JP5538254B2

JP5538254B2 - 保護継電装置およびそのフィルタリング方法

Info

Publication number: JP5538254B2
Application number: JP2011015740A
Authority: JP
Inventors: 洋輔島田; 直則井川
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2011-01-27
Filing date: 2011-01-27
Publication date: 2014-07-02
Anticipated expiration: 2031-01-27
Also published as: JP2012157204A

Description

本発明は、保護継電装置および保護継電装置に適用可能なフィルタリング方法に関する。

架空線路の電線を支持する碍子装置などに取り付けられ、電力系統に設けられる遮断器が作動する前に動作し、停電事故を未然に防止することで安定した電力を供給できるようにした続流遮断型アークホーンと称される装置が知られている（例えば、下記特許文献１）。

この続流遮断型アークホーン（「アーク電流遮断型ホーン」と称されることもあり、以下この呼称を使用）は、雷害時等において、自身に生ずる１線地絡電流や短絡電流等を半サイクル程度で遮断することができる。このアーク電流遮断型ホーンを用いれば、遮断器の不要な動作を抑止することができ、その結果、遮断器の再閉路動作を省略できるので、雷害時等における電力供給の安定化に寄与できる装置として注目されている。

特開平８−３２１３７２号公報

ところで、近年の保護継電装置は、アナログフィルタ処理に加えてディジタルフィルタ処理を実行するものが主流であるが、このディジタルフィルタ処理では、過去のデータを用いた計算処理を行う。このため、ディジタルフィルタ処理後の波形は、時間方向に引き伸ばされた波形になる。一方、アーク電流遮断型ホーンが装備された送電線では、アーク電流遮断型ホーンの動作により事故電流が半サイクル程度で遮断される。このため、アーク電流遮断型ホーンが装備された送電線に従来の保護継電装置を適用した場合、事故電流波形とディジタルフィルタ処理波形との差異が大きくなり、事故が除去されているにも関わらず、不要な動作をする場合があるという問題点があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、短時間で終了する事故時の不要な動作を抑止することができる保護継電装置および、そのフィルタリング方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、電力系統からのアナログ電気量をディジタル電気量に変換したディジタルデータが順次入力され、入力されたディジタルデータに所定のフィルタ処理を施すディジタルフィルタの出力に基づいて所定の保護演算を行う保護継電装置において、前記ディジタルフィルタは、離散ウェーブレット変換により前記ディジタルデータを第１次から第５次までの所定の周波数成分に順次分解し、当該分解処理の過程にて最初に生成される第１次の周波数成分のうちの高域側周波数成分ならびに、当該分解処理の過程にて最後に生成される第５次の周波数成分のうちの高域側周波数成分および低域側周波数成分による３つの周波数成分の加算出力を計算してフィルタリング出力とすることを特徴とする。

この発明によれば、短時間で終了する事故時の不要な動作を抑止することができるという効果を奏する。

図１は、実施の形態１に係る保護継電装置の機能構成を示す図である。図２は、従来のフィルタ処理および本実施の形態に係るフィルタ処理の応動を比較するためのフィルタ処理波形を事故電流波形と共に示す図である。図３は、離散ウェーブレット変換を用いた実施の形態１に係るフィルタ処理を実現する機能ブロックの一例を示す図である。図４は、実施の形態１に係るフィルタ処理手順の一例を示すフローチャートである。図５は、離散ウェーブレット変換を用いた実施の形態２に係るフィルタ処理を実現する機能ブロックの一例を示す図である。図６は、実施の形態２に係るフィルタ処理手順の一例を示すフローチャートである。

以下に添付図面を参照し、本発明の実施の形態にかかる保護継電装置について説明する。なお、以下に示す実施の形態により本発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る保護継電装置の機能構成を示す図である。図１に示すように、実施の形態１に係る保護継電装置１００は、入力変換器１０３、アナログフィルタ１０４、Ａ／Ｄ（アナログ／ディジタル）変換器１０５、ディジタルフィルタ１０６および、リレー演算部１０７を備えて構成されている。

入力変換器１０３は、電力系統からのアナログ電気量を取り込んで保護継電装置１００が処理可能な値に変換する機器である。なお、図１では、変流器（ＣＴ）１０１が検出した系統電流と計器用変圧器（ＰＴ）１０２が検出した系統電圧とを取り込んで所望値に変換する構成を例示している。

