JP5579340B1 - 電力開閉制御装置および閉極制御方法 - Google Patents

Abstract

遮断器２の電源側電圧および送電線側電圧を計測する電圧計測部５と、これらの計測値に基づいて電源側電圧推定値および送電線側電圧推定値を推定する電圧推定部６と、これらの推定値に基づいて目標閉極時刻を算出する目標閉極時刻算出部７とを備え、目標閉極時刻算出部７が、電源側電圧推定値および送電線側電圧推定値を用いて極間電圧推定値を算出し、極間電圧推定値が算出された各時刻について、遮断器２の動作時間および極間の絶縁耐力減少率のばらつきの程度に基づいて、遮断器２の電気的投入時刻の最大の変動範囲である電気的投入時刻範囲を算出し、当該電気的投入時刻範囲における極間電圧推定値の絶対値の最大値である極間電圧最大値を算出し、極間電圧最大値が閾値以下でかつ極小値となる時刻を目標閉極時刻として決定する電力開閉制御装置を提供する。

Description

本発明は、電力開閉装置を開閉制御する電力開閉制御装置およびその閉極制御方法に関する。

一般に、電力開閉制御装置では、遮断器等の電力開閉装置の閉極のタイミングを適切に制御し、電力開閉装置の投入時における過渡的な電圧および電流の発生を抑制する必要がある。

特許文献１では、電源と送電線との間に介在する遮断器を開閉制御する電力開閉制御装置であって、電源側電圧および送電線側電圧をそれぞれ計測し、電源側電圧の波形と送電線側電圧の波形とを乗算し、この乗算された波形から電源の周波数よりも低くかつ直流成分の周波数よりも高い周波数帯の成分を抽出することにより、遮断器を投入するタイミングを決定する装置が記載されている。この従来の電力開閉制御装置は、電流遮断後における送電線側電圧が減衰しないことを前提として、電流遮断直後の送電線側電圧の計測値を用いて遮断器を投入するタイミングを算出している。

特開２０１０−２１８７２７号公報

しかしながら、実際には、遮断器を開放した後、次に遮断器を投入するまでに一定の時間間隔があるため、この間に送電線側電圧が減衰する。従って、遮断器の開放直後の送電線側電圧の計測値は、一定時間後に遮断器を投入する際の送電線側電圧と一致しない。

そのため、上記従来の電力開閉制御装置のように、電流遮断直後の送電線側電圧の計測値を用いて算出した目標時刻に遮断器を閉極する制御では、遮断器投入時における過電圧および過電流の発生を十分に抑制することが困難となる。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、電流遮断後の送電線側電圧の変動を推定し、遮断器再投入時における過電圧および過電流の発生を十分に抑制可能とする電力開閉制御装置およびその閉極制御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、本発明に係る電力開閉制御装置は、遮断器の電源側電圧および送電線側電圧を計測する電圧計測部と、前記電源側電圧の計測値に基づいて、現在時刻以降の電源側電圧推定値を推定すると共に、前記送電線側電圧の計測値に基づいて、現在時刻以降の送電線側電圧推定値を推定する電圧推定部と、前記電源側電圧推定値および前記送電線側電圧推定値に基づいて、前記遮断器の目標閉極時刻を算出する目標閉極時刻算出部と、前記目標閉極時刻に基づいて、前記遮断器に閉極制御信号を出力する閉極制御部と、を備え、前記目標閉極時刻算出部は、前記電源側電圧推定値および前記送電線側電圧推定値を用いて極間電圧推定値を算出する極間電圧推定値算出部と、前記極間電圧推定値が算出された各時刻について、当該各時刻を閉極時刻と仮定し、前記遮断器の閉極時間のばらつきの程度および前記遮断器の極間の絶縁耐力減少率のばらつきの程度に基づき、当該遮断器の電気的投入時刻の最大の変動範囲である電気的投入時刻範囲を算出する電気的投入時刻範囲算出部と、前記各時刻について、前記電気的投入時刻範囲における前記極間電圧推定値の絶対値の最大値である極間電圧最大値を算出する極間電圧最大値算出部と、前記極間電圧最大値が閾値以下でかつ極小値となる時刻を前記目標閉極時刻として決定する目標閉極時刻決定部と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、電流遮断後の送電線側電圧の変動を推定し、遮断器再投入時における過電圧および過電流の発生を十分に抑制可能とする電力開閉制御装置およびその閉極制御方法を提供することができる、という効果を奏する。

図１は、実施の形態１に係る電力開閉制御装置の構成の一例を示す図である。 図２は、送電線側電圧推定値の算出方法を説明するための図である。 図３は、環境条件計測部の構成の一例を示した図である。 図４は、目標閉極時刻算出部の機能構成の一例を示した図である。 図５は、遮断器の投入時刻を説明するための図である。 図６は、閉極時刻範囲および電気的投入時刻範囲を説明するための図である。 図７は、閉極時刻範囲および電気的投入時刻範囲を説明するための別の図である。 図８は、極間電圧最大値波形の一例を示した図である。 図９は、目標閉極時刻の設定例について説明するための図である。 図１０は、各相の投入フラグを示した図である。 図１１は、実施の形態１に係る閉極制御方法を示すフローチャートである。 図１２は、固有値λ_iおよび残差行列[Ｂ]の算出処理を示したフローチャートである。

以下に、本発明の実施の形態に係る電力開閉制御装置および閉極制御方法を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本実施の形態に係る電力開閉制御装置の構成の一例を示す図である。図１に示すように、電源１と送電線３との間に遮断器２が接続され、遮断器２には電力開閉制御装置４が接続されている。

電源１は、三相交流の電源である。遮断器２は例えばガス遮断器である。送電線３は、分路リアクトル補償付の送電線または分路リアクトル非補償の送電線である。ここで、分路リアクトル補償付きの送電線とは、遮断器２の送電線側（負荷側）に分路リアクトル（図示せず）を有する送電線である。また、分路リアクトル非補償の送電線とは、遮断器２の送電線側に分路リアクトルを有しない送電線である。送電線３が分路リアクトル補償付の送電線である場合には、遮断器２の開放後、遮断器２の送電線側に、分路リアクトルと送電線３の静電容量とによる一定周波数の交流電圧が発生する。送電線３が分路リアクトル非補償の送電線である場合には、遮断器２の開放後、遮断器２の送電線側に、遮断時の電源側電圧に応じた直流電圧が発生する。なお、図１では、三相のうち一相分のみの構成を示し、他の二相については図示を省略している。

