JP6365220B2 - 保護リレーシステムおよび保護リレーシステムのサンプリング同期監視方法 - Google Patents

Description

本発明は、保護リレーシステムにおけるサンプリング同期を監視する技術に関する。

近年、イーサネット（登録商標）で利用可能な時刻同期プロトコルであるＩＥＥＥ１５８８が、システムに実運用され始めている。ＩＥＥＥ１５８８は、各ノード間の伝搬遅延時間測定データを元に、これまで不可能であったイーサネットでのマイクロ秒精度の時刻同期を実現できる。これにより、基盤技術として広く普及しているイーサネットで、複数装置間の同期処理が可能となる。

ＰＣＭ電流差動リレーや系統安定化装置のように、系統の広範囲に渡って電気量を監視し、保護を行う保護継電装置、系統安定化装置において、異なる地点に存在する電気所に配置された装置間で、高精度に同期したタイミングで電気量（電流情報、電圧情報）を取得することは、重要である。

今後、複雑化した電力系統の保護を行うために広く普及してきたイーサネットにおいて、前記同期したタイミングを得る技術は基本的機能である。

リレー演算では、同時刻に取得した電気量（電流情報、電圧情報）のサンプリングデータを用いる必要があるため、サンプリングするタイミングの精度が重要な要素となる。

サンプリングタイミング信号は、系統周波数の５０Ｈｚ／６０Ｈｚ、１２倍の６００Ｈｚ／７２０Ｈｚ、９６倍の４．８ｋＨｚ／５．７６ｋＨｚが主に使用される。これらのタイミングを誤差２０マイクロ秒程度で管理することが必要である。

図１１は、ＩＥＥＥ１５８８の時刻同期機能を使用した、ディジタルリレーシステムの一例を示している。図１１において、ＩＥＥＥ１５８８規格により時刻同期された、マスター装置ＣＬ（コントローラ＝ＩＥＥＥ１５８８同期のマスター装置）と複数の（本例では４つの）スレーブ装置ＳＭ１〜ＳＭ４（スマートメータ端末＝ＩＥＥＥ１５８８同期のスレーブ装置）はＬＡＮ（又はＷＡＮ）を介して互いに接続されている。

前記マスター装置ＣＬ、スレーブ装置ＳＭ１〜ＳＭ４は電力系統の各端子に各々配置されている。スレーブ装置ＳＭ１〜ＳＭ４はＩＥＥＥ１５８８同期により自局で生成したサンプリング信号によって、各端子におけるアナログ入力（電流、電圧等の電気量情報）をサンプリングして取り込み、ディジタル変換してＬＡＮを介してマスター装置ＣＬへ送信する。マスター装置ＣＬは、スレーブ装置ＳＭ１〜ＳＭ４から送信された電力系統の電気量情報に基づいて電力系統の事故を検出するためのリレー演算等を行う。

尚、保護リレーシステムにＩＥＥＥ１５８８技術を適用し精度の高いサンプリング同期を実現した装置としては、例えば特許文献１に記載のものが提案されている。

この特許文献１に記載の保護リレーシステムは、ＩＥＥＥ１５８８により同期したサンプリング周期内の電気角内を時間分割によりパケット送出タイミングを管理する方式であり、この複数のパケットにより情報を系統電流情報のパケットと、ＩＥＥＥ１５８８の時間管理用パケットと分割している。

ＩＥＥＥ１５８８時刻同期によるサンプリング同期方式は、新しい概念であり、現状では、広域に運用する場合（例えば、２００ｋｍ離れた複数の電気所に置かれた装置間で同期システムを構築する場合）において、保護リレーに適用する性能を保証するための監視方式は確立されていない。

特開２０１１−２００１００号公報

ＩＥＥＥ１５８８時刻同期は、ＬＡＮやＷＡＮ等を介したＰＴＰプロトコル（Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｔｉｍｅ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ）による時刻同期機能である。これは、１マイクロ秒の精度で時刻同期が可能であるが、未知数通信網において適用する場合には、ネットワークの遅延の影響を検証することが必要である。また、同期性能を保証する監視が必要である。

ＩＥＥＥ１５８８時刻同期は、時刻の同期は保証するが、時刻同期機能から生成した信号、例えばサンプリング同期信号の同期は保証していない。

例えば図１１のマスター装置ＣＬおよび４つのスレーブ装置ＳＭ１〜ＳＭ４を備えた保護リレーシステムにおいては、図１２に示すように各スレーブ装置ＳＭ１〜ＳＭ４でＩＥＥＥ１５８８同期により生成されたサンプリング信号に同期誤差が生じる。

各スレーブ装置ＳＭ１〜ＳＭ４によって保護リレーを構成する場合、各サンプリング信号の位相は±２０μｓ程度の精度で合わせる必要がある。このため図１２のようにスレーブ装置ＳＭ２のサンプリング信号とスレーブ装置ＳＭ３のサンプリング信号との差異が最大である場合は、この最大誤差が４０マイクロ秒（±２０μｓ）で管理されていることが必要である。

本発明は上記課題を解決するものであり、その目的は、各サンプリング信号の同期性能を監視し保証することができる保護リレーシステムおよび保護リレーシステムのサンプリング同期監視方法を提供することにある。

