154kV送電線用ディジタル形距離リレー装置

∪.D.C.る21.31る.925.45:d81.323-181.48

154kV送電線用ディジタル形距離リレー装置

DigitalDistance

RelaY

System

for154kV

_Line

_Protection

電力需要は,かつての高度成長期を過ぎて安定成長期に入り,省エネルギー,省 電力が進められている最近でも着実に増加している｡これに対し電力設備は,高電 圧化,大容量送電化,多端子併架化などの設備効率の向上により対処してお†),こ のような電力系統の大規模化,複雑化に対して保護リレーシステムに課せられる要 求はますます多様化,高度化している｡ これらの要求にこたえるために,マイクロコンビ⊥-タを核としたディ ジタルリ レーが演算能力及び記憶能力に優れていることから,近年その実用化の検討が盛ん に行なわれている｡本稿では,実用化したディジタル形距離リレー装置について, その構成と機能及びソフトウェア構成,自動監視手法などについて述べる｡ q

緒

言 半導体技術の急速な進歩によるマイクロコンピュータを中

心とした集積回路技術の発達は,身近な家庭電気業界をはじ

めとして,社会産業の広範な分野へ大きなインパクトを与え ている｡電力系統の保護を目的とした保護リレーでも,従来 のアナログ形に代わr),マイクロコンピュータによるディ ジ タル演算形の保護リ _{レー実用化の検討が盛んに行なわれてい} る｡ディ _{ジタル形リレーはアナログ形リレーに比べ,多様化,} 高度化への対処のしやすさ,装置の′ト形化,高信栢度化などの 面で優れているので,今後大規模化,複雑化が予想される電 力系統への通用拡大が期待されている｡ 中部電力株式会社と日立製作所は,昭和52年からディ ジタ ルリレーの実用化をねらい,保護リレーの基本となる距離リ レーを中心とした共同研究を進め,以下に示す3種類のディ ジタルリ _{レー装置を開発した｡}

(1)超高圧系統保護用距離リレー装置1)

(2)高抵抗接地系統保護用距離リレー装置2)

(3)多端子併架送電線用保護リレー装置3)

これらのそれぞれについては,図1に示すように試作装置 による実系統での長期実証試験により,十分な保護特性,耐 ノイズ･サージ性及び信頼性のあることを検証できた｡ 本稿では,これらの成果をもとに実用機として製品化した 154kV送電線距離リレー装置について,その構成,機能,特長 などについて述べる｡ 8

装置の構成と機能

2.1 _{システム構成} 本装置は,高抵抗接地系統の154kV送電線の後備保護を目 的とした距離リレー装置であり,そのシステム構成を図2に 示す｡ 本装置では,16ビットマイクロコンピュータやA-D(アナロ グーディ _{ジタル)変換回路を中心に構成するディ ジタルリレー} ユニット2台を用い,それぞれのユニットに送電線1回線分 の主検出機能と事故検出機能の処理を行なわせるようにして いる｡また,補助PCT(電圧･電ラ充変成器),A-D変換回路は 回線ごとに完全に分離し,万一の不具合発生時にも誤ってト リップ指令を発することがないように,万全を期している｡

安藤智久*

香田

勲*

田舎中一夫**

青木泰雄*…

瀬谷

稔***

嶋崎

敏***

r()耽8人言ざαA乃d∂ J5αm址 方∂dα 方αヱ以O rαyα氾αたα ydg加O Aoんi 〃∼m)γ祁5eyα 5α∼05んg 5んgmα之α鬼f 日召51 昭52 昭53 昭54 昭55 昭56 昭57 昭58 昭59 昭60 フィールドテスト

