JP4979339B2

JP4979339B2 - ディジタル形方向継電器

Info

Publication number: JP4979339B2
Application number: JP2006287563A
Authority: JP
Inventors: 建平関
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-10-23
Filing date: 2006-10-23
Publication date: 2012-07-18
Anticipated expiration: 2026-10-23
Also published as: JP2008109729A

Description

この発明は、回転ベクトル変化分回路を用いて電力系統の故障の方向を判別できるようにしたディジタル形方向継電器に関するものである。

従来のディジタル形方向継電器として、例えば、特開２００３−２２４９２８号公報（以下、特許文献１と称す。）に示されるものがある。この特許文献１に示されるものは、電力系統に逆相分や零相分などの不平衡成分が存在している場合においても、不平衡事故が発生した場合、正しく事故の方向を判別することができるように、基準となる時点の零相あるいは逆相の電圧データおよび電流データと、その基準となる時点から予定のサンプリング間隔だけ離れた時点の電圧データおよび電流データとを用いて、それぞれ不平衡成分電圧の変化分および不平衡成分電流の変化分を求め、この不平衡成分電圧の変化分および不平衡成分電流の変化分の位相関係から、前方事故か後方事故かを判定するようにしたものである。

特開２００３−２２４９２８号公報

このような特許文献１に示される従来の技術においては、逆相と零相の変化分を用いて故障方法を判定しているため、例えば、電力系統の平衡故障において、逆相と零相回路が存在しない場合には、故障方向の判別ができなくなるという問題点がある。

この発明は、上記のような問題点を解消するためになされたもので、平衡／不平衡故障に関係なくあらゆる系統故障の方向判別ができ、また、故障相の選別もできる、故障判別精度の高いディジタル形方向継電器を得ることを目的とする。

この発明に係るディジタル形方向継電器は、電力系統の電圧値および電流値を周期的にサンプリングしてディジタル値に変換し、このディジタル値に変換された電圧データおよび電流データを用いて事故方向の判定演算を行うようにしたディジタル形方向継電器において、
基準となる時点の各相の電圧瞬時値と、前記基準となる時点より前の、所定のサンプリング間隔だけ離れた時点の各相の電圧瞬時値とから、各相の電圧回転ベクトル変化分を演算する電圧回転ベクトル変化分算出手段、
前記基準となる時点の各相の電流瞬時値と、前記基準となる時点より前の、所定のサンプリング間隔だけ離れた時点の各相の電流瞬時値とから、各相の電流回転ベクトル変化分を演算する電流回転ベクトル変化分算出手段、
前記電圧回転ベクトル変化分算出手段と前記電流回転ベクトル変化分算出手段の演算値から、各相の回転ベクトル変化分の瞬時有効電力を演算する回転ベクトル変化分瞬時有効電力算出手段、
前記回転ベクトル変化分瞬時有効電力算出手段で算出された各相の回転ベクトル変化分瞬時有効電力から、各相の回転ベクトル変化分有効電力実効値を演算する回転ベクトル変化分有効電力実効値算出手段、および
前記回転ベクトル変化分有効電力実効値算出手段で求めた各相の実効値に基づいて、系統の故障方向を判別する故障方向判別手段と、故障相を選別する故障相選別手段を備えた
ものである。

この発明のディジタル形方向継電器によれば、電力系統の平衡／不平衡故障に関係なくあらゆる系統故障の方向判別と故障相の選別ができ、故障判別精度の高いディジタル形方向継電器を得ることができる。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１について、図１〜図８を参照しながら説明する。
図１はこの発明の基本的な考え方を説明するためのモデル系統図とその等価回路を示すもので、図１（ａ）は保護対象である電力系統のモデル系統図、図１（ｂ）、（ｃ）は電気回路の重ね合わせの定理によってモデル系統を二つの等価回路に分けたもので、（ｂ）は回転ベクトル変化分等価回路（故障成分等価回路とも呼ばれる。）、（ｃ）は電源／負荷を含む定常回路である。
図１において、Ｏ、Ｍ、Ｎは母線、ａ、ｂ、ｃは三相線路を表し、Ｇ１、Ｇ２は電源、Ｆは故障点、ＶＦは想定故障電圧源（故障直前の定常電圧）である。
この発明の基本的な考え方は、以下の通りである。