上記課題を解決するための請求項１に記載の保護リレーシステムは、電力系統の複数の端子に設けられ、ＩＥＥＥ１５８８規格により時刻同期されたマスター装置および複数のスレーブ装置がネットワークを介して接続され、前記各装置によって各端子における系統の電気量情報をサンプリングしてリレー演算を行う保護リレーシステムにおいて、前記マスター装置は、ＧＰＳ受信機から取得した１ＰＰＳ信号に同期した所定周波数のマスター装置側サンプリング信号を生成する手段と、前記マスター装置側サンプリング信号における設定したタイミングで同期確認指令を前記ネットワークを介して複数のスレーブ装置へ送信する手段とを備え、前記各スレーブ装置は、ＩＥＥＥ１５８８時刻同期機能により前記マスター装置側サンプリング信号と同一周波数のスレーブ装置側サンプリング信号を生成する手段と、前記マスター装置からの同期確認指令を受信した後に検出するスレーブ装置側サンプリング信号の信号変化点時刻と、所定周期で基準信号を発する基準信号源の基準信号発生時刻との差を同期信号の時間差として計測する時間差計測手段と、前記計測された同期信号の時間差情報を前記ネットワークへ送信する手段とを備え、前記マスター装置、複数のスレーブ装置およびネットワーク上に設けた監視用端末装置のうち少なくともいずれか１つの装置に設けられ、前記各スレーブ装置からネットワークを介して送信された同期信号の時間差情報を取得し、該時間差情報に基づいて、前記マスター装置側サンプリング信号およびスレーブ装置側サンプリング信号の同期性能を監視する監視手段を備えたことを特徴としている。

また、請求項８に記載の保護リレーシステムのサンプリング同期監視方法は、電力系統の複数の端子に設けられ、ＩＥＥＥ１５８８規格により時刻同期されたマスター装置および複数のスレーブ装置がネットワークを介して接続され、前記各装置によって各端子における系統の電気量情報をサンプリングしてリレー演算を行う保護リレーシステムのサンプリング同期監視方法であって、前記マスター装置が、ＧＰＳ受信機から取得した１ＰＰＳ信号に同期した所定周波数のマスター装置側サンプリング信号を生成するステップと、前記マスター装置が、前記マスター装置側サンプリング信号における設定したタイミングで同期確認指令を前記ネットワークを介して複数のスレーブ装置へ送信するステップと、前記各スレーブ装置が、ＩＥＥＥ１５８８時刻同期機能により前記マスター装置側サンプリング信号と同一周波数のスレーブ装置側サンプリング信号を生成するステップと、前記各スレーブ装置の時間差計測手段が、前記マスター装置からの同期確認指令を受信した後に検出するスレーブ装置側サンプリング信号の信号変化点時刻と、所定周期で基準信号を発する基準信号源の基準信号発生時刻との差を同期信号の時間差として計測する時間差計測ステップと、前記各スレーブ装置が、前記計測された同期信号の時間差情報を前記ネットワークへ送信するステップと、前記マスター装置、複数のスレーブ装置およびネットワーク上に設けた監視用端末装置のうち少なくともいずれか１つの装置に設けられた監視手段が、前記各スレーブ装置からネットワークを介して送信された同期信号の時間差情報を取得し、該時間差情報に基づいて、前記マスター装置側サンプリング信号およびスレーブ装置側サンプリング信号の同期性能を監視する監視ステップと、を備えたことを特徴としている。

上記構成によれば、マスター装置側サンプリング信号とスレーブ装置側サンプリング信号の時間差を基準信号発生時刻を基に計測しているので、計測された時間差情報によって、マスター装置側サンプリング信号とスレーブ装置側サンプリング信号の同期性能を監視することができる。

これによって、例えば前記時間差が閾値以内であることを確認することにより、同期性能を保証、すなわちリレーの同期信号として妥当であることを保証することができる。

また、請求項２に記載の保護リレーシステムは、請求項１において、前記各スレーブ装置は、前記計測した同期信号の時間差情報を、前記ネットワークに接続されたすべての装置との間で送信、受信する機能を有していることを特徴としている。

また、請求項９に記載の保護リレーシステムのサンプリング同期監視方法は、請求項８において、前記各スレーブ装置が、前記計測した同期信号の時間差情報を、前記ネットワークに接続されたすべての装置との間で送信、受信するステップを有していることを特徴としている。

上記構成によれば、複数のスレーブ装置各々の同期信号の時間差情報を相互に情報交換して、同一ネットワーク上で同期がどのような状態になっているかを把握することができる。このため例えば、前記時間差が閾値以上である場合、すなわちサンプリング誤差が閾値以上である場合、そのサンプリング誤差を小さくするようにスレーブ装置側サンプリング信号の出力を制御して、リレー性能を向上させることができる。

また、請求項３に記載の保護リレーシステムは、請求項１又は２において、前記所定周期で発せられる基準信号はＧＰＳ受信機から取得した１ＰＰＳ信号であり、前記時間差計測手段は、前記マスター装置からの同期確認指令を受信した後に検出するスレーブ装置側サンプリング信号の信号変化点時刻と、前記１ＰＰＳ信号発生時刻との時間差を計測することを特徴としている。

また、請求項１０に記載の保護リレーシステムのサンプリング同期監視方法は、請求項８又は９において、前記時間差計測ステップは、前記マスター装置からの同期確認指令を受信した後に検出するスレーブ装置側サンプリング信号の信号変化点時刻と、ＧＰＳ受信機から取得した１ＰＰＳ信号発生時刻との時間差を計測することを特徴としている。

上記構成によれば、マスター装置側サンプリング信号とスレーブ装置側サンプリング信号の時間差を、絶対時間であるＧＰＳの１ＰＰＳ信号（１秒間隔のパルス信号）を基に計測しているので、時間差情報の精度が高く、同期性能監視の信頼性が向上する。

また、請求項４に記載の保護リレーシステムは、請求項１又は２において、前記所定周期で発せられる基準信号は電力系統周波数を検出した信号であり、前記時間差計測手段は、前記マスター装置からの同期確認指令を受信した後に検出するスレーブ装置側サンプリング信号の信号変化点時刻と、前記検出された電力系統周波数信号のゼロクロス点との時間差を計測することを特徴としている。

また、請求項１１に記載の保護リレーシステムのサンプリング同期監視方法は、請求項８又は９において、前記時間差計測ステップは、前記マスター装置からの同期確認指令を受信した後に検出するスレーブ装置側サンプリング信号の信号変化点時刻と、電力系統周波数を検出した信号のゼロクロス点との時間差を計測することを特徴としている。