卜彗撃取-一七∠

275kV後備保護リレー装置

ト』詔

トーーーー 154kV後備保護リレー装置

1忽

77kV多端子併架用 保護リレー装置 図l _{ディジタル形距離リレーの開発 昭和52年からディジタルリレ} ーの実用化をねらし丁に,長期の実証試験を含めた共同研究を行ない,十分な保 護特性.耐ノイズ∴サージ性などのあることを検証できた｡ 保護リレーシステムの構成方法には,種々の方法が考えら れるが,本装置では,主保護リレーが使用中であることを条 件に,2回線分を同時に停止してその保守作業を行なう前提 のもとに,ソフトウェアタスク配分の均等性及びコストパー フォーマンスを勘案し,主検出と･事故検出機能の処理を図中 に示すような配分とした｡本装置は送電線2回線分の後備リ レーを標準リレー盤1架に収納し,従来装置に比べ盤構成を -をに′ト形化した｡図3に,装置とディジタルリレーユニット の外観を示す｡ 2.2 _保護方式 保護方式としては,表1に示すように動作実績があり,保 護信頼性が高い従来のアナログ形で採られてきた短絡距離リレ ー方式と,地緒方向リレー方式をそのまま踏襲することを基本 とし,これをディジタル演算処理で実行することとした｡ 2.3 リレー演算処理ソフトウェア リレー演算アルゴリズムには種々の方式が開発されている が,リレー性能に優れ,適用範囲が広いという条件のもとに 複入力リレーには横形演算方式4)-5),単入力リレーには面積形 演算方式4)･5)をそれぞれ採用した｡以下,リレー要素への横形 演算方式の代表的な適用例として,リアクタンスリレー及び モーリレーの演算処理について説明する｡ *中部電力株式全社制御通信部制御技術課 干*中部電力株式会社岐阜電力所発変電課 *** 日立製作所国分工場

LS LS PD 甲母線 乙母線

｢

43PD ディジタルリレー リレーユニット仙1 短 _絡

宗d

CB LS IL CB LS 2L 送電線 注:略語説明 LS(断路器) CB(遮断器) PD(変成器) PCT(電圧･電流変成器) 補助PCT 補助PCT

止

地 籍 2L事故検出(FD) 短 絡 地 絡 リレーユニットNo.2 短 絡 地 絡 1L事故検出(FD) 短 絡 地 絡

]

+

1

土

[

コ

1+ トリップトリッフ 図2 システムブロック図 ディジタルリレーユニットNo.l,No.2は, 各々16ビットマイクロコンピュータl台を収納L,lL,2Lの保護司幾能をもつ｡ 2.3.1リアクタンスリレーの演算処理 リアクタンスリレーの動作原理は図4に示すとおりで,入 力である電i充i,電圧むを用い,これらと整定値Zoからベクト ルよZ｡とiZo一軒を求め,これら両者の内横(iZo【ガトよZoの値 が正か負かを判定することにより,動作判定を行なう｡判定 式は次に示すとおりである｡ (云Z｡-γ)云Zo≧0(β≦900)‥‥…･内部事故 / / / / ノ ノ ノ■ ′ ■■一一一一一一一-(a)装置外観 56 表l 保護方式の概要 保護方式は従来の電磁形リレーと同じ短絡距離 リレー方式及び地緒方向リレー方式である｡ 保護 対象 保護方式 組合せリレー要素 主 検 _出(M) 事故ノ検出(FD) 短 _絡 距離一段 ノーY 44SD 44SR ノズ 44SDF 44SRF 60075q 44SX2 距離二段

【 //

44SXl

＼ 600㍍75D

距i雛三段 尺 月 地 _絡 電力方向 67G＋64V＋67GA 64V (言Zo一即)iZo<0(β>900)･……‥外部事故 ディ _{ジタルリレーでは,入力された電i充吉,電圧即のサンプ} リング値=吉〃),即(古⊥V)を用い演算により動作判定を行なう｡ その動作判定の具体的な処理フローは図5に示すとおr)であ り,各処理ステップの主要演算は図6のようになる｡図4∼ 6の中で同一の番号をもって示したステップは,同一の処理 を示している｡ 2.3.2 _{モーリレーの演算処理} モーリレーの音寅算はリアクタンスリレーと同じ積演算手法 を用いる｡このため,演算処理フローは前述のリアクタンス リ _{レーとほぼ等しく,相違点は二大の2項である｡}

