JP2009017680A - 保護リレーシステム - Google Patents

Abstract

【課題】光センサ及び光ケーブルによる誤差の影響を軽減して、高感度で高精度な保護演算が実現可能である信頼性に優れた保護リレーシステムを提供する。
【解決手段】検出判定部４の誤差軽減演算部４２は、各相入力部４２Ａと、合成電流演算回路４２Ｂと、メモリ回路４２Ｃと、真値演算回路４２Ｄから構成される。合成電流演算回路４２Ｂは、各相入力部４２Ａの入力した各相の電流量を合成して各相電流量のベクトル総和を求め、電流量の誤差分としてメモリ回路４２Ｃに出力し、メモリ回路４２Ｃはこれを記憶する。真値演算回路４２Ｄは、各相の電流量から、メモリ回路４２Ｃの記憶した誤差分を減算して電流量の真値を求め、これを、リレー演算を行う保護演算判定部４３へと送る。
【選択図】図１

Description

電力系統の電流量を検出して保護演算判定を行うことで電力系統を保護する保護リレーシステムに係り、特に、電力系統の電流量検出に際して光センサ及び光ケーブルを用いた保護リレーシステムに関するものである。

一般に、電力系統を保護するシステムとして保護リレーシステムが知られている。保護リレーシステムでは、電力系統の事故により電気量が所定の範囲以上になった場合に遮断器などを制御することにより、電力系統の安定運用を維持させている。このようなシステムのうち、電流差動保護方式の保護リレーシステムは、事故区間の判定に優れているため、重要幹線の主保護に広く採用されている。

ところで、保護リレーシステムには通常、巻線形の変圧器や変流器を介して電気量が入力されるが、巻線形の変流器として、光センサを備えた保護リレーシステムが提案されている。すなわち、電力系統の電流量を検出するために光センサを用いており、この光センサに光ケーブルを介して検出判定部を接続し、検出判定部にて光センサの検出した電流量から保護演算の判定結果を導く構成となっている。光センサは高精度でダイナミックレンジも広いという特性があるので、光センサを使用した保護リレーシステムは、高感度で高精度な保護演算を実現できるものとして開発・研究が進められている。

例えば、特許文献１に記載の差動保護リレーシステムは、架空線と電力ケーブル線が混在する送電線両端の電流を使用して電流差動保護を行う差動リレーと、電力ケーブル線区間の両端の電流量から差動電流を得て電力ケーブル線区間の事故を検出する差動リレーとから構成されており、電力ケーブル線区間の事故検出として電力ケーブル線の両端の光センサの出力をカスケードに接続して差動電流を得るようになっている。
特開２００４−３０４９１５号公報

しかしながら、光センサ及び光ケーブルを使用した保護リレーシステムには次のような課題が指摘されていた。すなわち、光センサ及び光ケーブルには振動や磁界といった外部からの影響が加わることになる。したがって、光センサ及び光ケーブルにて伝送される光信号に対応する電気量にはこれらの影響が反映することになり、保護リレーシステムの検出判定部に入力された時点で、外部の影響による誤差分が電流量中に含まれてしまう。

保護リレーシステムに入力される電流量の誤差分が大きいと、検出判定部にて行う保護演算の感度や精度が低下するといった不具合が生じた。そのため、誤差分を取り除いた電力系統の電流量における真値を正確に求めることが重要である。このように光センサと光ケーブルを使用した保護リレーシステムでは、光センサや光ケーブルが振動や磁界などによる外部の影響を受けて誤差分を含むので、これを効率よく除去して電流量の真値を求め、保護演算の感度及び精度を高めることが課題となっていた。

本発明は、以上の課題を解決するために提案されたものであり、簡単な構成により、光センサ及び光ケーブルによる誤差の影響を軽減して、高感度で高精度な保護演算が実現可能である信頼性に優れた保護リレーシステムを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明は、電力系統の電流量を検出する光センサが設置され、前記光センサには光ケーブルを介して前記光センサの検出した前記電力系統の電流量を入力する電流量入力部が接続された電力系統の保護リレーシステムにおいて、次のような特徴を有している。

すなわち、前記電流量入力部の入力した各相の電流量を合成して各相電流量のベクトル総和を求め、前記電流量における誤差分を出力する誤差分演算部と、前記誤差分演算部の出力した前記誤差分を記憶する誤差分記憶部と、前記電流量入力部の入力した電流量から、前記誤差分記憶部に記憶した前記誤差分を減算して前記電流量における真値を求める真値演算手段と、前記真値演算手段が求めた前記電流量における真値にてリレー演算を行い、保護演算判定を出力する保護演算判定部が設けられている。

