JP2011188644A - 保護リレー装置、その制御方法及び制御プログラム並びに保護リレーシステム - Google Patents

Abstract

【課題】多種多量な情報を通信可能とすることにより、保護機能を継続して維持でき、また系統保護応動の高速化に寄与する保護リレー装置、その制御方法及び制御プログラム並びに保護リレーシステムを提供する。
【解決手段】電力系統に設けられた検出手段からの電気量データを取得する電気量取得部１６０と、電気量データを通信ネットワークＮを介して送信する通信インタフェースを有し、同期時刻を保持する時刻保持部１４３を有し、電気量取得部１６０は、所定の周期でサンプリングした電気量データと、そのサンプリング時刻とを含む送信データを生成する送信データ生成部１６２を有し、通信インタフェースは、送信データを、イーサネットの通信フレームとするイーサ通信部１２０を有する。
【選択図】図６

Description

本発明は、電力系統の事故を検出し、故障区間を切り離すための保護リレー装置に係り、特に、高速ネットワークを適用した保護リレー装置、その制御方法及び制御プログラム並びに保護リレーシステムに関する。

電流差動リレーは、送電線保護を目的として、送電線端子間に配置される。この電流差動リレーは、各端子における電流量や電圧量（以下、電気量とする）を演算することによって、系統事故を検出できる。

［電気量演算］
このような系統事故を検出するための電気量演算の代表的な一例としては、電流差動演算が挙げられる。電流差動演算は、任意の回路網に対して流入／流出する電流量の総和はゼロである、というキルヒホッフの電流法則に基づく演算である。つまり、保護区間の各端子に設置された計器用変成器等からの検出値に基づいて、各々に接続された電流差動リレーが電流量データを計測し、これを通信により伝送し合うことにより、電流量の総和を演算する。

電流量の総和がゼロ以外であれば、電流差動リレーは、保護区間内に事故が発生したと判断する。事故を検出した電流差動リレーは、電力系統から当該故障区間の切り離しが行われるように、遮断器等へ制御信号を出力する。このように、電流差動リレーは、送電線保護を行う保護リレー装置の一種である。

かかる電気量演算を行うには、各端子の電気量データが必要である。このため、各保護リレー装置は、自端子の電気量データを計測する必要がある。そして、各保護リレー装置は、計測した自端子の電気量データを、専用回線によるシリアル通信を介して、他端子に配置された保護リレー装置へ送信している。

ここで、電気量演算においては、各端子における電気量の計測タイミングが、高精度に同期している必要がある。これは、サンプリング同期と呼ばれている。このようなサンプリング同期を実現するための代表技術として、電流差動リレー方式に適用されている技術の一例が、特許文献１に開示されている。

また、電気量演算は、同一電気角の電気量データ同士で行う必要もある。このため、各端子における保護リレー装置は、それぞれが計測した電気量データに、計測時電気角を表現するサンプリングアドレスを付加する。そして、各保護リレー装置は、自端子が計測した電気量データと相手端子から受信した電気量データとで、サンプリングアドレスが同一のデータを用いた演算を行っている。

なお、電気量演算の方式は、保護方式によって異なる。演算に用いる電気量データについては、瞬時の電気量で直接演算する方式や、過去ｎ回のサンプリング分の統計結果を元にして演算する方式、などがある。本発明は、適用される具体的な演算方式を限定するものではないため、これらの詳細は省略する。

［タイミング同期］
上記のような電気量計測や相手端通信の実施タイミングは、一般的には、系統周波数を基準にして行われる。例えば、東日本では、主に５０Ｈｚの電気角３０度の間隔で実施する。西日本では６０Ｈｚの電気角３０度の間隔で実施する。すると、東日本の通信周期と西日本の通信周期とは、次のようになる。

東日本での通信周期：１／（５０Ｈｚ×（３０度／３６０度））＝１．６６６ミリ秒
西日本での通信周期：１／（６０Ｈｚ×（３０度／３６０度））＝１．３８８ミリ秒
このように、東日本と西日本では通信周期（帯域）が異なることから、通信するデータ量やデータ構造がそれぞれ異なっている。

また、実際のサンプリング同期方式では、高精度な同期を実現するために、次のような機能を電流差動リレーに持たせている。
・情報フレーム通信に生じる遅延時間のゆらぎを最小限にする
・同期補正要素を取得可能とする。

この機能を実現するための具体的な方法は、以下の通りである。
・フレーム送信タイミングを固定化する機構を備える
・専用回線による伝送回線遅延時間の安定化
・フレーム受信タイミングを保持／取得する機構を備える

［オシロ機能］
さらに、保護リレー装置を用いた保護システムの一環として、電気量データを収集するオシロ機能がある。オシロ機能を実現するためのオシロ装置は、実際には、計算機やパーソナルコンピュータに相当する外部機器で構成されている。このオシロ装置による電気量データ収集は、次のいずれかの方法によって実施される。

・オシロ装置からの指令によって、保護リレー装置における電気量データを読み出す
・保護リレー装置からオシロ装置へ、特定周期で電気量データを送信する
いずれも、保護リレー装置とオシロ装置間の固有通信によって行われる。

なお、保護リレー装置で扱う電気量データは、保護リレー装置のアナログ入力部を経由し、かつ不要成分をフィルタした加工データである。このため、目的によっては、オシロ装置にアナログ入力機構を持たせ、生の電気量データを収集するものもある。

また、オシロ機能には、電気量データ推移のトレンド表示や、電気量データを用いた計測制御などもある。本発明は、いずれかのオシロ機能に限定するものではないため、詳細は省略する。

