JP6404626B2 - 電気量計器 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、事故発生時に保護演算を行う保護継電装置など、電力系統の電気量を用いて所定の演算を行う電気量計器に関するものである。

電力系統の電気量を用いて所定の演算を行う機器として、保護継電装置、マージングユニット、パワーマネジメントユニットなど、各種の電気量計器が存在する。これらの電気量計器は、電力系統の安定運用に不可欠な装置であり、優れた演算性能を維持することが求められる。そのため、電気量計器には、演算性能が低下することがないように、特性に変化が生じる構成要素に関してはそれを監視する技術が採用されている。

例えば、保護継電装置はアナログ入力回路内にアナログフィルタを備えているが、アナログフィルタはフィルタ特性が変化する可能性がある。そこで、アナログフィルタの監視技術が種々提案されている。具体的には、特許文献１に記載されたアナログフィルタの監視技術では、アナログ入力回路のアナログフィルタに対して、電力系統の系統電気量と、電力系統の周波数とは異なる周波数を持つ高調波の監視用信号を重畳入力する。

そして、アナログ・ディジタル変換器（以下、Ａ／Ｄ変換器）が、重畳入力したデータをディジタルデータに変換し、これを高調波抽出回路に送る。高調波抽出回路は所定のディジタルフィルタを用いて、取り込んだディジタルデータの中から目的とする高調波成分を抽出し、監視処理部に送る。

監視処理部では抽出した高調波成分に基づいて高調波重畳量を算出することで、高調波領域におけるフィルタ特性の変化を検出する。このような監視技術によれば、算出した高調波重畳量に基づいて、アナログフィルタを構成する素子の特性変化を検出することができ、アナログフィルタを常時監視することが可能である。

特開２００９−２０１２５３号公報

従来、電気量計器の監視技術では電力系統の周波数である系統周波数が一定値であることを前提として、サンプリング周波数を固定値として運用している。しかし、電気量計器が５０Ｈｚの電力系統と、６０Ｈｚの電力系統の両方に接続されている場合、系統周波数が一定値であるという前提が崩れてしまうことになる。

すなわち、電気量計器に入力される系統周波数が、５０Ｈｚから６０Ｈｚへ、あるいは６０Ｈｚから５０Ｈｚへと変化することがある。このように電気量計器に入力される系統周波数が変化すると、系統周波数とサンプリング周波数が同期しなくなって、監視処理時に実施する演算において誤差が増大する。

監視演算に際しての誤差が増大すれば、監視対象である構成要素の不良を検出できなくなる、あるいは構成要素が正常であるにもかかわらず、不要な不良を検出するといった不具合を招くおそれがある。ここで、高調波抽出回路に非巡回形のディジタルフィルタを用いて、高調波の監視用信号である４倍調波を抽出する場合を例にとって、アナログ入力回路内のアナログフィルタの監視処理における周波数変化の影響について考える。

ディジタルフィルタにて４倍調波を抽出する場合、下記の（１）式を適用している。
（数１）
ｙ_ｍ＝ｘ_ｍ＋ｘ_ｍ−３＋ｘ_ｍ−６＋ｘ_ｍ−９…（１）
ｘ_ｍ−ｎは、決められた周波数の電気角３０°毎のサンプリングデータを表し、_ｎはｎサンプリング前の過去のデータを意味する。

系統周波数ｆが一定であり、サンプリング周波数を固定値として運用するとき、系統周波数ｆとサンプリング周波数ｆ（ｓｐ）は常に同期する。すなわち、サンプリング周波数ｆ（ｓｐ）は１２の整数倍となり、サンプリングデータは電気角３０°毎のデータとなる。

サンプリングデータが電気角３０°毎のデータであれば、高調波抽出回路に組み込まれたディジタルフィルタは、入力したディジタルデータから４倍調波成分だけを抽出し、重畳入力した系統周波数の成分の一部を、高調波成分として抽出することがない。したがって、監視処理部では抽出した高調波成分に基づいて高調波重畳量を正確に算出することができる。これにより、高調波領域におけるフィルタ特性の変化を的確に検出することが可能である。

