JP6386905B2 - 保護リレーシステム - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、電力システムに適用される保護リレーシステムに関する。

保護リレー装置は、送電線保護システムや系統安定化制御システムなど、多岐にわたる用途に適用されている。送電線保護システムにおける保護リレー装置は、送電線や母線の事故を検出して、事故区間を切り離す。系統安定化制御システムにおける保護リレー装置は、発電所、変電所の系統事故を検出して、周波数脱調等の系統不安定事象を予測し、発電機等を系統から切り離す。これにより、保護リレー装置は、事故波及の防止、電力系統の安定を図ることができる。

これらの送電線保護システムや系統安定化制御システムにおいては、保護リレー装置が、送電線区間や発変電所の各端子に設置されている。保護リレー装置には、自らが監視する区間の電流値や電圧値、接点情報等、種々の検出手段が計測した電気量データが入力される。また、保護リレー装置は、通信経路を介して、他の保護リレー装置や計算機等と電気量データを授受し合い、内部の演算装置によって、電流差動演算や安定度演算を実行している。

複数の保護リレー装置を通信経路で接続した保護リレーシステムにおいては、各保護リレー装置が、同一時刻に計測した電気量データを用いて、事故検出判定等の演算を行う。電気量データを計測するタイミングは、ハードウェアクロックを分周して生成するサンプリングパルス信号を基点にする。サンプリングパルス信号は、系統周波数の電気角３０°や１５°など、保護リレーシステムに応じた計測精度を分周値調整で生成できる。つまり、分周値を調整することで、分解能を決定している。

そして、分周値を微調整することで、パルス信号幅を伸縮させ、他の保護リレー装置のパルス信号エッジに同期させることができる。例えば、微調整は、基準値に＋１したり、−１する等によって行う。このような同期制御を、サンプリング同期制御と称しており、保護リレー装置を適用するシステムの大きな特徴である。

保護リレーシステムにおける通信回線の速度としては、５４Ｋｂｐｓや１．５Ｍｂｐｓが一般的である。電気角３０°の周期は、５０Ｈｚ系統で１．６７ミリ秒周期、６０Ｈｚ系統で１．３８ミリ秒周期となる。しかし、このような速度及び周期で瞬時値データを転送する場合、１情報フレーム長が９０ｂｉｔや１１９ｂｉｔといった非常に小さい容量しか取り扱えず、保護リレーシステムの機能や性能の制約となっていた。

近年では、１００Ｍｂｐｓや１０００Ｍｂｐｓの高速イーサネット（登録商標）網を、保護リレー装置の通信回線に適用する研究がすすめられている。これにより、取り扱える情報量が格段に増え、保護リレー装置に多様な機能を実装することが可能となる。また、情報フレーム送信間隔も短い周期で転送することで、瞬時値の精度向上も見込まれる。

また、これまでの保護リレーシステムにおける保護リレー装置の間の通信形態には、対向型とループ型の２方式のトポロジが採用されている。例えば、イーサネットの通信網において、ループ型のトポロジは一般的である。但し、ループ型のトポロジを構成する場合、ブロードキャストされるフレームが、ループ経路を循環することにより帯域を圧迫しない対策を行う必要がある。

一般的には、ループ端の設定又はレイヤー２スイッチ等の中継機器のＳｐａｎｎｉｎｇ Ｔｒｅｅ ＰｒｏｔｏｃｏｌやＲａｐｉｄ ＳＴＰを適用した経路制御を行うことが挙げられる。レイヤー２スイッチは、データリンク層における経路制御を行う中継機器である。このレイヤー２スイッチは、宛先ＭＡＣアドレスに基づいて、ＭＡＣアドレステーブルにより決定されるポートにのみ、フレームを送出する。

Ｓｐａｎｎｉｎｇ Ｔｒｅｅ Ｐｒｏｔｏｃｏｌは、ＩＥＥＥ８０２．１ｄで標準化されたプロトコルであり、ＳＴＰと略される。ＳＴＰを適用することにより、ブロードキャストフレームなどのループ経路で発生する問題を回避することができる。Ｒａｐｉｄ ＳＴＰは、ＩＥＥＥ８０２．１ｗで標準化されたプロトコルであり、ＲＳＴＰと略される。ＲＳＴＰでは、ＳＴＰの処理の高速化が図られている。

特許第５１７２１０６号公報

保護リレーシステムにおいては、電力系統を常時監視する必要がある。このため、上記のようなイーサネット通信網におけるループ型のトポロジを、保護リレーシステムの通信回線に適用する場合、以下のような問題が生じる。

(1)レイヤー２スイッチ等により物理的にループ端を設定する場合、ループ端以外で、通信断や中継機器の故障等による通信障害が発生すると、保護リレー装置の間で通信不能となる区間ができ、保護リレーシステムの運用が維持できない。

(2)レイヤー２スイッチで経路制御する場合、同期制御において主従の関係にある保護リレー装置の間で、通信経路を往路及び復路で同一となるように設定する必要がある。往路及び復路が異なると、通信遅延時間が正確に算出できず、サンプリング同期ができないからである。

(3)レイヤー２スイッチで経路制御する場合、通信障害を検出すると、ＳＴＰ等により、新経路が構成され通信を復旧できる。しかし、通信障害の検出及び復旧に、数十ミリ〜数百ミリ秒かかるため、その期間は保護リレーシステムが停止することになる。また、新経路に変化することで通信遅延時間が変化し、同期精度が乱れる可能性がある。さらに、ＳＴＰ用のＢＰＤＵ(bridge protocol data unit)というフレームをやり取りする必要が生じるので、必要なデータパケット以外に、余分なパケットが流通することになる。

(4)ラベル付与によるフォワーディングを行うＭＰＬＳ（Multi Protocol Label Switching）ルータなど、高速な経路切替が可能な中継機器もある。しかし、このような中継機器は、需要が限定されるため高価であり、製造メーカが限定されるなどの制約がある。また、中継条件などの設定が必要であり、メンテナンスに専門の技術力が必要となる。

