JP4372079B2 - 保護制御装置およびその自動監視方法 - Google Patents

Description

本発明は、電力系統の保護制御装置に係り、特に、装置内外の監視対象を自動監視する機能を備えた保護制御装置および自動監視方法に関する。

電力系統の保護または制御の対象とする保護制御装置に対しては、従来から高い信頼性が要求されている。例えば、保護制御装置の１つである保護継電装置に万一誤動作または誤不動作等の不具合が生じた場合には、電力系統に与える影響は極めて大きく、最悪の場合は系統崩壊につながることが考えられる。また、保護継電装置に限らず他の保護制御装置、例えば系統安定化装置、事故点標定装置および系統電気量観測装置等の装置においても、電力系統の運用面より見た責務は重大であり、高い信頼性が要求されることに変わりはない。

これら保護制御装置の信頼度向上対策としては、従来より使用する構成部品の品質向上、多重化構成、他系列化構成および自動監視の適用などが挙げられ、特に、自動監視の適用は、電力系統用保護制御装置一般に広く行われている。近年、保護制御装置として、マイクロプロセッサを適用したディジタル形保護制御装置の実用化が急速に進められている。ディジタル技術の進歩に応じてディジタル形保護制御装置が複雑になり、それに合わせて自動監視機能もより高度な形態になってきている（例えば、非特許文献１参照）。

ディジタル形保護制御装置は、周知のように電力系統から入力した電気量や状態量をディジタル量に変換し、このディジタル量を用いて所定の保護制御演算を行い、この演算結果に応じて遮断器等を制御することにより、電力系統の保護制御を行うもので、通常、自動監視機能を組み込んでいる。自動監視機能は、ディジタル形保護制御装置の責務である系統保護制御機能が正常に働くように各構成部品の状態を監視し、異常があれば警報を出力するものである（例えば、非特許文献１参照）。

従来のディジタル形保護制御装置では、自動監視機能によって異常と判断するタイミングとして、（i）ノイズ等の単発的な原因で不具合検出することを防ぐために、不具合状態が一定時間継続したことを条件に不具合と確定するよう構成する継続監視、（ii）断続的に発生する不具合についても検出可能とするために、検出された不具合の発生頻度を所定期間観測し、不具合検出に応じ所定の関数で演算される値が所定値を越えるか否かにより不具合の発生有無を判定する不具合発生判定手段を用い、不具合発生の頻度により警報出力を制御するようにした頻度監視がある（例えば、特許文献１参照）。

この特許文献１に記載の頻度監視による異常判断および継続監視による異常診断について、それぞれ図１０および図１１を参照して説明する。
図１０で示す頻度監視機能は、監視対象の不具合発生を検出した時点で瞬時に（遅れ時間を伴うことなく）累積値 Ａ を所定量Ｄまで立ち上げ、かつその時点から所定の傾き（−Ｄ／Ｔ）で減衰するようにし、減衰時定数Ｔ内で続けて不具合が発生しなければ累積値Ａを零にしてリセットさせる。しかし、減衰時定数Ｔ内で続けて不具合が発生した場合、傾き（−Ｄ／Ｔ）で減衰している累積値 Ａに順次所定量Ｄを累積していき、その累積値Ａが所定の判定値Ｔkに達した時に警報等の不具合発生出力を行うように構成されている。

また、図１１で示す継続監視機能の場合は、監視対象の不具合発生を検出する毎に、一定の傾き（Ｔｋ／Ｔ）で継続値Ａを増加させ、予め設定した時間Ｔ以上不具合の発生が継続し、累積値Ａが所定の判定値Ｔkに達した時、警報等の不具合発生出力を行うように構成されている。（例えば、特許文献１参照）。

ところで、保護制御装置の自動監視機能で検出できる不具合には、保護機能を直接実現するためのハードウェアおよびソフトウェア等の構成要素に発生した故障のように緊急を要する重故障と、装置の状態表示や操作を行うためのハードウェアおよびソフトウェア等の構成要素のように緊急対応の必要のない軽故障がある。後者の軽故障については例え故障が発生しても直接に装置の運用に支障はないが、警報の発生により運用者に対して多少の負担を強いることがある。そのため、運用者の目的に応じて警報を抑制することで、運用者の負担を軽減することが望まれている。

