JP5349037B2

JP5349037B2 - 電流差動保護継電装置

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Publication number: JP5349037B2
Application number: JP2008329473A
Authority: JP
Inventors: 建平関
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-12-25
Filing date: 2008-12-25
Publication date: 2013-11-20
Anticipated expiration: 2028-12-25
Also published as: JP2010154641A

Description

本発明は、電流差動保護継電装置に関する。

電流差動保護継電装置は、送電線における自端電流と相手端電流との差電流の情報を用いて、送電線等に発生した事故（地絡事故や短絡事故など）の判定を行う保護継電装置である。この種の電流差動保護継電装置は、日本では、ＰＣＭ電流差動リレーと呼ばれており、送電線の自端と相手端との間にＰＣＭ通信回線を構築するとともに、各端で計測された計測電流の瞬時値データをＰＣＭ通信回線を通じて相互に通信し合うことにより、事故判定に必要な差電流の演算を行っている。

一方、ＰＣＭ通信回線は非常に高価なものであるため、近年、安価な通信線路を利用して、電流差動保護継電装置を構成しようとする動向がある。しかし、安価な通信線路は通信速度が遅く、電流瞬時値データの厳格な同期を取ることは困難である。そこで、瞬時値データに代わるデータを伝送することで、瞬時値データの生成周期とは異なる周期で伝送することを可能とし、伝送速度の低速化を実現して、標準的な通信装置を使用することが可能な電流差動保護継電装置を開示した公報が存在する（例えば、下記特許文献１）。

なお、高速なＰＣＭ通信回線を使用するか否かに関わらず、計測電流の瞬時値データを相互に通信し合う方式の電流差動リレーでは、送電線に配電用変電所や特高需要家などの分岐負荷がある場合、分岐負荷電流の影響を受け、誤った事故判定を行う虞があるという問題点が提起されている（例えば、下記特許文献２）。

特開２００４−０８８９２０号公報特開２００１−１９７６５６号公報

上述したように、上記特許文献１に示される電流差動保護継電装置では、瞬時値データの生成周期とは異なる周期でデータ伝送を行うことを特徴としている。この場合、差電流の演算を行う受信側では、現実の瞬時値データの生成周期に関する情報、すなわち現実の系統周波数の情報が必要となってくる。一方、この特許文献１では、系統周波数の情報を伝送することは行ってはいない。また、特許文献１には、「データ伝送が周期的でなくても機能することは明らかである」とも記載されている（段落「００５５」）。これらのことから明らかなように、特許文献１に示される手法は、系統周波数は定格周波数であること、すなわち系統周波数は変動しないことが前提となっている。

しかしながら、現実には、系統周波数が定格周波数からずれてしまうことは多々あることである。したがって、特許文献１に示される技術では、系統周波数の変動によって演算誤差が大きくなり、伝送速度の低速化を実現するためにデータ量を削減して伝送することとも相まって、演算精度が低下して誤作動を起こす虞があるという課題が認められる。

また、上記特許文献２などで提起される分岐負荷電流の影響は、今後の電流差動保護継電装置を構成する上で、解決しなければならない課題として位置づけられる。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、安価な通信線路を利用した場合であっても、事故判定にかかる演算精度を確保し、事故起動の確実性を向上することができる電流差動保護継電装置を提供することを目的とする。また、本発明は、送電線に分岐負荷がある場合であっても、事故判定にかかる演算精度を確保した電流差動保護継電装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかる電流差動保護継電装置は、保護対象の送電線の自端側にて計測された自端電流瞬時値データに基づき、自端電流回転ベクトルの変化分である自端電流回転ベクトル変化分を算出する第１の算出部と、前記自端電流回転ベクトルおよび、前記送電線の相手端側にて計測され、自端側に送信された相手端電流瞬時値データを用いて算出される相手端電流回転ベクトルに基づき、現時点における前記自端電流回転ベクトルと前記相手端電流回転ベクトルとの差分成分である両端電流回転ベクトル変化分を算出する第２の算出部と、前記自端電流回転ベクトル変化分の振幅値である自端電流回転ベクトル変化分振幅および、前記両端電流回転ベクトル変化分の振幅値である両端電流回転ベクトル変化分振幅に基づき、前記送電線に生じた異常が保護区内事故であるか否かを判定する判定部と、前記判定部によって保護区内事故と判定された場合に、制御対象の遮断器に対しトリップ指令を出力するトリップ指令出力部と、を備えたことを特徴とする。

本発明にかかる電流差動保護継電装置によれば、時間的な回転ベクトル変化分として、現時点における自端電流回転ベクトルと１サイクル前時点における自端電流回転ベクトルとの差分成分である自端電流回転ベクトル変化分、および、空間的な回転ベクトル変化分として、現時点における自端電流回転ベクトルと相手端電流回転ベクトルとの差分成分である両端電流回転ベクトル変化分を算出するとともに、自端電流回転ベクトル変化分の振幅値である自端電流回転ベクトル変化分振幅と、両端電流回転ベクトル変化分の振幅値である両端電流回転ベクトル変化分振幅と、に基づいて、保護区内における事故の有無を判定するようにしているので、事故判定にかかる演算精度を確保することができ、事故起動の確実性を向上することができるという効果が得られる。

以下に添付図面参照して、本発明にかかる電流差動保護継電装置の実施の形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施の形態により本発明が限定されるものではない。

（用語の定義）
本発明にかかる電流差動保護継電装置のベースとなるスパイラルベクトル理論については、世の中には充分に浸透していない状況である。そこで、先ず、本明細書で用いる用語について定義しておく。

