JP2018093592A - 周波数継電器 - Google Patents

Abstract

【課題】太陽光発電の発電機が含まれる系統において、逆潮流の発生に起因して系統周波数が低下した場合には、系統周波数が整定値を下回ったときでも回線が遮断されないようにして、さらなる周波数の低下を防ぐことが可能な周波数継電器を提供する。【解決手段】本発明の周波数継電器は、周波数演算部１，２と、電圧演算部３と、位相演算部４と、判定部５ａ，５ｂと、制御部６を備えている。周波数演算部１ではメインリレー遮断判定に用いられる周波数が予め設定されたメインリレー整定値と比較され、周波数演算部２では上記周波数が予め設定されたフェールセーフ整定値と比較される。判定部５ａではメインリレーにおいて遮断すべき段階が設定され、判定部５ｂでは位相角が−９０度から９０度の範囲に含まれていれば、動作領域内であり、−１８０度から−９０度又は９０度から１８０度の範囲に含まれていれば、不動作領域内であると判定される。【選択図】図１

Description

本発明は、電力系統において系統周波数の上昇や下降を抑制するために設置される周波数継電器に係り、特に、太陽光発電等の逆潮流の影響を考慮した周波数継電器に関する。

電力系統において、故障等によって発電力と負荷電力との平衡が崩れると、系統周波数が上昇または下降する。そこで、通常、電力系統には、系統周波数を一定幅に収めるために周波数継電装置が設置されており、この周波数継電装置によって、系統周波数が整定値以上または整定値以下となったことが検出され、その結果に基づいて、系統分離、発電制限、負荷制限が行われている。

しかし、従来の周波数継電装置は、太陽光発電等の逆潮流を想定したものではなく、予め定められた周波数整定値になると、逆潮流の有無に関わらず、所定の負荷を遮断する構成となっているため、逆潮流が発生した場合には周波数がさらに低下してしまうという課題があった。
なお、電力系統における２つ以上の電気量の位相関係から電力潮流の方向の判別を行う技術については、従来、いろいろな方法が提案されている。そして、既にそれに関し、いろいろな発明が開示されている。

例えば、特許文献１には、「方向継電装置」という名称で、電柱に跨設されたケーブルの両端部の位置によって形成される電線路の角度を測定する際に使用される装置に関する発明が開示されている。
この発明は、瞬時値データについて位相差演算を行うとともに実効値演算を行い、位相差演算の結果と実効値演算の結果とで位相比較演算を行うことにより電力系統の周波数変動率を補正する演算を行うことを特徴としている。
このような構成によれば、周波数が変動している場合でも、電力系統における２つ以上の電気量の位相関係を十分な精度で算出することができる。

また、特許文献２には、「ディジタル保護継電装置」という名称で、電圧の周波数に変動が生じた場合でも演算誤差が少ないディジタル保護継電装置に関する発明が開示されている。
この発明は、ディジタル量に変換した電圧と基準データとの一次判定データを相互に伝送しあい、自端と相手端の電圧位相差を算出することを特徴としている。
このような構成によれば、基準データとの位相差から自端と相手端の電圧位相差を演算できるため、脱調検出だけでなく、同期検出や位相差・周波数の表示、及び脱調検出や同期検出の点検処理も実現可能となる。

さらに、特許文献３には、「配電線の電圧制御装置および電圧制御方法」という名称で、電力会社の配電用変電所における変圧器制御盤に設置される電圧調整用継電器やそのような機能を有する制御装置の整定方法に関する発明が開示されている。
この発明に係る「配電線の電圧制御装置」は、１次側が上位系統に、２次側が配電系統に各々接続された変圧器のタップを切り替えて配電線の電圧を制御する装置であって、配電線の電流と電圧の位相差を演算する位相差演算部と、配電線の電流の実効値を演算する電流実効値演算部と、位相差演算部で演算された位相差に基づいて潮流の向きを判定し、順潮流であると判定されたときは正符号を出力し、逆潮流であると判定されたときは負符号を出力する逆潮流継電器と、電流実効値演算部で演算された電流実効値に、逆潮流継電器から出力される正又は負の符号を掛け合わせた符号付電流実効値を入力とし、このようにして入力された符号付電流実効値に対する目標出力電圧の整定値が、符号付電流実効値の負側最大設定値から正側最大設定値にかけて上昇する電圧特性に整定され、目標出力電圧に応じて変圧器のタップを切り替える電圧調整用継電器と、を備えたことを特徴としている。
このような構成によれば、逆潮流が発生した際の配電線の電圧の上昇を抑え、適切に電圧の制御を行うことができる。