このための保護制御装置の自動監視機能としては、例えば夜間や休日など、運用者の対応しにくい時間帯に故障を検出しても、不具合検出信号をロックすることにより、その時点では警報を発することなく、例えば平日の昼間など、復旧作業が容易に実施できる時間帯に警報を出力する方法がある（例えば、特許文献２参照）。
社団法人電気協同研究会編発行、電気協同研究、第４１巻、第４号第１４頁、第５９頁 特許第３３７３０５３号 特開２０００−３５０３５０号

上述した特許文献２に記載の保護制御装置の自動監視機能は、軽故障の警報を出力する時刻を設定する方法であり、軽故障の種類や程度に拘わらず、出力許可した時間帯以外は警報出力を一律にロックするように構成されているため、故障の種類や程度に応じて警報出力の感度を最適に制御することができないという課題があった。例えば軽故障であっても発生頻度が高い不具合モードの故障の場合は、迅速に処置することが望まれるが、特許文献２に記載の自動監視機能においては、出力許可した時間帯以外は警報出力を一律ロックしてしまうため、障害復旧処置が遅延する恐れがある。

本発明は上述した課題を解決するためになされたもので、故障の種類や程度に応じて警報出力の時刻を制御することができるようにした自動監視機能を備えた保護制御装置およびその自動監視方法を提供することを目的とするものである。

上記の目的を達成するために、請求項１に係る保護制御装置の発明は、電力系統の保護または制御をするに際して使用する構成部品を自動監視する自動監視機能を備えた保護制御装置において、前記保護制御装置の内部の監視対象としての構成部品または外部の監視対象としての構成部品の少なくとも１つの不具合を検出する不具合検出手段と、前記不具合検出手段にて検出された監視対象の不具合の発生有無を所定の期間観測し、不具合検出に応じて所定の関数で演算された値が判定値を越えるか否かにより不具合発生の有無を判定する不具合発生判定手段と、予め設定された複数の期間とその設定期間における判定値を設定する設定手段と、現在時刻が前記設定期間に含まれる場合は、その設定期間における判定値を選択して出力し、現在時刻が前記設定期間のいずれにも含まれない場合は、初期判定値を選択して出力する判定値選択手段と、前記判定値選択手段から出力された判定値を前記不具合発生判定手段の判定値として使用するように構成したことを特徴とする。

また、請求項４に係る保護制御装置の自動監視方法の発明は、保護制御装置により電力系統の保護または制御をするに際して使用する構成部品を自動監視する保護制御装置の自動監視方法において、前記保護制御装置の内部の監視対象としての構成部品または外部の監視対象としての構成部品の少なくとも一方の不具合を検出し、前記不具合検出手段にて検出された監視対象の不具合の発生有無を所定の期間観測し、不具合検出に応じて所定の関数で演算された値が判定値を超えるか否かにより不具合発生の有無を判定し、予め複数の設定期間およびその設定期間における判定値を設定し、現在時刻が前記設定期間に含まれる場合は、その設定期間における判定値を選択して出力し、現在時刻が前記複数の設定期間のいずれにも含まれない場合は、初期判定値を選択して出力し、この選択出力された判定値を前記不具合発生判定手段の判定値として使用することにより保護制御装置の自動監視を行うようにしたことを特徴とする。

各種監視対象毎に、運用者の意図に応じて監視対象の予め設定した時間帯に継続不具合の判定値すなわち検出感度を制御することができ、保守運用上有効な自動監視機能を備えた保護制御装置およびその自動監視方法を提供することができる。

以下、本発明に係る保護制御装置の実施形態について、図面を参照して説明する。
（第１の実施形態）
図１乃至図６を参照して本発明の第１の実施形態について説明する。
図１は保護制御装置としてのディジタル形保護継電装置10の基本構成図を示す図である。

