JP5328197B2 - コンデンサ型計器用変圧器の動誤差に対する高速インピーダンス保護技術 - Google Patents

Description

本発明は、雑音の存在する伝送路の故障、特にコンデンサ型計器用変圧器に起因した過渡状態を迅速正確に検出することに関する。

保護継電器は、電力系統における故障を確認して分離するよう設計された装置である。頻発する故障として、系統電圧および／または系統電流の変化となって帰結する絶縁破壊（故障）が挙げられる。ふつう帯域とみなされる電力系統の特定部分内の故障を検出するように各継電器が構成されているように、保護継電器は電力系統において応用される。

インピーダンス継電器は、継電器の位置と故障の位置との間の電気インピーダンスの関数として電流電圧に応答する。距離継電器の帯域を定義する構成パラメータはふつうリーチとみなされる。保護継電器は、その特定帯域内の故障以外のいかなる事象にも応答すべきではない。さらに、電力系統内に故障が長く存続すればするほど、電力系統全体の安定性が危うくなる確率は一層大きくなる。それゆえに、保護継電器は最小可能な時間周期内に帯域内の故障を識別できなければならない。

概して、マイクロプロセッサベースのインピーダンス継電器では、離散フーリエ変換（ＤＦＴ）が固定時間周期（窓）から取り出した波形のサンプルからフェーザ値を計算する。ＤＦＴは、完全電力サイクルが取り出されると基本周波数の調波を阻止する。このアプローチは問題多いが、それは、故障を検出するのに必要な時間がフーリエ窓の長さの関数であり、従って比較的短い窓が一般に高速動作時間を生成するからである。しかしながら、窓の長さが短くなると、基本周波数成分と別の諸成分との間を識別するのが一層困難になる。例えば、窓の長さが電力サイクルの半分（１／２）に短くなる瞬間にＤＦＴは奇数調波のみを阻止する。

故障位置を正確に検出するには、概して、故障後の電圧電流の基本周波数フェーザ成分を抽出する必要がある。しかしながら、故障後の電圧電流は他の諸成分を含む。さらに、減衰するＤＣ成分は、故障の発生するウェーブポイントと系統の誘導時定数とのゆえに電流信号のなかに存在する。同様に、コンデンサ型計器用変圧器（ＣＶＴ）、耐アーク性変化、並列容量、進行波の効果も、フェーザ推定プロセスに否定影響を及ぼす過渡状態を生じる。

ＣＶＴによって、特にいわゆる高ソース対インピーダンス比（ＳＩＲ）のもとで高速インピーダンス保護機能にとってとりわけ厳しい状況を課する。入力ＣＶＴ電圧が大きさの点で急激に変化して低下する故障の間、保護継電器によって使用される出力ＣＶＴ電圧は、さまざまな入力電圧レベル用に再調整するのに必要なＣＶＴの内部部品に蓄積されたエネルギーに関して顕著な過渡状態を含む。これらの過渡状態は、大きさの点で公称電圧の２０〜５０％に達することがあり、公称系統周波数に比較的近い。そのことから、特に保護継電器を作動させるのに予想される短い時間周期内に過渡状態を取り除くことが困難になる。

高ＳＩＲのもとで、保護帯域境界の故障について保護継電器によって測定された定常電圧はきわめて低く、公称値の３〜５％と低いことがある。２０〜５０％に達するＣＶＴ過渡状態と、３〜５％へと低下する当該信号とでもって、信号対雑音比は１０と高いことがある。雑音がきわめて高いだけでなく、その周波数スペクトルは継電器を作動させるのに予想される少なくとも１〜２電力サイクルの間、当該信号にきわめて近い。

ＣＶＴ過渡状態を扱う１つの方法は、ＣＶＴ伝達関数の反転表現である電圧信号路中にフィルタを挿入することである。電力系統電圧の正確な複製である信号内にＣＶＴによって生成された歪みが帰結するが、この歪みをフィルタが除去する。この方法が最適に実施されるのは、継電器に接続された特定ＣＶＴのパラメータをフィルタ係数が反映する場合だけである。

別のアプローチは、故障開始時にリーチを相応に低減して短フーリエ窓を応用し、幾つかの固定限界に至るまで故障持続時間の間、窓の長さとカバレージ帯域の両方を増やすことである。このアプローチは継電器近傍に位置する故障用に動作時間を一層早く生成できるのに対して、継電器で帯域が保護されている間に性能は改善されない。つまり、検出アルゴリズムは電力系統のモデルに依拠することができる。特に、故障した送電線路の直列Ｒ‐Ｌモデルは、電圧電流が一次微分方程式を満足しなければならないことを示唆している。

現在、時間領域内に波形のサンプルを処理することによってその帯域内の故障を‐ＤＦＴの必要なしに‐識別できるインピーダンスアルゴリズムに関係した方法が求められている。さらに、検出に必要な時間は多くの保護帯域内の故障について１電力サイクル未満でなければならないであろう。
米国特許第６，４２０，８７５号公報 米国特許第５，９０９，６５６号公報 米国特許第５，７０３，７４５号公報

したがって、コンデンサ型計器用変圧器に起因した過渡状態を迅速正確に検出する技術が提供されることが求められる。

本発明は、インピーダンス保護を提供する方法に関係しており、この方法は、保護回路に接続されて電圧電流がインタフェースされ、デジタル化され、入力電流電圧が対の直交成分にデジタル分解され、瞬時動作信号、瞬時分極信号の態様で距離比較器項がデジタル生成され、動作信号と分極信号との間の角度関係がデジタル点検されることからなる。

つまり、上で要約した方法に相応した製品とコンピュータプログラムが説明され請求されている。

付加的特徴、諸利点は本発明の技術によって実現されている。本発明のその他の実施形態、諸態様はそこに詳細に述べられており、請求された発明の一部を考慮している。諸利点、諸特徴を有する本発明の理解を深めるために明細書および図面が参考にされる。

