(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
保護対象回路の電気量を入力して、所定のサンプリング間隔でアナログ／ディジタル変換する入力処理部と、
前記入力処理部に入力した入力電気量の振幅値を算出する振幅値演算部と、
前記振幅値演算部によって得られた振幅値に基づいて、前記保護対象回路についての保護動作を行うか否かの判定を行う動作判定部を備え、
前記振幅値演算部は、
前記入力処理部に入力した入力電気量に基づいて、当該入力電気量の周波数を特定する周波数特定部と、
前記周波数特定部が特定した周波数における現時点の入力電気量並びに複数の過去の入力電気量と、現時点の入力電気量に対する複数の過去の入力電気量の位相差をそれぞれ求める位相差算出部と、
前記位相差算出部によって得られた複数の過去の入力電気量と現時点の入力電気量に対する複数の過去の入力電気量の位相差に基づいて、現時点の電気量と位相が四半周期ずれる電気量である直交電気量を演算する直交電気量演算部とを備え、
前記振幅値演算部は、前記現時点の電気量と前記直交電気量に基づいて、前記入力電気量の振幅値を演算する保護継電装置。
【請求項２】
前記位相差算出部は、現時点の入力電気量と１サンプリング前乃至４サンプリング前の入力電気量との各位相差を算出するものであり、
前記直交電気量演算部が、前記位相差算出部が算出した各位相差およびそれに対応する入力電気量に基づいて、前記直交電気量を算出する請求項１に記載の保護継電装置。
【請求項３】
前記周波数特定部は、前記入力電気量の二以上の零クロス点の間隔幅を、その間のサンプリング数を計数することによって計測し、計数したサンプリング数を現時点および過去の入力電気量に基づいて補正する請求項２に記載の保護継電装置。
【請求項４】
前記周波数特定部は、
前記入力電気量が入力される度に現時点およびその１サンプリング前の入力電気量を比較することによって、前記入力電気量の増加側ピーク値および減少側ピーク値を判別し、
前記入力電気量の増加側ピーク値および減少側ピーク値の絶対値の平均を前記入力電気量の大きさとして算出し、
前記入力電気量が入力される度に現時点および所定時間前の入力電気量の差分量を算出し、現時点およびその１サンプリング前の前記差分量を比較することによって、前記差分量の増加側ピーク値および減少側ピーク値を判別し、
前記差分量の増加側ピーク値および減少側ピーク値の絶対値の平均を前記差分量の大きさとして算出し、
算出した前記入力電気量および前記差分量の大きさに基づいて前記入力電気量の周波数を特定する請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の保護継電装置。
【請求項５】
前記振幅値演算部は、前記周波数特定部が周波数を特定する前に前記入力電気量のデータから所定時間の移動平均により高調波成分を除去する高調波成分除去部を有する請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の保護継電装置。
【請求項６】
前記振幅値演算部は、前記周波数特定部が周波数を特定する前に前記入力電気量のデータから増加側ピーク値と減少側ピーク値を判別することによって直流成分を算出し、当該直流成分を除去する直流成分除去部を有する請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の保護継電装置。
【請求項７】
前記振幅値演算部は、前記高調波成分除去部で移動平均として算出した現時点から所定サンプリング前の前記入力電気量の総和を、所定の非線形関数若しくは非線形近似式を用いて算出したゲインで除算して補正するゲイン補正部を有する請求項５に記載の保護継電装置。
【請求項８】
保護対象回路の２種類の電気量を入力して、所定のサンプリング間隔でアナログ／ディジタル変換する入力処理部と、
前記入力処理部に入力した２種類の入力電気量の振幅値を算出する振幅値演算部と、
前記２種類の入力電気量の位相差を算出する位相差算出部と、
前記振幅値演算部によって得られた前記入力電気量の振幅値と、前記２種類の入力電気量の位相差に基づいて、前記保護対象回路についての保護動作を行うか否かの判定を行う動作判定部を備え、
前記振幅値演算部は、
前記２種類の入力電気量を量子化して、そのベクトル差とベクトル和を求めるベクトル化処理部と、
前記２種類の入力電気量とそのベクトル差およびベクトル和について、その現時点の入力電気量と現時点と異なるタイミングの入力電気量に基づいて、増加側ピーク値と減少側ピーク値を算出するピーク値算出部と、
前記増加側ピーク値と減少側ピーク値に基づいて、前記２種類の入力電気量とそのベクトル差およびベクトル和の大きさを算出する大きさの算出部を備え、
前記位相差算出部は、前記大きさの算出部で得られた前記２種類の入力電気量とそのベクトル差およびベクトル和の大きさに基づいて、前記２種類の入力電気量の位相差を算出するものである保護継電装置。
【請求項９】
