JP2688286B2 - 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６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
された従来のディジタル演算形電力方向継電器のアルゴ
リズムを説明するための波形図である。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；時刻のときの電流、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、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、電圧の内積値
と、これより電気角90°隔った時点の電流、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６図に示す様に、 ｉ（ｔ）＝I_psin（w_ot） …（２） ｖ（ｔ）＝V_psin（w_ot＋θ） …（３） とし、時刻ｍ時点における角周波数w_ot値をαとすれ
ば、各サンプル値は次式で与えられる。

i_m＝I_psinα …（４） v_m＝V_psin（α＋θ） …（５） さらに、ｍ−ｋ時点におけるサンプル値は、次式で与え
られることになる。

i_m-k＝I_psin（α−ｋβ） …（６） v_m-k＝V_psin（α−ｋβ＋θ） …（７） 但し、I_pV_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（１）式の右辺に着目すると（８）式が
判明する。

i_mv_m＋i_m-3v_m-3−I_psinα・V_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 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,60Hz
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（８）式の中
の sin（α−３β）sin（α−３β＋θ）＝cosαcos（α＋
θ）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、（８）式の場合、
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のは困難で、高速度
動作に対して限界がある等の課題があった。

この発明は、上記の様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を変える
ことなく、すなわち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。ま
た、水力発電機の起動時のように周波数が緩やかに変化
する系への対応、あるいは系統周波数に従属しないでサ
ンプリング時間巾を設定し得る（例えば、高速動作が可
能なディジタル演算形電力方向継電器のアルゴリズム）
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〕

請求項（１）記載の発明に係る保護継電器は、電力系
統の電圧及び電流データをサンプリングして量子化した
電気量データを格納する電気量データの一時的保管手段
を設け、その格納したデータサンプリング値を用いて演
算するための系統保護の演算式を求め、その演算式は第
１の電気量と第２の電気量の加算式で構成し、第１の電
気量は、分数式で構成され、分子は電流の振巾値と電圧
の振巾値の３乗の積を量子化した値と、第１のサンプリ
ングタイム条件式と、電流、電圧の位相差との積で構成
し、分母は電圧の振巾値を２倍して量子化した値と、第
１のサンプリングタイム条件式との積で構成し、第２の
電気量は分数式で構成され、分子は電流の振巾値と電圧
の振巾値の３乗の積を量子化した値と、第２及び第３の
電圧サンプリング条件式と、電流、電圧の位相差との積
で構成し、分母は電圧の振巾値の２乗値を２倍して量子
化した値と、第２及び第３の電圧サンプリング条件式と
の積で構成して四則演算する四則演算手段と、前記第１
の電気量と第２の電気量とを加算して電力方向成分を求
め、更に前記第1,第2,第３のサンプリングタイム条件式
と第1,第２の電圧データサンプリング条件式が零でな
く、かつ電力方向成分が零以上であることを条件に演算
して判定する判定量導出部とを設けたものである。

また、請求項（２）記載の発明に係る保護継電器は、
請求項（１）と同様の電気量データの一時的保管手段
と、その電気量データの一時的保管手段へ格納されたサ
ンプリングデータの取り込み順序及び演算処理として、
第１の電圧データサンプリング式を乗じた値と、第１の
電流データサンプリング式と、第４の電圧データサンプ
リング式とを乗算した第１の乗算値から第２の電圧デー
タサンプリング式と、第３の電圧データサンプリング式
と、第２の電流データサンプリング式と、第５の電圧デ
ータサンプリング式とを乗算した第２の乗算値を減算す
る如く規定して演算する四則演算手段と、その演算時に
第1,第２の電圧データサンプリング条件式が零でないこ
とを条件に演算をして判定する判定量導出部とを設けた
ものである。

〔作用〕

請求項（１）記載の発明における演算処理は、電流、
電圧のサンプリングデータの積量を導出し、これを電
流、電圧の位相差に関連する成分、第２調波に関連する
成分、サンプリング時間巾に関連する成分とに分け、そ
のうち、第２調波とサンプリング時間巾に関連する成分
を除去する如くサンプリングデータの入力順序を制御
し、四則演算手段で演算をして判定量導出部より判定量
を出力するので、サンプリング時間巾は系統周波数に対
する従属性から解放される。

