JP3975322B2

JP3975322B2 - ディジタル保護制御装置

Info

Publication number: JP3975322B2
Application number: JP2001223848A
Authority: JP
Inventors: 三安城戸; 富雄千葉; 真治斉藤; 三雄佐藤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2001-07-25
Filing date: 2001-07-25
Publication date: 2007-09-12
Anticipated expiration: 2021-07-25
Also published as: JP2003037928A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ディジタル保護制御装置に係り、特に、電力系統のアナログ信号を入力してディジタル信号に変換し、ディジタル信号にしたがって保護対象を保護するための保護制御演算を行うに好適なディジタル保護制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、遮断機などを保護するための制御を行う装置としては、例えば、電気協同研究第５０巻第１号に記載されているディジタル保護リレー（第２世代ディジタルリレー）が知られている。従来のこの種の装置は、アナログ入力部、ディジタル演算処理部、整定部および出力部を備えて構成されており、この入力部には、折返し誤差防止用のアナログフィルタ、サンプルホールド回路、マルチプレクサ、Ａ／Ｄ変換器およびバッファが設けられている。この種の装置は、高速サンプリングデータを用いたディジタルフィルタ処理用の入力基板と、保護制御演算用の演算基板とを主要素として構成されており、入力基板は電気角３．７５度でサンプリングしてディジタルフィルタ演算を実行し、この演算結果を３０度に１回演算基板に出力するようになっている。
【０００３】
演算基板は、入力基板からのデータを入力し、保護演算アルゴリズムに基づいて、遮断機などを保護するための演算処理を実行するようになっている。
【０００４】
従来、この種のディジタル保護制御装置においては、アナログ入力部の一貫した特性劣化を検出するために、電力系統の基本波の整数倍、例えば、４倍または１２倍の高調波信号を電力系統のアナログ信号に重畳させてアナログフィルタに取り込み、アナログフィルタを通過したあとの信号の大きさを検出し、この検出結果にしたがってアナログ入力部の特性劣化に伴う異常の有無を監視するように構成されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術を用い、アナログ入力部の一貫した特性劣化を検出する方法では以下のような課題が生じる。
【０００６】
（１）電力系統のアナログ信号に重畳した高調波信号の大きさのみを検出し、信号の位相特性については何ら配慮されていないため、異常の有無を高精度に検出することは困難である。
【０００７】
（２）アナログ入力部の特性劣化を高精度に検出するためには、検出した高調波の実効値を求める必要があり、実効値演算に時間を要し、異常の有無を判定するまでに時間遅れが生じてしまう。
【０００８】
したがって、従来技術では、アナログフィルタを通過した信号を処理して異常を検出したときには、遮断機が誤って動作してしまったあととなることもあり、不良部位の特定のみでしか有効性はなかった。このため、システム的には２重化を構成する以外、誤動作をカバーすることはできなかった。
【０００９】
本発明の課題は、アナログ信号系の特性劣化に伴う異常の有無を高精度に、かつ高速で検出することができるディジタル保護制御装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明のディジタル保護制御装置は、電力系統の基本波の高調波の監視信号を生成する監視信号生成手段と、前記電力系統からのアナログ信号に前記監視信号を重畳して入力し、この入力信号をフィルタリングする複数のアナログフィルタ手段と、前記各アナログフィルタ手段の出力信号と前記監視信号生成手段から出力される監視信号を順次選択し多重化して出力する多重化手段と、前記多重化手段の出力信号をサンプリングしてディジタル信号に順次変換するアナログ・ディジタル変換手段と、前記アナログ・ディジタル変換手段の出力信号から前記アナログ信号に対応したディジタル信号を抽出する第１のディジタルフィルタと、該第１のディジタルフィルタから出力されるディジタル信号を基に保護対象を制御するための保護制御演算を行うディジタルフィルタ演算処理手段と、前記アナログ・ディジタル変換手段の出力信号から前記監視信号に対応したディジタル信号を抽出する第２のディジタルフィルタと、前記第２のディジタルフィルタにより抽出されたディジタル信号のうち前記アナログ信号に重畳された前記監視信号に対応するディジタル信号の位相及びゲインを前記アナログフィルタ手段ごとに設定された位相及びゲインの補正データに基づいて補正する補正手段と、前記第２のディジタルフィルタにより抽出されたディジタル信号のうち前記監視信号生成手段から多重化手段に直接入力された前記監視信号に対応したディジタル信号と前記補正手段により補正されたディジタル信号とを、前記アナログ・ディジタル変換手段のサンプリング周期ごとに比較してアナログ信号系の異常の有無を判定する判定手段とを備えてなることを特徴とする。
【００１６】
前記した手段によれば、多重化手段の出力信号をサンプリングして得られたディジタル信号の中から監視信号に対応したディジタル信号を抽出し、抽出されたディジタル信号のうち電力系統のアナログ信号に重畳された監視信号に対応するディジタル信号を補正し、補正されたディジタル信号と監視信号生成手段から多重化手段に直接入力された監視信号に対応したディジタル信号とを比較し、両者の偏差が、例えば、規定の範囲を逸脱していれば異常と、両者の偏差が規定の範囲内にあるときには正常と判定することができ、複数のアナログフィルタ手段を含むアナログ信号系の異常の有無を高精度に検出することができる。
【００１７】
アナログ信号系の異常を検出したときに、ディジタルフィルタ演算処理手段の処理結果を無効とするためのロック信号をディジタルフィルタ演算処理手段に出力することで、保護対象が誤動作するのを防止することができる。
【００１８】
また、アナログ信号に重畳された監視信号に対応するディジタル信号に対して、複数のアナログフィルタ手段に起因するゲイン誤差または位相誤差のうち少なくとも一方を、監視信号生成手段から多重化手段に直接入力された監視信号に対応したディジタル信号を基準として補正するようにしているため、監視信号の実効値を求めるまでもなく、瞬時値から得られたディジタル信号にしたがって瞬時に異常の有無を判定することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の一実施形態を示すディジタル保護制御装置のブロック構成図である。図１において、ディジタル保護制御装置は、高調波信号発生器１０、複数の加算回路１２ａ〜１２ｎ、複数のアナログフィルタ１４ａ〜１４ｎ、マルチプレクサ回路１６、サンプルホールド回路１８、アナログ／ディジタル変換器（Ａ／Ｄ変換器）２０、高調波除去用ディジタルフィルタ２２、高調波信号抽出用ディジタルフィルタ２４、位相補正回路２６、ゲイン補正回路２８、比較器３０、記憶回路３２を備えて構成されている。
【００２０】
高調波信号発生器１０は、電力系統の基本波（５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）の整数倍、例えば、１２倍の高調波信号（６００Ｈｚ）を生成し、この高調波信号を監視信号として各加算回路１２ａ〜１２ｎ、マルチプレクサ回路１６に出力する監視信号生成手段として構成されている。加算回路１２ａ〜１２ｎは電力系統からアナログ信号（５０Ｈｚ）Ｉａ〜Ｉｎを取り込み、アナログ信号と高調波信号とを加算し、すなわち、アナログ信号に高調波信号を重畳し、アナログ信号と高調波信号を含む信号をそれぞれアナログフィルタ１４ａ〜１４ｎに出力するようになっている。各アナログフィルタ１４ａ〜１４ｎは入力された信号に含まれる特定の周波数成分によるノイズを除去し、サンプリングによる折返し誤差を防止するアナログフィルタ手段として構成されている。すなわち、各加算回路１２ａ〜１２ｎ、アナログフィルタ１４ａ〜１４ｎはアナログ信号に高調波信号を重畳して入力し、この入力信号をフィルタリングするアナログフィルタ手段として構成されている。
【００２１】
