JP4827601B2 - 単独運転検出保護継電装置および単独系統状態検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、電力系統の事故等によって電力供給が停止されたときに局所的な負荷へ電力が供給されている状態（これを単独系統状態または単独運転状態という。）を検出して遮断器を動作させることによって単独系統状態を解消するための単独運転検出保護継電装置に関する。

電力系統事故時は機器保護のため系統の電圧・電流を継電装置に入力し、事故の方向を判定することにより事故箇所の切り離しを行っているが、近年、分散型電源の増加により系統事故時でも、継電装置の動作に至らず単独系統状態が継続するおそれがある。

単独系統状態とは、配電線地絡等の何らかの事故により、遮断器が開放されたとき、分散電源の出力と配電線内の負荷の大きさがほぼ釣り合っている場合に、分散型電源がそのまま運転状態を継続して、配電線が充電されたままとなる状態をいう。

図８、図９を用いて詳述する。図８は、負荷１６ａ、１６ｂが配電系統１９に接続されている状態を示す電力系統図である。ここで、電力系統は、電源１１から供給される電力を送電系統１８を経由し、変圧器１５で通常６．６ｋＶの電圧に降下して配電系統１９に供給する。また、送配電系統１８、１９には、遮断器１２ａ〜１２ｄが設けられ、これらの遮断器は、送配電系統に取り付けられた変流器、変成器などの電気信号入力手段１３ａ〜１３ｄから系統の電圧、電流を監視して所定の条件で動作する保護継電装置１４ａ〜１４ｄからの遮断指令によって、トリップ動作するようになっている。

この系統では、地絡事故に備えて、健全系には影響を与えず事故箇所のみを切り離すため、負荷側方向への過電流を検出して電源から遠い遮断器１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄの順に動作するように各保護継電装置１４ａ〜１４ｄの動作時間が設定されている。

しかしながら、図９のように電力系統の下流に小電源（分散電源）１７ａ、１７ｂが設置されているときにＦ地点で事故が発生したとすると、事故電流は矢印の方向すなわち電力系統の上流に向かって流れる。この場合、保護継電装置１４ｄが動作し遮断器１２ｄは動作するものの、負荷１６ａ、１６ｂ側の事故を前提に整定された保護継電装置１４ａ，１４ｂ，１４ｃは動作しない場合がある。このため、破線で囲んだエリアは、発電所電源１１からは切り離され小電源によって充電されたままとなる。

このような状態が継続すると事故の継続による被害の拡大、作業者の感電事故、別ルートからの逆送電不能による健全区間への送電の遅れ、単独系統内の電圧変動等による品質の悪化、負荷機器の損傷などの事態を引起す。
特開２００５−２０４４６９号公報 特開平５−２８４６４５号公報

本発明は、上述の係る事情に鑑みてなされたものであり、単独系統状態を的確に検出して遮断器を開放することによって単独状態を解消することのできる単独運転検出保護継電装置を提供することを目的とする。

本発明の特徴は、単独系統状態では系統内の負荷と電源の各容量によって周波数に変化が生ずることに着目して、周波数変化の条件と電流の方向の条件とを組み合わせて単独系統状態の発生を検出するようにしたことにある。

この単独系統状態の検出機能は、図１に示すような回路構成で実現することができる。ここで、単独運転検出保護継電装置１は、過周波数継電器（ＯＦ）２２２と不足周波数継電器（ＵＦ）２２１をＯＲ回路２８で接続し、このＯＲ回路２８の出力と電流方向継電器（ＤＯＣ）２１の出力とをＡＮＤ回路２９で接続して、さらに時限協調用タイマリレー（ＴＬ）２４を介して出力タイミングの調整を行って遮断器トリップ信号を出力する。電流方向継電器２１は、電流位相が１８０°±αの範囲の変化を検出したときに出力を出すものである。

少なくとも保護継電装置１４ａ〜１４ｃにこの単独運転検出保護継電装置１の機能を持たせることにより、図９のような事故が発生した場合、直近の保護継電装置１４ｃの遮断器トリップ信号によって、遮断器１２ｃはトリップして、単独系統状態の事故点からの切り離しが行われる。

