JP4865436B2 - 地絡点標定方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は配電線路の地絡標定方法および装置に関する。

地絡事故が発生した時に、事故区間を早期に切り離す時限順送故障区間区分方式が広く適用されている。配電用変電所の母線に設けたＧＰＤ（接地形計器用変圧器）と各フィーダに設けたＺＣＴ（零相変流器）により地絡を検知すると、事故フィーダを特定して、変電所の事故フィーダに繋がる遮断器とそのフィーダ上の開閉器をトリップさせる。事故点を含む開閉器区間（事故区間）検出するために、配電用変電所に近い方から開閉器を投入していく。地絡点を含む配電線路に給電させると遮断器と開閉器は再トリップする。このため、最後に投入した開閉器と１つ前に投入した開閉器区間を事故区間として特定できる。再び、遮断器を投入して変電所に近い方から順に開閉器を自動投入させ事故区間の直前の区間まで復電させる。

時限順送方式は故障区間を特定できるが、地絡箇所は特定できないので、作業者は事故区間から地絡点を探索する。一般的に開閉器間の距離は長いので、作業範囲が広くなり、作業者の労力は多大である。また、地絡区間は復旧するまで停電になるので、電力品質の面からも好ましい状況ではない。

作業労力を軽減し復旧時間を短縮するには、事故点標定技術が必要である。有力な事故点標定方法として、特許文献１に開示されているサージ法がある。この方法は、地絡時のサージ電流を２地点で測定してサージ電流の到達時間差から地絡点標定する。また、特許文献２に開示されているコンデンサ付加方式がある。この方法は、配電線路と対地間に配置されたコンデンサに流れる地絡電流波形から、地絡点を標定する。

特開昭６３−２０６６６８号公報 特開２００４−６１１４２号公報

コンデンサ付加方式は、サージ法に較べ低いサンプリング周波数の測定器を用いて、高い精度の標定ができるという特徴がある。しかし、配電線路にコンデンサを付加すると、配電線路の電圧が上昇する場合がある。測定のために付加するコンデンサは容量が小さく、通常は大きな電圧上昇は起こらないが、配電系統の状態によっては、管理値を越える電圧になることが懸念される。

また、経済性の観点からは、地絡点標定以外の用途を兼ねる機器を用いて、地絡点標定ができることが望ましい。

本発明の目的は、従来技術の問題点に鑑み、配電系統の状態によらず、計測手段を付加することによる電圧上昇を回避でき、地絡点標定以外の用途を兼ねる機器を用いることで、経済的な地絡点標定を可能にする、地絡点標定方法及び装置を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明の地絡点標定方法およびその装置は、配電線路と対地間にリアクトルを２地点以上配置し、前記リアクトルに流れる電流波形を計測するための電流センサを備え、このセンサから検出した電流波形から地絡点標定することを特徴としている。電流センサが検出する電流の立ち上がりの傾きは、距離に比例する線路のインダクタンス、リアクトルのインダクタンスと計測点の電圧の関数となる。そのため、異なる２地点で電流を観測することで、各々の観測地点から地絡点までの距離がわかるので、地絡点を標定できる。

更に、本発明の地絡点標定方法およびその装置は、前記リアクトルに流れる電流波形の特徴量を抽出する際に、電流波形の測定データに最小二乗法を適用して過渡現象の基本となる関数を求め、該関数から標定に必要な電流の立ち上がりの傾きを求め、所定の２地点における電流の立ち上がりの傾きに基づき、地絡点を標定することを特徴とする。

また、前記リアクトルに流れる電流波形の特徴量として、全ての測定点における電流の立ち上がりの傾きを求め、傾きが最大の測定点を標定の起点とし、次に傾きが大きい測定点を終点として、標定を行うことを特徴とする。