上記構成によれば、ＧＰＳ受信機を用いないので、ＧＰＳ受信機およびＧＰＳアンテナの工事が不要となる。

また、請求項５に記載の保護リレーシステムは、請求項１ないし４のいずれか１項において、前記監視手段は、前記同期信号の時間差情報が示す計測時間差の最小値から最大値までの幅を揺らぎ幅として求める処理を、監視対象時間内に取得した複数の同期信号の時間差情報に対して実行し、その結果求められた複数の揺らぎ幅の出現分布状況に基づいて前記同期性能を監視することを特徴としている。

また、請求項１２に記載の保護リレーシステムのサンプリング同期監視方法は、請求項８ないし１１のいずれか１項において、前記監視ステップは、前記同期信号の時間差情報が示す計測時間差の最小値から最大値までの幅を揺らぎ幅として求める処理を、監視対象時間内に取得した複数の同期信号の時間差情報に対して実行し、その結果求められた複数の揺らぎ幅の出現分布状況に基づいて前記同期性能を監視することを特徴としている。

スレーブ装置はマスター装置の従属同期となることから同期信号の時間差は揺らぎ特性を持つが、前記請求項５、１２の構成によれば、前記揺らぎ特性に応じた同期性能の監視を行うことができる。

また、請求項６に記載の保護リレーシステムは、請求項５において、前記監視手段は、前記求められた揺らぎ幅を、段階的に設定した複数の出現率毎に分類することで、前記同期性能を監視することを特徴としている。

また、請求項１３に記載の保護リレーシステムのサンプリング同期監視方法は、請求項１２において、前記監視ステップは、前記求められた揺らぎ幅を、段階的に設定した複数の出現率毎に分類することで、前記同期性能を監視することを特徴としている。

上記構成によれば、同期信号の時間差の揺らぎについて段階的な揺らぎの状況を評価することができる。

また、請求項７に記載の保護リレーシステムは、請求項１ないし６のいずれか１項において、前記監視手段は、前記同期性能を監視するための情報を表示する手段を備えていることを特徴としている。

また、請求項１４に記載の保護リレーシステムのサンプリング同期監視方法は、請求項８ないし１３のいずれか１項において、前記監視ステップは、表示手段が前記同期性能を監視するための情報を表示するステップを備えていることを特徴としている。

上記構成によれば、同期性能を監視するための情報、例えばマスター装置側サンプリング信号とスレーブ装置側サンプリング信号の時間差情報、前記時間差の揺らぎ幅情報、揺らぎ幅の出現分布状況の情報および揺らぎ幅を段階的に設定した複数の出現率毎に分類した情報等を表示することができる。このように同期性能を監視するための情報が視覚化されるため、ネットワークの安定性、品質のレベル評価が可能となる。

（１）請求項１〜１４に記載の発明によれば、マスター装置側サンプリング信号とスレーブ装置側サンプリング信号の同期性能を監視することができる。これによって、この監視結果に基づいてサンプリング同期信号の同期性能を保証することができる。
（２）請求項２、９に記載の発明によれば、複数のスレーブ装置各々の同期信号の時間差情報を互いに共有することができ、同一ネットワーク上の同期状況を把握することができる。
（３）請求項３、１０に記載の発明によれば、計測した同期信号の時間差情報の精度が高く、同期性能監視の信頼性が向上する。
（４）請求項４、１１に記載の発明によれば、ＧＰＳ受信機を用いないので、安価な装置構成となる。
（５）請求項５、１２に記載の発明によれば、同期信号の時間差の揺らぎ特性に応じた同期性能の監視を行うことができる。
（６）請求項６、１３に記載の発明によれば、同期信号の時間差の揺らぎについて段階的な揺らぎの状況を評価することができる。
（７）請求項７、１４に記載の発明によれば、同期性能を監視するための情報を表示し、視覚化することができ、これによってネットワークの安定性、品質のレベル評価が可能となる。

本発明の実施例１による同期監視システムの構成図。 本発明の実施例１における同期信号の時間差計測のようすを示す説明図。 本発明の実施例２による同期監視システムの構成図。 本発明の実施例２における同期信号の時間差計測のようすを示す説明図。 本発明の実施例２における同期信号の時間差計測例を示す説明図。 本発明で用いる同期信号の時間差の揺らぎ幅Δｔｎの分布を示す特性図。 本発明の実施例３による同期監視システムの構成図。 本発明の実施例３における、ネットワーク上のサンプリング誤差モニタリング画面例を示す説明図。 本発明の実施例４における、ネットワーク上のサンプリング誤差モニタリング画面の揺らぎ分布表示例を示す説明図。 本発明の実施例４で用いる同期信号の時間差の揺らぎ幅Δｔｎの分布を示す特性図。 ＩＥＥＥ１５８８の時刻同期機能を使用した従来のディジタルリレーシステムの一例を示す構成図。 図１１のシステムにおける各スレーブ装置のサンプリング信号の同期誤差を示す説明図。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明するが、本発明は下記の実施形態例に限定されるものではない。本実施形態例の保護リレーシステムの基本構成は例えば図１（実施例１）のように構成される。

図１において、ＩＥＥＥ１５８８規格により時刻同期された、マスター装置ＣＬ（コントローラ＝ＩＥＥＥ１５８８同期のマスター装置）と複数の（本例では４つの）スレーブ装置ＳＭ１〜ＳＭ４（スマートメータ端末＝ＩＥＥＥ１５８８同期のスレーブ装置）はＬＡＮ（又はＷＡＮ）（本発明のネットワーク）を介して互いに接続されている。

前記マスター装置ＣＬ、スレーブ装置ＳＭ１〜ＳＭ４は電力系統の各端子に各々配置されている。スレーブ装置ＳＭ１〜ＳＭ４はＩＥＥＥ１５８８同期により自局で生成したサンプリング信号によって、各端子におけるアナログ入力（電流、電圧等の電気量情報）をサンプリングして取り込み、ディジタル変換してＬＡＮを介してマスター装置ＣＬへ送信する。マスター装置ＣＬは、スレーブ装置ＳＭ１〜ＳＭ４から送信された電力系統の電気量情報に基づいて電力系統の事故を検出するためのリレー演算等を行う。

