JP7006237B2 - 電力供給システムの保護装置を備えたシステム - Google Patents

Description

本発明は、電力供給システムにおける短絡事故に対応するための保護技術に関し、特に、変換器（インバータ）を主電源とする離島又はコミュニティ等の電力系統における短絡事故に対応するための保護装置及びそれを備えたシステムに関する。

電力系統（以下、電力供給システムともいう）において、発電機から母線に供給された電圧は、相互に並列接続された複数の配電線（配電系統）を介して、種々の電力需要機器に供給される。特定の配電線に事故（短絡事故）が発生した場合、その配電線を母線から遮断しなければ、電力供給システム全体が停電してしまう。したがって、電力系統では、事故により配電線に大電流（以下、事故電流という）が流れたことを検出して、保護リレーにより事故区間を遮断して電力系統全体の停電を防止している。

図１を参照して、事故検出に関して具体的に示す。図１では、同期機である発電機９００により生成された交流電圧が、トランス９０２により所定電圧に変換されて、母線９０４に供給される。母線９０４には、２つの配電系統である配電線９１０及び９２０が接続されている。配電線９１０及び９２０はそれぞれ、遮断器９１２及び９２２を介して、負荷９１８及び９２８に電力を供給する。

遮断器９１２及び９２２は、開閉器であり、電力線の電流を開閉するとともに、保護リレーと連携して事故電流（特に短絡事故電流）等を遮断することにより負荷側の機器及び設備を保護し、上流側への事故の波及を防止する。

配電線９１０には、変流器９１４及び過電流保護リレー９１６が配置されており、配電線９２０には、変流器９２４及び過電流保護リレー９２６が設けられている。配電線９１０を流れる電流値は変流器９１４により測定され、過電流保護リレー９１６に入力される。同様に、配電線９２０を流れる電流値は変流器９２４により測定され、過電流保護リレー９２６に入力される。

変流器９１４及び９２４は、一次電流を、これに比例する二次電流に変成する計器用変成器である。過電流保護リレー９１６及び９２６は、事故電流を検出すれば、信号を送信して遮断器を動作させる。

配電線９１０において、短絡事故９３０が発生すると、配電線９１０には、通常電流よりも大きい事故電流９３２が流れる。この事故電流９３２は変流器９１４により検出され、過電流保護リレー９１６は、遮断器９１２に遮断信号を出力する。遮断信号が入力された遮断器９１２は、配電線９１０が通電されないように遮断する。これにより、短絡事故が発生した配電線９１０を母線９０４から切り離すことができ、電力供給システム全体が停電してしまうことを防止することができる。

離島等では、ディーゼル発電機（同期機）により、独自に電力系統（以下、マイクログリッドともいう）が構成されている。この場合にも、上記のように、各配電線に過電流保護リレーを設けて事故を検出し、マイクログリッド全体の停電を防止している。

一方、電力供給システムにおいて次数間高調波を使用する技術が知られている。例えば、下記特許文献１には、母線に複数の配電系統が接続された電力供給システムに、複数の異なる次数の次数間高調波を注入し、各配電系統の需要家での電力需要状況を推定する方法が開示されている。この方法は、各配電系統に関して次数間高調波のアドミタンスを算出し、連立方程式を解くことにより容量性サセプタンスを含まない誘導性サセプタンスを算出し、それに基づき各需要家での電力需要状況を推定する。

また、下記特許文献２には、電力系統に、太陽光発電、風力発電等の分散型電源を接続した電力供給システムにおいて、系統電源喪失時の逆充電による単独運転を防止するために、次数間高調波を用いて単独運転を検出する技術が開示されている。

特開２０１２－２２８０８９号公報 特開２０１７－５８５９号公報

マイクログリッドで使用されているディーゼル発電機では燃料費が負担となっており、燃料費対策として、マイクログリッドに分散型電源を設け、蓄電された電気を、変換器（インバータ）を介して供給することが検討されている。変換器による電力供給システムの保護のために、同期機による電力系統で使用される過電流保護リレーをそのまま使用することが考えられる。

しかし、変換器による電源は、その仕様上、十分な事故電流の供給能力を持たないので、保護リレーを作動させることができない問題がある。電流供給能力は、同期機では通常、５～６ｐｕ（自己容量ベース）であるのに対して、変換器では、１．１～１．５ｐｕ（自己容量ベース）と小さい。変換器による電力供給システムにおいて、過電流保護リレーを使用するには、その仕様を変更して変換器の電流供給能力を大きくする必要があり、コスト高となる問題がある。

したがって、本発明は、変換器を用いた電力供給システムにおいて、変換器の仕様を変更することなく、配電系統での事故（短絡事故）を検出して電力供給システム全体を保護することができる保護装置及びそれを備えたシステムを提供することを目的とする。

本発明の第１の局面に係る保護装置は、電力供給システムの保護装置である。この保護装置は、所定周波数の交流電圧が供給される母線に、所定周波数よりも高い周波数を有する高調波を供給する高調波供給部と、母線に接続された配電線の電流値を測定する電流測定部と、母線又は配電線の電圧値を測定する電圧測定部と、電流測定部により測定された電流値の時間変動波形から、高調波のフーリエ係数である電流成分を抽出する電流成分抽出部と、電圧測定部により測定された電圧値の時間変動波形から、高調波のフーリエ係数である電圧成分を抽出する電圧成分抽出部と、電流成分抽出部により抽出された電流成分と電圧成分抽出部により抽出された電圧成分とから、インピーダンス又はアドミタンスを算出値として算出する算出部と、算出値に基づいて、配電線に短絡事故が発生したか否かを判定する判定部とを含む。

