JP7128128B2

JP7128128B2 - 保護制御装置

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Publication number: JP7128128B2
Application number: JP2019013100A
Authority: JP
Inventors: 大樹板垣; 宏之前原; 信吾飯田; 智之川崎; 義則武井; 実齋藤
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2019-01-29
Filing date: 2019-01-29
Publication date: 2022-08-30
Anticipated expiration: 2039-01-29
Also published as: JP2020122667A

Description

本発明の実施形態は、保護制御装置に関する。

電力量等の刻々変動する状態量を管理する電力系統等のプラントにおいては、安定化制御や系統保護制御を行う複数のディジタル保護制御装置を備えた保護制御システムが広く運用されている。このような保護制御システムでは、ディジタル保護装置と設備機器等の省線化等を目的としたプロセスバスシステムが知られている。プロセスバスシステムには、電力系統に発生する電流または電圧をディジタル値に変換し、インテリジェントエレクトロニックデバイス（ＩＥＤ）へ送信するマージングユニット（ＭＵ）が設けられる。ＩＥＤでは、ＭＵから入力したディジタル値により、電力系統の保護や計測等を行う。保護用途の場合には、系統事故時に発生する大電流を含む計測が要求され、計測用途の場合には、通常使用する定格電流付近での高精度の計測が要求されるが、ＭＵでは、保護用と計測用とに共用できることが求められており、アナログ／ディジタル変換（以下、ＡＤ変換と称する）に広いダイナミックレンジが要求される。この要求に応えるため、従来では、単一のセンサ回路では対応できないため、レンジの異なる複数のセンサ回路を設け、入力に応じて切り替えながら使用する技術が知られている。しかしながら、複数のレンジの値を同時に検出することができないため、信号が急変した場合に、現在測定しているレンジでの検出可能範囲を超えてしまいい、検出誤差が生じる場合があった。そのため、電力系統の保護制御システムが誤動作してしまう可能性があった。

特開２００２－１１６０５２号公報

本発明が解決しようとする課題は、信頼性の高い保護制御装置を提供することである。

実施形態の保護制御装置は、複数の信号変換部と、統合処理部とを持つ。複数の信号変換部は、電力系統から入力されたアナログ信号を、互いに異なるゲインにより、それぞれの少なくとも一部のレンジが互いに異なる複数のディジタル値に変換する。統合処理部は、前記複数の信号変換部により出力された複数のディジタル値のそれぞれの状態に基づいて、前記複数のディジタル値を統合する。また、統合処理部は、前記複数の信号変換部により変換された複数のディジタル値の比率と、前記互いに異なるゲインの比率との誤差が所定範囲を超えた状態が所定時間以上継続するか否かに基づいて、前記複数の信号変換部に対する故障の有無を判定する。

第１の実施形態の保護制御装置を含む保護制御システム１の構成例を示す図。第１の実施形態の統合処理部１３０の機能構成の一例を示す図。統合処理部１３０の機能による作用の一例について説明するための図。第１の実施形態の保護制御装置により実行される処理の流れの一例を示すフローチャート。第２実施形態の第２信号変換部１２０の前段に変流器ＣＴを設けた構成例を示す図。保護制御装置へ入力される電流信号Ｉｉｎと、電流信号Ｉｉｎに互いに異なるゲインをかけたアナログ信号Ｉ_Ａ（ＬＧ）およびＩ_Ａ（ＨＧ）との時間経過に伴う波形の一例を示す図。第３の実施形態の統合処理部１３０Ａの機能構成の一例を示す図。第３の実施形態における計測用と保護用の周波数特定の要求範囲の一例を示す図。第１増幅部１１２と第２増幅部１２２のそれぞれの出力波形の一例を示す図。低周波領域の信号を含む入力があった場合における第１増幅部１１２と第２増幅部１２２のそれぞれの出力波形の一例を示す図。第３の実施形態の保護制御装置により実行される処理の流れの一例を示すフローチャート。第４の実施形態の統合処理部１３０Ｂの機能構成の一例を示す図。第４の実施形態の保護制御装置により実行される処理の流れの一例を示すフローチャート。第５の実施形態の保護制御装置１００Ｃの機能構成の一例を示す図。第６の実施形態での系統事故による信号の変化の様子を示す図（その１）。第６の実施形態での系統事故による信号の変化の様子を示す図（その２）。第７の実施形態の保護制御装置１００Ｄの機能構成の一例を示す図である。リファレンス電圧αおよびβによるアナログ入力とディジタル出力の関係の一例を示す図である。

以下、実施形態の保護制御装置を、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態の保護制御装置を含む保護制御システム１の構成例を示す図である。図１に示す保護制御システム１は、電力系統Ｅに接続される保護制御装置１００と、ＩＥＤ２００とを備える。保護制御装置１００と、ＩＥＤ２００とは、例えば、インターネットやＬＡＮ（Local Area Network）、ＷＡＮ（Wide Area Network）等を含むネットワークＮＷを介して通信する。保護制御システム１は、複数の保護制御装置１００およびＩＥＤ２００を備えたプロセスバスシステムであってもよい。また、保護制御システム１は、ＩＥＤ２００に代えて（または加えて）、保護制御装置１００により出力される情報を用いて所定の演算を行う演算装置等を備えていてもよい。

保護制御装置１００は、電力系統Ｅを構成する複数の設備機器に対し計測部（不図示）により計測された値のアナログ信号を、互いに異なるゲインにより、それぞれの少なくとも一部のレンジが互いに異なる複数のディジタル値に変換する。具体的には、第１の実施形態の保護制御装置１００は、まず、電力系統Ｅを構成する複数の設備機器に対し計測部（不図示）により計測された値のアナログ信号に互いに異なるゲインをそれぞれにかけて、少なくとも一部のレンジが互いに異なる複数のアナログ信号に変換する。レンジとは、例えば、アナログ信号の値（例えば、電流値）の範囲である。次に、保護制御装置１００は、変換した少なくとも一部のレンジが互いに異なる複数のアナログ信号のそれぞれをディジタル信号に変換し、変換したディジタル信号を、ネットワークＮＷを介してＩＥＤ２００に送信する。保護制御装置１００は、例えば、マージングユニット（ＭＵ）として機能させてよい。以下では、計測値のアナログ信号の一例として電流信号を用いるが、電圧信号や電力信号、その他のアナログ信号を用いてもよい。

