JP5938358B2 - 光モジュール寿命予測システム、光モジュール寿命予測装置、光モジュール寿命予測方法及び光モジュール寿命予測プログラム - Google Patents
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Description
アナログ入力部は、入力変換器、高調波除去用のアナログフィルタとA/D変換器を有する。
アナログ入力部は、電力系統から電圧信号、電流信号等のアナログ信号を受けて、アナログ入力信号のうち基本波に重畳した高調波成分をアナログフィルタにより除去し、アナログフィルタの出力信号を電気角30度(サンプリング周波数600Hzまたは720Hz)の周期でサンプリングすることで、アナログ信号をディジタル信号に変換する。近年では、電気角3.75°や7.5°等の高速サンプリングも適用されている。
ディジタル演算処理部は、このディジタル信号から電力系統の電圧及び電流の大きさ、またはインピーダンスを演算して、系統事故を判別し、遮断器を遮断するトリップ指令信号を発生する。そして、トリップ指令信号は出力部から出力される。
なお、本発明に類似すると思われる技術が開示されている先行技術文献を、特許文献1に示す。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
図1は、本発明の実施形態であるディジタルリレー装置(ディジタル保護制御装置)が設けられた電力系統の模式図である。
電力系統101は送電線2ルート構成の例を示す。 第一サブステーション102は、母線103に発電機104と第一送電線105と第二送電線106が接続されている。
第二サブステーション107は、母線108に変圧器109と第一送電線105と第二送電線106が接続されている。変圧器109の先には、図示しない負荷が接続される。
第一サブステーション102と第二サブステーション107は、発電機104と変圧器109を除き、それぞれ同じ構成を備えている。
同様に、第一送電線105の、母線108の近傍には変流器110bと遮断器111bが設けられている。変流器110bと遮断器111bはディジタルリレー装置112bに接続されている。
第二送電線106の、母線103の近傍には変流器110cと遮断器111cが設けられている。変流器110cと遮断器111cはディジタルリレー装置112cに接続されている。
同様に、第二送電線106の、母線108の近傍には変流器110dと遮断器111dが設けられている。変流器110dと遮断器111dはディジタルリレー装置112dに接続されている。
ディジタルリレー装置112bは光モジュール113c及び113dを内蔵している。
光モジュール113aは光モジュール113cと光ケーブル114aで接続されている。
光モジュール113bは光モジュール113dと光ケーブル114bで接続されている。
ディジタルリレー装置112cは光モジュール113e及び113fを内蔵している。
ディジタルリレー装置112dは光モジュール113g及び113hを内蔵している。
光モジュール113eは光モジュール113gと光ケーブル114cで接続されている。
光モジュール113fは光モジュール113hと光ケーブル114dで接続されている。
同様に、ディジタルリレー装置112bは変流器110bから供給される電流信号を受けて、遮断器111bを開閉させる。
同様に、ディジタルリレー装置112cは変流器110cから供給される電流信号を受けて、遮断器111cを開閉させる。
同様に、ディジタルリレー装置112dは変流器110dから供給される電流信号を受けて、遮断器111dを開閉させる。
なお、ディジタルリレー装置112a、112b、112c及び112dを特に区別しない場合は、ディジタルリレー装置112と称することもある。
同様に、変流器110a、110b、110c及び110dを特に区別しない場合は、変流器110と称することもある。
同様に、遮断器111a、111b、111c及び111dを特に区別しない場合は、遮断器111と称することもある。
同様に、光モジュール113a、113b、113c、113d、113e、113f、113g及び113hを特に区別しない場合は、光モジュール113と称することもある。
同様に、光ケーブル114a、114b、114c及び114dを特に区別しない場合は、光ケーブル114と称することもある。
図2は、本発明の実施形態であるディジタルリレー装置112の構成を示すブロック図である。
ディジタルリレー装置112は、様々な形態の電力系統101に対して柔軟に対応できるように、機能毎にモジュール化されている。
制御処理部201は、汎用のネットワーク機器である光モジュール113と、リアルタイム処理部(以下「RT処理部」と略す)203よりなる。
制御処理部201と、アナログ入出力部204と、ディジタル入出力部205と、ヒューマンインターフェース処理部(以下「HI処理部」と略す)206は、第一バス207に接続される。
ディジタル入出力部205は、RT処理部203の出力に従って遮断器111を開閉すると共に、遮断器111から状態情報を取得する。
