(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力系統に電気量データを計測するリレー端末を複数配置し、前記リレー端末を通信回線でループ端を設定することなくループ状に接続し、前記電気量データを含む第１の通信フレームを他の前記リレー端末に配信し合うことで前記電気量データを共有するループ型保護リレーシステムにおいて、
各リレー端末は、
２回線の通信ポートと、
前記第１の通信フレームを他の前記リレー端末との間で送受信する通信ドライバと、
前記電気量データを用いて所定の保護演算を行う演算部、を備え、
前記通信ドライバは、
前記演算部から電気量データを受け取り、当該電気量データに基づいて同一の電気量データを格納した第１の通信フレームを２つ生成し、前記２回線の通信ポートから、接続された前後の前記リレー端末のそれぞれへ、同一の前記第１の通信フレームを送信する送信処理部と、
前記２回線の通信ポートを介して、接続された前後の前記リレー端末のそれぞれから前記第１の通信フレームを受信する受信処理部、を備え、
前記受信処理部は、
予め定められた条件に基づき、前記通信ポートを介して受信した前記第１の通信フレームに関して、当該第１の通信フレームを受信した側と反対側の前記通信ポートへ、前記第１の通信フレームを中継するか否かを判定する中継要否判定部と、
前記中継要否判定部が前記第１の通信フレームを中継すると判定すると、前記第１の通信フレームを前記通信ポートに送出する中継送出部と、
前記中継要否判定部の中継判定結果にかかわらず、前記第１の通信フレームを前記演算部に通知する通信フレーム通知部、を備え、
前記各リレー端末は、前記２回線の通信ポートの両方で同期制御データを含む第２の通信フレームにて同期通信し、前記各通信ポートでの同期通信における通信遅延時間の変動を比較して、前記２回線の通信ポートの同期通信のうち通信遅延時間の変動が少ない方の通信ポートの同期通信を、当該通信ポートを含む回線による同期通信として採用するように構成したことを特徴とするループ型保護リレーシステム。
【請求項２】
前記通信フレーム通知部は、前記第１の通信フレームが重複すると、先着した前記第１の通信フレームを前記演算部に通知し、後着した前記第１の通信フレームを破棄するように構成したことを特徴とする請求項１に記載のループ型保護リレーシステム。
【請求項３】
前記中継要否判定部を独立したハードウェアとして構成し、これを汎用の通信ハードウェアに接続したことを特徴とする請求項１又は２に記載のループ型保護リレーシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、複数のリレー端末を通信回線でループ状に接続したループ型保護リレーシステムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、電力系統には保護リレーシステムが設けられている。保護リレーシステムは、多岐にわたる用途に適用しており、送電線保護システムや系統安定化制御システムなどが代表的である。送電線保護システムでは、送電線や母線の事故を検出して事故区間を切り離し、事故波及を防止している。また、系統安定化制御システムでは、発電変電所の系統事故を検出して周波数脱調等の系統不安定事象を予測し、電力系統の安定を図っている。
【０００３】
これらの保護リレーシステムにおいては、送電線区間や発変電所の各端子にリレー端末を配設している。各リレー端末は電流値や電圧値、接点情報等の電気量データを計測入力し、電気量データを含む通信フレームにして、この通信フレームを他のリレー端末との間で配信し合う。
【０００４】
これによりリレー端末は相互に電気量データを授受し合い、電気量データを共有することができる。各リレー端末は、演算部を実装しており、同一時刻に計測した電気量データを用いて電流差動演算や安定度演算など各種の保護演算を実行する。電気量データの計測タイミングは、ハードウェアクロックを分周して生成するサンプリングパルス信号を基点にしている。
【０００５】
サンプリングパルス信号は、分周値を（基準値＋１）や（基準値−１）のように微調整することでパルス信号幅を伸縮させ、他のリレー端末のパルス信号エッジに同期させることができる。以上の同期手法をサンプリング同期と称しており、サンプリング同期を行うことがリレー端末を適用する保護リレーシステムの特徴の一つとなっている。
【０００６】
従来、保護リレーシステムの通信回線は、５４Ｋｂｐｓや１．５Ｍｂｐｓであった。そのため、例えば電気角３０°（５０Ｈｚ系統で１．６７ミリ秒周期、６０Ｈｚ系統で１．３８ミリ秒周期）の周期で瞬時値データを転送する場合、１情報フレーム長が９０ｂｉｔや１１９ｂｉｔといった非常に小さい容量しか取り扱うことができない。このような通信回線の通信速度の遅さはリレー端末の機能や性能を制約する要因となっていた。
【０００７】
そこで近年では、１００Ｍｂｐｓや１０００Ｍｂｐｓといった高速のイーサネット通信回線を保護リレー用の通信回線として適用する研究が進められている。イーサネット通信回線を用いることにより、取り扱う情報量を格段に増やすことができ、リレー端末に多様な機能を実装して、性能を向上させることが可能となる。また、イーサネット通信回線を用いれば、通信フレームの送信間隔も短い周期で転送することができるので、瞬時値の精度を高めることも見込まれている。
【０００８】
イーサネット通信網では、端末をループ状に通信接続したループ型トポロジが一般的である。ループ型トポロジを構成する場合、通信フレームがループ状の通信経路を不正に循環しない施策を組むことが重要である。具体的な施策としては、ループ端の設定、もしくは、中継機器のＳＴＰ（Spanning Tree Protocol）やＲＳＴＰ（Rapid STP）を適用したＬ２ＳＷによる経路制御が挙げられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特許５１７２１０６号公報
