JP6186978B2

JP6186978B2 - 保護監視制御システム

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Publication number: JP6186978B2
Application number: JP2013152275A
Authority: JP
Inventors: 竜生高橋
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2013-07-23
Filing date: 2013-07-23
Publication date: 2017-08-30
Anticipated expiration: 2033-07-23
Also published as: JP2015023742A

Description

本発明は、例えば電力系統の電気量を収集して統合する統合ユニット（Merging Unit：ＭＵ）と、この統合ユニットからプロセスバスを介して受信したデータを監視し、所定の保護制御動作を行わせるＩＥＤ（Intelligent Electric Device）とによって構成される保護監視制御システムに関し、広域監視システム（Wide Area Monitoring System：ＷＡＭＳ）を含む保護監視制御技術に関するものである。

従来、この種の保護監視制御システムは、動作信頼性を確保するためにＭＵやＩＥＤを冗長化し、異常発生時でも正常な装置により各種機能を維持するか、予備の待機系に切り替えることで継続運転を可能にしている。
例えば、特許文献１には、１台のＭＵに対してＩＥＤを二重化し、一方のＩＥＤからの同期信号である１ＰＰＳ（1 Pulse Per Second）信号が異常になった場合に、他方のＩＥＤからの１ＰＰＳ信号に切り替え、サンプリング周期を他方のＩＥＤからの１ＰＰＳ信号の周期に同期させることで保護を継続するようにした保護リレーが記載されている。

また、特許文献２には、母線に接続されたフィーダの電流を第１，第２の変流器により検出し、これらの電流検出値と、前記フィーダに接続された計器用変圧器による電圧検出値とを２台の保護ＩＥＤによりそれぞれ収集する二重保護ＩＥＤが記載されている。この従来技術では、一方のＩＥＤが電圧擾乱を検出して他方のＩＥＤが電圧擾乱を検出していない場合には、他方のＩＥＤに接続された計器用変圧器の二次回路の故障と判定する。
更に、ＷＡＭＳにおいても、高度な電力品質診断や制御データへの活用等の観点から、リアルタイム性と継続性が必要なシステムではＩＥＤ等を二重化した冗長化構成が採用されている。

ここで、図７は、ＭＵ及びＩＥＤを冗長化した保護監視制御システムの概略構成図である。
図７において、１０は系統電源に接続された受電変圧器、２０は受電変圧器１０の二次側に接続された母線、２１，２２，２３は三相のフィーダ、ＬＤ_１，ＬＤ_２，ＬＤ_３はフィーダ２１，２２，２３にそれぞれ接続された負荷である。
フィーダ２１，２２，２３には計器用ＶＴ３１_Ｍ，３１_Ｓ，３２_Ｍ，３２_Ｓ，３３_Ｍ，３３_Ｓを介してＭＵ（マスタ端末：Ｍ端末）４１_Ｍ，４２_Ｍ，４３_Ｍ及びＭＵ（スレーブ端末：Ｓ端末）４１_Ｓ，４２_Ｓ，４３_Ｓがそれぞれ接続されており、フィーダ２１，２２，２３ごとに、冗長化された各２台のＭＵによってフィーダ２１，２２，２３の電圧（交流瞬時値または波高値）を収集可能である。ここで、各ＭＵはフィーダ２１，２２，２３を流れる電流も収集しているが、便宜上、これらの図示は省略する。

ＭＵ（Ｍ端末）４１_Ｍ，４２_Ｍ，４３_Ｍ及びＭＵ（Ｓ端末）４１_Ｓ，４２_Ｓ，４３_Ｓは、光ファイバー等の通信回線であるプロセスバス５０に接続され、このプロセスバス５０には、遠方にある変電所の保護制御室等に設置されたＩＥＤ（マスタ：Ｍ）７１_Ｍ，７２_Ｍ，７３_Ｍ及びＩＥＤ（スレーブ：Ｓ）７１_Ｓ，７２_Ｓ，７３_Ｓがそれぞれ接続されている。
各ＭＵは、フィーダからサンプリングした電圧及び電流のアナログデータをディジタルデータに変換し、プロセスバス５０を介してＳＶ（Sampled Valued）通信サービス等により所定のＩＥＤに送信する。各ＩＥＤは、受信した電圧及び電流に基づいてリレー演算、系統状態の解析等を行い、所定の保護監視制御を行っている。
なお、図８は、図７における一相分のフィーダ、例えばフィーダ２１に対応するＭＵ及びＩＥＤ等を抜き出して示した図である。

ここで、プロセスバス５０を介して送受信されるデータには、全てのＭＵ及びＩＥＤの時刻同期、サンプリング同期を行うために高精度な時刻情報を付加する必要がある。図７のシステムでは、基準時間源としてのタイムマスタ６０を設け、例えばＩＥＥＥ１５８８規格に対応した時刻同期機能を全てのＭＵ及びＩＥＤに実装している。ここで、ＩＥＥＥ１５８８規格は、周知のように、地理的に分散され、かつ通信技術によって相互に接続されたデバイスのための時刻同期化プロトコルである。