マルチプレクサ回路１６は、高調波信号発生器１０から高調波信号を直接入力するとともに、アナログフィルタ１４ａ〜１４ｎからアナログ信号に高調波信号が重畳された信号を順次選択して入力して多重化し、多重化された信号を順次サンプルホールド回路１８に出力する多重化手段として構成されている。サンプルホールド回路１８は、マルチプレクサ回路１６の出力信号をサンプリング周波数にしたがって順次サンプリングするとともにホールドし、ホールドされた信号を順次アナログ／ディジタル変換器２０に出力するようになっている。アナログ／ディジタル変換器２０はサンプルホールド回路１８の出力によるアナログ信号をディジタル信号に変換し、変換されたディジタル信号をディジタルフィルタ２２、２４に出力するようになっている。すなわち、サンプルホールド回路１８とアナログ／ディジタル変換器２０はアナログ・ディジタル変換手段として構成されている。
【００２２】
ディジタルフィルタ２２は、保護制御演算に不要な高調波、例えば、基本波（５０Ｈｚ）の１２倍の高調波（６００Ｈｚ）を除去する高調波除去用ディジタルフィルタとして構成されている。このディジタルフィルタ２２は、例えば、図２（ａ）に示すように、バイクワッド型の二次遅れのディジタルフィルタとして、掛け算回路２２ａ、２２ｃ、２２ｄ、２２ｅ、２２ｆ、信号を１サンプル遅延させるディレイ回路２２ｇ、２２ｈ、入力信号を加算する加算回路２２ｉ、２２ｊ、２２ｋ、２２ｌを備えて構成されている。そして、このディジタルフィルタ２２は、各回路の係数Ｈ０、ＡＩ、Ａ２、Ｂ１、Ｂ２により、フィルタのタイプ、例えばバンドパス、ローパス、ローパスノッチ、オールパスと、フィルタの遮断周波数、中心周波数および選択度Ｑを任意に設定可能に構成されている。
【００２３】
ディジタルフィルタ２２を、ローパスノッチとして用いた場合、図２（ｂ）に示すように、基本波５０Ｈｚに対して１２倍の高調波６００Ｈｚを十分減衰させることができるゲイン−周波数特性を得ることができる。この特性は、基本波Ｆ１が５０Ｈｚ、伝送零点が基本波の１２倍、すなわち６００Ｈｚの例であり、このフィルタ特性を有するディジタルフィルタ２２を用いることで、基本波の１２倍の高調波を完全に遮断することができる。そしてディジタルフィルタ２２によって高調波の除去されたアナログ信号は保護対象を制御するための制御回路、例えばＣＰＵで構成された制御回路に入力され、この制御回路において、高調波成分の除去されたディジタル信号を基に保護対象を制御するための保護制御演算が行われるようになっている。すなわちディジタルフィルタ２２は制御回路とともにディジタルフィルタ演算処理手段として構成されている。
【００２４】
ディジタルフィルタ２４は、アナログ信号に重畳した高調波信号の信号成分のみを高精度に抽出するディジタル信号抽出手段として構成されている。すなわち、ディジタルフィルタ２４はアナログ／ディジタル変換器２０の出力によるディジタル信号のうち高調波信号（６００Ｈｚ）に対応したディジタル信号を抽出し、抽出したディジタル信号を比較器３０と位相補正回路２６に出力するようになっている。このディジタルフィルタ２４は、ディジタルフィルタ２２と同様の要素を備えたディジタルフィルタをバンドパスとして用いることによって構成することができ、そのときのゲイン−周波数特性を図３（ａ）に、位相−周波数特性を図３（ｂ）にそれぞれ示す。
【００２５】
図３より、ディジタルフィルタ２４の特性では、基本波５０Ｈｚに対して高調波である６００Ｈｚのゲインが極めて大きく設定され、それ以外の周波数成分を減衰させるようになっている。またディジタルフィルタ２４の位相については、バンドパスフィルタの特性により、中心周波数をＦ１２（６００Ｈｚ）に設定しているので、位相遅れは０度となる。
【００２６】
ディジタルフィルタ２２、２４には、図４（ａ）に示すように、アナログ信号に高調波成分が重畳された信号成分に対応したディジタル信号が入力されるが、ディジタルフィルタ２４からは、図４（ｂ）に示すように、高調波成分に対応したディジタル信号が出力され、ディジタルフィルタ２２からは、図４（ｃ）に示すように、高調波成分が除去された信号成分に対応したディジタル信号が出力されることになる。
【００２７】
位相補正回路２６は、ディジタルフィルタ２４の出力によるディジタル信号のうちアナログフィルタ１４ａ〜１４ｎを通過して得られたディジタル信号に対して、高調波信号発生器１０から直接マルチプレクサ回路１６に入力された信号を基に得られたディジタル信号を基準にして、記憶回路３２に記憶されたフィルタ係数３４によってアナログフィルタ１４ａ〜１４ｎに起因する位相誤差を補正する補正手段の１要素として構成されている。
