JP4912994B2 - 保護制御計測システム - Google Patents

Description

本発明は、電力システムの保護、制御、計測を行う保護制御計測システムに係り、保護制御計測データを通信ネットワークを用いて収集する経済性、保守性の高いシステムに関する。

従来の変電所や発電所などに設置された端末間におけるデータ通信手段は、イーサネット（登録商標）やＴＣＰ／ＩＰの汎用プロトコルが使用されるケースが一般的である。特に、イーサネットを使用して、一定時間内に確実にデータを伝送する手段として、下記の特許文献１及び２のような通信手段が提案されている。

特許文献１では、同時に多くのリアルタイムデータが送信された場合に生じる衝突（コリジョン）を抑制することによって、各送信パケットの遅延時間の変動が発生してしまう問題を解消するために、リアルタイムデータに対して優先権を付与すると共に、衝突回避のための通信プロトコルの適用をした、イーサネット上でのリアルタイムデータの送信方法が開示されている。なお、当該文献１において送信されるリアルタイムデータは、映像データである。

また、特許文献２では、産業用ネットワークで一定時間内に予定したデータを確実に伝送しなければならない場合において、リアルタイム伝送を実現するための二重イーサネット用ハブ装置及びネットワークが開示されている。具体的には、全二重イーサネットを採用したネットワークにおいて、各周期内における各局装置からの送信データ量を監視する伝送監視手段と、当該伝送監視手段を通じて取得したデータ量に基づいて各局装置へ送信制御の指令を与える送信制御手段と、を設けた構成が開示されている。これにより、リアルタイム性を要する産業用の制御データなどを、一定の時間保証をもって送信可能としている。

ところで、上記のようなイーサネットを使用する通信手段は、電力系統又は電力設備の保護、制御、計測を行う際の適用が望まれている。このイーサネットを用いることは、経済性・保守性の点で効果があり、例えば、このイーサネットを介して、複数の地点における電力系統又は電力設備からの電気量を収集し、電力系統等の保護制御が必要かどうかの判断である保護制御計測演算を行う、あるいは複数地点の電気量を比較計測を行うなどの利用がある。
特開２００５−１２４２０６号公報 特開２０００−９２１０９号公報

上述したように、電力系統等の保護制御計測演算に当たり、イーサネットを用いた通信ネットワークを電気量を伝送するに当たり使用する場合には、リアルタイム伝送を行うために前記特許文献１及び２で開示されているような通信技術を導入する必要がある。

しかしながら、電力システムの保護、制御、計測を行う保護制御計測システムにおいて、保護制御計測データ中、収集する電圧、電流などの電気量データは、端末と親局間における到達時間が保証されるリアルタイム伝送の必要があるが、保護リレーの整定値、各種設定値などは、到達時間の保証が緩やかな非リアルタイムデータであるので、リアルタイム伝送の必要がない。そのため、特許文献１及び２は、リアルタイム伝送を実現するための手段は提示されているが、保護制御計測システム用の非リアルタイム性を有するデータを含む保護制御計測データについては開示されていない。

具体的には、前記特許文献１では、リアルタイムデータに対して優先権を付与すると共に、衝突回避のための通信プロトコルの適用をした通信手段が提案されているが、送受信の対象であるリアルタイムデータは、上述したように映像データであり、保護制御計測データではない。また、前記特許文献２において、産業用ネットワーク内でリアルタイム伝送として送受信されるデータは産業用データであり、その詳細は不明である。

つまり、上記の通り、前記特許文献１及び２では、すべてのデータがリアルタイム性の必要なデータであることを前提としている。そのため、保護制御計測システムに、当該文献１、あるいは文献２の通信手段を適用すると、電気量データ等のリアルタイムデータは伝送できるかもしれないが、各種設定値等の非リアルタイムデータもリアルタイム性を有する通信手段で送ることとなり、ハードウェア規模が必要以上に大きくなるといった経済面での問題が生じる。

本発明は、上記の課題を解消するために提案されたものであって、その目的は、変電所、発電所や受変電設備などに配設されて電気量を取得する複数端末から、通信ネットワークを介して保護制御計測データを収集する経済性及び保守性の高い保護制御計測システムを提供することにある。

上述した目的を達成するために、本発明は、電力系統や電気設備から電気量を取り込む計測端末と、当該電気量に基づいて保護制御または計測処理を行う演算手段を有する親局装置と、前記親局装置と少なくとも一つ以上の前記計測端末とを繋ぐ通信ネットワークと、を備えた保護制御計測システムにおいて、前記計測端末は、前記電気量を所定時間内に前記親局装置へ伝送するリアルタイム伝送手段と、前記リアルタイム伝送よりも伝送優先度が低く、前記保護制御または計測処理の演算精度を向上させる補正係数を設定値として前記親局装置へ伝送するメッセージ伝送手段と、を備え、前記リアルタイム伝送手段は、前記通信ネットワークを介して、前記メッセージ伝送より優先して前記電気量を所定時間内に伝送し、前記メッセージ伝送手段は、前記通信ネットワークを介して、前記電気量の伝送後の所定時間内で前記設定値を伝送し、前記演算手段は、前記リアルタイム伝送手段から受け取った前記電気量に前記メッセージ伝送手段から受け取った前記設定値を用いた補正を行い、入力電気量を算出することを特徴とする。

また、本発明では、上記通信ネットワークとしてイーサネットを採用し、さらには、上記設定値が前記計測端末のアナログフィルタの過渡応答特性を補正するための関数であることを特徴としている。なお、前記演算手段は、電力系統や電気設備に異常があると判定する場合に、前記計測端末に制御指令を送信し、前記計測端末は、当該制御指令を受け取ると、電力系統や電気設備に接続されている開閉器を引き外すよう制御する点も本発明の一態様である。