［データ通信動作］
上記のような従来の保護リレーシステムでのデータ通信動作の一例について、図１４〜図１６を参照して説明する。図１４は、二端子（ａ，ｂ）の保護リレーシステムの構成例であり、図１５は、三端子（ａ，ｂ，ｃ）の保護リレーシステムの構成例である。

各端子の保護リレー装置４００Ａ〜４００Ｃは、シリアル伝送路Ｌａを介して接続されている。各保護リレー装置４００Ａ〜４００Ｃは、自端子の電気量データを計測する保護制御部４１０、電気量データを伝送するシリアル伝送部４２０を有している。

かかる保護リレーシステムにおいて、保護リレー装置４００Ａ〜４００Ｃ間で通信されるフレーム構成例を、図１６に示す。図１６は、５０Ｈｚ系の通信フレームフォーマットの一例である。この通信フレームフォーマットでは、１フレーム９０ｂｉｔであり、各１２ｂｉｔの電気量データＡ〜Ｄが含まれている。

制御ビット（７ｂｉｔ）の展開例は、図１７の通りである。図１７における各ビットの意味は次の通りである。
同期制御１，２：サンプリングタイミング同期制御に用いる。自端子と相手端子のサンプリングタイミングをカウント値に変換した値である。
レディ：自端装置の状態を示す。不良検出状態などに用いる。
制御１，２：任意。制御指令や制御状態などに用いる。
ＳＡ同期フラグ：サンプリングアドレス（ＳＡ）同期制御に用いる。
なお、制御１、制御２、ＳＡ同期フラグの内容は、フレーム番号に対応するものがある。

ここで、各保護リレー装置４００Ａ〜４００Ｃは、あらかじめ主局／従局の設定がなされている。従局は、主局のサンプリングタイミングに同調するように、タイミング補正して同期をとる。図１５に示す三端子構成のように複数の従局で構成する場合には、従局１、従局２と序列を設ける。この場合、従局１が主局に同期したあと、従局２が従局１に同期するといった順番で同期確立する。

サンプリング同期確立を認識したら、ＳＡ同期フラグ（図１７の制御ビットｂ５）に基づいて、端子間のサンプリングアドレス同期を確立する。そして、端子間の保護リレー装置の各同期確立及び伝送不良等の各種監視により、システムが健全であることを確認する。確認ができた以降から、各端子の保護リレー装置が、互いに送信する電気量データ及び自端子で計測した電気量データを元に、系統保護制御を実施する。

なお、これら相手端子に向けたデータ通信では、図１５に示した通り、相手端子ごとに伝送路が配置される。このため、図１６に示した通信フレーム中には、受信宛先（相手装置アドレス）情報は無い。また、伝送路が相手端子毎に個別設置なので、フレーム送信処理、フレーム受信処理は相手端子分の回数を実施している。

サンプリング同期方法や同期確立判定の詳細技術については、特許文献１により省略する。なお、サンプリングタイミング毎に、図１６で示すフレームを送出していることから、通信回線上のアイドル（無通信）時間は無い。

さらに、図１５には、オシロ装置４３０が設置されている。このオシロ装置４３０と保護リレー装置４００Ｂとの関係について述べる。オシロ装置４３０と保護リレー装置４００Ｂは、専用通信線Ｌｂで接続されている。この専用通信線Ｌｂを介して、オシロ装置４３０から収集開始の指令を、保護リレー装置４００Ｂに通知する。

指定量の電気量データが保護リレー装置４００Ｂの内部に蓄積されると、収集完了となる。収集したデータは、保護リレー装置４００Ｂによって、専用通信線Ｌｂを介して、オシロ装置４３０に送信される。オシロ装置４３０は、受信した収集データを元に、トレンド表示や計測演算を行う。

特開平２−１５５４２１号公報

ＲＦＣ９５８（Network Time Protocol）

ところで、以上のような従来の保護リレー装置においては、以下のような課題があった。
［専用の通信設備が必要］
従来技術の電流差動リレーに適用されている通信方式を実現するには、特殊機構を実装した専用の通信インタフェースが必要となる。特殊機構とは、例えば、背景技術で述べたようなフレーム送信タイミングの固定化やフレーム受信タイミングの保持／取得をするための機構である。なお、ここでいう通信インタフェースには、ハードウェアとソフトウェアの両方が含まれる。

このような専用の通信インタフェースの開発には、一般的な通信インタフェースと比べて開発コストも大きい。特に、ハードウェアについては、汎用性の低い部品、素子を採用せざるを得ない場合もあり、余計な保守コストがかかる。また、背景技術で述べたように、系統周波数で通信タイミングや通信データ構造が異なるため、それぞれのソフトウェア、ハードウェアの開発／保守が必要となる。

さらに、上述の保護システムとオシロ装置間のデータ授受は、専用通信線による固有通信を採用している。このため、オシロ装置を実現するコンピュータ等には、保護リレー装置との間の専用の通信ポート及び通信機能を実装する必要がある。

［通信データ量の限界］
通信回線や中継機器といった通信機器仕様の制約により、現行通信設備の通信速度は、標準で５４Ｋｂｐｓに過ぎない。図１６に示した例では、１フレーム長（９０ｂｉｔ）×１サイクル（１２フレーム）×５０Ｈｚ＝５４０００（５４ｋｂｐｓ）となっている。

このため、１回の通信フレームに組み込める電気量データは、非常に少なくなる。例えば、通信フレームに、電流差動演算に必要な電気量データ、データ送信周期、通信フレーム不良検定情報（ＣＲＣコード、固定ビットなど）を含めることを想定する。すると、１回の通信フレームの電気量データは、３〜４量になってしまう。

