ディジタル保護制御装置
【課題】Ａ／Ｄ変換手段を複数備えて並列処理を実行するときに、アナログ信号処理回路のオフセット誤差、ゲイン誤差を補正する。
【解決手段】電力系統から得たアナログ信号をフィルタリングする複数のアナログフィルタ手段と、該手段の後段に設けられアナログフィルタリングされた信号をディジタル信号に変換する複数のＡ／Ｄ変換手段と、Ａ／Ｄ変換手段からのディジタル信号をフィルタリングする複数のディジタルフィルタ手段とを備え、ディジタルフィルタ手段からのディジタル信号を用いて所定の保護継電演算アルゴリズムを実行するディジタル保護制御装置において、アナログフィルタ手段の前段に既知の大きさの直流信号を加え、Ａ／Ｄ変換手段からのディジタル信号に含まれる直流信号成分を抽出し、既知の大きさの直流信号と抽出した直流信号成分の値を用いて複数備えたＡ／Ｄ変換手段の出力を補正する機能を備えた。
【解決手段】電力系統から得たアナログ信号をフィルタリングする複数のアナログフィルタ手段と、該手段の後段に設けられアナログフィルタリングされた信号をディジタル信号に変換する複数のＡ／Ｄ変換手段と、Ａ／Ｄ変換手段からのディジタル信号をフィルタリングする複数のディジタルフィルタ手段とを備え、ディジタルフィルタ手段からのディジタル信号を用いて所定の保護継電演算アルゴリズムを実行するディジタル保護制御装置において、アナログフィルタ手段の前段に既知の大きさの直流信号を加え、Ａ／Ｄ変換手段からのディジタル信号に含まれる直流信号成分を抽出し、既知の大きさの直流信号と抽出した直流信号成分の値を用いて複数備えたＡ／Ｄ変換手段の出力を補正する機能を備えた。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力系統を保護するディジタル保護制御装置に係り、特に入力したアナログ信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換手段を複数備えたディジタル保護制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ディジタル保護制御装置では、電力系統のアナログ信号をディジタルデータに変換し、このディジタルデータに対してディジタルフィルタ演算処理を行い、ディジタルフィルタ演算処理の結果得られたデータを基に保護リレー演算処理を行い、リレー演算処理結果を基に電力系統に設置された遮断器の開閉操作を行う。
【０００３】
係る機能の実現のために、従来のディジタル保護制御装置では、特許文献１に記載のように、信号入力部分に、アナログ入力部、折り返し誤差防止用のアナログフィルタ、サンプルホールド回路、マルチプレクサ、Ａ／Ｄ変換器及びバッファを備えている。そして、電力系統からの複数の入力信号をマルチプレクサにより所定周期で切り替え、所定周期毎にサンプルホールドされているアナログ信号をディジタルデータにＡ／Ｄ変換してディジタル信号処理する。
【０００４】
このように、特許文献１に記載の従来のディジタル保護制御装置では、要するに複数の入力に対して１つのＡ／Ｄ変換器を備え、マルチプレクサにより所定周期で切り替えてＡ／Ｄ変換を実施している。
【０００５】
しかし、マルチプレクサを用いた手法では、複数のアナログ入力に対して時分割で処理するため、Ａ／Ｄ変換のタイミングがアナログ入力チャンネル毎に異なることから保護制御演算に誤差が生じるという問題がある。
【０００６】
このため、特許文献２に記載のように、複数のアナログ信号を、複数備えたＡ／Ｄ変換手段を用いることで並列的にディジタルデータに変換する手法が提案されている。但し、特許文献２は一般の入力回路を記載したものであり、ディジタル保護制御装置を適用事例として記載されたものではない。
【０００７】
ところで、ディジタル保護制御装置の信号入力部分の健全性を判断する手法として、幾つかのものが知られている。
【０００８】
例えば特許文献３では、基本的に特許文献１のように構成された信号入力部分（１つのＡ／Ｄ変換器を備え、マルチプレクサにより所定周期で切り替えてＡ／Ｄ変換を実施）を備えるディジタル保護制御装置において、そのアナログ入力部に、外部生成した信号を含有させる手法を紹介している。具体的には、ｆｎ高調波信号をアナログ入力部に重畳させ、Ａ／Ｄ変換されたディジタル信号からディジタルフィルタを用いてｆｎ高調波信号を抽出し、抽出したｆｎ高調波信号を重畳させた信号と比較する。
【０００９】
特許文献４では、基本的に特許文献１のように構成された信号入力部分（１つのＡ／Ｄ変換器を備え、マルチプレクサにより所定周期で切り替えてＡ／Ｄ変換を実施）を備えるディジタル保護制御装置において、そのＡ／Ｄ変換手段の出力レベルを補正する。具体的には、アナログ信号処理回路に一般的に用いられているアナログフィルタ（オペアンプ）の出力側に重畳する直流成分をディジタル変換後の信号からディジタルフィルタを用いて抽出し、この抽出した直流成分をディジタル信号から減算する。
【００１０】
また特許文献５では、基本的に特許文献１のように構成された信号入力部分（１つのＡ／Ｄ変換器を備え、マルチプレクサにより所定周期で切り替えてＡ／Ｄ変換を実施）を備えるディジタル保護制御装置において、高精度発信器を用い入力変換器とマルチプレクサに基準信号を入力しアナログ信号処理回路を介し変換されたディジタル信号を基準信号と比較し、ディジタル信号のオフセット誤差、ゲイン誤差、位相誤差を調整する手法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開平７−３１２５５１号公報
【特許文献２】特開２００２−９４３７９号公報
【特許文献３】特開２００７−３１２５２５号公報
【特許文献４】特開２０００−３１２４３１号公報
【特許文献５】特開平９−１４９５３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明においては、ディジタル保護制御装置の入力部分を特許文献２の構成としたい。つまり、複数のＡ／Ｄ変換手段を備えて並列的にディジタルデータに変換する構成としたい。しかし、この場合にも解決すべき技術課題があり、それは複数備えたＡ／Ｄ変換手段の基板配置の違いや温度特性の違い、更にはＡ／Ｄ変換手段の特性のバラツキにより、Ａ／Ｄ変換手段の間の出力値に誤差が発生するという問題である。この誤差は、Ａ／Ｄ変換処理結果に基づいて行う保護制御演算結果が整定値に対して無視できないほど大きく、最悪の場合ディジタル保護制御装置の誤出力にいたるという可能性がある。
【００１３】
このＡ／Ｄ変換手段の間の出力値に誤差が発生するという問題は、１つのＡ／Ｄ変換手段を備えて切替使用する特許文献１、３，４，５には存在し得ない課題である。そのうえ、特許文献１、３，４，５に記載の手法を適用しても解決することができない問題である。
【００１４】
例えば、特許文献３に記載された手法では、高調波成分の周波数特性及びゲインが、オペアンプで構成されるアナログフィルタの影響で変化してしまう為、ディジタル信号から抽出したｆｎ高調波信号のレベルは小さくなり、アナログ信号処理回路の出力レベルの補正や品質や経年劣化などのハードウェア状態の判断材料に用いることができなかった。
【００１５】
特許文献４に記載の手法では、出力信号に重畳するオフセット分（直流成分）の補正は可能であるが、アナログフィルタや複数備えたＡ／Ｄ変換手段の間の出力レベルを補正することができなかった。
【００１６】
また、特許文献５に記載の手法では、試験調整の段階で最初の一回のみ調整するので、アナログフィルタやＡ／Ｄ変換手段の温度特性や経年劣化による変化が考慮されておらず、装置運用状態や外部環境の変化による特性の変化に随時対応した補正手段となっていなかった。
【００１７】
本発明の目的は、Ａ／Ｄ変換手段を複数備えて並列処理を実行するときに、夫々のＡ／Ｄ変換処理誤差を連続して補正することによりアナログ信号処理回路のオフセット誤差、ゲイン誤差を補正することが可能なディジタル保護制御装置を提供する。
【００１８】
また本発明の実施例による他の目的は、アナログ信号処理回路の経年劣化や品質（性能）の判断が可能なディジタル保護制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
前記目的を達成するために、本発明は電力系統から得たアナログ信号をフィルタリングする複数のアナログフィルタ手段と、該手段の後段に設けられアナログフィルタリングされた信号をディジタル信号に変換する複数のＡ／Ｄ変換手段と、Ａ／Ｄ変換手段からのディジタル信号をフィルタリングする複数のディジタルフィルタ手段とを備え、ディジタルフィルタ手段からのディジタル信号を用いて所定の保護継電演算アルゴリズムを実行するディジタル保護制御装置において、アナログフィルタ手段の前段に既知の大きさの直流信号を加え、Ａ／Ｄ変換手段からのディジタル信号に含まれる直流信号成分を抽出し、既知の大きさの直流信号と抽出した直流信号成分の値を用いて複数備えたＡ／Ｄ変換手段の出力を補正する機能を備えた。
【００２０】
また、Ａ／Ｄ変換手段の出力を補正する処理は、複数備えたＡ／Ｄ手段のそれぞれに対して実施される。
【００２１】
また、複数備えたＡ／Ｄ変換手段の出力を補正する処理は、既知の大きさの直流信号と抽出した直流信号成分が所定の閾値内にあるときに実行し、既知の大きさの直流信号と抽出した直流信号成分の値がかけ離れているときには実行しない。
【００２２】
また、既知の大きさの直流信号と抽出した直流信号成分の値がかけ離れているときには、所定の保護継電演算アルゴリズムの結果を利用しない。
【００２３】
また、Ａ／Ｄ変換手段の出力ゲイン補正は、アナログフィルタ手段とＡ／Ｄ変換手段とを含むアナログ信号処理回路の異常検出時には行わない。
【００２４】
また、ディジタルフィルタ手段は、高調波成分除去機能と直流成分除去機能を備えている。
【００２５】
また、アナログフィルタ手段の前段に高調波信号を加え、Ａ／Ｄ変換手段からのディジタル信号に含まれる高調波信号成分を抽出し、ハードウェアの異常を監視する。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、複数備えたＡ／Ｄ変換手段の出力を補正する機能及び、アナログ信号処理回路の経年劣化や品質状態の判断機能をそなえる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明のディジタル保護制御装置の一実施例を示すブロック構成図。
【図２】ディジタル保護制御装置の処理機能を示すフロー図。
【図３ａ】ディジタルフィルタで抽出した直流成分信号のゲイン特性例を示す図。
【図３ｂ】高調波と直流成分を除去した後のを介したディジタル信号を示す図。
【図３ｃ】ディジタル信号を補正した波形例を示す図。
【図３ｄ】減衰する直流成分信号のゲイン特性例を示す図。
【図３ｅ】ゲインが減衰するときのディジタル信号の波形例を示す図。
【図３ｆ】減衰したディジタル信号をゲイン補正した波形例を示す図。
【図４ａ】直流成分信号を含む高調波重畳信号のディジタル信号の波形例を示す図。
【図４ｂ】ディジタルフィルタで抽出したｆｎ高調波信号の波形例を示す図。
【図４ｃ】ディジタルフィルタで抽出した直流成分信号の波形例を示す図。
【図５ａ】アナログ及びディジタルフィルタとサンプリング周波数の関係を示す図。
【図５ｂ】アナログフィルタとノイズ除去ディジタルフィルタの周波数特性を示す図。
【図５ｃ】高調波除去ディジタルフィルタと直流成分除去ディジタルフィルタの周波数特性を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、図示した実施例に基づいて詳細に説明する。
【実施例】
【００２９】
図１は、本発明のディジタル保護制御装置の実施例を示すブロック構成図である。本発明のディジタル保護制御装置１０００では、大前提としてＡ／Ｄ変換手段を複数備えている。
【００３０】
ディジタル保護制御装置１０００には、図示せぬ保護対象電力系統の電流、電圧を電圧変成器ＰＴ，変流器ＣＴで検出した系統信号が、入力変換器１０ａ〜１０ｍにより電子回路で取り扱いやすい数Ｖの電圧信号に変換されて取り込まれている。また、取り込まれた数Ｖの電圧信号は、サンプリングによる折り返し防止用の複数のアナログフィルタ２１０ａ〜２１０ｍを介して、複数のＡ／Ｄ変換手段２２０ａ〜２２０ｐ（例えばマルチチャンネルＡ／Ｄ変換器）に取り込まれ、ディジタル信号に変換される。
【００３１】
なお、各アナログフィルタ２１０ａ〜２１０ｍは、サンプリング時の折り返し誤差を防止するために高周波領域を低減させるローパスフィルタ、例えば一次遅れ要素のローパスフィルタで構成されている。
【００３２】
各Ａ／Ｄ変換手段２２０ａ〜２２０ｐは、タイミング制御回路１２０からのＡ／Ｄ変換開始信号１２０ａに従い、各アナログフィルタ２１０ａ〜２１０ｍを通過した信号を同タイミングでディジタル化し、ディジタルデータをディジタルフィルタ２３０に出力する。ディジタルフィルタ２３０では、高調波成分と直流成分を除去するが、このことについては図５を用いて後述する。
【００３３】
本発明においては、Ａ／Ｄ変換手段を複数備えたうえで、更にＡ／Ｄ変換手段２２０ａ〜２２０ｐの前段に、既知の入力値を入力する。既知の入力値を入力する目的は、Ａ／Ｄ変換手段２２０ａ〜２２０ｐの出力ゲイン補正を行う為である。既知の入力とは、直流成分信号生成回路１００において生成させた直流成分信号１００ａ（例えば０．５Ｖ程度の電圧）であり、これを加算回路ＡＤａ〜ＡＤｍにおいて入力変換器１０ａ〜１０ｍの出力に加算し、各アナログフィルタ２１０ａ〜２１０ｍを介して、Ａ／Ｄ変換手段に既知の入力値として入力する。
【００３４】
なお、図１の実施例では、参考としてｆｎ（ｎ：高調波次数）高調波信号生成部１１０においてｆｎ高調波信号１１０ａを発生させ、これを加算回路ＡＤａ〜ＡＤｍにおいて入力変換器１０ａ〜１０ｍの出力に加算している。この回路手法は、特許文献３で紹介された手法であり、アナログフィルタ２１０ａ〜２１０ｍ以降のアナログ信号処理回路の健全性を確認するために従来から用いられているが、本発明で対策しようとしているＡ／Ｄ変換手段の出力ゲイン補正には効力を発揮し得ない。
【００３５】
特許文献３のｆｎ高調波信号が、本発明の目的とするＡ／Ｄ変換手段の出力ゲイン補正のための既知の入力として用いることができない理由は、高調波成分の周波数特性及びゲインがオペアンプで構成されるアナログフィルタ２１０ａ〜２１０ｍの影響で変化してしまうことにある。この為、ディジタル信号から抽出したｆｎ高調波信号のレベルが小さくなり、既知の入力に対して比較することができないからである。
【００３６】
これに対し、直流成分信号１００ａ（例えば０．５Ｖ程度の電圧）は、オペアンプで構成されるアナログフィルタによって周波数特性及びゲインが変化しないという特徴がある。このため、Ａ／Ｄ変換後のディジタル信号から抽出した直流成分信号と、直流成分信号生成回路１００で生成した直流成分信号１００ａの比較によってＡ／Ｄ変換手段の入出力レベルを知ることができ、Ａ／Ｄ変換手段の入出力レベルを用いてＡ／Ｄ変換手段の出力レベルの補正が可能となる。また。抽出した直流成分信号のレベルを常時監視することで、アナログ信号処理回路の経年劣化や品質（性能）の判断が可能となる。
【００３７】
直流成分信号生成部１００から生成される直流成分信号１００ａは、ｆｎ高調波信号生成部１１０から生成されるｆｎ高調波信号１１０ａと加算回路ＡＤ０において加算された後に、入力変換器１０ａ〜１０ｍにおいて変換された電力系統の電圧信号と加算回路ＡＤａ〜ＡＤｍにおいて重畳される。
【００３８】
この直流成分信号を含む高調波重畳信号１０１ａ〜１０１ｍは、アナログフィルタ２１０ａ〜２１０ｍを介してＡ／Ｄ変換手段２２０ａ〜２２０ｐに与えられてディジタル変換される。その後、ディジタルフィルタ２３０において、保護リレー演算、常時監視処理、Ａ／Ｄ変換手段の出力レベルの補正に用いられるデータが抽出され、順次バッファメモリ２４０に格納される。
【００３９】
ディジタルフィルタ２３０は、ｋ倍のオーバーサンプリングでＡ／Ｄ変換手段２２０ａ〜２２０ｐを動作させた場合、ｋサンプル移動平均化のディジタルフィルタとなり、タイミング制御回路１２０のディジタルフィルタ演算制御信号１２０ｂに従いディジタルフィルタ処理が実行される。図２を用いて後述するが、ディジタルフィルタ２３０は高調波重畳信号からｆｎ調波信号の抽出、直流成分信号の抽出、高調波信号と直流成分信号の除去するための機能を備えている。
【００４０】
ディジタルフィルタ２３０の出力データは、順次バッファメモリ２４０に格納される。バッファメモリ２４０への書き込み動作は、タイミング制御回路１２０からの書き込み信号及び書き込みアドレス信号１２０ｃに従う。Ａ／Ｄ変換手段２２０ａ〜２２０ｍとディジタルフィルタ２３０の動作タイミングは、オシレータ１３０をクロック源として基本サンプリング周波数ｆｓのそれぞれｏ倍で動作し、バッファメモリ２４０のデータ書き込みタイミングは基本サンプリング周波数ｆｓで動作し、それぞれの動作が同期するようにタイミング制御回路１２０で制御する。
【００４１】
バッファメモリ２４０にデータ書き込み後、タイミング制御回路１２０はＣＰＵ２６０にフィルタ処理及び保護演算開始信号を示す割込信号１２０ｄを出力する。
【００４２】
