲート２３ｂは、論理ゲート２２ａが「真」である場合、かつ、論理ゲート２１ｂが「真」である場合に「真」となるＡＮＤゲートである。

論理ゲート２４ａは、論理ゲート２３ａが「真」である場合、かつ、送電線遮断器２ｂのスイッチが入っている場合、かつ、送電線遮断器２ｃのスイッチが入っている場合、かつ、計測装置６ｄによる電圧値が低下している場合に「真」となるＡＮＤゲートである。この論理ゲート２４ａが「真」となる場合、タイマＴ１により一定時間経過後、送電線遮断器２ｃのスイッチを切断する。論理ゲート２４ｂは、論理ゲート２３ｂが「真」である場合、かつ、送電線遮断器２ｂのスイッチが入っている場合、かつ、送電線遮断器２ｃのスイッチが入っている場合、かつ、計測装置６ｄによる電圧値が低下している場合に「真」となるＡＮＤゲートである。この論理ゲート２４ｂが「真」となる場合、タイマＴ２により一定時間経過後、送電線遮断器２ｂのスイッチを切断する。論理ゲート２５は、論理ゲート２４ａが「真」である場合、または、論理ゲート２４ｂが「真」である場合に「真」となるＯＲゲートである。この論理ゲート２５が「真」となる場合、並列用遮断器２ａのスイッチをロックする。すなわち、論理ゲート２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂ，２４ａ，２４ｂ，２５による制御は、２回線受電の場合における１回線に故障が発生した場合であり、このとき、図４に示したような動作が行われる。

論理ゲート２６は、並列用遮断器２ａのスイッチが入っている場合、かつ、発電機Ｇの回転数が一定以上の場合、かつ、計測装置６ａによる発電機Ｇの有効電力の変化が一定以上、かつ、計測装置６ｄによる電圧値が低下している場合に「真」となるＡＮＤゲートである。論理ゲート２７ａは、論理ゲート２６が「真」である場合、かつ、送電線遮断器２ｂのスイッチが入っている場合、かつ、送電線遮断器２ｃのスイッチが入っていない場合、かつ、論理ゲート２５が「真」である場合に「真」となるＡＮＤゲートである。論理ゲート２７ｂは、論理ゲート２６が「真」である場合、かつ、送電線遮断器２ｂのスイッチが入っていない場合、かつ、送電線遮断器２ｃのスイッチが入っている場合、かつ、論理ゲート２５が「真」である場合に「真」となるＡＮＤゲートである。論理ゲート２８は、論理ゲート２７ａが「真」である場合、または、論理ゲート２７ｂが「真」である場合に「真」となるＯＲゲートである。この論理ゲート２８が「真」となる場合、タイマＴ３により一定時間経過後、並列用遮断器２ａのスイッチを切断する。すなわち、論理ゲート２６，２７ａ，２７ｂ，２８による制御は、１回線受電の場合において故障が発生した場合であり、このとき、発電機Ｇから故障電流が流れるため、並列用遮断器２ａのスイッチを切断する。

このように、判断処理部３は、送電線遮断器情報Ｅ１、ＡＶＲ情報Ｅ２、調速機情報Ｅ３、並列用遮断器情報Ｅ４、母線電圧・送電線電流などの計測情報Ｅ５、発電機出力情報Ｅ６に基づいて、並列用遮断器２ａ、及び送電線遮断器２ｂ，２ｃのスイッチの入／切を判断するため、計測装置６ａによる電流値の計測結果が微小であっても故障電流を検知することが可能になり、また、確実な送電線事故区間の切り離しが可能になる。

さらに、並列用遮断器２ａ、または送電線遮断器２ｂ，２ｃのスイッチの入／切を判断するため、１回線受電の場合は並列用遮断器２ａを切断することが可能となるので、事故区間除去後の電源端からの復旧時に操作なしで配電線に供給することが可能になる。

以上、この発明の実施の形態について説明したが、具体的な構成は、上記の実施の形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても、この発明に含まれる。例えば、この発明の実施の形態では、２つの受電線側回路１Ｓ，２Ｓを設けたが、３つ以上の受電線側回路を設けてもよい。

１ 電力系統
２ａ 並列用遮断器
２ｂ，２ｃ 送電線遮断器
４ ＡＶＲ（自動電圧調整装置）
５ 調速機
６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ 計測装置
１０ 保護継電装置
１１ 受信部（取得部）
１２ 判断処理部
１３ 遮断器操作部
Ｅ 電力系統情報
Ｅ１ 送電線遮断器情報
Ｅ２ ＡＶＲ情報（自動電圧調整装置情報）
Ｅ３ 調速機情報
Ｅ４ 並列用遮断器情報
Ｅ５ 母線電圧・送電線電流などの計測情報
Ｅ６ 発電機出力情報

Claims (5)

1. 発電機から送電線を介して複数の受電線へ電力を送る電力系統において、前記送電線の事故の際に発生する故障電流から前記電力系統を保護する保護継電装置であって、
   前記電力系統における各種管理情報である電力系統情報を取得する取得部と、
   前記電力系統情報に基づいて前記送電線の事故の有無を判断し、前記送電線及び前記複数の受電線に設けられた遮断器の入／切を判断する判断処理部と、を備え、
   前記判断処理部は、前記故障電流が一定以下であり、前記発電機の回転数と有効電力の変化が一定以上の場合に前記送電線の事故の発生を判断し、前記送電線に流れる前記事故電流の方向により切断する遮断器を選択する、
   ことを特徴とする保護継電装置。
2. 前記電力系統情報は、前記遮断器の入／切を示す遮断器情報と、前記電力系統に設置された自動電圧調整装置における電力、電流及び電圧の調整値である自動電圧調整装置情報と、前記発電機の回転数を示す調速機情報と、前記電力系統に設置された計測器により計測された前記送電線の計測情報と、前記発電機の出力値を示す発電機出力情報と、を有し、
   前記判断処理部は、前記遮断器情報、前記自動電圧調整装置情報、前記調速機情報、前記計測情報、及び前記発電機出力情報に基づき、前記送電線に設けられた遮断器の入／切を判断する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の保護継電装置。
3. 前記遮断器は、前記発電機側に設けられた並列用遮断器と、前記複数の受電線側に設けられた複数の送電線遮断器と、を有し、
   前記判断処理部は、前記遮断器情報、前記自動電圧調整装置情報、前記調速機情報、前記計測情報、及び前記発電機出力情報に基づき、前記並列用遮断器または前記複数の送電線遮断器のうちのいずれか一つまたは複数の遮断器の入／切を判断する、
   ことを特徴とする請求項２に記載の保護継電装置。
4. 発電機から送電線を介して複数の受電線へ電力を送る電力系統において、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の保護継電装置を備えた、
   ことを特徴とする電力系統保護システム。
5. 発電機から送電線を介して複数の受電線へ電力を送る電力系統において、前記送電線の事故の際に発生する故障電流から前記電力系統を保護する電力系統保護方法であって、
   前記電力系統における各種管理情報である電力系統情報を取得し、前記電力系統情報に基づき、前記故障電流が一定以下であり、前記発電機の回転数と有効電力の変化が一定以上の場合に前記送電線の事故の発生を判断し、前記送電線に流れる前記事故電流の方向により切断する遮断器を選択する、
   ことを特徴とする電力系統保護方法。
   

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