図７，図８では、プロセスバス５０を介してタイムマスタ６０とＭＵ及びＩＥＤとの間で時刻情報を交換し、各ローカルクロックを同期化する時刻同期化プロトコルとしてＩＥＥＥ１５８８規格が用いられており、このＩＥＥＥ１５８８規格については、非特許文献１や特許文献３に説明されている。
これらの文献によれば、ＩＥＥＥ１５８８規格はナノ秒単位での時刻同期が可能なプロトコルであり、基準時間源と端末との間で高精度な時刻情報を交換することで、ローカルクロックと基準時間との間の伝送遅延と相対的な時間差である時刻ずれを検出することが可能である。

図９は、ＩＥＥＥ１５８８規格による通信動作の概略的な説明図であり、特許文献３に記載されているものと実質的に同一である。
図７，図８のタイムマスタ６０に対して、同一ネットワーク内に設置された各ＩＥＤ（ＩＥＤ（Ｍ）及びＩＥＤ（Ｓ））や各ＭＵ（ＭＵ（Ｍ端末）及びＭＵ（Ｓ端末））がスレーブ端末（図９では、全てをまとめて６０_Ｓと表記する）となり、タイムマスタ６０の時刻を基準として各ＩＥＤや各ＭＵが高精度に時刻同期し、ＭＵ同士については１［μｓ］（マイクロ秒）以内の精度で時刻同期が可能である。

図９において、タイムマスタ６０は、スレーブ端末６０_Ｓに対して同期制御するためのパケットａ_１（Sync）を送信する。引き続き、タイムマスタ６０はスレーブ端末６０_Ｓに対して上記信号ａ_１（Sync）を送出した時刻データｔ_１を、次のパケットａ_２（Follow Up）に含めて送信する。一方、スレーブ端末６０_Ｓは、最初のパケットａ_１（Sync）を受信した時刻ｔ_２を確認し、次のパケットａ_２（Follow Up）内の送信時刻データｔ_１を取り出す。
次に、スレーブ端末６０_Ｓはタイムマスタ６０に対して同期制御するために、パケットａ_３（Delay Request）を送信する。この際に、スレーブ端末６０_Ｓは送信した時刻ｔ_３を取得する。次に、タイムマスタ６０は、パケットａ_３（Delay Request）を受信した時刻ｔ_４を、次のパケットａ_４（通常、Delay Requestと称する）に乗せてスレーブ端末６０_Ｓへ送信する。

これらの一連の動作により、スレーブ端末６０_Ｓは時刻データｔ_１〜ｔ_４を取得することができ、これらの時刻データを用いて数式１、数式２の演算を行うことにより、タイムマスタ６０とスレーブ端末６０_Ｓとの間のサンプリング時刻のずれを補正する。
［数式１］
ｔ_ｄｘ＝｛（ｔ_１−ｔ_２）＋（ｔ_４−ｔ_３）｝／２
［数式２］
ｔ_ｏｆｆ＝（ｔ_３−ｔ_１）−ｔ_ｄｘ
すなわち、数式１、数式２より、ｔ_ｏｆｆを０に近づける制御を行うことにより、全てのスレーブ端末６０_Ｓはタイムマスタ６０に対してサンプリング時刻が同一となるように制御することができる。

特許第５０２０４２１号公報（段落［００４３］，［００７８］、図５等）特表２０１２−５０３９６０号公報（段落［００２４］，［００２６］、図２等）特開２０１２−１７５８４６号公報（段落［００７７］〜［００８２］、図４ｂ等）

IEEE Std 1588-2008, "IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems"

図７，図８に示した保護監視制御システムでは、プロセスバス５０上にＩＥＤ及びＭＵをそれぞれ完全２重化または２系列化した構成を採用している。この場合、複数台（図示例では２台）のＭＵによりサンプリングされたアナログデータをディジタルデータに変換した後、プロセスバス５０を介して１台のＩＥＤへＳＶ通信サービス等により伝送し、ＩＥＤが受信データから健全なデータを選択して保護制御を行う方式が一般的である。

このため、プロセスバス５０上には、ＭＵ（Ｍ端末）及びＭＵ（Ｓ端末）のそれぞれによってＡ／Ｄ変換されたデータがＳＶ通信される。そして、ＭＵ（Ｍ端末）に異常が発生した場合には、待機系のデータとしてＭＵ（Ｓ端末）によるデータがＭＵ（Ｍ端末）によるデータに代わって利用されることになる。
しかし、これによると、プロセスバス５０上には常時、待機系のデータも送出されるためトラフィックが２倍発生することになり、同一のプロセスバス５０上に接続されるＩＥＤやＭＵの接続数及びデータ量が、用途によっては制限される場合が生じる。