ＣＰＵ２６０は、タイミング制御回路１２０から繰り返し出力される割込信号１２０ｄに応答し、システムバス２５０を経由してバッファメモリ２４０からデータを読み出して、電力系統の信号に重畳する高調波信号及び、直流成分信号を除去するディジタルフィルタ処理と保護演算・シーケンス処理を行い、処理結果から入出力部３１０を介して、外部装置４１０に対し入出力制御を実行する。また、ディジタル保護制御装置の装置状態は通信部３２０を介し、インタフェース用ＰＣ４２０に通信される。
【００４３】
バッファメモリ２４０の読み書きはタイミング制御回路１２０からの信号に従い、システムバス２５０を通してＣＰＵ２６０や通信部３２０、入出力部３１０、メインメモリ３３０とやり取りできるものである。
【００４４】
上記の処理を通じてＣＰＵ２６０は、システムバス２５０を介して、入出力部３１０、通信部３２０、メインメモリ３３０、外部装置４１０、インタフェース用ＰＣ４２０などに接続され、保護リレー演算結果により外部装置４１０により電力系統の遮断器を開閉操作し、常時監視処理、Ａ／Ｄ変換手段の出力レベルの補正結果などとともにインタフェース用ＰＣ４２０の画面に表示する。なお、図１に示す構成要素は、１枚のプリント基板１０００に搭載される。
【００４５】
図２は、図１のディジタル保護制御装置の処理機能を示すフロー図である。この図を用いて、特にディジタルフィルタとＣＰＵで実施している処理を説明する。
【００４６】
図２によれば、まずステップＳ１１においてＡ／Ｄ変換手段２２０ａ〜２２０ｐの出力であるディジタル値Ｖ１〜Ｖｍを取り込む。取り込んだディジタル値Ｖ１〜Ｖｍを用いて、ディジタルフィルタ２３０において３つの処理を実行する。
【００４７】
第１の処理は、保護リレー演算に使用する信号を抽出することであり、電力系統の基本周波数成分のみを抽出する。例えば基準周波数が５０Ｈｚであれば、５０Ｈｚ以外の周波数成分を除去する。具体的にはステップＳ２１においてノイズ成分を除去し、ステップＳ２４において高調波成分を除去しステップＳ２５において直流成分を除去することで、電力系統の基本周波数成分のみを抽出する。なお、これらの一連の処理によって、加算回路ＡＤａ〜ＡＤｍを介して注入されたｆｎ高調波信号１１０ａと直流成分信号１００ａも除外されていることは言うまでもない。
【００４８】
ディジタルフィルタ２３０における第２の処理は、加算回路ＡＤａ〜ＡＤｍを介して注入した直流成分信号１００ａのみを再現する処理であり、ステップＳ２３において直流成分のみ導出する。尚、再現された直流成分は、オペアンプで構成されたアナログフィルタやＡ／Ｄ変換手段におけるゲイン特性の影響を受けていると考えられ、入力した０．５ボルトの大きさが変化していると考えられる。このため、直流成分の入力と出力の比を確認することで、回路のゲインが明確になる。
【００４９】
ディジタルフィルタ２３０における第３の処理は、加算回路ＡＤａ〜ＡＤｍを介して注入したｆｎ高調波信号１１０ａのみを再現する処理であり、ステップＳ２２においてｆｎ高調波成分のみ導出する。
【００５０】
尚、第２の処理に関し、具体的には以下のようにして実現することができる。直流成分検出処理（ステップＳ２３）では、ノイズ除去ディジタルフィルタ演算（ステップＳ２１）を介し、デシメーションによりサンプリング周波数ｆｓ２（４８００Ｈｚ）に変換されたディジタルデータからＡ／Ｄ変換手段の出力レベルの補正に用いる直流成分信号の抽出を行う。直流成分信号の抽出には例えばＦＦＴ演算（高速フーリエ変換）を行い抽出する。抽出した直流成分信号はＮサンプル分（今回の例ではＮ＝８）の移動平均化され、ＣＰＵ２６０内のゲイン演算（ステップＳ２７）で直流成分信号とされる。
【００５１】
ディジタルフィルタ２３０における以上の３つの処理は、要するにアナログ信号処理回路のハードウェア健全性の確認に用いるｆｎ高調波信号を導出すること（第３の処理）、Ａ／Ｄ変換手段の出力レベルを補正するために用いる直流成分信号を導出すること（第２の処理）、並びにディジタルデータから高調波信号や直流成分信号を除去して、電力系統信号のディジタルデータを生成すること（第１の処理）である。
【００５２】
次に、以上の検出あるいは演算の結果を受けて実行されるＣＰＵ２６０内での処理フローについて説明する。
【００５３】
まず、ゲイン演算（ステップＳ２７）では、直流成分検出（ステップＳ２３）により抽出した直流成分信号を用いて、アナログ信号処理回路の経年劣化や品質状態の判断を行い、出力ゲイン補正（ステップＳ２６）によりＡ／Ｄ変換手段の出力レベルの補正を行う。ゲイン演算（ステップＳ２７）と、出力ゲイン補正（ステップＳ２６）の手順について、図３を用いて詳述する。
【００５４】
図３ａは、ディジタルフィルタで例えばフーリエ変換により抽出した直流成分信号のゲイン特性例を示す図である。横軸に時間、縦軸に大きさを示したものであり、直流成分検出（ステップＳ２３）によって抽出した直流成分信号のゲイン値を示す。点線の基準ゲイン（１．０）に対して、実際の直流成分としては実線の大きさが検出されたものとする。この場合、ＣＰＵ２６０内で保護継電演算に使用するデータの大きさとしては、補正をかける必要がある。
【００５５】
この直流成分信号のゲイン値は、Ｎサンプル（今回の例ではＮ＝８）で移動平均化されたものであり、サンプリング周波数ｆｓ３（６００Ｈｚ）のタイミングで出力されゲイン演算（ステップＳ２７）で処理される。ゲイン演算（ステップＳ２７）では、１／６００（ｓ）毎に随時更新される直流成分信号のゲイン値に対し、予め設定された閾値と比較することで直流成分信号のゲイン値が正常かどうか判断を行う。なお、サンプリング周波数ｆｓ３が６００Ｈｚであるということは、交流電力系統の５０Ｈｚの電圧、電流に対して、その１周期ないで１２回のサンプリングを実行することを意味する。
【００５６】
ステップＳ３３では直流成分信号のゲイン値と閾値を比較し、閾値を越える場合には、ゲインが正常ではないので出力処理（ステップＳ２８）に移り、アナログ信号処理回路の経年劣化や品質状態の低下に応じた警報情報を、図１の通信部３２０を用いてインタフェース用ＰＣ４２０に出力する。閾値以内であれば正常と考えられるので出力ゲイン補正（ステップＳ２６）において、高調波除去ディジタルフィルタ演算（ステップＳ２４）と直流成分除去用ディジタルフィルタ演算（ステップＳ２５）を介したディジタル信号に対して出力レベルの補正を行う。
【００５７】
出力ゲイン補正（ステップＳ２６）では、高調波除去ディジタルフィルタ演算（ステップＳ２４）と直流成分除去用ディジタルフィルタ演算（ステップＳ２５）を介したディジタル信号をＳ、直流成分信号のゲインをＧ、出力レベルを補正したディジタル信号をＨ）Ｈ＝Ｓ／Ｇの計算式によってディジタル信号の出力レベルを補正する。
【００５８】
図３ｂは、高調波と直流成分を除去した後のディジタル信号を示す図である。ここでは説明の都合上、ディジタル信号を時間軸上にアナログの交流信号として表記している。本来の基準ゲインであれば点線の大きさに観測されるべきところ、実線が計測されている。
【００５９】
図３ｃは、上記した出力ゲイン補正（ステップＳ２５）によって、Ａ／Ｄ変換手段の出力レベルを補正したディジタル信号を示す図である。つまり、図３ａのゲインを、図３ｂの計測信号に対して補正することで、図３ｃのゲイン補正信号を得たことを示している。
【００６０】
図３ａ，ｂ，ｃでは、ゲインが時間経過に対して一定であることを前提に波形を示したが、実際には時間経過と共にゲイン変化すると考えられる。図３ｄ、ｅ、ｆは、ゲインが時系列的に変化（この場合には減衰が増大する方向への変化）するときの各部波形を示している。
【００６１】
図３ｄのように、直流成分信号のゲイン値が減衰していく場合には、例えば１／６００（ｓ）毎に随時更新される直流成分信号のゲイン値を用いて出力レベルの補正を行えば、図３ｅのように経年劣化や温度特性などによって随時変化するＡ／Ｄ変換手段の出力レベルの変化に対しても、図３ｆに示す図のように出力レベルの補正を行い、理想的なＡ／Ｄ変換手段の出力値を得ることが可能である。なお、図３ｄにおいて、ゲインが減衰した結果閾値を逸脱する場合には、図２のステップＳ２８において警告出力を行う。
【００６２】
また、ステップＳ３４において、アナログ信号処理回路やＣＰＵ等の常時監視不良時や、直流成分信号のゲイン値が閾値を越える場合に該当するかを判断し、この事態に該当する場合にはゲイン補正を中止（ステップＳ３３）し、出力ゲイン補正（ステップＳ２６）を行わないものとする。これにより、前記異常時には高調波除去ディジタルフィルタ演算（ステップＳ２４）と直流成分除去用ディジタルフィルタ演算（ステップＳ２５）を介したディジタル信号を用いてリレー演算（ステップＳ２９）を行うため、前記異常時のゲイン補正によってリレー演算（ステップＳ２９）に悪影響を与えないようにできる。