電力開閉制御装置４は、電源側および送電線側の双方に接続された電圧計測部５と、電圧計測部５に接続された電圧推定部６と、電圧推定部６に接続された目標閉極時刻算出部７と、目標閉極時刻算出部７に接続された閉極制御部８と、遮断器２と連動する補助スイッチ９に接続されると共に閉極制御部８に接続された閉極時間計測部１０と、閉極時間計測部１０に接続されると共に閉極制御部８に接続された閉極時間予測部１１とを備えている。なお、閉極時間予測部１１は、例えば電力開閉制御装置４の外部に設けられた動作環境条件計測部１２と接続されている。

電圧計測部５は、遮断器２の電源側電圧および送電線側電圧を例えば一定周期で計測する。また、電圧計測部５は、電源側電圧および送電線側電圧の各計測値を電圧推定部６に出力する。電圧計測部５は、電源側電圧または送電線側電圧を計測するごとにその計測値を電圧推定部６に出力する。

電圧推定部６は、電圧計測部５から出力された例えば過去一定時間分の電源側電圧の計測値に基づいて現在時刻以降における電源側電圧推定値を推定すると共に、電圧計測部５から出力された例えば過去一定時間分の送電線側電圧の計測値に基づいて現在時刻以降における送電線側電圧推定値を推定する。また、電圧推定部６は、電源側電圧推定値および送電線側電圧推定値を目標閉極時刻算出部７に出力する。

ここで、電圧推定部６による電源側電圧推定値および送電線側電圧推定値の算出方法の一例について説明する。

まず、送電線側電圧推定値の算出方法について説明する。遮断器２の遮断後の送電線側電圧は一般に複周波の合成波形となることから、波形パラメータとしてＡ_iを振幅、σ_i（＜０）を減衰率、ｆ_iを周波数、φ_iを位相としたときに、時刻ｔにおける送電線側電圧推定値は一般に次式で表すことができる。

ここで、Ｍは合成波の成分の個数、ｉは１からＭまでの整数値をとる。Ｍは計算精度等を考慮して予め設定される。

上記（１）式における波形パラメータの総数は（４×Ｍ）個であり、これらのすべての波形パラメータを送電線側電圧の計測値を用いて決定することにより、任意の時刻ｔにおける送電線側電圧推定値を求めることができる。

電圧推定部６では、電圧計測部５から出力されたｎ（≧４×Ｍ）個の送電線側電圧の計測値を用いて、例えば最小二乗法により、上記（１）式におけるすべての波形パラメータを決定する。ここで、ｎ個の送電線側電圧の計測値は、例えば過去一定時間内における計測値である。

図２は、送電線側電圧推定値の算出方法を説明するための図である。上段は、送電線側電圧の測定波形を示した図であり、送電線側電圧の計測値を時系列で示しており、横軸は時間（sec）、縦軸は送電線側電圧（ＰＵ）である。なお、電圧は定格電圧値で規格化された値（ＰＵ）である。また、中段は、送電線側電圧の推定に用いる解析波形を示した図であり、具体的には、現在時刻をｔ₃としたときに、これよりも例えば過去の一定時間（時刻ｔ₁から時刻ｔ₂までの間）の測定波形を解析波形として取り込み、この解析波形を構成するｎ個の離散点における計測値を用いて、上記（１）式における波形パラメータを決定する。さらに、下段は、予測波形を示した図であり、具体的には、現在時刻ｔ₃以降の例えば時刻ｔ₃から時刻ｔ₄までの間の送電線側電圧推定値を上記（１）式に従って求めたものである。

なお、解析波形としては、図２の中段のようにする代わりに、現在時刻ｔ₃の直近の過去一定時間分の測定値を用いてもよい。すなわち、時刻ｔ₃−Δｔから時刻ｔ₃までの間の測定波形を解析波形として選択してもよい。ここで、Δｔは予め設定された過去一定時間である。

また、電圧推定部６は、最新の電圧計測値を用いて送電線側電圧推定値を更新するようにしてもよい。例えば、現在時刻ｔ₃にて、直近の過去一定時間Δｔ内の電圧計測値を用いて現在時刻ｔ₃以降の送電線側電圧推定値を求めた後、現在時刻がｔ₃＋Δｔとなった時に、再度直近の過去一定時間Δｔ内の電圧計測値を用いて現在時刻ｔ₃＋Δｔ以降の送電線側電圧推定値を求めるようにしてもよい。

次に、電源側電圧推定値の算出方法について説明する。電源側電圧推定値も送電線側電圧推定値と同様に上記（１）式に例えば最小二乗法を適用することにより推定することができる。ただし、電源側電圧については、単周波で与えられること（Ｍ＝１）、電源側電圧の周波数は定常周波数（例えば５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）で与えられること、電圧振幅値は既知であること、および、減衰率は０であることから、これらの既知の情報を初期設定情報として電圧推定部６に予め付与しておくことで、最小二乗法を用いることなく、波形パラメータを決定することができる。なお、位相については、例えば、計測値の中から値が負から正に変化する零点を求め、当該零点の時刻において（２π×ｆ×ｔ＋φ）＝π／２となるようにφを決定することができる。

目標閉極時刻算出部７は、電圧推定部６から出力された電源側電圧推定値および送電線側電圧推定値に基づいて、遮断器２の目標閉極時刻を算出する。目標閉極時刻の算出処理の詳細については後述する。

閉極制御部８は、閉極指令が入力されると、目標閉極時刻から予測閉極時間だけ前の時刻において、閉極制御信号を出力する。

ここで、予測閉極時間とは、遮断器２に閉極制御信号を出力してから、遮断器２の可動接触子（図示せず）が固定接触子（図示せず）に機械的に接するまでの閉極時間の予測値である。遮断器２の閉極時間は、環境温度、制御電圧、および操作圧力等の動作環境条件に依存して変動すると共に、接点摩耗、経時変化、および微小な個体差等の遮断器個々の状態変化によっても変動する。遮断器２の閉極時間の変動のうち、動作環境条件に依存して変動する部分は、同型遮断器に対して共通の補正が可能である部分である。他方、遮断器２の閉極時間の変動のうち、遮断器２の状態変化に依存して変動する部分は、個別に補正を必要とする部分である。つまり、予測閉極時間は、環境温度、制御電圧、および操作圧力等の動作環境条件に応じた第１補正時間と、過去の動作履歴に基づいた第２補正時間とにより補正をすることができる。