本発明で考慮される対象が特別に指摘され、明細書の結論として特許請求の範囲のなかで明確に請求されている。本発明の前記課題、その他の課題、特徴および利点は、添付した図面と合せて以下の詳しい説明から明らかとなる。

詳細な説明では、図面を参考に実施例を基に本発明の好ましい実施形態が諸利点および諸性質と一緒に説明される。

本発明の単数または複数の例示的実施形態が以下で詳しく説明される。開示された実施形態は、数多くの変更態様の幾つかを例示することを意図しているにすぎず、それらの変更態様は当業者には明らかとなる。

本発明の諸態様は、一般に、時間領域内に波形のサンプルを処理することによってその帯域内の故障を‐ＤＦＴの必要なしに‐識別できるインピーダンスアルゴリズムに関係している。検出に必要な時間は、数多くの保護帯域内の故障について１電力サイクル未満である。本発明の態様は、距離継電器のモー、リアクタンス、ブラインダ、位相選択等の伝統的インピーダンス特性を、インピーダンス保護方式により、周波数領域よりもむしろ時間領域内に形成する。

インピーダンス保護にアプローチする従来の周波数領域は電流電圧フェーザを抽出し、インピーダンス特性を電流電圧フェーザに応用する。このアプローチは必要とされる計算の回数を減らし、本来なら正確な故障検出の邪魔となる幾つかの雑音成分を除去するが、しかし、本来なら特に動作速度項において故障検出プロセスを改善するのに利用できる有効情報も阻止する。

上記アプローチは、入力電圧電流に含まれた多くの情報を保存する時間領域内でインピーダンス特性を引き出す。時間領域は情報と雑音成分の両方を含む。しかしながら、雑音成分の幾つかは、明確なフィルタリングによって雑音成分を人為的に抑制する必要なしにインピーダンス特性のなかで自然に減衰する。他の幾つかの雑音成分は、それらがインピーダンス特性内に保存されたままであるなら、個々の入力信号内で処理されるよりも良好に処理することができる。

本発明の実施形態の諸態様では、故障検出・定位プロセスに３段階アプローチを応用することによってインピーダンス特性の時間領域バージョンから故障を迅速確実に検出することが可能となる。第一に、エネルギーベースの比較器は、系統事象に続く電力サイクルの第１半分において利用される。この比較器は明確な（明白な）故障事例のごく迅速な検出を可能とする。この第１段階は、動作的に離れるとサイクルの最初の半分後に抑止され、ＣＶＴ過渡状態のゆえに第２、第３半サイクルにおいて安全問題が現れることになろう。

第二に、位相比較器は、第１段階が抑止された後に系統事象の第２半サイクルにおいて使用される。この比較器は、いわゆる動作信号、分極信号の幾つかの他の特徴に加えてこれらの信号の極性を監視する。これらの特徴は、包含された信号の一次導関数、二次導関数を含み、ＣＶＴ過渡状態によって引き起こされるもののような不規則信号と比較して電流電圧を交互に特徴付けるそれらの極性および一時的パターンを点検することに焦点を合せる。この第２段階は、信号の大きさに含まれた情報の使用を内在的に限定し、他の信号に関して信号位相または一時的位置に含まれた情報を大きく広げるために利用される。

第３の最終段階は第２電力サイクルのとき作動される。この第３段階は第２段階の変更態様であるが、しかし系統外乱の第２サイクル中に予想される雑音特性用に最適化されている。

この方法は、一層早く故障を検出するために２つの並列経路を利用する。一方の経路は包含された信号のいわゆる直接的成分を入力として利用し、他方の経路はこの信号のいわゆる直角成分を入力として利用し、引き続き補償する。

インピーダンス保護機能によって検出されるべき線路故障は、保護線路に関して通常の交流電流電圧に関してランダムな瞬間に起きる。保護線路とＣＶＴは概して高電圧信号を検出するのに使用され、電力信号のピークおよび零通過に関して故障開始の瞬間に依存してさまざまに応答する。本発明における直接成分と直角成分は、２つのうち一方が過渡信号固有の性質のゆえにゆっくりと応答するとき他方が当然に速くなり、またその逆となるように設計されている。

距離帯域と基本動作方程式
インピーダンス保護機能は所定の動作特性内で故障を定位し、概して距離帯域とみなされる。距離帯域は、距離継電器が設置されている個所から特定距離だけ離れた個所へと広がっている。距離との用語は、所定のインピーダンス／距離継電器の位置の個所で利用可能な電圧電流を使用する皮相インピーダンスの測定に基づいている。送電線路は概してその長さにわたって分布した均一インピーダンスを有する。この性質はインピーダンスと距離との間の関係を強める。

概して、距離帯域は継電器の位置から前進方向または逆方向に延びている。特定アプリケーションでは、前進方向と逆方向の両方に延びる非方向性帯域が使用される。いずれの距離帯域にとっても主要な性能特性は有限リーチである。これは、所定の帯域が継電器から特定の電気距離までに定位された故障を処理（故障に応答）し、所定個所の向こう側の故障を処理しないことを意味する。所定の帯域（帯域は現れた故障を常に処理する）の確実な動作をもたらす故障位置と確実な非動作の個所（故障が現れるとき帯域は決して処理しない）との間の差は過渡オーバリーチとみなされ、距離関数の最も重要な２つの性能測定法の１つである。他の測定法は内部故障に対する応答速度である。確実な処理個所と確実な非処理個所との間に小さな差を有する距離関数が主に考慮される。

距離帯域は幾つかのインピーダンス特性を利用して形成することができる。１つの特性は、継電器位置の電流電圧の値に基づいて処理領域および非処理領域の境界を画する境界線である。２つの代表的特性系はモーと四辺形特性である。図１に示すように、モー帯域３１０は継電器位置３０５と帯域３１５の所期のリーチ点との間に引いた円と考えることができる。最後に指摘した帯域は帯域内故障位置（３２０）と帯域外故障位置（３２５）とに境界を画する多角形と考えることができ、所期のリーチ点を横切るリアクタンス線（３３０）を有する。

