JP5334401B2 - サンプリングパルス発生回路 - Google Patents
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ここで、前記分周率制御回路が、前記位相差をΔφとし、前記基準周波数信号の周波数をf0とし、前記分周器における平均的な分周率をn0とし、前記サンプリング回数をmとすると、前記分周器の分周率を制御するための分周率制御量(Δn)を次式に従って算出してもよい。
分周率制御量=−c×Δφ
ここで、c=m×n0 2/(2π×f0)
前記入力信号が、電力系統の保護に用いられるディジタル保護継電器に入力される入力要素であり、前記サンプリングパルス発生回路が前記ディジタル保護継電器に内蔵されていてもよい。
前記分周率制御回路が、前記位相差の絶対値が所定の値以上になると前記分周率制御量に制限をかけてもよい。
前記分周率制御回路が、前記位相差の絶対値が所定の値以上になると前記分周率制御量を減少させてもよい。
まず、本発明のサンプリングパルス発生回路においてサンプリングパルスの周波数fs(以下、「サンプリング周波数fs」と称する。)を、ディジタル保護継電器に入力される系統電圧V(入力要素)の周波数fk(以下、「電力系統周波数fk」と称する。)に追従させる方法について説明する。
f k =f s /m (1)
また、電力系統周波数f k とサンプリング周波数f s とが同期していると、電力系統周波数f k とサンプリング周波数f s をサンプリング回数mで割った周波数とは同じになるため系統電圧Vの基本波成分の位相φ k とサンプリングパルスの位相φ s をサンプリング回数mで割った値(サンプリング周波数f s をサンプリング回数mで割った周波数のパルスの位相φ s /m)とは同じになるが、系統動揺により電力系統周波数f k が変動すると、系統電圧Vの基本波成分の位相φ k とサンプリングパルスの位相φ s をサンプリング回数mで割った値とには、(2)式で示す所定時間Δt当りの差Δφ/Δtが生じる。
Δφ/Δt=Δφk/Δt−(Δφs/m)/Δt (2)
ここで、位相φ、角周波数ωおよび周波数fには(3)式および(4)式で示す関係があるため、
ω=Δφ/Δt (3)
ω=2πf (4)
電力系統角周波数を“ωk”としサンプリング角周波数を“ωs”とすると、(5)式が成り立つ。
Δφ/Δt=ωk−ωs/m (5)
したがって、電力系統周波数fkとサンプリング周波数fsを用いると、所定時間Δt当りの差Δφ/Δtは(6)式で表される。
Δφ/Δt=2π×(fk−fs/m) (6)
(6)式は(7)式に変形することができる。
Δφ/2π=(fk−fs/m)×Δt (7)
(7)式より、電力系統周波数fkとサンプリング周波数fsをサンプリング回数mで割った値(=fs/m)とに差がある(すなわち、系統動揺により電力系統周波数f k が変動する)と、この差に所定時間Δtを掛けた値に応じた差Δφ(以下、「位相差Δφ」と称する。)が生じる。
fs=f0/n (8)
(7)式および(8)式より、(9)式が成り立つ。
Δφ/2π={fk−f0/(m×n)}×Δt (9)
したがって、サンプリング周波数fsが電力系統周波数fkに追従する条件は位相差Δφ=0であるため、(9)式より、(10)式が成り立つように分周率nを制御すればよい。
fk=f0/(m×n) (10)
サンプリング周波数fsを電力系統周波数fkに追従させる前後の分周率nを“n1”および“n2”とすると、(7)式より(11)式が成り立つ。
Δφ/2π={f0/(m×n2)−f0/(m×n1)}×Δt
={f0/m×(1/n2−1/n1)}×Δt
=−f0/(m×n2×n1)×Δn×Δt (11)
したがって、(11)式を用いて分周率n2を算出することにより、サンプリング周波数fsを電力系統周波数fkに追従させることができるが、実際の電力系統における系統動揺は極端な場合でも位相変化量が50°/s程度で周期が1秒程度であるために分周率n1,n2と平均的な分周率n0との差は大きくても数%であるので、定数cを(12)式で定義する。
c=m×n0 2/(2π×f0) (12)
この場合には、サンプリング周波数fsを電力系統周波数fkに追従するための分周率nの制御量Δn(以下、「分周率制御量Δn」と称する。)は(13)式で表される。
Δn≒−c×Δφ (13)