以上のような本発明の保護リレーシステムにおいて、電流量入力部は、光ケーブルを介して光センサの検出した電力系統の電流量を入力し、これを誤差分演算部に送る。誤差分演算部では各相の電流量を合成して各相電流量のベクトル総和を求める。この各相電流量のベクトル総和は、電力系統が正常で、しかも各相の電流量が真値だけからなる、つまり電流量に誤差分を含んでいないのであれば、必ず０となる。

すなわち、電力系統が正常である限り、各相電流量のベクトル総和が０でなければ、この値は各相の電流量の誤差分に他ならず、各相電流量のベクトル総和にて、電流量の誤差分を表することが可能である。このようにして誤差分演算部にて電流量の誤差分を求めることができ、これを誤差分記憶部が記憶する。

真値演算手段は、電流量入力部の入力した電流量と、前記誤差分記憶部に記憶した誤差分とを取り入れ、前者から後者を減算することにより、電流量の真値を正確に求めることができる。そして、保護演算判定部は真値演算手段の求めた電流量の真値によってリレー演算を行うので、高感度・高精度な保護演算判定出力が可能である。

本発明の保護リレーシステムによれば、光センサ及び光ケーブルによる電流量を伝送する場合に、入力した各相の電流量を合成して誤差分を求め、これを電流量より除去することにより誤差の影響を軽減することができるため、高感度で高精度な保護演算判定が可能となり、電力系統を確実に保護することができた。

本発明に係る保護リレーシステムの代表的な実施形態を、図面を参照して具体的に説明する。なお、下記の実施形態において同一部材に関しては同一符号を付す。また、各図は説明の都合上、１相分の構成として図示しているが、３相分の個別の入力がある。

（１）第１の実施形態
［構成］
図１〜図２を参照して、第１の実施形態について説明する。図１は第１の実施形態の構成図、図２は同じく要部構成図である。

図１に示すように、電力系統１には電流量を検出するための光センサ２が設置されており、光センサ２には光ケーブル３が接続されている。光センサ２は検出した電流量に光信号に変換して出力する素子であり、光ケーブル３は光センサ２から出力された光信号を伝送する伝送路である。

光ケーブル３は検出判定部４に接続されている。検出判定部４には信号処理部４１、誤差軽減演算部４２、保護演算判定部４３が設けられている。このうち、信号処理部４１は、光ケーブル３の伝送した光信号を電気信号に変換する光電変換器からなる。誤差軽減演算部４２は、本実施形態の主要部であり、図２に示す構成を有している。

すなわち、誤差軽減演算部４２は、各相入力部４２Ａと、合成電流演算回路４２Ｂと、メモリ回路４２Ｃと、真値演算回路４２Ｄから構成されている。各相入力部４２Ａは、光ケーブル３を介して光センサ２の検出した電力系統における各相の電流量Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃを、電気信号として前記信号処理部４１より入力する部分である。

合成電流演算回路４２Ｂは、各相入力部４２Ａの入力した各相の電流量を合成して各相電流量Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃのベクトル総和を求める回路である。ベクトル総和した合成電流３Ｉｏは、電力系統１が正常で、且つ各相の電流量Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃが、誤差電流Ｉεを含んでいない電流量の真値Ｉｔａ、Ｉｔｂ、Ｉｔｃであるならば、常に０となる。したがって、０以外とならない合成電流３Ｉｏの値は、電流量Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃの合成電流３Ｉｏに含まれる誤差分を示していることになる。

各相はそれぞれ同じように外部からの影響を受けるので、合成電流３Ｉｏの１／３であるＩｏが、各相の電流量に含まれる誤差電流Ｉεとなる。合成電流演算回路４２Ｂは、この誤差電流Ｉεを各相電流量Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃにおける誤差分Ｉｏとしてメモリ回路４２Ｃに出力する。メモリ回路４２Ｃは合成電流演算回路４２Ｂの出力した誤差分Ｉｏを一定時間、記憶する回路である。

真値演算回路４２Ｄは、各相入力部４２Ａの入力した各相の電流量Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃと、メモリ回路４２Ｃに記憶した各相の電流量における誤差分Ｉｏを取り入れ、各相の電流量Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃから誤差分Ｉｏを減算して各相の電流量における真値Ｉｔａ、Ｉｔｂ、Ｉｔｃを求めるように構成されている。保護演算判定部４３は、真値演算回路４２Ｄが求めた電流量における真値Ｉｔａ、Ｉｔｂ、Ｉｔｃを用いてリレー演算を行い、保護演算判定を出力する部分である。

