(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力系統の電圧値および電流値を周期的にサンプリングしてディジタル値に変換し、このディジタル値に変換された電圧データおよび電流データを用いて事故方向の判定演算を行うようにしたディジタル形方向継電器において、
基準となる時点の電圧データおよび電流データと、その基準となる時点から所定のサンプリング間隔だけ離れた時点の電圧データおよび電流データとを用いて、それぞれ不平衡成分電圧の変化分および不平衡成分電流の変化分を求める手段と、
この不平衡成分電圧の変化分および不平衡成分電流の変化分を入力してその位相関係を求め、前方事故か後方事故かを判定する手段と、を備え、前記不平衡成分電圧の変化分および不平衡成分電流の変化分として、それぞれ逆相変化分の電気量を使用することを特徴とするディジタル形方向継電器。
【請求項２】
電力系統の電圧値および電流値を周期的にサンプリングしてディジタル値に変換し、このディジタル値に変換された電圧データおよび電流データを用いて事故方向の判定演算を行うようにしたディジタル形方向継電器において、
基準となる時点の電圧データおよび電流データと、その基準となる時点から所定のサンプリング間隔だけ離れた時点の電圧データおよび電流データとを用いて、それぞれ不平衡成分電圧の変化分および不平衡成分電流の変化分を求める手段と、
これら不平衡成分電圧の変化分および不平衡成分電流の変化分から不平衡インピーダンス分を求める手段と、
この求められた不平衡インピーダンス分を基準値と比較し、前方事故か後方事故かを判定する手段と、を備え、前記不平衡成分電圧の変化分および不平衡成分電流の変化分として、それぞれ逆相変化分の電気量を使用することを特徴とするディジタル形方向継電器。
【請求項３】
電力系統の電圧値および電流値を周期的にサンプリングしてディジタル値に変換し、このディジタル値に変換された電圧データおよび電流データを用いて事故方向の判定演算を行うようにしたディジタル形方向継電器において、
基準となる時点の電圧データおよび電流データと、その基準となる時点から所定のサンプリング間隔だけ離れた時点の電圧データおよび電流データとを用いて、電流の逆相変化分ΔI2と電圧の逆相変化分ΔV2を求める第１の手段と、
任意の定数Ｋ1とＫ2、Ψおよび、電流が電圧に対し進んでいる位相をφとしたときに、
Ｋ1ΔＩ2−ΔＶ2cos（φ−Ψ）＞Ｋ2    (1)
が成立した場合前方事故と判定する第２の手段と、
Ｋ1ΔＩ2−ΔＶ2cos（φ−Ψ）＜Ｋ2    (2)
が成立した場合後方事故と判定する第３の手段と、
を設けたことを特徴とするディジタル形方向継電器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は不平衡成分電気量のうち、逆相分電気量の変化分を用いて、事故の方向を判別するようにしたディジタル方向継電器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電力系統の事故方向の判定を、逆相分電気量あるいは零相分電気量を用いた方向継電器により行うことは電気協同研究第37巻１号第54頁の記事等で広く知られている。
【０００３】
ここで、逆相方向継電器をディジタル形で実現しようとした場合、一定サンプリング間隔で得た電力系統の電圧、電流のサンプル値をそれぞれＶm、Ｉmとすると、電圧、電流の逆相成分は次式(3)のように求めることができる。
３Ｖ2m＝Ｖam＋Ｖb(m-8)＋Ｖc(m-4)、
３Ｉ2m＝Ｉam＋Ｉb(m-8)＋Ｉc(m-4)      (3)
【０００４】
ここで、サンプリング間隔は電気角30°、ｍはサンプリングの時点、添字の２は逆相成分、更にa,b,cは各々Ａ相、Ｂ相、Ｃ相の電気量である。また、m-αはｍからαサンプリング前の電気量であることを示している。
【０００５】
電力系統が３相平衡している場合、逆相成分は存在しないから(3)式の各項の値はともに０であるが、電力系統に不平衡事故が発生すると、系統保護リレーから見た逆相インピーダンスＺ2は、Ｖ2m＝Ｚ2・Ｉ2mの関係が成立する。この式においてＺ2は一般的にほとんどがリアクタンス成分であるため、Ｖ2mとＩ2mとはほぼ位相が90°ずれる。その際、電圧と電流のうちどちらが進みとなるかは、事故が前方即ち保護方向か、後方かによって決まる。
【０００６】