さらには、親局装置を設けずに、少なくとも１以上の計測端末において、当該計測端末が、前記電気量を所定時間内に他の計測端末に対して伝送するリアルタイム伝送手段と、前記リアルタイム伝送よりも伝送優先度が低く、前記認定の演算精度を向上させる補正係数を設定値として前記他の計測端末に対して伝送するメッセージ伝送手段と、を備え、前記リアルタイム伝送手段は、前記通信ネットワークを介して、前記メッセージ伝送より優先して前記電気量を所定時間内に伝送し、前記メッセージ伝送手段は、前記通信ネットワークを介して、前記電気量の伝送後の所定時間内で前記設定値を伝送し、前記演算手段は、前記他の計測端末の前記リアルタイム伝送手段から受け取った前記電気量に、前記他の計測端末の前記メッセージ伝送手段から受け取った前記設定値を用いた補正を行うことで入力電気量を算出する点も本発明の一態様とする。

以上のような本発明によれば、計測端末の構成が簡素化され、経済性の高い保護制御計測システムを提案することができる。具体的には、個々のアナログチャンネル毎に計測端末において、取得した電気量データに補正値を乗ずる場合では、これを可能とする高性能なハードウェアが必要となるのに対し、本発明では、親局装置側で補正値を乗ずることができるので、計測端末の構成を簡素化することが可能となる。

つまり、計測端末で補正値を乗じた場合は、補正値を乗じた際の演算結果の桁上げを考えると、マイクロプロセッサやバスなどの語長、バス幅も広いハードウェアを選択することになりコスト高となり得るため、本発明では親局装置で補正値を乗算する態様を採用している。

また、本発明によれば、リアルタイム性を必要とする電気量のパケットと、リアルタイム性の必要がない補正値等の設定値データと、を同じ通信路を介して伝送できるため、保護制御計測システムの性能を低下させることなく、一つの通信路で伝送が可能となる。

さらに、計測端末の設定値データである補正値を変更する必要（系統１次側設備の変更、ハードウェアの経年変化など）が生じた場合であっても、親局装置における演算手段のソフトウェアを修正することで、従来通りの高精度の演算を行うことが可能となる。そのため、現場の計測端末の改修変更コストが生じない点ことから経済性に優れている。なお、計測端末の数の増加に応じて上記効果は増大する。

[本実施形態]
[１．第１の実施形態]
[１．１．構成]
次に、本実施形態に係る保護制御計測システムの構成を、図１〜３を参照して以下に説明する。なお、図１は本実施形態に係り、保護制御計測端末１、通信ネットワーク２、親局装置３の関係を示す簡略図である。

図１の通り、それぞれ同じ、あるいは異なる電気所に設置された保護制御計測端末１−１〜１−Ｎ（Ｎ≧１）において、電力システム（送電線、変圧器、発電機など）の電圧や電流などの電気量が計測され、当該電気量が通信ネットワーク２を介して親局装置３に伝送されている。

この親局装置３では、各保護制御計測端末１より送られてきた電気量を集約して保護演算、制御演算や計測演算を行い、また必要により、当該演算結果に基づいて各保護制御計測端末１へ制御指令を出す。これにより、各保護制御計測端末１では、親局装置３からの制御指令に基づいて遮断器を引き外す等の制御を行っている。

次に、保護制御計測端末１、通信ネットワーク２、親局装置３のそれぞれについて、基本構成を以下に詳述する。

［１．１．１．保護制御計測端末の基本構成］
図２は、本実施形態に係る保護制御計測端末１のハードウェア構成を示す図である。ここで、入力変換器１１は、入力された電気所内の送電線、変圧器、発電機などの電圧及び電流である電気量を、所定の大きさの電気量データに変換するものである。

アナログフィルタ１２は、入力変換器１１で変換された出力電気量データから所定の周波数成分を除去する回路であり、Ａ／Ｄ変換器１３は、アナログフィルタ１２により所定の周波数成分が除去された電気量データをデジタル量に変換するために、サンプリング及びアナログ／ディジタル変換を行うものである。

このＡ/Ｄ変換器１３でのサンプリングは、たとえばＧＰＳ（世界位置測位システム）衛星より受信したＵＴＣ（世界協定時刻）に同期させたタイミングで行われるが、時刻同期部１６において、ＧＰＳアンテナから受信したＵＴＣ時刻データに基づいて所定時刻にタイミング信号を発生させ、当該信号がＡ/Ｄ変換器１３に送られることで実現される。

演算処理部１４に関しては、具体的な処理は後述するが、マイクロプロセッサで構成され、同期フェーザ量などの電気量演算を行う手段である。伝送制御部１５は、通信ネットワーク２を介して親局装置３との間でデータの送受信を行うものである。なお、Ａ/Ｄ変換器１３、演算処理部１４、伝送制御部１５はバスで接続され、それぞれの間でデータの授受が可能となっている。

［１．１．２．通信ネットワークの基本構成］
本発明では、通信ネットワークの物理層として、有線ケーブル、光ファイバ、無線ＬＡＮ、マイクロ波、電力線搬送などを用いることができる。また、電気事業者内では閉じたイントラネット、あるいは複数の事業者間を結ぶＶＰＮ、一般的なインターネット利用等も想定している。なお、本実施形態では、イーサネットを使用する場合を例として以下に説明する。

［１．１．３．親局装置の基本構成］
図３は、親局装置３の基本構成を示す図である。親局装置３は、上述したように、通信ネットワーク２を介して保護制御計測端末１から送られてくる電気量等のデータを受信し、この電気量データを集約して保護演算、制御演算や計測演算を行い、また各保護制御計測端末１へ制御指令を送るものである。

親局伝送制御部３１は、通信ネットワーク２を介して保護制御計測端末１の伝送制御部１５より送られる同期フェーザ量等の電気量データを受信し、後述する親局演算処理部３２へ当該データを送信する。なお、個々の保護制御計測端末１からの同期フェーザ量には、それぞれ送出元の保護制御計測端末ＩＤと、Ａ／Ｄ変換部１３によりデジタル変換したタイミング時刻も含まれ、同一フレームとして、親局装置３の親局伝送制御部３１に対して送られる。

