JP2735347B2 - デイジタル形保護制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明はディジタル形保護制御装置、特に保護制御処
理に用いる系統電気量を高精度なディジタルデータに変
換することが可能なディジタル形保護制御装置に関す
る。

（従来の技術） 電力系統のための保護、制御装置にマイクロコンピュ
ータを適用する技術は良く知られている。

今日、電力系統規模の拡大に伴って、系統の保護制御
設備の増大が問題となっており、この問題に対処する一
つの解決法として、多数の保護、制御対象に関する保
護、制御が可能で、かつ装置を小型になしうるディジタ
ル形保護制御装置がある。具体的には、系統事故判定を
行うディジタルリレー、系統事故を標定するフォールト
ロケータ、系統の安定化を行う系統安定化装置、系統に
発生する高調波を観測するディジタルオシロなどがあ
る。

これらディジタル形保護制御装置の大きな特徴の一つ
は、アナログ量である系統電気量をディジタルデータに
変換して処理することである。変換後のディジタルデー
タを用いて保護リレー演算、処理などが行われる。従っ
てディジタルデータの変換機能は装置にとって非常に重
要な機能と言える。

以下ディジタルリレーを例にとり、従来技術について
説明する。

第７図はディジタルリレーの平均的な構成を示す。図
に示されるディジタルリレーは、入力変換部０と、アナ
ログ・ディジタル変換部１と、ディジタル演算処理部２
と、整定部３と、外部との入出力インターフェイス４
と、バス５とから構成されている。なお１から４の各部
はバス５を介して相互に接続されている。

入力変換部０は０−11から０−1mの入力変換器で構成
され、装置に取り込まれた系統電気量Ａ−１からＡ−Ｍ
を適当なレベルに変換する。アナログ・ディジタル変換
部１はアナログフィルタ１−11から１−1m、サンプリン
グホールド部１−21から１−2m、マルチプレクサ１−
３、アナログ・ディジタル変換器１−４からなってお
り、入力変換部０より渡されたアナログデータを所定の
サンプリング間隔でホールドしたのち、ディジタル量に
変換する。

一方、ディジタル演算処理部２は、CPU2−1,RAM2−2,
ROM2−３により構成され、前述のディジタル変換された
電気量データは順次RAM2−２へ転送されて、このデータ
及びROM2−３からのプログラムによりCPU2−１は、リレ
ーの判定演算等の種々の処理を行う。整定部３は、リレ
ーの感度あるいはタイマーなどの外部より整定された値
を、所定のディジタルデータに変換し、ディジタル演算
処理部へ渡すインターフェイスとして作用する。

入出力インターフェイス４は、CB情報等の外部制御機
器状態の取り込み、リレー動作、復帰出力、トリップ指
令等の外部機器への出力を行うためのインターフェイス
である。

（発明が解決しようとする課題） 前述したように、ディジタル形保護制御装置ではアナ
ログ量をディジタル量に変換する機能が重要であり、こ
れは第７図では、アナログ・ディジタル変換部１（以下
変換部と呼ぶ）で実現されている。この変換部１に最も
要求されるのは、忠実にアナログデータをディジタルデ
ータに変換することである。

即ち、高精度に誤差なくディジタルデータを得ること
である。

しかしながら、実際には変換部１で発生する量子化誤
差、アナログ部固定誤差、アナログ部比例分誤差によ
り、精度には限界があることは周知の事実である。（例
えば電気協同研究第41巻第４号「ディジタルリレー」51
ページ）このなかで、量子化誤差はディジタル形装置特
有のものであり、特に少電流領域でのリレー特性誤差に
与える影響は大きい。これを解決するためには入力フル
スケールを小さくし、１ディジット当りの分解能（量子
化ステップ）を小さくすればよい。しかしながら入力フ
ルスケールは系統電圧・最大故障電流で決まるものであ
り、入力フルスケールを小さくしすぎると正確な事故検
出が不可能となる。入力フルスケールを必要な大きさに
保ち、かつ小電流域での誤差を抑えるためには、A/D変
換器４−１の量子化ビット数を増やす方法が考えられ
る。以下これについて数量的に示す。