逆相回路には電源がないため、正相回路とは逆の関係になり、事故が前方の場合、電流が電圧に対して進み、後方事故の場合は電流が電圧に対して遅れることとなる。従って、例えば電流を90°進み側に移相し、電圧との内積をとった結果が正となれば後方事故、負となれば前方事故と判定することができる。実際の演算は次式(4)のようになる。
Ｖ2m×Ｊ2m＋Ｖ2(m-3)×Ｊ2(m-3)＜０      (4)
【０００７】
ここで、Ｊ2mはＩ2mの位相を90°進めたものである。実際には若干の不感帯をもたせ、それをKとすれば動作ゾーンは図１０のように表すことができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、単相再閉路無電圧時間中のように一時的に３相のうち１相が欠相している状態の場合には、電力系統には実際に事故が発生していないにも拘わらず逆相成分の電気量が存在するため、その電気量を用いて演算した場合、感度が鈍くなるとか誤動作する可能性があった。
【０００９】
本発明の目的は、定常状態において電力系統に逆相成分電気量が存在していたとしても、不平衡事故が発生した場合に正しく事故の方向を判別することのできるディジタル形方向継電器を供給することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、請求項１に係るディジタル形方向継電器の発明は、電力系統の電圧値および電流値を周期的にサンプリングしてディジタル値に変換し、このディジタル値に変換された電圧データおよび電流データを用いて事故方向の判定演算を行うようにしたディジタル形方向継電器において、基準となる時点の電圧データおよび電流データと、その基準となる時点から所定のサンプリング間隔だけ離れた時点の電圧データおよび電流データとを用いて、それぞれ不平衡成分電圧の変化分および不平衡成分電流の変化分を求める手段と、この不平衡成分電圧の変化分および不平衡成分電流の変化分を入力してその位相関係を求め、前方事故か後方事故かを判定する手段と、を備え、前記不平衡成分電圧の変化分および不平衡成分電流の変化分として、それぞれ逆相変化分の電気量を使用することを特徴とする。
【００１１】
この発明によれば、逆相分電気量の変化分を使用することで、常時存在する逆相分電気量の影響を受けにくくすることが可能であり、事故の方向判別の精度を上げることが可能となる。
【００１２】
また、請求項２に係るディジタル形方向継電器の発明は、電力系統の電圧値および電流値を周期的にサンプリングしてディジタル値に変換し、このディジタル値に変換された電圧データおよび電流データを用いて事故方向の判定演算を行うようにしたディジタル形方向継電器において、基準となる時点の電圧データおよび電流データと、その基準となる時点から所定のサンプリング間隔だけ離れた時点の電圧データおよび電流データとを用いて、それぞれ不平衡成分電圧の変化分および不平衡成分電流の変化分を求める手段と、これら不平衡成分電圧の変化分および不平衡成分電流の変化分から不平衡インピーダンス分を求める手段と、この求められた不平衡インピーダンス分を基準値と比較し、前方事故か後方事故かを判定する手段と、を備え、前記不平衡成分電圧の変化分および不平衡成分電流の変化分として、それぞれ逆相変化分の電気量を使用することを特徴とする。
【００１３】
この発明によれば逆相分電気量の変化分を使用してインピーダンスを求めることで、常時存在する不平衡成分電気量の影響を受けにくくすることが可能であり、事故の方向判別の精度を上げることが可能となる。
【００１４】
更に、請求項３に係るディジタル形方向継電器の発明は、電力系統の電圧値および電流値を周期的にサンプリングしてディジタル値に変換し、このディジタル値に変換された電圧データおよび電流データを用いて事故方向の判定演算を行うようにしたディジタル形方向継電器において、基準となる時点の電圧データおよび電流データと、その基準となる時点から所定のサンプリング間隔だけ離れた時点の電圧データおよび電流データとを用いて、電流の逆相変化分ΔI2と電圧の逆相変化分ΔV2を求める第１の手段と、任意の定数Ｋ1とＫ2、Ψおよび、電流が電圧に対し進んでいる位相をφとしたときに、(1)式Ｋ1ΔＩ2−ΔＶ2cos（φ−Ψ）＞Ｋ2が成立した場合前方事故と判定する第２の手段と、(2)式Ｋ1ΔＩ2−ΔＶ2cos（φ−Ψ）＜Ｋ2が成立した場合後方事故と判定する第３の手段と、を設けたことを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明に係る全ての実施の形態に共通なハードウェア構成図である。図１において、101は保護対象である送電線、102はこの送電線101から電圧を取り出すためのPT回路、103は送電線101から電流を取り出すためのCT回路である。
