JP5665507B2 - 保護継電装置 - Google Patents

Description

本発明は、状態変化送出機能を備えた保護継電装置において、単一不良発生時にも状態変化情報を送出することができる保護継電装置に関する。

無人とされることが多い変電所に設置された保護継電装置には、遠隔地の有人の給電指令所に対して、変電所内遮断器の状態、保護継電装置の動作表示、計測表示、保護継電装置の状態などを送出する状態変化送出機能が備えられている。このことにより、給電指令所では、保護継電装置や変電所の機器の情報を取得する事ができ、結果的に遠隔地からの変電所の監視・遠隔操作を可能としている。

保護継電装置の状態変化送出機能は、保護継電装置の保護シーケンスにより作成、出力され、一般の通信回線網、または、専用回線を利用し、変電所から給電指令所に保護継電装置や変電所の機器の情報を送出し、また逆に給電指令所から変電所へ保護継電装置や変電所の機器の操作情報などを送出する機能である。

保護継電装置に状態変化送出機能を備え、各種情報を遠隔地の有人の給電指令所に対して送出するものとして特許文献１が知られている。

他方、変電所向け保護継電装置では、主検出保護継電要素Ｍと、事故検出保護継電要素Ｆの二重化構成としており、主検出保護継電要素Ｍのトリップ指令と、事故検出保護継電要素Ｆのトリップ指令の論理積にて遮断器へのトリップ出力を送出する構成が一般的である。

係る二重化構成とした場合に、装置故障時に保護継電装置全体をロックしてしまう（無保護状態にしてしまう）のではなく、一方装置の故障時に他方の健全装置側による保護を行わせることができる。

特許文献２は、一方装置の故障の条件と、健全な他方装置の事故検出動作条件の一致をもって、遮断器引き外しを実行する。ここで、装置故障時に保護継電装置全体をロックしてしまう考え方は、装置故障を重故障扱いとするものであり、保護継続する特許文献２の考え方は、装置故障を軽故障扱いとしたものである。

特開２００２−３４５１７３号公報 特開２００９−１１８６４２号公報

現状の保護継電装置は、二重化構成とされることが多いので、装置故障発生状態を軽故障と位置づけ、故障発生中にも運転継続可能であり、保護機能を有することができる特許文献２の方式を採用したい。

この場合に、状態変化報告義務を有する変電所に設置された保護継電装置にあっては、装置健全時にも、また軽故障状態にあっても状態変化送出機能を、正常に維持し機能せしめる必要がある。

以上のことから、変電所に設置された保護継電装置も軽故障扱いとできる仕組みを採用することが望ましいが、実際問題としては解決しておくべき事項が多々存在する。

状態変化送出回路は、従来装置では、主検出保護継電要素Ｍのみにて判断、検出していたが、（主検出保護継電要素Ｍ側の）ハードウェアの単一部品不良時でも、正常部位にてトリップ出力を送出するためには、事故検出保護継電要素Ｆにも状態変化送出回路を追加し、主検出保護継電要素Ｍ、事故検出保護継電要素Ｆの論理和にて状態変化送出可能な構成とする必要がある。

この場合に、本装置では裏面端子の空き接点がないため、接点増加が不可能である。しかし、単一部品不良時、状態変化送出することが必要であることから、外部入力されるＤＩの条件を変更せずに、保護シーケンスの主検出保護継電要素Ｍと事故検出保護継電要素Ｆ間の通信線を利用して状態変化送出を可能にする構成が必要である。

また、状態変化伝送回路において、主検出保護継電要素Ｍ、事故検出保護継電要素Ｆ正常時、保護継電要素の動作時間が異なる保護継電装置を用いた場合、保護継電要素の動作時間により主検出保護継電要素Ｍ、事故検出保護継電要素Ｆの動作タイミングがずれてしまい、不要な状態変化を送出してしまう恐れがある。また、外部入力されるＤＩが、主検出保護継電要素Ｍと事故検出保護継電要素Ｆにて異なる保護継電要素があり、事故検出保護継電要素Ｆの動作タイミングがずれ、不要な状態変化を送出してしまう。