したがって、図2に示すように位相差Δφに比例して分周率制御量Δnを算出することにより、サンプリング周波数fsを電力系統周波数fkに追従させることができる。
この位相差Δφ1を1秒当りの位相差Δφ1(Δt=1)に換算すると、1秒当りの位相差Δφ1(Δt=1)は(14)式で表される。
Δφ1(Δt=1)=30°×60Hz=1800°/s (14)
Δφ2(Δt=1)=30°/s≒0.0167×Δφ1(Δt=1) (15)
Δf2(Δt=1)=30°/360°≒0.083Hz/s (16)
また、系統事故時には、位相は1/60秒のみ変化するため、位相差Δφ2(Δt=1/60)および周波数制御量Δf2(Δt=1/60)は、60分の1の制御量となるので、(17)式および(18)式でそれぞれ表される。
Δφ2(Δt=1/60)=30°/60s≒0.5°/s (17)
Δf2(Δt=1/60)=0.083Hz/60s≒0.0014Hz/s (18)
n0=4MHz/1440Hz≒2778 (19)
したがって、分周率制御量Δnに制限をかける点における系統動揺時の分周率制御量Δnは、Δt=1の場合となるため、(20)式に示すように−3.86回となる。
Δn(Δt=1)=−2778回×0.083Hz/60Hz=−3.86回 (20)
これに対して、系統事故時の分周率制御量Δnは、Δt=1/60の場合となるため、(21)式に示すように−0.064回となる。
Δn(Δt=1/60)=−2778回×0.0014Hz/60Hz
=−0.064回 (21)
その結果、系統事故時の分周率制御量Δn(Δt=1/60)は系統動揺時の分周率制御量Δn(Δt=1)に比べて2桁小さい値(60分の1の値)になるため、系統事故時のサンプリング発生回路の誤動作を防止することができる。
この場合には、系統事故時の分周率制御量Δnを更に小さくする(ほとんど“0”にする)ことができる。
本実施例によるサンプリングパルス発生回路10は、電力系統の保護に用いられるディジタル保護継電器に内蔵され、正常時の電力系統周波数fkが60Hzの系統電圧V(入力要素)をサンプリング回数m=24回(サンプリング間隔15°およびサンプリング周期=0.69ms)でサンプリングする際に使用されるものであり、図1に示すように、水晶発信器11と、分周器12と、パルス発生器13と、サンプリング/ホールド回路14(以下、「S/H回路14」と称する。)と、アナログ/ディジタル変換回路15(A/D変換回路15)と、フィルタ回路16と、フーリエ変換回路17と、分周率制御回路18とを具備する。
なお、分周器12の分周率nの平均的な分周率n0は、基準周波数信号の基準周波数f0が4MHzであるので、電力系統周波数fk=60Hzの系統電圧Vをサンプリング回数m=24でサンプリングするために“2778”に設定されている((19)式参照)。
また、分周器12の分周率nは、分周率制御回路18によって制御され、現在の分周率niに分周率制御回路18から入力される分周率制御量Δnを加算した値(n=ni+Δn)とされる。
A/D変換回路15は、S/H回路14でサンプリングおよびホールドされたアナログの系統電圧Vをディジタルの系統電圧データに変換する。
フィルタ回路16は、A/D変換回路15から入力される系統電圧データをフィルタリングして、系統電圧Vの基本波成分のみを抽出する。そのため、フィルタ回路16は、1/2周期前の系統電圧データとの差をとる2次フィルタ、1/3周期前の系統電圧データとの差をとる3次フィルタ、または、2次フィルタと3次フィルタとの組合せとされている。
ここで、フーリエ変換を行う周期が長いほど正確に計測でき(すなわち、通常はほとんど存在しない高調波以外の不要な信号が除去でき)、フーリエ変換を行う周期が短いほど計測結果が早く出る(すなわち、サンプリング周波数fsの電力系統周波数fkへの追従レスポンスが良くなる)。また、フーリエ変換を行う周期が半周期の倍数である場合には、高調波成分がちょうど打ち消しあって、基本波成分のみの計測ができるが、直流成分は除去できずに残ってしまう。
そのため、工夫をすればフーリエ変換を行う周期を半周期としても利用できるが、フーリエ変換を行う周期は、高調波および直流成分が除去でき、基本波成分のみが計測でき、かつ、最も短い周期である電力系統周波数fkの1周期とするのが好ましい。
また、1周期分のフーリエ変換は、サンリング回数m分のデータ(すわなち、電力系統周波数fkの1周期分のデータ)を用いて演算する。
