JP5539997B2 - 電力系統におけるマージングユニットの動的な信号の切り替え方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力系統におけるマージングユニットの動的な信号の切り替え方法及び装置に関する。

インテリジェント電子装置（intelligent electric devices）は、電気回路網を通して流れる電圧及び電流を測定するために電力系統においてインストールされる。前記インテリジェント電子装置は、故障又は異常な振動に対して電力系統を保護して、人間又は自動的なオペレータにより電力系統の良好な制御を可能にするため、これらの測定値を使用することを試みる場合がある。

従来、係る測定は、電流及び電圧変換器を使用して、電力グリッドの量を、インテリジェント電子装置への入力のために管理可能、安全、且つ低振幅にスケーリングされた量に変換することで行われている。

現在、変電所の自動化スキームにおいてインテリジェント電子装置への通信及び接続の容易さのため、係る変流器の出力をデジタル化する傾向が増している。

同じ既存の変流器及び変圧器は、「マージングユニット」と呼ばれる装置によりデジタル信号に変換される、それらのスケーリングされた、二次側のアナログ信号を有することができる。本発明の分野は、同じ測定された量の冗長度／複製を名目上提供する、多数の変流器の入力が１つのロケーションで利用可能である場合に関する。これは、保護の用途のための変流器の鉄心と測定用途のための別の鉄心とが利用可能である場合が多い。

測定の鉄心（測定精度のクラス）は負荷電流について正確であるとき、前記測定の鉄心は、電力系統に関する実際の１次電流の量について最も忠実な表現であると通常は考えられる。より上位の異常電流に関して、測定電流の変流器の鉄心は、飽和し、実際の１次入力の誤った表現をその出力にする。かかる例では、広いダイナミックレンジ（及び飽和に対する良好な耐性）を有する保護電流の変流器は、良好にスケーリングされた１次の量の表現となる。

歴史的に、二次の配線された変流器回路は、変電所の敷地における一次電力系統の機器から、インテリジェント電子装置が位置される物理的な変電所の建物までのクロスサイトで実行される必要がある。

この変流器回路のクロスサイトでの実行は、不注意な開回路により断線の周辺において危険な電圧及び火花／アークが生じるために潜在的に危険である。従って、マージングユニットを変流器の二次回路の近くに配置することが望まれる。

次いで、従来技術の文献を検討する。
米国特許第6954704号は、デジタル式保護及び制御装置を記載している。確かに、従来の保護及び制御装置では、電線を通して伝送されるアナログ情報は、変電所の主要機器と、これら変電所の主要機器を保護及び制御する保護及び制御装置との間の情報の伝送のために使用されるので、比較的大きな電圧及び電流を扱う接点入力回路及び接点出力回路が必要とされる。さらに、多数の電線を配置するスペースが必要であり、保護ユニット及び制御ユニットは、それぞれのユニットについて排他的に設けられる独立なケースで収容される必要があり、これは、装置の設置スペースの増加を引き起こす。米国特許第6954704号は、装置のデジタル化による設置スペースにおける低減を実現し、装置における十分なデータのやり取りにより保護及び制御の性能における改善を実現するために構成されるデジタル式保護及び制御装置を提供する。従って、米国特許第6954704号は、マージングユニットの基本原理を記載している。

欧州特許EP1845383号は、変流器の飽和を検出する方法を記載している。前記方法は、変流器の二次の電流／電圧波形の障害を検出することを含む。変流器の二次における磁束は、障害の検出から時間窓の間に二次電流の積分により推定される。推定される磁束は、閾値と比較され、ここで、閾値が磁束を超える間に変流器の飽和が検出される。

