(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源システムの現在状態を示す入力信号ｖを受け取るために接続された第１のフィルタリングデバイス（２２）であって、前記第１のフィルタリングデバイスは前記電源システムの周波数より低い周波数の振動性の減衰成分と前記入力信号の減衰直流成分を効果的に抑制する中間信号ｖ1を生成し、ここで、
【数１】
0004620319.tif 000005
ｋはサンプルのインデックスであって、ｈ0からｈXは第１のフィルタ係数である、当該第１のフィルタリングデバイスと、
前記第１のフィルタリングデバイスから前記中間信号ｖ1を受け取り、履歴サンプルの特定数の平均値を提供する出力信号ｖ2を生成するために接続され、ここで、
【数２】
0004620319.tif 000006
ｇ0からｇXは第２のフィルタ係数であって、第２のフィルタリングデバイスは、フーリエアルゴリズムに前記出力信号ｖ2を与えるために接続される、当該第２のフィルタリングデバイスを備える回路保護デバイス用フィルタ（２０）。
【請求項２】
前記入力信号はコンデンサ型変圧器から供給される電圧信号である、請求項１のフィルタ。
【請求項３】
前記回路保護デバイスはマイクロプロセッサに基づく保護継電器（１０）である請求項１のフィルタ。
【請求項４】
前記マイクロプロセッサは第１と第２のフィルタリングデバイスを制御する、請求項３のフィルタ。
【請求項５】
前記第２のフィルタリングデバイスからの出力信号は、前記回路保護デバイスの少なくとも１つの保護機能を実行する、請求項１のフィルタ。
【請求項６】
回路保護デバイスのための信号を濾波する方法であって、
第１のフィルタリングデバイス（２２）で電源システムの現在状態を示す入力信号ｖを受信する工程と、
前記第１のフィルタリングデバイス（２２）で前記電源システムの周波数より低い周波数の振動性の減衰成分と前記入力信号の減衰直流成分を効果的に抑制する中間信号ｖ1を生成し、
【数３】
0004620319.tif 000007
前記中間信号ｖ1を第２のフィルタリングデバイス（２４）に供給する工程と、
第２のフィルタリングデバイス（２４）で前記信号を受信する工程と、
前記第２のフィルタリングデバイス（２４）で履歴サンプルの特定数の平均値を提供する出力信号ｖ2を生成する工程であって、
【数４】
0004620319.tif 000008
である、当該工程と、
前記出力信号を用いて、前記回路保護デバイスで保護制御を実行する工程を備える方法。
【請求項７】
前記回路保護デバイスはマイクロプロセッサに基づく保護継電器（１０）である、請求項６の前記方法。
【請求項８】
前記用いる工程の前にフーリエアルゴリズムを利用して、前記出力信号を処理する工程をさらに備える、請求項６の前記方法。
【請求項９】
前記入力信号は電源システム内の状態を示す電圧信号である、請求項６の前記方法。
【請求項１０】
前記入力信号は、前記電源システムに関連するコンデンサ型変圧器から受信される、請求項９の前記方法。
【請求項１１】
前記生成する工程は、マイクロプロセッサによって実行される請求項６の前記方法。
【請求項１２】
電源システムに保護制御を提供する、請求項１に記載のフィルタを有する保護継電器であって、
前記電源システムの現在状態を示す入力信号ｖを受信するための、前記電源システムへの第１の接続部と、
少なくとも前記入力信号に基づいて保護制御機能を提供するようにプログラムされたマイクロプロセッサであって、前記入力信号ｖを濾波して、
Ｚはサンプル履歴Ｘ＋Ｙ、ｂｎは前記フィルタ係数ｈｎ及びｇｎの組合せとして、
出力信号
【数５】
0004620319.tif 000009
を生成する、当該マイクロプロセッサを備える、保護継電器。
【請求項１３】
前記マイクロプロセッサは、前記入力信号ｖに第１の濾波を施し、
【数６】