【００６３】
図４ａは、系統信号にｆｎ高調波信号と直流成分信号が重畳した波形例、図４ｂはディジタルフィルタで抽出したｆｎ高調波信号波形例、図４ｃは、ディジタルフィルタで抽出した直流成分信号波形例を各々示す。
【００６４】
図４ａは直流成分信号を含む高調波重畳信号１０１ａ〜１０１ｍがアナログフィルタ２１０ａ〜２１０ｍを介し、Ａ／Ｄ変換手段２２０ａ〜２２０ｐによりディジタル変換されたディジタル信号の波形、図４ｂはディジタルフィルタ２３０によって抽出したｆｎ高調波信号波形、図４Ｃはディジタルフィルタ２３０によって抽出した直流成分信号波形を示すものである。
【００６５】
図４ａでは電力系統から入力変換器（ＰＴ，ＣＴ）１０ａ〜１０ｍを通して変換された電圧信号に対し、ｆｎ高調波信号が重畳した様子と、直流成分信号がオフセット成分となって電圧信号に影響を与えている様子が示されている。図４ｂ、図４ｃは直流成分信号を含む高調波重畳信号からディジタルフィルタ２３０によって抽出したｆｎ高調波信号、直流成分信号が示されている。
【００６６】
ステップＳ２２において、ディジタルフィルタ２３０によって抽出したｆｎ高調波信号は、ステップＳ３０において実行地演算されてその信号レベルを導出し、ステップＳ３１において常時監視し、ステップＳ３２において出力処理がされることによりアナログ信号処置回路の健全性の判断に用いられる。
【００６７】
同じくディジタルフィルタ２３０のステップＳ２３において抽出した直流成分信号は、ステップＳ２７において直流成分信号１００ａのレベルと比較することでステップＳ２６のＡ／Ｄ変換手段の出力レベルの補正に用いられる。さらに、ステップＳ３３において、抽出した直流成分信号のレベルを常時監視しステップＳ２８において出力処理することでアナログ信号処理回路の経年劣化や品質状態の判断が可能となる。
【００６８】
次に図５ａを用いて、アナログ及びディジタルフィルタの構成とサンプリング周波数との関係を示す。この例では、アナログフィルタ２１０ａ〜２１０ｍ、Ａ／Ｄ変換手段２２０ａ〜２２０ｐ、ノイズ除去ディジタルフィルタ２１、デシメーション１、高調波除去ディジタルフィルタ２４、直流成分除去ディジタルフィルタ２５、デシメーション２がカスケードに接続されている。
【００６９】
Ａ／Ｄ変換手段２２０ａ〜２２０ｐとノイズ除去ディジタルフィルタ２１は、サンプリング周波数ｆｓ１（４８００Ｈｚ×ｋ）で動作し、デシメーション１により信号は１／ｋに間引かれ、高調波除去ディジタルフィルタと直流成分除去ディジタルフィルタ２５はサンプリング周波数ｆｓ２（４８００Ｈｚ）で動作する。
【００７０】
さらにデシメーション２により信号は１／８に間引かれ、ＣＰＵ６００による保護演算はサンプリング周波数ｆｓ３（６００Ｈｚ）で動作する。以上のｆｓ１、ｆｓ２及びｆｓ３のサンプリング周波数は電力系統の周波数が５０Ｈｚのときであり、６０Ｈｚの時は各々１．２倍となる。
【００７１】
図５ｂに、アナログフィルタ２１０ａ〜２１０ｍとノイズ除去ディジタルフィルタ２１の特性を示す。アナログフィルタ２１０ａ〜２１０ｍは、Ａ／Ｄ変換手段のサンプリング周波数ｆｓ１の折り返しノイズ領域を除去するためｆｓ１を基準に減衰させる特性となり、ディジタルフィルタは、次段のサンプリング周波数ｆｓ２の折り返しノイズ領域を除去するため、ｆｓ２を基準に減衰させる特性になっている。
【００７２】
図５ｃに、高調波除去ディジタルフィルタ２４の特性と直流成分除去ディジタルフィルタ２５の特性を示す。高調波除去ディジタルフィルタ２４と直流成分除去ディジタルフィルタ２５は、高調波信号と直流成分信号の除去と次段サンプリング周波数ｆｓ３の折り返しノイズ領域を除去するためｆｓ３を基準に減衰させる特性になっている。
【００７３】
このように、デシメーションを複数設けて多段階なサンプリングレートになる構成において、次段のサンプリングによる折り返しノイズを除去するために、フィルタは次段のサンプリング周波数を基準に減衰させる特性としている。
【００７４】
このように、Ａ／Ｄ変換器手段２２０ａ〜２２０ｐとノイズ除去ディジタルフィルタ２１は、基準サンプリング周波数ｆｓ２（４８００Ｈｚ）に対してｋ倍のオーバーサンプリング周波数ｆｓ１で動作させ、ノイズ除去ディジタルフィルタ２１の特性は、次段の基準サンプリング周波数ｆｓ２を基準にして折り返しノイズを除去する特性にする。
【００７５】
その結果、アナログフィルタ２１０ａ〜２１０ｍは、基準サンプリング周波数のｋ倍以上の周波数領域を減衰させればよいので穏やかな周波数特性にでき、部品バラツキや素子の劣化による特性変動は、基本波である５０Ｈｚ、６０Ｈｚにおいてほとんど発生しない。またアナログフィルタ２１０ａ〜２１０ｍは、遮断周波数が高いことから小容量なコンデンサを使用できる為に小型化が可能で、小型化に伴う高密度実装が可能となる。
【００７６】
また、直流成分信号生成１００で生成した直流成分信号１００ａは従来から備えるｆｎ高調波信号１１０ａや電力系統信号を入力変換器１０ａ〜１０ｍを通して変換した電圧信号に対して影響を与えない程度の電圧信号とし、検出したｆｎ調波はｆｎ実効値検出３０を介し、アナログフィルタ２１０ａ〜２１０ｍ以降のハードウェアの常時監視処理３１と異常出力処理３２機能を従来通り備えるものとする。
【符号の説明】
【００７７】
１０ａ〜１０ｍ：入力変換器
１００：直流成分信号生成
１００ａ：直流成分信号
１１０：ｆｎ高調波信号生成
１１０ａ：ｆｎ高調波信号
１０１ａ〜１０１ｍ：直流成分信号を含む高調波重畳信号
１２０：タイミング制御回路
１２０ａ：Ａ／Ｄ変換開始信号
１２０ｂ：ディジタルフィルタ演算制御信号
１２０ｃ：書き込み信号及び書き込みアドレス信号
１２０ｄ：演算開始信号
１３０：オシレータ
２１０ａ〜２１０ｍ：アナログフィルタ
２２０ａ〜２２０ｐ：Ａ／Ｄ変換手段
２３０：ディジタルフィルタ
２４０：バッファメモリ
２５０：システムバス
２６０：ＣＰＵ
３１０：入出力部
３２０：通信部
３３０：メインメモリ
４１０：外部装置
４２０：インターフェース用ＰＣ
１０００：プリント基板
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力系統を保護するディジタル保護制御装置に係り、特に入力したアナログ信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換手段を複数備えたディジタル保護制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ディジタル保護制御装置では、電力系統のアナログ信号をディジタルデータに変換し、このディジタルデータに対してディジタルフィルタ演算処理を行い、ディジタルフィルタ演算処理の結果得られたデータを基に保護リレー演算処理を行い、リレー演算処理結果を基に電力系統に設置された遮断器の開閉操作を行う。
【０００３】
係る機能の実現のために、従来のディジタル保護制御装置では、特許文献１に記載のように、信号入力部分に、アナログ入力部、折り返し誤差防止用のアナログフィルタ、サンプルホールド回路、マルチプレクサ、Ａ／Ｄ変換器及びバッファを備えている。そして、電力系統からの複数の入力信号をマルチプレクサにより所定周期で切り替え、所定周期毎にサンプルホールドされているアナログ信号をディジタルデータにＡ／Ｄ変換してディジタル信号処理する。
【０００４】
このように、特許文献１に記載の従来のディジタル保護制御装置では、要するに複数の入力に対して１つのＡ／Ｄ変換器を備え、マルチプレクサにより所定周期で切り替えてＡ／Ｄ変換を実施している。
【０００５】
しかし、マルチプレクサを用いた手法では、複数のアナログ入力に対して時分割で処理するため、Ａ／Ｄ変換のタイミングがアナログ入力チャンネル毎に異なることから保護制御演算に誤差が生じるという問題がある。
【０００６】
このため、特許文献２に記載のように、複数のアナログ信号を、複数備えたＡ／Ｄ変換手段を用いることで並列的にディジタルデータに変換する手法が提案されている。但し、特許文献２は一般の入力回路を記載したものであり、ディジタル保護制御装置を適用事例として記載されたものではない。
【０００７】
ところで、ディジタル保護制御装置の信号入力部分の健全性を判断する手法として、幾つかのものが知られている。
【０００８】
例えば特許文献３では、基本的に特許文献１のように構成された信号入力部分（１つのＡ／Ｄ変換器を備え、マルチプレクサにより所定周期で切り替えてＡ／Ｄ変換を実施）を備えるディジタル保護制御装置において、そのアナログ入力部に、外部生成した信号を含有させる手法を紹介している。具体的には、ｆｎ高調波信号をアナログ入力部に重畳させ、Ａ／Ｄ変換されたディジタル信号からディジタルフィルタを用いてｆｎ高調波信号を抽出し、抽出したｆｎ高調波信号を重畳させた信号と比較する。