図１において、送電線１の電流および電圧を、それぞれ電流変成器（ＣＴ）２および電圧変成器（ＰＴ）３を介して入力変換器４に取り込み、ここで所定のレベルに変換する。入力変換器４の出力は、アナログフィルタ５を介して安定な信号となってサンプリングホールド回路（Ｓ／Ｈ）６に取り込まれ、所定のサンプリング周期でサンプリングされる。サンプリングホールド回路（Ｓ／Ｈ）６から出力された電流および電圧のサンプル値は、その後マルチプレクサ（ＭＰＸ）７に入力されて時系列に並べられ、順次Ａ／Ｄ変換器８に取り込まれてディジタル量に変換される。そして、このＡ／Ｄ変換器８で変換された電流および電圧のディジタルデータは、ディジタル演算処理装置としてのマイクロコンピュータ９内のデータメモリ（ＲＡＭ）9-1に順次格納される。

一方、プログラムメモリ（ＲＯＭ）9-2には、プログラム命令が格納されており、この命令に従って、データメモリ（ＲＡＭ）9-1のデータを用いて、中央演算処理ユニット（ＣＰＵ）9-3にて演算がなされ、所定の判定結果等を入出力インターフェイス（Ｉ／Ｏ）9-4を介して外部へ出力する。上記のように構成されたディジタル形保護継電装置10は、入力変換器４を通して得られる電流および電圧データを用いて、複数の保護特性を実現している。

上記ディジタル形保護継電装置10を構成している各ハードウェア部および当該装置10の外部にあるＣＴ、ＰＴの常時監視は、ＣＰＵ9-3の処理機能を活用し、本来のリレー演算処理に要する時間以外の余裕時間内に実現している。なお、常時監視の項目としては、例えば上記非特許文献１の７１頁の記載によれば、ＣＴ回路２およびＰＴ回路３を監視する各相平衡度監視、入力変換器４、アナログフィルタ５、Ｓ／Ｈ６およびマルチプレクサ７等を監視する零相成分監視、Ａ／Ｄ変換器８の精度を監視するＡ／Ｄ精度監視、入出力インターフェイス（Ｉ／Ｏ）9-4を監視するＤ／Ｉ、Ｄ／Ｏ監視、中央演算処理ユニット（ＣＰＵ）9-3を監視するウォッチドックタイマ、ＲＡＭ9-1を監視するリード・ライト（Ｒ／Ｗ）チェック、ＲＯＭ9-2を監視するサムチェック、インバリッドチェック（未定義命令検出）等がある。

図２は、図１で示したディジタル形保護継電装置10の特に自動監視機能に注目して描いたブロック図である。ディジタル形保護継電装置10を構成している各ハードウェア部の常時監視は、前述したようにＣＰＵ9-3の処理機能を活用して実現している。そして、常時監視で不具合が発生したと判断するタイミングとしては、後述するように所定期間における監視対象の不具合発生頻度の累積値が予定の判定値以上となった場合に不具合と判定する方法を採用している。

ディジタル形保護継電装置10は、当該装置10内の各ハードウェア部の監視対象11およびＣＴ２、ＰＴ３等の当該装置10の外部にある監視対象12の少なくとも１つ以上の不具合を検出する不具合検出手段13と、この不具合検出手段13によって検出された不具合発生頻度あるいは不具合継続時間を所定期間観測し、観測結果と後述する判定値（Ｔｋ）とを照合することにより装置内監視対象11または装置外監視対象12の不具合発生の有無を判定する不具合発生判定手段14と、この不具合判定のための判定値を変更することが可能な判定値変更制御手段15とから構成されている。

この判定値変更制御手段15は、現在日時を出力する時計回路16と、1個以上の期間を設定値として記憶する期間設定値記憶手段17-i(i=1・・・n)と、初期判定値を記憶する初期判定値記憶手段18-0と、前記期間設定値記憶手段17-iに対応して同数個用意され、各期間設定値記憶手段17-iに設定した期間に対応する判定値を記憶する判定値記憶手段18-i(i=1・・・n)と、これら時計回路16、期間設定値記憶手段17-i、判定値記憶手段18-iのデータを入力して判定値を選択し出力する判定値選択手段19とから構成されている。

判定値選択手段19は、時計回路16の出力した現在日時と、それぞれの期間設定値記憶手段17-i(i=1・・・n)の内容とを比較して一致する時間帯の判定値18-i(i=1・・・n)を選択して判定値20として出力する。もし、一致する時間帯が存在しない場合は初期判定値18-0を選択して判定値（Ｔｋ）20として出力する。そして、前述した不具合発生判定手段14は、この判定値（Ｔｋ）20と不具合検出手段13とから出力された監視対象の観測結果とを比較照合することにより監視対象に不具合の発生があるか否かを判定する。