しかしながら、系統周波数ｆが変化すると、系統周波数ｆとサンプリング周波数ｆ（ｓｐ）との同期がずれるので、サンプリングデータが電気角３０°毎のデータにはならない。そのため、ディジタルフィルタは４倍調波成分だけではなく、系統周波数の成分までも、高調波成分として抽出してしまう。

例えば、高調波抽出回路において、系統周波数が５０Ｈｚで４倍調波を抽出したときのディジタルフィルタ特性の例を図５に示す。通常、ディジタルフィルタは、抽出する高周波成分の利得が最低となるように、フィルタ特性を構成する。そのため、系統周波数が５０Ｈｚの場合に高調波抽出回路に組み込まれたディジタルフィルタは、入力したディジタルデータから４倍調波成分だけを抽出し、系統電気量が４倍調波に影響することはない。

ところが、上記のようなディジタルフィルタを使用する状態で、系統周波数が５０Ｈｚから６０Ｈｚに変化した場合、ディジタルフィルタを介して所定レベルの系統周波数成分が高調波成分として抽出されてしまう。その結果、監視演算時の演算誤差が発生して、監視性能に悪影響を与えるおそれがある。

以上のように、電気量計器の監視技術においては、系統周波数ｆが変化すると、高調波重畳量の算出に際して、監視演算時の演算誤差が生じることがある。その結果、高調波領域におけるフィルタ特性の変化を誤って検出する、あるいはフィルタ特性の変化を見過ごすといった、監視精度の低下が懸念された。このため、電気量計器の監視技術においては、電力系統の周波数が変化した場合でも、演算誤差の発生を抑え、優れた監視精度を発揮することが要請されていた。

本発明の実施形態は、上記の課題を解消するために提案されたものであり、電力系統の周波数が変化する場合でも不要に構成要素の不良を検出することなく、且つ構成要素の特性変化が生じればそれを適正に検出することができ、これにより監視精度の向上を図った電気量計器を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明の実施形態に係る電気量計器は、次のような構成要素（ａ）〜(ｆ)を有している。
（ａ）電力系統の系統電気量と、電力系統の周波数とは異なる周波数を持つ高調波の監視用信号を重畳入力する、監視対象となる第１のアナログフィルタ部を、チャンネル毎に１つずつ設けることで２つ設ける。
（ｂ）前記系統電気量と前記監視用信号を重畳入力する、前記第１のアナログフィルタ部と比較するための第２のアナログフィルタ部を、チャンネル毎に１つずつ設けることで２つ設ける。
（ｃ）前記第１のアナログフィルタ部に重畳入力した前記系統電気量および前記監視用信号をディジタル変換した第１のディジタルデータと、前記第２のアナログフィルタ部に重畳入力した前記系統電気量および前記監視用信号をディジタル変換した第２のディジタルデータとの差分演算を行い、第１のディジタルデータ側の系統電気量と第２のディジタルデータ側の系統電気量とを相殺すると共に、第１のディジタルデータ側の監視用信号と第２のディジタルデータ側の監視用信号との差分値を求める差分算出部を有する。
（ｄ）前記差分値における高調波重畳量を算出し、高調波重畳量が予め設定された基準値以下であれば前記第１のアナログフィルタ部は不良無し、高調波重畳量が前記基準値を超えれば前記第１のアナログフィルタ部は不良有りと判定する監視処理部を有する。
（ｅ）５０Ｈｚ部分の利得と６０Ｈｚ部分の利得とを共に最低としたディジタルフィルタ特性を有し、前記差分算出部により求められた前記差分値から高調波成分を抽出する高調波抽出回路を有する。
（ｆ）前記監視処理部は、前記高調波抽出回路により抽出された前記高調波成分から前記高調波重畳量を算出する。