例えばスレーブ装置ＳＭ１〜ＳＭ４は、系統の各端子に設けられた変流器ＣＴにより各端子における電流を検出し、各端子に設けられた遮断器の接点情報を取り込み、それら検出電流情報、接点情報をＬＡＮを介してマスター装置ＣＬに送信する。
マスター装置ＣＬは、前記検出電流情報、接点情報等を用いてリレー演算を実施し、その結果に基づいて前記各端子の遮断器に対して引き外し指令を与える。マスター装置ＣＬは、ＧＰＳ受信機から取得した１ＰＰＳ信号に同期した所定周波数のマスター装置側サンプリング信号を生成するサンプリング信号生成部、前記マスター装置側サンプリング信号における設定したタイミングで同期確認指令を前記ＬＡＮを介して複数のスレーブ装置ＳＭ１〜ＳＭ４へ送信する送信部、Ａ／Ｄ変換部、各種情報を受信する受信部、各種情報を表示する表示部、各種演算処理を行うＣＰＵ等を備えている。
前記各スレーブ装置ＳＭ１〜ＳＭ４は、ＩＥＥＥ１５８８時刻同期機能により前記マスター装置側サンプリング信号と同一周波数のスレーブ装置側サンプリング信号を生成するサンプリング信号生成部、前記マスター装置ＣＬからの同期確認指令を受信した後に検出するスレーブ装置側サンプリング信号の信号変化点時刻と、所定周期で基準信号を発する基準信号源、例えばＧＰＳ受信機から取得した１ＰＰＳ信号発生時刻との差を同期信号の時間差として計測する時間差計測部、前記計測された同期信号の時間差情報を前記ＬＡＮへ送信する送信部、Ａ／Ｄ変換部、各種情報を受信する受信部、各種情報を表示する表示部、各種演算処理を行うＣＰＵ等を備えている。

さらに、前記マスター装置ＣＬ、複数のスレーブ装置ＳＭ１〜ＳＭ４およびＬＡＮ上に設けた監視用端末装置（図示省略）のうち少なくともいずれか１つの装置には、前記各スレーブ装置ＳＭ１〜ＳＭ４からＬＡＮを介して送信された同期信号の時間差情報を取得し、該時間差情報に基づいて、前記マスター装置側サンプリング信号およびスレーブ装置側サンプリング信号の同期性能を監視する監視部が設けられている。
尚、本実施形態例での説明では、５０Ｈｚを代表して５０Ｈｚ信号をｓｙｎｃ４と定義し、その１２倍の逓倍である６００Ｈｚ信号をｓｙｎｃ１と定義して説明する。

６０Ｈｚ系の場合は、６０Ｈｚ信号をｓｙｎｃ４と定義し、その１２倍の逓倍である７２０Ｈｚ信号をｓｙｎｃ１と定義することとなる。実際のサンプリング周波数としては、９６倍の４．８ＫＨｚ、又は５．７６ＫＨｚとなる。

本実施例１では、図１において、ＧＰＳ受信機からの１ＰＰＳ信号と、サンプリング同期信号との時間差を計測し、時間差の出現率を監視して、同期性能を保証するように構成した。すなわち図２に示すように、ＧＰＳ受信機から受け取る１ＰＰＳ信号（１秒間隔のパルス信号）をマスター装置ＣＬに取り込み、そのタイミングでサンプリング同期信号の変化点との時間差を計測する。

サンプリング信号には５０Ｈｚ信号（ｓｙｎｃ４）と６００Ｈｚ信号（ｓｙｎｃ１）があるが、他装置との同期確立を判定するには、５０Ｈｚ信号（ｓｙｎｃ４）を使用する。

（１）マスター装置ＣＬのサンプリング信号生成部は、ＧＰＳ受信機からの１ＰＰＳ信号に同期してサンプリング同期信号（マスター装置側サンプリング信号）を生成する（図１の（１））。

（２）１ＰＰＳ信号は、１秒時間であることから、次の１ＰＰＳ信号の期間には５０個の変化点を持つサンプリング信号ｓｙｎｃ４（５０Ｈｚ）が存在し、それぞれの変化点の区間時間をＮＯ．１からＮＯ．５０とする（図１の（２））。

（３）区間ＮＯ．１のサンプリング信号ｓｙｎｃ４の変化点は１ＰＰＳ信号の立ち上がり変化点とし、サンプリング信号ｓｙｎｃ４の立ち下がり点として同時刻点として説明する（図１の（３））。

ＩＥＥＥ１５８８のＰＴＰプロトコルによりマスター装置ＣＬと複数のネットワーク（ＬＡＮ）に接続されたスレーブ装置ＳＭ間は、ＣＬ→ＳＭ□の伝送遅延、ＳＭ□→ＣＬの伝送遅延が同じであることから、同期が取られる前提となっている（□はスレーブ装置の番号）。同期は、ＣＬをマスターとし、各ＳＭ□がスレーブとして同期合わせを行うものである。

（４）マスター装置ＣＬからは、スレーブ装置ＳＭ□に対して、例えばサンプリング信号（図示（２））の毎回ＮＯ．５０の立ち下がりタイミングで、同期確認用のＰＴＰプロトコルパケット（同期確認指令）を伝送する（図１の（４））。

（５）スレーブ装置ＳＭ□は、ＩＥＥＥ１５８８時刻同期機能（ＰＴＰ）によりマスター装置ＣＬとの間で時刻同期が確立されている。各スレーブ装置ＳＭ□は時刻同期機能から、それぞれサンプリング同期信号ｓｙｎｃ４（スレーブ装置側サンプリング信号；図１の（５））を生成している（ｓｙｎｃ４を逓倍したｓｙｎｃ１も生成される）。