【特許文献２】特許５１２７４８２号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】２００８電気学会全国大会No.6-302
【非特許文献２】２０１２電気学会全国大会No.6-238
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上述したように、イーサネット通信を適用するループ型トポロジでは、ループ端の設定あるいはＬ２ＳＷによる経路制御がなされているが、次のような課題がある。そのため、ループ型保護リレーシステムに、ループ端の設定やＬ２ＳＷによる経路制御を適用することは、困難であった。
（１）ループ端を設定する場合、ループ端以外で回線故障（通信断やＳＷ等の機器故障）が起きると、リレー端末間で通信不能となる区間ができ、システムの運用を維持することができなくなる。
【００１２】
（２）ループ端を設定する場合、ループ型トポロジは実質的にバス型トポロジと同等となる。バス型トポロジでは、通信経路の中央に近いリレー端末に接続される経路ほど、通信負荷が高まって通信負荷が大きくなり易い。その結果、遅延変動が増加して、各リレー端末で均一の同期精度を得ることが難しくなり、同期精度の低下を招いた。
【００１３】
（３）同期主従のリレー端末間の通信経路に関して、往路と復路が同一経路になるように設定する必要がある。しかし、Ｌ２ＳＷで経路制御する場合、往路と復路で通信経路が異なることがある。その結果、通信遅延時間を正確に算出することができず、サンプリング同期ができなくなる。
【００１４】
（４）Ｌ２ＳＷで経路制御する場合、回線故障をＳＷが検出すると、経路制御により新たな通信経路を構成して通信を復旧することができるものの、回線故障の検出から復旧に至るまでには数十ミリ〜数百ミリ秒の時間を要する。つまり、復旧が完了するまでの数十ミリ〜数百ミリ秒は、システムが停止せざるを得ない。また、新たに通信経路を構成することで、通信経路が変化するので、これに伴い通信遅延時間も変化する。このため、サンプリング同期精度が乱れるおそれがある。
（５）Ｌ２ＳＷ等の中継機器による経路制御設定が不可欠であるため、誤設定により不正動作を起こす恐れがある。
【００１５】
本発明の実施形態では、以上の課題を解消するために提案されたものであり、ループ端の設定やＬ２ＳＷによる経路制御を不要とし、通信回線でループ状に接続し、安定して運用することが可能なループ型保護リレーシステムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記の目的を達成するために、本発明の実施形態は、電力系統に電気量データを計測するリレー端末を複数配置し、前記リレー端末を通信回線でループ端を設定することなくループ状に接続し、前記電気量データを含む第１の通信フレームを他の前記リレー端末に配信し合うことで前記電気量データを共有するループ型保護リレーシステムにおいて、各リレー端末は、次の構成要素を備えている。
【００１７】
（ａ）２回線の通信ポート。
（ｂ）前記通信フレームを他の前記リレー端末との間で送受信する通信ドライバ。
（ｃ）前記電気量データを用いて所定の保護演算を行う演算部。
【００１８】
前記通信ドライバは、下記の構成要素を備えている。
（ｄ）前記演算部から電気量データを受け取り、当該電気量データに基づいて同一の電気量データを格納した通信フレームを２つ生成し、前記２回線の通信ポートから、接続された前後の前記リレー端末のそれぞれへ、同一の前記通信フレームを送信する送信処理部。
（ｅ）前記２回線の通信ポートを介して、接続された前後の前記リレー端末のそれぞれから前記通信フレームを受信する受信処理部。
【００１９】
前記受信処理部は、下記の構成要素を備えている。
（ｆ）予め定められた条件に基づき、前記通信ポートを介して受信した前記第１の通信フレームに関して、当該第１の通信フレームを受信した側と反対側の前記通信ポートへ、前記第１の通信フレームを中継するか否かを判定する中継要否判定部。
（ｇ）前記中継要否判定部が前記第１の通信フレームを中継すると判定すると、前記第１の通信フレームを前記通信ポートに送出する中継送出部と、
（ｈ）前記中継要否判定部の中継判定結果にかかわらず、前記第１の通信フレームを前記演算部に通知する通信フレーム通知部。
（ｉ）さらに、前記各リレー端末は、前記２回線の通信ポートの両方で同期制御データを含む第２の通信フレームにて同期通信し、前記各通信ポートでの同期通信における通信遅延時間の変動を比較して、前記２回線の通信ポートの同期通信のうち通信遅延時間の変動が少ない方の通信ポートの同期通信を、当該通信ポートを含む回線による同期通信として採用するように構成する。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】第１の実施形態のブロック図。
【図２】第１の実施形態のリレー端末のブロック図。
【図３】通信フレームのフォーマット例を示す図。
【図４】通信フレームのフォーマット例を示す図。
【図５】第２の実施形態のブロック図。
【図６】第３の実施形態のブロック図。
【図７】通信フレームのフォーマット例を示す図。
【図８】第４の実施形態のブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
（１）第１の実施形態
（構成と作用）
本発明に係る実施形態として、図１および図２を用いて、第１の実施形態について具体的に説明する。図１は第１の実施形態のブロック図である。
