JP4165377B2

JP4165377B2 - 同期発電機の同期投入時の位相差検出方法

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Publication number: JP4165377B2
Application number: JP2003384473A
Authority: JP
Inventors: 直己柴田
Original assignee: 神鋼電機株式会社
Priority date: 2003-11-14
Filing date: 2003-11-14
Publication date: 2008-10-15
Anticipated expiration: 2023-11-14
Also published as: JP2005151673A

Description

本発明は、同期発電機の出力を系統電源側へ接続する際に、同期発電機側と系統電源側との両交流電圧波形の位相差が「０」に近い同期時に遮断器を投入するために、両者の位相差を検出する方法に関するものである。

電力設備においては、電力供給用の系統に接続される負荷の状況等に応じて、商用電源や同期発電機（以下の説明において単に「発電機」と記す）の接続状態の変更が行われる。ここで、電力系統に交流出力がなされている時に、遮断器を投入して新たに発電機の交流出力を系統に合流させる場合、発電機から出力される交流電圧出力Ｖｇ及び周波数Ｆｇと、系統上の交流電圧出力Ｖｂ及び周波数Ｆｂとを、それぞれ出来る限り一致させ、両者の出力電圧差ΔＶ（＝Ｖｂ−Ｖｇ）、周波数差ΔＦ（＝Ｆｂ−Ｆｇ）をそれぞれ許容範囲内に追込んだ上で、しかも発電機への瞬間突入電流をなるべく小さくするために、発電機側及び系統側の各交流波形Ｖｇ（Ｔ），Ｖｂ（Ｔ）の位相θｇ，θｂをも同期させた状態で行う必要がある。このために、自動同期投入制御装置（特許文献１）を使用して、最初に前記出力電圧差ΔＶと周波数差ΔＦとが許容範囲内になるように制御を行い、この後に前記発電機側及び系統側の各交流波形Ｖｇ（Ｔ），Ｖｂ（Ｔ）の位相差Δθ（＝θｂ−θｇ）が「０°」となる時間を推定し、両波形がほぼ同期するタイミングにて遮断器を投入する方法が一般的であった。
特開平１０−５６７４０号公報

従来、位相差Δθ＝０°の同期点を検出するためには、以下の方法に従っていた。図１３に示されるとおり、発電機Ｇの交流波形Ｖｇ（Ｔ）と系統Ｂの側の波形Ｖｂ（Ｔ）との差分を、アナログ減算器８１を介して、ビート電圧波形として検出する。この結果得られるビート電圧の波形は、両交流電圧波形Ｖｂ（Ｔ），Ｖｇ（Ｔ）の周波数差ΔＦに対応した交流波形であって（図示せず）、このままでは同期点を判定しにくい。よって、該ビート電圧の波形を全波整流回路８２を介して整流した後に、フィルター回路８３を介して更に平滑化してその包絡線に相当する波形に変換し、この変換後の波形をビート電圧波形ΔＶ（Ｔ）とみなす。該ビート電圧波形ΔＶ（Ｔ）は、系統側の交流波形Ｖｂ（Ｔ）と発電機側の交流波形Ｖｇ（Ｔ）とが、同期する〔Δθ＝０°（又は３６０°）〕時間から、前記周波数差ΔＦの大きさに応じて位相差Δθが増加（又は減少）しながら次の同期する〔Δθ＝３６０°（又は０°）〕時間に至るまでを１サイクルとして連続する関数となる。即ち、該ビート電圧波形ΔＶ（Ｔ）の極小値をなす時間が、位相差Δθ＝０°（又は３６０°）に対応すべき同期時の時間であって、極大値のそれは、位相差Δθ＝１８０°に対応すべき半周期位相ずれ（逆位相）時の時間となる。本件では、同期時の時間の検出と遮断器投入のタイミングの演算を目的とするために、Ａ／Ｄ変換回路８４を介して、前記ビート電圧波形ΔＶ（Ｔ）をデジタル量に更に変換した後にこれをＣＰＵ７に入力し、極小値をなす時間を演算する。

ここで、図１４は、アナログ減算器８１等の上述した各回路８２，８３，８４を介して、ＣＰＵ７に入力される前記ビート電圧波形ΔＶ（Ｔ）を例示する概略図である。該ビート電圧波形ΔＶ（Ｔ）は、フィルター回路８３の通過後の波形なので、実際のビート電圧波形の包絡線から得られるはずの波形ΔＶ₀（Ｔ）よりもΔφだけ位相が遅れている。また、理想的には位相差Δθ＝０°の時にΔＶ＝０で極小となるが、アナログ回路のオフセット等の理由により、実際にＣＰＵ７に入力されるビート電圧波形ΔＶ（Ｔ）は、必ずしもこれに従わない。よって、従来方法（特許文献２）に従って、位相差の検出を開始する時間Ｔｓ後の最初の１サイクルＣ₁の終点での第１極小点Ｑ₁の電圧値ΔＶ_syn（以下の説明において、単に「オフセット電圧」と記す）を、ＣＰＵ７のソフトウェアを使用して検知する必要があった。即ち、発電機Ｇの電圧波形Ｖｇ（Ｔ）と系統の電圧波形Ｖｂ（Ｔ）とを矩形波に変換して、この両矩形波より位相差Δθ＝０°時を検出し、Δφ分の前記位相遅れを加味しながら、同期時と想定される瞬間の電圧値を前記ビート電圧波形ΔＶ（Ｔ）から読取り、これをオフセット電圧ΔＶ_synに定めていた。そして、該オフセット電圧ΔＶ_synの検知後に、次の１サイクルＣ₂での第２の極小点Ｑ₂に到達する時間Ｔ'_syn2の推定演算を行う。即ち、前記波形ΔＶ（Ｔ）がほぼ直線的に右下がりをなす間に、所定の２点Ｓ₁（Ｔ₁，Ｖ₁），Ｓ₂（Ｔ₂，Ｖ₂）の座標を検知し、この２点の座標より再び電圧ΔＶ＝ΔＶ_synとなるべき極小点Ｑ₂の時間Ｔ'_syn2を演算する。ここで、時間Ｔ'_syn2は、位相差Δθ＝０°とみなされる同期点であって、遮断器の接触子同士が実際に接触すべき時間である。よって、ＣＰＵ７では、遮断器の漸進時間Ｔαと前記Δφに相当する時間を差引いた投入タイミングＴe’〔＝Ｔ'_syn2−Ｔα−Δφ〕を演算し、このタイミングＴe’において遮断器投入が開始するように、遮断器に投入命令を出力する。
特開２０００−１３９０２９号公報