親局演算処理部３２は、各保護制御計測端末１−１〜１−Ｎからの同期フェーザ量を整列する。具体的には、各保護制御計測端末１−１〜１−Ｎからの同一時刻の同期フェーザ量を抽出し、同じフレーム内に整列する処理を行う。そして、整列したフレーム内より、必要な時点の電気量データを取り出してソフトウェアに基づき保護制御計測演算を行う。なお、具体的な処理については後述する。

［１．２．保護制御計測端末及び親局装置の具体的な構成］
次に、本実施形態に係る保護制御計測端末１及び親局装置３の具体的な構成を、図４を参照して以下に説明する。なお、図４において、図１〜３と同じ部位については同じ符号を振り、同様の意味を示すものとして説明を省略する。

図４の通り、保護制御計測端末１の演算処理部１４には、Ａ／Ｄ変換部１３でサンプリング及びデジタル変換されたデジタルデータを同期フェーザ量に演算し、当該同期フェーザ量を伝送制御部１５中の後述する到達時間保証伝送手段１５−１に送信する電気量取得送信手段１４−１を備えている。

なお、本実施形態では、システムにおける演算精度向上のため、各アナログチャンネル毎に補正係数を補正値として定め、システムの運用時における不変の設定値として保護制御計測端末１内のメモリ上に設定される。ここで、演算処理部１４内に備えられた設定値送信手段は１４−２は、上記設定値をメモリから抽出し、伝送制御部１５内の後述するメッセージ伝送手段１５−２に対して送信するものである。

保護制御計測端末１内の伝送制御部１５は、上述した電気量取得送信手段１４−１で送信された同期フェーザ量を受信し、通信ネットワーク２を介して親局装置３側にリアルタイム伝送する到達時間保証伝送手段１５−１を備えている。また、この伝送制御部１５には、設定値送信手段１４−２で送信された非リアルタイム性を有する設定値データを受信し、通信ネットワーク２を介して親局装置３側にメッセージ伝送するメッセージ伝送手段１５−２を設けている。

一方、親局装置３においては、親局伝送制御部３１内に通信ネットワーク２を介して保護制御計測端末１の上記到達時間保証伝送手段１５−１との間で同期フェーザ量の電気量データの送受信を行う親局到達時間保証伝送手段３１−１を設けている。また、当該親局伝送制御部３１内には、保護制御計測端末１内のメッセージ伝送手段１５−２との間で、設定値データの送受信を行う親局メッセージ伝送手段３１−２を設けている。

さらに、親局演算処理部３２は、上記親局到達時間保証伝送手段３１−１で受信したフェーザ量に、上記親局メッセージ伝送手段３１−２で受信した設定値データを乗じることで真値に極力近い電気量を算出する電気量演算手段３２−１を備えている。また、当該親局演算処理部３２には、電気量演算手段３２−１で演算した電気量の大きさと電圧位相差とから保護制御計測端末１の事故判定のための保護制御計測演算を行う保護制御計測演算手段３２−２を設けている。

［１．３．作用効果］
［１．３．１．保護制御計測端末における同期フェーザ量演算］
次に、上記構成により実現される保護制御計測端末１における同期フェーザ量の演算処理について、図５を参照して、以下に説明する。

各保護制御計測端末１−１〜１−Ｎでは、入力変換器１１により変換された所定の電気量データが、アナログフィルタ１２を介して特定周波数帯域のデータに絞られ、Ａ／Ｄ変換器１３においてＧＰＳ衛星から得られるＵＴＣ時刻と同時刻のアナログ量をサンプリングして、デジタル値に変換される。そして、演算処理部１４の電気量取得送信手段１４−１は、このデジタル変換された電気量データから同期フェーザ量を演算する。

この同期フェーザ量は、図５に示すように、デジタル変換した電気量データを大きさＸと位相φの２つの量で定めたものであり、この電気量取得送信手段１４−１は、同期フェーザ量を演算すると同時に当該フェーザ量を親局装置３側へ伝送するために伝送制御部１５に送信する。なお、同期フェーザ量中の位相φは、時刻同期部１６を介して取得するＧＰＳ受信機で受信した１ＰＰＳ（１ｐｕｌｓｅ ｐｅｒ ｓｅｃｏｎｄ）信号により、得られるＵＴＣ（協定世界時）タイミングに対しての余弦関数上での瞬時位相角である。

ここで、信号を［数１］

とする場合のフェーザ表示は、以下の式で表す複素量で与えられる。

［数２］

なお、同期フェーザ量を用いる場合の利点としては、わかりやすく取り扱いが容易な表現形態である点が挙げられる。このように、各保護制御計測端末１−１〜１−Ｎの演算処理部１４で演算された同期フェーザ量は、伝送制御部１５の到達時間保証伝送手段１５−１を通じて通信ネットワーク２により親局装置３に集約されることとなる。

［１．３．２．フレーム生成処理（リアルタイム伝送用）］
次に、演算処理部１４の電気量取得送信手段１４−１により演算された同期フェーザ量を親局装置３へ送る際に行われるフレーム生成処理について、図６を参照して以下に説明する。

各保護制御計測端末１−１〜１−Ｎは、図６の通り、演算処理部１４内の電気量取得送信手段１４−１で生成するフレーム内に、電気所の母線電圧（電圧１：ａ相電圧、電圧２：ｂ相電圧、電圧３：ｃ相電圧）、送電線電流（電流１１：回線１のａ相電流、電流１２：回線１のｂ相電流、電流１３：回線１のｃ相電流、電流２１：回線２のａ相電流、電流２２：回線２のｂ相電流、電流２３：回線２のｃ相電流）として合計９量を取り込んでいる。さらに、図６では、そのフェーザ量の大きさと位相を周期的に親局装置３に送る様子が示されている。

図６によれば、フレーム内には、時刻ｔ１でサンプリング及びデジタル変換されたフェーザ量の詳細（母線電圧と送電線電流の大きさ及び位相）が示され、さらに、フレームの最初に、保護制御計測端末１−１の送信元ＩＤと、Ａ／Ｄ変換器１３でサンプリングしたサンプリング時刻が付加されている。また、フレームの最後には、ＣＲＣなどで実現する検定データを付加している。