【００２２】
（概要）
図１に示すように、第１の実施形態に係るループ型保護リレーシステムは、７台のリレー端末Ｒｙ１〜Ｒｙ７を電力系統の要所に配置し、リレー端末Ｒｙ１〜Ｒｙ７を通信回線２でループ状に接続している。通信回線２としては、イーサネット通信回線が採用されている。各リレー端末Ｒｙ１〜Ｒｙ７は、電気量データを自端計測し、通信回線２に接続された他のリレー端末Ｒｙ１〜Ｒｙ７との間で電気量データを含む通信フレームＦを配信し合う。これにより、全てのリレー端末Ｒｙ１〜Ｒｙ７もしくは必要とされる任意のリレー端末Ｒｙ１〜Ｒｙ７は、各リレー端末Ｒｙ１〜Ｒｙ７で計測された電気量データを共有可能となる。
【００２３】
リレー端末Ｒｙ１〜Ｒｙ７は、２回線の通信ポート８、９を持ち、２系の通信経路を採用している。ここでは、一方の通信経路をＡルート、他方の通信経路をＢルートと呼称する。各リレー端末Ｒｙ１〜Ｒｙ７との通信接続は、各リレー端末Ｒｙ１〜Ｒｙ７のＡルートから、ループ状に接続される前後のリレー端末Ｒｙ１〜Ｒｙ７のＢルートへと接続することで、ループ状の通信構成を採ることになる。
【００２４】
各リレー端末Ｒｙ１〜Ｒｙ７は、通信ポート８（９）から通信フレームＦを、接続されたリレー端末Ｒｙ１〜Ｒｙ７に送信する。送信した通信フレームＦを受け取ったリレー端末Ｒｙ１〜Ｒｙ７は、通信ポート９（８）にて通信フレームＦを受信し、所定の条件に基づいてもう一方の通信ポート８（９）に中継する。
【００２５】
例えば、リレー端末Ｒｙ１は、通信ポート８からＡルートを介してリレー端末Ｒｙ２の通信ポート９へと通信フレームＦを送信する。リレー端末Ｒｙ２は、受信した通信フレームＦを、通信ポート９から通信ポート８に中継する。これを繰り返すことで、リレー端末Ｒｙ１からリレー端末Ｒｙ２、Ｒｙ３、Ｒｙ4、Ｒｙ5、Ｒｙ6、Ｒｙ７といった順（図１では時計回り）で通信フレームが循環する。
【００２６】
また、リレー端末Ｒｙ１は、リレー端末Ｒｙ２の通信ポート９からの通信フレームＦを、Ａルートを介して通信ポート８にて受信し、受信した通信フレームＦを通信ポート９に中継する。そして、リレー端末Ｒｙ１は、通信ポート９からＢルートを介してリレー端末Ｒｙ７の通信ポート８へと、通信フレームＦを送信する。これを繰り返すことで、リレー端末Ｒｙ1からリレー端末Ｒｙ７、Ｒｙ６、Ｒｙ５、Ｒｙ３、Ｒｙ２といった順（図１では反時計回り）で通信フレームＦが循環するループ状の通信構成を逆周りする。
【００２７】
以上のような第１の実施形態では、ループ端の設定やＬ２ＳＷによる経路制御を行うことなく、リレー端末Ｒｙ１〜Ｒｙ７同士を通信回線２でループ状に接続している。ここでの通信回線２は、全二重通信（ＦｕｌｌＤｕｐｌｅｘ）が可能な形態であればよく、一般的なイーサネット通信ケーブルであれば、ＵＴＰ（電気）ケーブルでもよいし、あるいは光ケーブルでもよい。
【００２８】
（リレー端末）
各リレー端末Ｒｙ１〜Ｒｙ７は、演算部１０と、通信ドライバ１１と、ＮＩＣ（Network  Interface  Controller）１２、１３を有している。各リレー端末Ｒｙ１〜Ｒｙ７は、２回線の通信ポート８、９の両方で通信フレームＦを用いて同期通信し、各通信ポート８、９での同期通信における通信遅延時間の変動を比較して、通信遅延時間の変動が少ない方の同期通信を採用している。
【００２９】
（通信フレーム）
ここで、リレー端末Ｒｙ１〜Ｒｙ７が持つ各構成要素について述べる前に、通信フレームＦの種類について説明する。通信フレームＦとしては、電気量データを含む電気量フレームや、同期制御データを含む同期フレームなどがある。
【００３０】
（電気量フレーム）
電気量フレームとは、計測した電気量データや装置の制御や監視状態など任意の付属情報を格納したフレームであり、各演算部１０に向けての演算用データや、サンプリングアドレスＳＡや計測タイミング差をまとめたものである。このような電気量フレームを２つの通信経路から、各リレー端末Ｒｙ１〜Ｒｙ７の演算部１０が受信する場合、通信経路が共に健全であれば、電気量フレームは重複受信となる。
【００３１】
（同期フレーム）
一方、同期フレームとは、同期主従の端子番号や同期フレーム送受信タイミング（時刻）情報、同期指令情報や応答種別情報などの同期制御データを格納したフレームである。
【００３２】
（演算部）
上記の同期フレームを、各リレー端末Ｒｙ１〜Ｒｙ７の演算部１０が受信する場合、同期主従のリレー端末Ｒｙ１〜Ｒｙ７間では、同期通信を往復実施し、かつ往復の通信経路を同一にする必要がある。演算部１０は、Ａルートから送信した同期フレームに対しては、Ａルートに着信した同期フレームを用いて同期誤差や通信遅延時間の演算を行う。
【００３３】
同様に、演算部１０は、Ｂルートから送出した同期フレームに対しては、Ｂルートに着信した同期フレームを用いて同期誤差や通信遅延時間の演算を行う。よって、演算部１０では２ルート分の同期誤差、通信遅延時間が求まる。このとき、本実施形態のリレー端末Ｒｙ１〜Ｒｙ７では、上述したように通信遅延時間の変動を少ない方を採用している。
【００３４】
演算部１０は、電気量データを用いて電力系統の監視や事故判定を行うアプリソフトであり、電流差動演算用や安定度判定演算用など多々ある。アプリソフトの具体的な種別や処理内容についての記載はここでは割愛する。リレー端末Ｒｙ１の演算部１０は、通信ドライバ１１が電気量データを送受信することで、他のリレー端末Ｒｙ２〜Ｒｙ７が計測した電気量データを含む電気量フレームを取得可能であり、電気量データを用いて所定の演算を行う。
【００３５】
（ＮＩＣ）