本発明の実施形態は、上記のような従来技術の問題点を解決するために提案されたものであり、その目的は、簡素且つ安価な構成で冗長性を確保しつつ、通信障害時に通信不能となる時間を短縮し、正確な同期制御を維持できる保護リレーシステムを提供することにある。

本発明の実施形態の保護リレーシステムは、複数のリレー端末と、前記複数のリレー端末に設けられた通信ポートと、各リレー端末の通信ポートにそれぞれ接続され、互いに通信経路でカスケード接続されたＬＡＮスイッチと、を有し、前記複数のリレー端末のうちの１つは、互いにポートブロックされた２つの通信ポートを有する主端リレー端末であり、前記主端リレー端末の２つの通信ポートには、それぞれ別個の前記ＬＡＮスイッチが接続されていることを特徴とする。

実施形態の保護リレーシステムを示す構成図 リレー端末を示すブロック図 通信部を示すブロック図 リレー端末がデータ通信に使用するフレームフォーマット 通信回線が健全時のフレームの例を示す図 通信回線が健全時の保護リレーシステムの通信例を示す構成図 通信回線が健全時のフレームの一部抜粋例を示す図 通信障害発生時の保護リレーシステムの例を示す構成図 通信障害発生時の保護リレーシステムのフレーム中継例を示す構成図 通信障害発生時の中継フレームの一部抜粋例を示す図 通信障害発生時の中継フレームの一部抜粋例を示す図 通信障害発生時のフレームの例を示す図 サンプリング同期の通信手順を示す図 他の実施形態の保護リレーシステムを示す構成図

［Ａ．第１の実施形態］
［１．構成］
［全体構成］
本実施形態の保護リレーシステムの全体構成を、図１を参照して説明する。本実施形態は、複数のリレー端末Ｒｙ１〜Ｒｙ４、ＬＡＮスイッチＳＷ１Ａ、ＳＷ１Ｂ、ＳＷ２〜ＳＷ４を有している。複数のリレー端末Ｒｙ１〜Ｒｙ４には、２つの通信ポートであるポートＡ、Ｂが設けられている。

リレー端末Ｒｙ１は、後述するサンプリング同期制御において、主端となる端末である。リレー端末Ｒｙ１の２つのポートＡ、Ｂは互いにポートブロックされている。リレー端末Ｒｙ１のポートＡ、Ｂには、それぞれ別個のＬＡＮスイッチＳＷ１Ａ、ＳＷ１Ｂが接続されている。

リレー端末Ｒｙ２〜Ｒｙ４は、サンプリング同期制御において、従端となる端末である。リレー端末Ｒｙ２〜Ｒｙ４の各ポートＡ、Ｂは、それぞれ共通のＬＡＮスイッチＳＷ２〜ＳＷ４に接続されている。各ＬＡＮスイッチＳＷ１Ａ、ＬＡＮスイッチＳＷ２〜ＳＷ４、ＬＡＮスイッチＳＷ１Ｂは、順次カスケード接続されることにより、ループ型のトポロジを形成している。但し、上記のように、リレー端末Ｒｙ１のポートＡ、Ｂは、ポートブロックされているので、ブロードキャストパケットは、リレー端末Ｒｙ１でブロックされる。つまり、リレー端末Ｒｙ１はループ端を構成している。

図１の態様では、４台のリレー端末Ｒｙ１〜Ｒｙ４を電力系統の要所に配置し、各々のリレー端末Ｒｙ１〜Ｒｙ４が自端計測した電気量データを含むフレームを、通信回線に接続された他のリレー端末Ｒ１〜Ｒｙ４に配信し合う。これにより、全ての若しくは必要なリレー端末Ｒ１〜Ｒ４の電気量データを、互いに共有できる。

各リレー端末Ｒｙ１〜Ｒｙ４の２つのポートＡ、Ｂに接続された通信回線のルートを、それぞれＡルート、Ｂルートと呼称する。Ａルート、Ｂルートの２つの通信回線は、物理的な通信経路を共通とする仮想回線である。各リレー端末Ｒｙ１〜Ｒｙ４は、同じ電気量データのフレームを、Ａルート、Ｂルートの双方に流すことにより、冗長化を実現している。

上記のリレー端末Ｒｙ１〜Ｒｙ４、ＬＡＮスイッチＳＷ１Ａ、ＳＷ１Ｂ、ＳＷ２〜ＳＷ４の全部若しくは一部は、コンピュータを所定のプログラムで制御することによって実現できる。この場合のプログラムは、マイクロプロセッサを含むコンピュータのハードウェアを物理的に活用することで、以下に述べるような処理を実現するものである。上記の各処理を実行する方法、プログラム及びプログラムを記録した記録媒体も、本実施形態の一態様である。

ハードウェアで処理する範囲、プログラムを含むソフトウェアで処理する範囲をどのように設定するかは、特定の態様には限定されない。例えば、以下に述べる各部のいずれかを、それぞれの処理を実現する回路として構成することも可能である。一般的に、ＬＡＮスイッチは、専用のハードウェアとして、ＡＳＩＣを用いて処理の高速化を図っている。

［リレー端末］
次に、リレー端末Ｒｙ１〜Ｒｙ４の構成を、図２を参照して説明する。リレー端末Ｒｙ１〜Ｒｙ４は、基本的には、保護リレー装置である。つまり、リレー端末Ｒｙ１〜Ｒｙ４は、変換部１１０、演算処理部１２０、通信部１３０、入出力部１４０、出力装置１５０、入力装置１６０を有する。

（変換部）
変換部１１０は、自端が監視するＣＴからの入力電流、ＶＴからの入力電圧、接点情報等の電気量データを、ディジタル量に変換する処理部である。

（演算処理部）
演算処理部１２０は、ＣＰＵ、メモリ、インタフェースを含み、本実施形態に必要な演算処理を行う処理部である。本実施形態の演算処理部１２０は、一般的な保護リレーが有する保護演算部１２１、同期制御部１２２に加えて、検出部１２３、生成部１２４、送出部１２５、中継部１２６を有する。