これに対処するため、電気量データを加工する、通信フレームフォーマットを保護システム個別にして最適化を計る、などの施策が実施されている。例えば、電気量データの加工については、次のようなものが挙げられる。
・計測電気量データをフィルタして、ビット長を圧縮する
・低速更新が許容されるデータを分解／合成する。

しかし、上記のような通信データ量の限界は、端子間のデータ通信にさらなる問題を生じさせている。一つの問題は、限られた通信帯域を効率良く使用しなければならないため、通信データの冗長化が困難なことである。冗長化がなされていないと、一過性の通信不良が発生した場合にも、保護機能に影響を及ぼす可能性がある。例えば、通信回線や中継機器などの通信設備に、瞬時外乱が生じたことによって、通信データが欠損した場合を想定する。かかる場合には、冗長化がなされていなければ、回復までに必要な数サイクルの期間は、保護機能がロックされてしまう。

他の問題は、通信速度の拡張性である。上記のような現状のデータ通信においては、通信帯域を１００％使用することになる。このため、各端子の電気量データ収集に要する時間は、ほぼ固定となる。すると、系統保護応動を現状より高速化することは、困難になってしまう。

［ＧＰＳ同期］
なお、専用回線による通信ではなく、高速の多重回線を用いた形態も実用化されている。この場合は、上記のような専用回線による問題は無くなる。しかし、通信フレームの多重化処理のため、フレーム発着信タイミングは安定せず、従来技術のサンプリング同期制御の採用は難しい。これに対処するため、図１８に示すように、ＧＰＳ装置を電流差動リレーの各端子に設置し、ＧＰＳの時刻に各端子が同期することで、サンプリングタイミングを合わせることが行われている。

ところが、このＧＰＳ同期には、運用面で以下の数点の問題がある。
・米国の軍用衛星を利用するため、永続的な利用が保証されていない
・電波受信が安定良好なアンテナ設置場所の確保が必要となる
・ＧＰＳ装置自体にコストがかかる
・他機器からの電波の影響による受信不能が生じる
・意図的な電波妨害による受信不能が生じる
結局、かかる問題点を解決するためには、運用面、経済面及び安定性などに負担や制約がかかる。

本発明は、上記のような従来技術の問題点を解決するために提案されたものであり、その目的は、特殊な機構等を導入することなく、開発コストや保守コストが低減でき、多種多量な情報を通信可能とすることにより、保護機能を継続して維持でき、また系統保護応動の高速化に寄与する保護リレー装置、その制御方法及び制御プログラム並びに保護リレーシステムを提供することにある。

上記のような目的を達するため、本発明は、電力系統に設けられた検出手段からの電気量データを取得する電気量取得部と、前記電気量データを通信ネットワークを介して通信する通信インタフェースを有する保護リレー装置において、時刻サーバと同期した時刻（以降、同期時刻と称する）を保持する時刻保持部を有し、前記電気量取得部は、所定のサンプリング周期で取得した電気量データと、そのサンプリングタイミングで同期時刻から抽出したサンプリング時刻（サンプリングアドレスと同一機能であり、以後ＳＡと称する）とを含む送信データを生成する送信データ生成部を有し、前記通信インタフェースは、前記送信データを、イーサネットの通信フレームとするイーサ通信部を有することを特徴とする。なお、本発明は、上記の各部の機能をコンピュータにより実現するための制御方法及び制御プログラムとして捉えることもできる。

以上のような本発明では、サンプリング時刻を付加した電気量データを、イーサネットにより通信することにより、特殊なハードウェア機構の採用が不要となり、汎用的な処理構成で、高精度な時刻同期が実現できる。そして、汎用のネットワーク設備や環境の利用によって、設備メンテナンスも容易になる。同時に、系統周波数への依存がなくなるため、系統周波数にかかわらず、通信機能を共有することが可能となる。したがって、開発コストや保守コストが低減できる。

以上のような本発明によれば、特殊な機構を不要として開発コストや保守コストを低減でき、多種多量な情報を通信可能とすることにより、保護機能を継続して維持できる。

本発明の保護リレーシステムの一実施形態を示すネットワーク構成図である。 図１の実施形態において電気量データを通信するためのイーサネットフレームを示す説明図である。 図１の実施形態において電気量データを通信するためのＵＤＰ／ＩＰ通信を可能とするイーサネットフレームを示す説明図である。 図１の実施形態において同期時刻を通信するためのＮＴＰフレームを示す説明図である。 図４のＮＴＰメッセージフォーマットを示す説明図である。 図１の実施形態における保護リレー装置を示す機能ブロック図である。 図６のイーサ通信部を示す機能ブロック図である。 図１の実施形態における時刻同期の手順を示すフローチャートである。 図１の実施形態における電気量データの送信手順を示すフローチャートである。 従来の電気量データの送信タイミングを示す説明図である。 本実施形態における電気量データの送信タイミングを示す説明図である。 図１１において回線アイドル期間中に同一の電気量データを複数回送信する例を示す説明図である。 図１の実施形態において計測データ保管バッファを介して送信処理を行う例を示す説明図である。 従来の二端子の保護リレーシステムの一例を示す構成図である。 従来の三端子の保護リレーシステムの一例を示す構成図である。 従来の保護リレーシステムにおける通信フレームの一例を示す説明図である。 図１６の通信フレームにおける制御ビットの展開例を示す説明図である。 従来のＧＰＳ同期を採用した保護リレーシステムの構成図である。

本発明を実施するための形態を、図面を参照して説明する。
［１．実施形態の構成］
［１−１．全体構成］
図１に示すように、本実施形態の保護システムは、ＬＡＮケーブルＬ等を介して、通信ネットワークＮに接続された保護リレー装置１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ（以下、端子で区別しない場合には、単に１００とする）、時刻サーバ２００、オシロ装置３００によって構成されている。本実施形態においては、送電線Ｗに設置された計器用変成器等の検出手段から電気量を検出する端子を、三つとした三端子（ａ，ｂ，ｃ）構成としている。但し、本発明はこれに限定されるものではない。