他のディジタルリレー装置112に接続されている光ケーブル114は、光モジュール113に接続される。
RT処理部203は、光ケーブル114を通じて受信する、対向側のディジタルリレー装置112の電流情報と、現場のディジタルリレー装置112の電流情報を比較することで、短絡事故や地絡事故等の異常を瞬時に検出する。そして、RT処理部203はディジタル入出力部205に接続されている遮断器111をトリップさせる。
光モジュール113は前述のI2C等の第二バス208を通じてRT処理部203に接続される。第二バス208は光モジュール113の状態情報をRT処理部203に送る。
また、RT処理部203は、光モジュール113が装着されるスロットにスロット番号を設けて、複数の光モジュール113の、RT処理部203における物理的な位置を一意に識別する。
図2中、光モジュール113aはRT処理部203のスロット番号#0に装着されている。同様に、光モジュール113bはRT処理部203のスロット番号#1に装着されている。
HI処理部206は、周知のCPU301、ROM302、RAM303、日時情報を出力するリアルタイムクロック(以下「RTC」と略す)304、液晶ディスプレイである表示部305、操作ボタンである操作部306、NIC307及びインターフェース(以下「I/F」と略す)308がバス309に接続されており、周知のマイクロコンピュータシステムを構成する。
HI処理部206はRT処理部203に対する制御動作の指示を行うと共に、後述する寿命予測サーバ117に対して光モジュール113の状態情報を送信する。HI処理部206はROM302に格納されているプログラムに従って動作する。HI処理部206はプログラムに従って、記憶部を構成するRAM303に格納されている整定値に基づく制御コマンドを、第一バス207に接続されるI/F308を通じてRT処理部203に送信する。
この他、ROM302にはwebサーバプログラムが格納されており、NIC307を通じて図示しない端末のwebブラウザから制御の指示を受信することもできる。
CPU301は、ROM302のプログラムを読み込むと、HI処理部206の機能として、入出力処理部310と、タスク起動処理部311と、リレー装置識別情報312と、起動日時メモリ313と、最新送信日時メモリ314と、一時記憶領域315と日時情報生成部316を構成する。
タスク起動処理部311は日時情報生成部316から現在日時情報を読み取り、予め設定された日時のタイミングで、入出力処理部310を起動する。
入出力処理部310は、図4にて後述する動作を行い、RT処理部203から光モジュール113の情報を取得して、それら情報を寿命予測サーバ117に送信する。
寿命予測サーバ117に送信するデータは、ディジタルリレー装置112のMACアドレス、IPアドレス、光モジュール113のID情報、スロット番号、測定日時、駆動電流及び温度である。
図4は、HI処理部206による計測処理の動作の流れを示すフローチャートである。
入出力処理部310はタスク起動処理部311によって起動される。処理を開始すると(S401)、入出力処理部310は最初に起動日時メモリ313を見て、ディジタルリレー装置112の起動日時が記憶されているか否かを確認する(S402)。もし、ディジタルリレー装置112が起動したばかりでディジタルリレー装置112の起動日時が起動日時メモリ313に記憶されていない場合(S402のNO)は、入出力処理部310は日時情報生成部316から現在日時情報を取得して、起動日時メモリ313に記憶する(S403)。
図5Aは、寿命予測サーバ117のハードウェア構成を示すブロック図であり、図5Bは、寿命予測サーバ117のソフトウェアの機能を示すブロック図である。
寿命予測サーバ117は、周知のCPU501、ROM502、RAM503及びNIC507がバス509に接続されており、周知のマイクロコンピュータシステムを構成する。なお、一般的なパーソナルコンピュータと同様に、液晶ディスプレイ等の表示部505とキーボード等の操作部506を備えてもよい。
寿命予測サーバ117はネットワークを通じてディジタルリレー装置112から光モジュール113の情報を受信すると、ログテーブル又は光モジュールテーブルに情報を記録した後、図7にて後述する光モジュール113の寿命を予測する演算処理を実行する。
CPU501は、ROM502のプログラムを読み込むと、寿命予測サーバ117の機能として、入出力処理部510と、寿命予測演算処理部511と、リレー装置マスタ512と、光モジュールテーブル513と、ログテーブル514と、温度補正マスタ515を構成する。
入出力処理部510はネットワークを通じてディジタルリレー装置112から光モジュール113の情報を受信すると、ログテーブル514又は光モジュールテーブル513に情報を記録した後、寿命予測演算処理部511を起動して、光モジュール113の寿命を予測する演算処理を実行する。