ＮＩＣ１２、１３は通信ポート８、９の前段に設けられている。ＮＩＣ１２、１３は、ストアアンドフォワード型が一般的である。ＮＩＣ１２、１３内では、通信フレームＦに含まれるＦＣＳ（フレームチェックシーケンスコード）がエラーとなっている不正フレームが破棄されるようになっている。
【００３６】
（通信ドライバ）
通信ドライバ１１は、リレー端末Ｒｙ１〜Ｒｙ７同士で通信フレームＦを送受信する部分である。通信ドライバ１１の持つ構成要素について、図２を用いて説明する。図２に示すように、通信ドライバ１１には送信処理部１４と、受信処理部１５と、２つのキュー１６、１７が設けられている。
【００３７】
（キュー）
キュー１６、１７はＮＩＣ１２、１３の前段に設けられている。キュー１６、１７は、通信フレームＦを順番に送出する。キュー１６、１７は通信フレームＦの送信待ちをするが、ここで中継時間の変動が起きると、通信遅延時間が変動することになる。このとき、通信フレームＦが同期フレームであれば、その中継について同期精度が乱れるおそれがある。
【００３８】
そこで、キュー１６、１７は、電気量フレーム用のものと、同期フレーム用のものとを、別々に複数個ずつ配置している。同期フレーム用のキュー１６、１７は独立して設けられている。そのため、同期フレームの中継では、ＮＩＣ１２、１３にて送信仕掛かり状態の有無によらず、予め定められた一定時間Ｔａ（システム上で採用する最大のフレームサイズ通信時間＋マージンα）、滞留させてから中継する。
【００３９】
同期フレームの中継遅延時間は同期フレームサイズの伝送時間Ｔｓ＋Ｔａで求めることができ、この時間は一律である。さらに、キュー１６、１７では、同期フレームが滞留している期間は電気量フレームを送信しないように制御されている。
【００４０】
（送信処理部）
送信処理部１４は、演算部１０から電気量データを受領し、当該電気量データに基づいて、同一の電気量データを格納した通信フレームＦを２つ生成し、Ａルート及びＢルートに向けて通信ポート８、９から、通信フレームＦを送信する。各ルートから送信される通信フレームＦは送出ルートや発信元ＭＡＣが異なる。
【００４１】
送信処理部１４から送信されるＡルートの通信フレームＦは、一旦、キュー１６に積まれて送信待ちとなり、ＮＩＣ１２を介してＡルートに送出される。また、送信処理部１４から送信されるＢルートの通信フレームＦは、一旦、キュー１７に積まれて送信待ちとなり、ＮＩＣ１３を介してＢルートに送出される。
【００４２】
（受信処理部）
受信処理部１５は、通信ポート８、９を介してＡルート及びＢルートから通信フレームＦを受信する。受信処理部１５は、構成要素として、中継要否判定部１８と、中継送出部１９と、受信フレーム通知部２０を備えている。受信フレーム通知部２０とは、通信フレームＦを演算部１０に通知する通信フレーム通知部である。
【００４３】
（中継要否判定部）
中継要否判定部１８は、予め定められた条件に基づいて、受信した通信フレームＦを、通信フレームＦを受信した方とは別の通信ポートへ中継するか否かを判定する。中継要否判定部１８は、通信フレームＦの一部を受信した時点で、中継要否判定を開始する。ここでは通信フレームＦを中継しない条件（Ａ）〜（Ｄ）を下記のように設定する。
【００４４】
（Ａ）宛先ＭＡＣが自局宛なら中継しない。
（Ｂ）発信元ＭＡＣが自局なら中継しない。
（Ｃ）中継ＴＴＬが上限以上なら中継しない。
（Ｄ）中継ＴＴＬが０なら中継しない。
宛先ＭＡＣ、発信元ＭＡＣ、中継ＴＴＬについては、後述する通信フレームＦのフォーマットにて説明する。
【００４５】
中継要否判定部１８は、通信フレームＦが上記の条件（Ａ）〜（Ｄ）を１つでも満たした場合には、通信ポート８、９への中継を行わないと判定する。また、中継要否判定部１８は、通信フレームＦがこれらの条件（Ａ）〜（Ｄ）に全て当てはまらない場合、通信ポート８、９へ通信フレームＦを中継すると判定する。
【００４６】
（中継送出部）
中継要否判定部１８が通信フレームＦを通信ポート８、９に中継すると判定すると、中継送出部１９は、受信フレームに含まれる中継ＴＴＬを減算し、中継フレームとして通信フレームＦを再生成して、再生成した通信フレームＦを中継フレームとして、中継先である通信ポート８、９側のキュー１６、１７に送出する。
【００４７】
（受信フレーム通知部）
中継要否判定部１８の中継判定にかかわらず、受信フレーム通知部２０は、通信フレームＦを受信フレームとして採用し、この受信フレームを演算部１０に通知する。このとき、Ａルート、Ｂルートの両ルートが健全なら、両ルートから同一の受信フレームが演算部１０に着信することになる。
【００４８】
同一の受信フレームが演算部１０に着信した場合、受信フレームが電気量フレームであれば重複受信となるので、重複した受信フレームのいずれか一方を破棄する必要がある。そこで受信フレーム通知部２０では、通信フレームＦ中の送出通番の最新値を記憶し、それと同一の送出通番を持つ通信フレームＦに関してはこれを破棄するようになっている。したがって、受信フレーム通知部２０は、先着した通信フレームＦのみを受信フレームとして演算部１０に通知する。
【００４９】
（通信フレームのフォーマット）
続いて、図３、図４を用いて、通信フレームＦのフォーマットについて説明する。図３は、通信フレームＦにＵＤＰ／ＩＰを適用したケースのフォーマット例であり、図４はイーサネットヘッダ以降がユーザデータとなるＲＡＷイーサを適用したケースのフォーマット例である。
【００５０】
このようなフォーマットのうち、演算部１０のインターフェースとしてはＩＰアドレスで通信管理できるＵＤＰ／ＩＰを採用する方が、汎用性が高い。一方、ＲＡＷイーサはＩＰヘッダやＵＤＰヘッダが無い分の通信負荷削減や中継時間短縮が見込める。双方のフォーマットともシステムの必要性能に応じて選択すればよい。
【００５１】