実際のモーと四辺形距離関数は、幾つか挙げるなら方向性監視、位相選択監視、負荷侵害監視、ブラインダ等の多数の付加的特性を統合する。これらの特性は重要であるが、しかしそれらの設計および処理系は、過渡精度および動作速度である主要な距離継電方式の課題に比べて二次的である。

過渡精度および動作速度に関して、２つの距離特性、モー（ｍｈｏ）とリアクタンス特性が重要である。

モー特性（ｍｈｏ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ）は、以下の概念信号を比較することによって形成される：
S_ＯＰ＝Ｉ・Ｚ−Ｖ （式１ａ）
Ｓ_ＰＯＬ＝Ｖ_ＰＯＬ （式１ｂ）
継電器位置で測定された電圧（Ｖ）と、継電器点と所期のリーチ点との間で保護回路に沿って電圧降下を引き起こす電流（Ｉ）と、保護回路の電気距離との間の平衡方程式によって、動作信号は概ね形成され、ここではインピーダンスＺとして表される。分極信号は、従来、故障が帯域（図１のＦ１）の内部にあるのかまたは帯域（図１のＦ２）の外部にあるのかを示すために選択されている。内部故障の場合、動作信号と分極信号は概ね同位相である。外部故障の場合、両方の信号は概ね位相外れである。

継電器位置の電圧をごく小さな値に押し下げるクローズイン故障の間に適切な方向性を確保する目的で、分極信号を形成するのにさまざまな解決手段が利用される。メモリ分極、クロス位相分極、または両方の組合せが、実際の処理系において使用される。本発明は、分極信号を生成する特定方法に関係するものではない。

リアクタンス特性は同様のアプローチを利用して、顕著な故障抵抗が故障位置に現れると仮定して、形成される。電流‐電圧平衡方程式を慎重に分析すると、顕著な抵抗を有する故障を検出するそれらの能力に関して比較的良好な性能を生じる動作信号、分極信号のさまざまなセットを記述することができる。
S_ＯＰ＝Ｉ・Ｚ−Ｖ （式２ａ）
Ｓ_ＰＯＬ＝Ｉ_ＰＯＬ （式２ｂ）
再び、帯域内故障の場合、動作信号と分極信号は概ね同位相である。外部故障の場合、それらは概ね位相外れである。

適切な分極電流を選択するために数多くのアプローチがある。いわゆる中性電流と負シーケンス電流は十分に選択されて実際の処理系において使用される。本発明は、リアクタンス特性用に分極電流を何らか特別に形成することに関係していない。

多相（三相）電力系統における実際の処理系は、式１、式２の項Ｖ、Ｉ、Ｖ_ＰＯＬ、Ｉ_ＰＯＬを導き出すために特定方程式を応用する。これは距離継電方式の存在によるものであり、本発明に直接関係しているのではない。本明細書において項Ｉ、Ｖ、Ｚ、Ｖ_ＰＯＬ、Ｉ_ＰＯＬは、周知のインピーダンス保護規則に従ってそれらが多相電力格子に応用されるものと理解して使用される。

高速で正確なインピーダンス関数は動作信号と分極信号を引き出さねばならず、２つが概ね同位相であるのか位相外れであるのかを判定しなければならない。これは、幾つかの雑音の存在下に、ごく短い時間周期内に、継電器入力電圧電流が交互に現れる電力サイクルの微小部分内になされねばならない。

この問題に対処するために、代表的マイクロプロセッサベースの継電器は継電器入力信号のいわゆるフェーザ（複素数によって表される大きさおよび角度の情報）を取り出し、一般式１、２に従って動作信号、分極信号を計算し、次に２つの複素数（動作と分極）が概ね同位相であるのか位相外れであるのかを点検する。

このようなアプローチでは二重手間である。第一に、１つは過度な遅れを開始することなく、また極力多くの雑音を阻止しながらフェーザを取り出そうと努める。第二に、動作信号と分極信号との間の角度関係に加えて数多くの論理状態を点検する。上記のことは広い一般論であるが、「周波数領域」アプローチを正確に要約している。つまり、電流電圧の基本周波数成分に含まれている情報は、動作の距離帯域を形成するのに使用された後にはじめて、デジタルフィルタリングによって取り出されるのである。

本発明の諸態様ではこのプロセスの逆転が可能となる。さらに、すべての信号成分、有益な信号成分（情報）と妨害する信号成分（雑音）の両方を故障検出プロセスに移すことが可能である。

本発明において、式１、２によって上で実証された基本距離動作特性は「時間領域」内に生じる。識別する送電線路は直列に接続された抵抗とインダクタンスとによって表すことができ、瞬時動作信号は概念上、下記式に書き直すことができる：

式３によって描かれたこのアプローチは、数多くの皮相インピーダンス測定法または故障定位法の基礎である。本発明は、式３または皮相インピーダンスの測定をもたらす周知のあらゆる解決手段を使用しないが、しかし、式１または式２の強くフィルタリングされた周波数領域アプローチおよび式３の準瞬時時間領域アプローチの両方と比較して一層改良された解決手段を応用する。

本発明において短窓直交フィルタが入力電流電圧を調節するのに使用される。電力サイクルの微小部分の窓長は、情報の流れが遅れかつ距離関数の動作速度に逆の影響が及ぶのを避けるのに使用される。同時に、フィルタは入力信号から雑音を阻止することを試みない。このような阻止は最初、動作速度に著しい影響を及ぼすことなくしては可能でない。用語「直交フィルタ」は、数学的に「垂直」な状態で接する調和したフィルタ対に関係している。工学的観点から、これらのフィルタは時間領域内で「実」成分と「虚」成分を生じるように設計されている。

本発明においてすべての入力電流は直接直交フィルタ（Ｄ）および直角直交フィルタ（Ｑ）を使用してフィルタリングされ、生入力電流とそれらの直交成分との間に以下の写像を効果的に生成する：

