JP5866390B2 - 電力回路開閉器用制御回路 - Google Patents

Description

本発明は、電力回路開閉器用制御回路に関し、特に、電力回路を流れる電力系統の電流の検出に応答して開閉器を制御する速度を速くすることのできる電力回路開閉器用制御回路に関する。

電力系統、すなわち電力システムは、発電と消費が同時に行われ、発電所から需用家までの大規模な送電網、変電所及び配電網から構成される。

電力システム（電力系統）の各要素には、事故時にシステムを保護するための様々な装置が適用されており、そのうち、保護継電器は、正常範囲を超える過電流や短絡電流を感知して遮断器を駆動することで故障区間を電力系統から分離する役割を果たす。

短絡事故などが発生すると、発電機又は母線には事故地点までの線路インピーダンス程度の非常に低いインピーダンスが接続されるため、電力系統（以下、単に系統ともいう）には非常に大きな短絡電流が流れ、系統は電圧降下、周波数減少、電力機器の熱的及び機械的ストレスなどの問題が生じ、システムが不安定になるので、電力システムの安定度の面で故障区間の分離は迅速に行われるほど有利である。

デジタル保護継電器において現在広く適用されている系統電流の事故（系統回路における短絡事故などの故障電流の発生）決定方法としては、離散フーリエ変換（Discrete Fourier Transform; DFT）を用いる方法がある。

この方法は、サンプリングされた系統に流れる電流信号を離散フーリエ変換することにより、系統電流のうち周波数成分のみの大きさ及び位相を抽出し、事故発生の有無を決定するものである。

すなわち、事故電流発生時に大きく発生する電流信号から系統周波数成分のみの大きさを抽出し、その信号波形に基づいて事故電流の発生であるか、単なるサージ波形であるかを決定する。

このような方法は、実現が簡単でノイズに強いという利点を有するが、系統電流、すなわちサイン波のような形態の交流電流信号に対して交流電流信号の１周期の入力データを必要とするため、１周期以上の検出所要時間が必要であることから、非常に大きな事故電流が発生すると、不要に長い時間負荷機器及び電力系統が事故電流にさらされ、大きな損傷を生じさせる可能性があるという問題があった。

本発明は、このような従来技術の問題を解決するためになされたものであり、事故電流発生の高速決定が不要な電流領域では離散フーリエ変換を用いて事故電流発生の有無を決定し、大電流領域では電力系統の電流の変化率（微分値）を用いて事故電流発生の有無を高速で決定するようにして、電力回路を遮断することのできる電力回路開閉器用制御回路を提供することを目的とする。

上記本発明の目的は、電力系統の電流の検出信号を１周期サンプリングして供給するサンプリング／ホールド（SAMPLING/HOLD; S/H）回路部と、前記サンプリング／ホールド回路部の出力端に接続され、前記サンプリング／ホールド回路部から供給される電力系統の電流の検出信号の１周期のサンプリング信号を離散フーリエ変換して電力系統の電流の周波数成分の大きさ及び位相を供給する離散フーリエ変換器と、電力系統の電流の検出信号を微分して時間に対する電力系統の電流の変化率を供給する微分器と、前記離散フーリエ変換器及び前記微分器に接続され、前記電力系統の電流の変化率及び基準変化率に基づいて、前記離散フーリエ変換器からの電力系統の電流の周波数成分の大きさ又は前記微分器からの変化率に応じてトリップ制御を決定する制御部とを含む、本発明による電力回路開閉器用制御回路を提供することにより達成される。

本発明の好ましい一態様によれば、前記制御部は、前記電力系統の電流の検出信号による前記電力系統の電流の値が定格電流値を超える場合、前記微分器からの変化率と所定の基準変化率とを比較し、前記変化率が前記基準変化率より小さいと、前記離散フーリエ変換器から供給される電力系統の電流の周波数成分の大きさに基づいてトリップ制御を行うか否かを決定し、前記変化率が前記基準変化率以上であると、前記微分器からの変化率に基づいてトリップ制御を行うか否かを決定する。

本発明の好ましい他の態様によれば、本発明による電力回路開閉器用制御回路は、前記サンプリング／ホールド回路部、前記微分器及び前記制御部に接続され、前記電力系統の電流の検出信号を供給する変流器をさらに含んでもよい。