図３は、各曜日の時間帯に対する判定値の設定例を示す図である。
図３において、横軸は時間（時間帯）、縦軸は判定値である。図３の例では、設定期間1を例えば、木曜日の夜間に設定し、そのときの判定値としてＴk3を設定する。次に設定期間2を金曜日の夜間から日曜日の夜間迄に設定し、そのときの判定値として前記Ｔk3よりも小さいＴk2を設定する。続いて設定期間3を月曜日の夜間に設定し、そのときの判定値としてＴk3を設定する。同様にして設定期間4、5をそれぞれ火曜日の夜間、水曜日の夜間に設定し、判定値としてＴk3を設定する。そして、設定期間1〜設定期間nのどの設定期間にも当てはまらない期間すなわち、平日の昼間については従来と同じ判定値である初期判定値Ｔk1を設定する。なお、各判定値間には、Ｔk1 ＜Ｔk2＜ Ｔk3の関係がある。

この結果、判定値選択手段19は、時計回路16から出力される時間出力Ｃに基づいて、平日すなわち、木曜、金曜、月曜、火曜、水曜の各昼間帯は従来と同じ判定値Ｔk1を初期判定値記憶手段18-0から選択し、そして、平日の夜間帯は判定値Ｔk1よりも高い判定値のＴk3を判定値記憶手段18-i(i=1他)から選択し、さらに、金曜日の夜間から日曜日の夜間は、Ｔk1よりも高く、かつＴk3よりも低い判定値Ｔk2を判定値記憶手段18-i(i=2他)から選択し、それぞれ判定値（Ｔk）20として不具合発生判定手段14に出力する。

このように、判定値変更制御手段11は、運用者の意図、例えば勤務形態に応じた体制で不具合事象に対応できるように、曜日とか、昼夜の時間帯によって判定値を変更できるように構成されている。

そして、不具合発生判定手段14は、次の（１）式の機能を実現することができるように構成されている。

この（１）式の基本的な考え方は特許文献１の式（２）および段落（００３３）に記載されているので詳細な説明は省略するが、（１）式の基本原理の特性は、前述した図１０で示したように、所定減衰時定数Ｔを設け、不具合連続復帰（不具合の発生なし）の時間幅ｔｋがＴの期間内（０≦tk≦Ｔ）は累積値Ａを傾き（−Ｄ／Ｔ）で単調減少し、Ｔを超えた場合（tk＞Ｔ）は累積値Ａに加算する値を零にクランプするようにしている。

なお、ｔｋの増加に伴い減衰する関数f(tk)として、式（１）の場合、１−tk／Ｔで単調減少させるようにしたが、１−tk／Ｔで単調減少させる替りに次の（２）式のように指数関数的に減衰させるようにしてもい。

この（２）式についても、特許文献１で示されている。

上記、（１）式および（２）式を一般式で表すと、次の（３）式となる。

本実施形態においては（１）〜（３）式の判定値として、判定値選択手段19の出力（Ｔｋ）20を用いるようにしている。図４は、ある期間における不具合発生頻度の累積値Ａと、判定値選択手段19から出力される判定値（Ｔk）20との関係を示すグラフである。

次に本実施形態の作用について説明する。
図５は、比較的低い頻度で不具合が発生したときの累積値Ａの変化例を示す。任意の設定期間ｉの判定値を初期判定値Ｔk1よりも高い、適切な値例えばＴk3に予め設定しておく。設定期間ｉ中の時刻ｔ１、ｔ２という比較的低い頻度で不具合が発生すると、不具合発生頻度累積値Ａが時刻ｔ２で初期判定値Ｔk1に達してもこの時点では不具合発生出力は行われない。しかし、時刻が経過し時刻ｔ３で使用する判定値がＴk3から初期判定値Ｔk1に戻ると、この戻った時点ｔ３で不具合発生頻度累積値Ａは初期判定値Ｔk1を超えるため、不具合発生判定手段14から不具合発生出力が行われる。この結果、運用者から見ると、不具合発生出力が目的通り時刻ｔ２からｔ３に遅延するようになる。

