JP2535922Y2 - ベクトル変化検出装置 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 この考案はベクトル変化検出装置に関する。

近年マイクロコンピュータを応用した保護継電器、い
わゆるデジタルリレーが広く適用されつつある。

マイクロコンピュータは高度な数値演算能力、あるい
は記憶能力を有しているため、従来の保護機能は勿論の
こと、従来のアナログリレーでは実現が極めて困難であ
った変化分に応動する保護機能等も実現されている。

変化分応動リレーの必要性は以下の点からも理解され
るように、最近故障度の低い、換言すれば故障点抵抗の
高い系統故障も放置できず、これを検出したいという要
求が強くなってきている。

ところで、実系統では相毎のアンバランス等から常
時、残留分（残留零相電圧、残留零相電流）が発生して
いるが、この残留分に故障分が重畳することになり、前
述のように故障点抵抗が高い場合は故障分が小さく、残
留分の影響を受けるので故障分の大きさと位相が本来の
値から大幅に変化し、故障方向や故障の程度を正しく示
さないことになる。

従って残留分をキャンセルするために位相も考慮した
ベクトル変化を検出することが不可欠となる。

デジタルリレーでは一般に交流入力を一定時間間隔を
もってサンプリングし、そのサンプリング値をホールド
してA/D変換器によりデジタル変換し、そのデジタル値
をもって所要の演算を行うようにしている。

〈従来の技術〉 デジタルリレーで従来から広く行われている一定時間
間隔のサンプリング方式について考えてみる。

電気角30°のサンプリング方式とし、60Hz系で説明す
る。この場合、60×360/60＝720Hzのサンプリング周波
数でベクトル変化を検出するためには、現データとｎサ
イクル前（ｎは正の整数）即ち12×ｎサンプリング前の
データと比較する必要がある。系統に何ら変化がない場
合、系統周波数が60Hzである限り前述の比較によるベク
トル変化は検出されるが、系統周波数が変動すると、ｎ
サイクル前のデータとの間に見かけ上のベクトル変化が
生じ、このためリレーは誤った変化を検出してしまうこ
とになる。

この原因は明らかにサンプリング周波数が系統周波数
に同期していないためであり、前述の誤検出を避けるた
めに対策として、PLL（PHASE LOCK LOOP）回路の使用が
考えられるが、この種PLL回路は構成が複雑で高価であ
る。

〈考案が解決しようとする課題〉 一定時間間隔をもってサンプリングする、いわゆる固
定サンプリング方式を第２図を参照して説明する。交流
波形（例えば零相電圧）がV0m sinωｔとして表される
ものとする。但しωは角周波数、V0mは波高値である。
今、交流波形の周波数を60Hzとし、30°サンプリングを
行うとすれば30°間隔つまり、1/720≒1.398ミリセコン
ド毎にサンプリングパルスを出して各サンプリングデー
タを得る。

この場合系統周波数が変動しないと仮定すれば、ある
サンプリング時点S2のサンプル値V0とｎサイクル前（ｎ
は正整数）時点S1、第２図ではｎ＝１、のサンプル値V
0′とは一致する。しかし系統周波数が変動すると前記
サンプル値V0とV0′とは明らかに一致しない。第３図は
この様子をベクトル図で示したものであり、その差Δ
０が見かけ上生じる。この見かけ上の差はあたかも系統
で故障があったかのように見え、前述したような誤動作
の原因となる。

〈課題を解決するための手段〉 この考案の目的は上述したように固定サンプリング方
式の場合でも系統周波数の変動に影響されることのない
ベクトル変化検出装置を提供することである。