これにより、配電線上で短絡事故が発生したことを検出することができる。したがって、短絡事故が発生した配電線を母線から切り離す等の適切な処置を行なうことができる。

好ましくは、保護装置は、判定部により短絡事故が発生したと判定されたことを受けて、配電線と母線との接続を遮断する遮断部に、遮断信号を出力する出力部をさらに含む。

これにより、配電線上で短絡事故が発生した場合に、その配電線を母線から速やかに切り離し、電力供給システム全体が停電することを防止することができる。

より好ましくは、高調波は、振幅が一定の電流として供給される。

これにより、母線に供給される高調波により、母線の電圧（定電圧）が影響を受けることを抑制することができる。

さらに好ましくは、高調波供給部により母線に供給される高調波は、所定周波数の非整数倍の周波数を有する次数間高調波である。

これにより、既存の信号と干渉して減衰する等の影響を受けることなく、母線に供給した次数間高調波の電圧成分及び電流成分を、容易に且つ精度よく抽出することができる。

好ましくは、高調波供給部により母線に供給される高調波は、所定周波数の２倍又は４倍の周波数を有する高調波である。

これにより、既存の信号と干渉して減衰する等の影響を受けることなく、母線に供給した高調波の電圧成分及び電流成分を、容易に且つ精度よく抽出することができる。

本発明の第２の局面に係るシステムは、上記の保護装置と、直流電源から供給される直流電圧を交流電圧に変換し、当該交流電圧を母線に供給する変換部とを含む。

これにより、変換器を用いた既存の電力供給システムおいて、変換器の仕様を変更することなく、配電線上で短絡事故が発生したことを検出することができる。したがって、短絡事故が発生した配電線を母線から切り離す等の適切な処置を行なうことができる。

好ましくは、高調波供給部による機能は、変換部により実現される。変換部は、直流電圧から変換した交流電圧に、高調波を重畳する。

このように、変換部が直流から交流に電圧を変換するときに、交流電圧に高調波を重畳することにより、高調波を供給するための装置が不要となり、コストを低減することができる。

本発明によれば、配電線上で短絡事故が発生したことを検出することができる。したがって、短絡事故が発生した配電線を母線から速やかに切り離す等の適切な処置を行ない、電力供給システム全体が停電することを防止することができる。

また、事故電流の大きさに依存せずに、短絡事故の発生を検出することができるので、事故電流の供給能力が低い変換器を用いた電力供給システムにおいても、短絡事故を検出することができる。即ち、変換器に、同期機の発電機のように事故電流供給能力を持たせることなく、既存の変換器を用いた電力供給システムにおいて、短絡事故を検出することができる。したがって、コストの増大を抑制することができる。

また、高調波の注入は、変換器の制御にソフト的に組込むことで実現できるので、コストの増大を抑制することができる。

電力供給システムで使用される従来の保護技術を示すブロック図である。 本発明の実施の形態に係る保護装置の構成を示すブロック図である。 図２の保護装置を含む電力供給システムの一例を示すブロック図である。 図３の電力供給システムにおける保護装置の動作を示すフローチャートである。 図２の保護装置を含む電力供給システムの別の例を示すブロック図である。 第１実施例のシミュレーションシステムの構成を示すブロック図である。 第１実施例のシミュレーション結果を示すグラフである。 第２実施例のシミュレーションシステムの構成を示すブロック図である。 第２実施例のシミュレーション結果（発電機から電力供給）を示すグラフである。 第２実施例のシミュレーション結果（インバータ電源から電力供給）を示すグラフである。 第２実施例のシミュレーション結果（インバータ電源から電力及び４次の高調波を供給）を示すグラフである。 第２実施例のシミュレーション結果（インバータ電源から電力及び２．５次の次数間高調波を供給）を示すグラフである。

以下の実施の形態では、同一の部品には同一の参照番号を付してある。それらの名称及び機能も同一である。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。

（保護装置の構成）
図２を参照して、本発明の実施の形態に係る保護装置１００は、高調波生成部１０２及びリレー部１０６を含む。リレー部１０６は、高調波成分算出部１１０と、インピーダンス算出部１１２と、制御部１１４とを含む。保護装置１００は、各部を作動させるための電源等（図示せず）をも含む。図２は最小構成を示しており、保護装置１００は、後述するようにリレー部１０６を複数含み得る。

高調波生成部１０２は、母線に電力を供給している電源が出力している電力（電圧）の基本周波数（例えば、５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ）よりも高い一定周波数の信号Ｓ０を生成して、電力系統の母線に供給する。高調波生成部１０２により、電源から母線に供給されている電圧に、高調波Ｓ０が重畳されることになる。

信号Ｓ０の周波数は、基本周波数の整数倍の周波数と、非整数倍の周波数とに分類することができる。このうち、基本周波数の整数倍の周波数の信号は、いわゆる高調波である。基本周波数の非整数倍の周波数の信号は、整数倍の高調波の間の信号であるので、次数間高調波と呼ばれ、その次数は正の非整数で表される。本願明細書では、次数間高調波の用語を使用する関係で、基本周波数の整数倍の周波数の信号を「整数次高調波」と記載し、次数間高調波と整数次高調波とを合わせて「高調波」と記載することとする。したがって、信号Ｓ０を高調波Ｓ０とも記載する。

電圧測定部１０４は、母線の電圧を測定する。電圧測定部１０４は、例えば、公知の計器用変圧器である。電流測定部１０８は、母線に接続された配電線の電流を測定する。電流測定部１０８は、例えば、公知の計器用変流器である。計器用変圧器及び計器用変流器は、高電圧回路の電圧及び電流を、計器及びリレー等で扱い易い電圧及び電流に変換する。測定された電圧値及び電流値は、高調波成分算出部１１０に入力される。

高調波成分算出部１１０は、電圧測定部１０４及び電流測定部１０８から入力されるアナログ信号である電圧値及び電流値を、所定の時間間隔でサンプリングして、デジタルの電圧データ及び電流データを取得し、所定の時間分のデータを、内部のバッファ等に一時記憶する。高調波成分算出部１１０は、記憶した電圧及び電流の時系列データ（以下、波形データともいう）に含まれる所定周波数の成分を算出する。成分を算出する対象の周波数は、高調波生成部１０２により供給されている高調波Ｓ０の周波数である。所定周波数成分の算出には、公知のフーリエ変換が使用され得る。