0004620319.tif 000010
第１の中間信号ｖ1を生成し、また、前記中間信号に第２の濾波を施して、出力信号ｖ2を生成することによって、前記フィルタリングを実現し、ここで、
【数７】
0004620319.tif 000011
である、請求項１２の保護継電器。
【請求項１４】
前記マイクロプロセッサは、フーリエアルゴリズムを前記出力信号に適用して制御信号を生成し、前記制御信号に基づいて保護制御機能を実行するようにさらにプログラムされる、請求項１２の保護継電器。
【請求項１５】
前記入力信号ｖは電圧信号である、請求項１２の保護継電器。
【請求項１６】
前記入力信号ｖは、前記電源システムに関連するコンデンサ型変圧器から受信される、請求項１５の保護継電器。
【請求項１７】
電源システムに保護制御を提供するマイクロプロセッサに基づく保護継電器（１０）であって、
電源システムの入力電圧信号の周波数より低い減衰直流成分と振動性減衰成分を抑制して、中間信号を生成するように動作する第１のフィルタリングデバイス（２２）と、
前記中間信号の複数の履歴サンプルの平均値を生成し、前記平均値と前記中間信号に基づいて出力制御信号を生成する第２のフィルタリングデバイス（２４）を備える、保護継電器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の背景】
本発明は、一般的に、コンデンサ型変圧器（ＣＶＴ）を介して電圧信号が保護継電器に入力される状態で保護的継電器制御を行うために電圧フェイソルのデジタル測定を行うことに関する。特に、本発明では、マイクロプロセッサに基づく継電器の距離／方向保護要素がより速く、より正確なものになるようにフェイソル測定値の動的精度を改善する。
【０００２】
入力電流や電圧を規則的な時間間隔でサンプリングし、これらの信号の中で選択された主に振幅や位相角といった特徴をデジタル測定し、その信号特徴を互いに、または、閾値に対して比較することによって、電源システム用マイクロプロセッサに基づく保護デバイスは動作する。正常に機能するためには、その電圧フェイソルと電流フェイソルを速やかで正確に測定することが要求される。
【０００３】
高電圧（ＨＶ）や超高電圧（ＥＨＶ）の電源システムでは、測定デバイスと保護デバイスに電圧信号を供給する前に、その電圧を数十万ボルト（一次電圧レベル）の範囲から数十ボルト（二次電圧レベル）に下げる目的でＣＶＴがしばしば使われる。ＣＶＴは一般的に磁気型変圧器よりも低価格であるが、電圧を二次レベルに変換する時に特定の過渡的成分を元の高電圧信号に追加するため、保護継電器にある種の問題を引き起こす。
【０００４】
米国特許３，８７０，９２６では、コンデンサ型分圧器や同調反応器やステップダウン変圧器や鉄共振抑制回路（ferroresonance suppression circuit）からなる代表的なＣＶＴを開示している。電源システムの伝送ラインが故障すると一次電圧が落ちて、ＣＶＴのスタックコンデンサと同調反応器に蓄積されたエネルギーが散逸するときに、ＣＶＴは保護継電器の性能に影響を与える深刻な過渡現象を生成する。
【０００５】
ＣＶＴが生成した過渡現象は、比較的大きな振幅と長い持続期間を備える傾向がある。電源インピーダンス比率（ＳＩＲ  −  システム等価インピーダンスと継電器リーチインピーダンスの比率）が大きい場合、伝送ラインを保護する継電器にとってこのことは特に重大である。ＳＩＲが大きい場合は、ラインが故障している状態での一次電圧は非常に低い。この信号は、保護継電器が正しく動作するためには極めて重要であるが、電源システム自体が生成する成分ではなく、ＣＶＴが生成する成分によってかなり歪ませられる。一般的に、ＣＶＴが生成する過渡現象は直流（ｄ．ｃ．）成分とみなされるが、実際は、ＣＶＴは複数の成分を生成し、その中に振動成分（交流（ａ．ｃ．）成分）が含まれる場合もある。