本発明のもう一つの特徴は、系統から変流器を介して電流信号を取り込んで、平常時における電流位相の模擬基準を所定のアルゴリズムによって定め、この模擬基準と比較することによって電流位相の変化を検出して、電流の方向を判定するようにしたことにある。これにより、電力系統の電流信号のみにより単独系統の検出を行うことができるため、低コストで単独運転検出保護継電装置を実現することができる。

具体的には、本発明に係わる単独運転検出保護継電装置は、電力系統事故等による単独系統状態の発生を検出する保護継電装置であって、電力系統の変流器を介して入力される電流信号を用いて平常時の電流位相の模擬基準を演算し、当該模擬基準に対する所定値以上の位相差を検出したときに位相変化検出信号を出力する電流方向検出手段と、前記電流信号を用いて電流の周波数を演算し、当該周波数が所定値以上変化したときに周波数変化検出信号を出力する周波数監視手段と、前記位相変化検出信号と前記周波数変化検出信号の両信号の出力によって単独系統状態の発生を検出する単独系統判定手段と、を備えたことを特徴とする。

この単独系統状態の発生の検出によって、遮断器の開放信号を出力することによって、単独系統状態を解消することができる。

前記模擬基準としては、電流信号の各周期における特徴点の時間間隔を用いるようにした。模擬基準データとして、電流信号の特徴点の時間間隔を保存しておいて保存しておき、その模擬基準データと時々刻々入力する電流信号のサンプリングデータを用いて演算した比較データとを用いて位相ずれおよび周波数の変化を検出することによって電圧信号を用いず電流信号のみによって単独系統の発生を検出することができる。

好ましくは、前記特徴点は、各周期において極大値または極小値となるサンプリング位置に基づいて定めるようにすると良い。

この特徴点は、電流信号の各周期においてサンプリングデータの絶対値が最小となるサンプリング位置であって、当該サンプリングデータの前後のいずれかのデータによって変化方向を検出し、増加方向または減少方向のいずれかの前記サンプリング位置に基づいて定めるようにしても良い。

また、本発明に係わる単独運転検出保護継電装置では、さらに、前記電流方向検出手段は、電流信号の特徴点の時間間隔を計測した後、当該時間間隔を前記特徴点の前後のサンプリングデータの値によって補正し、さらにこの補正された時間間隔の差が所定値未満ならば当該時間間隔のゆらぎに応じて微調整することによって模擬基準を演算し、当該模擬基準と前記補正された時間間隔の差が所定値以上ならば位相変化検出信号を出力することを特徴とする。

本発明によれば、模擬基準データを微調整しながら精度の高い基準値として構築し、所定値を超える大きな位相変化については的確に検出することができる。

本発明に係わる単独系統状態検出方法は、電力系統事故等による単独系統状態の発生を検出する単独系統状態検出方法であって、電力系統の変流器を介して入力される電流信号を用いて平常時の電流位相の模擬基準を演算し、当該模擬基準に対する所定値以上の位相差を検出した後に、前記電流の周波数が所定値以上変化したときに単独系統状態の発生を検知することを特徴とする。

本発明では、まず模擬基準に対して位相ずれを検出した後に、周波数または周期の変化を検出することによって単独系統状態の発生を検知する。

以上の如く本発明によれば、単独系統状態を的確に検出して遮断器を動作させることができる。また、電圧信号を入力することなく電流信号のみによって、電流位相や周波数の変化を検出することができるので、変成器などの設備が不要となり、単独系統状態回避のための設備コストの削減を図ることができる。

以下、本発明の実施の形態を説明する。図２は、本実施の形態による単独運転検出保護継電装置のブロック図である。ここで、単独運転検出保護継電装置１は、電力系統の電流信号を入力する入力回路３０、入力した電流信号をもとに電流の方向の変化や周波数の変化を監視するデータ処理部２０、データを記憶する記憶部４０で構成されている。また、入力回路３０は、信号をフィルタリングするフィルタ回路３１、信号を一定時間保持するサンプルホールド回路３２、アナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路３３を備え、データ処理部２０は、サンプリング信号を生成して入力回路３０に供給するサンプリング信号発生手段２６、Ａ／Ｄ変換処理された電流信号を記憶部４０へ保存する電流信号入力処理手段２７、電流の方向を検出する電流方向検出手段２１、周波数の変化を検出する周波数監視手段２２、電流方向検出手段２１と周波数監視手段２２の出力をもとに単独系統の発生の有無を判定する単独系統判定手段２３、および系統に接続される複数の継電装置の動作を協調させるためのタイマである時限協調用タイマリレー２４、および、遮断器のトリップ信号を生成するトリップ信号出力処理手段２５を備えている。ここで、データ処理部２０に属する各手段はＣＰＵの機能としてソフトウェアによって実現可能なものであるが、勿論これら各手段の一部または全部をハードウェアによって実現するようにしても良い。