入力変換器１０３の出力は、アナログフィルタ１０４に入力される。アナログフィルタ１０４は、入力変換器１０３の出力に含まれる高次の高調波成分（例えば６次高調波以上の高調波成分）を除去する処理を行う。

Ａ／Ｄ変換器１０５は、アナログフィルタ１０４の出力（アナログ信号）をディジタル信号に変換する処理を行う。

ディジタルフィルタ１０６は、通常であれば、Ａ／Ｄ変換器１０５の出力（ディジタル信号）に含まれる低次の高調波成分（例えば５次高調波以下の高調波成分）を除去する処理を行う。一方、実施の形態１に係るディジタルフィルタ１０６では、送電線にアーク電流遮断型ホーンが設けられる場合を想定し、このような場合にも非常に効果的な処理となるよう離散ウェーブレット変換を好適にアレンジしたフィルタ処理機能を付加している。なお、このフィルタ処理の詳細については後述する。

リレー演算部１０７は、ディジタルフィルタ１０６の出力を用いて所定または所望のリレー演算（保護演算）（例えば、電流差動リレー演算、距離リレー演算）処理を行う。リレー演算部１０７が生成したトリップ指令は、遮断器（ＣＢ）１０８に出力され、遮断器（ＣＢ）１０８の接点をトリップ（開放）させる。

図２は、従来のフィルタ処理および本実施の形態に係るフィルタ処理の応動を比較するためのフィルタ処理波形を事故電流波形と共に示す図である。図２において、実線で示す波形２０１は、アーク電流遮断型ホーンを装備している送電線での事故電流波形を模擬したものである。一方、破線で示す波形２０２は、従来の保護継電装置を用いて処理した場合のフィルタ処理波形を模擬したものである。波形２０２では、その計算に過去のデータを用いているため、ディジタルフィルタ処理後の波形が引き伸ばされ、事故電流波形である波形２０１とは大きく異なっている。その結果、例えばアーク電流遮断型ホーンを装備している送電線での事故において、事故が短時間で終了して事故が除去されているにも関わらず、保護継電装置が不要な動作をする場合があるという問題が生じていた。

これに対し、一点鎖線で示す波形２０３は、本実施形態の保護継電装置を用いて処理した場合のフィルタ処理波形を模擬したものである。本実施形態では、従来の保護継電装置と同様に過去のデータを用いてリレー演算を行うが、ディジタルフィルタ処理後の波形を示す波形２０３では、半周期後の波形が収束して小さくなっており、事故電流波形である波形２０１に近くなっている。このため、実施の形態１の保護継電装置では、アーク電流遮断型ホーンを装備している送電線を含む電力系統に適用した場合であっても、保護継電装置の不要な動作を抑止することが可能となる。

図３は、離散ウェーブレット変換を用いた実施の形態１に係るフィルタ処理を実現する機能ブロックの一例を示す図であり、図２に示す波形２０３を作り出すためのフィルタ処理部４０１の機能構成を示している。

なお、離散ウェーブレット変換を適用する際のパラメータとしては、以下の観点または条件に基づいて決定した。
（１）離散ウェーブレット変換に必要なデータ数は２のべき乗である。
（２）フィルタ処理を行うデータ数は１サイクル以上あることが好ましい。
（３）一般的な保護継電装置の分解能は、電気角にして３．７５度である。

上記（１）〜（３）に鑑み、実施の形態１では、サンプリングデータ数が２のべき乗となり、かつ、サンプリング間隔が分解能である電気角３．７５度の整数倍となるようにサンプリング周波数を１９２０Ｈｚ（電気角１１．２５度）とした。また、サンプリングデータ数は、１９２０Ｈｚでサンプリングした場合の１周期分のデータ数である３２とした。

なお、上記（１）は離散ウェーブレット変換を適用する際に制約となる条件であるが、（２），（３）は本質的な制約条件ではなく、上記以外の値を用いても構わない。

図３に戻り、フィルタ処理部４０１には、変流器（ＣＴ）１０１が検出した系統電流値が入力変換器１０３によって時系列データに変換された入力信号Ｘが入力される。この入力信号Ｘは２分岐され、次式で示されるフィルタ処理を行う処理部に入力される。