上述したように、従来の位相差検出方法によれば、前記第２の極小点Ｑ₂に至る直前の投入タイミングＴe’を演算するために、位相差の検出開始時間Ｔｓ後まず最初の１サイクルＣ₁での前記極小点Ｑ₁において、同期時間Ｔ'_syn1時のオフセット電圧ΔＶ_synを検知し、更に前記２点Ｓ₁，Ｓ₂の座標を検知する必要があった。従って、第２の極小点Ｑ₂の投入タイミングＴe’を演算する前に、第１の極小点Ｑ₁を必ず1度は通過しなければならず、位相差の検出開始時Ｔｓから投入タイミングＴe’に至るまでに時間を要する〔ビート電圧波形ΔＶ（Ｔ）の１サイクルに要する時間以上〕という問題点があった。この問題は、例えば負荷増大による商用電源の出力ダウン時に、速やかに非常用の自家用発電機の出力を合流させる場合や、停電時において複数の発電機の出力を連続接続する場合には、非常に重要となる。また、アナログ回路を介して生成されるビート電圧の波形は、周囲の温度環境等の影響を受け易く、本来検出誤差を内包しており、同期時間の検出精度の観点から限界があるという問題をも有していた。

遮断器を投入すべきタイミングをより正確に推定するために、発電機側と系統側との両交流電圧波形の位相同期点の検出精度をより向上させると共に、位相差の検出開始時から前記投入時までの時間をより短縮することである。

上記の課題を解決するための請求項１の発明は、発電機側と系統側との交流電圧波形をそれぞれ基準又は比較の各矩形波に変換する矩形波生成回路と、位相差検出の開始指令に応じて、所定周波数の基準クロックの出力数を計数開始する単調増加のカウンタ回路と、位相差検出開始以降の前記両矩形波のレベル遷移に対応して、順次更新しながらそれぞれの瞬間での基準クロックの計数値を読込んで記憶する基準波及び比較波の各記憶手段と、これらの各記憶手段からそれぞれの前記計数値を読込み、これらを元に投入タイミングを決定するための演算を行い、遮断器投入指令を出力するＣＰＵとを備えた位相差検出装置において、基準矩形波に対する比較矩形波の位相の進み又は遅れに反転が生じない１サイクル内にて遮断器の投入を行うために位相差を検出する方法であって、位相差検出開始後の基準及び比較の各矩形波のレベル遷移を検知する毎にＣＰＵで同期時推定のプログラムを実行し、まず、位相差検出開始後の基準矩形波の最初の単位波の１周期に相当するレベル遷移であって、その始端及び終端に対応する瞬間での前記計数値を最初及び次回の各周期カウント値として基準波の記憶手段より読込むと共に、前記基準矩形波の単位波に対応して比較矩形波がレベル遷移する瞬間の前記計数値を位相差カウント値として比較波の記憶手段より読込み、最初又は次回の前記周期カウント値と前記位相差カウント値との差より、基準矩形波に対する比較矩形波の位相差を演算し、更に、基準矩形波と比較矩形波との位相差演算値が第１目標閾値に該当するまで、基準矩形波の最初の単位波と連続する各単位波に対して、順次比較矩形波の単位波との位相差演算を繰返し、第１目標閾値に該当時の第１位相差演算値とその時の第１指標カウント値とを求め、次に、基準矩形波と比較矩形波との位相差演算値が、第１目標閾値と同じ前記１サイクル内の第２目標閾値に該当するまで、同様に位相差演算を繰返し、第２目標閾値に該当時の第２位相差演算値とその時の第２指標カウント値とを求め、最後に、第１及び第２の各位相差演算値と指標カウント値とを元に、両矩形波の同期時間を演算し、漸進時間相当だけ早いタイミングにおいて遮断器が投入開始するように指令を出力することを特徴としている。

位相差検出開始時において、発電機側と系統側の各交流波形は、僅かに異なるほぼ一定の周波数をそれぞれ有しているとみなせるので、これらを基準又は比較の各矩形波に変換した後にも同様に反映されている。よって、基準矩形波に対する比較矩形波の「進み（又は遅れ）」を「位相差」と定めると、その「進み（又は遅れ）」が反転しない限りは、該位相差は、単位時間あたりに一定角だけ比例増加又は減少する。即ち、位相差が０°（又は３６０°）から徐々に大きく（又は小さく）なって３６０°（又は０°）までに至る１サイクルの範囲内での単位時間あたりの位相差の変化量は一定とみなせる。また、基準矩形波の各単位波の１周期に相当するパルス数は、次回の周期カウント値と最初の周期カウント値との差で求められ、基準矩形波に対する比較矩形波の「進み（又は遅れ）」は、いずれか一方の周期カウント値と位相差カウント値との差で求められ、両矩形波の位相差は、前者の「差」に対する後者の「差」の比に対応させて演算できる。

従って、請求項１の発明によれば、基準矩形波の各単位波について、前記両周期カウント値と位相差カウント値とにより比較矩形波との位相差演算を繰返しながら、該位相差演算値が、所定の第１及び第２の各目標閾値に到達したか否かを判断でき、到達時の第１及び第２の各位相差演算値と指標カウント値とを検知することができる。よって、カウンタ回路の段数及び基準クロックの周波数と、第１及び第２の各指標カウント値とにより、第１及び第２の両目標閾値到達時の時間差を求め、これに第１及び第２の各位相差演算値の変化量を対応させて、単位「時間」（又は位相差）あたりの「位相差の比例増減角度」（又は時間経過の比例増分）を求めることができる。そして、両矩形波の同期時間は、上記比例値を元にして、両者の位相差が０°又は３６０°となるべき時間を演算することにより推定できる。このように、位相差演算値が第２目標閾値に該当したことを検知後直ちに遮断器の投入タイミングの演算を実行することができ、従来例のように、同期時間を演算する前処理として、ビート電圧波形のオフセット電圧検知のために、位相差の検出開始時間が含まれる最初の１サイクルを通過せざるを得ない制約が無くなって、前記開始時から前記投入時までの時間をより短縮することができる。

