JPWO2015056326A1 - 電力開閉制御装置および開極制御方法 - Google Patents

Abstract

電力開閉制御装置１は、主回路１２の電流を計測する電流計測部３と、電流計測値に基づいて故障電流を検出すると共に、故障電流検出後一定時間計測された電流波形に基づいて未来の電流波形を推定する電流推定部４と、推定された電流波形から得られる電流零点、予測される開極時間、および予め付与された最小アーク時間を用い、開極時間と最小アーク時間との和を電流零点から差し引いた時刻を目標開極時刻として決定する目標開極時刻決定部５と、最も直近の目標開極時刻に達するまで待機し、当該目標開極時刻に達した時に遮断器１１を遮断するための遮断制御信号を送出する開極制御部６とを備える。

Description

本発明は、電力開閉装置を開閉制御する電力開閉制御装置およびその開極制御方法に関する。

地絡または短絡事故等の系統故障が発生した場合に、送電線に流れる故障電流を遮断することが電力用の遮断器の役割である。通常、故障電流を検出した保護リレーからの遮断制御信号を受けて遮断器が開極するが、保護リレーは故障電流を検出すると即時に遮断制御信号を出力するため、保護リレーからの遮断制御信号の出力タイミングは電圧あるいは電流の位相に対してランダムとなり、遮断器が開極して（電極接点が離れて）から、次の電流遮断可能な電流零点で故障電流が遮断されるまでのアーク時間は短い場合もあれば、長い場合もある。アーク時間が長いと電極接点の消耗量が大きくなると共に、系統復旧が遅れることとなる。

また、従来の電力開閉制御装置は、電流計測を行い、電流零点の時間間隔と電流勾配から、未来の電流零点の時間間隔を推定して、最小アーク時間で電流遮断するように開極タイミングを制御している（例えば、特許文献１）。

特開２０００−１８８０４４号公報

上記のように、保護リレーによる開極制御方法では、アーク時間が長くなる場合があり、この場合は、電極接点の消耗量が大きくなると共に、故障除去時間も長くなる。

また、上記従来の電力開閉制御装置では、アーク時間は最小にすることができるものの、電流零点を少なくとも３点計測する必要があり、１.５サイクル以上の計測時間が必要となる。そのため、短絡故障のように遮断器に遮断制御信号が出力されてから２〜３サイクル以内で故障電流の遮断を実施する必要がある条件に対しては、少なくとも３.５サイクル以上の故障除去時間が必要となり、短時間で故障除去を実現するという遮断器の責務を満足することが困難となる。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、故障電流遮断時の電極接点の消耗量の低減および故障除去時間の短縮が可能な電力開閉制御装置およびその開極制御方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る電力開閉制御装置は、電力系統に設けられた遮断器に接続される主回路の電流を計測する電流計測部と、この電流計測部により計測された電流計測値に基づいて、故障電流を検出すると共に、前記故障電流を検出した時刻から予め設定された一定時間計測された電流波形に基づいて、前記一定時間経過後の電流波形を推定する電流推定部と、前記電流推定部により推定された電流波形から得られる電流が零となる時刻である電流零点、予測される開極時間、および前記遮断器の電極接点開離後、電極接点間のアークが消弧されるまでに必要な最小の時間である最小アーク時間を用い、前記開極時間と前記最小アーク時間との和を前記電流零点から差し引いた時刻を目標開極時刻として決定する目標開極時刻決定部と、最も直近の前記目標開極時刻に達するまでの待機時間を算出し、当該待機時間だけ待機し、当該目標開極時刻に達した時に前記遮断器を遮断するための遮断制御信号を送出する開極制御部と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、故障電流検出後一定時間内で計測された電流波形に基づいて未来の電流波形を推定し、この推定された電流波形を用いてアーク時間が最小となるように目標開極時刻を決定するようにしているので、当該一定時間を従来技術における電流零点の推定に必要な計測時間よりも短く設定することで、故障電流遮断時の電極接点の消耗量の低減および故障除去時間の短縮が可能になる、という効果を奏する。

