JP4842675B2 - 地絡点標定方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は配電線路の地絡標定方法に関する。

地絡事故が発生した時に、事故区間を早期に切り離す時限順送故障区間区分方式が広く適用されている。配電用変電所の母線に設けたＧＰＤ（接地形計器用変圧器）と各フィーダに設けたＺＣＴ（零相変流器）により地絡を検知すると、事故フィーダを特定して、変電所の事故フィーダに繋がる遮断器とそのフィーダ上の開閉器をトリップさせる。事故点を含む開閉器区間（事故区間）検出するために、配電用変電所に近い方から開閉器を投入していく。地絡点を含む配電線路に給電させると遮断器と開閉器は再トリップする。このため、最後に投入した開閉器と１つ前に投入した開閉器区間を事故区間として特定できる。再び、遮断器を投入して変電所に近い方から順に開閉器を自動投入させ事故区間の直前の区間まで復電させる。

時限順送方式は故障区間を特定できるが、地絡箇所は特定できないので、作業者は事故区間から地絡点を探索する。一般的に開閉器間の距離は長いので、作業範囲が広くなり、作業者の労力は多大である。また、地絡区間は復旧するまで停電になるので、電力品質の面からも好ましい状況ではない。

作業労力を軽減し復旧時間を短縮するには、事故点標定技術が必要である。有力な事故点標定方法として、特許文献１に開示されているサージ法がある。この方法は、地絡時のサージ電流を２地点で測定してサージ電流の到達時間差から地絡点標定する。また、特許文献２に開示されているコンデンサ付加方式がある。この方法は、配電線路と対地間に配置されたコンデンサに流れる地絡電流波形から、地絡点を標定する。

特開昭６３−２０６６６８号公報 特開２００４−６１１４２号公報

コンデンサ付加方式は、サージ法に較べ低いサンプリング周波数の測定器を用いて、高い精度の標定ができるという特徴がある。しかし、地絡時に検出されるコンデンサ電流波形は、反射等の影響で波形ひずみを含む場合が多い。コンデンサ付加方式で必要になる電流立ち上がりの傾きを高精度で求めるためには、収集した電流波形から、上述の波形ひずみを除く必要がある。

また、一般に配電線路は幹線と分岐線で構成されるので、コンデンサ付加方式を適用する場合、コンデンサ電流の測定点が３ヶ所以上になる。この場合、高い標定精度が得られる、最適な測定点の組合せを明らかにする必要がある。

本発明の目的は、従来技術の問題点に鑑み、測定される電流波形にひずみがある場合でも高精度な地絡点標定が可能なコンデンサ付加方式による地絡点標定方法及び装置を提供することにある。あるいは、３ヶ所以上の測定点の収集データから最も精度よく地絡点標定を行える地絡点標定方法及び装置を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明の地絡点標定方法は、配電線路中の２地点以上で対地間にコンデンサと電流センサを設置し、前記コンデンサに流れる電流波形の特徴量に基づいて地絡点を標定するものであって、前記コンデンサに流れる電流波形の特徴量を抽出する際に、電流波形の測定データに最小二乗法を適用して過渡現象の基本となる関数を求め、該関数から標定に必要な電流の立ち上がりの傾きを求め、前記電流の立ち上がりの傾きが大きい２地点における該傾きに基づき、地絡点を標定することを特徴とする。

また、前記コンデンサに流れる電流波形の特徴量として、全ての測定点における電流の立ち上がりの傾きを求め、傾きが最大の測定点を標定の起点とし、次に傾きが大きい測定点を終点として、標定を行うことを特徴とする。

また、幹線と分岐線からなる配電線路中の３地点以上で対地間にコンデンサと電流センサを設置し、前記コンデンサに流れる電流波形の特徴量に基づいて地絡点を標定するものであって、前記コンデンサに流れる電流波形の特徴量を抽出する際に、電流の測定データに最小二乗法を適用して過渡現象の基本となる関数を求め、該関数から標定に必要な電流の立ち上がりの傾きを求め、該傾きが最大の測定点を標定の起点とし、次に傾きが大きい測定点を終点として、標定を行うことを特徴とする。