保護リレー装置１００及びオシロ装置３００は、その各部の機能を、コンピュータを所定のプログラムで制御することによって実現できる。この場合のプログラムは、コンピュータのハードウェアを物理的に活用することで、以下に説明する各部の機能を実現するものであり、かかるプログラム及びプログラムを記録した記録媒体は、単独でも本発明の一態様である。また、通信やデータ処理に必要なデータベース、所定の周期等の設定値の記憶、データやフレーム等を一時的に保持するバッファ等は、コンピュータに設定された記憶部において実現される。この記憶部としては、現在又は将来において利用可能なあらゆるメモリ、ディスク等の記憶媒体が適用可能である。

［１−２．通信ネットワーク］
通信ネットワークＮとしては、イーサネット（Ｅｔｈｅｒｎｅｔ：登録商標）を用いる。イーサネットは、ＩＳＯ参照モデルにおける物理層及びデータリンク層の処理を定めたネットワークの規格である。この規格は、現在、その規模を問わず、多くのＬＡＮ、ＭＡＮ及びＷＡＮで使用されている。また、イーサネットは、ＩＥＥＥ８０２．３及びその拡張機能とほぼ同様の規格である。本発明においても、両者は同義と捉えてもよい。

なお、通信ネットワークＮに適用するイーサネットの通信速度は問わない。但し、ギガビットイーサネットなどの高速通信を採用した方が、伝送遅延が少なく、高い同期精度が確保できるとともに、より大容量の通信データを送受信することが可能となる。

［１−３．通信フレーム］
通信ネットワークＮを介して通信するためのフレームフォーマットを、図２〜図５を参照して説明する。まず、イーサネットフレームに準じた構造を持つフレームフォーマットを、図２を参照して説明する。すなわち、このフレームは、イーサネットヘッダである宛先アドレスフィールド（６ｂｙｔｅ）、発信元アドレスフィールド（６ｂｙｔｅ）、タイプフィールド（２ｂｙｔｅ）を持つ。

このイーサネットヘッダが、ＦＣＳ（フレームチェックシーケンス）フィールド（４ｂｙｔｅ）とともに、ＳＡ（サンプリングアドレス）フィールド（８ｂｙｔｅ）、データフィールド（３８〜１４９２ｂｙｔｅ）に付加されることによって、通信フレームが構成される。

宛先アドレスフィールドには、フレームの宛先ＭＡＣアドレスが入る。発信元アドレスには、フレームの発信元ＭＡＣアドレスが入る。タイプフィールドは、一般的には、イーサネット層の上位プロトコルの種別を示すタイプ番号が入る。代表的なタイプ番号は、次の通りである。
・ＩＰＶ４ ：０８００
・ＡＲＰ ：０８０６
・ＳＮＭＰ ：８１４Ｃ
・ＮｅｔＢＩＰＳ：８１９１

但し、本実施形態の電気量データを通信するフレームの場合には、その他のフレームと区別するためのタイプ番号を入れる。具体的には、上記のように既に定められたプロトコルのタイプ番号以外の番号を割り当てる。若しくは、ネットワーク内で使用されないプロトコルのタイプ番号を割り当てる。

ＳＡフィールドには、サンプリングアドレス（ＳＡ）が入る。このＳＡは、電気量データを計測した時刻（サンプリングタイミング）を表現したものである。実際のＳＡは、時刻同期プロトコル（ＮＴＰ：Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｔｉｍｅ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ）のタイムスタンプと同構造とする（図４、図５参照）。これにより、ＳＡは、自端子の計測電気量データと相手端子からの受信電気量データとの差動演算を行う際に、データ同調を目的としたインデックスとなる。なお、各端子のＳＡは差動演算を開始する前に同期させておく必要がある。

データフィールドは、端子データが入るフィールドである。端子データには、自端子で計測した電気量データ（電流量や電圧量など）や、装置の制御／監視状態などの任意の付属情報が含まれる。電気量データは、保護区間や方式によって、情報の種別やビット長が異なる。このデータフィールドの値は、特定の形式には限定されないので、データ細部の説明は省略する。なお、データフィールドとして通信できる情報量は、イーサネットフレーム全体の有効サイズである６４〜１５１８ｂｙｔｅから、電気量データ以外の必要情報サイズを引いたもの（３８〜１４９２ｂｙｔｅ）である。

また、図３は、ＵＤＰ／ＩＰによって電気量データを通信する場合のフレーム構造である。この場合、ＩＰヘッダフィールド（２０ｂｙｔｅ）、ＵＤＰヘッダフィールド（８ｂｙｔｅ）だけ、データフィールドの長さが短くなる（１０〜１４６４ｂｙｔｅ）。ＩＰヘッダフィールドには、宛先ＩＰアドレス、発信元ＩＰアドレス、ＩＰフィールドサイズなどが入る。ＵＤＰヘッダフィールドには、宛先ポート番号、発信元ポート番号、ＵＤＰフィールドサイズなどが入る。

このように、ＵＤＰ／ＩＰで通信することによって、ＭＡＣアドレス認識ではなくＩＰアドレス＋ポート番号の認識での送受信が可能となる。また、ＩＰ層とＵＤＰ層で、受信フレームのチェックサム検定が実施されるので、受信した電気量データの信頼性が向上する。