保護演算部１２１は、入力された電気量データ等に基づいて、保護リレーに必要な事故検出判定等の演算処理を行う処理部である。演算処理は、電流差動演算や安定度演算を含む。例えば、各リレー端末Ｒｙ１〜Ｒｙ４の保護演算部１２１は、自端が取り込んだ電気量データを、他の全端に送って、同じ時刻の電気量データと比較して差分をとる。同じ時刻か否かは、サンプリングアドレスの時刻情報に基づいて判断できる。

本実施形態においては、特に、ＡルートとＢルートで取得した電気量データのａｎｄをとるか、ｏｒをとることにより冗長化を図っている。ＡルートとＢルートで取得した電気量データのいずれか一方を破棄する、所定時間の経過によるタイムアウトとの兼ね合いで、不達の電気量データは無視する等の設定は自由である。

同期制御部１２２は、後述するサンプリング同期制御を行う処理部である。このサンプリング同期制御のための通信において、リレー端末Ｒｙ１の同期制御部１２２は、主端、つまりマスターとして機能する。リレー端末Ｒｙ２〜Ｒｙ４の同期制御部１２２は、従端、つまりスレーブとして機能する。

検出部１２３は、通信回線における通信障害を検出する処理部である。各リレー端末Ｒｙ１〜Ｒｙ４は、定期的に、Ａルート、Ｂルートの２ルートで互いにフレームを送受信している。各リレー端末Ｒｙ１〜Ｒｙ４同士は、フレームの着信状況を常時監視している。検出部１２３は、所定時間を経過しても２ルートでのフレーム着信がない着信不良が確定すると、通信障害を検出する。

生成部１２４は、送出及び中継するフレームを生成する処理部である。生成部１２４は、定常時に送信するフレームとして、Ａルート、Ｂルートのそれぞれに対応するフレームを生成する。また、本実施形態の生成部１２４は、中継フレームを生成する。中継フレームは、検出部１２３が通信障害を検出した場合に、主端のリレー端末Ｒｙ１を経由することにより、通信障害が発生した箇所を迂回する通信経路で、宛先のリレー端末Ｒｙ１〜Ｒｙ４に到達させるフレームである。

送出部１２５は、生成部１２４が生成したフレームを送出する処理部である。送出部１２５は、定常時のフレームとして、リレー端末Ｒｙ１〜Ｒｙ４の２つのポートＡ、Ｂへの送出を行う。フレームの送出は、通信障害が発生したルートには送出しない等の設定が可能である。

中継部１２６は、中継フレームを、２つのポートＡ、Ｂの間で中継する処理部である。主端のリレー端末Ｒｙ１の送出部１２５は、ポートブロックにより、ポートＡとポートＢとの間での定常時のフレームの送出は行わない。但し、通信障害発生時には、中継部１２６が後述する中継フレーム処理を行う。

（通信部）
通信部１３０は、通信回線を介して、他のリレー端末Ｒｙ１〜Ｒｙ４との間で、フレームを送受信する処理部である。通信部１３０は、図３に示すように、通信ドライバ１３１、ＮＩＣ１３２及びＮＩＣ１３３を有する。通信ドライバ１３１は、演算処理部１２０とＮＩＣ１３２、ＮＩＣ１３３とのインタフェースを提供する処理部である。

ＮＩＣ（Network interface controller)１３２、１３３は、通信回線を介したネットワークとの接続を行う処理部である。ＮＩＣ１３２及びＮＩＣ１３３は、それぞれ２つの通信ポートＡ、Ｂに対応している。ＮＩＣ１３２及びＮＩＣ１３３は、それぞれ異なるＭＡＣアドレスを持ち、異なるＩＰアドレスを管理している。つまり、各ＮＩＣ１３２及びＮＩＣ１３３は、各Ａルート、Ｂ別に搭載され、独立してフレームを送受信できる。

（入出力部）
入出力部１４０は、外部機器との間で、動作指令等の信号の入出力を行う処理部である。つまり、入出力部１４０は、遮断器の接点への制御信号、接点の状態信号であるリレー出力、リレー入力を制御する。

（出力装置）
出力装置１５０は、操作のためのインタフェース、各種のデータ、リレー端末Ｒｙ１〜Ｒｙ４を含む系統の状態等の情報を出力する処理部である。処理の過程及び結果における各種のデータは、いずれも、適宜、出力装置１５０に表示、プリントアウト等することにより、オペレータが視認可能となる。出力装置１５０としては、表示装置、プリンタ、スピーカ、ブザー、ランプ等、現在又は将来において利用可能なあらゆる出力装置を含む。

（入力装置）
入力装置１６０は、各部の処理に必要な情報の入力、処理の選択や指示を入力する処理部である。入力装置１６０としては、操作パネル、タッチパネル、スイッチ、キーボード、マウス等、現在又は将来において利用可能なあらゆる入力装置を含む。

［ＬＡＮスイッチ］
ＬＡＮスイッチＳＷ１Ａ、ＳＷ１Ｂ、ＳＷ２〜ＳＷ４は、一般的なレイヤー２スイッチである。つまり、複数のポートを有し、いずれかのポートから入力されたフレームの宛先ＭＡＣアドレスから出力ポートを判別し、出力ポートから出力する中継装置である。各ＬＡＮスイッチＳＷ１Ａ、ＳＷ１Ｂ、ＳＷ２〜ＳＷ４は、それぞれ１つのＭＡＣアドレスにより識別される。フレームはバッファへの保持を経由して処理される。

また、上記のように、ＬＡＮスイッチＳＷ１Ａ、ＳＷ１Ｂは、リレー端末Ｒｙ１の２つのポートＡ、Ｂに、別々に接続されている。ＬＡＮスイッチＳＷ２〜ＳＷ４は、それぞれリレー端末Ｒｙ２〜４の２つのポートＡ、Ｂに接続されている。つまり、各リレー端末Ｒｙ２〜４は、それぞれの２つのポートＡ、Ｂが、１つのＬＡＮスイッチＳＷ２〜ＳＷ４に接続されている。さらに、上記のように、ＬＡＮスイッチＳＷ１ＡからＬＡＮスイッチＳＷ１Ｂまで、ＬＡＮスイッチＳＷ２〜４をカスケード接続することにより、ループ型のトポロジが形成されている。