さらに、状態変化送出回路において、主検出保護継電要素Ｍ、事故検出保護継電要素ＦのＣＰＵ基板、ＤＩ／Ｏ基板に単一部品不良がある場合と電源不良が発生した場合では、異常検出の方法が異なり、それぞれの異常検出ケースに回路を分割する必要がある。

以上のことから本発明においては、変電所に設置され、状態変化送出回路を備えた保護継電装置も軽故障扱いとすることのできる保護継電装置を提供することを目的とする。

本発明では上記課題の解決のために、主検出保護継電要素を構成する回路部分を収納する第１の基板と、事故検出保護継電要素を構成する回路部分を収納する第２の基板と、主検出保護継電要素が保護対象の故障検出したときに閉成する第１の接点と事故検出保護継電要素が保護対象の故障検出したときに閉成する第２の接点からなり、遮断器の操作信号を与える第１の直列回路と、第１の基板内に設けられ保護対象における状態変化を検知する第１の状態変化検知回路と、第２の基板内に設けられ保護対象における状態変化を検知する第２の状態変化検知回路を備え、正常時は第１の状態変化検知回路を、第１の基板における基板異常発生時には第２の状態変化検知回路を選択して外部出力する信号送出部を備える。

また、第１の基板における異常発生時に閉成する第３の接点と第２の接点からなり、遮断器の操作信号を与える第２の直列回路と、第２の基板における異常発生時に閉成する第４の接点と第１の接点からなり、遮断器の操作信号を与える第３の直列回路とを備える。

また、第２の基板には、第１の基板と同じ入力が得られており、第２の状態変化検知回路は、第２の基板に得られた入力から第１の状態変化検知回路が外部出力すると同じ状態変化を検知し外部出力する。

また、第１の基板は、それぞれ電源と演算部と入出力部の単位で基板化され、第２の基板内に設けられ保護対象における状態変化を検知し外部出力する第の状態変化検知回路は、第１の基板の電源基板不良と、電源基板不良以外の基板不良ごとに回路構成される。

また、第１の状態変化検知回路は、主検出保護継電要素の動作信号と、遮断器の引き外し検出信号が共に得られる期間をもって状態変化を検知する。

また、第２の状態変化検知回路は、主検出保護継電要素の動作信号と、遮断器の引き外し検出信号が共に得られる期間をもって状態変化を検知する。

また、正常時は第１の状態変化検知回路を、第１の基板における基板異常発生時には第２の状態変化検知回路を選択して外部出力する信号送出部を第２の基板内に備えた。

変電所に設置され、状態変化送出回路を備えた保護継電装置も軽故障扱いとすることができる。

本発明の保護継電装置内部の保護シーケンス構成を示す図。 保護継電装置と、その操作対象である遮断器との関係を示す図。 二重化構成された保護継電装置の基板単位でのブロック構成を示す図。 従来の保護継電装置内部の保護シーケンス構成を示す図。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。

まず、ディジタル保護継電装置と、その操作対象である遮断器との関係について、図２を参照して簡単に説明する。

図２中において、符号１０は、保護対象である電力系統の送電線を示しており、この送電線１０に設置された計器用変成器１１より電流情報・電圧情報１２を保護継電装置１３に取り込む。その後、保護継電装置１３に実装される複数の演算処理基板により、予め定められた処理手順に従って一定周期ごとに保護継電演算処理を行い、その結果に基づいて、電力系統に設置される遮断器１４に保護指令１５を出力する。

ディジタル保護継電装置１３は、上記処理をディジタル化された電流情報・電圧情報１２を用いてソフト的に実現するが、ハード的には制御電源、演算部、ディジタル入出力部といった単位で二重化構成としている。かつ、この単位ごとに基板構成している。

図３の保護継電装置１３において、ＢＤは基板を意味しており、例えばＢＤ−Ｄは電源部基板、ＢＤ−Ｃは演算部基板、ＢＤ−Ｉはディジタル入出力部基板を表している。また、これらの記号の後に付した記号Ｍが主検出保護継電要素、Ｆが事故検出保護継電要素を意味しており、この単位で基板化するために、図示の例では少なくとも６枚の基板でディジタル保護継電装置１３を構成している。