保護制御装置１００は、例えば、第１信号変換部１１０と、第２信号変換部１２０と、統合処理部１３０と、通信部１４０と、電源部１５０とを備える。これらの機能部のうち一部または全部は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）等のハードウェアプロセッサがプログラム（ソフトウェア）を実行することにより実現される。また、これらの構成要素のうち一部または全部は、ＬＳＩ（Large Scale Integration）やＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）、ＧＰＵ（Graphics Processing Unit）等のハードウェア（回路部；circuitryを含む）によって実現されてもよいし、ソフトウェアとハードウェアの協働によって実現されてもよい。プログラムは、予め保護制御装置１００のＨＤＤ（Hard Disk Drive）やフラッシュメモリ等の記憶装置（不図示）に格納されていてもよいし、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）やＣＤ－ＲＯＭ等の着脱可能な記憶媒体に格納されており、記憶媒体がドライブ装置に装着されることで記憶装置にインストールされてもよい。例えば、第１信号変換部１１０と、第２信号変換部１２０とを合わせたものが、「複数の信号処理部」の一例である。保護制御装置１００は、三以上の信号変換部を備えていてもよい。

第１信号変換部１１０は、例えば、第１増幅部１１２と、第１ＡＤ変換部１１４とを備える。第１増幅部１１２は、電力系統Ｅから入力される電流信号Ｉｉｎ号に第１のゲイン（例えば、Ａ倍）をかけたアナログ信号Ｉ_Ａ（ＬＧ）を生成する。第１のゲインは、例えば、ＩＥＤ２００が保護制御装置１００からのディジタル信号を保護用途で用いる場合のレンジに対応付けられた値である。保護用途の場合には、系統事故時に発生する大電流を含む計測が要求されるため、第１のゲインを第２のゲインよりも小さい値（ローゲイン）にする。これにより、ゲインをかけた場合やＡＤ変換を行った場合のフルスケールオーバ等による波形のつぶれ等を抑制することができる。なお、第１増幅部１１２は、第１ＡＤ変換部１１４と一体に設けられてもよい。

第１ＡＤ変換部１１４は、第１増幅部１１２により出力されたアナログ信号Ｉ_Ａ（ＬＧ）をディジタル値に変換し、変換したディジタル値の時系列信号（ディジタル信号）Ｉ_Ｄ（ＬＧ）を統合処理部１３０に出力する。

第２信号変換部１２０は、第２増幅部１２２と、第２ＡＤ変換部１２４とを備える。第２増幅部１２２は、電力系統Ｅから入力される電流信号Ｉｉｎに第１のゲインと異なる第２のゲイン（例えば、Ｂ倍（Ｂ＞Ａ））をかけたアナログ信号Ｉ_Ａ（ＨＧ）を生成する。第２のゲインは、例えば、ＩＥＤ２００が保護制御装置１００からのディジタル信号を計測用途で用いる場合のレンジに対応付けられた値である。計測用途の場合には、通常使用する定格電流付近での高精度の計測が要求されるため、第２のゲインを第１のゲインよりも大きい値（ハイゲイン）にする。なお、第２増幅部１２２は、第２ＡＤ変換部１２４と一体に設けられてもよい。

第２ＡＤ変換部１２４は、第２増幅部１２２により出力されたアナログ信号Ｉ_Ａ（ＨＧ）を時系列のディジタル値に変換し、変換したディジタル値の時系列信号（ディジタル信号）Ｉ_Ｄ（ＨＧ）を統合処理部１３０に出力する。

統合処理部１３０は、第１信号変換部１１０と第２信号変換部１２０とのそれぞれから入力されたディジタル信号Ｉ_Ｄ（ＬＧ）、Ｉ_Ｄ（ＨＧ）のそれぞれの状態に基づいて、複数のディジタル信号を統合する。統合処理部１３０の機能の詳細については、後述する。

通信部１４０は、ネットワークＮＷを介して統合処理部１３０から入力された統合ディジタル信号Ｉ_ＴＤをＩＥＤ２００に出力する。ＩＥＤ２００は、保護制御装置１００から入力された統合ディジタル信号Ｉ_ＴＤに基づいて、電力系統Ｅを構成する複数の設備機器の監視や計測、保護、記録、その他の各種制御を実行する。例えば、ＩＥＤ２００は、統合ディジタル信号Ｉ_ＴＤの解析結果から得られる値の変動状態に基づいて、それぞれの異なる信号やその複数の設備機器に対して発生した事故等の異常事態を把握し、安定化制御や系統保護制御等を行う。また、ＩＥＤ２００は、保護制御装置１００に故障があると判定された場合に、統合ディジタル信号Ｉ_ＴＤに基づいて、故障原因の解析、その他の対応等を行う。

電源部１５０は、第１信号変換部１１０および第２信号変換部１２０に電力を供給する電源装置である。なお、保護制御装置１００における第１信号変換部１１０および第２信号変換部１２０以外の構成の構成については、他の電源部（不図示）から電力が供給されるものとするが、電源部１５０により電力が供給されてもよい。