［通信経路］
ＬＡＮスイッチＳＷ１Ａ、ＳＷ１Ｂ、ＳＷ２〜ＳＷ４を接続する通信経路は、全二重通信（ＦｕｌｌＤｕｐｌｅｘ）が可能な経路であればよい。接続に用いるケーブルは、一般的な通信ケーブルを用いることができる。例えば、イーサネット通信ケーブルとして用いられるＵＴＰケーブルであっても、光ケーブルであってもよい。ネットワークのトポロジは、上記のように、ループ型になる。但し、リレー端末Ｒｙ１は、２つの通信ポートに個別にＬＡＮスイッチＳＷ１Ａ、ＳＷ１Ｂを配置することにより、ポートブロックを形成する。このポートブロックは、ループ型のトポロジのループ端となる。

［通信フレーム］
図４は、本実施形態のデータ通信に使用するフレームフォーマットの一例である。これは、ＵＤＰ／ＩＰ通信時のフレームフォーマットである。本実施形態では、ＵＤＰ／ＩＰのフレームのユーザデータ領域に、宛先端子番号、発信元端子番号を付与する。宛先端子番号は、Ｒｙ１、Ｒｙ２、Ｒｙ３、Ｒｙ４における数字である。以下、各項目の内容を示す。

宛先アドレス：フレームの宛先ＭＡＣアドレス
発信元アドレス：フレームの発信元ＭＡＣアドレス
タイプ：イーサネットフレーム種別
ＩＰヘッダ：宛先ＩＰアドレス、発信元ＩＰアドレス、ＩＰフィールドサイズなど
ＵＤＰヘッダ：宛先ポート番号、発信元ポート番号、ＵＤＰフィールドサイズなど
宛先端子番号：フレームの宛先の端子番号
発信元端子番号：フレーム発信元の端子番号
電気量データ：計測電気量や装置の制御／監視状態など任意の付属情報、各アプリ向けのデータで、サンプリングアドレスＳＡや計測タイミング差、電気量データをまとめたもの
同期制御データ：同期主従の端子番号、早期フレーム送受信タイミング（時刻）情報、同期指令／応答種別情報
ＦＣＳ：フレームチェックシーケンスコード

通信回線が健全時に、リレー端末Ｒｙ３が送出するフレームから、一部を抜粋した例を、図５に示す。（Ａ）は、リレー端末Ｒｙ３のポートＡから送出するフレーム、（Ｂ）は、リレー端末Ｒｙ３のポートＢから送出するフレームである。

図１に示したリレー端末Ｒｙ１〜Ｒｙ４の４台の接続構成では、通信回線が健全時は、リレー端末Ｒｙ３は、リレー端末Ｒｙ１、Ｒｙ２、Ｒｙ４が、宛先の対向リレー端末となる。このため、図５（Ａ）（Ｂ）に示すように、それぞれの宛先ＭＡＣアドレスを付与したユニキャストフレームを送出する。

なお、各リレー端末Ｒｙ１〜Ｒｙ４のポートＡは、他のリレー端末Ｒｙ１〜Ｒｙ４のポートＡのＭＡＣアドレスを解決して保持している。また、ポートＢは、他のリレー端末Ｒｙ１〜Ｒｙ４のポートＢのＭＡＣアドレスを解決して保持している。

そして、各ポート別にＩＰアドレスを管理することで、Ａルート、Ｂルートを論理的に分離することができる。例えば、Ａルートのネットワークアドレスを１９２．１６８．１００．ｘｘ、Ｂルートのネットワークアドレスを１９２．１６８．２００．ｘｘとすると、各リレー端末Ｒｙ１〜Ｒｙ４のポートＡ、ポートＢのＩＰアドレスは、以下のようになる。

Ｒｙ１−ポートＡのＩＰ：１９２．１６８．１００．１
Ｒｙ１−ポートＢのＩＰ：１９２．１６８．２００．１
Ｒｙ２−ポートＡのＩＰ：１９２．１６８．１００．２
Ｒｙ２−ポートＢのＩＰ：１９２．１６８．２００．２
Ｒｙ３−ポートＡのＩＰ：１９２．１６８．１００．３
Ｒｙ３−ポートＢのＩＰ：１９２．１６８．２００．３
Ｒｙ４−ポートＡのＩＰ：１９２．１６８．１００．４
Ｒｙ４−ポートＢのＩＰ：１９２．１６８．２００．４

［２．作用］
以上のような本実施形態の作用を説明する。
［健全時の動作］
（ＭＡＣアドレスの取得）
まず、通信経路が健全な場合の通信を説明する。リレー端末Ｒｙ１は、他のリレー端末Ｒｙ２、Ｒｙ３、Ｒｙ４に向けて、自端が計測した電気量データをフレームに乗せ、ＡルートとＢルートの両方に送出する。その際の各リレー端末Ｒｙ２、Ｒｙ３、Ｒｙ４のＭＡＣアドレスは、АＲＰ（Address Resolution Protocol）で解決する。なお、ＡＲＰは、公知技術であるため、以下の説明は簡略化する。

АＲＰ要求フレームは、同報フレームである。よって、リレー端末Ｒｙ１のＡルートに送出されたАＲＰ要求フレームは、ＬＡＮスイッチＳＷ１Ａを経由して、ＬＡＮスイッチＳＷ２に到着し、ＬＡＮスイッチＳＷ２は、リレー端末Ｒｙ２に配信すると同時に、ＬＡＮスイッチＳＷ３へ中継配信する。

この後、ＬＡＮスイッチＳＷ３、ＳＷ４、ＳＷ１Ｂも、順次同様の振る舞いをする。そして、ＬＡＮスイッチＳＷ１Ｂが、リレー端末Ｒｙ１のＢルートに配信すると、すべての中継配信が完了となる。リレー端末Ｒｙ１のＢルートが、周回してきたリレー端末Ｒｙ１ＡルートからのАＲＰ要求フレームを受信しても、探索ＩＰアドレスと自ＩＰアドレスとが一致しないことから、当該フレームを破棄する。これにより、リレー端末Ｒｙ１は、ループ端と同様の働きをする。