前記動作判定部は、前記２種類の入力電気量の大きさおよび前記位相差に基づいて、保護対象回路のインピーダンスを算出して、当該インピーダンスに基づいて警告または遮断の動作判定を行う請求項８に記載の保護継電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、例えば高出力の大型電動機等に用いられる保護継電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、大型電動機の高出力化に伴い、その保護が重要性を増してきている。その保護のため、例えば、ディジタル保護継電装置が用いられている。このディジタル保護継電装置は、入力電気量をディジタル化して、それに基づいて入力電気量の振幅値等を演算し、その振幅値に基づいて、事故が発生したか否かの判定を行うものである。
【０００３】
ところで、従来のディジタル保護継電装置では、振幅値を算出するために、定格周波数５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの基本波とサンプリング周波数の特徴を利用しているものがある。振幅値演算において、例えば、サンプリング周波数が基本波の１２倍（サンプリング間隔が電気角３０°）の場合、電気角３０°ごとのデータを６点加算（半波分の面積を計算）する方式や、電気角９０°の瞬時値の絶対値の和および差から演算した結果をさらに過去３サンプリング分加算する方式などがある。
【０００４】
その他、系統周波数の上昇または低下を検出する周波数継電装置があり、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、これに極性の変化しないデータ時間間隔を加え、１周期分の時間を演算するものがある。
【０００５】
周波数を検出する方法としては、次のようなものも提案されている。
(1) サンプリング値の極性変化から零点の存在を検知する。
(2) 零点に対するサンプリングの位相時間差を当該零点の直前および直後のサンプリング値から逆三角関数演算により算出する。
(3) 前回の零点から今回の零点までの検出区間の時間を位相時間差とこの間のサンプリング回数に基づいて算出する。
(4) 検出区間の逆数により正弦波の交流の周波数を求める。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】大浦好文監修、「保護リレーシステム工学」、電気学会、２００２年
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平８−５６７９号公報
【特許文献２】特開平８−１６３７６９号公報
【特許文献３】特開２００１−６１２２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、公知技術では、保護対象回路の周波数の変動幅が大きい場合に、電気角が激しく変動するため、上述の電気角に基づく演算アルゴリズムを用いることが困難であり、正確に振幅値を演算することが困難であった。これらを改善するために、特許文献２や特許文献３のディジタル保護継電装置も提案されているが、いずれも、演算が複雑である、演算誤差が大きいなどの問題があった。また、入力電気量の周波数の特定が困難であったり、高調波成分や直流成分の除去が困難で振幅値の精度に欠ける問題もあった。このようなことから、入力電気量の周波数が大きく変動するような回路に適用してもより正確に振幅値を演算することができ、電動機保護や発電機保護の高精度化かつ多機能化を図ることができるディジタル保護継電装置が必要とされていた。
【０００９】
本発明の実施形態は、上記のような従来技術の問題点を解決するために提案されたものである。その目的は、例えば、高出力の大型電動機等に使用する周波数の変動が大きい回路を適切に保護できる保護継電装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記のような目的を達成するための実施形態の保護継電装置は、次のような構成を有する。
（１）保護対象回路の電気量を入力して、所定のサンプリング間隔でアナログ／ディジタル変換する入力処理部。
（２）前記入力処理部に入力した入力電気量の振幅値を算出する振幅値演算部。
（３）前記振幅値演算部によって得られた振幅値に基づいて、前記保護対象回路についての保護動作を行うか否かの判定を行う動作判定部。
（４）前記振幅値演算部は、次の構成を有する。
（４−１）前記入力処理部に入力した入力電気量に基づいて、当該入力電気量の周波数を特定する周波数特定部。
（４−２）前記周波数特定部が特定した周波数における現時点の入力電気量並びに複数の過去の入力電気量と、現時点の入力電気量に対する複数の過去の入力電気量の位相差をそれぞれ求める位相差算出部。
（４−３）前記位相差取得部によって得られた複数の過去の入力電気量と現時点の入力電気量に対する複数の過去の入力電気量の位相差に基づいて、現時点の電気量と位相が四半周期ずれる電気量である直交電気量を演算する直交電気量演算部。
（５）前記振幅値演算部は、前記現時点の電気量と前記直交電気量に基づいて、前記入力電気量の振幅値を演算する。
【００１１】