また、２つの前記基準矩形波と比較矩形波がレベル遷移する瞬間のカウント値を元に位相差演算及び同期時の時間推定演算を行うので、従来例のようにアナログ回路に依存することなく、各演算値はデジタル値のみに依存する。従って、従来例のように周囲の温度環境等の影響を受けて電圧波形の誤差より位相差の検出精度が劣化する恐れが減少して、その検出精度が向上する。また、位相差の検出精度をより高めるには、カウンター回路の基準クロックの周波数をより大きくして位相差検出の分解角度を小さくし、この周波数で、周期が大きい方の矩形波の１周期内にカウンタ回路の前記計数値が１巡しないようにカウンタ回路の段数を構成することによって、容易に可能となる。

請求項２の発明は、請求項１に記載の発明において、前記第１目標閾値に該当する位相差と第２目標閾値に該当する位相差との変化量は、ほぼ１５°であることを特徴としている。

請求項２の発明によれば、請求項１に記載の発明の作用効果に加えて、発電機の交流出力を系統側に接続する場合には、両者の周波数差が僅差をなすように発電機側が制御されているので、基準及び比較の各矩形波の位相差の変化量が１５°生じる間には、多数個の前記単位波が含まれる。しかも、特に発電機側は、系統側と比較するとより周波数が変化しやすいので、その影響で、基準及び比較の各矩形波の個々の単位波間の位相差の変化量は、多少増減する。よって、相隣接する前記各単位波間で増減する位相差の変化量を、多数個の各単位波に亘って演算することができるので、それらのバラツキが平均化される。しかも、位相差の変化量が１５°生じるのに必要な時間は、前記１サイクルに要する時間よりも比較的短時間なので、時間経過と共に変化する外乱の影響を受ける恐れが少ない。従って、第１目標閾値に該当時と第２目標閾値に該当時との間での単位時間あたりの位相差の変化量に基づいて演算される同期点推定値の信頼性が向上する。

請求項３の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、前記第２目標閾値の検知時間から起算した同期時間に至るまでの時間経過において、該第２目標閾値に該当する位相差と同期時に該当する位相差との変化量は、ほぼ４５°であることを特徴としている。

請求項３の発明によれば、請求項１又は２に記載の発明の作用効果に加えて、前記第２目標閾値の検知時間をより同期点に近づけることによって、第２指標カウント値に対応する同期時間演算の開始時間から、同期時間に至るまでに変化する外乱の影響を受ける恐れが減少する。前記第２目標閾値の位相差を同期時間のほぼ４５°手前に定めることによって、系統側と発電機側との接続後の制御を見据えた各種処理を実行するのに必要最低限の時間を確保し、出来る限り同期点の直前で同期時間演算を開始できるので、同期点演算値の信頼性がより向上する。

請求項４の発明は、請求項１ないし３に記載の発明において、位相差検出開始後の最初の位相差演算値が、同期時間の位相差のほぼ６０°前を超えた場合には、位相差検出開始時間を含む前記１サイクルと連続する次のサイクル内において、同期時間の演算を行うことを特徴としている。

請求項４の発明によれば、請求項１ないし３の発明の作用効果に加えて、位相差検出開始時間を含む１サイクル内で同期投入しなかった場合の理由が明確になると共に、同期時推定のプログラムの処理を簡素化できる。

請求項５の発明は、請求項１ないし４に記載の発明において、前記同期時推定のプログラムでは、前記基準矩形波と比較矩形波との周波数演算を行い、所定時間毎にＣＰＵで処理される周波数差調整のプログラムでは、前記各周波数の差が所定値より小さく、しかも所定時間以上持続する場合には、周波数差を所定範囲内でより大きく生じさせる指令を出力することを特徴としている。

請求項５の発明によれば、請求項１ないし４に記載の発明の作用効果に加えて、基準矩形波と比較矩形波との周波数差が殆ど無い場合には、同期時間に至るまでの前記１サイクルに要する時間を短縮できるので、同期タイミングまでの時間が短くなる。

本発明によれば、位相差の検出開始時から前記投入時までの時間をより短縮しながら、発電機側と系統側との両交流電圧波形の位相同期点の検出精度をより向上させることができる。

本発明に係る位相差検出方法を実行するための位相検出部Ａの構成について以下に説明する。図１は、位相差検出部Ａの構成を示す概略ブロック図である。Ｂは、電力設備の負荷に対して電力を供給する電力系統であって、商用電源１に接続されている。また、Ｇは発電機であり、調速機能を備えたエンジンによって駆動されることにより交流電圧を発生する。２と３は、系統Ｂと発電機Ｇとの交流波形Ｖｂ(Ｔ），Ｖｇ(Ｔ)をそれぞれ入力して、系統側の矩形波Ｗｂと発電機側の矩形波Ｗｇとを出力する矩形波生成回路であって、比較電圧を０ボルトとするコンパレータを用いて回路構成されている。４は、２．５Ｍｈｚの基準クロックを計数する１６段構成の単調増加のカウンタ回路であって、そのパルス数Ｍを０から（２¹⁶−１）まで計数する毎にクリアを繰返す。５と６は、前記系統側と発電機側との各矩形波Ｗｂ，Ｗｇのそれぞれの立上り時に、カウンタ回路４にて計数されたパルス数Ｍを読込み、それぞれ系統側及び発電機側の各立上りカウント値Ｍｂ，Ｍｇとして記憶する系統側及び発電機側の各レジスタである。７は、前記各矩形波Ｗｂ，Ｗｇの立上りを検知して割込みを発生し、同期点演算のプログラムＰ₁を実行すると共に、所定時間毎に割込みを発生し、前記各矩形波Ｗｂ，Ｗｇの周波数差調整のプログラムＰ₂を実行するＣＰＵである（図４参照）。同期点演算のプログラムＰ₁では、割込み発生時に前記各レジスタ５，６に格納されている前記各立上りカウント値Ｍｂ，Ｍｇを読込んで、それぞれ次回の周期カウント値ＲＷｂと位相差カウント値ＲＷｇとして自身のメモリ７ａに書込むと共に、後述する位相差演算を実行しながら同期点演算を行い、遮断器８に投入指令を出力する処理が実行される。なお、ＣＰＵ７は、発電機Ｇの総合的な制御機能を有しており、系統Ｂの出力電圧Ｖｂ等を検知し、これらの検知結果に基づいて、発電機側の上述したエンジンの回転数の制御や、出力電圧Ｖｇの調整装置に与える電圧指令値の制御をも行っている。