［作用効果］
以上のような第１の実施形の作用効果は次のとおりである。すでに述べたように、光センサ２や光ケーブル３は外部から振動や磁界を受けるので、検出判定部４に入力される各相の電流量Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃはそれぞれ同じだけの誤差電流Ｉεを含むことになる。つまり、次の（１）式〜（３）式にて示すように、各相の電流量Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃは、３相毎の電流量の真値Ｉｔａ、Ｉｔｂ、Ｉｔｃと誤差電流Ｉεとの和となる。

Ｉａ＝Ｉｔａ＋Ｉε・・・（１）
Ｉｂ＝Ｉｔｂ＋Ｉε・・・（２）
Ｉｂ＝Ｉｔｃ＋Ｉε・・・（３）

誤差軽減演算部４２の各相入力部４２Ａには、このような電流量Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃが入力されていることになる。保護演算判定部４３が高感度・高精度でリレー演算を行うためには、電流量の真値Ｉｔａ、Ｉｔｂ、Ｉｔｃだけを入力する必要があり、各相の電流量Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃから誤差電流Ｉεを除去しなくてはならない。

そこで、合成電流演算回路４２Ｂでは、各相の電流量Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃを合成してベクトル総和３Ｉｏを求める。すなわち、（４）式となる。
Ｉａ＋Ｉｂ＋Ｉｃ＝３Ｉｏ・・・（４）

（４）式の左辺に、前記（１）式〜（３）式の右辺を代入すると、
Ｉａ＋Ｉｂ＋Ｉｃ＝Ｉｔａ＋Ｉｔｂ＋Ｉｔｃ＋３Ｉε・・・（５）
となる。つまり、各相の電流量Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃのベクトル総和３Ｉｏは、電流量の真値Ｉｔａ、Ｉｔｂ、Ｉｔｃと、誤差電流Ｉεの３倍との和となる。

電力系統１が事故時でなければ、電流量の真値Ｉｔａ、Ｉｔｂ、Ｉｔｃの和は常に０なので（（６）式参照）、この（６）式を前記（５）式の右辺に代入することで、次の（７）式が成立し、合成電流３Ｉｏは誤差電流Ｉεで表現できることが分かる。
Ｉｔａ＋Ｉｔｂ＋Ｉｔｃ＝０・・・（６）
３Ｉｏ＝３Ｉε・・・（７）

すなわち、合成電流３Ｉｏの１／３であるＩ０は、各相の電流量Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃに影響している誤差電流Ｉεに等しい。したがって、Ｉ０を各相の電流量Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃに含まれる誤差分とする。上記（１）式〜（３）式の右辺中の誤差電流Ｉεに代えて、誤差分Ｉ０を入れ、これを左辺に移項すると下記の（８）式〜（１０）式となる。

Ｉｔａ＝Ｉａ−Ｉ０・・・（８）
Ｉｔｂ＝Ｉｂ−Ｉ０・・・（９）
Ｉｔｃ＝Ｉｃ−Ｉ０・・・（１０）

こられの（８）式〜（１０）式は、誤差軽減演算部４２に入力された各相の電流量Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃから、各相の合成電流３Ｉｏの１／３である誤差分Ｉ０を減算することで、リレー演算に必要な電流量の真値Ｉｔａ、Ｉｔｂ、Ｉｔｃを求められることを意味している。本実施形態の真値演算回路４２Ｄは、このようにして電流量の真値Ｉｔａ、Ｉｔｂ、Ｉｔｃを求め、これを保護演算判定部４３に与えることができる。正確な電流量の真値Ｉｔａ、Ｉｔｂ、Ｉｔｃを得た保護演算判定部４３は、高感度・高精度でリレー演算を実施させることが可能となる。

なお、電力系統１の事故時には、合成電流３Ｉｏは０とはならないため、実際の運用時には事故前の合成電流３Ｉｏの１／３であるＩ０を、メモリ回路４２Ｃに所定時間、記憶しておき、ここに記憶したＩ０を演算に用いて、真値Ｉｔａ、Ｉｔｂ、Ｉｔｃを求めている。

第１の実施形態は、以上のようにして光センサ２や光ケーブル３の受けた外部からの影響（振動や磁界など）による誤差Ｉ０（合成電流３Ｉｏの１／３）を除去することにより、電力系統１の電流量における真値Ｉｔａ、Ｉｔｂ、Ｉｔｃを保護演算判定部４３に入力することが可能となる。これにより、保護演算判定部４３は高感度且つ高精度にリレー演算を実施することができ、保護リレーシステムの信頼性向上に寄与することができる。

