JP4375881B2

JP4375881B2 - Protective relay using photocurrent sensor

Info

Publication number: JP4375881B2
Application number: JP2000143823A
Authority: JP
Inventors: 高文伊藤; 知宏岨; 善文千田; 康久山田; 洋一郎田代; 潔黒澤; 健治大河原
Original assignee: Tokyo Electric Power Co Inc; Takaoka Electric Mfg Co Ltd
Current assignee: Tokyo Electric Power Co Inc; Takaoka Electric Mfg Co Ltd
Priority date: 2000-05-16
Filing date: 2000-05-16
Publication date: 2009-12-02
Anticipated expiration: 2020-05-16
Also published as: JP2001327066A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はファラデー効果を利用して電力設備の導体に流れる電流の計測及び監視をする保護継電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電力系統における保護継電装置では、変流器で検出された機器導体の電流信号を保護継電装置に伝達し、保護継電装置で故障判定のための演算と判定を行っている。この保護継電装置の低コスト化、軽量化を目的として、従来の巻線型電流変成器による電流測定方法に代わり、差動演算機能を有する光電流センサによる保護継電装置が提案され、特開２０００−５９９８７や特願平１１−２２４８２１が出願されている。
【０００３】
従来の光電流センサによる保護継電装置は例えば図６に示すように、偏光子１４、ファラデー素子１１、検光子１５よりなる第一の光電流センサ１、及び第一の光電流センサ１と同様に構成される第二の光電流センサ２、光ファイバ伝送路３ａ、３ｂ、３ｃ、光源１２と、光電変換器１６、ハイパスフィルタ回路１７、ローパスフィルタ回路１８、割算器１９よりなる光信号処理部４ａ及び、電源周波数成分の差電流検出手段５ａ，判定手段８より構成される。
第一の光電流センサ１及び第二の光電流センサ２は、電力系統の保護区間９の両端に設けられている。ここで第一の光電流センサ１が検出する電流をｉ_１、第二の光電流センサ２が検出する電流をｉ_２とし、その符号はともに電力系統の保護区間９への流入方向が＋、流出方向が−とする。また第一の光電流センサ１内の光の伝搬方向は、第一の光電流センサ１が検出する電流ｉ_１によって発生する磁界方向と一致するように設けられており、第二の光電流センサ２内の光の伝搬方向は第二の光電流センサ２が検出する電流ｉ_２によって発生する磁界と相反するように設けられている。
【０００４】
所定の波長の光を出射する光源１２から出射された光Ｐ_０は、光ファイバ伝送路３ａにより、第一の光電流センサ１に至る。光源１２からの光Ｐ_０は第一の光電流センサ１の偏光子１４によって直線偏光になり、この直線偏光をファラデー素子１１に入射する。入射光は、電流ｉ_１によって発生する磁界によるファラデー効果を受け、電流ｉ_１の大きさに比例して偏波面が角度θ_１だけ回転する。第一の光電流センサ１が検出する電流ｉ_１と偏波面の回転角θ_１の関係はベルデ定数をＶとしたとき
θ_１＝Ｖｉ_１・・・・(１)
となる。前記の入射光はさらに第一の光電流センサ１において検光子１５により、偏波面の回転角θ_１を強度に変調された光となる。この時検光子１５は偏光子１４に対し４５゜の角度に設置されており、第一の光電流センサ１の出射光は、ｘ、ｙの２成分の光Ｐ_１ｘ、Ｐ_１ｙに分けられ、次式で表される。

従来装置では、どちらか一方の光信号のみ用いられておりここではＰ_１ｘを使って説明する。
第一の光電流センサ１が検出する電流ｉ_１を正弦波交流信号とすると、第一の光電流センサ１の出射光Ｐ_１ｘは以下の式で表される。
ｉ_１＝√２Ｉ_１sinωｔ・・・・(３)
Ｐ_１ｘ＝(1/2)Ｐ_０｛１＋sin（２√２ＶＩ_１sinωｔ）｝・・・・(４)
ここで
Ｉ_１は流入電流の実効値、ω（＝２πｆ）は角周波数、ｆは電源周波数である。
【０００５】
第一の光電流センサ１の出射光Ｐ_１ｘは、光ファイバ伝送路３ｂに導かれ第二の光電流センサ２に至る。第二の光電流センサ２は第一の光電流センサ１と同様の構成から成る。Ｐ_１ｘは、第二の光電流センサ２が検出する電流ｉ_２（＝√２Ｉ_２sinωｔ）によって発生する磁界によるファラデー効果を受け、電流ｉ_２の大きさに比例して偏波面が角度θ_２だけ回転する。第二の光電流センサ２の出射光はやはり、検光子１５により、ｘ、ｙの２成分の光Ｐ_２ｘ、Ｐ_２ｙに分けられ、次式で表される。

ここで、第一の光電流センサ１の２つの出力のうちＰ_１ｘを選択しているので、第二の光電流センサ２の出射光として第一の光電流センサの出射光と同一の偏波方向となるＰ_２ｘを用いる。第一の光電流センサ１の２つの出力のうちＰ_１ｙを選択した場合は、第二の光電流センサの出射光としてはＰ_２ｙを用いる。
第二の光電流センサの出射光Ｐ_２ｘは光ファイバ伝送路３ｃに導かれ光電変換器１６に入射し、電気信号に変換された後、ハイパスフィルタ回路１７、ローパスフィルタ回路１８により直流成分と交流成分に分離され、割算器１９で交流成分を直流成分で除することにより、光電流センサによる差電流出力Ｓ_２ｘを得る。こで割算器１９により交流成分を直流成分で除する手法を用いているのは光信号が伝送される際の光量損失を補償するためである。光電流センサによる差電流出力Ｓ_２ｘは以下の式で表される。
Ｓ_２ｘ＝(Ｐ_２ｘの交流成分)／(Ｐ_２ｘの直流成分) ・・・・(６)
ここで得られた光電流センサによる差電流出力Ｓ_２ｘには、第一の光電流センサ１が検出した電流ｉ_１と第二の光電流センサ２が検出した電流ｉ_２の差電流であるｉ_１＋ｉ_２の情報を有していることを以下に説明する。尚、電力系統の保護区間９への差電流がｉ_１＋ｉ_２と示されるのは、ｉ_１、ｉ_２の符号をともに電力系統の保護区間９への流入方向を＋、流出方向を−と定義したことによる。
【０００６】
第一の光電流センサ１が検出する電流ｉ_１及び第二の光電流センサ２が検出する電流ｉ_２が小電流である場合、
sin２θ_１≒２θ_１、sin２θ_２≒２θ_２・・・・(７)
が成立し、（５ａ）式は

となる。(８)式を(６)式に代入すると、
Ｓ_２ｘ＝２√２Ｖ（Ｉ_１＋Ｉ_２）sinωｔ・・・・(９)
となり、光電流センサによる差電流出力Ｓ_２ｘは電力系統の保護区間９への差電流ｉ_１＋ｉ_２に比例した値となる。
【０００７】
しかしながら、(９)式は(７)式が成立するような小電流領域において成立するものであり、大電流領域では成立しない。
そこで本発明者らは、大電流領域でも電力系統の保護区間９への差電流ｉ_１＋ｉ_２を検出することができる光ファイバセンサを用いた保護継電装置として特願平１１−２２４８２１を出願している。
【０００８】
すなわち、(７)式が成立しないような大電流が流れた場合、(５ａ)式で示した第二の光電流センサの出射光Ｐ_２ｘは

と表される。
ここで sin(２√２ＶＩ_ｎsinωｔ）をフーリエ級数展開することにより周波数成分毎に分解することを試みると、以下の(１１)式で表せる。
【０００９】
【数１】

ここでＪ_ｋ(ａ)はｋ次のBessel関数である。
【００１０】
(１１)式の３次以降の項を微少であるとして無視すれば、(１０)式は
Ｐ_２ｘ＝(1/4)Ｐ_０｛１＋２Ａ_１sinωｔ｝｛１＋２Ａ_２sinωｔ｝・・・・(１２ａ)
で表せる。ここで
Ａ_１=Ｊ_１(２√２ＶＩ_１) ・・・・(１２ｂ)
Ａ_２=Ｊ_１(２√２ＶＩ_２) ・・・・(１２ｃ)
である。(１２ａ）式を展開し、三角関数の公式 sin^２φ＝(1/2)｛１−cos２φ｝を用いると