なお、整数次高調波に関しては、フーリエ変換の基本周波数として、電力の基本周波数を使用することができるが、次数が非整数である次数間高調波に関しては、電力の基本周波数とは異なる周波数を使用することが必要である。具体的には後述するが、次数間高調波の次数（非整数）が整数になるように、フーリエ変換の基本周波数を決定する。

高調波成分算出部１１０は、電圧及び電流のそれぞれに含まれる所定の高調波の周波数成分（以下、高調波成分という）を算出する度に、算出値をインピーダンス算出部１１２に出力する。

インピーダンス算出部１１２は、２つのデータ（電圧及び電流の高調波成分）が入力される度に、入力データからインピーダンスを算出して、算出値を制御部１１４に出力する。インピーダンス算出部１１２は、電圧の高調波成分を、電流の高調波成分で除して、インピーダンスを算出する。

制御部１１４は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）と、記憶部とを備えている。制御部１１４は、入力されたインピーダンスを記憶部に記憶し、その変化を観察して、インピーダンスが所定のしきい値以下になれば、短絡事故が発生したと判定し、遮断信号Ｓ３を出力する。これらの機能は、記憶部に予め記憶されたプログラムをＣＰＵが読出して実行することにより実現される。遮断信号Ｓ３は、電流測定部１０８が配置された配電系統に設けられている遮断器に入力され、遮断器が作動する。

上記したように、高調波成分算出部１１０が算出の対象とする高調波成分は、高調波生成部１０２が供給している高調波Ｓ０である。したがって、高調波成分算出部１１０には、対象とする高調波の情報が必要である。図２では、高調波生成部１０２から出力されている高調波Ｓ０の周波数又は次数を表す情報Ｓ１が、高調波生成部１０２から制御部１１４に入力され、制御部１１４が、情報Ｓ１に対応する情報Ｓ２を高調波成分算出部１１０に出力する。情報Ｓ２は、情報Ｓ１と同じ情報であってもよく、異なる情報であってもよい。例えば、情報Ｓ１が高調波の次数を表す情報であれば、情報Ｓ２は、基本周波数及び情報Ｓ１から算出された高調波の周波数であってもよい。また、制御部１１４は、高調波生成部１０２が供給している高調波の情報を、高調波生成部１０２以外から取得してもよい。例えば、制御部１１４は、数値を入力するためのインターフェイスを備え、そのインターフェイスを介して、検出対象である高調波の次数又は周波数の入力を受付けるようになっていてもよい。

高調波成分算出部１１０及びインピーダンス算出部１１２は、それぞれ、ＡＳＩＣ等の専用の半導体装置として構成されていても、制御部１１４と同様に、汎用ＣＰＵ及び記憶部により構成されていてもよい。高調波成分算出部１１０及びインピーダンス算出部１１２が汎用ＣＰＵにより実現されている場合には、所定のプログラムによりそれらの機能が実行される。

（保護装置を含むシステム）
図３を参照して、保護装置１００を電力供給システムに適用する形態に関して説明する。ここでは、保護装置１００は、図２のリレー部１０６に対応する２つのリレー部を含んでいるとする。

電力供給システムは、同期機である発電機２００と、二次電池２１２及び変換器２１０から構成される分散型電源（一点鎖線で示す）と、スイッチ２１４とを備えている。スイッチ２１４の切替え動作により、発電機２００又は変換器２１０がトランス２０２に接続される。発電機２００又は変換器２１０から出力される交流電圧は、トランス２０２により所定電圧に変換されて、母線２０４に供給される。母線２０４には、２つの配電系統である第１配電線２２０及び第２配電線２３０が接続されている。第１配電線２２０及び第２配電線２３０はそれぞれ、第１遮断器２２２及び第２遮断器２３２を介して、第１負荷２２８及び第２負荷２３８に電力を供給する。

変換器２１０は、通常の交流電力に加えて、図２の高調波生成部１０２の機能を提供する。変換器２１０は、二次電池２１２の出力である直流電力（電圧）を交流に変換する公知のインバータである。変換器２１０は、例えば、内部にマイクロコントローラ等の制御装置を備え、公知の制御プログラム（例えば、ＰＷＭ制御）を実行し、所定周波数（例えば、５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ）の交流電力（以下、基準電力ともいう）を生成する。したがって、インバータの制御プログラムを変更することにより、変換器２１０は、所定の振幅及び所定の周波数を有する高調波信号を生成して、基本電力に重畳させて出力することができる。

変換器２１０が供給する基本電力は、通常、電圧源モード（定電圧）で供給されるので、高調波は電流源モード（定電流）で供給されることが好ましい。

第１配電線２２０には、第１変流器２２４及び第１の高調波リレー２２６が設けられ、第２配電線２３０には、第２変流器２３４及び第２の高調波リレー２３６が設けられている。第１配電線２２０を流れる電流値は、第１変流器２２４により測定され、第１の高調波リレー２２６に入力される。同様に、第２配電線２３０を流れる電流値は、第２変流器２３４により測定され、第２の高調波リレー２３６に入力される。

第１変流器２２４及び第２変流器２３４は、図２の電流測定部１０８に対応し、第１の高調波リレー２２６及び第２の高調波リレー２３６はそれぞれ、図２のリレー部１０６に対応する。第１変流器２２４及び第２変流器２３４により測定される電流には、変換器２１０から供給されている高調波の電流が含まれている。

計器用変圧器２０６は、母線２０４の電圧を測定して、測定値を第１の高調波リレー２２６及び第２の高調波リレー２３６に出力する。計器用変圧器２０６は、図２の電圧測定部１０４に対応する。

第１の高調波リレー２２６は、第１変流器２２４から入力される電流（波形データ）と計器用変圧器２０６から入力される電圧（波形データ）とに含まれる高調波成分をそれぞれ算出し、それらからインピーダンスを算出する。第１の高調波リレー２２６は、算出したインピーダンスの変化を観測する。短絡事故２４０が発生して事故電流２４２が流れると、インピーダンスが低下するので、第１の高調波リレー２２６は短絡事故を検出できる。