上記の構成を有する単独運転検出保護継電装置１は、図３に示すように系統に設置された変流器１３から電流信号を取り込んで単独運転検出保護継電装置１によって単独系統状態の発声の有無を判定して、単独系統状態が発生していると判定した場合は遮断器１２をトリップして、また、必要により電源群を系統へ接続するための開閉器をオフして電源群の切り離しを行う。

以下、単独運転検出保護継電装置１の動作を説明する。
平常時は、単独運転検出保護継電装置１は、送配電線に取り付けられた変流器１３を介して電流信号を取り込む。その電流信号は、電流入力手段のフィルタ回路３１、サンプルホールド回路３２、Ａ／Ｄ変換回路３３を通して、デジタル信号に変換され、データ処理部２０の電流信号入力処理手段２７によって、記憶部４０の電流データファイル４１に保存される。なお、Ａ／Ｄ変換回路３３の前段にマルチプレクサを設けて、複数の電流データを時分割でスキャンして入力するようにしても良い。

入力回路３０と電流信号入力処理手段２７は、サンプリング信号発生手段２６から出力されるサンプリング信号に同期して動作する。また、電流データファイル４１は、サンプリング周期ごとに入力された電流値が系統上の電流にスケール変換されて保存される。なお、サンプリング周期は、サンプリングの間隔であるが、例えば、系統周波数に対して３０°ごとにサンプリングを実行する。電流データファイルには、このサンプリングの識別番号あるいは時刻を付して電流データを保存するようにする。また、電流信号入力処理手段２７は、サンプリングされた電流データのうち、特徴点として極大値となる電流データについてはフラグをセットする。

電流方向検出手段２１は、一定の周期、たとえば、サンプリング周期ごとに起動されると図４に示す処理手順を実行する。まず、電流データファイル中の新たな特徴点の有無をサーチして（Ｓ１０１）、新たな特徴点が検出された場合は（Ｓ１０２）、次に初回検出が否かを判定して（Ｓ１０３）、初回検出でない場合は、比較データファイル４３を作成する（Ｓ１０４）。比較データファイル４３は、図５に示すように、特徴点の時刻、前回特徴点から今回特徴点までの時間（周期）、この間の振幅、および、この間の各サンプリング値において不連続箇所が存在するか否かのフラグ（不連続フラグ）が設けられている。ここで、特徴点は、電流のサンプリングデータに基づく電流波形上の特徴点であり、たとえば、電流波形における極大値、極小値、あるいは、最も零に近い点（ゼロ点）でも良い。なお、ゼロ点の場合は、その前後のサンプリングデータに基づいて、上昇方向か、下降方向かの区別を行い、たとえば上昇方向のゼロ点を特徴点とする。

不連続フラグは、隣り合う各サンプリングデータ間の差分を計算して、所定値と比較して予測した値を大きく超える場合は、不連続箇所ありとして、不連続フラグをセットするようにする。例えば、サイン波形として予測した値と比較して予め定めた率ないし値を超えた場合は不連続フラグをセットするようにする。なお、過去のサイクルとの平均をとったり、不連続検出以降のサンプリング値も加味して判定するなど、ノイズ等による異常値処理を施すようにしても良い。

一方、ステップＳ１０２で「ＮＯ」の場合、またはステップＳ１０３で「ＹＥＳ」の場合は、そのまま終了して次の起動周期を待つ。

ステップＳ１０４で、比較データファイルを作成した後は、模擬基準データファイル４２を参照して、模擬基準データの有無を判定し（Ｓ１０５）、模擬基準データが存在しなければ、比較データを模擬基準データとして模擬基準データファイル４２に書き込む（Ｓ１０６）。なお、模擬基準データとは、図６に示すように、電流信号の特徴点を検出した時刻（サンプリング番号でも良い）、周期すなわち特徴点間の時間、振幅等のデータをいう。