本発明による電力回路開閉器用制御回路においては、時間に対する電力系統の電流の変化率及び基準変化率に基づいて、変化率が基準変化率以上であると、前記電力系統の電流が短絡電流などの大電流（事故電流）であると決定して回路遮断器にトリップ制御信号を出力し、変化率が基準変化率より小さいと、離散フーリエ変換器から出力される電力系統の電流の周波数成分の大きさに基づいてトリップ制御を決定することができる。つまり、小さな事故電流に対しては離散フーリエ変換による１周期以上の時間がかかる事故電流発生の決定を行い、短絡電流などの大きな事故電流に対しては１周期未満の短時間で高速で事故電流発生の決定及び開閉器へのトリップ制御信号の出力を行うことができるという効果が得られる。

本発明による電力回路開閉器用制御回路において、前記制御部は、前記電力系統の電流の検出信号による前記電力系統の電流の値が定格電流値を超える場合、前記微分器からの変化率と所定の基準変化率とを比較し、前記変化率が前記基準変化率より小さいと、前記離散フーリエ変換器から供給される電力系統の電流の周波数成分の大きさに基づいてトリップ制御を行うか否かを決定し、前記変化率が前記基準変化率以上であると、前記微分器からの変化率に基づいてトリップ制御を行うか否かを決定する。つまり、定格電流値を超える電力系統の異常電流が発生すると、事故電流の変化率に応じて対応速度を選択して開閉器の制御を行うことができるという効果が得られる。

本発明による電力回路開閉器用制御回路は、サンプリング／ホールド回路部、微分器及び制御部に接続され、前記電力系統の電流の検出信号を供給する変流器を含むので、前記サンプリング／ホールド回路部により電力系統の電流の検出による１周期データの提供を行うことができるだけでなく、前記微分器により電力系統の電流の変化率の供給を行うことができ、前記制御部により所定の定格電流値との比較によるトリップ制御信号の出力が必要であるか否かの決定を行うことができるという効果が得られる。

本発明の好ましい実施形態による電力回路開閉器用制御回路の構成を示す機能ブロック図である。 変化率が異なる２つの電力系統の電流の波形及び変化率の差を示す波形図である。 本発明の好ましい実施形態による電力回路開閉器用制御回路の制御方法を示すフローチャートである。

上記本発明の目的とそれを達成する本発明の構成及び作用効果は、添付の図面を参照した本発明の好ましい実施形態の後述する詳細な説明によりさらに明確に理解できるであろう。

図１は、本発明の好ましい実施形態による電力回路開閉器用制御回路の構成を示す機能ブロック図である。同図に示すように、本発明の好ましい実施形態による電力回路開閉器用制御回路１０は、サンプリング／ホールド（Ｓ／Ｈ）回路部１０ａ、離散フーリエ変換器（ＤＦＴ）１０ｂ、微分器１０ｃ及び制御部１０ｄを含む。

サンプリング／ホールド回路部１０ａは、電力系統の電流の検出信号を１周期サンプリングして供給する回路部である。ここで、電力系統の電流の検出信号は、変流器１により検出されて供給されるものであってもよい。

離散フーリエ変換器１０ｂは、サンプリング／ホールド回路部１０ａの出力端に接続され、サンプリング／ホールド回路部１０ａから供給される電力系統の電流の検出信号の１周期のサンプリング信号を離散フーリエ変換して電力系統の電流の周波数成分の大きさ及び位相を供給する回路部である。

微分器１０ｃは、電力系統の電流の検出信号を微分して時間に対する電力系統の電流の変化率を供給する回路部である。

制御部１０ｄは、離散フーリエ変換器１０ｂ及び微分器１０ｃに接続され、前記電力系統の電流の変化率及び基準変化率に基づいて、離散フーリエ変換器１０ｂからの電力系統の電流の周波数成分の大きさ又は微分器１０ｃからの変化率に応じてトリップ制御を決定する。ここで、トリップ制御とは、本発明の好ましい実施形態による電力回路開閉器用制御回路１０の制御対象である回路遮断器などの開閉機器が電力系統回路を遮断する位置に動作するように制御することを意味する。このようなトリップ制御のための制御部１０ｄのトリップ制御信号は、回路遮断器（図示せず）の電磁気トリップ機構の要部を形成する励磁コイル、すなわちトリップコイルを励磁する励磁制御信号であって、制御部１０ｄから出力される。