重複した（又は多数の）測定ソースからの入力を１つの「最適化された」入力として結合するのを可能にする既存のソリューションが存在しない。

これが今日に達成される唯一の方法は、２つの個別のマージングユニットを有することであり、それぞれのマージングユニットは、変流器信号からなる唯一の３相のセットをデジタル化する。次いで、２つのマージングユニットは、同じイーサネット（登録商標）リンクに接続される、サンプリングされた値の２つの個別の測定値をマルチキャストする。仮定で、インテリジェント電子装置は、２つ（又は２以上）の個別のソースを同時に読み取り、読み取られたソースのうちから、入力信号で利用可能な品質ビットに従って選択することが可能であるように構成される。しかし、今日市場に出ているインテリジェント電子装置は係る機能を提供することができない。

従って、本発明の一般的な目的は、マージングユニットの動的な信号の切り替え方法及び装置を提供することにあり、マージングユニットは、精度及び信頼性の観点で最良の入力信号を選択し、その量からデジタル化された出力を発生する。

上述された目的を達成するために、本発明の１態様によれば、電力系統（electrical power system）におけるマージングユニットについて、多数の測定源（measurement source）との動的な信号の切り替えを行う方法が提供され、前記マージングユニットは、同じ物理的な一次量（physical primary quantity）を測定する少なくとも１つの変流器からの少なくとも２つの入力信号を受信する。本方法は、リアルタイムモードで、前記マージングユニットから、入力信号の実際の値に基づいて、物理的な一次量の最も正確な表現でサンプリングされた値のデジタル化された出力ストリームを出力することを特徴とする。

本発明の実施の形態は、以下のステップを含む。変流器の通電状態（live）の検出ステップ。変流器の監視ステップ。変流器の飽和の検出ステップ。電流レベルの検出ステップ。

実施の形態では、入力信号は、３つの個々の相電流としての保護クラス（protection class）の入力、及び３つの個々の相電流としての測定クラス（measurement class）である。

マージングユニットは、２つの変流器からの入力信号、又は同じ変流器からの２つの出力コアを受信する場合がある。

有利なことに、マージングユニットは、保護の変流器（protection current transformer）からの入力信号と測定の変流器（measurement current transformer）からの入力信号とを受信し、マージングユニットの出力は、その変流器の飽和が存在しないか又は間もなく生じることが予測されない場合に、測定の変流器から選択される。有利なことに、保護の変流器の入力への切り替えがひとたび行われると、この新たな信号源は、高い電流フローの全体のインスタンス（instance）がリセットを有することが保証されるまで優先して保持される。さらに、ある信号源から他の信号源への切り替えが存在するとき、遷移が平滑化される。

上記述された目的を達成するため、本発明の別の態様によれば、電力系統におけるマージングユニットに関する、多数の測定源との動的な信号の切り替えの装置が提供される。本装置は、少なくとも１つの多数の入力変流器、一次インタフェース、同じ物理的な一次量を測定する前記少なくとも１つの変流器からの少なくとも２つの入力信号を受信し、変流器の信号をデジタル化するマージングユニット、プロセスバス、保護リレー、ステーションバス、制御システムを備えており、前記マージングユニットは、動的且つリアルタイムで、自動的なプロセスで最良の飽和されていない入力信号を選択し、デジタル化されたアナログ値の単一の送出ストリームを伝送する手段を有する。

有利なことに、本装置は、保護の変流器及び測定の変流器を備える。さらに、本装置は、現在のサンプル値及び少なくとも１つの前のサンプルを調べる手段であって、期待される次のサンプルの値を予測する手段、現実のサンプルを期待される値と比較して可能性のある飽和を検出する手段を有する。

接続されるインテリジェント電子装置は、マージングユニットからの単一の入力で構成され、この単一の入力は、測定の目的について十分な精度であって、同時に保護の目的についてダイナミックレンジを有する。

本発明は、マージングユニットについて、２つの個別の変流器の二次側（典型的に、それぞれの変流器は、相電流の変流器入力からなる３相のセットであり、あるケースでは中性カレントトランスをもつ）に接続するのを可能にし、これにより、デジタル化されたアナログ値の送出されるEthernet（登録商標）ストリームは、単一の結合された信号であり、２つの個別の信号ではない。本発明は、２つの変流器のセットのみに限定されず、多数の変流器のセットによる用途に拡張される場合がある。

