JPH06105266B2 - デジタル保護継電器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、電力系統の交流電圧、交流電流等の電気量
の振幅値に応動するデジタル保護継電器、特にその周波
数特性の改善に関するものである。

〔従来の技術〕

第４図は例えば特開昭58-051315号公報に示された従来
の交流電気量のデジタル処理装置の原理を説明する図で
あり、交流電流の電気角90゜毎にサンプリングして、８
個のデーターを用いて、その振幅値を求めようとしたも
のであり、図において、（１）〜（８）は交流電流のサ
ンプリング値、（９）〜（16）は上記サンプリング値を
２乗する２乗演算手段、（17）は、上記（９）〜（16）
の２乗演算手段の結果の総和を得る加算手段、（18）は
４で除算演算する除算演算手段、（19）は除算演算手段
（18）の出力値の平方根を求める平方根演算手段であ
り、その出力Fnが求めようとする電流の振幅値となる。

次に動作について説明する。説明の都合上、交流電気量
は、交流電流とし、最大値をI,瞬時値をi,基本周波数を
fo,サンプリング周期をＴとする。また、サンプリング
時刻毎のデーターを区別するためにnT（ｎ＝0,1,2,…と
し、ｎ＝０は所定時刻とする）をサフィクスとして、ｉ
（０）,i（Ｔ）,i（2T），…ｉ（mT）と表現する。従っ
て、８個のデーターを使用した場合は、（１）式とな
る。

サンプリング周期Ｔは、交流電流の基本周波数f₀に対
し、90゜相当時間々隔に固定するが、周波数がｆであれ
ば、（２）式のように見えてくる。

例えば、交流電流の周波数がｆ＝f₀＝50Hzであれば、サ
ンプリング周期はＴ＝90゜となる。

一般に、電力系統は定格周波数f₀で運用されているた
め、（１）式は、Fn＝Ｉとなり、電流の振幅値演算が可
能で、例えば交流過電流保護継電器として利用されてい
る。しかし、電力系統の事故を検出する保護継電器にと
って、事故が発生した時の周波数は、f₀から変化してい
る場合が多いため、多少のずれがあっても正確に振幅値
を求める必要があり、普通、±５％程度の変化に対し
て、可能な限り誤差を少なくする要求がある。

今、周波数ｆ＝52.5Hz（50Hzの５％増）となった場合を
考えると、Ｔ＝94.5゜となり、これを（１）式に代入す
れば、 Fn＝Ｉ｛１＋0.0737cos（２θ−661.5゜）｝^1/2 ……
（３） となり、一定値に２倍周波の振動波形が重畳された形と
なる。cos（２θ−661.5゜）は、＋1.0〜−1.0まで変化
し得るので、 Fn＝0.962 I〜1.036 I ……（４） となり、定格周波数50Hzの時の振幅値演算に比べ−3.8
％〜＋3.6％の誤差が発生する。

〔発明が解決しょうとする問題点〕

従来のデジタル演算処理装置は以上のように構成されて
いるので、周波数が±５％程度変化した場合の振幅値演
算誤差が比較的に大きく、かつ、サンプリング値も８個
を使用しているため、結果が出力されるまでの時間が、
90゜×８＝720゜相当時間必要であり、さらに多量のデ
ーターを使用しているため、計算処理に要するメモリー
量も多量になるなどの問題点があった。

この発明は上記のような問題点を解消するためになされ
たもので、少ないサンプリング値を使用して高速度に計
算処理できるとともに、周波数が変化した場合の振幅値
演算誤差を小さくできるデジタル保護継電器を得ること
を目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明に係るデジタル保護継電器は、定格周波数を有
する交流電気量の瞬時値をデジタル値として読みとり、
所定時刻のデジタル値の２乗値を演算する第１の演算手
段と、前記所定時刻より1/4周期前（後）のデジタル値
の２乗値を得て２倍演算する第２の演算手段と、前記所
定時刻より2/4周期前（後）のデジタル値の２乗値を演
算する第３の演算手段と、前記第1,第2,第３のそれぞれ
の演算手段により求められた演算結果の総和から導出し
た出力値を得る第４の演算手段と、前記第４の演算手段
の出力値と所定値とを比較演算する第５の演算手段とを
設けたものである。

