JP5225170B2

JP5225170B2 - 保護制御装置

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Publication number: JP5225170B2
Application number: JP2009078168A
Authority: JP
Inventors: 佑亮柳橋; 年男田中; 紀善須賀
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2009-03-27
Filing date: 2009-03-27
Publication date: 2013-07-03
Anticipated expiration: 2029-03-27
Also published as: JP2010233355A

Description

本発明は、電力系統の電流・電圧・位相およびロジック信号入力条件により、系統事故の検出および所定の制御を行う保護制御装置に関する。

一般に、保護制御装置は電力系統の電流・電圧・位相およびロジック信号入力により、系統事故の検出および所定の制御を行うものであり、電力系統の電圧・電流を入力変換器を介して入力し、所定のアナログ変換回路で入力変成器の二次側の信号を所定レベルのアナログ信号に変換し、さらに、Ａ／Ｄ変換回路でディジタル信号に変換して演算処理回路で所定の保護制御演算を行い系統事故を検出するものである。保護制御演算結果を外部に出力するにあたり、外部から電圧のロジック信号によって所定の動作条件や出力条件などの設定および制御を可能としている。

従来の保護制御装置では、外部から電圧のロジック信号を常時連続的に入力し、保護制御装置内に電流を流し込むことでロジック信号を取り込んでいる。このため、ロジック入力回路の部品発熱量が多く、必要により放熱対策やロジック入力回路数を限定するなどの制約があった。

複数の入力電圧に対して１つの無接点リレーを動作させる場合においても、入力電圧が大きな場合にも、無接点リレーに対する入力電流を低減することができるようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−１０１７８１号公報

特許文献１のものでは、定電流回路と、バイパス回路を設けている。定電流回路によって、複数の定格電圧のロジック信号に対応することができ、筐体内部の発熱量を抑えることを可能にしており、放熱用ヒートシンクの実装やケースに放熱用のスリットを設けるなどの放熱対策をする必要がない。また、バイパス回路によって、一定時間、大きな電流を流すことで、外部接点の接触部に酸化皮膜が発生した場合でも、その酸化皮膜を除去でき、外部接点の接触不良を防止することが可能である。

しかし、特許文献１のものでは、外部からの電圧のロジック信号を常時連続的に入力しており、必ずしも発熱対策としては、十分ではない。

本発明の目的は、更なる発熱量の低減をし、より小形化した保護制御装置を提供することである。

本発明の保護制御装置は、電力系統の電流・電圧・位相およびロジック信号入力条件により、系統事故の検出および所定の制御を行う保護制御装置において、電力系統から電流及び電圧を入力変成器を介して入力し前記入力変成器の二次側の信号を所定レベルのアナログ信号に変換するアナログ変換回路と、前記アナログ変換回路のアナログ信号を所定のディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路と、所定の動作条件や出力条件が設定された外部から電圧のロジック信号を取り込むロジック入力回路と、前記Ａ／Ｄ変換回路のディジタル信号及び前記ロジック入力回路のロジック信号に基づいて所定の保護制御演算を行いリレー出力回路を介して外部に保護制御演算結果を出力する演算処理回路と、前記演算処理回路の指令により外部から電圧のロジック信号を取り込むタイミングに合わせて前記ロジック入力回路を断続的に動作させるためのロジック入力制御回路と、前記ロジック入力回路の外部からのロジック信号の電圧と同じ値の制御用電圧となるように前記入力変成器、前記アナログ変換回路、前記Ａ／Ｄ変換回路、前記演算処理回路に制御用の電源電圧を供給する電源回路とを備え、前記電源回路から供給される制御用の電源電圧を監視する電源電圧監視回路を設け、前記演算処理回路は、前記電源電圧監視回路で得られた制御電源電圧のレベルに応じてロジック入力回路内の抵抗を切り替えて前記ロジック入力回路に流れ込む電流を制御することを特徴とする。