次に、上述した位相差検出部Ａでの動作について図２に示すタイムチャートに従って説明する。本実施形態の位相差検出は、系統Ｂの側と発電機Ｇの側との出力電圧差ΔＶ及び周波数差ΔＦが規定値の範囲内（出力電圧差ΔＶは、系統Ｂの出力電圧Ｖｂの±５％以内、周波数差ΔＦは、±０．３ｈｚ以内）に到達したことをＣＰＵ７にて検知した後に実行され、図２では、系統Ｂの側と発電機Ｇの側とでそれぞれ５０ｈｚと５０.３ｈｚの各矩形波Ｗｂ，Ｗｇが並走する場合について示している。図４は、位相差検出部Ａ全体の動作を示す流れ図、図５乃至図９は、ＣＰＵ７で実行される同期点演算のプログラムＰ₁のより詳細なフローチャート図である。なお、各フローチャートに示される各変数には、適宜初期値が代入されている。図２に示されるとおり、時間Ｔｓにて位相差検出の開始指令が入力され、カウンタ回路４は、この時間Ｔｓより基準クロックの計数を開始する。該カウンタ回路４は、基準クロックのパルスが（１／２．５Ｍｈｚ）秒毎に立上る毎に、パルス数Ｍの値を「１」づつ加算しながら、「２¹⁶−１」まで計数した次に「０」に戻る計数を繰返す（ステップ４−１）。そして、前記各レジスタ５，６は、それぞれの矩形波Ｗｂ，Ｗｇの立上りを検知する度に、その時のパルス数Ｍをカウンタ回路４から読込み記憶する回路である。従って、まず、レジスタ５が、矩形波Ｗｂの最初の単位波Ｗｂ₀の立上りを検知し、その時のパルス数Ｍを立上りカウント値Ｍｂ₀として読込む（ステップ５−１）。これと並行してＣＰＵ７も同様に矩形波Ｗｂの最初の立上りを検知し、前記立上りカウント値Ｍｂ₀をレジスタ５から読込み、最初の周期カウント値ＲＷｂ(０)₀としてメモリ７ａに記憶する（ステップ１０）。次に、レジスタ６は、矩形波Ｗｇの最初の単位波Ｗｇ₁の立上りを検知して、同様に立上りカウント値Ｍｇ₁として読込み（ステップ６−１）、ＣＰＵ７は、該カウント値Ｍｇ₁を位相差カウント値ＲＷｇ₁として記憶する（ステップ２０）。次に、レジスタ５は、前記単位波Ｗｂ₀の次に連続する単位波Ｗｂ₁の立上りを検知し、その時のパルス数Ｍを立上りカウント値Ｍｂ₁として読込み（ステップ５−１）、ＣＰＵ７は、該カウント値Ｍｂ₁を次回の周期カウント値ＲＷｂ₁として記憶する（ステップ２０）。そして、ＣＰＵ７のメモリ７ａに前記各カウント値ＲＷｂ(０)₀，ＲＷｂ₁，ＲＷｇ₁が記憶された時点で、ステップ３０の周波数演算の処理に移行する。発電機側の最初の単位波Ｗｇ₁については、前記カウント値ＲＷｇ₁と対をなすべき最初の周期カウント値ＲＷｇ₀(０)が検知されていないので、ステップ３１にて「Ｙｅｓ」側に分岐し、ステップ４０の位相差演算の処理に移行する。

ここで、本実施形態では、系統側の矩形波Ｗｂの位相に対する発電機側の矩形波Ｗｇの進み角を位相差と定める。基準となる系統側の矩形波Ｗｂの１周期分、即ち３６０°に相当するパルス数は、Ｎ番目の単位波の立上り時の次回の周期カウント値ＲＷｂ_Nと、前回の立上り時の最初の周期カウント値ＲＷｂ(０）_N-1との「差」から求まるので、系統側の矩形波Ｗｂの位相が１°進む間に増加する「単位パルス数」は、この「差」を「３６０」で割れば求められる。また、「単位パルス数」は、系統側の矩形波Ｗｂと発電機側の矩形波Ｗｇとの位相差が１°生じる度に増加するパルス数と同値である。よって、系統側の矩形波Ｗｂに対する発電機側の矩形波Ｗｇの位相の「進み角」は、矩形波Ｗｂの次回の周期カウント値ＲＷｂからこれに対応する矩形波Ｗｇの位相差カウント値ＲＷｇを減算した「差」を、前記単位パルス数で割れば求められる。以上を踏まえて、系統側の矩形波Ｗｂの最初の単位波Ｗｂ₀の１周期に対応する一対の前記各カウント値ＲＷｂ₀(０)，ＲＷｂ₁から、該単位波Ｗｂ₀の位相が１°進む間に増加する「単位パルス数」は、（１）式で演算でき、
〔ＲＷｂ₁−ＲＷｂ₀(０)〕／３６０（１）
単位波Ｗｂ₀と連続する次の単位波Ｗｂ₁の位相に対する発電機側の単位波Ｗｇ₁の進み角に相当する基準クロックのパルス数は、
ＲＷｂ₁−ＲＷｇ₁ （２）
で求められ、よって両単位波Ｗｂ₁，Ｗｇ₁の「位相差」Δθ₁は、次式（３）で演算できる。
Δθ₁＝〔ＲＷｂ₁−ＲＷｇ₁〕×３６０／〔ＲＷｂ₁−ＲＷｂ₀(０)〕（３）
これにより、本実施形態の最初のステップ４１では、位相差演算値Δθ₁＝２
０３．４０°と求められる。

ステップ４１の位相差演算の次には、該位相差演算値Δθ₁が、第１目標閾値φ₁か又は第２目標閾値φ₂のいずれか判定すべき方の閾値を選択する（ステップ４２）。単位波Ｗｂ₀の検知時点では、第１目標閾値φ₁に該当する位相差演算値Δθ(Ｃ₁）が記憶されていない状態なので（ステップ４２，Ｙｅｓ）、ステップ５０に分岐する。ステップ５０では、位相差演算値Δθ₁が、第１目標閾値φ₁＝３００°に満たないと判定されて（ステップ５１，ＮＯ）ステップ５３に移行する。ステップ５３では、前記各単位波Ｗｂ₁,Ｗｇ₁の立上り時の次回の周期カウント値ＲＷｂ₁と位相差カウント値ＲＷｇ₁とを、これらと連続するそれぞれの各単位波Ｗｂ₂,Ｗｇ₂の立上りと対をなすべき最初の各周期カウント値ＲＷｂ₁(０)，ＲＷｇ₁(０)として記憶した後に、次の前記プログラムＰ₁の割込みが発生するまで待機する。