また、請求項（２）記載の発明における演算処理は、
請求項（１）記載の判定量導出処理を行うため、データ
取り込み順序の異なるアルゴリズムを示したもので、サ
ンプリング時間巾を系統周波数に関係なく設定できる。

〔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図は、この発明の一実施例を示す保護継電器の回
路ブロック図であり、請求項（１）及び（２）に関す
る。

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、３〜５は電流データ
の一時的保管室、６〜８は電圧データの一時的保管室、
9,11,17は加算回路、10,13,18,26は演算回路、12,14,1
5,19,20,24,25は乗算回路、16,21,22は除算回路、27は
判定量導出部である。

ここで、３〜８を電気量データの一時的保管手段と総
称する。また、次に動作について説明する。まず、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
列…i_m+1，i_m，i_m-1，…、…v_m+1，v_m，v_m-1，…がサン
プリング時間間隔βおきに流れており、電流、電圧デー
タの一時的保管室３〜5,6〜８には、夫々i_m+1，i_m，i
_m-1，v_m+1，v_m，v_m-1が保管されているものとする。

この保管室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、最新データとし
て電流データi_m+2が電流データ配分路１に現われると
（勿論、これと同期して、電圧データ配分路２にも電圧
データv_m+2が現われていることはいうまでもない。） 電流データの一時的保管室３では、データi_m+1がクリ
アされ、データi_m+2を収納する。電流データの一時的保
管室５ではi_m-1がクリアされ、データi_mを収納する。

この時、電流データの一時的保管室3,5のデータのク
リアあるいは収納は同期して別の制御系によって制御さ
れている。

電圧データの一時的保管室６〜８についても完全に電
流データの一時的保管室と同様の動作を行なう。

即ち、v_m+2が電圧データの一時的保管室６に収納され
た時、電圧データの一時的保管室7,8には、夫々v_m+1，v
_mが収納されることになる。

加算回路９は、電流データの一時的保管室3,5からの
出力を夫々入力として、i_m+1＋i_m-1を出力している。

減算回路10は、電流データの一時的保管室3,5からの
出力を夫々入力して、i_m+1−i_m-1を出力している。

加算回路11は、電流データの一時的保管室6,8からの
出力を夫々入力して、v_m+1＋v_m-1を出力している。

乗算回路12は、電圧データの一時的保管室７からの出
力を入力として、２v_mを出力している。

減算回路13は、電圧データの一時的保管室6,8からの
出力を入力してv_m+1−v_m-1を出力している。

乗算回路14は、加算回路９及び加算回路11からの出力
を夫々入力して、（i_m+1＋i_m-1）（v_m+1＋v_m-1）を出力
している。

乗算回路15は、加算回路10,13からの出力を夫々入力
して（i_m+1−i_m-1）（v_m+1−v_m-1）を出力している。

除算回路16は、電圧データの一時的保管室７及び加算
回路11からの出力を夫々入力して、 を出力している。

加算回路17は、加算回路11及び乗算回路12からの出力
を夫々入力してv_m+1−２v_m＋v_m-1を出力している。

減算回路18は、加算回路11及び乗算回路12からの出力
を夫々入力して、v_m+1−２v_m＋v_m-1を出力している。

乗算回路19は、乗算回路16の出力を入力して を出力している。

乗算回路20は、乗算回路14,19からの出力を夫々入力
して を出力している。

除算回路21は、電圧データの一時的保管室７及び加算
回路17らの出力を夫々入力して を出力している。

除算回路22は、電圧データの一時的保管室７及び減算
回路18からの出力を夫々入力して、 を出力している。

乗算回路25は、除算回路21,22の出力を夫々入力して を出力している。

乗算回路24は、乗算回路15,25からの出力を夫々入力
として を出力している。

減算回路26は、乗算回路20,24からの出力を夫々入力
として、第２図の式（X1）を出力している。

そして、判定量導出部（27）は、減算回路26の処理結
果I_pV_pcosθを導出している。

これは、理論的には第３図の式（10）により説明され
る。これの判定基準は、図示していないが、 I_pV_pcosθ≧０ …（11） を満足した時、電力方向リレーとして、接点を閉じる如
く構成されている。