図１は、実施の形態１に係る電力開閉制御装置の構成の一例を示す図である。 図２は、実施の形態１における故障電流遮断前後の電流の挙動と制御シーケンスの一例を示す図である。 図３は、実施の形態２に係る電力開閉制御装置の構成の一例を示す図である。 図４は、実施の形態３に係る電力開閉制御装置の構成の一例を示す図である。 図５は、実施の形態３における故障電流遮断前後の電流の挙動と制御シーケンスの一例を示す図である。 図６は、固有値λ_iおよび残差行列[Ｂ]の算出処理を示したフローチャートである。 図７は、従来の保護リレーによる故障電流遮断前後の電流の挙動と制御シーケンスの一例を示す図である。

以下に、本発明の実施の形態に係る電力開閉制御装置および開極制御方法を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本実施の形態に係る電力開閉制御装置の構成の一例を示す図である。図１に示すように、電力系統は例えば電源１０、遮断器１１、主回路１２、および送電線１３等により構成され、電源１０と送電線１３との間に遮断器１１が設けられ、遮断器１１には電力開閉制御装置１が接続されている。また、遮断器１１が接続された主回路１２には、主回路１２に流れる電流を計測する計器用変流器１４が設置され、計器用変流器１４の出力は電力開閉制御装置１に入力される。

電源１０は、三相交流の電源である。電力開閉装置としての遮断器１１は例えばガス遮断器である。なお、図１では、三相のうち一相分のみの構成を示し、他の二相については図示を省略している。

電力開閉制御装置１は、主回路１２の電流を計測する電流計測部３と、電流計測部３により計測された電流波形に基づいて、未来の電流波形を推定する電流推定部４と、遮断器１１の開極時間を予測する開極時間予測部７と、電流推定部４により推定された電流波形と開極時間予測部７により予測された開極時間と後述する最小アーク時間とに基づいて遮断器１１を開極するための目標開極時刻を決定する目標開極時刻決定部５と、目標開極時刻決定部５により決定された目標開極時刻で遮断器１１が開極するように遮断制御信号を遮断器１１に出力する開極制御部６と、を備えている。なお、以下では説明を省略するが、電力開閉制御装置１は遮断器１１の閉極制御機能も備えている。電力開閉制御装置１は例えばコンピュータ等により構成される。

電流計測部３は、計器用変流器１４に接続され、例えば一定の周期で電流を計測し、電流計測値を電流推定部４に出力する。

電流推定部４は、電流計測部３に接続され、電流計測部３からの電流計測値を用いて、計測された電流が故障電流であるか否かを判定する。ここで、故障電流とは、地絡または短絡事故等の系統故障が発生した際に送電線に流れる電流であり、通常の負荷電流に比べて振幅が格段に大きい。故障電流であるか否かは、例えば、電流計測値を用いて算出される電流実効値が予め設定された閾値以上であるか否かで判定することができる。なお、電流の勾配を用いるなどこれ以外の方法で故障電流を検出することもできる。

電流推定部４は、故障電流を検出すると、故障電流を検出した時刻（故障検出時刻）から予め設定された一定時間内の電流計測値、すなわち、当該一定時間内に計測された電流波形に基づいて、当該一定時間経過後の電流波形を推定する。

電流推定部４は、複数波の合成波として電流波形を推定する。具体的には、波形パラメータとしてＡ_iを振幅、σ_i（＜０）を減衰率（減衰時定数）、ｆ_iを周波数、φ_iを位相としたときに、時刻ｔにおける電流波形は次式で表すことができる。

ここで、Ｍは予め設定された合成波の成分の個数であり、ｉは１からＭまでの整数値をとる。上記（１）式におけるすべての波形パラメータを、電流計測値を用いて決定することにより、任意の時刻ｔにおける電流波形を推定することができる。電流推定部４は、例えば最小二乗法により、すべての波形パラメータを決定することができる。

なお、電流波形の計測時間である上記一定時間は、当該一定時間内に含まれる電流零点の個数が２個以下となるような短時間とすることができる。また、従来、遮断器１１の開極制御には保護リレーが使用されているが、この一定時間は保護リレーによる故障検出時間よりも短い時間とすることができる。このように、この一定時間を十分に短い時間に設定したとしても、少なくともすべての波形パラメータの決定に必要な個数の電流測定値を用いる限りは、上記（１）式に基づいて未来の電流波形を精度良く決定することができる。