本発明の重要な利点は、唯一のマージングユニットが使用されること、接続されたインテリジェント電子装置に伝達するために最良なものとして１つの出力を選択するため、２つの信号源からの入力を結合することができることである。

（数値アルゴリズムとして実現される）所定の構築ルールに従う１つの信号への結合により、Ethernet(登録商標)上のトラフィックを低減し、唯一の信号源をサポートする接続されたインテリジェント電子装置が保護クラス及び測定クラスの機能の両者を提供するのを可能にする。マルチキャスト前に信号を結合する能力を有するマージングユニットがなければ、接続されたインテリジェント電子装置は、保護及び測定の精度の両者を同時にではなく、保護又は測定の精度のみを提供する。

それら接続されたインテリジェント電子装置は、測定及び保護機能を実現することができる。さらに、測定機能は、従来技術の保護のインテリジェント電子装置で提供されるが、これらは、指示目的のみについて低精度の測定である。収益（取引及び課金）の目的で、精度の要件は、保護のインテリジェント電子装置における用途を排除する。

本発明では、インテリジェント電子装置は、全ての測定の用途について十分な精度であって、保護の用途について完全なダイナミックレンジをを有する単一のマージされた信号を受信し、インテリジェント電子装置は、両方のタスクを実行可能である。これにより、デバイスのデュプリケーション（device duplication）及びコストを低減する。

低・中程度の電流でのマージングユニットの出力の精度は、発電機及び電動機の電力の保護機能、熱的過負荷、巻き線のインターターン・プロテクション（winding interturn protection）、及び、（たとえば抵抗性の接地系統といった）故障電流制限によるシステムでの地絡保護機能の様々な形態のような、一般に“low-set”（すなわち高い短絡の値に関連しない）である保護機能の精度を改善する。

単線結線図の用途における本発明に係る装置の実施の形態を示す図である。 本発明の実施の形態の方法のステップを示す図である。 負荷電流での測定クラスの変流器からの出力を示す図である。 保護クラスの変流器の出力が影響を受けない、飽和を示す故障電流での測定クラスの変流器からの出力を示す図である。 例示的な数値アルゴリズムについて示される経時的な電流波の半周期を示す図である。 飽和の開始に近い期間の振幅を示す図である。

図１は、単線結線図における典型的な応用を示す図である。
図１では、一次インタフェース及び配線１０、マージングユニット１１、たとえばIEC61850-9.2バスであるプロセスバス、保護リレー１３、たとえばIEC61850-9.2ステーションバスであるステーションバス、制御システム１５が示される。

本発明では、マージングユニット１１は、２つの入力Ａ及びＢ、並びに出力Ｃを有しており、入力Ａは、（たとえば保護クラスの変流器の鉄心からの）第一の電流入力であり、入力Ｂは、おそらく測定クラスである第二の電流入力であり、出力Ｃは、入力Ａ及びＢからのリアルタイムの最良の選択に基づいた、たとえばIEC61850-9.2測定である、測定の単一ストリームの結合された出力である。

図２は、好適な実施の形態における本発明のプロセスステップを示しており、入力は、入力Ａ（３つの個々の相電流としての保護クラスの入力）であり、入力Ｂ（３つの個々の相電流としての測定クラスの入力）であり、出力は、出力信号Ｃである。

前記ステップは、以下のステップである。
１）変流器（CT）の通電状態のレベル（live level）を検出するステップ２０では、CTが通電状態の出力を有することを示すように流れる負荷電流又は故障電流のレベルを、どの電流入力が有するかが判定され、有効な測定源として利用されるために潜在的に適切であると考えられる場合がある。