また、他の実施形態の保護継電装置は、次のような構成を有する。
（１）保護対象回路の２種類の電気量を入力して、所定のサンプリング間隔でアナログ／ディジタル変換する入力処理部。
（２）前記入力処理部に入力した２種類の入力電気量の振幅値を算出する振幅値演算部。
（３）前記２種類の入力電気量の位相差を算出する位相差算出部。
（４）前記振幅値演算部によって得られた前記入力電気量の振幅値と、前記２種類の入力電気量の位相差に基づいて、前記保護対象回路についての保護動作を行うか否かの判定を行う動作判定部。
（５）前記振幅値演算部は、次の構成を備える。
（５−１）前記２種類の入力電気量を量子化して、そのベクトル差とベクトル和を求めるベクトル化処理部。
（５−２）前記２種類の入力電気量とそのベクトル差およびベクトル和について、その現時点の入力電気量と現時点と異なるタイミングの入力電気量に基づいて、増加側ピーク値と減少側ピーク値を算出するピーク値算出部。
（５−３）前記増加側ピーク値と減少側ピーク値に基づいて、前記２種類の入力電気量とそのベクトル差およびベクトル和の大きさを算出する大きさの算出部。
（６）前記位相差算出部は、大きさの算出部で得られた前記２種類の入力電気量とそのベクトル差およびベクトル和の大きさに基づいて、前記２種類の入力電気量の位相差を算出する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１実施形態のシステム構成図である。
【図２】第１実施形態において、零クロス方式を用いた周波数特定の演算フローの一例を示すフローチャートである。
【図３】第１実施形態において、特定した周波数を用いた振幅値演算フローを示すフローチャートである。
【図４】第２実施形態のシステム構成図である。
【図５】第２実施形態において、弦長方式を用いた周波数特定の演算フローを示すフローチャートである。
【図６】第２実施形態において、入力電気量の振幅値と一定時間前との差分（弦長）の関係の一例を示すグラフである。
【図７】第３実施形態のシステム構成図である。
【図８】第３実施形態において、直流分除去の演算フローの一例を示すフローチャートである。
【図９】第３実施形態において、移動平均による入力電気量のベクトル関係の一例を示すグラフである。
【図１０】第４実施形態のシステム構成図である。
【図１１】第４実施形態において、異なる２つの電気量を用いた位相差演算フローを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
［１．第１実施形態］
［１−１．構成］
以下、本発明の第１実施形態について、図面を参照して説明する。図１は、本実施形態のシステム構成図である。本実施形態は、電力機器に発生した異常を検出して電力系統からの切り離しまたは警報を行うものである。
【００１４】
保護継電装置１は、保護対象回路から電気量を入力する入力処理部２を有する。入力処理部２は、所定のサンプリング間隔で入力電気量をアナログ／ディジタル変換するもので、入力変換器やＡ／Ｄ変換器を有する。すなわち、入力処理部２は、保護対象回路に設けられた計測用変成器（ＣＴ，ＰＴ）で電流や電圧などのアナログ電気量を取り込み、入力変換器でレベル変換、Ａ／Ｄ変換器でＡ／Ｄ変換等のディジタル化処理を行った後に、その入力電気量を振幅値演算部３に出力する。
【００１５】
保護継電装置１は、入力処理部２の出力側に接続された振幅値演算部３を備える。振幅値演算部３は、現時点の入力電気量Ｚｎとその直交電気量Ｚｎ−π／２とに基づいて、入力電気量Ｚｎの振幅値｜Ｚ｜を演算する。振幅値演算部３は、振幅値演算に必要なデータを算出するために、入力電気量の周波数特定部３１と、各サンプリング角における入力電気量間の位相差Ｚｎ−π／２を算出する位相差算出部３２と、各サンプリング角における入力電気量Ｚｎ−１〜Ｚｎ−４およびその位相差θ−１〜θ−４に基づいて直交電気量Ｚｎ−π／２を演算する直交電気量演算部３３とを有する。
【００１６】
周波数特定部３１は、入力処理部２に入力した入力電気量の周波数ｆｎを特定する。具体的には、まず、入力電気量Ｚｎを所定のサンプリング間隔で計測し、その計測値の零クロス点を判定する。判定された零クロス点の幅に基づいて、入力電気量Ｚｎの周波数ｆｎを特定する。零クロス点の判定とは、入力電気量Ｚｎが正から負になるか負から正になる時点を検出し、そのような複数の時点の間隔幅に基づいて周波数ｆｎを算出する手法である。
【００１７】
位相差算出部３２は、周波数特定部３１が特定した周波数ｆｎにおける現時点の入力電気量Ｚｎ並びに複数の過去の入力電気量Ｚｎ−１〜Ｚｎ−４と、それらの位相差θ−１〜θ−４を求めるものである。本実施形態では、現在のサンプリング時点を基準として、４サンプリング前までの入力電気量Ｚｎ−１〜Ｚｎ−４と、各入力電気量Ｚｎ−１〜Ｚｎ−４の位相差θ−１〜θ−４を算出する。
【００１８】
直交電気量演算部３３は、周波数特定部３１で特定した周波数を用いて、現時点の電気量と位相が四半周期（π／２）遅れている直交電気量Ｚｎ−π／２を演算し、当該直交電気量Ｚｎ−π／２から振幅二乗法を用いて振幅値を算出する。本実施形態では、位相差算出部３２によって得られた４サンプリング分の入力電気量と、各入力電気量の位相差に基づいて、直交電気量Ｚｎ−π／２を算出する。
