JP4666367B2

JP4666367B2 - 電力用開閉制御装置

Info

Publication number: JP4666367B2
Application number: JP2005315546A
Authority: JP
Inventors: 克彦堀之内
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2005-10-31
Filing date: 2005-10-31
Publication date: 2011-04-06
Anticipated expiration: 2025-10-31
Also published as: JP2007123132A

Description

この発明は、電力用開閉制御装置、特に、位相制御により電力用遮断器の開閉動作を制御する制御装置に関するものである。

遮断器の閉極時に電力系統に発生する電圧の動揺や過渡的な過電圧を抑制したり、開極時に点弧している時間を調整し、アークによる接点消耗の抑制など遮断器の寿命を延ばしたり、再点弧による系統の動揺や過電圧、過電流を抑制したりする目的で、遮断器の開閉極位相制御が行われる（例えば、特許文献１および特許文献２参照）。
開閉極位相制御は系統の電流や電圧の波形を取得し、その波形情報から位相制御コントローラによって開閉のタイミングを求め、上位からの開閉指令が到来したときに、求められたタイミングにおいて開閉信号を位相制御コントローラが出力し遮断器が開閉動作を行うものである。特に開極時においては系統から電流波形を電流計測用変成器（以下、ＣＴという）を用いて取得し、その電流波形の零点時刻をもとに開極のタイミングを求める。
遮断器の極間が開いても電流は零点でなければ遮断されないため、開極位相制御においては遮断したい系統電流の零点時刻を基準にして、開極のタイミングを決定する。すなわち、ＣＴの１次側の電流波形の将来の零点時刻を予測し、その零点時刻に対し遮断器の実際の開極動作にかかる時間を考慮して開極のタイミングを決定することとなる。
ところで、系統の電流波形は交流の正弦波形をしており、通常状態ではＣＴは飽和していないため、１次側の電流波形に対し２次側波形は振幅値のみが異なる相似形をしている。
従って、通常状態の開極により通電電流（負荷電流）を遮断する場合には、正弦波形であることを想定し、２次側の電流波形が零値をクロスする電流零点時刻を求め、複数の電流零点時刻の間隔から次の電流零点時刻を予測することで開極のタイミングを求めることができる。

特許２８９２７１７号公報特開２００４−３４０９５２号公報

短絡事故発生時などの事故電流は健全時の通常の通電電流値に比べて非常に大きいため、一般のＣＴは内部の磁性体のために飽和を起してしまい２次側電流波形はパルス状の波形となる。この発明による実施の形態における比較情報としての図３に典型的な２次側飽和電流波形が示されているが、事故発生以後のこのような波形はすでに１次側と相似の正弦波形とは言えない。特に、２次側電流波形の零点は１次側の電流波形の零点とは時刻が異なっており、２次側電流波形の零点時刻をそのまま用いることはできない。
従って、従来のようなコントローラにあっては、飽和を起さない特殊なＣＴを用いるなどが必要であり、開極タイミングを求めるのは困難であった。
さらに、事故の発生により電流の位相は変化するため事故発生前における電流零点時刻の情報から事故時の零点時刻を予測することは困難である。従って、事故時の電流の零点時刻は事故発生時点からの電流波形をもとに予測することが必要となる。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、電流計測用変成器の２次側飽和波形から開極タイミングを求めることにより、事故時に飽和しない特殊な電流計測用変成器を用いることなく、一般の電流計測用変成器を使用して事故時でも位相制御遮断を可能とする、安価で高精度の電力用開閉制御装置を得ようとするものである。

この発明に係る電力用開閉制御装置では、電力系統線路から電流計測用変成器によって電流を取得し、その電流波形から電力系統線路に接続された開閉装置の開極タイミングを決定する電力用開閉制御装置において、前記電流計測用変成器の飽和によって正弦波形から歪んだ２次側電流波形を波形推定処理して１次側電流波形を推定し、１次側電流波形の零点を求めて、前記開閉装置の開極タイミングを決定するものである。

この発明によれば、電流計測用変成器の２次側飽和波形から開極タイミングを求めることにより、事故時に飽和しない特殊な電流計測用変成器を用いることなく、一般の電流計測用変成器を使用して事故時でも位相制御遮断を可能とする、安価で高精度の電力用開閉制御装置を得ることができる。

