JP7285757B2 - 保護リレー装置 - Google Patents

Description

本開示は、保護リレー装置に関する。

電力系統の運用を安定させるため、電力系統で発生した故障を検出するディジタル保護リレー装置が使用されている。保護リレー装置は、電力系統の電気量（例えば、電流および電圧）を規定のサンプリング周期でサンプリングし、そのサンプリング周期毎に電気量をディジタルデータに変換し、当該ディジタルデータを用いて電力系統を保護するためのリレー演算を実行する。

特開２０１３－３１３０６号公報（特許文献１）は、電力系統から取得した電気量を伝送路を介して自端装置と相手端装置との間で送受信し電力系統の保護を行なうディジタル保護継電装置を開示している。特許文献１では、電気量を電気角３．７５°でサンプリングした後に、３．７５°のデータを変換して７．５°、１５°、３０°の新たなデータを得ること等が開示されている。

特開２０１３－３１３０６号公報

母線の保護手段として用いられる電流差動リレーでは、電力系統からの信号を電気角３．７５°でサンプリングする。しかし、一般的には、このサンプリングされたデータを用いて行われる故障検出のためのリレー演算の周期はサンプリング周期よりも長く、例えば、電気角３０°である。したがって、故障検出に要する時間は、電気角３０°に確認回数を乗じた時間だけ必要となるため、この時間の短縮化が求められている。

本開示のある局面における目的は、母線の故障の有無をより高速に判定することが可能な保護リレー装置を提供することである。

ある実施の形態に従うと、母線を保護するための保護リレー装置が提供される。保護リレー装置は、母線から分岐された複数の回線の各々に流れる回線電流の入力を受ける入力部と、リレー演算周期よりも短いサンプリング周期でサンプリングされた各回線電流のデータに基づいて、各回線電流の変化率と、各回線電流における差動電流の変化率とを算出する変化率算出部と、各回線電流の変化率の極性および大きさと、差動電流の変化率の極性および大きさとに基づいて、母線における故障の発生の有無を判定する故障判定部とを備える。

本開示によると、母線を保護するための保護リレー装置において、母線の故障の有無をより高速に判定することができる。

母線を保護するための保護リレー装置が適用される電力系統を示す図である。 保護リレー装置のハードウェア構成の一例を示すブロック図である。 各回線の電流変化率の算出方式を説明するための図である。 母線の内部で故障が発生した場合の電力系統を示す図である。 内部故障時における各回線電流および差動電流の波形を示す図である。 内部故障時における各回線電流および差動電流の電流変化率の波形を示す図である。 母線の外部で故障が発生した場合の電力系統を示す図である。 外部故障時における各回線電流および差動電流の波形を示す図である。 外部故障時における各回線電流および差動電流の電流変化率の波形を示す図である。 保護リレー装置の機能構成の一例を示すブロック図である。 保護リレー装置の故障判定の処理手順の一例を示すフローチャートである。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰り返さない。

＜全体構成＞
図１は、母線を保護するための保護リレー装置が適用される電力系統を示す図である。図１に示す電力系統は、母線２と、母線２から分岐した複数の回線（例えば、フィーダ線）とを含む３相の電力系統である。図１には、複数の回線として、回線Ｌ１～Ｌ３が設けられた例が示されている。

回線Ｌ１，Ｌ２には、それぞれ、母線２の背後電源９１，９２が接続されている。背後電源９１，９２は、例えば、発電機または変圧器である。回線Ｌ３には、負荷、送電線等が接続される。

回線Ｌ１～Ｌ３には、遮断器７１～７３がそれぞれ挿入される。遮断器７１～７３の開閉状態に関する情報は、図示しないインターフェイス部を介して保護リレー装置１００の内部に取り込まれる。

また、回線Ｌ１～Ｌ３には、それぞれ電流変成器（ＣＴ：Current Transformer）６１～６３が設けられる。電流変成器に代えて空心変成器を設けてもよい。電流変成器６１～６３によって検出された回線Ｌ１～Ｌ３を流れる各相の電流値の情報は、保護リレー装置１００の内部に取り込まれる。具体的には、ＣＴ６１～６３は、それぞれ回線Ｌ１～Ｌ３の各相電流を出力する。

母線２には、電圧変成器（ＶＴ：Voltage Transformer）８が設けられる。電圧変成器８によって検出された母線２の各相の電圧値の情報は、保護リレー装置１００の内部に取り込まれる。

保護リレー装置１００は、電力系統の母線２を保護するためのディジタル形の保護リレー装置である。保護リレー装置１００は、ＣＴ６１～６３によって検出された各回線の電流値に基づいて、母線２の内部で故障が生じているか否かを判定する。

詳細は後述するが、本実施の形態に従う保護リレー装置１００は、リレー演算周期（例えば、電気角３０°）よりも短いサンプリング周期（例えば、電気角３．７５°）でサンプリングされた各回線の電流の時系列データを用いて、各回線の電流の変化率および差動電流の変化率を算出する。保護リレー装置１００は、これらの変化率に基づいて、母線２における故障を検出する。そのため、保護リレー装置１００は、リレー演算周期ごとに各回線の電流を用いて保護演算するよりも高速に母線２の故障の有無を判定できる。

図２は、保護リレー装置１００のハードウェア構成の一例を示すブロック図である。図２を参照して、保護リレー装置１００は、入力変換部３１と、ＡＤ（Analog to Digital）変換部３５と、演算処理部４０と、インターフェイス部５０と、判定回路８０とを含む。

入力変換部３１は、図１のＣＴ６１～６３から出力された各相の電流信号および図１のＶＴ８から出力された各相の電圧信号が入力される。すなわち、入力変換部３１は、母線２から分岐された複数の回線Ｌ１～Ｌ３の各々に流れる電流の入力を受ける入力部として機能する。

