JP2022034824A - ディジタル保護制御装置及びディジタル保護制御装置の監視方法 - Google Patents

Abstract

【課題】低コストで高精度に異常を検出可能なディジタル保護制御装置及びディジタル保護制御装置の監視方法を提供すること。【解決手段】電力系統から入力されるアナログ入力よりも高い周波数の高調波信号を発生させる高調波発生回路と、前記電力系統から入力されるアナログ入力に前記高調波信号を重畳させて取り込みフィルタ処理を行う複数のアナログフィルタと、前記複数のアナログフィルタごとに設けられ、前記アナログフィルタの出力をディジタル量に変換する複数のアナログディジタル変換器と、前記複数のアナログディジタル変換器の出力を用い、前記アナログフィルタ及び／又はアナログディジタル変換器の異常検出処理を行う監視手段とを備える。【選択図】図２

Description

本発明は、ディジタル保護制御装置及びディジタル保護制御装置の異常を検出する監視方法に関する。

従来の技術は、例えば、特許文献１に記載されているように、複数のアナログ入力信号をマルチプレクサにて切替え、信号を多重化し、この多重化した信号を時分割に、１個のアナログディジタル（Ａ／Ｄ）変換にてディジタル量に変換するディジタル保護制御装置が提案され、変電所向けの保護装置には、ほぼ主流の構成として採用されている。

上記装置は、Ａ／Ｄ変換したデータをマイクロコンピュータなどのディジタル演算手段にて、予め定めたプログラムに基づき、ディジタル演算処理して系統事故の有無を検出し、遮断器に対して引き外し指令を発するものである。

このような保護制御装置において、アナログ入力部の回路監視として例えば特許文献２に記載のように、一般的に適用されているアナログローパスフィルタの入力段に高調波重畳し、該高調波成分の信号の大きさを検出し、フィルタの減衰特性の変動を監視するようにしている。

さらに、特許文献３に記載のように高精度な高調波信号をアナログ入力に重畳して、振幅と位相偏差により、Ａ／Ｄ変換精度監視と高調波異常監視を兼用して行う方式が採用されている。

特許３１８６７３５号公報 特開２００３－３７９２８号公報 特開２０１１－１６０４９７号公報

従来の技術によれば、電力系統から入力されるアナログ入力に前記電力系統から取り込まれたアナログ入力の周波数の整数倍となる高い高調波信号を重畳して高調波信号の振幅偏差や位相偏差を確認することで、アナログフィルタやＡ／Ｄ変換器の異常を検出することができる。ここで、高調波信号はダイレクト・ディジタル・シンセサイザとＤ／Ａ変換器を用いて生成するとひずみが無い信号となるが、部品が高価となる。一方、安価な発振器とアナログフィルタを用いて生成する高調波信号では信号が歪むことで、固定の判定基準では製造ばらつきにより誤検出する場合がある。また、分散電源の導入により高周波成分を含む入力が増加すると、入力の高周波成分により誤検出が発生することが懸念される。

そこで、本発明では、安価な発振器とアナログフィルタを用いた低コストの構成でも、誤検出を防止して高精度に異常を検出可能なディジタル保護制御装置及びその監視方法を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、代表的な本発明のディジタル保護制御装置の一つは、電力系統から入力されるアナログ入力よりも高い周波数の高調波信号を発生させる高調波発生回路と、前記電力系統から入力されるアナログ入力に前記高調波信号を重畳させて取り込みフィルタ処理を行う複数のアナログフィルタと、前記複数のアナログフィルタごとに設けられ、前記アナログフィルタの出力をディジタル量に変換する複数のアナログディジタル変換器と、前記複数のアナログディジタル変換器の出力を用い、前記アナログフィルタ及び／又はアナログディジタル変換器の異常検出処理を行う監視手段とを備える。
また、代表的な本発明のディジタル保護制御装置の監視方法の一つは、電力系統の事故の有無を判定するディジタル保護制御装置の監視方法であって、前記電力系統から入力されるアナログ入力よりも高い周波数の高調波信号を発生させる高調波発生ステップと、複数のアナログフィルタが、前記電力系統から入力されるアナログ入力に前記高調波信号を重畳させて取り込みフィルタ処理を行うステップと、前記複数のアナログフィルタごとに設けられた複数のアナログディジタル変換器が、前記複数のアナログフィルタの出力をそれぞれディジタル量に変換するステップと、前記複数のアナログディジタル変換器の出力を用い、前記アナログフィルタ及び／又はアナログディジタル変換器の異常検出処理を行うステップとを含む。

