JP5592189B2 - ディジタル保護制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、シリアルバスを使用するディジタル保護制御装置に係り、特にディジタル入出力手段の拡張に好適なディジタル保護制御装置に関する。

従来のディジタル保護制御装置としては、例えば特許文献１に記載されたものが知られている。特許文献１のディジタル保護制御装置は、アナログ入力部、演算処理部、複数のディジタル入出力部、事故検出部などから構成され、演算処理部、複数のディジタル入出力部、事故検出部の間はシリアルバスで結合されて信号伝送が行われている。

またシリアルバスを用いた信号伝送のために、アナログ入力のサンプリング周期内を一定時間ごとに複数に分割し、分割された複数期間を各ディジタル入出力部との間の信号伝送時間に割り当てている。このため、シリアルバスの通信の管理は、特定の管理者が行うのではなく、各ディジタル入出力部がサンプリング周期で定まる始点からの経過時刻ごとに自己の通信タイミングを判断し、通信処理を実行する。

特開２００７−２６７４５５号公報

上記技術においては、装置設置後の増設が困難であった。例えば、保護制御装置を変電所などに据付設置した後に、回線増設などの系統構成の変更やシステム変更に伴い、設備拡張が必要になることがある。新設回線のために保護制御装置を一式追加するのであれば支障は生じないが、保護制御装置を収納している既設の保護制御盤内に、新たに機能追加して対応することがある。

この場合に、保護制御盤内ではアナログ入力部に新たな入力を取り込み、演算処理部や事故検出部に新規プログラム・シーケンスを追加し、ディジタル入出力部を追加することになるが、第１に収納空間を必要とする。アナログ入力部や、演算処理部、事故検出部では収納空間の増加はさほど問題とならないが、ディジタル入出力部の場合にはこれを収納する基板の設置場所が必要である。

次に、収納空間としての場所が確保できたにしても、ディジタル入出力部の場合には、第２に時間空間が必要である。つまり、シリアルバス信号伝送のために、サンプリング周期内を一定時間ごとに複数に分割して各ディジタル入出力部との間の信号伝送時間に割り当てているが、追加したディジタル入出力部のための信号伝送時間枠が必要である。

また、ディジタル入出力部の機能拡張を現地で実施する場合、ソフトウェアの変更が伴うため、追加したディジタル入出力部のみの確認ではなく、ディジタル保護制御装置全体の確認が必要となり、コスト面及び品質面においてもシステムの柔軟な機能拡張が困難であった。

以上のことから、本発明においては機能拡張性能に優れた保護制御装置を提供することを目的とする。

本発明のディジタル保護制御装置は、電力系統機器からの状態情報を取込むディジタル入力処理及び、系統機器に対する操作出力を出力するディジタル出力処理を行う複数のディジタル入出力手段と、電力系統のアナログ情報を一定周期でサンプリングして得た情報から電力系統の故障を検知する保護制御演算を行う保護演算手段と、保護演算手段と複数のディジタル入出力手段との間に設けられ信号伝送を行うシリアルバスとを備え、サンプリングの一定周期内を、通常使用期間と、予備期間に分割し、保護演算手段と複数のディジタル入出力手段の間のシリアルバスを使用する信号伝送を通常使用期間に実行し、後日にディジタル入出力手段を増設追加したときの保護演算手段と増設したディジタル入出力手段の間のシリアルバスを使用する信号伝送を予備期間に実行する。

なお、サンプリングの一定周期内を、一定時間間隔で分割し、複数のディジタル入出力手段はサンプリングの始点からの自己に約束された時間経過後に信号伝送を開始するのがよい。

また、複数のディジタル入出力手段は、それぞれ固有のアドレスを付与されて保護演算手段との間の信号伝送を実行すると共に、アドレスに応じて自己が通信開始するサンプリングの始点からの待機時間を決定するのがよい。