ここで、上記（１）式に示される記号の意味は、以下の通りである。

ｈ：ハイパスフィルタ処理を行う機能ブロック
ｇ：ローパスフィルタ処理を行う機能ブロック
ｙ_{high_i}：ハイパスフィルタ処理後の電流波形
ｙ_{low_i}：ローパスフィルタ処理後の電流波形
ｋ：加算処理の範囲を決める変数
ｉ：フィルタ処理段の位置を識別する変数（例えば、ｉ＝１は入力段、ｉ＝２はフィルタ処理の１段目、以下同様であり、ｉ＝５はフィルタ処理の５段目）
ｌ：加算処理の上限値（なお、ｍはｉとｌの関係を決める変数であり、ｍ＝６−ｉの関係がある）

なお、上記の説明では、入力信号Ｘは、変流器（ＣＴ）１０１が検出した系統電流値として説明したが、計器用変圧器（ＰＴ）１０２が検出した系統電圧値であっても構わない。

つぎに、実施の形態１に係る保護継電装置の要部を成すフィルタ処理部４０１の動作について図１〜図４の各図面を適宜参照して説明する。図４は、実施の形態１に係るフィルタ処理手順の一例を示すフローチャートである。

Ａ／Ｄ変換器１０５は、アナログフィルタ１０４を介して入力した電気量（入力電気量）を１９２０Ｈｚでサンプリングする（ステップＳ４０１）。サンプリングした電気量は、ディジタルフィルタ１０６に入力される。ディジタルフィルタ１０６に構成されるフィルタ処理部４０１（図３参照）は、（１）式に示される離散ウェーブレット変換を行う（ステップＳ４０２）。このステップＳ４０２の処理では、図３に示されるように、入力信号Ｘに対しハイパスフィルタｈおよびローパスフィルタｇによる各フィルタ処理を順次繰り返し実行して行くことで周波数帯毎に周波数成分を分解する処理が実行される。

図３において、第１段目にあるローパスフィルタｇにて抽出されるｙ_{low_1}は、入力信号Ｘに含まれる０〜１９２０Ｈｚの周波数成分のうちの０〜９６０Ｈｚの周波数成分（第１次低域側周波数成分）である。また、第１段目にあるハイパスフィルタｈにて抽出されるｙ_{high_1}は、入力信号Ｘに含まれる０〜１９２０Ｈｚの周波数成分のうちの９６０〜１９２０Ｈｚの周波数成分（第１次高域側周波数成分）である。

以下同様に、第２段目にあるローパスフィルタｇにて抽出されるｙ_{low_2}は、第１段目にあるローパスフィルタｇの出力であるｙ_{low_1}に含まれる０〜９６０Ｈｚの周波数成分のうちの０〜４８０Ｈｚの周波数成分（第２次低域側周波数成分）であり、第２段目にあるハイパスフィルタｈにて抽出されるｙ_{high_2}は、第１段目にあるローパスフィルタｇの出力であるｙ_{low_1}に含まれる０〜９６０Ｈｚの周波数成分のうちの４８０〜９６０Ｈｚの周波数成分（第２次高域側周波数成分）である。

また、第３段目にあるローパスフィルタｇにて抽出されるｙ_{low_3}は、第２段目にあるローパスフィルタｇの出力であるｙ_{low_2}に含まれる０〜４８０Ｈｚの周波数成分のうちの０〜２４０Ｈｚの周波数成分（第３次低域側周波数成分）であり、第３段目にあるハイパスフィルタｈにて抽出されるｙ_{high_3}は、第２段目にあるローパスフィルタｇの出力であるｙ_{low_2}に含まれる０〜４８０Ｈｚの周波数成分のうちの２４０〜４８０Ｈｚの周波数成分（第３次高域側周波数成分）である。

また、第４段目にあるローパスフィルタｇにて抽出されるｙ_{low_4}は、第３段目にあるローパスフィルタｇの出力であるｙ_{low_3}に含まれる０〜２４０Ｈｚの周波数成分のうちの０〜１２０Ｈｚの周波数成分（第４次低域側周波数成分）であり、第４段目にあるハイパスフィルタｈにて抽出されるｙ_{high_4}は、第３段目にあるローパスフィルタｇの出力であるｙ_{low_3}に含まれる０〜２４０Ｈｚの周波数成分のうちの１２０〜２４０Ｈｚの周波数成分（第４次高域側周波数成分）である。

そして、第５段目にあるローパスフィルタｇにて抽出されるｙ_{low_5}は、第４段目にあるローパスフィルタｇの出力であるｙ_{low_4}に含まれる０〜１２０Ｈｚの周波数成分のうちの０〜６０Ｈｚの周波数成分（第５次低域側周波数成分）であり、第５段目にあるハイパスフィルタｈにて抽出されるｙ_{high_5}は、第４段目にあるローパスフィルタｇの出力であるｙ_{low_4}に含まれる０〜１２０Ｈｚの周波数成分のうちの６０〜１２０Ｈｚの周波数成分（第５次高域側周波数成分）である。