本発明の第１の実施形態の回路図。 第１の実施形態の差分算出回路のブロック図。 本発明の第２の実施形態の回路図。 第２の実施形態の差分算出回路のブロック図。 ５０Ｈｚでの４倍調波抽出時のディジタルフィルタの特性図。 ５０Ｈｚ及び６０Ｈｚ部分の利得を最低としたディジタルフィルタの特性図。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して具体的に説明する。下記の実施形態に係る電気量計器はディジタル形の保護継電装置であり、アナログ入力回路の監視機能を備えたディジタル形の保護継電装置に係る。なお、保護継電装置の構成要素としては、アナログ入力回路の他に、ディジタル入出力手段などを有しているが、これらの構成要素は公知の技術であり、本実施形態の特徴とは直接関係しないので記載を省略する。

（１）第１の実施形態
［構成］
（概要）
図１に示すように、電力系統には変成器ＶＴや変流器ＣＴなどを介して入力変換器１が接続されている。入力変換器１にはアナログ入力回路１０が接続されている。入力変換器１は、電力系統の系統電気量を入力し、これを電子回路で扱えるレベルに変換して、アナログ入力回路１０に出力する。

アナログ入力回路１０にはディジタル演算ユニット（図１ではＣＰＵと示す）８が接続されている。ディジタル演算ユニット８にはアナログ入力回路１０からのディジタルデータを記憶するランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）６と、所定の演算プログラムが格納されたリードオンリーメモリ（ＲＯＭ）７が設置されている。

（アナログ入力回路）
アナログ入力回路１０には、チャンネル毎に１個ずつアナログフィルタ２およびサンプルホールド回路（図１ではＳ／Ｈ）３が設けられている。本実施形態における監視対象はアナログフィルタ２である。

またアナログ入力回路１０には、アナログフィルタ２およびサンプルホールド回路３とは別に、アナログフィルタ２０及びサンプルホールド回路２１が設置されている。アナログフィルタ２０及びサンプルホールド回路２１はアナログフィルタ２およびサンプルホールド回路３と同一構成であり、アナログフィルタ２０の入力はアナログフィルタ２に導入する電力系統の系統電気量入力と同一である。このアナログフィルタ２０は、特性変化の状態に関して、監視対象であるアナログフィルタ２と比較するためのものである。

さらにアナログ入力回路１０には、高調波の監視用信号を発生する監視用信号発生回路９が設けられている。監視用信号発生回路９は、入力変換器１から入力される系統電気量に重畳する形で、高調波の監視用信号をアナログフィルタ２，２０に入力する回路である。このため、アナログフィルタ２，２０には電力系統からの系統電気量と、監視用信号発生回路９からの監視用信号とが重畳入力されることになる。

サンプルホールド回路３，２１はアナログフィルタ２，２０の出力を所定のサンプリング周期でサンプルホールドする。サンプルホールド回路３，２１には各チャンネルに共通してマルチプレクサ４が接続されている。マルチプレクサ（図１ではＭＰＸ）４にはＡ／Ｄ変換器（図１ではＡ／Ｄ）５が接続され、Ａ／Ｄ変換器５にディジタル演算ユニット８が接続される。

マルチプレクサ４はサンプルホールド回路３，２１の出力を順次切換えて時系列に並び替えサンプルホールド値を出力する。Ａ／Ｄ変換器５はマルチプレクサ４からサンプルホールド値を時系列に入力して、所定のサンプリング周期毎に変換する。Ａ／Ｄ変換器５では、サンプルホールド回路３，２１からのサンプルホールド値をディジタル量に変換し、変換後のディジタルデータをディジタル演算ユニット８に出力する。

（ディジタル演算ユニット）
ディジタル演算ユニット８は、Ａ／Ｄ変換器５からディジタルデータを入力してソフトウェア処理を実行する部分である。ディジタル演算ユニット８はソフトウェア処理としてリードオンリーメモリ７に格納された演算プログラムに従って保護演算を実行する。

