JP4344715B2

JP4344715B2 - ディジタル保護継電器

Info

Publication number: JP4344715B2
Application number: JP2005148943A
Authority: JP
Inventors: 雅己田平; 清純出田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2005-05-23
Filing date: 2005-05-23
Publication date: 2009-10-14
Anticipated expiration: 2025-05-23
Also published as: JP2006333536A

Description

この発明は、ディジタル保護継電器に関するものであり、特に入力する電力系統周波数の自動検知に係るものである。

従来から電力系統に接続された各種装置を保護するためにディジタル保護継電器が用いられている。このディジタル保護継電器は、使用される地域により５０Ｈｚと６０Ｈｚの２種類の周波数に応じて５０Ｈｚ用と６０Ｈｚ用に切り替える機能を備えている。従来より、前記周波数に応じた切り替え設定は、メーカまたはユーザによって行われているが、人手による切り替えのため、誤って設定した場合に、入力の大きさや位相を正しく判定できず、誤動作、誤不動作する可能性があった。このように系統周波数が異なる地域においてもディジタル保護継電器を共用使用可能とするために入力商用電源周波数を５０Ｈｚ、６０Ｈｚのどちらか一方と仮定し、この仮定に基づき商用周波数のｎ倍の周波数を演算処理器で発生させ、サンプリング周期１／５０ｎ秒または１／６０ｎ秒のサンプリング制御信号をサンプルホールド回路に与えてサンプリングを行い、そのデータをＡ／Ｄ変換器でディジタルデータに変換し、演算処理器において任意に選んだサンプリングデータと、そのデータから１／５０秒または１／６０秒後の商用交流電圧値または電流値を確認し、両者がほぼ一致するか否かで商用電源の周波数を識別することが示されている（例えば、特許文献１）。

特開２００２−０９８７２２号公報（Ｐ１、図２）

しかしながら前記特許文献１に示されたものは、例えばサンプリング周期１／５０ｎ秒でサンプリングを行い、そのデータから１／５０秒後、つまり３６０°位相後のサンプリングデータにおける電圧、電流値と比較し、商用周波数を認識するものであるので、その認識速度が遅く、最近、要求されている系統周波数をより速く認識するという需要に必ずしも対応可能なものでないという問題点を有している。
また一方、近年一般商用電源の停電時に備える無停電電源が各方面で設けられている。この無停電電源設備はインバータを備えているため、高調波成分のノイズが含まれており、きれいな正弦波が保証されていない。このような無停電電源を有する系統に前記特許文献１に示された技術を適用すると、高調波成分を識別できず、誤動作、誤不動作するという問題点がある。

この発明は前記のような課題を解決するためになされたものであって、電力系統周波数をより短時間に判定可能とし、またノイズを含む電力系統においても、周波数判定をより精度よく可能とするディジタル保護継電器を提供することを目的としている。

第１の発明に係るディジタル保護継電器は、入力する電力系統の周波数を仮定し、該仮定した周波数の１サイクル内に、仮定した周波数に対応して定められかつ該仮定した周波数より高い周波数のサンプリング周波数によって、
入力する電力系統の交流電圧値あるいは交流電流値を、複数回のサンプリング周期でサンプリングするサンプルホールド回路と、該サンプルホールド回路の出力するサンプリングデータをＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換回路と、サンプリング周期制御回路を介しサンプルホールド回路に、サンプリング周波数と複数回のサンプリング周期を指令するとともに、Ａ／Ｄ変換回路からのサンプリングデータを記憶するメモリ部から、１サイクル内のサンプリングデータを抽出して合計し、その合計値が零あるいはほぼ零の場合に仮定した周波数が、入力する電力系統の周波数と同一であると判定する演算部とを備えたものである。

第２の発明に係るディジタル保護継電器は、入力する電力系統の周波数を仮定し、該仮定した周波数の複数サイクル内に、仮定した周波数に対応して定められかつ該仮定した周波数より高い周波数のサンプリング周波数によって、
入力する電力系統の交流電圧値あるいは交流電流値を、複数回のサンプリング周期でサンプリングするサンプルホールド回路と、該サンプルホールド回路の出力するサンプリングデータをＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換回路と、サンプリング周期制御回路を介しサンプルホールド回路に、サンプリング周波数と複数回のサンプリング周期を指令するとともに、Ａ／Ｄ変換回路からのサンプリングデータを記憶するメモリ部から、１サイクル内のサンプリングデータを抽出して合計し、その合計値の絶対値Ｃを演算する演算部とを備えているとともに、該演算部には、次の式（１）で示される所定値Ｋが設定されており、