（定常時のフレーム）
各リレー端末Ｒｙ１〜Ｒｙ４は、他のリレー端末Ｒｙ１〜Ｒｙ４に向けたユニキャストで、自端の電気量データ、同期制御データを含むフレームを定周期で送信する。例えば、電気角３０度で、自端の電気量を計測して送出する場合、５０Ｈｚ系統なら１．６８ミリ秒周期で送信する。このため、各リレー端末Ｒｙ１〜Ｒｙ４は、等しい周期でフレームを受信することになる。

つまり、リレー端末Ｒｙ１の生成部１２４は、各リレー端末Ｒｙ２、Ｒｙ３、Ｒｙ４のそれぞれを宛先とする電気量データ、同期制御データを含むフレームを生成する。そして、送出部１２５が、Ａルート及びＢルートにフレームを送出する。

Ａルートに送出されたリレー端末Ｒｙ２を宛先とするフレームは、ＬАＮスイッチＳＷ１Ａを経由して、ＬＡＮスイッチＳＷ２に到着する。ＬＡＮスイッチＳＷ２は、リレー端末Ｒｙ２のＡルートのＭＡＣアドレスをキャッシュしていることから、リレー端末Ｒｙ２のＡルートへ配信し、下流のＬＡＮスイッチＳＷ３、ＳＷ４へは配信しない。

また、リレー端末Ｒｙ３のＭＡＣアドレスは、ＬＡＮスイッチＳＷ３と接続されたポートがキャッシュしている。このため、リレー端末Ｒｙ３を宛先とするフレームは、リレー端末Ｒｙ２には中継されず、ＬＡＮスイッチＳＷ３に中継される。以後、ＬＡＮスイッチＳＷ３、ＳＷ４も同様の振る舞いをするため、ＬＡＮスイッチＳＷ１Ｂへは中継されない。

一方、リレー端末Ｒｙ１の送出部１２５は、Ｂルートからも、リレー端末Ｒｙ２、Ｒｙ３、Ｒｙ４宛のフレームを送出する。これらのフレームは、ＬＡＮスイッチＳＷ１Ｂを経由して、ＬＡＮスイッチＳＷ４、ＳＷ３、ＳＷ２を経由する過程で、それぞれの宛先のリレー端末Ｒｙ２、Ｒｙ３、Ｒｙ４に配信される。同様に、リレー端末Ｒｙ２、Ｒｙ３、Ｒｙ４が送出するフレームも、各リレー端末Ｒｙ１〜Ｒｙ４に配信される。

各リレー端末Ｒｙ１〜Ｒｙ４の保護演算部１２１は、上記のように配信されるフレームにおける電気量データに基づいて、保護演算を行う。この保護演算については、公知の技術であるため、説明を省略する。

なお、２つのＬＡＮスイッチＳＷ１Ａ、ＳＷ１Ｂに接続されるリレー端末Ｒｙ１は、主端として動作し、フレーム中継機能を持つ。このフレーム中継機能は、フレーム受信時に、宛先ＭＡＣアドレスと、ユーザデータ部の宛先端子番号によって、中継の要否を判定するものであり、後述する。

［通信障害時の動作］
（概要）
次に、通信障害が発生した場合の処理の概要を説明する。この場合の動作手順は、以下の通りとなる。なお、この手順の過程で、中継フレーム中の宛先アドレスが書き換えられる。
(1)着信不良を検出したリレー端末Ｒｙ２〜Ｒｙ４は、中継フレームを主端のリレー端末Ｒｙ１に送信する
(2)主端のリレー端末Ｒｙ１は、中継フレームを受信し、受信したルートとは別のルートへ中継して送信する

このような処理の詳細を、図６〜図１３を参照して説明する。
（障害発生前）
まず、健全時には、図６に示すように、リレー端末Ｒｙ３とリレー端末Ｒｙ４との間で通信が行われていたとする。この場合に、ポートＢから送出されるフレームにおける一部を抜粋した例を、図７に示す。このフレームは、宛先ＭＡＣアドレスがＲｙ４、発信元ＭＡＣアドレスがＲｙ３で、宛先ＩＰアドレスがＲｙ４、発信元ＩＰアドレスがＲｙ３となっている。また、宛先端子番号が４、発信元端子番号が３となっている。

（障害発生時）
ここで、図８に示すように、リレー端末Ｒｙ３とリレー端末Ｒｙ４との間の通信経路で、通信障害が発生したとする。すると、例えば、リレー端末Ｒｙ３の検出部１２３は、リレー端末Ｒｙ４のＡルート及びＢルートからの着信不良、リレー端末Ｒｙ１のＢルートからの着信不良を検出する。このように、フレーム受信の有無を監視することで、対向するリレー端末Ｒｙ１〜Ｒｙ２間の通信経路に、障害が発生したか否かを判断できる。

例えば、電気角３０度で、自端電気量を計測して送出する場合、５０Ｈｚ系統なら１．６８ミリ秒周期であり、それを超える期間着信が無いことで、故障を判定できる。なお、Ｈｅｌｌｏ等の監視用のフレームに対する応答の有無により判定してもよい。

このような通信障害が発生した場合でも、リレー端末Ｒｙ１のＡルートからは着信できる。このため、リレー端末Ｒｙ３は、リレー端末Ｒｙ１の情報は取得できるとともに、リレー端末Ｒｙ１のＡルートは健全と判定できる。また、リレー端末Ｒｙ３がリレー端末Ｒｙ４からの情報を取得できないことと同様に、リレー端末Ｒｙ４も、リレー端末Ｒｙ３の情報を取得できない状況にある。

この場合、リレー端末Ｒｙ３の生成部１２４は、図９に示すように、リレー端末Ｒｙ４宛の中継フレームａを生成する。送出部１２５は、この中継フレームａを、通信障害を検出したＢルートとは別のＡルートからリレー端末Ｒｙ１へ送出する。この中継フレームａの一例を、図１０に示す。中継フレームａの宛先ＭＡＣアドレスはリレー端末Ｒｙ１、宛先端子番号はリレー端末Ｒｙ４である。中継フレームａは、ＬＡＮスイッチＳＷ３、ＳＷ２、ＳＷ１Ａによる中継配信により、リレー端末Ｒｙ１のポートＡに配信される。