同様に、すべての入力電圧は直接フィルタ（Ｄ）のみを使用して処理される：

式４は、概して、実際の多相電力系統に３つの電圧、３つの電流を応用する。これらの相電圧電流は、まず式４によってフィルタリングされ、次に、多相系統内のインピーダンス保護方式により適切な複合信号へと組合せられる。本発明は多相系統におけるインピーダンス保護の細部に関係しているのではないが、この組合せの１例が後に明確にされる。

或る特定処理系では、電流電圧内のＤ成分、Ｑ成分を取り出すのに以下の有限インパルス応答（ＦＩＲ）フィルタが使用される：

式中、窓長Ｎ_ＤＱは電力系統サイクルの１／８として選択され、フィルタ係数は次式で計算される：

乗算器は、公称系統周波数に単位利得を生じるために選択されている。それゆえに：

式中、上記方程式はラジアン角度を使用しており、そして：
α＝２・π／Ｎ_１ （式７ｃ）
式中、Ｎ_１は商用周波数の完全１サイクル内に継電器によって取り出されるサンプルの数である。或る特定処理系ではＮ_１＝１２８が使用される。

フィルタ、その窓長および係数が本発明では二次的であることに注意しなければならない。当業者なら、さまざまなフィルタを使用するために本発明の別の態様を再構成することができる。

なお、ＤフィルタおよびＱフィルタの出力はごく高周波数の雑音のみを抑制し、入力信号中の定ｄｃオフセットを完全に阻止する。低スペクトル内の信号成分は短窓フィルタを通過する。商用周波数の正弦波入力の場合、２つのフィルタが単位利得で正弦波出力を生じ、電力サイクルの四分の一（９０電気度）によってシフトされる。この観点から２つのフィルタ（ＤＱ）は信号の「実」部と「虚」部の高速推定器である。

上記観察から、モーまたはリアクタンス比較器の動作信号は以下の如く書き直すことができる：
Ｓ_ＯＰ＿Ｄ＝ｉ_Ｄ・Ｒ−ｉ_Ｑ・Ｘ−ｖ_Ｄ （式８ａ）
式中、Ｒ項とＸ項は距離関数の予め設定されたリーチに由来する。これらの項は一定であり、以下の如く予め計算される：
Ｒ＝Ｚ_ＭＡＧ・ｃｏｓ（Ｚ_ＡＮＧ） （式８ｂ）
Ｘ＝Ｚ_ＭＡＧ・ｓｉｎ（Ｚ_ＡＮＧ） （式８ｃ）
式中、Ｚ_ＭＡＧ、Ｚ_ＡＮＧは距離関数の所期のリーチ点を表すインピーダンスの大きさと角度である。概して、それらは調整可能であり、ユーザによって決定される（設定）。

式８ａは、距離関数の一部となる分極信号を必要とする。説明を目的に、負シーケンス電流から分極されたリアクタンス比較器を考慮することにする。

まず確認しなければならない点として、三相電力系統における正シーケンス成分、負シーケンス成分および零シーケンス成分は定常状態についてのみ数学的に定義されており、技術的には三相電圧電流のフェーザから計算される。要するに、対称成分は周波数領域からの概念であり、本発明の時間領域に直接適合しているのではない。これは、シーケンス成分の厳密な数学的定義を模擬して導き出した下記式を応用することによって容易に解決される。補助関数を以下の如く定義することにする：

（式９）
負シーケンス瞬時電流、Ａ相を基準にしたＤ成分は、次のように計算される：

負シーケンス瞬時電流の上記例示はＡＢＣ相回転に当てはまる。三相電力系統の当業者なら、ＡＣＢ回転、正シーケンス成分および零シーケンス成分について適合した式を導き出すことになる。

式１０で定義した負シーケンス瞬時電流でもって、負シーケンス分極リアクタンス特性の例に立ち帰ることにする。位相を考慮して多相系統におけるインピーダンス保護方式による距離ループを仮定する。式８ａのループ電圧ｖは、接地電圧入力に対するＡ相である；式８ａのループ電流は、相の間の零シーケンス結合用に補償されたＡ相電流である。それゆえに、以下の処理方程式を式８ａよりも優先して使用する：

並列線路（いかなるものであれ）からの接地電流は直接測定され（ｉ_Ｇ）、自己および相互線路結合のユーザ設定および定義から導き出される係数は以下の如くである：

式中、ｋ_０、ｋ_０Ｍは、保護線路中の、および保護線路と並列線路との間の（いかなるものであれ）結合の総数を定義する複素数（大きさ、ＭＡＧと角度、ＡＮＧ）である。概して、これらの複素数はユーザ設定である。

式１１を用いて、Ａループ接地距離保護（Ｓ_{ＡＯＰ−Ｄ}）用に式８によって一般に与えられる動作信号が定義される。負シーケンス分極リアクタンス特性の例を継続して整合分極信号（Ｓ_{ＡＰＯＬ−Ｄ}）は以下の如く定義される：
Ｓ_{ＡＰＯＬ＿Ｄ}＝ｉ_２ＡＤ・Ｒ−ｉ_２ＡＱ・Ｘ （式１２ａ）
式中、式１２ａの補助項Ｒ、Ｘは、距離保護方式によるいわゆる非均質角度設定（Ｈ_ＡＮＧ）に関係している：
Ｒ＝−ｓｉｎ（Ｈ_ＡＮＧ） （式１２ｂ）
Ｘ＝ｃｏｓ（Ｈ_ＡＮＧ） （式１２ｃ）
式１１によるＡ相接地距離ループの代わりに電流電圧信号を有する式８は、この例においてリアクタンス比較器の瞬時動作信号を構成する。式１２は、負シーケンス電流分極を仮定して、この比較器用の分極信号を定義する。両方の信号は定常状態のもとでの正弦波であり、過渡状態中に歪みを運ぶ。帯域内故障の場合、２つの信号はほぼ同じ極性（同位相）であり、帯域外故障の場合、２つの信号はほぼ逆極性（位相外れ）である。そのことが図２、図３にそれぞれ示してある。