（宛先ＭＡＣ、発信元ＭＡＣ）
通信フレームＦのフォーマットにおいて、宛先ＭＡＣや発信元ＭＡＣは、宛先や発信元を表すＭＡＣアドレスであり、タイプと共にイーサヘッダに格納される。ＭＡＣアドレスはハード固有情報である。ただし、演算部１０のアプリソフトではＭＡＣアドレスは管理しづらいことから、ユーザデータ領域にリレー端末Ｒｙ１〜Ｒｙ７の宛先端子番号や送出端子番号を付加している。また、ＵＤＰ／ＩＰフレームのように、ＩＰアドレスでリレー端末Ｒｙ１〜Ｒｙ７の端子番号を代用できる場合は、リレー端末Ｒｙ１〜Ｒｙ７の端子番号の付加は不要となる。
【００５２】
（タイプ）
通信フレームＦのフォーマット中のタイプとは、イーサネットフレーム種別であり、イーサネット層の上位プロトコルの種別を示す。代表タイプとしてはＩＰＶ４：０８００、ＡＲＰ：０８０６、ＳＮＭＰ：８１４Ｃ、ＮｅｔＢＩＯＳ：８１９１などがある。
【００５３】
（ＩＰヘッダ、ＵＤＰヘッダ）
さらに、通信フレームＦのフォーマットには、ＩＰヘッダ、ＵＤＰヘッダが含まれる。ＩＰヘッダは、宛先IPアドレス、発信元ＩＰアドレス、ＩＰフィールドサイズなどであり、ＵＤＰヘッダは、宛先ポート番号、発信元ポート番号、ＵＤＰフィールドサイズなどである。ポート番号とは、同期フレーム、電気量フレームを識別するためのものである。
【００５４】
（通信フレームＦのフォーマットの配置の特徴）
通信フレームＦのフォーマットでは、ユーザデータ領域が設けられ、ここには電気量データあるいは同期制御データが含まれる。また、ユーザデータ領域には、中継ＴＴＬ、送出ルート、送出通番、宛先端子番号、送出端子番号が含まれる。本実施形態では、ユーザデータ領域におけるフォーマットとしての前方寄りに、つまり電気量データあるいは同期制御データよりも前に、中継ＴＴＬ、送出ルート、送出通番、宛先端子番号、送出端子番号を配置した点に特徴がある。
【００５５】
（中継ＴＴＬ）
中継ＴＴＬとは不要巡回を防止するための情報である。中継ＴＴＬは、リレー端末Ｒｙ１〜Ｒｙ７が受信した通信フレームＦを、別のルートに中継する最大中継回数を示す情報であり、通信フレームＦのＴＴＬが中継の都度、減算していくことで、一定回数を超えて中継しないようになっている。このような中継ＴＴＬは、送出する通信フレームＦの生成時にループ経路一巡の中継回数がセットされる。
【００５６】
例えば図１のように、リレー端末Ｒｙ１〜Ｒｙ７が７端子構成ならば５回中継すれば、全てのリレー端末Ｒｙ１〜Ｒｙ７に、通信フレームＦを配信できるので、ＴＴＬの初期値は（最大端子数−２）で求まる。通信フレームＦのＴＴＬは減算更新されるので、これに対応して、通信フレームＦのＦＣＳつまりフレームチェックシーケンスコードも、再計算され更新される。
【００５７】
（送出ルート）
通信フレームＦのフォーマットにおいて、送出ルートは、通信フレームＦを送出するルートとして、ＡルートかＢルートのいずれかをセットし、同期フレームの送受信経路の判定に用いる情報である。既に述べたように、サンプリング同期制御では同期通信の往路または復路の通信遅延時間が同一である必要があるため、本実施形態ではＡルート送出の同期フレームとＢルート受信の同期フレームで同期処理を行っている。
【００５８】
（送出通番）
通信フレームＦのフォーマットにおいて、送出通番は、両ルートから受信フレーム着信した際の電気量フレームの後着破棄に用いる情報である。この情報に基づいて、受信フレーム通知部２０が重複した受信フレームのうち、後着した方を破棄するようになっている。
【００５９】
（宛先端子番号、送出端子番号）
通信フレームＦのフォーマットにおいて、宛先端子番号、送出端子番号は、各リレー端末の端子番号として識別に用いる情報である。つまり、演算部１０と通信ドライバ１１とのデータ授受に際して、宛先端子番号は、どのリレー端末向けの電気量データなのかを識別する情報である。また、送出端子番号は、どのリレー端末から受信したものかを識別する情報である。
【００６０】
（通信フレームの通信処理）
本実施形態における通信フレームＦの通信処理について、リレー端末Ｒｙ１を例にとり、図２を用いて説明する。リレー端末Ｒｙ１の送信処理部１４は演算部１０が電気角３０°周期で計測した自端電気量データを受け取り、宛先ＭＡＣを同報アドレスにし、その前後に接続されたリレー端末Ｒｙ２、Ｒｙ７へ、Ａルート及びＢルートに向けて通信ポート８、９から、自端電気量データを含む通信フレームＦを送信する。なお、通信フレームＦの発信元ＭＡＣには、通信ポート８からの送出フレームはＮＩＣ１２のＭＡＣアドレスを、通信ポート９からの送出フレームはＮＩＣ１３のＭＡＣアドレスを付加する。リレー端末Ｒｙ２〜Ｒｙ７も同様に、前後のリレー端末に対し通信フレームＦを送信する。
【００６１】
各リレー端末Ｒｙ１〜Ｒｙ７の受信処理部１５は、通信ポート８、９を介してＡルート及びＢルートから通信フレームＦを受信し、中継要否判定部１８の中継判定結果にかかわらず、受信フレーム通知部２０が、通信フレームＦを受信フレームとして採用し、この受信フレームを演算部１０に通知する。受信フレームを取得した演算部１０は、自端及び他のリレー端末Ｒｙ１〜Ｒｙ７の電気量データを受け取り、これらの電気量データから、系統の事故判定演算を行う。
【００６２】
（同期通信）
同期通信については、リレー端末Ｒｙ１を同期主端、リレー端末Ｒｙ２〜Ｒｙ７を同期従端とした例で説明する。同期フレームは同報フレーム、ユニキャストフレームのいずれでも可能だが、ここではユニキャストフレームを適用した例で説明する。同期従端のリレー端末Ｒｙ２は、例えば１秒間隔で、主端であるリレー端末Ｒｙ１に対して、同期要求フレームを送出する。なお、同期通信の周期は、必要同期精度及びリレー端末の水晶発振器精度に応じて決定すればよい。