本発明の地絡点標定装置は、配電線路中の２地点以上に設置した、前記配電線路と対地間の各相に設けられたコンデンサを流れる電流波形を計測するための電流センサと、前記コンデンサを流れる電流波形の特徴量を抽出し、該特徴量に基づいて地絡点を標定する演算装置を備えるものにおいて、前記演算装置は、前記コンデンサに流れる電流波形の特徴量を抽出する際に、測定データに最小二乗法を適用し、過渡現象の基本となる関数を求め、該関数からその立ち上がりの傾きを求め、前記立ち上がりの傾きが大きい２地点の該傾きに基づき、地絡点を標定することを特徴とする。

また、前記演算装置は、前記コンデンサに流れる電流波形の特徴量として測定点における電流波形の立ち上がりの傾きを求め、傾きが最大の測定点を標定の起点とし、次に傾きが大きい測定点を終点として、標定を行うことを特徴とする。

本発明の地絡点標定方法によれば、コンデンサ付加方式による地絡点標定において、測定される電流波形にひずみがある場合でも、最小二乗法を適用して、基本関数を求めることにより、高精度な標定ができる。さらに、３ヶ所以上の測定点配置した場合には、全ての測定点における電流の立ち上がりの傾きを求め、傾きが最大の測定点を標定の起点とし、次に傾きが大きい測定点を終点とする、標定を行うことによって、高精度な標定ができる。

図１は、本発明の一実施例による地絡点標定システムの全体構成図である。配電用変電所１から幹線２が設けられ、点０から分岐線３が設けられている。幹線２、分岐線３は３相の配電線路であるが、簡単のため単線で示している。測定位置Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３（図中二重丸で示す）には、事故検出装置４が設けられており、事故検出装置４で処理されたデータは、通信装置５から通信線６を介して、中央装置７に伝送される。

図２は事故検出装置の構成図である。この例は幹線２に事故検出装置４が接続された例である。事故検出装置４は、線路２ａ，２ｂ，２ｃと対地間に繋がるコンデンサ１１ａ，１１ｂ，１１ｃと、地絡時にコンデンサ１１ａ，１１ｂ，１１ｃに流れる電流Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃを測定する電流センサ１２を設ける。さらに、電流センサ１２が検出した電流Ｉを記録し、特徴量抽出の演算処理を行う演算装置１４とから構成される。

このように構成される事故検出装置４は、電流センサ１２が地絡時にいずれかのコンデンサに流れる電流Ｉを測定し、コンデンサに流れる電流波形の特徴量、ここでは立ち上がりの勾配を算出する。この際に、測定データに最小二乗法を適用し、過渡現象の基本となる関数を求め、そこから標定に必要な電流の立ち上がりの傾きを求める。中央装置７は各測定点の事故検出装置のうち、電流の立ち上がりの傾きが大きい２地点の傾きに基づき、地絡点を標定する。

図３は事故検出装置における処理を表すフローチャートである。コンデンサを流れる電流Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃは常時測定されており（２０２）、地絡を検出しなければ、測定を継続する。地絡を検出した場合（２０３）は、地絡相判定を行い（２０４）、地絡相の波形データを取得する（２０５）。具体的には、演算装置１４は電流波形Ｉａ１,Ｉｂ１,Ｉｃ１のピーク値を比較し、最も大きいピーク値を持つ電流が流れ込む配電線路を故障相と判定する。

次に、収集した波形データに最小二乗法を適用し、基本関数を決定する（２０６）。この基本関数を利用して、波形の特徴量（電流立ち上がりの傾き）を算出する（２０７）。算出した特徴量は中央装置７に送信される（２０８）。

最小二乗法を適用した基本関数の決定方法について説明する。図４はコンデンサ電流の測定データ（丸印）による実測波形と基本関数の波形の一例である。実測波形は、ＲＬＣ（抵抗・インダクタンス・コンデンサ）回路の過渡波形に、反射等によるノイズ分が重畳された波形と考えられる。