・電流差動保護継電装置：送電線（架空送電線・ケーブルなど）における保護区内の事故（区内事故）を判定するとともに、判定結果に基づいて所定のリレーを動作させる保護装置である。
・回転ベクトル：回転ベクトルは、複素数平面上において反時計周りに回転する動的フェーザであり、実測値は回転ベクトルの実数部である。なお、最近の交流理論では、交流波を余弦関数で模擬することが一般的に行われる（従来の交流理論では、交流波を正弦関数で模擬していた）。
・回転ベクトル変化分：１または数サイクル時間前後の２つの回転ベクトルの差分成分である。回転ベクトル変化分は、回転ベクトルと同様、実数部と虚数部を持つ複素数の状態変数である。なお、回転ベクトル変化分には、時間的な回転ベクトル変化分と空間的な回転ベクトル変化分との２種類がある。
・電流回転ベクトル：電流状態変数であり、その実数部は実測された電流瞬時値である。
・自端電流回転ベクトル：自端側における電流回転ベクトルである。
・相手端電流回転ベクトル：相手端側における電流回転ベクトルである。
・自端電流回転ベクトル変化分：現時点における自端電流回転ベクトルと、１または数サイクル前時点における自端電流回転ベクトルとの差分成分であり、時間的な電流回転ベクトル変化分である。
・自端電流回転ベクトル変化分振幅：自端電流回転ベクトル変化分の絶対値である。
・相手端電流回転ベクトル変化分：現時点における相手端電流回転ベクトルと、１または数サイクル前時点における相手端電流回転ベクトルとの差分成分である。
・相手端電流回転ベクトル変化分振幅：相手端電流回転ベクトル変化分の絶対値である。
・両端電流回転ベクトル変化分：現時点における自端電流回転ベクトルと相手端電流回転ベクトルとの差分成分であり、空間的な電流回転ベクトル変化分である。
・両端電流回転ベクトル変化分振幅：両端電流回転ベクトル変化分の絶対値である。
・電気学会ＥＡＳＴ１０モデル系統：日本国において定められたモデル系統であり、電力系統を模擬するための代表的なモデル系統である。

（装置の構成）
図１は、本発明の実施の形態にかかる電流差動保護継電装置の構成を示す図である。図１において、本実施の形態にかかる電流差動保護継電装置１は、自端電流計測・Ａ／Ｄ変換部２、第１の算出部としての自端電流回転ベクトル変化分算出部３、相手端電流時系列データ受信部４、第２の算出部としての両端電流回転ベクトル変化分算出部５、第３の算出部としての相手端電流回転ベクトル変化分算出部６、判定部としての電流差動保護判定部７、トリップ指令出力部としての遮断器（ＣＢ）トリップ指令送信部８、インターフェース９、記憶部１０、遠方送信部１１を備えている。ここで、電流差動保護継電装置１は、送電線の保護区間の一端（自端）に設置される装置であり、送電線の保護区間の他端（相手端）には、これと同等の電流差動保護継電装置（相手端装置１６として図示）が配置されている。

（各構成部の機能）
つぎに、図１に示した各構成部の機能について説明する。なお、ここでは概略機能の説明に留め、各部の詳細な機能については、後述のフローチャートのところで説明する。

自端電流計測・Ａ／Ｄ変換部２は、自端母線１２近傍の送電線２２に設置された変流器であるＣＴ１３を用いて、送電線２２に流れる自端側の電流を計測するとともに、計測した電流（計測電流）に対し、基準波１周期を４Ｎ（Ｎは正の整数）等分した各々のサンプルタイミングでサンプリングすることで得られる時系列のデジタルデータ（自端電流瞬時値データ）を生成する。

自端電流回転ベクトル変化分算出部３は、自端電流計測・Ａ／Ｄ変換部２が生成した電流瞬時値データを用いて、自端の各相における電流回転ベクトルの変化分を演算する。

相手端電流時系列データ受信部４は、通信回線１５を経由して、相手端装置１６が計測・生成した電流時系列データ（相手端電流瞬時値データ）を受信する。

両端電流回転ベクトル変化分算出部５は、自端の電流瞬時値データと、受信した相手端の電流瞬時値データとを用いて、現時点における自端電流回転ベクトルと相手端電流回転ベクトルとの差分成分である空間的な回転ベクトル変化分（両端電流回転ベクトル変化分）を演算する。

相手端電流回転ベクトル変化分算出部６は、受信した相手端の電流瞬時値データを用いて、相手端の各相における電流回転ベクトルの変化分（相手端電流回転ベクトル変化分）を演算する。

電流差動保護判定部７は、自端電流回転ベクトル変化分の振幅値（自端電流回転ベクトル変化分振幅）と、両端電流回転ベクトル変化分の振幅値（両端電流回転ベクトル変化分振幅）とに基づき、送電線２２に生じた異常が区内事故（保護区内事故）であるか、区外事故（保護区外事故）であるか、あるいはそれ以外の事故（故障）であるかを判定する。

遮断器（ＣＢ）トリップ指令送信部８は、電流差動保護判定部７によって区内事故と判定された場合、自端側の遮断器であるＣＢ１４に対しトリップ指令を送信する。

インターフェース９は、上述した演算結果、判定結果を外部装置等に出力する出力機能を提供する。記憶部１０は、上述の演算結果および判定結果を保持するための記憶機能を提供する。遠方送信部１１は、自端にて計測・生成した電流時系列データ（自端電流時系列データ）を相手端装置１６側に送信するための機能や、自端装置から離れた地点にいる監視員等に所要の情報を伝送するための伝送機能を提供する。

