JPS5818862B2 - デイジタル母線保護継電方式 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は電力系統の母線からの電流情報をアナログ−デ
ィジタル変換して得られるディジタルデータにより電流
差動の原理を用いて母線保護を行なうディジタル母線保
護継電方式に関し、電力系統の母線保護において従来よ
り行なわれている電流差動の原理を用いて母線に接続さ
れている各端子の電流をディジクル量に変換し、これら
のディジタル量の四則演算により高速度で誤動作のきわ
めて少ない、しかも単純な原理による比率特性を持つデ
ィジクル母線保護継電方式を提供するものである。

従来電力系統の保護及び制御は電流、電圧のアナログ量
によって行なうアナログ保護継電器が一般的であったが
、近時は送電々圧、容量の増大及び送電線路の長距離化
などにより高精度、高信頼度が要求されている。

電力系統の電流、電圧情報をアナログ−ディジタル変換
してディジクル量により電力系統の保護を行なうディジ
タル保護継電器はこのような要論により提案されている
もので実現化しつつある。

母線保護においてもディジクル的処理が提案されている
が、一般に母線保護には電流差動の原理が用いられてお
り入力データが送電線保護等より多い。

従って母線保護をディジタル処理で行なったとしても処
理速度、精度についての問題が残る。

従来の母線保護継電器は比率特性を有する電流差動継電
器が一般的であり、各端子電流のベクトル和を動作量と
し、各端子電流のスカラ和又は各端子電流の最大値を抑
制量としていた。

これについて第１図を用いて説明する。

第１図は電力系統にある母線を単純に描いたもので、１
は母線、２１〜２ｏは母線から取出され、送電線路、機
器等に接続される端子、３１〜３ｏは各端子電流を計測
するための変流器である。

いま、各母線接続端子２□〜２ｎの各端子電流を夫々″
１１〜Ｉ、とすれば、従来の比率特性を有する電流差動
継電器の動作式は次の（１）式で表わされる。

（１）式で電磁形継電器を例にとれば、Ｋは抑制コイル
定数であり、またＫ。

は抑制スプリングトルクである。

（１）式の処理をディジタル型継電器で行なうには問題
がある。

それは一定周期毎にサンプリングされた交流量の瞬時値
より実効値に比例した値を算出するためには開平処理（
平方根を得る処理）が必要となるからである。

この交流量の実効値を算出する方法は数々提案されてい
て、例えば１サイクル前の瞬時値と現時点の瞬時値を夫
々２乗して加算するという方法がある。

即ち １２−１− ｉ”’ ＝ Ｉ２ｍ ”−
（２）ここでｉ：現時点の瞬時値 １′：現時点より１サイクル前の瞬時値 １ｍ：波高値 （２）式の結果は波高値の２乗となる。

また、連続してサンプリングされた３つの瞬時値を用い
て実効値を算出する方法も提案されている。

即ち、現時点の瞬時値をｉｎ、１サンプリング前の瞬時
値をｉｎ＋ ＋２サンブリ、フグ前の瞬時値を１ｏ−
２とすると、 β２−α×ｉｎも１ ＋ ｉ訂、−β１２ｍ ・・・
・・・（３）ここで、α、βはサンプリング間隔により
求まる定数 （３）式の結果も（２）式と同様、波高値の２乗に比例
した値となる。

このように一定周期でサンプリングされた交流量の実効
値に比例した量を得るには、まず（２）式又は（３）式
の処理を行ない、結果を開平しなければならない。

従って（１）式の左辺第２項の抑制量を得るためには母
線につながる端子数だけ実効値算出及び開平処理を行な
わねばならない。

ディジクル保護継電器として用いられるミニコンピュー
ク又はマイクロコンピュータにおいて、乗算は加減算に
比べて１０倍、開平処理は数１０倍の時間がかかる。

従ってディジタル保護継電器において、（１）式のよう
な抑制量を得ることは処理時間に問題が出てくる。

ところが次式で示される動作式は開平処理を行なわず、
実効値の２乗で抑制量を得る方法であり、ディジタル保
護継電器向きである。

ｌ １１＋Ｉ２＋・・・・”＋ＩｎＩ２に’（Ｉ Ｉｔ
１２＋１Ｉ２１２＋・・・・＋ｌ Ｉｏｌ ２）＋Ｋｏ
’＞０・・・・・・（４） ここでに′：抑制率、Ｋｏ′：オフセットしかしながら
、（４）式の処理においても、抑制量を得るために端子
数だけ実効値成分を算出しなければならない。

