JP4888322B2 - デジタル形保護継電装置 - Google Patents

Description

本発明は、デジタル形保護継電装置に係り、特に系統周波数が５０／６０Ｈｚに切り替わる系統の保護方式に関する。

デジタル形保護継電装置では、保護対象とする電力系統や交流機器の電圧／電流を変成器で取り込み、これらのアナログ信号をサンプルホールドとＡ／Ｄ変換によってデジタルデータに変換し、このサンプリングデータを基にした保護リレー演算によって保護の要否を判定し、保護出力を得る。

電気鉄道のデジタル形保護継電装置では、５０Ｈｚ系統と６０Ｈｚ系統の境界付近ではどちらかの電力供給に支障が発生した場合に隣接の異周波からの電力供給が必要となり、保護対象の系統周波数が切り替わる場合がある。

このような系統を対象とする保護継電装置には、５０Ｈｚ用の保護リレーと６０Ｈｚ用の保護リレーを実装し、基本周波数の５０／６０Ｈｚ切り替わりを自動判定し、この判定に応じて保護リレーを切り替えて保護を継続するようにしている。

系統周波数の切り替わりの自動判定には、仮定の系統周波数より高いサンプリング周波数により入力系統信号をサンプリングし、このサンプリングデータの合計値により系統周波数の切り替わりを判定する方式がある（特許文献１参照）。
特開２００６−３３３５３６号公報

系統周波数の切り替わり対策を施した保護継電装置は、５０Ｈｚ用の保護リレーと６０Ｈｚ用の保護リレーを実装し、系統周波数の切り替わりにより片方の保護リレーの出力をロックする構成としているため、装置のコスト、実装とも通常の２倍近くになってしまう。

また、サンプリングは、保護対象の電圧／電流の基本周波数の電気角３０°でサンプリング、電気角３．７５°でサンプリングなど、予め決められており、系統周波数が５０Ｈｚと６０Ｈｚで切り替わる場合、５０Ｈｚ系統で電気角３０°でサンプリングする場合は６００Ｈｚサンプリング、６０Ｈｚ系統で電気角３０°でサンプリングする場合は７２０Ｈｚサンプリングとなり、同じ電気角でサンプリングするにも系統周波数の切り替わりに応じてサンプリング周波数の切り替えも必要となる。

本発明の目的は、系統周波数の切り替わりにも単体の保護リレーにより保護できるデジタル形保護継電装置を提供することにある。

本発明は、前記の課題を解決するため、単体の保護リレーによる装置構成で、系統周波数の切り替わりを検出し、この検出でサンプリング周波数を系統周波数に合わせて切り替え、これら検出と切り替えの確認ができるようにしたもので、以下の構成を特徴とする。

（１）保護対象からのアナログ計測信号をサンプリングとＡ／Ｄ変換によってデジタルデータとして取り込み、保護リレー要素によって保護演算を行うデジタル形保護継電装置において、
保護対象の系統周波数が５０Ｈｚまたは６０Ｈｚに切り替わったことを検出する周波数検出部と、
前記周波数検出部が系統周波数の切り替わりを検出したとき、前記サンプリング周波数を該系統周波数に合わせた周波数に切り替えるサンプリング周波数切替部と、
前記系統周波数の切り替わり検出からサンプリング周波数切り替え完了までの期間に前記保護リレー要素の保護リレー出力をロックするリレー出力ロック部と、
を備えたことを特徴とする。

（２）前記周波数検出部は、前記Ａ／Ｄ変換したデジタルデータから系統周波数の切り替わりを検出、または外部入力の切替指令から系統周波数の切り替わりを検出する構成としたことを特徴とする。

（３）前記サンプリング周波数切替部は、５０Ｈｚと６０Ｈｚの系統周波数検出信号の入力に系統電圧確立を条件とし、これらの条件成立によってサンプリング周波数を該系統周波数検出信号に合わせた周波数に切り替える構成としたことを特徴とする。