一方、図６は同じ期間ｉの同じ判定値Ｔk3に対して、図５の場合よりも比較的高い頻度で不具合が発生したときの不具合発生頻度累積値Ａの変化例を示す。期間ｉ中にｔ１、ｔ４、ｔ５のように比較的高い頻度で不具合が発生すると、期間ｉ中に不具合発生頻度累積値Ａが時刻ｔ５で判定値Ｔk3に達し、この時点で不具合発生出力が行われる。ゆえに、運用者から見ると、不具合の程度が重いときは、不具合発生出力が目的通りに早い時点で行われるようになる。

以上述べたように、本実施形態によれば、各種監視対象毎に、運用者の意図に応じて監視対象の予め設定した時間帯毎に不具合発生頻度の判定値すなわち検出感度を制御することができ、保守運用上有効な自動監視機能を備えた保護制御装置を提供することができる。

（第２の実施形態）
本実施形態における保護制御装置の基本構成図および判定値の時間帯に対する設定例は第１実施形態と同一の図１および図３である。しかし、本実施形態が第１の実施形態と異なる点は、不具合発生判定手段の判定式を変更した関係で、自動監視機能に注目して描いたブロック図は図７で示した如く、図２の場合とは一部が異なっている。その他の点は図２のブロック図と同じである。

以下、図７乃至図９、図１１を参照して第２の実施形態について説明する。
図７は前述の図２に対応して自動監視機能に注目して描いたブロック図である。図７において、保護制御装置10内の監視対象11、当該装置外の監視対象12、不具合検出手段13、判定値変更制御手段15（時計回路16、期間設定値記憶手段17-i(i=1・・・n)、初期判定値を記憶する初期判定値記憶手段18-0、判定値記憶手段18-i(i=1・・・n)、判定値選択手段19）は図２と同等の手段で構成されている。

本実施形態で採用する不具合発生判定手段24は、所定期間における継続不具合発生の累積値をＡとし、この累積値Ａが不具合継続中累積されるように構成している。この不具合発生判定手段24は、次の（４）式を実現するように構成されている。

上記（４）式は自体は公知であり、詳細な説明は省略するが敢えて特性図で示すと図８あるいは図９で示すようになる。

なお、（４）式を一般式で示すと、次の（５）式になる。

次に本実施形態の作用について説明する。
図８は、（４）式あるいは（５）式の判定値Ｔｋを、期間設定値記憶手段17-i(i=1・・・n)に設定した期間毎に設定することを可能としており、不具合が継続して発生したときの累積値Ａの変化例も併せて示している。予め任意の設定期間ｉでの判定値を初期判定値Ｔk1より高い適切な値Ｔk3に設定しておく。この設定期間ｉ中の時刻ｔ６から不具合が継続して発生し、その累積値Ａが初期判定値Ｔk1に達したとしても、この期間ｉ中には不具合発生出力は行われない。しかし、時間が経過し時刻ｔ７で使用する判定値Ｔk3が初期判定値Ｔk1に戻った時に不具合発生出力が行われる。この結果、運用者から見ると、予め設定した設定期間ｉ中には不具合発生出力行われず、設定期間ｉ経過後に不具合発生出力が行われるので、運用者の意図した通りに不具合発生出力が遅延する。

図９は、判定値を同じ値に設定し、時刻ｔ６よりも早い時刻ｔ８から不具合が継続して発生したときの累積値Ａの変化例を示す。運用者にとっては比較的早い時刻ｔ８での継続不具合の発生は重大な故障の前兆であるとの認識から、時間遅延させずに累積値Ａを把握したい。このため、設定期間ｉ中の比較的早い時刻ｔ８に不具合が発生し、その不具合が継続すると、設定期間ｉ中の時刻ｔ９で累積値Ａが初期判定値Ｔk1よりも高い判定値Ｔk3に達し、直ちに不具合発生出力が行われる。この結果、運用者から見ると、不具合の発生が比較的早いときは、不具合発生出力が運用者の意図した通りに早い時点で行われる。