具体的には、一定の環境温度、制御電圧、および操作圧力の条件における閉極時間の平均値である基準閉極時間を予め計測しておく。また、環境温度、制御電圧、および操作圧力を上記一定の動作環境条件から変化させて閉極させた場合の閉極時間の平均値を予め計測し、当該閉極時間の平均値と基準閉極時間との差分値を算出し、動作環境条件と差分値とを対応付けたテーブルを作成しておく。

そして、運用時には、実際の動作環境条件（環境温度、制御電圧、および操作圧力）に基づき、上記テーブルを参照し、テーブル内の動作環境条件と実際の環境条件との差異に応じて内挿等をすることにより、実際の動作環境条件に応じた第１補正時間を算出する。

さらに、過去の実際の閉極時間とその動作時における予測閉極時間との誤差を過去ｎ回（例えば、過去１０回）分求め、その誤差に例えば重み付けをして過去の動作履歴に基づいた第２補正時間を算出する。ここで、重み付けは、運用時により近い時点での誤差の重みをより大きくする等して設定される。

以上の算出値を用いて、予測閉極時間＝基準閉極時間＋第１補正時間＋第２補正時間とすることができる。

閉極時間計測部１０は、閉極制御部８からの閉極制御信号の出力時刻と、遮断器２の可動接触子に連動する補助スイッチ９の動作時刻との差を算出することにより、実際の閉極時間を計測する。また、閉極時間計測部１０は、閉極時間の計測値を閉極時間予測部１１に出力する。

図３は、動作環境条件計測部１２の構成の一例を示した図である。動作環境条件計測部１２は、例えば、環境温度計測部１２ａ、制御電圧計測部１２ｂ、および操作圧力計測部１２ｃを備える。環境温度計測部１２ａは、環境温度を計測し、その計測値を閉極時間予測部１１に出力する。制御電圧計測部１２ｂは、遮断器２の駆動時の制御電圧を計測し、その計測値を閉極時間予測部１１に出力する。操作圧力計測部１２ｃは、遮断器２の駆動時の操作圧力（例えば油圧）を計測し、その計測値を閉極時間予測部１１に出力する。

閉極時間予測部１１は、上記した基準閉極時間情報およびテーブル情報を備えている。さらに、閉極時間予測部１１は、過去の実際の閉極時間およびその動作時における予測閉極時間を記憶している。そして、閉極時間予測部１１は、動作環境温度計測部１２ａから出力された環境温度、制御電圧計測部１２ｂから出力された制御電圧、および操作圧力計測部１２ｃから出力された操作圧力に基づき、上記したテーブル情報を参照して、環境条件に応じた第１補正時間を算出すると共に、過去の閉極時間とその動作時における予測閉極時間との誤差を例えば加重平均して第２補正時間を算出し、基準閉極時間と第１補正時間と第２補正時間との和である予測閉極時間を算出する。

次に、目標閉極時刻算出部７による目標閉極時刻の算出方法について説明する。なお、目標閉極時刻は、遮断器２が機械的に投入される目標時刻であり、遮断器２の可動接触子（図示せず）と固定接触子（図示せず）とが接触する時刻である。

図４は、目標閉極時刻算出部７の機能構成の一例を示した図である。図４に示すように、目標閉極時刻算出部７は、極間電圧推定値算出部７ａ、電気的投入時刻範囲算出部７ｂ、極間電圧最大値算出部７ｃ、および目標閉極時刻決定部７ｄを備えている。まず、極間電圧推定値算出部７ａは、電源側電圧推定値と送電線側電圧推定値との差である極間電圧推定値を算出し、さらに極間電圧推定値の絶対値を算出する。

ところで、遮断器２の閉極過程では、接触子の極間距離の減少に伴い極間の絶縁耐力が低下し、この絶縁耐力が極間に加わる電圧による電界値以下になった時点で、極間の絶縁破壊に伴う先行アークが発生して遮断器２が電気的に投入される。つまり、遮断器２の極間電圧の絶対値波形と、遮断器２の閉極過程における極間の絶縁耐力減少率（ＲＤＤＳ：Rate of Decrease of Dielectric Strength）を表す絶縁耐力変化率特性線との交点で遮断器２が電気的に投入される。これを、図５を参照して具体的に説明する。

図５は、遮断器２の投入時刻を説明するための図である。横軸は時間（sec）、縦軸は電圧（ＰＵ）である。Ｖは極間電圧の絶対値波形である。Ｌ₀は絶縁耐力変化率特性線である。上記したように、ＶとＬ₀との交点Ｐの時刻は、遮断器２が電気的に投入される時刻である。これに対し、Ｌ₀と横軸（電圧＝０）との交点Ｑの時刻は、遮断器２が機械的に投入される時刻である。つまり、交点Ｑは閉極点である。Ｌ₀は閉極時刻が閉極点Ｑの時刻となるような絶縁耐力変化率特性線である。

一方、目標閉極時刻は、電気的投入時における過電圧および過電流の発生が抑制されるように設定する必要がある。すなわち、過電圧および過電流は電気的投入時における極間電圧の絶対値が小さいほど抑制されるので、目標閉極時刻は電気的投入時における極間電圧の絶対値が予め設定された閾値Ｙ以下となるように設定する必要がある。ここで、閾値Ｙは、電気的投入時における極間電圧の絶対値が当該値以下である場合に、過電圧および過電流が許容範囲内となる値を与える。

ただし、遮断器２の動作時間にばらつきがあること、および、極間の絶縁耐力減少率に確率的なばらつきがあることから、与えられた閉極点に対して、この閉極点を通る単一の絶縁耐力変化率特性線と極間電圧推定値の絶対値波形との交点から電気的投入時刻を求め、その時刻における極間電圧推定値の絶対値を評価するだけでは不十分である。