更に外部に事故があった場合の抑制量をけ）式と（４）
式で比較してみると、（４）式は各端子の分流条件によ
り抑制量が変ってしまう。

例えば１端子だけ流出で、他の端子は電流が等しく流入
であるとすると、（１）式における抑制量は ここで、１Ｆ：外部事故時の母線を通過する電流（４）
式における抑制量は 即ち、（１）式、（４）式の抑制量は最悪方向に見ると
２倍の差があり、（４）式を動作式とする母線保護継電
器は（１）式のそれに比べて外部事故に対して誤動作し
やすく好ましくない。

本発明は前述したような欠点、即ち処理の低速化及び分
流条件による抑制量の変動を除き、高速で誤動作のきわ
めて少ないディジタル母線保護継電方式を提供しようと
するものである。

即ち本発明は電力系統の母線の電流情報をアナログ−デ
ィジタル変換して得られるディジタル電流データにより
電流差動の原理を用いて、母線保護を行なうディジタル
母線保護継電器において、各母線接続端子でサンプリン
グされたディジタル電流データの絶対値を夫々求め、そ
の各絶対値の総和を得て、その総和を所定サンプリング
区間にわたって加算し、その加算値を２乗して抑制量と
なし、前記各ディジタル電流データの総和を求めて２乗
した値を得て、現時点の値とそれ以前のサンプリングの
値との少なくとも和算あるいは和差算により実効値を算
出して動作量となし、この動作量が前記抑制量に対して
一定比率以上である時、すなわち次式が成り立つ時 ここで、Ｋ：抑制率、Ｋｏ：オフセット 母線保護動作を行なうことを特徴とするディジタル母線
保護継電方式を提供しようとするもので、以下実施例を
用いて詳述する。

第２図は本発明によるディジタル母線保護継電方式の一
実施例を示し、同図においてｉｌ、β２゜・・・・・・
、ｉｏは瞬時値で、第１図に示す電力系統の各母線接続
端子２１ ＋ ２２ ＋・・・・・・、２ｎよりサンプ
リングされた各端子電流の瞬間値である。

また４は各端子電流の瞬時値１１〜ｉｎの総和を得る加
算器であり、加算器４の出力、は式で表わすと１１＋１
２＋・・・・・・＋１ｎとなる。

５は加算器４の出力の２乗を演算して求める２乗演算回
路、６１゜６２はシフトレジスタ、７は前記（３）式に
おける係数αをシフトレジスタ６□の出力に乗する乗算
器、８は加算器である。

＼ここで、２乗演算回路５以後は式
で表わすと前述した（３）式と同様に表わされるため、
加算器８の出力は式で表わすと、 β＋ｉ１＋ｉ２＋・・・・・・＋１ｎ＋２ ・
・・・・・（８）となり、これが動作量となる。

また第２図において、９□、９□、・・・・・・、９
は絶対値を得る回路、１０はこれらの絶対値を得る回路
９□〜９ｏにより得られた各端子電流の絶対値１１１１
〜ｌ ｉｎｌの総和を得る加算器、１１１゜１１２、・
・・・・・、１１ｎはシフトレジスタ、１２は加算器１
０及びシフトレジスタ１１１，１１□、・・・・・・。

１１ｎの出力を加算する加算器、１３は加算器１２の出
力の２乗を演算して求める２乗演算回路、１４は（方式
における係数Ｋによってきまる定数Ｋを乗する乗算器で
ある。

ここで加算器１０の出力を式ヤ表わすと、１ ｉｌｌ
＋＋ β２１’ ＋−・・・・・・・・＋＋ ｉ、ｌ
・・・・・・（９）となり、これがシフトレジ
スタ１１１，１１２．・・・。

１１Ｎ及び加算器１２により一定サンプリング間にわた
って加算される。

故に加算器１２の出力を式で表わすと積分時間Ｔの積分
値 ｆ（ｌ ＋＋ ｌ ＋ １．１２１＋・・・・・・＋１
１訂）ｄｉ〇 一γ（ｌ ｉ１＋ ＋＋ β２１＋・・・・・・＋１１
ｎ１−） ・・・・・・（１０）ただし、γは定数 となる。

ここにＴは母線の各端子電流の基本波の周期をＴ。

とじた時とすればよい。

従って第２図のシフトレジスタ１１の数Ｎを ただし、Ｉ５はサンプリング周期 とすればよい。

さらに乗算器１４の出力を式で表わすと、 Ｋγ２（ｌ Ｉｔ Ｉ ＋ Ｉ Ｉ２１ ＋”−・・・
・＋ Ｉ ’ｎｌ ）２・・・・・・０３） となる。

また第２図において、１５は加算器であり、加算器１５
の出力を式で表わすと、 β１１１＋１２＋・・・・・・１ｏ１２−にγ２（＋
１１＋ ＋＋ β２＋＋・・・・・・＋＋ ｒｎｌ ）
２＋Ｋｏ ・・・・・・α（イ）ただし、
Ｋｏはディジタル量に変換するときの量子化誤差や変流
器３１〜３ｏの誤差などを考慮して決められたきわめて
小さい定数 羨なる。