モデル系統の母線ＭＮ間のａ相、Ｆ点に故障があると仮定する。回転ベクトル変化分等価回路（図１（ｂ））では、故障点Ｆに想定故障電圧源ＶＦを入れることを想定する。
今母線Ｍに、それぞれ線路ＭＮ保護リレーと線路ＭＯ保護リレーを配置しているものとすると、図のように線路ＭＮのa相に地絡故障が発生した場合、回転ベクトル変化分等価回路には想定故障電圧源ＶＦ以外の電源がないため、エネルギー保存則によって、母線Ｍに配置した線路ＭＮの保護リレーの回転ベクトル変化分有効電力実効値（エネルギー）の流れは、図１（ｂ）に示すようになる。すなわち、a相はマイナス(流入)で、ｂ相及びｃ相はプラス(流出)である。また、母線Ｍに配置した線路ＭＯの保護リレーのa相、b相、c相の回転ベクトル変化分有効電力実効値はすべてプラス(流出)である。
このように，送電線の前方に故障があれば、回転ベクトル変化分有効電力実効値はマイナスとなり、送電線の後方に故障があれば、回転ベクトル変化分有効電力実効値はプラスとなる。

次に、回転ベクトル変化分について説明する。
図２は、複素数平面上のリレー配置点の電圧／電流回転ベクトル変化分を示すものである。図２において、
ＶＮは、故障前の電圧回転ベクトル(現時点より１サイクル時間前の電圧回転ベクトル)、
ＶＦは、故障後の電圧回転ベクトル(現時点の電圧回転ベクトル)、
ΔＶは、電圧回転ベクトル変化分(上記両者の差分)、
ｉＮは、故障前の電流回転ベクトル(現時点より１サイクル時間前の電流回転ベクトル)、
ｉＦは、故障後の電流回転ベクトル(現時点の電流回転ベクトル)
Δｉは、電流回転ベクトル変化分(上記両者の差分)
である。

図２に示されるように、電圧／電流回転ベクトルは複素数平面上に反時計回りで回転し、電圧／電流の瞬時実測値は、電圧／電流回転ベクトルの実数部に相当する。
定常状態においては、電圧回転ベクトル変化分及び電流回転ベクトル変化分は零である
（ΔＶ＝０、Δｉ＝０）。故障がある場合のみ、回転ベクトル変化分電圧と回転ベクトル変化分電流が存在する。

次にこの発明の実施の形態１におけるディジタル形方向継電器の具体的構成、作用について図３、図４を参照して説明する。
図３はこの発明の実施の形態１におけるディジタル形方向継電器の機能ブロック図、図４は、故障方向判別の具体的な演算手順を示すフローチャートである。
図３において、１は、電力系統に設けられたＰＴ／ＣＴにより電力系統各相の電圧／電流の時系列瞬時値データを計測する電圧／電流計測手段、２は、電圧／電流計測手段１で計測した電圧／電流の時系列瞬時値のＡ／Ｄ変換を行うＡ／Ｄ変換手段、３は、計測した電圧瞬時値から各相の電圧回転ベクトル変化分を演算する電圧回転ベクトル変化分算出手段、４は、計測した電流瞬時値から各相の電流回転ベクトル変化分を演算する電流回転ベクトル変化分算出手段である。

５は、電圧回転ベクトル変化分算出手段３および電流回転ベクトル変化分算出手段４で算出した各相の電圧および電流ベクトル変化分から、各相の回転ベクトル変化分瞬時有効電力を演算する回転ベクトル変化分瞬時有効電力算出手段、６は、回転ベクトル変化分瞬時有効電力算出手段５で算出された各相の回転ベクトル変化分瞬時有効電力から、各相の回転ベクトル変化分有効電力実効値を演算する回転ベクトル変化分有効電力実効値算出手段である。
７は、回転ベクトル変化分有効電力実効値算出手段６で求めた各相の実効値に基づいて、電力系統の故障方向を判別する故障方向判別手段および故障相を選別する故障相選別手段である。

８は、上記の演算結果を外部装置に出力するインターフェース、９は記憶手段（データセーブとも呼ばれる）で方向リレー動作要素を記録し、後で系統故障の解析に役立てるものである。１０は、保護対象をトリップするための指令を出力する制御実施手段、１１は、保護対象となる電力系統であり、送電線、変圧器、発電機などがある。

次に、上述した各手段の具体的な動作、演算手順について、図４のフローチャートに基づいて説明する。
まず、ステップ１０１で、電圧／電流計測手段１、Ａ／Ｄ変換手段２において各相の時系列瞬時値データを計測する。Ａ相電圧は以下の式（１）によって求められる。

同様に、Ｂ相、Ｃ相電圧は、以下の式（２）、（３）によって求められる。

同様に、各相の電流瞬時値を計測する。
Ａ相、Ｂ相、Ｃ相、各相の電流は、以下の式（４）、（５）、（６）によって求められる。

次に、ステップ１０２で、電圧回転ベクトル変化分算出手段３において電圧回転ベクトル変化分を算出する。
Ａ相、Ｂ相、Ｃ相各相の電圧回転ベクトル変化分は、以下の式（７）、（８）、（９）によって求められる。