そして、Ｎ個の保護制御計測端末１−１〜１−Ｎにおいて、同時刻ｔ１でサンプリングされた同期フェーザ量がフレーム生成された個別のパケットとして、電気量取得送信手段１４−１により伝送制御部１５の到達時間保証伝送手段１５−１を介して親局装置３に送られる。

［１．３．３．リアルタイム伝送］
以上のように、保護制御計測端末１の演算処理部１４内の電気量取得送信手段１４−１にて、フェーザ量演算及びフレーム生成が行われた電気量のパケットは、親局装置３側へ送られる。なお、このパケットは、親局装置３側へ伝送されるに際し、伝送制御部１５内の到達時間保証伝送手段１５−１を介して、リアルタイム伝送を行うパケットとして通信ネットワーク２に送られる。

到達時間保証伝送手段１５−１によるリアルタイム伝送の具体的な処理は、まず、保護制御計測端末１から親局装置３への通信のアクセスポイントとなる全ノード中、１ノードを同期ノードとする。そして、当該同期ノードが同期フレームを発行した後に、送信権を獲得したノードにおいて、後述する設定値のパケットよりも優先度の高い電気量のパケットを通信ネットワーク２を介して親局装置３に送信し、保護制御計測端末１と親局装置３間の所定の伝送時間である到達保証時間を超えないように送信時間が制御されることでリアルタイム伝送が実現される。

これにより、時間保証された形態で、保護制御計測端末１から送られた上記電気量のパケット（以下到達時間保証伝送パケットと呼ぶ）は、親局装置３に到達することになる。なお、本実施形態に係る保護制御計測システムでは、一定時間内に電気量を演算し遮断器を引き外すなどの判断を行うために、到達時間保証パケットをリアルタイムで保護制御計測演算手段３２−２に伝送することが必要であり、以上で述べた手段によりこれを実現している。

［１．３．４．メッセージ伝送］
ここで、上述の通り、電気量は保護制御計測端末１内にて、入力変換器１１、アナログフィルタ１２、Ａ／Ｄ変換器１３を経てディジタル値に変換されるが、個々のハードウェア毎に個体差（比例分誤差、固定分誤差、ディジタルのビット重み）があることから、一般に、入力変換器１１、アナログフィルタ１２等において誤差が生じてしまう。

そのため、本実施形態では、保護制御計測システムにおける演算精度を上げるために、各アナログチャンネル毎に補正係数を定め、これを補正値としてＡ／Ｄ変換後のディジタル値に乗ずることで、電気量の真値に極力近いフェーザ量を求めている。なお、このような補正値は、常時のシステム運用時には不変な設定値とみなして、予め保護制御計測端末１内のメモリに予め設定される。

ここで、演算処理部１４では、予め設定されたこの設定値を設定値送信手段１４−２によりメモリから抽出し、親局装置３側へ伝送するために伝送制御部１５内のメッセージ伝送手段１５−２に対してパケットとして送っている。そして、この設定値を受け取ったメッセージ伝送手段１５−２は、到達時間保証伝送手段１５−１で用いた通信ネットワーク２を同時に利用することで親局装置３に当該設定値のパケット（以下、メッセージ伝送パケットと呼ぶ）を伝送する。

但し、到達時間保証伝送手段１５−１にて通信ネットワーク２に送出された到達時間保証伝送パケットは、メッセージ伝送手段１５−２で送出されたメッセージ伝送パケットよりも伝送優先度が高いものとして親局装置３に到達する機構としている。

図７は、伝送制御部１５内のメッセージ伝送手段１５−２により親局装置３に伝送される設定値を含むメッセージ伝送パケットの内容を示している。本図の通り、当該パケットは、各保護制御計測端末１−１〜１−Ｎの送信ＩＤの後ろに、各アナログチャンネルの補正値である設定値を定数値として付加している（Ｋ１、Ｋ２、・・・）。

なお、この設定値は保護制御計測システム運用時に変化しないことから、到達時間保証伝送手段１５−１で送出される到達時間保証パケットの到達時間が１ｍｓ〜５ｍｓ程度である場合であっても、メッセージ伝送手段１５−２にて送出されるメッセージ伝送パケットの到達時間が数百ｍ秒から数秒で十分である。

図８では、通信ネットワーク２上におけるリアルタイム性を有する到達時間保証伝送と、リアルタイム性を有しないメッセージ伝送との様子を示している。図８の通り、到達時間保証伝送手段１５−１により伝送されるリアルタイム性が必要な到達時間保証パケットの通信は、メッセージ伝送よりも優先して行われ、到達保証時間内に保護制御計測端末１から伝送される。

ここで、到達保証時間のうち、全ての保護制御計測端末１の当該到達時間保証が必要なパケットの伝送後の空き時間で、メッセージ伝送手段１５−２によるメッセージ伝送パケットのメッセージ伝送が行われる。これにより、通信ネットワーク２において、到達時間保証伝送とメッセージ伝送とを同時に利用することができる。

［１．３．５．親局装置の演算処理］
次に、親局装置３にて受信した到達時間保証伝送及びメッセージ伝送にて親局装置３が受信したデータの演算処理について以下に説明する。

図８に示した到達時間保証伝送パケットとメッセージ伝送パケットは、それぞれ親局装置３の親局伝送制御部３１に設けられた親局到達時間保証伝送手段３１−１、親局メッセージ伝送手段３１−２で受信される。そして、親局伝送制御部３１で受信された各パケットは、いずれも親局演算処理部３２の電気量演算手段３２−１に送信される。

この電気量演算手段３２−１では、両パケットからの対応するアナログチャンネル毎に、親局到達時間保証伝送手段３１−１で受信した到達時間保証パケットである電気量データに、親局メッセージ伝送手段３１−２で受信したメッセージ伝送パケットである設定値を乗じて、保護制御計測端末１に入力された電気量を算出する。これにより、各アナログチャンネル毎の誤差やＡ／Ｄ変換比率などが補正され、電力システムに実際に流れている電気量に近い値がフェーザ量として求められる。