本発明の地絡点標定方法およびその装置によれば、２地点以上で配電線路と対地間にリアクトルを設置し、前記リアクトルに流れる電流波形の特徴量に基づき地絡点を標定する。これにより、配電系統の状態によらず、計測手段を付加しても電圧上昇を回避でき、地絡点標定以外の用途を兼ねる機器を用いることで、経済的な地絡点標定を可能にする。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施例による地絡点標定システムの全体構成図である。配電用変電所１から幹線２が設けられている。幹線２は３相の配電線路であるが、簡単のため単線で示している。測定位置Ｓ１、Ｓ２（図中二重丸で示す）には、事故検出装置４が設けられており、事故検出装置４で処理されたデータは、通信装置５から通信線６を介して、中央装置７に伝送される。

図２は事故検出装置の構成図である。事故検出装置４は、線路２ａ、２ｂ、２ｃと対地間にリアクトル１１を配置する。リアクトル１１は、千鳥巻線１１ａ、１１ｂ、１１ｃと補償リアクトル１５で構成される。地絡時に、千鳥巻線１１ａ、１１ｂ、１１ｃに流れる電流Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃを測定する電流センサ１２を設け、電流センサ１２が検出した電流Ｉを記録し、特徴量抽出の演算処理を行う演算装置１４を設ける。

このように構成される事故検出装置４は、電流センサ１２が地絡時にいずれかのリアクトルに流れる電流Ｉを測定し、リアクトルに流れる電流波形の特徴量、ここでは立ち上がりの勾配を算出する。この際に、測定データに最小二乗法を適用し、過渡現象の基本となる関数を求め、そこから標定に必要な電流の立ち上がりの傾きを求める。中央装置７は各測定点における事故検出装置の立ち上がり電流の傾きに基づき、地絡点を標定する。

図３は事故検出装置における処理を表すフローチャートである。リアクトルを流れる電流Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃは常時測定されており（２０２）、地絡を検出しなければ、測定を継続する。地絡を検出した場合（２０３）は、地絡相判定を行い（２０４）、地絡相の波形データを取得する（２０５）。具体的には、演算装置１４は電流波形Ｉａ１、Ｉｂ１、Ｉｃ１のピーク値を比較し、最も大きいピーク値を持つ電流が流れ込む配電線路を故障相と判定する。

次に、収集した波形データに最小二乗法を適用し、基本関数を決定する（２０６）。この基本関数を利用して、波形の特徴量（電流立ち上がりの傾き）を算出する（２０７）。算出した特徴量は中央装置７に送信される（２０８）。

最小二乗法を適用した基本関数の決定方法について説明する。図４はリアクトル電流の測定データ（丸印）による実測波形と基本関数の波形の一例である。実測波形は、ＲＬＣ（抵抗・インダクタンス・コンデンサ）回路の過渡波形に、反射等によるノイズ分が重畳された波形と考えられる。

ＲＬＣ回路の微分方程式を解くと、リアクトル電流Ｉ（ｔ）について、式（１）の解析式が得られる。ただし、Ｘ１、Ｘ２は時間に依存しないパラメータである。
Ｉ（ｔ）＝Ｘ１・ｔ・ｅｘｐ（−Ｘ２・ｔ） （１）
Ｘ１＝ｑ（０）／Ｌ・Ｃ （２）
Ｘ２＝Ｒｇ／２Ｌ （３）
ここで、ｑ（０）は地絡直前のリアクトルの電荷量、Ｃは測定点のリアクトルの静電容量、Ｌは測定点から地絡点までの線路のインダクタンス、Ｒｇは地絡抵抗、ｔは時間を表す。

ｑ（０）、Ｌ、Ｒｇは未知数であるため、最小二乗法を用いて、式（１）と実測値をフィッティングさせ、Ｘ１とＸ２を求める。この処理の過程で、反射等のノイズ分は除かれ、本来の過渡波形が得られる。

図４の実線が求めた過渡波形である。この関数の立ち上がりの傾きｇは、Ｘ１とＸ２が決定された式（１）を、時間ｔで微分し、ｔ＝０と置くことにより、式（４）で与えられる。
ｇ＝Ｘ１ （４）
図５は中央装置における処理を表すフローチャートである。中央装置７では、通常、事故検出装置４からの検出信号を待ちながら待機する（３０２）。地絡の検出信号が着信しなければ待機を続ける。地絡の検出信号を受信した場合（３０３）は、全ての事故検出装置４からの波形特徴量データを取得する（３０４）。電流の立ち上がりの傾きを比較し、最大の傾きの測定点を標定の起点（原点）とし、次に傾きが大きい測定点を標定の終点とする（３０５）。次に、標定に必要な距離情報（例えば、各測定点と分岐点間の距離）を取得し（３０６）、電流の立ち上がりの傾きや距離の情報を用いて、所定の演算式に基づき地絡点標定を行う。