開極時間予測部７は、装置外から入力された遮断器１１の動作環境条件８に基づいて開極時間を予測する。開極時間は、遮断器１１に遮断制御信号が入力されてから遮断器１１の主接点（電極接点）が離れるまでに要する動作時間である。また、動作環境条件８は、例えば、遮断器１１の周囲温度、遮断器１１の駆動時の制御電圧、および遮断器１１の駆動時の操作圧力（例えば油圧）である。

目標開極時刻決定部５は、電流推定部４および開極時間予測部７に接続され、電流推定部４により推定された電流波形と、開極時間予測部７により予測された開極時間と、遮断器１１に対して予め決まる最小アーク時間とに基づいて、目標開極時刻を決定する。詳細には、目標開極時刻決定部５は、推定された電流波形から電流が零となる時刻である電流零点を求め、開極時間と最小アーク時間との和を電流零点から差し引いた時刻を目標開極時刻とする。なお、電流零点は一般に複数個求まるので、目標開極時刻も同数個決定される。ここで、最小アーク時間は、遮断器１１の主接点開離後、接点間に生ずるアークが消弧されるまでに必要な最小の時間であり、遮断器１１の機種に応じて予め定まる。

開極制御部６は、目標開極時刻決定部５に接続され、目標開極時刻決定部５から目標開極時刻が入力されると、最も直近の目標開極時刻に達するまでの待機時間を算出し、当該待機時間だけ待機し、当該目標開極時刻に達した時に遮断器１１に遮断制御信号を出力する。

次に、本実施の形態の動作、すなわち、開極制御方法について、図２を参照して説明する。図２は、本実施の形態における故障電流遮断前後の電流の挙動と制御シーケンスの一例を示す図である。

図２の上段では、横軸を時刻（ms）、縦軸を電流値として、電流波形を示している。図示例では、時刻ｔ₀で系統故障が発生している。系統故障は例えばＡ相およびＢ相で地絡が発生した２線地絡故障である。

電流計測部３は、時刻ｔ₀の直後に故障電流を検出する。電流計測部３は、例えば、電流計測値から電流実効値を算出し、電流実効値が予め設定された閾値以上となることを検出することで、故障電流を検出することができる。

電流推定部４は、電流計測部３から故障発生を報知されると、故障検出時刻から予め設定された一定時間Ｔ_r内に計測される電流波形に基づいて、当該一定時間経過後の電流波形を推定する。図２では、ｔ₁−ｔ₀＝Ｔ_rであり、時刻ｔ₁以後の電流波形、特に、故障電流（Ａ相）および故障電流（Ｂ相）の電流波形が推定される。電流波形の推定は、上記（１）式の波形パラメータを決定することで実施する。故障電流は、定格周波数ではなく、周期的でもなく、零点間隔も一定ではなく、非対称な波形となるが、上記（１）式の波形パラメータを決定することで、電流波形を精度良く推定することができる。Ｔ_rは、例えば数ｍｓ程度の短時間であり、電流零点を高々１個含む長さであり、故障電流波形の検出と推定はこのような短時間で実施される。

また、開極時間予測部７は、動作環境条件８に基づいて、開極時間を予測する。

次に、目標開極時刻決定部５は、電流推定部４により推定された電流波形から得られる電流零点と、開極時間予測部７により予測された開極時間Ｔ１_openと、最小アーク時間とに基づき、電流零点−（開極時間Ｔ１_open＋最小アーク時間）≧０を満たす時刻を目標開極時刻として決定する。目標開極時刻決定部５は、目標開極時刻を開極制御部６に出力する。開極時間Ｔ１_open＝ｔ₄−ｔ₂である。なお、電力開閉制御装置１に開極時間予測部７を設ける代わりに、予測される開極時間を予め目標開極時刻決定部５に付与しておくこともできる。

次に、開極制御部６は、目標開極時刻のうち、最も直近の目標開極時刻ｔ₂にて遮断制御信号を遮断器１１に出力する。つまり、開極制御部６は、時刻ｔ₁後、待機時間Ｔ１_w＝ｔ₂−ｔ₁を算出し、Ｔ１_wだけ待機し、目標開極時刻ｔ₂に達した時に遮断器１１に遮断制御信号を出力する。図２の下段では、時刻ｔ₂以降で、遮断制御信号がＯＮになる様子を示している。また、遮断器１１の主接点（電極接点）が時刻ｔ₄でＯＦＦとなる様子を示している。