また、複数台のＭＵによりＡ／Ｄ変換されたデータが１台のＩＥＤに伝送されてＩＥＤがこれらのデータを用いるプロセスバス対応の保護監視制御システムの場合、複数台のＭＵにおいて同期したタイミングでＡ／Ｄ変換されたデータが必要であり、各ＭＵまたはＩＥＤにＧＰＳ（Global Positioning System）等の高精度の時刻同期機能が実装されない場合は、ＩＥＤから各ＭＵへ同一のサンプリング同期信号（以下、単に「同期信号」ともいう）を送ることで、複数台のＭＵによるＡ／Ｄ変換のタイミングを同期させている。
このように、ＩＥＤから複数台のＭＵへ同期信号を分配する場合、ＩＥＤを２系列化した構成では、一方のＩＥＤに異常が発生した場合に他方の正常なＩＥＤへ切り替えることにより、異常となったＩＥＤからの同期信号を正常なＩＥＤからの同期信号に切り替えて保護監視制御を継続させることになるが、同期信号の送信元が一方のＩＥＤから他のＩＥＤへ切り替わった場合には、切替前後の同期信号の周期は不連続となる。

更に、ＩＥＤとＭＵとの時刻同期及びＡ／Ｄ変換のサンプリングの同期信号には、１ＰＰＳ信号がよく用いられており、この１ＰＰＳ信号がない場合は、ＭＵの内部クロックによるサンプリング周期に従ってＡ／Ｄ変換が行われている。
ＩＥＤからＭＵに１ＰＰＳ信号が送信される場合、１台のＩＥＤから１ＰＰＳ信号を複数台のＭＵへ分配することにより、各ＭＵが同一のタイミングでＡ／Ｄ変換を行うことができるが、何らかの原因で１ＰＰＳ信号が一時停止した場合は、Ａ／Ｄ変換のサンプリング周期が各ＭＵの内部クロックによって決定されることになり、保護監視制御は継続可能であっても、１ＰＰＳ信号が復帰した直後のサンプリング周期は一時的に不連続となる可能性がある。

つまり、これらの場合、ＭＵは不連続なサンプリング周期に従ってデータをＡ／Ｄ変換することになるので、ＩＥＤはこのディジタルデータを保護演算や監視制御に用いることができない。従って、ＩＥＤは演算に必要な時間分のディジタルデータを再蓄積することが必要であり、その間、保護監視制御の停止や遅れが発生する。

そこで、本発明は、プロセスバス上のトラフィックを減少させてＩＥＤやＭＵの接続数及びデータ量を最大限増加させることを主な解決課題とし、更に、ＭＵによるサンプリング周期の連続性を保って保護機能、監視制御機能の停止や遅れを防止するようにした保護監視制御システムを提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、同一の電力系統の電気量を収集するために冗長化されたマスタ端末及びスレーブ端末からなる複数台のＭＵと、
前記ＭＵにより収集され、かつプロセスバスを介して受信した前記電気量のディジタルデータに基づいて電力系統を監視し、所定の保護制御を行うＩＥＤと、
前記プロセスバスに接続されて前記ＭＵによる前記電気量のサンプリング周期を同期させるタイムマスタと、を備えた保護監視制御システムにおいて、
各ＭＵは、
前記電力系統の電圧の零クロス時刻をそれぞれ検出する第１の手段と、
前記第１の手段により検出した零クロス時刻を、前記プロセスバスを介して他のＭＵに送信する第２の手段と、
前記第１の手段により自己が検出した零クロス時刻、及び、前記第２の手段により他のＭＵから送信されて自己が受信した零クロス時刻を用いて、自己が健全状態にあるか否か、及び、他のＭＵが健全状態にあるか否かを認識する第３の手段と、
前記第３の手段により、自己が健全状態にあると認識し、かつ、自己が前記マスタ端末である時または自己が前記スレーブ端末であって他のＭＵが健全状態ではないと認識した時に、前記プロセスバスを介して前記電気量のディジタルデータを前記ＩＥＤに送信する第４の手段と、
を備えたものである。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載した保護監視制御システムにおいて、前記第３の手段が、自己が検出した零クロス時刻と他のＭＵから送信されて自己が受信した零クロス時刻との差に基づいて、自己が健全状態にあることを認識するものである。

請求項３に係る発明は、請求項１に記載した保護監視制御システムにおいて、前記第３の手段が、自己が検出した今回の零クロス時刻と前回の零クロス時刻との差に基づいて、自己が健全状態にあることを認識するものである。

請求項４に係る発明は、請求項１に記載した保護監視制御システムにおいて、前記第３の手段は、自己が検出した今回の零クロスの時刻と前回の零クロス時刻との差と、他のＭＵから送信されて自己が受信した今回の零クロスの時刻と前回の零クロス時刻との差と、の時間差が所定値未満である場合に、自己が健全状態にあることを認識し、かつ、前記時間差が所定値以上である場合に、自己が収集した電力系統の電圧に擾乱が発生していることを検出して擾乱検出情報を他のＭＵ及び前記ＩＥＤに送信するものである。

本発明によれば、各ＭＵがタイムマスタの時刻同期化機能を利用して検出した系統電圧の零クロス時刻を、ＧＯＯＳＥ等により相互に通信することにより自己が健全状態か否かを判定すると共に、健全状態にあるマスタ端末としてのＭＵのみから、あるいは、マスタ端末から切り替えられたスレーブ端末としてのＭＵのみから、電気量のディジタルデータをプロセスバス経由でＩＥＤへ送信する。
このため、プロセスバス上の通信データを従来よりも少なくしてトラフィックを低減し、同一のプロセスバス上に接続可能なＩＥＤやＭＵの接続数及びデータ量の制約を少なくしてシステムの適用範囲を拡げることができる。
また、各ＭＵによる電気量のＡ／Ｄ変換動作を、ＩＥＥＥ１５８８規格等を用いたタイムマスタによる時刻同期化機能によって高精度に同期させることにより、例えばＭＵがマスタ端末とスレーブ端末との間で切り替わった際や１ＰＰＳ信号の一時停止・復帰が発生した場合でもサンプリング周期の連続性を保つことができ、保護監視制御の停止や遅れを防止して信頼性の高いシステムを構築することができる。