【００１９】
振幅値演算部３の出力側は動作判定部４に接続され、動作判定部４の出力側に出力処理部５が接続されている。動作判定部４は、振幅値演算部３での算出結果を用いて遮断や警告等の所定の動作の判定を行う。例えば、振幅値演算部３で算出された電流値や電圧値等の振幅値｜Ｚ｜が閾値を上回ったり、または、下回ったりした場合に、保護対象回路の遮断処理や警告処理等の動作判定を行う。例えば、入力電気量Ｚｎが電圧量である場合は、電圧量の振幅値｜Ｚ｜を用いて不足電圧判定を実施してもよい。動作判定部４は、電圧量の振幅値｜Ｚ｜が閾値を下回った場合に、リレー動作を行うことを判定し、出力処理部５にトリップ信号を遮断器に送出させる。
【００２０】
入力電気量Ｚｎが電流量である場合は、電流量の振幅値｜Ｚ｜を用いて過電流判定を行ってもよい。送電線の事故時には、平常時の電流よりも上昇した値が入力処理部２を経由して保護継電装置１に取り込まれる。周波数特定部３１、振幅値演算部３が処理を行うことで、電流量の周波数ｆｎ、振幅値｜Ｚ｜を得ることができる。動作判定部４は、算出した電流量の振幅値を用いて過電流判定を実施し、閾値を上回れば、リレー動作を行う判定をし、出力処理部５にトリップ信号を遮断器に対して送信させる。出力処理部５は、動作判定部での判定結果に基づいて、遮断や警告等の動作を行う。
【００２１】
［１−２．作用］
図２は、本実施形態において、零クロス方式を用いた周波数特定の演算フローの一例を示すフローチャートである。
【００２２】
周波数特定部３１は、任意のサンプリング周期によりサンプリングされた入力電気量に対し、現時点の入力電気量Ｚｎが０、または、Ｚｎと１サンプリング前の入力電気量Ｚｎ−１とのベクトル和とスカラー和の比率が１より小さいと判定された場合、つまり、数式（１）を満たす場合のカウンタ値ＳＰを図示しない記憶部に記憶する（ステップＳ２）。詳述すると、零クロス判定されるまで、サンプリング毎にカウントアップ（ＳＰ＝ＳＰ＋１）し（ステップＳ１）、零クロス判定された場合、つまり、Ｚｎ＝０もしくはＺｎ−１とＺｎとが正負に分かれている場合のカウンタ値ＳＰを特定して記憶部に記憶する（ステップＳ２）。
Ｚｎ＝０  ｏｒ  （｜Ｚｎ＋Ｚｎ−１｜）／（｜Ｚｎ｜＋｜Ｚｎ−１｜）＜１・・・（１）
【００２３】
なお、この後に、現時点の入力電気量の大きさと１サンプリング前の入力電気量の大きさから、零クロス時のカウンタ値ＳＰを数式（２）および（３）を用いて補正してもよい（ステップＳ３，Ｓ４）。ここで、ΔＳＰｎは現時点の補正分、ΔＳＰｎ−１は１サンプリング前の補正分、ＳＰ′は補正後のサンプリング数である。
ΔＳＰｎ＝｜Ｚｎ｜／（｜Ｚｎ｜＋｜Ｚｎ−１｜）・・・（２）
ＳＰ′＝ＳＰ−ΔＳＰｎ＋ΔＳＰｎ−１・・・（３）
【００２４】
次に、周波数特定部３１は、数式（４）または数式（５）を用いて、入力電気量の半周期Ｔｎ／２をカウンタ値ＳＰとサンプリング周期から算出する（ステップＳ５）。サンプリング周期は、基準周波数ｆｂ、基準周波数における１サンプリング分の電気角θｓｐからθ／（ｆｂ×２π）として求める。周波数特定部３１は、求めた半周期Ｔｎ／２と前回値Ｔｎ−１／２を用いて入力電気量Ｚｎの周波数ｆｎを算出する（ステップＳ６）。なお、求めた周波数ｆｎに対して移動平均をとってもよい。そして、零クロス判定されて周波数ｆｎを算出した後にカウンタ値ＳＰをリセットする（ステップＳ７）。
Ｔｎ／２＝ＳＰ×θｓｐ／（ｆｂ×２π）・・・（４）
Ｔｎ／２＝ＳＰ′×θｓｐ／（ｆｂ×２π）・・・（５）
【００２５】
図３は、本実施形態において、特定した周波数を用いた振幅値演算フローを示すフローチャートである。
【００２６】
まず、位相差算出部３２は、入力電気量が１サンプリングで進む角度θｎｓｐを、周波数特定部３１で求めた周波数ｆｎと基準周波数ｆｂとサンプリング角θｓｐとから算出する（ステップＳ１１）。ここで、算出した角度θｎｓｐを用い、現時点の入力電気量Ｚｎを基準にして、１サンプリング前の入力電気量Ｚｎ−１との位相差θ−１＝−θｎｓｐ、２サンプリング前の入力電気量Ｚｎ−２との位相差θ−２＝−２θｎｓｐ、３サンプリング前の入力電気量Ｚｎ−３との位相差θ−３＝−３θｎｓｐ、４サンプリング前の入力電気量Ｚｎ−４との位相差θ−４＝−４θｎｓｐと表す。
【００２７】
次に、直交電気量演算部３３は、位相差算出部３２が求めた各位相差を次式（６）（７）に当て嵌めて、現時点の入力電気量の直交電気量Ｚｎ−π／２を算出するための値であるｋ１、ｋ２を算出する（ステップＳ１２）。
ｋ１＝（ｃｏｓθ−３＋ｃｏｓθ−４）／（ｃｏｓθ−１＋ｃｏｓθ−２）・・・（６）
ｋ２＝１／｛ｋ１×（ｓｉｎθ−１＋ｓｉｎθ−２）−（ｓｉｎθ−３＋ｓｉｎθ−４）｝
・・・（７）
【００２８】
そして、直交電気量演算部３３は、次式（８）を用いて、現時点の入力電気量Ｚｎの直交電気量Ｚｎ−π／２を算出する（ステップＳ１３）。
Ｚｎ−π／２＝ｋ２×｛ｋ１×（Ｚｎ−１＋Ｚｎ−２）−（Ｚｎ−３＋Ｚｎ−４）｝・・・（８）