（２）第２の実施形態
［構成］
次に、図３を参照して、第２の実施形態について説明する。第２の実施形態の基本的な構成は図１に示した第１の実施形態と同じであり、図３に示す誤差軽減演算部４２の内部構成に特徴がある。

すなわち、第２の実施形態の誤差軽減演算部４２では、デルタ演算回路４２Ｅが設けられている。デルタ演算回路４２Ｅは各相入力部４２Ａの入力した各相の電流量を互いに異なる２相毎にベクトル演算する回路である。保護演算判定部４３は、デルタ演算回路４２Ｅがベクトル演算した電流量にてリレー演算を行うように構成されている。

［作用効果］
以上の第２の実施形態において、誤差電流Ｉεが含有された３相毎の電流Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃ１が誤差軽減演算部４２に入力されるまでは、第１の実施形態と同様であるが、第２の実施形態では、デルタ演算回路４２Ｅのベクトル演算により誤差電流Ｉεを導いている。すなわち、デルタ回路演算４２Ｅにて（１１）式〜（１３）式に示すようなベクトル演算することで、リレー演算を行う保護演算判定部４３への入力前に、誤差電流Ｉεを除去することができ、ＡＢ相、ＢＣ相、ＣＡ相の真値Ｉａｂ、Ｉｂｃ、Ｉｃａを求めることができる。

Ｉａ−Ｉｂ＝Ｉｔａ＋Ｉε―Ｉｔｂ−Ｉε＝Ｉｔａ−Ｉｔｂ＝Ｉａｂ・・・（１１）
Ｉｂ−Ｉｃ＝Ｉｔｂ＋Ｉε―Ｉｔｃ−Ｉε＝Ｉｔｂ−Ｉｔｃ＝Ｉｂｃ・・・（１２）
Ｉｃ−Ｉａ＝Ｉｔｃ＋Ｉε―Ｉｔａ−Ｉε＝Ｉｔｃ−Ｉｔａ＝Ｉｃａ・・・（１３）

なお、保護演算判定部４３へ入力される電流は、デルタ電流相当になっているが、１線地絡事故時の感度も各相電流の真値Ｉｔａ、Ｉｔｂ、Ｉｔｃが入力された場合と変化がないことが次の（１４）式、（１５）式からわかる。したがって、１線地絡事故時も同じ感度で検出することが可能である。

各相電流入力の場合の１線地絡事故時の対称分電流を、Ｉ１（正相）＝Ｉ２（逆相）＝Ｉ０（零相）とすると、
Ｉｔａ＝Ｉ１＋Ｉ２＋Ｉ０＝３Ｉ１・・・（１４）
Ｉａｂ＝Ｉｔａ−Ｉｔｂ＝（１−ａ^２）Ｉ１＋（１−ａ）Ｉ２
＝（１−ａ^２＋１―ａ）Ｉ１＝３Ｉ１・・・（１５）
但し、ａ，ａ^２は、ａ＝−１／２＋ｊ√３／２、ａ^２＝−１／２ーｊ√３／２ で、ａ^２＋ａ＋１＝０

上記の第２の実施形態によれば、誤差軽減演算部４２内にメモリ回路４２Ｃを必要としないので、前記第１の実施形態の持つ作用効果に加えて、回路構成を簡略化できるといった利点がある。

（３）第３の実施形態
［構成］
続いて、図４を参照して、第３の実施形態について説明する。第３の実施形態は図４に示すように、電力系統１に接続していない光センサ２１並びに光ケーブル３１を具備した点に特徴がある。電力系統１に接続していない光センサ２１は、電力系統１の電流量を得る光センサ２と同じような取り付け方で設置されている。

また、光センサ２１に接続された光ケーブル３１は、電力系統１に接続される光センサ２の光信号を伝送する光ケーブル３と同じ這わせ方で設置されている。このため、光センサ２、２１と、光ケーブル３、３１とは、振動や磁界など外部からの影響を同じように受けることになり、外部からの影響による電流量に含まれる誤差分は、同様の大きさとなる。

また、図４に示すように、検出判定部４には光センサ２及び光ケーブル３を接続する信号処理部４１とは別に、第２の信号処理部４４が設けられている。さらに、誤差軽減演算部４２には電流量の入力部４２Ｆと、真値演算回路４２Ｇが設けられている。このうち、電流量の入力部４２Ｆは、２つの信号処理部４１、４４から電流量を入力する。また、真値演算回路４２Ｇは、電流量の入力部４２Ｆの入力した２種類の電流量同士の差から電力系統１の電流量における真値Ｉｔａ、Ｉｔｂ、Ｉｔｃを求めるようになっている。