具体的には、入力変換部３１は、複数の入力変換器３２（例えば、入力変換器３２＿１，３２＿２，…）を含む。入力変換器３２としての変成器はチャンネルごとに設けられ、各チャンネルには、各相の電流信号および各相の電圧信号がそれぞれ入力される。図２では、代表的に２チャンネルのみ示されている。入力変換部３１は、ＣＴ６１～６３からの電流信号およびＶＴ８からの電圧信号をＡ／Ｄ変換部３５および演算処理部４０での信号処理に適した電圧レベルの信号に変換する。

ＡＤ変換部３５は、アナログフィルタ（ＡＦ：Analog Filter）３６と、サンプルホールド回路（ＳＨ：Sample and Hold Circuit）３７と、マルチプレクサ（ＭＰＸ：Multiplexer）３８と、ＡＤ変換器３９とを含む。各アナログフィルタ３６（例えば、アナログフィルタ３６＿１，３６＿２，…）および各ＳＨ回路３７（例えば、ＳＨ回路３７＿１，３７＿２，…）は、入力変換器３２に対応してチャンネルごとに設けられる。

各アナログフィルタ３６は、ＡＤ変換の際の折返し誤差を除去するために設けられたフィルタである。各ＳＨ回路３７は、対応のアナログフィルタ３６を通過した信号を規定のサンプリング周波数でサンプリングして保持する。例えば、リレー演算周期（例えば、電気角３０°）よりも短い電気角３．７５°のサンプリングデータを得る場合、系統周波数が５０Ｈｚのときにはサンプリング周波数は４８００Ｈｚである。マルチプレクサ３８は、各ＳＨ回路３７に保持された電圧信号を順次選択する。ＡＤ変換器３９は、マルチプレクサによって選択された信号をディジタル値に変換する。

演算処理部４０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）４１と、ＲＡＭ（Random Access Memory）４２と、ＲＯＭ（Read Only Memory）４３とを含む。これらの各要素はバス４４を介して相互に接続されている。なお、当該ハードウェアは、ＣＰＵ以外のＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）およびその他の演算機能を有する回路などであってもよい。

演算処理部４０は、フラッシュメモリなど電気的に書換え可能な不揮発性メモリを含んでいてもよい。ＲＡＭ４２およびＲＯＭ４３は、ＣＰＵ４１の主記憶装置として用いられる。ＣＰＵ４１は、ＲＯＭ４３および不揮発性メモリに可能されたプログラムに従って、保護リレー装置１００の動作を制御する。

典型的には、ＣＰＵ４１は、リレー演算周期（例えば、電気角３０°）ごとに、当該リレー演算周期に対応する期間にサンプリングされた複数のサンプリングデータをバッファメモリから読み出してディジタルフィルタ処理した後、ディジタルフィルタ処理されたデータに基づいてリレー演算を実行する。ＣＰＵ４１は、リレー演算結果に基づいて、保護区間の故障の有無を判定する。ＣＰＵ４１は、故障が発生していると判定した場合には、インターフェイス部５０を介して、遮断器７１～７３にトリップ信号を出力する。

インターフェイス部５０は、ＤＯ（Digital output）回路５１と、ＤＩ（Digital input）回路５２とを含む。ＤＯ回路５１は、ＣＰＵ４１の指令に従って、図１の回線Ｌ１～Ｌ３にそれぞれ設けられた遮断器７１～７３にトリップ信号を出力する。ＤＩ回路５２は、例えば、遮断器７１～７３からの接点信号の入力を受け付ける。

判定回路８０は、リレー演算周期よりも短いサンプリング周期（例えば、電気角３．７５°）でサンプリングされた各回線Ｌ１～Ｌ３の電流の時系列データから演算した各電流の変化率に基づいて、母線２の内部故障を検出する。判定回路８０による母線２の内部故障の判定方式については後述する。典型的には、判定回路８０は、ＦＰＧＡ等の回路で構成されているが、ＣＰＵ等で構成されていてもよい。

＜故障判定方式＞
（概要）
図３は、各回線の電流変化率の算出方式を説明するための図である。図３を参照して、波形３００は、入力変換器３２により取り込まれた入力電流のアナログ波形を示している。時刻ｔ_０５～ｔ_０６，ｔ_１０～ｔ_１７，ｔ_２０～ｔ_２２は、サンプリング時刻を示している。値Ｚ_５～Ｚ_７は、それぞれ時刻ｔ_０５～ｔ_０７でのサンプリング値であり、値Ａ_０～Ａ_７は、それぞれ時刻ｔ_１０～ｔ_１７でのサンプリング値であり、値Ｂ_０～Ｂ_２は、それぞれ時刻ｔ_２０～ｔ_２２でのサンプリング値である。サンプリング周期Ｔｓは、電気角３．７５°であるとする。各値Ｚ_５～Ｚ_７，Ａ_０～Ａ_７，Ｂ_０～Ｂ_２は、ディジタル値としてメモリに順次格納される。

判定回路８０は、時刻ｔ_１０において、今回のサンプリング時刻に対応する値Ａ_０と、前回のサンプリング時刻に対応する値Ｚ_７とに基づいて、時刻ｔ_１０における電流変化率ΔＩ_１０を算出する。具体的には、ΔＩ_１０＝（Ａ_０－Ｚ_７）／Ｔｓである。また、判定回路８０は、時刻ｔ_１１において電流変化率ΔＩ_１１（＝（Ａ_１－Ａ_０）／Ｔｓ）を算出する。同様に、判定回路８０は、各時刻ｔ_１２～ｔ_２２において電流変化率ΔＩ_１２～ΔＩ_２２を算出する。上記より、各回線Ｌ１～Ｌ３の回線電流の電流変化率ΔＩは、サンプリング間隔（すなわち、時間Ｔｓ）あたりの回線電流の変化量に相当する。判定回路８０は、各回線Ｌ１～Ｌ３における電流変化率ΔＩをサンプリング周期Ｔｓごとに算出する。