（４）前記リレー出力ロック部は、系統周波数に高調波成分が一定比率以上含まれる場合に前記保護リレー要素からの保護リレー出力をロックする構成としたことを特徴とする。

以上のとおり、本発明によれば、単体の保護リレーによる装置構成で、系統周波数の切り替わりを検出し、この検出でサンプリング周波数を系統周波数に合わせて切り替え、これら検出と切り替えの確認ができるようにしたため、系統周波数の切り替わりにも単体の保護リレーによる保護ができる。

（実施形態１）
図１は、本実施形態を示すデジタル形保護継電装置の構成図である。保護対象の電圧／電流は補助変成器１，２で変成し、フィルタ３，４で高調波やノイズを除去するアナログ入力回路で取り込む。このアナログ計測信号は、マルチプレクサ５で入力を切り替えてＡ／Ｄ変換器６の変換入力にする。Ａ／Ｄ変換器６は入力のサンプルホールド信号をデジタルデータに変換し、複数のリレー要素７，８は各デジタルデータを基に個々にデジタル処理で保護リレー演算を行い、リレー出力部９，１０に保護出力を得る。マルチプレクサ５での入力切替およびＡ／Ｄ変換器６でのサンプリングは、サンプリング信号によって同期制御される。

この構成になる保護継電装置において、保護対象の系統周波数（５０Ｈｚと６０Ｈｚ）切り替え手段として、ソフトウェア構成の演算要素１１〜１５を設け、系統周波数の切り替わりにも単体の保護リレーによる保護を可能にする。

５０／６０Ｈｚの周波数検出部１１は、Ａ／Ｄ変換で取り込んだ１つのデジタルデータ列がもつ周期（時間）から系統周波数の５０Ｈｚと６０Ｈｚ切り替わりを検出する。この周波数検出は、特許文献１の検出方法を利用することもできる。

サンプリング周波数切替部１２は、５０／６０Ｈｚの周波数検出信号に応じてサンプリング周波数を切り替え、マルチプレクサ５とＡ／Ｄ変換器６のサンプリング信号とする。サンプリング周波数発生器１３，１４は、系統周波数５０Ｈｚ用のサンプリング周波数ＳＰ₅₀と、系統周波数６０Ｈｚ用のサンプリング周波数ＳＰ₆₀を発生する。これらサンプリング周波数は、系統周波数の電気角３０°や電気角３．７５°に応じたものをもつ。

リレー出力ロック部１５は、系統周波数の切り替わり検出からサンプリング周波数切り替え完了までの期間に保護リレー出力をロックし、誤った保護動作を防止する。

図２は、サンプリング周波数切替部１２による切替シーケンスを示す。通常時の系統周波数５０Ｈｚから、系統周波数６０Ｈｚに切り替わる場合の例であり、５０Ｈｚを基本に動作し、６０Ｈｚを検出したときにオフディレータイマ１６により一定時間保持し、抑止ゲート１７による６０Ｈｚへの切り替わりを確認する。図３にサンプリング周波数の切替タイムチャートを示し、５０Ｈｚの系統電圧が途切れ、６０Ｈｚの系統電圧に切り替わったとき、これを周波数検出部１１で検出時間遅れを有して検出し、この検出で切替部１２によりサンプリング周波数切替えと、リレー出力ロック部１５によるリレー出力ロックを行う。

（実施形態２）
図４は、本実施形態を示すデジタル形保護継電装置の構成図である。同図が図１と異なる部分は、外部入力による系統周波数切り替えを併用し、図３に示す動作遅延時間を短縮する。なお、外部入力は保護継電システムの上位コンピュータによる系統切替制御に際して発生させる場合などに得ることができる。

外部入力による系統周波数切替指令は、周波数検出部１１による検出とは別に６０Ｈｚ周波数検出信号として与えるもので、図５にサンプリング周波数切替シーケンスを示す。同図は、通常時の系統周波数５０Ｈｚから、系統周波数６０Ｈｚに切り替わる場合の例であり、５０Ｈｚを基本に動作し、６０Ｈｚを検出したとき、または外部からの切替指令が与えられたことを論理和演算（ＯＲ）１８に出力を得、オフディレータイマ１６と抑止ゲート１７で切り替える。