このうち、特に事故判定演算を実施する部分ＢＤ−Ｃは、互いに異なる演算原理の保護継電演算により事故を検出する主検出保護継電要素Ｍと、事故検出保護継電要素Ｆを備えた異方式二重化構成とし、かつ継電要素ごとに演算部基板を分離している。主検出保護継電要素Ｍを搭載するのが主検出用演算部基板ＢＤ−ＣＭであり、事故検出保護継電要素Ｆを搭載するのが事故検出用演算部基板ＢＤ−ＣＦである。

このように、保護継電装置１３は、主検出保護継電要素Ｍ側を制御電源、演算部、ディジタル入出力部の要素単位に基板構成し、かつ事故検出保護継電要素Ｆ側も、制御電源、演算部、ディジタル入出力部の要素単位に基板構成した装置である。なお、図３において５１は、図２の計器用変成器で検出した電流情報・電圧情報１２を取り込みディジタル値に変換して演算部ＢＤ−Ｃに与える入力変換器である。

以上のように構成され処理された２つの演算部ＢＤ−Ｃの演算結果は、シリアルバスＳＢを介して主保護側と事故検出側のディジタル入出力部ＢＤ−ＩＭ、ＢＤ−ＩＦにそれぞれ伝えられて、直列接続された常開接点ＳＭ、ＳＦを閉操作し、遮断器１４に閉操作信号１５を与える。このように、異方式ニ重化演算結果、双方が故障判定していることを条件として遮断器の引き外しを実行する。

また、常開接点ＳＭ、ＳＦのそれぞれに直列に、常開接点ＸＭ、ＸＦが設けられている。接点ＸＭ、ＸＦは、それぞれ主保護側基板の故障、事故検出側基板の故障により閉じる接点であり、これにより健全側保護継電要素による遮断器の引き外しを可能とする。例えば、主保護側基板の異常が検出されたときに常開接点ＸＭが閉じられるので、この状態で電力系統の故障が発生したときには、健全な事故検出用演算部ＢＤ−ＣＦの判断結果の接点ＳＦにより遮断器１４の引き外しが確実に行われる。同様に、事故検出保護側基板の異常が検出されたときに常開接点ＸＦが閉じられるので、この状態で電力系統の故障が発生したときには、健全な主故検出用演算部ＢＤ−ＣＭの判断結果の接点ＳＭにより遮断器１４の引き外しが確実に行われる。

基板故障時の扱いに関して、従前の扱いは保護継電装置１３全体をロックし、かつ遮断器１４の操作を行わせないという重故障対応とするものであった。この点、本発明では上記したようにニ重化の基盤構成とし、保護継電装置１３全体をロックせず、健全側での遮断を許容するものであり、軽故障対応を行わせるものである。なお、保護継電装置の故障種別（重故障と軽故障）について、保護継電装置ロックを実施する故障を重故障、警報出力のみで、保護継電装置ロックに至らない故障を軽故障としている。

また、主検出と事故検出のＣＰＵ基板（ＢＤ−ＣＭとＢＤ−ＣＦ）の間には、ＣＰＵ基板間通信線Ｔが設けられ、各々の異常状態やシーケンスの信号のやり取り、整定値の送信などを実行している。

保護継電装置１３は、ハード的には以上のように構成され、電力系統での故障を検知し、遮断器１４の開閉操作を実行することを主務としている。また同時に、特に無人の電気所に設置される保護継電装置においては、電気所内施設などの状態変化の有無を中央の有人の給電指令所などに報告する状態変化報告処理を行っている。

ここで電気所内施設などの状態変化とは、施設内各種電力機器の計測信号（絶対値あるいは所定値を超過したことの接点信号）、遮断器や開閉器の開閉操作の結果信号、開閉操作の指令信号など、多種多様なものを含む。この報告を受けて、中央の有人の給電指令所では無人の施設内がどの様に接続され、どの様な状態になっているのかを表示し、把握することができる。さらには、電気所内の状態を把握した上で、中央の有人の給電指令所から機器操作などを実行することもできる。

そしてこの状態変化報告処理は、図３のハード構成上は、主検出ＣＰＵ基板ＢＤ−ＣＭが担当し、状態変化信号ＳＶ１をＣＰＵ基板間通信線Ｔ経由で事故検出ＣＰＵ基板ＢＤ−ＣＦに渡し、事故検出ＣＰＵ基板ＢＤ−ＣＦから状態変化信号ＳＶ２として図示せぬ通信回路に送り、中央の有人の給電指令所に送付する。