また、ディジタル演算ユニット８はソフトウェア処理として監視演算も実行する。図２はディジタル演算ユニット８において監視演算を実行する部分を示している。図２に示すように、ディジタル演算ユニット８は差分算出回路２４、高調波抽出回路１６及び監視処理部１７を有している。

ディジタル演算ユニット８がＡ／Ｄ変換器５から入力するディジタルデータのうち、アナログフィルタ２に由来するディジタルデータを第１のディジタルデータ１５、アナログフィルタ２０に由来するディジタルデータを第２のディジタルデータ２３とする（図２に図示）。つまり、第１のディジタルデータ１５はアナログフィルタ２にて重畳入力された系統電気量および監視用信号をディジタル量として含む。一方、第２のディジタルデータ２３はアナログフィルタ２０にて重畳入力された系統電気量および監視用信号をディジタル量として含む。これらのディジタルデータ１５，２３は差分算出回路２４において差分演算に用いる。

差分算出回路２４は、これら第１のディジタルデータ１５および第２のディジタルデータ２３を入力し、各ディジタルデータ１５，２３における系統電気量同士を相殺すると共に、各ディジタルデータ１５，２３における監視用信号の差分値を求める。差分算出回路２４は監視用信号の差分値を高調波抽出回路１６に出力する。

高調波抽出回路１６は所定のフィルタ特性を持つディジタルフィルタを有しており、これを用いて、監視用信号の差分値から目的とする高調波成分を抽出し、抽出した高調波成分を監視処理部１７に出力する。監視処理部１７は高調波成分から高調波重畳量を算出すると共に、高調波重畳量に基づいて監視対象であるアナログフィルタ２の不良の有無を判定する。

監視処理部１７においてアナログフィルタ２の不良の有無の判定基準は、監視処理部１７が算出した高調波重畳量がほぼ零値であるという範囲に収まるか否かである。すなわち、高調波重畳量がほぼ零値であるという範囲内であれば、監視処理部１７はアナログフィルタ２に不良は無いと判定する。また、高調波重畳量がほぼ零値であるという範囲を逸脱した場合、監視処理部１７はアナログフィルタ２に不良が有ると判定する。

［作用と効果］
本実施形態における作用と効果は次の通りである。差分算出回路２４が第１および第２のディジタルデータ１５，２３の差分演算を行うので、系統周波数に影響される系統電気量を相殺することができる。したがって、たとえ系統周波数が変化したとしても、変化した系統電気量の成分は無くなっているので、系統周波数の変化が監視演算に影響を与えることがない。

また、監視対象のアナログフィルタ２と、比較用のアナログフィルタ２０において、フィルタ特性に変化がなければ、第１および第２のディジタルデータ１５，２３における高調波成分は同値となる。このため、差分算出回路２４が第１および第２のディジタルデータ１５，２３の差分演算を行うと、系統電気量だけではなく高調波成分も相殺されて高調波成分は零となる。この結果、監視処理部１７では、零である高調波成分に基づいて高調波重畳量を零値であると算出する。監視処理部１７は、このような算出結果を導いた場合、アナログフィルタ２に不良はなく正常であると判定する。

一方、監視対象であるアナログフィルタ２のフィルタ特性に変化が起きると、第１および第２のディジタルデータ１５，２３における高調波成分は異なる値になる。つまり、アナログフィルタ２のフィルタ特性が低下することで、第１のディジタルデータ１５中の高調波成分ａは、第２のディジタルデータ２３中の高調波成分ｂよりも小さくなる（ａ＜ｂ）。

ここで、比較用の第２のディジタルデータ２３中の高調波成分ｂの大きさを「１」とすれば、監視対象である第１のディジタルデータ１５中の高調波成分ａの大きさは「１未満」になる。このため、高調波成分ａ，ｂの差分値の大きさは、０以上１未満となる。監視処理部１７では、０以上１未満となる高調波成分に基づいて、零ではない所定レベルの高調波重畳量を算出する。このとき、監視処理部１７はアナログフィルタ２に不良があると判定する。