さらに、フーリエ変換の演算は、電力系統周波数fkの1周期ごとに行ってもよいが、追従レスポンスを考慮してサンプリング周期(1/fs)ごと(すなわち、最新の系統電圧Vのサンプリングデータから過去1周期分であるm個の系統電圧Vのサンプリングデータを用いて)に行ってもよい。
これにより、サンプリング周波数fsが電力系統周波数fkに追従するように分周器12の分周率nを制御することができる。
Δn=b (Δφ<−a)
Δn=−(b/a)×Δφ
=−c×Δφ (−a≦Δφ<a)
Δn=−b (a≦Δφ)
Δn=−(b/a)×e1×Δφ×eΔφ/a
=−c×e1×Δφ×eΔφ/a (Δφ<0)
Δn=−(b/a)×e1×Δφ×e-Δφ/a
=−c×e1×Δφ×e-Δφ/a (0≦Δφ)
ここで、1番目の式を位相差Δφで微分すると、
dΔn/dΔφ=−(b/a)×e1×Δφ×eΔφ/a(1+Δφ/a)
となるので、dΔn/dΔφ=0となるΔφ=−aの点で、Δnは次式に示すように最大値bとなる。
Δn(Δφ=-a)=−c×e1×(−a)×e-a/a
=(b/a)×e1×a×e-1
=b
同様に、2番目の式を位相差Δφで微分すると、
dΔn/dΔφ=−(b/a)×e1×Δφ×e-Δφ/a(1−Δφ/a)
となるので、dΔn/dΔφ=0となるΔφ=aの点で、Δnは次式に示すように最小値−bとなる。
Δn(Δφ=a)=−c×e1×a×e-a/a
=−(b/a)×e1×a×e-1
=−b
11 水晶発信器
12 分周器
13 パルス発生器
14 サンプリングホールド回路(S/H回路)
15 アナログ/ディジタル変換回路(A/D変換回路)
16 フィルタ回路
17 フーリエ変換回路
18 分周率制御回路
V 系統電圧
f 周波数
f0 基準周波数
fs サンプリング周波数
fk 電力系統周波数
Δf2(Δt=1),Δf2(Δt=1/60) 周波数制御量
ω 角周波数
ωk 電力系統角周波数
ωs サンプリング角周波数
φ 位相
φs 標本化位相
φk 系統位相
Δφ,Δφ1,Δφ1(Δt=1),Δφ2(Δt=1),Δφ2(Δt=1/60) 位相差
m サンプリング回数(標本化回数)
n,n1,n2 分周率
n0 平均的な分周率
ni 現在の分周率
Δn 分周率制御量
c 定数
Claims (5)
- 系統動揺により電力系統周波数が緩やかに変動する電力系統の入力要素の基本波成分であるアナログの入力信号をサンプリングするためのサンプリングパルスを発生するサンプリングパルス発生回路(10)であって、
基準周波数信号を分周して前記サンプリングパルスを発生するための分周器(12)と、
前記サンプリングパルスでサンプリングされてディジタル信号に変換された前記入力信号の基本波成分をフーリエ変換するためのフーリエ変換回路(17)と、
該フーリエ変換回路で求めた前記入力信号の位相(φ)から該入力信号と前記サンプリングパルスのサンプリング周波数(f s )をサンプリング回数(m)で割った周波数(f s /m)のパルスとの位相差(Δφ)を算出し、該算出した位相差に比例して前記分周器の分周率(n)を制御する分周率制御回路(18)とを具備し、
前記サンプリング回数が、系統動揺前の前記入力信号の1周期分を前記サンプリングパルスでサンプリングする回数である、
ことを特徴とする、サンプリングパルス発生回路。 - 前記分周率制御回路が、前記位相差をΔφとし、前記基準周波数信号の周波数をf0とし、前記分周器における平均的な分周率をn0とし、前記サンプリング回数をmとすると、前記分周器の分周率を制御するための分周率制御量(Δn)を次式に従って算出する、
分周率制御量=−c×Δφ
ここで、c=m×n0 2/(2π×f0)
ことを特徴とする、請求項1記載のサンプリングパルス発生回路。 - 前記入力信号が、電力系統の保護に用いられるディジタル保護継電器に入力される入力要素であり、
前記サンプリングパルス発生回路が前記ディジタル保護継電器に内蔵されている、
ことを特徴とする、請求項1または2記載のサンプリングパルス発生回路。 - 前記分周率制御回路が、前記位相差の絶対値が所定の値以上になると前記分周率制御量に制限をかけることを特徴とする、請求項2または3記載のサンプリングパルス発生回路。
- 前記分周率制御回路が、前記位相差の絶対値が所定の値以上になると前記分周率制御量を減少させることを特徴とする、請求項2または3記載のサンプリングパルス発生回路。
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