となる。この時の光電流センサによる差電流出力Ｓ_２ｘは(１２ｄ）式を(６)式に代入することで以下に求められる。
Ｓ_２ｘ＝Ｂ_１sinωｔ＋Ｂ_２ cos２ωｔ・・・・(１３ａ)
ここで
Ｂ_１＝２(Ａ_１＋Ａ_２）／（１＋２Ａ_１Ａ_２）・・・・(１３ｂ)
Ｂ_２＝２Ａ_１Ａ_２／（１＋２Ａ_１Ａ_２) ・・・・(１３ｃ)
(１３ａ)式に示すように光電流センサによる差電流出力Ｓ_２ｘは、第一項に示された電力系統の保護区間９への差電流ｉ_１＋ｉ_２の周波数成分、すなわち電源周波数成分の他に、第二項に示された電源周波数の２倍の周波数成分の項から成る。
【００１１】
ここで(１３ｂ)式の電源周波数成分の項Ｂ_１を計算により評価することを試みる。電力系統の保護区間９への流入電流を３３ｋＡ以下のケースとする。このケースにおいて、波長１５５０ｎｍの鉛ガラスファイバ型光電流センサのベルデ定数Ｖ＝３．９３×１０^−６[rad/A]を用いると、(１３ｂ)式は
Ｂ_１≒α（Ｉ_１＋Ｉ_２）・・・・(１３ｄ)
で表せる。計算の結果、αの誤差は通電電流が実効値２４ｋＡで１％以下、通電電流が実効値３３ｋＡ以下で２％以下である。
【００１２】
すなわち、（１３ａ）式は、通電電流３３ｋＡ以下において、光電流センサによる差電流出力Ｓ_２ｘの電源周波数と同じ周波数成分においては、電力系統の保護区間への差電流ｉ_１＋ｉ_２に比例した出力であるが、電源周波数の２倍の周波数成分が誤差成分として発生していることを意味する。
光電流センサによる差電流出力Ｓ_２ｘから、電源周波数成分の差電流検出手段５ａにより、２倍の周波数成分を取り除くことにより、その出力を判定手段８に導き、電力系統の保護区間９への差電流ｉ_１＋ｉ_２に対して動作する保護継電装置が構成される。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の技術における説明では、電流信号が正弦波交流信号と仮定している。しかしながら、電力系統において短絡事故が発生した場合、電流信号は直流分が重畳され過渡的に減衰する信号となる。この時の事故電流は以下の式で表される。
ｉ_ｎ(t)＝√２Ｉ_ｎ｛ｅ^{（−ｔ／τ）}−cosωｔ｝・・・・(１４)
τは電力系統のリアクタンス分と抵抗分の比から定まる減衰時定数である。（１４）式で表されるような過渡的に減衰する電流信号を(５ａ)、(６)式に代入しても、(１３ａ)式のように電源周波数成分ごとに分けて表すことはできない。
そこで、電力系統の保護区間９に対して、保護区間外事故、保護区間内事故の各々の事故ケースについて、光電流センサによる差電流出力Ｓ_２ｘに含まれる誤差成分が及ぼす影響について考える。
図２は、光電流センサを用いた保護継電装置の動作を説明するための系統図である。電力系統の保護区間９の事故箇所としてｆ１、ｆ３を保護区間外事故、ｆ２を保護区間内事故とする。以下電力系統の保護区間９の区間外事故を外部事故、電力系統の保護区間９の区間内事故を内部事故と呼ぶものとする。
また図２において、第一の光電流センサ１及び第二の光電流センサ２はそれぞれ電力系統の保護区間９の両端に設置されており、光ファイバ伝送路３ａ〜３ｄにより、光源１２、第一の光信号処理部４ａ、第二の光信号処理部４ｂと接続されている。ここで第一の光電流センサ１は電流ｉ_１を検出し、第二の光電流センサ２は電流ｉ_２を検出する。
【００１４】
まず外部事故が発生した場合について考える。外部事故が発生した場合、ｉ_１、ｉ_２は
ｉ_１(t)＝−ｉ_２(t) ・・・・(１５)
が成立する。(１４)、(１５)式を(５ａ)式に代入すると、
Ｐ_２ｘ＝(1/4)Ｐ_０｛１＋sin２Ｖｉ_１(t)｝｛１−sin２Ｖｉ_ｉ(t)｝
となる。ここで、説明を簡単にするために、
sin｛２Ｖｉ_ｉ(t)｝≒ ２Ｖｉ_１(t)
とおいて、(１４)式を代入すると、(５ａ)式は、
Ｐ_２ｘ≒(1/4)Ｐ_０［１−８Ｖ^２Ｉ_１ ^２｛ｅ^{（−ｔ／τ）}−cosωｔ｝^２］
≒(1/4)Ｐ_０［１−８Ｖ^２Ｉ_１ ^２｛ｅ^{（−２ｔ／τ）}＋２・ｅ^{（−ｔ／τ）}
・cosωｔ−1/2＋1/2cos２ωｔ｝］・・・・(１６)
となる。すなわち、従来の技術では、事故電流が正弦波交流信号であれば外部事故時においては電力系統の保護区間９への差電流ｉ_１＋ｉ_２の電源周波数成分は０であるべきであるのに、直流分が重畳された過渡的に減衰する信号の場合は、(１６)式に示すとおり、直流分が減衰するまでの間、誤差信号が発生してしまう。
【００１５】
図７は、外部事故が発生し、直流分が重畳された事故電流であった場合、従来の技術では保護継電装置の不要動作が発生する可能性があることを説明するための図である。
図７(ａ)は、外部事故のケースにおける(１４)式で表される直流分が重畳された事故電流信号を表しており、図７(ｂ)はこの時の第二の光電流サンサからの光信号Ｐ_２ｘ／Ｐ_０を、図７(ｃ)は光電流センサによる差電流出力Ｓ_２ｘを、図７(ｄ)は光電流センサによる差電流出力Ｓ_２ｘの電源周波数成分の実効値Ｒ_２ｘを求めたものである。
尚、ここでは光電流センサは、波長１５５０ｎｍの鉛ガラスファイバ型光電流センサであるとし、そのベルデ定数Ｖは３．９３×１０^−６[rad/A]を用いている。事故電流Ｉ_１の大きさは実効値３３ｋＡ、電源周波数５０Hz、時定数τは５０msとしている。また光電流センサによる差電流出力の電源周波数の実効値Ｒ_２ｘを求める手段としては、デジタルリレー回路におけるデジタルフィルタ・実効値演算回路を用いた。既に公知の技術であるため、ここではそのアルゴリズムを紹介するに留める。
サンプリング：電気角３０゜
デジタルフィルタ：Ｄ．Ｆ．_１ｆ＝（１−Ｚ^−６）（１＋Ｚ^−１＋Ｚ^−２＋Ｚ^−３）
実効値演算：実効値^２＝Ｃ_ｎ−３ ^２−Ｃ_ｎ・Ｃ_ｎ−６
【００１６】
次に正弦波交流信号の場合との比較をするために、事故電流が（３）式で表される正弦波交流信号であった場合の事故電流を図７(ｅ)に示し、この時の第二の光電流サンサからの光信号Ｐ_２ｘ／Ｐ_０を図７(ｆ)に、光電流センサによる差電流出力Ｓ_２ｘを図７(ｇ)に、光電流センサによる差電流出力の電源周波数成分の実効値Ｒ_２ｘを図７(ｈ)に示している。
図７(ｈ)に示すとおり、外部事故において事故電流が正弦波交流信号であれば事故直後に短時間誤差信号が発生するが、リレーの不要動作には至らない程度である。一方、事故電流が直流分が重畳した過渡電流信号の場合は図７(ｄ)に示すとおり、無視できない程の時間、誤差信号が発生している。これは(１６)式に示したように直流分が減衰するまでの間、電源周波数成分が誤差信号として表れているためである。
【００１７】
次に内部事故における、従来の技術での光電流センサを用いた保護継電装置の動作を図７を用いて説明する。図７(ｉ)は図２に示す系統で内部事故が発生し、事故電流が(１４)式で表される直流分が１００％重畳された信号を示しており、この時の第二の光電流サンサからの光信号Ｐ_２ｘ／Ｐ_０を図７(ｊ)に、光電流センサによる差電流出力Ｓ_２ｘを図７(ｋ)に、光電流センサによる差電流出力Ｓ_２ｘの電源周波数成分の実効値を図７(ｌ)に示している。
図７(ｍ）は図２に示す系統で内部事故が発生し、事故電流が（３）式で表される正弦波交流信号であった場合を示しており、この時の第二の光電流サンサからの光信号Ｐ_２ｘを図７(ｎ)に、光電流センサによる差電流出力Ｓ_２ｘを図７(ｏ)に、光電流センサによる差電流出力Ｓ_２ｘの電源周波数成分の実効値を図７(ｐ)に示している。
図７(ｌ)、図７(ｐ)に示すとおり内部事故に関しては、従来の技術では良好な動作が得られる。
【００１８】
以上説明したように従来の技術においては、直流分が重畳された事故電流であった場合、内部事故は正常に検出するものの、外部事故のケースでは内部事故が発生したかのような誤差信号が発生する場合がある。
本発明の目的とするところは、直流分が重畳された事故電流を検出した場合においても、内部事故発生時の検出はもとより、外部事故発生時でも内部事故と見誤ることなく判別しリレーの不要動作をしない光電流センサを用いる保護継電装置を提供することである。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
そこで本発明では電力系統の保護区間の両端に入出力電流を個別に測定する二台の周回積分型の光電流センサを配置し、前記光電流センサは入射端と、前記入射端に設けられた偏向子の偏向方向に対してプラス４５度及びマイナス４５度の二つの偏向方向で検光を行う検光子とそれぞれの検光成分に対する出射端を有しており、光源と前記光電流センサとの間、前記光電流センサ同士の間および前記光電流センサと光信号処理部の間を光ファイバ伝送路で接続し、前記光信号処理部の出力信号から電源周波数成分の実効値を検出する差電流検出手段と、前記光信号処理部の出力信号から電源周波数成分の実効値を検出する和電流検出手段と、前記差電流検出手段と前記和電流検出手段の出力の差分を求める演算手段と、、前記演算手段の出力より前記電力系統の保護区間の区間内の事故か区間外の事故かを判別する判定手段とを備える。
また、電力系統の保護区間の両端に入出力電流を個別に測定する二台の周回積分型の光電流センサを配置し、前記光電流センサは入射端と、前記入射端に設けられた偏向子の偏向方向に対してプラス４５度又はマイナス４５度の偏向方向で検光を行う検光子とその検光成分に対する出射端を有しており、光源と前記光電流センサとの間、前記光電流センサ同士の間および前記光電流センサと光信号処理部の間を光ファイバ伝送路で接続し、前記光信号処理部の出力信号から電源周波数成分の実効値を検出する差電流検出手段と、前記光信号処理部の出力信号から電源周波数の２倍の周波数成分を実効値で検出する倍周波数成分検出手段と、前記差電流検出手段と倍周波数成分検出手段の出力比を求める演算手段と、前記演算手段の出力より保護区間の区間内の事故か区間外の事故かを判別する判定手段とを備える。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。
従来の技術の(２ｂ)式、(５ｂ)式に示したように、光電流センサからの出力信号はｘ、ｙ成分の２通りがあり、従来の技術においてはこのどちらか一方しか用いていない。従来の技術では使用していない方の光信号を用いれば、外部事故か内部事故かを判別することが可能であることを以下に説明する。
図１は本発明の光電流センサを用いる保護継電装置の実施の形態を示す説明図である。光電流センサによる差電流信号Ｓ_２ｘを求めるために光信号Ｐ_２ｘを用いたのと同様に光信号Ｐ_２ｙ信号を用いる。
光信号Ｐ_２ｘより得られる光電流センサによる差電流信号Ｓ_２ｘが、第一の光電流センサ１が検出した電流ｉ_１と第二の光電流センサ２が検出した電流ｉ_２の差電流であるｉ_１＋ｉ_２の情報を有しているのに対し、光信号Ｐ_２ｙからはｉ_１とｉ_２の和電流であるｉ_１−ｉ_２の情報を有している光電流センサによる和電流出力Ｓ_２ｙを得ることができることを以下に説明する。尚、電力系統の保護区間９への和電流がｉ_１−ｉ_２と示されるのは、ｉ_１、ｉ_２の符号をともに電力系統の保護区間９への流入方向を＋、流出方向を−と定義したことによる。
尚、以下の説明では、上記従来の技術で参照した図及び式において、同一もしくは相当する部分には同一符号を付してその説明は省略する。
【００２１】
偏光子１４、ファラデー素子１１、検光子１５よりなる第一の光電流センサ１と、第一の光電流センサ１と同様に構成される第二の光電流センサ２と、光源１２と、光電変換器１６、ハイパスフィルタ回路１７、ローパスフィルタ回路１８、割算器１９よりなる第一の光信号処理部４ａと、第一の光信号処理部４ａと同様に構成される第二の光信号処理部４ｂと、光源１２と第一の光電流センサ１間の光信号を伝送する光ファイバ伝送路３ａと、第一の光電流センサ１と第二の光電流センサ２間の光信号を伝送する光ファイバ伝送路３ｂと、第二の光電流センサ２の２つの出射端のうち差電流情報を有する光信号Ｐ2xを出射する出射端と第一の光信号処理部４ａとを伝送する光ファイバ伝送路３ｃと、第二の光電流センサ２の２つの出射端のうち和電流情報を有する光信号Ｐ2yを出射する出射端と第二の光信号処理部４ｂとを伝送する光ファイバ伝送路３ｄと、第一の光信号処理部４ａからの差電流出力Ｓ_２ｘから電源周波数成分の実効値を検出する差電流検出手段５ａと、第二の光信号処理部４ｂからの和電流出力Ｓ_２ｙから電源周波数成分の実効値を検出する和電流検出手段５ｂと、差電流検出手段５ａと和電流検出手段５ｂの出力の差を求める差分演算手段６、差電流検出手段５ａ及び差分演算手段６の出力から電力系統の保護区間に対して外部事故であるか内部事故であるかを判別する判定手段７より構成される。
【００２２】
第一の光電流センサ１及び第二の光電流センサ２の、電力系統の保護区間９への設置の状況及び、光信号処理部４ａの構成は従来の技術と同様であり、光信号処理部４ａからは光電流センサによる差電流出力Ｓ_２ｘを得る。
一方光ファイバ伝送手段３ｄにより導かれる光信号は（５ｂ）式に述べたＰ_２ｙ信号である。Ｐ_２ｙは光ファイバ伝送路３ｄに導かれ第二の光信号処理部４ｂの光電変換器１６に入射し、同様の信号処理により、光電流センサによる和電流出力Ｓ_２ｙを得る。光電流センサによる和電流出力Ｓ_２ｙは以下の式で表される。
Ｓ_２ｙ＝（Ｐ_２ｙの交流成分）／（Ｐ_２ｙの直流成分）・・・・(１７)
差電流検出手段５ａはＳ_２ｘから電源周波数と同じ周波数成分の差電流実効値Ｒ_２ｘを検出し、和電流検出手段５ｂはＳ_２ｙから電源周波数と同じ周波数成分の和電流実効値Ｒ_２ｙを検出する。Ｒ_２ｘ及びＲ_２ｙを求めた後、差分演算手段６でＲ_２ｘ−Ｒ_２ｙを計算する。差分演算手段６を用いたのは、外部事故発生時と内部事故発生時において、Ｒ_２ｘ−Ｒ_２ｙという値に大きな差異がみられるためである。
すなわち、リレー整定値をｋ０とし、外部事故判定定数ｋ１を新たに設け、判定手段７において、Ｒ_２ｘ＞ｋ０かつＲ_２ｘ−Ｒ_２ｙ＞ｋ１の時、内部事故と判定することにより、直流分が重畳した事故電流であったとしても、外部事故においても不要動作を防ぐことができる。
【００２３】
電力系統の保護区間９に対して、外部事故、内部事故の各々の事故ケースについて、本発明の光電流センサを用いた保護継電装置の動作を説明するために、従来の技術で説明したのと同様に図２の系統図を用いる。
外部事故は図２に示す系統において事故箇所ｆ１とｆ３の２通りが考えられるが、どちらも同等と考えられるのでここではｆ１を外部事故の代表例とする。
内部事故のケースは、電源配置が両側か、ｆ１側の片側電源、ｆ３側の片側電源の３通りが考えられる。片側電源はｆ１側、ｆ３側でも同様と考えられるのでｆ１側を代表例とする。
両側電源配置のケースでは、ｉ_１、ｉ_２は
ｉ_１(t)＝βｉ_２(t) ０＜ β≦１・・・・(１８ａ)
として考えるものとする。
片側電源配置では
ｉ_２(t)＝０・・・・(１８ｂ)
とする。
【００２４】
外部事故判定定数ｋ１を導く手段を以下に説明する。ここでは、想定する電力系統の最大事故電流３３ｋＡとし、リレー整定値を９００Ａのケースで説明する。事故電流は(１４)式に示すように直流分が１００％重畳されたものとし、時定数τ＝１００msとする。適用する光ファイバセンサは従来技術と同様の、波長１５５０ｎｍの鉛ガラスファイバ型光電流センサであるとし、そのベルデ定数Ｖは３．９３×１０^−６[rad/A]を用いる。
【００２５】
図３はＲ_２ｘ−Ｒ_２ｙが内部事故と外部事故において充分大きな差異があることを説明するための図であり、先に示した事故電流の値、光ファイバセンサの定数を、(１４)式、(５ａ)式、(６)式に代入し、計算により求めたものである
尚、差電流検出手段及び和電流検出手段で電源周波数成分の実効値Ｒ_２ｘ、Ｒ_２ｙを求める手段として、従来技術と同様に以下のアルゴリズムで計算した。
サンプリング：電気角３０゜
デジタルフィルタ：Ｄ．Ｆ．_１ｆ＝（１−Ｚ^−６）（１＋Ｚ^−１＋Ｚ^−２＋Ｚ^−３）
実効値演算：実効値^２＝Ｃ_ｎ−３ ^２−Ｃ_ｎ・Ｃ_ｎ−６
図３(ａ)は(１４)式で表される直流分が重畳された事故電流ｉ_ｎ(t)を示しており、事故電流実効値Ｉ_ｎ＝３３ｋＡの波形を示している。図３(ｂ)〜(ｄ)は外部事故のケースであり、図３(ｂ)は差電流実効値Ｒ_２ｘを、図３(ｃ)は和電流実効値Ｒ_２ｙを図３(ｄ)はＲ_２ｘ−Ｒ_２ｙを示している。事故電流は３３ｋＡ、２４ｋＡ、１５ｋＡ、９ｋＡの４通りを示している。
同様に図３(ｅ)〜図３(ｇ)は内部事故両側電源配置の場合であり、図３(ｅ)は差電流実効値Ｒ_２ｘを、図３(ｆ)は和電流実効値Ｒ_２ｙを図３(ｇ)はＲ_２ｘ−Ｒ_２ｙを示しており、事故電流は以下の４通りを示している。
Ｉ_１＝＋１６．５ｋＡ、Ｉ_２＝＋１６．５ｋＡ、
Ｉ_１＝＋２２ｋＡ、Ｉ_２＝＋１１ｋＡ、
