JPWO2019043910A1

JPWO2019043910A1 - ディジタル保護継電器、及びディジタル保護継電器の閾値学習方法

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Publication number: JPWO2019043910A1
Application number: JP2019538879A
Authority: JP
Inventors: 俊彦宮内
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2017-09-01
Filing date: 2017-09-01
Publication date: 2019-11-07
Anticipated expiration: 2037-09-01
Also published as: JP6599072B2; KR102259958B1; CN111033922B; KR20200026986A; CN111033922A; WO2019043910A1; EP3678270A4; EP3678270B1; EP3678270A1

Abstract

ディジタル保護継電器は（１）、入力された交流電流を一定間隔でサンプリングを行うＡ／Ｄ変換部（１２）と、サンプリングされたディジタル値から周波数解析を行う演算処理部（１３）と、演算処理部（１３）で抽出された高調波の割合が励磁突入電流に含まれる高調波の割合に基づいて定められた閾値以上のときに遮断動作を阻止する制御部（１４）と、変圧器に流れる励磁突入電流発生時に、発生した励磁突入電流に含まれる高調波含有率から閾値の更新値を算出する閾値学習部（１５）とを備えている。

Description

この発明は、電力系統の例えば変圧器保護に用いられるディジタル保護継電器、及びディジタル保護継電器の閾値学習方法に関するものである。

従来のディジタル保護継電器は、変圧器等を系統に接続した際に流れる励磁突入電流と、系統故障時の故障電流とを区別するために、入力信号に含まれる第２高調波成分を検出し、基本波成分に対する比率が閾値を超えた場合は、励磁突入電流と判定し、故障電流対応時の継電器の過電流保護動作をさせないようにしている（例えば、特許文献１参照）。

特開昭５８−１５４３２０号公報

しかし、変圧器毎に励磁突入電流に含まれる高調波成分は異なるため、一義的に閾値を決めても、変圧器接続時に誤動作する可能性があった。
また、第２高調波含有率の閾値設定はユーザにて実施するが、第２高調波含有率が変圧器毎に異なること、及び計算することが難しいことから、過去の経験値により設定しているのが実情である。このような設定の仕方についての設定値の妥当性は難しく、閾値のマージンが小さい場合、変圧器の経年変化、負荷条件、環境条件（特に温度変化）のばらつきによって変圧器投入時に過電流保護機能が誤動作してしまう問題点があった。
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、変圧器接続時の励磁突入電流を学習して閾値を設定する学習機能を持ち、誤動作の生じない信頼性の高いディジタル保護継電器を得ることを目的とする。

この発明に係わるディジタル保護継電器は、変圧器に流れる交流電流を入力し、過電流検出時に変圧器に接続される遮断器の遮断動作を行うディジタル保護継電器であって、入力された前記交流電流を一定間隔でサンプリングを行うＡ／Ｄ変換部、Ａ／Ｄ変換部でサンプリングされたディジタル値から周波数解析を行う演算処理部、演算処理部で抽出された高調波の割合が励磁突入電流に含まれる高調波の割合に基づいて定められた閾値以上のときに、遮断器の遮断動作を阻止する制御部、変圧器に流れる励磁突入電流発生時に、発生した励磁突入電流に含まれる高調波含有率から閾値の更新値を算出する閾値学習部を備えたことを特徴とする。

この発明のディジタル保護継電器によれば、変圧器接続時に発生する励磁突入電流から閾値学習部で高調波の閾値の更新を行うため、変圧器ごとに異なる励磁突入電流による誤動作を確実に防止することが出来る。

本発明の実施の形態１におけるディジタル保護継電器を電力用変圧器に適用した回路構成図である。本発明の実施の形態１におけるディジタル保護継電器の機能ブロック図である。本発明の実施の形態１におけるディジタル保護継電器のハードウエア構成図である。本発明の実施の形態１におけるディジタル保護継電器の閾値の学習の手順を示すフローチャートである。本発明の実施の形態１におけるディジタル保護継電器に流す励磁突入電流の波形図である。本発明の実施の形態１におけるディジタル保護継電器の表示操作部のイメージ図である。本発明の実施の形態２におけるディジタル保護継電器の閾値の学習の手順を示すフローチャートである。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１のディジタル保護継電器１を電力用変圧器３（以下変圧器と称す）に適用した場合の回路構成図である。電力系統電源（図示せず）には、遮断器２（ＣＢ：ＣｉｒｃｕｉｔＢｒｅａｋｅｒ）を介して被保護対象である変圧器３が接続されている。また、各相毎の交流電流を抽出する主変流器４（ＣＴ：ＣｉｒｃｕｉｔＴｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）が設けられている。変圧器３の低圧側は、ノーヒューズブレーカー（ＭＣＣＢ：ＭｏｌｄｅｄＣａｓｅＣｉｒｃｕｉｔＢｒｅａｋｅｒ）５ａ、５ｂを介して負荷（図示せず）に接続される。主変流器４により抽出された交流電流をディジタル保護継電器１に導入し、系統故障等により発生する過電流（故障電流）からの保護のために、遮断器２の遮断動作を行うことにより、変圧器３が保護されるようになっている。