また、サンプリングの一定周期内を、一定時間間隔で分割し、かつ複数のディジタル入出力手段にそれぞれ固有のアドレスを付与すると共に、増設されたディジタル入出力手段は、自己に付与されたアドレスに応じて自己が通信開始するサンプリングの始点からの待機時間を決定するのがよい。

また、複数のディジタル入出力手段の中に、同じアドレスを付与されたディジタル入出力手段を含んでもよい。

本発明によれば、機能拡張性能に優れたディジタル保護制御装置とすることができる。

シリアルバス上のディジタル入出力手段の動作タイミングを示す図。 シリアルバス結合されたディジタル保護制御装置の構成を示す図。 シリアルバス結合されたディジタル保護制御装置の他の構成を示す図。 ディジタル入出力手段の具体的なブロック構成を示す図。 増設前のサンプリング周期Ｔ０内の時間分割状況を示す図。 増設後のサンプリング周期Ｔ０内の時間分割状況を示す図。 接点増幅時のディジタル入出力手段の構成を示す図。 接点増幅時のディジタル入出力手段のタイミング制御を示す図。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。

図２は、その内部がシリアルバス結合されたディジタル保護制御装置の構成例を示す。図２のディジタル保護制御装置は、電力系統から電圧・電流信号を取込み、電圧変換する入力変換器１ｄ、入力変換器１ｄからのアナログ信号をディジタル変換し、このデータを用いて予め定めた保護演算処理に基づき演算する主検出保護演算手段１ａ、入力変換器１ｄからのアナログ信号をディジタル変換し、このデータを用いて予め定めた保護演算処理に基づき演算する事故検出保護演算手段１ｃ、演算手段１ａ、１ｃからの指令に基づいて、外部機器（例えば遮断器ＣＢ）へ操作信号３１を発するとともに外部機器からの情報（例えば遮断器接点情報３０）を取り込む複数のディジタル入出力手段１ｂ、演算手段１ａ、１ｃと、複数のディジタル入出力手段１ｂの間を接続する主検出用シリアルバス１ｇ、事故検出用シリアルバス１ｈなどから構成されている。

なお、主検出保護演算手段１ａと事故検出保護演算手段１ｃは、それぞれ独立に動作するとともに疎結合した情報伝送手段１ｉを経由して、整定値や設定値等の情報を受け渡しするように構成されている。

図３にも、その内部がシリアルバス結合されたディジタル保護制御装置の構成例を示す。図３が図２のディジタル保護制御装置と相違する点は、演算手段１ａ、１ｃと複数のディジタル入出力手段１ｂの間を接続するシリアルバスが１組１ｇとされた点である。このように構成することで、より少ない構成要素でコストを抑えた保護制御装置を構成することができる。本発明のシリアルバスを用いた伝送はどちらの場合であっても可能であるが、以下の説明では図２の二重バス構成とすることを念頭において説明する。

次に演算手段１ａ、１ｃと複数のディジタル入出力手段１ｂの間のシリアルバスを用いた伝送について説明するが、その前にディジタル入出力手段１ｂについて述べておく。

図１、図２のディジタル入出力手段１ｂには、それぞれ、各手段のアドレスをユニークに認識するためのアドレス情報格納手段３ｃと、このアドレス情報を設定するための設定手段（例えばジャンパ設定手段やロータリスイッチ手段）１００を備えている。図の例では、ディジタル入出力手段１ｂが５台設備され、それぞれ上から＃１、＃２、＃３、＃４、＃５とアドレスが定められている。ディジタル入出力手段１ｂは、その１台で例えばディジタル出力が１６チャネル、ディジタル入力が３２チャネル取り扱える機能を持ち、標準化された構成とされている。このディジタル入出力手段１ｂをディジタル出力部として使用する場合（＃１、＃２、＃５）には、その後段に外部機器（遮断器ＣＢ）へ接点出力するための出力手段１ｆを設置し、逆にディジタル入力部として使用する場合（＃３、＃４）には、遮断器ＣＢの接点情報３０を取り込むように機能する。