本実施の形態に係る開極制御方法によれば、アーク時間は最小となる。具体的には、故障電流（Ａ相）のアーク時間Ｔ1ａ_arc＝ｔ₅−ｔ₄が最小アーク時間に等しい。故障電流（Ｂ相）のアーク時間Ｔ1ｂ_arc＝ｔ₆−ｔ₄は故障電流（Ａ相）のアーク時間Ｔ1ａ_arcよりも少し長い。

なお、図２では、遮断器１１を三相同時に遮断する場合を示している。この場合、Ａ相の電流零点で決まる最先の目標開極時刻の方がＢ相の電流零点で決まる最先の目標開極時刻よりもより先となるので、開極制御部６は、最も直近のＡ相の目標開極時刻ｔ₂にて遮断制御信号を遮断器１１に出力する。

なお、遮断器１１を三相個別に遮断する場合には、上記した開極制御方法を各相の故障電流に適用すればよい。

以上説明したように、本実施の形態では、故障電流検出後一定時間Ｔ_r内で計測された電流波形に基づいて未来の電流波形を推定し、この推定された電流波形を用いてアーク時間が最小となるように目標開極時刻を決定している。この際、一定時間Ｔ_rは、数ｍｓ程度の短時間に設定されているので、故障除去時間の短縮化を図ることができる。すなわち、アーク時間が最小となるので、電極接点の消耗量を低減でき、さらに、電流波形の推定の精度を維持しつつも推定に必要な計測時間を短くしているので、アーク時間の最小化と併せて、故障除去時間の短縮化を図ることができる。また、電極接点の消耗量を低減することで、電極接点の交換周期を伸ばすことができる。さらに、故障除去時間をより短くすることで、系統故障からの復旧を早期に行うことができ、系統安定化を実現することができる。

これに対し、従来の保護リレーによる開極制御方法では、故障発生後、Ｔ_rより短い５〜６ｍｓ程度の時間で保護リレーが故障電流を検出し、保護リレーは即時に遮断制御信号である保護リレー制御出力を遮断器に出力する。この場合、保護リレーからの保護リレー制御出力の出力タイミングは電圧あるいは電流の位相に対してランダムとなるので、アーク時間の長さも最小アーク時間以上の範囲で長短変動するが、アーク時間が長いと電極接点の消耗量が大きくなると共に、系統復旧が遅れることとなる。

図７は、従来の保護リレーによる故障電流遮断前後の電流の挙動と制御シーケンスの一例を示す図である。なお、図７における開極時間および最小アーク時間はそれぞれ図１における開極時間および最小アーク時間と等しい値とされている。保護リレーは、時刻ｔ₀にて故障発生した後、Ｔ_dの時間で故障電流を検出し、即時（時刻ｔ₃）に保護リレー制御出力を遮断器に出力する。保護リレー制御出力は遮断制御信号であるので、遮断制御信号も時刻ｔ₃に出力される。ここで、Ｔ_d＝ｔ₃−ｔ₀である。また、遮断器の開極時間はＴ_open＝ｔ₁₁−ｔ₃で表され、遮断器の主接点（電極接点）は時刻ｔ₁₁にＯＦＦとなる。故障電流（Ａ相）のアーク時間はＴａ_arc＝ｔ₁₂−ｔ₁₁、故障電流（Ｂ相）のアーク時間はＴｂ_arc＝ｔ₁₃−ｔ₁₁であり、いずれも、本実施の形態によるアーク時間よりも長くなる。

また、特許文献１に記載の従来の電力開閉制御装置では、アーク時間は最小にすることができるものの、電流零点を少なくとも３点計測する必要があり、計測時間が長くなり、その分、故障除去時間が長くなる。

これに対し、本実施の形態では、上記（１）式に基づいて電流波形を推定する方法を採用することにより、電流波形の推定に用いる電流の計測時間を短くすることができ、故障除去時間を短縮化することができる。具体的には、Ｔ_rは電流零点を２個以下、好ましくは高々１個含むような短時間とし、かつ、従来の保護リレーによる故障検出時間未満とすることができる。