ＲＬＣ回路の微分方程式を解くと、コンデンサ電流Ｉ（ｔ）について、式（１）の解析式が得られる。ただし、Ｘ１、Ｘ２は時間に依存しないパラメータである。
Ｉ（ｔ）＝Ｘ１・ｔ・ｅｘｐ（−Ｘ２・ｔ） （１）
Ｘ１＝ｑ（０）／Ｌ・Ｃ （２）
Ｘ２＝Ｒｇ／２Ｌ （３）
ここで、ｑ（０）は地絡直前のコンデンサの電荷量、Ｃは測定点のコンデンサの静電容量、Ｌは測定点から地絡点までの線路のインダクタンス、Ｒｇは地絡抵抗、ｔは時間を表す。

ｑ（０）、Ｌ、Ｒｇは未知数であるため、最小二乗法を用いて、式（１）と実測値をフィッティングさせ、Ｘ１とＸ２を求める。この処理の過程で、反射等のノイズ分は除かれ、本来の過渡波形が得られる。

図４の実線が求めた過渡波形である。この関数の立ち上がりの傾きｇは、Ｘ１とＸ２が決定された式（１）を、時間ｔで微分し、ｔ＝０と置くことにより、式（４）で与えられる。
ｇ＝Ｘ１ （４）
図５は中央装置における処理を表すフローチャートである。中央装置７では、通常、事故検出装置４からの検出信号を待ちながら待機する（３０２）。地絡の検出信号が着信しなければ待機を続ける。地絡の検出信号を受信した場合（３０３）は、全ての事故検出装置４からの波形特徴量データを取得する（３０４）。電流の立ち上がりの傾きを比較し、最大の傾きの測定点を標定の起点（原点）とし、次に傾きが大きい測定点を標定の終点とする（３０５）。次に、標定に必要な距離情報（例えば、各測定点と分岐点間の距離）を取得し（３０６）、電流の立ち上がりの傾きや距離の情報を用いて、所定の演算式に基づき地絡点標定を行う。

測定点１の近くの幹線で地絡が発生したケース（ケース１と呼ぶ）における標定の例を説明する。図６は、実施例１の幹線２上の地絡位置Ｆを示している。測定点Ｓ１から分岐点Ｏまでの距離ｄ１、分岐点Ｏと測定点Ｓ２までの距離がｄ２、分岐点Ｏと測定点Ｓ３までの距離がｄ３とする。以下の評価は、シミュレーションで行ったものである。

図７は、ケース１における測定点Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３における、電流波形である。各測定点での電流の立ち上がりの傾きをｇ１、ｇ２、ｇ３とする。このケースでは、ｇ１が一番大きく、僅かではあるが次に大きいのはｇ３である。幹線を優先して標定する場合は、Ｓ１を標定の起点、Ｓ２を終点として標定を行う。Ｓ３を終点として扱うことも可能であり、電流の傾きの立ち上がりが大きな２地点が選ばれる。

ここで、地絡点標定の演算式とその導出過程を説明する。事故検出装置４から事故点Ｆまで幹線２の各線路のキャパシタンスは、コンデンサ２の容量に比べて遥かに小さいので無視できる。仮に地絡相を２ｂとすると、地絡直後に地絡相２ｂに繋がるコンデンサ１１ｂに流れる電流Ｉｂは「アース→地絡相のコンデンサ１１ｂ→線路２ｂのインピーダンス（事故検出装置から地絡点Ｆまで）→地絡抵抗Ｒｇ→アース」というループ中の線路定数に支配される。他の線路定数の影響は考えなくてよい。地絡検出装置４から地絡点Ｆまでの配電線路のインピーダンスをインダクタンスＬ（単位長さ当たり）とするならば、このループは地絡直後、独立したＲＬＣ回路となる。