この時、分母を構成する各量は、下記の条件を満足さ
せる必要がある。

cosβ≠０ ……（12） cosβ±１≠０ ……（13） v_m+1＋v_m-1≠０ ……（14） v_m+1±２v_m＋v_m-1≠０ ……（15） 式（12），（13）は、サンプリング時間間隔β設定制
約であり、何等不都合なく実現できる。

式（14），（15）は、β設定後、時間経過と共にいつ
かは到達する避けなければいけない条件である。このた
め、零になるかどうかを予測して、その時の値を不採用
（この例の場合は、３サンプルの積算結果が該当す
る。）とする等の制御が必要であることは申すまでもな
い。

これの変形は第４図の式（11）及び第５図の（12）の
通り、２つの大別される。

そのひとつは、時刻ｍを変えても、式（10）の３式目
に示されたβをβのままとなる様にｍを制御する場合で
ある。

式（10）の左辺の時刻ｍにｍ＋ｋ（ｋは整数とす
る。）を代入して、第４図の式（11）を得る。

その２は前記式（10）の３式目に示されたβを（ｌ＋
１）β（ｌは整数）となし得る様に入力データの時刻ｍ
を制御する場合である。

この場合は、式（10）に示されるi_m，v_mのみ時刻ｍを
不変量とし、これら以外のｍにｍ±ｌ（符号は同順とす
る。）を代入して第５図の式（12）を得る。

式（10）はｌ＝０の場合に相当する。

ここで、各実施例に適用した電流、電圧データサンプ
リング式及び関連式を次のように定義する。

（３） cosβ≠０ ；第１のサンプリングタイム条件式 （４） cosβ＋１≠０ ；第２のサンプリングタイム条件式 （５） cosβ−１≠０ ；第３のサンプリングタイム条件式 （６） v_m+1＋v_m-1≠０ ；第１の電圧データサンプリング条件式 （７） v_m+1±２v_m＋v_m-1≠０ ；第２の電圧データサンプリング条件式 （10） v_m+1＋v_m-1 ；第４の電圧データサンプリング式 （11） v_m+1−v_m-1 ；第５の電圧データサンプリング式 （12） i_m+1＋i_m-1 ；第１の電流データサンプリング式 （13） i_m+1−i_m-1 ；第２の電流データサンプリング式 第１図で述べた通り、この発明では、従来リレーの様
に、『不変周波数の正弦波であれば、サンプリング時間
巾を電気角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sin成分とすれ
ば、後者はcos成分となる。』の前提によらない演算原
理とするため、具体的な実施例で述べた如く、入力デー
タの取り込み順序を規定する手段を示した。

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

具体的にはｍ−１〜ｍ＋１までの３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
あり、１サンプルデータ少ない分、事故検出に要する時
間は少ない。

サンプリング時間巾を縮めて行けば更に高速度動作が
可能となる。

更には、この３サンプル・データの間系統の周波数が
ほぼ一定と見倣し得る程度の周波数変動率であれば、即
ち、水力発電機が起動して、定格周波数になるまでの間
の保護にも最適である。

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。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
での間に設置されたリレー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を短く、電
源端側程サンプリング時間巾を長く設定すれば、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って
流れるため、同一原理のリレーで確実に時限協調がはが
れることになる。