なお、相手端装置１６においても、自端側装置である電流差動保護継電装置１と同様に、相手端母線１７近傍の送電線２２に設置されたＣＴ１８を用いて、送電線２２に流れる相手端側の電流を計測するとともに、計測した電流（計測電流）に基づいて時系列のデジタルデータ（相手端電流時系列データ）が生成され、電流差動保護継電装置１に送信される。送信された相手端電流時系列データは、相手端電流時系列データ受信部４によって受信され、自端側に取り込まれる。また、相手端装置１６側においても、送電線２２に生じた事故が区内事故であるか、区外事故であるかが判定され、区内事故と判定された場合、相手端装置側の遮断器であるＣＢ１９に対しトリップ指令が送信される。

つぎに、本実施の形態にかかる電流差動保護継電装置における処理概念（アルゴリズム）について説明する。

図２は、事故判定の対象となる送電線を含む電力系統をモデル化した図であり、より詳細には、図２（ａ）は標定対象のモデル系統図であり、図２（ｂ）は正常状態の電流回転ベクトルを示す図である。なお、説明の便宜上、以下の各図面では、自端側の電流瞬時値ｉ₁の電流の向きと、相手端側の電流瞬時値ｉ₂の電流の向きとは、互いに逆向きとなるように定義する（図２（ａ）参照）。

まず、正常状態の電流回転ベクトルは、複素平面上において、図２（ｂ）のように表現できる。このとき、自端側の電流回転ベクトルは、次式で表すことができる。

ここで、上記（１）式における各記号の意味は、次のとおりである。
Ｉ₁：電流振幅
ω：角速度
θ₁：電流初期位相

また、上記（２）式に示した自端電流回転ベクトルは、次式のように実数部と虚数部とに分離して表すことができる。

ここで、自端電流計測・Ａ／Ｄ変換部２が生成した自端電流瞬時値データは、上記（２）式の実数部に代入される。また、虚数部については演算によって求めるが、この点については後述する。なお、本実施の形態の理論では、実測瞬時値を実数部と定義し、瞬時電流波形を余弦関数で表すことにする（従来理論（例えば上記特許文献１）では、瞬時電流波形を正弦関数で模擬している）。

また、相手端側の電流回転ベクトル（相手端電流回転ベクトル）も、上記（１）、（２）式に倣い、次式で表すことができる。

ここで、上記（３），（４）式における各記号の意味は、次のとおりである。
Ｉ₂：電流振幅
ω：角速度
θ₂：電流初期位相

正常状態において、自端電流回転ベクトルおよび相手端電流回転ベクトルは、複素平面上に１８０度の位相差で反時計周りに回転するので、次の条件式が成立する。

一方、両端電流回転ベクトル変化分を次式のように定義する。

上記（６）式に示される電流変化分は、同時刻における異なる２つの場所の電流回転ベクトルの変化分を演算したものであり、空間的な電流回転ベクトル変化分を表している。一方、図２および（５），（６）式により、次式が成立する。

上記（７）式において、ΔＩ₁₂は、上記で定義した両端電流回転ベクトル変化分振幅であり、正常状態においては、両端電流回転ベクトルの実数部（実測瞬時電流値）および虚数部の各変化分は零である。

ここで、上記（７）式において注目される点は、従来理論で用いられている瞬時電流値の変化分ではなく、空間的な電流回転ベクトル変化分の実効値である両端電流回転ベクトル変化分振幅を利用していることである。なお、事故が継続している間（遮断器にて事故がクリアされる前）、両端電流回転ベクトル変化分が存在し、その振幅は大きな値をとる。

さらに、自端電流回転ベクトル変化分を次式のように定義する。

上記（８）式において、Ｔ₀は１サイクル時間であり、６０Ｈｚの電力系統では、Ｔ₀＝１／６０＝１６．６６６７ｍｓであり、５０Ｈｚの電力系統では、Ｔ₀＝１／５０＝２０ｍｓである。

また、正常状態においては、次式が成立する。

上記（９）式において、ΔＩ₁は、上記で定義した自端電流回転ベクトル変化分振幅であり、正常状態においては零となる。すなわち、正常状態において、複素平面上における自端電流回転ベクトルは、１または数サイクル時間の前後に同じ位置に存在することがわかる。

なお、事故直後の１，２サイクルの期間では、自端電流回転ベクトル変化分が存在し、その振幅は大きな値をとる。１，２サイクルの後、自端電流回転ベクトル変化分は零に戻る。すなわち、事故というイベントが存在している間のみ、自端電流回転ベクトル変化分が存在する。この事実は、送電線主保護を担う電流差動保護継電装置にとって、好都合である。

図３は、送電線に区内事故が発生した場合の電流回転ベクトルを示す図である。図３（ｂ）において、各記号の意味はつぎのとおりである。
ｉ₁（ｔ−）：事故直前の自端電流回転ベクトル
ｉ₂（ｔ−）：事故直前の相手端電流回転ベクトル
ｉ₁（ｔ＋）：事故直後の自端電流回転ベクトル
ｉ₂（ｔ＋）：事故直後の相手端電流回転ベクトル
Δｉ₁（ｔ）：事故前後における自端電流回転ベクトル変化分
Δｉ₁₂（ｔ）：事故前後における両端電流回転ベクトル変化分