また、ステップ１０３で、電流回転ベクトル変化分算出手段４において電流回転ベクトル変化分を算出する。
Ａ相、Ｂ相、Ｃ相各相の電流回転ベクトル変化分は、以下の式（１０）、（１１）、（１２）によって求められる。

次に、ステップ１０４で、回転ベクトル変化分瞬時有効電力算出手段５において、各相の回転ベクトル変化分の瞬時有効電力を算出する。
Ａ相、Ｂ相、Ｃ相各相の回転ベクトル変化分の瞬時有効電力は、以下の式（１３）、（１４）、（１５）によって求められる。

続いて、ステップ１０５で、回転ベクトル変化分有効電力実効値算出手段６において、各相の回転ベクトル変化分の有効電力実効値を算出する。
この有効電力実効値の算出に際して、基準波を４Ｎ（Ｎは整数)分割と仮定する。
例えば、電気角度３０度で分割された場合、Ｎ＝３、４Ｎ＝１２となる。有効電力実効値の定義により基準波1サイクル時間(電気角度３６０度)で計算されているが、システム構築のため、別の積分時間を選択してもよい。(例えば電気角度９０度、１８０度など)
Ａ相、Ｂ相、Ｃ相各相の回転ベクトル変化分有効電力実効値は、以下の式（１６）、（１７）、（１８）によって求められる。

ステップ１０６で、故障が発生しているかどうかをチェックする。この故障が発生しているか否かのチェックは、例えば、現在の電流値と１サイクル前の電流値の差分を所定の整定値と比較することによって行うことができる。すなわち、以下の式（１９）、（２０）、
（２１）のいずれか一つを満足すれば、故障起動と判断する。

故障起動する場合、ステップ１０７へ進む。故障起動しない場合、ステップ１０８へ進む。

ステップ１０７で、故障方向判別手段および故障相選別手段７において、故障方向の判別と、故障相の選別を行う。
すなわち、ステップ１０５で算出した回転ベクトル変化分の有効電力実効値の値が負（マイナス）であれば、故障相と判断し、送電線の前方に故障があると判断する。
回転ベクトル変化分の有効電力実効値の値が正（プラス）であれば、非故障相と判断する。
また、三相とも有効電力実効値の値が正（プラス）であれば、継電装置の前方送電線に故障がないと判断する。

図５〜図８は、日本電気学会ＥＡＳＴ１０モデル系統を用いて、この発明の系統シミュレーションを行った結果を示すものである。
図５は日本電気学会ＥＡＳＴ１０モデル系統図であり、（）内の番号はノード番号、＜＞内の番号はブランチ番号を示している。この系統図の左側のノード（１１）とノード（２１）の間は、２回並架送電線（六相分）があり、その中間点Ａ点に１回線の単相地絡故障が発生したとし、この発明のディジタル形方向継電器はノード（１１）に配設するものとする。
図６、図７および図８は、それぞれ１回線三相分の電圧波形、電流波形および回転ベクトル変化分有効電力実効値波形を示す図である。（なお、基本波電気角度は１５度、サンプリング点数は２４点としている。）

図６〜図８から明らかなように、故障が発生してから、回転ベクトル変化分有効電力実効値は即時に急増し始め（無効電力実効値は９０度遅れで増加し始める）、１サイクルの時間（０．０２秒）で最大値に達する。この場合において、不感帯のしきい値を０．２ＰＵとすれば、故障発生後半サイクル（０．０１秒）以内で故障判別ができる。

実施の形態２．
図９はこの発明の実施の形態２を示すもので、パイロット保護継電方式にこの発明のディジタル形方向継電器を適用したものである。
図９において、Ｍ、Ｎは母線、Ｇ１、Ｇ２は電源、Ｆは故障点である。線路ＭＮの両端に保護リレーＲｙを配置し、常時通信回路を経由して、両端の情報を交換している。なお、通信手段は、マイクロ波、ＰＣＭ、インターネットなど何でもよい。
故障発生後、保護リレーＲｙで検出した故障方向の情報を対向端へ送信し、自端と対向端の故障方向が同じであればトリップ出力する。

実施の形態３．
図１０はこの発明の実施の形態３を示すもので、分岐線がある回線選択保護継電方式にこの発明のディジタル形方向継電器を適用したものである。
図１０において、Ａ、Ｂ、Ｃは母線、Ｇ１、Ｇ２は電源、Ｍは分岐線のモータで、母線Ｂと母線Ｃにそれぞれ回線選択保護継電装置を配置している。母線Ｂ、Ｃ両端の回線保護継電装置の間に通信線路はない。