ディジタルリレーでは、通常12ビットのA/D変換器が
使用され、この場合の量子化誤差は下式で表わされる。

したがって、量子化誤差の大きさは、入力の大きさに
依存せずに発生し、入力の大きさが大きいときは、その
影響は小さいが、入力の大きさが小さくなるとその影響
は相対的に大きくなる。

例えば、入力の大きさが、フルスケールの1/200のと
き量子化誤差の影響は、 となる。

（１），（２）式より明らかなように、量子化誤差の
影響を減少させるには、A/D変換器のビット数を増やせ
ばよく、例えば14ビットのA/D変換器を採用すれば量子
化誤差の影響は1/4となり1.25％となる。更にビット数
を増やせば理論上は量子化誤差は完全に無視できること
になる。

しかしながら、前述したように、アナログ部の固定分
誤差、比例分誤差を存在するために、A/D変換器のビッ
ト数を増やしていっても、ある程度以上になるとアナロ
グ部の誤差が支配的になり、全体の誤差は減少しない。

次に、アナログ部誤差について説明する アナログ部固定分誤差：入力の大きさに無関係に発生す
る誤差であり、フィルタ回路などのオフセット電圧の温
度ドリフトなどが要因となっている。

アナログ部比例分誤差：入力の大きさに比例して発生す
る誤差であり、フィルム回路などのゲインリフトなどが
要因となっている。

以上の誤差の大きさは、使用する部品精度などによ
り、下記が一般的な値である。

固定分誤差：フルスケールの0.1％以下 比例分誤差：入力の大きさの３％以下 以上述べた誤差の相関関係を第８図に示す。点線Ｅ−
１は量子化誤差（A/D変換器12ビット）の影響、点線Ｅ
−２はアナログ部固定分誤差の影響、点線Ｅ−３はアナ
ログ部比例分誤差の影響を表わしている。実線Ｅ−４は
３つの誤差を加算した全体誤差の影響を示している。

入力量の大きな領域では、アナログ部比例分誤差の影
響が支配的であり、入力量の小さな領域では、量子化誤
差の影響が支配的と言える。

次に、第９図にA/D変換器を14ビットにして、量子化
誤差を削減した場合の誤差の相関関係を示す。量子化誤
差は入力量の小さな領域でも、アナログ部比例分誤差、
固定分誤差より小さくなり、入力量の全領域で、アナロ
グ部誤差が支配的となる。即ち、A/D変換器のビット数
を増やしてもアナログ部誤差により全体誤差を減少させ
るには限界があると言える。

以上述べたように、現状のアナログ・ディジタル変換
方法では、誤差の低減には限界があり、リレー特性の精
度向上が困難と言える。これはディジタルリレーのよう
な保護装置に限らず、ディジタル形のフォールトロケー
タやオシロなどアナログ・ディジタル変換機能をもつ全
ての装置に該当する問題である。

従来、このようなアナログ・ディジタル変換により生
ずる誤差の影響を低減させるものとして、得られたディ
ジタルデータをディジタル信号処理する手法が使われて
いる。具体的には時系列的に変換されてくるディジタル
データの移動平均をとる、あるいはディジタルフィルタ
リングをするなどである。これらの処理を施すことによ
り、高精度はデータは得られるが、処理することにより
時間遅れが必ず生じ、リレーなどのように高速性を要求
されるものについては適用上の問題がある。高精度を達
成しようとすると、これに比例して時間遅れは顕著にな
り、リアルタイム性の要求が強く、時間遅れが許容でき
ない装置では、結局、精度の向上は困難と言える。又、
種々ディジタル信号処理を施すことにより、A/D変換器
で得られたディジタルデータは加工され、変形すること
になり、実際に装置に入力されたアナログデータの再生
は困難となる。これは電力系統の電気量をモーターする
オシロ装置などにとっては問題となる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、入力
アナログデータを高精度にディジタルデータに変換し、
なおかつ時間遅れ及びデータの変形を生じないディジタ
ル形保護制御装置を提供することを目的としている。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 上記目的を達成するため本発明の基本概念を第１図に
示すブロック図にて説明すると、本発明は同一の系統電
気量Ａを入力とする複数の電気量入力回路I1,I2…In
と、この複数の電気量入力回路からの複数のディジタル
データより保護制御処理を行うための処理用ディジタル
データ算出手段Ｄとから構成した。