また、図３（ｂ）において、事故直前の自端電流回転ベクトルｉ₁(ｔ−）は第４象限にあり、また、事故直前の相手端電流回転ベクトルｉ₂（ｔ−）は第２象限にあり、両者の変化分は零である。一方、事故直後の自端電流回転ベクトルｉ₁（ｔ＋）は第４象限に留まっているのに対し、事故直後の相手端電流回転ベクトルｉ₂（ｔ＋）は、瞬時に第２象限から第４象限に反転している。すなわち、区内事故が発生した場合、２つの電流回転ベクトルのうちの一つは（同図の例では相手端電流回転ベクトルｉ₂（ｔ））、複素平面上で反転している。このため、区内事故が発生した場合、両端電流回転ベクトル変化分にも大きな変化が生じ、その振幅値である両端電流回転ベクトル変化分振幅Δｉ₁₂（ｔ）も、大きな値をとることが分かる。なお、区内事故が発生したため、時間的な電流回転ベクトル変化分である自端電流回転ベクトル変化分振幅Δｉ₁（ｔ）も大きな値をとることが分かる。このように、図３は、本発明の事故判定に関する原理（電流回転ベクトルの反転）を的確に示している図である。

図４は、区外事故が発生した場合の電流回転ベクトルを示す図であり、各記号の意味は、図３と同一である。図４（ｂ）において、事故直前の自端電流回転ベクトルｉ₁(ｔ−）は第４象限にあり、事故直前の相手端電流回転ベクトルｉ₂（ｔ−）は第２象限にあり、両者の変化分は零である。この点は、区内事故（図３（ｂ）参照）の場合と同様である。一方、事故直後の自端電流回転ベクトルｉ₁（ｔ＋）は第４象限に留まっており、また、事故直後の相手端電流回転ベクトルｉ₂（ｔ＋）も第２象限に留まっている。すなわち、事故直後の相手端電流回転ベクトルｉ₂（ｔ＋）も第２象限に留まっている点が、区内事故（図３（ｂ）参照）の場合と相違する。このように、区外事故の場合、電流回転ベクトルは複素平面上で反転することはない。このため、区内事故が発生した場合、両端電流回転ベクトル変化分振幅Δｉ₁₂（ｔ）が大きな値をとることはない。なお、区外事故が発生したため、時間的な電流回転ベクトル変化分である自端電流回転ベクトル変化分振幅Δｉ₁（ｔ）は零よりも大きな値をとることが分かる。

図５は、自端電流回転ベクトル変化分振幅と両端電流回転ベクトル変化分振幅との関係を示すグラフである。図５において、横軸は自端電流回転ベクトル変化分振幅を示し、縦軸は両端電流回転ベクトル変化分振幅を示している。以下、図５のグラフを「電流差動保護継電装置の動作特性図」あるいは単に「動作特性図」と呼称する。

また、図５において、各記号の意味はつぎのとおりである。
ΔＩ₁：自端電流回転ベクトル変化分振幅
ΔＩ₁₂：両端電流回転ベクトル変化分振幅
ΔＩ₁₀：自端電流回転ベクトル変化分振幅の大小を評価するための閾値振幅（他の閾値振幅と区別する場合には「第１の閾値振幅」と称する）
ΔＩ₁₂₀：両端電流回転ベクトル変化分振幅の大小を評価するための閾値振幅（他の閾値振幅と区別する場合には「第２の閾値振幅」と称する）
α：自端電流回転ベクトル変化分振幅に対する両端電流回転ベクトル変化分振幅の比率を評価するための閾値角（例えば５度）（他の閾値角と区別する場合には「第１の閾値角」と称する）
β：両端電流回転ベクトル変化分振幅に対する自端電流回転ベクトル変化分振幅の比率を評価するための閾値角（例えば５度）（他の閾値角と区別する場合には「第２の閾値角」と称する）

図５の動作特性図において、次式を満足する領域を「不感帯Ｉ」と定義する。

正常状態および分岐負荷がある系統において、自端電流回転ベクトル変化分振幅および両端電流回転ベクトル変化分振幅は、不感帯Ｉにあるため、電流差動保護継電装置は起動しない。

また、図５の動作特性図において、次式を満足する領域を「不感帯II」と定義する。

上記（１１）式が成立する場合、自端電流回転ベクトル変化分振幅が起動閾値を超えているにも関わらず、両端電流回転ベクトル変化分振幅は起動閾値を超えていないか、あるいは起動閾値を超えていても自端電流回転ベクトル変化分振幅に対する両端電流回転ベクトル変化分振幅の比率が小さいため、区外事故と判定することができる。

さらに、図５の動作特性図において、次式を満足する領域を「不感帯III」と定義する。

上記（１２）式が成立する場合、両端電流回転ベクトル変化分振幅が起動閾値を超えているにも関わらず、自端電流回転ベクトル変化分振幅が起動閾値を超えていないか、あるいは起動閾値を超えていても両端電流回転ベクトル変化分振幅に対する自端電流回転ベクトル変化分振幅の比率が小さいため、事故が発生していないと判定する。なお、両端電流回転ベクトル変化分振幅が、事故ではないのに大きな値をとる場合として、例えば相手端ＣＴの断線や、通信回路中断などがある。ただし、電力系統では、相手端ＣＴの断線や、通信回路中断などは、別の監視装置で行われるのが通常であり、電流差動保護継電装置によって事故と判定する必要性は小さい。