この目的を達成するためこの考案では、高抵抗接地系
統あるいは非接地系統では健全時と一線地絡故障のとき
とで系統の線間電圧が変化しないことに着目し、第７図
に示すように系統の三相電圧と零相電圧と零相電流とを
入力とし、前記各入力をサンプリングし保持するサンプ
ホールド回路と前記サンプルホールド回路の出力をデジ
タル量に変換するアナログ／デジタル変換器からなる入
力手段と、前記入力手段から線間電圧のデジタル値を抽
出する線間電圧抽出手段と、前記入力手段から零相電圧
または零相電流を抽出する零相分抽出手段と、前記線間
電圧抽出手段の出力の正弦成分を求める第１正弦成分演
算手段と、前記線間電圧抽出手段の出力の余弦成分を求
める第１余弦成分演算手段と、前記零相分抽出手段の出
力の正弦成分を求める第２正弦成分演算手段と、前記零
相分抽出手段の出力の余弦成分を求める第２余弦成分演
算手段と、前記第１正弦成分演算手段の出力と前記第２
正弦成分演算手段の出力の積を求める第１乗算手段と、
前記第１余弦成分演算手段の出力と前記第２余弦成分演
算手段の出力の積を求める第２乗算手段と、前記第１余
弦成分演算手段の出力と前記第２正弦成分演算手段の出
力の積を求める第３乗算手段と、前記第１正弦成分演算
手段の出力と前記第２余弦成分演算手段の出力の積を求
める第４乗算手段と、前記第１乗算手段の出力と前記第
２乗算手段の出力を加算し、その値を前記線間電圧の絶
対値で除す加算手段と、前記第３乗算手段の出力から前
記第４乗算手段の出力を減算し、その値を前記線間電圧
の絶対値で除す減算手段と、前記加算手段および減算手
段の各出力を、前記系統の基本周波数の少なくともｎサ
イクル（ｎは正の整数）にわたって記憶する記憶手段
と、前記記憶装置に記憶されているｎサイクル前の前記
加算手段および減算手段の各出力と最新の前記加算手段
および減算手段の出力との差を求める差分演算手段とを
備え、系統の線間電圧を基準にして周波数変動に基づく
見かけ上の誤差を補正するようにしたものである。

〈作用〉 系統周波数が変動した場合でも後述する所要の演算を
行うことにより固定サンプリング方式における見かけ上
のベクトル変化演算誤差をなくして誤動作を防止でき
る。

まず、この考案の基本原理を零相電圧を一例として第
４図のベクトル図を参照して説明する。ここで、 abは線間電圧のベクトル Vabはabの大きさ ０は零相電圧のベクトル V0は０の大きさ を示す。

ベクトル０の、ベクトルab基準による成分X,Y
は、 で表すことができる。Ｘは０のab基準の余弦成分で
あり、Ｙは同じく正弦成分である。

（１），（２）式中Vab cosθ,Vab sinθ,V0 cosφおよ
びV0 sinφは任意時刻の、その時刻より過去１サイクル
分（30°サンプリングの場合は過去12点）のサンプリン
グデータからデジタルフィルタ処理演算で得られるa
b,０の余弦，正弦成分であり、全ての演算の基本デー
タとなる。

このようにしてX,Yが求まれば、元の零相電圧V0と位
相角（φ−θ）はそれぞれ V0＝√（X²＋Y²） （φ−θ）＝tan^-1（X/Y） として求めることができる。

従って前（１），（２）式を演算することにより得ら
れる任意時刻におけるVabを基準とするV0の余弦、正弦
成分を、少なくとも過去ｎサイクルにわたって記憶して
おき、現在の記憶値とｎサイクル前の記憶値との差分を
求めることによってベクトル変化を検出するものであ
る。

第5,6図を参照して更に詳細に説明する。第５図にお
いてab′，０′は健全時の或サンプリング時刻にお
ける線間電圧、零相電圧のベクトルである。０′は残
留零相電圧である。ab,０は地絡故障時の或サンプ
リング時刻における線間電圧、零相電圧のベクトルであ
る。

ab′，abは前述したように、高抵抗接地系統、非
接地系統では一線地絡故障時に変化しないが、固定サン
プリングのデジタルリレーからは第５図に示したように
変化して見える。

