(57)【要約】【課題】  風力エネルギーや太陽光エネルギーなどの自然エネルギーを利用した発電設備のように出力の周波数が不規則に変動するものでも高精度の周波数検出を行うことのできる周波数検出装置を提供する【解決手段】  電力系統の電気量をサンプリング周期Ｔでサンプリングしてメモリ部５に格納する。周波数演算部６は、メモリ部に格納された複数回分の瞬時値データを取得し、サンプリング位置ｍ、サンプリングステップｎにおける前記電気量の瞬時値をＸｍとし、取得した前記瞬時値データを下記式に基づき演算して電力系統の周波数ｆを求める。    【数８】2014013155.tif 000010【選択図】        図１
2014013155.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力系統の電気量をサンプリング周期Ｔでサンプリングして得られた複数回分の瞬時値データを取得し、
サンプリング位置ｍ、サンプリングステップｎにおける前記電気量の瞬時値をＸｍとし、取得した前記瞬時値データを下記式に基づき演算して電力系統の周波数ｆを求める演算部
【数７】
2014013155.tif 000009
を備えたことを特徴とする周波数検出装置。
【請求項２】
前記ｎは、１であることを特徴とする請求項１に記載の周波数検出装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の周波数検出装置と、
その周波数検出装置で求めた周波数ｆに基づき動作するリレー演算部とを備えたことを特徴とする周波数リレー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、系統周波数を求める周波数検出装置及びそれを用いた周波数リレーに関するもので、より具体的には所定周期のサンプリングにより得られる電力系統の瞬時値データを使用して、系統周波数演算を行う演算方法の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
周波数リレーは、たとえば系統周波数を監視し、その周波数が設定された上限値／下限値を超えたか否かを検出するリレーであり、負荷制限やタービン発電機の保護に用いられる。また、風力エネルギーや太陽光エネルギーなどの自然エネルギーは、発電条件が時間的に不規則に変動する。従って、自然エネルギー発電設備を電力系統に連係すると電力周波数が変動することが想定されるため、電力周波数を高速に検出し、監視することが必要となり、周波数リレーは係る監視に適用されることが予測される。
【０００３】
電力系統の交流信号周波数を検出する方法として、従来から種々の方法が知られている。例えば、動作原理で区分けすると、共振形、計数形、ディジタル演算形などがある。共振形は、共振回路の周波数特性を利用した方式で、共振回路の出力電圧の位相差が周波数の大きさによって大きく変化するような共振回路の定数を選定することにより、周波数の変化を共振回路の入力電圧と出力電圧間の位相変化として検出する方式である。位相差を位相検出回路で検出することにより周波数の大きさを判定する。
【０００４】
計数形は、系統電圧の零点から零点までの間を一定周波数のカウンタで時間計測する方式である。上記の共振形と比較して、カウンタ周波数を高くすることにより検出精度を高めることが可能となる。
【０００５】
ディジタル演算形は、一定時間間隔でサンプリングしたデータを使用して周波数を算出する方式である。例えば、電圧波形の零クロス点と零クロス点前後のサンプリング点との時間間隔を直線近似法により補間して算出する方式がある。このディジタル演算形の周波数リレーにおける周波数の算出アルゴリズムとしては、例えば特許文献１に開示された正弦波交流信号の周波数検出方法がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平７−７７５４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
周波数変動が生じるとサンプリング周波数と電力系統の電気量との間に成立していた周期性が成り立たなくなり、ディジタル演算形による周波数検出方式では、周波数変動に起因した誤差を含むものとなる。
【０００８】
そこで、周波数変動に起因した誤差低減について、例えば特許文献１には入力周波数が変化したときのサンプリング間隔の位相変化を検出し、基準周波数からのずれを補正することにより周波数検出する提案がある。しかしながら、検出する周波数は、近似式による補正のため、精度よく検出できる周波数帯域が基準周波数付近に限定されるといった問題がある。
【０００９】
さらに、風力エネルギーや太陽光エネルギーなどの自然エネルギーを利用した発電設備は、出力の周波数が不規則に変動するため、電力系統の監視をするためより高精度の周波数検出を行う必要がある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述した課題を解決するために、本発明は、（１）電力系統の電気量をサンプリング周期Ｔでサンプリングして得られた複数回分の瞬時値データを取得し、サンプリング位置ｍ、サンプリングステップｎにおける前記電気量の瞬時値をＸｍとし、取得した前記瞬時値データを下記式に基づき演算して電力系統の周波数ｆを求める演算部