(1)電流データの移相が90度ではなく60度であること((卦のス

テップ)｡

(2)基準量は,;之｡ではなく;＋γ〃(即〟:メモリ電圧)であるこ

(b)ディジタルリレーユニットタ帽昆 アナロクしディジタル変換部

入力｢蒜こ;二

;言∃

【〃 ‥ゝ T ハU

廿

竹

子『

引

マイクロコンピュータ 整定部

亡

伽

上T 上々【 (c)ディジタルリレーユニット構成

.+

ロ5 』r 補助リレー

｢￣｢

+

+

遮断指令 `月エゴ Uo

トjユー+

注:略語説明 F(フィルタ) SH(サンプルホールド) MPX(マルチプレクサ) OSC(発振器) A-D(アナログーディジタル 変換器) BPU(マイクロコンピュータ) ROM(リードオンリメモリ) RAM(ランダムアクセスメモリ) DO(ディジタル出力) Dl(ディジタル入力) 』T(サンプリング周期) 図3 _{154kV送電線保護用} 距離リレー装置の構成 2回線の保護機能を標準盤l架 に実装する｡ディジタルリレー ユニットは,16ピットのマイク ロコンピュータを中心に構成L ている｡

154kV送電線用ディジタル形距離リレー装置 619 ① ② 図4 _{リアクタンスリレーの動作判定原理説明図} とょ･いⅣ)zoの内積値が≧0(β≦900)で動作と判定する｡ ク ー ト ｢ l NO カウ ンタのクリア 要素リレー 出力=0 +___ (丑電圧データ入力 ②電流データ入力 ③電流データの移相 処 理 ④基 準量の演算 (③×Z｡) ⑤測 距量の演算 (④-①の演算) ⑥積 演 _算 (⑤×④の演算) ⑦積分フィルタの処理 (⑥の平均値) 整定借より大きいか カウンタの十1歩進 所定計数値より大か 要素リレー 出力=1 ￣ ｢ l l l l 1 1 1 l J NO 0 ⑤ ⑥ 0 (丑 0 (王(舌▲V)zo-γ(舌八一)) ￣-￣￣｢ l l 要素リレー 出力=0 次 のリ レ ー処王里 + 図5 _{リアクタンスリレーの演算処理フロー 時々刻々と変動する} 電圧.電流瞬時借データから,積演算方法によりリアクタンスリレーを実現L ている｡

と((彰のステップ)｡

すなわち,図5∼6の(彰,④ステップの内容が変わること

及びこれに伴い⑥のステッ70の内容が相違するだけである｡

2.3.3 _{リレー演算処理のタイムチャート} リ _{レー演算処理を時間軸上でみると図7の例に示すとおり} であり,多数のリレー演算は,系統周波数60Hzの電気角30度 に相当する毎サンプリング周期の1,389/ノS以内に処理される｡ ディ _{ジタル保護リレーでの動作時間の決定要因の概念を,装} 置構成ブロックと対応させたタイムチャート上で示すと区18 のようになる｡これら一つ一つの要因は,動作時間に対し固 定的な影響をもつものと,事故発生位相などによって変化す る変動要因とに2分される｡ ∠ 二 一′￠. .∠ Z ■一.山 ￠ ＋ 〔r｡[リ ー .乃) 一 .爪r ∠ 7ム .￠ :∠ ..乙 Z ∠. .￠ 積分フィルタの出力 l l l l

J

トー

サンプリング周期 _{この大きさが整定借と比較される｡} l 時刻 図6 _{主要演算ろテップ概要 積演算により求まった⑦のデータは,時} 刻に依存しない一定の量となり,動作判定はこの大きさを判定する｡ ング間隔 1.39ms (電気角300相当) 系統波形 と サンプリング データ入力処理 整定借表示処理 時分割点検処理