本発明の実施形態におけるＭＵの機能ブロック図である。ＭＵ（Ｍ端末）及びＭＵ（Ｓ端末）が系統電圧の零クロス時刻を取得するタイミングの説明図である。ＭＵ（Ｍ端末）の動作を示すフローチャートである。三相系統を対象とした場合の電圧の零クロス時刻及び判定タイミング、ＧＯＯＳＥ送受信のタイミングを示す図である。図３におけるステップＳ１５の詳細な内容を示すフローチャートである。各相電圧（理論正弦波）の瞬時値及び擾乱判定値の概要を示す図である。保護監視制御システムの概略的な構成図である。図７の一部を抜き出して示した図である。ＩＥＥＥ１５８８規格による通信動作の概略的な説明図である。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
この実施形態は、１台のＩＥＤに対して２台のＭＵにより冗長化した保護監視制御システムを基本構成としており、一方のＭＵをマスタ端末（Ｍ端末）、他方のＭＵをスレーブ端末（Ｓ端末）として運用するものである。

図１は、この実施形態におけるＭＵ４００の機能ブロック図であり、Ｍ端末、Ｓ端末の何れも構成は同一である。図１において、母線２０に接続された三相のフィーダ２１，２２，２３の系統電圧Ｖ_１，Ｖ_２，Ｖ_３は、それぞれ計器用ＶＴ３１，３２，３３を介してＭＵ４００に入力される。４１１，４２１，４３１はアナログデータの系統電圧Ｖ_１，Ｖ_２，Ｖ_３をディジタルデータに変換するＡ／Ｄ変換手段、４１２，４２２，４３２はアナログフィルタである。
アナログフィルタ４１２，４２２，４３２の出力は、高調波を除去するディジタルフィルタ４１３，４２３，４３３を介して正弦波抽出手段４１４，４２４，４３４に入力され、系統電圧Ｖ_１，Ｖ_２，Ｖ_３の基本波成分としての正弦波が抽出される。

正弦波抽出手段４１４，４２４，４３４により抽出された各正弦波は、零クロス検出及びθ演算手段４１５，４２５，４３５に入力され、各正弦波の零クロス時刻及び位相角θがそれぞれ検出される。検出された各正弦波の零クロス時刻情報４１８，４２８，４３８は、他方のＭＵ（Ｓ端末またはＭ端末）及びＩＥＤに送信される。
また、零クロス検出及びθ演算手段４１５，４２５，４３５の出力は理論正弦波演算手段４１６，４２６，４３６に入力され、系統電圧Ｖ_１，Ｖ_２，Ｖ_３の理論正弦波がそれぞれ演算される。これらの理論正弦波は、前述の正弦波抽出手段４１４，４２４，４３４により抽出された正弦波と共に擾乱判定手段４１７，４２７，４３７に入力されており、これらの擾乱判定手段４１７，４２７，４３７によって理論正弦波と抽出正弦波とをそれぞれ比較することで系統電圧Ｖ_１，Ｖ_２，Ｖ_３の擾乱が判定され、擾乱検出情報４６０として他方のＭＵ（Ｓ端末またはＭ端末）及びＩＥＤに送信されるようになっている。

一方、図７と同様に、時刻同期化プロトコルとしてＩＥＥＥ１５８８規格を用いたタイムマスタ６０からの時刻情報が、プロセスバス（図示せず）を介してＭＵ４００に入力され、時刻同期情報４５０として記憶される。この時刻同期情報４５０は１［μｓ］以内の精度で管理されており、１ＰＰＳ生成手段４５１は時刻同期情報４５０に基づいて１ＰＰＳ信号を生成し、前記Ａ／Ｄ変換手段４１１，４２１，４３１、零クロス検出及びθ演算手段４１５，４２５，４３５に送出する。Ａ／Ｄ変換手段４１１，４２１，４３１は、１ＰＰＳ信号を同期信号として系統電圧Ｖ_１，Ｖ_２，Ｖ_３をサンプリングし、Ａ／Ｄ変換を行う。
このようにＭＵ４００の内部で生成した１ＰＰＳ信号を用いてサンプリング同期を行う方法は、前述した特許文献１に、ＧＰＳを利用した１ＰＰＳ信号によるサンプリング同期方法として記載されているように一般的であり、Ａ／Ｄ変換手段４１１，４２１，４３１は１［μｓ］以内の精度で同期したタイミングによりＡ／Ｄ変換を実行可能である。