特に、制御部１０ｄは、前記電力系統の電流の検出信号による前記電力系統の電流の値が定格電流値（図２の波形Ｓ４の電流値を参照）を超える場合、微分器１０ｃからの変化率と所定の基準変化率とを比較し、前記変化率が前記基準変化率より小さいと、離散フーリエ変換器１０ｂから供給される電力系統の電流の周波数成分の大きさに基づいてトリップ制御を行うか否かを決定し、前記変化率が前記基準変化率以上であると、微分器１０ｃからの変化率に基づいてトリップ制御を行うか否かを決定する。

本発明の好ましい実施形態による電力回路開閉器用制御回路１０は、サンプリング／ホールド回路部１０ａ、微分器１０ｃ及び制御部１０ｄに接続され、前記電力系統の電流の検出信号を供給する変流器１をさらに含んでもよい。

以下、前述したように構成される本発明の好ましい実施形態による電力回路開閉器用制御回路１０の動作を図１〜図３を参照して説明する。

図２において、符号Ｓ１は短絡電流のように定格電流（Ｓ４）の数倍〜数十倍に達する大きな事故電流の波形を示し、符号Ｓ２は定格電流（Ｓ４）の数倍以内の比較的小さな事故電流の波形を示し、符号Ｓ３は定格電流（Ｓ４）の数倍以内であり、かつ変化率の小さい事故電流の波形を示し、符号Ｓ４は定格電流値を示す波形であり、符号ｉｌｉｍｉｔは上限基準電流値を示す。

制御部１０ｄ、サンプリング／ホールド回路部１０ａ及び微分器１０ｃは、変流器１から前記電力系統の電流の検出信号を受信する。

まず、変流器１から供給される前記電力系統の電流の検出信号が符号Ｓ３のような波形の場合における、本発明の好ましい実施形態による電力回路開閉器用制御回路１０の動作を説明する。

図３のステップＳＴ１で、制御部１０ｄは、変流器１から供給される前記電力系統の電流の検出信号の電流値が予め保存されている所定の上限基準電流値ｉｌｉｍｉｔ以上であるか否かを、処理プログラムに従って比較する。

ステップＳＴ１の比較の結果、前記電力系統の電流の検出信号の電流値が予め保存されている所定の上限基準電流値ｉｌｉｍｉｔ以上であると、制御部１０ｄは、処理プログラムに従ってステップＳＴ２に進み、前記電力系統の電流の検出信号の電流値が予め保存されている所定の上限基準電流値ｉｌｉｍｉｔより小さいと、次に入力される前記電力系統の電流の検出信号に対してステップＳＴ１を行う。

図３のステップＳＴ２で、制御部１０ｄは、微分器１０ｃからの変化率と予め保存されている所定の基準変化率とを比較する。

ステップＳＴ２の比較の結果、微分器１０ｃからの変化率が予め保存されている所定の基準変化率以上であると、ステップＳＴ４に進み、微分器１０ｃからの変化率が予め保存されている所定の基準変化率より小さいと、ステップＳＴ３に進む。

前記電力系統の電流の検出信号が符号Ｓ３のような波形の場合は、ステップＳＴ２の比較で微分器１０ｃからの変化率が予め保存されている所定の基準変化率より小さいので、ステップＳＴ３に進み、制御部１０ｄは、離散フーリエ変換器１０ｂから供給される電力系統の電流の周波数成分の大きさと予め保存されている所定のトリップ基準値とを比較する。

図３のステップＳＴ３での比較の結果、離散フーリエ変換器１０ｂから供給される電力系統の電流の周波数成分の大きさが予め保存されている所定のトリップ基準値以上であると、ステップＳＴ５に進み、離散フーリエ変換器１０ｂから供給される電力系統の電流の周波数成分の大きさが予め保存されている所定のトリップ基準値より小さいと、ステップＳＴ１を再度行う。

離散フーリエ変換器１０ｂから供給される電力系統の電流の周波数成分の大きさが予め保存されている所定のトリップ基準値以上であると、ステップＳＴ５で、制御部１０ｄは、トリップ制御信号を回路遮断器（図示せず）のトリップ機構のトリップコイルに出力してトリップコイルを励磁する。すると、トリップ機構が開閉機構をトリップ位置に動作するようにトリガすることにより、開閉機構のトリップスプリングにより可動接点が対応する固定接点から分離されて回路が遮断されるトリップ動作が行われる。それにより、電力系統の回路が遮断されて事故電流から保護される。