次に、統合処理部１３０の機能の詳細について説明する。図２は、第１の実施形態の統合処理部１３０の機能構成の一例を示す図である。統合処理部１３０は、例えば、誤差判定部１３２と、選択部１３４とを備える。誤差判定部１３２は、第１信号変換部１１０および第２信号変換部１２０から出力されたそれぞれのディジタル信号Ｉ_Ｄ（ＬＧ）とＩ_Ｄ（ＨＧ）との関係性と、第１のゲインと第２のゲインとの関係性との誤差が所定範囲内であるか否かを判定する。関係性とは、例えば、比例関係である。また、関係性とは、大小関係や所定の関数等により導出される指標値等に基づく関係性であってもよい。例えば、ディジタル信号Ｉ_Ｄ（ＬＧ）とＩ_Ｄ（ＨＧ）との比例関係とは、例えば、Ｉ_Ｄ（ＬＧ）／Ｉ_Ｄ（ＨＧ）またはＩ_Ｄ（ＨＧ）／Ｉ_Ｄ（ＬＧ）で算出される比率である。また、第１のゲインと第２のゲインとの比例関係とは、例えば、Ａ／ＢまたはＢ／Ａで算出される比率である。誤差判定部１３２は、例えば、Ｉ_Ｄ（ＬＧ）／Ｉ_Ｄ（ＨＧ）の値とＡ／Ｂとの値の誤差、またはＩ_Ｄ（ＨＧ）／Ｉ_Ｄ（ＬＧ）の値とＢ／Ａの値との誤差が所定範囲内であるか否かを判定する。所定範囲とは、例えば、予め決められた固定の範囲でもよく、入力されるアナログ信号（例えば、電流信号Ｉｉｎ）の種類やユーザ設定等により変更可能な可変の範囲でもよい。

そして、誤差判定部１３２は、誤差が所定範囲内である場合にはディジタル信号Ｉ_Ｄ（ＨＧ）を出力させ、誤差が所定範囲を超える場合にはディジタル信号Ｉ_Ｄ（ＬＧ）を出力させるように、選択部１３４に制御情報を出力する。

選択部１３４は、誤差判定部１３２により得られる選択情報に基づいて、ディジタル信号Ｉ_Ｄ（ＬＧ）およびＩ_Ｄ（ＨＧ）のうち、一方の信号を選択して出力する。なお、選択部１３４は、例えば、減衰部１３６を備えていてもよい。減衰部１３６は、選択部１３４により選択されるディジタル信号Ｉ_Ｄ（ＬＧ）またはＩ_Ｄ（ＨＧ）のゲインに対応する値でディジタル信号Ｉ_Ｄ（ＬＧ）またはＩ_Ｄ（ＨＧ）を減衰させる。例えば、減衰部１３６は、選択部１３４によりディジタル信号Ｉ_Ｄ（ＬＧ）が選択された場合には、ディジタル信号Ｉ_Ｄ（ＬＧ）に１／Ａをかけてディジタル信号Ｉ_Ｄ（ＬＧ）を減衰させる。また、減衰部１３６は、選択部１３４によりディジタル信号Ｉ_Ｄ（ＨＧ）が選択された場合には、ディジタル信号Ｉ_Ｄ（ＨＧ）に１／Ｂをかけてディジタル信号Ｉ_Ｄ（ＨＧ）を減衰させる。これにより、電流信号Ｉｉｎをディジタル変換した値に近似した値を出力させることができる。

図３は、統合処理部１３０の機能による作用の一例について説明するための図である。図３の例では、電力系統Ｅからの電流信号Ｉｉｎと、アナログ信号Ｉ_Ａ（ＬＧ）と、アナログ信号Ｉ_Ａ（ＨＧ）との時間経過に伴う波形の様子を示している。また、図３の例では、期間Ｔ０１～Ｔ０３のうち期間Ｔ０２において電力系統Ｅの系統事故により電流信号Ｉｉｎの値が増加したものとする。

図３の期間Ｔ０１および期間Ｔ０３において、アナログ信号Ｉ_Ａ（ＬＧ）およびＩ_Ａ（ＨＧ）は、フルスケールオーバ等の波形のつぶれが発生していない。したがって、ＡＤ変換後のディジタル信号Ｉ_Ｄ（ＬＧ）とＩ_Ｄ（ＨＧ）との比例関係と、第１のゲインと第２のゲインとの比例関係との誤差は、所定範囲内となる。したがって、選択部１３４は、期間Ｔ０１および期間Ｔ０３において、ディジタル信号Ｉ_Ｄ（ＨＤ）を選択して出力する。

一方、期間Ｔ０２においては、系統事故による電流値の増大により、第２増幅部１２２のレンジの許容範囲を超えてしまい、フルスケールオーバによりアナログＩ_Ａ（ＨＧ）の波形の凸部付近がつぶれている。したがって、ＡＤ変換後のディジタル信号Ｉ_Ｄ（ＬＧ）とＩ_Ｄ（ＨＧ）との比例関係と、第１のゲインと第２のゲインとの比例関係との誤差は、所定範囲を超えることになる。したがって、選択部１３４は、期間Ｔ０２において、ディジタル信号Ｉ_Ｄ（ＬＤ）を選択して出力する。この結果、選択部１３４は、各期間において選択されたディジタル信号を連結した統合ディジタル信号Ｉ_ＴＤを出力する。これにより、異なるゲインをかけることでレンジを異ならせた二つのディジタル信号のうち、より正確にＡＤ変換ができている値を選択して信号を出力することができる。

図４は、第１の実施形態の保護制御装置により実行される処理の流れの一例を示すフローチャートである。図４の処理は、所定のタイミングまたは所定周期で繰り返し実行されてよい。まず、信号変換部（第１信号変換部１１０および第２信号変換部１２０）は、電力系統Ｅから入力されたアナログ信号に第１のゲインおよび第２のゲインのそれぞれをかける（ステップＳ１００）。なお、ステップＳ１００の処理において、第２のゲインは、第１のゲインよりも値が大きい。次に、信号変換部（第１信号変換部１１０および第２信号変換部１２０）は、それぞれのゲインによりレンジが互いに異なるアナログ信号のそれぞれをディジタル値に変換する（ステップＳ１０２）。