前記演算した絶対値Ｃと比較して、
Ｃ≦Ｋの場合には前記仮定した周波数と同一の周波数が入力しており
Ｃ＞Ｋの場合には、前記仮定した周波数とは異なる周波数が入力している
と判定するものである。

第１の発明に係るディジタル保護継電器は、仮定した系統周波数の１サイクル内に、該系統周波数より高い周波数のサンプリング周波数によって、複数回のサンプリング周期でサンプリングし、その合計値が零あるいはほぼ零の場合に、仮定した周波数と同一の周波数が入力していると判定するので、１サイクル内に系統周波数の判定が可能となり、従来に比較し入力する電力系統の周波数判定の時間が短縮される。

第２の発明に係るディジタル保護継電器は、仮定した系統周波数の１サイクル内に、該系統周波数より高い周波数のサンプリング周波数によって、複数回のサンプリング周期でサンプルリングし、その合計値の絶対値Ｃを演算し、式（１）で示される所定値Ｋと比較して

Ｃ≦Ｋの場合には仮定した周波数と同一の周波数が入力しており
Ｃ＞Ｋの場合には、仮定した周波数とは異なる周波数が入力している
と判定するので、ノイズを含む電力系統であっても、その系統の周波数の判定が正しく、かつ短い時間内に行えるという効果がある。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図に基づいて説明する。
図１は実施の形態１によるディジタル保護継電器１００の構成を示すブロック図である。図１において、ディジタル保護継電器１００はサンプルホールド回路１、Ａ／Ｄ変換回路２、演算部（ＣＰＵ）３、メモリ部４、サンプリング周期制御回路５およびフィルタ回路６を備えている。図示省略の商用電源あるいは無停電電源装置である電力系統は、入力端子７に接続されたフィルタ回路６に入力する。サンプルホールド回路１は前記フィルタ回路６に接続され、その出力はＡ／Ｄ変換回路２に接続されている。Ａ／Ｄ変換回路２の出力は演算部３の入力端子に接続され、この演算部３の出力はメモリ４とサンプリング周期制御回路５に接続されている。

次に動作を説明する。
ディジタル保護継電器１００に入力する電力系統の周波数が、５０Ｈｚあるいは６０Ｈｚのいずれかに係わらず、演算部３がまず最初に、例えば６０Ｈｚの周波数が入力していると仮定して設定したとする。この演算部３は設定した前記系統周波数６０Ｈｚに対応し、前記６０Ｈｚより高い周波数である７２０Ｈｚのサンプリング周波数と、この７２０Ｈｚのサンプリング周波数によって、前記仮定した系統周波数の１サイクル内にサンプルする回数をサンプリング周期制御回路５を介してサンプリングホールド回路１に指令する。前記サンプリングホールド回路１は入力する電力系統の電圧あるいは電流を演算部３の指令に基づき、７２０Ｈｚのサンプリング周波数でもって、前記仮定した系統周波数の１サイクル内に複数回、例えば３０°の位相毎に１２回のサンプリングを行う。
サンプリングホールド回路１がサンプリングしたアナログデータはＡ／Ｄ変換回路２に送られ、ディジタル変換され、演算部３に入力される。演算部３ではＡ／Ｄ変換回路２からのサンプリングデータをメモリ部４に記憶させるとともに、前記７２０Ｈｚのサンプリング周波数による前記系統周波数の１サイクル内の１２回のサンプリングが完了した時点でメモリ部４から前記サンプリングデータを抽出して、データ値を演算して総和を求める。この合計値、つまり判定のしきい値が零またはほぼ零の場合に前記演算部３内の判定機能は、前記最初に仮定した周波数である６０Ｈｚが入力する電力系統の周波数と同一であると判定する。
一方、演算部３の判定機能は前記合計値が零またはほぼ零にならないときには、仮定した６０Ｈｚの周波数とは異なる周波数の電力系統が入力したと判定する。この場合、ディジタル保護継電器１００の設定された設定周波数（この場合は６０Ｈｚ）と、入力周波数が一致していないと判定されたため、演算部３内のソフトウェアは内部の周波数切替機能に設定切り替えの指令を出す。このようにして入力する電力系統の周波数の検知と判定を行い、仮定した周波数と異なった周波数であると判定したら自動で周波数設定を切り替えて、入力する電力系統の周波数とディジタル保護継電器１００の設定周波数との一致を行う。
なお、判定基準（しきい値）であるサンプリング値の合計値が「ほぼ零」は入力する電力系統の種類や周辺環境や各種のノウハウに基づいて人為的に設定されるものである。