第１の高調波リレー２２６は、短絡事故を検出すると、第１遮断器２２２に遮断信号を出力する。第１遮断器２２２は、遮断信号を受けて、第１配電線２２０を母線２０４から切り離す。

第２の高調波リレー２３６及び第２遮断器２３２はそれぞれ、第１の高調波リレー２２６及び第１遮断器２２２と同様に動作する。

なお、図３では、２系統の配電線を示しているが、３系統以上の配電線が母線２０４に接続されていてもよい。各配電線に、遮断器及び高調波リレーが設けられる。

（短絡事故の検出処理）
以下に、図４を参照して、図３に示した電力供給システムにおいて、短絡事故を検出する処理に関して説明する。図４のプログラムは、第１の高調波リレー２２６及び第２の高調波リレー２３６のそれぞれにより実行される。上記したように、第１の高調波リレー２２６及び第２の高調波リレー２３６のそれぞれは、図２の制御部１１４に対応し、内部にＣＰＵ及び記憶部を含む。したがって、第１の高調波リレー２２６及び第２の高調波リレー２３６が実行する処理は、それぞれに含まれるＣＰＵが、独立に実行する処理を意味する。ここでは、第１の高調波リレー２２６が実行する処理として説明する。

ステップ３００において、第１の高調波リレー２２６は、計器用変圧器２０６及び第１変流器２２４から入力される電圧及び電流（アナログ）からデジタルデータを生成して、時系列データ（波形データ）として記憶する。

ステップ３０２において、第１の高調波リレー２２６は、ステップ３００で記憶した時系列データの電圧及び電流のそれぞれから、変換器２１０から供給されている高調波の周波数成分（高調波成分）を算出する。ステップ３００及び３０２の処理は、上記した図２の高調波成分算出部１１０の機能に対応する。

ステップ３０４において、第１の高調波リレー２２６は、ステップ３０２で算出された電圧の高調波成分を、電流の高調波成分で除して、インピーダンスを算出する。

ステップ３０６において、第１の高調波リレー２２６は、ステップ３０４で算出されたインピーダンスを所定のしきい値と比較する。インピーダンスがしきい値以下であると判定されると、制御はステップ３０８に移行する。そうでなければ、制御はステップ３１０に移行する。

ステップ３０８において、第１の高調波リレー２２６は、監視対象の第１配電線２２０において短絡事故が発生したと判定し、遮断信号を第１遮断器２２２に出力する。これにより、第１遮断器２２２が動作して、第１配電線２２０を母線２０４から切り離す。

ステップ３１０において、第１の高調波リレー２２６は、本プログラムの実行を終了する指示を受けたか否かを判定する。終了の指示は、例えば第１の高調波リレー２２６の電源をＯＦＦすることにより成される。終了の指示を受けたと判定された場合、第１の高調波リレー２２６は、本プログラムを終了する。そうでなければ、制御はステップ３００に戻り、上記した処理を繰返す。

以上により、第１の高調波リレー２２６は、第１配電線２２０に短絡事故２４０が発生した場合に、それを検知して、第１配電線２２０を母線２０４から切り離し、電力供給システム全体が停電することを防止することができる。

第２の高調波リレー２３６も図４のプログラムを実行する。第２の高調波リレー２３６は、第２配電線２３０に短絡事故が発生した場合に、それを検知して、第２配電線２３０を母線２０４から切り離し、電力供給システム全体が停電することを防止することができる。

第１の高調波リレー２２６は、短絡事故によって第１配電線２２０に流れる事故電流２４２の大きさに依存せずに、短絡事故の発生を検出することができる。第２の高調波リレー２３６も同様に、短絡事故によって第２配電線２３０に流れる事故電流の大きさに依存せずに、短絡事故の発生を検出することができる。したがって、既存の変換器を用いた分散型電源は、同期機の電源よりも事故電流の供給能力は低いが、その場合にも、短絡事故を検出することができる。

高調波２１６の次数は、任意の正の整数又は非整数とすることができる。電力機器には、リアクタンス成分（インダクタ及び容量）が含まれているので、特定の周波数よりも高い周波数の信号を供給すれば、電圧をある程度の大きさで測定することができる。したがって、母線に供給した高調波Ｓ０の電圧成分及び電流成分を抽出することができ、短絡事故の発生を検出することができる。

次数間高調波は、通常、電力システムにはほとんど存在しないので、上記した、母線に供給する高調波Ｓ０を、次数間高調波とすることにより、短絡事故を容易に且つ精度よく検出することができる。例えば、２次～３次の間のもの、即ち次数ｎが２＜ｎ＜３のものを使用することができる。

また、高調波Ｓ０は、次数間高調波に限らず、整数次高調波であってもよい。通常、電力システムにおいては、基本周波数の奇数倍の周波数の高調波（奇数次の高調波）は、無視できない程度の大きさで存在するが、基本周波数の偶数倍の周波数の高調波（偶数次の高調波）は少ない（振幅が小さい）。したがって、偶数次の高調波を使用すれば、母線に既に存在している信号と干渉して減衰する等の影響を受けることなく、母線に供給した高調波Ｓ０の電圧成分及び電流成分を抽出することができ、短絡事故の発生を検出することができる。例えば、４次又は２次の高調波を使用することができる。

しきい値は、各電力系統に応じて、短絡事故が発生しておらず通常電力が供給されている状態でのインピーダンスと明確に区別でき、それよりも小さい適切な値に設定されていればよく、任意である。即ち、第１の高調波リレー２２６のしきい値と第２の高調波リレー２３６のしきい値とは、必ずしも同じ値でなくてもよい。しきい値を変更可能に構成されていてもよい。

上記では、変換器２１０が高調波生成部１０２の機能を有する場合を説明したがこれに限定されない。例えば、図５に示すように、高調波生成部を専用の装置である高調波供給装置２１８として実現してもよい。