ここで、図６を参照して、地絡点標定の演算式とその導出過程を説明する。地絡直後は、リアクトルのインピーダンスと線路のインピーダンスでループが形成され、地絡電流は、ＲＬ直列回路を流れる過渡電流で近似することができる。

リアクトルを流れる電流は、図４に一例を示すように、歪を含む電流波形（図中○印）となる。これに、最小二乗法を適用することにより、同図の実線に示すような過渡波形が得られる。図７に示すように、複数地点について、同様の方法で過渡波形を求めることにより、電流立ち上がりの傾きｇ１、ｇ２が求まる。

測定点Ｓ１から地絡点までの線路インピーダンスをＬ１、測定点Ｓ２から地絡点までの線路インピーダンスをＬ２、地絡直前の測定点Ｓ１の電圧をＥ１、測定点Ｓ２の電圧をＥ２、リアクトルのインピーダンスをＬRとする。地絡発生時における、測定点Ｓ１、測定点Ｓ２のリアクトル電流立ち上がりの傾きｇ１、ｇ２は、それぞれ式（５）、式（６）のように表せる。
ｇ１＝Ｅ１／（Ｌ１＋ＬＲ） （５）
ｇ２＝Ｅ２／（Ｌ２＋ＬＲ） （６）
測定点Ｓ１と測定点Ｓ２の距離をｄとし、測定点Ｓ１から地絡点までの距離をｘとすれば、線路の距離と線路インピーダンスはほぼ比例することから、式（７）が成り立つ。
ｘ：ｄ−ｘ ＝ Ｌ１：Ｌ２ （７）
式（５）〜式（７）を解くことにより、標定距離は式（８）で表せる。
ｘ＝ｄ・(ｇ２・Ｅ１−ｇ１・ｇ２・ＬＲ)／(ｇ２・Ｅ１＋ｇ１・Ｅ２−２ｇ１・ｇ２・ＬＲ) （８）
測定点Ｓ１、Ｓ２間の距離ｄ，リアクトルのインピーダンスＬＲは既知の値であり、リアクトル電流立ち上がりの傾きｇ１、ｇ２、地絡直前の測定点Ｓ１の電圧Ｅ１、測定点Ｓ２の電圧Ｅ２がわかれば、標定距離ｘを求めることができる。

表１は模擬配電線を用いて人口地絡試験を行い、地絡点標定を行った例を示す。測定点Ｓ１、Ｓ２で得られたｇ１、ｇ２、Ｅ１、Ｅ２及びリアクトルの計測から得られたＬＲを用いて、標定距離を求めた。この例では、測定点Ｓ１から人口地絡点までの距離１５０ｍに対し、標定距離は１１７ｍであり、誤差は３３ｍであった。

次に実施例２を説明する。図８は本実施例による事故検出装置の構成図を示す。システムの構成は図１と同じであるが、事故検出装置４の構成が異なっている。すなわち、Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃの電流の総和を測定する電流センサ１３を用いている。

地絡点標定のために電流波形の傾きを評価する部分は地絡直後の電流値である。地絡直後の健全相に繋がるリアクトルに流れる電流は、地絡相に繋がるリアクトルに流れる電流に比べて無視できるほど小さい。そのため、電流センサ１３で測定した電流Ｉｚを近似的に事故相のリアクトルを流れる電流と見なすことができるので、容易に電流立ち上がりの傾きｇが求まる。そして、電流の過渡波形（図５）から２地点で測定した電流の傾きを求め、式（８）により地絡点を標定する。