［作用効果］
光センサ２１は電力系統１に接続されていないので、光センサ２１で検出する電流量は常に０であり、光信号処理部４４から得られる光信号に対応した電流量は誤差電流Ｉεのみとなる。そこで、第３の実施形態では、第２の信号処理部４４より得られた電流量を誤差分として真値演算回路４２Ｇに入力し、光センサ２から得られた電流量と演算させることで、真値となるＩｔａ、Ｉｔｂ、Ｉｔｃを求めることが可能となる。

その基本式は、（１６）式〜（１８）式のとおりに扱うことが可能となり、保護演算判定部４３は高感度・高精度なリレー演算が可能となる。
Ｉｔａ＝Ｉａ−Ｉε・・・（１６）
Ｉｔｂ＝Ｉｂ−Ｉε・・・（１７）
Ｉｔｃ＝Ｉｃ−Ｉε・・・（１８）

以上のような第３の実施形態によれば、上記第１の実施形態における誤差軽減演算部４２と比べて、合成電流演算回路４２Ｂやメモリ回路４２Ｃを省くことが可能であり、回路構成をいっそう簡略化することができる。

（４）他の実施形態
なお、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、各部材の構成や配置などは適宜変更可能である。例えば、第１の実施形態の変形例として、２つの光センサ２と光センサ２２をカスケード接続して、電力系統１に流れる電流の差動量を検出判定部４の信号処理部４１に取り込むようにしてよい（図５参照）。このような実施形態によれば、第１の実施形態同様の作用効果を得ることができる。

本発明に係る第１の実施形態の構成図。 第１の実施形態における要部構成図。 本発明に係る第２の実施形態における要部構成図。 本発明に係る第３の実施形態の構成図。 本発明に係る他の実施形態の構成図。

符号の説明

１…電力系統
２、２２…光センサ
２１…非接続の光センサ
３…光ケーブル
３１…非接続の光ケーブル
４…検出判定部
４１、４４…信号処理部
４２…誤差軽減演算部
４２Ａ…各相入力部
４２Ｂ…合成電流演算回路
４２Ｃ…メモリ回路
４２Ｄ、４２Ｇ…真値演算回路
４２Ｅ…デルタ演算回路
４２Ｆ…電流量の入力部
４３…保護演算判定部

Claims (3)

1. 電力系統の電流量を検出する光センサが設置され、前記光センサには光ケーブルを介して前記光センサの検出した前記電力系統の電流量を入力する電流量入力部が接続された電力系統の保護リレーシステムにおいて、
   前記電流量入力部の入力した各相の電流量を合成して各相電流量のベクトル総和を求め、前記電流量における誤差分を出力する誤差分演算部と、
   前記誤差分演算部の出力した前記誤差分を記憶する誤差分記憶部と、
   前記電流量入力部の入力した電流量から、前記誤差分記憶部に記憶した前記誤差分を減算して前記電流量における真値を求める真値演算手段と、
   前記真値演算手段が求めた前記電流量における真値にてリレー演算を行い、保護演算判定を出力する保護演算判定部が設けられたことを特徴とする保護リレーシステム。
2. 電力系統の電流量を検出する光センサが設置され、前記光センサには光ケーブルを介して前記光センサの検出した前記電力系統の電流量を入力する電流量入力部が接続された電力系統の保護リレーシステムにおいて、
   前記電流量入力部の入力した電流量に関して、互いに異なる２相毎にベクトル演算するデルタ演算部と、
   前記デルタ演算部がベクトル演算した電流量にてリレー演算を行い、保護演算判定を出力する保護演算判定部が設けられたことを特徴とする保護リレーシステム。
3. 電力系統の電流量を検出する光センサが設置され、前記光センサには光ケーブルを介して前記光センサの検出した前記電力系統の電流量を入力する電流量入力部が接続された電力系統の保護リレーシステムにおいて、
   前記電力系統に接続しない非接続の光センサ及び光ケーブルが、前記光センサ及び前記光ケーブルとは独立して且つ外部からの影響を同じように受けるように設置されており、
   前記電流量入力部は、前記電力系統に接続しない前記非接続の光センサ及び光ケーブルからの光信号に対応する電流量も入力するように構成されており、
   前記電流量入力部の入力した２種類の電流量同士の差から前記電流量における真値を求める真値演算手段と、
   前記真値演算手段が求めた前記電流量における真値にてリレー演算を行い、保護演算判定を出力する保護演算判定部が設けられたことを特徴とする保護リレーシステム。

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