本発明によれば、ロジック入力回路の部品発熱を抑えることができ、定格電圧が異なる広範囲のロジック信号に対応することができ、しかもロジック信号の電圧を制御する外部接点の接触不良を防止できる。

本発明の本発明の第１の実施の形態に係わる保護制御装置の構成図。本発明の本発明の第１の実施の形態におけるロジック入力制御回路及びロジック入力回路の一例の回路図。本発明の第１の実施の形態におけるロジック入力回路の発熱の説明図。本発明の第１の実施の形態におけるロジック入力回路に流れる電流の説明図。本発明の第１の実施の形態におけるロジック入力制御回路及びロジック入力回路の他の一例の回路図。本発明の第２の実施の形態におけるロジック入力制御回路及びロジック入力回路の一例の回路図。本発明の第２の実施の形態におけるロジック入力回路の一例の場合の発熱の説明図。本発明の第２の実施の形態におけるロジック入力回路の他の一例の場合の発熱の説明図。本発明の第３の実施の形態に係わる保護制御装置の構成図。本発明の第３の実施の形態におけるロジック入力制御回路及びロジック入力回路の一例の回路図。本発明の第４の実施の形態におけるロジック入力制御回路及びロジック入力回路の一例の回路図。

（第１の実施の形態）
図１は本発明の本発明の第１の実施の形態に係わる保護制御装置の構成図である。電力系統の電流・電圧は入力変成器１１により絶縁されており、電力系統の電流及び電圧は入力変成器１１を介して入力される。入力変成器１の２次側の信号は入力アナログ回路１２に入力され、入力アナログ回路１２において所定レベルのアナログ信号に変換される。入力アナログ回路１２で得られた所定レベルのアナログ信号は、Ａ／Ｄ変換回路１３により所定のディジタル信号に変換され演算処理回路１４に入力される。また、演算処理回路１４には、ロジック入力回路１５からのロジック信号も入力される。ロジック信号は、所定の動作条件や出力条件が設定された信号であり、外部から電圧信号としてロジック入力回路１５に取り込まれ、取り込まれたロジック信号は演算処理回路１４に入力される。

演算処理回路１４は、入力したＡ／Ｄ変換回路１３のディジタル信号及びロジック入力回路１５のロジック信号に基づいて所定の保護制御演算を行い、リレー出力回路１６を介して出力接点１７により外部に保護制御演算結果を出力する。すなわち、出力接点１７は、リレー出力回路１６の結果を受けて開閉し、保護制御装置の外部へ保護制御演算結果の情報を伝える。

ロジック入力制御回路１８は、演算処理回路１４の指令によりロジック入力回路１５を制御するものであり、外部から電圧のロジック信号を取り込むタイミングに合わせてロジック入力回路１５を断続的に動作させる。これにより、ロジック入力回路１５を断続的に動作させたとしても、ロジック信号を取り込むことができるようにしている。

電源回路１９は、電源入力より保護制御装置内部の電源電圧として安定化された制御用電圧を各回路、すなわち、入力変成器１１、アナログ変換回路１２、Ａ／Ｄ変換回路１３、演算処理回路１４、リレー出力回路１６、ロジック入力制御回路１８に供給するものである。その際、電源回路１９は、ロジック入力回路１５の外部からのロジック信号の電圧と同じ値の制御用電圧となるように各回路に制御用の電源電圧を供給する。

図２は、図１に示したロジック入力制御回路１８及びロジック入力回路１５の一例の回路図である。保護制御装置外部の図示省略の外部接点が閉じると、保護制御装置のロジック入力回路１５に電圧のロジック信号が印加される。外部接点は、ロジック入力回路１５に入力されるロジック信号を制御するものであり、例えば、外部接点が閉じたときは所定の電圧がロジック信号として発生し、外部接点が開いたときは電圧は零となりロジック信号の入力がなくなる。