（６）スレーブ装置ＳＭ１〜ＳＭ４にも、ＧＰＳ受信機からの１ＰＰＳ信号を取り込んでおく（図１の（６））。

（７）スレーブ装置ＳＭ□の時間差計測部は、同期確認用のデータ（ＮＯ．５０のｓｙｎｃ４のタイミング）を認識したら、認識したタイミングから、最初に検出する自局のサンプリング信号（ｓｙｎｃ４）の信号変化点（ＮＯ．１のｓｙｎｃ４の先頭）と、１ＰＰＳ信号との時間差を計測する（図２の（７）；時間差ｔ１〜ｔ４）。

そして、スレーブ装置ＳＭ１〜ＳＭ４は自局で計測した各時間差ｔ１〜ｔ４（同期信号の時間差情報）をＬＡＮを介して送信する。

図２において、
ＳＭ１のサンプリング信号ｓｙｎｃ４ ＮＯ．１の立ち下がり点の時間は、ＧＰＳの１ＰＰＳ信号＋ｔ１、
ＳＭ２のサンプリング信号ｓｙｎｃ４ ＮＯ．１の立ち下がり点の時間は、ＧＰＳの１ＰＰＳ信号＋ｔ２、
ＳＭ３のサンプリング信号ｓｙｎｃ４ ＮＯ．１の立ち下がり点の時間は、ＧＰＳの１ＰＰＳ信号＋ｔ３、
ＳＭ４のサンプリング信号ｓｙｎｃ４ ＮＯ．１の立ち下がり点の時間は、ＧＰＳの１ＰＰＳ信号＋ｔ４となる。

図２では省略しているが、マスター装置ＣＬについても同様である。マスター装置ＣＬのサンプリング信号ｓｙｎｃ４ ＮＯ．１の立ち下がりの時間は、ＧＰＳの１ＰＰＳ信号＋ｔ０となる。

従って、ｎ時点（ＮＯ．１〜ＮＯ．５０のうちのｎ番目）のサンプリング信号ｓｙｎｃ４の変化幅の最大値は、ミニマム（ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４）をｔｎ（ｍｉｎ）、マックス（ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４）をｔｎ（ｍａｘ）とする。管理すべきは揺らぎ幅Δｔｎ＝ｔｎ（ｍａｘ）−ｔｎ（ｍｉｎ）≦４０μｓとなる。スレーブ装置ＳＭ側の同期タイミング回路はディジタルＰＬＬ方式などを利用した従属同期となるために、時間差（ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４）は揺らぐものである。

本発明では、この揺らぎ幅Δｔｎを監視で管理することに特徴がある。本実施例１および実施例２では、一例としてマスター装置ＣＬ側に監視部が設けられており、監視部は、スレーブ装置ＳＭ１〜ＳＭ４から送信された時間差情報（ｔ１〜ｔ４）を取得し、監視対象時間内に取得した複数の時間差情報から前記揺らぎ幅Δｔｎを求め、その複数の揺らぎ幅Δｔｎの出現分布状況に基づいてマスター装置側サンプリング信号およびスレーブ装置側サンプリング信号の同期性能を監視する。

前記Δｔｎは、１秒間で５０個の評価データを用意することができる。例えばその５０個で、Δｔｎの発生頻度を評価する。データのサンプル個数は、例えば１０秒分を対象とするなら、５０個×１０秒＝５００個の統計データとなる。Δｔｎの揺らぎの分布状況は、図６のように正規分布に分散することになる。監視としては、統計対象時間ｔｍ（例えば１０秒）と中心値Ｍと３σを求める。この３σが管理点±２０μｓ以下であること、などのように監視をするものである。

（８）以上のようにして、計測した時間差が一定であることで、マスター装置ＣＬとスレーブ装置ＳＭ１〜ＳＭ４との間で、サンプリング同期信号の同期が確立されていることを保証できる。

すなわち、ＧＰＳの１ＰＰＳ信号を基準とし、各スレーブ装置ＳＭ１〜ＳＭ４側で生成されたサンプリング信号との時間差を計測し、監視部にてその時間差が一定であるか否かによって同期を確認することができ、さらに時間差が±２０μｓ以内であることでリレーの同期信号として妥当であることを保証することができる。

本実施例２では図３の構成において、基準として電力系統周波数を利用し、サンプリング同期信号との時間差を計測し、時間差の出現率を監視して同期性能を保証するように構成した。

すなわち図４に示すように、電力系統周波数（例えば電流位相）を検出した信号のゼロクロス点を装置に取り込み、そのタイミングで、サンプリング同期信号の変化点との時間差を計測する。

サンプリング信号には５０Ｈｚ信号（ｓｙｎｃ４）と６００Ｈｚ信号（ｓｙｎｃ１）があるが、他装置との同期確立を判定するには、５０Ｈｚ信号（ｓｙｎｃ４）を使用する。

図３において図１と同一部分は同一符号をもって示しており、図１と異なる点は、各スレーブ装置ＳＭ１〜ＳＭ４の時間差計測部が、電力系統アナログ入力（電力系統周波数を検出した信号）のゼロクロス点と、マスター装置ＣＬからの同期確認指令を受信した後に最初に検出するスレーブ装置側サンプリング信号の信号変化点時刻との時間差を計測することにあり、その他の部分は図１と同一に構成されている。

（１）マスター装置ＣＬのサンプリング信号生成部は、ＧＰＳ受信機からの１ＰＰＳ信号に同期してサンプリング同期信号（マスター装置側サンプリング信号）を生成する（図３の（１））。

（２）１ＰＰＳ信号は、１秒時間であることから、次の１ＰＰＳ信号の期間には５０個の変化点を持つサンプリング信号ｓｙｎｃ４（５０Ｈｚ）が存在し、それぞれの変化点の区間時間をＮＯ．１からＮＯ．５０とする（図３の（２））。

（３）区間ＮＯ．１のサンプリング信号ｓｙｎｃ４の変化点は１ＰＰＳ信号の立ち上がり変化点とし、サンプリング信号ｓｙｎｃ４の立ち下がり点として同時刻点として説明する（図３の（３））。