このようにして換算された各保護制御計測端末１からの電気量は、親局装置３の親局演算処理部３２においてさらに同時刻のフレームとしてまとめられる。

［１．３．６．保護制御計測演算］
そして、この同時刻でまとめられたフレームを用いて、保護制御計測演算手段３２−２は、例えば下記の［数３］及び［数４］を用いた保護制御計測演算を行う。

［数３］

［数４］

ここでφは、各電気所の代表相の位相であり、図６及び７で言えば、例えば保護制御計測端末１の同期フェーザ量の電圧１の位相に該当する。なお、任意の保護制御計測端末Ｉ及びＪ（１≦Ｉ、Ｊ≦Ｎ、Ｉ≠Ｊ）からの同期フェーザ量の電圧位相を、それぞれφ_ｉ、φ_ｊと表現している。

保護制御計測演算手段３２−２は、［数３］に従って、異なる保護制御計測端末１からの電圧位相差が、所定値φ_ｋを超えないかを常時周期的に監視する。なお、これは、異なる電気所の母線電圧の位相差を常時監視していることに相当する。

ここで、電気所の電力系統内で何らかの事故が生じた場合には、事故発生機器、送電線に繋がる母線電圧の位相が変動することが知られている。つまり、保護制御計測演算手段３２−２は、［数３］を用いて常時電圧位相差を監視していることで、所定値φ_ｋを基準として系統事故の発生の有無、及び系統事故の発生箇所を特定することができる。

なお、この保護制御計測演算手段３２−２は、［数４］を用いて異なる保護制御計測端末１からの電圧の大きさが、所定電圧Ｖ_ｋより低い状態にあることを確認し、当該［数４］が成立することを条件として、上述した［数３］の演算を行っている。

［１．３．７．親局装置における演算処理フロー］
ここで、親局装置３における具体的な保護制御計測演算処理を図９のフローチャートを参照して以下に説明する。

まず、親局装置３の親局伝送制御部３１に設けられら親局到達時間保証伝送手段３１−１、親局メッセージ伝送手段３１−２において、保護制御計測端末１からの新しいデータとして、到達時間保証伝送パケットとメッセージ伝送パケットを受信するかを判断する（ＳＴＥＰ９０１）。

新しいデータを受信した場合には（ＹＥＳ）、親局演算処理部３２は当該データを読み込み、電気量演算手段３２−１が、両パケットからの対応するアナログチャンネルについて、親局到達時間保証伝送手段３１−１で受信した電気量データに親局メッセージ伝送手段３１−２で受信した設定値データを乗じて、保護制御計測端末１で入力された電気量を算出する（ＳＴＥＰ９０２）。

そして、異なる保護制御計測端末１からのフェーザ量である電気量及び位相差を監視するために、インデックスを順次更新していく（ＳＴＥＰ９０４）。ここで、保護制御計測演算手段３２−２は、［数４］を使用することにより、異なる保護制御計測端末１において、各電気量演算手段３２−１により演算された電圧の大きさが、所定電圧Ｖ_ｋよりも低い状態にあるかを判断する（ＳＴＥＰ９０５）。

電圧の大きさが［数４］の条件を具備する場合（ＹＥＳ）、すなわち、所定電圧Ｖｋより低い状態にある場合には、さらに、当該電圧を有する異なる保護制御計測端末１の電圧位相差が［数３］の条件を具備するか判断される（ＳＴＥＰ９０６）。具体的には、この保護制御計測演算手段３２−２が、異なる保護制御計測端末１からの電圧位相差が、所定値φ_ｋを超えないかを監視することで判断する。

当該電圧位相差が［数３］の条件を満たさない、すなわち所定値φ_ｋを超えると判断される場合には（ＮＯ）、電力系統内において何らかの事故が発生したと判定する（ＳＴＥＰ９０７）。つまり、読み込んだフェーザ量の位相が大きく変動しているので、系統事故の発生を認定し、どこの保護制御計測端末１の電力システム内で生じた事故かが特定される。

そして、親局演算処理部３２では、すべての母線電圧の確認を終えたかを判断し（ＳＴＥＰ９０３）、確認を終えていれば（ＹＥＳ）、ＳＴＥＰ９０１において親局伝送制御部３１で新しいデータが受信されるかを判断する。確認を終えていない場合は（ＮＯ）、再度ＳＴＥＰ９０４においてインデックスを更新し、ＳＴＥＰ９０５以降の処理が繰り返される。

また、ＳＴＥＰ９０５において、電圧の大きさが［数４］の条件を満たさない場合（ＮＯ）、すなわち、所定電圧Ｖ_ｋより低い状態となる場合には、ＳＴＥＰ９０３において母線電圧の組み合わせが確認される。なお、ＳＴＥＰ９０６において、電圧位相差が［数３］の条件を満たす場合、すなわち所定値φ_ｋを超えないと判断される場合（ＹＥＳ）も、同様の処理がされる。

［１．４．周波数に基づく演算処理例］
なお、以上では、電気量として電力システムの電圧、電流を想定していたが、第１の実施形態は、電力システムの有効電力、無効電力、周波数などを電気量として、保護制御計測端末１から同様の伝送フォーマットで親局装置３にデータ送付する実施形態も包含する。この場合の演算例として電力系統の周波数は、同期フェーザ量の位相φを時間で微分する下記の［数５］及び［数６］で与えられる。

［数５］

［数６］

親局装置３では、保護制御計測演算手段３２−２において、前述の処理フローＳＴＥＰ９０２にて算出した電気量から、同期フェーザ量の位相φを取り出し、［数５］及び［数６］により、電極系統の周波数ｆを算出している。ここで、電気所内の発電機が事故等で脱落した場合などには、周波数の変化が系統擾乱の地点から周辺に伝播するため、保護制御計測演算手段３２−２で算出された周波数ｆにより擾乱発生地点を推測できる。

例えば、発電機が事故等で脱落した場合の電気所７箇所の周波数の時間変化例を、図１０を参照して以下に説明する。本図中では、周波数が５９．９８Ｈｚを示す部分に着目すると、脱落した発電機に近い電気所から順に、５９．９９Ｈｚ弱であった周波数が５９．９８Ｈｚに変化している。