次に、図２は、図１のように構成された一方のＭＵ（Ｍ端末）４００_Ｍと他方のＭＵ（Ｓ端末）４００_Ｓが三相の系統電圧Ｖ_ｎ（ｎ＝１，２，３）の瞬時値の零クロス時刻情報を１／２周期ごとに取得するタイミングの説明図である。ＭＵ（Ｍ端末）４００_ＭとＭＵ（Ｓ端末）４００_Ｓとの間では、それぞれが検出した零クロスの最新時刻ｔ_Ｍ１，ｔ_Ｓ１をプロセスバス５０経由でＧＯＯＳＥ（Generic Object Oriented Substation Event）等の通信プロトコルにより交換し、これによって計器用ＶＴの二次回路の状態や系統電圧の状態を把握する。

ここで、ＧＯＯＳＥは、ＩＥＣ６１８５０規格”Communication networks and systems in substations”によって規定された通信プロトコルであり、プロセスバス上のＭＵ間の通信を少量のトラフィックで高速に実現可能である。なお、ＧＯＯＳＥについては、前述した特許文献２に２台の保護ＩＥＤ間の通信に用いることが記載されているほか、例えば特開２０１２−１６５６３６号公報には、プロセスバス及び変電所母線における通信プロトコルとして利用可能であることが記載されている。

図２において、ＭＵ（Ｍ端末）４００_ＭとＭＵ（Ｓ端末）４００_Ｓとが電力系統の同一地点に設置されて冗長化されている場合、計器用ＶＴとＭＵ（Ｍ端末）４００_Ｍ及びＭＵ（Ｓ端末）４００_Ｓとの間に故障が発生していない条件では、電力系統の基本波周波数の１／２周期ごとの各相電圧波形の零クロス時刻は、ＭＵ（Ｍ端末）４００_ＭとＭＵ（Ｓ端末）４００_Ｓとの差が１［μｓ］以内の同一時刻になる。
すなわち、ＭＵ（Ｍ端末）４００_ＭとＭＵ（Ｓ端末）４００_Ｓとが交換する各相電圧波形の零クロス時刻の差を求めると、例えば図２の最新の零クロス時刻については数式３のΔｔ_ＭＳ１［μｓ］になると共に、前回の零クロス時刻については数式４のΔｔ_ＭＳ２［μｓ］となり、何れも１［μｓ］以下の値になる。
［数式３］
Δｔ_ＭＳ１［μｓ］＝ｔ_Ｍ１［μｓ］−ｔ_Ｓ１［μｓ］
［数式４］
Δｔ_ＭＳ２［μｓ］＝ｔ_Ｍ２［μｓ］−ｔ_Ｓ２［μｓ］

また、ＭＵ（Ｍ端末）４００_Ｍにおける各相電圧の今回零クロス時刻と前回零クロス時刻との差は数式５となり、ＭＵ（Ｓ端末）４００_Ｓにおける各相電圧の今回零クロス時刻と前回零クロス時刻との差は数式６となる。
［数式５］
Δｔ_Ｍ［μｓ］＝ｔ_Ｍ１［μｓ］−ｔ_Ｍ２［μｓ］
［数式６］
Δｔ_Ｓ［μｓ］＝ｔ_Ｓ１［μｓ］−ｔ_Ｓ２［μｓ］

更に、計器用ＶＴとＭＵ（Ｍ端末）４００_Ｍ及びＭＵ（Ｓ端末）４００_Ｓとの間に故障が発生していない場合、または、電力系統側の事故による擾乱が発生してない場合、数式５のΔｔ_Ｍ及び数式６のΔｔ_Ｓは基本波周波数の１／２周期［μｓ］に等しく、ＩＥＥＥ１５８８時刻情報の同期精度を勘案すると、数式７、数式８に示すように、基本波周波数の１／２周期とΔｔ_Ｍ及びΔｔ_Ｓとの差は、１［μｓ］以内となる。
［数式７］
｜１／２周期［μｓ］−Δｔ_Ｍ［μｓ］｜≦１［μｓ］
［数式８］
｜１／２周期［μｓ］−Δｔ_Ｓ［μｓ］｜≦１［μｓ］

後述するように、数式３に示したｔ_Ｍ１とｔ_Ｓ１との時刻差Δｔ_ＭＳ１、または数式５，数式６に示したΔｔ_ＭとΔｔ_Ｓとの差が設定値未満であれば、サンプリング周期にズレがなく、ＭＵ（Ｍ端末）４００_Ｍ及びＭＵ（Ｓ端末）４００_Ｓが健全側にある（計器用ＶＴの二次回路やＭＵ自体に異常がない）と判断することができる。また、数式７，数式８においてΔｔ_ＭまたはΔｔ_Ｓのうち１／２周期に近い方のＭＵが健全側にあると判断することができる。
このようにして、ＭＵ（Ｍ端末）４００_Ｍ及びＭＵ（Ｓ端末）４００_Ｓはどちらが健全状態にあるかを判断することができるので、健全状態にあるＭＵのみが稼働系ＭＵとなり、プロセスバス５０を介して、Ａ／Ｄ変換後のデータをＳＶ通信にてＩＥＤへ送信する。