次に、統合処理部１３０は、複数のディジタル値の比例関係と、第１のゲインおよび第２のゲインの比例関係との誤差を算出し（ステップＳ１０４）、誤差が所定範囲内であるか否かを判定する（ステップＳ１０６）。誤差が所定範囲内であると判定された場合、統合処理部１３０は、第２のゲインをかけた方のディジタル値を選択する（ステップＳ１０８）。また、誤差が所定範囲内ではないと判定された場合、統合処理部１３０は、第１のゲインをかけた方のディジタル値を選択する（ステップＳ１１０）。次に、統合処理部１３０は、選択したディジタル値を含む統合ディジタル信号を出力する（ステップＳ１１２）。次に、通信部１４０は、出力された統合ディジタル信号をＩＥＤ２００が処理可能なデータ形式に変換し、変換した統合ディジタル信号を、ネットワークＮＷを介してＩＥＤ２００に送信する（ステップＳ１１４）。これにより、本フローチャートの処理は、終了する。

上述したように第１の実施形態によれば、電力系統Ｅから入力されたアナログ信号に互いに異なるゲインをそれぞれにかけて、少なくとも一部のレンジが互いに異なる複数のアナログ信号に変換した後に、複数のアナログ信号のそれぞれをディジタル値に変換する複数の信号変換部（第１信号変換部１１０、第２信号変換部）と、複数の信号変換部により出力された複数のディジタル値のそれぞれの状態に基づいて、複数のディジタル値を統合する統合処理部１３０とを備えることにより、より正確なディジタル信号を出力することができ、信頼性の高い保護制御装置を提供することができる。したがって、保護制御システム１全体での誤動作を抑制することができる。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。なお、以下の説明において、第１の実施形態における保護制御システム１および保護制御装置１００の各構成のうち、機能が同一である構成には第１の実施形態と同様の符号を付するものとし、さらに共通事項に関する具体的な説明は省略する。以降の実施形態の説明においても同様とする。

第２の実施形態では、第１の実施形態と比較すると、第１信号変換部１１０および第２信号変換部１２０の前段に、鉄心ＣＯを用いた変流器ＣＴを備える点で第１の実施形態と相違する。したがって、以下では、電力系統Ｅと第１信号変換部１１０および第２信号変換部１２０との間に変流器ＣＴを備える保護制御装置１００について説明する。なお、変流器ＣＴは、例えば、第１信号変換部１１０および第２信号変換部１２０の内部に設けられてもよい。以下では、主に第２信号変換部１２０の前段に変流器ＣＴを備える例を中心に説明する。

図５は、第２実施形態の第２信号変換部１２０の前段に変流器ＣＴを設けた構成例を示す図である。図５の例では、第２信号変換部１２０と変流器ＣＴのみを示している。また、図５では、変流器ＣＴの一例として、電力系統Ｅからの電流信号Ｉｉｎを電通させる１本の導体を取り巻いて鉄心ＣＯを配置し、その鉄心ＣＯに二次巻線を施した貫通型変流器を示している。二次巻線は、第２信号変換部１２０に接続されている。変流器ＣＴは、交流の電流信号Ｉｉｎの大きさを変換（調整）し、調整した電流信号を二次巻線によって第２信号変換部１２０に出力する。

図６は、保護制御装置へ入力される電流信号Ｉｉｎと、電流信号Ｉｉｎに互いに異なるゲインをかけたアナログ信号Ｉ_Ａ（ＬＧ）およびＩ_Ａ（ＨＧ）との時間経過に伴う波形の一例を示す図である。また、図６の例では、時刻Ａの時点で電力系統Ｅによる系統事故が発生し、交流成分の電流に直流成分が混在しているものとする。

変流器ＣＴが備えていない場合の波形（例えば、図３に示す波形）よりも時刻Ａにおける電流値の増加が少ない場合を示しているが、系統事故により直流成分が発生しているため、第２信号変換部１２０側の変換器ＣＴで直流電流の入力による鉄心ＣＯの磁気の飽和が起こり、図６に示すように適切な波形が出力されなくなる。この場合、単に値の大小のみで出力するディジタル信号を選択してしまうと、第２信号変換部１２０側の出力が出力され、保護制御装置１００を使用している保護制御システムが誤動作を行う可能性がある。

そこで、第２の実施形態においても、第１の実施形態と同様に、誤差判定部１３２が、第１信号変換部１１０および第２信号変換部１２０から出力されたそれぞれのディジタル信号Ｉ_Ｄ（ＬＧ）とＩ_Ｄ（ＨＧ）との比例関係と、第１のゲインと第２のゲインとの比例関係との誤差が所定範囲内であるか否かを判定する。

図６の期間Ｔ１１において、アナログ信号Ｉ_Ａ（ＬＧ）およびＩ_Ａ（ＨＧ）は、フルスケールオーバ等の波形のつぶれが発生していない。したがって、ディジタル信号Ｉ_Ｄ（ＬＧ）とＩ_Ｄ（ＨＧ）との比例関係と、第１のゲインと第２のゲインとの比例関係との誤差は、所定範囲内となる。したがって、選択部１３４は、期間Ｔ１１おいて、ディジタル信号Ｉ_Ｄ（ＨＤ）を選択して出力する。

一方、期間Ｔ１２においては、ディジタル信号Ｉ_Ｄ（ＬＧ）とＩ_Ｄ（ＨＧ）との比例関係と、第１のゲインと第２のゲインとの比例関係との誤差は、所定範囲を超えることになる。したがって、選択部１３４は、期間Ｔ１２において、ディジタル信号Ｉ_Ｄ（ＬＤ）を選択して出力する。この結果、選択部１３４は、より正確にＡＤ変換ができている値を選択して信号を出力することができる。

上述したように第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様の効果を奏する他、保護制御システムに変流器ＣＴを備える構成においても、より精度の高いディジタル信号を出力することができ、信頼性の高い保護制御装置を提供することができる。なお、第２の実施形態において、電力系統から入力されるアナログ信号が電圧信号である場合には、変流器ＣＴに代えて変圧器を備えてもよい。