図２は、本発明の実施の形態１におけるディジタル保護継電器１の機能ブロック図である。図２において、主変流器４により抽出された交流電流Ｉｗは電流計側部１１により適当な大きさに変換される。Ａ／Ｄ変換部１２は、電流計側部１１により変換された交流電流を一定時間間隔でサンプリング（一般には、定格周波数５０ｋＨｚで４．８ｋＨｚの高速サンプリング）し、ディジタルデータに変換する。ディジタルデータは演算処理部１３に入力され、ＦＦＴ（ＦａｓｔＦｏｕｒｉｅｒＴｒａｎｓｆｏｒｍ）またはディジタル加減算処理などのディジタル演算による周波数解析を実施する。周波数解析の結果、制御部１４において、電流の基本波成分に対する第２高調波の割合が閾値以上のときは、励磁突入電流と判定して遮断器２の遮断動作をロックする。閾値学習部１５で、励磁突入電流発生から閾値演算までの一連の学習のための手順を行う。

図３は、本発明の実施の形態１におけるディジタル保護継電器１のハードウエアの一例を示す構成図である。電流計側部はアナログ回路で構成されるが、Ａ／Ｄ変換部１２、演算処理部１３、及び制御部１４は、少なくとも、プロセッサ１００と記憶装置１０１とから構成され、記憶装置１０１には図示していないが、ランダムアクセスメモリ等の揮発性記憶装置と、フラッシュメモリ等の不揮発性の補助記憶装置とを具備する。また、フラッシュメモリの代わりにハードディスクの補助記憶装置を具備してもよい。プロセッサ１００は、記憶装置１０１から入力されたプログラムを実行し、サンプリング、及びＦＦＴによる周波数解析等を実施する。この場合、補助記憶装置から揮発性記憶装置を介してプロセッサ１００にプログラムが入力される。また、プロセッサ１００は、演算結果等のデータを記憶装置１０１の揮発性記憶装置に出力してもよいし、揮発性記憶装置を介して補助記憶装置にデータを保存してもよい。後述する閾値の学習機能も、プログラムとして記憶装置１０１に記憶され、プロセッサ１００で実行されてもよい。また、回路構成によっては、プロセッサに一部ＡＳＩＣを組み合わせた構成としてもよい。

次に本発明の実施の形態１におけるディジタル保護継電器の閾値学習部１５で実行される第２高調波含有率の閾値更新のための学習機能について説明する。ディジタル保護継電器１の設置時に、初期値として、過去の経験から一般に使用される、第２高調波含有率１５％の閾値を制御部１４に記憶しておく。このように初期値として記憶した閾値を、変圧器３の特性、接続されている負荷の条件、又は温度などの環境条件に合わせるため、図４のフローチャートに示す手順で、閾値更新のための学習機能を閾値学習部１５により動作させ、閾値を更新する（以下学習動作と称す）。

まず、閾値学習部１５に外部から学習動作開始のための信号を入力する（ステップＳ１）。次に、制御部１４に遮断器２に遮断器投入信号を出力することを指示し、遮断器２を投入して、変圧器を系統に接続させる（以下、変圧器を投入すると称す。ステップＳ２）。これにより、図５に示すような励磁突入電流Ｉｒをディジタル保護継電器１に流す。励磁突入電流ＩｒはＡ／Ｄ変換部１２でディジタル変換され（ステップＳ３）、過電流の整定値Ｚを超える電流入力時点ｔ１（ステップＳ４）から第２高調波含有率の算出を開始する（ステップＳ５、Ｓ６）。電流入力時点ｔ１の検出は、電流計側部１１または演算処理部１３で行う。標準的に、第１波から第３波まで（図５では、第１波Ａ、第２波Ｂ及び第３波Ｃと称す）を閾値更新のためのデータとして抽出する。しかし、励磁突入電流が小さくなり、例えば第２波Ｂ、第３波Ｃが過電流整定値Ｚ以下となった場合は、閾値更新ためのデータに含めない。抽出した第１波Ａ、第２波Ｂ、及び第３波Ｃのディジタルデータを演算処理部１３にて周波数解析を行い、それぞれの波から第２高調波含有率を算出する。このように算出した、それぞれの波の第２高調波含有率の和に０．５倍を乗じた値を１回目の学習の閾値として初期値を更新する（ステップＳ７）。接続される負荷の数や気温によって励磁突入電流は変化することから、±５％ほどのマージンを見込んでおいてもよい。第３波の解析が終了し（ステップＳ１２）、学習動作を終了した後は、上述した通り、故障電流発生時に遮断動作を行う継電器として運用する。