Ｉ_１＝＋２７．５ｋＡ、Ｉ_２＝＋５．５ｋＡ、
Ｉ_１＝＋３０ｋＡ、Ｉ_２＝＋３ｋＡ
図３(ｈ)〜図３(ｊ)は内部事故片側電源配置の場合であり、図３(ｈ)は差電流実効値Ｒ_２ｘを、図３(ｉ)は和電流実効値Ｒ_２ｙを図３(ｊ)はＲ_２ｘ−Ｒ_２ｙを示しており、事故電流はＩ_１＝３３ｋＡ、２４ｋＡ、１５ｋＡ、９ｋＡの４通りを示している。
【００２６】
外部事故ケースのＲ_２ｘ−Ｒ_２ｙを示す図３(ｄ)と、内部事故両側電源配置、内部事故片側電源配置の各ケースにおけるＲ_２ｘ−Ｒ_２ｙを示す図３(ｇ)、図３(ｊ)を比較すると明らかなように、Ｒ_２ｘ−Ｒ_２ｙはあるしきい値に対して、外部事故ケースは小さな値となり、内部事故ケースにおいては大きな値となる。
外部事故ケースの場合では、事故電流が９ｋＡから３３ｋＡにおいては事故電流９ｋＡの時、Ｒ_２ｘ−Ｒ_２ｙは最大値をとっている。一方内部事故ケースにおいては両側電源配置、片側電源配置の各ケースのいずれの場合でもＲ_２ｘ−Ｒ_２ｙの最小値は０ｋＡである。
よって外部事故判定定数ｋ１を決定するには、外部事故において差電流信号Ｒ_２ｘがリレー整定値より大きくならない程度の事故電流を想定し、この事故電流におけるＲ_２ｘ−Ｒ_２ｙを求めればよい。
ここで事故電流９ｋＡのときのＲ_２ｘは４００Ａ程度であり、リレー整定値９００Ａに対して不要動作には至らないと考えられる充分な値である。そこで外部事故判定定数ｋ１を求めるために想定する事故電流を９ｋＡとした。外部事故ケースにおける事故電流９ｋＡの時のＲ_２ｘ−Ｒ_２ｙの最大値は図３(ｄ)より−１８ｋＡである。したがって図３のケースでは外部事故判定定数ｋ１は例えば以下のように求めることができる。
ｋ１＝（−１８ｋＡ−０ｋＡ）／２＝−９ｋＡ
上記のように外部事故判定定数Ｋ１を設ければ、判定手段７においてＲ_２ｘが整定値ｋ０より大きかったとしても、Ｒ_２ｘ−Ｒ_２ｙがｋ１より小さければ外部事故であると判定し、リレーの不要動作を防ぐことができる。
【００２７】
続いて本発明の光電流センサを用いる保護継電装置の他の実施例を説明する。従来の技術の(１３ａ)式に示したように、外部事故においては光電流センサからの出力信号には電源周波数の２倍の周波数成分が含まれる。この２倍の周波数成分を用いれば、外部事故か内部事故かを判別することが可能であることを以下に説明する。
【００２８】
図４は本発明の光電流センサを用いる保護継電装置の他の実施例を示す説明図である。以下の説明では、前記従来の技術及び前記実施の形態で参照した図及び式において、同一もしくは相当する部分には同一符号を付してその説明は省略する。
第一の光電流センサ１、第二の光電流センサ２、光源１２、光信号処理回路４ａ、光ファイバ伝送手段３ａ，３ｂ，３ｃと、光信号処理部４ａからの差電流出力Ｓ_２ｘから電源周波数成分の実効値を検出する差電流検出手段５ａ、光信号処理部４ａからの差電流出力Ｓ_２ｘから電源周波数成分の２倍の周波数成分の実効値を検出する倍周波数検出手段５ｃ、差電流検出手段５ａと倍周波数成分検出手段５ｃの出力比を求める出力比演算手段６ｂ、差電流検出手段５ａ及び出力比演算手段６ｂの出力から電力系統の保護区間に対して外部事故であるか内部事故であるかを判別する判定手段７ｂより構成される。
【００２９】
第一の光電流センサ１及び第二の光電流センサ２の、電力系統の保護区間９への設置の状況及び、光信号処理部４ａの構成は従来の技術と同様であり、光信号処理部４ａからは光電流センサによる差電流出力Ｓ_２ｘを得る。
光信号処理部４ａで得られた差電流出力Ｓ_２ｘは差電流検出手段５ａ、Ｓ_２ｘから電源周波数と同じ周波数成分の実効値Ｑ１を検出する。また、倍周波数成分検出手段５ｃでＳ_２ｘから電源周波数の２倍の周波数成分の実効値Ｑ２を検出する。Ｑ１及びＱ２は、出力比演算手段６ｂでＱ２／Ｑ１を計算する。出力比演算手段６ｂでＱ２／Ｑ１を計算するのは、外部事故発生時、内部事故発生時において、Ｑ２／Ｑ１という値に大きな差異がみられるためである。
すなわち、リレー整定値をｋ０とし、外部事故判定定数ｋ２を新たに設け、判定手段７ｂにおいて、Ｑ１＞ｋ０かつＱ２／Ｑ１＜ｋ２の時、内部事故と判定するることにより、直流分が重畳した事故電流であったとしても、外部事故においても不要動作を防ぐことができる。
【００３０】
図５は内部事故と外部事故において、Ｑ２／Ｑ１が充分大きな差異があることを説明するための図である。第一の実施例の図３を示す際の計算に用いたの同様の条件のもとに計算による結果を示すものである。
また、倍周波数成分検出手段５ｃで、電源周波数の２倍の周波数成分の実効値Ｑ２を求めるために以下のアルゴリズムで計算した。
サンプリング：電気角３０゜
デジタルフィルタ：Ｄ．Ｆ．_２ｆ＝（１＋Ｚ^−６）（１−Ｚ^−３）（１−Ｚ^−１）
実効値演算：実効値^２＝Ｃ_ｎ ^２＋Ｃ_ｎー１ ^２＋Ｃ_ｎ−２ ^２
図５(ａ)は(１４)式で表される直流分が重畳された事故電流ｉ_ｎ(t)を示しており、事故電流実効値Ｉ_ｎ＝３３ｋＡの波形を示している。図５(ｂ)〜(ｄ)は外部事故のケースである。図５(ｂ)は電源周波数成分信号Ｑ１を、図５(ｃ)は倍周波数成分信号Ｑ２を、また図５(ｄ)はＱ２／Ｑ１を示しており、事故電流は３３ｋＡ、２４ｋＡ、１５ｋＡ、９ｋＡの４通りを示している。
同様に図５(ｅ)〜図５(ｇ)は内部事故両側電源配置の場合であり、図５(ｅ)は電源周波数成分信号Ｑ１を、図５(ｆ)は倍周波数成分信号Ｑ２を、図５(ｇ)はＱ２／Ｑ１を示しており、事故電流は以下の４通りを示している。
Ｉ_１＝＋１６．５ｋＡ、Ｉ_２＝＋１６．５ｋＡ、
Ｉ_１＝＋２２ｋＡ、Ｉ_２＝＋１１ｋＡ、
Ｉ_１＝＋２７．５ｋＡ、Ｉ_２＝＋５．５ｋＡ、
Ｉ_１＝＋３０ｋＡ、Ｉ_２＝＋３ｋＡ
図５(ｈ)〜図５(ｊ)は内部事故片側電源配置の場合であり、図５(ｈ)は電源周波数成分信号Ｑ１を、図５(ｉ)は倍周波数成分信号Ｑ２を、図５(ｊ)はＱ２／Ｑ１を示しており、事故電流はＩ_２＝３３ｋＡ、２４ｋＡ、１５ｋＡ、９ｋＡの４通りを示している。
【００３１】
外部事故ケースのＱ２／Ｑ１を示す図５(ｄ)と、内部事故両側電源配置、内部事故片側電源配置の各ケースにおけるＱ２／Ｑ１を示す図５(ｇ)、図５(ｊ)を比較すると明らかなように、Ｑ２／Ｑ１は事故直後のわずかな時間以外においてはあるしきい値に対して、外部事故ケースは大きい値となり、内部事故ケースにおいては小さな値となる。Ｑ２／Ｑ１は外部事故ケースにおいては事故電流実効値９ｋＡから３３ｋＡでは３３ｋＡで最小値をとり、Ｑ２／Ｑ１＝０．２２であった。一方内部事故ケースの両側電源配置、片側電源配置の各ケースにおけるＱ２／Ｑ１は、事故電流が大きい時ほど、大きな値を示し、その最大値は両側電源配置の場合のＩ_１＝＋１６．５ｋＡ、Ｉ_２＝＋１６．５ｋＡのケースで最大値をとり、その値は０．０４であった。
よってＱ２／Ｑ１のしきい値として外部事故判定定数ｋ２を外部事故ケースにおけるＱ２／Ｑ１の最小値と、内部事故ケースにおけるＱ２／Ｑ１の最大値との中間値に設けるものとし、図５のケースでは例えば以下のように求めることができる。
ｋ２＝（０．２２／０．０４）^１／２×０．０４＝０．１
上記のように外部事故判定定数Ｋ２を設ければ、判定手段７ｂにおいてＱ１が整定値ｋ０より大きかったとしても、Ｑ２／Ｑ１がｋ２より大きければ外部事故であると判定し、リレーの不要動作を防ぐことができる。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明による光電流センサによる保護継電装置によれば、直流分が重畳された事故電流を検出した場合においても、内部事故の検出はもとより、外部事故でも内部事故と見誤ることなく検出判別し、リレーの不要動作を防ぐことが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による実施の形態を示し、光電流センサを用いる保護継電装置を説明する構成図である。
【図２】本発明による実施の形態を示し、光電流センサを用いる保護継電装置を説明する系統図である。
【図３】本発明の実施の形態に従って事故電流を測定したときの出力波形の一例である。
【図４】本発明による他の実施の形態を示し、光電流センサを用いる保護継電装置を説明する構成図である。
【図５】本発明による他の実施の形態に従って事故電流を測定したときの出力波形の一例である。
【図６】従来技術の光電流センサによる保護継電装置の説明図である。
【図７】従来技術に従って事故電流を測定したときの出力波形の一例である。
【符号の説明】
１第一の光電流センサ
２第二の光電流センサ
３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ光ファイバ伝送路
４ａ第一の光信号処理部
４ｂ第二の光信号処理部
５ａ差電流検出手段
５ｂ和電流検出手段
５ｃ倍周波数成分検出手段
６差分演算手段
６ｂ出力比演算手段
７、７ｂ判定手段
９電力系統の保護区間
１１ファラデー素子
１２光源
１４偏光子
１５検光子
１６光電変換器
１７ハイパスフィルタ
１８ローパスフィルタ
１９割算器[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a protective relay device that uses the Faraday effect to measure and monitor a current flowing through a conductor of a power facility.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, in a protective relay device in a power system, a current signal of a device conductor detected by a current transformer is transmitted to the protective relay device, and the protective relay device performs calculation and determination for failure determination. For the purpose of reducing the cost and weight of this protective relay device, a protective relay device using a photocurrent sensor having a differential operation function has been proposed in place of the conventional current measuring method using a wound current transformer. Japanese Patent Application No. 2000-59987 and Japanese Patent Application No. 11-224821 have been filed.
[0003]
For example, as shown in FIG. 6, the conventional protective relay device using a photocurrent sensor is the same as the first photocurrent sensor 1 including the polarizer 14, the Faraday element 11, and the analyzer 15, and the first photocurrent sensor 1. Optical signal processing comprising the second photocurrent sensor 2, the optical fiber transmission lines 3 a, 3 b, 3 c, the light source 12, the photoelectric converter 16, the high-pass filter circuit 17, the low-pass filter circuit 18, and the divider 19. It comprises a unit 4a, a power source frequency component difference current detection means 5a, and a determination means 8.
The first photocurrent sensor 1 and the second photocurrent sensor 2 are provided at both ends of the protection section 9 of the power system. Here, the current detected by the first photocurrent sensor 1 is i₁, The current detected by the second photocurrent sensor 2 is i₂Both of the signs are + for the inflow direction to the protection section 9 of the power system and-for the outflow direction. The propagation direction of light in the first photocurrent sensor 1 is the current i detected by the first photocurrent sensor 1.₁The direction of propagation of light in the second photocurrent sensor 2 is the current i detected by the second photocurrent sensor 2.₂It is provided so that it may conflict with the magnetic field generated by.
[0004]
Light P emitted from the light source 12 that emits light of a predetermined wavelength₀Reaches the first photocurrent sensor 1 by the optical fiber transmission line 3a. Light P from light source 12₀Becomes linearly polarized light by the polarizer 14 of the first photocurrent sensor 1, and this linearly polarized light enters the Faraday element 11. Incident light is a current i₁Under the Faraday effect due to the magnetic field generated by₁The plane of polarization is proportional to the angle of θ₁Only rotate. Current i detected by the first photocurrent sensor 1₁And the rotation angle θ of the polarization plane₁When the Verde constant is V
θ₁= Vi₁ ・・・・ (1)
It becomes. The incident light is further subjected to the rotation angle θ of the polarization plane by the analyzer 15 in the first photocurrent sensor 1.₁The light is modulated in intensity. At this time, the analyzer 15 is installed at an angle of 45 ° with respect to the polarizer 14, and the light emitted from the first photocurrent sensor 1 is the light P of two components x and y._1x, P_1yIt is divided into the following formulas.