【０００９】
特許文献４では、基本的に特許文献１のように構成された信号入力部分（１つのＡ／Ｄ変換器を備え、マルチプレクサにより所定周期で切り替えてＡ／Ｄ変換を実施）を備えるディジタル保護制御装置において、そのＡ／Ｄ変換手段の出力レベルを補正する。具体的には、アナログ信号処理回路に一般的に用いられているアナログフィルタ（オペアンプ）の出力側に重畳する直流成分をディジタル変換後の信号からディジタルフィルタを用いて抽出し、この抽出した直流成分をディジタル信号から減算する。
【００１０】
また特許文献５では、基本的に特許文献１のように構成された信号入力部分（１つのＡ／Ｄ変換器を備え、マルチプレクサにより所定周期で切り替えてＡ／Ｄ変換を実施）を備えるディジタル保護制御装置において、高精度発信器を用い入力変換器とマルチプレクサに基準信号を入力しアナログ信号処理回路を介し変換されたディジタル信号を基準信号と比較し、ディジタル信号のオフセット誤差、ゲイン誤差、位相誤差を調整する手法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開平７−３１２５５１号公報
【特許文献２】特開２００２−９４３７９号公報
【特許文献３】特開２００７−３１２５２５号公報
【特許文献４】特開２０００−３１２４３１号公報
【特許文献５】特開平９−１４９５３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明においては、ディジタル保護制御装置の入力部分を特許文献２の構成としたい。つまり、複数のＡ／Ｄ変換手段を備えて並列的にディジタルデータに変換する構成としたい。しかし、この場合にも解決すべき技術課題があり、それは複数備えたＡ／Ｄ変換手段の基板配置の違いや温度特性の違い、更にはＡ／Ｄ変換手段の特性のバラツキにより、Ａ／Ｄ変換手段の間の出力値に誤差が発生するという問題である。この誤差は、Ａ／Ｄ変換処理結果に基づいて行う保護制御演算結果が整定値に対して無視できないほど大きく、最悪の場合ディジタル保護制御装置の誤出力にいたるという可能性がある。
【００１３】
このＡ／Ｄ変換手段の間の出力値に誤差が発生するという問題は、１つのＡ／Ｄ変換手段を備えて切替使用する特許文献１、３，４，５には存在し得ない課題である。そのうえ、特許文献１、３，４，５に記載の手法を適用しても解決することができない問題である。
【００１４】
例えば、特許文献３に記載された手法では、高調波成分の周波数特性及びゲインが、オペアンプで構成されるアナログフィルタの影響で変化してしまう為、ディジタル信号から抽出したｆｎ高調波信号のレベルは小さくなり、アナログ信号処理回路の出力レベルの補正や品質や経年劣化などのハードウェア状態の判断材料に用いることができなかった。
【００１５】
特許文献４に記載の手法では、出力信号に重畳するオフセット分（直流成分）の補正は可能であるが、アナログフィルタや複数備えたＡ／Ｄ変換手段の間の出力レベルを補正することができなかった。
【００１６】
また、特許文献５に記載の手法では、試験調整の段階で最初の一回のみ調整するので、アナログフィルタやＡ／Ｄ変換手段の温度特性や経年劣化による変化が考慮されておらず、装置運用状態や外部環境の変化による特性の変化に随時対応した補正手段となっていなかった。
【００１７】
本発明の目的は、Ａ／Ｄ変換手段を複数備えて並列処理を実行するときに、夫々のＡ／Ｄ変換処理誤差を連続して補正することによりアナログ信号処理回路のオフセット誤差、ゲイン誤差を補正することが可能なディジタル保護制御装置を提供する。
【００１８】
また本発明の実施例による他の目的は、アナログ信号処理回路の経年劣化や品質（性能）の判断が可能なディジタル保護制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
前記目的を達成するために、本発明は電力系統から得たアナログ信号をフィルタリングする複数のアナログフィルタ手段と、該手段の後段に設けられアナログフィルタリングされた信号をディジタル信号に変換する複数のＡ／Ｄ変換手段と、Ａ／Ｄ変換手段からのディジタル信号をフィルタリングする複数のディジタルフィルタ手段とを備え、ディジタルフィルタ手段からのディジタル信号を用いて所定の保護継電演算アルゴリズムを実行するディジタル保護制御装置において、アナログフィルタ手段の前段に既知の大きさの直流信号を加え、Ａ／Ｄ変換手段からのディジタル信号に含まれる直流信号成分を抽出し、既知の大きさの直流信号と抽出した直流信号成分の値を用いて複数備えたＡ／Ｄ変換手段の出力を補正する機能を備えた。
【００２０】
また、Ａ／Ｄ変換手段の出力を補正する処理は、複数備えたＡ／Ｄ手段のそれぞれに対して実施される。
【００２１】
また、複数備えたＡ／Ｄ変換手段の出力を補正する処理は、既知の大きさの直流信号と抽出した直流信号成分が所定の閾値内にあるときに実行し、既知の大きさの直流信号と抽出した直流信号成分の値がかけ離れているときには実行しない。
【００２２】
また、既知の大きさの直流信号と抽出した直流信号成分の値がかけ離れているときには、所定の保護継電演算アルゴリズムの結果を利用しない。
【００２３】
また、Ａ／Ｄ変換手段の出力ゲイン補正は、アナログフィルタ手段とＡ／Ｄ変換手段とを含むアナログ信号処理回路の異常検出時には行わない。
【００２４】
また、ディジタルフィルタ手段は、高調波成分除去機能と直流成分除去機能を備えている。
【００２５】
また、アナログフィルタ手段の前段に高調波信号を加え、Ａ／Ｄ変換手段からのディジタル信号に含まれる高調波信号成分を抽出し、ハードウェアの異常を監視する。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、複数備えたＡ／Ｄ変換手段の出力を補正する機能及び、アナログ信号処理回路の経年劣化や品質状態の判断機能をそなえる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明のディジタル保護制御装置の一実施例を示すブロック構成図。
【図２】ディジタル保護制御装置の処理機能を示すフロー図。
【図３ａ】ディジタルフィルタで抽出した直流成分信号のゲイン特性例を示す図。
【図３ｂ】高調波と直流成分を除去した後のを介したディジタル信号を示す図。
【図３ｃ】ディジタル信号を補正した波形例を示す図。
【図３ｄ】減衰する直流成分信号のゲイン特性例を示す図。
【図３ｅ】ゲインが減衰するときのディジタル信号の波形例を示す図。
【図３ｆ】減衰したディジタル信号をゲイン補正した波形例を示す図。
【図４ａ】直流成分信号を含む高調波重畳信号のディジタル信号の波形例を示す図。
【図４ｂ】ディジタルフィルタで抽出したｆｎ高調波信号の波形例を示す図。
【図４ｃ】ディジタルフィルタで抽出した直流成分信号の波形例を示す図。
【図５ａ】アナログ及びディジタルフィルタとサンプリング周波数の関係を示す図。
【図５ｂ】アナログフィルタとノイズ除去ディジタルフィルタの周波数特性を示す図。
【図５ｃ】高調波除去ディジタルフィルタと直流成分除去ディジタルフィルタの周波数特性を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、図示した実施例に基づいて詳細に説明する。
【実施例】
【００２９】
図１は、本発明のディジタル保護制御装置の実施例を示すブロック構成図である。本発明のディジタル保護制御装置１０００では、大前提としてＡ／Ｄ変換手段を複数備えている。
【００３０】
ディジタル保護制御装置１０００には、図示せぬ保護対象電力系統の電流、電圧を電圧変成器ＰＴ，変流器ＣＴで検出した系統信号が、入力変換器１０ａ〜１０ｍにより電子回路で取り扱いやすい数Ｖの電圧信号に変換されて取り込まれている。また、取り込まれた数Ｖの電圧信号は、サンプリングによる折り返し防止用の複数のアナログフィルタ２１０ａ〜２１０ｍを介して、複数のＡ／Ｄ変換手段２２０ａ〜２２０ｐ（例えばマルチチャンネルＡ／Ｄ変換器）に取り込まれ、ディジタル信号に変換される。
【００３１】
なお、各アナログフィルタ２１０ａ〜２１０ｍは、サンプリング時の折り返し誤差を防止するために高周波領域を低減させるローパスフィルタ、例えば一次遅れ要素のローパスフィルタで構成されている。
【００３２】