図２Ａ〜図２Ｃは、負シーケンス電流から分極されたサンプルリアクタンス線路用の瞬時動作信号、瞬時分極信号の考え方を示す。図２Ａの図は継電器によって測定された三相電圧を示す。図２Ｂの図は継電器によって測定された三相電流を示す。図２Ｃの図はＡ相リアクタンス比較器の動作信号、分極信号を示す。帯域内故障が示してある。過渡状態を生成した重ＣＶＴの影響を動作信号中に認めることができる。ＣＶＴ過渡状態が（約０．８サイクルで故障へと）減衰すると、帯域内故障について予想されるように、分極信号と動作信号が同位相であることが明らかとなる。

図３は、帯域外故障を示すことによって図２Ａ〜図２Ｃの例を補足する。ＣＶＴ過渡状態が（約１．５サイクルで故障へと）減衰すると、帯域外故障について予想されるように、分極信号と動作信号が位相外れであることが明らかとなる。

上記のことは、距離保護方式全体の代わりに周知の実際に応用されている数多くのさまざまなアプローチを用いることを意味するのではない。意図されたのは、従来周波数領域用に記述されたインピーダンス保護についての従来の知識本体に時間領域アプローチを広げることができることを示すことである。保護継電方式分野の当業者なら、メモリ電圧分極、クロス位相分極、自己結合および相互結合用補償、電力変圧器補償、方向点検、高速大きさ推定器用に一連の処理方程式を導き出すことができ、その他の態様はふつう距離保護において使用される。

本発明の諸態様では、入力信号の基本ＤおよびＱ寸法を取り出すために高速直交フィルタを応用することに注意が向けられており、負シーケンス電流から分極されたＡ相接地距離リアクタンス比較器について上で例示したように時間領域内に追加的計算を行う。時間領域アプローチにおいて雑音除去にあまり重点を置かないで高速直交成分を応用し速度を維持すると、動作信号および分極信号内の多くの雑音成分が相殺されたままとなる利点が得られ、または情報を運ぶ信号成分の強さが不適切に与えられることになる。顕著な雑音成分と信号歪みは慎重に分析され、従って、同様にすべての入力信号をフィルタリングする乱暴なアプローチなしに、またこれらの入力信号用に多種多様なアプリケーションを無視することなく、扱われる。

Ｄ、Ｑ動作・分極信号
以上では、瞬時動作信号、瞬時分極信号の考え方が導き出された。これらは、継電器に入力される電圧内の直接（Ｄ）成分に関連したＤ領域内に記述されている。

距離継電器に対する入力信号は、特定の故障が起きるウェーブポイントに依存してさまざまな過渡特性を含む。ウェーブポイント項は、系統内の電圧電流のピークおよび零通過に関して故障開始瞬間の一時的位置に関係している。例えば、電圧零通過時に起きる代表的高電圧線路の故障が大きく漸近的に故障電流中のｄｃオフセット成分の減衰を生成することは、十分に認識された事実である。さらに、電圧ピーク時の故障は、故障中の電圧信号内に高周波雑音成分を一層多く生成する。さらに、電圧零通過時の故障は、電圧ピークを生じる故障と比較してはるかに長いＣＶＴ過渡状態を生じる。これらのことはすべて、瞬時動作信号、瞬時分極信号におけるさまざまな雑音パターンに翻訳される。

Ｄ軸に関する信号は幾つかの故障のもとで一層良好に挙動し、雑音成分を一層長く明白にし、さまざまなウェーブポイントに発生する故障を遅らせる。それゆえに、本発明の別の実施形態によれば、動作信号および分極信号の第２セットは距離関数の動作を促進するのに使用される。この第２セットはＱ成分とみなされる。Ｑ成分は第２直角フィルタ（ｈ_Ｑ１）を直接（Ｄ）動作信号、分極信号に応用することによって得られる。これは以下の如く記号で記述することができる：

この第２直角フィルタでもって、既に使用されたＤフィルタ、Ｑフィルタから以下の如く導き出される：

式中、

Ｑ成分は、距離帯域のモー、リアクタンス等のリーチ点検特性にとって特別有益である。ブラインダ、方向性点検等の他の特性はＤ成分とＱ成分の両方をなお使用できるのではあるが、しかしＤ成分のみを使用する場合と比較して僅かに利得を減らしてである。

強調すべき点として、式１３によって与えられた処理フォーマットはデジタル信号処理分野の当業者によって等価な態様に容易に再構成できる。式１３は動作信号、分極信号のＤ成分に対して縦続フィルタｈ_Ｑ１を応用する。選択的フォーマットは例えばｈ_Ｄ、ｈ_Ｑ１フィルタの縦続を電圧電流信号に応用し、ｈ_Ｑ、ｈ_Ｑ１フィルタの別の縦続を電圧電流信号に応用することができ、ミラー方程式を用いて動作信号、分極信号中に、これらの信号のＤ成分と比較してＱ成分を生じる。このような再構成は厳密に等価であり、それ自体として本発明によってカバーされる。

図４と図５は動作信号、分極信号のＤ対、Ｑ対を同時に使用する肯定的影響を示す。図４は動作信号、分極信号のＱ成分の目的を示す。電圧信号の零通過が起きることで、この故障は動作信号、分極信号のＤセットを介して一層迅速に（電力サイクルの約０．４内に）識別することができる。図５は、電圧零通過後約４５電気度に発生する故障について同じ状況を示すことによって図４を補足する。この故障は、動作信号、分極信号のＱセットを検討するとき一層迅速に識別することができる。

認識しなければならない点として、この実施形態の諸態様は動作信号、分極信号の３つ、４つ以上のさまざまなバージョンで実行することができる。このような信号対は、１回転の少なくとも半分（１８０電気度）に及ぶ正弦波のさまざまな部分に沿って位置する窓を有するフィルタを使用して生成されねばならない。本発明によって既に認識されているように、動作信号、分極信号の対の２セット以上を応用すると、幾つかの特別な減少する利得がもたらされる。