【００１１】
【数１】
2014013155.tif 000003
【００１２】
を備えて構成した。上記の演算式を用いることで、周波数変動があっても精度良く電力系統の周波数を求めることができる。よって例えば風力エネルギーや太陽光エネルギーなどの自然エネルギーを利用した発電設備のように出力の周波数が不規則に変動するものであっても周波数を精度良く求めて電力系統の監視をすることができる。電気量は、例えば電圧あるいは電流とすると良い。そして、負荷変動による影響の少ない電圧がより良い。
【００１３】
（２）前記ｎは、１とするとよい。このようにすると、現在のサンプル位置ｍの瞬時値データＸｍと、１回前、２回前、４回前までのサンプル位置の瞬時値データを用いて周波数を求めることができるので、記憶保持する期間を短くすることができ、瞬時値データを記憶する記憶部のメモリ容量も小さくて済む。
【００１４】
（３）本発明に係る周波数リレーは、上記（１）または（２）に記載の周波数検出装置と、その周波数検出装置で求めた周波数ｆに基づき動作するリレー演算部とを備えるようにした。（１），（２）に記載の周波数検出装置は、周波数変動があっても精度良く周波数を求めることができるので、例えば分散電源の増加により周波数変動が大きくなってもその時の周波数を精度良く求め、適切な周波数リレー動作を行い設備の保護をすることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明では、例えば風力エネルギーや太陽光エネルギーなどの自然エネルギーを利用した発電設備は、出力の周波数が不規則に変動するようなものであっても高精度の周波数検出を行うことができ、電力系統の監視・保護を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係る周波数リレーの好適な実施形態を示すブロック図である。
【図２】本実施形態の効果を示す誤差率の特性図である。
【図３】従来例の誤差率の特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１は本発明の好適な一実施形態を示している。本実施形態において、周波数リレーは、周波数検出装置１０と、リレー演算部１１とから構成される。周波数検出装置１０は、アナログフィルタ１、サンプルホールド回路２、Ａ／Ｄ変換部３、デジタルフィルタ４、メモリ部５、周波数演算部６を備えている。電気量は、例えば、電力系統の電圧ｖとする。電流等の他の電気量を用いることもできるが、電圧の方が負荷変動の影響が小さいため、本実施形態では電圧とした。
【００１８】
アナログフィルタ１は、例えばバンドパスフィルタであり、電力系統に連係され、所定の電気量（アナログデータ）に応じた検出信号を受けると、通過帯域の周波数成分を通過し、次段のサンプルホールド回路２へ送る。通過帯域は、例えば定格周波数（例えば５０Ｈｚ）並びに、周波数変動を生じる範囲を含む周波数領域とし、高調波成分や雑音等をカットする範囲とするとよい。
【００１９】
サンプルホールド回路２は、所定のサンプリング周期で瞬時値データをラッチする。例えば電力系統の定格周波数が５０Ｈｚの場合、１２倍のサンプリング周波数は６００Ｈｚ、周期Ｔ＝１／６００秒となる。サンプリング間隔は、例えば定格周波数が５０Ｈｚでは電気角３０°となる。ここでは、電気角３０°でサンプリングしたが、さらに短い周期で細かくサンプリングするとよい。
【００２０】
Ａ／Ｄ変換部３は、サンプルホールド回路２でサンプリングされた各相の瞬時値データ（アナログデータ）をデジタルデータに変換する。デジタルデータに変換された瞬時値データは、デジタルフィルタ４を介してメモリ部５に格納される。メモリ部５は、ＲＡＭ等の揮発性メモリから構成され、取得した瞬時値データが時々刻々と格納される。よって、メモリ部５には、現在のサンプリング位置ｍにおける瞬時値Ｖｍ−０、サンプリング位置ｍよりも１つ前のサンプリング位置における瞬時値Ｖｍ−１、２つ前のサンプリング位置における瞬時値Ｖｍ−２、……と、時系列に一定期間分の瞬時値データが記憶保持される。
【００２１】
周波数演算部６は、メモリ部５に記憶した現在並びに所定の過去の瞬時値データを抽出し、抽出した瞬時値データを用いて現在の系統周波数を求める。そして、求めた系統周波数をリレー演算部１１に与える。具体的には、周波数演算部６は、メモリ部５から現在の瞬時値データＶｍ−０と、１つ前の瞬時値データＶｍ−１と、２つ前の瞬時値データＶｍ−２、４つ前の瞬時値データＶｍ−４を抽出し、下記式（１）に代入して現在の周波数ｆを求める。なお、下記式中、Ｔはサンプリング周期である。
【００２２】
【数２】
2014013155.tif 000004
・・・ （１）
【００２３】