さらに、判定回路８０は、各回線Ｌ１～Ｌ３の電流における差動電流Ｉｄの電流変化率ΔＩｄもサンプリング周期Ｔｓごとに算出する。回線Ｌ１～Ｌ３の電流を、それぞれ回線電流Ｉ１～Ｉ３とする。この場合、差動電流Ｉｄは回線電流Ｉ１～Ｉ３のベクトル和で表される。具体的には、Ｉｄ＝Ｉ１＋Ｉ２＋Ｉ３である。例えば、時刻ｔ_１１，ｔ_１２における差動電流をそれぞれＩｄ_１１，Ｉｄ_１２とし、時刻ｔ_１２における電流変化率をΔＩｄ_１２とする。この場合、ΔＩｄ_１２＝（Ｉｄ_１２－Ｉｄ_１１）／Ｔｓとなる。同様に、判定回路８０は、各時刻ｔ_１３～ｔ_２２において電流変化率ΔＩｄ_１３～ΔＩｄ_２２を算出する。

判定回路８０は、各回線電流Ｉ１～Ｉ３の電流変化率ΔＩの極性および大きさ（すなわち、絶対値）と、差動電流Ｉｄの電流変化率ΔＩｄの極性および大きさとに基づいて、母線２の故障が発生したか否かを判定する。以下、これらの極性および大きさを用いる理由について、図４～図９を参照しながら説明する。

図４は、母線２の内部で故障が発生した場合の電力系統を示す図である。図４を参照して、母線２の内部における故障点Ｆｉにおいて故障（例えば、地絡故障）が発生したとする。この場合、回線電流Ｉ１～Ｉ３は故障点Ｆｉに向かって流れる。

図５は、内部故障時における各回線電流および差動電流の波形を示す図である。図５を参照して、波形４０１，４０２，４０３は、それぞれ回線電流Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３の電流波形を示している。波形４０４は、各回線電流Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３から演算される差動電流Ｉｄの電流波形を示している。

波形４０１，４０２，４０４に示されるように、内部故障の発生以降、背後電源９１，９２にそれぞれ接続された回線Ｌ１，Ｌ２の回線電流Ｉ１，Ｉ２は大きくなっており、これに伴って差動電流Ｉｄも大きくなっている。一方、波形４０３に示されるように、背後電源が接続されていない回線Ｌ３の回線電流Ｉ３には変化はない。

図６は、内部故障時における各回線電流および差動電流の電流変化率の波形を示す図である。具体的には、図６（ａ）は、図５に示す各電流の電流変化率の波形を示す図である。図６（ｂ）は、図６（ａ）の領域４３０の部分を拡大した図である。

図６（ａ）を参照して、波形４１１，４１２，４１３は、それぞれ、内部故障時の回線電流Ｉ１～Ｉ３の電流変化率ΔＩ１～ΔＩ３の波形を示している。波形４１４は、内部故障時の差動電流Ｉｄの電流変化率ΔＩｄの波形を示している。波形４１１，４１２，４１４に示されるように、内部故障の発生直後において、電流変化率ΔＩ１，ΔＩ２，ΔＩｄは急激に大きくなっている。一方、波形４１３に示されるように、電流変化率ΔＩ３には変化は見られない。

より具体的には、図６（ｂ）の波形４１１，４１２，４１４から理解されるように、内部故障の発生直後において、電流変化率ΔＩ１，ΔＩ２，ΔＩｄは、いずれも負方向側に急激に大きくなっている。したがって、母線２の内部故障の発生直後において、電流変化率ΔＩ１，ΔＩ２，ΔＩｄの絶対値は大きく、かつ電流変化率ΔＩ１，ΔＩ２，ΔＩｄの極性は同一であることがわかる。

図７は、母線２の外部で故障が発生した場合の電力系統を示す図である。図７を参照して、母線２の外部における故障点Ｆоにおいて故障（例えば、地絡故障）が発生したとする。この場合、回線電流Ｉ１～Ｉ３は故障点Ｆоに向かって流れる。

図８は、外部故障時における各回線電流および差動電流の波形を示す図である。図８を参照して、波形５０１，５０２，５０３は、それぞれ回線電流Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３の電流波形を示している。波形５０４は、各回線電流Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３から演算される差動電流Ｉｄの電流波形を示している。波形５０１，５０２，５０３に示されるように、外部故障の発生以降、回線電流Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３は大きくなっている。一方、波形５０４に示されるように、差動電流Ｉｄには変化は見られない。

図９は、外部故障時における各回線電流および差動電流の電流変化率の波形を示す図である。具体的には、図９（ａ）は、図８に示す各電流の電流変化率の波形を示す図である。図９（ｂ）は、図９（ａ）の領域５３０の部分を拡大した図である。

図９（ａ）を参照して、波形５１１，５１２，５１３は、それぞれ、外部故障時における回線電流Ｉ１～Ｉ３の電流変化率ΔＩ１～ΔＩ３の波形を示している。波形５１４は、外部故障時における差動電流Ｉｄの電流変化率ΔＩｄの波形を示している。波形５１１，５１２，５１３に示されるように、外部故障の発生直後において、電流変化率ΔＩ１，ΔＩ２，ΔＩ３は急激に大きくなっている。一方、波形５１４に示されるように、電流変化率ΔＩｄには変化は見られない。

より具体的には、図９（ｂ）の波形５１１，５１２，５１３から理解されるように、外部故障の発生直後において、電流変化率ΔＩ１，ΔＩ２は負方向側に急激に変化しているが、電流変化率ΔＩ３は正方向側に急激に変化している。このことから、母線２の外部故障発生直後においては、電流変化率ΔＩ１，ΔＩ２，ΔＩ３の絶対値は大きく、かつ電流変化率ΔＩ１，ΔＩ２の極性と電流変化率ΔＩ３の極性とは同一ではない。

図４～図９の上述した説明から理解されるように、内部故障時と外部故障時とでは、電流変化率ΔＩ１～ΔＩ３，ΔＩｄの極性および絶対値に差異が見られる。また、故障未発生時においては、電流変化率ΔＩ１～ΔＩ３，ΔＩｄは急激に変化しないため、これらの電流変化率の絶対値は小さい。そのため、電流変化率ΔＩ１～ΔＩ３，ΔＩｄの極性および絶対値に着目することで、母線２の内部故障の発生の有無を判定できる。