【００６３】
リレー端末Ｒｙ２から送出された同期要求フレームは、リレー端末Ｒｙ１にはＡルート、Ｂルートの順に着信する。同期要求フレームの受信タイミングは、主端リレー端末Ｒｙ１との間の経路の通信距離や中継回数によって、ＡルートとＢルートで異なる。そこで、各リレー端末Ｒｙ１〜Ｒｙ７では、それぞれのルートで受信した同期要求フレームの受信タイミングを別個に計測し、保管しておく。リレー端末Ｒｙ２から同期要求フレームを受信したリレー端末Ｒｙ１は、受信タイミングを計測し、その後、同期応答フレームに受信タイミングを付加して、リレー端末Ｒｙ２へと返送する。
【００６４】
このとき、ＡルートとＢルートの両方のルートから同一タイミングで返送する必要はなく、同期要求フレームを受信したルート側から同期応答フレームを返送すればよい。また、両ルートで同期要求フレームを受信した後に２ルート分の受信タイミングを格納して、両ルートに同時配信するようにしてもよい。
【００６５】
同期応答フレームを受信するリレー端末Ｒｙ２にも、ＡルートとＢルートの両方から着信するので、双方の受信タイミングを計測することで、両ルートの同期フレームの送受信タイミングを取得することができる。これにより、同期誤差、通信遅延時間を算出することができる。
【００６６】
（効果）
本実施形態では、７台のリレー端末Ｒｙ１〜Ｒｙ７をループ状に通信接続した保護システム構成が可能となり、ＡルートおよびＢルートという２つの通信経路から通信フレームＦを送出することで、片方の通信経路に含まれる通信回線２や中継機器（リレー端末Ｒｙ１〜Ｒｙ７を含む）の１箇所に故障が発生したとしても、もう片方の通信経路を用いて通信フレームＦを確実に送受信できる。したがって、電気量データの共有を維持することが可能であり、高い信頼性を得ることができる。
【００６７】
すなわち、本実施形態によれば、ループ端を設定することなく、リレー端末Ｒｙ１〜Ｒｙ７をループ形状に通信接続した保護システム構成が可能となり、ループ状の通信経路上の１か所で通信故障が発生しても、運用を維持可能できる。しかも、２つの通信経路を用いて通信フレームＦを送出するので、リレー端末Ｒｙ１〜Ｒｙ７間の通信遅延時間は、ループ経路一周に要する時間の１／２以下で済む。したがって、リレー処理の高速応動を実現することができる。
【００６８】
また、本実施形態では、ループ端を設定しないので、通信経路の中央と呼べるリレー端末Ｒｙ１〜Ｒｙ７は存在しない。そのため、一部のリレー端末Ｒｙ１〜Ｒｙ７の通信負荷が高まって通信負荷が大きくなるといった不具合がない。つまり、本実施形態においては、ループ経路上の通信負荷が経路区間で異なることはない。したがって、遅延変動は少なくなり、リレー端末Ｒｙ１〜Ｒｙ７内部の中継遅延時間をほぼ等しくすることができる。
【００６９】
しかも、本実施形態では、Ｌ２ＳＷの経路制御を実施しないので、同期主従のリレー端末Ｒｙ１〜Ｒｙ７間の通信経路に関して、往路と復路で同一にするような設定が不要となり、通信経路の変化に伴う通信遅延時間の変化が無い。したがって、各リレー端末Ｒｙ１〜Ｒｙ７で、均一の同期精度を得ることができ、安定したサンプリング同期精度を確保することが可能である。さらに、Ｌ２ＳＷの経路制御設定が不要となることから、誤設定による不正動作のおそれがなく、メンテナンス性が向上する。
【００７０】
ところで、中継送出部１９による中継フレームの送出タイミングは、受信フレーム通知部２０による自局からの電気量フレームや同期フレームの送出タイミングとは非同期に生じている。そのため、中継送出部１９による中継送出の開始直前に、自局の通信フレームＦの送出が仕掛かり中となって、通信フレームＦが破損するケースもあり得る。そこで本実施形態では、ＮＩＣ１２、１３の前段にキュー１６、１７を設けておき、順番に送出制御することにより、送出仕掛かり中におけるＮＩＣ１２、１３の重複送出を防いでいる。これにより、通信フレームＦの破損を確実に防止することができる。
【００７１】
また、本実施形態では、同期フレームがキュー１６、１７に滞留している期間は、キュー１６、１７から電気量フレームを送信しないように制御している。そのため、同期フレーム中継と電気量フレームの送出競合を無くすことができる。これにより、中継時間を常に一定にすることが可能である。
【００７２】
本実施形態において、中継要否判定部１８は、宛先ＭＡＣが自局宛なら中継しないと判定するので（条件（Ａ）に基づく）、ユニキャスト配信となり、宛先ＭＡＣが自局宛の通信フレームＦを、他のリレー端末へ配信されることはない。また、中継要否判定部１８は、発信元ＭＡＣが自局ならば中継しないと判定するので（条件（Ｂ）に基づく）、ルート状の通信経路を周回した自発信の通信フレームＦいわゆる戻りフレームが、他のリレー端末へ配信されることがない。
【００７３】
さらに、中継要否判定部１８は、中継ＴＴＬが上限以上なら、通信フレームＦを中継しないと判定するので（条件（Ｃ）に基づく）、不正な通信フレームＦの周回を防ぐことができる。また、中継要否判定部１８は、中継ＴＴＬが０ならば、通信フレームＦを中継しないと判定するため（条件（Ｄ）に基づく）、中継回数のリミット超過時の通信フレームＦが周回することが無い。このように、本実施形態では、通信フレームＦの中継ＴＴＬから中継の要否を判定することで、破損フレームの不正ループを防止し、通信回線２の消費帯域を安定させることが可能である。
【００７４】
また、本実施形態では、光回線の光レベル低下やケーブル瞬断などの回線故障等でループ経路上に不正なフレームが発生した場合、ＦＣＳによるエラー検出に基づいて、これを破棄することかできる。さらには、ＴＴＬ判定によって、これら不正な通信フレームの中継を抑制することができる。
【００７５】