【０００６】
ＣＶＴ過渡現象は、保護継電器の電圧に関する機能の全てに影響する。これは距離／方向機能にとって特に重大なことである。
【０００７】
マイクロプロセッサに基づく継電器では代表的である電圧フェイソル測定に、周知のフーリエアルゴリズムを適用すると、電圧の振幅はＣＶＴ過渡現象が原因でかなり過小評価される。この結果、継電器の距離要素に誤動作を引き起こす。
【０００８】
同様に、ＣＶＴ過渡現象が原因で、電圧フェイソルの位相角が正確に測定されない。この結果、継電器の方向要素を誤動作させる。
【０００９】
電気機械式継電器は、その低速動作はいたしかたないが、その自然的で機械的な慣性のおかげで不都合なＣＶＴ過渡現象をうまく処理することができる。
【００１０】
マイクロプロセッサに基づく保護継電器のＣＶＴ過渡現象をうまく処理する周知の方法は、継電器に一定もしくは調整可能な特定の遅延を導入する、即ち、永久的または調整可能なやり方で距離要素のリーチ範囲を狭めることである。
【００１１】
米国特許４，７６３，０６８では、ＣＶＴを介して供給される電圧信号の交流成分を測定する装置を開示している。そのアプローチはアナログ回路に基づくものであって、マイクロプロセッサに基づく保護継電器のＣＶＴ過渡現象を扱うには、その手段はコスト的に効果的ではない。その上、この方法では、交流成分だけを得るために妨害成分を再構成して入力電圧からそれを差し引く時に、ＣＶＴ過渡現象の直流特性を前提としている。上述したように、ＣＶＴが振動性の過渡現象を生成する場合もあるため、このようなＣＶＴでは‘０６８特許で開示される方法は正確ではない。
【００１２】
米国特許５，７２９，４７７は、ＣＶＴに供給される電圧信号から妨害成分を取り除く方法を開示している。この方法は、マイクロプロセッサに基づくデバイス上で実現されることを意図されており、入力信号の直流成分のパラメータを計算することや、再構成された直流成分を入力信号から差し引くことに依存する。この方法では、わずか２回でデジタル測定することが要求されるため、１つの成分しか扱うことできず、その成分は指数関数的に減衰する直流成分に限られ、その時間定数は既知のものでなくてはならないということがはっきりしている。以上の制限のため、‘４７７特許で記述された方法は前述の問題に十分に対応していない。
【００１３】
米国特許４，１９６，３８８は、切換え可能なアナログフィルタによって、ＣＶＴに供給される電圧信号から妨害成分を取り除く装置を開示している。この装置では、２つの異なるアナログフィルタモードを使用する。１つは、広域周波数応答（その結果、高速応答）をもち、もう１つは狭バンド幅（その結果、低速応答）をもつ。この装置はバンド幅を自動制御するメカニズムを含む。電源システムの故障中にフィルタのバンド幅を狭くすることによって、この装置では電圧信号に特定の遅延が起こる。このことは、保護継電器を低速にした場合にその性能に影響を与える。その上、この装置がアナログデバイスの場合は、コスト効率に基づくマイクロプロセッサに基づく継電器から直接その装置を利用することはできない。
【００１４】
米国特許４，４３７，１３４は、ＣＶＴのスタックコンデンサにトラップされたエネルギーを高速放電する装置を開示している。この装置では、必要に応じて第１の回路のスィッチを切り替える独立した検知器と半導体デバイスから成る特殊な回路が使用される。この装置がアナログデバイスの場合は、その装置はＣＶＴの設計を強化したものであって、コスト効率上マイクロプロセッサに基づく継電器から直接それを用いて通常のＣＶＴの設計で起こる問題に対処することはできない。
【００１５】
【発明の概要】