また、図２のようにタイプフィールドに専用のコード（タイプ番号）を組み込めない場合でも、ＵＤＰ／ＩＰで通信することによって、容易に対応できる。専用コードをタイプフィールドに適用できなくなる原因は、通信機能を実現するソフトウェア、ハードウェアの構成にある。これは、次のような理由による。

イーサネットフレームを生成（イーサネットヘッダ及びＦＣＳの生成／付加）するのは、データリンク層である。このデータリンク層における処理が、ソフトウェア処理も含めて、プログラム設計／製造の範囲内にあれば、タイプフィールドへ書き込む値を任意値とするのは容易である。しかし、汎用のパッケージ化されたＴＣＰ／ＩＰインタフェース機能を、ソフトウェア構成として使用する場合（例えばパソコンのＯＳであるＷｉｎｄｏｗｓ（登録商標）に搭載されているＴＣＰインタフェースのｗｉｎｓｏｃｋなど）は、データリンク層を任意に操作するのは難しい。

また、ＴＣＰ／ＩＰプロトコルスタックが組み込まれたネットワークＬＳＩチップもあり、この場合はソフトウェアインタフェースとして開放される範囲はユーザデータ部のみである。したがって、データリンク層の操作は全てネットワークＬＳＩ内部で実施され、ソフトウェアからはアクセスできない。

そこで、このようにタイプフィールドに専用コードを組み込めない場合にも、ＵＤＰ／ＩＰで通信することで容易に対応可能となる。但し、フレーム送受信処理において、ＵＤＰ／ＩＰ処理のオーバーヘッドが加わるので、処理負荷はイーサネットフレーム採用時のほうが低い。なお、ＴＣＰ／ＩＰは、送達確認や回復処理など時限管理があるため、保護リレーのようなリアルタイム制御の通信には不向きである。

また、端子間の時刻同期に適用される時刻同期プロトコル（ＮＴＰ）のフレームフォーマットを、図４、図５に示す。図５において、タイムスタンプの上位３２ｂｉｔは秒時刻、下位３２ｂｉｔはナノ秒時刻を意味する。なお、フレーム構造等を含むＮＴＰの技術については、非特許文献１等に開示されている公知技術である。また、本発明は、特定の時刻同期手法には限定されない。従って、詳細な説明は省略する。

［１−４．保護リレー装置］
保護リレー装置１００は、図６に示すように、保護制御部１１０及びイーサ通信部１２０等を有している。

［１−４−１．イーサ通信部］
イーサ通信部１２０は、イーサ通信ドライバ１２１、汎用ネットワーク制御回路１２２等を有している。イーサ通信ドライバ１２１は、図７に示すように、送信処理部１２３、受信処理部１２４等を有している。汎用ネットワーク制御回路１２２は、送信バッファメモリ１２５、受信バッファメモリ１２６、ネットワークインタフェースコントローラ（ＮＩＣ）１２７、コネクタ（ＲＪ４５）１２８等を有している。ＮＩＣ１２７は、ＭＡＣレイヤ制御回路１２７ａ、物理レイヤ制御回路１２７ｂ等を有している。

このようなイーサ通信部１２０は、上記のような構成により、信号の変換、自端子宛フレームの判定、イーサネットヘッダの付加等、物理層及びＭＡＣ層レベルでの通信処理を行う手段であるが、周知技術であるため、説明は省略する。

［１−４−２．保護制御部］
保護制御部１１０は、図６に示すように、プロトコル処理部１３０、時刻取得部１４０、サンプリングパルス発振回路１５０、電気量取得部１６０、制御演算部１７０等を有している。

プロトコル処理部１３０は、イーサ通信部１２０より上位のプロトコル処理を行う手段であり、イーサ通信部１２０に対して、フレームの受け渡しを行う。このプロトコル処理部１３０は、ＵＤＰ／ＩＰ処理部１３１、ＮＴＰ処理部１３２等を有している。ＵＤＰ／ＩＰ処理部１３１は、送信データへのＵＤＰ／ＩＰヘッダの付加、受信フレームのＵＤＰ／ＩＰヘッダのチェックと受信データの出力等を行う手段である。

ＮＴＰ処理部１３２は、ＮＴＰデータを処理することにより時刻同期を図る手段である。このＮＴＰ処理部１３２は、要求部１３２ａ、抽出部１３２ｂ等を有している。要求部１３２ａは、所定のタイミング（ポーリング間隔）で、時刻サーバ２００に対する時刻同期要求処理を行う手段である。抽出部１３２ｂは、受信フレームのＮＴＰデータから、同期に必要なタイムスタンプ等を抽出する手段である。

サンプリングパルス発振回路１５０は、所定の周期でサンプリングパルスを発振する回路である。時刻取得部１４０は、カウント部１４１、時刻保持部１４２、演算部１４３等を有するタイマカウンタである。カウント部１４１は、サンプリングパルスに応じてカウントする手段である。時刻保持部１４２は、内部時刻（例えば、マイクロ秒単位）を保持する手段であり、内部時刻は時刻サーバとの時刻同期プロトコルにより得られる同期時刻である。演算部１４３は、タイムスタンプの内部時刻への単位変換、カウントに応じた時間の内部時刻への加算等の演算を行う手段である。

電気量取得部１６０は、自端子の計器用変成器等から出力される電気量データを取得する手段である。この電気量取得部１６０は、Ａ／Ｄ変換部１６１、送信データ生成部１６２、起動処理部１６３、送信データ保持部１６４等を有している。Ａ／Ｄ変換部１６１は、アナログによる電気量データをデジタルに変換する手段である。