【００２９】
なお、現在のサンプリング基準に対する過去のサンプリング数と周期間隔は任意であり、上述の４サンプリング前までを用いた算出方法と同様にして直交電気量を求めればよい。
【００３０】
最後に、振幅値演算部３は、この直交電気量Ｚｎ−π／２と現時点の入力電気量Ｚｎを次式（９）に代入して、振幅二乗法により入力電気量の振幅値｜Ｚ｜を算出する（ステップＳ１４）。
｜Ｚ｜２＝Ｚｎ２＋Ｚｎ−π／２２・・・（９）
【００３１】
上述の演算結果を用いて、動作判定部４は、電流または電圧の増加または低下、差動電流の増加などの事故検出手法により動作判定を行ってもよい。この判定結果を受けた出力処理部５より遮断器の引き外し信号を送信して遮断器の引き外しを実行したり、運用者に警告を行ったりする。
【００３２】
［１−３．効果］
本実施形態に係る保護継電装置１の振幅値演算部３は、入力処理部２に入力した入力電気量Ｚｎに基づいて、当該入力電気量Ｚｎの周波数ｆｎを特定する周波数特定部３１と、周波数特定部３１が特定した周波数ｆｎを用いて現時点の電気量Ｚｎと位相が四半周期ずれる電気量である直交電気量Ｚｎ−π／２を演算し、当該直交電気量Ｚｎ−π／２から振幅二乗法を用いて振幅値｜Ｚ｜を算出する。この際、振幅値演算部３に設けた位相差演算部３２は、周波数特定部３１が算出した周波数ｆｎに基づいて、入力電気量Ｚｎが１サンプリングで進むサンプリング角度θｎｓｐを算出し、サンプリング角度θｎｓｐに基づいた複数のタイミングにおける入力電気量Ｚｎ−１，Ｚｎ−２，Ｚｎ−３，Ｚｎ−４および位相差θ−１，θ−２，θ−３，θ−４を計算し、その結果に基づいて直交電気量Ｚｎ−π／２を算出する。
【００３３】
すなわち、入力電気量Ｚｎの変動が激しい場合、その周波数の振幅値｜Ｚ｜の変動も大きくなることから、入力電気量Ｚｎのみに基づく振幅値を基準として保護対象回路を遮断するか否かの判断を行うことは困難であるが、本実施形態では、変動が激しいサンプリング毎の入力電気量Ｚｎではなく、周波数の変動の影響が比較的少ない入力電気量Ｚｎと直交電気量Ｚｎ−π／２とを用いる。よって、入力電気量Ｚｎの周波数の変動が大きい場合でも、その正確な振幅値｜Ｚ｜を算出することができる。
【００３４】
また、複数のサンプリング毎の入力電気量Ｚｎ−１，Ｚｎ−２，Ｚｎ−３，Ｚｎ−４および位相差θ−１，θ−２，θ−３，θ−４に基づいて、入力電気量の振幅値｜Ｚ｜を算出するので、入力電気量の周波数の変動が大きい回路でも複数のタイミングでサンプリングしたデータを使用することによりデータの平準化が可能となり、瞬間的な入力電気量の変動に左右されることなく、正確な振幅値｜Ｚ｜を取得することができる。
【００３５】
特に、位相差算出部３２は、サンプリング角度θｎｓｐに基づいて、現時点の入力電気量Ｚｎと１サンプリング前〜４サンプリング前の入力電気量Ｚｎ−１，Ｚｎ−２，Ｚｎ−３，Ｚｎ−４との各位相差θ−１，θ−２，θ−３，θ−４を算出し、数式（６）〜（８）に基づいて直交電気量Ｚｎ−π／２を算出する。したがって、四つの入力電気量およびそれらの位相差に基づいて直交電気量を算出するので、周波数の変動に比較的左右されないで、直交電気量を精度良く算出することができる。
【００３６】
周波数特定部３１は、入力電気量Ｚｎの二以上の零クロス点の間隔幅に基づいて周波数を特定する。したがって、入力電気量Ｚｎの零クロス判定により、零クロス周期を算出することで、変動の激しい周波数の現在値を特定できる。また、零クロスの判定は、簡単な演算によってできるので、振幅値演算部３は、小さい負荷で迅速に演算を行うことができる。この際、周波数特定部３１は、二以上の零クロス点の間隔幅を、その間のサンプリング数ＳＰを計数することによって計測し、計数したサンプリング数ＳＰを現時点およびその前の入力電気量｜Ｚｎ｜，｜Ｚｎ−１｜に基づいて補正する。零クロスのタイミングとサンプリングタイミングにはズレがあることがあるため、つまり、隣接サンプリング間で零クロスすることがあるため、サンプリング数ＳＰを補正することでサンプリング数をｎ−１〜ｎ間の数値とすることができ、その結果算出する周波数ｆｎの精度が向上する。
【００３７】
［２．第２実施形態］
［２−１．構成］
第２実施形態の保護継電装置１の構成は、図４に示すように、基本的には第１実施形態と同じである。ただし、本実施形態の周波数特定部３４が実施する内容が、第１実施形態の周波数特定部３１が実施する内容とは異なる。簡単に説明すると、第１実施形態における周波数特定部３１は、零クロス判定により周波数を特定するものであるが、第２実施形態における周波数特定部３４は、所定時間の入力電気量の差分および大小を算出および比較することを繰り返して周波数を特定する。
【００３８】
そのため、本実施形態の周波数特定部３４は、現時点の入力電気量Ｚｎと一定時間（Δｔ）前の入力電気量Ｚｎ−Δｔとの差分ＺΔｎを演算する機能を有する。また、入力電気量Ｚｎについてその増加側ピーク値Ｚ＋Δｐｅａｋと減少側ピーク値Ｚ−Δｐｅａｋを、差分Δｎについてその増加側ピーク値Ｚ＋Δｐｅａｋおよび減少側ピーク値Ｚ−Δｐｅａｋを求める機能を有する。更に、各サンプリング時間において得られたこれらのピーク値を比較し、サンプリング期間中における最大の増加側ピーク値と最小の減少側ピーク値を求め、これらに基づいて、入力電気量の周波数ｆｎを算出する機能を有する。