（判定方式の具体例）
時刻ｔにおいて演算される電流変化率ΔＩｎ（ｔ）は以下の式（１）で表される。

ΔＩｎ（ｔ）＝｛Ｉｎ（ｔ）－Ｉｎ（ｔ－１）｝／｛ｔ－（ｔ－１）｝・・・（１）
Ｉｎ（ｔ）は今回のサンプリング時刻（すなわち、時刻ｔ）でサンプリングされた回線Ｌｎの電流値であり、Ｉｎ（ｔ－１）は、前回のサンプリング時刻（すなわち、時刻（ｔ－１））でサンプリングされた回線Ｌｎの電流値である。時刻（ｔ－１）は、時刻ｔから時間Ｔｓだけ遡った時刻に相当する。ｎは母線２から分岐している回線の数に対応しており、ｎ≧２である。式（１）より、電流変化率ΔＩｎ（ｔ）は、単位時間（すなわち、サンプリング周期Ｔｓに対応する時間）あたりの回線電流Ｉｎ（ｔ）の変化量である。ここで、ΔＩｎ（ｔ）の大きさに関する閾値をＴｈ１（＞０）とし、ΔＩｎ（ｔ）の極性に関する判定値を示す極性判定値をＩｎ＿Ｐ（ｔ）とする。

極性判定値Ｉｎ＿Ｐ（ｔ）は、ΔＩｎ（ｔ）≧＋Ｔｈ１が成立する場合には“＋１”であり、ΔＩｎ（ｔ）≦－Ｔｈ１が成立する場合には“－１”であり、－Ｔｈ１＜ΔＩｎ（ｔ）＜＋Ｔｈ１が成立する場合には“０”であるとする。

時刻ｔのときの差動電流Ｉｄ（ｔ）は以下の式（２）で表され、差動電流Ｉｄ（ｔ）の電流変化率ΔＩｄ（ｔ）は以下の式（３）で表される。

Ｉｄ（ｔ）＝（Ｉ１＋Ｉ２＋・・・＋Ｉｎ）・・・（２）
ΔＩｄ（ｔ）＝｛Ｉｄ（ｔ）－Ｉｄ（ｔ－１）｝／｛ｔ－（ｔ－１）｝・・・（３）
Ｉｄ（ｔ）は今回のサンプリング時刻（すなわち、時刻ｔ）で演算された差動電流値であり、Ｉｄ（ｔ－１）は、前回のサンプリング時刻で演算された差動電流値である。式（３）より、電流変化率ΔＩｄ（ｔ）は、単位時間あたりの差動電流Ｉｄ（ｔ）の変化量である。ここで、ΔＩｄ（ｔ）の大きさに関する閾値をＴｈ２とし、ΔＩｄ（ｔ）の極性に関する判定値を示す極性判定値をＩｄ＿Ｐ（ｔ）とする。

極性判定値Ｉｄ＿Ｐ（ｔ）は、ΔＩｄ（ｔ）≧＋Ｔｈ２が成立する場合には“＋１”であり、ΔＩｄ（ｔ）≦－Ｔｈ２が成立する場合には“－１”であり、－Ｔｈ２＜ΔＩｄ（ｔ）＜＋Ｔｈ２が成立する場合には“０”であるとする。

ここで、図４に示すような内部故障が発生したとする。この場合、ｎは“３”である。図６で説明したように、電流変化率ΔＩ１，ΔＩ２，ΔＩｄは、負方向側に急激に大きくなっているが、電流変化率ΔＩ３には変化は見られない。そのため、内部故障発生直後において、Ｉ１＿Ｐ（ｔ）は“－１”であり、Ｉ２＿Ｐ（ｔ）は“－１”であり、Ｉ３＿Ｐ（ｔ）は“０”であり、Ｉｄ＿Ｐ（ｔ）は“－１”である。

次に、極性判定値の加算値Ｉｓｕｍ＿Ｐ（ｔ）を求める。なお、Ｉｎ＿Ｐ（ｔ）の値が“０”の場合には、当該Ｉｎ＿Ｐ（ｔ）を加算対象から除外する。Ｉｄ＿Ｐ（ｔ）については値に関わらず加算対象とする。図６の例では、Ｉ３＿Ｐ（ｔ）は“０”であるため、Ｉ３＿Ｐ（ｔ）が加算対象から除外される。したがって、以下の式（４）が成立する。

Ｉｓｕｍ＿Ｐ（ｔ）＝Ｉ１＿Ｐ（ｔ）＋Ｉ２＿Ｐ（ｔ）＋Ｉｄ＿Ｐ（ｔ）＝－１－１－１＝－３・・・（４）
そして、加算値Ｉｓｕｍ＿Ｐ（ｔ）の絶対値と加算対象数とが同値である場合に母線２の内部故障が発生したと判定する。これらが同値ではない場合には、母線２には内部故障は発生していないと判定する。図６の例では、Ｉｓｕｍ＿Ｐ（ｔ）の絶対値が“３”であり、“Ｉ１＿Ｐ（ｔ）”、“Ｉ２＿Ｐ（ｔ）”および“Ｉｄ＿Ｐ（ｔ）”が加算されているため、加算対象数も“３”である。したがって、Ｉｓｕｍ＿Ｐ（ｔ）の絶対値と加算対象数とが同値であるため、内部故障が発生したと判定される。

次に、図７に示すような外部故障が発生したとする。この場合、ｎは“３”である。図９で説明したように、電流変化率ΔＩ１，ΔＩ２は負方向側に急激に大きくなり、電流変化率ΔＩ３は正方向側に急激に大きくなり、電流変化率ΔＩｄには変化は見られない。そのため、外部故障発生直後において、Ｉ１＿Ｐ（ｔ）は“－１”であり、Ｉ２＿Ｐ（ｔ）は“－１”であり、Ｉ３＿Ｐ（ｔ）は“１”であり、Ｉｄ＿Ｐ（ｔ）は“０”である。