なお、ディジタル入出力手段１ｂは、図２に示すように、主検出用シリアルバス１ｇと事故検出用シリアルバス１ｈの双方のシリアルバスに接続されるように構成しているが、どちらか一方に接続しても構わない。双方のシリアルバスに接続したときには、双方の情報が入手できるために、ディジタル入出力手段１ｂの中で、主検出と事故検出のＡＮＤ条件を組みことが容易にできる。

図４に、ディジタル入出力手段１ｂの具体的なブロック構成例を示す。図４において、ディジタル入出力手段１ｂは、シリアルバス１ｇ及び１ｈよりデータ転送用信号を取り込み、シリアルバスインタフェース回路（例えばパルストランス）３ａ、ドライバ／レシーバ回路３ｂを経由しシリアルバスコントローラ３ｄにシリアルデータを渡す。シリアルバスコントローラ３ｄは、アドレス情報格納手段３ｃのアドレス情報に従い、シリアルバス経由で送られてくる信号が自アドレスか否かの判断を実施し、自アドレスである場合、該信号をシリアルバスコントローラ３ｄ内に取り込む。

さらに図４に示すように、上記した回路（３ａ乃至３ｄ）を、主検出用と事故検出用の２回路を並列構成して備え、それぞれのシリアルバスコントローラ３ｄから、論理処理手段３ｅに対して出力し、論理処理手段３ｅでは主検出用と事故検出用の２回路のＡＮＤ条件にて、外部に対し３１ａとして出力する。あるいは、各シリアルバスコントローラ３ｄから、３１ｂ、３１ｃとして別個に外部出力する。

また、外部機器からの接点情報３０ｃ、３０ｄを取り込んでコントローラ３ｄに入力し、ドライバ／レシーバ回路３ｂと、シリアルバスインタフェース回路３ａを介して、シリアルバス１ｇまたは１ｈに信号出力するように機能する。

図２、図４のように構成されたシリアルバス１ｇ、１ｈを用いた伝送は、演算手段１ａ、１ｃと複数のディジタル入出力手段１ｂの間で、予め定めた時間にサイクリックに実行される。

図１は、シリアルバス１ｇ、１ｈに接続したディジタル入出力手段１ｂの動作タイミング例を示す。図１において、４ａは保護制御装置がアナログ入力をサンプリング入力するときの出力周期タイミングＴ０であり、例えば交流系統電圧の電気角３０°相当の時間とされ、この間隔でサンプリングが行われる。５０Ｈｚ系統の場合、サンプリング周期Ｔ０は、１．６７ｍｓ程度である。

本発明の実施例では、この期間Ｔ０を、通常使用期間Ｔ２と、予備期間Ｔ３の二つの期間に分割して使用する。なお、期間Ｔ０とは、厳密には４ａのパルスの立下りから、次のパルスの立ち上がりまでの期間を意味している。ここでは、Ｔ２＝Ｔ３にしたものとする。通常使用期間Ｔ２は、更にＮ分割される。分割数Ｎは、図２においてシリアルバスに接続されたディジタル入出力手段１ｂの台数Ｍを考慮して定められる。但し、Ｍ≦Ｎとされる。Ｎ分割されたときの期間Ｔ１は、この期間内で演算手段１ａ、１ｃと１台のディジタル入出力手段１ｂの間の全ての伝送が完結できるだけの十分な長さの期間である必要がある。なおここで、全ての伝送とは、１台のディジタル入出力手段１ｂが取り扱う例えばディジタル出力１６チャネル、ディジタル入力３２チャネルの処理に必要な情報を伝送するに十分な時間を意味している。