実施の形態２．
図３は、本実施の形態に係る電力開閉制御装置の構成の一例を示す図である。図３に示すように、電力系統には保護リレー２０が設置されている。また、主回路１２には、主回路１２の電圧を計測する計器用変圧器１５が設置されている。保護リレー２０は計器用変流器１４および計器用変圧器１５とそれぞれ接続され、計器用変流器１４の出力と計器用変圧器１５の出力は保護リレー２０に入力される。また、電力開閉制御装置１および保護リレー２０はそれぞれＡＮＤ回路２１に接続され、ＡＮＤ回路２１は遮断器１１に接続されている。ＡＮＤ回路２１は、例えば電力開閉制御装置１の外部に設けられるが、電力開閉制御装置１の内部に設けてもよい。本実施の形態のその他の構成は、実施の形態１と同じなので、図３では、図１と同一の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

本実施の形態に係る開極制御方法について説明する。電力開閉制御装置１の動作は実施の形態１で説明した通りであり、開極制御部６は、目標開極時刻に遮断制御信号を出力する。この遮断制御信号はＡＮＤ回路２１に入力される。

一方、保護リレー２０は、計器用変流器１４の出力と計器用変圧器１５の出力とに基づき、故障発生後、故障電流を検出し、即時に遮断制御信号としての保護リレー制御出力を出力する。この保護リレー制御出力はＡＮＤ回路２１に入力される。

ＡＮＤ回路２１は、開極制御部６からの遮断制御信号が入力され、かつ、保護リレー２０からの保護リレー制御出力が入力されたときに、遮断器１１に遮断制御信号を出力する。

本実施の形態によれば、保護リレー２０と電力開閉制御装置１の双方で故障電流を検出した上で遮断器１１を遮断するようにしているので、系統保護の信頼性が向上する。本実施の形態のその他の効果は実施の形態１で説明した通りである。

実施の形態３．
図４は、本実施の形態に係る電力開閉制御装置の構成の一例を示す図である。図４に示すように、電力系統には保護リレー２０が設置されている。また、主回路１２には、主回路１２の電圧を計測する計器用変圧器１５が設置されている。保護リレー２０は計器用変流器１４および計器用変圧器１５とそれぞれ接続され、計器用変流器１４の出力と計器用変圧器１５の出力は保護リレー２０に入力される。また、保護リレー２０は開極制御部６に接続されている。本実施の形態のその他の構成は、実施の形態１と同じなので、図４では、図１と同一の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

本実施の形態に係る開極制御方法について説明する。電力開閉制御装置１の動作は、目標開極時刻を決定する処理までは実施の形態１で説明した通りである。一方、保護リレー２０は、故障発生後、故障電流を検出し、即時に遮断制御信号としての保護リレー制御出力を開極制御部６に出力する。

開極制御部６は、保護リレー２０からの保護リレー制御出力をトリガーとして、つまり、保護リレー制御出力が入力された時に、最も直近の目標開極時刻に対して待機時間を算出し、当該待機時間経過後の目標開極時刻に、遮断制御信号を遮断器１１に出力する。

図５は、本実施の形態における故障電流遮断前後の電流の挙動と制御シーケンスの一例を示す図である。図５の上段では、横軸を時刻（ms）、縦軸を電流値として、電流波形を示している。図示例では、時刻ｔ₀で系統故障が発生している。系統故障は例えばＡ相およびＢ相で地絡が発生した２線地絡故障である。

電流計測部３は、時刻ｔ₀の直後に故障を検出する。電流計測部３は、例えば、電流計測値から電流実効値を算出し、電流実効値が予め設定された閾値以上となることを検出することで、故障を検出することができる。

電流推定部４は、電流計測部３から故障発生を報知されると、故障検出時刻から予め設定された一定時間Ｔ_r内に計測される電流波形に基づいて、当該一定時間経過後の電流波形を推定する。図５では、ｔ₁−ｔ₀＝Ｔ_rであり、時刻ｔ₁以後の電流波形、特に、故障電流（Ａ相）および故障電流（Ｂ相）の電流波形が推定される。電流波形の推定は、上記（１）式の波形パラメータを決定することで実施する。Ｔ_rは、例えば数ｍｓ程度の短時間であり、電流零点を高々１個含む長さであり、故障電流波形の検出と推定はこのような短時間で実施される。