実施の形態１．
この発明による実施の形態１を図１から図５までについて説明する。図１は実施の形態１における回路構成を示すブロック図である。図２は実施の形態１における動作を示すフローチャートである。図３は一般的なＣＴにおける２次側飽和電流波形を示す曲線図である。図４は実施の形態１におけるＣＴの２次側飽和電流波形を示す曲線図である。図５は実施の形態１における１次側電流波形と零点検出部で得られた零点時刻を示す曲線図である。

この発明による実施の形態１における遮断器の位相制御コントローラの回路を示す図１において、位相制御コントローラ１は一般に入手可能なマイクロコンピュータやデジタルシグナルプロセッサなどを用いて作られており、アナログデジタル変換回路（ＡＤＣ）やマイクロプロセッサ（ＭＰＵ）を備えている。位相制御コントローラ１は電力系統を構成する系統線路２に設けられたＣＴ：３によって電力系統から電流値を取得し、取得された電流値は位相制御コントローラ１に入力される。位相制御コントローラ１は上位機器（図示せず）からの上位開極指令を受け、系統線路２に接続された電力用遮断器４に対して開極信号を出力する。

この発明による実施の形態１における位相制御コントローラ１の内部において遮断器の開極タイミングを決定する動作を示す図２において、この発明における位相制御コントローラ１では、図３に示したようなＣＴの２次側飽和波形を一定時間間隔で取得して、この波形から１次側電流波形の零点を求め、１次側の波形を推定し、将来の１次側電流波形の零点時刻を予測して、遮断器の開極動作時間を考慮し開極タイミングを決定するものである。ここで、開極動作時間とは遮断器が開極動作を開始して十分電流遮断が可能になるまでの間の時間を呼ぶこととする。

まず、ステップＳ１１における電流波形データ入力動作では、電力系統線路２から電流波形をＣＴ：３を用いて取得する。電力系統線路２に接続された遮断器４が３相個別駆動の遮断器であれば、各相の開極タイミングを個別に求めることとなる。電流波形を取得する相は少なくとも１相は必要である。ただし、電力系統の事故時においてはどの相が事故を起しているかがわからないため２相以上取得する場合もある。

次に、ステップＳ１１における電流波形データ入力動作で得られたＣＴ：３の２次側電流波形から、ステップＳ１２の事故発生検知動作において、事故発生検知部によって瞬時値や、または、波形の傾斜から事故の発生を検知し、事故電流開極モードに移行する。

あるいは、事故の発生は別の事故発生検知装置を用いて、そこから送られてくる信号に従い事故状態であることを判断するようにしてもよい。
また、ステップＳ１１における電流波形データ入力動作で、ＣＴ：３の２次側電流を計測レンジの異なる２つの分流器または小型ＣＴを用いて行い、一方のレンジで電流波形検出を行うとともに、他方のレンジで事故検出を行うようにしてもよい。

事故電流開極モードでは、ステップＳ１３の零点検出動作において、零点検出部によって図４に示す所定の区間Ｓごとに１次側電流波形の零点を求める。
図４に示すように一定時間間隔で取得した２次側電流波形データが、予め決められた電流値を超えてかつその傾斜が電流値と同符号で予め決められた参照傾斜以上となった時刻を検出する。その時刻を１次側電流波形の零点時刻とする。２次側電流波形データが零値をクロスした時点で区間Ｓの終了とし、次の区間内での１次側電流波形の零点時刻検出に移る。

ここで、予め決められた電流値は、コントローラ回路や系統のもつホワイトノイズレベルなどを選んでもよい。遮断器には定格の遮断電流値というのが決まっているので、その波形から参照傾斜は予め実験などで求めておくことが可能である。
また、２次側電流波形データは複数のデータの平均などの平滑化操作や補間操作により得られた値から瞬時値や傾斜を求めても良い。
さらに、得られた１次側電流波形の零点時刻の精度を高めるため、傾斜値を用いて補正を行ってもよい。

次に、ステップＳ１４の波形推定動作において、波形推定部によって１次側電流波形の位相と直流分を求める。事故時においても多くの場合は１次側電流波形を正弦波形に近似でき、また、系統の周波数は発電機によって決められており、周波数が変動することは少ないので周波数は通常時の周波数と同じとしてよい。