そして、前記各単位波Ｗｇ₂,Ｗｂ₂の立上り検知時に、ＣＰＵ７において、それぞれの位相差カウント値ＲＷｇ₂と次回の周期カウント値ＲＷｂ₂とが書込まれ、各カウント値ＲＷｂ₁(０)，ＲＷｂ₂，ＲＷｇ₁(０)，ＲＷｇ₂が揃った時点で、ステップ３０での２度目の周波数演算の処理に移行する。このステップ３０は、後述する周波数調整のプログラムＰ₂において読込むべき前記各矩形波の周波数ＦＷｂ，ＦＷｇを演算するための工程であって、以下、この処理を中心に説明する。まず、ステップ３１では、最初の周期カウント値ＲＷｇ₁(０)が新に書き込まれたことにより、「ＮＯ」側に分岐し、ステップ３２にて各単位波Ｗｂ₁，Ｗｇ₁の周波数ＦＷｂ₁，ＦＷｇ₁演算が行われる。ここで、カウンタ回路４は、２．５Ｍｈｚの基準クロックのパルス数Ｍを計数する回路であるが、この基準クロックの周波数Ｆ₀（＝２．５Ｍｈｚ）は、系統Ｂにおいて想定される最高値の周波数（＝６５ｈｚ）に対して、０．０１°の分解能を有するに十分なように設定されている（６５×３６０×１００＝２．３４Ｍｈｚ＜２．５Ｍｈｚ）。そして、各単位波Ｗｂ₁，Ｗｇ₁の周波数演算値ＦＷｂ₁，ＦＷｇ₁（ｈｚ）は、各単位波Ｗｂ₁，Ｗｇ₁の１周期に相当する前記各カウント値の差分Ｄｂ〔＝ＲＷｂ₂−ＲＷｂ₁(０)〕，Ｄｇ〔＝ＲＷｇ₂−ＲＷｇ₁(０)〕を元に、（４）,（５）式から演算できる。
ＦＷｂ₁＝Ｆ₀／〔ＲＷｂ₂−ＲＷｂ₁(０)〕（４）
ＦＷｇ₁＝Ｆ₀／〔ＲＷｇ₂−ＲＷｇ₁(０)〕（５）
ステップ３２にて各単位波Ｗｂ₁，Ｗｇ₁の周波数演算値ＦＷｂ₁，ＦＷｇ₁をメモリ７ａに記憶した後にステップ４０の位相差演算の処理に移行する。

ここで、図３は、これまでにＣＰＵ７が読込む各レジスタ５，６の立上りカウント値Ｍｂ，Ｍｇと、ＣＰＵ７がメモリ７ａに書込む最初の各周期カウント値ＲＷｂ(０），ＲＷｇ(０）と、次回の周期カウント値ＲＷｂ、位相差検出値ＲＷｇの関係について示したタイムチャート図である。単位波Ｗｂ₁の１周期Ｔｂ₁、即ち前記各差分Ｄｂに相当するパルス数は、「５００００」（基準クロックの周波数Ｆ₀／系統の周波数Ｆｂ＝２．５×１０³／５０）が基準値となっており、カウンタ回路４の計数値が１巡する周期Ｔ₀に相当するパルス数、即ち「２¹⁶」よりも小さい。よって、前記カウント値ＲＷｂ₂は、ＣＰＵ７において、最上位ビットを超えた桁から桁借りして演算することによって、ＲＷｂ'₂と同値とみたてて減算を行うことができ、この結果、差分Ｄｂを演算するために、カウンタ回路４の計数値の１巡以上を要することがない。系統Ｂ側の矩形波Ｗｂよりも周波数が大きい（周期が短い）発電機Ｇ側の差分Ｄｇについても同様である。また、商用電源１として、系統Ｂでの最低値の周波数を４５ｈｚと想定した場合にも、「系統の周期／基準クロックの周期＝２．５×１０³／４５＝５２０００」であって、カウンタ回路４の計数値の１巡以内で差分が演算でき、１６段のカウンタ回路４を使用して、周波数演算が可能に構成されている。

そして、順次連続する各単位波についても同様の処理を繰返し、図２において、系統側の単位波Ｗｂ_nに対する発電機側の単位波Ｗｇ_nの位相差演算時（ステップ４１）において、Δθ_n＝３００．６０°が求まり、この位相差演算値Δθ_nは、ステップ５１の第１目標閾値φ₁＝３００°を超えるので「ＹＥＳ」側に分岐し、位相差演算値Δθ_n及びこの時の位相差カウント値ＲＷｇ_nを、第１位相差演算値Δθ（Ｃ₁）及び第１指標カウント値ＲＣ₁として記憶する（ステップ５２）。ステップ５３にて、次回の周期カウント値ＲＷｂ_nと位相差カウント値ＲＷｇ_nとを最初の各周期カウント値ＲＷｂ_n(０），ＲＷｇ_n(０）として書換え、次の両単位波の立上り時にも同様に位相差演算を行うが、ステップ４２では「ＮＯ」側に分岐し、ステップ６０に移行する。ステップ６０では、まず、最初の周期カウント値ＲＷｇ_n(０)(＝Ｍｇ_n）に対する位相差カウント値ＲＷｇ_n+1(＝Ｍｇ_n+1）のオーバーフローを判定し、位相差カウント値ＲＷｇ_n+1＜最初の周期カウント値ＲＷｇ_n(０）なので（ステップ６１，ＹＥＳ）、この間にパルス数Ｍが１度「０」にクリアされたとみなされ、これをオーバーフロー回数Ｊとして記憶する（ステップ６２）。これは、後述する同期点演算のための処理である。そして、位相差演算値Δθ_n+1は、第２目標閾値φ₂＝３１５°に満たないので（ステップ６３，ＮＯ）、順次同様に連続する各単位波について位相差演算を繰返す。本実施形態では、系統側の単位波Ｗｂ_n+7の立上り検知時において、発電機側の単位波Ｗｇ_n+7に対する位相差演算値Δθ_n+7が、前記第２目標閾値φ₂を超えて大きくなるのでステップ６３で「ＹＥＳ」側に分岐し、位相差演算値Δθ_n+7及びこの時の位相差カウント値ＲＷｇ_n+7(＝Ｍｇ_n+7）を、第２位相差演算値Δθ（Ｃ₂）及び第２指標カウント値ＲＣ₂として記憶する（ステップ６５）。次に、ステップ７０に移行して同期時間を推定する演算を行う。