また、図５の動作特性図において、次式を満足する領域を「動作領域」と定義する。

上記（１３）式が成立する場合、自端電流回転ベクトル変化分振幅および両端電流回転ベクトル変化分振幅の双方が起動閾値を超えており、区内事故と判定することができる。

なお、自端ＣＴの断線などが生起した場合、自端電流回転ベクトル変化分振幅および両端電流回転ベクトル変化分振幅の双方が同時に大きくなって動作領域に入る場合があるが、この場合、相手端電流回転ベクトル変化分振幅の大きさでロックをかけることができる。なぜなら、自端ＣＴの断線などが生起した場合であっても、事故が発生していない場合には、相手端電流回転ベクトル変化分振幅は小さい値をとるからである。このため、相手端電流回転ベクトル変化分振幅の大きさをロック要素として用いることが可能である。

上記の説明から理解できるように、自端電流回転ベクトル変化分振幅の大小を評価するための閾値である「第１の閾値振幅」および両端電流回転ベクトル変化分振幅の大小を評価するための閾値である「第２の閾値振幅」は、事故が発生していないと即時に判定するための起動閾値（電流値パラメータ）である。

また、自端電流回転ベクトル変化分振幅に対する両端電流回転ベクトル変化分振幅の比率（両端電流回転ベクトル変化分振幅と自端電流回転ベクトル変化分振幅との比率）を評価するための閾値角である「第１の閾値角」は、区内事故と判定するか、区外事故と判定するかの領域を規定するための起動閾値（閾値角パラメータ）である。

さらに、両端電流回転ベクトル変化分振幅に対する自端電流回転ベクトル変化分振幅の比率（自端電流回転ベクトル変化分振幅と両端電流回転ベクトル変化分振幅との比率）を評価するための閾値角である「第２の閾値角」は、区内事故と判定するか、事故ではないと判定するかの領域を規定するための起動閾値（閾値角パラメータ）である。

なお、上述した判定手法は、事故発生と同時に生じる自端電流回転ベクトル変化分振幅および両端電流回転ベクトル変化分振幅を用いる手法であるため、本来的に起動判定の高速性を有している。

図６は、区内事故が発生した場合の動作点を動作特性図上にプロットした図である。区内事故発生の直前では、自端電流回転ベクトル変化分振幅および両端電流回転ベクトル変化分振幅の双方は零であり、動作特性図上の原点に位置している。その後、事故直後の例えば１サイクル内では、自端電流ベクトル変化分振幅および両端電流回転ベクトル変化分振幅の双方とも大きな値をとり、動作領域内の例えば破線部で示した領域に入る。このとき、電流差動保護継電装置は起動する。なお、電流差動保護継電装置は主保護として用いることが期待されるため、本実施の形態の電流差動保護継電装置が有する起動判定の高速性は、電力系統にとって好都合である。

さらに、事故発生から例えば１サイクルが経過した後では、自端電流回転ベクトル変化分振幅は小さな値となる一方で、両端電流回転ベクトル変化分振幅は大きな値を保持したままである。また、自端電流回転ベクトル変化分振幅は小さな値をとるが零ではない。その理由は、事故中において、電力系統の事故電流には、商用周波数成分以外の直流および高調波成分が存在し、商用周波数成分も変化しているからである。なお、遮断器（ＣＢ）がトリップすると、自端電流回転ベクトルおよび両端電流回転ベクトル変化分振幅は、共に零になる。

図７は、区外事故が発生した場合の動作点を動作特性図上にプロットした図である。区外事故発生の直前では、自端電流回転ベクトル変化分振幅および両端電流回転ベクトル変化分振幅の双方は零であり、動作特性図上の原点に位置している。その後、事故直後の例えば１サイクル内では、自端電流ベクトル変化分振幅のみが大きな値をとり、不感帯IIの領域内の例えば破線部で示した領域に入る。さらに、事故発生から例えば１サイクルが経過した後では、自端電流回転ベクトル変化分振幅は小さな値となり、不感帯Ｉの領域に戻る。

図８は、例えば相手端ＣＴに断線が生じた場合（以下単に「相手端断線事故」という）の動作点を動作特性図上にプロットした図である。相手端断線事故が発生する直前では、自端電流回転ベクトル変化分振幅および両端電流回転ベクトル変化分振幅の双方は零であるが、相手端断線事故の発生直後では、自端電流ベクトル変化分振幅は零の状態を維持する一方で、両端電流回転ベクトル変化分振幅は大きな値をとり、不感帯IIIの領域に移動することになる。

図９は、本実施の形態にかかる電流差動保護継電装置の動作を示すフローチャートであり、上述した処理概念（アルゴリズム）を具現化したフローチャートである。

（ステップＳ１０１）
ステップＳ１０１では、自端電流計測・Ａ／Ｄ変換部２によって、自端電流瞬時値データが生成される。なお、自端電流瞬時値データは、上記（１）および（２）式によって表されるが、実測された自端電流瞬時値データは、上記（２）式の実数部に代入される。

（ステップＳ１０２）
ステップＳ１０２では、自端電流回転ベクトル変化分算出部３によって、自端電流回転ベクトル変化分および自端電流回転ベクトル変化分振幅が算出される。この処理において、まず、自端電流回転ベクトル変化分は、次式を用いて算出することができる。

上記（１４）式において、Ｔ₀は１サイクル時間である。なお、実数部には実測値が代入され、虚数部には、例えば次式を用いて計算された値が代入される。

また、自端電流回転ベクトル変化分振幅は、次式を用いて算出することができる。

なお、自端電流回転ベクトル変化分振幅は、次式で計算することもできる。

上記（１７）式を用いる利点は、積分計算により、高調波成分の影響を低減することができる点にある。ただし、（１７）式では積分演算を用いているため、演算時間は（１６）式よりもかかることになる。

