JP4936974B2 - 電力開閉制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、遮断器等の電力開閉装置の開閉タイミングを制御するもので、特に送電線投入時に発生する過電圧を抑制する電力開閉制御装置に関する。

従来の電力開閉制御装置においては、遮断器の電源側電圧と負荷側電圧の測定波形から周波数・位相・振幅を求めて関数近似し、近似関数を用いて現在時刻以降の極間電圧を合成し、遮断器のプレアーク特性に基づいた信号変換及び遮断器の機械的動作バラツキに基づいた信号変換を行った上で目標閉極時刻を決定していた（例えば、特許文献１参照）。そして、目標閉極時刻において遮断器を閉極させることで送電線投入時に発生する過電圧を抑制していた。

特開２００３−１６８３３５号公報

一般に、電力開閉制御装置では、送電線故障時の高速再閉路責務に使用されることがある。このような責務においては、送電線故障発生から５００ミリ秒程度の制限時間内に送電線投入時の過電圧が抑制されるような目標閉極時刻を見つけ、遮断器を閉極させる必要がある。上記従来の電力開閉制御装置においては、目標閉極時刻を決定するために運用時に多くの計算を行う必要があり、従って、高性能な演算装置を必要とし、コスト高になるという問題点があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、運用時における計算が簡便で、安価な演算装置でも高速な制御を行うことができる電力開閉制御装置を得ることを目的とする。

この発明に係る電力開閉制御装置は、予め、電力開閉装置のプレアーク特性、機械的動作バラツキ特性および負荷側電圧の振幅変動を考慮して目標閉極位相マップを生成する目標閉極位相マップ生成手段と、電力開閉装置における電源側電圧および負荷側電圧それぞれの周波数と位相から、目標閉極位相マップを参照して目標閉極時刻列を算出する目標閉極時刻算出手段と、電力開閉装置への閉極指令が入力された場合、電力開閉装置の閉極動作を開始させるための閉極制御信号の出力タイミングを、予め設定された予測閉極時間および目標閉極時刻列に基づいて制御する閉極制御手段とを備えたものである。

この発明の電力開閉制御装置は、目標閉極位相マップ生成手段によって予め目標閉極位相マップを生成し、目標閉極時刻算出手段は、この目標閉極位相マップに基づいて目標閉極時刻列を算出するようにしたので、運用時における計算が簡便で、安価な演算装置でも高速な制御を行うことができる。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による電力開閉制御装置を示す構成図である。
図において、電力開閉制御装置は、電圧計測手段１、周波数・位相算出手段２、目標閉極位相マップ生成手段３、目標閉極時刻算出手段４、閉極制御手段５からなる。
電圧計測手段１は、電力開閉装置である遮断器６の電源側電圧と負荷側電圧とを計測し、一定時間分記憶する手段である。また、遮断器６は電源７と負荷側の送電線８との間に設けられ、電源７と送電線８との電力開閉を行う装置である。

周波数・位相算出手段２は、電圧計測手段１で計測された電源側電圧１ａおよび負荷側電圧１ｂの周波数・位相を算出する手段である。目標閉極位相マップ生成手段３は、予め、電力開閉制御装置の運用前に遮断器６のプレアーク特性９、機械的動作バラツキ特性１０、および負荷側電圧の振幅変動を考慮して目標閉極位相マップ３ａを生成する手段である。目標閉極時刻算出手段４は、周波数・位相算出手段２で算出された電源側電圧および負荷側電圧それぞれの周波数と位相から、目標閉極位相マップ３ａを参照して目標閉極時刻列を算出する手段である。閉極制御手段５は、閉極指令１１が入力されると、予測閉極時間１２および目標閉極時刻算出手段４から出力される目標閉極時刻列４ａに基づいて遮断器６の閉極動作を開始させるための閉極制御信号５ａを出力するタイミングを制御する手段である。