次に、目標開極時刻決定部５は、電流推定部４により推定された電流波形から得られる電流零点と、開極時間予測部７により予測された開極時間Ｔ２_openと、最小アーク時間とに基づき、電流零点−（開極時間Ｔ２_open＋最小アーク時間）≧０を満たす時刻を目標開極時刻として決定する。目標開極時刻決定部５は、目標開極時刻を開極制御部６に出力する。

一方、保護リレー２０は、故障発生後、Ｔ_dの時間で故障電流を検出し、時刻ｔ₃に保護リレー制御出力を開極制御部６に出力する。ここで、Ｔ_d＝ｔ₃−ｔ₀である。

開極制御部６は、保護リレー２０からの保護リレー制御出力をトリガーとして、目標開極時刻のうち、最も直近の目標開極時刻ｔ₇にて遮断制御信号を遮断器１１に出力するように、待機時間Ｔ２_w＝ｔ₇−ｔ₃を算出する。そして、開極制御部６は、待機時間経過後、時刻ｔ₇に達した時に遮断器１１に遮断制御信号を出力する。図５の下段では、時刻ｔ₃以降で、保護リレー制御出力がＯＮになり、時刻ｔ₇以降で、遮断制御信号がＯＮになり、遮断器１１の主接点（電極接点）が時刻ｔ₈でＯＦＦとなる様子を示している。なお、開極時間Ｔ２_openはｔ₈−ｔ₇で表される。

この場合、故障電流（Ａ相）のアーク時間Ｔ２ａ_arc＝ｔ₉−ｔ₈が最小アーク時間に等しい。故障電流（Ｂ相）のアーク時間Ｔ２ｂ_arc＝ｔ₁₀−ｔ₈は故障電流（Ａ相）のアーク時間Ｔ1ａ_arcよりも少し長い。

本実施の形態によれば、保護リレー２０と電力開閉制御装置１の双方で故障電流を検出した上で遮断器１１を遮断するようにしているので、系統保護の信頼性が向上する。本実施の形態のその他の効果は実施の形態１で説明した通りである。

なお、実施の形態１〜３では、故障電流に直流成分が含まれない場合について説明したが、実施の形態１〜３は、直流成分が含まれる場合にも同様に適用することができる。故障電流に直流成分が含まれる場合には、故障電流は振動しながら直流成分の傾きに従って減衰するが、故障発生直後からしばらくの間は直流成分の存在により故障電流に電流零点が存在しないことがある。このような場合に、従来の保護リレーによる開極制御のように、故障電流検出直後に遮断制御信号を出力すると、電流零点が現れるまでアークを消去することができないことから、アーク時間が長くなり、電極接点の消耗が大きくなる。これに対し、実施の形態１〜３は、アーク時間が最小となるように位相制御を実施するので、このような場合にも、電極接点の消耗を低減することができる。なお、直流成分が存在する故障電流は、例えば発電機の近傍で短絡故障が発生した場合に生ずる。

実施の形態４．
本実施の形態では、電流推定部４による故障電流発生後の電流波形の推定方法について説明する。なお、本実施の形態に係る電力開閉制御装置の構成は、実施の形態１〜３の構成と同一であるので、ここでは説明を省略する。

電流波形の推定手順は以下のとおりである。なお、以下の各処理の主体は電流推定部４である。
（ａ）波形取り込み開始時刻から一定時間Ｔ_r内におけるｎ点分の故障電流波形を取り込む。
（ｂ）マトリックスペンシル（Matrix Pencil）法により残差行列[Ｂ]および固有値λ_iを算出する。
（ｃ）残差行列[Ｂ]および固有値λ_iをもとに、時間ｔにおける故障電流推定波形ｙ(t)を生成する。

実施の形態１では、ｙ(t)を下記（２）式の右辺のように仮定し、

例えば最小二乗法を用いて波形パラメータを決定した。本実施の形態では、マトリックスペンシル法を用いることで、ｙ(t)を推定する。なお、マトリックスペンシル法の詳細は、例えば、`Computational Methods for Electric Power Systems, Second Edition, Mariesa L. Crow, CRC Press'に記載されている。