（ステップＳ１０３）
ステップＳ１０３では、相手端装置１６によって生成された時系列のデジタルデータ（相手端電流時系列データ）が自端側に送信され、送信された時系列デジタルデータは、相手端電流時系列データ受信部４によって受信され、電流差動保護継電装置１に取り込まれる。

（ステップＳ１０４）
ステップＳ１０４では、両端電流回転ベクトル変化分算出部５によって、両端電流回転ベクトル変化分および両端電流回転ベクトル変化分振幅が算出される。この処理において、まず、両端電流回転ベクトル変化分は、次式を用いて算出することができる。

上記（１８）式において、実数部には、上記（２）、（４）式に示される実測値が代入され、虚数部には、上記（１５）式、および後述する（２２）式を用いて計算された値が代入される。

また、両端電流回転ベクトル変化分振幅は、次式を用いて算出することができる。

なお、両端電流回転ベクトル変化分振幅は、次式で計算することもできる。

上記（２０）式を用いる利点は、積分計算により、高調波成分の影響を低減することができる点にある。ただし、（２０）式では積分演算を用いているため、演算時間は（１９）式よりもかかることになる。

なお、同時性を保持するため、自端電流回転ベクトル変化分振幅および両端電流回転ベクトル変化分振幅の各計算式は、同タイプの演算式で計算することが好ましい。すなわち、（１６）式を用いて自端電流回転ベクトル変化分振幅を計算する場合には、（１９）式を用いて両端電流回転ベクトル変化分振幅を計算することが好ましく、（１７）式を用いて自端電流回転ベクトル変化分振幅を計算する場合には、（２０）式を用いて両端電流回転ベクトル変化分振幅を計算することが好ましい。

（ステップＳ１０５）
ステップＳ１０５では、相手端電流回転ベクトル変化分算出部６によって、相手端電流回転ベクトル変化分および相手端電流回転ベクトル変化分振幅が算出される。この処理において、まず、相手端電流回転ベクトル変化分は、次式を用いて算出することができる。

上記（２１）式において、Ｔ₀は１サイクル時間である。なお、実数部には実測値が代入され、虚数部には、例えば次式を用いて計算された値が代入される。

また、相手端電流回転ベクトル変化分振幅は、次式を用いて算出することができる。

なお、相手端電流回転ベクトル変化分振幅は、次式で計算することもできる。

上記（２４）式を用いる利点は、積分計算により、高調波成分の影響を低減することができる点にある。ただし、（２４）式では積分演算を用いているため、演算時間は（２３）式よりもかかることになる。

（ステップＳ１０６）
ステップＳ１０６では、区内事故であるか否かの判定処理が行われる。この判定処理は、次式を用いて判定することができる。なお、区内事故ではないと判定した場合（ステップＳ１０６，Ｎｏ）、ステップＳ１０１の処理に戻り、区内事故であると判定した場合（ステップＳ１０６，Ｙｅｓ）、ステップＳ１０７に移行する。

ステップ１０５では、つぎの処理が行われる。まず、自端電流回転ベクトル変化分振幅と両端電流回転ベクトル変化分振幅とにより決定される動作点が、動作特性図の動作領域に連続して３点プロットされた場合であって、且つ、つぎの条件式を満足する場合に区内事故が発生したと判定することができる。

なお、上記（２５）式における各記号の意味は、次のとおりである。
ΔＩ₂(t)：相手端電流回転ベクトル変化分振幅
ΔＩ₂₀：相手端電流回転ベクトル変化分振幅の大小を評価するための閾値振幅（他の閾値振幅と区別する場合には「第３の閾値振幅」と称する）

ここで、動作特性図の動作領域に連続して３点プロットされた場合とは、例えば３０度サンプリングの５０Ｈｚの系統であれば、５ｍｓの時間において、上記（１３）式を満足する場合である。また、上記（２５）式は、上述したように自端ＣＴの断線などが生起した場合のロック機能を果たす条件式である。その理由は、事故ではなく自端ＣＴが断線した場合、自端電流回転ベクトル変化分振幅および両端電流回転ベクトル変化分振幅の双方が同時に大きな値となるが、相手端電流回転ベクトル変化分振幅は大きな値にはならないからである。したがって、（２５）式を起動条件とすることにより、（１３）式が成立した場合であっても、（２５）式が成立しなければ保護起動はロックされる。

なお、ここでは、動作点の連続３点が動作領域に入った場合を一例として示したが、この例に限定されるものではない。

（ステップＳ１０７）
ステップＳ１０６では、遮断器（ＣＢ）をトリップするための遮断器（ＣＢ）トリップ信号が送信される。

（シミュレーション結果）
つぎに、本実施の形態にかかる電流差動保護継電装置に対して行ったシミュレーション結果について、図１０〜図１６の各図面を参照して説明する。

図１０は、日本国において代表的な電気学会ＥＡＳＴ１０モデル系統（５０Ｈｚ系統）を示す図である。（）内の番号はノード番号を表し、＜＞内の番号はブランチ番号を示している。いま、このモデル系統において、ノード１１に自端装置を配置し、ノード２１に相手端装置を配置するものとする。また、つぎの事故ケースをシミュレートする。

・ケース１：ノード１１から５０％の距離Ａ点に１回送電線のＡ相地絡事故を発生させる。
・ケース２：ノード１１から９０％の距離Ｂ点に１回送電線のＡ相地絡事故を発生させる。
ケース３：ノード２１からノード２２に向け２回送電線があるが、当該送電線上のノード２１の至近端Ｃ点に１回送電線のＡ相地絡事故を発生させる。