図７の歪を含む電流波形に、最小二乗法を適用することにより、図８のような過渡波形が得られ、この過渡波形から容易に電流立ち上がりの傾きｇ１、ｇ２が求まる。

標定の起点（Ｓ１）から地絡点までの距離をｘ、地絡前にコンデンサ１１ｂに充電されている電圧をＥとすると、電流Ｉｂ１、Ｉｂ２の立ち上がりの傾きｇ１、ｇ２はそれぞれ式（５）、式（６）のように表せる。
ｇ１＝Ｅ／（Ｌ・ｘ） （５）
ｇ２＝Ｅ／（Ｌ・（ｄ１＋ｄ２−ｘ）） （６）
従って、これらの比をとれば式（７）となる。
ｇ１／ｇ２＝（ｄ１＋ｄ２−ｘ）／ｘ （７）
これより、距離ｘは電流波形の特徴量として抽出した傾きｇ１、ｇ２を用いて、式（８）により表せる。
ｘ＝（ｄ１＋ｄ２）／（１＋（ｇ１／ｇ２）） （８）
地絡抵抗Ｒｇは一般的には未知だが、本手法では式（８）から分かるように地絡抵抗と無関係に地絡点が標定できる。

上記では、Ｓ１を標定の起点、Ｓ２を終点として標定を行ったが、Ｓ３を終点とすることも可能である。この場合、式（６）−（８）は式（６'）−（８'）になる。
ｇ３＝Ｅ／（Ｌ・（ｄ１＋ｄ３−ｘ）） （６’）
ｇ１／ｇ３＝（ｄ１＋ｄ３−ｘ）／ｘ （７’）
ｘ＝（ｄ１＋ｄ３）／（１＋（ｇ１／ｇ３）） （８’）

次に本発明の実施例２で、分岐線で地絡が発生したケース（ケース２と呼ぶ）を説明する。図９は、分岐線３上の地絡位置Ｆを示し、測定点Ｓ３から地絡点までの距離をｘとする。以下の評価は、シミュレーションで行ったものである。

図１０は、ケース２の場合の各測定点Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３における、電流波形である。それぞれの測定点での電流の立ち上がりの傾きをｇ１、ｇ２、ｇ３とする。このケースでは、ｇ３が一番大きく、次に大きいのはｇ２である。従来のように、幹線を優先して標定する場合は、Ｓ１を標定の起点、Ｓ２を終点として標定を行っていた。

しかし、本発明の方式では、最も立ち上がりの勾配が大きなＳ３を標定の起点、次に立ち上がりの勾配が大きなＳ２を終点として標定を行う。

図１１は、ケース１とケース２について、従来の幹線優先の標定方法と本発明の勾配優先の標定方法で標定精度を比較したものである。図中の「誤差」は、幹線亘長に対する標定誤差の比率を表わしている。ケース１の場合は、幹線優先の標定方法も本発明の標定方法も４％程度でほぼ同じであるが、ケース２の場合は、幹線優先の標定方法では、分岐線で地絡が発生しているにもかかわらず、幹線上を標定する結果となった（誤標定）。一方、本発明の標定方法では、６％程度の誤差で標定が可能であった。

本実施例によれば、３ヶ所の全ての測定点における電流の立ち上がりの傾きを求め、傾きが最大の測定点を標定の起点とし、次に傾きが大きい測定点を終点とする、標定を行うことによって、高精度な標定が可能になるという効果がある。

次に実施例３を説明する。図１２は本実施例による事故検出装置の構成図を示す。システムの構成は図１と同じであるが、事故検出装置４の構成が異なっている。すなわち、Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃの電流の総和を測定する電流センサ１３を用いている。

地絡点標定のために電流波形の傾きを評価する部分は地絡直後の電流値である。地絡直後の健全相に繋がるコンデンサに流れる電流は、地絡相に繋がるコンデンサに流れる電流に比べて無視できるほど小さい。そのため、電流センサ１３で測定した電流Ｉｚを近似的に事故相のコンデンサを流れる電流と見なすことができるので、容易に電流立ち上がりの傾きｇが求まる。そして、電流の過渡波形（図８）から２地点で測定した電流の傾きを求め、式（８）により地絡点を標定する。

図１３は実施例３における事故検出装置の処理のフローチャートを示す。本実施例では地絡相を判定する必要がないので、地絡点標定の手続きを簡素化できる。まず、電流の総和（零相電流）Ｉｚを検出し（４０２）、地絡が検出されたら（４０３）、波形データの取得を行う（４０４）。次に、最小二乗法による基本関数の決定を行い（４０５）、基本関数の波形の傾きを算出し（４０６）、中央装置７へ送信する。