以上の点を考慮すると、スタックコンデンサの値と鉄共振抑制回路の種類と負荷の種類／値を含むＣＶＴの種類に無関係に適切なフィルタを提供し、ＣＶＴに供給された電圧信号を前もって濾波する数値アルゴリズムを提供することが非常に望まれている。最小遅延時間のフィルタを提供することについてさらに説明する。そのフィルタはまた、広く使用される大きさと位相の両方に関するフーリエアルゴリズムにおいて、後者を前もって濾波された電圧信号に適用した時に、そのアルゴリズムを最適な性能にすることも望まれる。
【００１６】
これらの目標を達成するためと、その他のメリットを提供するために、本発明の実施形態では、フーリエアルゴリズムや、マイクロプロセッサに基づく保護継電器のその他の機能を適用する前に、ＣＶＴに供給される電圧を前もって濾波するリニア／有限時間応答（ＦＩＲ）デジタルフィルタが提供される。
【００１７】
このフィルタは、カスケード接続の２つのＦＩＲフィルタとして設計することができる。このフィルタの第１ステージでは、電源システムの周波数（５０または６０Ｈｚ）より低い周波数の減衰直流成分と振動性／減衰成分を抑制する。フィルタの第２ステージでは、電圧信号の履歴サンプル中の特定の数値を使って動的メモリを提供し、その結果を平均化し、その平均値を使ってフィルタの出力信号を効果的に構成する。
【００１８】
このフィルタは、個々のＣＶＴに合わせて調整する必要がない。従って、フィルタの適用の際にはＣＶＴ特性は必要ないので、このフィルタは万能なものである。
【００１９】
このフィルタによって遅延時間が最小限に抑えられるので、不必要に保護継電器の動作速度を低下させることはない。
【００２０】
前もって濾波することにより、フーリエアルゴリズムによって評価される電圧フェイソルの大きさが過小評価されることを最小限にすることができ、また、ＣＶＴに供給される入力電圧の未処理サンプルに関して使われるフーリエアルゴリズムと比較して、電圧フェイソルの位相角をかなり正確に推定することができる。
【００２１】
本発明を実現するマイクロプロセッサに基づく継電器によって、距離／方向保護要素の性能を改善することができる。
【００２２】
添付図面と共に以下の詳細な説明を読むことによって、本発明とその結果としてのメリットを十分に理解することができる。
【００２３】
【発明の実施の態様】
図１を参照すると、マイクロプロセッサに基づく保護継電器１０には、フィルタ２０と、継電器１０に供給される電流信号または電圧信号にフーリエアルゴリズムや他の信号処理アルゴリズムを適用する信号プロセッサ１２が含まれる。継電器１０は、図示されるトリップ（ｔｒｉｐ）やアラーム（ａｌａｒｍ）やコミュニケーション（ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ）等の保護制御信号を出力して、それに関連する（不図示）電源システムのための様々な保護制御機能をスタートさせる。フィルタ２０は、電源システムの現在状態を示す電圧信号を処理する。本実施形態の電圧信号はコンデンサ型変圧器から受信され、マイクロプロセッサに基づく継電器１０の適切な（不図示）アナログ−デジタルコンバータによってアナログ信号からデジタル信号へ変換される。コンデンサ型変圧器とアナログ−デジタルコンバータは周知のものであるためこれらの要素については簡潔に説明した。フィルタ２０は、この入力デジタル電圧信号を処理して、フーリエアルゴリズムの信号プロセッサ１２に直接供給される別なデジタル信号に変換する。図１のフィルタ２０は、基本的なシステム周波数のサイクル毎に６４サンプルのサンプリングレート用に設計されているが、その他のサンプリングレート用にそのフィルタに設計することも容易である。
【００２４】
図２に示されるように、フィルタ２０には２つの独立したステージ２２、２４が含まれ、これらの両方はリニア有限時間応答（ＦＩＲ）デジタルフィルタとして、適切にプログラムされたマイクロプロセッサの制御下で実現されることが望ましい。第１のステージ２２では入力信号ｖを処理して、中間信号ｖ1を生成する。図１の継電器に関連するマイクロプロセッサは、フィルタ２０の第１ステージ２２で以下の演算を実行する：