前述した動作を図２にフローチャートとして示す。
ＳＴ１にて、ディジタル保護継電器１００を管理する技術員により、系統周波数の如何にかかわらず、演算部３の設定周波数を、例えば６０Ｈｚに仮定して設定し、またサンプリング周波数を例えば７２０Ｈｚに、さらに仮定した系統周波数の１サイクル内のサンプル回数を１２に、また演算部３内の判定機能にしきい値が設定される。
ＳＴ２にてサンプリングホールド回路１が７２０Ｈｚのサンプリング周波数で１２回のサンプリングを行う。
ＳＴ３にてサンプリング結果を合計し、判定を行い、合計値が零あるいはほぼ零の場合、入力する電力系統の周波数を６０Ｈｚと判断し、設定を変更することなくＳＴ６にて通常の処理を行う。ＳＴ３にて、否の場合ＳＴ４にて演算部３内の周波数切替機能が５０Ｈｚに切替を行い、ＳＴ５にて５０Ｈｚに対応するサンプリング周波数６００Ｈｚにて前述と同様のサンプリングを行い、入力する電力系統の周波数が５０Ｈｚであることを確認し、ＳＴ６にて通常処理を行う。

次に前記実施の形態１によるサンプリングの１例を示す。
図３は電力系統周波数を５０Ｈｚと仮定し、５０Ｈｚに対応したサンプリング周波数を６００Ｈｚとし、サンプリング回数を１２（位相各３０°毎にサンプリング）とした場合の系統周波数５０Ｈｚと６０Ｈｚにおけるサンプリング値を示す。
なお、図の縦軸は電圧または電流を示す。図から判るようにサンプリング値の合計が５０Ｈｚでは０、６０Ｈｚでは０．５８７８となり、この系統周波数は５０Ｈｚであると判定される。
図４は同様に系統周波数６０Ｈｚと仮定し、この６０Ｈｚに対応したサンプリング周波数を７２０Ｈｚとしたもので、サンプリング値の合計が５０Ｈｚでは１．５６０７、６０Ｈｚでは０となり、この系統周波数は６０Ｈｚと判定される。
前記図３では５０Ｈｚの合計値、図４では６０Ｈｚの合計値が０の例を示したが、これはノイズの無い純粋は正弦波の場合であって、一般商用電源系統では多少のノイズが含まれる。従ってノイズの影響を受け、その影響の程度により前記合計値が零でなくほぼ零となる。この「ほぼ零」を周波数判定のしきい値と定めるのは、周辺状況を考慮するとともに、経験、ノウハウ等でもってなされる。このようにこの実施の形態１では１サイクル内に１２回のサンプリングを行うので、周波数の判定速度が速くなるという効果がある。

実施の形態２．
前述した実施の形態１の図３、図４に示した例は純粋は正弦波であった。そして、一般の商用電源系統における多少のノイズを含まれる場合についての判定基準を示した。しかしながら、近年一般商用電源の停電時に備えた無停電電源が各方面で設けられており、通常この電源はインバータを介して出力されるため高調波成分のノイズが多く含まれている。このような電力系統に接続されるディジタル保護継電器は前出した実施の形態１による前記サンプリング周波数による仮定した系統周波数の１サイクル内のサンプリングではノイズの大きさ、種類、発生回数等により判定が難しくなり、判定の精度が低下することが考えられる。この実施の形態２では、図５、図６に示すようにサンプリング回数を２サイクル（７２０°、２４回）図７、図８に示すようにサンプリング回数を３サイクル（１０８０°、３６回）とすると図に示すように違った周波数の場合、サンプリング合計値が大きくなり、判定がより容易となる。またそれに加えて演算部３に所定値Ｋを設定し、この所定値Ｋとサンプリング合計の絶対値Ｃとを比較して、入力する系統周波数を判定することにより判定精度をより向上させようとするものである。周波数判定を行う動作は、前述した図２に示すものに従う。なお、前記図５〜図８は純粋な正弦波を示している。