本実施例によれば、標定精度を落とすことなく、電流センサの数を削減できるとともに、事故検出装置の処理も簡単化できる効果がある。

図１４は、実施例１−３に適用可能な地絡点標定システムの他の適用例である。本例は一つの幹線から、２つの分岐線が設けられており、測定点が４つ（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４）設置されている場合である。この場合も、中央装置７における処理は、図５の通りである。すなわち、４つの事故検出装置からの波形特徴データを取得し（３０４）、電流の立ち上がりの傾きが一番大きい測定点を標定の起点、２番目に大きい測定点を終点として、地絡点の標定を行う。本実施例の方式により、多数の測定点が存在する場合でも、簡単なロジックで高精度の標定が行える効果がある。

これまでの実施例では、通信設備の負担を軽くするために地絡点標定に必要な波形の特徴量（波形のピーク値、波形の立ち上がりの傾き、地絡発生の検出時刻）を事故検出装置４で算出し、中央装置７に送信する構成を説明した。しかし、通信設備の能力が十分ある場合は、中央装置に波形データを直接送信し、中央装置側で波形特徴量の抽出を行うことも可能である。

本発明の地絡点標定装置の全体構成図。 事故検出装置の構成図。 事故検出装置における処理を示すフローチャート。 電流波形の実測値と最小二乗法により求めた基本関数の波形のグラフ。 中央装置における処理を示すフローチャート。 実施例１における地絡点標定を表す説明図。 シミュレーションで得られた、実施例１の各測定点の電流波形図。 基本関数の波形と傾きを示す標定式算出のための説明図。 実施例２における地絡点標定を表す説明図。 シミュレーションで得られた、実施例２の各測定点の電流波形図。 従来例（幹線優先）と本発明について、実施例１と実施例２標定精度を示す説明図。 実施例３における事故検出装置の構成図。 実施例３の事故検出装置における処理を示すフローチャート。 他の適用例における地絡点標定装置の全体構成図。

符号の説明

１…配電用変電所、２…幹線、３…分岐線、４…事故検出装置、５…通信装置、６…通信線、７…中央装置、１１…コンデンサ、１２…電流センサ、１４…演算装置、Ｓ１〜Ｓ４…測定点、Ｆ…地絡位置。

Claims (4)

1. 配電線路中の２地点以上で対地間にコンデンサと電流センサを設置し、前記コンデンサに流れる電流波形の特徴量に基づいて地絡点を標定する地絡点標定方法において、
   前記コンデンサに流れる電流波形の特徴量を抽出する際に、電流の測定データに最小二乗法を適用して過渡現象の基本となる関数を求め、該関数から標定に必要な電流の立ち上がりの傾きを求め、前記電流の立ち上がりの傾きが大きい２地点における該傾きに基づき、地絡点を標定することを特徴とする地絡点標定方法。
2. 配電線路中の２地点以上に設置した、前記配電線路と対地間の各相に設けられたコンデンサを流れる電流波形を計測するための電流センサと、前記コンデンサを流れる電流波形の特徴量を算出し、該特徴量に基づいて地絡点を標定する演算装置を備える地絡点標定装置において、
   前記演算装置は、前記コンデンサに流れる電流波形の特徴量を算出する際に、測定データに最小二乗法を適用し、過渡現象の基本となる関数を求め、該関数からその立ち上がりの傾きを求め、前記立ち上がりの傾きが大きい２地点の該傾きに基づき、地絡点を標定することを特徴とする地絡点標定装置。
3. 請求項２に記載の地絡点標定装置において、前記演算装置は電流センサと共に測定点に配置され、前記測定点における電流波形の立ち上がりの傾きを求める演算手段と、該演算手段から傾きを送信されて地絡点の標定を行う中央演算手段と、からなることを特徴とする地絡点標定装置。
4. 請求項２又は請求項３に記載の地絡点標定装置において、前記電流センサは各相に設けたコンデンサ毎に、または各相を一括して設けられることを特徴とする地絡点標定装置。

Images