図４は、主検出ＣＰＵ基板ＢＤ−ＣＭと事故検出ＣＰＵ基板ＢＤ−ＣＦに組み込まれたソフト処理のうち、状態変化信号検知回路３の従来の一例を示している。図の例では、図示せぬ主保護側の保護継電装置が動作して条件２０が成立し、かつその結果図示せぬ遮断器が引き外されたことで条件２１が成立し、更にその後遮断器引き外しにより主保護側の保護継電装置が復旧したという一連の時系列的な操作の中で、アンド条件２２が短時間成立したことを持って、状態変化信号成立（状態変化検知）とし、状態変化検知信号ＳＶ１をＣＰＵ基板間通信線Ｔに送信する。この図のように送出回路２３は、事故検出ＣＰＵ基板ＢＤ−ＣＦ側に設けられ、ここから状態変化検知信号ＳＶ２として外部送出される。

なお、状態変化信号検知回路３としては、例示以外にも複数のものを含み、保護継電装置の動作や遮断器の開閉状態に起因するもの以外に、被監視機器の各種の接点情報や計測器からの計測信号に起因するものを含む。いずれの場合にも、報告を必要とする状態変化は、主検出ＣＰＵ基板ＢＤ−ＣＭで取りまとめられ、事故検出ＣＰＵ基板ＢＤ−ＣＦ内の送出回路２３を経由して中央側に伝送される。

ところで、従前の保護継電装置では、単一不良発生時、不要出力を防止するため、保護継電装置出力をロックする重故障扱いの仕様としており、保護継電装置ロック中は無保護状態となっていた。つまり、単一不良が主検出ＣＰＵ基板ＢＤ−ＣＭ内で発生したときに、事故検出ＣＰＵ基板ＢＤ−ＣＦ側が健全であったとしても、保護継電装置をロックし、この間は無保護状態としているので、状態変化報告処理も行われない状態となっていた。

この点に関し、本発明では図３で説明したような軽故障扱い（保護継電装置をロックせず健全側での運転継続）とするために、健全側からの状態変化報告処理を図１のようにして実施する。

図１回路は、図３の保護継電装置１３のうち、主検出ＣＰＵ基板ＢＤ−ＣＭと事故検出ＣＰＵ基板ＢＤ−ＣＦで実行するソフト的な処理のうち、状態変化報告処理に関係する部分のみを記載している。なお、ここでは図４の状態変化信号検知回路３の例で説明する。この図において、主検出ＣＰＵ基板ＢＤ−ＣＭ内には状態変化信号検知回路３が備えられており、そのほかの論理回路は全て事故検出ＣＰＵ基板ＢＤ−ＣＦに収納されている。なおこの図１回路で、図３のＣＰＵ基板間通信線Ｔは、主検出ＣＰＵ基板ＢＤ−ＣＭ内のアンド条件２２と、事故検出ＣＰＵ基板ＢＤ−ＣＦ内のオア回路２４との間の信号線がこれに相当する。

図１回路における状態変化報告処理は、正常状態においては主検出ＣＰＵ基板ＢＤ−ＣＭの状態変化信号検知回路３で行われる。この動作は、図３において説明したとおりである。本発明においては、主検出側基板（ＢＤ−ＤＭ、ＢＤ−ＣＭ、ＢＤ−ＩＭ）の故障時に、正常に動作し得る事故検出ＣＰＵ基板ＢＤ−ＣＦによる状態変化報告処理を行えるように構成したものであり、そのために例えば２組のバックアップ用の状態変化信号検知回路４１、４２を備える。

なお、事故検出ＣＰＵ基板ＢＤ−ＣＦ内の故障時は、主検出ＣＰＵ基板ＢＤ−ＣＭが対応する。その報告経路の一部で事故検出ＣＰＵ基板ＢＤ−ＣＦを経由するが、この点については送出回路２３、オア回路２４を直接結線とすることで事故検出ＣＰＵ基板ＢＤ−ＣＦの故障の影響を受けないものとすることができる。