以下、所定値Ｋの求め方について説明する。
この実施の形態２における入力する電力系統のノイズの最大値はＪＥＣなどの規格に定められた保護継電器の動作を保証する歪波の含有率とする。
（１）ノイズなしの状態で入力系統周波数と異なる高い周波数のサンプリング周波数により、入力系統周波数の１サイクル内あるいは複数サイクル内で複数回のサンプリング周期でサンプリングした値の合計値の絶対値をα１とする。
（２）ノイズありの状態で前記（１）に示したノイズなしの場合と同様の条件でサンプリングした値の合計値の絶対値をα２とする。
（３）ノイズありの状態で入力系統周波数と同一のサンプリング周波数による１サイクル内あるいは複数サイクル内に、複数回のサンプリング周期でサンプリングした値の合計値の絶対値をβ２とする。
すなわち、
入力系統周波数と異なる高い周波数によるサンプリング周期の合計値の絶対値・・・・・・・・ノイズなし α１
入力系統周波数と異なる高い周波数によるサンプリング周期の合計値の絶対値・・・・・・・・ノイズあり α２
また、
入力系統と同じ周波数によるサンプリング周期の合計値の絶対値・・・・・・・・・・・・・・ノイズなし０
入力系統と同じ周波数によるサンプリング周期の合計値の絶対値・・・・・・・・・・・・・・ノイズあり β２ β２＞０
とし、前記α１、α２、β２はメーカ側で決める値とする。
（４）所定値Ｋは、

で示され、この所定値Ｋが演算部３に設定される。
（５）ユーザにて、実際の電力系統において、前記と同様の入力系統周波数と異なる高い周波数のサンプル周波数における複数回のサンプリング周期でサンプリングし、演算部で演算した合計値の絶対値をＣとする。
（６）Ｃ≦Ｋの場合、演算部は入力系統周波数と同一周波数と判定する。
Ｃ＞Ｋの場合、演算部は入力系統周波数と異なる周波数と判定する。

このように演算部３にしきい値である前記所定値Ｋを設定しておき、実際の系統でその電力系統周波数を仮定して、前記（５）に示した条件でサンプリング、演算したＣとを比較判定を行うので、判定の精度が向上する。
なお、前記Ｋの値は、ディジタル保護継電器１００が設置される周囲環境に応じ、適宜変更されるものである。

実施の形態３．
この実施の形態３は、ディジタル保護継電器１００に表示部を設け、演算部３が電力系統周波数と異なる周波数であると判定した場合に、表示部に点灯や音声表示を行うものである。このように表示部を設けると、明らかに設定が間違っていると判定される場合には演算部３の指令により自動で設定変更されるが、電力系統周波数にノイズが多く、識別が難しい場合つまり前記実施の形態２に示した所定値Ｋの変更を必要とする場合、管理技術員に容易に通知することができる。

なお、前出した実施の形態１では、図３、図４に示したようにサンプリング周波数６００Ｈｚ、７２０Ｈｚによって１２のサンプル回数を示したが、このサンプル回数１２に限らず、任意の複数回のサンプル回数であってもよい。
また、実施の形態１は仮定した入力系統周波数の１サイクル内におけるサンプリングとしたが、前述した実施の形態２の図５〜図８に示すように、２サイクル、３サイクル内における任意の複数回のサンプル回数であってもよい。
またさらに、前述した実施の形態２では、図５〜図８に示したように２サイクル、３サイクル内における２４回、３６回のサンプル回数を示したが、これに限らず任意のサンプル回数であってよく、また１サイクル内のサンプル回数の１２に限らず１サイクル内の任意のサンプル回数であってもよい。

この発明の実施の形態１〜３は、電力系統に設置されるディジタル保護継電器に適用できる。

この発明の実施の形態１〜３のディジタル保護継電器の構成を示すブロック図である。この発明の実施の形態１，２の動作フローチャートを示す図である。この発明の実施の形態１のサンプリングの例を示す図である。この発明の実施の形態１のサンプリングの例を示す図である。この発明の実施の形態２のサンプリングの例を示す図である。この発明の実施の形態２のサンプリングの例を示す図である。この発明の実施の形態２のサンプリングの例を示す図である。この発明の実施の形態２のサンプリングの例を示す図である。