保護制御装置のロジック入力回路１５にロジック信号電圧が印加された場合、ロジック入力回路１５の抵抗２０によって決まる電流Ｉがフォトカプラ２１に流れ、フォトカプラ２１を介し演算処理回路１４にロジック信号が入力される。このとき、演算処理回路１４はロジック入力制御回路１８に対し、ロジック入力回路１５を断続的に動作させる指令を出力する。すなわち、演算処理回路１４はロジック入力制御回路１８のフォトモスリレー２２を断続的に動作させる制御信号を出力する。これにより、ロジック入力制御回路１８のフォトモスリレー２２は断続的に動作し、ロジック入力回路１５がＯＮ／ＯＦＦを繰り返して、ロジック入力回路１５に電流が断続的に通電される状態となる。つまり、入力回路１５に電流が常時通電される状態ではなくなるので、ロジック入力回路１５に実装された部品の発熱が抑えられる。

図３はロジック入力回路１５の発熱の説明図であり、図３（ａ）は従来の場合の説明図、図３（ｂ）は本発明の場合の説明図である。従来の場合には、図３（ａ）に示すように、連続的にロジック信号の電圧Ｖが抵抗２０に印加されるので、電流Ｉは連続的に流れる。また、本発明の場合には、図３（ｂ）に示すように、ロジック入力制御回路１８のフォトモスリレー２２の断続動作により、断続的にロジック信号の電圧Ｖが抵抗２０に印加されるので、電流Ｉは断続的に流れる。いま、従来の場合の抵抗２０での発熱量をＱ１、本発明の場合の抵抗２０での発熱量をＱ２とする。

図４はロジック入力回路１５に流れる電流の説明図であり、図４（ａ）は従来の場合の説明図、図４（ｂ）は本発明の場合の説明図である。いま、時間Ｔの周期でフォトモスリレー２２を時間αだけＯＮした断続動作としたとする。この場合、フォトモスリレー２２がＯＮしている時間αの間に、演算処理回路１４はロジック信号を取り込むことになる。

図４（ａ）、（ｂ）のように、ロジック信号を読み込んだ場合、従来と本発明との比較を（１）式に示す。

＜従来と本発明の発熱量の違い＞
Ｑ１＝Ｖ１・Ｔ
Ｑ２＝Ｖ１・α
Ｑ２／Ｑ１＝α／Ｔ …（１）
本発明の場合には、（１）式より、従来に比べ発熱量がα／Ｔに低減可能となる。本発明の実施の形態によれば、発熱を抑えることが可能となるため小形の保護制御装置の提供が可能となる。

図５は、図１に示したロジック入力制御回路及びロジック入力回路の他の一例の回路図である。この他の一例は、複数のロジック信号がロジック入力回路１５に入力される場合を示している。

図５において、複数のロジック信号の電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３が各ロジック入力回路に入力された場合、各抵抗２０を流れる電流Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３のロジック入力回路の片側を共通とすることで、ロジック入力制御回路１８のフォトモスリレー２２により、ロジック入力回路１５がＯＮ／ＯＦＦを繰り返し、全てのロジック信号を一括制御することも可能である。

本発明の第１の実施の形態によれば、外部からのロジック信号を断続的に取り込むことで、外部から流入する電流を断続的に流すことができ、ロジック入力回路１５の部品発熱を抑えることができる。従って、ロジック入力回路１５に放熱用ヒートシンクを必要とせず、ケースに放熱用のスリットを設けるなど複雑な構造とすることなく小形の保護制御装置を提供することができる。

（第２の実施の形態）
図６は本発明の第２の実施の形態におけるロジック入力制御回路及びロジック入力回路の一例の回路図である。この第２の実施の形態は、図２に示した第１の実施の形態に対し、ロジック入力回路１５は、外部から電圧で入力したロジック信号を定電流に変換する定電流ダイオード２３を備えたものである。