次に、このように構成された電力開閉制御装置の動作について説明する。
電圧計測手段１は、遮断器６の電源側電圧および負荷側電圧を計測して一定時間分記憶し、電源側電圧１ａおよび負荷側電圧１ｂとして周波数・位相算出手段２に出力する。
周波数・位相算出手段２は、電圧計測手段１から出力された過去一定時間分の電源側電圧１ａおよび負荷側電圧１ｂより、電源側電圧の周波数および位相２ａと、負荷側電圧の周波数および位相２ｂをそれぞれ算出する。具体的には、得られた電圧信号について符号が負から正、または正から負に変化した点である複数のゼロクロス点時刻を検出し、記憶する。電圧信号が正弦波信号であった場合は、半周期毎にゼロクロス点が得られるので、記憶された複数のゼロクロス点時刻の時間間隔の平均値の逆数をとって２倍した値を周波数ｆ（Ｈｚ）とすればよい。電源側電圧の周波数については、系統条件に応じて５０Ｈｚまたは６０Ｈｚで固定であるので、予め設定しておいた値を用いる。

位相については、記憶された複数のゼロクロス点時刻の中から最も現在時刻に近い時刻をｔ１（秒）とし、現在時刻をｔ２（秒）とすると、以下の式により算出される。
時刻ｔ１のゼロクロス点が負から正の場合、
位相（度）＝（ｔ２−ｔ１）×ｆ×３６０
時刻ｔ１のゼロクロス点が正から負の場合、
位相（度）＝（ｔ２−ｔ１）×ｆ×３６０＋１８０
以上の計算により、電源側電圧の周波数および位相２ａおよび負荷側電圧の周波数および位相２ｂを求める。

次に、目標閉極位相マップ生成手段における目標閉極位相マップの生成動作を説明する。
先ず、遮断器６の特性について説明する。閉極制御手段５から閉極制御信号５ａが出力されると、ある機械的な動作時間経過後に遮断器６の接触子が機械的に接触する。接触子が機械的に接触する瞬間を閉極と呼び、閉極制御信号５ａが出力されてから閉極するまでの時間を閉極時間と呼んでいる。また、閉極前に先行放電によって主回路電流が流れ始めることが知られている。この先行放電をプレアークと呼び、主回路電流が流れ始める瞬間を投入と呼ぶ。投入の瞬間は、遮断器６の接触子間に印加される電圧、即ち、電源側電圧１ａと負荷側電圧１ｂの差分値である極間電圧の絶対値に依存する。

図２は、時間毎の極間電圧の絶対値の関係を示す説明図である。
図２における耐電圧直線１０１は、時刻１０２に閉極させた遮断器における、ある時刻での接触子間の耐電圧値を示したもので、その傾きは遮断器６のプレアーク特性に応じて一意に決まる値である。ある時刻において耐電圧値よりも極間電圧の絶対値１０４が低い場合は、接触子間の耐電圧が上回っているため投入されないが、耐電圧直線１０１と極間電圧の絶対値１０４との交点である図２中の点１０３では、接触子間の耐電圧が極間電圧の絶対値１０４以下となるのでプレアークが発生して投入が行われる。以後、耐電圧直線１０１と極間電圧の絶対値１０４との交点を投入点と称する。

送電線投入時に発生する過電圧を抑制するためには、極間電圧の絶対値が最小となる瞬間で遮断器６を投入すればよい。よって、極間電圧の絶対値が最小となる瞬間が投入点となるように、前記のプレアーク特性を考慮した上で目標閉極時刻を決定し、遮断器６が目標閉極時刻で閉極されるように、閉極制御信号５ａを出力させればよい。
しかし、遮断器６には機械的動作バラツキが存在するため、次回の閉極時間の予測値である予測閉極時間１２と実際の閉極時間が一致するとは限らない。即ち、目標閉極時刻から予測閉極時間１２だけ遡った時点で閉極制御信号５ａを出力すると、実際の閉極時刻は目標閉極時刻を中心として正規分布上のバラツキを有することになる。
図２中に、閉極時間バラツキ１０５が存在した場合の耐電圧直線の変動範囲を１０６と１０７で示している。よって、図２に示した例では点１０８〜点１０９の範囲で投入されることになる。
また、送電線故障時においては、電源側電圧１ａは定格振幅とみなせるが、負荷側電圧１ｂは故障時の条件に応じて振幅が変動するため、電源側電圧１ａと負荷側電圧１ｂの差分値である極間電圧の大きさも変動することになる。