上述したように、本実施形態によれば、ディジタル形の保護継電装置に入力される系統周波数が５０Ｈｚから６０Ｈｚへ、あるいは６０Ｈｚから５０Ｈｚへと変化しても、２つの系統のアナログフィルタ２，２０を用いることで、系統電気量を相殺することができる。したがって、系統周波数の変化による影響を、監視処理時の演算から排除することが可能であり、演算誤差が増大する心配がない。

その結果、監視対象であるアナログフィルタ２の不良を常に正確に検出することができる。また、アナログフィルタ２が正常であるにもかかわらず不要な不良を検出するといった不具合が起きることもない。このような本実施形態によれば、系統周波数の大きさに関係なく、高い精度でアナログフィルタ２を監視することが可能であり、監視精度の向上に寄与することができる。

（２）第２の実施形態
［構成］
図３に示すように、第２の実施形態の構成上の特徴は、監視用信号発生回路９からの高調波の監視用信号を、アナログフィルタ２０に重畳入力せず、監視対象であるアナログフィルタ２だけに重畳入力する点にある。その他の点に関しては、第２の実施形態と第１の実施形態とは基本的な構成は同一であり、同一の構成要素に関しては、同一符号を付して説明は省略する。

図４は図３の構成によるディジタル入力をソフトウェア処理するためのブロック構成例であり、前述の図２と同じく、ディジタル演算ユニット８において監視演算を実行する部分を示している。図４に示す符号３３は、アナログフィルタ２０に入力した系統電気量を、サンプルホールド回路２１を介してディジタル変換した第３のディジタルデータである。

差分算出回路２４では第１のディジタルデータ１５と、第３のディジタルデータ３３を入力し、両者の差分値を算出して、差分値を高調波抽出回路１６に出力する。このとき、差分算出回路２４は第１のディジタルデータ１５側の系統電気量と第３のディジタルデータ３３側の系統電気量とを相殺する。この点は上記第１の実施形態と同様である。

高調波抽出回路１６は所定のディジタルフィルタを用いて、第１のディジタルデータ１５に含まれる監視用信号から高調波成分を抽出し、これを監視処理部１７に出力する。監視処理部１７は高調波成分から高調波重畳量を算出し、高調波重畳量に基づいて監視対象であるアナログフィルタ２の不良の有無を判定する。

［作用と効果］
図４に示すように、差分算出回路２４において第１のディジタルデータ１５と、第３のディジタルデータ３３との差分値を算出するが、この差分値では、電力系統の周波数に影響される系統電気量を相殺する。したがって、高調波抽出回路１６に導入されるデータは監視用信号のみとなり、そこから高調波成分を抽出して監視処理部１７により高調波重畳量を算出する。

以上のような第２の実施形態では、電力系統の周波数に影響されることなく、アナログフィルタ２の不良の有無を的確に判定することが可能である。これにより、高い精度でアナログフィルタ２を監視することが可能であり、監視精度の向上に寄与することができる。また、監視用信号発生回路９に不良が起きた際には、高調波抽出回路１６にて高調波成分を抽出している。そのため、高調波成分の解析などにより監視用信号発生回路９の不良の有無を判定することができる。

（３）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い。すなわち、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の範囲を逸脱しない範囲で、種々の省略や置き換え、変更を行うことが可能である。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。

例えば、高調波抽出回路１６のディジタルフィルタとしては、図６に示すように、電力系統の系統電気量として考えられる５０Ｈｚおよび６０Ｈｚ部分の利得を、最低としたディジタルフィルタ特性としている。すなわち、基本周波数５０Ｈｚとした場合の１．２倍調波の利得を最低とするディジタルフィルタを用いることで、６０Ｈｚの利得を最低としたディジタルフィルタ特性を実現することが可能となる。