図６は外部切替信号が切替中に出力される場合のタイムチャート（その１）を示し、系統電圧が途切れている間に外部切替指令を与え、この指令のタイミングでサンプリング周波数の切り替えとリレー出力ロックを行い、動作遅延無しで切り替えができる。

図７は外部切替信号が切替と同時に出力される場合のタイムチャート（その２）を示し、動作遅延は周波数検出による遅れ分を補償した切り替えができる。

（実施形態３）
図８はサンプリング周波数切替部１２の切替シーケンスを示す。同図では、論理積演算（ＡＮＤ）１９，２０によって５０Ｈｚと６０Ｈｚの系統周波数検出信号の入力に系統電圧確立を条件とすること、およびこれらの条件成立によってサンプリング周波数の切り替えをフリップフロップ２１，２２で相補的に行う（該系統周波数検出信号に合わせた周波数に切り替える）ことで確実な切り替えを得る。

なお、系統周波数検出条件として、５０Ｈｚ±２Ｈｚの場合に５０Ｈｚ検出とし、６０Ｈｚ±２Ｈｚの場合に６０Ｈｚ検出とするなど、その許容範囲は適宜設定することで確実な検出ができる。

（実施形態４）
図９はリレー出力ロック部１５のリレーロックシーケンスを示す。同図では、系統周波数ｆ１に高調波成分ｆ２が多く含まれる場合にリレー出力をロックする。このロックは、ｆ２／ｆ１が１５％以上あるか否かを判定部２３で検出し、１５％以上になるときは抑止回路２４でリレー出力をロックする。

このロックシーケンスにより、系統周波数とサンプリング周波数が一致していないときのリレー演算に誤差が生じて誤動作するのを防止する。

本発明の実施形態１を示すデジタル形保護継電装置の構成図。 サンプリング周波数切替シーケンス。 サンプリング周波数切替タイムチャート。 本発明の実施形態２を示すデジタル形保護継電装置の構成図。 サンプリング周波数切替シーケンス。 サンプリング周波数切替タイムチャート（その１）。 サンプリング周波数切替タイムチャート（その２）。 実施形態３のサンプリング周波数切替シーケンス。 実施形態４のリレーロックシーケンス。

符号の説明

５ マルチプレクサ
６ Ａ／Ｄ変換器
７、８ 保護リレー要素
９、１０ リレー出力部
１１ 周波数検出部
１２ サンプリング周波数切替部
１３，１４ サンプリング周波数発生器
１５ リレー出力ロック部

Claims (4)

1. 保護対象からのアナログ計測信号をサンプリングとＡ／Ｄ変換によってデジタルデータとして取り込み、保護リレー要素によって保護演算を行うデジタル形保護継電装置において、
   保護対象の系統周波数が５０Ｈｚまたは６０Ｈｚに切り替わったことを検出する周波数検出部と、
   前記周波数検出部が系統周波数の切り替わりを検出したとき、前記サンプリング周波数を該系統周波数に合わせた周波数に切り替えるサンプリング周波数切替部と、
   前記系統周波数の切り替わり検出からサンプリング周波数切り替え完了までの期間に前記保護リレー要素の保護リレー出力をロックするリレー出力ロック部と、
   を備えたことを特徴とするデジタル形保護継電装置。
2. 前記周波数検出部は、前記Ａ／Ｄ変換したデジタルデータから系統周波数の切り替わりを検出、または外部入力の切替指令から系統周波数の切り替わりを検出する構成としたことを特徴とする請求項１に記載のデジタル形保護継電装置。
3. 前記サンプリング周波数切替部は、５０Ｈｚと６０Ｈｚの系統周波数検出信号の入力に系統電圧確立を条件とし、これらの条件成立によってサンプリング周波数を該系統周波数検出信号に合わせた周波数に切り替える構成としたことを特徴とする請求項１に記載のデジタル形保護継電装置。
4. 前記リレー出力ロック部は、系統周波数に高調波成分が一定比率以上含まれる場合に前記保護リレー要素からの保護リレー出力をロックする構成としたことを特徴とする請求項１に記載のデジタル形保護継電装置。

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