Ｎ分割されたあとのＮ個の期間Ｔ１は、それぞれＭ個のディジタル入出力手段１ｂとの間の交信期間とされる。図１の４ｂ〜４ｄは、それぞれ、＃１ディジタル入出力手段１ｂ〜＃Ｍディジタル入出力手段１ｂの交信に割り当てられている。従って、各ディジタル入出力手段１ｂの交信は、期間Ｔ０の周期で、更新期間Ｔ１を用いてサイクリックに実行される。

なお、予備期間Ｔ３についても同様に、期間Ｔ１単位で分割しておくが、増設前にはこの区間での信号送信は行わない。従って、期間Ｔ２＝Ｔ３とし、かつＭ＝Ｎとした事例として図１を想定すると、ディジタル入出力手段１ｂの個数Ｍは＃１から＃５までの５台である。このことは、通常の使用状態では、通常使用期間Ｔ２を用いて１つの演算手段と５台のディジタル入出力手段１ｂの間で、順次サイクリック伝送を実行し、その後の予備期間Ｔ３では交信を行なわない待機状態としていることを意味する。

図５は、以上説明したサンプリング周期Ｔ０内の時間分割状況を示しており、２分割した前半の通常使用期間Ｔ２では、個々の交信時間Ｔ１内で、順次ディジタル入出力手段＃１から＃５までの５台と順次信号伝送を行う。最初のＴ１時間で＃１の交信を行い、次のＴ１時間で＃２の交信を行う。この場合には、＃５の交信を行った時点で、通常使用期間Ｔ２が終了する。２分割した後半の予備期間Ｔ３は、個々の交信時間Ｔ１内で、順次ディジタル入出力手段予備＃１から予備＃５までの５台と順次信号伝送を行えるように交信時間枠だけが設定されているが、信号伝送は行わない。

各ディジタル入出力手段１ｂは、図１の出力周期タイミング４ａをトリガにして、期間Ｔ２内では順次時間Ｔ１ごとにシリアルバスのバスアクセス制御権を取得するようにタイムスロット制御し、データ出力またはデータ入力処理を実行する。本制御方式によれば、それぞれマッピングした情報が時間Ｔ１毎に順次、バスアクセス権を取得しながら、すなわち、予め定めた時間でサイクリックに回りながらデータを共有メモリに書込みあるいは外部へ出力するように動作させるように制御する。

なお、図５の例では通常使用期間Ｔ２と、予備期間Ｔ３を前後に分けて配置したが、任意に配分できる。Ｔ２とＴ３の前後を逆にしてもよいし、あるいは通常使用期間Ｔ２と予備期間Ｔ３を時間Ｔ１の連続する塊とせず、ばらばらに配置してもよい。個々のディジタル入出力手段１ｂが、サンプリング周期の中で自己が通信開始するタイミングを認識できれば、どこに、どんな形で予備期間Ｔ３が配置されてもよい。

本発明の実施例に係る保護制御装置内のシリアルバスの使用時間枠は上記のように予め設定されている。これに対し保護制御装置を変電所などに据付設置した後に、回線増設などの系統構成の変更やシステム変更に伴い拡張の必要性が生じた場合には次のように対応する。

この拡張は、図２の保護制御装置が収納されている保護制御盤内のボード収納部分に予め予備のボードを収納できる空間を確保して置き、ここに新たなディジタル入出力手段１ｅを拡張設置し、シリアルバス１ｇ、１ｈと接続し、増設したディジタル入出力手段１ｅのバスアクセス制御権（交信時間枠の設定）を、図５の予備期間Ｔ３の予備スロットである予備＃１から予備＃５までに割り振ることで達成される。図６は、増設数が５台である場合のサンプリング周期Ｔ０内の時間分割状況を示しており、Ｔ２時間に続くＴ３時間の枠内で、増設した５台のディジタル入出力手段１ｅのデータ伝送を逐次実行する。