本実施形態では、２つの通信経路に含まれる各種の機器などすべて健全であるならば、２つの通信経路で同期通信でき、２ルート分の通信遅延時間や同期誤差を算出することができる。このとき、本実施形態では、通信遅延時間の変動が小さい方を採用しているため、外乱（通信負荷等）による同期誤差の揺らぎを抑制することができ、同期精度をより安定させることが可能である。
【００７６】
受信フレーム通知部２０では、通信フレームＦ中の送出通番の最新値を記憶し、それと同一の送出通番を持つ通信フレームＦつまり後着した通信フレームＦを破棄するので、電気量フレームを重複して受信する心配がない。したがって、演算部１０は正確な演算処理を行うことが可能である。
【００７７】
また、本実施形態の通信フレームＦでは、ユーザデータ領域の前方寄りに、中継ＴＴＬを配置したので、中継要否判定部１８にて通信フレームＦの先頭から一部が着信した時点で中継要否判定を開始しても、的確な判定を行うことができる。したがって、本実施形態によれば、中継時間の短縮化を図ることができ、ループ経路に多数台のリレー端末Ｒｙ１〜Ｒｙ７を加入しても、演算周期内で局間通信を行うことが可能であり、リレー処理を確実に動作するシステムの構築が可能である。
【００７８】
（２）第２の実施形態
（構成と作用）
第２の実施形態は、上記第１の実施形態と同様、ｎ台のリレー端末Ｒｙ１〜Ｒｙｎを電力系統の要所に配置して通信回線２でループ状に接続したループ型保護リレーシステムである。図５では、リレー端末Ｒｙ１の構成を示しており、図２の第１の実施形態と同一の構成要素に関しては、同一符号を付して説明は省略する。
【００７９】
図５に示すように、第２の実施形態は、通信ドライバ１１の中継要否判定部１８を、独立した専用のハードウェアとして構成し、これを汎用の通信ハードウェアに接続した点に特徴がある。中継要否判定用として独立したハードウェアには、中継制御用のＦＰＧＡ素子２１が搭載されている。
【００８０】
ＦＰＧＡ素子２１は、送出待ちバッファ２１ａを有している。送出待ちバッファ２１ａは図２の送信待ちキュー１６、１７に相当するものである。また、ＦＰＧＡ素子２１は、中継条件テーブル２１ｂを持っている。中継条件テーブル２１ｂは、図２の中継要否判定部１８にて設定された中継条件を保持するテーブルである。さらにＦＰＧＡ素子２１は、中継条件テーブル２１ｂを参照して、通信フレームＦの中継可否判定を行う中継判定部２１ｃを有している。
【００８１】
以下、ＦＰＧＡ素子２１の各構成要素の動作について、説明する。ＦＰＧＡ素子２１が受信した通信フレームＦは、図４に示した宛先ＭＡＣ、発信元ＭＡＣ、タイプの順に中継判定部２１ｃに着信する。中継判定部２１ｃでは、通信フレームＦの持つ情報のうち、中継ＴＬＬまで受信すると、通信フレームＦの中継要否判定を行うことができる。そのため、受け付けた通信フレームＦにおいて、中継条件に合致して中継が必要ならば、別ルートの送信待ちバッファ２１ａに宛先ＭＡＣから順に格納していく。
【００８２】
このとき、ＦＰＧＡ素子２１では、送信待ちバッファ２１ａに格納したデータでＦＣＳ計算し、また中継ＴＬＬは１減算して格納する。順に電気量データまで送信待ちバッファ２１ａに格納したら、受信したＦＣＳ値は破棄し、計算したＦＣＳ値を送信待ちバッファ２１ａに格納する。中継判定部２１ｃは、中継の要否によらず、後段のＮＩＣ１２、１３に配信する。
【００８３】
（効果）
上記第１の実施形態では、通信フレームＦの中継処理を、通信ドライバ１１の内部に持たせているので、ＮＩＣ１２、１３から受信した通信フレームＦを元にして通信ドライバ１１で中継判定するので、最低でもフレーム長時間の中継遅延が生じざるを得ない。
【００８４】
そこで、第２の実施形態では、中継制御用のＦＰＧＡ素子２１を用いることにより、受信した通信フレームＦの先頭ｎｂｙｔｅから中継判定する、つまりカットスルー中継することで、中継遅延時間の短縮化を実現している。このようにして中継遅延時間を減少させた第２の実施形態によれば、局間通信遅延時間を短縮することができ、ループ経路により多数の局を加入させることが可能となる。
【００８５】
カットスルー中継の場合、ＦＣＳエラーの破損フレームも中継配信されて、いわゆるブロードキャストストームの要因となるケースがあるが、第２の実施形態では、前記第１の実施形態と同様、中継ＴＬＬの判定により一定回数を超える中継が抑制されている。そのため、不正フレームがループ経路を巡回することはなく、ブロードキャストストームが起きる心配がない。
【００８６】
また、ＦＣＳエラーフレームが、ＮＩＣ１２、１３に中継判定処理を介してＮＩＣに配信された場合には、ＮＩＣ１２、１３でＦＣＳエラーを検出して破棄する。したがって、不正フレームによる装置誤作動などの影響もなく、安定したシステムの構築に寄与することができる。
【００８７】
（３）第３の実施形態
（構成と作用）
図６を用いて第３の実施形態の構成と作用について説明する。第３の実施形態も、上記第１の実施形態と同様、ｎ台のリレー端末Ｒｙ１〜Ｒｙｎを電力系統の要所に配置して通信回線２でループ状に接続したループ型保護リレーシステムである。
【００８８】
図６に示すように、第３の実施形態の特徴は、中継要否判定部１８の機能を果たす中継制御用基板２２を、リレー端末と完全に分離して設けた点にある。図６では、リレー端末Ｒｙ１を示しており、上記図２に示した第１の実施形態と同一の構成要素に関しては、同一符号を付して説明は省略する。
【００８９】
第３の実施形態では、中継要否判定部１８を、ＦＰＧＡ素子２１を搭載した専用ハードウェアとするのではなく、図６に示すように、リレー端末Ｒｙ１の通信ドライバ１１が汎用のハードウェアで構成されており、その先のネットワーク側に中継制御用基板２２が設けられている。