送信データ生成部１６２は、Ａ／Ｄ変換部１６１から取得した電気量データに、時刻保持部１４２から取得したＳＡを付加して、送信データを生成する手段である。送信データ保持部１６４は、送信データ生成部１６２が生成した送信データを保持する手段である。起動処理部１６３、サンプリングパルスに応じた所定の周期で電気量取得部１６０の起動させることにより、電気量データの取得タイミングを制御する手段である。

制御演算部１７０は、電気量演算に従って、遮断器等への制御信号を出力する手段である。この制御演算部１７０は、電気量演算部１７１、判定部１７２、制御信号出力部１７３を有している。電気量演算部１７１は、受信した他端子の電気量データと自端子の電気量データとに基づいて、電気量演算を行う手段である。判定部１７２は、電気量演算部による演算結果に基づいて、事故等の異常を判定する手段である。制御信号出力部１７３は、判定結果に応じて、制御信号を出力する手段である。

［１−５．時刻サーバ］
時刻サーバ２００は、演算時の電気量データ同調を目的として設置されている。これは、各端子間は距離的に大きく離れており、伝送遅延時間が無視できないことによる。なお、従来の電流差動リレーで採用されているサンプリング同期方式のように、フレーム通信往復の所要時間計測から伝送遅延時間を求めることにより、電気量データ同調を行ってもよい。この場合には時刻サーバは不要となる。

［１−６．オシロ装置］
オシロ装置３００は、電気量データの収集、分析等をする装置である。このオシロ装置３００自体は、周知の装置を適用可能であるため、説明は省略する。

［２．実施形態の作用］
［２−１．動作の概要］
本実施形態によるデータ通信動作について、上記の図１〜７とともに、図８及び図９のフローチャート、図１０〜図１３の説明図を参照して説明する。なお、各端子の保護リレー装置１００Ａ〜１００Ｃには主従設定はなく、各々の保護リレー装置１００Ａ〜１００Ｃは、起動以降から時刻サーバ２００とのネットワーク同期プロトコルによる時刻同期を行うことで、それぞれの内部時刻同士が同期する。また、電気量データには、同期によって得られる同期時刻から抽出されるサンプリング時刻がＳＡとして付加されて、各端子の保護リレー装置１００Ａ〜１００Ｃ同士で送受信される。これにより、正確な電気量演算が可能となる。

［２−２．時刻同期］
本実施形態における時刻同期の手順を、図８に従って説明する。すなわち、ＮＴＰ処理部１３２の要求部１３２ａは、所定のポーリング間隔に従ったタイミングで、時刻同期の要求パケットを出力する（ステップ８０１，８０２）。この要求パケットは、イーサ通信部１２０により、時刻サーバ２００に送信される。時刻サーバ２００が生成・送信した応答パケットを含むＮＴＰフレームは、イーサ通信部１２０により受信される（ステップ８０３）。受信したＮＴＰフレームは、ＵＤＰ／ＩＰ処理部１３１を経て、ＮＴＰ処理部１３２における抽出部１３２ｂにより、応答パケットにおけるタイムスタンプが抽出される（ステップ８０４）。

時刻取得部１４０における演算部１４３は、取得したタイムスタンプの単位変換等を行い、時刻保持部１４２の内部時刻を保持（更新）する（ステップ８０５）。なお、演算部１４３は、サンプリングパルス発振回路１５０のサンプリング周期（時間幅）を、カウント部１４１によるカウント毎に加算することで、時刻保持部１４２の内部時刻を更新する。

［２−３．電気量データ計測］
起動処理部１６３は、サンプリングパルス発振回路１５０が発振するパルスに基づく所定の周期で、電気量取得部１６０を起動することにより、電気量データを取得する（ステップ９０１，９０２）。このとき、電流量や電圧量といった計測情報はアナログデータであるため、これをソフトウェア処理できるようにするために、Ａ／Ｄ変換部によってデジタルデータに変換される。

送信データ生成部１６２は、取得した電気量データのＳＡとして、時刻保持部１４２に保持された内部時刻を採用する（ステップ９０３）。ＳＡが付加された電気量データは、送信データ保持部１６４に保持される。なお、Ａ／Ｄ変換はアナログデータの抽出、データフィルタなどの一連の操作は、内部クロック単位で動作することで実施される。近年のクロック高速化や素子の高密度化などの進展によって、より高速なＡ／Ｄ変換が実現されており、電気量取得の周期を短くすることでより微細な電気角の電気量データを抽出することが可能となる。

［２−４．フレーム送受信処理］
上記のように生成された送信データに基づいて、イーサ通信部１２０によって送信フレームが生成され（ステップ９０４）、各保護リレー装置１００Ｂ，１００Ｃに送信される（ステップ９０５）。なお、ＵＤＰ／ＩＰにより送信する場合には、ＵＤＰ／ＩＰ処理部１３２によって、送信フレームにＵＤＰヘッダが付加される。

ここで、図１に示すように、全ての保護リレー装置１００Ａ〜１００Ｃは、１つのイーサネットの通信ネットワークＮに接続されている。そして、図２及び図３に示すように、通信フレームの内部には、宛先アドレス、タイプ番号等が付加されている。このため、イーサ通信部１２０において、各保護リレー装置１００Ａ〜１００Ｃが受信したフレームが、自端子に有効な受信フレーム（電気量データ）か否かが判定可能となる。

また、フレーム受信処理は、従来の保護リレー装置と同様に、相手端子数だけ実施する。しかし、フレーム送信処理については、宛先アドレスに基づくマルチキャストアドレスやブロードキャストアドレスとして同報配信することで、１回のフレーム送信処理で全相手端子へ配信することができる。なお、同じ通信ネットワークＮに接続されたオシロ装置３００へも各端子の電気量データが送信される。このため、オシロ装置３００においては、保護リレーへの指令無しに、同報配信された電気量データを収集して、分析等を行うことができる。