特開２００８−１０９８１４号公報 特開平８−３０８０８３号公報 特開２０１４−２３９６３４号公報

しかしながら、これらの文献に記載された発明は、太陽光発電等の逆潮流を想定したものではないため、系統内に太陽光発電の発電機が含まれる場合、これらの発明では、逆潮流が発生した場合でも所定の負荷を遮断してしまい、周波数がさらに低下してしまうという不具合が生じるおそれがあった。

本発明はかかる従来の事情に対処してなされたものであり、太陽光発電の発電機が含まれる系統において、逆潮流の発生に起因して系統周波数が低下した場合には、系統周波数が整定値を下回ったときでも回線が遮断されないようにして、さらなる周波数の低下を防ぐことが可能な周波数継電器を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、第１の発明は、メインリレーの遮断判定に用いられる周波数を算出して予め設定されたメインリレー整定値と比較する周波数演算部と、負荷力率が１のときを０度として−１８０度〜１８０度の範囲で位相角を算出する位相演算部と、位相角が−９０度から９０度の範囲内のときに回線が動作領域内にあると判定する第１の判定部と、回線を遮断するためのトリップ信号を発生させるトリップ信号発生回路と、第１の判定部の判定結果に基づいてトリップ信号発生回路を動作接点において開閉する制御部と、を備え、第１の判定部によって回線が動作領域内にあると判定された場合にのみ制御部はトリップ信号発生回路の動作接点を閉じることを特徴とするものである。

このような構成の周波数継電器においては、回線の周波数がメインリレー整定値を下回ったときでも、それが逆潮流の回線である場合には遮断されることがないという作用を有する。

また、第２の発明は、第１の発明において、位相演算部によって位相角が算出される回線が複数存在し、第１の判定部は、複数の回線それぞれに対して位相角が−９０度から９０度の範囲内のときに動作領域内にあると判定することを特徴とするものである。
このような構成の周波数継電器においては、メインリレーの遮断判定の対象となる回線が複数存在する場合でも第１の発明の作用が同様に発揮される。

第３の発明は、第１の発明又は第２の発明において、予め段階的に定められた複数のメインリレー整定値に基づいてメインリレーにおいて遮断すべき段階を設定する第２の判定部を備え、周波数演算部は、算出した周波数を複数のメインリレー整定値と順次比較し、制御部は第２の判定部によって設定された段階ごとにトリップ信号発生回路の前記動作接点を閉じることを特徴とするものである。
このような構成の周波数継電器においては、太陽光発電等に基づく逆潮流の影響で系統周波数が低下した場合には回線が遮断されないという第１の発明の作用が段階的に定められたメインリレー整定値が複数存在する場合であっても同様に発揮される。

第１の発明によれば、太陽光発電等に基づく逆潮流が発生した場合に、回線に接続された負荷を遮断することで、さらに系統周波数が低下してしまうという不具合を防ぐことができる。

第２の発明によれば、メインリレーの遮断判定の対象となる回線が複数存在する場合であっても第１の発明における効果が同様に発揮される。

第３の発明によれば、太陽光発電等に基づく逆潮流の影響で系統周波数が低下した場合に、回線に接続された負荷を誤って遮断することで、さらなる系統周波数の低下を招いてしまうという事態を防止できるという第１の発明における効果が、段階的に定められたメインリレー整定値が複数存在する場合であっても同様に発揮される。

（ａ）は本発明の実施の形態に係る周波数継電器の実施例のシーケンス図であり、（ｂ）は位相判定部の動作を説明するための図である。 図１（ａ）に示した周波数継電器の回路図である。 周波数演算部や位相演算部等における処理の流れを示した図である。 図３に示したステップＳ７からステップＳ１０の処理を具体的に説明するための図である。

本発明の周波数継電器について、図１〜図４を用いて説明する。なお、本発明の周波数継電器を構成する回線数や整定値の数については、以下に示した場合に限定されるものではなく、適宜変更可能である。

図１（ａ）は本発明の実施の形態に係る周波数継電器の実施例のシーケンス図であり、図１（ｂ）は位相判定部の動作を説明するための図である。また、図２は図１（ａ）に示した周波数継電器の回路図である。
なお、図１では、図２との対応関係についての理解が容易になるように、対応する構成要素を破線で囲み、同一の符号を付している。