模擬基準データが存在する場合は（Ｓ１０５で「ＹＥＳ」）、その特徴点時刻を抽出して（Ｓ１０７）。比較値との差を演算する（Ｓ１０８）。次に、この差を模擬基準データファイル中の周期と比較して（Ｓ１０９）、所定の範囲内か否かを判定する（Ｓ１１０）。そして、所定の範囲内ならば（Ｓ１１０で「ＹＥＳ」）、模擬基準データファイル４２の特徴点時刻を更新する。このとき、比較データファイルの特徴点時刻をそのまま模擬データファイルの特徴点時刻として置き換えても良いし、そのまま置き換えるのではなく比較データファイルの特徴点時刻を周期時間に基づいて微調整して更新するようにしても良い。

また、模擬データファイル中の周期時間を更新する（Ｓ１１２）。この更新についても微調整を施して更新するようにすると良い。たとえば、模擬データファイル４２の周期時間と比較データファイル４３の周期時間を比較して比較データファイル４３の周期時間の方が長ければ模擬データファイル４２に微調整のための所定時間を加算した値を保存し、比較データファイル４３の周期時間の方が短い場合は、逆に所定時間を減算した値を保存するなどである。

このようにして、常に模擬基準データを最新データに更新しつつ、次の周期の比較データと比較するようにしていく。

一方、ステップＳ１１０で「ＮＯ」のとき、すなわち、特徴点から特徴点までの時間が周期と比較して大きくずれていた場合は、比較データファイル中に不連続フラグがセットされているか否かを判定して（Ｓ１１３）、セットされている場合は、判定テーブル４４中の位相はずれフラグをセットする（Ｓ１１４）。判定テーブル４４の位相はずれフラグがセットされていない場合は（Ｓ１１３で「ＮＯ」）、判定テーブル４４中の周期変動フラグをセットする（Ｓ１１５）。図７は、判定テーブル４４のデータ構成例である。位相はずれフラグ、周期変動フラグが保存されている。なお、この他、振幅変動フラグを設けて、振幅の変動が所定値以上になったときに、このフラグをセットするようにしても良い。

以上のように、位相の変化と周波数の変化を検出する。周波数の変化は、周期が遅くなったか、早くなったかをさらに判定することによって、不足周波数か過周波数かを区別することができる。

なお、模擬基準は、上記に限らず、たとえば、電流値の上昇方向における電流値が０になる時刻をサンプリングデータより演算し、その直前のサンプリングパルスを基準パルスとして、以降、１２サンプリング周期（３０°サンプリングの場合の周期）ごとにその基準パルスとして、その基準パルスから電流の零点までの時刻を演算するようにしても良い。

次に、単独系統判定手段２３は、電流方向検出手段の終了後に起動され、まず判定テーブル４４を参照して、位相はずれフラグがセットされている場合は、上流系統での事故が発生したとして、位相はずれ状態であることを記憶して、模擬基準データの特徴点時刻を更新する。

さらに、位相はずれ検出後において、周期変動フラグのセットがあった場合は、単独系統状態を検出したとして、時限協調用タイマ２４で設定された時間後に、トリップ信号出力処理手段２５を介して、遮断器へトリップ指令を出力する。

このように、まず電流位相の変化を検出した後に、周波数の変動を検出することによって、単独系統の発生を的確に捉えて遮断器をトリップさせることによって、単独運転状態を解消することができる。

以上、本実施の形態によれば、電流信号の特徴点に基づいて模擬基準を定めて、この模擬基準からの位相ずれと周波数の変化を的確に捉えて単独運転状態の発生を検出することができる。特に、系統事故直後の周波数が増加あるいは減少の過渡状態にあるときでも、本実施の形態によれば、瞬時に捉えることができる。

なお、上記は電流方向の検出を電流信号のみで行うようにしたが、電圧信号を入力し、その電圧の位相を基準にして電流の方向（電流位相の変化）を検出するようにしても単独運転検出保護継電装置を実現できることは言うまでもない。