２）変流器を監視するステップ２１では、３つの相電流入力のうちのどの入力が正常であるか（断線がないか、正しい相回転であるか、ネットワーク電圧が平衡状態にあるべきときに平衡状態にされるか）が判定される。

３）変流器の飽和を検出するステップ２２では、どの変流器が出力における期待されない減少を受けているかが判定され（又は代替的な技術では飽和の開始が検出され）、前記減少は、他の入力の同じ位相での類似の減少により達成されない。

４）電流レベルを検出するステップ２３では、どの入力がそれらの精度の制限の因子（飽和の前の定格の測定レンジの制限）を超える危険があるかが判定される。

出力信号Ｃは、（１）Ｂが通電状態である場合、（２）Ｂが正常である場合、（３）Ｂが飽和していない場合、及び（４）Ｂが過電流を有さない場合にＢから導出され、（１）Ａが通電状態である場合、（２）Ａが正常であって、且つ上記１〜４のようにＢが正常、飽和、又はダイナミックレンジの超過のテストで不合格である場合に、Ａから導出される。

本発明では、マージングユニット１０は、２つの変流器CTiからの配線信号を受けるか、又は同じ物理的な変流器からの２つの出力のコアを受け、次いで、デジタル化された出力として単一の結合された信号を供給する。２を超える入力信号を有する場合があり、２つの信号は、主な用途である。前記入力信号は、電力系統自身で同じ物理的な一次量を本質的に測定し、測定における冗長度を与えるように提供され、より典型的には、異なる測定レンジ及び精度のクラスについて、測定における冗長度を与えるように提供される。

マージングユニット１０は、２つの信号の１つの信号への知的な結合を実行することができ、この１つの信号は、リアルタイムでの実際の一次の電力系統の量に関する最良の表現を与えることが期待される。デジタル出力データストリームがサンプリングされた値のフォーマットにあるとき、高速リアルタイムモードで、マージングユニットは、サンプルごとに、２つ（又は２以上）の利用可能な入力に基づいて、達成することができる最も正確な出力を選択する。

実施の形態では、電力系統での相電流信号は、保護の変流器の鉄心（コア）及び測定の変流器の鉄心により測定可能である。２つの変流器は、鉄心設計の異なる特性を有し、従って互いに異なる磁化曲線を有する。測定の変流器は、たとえばクラス0.2に属し、これは、一般に0.2%と同程度の誤り率である、電流の測定が非常に正確であることを意味する。保護の変流器は、たとえばクラス5Pに属し、これは、誤り率が5%と同程度であることを意味する。測定の変流器の出力は、従って、その出力が飽和している高い電流以外で、良好である（より正確である）。測定の変流器は、0〜120%の定格電流の範囲、典型的には200%を超える定格電流（ある場合には400%）で精度について設計されており、その出力は、信頼できない。測定の変流器は、負荷電流を正確に測定するが、電力網の短絡電流の完全なダイナミックレンジをカバーするために設計されない。保護の変流器は、典型的に、相当の鉄心の飽和の前に20〜50倍の定格電流をカバーし、従って更に信頼できる電流の高い値の測定を提供する。

マージングユニットは、２つの信号のうちのどちらが飽和を含まないように見えるかから、知的な選択を行うことができ、測定の変流器の出力が飽和を示さない場合に、測定の変流器の出力に向けてバイアスをかける。

図３は、理論的な正弦波のAC負荷電流を示し、ドットは、理想的にサンプリングされた値の出力を示す（この例では、AC周期内のちょうど２０サンプルが示されるが、IEC61850-9.2規格の応用によれば周期当たり８０又は２５６のサンプルがより一般的である）。電流はある負荷の例であるので、変流器が飽和せず、サンプリングされた値のデータストリームの出力は、実際の電力系統の量の真の表現である。これは、保護及び測定のクラスの変流器の両者の出力であると仮定することができ、この場合、マージングユニットは、より高い精度の結果、その出力に基づいて測定クラスの入力を選択する。