ステップ７０では、まず、第１位相差演算値Δθ（Ｃ₁）の検知時間Ｔｃ₁から第２位相差演算値Δθ（Ｃ₂）の検知時間Ｔｃ₂の間の「単位時間あたりの位相差の比例増加角度」Ｋθを演算する。ここで、前記第１検知時間Ｔｃ₁から第２検知時間Ｔｃ₂に至るまでに要する時間差ΔＴは、基準クロックの周波数Ｆ₀（＝２．５Ｍｈｚ）、第１及び第２の各指標カウント値ＲＣ₁，ＲＣ₂、ステップ６２で書込まれたオーバーフロー回数Ｊ（実施形態では「５」）とより（６）式で演算できる。
ΔＴ＝｛（Ｊ×２¹⁶）−ＲＣ₁＋ＲＣ₂｝／Ｆ₀ （６）
従って、時間差ΔＴ内での「単位時間あたりの位相差の比例増加角度」Ｋθは、（７）式で容易に演算でき（ステップ７１）、
Ｋθ＝｛Δθ（Ｃ₂）−Δθ（Ｃ₁）｝／ΔＴ（７）
この比例増加角度Ｋθは、第２位相差演算値Δθ（Ｃ₂）の検知時間Ｔｃ₂から同期時間Ｔ_synに至るまでの「単位時間あたりの位相差の比例増加角度」と等しいとみなせるので、この間に要する時間差をΔＴｘとすると、時間差ΔＴｘは、（８）式で演算でき、
ΔＴｘ＝｛３６０−Δθ（Ｃ₂）｝／Ｋθ （８）
同期時間Ｔ_synは、次式（９）で演算できる（ステップ７２）。
Ｔ_syn＝Ｔｃ₂＋ΔＴｘ（９）
更に、遮断器の漸進時間Ｔαを差引いた投入タイミングＴe〔＝Ｔ_syn−Ｔα〕を演算し（ステップ７３）、このタイミングＴeにおいて遮断器投入が開始するように、ＣＰＵ７から遮断器に投入命令を出力する（ステップ７４）。

このように、第２目標閾値φ₂に該当すると判断できた時間Ｔｃ₂直後には、遮断器８の投入タイミングＴｅを求める演算を実行し、位相差が反転する同期時間Ｔ_synを超えて次のサイクルＣ₂に突入する前に、即ち位相差の検出を開始した時間Ｔｓと同一サイクルＣ₁内の投入タイミングＴｅにて、遮断器８を投入開始できる。従来例と比較すると、最初の１サイクルＣ₁での第１極小点Ｑ₁を通過せざるを得ない制約が無くなって、位相差の検出開始時間Ｔｓから前記投入時までの時間を短縮することができる（図１３参照）。また、２つの基準矩形波及び比較矩形波の立上り時の前記各カウント値、即ちカウンタ回路４が計数する基準クロックのパルス数Ｍを元に、位相差の演算及び同期点の推定等の各種演算を行うので、各演算値はデジタル値のみに依存する。従って、従来例のようにアナログ回路特有の不安定要素が無くなり、その検出精度が向上する。

また、第１目標閾値φ₁及び第２目標閾値φ₂は、それぞれ３００°と３１５°とであって、それぞれ同期時間Ｔ_synの位相差Δθ＝３６０°との変化量は、６０°と４５°となる。上述したとおり、実施形態では、基準及び比較の各矩形波Ｗｂ，Ｗｇの位相差の変化量が１５°生じる時間差ΔＴの間には、７〜８個の前記単位波が含まれるので、隣接する個々の単位波間で増減する恐れを有する位相差の変化量を、７〜８個の単位波に亘って平均的に演算することができる。更に、第２目標閾値φ₂は、同期時間Ｔ_synの位相差より約４５°手前であって、前記時間差ΔＴｘは、同期時間Ｔ_synの演算を実行して投入タイミングＴｅの指令を出力しながら、系統Ｂと発電機Ｇとの接続後の制御を見据えた各種処理を実行するのに最低限必要な時間に該当する。このように、出来る限りの同期点の直前での同期時間演算を実行することにより、同期点推定（同期時間Ｔ_syn）の信頼性が更に向上する。なお、本実施形態では、両矩形波Ｗｂ，Ｗｇの周波数差ΔＦが０．３ｈｚの場合について説明したが、実際にはこれよりも小さな数値を目標に制御を行っており、上述した時間差ΔＴの間の単位波の個数等については適宜変化する。

そして、図１０は、周波数差調整のプログラムＰ₂に係るフローチャート図である。２ｍｓ毎に割込みを発生する周波数差調整のプログラムＰ₂では、まず、前記ステップ３０で演算された系統側及び発電機側の各周波数ＦＷｂ，ＦＷｇを読込み（ステップ１１０）、周波数差ΔＦを演算する（ステップ１２０）。次に、該周波数差ΔＦが０．０５ｈｚより大きいか否か判定し、大きい場合には（ステップ１３０−１，ＹＥＳ）、次の割込みまで待機する。小さい場合には（ステップ１３０−１，ＮＯ）、周波数差ΔＦが０．０５ｈｚよりも小さい状態の持続時間を演算するために、まずステップ１３０−１を連続して「ＮＯ」側に分岐した回数Ｉを計数し（ステップ１３０−２）、次に該連続分岐回数Ｉを元に、割込み処理間隔＝２（ｍｓ）より継続時間ＴΔ_F（ｓ）を演算する（ステップ１３０−３）。次に、継続時間ＴΔ_Fが３秒を超えたか否か判定し、超えない場合には（ステップ１３０−４，ＮＯ）、次の割込みまで待機し、超えた場合には（ステップ１３０−４，ＹＥＳ）、周波数差ΔＦが所定の範囲内で、しかも０．０５ｈｚよりも大きく生じるように発電機Ｇを制御すべく別処理を実行する（ステップ１３０−５）。これにより、基準矩形波Ｗｂと比較矩形波Ｗｇとの周波数差ΔＦが０．０５ｈｚよりも小さい場合の同期時間に至るまでの前記１サイクルに要する時間を短縮して、検出開始の時間から、同期タイミングまでの時間を短縮できる。なお、上記した演算に係る各変数は、処理に応じて適宜リセットされる。

