JP5749306B2 - 特異点標定装置 - Google Patents

Description

本発明は、特異点標定装置に関し、より詳細には、送電線等のメタルケーブルに注入する送信波と特異点からの反射波との比較により特異点の位置を特定する方式を用いた特異点標定装置に関する。

従来、断線や雷撃等による送電線における特異点の一例である故障点の標定および送電線の健全性を確認する装置は、Ｃ型と呼ばれているパルスレーダ方式の故障点標定装置が実用化されている（例えば、非特許文献１）。

Ｃ型の故障点標定装置は、送電線監視区間の一端に設置された故障点標定装置を、故障検出リレーの情報を受けて起動させ、送電線に単一ＡＣパルスを送信している。パルスの送信は、故障点標定装置のパルス送信装置の充電時間が必要となるため、何回も連続して行うことができない。このＣ型の故障点標定装置は、パルスを送信してから故障点で反射する反射パルスを受信するまでの時間を観測し、この時間により故障点までの距離を測定している（例えば、非特許文献１）。

社団法人電気協同研究会著「電気共同研究 第３４巻６号フォルトロケータ標定信頼度向上対策」社団法人電気協同研究会出版、昭和５４年２月２８日、Ｐ．７、８、６０、６２

しかしながら、従来のＣ型の故障点標定装置では、中心周波数４００ｋＨｚの送信波を使用した場合、約１３μｓの時間に相当する区間である約２ｋｍ以下の近端は送信波と反射波の識別ができないため、標定不能となるという問題がある（例えば、非特許文献１）。

そこで、本発明の目的は、近端区間でも故障点等の特異点の標定が可能な特異点標定装置を提供することにある。

本発明の特異点標定装置は、送信波とインピーダンスが変化する特異点で反射した送信波の反射波との比較により特異点を標定する特異点標定装置であって、送信波は、連続して周波数が変調する周波数変調連続波（ＦＭＣＷ）を適用し、送信波と反射波との周波数の差に基づいて特異点を標定することを特徴とする。

本発明によれば、近端区間でも特異点の標定が可能な特異点標定装置を提供することができる。

本発明の一実施形態における故障点標定装置の概念ブロックを示す図である。 本発明の一実施形態における故障点標定装置の動作原理を説明する図である。 本発明の一実施形態における故障点の位置の導出方法の動作原理を説明する図である。 本発明の一実施形態における故障点の位置の導出方法を説明する図である。

本発明の実施形態を説明する前に、特異点の一例である故障点を評定する、従来のＣ型の故障点標定装置が有する上記解決しようとする課題以外の問題点について以下に述べる。

Ｃ型の故障点標定装置は、送信パルス電圧が２〜３ｋＶと高電圧であり、コンデンサへの充電時間を要することから短時間に連続してパルスを送信することができないため、標定精度向上が難しい（パルスレーダ方式の装置からの標定処理時間の制約）。

Ｃ型の故障点標定装置は、送信パルス電圧が２〜３ｋＶと高電圧であり、インパルス発生器に使用する部品および電気・絶縁設計上半導体化が難しいため、小型化することが難しい（送信パルス電圧による故障点標定装置小型化への制約）。

長距離送電線および無撚架・多導体の送電線の下相では、高周波インパルスの伝送損失が大きく遠距離の標定が困難となる。非特許文献１では、標定可能距離が４０ｋｍ程度になる場合があることが報告されている（伝送損失の大きい送電線路での標定の制約）。

架空送電線路に着氷雪が発生した場合、高周波インパルスの伝送損失は周波数に比例し、指数関数的に増加するため、標定精度の低下または標定困難になることがある（着氷雪時の標定精度低下）。

Ｃ型の故障点標定装置は、送電線路の状態監視ができない。また、別方式で通信周波数のレベルを監視することで線路に発生した異常を検出する装置があるが、異常箇所の特定はできない。

このような問題点を解決する本発明の実施形態について、以下に図面を参照しながら詳細に説明する。

（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１の故障点標定装置を示す図である。本実施形態の故障点標定装置１は、変換器３、ビデオ高出力アンプ５、キャリアキャンセラー７、差動増幅器９、混合器（Ｍｉｘｅｒ）１１、および低周波帯通過弁別器（ローパスフィルター）１３を備えている。