本発明によれば、低コストで高精度に異常を検出可能なディジタル保護制御装置及びディジタル保護制御装置の監視方法を提供することができる。上記した以外の課題、構成及び効果は以下の実施の形態の説明により明らかにされる。

実施例に係るディジタル保護制御装置の構成図。 実施例に係るディジタル保護制御装置の機能ブロック図。 信号処理ブロックの説明図。 監視処理の処理手順を示すフローチャート。 異常種別判定処理の処理手順を示すフローチャート。

以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。

図１は、実施例に係るディジタル保護制御装置の構成図である。図１に示すように、ディジタル保護制御装置は、複数の入力変換器（ＶＴ/ＣＴ）１ａを有する。複数の入力変換器１ａは、それぞれ異なる電力系統からの電圧および電流信号をアナログ電子回路で取り扱える±１０Ｖの範囲内の電圧信号に変換する。また、ディジタル保護制御装置は、電力系統の周波数のｎ倍高調波信号（ｎは自然数とする。）を生成する高調波発生回路１ｂを有する。

各入力変換器１ａには、それぞれ２つのアナログフィルタ（ＡＦ）１ｃが設けられている。すなわち、１つの入力変換器１ａの出力は、２つのＡＦ１ｃに入力される。また、各ＡＦ１ｃには、高調波発生回路１ｂにより生成された高調波がさらに入力されており、入力変換器１ａの出力に高調波が重畳されることになる。このＡＦ１ｃは、ディジタルサンプリングによる折返し誤差防止用である。

複数のＡＦ１ｃには、１対１に対応してＡ／Ｄ変換器１ｄが設けられている。ＡＦ１ｃが出力するアナログ電圧信号は、対応するＡ／Ｄ変換器１ｄによりディジタル量に変換される。Ａ／Ｄ変換器１ｄの出力は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１ｆに入力される。

また、高調波発生回路１ｂの出力は、複数のＡＦ１ｃに入力される他、１つのＡ／Ｄ変換器１ｄに入力される。このＡ／Ｄ変換器１ｄは、高調波発生回路１ｂにより生成され、ＡＦ１ｃを介していない高調波をディジタル量に変化し、ＣＰＵ１ｆに入力する。この高調波を、便宜上、ＡＦ不通過高調波という。

ＣＰＵ１ｆには、さらに、ワークメモリであるＲＡＭ１ｇと、初期値記録用の不揮発メモリであるＦｌａｓｈ１ｈと、入出力インターフェースであるＩ／Ｏ１ｉが接続される。

図２は、実施例に係るディジタル保護制御装置の機能ブロック図である。図２に示すように、ディジタル保護制御装置は、既に説明した高調波発生回路１ｂ、ＡＦ１ｃ、Ａ／Ｄ変換器１ｄ、Ｆｌａｓｈ１ｈなどに加え、ディジタルフィルタ（ＤＦ）２ａ、フーリエ変換演算部２ｂ、保護演算部２ｃ及びアナログ監視部２ｄを有する。これらのうち、高調波発生回路１ｂ、ＡＦ１ｃ、Ａ／Ｄ変換器１ｄ、Ｆｌａｓｈ１ｈはハードウェアであるが、ディジタルフィルタ２ａ、フーリエ変換演算部２ｂ、保護演算部２ｃ及びアナログ監視部２ｄは、ソフトウェア、すなわちＣＰＵ１の演算処理によって実現される機能部である。

ディジタルフィルタ２ａは、複数のＡ／Ｄ変換器１ｄの出力をそれぞれフィルタリングしてフーリエ変換演算部２ｂに渡す。フーリエ変換演算部２ｂは、ディジタルフィルタ２ａを介して入力される信号を離散フーリエ変換処理する。