（４）マスター装置ＣＬからは、スレーブ装置ＳＭ□に対して、例えばサンプリング信号（図示（２））の毎回ＮＯ．５０の立ち下がりタイミングで、同期確認用のＰＴＰプロトコルパケット（同期確認指令）を伝送する（図３の（４））。

（５）スレーブ装置ＳＭ□は、ＩＥＥＥ１５８８時刻同期機能（ＰＴＰ）によりマスター装置ＣＬとの間で時刻同期が確立されている。各スレーブ装置ＳＭ□は時刻同期機能から、それぞれサンプリング同期信号ｓｙｎｃ４（スレーブ装置側サンプリング信号；図３の（５））を生成している（ｓｙｎｃ４を逓倍したｓｙｎｃ１も生成される）。

（６）スレーブ装置ＳＭ１〜ＳＭ４には、アナログ入力信号（図３の（６））から、電力系統周波数のゼロクロス点を検出する回路を備えておく。

（７）スレーブ装置ＳＭ□の時間差計測部は、同期確認用のデータ（ＮＯ．５０のｓｙｎｃ４のタイミング）を認識したら、認識したタイミングから、最初に検出する自局のサンプリング信号（ｓｙｎｃ４）の信号変化点（ＮＯ．１のｓｙｎｃ４の先頭）と、電力系統周波数のゼロクロス点との時間差を計測する（図４の（７）；時間差ｔ１〜ｔ４）。

そして、スレーブ装置ＳＭ１〜ＳＭ４は自局で計測した各時間差ｔ１〜ｔ４（同期信号の時間差情報）をＬＡＮを介して送信する。

前記時間差（ｔ１〜ｔ４）は、スレーブ装置ＳＭの各自局のサンプリング信号のＮＯ．１の立ち下がり時点から電力系統のゼロクロス点までの時間Ｔ□を各スレーブ装置ＳＭ□毎に算出するものであり、時間差ｔ□は図４に示すように、電力系統アナログ入力の１周期から前記時間Ｔ□を減算することで求められる。すなわち、
ＳＭ１のサンプリング信号ｓｙｎｃ４ ＮＯ．１の立ち下がり点の時間は、ｔ１＝１周期Ｔ：２０ｍｓ−Ｔ１、
ＳＭ２のサンプリング信号ｓｙｎｃ４ ＮＯ．１の立ち下がり点の時間は、ｔ２＝１周期Ｔ：２０ｍｓ−Ｔ２、
ＳＭ３のサンプリング信号ｓｙｎｃ４ ＮＯ．１の立ち下がり点の時間は、ｔ３＝１周期Ｔ：２０ｍｓ−Ｔ３、
ＳＭ４のサンプリング信号ｓｙｎｃ４ ＮＯ．１の立ち下がり点の時間は、ｔ４＝１周期Ｔ：２０ｍｓ−Ｔ４、となる。

図４では省略しているが、マスター装置ＣＬについても同様である。マスター装置ＣＬのサンプリング信号ｓｙｎｃ４ ＮＯ．１の立ち下がりの時間は、ＧＰＳの１ＰＰＳ信号＋ｔ０となる。

従って、ｎ時点のサンプリング信号ｓｙｎｃ４の変化幅の最大値は、ミニマム（ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４）をｔｎ（ｍｉｎ）、マックス（ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４）をｔｎ（ｍａｘ）とする。管理すべきは揺らぎ幅Δｔｎ＝ｔｎ（ｍａｘ）−ｔｎ（ｍｉｎ）≦４０μｓとなる。スレーブ装置ＳＭ側の同期タイミング回路はディジタルＰＬＬ方式などを利用した従属同期となるために、時間差（ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４）は揺らぐものである。

本実施例２では、マスター装置ＣＬ側に設けた監視部が、スレーブ装置ＳＭ１〜ＳＭ４から送信された時間差情報（ｔ１〜ｔ４）を取得し、監視対象時間内に取得した複数の時間差情報から前記揺らぎ幅Δｔｎを求め、その複数の揺らぎ幅Δｔｎの出現分布状況に基づいてマスター装置側サンプリング信号およびスレーブ装置側サンプリング信号の同期性能を監視する。

例えば１秒間でΔｔｎは、５０個の評価データを用意することができ（図５の時間差計測例に示すように電力系統アナログ入力が５０Ｈｚであるため）、その５０個で、揺らぎ幅Δｔｎの発生頻度を評価する。データのサンプル個数は、例えば１０秒分を対象とするなら、５０個×１０秒＝５００個の統計データとなる。Δｔｎの揺らぎの分布状況は、図６のように正規分布に分散することになる。監視としては、統計対象時間ｔｍ（例えば１０秒）と中心値Ｍと３σを求める。この３σが管理点±２０μｓ以下であること、などのように監視をするものである。

（８）以上のようにして、計測した時間差が一定であることで、マスター装置ＣＬとスレーブ装置ＳＭ１〜ＳＭ４との間で、サンプリング同期信号の同期が確立されていることを保証できる。

すなわち、電力系統周波数（例えば電流位相）を検出した信号を基準とし、各スレーブ装置ＳＭ１〜ＳＭ４側で生成されたサンプリング信号との時間差を計測し、監視部にてその時間差が一定であるか否かによって同期を確認することができ、さらに時間差が±２０μｓ以内であることでリレーの同期信号として妥当であることを保証することができる。

本実施例３では、図７において、サンプリング時刻同期情報（時間差情報）を、全ての装置で共有し、自装置のサンプリングタイミングとの誤差を管理（サンプリング同期精度管理）するように構成した。

すなわち、実施例１、実施例２で計測した時間差情報（基準信号であるＧＰＳからの１ＰＰＳ信号、又は系統電流位相のゼロクロス点と、自局のサンプリング同期信号との時間差情報）を、全ての装置（ＣＬ，ＳＭ）がＬＡＮ経由で共有する。これによって、離れた場所にあるＩＥＥＥ１５８８機能を搭載した装置間で、定周期信号がどのような時間で管理されているのかを把握できることとなる。