詳細には、遮断器２の動作時間（この場合は、閉極時間）にばらつきがあるので、実際の閉極時刻は図５の交点Ｑの時刻からずれ、これに応じて交点Ｐの時刻もずれてしまい、電気的投入時における極間電圧の絶対値も当初推定した値からずれる可能性がある。

また、絶縁破壊は確率的な事象であり、従って、絶縁耐力変化率特性線の傾きはその平均値を中心に変動する。この傾きの変動により、交点Ｐの時刻も変動する。なお、絶縁耐力変化率特性線の傾きの絶対値は極間の絶縁耐力減少率に等しい。

そこで、本実施の形態では、遮断器２の動作時間のばらつきの程度を表す閉極時刻偏差幅ΔＴを予め評価すると共に、極間の絶縁耐力減少率の確率的なばらつきの程度を表す絶縁耐力減少率偏差幅Δｋも予め評価しておき、ΔＴおよびΔｋに関する情報を目標閉極時刻算出部７に付与しておく。

換言すれば、閉極時刻ｔ_Qに対して、閉極時刻の変動範囲は（ｔ_Q−ΔＴ）から（ｔ_Q＋ΔＴ）までの間と評価することができる。ここで、ΔＴは、遮断器２の閉極時間の複数回の計測値から求めることができる。具体的には、運用時に近い時点で計測された複数回の閉極時間の計測値を用いて標準偏差を求め、ΔＴを例えば標準偏差の三倍とすることができる。また、ΔＴは、機器設置時の動作測定の結果で決める、あるいは、装置に記録された過去の動作履歴から決定することができる。また、極間の絶縁耐力減少率ｋの変動範囲は、（ｋ−Δｋ）から（ｋ＋Δｋ）までの間と評価することができる。ここで、Δｋは、例えばｋの標準偏差の三倍とすることができる。なお、以下では、このｋの変動範囲（（ｋ−Δｋ）〜（ｋ＋Δｋ））を絶縁耐力減少率範囲という。

そして、閉極時刻をｔ_Qと仮定したときの極間の絶縁耐力減少率がｋの絶縁耐力変化率特性線Ｌ₀に対しては、遮断器２の動作時間のばらつきおよび絶縁耐力変化率特性線の傾きのばらつきを考慮して、閉極時刻が（ｔ_Q−ΔＴ）でかつ極間の絶縁耐力減少率が（ｋ−Δｋ）である絶縁耐力変化率特性線Ｌ₁と、閉極時刻が（ｔ_Q＋ΔＴ）でかつ極間の絶縁耐力減少率が（ｋ＋Δｋ）である絶縁耐力変化率特性線Ｌ₂との間の領域に存在可能な、極間の絶縁耐力減少率が（ｋ−Δｋ）から（ｋ＋Δｋ）までの範囲内の任意の絶縁耐力変化率特性線Ｌ_aが電気的投入時刻の変動範囲を決める。これを具体的に示したのが図６である。

図６は、閉極時刻範囲および電気的投入時刻範囲を説明するための図である。横軸および縦軸は図５と同様である。Ｖ_eは極間電圧推定値の絶対値波形であり、Ｌ₀〜Ｌ₂等については上記のとおりである。以下では、時刻（ｔ_Q−ΔＴ）から時刻（ｔ_Q＋ΔＴ）までの範囲を、閉極時刻ｔ_Qに対する閉極時刻範囲という。また、Ｌ₀に対して、実際の電気的投入時刻は、Ｖ_eとＬ₁との交点Ｒの時刻ｔ_Rから、Ｖ_eとＬ₂との交点Ｓの時刻ｔ_Sまでの範囲となる。以下では、時刻ｔ_Rからｔ_Sまでの範囲を、閉極時刻ｔ_Qに対する電気的投入時刻範囲という。

図７は、閉極時刻範囲および電気的投入時刻範囲を説明するための別の図である。横軸および縦軸は図６と同様である。Ｖ_e，Ｌ₀〜Ｌ₂等については上記のとおりである。ただし、Ｖ_e，Ｌ₀〜Ｌ₂は離散的な時刻に対してプロットしている。また、Ｌ₀〜Ｌ₂以外のＬ_aについては図示を省略している。

以上を踏まえて、極間電圧推定値算出部７ａが極間電圧推定値の絶対値波形Ｖ_eを算出した後、電気的投入時刻範囲算出部７ｂは、Ｖ_eを求めた各時刻（具体的には、サンプリングされた離散時刻）について、当該各時刻を閉極時刻ｔ_Qと仮定した場合の極間の絶縁耐力減少率がｋの絶縁耐力変化率特性線Ｌ₀に対して、当該閉極時刻ｔ_Qよりも閉極時刻偏差幅ΔＴ前の時刻（ｔ_Q−ΔＴ）を閉極時刻と仮定しかつ極間の絶縁耐力減少率がＬ₀よりも絶縁耐力減少率偏差幅Δｋ小さい（ｋ−Δｋ）を極間の絶縁耐力減少率とする絶縁耐力変化率特性線Ｌ₁を求めると共に、当該閉極時刻ｔ_Qよりも閉極時刻偏差幅ΔＴ後の時刻（ｔ_Q＋ΔＴ）を閉極時刻と仮定しかつ極間の絶縁耐力減少率がＬ₀よりも絶縁耐力減少率偏差幅Δｋ大きい（ｋ＋Δｋ）を極間の絶縁耐力減少率とする絶縁耐力変化率特性線Ｌ₂を求め、さらに、Ｖ_eとＬ₁との交点の時刻ｔ_Rと、Ｖ_eとＬ₂との交点の時刻ｔ_Sを求める。時刻ｔ_Rからｔ_Sまでの範囲が電気的投入時刻範囲である。

さらに、極間電圧最大値算出部７ｃは、Ｖ_eを求めた各時刻について、電気的投入時刻範囲算出部７ｂが算出した電気的投入時刻範囲内のＶ_eの最大値を求める。つまり、Ｖ_eの最大値は、Ｖ_eを求めた各時刻に対して求められる。