図５が図３と異なる点は、変換器２１０が高調波を供給する機能を有しておらず、高調波２１６は高調波供給装置２１８により母線２０４に供給されることだけである。したがって、重複説明を繰返さない。高調波供給装置２１８は、例えばインバータにより実現される。図５の電力供給システムにおいても、第１の高調波リレー２２６及び第２の高調波リレー２３６により、それぞれの監視対象である第１配電線２２０及び第２配電線２３０に短絡事故が発生した場合に、それを検出して、対応する第１遮断器２２２及び第２遮断器２３２を作動させることができる。

上記では、計器用変圧器２０６により測定された電圧値を使用する場合を説明したが、これに限定されない。各配電線の電圧を測定し、その電圧値に含まれる高調波成分を算出し、それを用いてインピーダンスを算出してもよい。

上記では、インピーダンスを算出する場合を説明したが、これに限定されない。電圧及び電流の高調波信号成分から得られる物理量であって、短絡事故により変化するものであればよい。例えば、電圧及び電流の高調波信号成分から算出したアドミタンスを、所定のしきい値と比較することにより、短絡事故を検出してもよい。

短絡事故の検出には、１つの次数の高調波を供給すればよいが、高調波は種々の目的で使用されるので、同じ電力供給システムにおいて、短絡事故の検出とは別の目的で高調波を使用することが考えられる。したがって、短絡事故の検出に使用する高調波の次数又は周波数を、任意の値に設定できることが好ましい。例えば、複数の高調波の候補の中から１つを選択できる構成になっていてもよい。

また、高調波の電圧及び電流の計測、並びにインピーダンスの算出の機能は、配電所（変電所）の既設の保護リレーに内蔵してもよい。

また、短絡事故を検出するための上記の高調波リレーを、既設のトリップシーケンスに追加してもよい。例えば、直列接続されたリレー及びトリップコイルにより構成される既存のトリップシーケンスにおいて、高調波リレーを既存のリレーに並列接続して、短絡事故を検出することができる。

なお、電力系統の供給電力は、２相電力及び３相電力の何れであってもよい。

上記では、変換器（インバータ）を用いた分散型電源による電力供給システムにおいて高調波リレーを適用する場合を説明したが、これに限定されない。同期機の発電機を用いた電力供給システムにおいて、保護リレーに代えて高調波リレーを適用することもできる。

以下に、次数間高調波に関するシミュレーション結果を示し、本発明の有効性を示す。図３のシステムでの動作をシミュレーションするために、公知のソフトウェアツール（オープンソースのＳｃｉｌａｂ（登録商標）及びＸｃｏｓ）を用いて、図６のように各部品を配置した。

交流電源４００は、実効値１００Ｖ、基本周波数５０Ｈｚの交流電圧を出力する。交流電源４００の出力電圧は、抵抗Ｒ１を介して出力される。抵抗Ｒ１は３Ωとした。

次数間高調波発生部４０２は、振幅０．１Ａ、２．５次（周波数１２５Ｈｚ）の次数間高調波電流を出力する。次数間高調波発生部４０２の出力（電流）は、交流電源４００の出力ラインに供給される。交流電源４００から出力される電圧は２つの経路（以下、フィーダという）に供給される。抵抗Ｒ２が接続され、電流Ｉ１が流れるフィーダを「第１フィーダ」、抵抗Ｒ３が接続され、電流Ｉ２が流れるフィーダを「第２フィーダ」という。ここでは、抵抗Ｒ２及びＲ３は共に１００Ωとした。

電圧計４０４は、交流電源４００により抵抗Ｒ１を介して出力される電圧を測定し、測定値を出力する。電圧計４０４から出力される電圧信号Ｖｓは、第１の次数間高調波成分抽出部４０８に入力される。電流計４０６は、各フィーダに接続され、各フィーダを流れる電流（Ｉ１、Ｉ２）を測定して出力する。電流計４０６から出力される電流信号（Ｉ１、Ｉ２）はそれぞれに対応する第２の次数間高調波成分抽出部４１０に入力される。

第１の次数間高調波成分抽出部４０８は、電圧信号Ｖｓから所定の次数間高調波成分を抽出する。第１の次数間高調波成分抽出部４０８は、コサイン信号生成部４１２、２つの乗算部４１４、２つの時間積分部４１６、２つの遅延部４１８、２つの減算部４２０、２つの増幅部４２２、複素数生成部４２４、振幅生成部４２６、サイン信号生成部４３０、及び増幅部４３２から構成されている。コサイン信号生成部４１２は、所定の次数間高調波の周波数のコサイン波を生成する。サイン信号生成部４３０は、コサイン信号生成部４１２が生成するコサイン波と同じ周波数のサイン波を生成する。ここでは、上記したように、２．５次の次数間高調波（周波数１２５Ｈｚ）を用いた。

乗算部４１４から増幅部４２２までのブロックは、フーリエ係数を演算するためのものである。乗算部４１４は、２つの入力値を乗算し、その結果を出力する。時間積分部４１６は、入力を時間の関数として開始時刻から現在時刻までの積分を行なう。例えば、時間積分部４１６は、累積値（初期値は、例えば“０”）を記憶しており、入力値とΔｔ（入力のサンプリング間隔）との乗算結果を現在の累積値に加算し、その結果を、新たな累積値として上書きすると共に出力する。遅延部４１８は、入力値を、入力時刻から所定の遅延時間保持し、遅延時間の経過後に、保持していた値を出力する。減算部４２０は、プラス（＋）の入力端の入力値から、マイナス（－）の入力端の入力値を減算し、その結果を出力する。増幅部４２２は、入力値を増幅し、その結果を出力する。

ここでは、フーリエ変換の基本周波数として２５Ｈｚを採用し、２５Ｈｚの周期をＴとして、フーリエ係数を算出するために、遅延部４１８の遅延時間をＴに設定し、増幅部４２２の増幅率を２／Ｔに設定した。これにより、増幅部４２２からは、次式で表されるフーリエ係数ａ_ｎ（数値積分値）が出力される。