従来の回線選択保護継電装置では、図に示すような分岐線がある場合、ＡＢ線間の故障（区外故障）があった場合、分岐線系統のモータＭの過渡電流の影響で、Ｂ母線の回線保護継電装置は誤動作をする恐れがある。これに対処するため，整定値を大きくすると、内部故障に対して故障検出しにくい方向となり、両端至近端故障において両端同時動作しない弱点がある。
これに対し、実施の形態３によれば、回転ベクトル変化分有効電力実効値ΔＰの方向要素を導入し、Ｂ母線で前方故障と後方故障を判別し、Ｆ点のような後方故障である場合は、回線選択保護継電装置をロックし，誤動作を防止することができる。
すなわち、従来のように回線選択保護継電装置の整定値を大きくすることなく誤動作を防止することができる。

この発明の基本的な考え方を説明するためのモデル系統図とその等価回路図である。複素数平面上のリレー配置点の電圧・電流回転ベクトル変化分を示す図である。この発明の実施の形態１におけるディジタル形方向継電器の機能ブロック図である。この発明の実施の形態１における故障方向判別の具体的な演算手順を示すフローチャートである。日本電気学会ＥＡＳＴ１０モデル系統図である。この発明の実施の形態１における単相地絡故障時の電圧波形図である。この発明の実施の形態１における単相地絡故障時の電流波形図である。この発明の実施の形態１における単相地絡故障時の回転ベクトル変化分有効／無効電力実効値波形図である。この発明の実施の形態２に係わるパイロット保護継電方式の概念図である。この発明の実施の形態３に係わる回線選択保護継電方式の概念図である。

符号の説明

１電圧・電流計測手段、２Ａ／Ｄ変換手段、
３電圧回転ベクトル変化分算出手段、
４電流回転ベクトル変化分算出手段、
５回転ベクトル変化分瞬時有効電力算出手段、
６回転ベクトル変化分有効電力実効値算出手段、
７故障方向判別・故障相選別手段。

Claims

電力系統の電圧値および電流値を周期的にサンプリングしてディジタル値に変換し、このディジタル値に変換された電圧データおよび電流データを用いて事故方向の判定演算を行うようにしたディジタル形方向継電器において、
基準となる時点の各相の電圧瞬時値と、前記基準となる時点より前の、所定のサンプリング間隔だけ離れた時点の各相の電圧瞬時値とから、各相の電圧回転ベクトル変化分を演算する電圧回転ベクトル変化分算出手段、
前記基準となる時点の各相の電流瞬時値と、前記基準となる時点より前の、所定のサンプリング間隔だけ離れた時点の各相の電流瞬時値とから、各相の電流回転ベクトル変化分を演算する電流回転ベクトル変化分算出手段、
前記電圧回転ベクトル変化分算出手段と前記電流回転ベクトル変化分算出手段の演算値から、各相の回転ベクトル変化分の瞬時有効電力を演算する回転ベクトル変化分瞬時有効電力算出手段、
前記回転ベクトル変化分瞬時有効電力算出手段で算出された各相の回転ベクトル変化分瞬時有効電力から、各相の回転ベクトル変化分有効電力実効値を演算する回転ベクトル変化分有効電力実効値算出手段、および
前記回転ベクトル変化分有効電力実効値算出手段で求めた各相の実効値に基づいて、系統の故障方向を判別する故障方向判別手段と、故障相を選別する故障相選別手段を備えたことを特徴とするディジタル形方向継電器。
前記電圧回転ベクトル変化分算出手段は、以下の式（７）、（８）、（９）から各相の電圧回転ベクトル変化分を算出し、前記電流回転ベクトル変化分算出手段は、以下の式（１０）、（１１）、（１２）から各相の電流回転ベクトル変化分を算出することを特徴とする請求項１に記載のディジタル形方向継電器。
前記回転ベクトル変化分瞬時有効電力算出手段は、以下の式（１３）、（１４）、（１５）から各相の回転ベクトル変化分瞬時有効電力を算出し、前記、回転ベクトル変化分有効電力実効値算出手段は、以下の式（１６）、（１７）、（１８）から各相の回転ベクトル変化分有効電力実効値を算出することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のディジタル形方向継電器。
前記故障方向判別手段および故障相選別手段は、前記実効値の値が正か負かで故障方向の判別および／または故障相の選別を行うようにしたことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のディジタル形方向継電器。
パイロット保護継電方式に利用することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載のディジタル形方向継電器。
分岐系統がある送電系統の回線選択保護継電方式に利用することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載のディジタル形方向継電器。