【００１６】
また、104-1および104-2は電力回路であるPT回路102およびCT回路103をそれぞれ電子回路と電気的に分離するためと、取り込んだ電流値、電圧値を後述する演算回路109で取り扱う大きさに変換するための入力変換器である。
【００１７】
105-1、105-2は折り返し周波数をカットするアナログフィルタ、106-1、106-2はアナログフィルタの出力を所定間隔でサンプリングし、そのサンプル値を保持するサンプルホルダーである。
【００１８】
107は複数のサンプルホールド値を時系列に並び換えて出力するマルチプレクサ、108マルチプレクサの出力をディジタル値に変換して出力するA/D変換器、109はマイコン等のディジタル演算回路である。
【００１９】
（第１の実施の形態）
図２は前記演算回路109の機能を演算手段の形式で表した第１の実施の形態のブロック図である。図２において、110はディジタルフィルタであり、入力されたディジタルデータＶ、Ｉをフィルタリングしたのち、ｖ，ｉをそれぞれ次に述べる演算手段111、112に入力する。
【００２０】
111は電圧逆相分演算手段であり、例えば以下の式(5)で電圧の逆相分求める。
３Ｖ2m＝ＶAm＋ＶB(m-8)＋ＶC(m-4)      (5)
ここでｍは現時点のサンプルを示し、以下30°ごとにデータがあるものとする。従って、m-4は120°前のデータを意味する。
【００２１】
112は電流逆相分演算手段であり、例えば以下(6)のような式で電流の逆相分を求める。
３Ｉ2m＝ＩAm＋ＩB(m-8)＋ＩC(m-4)       (6)
113はこれらの演算結果を保存しておくための電圧および電流データ保存手段である。
【００２２】
114は電圧逆相変化分演算手段であり、例えば１サイクル前の値と現時点の値との変化分を、以下のような式(7)で求める。
ΔＶ2m＝Ｖ2m−Ｖ2(m-12)      (7)
【００２３】
115は電流逆相変化分演算手段であり、例えば１サイクル前の値と現時点の値との変化分を、以下のような式(8)で求める。
ΔＩ2m＝Ｉ2m−Ｉ2(m-12)       (8)
この例では先に逆相成分を求め、次に変化分を求めているが、先に変化分を求め、次に逆相分を求めても全く同じである。
【００２４】
116は前方事故判定手段であり、逆相変化分電圧と逆相変化分電流の位相関係から前方事故を判定する。逆相のインピーダンスはほぼ順リアクタンスであることを考慮入れると、前方事故の場合は、ΔＩ2mは−ΔＶ2mに対して約90°遅れることになる。従ってΔＩ2mを90°移相し、−ΔＶ2mとの内積をとることでそれらの位相関係を見ることができる。これを式で表すと例えば以下の式(9)のようになる。
ΔＩ2m∠90°＊（−ΔＶ2m）＞ｋ1｜ΔＶ2m｜      (9)
【００２５】
この式(9)によればΔＩ2mの90°進み分を−ΔＶ2mに投影した成分が、ｋ1以上になった場合に動作となる。この動作域を図に示したものが図３である。内積演算は次の式(10)で求める。
−ΔＶ2m＊ΔＩ2m∠90°＝−ΔＶ2m・ΔＪ2m−ΔＶ2(m-3)・ΔＪ2(m-3) (10)
【００２６】
ここでΔＪ2mはΔＩ2mを90°進めたもので、例えば次式(11)のように求めることができる。
ΔＪ2m＝（ΔＩ2m−2ΔＩ2(m-2)）／√３      (11)
【００２７】
絶対値は例えば次式(12)のように求めることができる。
【数１】
0003830824.tif 000002
【００２８】
逆相インピーダンスに抵抗成分Ｒが多く含まれている場合などは、電流の移相を変化させて、最も感度の良い角度を変更すればよく、ユーザーによる整定とすることも可能である。
【００２９】
117は後方事故判定手段であり、前述の前方事故判定手段116と同様、逆相変化分電圧と逆相変化分電流の位相関係から後方事故を判定する部分である。ただし、前方事故と反対であるので以下のような式(13)で判定する。
ΔＩ2m∠90＊(−ΔＶ2m)＜ｋ2|ΔＶ2m|      (13)
具体的な演算方法は前方事故の判定と全く同じであるので省略する。
【００３０】