図６において、ロジック入力回路１５には印加された電圧のロジック信号を定電流に変換する定電流素子２３が設けられている。すなわち、ロジック信号は、定電流ダイオード１３を用いた定電流回路によって、ロジック信号の電圧Ｖが異なる定格のものであった場合でも、一定の電流を通電させることが可能となる。

図７はロジック入力回路１５の発熱の説明図であり、図７（ａ）、（ｂ）は従来の場合の説明図、図７（ｃ）、（ｄ）は本発明の場合の説明図である。従来の最小電圧Ｖｍｉｎのロジック信号の場合には、図７（ａ）に示すように、連続的にロジック信号の電圧Ｖｍｉｎが抵抗２０に印加されるので、電流Ｉは連続的に流れ発熱量はＱ１ｍｉｎとなる。従来の最大電圧Ｖｍａｘのロジック信号の場合には、図７（ｂ）に示すように、連続的にロジック信号の電圧Ｖｍａｘが抵抗２０に印加されるので、Ｎ倍の電流ＮＩが連続的に流れ発熱量はＱ１ｍａｘとなる。

一方、本発明の場合には、図７（ｃ）、（ｄ）に示すように、最小電圧Ｖｍｉｎのロジック信号、あるいは最大電圧Ｖｍａｘのロジック信号の場合であっても、定電流素子２３を通しているので電流Ｉは同じであり、発熱量Ｑ２ｍｉｎと発熱量Ｑ２ｍａｘはロジック信号の電圧分の差が生じる。

すなわち、ロジック信号の電圧の最小と最大の関係を（２）式と仮定した場合、従来と本発明の発熱量の比較を（３）式に示す。

＜入力電圧の最小と最大の関係＞
Ｖｍａｘ＝Ｎ・Ｖｍｉｎ …（２）
＜従来回路と定電流回路の発熱量の違い＞
Ｑ１ｍａｘ＝｛（Ｎ・Ｖｍｉｎ）^２／Ｒ｝・Ｔ
Ｑ１ｍｉｎ＝｛（Ｖｍｉｎ）^２／Ｒ｝・Ｔ
Ｋ１＝Ｑ１ｍａｘ／Ｑ１ｍｉｎ＝Ｎ^２
Ｑ２ｍａｘ＝｛（Ｎ・Ｖｍｉｎ）・Ｉ｝・Ｔ
Ｑ２ｍｉｎ＝｛（Ｖｍｉｎ）・Ｉ｝・Ｔ
Ｋ２＝Ｑ２ｍａｘ／Ｑ２ｍｉｎ＝Ｎ
Ｋ２／Ｋ１＝１／Ｎ …（３）
本発明の場合には、（３）式より、従来に比べ発熱量が１／Ｎに低減可能となる。

さらに、ロジック入力制御回路１８の制御により、断続的に通電した場合には、
電流は、常時ロジック入力回路１５に電流が通電されないため、より発熱を抑えることが可能となる。その場合の効果を説明する。例として図８の回路例を用い、従来と本発明の発熱量の比較を（４）式に示す。

＜従来回路と本発明回路の発熱量の違い＞
（Ｑ２／Ｑ１）・（Ｋ２／Ｋ１）＝α／（Ｎ・Ｔ） …（４）
さらにロジック入力制御回路１８により、従来に比べ発熱量がα／（Ｎ・Ｔ）に低減可能となる。本発明の第２の実施の形態によれば発熱を抑えることが可能となるため小形の保護制御装置の提供が可能となり、１種類のロジック入力回路で広範囲のロジック信号電圧に対応可能となる。

（第３の実施の形態）
図９は本発明の第３の実施の形態に係わる保護制御装置の構成図である。この第３の実施の形態は、図１に示した第１の実施の形態に対し、電源回路１９から供給される制御用の電源電圧を監視する電源電圧監視回路２４を設け、演算処理回路１４は、電源電圧監視回路２４で得られた制御電源電圧のレベルに応じて、ロジック入力回路１５内の抵抗を切り替えてロジック入力回路１５に流れ込む電流を制御するようにしたものである。図１と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。