次に、変流器１から供給される前記電力系統の電流の検出信号が符号Ｓ２又はＳ１のような波形の場合における、本発明の好ましい実施形態による電力回路開閉器用制御回路１０の動作を説明する。

図３のステップＳＴ１で、制御部１０ｄは、変流器１から供給される前記電力系統の電流の検出信号の電流値が予め保存されている所定の上限基準電流値ｉｌｉｍｉｔ以上であるか否かを、処理プログラムに従って比較する。

ステップＳＴ１の比較の結果、前記電力系統の電流の検出信号の電流値が予め保存されている所定の上限基準電流値ｉｌｉｍｉｔ以上であると、制御部１０ｄは、処理プログラムに従ってステップＳＴ２に進み、前記電力系統の電流の検出信号の電流値が予め保存されている所定の上限基準電流値ｉｌｉｍｉｔより小さいと、次に入力される前記電力系統の電流の検出信号に対してステップＳＴ１を行う。

図３のステップＳＴ２で、制御部１０ｄは、微分器１０ｃからの変化率と予め保存されている所定の基準変化率とを比較する。

前記電力系統の電流の検出信号が符号Ｓ２又はＳ１のような波形の場合は、ステップＳＴ２の比較で微分器１０ｃからの変化率が予め保存されている所定の基準変化率以上であるので、ステップＳＴ４に進む。

微分器１０ｃからの変化率が予め保存されている所定の基準変化率以上であるということは、検出された前記電力系統の電流が短絡電流などの大電流であることを意味するので、図３のステップＳＴ４で、制御部１０ｄは、トリップ制御信号を回路遮断器（図示せず）のトリップ機構のトリップコイルに出力してトリップコイルを励磁する。すると、トリップ機構が開閉機構をトリップ位置に動作するようにトリガすることにより、開閉機構のトリップスプリングにより可動接点が対応する固定接点から分離されて回路が遮断されるトリップ動作が行われる。それにより、電力系統の回路が遮断されて事故電流から保護される。

１０ 電力回路開閉器用制御回路
１０ａ サンプリング／ホールド回路部
１０ｂ 離散フーリエ変換器
１０ｃ 微分器
１０ｄ 制御部

Claims (2)

1. 電力回路開閉器用制御回路において、
   電力系統の電流の検出信号を１周期サンプリングして供給するサンプリング／ホールド回路部と、
   前記サンプリング／ホールド回路部の出力端に接続され、前記サンプリング／ホールド回路部から供給される電力系統の電流の検出信号の１周期のサンプリング信号を離散フーリエ変換して電力系統の電流の周波数成分の大きさ及び位相を供給する離散フーリエ変換器と、
   電力系統の電流の検出信号を微分して時間に対する電力系統の電流の変化率を供給する微分器と、
   前記離散フーリエ変換器及び前記微分器に接続され、前記電力系統の電流の変化率及び基準変化率に基づいて、前記離散フーリエ変換器からの電力系統の電流の周波数成分の大きさ又は前記微分器からの変化率に応じてトリップ制御を決定する制御部と
   を含み、
   前記制御部は、前記電力系統の電流の検出信号による前記電力系統の電流の値が定格電流値を超える場合、前記微分器からの変化率と所定の基準変化率とを比較し、前記変化率が前記基準変化率より小さいと、前記離散フーリエ変換器から供給される電力系統の電流の周波数成分の大きさに基づいてトリップ制御を行うか否かを決定し、
   前記制御部は、前記電力系統の電流の検出信号による前記電力系統の電流の値が定格電流値を超える場合、前記微分器からの変化率と所定の基準変化率とを比較し、前記変化率が前記基準変化率以上であると、前記微分器からの変化率に基づいてトリップ制御を行うか否かを決定する、電力回路開閉器用制御回路。
2. 前記サンプリング／ホールド回路部、前記微分器及び前記制御部に接続され、前記電力系統の電流の検出信号を供給する変流器をさらに含む、請求項１に記載の電力回路開閉器用制御回路。

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