【００３９】
［２−２．作用］
図５は、第２実施形態において、弦長方式を用いた周波数特定の演算フローを示すフローチャートである。この演算フローは、現時点の入力電気量Ｚｎと一定時間（Δｔ）前の入力電気量Ｚｎ−Δｔとの差分ＺΔｎを用いて周波数を特定するものである。
【００４０】
まず、周波数特定部３４は、現時点の入力電気量Ｚｎの大きさとして、増加側ピーク値Ｚ＋Δｐｅａｋおよび減少側ピーク値Ｚ−Δｐｅａｋのスカラー和の平均値を求める（ステップＳ２１〜Ｓ２５）。
【００４１】
また、周波数特定部３４は、差分ＺΔｎを算出し（ステップＳ２６）、当該差分ＺΔｎに対し、増加側ピーク値Ｚ＋Δｐｅａｋおよび減少側ピーク値Ｚ−Δｐｅａｋを求める（ステップＳ２７〜Ｓ３０）。詳述すると、ステップＳ２６で算出した差分ＺΔｎがＺΔｎ−１より大きいか否かを判別し（ステップＳ２７）、大きい場合（Ｓ２７：ＹＥＳ）はＺ＋ΔｐｅａｋにＺΔｎを代入してステップＳ２９に進み、小さい場合（Ｓ２７：ＮＯ）はそのままステップＳ２９に進む。つまり、増加側ピーク値Ｚ＋Δｐｅａｋの算出においては、現時点の入力電気量が１サンプリング前の入力電気量より大きい場合にピーク値を更新する。
【００４２】
次に、ステップＳ２６で算出した差分ＺΔｎがＺΔｎ−１より小さいか否かを判別し（ステップＳ２９）、小さい場合（Ｓ２９：ＹＥＳ）はＺ−ΔｐｅａｋにＺΔｎを代入して（ステップＳ３０）ステップＳ３１に進み、小さい場合（Ｓ２９：ＮＯ）はそのままステップＳ３１に進む。つまり、減少側ピーク値Ｚ−Δｐｅａｋの算出においては、現時点の入力電気量が１サンプリング前の入力電気量より小さい場合にピーク値を更新する。
【００４３】
そして、周波数特定部３４は、差分ＺΔｎの大きさとして、増加側ピーク値Ｚ＋Δｐｅａｋおよび減少側ピーク値Ｚ−Δｐｅａｋのスカラー和の平均を算出する（ステップＳ３１）。
【００４４】
周波数特定部３４は、次式（１０）を用いて、入力電気量の周波数ｆｎを算出する（ステップＳ３２）。
ｆｎ＝ｃｏｓ−１｛１−｜ＺΔｎ｜２／（２｜Ｚｎ｜２）｝×｛１／（２π×Δｔ）｝
・・・（１０）
【００４５】
ここで、上記の式（１０）について説明する。入力電気量Ｚｎが一定時間（Δｔ）で進む角度θｎΔｔは、図６に示すように、現時点の入力電気量データＺｎと一定時間前のデータＺｎ−Δｔの弦長が差分ＺΔｎの大きさとなるため、上記で求めた｜ＺΔｎ｜および｜Ｚｎ｜を用いた三角関数として、
ｃｏｓθｎΔｔ＝１−｜ＺΔｎ｜２／（２｜Ｚｎ｜２）・・・（１１）
となる。したがって、逆三角関数ｃｏｓ−１｛１−｜ＺΔｎ｜２／（２｜Ｚｎ｜２）｝として表される角度θｎΔｔと、時間Δｔから、入力電気量の周波数ｆｎを求める。
【００４６】
［２−３．効果］
本実施形態において、周波数特定部３４は、所定時間の入力電気量Ｚｎの差分ＺΔｎおよび大小を算出および比較することを繰り返して周波数ｆｎを特定する。したがって、ある時点の入力電気量Ｚｎと、ある時点より一定時間Δｔ前の入力電気量Ｚｎ−Δｔとの差分ＺΔｎを算出することで、入力電気量が一定時間Δｔで進む角度を求めることができ、算出した角度から変動が大きい周波数の現時点の値ｆｎを特定できる。したがって、近接した数サンプリングの情報ではなく、所定時間の差分に基づいて周波数を特定するので、精度のよい周波数を特定することができる。
【００４７】
周波数特定部３１は、入力電気量Ｚｎが入力される度に現時点および１サンプリング前の入力電気量Ｚｎ−１を比較することによって、入力電気量Ｚｎの増加側ピーク値Ｚ＋Δｐｅａｋおよび減少側ピーク値Ｚ−Δｐｅａｋを判別し、入力電気量Ｚｎの増加側ピーク値Ｚ＋ｐｅａｋおよび減少側ピーク値Ｚ−Δｐｅａｋの絶対値の平均を入力電気量の大きさ｜Ｚｎ｜として算出する。また、周波数特定部３１は、入力電気量Ｚｎが入力される度に現時点および所定時間Δｔ前の入力電気量Ｚｎ，Ｚｎ−Δｔの差分量ＺΔｔを算出し、現時点および１サンプリング前の差分量ＺΔｎを比較することによって、差分量ＺΔｎの増加側ピーク値Ｚ＋Δｐｅａｋおよび減少側ピーク値Ｚ−Δｐｅａｋを判別し、差分量ＺΔｎの増加側ピーク値Ｚ＋Δｐｅａｋおよび減少側ピーク値Ｚ−Δｐｅａｋの絶対値の平均を差分量の大きさ｜ＺΔｎ｜として算出する。
【００４８】
したがって、現時点の入力電気量の大きさと、現時点および所定時間前の入力電気量の差分量の大きさとから周波数を特定するので、現時点よりどの程度前の入力電気量を使用するかを決定することによって、精度を高めたり、計算時間を縮めたり、記憶容量を減らしたり増やしたり調整を行うことができる。
【００４９】
［３．第３実施形態］
［３−１．構成］
第３実施形態の構成は、基本的には第１実施形態と同じである。ただし、図７に示す通り、振幅値演算部３は、入力処理部２から受信した入力電気量Ｚｎから高調波成分を除去す高調波成分除去部３５と、入力電気量Ｚｎの直流成分を除去する直流成分除去部３６を備えている。周波数特定部３１の出力側には、ゲイン補正部３７が設けられている。ゲイン補正部３７の出力は、位相差算出部３２に入力される。