図１（ａ）及び図２に示すように、本発明の周波数継電器は、周波数演算部１，２と、電圧演算部３と、位相演算部４と、判定部５ａ，５ｂと、制御部６を備えている。
周波数演算部１では、メインリレー遮断判定に用いられる周波数（以下、第１周波数値という。）が電圧計測器９の測定値から算出され、比較処理部１ａ〜１ｘにおいて、この第１周波数値と予め設定されたＸ個のメインリレー整定値が比較される。また、周波数演算部２では、フェールセーフリレー遮断判定に用いられる周波数（以下、第２周波数値という。）が電圧計測器９の測定値から算出され、比較処理部２ａにおいて、この第２周波数値と予め設定されたフェールセーフ整定値が比較される。

さらに、電圧演算部３では、メインリレー遮断判定に用いられる電圧が電圧計測器９の測定値から算出され、比較処理部３ａにおいて、この電圧と予め定められた上限値との比較判定が行われる。
そして、位相演算部４では、電圧測定器９と電流計測器１０の測定値に基づいて位相角が比較処理部４ａ〜４ｙによって、負荷力率が１のときを０度として−１８０度〜１８０度の範囲で回線ごとに算出される（図１（ｂ）参照）。

判定部５ａでは、周波数演算部１において行われた演算結果に基づいて、メインリレーにおいて遮断すべき段階が設定され、判定部５ｂでは、各回線について、位相角が−９０度から９０度の範囲に含まれていれば、動作領域内であり、−１８０度から−９０度又は９０度から１８０度の範囲に含まれていれば、不動作領域内であると判定される。

動作接点７，８は、トリップ信号（回線を遮断させる信号）を発生させる回路に設けられており、動作接点７は制御部６の指示に従って開閉し、動作接点８は周波数演算部２の指示に従って開閉する。例えば、第１周波数値がメインリレー整定値よりも低い場合において、電圧が上限値よりも低く、かつ、位相角が動作領域内であると判定された回線は、動作接点７が閉じられる。さらに、第２周波数値がフェールセーフ整定値よりも低い場合には、動作接点８が閉じられる。その結果、上記回線に対し、トリップ信号が送られる。ただし、動作接点７が閉じられている場合でも、第２周波数値がフェールセーフ整定値よりも高い場合には動作接点８が開かれるため、上記回線にはトリップ信号が送られない。

逆潮流が発生している場合、回線の位相角は−１８０度から−９０度又は９０度から１８０度の範囲に含まれる。すなわち、逆潮流が発生している場合には、判定部５ｂにより位相角が不動作領域内であると判定される。この場合、動作接点７は制御部６からの指示に従って開いた状態となるため、当該回線にトリップ信号が送られることはない。一方、逆潮流が発生していない場合には、判定部５ｂにより位相角が動作領域内であると判定される。この場合、第２周波数値がフェールセーフ整定値よりも低ければ、動作接点８が閉じられ、さらに、電圧が上限値よりも低く、第１周波数値がメインリレー整定値よりも低ければ、動作接点７が制御部６からの指示に従って閉じられた状態となるため、当該回線にトリップ信号が送られることになる。

次に、本発明の周波数継電器における処理の流れについて図３及び図４を用いて説明する。なお、図３は周波数演算部や位相演算部等における処理の流れを示した図であり、図４は図３に示したステップＳ７からステップＳ１０の処理を具体的に説明するための図である。

図３に示すように、まず、ステップＳ１において、段階的に設定されたＸ個のメインリレー整定値と１個のフェールセーフ整定値が読み込まれる。次に、ステップＳ２において、電圧計測器９の測定値から第１周波数値及び第２周波数値が周波数演算部１，２によって算出される。ステップＳ３では、周波数演算部２によって第２周波数値がフェールセーフ整定値以下であると判断されると、ステップＳ４に進む。一方、周波数演算部２によって第２周波数値がフェールセーフ整定値を超えていると判断された場合には、ステップＳ２の前に戻る。

ステップＳ４〜ステップＳ１４では、周波数演算部１による第１周波数値とＸ個のメインリレー整定値が順次比較された後、メインリレーにおいて遮断すべき段階が判定部５ａによって設定される。
具体的には、ステップＳ４でＮを１とした上で、ステップＳ５で第１周波数値とＮ段目のメインリレー整定値が比較され、ステップＳ６〜ステップＳ１２で回線１〜回線Ｍに対し、それぞれ遮断を行うか否かの判定（回線数合計Ｙ回）が行われた後、ステップＳ１３でＮを１増やし、ステップＳ１４でＮがＸを超えたと判断された時点で終了する。