保護演算部２ｃは、フーリエ変換処理された信号に基づき保護演算を行い、電力系統の事故有無を判定する。例えば、電力系統に事故有りと判定したならば、保護演算部２ｃは、電源の切り離し指示などを出力することになる。

アナログ監視部２ｄは、フーリエ変換処理された信号に基づき各種アナログ素子や高調波発生回路１ｂにおける異常有無を判定する。ここで、アナログ素子には、ＡＦ１ｃとＡ／Ｄ変換器１ｄが含まれる。

図３は、信号処理の説明図である。図３における高調波重畳信号Ｓ１と高調波重畳信号Ｓ２は、同一の入力変換器１ａからの出力に対し、異なるＡＦ１ｃとＡ／Ｄ変換器１ｄを経由させて入力された信号を示している。

図３では、高調波信号Ｓ１をフーリエ変換演算部２ｂが処理した結果として、周波数領域の振幅Ａ１と位相θ１が得られている。同様に、高調波信号Ｓ２をフーリエ変換演算部２ｂが処理した結果として、振幅Ａ２と位相θ２が得られている。

保護演算部２ｃ及びアナログ監視部２ｄは、これらの信号（振幅Ａ１、位相θ１、振幅Ａ２、位相θ２）を用いて処理を行う。さらに、アナログ監視部２ｄは、例えばディジタル保護制御装置の使用を開始したときに得られた信号（振幅Ａ１、位相θ１、振幅Ａ２、位相θ２）を初期値としてＦｌａｓｈ１ｈに格納し、初期値からの変化により異常を検出することができる。

図４は、アナログ監視部２ｄによる監視処理の処理手順を示すフローチャートである。アナログ監視部２ｄは、まず、アナログ入力の偏差ε１とアナログ入力の初期値の偏差ε２を算出する（ステップＳ１０１）。ここで、アナログ入力の偏差ε１とは、同一の電力系統に対して設けられた２つのアナログディジタル変換器の出力の差分、すなわち、高調波信号Ｓ１と高調波信号Ｓ２の差分である。また、アナログ入力の初期値の偏差ε２とは、Ｆｌａｓｈ１ｈに格納された高調波信号Ｓ１と高調波信号Ｓ２の初期値の差分である。

ステップＳ１０１の後、アナログ監視部２ｄは、アナログ入力の偏差ε１が第１の閾値α１以上であるか否かを判定する。ε１がα１未満であれば（ステップＳ１０１；Ｎｏ）、アナログ監視部２ｄは、ε１－ε２が第２の閾値α２以上であるか否かを判定する。ε１－ε２は、同一の電力系統に対して設けられた２つのアナログディジタル変換器の出力の差分であるε１から初期値の差分であるε２を減算したものである。例えば、経年変化に起因する異常は、電力系統に対して設けられた２つのアナログディジタル変換器に同じように発生する場合があり、この場合にはε１はα１未満となるが、ε１－ε２を第２の閾値α２と比較することで検知できる。ε１－ε２がα２未満であれば、そのまま処理を終了する。

ε１がα１以上である場合（ステップＳ１０２）、もしくはε１－ε２がα２以上である場合、アナログ監視部２ｄは、異常検出との判定結果を出力する（ステップＳ１０４）。その後、アナログ監視部２ｄは、異常種別判定処理を実行し（ステップＳ１０５）、処理を終了する。

図５は、異常種別判定処理の処理手順を示すフローチャートである。異常種別判定処理を開始すると、アナログ監視部２ｄは、ＡＦ通過高調波とＡＦ不通過高調波をそれぞれ対応する閾値と比較する。ＡＦ通過高調波は、アナログフィルタを通過した高調波である。すなわち、高調波重畳信号Ｓ１又は高調波重畳信号Ｓ２の高周波成分を示す。また、ＡＦ通過高調波に対応する閾値と、ＡＦ不通過高調波に対応する閾値は、異なる値であってよい。

ＡＦ通過高調波が対応する閾値以上であり、かつＡＦ不通過高調波が対応する閾値以上であるならば（ステップＳ２０１；Ｙｅｓ）、アナログ監視部２ｄは、高調波発生回路に異常が発生していると判定し（ステップＳ２０２）、処理を終了する。