以上に述べた、遮断器のプレアーク特性、遮断器の機械的動作バラツキ特性、および負荷側電圧の振幅変動を考慮して目標閉極位相マップを生成する方法を図３を用いて説明する。
図３は、電源側電圧２０１と負荷側電圧２０２と極間電圧の絶対値２０３の変化を示す説明図である。
先ず、遮断器６のプレアーク特性に基づいて、予め耐電圧直線２０４の傾きを設定しておく。また、遮断器６の機械的動作バラツキ特性に基づいて、予め閉極時間バラツキ２０５を設定しておく。以降では、電源側電圧の周波数が６０（Ｈｚ）であったとして説明を行う。図３は、負荷側電圧の周波数＝３０（Ｈｚ）、負荷側電圧の振幅＝０．５（ＰＵ）における（電源側電圧位相，負荷側電圧位相）＝（０度，３０度）のマップ点を求める方法を示したものである。尚、１ＰＵとは定格振幅を１とした時の振幅値の相対値を示している。

先ず、時刻０秒における電源側電圧位相が０度となるように電源側電圧２０１を、また、時刻０秒における負荷側電圧位相が３０度となるように負荷側電圧２０２を生成する。そして、電源側電圧２０１と負荷側電圧２０２の差分値の絶対値である極間電圧の絶対値２０３を求める。
次に、遮断器６のプレアーク特性に基づく傾きを有する耐電圧直線２０４を、時刻０秒を中心として閉極時間バラツキ２０５の範囲内で変化させ、極間電圧の絶対値２０３との交点の最大値である投入電圧２０６を求める。そして、図４に示すように、負荷側電圧の振幅を０〜１ＰＵの間で変化させた時の投入電圧２０６の最大値を最大投入電圧２０７とする。図４は、負荷側電圧の周波数＝３０（Ｈｚ）、（電源側電圧位相，負荷側電圧位相）＝（０度，３０度）の例を示す。このようにして得られた最大投入電圧２０７をマップ点とする。

以上の操作について、電源側電圧位相を０〜３６０度、負荷側電圧位相を０〜３６０度の範囲内で変化させて、各位相におけるマップ点を算出することで、二次元形式の目標閉極位相マップを生成する。図５に、負荷側電圧の周波数＝３０（Ｈｚ）の目標閉極位相マップを生成した例を示す。図中の２０７が図４の最大投入電圧に対応する。また、図中の０．６，０．８，…といった曲線は、極間電圧の絶対値の振幅（ＰＵ）を示している。
以上の操作について、負荷側電圧の周波数を変化させて繰り返すことで、各負荷側電圧の周波数における目標閉極位相マップ３ａを生成する。
尚、目標閉極位相マップ３ａは、電力開閉制御装置を運用する前に生成しておくものとする。

次に、目標閉極時刻算出手段４では、周波数・位相算出手段２で求められた、電源側電圧の周波数および位相２ａ、および負荷側電圧の周波数および位相２ｂから、目標閉極位相マップ３ａを参照して、目標閉極時刻列４ａを求める。
図５を用いて目標閉極時刻列４ａの算出方法を説明する。負荷側電圧の周波数が３０（Ｈｚ）で、現在時刻の（電源側電圧位相，負荷側電圧位相）＝（０度，３０度）とすると、現在時刻は２０８の位置となる。以降、時間の経過につれて、電源側電圧位相と負荷側電圧位相は直線２０９上を矢印方向に変化していくこととなる。直線２０９の傾きは、以下の式により求められる。
直線２０９の傾き＝負荷側電圧周波数／電源側電圧周波数
よって、現在時刻２０８以降の最大投入電圧の値は、目標閉極位相マップ３ａ上を直線２０９に沿って読み取っていくことにより直ちに求めることができる。例えば、最大投入電圧が０．８ＰＵ未満の時刻の値を１とし、０．８ＰＵ以上を０として、目標閉極時刻列４ａを生成した例を図５下部に示している。最大投入電圧が０．８ＰＵ未満となる時刻領域が１と示されているので、目標閉極時刻列４ａが１となる時刻で遮断器６を閉極させれば、投入点における極間電圧が小さくなり、投入時の過電圧が抑制できる。
尚、目標閉極時刻列４ａは、現在時刻から予測閉極時間１２よりも経過した未来の時刻領域について計算を行う必要がある。