中継フレームａを受信したリレー端末Ｒｙ１は、中継フレームの宛先ＭＡＣアドレスが自局であるので取り込む。中継部１２６は、中継フレームａの宛先ＩＰアドレスや宛先端子番号がリレー端末Ｒｙ４であり、自局でないため、中継フレームであると判断する。すると、中継部１２６は、生成部１２４に、宛先ＭＡＣアドレスを、リレー端末Ｒｙ４のＢルートのＭＡＣアドレスに書き換えさせる。そして、中継部１２６は、送出部１２５に、書き換え後の中継フレームｂを、受信したＡルートとは別のＢルートからリレー端末Ｒｙ１へ送出させる。リレー端末Ｒｙ１は、各ＩＰアドレスに対応するＭＡＣアドレスを保有している。このため、宛先ＩＰアドレスに対応するＭＡＣアドレスの解決も、中継部１２６が行う。

送出された中継フレームｂは、図９に示すように、宛先ＭＡＣアドレスがリレー端末Ｒｙ４なので、ＬＡＮスイッチＳＷ１Ｂ、ＬＡＮスイッチＳＷ４を経由して、リレー端末Ｒｙ４に配信される。リレー端末Ｒｙ４は、受信した中継フレームｂの宛先端子番号が自端であるので、自端が受信すべきフレームとして採用する。リレー端末Ｒｙ４は、中継フレームｂの発信元ＩＰアドレスや発信元端子番号を参照して、中継フレームｂがリレー端末Ｒｙ３の端子情報であると認識する。

なお、リレー端末Ｒｙ４も、宛先ＭＡＣアドレスをリレー端末Ｒｙ１、宛先端子番号をリレー端末Ｒｙ３とする中継フレームを追加送出する。これにより、中継フレームは上記と逆の方向の経路を辿るが、同様の手順により、リレー端末Ｒｙ３がリレー端末Ｒｙ４の電気量データを取得できる。通信障害の発生していないリレー端末Ｒｙ２とリレー端末Ｒｙ３との間の通信では、中継処理は発生しない。

なお、図８に示したような通信障害の場合、リレー端末Ｒｙ１のＢルート宛に、中継フレームを送信しても届かないことが、上記のように判定できる。このため、リレー端末Ｒｙ１のＡルート宛にのみ、中継フレームを送出すればよい。但し、図１２（Ａ）（Ｂ）に示すように、ポートＡ、ポートＢから、Ａルート、Ｂルートの両方に、中継フレームを配信してもよい。

また、通常のフレーム受信時には、宛先ＩＰアドレスや宛先端子番号等のアドレス値の健全性判定を行う。健全性判定は、例えば、ＦＣＳを用いたり、あらかじめ設定された正しいアドレス値との照合等により行うことができる。但し、主端のリレー端末Ｒｙ１の中継部１２６が中継フレームと判定した場合には、健全性判定を行わずに、処理の高速化を図ってもよい。この場合のアドレス値の健全性判断は、中継フレームが宛先端子に到着して採用される前段で行ってもよい。

生成部１２４は、検出部１２３によるＡルート、Ｂルートの両ルートの着信不良を条件として中継フレームを生成する。このため、通信経路に障害があっても、一方のルートで健全に通信できる場合には、通信障害の検出をしても、中継動作は行わなくてもよい。例えば、図６のリレー端末Ｒｙ１のポートＡ〜ＬＡＮスイッチＳＷ２の区間のみが通信できない場合、中継動作を行わなくとも、全てのリレー端末Ｒｙ１〜Ｒｙ４にフレームを到達させることができる。リレー端末Ｒｙ１のポートＢ〜ＬＡＮスイッチＳＷ４の区間のみが通信できない場合にも、同様に、中継動作を行わなくとも、全てのリレー端末Ｒｙ１〜Ｒｙ４にフレームを到達させることができる。

上記のように、通信回線の一部が故障した際には、フレームの中継機能が動作して、全てのリレー端末Ｒｙ１〜Ｒｙ４の電気量データを取得することができる。しかし、物理的に分離された経路間でフレームを中継することになるため、一定の中継時間を要する。例えば、リレー端末Ｒｙ１〜Ｒｙ４の送出部１２５は、受信した中継フレームを再送信する場合、自端情報を含む自端フレームを送信するタイミングまで送出を保留し、自端フレームの送信時に、自端フレームとともに中継フレームも一括して送出する。つまり、自端フレームを送信する次回周期に、両フレームを送出する。

これにより、通信処理を一括して実行でき、演算負荷を小さくできる。任意のタイミングで送信すると帯域の消費が煩雑になるのが、本実施形態では、あらかじめ決まったタイミングでデータを送信することにより、正確な同期制御が実現できる。

このようなケースでは、電気角で３０度遅れ、５０Ｈｚ系統の場合に１．６７ｍｓ遅れて配信されることになる。一般的には、保護リレーシステムで許容される通信遅延時間、つまり通信距離は、高圧系と低圧系では異なる。但し、一般的に許容される通信遅延時間は、電気角１サイクル、４〜１０ｍｓ以下とされているために、支障はない。

なお、フレームの受信処理の起動条件が、割り込みイベント又は短時間間隔で受信状態確認する方式では、中継フレームの受信時に送出してもよい。この場合、中継フレームの到着時間の短縮が見込める。また、中継フレームと自端フレームの送出タイミングを分けることで通信帯域消費を拡散でき、同期通信の通信遅延変動量を抑えることができる。

［同期制御］
次に、本実施形態の同期制御におけるサンプリング同期通信（以下、同期通信とする）について述べる。なお、同期制御は、基本的には公知技術であるため、説明は簡略化する。図１３は、同期通信のシーケンスを示す。同期通信では、図１のリレー端末Ｒｙ１を主端とし、リレー端末Ｒｙ２〜Ｒｙ４を従端とする。図１３に示すように、従端のリレー端末Ｒｙ２〜Ｒｙ４は、主端のリレー端末Ｒｙ１に向けて、同期要求フレームＲｅｑを発信する。この発信タイミングをＴ３とする。