ＡＦ通過高調波かＡＦ不通過高調波のすくなくとも一方が閾値未満であるならば（ステップＳ２０１；Ｎｏ）、アナログ監視部２ｄは、アナログ入力のＡＦ通過高調波の偏差をε３とする（ステップＳ２０３）。アナログ入力のＡＦ通過高調波の偏差は、同一の電力系統に対して設けられた２つのアナログディジタル変換器の出力の高調波成分の差分、すなわち、高調波信号Ｓ１の高調波成分と高調波信号Ｓ２の高調波成分との差分である。

ステップＳ２０３の後、アナログ監視部２ｄは、アナログ入力のＡＦ通過高調波の偏差ε３が第３の閾値α３以上であるか否かを判定する（ステップＳ２０４）。

ε３がα３以上であるならば（ステップＳ２０４；Ｙｅｓ）、アナログ監視部２ｄは、アナログ素子（アナログフィルタやアナログディジタル変換器）に異常が発生したと判定し（ステップＳ２０５）、処理を終了する。

ε３がα３未満であるならば（ステップＳ２０４；Ｎｏ）、アナログ監視部２ｄは、外乱による異常であると判定し（ステップＳ２０６）、処理を終了する。外乱による異常とは、例えば電源系統に含まれる高周波成分によって異常との判定結果が得られたものであり、ディジタル保護制御装置の異常を示すものではない。近年設置数が増加している太陽光発電等の分散電源を導入する場合には、電源系統からの入力にも高周波成分が含まれる可能性があるため、ディジタル保護制御装置のアナログ回路に由来する異常と識別可能とすることが好適である。

上述してきたように、本実施例に係るディジタル保護制御装置は、電力系統から入力されるアナログ入力よりも高い周波数の高調波信号を発生させる高調波発生回路と、前記電力系統から入力されるアナログ入力に前記高調波信号を重畳させて取り込みフィルタ処理を行う複数のアナログフィルタと、前記複数のアナログフィルタごとに設けられ、前記アナログフィルタの出力をディジタル量に変換する複数のアナログディジタル変換器と、前記複数のアナログディジタル変換器の出力を用い、前記アナログフィルタ及び／又はアナログディジタル変換器の異常検出処理を行う監視手段とを備える。
かかる構成では、１の電力系統を複数のアナログ経路で取り込んで評価することができるため、低コストな高調波発生回路を用いたとしてもアナログ経路上の素子の製造ばらつきに起因する誤検出を防止でき、低コストで高精度に異常を検出可能である。
具体的には、監視手段は、同一の前記電力系統に対して設けられた２つのアナログディジタル変換器の出力の差分を求め、該差分が第１の閾値以上である場合に異常が発生したと判定している。

また、本実施例に係るディジタル保護制御装置は、複数のアナログディジタル変換器の出力の初期値を記憶する記憶手段をさらに備え、監視手段は、初期値をさらに用いて異常検出処理を行う。このため、経年変化に起因する異常を検出することができる。
具体的には、記憶手段は、同一の電力系統に対して設けられた２つのアナログディジタル変換器の出力の初期値を記憶し、監視手段は、同一の電力系統に対して設けられた２つのアナログディジタル変換器の出力の差分から初期値の差分を減算し、該減算の結果が第２の閾値以上である場合に異常が発生したと判定する。

また、実施例に開示したように、監視手段は、アナログフィルタを通過した高調波が対応する閾値以上であり、かつアナログフィルタを通過していない高調波が対応する閾値以上であるならば、高調波発生回路に異常が発生していると判定する。
そして、監視手段は、複数のアナログフィルタをそれぞれ通過した複数の高調波の差分が第３の閾値未満であることを条件として外乱による異常が発生したと判定する。
さらに、監視手段は、複数のアナログフィルタをそれぞれ通過した複数の高調波の差分が第３の閾値以上であることを条件としてアナログフィルタ及び／又はアナログディジタル変換器に異常が発生したと判定する。
このように、本発明によれば、高調波発生回路の異常、アナログ経路上のアナログ素子の異常、外乱に起因する異常を識別することができる。