変換器３は、デジタル信号をアナログ信号に変換するデジタルアナログ変換器（ＤＡＣ）１５、およびアナログ信号をデジタル信号に変換するアナログデジタル変換器（ＡＤＣ）１７を備え、制御用組込マイコンボード１９によって制御される。

変換器３が備えるＤＡＣ１５は、ビデオ高出力アンプ５に接続され、制御用組込マイコンボード１９から送信されるデジタル信号をアナログ信号に変換し、変換したアナログ信号をビデオ高出力アンプ５に送信する。

ビデオ高出力アンプ５は、キャリアキャンセラー７、差動増幅器９の＋入力端子、および混合器１１に接続され、変換器３のＤＡＣ１５から受信したアナログ信号より周波数変調連続波（ＦＭＣＷ）を生成し、送信波として出力する。

キャリアキャンセラー７は、差動増幅器９の−入力端子に接続され、差動増幅器９の出力端子は、混合器１１に接続されている。キャリアキャンセラー７および差動増幅器９でキャンセラー回路を形成している。

混合器１１は、アナログ乗算器であり、２つの異なる周波数、例えばｆ_１とｆ_２の信号を入力すると、ヘテロダインの原理により、その和と差の周波数ｆ_１±ｆ_２の信号を出力する回路である。ここで「ヘテロダインの原理」とは、周波数がわずかに異なる２つの波を重ね合わせたときに、その周波数の差に等しいビート波（うなり）が観測できることをいう。混合器１１は、ローパスフィルター１３に接続され、ビデオ高出力アンプ５から受信する送信ＦＭ信号と差動増幅器９から受信する受信ＦＭ信号とを乗算してビート波の信号を生成し、そのビート波の信号をローパスフィルター１３に送信する。

ローパスフィルター１３は、変換器３が備えるＡＤＣ１７と接続され、混合器１１から受信したビート波の信号のうち高周波成分を除去したビート波の信号をＡＤＣ１７に送信する。

ＡＤＣ１７は、ローパスフィルター１３から受信したビート波の信号をデジタル信号に変換し、変換したデジタル信号を制御用組込マイコンボード１９に送信する。

制御用組込マイコンボード１９には、標定相切換リレー２１および故障検出リレー２３が接続されている。

標定相切換リレー２１は、結合フィルタ（ＣＦ）２５および容量変成器（ＰＤ）２７を介して、例えば、３相交流の架空送電線２９と接続している。さらに、標定相切換リレー２１は、遅延素子（ＤＬ）３５および平衡化変成器３７を介してビデオ高出力アンプ５および差動増幅器９に接続している。標定相切換リレー２１は、制御用組込マイコンボード１９から標定相の切換制御信号およびビデオ高出力アンプ５から送信波である送信ＦＭ信号を受信する。また、標定相切換リレー２１は、差動増幅器９に受信波である受信ＦＭ信号を送信する。

容量変成器（ＰＤ）２７は、交流電力の電圧の高さを電磁誘導を利用して変換する電気所３１の既設設備の電力機器・電子部品であり、高圧の１次側電圧を分圧することにより測定可能な２次側電圧まで変換するものである。なお、遅延素子（ＤＬ）３５は、標定相切換リレー２１と故障点標定装置１との距離が短い場合、送信波と受信波からビート波を検出しやすくするために用いることができる。

架空送電線２９は、電気所３１の母線Ｂに接続され、各架空送電線２９上にブロッキングコイル（ＢＣ）３３が備えられている。なお、容量変成器（ＰＤ）２７は、結合コンデンサ（ＣＣ）を用いることができ、架空送電線２９は直流であってもよい。直流の場合は、本線が２本と帰線が２本の合計４本で架空送電線２９が構成される。

故障検出リレー２３は、架空送電線２９の故障を検出すると、起動信号を制御用組込マイコンボード１９に送信する。なお、故障点標定装置１は、ＦＭＣＷを予め記憶させる半導体記憶装置を備えることもできる。

平衡化変成器３７は、故障点標定装置１側の変成器（トランス）で、インピーダンスが非平衡のケーブルでも測定を可能とするものである。これにより、複数の送電線のうち任意の送電線の組合せにおいても故障点を検出することができる。