/

し 60Hz波形 ＼ ＼ ヽ ヽ ＼ ＼ I￣■￣ リレー要素処理 l

リアクタンス要素×れ個‡

モー要素×爪個 1 0C要素刈個,〕〉要素×ム個 シーケンス処理

_:

指令出力処理 l 余裕時間 ＼ ＼ ヽ. ヽ. ヽ-､1 1 1,389/ノS---一一J 1 1 1 1 1 1 図7 毎サンプリングでの演算処王里タイムチャート _{多数のリレー} 演算は,系統周波数60Hzの電気角30度に相当する毎サンプリング周期l.389/ノS 以内に処理する｡

母線

fl

送電線 /ヽ PD

右

Aux Aux PT CT フィルタ フィルタ フィル SH MPX A-D SH バッファメモリ 移相 動作判定 動作確認 リレー出力 補助 リレー リレーの動作時間 サン7)レ回路 A-D変換回路 ディジタル 移相(演算) 動作判定 動作確認(3回とする)

〕出

補助リレー回路 図8 _{リレー動作タイムチャート} 要因と変動的要因のものに2分される｡

注:■--一変動分

∪

[コ‥一固定分

動作時間の決定要因には,固定的 2.4 _整定機構 ディジタルリレーは従来のアナログリレーと違って,共通 のハードウェアで多数リレーを処理しているため,整定部も 共通整走方式をとることになる｡また,使いやすさの観点か らは整定作業を極力簡素化することが重要である｡これらの 点を考慮して三相一括整走方式をj采用することとし,リレー の整走レンジチェックや整走したリレーの相互間の合理性を チェックする機能も具備して誤り整完防止を図った｡ 図9は,整定手順フローであり,整定はニニ失墜定値とし, オンラインの斗犬態で整走変更ができる｡ 2.5 _{保守･信頼性の向上策} 2.5.1 自動監視 ディジタルリレーの場合は,特別なハードウェアを付加し なく _{とも自己診断が行なえるので,その手法の工夫･充実を} 図ることにより,万一装置に不具合が起こったとしても,実 害に至る前に発見することが可能である｡また,ハードブロ ック単位に守備範囲を限定した監視･点検手法を組み合わせ ることにより装置の不具合を漏れなく早期に発見でき,かつ ローカライズすることが期待できる｡そこで,これらの特徴 を生かした自動監視方式の検討を行なって,図10に監視項目 と守備範囲の概要を示す自動監視方式を採用した｡図示のよ うに入力PCT回路から出力リレーに至るまで漏れのない監視 を行なっていることが分かる｡ 図11は,自動監視のうち常時監視の実施タイ ミングを示す ものであり,リレー演算処理の空き時間を使って多数項目の 常時監視処理を♯1∼♯4のようにモード別に分割して繰り返し 実施している｡その処理フローは,図12に示すとおりである｡ 二のような自動監視機能を具備することにより,万一不具 58 整 定 操 作 開 始 整定開始スイッチを押す｡ リレー要素選択スイッチに より要素を選択する｡ ｢￣ l 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 YES lNO L._. NO l l l NO +_._.___ 設定スイッチで整定値を設 定する｡ 書込スイッチを押す｡ 整定不良LED点灯か NO 目 視 チ ェ ック OK 整 定 終 了 か Y巨S 整定値チェ _ック OK (レンジチェック) (合理性チェック) 運用開始スイッチを押す｡ 整 定 操 作 終 了 注:略語説明 +ED(+ight Emitti[g Diodes) 図9 整定手順フロー 誤整定防止を図る目的で,リレーのレンジチェ ック及び整定したリレーの相互間の合‡里性チェック(例:44SXl<44SX2く44SD) を実施している｡ 合が発生した場合でも,これをローカライズして発見し誤動 作を防ぐことを可能にした｡また,このような場合の修復を しやすくするため,不具合関連のデータをメモリの特定エリ アにi東結させ,メンテナンスツールによ できるように配慮した｡ L