リレー演算部１１は、周波数演算部６で求めた周波数ｆに基づき、所定のリレー演算を実行し、その結果を出力する。例えば、リレー演算部１１は、周波数ｆが設定した上限値・下限値を超えたか否かによりＯＮ／ＯＦＦを切り換える動作を行う。このリレー演算部１１では、系統操作や系統事故により入力電圧に位相急変が発生した場合にフィルタの影響によりデータ異常となる可能性があるため、複数回動作判定を実施する。例えば、１／２サイクル毎に動作判定するとともに４サイクル（７回）動作側と判定したときにリレー出力する構成とする。
【００２４】
周波数演算部６における機能、すなわち、上記の式（１）により周波数変動に関係なく周波数が精度良く求められる原理は以下の通りである。まず、取り込む電気量は、電力系統の電圧ｖであり、それは正弦関数なので、時刻ｔでの瞬時値ｖ（ｔ）は、
ｖ（ｔ）＝Ｖ・ｓｉｎ（ωｔ）    ・・・ （２）
となる。ここで、Ｖ は電圧の振幅値、ωは電圧の角周波数である。角周波数ωは電力系統の周波数ｆに関してω＝２πｆという関係になる。
【００２５】
電圧ｖ（ｔ）は各相において所定周期のサンプリングにより得ており、本実施形態では、電力系統において定格周波数の１２倍のサンプリング周波数により電圧の瞬時値をサンプリングして記憶する。よって電力系統の定格周波数が５０Ｈｚの場合、その１２倍をサンプリング周波数とすると６００Ｈｚとなり、サンプリングの周期Ｔは１／６００ｓｅｃとなる。すると、上記の式（２）は、
ｖ（ｋＴ）＝Ｖ・ｓｉｎ（ωｋＴ）    ・・・ （３）
と表すことができる。
【００２６】
ここで、Ｖは電圧の振幅値、電気量において添え字ｋは瞬時値データの時点を意味し、瞬時値データの時点ｋは１，２，３，・・・という値をとることになる。
一方、電力系統の周波数ｆの変動（周波数変動率α）は基本周波数ｆｂに関して、
α=（ｆ−ｆｂ）／ｆｂ      ・・・（４）
と定義する。例えば基本周波数ｆｂが５０Ｈｚであるとき、電力系統の周波数ｆが６０Ｈｚに変動したのであれば周波数変動率αは０．２となる。
【００２７】
周波数変動率αを考慮すると、上記式（３）は
ｖ（ｋＴ）＝Ｖ・ｓｉｎ｛ω（１＋α）ｋＴ｝    ・・・ （５）
となる。
【００２８】
サンプリングは、サンプリング位置をｍとして、ある時点ｋを基準時点（ｍ−０）とおくことができ、基準時点ｋ＝ｍ−０における電圧は、
Ｖｍ−０＝Ｖ・ｓｉｎ｛ω（１＋α）（ｍ−０）Ｔ｝    ・・・ （６）
となる。
【００２９】
同様に基準時点からのｎサンプリング時点ｋ＝ｍ−ｎにおける電圧は、
Ｖｍ−ｎ＝Ｖ・ｓｉｎ｛ω（１＋α）（ｍ−ｎ）Ｔ｝    ・・・ （７）
となる。ここで、ｎ＝０，１，２・・・である。
【００３０】
上述した式（１）に各サンプリング位置での電圧値を代入すると下記の通りとなり、系統周波数が算出できる。
【００３１】
【数３】
2014013155.tif 000005
上記の詳細な式の展開を示すと以下の通りであり、上記の展開が正しいことが分かる。
【００３２】
【数４】
2014013155.tif 000006
【００３３】
【数５】
2014013155.tif 000007
【００３４】
従って、周波数演算部６にて式（１）を適用して周波数ｆを求めることは、ｆ＝ｆｂ（１＋α）なのだから、ｆはαとｆｂで表されるので、周波数演算誤差はない。よって、図２に示すような誤差率の特性となる。同図において、横軸は周波数変動率α、縦軸は周波数演算により算出された周波数演算誤差［Ｈｚ］である。
【００３５】
図３は、特許文献１に開示された技術における誤差率の特性を示している。図２と図３を比較すると明らかなように、本発明では、原理的な検出誤差を含まず、周波数変動の影響を受けない装置となる。
【００３６】
［変形例］
周波数演算部６が用いる演算式は、上述した実施形態で示した式（１）に限ることはなく、各種の変形実施が可能である。そして、電圧に基づいて周波数を求める一般式としては、下記式（８）とするとよい。
【００３７】
【数６】
2014013155.tif 000008
・・・ （８）
【００３８】
上述した実施形態は、式（８）において、ｎ＝１とした形態である。ｎ＝１とすることで、４回前までのサンプリング位置のデータを使用するため、記憶保持するデータ数を少なくすることができ、メモリ部５の容量を小さくできる。一方、ｎ＝２としたり、３以上としたりしても良い。大きい数値となる場合、記憶保持するデータ領域が広い範囲となりメモリ容量は大きくなるが、ノイズやサージなど瞬間的な電気量変化によって生じる演算誤差の影響を小さく抑えるメリットを有する。
上述した実施形態では、電気量として電圧を用いたが、電流その他のものを利用しても良い。但し、電圧の方が、負荷変動の影響も少ないので好ましい。
【符号の説明】
【００３９】
１  アナログフィルタ
２  サンプルホールド回路
３  Ａ／Ｄ変換部
４  デジタルフィルタ
５  メモリ部
６  周波数演算部
１０  周波数検出装置
１１  リレー演算部
【図１】
2014013155.tif 000011
【図２】
2014013155.tif 000012
【図３】
2014013155.tif 000013