（作用） 系統電気量Ａを複数の電気量入力回路I1,I2…Inに導
入し、これら電気量入力回路を解して得られた複数のデ
ィジタルデータを処理用ディジタルデータ算出手段Ｄに
導入し平均化処理により、保護制御処理を行うためのデ
ィジタルデータｄを算出する。

（実施例） 以下図面を参照して実施例を説明する。

第２図は本発明によるディジタル形保護制御装置の一
実施例の構成図である。

第２図において第７図と同一部分については、同一符
号を付して説明を省略する。本発明の特徴は複数の電気
量入力回路I1−1,I2−１…In−１…In−ｍと、処理用デ
ータ算出手段Ｄ−1,D−2,…Ｄ−Ｍである。ここで添字
−１から−ｍはｍ個の電気量入力があることを示してお
りｍは１以上の正数である。

次に作用を説明する。

系統電気量Ａ−１が入力変換器０−11へ導かれ、適当
なレベルに変換される。これは従来と同様である。つぎ
に入力変換器０−11の出力はｎ個の電気量入力回路I1−
1,I2−1,…In−１へ同様に入力される。本入力回路はフ
ィルタ１−11−１から１−11−ｎ及びサンプリングホー
ルド部１−12−１から１−12−ｎで構成される。従っ
て、従来のフィルタ、サンプリングホールド回路１個が
ｎ個に拡張された形態となる。サンプリングホールド回
路の出力は、マルチプレクサ１−３、A/D変換器１−４
へと導入され、ディジタル量へ変換される。ディジタル
演算処理部２、整定部３、入出力インターフェイス４は
従来装置と同等の構成である。但し、ディジタル演算処
理部２のソフト処理が異なる。

ディジタル演算処理部２では、同一の系統電気量を導
入したｎ個の電気量入力回路より得られるディジタルデ
ータｄ₁からｄ_n（ｉは２以上の整数）を下式により算出
する。

ここで、ａ_i,p,qは実数 本発明では処理用データ算出手段Ｄ−１からＤ−Ｍを
設け、例えば電気量入力回路I1−１からIn−１を介して
得られたディジタルデータd1−１からd1−ｎを使って、
新しいディジタルデータd1を以下の計算式で算出する。
これはｎ個のデータの平均値を算出することになる。

d1＝（d1−１＋d1−２＋…d1−ｎ）/n …（４） （３）式でａ₁＝1,p＝1,q＝１とした場合、 （４）式が得られる。

従って、従来装置では入力されたアナログデータＡ−
１は、ディジタルデータd1−１相当に変換されていた
が、本発明の構成によれば、Ａ−１はｎ個のディジタル
データの平均値d1として得ることになる。以下同様にし
てＡ−２からＡ−Ｍのｍ−１量のアナログデータが各々
ｄ−２からｄ−ｍのｍ−１個のディジタルデータに変換
されていく。

以上のようにして得られたディジタルデータｄ−１か
らｄ−ｍは、従来の構成で得られたディジタルデータよ
り高精度で誤差が少ないものとなる。以下にその理由を
示す。

既に従来技術の問題点で述べたように、量子化誤差は
A/D変換器のビット数を増やすことで減少させられる
が、アナログ部誤差は部品精度などで決まるもので誤差
の低減には限界がある。従ってアナログ部誤差を低減さ
せることができれば高精度なディジタルデータが得られ
ることになる。アナログ部誤差のように物理量に偶然発
生する誤差は、一般的に、真値に対し正規分布に従うと
知られている。たとえばアナログデータＡ−１を取り込
む電気量入力回路（ここではアナログフィルタ１−11、
サンプリングホールド回路１−21など）で発生する雑
音、即ち誤差の発生は正規分布をとるとする。例えば、
誤差が、真値に対し±５％以内になるように制作されて
いる確率が、99％であるとする。99％確率で求めた正規
分布の確率変数ｕの値をＫとすると、確率表を利用し
て、 |K|＝2.576 …（５） が得られる。この|K|を、±５％誤差に相当する測定値
ｘ＝95％〜105％に対応させれば、平均値（真値）を
ｍ、標準偏差をσとして ｘ＝ｍ±σｕ ＝100％±σ×2.576 ＝100％±５％ …（６） これより σ＝1.94％ …（７） となる。これらの様子を第３図（ａ）に示す。従来の構
成では、このような形態で誤差が分布することになる。