一方、ステップＳ１４において、ＮがＸ以下と判断された場合には、ステップＳ５の前へ戻る。なお、ステップＳ５において、第１周波数値が１段目のメインリレー整定値よりも大きいと判断された場合には、ステップＳ１５を経てステップＳ２の前に戻り、第１周波数値が２段目以降のメインリレー整定値よりも大きいと判断された場合には、その時点で終了する。

図４に示すように、ステップＳ７において、回線ＭがＮ段目のメインリレー整定値の動作対象であると判断された場合には、ステップＳ８に進む。一方、回線ＭがＮ段目のメインリレー整定値の動作対象であると判断されない場合には、ステップＳ１１に進む。
ステップＳ８では、位相演算部４によって位相角が算出され、ステップＳ９では、判定部５ｂにより回線Ｍが動作領域に入っているか否かの判断がなされる。

そして、ステップＳ９において、回線Ｍが動作領域に入っていると判定部５ｂによって判断された場合には、ステップＳ１０において、制御部６の指示に従って動作接点７が閉じられた後、ステップＳ１１へ進む。
なお、ステップＳ９において、回線Ｍが動作領域に入っていると判定部５ｂによって判断されない場合には、ステップＳ１０を迂回してステップＳ１１へ進む。

以上説明したように、本発明の周波数継電器では、判定部５ｂが位相演算部４によって算出された位相角に基づいて、その回線が動作領域に入っているか否かの判定を行う第１の判定部として機能する。そのため、系統周波数がメインリレー整定値を下回ったときでも、それが逆潮流の回線である場合には遮断されることがない。したがって、本発明によれば、太陽光発電等に基づく逆潮流が発生した場合に、回線に接続された負荷を遮断することで、さらに系統周波数が低下してしまうという不具合を防ぐことができる。そして、このような作用及び効果は、メインリレーの遮断判定の対象となる回線が複数存在する場合でも同様に発揮される。

また、判定部５ａは、予め段階的に定められた複数のメインリレー整定値に基づいてメインリレーにおいて遮断すべき段階を上記複数の回線ごとに設定する第２の判定部として機能する。したがって、太陽光発電等に基づく逆潮流の影響で系統周波数が低下した場合には回線が遮断されないという上述の作用及び回線に接続された負荷を誤って遮断することにより、さらなる系統周波数の低下を招いてしまうという事態を防止できるという上述の効果は、段階的に定められたメインリレー整定値が複数存在する場合であっても同様に発揮される。

本発明は、太陽光発電等の発電設備が接続された電力系統に対して適用可能である。

１…周波数演算部 １ａ〜１ｘ…比較処理部 ２…周波数演算部 ２ａ…比較処理部 ３…電圧演算部 ３ａ…比較処理部 ４…位相演算部 ４ａ〜４ｙ…比較処理部 ５ａ，５ｂ…判定部 ６…制御部 ７，８…動作接点 ９…電圧計測器 １０…電流計測器

Claims (3)

1. メインリレーの遮断判定に用いられる周波数を算出して予め設定されたメインリレー整定値と比較する周波数演算部と、
   負荷力率が１のときを０度として−１８０度〜１８０度の範囲で位相角を算出する位相演算部と、
   前記位相角が−９０度から９０度の範囲内のときに回線が動作領域内にあると判定する第１の判定部と、
   前記回線を遮断するためのトリップ信号を発生させるトリップ信号発生回路と、
   前記第１の判定部の判定結果に基づいて前記トリップ信号発生回路を動作接点において開閉する制御部と、を備え、
   前記第１の判定部によって前記回線が動作領域内にあると判定された場合にのみ前記制御部は前記トリップ信号発生回路の前記動作接点を閉じることを特徴とする周波数継電器。
2. 前記位相演算部によって前記位相角が算出される前記回線が複数存在し、
   前記第１の判定部は、複数の前記回線それぞれに対して前記位相角が−９０度から９０度の範囲内のときに動作領域内にあると判定することを特徴とする請求項１に記載の周波数継電器。
3. 予め段階的に定められた複数の前記メインリレー整定値に基づいて前記メインリレーにおいて遮断すべき段階を設定する第２の判定部を備え、
   前記周波数演算部は、算出した前記周波数を複数の前記メインリレー整定値と順次比較し、
   前記制御部は前記第２の判定部によって設定された段階ごとに前記トリップ信号発生回路の前記動作接点を閉じることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の周波数継電器。

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