マトリックスペンシル法の概要について説明する。マトリックスペンシル法は、故障電流の計測値である故障電流波形ｙ（ｋ）を以下の（３）式で表したときに、固有値λ_iおよび残差行列[Ｂ]を求める方法を与える。

ここで、Ｍはモード数、Δｔはサンプリング時間間隔，ｋはサンプリング番号（＝０，１，・・・，ｎ−１）。また、Ｂ_iは初期値であり、残差行列[Ｂ]の対角成分である。

図６は、固有値λ_iおよび残差行列[Ｂ]の算出処理を示したフローチャートである。まず、電流推定部４は、故障電流波形ｙ（ｋ）（ｋ＝０，１，・・・，ｎ−１）を取り込み（Ｓ２０）、取り込んだ故障電流波形ｙ（ｋ）から、以下の行列[Ｙ]を生成する（Ｓ２１）。

ここで、Ｎ＝ｎ−１であり、Ｌはペンシルパラメータ（pencil parameter）である。ペンシルパラメータは、例えば、Ｌ＝Ｎ／２とすることができる。

次に、電流推定部４は、行列[Ｙ]を、[Ｙ]＝[Ｕ][Ｓ][Ｖ]^Tとして特異値分解し、行列[Ｕ],[Ｓ],[Ｖ]を得る（Ｓ２２）。ここで、[Ｓ]は特異値を対角成分に持つ行列である。また、[Ｕ]，[Ｖ]は実ユニタリー行列であり、それぞれ[Ｙ][Ｙ]^T，[Ｙ]^T[Ｙ]の固有ベクトルを含んでいる。また、Ｔは転置を表す。[Ｕ]，[Ｓ]，[Ｖ]を成分で表すと、次のとおりである。

次に、電流推定部４は、特異値分解により得た[Ｖ]から一部の行列要素を抽出して[Ｖ_１],[Ｖ_２]を得る（Ｓ２３）。具体的には、電流推定部４は、予め定められたパラメータＭをもとに、特異値の大きい順にＭ個だけ採用して有効成分数を制限する。

次に、電流推定部４は、[Ｖ_１],[Ｖ_２]から、行列[Ｙ_１],[Ｙ_２]を生成する（Ｓ２４）。ここで、
[Ｙ_１]＝[Ｖ_１]^T×[Ｖ_１]
[Ｙ_２]＝[Ｖ_２]^T×[Ｖ_１]
である。

次に、電流推定部４は、下記（１０）式を解くことにより、行列[Ｙ_１],[Ｙ_２]の一般化固有値からなるベクトル[ｚ]を算出する（Ｓ２５）。

ただし、[Ｂ]は残差行列、[Ｉ]はＭ×Ｍの単位行列であり、[Ｚ₀]〜[Ｚ_２]は次のとおりである。

次に、電流推定部４は、[ｚ]＝（z₁,z₂,・・・,z_M）^Tから、固有値ベクトル[λ]を求める（Ｓ２６）。

また、電流推定部４は、以下の関係から残差行列[Ｂ]を求める（Ｓ２７）。

さらに、電流推定部４は、上記（１４）式および（１５）式より得られた固有値λ_iおよびＢ_iを下記（１６）式に代入することにより、任意の時刻ｔにおける故障電流推定波形ｙ（ｔ）を算出する。

このように、マトリックスペンシル法は、行列計算に基づき、かつ、振幅（特異値）の大きい成分を抽出して計算をするため、計算処理時間が短縮されると共に計算精度も向上する。

以上説明したように、本実施の形態によれば、マトリックスペンシル法を用いて複周波の合成波形としての電流波形を推定するようにしたので、計算処理時間が短縮されると共に計算精度も向上する。

以上のように、本発明は、電力開閉制御装置およびその開極制御方法として有用である。

１ 電力開閉制御装置、３ 電流計測部、４ 電流推定部、５ 目標開極時刻決定部、６ 開極制御部、７ 開極時間予測部、８ 動作環境条件、１０ 電源、１１ 遮断器、１２ 主回路、１３ 送電線、１４ 計器用変流器、１５ 計器用変圧器、２０ 保護リレー、２１ ＡＮＤ回路。