図３にこの動作域を示す。これらの判定式中のｋ1，ｋ2は感度を決める要素であり、系統条件に合わせて適宜決めれば良い。
以上述べた実施の形態によれば、逆相分電気量の変化分を使用することで、常時存在する逆相分電気量の影響を受けにくくすることが可能であり、事故の方向判別の精度を上げることが可能となる。
【００３１】
なお、自明なことであるが、電流を移相する代りに電圧を移相して判定しても全く同じである。また、逆相変化分電圧と逆相変化分電流との位相関係を求めるのに、どちらかの電気量を90°移相して内積演算を行うようにしたが、外積演算を行っても良い。
【００３２】
（変形例１）
第１の実施の形態の変形例として、単純に位相差だけを見るものを挙げることができる。既に述べたように、前方事故では−ΔＶ2mとΔＪ2mはほぼ同位相となることから、その位相差をφとすれば次の式(14)、
【数２】
0003830824.tif 000003
で判定が可能となる。このときＸ＝０とすれば動作範囲は
【数３】
0003830824.tif 000004
となり、
【数４】
0003830824.tif 000005
となる。これを図示すると図４となる。
【００３３】
（変形例２）
この変形例２は動作領域をオフセットさせたもので、例えば−ΔＶ2mに−（ΔＶ2m−αΔＶ2m）を代入すれば図５に示すようにαΔＶ2mだけオフセットした特性を得ることができる。なお、αは例えば定数である。
【００３４】
ここではオフセットを電圧の方向にとったが、動揺の計算を電流に対して行えば、電流の方向にとることも可能である。このように、様々な簡単な変更、あるいは機能追加が可能であるが、基本的に逆相電流の変過分と逆相電圧の変化分の位相差に着目するという点で第１の実施形態から変形例２までは共通している。
【００３５】
（第２の実施の形態）
図６は本発明の第２の実施の形態を示す演算手段のブロック図である。この第２の実施例は逆相変化分電流と逆相変化分電圧から逆相インピーダンスを求め、その値から事故の方向を判定しようというものである。なお、ディジタルフィルタ110から演算手段115までは図２の場合と同じであるので説明は省略する。
【００３６】
逆相インピーダンスのうち、リアクタンス分はＩm（ΔＶ2/ΔＩ2）で求めることができる。変化分を用いることで、定常状態で存在している逆相分はキャンセルすることができ、精度を上げることができる。
【００３７】
逆相回路は定常時は電源を持たないため、前方事故の場合発生する電圧は、自分の背後にあるインピーダンスにより決まり、電流が電圧に対し進むことになる。その大きさは事故が前方であれば事故点に関係なく、背後のインピーダンスと等しいものなる。
【００３８】
逆に背後事故であれば、前方のインピーダンスを求めることとなり、遅れ方向となる。遅れ方向を正にとれば、背後事故においては前方の電力系統が最も大きいケースでインピーダンスは最小となる。従って、それ以下であればインピーダンスが負になる場合も含めて、前方事故と判定できるので、判定式は次式(15)のように表すことができる。
Ｉm（ΔＶ2/ΔＩ2）＜Ｋ1      (15)
ここでＫ1は系統構成等により考えられ得る最小のインピーダンス以下にすれば良い。
【００３９】
この式を積の形で表すと次式のようになる。次式(16)が成立すれば前方の事故となり、成立しなければ後方の事故となる。
ΔＶ2＊ΔＩ2∠90°＜Ｋ1ΔＩ22      (16)
上式を演算するためには、逆相変化分電流の大きさと逆相変化分電圧と逆相変化分電流の内積を求めれば良い。
【００４０】
図６において、120は逆相変化分電流の大きさの２乗を求める絶対値演算手段であり、例えば次式(17)のように表すことができる。
|ΔＩ2|2＝(ΔＩ2m)2＋(ΔＩ2(m-3))2      (17)
【００４１】
121は逆相変化分電流を90°位相したものと逆相変化分電圧の内積を求める内積演算手段であり、求め方は既に示したとおりである。
122は絶対値演算手段120, 内積演算手段121から既述の判定式により前方事故か否かを判定する前方事故判定手段、そして123は絶対値演算手段120, 内積演算手段121から既述の判定式により後方事故か否かを判定する後方事故判定手段である。
【００４２】
以上述べたように、本発明によれば逆相分電気量の変化分を使用してインピーダンスを求めることで、常時存在する逆相分電気量の影響を受けにくくすることが可能であり、事故の方向判別の精度を上げることが可能となる。この場合の動作域の例を図７に示す。