【００２８】
この位相補正回路２６は、図５（ａ）に示すように、ディジタルフィルタ２２、２４と同様の要素として、掛け算回路２６ａ、２６ｃ、２６ｄ、２６ｅ、２６ｆ、データを１サンプル遅延させるディレイ回路２６ｇ、２６ｈ、入力信号を加算する２６ｉ、２６ｊ、２６ｋ、２６ｌを備えて構成されており、フィルタ係数３４の選択により、図５（ｂ）に示すように、特性１から特性３のように、任意の位相−周波数特性を実現できるように構成されている。
【００２９】
位相補正回路２６を用いてディジタル信号の位相誤差を補正するに際しては、図６（ａ）に示すように、ディジタルフィルタ２４の出力信号のうち高調波信号発生器１０からマルチプレクサ１６に直接入力された信号を基にして得られたディジタル信号は、特性１００で表され、アナログフィルタ１４ｉを通過して得られたディジタル信号は、特性１０２で表され、後者のディジタル信号はアナログフィルタ１４ｉによりゲインが減衰し、且つ位相遅れが生じていることが分かる。
【００３０】
そこで、本実施形態においては、位相補正回路２６を用いて、アナログフィルタ１４ｉを通過して得られたディジタル信号の位相を補正し、図６（ｂ）に示すように、高調波信号発生器１０からマルチプレクサ回路１６に直接入力された高調波信号を基にして得られたディジタル信号とアナログフィルタ１４ｉを通過して得られたディジタル信号との位相差をなくすこととしている。
【００３１】
またゲイン補正回路２８は、アナログフィルタ１４ｉに起因するゲイン誤差を、記憶回路３２に格納されたゲイン補正３６を用いて補正する補正手段の１要素として構成されている。すなわち、ゲイン補正回路２８は、高調波信号発生器１０から直接マルチプレクサ回路１６に入力された高調波信号から得られたディジタル信号と、アナログフィルタ１４ｉを通過して得られたディジタル信号との間には、図６（ａ）に示すように、ゲインに差があるため、ゲイン補正３６を用いて、アナログフィルタ１４ｉを通過して得られたディジタル信号のゲインを高め、図６（ｃ）に示すように、両者の振幅差を０とするようになっている。そして位相補正およびゲイン補正されディジタル信号は比較器３０に入力されるようになっている。
【００３２】
なお、位相補正回路２６による位相補正は、アナログフィルタ１４ｉによる位相遅れと逐次サンプリングによる位相ずれ分の補正を行うようになっており、アナログフィルタ１４ｉの特性とサンプリング周波数に決定すれば、この値は予め求めることが可能である。
【００３３】
比較器３０は、ディジタルフィルタ２４の出力によるディジタル信号のうち高調波信号発生器１０から直接マルチプレクサ回路１６に入力された高調波信号を基に得られたディジタル信号とアナログフィルタ１４ｉを通過して得られたディジタル信号に対して位相補正およびゲイン補正されたディジタル信号とを比較し、この比較結果にしたがってアナログ信号系、例えば、アナログフィルタ１４ｉの異常の有無を判定する判定手段として構成されている。この場合、比較器３０は、両者の信号の偏差が一定の範囲内、例えば、図６（ｄ）に示すように、両者の信号の偏差１０４が正常の範囲内にあるときには、アナログフィルタ１４ｉの経年変化による特性劣化や素子不良による異常がないとして、アナログ信号系が正常であることを示す信号を出力するようになっている。
【００３４】
なお、理論的には両者の偏差は０であるが、素子の初期値のばらつきにより、図６（ｄ）に示すように偏差１０４が生じる。ただし、この偏差１０４を素子の初期値のばらつきおよび理論的に生じるＡ／Ｄ変換誤差を考慮した範囲以外を異常とすることで、高精度に異常の有無を検出することが可能である。
【００３５】
一方、図７に示すように、位相補正およびゲイン補正によってもゲイン誤差が生じ、ゲイン誤差に伴う偏差１０４が正常の範囲外となったときにはアナログ信号系の異常と判定される。
【００３６】
また、図８に示すように、位相補正およびゲイン補正によっても位相ずれか生じ、両者の偏差１０４が正常の範囲を超えたときにはアナログ信号系の異常として判定される。
【００３７】
このように、本実施形態においては、ゲイン誤差のみならず位相ずれに対しても異常検出を瞬時に行うことができる。また予め設定する検出範囲は素子の劣化に伴う変動分を考慮して決定できるので、運用する装置の重要度に応じて決定できる柔軟性を持ち合わせることが可能である。
