JP2688274B2 - 保護継電器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は電力系統を保護する保護継電器に関するも
のである。

〔従来の技術〕

第３図は、例えば『電気協同研究，第41巻第４号，デ
ィジタルリレー』P45の第４−１−３表の方式，積形Ｃ
に示されたディジタル演算形電力方向継電器に関し、そ
のアルゴリズムを説明するための図である。

電力方向を得る演算原理式として、上掲の表には
（１）式が示されている。

｜｜・｜|cosθ＝v_mi_m＋v_m-3i_m-3 ……（１） 但し、 ｜|,||;電圧，電流の振巾値 θ；電圧と電流の位相差 i_m,v_m;時刻ｍの時点の電流及び電圧のディジタ
ルデータ i_m-3,v_m-3;時刻ｍより３サンプル前の電流及び電圧
のディジタル・データ 更に、ここでは、サンプリング時間巾βを電気角で30
゜の場合について示しており、時刻ｍの電流及び電圧の
内積値と、この時刻ｍより90゜隔たった時点の電流及び
電圧の内積値の和を得るものである。

今、継電器への入力電気量を第３図に示すように、 ｉ（ｔ）＝I_psin（ω₀t） ……（２） ｖ（ｔ）＝V_psin（ω₀t＋θ） ……（３） とし、ｍ時点におけるω₀tの値をαとすれば各サンプル
値は（４），（５）式で与えられる。

i_m＝I_psinα ……（４） v_m＝V_psin（α＋θ） ……（５） 更に、ｍ−ｋ時点におけるサンプル値は下式で与えら
れる。

i_m-k＝I_psin（α−ｋβ） ……（６） v_m-k＝V_psin（α−ｋβ＋θ） ……（７） 但し、 I_p,V_p;電流，電圧の振巾値 β；サンプリング時間巾 θ；電圧と電流の位相差 k;k＝1,2,3,… である。

ここで、式（１）の右辺に着目すると、式（８）が判
明する。

i_mv_m＋i_m-3v_m-3 ＝I_psinαV_psin（α＋θ） ＋I_psin（α−３β）V_psin（α−３β＋θ） ＝I_pV_p｛sinαsin（α＋θ） ＋sin（α−３β）sin（α−３β＋θ）｝ ＝I_pV_p｛sinαsin（α＋θ）＋cosαcos（α＋θ）｝ ＝I_pV_pcosθ ……（８） 即ち、データの３サンプル分の隔たりは、電気角90゜
の隔たりということになる。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来の保護継電器は以上のように構成されているの
で、『系統周波数は常に一定として扱うものであり、デ
ィジタル・リレーとして成立させるためには、50Hz,60H
z等の周波数に対応してサンプリング時間巾βを正確に
定める必要がある』の前提のもとに演算原理式が構成さ
れている。

このため、系統の周波数変動に対しては、式（８）の
中の、 sin（α−３β）sin（α−３β＋θ）＝cosαcos（α＋θ） ……（９） の前提が崩れてしまい等号が成立しなくなって、演算原
理上、保護能力的に無視し得ない影響を受ける他、周波
数によってサンプリング時間巾βを変えないと誤差が大
となって実用的でなくなるという課題があった。

更には、系統周波数に従属して、サンプリング時間巾
βを30゜の倍数に設定する必要があり、式（８）の場
合、電力方向リレーとして有効な演算結果を得るために
は、電気角で90゜（60Hzの場合には4.167ms,50Hzの場合
には5ms）相当の時間が必要（処理装置の処理に要する
時間はこれを無視してある）であり、従来の演算原理で
は、これ以上に検出時間を短縮することは困難であり、
高速度動作に対しては限界がある等の課題があった。

この発明は上記のような課題を解消するためになされ
たもので、周波数変動による特性変化を改善すると共
に、扱う周波数によってサンプリング時間巾βを変更す
る必要のない、即ち50Hz,60Hz共用形の演算処理回路で
対応が可能な保護継電器を得ることを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

この発明に係る保護継電器は、電力系統の電流，電圧
を検出した電流データ及び電圧データを所定のサンプリ
ング時間巾でサンプリングし量子化して一時保管する電
流データの一時的保管室及び電圧データの一時的保管室
と、前記データの一時的保管室に格納された電流，電圧
データのサンプリング値及び演算順序を規定して演算処
理する演算回路により第１の電気量及び第２の電気量を
演算処理して出力する四則演算回路と、前記四則演算回
路により前記第１の電気量を前記第２の電気量で除して
電力方向成分を求め、該電力方向成分が零より大か否か
を判定し、その判定結果を出力する判定量導出部とを設
けたものである。