本発明による単独運転検出保護継電装置の概略ブロック図である。 本発明の実施の形態による単独運転検出保護継電装置のブロック図である。 本発明の実施の形態による単独運転検出保護継電装置の系統への接続状態を示す図である。 図２のデータ処理部２０の電流方向検出手段２１の処理手順を中心としたフローチャートである。 図２の比較データファイル４３のデータ構成図である。 図２の模擬基準データファイル４２のデータ構成図である。 図２の判定テーブルのデータ構成図４４である。 従来の電力系統における負荷、保護継電装置の接続状態の説明図である。 図８に分散電源が接続されたときの状態を示す図である。

符号の説明

１ 単独運転検出保護継電装置
１１ 電源
１２、１２ａ〜１２ｄ 遮断器
１３、１３ａ〜１３ｄ 電気信号入力手段
１４、１４ａ〜１４ｄ 保護継電装置
１５ 変圧器
１６ａ、１６ｂ 負荷
１７ａ、１７ｂ 小電源
１８ 送電系統
１９ 配電系統
２０ データ処理部
２１ 電流方向検出手段（ＤＯＣ要素）
２２ 周波数監視手段
２３ 単独系統判定手段
２４ 時限協調用タイマ
２５ トリップ信号出力処理手段
２６ サンプリング信号発生手段
２７ 電流信号入力処理手段
２８ ＯＲ回路
２９ ＡＮＤ回路
３０ 入力回路
３１ フィルタ回路
３２ サンプルホールド回路
３３ Ａ／Ｄ変換回路
４０ 記憶部（電流値保存手段）
４１ 電流データファイル
４２ 模擬基準データファイル
４３ 比較データファイル
４４ 判定テーブル
２１１ 模擬基準作成機能
２１２ 位相変化検出機能
２１３ 変化量予測機能
２２１ 不足周波数検出機能
２２２ 過周波数検出機能

Claims (6)

1. 電力系統事故等による単独系統状態の発生を検出する保護継電装置であって、
   電力系統の変流器を介して入力される電流信号を用いて平常時の電流信号の周期を含む模擬基準データを保存し、その後、時々刻々入力する電流信号のサンプリングデータを用いて隣り合う各サンプリングデータの差分に基づいて不連続フラグをセットする一方、電流信号の周期を含む比較データを演算し、前記比較データにおける周期と、前記模擬基準データにおける周期の差を演算し、当該周期の差が所定値よりも大きい場合であって、かつ前記不連続フラグがセットされている場合は、位相はずれフラグをセットする電流方向検出手段と、
   該周期の差が所定値よりも大きい場合であって、かつ前記不連続フラグがセットされていない場合は、周期変動フラグをセットする周波数監視手段と、
   前記位相はずれフラグのセット後に前記周期変動フラグがセットされたことを検出することにより、単独系統状態の発生を検出する単独系統判定手段と、
   を備えたことを特徴とする単独運転検出保護継電装置。
2. 前記模擬基準データおよび前記比較データに含まれる周期として、電流信号の各周期における特徴点の時間間隔を用いることを特徴とする請求項１記載の単独運転検出保護継電装置。
3. 前記特徴点は、各周期において極大値または極小値となるサンプリング位置に基づいて定めることを特徴とする請求項２に記載の単独運転検出保護継電装置。
4. 前記特徴点は、電流信号の各周期においてサンプリングデータの絶対値が最小となるサンプリング位置であって、当該サンプリングデータの前後のいずれかのデータによって変化方向を検出し、増加方向または減少方向のいずれかの前記サンプリング位置に基づいて定めることを特徴とする請求項２に記載の単独運転検出保護継電装置。
5. 単独系統状態の発生を検出することによって、遮断器の開放信号を出力する手段を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一に記載の単独運転検出保護継電装置。
6. 電力系統事故等による単独系統状態の発生を検出する単独系統状態検出方法であって、
   電力系統の変流器を介して入力される電流信号を用いて平常時の電流位相の模擬基準を演算し、当該模擬基準に対する所定値以上の位相差を検出した後に、前記電流の周波数が所定値以上変化したときに単独系統状態の発生を検出することを特徴とする単独系統状態検出方法。

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