In the conventional apparatus, only one of the optical signals is used._1xTo explain.
Current i detected by the first photocurrent sensor 1₁Is a sinusoidal AC signal, the emitted light P of the first photocurrent sensor 1_1xIs represented by the following equation.
i₁= √2I₁sinωt (3)
P_1x= (1/2) P₀{1 + sin (2√2VI₁sinωt)} (4)
here
I₁Is the effective value of the inflow current, ω (= 2πf) is the angular frequency, and f is the power supply frequency.
[0005]
Output light P of the first photocurrent sensor 1_1xIs guided to the optical fiber transmission line 3b and reaches the second photocurrent sensor 2. The second photocurrent sensor 2 has the same configuration as the first photocurrent sensor 1. P_1xIs the current i detected by the second photocurrent sensor 2₂(= √2I₂sin i)), the current i₂The plane of polarization is proportional to the angle of θ₂Only rotate. The light emitted from the second photocurrent sensor 2 is also subjected to x- and y-component light P by the analyzer 15._2x, P_2yIt is divided into the following formulas.

Here, of the two outputs of the first photocurrent sensor 1, P_1xIs selected, so that the output light of the second photocurrent sensor 2 has the same polarization direction as that of the output light of the first photocurrent sensor._2xIs used. Of the two outputs of the first photocurrent sensor 1, P_1yIs selected, the output light of the second photocurrent sensor is P_2yIs used.
Output light P of the second photocurrent sensor_2xIs guided to the optical fiber transmission line 3c, enters the photoelectric converter 16, is converted into an electric signal, is separated into a DC component and an AC component by the high-pass filter circuit 17 and the low-pass filter circuit 18, and is AC-converted by the divider 19. By dividing the component by the DC component, the differential current output S by the photocurrent sensor_2xGet. The reason why the divider 19 is used to divide the AC component by the DC component is to compensate for the loss of light quantity when the optical signal is transmitted. Differential current output S by photocurrent sensor_2xIs represented by the following equation.
S_2x= (P_2xAC component) / (P_2xDC component) (6)
The differential current output S by the photocurrent sensor obtained here_2xIncludes the current i detected by the first photocurrent sensor 1.₁And the current i detected by the second photocurrent sensor 2₂Is the difference current of₁+ I₂The following information will be described. The difference current to the protection section 9 of the power system is i₁+ I₂Is indicated by i₁, I₂This is because the inflow direction to the protection section 9 of the power system is defined as + and the outflow direction is defined as −.
[0006]
Current i detected by the first photocurrent sensor 1₁And the current i detected by the second photocurrent sensor 2₂Is a small current,
sin2θ₁≒ 2θ₁, Sin2θ₂≒ 2θ₂.... (7)
(5a) is