〔作 用〕

この発明における保護継電器は、電力系統の電流，電
圧のサンプリングデータの積量を導出して第１の電気量
及び第２の電気量を求め、電力方向成分を得て判定す
る。そして該電気量の３つの成分、すなわち、電流，電
圧の位相差（θ）に関連する成分と、第２調波（２α）
に関連する成分及びサンプリング時間巾（β）に関する
成分のうちサンプリング時間巾と第２調波に関する成分
を位相差成分から除去して電流，電圧の位相差に関する
成分のみとするように入力サンプリングデータの取込み
順序を規定するので、周波数変動に対しても高精度かつ
安定で、50^HZ,60^HZでサンプリング時間巾を共用化した
継電器が得られる。

〔発明の実施例〕

以下、この発明の一実施例を図について説明する。第
１図において、１はディジタル量化された電流データの
配分路、２は電圧データの配分路、3,4は夫々電流デー
タの一時的保管室、５〜９は夫々電圧データの一時的保
管室、10〜13,16,22,23,26は乗算回路、14,15,24は加算
回路、17,18,20は減算回路、19,25は除算回路、27は判
定量導出部である。

電流，電圧データの配分路1,2には夫々ディジタルデ
ータ例…i_m-1,…i_m,…及び…v_m-2,v_m-1,v_m,v_m+1,v_m+2…
が常に一定のサンプリング時間巾β（この発明では、従
来のディジタルリレーのように系統周波数に従属して、
電気角30゜又ははその倍数に規定する必要はない）おき
に流れており、電流，電圧データの一時的保管室3,4,5
〜９には、今、夫々i_m,i_m-1,v_m+2,v_m+1,v_m,v_m-1,v_m-2が
保管されているものとする。

このデータの一時的保管室３〜９のデータの出し入れ
は別の制御系（図示せず）により制御されている。

例えば、最新のデータとして、電流データi_m+3が配分
路１に現れると（勿論、これと同期してデータ配分路２
にもv_m+3が現れている。）電流データの一時的保管室３
のデータi_mはクリアされてi_m+1が収納され、電流データ
の一時的保管室４ののデータi_m-1はクリアされて、i_mが
収納される。

この時、電圧データの一時的保管室５〜９のデータの
クリア、収納も別の制御系で制御されている。

電圧データの一時的保管室５〜９についても電流デー
タの一時的保管室と全く同様の動作を行う。

電圧データの一時的保管室５にはv_m+3、同６には
v_m+2、同７にはv_m+1、同８にはv_m、同９にはv_m-1が夫々
収納される。

次に、乗算回路10は、電流データの一時的保管室３及
び電圧データの一時的保管室７の出力を夫々入力として
式（10）を導出して出力している。

乗算回路11は、電流データの一時的保管室4,電圧デー
タの一時的保管室６の出力を夫々入力として式（11）を
導出して出力している。

また、乗算回路12は、電流データの一時的保管室３及
び電圧データの一時的保管室８の出力を夫々入力として
式（12）を導出し出力している。

同じく、乗算回路13は、電流データの一時的保管室
４、電圧データの一時的保管室７の出力を夫々入力とし
て式（13）を導出し出力している。

加算回路14は、電圧データの一時的保管室6,8の出力
を夫々入力として式（14）を導出し出力している。

v_m+1＋v_m-1＝2V_psin（α＋θ）cosβ ……（14） また、加算回路15は、電圧データの一時的保管室5,9
の出力を夫々入力として式（15）を導出し、 v_m+2＋v_m-2＝2V_psin（α＋θ）cos2β ……（15） 乗算回路16は、電圧データの一時的保管室７の出力を
入力として2v_mを導出し出力している。

更に、減算回路17は乗算回路10,11の出力を夫々入力
とし式（16）を導出して出力し、 減算回路18は乗算回路12,13の出力を夫々入力として
式（17）を導出し出力している。

i_mv_m-1−v_m-1v_m＝I_pV_psinβsinθ ……（17） 次に除算回路19は、電圧データの一時的保管室７、加
算回路14の出力を夫々入力とし、式（18）を導出して出
力し（但し、v_m≠０とする）、 減算回路20は、加算回路15及び乗算回路16の出力を夫
々入力として、式（19）を導出し出力している。

v_m+2−2v_m＋v_m-2＝2V_psin（α＋θ）（cos2β−１） ……（19） また、除算回路25は、乗算回路16及び減算回路20の出
力を夫々入力とし、式（20）を導出して出力し（但し、
v_m+2−2V_m＋v_m-2≠０とする）、 乗算回路22は、減算回路17の出力を入力として式（2
1）を導出し出力している。