符号の説明

１サンプルホールド回路、２Ａ／Ｄ変換回路、３演算部（ＣＰＵ）、
４メモリ部、５サンプリング周期制御回路、１００ディジタル保護継電器。

Claims

ディジタル保護継電器であって、入力する電力系統の周波数を仮定し、該仮定した周波数の１サイクル内に、前記仮定した周波数に対応して定められかつ該仮定した周波数より高いサンプリング周波数によって、
前記入力する電力系統の交流電圧値あるいは交流電流値を、複数回のサンプリング周期でサンプリングするサンプルホールド回路と、該サンプルホールド回路の出力するサンプリングデータをＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換回路と、サンプリング周期制御回路を介し前記サンプルホールド回路に、前記サンプリング周波数と前記複数回のサンプリング周期を指令するとともに、前記Ａ／Ｄ変換回路からのサンプリングデータを記憶するメモリ部から、前記１サイクル内の前記サンプリングデータを抽出して合計し、その合計値が零あるいはほぼ零の場合に前記仮定した周波数が、前記入力する電力系統の周波数と同一であると判定する演算部とを備えたことを特徴とするディジタル保護継電器。
ディジタル保護継電器であって、入力する電力系統の周波数を仮定し、該仮定した周波数の複数サイクル内に、前記仮定した周波数に対応して定められかつ該仮定した周波数より高いサンプリング周波数によって、
前記入力する電力系統の交流電圧値あるいは交流電流値を、複数回のサンプリング周期でサンプリングするサンプルホールド回路と、該サンプルホールド回路の出力するサンプリングデータをＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換回路と、サンプリング周期制御回路を介し前記サンプルホールド回路に、前記サンプリング周波数と前記複数回のサンプリング周期を指令するとともに、前記Ａ／Ｄ変換回路からのサンプリングデータを記憶するメモリ部から、前記複数サイクル内の前記サンプリングデータを抽出して合計し、その合計値が零あるいはほぼ零の場合に前記仮定した周波数が、前記入力する電力系統の周波数と同一であると判定する演算部とを備えたことを特徴とするディジタル保護継電器。
ディジタル保護継電器であって、入力する電力系統の周波数を仮定し、該仮定した周波数の１サイクル内に、前記仮定した周波数に対応して定められかつ該仮定した周波数より高いサンプリング周波数によって、
前記入力する電力系統の交流電圧値あるいは交流電流値を、複数回のサンプリング周期でサンプリングするサンプルホールド回路と、該サンプルホールド回路の出力するサンプリングデータをＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換回路と、サンプリング周期制御回路を介し前記サンプルホールド回路に、前記サンプリング周波数と前記複数回のサンプリング周期を指令するとともに、前記Ａ／Ｄ変換回路からのサンプリングデータを記憶するメモリ部から前記１サイクル内の前記サンプリングデータを抽出して合計し、その合計値の絶対値Ｃを演算する演算部とを備えているとともに、該演算部には次の式（１）で示される所定値Ｋが設定されており、

前記演算した絶対値Ｃと比較して、
Ｃ≦Ｋの場合には前記仮定した周波数と同一の周波数が入力しており
Ｃ＞Ｋの場合には、前記仮定した周波数とは異なる周波数が入力している
と前記演算部が判定することを特徴とするディジタル保護継電器。
ディジタル保護継電器であって、入力する電力系統の周波数を仮定し、該仮定した周波数の複数サイクル内に、前記仮定した周波数に対応して定められかつ該仮定した周波数より高いサンプリング周波数によって、
前記入力する電力系統の交流電圧値あるいは交流電流値を、複数回のサンプリング周期でサンプリングするサンプルホールド回路と、該サンプルホールド回路の出力するサンプリングデータをＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換回路と、サンプリング周期制御回路を介し前記サンプルホールド回路に、前記サンプリング周波数と前記複数回のサンプリング周期を指令するとともに、前記Ａ／Ｄ変換回路からのサンプリングデータを記憶するメモリ部から前記複数サイクル内の前記サンプリングデータを抽出して合計し、その合計値の絶対値Ｃを演算する演算部とを備えているとともに、該演算部には次の式（１）で示される所定値Ｋが設定されており、

前記演算した絶対値Ｃと比較して、
Ｃ≦Ｋの場合には前記仮定した周波数と同一の周波数が入力しており
Ｃ＞Ｋの場合には、前記仮定した周波数とは異なる周波数が入力している
と前記演算部が判定することを特徴とするディジタル保護継電器。
加えて表示部が備えられており、前記異なる周波数が入力していると判定した場合、前記表示部に表示を行うことを特徴とする請求項３または請求項４のいずれか１項に記載のディジタル保護継電器。