各Ａ／Ｄ変換手段２２０ａ〜２２０ｐは、タイミング制御回路１２０からのＡ／Ｄ変換開始信号１２０ａに従い、各アナログフィルタ２１０ａ〜２１０ｍを通過した信号を同タイミングでディジタル化し、ディジタルデータをディジタルフィルタ２３０に出力する。ディジタルフィルタ２３０では、高調波成分と直流成分を除去するが、このことについては図５を用いて後述する。
【００３３】
本発明においては、Ａ／Ｄ変換手段を複数備えたうえで、更にＡ／Ｄ変換手段２２０ａ〜２２０ｐの前段に、既知の入力値を入力する。既知の入力値を入力する目的は、Ａ／Ｄ変換手段２２０ａ〜２２０ｐの出力ゲイン補正を行う為である。既知の入力とは、直流成分信号生成回路１００において生成させた直流成分信号１００ａ（例えば０．５Ｖ程度の電圧）であり、これを加算回路ＡＤａ〜ＡＤｍにおいて入力変換器１０ａ〜１０ｍの出力に加算し、各アナログフィルタ２１０ａ〜２１０ｍを介して、Ａ／Ｄ変換手段に既知の入力値として入力する。
【００３４】
なお、図１の実施例では、参考としてｆｎ（ｎ：高調波次数）高調波信号生成部１１０においてｆｎ高調波信号１１０ａを発生させ、これを加算回路ＡＤａ〜ＡＤｍにおいて入力変換器１０ａ〜１０ｍの出力に加算している。この回路手法は、特許文献３で紹介された手法であり、アナログフィルタ２１０ａ〜２１０ｍ以降のアナログ信号処理回路の健全性を確認するために従来から用いられているが、本発明で対策しようとしているＡ／Ｄ変換手段の出力ゲイン補正には効力を発揮し得ない。
【００３５】
特許文献３のｆｎ高調波信号が、本発明の目的とするＡ／Ｄ変換手段の出力ゲイン補正のための既知の入力として用いることができない理由は、高調波成分の周波数特性及びゲインがオペアンプで構成されるアナログフィルタ２１０ａ〜２１０ｍの影響で変化してしまうことにある。この為、ディジタル信号から抽出したｆｎ高調波信号のレベルが小さくなり、既知の入力に対して比較することができないからである。
【００３６】
これに対し、直流成分信号１００ａ（例えば０．５Ｖ程度の電圧）は、オペアンプで構成されるアナログフィルタによって周波数特性及びゲインが変化しないという特徴がある。このため、Ａ／Ｄ変換後のディジタル信号から抽出した直流成分信号と、直流成分信号生成回路１００で生成した直流成分信号１００ａの比較によってＡ／Ｄ変換手段の入出力レベルを知ることができ、Ａ／Ｄ変換手段の入出力レベルを用いてＡ／Ｄ変換手段の出力レベルの補正が可能となる。また。抽出した直流成分信号のレベルを常時監視することで、アナログ信号処理回路の経年劣化や品質（性能）の判断が可能となる。
【００３７】
直流成分信号生成部１００から生成される直流成分信号１００ａは、ｆｎ高調波信号生成部１１０から生成されるｆｎ高調波信号１１０ａと加算回路ＡＤ０において加算された後に、入力変換器１０ａ〜１０ｍにおいて変換された電力系統の電圧信号と加算回路ＡＤａ〜ＡＤｍにおいて重畳される。
【００３８】
この直流成分信号を含む高調波重畳信号１０１ａ〜１０１ｍは、アナログフィルタ２１０ａ〜２１０ｍを介してＡ／Ｄ変換手段２２０ａ〜２２０ｐに与えられてディジタル変換される。その後、ディジタルフィルタ２３０において、保護リレー演算、常時監視処理、Ａ／Ｄ変換手段の出力レベルの補正に用いられるデータが抽出され、順次バッファメモリ２４０に格納される。
【００３９】
ディジタルフィルタ２３０は、ｋ倍のオーバーサンプリングでＡ／Ｄ変換手段２２０ａ〜２２０ｐを動作させた場合、ｋサンプル移動平均化のディジタルフィルタとなり、タイミング制御回路１２０のディジタルフィルタ演算制御信号１２０ｂに従いディジタルフィルタ処理が実行される。図２を用いて後述するが、ディジタルフィルタ２３０は高調波重畳信号からｆｎ調波信号の抽出、直流成分信号の抽出、高調波信号と直流成分信号の除去するための機能を備えている。
【００４０】
ディジタルフィルタ２３０の出力データは、順次バッファメモリ２４０に格納される。バッファメモリ２４０への書き込み動作は、タイミング制御回路１２０からの書き込み信号及び書き込みアドレス信号１２０ｃに従う。Ａ／Ｄ変換手段２２０ａ〜２２０ｍとディジタルフィルタ２３０の動作タイミングは、オシレータ１３０をクロック源として基本サンプリング周波数ｆｓのそれぞれｏ倍で動作し、バッファメモリ２４０のデータ書き込みタイミングは基本サンプリング周波数ｆｓで動作し、それぞれの動作が同期するようにタイミング制御回路１２０で制御する。
【００４１】
バッファメモリ２４０にデータ書き込み後、タイミング制御回路１２０はＣＰＵ２６０にフィルタ処理及び保護演算開始信号を示す割込信号１２０ｄを出力する。
【００４２】
ＣＰＵ２６０は、タイミング制御回路１２０から繰り返し出力される割込信号１２０ｄに応答し、システムバス２５０を経由してバッファメモリ２４０からデータを読み出して、電力系統の信号に重畳する高調波信号及び、直流成分信号を除去するディジタルフィルタ処理と保護演算・シーケンス処理を行い、処理結果から入出力部３１０を介して、外部装置４１０に対し入出力制御を実行する。また、ディジタル保護制御装置の装置状態は通信部３２０を介し、インタフェース用ＰＣ４２０に通信される。
【００４３】
バッファメモリ２４０の読み書きはタイミング制御回路１２０からの信号に従い、システムバス２５０を通してＣＰＵ２６０や通信部３２０、入出力部３１０、メインメモリ３３０とやり取りできるものである。
【００４４】
上記の処理を通じてＣＰＵ２６０は、システムバス２５０を介して、入出力部３１０、通信部３２０、メインメモリ３３０、外部装置４１０、インタフェース用ＰＣ４２０などに接続され、保護リレー演算結果により外部装置４１０により電力系統の遮断器を開閉操作し、常時監視処理、Ａ／Ｄ変換手段の出力レベルの補正結果などとともにインタフェース用ＰＣ４２０の画面に表示する。なお、図１に示す構成要素は、１枚のプリント基板１０００に搭載される。
【００４５】
図２は、図１のディジタル保護制御装置の処理機能を示すフロー図である。この図を用いて、特にディジタルフィルタとＣＰＵで実施している処理を説明する。
【００４６】
図２によれば、まずステップＳ１１においてＡ／Ｄ変換手段２２０ａ〜２２０ｐの出力であるディジタル値Ｖ１〜Ｖｍを取り込む。取り込んだディジタル値Ｖ１〜Ｖｍを用いて、ディジタルフィルタ２３０において３つの処理を実行する。
【００４７】
第１の処理は、保護リレー演算に使用する信号を抽出することであり、電力系統の基本周波数成分のみを抽出する。例えば基準周波数が５０Ｈｚであれば、５０Ｈｚ以外の周波数成分を除去する。具体的にはステップＳ２１においてノイズ成分を除去し、ステップＳ２４において高調波成分を除去しステップＳ２５において直流成分を除去することで、電力系統の基本周波数成分のみを抽出する。なお、これらの一連の処理によって、加算回路ＡＤａ〜ＡＤｍを介して注入されたｆｎ高調波信号１１０ａと直流成分信号１００ａも除外されていることは言うまでもない。
【００４８】
ディジタルフィルタ２３０における第２の処理は、加算回路ＡＤａ〜ＡＤｍを介して注入した直流成分信号１００ａのみを再現する処理であり、ステップＳ２３において直流成分のみ導出する。尚、再現された直流成分は、オペアンプで構成されたアナログフィルタやＡ／Ｄ変換手段におけるゲイン特性の影響を受けていると考えられ、入力した０．５ボルトの大きさが変化していると考えられる。このため、直流成分の入力と出力の比を確認することで、回路のゲインが明確になる。
【００４９】
ディジタルフィルタ２３０における第３の処理は、加算回路ＡＤａ〜ＡＤｍを介して注入したｆｎ高調波信号１１０ａのみを再現する処理であり、ステップＳ２２においてｆｎ高調波成分のみ導出する。
【００５０】
尚、第２の処理に関し、具体的には以下のようにして実現することができる。直流成分検出処理（ステップＳ２３）では、ノイズ除去ディジタルフィルタ演算（ステップＳ２１）を介し、デシメーションによりサンプリング周波数ｆｓ２（４８００Ｈｚ）に変換されたディジタルデータからＡ／Ｄ変換手段の出力レベルの補正に用いる直流成分信号の抽出を行う。直流成分信号の抽出には例えばＦＦＴ演算（高速フーリエ変換）を行い抽出する。抽出した直流成分信号はＮサンプル分（今回の例ではＮ＝８）の移動平均化され、ＣＰＵ２６０内のゲイン演算（ステップＳ２７）で直流成分信号とされる。
【００５１】
ディジタルフィルタ２３０における以上の３つの処理は、要するにアナログ信号処理回路のハードウェア健全性の確認に用いるｆｎ高調波信号を導出すること（第３の処理）、Ａ／Ｄ変換手段の出力レベルを補正するために用いる直流成分信号を導出すること（第２の処理）、並びにディジタルデータから高調波信号や直流成分信号を除去して、電力系統信号のディジタルデータを生成すること（第１の処理）である。
【００５２】
次に、以上の検出あるいは演算の結果を受けて実行されるＣＰＵ２６０内での処理フローについて説明する。