図９は実施例２における事故検出装置の処理のフローチャートを示す。本実施例では地絡相を判定する必要がないので、地絡点標定の手続きを簡素化できる。まず、電流の総和（零相電流）Ｉｚを検出し（４０２）、地絡が検出されたら（４０３）、波形データの取得を行う（４０４）。次に、最小二乗法による基本関数の決定を行い（４０５）、基本関数の波形の傾きを算出し（４０６）、中央装置７へ送信する。

本実施例によれば、標定精度を落とすことなく、電流センサの数を削減できるとともに、事故検出装置の処理も簡単化できる効果がある。

図１０は、本発明の一実施例による地絡点標定システムの全体構成図である。配電用変電所１から幹線２が設けられ、点Ｏから分岐線３が設けられている。測定位置Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３（図中二重丸で示す）には、事故検出装置４が設けられており、事故検出装置４で処理されたデータは、通信装置５から通信線６を介して、中央装置７に伝送される。

測定点S１と点Ｏの間の幹線２で地絡が発生したケース（ケース１と呼ぶ）における標定の例を説明する。図１１は、地絡位置Ｆと各測定点の位置関係を示している。以下の評価は、シミュレーションで行ったものである。

図１２は、測定点Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３における、ケース１の電流波形である。各測定点での電流の立ち上がりの傾きをｇ１、ｇ２、ｇ３、地絡直前の電圧Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３をとする。このケースでは、ｇ１が一番大きく、次に大きいのはｇ３である。幹線を優先して標定する場合は、Ｓ１を標定の起点、Ｓ２を終点として標定を行う。

電流立ち上がりの傾きの大きさで標定の起点・終点を決める場合は、Ｓ１が標定の起点、Ｓ３が終点となる。この場合、標定距離の計算式、式（８）は式（８’）になる。
ｘ＝ｄ・（ｇ３・Ｅ１−ｇ１・ｇ３・ＬＲ）／（ｇ３・Ｅ１＋ｇ１・Ｅ３−２ｇ１・ｇ３・ＬＲ） （８’）
次に、分岐線で地絡が発生したケース（ケース２と呼ぶ）を説明する。図１３は、分岐線３上の地絡位置Ｆと各測定点の位置関係を示している。測定点Ｓ３から地絡点までの距離をｘとする。以下の評価は、シミュレーションで行ったものである。

図１４は、ケース２の場合の各測定点Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３における、電流波形である。それぞれの測定点での電流の立ち上がりの傾きをｇ１、ｇ２、ｇ３とする。このケースでは、ｇ３が一番大きく、次に大きいのはｇ２である。幹線を優先して標定する場合は、Ｓ１を標定の起点、Ｓ２を終点として標定を行っていた。

しかし、本発明の方式では、最も立ち上がりの傾きが大きなＳ３を標定の起点、次に立ち上がりの傾きが大きなＳ２を終点として標定を行う。

図１５は、ケース１とケース２について、従来の幹線優先の標定方法と本発明の勾配優先の標定方法で標定精度を比較したものである。図中の「誤差」は、幹線亘長に対する標定誤差の比率を表わしている。ケース１の場合は、幹線優先の標定方法も本発明の標定方法も８〜６％程度でほぼ同じであるが、ケース２の場合は、幹線優先の標定方法では、分岐線で地絡が発生しているにもかかわらず、幹線上を標定する結果になっている（誤標定）。一方、本発明の標定方法では、４％程度の誤差で標定が可能であった。

本実施例によれば、３ヶ所の全ての測定点における電流の立ち上がりの傾きを求め、傾きが最大の測定点を標定の起点とし、次に傾きが大きい測定点を終点とする、標定を行うことによって、高精度な標定ができるという効果がある。

図１６は、実施例１〜３で説明した、地絡点標定システムの他の適用例である。本例は一つの幹線から、２つの分岐線が設けられており、測定点が４つ（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４）設置されている場合である。この場合も、中央装置７における処理は、図５の通りである。すなわち、４つの事故検出装置からの波形特徴データを取得し（３０４）、電流の立ち上がりの傾きが一番大きい測定点を標定の起点、２番目に大きい測定点を終点として、地絡点の標定を行う。本実施例の方式により、多数の測定点が存在する場合でも、簡単なロジックで高精度の標定が行える効果がある。