以上述べたように、本実施の形態によっても第１の実施形態同様、各種監視対象毎に、運用者の意図に応じて監視対象の予め設定した時間帯毎に継続不具合の判定値すなわち検出感度を制御することができ、保守運用上有効な自動監視機能を備えた保護制御装置を提供することができる。

本発明の保護制御装置をディジタル保護継電装置に適用した場合の基本構成図。 本発明の保護制御装置に係る自動監視機能の第１の実施形態を示すブロック図。 判定値の時間帯に対する設定例を示す図。 本発明の第１の実施形態を説明する特性図。 第１の実施形態における比較的低頻度で不具合が発生したときの累積値の変化例を示す特性図。 第１の実施形態における比較的高頻度で不具合が発生したときの累積値の変化例を示す特性図。 本発明の保護制御装置に係る自動監視機能の第２の実施形態を示すブロック図。 第２の実施形態における継続不具合が発生したときの累積値の変化例を示す特性図。 第２の実施形態における比較的早い時刻に継続不具合が発生したときの累積値の変化例を示す特性図。 頻度監視について従来手法の基本原理を示す特性図。 継続監視について従来手法の基本原理を示す特性図。

符号の説明

１…送電線、２…ＣＴ、３…ＰＴ、４…入力変換器、５…フィルタ、６…サンプリングホールド回路、７…マルチプレクサ、８…Ａ／Ｄ変換器、９…マイクロコンピュータ、10…保護制御装置（ディジタル保護継電装置）、11…装置内の監視対象、12…装置外の監視対象、13…不具合検出手段、14…不具合発生判定手段、15…判定値変更制御手段、16…時計回路、17-i(i=1・・・n)…期間設定値記憶手段、18-0…初期判定値記憶手段、18-i(i=1・・・n)…判定値記憶手段、19…判定値選択手段、20…判定値（Ｔk）、24…不具合発生判定手段。

Claims (4)

1. 電力系統の保護または制御をするに際して使用する構成部品を自動監視する自動監視機能を備えた保護制御装置において、
   前記保護制御装置の内部の監視対象としての構成部品または外部の監視対象としての構成部品の少なくとも一方の不具合を検出する不具合検出手段と、
   前記不具合検出手段にて検出された監視対象の不具合の発生有無を所定の期間観測し、不具合検出に応じて所定の関数で演算された値が判定値を超えるか否かにより不具合発生の有無を判定する不具合発生判定手段と、
   予め設定された複数の設定期間およびその設定期間における判定値を設定する設定手段と、
   現在時刻が前記設定期間に含まれる場合は、その設定期間における判定値を選択して出力し、現在時刻が前記複数の設定期間のいずれにも含まれない場合は、初期判定値を選択して出力する判定値選択手段と、
   前記判定値選択手段から出力された判定値を前記不具合発生判定手段の判定値として使用するように構成したことを特徴とする自動監視機能を備えた保護制御装置。
2. 前記不具合発生判定手段は、前記所定の関数として（３）式を用い、（３）式のＴｋの値として前記判定値選択手段の出力を用いるように構成したことを特徴とする請求項１記載の自動監視機能を備えた保護制御装置。
   

   
3. 前記不具合発生判定手段は、前記所定の関数として次の（５）式を用い、（５）式のＴｋの値として前記判定値選択手段の出力を用いるように構成したことを特徴とする請求項１記載の自動監視機能を備えた保護制御装置。
   

   
4. 保護制御装置により電力系統の保護または制御をするに際して使用する構成部品を自動監視する保護制御装置の自動監視方法において、
   前記保護制御装置の内部の監視対象としての構成部品または外部の監視対象としての構成部品の少なくとも一方の不具合を検出し、
   前記不具合検出手段にて検出された監視対象の不具合の発生有無を所定の期間観測し、不具合検出に応じて所定の関数で演算された値が判定値を超えるか否かにより不具合発生の有無を判定し、
   予め複数の設定期間およびその設定期間における判定値を設定し、
   現在時刻が前記設定期間に含まれる場合は、その設定期間における判定値を選択して出力し、現在時刻が前記複数の設定期間のいずれにも含まれない場合は、初期判定値を選択して出力し、
   この選択出力された判定値を前記不具合発生判定手段の判定値として使用することにより保護制御装置の自動監視を行うようにしたことを特徴とする保護制御装置の自動監視方法。

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