図５に１次側電流波形とステップＳ１３の零点検出動作において零点検出部によって得られた零点時刻を位相角θ_１およびθ_２で表す。
電流波形ｙは次の式で表すことができる。
ｙ＝Ａｓｉｎ（ωｔ＋θ）＋ｋＡ ……… （１）
ここで、ｋは振幅Ａに対する直流分の比率を示す。次の零点予測動作では零点予測部で次の零点の時刻が推定できればよいので振幅Ａの絶対値および直流分の絶対値は不要であり、直流分は振幅に対する比率がわかるだけでよい。ωは角周波数であり前述のように固定された系統の周波数である。従って、ωと零点時刻ｔ_１およびｔ_２を用いてθ_１およびθ_２は次のように表される。
θ_１＝ωｔ_１，θ_２＝ωｔ_２

さて、図５に示すように最新の零点時刻を得られた時刻ｔ_１を基準時刻とし、ｔ_１＝０とする。
すると、ｔ_１＝０のときにｙ＝０であるので、（１）式より直流分の振幅Ａに対する比率ｋは
ｋ＝−ｓｉｎθ ……… （２）
として求めることができる。

次に、図５から波形の対称分の中心、すなわちｙ＝ｋＡになる時刻の位相角は−θである。この時刻と波形のピークを与える時刻の位相角との差は（ｎ＝０，１）なので、次の式が成り立つ。

従って、位相θは

というように求めることができる。

ステップＳ１４の波形推定動作において波形推定部によって位相と直流分が得られ（１）式の波形が推定できたので、次に、ステップＳ１５の零点予測動作において零点予測部によって零点を予測し開極タイミングを決定して開極信号を出力する。

上記のように（１）式を最新の電流零点時刻を基準とした時刻ｔで表した式とする。現在時刻ｔから予め知られている開極動作時間ｔ_０先の（１）式の値ｙを求める。現在時刻が推移し、今まさにｙ＝０であったとすると、現在から開極動作時間後に零点が到来するということを示しているので、現在時刻を開極開始時刻として開極のタイミングであると判定する。このとき上位機器から開極指令を受けていれば開極信号を出力する。
すなわち、ステップＳ１６において、開極開始時刻であるかどうかを判別し、開極開始時刻であれば、ステップＳ１７に移行する。ステップＳ１７において、上位機器からの開極指令があるかどうかを判別し、上位機器からの開極指令があれば、ステップＳ１８に移行して、開極信号を遮断器４に対し出力する。

一方、事故電流開極モード以外のモードを通電電流開極モードと呼ぶとすれば、通電電流開極モードにおいてはＣＴ：３の２次側電流波形は１次側電流波形と相似であると言えるので零点検出部ではまさに２次側電流波形データの零クロス点を与える時刻をそのまま１次側電流波形の零クロス点を与える時刻としてもよい。また、零クロス点やピーク点の値および時刻から振幅と位相を求めることが可能であるので、それらから波形を推定し開極タイミングを決定してもよい。

以上のような手法を用いれば、通常のＣＴを用いることで事故電流を精度良く位相制御により遮断することができ、遮断器の接点消耗を抑制したりなど遮断器の寿命延長に役立つだけでなく、電流零点で確実に遮断することが可能となり、遮断性能の向上のみならず、再点弧による系統の動揺や過電圧・過電流を抑制することができるようになる。

この発明による実施の形態１によれば、次の（１１）項から（１４）項までにそれぞれ示す構成を具備し、（１１）項から（１４）項までに記載の効果を奏するものである。

（１１）この発明による実施の形態１によれば、電力系統線路２から電流計測用変成器３によって電流を取得し、その電流波形から電力系統線路２に接続された遮断器４からなる開閉装置の開極タイミングを決定する位相制御コントローラ１で構成される電力用開閉制御装置において、前記電流計測用変成器３の飽和した２次側電流波形を波形推定処理して１次側電流波形を推定し前記遮断器４からなる開閉装置の開極タイミングを決定するようにしたので、電流計測用変成器の飽和した２次側電流波形を波形推定処理して電流計測用変成器の２次側飽和波形から開極タイミングを求めることにより、事故時に飽和しない特殊な電流計測用変成器を用いることなく、一般の電流計測用変成器を使用して事故時でも位相制御遮断を可能とする、安価で高精度の電力用開閉制御装置を得ることができる。