図１１は、ケース１（Ａ相、区内事故５０％）におけるＡ相電流波形を示す図である。図１１に示されるように、事故時刻（ｔ＝０秒）において、破線で示される相手端の電流回転ベクトルが反転していることが分かる。すなわち、事故の発生前では、両電流は逆位相で変化しているが、事故の発生後では、両電流は同位相で変化している。

図１２は、ケース１（Ａ相、区内事故５０％）におけるＡ相動作特性を示す図である。破線で示す各直線は、図５〜図８に示した各領域の境界を示す境界線である。

図１２に示されるように、自端電流回転ベクトル変化分振幅および両端電流回転ベクトル変化分振幅は、同時に大きくなって、事故起動することが分かる。ここで、本シミュレーションでは、自端電流回転ベクトル変化分振幅および両端電流回転ベクトル変化分振幅にて決定される動作点が動作領域に入ってから３点目を事故起動点としている（以下のシミュレーションでも同じ）。なお、この場合の総合動作時間は、装置のサンプリング周波数を６００Ｈｚ（＝５０Ｈｚ×３６０°／３０°（３０°サンプリングの場合））とすれば、“５ｍｓ＋相手端電流の通信転送時間”となる。したがって、送電線の主保護に必要な高速性を有しているということができる。

なお、上記シミュレーション結果では、Ａ相動作特性についてのみを示し、Ｂ相動作特性およびＣ相動作特性の表示は省略している。しかしながら、Ｂ相動作特性およびＣ相動作特性については、いずれも不感帯領域にあり、いずれも不動作となる。

図１３は、ケース２（Ａ相、区内事故９０％）におけるＡ相電流波形を示す図である。図１３に示されるように、事故時刻（ｔ＝０秒）において、破線で示される相手端の電流回転ベクトルが反転していることが分かる。なお、相手端の至近端に事故が発生しているため、図１１の場合（Ａ相、区内事故５０％）と比較して、相手端電流のほうが大きいことが理解できる。

図１４は、ケース２（Ａ相、区内事故９０％）におけるＡ相動作特性を示す図である。図１４に示されるように、自端電流回転ベクトル変化分振幅および両端電流回転ベクトル変化分振幅は、同時に大きくなって、事故起動することが分かる。なお、相手端の至近端に事故が発生しているため、図１２の場合（Ａ相、区内事故５０％）と比較して、動作点を結ぶ直線の傾きが大きいことが理解できる。また、上記シミュレーション結果においても、Ｂ相動作特性およびＣ相動作特性の表示を省略しているが、Ｂ相動作特性およびＣ相動作特性のいずれも不感帯領域にあり、いずれも不動作となる。

図１５は、ケース３（Ａ相、区外事故）におけるＡ相電流波形を示す図である。本ケースは区外事故であるため、相手端の電流回転ベクトルの位相反転が発生しないことが分かる。すなわち、事故発生の前後において、逆位相で変化する両電流の波形は変わらない。

図１６は、ケース３（Ａ相、区外事故）におけるＡ相動作特性を示す図である。本ケースでは区外事故が発生しているため、自端電流回転ベクトル変化分振幅は、比較的大きな値をとっている。しかしながら、相手端電流回転ベクトルに位相反転が発生しないため、両端電流回転ベクトル変化分振幅は小さい。したがって、本ケースでは事故起動しないことが分かる。なお、上記シミュレーション結果においても、Ｂ相動作特性およびＣ相動作特性の表示を省略しているが、Ｂ相動作特性およびＣ相動作特性のいずれも不感帯領域にあり、いずれも不動作となる。

なお、上記シミュレーション結果では、Ａ相の地絡絡事故を一例として説明してきたが、他相の地絡事故、また、短絡事故に対しても同様な結果が得られることは言うまでもない。

以上説明したように、本実施の形態にかかる電流差動保護継電装置によれば、時間的な回転ベクトル変化分として、現時点における自端電流回転ベクトルと１または数サイクル前時点における自端電流回転ベクトルとの差分成分である自端電流回転ベクトル変化分、および空間的な回転ベクトル変化分として、現時点における自端電流回転ベクトルと相手端電流回転ベクトルとの差分成分である両端電流回転ベクトル変化分を算出するとともに、自端電流回転ベクトル変化分の振幅値である自端電流回転ベクトル変化分振幅と、両端電流回転ベクトル変化分の振幅値である両端電流回転ベクトル変化分振幅と、に基づいて、保護区内における事故の有無を判定するようにしているので、事故判定にかかる演算精度を確保することができ、事故起動の確実性を向上することができる。

なお、上記手法は、時間的な回転ベクトル変化分である自端電流回転ベクトル変化分に加え、空間的な回転ベクトル変化分である両端電流回転ベクトル変化分を利用する手法であるため、系統周波数が定格周波数からずれてしまうような時間的変動要素の影響を受けない両端電流回転ベクトル変化分の作用により、所望する演算精度の確保が可能となる。また、この作用により、時間的変動要素の大きい分岐負荷がある送電線に対しても、所望する演算精度の確保が可能となる。

また、本実施の形態にかかる電流差動保護継電装置によれば、保護区内事故と判定する条件の一つとして、受信した相手端電流瞬時値データを用いて算出した相手端電流回転ベクトル変化分振幅の情報をさらに用いるようにしているので、事故起動の確実性をさらに向上することができる。