ここで、図３に示すように、破線の矢印で示す部分の出力データは、フィルタ処理部４０１の時系列出力データである出力信号Ｙの算出には用いられないデータである。したがって、実施の形態１のフィルタ処理では、ｙ_{high_2}，ｙ_{high_3}，ｙ_{high_4}を算出する３つのハイパスフィルタ処理は不要であり、この点が通常の離散ウェーブレット変換とは大きく異なる処理である。

図４に戻り、フィルタ処理部４０１は、算出した各変換値のうち所定の変換値（ｙ_{high_1}，ｙ_{high_5}，ｙ_{low_5}）を用いて、次式に示す加算処理を行う（ステップＳ４０３）。

Ｙ＝ｙ_{high_1}＋ｙ_{high_5}＋ｙ_{low_5} ……（２）

離散ウェーブレット変換による各変換値（y_{high_1}, y_{high_2}, y_{high_3}, y_{high_4}, y_{high_5}, y_{low_5）}）を全て加算すると、元の入力信号Ｘとなるが、実施の形態１のフィルタ処理では、上記（２）式のように必要な周波数成分のみを加算することで、保護リレーにとって不要な低次高調波成分を除去することが可能となる。

ステップＳ４０３で生成された出力信号Ｙは、リレー演算部１０７に入力される。リレー演算部１０７は、フィルタ処理後の出力信号Ｙを用いて、所定または所望のリレー演算を行う（ステップＳ４０４）。

このように、実施の形態１の保護継電装置では、アーク電流遮断型ホーンが装備された送電線を含む電力系統において想定される事故電流波形を模擬したフィルタ処理を行うことができ、遮断器の不要な動作を抑止することが可能となる。

なお、実施の形態１の保護継電装置では、周波数成分毎にディジタルフィルタ処理のデータ長を変更する離散ウェーブレット変換の特徴を活用しているが、この特徴に加え、離散ウェーブレット変換処理の処理過程で生成される高域側周波数成分（y_{high_1}，y_{high_2}，y_{high_3}，y_{high_4}）のうち、上記（２）式に示されるように、最も高い周波数成分を含んでいるy_{high_1}のみを加算するようにしている。この処理により、保護継電装置にとって不要な低次高調波成分を除去しつつ、事故電流波形に含まれる可能性のある高次高調波成分を含ませてフィルタ処理後の事故電流波形が現実のものと大きく食い違うのを回避するようにしている。この作用により、実施の形態１の保護継電装置は、アーク電流遮断型ホーンが装備されていない送電線を含む電力系統に対しても効果的であり、事故電流波形の鈍りを抑制して遮断器の不要動作を抑止する効果が得られる。

実施の形態２．
図５は、離散ウェーブレット変換を用いた実施の形態２に係るフィルタ処理を実現する機能ブロックの一例を示す図である。図５において、上段部に示す機能ブロックは、図３に示す機能ブロックにおいて、（２）式の加算処理に必要な処理部のみを示したものである。また下段部に示す機能ブロックａは、上段部に示すフィルタ処理全体を単一のフィルタ処理部に置換したものである。

実施の形態１では、離散ウェーブレット変換を行い、所定の変換値を加算するようにしたが、保護継電装置の処理性能によっては、所定の時間内に処理できない可能性が想定される。そこで、実施の形態２では、上記（１），（２）式の代わりに、簡略化した次式を用いて単一のフィルタ処理として実現するものである。

ここで、上記（３）式に示される記号の意味は、以下の通りである。

Ｘ[Ｎ]：入力信号Ｘの時系列データ
Ｙ[Ｎ]：出力信号Ｙの時系列データ
ｈ：ハイパスフィルタ処理を行う機能ブロック
ｇ：ローパスフィルタ処理を行う機能ブロック
ｎ₂〜ｎ₆,Ｎ：加算処理の範囲を決める各変数
ａ[Ｎ]：単一のフィルタ処理として実現した場合のフィルタ係数

つぎに、実施の形態２に係る保護継電装置の要部を成すフィルタ処理部５０１の動作について図１、図５および図６の各図面を適宜参照して説明する。図６は、実施の形態２に係るフィルタ処理手順の一例を示すフローチャートである。なお、離散ウェーブレット変換を適用する際のパラメータは、実施の形態１と同様とする。