（１２）この発明による実施の形態１によれば、前記（１１）項における構成において、前記電流計測用変成器３の飽和した２次側電流波形から１次側電流波形の零点を求めるようにしたので、電流計測用変成器の飽和した２次側電流波形を波形推定処理し２次側電流波形から１次側電流波形の零点を求めて電流計測用変成器の２次側飽和波形から開極タイミングを求めることにより、事故時に飽和しない特殊な電流計測用変成器を用いることなく、一般の電流計測用変成器を使用して事故時でも位相制御遮断を可能とする、安価で高精度の電力用開閉制御装置を得ることができる。

（１３）この発明による実施の形態１によれば、前記（１１）項における構成において、前記電流計測用変成器３の飽和した２次側電流波形の瞬時値と傾きから１次側電流波形の零点を求めるようにしたので、電流計測用変成器の飽和した２次側電流波形を波形推定処理し２次側電流波形の瞬時値と傾きから１次側電流波形の零点を求めて電流計測用変成器の２次側飽和波形から開極タイミングを求めることにより、事故時に飽和しない特殊な電流計測用変成器を用いることなく、一般の電流計測用変成器を使用して事故時でも位相制御遮断を可能とする、安価で高精度の電力用開閉制御装置を得ることができる。

（１４）この発明による実施の形態１によれば、前記（１２）項または前記（１３）項における構成において、前記電流計測用変成器３の飽和した２次側電流波形から求めた１次側電流波形の２つ以上の零点の時刻から１次側の波形を復元するようにしたので、電流計測用変成器の飽和した２次側電流波形を波形推定処理し２次側電流波形から求めた１次側電流波形の２つ以上の零点の時刻から１次側の波形を復元して電流計測用変成器の２次側飽和波形から開極タイミングを求めることにより、事故時に飽和しない特殊な電流計測用変成器を用いることなく、一般の電流計測用変成器を使用して事故時でも位相制御遮断を可能とする、安価で高精度の電力用開閉制御装置を得ることができるとともに、電流に直流分が含まれていても正確に制御することができる。

実施の形態２．
この発明による実施の形態２を図６および図７について説明する。図６は実施の形態２における遮断器の開極タイミングを決定する動作を示すフローチャートである。図７は実施の形態２における遮断器の開極タイミングの位置を説明する特性曲線図である。
この実施の形態２において、ここで説明する特有の構成以外の構成については、先に説明した実施の形態１における構成と同一の構成内容を具備し、同様の作用を奏するものである。図中、同一符号は同一または相当部分を示す。

実施の形態１は遮断器の寿命を延ばすということにも有効であるような最適な開極タイミングを決定する手法であるが、例えば再点弧防止のみを目的とする場合などでは、電流零点時刻に至ったときに遮断可能な開極距離に開いていればよいという場合もある。前述したように遮断器は開極時に極間が開いてもアークによって電気的につながっており、例えば、開極動作時間が１／４サイクル以下である場合には、前の電流零点とピーク値の間の時刻に開極を開始するということで、電流零点で確実に遮断するという要求は満たされる。

図６に示す、この発明の実施の形態２による遮断器の位相制御コントローラの開極タイミング決定手段では、ステップＳ２１における電流波形データ入力動作の後、ステップＳ２２の事故発生検知動作において事故発生検知部で実施の形態１で示した手法と同様に事故電流開極モードに移行した後、ステップＳ２３のピーク値検出動作においてピーク値検出部で２次側電流波形のピーク値を与える時刻を求める。ピークの検出は波形の微分値が零である点をとるか、単純に最大の点であるかどうかを調べればよい。また、波形に含まれているノイズによる誤判断を防ぐには、移動平均操作をとるなどして平滑化を行ってもよいし、ピークと想定される値からあるレベル以下に下がったときに逆にその想定された時刻をピーク時刻とすることでもよい。

次に、ステップＳ２４における開極タイミング決定動作では、開極タイミング決定部でこのピーク値を検出した時、またはそのｎ／２（ｎ＝１，２，３，………）サイクル後に開極を開始するような時刻に開極タイミングを決定する。
図７で明らかなように２次側のピーク値は、１次側電流波形の前の零点時刻からピーク値までのどこかの位置にあるため、これにより次の電流零点で遮断することができる。
複数のピーク時刻の間隔から次のピーク時刻を予測するようにしてもよい。

ステップＳ２５からステップＳ２７までの処理によって、開極開始時刻のときに上位から開極指令を受けていれば開極信号を出力する。

以上のような手法を用いれば、通常のＣＴを用いて事故電流を位相制御により遮断することができ、電流零点で確実に遮断することが可能となり、遮断性能の向上のみならず、再点弧による系統の動揺や過電圧・過電流を抑制することができるようになる。