事故検出ＣＰＵ基板ＢＤ−ＣＦ内の２組のバックアップ用の状態変化信号検知回路４１、４２は、電源基板ＢＤ−ＤＦでの異常対応（４２）と、それ以外の基板ＢＤ−ＣＦ、ＢＤ−ＩＦでの異常対応（４１）により設けられたものである。また、状態変化信号検知回路４１、４２において、３Ａ、３Ｂは、基本的には図３に示した状態変化信号検知回路３と同じ論理の検出機能である。ただ、状態変化信号検知回路３の場合には、主検出側基板の保護継電要素の動作状況、取り込まれた接点信号などから、条件２０、２１を構成するのに対し、状態変化信号検知回路３Ａ、３Ｂでは、事故検出側基板の保護継電要素の動作状況、取り込まれた接点信号などから、条件２０Ａ、２０Ｂ、２１Ａ、２１Ｂを構成したものである。主検出側と事故検出側は、二重系構成されており、接点信号などは同じものが入力されているので、状態変化信号検知回路３で成立している条件は、同時に状態変化信号検知回路３Ａ、３Ｂでも成立し、把握することができると考えてよい。

このように状態変化信号検知回路３と、状態変化信号検知回路３Ａ、３Ｂは、同じ条件で出力するが、２組のバックアップ用の状態変化信号検知回路４１、４２において、状態変化信号検知回路３Ａ、３Ｂの外部出力を有効にするためには、主検出側基板の異常を検知する必要がある。つまり、「主検出側基板に異常があるので、代わりに事故検出側から報告すべき」との、確認を取る必要がある。

この異常検知条件が、２組のバックアップ用の状態変化信号検知回路４１、４２内の３２、３４、３５である。このうち、条件３２は主検出側基板のうち電源基板ＢＤ−ＤＭは健全であるが、他の基板に異常があることの確認条件である。条件３４は、ＣＰＵ基板間通信線Ｔでの通信異常である。条件３５は電源基板ＢＤ−ＤＭの異常である。

バックアップ用の状態変化信号検知回路４１は、アンド回路３８にてアンド回路２２と条件３２の一致をとって、状態変化送出を許可する。このことから明らかなように、状態変化信号検知回路４１は、電源基板以外の基板（ＣＰＵとＤＩ／Ｏ）に単一部品不良が発生しているときの対応である。

また、バックアップ用の状態変化信号検知回路４２は、アンド回路３９にてアンド回路２２と条件３４の否定条件と条件３５の一致をとって、状態変化送出を許可する。つまり、ＣＰＵ基板間通信線Ｔでの通信異常ではなくて、電源異常であることを確認している。このことから明らかなように、状態変化信号検知回路４２は、電源基板に異常が発生しているときの対応である。

状態変化信号送出回路２３において、状態変化の発生を送信する場合、いずれの状態変化信号検知回路からの信号かを区分することができる信号を付与することで、中央の有人の給電指令所における以後の復旧作業を容易なものにすることができる。なお、この区分信号は保護継電装置を収納する配電盤などに表示されてもよい。

これらの異常検知は、主検出側基板（ＢＤ−ＤＭ、ＢＤ−ＣＭ、ＢＤ−ＩＭ）にセンサを設置して、その検出状況を事故検出側で受ける形であってもよいが、主検出側の異常時には、センサ自身に信頼性がないので、極力事故検出側で検知するのがよりよい。このためには、例えばＣＰＵ基板間通信線Ｔの状況を見ておくのがよい。典型的な監視事例を紹介する。

まず、ＣＰＵ基板間通信線Ｔを用いた通信は、一方が呼びかけ、他方が応答するという形で進行している。従って、呼びかけに対して応答がない、あるいは遅いということをウォッチドッグタイマなどで検知し、基板異常とすることができる。また、電源基板ＢＤ−ＤＭからＣＰＵ基板に電源＋５Ｖと＋１５Ｖを供給、印加しており、ＣＰＵ基板間通信線Ｔを用いた通信での信号レベルは所定値を維持しているはずであるが、信号レベルが低いという状況から電源異常を疑うことができる。また、ＣＰＵ基板間通信線Ｔのコネクタやケーブルに異常が発生すると無信号となることで、その通信異常を検出することができる。通信異常は、１０ｓ以上の検出時間がかかることから、ＣＰＵ基板間通信線Ｔの通信異常の確定時間を２０ｓ程度とするのがよい。なお、保護継電装置においては、ウォッチドッグタイマなどを用いた常時監視機能が複数備えられており、基板部位ごとに異常検知する手法は数多く知られている。その他、異常の種別、或いは発生場所を特定するには多くの監視手法が知られており、上記機能の達成には適宜組み合わせて実現することができるので、ここではこれ以上の詳細説明を省略する。