寿命予測演算処理部511は、リレー装置マスタ512と、光モジュールテーブル513と、ログテーブル514を読み込み、ネットワークに接続されている全てのディジタルリレー装置112に組み込まれている全ての光モジュール113について、装置寿命が短くなったと判断できるものがあるか、確認する。そして、寿命が残り僅かであると判断される光モジュール113があった場合は、ログテーブル514と温度補正マスタ515を読み込み、寿命の補正演算を行う。
リレー装置マスタ512は、リレー装置名称フィールドと、NICのMACアドレスフィールドと、IPアドレスフィールドと、リレー装置シリアル番号フィールドで構成される。
リレー装置名称フィールドには、送配電システムの管理者によって任意に命名された名称の文字列が格納される。
NICのMACアドレスフィールドには、ディジタルリレー装置112のHI処理部206内のNICのMACアドレスが格納される。
IPアドレスフィールドには、HI処理部206内のNICに付されているIPアドレスが格納される。
リレー装置シリアル番号フィールドには、寿命予測サーバ117の図示しないプログラムによって自動的に採番された、ディジタルリレー装置112を一意に識別するシリアル番号が格納される。
ID情報フィールドには、ディジタルリレー装置112のRT処理部203内の光モジュール113のID情報が格納される。
スロット番号フィールドには、ディジタルリレー装置112のRT処理部203内の光モジュール113が装着されているスロットのスロット番号が格納される。
リレー装置シリアル番号フィールドには、リレー装置マスタ512のリレー装置シリアル番号フィールドと同じ、ディジタルリレー装置112を一意に識別するシリアル番号が格納される。
光モジュールシリアル番号フィールドには、寿命予測サーバ117の図示しないプログラムによって自動的に採番された、光モジュール113を一意に識別するシリアル番号が格納される。
初期値測定日時フィールドには、光モジュール113がディジタルリレー装置112に装着されて最初の、駆動電流と温度を測定した日時が格納される。
駆動電流フィールドには、光モジュール113がディジタルリレー装置112に装着されて最初に測定した駆動電流(初期駆動電流情報)が格納される。
温度フィールドには、光モジュール113がディジタルリレー装置112に装着されて最初に測定した温度が格納される。
光モジュールシリアル番号フィールドには、光モジュールテーブル513の光モジュールシリアル番号フィールドと同じ、光モジュール113を一意に識別するシリアル番号が格納される。
測定日時フィールドには、光モジュール113の駆動電流と温度を測定した日時が格納される。
駆動電流フィールドには、光モジュール113の駆動電流(現在駆動電流情報)が格納される。
温度フィールドには、光モジュール113の温度が格納される。
補正係数フィールドには、光モジュール113がある温度である場合に、寿命予測演算に適用する温度補正係数が格納されている。
温度範囲フィールドには、補正係数フィールドに格納されている温度補正係数を適用する温度の範囲が格納される。
図7は、光モジュール113の寿命を予測する処理の流れを説明するフローチャートである。
入出力処理部510はディジタルリレー装置112からデータを受信することによって起動される。処理を開始すると(S701)、入出力処理部510は最初に、受信したデータに含まれいている光モジュール113のID情報で光モジュールテーブル513を検索して、光モジュール113のID情報が光モジュールテーブル513に未登録のものであるか否かを確認する(S702)。未登録のID情報であると判明したら(S702のYES)、入出力処理部510はディジタルリレー装置112から受信したディジタルリレー装置112のMACアドレスとIPアドレスに基づいてリレー装置マスタ512を検索して、リレー装置シリアル番号を得る。そして、入出力処理部510はディジタルリレー装置112から受信した光モジュール113のID情報とスロット番号、測定日時、駆動電流及び温度を、リレー装置シリアル番号と共に光モジュールテーブル513に登録する。更に、光モジュールシリアル番号に新たなシリアル番号を書き込む(S703)。
次に寿命予測演算処理部511は、カウンタ変数iを1に初期化する(S707)。
もし、i番目のレコードが存在するなら(S712のNO)、寿命予測演算処理部511はステップS708から再度処理を繰り返す。
もし、i番目のレコードが存在しないなら(S712のYES)、寿命予測演算処理部511及び入出力処理部510は一連の処理を終了する(S713)。
光モジュール113は半導体であり、発光させるためには電流を流す必要がある。光モジュール113は電流を流すと発熱する。この発熱が光モジュール113を劣化させる原因となる。光モジュール113は劣化すると、投入する電流に対する発光強度が下がる。殆ど全ての光モジュール113は、その発光強度を一定範囲内に収めるため、駆動電流のフィードバック制御を行っている。すると、光モジュール113が劣化するに連れて、駆動電流が増えることとなる。駆動電流の増加は光モジュール113を一層発熱させることとなる。
半導体はジャンクション温度が上昇すると、寿命が短くなる。予測される寿命は、経験値に基づくアレニウスの法則により、温度によって変化することとなる。