なお、電気的投入時刻範囲は、閉極時刻範囲と絶縁耐力減少率範囲とで決まる電気的投入時刻の最大の変動範囲である。実際、閉極時刻範囲の下限である時刻（ｔ_Q−ΔＴ）では、極間の絶縁耐力減少率が最小となる絶縁耐力変化率特性線Ｌ₁とＶ_eとの交点の時刻を求めることで電気的投入時刻範囲の下限を可能な限り小さくする一方で、閉極時刻範囲の上限である時刻（ｔ_Q＋ΔＴ）では、極間の絶縁耐力減少率が最大となる絶縁耐力変化率特性線Ｌ₂とＶ_eとの交点の時刻を求めることで電気的投入時刻範囲の上限を可能な限り大きくしている。

このようにして、Ｖ_eの各時刻を閉極時刻ｔ_Qと仮定したときに、遮断器２の動作時間のばらつきの程度および極間の絶縁耐力減少率のばらつきの程度に基づいて、閉極時刻ｔ_Qに対する電気的投入時刻範囲内のＶ_eの最大値を求めることができる。以下では、Ｖ_eの各時刻に対して算出された電気的投入時刻範囲内のＶ_eの最大値を当該各時刻に対する極間電圧最大値という。

図８は、極間電圧最大値波形の一例を示した図である。図８では、横軸を時間（sec）、縦軸を電圧（ＰＵ）として、極間電圧推定値の絶対値波形Ｖ_eと、極間電圧最大値波形Ｖ_mとが示されている。ここで、極間電圧最大値波形Ｖ_mは、Ｖ_eが定義された各時刻に対して極間電圧最大値を与える波形である。

極間電圧最大値算出部７ｃが極間電圧最大値波形Ｖ_mを算出した後、目標閉極時刻決定部７ｄは、極間電圧最大値が閾値Ｙ以下でかつ極小値となる時刻を目標閉極時刻に設定する。このように目標閉極時刻を設定することで、遮断器２の動作時間のばらつきおよび絶縁耐力減少率のばらつきも考慮しても、電気的投入時における極間電圧が当該目標閉極時刻における極間電圧最大値を超えることはない。

図９は、目標閉極時刻の設定例について説明するための図である。図９では、横軸を時間（sec）、縦軸を電圧（ＰＵ）として、極間電圧最大値波形Ｖ_mが示されている。Ｙは上記した閾値である。図示例では、目標閉極時刻として、Ｔ₁〜Ｔ₃の三時刻が算出されている。すなわち、Ｔ₁〜Ｔ₃の各時刻では、極間電圧最大値は閾値Ｙ以下で、かつ、極間電圧最大値波形Ｖ_mの微係数が０となる極小値となっている。また、同図では、目標閉極時刻に、投入フラグｆ１〜ｆ３が立てられている。投入フラグは、目標閉極時刻に対して例えば−１の値を付与する。自相のみを考慮し他相の影響を考慮しない場合には、Ｔ₁〜Ｔ₃のいずれも目標閉極時刻となる。

なお、三相の遮断器２間では、投入フラグの時刻は一般に互いに一致しない。これを具体的に示したのが、図１０である。図１０は、各相の投入フラグを示した図である。

詳細には、図１０（ａ）は、Ａ相の送電線側電圧波形を示した図である。横軸は時間（sec）、縦軸は送電線側電圧（ＰＵ）である。なお、現在時刻はｔ₂である。時刻ｔ₁からｔ₂までの間の送電線側電圧波形が解析波形となる。図１０（ｂ）は、Ｂ相の送電線側電圧波形を示した図である。横軸、縦軸は図１０（ａ）と同様である。時刻ｔ₁からｔ₂までの間の送電線側電圧波形が解析波形となる。図１０（ｃ）は、Ｃ相の送電線側電圧波形を示した図である。横軸、縦軸は図１０（ａ）と同様である。時刻ｔ₁からｔ₂までの間の送電線側電圧波形が解析波形となる。

また、図１０（ｄ）は、Ａ相の極間電圧の絶対値波形Ｖ、Ａ相の極間電圧推定値の絶対値波形Ｖ_e、Ａ相の極間電圧最大値波形Ｖ_mを示した図である。横軸は時間（sec）、縦軸は電圧（ＰＵ）である。Ｖは、時刻ｔ₁からｔ₂までの範囲のみで記載されている。Ｖ_eは時刻ｔ₂からｔ₃までの範囲で推定され、Ｖ_mも同様である。また、同範囲では、投入フラグａ₁〜ａ₃が立てられている。

同様に、図１０（ｅ）は、Ｂ相の極間電圧の絶対値波形Ｖ、Ｂ相の極間電圧推定値の絶対値波形Ｖ_e、Ｂ相の極間電圧最大値波形Ｖ_mを示した図である。横軸、縦軸は図１０（ｄ）と同様である。Ｖの記載範囲およびＶ_e，Ｖ_mの推定範囲も図１０（ｄ）と同様である。時刻ｔ₂からｔ₃までの範囲では、投入フラグｂ₁〜ｂ₃が立てられている。

同様に、図１０（ｆ）は、Ｃ相の極間電圧の絶対値波形Ｖ、Ｃ相の極間電圧推定値の絶対値波形Ｖ_e、Ｃ相の極間電圧最大値波形Ｖ_mを示した図である。横軸、縦軸は図１０（ｄ）と同様である。Ｖの記載範囲およびＶ_e，Ｖ_mの推定範囲も図１０（ｄ）と同様である。時刻ｔ₂からｔ₃までの範囲では、投入フラグｃ₁〜ｃ₃が立てられている。

図１０（ｄ）〜（ｆ）に示すように、Ａ相の投入フラグａ₁〜ａ₃が立てられた各時刻と、Ｂ相の投入フラグｂ₁〜ｂ₃が立てられた各時刻と、Ｃ相の投入フラグｃ₁〜ｃ₃が立てられた各時刻は、互いに異なっている。

一方、三相の遮断器２は、電源側では三相交流の電源１で結線され、送電線側では三相の送電線３の端部で結線されている。そのため、各相で目標投入時刻を独立に決定した場合には、最初に投入する相の誘導電圧により、他相の送電線側の電圧が変動し、送電線側電圧推定値の精度に影響が出る可能性がある。