It becomes. Substituting equation (8) into equation (6),
S_2x= 2√2V (I₁+ I₂) Sinωt (9)
The differential current output S by the photocurrent sensor_2xIs the difference current i to the protection section 9 of the power system₁+ I₂The value is proportional to.
[0007]
However, equation (9) is established in a small current region where equation (7) is established, and is not established in a large current region.
Therefore, the present inventors have determined the difference current i to the protection section 9 of the power system even in a large current region.₁+ I₂Japanese Patent Application No. 11-224821 has been filed as a protective relay device using an optical fiber sensor capable of detecting the above.
[0008]
That is, when a large current that does not hold the expression (7) flows, the emitted light P of the second photocurrent sensor shown in the expression (5a)_2xIs

It is expressed.
Where sin (2√2VI_nIf it is attempted to decompose sinωt) for each frequency component by expanding the Fourier series, it can be expressed by the following equation (11).
[0009]
[Expression 1]

Where J_k(a) is a k-order Bessel function.
[0010]
If the third and subsequent terms in equation (11) are neglected, equation (10) becomes
P_2x= (1/4) P₀{1 + 2A₁sinωt} {1 + 2A₂sinωt} (12a)
It can be expressed as here
A₁= J₁(2√2VI₁(12b)
A₂= J₁(2√2VI₂(12c)
It is. Formula (12a) is expanded and the trigonometric formula sin²Using φ = (1/2) {1-cos2φ}