第１段階のエネルギー比較器
次の故障定位ステップは、故障が内部的なもので、距離継電器によって処理されねばならないものか、または外部的なもので、前記継電器を停止させ、各距離比較器の動作信号と分極信号との間の相互極性を比較するのかを判定することである。このような比較は、所定の比較器の動作信号中におよびしばしば分極信号中に現れることのある多くの過渡状態にもかかわらず、迅速かつ確実でなければならない。

本発明のこの実施形態の諸態様では、動作信号と分極信号がほぼ同位相であるのかまたはほぼ位相外れであるのかを検出するのにエネルギーベースの比較器が使用される。この点に関してマイクロプロセッサベースの継電器用の処理方程式は以下の如く要約することができる：
動作信号と分極信号が「同位相」と表明されるのは以下の場合である：

式中、

動作電力は以下の如く計算される：

式１において動作電力（左側）が抑制電力（右側）と比較されている。動作電力が抑制電力よりも大きいと、この特定比較器のリーチ内に故障が位置することを示す補助フラグが主張される。式１５ｅ中の２つの角度は比較器制限角度であり、ユーザ設定は代表的には６０〜１２０度に設定される。工場定数である安全角度は、１つの処理系において、特定の距離比較器の形式に応じて約５〜１５度に設定される。

電力信号は、速度用に電力サイクルの半分の窓にわたって計算される。このフィルタリングは動作信号、分極信号に対して実行され、速度と安全性を両立できる。動作電力は時間間隔内で信号強度を、動作信号と分極信号が同じ極性であるとき上昇させ、極性が異なるとき低下させる。このような周期中に信号が強ければ強いほど、そして周期が長ければ長いほど、動作電力の変化は一層大きい。動作電力は、包含された信号のレベルに比例して同位相／位相外れパターンの検出を持続するために２つの包含された信号の強度全体で抑制されている。

図６と図７は、帯域内故障および帯域外故障用の第１段階エネルギー比較器の動作をそれぞれ示す。図６Ａはサンプルの動作信号、分極信号を示し、第１比較段階用に結果的に生じる動作電力、抑制電力は図６Ｂに示してある。この帯域内故障の場合、動作電力は約０．７サイクルで抑制電力よりも高くなって故障となる。

図７Ａはサンプルの動作信号、分極信号を示し、第１比較段階用に結果的に生じる動作電力、抑制電力は図７Ｂに示してある。この帯域外故障の場合、動作電力は約１．２サイクル後に抑制電力以下に低下して故障となる。比較器の第１段階用の設計前提を満足する事象の第１半サイクルでは動作電力が抑制電力以下に留まる。図７ＢはＣＶＴ過渡状態による過渡オーバリーチの虞を示す。約０．８〜１．２サイクルの時間周期の間、動作電力は抑制電力より上である。０．５サイクル後に抑止されていないなら、第１段階はこの故障事例に適切に応答しなかったであろう。

エネルギー比較器を利用したこの第１比較段階は特定の系統事象の電力サイクルの第１半分の間にのみ作動する。ＣＶＴ過渡状態が第１半サイクルの前にこの比較器の安全性に影響を及ぼさないことは広範なシミュレーションによって実証された。事象に続く第１半サイクル後、第１比較段階は抑止されており、さらに述べたように第２段階が取って代わる。

動作信号、分極信号に含まれた大きさ情報と位相情報の両方を第１段階が使用することに注目する。そのことから明白（明確）な故障事例の間の動作が速まる利点が得られ、このような事象の間に動作信号の大きさはごく顕著となり、高速増加の方向に動作電力にバイアスをかける。この比較器の第２、第３段階は主として位相情報に基づいており、ＣＶＴ誘発過渡状態との関係で安全性のため顕著な程度に大きさ情報を阻止する。

第２段階の強化された位相比較器
事象内への半電力サイクルと全電力サイクルとの間の第２段階において本発明は、所定の距離比較器の動作信号と分極信号との間の同位相／位相外れ関係を検出するのに位相比較器を使用する。

この選択は、約半サイクル後にＣＶＴ誤差が最大になることに鑑み一層良好に理解することができる。半サイクル後に作動し、当然にその窓を電力サイクルの幾つかの断片の時間内に拡張して戻す任意の比較器は、これらの重大なＣＶＴ過渡状態の影響を受けるであろう。本発明における位相比較点検の応用は比較信号の大きさに重点を置くというより、極性の項におけるそれらの相互関係に一層重点を置いている。ＣＶＴがそれらの出力信号の極性にも著しく影響を及ぼすことは事実であるが、しかし本発明においてこの問題を扱うために位相比較に付加的入力を使用する。

第２、第３段階は、一貫性と理解を助けるために第１比較器段階と同じ表記の動作電力、抑制電力を使用してここで説明される。基本デジタル信号処理分野の当業者なら、数学を多数の等価またはほぼ等価な態様に容易に再構成することができる。

この段階のとき抑制電力は計算されるのでなく、以下の如く一定に保たれる：

動作電力は、０．５サイクル滑り窓内の０ｓ〜１ｓの合計として計算される：

式中、“ｐｃ”信号は本発明による強化アプローチを用いて計算される位相比較信号（ブール）である。

第２段階のＫ因子は、一層の安全性のため第１段階よりも低い。或るアプリケーションでは、９０度のユーザ限界角を仮定して０．６５〜０．７５の範囲内の値が使用される。Ｋ値が安全性／速度の均衡を制御し、性能と交換に自由に調整できることを理解すべきであろう。本発明はいかなる比較器のＫのいかなる特定値にも限定されていない。

従来の位相比較アプローチでは、比較された信号の両方が所定のいかなる時点でも同じ極性であり、両方が正、または両方が負であるとき、ｐｃ信号は論理１とされる。本発明によるアプローチでは、この単純な規則がＣＶＴ過渡状態に関して付加的安全性のため拡大される。