以上のように、本発明にかかる電流差動保護継電装置は、安価な通信線路を利用した場合であっても、事故判定にかかる演算精度を確保し、事故起動の確実性を向上することができる発明として有用である。

本発明の一実施形態にかかる電流差動保護継電装置の構成を示す図である。事故判定の対象となる送電線を含む電力系統をモデル化した図である。送電線に区内事故が発生した場合の電流回転ベクトルを示す図である。区外事故が発生した場合の電流回転ベクトルを示す図である。自端電流回転ベクトル変化分振幅と両端電流回転ベクトル変化分振幅との関係を示すグラフである。区内事故が発生した場合の動作点を動作特性図上にプロットした図である。区外事故が発生した場合の動作点を動作特性図上にプロットした図である。相手端ＣＴに断線が生じた場合の動作点を動作特性図上にプロットした図である。本実施の形態にかかる電流差動保護継電装置の動作を示すフローチャートである。日本国において代表的な電気学会ＥＡＳＴ１０モデル系統（５０Ｈｚ系統）を示す図である。ケース１（Ａ相、区内事故５０％）におけるＡ相電流波形を示す図である。ケース１（Ａ相、区内事故５０％）におけるＡ相動作特性を示す図である。ケース２（Ａ相、区内事故９０％）におけるＡ相電流波形を示す図である。ケース２（Ａ相、区内事故９０％）におけるＡ相動作特性を示す図である。ケース３（Ａ相、区外事故）におけるＡ相電流波形を示す図である。ケース３（Ａ相、区外事故）におけるＡ相動作特性を示す図である。

符号の説明

１電流差動保護継電装置
２自端電流計測・Ａ／Ｄ変換部
３自端電流回転ベクトル変化分算出部（第１の算出部）
４相手端電流時系列データ受信部
５両端電流回転ベクトル変化分算出部（第２の算出部）
６相手端電流回転ベクトル変化分算出部（第３の算出部）
７電流差動保護判定部（判定部）
８遮断器（ＣＢ）トリップ指令送信部（トリップ指令出力部）
９インターフェース
１０記憶部
１１遠方送信部
１２自端母線
１３，１８ＣＴ
１４，１９ＣＢ
１５通信回線
１６相手端装置
１７相手端母線
２２送電線

Claims

保護対象の送電線の自端側にて計測された自端電流瞬時値データに基づき、自端電流回転ベクトルの変化分である自端電流回転ベクトルの変化分を積分計算にて算出する第１の算出部と、
前記自端電流回転ベクトルおよび、前記送電線の相手端側にて計測され、自端側に送信された相手端電流瞬時値データを用いて算出される相手端電流回転ベクトルに基づき、現時点における前記自端電流回転ベクトルと前記相手端電流回転ベクトルとの差分成分である両端電流回転ベクトル変化分を積分計算にて算出する第２の算出部と、
前記自端電流回転ベクトル変化分の振幅値である自端電流回転ベクトル変化分振幅および、前記両端電流回転ベクトル変化分の振幅値である両端電流回転ベクトル変化分振幅に基づき、前記送電線に生じた異常が保護区内事故であるか否かを判定する判定部と、
前記判定部によって保護区内事故と判定された場合に、制御対象の遮断器に対しトリップ指令を出力するトリップ指令出力部と、
を備えたことを特徴とする電流差動保護継電装置。
前記自端電流回転ベクトル変化分振幅（ΔＩ₁）の大小を評価する第１の閾値振幅（ΔＩ₁₀）と、
前記両端電流回転ベクトル変化分振幅（ΔＩ₁₂）の大小を評価する第２の閾値振幅（ΔＩ₁₂₀）と、
前記自端電流回転ベクトル変化分振幅に対する前記両端電流回転ベクトル変化分振幅の比率を評価する第１の閾値角（α）と、
前記両端電流回転ベクトル変化分振幅に対する前記自端電流回転ベクトル変化分振幅の比率を評価する第２の閾値角（β）と、
が設定されるとき、
前記判定部は、次式を満足するときに保護区内事故が発生したと判定することを特徴とする請求項１に記載の電流差動保護継電装置。
受信した前記相手端電流瞬時値データを用いて、前記相手端における電流回転ベクトルの変化分である相手端電流回転ベクトル変化分を積分計算にて算出する第３の算出部をさらに備え、
前記判定部は、保護区内事故と判定する条件の一つとして、前記相手端電流回転ベクトル変化分の振幅値である相手端電流回転ベクトル変化分振幅の情報を用いることを特徴とする請求項１に記載の電流差動保護継電装置。
前記自端電流回転ベクトル変化分振幅（ΔＩ₁）の大小を評価する第１の閾値振幅（ΔＩ₁₀）と、
前記両端電流回転ベクトル変化分振幅（ΔＩ₁₂）の大小を評価する第２の閾値振幅（ΔＩ₁₂₀）と、
前記相手端電流回転ベクトル変化分振幅（ΔＩ₂）の大小を評価する第３の閾値振幅（ΔＩ₂₀）と、
前記自端電流回転ベクトル変化分振幅に対する前記両端電流回転ベクトル変化分振幅の比率を評価する第１の閾値角（α）と、
前記両端電流回転ベクトル変化分振幅に対する前記自端電流回転ベクトル変化分振幅の比率を評価する第２の閾値角（β）と、
が設定されるとき、
前記判定部は、次式を満足するときに保護区内事故が発生したと判定することを特徴とする請求項３に記載の電流差動保護継電装置。