この発明による実施の形態２によれば、次の（２１）項に示す構成を具備し、（２１）項に記載の効果を奏するものである。

（２１）この発明による実施の形態２によれば、実施の形態１における構成において、前記電流計測用変成器３の飽和した２次側電流波形のピーク値の時刻から遮断器４からなる開閉装置の開極タイミングを決定するようにしたので、電流計測用変成器の飽和した２次側電流波形のピーク値の時刻から開閉装置の開極タイミングを決定することにより、事故時に飽和しない特殊な電流計測用変成器を用いることなく、一般の電流計測用変成器を使用して事故時でも位相制御遮断を可能とする、安価で高精度の電力用開閉制御装置を得ることができる。

実施の形態３．
この発明による実施の形態３を図８について説明する。図８は実施の形態３における遮断器の開極タイミングを決定する動作を示すフローチャートである。
この実施の形態３において、ここで説明する特有の構成以外の構成については、先に説明した実施の形態１における構成と同一の構成内容を具備し、同様の作用を奏するものである。図中、同一符号は同一または相当部分を示す。

図８に示す、この発明の実施の形態３による遮断器の位相制御コントローラの開極タイミング決定手段では、ステップＳ１４Ａにおける波形推定動作において、波形推定部によりＣＴ２次側電流波形データから高速フーリエ変換によって位相や周波数および直流分を求めて波形を推定する。ステップＳ１１からステップＳ１８までの他の部分については実施の形態１と同様な処理を行う。

この処理手法を用いれば、事故時に飽和しない特殊な電流計測用変成器を用いることなく、一般の電流計測用変成器を使用して事故時でも位相制御遮断を可能とする際に、より精度良い位相制御が可能になる。

この発明による実施の形態３によれば、次の（３１）項に示す構成を具備し、（３１）項に記載の効果を奏するものである。

（３１）この発明による実施の形態３によれば、実施の形態１における構成において、波形推定処理にあたり波形推定部によりＣＴ２次側電流波形データから高速フーリエ変換によって位相や周波数および直流分を求めて波形を推定するようにしたので、事故時に飽和しない特殊な電流計測用変成器を用いることなく、一般の電流計測用変成器を使用して事故時でも位相制御遮断を可能とする、安価で一層高精度の電力用開閉制御装置を得ることができる。

この発明による実施の形態１における回路構成を示すブロック図である。この発明による実施の形態１における遮断器の開極タイミングを決定する動作を示すフローチャートである。典型的なＣＴの２次側飽和電流波形を示す特性曲線図である。この発明による実施の形態１において遮断器コントローラにおける１次側電流波形の零点時刻の求め方を説明する特性曲線図である。この発明による実施の形態１において遮断器コントローラにおける位相と直流分の求め方を説明する特性曲線図である。この発明による実施の形態２における遮断器の開極タイミングを決定する動作を示すフローチャートである。この発明による実施の形態２における遮断器の開極タイミングの位置を説明する特性曲線図である。この発明による実施の形態３における遮断器の開極タイミングを決定する動作を示すフローチャートである。

符号の説明

１位相制御コントローラ、２電力系統線路、３ＣＴ、４遮断器。

Claims

電力系統線路から電流計測用変成器によって電流を取得し、その電流波形から電力系統線路に接続された開閉装置の開極タイミングを決定する電力用開閉制御装置において、前記電流計測用変成器の飽和によって正弦波形から歪んだ２次側電流波形を波形推定処理して１次側電流波形を推定し、１次側電流波形の零点を求めて、前記開閉装置の開極タイミングを決定することを特徴とする電力用開閉制御装置。
前記電流計測用変成器の飽和によって正弦波形から歪んだ２次側電流波形の瞬時値と傾きから１次側電流波形の零点を求めることを特徴とする請求項１に記載の電力用開閉制御装置。
前記電流計測用変成器の飽和によって正弦波形から歪んだ２次側電流波形から求めた１次側電流波形の２つ以上の零点の時刻から１次側電流波形を復元することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電力用開閉制御装置。
前記電流計測用変成器の飽和によって正弦波形から歪んだ２次側電流波形のピーク値の時刻から前記開閉装置の開極タイミングを決定することを特徴とする請求項１に記載の電力用開閉制御装置。