なお、上述した実施形態では、各矩形波生成回路２，３は、比較電圧を０ボルトとするコンパレータを使用する場合について示したが、必ずしも「０ボルト」を基準にして回路を組む必要は無い。正弦波から変換される矩形波の周波数がそのまま維持されれば問題無く、比較電圧が「０」以外の一定電圧値であったり、ヒステリシスを有していても良い。また、耐ノイズ性向上のため、矩形波生成回路２，３の各コンパレータにそれぞれの正弦波を入力する前に、同じ値のフィルタ回路を挿入しても構わない。この場合には、両正弦波の実際の位相に対応する変換後の矩形波の位相がずれる（遅れる）ので、このずれ位相に対応する時間Ｔｄ分を前記同期時間演算のステップ７３にて補正する必要がある（Ｔｅ＝Ｔ_syn−Ｔα−Ｔｄ）。また、ＣＰＵへのパルス数の読込みは、記憶手段であるハードウェア（レジスタ５，６）を介して行う方法について記載したが、ＣＰＵ７のソフトウェア（前記プログラムＰ₁）を介して、カウンタ回路４から直接にＣＰＵに読込んで記憶する方法でも構わない（図１１にこの場合の位相差検出部Ａ’の構成を示す）。この場合には、立上りを検知する瞬間とカウンタ値を取込む瞬間との間に時間差が生じるので、上述したのと同様にステップ７３にて補正すれば問題無い。また、最初の前記両周期カウント値ＲＷｂ(０），ＲＷｇ(０）は、ＣＰＵ７のメモリ７ａに記憶する方法について説明したが、レジスタ５，６に相当するハードウェアで記憶しても構わない。前記両周期カウント値ＲＷｂ(０），ＲＷｇ(０）を、次回の周期カウント値ＲＷｂと位相差カウント値ＲＷｇとの検知時点で読み出せれば良い。

本実施形態では、第１目標閾値φ₁及び第２目標閾値φ₂は、それぞれ３００°と３１５°とであって、それぞれの同期時の位相差３６０°との変化量は、６０°と４５°の場合について示したが、本発明はこれらに限定されない。また、位相差を演算する場合には、系統側の矩形波Ｗｂの立上りに対する発電機側の矩形波Ｗｇの「進み角」を位相差と定めて演算したが、これが「遅れ角」であっても構わない。より具体的には、本実施形態で説明した（２）式を（ＲＷｇ−ＲＷｂ）とし、この式を元に位相差を演算しても構わない。この場合には、同期時の位相差、第１及び第２の各目標閾値は、０°、６０°、４５°とになる。また、発電機側の矩形波Ｗｇを基準波に定め、この１周期を３６０°として同期時間を演算することも可能である。更に、各矩形波の「立上り」の検知に基づいて位相差演算を実行する方法について示したが、「立下り」であっても同様に位相差演算を実行でき、両矩形波Ｗｂ，Ｗｇの「立上り及び立下り」に相当する半周期毎に位相差演算を行う方法も可能である。

そして、位相差の検出精度をより高めるには、カウンタ回路の基準クロックの周波数をより大きくして位相差検出の分解角度を小さくし、この周波数で、周期が大きい方の矩形波の１周期に相当するパルス数が、カウンタ回路が計数可能な最大パルス数を超えないようにカウンタ回路の段数を構成すれば、容易に可能となる。系統側又は発電機側として想定し得る周波数の最高値を６５ｈｚ、分解角度Ｚとすれば、基準クロックの周波数Ｆ₀は（１０）式を満たし、
Ｆ₀＞６５×３６０×（1／Ｚ）（１０）
２進カウンタの段数Ｄは、周期が大きい方の矩形波の周波数を４５ｈｚとすると、（１１）式を満たすＤが求まれば良い。
２^D＞Ｆ₀／４５（１１）

また、上記した実施形態では、前記検出開始の時間Ｔｓ直後での最初の位相差演算値Δθ₁が２０３°の場合について説明したが、仮にΔθ₁が３００°よりも大きく、同期時間の位相差３６０°との差が６０よりも小さい場合には、検出開始の時間Ｔｓを含む最初の１サイクルＣ₁での同期投入を実行しない方法も実施可能である。そして、次のサイクルＣ₂での同期投入を実行すべく、実施形態と同様に位相差の検出に係る各処理が実行される。図１２に、この場合の処理例を示す。図示されるとおり、検出開始の時間Ｔｓ以降に、第１目標閾値φ₁に満たない位相差Δθが演算された場合には（ステップ５１，ＮＯ）、これを示すフラグをＯＮするステップを追加する（ステップ５４）。これにより、前記検出開始の時間Ｔｓ直後での最初の位相差演算値Δθ₁が第１目標閾値φ₁を超えた場合には（ステップ５１，ＹＥＳ）、このフラグのＮＯ，ＯＦＦを判定するステップ５５にて「ＮＯ」側に分岐させ、前記第１位相演算値Δθ(Ｃ₁)をメモリに書込まない。よって、最初の前記サイクルＣ₁での投入タイミングＴｅの演算のステップ７０に分岐させずに、次のサイクルＣ₂に突入後に、ステップ５４にて前記フラグをＯＮして、遮断器を投入する処理に分岐可能となる。上述した処理を付加することによって、位相差検出開始時間を含む１サイクル内で同期投入しない不具合が生じた時には、その原因を絞り込むことが容易となる。