【００５０】
高調波成分除去部３５は、入力処理部２から受信した入力電気量Ｚｎから高調波成分を除去する。具体的には、高調波成分除去部３５は、連続した複数個のサンプリングデータを加算する移動平均により入力電気量から高調波成分を除去する。例えば、ｍ個のサンプリングデータの総和Ｚδ、現時点の入力電気量Ｚｎ＝｜Ｚ｜ｓｉｎθｎ、・・・、（ｍ−１）サンプリング前の入力電気量Ｚｎ−（ｍ−１）＝｜Ｚ｜ｓｉｎθｎ−（ｍ−１）を用い、入力電気量Ｚｎを、電気量Ｚδ＝｜Ｚ｜ｓｉｎθｎ＋｜Ｚ｜ｓｉｎθｎ−１＋・・・＋｜Ｚ｜ｓｉｎθｎ−（ｍ−１）で置き換える。なお、移動平均による入力電気量のベクトル関係は図９に示すグラフのようになる。
【００５１】
［３−２．作用］
直流成分除去部３６は、例えば、図８に示すような演算フローによって入力電気量から直流成分を除去する。図８は、第３実施形態において、直流成分除去の演算フローの一例を示すフローチャートである。
【００５２】
直流成分除去部３６は、現時点の入力電気量Ｚｎに対する増加側ピーク値Ｚ＋Δｐｅａｋおよび減少側ピーク値Ｚ−Δｐｅａｋを算出し（ステップＳ４１〜Ｓ４４）、これを用いて現時点の直流成分ＺＤｎを算出する（ステップＳ４５）。なお、求めた直流成分に対し、移動平均を実施して、ＺＤｎ′としてもよい。その後、振幅値演算部３は、現時点の入力電気量Ｚｎから、算出した現時点の直流成分ＺＤｎまたは移動平均後の直流成分ＺＤｎ′を引いて、直流成分除去後の電気量Ｚｎ′を算出する（ステップＳ４６）。
【００５３】
次に、周波数特定部３１が零クロス判定により入力電気量の周波数ｆｎを算出し、ゲイン補正部３７が、移動平均ゲイン補正処理を行う。具体的に説明すると、あらかじめ定めてあるサンプリング個数ｍ、サンプリング角θｓｐと下記の数式（１２）の非線形関数を用いて、ゲインＧを算出し、高周波成分除去および直流成分除去後の電気量Ｚｎ′をゲインＧで除算してゲイン補正を行って電気量Ｚｎとして出力する。
【００５４】
【数１】
0006591274.tif 000002
【００５５】
ゲインＧは上式より予め求めて記憶しておいてもよいし、あるいは、周波数ｆｎを関数とする非線形近似式から求めてもよい。ゲイン補正後に、ゲイン補正した電気量Ｚｎに基づいて、振幅値演算部３が、第１実施形態と同様に、振幅値｜Ｚ｜を演算し、その演算結果に基づいて、動作判定部４が動作判定を行い、出力処理部５が出力処理を実行する。
【００５６】
［３−３．効果］
本実施形態において、振幅値演算部３は、周波数特定部３１が周波数ｆｎを特定する前に入力電気量Ｚｎのデータから所定時間の移動平均により高調波成分を除去する高調波成分除去部３５を有する。したがって、算出した周波数に対して移動平均をとることで、周波数を特定する際の演算誤差を小さくすることができる。詳述すると、移動平均として、ｍ個のサンプリングデータを加算することで高調波成分を打ち消すことができ、高調波成分の影響を小さくすることができ、結果として周波数の誤差を小さくすることができる。
【００５７】
振幅値演算部３は、周波数特定部３１が周波数ｆｎを特定する前に入力電気量Ｚｎのデータから増加側ピーク値と減少側ピーク値を判別することによって直流成分を算出し、当該直流成分を除去する直流成分除去部３６を有する。したがって、直流成分の影響を取り除いた周波数を演算することができ、算出する周波数の精度を高めることができる。
【００５８】
振幅値演算部３は、高調波成分除去部３５で移動平均として算出した現時点から所定サンプリング前の入力電気量の総和Ｚδを、数式（１２）を用いて算出したゲインＧで除算して補正するゲイン補正部３７を有する。したがって、ゲインＧは、特定した周波数ｆｎで決定され、そのゲインＧを用いてゲイン補正を行うことで、さらに正確な移動平均での高調波成分除去を行うことができる。
【００５９】
［４．第４実施形態］
［４−１．構成］
図１０は、第４実施形態のシステム構成図である。図１０に示すように、第４実施形態の構成は、基本的には第１実施形態と同じである。ただし、第４実施形態において、振幅値演算部３は、振幅値を演算するための構成として、入力電気量のベクトル化処理部３８とピーク値算出部３９と入力電気量の大きさ算出部４０を備えている。一方、第１実施形態において振幅値演算部３内に設けられていた直交電気量演算部３３は、本実施形態では存在しない。
【００６０】
本実施形態において、入力電気量Ｚｎとしては、電圧量と電流量のように、異なる複数種類の電気量が用いられ、振幅値演算部３と位相差算出部３２において、複数の入力電気量Ｚｎについてそれぞれ振幅値｜Ｚ｜と、複数の入力電気量の位相差φｎの演算が行われる。また、第１実施形態の動作判定部４は、予め記憶されていた閾値と振幅値を比較して動作判定を行う機能を有するものであるが、本実施形態の動作判定部４は、振幅値演算部３で得られた電圧量と電流量の振幅値と位相差算出部３２で得られた２つの電気量の位相差に基づいて、保護対象回路のインピーダンスが算出する機能を有する。