Ｖｓ（ｔ）は、電圧信号Ｖｓが時間的に変化することを明示したものである。τは、任意の時刻を表す。時間積分部４１６が入力の時間積分を出力するので、時刻τにおいて減算部４２０から出力される値は、遅延時間Ｔに相当する期間（ｔ＝τ－Ｔ～τ）における乗算部４１４の出力の積分値となっている。

フーリエ係数の算出に使用する基本周波数として２５Ｈｚを採用したのは、次数間高調波を対象とするからである。任意の関数Ｆ（ｔ）は、ω_０を基本周波数（角周波数）とする直交関数系ｃｏｓ（ｎω_０ｔ），ｓｉｎ（ｎω_０ｔ）（ｎは０以上の整数）で展開することができる。成分を算出する対象が次数間高調波である場合、次数が非整数であり、フーリエ係数の算出に使用する基本周波数として５０Ｈｚをそのまま使用することはできない。そこで、次数が整数となるように、フーリエ係数の算出に使用する基本周波数を２５Ｈｚとした。基本周波数５０Ｈｚの２．５次の周波数成分（１２５Ｈｚ）は、基本周波数２５Ｈｚの５次の成分（上式でｎ＝５）に対応する。

複素数生成部４２４は、上側の入力端の入力値を実数部とし、下側の入力端の入力値を虚数部とする複素数を生成して出力する。振幅生成部４２６は、入力される複素数の振幅（絶対値）を算出して出力する。即ち、複素数ａ＋ｊｂを、Ｃｅ^ｊθ＝Ｃ（ｃｏｓθ＋ｊｓｉｎθ）と表現する場合の振幅Ｃを、Ｃ＝（ａ^２＋ｂ^２）^１／２により求める。増幅部４３２は、入力値を増幅し、その結果を出力する。増幅部４３２の増幅率は、１／１００に設定した。

電圧信号Ｖｓが、増幅部４３２に入力されると、所定の次数間高調波成分の実数部及び虚数部（フーリエ係数）が、増幅部４２２から出力される。コサイン信号生成部４１２により生成されたコサイン波を使用することにより（第１の次数間高調波成分抽出部４０８の上側の経路）、実数部が算出される。サイン信号生成部４３０により生成されたサイン波を使用することにより（第１の次数間高調波成分抽出部４０８の下側の経路）、虚数部が算出される。そして、複素数生成部４２４及び振幅生成部４２６により、所定の次数間高調波成分の振幅（電圧）が出力される。なお、第１の次数間高調波成分抽出部４０８の下側の経路に配置された増幅部４２２からの出力値は、次式で表されるフーリエ係数ｂ_ｎ（数値積分値）である。

第２の次数間高調波成分抽出部４１０は、電流信号（Ｉ１又はＩ２）から所定の次数間高調波成分を抽出するためのものであり、第１の次数間高調波成分抽出部４０８と同様に構成されている。第２の次数間高調波成分抽出部４１０が第１の次数間高調波成分抽出部４０８と異なるのは、増幅部４３２が増幅部４３４で代替されているだけである。増幅部４３４の増幅率は、１／１０に設定した。

第１フィーダの電流信号Ｉ１が、対応する増幅部４３４に入力されると、上記と同様に、所定の次数間高調波成分の実数部及び虚数部が、増幅部４２２から出力され、複素数生成部４２４及び振幅生成部４２６により、電流Ｉ１の次数間高調波成分の振幅が出力される。同様に、第２フィーダの電流信号Ｉ２が、対応する増幅部４３４に入力されると、対応する振幅生成部４２６から、電流Ｉ２の次数間高調波成分の振幅が出力される。

除算部４３６は、上側の入力端（「×」で示す）への入力値を、下側入力端（「÷」で示す）への入力値で除した値を出力する。上側の入力端に電圧Ｖｓの次数間高調波成分が入力され、下側の入力端に第１フィーダの電流Ｉ１の次数間高調波成分が入力される除算部４３６は、インピーダンスＺ１（＝Ｖｓ／Ｉ１）を出力する。同様に、上側の入力端に電圧Ｖｓの次数間高調波成分が入力され、下側の入力端に第２フィーダの電流Ｉ２の次数間高調波成分が入力される除算部４３６は、インピーダンスＺ２（＝Ｖｓ／Ｉ２）を出力する。

スイッチ４５０は、一端が第１フィーダに接続され、他端が抵抗Ｒ４を介して接地されている。抵抗Ｒ４は、１Ωに設定した。スイッチ４５０をオン（短絡）させることにより、第１フィーダに、短絡事故を発生させることができる。

信号モニタ部４５２は、入力値を時系列に波形として出力する。図６では、交流電源４００の出力電圧に、次数間高調波が重畳された電圧Ｖｓと、第１フィーダの電流Ｉ１と、第２フィーダの電流Ｉ２と、第１フィーダの次数間高調波成分のインピーダンスＺ１と、第２フィーダの次数間高調波成分のインピーダンスＺ２との各波形を出力するように設定されている。

信号モニタ部４５２により各波形を出力している状態で、所定のタイミングで、スイッチ４５０をオンさせて、第１フィーダに短絡事故を発生させた。その結果を図７に示す。

図７の５つのグラフにおいて、横軸は共通の時刻（秒）を表す。時刻ｔ＝０．５（秒）において、第１フィーダに短絡事故を発生させた。その結果、短絡事故を発生させた時刻（ｔ＝０．５）を境に、Ｖｓが低下し、短絡事故が発生した第１フィーダに関して、電流Ｉ１が増大し（事故電流の発生）、インピーダンスＺ１が速やかに略０Ωに減少した。第２フィーダの電流値Ｉ２及びインピーダンスＺ２には、短絡事故を発生させた時刻の前後で変化は見られなかった。