そこで、本実施の形態では、目標閉極時刻決定部７ｄは、三相の目標閉極時刻のすべてが予め設定された一定時間範囲内に含まれるように各相の目標閉極時刻を決定する。

例えば、図１０（ｄ）〜（ｆ）では、Ａ相の投入フラグａ₂の時刻と、Ｂ相の投入フラグｂ₁の時刻と、Ｃ相の投入フラグｃ₁の時刻とが、予め設定された一定時間範囲（図示せず）内に含まれる。従って、Ａ相の遮断器２の目標投入時刻は投入フラグａ₂の時刻であり、Ｂ相の遮断器２の目標投入時刻は投入フラグｂ₁の時刻であり、Ｃ相の遮断器２の目標投入時刻は投入フラグｃ₁の時刻となる。このようにして三相の目標閉極時刻を決定することにより、他相の遮断器２の投入時における過電圧および過電流を、最初に投入した相と同様に抑制することができる。

あるいは、目標閉極時刻決定部７ｄは、極間電圧最大値の三相分の総和が最小となるように各相の目標閉極時刻を決定することもできる。すなわち、目標閉極時刻決定部７ｄは、閾値Ｙ以下である三相の極間電圧最大値の極小値の総和が最小となるような各相の時刻を各相の目標閉極時刻とする。この場合も、他相の遮断器２の投入時における過電圧および過電流を、最初に投入した相と同様に抑制することができる。

次に、本実施の形態の動作について、図１１を参照して説明する。図１１は、本実施の形態に係る閉極制御方法を示すフローチャートである。

まず、電圧計測部５は、遮断器２の開放後、遮断器２の電源側電圧および送電線側電圧を計測する（Ｓ１）。

次に、電圧推定部６は、電圧計測部５から出力された例えば過去一定時間分の電源側電圧の計測値に基づいて、現在時刻以降の電源側電圧推定値を推定すると共に、電圧計測部５から出力された例えば過去一定時間分の送電線側電圧の計測値に基づいて、現在時刻以降の送電線側電圧推定値を推定する（Ｓ２）。この際、電圧推定部６は、電圧推定波形を上記（１）式のように振幅の減衰を考慮した複周波の合成波として推定する。

次に、極間電圧推定値算出部７ａは、電圧推定部６から出力された電源側電圧推定値および送電線側電圧推定値から、双方の差である極間電圧推定値を算出し、さらに、当該極間電圧推定値の絶対値を算出する（Ｓ３）。

次に、電気的投入時刻範囲算出部７ｂは、極間電圧推定値が算出された時間範囲内の各時刻について、当該各時刻を閉極時刻と仮定し、遮断器２の動作（閉極）時間のばらつきの程度に基づいて算出された当該閉極時刻の変動範囲である閉極時刻範囲と、極間の絶縁耐力減少率のばらつきの程度に基づいて算出された当該絶縁耐力減少率の変動範囲である絶縁耐力減少率範囲とで決まる遮断器２の電気的投入時刻の最大の変動範囲である電気的投入時刻範囲を算出する（Ｓ４）。

具体的には、電気的投入時刻範囲算出部７ｂは、極間電圧推定値が算出された時間範囲内の各時刻（ｔ_Q）について、閉極時刻範囲の下限である最小閉極時刻（ｔ_Q−ΔＴ）を閉極時刻と仮定した上で絶縁耐力減少率範囲の下限である最小絶縁耐力減少率（ｋ−Δｋ）と極間電圧推定値の絶対値Ｖ_eとで決まる電気的投入時刻である最小電気的投入時刻（ｔ_R）を算出すると共に、閉極時刻範囲の上限である最大閉極時刻（ｔ_Q＋ΔＴ）を閉極時刻と仮定した上で絶縁耐力減少率範囲の上限である最大絶縁耐力減少率（ｋ＋Δｋ）と極間電圧推定値の絶対値Ｖ_eとで決まる電気的投入時刻である最大電気的投入時刻（ｔ_S）を算出して、最小電気的投入時刻（ｔ_R）から最大電気的投入時刻（ｔ_S）までの範囲として電気的投入時刻範囲を求める（図６、図７参照）。

次に、極間電圧最大値算出部７ｃは、極間電圧推定値が算出された時間範囲内の各時刻について、電気的投入時刻範囲における極間電圧推定値の絶対値の最大値である極間電圧最大値を算出する（Ｓ５）。

次に、目標閉極時刻決定部７ｄは、極間電圧最大値が閾値Ｙ以下でかつ極小値となる時刻を目標閉極時刻とする（Ｓ６）。

目標閉極時刻決定部７ｄは、目標閉極時刻を閉極制御部９に出力する。目標閉極時刻は、一般に複数個決定される。閉極制御部８は、閉極指令に応じて、目標閉極時刻から予測閉極時刻だけ前の時刻のうち、閉極指令の入力後の直近の時刻に閉極制御信号を出力する。

なお、図１では、閉極時間予測部１１は、予測閉極時間を閉極制御部８に出力するが、目標閉極時刻算出部７に出力するようにしてもよい。この場合、目標閉極時刻算出部７は、目標閉極時刻を決定した後、目標閉極時刻から予測閉極時刻だけ前の時刻を算出し、当該算出した時刻を閉極制御部８に出力する。

以上説明したように、本実施の形態では、遮断器２の開放後に、電源側電圧および送電線側電圧の計測値に基づいて電源側電圧推定値および送電線側電圧推定値ならびに極間電圧推定値を推定し、さらに、極間電圧推定値が算出された各時刻について、当該各時刻を閉極時刻と仮定した上で、遮断器２の動作時間のばらつきに基づく閉極時刻範囲と遮断器２の極間の絶縁耐力減少率のばらつきに基づく絶縁耐力減少率範囲とで決まる遮断器２の電気的投入時刻の可能な最大の変動範囲である電気的投入時刻範囲を算出し、さらに、極間電圧推定値が算出された各時刻について、電気的投入時刻範囲における極間電圧推定値の絶対値の最大値である極間電圧最大値を算出し、さらに、極間電圧最大値が閾値Ｙ以下でかつ極小値となる時刻を目標閉極時刻に設定するようにしている。

このように、遮断器２の再投入時における送電線側電圧推定値を求め、遮断器２の動作時間のばらつきおよび遮断器２の極間の絶縁耐力減少率のばらつきも考慮した上で、極間電圧推定値が定義される各時刻について極間電圧最大値を算出し、極間電圧最大値が閾値以下でかつ極小値となるような時刻を目標閉極時刻としたので、遮断器再投入時における過電圧および過電流の発生を十分に抑制することができる。