この拡張作業にあたり、ディジタル入出力手段１ｅを搭載するボードの収納部に沿ってシリアルバス１ｇ、１ｈを配置しておき、ボードを収納部に装着することで、シリアルバス１ｇ、１ｈと接続されるように構成するのがよい。また、アドレス情報設定手段１００によりアドレス情報格納手段３ｃにアドレス情報を書き込むが、アドレスとして単なる連続番号を付与するのがよい。この場合には、増設ディジタル入出力手段１ｅに対して＃６を設定したときには、周期Ｔ０の始点から５（＝６−１）＊Ｔ１時間経過を持って通信開始するといった、シリアルバス運用上の規約を簡単に設定することができる。なお、増設したディジタル入出力手段１ｅにシリアルバス運用上の待機時間を認識させるために、アドレスを用いるのは有効であるが、所定の約束に従って待機時間を決定できればよいので連続番号以外の方法も採用可能である。

なお、保護制御装置が回線増設などの拡張に対応するには、信号取り込み部分、演算部内の演算プログラム・シーケンス、出力部分についても見直しを必要とするがこれらは適宜実行されるものとする。これらの拡張用作業完了後には、拡張されたディジタル入出力手段１ｅの交信は、時間Ｔ３内において、順次時間Ｔ１ごとにタイムスロット制御し、データ出力またはデータ入力処理を実行することができる。

このように、予め拡張用の予備を含めて、時間Ｔ０周期毎にタイムスロット制御するようにすることで、拡張が必要になった場合でも、既に設定されている既存のディジタル入出力手段のタイムスロット制御、すなわち、出力更新時間に影響なく追加構成することが可能であり、システム性能を低下させることなく拡張が可能である。

また、このような構成により、入力変換器１ｄ以外の要素を二重化することで部品単一不良時でも誤動作することがなく、ディジタル入出力手段１ｂを容易に拡張することができる。

さらに、上記した主検出用シリアルバス１ｇと事故検出用シリアルバス１ｈを介して拡張部も含めてサイクリックにデータ転送することで入出力信号転送の遅れ時間を予め定めた時間以内にすることができる。すなわち、ハードリアルタイム性能を確保することができ、保護制御装置に必須な規定された動作時間以内での動作を確実にすることができる。

当然ながら、機能拡張する場合においても、拡張部も含めて予め定めた時間にサイクリックにデータ転送することでハードリアルタイム性能を確保し、保護制御装置に必須な規定された動作時間以内での動作を確実にすることができることは言うまでもないことである。

以上の説明においては、ディジタル入出力手段１ｅを後日追加し、シリアルバス上の予備期間Ｔ３を用いた新たな信号伝送を実施する拡張事例について説明したが、後日の増設ではディジタル入出力手段１ｅのみを使用し、シリアルバス上の予備期間Ｔ３を使用しない拡張が可能である。これは、接点増幅に使用する例であり、後日に例えば表示用の情報が必要になった場合に、接点増幅して使用するような場合である。

図７及び図８には、出力増幅拡張構成時のディジタル入出力手段の構成例及びタイミング制御例をそれぞれ示す。

図７において、当初はシリアルバス１ｇにディジタル入出力手段１ｂが接続され、さらにディジタル入出力手段１ｂに外部機器へ接点出力するための出力手段１ｆが接続されている。ここで、ディジタル入出力手段１ｂのアドレス情報格納部３ｃには＃１が設定されているものとし、この＃１ディジタル入出力手段１ｂについて、接点増幅を行いたいものとする。

後日の接点増幅の場面では、ディジタル入出力手段１ｅと出力手段１ｆを追加するが、ここで追加したディジタル入出力手段１ｅのアドレスは、＃１ディジタル入出力手段１ｂと同じアドレスとする。

このように構成することで、例えば図８の４ｈに示すように、既存のディジタル入出力手段１ｂの出力４ｂと同タイミングで出力できることが容易に理解できる。

これにより、既存の保護制御装置の制御プログラムを変更せず、ディジタル入出力手段１ｅを追加することのみで出力（例えば接点出力）を容易に増幅することが可能であり、その容易さのメリットは非常に大きい。