図8Aは、光モジュール113の駆動電流の一例を示すグラフである。
サンプル線S801は、ある光モジュール113における駆動電流の変化を示す。
サンプル線S802は、別の光モジュール113における駆動電流の変化を示す。
サンプル線S803は、更に別の光モジュール113における駆動電流の変化を示す。
時点P804において、駆動電流の大小だけで比較すると、サンプル線S801が最も光モジュール駆動電流が大きく、次にサンプル線S802、そしてサンプル線S803が最も駆動電流が少ない。しかし、時系列で見るとサンプル線S803の光モジュール駆動電流の変化量が大きく、したがって、サンプル線S803の光モジュール113が最も早く故障する可能性が高いと思われる。
サンプル線S804は、ある光モジュール113における駆動電流の電流変動率を示す。これは、図8Aのサンプル線S801を電流変動率に変換したものである。
サンプル線S805は、別の光モジュール113における駆動電流の電流変動率を示す。これは、図8Aのサンプル線S802を電流変動率に変換したものである。
サンプル線S806は、更に別の光モジュール113における駆動電流の電流変動率を示す。これは、図8Aのサンプル線S803を電流変動率に変換したものである。
光モジュール113を導入した当初の電流値を記憶しておき、現在の電流値との差を当初の電流値で割ると、駆動電流の変動率(増加率)が判る。個々の光モジュール113を電流の増加率で比較すれば、個体差を吸収できる。個体差がなくなれば、一意な閾値L807と比較して、劣化の度合いを判定することが可能になる。
光モジュールはジャンクション温度が高いと、より早く劣化する。つまり、光モジュールの発光レベルが低下する傾きがより急峻になることを意味する。図9は、仮に同じ発光レベルにある光モジュールのジャンクション温度が異なる場合に、発光レベルが低下する傾きがどのように異なるのかを模式的に示したものである。
サンプル線S901は、ジャンクション温度が高い場合の、光モジュールの発光レベルの低下を示す。
サンプル線S902は、ジャンクション温度が中程度の場合の、光モジュールの発光レベルの低下を示す。
サンプル線S903は、ジャンクション温度が低い場合の、光モジュールの発光レベルの低下を示す。
仮に、ある時点P904でこれら三つのサンプル線の発光レベルが等しいとして、予測寿命レベルL905に至る時期は、最もジャンクション温度が高いサンプル線S901が最も早く到達する。
更に、入出力処理部510が出力するアラーム情報を、光モジュール113の製造メーカに対して発注を依頼するトリガとして利用することが可能である。つまり、入出力処理部510が出力するアラーム情報を利用することで、保守部品の調達業務を、人手を介さずに実施することが可能になる。
光モジュール113から得られる、光モジュール113の駆動電流情報に基づいて、光モジュール113の寿命を予測演算することで、光モジュール113の寿命をより正確に予測することができる。
特に、寿命予測サーバ117は光モジュール113がディジタルリレー装置112に装着された直後の初期駆動電流情報を光モジュールテーブル513に記憶しておき、現在駆動電流情報との電流増加率を算出する。寿命予測サーバ117が電流値そのものではなく電流増加率を算出することで、光モジュール113の個体差をなくし、寿命予測サーバ117は劣化の度合いを高い確率で予測することができる。
更に、電流増加率の平均を算出し、その偏差を算出することで、寿命判断の客観性を高めることができる。
更に、予測寿命に温度補正をかけることで、寿命予測の精度を高めることができる。
消耗品である光モジュール113の寿命を正確に予測することで、ディジタルリレー装置112が不慮の事故に陥る可能性を低減できるだけでなく、適切な時期に劣化した光モジュール113を交換することができるので、可用性の高い電力供給システムを実現できる。
例えば、上記した実施形態例は本発明をわかりやすく説明するために装置及びシステムの構成を詳細且つ具体的に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることは可能であり、更にはある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることも可能である。
また、上記の各構成、機能、処理部等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計するなどによりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行するためのソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、SSD(Solid State Drive)等の揮発性或は不揮発性のストレージ、または、ICカード、光ディスク等の記録媒体に保持することができる。
また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしもすべての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。