It becomes. The differential current output S by the photocurrent sensor at this time_2xIs obtained as follows by substituting equation (12d) into equation (6).
S_2x= B₁sinωt + B₂ cos2ωt (13a)
here
B₁= 2 (A₁+ A₂) / (1 + 2A₁A₂(13b)
B₂= 2A₁A₂/ (1 + 2A₁A₂) (13c)
The differential current output S by the photocurrent sensor as shown in the equation (13a)_2xIs the difference current i to the protection section 9 of the power system indicated in the first term.₁+ I₂In addition to the frequency component of the power supply frequency, that is, the power supply frequency component, the frequency component is twice the power supply frequency shown in the second term.
[0011]
Where B₁Attempts to evaluate by calculation. The current flowing into the protection section 9 of the power system is assumed to be 33 kA or less. In this case, the Verde constant V = 3.93 × 10 of a lead glass fiber type photocurrent sensor with a wavelength of 1550 nm.^-6Using [rad / A], equation (13b) becomes
B₁≒ α (I₁+ I₂(13d)
It can be expressed as As a result of the calculation, the error of α is 1% or less when the conduction current is 24 kA in effective value, and 2% or less when the conduction current is 33 kA or less.
[0012]
That is, the equation (13a) is obtained by calculating the difference current output S by the photocurrent sensor when the energization current is 33 kA or less._2xWhen the frequency component is the same as the power supply frequency, the difference current i to the protection section of the power system₁+ I₂This means that a frequency component twice the power supply frequency is generated as an error component.
Differential current output S by photocurrent sensor_2xFrom the power source frequency component difference current detection means 5a, the double frequency component is removed, so that the output is guided to the determination means 8, and the difference current i to the protection section 9 of the power system is derived.₁+ I₂A protective relay device is configured to operate against the above.
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
In the above description of the prior art, it is assumed that the current signal is a sine wave AC signal. However, when a short circuit accident occurs in the power system, the current signal is a signal that is transiently attenuated with the direct current component superimposed. The accident current at this time is expressed by the following equation.
i_n(t) = √2I_n{E^{(-T / τ)}−cosωt} (14)
τ is a decay time constant determined from the ratio of reactance and resistance of the power system. Even if a transiently decaying current signal represented by equation (14) is substituted into equations (5a) and (6), it cannot be represented separately for each power supply frequency component as in equation (13a). .
Therefore, with respect to the protection section 9 of the electric power system, the difference current output S by the photocurrent sensor for each of the accident cases of the accident outside the protection section and the accident within the protection section._2xLet us consider the effect of error components included in.
FIG. 2 is a system diagram for explaining the operation of the protective relay device using the photocurrent sensor. As accident points in the protection section 9 of the power system, f1 and f3 are accidents outside the protection section, and f2 is an accident within the protection section. Hereinafter, an out-of-section accident in the protection section 9 of the power system is referred to as an external accident, and an in-section accident in the protection section 9 of the power system is referred to as an internal accident.
In FIG. 2, the first photocurrent sensor 1 and the second photocurrent sensor 2 are installed at both ends of the protection section 9 of the power system, respectively, and the light source 12, the first Are connected to the optical signal processing unit 4a and the second optical signal processing unit 4b. Here, the first photocurrent sensor 1 has a current i₁The second photocurrent sensor 2 detects the current i₂Is detected.
[0014]
First consider the case of an external accident. If an external accident occurs, i₁, I₂ Is
i₁(t) =-i₂(t) ・・・・ (15)
Is established. Substituting equations (14) and (15) into equation (5a),
P_2x= (1/4) P₀{1 + sin2Vi₁(t)} {1-sin2Vi_i(t)}
It becomes. Here, for ease of explanation,
sin {2Vi_i(t)} ≒ 2Vi₁(t)
When substituting equation (14), equation (5a) becomes
P_2x≒ (1/4) P₀[1-8V²I₁ ²{E^{(-T / τ)}−cosωt}² ]
≒ (1/4) P₀[1-8V²I₁ ²{E^{(-2t / τ)}+ 2 · e^{(-T / τ)}
・ Cosωt−1 / 2 + 1 / 2cos2ωt}] (16)
It becomes. That is, according to the conventional technique, if the fault current is a sinusoidal AC signal, the difference current i to the protection section 9 of the power system at the time of an external fault is obtained.₁+ I₂In the case of a signal that is transiently attenuated with a direct current component superimposed on it, the error signal is generated until the direct current component is attenuated as shown in equation (16). Will occur.
[0015]
FIG. 7 is a diagram for explaining that an unnecessary operation of the protective relay device may occur in the related art when an external accident occurs and the accident current is a DC current superimposed. .
FIG. 7 (a) shows an accident current signal in which the direct current component expressed by equation (14) in the case of an external accident is superimposed, and FIG. 7 (b) shows the second photocurrent sensor at this time. Optical signal P_2x/ P₀7 (c) shows the difference current output S by the photocurrent sensor._2x7 (d) shows the difference current output S by the photocurrent sensor._2xRMS value of power frequency component of_2xIs what we asked for.
Here, it is assumed that the photocurrent sensor is a lead glass fiber type photocurrent sensor having a wavelength of 1550 nm, and its Verde constant V is 3.93 × 10 6.^-6[rad / A] is used. Accident current I₁Is an effective value of 33 kA, a power supply frequency of 50 Hz, and a time constant τ of 50 ms. Also, the effective value R of the power supply frequency of the differential current output by the photocurrent sensor_2xAs a means for obtaining the value, a digital filter / effective value calculation circuit in a digital relay circuit was used. Since this is a known technique, only the algorithm will be introduced here.
Sampling: Electrical angle 30 °
Digital filter: D.E. F._1f= (1-Z^-6) (1 + Z^-1+ Z^-2+ Z^-3)
RMS value calculation: RMS value²= C_n-3 ²-C_n・ C_n-6
[0016]
Next, in order to compare with the case of the sine wave AC signal, the fault current when the fault current is a sine wave AC signal represented by the equation (3) is shown in FIG. Optical signal P from the second photocurrent sensor_2x/ P₀7 (f) shows the difference current output S by the photocurrent sensor._2x7 (g) shows the effective value R of the power supply frequency component of the differential current output by the photocurrent sensor._2xIs shown in FIG.
As shown in FIG. 7 (h), if the accident current is a sinusoidal AC signal in an external accident, a short-time error signal is generated immediately after the accident, but it does not lead to unnecessary operation of the relay. On the other hand, when the fault current is a transient current signal in which a direct current component is superimposed, an error signal is generated for a time that cannot be ignored as shown in FIG. This is because the power supply frequency component appears as an error signal until the DC component is attenuated as shown in the equation (16).
[0017]
Next, the operation of the protective relay device using the photocurrent sensor according to the prior art in an internal accident will be described with reference to FIG. FIG. 7 (i) shows a signal in which an internal fault occurs in the system shown in FIG. 2 and the DC current represented by the formula (14) is 100% superimposed. The second light at this time Optical signal P from current sensor_2x/ P₀7 (j) shows the difference current output S by the photocurrent sensor._2xFig. 7 (k) shows the difference current output S by the photocurrent sensor._2xThe effective value of the power frequency component is shown in FIG.
FIG. 7 (m) shows a case where an internal fault occurs in the system shown in FIG. 2 and the fault current is a sine wave AC signal expressed by the formula (3). The second photocurrent at this time Optical signal P from Sansa_2x7 (n) shows the difference current output S by the photocurrent sensor._2x7 (o) shows the difference current output S by the photocurrent sensor._2xThe effective value of the power source frequency component is shown in FIG.
As shown in FIG. 7 (l) and FIG. 7 (p), with respect to an internal accident, a good operation can be obtained with the conventional technology.
[0018]
As described above, in the conventional technology, when the accident current is superimposed with a direct current component, an internal accident is detected normally, but in the case of an external accident, an error signal as if an internal accident has occurred. May occur.
The object of the present invention is that even when an accident current in which a DC component is superimposed is detected, not only when an internal accident occurs, but also when an external accident occurs, it is discriminated as an internal accident and no relay is required. It is to provide a protective relay device using a photocurrent sensor that does not operate.
[0019]
[Means for Solving the Problems]
Therefore, in the present invention, two circular integration type photocurrent sensors that individually measure input and output currents are arranged at both ends of the protection section of the power system, and the photocurrent sensors are provided at the incident end and the incident end. An analyzer that performs analysis in two deflection directions of plus 45 degrees and minus 45 degrees with respect to the deflection direction of the deflector and an emission end for each of the detected components, and a light source and the photocurrent sensor A difference current for detecting an effective value of a power supply frequency component from an output signal of the optical signal processing unit by connecting between the photocurrent sensors and between the photocurrent sensor and the optical signal processing unit by an optical fiber transmission line Detection means; sum current detection means for detecting an effective value of a power supply frequency component from the output signal of the optical signal processing section; calculation means for obtaining a difference between outputs of the difference current detection means and the sum current detection means; Output of the calculation means Ri and a judging means for judging whether an accident or sections outside the accident in the interval of guard interval of the power system.
Further, two circular integration type photocurrent sensors for individually measuring input / output currents are arranged at both ends of the protection section of the electric power system, and the photocurrent sensor includes an incident end and a deflector provided at the incident end. An analyzer that performs analysis in a deflection direction of plus 45 degrees or minus 45 degrees with respect to the deflection direction, and an exit end for the detected component, and the photocurrent between the light source and the photocurrent sensor A difference current detecting means for detecting an effective value of a power supply frequency component from an output signal of the optical signal processing unit by connecting between sensors and between the photocurrent sensor and the optical signal processing unit by an optical fiber transmission line; A frequency doubler component detecting means for detecting a frequency component twice the power supply frequency as an effective value from an output signal of the optical signal processing unit; a computing means for obtaining an output ratio of the difference current detecting means and the double frequency component detecting means; Protected from the output of the calculation means And a judging means for judging whether an accident or sections outside the accident in the interval of the interval.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
As shown in the conventional techniques (2b) and (5b), the output signal from the photocurrent sensor has two types of x and y components, and the conventional technique uses only one of them. . It will be described below that it is possible to discriminate between an external accident and an internal accident by using the optical signal which is not used in the prior art.
FIG. 1 is an explanatory view showing an embodiment of a protective relay device using the photocurrent sensor of the present invention. Difference current signal S by photocurrent sensor_2xTo obtain the optical signal P_2xAs in the case of using the optical signal P_2yUse the signal.
Optical signal P_2xDifference current signal S from the photocurrent sensor_2xIs the current i detected by the first photocurrent sensor 1₁And the current i detected by the second photocurrent sensor 2₂Is the difference current of₁+ I₂The optical signal P_2yFrom i₁And i₂I which is the sum current of₁-I₂Sum current output S by a photocurrent sensor having the following information:_2yThe fact that can be obtained will be described below. The sum current to the protection section 9 of the power system is i₁-I₂Is indicated by i₁, I₂This is because the inflow direction to the protection section 9 of the power system is defined as + and the outflow direction is defined as −.
In the following description, in the drawings and formulas referred to in the prior art, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
[0021]
A first photocurrent sensor 1 comprising a polarizer 14, a Faraday element 11, and an analyzer 15, a second photocurrent sensor 2 configured in the same manner as the first photocurrent sensor 1, a light source 12, and photoelectric conversion The first optical signal processing unit 4a including the detector 16, the high-pass filter circuit 17, the low-pass filter circuit 18, and the divider 19, and the second optical signal processing unit configured similarly to the first optical signal processing unit 4a 4b, an optical fiber transmission line 3a for transmitting an optical signal between the light source 12 and the first photocurrent sensor 1, and light for transmitting an optical signal between the first photocurrent sensor 1 and the second photocurrent sensor 2. An optical fiber transmission line for transmitting the first optical signal processing unit 4a and an emission end for emitting an optical signal P2x having difference current information among the two emission ends of the fiber transmission line 3b and the second photocurrent sensor 2. 3c and the two exit ends of the second photocurrent sensor 2 An optical fiber transmission line 3d for transmitting the exit end for emitting a light signal P2y with Chi sum current information and a second optical signal processing unit 4b, the difference between the current output S of the first optical signal processing unit 4a_2xDifference current detection means 5a for detecting the effective value of the power supply frequency component from the output current, and the sum current output S from the second optical signal processing unit 4b._2yOf the sum current detection means 5b for detecting the effective value of the power supply frequency component from the difference calculation means 6, the difference calculation means 6 for obtaining the difference between the outputs of the difference current detection means 5a and the sum current detection means 5b, the difference current detection means 5a and the difference calculation means 6 It is comprised from the determination means 7 which discriminate | determines whether it is an external accident or an internal accident with respect to the protection area of an electric power system from an output.