図７の同期監視システムは、図１、図３と同様に構成されており、図１、図３と異なる点は、各スレーブ装置ＳＭ１〜ＳＭ４が、自局で計測した同期信号の時間差情報を、ＬＡＮ上の全ての装置との間で送信、受信する機能を有していることである。

尚、図７において、本発明の監視手段（監視部）は、マスター装置ＣＬ、スレーブ装置ＳＭ１〜ＳＭ４およびＬＡＮ上に設けた同期監視システム用の監視装置（パソコン）（図示省略）のうちのいずれか１つ以上に設けられている。

図７のシステムでは、５端子（ＣＬ，ＳＭ１〜ＳＭ４）間の情報を集約すれば、全ての装置のサンプリング同期状況が監視可能である。ネットワーク上にある同期監視システム用の監視装置（パソコン）、または情報を共有している各端末において、定周期タイミングであるサンプリング信号の変化点を絶対時刻情報で管理しているので、それを集約して、監視部の表示部において、視覚的表示することが可能である。一例として、同期監視システム用の監視装置（パソコン）でのサンプリング誤差モニタリング画面例を図８に示す。

同期監視システム用の監視装置（パソコン）に、例えばＧＰＳを備えた絶対時間を管理するものがあれば、それを基準とした時間差異（揺らぎ幅 ｍｉｎ〜ｍａｘ）を図８のように表示管理可能である。連続的な監視により、例えば１０秒間５００データ（５０Ｈｚ周期で計測した場合）を用いた、揺らぎ幅○〜○のように表現する。更新周期は、例えば１秒毎に更新とする。

尚、図８の計測値に示した値は一例である。リレーとしては、±２０μｓｅｃ以内の同期精度が必須のため、最低１μｓｅｃの分解能表示とする。揺らぎ表示としては、ＩＥＥＥ１５８８ではｎｓｅｃレベルの時刻表示が可能なため、０．１μｓｅｃの分解能表示とした。

このようにＬＡＮ上の全ての装置全体の同期性能を監視することが可能となる。また、異常判定は、ＩＥＥＥ１５８８の仕組みから、通信障害時に時間補正ができなくても、すぐには同期外れを起こさない仕組みであるので、自走してずれていくことを監視するものとする。そのために、例えば管理点±２０ｍｓ逸脱し、継続１０秒で警報発報する仕組みとする。

また、測定されたサンプリングが差を小さくするように自装置（スレーブ装置ＳＭ１〜ＳＭ４のいずれかの装置）のサンプリング信号の出力を制御することにより、リレー性能を向上させることができる。

前記実施例３で実現したサンプリング同期精度管理では、揺らぎ（ｍｉｎ〜ｍａｘ）を評価するが、実施例４は、揺らぎの状況をより視覚化することで、ネットワークの安定性、品質のレベル評価が可能な仕組みを構築した。

本実施例４においては、実施例３の図７の構成のように、同期信号の時間差情報を全ての装置（ＣＬ、各ＳＭ）で共有し、監視部が、全ての時間差情報を集約し時間差の揺らぎ幅（ｍｉｎ〜ｍａｘ）を求めることは同一であるが、さらに、前記揺らぎ幅を、段階的に設定した複数の出現率毎に分類して表示管理を行う。

例えば連続的な監視により、１０秒間５００データ（５０Ｈｚ周期で計測した場合）を用いた揺らぎ幅○〜○を図９のように出現率毎に表現する。更新周期は、例えば１秒毎に更新とする。揺らぎ幅Δｔｎの分布は図１０のとおりである。

図９は監視部の表示部により表示されるサンプリング誤差モニタリング画面の一例を示している。図９では、±３０％の出現率となるΔｔｎの時間ばらつき、±σ（６９％）の出現率となるΔｔｎの時間ばらつき、±３σ（９９．６％）の出現率となるΔｔｎの時間ばらつきを、黒塗り、斜線、白抜きの各バンドで表現しており、±３０％を黒塗り表示、±σ（６９％）を斜線表示、±３σ（９９．６％）を白抜き表示としている。

尚、図９の計測値に示した値は一例である。リレーとしては、±２０μｓｅｃ以内の同期精度が必須のため、最低１μｓｅｃの分解能表示とする。揺らぎ表示としては、ＩＥＥＥ１５８８ではｎｓｅｃレベルの時刻表示が可能なため、０．１μｓｅｃの分解能表示とした。

本実施例４によれば、時間差情報の揺らぎ幅を、段階的に設定した複数の出現率毎に分類し、揺らぎの状況を視覚化することで段階的な揺らぎ性能を評価することができ、ネットワークの安定性、品質のレベル評価が可能となる。

ＣＬ…マスター装置
ＳＭ１〜ＳＭ４…スレーブ装置
ＧＰＳ…ＧＰＳ受信機

Claims (14)