インピーダンスＺ１は短絡事故が発生すると速やかに減少し、０Ωになっており、通常の過電流保護リレーの動作時間（５０ｍｓ以下）よりも短い時間で短絡事故を検出し、遮断器へ遮断信号を出力できる。

したがって、各フィーダの次数間高調波成分のインピーダンスを監視することにより、短絡事故が発生したことを検知することができる。即ち、インピーダンスの値が急激に減少して略０Ωになれば、そのフィーダにおいて短絡事故が発生したことが分かる。

なお、図７では、インピーダンスＺ１及びＺ２の値は、実際の値の１／１０になっているが、短絡事故の検出には影響しない。これは、フーリエ変換の対象である電圧信号Ｖｓ並びに電流信号Ｉ１及びＩ２の増幅率が異なるためである（増幅部４３２の増幅率が１／１００であるのに対して、増幅部４３４の増幅率は１／１０）。

以下に、整数次高調波及び次数間高調波に関して行なったシミュレーション結果を示す。図３のシステムでの動作を確認するために、Ｍａｔｈｗｏｒｋｓ社製の公知のソフトウェアツール（ＭＡＴＬＡＢ（登録商標）及びＳｉｍｕｌｉｎｋ（登録商標））を用いて、後述するようにコンポーネントを定義し、図８に示すように配置してシミュレーションを行なった。

発電機（同期機）５００は、３相の交流電圧２１０Ｖ（周波数５０Ｈｚ、電力２００ｋＷ）を出力するとした。Ｂｒｅａｋｅｒ５０２は、発電機５００の出力をＯＮ（通過）／ＯＦＦ（遮断）するためのスイッチである。Ｘｇ５０８は、発電機５００の初期過渡リアクタンスを表し、ｊ０．１４ｐｕ（自己容量ベース）とした。同期機のリアクタンスは起動後の時間経過に依存し、初期過渡リアクタンス、過渡リアクタンス、同期リアクタンス等で表される。シミュレーションでは、短絡事故時の発電機５００の出力を観測するので、初期過渡リアクタンスのみを考慮した。

インバータ電源５１０は、発電機５００と同様に、３相の交流電圧２１０Ｖ（周波数５０Ｈｚ、電力２００ｋＷ）を出力するとした。但し、短絡事故時にインバータ電源５１０が供給可能な電流の上限値は、定格の１．５倍とし、短絡事故時の電流供給能力を制限した。さらに、インバータ電源５１０は、整数次高調波（周波数２００Ｈｚ）又は次数間高調波（周波数１２５Ｈｚ）の電流（１Ａ）を出力可能とした。交流電圧の周波数５０Ｈｚを基本周波数として、周波数２００Ｈｚは４次の高調波（整数次高調波）であり、周波数１２５Ｈｚは２．５次の高調波（次数間高調波）である。

Ｂｒｅａｋｅｒ５１２は、インバータ電源５１０の出力をＯＮ（通過）／ＯＦＦ（遮断）するためのスイッチである。Ｘｉ５１８は、発電機５００の出力の配電線にインバータ電源５１０の出力を接続して、インバータ電源５１０を発電機５００と連系させるための連系リアクトルであり、ｊ０．１ｐｕ（自己容量ベース）とした。

発電機５００及びインバータ電源５１０の出力は、並列接続された配電線を介して抵抗負荷であるＲ負荷５０４及び５１４に供給されるようにした。Ｒ負荷５０４及び５１４は、いずれも１００ｋＷ、１．０ｐｕ（自己容量ベース）である。それぞれの配電線上の波形（３相電圧、３相電流）をＳｃｏｐｅ（Ａ）５０６及びＳｃｏｐｅ（Ｂ）５１６により、観測できるようにした。

Ｂｒｅａｋｅｒ５２２は、外部からの制御ライン５２０によりＯＮ／ＯＦＦが制御される。Ｂｒｅａｋｅｒ５２２の一方の３つの端子には、発電機５００及びインバータ電源５１０の出力が入力され、他方の３つの端子は相互に接続されている。したがって、Ｂｒｅａｋｅｒ５２２をＯＮさせると、３相の配電線に短絡事故が発生したことをシミュレーションできる。

図８の構成で、発電機５００及びインバータ電源５１０を動作させ、Ｂｒｅａｋｅｒ５０２及びＢｒｅａｋｅｒ５１２をＯＮ／ＯＦＦさせた状態（Ｒ負荷５０４及び５１４に電力が供給された状態）で、Ｂｒｅａｋｅｒ５２２の制御ライン５２０にパルス幅０．１秒のパルス信号５２４を入力して、Ｓｃｏｐｅ（Ａ）５０６及びＳｃｏｐｅ（Ｂ）５１６で、電圧及び電流の変化を観測（シミュレーション）した結果を、図９～図１２に示す。図９及び図１０の各グラフにおいては、相互に１２０度位相が異なる３相の波形を全て表示している。各グラフの中央の０．１秒間は、短絡事故が発生している期間である。図９～図１２において、上段（Ａ）のグラフは、Ｓｃｏｐｅ（Ａ）５０６での観測結果に対応し、下段（Ｂ）のグラフは、Ｓｃｏｐｅ（Ｂ）５１６での観測結果に対応する。

図９は、Ｂｒｅａｋｅｒ５０２をＯＮし、Ｂｒｅａｋｅｒ５１２をＯＦＦした場合の結果を示す。短絡事故時には、短絡事故が発生していない配電線には殆ど電流が流れず、短絡事故が発生した配電線には大きな電流が流れる。したがって、短絡事故時の電流供給能力が大きい分散電源（発電機）に関しては、過電流リレーにより短絡電流を遮断できることが分かる。