【００４３】
電力系統により誤差が発生しやすい場合などは、判定式に不感帯を設けることも可能である。次式(18)に本実施の形態の変形例を示す。
Ｋ1ΔＩ22−ΔＶ2＊ΔＩ2∠90°＞Ｋ2      (18)
上式では右辺を０とせず定数を置いたことで感度の調整ができるようになり誤差に強くなる。その他の演算方法は全く同じであるのでここでは省略する。
【００４４】
（第３の実施の形態）
図８は本発明による第３の実施の形態を示す演算手段のブロック図である。110から115は図２の場合と同じであり、また120から123は図６の場合と同じであるので説明は省略する。
【００４５】
第３の実施の形態では前方事故の判定を次式(19)によって行う。
Ｋ1ΔＩ2−ΔＶ2cos(φ−Ψ)＞Ｋ2      (19)
ここでΨは最も感度を高くしたい角度に設定すれば良い。既に述べているように、一般に逆相回路のインピーダンスはほとんどがリアクタンス成分であるので、電流と電圧の位相はほぼ90°開く。従って、Ψは90°付近に設定すれば良い。
【００４６】
以下ではΨを90°にした場合について説明する。上式(19)の両辺にΔＩ2をかけてサンプリング表現に変更すると、次式(20)となる。
Ｋ1|ΔＩ2m|2−ΔＶ2m＊ΔＩ2m∠90°＞Ｋ2ΔＩ2m    (20)
【００４７】
130は逆相変化分電流の２乗の平方根を求める平方根演算手段である。
これらの演算により、上の判定式を演算することができる。この判定式による動作域は図９のように表すことができる。
【００４８】
このように本発明によれば、逆相分電気量の変化分を使用することにより、常時存在する逆相分電気量の影響を受けにくくすることが可能である。また、基本的に逆相電圧、電流変化分の位相差に着目した手法であるが、逆相変化分電流により補償していることで、それが多く流れた場合には動作しやすくなるという特性を持っており、更に事故の方向判別の精度を上げることが可能となる。
【００４９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば定常状態において電圧および電流に逆相分が発生している場合においても、逆相分電気量の変化分を使用することからその影響を受けにくく、精度よく事故の方向判別を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る全ての実施の形態に共通なハードウェア構成図。
【図２】  第１の実施の形態を実現する演算手段のブロック図。
【図３】  第１の実施の形態の動作範囲を示す図。
【図４】  第１の実施の形態の変形例１の動作範囲を示す図。
【図５】  第１の実施の形態の変形例２の動作範囲を示す図。
【図６】  第２の実施の形態を実現する演算手段のブロック図。
【図７】  第２の実施の形態の動作範囲を示す図。
【図８】  第３の実施の形態を実現する演算手段のブロック図。
【図９】  第３の実施の形態の動作範囲を示す図。
【図１０】  従来の逆相方向継電器の演算による動作範囲を示す図。
【符号の説明】
101…送電線、102…変成器、103…変流器、104、105…入力変換回路、106…A/D変換回路、107…演算回路、110、210…ディジタルフィルタ、111…電圧逆相分演算手段、112…電流逆相分演算手段、113…電圧・電流保存手段、114…電圧逆相変化分演算手段、115…電流逆相変化分演算手段、116,122,131…前方事故判定手段、117,123,132…後方事故判定手段、120…電気量の絶対値演算手段、121…２つの電気量の内積演算、130…平方根演算手段、140…電圧逆相分演算手段、141…電流逆相分演算手段、142…電圧逆相変化分演算手段、143…電流逆相変化分演算手段。
【図１】
0003830824.tif 000006
【図２】
0003830824.tif 000007
【図３】
0003830824.tif 000008
【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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【図９】
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【図１０】
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