前記の送出回路のシーケンスを使用することにより、主検出保護継電要素のＤＩ点数と事故検出保護継電要素のＤＩ点数を同じ点数にすることなく、状態変化送出が可能な構成とした。また、ＤＩ点数を増加しないため、配電盤の省配線化をすることが可能となった。

状態変化送出回路を備えた保護継電装置も、軽故障扱いとすることができるので、状態変化報告機能を有する保護継電装置として広く採用することができる。

１０：保護対象である電力系統の送電線
１１：計器用変成器
１２：電流情報・電圧情報１２
１３：保護継電装置
１４：遮断器
１５：保護指令
ＢＤ−Ｄ：電源部基板
ＢＤ−Ｃ：演算部基板
ＢＤ−Ｉ：ディジタル入出力部基板
ＢＤ−ＣＭ：主検出用演算部基板
ＢＤ−ＣＦ：事故検出用演算部基板
ＳＢ：シリアルバス
ＳＭ、ＳＦ：常開接点
ＸＭ、ＸＦ：主保護側基板の故障、事故検出側基板の故障により閉じる接点
ＳＶ：状態変化信号
３：状態変化信号検知回路
Ｔ：ＣＰＵ基板間通信線
４１、４２：２組のバックアップ用の状態変化信号検知回路
２３：送出回路

Claims (5)

1. 主検出保護継電要素を構成する回路部分と、保護対象における状態変化を検知する第１の状態変化検知回路とを収納する第１の基板と、事故検出保護継電要素を構成する回路部分と、保護対象における状態変化を検知する第２の状態変化検知回路と、正常時は前記第１の状態変化検知回路を、前記第１の基板における基板異常発生時には前記第２の状態変化検知回路を選択して外部出力する信号送出部を収納する第２の基板と、前記主検出保護継電要素が保護対象の故障検出したときに閉成する第１の接点と前記事故検出保護継電要素が保護対象の故障検出したときに閉成する第２の接点と前記第１の基板における異常発生時に開放する第３の接点と前記第２の基板における異常発生時に開放する第４の接点からなり、遮断器の操作信号を与える第１の直列回路と、前記第１の基板における異常発生時に閉成する第５の接点と前記第２の接点からなり、遮断器の操作信号を与える第２の直列回路と、前記第２の基板における異常発生時に閉成する第６の接点と前記第１の接点からなり、遮断器の操作信号を与える第３の直列回路とを備えることを特徴とする保護継電装置。
2. 請求項１記載の保護継電装置において、
   前記第２の基板には、前記第１の基板と同じ入力が得られており、前記第２の状態変化検知回路は、前記第２の基板に得られた入力から前記第１の状態変化検知回路が外部出力すると同じ状態変化を検知し外部出力するようにされていることを特徴とする保護継電装置。
3. 請求項１記載の保護継電装置において、
   前記第１の基板は、それぞれ電源と演算部と入出力部の単位で基板化され、前記第２の基板内に設けられ保護対象における状態変化を検知し外部出力する第２の状態変化検知回路は、前記第１の基板の電源基板不良と、該電源基板不良以外の基板不良ごとに回路構成されることを特徴とする保護継電装置。
4. 請求項１記載の保護継電装置において、
   前記第１の状態変化検知回路は、前記主検出保護継電要素の動作信号と、前記遮断器の引き外し検出信号が共に得られる期間をもって状態変化を検知することを特徴とする保護継電装置。
5. 請求項４記載の保護継電装置において、
   前記第２の状態変化検知回路は、前記事故検出保護継電要素の動作信号と、前記遮断器の引き外し検出信号が共に得られる期間をもって状態変化を検知することを特徴とする保護継電装置。

Images