なお、電気的投入時刻範囲は、図７に示すように、極間電圧推定値が算出された時間範囲内の各時刻（ｔ_Q）について、Ｌ₁とＶ_eとの交点の時刻（ｔ_R）と、Ｌ₂とＶ_eとの交点の時刻（ｔ_S）で決まる。従って、電気的投入時刻範囲は、実質交点を二点求めれば得られるので、計算処理時間は極めて短い。

また、本実施の形態では、三相の目標閉極時刻のすべてが予め設定された一定時間範囲内に含まれるように各相の目標閉極時刻を決定し、あるいは、極間電圧最大値の三相分の総和が最小となるように各相の目標閉極時刻を決定することができる。このように三相の目標閉極時刻を決定することにより、他相の遮断器２の投入時における過電圧および過電流を、最初に投入した相と同様に抑制することができる。

また、本実施の形態では、送電線側電圧推定値の波形を、振幅、周波数、減衰率、および位相を波形パラメータとする複周波の合成波として、例えば最小二乗法を用いて推定している。従って、特許文献１のように、電流遮断後における送電線側電圧が減衰しないことを前提として、電流遮断直後の送電線側電圧の計測値を用いて遮断器を投入するタイミングを算出する方法に比べて、過電圧および過電流の発生をより抑制することができる。なお、実施の形態２に示すように、送電線側電圧推定値は最小二乗法以外の他の方法を用いて推定することもできる。

実施の形態２．
本実施の形態では、遮断器２の開放後の電圧推定値、特に送電線側電圧推定値の推定方法について説明する。なお、本実施の形態に係る電力開閉制御装置の構成は、実施の形態１の構成と同一であるので、ここでは説明を省略する。

本実施の形態の電圧波形推定手順は以下のとおりである。なお、以下の各処理の主体は電圧推定部６である。
（ａ）波形取り込み開始時刻（ｔ₁）から波形取り込み終了時刻（ｔ₂）までのｎ点分の電圧波形（解析波形）を取り込む（図２参照）。
（ｂ）マトリックスペンシル法により残差行列[Ｂ]および固有値λ_iを算出する。
（ｃ）残差行列[Ｂ]および固有値λ_iをもとに、時間ｔにおける電圧推定値波形ｙ(t)を生成する。

実施の形態１では、ｙ(t)を下記（２）式の右辺のように仮定し、

最小二乗法を用いて波形パラメータを決定した。本実施の形態では、以下で説明するマトリックスペンシル（Matrix Pencil）法を用いることで、ｙ(t)を推定する。なお、マトリックスペンシル法の詳細は、例えば、`Computational Methods for Electric Power Systems, Second Edition, Mariesa L. Crow, CRC Press'に記載されている。

マトリックスペンシル法の概要について説明する。マトリックスペンシル法は、送電線側電圧または電源側電圧の計測値ｙ（ｋ）を以下の（３）式で表したときに、固有値λ_iおよび残差行列[Ｂ]を求める方法を与える。

ここで、Ｍはモード数、Δｔはサンプリング時間間隔，ｋはサンプリング番号（＝０，１，・・・，ｎ−１）。また、Ｂ_iは初期値であり、残差行列[Ｂ]の対角成分である。

図１２は、固有値λ_iおよび残差行列[Ｂ]の算出処理を示したフローチャートである。まず、電圧推定部６は、電圧波形ｙ（ｋ）（ｋ＝０，１，・・・，ｎ−１）を取り込み（Ｓ２０）、取り込んだ電圧波形ｙ（ｋ）から、以下の行列[Ｙ]を生成する（Ｓ２１）。

ここで、Ｎ＝ｎ−１であり、Ｌはペンシルパラメータ（pencil parameter）である。ペンシルパラメータは、例えば、Ｌ＝Ｎ／２とすることができる。

次に、電圧推定部６は、行列[Ｙ]を、[Ｙ]＝[Ｕ][Ｓ][Ｖ]^Tとして特異値分解し、行列[Ｕ],[Ｓ],[Ｖ]を得る（Ｓ２２）。ここで、[Ｓ]は特異値を対角成分に持つ行列である。また、[Ｕ]，[Ｖ]は実ユニタリー行列であり、それぞれ[Ｙ][Ｙ]^T，[Ｙ]^T[Ｙ]の固有ベクトルを含んでいる。また、Ｔは転置を表す。[Ｕ]，[Ｓ]，[Ｖ]を成分で表すと、次のとおりである。

次に、電圧推定部６は、特異値分解により得た[Ｖ]から一部の行列要素を抽出して[Ｖ_１],[Ｖ_２]を得る（Ｓ２３）。具体的には、電圧推定部６は、予め定められたパラメータＭをもとに、特異値の大きい順にＭ個だけ採用して有効成分数を制限する。

次に、電圧推定部６は、[Ｖ_１],[Ｖ_２]から、行列[Ｙ_１],[Ｙ_２]を生成する（Ｓ２４）。ここで、
[Ｙ_１]＝[Ｖ_１]^T×[Ｖ_１]
[Ｙ_２]＝[Ｖ_２]^T×[Ｖ_１]
である。

次に、電圧推定部６は、下記（１０）式を解くことにより、行列[Ｙ_１],[Ｙ_２]の一般化固有値からなるベクトル[ｚ]を算出する（Ｓ２５）。

ただし、[Ｂ]は残差行列、[Ｉ]はＭ×Ｍの単位行列であり、[Ｚ₀]〜[Ｚ_２]は次のとおりである。

次に、電圧推定部６は、[ｚ]＝（z₁,z₂,・・・,z_M）^Tから、固有値ベクトル[λ]を求める（Ｓ２６）。

また、電圧推定部６は、以下の関係から残差行列[Ｂ]を求める（Ｓ２７）。

さらに、電圧推定部６は、上記（１４）式および（１５）式より得られた固有値λ_iおよびＢ_iを下記（１６）式に代入することにより、任意の時刻ｔにおける電圧推定波形ｙ（ｔ）を算出する。

このように、マトリックスペンシル法は、行列計算に基づき、かつ、振幅（特異値）の大きい成分を抽出して計算をするため、計算処理時間が短縮されると共に計算精度も向上する。