本発明による比較器の第２段階はｐｃ信号を以下の如く表明する。
Ｄ比較器の場合：

Ｑ比較器の場合：

Ｃ_ＣＵＴ閾値は公称電圧の約０．２５％に設定される。故障点が所期のリーチ点にアプローチすると、リーチ比較器の動作信号は零に近づく。実際、厳密にリーチ点の金属故障の場合動作信号は厳密に零であり、コースの信号雑音と歪みを計数することではない。帯域内故障の場合、故障が帯域の末端で完全均衡点から動くとき、動作信号は増加し、分極信号に関して同位相に留まる。帯域外故障の場合、故障がリーチ点から動いて離れると、動作信号は増加し、分極信号に関して位相外れに留まる。それゆえに、任意の閾値は、信号が極性の点でも互いに比較するのに十分であるか否かを判定するのに使用される（Ｃ_ＣＵＴ）。

一般に、式１８は強化位相比較アルゴリズムである。それらは動作信号、分極信号の極性も、信号対雑音比の点でこれらの信号の全対称性、回転速度および全挙動も点検する。例えば、ｐｃ_Ｄ項の最初の３つの成分が利用される。動作信号と分極信号（Ｄ成分）が同位相であるなら、それらの時間導関数も同位相である。同時に、信号が十分に挙動するときＱ成分は最初２つの項と厳密に位相外れでなければならない。全体としてｐｃ信号は、分極信号と動作信号が純粋に正弦波で、厳密に同位相であるなら定論理１を生じるように設計されており、それらが正確に位相外れおよび／または深刻に歪んでいるなら固定論理０を生じる。注意すべき点として、式１７による半サイクルの統合窓内で、ｐｃ信号は信号の挙動に基づいて両方とも０、１と考えることができる。そのことから、（帯域内または帯域外）故障の定位に関して素早く確実に決断するために情報の断片を統合することができる。

注意すべき点として、動作速度を犠牲にして安全性を或る程度まで改良する効果を有して付加的項を式１８に付け加えることができ、安全性および過渡正確さを犠牲にして速度を改良する効果を有して幾つかの項を式１８から取り除くことができる。添付の特許請求の範囲は、式１８に挿入された項の正確な数に関係なく、従来の位相比較技術を向上するために動作信号または分極信号の少なくとも１つの導関数を使用する。特定の処理系は上記式１８によって与えられた正確なフォーマットを使用する。

アルゴリズムは、動作電力が上記抑制電力であるとき帯域内故障を確認する。

図８Ａと図８Ｂは、サンプルの帯域内故障事例を示すことによって第２比較段階を示す。図８Ａはサンプルの動作信号、分極信号を示し、第２比較段階用に結果的に得られる動作電力、抑制電力は図８Ｂに示してある。この帯域内故障の場合、動作電力は電力サイクルの約０．６で抑制電力よりも高くなる。

第３段階の強化位相比較器
第３比較段階は１電力系統サイクル後に優勢となり、安全目的のためアルゴリズム全体が抑止されると第２サイクルの最後まで持続する。それに並行してさらに従来的な解決策によって保護は与えられている。その１つが特許文献１に述べられており、その開示は参照により本明細書に援用される。

第３段階は以下の如く類似の位相比較アプローチを利用する。この段階では抑制電力は計算されないが、以下の如く一定である：

動作電力は０．７５サイクル滑り窓内で０ｓ〜１ｓの合計として計算される：

式中、“ｐｃ”信号は下記式を用いて計算される：
Ｄ比較器の場合、

Ｑ比較器の場合、

幾つかの式は第２段階と第３段階との間で繰り返されることに注意されたい。これはマイクロプロセッサベースの継電器への所定の処理系において計算を最適化するのに利用できた。

再び、内部故障を示すフラッグは動作電力（式２０）が抑制電力（式１９）より上であるとき表明される。Ｋ因子は速度と安全性とを均衡させ、本発明の特定の１処理系において９０度のユーザ角度限定設定を仮定して約０．５〜０．７５に調整されている。

注意すべき点として、付加的項は動作速度を犠牲にしてある程度改良された安全性の効果をもって式２１に加えることができ、幾つかの項は安全性および過渡精度を犠牲にして改良された速度の効果をもって式２１から取り除くことができる。添付の特許請求の範囲は、式２１に挿入される項の正確な数にかかわらず、従来の位相比較技術を強化するために動作信号または分極信号の少なくとも１つの導関数を使用する。或る特定の処理系では、式２１によって上で与えられた正確なフォーマットが使用される。

第２、第３比較段階におけるｐｃ信号の式は、信号の直線的値の使用に加えて時間導関数を使用する。導関数の厳密な数値処理系は重要でなく、本発明は幾つかの特定処理系に限定されていない。或る特定処理系では以下の如く単純２点数値導関数が使用される：

上記式は公称周波数に単一利得を持つように基準化されており、それゆえに：

二次導関数は、２回応用されるフィルタ（式２２ａ）の縦続である。導関数は適当な精度で計算される必要がある。しかしながらそれらの唯一の使用法はそれらの極性を検出するために比較的低い値で比較することである。

第３段階では、動作電力（式２０）が抑制電力（式１９）を上回るとき内部故障を示すフラグが表明される。

図９Ａと図９Ｂは、サンプルの帯域内故障事例を示すことによって第３比較段階を示す。図９Ａはサンプルの動作信号、分極信号を示し、第３比較段階用の結果的に生じる動作電力、抑制電力は図９Ｂに示してある。この帯域内故障の場合、動作電力は電力サイクルの約１．４で抑制電力よりも高くなる。

上の説明において３つの比較段階は０．５サイクル、１．０サイクル、２．０サイクルで故障へとオンオフされる。これらの切換点は近似と理解されねばならない。当業者なら、安全性と動作速度を維持するためにアルゴリズム内の他のパラメータを調整する間、僅かに異なるブレークポイントを応用できる。例えば、第１段階は、この段階のＫ因子が高く設定されている場合０．５サイクルよりも僅かに遅くにスイッチオフできる。これは動作速度を比例的に低下させるが、しかし比較的良好に挙動するアルゴリズムを生じるであろう。