次に、極性判定値の加算値Ｉｓｕｍ＿Ｐ（ｔ）を求める。図９の例においては、Ｉｎ＿Ｐ（ｔ）はいずれも“０”ではないため、加算対象から除外される極性判定値はない。そのため、以下の式（５）が成立する。

Ｉｓｕｍ＿Ｐ（ｔ）＝Ｉ１＿Ｐ（ｔ）＋Ｉ２＿Ｐ（ｔ）＋Ｉ３＿Ｐ（ｔ）＋Ｉｄ＿Ｐ（ｔ）＝－１－１＋１－１＝－２・・・（５）
図９の例では、Ｉｓｕｍ＿Ｐ（ｔ）の絶対値が“２”であり、“Ｉ１＿Ｐ（ｔ）”、“Ｉ２＿Ｐ（ｔ）”、“Ｉ３＿Ｐ（ｔ）”および“Ｉｄ＿Ｐ（ｔ）”が加算されているため、加算対象数は“４”である。したがって、Ｉｓｕｍ＿Ｐ（ｔ）の絶対値と加算対象数とは異なる値であるため、内部故障は発生していないと判定される。

（判定方式の変形例）
内部故障判定の信頼性を向上させるため、時刻ｔと時刻（ｔ－１）との間における電流変化率だけではなく、時刻ｔと時刻（ｔ－２）との間における電流変化率も確認する構成であってもよい。

時刻ｔにおいて演算される回線電流の電流変化率ΔＩｎ＊（ｔ）は以下の式（６）で表される。

ΔＩｎ＊（ｔ）＝｛Ｉｎ（ｔ）－Ｉｎ（ｔ－２）｝／｛ｔ－（ｔ－２）｝・・・（６）
Ｉｎ（ｔ－２）は、前々回のサンプリング時刻（すなわち、時刻（ｔ－２））でサンプリングされた回線Ｌｎの電流値である。時刻（ｔ－２）は、時刻ｔから時間２Ｔｓだけ遡った時刻に相当する。式（６）より、電流変化率ΔＩｎ＊（ｔ）は、時刻ｔと時刻（ｔ－２）間における単位時間あたりの回線電流Ｉｎ（ｔ）の変化量である。

ΔＩｎ＊（ｔ）の極性に関する判定値を示す極性判定値をＩｎ＊＿Ｐ（ｔ）とする。極性判定値Ｉｎ＊＿Ｐ（ｔ）は、ΔＩｎ＊（ｔ）≧＋Ｔｈ１が成立する場合には“＋１”であり、ΔＩｎ＊（ｔ）≦－Ｔｈ１が成立する場合には“－１”であり、－Ｔｈ１＜ΔＩｎ＊（ｔ）＜＋Ｔｈ１が成立する場合には“０”であるとする。

時刻ｔにおいて演算される差動電流の電流変化率ΔＩｄ＊（ｔ）は以下の式（７）で表される。

ΔＩｄ＊（ｔ）＝｛Ｉｄ（ｔ）－Ｉｄ（ｔ－２）｝／｛ｔ－（ｔ－２）｝・・・（７）
Ｉｄ（ｔ－２）は、前々回のサンプリング時刻で演算された差動電流値である。式（７）より、電流変化率ΔＩｄ＊（ｔ）は、時刻ｔと時刻（ｔ－２）間における単位時間あたりの差動電流Ｉｄ（ｔ）の変化量である。ここで、ΔＩｄ＊（ｔ）の極性に関する判定値を示す極性判定値をＩｄ＊＿Ｐ（ｔ）とする。極性判定値Ｉｄ＊＿Ｐ（ｔ）は、ΔＩｄ＊（ｔ）≧＋Ｔｈ２が成立する場合には“＋１”であり、ΔＩｄ＊（ｔ）≦－Ｔｈ２が成立する場合には“－１”であり、－Ｔｈ２＜ΔＩｄ＊（ｔ）＜＋Ｔｈ２が成立する場合には“０”であるとする。

ここで、図４に示すような内部故障が発生したとする。図６で説明したように、電流変化率ΔＩ１，ΔＩ２，ΔＩｄは、負方向側に急激に大きくなっているが、電流変化率ΔＩ３には変化は見られない。そのため、内部故障発生直後において、Ｉ１＿Ｐ（ｔ）およびＩ１＊＿Ｐ（ｔ）は“－１”であり、Ｉ２＿Ｐ（ｔ）およびＩ２＊＿Ｐ（ｔ）は“－１”であり、Ｉ３＿Ｐ（ｔ）およびＩ３＊＿Ｐ（ｔ）は“０”であり、Ｉｄ＿Ｐ（ｔ）およびＩｄ＊＿Ｐ（ｔ）は“－１”である。

次に、極性判定値の加算値Ｉｓｕｍ＊＿Ｐ（ｔ）を求める。なお、Ｉｎ＿Ｐ（ｔ）およびＩｎ＊＿Ｐ（ｔ）の値が“０”の場合には、当該Ｉｎ＿Ｐ（ｔ）およびＩｎ＊＿Ｐ（ｔ）は加算対象から除外する。Ｉｄ＿Ｐ（ｔ）およびＩｄ＊＿Ｐ（ｔ）については値に関わらず加算対象とする。図６の例では、Ｉ３＿Ｐ（ｔ）およびＩ３＊＿Ｐ（ｔ）は“０”であるため、これらは加算対象から除外される。したがって、以下の式（８）が成立する。