また１６は比較器で加算器１５の出力が０以上のとき、
即ち次の（１５１式が成り立つとき、β山＋Ｉ２＋−・
・・・−＋ Ｉ ｏＩ−にγ２（１１，１＋１１２１＋
・・・＋１ｉｎ１）２＋Ｋｏ≧０・・・・・・（１５）
の保護出力を送出するための比較器である。

以上により第２図の動作式はα５）式で表わされる。

二Ｋｏ とおけば、０５）式は（７）式と等価であるこ
とがわかる。

（１） 今、母線１の外部に事故があり、１端子がが
電流流出、他の（ｎ−１）端子が等しく電流流入とした
場合の各母線接続端子２１〜２ｏにおける各端子電流ｉ
、〜ｉｎの波形を第３図に示す。

１１を流出電流で大きさをＩＦとし、１２〜ｉｎをわす
と、 ｉ １＝ＩＦｓｉｎ（ωｔ＋１８０°）・・・・・・（
１６）加算器４の出力である各端子電流の総和はこのと
きＯとなる。

故に２乗演算回路５、シフトレジスタ６１，６２、加算
器８の出力（動作量）も各々０となる。

次に絶対値を得る回路９１〜９．１の出力である各端子
電流の絶対値及びそろらの和である加算器１０の出力を
第４図に示す。

加算器１０の出力は式で表わすと前記（１６）〜（１８
）式により、の如くなる。

第４図の最下段の波形はまさに００）式を表わし、これ
は大きさが２１Ｆの正弦波を整流したものである。

これをシフトレジスタ１１、〜１１Ｎ及び加算器１２に
より一定サンプリング間（ここでは各端子電流の基本波
の半周期とする。

従ってこのとき０υ式のｎ二１である。

）にわたって加算すると、結果はγＸ２ＩＦとなり、２
乗演算回路１３の出力はγ２（２１Ｆ）２＝γ２ｘ４１
Ｆ２となり、その波形を第５図に示す。

これが抑制量■Ｒ２である。

このとき動作量が０で、抑制量が第５図の如くなるので
、加算器１５の出力は負となり、比較器１６は保護出力
を送出しない。

（ＩＩ）次に分流条件が違った母線の外部事故を考える
。

第６図に示すように１１を大きさＩＦの流出電流、１２
を同じく大きさＩＦの流入電流、他の端子電流ｉ３〜Ｉ
ｎをＯとする。

ｉｌ、ｉ２を次式で表わす。

ｉ １＝ Ｉｐｓｉｎ （（ｃａｔ ＋ １８０°）
・・−・−・、（２０）ｉ ２ ＝ Ｉ ｐ ｓｉｎ
ωｔ ＝ （２１）加算器４の出力で
ある各端子電流の総和は前述したＣＩ）の場合と同様に
０となる。

故に２乗演算回路５、シフトレジスタ６１，６□、加算
器８の出力（動作量）も各々０となる。

次に絶対値を得る回路９１〜９ｏで、各端子電流の絶対
値をとり、加算器１０でそれらの和を求めると、 ｌ ＩＦ５１ｎ ωｔ ｌ ＋０ ＋ Ｏ＋”−＋ ０
＝２ＩＦ ｌ ｓｉｎ ωｔ ｌ ・・
・・・・（２２）（２２）式の結果をシフトレジスタ１
１１〜１１Ｎ、加算器１２及び２乗演算回路１３により
、一定サンプリング間にわたって加算して２乗すれば結
果はやはりγ２×４１Ｆ２となり、抑制量ＩＲ，２は前
述の分流条件の時と同じ値となる。

即ち本発明を用いれば、事故時の分流条件による抑制量
の変動がない。

従って外部事故時、分流条件による誤動作方向に抑制量
が小さくならない。

本発明は上述のような単純な原理を使用するため、処理
の高速化が達成されるとともに、各端子電流相互に位相
のいずれがあっても抑制量の変動がない。

上述した２つの条件即ち（１）や（ＩＩ）の場合での外
部事故では、流入電流と流出電流の位相差を１８０°と
し、流入電流同志又は流出電流同志の位相差については
０°としたが、次にこれらの位相差が多少あった場合に
ついて考える。