（第３の実施形態）
次に、保護制御装置１００の第３の実施形態について説明する。第３の実施形態は、第１の実施形態と比較して、統合処理部１３０にフィルタ部を備える点で相違する。したがって、以下では、主にフィルタ部の処理を中心に説明する。図７は、第３の実施形態の統合処理部１３０Ａの機能構成の一例を示す図である。統合処理部１３０Ａは、例えば、フィルタ部１３１と、誤差判定部１３２と、選択部１３４とを備える。

フィルタ部１３１は、第１信号変換部１１０および第２信号変換部１２０のそれぞれの周波数特性の差がなくなるように調整する。一般に、保護制御装置では、計測と保護の共用が求められるため、計測用にハイゲインをかける増幅部と、保護用にローゲインをかける増幅部を備える。一方、計測用と保護用とで周波数特性の要求にも差がでる場合がある。図８は、第３の実施形態における計測用と保護用の周波数特定の要求範囲の一例を示す図である。図８の例において、横軸は周波数を示し、縦軸はゲインを示す。

一般に、計測用の周波数特性Ｉ_Ｍの帯域の方が、保護用の周波数特性Ｉ_Ｐの帯域よりも広くなることが考えられる。例えば、図８に示す周波数ｆ_ＰＬと周波数ｆ_ＰＨとの間の入力に加えて周波数ｆ_ＰＨより高い周波数の入力があった場合、ハイゲイン側の第２増幅部１２２が出力するアナログ信号Ｉ_Ａ（ＨＧ）と、ローゲイン側の第１増幅部１１２とがそれぞれ出力するアナログ信号Ｉ_Ｄ（ＨＧ）は、時間軸上では図９のようになる。図９は、第１増幅部１１２と第２増幅部１２２のそれぞれの出力波形の一例を示す図である。図９の例では、時間経過に伴う電流値の変化を波形で示している。

図９のアナログ信号Ｉ_Ａ（ＨＧ）に示すように、計測用の周波数特性では高周波まで取得することになるため、電流値に細かい変化が生じる。そのため、ＡＤ変換後のディジタル信号Ｉ_Ｄ（ＬＧ）とＩ_Ｄ（ＨＧ）との比例関係と、第１のゲインと第２のゲインとの比例関係との誤差が所定範囲を超え、ローゲイン側のディジタル信号Ｉ_Ｄ（ＬＧ）のみが出力されることになる。言い換えると、高周波での正しい計測結果が出力されなくなるため、要求される計測性能を満たせなくなってしまう。また同様の問題は、例えば、図８に示す周波数Ｆ_ＰＬよりも小さい周波数の信号が入力される場合にも起こり得る。図１０は、低周波領域の信号を含む入力があった場合における第１増幅部１１２と第２増幅部１２２のそれぞれの出力波形の一例を示す図である。低周波領域の信号を含む入力があった場合には、低周波が減衰し、図１０に示すように、アナログ信号Ｉ_Ａ（ＨＧ）とアナログ信号Ｉ_Ａ（ＬＧ）とで電流値が異なる。そのため、比例関係との誤差が所定範囲を超え、低周波で適切な信号を出力できない。

そこで、第３の実施形態では、ＡＤ変換後のディジタル信号Ｉ_Ｄ（ＬＧ）とＩ_Ｄ（ＨＧ）との比例関係を導出する前に、フィルタ部１３１によってディジタル信号Ｉ_Ｄ（ＬＧ）およびＩ_Ｄ（ＨＧ）の少なくとも一つに対してフィルタリングを行い、複数の信号変換部のうち一つの信号変換部のディジタル値の周波数特性（帯域）に近似させる。例えば、フィルタ部１３１は、第２信号変換部１２０により出力されたディジタル値に対し、ローパスフィルタ、ハイパスフィルタ、またはバンドパスフィルタによるフィルタリングを行う。より具体的には、フィルタ部１３１は、例えば、ハイゲイン側のディジタル信号Ｉ_Ｄ（ＨＧ）がローゲイン側のディジタル信号Ｉ_Ｄ（ＬＧ）と同様の周波数特性になるように、バンドパスフィルタをかけて、その結果を誤差判定部１３２に出力する。

図１１は、第３の実施形態の保護制御装置により実行される処理の流れの一例を示すフローチャートである。図１１の処理は、上述した図４に示す処理と比較して、ステップＳ１０２の処理と、ステップＳ１０４の処理との間に、ステップＳ１０３の処理を備える点で相違する。したがって、以下では、主にステップＳ１０３の処理を中心に説明する。

ステップＳ１０２の処理により、それぞれのゲインによりレンジが互いに異なるアナログ信号のそれぞれをディジタル値に変換した後、フィルタ部１３１は、第２のゲインをかけた方のディジタル値をフィルタリングする（ステップＳ１０３）。ステップＳ１０３の処理では、ディジタル信号Ｉ_Ｄ（ＨＧ）が、ディジタル信号Ｉ_Ｄ（ＬＧ）と同様の周波数特性になるように周波数の調整を行う。ステップＳ１０３の処理後、統合処理部１３０Ａは、ステップＳ１０４以降の処理を実行する。

上述したように第３の実施形態によれば、第１の実施形態と同様の効果を奏する他、ハイゲイン側とローゲイン側とで信号の周波数特性に差があった場合でも、比例関係をより正確に比較することができ、ハイゲイン側が選択できない状態を回避することができる。したがって、要求される計測性能を満たす信号を出力することができる。

（第４の実施形態）
次に、第４の実施形態について説明する。第４の実施形態では、第１の実施形態の保護制御装置１００と比較して、統合処理部１３０Ｂに誤差判定部１３２に代えて誤差判定部１３２Ｂを備える点、および送信データ生成部１３８を備える点で相違する。したがって、以下では、主に誤差判定部１３２Ｂおよび送信データ生成部１３８の処理を中心に説明する。

図１２は、第４の実施形態の統合処理部１３０Ｂの機能構成の一例を示す図である。統合処理部１３０Ｂは、例えば、誤差判定部１３２Ｂと、選択部１３４と、送信データ生成部１３８とを備える。