【００５３】
まず、ゲイン演算（ステップＳ２７）では、直流成分検出（ステップＳ２３）により抽出した直流成分信号を用いて、アナログ信号処理回路の経年劣化や品質状態の判断を行い、出力ゲイン補正（ステップＳ２６）によりＡ／Ｄ変換手段の出力レベルの補正を行う。ゲイン演算（ステップＳ２７）と、出力ゲイン補正（ステップＳ２６）の手順について、図３を用いて詳述する。
【００５４】
図３ａは、ディジタルフィルタで例えばフーリエ変換により抽出した直流成分信号のゲイン特性例を示す図である。横軸に時間、縦軸に大きさを示したものであり、直流成分検出（ステップＳ２３）によって抽出した直流成分信号のゲイン値を示す。点線の基準ゲイン（１．０）に対して、実際の直流成分としては実線の大きさが検出されたものとする。この場合、ＣＰＵ２６０内で保護継電演算に使用するデータの大きさとしては、補正をかける必要がある。
【００５５】
この直流成分信号のゲイン値は、Ｎサンプル（今回の例ではＮ＝８）で移動平均化されたものであり、サンプリング周波数ｆｓ３（６００Ｈｚ）のタイミングで出力されゲイン演算（ステップＳ２７）で処理される。ゲイン演算（ステップＳ２７）では、１／６００（ｓ）毎に随時更新される直流成分信号のゲイン値に対し、予め設定された閾値と比較することで直流成分信号のゲイン値が正常かどうか判断を行う。なお、サンプリング周波数ｆｓ３が６００Ｈｚであるということは、交流電力系統の５０Ｈｚの電圧、電流に対して、その１周期ないで１２回のサンプリングを実行することを意味する。
【００５６】
ステップＳ３３では直流成分信号のゲイン値と閾値を比較し、閾値を越える場合には、ゲインが正常ではないので出力処理（ステップＳ２８）に移り、アナログ信号処理回路の経年劣化や品質状態の低下に応じた警報情報を、図１の通信部３２０を用いてインタフェース用ＰＣ４２０に出力する。閾値以内であれば正常と考えられるので出力ゲイン補正（ステップＳ２６）において、高調波除去ディジタルフィルタ演算（ステップＳ２４）と直流成分除去用ディジタルフィルタ演算（ステップＳ２５）を介したディジタル信号に対して出力レベルの補正を行う。
【００５７】
出力ゲイン補正（ステップＳ２６）では、高調波除去ディジタルフィルタ演算（ステップＳ２４）と直流成分除去用ディジタルフィルタ演算（ステップＳ２５）を介したディジタル信号をＳ、直流成分信号のゲインをＧ、出力レベルを補正したディジタル信号をＨ）Ｈ＝Ｓ／Ｇの計算式によってディジタル信号の出力レベルを補正する。
【００５８】
図３ｂは、高調波と直流成分を除去した後のディジタル信号を示す図である。ここでは説明の都合上、ディジタル信号を時間軸上にアナログの交流信号として表記している。本来の基準ゲインであれば点線の大きさに観測されるべきところ、実線が計測されている。
【００５９】
図３ｃは、上記した出力ゲイン補正（ステップＳ２５）によって、Ａ／Ｄ変換手段の出力レベルを補正したディジタル信号を示す図である。つまり、図３ａのゲインを、図３ｂの計測信号に対して補正することで、図３ｃのゲイン補正信号を得たことを示している。
【００６０】
図３ａ，ｂ，ｃでは、ゲインが時間経過に対して一定であることを前提に波形を示したが、実際には時間経過と共にゲイン変化すると考えられる。図３ｄ、ｅ、ｆは、ゲインが時系列的に変化（この場合には減衰が増大する方向への変化）するときの各部波形を示している。
【００６１】
図３ｄのように、直流成分信号のゲイン値が減衰していく場合には、例えば１／６００（ｓ）毎に随時更新される直流成分信号のゲイン値を用いて出力レベルの補正を行えば、図３ｅのように経年劣化や温度特性などによって随時変化するＡ／Ｄ変換手段の出力レベルの変化に対しても、図３ｆに示す図のように出力レベルの補正を行い、理想的なＡ／Ｄ変換手段の出力値を得ることが可能である。なお、図３ｄにおいて、ゲインが減衰した結果閾値を逸脱する場合には、図２のステップＳ２８において警告出力を行う。
【００６２】
また、ステップＳ３４において、アナログ信号処理回路やＣＰＵ等の常時監視不良時や、直流成分信号のゲイン値が閾値を越える場合に該当するかを判断し、この事態に該当する場合にはゲイン補正を中止（ステップＳ３３）し、出力ゲイン補正（ステップＳ２６）を行わないものとする。これにより、前記異常時には高調波除去ディジタルフィルタ演算（ステップＳ２４）と直流成分除去用ディジタルフィルタ演算（ステップＳ２５）を介したディジタル信号を用いてリレー演算（ステップＳ２９）を行うため、前記異常時のゲイン補正によってリレー演算（ステップＳ２９）に悪影響を与えないようにできる。
【００６３】
図４ａは、系統信号にｆｎ高調波信号と直流成分信号が重畳した波形例、図４ｂはディジタルフィルタで抽出したｆｎ高調波信号波形例、図４ｃは、ディジタルフィルタで抽出した直流成分信号波形例を各々示す。
【００６４】
図４ａは直流成分信号を含む高調波重畳信号１０１ａ〜１０１ｍがアナログフィルタ２１０ａ〜２１０ｍを介し、Ａ／Ｄ変換手段２２０ａ〜２２０ｐによりディジタル変換されたディジタル信号の波形、図４ｂはディジタルフィルタ２３０によって抽出したｆｎ高調波信号波形、図４Ｃはディジタルフィルタ２３０によって抽出した直流成分信号波形を示すものである。
【００６５】
図４ａでは電力系統から入力変換器（ＰＴ，ＣＴ）１０ａ〜１０ｍを通して変換された電圧信号に対し、ｆｎ高調波信号が重畳した様子と、直流成分信号がオフセット成分となって電圧信号に影響を与えている様子が示されている。図４ｂ、図４ｃは直流成分信号を含む高調波重畳信号からディジタルフィルタ２３０によって抽出したｆｎ高調波信号、直流成分信号が示されている。
【００６６】
ステップＳ２２において、ディジタルフィルタ２３０によって抽出したｆｎ高調波信号は、ステップＳ３０において実行地演算されてその信号レベルを導出し、ステップＳ３１において常時監視し、ステップＳ３２において出力処理がされることによりアナログ信号処置回路の健全性の判断に用いられる。
【００６７】
同じくディジタルフィルタ２３０のステップＳ２３において抽出した直流成分信号は、ステップＳ２７において直流成分信号１００ａのレベルと比較することでステップＳ２６のＡ／Ｄ変換手段の出力レベルの補正に用いられる。さらに、ステップＳ３３において、抽出した直流成分信号のレベルを常時監視しステップＳ２８において出力処理することでアナログ信号処理回路の経年劣化や品質状態の判断が可能となる。
【００６８】
次に図５ａを用いて、アナログ及びディジタルフィルタの構成とサンプリング周波数との関係を示す。この例では、アナログフィルタ２１０ａ〜２１０ｍ、Ａ／Ｄ変換手段２２０ａ〜２２０ｐ、ノイズ除去ディジタルフィルタ２１、デシメーション１、高調波除去ディジタルフィルタ２４、直流成分除去ディジタルフィルタ２５、デシメーション２がカスケードに接続されている。
【００６９】
Ａ／Ｄ変換手段２２０ａ〜２２０ｐとノイズ除去ディジタルフィルタ２１は、サンプリング周波数ｆｓ１（４８００Ｈｚ×ｋ）で動作し、デシメーション１により信号は１／ｋに間引かれ、高調波除去ディジタルフィルタと直流成分除去ディジタルフィルタ２５はサンプリング周波数ｆｓ２（４８００Ｈｚ）で動作する。
【００７０】
さらにデシメーション２により信号は１／８に間引かれ、ＣＰＵ６００による保護演算はサンプリング周波数ｆｓ３（６００Ｈｚ）で動作する。以上のｆｓ１、ｆｓ２及びｆｓ３のサンプリング周波数は電力系統の周波数が５０Ｈｚのときであり、６０Ｈｚの時は各々１．２倍となる。
【００７１】
図５ｂに、アナログフィルタ２１０ａ〜２１０ｍとノイズ除去ディジタルフィルタ２１の特性を示す。アナログフィルタ２１０ａ〜２１０ｍは、Ａ／Ｄ変換手段のサンプリング周波数ｆｓ１の折り返しノイズ領域を除去するためｆｓ１を基準に減衰させる特性となり、ディジタルフィルタは、次段のサンプリング周波数ｆｓ２の折り返しノイズ領域を除去するため、ｆｓ２を基準に減衰させる特性になっている。
【００７２】
図５ｃに、高調波除去ディジタルフィルタ２４の特性と直流成分除去ディジタルフィルタ２５の特性を示す。高調波除去ディジタルフィルタ２４と直流成分除去ディジタルフィルタ２５は、高調波信号と直流成分信号の除去と次段サンプリング周波数ｆｓ３の折り返しノイズ領域を除去するためｆｓ３を基準に減衰させる特性になっている。
【００７３】
このように、デシメーションを複数設けて多段階なサンプリングレートになる構成において、次段のサンプリングによる折り返しノイズを除去するために、フィルタは次段のサンプリング周波数を基準に減衰させる特性としている。
【００７４】
