JP6312209B2 - ディジタル形保護継電器 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、異なる系統周波数に対応可能なディジタル形保護継電器に関する。

現在、日本国内では、電力系統の商用周波数として、西日本側では６０Ｈｚが採用され、東日本側では５０Ｈｚが採用されている。２種類の系統周波数が存在するとしても、電気製品などの分野では、電気的な入力を動力源とするだけなので、いずれの系統周波数であっても使用可能に構成することは容易である。

これに対し、電力系統の保護制御を行うディジタル形保護継電器などの分野では、内部演算処理を構築する上で系統周波数そのものが基本要素となるため、いずれの系統周波数にも共用できる機器の製作は困難である。しかし、異なる周波数の電力系統が隣接する地域では、電力需要にあわせて２つの電力系統間で系統操作を行い、電力融通を弾力的に実施することが望まれている。このようなニーズを受けて、異なる系統周波数に対応可能なディジタル形保護継電器の開発が進められている。

例えば、図３に示すように、５０Ｈｚ判定用リレーユニット１１と、６０Ｈｚ判定用リレーユニット１２を別々に設けたディジタル形保護継電器が考えられる。各リレーユニット１１、１２は、入力変換器１と、アナログ／ディジタル変換器（以下、ＡＤコンバータ）２と、保護リレー演算部３、保護リレー出力部４等の各機能部から構成されている。

これらの各機能部を備えたディジタル形保護継電器は、各基板にＣＰＵを搭載して、アナログ入力処理やリレー演算など機能ごとに分散処理をするマルチＣＰＵ構成となっている。入力変換器１は、電力系統に接続した計器用変流器および計器用変圧器が出力する電気量を、アナログ量として入力し、保護リレー演算部３での演算に適した大きさの電気信号に変換してからＡＤコンバータ２に送る。

ＡＤコンバータ２は、入力変換器１からアナログ量を受け取り、系統周波数に応じたサンプリング周波数でサンプルホールドし、アナログ量をディジタル量に変換して保護リレー演算部３へと送る。サンプリング周波数は、保護リレー演算部３から取り込むようになっている。サンプリング周波数は、電気角３．７５度のサンプリングデータを得る場合、５０Ｈｚでは４８００Ｈｚ、６０Ｈｚでは５７６０Ｈｚである。

保護リレー演算部３は、ＡＤコンバータ２からのディジタル量を用いて保護リレー演算を行う。すでに述べたように保護リレー演算処理を構築する上で系統周波数を基本要素とするので、各リレーユニット１１、１２の保護リレー演算部３には、系統周波数に応じてサンプリング周波数が設定されている。保護リレー出力部４は、保護リレー演算部３の演算結果によって保護の要否を判定し保護リレー出力を得る。

また、ディジタル形保護継電器には、入力回路９と出力切換部１０が設けられている。入力回路９は、系統周波数判定部（図示せず）から系統周波数の切換信号を受信して出力切換部１０に送る。系統周波数判定部では、系統周波数が５０Ｈｚから６０Ｈｚへ、あるいは６０Ｈｚから５０Ｈｚへ切り替わった場合、系統周波数の切り替わりを判定して系統周波数の切換信号を、入力回路９へと出力する。

出力切換部１０は、入力回路９から受け取った切換信号に基づき各リレーユニット１１、１２からの出力のどちらか一方を選択して、ディジタル形保護継電器の最終出力とする。すなわち、上記のディジタル形保護継電器では、２台のリレーユニット１１、１２がそれぞれ５０Ｈｚあるいは６０Ｈｚ入力のリレー判定を行い、外部から受信する系統周波数の切換信号に従って、最終的な保護リレー出力を得るようになっている。