図２は、図１における本実施形態の故障点標定装置１の動作原理を説明する図である。図２を用いて、故障点標定装置１におけるビート波の信号を検出する動作について説明する。

まず、ビデオ高出力アンプ５は、変換器３のＤＡＣ１５から受信したアナログ信号より周波数変調連続波（ＦＭＣＷ）を生成し、送信波としてＦＭＣＷを架空送電線２９に出力する（太線２０１）。ＦＭＣＷは、ＣＦ２５を介して、架空送電線２９に流れる。

架空送電線２９に流れた送信波であるＦＭＣＷは、架空送電線２９のインピーダンスが変化している所（故障点）で反射波となる。反射波である受信波は、送信波が流れた経路を架空送電線２９からＣＦ２５を介してキャンセラー回路に向かって、送信波と逆に戻って流れてくる（太線２０２）。このとき、受信波は、送信波と比較して、振幅が小さくなり周期も遅れている。

一方、ビデオ高出力アンプ５で生成されたＦＭＣＷは、送信波としてキャンセラー回路の差動増幅器９にも出力される（破線２０３）。したがって、ビデオ高出力アンプ５で生成されたＦＭＣＷをキャンセラー回路２０４のキャリアキャンセラー７にも出力し、キャンセラー回路２０４で送信波を打ち消して、受信波のみを差動増幅器９から出力する。なお、本実施形態のキャンセラー回路２０４は、従来はハイブリッド回路やサーキュレータ回路を使用していた。

差動増幅器９から出力した受信波の信号と、ビデオ高出力アンプ５から直接受信した送信波と同じ波形のローカル信号（送信ＦＭ信号）を混合器１１に入力する（線分２０５）。

混合器１１は、送信波および受信波の正弦波を重ね合わせてビート波を生成する。生成したビート波から故障点が検出できるビート信号を生成するため、ビート波を検波する。このときの検波の方式は、最も効率の良い方式としてプロダクト検波と呼ばれている方式を採用する。

図３Ａないし３Ｄは、本実施形態の故障点標定装置１による故障点の検波方式を説明する図である。図３Ａないし３Ｄを用いて本実施形態におけるＦＭＣＷを利用した故障点の検出方法を説明する。

図３Ａは、ビデオ高出力アンプ５から架空送電線２９へ送信する送信波３０１と、送信波３０１が架空送電線２９の故障点で反射し、差動増幅器９で受信する受信波３０２の模式波形を示している。縦軸が波の振幅で、横軸が時間を表している。受信波３０２は、送信波３０１と比べて電波の架空送電線２９上での到達時間だけ遅れ、その遅れた到達時間の分だけ周波数がずれている。

図３Ｂは、送信波３０１および受信波３０２を混合器１１で合成した模式波形を示している。なお、図３Ａと同様に、縦軸が波の振幅で横軸が時間を表しているが、時間軸は図３Ａより長く取っている。２つの異なる周波数の波を合成しているため、合成波は、ビート波（うなり）３０３となっている。

図３Ｃは、各時間におけるビート波３０３の振幅（うなりの振幅）のピークを線で結んだ包絡線３０４を示している。なお、図３Ｂと同様に、縦軸が波の振幅で横軸が時間を表している。

図３Ｄは、ビート波３０３に対し、フーリエ変換による周波数成分解析（ＦＦＴ）を行い、故障点で反射し、周波数成分が変化した位置（ピーク点３０５）を示している。なお、図３Ｄでは、縦軸が波の振幅で横軸が周波数を表している。

次に、ＦＭＣＷ方式を利用した故障位置の検出方法を説明する。

まず、ビデオ高出力アンプ５から架空送電線２９へＦＭＣＷである送信波３０１を送信する。送信したＦＭＣＷの反射波（エコー）を差動増幅器９で受信する（図３Ａ）。送信波３０１および受信波３０２を混合器１１で合成してビート波３０３を生成する（図３Ｂ）。ローパスフィルター１３でビート波３０３の振幅を表す包絡線３０４を抽出する（図３Ｃ）。抽出した包絡線３０４を制御用組込マイコンボード１９で周波数成分解析（ＦＦＴ）する（図３Ｄ）。インピーダンスの変化により、故障点で反射した周波数成分が強く変化している点を検出する（図３Ｄ）。周波数成分が強く変化している点の周波数から故障点の位置を導出する。故障点の位置の導出方法は、以下で説明する。