前（１），（２）式に従った基準化の演算を行うと第
６図のような結果が得られΔ０＝0-０′となる。
この変化分Δ０を求めることにより正確な変化分を検
出することができる。また系統周波数の変動によって見
かけ上ab′，０′からab,０に変化したと考え
た場合、ab′と０′の位相関係、abと０の位相
関係に周波数変動前後において殆ど変化はないので、前
（１），（２）式に従った基準化の演算を行うと、０
≒０′となりΔ０≒０となり系統周波数の変動の影
響を受けない。

このように固定サンプリング方式の場合でも正しい変
化分Δ０が得られ系統周波数の変動による見かけ上の
ベクトル変化演算誤差をなくすことができる。

〈実施例〉 この考案の実施例を第１図、および第７図に基づいて
説明する。第１図において、１は系統に接続された電圧
変成器、２は同じく電流変成器である。

電圧変成器１より系統の線間電圧（例えばa,b相間
の）abおよび零相電圧０を得、電流変成器２より適
宜処理して零相電流０を得る。

3,4,5は各変成器1,2の出力を絶縁し、適当な量に変換
する入力変換器、AFはそれぞれ前記系統から得られる
ab,0,０に含まれる高調波成分をカットするために
設けられるアナログフィルタである。

S/Hはそれぞれサンプルホールド回路であり、前記系
統から得られた各交流入力を制御回路CONからの指令に
基づき例えば１サイクル中に12回（30°間隔）の同時刻
サンプリングを行いそのサンプル値を保持する。

MPXは前記サンプル値を順次切り替えて出力するマル
チプレクサ、A/Dは前記アナログのサンプル値をデジタ
ル量に変換するアナログ／デジタル変換器である。

CPUは前記デジタル量を記憶すると同時に所定の演算
を行うマイクロプロセッサ等の演算装置（機能の詳細は
第７図の機能ブロック図参照）、OUTは出力回路であ
る。なお、MPX,A/D,CPUはS/H同様制御回路CONからの指
令により所定の動作を行う。

ここで、系統で一線地絡故障が発生したとすると、線
間電圧ab、零相電圧０および零相電流０がサンプ
リングデジタルデータとしてCPUに記憶される。

線間電圧Vabは前述したように一線地絡故障前、後で
変化しないのでCPUはこの線間電圧Vabを基準に第７図の
機能ブロック図に示す手順で先の（１），（２）式の演
算を実行する。

第７図において、入力手段は第１図のAF,S/H,A/Dなど
から構成される。電圧抽出手段によってこの入力手段か
ら線間電圧例えばabを抽出し、第１正弦成分演算手段
によりあるサンプリング点を起点とした線間電圧の位相
角θを基にして線間電圧の正弦成分Vab sinθを演算す
る。同様にして第１余弦成分演算手段によって線間電圧
の余弦成分Vab cosθを演算する。

一方零相分抽出手段によって入力手段から零相分とし
て例えば零相電圧０を抽出し、第２正弦成分演算手段
により前記サンプリンク点をと同じ点を起点とした零相
電圧の位相角φを基にして零相電圧の正弦成分V0 sinθ
を演算する。同様にして第２余弦成分演算手段によって
零相電圧の余弦成分V0 cosθを演算する。

第１乗算手段では第１正弦成分演算手段の出力と第２
正弦成分演算手段の出力の積Vab sinθ・V0 sinφを演
算し、第２乗算手段では第１余弦成分演算手段の出力と
第２余弦成分演算手段の出力の積Vab cosθ・V0 cosφ
を演算する。

同様にして、第３乗算手段では第１余弦成分演算手段
の出力と第２正弦成分演算手段の出力の積Vab cosθ・V
0 sinφを演算し、第４乗算手段では第１正弦成分演算
手段の出力と第２余弦成分演算手段の出力の積Vab sin
θ・V0 cosφを演算する。

加算手段では、第１乗算手段の出力と第２乗算手段の
出力とを加算しこれを線間電圧Vabで除した値（1/Vab）
（Vab cosθ・V0 cosφ＋Vab sinθ・V0 sinφ）＝Ｘを
演算し、同様にして減算手段では第３乗算手段の出力か
ら第４乗算手段の出力を減じこれを線間電圧Vabで除し
た値（1/Vab）（Vab cosθ・V0 sinφ−Vab sinθ・V0
cosφ）＝Ｙを演算する。