〃｡う1

J｡一引

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′ジクルリレーユニット フ ィ ノレ ク フ ィ ノレ タ H S H S マルチプレクサ 零相･逆相監視 A-D精度チェ D A BPU 内部バス 整定 r)その探索が容易に ｢一■ メモリ ウォッチトソグタイマ 演算チェック

｢

← 整定植照合チェック

呵=+句+

T揮り+トリップ指令

点情 接 O D

忘;コ''丁=/掟■1ち

トーr+ アナログ入力回路点検 Dl･DOチェック トー･→ DO点検 トーーーー･-････････+ 図川 _{自動監視項目と守備範囲 ハードブロック別の監視は入力PCT} 回路から出力リレーに至るまで.漏れのない監視を行なっている｡

154kV送電線用ディジタル形距離リレー装置 621 系統周波数 60Hz サンプリング周期

｢1馳s

サンプリング周波数 720Hz ｢ .ヰ.■.■.一■l■■■ hU 同上 同上 同上 同上 同上 6 ♯ 同上 同上

G)

同 上 同 上 同 上 同 上 同 上 同 上 同 上 (丑データ 入力処理 ②常時 監視処理 ④シール ス処理 ⑤表 示 出力処理 / ′ / / / / A:モードⅠ(演算処‡里執 ROM,RAM監視) B:モードⅠⅠ(PT･CT回路,アナログ入力 変換部,A-D変換精度監視) C:モードⅠIl(Ol入力回臥 SW選択漏れ監 視,SW切換不良監視) D:モードⅣ(DO出力回路,トリッ70回路 監視) 注:略語説明 PT(電圧変成器) CT(電流変成器) 図Il常時監視処理タイムチャート い,時分割に繰り返L監視を行なっている｡ リレー演算処理の空き時間を使 ス _タ ー ト 常 時 監 視 処理モード判定 メンテナンスツール 8けたセグセメント表示器 図13 _{メンテナンスツールの構成概要} ディジタルリレーユニットと 接続されたメンテナンスツールは,8ビットBPU(マイクロコンピュータ)のコ ントロールでデータ表示やプリンタ印字を行なう｡ 2.5.2 メンテナンスツール メンテナンスツールの構成を図柑に,その主な機能を図川 に示す｡メンテナンスツールは,ディ ジタルリレーユニット の不具ノ針東結データを読み出し,その内答を表示するとともに プリントアウトする機能を備えている｡更に,トレース機能を 使い不具合部の調査だけでなく,演算処理部の動作メ犬況の追尾 にも活用され,出荷時の試験や現地での試験に有効である｡ =モード1 演算処理部監視 (既知固定PGM演算法) 正常か R O M _監 視 (サムチェック) 正常か R A M _{監 視} (R/Wチェック) 正常か YES NO 当該テーブルに 当 録 #1 =モード1Ⅰ PT,CT _{回 路 監 視} (逆相成分監視) 正常か YES ♯2 アナログ入力変換部監視 (零相成分監視) 正常か YES _♯3 A-D 変換精度監視 (定電圧入力変換法) 正常か YES 当該テーブルに 登 鋳 モード皿 Dl入 力 回 路 監 視 (二重化入力照合法) 正常か ♯1 YES ♯2 SW選択漏 れ監視 正常か YES _♯3 SW _{切換不良監視} 正常か YES 当該テーブルに 登 録 =モードⅣ DO 出 力 回 路 監 視 (重要出力情報読み込み法) 正常か YES トリ ッ プ回路監視 正常か YES 当該監視項目対応の 所定確認回数超過か YES _不良 当該の不良表示及び ロック処理 NO _正常 区lほ 常時監視処理フロー 常時監視処理モードⅠ∼Ⅳに従い, ハードウェアを分割Lて監視する｡

メンテナンスツール 1 Dl/0,A-D変換器出力 などのデータ表示 2 データメモリ(RAM) 領域の表示 (監視不良検出時の凍結データのチェックも可能) 3 プログラムメモリ(ROM) 領域の表示 4 上記1∼3データの 印字記録 図14 _{メンテナンスツールの主な機能 メモリの内容やDし伯,A-Dな} どの状態の表示を行なうと同時に,内容をプリントアウトする｡ 回