【００２５】
【数１０】
0004620319.tif 000002
【００２６】
ここで、ｋはサンプルのインデックスであり、ｈ0からｈ20は第１ステージ２２の係数である。
【００２７】
この第１ステージ２２では、電源システム周波数（例えば５０もしくは６０Ｈｚ）より低い周波数の振動性の減衰成分と入力電圧信号の減衰直流成分を効果的に抑制する。
【００２８】
第２ステージ２４では、中間信号ｖ1を処理して、出力信号ｖ2を生成する。フィルタの第２ステージ２４を実現するために、継電器２０に関連するマイクロプロセッサによって以下の演算が実行される。
【００２９】
【数１１】
0004620319.tif 000003
【００３０】
ここでｇ0からｇ74はフィルタの第２ステージの係数である。
【００３１】
この第２ステージ２４は、入力電圧信号の履歴サンプルの特定の数字（この例では７４）を使うことによって動的メモリを提供し、その結果を平均値を求め、その平均値を使用してフィルタの出力信号を効果的に構成する。
【００３２】
演算（１）と演算（２）が組み合わされ、図２のフィルタの最終的な処理式は以下のようになる。
【００３３】
【数１２】
0004620319.tif 000004
【００３４】
保護継電器１０に関連するマイクロプロセッサは信号プロセッサ１２を利用し、第２ステージ２４の出力にフーリエアルゴリズムを適用し、濾波された電圧信号に基づいてトリップ信号やアラーム信号やコミュニケーション信号等の適切な信号を生成する。また、電源システムの現在状態を示す電流信号を受信するために、また、その電流信号に基づいて適切な出力保護制御信号を生成するために信号プロセッサ１２が接続される。
【００３５】
デジタルフィルタ処理は、適切にプログラムされたマイクロプロセッサの制御下で実行することができる。マシン読出し可能な記憶メディア（例えば、内部メモリ）上に符号化されたインストラクションを実行するようにそのマイクロプロセッサをプログラムすることによって、上述された方法で入力電圧信号を受信し処理することができる。
【００３６】
次に図３を参照すると、フィルタ２０の係数ｂのグラフが示されている。この図は、フィルタ係数（３）のプロットを表している。ｘ軸はサンプル番号のインデックス（ｎ）を、ｙ軸は与えられたサンプルに対する重み付け値を示している。
【００３７】
図４から図１１は、本発明に基づくフィルタの効果を図示している。図４は、フィルタ２０を実現する一マイクロプロセッサに基づく継電器によって保護される伝送ライン上で３相故障が起こっている時の相電圧信号を示す。このプロットで示されるように、代表的な一実施例では０．５秒より短いときにフィルタリングが効果的に施される。
【００３８】
図５と図６は、未処理の入力電圧信号を使用して（図５）、また、図１と図２に基づいてフィルタに通された信号を使用して（図６）、（故障までの距離の予測のために使用される）大きさの測定値を比較したものである。これらのプロットからわかるように、このフィルタによってその大きさの過小評価を防ぐことができる。また、このことによって、継電器の距離要素の、障害や誤動作までの距離を過小評価することも防ぐことができる。
【００３９】
図７と図８は、未処理の電圧信号と（図７）、図１と図２のフィルタで前もって濾波された信号（図８）を使用して、（継電器の方向機能を決定する際に使用される）位相角の値を比較したものである。このフィルタによって、過渡的な誤差が極めて小さくなることが保証され、継電器の方向機能の誤動作が防止される。
【００４０】
図９は、障害前の位置Ａ０、Ｂ０、Ｃ０から障害が起こった位置Ａ１、Ｂ１、Ｃ１へ移動する時の３電圧のフェイソルを示し、図１０は、障害位置における位相Ａのフェイソルを拡大表示したものである。これらのフェイソルは、未処理の電圧サンプルを使って測定される。図１０で示されるように、障害位置での位相Ａのフェイソルを拡大すると、フェイソルは最終点Ａ１の周りを回転した後で安定する。もし最終的なフェイソル値が非常に小さい場合、推定されるフェイソルは原点（０，０）の周りを回転して、方向および距離要素を誤動作させる。