【００６１】
［４−２．作用］
図１１は、第４実施形態において、異なる２つの電気量を用いた位相差演算フローを示すフローチャートである。入力処理部２は、少なくとも二系統以上の異なる入力電気量を取得し、それぞれを量子化して振幅値演算部３に出力する。なお、振幅値演算部３に第３実施形態と同様に直流成分除去部３６を設けた場合は、入力電気量Ｚｎに対して直流分を除去する直流成分除去を行ってもよい。次に、振幅演算部３は、直流成分除去および量子化された入力電気量に対し、図１１や以下に示すような振幅値を求める演算を行う。
【００６２】
一例として２つの入力電気量Ｚ１，Ｚ２が取り込まれた場合を示す。まず、ベクトル化処理部３８は、２つの入力電気量Ｚ１，Ｚ２のベクトル差ΔＺとベクトル和ΣＺを算出する（ステップＳ５１、Ｓ５２）。次に、ピーク値算出部３９が、入力電気量Ｚ１，Ｚ２と算出されたベクトル差ΔＺ及びベクトル和ΣＺに対して、それぞれの現時点の電気量と１サンプリング前の電気量を用いて、増加側ピーク値Ｚ＋Δｐｅａｋおよび減少側ピーク値Ｚ−Δｐｅａｋを算出する。詳述すると、ピーク値算出部３９は、Ｚ＋ΔｐｅａｋおよびＺ−Δｐｅａｋの算出するために、次式を用いて、増加分Ｚ′＋ｎおよび減少分Ｚ′−ｎを算出する（ステップＳ５３）。
Ｚ′＋ｎ＝｛（Ｚｎ−Ｚｎ−１）＋｜Ｚｎ−Ｚｎ−１｜｝／２・・・（１３）
Ｚ′＋ｎ＝｛（Ｚｎ−Ｚｎ−１）−｜Ｚｎ−Ｚｎ−１｜｝／２・・・（１４）
【００６３】
そして、ピーク値算出部３９は、増加側ピークＺ＋Δｐｅａｋの場合には、現時点の増加分と１サンプリング前の減少分の和が零の場合にピーク値を更新する（ステップＳ５４，Ｓ５５）。減少側ピーク値Ｚ−Δｐｅａｋの場合には、現時点の減少分と１サンプリング前の増加分の和が零の場合にピーク値を更新する（ステップＳ５６，Ｓ５７）。なお、第２実施形態に記述した方法にて増加側ピーク値Ｚ＋Δｐｅａｋおよび減少側ピーク値Ｚ−Δｐｅａｋを算出してもよい。
【００６４】
入力電気量の大きさ算出部４０は、入力電気量Ｚ１，Ｚ２、ベクトル差ΔＺ及びベクトル和ΣＺの各々で算出した増加側ピーク値Ｚ＋Δｐｅａｋおよび減少側ピーク値Ｚ−Δｐｅａｋに基づいて、その大きさ｜Ｚ１｜，｜Ｚ２｜，｜ΔＺ｜，｜ΣＺ｜を算出する（ステップＳ５８）。このようにして得られた入力電気量の大きさ｜Ｚ１｜，｜Ｚ２｜は、各入力電気量の振幅値に相当する。その後、振幅値演算部３によって得られたこれらの値と式（１５）を用いて、位相差算出部４１は、２つの入力電気量の位相差φｎを算出する（ステップＳ５９）。
φｎ＝ｃｏｓ−１｛（｜ΣＺ｜２−｜ΔＺ｜２）／（４｜Ｚ１｜・｜Ｚ２｜）｝・・・（１５）
【００６５】
動作判定部４は、振幅値演算部３が算出した電流量と電圧量の振幅値と、それらの位相差φｎとに基づいて、測距インピーダンス判定を用いて、インピーダンスを演算して動作判定を行い、リレー動作を行うと判定すれば、出力処理部５にトリップ信号を遮断器に対して送信させる。
【００６６】
［４−３．効果］
第４実施形態に係る保護継電装置１の振幅値演算部３は、入力処理部２から入力した少なくとも２つの異なる入力電気量を用いて、そのベクトル差、ベクトル和および大きさを演算して、入力電気量の振幅値と隣接２サンプリング間の位相差とを算出する振幅値演算部３と位相差演算部４０を有する。したがって、２つの異なる入力電気量（電圧量および電流量）の振幅値と位相差を算出して、動作判定に用いることができるので、それらからインピーダンスを算出して、事故が起こったか否かの判定を行う測距インピーダンス判定を実施できる。
【００６７】
動作判定部４は、異なる２つの入力電気量の大きさ｜Ｚｎ｜および位相差φｎに基づいて、インピーダンスを算出して、当該インピーダンスに基づいて動作判定を行う。したがって、周波数を特定しないでも、事故判定を行うことができ、周波数の変動が激しくても、それに影響されることがない。
【００６８】
［５．他の実施形態］
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００６９】
１…保護継電装置
２…入力処理部
３…振幅値演算部
４…動作判定部
５…出力処理部
３１…周波数特定部（零クロス）
３２…位相差算出部
３３…直交電気量演算部
３４…周波数特定部（差分）
３５…高調波成分除去部
３６…直流成分除去部
３７…ゲイン補正部
３８…ベクトル化処理部
３９…ピーク値算出部
４０…入力電気量の大きさ算出部
【図１】
0006591274.tif 000003
【図２】
0006591274.tif 000004
【図３】
0006591274.tif 000005
【図４】
0006591274.tif 000006
【図５】
0006591274.tif 000007
【図６】
0006591274.tif 000008
【図７】
0006591274.tif 000009
【図８】
0006591274.tif 000010
【図９】
0006591274.tif 000011
【図１０】
0006591274.tif 000012
【図１１】
0006591274.tif 000013