さらに、異なる系統周波数に対応可能なディジタル形保護継電器として、サンプリング周波数の切換途中での不要応動を防ぐようにしたものも提案されている（例えば、特許文献１）。このタイプのディジタル形保護継電器では、運用している系統周波数の検出、それに応じたサンプリング周波数の切換、および系統周波数の切換から完了までの期間に、不要な出力をしないように、保護リレー出力をロジック的にロックするように構成されている。なお、保護リレーの出力をロックする期間をロック期間と呼んでいる。

特開２００９−９５１５８号公報

従来のディジタル形保護継電器において、サンプリング周波数の切換が完了するまで保護リレー出力をロックする場合、これを実現するために、各リレーユニットの保護リレー出力部に対し個別にロック回路を設けている。また、リレーユニットに含まれるＣＰＵ基板同士の間で動作協調を取る必要があるので、保護リレー出力のロック期間に関する時間協調回路も設けなくてはならない。すなわち、従来のディジタル形保護継電器では、ロック回路や時間協調回路が不可欠であり、ディジタル形保護継電器の回路構成が複雑化した。しかも、５０Ｈｚ用と６０Ｈｚ用の別々にリレーユニットを設けているので、コストの高騰を招いていた。

本発明の実施形態は、上述した課題を解決するために提案されたものであり、サンプリング周波数の切換とリスタート処理を組み合わせて行うことにより、独立して保護リレー出力のロック回路や時間協調回路を設ける必要が無く、回路構成に簡素化させて、低コストで信頼度の高いディジタル形保護継電器を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の実施形態は、次の構成要素（ａ）〜（ｄ）を有している。
（ａ）保護対象である電力系統の系統周波数が切換えられたことを検出する系統周波数検出部。
（ｂ）前記系統周波数検出部が検出した系統周波数に応じてサンプリング周波数の切換を行うサンプリング周波数切換部。
（ｃ）複数のＣＰＵ基板を含むＣＰＵユニット。
（ｄ）前記サンプリング周波数切換部がサンプリング周波数を切換えると、前記ＣＰＵユニットに含まれる全ＣＰＵ基板の一括リスタート処理を行うマルチリスタート部。

第１の実施形態のブロック図。 第２の実施形態のブロック図。 従来のディジタル形保護継電器のブロック図。

（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態について、図１を用いて具体的に説明する。図１は第１の実施形態の構成を示すブロック図である。第１の実施形態において、図３に示した従来例と同一の部分に関しては、同一符号を付して説明は省略する。

（構成）
図１に示すように、第１の実施形態は、５０Ｈｚ判定用のリレーユニットと、６０Ｈｚ判定用のリレーユニットを別々に設けるのではなく、１つのリレーユニット１３を有するディジタル形保護継電器である。リレーユニット１３には、入力変換器１、ＡＤコンバータ２、保護リレー演算部３、保護リレー出力部４に加えて、系統周波数検出部５、サンプリング周波数切換回路６、マルチリスタート回路７が設けられている。このうち、保護リレー演算部３、保護リレー出力部４およびサンプリング周波数切換回路６はＣＰＵユニット１４に包含される。

系統周波数検出部５は、系統操作などに伴って外部から所定の信号を受け、運用される系統周波数が５０Ｈｚなのか６０Ｈｚなのかを検出する。サンプリング周波数切換回路６は、系統周波数検出部５が検出した系統周波数に応じてサンプリング周波数の切換を行う。例えば、電気角３．７５度のサンプリングデータを得る場合、５０Ｈｚではサンプリング周波数４８００Ｈｚを採用し、６０Ｈｚではサンプリング周波数５７６０Ｈｚを採用する。また、サンプリング周波数切換回路６は、サンプリング周波数を切換えると、リセット信号をマルチリスタート回路７に送るようになっている。

マルチリスタート回路７は、本実施形態の特徴であって、ディジタル形保護継電器の電源活殺による外部からのリセット信号あるいはサンプリング周波数切換回路６からのリセット信号を受け取ると、ＣＰＵユニット１４にリスタート信号を与えて、ＣＰＵユニット１４に含まれる全ＣＰＵ基板の一括リスタート処理を行う回路である。