[0022]
The installation status of the first photocurrent sensor 1 and the second photocurrent sensor 2 in the protection section 9 of the power system and the configuration of the optical signal processing unit 4a are the same as those in the conventional technology, and the optical signal processing unit From 4a, the differential current output S by the photocurrent sensor_2xGet.
On the other hand, the optical signal guided by the optical fiber transmission means 3d is P described in the equation (5b)._2ySignal. P_2yIs guided to the optical fiber transmission line 3d and is incident on the photoelectric converter 16 of the second optical signal processing unit 4b._2yGet. Sum current output S by photocurrent sensor_2yIs represented by the following equation.
S_2y= (P_2yAC component) / (P_2yDC component) (17)
The differential current detection means 5a is S_2xTo effective frequency difference R of frequency component same as power supply frequency_2xThe sum current detection means 5b detects S_2yTo sum current effective value R of the same frequency component as the power supply frequency_2yIs detected. R_2xAnd R_2yIs obtained, and the difference calculation means 6 performs R_2x-R_2yCalculate The difference calculation means 6 is used when an external accident occurs and when an internal accident occurs._2x-R_2yThis is because there is a big difference in the value.
That is, the relay settling value is set to k0, and an external accident determination constant k1 is newly provided._2x> K0 and R_2x-R_2yWhen it is> k1, it is possible to prevent an unnecessary operation even in an external accident even if the accident is a DC current superimposed accident by determining an internal accident.
[0023]
In order to explain the operation of the protective relay device using the photocurrent sensor of the present invention for each of the accident cases of the external accident and the internal accident with respect to the protection section 9 of the power system, it has been described in the prior art. Similarly to FIG. 2, the system diagram of FIG. 2 is used.
There are two types of external accidents, the accident locations f1 and f3 in the system shown in FIG. 2, and since both are considered to be equivalent, f1 is taken as a representative example of an external accident.
There are three cases of internal accidents: power supply arrangement on either side, f1 side power supply, and f3 side power supply. Since the one-side power source is considered to be the same on the f1 side and the f3 side, the f1 side is taken as a representative example.
In the case of a power supply arrangement on both sides, i₁, I₂ Is
i₁(t) = βi₂(t) 0 <β ≦ 1 (18a)
Suppose that
With single-sided power supply arrangement
i₂(t) = 0 (18b)
And
[0024]
Means for deriving the external accident determination constant k1 will be described below. Here, it is assumed that the maximum fault current of the power system is assumed to be 33 kA, and the relay settling value is 900A. As shown in the equation (14), the fault current is assumed to have a DC component superimposed by 100%, and the time constant τ = 100 ms. The optical fiber sensor to be applied is a lead glass fiber type photocurrent sensor having a wavelength of 1550 nm as in the prior art, and its Verde constant V is 3.93 × 10.^-6Use [rad / A].
[0025]
3 shows R_2x-R_2yIs a diagram for explaining that there is a sufficiently large difference between an internal accident and an external accident. The value of the accident current and the constant of the optical fiber sensor described above are expressed by equations (14), (5a), (6 )
Note that the effective value R of the power supply frequency component is detected by the difference current detection means and the sum current detection means._2x, R_2yAs a means for obtaining the same as the prior art, the following algorithm was used.
Sampling: Electrical angle 30 °
Digital filter: D.E. F._1f= (1-Z^-6) (1 + Z^-1+ Z^-2+ Z^-3)
RMS value calculation: RMS value²= C_n-3 ²-C_n・ C_n-6
FIG. 3 (a) shows an accident current i superimposed with a direct current component expressed by the equation (14)._n(t) indicates the fault current effective value I_nShows a waveform of = 33 kA. 3 (b) to 3 (d) show cases of external accidents, and FIG. 3 (b) shows the differential current effective value R._2x3 (c) shows the sum current effective value R._2y3 (d) shows R_2x-R_2yIs shown. There are four types of fault currents: 33 kA, 24 kA, 15 kA, and 9 kA.
Similarly, FIG. 3 (e) to FIG. 3 (g) show the case where the power supply is arranged on both sides of the internal accident, and FIG._2x3 (f) shows the sum current effective value R._2y3 (g) is R_2x-R_2yThe accident current has the following four types.
I₁= + 16.5 kA, I₂= + 16.5 kA,
I₁= +22 kA, I₂= +11 kA,
I₁= + 27.5kA, I₂= +5.5 kA,
I₁= +30 kA, I₂= + 3kA
3 (h) to 3 (j) show the case of the internal accident one-side power supply arrangement, and FIG._2x3 (i) shows the sum current effective value R._2y3 (j) shows R_2x-R_2yThe accident current is I₁= Four types of 33 kA, 24 kA, 15 kA, and 9 kA are shown.
[0026]
R of external accident case_2x-R_2yFig. 3 (d) showing the R in each case of the internal accident both-side power supply arrangement and the internal accident one-sided power supply arrangement._2x-R_2y3 (g) and FIG. 3 (j) showing R_2x-R_2yFor a certain threshold, the external accident case has a small value and the internal accident case has a large value.
In the case of an external accident, when the accident current is 9 kA to 33 kA and the accident current is 9 kA, R_2x-R_2yTakes the maximum value. On the other hand, in the case of an internal accident, R_2x-R_2yThe minimum value is 0 kA.
Therefore, to determine the external accident determination constant k1, the difference current signal R in the external accident_2xAssuming an accident current that does not exceed the relay set value, R_2x-R_2yYou can ask for.
Here, R when the fault current is 9 kA_2xIs about 400 A, which is a sufficient value that is considered not to cause unnecessary operation with respect to the relay settling value 900 A. Therefore, the accident current assumed to obtain the external accident determination constant k1 is 9 kA. R at an accident current of 9 kA in an external accident case_2x-R_2yThe maximum value is -18 kA from FIG. Therefore, in the case of FIG. 3, the external accident determination constant k1 can be obtained as follows, for example.
k1 = (− 18 kA−0 kA) / 2 = −9 kA
If the external accident determination constant K1 is provided as described above, R_2xEven if R is greater than the settling value k0_2x-R_2yIf it is smaller than k1, it is determined that an external accident has occurred, and unnecessary operation of the relay can be prevented.
[0027]
Next, another embodiment of the protective relay device using the photocurrent sensor of the present invention will be described. As shown in the conventional technique (13a), in an external accident, the output signal from the photocurrent sensor includes a frequency component twice the power supply frequency. It will be described below that it is possible to discriminate between an external accident and an internal accident by using this double frequency component.
[0028]
FIG. 4 is an explanatory view showing another embodiment of the protective relay device using the photocurrent sensor of the present invention. In the following description, in the drawings and formulas referred to in the conventional technique and the embodiment, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
First photocurrent sensor 1, second photocurrent sensor 2, light source 12, optical signal processing circuit 4a, optical fiber transmission means 3a, 3b, 3c, and differential current output S from optical signal processing unit 4a_2xThe differential current detection means 5a for detecting the effective value of the power supply frequency component from the differential current output S from the optical signal processing unit 4a_2xThe frequency doubler detecting means 5c for detecting the effective value of the frequency component twice the power frequency component, the output ratio calculating means 6b for obtaining the output ratio of the differential current detecting means 5a and the double frequency component detecting means 5c, and the differential current detecting means 5a And determination means 7b for determining whether the accident is an external accident or an internal accident with respect to the protection section of the power system from the output of the output ratio calculation means 6b.
[0029]
The installation status of the first photocurrent sensor 1 and the second photocurrent sensor 2 in the protection section 9 of the power system and the configuration of the optical signal processing unit 4a are the same as those in the conventional technology, and the optical signal processing unit From 4a, the differential current output S by the photocurrent sensor_2xGet.
The differential current output S obtained by the optical signal processing unit 4a_2xIs the difference current detection means 5a, S_2xThe effective value Q1 of the same frequency component as the power supply frequency is detected. Further, the double frequency component detection means 5c performs S_2xThe effective value Q2 of the frequency component that is twice the power supply frequency is detected. Q1 and Q2 calculate Q2 / Q1 by the output ratio calculation means 6b. The reason why Q2 / Q1 is calculated by the output ratio calculation means 6b is that there is a large difference in the value Q2 / Q1 when an external accident occurs and when an internal accident occurs.
That is, the relay settling value is set to k0, and an external accident determination constant k2 is newly provided. When Q1> k0 and Q2 / Q1 <k2, the determination unit 7b determines that an internal accident has occurred, so that a direct current component is superimposed. Even if it is an accident current, an unnecessary operation can be prevented even in an external accident.
[0030]
FIG. 5 is a diagram for explaining that Q2 / Q1 has a sufficiently large difference between an internal accident and an external accident. The result by calculation is shown on the same conditions used for the calculation at the time of showing FIG. 3 of a 1st Example.
Further, in order to obtain the effective value Q2 of the frequency component twice the power source frequency by the double frequency component detection means 5c, the following algorithm was used for calculation.
Sampling: Electrical angle 30 °
Digital filter: D.E. F._2f= (1 + Z^-6) (1-Z^-3) (1-Z^-1)
RMS value calculation: RMS value²= C_n ²+ C_n-1 ²+ C_n-2 ²
FIG. 5 (a) shows an accident current i superimposed with a direct current component expressed by the equation (14)._n(t) indicates the fault current effective value I_nShows a waveform of = 33 kA. FIGS. 5B to 5D show cases of external accidents. 5 (b) shows the power supply frequency component signal Q1, FIG. 5 (c) shows the double frequency component signal Q2, and FIG. 5 (d) shows Q2 / Q1, and the fault current is 33 kA, 24 kA, 15 kA, Four types of 9 kA are shown.
Similarly, FIG. 5 (e) to FIG. 5 (g) show the case of power supply arrangement on both sides of the internal accident, FIG. 5 (e) shows the power frequency component signal Q1, FIG. 5 (f) shows the double frequency component signal Q2. FIG. 5G shows Q2 / Q1, and the fault current shows the following four types.
I₁= + 16.5 kA, I₂= + 16.5 kA,
I₁= +22 kA, I₂= +11 kA,
I₁= + 27.5kA, I₂= +5.5 kA,
I₁= +30 kA, I₂= + 3kA
5 (h) to 5 (j) show the case of the internal accident one-side power supply arrangement, FIG. 5 (h) shows the power supply frequency component signal Q1, FIG. 5 (i) shows the double frequency component signal Q2, and FIG. (j) indicates Q2 / Q1, and the accident current is I₂= Four types of 33 kA, 24 kA, 15 kA, and 9 kA are shown.
[0031]
Comparing FIG. 5 (d) showing Q2 / Q1 of the external accident case with FIGS. 5 (g) and 5 (j) showing Q2 / Q1 in each case of the internal accident both-side power supply arrangement and the internal accident one-side power supply arrangement As is apparent, Q2 / Q1 is a large value for an external accident case and a small value for an internal accident case with respect to a certain threshold value except for a short time immediately after the accident. In the external accident case, Q2 / Q1 had a minimum value of 33 kA when the effective value of the accident current was 9 kA to 33 kA, and Q2 / Q1 = 0.22. On the other hand, Q2 / Q1 in each case of the both-side power supply arrangement of the internal accident case and the one-side power supply arrangement shows a larger value as the accident current is larger, and the maximum value is I in the case of the both-side power supply arrangement.₁= + 16.5 kA, I₂The maximum value was taken in the case of = 16.5 kA, and the value was 0.04.
Therefore, the external accident determination constant k2 is set as a threshold value of Q2 / Q1 between the minimum value of Q2 / Q1 in the external accident case and the maximum value of Q2 / Q1 in the internal accident case. Then, for example, it can be obtained as follows.
k2 = (0.22 / 0.04)^1/2× 0.04 = 0.1
If the external accident determination constant K2 is provided as described above, even if Q1 is larger than the set value k0 in the determination means 7b, it is determined that an external accident occurs if Q2 / Q1 is larger than k2, and the unnecessary operation of the relay is performed. Can be prevented.
[0032]
【The invention's effect】
As described above, according to the protective relay device using a photocurrent sensor according to the present invention, even when an accident current with a DC component is detected, an internal accident is detected, and an external accident is regarded as an internal accident. It is possible to detect and discriminate without error and prevent unnecessary operation of the relay.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram illustrating a protective relay device using a photocurrent sensor according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a system diagram illustrating an embodiment of the present invention and explaining a protective relay device using a photocurrent sensor.
FIG. 3 is an example of an output waveform when an accident current is measured according to the embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a configuration diagram illustrating a protective relay device using a photocurrent sensor according to another embodiment of the present invention.
FIG. 5 is an example of an output waveform when an accident current is measured according to another embodiment of the present invention.
FIG. 6 is an explanatory diagram of a protective relay device using a conventional photocurrent sensor.
FIG. 7 is an example of an output waveform when an accident current is measured according to the prior art.
[Explanation of symbols]
1 First photocurrent sensor
2 Second photocurrent sensor
3a, 3b, 3c, 3d Optical fiber transmission line
4a First optical signal processing unit
4b Second optical signal processor
5a Differential current detection means
5b Sum current detection means
5c double frequency component detection means
6 Difference calculation means
6b Output ratio calculation means
7, 7b judging means
9 Protection section of power system
11 Faraday elements
12 Light source
14 Polarizer
15 Analyzer
16 photoelectric converter
17 High-pass filter
18 Low-pass filter
19 Divider