図４は、同じ信号を測定する２つの変流器の例を示す。（幾つかの例では、２つの変流器の一次−二次の電流変換比が異なると考えて）２つの変流器の両者は同じ基準で見られることが仮定される。図示される例は、故障電流の値であり、点線Ｉは、測定クラスの変流器の出力を示し、線ＩＩは、保護の変流器の出力を示す。それぞれ半周期の一部について、測定の変流器の鉄心は飽和し、出力は、実際の故障電流に比較して非現実的に低い。飽和の第一のサンプルにおけるエラーは、矢印ＩＩＩにより示される。保護の変流器は、ラインＩＩにより示されるように、非飽和且つ正確に、電流の完全な周期を表す。

本発明の好適な技術は、それぞれの測定源について数値アルゴリズムを有することであり、この数値アルゴリズムは、現在のサンプリングされた値の振幅を取得するのを可能にし、１以上の前のサンプルと比較して、一般的な正弦波曲線の傾向を予測するものである。これに基づいて、次のサンプルの期待される値を予測することができる。次の到来するサンプルが予測よりも振幅的に突然に低下する場合、図４における矢印ＩＩＩのように、飽和の開始は検出可能である。逆に、サンプリングされた値の波形が立ち上がりの速度を急峻に示し、不可避的に飽和を招く場合、これは、前もって信号を切り替えるために使用される。

図３及び図４では、使用される単位は、「定格電流の倍数」である（定格電流は、公称の負荷電流であり、従ってスケールは、効果的に、「過負荷」の単位スカラー値当たりのものである）。

図５は、経時的な電流波形の例示的な半周期における数値アルゴリズムを示す。参照符号３０は、実際の電流サンプルに対応する。参照符号３１は、飽和が生じない場合の（正弦波プロファイルを想定）、予測されたサンプルに対応する。周期当たり80又は256サンプルの典型的なマージングユニットのサンプリングレートでの直線の想定とすることのできる。

マージングユニットは、飽和が存在することを検出しない場合、又はやがて生じることが予測されない場合、その出力を測定の変流器のサンプルから通常は選択する。

ある変流器のソースから別の変流器のソースへの切り替えはサンプル毎に行われるが、切り替えは、それぞれ50又は60HzのAC電力の周期内で何度も発生しないことが好ましい。このように、ひとたび保護の変流器の入力への切替えが行われると、この新たな信号源は、高い電流フローの全体のインスタンスがリセットを有することが保証されるまで（電気配線機構において最大３秒まで続くか、又は送電系統において１秒続く）、優先的に保持される。この信号の優先的な選択の一時的な逆転は、電力系統の持続期間が小さい状態が継続するときに許容可能であり、測定の精度が低下された時間窓も小さい。

ある信号源から他の信号源への切替が行われたとき、マージングユニットは、遷移を平滑化するステップを行う場合がある。たとえば、保護の変流器及び測定の変流器が共に同じ立ち上がり信号を測定し、保護クラスの変流器が実際の信号よりも5%だけ高い前記信号を測定し、且つ、測定の変流器が実際の信号よりも0.2%だけ低い前記信号を測定する場合、両者の間に5%を超える差が存在する。ある信号源から別の信号源に切り替わると、マージングユニットは、２つの測定値が同じではないという情報に基づいて、連続する数サンプルの期間にわたり遷移を平滑化する手段を講じる。

図６は、エラーの数量εとして非線形性を検出するサンプル調査法を示す。参照符号２０、２１及び２３が付されるCTの通電状態の検出ステップ、CTの監視ステップ及びCTレベルの検出ステップは、サンプリングされた値の従来の１周期又は半周期のフーリエ変換の出力を通常使用する。係る変換技法は、今日の業界で通常行われている。