２（i_m-1v_m+1−i_mv_m）＝I_pV_p｛cos（２β＋θ）−cos｝ ……（21） 乗算回路23は、減算回路18及び除算回路19の出力を夫
々入力とし、式（22）を導出して出力し（但し、v_m≠０
とする）、 加算回路24は、乗算回路22,23の出力を夫々入力とし
て、式（23）を導出し出力している（但し、v_m≠０とす
る）。

そして、乗算回路26は、加算回路24及び除算回路25の
出力を夫々入力として式（24）を導出し出力している
（但し、v_m≠0,v_m+2−2v_m＋v_m-2≠0,V_p（cos2β−１）
≠０とする）。

最後に、判定量導出部27は、乗算回路26の演算結果よ
り電力方向成分I_pV_pcosθを導出している。

以上の説明では、各演算式中の分母が零にならない場
合について述べているが、分母が零となる場合には演算
結果を棄てる等の別途処理を行うことは言うまでもな
い。

電力方向保護継電器としては、式（24）の電力方向成
分を下記条件で判定する（図示せず）。

I_pV_pcosθ≧０ ……（25） そして式（25）で、正又は零の条件が成立した時にリ
レーとしての動作信号を出力する。

後述する如く、式（24）の２式目に示した関係、即
ち、 の形（但し、V_p（cos2β−１）≠０とする）を導くよう
な電流，電圧のディジタル・データの入力順序の規定
は、式（24）の左辺に示した関係のみでないことは明ら
かである。

即ち、式（24）の３式目の関係式に到達する電流，電
圧のサンプリング・データの関係であれば全てこの発明
の主旨に合致し、上記実施例と同様の効果を得ることが
できる。

また、この発明の他の実施例を以下に示す。

図中、第１図と同一符号は同一又は相当部分を示す第
２図において、３−１は電流データの一時的保管室で、
データi_m+1が収納されている。

30,32,34は乗算回路、31,33は減算回路である。

ここで、乗算回路30は、電流データの一時的保管室３
−１、電圧データの一時的保管室８の出力を夫々入力と
して、式（26）を導出し出力している。

減算回路31は、乗算回路10,30の出力を夫々入力と
し、式（27）を導出して出力し、 乗算回路32は、減算回路31の出力を入力として、式
（28）を導出し出力している。

２（i_m+1v_m-1−i_mv_m）＝I_pV_p｛cos（２β−θ）−cosθ｝ ……（28） 減算回路33は、乗算回路23,32の出力を夫々入力とし
て式（29）を導出し出力としている。

そして、乗算回路34は、除算回路25及び加算回路33の
出力を夫々入力として、式（30）を導出し出力している
（但し、v_m≠0,v_m+2−2v_m＋v_m-2≠0,V_p（cos2β−１）
≠０とする）。

判定量導出部27は、乗算回路34の演算結果より電力方
向成分I_pV_pcosθを導出する。

分母が零となる場合は、第１図実施例で述べたと同様
の処理が必要である。

なお、上記実施例の変形は、２つに大別することが可
能である。その１は、式（24）に於いてｍを変化させて
もこの発明のデータの制御手順に従えば、その３式目の
βをcos2βとしたまま電力方向成分を得ることが可能で
ある。

一般化して、式（24）のｍをｍ＋ｋ（ｋは整数とす
る）で置換すると下式を得る。

但し、v_m+k+2−2v_m+k＋v_m+k-2≠0,v_m+k≠0,cos2β−
１≠0,V_psin（α＋ｋβ＋θ）≠０とする。

式（24）は、ｋ＝０の場合に相当する。

さて、その２は式（24）に於いて、ｍを変化させても
この発明のデータの制御手順に従えば、その３式目のβ
をcos2lβ（ｌは整数とする）としても、電力方向成分
を得ることが可能である。