図３は、ＭＵ（Ｍ端末）４００_Ｍ側の処理を示すフローチャートである。
なお、ＭＵ（Ｓ端末）４００_Ｓ側も同じフローであり、以下の説明におけるＭＵ（Ｍ端末）４００_ＭをＭＵ（Ｓ端末）４００_Ｓに読み替えたフローとなる。この実施形態では、ＭＵ（Ｍ端末）４００_Ｍ及びＭＵ（Ｓ端末）４００_Ｓの双方のフローを実行することでＭＵの冗長化を実現している。

図３において、ＭＵ（Ｍ端末）４００_Ｍでは、系統電圧Ｖ_１，Ｖ_２，Ｖ_３をサンプリングし、そのＡ／Ｄ変換データより、正弦波の１／２周期ごとの零クロス検出を行う（ステップＳ１，Ｓ２）。零クロスが検出されたら（Ｓ２ＹＥＳ）、その最新時刻ｔ_Ｍ１を記憶し、同時に高速のＧＯＯＳＥ通信にて、ＩＥＤと相手方ＭＵであるＭＵ（Ｓ端末）４００_Ｓとに送信する（Ｓ３）。また、このとき、前回の零クロス時刻ｔ_Ｍ２との時間差（Δｔ_Ｍ＝ｔ_Ｍ１−ｔ_Ｍ２）を算出し、記憶する（Ｓ４）。なお、ステップＳ２において零クロスが検出されない場合（Ｓ２ＮＯ）は、ステップＳ５にジャンプする。

次に、相手方ＭＵであるＭＵ（Ｓ端末）４００_Ｓから送信されてくる零クロスの最新時刻ｔ_Ｓ１を受信して記憶し、前回受信して記憶されている零クロス時刻ｔ_Ｓ２との時間差（Δｔ_Ｓ＝ｔ_Ｓ１−ｔ_Ｓ２）を算出し、記憶する（Ｓ５ＹＥＳ，Ｓ６）。
ここで、ｔ_Ｍ１とｔ_Ｓ１との時刻差またはΔｔ_ＭとΔｔ_Ｓとの差が設定値（例えば２［μｓ］〜２０［μｓ］）未満であれば（Ｓ７ＮＯ）、ＭＵ（Ｍ端末）４００_Ｍ及びＭＵ（Ｓ端末）４００_Ｓのサンプリング周期にズレがなく、両ＭＵ共に健全状態であってサンプリング同期確立中と判断する（Ｓ９）。

なお、サンプリング周期のズレを判断するための設定値については、計器用ＶＴの二次回路から各ＭＵのＡ／Ｄ変換手段までの計測精度及び制御目的や運用に合わせて設定すれば良い。
上述した例で、設定値を２［μｓ］〜２０［μｓ］としたのは、以下の理由に基づく。すなわち、各ＭＵの時刻同期精度がＩＥＥＥ１５８８による±１［μｓ］であることを考慮すると、ＭＵ（Ｍ端末）４００_ＭとＭＵ（Ｓ端末）４００_Ｓとの間の相対時刻差は２［μｓ］となるので、これを設定値の下限値とする。また、設定値の上限値は、制御目的及びサンプリング周波数に応じて設定することになるが、計器用ＶＴの二次回路の計測誤差や制御上の影響を考慮して、サンプリング周波数が４８００［Ｈｚ］の場合には１サンプリング周期が２０８［μｓ］であるため、その約１０％（２０［μｓ］）を上限値とする。

図３に戻って、既にサンプリング同期確立中であった場合（Ｓ８ＹＥＳ）は、以前の状態を維持するが、新たにサンプリング同期確立へ移行する場合（Ｓ８ＮＯ，Ｓ９）は、基本周波数の１／２周期とΔｔ_Ｍとの差の絶対値であるΔｔ_Ｍ０と、同じく１／２周期とΔｔ_Ｓとの差の絶対値であるΔｔ_Ｓ０とを比較する（Ｓ１０，Ｓ１１）。ここで、Δｔ_Ｍ０とΔｔ_Ｓ０とを比較することにより、Δｔ_ＭとΔｔ_Ｓとのどちらが１／２周期に近いかを検出できるので、その結果により１／２周期に近い側のＭＵの方が健全であって他方のＭＵよりも安定性が高いと判断し、ＳＶ出力Ｅｎａｂｌｅ設定（Ｓ１２）及びＳＶ送信処理を実行し（Ｓ１６）、またはＳＶ出力Ｄｉｓａｂｌｅ（停止）設定を行う（Ｓ１３）。
なお、Δｔ_Ｍ及びΔｔ_Ｓのうち１／２周期に近い側のＭＵを安定性が高いと判断して優先させるのは、ＩＥＥＥ１５８８の情報を元にサンプリング周期の微調整（補正）を繰り返してサンプリング時刻を同期させる過程において、サンプリング同期の確立直後は補正量が大きいことを考慮したものである。

また、単相における系統電圧（例えばＶ_１のみ）の場合は、基本周波数の１／２周期ごとに、例えば基本周波数５０［Ｈｚ］の系統では、１０［ｍｓ］ごとに零クロス時刻を検出し、判定することになる。これに対し、三相系統では、図４に示すように、各相電圧Ｖ_１，Ｖ_２，Ｖ_３の零クロス時刻を検出することになるため、基本周波数の１周期に対して１／６周期ごとに判定処理を実行することになる。これにより、基本周波数５０［Ｈｚ］の系統では、３．３［ｍｓ］という早い周期にて判定することを意味しており、計器用ＶＴとＭＵとの間に故障が発生した場合に健全側のＭＵ出力へ高速に切り替えることを可能としている。