Claims

Two circular integration type photocurrent sensors for individually measuring input / output currents are arranged at both ends of the protection section of the power system, and the incident end of the first photocurrent sensor and the polarizer provided at the incidence end When, with the first analyzer provided at the output terminal of the optical sensor, between the polarizer disposed light source and the input end of the optical current sensor, wherein provided at an output end of the optical current sensor Light polarized between the analyzer and the polarizer provided at the input end of the second photocurrent sensor and from the analyzer provided at the output end of the second photocurrent sensor in the direction of the analyzer, and A fiber transmission line is connected between the two output ends for outputting two polarization components in the orthogonal direction and the optical signal processing unit for processing the respective optical signals, in order to transmit light, and the second Polarized in the direction of polarization of the analyzer provided at the output end of the photocurrent sensor A first optical signal processing unit for processing the polarization components of the differential current detecting means from the output signal to detect the effective value of the power frequency component, wherein the second analyzer provided at the output end of the optical current sensor A second optical signal processing unit for processing light having a polarization component orthogonal to the sum, current detection means for detecting the effective value of the power frequency component of orthogonal polarization from the output signal , the sum current detection means and the difference A photocurrent sensor is used that includes a calculation means for obtaining a difference between outputs of the current detection means, and a determination means for determining whether an accident within the protection section of the power system or an accident outside the section is based on the output of the calculation means. Protective relay device.

Two circular integration type photocurrent sensors for individually measuring input / output currents are arranged at both ends of the protection section of the power system, and the incident end of the first photocurrent sensor and the polarizer provided at the incidence end Between the analyzer provided at the output end of the first photosensor and the polarizer provided at the input end of the light source and the photocurrent sensor, at the output end of the first photocurrent sensor. For processing an optical signal between the provided analyzer and a polarizer provided at an input end of the second photocurrent sensor, and an analyzer provided at an output end of the second photocurrent sensor The optical signal processing unit is connected by a fiber transmission line to transmit light, and the power frequency effective value detecting means for detecting the effective value of the power frequency component from the output signal of the optical signal processing unit, and the light detection effective value twice the frequency components of the power supply frequency from the output signal of the signal processing unit And double frequency detecting means for, calculating means for determining the output ratio of the power supply frequency effective value detecting means and the double frequency detecting means, whether an accident or sections outside the accident in the interval of the output from the guard interval of the operation means A protective relay device using a photocurrent sensor provided with a determining means for determining.