マルチキャストとするかブロードキャストとするかは、ネットワークの構成により異なる。つまり、保護区間が異なる複数の保護リレー装置１００が、１つのネットワーク上に接続されている場合は、マルチキャスト配信にする。これにより、別保護区間の保護リレー装置１００に通信フレームを配信されないようにすることができる。１つの保護区間で閉じた通信ネットワークＮ内であれば、ブロードキャスト配信でもよい。

［２−５．通信帯域］
本実施形態においては、通信ネットワークＮとして、イーサネットを採用しているため、通信帯域は、従来のシリアル通信速度５４Ｋｂｐｓと比較して、非常に大きくなる。例えば、イーサネットの通信速度が１００Ｍｂｐｓならば、従来の約１８００倍、１Ｇｂｐｓならば、従来の約１８０００倍となる。これにより、通信回線のアイドル期間が大きく増すので、この期間にも電気量データなどの送信を実施することができる。

これを、電気量計測処理とデータ送信処理の関係から、図１０〜１３を参照して説明する。まず、図１０に、従来の５４Ｋｂｐｓ回線を採用した保護リレー装置４００Ａ〜４００Ｃ（図１４、図１５参照）による電気量の計測（取得）処理と送信フレームの送信処理との関係を示す。図１０の横軸は、経過時間とする。計測タイミングは、系統周波数５０Ｈｚ換算で電気角３０°間隔の約１．６６６ミリ秒である。

各保護リレー４００Ａ〜４００Ｃにおいては、保護制御部４１０が取得した電気量データに基づいて、シリアル伝送部４２０が送信フレームを生成して、通信回線Ｌに送出する。この場合、５４Ｋｂｐｓの送信帯域で通信できる９０ｂｉｔデータを１送信フレームとしているので、回線アイドル期間は無い。このため、１回の計測処理につき、１回の送信処理となっている。

次に、図１１に、本実施形態において、通信速度を１００Ｍｂｐｓとし、通信データ量を増やして１回のデータ量を１ｋｂｙｔｅ換算とした場合の計測処理と送信処理との関係を示す。計測タイミングは、系統周波数５０Ｈｚ換算で電気角３０°間隔の約１．６６６ミリ秒である。この図１１から明らかな通り、本実施形態によれば、図１０の従来技術と比較して、以下のように回線アイドル期間を大きく確保できることがわかる。
・送信時間＝１／１００Ｍｂｐｓ×８ｂｉｔ×１ｋｂｙｔｅ＝８０μ秒
・回線アイドル期間＝１６６６μ秒−８０μ秒＝１５８６μ秒（電気角３０°期間中）

さらに、図１２に、図１１の回線アイドル期間中に、前回送信した電気量データと同一のフレーム（ＳＡが前回送信と同じフレーム）を、連続して送信することにより、冗長化した例を示す。ここで、連続送信の合間に空き時間を設けているのは、通信ネットワーク上の他端子や他機器からのフレーム送出が重なることによる渋滞や、それに伴う伝送遅延変動を抑えるためである。特に、スイッチやリピータなどのＨＵＢが中継装置としてネットワークに介入するケースでは、複数のフレームを一度に中継できないので、中継待ち時間が生じる。ここでは、フレーム送信の間隔を空けることで、中継待ち時間を最小限にすることができる。また、伝送遅延変動を極小化することで、より高精度な時刻同期となる。

［２−６．動作タイミングの分離］
電気量データのフレーム生成時にサンプリング時刻（ＳＡ）が付加されているので、必ずしもサンプリング周期に同期して送信する必要は無い。計測処理と送信データ生成の動作タイミングと、送信処理タイミングの態様を、図１３を参照して説明する。この態様では、計測処理と送信データ生成処理は、電気角５度の間隔で実行され、送信データ保管部１６４に最新の送信データを格納する。また、送信処理は、電気角２．５度周期で送信データ保管部１６４に保存された最新の送信データを取り出し送信するものである。

このように、計測処理および送信データ生成処理の動作タイミングと送信処理の動作タイミングとの依存性を無くすことで、各々の動作周期を任意設定できる。これにより、送信処理ではネットワーク通信帯域を十分に活用した冗長通信が行える。また計測処理部の動作周期の高速化にも柔軟に対応でき、微細な電気量データ変動も瞬時に相手端子に通知することができる。

[２−７．電気量演算］
各保護リレー装置１００Ａ〜１００Ｃにおいては、時刻同期確立及び伝送不良等の各種監視により、システムが健全であることが確認できる。このように確認できた以降から、各端子の保護リレー装置１００Ａ〜１００Ｃにおける制御演算部１７０が、互いに送信する電気量データ及び自端で計測した電気量データに基づいて、系統保護制御を実施する。

つまり、電気量演算部１７１が、受信した電気量データ及び自端子の電気量データに基づいて、電気量演算を行う。これは、ＳＡが一致する電気量データを対象とする。判定部１７２は、演算結果に基づいて、異常を判定する。制御信号出力部１７３は、判定部１７２による判定結果に応じて、制御信号を出力する。

［３．実施形態の効果］
以上のような本実施形態によれば、特殊なハードウェア機構の採用が不要であり、かつソフトウェア処理もイーサネット通信やＵＤＰ／ＩＰ通信といった汎用的な処理構成で、正確な時刻同期が実現できる。そして、汎用のネットワーク設備や環境の利用によって、設備メンテナンスも容易になる。同時に、系統周波数への依存がなくなるため、ハードウェア、ソフトウェアとも、系統周波数にかかわらず、通信機能を共有することが可能となる。したがって、開発コストや保守コストが低減できる。