図１０は、Ｂｒｅａｋｅｒ５０２をＯＦＦし、Ｂｒｅａｋｅｒ５１２をＯＮした場合の結果を示す。但し、インバータ電源５１０からは高調波を供給しなかった。短絡事故が発生した配電線には、短絡事故が発生していない配電線よりも大きな電流が流れるが、図９の上段の電流（発電機５００からの電力供給時）と比べると非常に小さい。したがって、短絡事故時の電流供給能力が小さい分散電源（インバータ電源）に関しては、短絡時に過電流リレーが作動せず、短絡電流を遮断できないことが分かる。

図１１及び図１２は、図１０と同様に、Ｂｒｅａｋｅｒ５０２をＯＦＦし、Ｂｒｅａｋｅｒ５１２をＯＮした場合の結果を示す。図１０と異なり、インバータ電源５１０から高調波を出力した。即ち、図１１は、インバータ電源５１０から整数次高調波（周波数２００Ｈｚ）を出力した場合、図１２は、インバータ電源５１０から次数間高調波（周波数１２５Ｈｚ）を出力した場合の結果である。図１１及び図１２のグラフは、Ｓｃｏｐｅ（Ａ）５０６及びＳｃｏｐｅ（Ｂ）５１６でそれぞれ観測された電圧波形及び電流波形から、供給した高調波成分をフーリエ変換により算出し、それぞれの配電線についてインピーダンスを算出した結果である。

図１１及び図１２から、整数次高調波（周波数２００Ｈｚ）を供給した場合も、次数間高調波（周波数１２５Ｈｚ）を供給した場合も、短絡事故が発生していないときには配電線のインピーダンスは約０．４４（Ω）であり、短絡事故時には、短絡事故が発生した配電線のインピーダンスは約０（Ω）になっている。したがって、高調波を供給し、その高調波成分のインピーダンスの大きさを判定することにより、短絡事故時の電流供給能力が低い分散電源（インバータ電源）に関しても、短絡事故が発生した配電線を検出することができ、検出結果に応じて配電線を遮断できることが分かる。

以上、実施の形態を説明することにより本発明を説明したが、上記した実施の形態は例示であって、本発明は上記した実施の形態のみに制限されるわけではない。本発明の範囲は、発明の詳細な説明の記載を参酌した上で、特許請求の範囲の各請求項によって示され、そこに記載された文言と均等の意味及び範囲内での全ての変更を含む。

１００ 保護装置
１０２ 高調波生成部
１０４ 電圧測定部
１０６ リレー部
１０８ 電流測定部
１１０ 高調波成分算出部
１１２ インピーダンス算出部
１１４ 制御部
２００、９００ 発電機
２０２、９０２ トランス
２０４、９０４ 母線
２０６、９０６ 計器用変圧器
２１０ 変換器
２１２ 二次電池
２１４ スイッチ
２１６ 高調波
２１８ 高調波供給装置
２２０ 第１配電線
２２２ 第１遮断器
２２４ 第１変流器
２２６ 第１の高調波リレー
２２８ 第１負荷
２３０ 第２配電線
２３２ 第２遮断器
２３４ 第２変流器
２３６ 第２の高調波リレー
２３８ 第２負荷
２４０、９３０ 短絡事故
２４２、９３２ 事故電流
４００ 交流電源
４０２ 次数間高調波発生部
４０４ 電圧計
４０６ 電流計
４０８ 第１の次数間高調波成分抽出部
４１０ 第２の次数間高調波成分抽出部
４１２ コサイン信号生成部
４１４ 乗算部
４１６ 時間積分部
４１８ 遅延部
４２０ 減算部
４２２、４３２、４３４ 増幅部
４２４ 複素数生成部
４２６ 振幅生成部
４３０ サイン信号生成部
４３６ 除算部
４５０ スイッチ
４５２ 信号モニタ部
５００ 発電機
５０２、５１２、５２２ Ｂｒｅａｋｅｒ
５０４、５１４ Ｒ負荷
５０６ Ｓｃｏｐｅ（Ａ）
５０８ Ｘｇ
５１０ インバータ電源
５１６ Ｓｃｏｐｅ（Ｂ）
５１８ Ｘｉ
５２０ 制御ライン
５２４ パルス信号
９１０、９２０ 配電線
９１２、９２２ 遮断器
９１４、９２４ 変流器
９１６、９２６ 過電流保護リレー
９１８、９２８ 負荷

Claims (4)

1. 電力供給システムの保護装置と、
   直流電源から供給される直流電圧を交流電圧に変換し、当該交流電圧を所定周波数の交流電圧が供給される母線に供給する変換手段とを含み、
   前記保護装置は、
   前記母線に、前記所定周波数よりも高い周波数を有する高調波を供給する高調波供給手段と、
   前記母線に接続された配電線の電流値を測定する電流測定手段と、
   前記母線又は前記配電線の電圧値を測定する電圧測定手段と、
   前記電流測定手段により測定された前記電流値の時間変動波形から、前記高調波のフーリエ係数である電流成分を抽出する電流成分抽出手段と、
   前記電圧測定手段により測定された前記電圧値の時間変動波形から、前記高調波のフーリエ係数である電圧成分を抽出する電圧成分抽出手段と、
   前記電流成分抽出手段により抽出された前記電流成分と前記電圧成分抽出手段により抽出された前記電圧成分とから、インピーダンス又はアドミタンスを算出値として算出する算出手段と、
   前記算出値に基づいて、前記配電線に短絡事故が発生したか否かを判定する判定手段とを含み、
   前記高調波供給手段は、前記変換手段により実現され、
   前記変換手段は、前記直流電圧から変換した前記交流電圧に、前記高調波を重畳することを特徴とするシステム。
2. 前記保護装置は、前記判定手段により前記短絡事故が発生したと判定されたことを受けて、前記配電線と前記母線との接続を遮断する遮断手段に、遮断信号を出力する出力手段をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
3. 前記高調波は、振幅が一定の電流として供給されることを特徴とする、請求項１又は２に記載のシステム。
4. 前記高調波供給手段により前記母線に供給される前記高調波は、前記所定周波数の非整数倍の周波数を有する次数間高調波であることを特徴とする、請求項１～３のいずれか１項に記載のシステム。

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