以上説明したように、本実施の形態によれば、マトリックスペンシル法を用いて複周波の合成波形としての電圧推定値を推定するようにしたので、計算処理時間が短縮されると共に計算精度も向上し、遮断器再投入時における過電圧および過電流の発生をより一層抑制することができる。

以上のように、本発明は、電力開閉制御装置およびその閉極制御方法として有用である。

１ 電源、２ 遮断器、３ 送電線、４ 電力開閉制御装置、５ 電圧計測部、６ 電圧推定部、７ 目標閉極時刻算出部、７ａ 極間電圧推定値算出部、７ｂ 電気的投入時刻範囲算出部、７ｃ 極間電圧最大値算出部、７ｄ 目標閉極時刻決定部、８ 閉極制御部、９ 補助スイッチ、１０ 閉極時間計測部、１１ 閉極時間予測部、１２ａ 環境温度計測部、１２ 動作環境条件計測部、１２ｂ 制御電圧計測部、１２ｃ 操作圧力計測部。

Claims (7)

1. 遮断器の電源側電圧および送電線側電圧を計測する電圧計測部と、
   前記電源側電圧の計測値に基づいて、現在時刻以降の電源側電圧推定値を推定すると共に、前記送電線側電圧の計測値に基づいて、現在時刻以降の送電線側電圧推定値を推定する電圧推定部と、
   前記電源側電圧推定値および前記送電線側電圧推定値に基づいて、前記遮断器の目標閉極時刻を算出する目標閉極時刻算出部と、
   前記目標閉極時刻に基づいて、前記遮断器に閉極制御信号を出力する閉極制御部と、
   を備え、
   前記目標閉極時刻算出部は、
   前記電源側電圧推定値および前記送電線側電圧推定値を用いて極間電圧推定値を算出する極間電圧推定値算出部と、
   前記極間電圧推定値が算出された各時刻について、当該各時刻を閉極時刻と仮定し、前記遮断器の閉極時間のばらつきの程度および前記遮断器の極間の絶縁耐力減少率のばらつきの程度に基づき、当該遮断器の電気的投入時刻の最大の変動範囲である電気的投入時刻範囲を算出する電気的投入時刻範囲算出部と、
   前記各時刻について、前記電気的投入時刻範囲における前記極間電圧推定値の絶対値の最大値である極間電圧最大値を算出する極間電圧最大値算出部と、
   前記極間電圧最大値が閾値以下でかつ極小値となる時刻を前記目標閉極時刻として決定する目標閉極時刻決定部と、
   を備えることを特徴とする電力開閉制御装置。
2. 前記電気的投入時刻範囲算出部は、前記極間電圧推定値が算出された各時刻について、当該各時刻を閉極時刻と仮定し、前記遮断器の閉極時間のばらつきの程度に基づいて当該閉極時刻の変動範囲である閉極時刻範囲を求めると共に、前記極間の絶縁耐力減少率のばらつきの程度に基づいて当該絶縁耐力減少率の変動範囲である絶縁耐力減少率範囲を求め、さらに、前記閉極時刻範囲の下限である最小閉極時刻を閉極時刻と仮定した上で前記絶縁耐力減少率範囲の下限である最小絶縁耐力減少率と前記極間電圧推定値の絶対値とで決まる電気的投入時刻である最小電気的投入時刻を算出すると共に、前記閉極時刻範囲の上限である最大閉極時刻を閉極時刻と仮定した上で前記絶縁耐力減少率範囲の上限である最大絶縁耐力減少率と前記極間電圧推定値の絶対値とで決まる電気的投入時刻である最大電気的投入時刻を算出することで、当該最小電気的投入時刻から当該最大電気的投入時刻までの範囲として前記電気的投入時刻範囲を求めることを特徴とする請求項１に記載の電力開閉制御装置。
3. 前記目標閉極時刻決定部は、三相の目標閉極時刻のすべてが予め設定された一定時間範囲内に含まれるように各相の目標閉極時刻を決定することを特徴とする請求項１または２に記載の電力開閉制御装置。
4. 前記目標閉極時刻決定部は、極間電圧最大値の極小値の三相分の総和が最小となるように各相の目標閉極時刻を決定することを特徴とする請求項１または２に記載の電力開閉制御装置。
5. 前記電圧推定部は、前記送電線側電圧推定値の波形を複周波の合成波として最小二乗法を用いて推定することを特徴とする請求項１または２に記載の電力開閉制御装置。
6. 前記電圧推定部は、前記送電線側電圧推定値の波形を複周波の合成波としてマトリックスペンシル法を用いて推定することを特徴とする請求項１または２に記載の電力開閉制御装置。
7. 遮断器の電源側電圧および送電線側電圧を計測する電圧計測部と、前記電源側電圧の計測値に基づいて、現在時刻以降の電源側電圧推定値を推定すると共に、前記送電線側電圧の計測値に基づいて、現在時刻以降の送電線側電圧推定値を推定する電圧推定部と、前記電源側電圧推定値および前記送電線側電圧推定値に基づいて、前記遮断器の目標閉極時刻を算出する目標閉極時刻算出部と、前記目標閉極時刻に基づいて、前記遮断器に閉極制御信号を出力する閉極制御部とを備えた電力開閉制御装置の閉極制御方法であって、
   前記目標閉極時刻算出部が、前記電源側電圧推定値および前記送電線側電圧推定値を用いて極間電圧推定値を算出するステップと、
   前記目標閉極時刻算出部が、前記極間電圧推定値が算出された各時刻について、当該各時刻を閉極時刻と仮定し、前記遮断器の閉極時間のばらつきの程度および前記遮断器の極間の絶縁耐力減少率のばらつきの程度に基づき、当該遮断器の電気的投入時刻の最大の変動範囲である電気的投入時刻範囲を算出するステップと、
   前記目標閉極時刻算出部が、前記各時刻について、前記電気的投入時刻範囲における前記極間電圧推定値の絶対値の最大値である極間電圧最大値を算出するステップと、
   前記目標閉極時刻算出部が、前記極間電圧最大値が閾値以下でかつ極小値となる時刻を前記目標閉極時刻として決定するステップと、
   を含むことを特徴とする閉極制御方法。

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