また、通信帯域が大きく拡大されることで、多種多量の電気量情報や装置情報を相手端子に通信できるようになる。これにより、多様な保護制御システムの構築が可能となる。

また、回線アイドル期間を利用して、前回送信した電気量データを連続送信することで、冗長化が可能となる。よって、単発的な通信不良によるデータ欠損があっても、次に送信される電気量データで補間することができる。このため、保護機能の継続維持が可能となる。

また、電気量データの送信間隔、および１回のフレーム通信時間が従来と比較して大きく短縮される。これにより、全端子の電気量データ収集時間が短縮されるとともに、微細な電気量変動のデータ連絡が可能となる。したがって、系統保護応動の高速化に寄与する。

また、端子間でやり取りされる電気量データ送信フレームを、通信ネットワーク内のオシロ装置が取り込むことが可能になる。このため、オシロと保護リレー装置間に専用通信回線を設置することが不要になる。したがって、ハードウェアとソフトウェアの両機能とも削減できる。さらに、製品コストの低減やソフト性能向上が見込める。

また、オシロ装置は、通信ネットワーク上にアクセス可能であれば、場所を問わず配置できる。このため、携帯タイプのオシロ装置の構築（無線ＬＡＮを利用する等により）も容易となる。さらに、設置の多重化も容易になることで、オシロ機能の信頼性向上が見込める。

［４．他の実施形態］
本発明は、上記の実施形態に限定されるものではない。例えば、本発明で用いられる各情報の具体的な内容、値は自由であり、特定の内容、数値には限定されない。例えば、端子データに含める情報は、上記の実施形態で例示したものには限定されない。時刻同期のプロトコル種別や動作タイミング、電気量データの送信タイミングについても、自由に設定可能である。

なお、保護リレー装置の一部若しくは全部を専用の回路として構成することもできる。かかる回路は、例えば、各機能を実現するＡＳＩＣやＣＰＵ等のＩＣチップやその他の周辺回路、複数の機能を集約したシステムＬＳＩ等、種々考えられるものであり、特定のものには限定されない。ハードウェア処理とソフトウェア処理の範囲も自由である。

１００Ａ〜１００Ｃ，４００Ａ〜４００Ｃ…保護リレー装置
１１０，４１０…保護制御部
１２０…イーサ通信部
１２１…イーサ通信ドライバ
１２２…汎用ネットワーク制御回路
１２３…送信処理部
１２４…受信処理部
１２５…送信バッファメモリ
１２６…受信バッファメモリ
１２７…ＮＩＣ
１２７ａ…ＭＡＣレイヤ制御回路
１２７ｂ…物理レイヤ制御回路
１２８…コネクタ
１３０…プロトコル処理部
１３１…ＵＤＰ／ＩＰ処理部
１３２…ＮＴＰ処理部
１３２ａ…要求部
１３２ｂ…抽出部
１４０…時刻取得部
１４１…カウント部
１４２…時刻保持部
１４３…演算部
１５０…サンプリングパルス発振回路
１６０…電気量取得部
１６２…送信データ生成部
１６３…起動処理部
１６４…送信データ保持部
１７０…制御演算部
１７１…電気量演算部
１７２…判定部
１７３…制御信号出力部
２００…時刻サーバ
３００，４３０…オシロ装置
４２０…シリアル伝送部

Claims (8)

1. 電力系統に設けられた検出手段からの電気量データを取得する電気量取得部と、前記電気量データを通信ネットワークを介して通信する通信インタフェースを有する保護リレー装置において、
   同期時刻を保持する時刻保持部を有し、
   前記電気量取得部は、所定の周期でサンプリングした電気量データと、そのサンプリング時刻とを含む送信データを生成する送信データ生成部を有し、
   前記通信インタフェースは、前記送信データを、イーサネットの通信フレームとするイーサ通信部を有することを特徴とする保護リレー装置。
2. 前記所定の周期の基準となるサンプリングパルスを発振するための発振部を有することを特徴とする請求項１記載の保護リレー装置。
3. 前記時刻保持部における同期時刻について、時刻同期プロトコルにより、前記通信ネットワークを介して同期を行うプロトコル処理部を有することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の保護リレー装置。
4. 前記通信インタフェースは、回線アイドル中に、同一の電気量データの通信フレームを連続して送信可能に設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の保護リレー装置。
5. コンピュータ又は電子回路が電気量取得部と通信インタフェースを有し、前記電気量取得部が、電力系統に設けられた検出手段からの電気量データを取得し、前記通信インタフェースが、前記電気量データを通信ネットワークを介して通信する保護リレー装置の制御方法において、
   前記コンピュータ又は電子回路は、時刻保持部を有し、
   前記電気量取得部は、所定の周期でサンプリングした電気量データと、そのサンプリング時刻とを含む送信データを生成し、
   前記通信インタフェースは、前記送信データを、イーサネットの通信フレームとすることを特徴とする保護リレー装置の制御方法。
6. コンピュータに、電力系統に設けられた検出手段からの電気量データを取得させ、前記電気量データを通信ネットワークを介して通信させる保護リレー装置の制御プログラムにおいて、
   前記コンピュータに、
   同期時刻を保持させ、
   所定の周期でサンプリングした電気量データと、そのサンプリング時刻とを含む送信データを生成させ、
   前記送信データを、イーサネットの通信フレームとして生成させることを特徴とする保護リレー装置の制御プログラム。
7. 複数の前記保護リレー装置が、イーサネットの通信ネットワークに接続されていることを特徴とする保護リレーシステム。
8. 前記保護リレー装置が通信する通信フレームを受信するオシロ装置が、前記通信ネットワークに接続されていることを特徴とする請求項７記載の保護リレーシステム。

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