次に本発明の構成での誤差について述べる。本発明で
は、複数の電気量入力回路を経由してアナログ量が取り
込まれる。ここで、母集団が、平均値ｍ、標準偏差σの
正規分布をするとき、これから独立に抜き取ったｎ個の
サンプルについては、 の正規分布に従うことが知られている。（中心極限定理
という） これを、本発明にあてはめてみると、電気量入力回路
数ｎ＝20の場合には、下記となる。

この様子を第３図（ｂ）に示す。以上より明らかなよ
うに、本発明により、アナログ変換部で生ずる誤差は従
来に比べ確実に減少する。（９）式より明らかなよう
に、同一電気量を取り込む電気量入力回路が多いほど、
標準偏差は小さくなり誤差はより小さくなる。本効果は
入力量の大きさに依存せず全領域で有効であり、ビット
数を増加させたA/D変換器と本発明の構成により、極め
て誤差が少ない高精度な保護リレーが実現できることに
なる。

又、本発明の構成によれば、精度を向上させるため
に、時系列的にデータを取り扱うような必要が生じない
ため、時間遅れの弊害はない。又、データの変形などの
欠点もない。

又、従来構成では、アナログ変換部の１部の断線など
でも、ディジタルデータが０となり、保護機能が喪失し
たが、本発明の構成によれば、健全電気量入力回路から
のデータと不良電気量入力回路からのデータとの平均値
を採用していることから、誤差は増えるが、保護機能自
体は喪失しない。従って極めて信頼性の高い装置が実現
されることになる。

以上の実施例では、保護リレーについて、リレーの精
度向上が可能なことを述べたが、制御装置、計測装置で
も同様な効果が期待でき、高精度な事故点の標定、正確
な事故波形の再生など多大な効果が期待できる。これら
装置のアナログ・ディジタル変換部もディジタルリレー
と同様な構成となっているので、詳細説明は省略する。

他の実施例としては、複数個設けるアナログチャンネ
ルの構成に入力変換器を含む例である。本例を第４図に
示す。前述の例と重複する部分は説明を省くが、入力変
換器を含んだ複数個の電気量入力回路を設けることで、
前記実施例と同様に高精度かつ高信頼度は保護リレー装
置を得ることができる。

更に、他の実施例としては、マルチプレクサを使用せ
ずに、A/D変換器を複数個設ける例である。本例を第５
図に示す。このような構成にすることで、A/D変換器よ
り発生する誤差分の影響も減ずることができ、より精度
の向上を計ることができる。

更に、他の実施例としては、サンプルホールド回路を
なくした第６図の構成である。この場合も前記実施例と
効果は同等である。

以上述べた実施例では、処理用ディジタルデータの算
出方法として、各ディジタルデータの平均値を用いた
が、２乗平均値など他の算出方法も可能であり、この際
の誤差の低減も前述実施例と同等である。これは、例え
ば、（３）式にて、ｐ＝２とした場合などである。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、同一の系統電
気量を入力とする複数の電気量入力回路と、この電気量
入力回路を介して得られた複数のディジタルデータを平
均化することにより処理用ディジタルデータを算出する
手段とを設けたことにより、電気量入力回路で発生する
誤差の影響が減少し、高精度かつ信頼性に優れたディジ
タル保護制御装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるディジタル形保護制御装置の基本
概念を示す機能ブロック図、第２図は一実施例の構成
図、第３図は実施例の効果を示す図、第４図、第５図、
第６図は他の実施例を示す図、第７図は従来装置の構成
例図、第８図、第９図は従来装置の誤差様相を示す図で
ある。 Ａ……系統電気量 I1からIn……電気量入力回路 Ｄ……処理用ディジタルデータ算出手段

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電力系統の電気量を入力し、ディジタルデ
   ータに変換して電力系統の保護制御を行うディジタル形
   保護制御装置において、同一の系統電気量を入力とする
   複数の電気量入力回路と、前記複数の電気量入力回路を
   介して得られる複数のディジタルデータを平均化し、保
   護制御処理のための処理用ディジタルデータを算出する
   手段とを備えたことを特徴とするディジタル形保護制御
   装置。