次に、閉極制御手段５では、閉極指令１１が入力されると、目標閉極時刻列４ａと、予測閉極時間１２に基づいて、遮断器の閉極動作を開始させる閉極制御信号５ａを後述する時間だけ遅延させた後に出力する。
図６は、閉極制御手段５の動作を示すタイミングチャートである。
図６に示すように、閉極指令１１が入力されると、現在時刻３０１から予測閉極時間１２以上経過した時刻領域であって、目標閉極時刻列４ａが１となる時刻を探す。図６では、時刻３０２が所望の時刻となるので、時刻３０２から予測閉極時間１２だけ遡った時刻３０３、即ち、現在時刻３０１から遅延時間３０４だけ経過した時点で閉極制御信号５ａを出力する。
閉極制御信号５ａが出力されると、予測閉極時間１２が経過した後の時刻３０２において、遮断器６が閉極されることになる。

以上のように、実施の形態１の電力開閉制御装置によれば、電力開閉装置の電源側電圧および負荷側電圧を測定する電圧計測手段と、電源側電圧および負荷側電圧それぞれの周波数と位相を算出する周波数・位相算出手段と、予め、電力開閉装置のプレアーク特性、機械的動作バラツキ特性および負荷側電圧の振幅変動を考慮して目標閉極位相マップを生成する目標閉極位相マップ生成手段と、電源側電圧および負荷側電圧それぞれの周波数と位相から、目標閉極位相マップを参照して目標閉極時刻列を算出する目標閉極時刻算出手段と、電力開閉装置への閉極指令が入力された場合、電力開閉装置の閉極動作を開始させるための閉極制御信号の出力タイミングを、予め設定された予測閉極時間および目標閉極時刻列に基づいて制御する閉極制御手段とを備えたので、最適タイミングで電力開閉装置の投入を行うことができ、送電線投入時に発生する過電圧を抑制することができる。また、運用時における計算が簡便となり、安価な演算装置でも高速な制御を行うことができる。

また、実施の形態１の電力開閉制御装置によれば、目標閉極位相マップは、電力開閉装置の投入時点における電源側電圧位相と負荷側電圧位相とに対応した極間電圧の絶対値の最大値を示すマップとしたので、簡便な計算で電力開閉装置を投入する際の最適タイミングを求めることができる。

この発明の実施の形態１による電力開閉制御装置を示す構成図である。 この発明の実施の形態１による電力開閉制御装置の時間毎の極間電圧の絶対値の関係を示す説明図である。 この発明の実施の形態１による電力開閉制御装置の電源側電圧と負荷側電圧と極間電圧の変化を示す説明図である。 この発明の実施の形態１による電力開閉制御装置の負荷側電圧の振幅を変化させた時の投入電圧を示す説明図である。 この発明の実施の形態１による電力開閉制御装置の目標閉極位相マップを示す説明図である。 この発明の実施の形態１による電力開閉制御装置の閉極制御手段の動作を示すタイミングチャートである。

符号の説明

１ 電圧計測手段、１ａ 電源側電圧、１ｂ 負荷側電圧、２ 周波数・位相算出手段、２ａ 電源側電圧の周波数および位相、２ｂ 負荷側電圧の周波数および位相、３ 目標閉極位相マップ生成手段、３ａ 目標閉極位相マップ、４ 目標閉極時刻算出手段、４ａ 目標閉極時刻列、５ 閉極制御手段、５ａ 閉極制御信号、６ 遮断器、７ 電源、８ 送電線、９ プレアーク特性、１０ 機械的動作バラツキ特性、１１ 閉極指令、１２ 予測閉極時間。

Claims (2)

1. 電力開閉装置の電源側電圧および負荷側電圧を測定する電圧計測手段と、
   前記電源側電圧および前記負荷側電圧それぞれの周波数と位相を算出する周波数・位相算出手段と、
   予め、前記電力開閉装置のプレアーク特性、機械的動作バラツキ特性および負荷側電圧の振幅変動を考慮して目標閉極位相マップを生成する目標閉極位相マップ生成手段と、
   前記電源側電圧および前記負荷側電圧それぞれの周波数と位相から、前記目標閉極位相マップを参照して目標閉極時刻列を算出する目標閉極時刻算出手段と、
   前記電力開閉装置への閉極指令が入力された場合、当該電力開閉装置の閉極動作を開始させるための閉極制御信号の出力タイミングを、予め設定された予測閉極時間および前記目標閉極時刻列に基づいて制御する閉極制御手段とを備えた電力開閉制御装置。
2. 目標閉極位相マップは、前記電力開閉装置の投入時点における電源側電圧位相と負荷側電圧位相とに対応した極間電圧の絶対値の最大値を示すマップであることを特徴とする請求項１記載の電力開閉制御装置。

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