図４は、本実施形態のＦＭＣＷ方式を利用した故障点の位置の導出方法を説明する図である。図４において、縦軸は波の周波数ｆを表し、横軸は時間ｔを表している。また、図４では、スイープ周波数（一定の周期で変化させる送信波３０１の周波数）をΔＦ、スイープ時間をＴ、スイープレートをｋ、ビート波の周波数（送信波３０１および受信波３０２の周波数の差分）をｆｂ、反射波の遅れ時間をΔｔ、伝搬速度をｃ、反射点（故障点）までの距離をＸとする。

図４において、三角形の相似より、
ΔＦ／Ｔ ＝ｆｂ／Δｔ ・・・（１）
式（１）を変形して、
Δｔ ＝ (Ｔ・ｆｂ)／ΔＦ ・・・（１）´
計測点から故障点までの往復距離２Ｘは、
２Ｘ＝ｃ・Δｔ ・・・（２）
となるため、式（２）に式（１）´を代入すると、
２Ｘ＝ｃ・(Ｔ・ｆｂ)／ΔＦ ・・・（２）´
式（２）´を変形して、
Ｘ＝｛(Ｔ・ｃ)／(ΔＦ・２)｝・ｆｂ ・・・（３）
ここで、ΔＦ／Ｔはスイープレートｋとなるため、ｋを式（３）に代入すると、
Ｘ＝｛ｃ／(２ｋ)｝・ｆｂ ・・・（３）´
したがって、スイープレートｋ（＝ΔＦ／Ｔ）と伝搬速度ｃは既知なのでビート波の周波数ｆｂを求めれば、故障点までの距離Ｘが式（３）´より求められる。

本実施形態によれば、周波数変調連続波（ＦＭＣＷ）からなる送信波と、その反射波とのビート（うなり）波形の強度が送電線路のサージインピーダンスの変化に対応する。ビート波のフーリエ変換を行うことにより、サージインピーダンスの変化点を表す波形のピーク点が、故障点として導出できる。従来は、ＦＭＣＷは、気象レーダー等の気中への送信用として使用されていた。また、本発明の技術分野における技術常識的として、ＦＭＣＷは、ギガヘルツ帯のような高周波帯域にしか使用できず、減衰が大きくて個体には使用できないとされていた。しかし、実際に架空送電線に注入する送信波にＦＭＣＷを適用したところ、故障点の標定が可能であることがわかった。

ここで、本実施形態における標定可能最短距離の導出方法を以下に示す。

まず、最小ビート周波数をｆｂmin、伝搬速度をｃ、スイープレートをｋとすると、標定可能最短距離Ｌmin は、
Ｌmin＝（ｆｂmin・ｃ）／（２・ｋ） ・・・（４）
線路長をＬ、スイープ時間をＴとすると、最少ビート周波数ｆｂminは、
ｆｂmin＝１／｛Ｔ−(２・Ｌ/ｃ) ｝ ・・・（５）
なお、往復時間（２・Ｌ/ｃ）は、反射波の遅れ時間Δtに対応する。
スイープ周波数をΔＦ（＝Ｆmax−Ｆmin）とすると、スイープレートｋは、
ｋ＝ΔＦ／Ｔ＝（Ｆmax−Ｆmin）／Ｔ ・・・（６）
となる。
よって、式（４）に式（５）と式（６）を代入すると、標定可能最短距離Ｌmin は、
Ｌmin＝（ｃ・Ｔ）／［２・｛Ｔ−(２・Ｌ/ｃ) ｝・（Ｆmax−Ｆmin）］ ・・・（７）
となる。

一具体例として、線路長を２６．９５km、スイープ周波数を１７０kHz〜４５０kHz、スイープ時間を１０msとした場合の標定可能最短距離は、式（７）より５４５mとなる。

したがって、故障点標定装置１にＦＭＣＷを適用し、使用可能周波数帯域内で周波数を掃引（スイープ）することにより、以下の効果を奏することができる。すなわち、故障点標定装置１からの近端標定不能区間を低減することができる。また、距離分解能が向上し、検出感度向上により伝送損失の大きい送電線路での標定ができる。また、インピーダンス変化点の検出が可能となるため線路状態の監視ができる。