電源電圧監視回路２４は、電源回路１９に印加された制御電源電圧の大きさを監視し、制御電源電圧のレベル判定し、そのレベル判定結果により演算処理回路１４から制御信号を出力しロジック入力回路１５内の抵抗を切り替えて、ロジック入力回路１５に流れる電流を抑制する。

図１０は本発明の第３の実施の形態におけるロジック入力制御回路及びロジック入力回路の一例の回路図である。図１０に示すように、ロジック入力回路１５は複数の直列接続の抵抗２５に入力され、抵抗２５には抵抗制御用スイッチ２６が並列接続されている。図１０では２個の抵抗２５が直列接続され、１個の抵抗２５に抵抗制御用スイッチ２６が並列接続された場合を示している。

ロジック信号の電圧が大きいときは、演算処理回路１４は抵抗制御用スイッチ２６を開き、２個の抵抗２５を直列接続した状態とする。これにより、ロジック入力回路１５内の電流は抑制される。一方、ロジック信号の電圧が小さいときは、演算処理回路１４は抵抗制御用スイッチ２６を閉じ、１個の抵抗２５を接続した状態とする。これにより、ロジック入力回路１５内の電流は、ロジック信号の電圧が変化した場合であっても、変動を小さくできる。

例えば、電源電圧監視回路２４のレベル判定閾値を１５０Ｖとした場合、制御電源電圧が１１０Ｖではロジック入力回路１５の抵抗制御用スイッチ２６をＯＮ状態とし、制御電源電圧が２２０Ｖではロジック入力回路１５の抵抗制御用スイッチ２６をＯＦＦ状態とする。この結果、ロジック入力回路１５の抵抗２５が切り替えられ、広範囲のロジック信号電圧が印加された場合でも通電電流を段階的に制御することが可能となる。よって共通の回路ハードにより広範囲のロジック信号電圧に対応可能となり、従来に比べ発熱を抑えることができるため小形の保護制御装置を提供できる。

第３の実施の形態によれば、保護制御装置の制御電源電圧レベルに応じて演算処理回路１４よりロジック入力回路１５の抵抗を切り替え、ロジック入力回路１５に流れ込む電流を制御することで、広範囲のロジック信号電圧に対して、１種類のロジック入力回路１５で定格電圧が異なる場合でも対応することができ、保護制御装置の共用化が実現できる。

（第４の実施の形態）
図１１は本発明の第４の実施の形態におけるロジック入力制御回路及びロジック入力回路の一例の回路図である。この第４の実施の形態は、図２に示した第１の実施の形態に対し、ロジック入力回路に入力される電圧のロジック信号を制御する外部接点に対して、外部接点が閉じる度に短時間だけ大きな電流を通電させる瞬時電流通電回路２７を設けたものである。図２と同一要素には、同一符号を付し重複する説明は省略する。

図１１に示すように、保護制御装置外部の図示省略の外部接点に対して、外部接点が閉じる度に短時間大きな電流を流す瞬時電流通電回路２７がロジック入力回路１５の入力端に並列に接続されている。外部接点は、前述したように、ロジック入力回路１５に入力されるロジック信号電圧を制御する接点である。

瞬時電流通電回路２７は、コンデンサ２８、抵抗２９の並列回路で構成されている。保護制御装置外部の図示省略の外部接点が閉じ、保護制御装置のロジック入力回路１５にロジック信号電圧が印加された場合、コンデンサ２８が充電されるまでは、ロジック入力回路１５のコンデンサ２８に電流が流れ込む。このため、外部接点の接触部に大きな電流が流れる。コンデンサ２８が充電した後、コンデンサ２８の両端の電位差はロジック入力回路１５に入力されるロジック信号電圧のレベルと等価となる。これにより、ロジック信号電圧は第１の実施の形態の保護制御装置の制御電源電圧の大きさとなる。