このように、Ａ／Ｄ変換器手段２２０ａ〜２２０ｐとノイズ除去ディジタルフィルタ２１は、基準サンプリング周波数ｆｓ２（４８００Ｈｚ）に対してｋ倍のオーバーサンプリング周波数ｆｓ１で動作させ、ノイズ除去ディジタルフィルタ２１の特性は、次段の基準サンプリング周波数ｆｓ２を基準にして折り返しノイズを除去する特性にする。
【００７５】
その結果、アナログフィルタ２１０ａ〜２１０ｍは、基準サンプリング周波数のｋ倍以上の周波数領域を減衰させればよいので穏やかな周波数特性にでき、部品バラツキや素子の劣化による特性変動は、基本波である５０Ｈｚ、６０Ｈｚにおいてほとんど発生しない。またアナログフィルタ２１０ａ〜２１０ｍは、遮断周波数が高いことから小容量なコンデンサを使用できる為に小型化が可能で、小型化に伴う高密度実装が可能となる。
【００７６】
また、直流成分信号生成１００で生成した直流成分信号１００ａは従来から備えるｆｎ高調波信号１１０ａや電力系統信号を入力変換器１０ａ〜１０ｍを通して変換した電圧信号に対して影響を与えない程度の電圧信号とし、検出したｆｎ調波はｆｎ実効値検出３０を介し、アナログフィルタ２１０ａ〜２１０ｍ以降のハードウェアの常時監視処理３１と異常出力処理３２機能を従来通り備えるものとする。
【符号の説明】
【００７７】
１０ａ〜１０ｍ：入力変換器
１００：直流成分信号生成
１００ａ：直流成分信号
１１０：ｆｎ高調波信号生成
１１０ａ：ｆｎ高調波信号
１０１ａ〜１０１ｍ：直流成分信号を含む高調波重畳信号
１２０：タイミング制御回路
１２０ａ：Ａ／Ｄ変換開始信号
１２０ｂ：ディジタルフィルタ演算制御信号
１２０ｃ：書き込み信号及び書き込みアドレス信号
１２０ｄ：演算開始信号
１３０：オシレータ
２１０ａ〜２１０ｍ：アナログフィルタ
２２０ａ〜２２０ｐ：Ａ／Ｄ変換手段
２３０：ディジタルフィルタ
２４０：バッファメモリ
２５０：システムバス
２６０：ＣＰＵ
３１０：入出力部
３２０：通信部
３３０：メインメモリ
４１０：外部装置
４２０：インターフェース用ＰＣ
１０００：プリント基板
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力系統から得たアナログ信号をフィルタリングする複数のアナログフィルタ手段と、該手段の後段に設けられアナログフィルタリングされた信号をディジタル信号に変換する複数のＡ／Ｄ変換手段と、該Ａ／Ｄ変換手段からのディジタル信号をフィルタリングする複数のディジタルフィルタ手段とを備え、ディジタルフィルタ手段からのディジタル信号を用いて所定の保護継電演算アルゴリズムを実行するディジタル保護制御装置において、
前記アナログフィルタ手段の前段に既知の大きさの直流信号を加え、前記Ａ／Ｄ変換手段からのディジタル信号に含まれる直流信号成分を抽出し、既知の大きさの直流信号と抽出した直流信号成分の値を用いて複数備えたＡ／Ｄ変換手段の出力を補正する機能を備えたことを特徴とするディジタル保護制御装置。
【請求項２】
請求項１記載のディジタル保護制御装置において、
前記Ａ／Ｄ変換手段の出力を補正する処理は、複数備えたＡ／Ｄ手段のそれぞれに対して実施されることを特徴とするディジタル保護制御装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載のディジタル保護制御装置において、
複数備えたＡ／Ｄ変換手段の出力を補正する処理は、既知の大きさの直流信号と抽出した直流信号成分が所定の閾値内にあるときに実行し、既知の大きさの直流信号と抽出した直流信号成分の値がかけ離れているときには実行しないことを特徴とするディジタル保護制御装置。
【請求項４】
請求項３記載のディジタル保護制御装置において、
既知の大きさの直流信号と抽出した直流信号成分の値がかけ離れているときには、所定の保護継電演算アルゴリズムの結果を利用しないことを特徴とするディジタル保護制御装置。
【請求項５】
請求項３または請求項４記載のディジタル保護制御装置において、
前記Ａ／Ｄ変換手段の出力ゲイン補正は、アナログフィルタ手段とＡ／Ｄ変換手段とを含むアナログ信号処理回路の異常検出時には行わないことを特徴とするディジタル保護制御装置。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれかに記載のディジタル保護制御装置において、
ディジタルフィルタ手段は、高調波成分除去機能と直流成分除去機能を備えていることを特徴とするディジタル保護制御装置。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれかに記載のディジタル保護制御装置において、
前記アナログフィルタ手段の前段に高調波信号を加え、前記Ａ／Ｄ変換手段からのディジタル信号に含まれる高調波信号成分を抽出し、ハードウェアの異常を監視することを特徴とするディジタル保護制御装置。
【請求項１】
電力系統から得たアナログ信号をフィルタリングする複数のアナログフィルタ手段と、該手段の後段に設けられアナログフィルタリングされた信号をディジタル信号に変換する複数のＡ／Ｄ変換手段と、該Ａ／Ｄ変換手段からのディジタル信号をフィルタリングする複数のディジタルフィルタ手段とを備え、ディジタルフィルタ手段からのディジタル信号を用いて所定の保護継電演算アルゴリズムを実行するディジタル保護制御装置において、
前記アナログフィルタ手段の前段に既知の大きさの直流信号を加え、前記Ａ／Ｄ変換手段からのディジタル信号に含まれる直流信号成分を抽出し、既知の大きさの直流信号と抽出した直流信号成分の値を用いて複数備えたＡ／Ｄ変換手段の出力を補正する機能を備えたことを特徴とするディジタル保護制御装置。
【請求項２】
請求項１記載のディジタル保護制御装置において、
前記Ａ／Ｄ変換手段の出力を補正する処理は、複数備えたＡ／Ｄ手段のそれぞれに対して実施されることを特徴とするディジタル保護制御装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載のディジタル保護制御装置において、
複数備えたＡ／Ｄ変換手段の出力を補正する処理は、既知の大きさの直流信号と抽出した直流信号成分が所定の閾値内にあるときに実行し、既知の大きさの直流信号と抽出した直流信号成分の値がかけ離れているときには実行しないことを特徴とするディジタル保護制御装置。
【請求項４】
請求項３記載のディジタル保護制御装置において、
既知の大きさの直流信号と抽出した直流信号成分の値がかけ離れているときには、所定の保護継電演算アルゴリズムの結果を利用しないことを特徴とするディジタル保護制御装置。
【請求項５】
請求項３または請求項４記載のディジタル保護制御装置において、
前記Ａ／Ｄ変換手段の出力ゲイン補正は、アナログフィルタ手段とＡ／Ｄ変換手段とを含むアナログ信号処理回路の異常検出時には行わないことを特徴とするディジタル保護制御装置。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれかに記載のディジタル保護制御装置において、
ディジタルフィルタ手段は、高調波成分除去機能と直流成分除去機能を備えていることを特徴とするディジタル保護制御装置。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれかに記載のディジタル保護制御装置において、
前記アナログフィルタ手段の前段に高調波信号を加え、前記Ａ／Ｄ変換手段からのディジタル信号に含まれる高調波信号成分を抽出し、ハードウェアの異常を監視することを特徴とするディジタル保護制御装置。
【図１】
【図２】
【図３ａ】
【図３ｂ】
【図３ｃ】
【図３ｄ】
【図３ｅ】
【図３ｆ】
【図４ａ】
【図４ｂ】
【図４ｃ】
【図５ａ】
【図５ｂ】
【図５ｃ】
【図２】
【図３ａ】
【図３ｂ】
【図３ｃ】
【図３ｄ】
【図３ｅ】
【図３ｆ】
【図４ａ】
【図４ｂ】
【図４ｃ】
【図５ａ】
【図５ｂ】
【図５ｃ】
【公開番号】特開２０１２−２２２８４６（Ｐ２０１２−２２２８４６Ａ）
【公開日】平成２４年１１月１２日（２０１２．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−８２５７２（Ｐ２０１１−８２５７２）
【出願日】平成２３年４月４日（２０１１．４．４）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月１２日（２０１２．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月４日（２０１１．４．４）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
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