このようなディジタルフィルタを高調波抽出回路１６に用いることにより、高調波抽出データが系統入力の影響を受けることはない。したがって、電力系統の周波数に影響されることなく、高調波成分を抽出できる。その結果、監視演算に際しての誤差を抑えることができる。これにより、監視対象であるアナログフィルタが不良であるにもかかわらずその不良を検出しないことや、当該アナログフィルタが正常であるにもかかわらず不要な不良を検出するといった不具合を回避することができる。

１…入力変換器
２、２０…アナログフィルタ
３、２１…サンプルホールド回路
４…マルチプレクサ
５…アナログ・ディジタル変換器
６…ランダムアクセスメモリ
７…リードオンリーメモリ
８…ディジタル演算ユニット
９…監視用信号発生回路
１０…アナログ入力回路
１５…第１のディジタルデータ
１６…高調波抽出回路
１７…監視処理部
２３…第２のディジタルデータ
２４…差分算出回路
３３…第３のディジタルデータ

Claims (2)

1. 電力系統の系統電気量と、電力系統の周波数とは異なる周波数を持つ高調波の監視用信号を重畳入力する、監視対象となる第１のアナログフィルタ部を、チャンネル毎に１つずつ設けることで２つ設け、
   前記系統電気量と前記監視用信号を重畳入力する、前記第１のアナログフィルタ部と比較するための第２のアナログフィルタ部を、チャンネル毎に１つずつ設けることで２つ設け、
   前記第１のアナログフィルタ部に重畳入力した前記系統電気量および前記監視用信号をディジタル変換した第１のディジタルデータと、前記第２のアナログフィルタ部に重畳入力した前記系統電気量および前記監視用信号をディジタル変換した第２のディジタルデータとの差分演算を行い、第１のディジタルデータ側の系統電気量と第２のディジタルデータ側の系統電気量とを相殺すると共に、第１のディジタルデータ側の監視用信号と第２のディジタルデータ側の監視用信号との差分値を求める差分算出部と、
   前記差分値における高調波重畳量を算出し、高調波重畳量が予め設定された基準値以下であれば前記第１のアナログフィルタ部は不良無し、高調波重畳量が前記基準値を超えれば前記第１のアナログフィルタ部は不良有りと判定する監視処理部と、
   ５０Ｈｚ部分の利得と６０Ｈｚ部分の利得とを共に最低としたディジタルフィルタ特性を有し、前記差分算出部により求められた前記差分値から高調波成分を抽出する高調波抽出回路と、を有し、
   前記監視処理部は、前記高調波抽出回路により抽出された前記高調波成分から前記高調波重畳量を算出することを特徴とする電気量計器。
2. 電力系統の系統電気量と、電力系統の周波数とは異なる周波数を持つ高調波の監視用信号を重畳入力する、監視対象となる第１のアナログフィルタ部と、
   前記系統電気量だけを入力する第３のアナログフィルタ部と、
   前記第１のアナログフィルタ部に重畳入力した前記系統電気量および前記監視用信号をディジタル変換した第１のディジタルデータと、前記第３のアナログフィルタ部に入力した前記系統電気量をディジタル変換した第３のディジタルデータとの差分演算を行い、第１のディジタルデータ側の系統電気量と第３のディジタルデータ側の系統電気量とを相殺する差分算出部と、
   前記第１のディジタルデータに含まれる前記監視用信号から高調波重畳量を算出し、高調波重畳量が予め設定された基準値に達すれば前記第１のアナログフィルタ部は不良無し、高調波重畳量が前記基準値未満であれば前記第１のアナログフィルタ部は不良有りと判定する監視処理部と、
   ５０Ｈｚ部分の利得と６０Ｈｚ部分の利得とを共に最低としたディジタルフィルタ特性を有し、前記差分算出部により求められた前記差分値から高調波成分を抽出する高調波抽出回路と、を有し、
   前記監視処理部は、前記高調波抽出回路により抽出された前記高調波成分から前記高調波重畳量を算出することを特徴とする電気量計器。

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