次に、各ＭＵの間にサンプリング時刻の同期ずれがある場合でもＭＵの冗長化を維持するための処理について説明する。
ＩＥＥＥ１５８８規格を用いたサンプリング時刻の同期化処理において、システム起動時やタイムマスタ６０側に起因する時刻同期ずれが生じている状況、あるいは系統電圧に擾乱が発生している場合には、時刻同期＝サンプリング同期を前提にした本実施形態によると計器用ＶＴとＭＵとの間の故障判別に対する品質が問題になるため、この時刻同期ずれも考慮しておく必要がある。
すなわち、図３のステップＳ７において、Δｔ_ＭとΔｔ_Ｓとの差が２０［μｓ］以上になる場合（ステップＳ７ＹＥＳ）は、何れかのＭＵが同期から外れて時刻同期ずれになっていると判断できるので、ステップＳ１４以降の処理に移行して信頼性を確保することが必要である。

以下、ステップＳ１４以降の処理について説明する。
図１により説明したように、この実施形態におけるＭＵ（Ｍ端末）４００_Ｍ及びＭＵ（Ｓ端末）４００_Ｓは、電圧擾乱を検出する機能を備えている。そして、例えば一方のＭＵが電圧擾乱を検出した場合、他方のＭＵに対して三相のうち何れの相で擾乱が検出されたかをＧＯＯＳＥ通信等により通知することが可能である。
ＩＥＤを冗長化したシステムにおける電圧擾乱検出時の処理については、前述した特許文献２に開示されているが、ここでは、ＭＵを冗長化したシステムにおいて電圧擾乱を検出した時の処理について説明する。

電力系統の事故により電圧擾乱が発生したときの電圧データは、冗長化された全てのＭＵによりサンプリングされる。例えば、ＭＵ（Ｍ端末）４００_Ｍ及びＭＵ（Ｓ端末）４００_Ｓが電力系統の同一地点に設置されている場合、ＭＵ（Ｍ端末）４００_Ｍ及びＭＵ（Ｓ端末）４００_Ｓは系統電圧の擾乱を同時に検出することになる。故障が計器用ＶＴの二次回路で生じたとき、すなわち、計器用ＶＴとその二次側に接続されたＭＵとの間で何らかの機器故障が生じたとき、故障が生じた側のＭＵのみが電圧擾乱を検出するが、他のＭＵは検出しない。従って、一方のＭＵによる擾乱検出の有無に応じて他方のＭＵによる擾乱検出の有無を判断することにより、どちらのＭＵに対応する計器用ＶＴの二次回路で故障が発生したかを検出して健全側のＭＵを判定し、ＳＶ出力のＥｎａｂｌｅ／Ｄｉｓａｂｌｅ設定を行なうことができる。

図５は、図３におけるステップＳ１５の内容を詳細に示したフローチャートであり、図３のステップＳ７，Ｓ１４に続く処理を示している。なお、ステップＳ１５に先立って、サンプリング同期確立中のフラグをオフにしておく（Ｓ１４）。
図５において、例えば、ＭＵ（Ｍ端末）４００_Ｍが電圧の擾乱検出の有無を判断する（ステップＳ１５１）。ここで、ＭＵによる電圧擾乱検出動作は図６に示すとおりである。
すなわち、例えば図１の零クロス検出及びθ演算手段４１５が正弦波（基本波成分）から零クロス点を検出し、その零クロス点の基準点からの経過時間より位相角θを算出すると共に、理論正弦波演算手段４１６が、図６の上段に示す理論正弦波を演算する。そして、数式９の擾乱判定式に示すように、正弦波（基本波成分）が、理論正弦波に相当する（定格電圧×ｓｉｎ「θ値」）を中心として設定閾値（±１０％）の範囲を逸脱する値になったか否かにより電圧擾乱を判定する。
［数式９］
擾乱判定値＝定格電圧×ｓｉｎ「θ値」×設定閾値（±１０％）

図５において、ＭＵ（Ｍ端末）４００_Ｍが擾乱を検出した場合、検出しない場合のそれぞれについて、ＭＵ（Ｓ端末）４００_Ｓが擾乱を検出したか否かを判断する（Ｓ１５１，Ｓ１５２，Ｓ１５３）。そして、ＭＵ（Ｍ端末）４００_Ｍ及びＭＵ（Ｓ端末）４００_Ｓが両方とも擾乱を検出した場合（Ｓ１５２ＹＥＳ）、検出しない場合（Ｓ１５３ＮＯ）の何れについても、各ＭＵに対応する計器用ＶＴの二次回路は正常である（両ＭＵは健全側にある）と判断し、ＭＵの現在の出力設定状態を切り替えずに維持する（Ｓ１５４）。なお、両ＭＵ端末が未出力の場合には、ＭＵ（Ｍ端末）４００_Ｍを優先してＳＶ出力させるように設定する。
また、ＭＵ（Ｓ端末）４００_Ｓのみが擾乱を検出しない場合（Ｓ１５２ＮＯ）には、ＭＵ（Ｓ端末）４００ _Ｓの方が健全であると判断してＭＵ（Ｓ端末）４００ _Ｓから優先してＳＶ出力させるように設定し（Ｓ１５５）、ＭＵ（Ｓ端末）４００_Ｓのみが擾乱を検出した場合（Ｓ１５３ＹＥＳ）には、ＭＵ（Ｍ端末）４００ _Ｍの方が健全であると判断してＭＵ（Ｍ端末）４００ _Ｍから優先してＳＶ出力させるように設定する（Ｓ１５６）。