一般化して、各添数字にｌを付して示すが、i_m,v_mに
ついては添字ｌとは無関係とすることが必要である。

但し、v_m+2l−2v_m＋v_m-2l≠0,v_m≠0,cos2lβ−１≠0,
V_psin（α＋θ）≠０とする。

式（24）はｌ＝１の場合に相当する。

これは式（24）の３式目が、 で示されていたのがｌとすると、 が得られることを示す。

この２種類の変化形は、第１の実施例のみについてあ
てはまるものではなく、前実施例についてあてはまるこ
とは言うまでもない。

更に、ここでは やcosβを導出するのに電圧データを用いているが、電
流データを用いてもよく、何等効果に変りはない。

（但し、v_m+2−2v_m＋v_m-2≠0,i_m+2−2i_m＋i_m-2≠0,cos2
β−１≠０とする）。

（但し、v_m≠0,i_m≠0,cosβ≠０とする）。

上述したように、この発明の主旨は、電流，電圧のサ
ンプリング値を求め、そのサンプリング値を所要回路を
用いて式（24）又は式（30）右辺の除算式を演算処理
し、判定量を導出することにある。すなわち、判定量演
算の除算式は、その分子を第１の電気量としてI_pV_p ²（c
os2β−１）cosθを導出する。また分母を第２の電気量
としてV_p（cos2β−１）を導出する。前記演算式は演算
結果の第２調波を除去し、電圧と電流の位相差の振巾値
に関した量を導出する如く電流，電圧のサンプリングデ
ータの取込みを規定するようにしている。そして、除算
式の演算は、第１の電気量を第２の電気量で除して得た
電力方向成分I_pV_pcosθが零より大か否かを判定基準に
照らして判定し、保護継電器の出力を得るようにしてい
る。

上記第１図及び第２図の実施例の中で述べた通り、こ
の発明では従来リレーのように『不変周波数の正弦波で
あれば、サンプリング時間巾βを電気角30゜にとり、３
サンプル前（又は後）のデータを使えば、そのデータ
は、現在のデータよりも90゜前（又は後）のデータであ
り、前者を正弦（sin）成分とすれば、後者は余弦（co
s）成分となる』の前提によらない演算原理とするた
め、入力データの取り込み順序をどのように行うべきか
を規定する手段について示した。

従って、この発明によれば、サンプリング時間巾β
を、系統周波数に無関係に設定することが可能となるた
め、50Hz,60Hzでサンプリング時間巾βを共用化するこ
とが可能となる他、処理装置の能力が向上すればする
程、サンプリング時間巾βを短く設定し得ることにな
る。

具体的に、この発明で電力方向リレーとして解を得る
ためには、ｍ−２〜ｍ＋２までの５サンプルデータ（従
来リレーは、ｍ〜ｍ−３までの４サンプルデータ）であ
るが、この発明の場合、これを電気角90゜以内に納める
ことは可能である。

更には、この５サンプルデータの間、系統の周波数が
ほぼ一定と見なし得る程度の周波数変動であれば、即
ち、水分発電機が起動して、定格周波数になるまでの間
の保護などにも適用可能である。

この発明の付随した効果としては、時限協調が従来リ
レーに比べて容易になることである。

即ち、従来リレーはタップ値、抑制スプリング、接点
間隔等で電源端から負荷端までの時限協調をとっている
が、この発明では負荷側程サンプリング時間巾βを短
く、電源端側程サンプリング時間巾βを長く設定すれ
ば、事故時には各端をほぼ同一の電流が貫通して事故点
に向かって流れるため、同一原理のリレーで確実に時限
協調が図れることになる。

この時、あわせて演算結果の照合回数を電流端側程多
くする等配慮すれば信頼度の向上にも資する。

また、この発明の考え方は、インピーダンスリレーへ
応用してもよく、上記実施例と同様の効果を奏する。

〔発明の効果〕

以上のようにこの発明によれば、電流，電圧のサンプ
リング値を用いて所要関係式を満たす四則演算回路によ
り第１及び第２の電気量を求め、前記第１の電気量を第
２の電気量で除算して求めた電力方向成分が零より大か
否かを判定するように回路構成したので、周波数変動に
も安定した特性が得られ、50Hz,60Hzサンプリング時間
巾を共用化した継電器となし得る効果がある。

また、時限協調に優れ、高速動作可能な継電器が得ら
れる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例による保護継電器のブロッ
ク構成図、第２図はこの発明の他の実施例を示す保護継
電器のブロック構成図、第３図は従来の電力方向継電器
のアルゴリズムを説明する波形図である。 図において、３〜４は電流データの一時的保管室、５〜
９は電圧データの一時的保管室、10〜26は四則演算回
路、27は判定量導出部である。 なお、図中、同一符号は同一、又は相当部分を示す。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電力系統の電圧、電流を検出した電圧デー
   タ及び電流データを所定のサンプリング時間巾でサンプ
   リングし量子化して、一時保管する電流データの一時保
   管室及び電圧データの一時的保管室と、前記一時的保管
   室に格納された電流、電圧のサンプリング値を用いて下
   記第１の電気量及び第２の電気量を出力する演算手段
   と、下記第１の電気量を第２の電気量で除して得た電力
   方向成分が零より大か否かを判定し、その判定結果を出
   力する判定量導出部とを備えた保護継電器。 記 第１の電気量 I_PV_P ²（cos2β−１）cosθ 第２の電気量 V_P（cos2β−１） 電力方向成分 I_PV_Pcosθ ここで、 I_P:電流の振幅値 V_P:電圧の振幅値 β：サンプリング時間（間隔）巾 θ：電圧、電流の位相差