この時、併せて、演算結果の照合回数を電源端側程多
くする等の配慮をすれば信頼度向上にも資する。

更に、この発明の考え方はインピーダンスリレーへの
応用も可能である。

〔発明の効果〕

以上のようにこの発明によれば、請求項（１）では、
電流、電圧データサンプリング値を用いて判定量を導出
する系統保護の演算式を求め、その演算式は、第１の電
気量と第２の電気量の加算式で構成して電力方向成分を
求める。更に、その演算式は、第２の調波に関連した成
分とサンプリング時間巾に関連した成分を除去して（但
し、第1,第2,第３のサンプリングタイム条件式と第1,第
２の電圧データサンプリング条件式は零ではない。）示
される。そして、サンプリングデータの入力を制御し、
四則演算手段で処理をして判定量導出部から判定量を出
力するので、周波数変動による特性への影響が改善さ
れ、50Hz、60Hzのいずれに対してもサンプリング時間巾
を共用することが可能になると共に、検出時間の短縮化
を図ることができる。また、時限協調の取り易いリレー
が得られる効果がある。

また、請求項（２）記載の発明によれば、四則演算手
段は、請求項（１）記載の判定量導出のためのデータ取
り込み順序及び演算処理に基くアルゴリズムに代って、
別のアルゴリズムにより判定量を出力するようにしたの
で、請求項（１）と同様の効果がある。

【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
ク図、第２図ないし第５図は請求項（１），（２）の実
施に適用される演算式の展開図、第６図は従来のディジ
タルリレーのアルゴリズムを説明するための波形図であ
る。 図において、１は電流データの配分路、２は電圧データ
の配分路、３〜５は電流データの一時的保管室、６〜８
は電圧データの一時的保管室（３〜８は電気量データの
一時的保管手段）、９〜26は四則演算（手段）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 (2)

(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
   リングして量子化し、一時的に保管する電流データの一
   時的保管手段及び電圧データの一時的保管手段と、前記
   一時的保管手段に格納された電流データ及び電圧データ
   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
   電気量を演算処理して出力する演算手段と、その第１の
   電気量と第２の電気量とを加算して電力方向成分を求
   め、下記第１、第２及び第３のサンプリングタイム条件
   式と下記第１、第２の電圧データサンプリング条件式が
   零でなく、かつ電力方向成分が零以上である時に判定量
   を出力する判定量導出部とを備えた保護継電器。
2. 【請求項２】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
   リングして量子化し、一時保管する電流データの一時的
   保管手段及び電圧データの一時的保管手段と、前記一時
   的保管手段に格納された電流データ及び電圧データのサ
   ンプリング値を用いて演算処理する演算手段と、前記電
   流データの一時的保管手段及び電圧データの一時的保管
   手段へのサンプリングデータ取り込み順序及び演算処理
   として、下記第１の電圧データサンプリング式を２乗し
   た値と、下記第１の電流データサンプリング式と、下記
   第４の電圧データサンプリング式とを乗算した第１の乗
   算値から下記第２の電圧データサンプリング式と、下記
   第３の電圧データサンプリング式と、下記第２の電流デ
   ータサンプリング式と、下記第５の電圧データサンプリ
   ング式とを乗算した第２の乗算値を減算する如く規制
   し、下記第１、第２の電圧データサンプリング条件式が
   零でないことを条件に演算して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： 第２の電気量： 第１のサンプリングタイム条件式： cosβ≠０ 第２のサンプリングタイム条件式： cosβ＋１≠０ 第３のサンプリングタイム条件式： cosβ−１≠０ 第１の電圧データサンプリング条件式： v_m+1＋v_m-1≠０ 第２の電圧データサンプリング条件式： v_m+1±２v_m＋v_m-1≠０ 第１の電圧データサンプリング式： 第２の電圧データサンプリング式： 第３の電圧データサンプリング式： 第４の電圧データサンプリング式： v_m+1＋v_m-1 第５の電圧データサンプリング式： v_m+1−v_m-1 第１の電流データサンプリング式： i_m+1＋i_m-1 第２の電流データサンプリング式： i_m+1−i_m-1 電力方向成分： I_PV_Pcosθ ここで、I_p：電流の振巾値 V_p：電圧の振巾値 β：サンプリング時間（間隔）巾 θ：電圧、電流の位相差 i_m：電流データ v_m：電圧データ