唾〕簡単のため母線接続端子について２端牛の電流差動
を仮定し、位相ずれがあった場合の２端子の電流波形を
、いま内部に事故がないものとし、第７図に示す。

第７図において１２は１１に対して（１８０°＋θ）進
んだ位相とし、１１゜１２を次式により表わす。

１ｌ−１１ｓｉｎ （、）ｔ 間・・（２
３）１２”” Ｉ２ Ｓｉｎ （ωｔ−１−１８００十
〇）・川・・（２４）絶対値を得る回路９１，９□で（
２３） 、 （２４）式により表わされたｉｌ、 ｉ２
より絶対値を求め、その和を加算器１０で求めると、 Ｉ ｉ、 ｌ ＋ ｌ ｉ２ ｌ ＝１１１ ｓｉｎ
ωｔｌ＋Ｉ２１ｓｉｎ（ωｔ＋１８０°＋θ）１＝■１
１ｓｉｎωｔｌ＋Ｉ２１ｓｉｎ（ωｔ＋θ）ｉ
・・・・・・（２５）（２５） 式の結果をシ
フトレジスタ１１．〜１１Ｎ１加算器１２．２乗演算回
路１３により、一定サンプリング区間にわたって加算し
て２乗すれば、結果は γ２ Ｘ Ｉ ２＋γ２ Ｘ Ｉ ２−γ２（■、′＋
■２′）・・・（２６）となり、この２乗演算回路１３
の出力（抑制量）はθによらない。

即ち位相ずれがあった場合にも抑制量の変動はない。

以上の説明は２端子を例にとり説明したが、３端子以上
でも同様にして位相ずれによる抑制量の変動はない。

このように分流条件、位相ずれにより、抑制量が変動す
ることがなく、従って内部事故時の誤不動作方向又は外
部事故時の誤動作方向への特性変動がない。

また抑制量ＩＲ２を得るのに、乗算が２乗演算回路１３
における１回で済み、開平処理等の複雑で時間のかかる
処理を行なう必要がなく、さらに母線に接続される端子
数が増えても絶対値を得る演算が増えるだけで対処でき
、高速処理ができる。

なお第２図実施例において、２乗演算回路１３を省き、
加算器８の後に開平処理を行なう演算回路を挿入すれば
、前記（１）式の演算ができる。

この場合、開平演算により処理が複雑になり、時間がか
かるという欠点を有するが、その他の特徴については第
２図と同様である。

また第２図実施例において、動作量を算出するのに（３
）式の演算によっているので、動作量を算出する構成は
（３）式によって算出する構成とされているが、本発明
はこれに限定されることなく、（２）式によって動作量
を算出するよう構成してもよいことはもちろんであり、
この場合は、第２図においてシフトレジスタ６２および
乗算器７を用いずに２乗演算回路５の出力を直接加算器
８に供給すると共にシフトレジスタ６、を介して加算器
８に供給するよう構成し、２乗演算回路５より供給され
る現時点の出力と、シフトレジスタ６１より供給される
ーサイクル前の出力とを加算器８にて加算することによ
り動作量を求める。

また第２図において、加算器８と１５は１個の加算器で
構成してもよい。

上述したように本発明によれば、分流条件や位相ずれに
より抑制量が変動することがなく、従って内部事故時の
誤不動作方向又は外部事故時の誤動作方向への特性変動
がなく、誤動作のきわめて少ないディジクル母線保護継
電装置を提供することができる。

また本発明では、抑制量を得るのに乗算が１回ですみ、
開平処理等の複雑で時間のかかる処理を行なう必要がな
くさらに母線接続端子数が増えても絶対値を得る演算が
増えるだけで対処でき、高速処理が達成できる等の効果
を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は母線を説明するための図、第２図は本発明の一
実施例を示すブロン、り図、第３図は外部事故時の各端
子の電流波形を示す図、第４図は第２図において外部事
故時の絶対値を得る回路９１〜９ｏ及び加算器１０の出
力波形を示す図、第５図は外部事故時の抑制量を示す図
、第６図は外部事故時の各端子の電流波形を示す図、第
７図は位相ずれがあった場合の２端子の電流波形を示す
図であって、 図中１は母線、２、〜２ｎは母線接続端子、３１〜３ｎ
は変流器、４，８，１０，１２，１５は加算器、５，１
３は２乗演算回路、６０，６□、１１１〜１１Ｎはシフ
トレジスタ、７，１４は乗算器、９１〜９ｎは絶対値を
得る回路、 １６は比較器を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 電力系統の母線の電流情報をアナログ−ディジタル
   変換して得られるディジタル電流データにより電流差動
   の原理を用いて母線保護を行なうディジタル母線保護継
   電器において、各母線接続端子でサンプリングされたデ
   ィジタル電流データの絶対値を夫々求め、その各絶対値
   の総和を得て、その総和を所定サンプリング区間にわた
   って加算し、その加算値を２乗して抑制量となし、前記
   各ディジタル電流データの総和を求めて２乗した値を得
   て、現時点の値とそれ以前のサンプリングの値との少な
   くとも和算あるいは和差算により実効値を算出して動作
   量となし、この動作量が前記抑制量に対して一定比率以
   上であり時母線保護動作を行なうことを特徴とするディ
   ジタル母線保護継電方式。