特に制御プログラムを変更する必要がないため、変更のための確認作業が不要であり変更による既存部の影響を皆無にすることができるので、品質確保の面から見ても非常に有利である。

以上説明した拡張手法によれば、全体の入出力情報更新枠組みを変更することなく、ディジタル入出力手段を容易に拡張できる。さらに、装置納入後にディジタル入出力手段のみを追加する場合、全体の更新時間に影響しないので、変更部以外の確認を省略することができ、変更部の確認時間を極めて短くできる。さらに、アドレスを同一アドレス設定することで、全体処理に全く影響を与えず出力接点を容易に増幅できるため、装置構成の変更及び検証を信頼度高く実施できるので、変更作業の効率を大幅に向上できる。

設備拡張が簡便に行えるのでシリアルバス方式の保護継電装置に広く採用することができる。

１ａ：保護演算手段（主検出側）
１ｂ：ディジタル入出力手段（主検出及び事故検出）
１ｃ：保護演算手段（事故検出側）
１ｄ：入力変換器
１ｅ：拡張用ディジタル入出力手段（主検出及び事故検出）
１ｆ：出力手段
１ｇ：主検出用シリアルバス
１ｈ：事故検出用シリアルバス
１ｉ：主検出と事故検出用間の情報伝送手段
１００：アドレス情報設定手段
３ａ：シリアルバスインタフェース回路
３ｂ：ドライバレシーバ回路
３ｃ：アドレス情報格納手段
３ｄ：シリアルバスコントローラ
３ｅ：論理処理手段

Claims (5)

1. 電力系統機器からの状態情報を取込むディジタル入力処理及び、前記系統機器に対する操作出力を出力するディジタル出力処理を行う複数のディジタル入出力手段と、電力系統のアナログ情報を一定周期でサンプリングして得た情報から電力系統の故障を検知する保護制御演算を行う保護演算手段と、該保護演算手段と前記複数のディジタル入出力手段との間に設けられ信号伝送を行うシリアルバスとを備えたディジタル保護制御装置において、
   前記サンプリングの一定周期内を、通常使用期間と、予備期間に分割し、前記保護演算手段と前記複数のディジタル入出力手段の間の前記シリアルバスを使用する信号伝送を前記通常使用期間に実行し、後日に前記ディジタル入出力手段を増設追加したときの前記保護演算手段と前記増設したディジタル入出力手段の間の前記シリアルバスを使用する信号伝送を前記予備期間に実行することを特徴とするディジタル保護制御装置。
2. 請求項１記載のディジタル保護制御装置において、
   前記サンプリングの一定周期内を、一定時間間隔で分割し、前記複数のディジタル入出力手段は、前記サンプリングの始点からの自己に約束された時間経過後に信号伝送を開始することを特徴とするディジタル保護制御装置。
3. 請求項２記載のディジタル保護制御装置において、
   前記複数のディジタル入出力手段は、それぞれ固有のアドレスを付与されて前記保護演算手段との間の信号伝送を実行すると共に、前記アドレスに応じて自己が通信開始する前記サンプリングの始点からの待機時間を決定することを特徴とするディジタル保護制御装置。
4. 請求項１記載のディジタル保護制御装置において、
   前記サンプリングの一定周期内を、一定時間間隔で分割し、かつ前記複数のディジタル入出力手段にそれぞれ固有のアドレスを付与すると共に、前記増設されたディジタル入出力手段は、自己に付与された前記アドレスに応じて自己が通信開始する前記サンプリングの始点からの待機時間を決定することを特徴とするディジタル保護制御装置。
5. 請求項３または請求項４記載のディジタル保護制御装置において、
   前記複数のディジタル入出力手段の中に、同じアドレスを付与されたディジタル入出力手段を含むことを特徴とするディジタル保護制御装置。

Images