記憶手段で加算手段の出力と減算手段の出力とを少な
くともｎサイクル（ｎは正整数）にわたって記憶し、差
分演算手段によってｎサイクル前の値Ｘ′,Y′と現在の
値X,Yのそれぞれの差分を演算するようにしている。

この演算出力（Ｘ′−Ｘ），（Ｙ′−Ｙ）は前記〈作
用〉に述べたように系統周波数の影響を除去したものと
なり零相電圧０のベクトル変化分を高精度で検出する
ことができるようになる。

なお、零相電流０の変化分も同様の手法によって求
め得ること勿論であり、線間電圧はabに限らず、b
c,caまたはこれらの全部を導入できることは言うまで
もない。

〈考案の効果〉 以上詳述したようにこの考案によれば、固定サンプリ
ング方式において、系統の周波数が変動した場合でも見
かけ上のベクトル変化演算誤差をなくすことができ、線
間電圧を基準電圧として用いたので、特に高抵抗接地系
あるいは非接地系の一線地絡故障検出リレーに適用して
有用である。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの考案の実施例を示すブロック線図、第２図
はこの考案を説明するための波形図、第３図ないし第６
図はこの考案を説明するためのベクトル図、第７図は第
１図の機能を表す機能ブロック図である。 １……電圧変成器 ２……電流変成器 ３〜５……入力変換器 AF……アナログフィルタ S/H……サンプルホールド回路 MPX……マルチプレクサ A/D……アナログ／デジタル変換器 CON……制御回路 CPU……演算装置

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−106021（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−157220（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

(57)【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】一定時間間隔のサンプリングの指令を出す
   制御回路と、高抵抗接地系統あるいは非接地系統の三相
   電圧と零相電圧と零相電流とを入力とし、前記制御回路
   のサンプリング指令により前記各入力をサンプリングし
   保持するサンプルホールド回路と、前記サンプルホール
   ド回路の出力をデジタル量に変換するアナログ／デジタ
   ル変換器からなる入力手段と、 前記入力手段から線間電圧のデジタル値を抽出する線間
   電圧抽出手段と、 前記入力手段から零相電圧または零相電流を抽出する零
   相分抽出手段と、 前記線間電圧抽出手段の出力の正弦成分を求める第１正
   弦成分演算手段と、 前記線間電圧抽出手段の出力の余弦成分を求める第１余
   弦成分演算手段と、 前記零相分抽出手段の出力の正弦成分を求める第２正弦
   成分演算手段と、 前記零相分抽出手段の出力の余弦成分を求める第２余弦
   成分演算手段と、 前記第１正弦成分演算手段の出力と前記第２正弦成分演
   算手段の出力の積を求める第１乗算手段と、 前記第１余弦成分演算手段の出力と前記第２余弦成分演
   算手の出力の積を求める第２乗算手段と、 前記第１余弦成分演算手段の出力と前記第２正弦成分演
   算手段の出力の積を求める第３乗算手段と、 前記第１正弦成分演算手段の出力と前記第２余弦成分演
   算手段の出力の積を求める第４乗算手段と、 前記第１乗算手段の出力と前記第２乗算手段の出力を加
   算し、その値を前記線間電圧の絶対値で除す加算手段
   と、 前記第３乗算手段の出力から前記第４乗算手段の出力を
   減算し、その値を前記線間電圧の絶対値で除す減算手段
   と、 前記加算手段および減算手段の各出力を、前記系統の基
   本周波数の少なくともｎサイクル（ｎは正の整数）にわ
   たって記憶する記憶手段と、 前記記憶装置に記憶されているｎサイクル前の前記加算
   手段および減算手段の各出力と最新の前記加算手段およ
   び減算手段の出力との差を求める差分演算手段と、から
   なるベクトル変化検出装置。