このように、周波数の変化が系統擾乱地点から周辺へ伝播していくことから、これを利用して、周波数の観測点から擾乱発生地点を推測可能である。また、算出した周波数の時間変化率から、発電量の変化の推定も可能となる。つまり、保護制御計測演算手段３２−２にて種々の保護制御計測演算を行うことができる。

以上のような本実施形態によれば、保護制御計測端末の構成が簡素化され、経済性の高い保護制御計測システムを提案することができる。具体的には、個々のアナログチャンネル毎に保護制御計測端末において電気量データに設定値データを乗ずる場合では、これを可能とする高性能なハードウェアが必要となるのに対し、本発明では、親局装置側で設定値データを乗ずることができるので、保護制御計測端末の構成を簡素化することが可能となる。

つまり、保護制御計測端末で設定値データを乗じた場合は、設定値データを乗じた際の演算結果の桁上げを考えると、マイクロプロセッサやバスなどの語長、バス幅も広いハードウェアを選択することになりコスト高となり得るため、本発明では親局装置にて当該設定値データを乗算している。

また、本発明によれば、リアルタイム性を必要とする電気量のパケットと、リアルタイム性の必要がない補正値等の設定値データと、を同じ通信路を介して伝送できるため、保護制御計測システムの性能を低下させることなく、一つの通信路で伝送を実現することができる。

さらに、保護制御計測端末の設定値データである補正値を変更する必要（系統１次側設備の変更、ハードウェアの経年変化など）が生じた場合であっても、親局装置の保護制御計測演算手段のソフトウェアを修正することで、従来通りの高精度の演算を行うことが可能となる。そのため、現場における保護制御計測端末の改修変更コストが生じない点で経済性に優れている。なお、保護制御計測端末の数の増加に応じて上記効果は増大する。

［１．５．第１の実施形態に関連する他の実施形態］
なお、本発明の第１の実施形態では、上記の通り、広域な同期機構としてＧＰＳを用いているが、これを用いずに、各保護制御計測端末１に内蔵するクロックのタイミングで電気量のサンプリングを行う態様も包含する。

また、第１の実施形態は、１台の親局装置３を使用した上記実施形態に限定されず、保護制御計測端末１の台数が非常に増えたことで、親局装置３の処理負担が重くなる場合には、図１１に示すように、複数の親局装置（３−１〜３−Ｎ）を設け、処理負担を分散する態様も包含する。

また、親局装置３が１台の場合には、万一親局装置３に障害があると、システム全体が停止するという懸念があり、一方、通信ネットワーク２が１系列の場合には、万一通信ネットワークに障害があると、システム全体が停止するという懸念がある。そのため、第１の実施形態では、図１２のように、同等機能の通信ネットワーク２及び親局装置３を２系列配設し、システム全体の信頼度を高めるという態様も包含する。

なお、本発明に係る第１の実施形態では、上述した通り、電気量として同期フェーザ量を用いているが、このフェーザ量の代わりに、電圧、電流の瞬時値を用いる態様も包含する。瞬時値を用いる場合は、フェーザ量として大きさと位相を対で伝送する前記図６で示したような伝送フレームの構成とは相違し、図１３の通り、各サンプリング時点での瞬時値量を伝送している。

なお、フェーザ量を用いる場合では、保護制御計測端末１にてサンプリングされた電気量瞬時値を変換することによって当該フェーザ量を取得することで、親局演算処理部３２において種々の保護制御計測演算をする際の取扱いが容易という利点があるが、これに対し、瞬時値を伝送する場合には、図１３に示すように、未加工のより生のデータを親局演算処理部３２で取り扱えることから、応用演算の工夫により高精度の演算を行えるという利点がある。

また、同一の保護制御計測端末１からフェーザ量を伝送するか、あるいは瞬時値を伝送するかの選択機能を親局装置３に設けることにより、当該選択指示を親局装置３から行うことが可能な実施形態も包含する。この場合には、親局装置３では、フェーザ量と瞬時値を混在して扱うことになるが、上記フェーザ量を用いた場合と瞬時値を用いた場合の双方の利点は確保される。

さらに、各保護制御計測端末１−１〜１−Ｎから瞬時値伝送を行う場合には、各保護制御計測端末１−１〜１−Ｎのアナログフィルタ特性により生ずる電力系統の過渡応答特性の差異の発生を防止する下記の処理が行われる。具体的には、各保護制御計測端末１−１〜１−Ｎのアナログフィルタ特性（利得、周波数）を関数として親局装置３に伝送し、親局装置３において、受信した当該関数を用いて個々の過渡応答特性が応用演算処理の際に等しくなるような変換を行う。なお、この場合の親局装置３での変換は、例えば以下の［数７］のように行われる。

［数７］

ここで、ｆ_１、ｆ_２、・・・ｆ_ｎは、保護制御計測端末１−１〜１−Ｎのアナログフィルタ特性を表す関数であり、ｇ_１、ｇ_２、・・・ｇ_ｎは、親局装置３での変換関数であり、Ｆ_１、Ｆ_２、・・・Ｆ_ｎは、変換により得られる各保護制御計測端末１−１〜１−Ｎに対応する応用演算側のフィルタ特性である。

［数７］において、親局装置３での変換関数ｇ_１、ｇ_２、・・・ｇ_ｎが適切であれば、フィルタ特性であるＦ１、Ｆ２、・・・Ｆｎはいずれも同じ値となる。なお、フィルタ特性Ｆ_１、Ｆ_２、・・・Ｆ_ｎは、上記実施形態において述べた設定値データに相当するものであるため、メッセージ伝送手段を介して、保護制御計測端末１と親局装置３との間で授受される。

［２．第２の実施形態]
［２．１．構成］
次に、本発明の第２の実施形態に係る保護制御計測端末１及び親局装置３の基本構成を、図１４を参照して、以下に説明する。なお、本実施形態において、ハードウェアの基本構成は第１の実施形態と同様であり、説明は省略する。