【００９０】
中継制御用基板２２は、上記のＦＰＧＡ素子２１と同じく、送出待ちバッファ２２ａを有している。また、中継制御用基板２２は中継条件設定ＳＷ２２ｂを持っている。中継条件設定ＳＷ２２ｂでは、例えばＤＩＰＳＷ設定で中継ＴＬＬを設定したり、送信フレームの発信元ＭＡＣを参照したりすることで、自局ＭＡＣを得るようになっている。さらに中継制御用基板２２は、通信フレームＦの中継可否判定を行う中継判定部２２ｃを有している。このため、第３の実施形態でも、第２の実施形態と同様の中継判定を行うことができる。
【００９１】
（効果）
以上の第３の実施形態によれば、リレー端末Ｒｙｎの通信ドライバ１１は、汎用ハードウェアで実現することができるため、安価で済み、コストの低減化を図ることができる。また、第３の実施形態においては、中継判定を行うための中継制御用基板２２を、リレー端末Ｒｙｎから独立して設けたので、高性能な基板を採用することにより、さらに高速のフレーム中継を実現することが可能となり、ループ型保護リレーシステムの信頼性を高めることができる。
【００９２】
（４）第４の実施形態
（構成と作用）
第４の実施形態に係る通信フレームＦは、図７に示すように、ユーザデータ領域に情報種別を設けている。この情報種別により、通信フレームＦは、ネットワークの状態を診断するための診断用フレームと、通常のリレー処理用フレームに区別される。診断用フレームにはループ経路に加入する各リレー端末Ｒｙｎの端子番号や配置を、管理情報として設定しておく。
【００９３】
第４の実施形態の基本的な構成は、上記第２の実施形態と同様である。すなわち、第４の実施形態では、通信ドライバ１１の中継要否判定部１８を、独立した専用のハードウェアとして備え、このハードウェアに中継制御用のＦＰＧＡ素子２１を搭載すると共に、汎用の通信ハードウェアに接続する。
【００９４】
第４の実施形態のＦＰＧＡ素子２１において、中継判定部２１ｃは、受信した通信フレームＦの情報種別が診断用フレームであれば、受信したルート側の送信待ちバッファ２１ａに格納するようになっている。また、図８に示すように、ＦＰＧＡ素子２１の中継判定部２１ｃには、接続構成判定部２３と、診断用フレーム返送部２４と、リレー端末判定部２５が設けられている。
【００９５】
既に述べたように、診断用フレームにはループ経路に加入する各リレー端末Ｒｙ１〜Ｒｙｎの端子番号や配置を管理情報として設定しているので、例えば診断フレームを受信したリレー端末Ｒｙ１では、診断用フレーム中の送出端子番号で前後に隣接するリレー端末Ｒｙ２、Ｒｙ７を認識する。この認識に基づき、接続構成判定部２３は、診断用フレームに基づいて通信回線によるループ状の接続構成の健全性を判定する。
【００９６】
また、診断用フレーム返送部２４は、受信した通信フレームＦの情報種別が診断用フレームであれば、送信待ちバッファ２１ａを介して診断用フレームを受信した通信ポート８、９に折り返し返送する。これにより、診断用フレームは、送出されたルートの先のリレー端末Ｒｙ２、Ｒｙ７で折り返され、同ルートに着信する。
【００９７】
リレー端末判定部２５は、診断用フレーム返送部２４と、通信ポート８、９に対する診断用フレームの折り返し返送の受信の有無を検知する。そして、リレー端末判定部２５は、検知結果に基づいて、リレー端末Ｒｙ１の前後に接続されたリレー端末Ｒｙ２、Ｒｙ７の健全性を判定する。
【００９８】
（効果）
以上のような第４の実施形態では、接続構成判定部２３によりループ状の接続構成の健全性を判定でき、且つリレー端末判定部２５により各リレー端末Ｒｙ１〜Ｒｙ７の健全性を判定することができる。したがって、ループ状の通信経路や各リレー端末Ｒｙ１〜Ｒｙ７の故障時に故障箇所を的確に推定することができる。また、ループ状の通信経路とリレー端末Ｒｙ１〜Ｒｙｎの両方の健全性を判定することができるので、ネットワークの接続ミスを判定することが可能である。
【００９９】
（５）他の実施形態
上記の実施形態は、本明細書において一例として提示したものであって、発明の範囲を限定することを意図するものではない。すなわち、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の範囲を逸脱しない範囲で、種々の省略や置き換え、変更を行うことが可能である。これらの実施形態やその変形例は、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。
【０１００】
リレー端末の台数や電力系統における配置箇所などは適宜変更可能である。また、通信フレームのフォーマットの構成なども適宜選択可能である。例えば、ＴＴＬの初期値を（最大端子数−１）としてもよく、このように設定することで、自リレー端末の同報送信した通信フレームは、循環して別ルートで着信する。したがって、これを監視に利用することにより、ループ状の通信経路の健全性判定を行うことが可能となる。
【符号の説明】
【０１０１】
８、９  通信ポート
１０  演算部
１１  通信ドライバ
１２、１３  ＮＩＣ
１４  送信処理部
１５  受信処理部
１６、１７  キュー
１８  中継要否判定部
１９  中継送出部
２０  受信フレーム通知部
２１  ＦＰＧＡ素子
２１ａ  送出待ちバッファ
２１ｂ  中継条件テーブル
２１ｃ  中継判定部
２２  中継制御用基板
２３  接続構成判定部
２４  診断用フレーム返送部
２５  リレー端末判定部
Ｒｙ１〜Ｒｙ７  リレー端末
Ｆ  通信フレーム 
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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