図６では、飽和の開始に近い周期の拡大が存在する。参照符号４０は、実際の現在のサンプル（i_n+1(actual)）に対応する。参照符号４１は、飽和が生じない場合の予測されたサンプル（i_n+1(predicted)）に対応する（この例では簡単な直線の仮定が示される）。サンプルとして、時間間隔は一定のままである。

i_n+1(predicted) = i_n + (i_n-i_n-1)
ε= i_n+1(actual) - i_n+1(predicted)
エラーεが許容差よりも大きい場合、有意な非線形性が検出される。

Claims (9)

1. 電力系統におけるマージングユニットについて、多数の測定源との動的な信号の切り替えを行う方法であって、
   当該方法は、
   同じ物理的な一次量を測定する少なくとも変流器から少なくとも２つの入力信号を受けるステップと、
   変流器が通電状態を示す出力を有することを示し、前記変流器が有効な測定源として見なされることを示すように流れる負荷電流又は異常電流のレベルを、どの電流入力が有するかを判定する、変流器の通電状態のレベルを検出するステップと、
   ３つの相電流入力のうちのどの入力が正常であるかを判定する、変流器を監視するステップと、
   変流器の出力が突然に減少したかを判定する、変流器の飽和を検出するステップと、
   どの入力がそれらの精度の限界の要素を超える危険を有するかを判定する、電流レベルを検出するステップと、
   入力信号を結合して、接続されているインテリジェント電子装置に伝達するために最良の出力として１つの出力を選択するステップと、
   リアルタイムモードで、サンプリングされた値のデジタル化された出力ストリームを出力するステップと、
   を含むことを特徴とする方法。
2. 前記少なくとも２つの入力信号は、３つの個々の相電流としての保護クラスの入力と、
   ３つの個々の相電流として測定クラスの入力である、
   請求項１記載の方法。
3. 前記マージングユニットは、２つの変流器からの入力信号、又は前記２つの変流器からの２つの出力を受ける、
   請求項１記載の方法。
4. 前記マージングユニットは、保護の変流器からの入力信号及び測定の変流器からの入力信号を受け、
   前記マージングユニットの出力は、前記測定の変流器の飽和が存在しないか又は前記測定の変流器の飽和が間もなく生じることが期待されない場合、前記測定の変流器のサンプルから選択される、
   請求項１記載の方法。
5. 前記保護の変流器の入力への切替が行われると、この新たな信号源は、高い電流フローの全体のインスタンスがリセットを有するまで、優先的に保持される、
   請求項４記載の方法。
6. ある信号源から他の信号源への切り替えが存在するとき、遷移が平滑化される、
   請求項５記載の方法。
7. 電力系統におけるマージングユニットの、多数の測定源との動的な信号の切り替えを行う装置であって、
   当該装置は、
   少なくとも１つの多入力変流器と、
   一次インタフェースと、
   同じ物理的な一次量を測定する少なくとも変流器から少なくとも２つの入力信号を受けるマージングユニットと、
   制御システムとを備え、前記マージングユニットは、
   変流器が通電状態を示す出力を有することを示し、前記変流器が有効な測定源として見なされることを示すように流れる負荷電流又は異常電流のレベルを、どの電流入力が有するかを判定する手段と、
   ３つの相電流入力のうちどの入力が正常であるかを判定する手段と、
   変流器の出力が突然に減少したかを判定する手段と、
   どの入力がそれらの精度の限界の要素を超える危険を有するかを判定する手段と、
   入力信号を結合して、接続されているインテリジェント電子装置に伝達するために最良の出力として１つの出力を選択する手段と、
   リアルタイムモードで、サンプリングされた値のデジタル化された出力ストリームを出力する手段とを有する、
   ことを特徴とする装置。
8. 保護の変流器と測定の変流器とを備える、
   請求項７記載の装置。
9. 現在のサンプル値の振幅と少なくとも１つの前のサンプルとを調べて、新たなサンプルの期待される値を予測する手段と、
   実際のサンプルと前記期待された値とを比較して、可能性のある飽和を検出する手段と、
   を備える請求項７記載の装置。

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