Ｉｓｕｍ＊＿Ｐ（ｔ）＝｛Ｉ１＿Ｐ（ｔ）＋Ｉ２＿Ｐ（ｔ）＋Ｉｄ＿Ｐ（ｔ）｝＋｛Ｉ１＊＿Ｐ（ｔ）＋Ｉ２＊＿Ｐ（ｔ）＋Ｉｄ＊＿Ｐ（ｔ）｝＝（－１－１－１）＋（－１－１－１）＝－６・・・（８）
そして、加算値Ｉｓｕｍ＊＿Ｐ（ｔ）の絶対値と加算対象数とが同値である場合に母線２の内部故障が発生したと判定する。これらが同値ではない場合には、母線２には内部故障は発生していないと判定する。式（８）よりＩｓｕｍ＊＿Ｐ（ｔ）の絶対値は“６”であり、Ｉ１＿Ｐ（ｔ）、Ｉ２＿Ｐ（ｔ）、Ｉｄ＿Ｐ（ｔ）、Ｉ１＊＿Ｐ（ｔ）、Ｉ２＊＿Ｐ（ｔ）およびＩｄ＊＿Ｐ（ｔ）が加算されているため、加算対象数も“６”である。したがって、Ｉｓｕｍ＊＿Ｐ（ｔ）の絶対値と加算対象数とが同値であるため、内部故障が発生したと判定される。

図７に示すような外部故障が発生した場合にも、上記と同様な判定が行われる。具体的には、外部故障が発生した場合には、加算値Ｉｓｕｍ＊＿Ｐ（ｔ）の絶対値は“４”であり、加算対象数は“８”となる。したがって、Ｉｓｕｍ＊＿Ｐ（ｔ）の絶対値と加算対象数とは異なる値であるため、内部故障は発生していないと判定される。

なお、上記では、時刻ｔと時刻（ｔ－２）との間における電流変化率をさらに確認する構成について説明したが、当該構成に限られない。例えば、時刻ｔと時刻（ｔ－３）との間における電流変化率をさらに確認する構成であってもよいし、時刻ｔと、時刻（ｔ－３）よりもさらに過去の時刻との間における電流変化率を確認する構成であってもよい。

＜機能構成＞
図１０は、保護リレー装置１００の機能構成の一例を示すブロック図である。図１０を参照して、保護リレー装置１００は、主たる機能構成として、変化率算出部１５２と、故障判定部１５４と、差動リレー演算部１５６と、出力制御部１５８とを含む。典型的には、変化率算出部１５２および故障判定部１５４は、判定回路８０により実現され、差動リレー演算部１５６は演算処理部４０のＣＰＵ４１により実現され、出力制御部１５８はＣＰＵ４１およびＤＯ回路５１により実現される。なお、これらの機能の一部または全部は他の異なるハードウェアで実現されるように構成されていてもよい。

変化率算出部１５２は、リレー演算周期よりも短いサンプリング周期でサンプリングされた各回線電流（例えば、回線電流Ｉ１（ｔ）～Ｉ３（ｔ））のデータに基づいて、各回線電流の変化率（例えば、電流変化率ΔＩ１（ｔ）～ΔＩ３（ｔ））を算出する。ここで、回線電流の変化率は、単位時間（例えば、サンプリング周期Ｔｓに対応する時間）あたりの回線電流の変化量である。当該変化量は、例えば、今回のサンプリング時刻（例えば、時刻ｔ）と前回のサンプリング時刻（例えば、時刻（ｔ－１））との間における回線電流の変化量である。

また、変化率算出部１５２は、各回線電流のデータに基づいて、各回線電流における差動電流の変化率（例えば、電流変化率ΔＩｄ（ｔ））を算出する。具体的には、差動電流の変化率は、単位時間あたりの差動電流の変化量である。当該変化量は、例えば、今回のサンプリング時刻（例えば、時刻ｔ）と前回のサンプリング時刻（例えば、時刻（ｔ－１））との間における差動電流の変化量である。

故障判定部１５４は、各回線電流の変化率の極性および大きさと、差動電流の変化率の極性および大きさとに基づいて、母線２における故障の発生の有無を判定する。故障判定部１５４は、上述した判定方式に従って当該故障の発生の有無を判定する。

具体例として、図４では、母線２から分岐している各回線は、背後電源９１に接続された回線Ｌ１と、背後電源９２に接続された回線Ｌ２と、背後電源に接続されていない回線Ｌ３とを含む。この場合、回線Ｌ１，Ｌ２における回線電流Ｉ１，Ｉ２は急激に変化するため、回線電流Ｉ１の電流変化率ΔＩ１（ｔ）の大きさと、回線電流Ｉ２の電流変化率ΔＩ２（ｔ）の大きさとは閾値Ｔｈ１以上となる。一方、電流変化率ΔＩ３は変化しないため、電流変化率ΔＩ３（ｔ）の大きさは閾値Ｔｈ１未満となる。そのため、電流変化率ΔＩ３（ｔ）の極性は、母線２における故障判定には考慮されない。

したがって、差動電流Ｉｄの電流変化率ΔＩｄ（ｔ）の大きさが閾値Ｔｈ２以上であり、かつ、電流変化率ΔＩ１（ｔ）の極性と電流変化率ΔＩ２（ｔ）の極性と差動電流Ｉｄ（ｔ）の電流変化率ΔＩｄ（ｔ）の極性とが同一である場合に、故障判定部１５４は、母線２に故障が発生したと判定する。

ここで、仮に、母線２から分岐している各回線が、背後電源９１に接続された回線Ｌ１と、背後電源に接続されていない回線Ｌ２，Ｌ３とを含むとする。この場合、回線Ｌ１における回線電流Ｉ１は急激に変化するが、回線Ｌ２，Ｌ３における回線電流Ｉ２，Ｉ３は急激に変化しない。したがって、電流変化率ΔＩ１（ｔ）の大きさは閾値Ｔｈ１以上となるが、電流変化率ΔＩ２（ｔ），ΔＩ３（ｔ）の大きさは閾値Ｔｈ１未満となる。そのため、電流変化率ΔＩ２（ｔ），Ｉ３（ｔ）の極性は、母線２における故障判定には考慮されない。具体的には、差動電流Ｉｄの電流変化率ΔＩｄ（ｔ）の大きさが閾値Ｔｈ２以上であり、かつ、電流変化率ΔＩ１（ｔ）の極性と差動電流Ｉｄ（ｔ）の電流変化率ΔＩｄ（ｔ）の極性とが同一である場合に、故障判定部１５４は、母線２に故障が発生したと判定する。