本実施形態のＦＭＣＷは、低電圧の送信波電圧で標定することができるため、コンデンサ充電が不要となる。これにより、装置構成回路全体の半導体化が可能となるため、故障点標定装置の小型化を図ることができる。

さらに、装置構成回路全体の半導体化により、波形発生間隔の短縮化および波形処理部の多機能化が可能となり、標定精度および信頼度を向上することができる。
本実施形態に係るＦＭＣＷを適用した故障点標定装置１は、例えば、直流送電線の架空部の故障点を標定するために用いることができる。なお、本実施形態の故障点標定装置１は、架空送電線に限らず、電線や同軸ケーブル等のメタルケーブルの故障点の標定に用いることもできる。

１ 故障点標定装置
３ 変換器
５ ビデオ高出力アンプ
７ キャリアキャンセラー
９ 差動増幅器
１１ 混合器（Ｍｉｘｅｒ）
１３ ローパスフィルター
１５ デジタルアナログ変換器（ＤＡＣ）
１７ アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）
１９ 制御用組込マイコンボード
２１ 標定相切換リレー
２３ 故障検出リレー
２５ 結合フィルタ（ＣＦ）
２７ 容量変成器（ＰＤ）
２９ 架空送電線
３１ 電気所
３３ ブロッキングコイル（ＢＣ）
３５ 遅延素子（ＤＬ）
３７ 平衡化変成器
２０１、２０２、２０５ 太線
２０３ 破線
２０４ キャンセラー回路
３０１ 送信波
３０２ 受信波
３０３ ビート波
３０４ 包絡線
３０５ ピーク点

Claims (4)

1. １つの架空送電線の入出力点に入力した送信波と、前記１つの架空送電線を伝播しインピーダンスが変化する特異点で反射し前記１つの架空送電線を逆伝播して前記入出力点から出力した前記送信波の反射波との比較により前記１つの架空送電線の特異点を標定する特異点標定装置であって、
   前記送信波は、連続して周波数が変調する周波数変調連続波（ＦＭＣＷ）を適用し、結合フィルタおよび容量変成器を介して、前記特異点標定装置から前記架空送電線に入力され、前記反射波は、前記容量変成器および前記結合フィルタを介して、前記架空送電線から前記特異点標定装置に出力され、前記ＦＭＣＷの送信波と前記反射波との周波数の差に基づいて前記特異点を標定することを特徴とする特異点標定装置。
2. １つの架空送電線の入出力点に入力した送信波と、前記１つの架空送電線を伝播しインピーダンスが変化する特異点で反射し前記１つの架空送電線を逆伝播して前記入出力点から出力した前記送信波の反射波との比較により前記１つの架空送電線の特異点を標定する特異点標定装置であって、
   前記送信波に適用する、連続して周波数が変調する周波数変調連続波（ＦＭＣＷ）を生成するＦＭＣＷ生成手段と、
   前記反射波を受信する受信回路に回り込む前記ＦＭＣＷの送信波を打ち消す半導体回路と、
   前記ＦＭＣＷの送信波および前記反射波の周波数の差からビート波を生成する半導体乗算手段と、
   前記ビート波の低周波成分を取り出す低周波帯通過弁別器と
   を備え、
   前記ＦＭＣＷ生成手段および前記半導体回路は、結合フィルタおよび容量変成器を介して、前記架空送電線に接続されることを特徴とする特異点標定装置。
3. 前記特異点標定装置は、複数の架空送電線と接続する平衡化変成器を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の特異点標定装置。
4. 前記ＦＭＣＷを予め記憶させる半導体記憶手段と、
   デジタル信号をアナログ信号に変換するデジタルアナログ変換手段と、
   半導体論理回路で前記デジタルアナログ変換手段を制御する制御手段と
   をさらに備え、
   前記制御手段は、前記デジタルアナログ変換手段からアナログ波形の信号を出力させ、
   ＦＭＣＷ生成手段は、前記アナログ波形の信号を入力し、前記ＦＭＣＷの信号を連続的に出力する広帯域電子増幅器であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の特異点標定装置。

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