1. 電力系統の複数の端子に設けられ、ＩＥＥＥ１５８８規格により時刻同期されたマスター装置および複数のスレーブ装置がネットワークを介して接続され、前記各装置によって各端子における系統の電気量情報をサンプリングしてリレー演算を行う保護リレーシステムにおいて、
   前記マスター装置は、ＧＰＳ受信機から取得した１ＰＰＳ信号に同期した所定周波数のマスター装置側サンプリング信号を生成する手段と、前記マスター装置側サンプリング信号における設定したタイミングで同期確認指令を前記ネットワークを介して複数のスレーブ装置へ送信する手段とを備え、
   前記各スレーブ装置は、ＩＥＥＥ１５８８時刻同期機能により前記マスター装置側サンプリング信号と同一周波数のスレーブ装置側サンプリング信号を生成する手段と、前記マスター装置からの同期確認指令を受信した後に検出するスレーブ装置側サンプリング信号の信号変化点時刻と、所定周期で基準信号を発する基準信号源の基準信号発生時刻との差を同期信号の時間差として計測する時間差計測手段と、前記計測された同期信号の時間差情報を前記ネットワークへ送信する手段とを備え、
   前記マスター装置、複数のスレーブ装置およびネットワーク上に設けた監視用端末装置のうち少なくともいずれか１つの装置に設けられ、前記各スレーブ装置からネットワークを介して送信された同期信号の時間差情報を取得し、該時間差情報に基づいて、前記マスター装置側サンプリング信号およびスレーブ装置側サンプリング信号の同期性能を監視する監視手段を備えたことを特徴とする保護リレーシステム。
2. 前記各スレーブ装置は、前記計測した同期信号の時間差情報を、前記ネットワークに接続されたすべての装置との間で送信、受信する機能を有していることを特徴とする請求項１に記載の保護リレーシステム。
3. 前記所定周期で発せられる基準信号はＧＰＳ受信機から取得した１ＰＰＳ信号であり、
   前記時間差計測手段は、前記マスター装置からの同期確認指令を受信した後に検出するスレーブ装置側サンプリング信号の信号変化点時刻と、前記１ＰＰＳ信号発生時刻との時間差を計測することを特徴とする請求項１又は２に記載の保護リレーシステム。
4. 前記所定周期で発せられる基準信号は電力系統周波数を検出した信号であり、
   前記時間差計測手段は、前記マスター装置からの同期確認指令を受信した後に検出するスレーブ装置側サンプリング信号の信号変化点時刻と、前記検出された電力系統周波数信号のゼロクロス点との時間差を計測することを特徴とする請求項１又は２に記載の保護リレーシステム。
5. 前記監視手段は、前記同期信号の時間差情報が示す計測時間差の最小値から最大値までの幅を揺らぎ幅として求める処理を、監視対象時間内に取得した複数の同期信号の時間差情報に対して実行し、その結果求められた複数の揺らぎ幅の出現分布状況に基づいて前記同期性能を監視することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の保護リレーシステム。
6. 前記監視手段は、前記求められた揺らぎ幅を、段階的に設定した複数の出現率毎に分類することで、前記同期性能を監視することを特徴とする請求項５に記載の保護リレーシステム。
7. 前記監視手段は、前記同期性能を監視するための情報を表示する手段を備えていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の保護リレーシステム。
8. 電力系統の複数の端子に設けられ、ＩＥＥＥ１５８８規格により時刻同期されたマスター装置および複数のスレーブ装置がネットワークを介して接続され、前記各装置によって各端子における系統の電気量情報をサンプリングしてリレー演算を行う保護リレーシステムのサンプリング同期監視方法であって、
   前記マスター装置が、ＧＰＳ受信機から取得した１ＰＰＳ信号に同期した所定周波数のマスター装置側サンプリング信号を生成するステップと、
   前記マスター装置が、前記マスター装置側サンプリング信号における設定したタイミングで同期確認指令を前記ネットワークを介して複数のスレーブ装置へ送信するステップと、
   前記各スレーブ装置が、ＩＥＥＥ１５８８時刻同期機能により前記マスター装置側サンプリング信号と同一周波数のスレーブ装置側サンプリング信号を生成するステップと、
   前記各スレーブ装置の時間差計測手段が、前記マスター装置からの同期確認指令を受信した後に検出するスレーブ装置側サンプリング信号の信号変化点時刻と、所定周期で基準信号を発する基準信号源の基準信号発生時刻との差を同期信号の時間差として計測する時間差計測ステップと、
   前記各スレーブ装置が、前記計測された同期信号の時間差情報を前記ネットワークへ送信するステップと、
   前記マスター装置、複数のスレーブ装置およびネットワーク上に設けた監視用端末装置のうち少なくともいずれか１つの装置に設けられた監視手段が、前記各スレーブ装置からネットワークを介して送信された同期信号の時間差情報を取得し、該時間差情報に基づいて、前記マスター装置側サンプリング信号およびスレーブ装置側サンプリング信号の同期性能を監視する監視ステップと、
   を備えたことを特徴とする保護リレーシステムのサンプリング同期監視方法。
9. 前記各スレーブ装置が、前記計測した同期信号の時間差情報を、前記ネットワークに接続されたすべての装置との間で送信、受信するステップを有していることを特徴とする請求項８に記載の保護リレーシステムのサンプリング同期監視方法。
10. 前記時間差計測ステップは、前記マスター装置からの同期確認指令を受信した後に検出するスレーブ装置側サンプリング信号の信号変化点時刻と、ＧＰＳ受信機から取得した１ＰＰＳ信号発生時刻との時間差を計測することを特徴とする請求項８又は９に記載の保護リレーシステムのサンプリング同期監視方法。
11. 前記時間差計測ステップは、前記マスター装置からの同期確認指令を受信した後に検出するスレーブ装置側サンプリング信号の信号変化点時刻と、電力系統周波数を検出した信号のゼロクロス点との時間差を計測することを特徴とする請求項８又は９に記載の保護リレーシステムのサンプリング同期監視方法。
12. 前記監視ステップは、前記同期信号の時間差情報が示す計測時間差の最小値から最大値までの幅を揺らぎ幅として求める処理を、監視対象時間内に取得した複数の同期信号の時間差情報に対して実行し、その結果求められた複数の揺らぎ幅の出現分布状況に基づいて前記同期性能を監視することを特徴とする請求項８ないし１１のいずれか１項に記載の保護リレーシステムのサンプリング同期監視方法。
13. 前記監視ステップは、前記求められた揺らぎ幅を、段階的に設定した複数の出現率毎に分類することで、前記同期性能を監視することを特徴とする請求項１２に記載の保護リレーシステムのサンプリング同期監視方法。
14. 前記監視ステップは、表示手段が前記同期性能を監視するための情報を表示するステップを備えていることを特徴とする請求項８ないし１３のいずれか１項に記載の保護リレーシステムのサンプリング同期監視方法。

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