位相差検出部Ａの構成を示す概略ブロック図である。本実施形態の位相差検出部Ａの動作について、特に、各矩形波生成回路２，３と、カウンタ回路４で計数されるパルス数Ｍと、ＣＰＵ７で演算される位相差演算値Δθとの関連について示すタイムチャート図である。ＣＰＵ７が読込む各レジスタ５，６の立上りカウント値Ｍｂ，Ｍｇと、ＣＰＵ７がメモリ７ａに書込む最初の各周期カウント値ＲＷｂ(０），ＲＷｇ(０）と、次回の周期カウント値ＲＷｂ、位相差検出値ＲＷｇの関係について示したタイムチャート図である。位相差検出部Ａの動作を示す流れ図である。周波数演算のステップ３０について、その処理手順を示すフローチャート図である。位相差演算のステップ４０について、その処理手順を示すフローチャート図である。第１目標閾値の判定のステップ５０について、その処理手順を示すフローチャート図である。第２目標閾値の判定のステップ６０について、その処理手順を示すフローチャート図である。投入タイミングの演算のステップ７０について、その処理手順を示すフローチャート図である。周波数差調整のプログラムＰ₂について、主に周波数差判定のステップ１３０について、その処理手順を示すフローチャート図である。各矩形波の立上りの検知によるＣＰＵ７へのパルス数Ｍの読込みを、ＣＰＵ７のプログラムを介して、カウンタ回路４から直接に読込む場合の位相差検出部Ａ’の構成を示す概略ブロック図である。前記検出開始の時間Ｔｓ直後での最初の位相差演算値Δθ₁が３００°よりも大きい場合の処理を示すフローチャートである。従来例の位相差検出方法を示す概略図である。アナログ減算器８１等の上述した各回路８２，８３，８４を介して、ＣＰＵ７に入力される前記ビート電圧波形ΔＶ（Ｔ）を例示する概略図である。

符号の説明

Ｂ：系統
Ｃ：サイクル
Ｄｂ，Ｄｇ：差分
Ｇ：発電機
Ｍ：パルス数
Ｐ₁：同期点演算のプログラム
ＲＷｂ：次回の周期カウント値
ＲＷｂ(０):最初の周期カウント値
ＲＷｇ：位相差カウント値
ＲＷｇ(０):最初の周期カウント値
ＲＣ₁：第１指標カウント値
ＲＣ₂：第２指標カウント値
Ｔｅ：投入タイミング
Ｔｓ：(位相差の検出を開始する）時間
Ｔ_syn：(同期時の）時間
Ｖｂ(Ｔ):（系統側の）交流波形
Ｖｇ(Ｔ)：(発電機側の）交流波形
Ｗｂ：（系統側の）矩形波
Ｗｇ：（発電機側の）矩形波
Δθ：位相差
Δθ(Ｃ₁):第１位相差演算値
Δθ(Ｃ₂):第２位相差演算値
φ₁:第１目標閾値
φ₂:第２目標閾値
２：（系統側の）矩形波生成回路
３：（発電機側の）矩形波生成回路
４：カウンタ回路
５：（系統側の）レジスタ
６：（発電機側の）レジスタ
７：ＣＰＵ
７ａ：メモリ
８：遮断器

Claims

発電機側と系統側との交流電圧波形をそれぞれ基準又は比較の各矩形波に変換する矩形波生成回路と、位相差検出の開始指令に応じて、所定周波数の基準クロックの出力数を計数開始する単調増加のカウンタ回路と、位相差検出開始以降の前記両矩形波のレベル遷移に対応して、順次更新しながらそれぞれの瞬間での基準クロックの計数値を読込んで記憶する基準波及び比較波の各記憶手段と、これらの各記憶手段からそれぞれの前記計数値を読込み、これらを元に投入タイミングを決定するための演算を行い、遮断器投入指令を出力するＣＰＵとを備えた位相差検出装置において、基準矩形波に対する比較矩形波の位相の進み又は遅れに反転が生じない１サイクル内にて遮断器の投入を行うために位相差を検出する方法であって、
位相差検出開始後の基準及び比較の各矩形波のレベル遷移を検知する毎にＣＰＵで同期時推定のプログラムを実行し、
まず、位相差検出開始後の基準矩形波の最初の単位波の１周期に相当するレベル遷移であって、その始端及び終端に対応する瞬間での前記計数値を最初及び次回の各周期カウント値として基準波の記憶手段より読込むと共に、前記基準矩形波の単位波に対応して比較矩形波がレベル遷移する瞬間の前記計数値を位相差カウント値として比較波の記憶手段より読込み、
最初又は次回の前記周期カウント値と前記位相差カウント値との差より、基準矩形波に対する比較矩形波の位相差を演算し、
更に、基準矩形波と比較矩形波との位相差演算値が第１目標閾値に該当するまで、基準矩形波の最初の単位波と連続する各単位波に対して、順次比較矩形波の単位波との位相差演算を繰返し、第１目標閾値に該当時の第１位相差演算値とその時の第１指標カウント値とを求め、
次に、基準矩形波と比較矩形波との位相差演算値が、第１目標閾値と同じ前記１サイクル内の第２目標閾値に該当するまで、同様に位相差演算を繰返し、第２目標閾値に該当時の第２位相差演算値とその時の第２指標カウント値とを求め、
最後に、第１及び第２の各位相差演算値と指標カウント値とを元に、両矩形波の同期時間を演算し、漸進時間相当だけ早いタイミングにおいて遮断器が投入開始するように指令を出力することを特徴とする同期発電機の同期投入時の位相差検出方法。
前記第１目標閾値に該当する位相差と第２目標閾値に該当する位相差との変化量は、ほぼ１５°であることを特徴とする請求項１に記載の同期発電機の同期投入時の位相差検出方法。
前記第２目標閾値の検知時間から起算した同期時間に至るまでの時間経過において、該第２目標閾値に該当する位相差と同期時に該当する位相差との変化量は、ほぼ４５°であることを特徴とする請求項１又は２に記載の同期発電機の同期投入時の位相差検出方法。
位相差検出開始後の最初の位相差演算値が、同期時間の位相差のほぼ６０°前を超えた場合には、位相差検出開始時間を含む前記１サイクルと連続する次のサイクル内において、同期時間の演算を行うことを特徴とする請求項１ないし３に記載の同期発電機の同期投入時の位相差検出方法。
前記同期時推定のプログラムでは、前記基準矩形波と比較矩形波との周波数演算を行い、
所定時間毎にＣＰＵで処理される周波数差調整のプログラムでは、前記各周波数の差が所定値より小さく、しかも所定時間以上持続する場合には、周波数差を所定範囲内でより大きく生じさせる指令を出力することを特徴とする請求項1ないし４に記載の同期発電機の同期投入時の位相差検出方法。