なお、単位時間あたりの回線電流の変化量は、今回のサンプリング時刻と前回のサンプリング時刻との間における単位時間あたりの回線電流の変化量Ｋ１（例えば、ΔＩｎ（ｔ））と、今回のサンプリング時刻と前々回のサンプリング時刻との間における単位時間あたりの回線電流の変化量Ｋ２（例えば、ΔＩｎ＊（ｔ））とを含んでもよい。この場合、単位時間あたりの差動電流の変化量は、今回のサンプリング時刻と前回のサンプリング時刻との間における単位時間あたりの差動電流の変化量Ｋ３（例えば、ΔＩｄ（ｔ））と、今回のサンプリング時刻と前々回のサンプリング時刻との間における単位時間あたりの差動電流の変化量Ｋ４（例えば、ΔＩｄ＊（ｔ））とを含む。

図４の例では、回線Ｌ１，Ｌ２における回線電流Ｉ１，Ｉ２は急激に変化するが、回線電流Ｉ３は変化しない。そのため、回線電流Ｉ１の変化量Ｋ１，Ｋ２（例えば、電流変化率ΔＩ１（ｔ），ΔＩ１＊（ｔ））の大きさと、回線電流Ｉ２の変化量Ｋ１，Ｋ２（例えば、電流変化率ΔＩ２（ｔ），ΔＩ２＊（ｔ））の大きさとは閾値Ｔｈ１以上となる。一方、回線電流Ｉ３の変化量Ｋ１，Ｋ２（例えば、電流変化率ΔＩ３（ｔ），ΔＩ３＊（ｔ））の大きさは閾値Ｔｈ１未満となる。そのため、電流変化率ΔＩ３（ｔ），ΔＩ３＊（ｔ）の極性は、母線２における故障判定には考慮されない。

したがって、差動電流の変化量Ｋ３，Ｋ４の大きさが閾値Ｔｈ２以上であり、かつ回線電流Ｉ１の変化量Ｋ１，Ｋ２の各極性と、回線電流Ｉ２の変化量Ｋ１，Ｋ２の各極性と、差動電流Ｉｄの変化量Ｋ３，Ｋ４の各極性とが同一である場合に、故障判定部１５４は、母線２に故障が発生したと判定する。

差動リレー演算部１５６は、予め定められたリレー演算周期（例えば、電気角３０°）ごとに、各回線電流のサンプリングデータに基づいて、差動リレー演算により母線２における故障を検出する。

具体的には、差動リレー演算部１５６は、ＣＴ６１～６３によって検出された各回線Ｌ１～Ｌ３の回線電流Ｉ１～Ｉ３のベクトル和を算出し、算出したベクトル和の大きさを差動電流ＩＤとして算出する。差動リレー演算部１５６は、回線電流Ｉ１～Ｉ３のうち、大きさが最大のものを抑制電流ＩＲとして算出する。なお、最大値抑制方式に代えて、スカラー和抑制方式を用いてもよい。具体的には、差動リレー演算部１５６は、検出された回線電流Ｉ１～Ｉ３のスカラー和を抑制電流ＩＲとして算出してもよい。

続いて、差動リレー演算部１５６は、抑制電流ＩＲと差動電流ＩＤとの関係が予め定められた関係を満たすか否かを判定する。具体的には、差動リレー演算部１５６は、抑制電流ＩＲに定数αを乗算し、定数βを加算した値よりも差動電流ＩＤが大きいか否か（すなわち、ＩＤ＞α×ＩＲ＋βが成立するか否か）を判定する。ＩＤ＞α×ＩＲ＋βが成立する場合、差動リレー演算部１５６は母線２に故障が発生したと判定する。

なお、差動リレー演算部１５６は、抑制電流ＩＲを用いずに差動電流ＩＤのみを用いて判定を行なってもよい。具体的には、差動リレー演算部１５６は、差動電流ＩＤが閾値ＩＰよりも大きいか否か（すなわち、ＩＤ＞ＩＰが成立するか否か）を判定する。ＩＤ＞ＩＰが成立する場合、差動リレー演算部１５６は母線２に故障が発生したと判定する。

出力制御部１５８は、故障判定部１５４による判定結果と、差動リレー演算部１５６による判定結果との入力を受け付ける。出力制御部１５８は、故障判定部１５４により母線２に故障が発生したと判定された場合に、動作信号（例えば、トリップ信号）を遮断器７１～７３へ出力する。なお、出力制御部１５８は、差動リレー演算部１５６により母線２に故障が発生したと判定された場合に、動作信号を遮断器７１～７３へ出力してもよい。

ただし、上述のように、故障判定部１５４は、リレー演算周期よりも短いサンプリング周期ごとに得られる電流変化率を用いて母線２の故障判定を実行する。例えば、リレー演算周期が３０°、サンプリング周期が３．７５°である場合、差動リレー演算部１５６が１回の故障判定を行なう間に、故障判定部１５４は８回の故障判定を行なうことができる。したがって、信頼性を鑑みて、故障判定部１５４により複数回（例えば、４回）連続で母線２に故障が発生したと判定された場合にトリップ信号が出力されるとしても、従来のリレー演算周期よりも早くトリップ信号を出力することができる。

また、差動リレー演算部１５６により母線２に故障が発生したと判定された場合にもトリップ信号が出力される。そのため、何らかの要因で故障判定部１５４において母線２の故障が検出されなかった場合でも、差動リレー演算によって母線２の故障が検出された場合にはトリップ信号を出力することができる。

図１１は、保護リレー装置１００の故障判定の処理手順の一例を示すフローチャートである。図１１を参照して、保護リレー装置１００は、各回線電流の変化率（例えば、電流変化率ΔＩ１（ｔ），ΔＩ２（ｔ），ΔＩ３（ｔ））を算出する（ステップＳ１０）。保護リレー装置１００は、各回線電流における差動電流の変化率（例えば、電流変化率ΔＩｄ（ｔ））を算出する（ステップＳ１２）。