なお、上述の実施例では、ディジタルフィルタの機能をソフトウェアで実現する構成を例に説明を行ったが、ディジタルフィルタをハードウェアとして設けてもよい。また、開示した異常検出にかかる各処理はあくまで一例であり、適宜変更可能である。

このように、本発明は上述の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、かかる構成の削除に限らず、構成の置き換えや追加も可能である。

１ａ：入力変換器、１ｂ：高調波発生回路、１ｃ：アナログフィルタ、１ｄ：Ａ／Ｄ変換器、１ｆ：ＣＰＵ１ｇ：ＲＡＭ、１ｈ、Flash、２ａ：ディジタルフィルタ、２ｂ：フーリエ変換演算部、２ｃ：保護演算部、２ｄ：アナログ監視部

Claims (9)

1. 電力系統から入力されるアナログ入力よりも高い周波数の高調波信号を発生させる高調波発生回路と、
   前記電力系統から入力されるアナログ入力に前記高調波信号を重畳させて取り込みフィルタ処理を行う複数のアナログフィルタと、
   前記複数のアナログフィルタごとに設けられ、前記アナログフィルタの出力をディジタル量に変換する複数のアナログディジタル変換器と、
   前記複数のアナログディジタル変換器の出力を用い、前記アナログフィルタ及び／又はアナログディジタル変換器の異常検出処理を行う監視手段と
   を備えることを特徴とするディジタル保護制御装置。
2. 請求項１において、
   前記監視手段は、同一の前記電力系統に対して設けられた２つのアナログディジタル変換器の出力の差分を求め、該差分が第１の閾値以上である場合に異常が発生したと判定することを特徴とするディジタル保護制御装置。
3. 請求項１において、
   前記複数のアナログディジタル変換器の出力の初期値を記憶する記憶手段をさらに備え、
   前記監視手段は、前記初期値をさらに用いて前記異常検出処理を行う
   ことを特徴とするディジタル保護制御装置。
4. 請求項３において、
   前記記憶手段は、同一の前記電力系統に対して設けられた２つのアナログディジタル変換器の出力の初期値を記憶し、
   前記監視手段は、同一の前記電力系統に対して設けられた２つのアナログディジタル変換器の出力の差分から前記初期値の差分を減算し、該減算の結果が第２の閾値以上である場合に異常が発生したと判定する
   ことを特徴とするディジタル保護制御装置。
5. 請求項１において、
   前記監視手段は、前記アナログフィルタを通過した高調波が対応する閾値以上であり、かつ前記アナログフィルタを通過していない高調波が対応する閾値以上であるならば、前記高調波発生回路に異常が発生していると判定することを特徴とするディジタル保護制御装置。
6. 請求項１において、
   前記監視手段は、前記複数のアナログフィルタをそれぞれ通過した複数の高調波の差分が第３の閾値未満であることを条件として外乱による異常が発生したと判定することを特徴とするディジタル保護制御装置。
7. 請求項１において、
   前記監視手段は、前記複数のアナログフィルタをそれぞれ通過した複数の高調波の差分が第３の閾値以上であることを条件として前記アナログフィルタ及び／又はアナログディジタル変換器に異常が発生したと判定することを特徴とするディジタル保護制御装置。
8. 請求項１において、
   前記複数のアナログディジタル変換器の出力のうち少なくともいずれかを用い、前記電力系統の事故の有無を判定する保護演算手段をさらに備えることを特徴とするディジタル保護制御装置。
9. 電力系統の事故の有無を判定するディジタル保護制御装置の監視方法であって、
   前記電力系統から入力されるアナログ入力よりも高い周波数の高調波信号を発生させる高調波発生ステップと、
   複数のアナログフィルタが、前記電力系統から入力されるアナログ入力に前記高調波信号を重畳させて取り込みフィルタ処理を行うステップと、
   前記複数のアナログフィルタごとに設けられた複数のアナログディジタル変換器が、前記複数のアナログフィルタの出力をそれぞれディジタル量に変換するステップと、
   前記複数のアナログディジタル変換器の出力を用い、前記アナログフィルタ及び／又はアナログディジタル変換器の異常検出処理を行うステップと
   を含むことを特徴とするディジタル保護制御装置の監視方法。
   

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