読験結果

本装置は,工場試験で所期の機能,性能を確認後,中部電 力株式会社大垣変電所に納入され,昭和59年6月から運用に 入り現在まで順調に稼動している｡ 装置試験については,言式験精度の向上及び試験時間の短縮 を【司るために,従来の模擬送電線による試験と合わせて波形 発生,故障発生,故障解析などを具備した図15に示すような 総合動作試験装置を使い試験を行なった｡その主な機能は表 2に示すとおr)であり,図16は3緑地絡時の装置の動作オシ ログラムの例である｡ 【】

装置の特長と適用効果

装置の主な特長としては,

(1)従来の電石義形リレーに比べぅーに小形化した｡

(2)自動監視機能の具ノ備により,信締性の向上,保守の省力

表2 総合動作試験装置の主な機能 _{高調波重畳試験などの特殊試験} やリレー応動解析などができ,試験精度の向上及び試験時間の短縮化に有効である｡ 試 験 機 能 特 殊 仕 _{様 試 験} ●高調)皮重畳試験 ●直;充分重畳試験 ●多機系脱調模i疑試験 ●事故時アーク抵抗吉武験 データの解析･編集 ●電圧･電)先の位相解析 ●事故インピーダンス解析 ●リレー応動の解析と結果の編集 過渡現象発生装置

欝匿l萱萱至宝

剛

パワーアンプ [::コ ⊂コ ⊂:コ ⊂コ ロ[コロ

C>

供託リレー / 畠畠 占占 占占 データ集手蔓･解析装置

匡ヨ

0

回国

図15 総合動作試験装置の構成例 供試リレーに過渡現象波形を印加L,その ときのリレー応動などを収録,解析を行なう 例を示す｡ 60 ′､ヽ)′ JL

▲-崩､皇

ノー ▲L

｢Y､

%ク刀=---リレー設置

(a)模擬系統

几∼レ'ト

_ ノー - t′0 一 丁o 44SX2- ･･･...._..._.44SDB-_.51S - 44SRB-51￠ 60 -440M - _.440MR-_.64V -67G - 67GAB- 44SRF- 51SBF-64VF_ 44SM__ 44GM llx T｢lP 37ms (b)動作オシログラム 図16 _{エ場試験結果のオシログラム例 3緑地絡故障時のオシログラ} ム例を示すもので,リレー応動時間は37msである｡ 化が期待できる｡

(3)将来の系統構成を考慮した保護機能としているため,装置

の適用拡大が図れる｡

(4)整走機構の簡素化により保守の省力化が期待できる｡

などがある｡ 本装置に用いた距離リレー演算アルゴリズムは,送電線保 護だけでなく母線保護,変圧器保護などの後備保護リレーに 標準的に使える｡ 田

結

言 以上,高抵抗接地系の送電線を対象としたディジタル形距離 リレー装置の構成,機能,特長などについて述べた｡ 本装置は,中部電力株式会社大垣変電所に納入されて順調 に稼動しており,従来の電磁形に比べ,小形化,保守の省力 化の面で大きな効果が得られた｡ 参考文献 1)相山,外:超高圧系統用ディジタル形後備保護継電装置のフ ィールドテスト結果,昭和56年電気学会全国大全,No.1086 (昭和56-4) 2)安藤(満),外:高音底抗接地系回線選択用ディジタル形後備保 護装置の開発と実証試験,昭和56年電気学会全国大会,No. 1087(昭和56-4) 3)安藤(智),外:多端子併架送電線地絡保護用ディジタル形回 線選択リ _{レー装置の開発,昭和58年電気学会全国大会,No.} 1221(昭和5814) 4)牧野,外:積演算原理を適用したディジタル形電i充差動リレー の検討,電気誌,論文誌B,54-B19,9∼16(昭和54-3)

5)J.Makino,et _al∴IEEE Whter Power