保護リレー装置１００は、各回線電流の変化率のうち、閾値Ｔｈ１以上の大きさを有する回線電流の変化率を抽出する（ステップＳ１４）。保護リレー装置１００は、差動電流の変化率の大きさが閾値Ｔｈ２以上であって、かつ、抽出された回線電流の変化率（例えば、電流変化率ΔＩ１（ｔ），ΔＩ２（ｔ））の極性と、差動電流の変化率の極性とが同一であるか否かを判断する（ステップＳ１６）。

これらが同一である場合には（ステップＳ１６においてＹＥＳ）、保護リレー装置１００は、母線２において内部故障が発生したと判定して（ステップＳ１８）、トリップ信号を出力する（ステップＳ２０）。そうではない場合（ステップＳ１６においてＮＯ）、保護リレー装置１００は、差動リレー演算に基づいて母線２の内部故障が発生したか否かを判断する（ステップＳ２２）。内部故障が発生した場合（ステップＳ２２においてＹＥＳ）、保護リレー装置１００はトリップ信号を出力する（ステップＳ２２）。内部故障が発生していない場合、保護リレー装置１００はトリップ信号を出力することなく処理を終了する。

＜利点＞
本実施の形態によると、リレー演算周期よりも短いサンプリング周期ごとに得られる電流変化率を用いて母線２の故障判定が実行される。そのため、通常のリレー演算による故障判定よりも高速に故障判定を行うことが可能となり、保護リレー装置１００をより高速に動作させることができる。

その他の実施の形態．
上述の実施の形態として例示した構成は、本発明の構成の一例であり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、一部を省略する等、変更して構成することも可能である。また、上述した実施の形態において、他の実施の形態で説明した処理および構成を適宜採用して実施する場合であってもよい。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

２ 母線、８ 電圧変成器、３１ 入力変換部、３２ 入力変換器、３５ ＡＤ変換部、３６ アナログフィルタ、３７ ＳＨ回路、３８ マルチプレクサ、３９ ＡＤ変換器、４０ 演算処理部、４１ ＣＰＵ、４２ ＲＡＭ、４３ ＲＯＭ、４４ バス、５０ インターフェイス部、５１ ＤＯ回路、５２ ＤＩ回路、６１，６３ 電流変成器、７１，７３ 遮断器、８０ 判定回路、９１，９２ 背後電源、１００ 保護リレー装置、１５２ 変化率算出部、１５４ 故障判定部、１５６ 差動リレー演算部、１５８ 出力制御部。

Claims (8)

1. 母線を保護するための保護リレー装置であって、
   前記母線から分岐された複数の回線の各々に流れる回線電流の入力を受ける入力部と、
   リレー演算周期よりも短いサンプリング周期でサンプリングされた各前記回線電流のデータに基づいて、各前記回線電流の変化率と、各前記回線電流における差動電流の変化率とを算出する変化率算出部と、
   各前記回線電流の変化率の極性および大きさと、前記差動電流の変化率の極性および大きさとに基づいて、前記母線における故障の発生の有無を判定する故障判定部とを備える、保護リレー装置。
2. 前記複数の回線は、第１回線および第２回線を含み、
   前記第１回線に流れる第１回線電流の変化率の大きさと、前記第２回線に流れる第２回線電流の変化率の大きさとが第１閾値以上である場合、前記差動電流の変化率の大きさが第２閾値以上であり、かつ、前記第１回線電流の変化率の極性と前記第２回線電流の変化率の極性と前記差動電流の変化率の極性とが同一である場合に、前記故障判定部は、前記母線に故障が発生したと判定する、請求項１に記載の保護リレー装置。
3. 前記第１回線電流の変化率の大きさが前記第１閾値以上であり、前記第２回線電流の変化率の大きさが前記第１閾値未満である場合、前記差動電流の変化率の大きさが前記第２閾値以上であり、かつ前記第１回線電流の変化率の極性と前記差動電流の変化率の極性とが同一である場合に、前記故障判定部は、前記母線に故障が発生したと判定する、請求項２に記載の保護リレー装置。
4. 前記回線電流の変化率は、単位時間あたりの前記回線電流の変化量であり、
   前記差動電流の変化率は、前記単位時間あたりの前記差動電流の変化量であり、
   前記単位時間は、前記サンプリング周期に対応する時間である、請求項２または請求項３に記載の保護リレー装置。
5. 前記単位時間あたりの前記回線電流の変化量は、今回のサンプリング時刻と前回のサンプリング時刻との間における前記回線電流の変化量であり、
   前記単位時間あたりの前記差動電流の変化量は、前記今回のサンプリング時刻と前記前回のサンプリング時刻との間における前記差動電流の変化量である、請求項４に記載の保護リレー装置。
6. 前記単位時間あたりの前記回線電流の変化量は、今回のサンプリング時刻と前回のサンプリング時刻との間における前記単位時間あたりの前記回線電流の第１変化量と、前記今回のサンプリング時刻と前々回のサンプリング時刻との間における前記単位時間あたりの前記回線電流の第２変化量とを含み、
   前記単位時間あたりの前記差動電流の変化量は、前記今回のサンプリング時刻と前記前回のサンプリング時刻との間における前記単位時間あたりの前記差動電流の第３変化量と、前記今回のサンプリング時刻と前記前々回のサンプリング時刻との間における前記単位時間あたりの前記差動電流の第４変化量とを含む、請求項４に記載の保護リレー装置。
7. 前記故障判定部により前記母線に故障が発生したと判定された場合に、動作信号を出力する出力制御部をさらに備える、請求項１～請求項６のいずれか１項に記載の保護リレー装置。
8. 各前記回線電流のサンプリングデータに基づいて、前記リレー演算周期で保護リレー演算を実行する演算処理部をさらに備え、
   前記保護リレー演算の結果に基づいて前記演算処理部が前記母線の故障を検出した場合、前記出力制御部は前記動作信号を出力する、請求項７に記載の保護リレー装置。
   

Images