【００３８】
またアナログ信号系の異常が検出されたときには、制御対象としての遮断機などを制御するための動作を停止させることで、素子不良などに伴う誤動作を瞬時に停止することができ、システムの信頼度を大幅に高めることができる。
【００３９】
また本実施形態においては、複数のチャネルが入力される信号に対するゲイン補正を行っているが、このゲイン補正は全てのチャネルに共通であるため、補正係数としては１種類で済む。しかも、位相補正およびゲイン補正した信号とマルチプレクサ回路１６に直接入力した信号を基に得られたディジタル信号とを比較するに際して、時間軸上でも両者の信号に対しては同じ値にすることができるため、単純に両者の信号を比較することで、アナログ信号系の異常の有無を検出することが可能になる。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、多重化手段の出力信号をサンプリングして得られたディジタル信号の中から監視信号に対応したディジタル信号を抽出し、抽出されたディジタル信号のうち電力系統のアナログ信号に重畳された監視信号に対応するディジタル信号を補正し、補正されたディジタル信号と監視信号生成手段から多重化手段に直接入力された監視信号に対応したディジタル信号とを比較し、この比較結果によりアナログ信号系の異常の有無を判定するようにしているため、複数のアナログフィルタ手段を含むアナログ信号系の異常の有無を高精度に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示すディジタル保護制御装置のブロック構成図である。
【図２】（ａ）ディジタルフィルタのブロック構成図、（ｂ）はディジタルフィルタの周波数とゲインとの関係を示す特性図である。
【図３】（ａ）はディジタルフィルタの周波数とゲインとの関係を示す特性図、（ｂ）はディジタルフィルタの周波数と位相との関係を示す特性図である。
【図４】ディジタルフィルタの出力波形を説明するための図である。
【図５】（ａ）位相補正回路のブロック構成図、（ｂ）は位相補正回路の周波数と位相との関係を説明するための特性図である。
【図６】正常時におけるゲイン補正と位相補正を説明するための波形図である。
【図７】ゲイン誤差が生じたときのゲイン補正と位相補正を説明するための波形図である。
【図８】位相ずれが生じたときのゲイン補正と位相補正を説明するための波形図である。
【符号の説明】
１０高周波信号発生器
１２ａ・・・１２ｎ加算回路
１４ａ・・・１４ｎアナログフィルタ
１６マルチプレクサ
１８サンプルホールド回路
２０アナログ／ディジタル変換器
２２高調波除去用ディジタルフィルタ
２４高調波抽出用ディジタルフィルタ
２６位相補正回路
２８ゲイン補正回路
３０比較器
３２記憶回路

Claims

電力系統の基本波の高調波の監視信号を生成する監視信号生成手段と、前記電力系統からのアナログ信号に前記監視信号を重畳して入力し、この入力信号をフィルタリングする複数のアナログフィルタ手段と、前記各アナログフィルタ手段の出力信号と前記監視信号生成手段から出力される監視信号を順次選択し多重化して出力する多重化手段と、前記多重化手段の出力信号をサンプリングしてディジタル信号に順次変換するアナログ・ディジタル変換手段と、前記アナログ・ディジタル変換手段の出力信号から前記アナログ信号に対応したディジタル信号を抽出する第１のディジタルフィルタと、該第１のディジタルフィルタから出力されるディジタル信号を基に保護対象を制御するための保護制御演算を行うディジタルフィルタ演算処理手段と、前記アナログ・ディジタル変換手段の出力信号から前記監視信号に対応したディジタル信号を抽出する第２のディジタルフィルタと、前記第２のディジタルフィルタにより抽出されたディジタル信号のうち前記アナログ信号に重畳された前記監視信号に対応するディジタル信号の位相及びゲインを、予め前記アナログフィルタ手段ごとに設定された位相及びゲインの補正データに基づいて補正する補正手段と、前記第２のディジタルフィルタにより抽出されたディジタル信号のうち前記監視信号生成手段から多重化手段に直接入力された前記監視信号に対応したディジタル信号と前記補正手段により補正されたディジタル信号とを、前記アナログ・ディジタル変換手段のサンプリング周期ごとに比較してアナログ信号系の異常の有無を判定する判定手段とを備えてなるディジタル保護制御装置。