インピーダンス保護機能全体への本方法の統合
本発明の方法はさまざまな距離特性およびインピーダンス比較器に応用することができる。実際的に知られているすべての距離特性は動作信号、分極信号のセットの処理フォーマットに記述することができ、こうして２つは帯域内故障の場合ほぼ同位相、その他の場合は位相外れである。その場合、マイクロプロセッサベースの継電器においてデジタルで導き出された瞬時動作信号、瞬時分極信号の本発明によるアプローチは応用することができる。つまり、３段階比較器はあらゆる距離特性にも応用可能である。

以上の短い説明は、後続の詳しい説明が一層良好に理解されるように、そして技術に対するその貢献が一層明らかとなるように、本発明の一層重要な特性を或る程度幅広く明らかにする。勿論、本発明の付加的特性があり、それらは以下に述べられ、これに付け加えられた特許請求の範囲の主題となる。

本発明によってソフトウェア、ファームウェア、ハードウェアまたはそれらの幾つかの組合せにおいて処理することができる。

開示の基礎となった構想が、本発明の幾つかの目的を実行する他の構造体、方法および系統を設計するための基礎として直ちに利用できることは、それ自体として当業者には明白となる。それゆえに、それらが本発明の精神および範囲から逸脱するのでない限り、このような等価な構造を含むものとして考慮されることが重要である。

モー特性の例を用いた距離帯域の概念図を示す。 負シーケンス回路から分極されたサンプルリアクタンス線路用の瞬時動作信号、瞬時分極信号の概念図を示す。 負シーケンス回路から分極されたサンプルリアクタンス線路用の瞬時動作信号、瞬時分極信号の概念図を示す。 負シーケンス回路から分極されたサンプルリアクタンス線路用の瞬時動作信号、瞬時分極信号の概念図を示す。 帯域外故障を示すことによって図２Ａ〜図２Ｃの見本を補完して示す。 動作信号、分極信号のＱ成分の目的を示す。 約４５電気角で起きる故障が電圧零通過する場合について同じ状況を示すことによって図４を補完している。 第１比較段用のサンプルの動作信号、分極信号と結果的に得られる動作電力、抑制電力とを示す。 第１比較段用のサンプルの動作信号、分極信号と結果的に得られる動作電力、抑制電力とを示す。 第１比較段用のサンプルの動作信号、分極信号と結果的に得られる動作電力、抑制電力とを示す。 第１比較段用のサンプルの動作信号、分極信号と結果的に得られる動作電力、抑制電力とを示す。 第２比較段用のサンプルの動作信号、分極信号と結果的に得られる動作電力、抑制電力とを示す。 第２比較段用のサンプルの動作信号、分極信号と結果的に得られる動作電力、抑制電力とを示す。 第３比較段用のサンプルの動作信号、分極信号と結果的に得られる動作電力、抑制電力とを示す。 第３比較段用のサンプルの動作信号、分極信号と結果的に得られる動作電力、抑制電力とを示す。

符号の説明

３０５ 継電器位置
３１０ モー帯域
３１５ 帯域の所期のリーチ点
３２０ 帯域内故障位置
３２５ 帯域外故障位置
３３０ 所期のリーチ点を横切るリアクタンス線

Claims (10)

1. プロセッサによって使用可能なコンピュータ読取が可能な媒体であって、前記媒体が一連の命令を記録しており、前記命令が、プロセッサによって実行されると、該プロセッサがインピーダンス保護を提供し：
   該インピーダンス保護が、
   第１の距離帯域への送電線に関して電圧電流をインタフェースし、デジタル化し；
   １組の直交フィルタを使用して、デジタル化された前記電圧電流をデジタルフィルタリングして、誘導された直交成分の組にし、
   前記誘導された直交成分の組から瞬時動作信号と瞬時分極信号とをデジタル抽出し、
   前記第１の距離帯域で故障が発生したとこを検出することが、
   前記瞬時動作信号と前記瞬時分極信号との間の第１段階の角度と大きさの関係を故障事象の第１半電力サイクルの間にデジタル比較し、
   前記第１の距離帯域で故障が発生したとこを検出するために、前記瞬時動作信号と前記瞬時分極信号との間の第２段階の角度と大きさの関係を前記故障事象の第１電力サイクルの第２半電力サイクルの間にデジタル比較し、
   前記第１の距離帯域で故障が発生したとこを検出するために、前記瞬時動作信号と前記瞬時分極信号との間の第３段階の角度と大きさの関係を前記故障事象の第２電力サイクルの間にデジタル比較し、
   前記第１乃至第３段階の比較による検出を示すインピーダンス保護信号を出力することにより行われる、媒体。
2. 前記瞬時動作信号が、継電器位置で測定された電圧（Ｖ）と、継電器点と所期のリーチ点との間で保護回路に沿って電圧降下を引き起こす電流（Ｉ）と、前記保護回路の電気距離との間の平衡方程式によって形成され、前記瞬時分極信号が、故障が所定の帯域の内部にあるのかまたは該帯域の外部にあるのかを示すために選択されている、請求項１記載の媒体。
3. 前記直交フィルタが有限インパルス応答（ＦＩＲ）フィルタまたは無限インパルス応答（ＩＩＲ）フィルタである、請求項１記載の媒体。
4. 距離比較器項が直交電圧電流の瞬時組合せとして時間領域内に生成される、請求項１記載の媒体。
5. 前記第１段階は、前記故障事象に続く前記第１電力サイクル内の時間に限定される、請求項１記載の媒体。
6. エネルギー比較器が前記瞬時動作信号と前記瞬時分極信号との関係を解析する、請求項１記載の媒体。
7. 位相比較器が前記瞬時動作信号と前記瞬時分極信号との関係を解析する、請求項１記載の媒体。
8. 前記第１乃至第３段階の少なくとも１つの比較がゼロでは無い有限の閾値を信号極性が超えたことに応じて行われる、請求項１記載の媒体。
9. 前記送電線が三相電力系統の送電線である、請求項１記載の媒体。
10. 前記プロセッサが継電器内に配置される、請求項１記載の媒体。
    

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