〔作用〕

この発明に係るデジタル保護継電器は、交流電気量の３
つのデジタル値から、上記第１〜第４の演算手段により
上記交流電気量の振幅値に相当する出力値を得て、この
出力値とこの出力値に見合った所定値を第５の演算手段
で比較演算することにより、電力系統の事故を検出す
る。

〔発明の実施例〕

以下、この発明の一実施例を図のついて説明する。第１
図において、所定時刻のサンプリング値（１）をｉ
（０）,1周期前（Ｔ）のサンプリング値（２）をｉ
（Ｔ）、２周期前（2T）のサンプリング値（３）をｉ
（2T）とし、それぞれのサンプリング値（１）〜（３）
を２乗演算手段（９）〜（11）にて２乗し、２乗演算手
段（10）の結果のみを、２倍演算手段（20）で２倍す
る。

前記２乗演算手段（９）と（11）及び前記２倍演算手段
（20）で得られた結果を加算手段（17）で加算して総和
を得て、除算演算手段（22）により２で除算し、平方根
演算手段（19）でその平方根を求める。

これを式で表わせば、第（５）式が得られる。

今、周波数ｆ＝52.5Hz（50Hzの５％増）となった場合を
考えると、Ｔ＝94.5゜となり、これを（５）式に代入す
れば、 Fn＝Ｉ｛１−0.0062cos（２θ−189゜）｝^1/2 ……
（６） となり、一定値に２倍周波の振動波形が重畳された形と
なる。cos（２θ−189゜）は＋1.0〜−1.0まで変化し得
るので、 Fn＝0.997 I〜1.003 I ……（７） となり、定格周波数50Hzの時の振幅値演算に比べ−0.3
％〜＋0.3％の誤差が発生する。

ここで得られた振幅値演算結果Fnを、図示はしないが、
第５の演算手段によって所定値（整定値とも言う）と比
較して、その大きさを比較し、電力系統の事故を検出す
るのが、デジタル保護継電器である。

尚、前記説明では、加算手段（17）の出力を除算演算手
段（22）と平方根演算手段（19）で加工するとしたが、
前記所定値（整定値）を２乗した値に設定しておけば、
前記平方根演算手段（19）を不要とすることができ、ま
た、前記所定値（整定値）を２乗して２倍した値に設定
しておけば、前記除算演算手段（22）と前記平方根演算
手段（19）とを不要とすることができる。従って、この
ように加算手段（17）の出力から導出される出力値と、
この出力に見合った前記所定値（整定値）を設定するこ
とにより、前記と同様のデジタル保護継電器が実現でき
る。なお、前記２乗演算手段（９）は第１の演算手段で
あり、前記２乗演算手段（11）は第３の演算手段であ
る。また、前記２乗演算手段（10）と前記２倍演算手段
（20）とが第２の演算手段（21）を構成し、前記加算手
段（17）と除算演算手段（22）と平方根演算手段（19）
とで第４の演算手段（23）を構成している。

ここで、周波数を変化させた場合の振幅値演算結果Fnの
変化状況を第２図で説明する。

変化後の周波数ｆと定格周波数f₀の比を で表わすと、（５）式から（８）式が得られる。

この（８）式のＩにかかる係数を縦軸にとりｍを変化さ
せて図示すると、第２図の斜線部分が得られ、ｍ＝１
（ｆ＝f₀）の近傍では、大きさの変化がほとんど無くな
り、振幅値演算結果の誤差が極小となることがわかる。

また、振幅値演算で使用するサンプリング値は、所定時
刻のサンプリング値を含めて、３個のサンプリング値で
実現できるため、90゜×３＝270゜相当時間で結果を得
ることが出来るため、従来に比べ3/8倍の高速化が実現
できるとともに、計算処理に必要なメモリー量も3/8で
すむことになる。