（作用と効果）
以上の構成を有する第１の実施形態では、系統周波数検出部５の検出する系統周波数に応じてサンプリング周波数切換回路６がサンプリング周波数の切換を行うと、リセット信号をマルチリスタート回路７に与える。このため、マルチリスタート回路７はＣＰＵユニット１４に含まれる全ＣＰＵ基板の一括リスタート処理を行い、ディジタル形保護継電器自体が初期化することになる。すなわち、ディジタル形保護継電器に含まれる全ＣＰＵ基板の初期化処理がなされ、初期化処理に伴って所定時間の出力ロック処理が実施される。これにより、ディジタル形保護継電器では全ＣＰＵ基板の動作協調を取ることができる。

以上の第１の実施形態においては、５０Ｈｚ用のリレーユニット１１と、６０Ｈｚ用のリレーユニット１２を別々に設ける必要がなく、単一のリレーユニット１３だけで済む。このため、入力変換器１、ＡＤコンバータ２、保護リレー演算部３、保護リレー出力部４等の各機能部は、１つで済み、コストが大幅に低減する。

また、サンプリング周波数切換回路６からリセット信号を受け取ったマルチリスタート回路７が、ＣＰＵユニット１４内の全ＣＰＵ基板の一括リスタート処理を行うことで、所定時間の出力ロックが実現すると共に、全ＣＰＵ基板の動作協調を取ることができ、サンプリング周波数切換時の不要応動を防止することができる。

したがって、保護リレー出力のロック回路や時間協調回路などを独立して設ける必要が無くなり、シンプルな回路構成を採ることができる。具体的には、異なる系統周波数に対応可能なディジタル形保護継電器であっても、系統周波数を固定したディジタル保護継電器の出力回路と同等の回路構成まで簡素化させることができる。これにより、一層の低コストを進めることができ、信頼度の向上を図ることができる。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態について、図２を用いて具体的に説明する。図２は第２の実施形態の構成を示すブロック図である。第２の実施形態において、図１の第１の実施形態と同一の部分に関しては、同一符号を付して説明は省略する。

（構成）
第２の実施形態の基本的な構成は、第１の実施形態と同様である。第２の実施形態の特徴は、マルチリスタート回路７に監視部８を接続した点にある。監視部８は、系統の遮断器条件により整定される運用周波数と、系統周波数検出部５による検出周波数とを取り入れ、運用周波数と、検出周波数とが一致するか否かを監視する。

監視部８は、運用周波数と検出周波数が一致すると、一致情報をマルチリスタート回路７に送る。マルチリスタート回路７は、一致情報を監視部８から受け取った上で、サンプリング周波数切換回路６からリセット信号を受け取ると、ＣＰＵユニット１４内の全ＣＰＵ基板の一括リスタート処理を行う。

また、監視部８は、運用周波数と検出周波数が相違していると、切換ロック信号をサンプル周波数切換回路６に送る。サンプル周波数切換回路６は監視部８から切換ロック信号を受け取ると、サンプリング周波数の切換をロックするようになっている。

（作用と効果）
第２の実施形態には、上記第１の実施形態が持つ作用および効果に加えて、次のような独自の作用および効果がある。すなわち、監視部８は、系統の遮断器条件などから判断した運用周波数と、系統周波数検出部５にて検出した検出周波数との一致確認を行っている。そして、運用周波数と検出周波数が一致した場合のみ、マルチリスタート処理を行って、ＣＰＵユニット１４内の全ＣＰＵ基板の動作協調を行う。

一方、運用周波数と検出周波数が相違する場合はサンプリング周波数切換回路６におけるサンプリング周波数の切換をロックする。これにより、系統の遮断器条件などから判断した運用周波数と、系統周波数検出部５からの検出周波数とが不一致であれば、サンプリング周波数切換回路６はサンプリング周波数を切換えることがない。したがって、サンプリング周波数切換回路６の信頼性を向上させることができ、保護リレー演算部３や保護リレー出力部4の誤動作を防止することが可能である。