誤差判定部１３２Ｂは、第１信号変換部１１０および第２信号変換部１２０により出力されたそれぞれのディジタル信号Ｉ_Ｄ（ＬＧ）とＩ_Ｄ（ＨＧ）との比例関係と、第１のゲインと第２のゲインとの比例関係との誤差が所定範囲内であるか否かを判定する。そして、誤差判定部１３２Ｂは、誤差が所定範囲内である場合にはディジタル信号Ｉ_Ｄ（ＨＧ）を出力させ、誤差が所定範囲を超える場合にはディジタル信号Ｉ_Ｄ（ＬＧ）を出力させるように、選択部１３４に選択情報を出力する。

また、誤差判定部１３２Ｂは、例えば、故障判定部１３３Ｂを備える。故障判定部１３３Ｂは、誤差判定部１３２による誤差結果に基づいて、第１信号変換部１１０および第２信号変換部１２０のうち、一方または双方の故障の有無を判定する。例えば、故障判定部１３３Ｂは、ディジタル信号Ｉ_Ｄ（ＬＧ）とＩ_Ｄ（ＨＧ）との比例関係と、第１のゲインと第２のゲインとの比例関係との誤差が所定範囲内である場合に、第１信号変換部１１０および第２信号変換部１２０が故障していないと判定し、誤差が所定範囲を超える場合に、第１信号変換部１１０および第２信号変換部１２０の一方または双方が故障していると判定する。

なお、例えば、第２信号変換部１２０が故障していない場合であっても、電流値が瞬間的に大きくなった場合には、出力が飽和してフルスケールオーバが発生し、誤差が所定範囲を超えることがある。そのため、故障判定部１３３Ｂは、例えば、誤差が所定範囲を超えた状態が所定時間以上継続した場合に、第１信号変換部１１０および第２信号変換部１２０の一方または双方が故障していると判定してもよい。所定時間とは、例えば、少なくとも電力系統Ｅにおける電流値計測の１周期以上の時間である。これにより、より正確な故障判定を行うことができる。故障判定部１３３Ｂは、上述した判定を行った後、故障判定結果を送信データ生成部１３８に出力する。

送信データ生成部１３８は、選択部１３４により出力された統合ディジタル値と、故障判定部１３３Ｂからの故障判定結果とを含めた送信データ（統合ディジタル信号）を生成する。例えば、送信データ生成部１３８は、時間情報に、統合ディジタル値と故障判定結果とを対応付けた送信データを生成する。

また、送信データ生成部１３８は、選択部１３４から出力される値と、故障判定部１３３Ｂから出力される故障判定結果とをそれぞれ分けた二系統の送信データを生成してもよい。この場合、生成した二系統の送信データは、同一の送信先に送信させてもよく、異なる送信先に送信させてもよい。

また、送信データ生成部１３８は、選択部１３４から出力された値と、故障判定結果とをタイムスタンプ等で対応付けた異なる送信データを生成してもよい。

また、送信データ生成部１３８は、故障判定結果において故障がないと判定された場合に、選択部１３４から出力された値を送信データに含め、故障があると判定された場合に、選択部１３４から出力された値を送信データに含めないようにしてもよい。

図１３は、第４の実施形態の保護制御装置により実行される処理の流れの一例を示すフローチャートである。図１３の処理は、上述した図４に示す処理と比較して、ステップＳ１０９、ステップＳ１１１、ステップＳ１１３の処理を備える点、およびステップＳ１１２の処理に代えてステップＳ１１５の処理を備える点で相違する。したがって、以下では、主にステップＳ１０９、ステップＳ１１１、ステップＳ１１３、およびステップＳ１１５の処理を中心に説明する。

ステップＳ１０６の処理において、誤差が所定範囲内であると判定された場合、誤差判定部１３２Ｂは、第２のゲインをかけた方のディジタル値を選択させる（ステップＳ１０８）。次に、故障判定部１３３Ｂは、第１信号変換部１１０および第２信号変換部１２０が故障していないと判定する（ステップＳ１０９）。また、ステップＳ１０６の処理において、誤差が所定範囲内ではない（所定範囲を超える）と判定された場合、誤差判定部１３２Ｂは、第１のゲインをかけた方のディジタル値を選択させる（ステップＳ１１０）。次に、故障判定部１３３Ｂは、誤差が所定範囲内でないと判定された状態が、所定時間以上継続したか否かを判定する（ステップＳ１１１）。所定時間以上継続しないで誤差が所定範囲内であると判定された場合、ステップＳ１０９の処理に進む。また、所定時間以上継続した場合、故障判定部１３３Ｂは、第１信号変換部１１０および第２信号変換部１２０の一方または双方が故障していると判定する（ステップＳ１１３）。

ステップＳ１０９またはステップＳ１１３の処理後、送信データ生成部１３８は、選択されたディジタル値と、故障判定結果とを含む統合ディジタル信号（送信データ）を生成する（ステップＳ１１５）。

上述したように第４の実施形態によれば、第１の実施形態と同様の効果を奏する他、誤差判定結果に基づいて第１信号変換部１１０および第２信号変換部１２０のうち一方または双方の故障を判定することができる。また、第４の実施形態によれば、故障判定結果に関する情報を送信データに含めて送信することで、送信データの受信側（例えば、ＩＥＤ２００）は、故障の有無を、より正確に把握することができる。また、受信側は、故障箇所や故障原因を、より適切に把握することができ、故障があった信号変換部または保護制御システムに対して、より適切且つ迅速に故障対応を行うことができる。

（第５の実施形態）
次に、第５の実施形態について説明する。例えば、第１の実施形態に示す保護制御装置１００において、電源部１５０が故障した場合、故障した電源部１５０が電力を供給している第１信号変換部１１０および第２信号変換部１２０が出力するそれぞれのディジタル信号Ｉ_Ｄ（ＬＧ）とＩ_Ｄ（ＨＧ）の値が同時に低下することになる。この場合、各ディジタル値の比例関係は、故障前とあまり変わらないため、このような状況において、第４の実施形態の故障判定部１３３Ｂにより故障の判定を行った場合には、両方とも正常であるとみなされる可能性がある。そこで、第５の実施形態では、複数の信号変換部ごとに電源部を備える。