学習動作は１回でも良いが、複数回実施すると、励磁突入電流の判定精度が向上する。従って、設置時の動作試験の際に変圧器３の投入を複数回行い複数の励磁突入電流を発生させて閾値を算出してもよい。また、負荷の停止期間が長期にわたる場合などは、電力系統から負荷を切り離すために遮断器２を遮断し、停止期間終了後に変圧器３を再投入する。この際に学習動作を行い、変圧器の経年変化に対応して、励磁突入電流から閾値を算出することもできる。複数回の学習動作を実施した場合は、複数個の第２高調波含有率の平均値μと標準偏差σを算出し、ばらつきの９９．７％を包含する平均値μから３σの下限側の値、または、誤動作防止を強化する目的から、平均値μから４σの下限側の値を閾値として更新する。ただし、接続された負荷の影響で、励磁突入電流が過電流整定値以上ではあるが、その電流値が小さく、第２高調波の含有率も小さい場合、例えば１０％以下の場合などは、平均値μから３σ、又は４σを閾値とすると、過電流の際の遮断動作に支障をきたす恐れもあるので、平均値μから２σの下限側を閾値として設定してもよい。また、変圧器が複数個存在する場合は、各変圧器ごとに学習動作を実施し、それぞれの閾値をディジタル保護継電器に設定することができる。

図６は、本発明の実施の形態１のディジタル保護継電器１の表示操作部１ａのイメージ図である。表示ランプ６は、それぞれ動作状態をランプの点灯または点滅で示し、遮断器ＯＮランプ６ａは遮断器２の投入時に点灯させる。遮断器ＯＦＦランプ６ｂは遮断器２の開放時に点灯させる。過電流保護機能動作ランプ６ｃは、故障電流発生の際に保護動作により遮断器２が開放されたときに点滅する。システム異常ランプ６ｄは、ディジタル保護継電器１に異常が発生した際に点灯する。学習動作ランプ６ｅは、閾値更新のための学習動作期間、点滅させる。スイッチ７は、機器の動作のＯＮ、ＯＦＦを行うスイッチであり、スイッチ７ａは、遮断器２の投入動作を行う。スイッチ７ｂは、遮断器の開放動作を行う。スイッチ７ｃは、遠隔操作を行うためのリモートスイッチである。スイッチ７ｄは、ディジタル保護継電器の異常状態をリセットする際のリセットスイッチである。スイッチ７ｅは、閾値の学習動作を開始させるための学習動作開始スイッチである。

スイッチ７ｅをＯＮとするか、または遠隔操作によりスイッチ７ｅをＯＮ状態とすることで、図３で説明した閾値の学習動作を開始する。この際、学習動作ランプ６ｅが点滅するため、操作者が容易に学習動作開始を視認できる。学習動作開始中にスイッチ７ａを手動でＯＮとするか、または学習動作開始に連動して自動的に遮断器２が投入されると、遮断器ＯＮランプ６ａが点灯する。学習動作が終了すると、学習動作ランプ６ｅは消灯するが、遮断器ＯＮランプ６ａは点灯したままとなり、継電器としての運用が開始されたことが視認できる。学習動作の終了により、液晶表示部８に学習動作回数と更新された閾値が表示される。

このように、本発明の実施の形態１のディジタル保護継電器は、閾値学習部の学習動作により変圧器投入時に励磁突入電流の第２高調波の閾値の更新を行うため、変圧器ごとに異なる励磁突入電流に応じて閾値を変更できると共に、変圧器の経年変化、接続される負荷条件、環境条件などによる励磁突入電流の変化に追随して閾値を更新することができ、励磁突入電流による誤動作を確実に防止することが出来る。

実施の形態２．
実施の形態１のディジタル保護継電器では、励磁突入電流Ｉｒの第２高調波含有率から閾値を算出したが、演算処理部１３にＦＦＴを用いるため、第２高調波のみではなく、更に高次の高調波を抽出して含有率を算出することが容易となる。図７は、第２高調波より高次の高調波を含めて閾値を更新するための、閾値学習部１５で実行される１回目の学習動作のフローチャートである。図中、図４と同じ符号は同一または相当の動作を示すため、説明を省略する。演算処理部１３による周波数解析により、第３高調波、第４高調波を抽出し（ステップＳ５）、第２高調波と同様に、電流の基本波成分に対する第１波Ａ、第２波Ｂ、及び第３波Ｃ（図５参照）の第３高調波含有率、及び第４高調波含有率を算出し（ステップＳ８、Ｓ９）それぞれの和に０．５倍を乗じた値を１回目の学習の閾値として設定する（ステップＳ１０、Ｓ１１）。なお、第３高調波含有率、及び第４高調波含有率の閾値の初期値は設定せず、１回目の学習動作前の段階では、第２高調波の含有率の初期値のみで励磁突入電流の判定を行う。また、学習動作を複数回行い、閾値を更新する手順は、実施の形態１で説明した手順と同様である。