これまでの実施例では、通信設備の負担を軽くするために地絡点標定に必要な波形の特徴量（波形のピーク値、波形の立ち上がりの傾き、地絡発生の検出時刻）を事故検出装置４で算出し、中央装置７に送信する構成を説明した。しかし、通信設備の能力が十分ある場合は、中央装置に波形データを直接送信し、中央装置側で波形特徴量の抽出を行うことも可能である。

本発明の実施例１における地絡点標定システムの全体構成図。 実施例１の事故検出装置の構成図。 事故検出装置における処理を示すフローチャート。 電流波形の実測値と最小二乗法により求めた基本関数の波形のグラフ。 中央装置における処理を示すフローチャート。 実施例１における地絡点標定方法を表す説明図。 基本関数の波形と傾きを示す標定式算出のための説明図。 実施例２の事故検出装置の構成図。 実施例２の事故検出装置における処理を示すフローチャート。 分岐がある場合の地絡点標定システムの全体構成図。 実施例３における地絡点標定を表す説明図。 シミュレーションで得られた、実施例３の各測定点の電流波形図。 実施例４における地絡点標定を表す説明図。 シミュレーションで得られた、実施例３のケースの異なる電流波形図。 従来例（幹線優先）と本発明について、標定精度を示す説明図。 他の適用例における地絡点標定システムの全体構成図。

符号の説明

１…配電用変電所、２…幹線、３…分岐線、４…事故検出装置、５…通信装置、６…通信線、７…中央装置、１１…リアクトル、１２…電流センサ、１４…演算装置、Ｓ１〜Ｓ４…測定点、Ｆ…地絡位置。

Claims (7)

1. 配電線路と対地間に２点以上配置されたリアクトルに流れる電流波形を検出し、該電流
   波形から地絡点標定する地絡点標定方法であって、
   前記リアクトルに流れる電流波形の特徴量を抽出する際に、電流の測定データに最小二
   乗法を適用して過渡現象の基本となる関数を求め、該関数から標定に必要な電流の立ち上
   がりの傾きを求め、所定の２地点における電流の立ち上がりの傾きに基づき、地絡点を標
   定することを特徴とする地絡点標定方法。
2. 請求項１において、
   前記リアクトルに流れる電流波形の特徴量として、全ての測定点における電流の立ち上
   がりの傾きを求め、傾きが最大の測定点を標定の起点とし、次に傾きが大きい測定点を終
   点として、標定を行うことを特徴とする地絡点標定方法。
3. 請求項１において、
   前記リアクトルに流れる電流波形の特徴量を抽出する際に、電流の測定データに最小二
   乗法を適用して過渡現象の基本となる関数を求め、該関数から標定に必要な電流の立ち上
   がりの傾きを求め、傾きが最大の測定点を標定の起点とし、次に傾きが大きい測定点を終
   点として、標定を行うことを特徴とする地絡点標定方法。
4. 配電線路とその２地点以上の対地間の各相に設けられたリアクトルと、該リアクトルを
   流れる電流波形を計測するための電流センサと、前記リアクトルを流れる電流波形の特徴
   量を算出し、該特徴量に基づいて地絡点を標定する演算装置を備え、
   前記演算装置は、前記リアクトルに流れる電流波形の特徴量を算出する際に、測定デー
   タに最小二乗法を適用し、過渡現象の基本となる関数を求め、該関数からその立ち上がり
   の傾きを求め、所定２地点の立ち上がり電流の傾きに基づき、地絡点を標定することを特
   徴とする地絡点標定装置。
5. 請求項４において、
   前記リアクトルは千鳥巻線を有してなることを特徴とする地絡点標定装置。
6. 請求項４において、前記演算装置は電流センサと共に測定点に配置され、前記測定点に
   おける電流波形の立ち上がりの傾きを求める演算手段と、該演算手段から傾きを送信され
   て地絡点の標定を行う中央演算手段と、からなることを特徴とする地絡点標定装置。
7. 請求項４−６のいずれかにおいて、前記電流センサは各相に設けたリアクトル毎に、ま
   たは各相を一括して設けられることを特徴とする地絡点標定装置。

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