第２の実施形態の特徴は、通信ネットワーク２を介して行われる保護制御計測端末１と親局装置３間における到達時間保証伝送及びメッセージ伝送を、共に双方向で行うことを可能とし、通信ネットワーク２を介して親局装置３から設定値の変更が行えるとした点である。また、親局装置３から保護制御系計測端末１に対して、保護制御計測演算に基づく制御指令を出すことで、保護制御計測端末１から電力系統等の電力システムの保護制御を可能とした点にある。

具体的には、図１４の通り、保護制御計測端末１では、演算処理部１４に、上記実施形態において述べた親局装置３側へ設定値を送信するだけでなく、伝送制御部１５内のメッセージ伝送手段１５−２を介して受信する設定値送受信手段１４−２Ａを新たに設けている。さらに、対象系統の遮断器を引き外すといった親局装置３からの制御指令を受信する制御指令受信手段１４−３を設けている。また、親局装置３は、補正値である設定値を親局メッセージ伝送手段３１−２を介して保護制御計測端末１に送信する設定値送信手段３２−３を備えている。

［２．２．作用］
次に、上記構成を有する第２の実施形態において、親局装置３から補正値である設定値データを保護制御計測端末１へ伝送する処理手順を以下に説明する。

まず、監視対象である電力システム側の設備変更、あるいは保護制御計測端末１側のハードウェアの経年劣化により、親局装置３における保護演算結果の精度低下が生じる状況下では、設定値送信手段３２−３を用いて、親局装置３にて変更した設定値データを保護制御計測端末１側に伝送する。具体的には、設定値送信手段３２−３により送信された設定値データを親局伝送制御部３１の親局メッセージ伝送手段３１−２を介して、通信ネットワーク２に送られることで保護制御計測端末１側に到達する。

設定値データをメッセージ伝送手段１５−２を通じて受信した保護制御計測端末１では、演算処理部１４内の設定値送受信手段１４−２Ａにて当該設定値データを受け取り、予め設定されていた設定値がこの設定値に変更される。これにより、親局装置３から通信ネットワーク２経由で保護制御計測端末１の設定変更が可能となる。

また、親局装置３の保護制御計測演算手段３２−２における保護制御計測演算の結果、例えば、図９のフロー中のＳＴＥＰ９０７で系統事故の発生を検出した場合には、対象系統の遮断器を引き外すための制御指令が親局装置３から親局到達時間保証伝送手段３１−１を介して、保護制御計測端末１に出力される。保護制御計測端末１では、この制御指令を演算処理部１４に設けた制御指令受信手段１４−３にて受信し、保護制御計測端末１の接点出力を用いて対象系統に制御指令を出し、該当遮断器を引き外す。

以上の通り、本実施形態は第１の実施形態と異なり、保護制御計測端末１と親局装置３間で双方向に設定値データ、電気量データ、制御指令を伝送可能な構成態様を採用している。

このような第２の実施形態によれば、リアルタイム性を有するデータの電気量及び制御指令と、非リアルタイム性を有する設定値データを、保護制御計測端末１と親局装置３間で双方向に伝送し合えるため、通信ネットワーク２を介して親局装置３から設定値の変更を行うことが可能となる。また、親局装置３側から保護制御計測端末１へ制御指令を下せることができるので、保護制御計測システムの利便性が増し、さらには保守性が向上する。

［３．第３の実施形態]
次に、本発明の第３の実施形態における保護制御計測端末１及び親局装置３の構成を、図１５を参照して、以下に説明する。なお、本実施形態において、ハードウェアの基本構成は第１及び２の実施形態と同様であり、説明は省略する。

第３の実施形態の特徴は、保護制御計測端末１内に親局装置３が備える手段をいずれも有している点にある。具体的には、保護制御計測端末１の演算処理部１４には、第２の実施形態において設けた設定値送受信手段１４−２Ａ、制御指令手段１４−３に加えて、到達時間保証伝送手段１５−１で受信した電気量データにメッセージ伝送手段１５−２で受信した設定値を乗じて、真値に近い電気量を算出する電気量演算手段１４−４と、保護制御計測端末１の保護制御計測演算を行う保護制御計測演算手段１４−５と、が設けられている。

以上のような構成を有する保護制御計測端末１であれば、全ての保護制御計測端末１において電気量の収集が可能であり、かつ、どの保護制御計測端末１であっても保護制御計測演算ができるため、親局装置３として機能すること可能である。なお、電気量の収集、及び保護制御計測演算の実施・不実施は、運用設定によって切り替えを可能とする。

［他の実施形態］
本発明は、上記第１〜３の実施形態に限定するものではなく、下記のような実施形態も包含する。例えば、第１の実施形態では、メッセージ伝送手段による設定値データのメッセージ伝送をリアルタイム性を有しない、すなわち到達保証時間を有しない伝送としていたが、本発明は、到達時間保証伝送パケットと比較するとパケット伝送の優先度は低いが、到達時間を保証するリアルタイム伝送を用いてメッセージ伝送パケットを伝送する実施形態も包含する。

この場合では、上述したような通信ネットワーク２において、リアルタイム伝送の中で優先度を設けておき（一例として、高速−中速−低速スキャン伝送の順）、例えば、到達時間保証伝送パケットである電気量データを高速スキャン伝送とし、メッセージ伝送パケットである設定値データを中速又は低速スキャン伝送に割り当てることで実現可能である。

また、本発明におけるメッセージ伝送は、補正値やフィルタ関数等のアナログ入力以外である、保護制御計測端末１のソフトウェアバージョン等の保守運用に関する情報を、データとして載せることも可能である。

なお、上記実施形態では、通信ネットワーク２にイーサネットを採用していたが、他の伝送媒体、例えば電力線搬送、無線ＬＡＮ、ＳＤＨ網等を適用する実施形態も本発明は包含する。