図１４は、第５の実施形態の保護制御装置１００Ｃの機能構成の一例を示す図である。保護制御装置１００Ｃは、第４実施形態における保護制御装置と比較して、電源部１５０に代えて、第１電源部１５２および第２電源部１５４を備える点で相違する。したがって、以下では、主に第１電源部１５２および第２電源部１５４の処理を中心に説明する。第１電源部１５２は、第１信号変換部１１０に電力を供給する。また、第２電源部１５４は、第２信号変換部１２０により電力を供給する。なお、保護制御装置１００Ｃにおける第１信号変換部１１０および第２信号変換部１２０以外の構成の構成については、他の電源部（不図示）から電力が供給されるものとする。

第５の実施形態における保護制御装置１００Ｃの構成によれば、例えば、一方の電源部が故障した場合に、故障した電源部が電源供給している信号変換部が出力するディジタル値のみが異常値となり、それ以外の信号変換部が出力するディジタル値は異常値とならない。そのため、ディジタル信号Ｉ_Ｄ（ＬＧ）とＩ_Ｄ（ＨＧ）との比例関係と、第１のゲインと第２のゲインとの比例関係とに所定範囲を超える誤差が生じ、故障判定部１３３Ｂは、第１信号変換部１１０および第２信号変換部１２０のうち一方または双方の故障をより正確に把握することができる。

上述したように第５の実施形態によれば、第４の実施形態と同様の効果を奏する他、複数の信号変換部ごとに電源部を備えることで、複数の信号変換部の一部または全部の故障をより正確に把握することができる。

（第６の実施形態）
次に、第６の実施形態について説明する。第６の実施形態では、ディジタル信号Ｉ_Ｄ（ＬＧ）とＩ_Ｄ（ＨＧ）との比例関係と、第１のゲインと第２のゲインとの比例関係との値の大小に基づいて、複数の信号変換部が故障しているか否か判定し、故障していないと判定した信号変換部からの信号を選択して出力させる。なお、第６の実施形態は、例えば、図１２に示す統合処理部１３０Ｂと同様の構成を用いることができるため、以下では、統合処理部１３０Ｂを用いて説明する。

例えば、故障判定部１３３Ｂは、第１信号変換部１１０および第２信号変換部１２０のうち一方または双方が故障していると判定した場合に、ディジタル信号Ｉ_Ｄ（ＬＧ）とＩ_Ｄ（ＨＧ）の比率（例えば、Ｉ_Ｄ（ＨＧ）／Ｉ_Ｄ（ＬＧ））（以下、第１比率を称する）が、第１のゲインと第２のゲインの比率（例えば、Ｂ／Ａ）（以下、第２比率と称する）よりも小さいか否かを判定する。第１比率が第２比率よりも小さい場合、故障判定部１３３Ｂは、ハイゲイン側の第２信号変換部１２０が故障していると判定する。この場合、故障判定部１３３Ｂは、ローゲイン側の第１信号変換部１１０からのディジタル信号Ｉ_Ｄ（ＬＧ）を選択するように選択部１３４に選択情報を出力する。また、第１比率が第２比率よりも小さくない場合、故障判定部１３３Ｂは、ローゲイン側の第１信号変換部１１０が故障していると判定する。この場合、故障判定部１３３Ｂは、第２信号変換部１２０からのディジタル信号Ｉ_Ｄ（ＨＧ）を選択するように選択部１３４に選択情報を出力する。

図１５および図１６は、第６の実施形態での系統事故による信号の変化の様子を示す図（その１、その２）である。図１５および図１６の例では、時間経過に伴う電流信号Ｉｉｎ、およびアナログ信号Ｉ_Ａ（ＬＧ）、Ｉ_Ａ（ＨＧ）を示している。また、時刻Ａは、例えば、電力系統Ｅにおける系統事故が発生した時刻である。

図１５の例において、時刻Ａの時点で、ハイゲイン側の第２信号変換部１２０が故障し、電流値がゼロ付近の値となっている。これにより、第１比率（Ｉ_Ｄ（ＨＧ）／Ｉ_Ｄ（ＬＧ）は、第２比率（Ｂ／Ａ）よりも小さくなる。したがって、選択部１３４は、第１信号変換部１１０からのディジタル信号Ｉ_Ｄ（ＬＧ）を選択して出力する。これにより、例えば、ローゲイン側を保護用に使用し、ハイゲイン側を計測用に使用している保護制御装置１００において、保護機能を継続させることができる。

また、図１６の例において、時刻Ａの時点で、ローゲイン側の第１信号変換部１１０が故障し、電流値がゼロ付近の値となっている。これにより、第１比率（Ｉ_Ｄ（ＨＧ）／Ｉ_Ｄ（ＬＧ）は、第２比率（Ｂ／Ａ）以上となる。したがって、選択部１３４は、第２信号変換部１２０からのディジタル信号Ｉ_Ｄ（ＨＧ）を選択して出力する。これにより、例えば、ローゲイン側を保護用に使用し、ハイゲイン側を計測用に使用している保護制御装置１００において、計測機能を継続させることができる。

なお、第６の実施形態において、故障判定部１３３Ｂは、例えば、第１比率が第２比率よりも小さい状態が所定時間以上継続した場合に、ディジタル信号Ｉ_Ｄ（ＬＧ）を出力させ、第１比率が第２比率よりも小さくない状態が所定時間以上継続した場合に、ディジタル信号Ｉ_Ｄ（ＨＧ）を出力させてもよい。

上述したように第６の実施形態によれば、第４の実施形態と同様の効果を奏する他、第１比率と第２比率の大小関係に基づいて、保護または計測機能に対応するディジタル信号を出力することができる。したがって、保護制御システム全体の動作を継続させることができる。