一方、外部接点が開くとロジック入力回路１５にはロジック信号電圧が印加されなくなるが、コンデンサ２８が充電されている場合、コンデンサ２８の放電完了まで、ロジック入力回路１５に電流が通電される。このように、瞬時電流通電回路２７のコンデンサ２８の充放電を利用して、ロジック入力回路１５に入力されるロジック信号電圧を制御する外部接点が閉じる度に短時間大きな電流を通電させる。従って、外部接点の接触部に酸化皮膜が発生した場合でも、外部接点が閉じる度に酸化皮膜を除去し、外部接点の接触不良を防止することができ、システム全体の信頼性が向上する。

以上の説明では、第１の実施の形態に対し、外部接点が閉じる度に短時間だけ大きな電流を通電させる瞬時電流通電回路２７を設けた場合を示したが、第２の実施の形態や第３の実施の形態に対し、瞬時電流通電回路２７を設けるようにしてもよい。

第４の実施の形態によれば、保護制御装置外部の外部接点が閉じる度に、ロジック入力回路に短時間大きな電流を流すことで、ロジック入力回路１５に入力されるロジック信号電圧を制御する外部接点の接触部に酸化皮膜が発生した場合でも、外部接点が閉じる度に酸化皮膜を除去し、外部接点の接触不良を防止できる。これにより、正しくロジック信号を保護制御装置内部に取り込むことが可能となる。

１１…入力変成器、１２…入力アナログ回路、１３…Ａ／Ｄ変換回路、１４…演算処理回路、１５…ロジック入力回路、１６…リレー出力回路、１７…出力接点、１８…ロジック入力制御回路、１９…電源回路、２０…抵抗、２１…フォトカプラ、２２…フォトモスリレー、２３…定電流ダイオード、２４…電源電圧監視回路、２５…抵抗、２６…抵抗制御用スイッチ、２７…瞬時電流通電回路、２８…コンデンサ、２９…抵抗

Claims

電力系統の電流・電圧・位相およびロジック信号入力条件により、系統事故の検出および所定の制御を行う保護制御装置において、電力系統から電流及び電圧を入力変成器を介して入力し前記入力変成器の二次側の信号を所定レベルのアナログ信号に変換するアナログ変換回路と、前記アナログ変換回路のアナログ信号を所定のディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路と、所定の動作条件や出力条件が設定された外部から電圧のロジック信号を取り込むロジック入力回路と、前記Ａ／Ｄ変換回路のディジタル信号及び前記ロジック入力回路のロジック信号に基づいて所定の保護制御演算を行いリレー出力回路を介して外部に保護制御演算結果を出力する演算処理回路と、前記演算処理回路の指令により外部から電圧のロジック信号を取り込むタイミングに合わせて前記ロジック入力回路を断続的に動作させるためのロジック入力制御回路と、前記ロジック入力回路の外部からのロジック信号の電圧と同じ値の制御用電圧となるように前記入力変成器、前記アナログ変換回路、前記Ａ／Ｄ変換回路、前記演算処理回路に制御用の電源電圧を供給する電源回路とを備え、前記電源回路から供給される制御用の電源電圧を監視する電源電圧監視回路を設け、前記演算処理回路は、前記電源電圧監視回路で得られた制御電源電圧のレベルに応じてロジック入力回路内の抵抗を切り替えて前記ロジック入力回路に流れ込む電流を制御することを特徴とする保護制御装置。
前記ロジック入力回路は、前記ロジック入力回路に入力される電圧のロジック信号を制御する外部接点に対して、前記外部接点が閉じる度に短時間だけ大きな電流を通電させる瞬時電流通電回路を備えたことを特徴とする請求項１に記載の保護制御装置。