【００４１】
図１１は、それと同じ測定プロセスであるが、図１と図２のフィルタを使った場合のものを示す。これらのフェイソルは回転せずに最終的な値Ａ１、Ｂ１、Ｃ１に落ち着く。これは、このフィルタがマイクロプロセッサに基づく継電器の距離／方向保護要素の精度をどの程度改善するのかを示すものである。
【００４２】
前述の説明には、多くの詳細事項と特定のものが含まれているが、これらは単に説明目的で示されたものであって、本発明を限定するものとして解釈すべきでないことを理解されたい。以下の請求項やその法的な等価物によって包含される本発明の精神と範囲から逸脱することなく、上述の実施形態に対して多くの変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１は、マイクロプロセッサに基づく保護継電器の模範的なプリフィルタのブロック図である。
【図２】  図２は、本発明のフィルタの２つのステージと、中間的な電圧信号を示すブロック図である。
【図３】  図３は、本発明のフィルタの係数のプロットを示す。
【図４】  図４は、１つの電源システムの伝送ラインが故障中に、１つのＣＶＴで大きく歪められた３相二次電圧の時間に対するサンプルプロットである。
【図５】  図５は、本発明に基づいて前もって濾波された信号に関して処理するフーリエアルゴリズムと、未処理のサンプルに関して処理するフーリエアルゴリズムによってそれぞれ推定された図４の信号の大きさのプロットである。
【図６】  図６は、本発明に基づいて前もって濾波された信号に関して処理するフーリエアルゴリズムと、未処理のサンプルに関して処理するフーリエアルゴリズムによってそれぞれ推定された図４の信号の大きさのプロットである。
【図７】  図７は、本発明に基づいて前もって濾波された信号に関して処理するフーリエアルゴリズムと、未処理サンプルに適用されたフーリエアルゴリズムによって推定された図４の信号の位相角のプロットである。
【図８】  図８は、本発明に基づいて前もって濾波された信号に関して処理するフーリエアルゴリズムと、未処理サンプルに適用されたフーリエアルゴリズムによって推定された図４の信号の位相角のプロットである。
【図９】  図９は、未処理サンプルに適用されたフーリエアルゴリズムによって予測された図４の電圧信号のフェイソルのプロットである。
【図１０】  図１０は、未処理サンプルに適用されたフーリエアルゴリズムによって予測された図４の電圧信号のフェイソルのプロットである。
【図１１】  図１２は、本発明に基づいて前もって濾波された信号に適用されたフーリエアルゴリズムによって推定された図４の電圧信号のフェイソルのプロットである。
【図１２】  図１２は、本発明に基づいて前もって濾波された信号に適用されたフーリエアルゴリズムによって推定された図４の電圧信号のフェイソルのプロットである。
【図１】
0004620319.tif 000012
【図２】
0004620319.tif 000013
【図３】
0004620319.tif 000014
【図４】
0004620319.tif 000015
【図５】
0004620319.tif 000016
【図６】
0004620319.tif 000017
【図７】
0004620319.tif 000018
【図８】
0004620319.tif 000019
【図９】
0004620319.tif 000020
【図１０】
0004620319.tif 000021
【図１１】
0004620319.tif 000022
【図１２】
0004620319.tif 000023