（第７の実施形態）
次に、第７の実施形態について説明する。第７の実施形態では、第１信号変換部１１０および第２信号変換部１２０において、増幅部を用いずに、ＡＤ変換部に入力されるリファレンス電圧によって、アナログ信号をレンジが互いに異なる複数のディジタル値に変換する。

図１７は、第７の実施形態の保護制御装置１００Ｄの機能構成の一例を示す図である。保護制御装置１００Ｄは、第１実施形態における保護制御装置１００と比較して、第１信号変換部１１０および第２信号変換部１２０に代えて、第１信号変換部１１０Ｄおよび第２信号変換部１２０Ｄを備える点で相違する。したがって、以下では、主に第１信号変換部１１０Ｄおよび第２信号変換部１２０Ｄの処理を中心に説明する。

第１信号変換部１１０Ｄは、例えば、第１ＡＤ変換部１１４Ｄを備える。第１ＡＤ変換部１１４Ｄは、入力されるアナログ信号（例えば、電流信号Ｉｉｎ）と、リファレンス電圧αとに基づいて、アナログ信号をディジタル信号Ｉ_Ｄ（ＬＧ）に変換する。第２信号変換部１２０Ｄは、例えば、第２ＡＤ変換部１２４Ｄを備える。第２ＡＤ変換部１２４Ｄは、入力されるアナログ信号（例えば、電流信号Ｉｉｎ）と、リファレンス電圧βとに基づいて、アナログ信号をディジタル信号Ｉ_Ｄ（ＨＧ）に変換する。

ここで、リファレンス電圧αおよびβは、出力されるディジタル信号のレンジを調整するための電圧である。図１８は、リファレンス電圧αおよびβによるアナログ入力とディジタル出力の関係の一例を示す図である。図１８に示すように、リファレンス電圧βを用いたＡＤ変換は、リファレンス電圧αを用いたＡＤ変換よりも、アナログ入力に対するディジタル出力が大きい。したがって、第１ＡＤ変換部１１４Ｄからローゲインのディジタル値を出力させ、第２ＡＤ変換部１２４Ｄからハイゲインのディジタル値を出力させることができる。

第７の実施形態における保護制御装置１００Ｄの構成によれば、増幅部を用いない構成でも、アナログ信号からレンジが互いに異なる複数のディジタル信号を生成することができる。

なお、上述した第１～第７の実施形態のそれぞれは、他の実施形態の一部または全部と組み合わせてもよい。また、各実施形態における保護制御装置は、レンジの異なる三以上の信号変換部を備え、複数のＡＤ変換部による変換結果を一つの信号値に統合して出力する情報処理装置に適用してもよい。また、各実施形態における保護制御装置には、例えば、電力系統Ｅを構成する複数の設備機器から計測値を取得する計測部が含まれていてもよい。また、各実施形態における保護制御装置には、ＩＥＤ２００の機能が含まれていてもよい。

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。

Ｅ…電力系統、１…保護制御システム、１００、１００Ｃ、１００Ｄ…保護制御装置、１１０、１１０Ｄ…第１信号変換部、１１２…第１増幅部、１１４、１１４Ｄ…第１ＡＤ変換部、１２０、１２０Ｄ…第２信号変換部、１２２…第２増幅部、１２４、１２４Ｄ…第２ＡＤ変換部、１３０、１３０Ａ、１３０Ｂ…統合処理部、１３１…フィルタ部、１３２、１３２Ｂ…誤差判定部、１３３Ｂ…故障判定部、１３４…選択部、１３６…減衰部、１３８…送信データ生成部、１４０…通信部、１５０…電源部、１５２…第１電源部、１５４…第２電源部、２００…ＩＥＤ

Claims

電力系統から入力されたアナログ信号を、互いに異なるゲインにより、それぞれの少なくとも一部のレンジが互いに異なる複数のディジタル値に変換する複数の信号変換部と、
前記複数の信号変換部により出力された複数のディジタル値のそれぞれの状態に基づいて、前記複数のディジタル値を統合する統合処理部と、を備え、
前記統合処理部は、前記複数の信号変換部により変換された複数のディジタル値の比率と、前記互いに異なるゲインの比率との誤差が所定範囲を超えた状態が所定時間以上継続するか否かに基づいて、前記複数の信号変換部に対する故障の有無を判定する、
保護制御装置。
前記統合処理部は、前記複数の信号変換部により変換された複数のディジタル値の比率と、前記互いに異なるゲインの比率との誤差に基づいて、前記複数のディジタル値の中から出力するディジタル値を選択する、
請求項１に記載の保護制御装置。
前記統合処理部は、前記複数の信号変換部により変換された前記複数のディジタル値の少なくとも一つに対して、ローパスフィルタ、ハイパスフィルタ、またはバンドパスフィルタによるフィルタリングを行い、フィルタリングが行われた後の前記複数のディジタル値の比率と、前記互いに異なるゲインの比率との誤差に基づいて、前記複数のディジタル値の中から出力するディジタル値を選択する、
請求項２に記載の保護制御装置。
前記統合処理部は、前記複数の信号変換部のうち一つの信号変換部のディジタル値の周波数特性に近似するように、他の信号変換部のディジタル値をフィルタリングする、
請求項３に記載の保護制御装置。
前記複数の信号変換部のそれぞれに対応付けて複数の電源部を備える、
請求項１から４のうち何れか１項に記載の保護制御装置。
前記統合処理部は、前記複数の信号変換部により変換された前記複数のディジタル値の比率と、前記互いに異なるゲインの比率との大小関係に基づいて、前記複数のディジタル値の中から出力するディジタル値を選択する、
請求項１に記載の保護制御装置。
前記統合処理部は、前記複数のディジタル値の比と、前記互いに異なるゲインの比との大小関係が所定時間以上継続するか否かに基づいて、前記複数のディジタル値の中から出力するディジタル値を選択する、
請求項６に記載の保護制御装置。