主端のリレー端末Ｒｙ１は、同期要求フレームＲｅｑを受信する。この受信タイミングをＴ４とする。主端のリレー端末Ｒｙ１は、同期応答フレームＲｅｓｐ及び送信時刻通知フレームＦｏｌｌｏｗＵｐを返信する。この返信タイミングをＴ１とする。同期応答フレームＲｅｓｐには、受信タイミングＴ４が含まれる。送信時刻通知フレームＦｏｌｌｏｗＵｐには、返信タイミングＴ１が含まれる。従端のリレー端末Ｒｙ２〜Ｒｙ４は、同期応答フレームＲｅｓｐ及び送信時刻通知フレームＦｏｌｌｏｗＵｐを受信する。この受信タイミングをＴ２とする。

以上の３フレームの通信により、従端のリレー端末Ｒｙ２〜Ｒｙ４では、通信遅延時間Ｔｄ、同期誤差ΔＴを、以下のように求めることができる。
通信遅延時間Ｔｄ＝｛（Ｔ２−Ｔ１）＋（Ｔ４−Ｔ３）｝／２
同期誤差ΔＴ＝（Ｔ２−Ｔ１）−Ｔｄ

このように、主端のリレー端末Ｒｙ１と従端のリレー端末Ｒｙ２〜Ｒｙ４の同期誤差を検出し、同期誤差が０になるように、従端のリレー端末Ｒｙ２〜Ｒｙ４が同期補正することで、サンプリング同期制御が可能となる。

本実施形態における同期通信は、Ａルート向け、Ｂルート向けの両ルートで実施する。この同期通信では、要求フレームと応答フレームの通信遅延時間、つまり通信経路が等しくないと、正確な同期誤差が算出できない。しかし、前記の通り、各リレー端末Ｒｙ１の対向ルートは、Ａルート向け、Ｂルート向けともに、要求フレーム及び応答フレームは、同一経路を通過する。このため、正確な同期誤差を算出でき、高精度な同期精度を維持できる。

中継処理を行うリレー端末Ｒｙ１が、同期制御における主端、つまりマスターである場合には、同期フレームを中継する必要はない。しかし、他のリレー端末Ｒｙ２〜Ｒｙ４がマスターである場合には、リレー端末Ｒｙ１による同期フレームの中継が必要となる。つまり、中継フレームによって同期通信する場合もある。この場合、過渡的には、要求フレームは通常経路、応答フレームは中継経路と変化するケースが想定される。すると、算出した通信遅延時間や同期誤差は急変する。このため、変化量検定などのフィルタ機構を備えたり、通信不良検出時は同期制御を停止させて自走するなどの処置を組み込むことで、不正な同期制御を抑止できる。例えば、フレーム中に経路情報を入れることで、通過経路が判別でき、同一通信経路での同期誤差、通信遅延時間が算出できる。

［３．効果］
（１）本実施形態は、複数のリレー端末Ｒｙ１〜Ｒｙ４と、複数のリレー端末Ｒｙ１〜Ｒｙ４に設けられたポートＡ、Ｂと、各リレー端末Ｒｙ１〜Ｒｙ４のポートＡ、Ｂにそれぞれ接続され、互いに通信経路でループ型に接続されたＬＡＮスイッチＳＷ１Ａ、ＳＷ１Ｂ、ＳＷ２〜ＳＷ４とを有する。そして、１つのリレー端末Ｒｙ１は、ポートＡ、Ｂが互いにポートブロックされている主端のリレー端末である。主端のリレー端末Ｒｙ１のポートＡ、Ｂには、それぞれ別個のＬＡＮスイッチＳＷ１Ａ、ＳＷ１Ｂが接続されている。

これにより、リレー端末Ｒｙ１のポートＡ、Ｂが互いにポートブロックされていて、ループ端となるので、ループ型の通信経路上におけるどの箇所で通信障害が発生しても運用を維持でき、冗長性を確保できる。主端のリレー端末Ｒｙ１と従端のリレー端末Ｒｙ２〜Ｒｙ４の通信経路は往路及び復路で同一となるので、正確な同期制御ができる。ＳＴＰ等による通信遅延は発生せず、余分なパケットの流通も防止できる。さらに、中継機器はＬＡＮスイッチＳＷ１Ａ、ＳＷ１Ｂ、ＳＷ２〜ＳＷ４で済むので、コストが安く、経路制御設定などは不要となり、誤設定による不正動作もなく、メンテナンス性が向上する。

（２）リレー端末Ｒｙ１〜Ｒｙ４は、通信経路における通信障害を検出する検出部１２３と、検出部１２３が通信障害を検出した場合に、主端のリレー端末Ｒｙ１を経由することにより、通信障害が発生した箇所を迂回する通信経路で、宛先のリレー端末Ｒｙ１〜Ｒｙ４に到達させる中継フレームを生成する生成部１２４を有する。

各リレー端末Ｒｙ１〜Ｒｙ４における検出部１２３が通信障害を検出した場合に、生成部１２４が、主端のリレー端末Ｒｙ１を経由する中継フレームを生成することにより、冗長性を確保できる。中継フレームで同期通信を行うことにより、同期制御も維持できる。

（３）リレー端末Ｒｙ１〜Ｒｙ４は、通信障害が発生した通信経路を判定し、健全な通信経路へ中継フレームを送出する送出部１２５を有する。このように、検出部１２３が通信障害を検出した場合に、送出部１２５が、健全な通信経路へ中継フレームを送出するので、着信不能な無駄なフレームを送出することを抑制できる。

（４）主端のリレー端末Ｒｙ１は、中継フレームを、２つのポートＡ、Ｂの間で中継する中継部１２６を有する。このように、主端のリレー端末Ｒｙ１による中継フレーム処理により、定常時には、ポートブロックによるループ端を実現できるとともに、通信障害の発生時にのみ、主端のリレー端末Ｒｙ１を経由する冗長構成を実現できる。