このように、各ＭＵは、図１に示した擾乱検出情報４６０をＧＯＯＳＥ等により他のＭＵへ送受信するため、この擾乱検出情報４６０により、相手方のＭＵにおける電圧擾乱の検出状態を知ることができる。この擾乱検出情報４６０は三相のうち何れの相で発生したのかを示す情報を含んでいるので、故障部位の詳細な判定（相判定）も可能である。

１０：受電変圧器
２０：母線
２１，２２，２３：フィーダ
３１，３２，３３，３１_Ｍ，３１_Ｓ，３２_Ｍ，３２_Ｓ，３３_Ｍ，３３_Ｓ：計器用ＶＴ
４１_Ｍ，４２_Ｍ，４３_Ｍ：ＭＵ（Ｍ端末）
４１_Ｓ，４２_Ｓ，４３_Ｓ：ＭＵ（Ｓ端末）
５０：プロセスバス
６０：タイムマスタ
６０_Ｓ：スレーブ端末
７１_Ｍ，７２_Ｍ，７３_Ｍ：ＩＥＤ（Ｍ）
７１_Ｓ，７２_Ｓ，７３_Ｓ：ＩＥＤ（Ｓ）
４００：ＭＵ（Ｍ端末／Ｓ端末）
４００_Ｍ：ＭＵ（Ｍ端末）
４００_Ｓ：ＭＵ（Ｓ端末）
４１１，４２１，４３１：Ａ／Ｄ変換手段
４１２，４２２，４３２：アナログフィルタ（ＡＦ）
４１３，４２３，４３３：ディジタルフィルタ（ＤＦ）
４１４，４２４，４３４：正弦波抽出手段
４１５，４２５，４３５：零クロス検出及びθ演算手段
４１６，４２６，４３６：理論正弦波演算手段
４１７，４２７，４３７：擾乱判定手段
４１８，４２８，４３８：零クロス時刻情報
４５０：時刻同期情報
４５１：１ＰＰＳ生成手段
４６０：擾乱検出情報
ＬＤ_１，ＬＤ_２，ＬＤ_３：負荷

Claims

同一の電力系統の電気量を収集するために冗長化されたマスタ端末及びスレーブ端末からなる複数台のＭＵと、
前記ＭＵにより収集され、かつプロセスバスを介して受信した前記電気量のディジタルデータに基づいて電力系統を監視し、所定の保護制御を行うＩＥＤと、
前記プロセスバスに接続されて前記ＭＵによる前記電気量のサンプリング周期を同期させるタイムマスタと、を備えた保護監視制御システムにおいて、
各ＭＵは、
前記電力系統の電圧の零クロス時刻をそれぞれ検出する第１の手段と、
前記第１の手段により検出した零クロス時刻を、前記プロセスバスを介して他のＭＵに送信する第２の手段と、
前記第１の手段により自己が検出した零クロス時刻、及び、前記第２の手段により他のＭＵから送信されて自己が受信した零クロス時刻を用いて、自己が健全状態にあるか否か、及び、他のＭＵが健全状態にあるか否かを認識する第３の手段と、
前記第３の手段により、自己が健全状態にあると認識し、かつ、自己が前記マスタ端末である時または自己が前記スレーブ端末であって他のＭＵが健全状態ではないと認識した時に、前記プロセスバスを介して前記電気量のディジタルデータを前記ＩＥＤに送信する第４の手段と、
を備えたことを特徴とする保護監視制御システム。
請求項１に記載した保護監視制御システムにおいて、
前記第３の手段は、自己が検出した零クロス時刻と他のＭＵから送信されて自己が受信した零クロス時刻との差に基づいて、自己が健全状態にあることを認識することを特徴とする保護監視制御システム。
請求項１に記載した保護監視制御システムにおいて、
前記第３の手段は、自己が検出した今回の零クロス時刻と前回の零クロス時刻との差に基づいて、自己が健全状態にあることを認識することを特徴とする保護監視制御システム。
請求項１に記載した保護監視制御システムにおいて、
前記第３の手段は、自己が検出した今回の零クロスの時刻と前回の零クロス時刻との差と、他のＭＵから送信されて自己が受信した今回の零クロスの時刻と前回の零クロス時刻との差と、の時間差が所定値未満である場合に、自己が健全状態にあることを認識し、かつ、前記時間差が所定値以上である場合に、自己が収集した電力系統の電圧に擾乱が発生していることを検出して擾乱検出情報を他のＭＵ及び前記ＩＥＤに送信することを特徴とする保護監視制御システム。