本発明に係る第１の実施形態の保護制御計測システムのハードウェア構成例を示す図 本発明に係る第１の実施形態の保護制御計測端末の構成例を示す図 本発明に係る第１の実施形態の親局装置の構成例を示す図 本発明に係る第１の実施形態の保護制御計測システムの具体的な構成例を示す図 本発明に係る第１の実施形態の同期フェーザ量の演算処理例を示す図 本発明に係る第１の実施形態の到達時間保証パケットのフレーム構成例を示す図 本発明に係る第１の実施形態のメッセージ伝送パケットのフレーム構成例を示す図 本発明に係る第１の実施形態の通信ネットワーク上における各パケットの送受信タイミング例を示す図 本発明に係る第１の実施形態の親局装置における保護制御計測演算処理例を示すフローチャート 本発明に係る第１の実施形態における電力系統擾乱時の周波数変化例 本発明に係る第１の実施形態に関連した他の実施形態の保護制御計測システムのハードウェア構成例を示す図（１） 本発明に係る第１の実施形態に関連した他の実施形態の保護制御計測システムのハードウェア構成例を示す図（２） 本発明に係る第１の実施形態に関連した他の実施形態の保護制御計測システムのハードウェア構成例を示す図（３） 本発明に係る第２の実施形態の保護制御計測システムの具体的な構成例を示す図 本発明に係る第３の実施形態の保護制御計測システムの具体的な構成例を示す図 本発明に係る他の実施形態の保護制御計測端末の構成例を示す図

符号の説明

１，１−１〜１−Ｎ…保護制御計測端末
２…通信ネットワーク
３，３−１〜３−Ｎ…親局装置
１１…入力変換器
１２…アナログフィルタ
１３…変換器
１４…演算処理部
１４−１…電気量取得送信手段
１４−２…設定値送信手段
１４−２Ａ…設定値送受信手段
１４−３…制御指令受信手段
１４−４…電気量演算手段
１４−５…保護制御計測演算手段
１５…伝送制御部
１５−１…到達時間保証伝送手段
１５−２…メッセージ伝送手段
１６…時刻同期部
３１…親局伝送制御部
３１−１…親局到達時間保証伝送手段
３１−２…親局メッセージ伝送手段
３２…親局演算処理部
３２−１…電気量演算手段
３２−２…保護制御計測演算手段
３２−３…設定値送信手段

Claims (9)

1. 電力系統や電気設備から電気量を取り込む計測端末と、当該電気量に基づいて保護制御または計測処理を行う演算手段を有する親局装置と、前記親局装置と少なくとも一つ以上の前記計測端末とを繋ぐ通信ネットワークと、を備えた保護制御計測システムにおいて、
   前記計測端末は、
   前記電気量を所定時間内に前記親局装置へ伝送するリアルタイム伝送手段と、
   前記リアルタイム伝送よりも伝送優先度が低く、前記保護制御または計測処理の演算精度を向上させる補正係数を設定値として前記親局装置へ伝送するメッセージ伝送手段と、を備え、
   前記リアルタイム伝送手段は、前記通信ネットワークを介して、前記メッセージ伝送より優先して前記電気量を所定時間内に伝送し、
   前記メッセージ伝送手段は、前記通信ネットワークを介して、前記電気量の伝送後の所定時間内で前記設定値を伝送し、
   前記演算手段は、前記リアルタイム伝送手段から受け取った前記電気量に前記メッセージ伝送手段から受け取った前記設定値を用いた補正を行い、入力電気量を算出することを特徴とする保護制御計測システム。
2. 前記演算手段は、当該入力電気量の電圧の大きさが所定の電圧閾値以上の条件下において、当該入力電気量の電圧位相差が所定の位相差閾値を超える場合に、当該入力電気量を有する前記電力系統や電気設備に異常があると判定することを特徴とする請求項１に記載の保護制御計測システム。
3. 前記演算手段は、前記電力系統や電気設備に異常があると判定する場合に、前記計測端末に制御指令を送信し、
   前記計測端末は、当該制御指令を受け取ると、電力系統や電気設備に接続されている開閉器を引き外すよう制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の保護制御計測システム。
4. 前記通信ネットワークには、イーサネットを用いることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の保護制御計測システム。
5. 前記設定値は、前記計測端末のアナログフィルタ特性の関数であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の保護制御計測システム。
6. 前記計測端末が前記電気量を取り込む際のサンプリングタイミングは、ＧＰＳにより受信した電波信号に基づいて生成され、
   前記到達時間伝送手段は、前記ＧＰＳからの絶対時刻を前記電気量と同じフレーム内に含めて伝送することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の保護制御計測システム。
7. 前記計測端末が前記電気量を取り込む際に、当該計測端末に内蔵される原子時計の時刻を用いて、前記電気量に時刻付けすることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の保護制御計測システム。
8. 前記親局装置は、前記リアルタイム伝送よりも伝送優先度が低く、前記認定の演算精度を向上させる補正係数を設定値として前記計測装置へ伝送する親局メッセージ伝送手段を備え、
   前記計測端末は、この親局メッセージ伝送手段により送られた前記設定値を受け取ることで予め設定された設定値をこれに変更することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の保護制御計測システム。
9. 電力系統や電気設備からリアルタイム性を有する電気量を取り込み、当該電気量に基づいて保護制御または計測処理を行う演算手段を有する少なくとも一つ以上の計測端末と、当該計測端末を繋ぐ通信ネットワークと、を備えた保護制御計測システムにおいて、
   前記計測端末は、
   前記電気量を所定時間内に他の計測端末に対して伝送するリアルタイム伝送手段と、
   前記リアルタイム伝送よりも伝送優先度が低く、前記保護制御または計測処理の演算精度を向上させる補正係数を設定値として前記他の計測端末に対して伝送するメッセージ伝送手段と、を備え、
   前記リアルタイム伝送手段は、前記通信ネットワークを介して、前記メッセージ伝送より優先して前記電気量を所定時間内に伝送し、
   前記メッセージ伝送手段は、前記通信ネットワークを介して、前記電気量の伝送後の所定時間内で前記設定値を伝送し、
   前記演算手段は、前記他の計測端末の前記リアルタイム伝送手段から受け取った前記電気量に、前記他の計測端末の前記メッセージ伝送手段から受け取った前記設定値を用いた補正をすることで入力電気量を算出することを特徴とする保護制御計測システム。

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