第２高調波含有率、第３高調波含有率、及び第４高調波含有率のそれぞれの閾値を用いた励磁突入電流の判断は、制御部１４で行われ、それぞれの高調波の含有率が閾値以上であるときに、励磁突入電流であると判断してもよいが、それぞれの閾値に優先順位を付けて判断してもよく、重みづけをして判断してもよい。優先順位の判断の例としては、ディジタル保護継電器１に導入された交流電流が第２高調波含有率の閾値に満たないが−５％のマージン内にある場合、第３高調波含有率、及び第４高調波含有率のそれぞれが閾値以上であるときに励磁突入電流と判断するなどである。また、重みづけの判断の例としては、第２高調波含有率の閾値を平均値μから４σの下限として励磁突入電流の判断の範囲を広げて粗く判断し、第３高調波含有率の閾値、第４高調波含有率の閾値を平均値から３σとして閾値を高めに設定して細かく判断し、これら全ての閾値の条件を満たした時に励磁突入電流と判断するなどである。なお、第２高調波と組み合わせる高調波は、第３、第４高調波に限るものではなく、さらに高次高調波との組合せでも、直流成分との組合せでもよい。これらの組合せで励磁突入電流の判断をする際は、判断の精度が向上するように、組合せの優先順位、重みづけを行う。

このように、本発明の実施の形態２のディジタル保護継電器は、第２高調波含有率の閾値に加えて、その他の高調波、又は直流成分に閾値を設定し、これらを組み合わせて判断することにより、各変圧器の励磁突入電流の特徴に応じた判断を行うことができ、さらに判断の精度を向上させ誤動作を防止することができる。

本発明の実施の形態１及び実施の形態２において、閾値学習部１５と制御部１４を別に説明したが、制御部１４内に閾値学習部１５を設けても構わない。また、Ａ／Ｄ変換部１２、演算処理部１３、制御部１４、及び閾値学習部はプログラムとしてプロセッサで実行されてもよい。
なお、この発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１ディジタル保護継電器、２遮断器、３変圧器、１１電流計側部、１２Ａ／Ｄ変換部、１３演算処理部、１４制御部、１５閾値学習部。

この発明に係るディジタル保護継電器は、変圧器に流れる交流電流を入力し、過電流検出時に前記変圧器に接続される遮断器の遮断動作を行うディジタル保護継電器であって、入力された前記交流電流を一定間隔でサンプリングを行うＡ／Ｄ変換部、Ａ／Ｄ変換部でサンプリングされたディジタル値からフーリエ変換による周波数解析を行う演算処理部、演算処理部で抽出された高調波の割合が励磁突入電流に含まれる高調波の割合に基づいて定められた閾値以上のときに遮断器の遮断動作を阻止する制御部、外部からの指令により、制御部の動作を中断し、閾値更新のための学習フローを行う閾値学習部を備え、学習フローの学習動作開始に連動し、遮断器を投入し、変圧器を接続した際に生じる励磁突入電流の少なくとも３つの波のうち、予め定められた電流値以上の波の周波数解析を行い、周波数解析された高調波に基づいて閾値を更新し、学習動作終了後に前記制御部の動作を再開することを特徴とする。

Claims

変圧器に流れる交流電流を入力し、過電流検出時に前記変圧器に接続される遮断器の遮断動作を行うディジタル保護継電器において、入力された前記交流電流を一定間隔でサンプリングを行うＡ／Ｄ変換部、前記Ａ／Ｄ変換部でサンプリングされたディジタル値から周波数解析を行う演算処理部、前記演算処理部で抽出された高調波の割合が励磁突入電流に含まれる高調波の割合に基づいて定められた閾値以上のときに前記遮断器の遮断動作を阻止する制御部、前記変圧器に流れる励磁突入電流発生時に、発生した励磁突入電流に含まれる高調波含有率から閾値の更新値を算出する閾値学習部を備えたことを特徴とするディジタル保護継電器。
前記閾値の更新値を算出するための高調波含有率は第２高調波の含有率であることを特徴とする請求項１記載のディジタル保護継電器。
前記閾値の更新値を算出するための高調波含有率は第２高調波、第３高調波、及び第４高調波の含有率であることを特徴とする請求項１記載のディジタル保護継電器。
閾値の学習動作開始により遮断器を投入し、変圧器に流れる励磁突入電流をディジタル値に変換し、前記ディジタル値の高調波含有率から閾値を算出し、算出した閾値により既存の閾値を更新し、更新された閾値以上の高調波含有率の交流電流を励磁突入電流と判断することを特徴とするディジタル保護継電器の閾値学習方法。