第３図は前記振幅値演算を実施するデジタル保護継電器
のハードウェア構成図である。図において、（24）は電
圧変成器、（25）は電流変成器、（26）（27）は入力変
換器で、電力系統の電圧及び電流を処理容易な値に変換
するものであり、（28）（29）はフィルタで、周知の如
く、電圧及び電流に含まれる高調波のうち、サンプリン
グ周波数の1/2以上の周波数を除去するものである。（3
0）（31）はサンプルホールドで、サンプリング値を次
のサンプリング周期まで保持するものである。（32）は
マルチプレクサでサンプルホールド（30）（31）の出力
を順次切り替えて、アナログ・デジタル変換器（33）に
伝達するものである。（34）はマイクロプロセッサで、
メモリー（35）にあらかじめ収納されているプログラム
を利用して演算を実施し、その結果を、出力回路（36）
に出力させるものである。（37）はデジタル保護継電器
である。

なお、上記実施例では、交流電流の振幅値を求めるとし
て説明したが、交流電流は電力系統の相電流、線間電流
又は、前記相電流、線間電流から得られる対称分、すな
わち、正相電流、逆相電流又は零相電流であっても同様
である。

さらに同様に、交流電圧であっても、全く同様に適用し
て同様の効果を奏する。

また、２乗演算手段（９）（10）（11）、２倍演算手段
（20）、加算手段（17）、除算演算手段（22）、及び平
方根演算手段（19）の相互のハードウェア構成は、各々
を個別のハードウェアで構成してもよいのは勿論のこ
と、任意のものの機能を備えると共通のハードウェアと
してもよく、更に全てを単一の共通ハードウェアで構成
してもよい。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明によれば、連続してサンプリン
グ値を３個使用し、各サンプリング値を２乗するととも
に、第２番目の２乗値を２倍して、その総和を得るよう
に構成し、交流電気量の周波数が±５％程度変化して
も、精度良くその振幅値を演算でき、かつ、演算結果を
高速度に得られる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例による振幅値演算手段を示
す原理を示すブロック図、第２図はこの発明の演算手段
により得られる振幅値演算結果の周波数特性を示す図、
第３図はこの発明の演算手段を実現するデジタル保護継
電器のハードウェア構成を示すブロック図、第４図は従
来の振幅値演算手段を説明するブロック図である。 図において、（１）〜（８）は交流電流のサンプリング
値、（９）は第１の演算手段、（11）は第３の演算手
段、（17）は加算手段、（19）は平方根演算手段、（2
0）は２倍演算手段、（21）は第２の演算手段、（22）
は除算演算手段、（23）は第４の演算手段である。 なお、図中、同一符号は同一、又は相当部分を示す。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】交流電気量の定格周波数における周期の1/
   4周期毎に、前記交流電気量の瞬時値をサンプリングし
   て、デジタル値に変換後、演算処理して電力系統の事故
   を検出するデジタル保護継電器において、所定時刻のデ
   ジタル値の２乗値を演算する第１の演算手段と、前記所
   定時刻より1/4周期前（後）のデジタル値の２乗値を得
   て２倍演算する第２の演算手段と、前記所定時刻より2/
   4周期前（後）のデジタル値の２乗値を演算する第３の
   演算手段と、前記第1,第2,第３のそれぞれの演算手段に
   より求められた演算結果の総和から導出した出力値を得
   る第４の演算手段と、前記第４の演算手段の出力値と所
   定値とを比較演算する第５の演算手段とを備えたデジタ
   ル保護継電器。
2. 【請求項２】第４の演算手段は、第1,第2,第３のそれぞ
   れの演算手段の総和を得て２で除算した演算結果を出力
   値とすることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   デジタル保護継電器。
3. 【請求項３】第４の演算手段は、第1,第2,第３のそれぞ
   れの演算手段の総和を得て２で除算後その平方根を求め
   た演算結果を出力値とすることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載のデジタル保護継電器。