Claims (10)

1. 電力系統に設けられた遮断器に接続される主回路の電流を計測する電流計測部と、
   この電流計測部により計測された電流計測値に基づいて、故障電流を検出すると共に、前記故障電流を検出した時刻から予め設定された一定時間計測された電流波形に基づいて、前記一定時間経過後の電流波形を推定する電流推定部と、
   前記電流推定部により推定された電流波形から得られる電流が零となる時刻である電流零点、予測される開極時間、および前記遮断器の電極接点開離後、電極接点間のアークが消弧されるまでに必要な最小の時間である最小アーク時間を用い、前記開極時間と前記最小アーク時間との和を前記電流零点から差し引いた時刻を目標開極時刻として決定する目標開極時刻決定部と、
   最も直近の前記目標開極時刻に達するまでの待機時間を算出し、当該待機時間だけ待機し、当該目標開極時刻に達した時に前記遮断器を遮断するための遮断制御信号を送出する開極制御部と、
   を備えることを特徴とする電力開閉制御装置。
2. 前記一定時間は、電流零点が高々１個含まれるような長さであることを特徴とする請求項１に記載の電力開閉制御装置。
3. 前記電流推定部は、複周波の合成波として電流波形を推定することを特徴とする請求項１または２に記載の電力開閉制御装置。
4. 前記電流推定部は、最小二乗法で前記電流波形を推定することを特徴とする請求項１または２に記載の電力開閉制御装置。
5. 前記電流推定部は、マトリックスペンシル法で前記電流波形を推定することを特徴とする請求項１または２に記載の電力開閉制御装置。
6. 前記電流推定部は、前記電流計測部により計測された電流計測値を用いて電流実効値を算出し、当該電流実効値が予め設定された閾値以上である場合に、故障電流を検出することを特徴とする請求項１または２に記載の電力開閉制御装置。
7. 前記遮断器の開極時間を予測する開極時間予測部を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の電力開閉制御装置。
8. 前記電力系統には保護リレーが設けられると共に、前記保護リレー、前記開極制御部、および前記遮断器に接続されたＡＮＤ回路が設けられ、
   前記ＡＮＤ回路は、前記保護リレーによる故障電流検出後に前記保護リレーから出力される遮断制御信号としての保護リレー制御出力が入力され、かつ、前記開極制御部から前記遮断制御信号が入力されたときに、前記遮断器に前記遮断制御信号を出力することを特徴とする請求項１または２に記載の電力開閉制御装置。
9. 前記電力系統には保護リレーが設けられ、
   前記保護リレーによる故障電流検出後に前記保護リレーから出力される遮断制御信号としての保護リレー制御出力が前記開極制御部に入力され、
   前記開極制御部は、前記保護リレーから保護リレー制御出力が入力された時に、最も直近の前記目標開極時刻に達するまでの待機時間を算出し、当該目標開極時刻に達した時に前記遮断器に前記遮断制御信号を出力することを特徴とする請求項１または２に記載の電力開閉制御装置。
10. 電力系統に設けられた遮断器を開閉制御する電力開閉制御装置の開極制御方法であって、
    前記電力開閉制御装置が、前記遮断器に接続される主回路の電流を計測するステップと、
    前記電力開閉制御装置が、計測された電流計測値に基づいて、故障電流を検出すると共に、前記故障電流を検出した時刻から予め設定された一定時間計測された電流波形に基づいて、前記一定時間経過後の電流波形を推定するステップと、
    前記電力開閉制御装置が、推定された電流波形から得られる電流が零となる時刻である電流零点、予測される開極時間、および前記遮断器の電極接点開離後、電極接点間のアークが消弧されるまでに必要な最小の時間である最小アーク時間を用い、前記開極時間と前記最小アーク時間との和を前記電流零点から差し引いた時刻を目標開極時刻として決定するステップと、
    前記電力開閉制御装置が、最も直近の前記目標開極時刻に達するまでの待機時間を算出し、当該待機時間だけ待機し、当該目標開極時刻に達した時に前記遮断器を遮断するための遮断制御信号を送出するステップと、
    を含むことを特徴とする電力開閉制御装置の開極制御方法。
    

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