Claims (6)
- 電力に関する情報を送受信するための光モジュールを有し、遮断器を開閉するディジタル保護制御装置と、
前記ディジタル保護制御装置から前記光モジュールの現在駆動電流情報を、ネットワークを通じて受信して、前記光モジュールが前記ディジタル保護制御装置に装着された時点の初期駆動電流情報を参照して、前記光モジュールが所定の寿命に近いと判断したらアラーム情報を出力する寿命予測サーバと、を備え、
前記寿命予測サーバは、
前記ネットワークに接続されている全ての前記ディジタル保護制御装置に装着されている前記光モジュールについて、前記現在駆動電流情報の前記初期駆動電流情報からの駆動電流の増加率を算出するとともに、前記駆動電流の増加率の平均値を算出し、
前記駆動電流の増加率の前記平均値からの偏差を算出して前記偏差を所定の閾値と比較し、
前記偏差が前記所定の閾値を超えたときに前記アラーム情報を出力する、
光モジュール寿命予測システム。 - 前記寿命予測サーバは、前記所定の閾値と比較して寿命が短いと判定した前記光モジュールについて、前記ディジタル保護制御装置から受信した前記光モジュールの温度情報を参照して、予測寿命を補正する、
請求項1に記載の光モジュール寿命予測システム。 - 遮断器を開閉するディジタル保護制御装置に装着されて、電力に関する情報を送受信するための光モジュールの、前記ディジタル保護制御装置に装着された時点の初期駆動電流情報が格納されている光モジュールテーブルと、
前記光モジュールの現在駆動電流情報が格納されるログテーブルと、
前記ディジタル保護制御装置から前記初期駆動電流情報を受信して前記光モジュールテーブルに格納し、前記現在駆動電流情報を受信して前記ログテーブルに格納する入出力処理部と、
前記入出力処理部を通じて前記初期駆動電流情報と前記現在駆動電流情報を受け取り、前記光モジュールの寿命を予測演算する寿命予測演算処理部と、を備え、
前記寿命予測演算処理部は、ネットワークに接続されている全ての前記ディジタル保護制御装置に装着されている前記光モジュールについて、前記現在駆動電流情報の前記初期駆動電流情報からの増加率を算出するとともに、前記増加率の平均値を算出し、前記駆動電流の増加率の前記平均値からの偏差を算出して、前記偏差を所定の閾値と比較することにより、前記偏差が前記所定の閾値を超えたときにアラーム情報を出力する、
光モジュール寿命予測装置。 - 更に、
温度の範囲と温度補正係数が格納される温度補正マスタを具備し、
前記ログテーブルは更に前記光モジュールの現在温度情報が格納されており、
前記寿命予測演算処理部は予測寿命を演算する際に前記温度補正マスタと前記現在温度情報を参照して予測寿命を補正演算する、
請求項3に記載の光モジュール寿命予測装置。 - ネットワークに接続されている、遮断器を開閉するディジタル保護制御装置に装着され、電力に関する情報を送受信するための光モジュールの、前記ディジタル保護制御装置に装着された時点の初期駆動電流情報を保存する初期駆動電流情報保存ステップと、
その後所定時間経過後に、前記ディジタル保護制御装置から前記光モジュールの現在駆動電流情報を取得して、前記現在駆動電流情報と前記初期駆動電流情報から前記光モジュールの駆動電流の増加率を算出する、駆動電流増加率算出ステップと、
前記増加率に基づいて前記光モジュールの寿命について予測演算する、寿命予測演算ステップと、を含み、
前記寿命予測演算ステップでは、前記ネットワークに接続されている全ての前記ディジタル保護制御装置に装着されている前記光モジュールについて、前記現在駆動電流情報の前記初期駆動電流情報からの増加率を算出するとともに、前記増加率の平均値を算出し、前記駆動電流の増加率の前記平均値からの偏差を算出して、前記偏差を所定の閾値と比較し、前記偏差が前記所定の閾値を超えたときにアラーム情報を出力する、光モジュール寿命予測方法。 - ネットワークに接続されている、遮断器を開閉するディジタル保護制御装置に装着され、電力に関する情報を送受信するための光モジュールの、前記ディジタル保護制御装置に装着された時点の初期駆動電流情報を保存する初期駆動電流情報保存ステップと、
その後所定時間経過後に、前記ディジタル保護制御装置から前記光モジュールの現在駆動電流情報を取得して、前記現在駆動電流情報と前記初期駆動電流情報から前記光モジュールの駆動電流の増加率を算出する、駆動電流増加率算出ステップと、
前記増加率に基づいて前記光モジュールの寿命について予測演算する、寿命予測演算ステップと、
前記ネットワークに接続されている全ての前記ディジタル保護制御装置に装着されている前記光モジュールについて、前記駆動電流の増加率を算出するとともに該増加率の平均値を算出し、前記駆動電流の増加率の前記平均値からの偏差を算出して、該偏差を所定の閾値と比較し、前記偏差が前記所定の閾値を超えたときにアラーム情報を出力するステップとを、
コンピュータに実行させる、光モジュール寿命予測プログラム。
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