（他の実施形態）
上記の実施形態は、本明細書において一例として提示したものであって、発明の範囲を限定することを意図するものではなく、その他の様々な形態で実施可能であり、発明の範囲を逸脱しない範囲で、種々の省略や置き換え、変更を適宜行うことができる。これらの実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

（１）本発明の実施形態では、演算アルゴリズムは適宜選択可能であり、異なる２つの系統周波数としては５０Ｈｚと６０Ｈｚに限定されるものではなく、サンプリング周波数についても電気角などによって適宜選択可能である。

（２）系統周波数の情報に関しては、系統周波数検出部５を通じてディジタル保護継電器の外部から情報を入力する方式に限らない。例えば、保護リレー演算部３の内部に周波数情報計算部を設けて、入力変換器１からの電気量を取り込んで系統周波数を計算するようにしてもよい。

（３）上記の実施形態では、マルチリスタート回路７によって、全てのＣＰＵ基板を対象として一括リスタート処理を行ったが、システムバスも含めてリスタートしてもよいことは言うまでもない。また、全てのＣＰＵ基板ではなく、動作協調を取ることが必要となる複数のＣＰＵ基板を対象として、一括リスタート処理を行うようにしてもよい。

（４）上記の実施形態では、各基板にＣＰＵを搭載して機能ごとに分散処理をするマルチＣＰＵ構成を採用したが、これに限定されるものではなく、例えば、さらなる信頼性の向上や省エネ性を考慮し、メインＣＰＵ基板１枚で各機能を集約処理する構成としてもよい。この構成では、マルチリスタート回路７が、系統周波数の切換に応じたサンプリング周波数切換信号を受けると、メインＣＰＵ基板のリスタート処理を行うことになる。

（５）本発明の実施形態では、系統周波数の切換に伴ってディジタル形保護継電器のリスタート処理が実施されるが、系統周波数の切換と、ディジタル形保護継電器自体のリスタート処理との関連性について把握していない運用者が存在すると仮定した場合、いきなりディジタル形保護継電器の初期化画面が現れることで、前記運用者が混乱するおそれがある。そこで、ディジタル形保護継電器のリスタート処理は、系統周波数の切換に伴って行っていることを、表示画面などを通じて提示するようにしてもよい。

１…入力変換器
２…ＡＤコンバータ
３…保護リレー演算部
４…保護リレー出力部
５…系統周波数検出部
６…サンプリング周波数切換回路
７…マルチリスタート回路
８…監視部
９…入力回路
１０…出力切換部
１１、１２、１３…リレーユニット
１４…ＣＰＵユニット

Claims (3)

1. 保護対象である電力系統の系統周波数が切換えられたことを検出する系統周波数検出部と、
   前記系統周波数検出部が検出した系統周波数に応じてサンプリング周波数の切換を行うサンプリング周波数切換部と、
   複数のＣＰＵ基板を含むＣＰＵユニットと、
   前記サンプリング周波数切換部がサンプリング周波数を切換えると、前記ＣＰＵユニットに含まれる全ＣＰＵ基板の一括リスタート処理を行うマルチリスタート部、を備えたことを特徴とするディジタル形保護継電器。
2. 系統の遮断器条件により整定される運用周波数と、前記系統周波数検出部による検出周波数とを取り入れ、前記運用周波数と、前記検出周波数とが一致するか否かを監視する監視部を備えたことを特徴とする請求項１記載のディジタル形保護継電器。
3. 前記監視部は、運用周波数と検出周波数が相違していると、切換ロック信号を前記サンプリング周波数切換部に送るように構成し、
   前記サンプリング周波数切換部は前記監視部から前記切換ロック信号を受け取ると、サンプリング周波数の切換をロックするように構成したことを特徴とする請求項２記載のディジタル形保護継電器。

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