（５）送出部１２５は、受信した中継フレームを保持し、自端情報を送信するタイミングに合わせて、自端情報とともに中継フレームを一括送出する。このように、自端情報とともに、中継フレームを一括送出することで、演算負担を抑制して、帯域制御が簡単になる。

（６）送出部１２５は、受信した中継フレームを即時に、所定時間経過後又はランダムな時間経過後に送出してもよい。このように、送出部１２５の送出タイミングを任意に設定することにより、中継フレーム配信による通信帯域増加を分散し、フレーム衝突時に生じる通信遅延変動量を抑えて、サンプリング同期精度を維持できる。

（７）主端のリレー端末Ｒｙ１とともに、これ以外のリレー端末Ｒｙ２〜Ｒｙ４も、通信経路を経由する２つの通信回線に対応した２つのポートＡ、Ｂを有する。このため、ハードウェアとして冗長性を確保できるので、耐障害性が高い。

［Ｂ．第２の実施形態］
本実施形態は、基本的には上記の実施形態と同様の構成である。但し、上記の実施形態では、リレー端末Ｒｙ２〜Ｒｙ４がポートＡ、ポートＢの２ポートを有しており、それぞれのポートＡ、Ｂにより、Ａルート、Ｂルートを実現している。本実施形態では、リレー端末Ｒｙ２〜Ｒｙ４は、ポートＡの１ポートのみを有しており、この１ポートで、Ａルート、Ｂルートを実現している。

より具体的には、リレー端末Ｒｙ２〜Ｒｙ４のポートＡが、複数のＩＰアドレスを持っている。Ａルートのネットワークアドレスを１９２．１６８．１００．ｘｘ、Ｂルートのネットワークアドレスを１９２．１６８．２００．ｘｘとすると、各リレー端末Ｒｙ１〜Ｒｙ４のポートのＩＰアドレスを、以下のように登録する。
Ｒｙ１−ｐｏｒｔＡのＩＰ：１９２．１６８．１００．１
Ｒｙ１−ｐｏｒｔＢのＩＰ：１９２．１６８．２００．１
Ｒｙ２−ｐｏｒｔＡのＩＰ：１９２．１６８．１００．２
１９２．１６８．２００．２
Ｒｙ３−ｐｏｒｔＡのＩＰ：１９２．１６８．１００．３
１９２．１６８．２００．３
Ｒｙ４−ｐｏｒｔＡのＩＰ：１９２．１６８．１００．４
１９２．１６８．２００．４

以上のような本実施形態は、主端のリレー端末Ｒｙ１以外のリレー端末Ｒｙ２〜Ｒｙ４は、１つのポートＡを有し、１つのポートＡに２つのＩＰアドレスが設定され、通信回線が冗長化されている。つまり、リレー端末Ｒｙ２〜Ｒｙ４は、通信ポートが１つのみのハードウェア構成でありながら、複数のＩＰアドレスを登録することで、論理的に区別された２つの通信回線を実現できる。従って、装置コストを抑えつつ、第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

［Ｃ．他の実施形態］
本発明の実施形態は、上記のような態様に限定されない。例えば、リレー端末の数、ＬＡＮスイッチの数等は、上記の実施形態で例示した数には限定されない。ＬＡＮスイッチとしては、基本的にはレイヤー２スイッチでよい。但し、複数のネットワークの分割構成とするために、レイヤー３スイッチを適用することも可能である。

各リレー端末が中継部を備えることにより、いずれのリレー端末も、主端リレー端末として機能させることができる。但し、従端リレー端末については、中継部を省略した構成としてもよい。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、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。

Ｒｙ１〜Ｒｙ４ リレー端末
ＳＷ１Ａ、ＳＷ１Ｂ、ＳＷ２〜ＳＷ４ ＬＡＮスイッチ
１１０ 変換部
１２０ 演算処理部
１２１ 保護演算部
１２２ 同期制御部
１２３ 検出部
１２４ 生成部
１２５ 送出部
１２６ 中継部
１３０ 通信部
１３１ 通信ドライバ
１３２ ＮＩＣ
１３３ ＮＩＣ
１４０ 入出力部
１５０ 出力装置
１６０ 入力装置

Claims (8)

1. 複数のリレー端末と、
   前記複数のリレー端末に設けられた通信ポートと、
   各リレー端末の通信ポートにそれぞれ接続され、互いに通信経路でカスケード接続されたＬＡＮスイッチと、
   を有し、
   前記複数のリレー端末のうちの１つは、互いにポートブロックされた２つの通信ポートを有する主端リレー端末であり、
   前記主端リレー端末の２つの通信ポートには、それぞれ別個の前記ＬＡＮスイッチが接続されていることを特徴とする保護リレーシステム。
2. 前記リレー端末は、
   前記通信経路における通信障害を検出する検出部と、
   前記検出部が通信障害を検出した場合に、前記主端リレー端末を経由することにより、通信障害が発生した箇所を迂回する通信経路で、宛先のリレー端末に到達させる中継フレームを生成する生成部と、
   を有することを特徴とする請求項１記載の保護リレーシステム。
3. 前記リレー端末は、通信障害が発生した通信経路を判定し、健全な通信経路へ中継フレームを送出する送出部を有することを特徴とする請求項２記載の保護リレーシステム。
4. 前記主端リレー端末は、前記中継フレームを、２つの通信ポートの間で中継する中継部を有することを特徴とする請求項２又は請求項３記載の保護リレーシステム。
5. 前記主端リレー端末は、受信した中継フレームを保持し、自端情報を送信するタイミングに合わせて、自端情報とともに中継フレームを一括送出する送出部を有することを特徴とする請求項４記載の保護リレーシステム。
6. 前記主端リレー端末は、受信した中継フレームを即時に、所定時間経過後又はランダムな時間経過後に送出する送出部を有することを特徴とする請求項４記載の保護リレーシステム。
7. 前記主端リレー端末とともに、これ以外のリレー端末も、前記通信経路を経由する２つの通信回線に対応した２つの通信ポートを有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の保護リレーシステム。
8. 前記主端リレー端末以外のリレー端末は、１つの通信ポートを有し、
   前記１つの通信ポートに２つのＩＰアドレスが設定され、通信回線が冗長化されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の保護リレーシステム。

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