Ａ／Ｄ変換器１０５は、アナログフィルタ１０４を介して入力した電気量（入力電気量）を１９２０Ｈｚでサンプリングする（ステップＳ６０１）。サンプリングした電気量は、ディジタルフィルタ１０６に入力される。ディジタルフィルタ１０６に構成されるフィルタ処理部５０１は、（３）式に示される離散ウェーブレット変換を行う（ステップＳ６０２）。このステップＳ６０２の処理では、予めフィルタ係数ａ[Ｎ]が計算されており、上記（３）式の最終式に示される計算処理のみが実行され、出力信号Ｙの時系列データＹ[Ｎ]が計算される。

ステップＳ６０２で生成された出力信号Ｙは、リレー演算部１０７に入力される。リレー演算部１０７は、フィルタ処理後の出力信号Ｙを用いて、所定または所望のリレー演算を行う（ステップＳ６０３）。

このように、実施の形態２の保護継電装置では、複雑な計算の離散ウェーブレット変換処理を簡略化した（３）式で計算できるため、計算の負担を軽減することができるという効果が得られる。

なお、以上の実施の形態１，２に示した構成は、本発明の構成の一例であり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、一部を省略する等、変更して構成することも可能であることは言うまでもない。

以上のように、本発明は、短時間で終了する事故時の不要な動作を抑止することができる保護継電装置として有用である。

１００保護継電装置
１０１変流器（ＣＴ）
１０２計器用変圧器（ＰＴ）
１０３入力変換器
１０４アナログフィルタ
１０５Ａ／Ｄ変換器
１０６ディジタルフィルタ
１０７リレー演算部
４０１，５０１フィルタ処理部

Claims

電力系統からのアナログ電気量をディジタル電気量に変換したディジタルデータが順次入力され、入力されたディジタルデータに所定のフィルタ処理を施すディジタルフィルタの出力に基づいて所定の保護演算を行う保護継電装置において、
前記ディジタルフィルタは、離散ウェーブレット変換により前記ディジタルデータを第１次から第５次までの所定の周波数成分に順次分解し、当該分解処理の過程にて最初に生成される第１次の周波数成分のうちの高域側周波数成分ならびに、当該分解処理の過程にて最後に生成される第５次の周波数成分のうちの高域側周波数成分および低域側周波数成分による３つの周波数成分の加算出力を計算してフィルタリング出力とすることを特徴とする保護継電装置。
前記ディジタルフィルタには、前記第１次の周波数成分のうちの高域側周波数成分ならびに、前記第５次の周波数成分のうちの高域側周波数成分および低域側周波数成分による３つの周波数成分の加算出力を決定するフィルタ係数が予め計算されて設定されていることを特徴とする請求項１に記載の保護継電装置。
電力系統を保護する保護継電装置に適用可能なフィルタリング方法であって、
前記電力系統からのアナログ電気量をディジタル電気量に変換したディジタルデータに対し離散ウェーブレット変換を用いて所定の周波数成分に順次分解する処理ステップを含み、
前記処理ステップは、
前記ディジタルデータを当該ディジタルデータの帯域の１／２の周波数よりも高域側にある第１次高域側周波数成分と、当該１／２の周波数よりも低域側にある第１次低域側周波数成分とに分解する第１のステップと、
前記第１次低域側周波数成分を当該第１次低域側周波数成分が含まれる帯域の１／２の周波数よりも低域側にある第２次低域側周波数成分に分解する第２のステップと、
前記第２次低域側周波数成分を当該第２次低域側周波数成分が含まれる帯域の１／２の周波数よりも低域側にある第３次低域側周波数成分に分解する第３のステップと、
前記第３次低域側周波数成分を当該第３次低域側周波数成分が含まれる帯域の１／２の周波数よりも高域側にある第４次高域側周波数成分と、当該１／２の周波数よりも低域側にある第４次低域側周波数成分に分解する第４のステップと、
前記第４次低域側周波数成分を当該第４次低域側周波数成分が含まれる帯域の１／２の周波数よりも高域側にある第５次高域側周波数成分と、当該１／２の周波数よりも低域側にある第５次低域側周波数成分に分解する第５のステップと、
前記第１次高域側周波数成分と、前記第５次高域側周波数成分と、前記第５次低域側周波数成分との加算出力を計算してフィルタリング出力とする第６のステップと、
を含むことを特徴とするフィルタリング方法。