JP5600543B2 - ディジタル保護継電装置 - Google Patents

Description

本発明は、ディジタル保護継電装置に係り、特にＣ＋＋言語を用いて構成されたディジタル保護継電装置に関する

電力系統に発生する故障、いわゆる短絡、地絡故障等に対しては、電力系統を形成する送電線、変圧器、母線、発電機といった要素ごとに設置された保護継電装置が、その守備範囲内に発生した故障に対して動作し、当該の故障点を含む区間を遮断器の引き外しにより、残りの健全な電力系統から切り離しすることで、故障の除去が行われている。

係る保護継電装置としては、現在は、系統の電流、電圧情報をＡ／Ｄ変換し、ソフトウェア処理によって、系統故障を判別するアルゴリズムを実現したディジタル装置で構成したものが主流となっている。

ディジタル保護継電装置の概略について述べると、特高向けのディジタル保護継電装置では、電力系統の電流、電圧情報を電気角３０度や、高速なものでは３．７５度といった周期でサンプリングし、いわゆるリレー演算を実施し、系統の故障を検出する。さらに、機器の状態や他装置の状態等の入力条件及び、いくつかのリレー演算結果の組み合わせにより構成されるシーケンスロジックを実施し、最終的な引き外し指令、いわゆるトリップ指令を出力する。

このとき装置は、装置画面に動作内容として系統故障の種類、動作したリレー要素を表示すると同時に、通信やディジタル出力の接点渡しで遠方に通知する機能を有している。ディジタル保護継電装置は、ソフトウェアによってこれらの処理を実施するため、多種多様な装置ごとにソフトウェアの実装が必要となり、これらの品質管理の向上が不可欠である。

特許文献１は、上記の機能を有するディジタル保護継電装置を構成するに当り、既に作成されているプログラムモジュールからディジタル保護継電装置のプログラムを自動作成し、そのときにプログラミング言語として例えばＣ言語を使用する。

特開２００５−３５４８５７号公報

ディジタル保護継電装置には多種多様なリレー要素が組み込まれ、その総合的な動作状況により最終的な保護が決定される。ここで、多種多様としたのは、基本的なリレー要素（リレー機能）としては十数個程度であるが、実装するときには各種の付帯機能の追加、保護対象設備で定まる条件変更などによる改変に対して対応せねばならず、変形例が多数に上ることによる。

このため、これまでは、リレー要素の追加、変更の度に、ソフトウェアの実行処理を追加修正する必要があった。このため、基本的なリレー要素（リレー機能）としては実績のあるリレーモジュール（Ｃ言語記述の場合は関数）であっても、その改変部分による影響範囲が限定しにくく、結局は改変されたリレー要素全体としての機能試験を実施することになり、試験工数の増大につながっていた。

本発明は、以上の問題点に鑑み、多種多様なリレー要素の実装を簡便に行うことを目的とするものである。

本発明のディジタル保護継電装置は、電力系統の電流、電圧情報を取り込んで故障判定するリレーモジュールを複数備えて保護出力を与え、
リレーモジュールは、Ｃ＋＋言語で記述され、全て共通の基底クラスを継承し、演算に必要な変数はクラスのメンバとしておき、外部のモジュールから変更しない構成とし、
共通の基底クラスには、初期化用の関数、整定変更時用の関数、リレー演算用の関数を、仮想関数としておくとともに、基底クラスのポインタと初期化に必要なパラメータを１つのグループとした構造体を定義し、
構造体で定義したデータテーブルを作成し、初期化時、整定変更時、リレー演算実行時はこのテーブルを参照し、各オブジェクトのメンバ関数をコールする。

また、一部のパラメータのみ変更し、異なる特性のリレーモジュールを作成する場合は多重継承し、必要なメンバ関数、メンバ変数のみを追記する。

また、データテーブルには演算終了用の終端としてＮＵＬＬポインタを挿入する。

（１）データテーブルを変更するだけでリレーの実装を変更することが可能である。
（２）演算実行部のプログラムは直接変更する必要が無いので、性能が安定である。
（３）リレーモジュール毎にはデータの干渉当は発生しないので、実績のあるモジュールは、データの接続のみをチェックすればよい。

ＲＯＭで構成されたプログラム記憶部の記憶内容を示す図。 一般的なディジタル保護継電装置の概略装置構成を示す図。 プログラム記憶部に記憶された実行部プログラムを示す図。 プログラム記憶部に記憶されたオブジェクト参照テーブルを示す図。 プログラム記憶部に記憶されたリレーモジュールを示す図。 初期化処理で１つのリレー要素設定するパラメータの例を示す図。 図６のプログラムコードの例を示す図。 リレー演算の処理のフロー図を示す図。 プログラムの例を示す図。 多重継承していく場合の例を示した図。

以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。

図２は、本発明の適用される一般的なディジタル保護継電装置の概略装置構成を示している。なお、ディジタル保護継電装置の中には通信系等を備えて相手端子との間で電流、電圧信号の送受信を行う形式のもの、あるいは保護継電演算部分が主検出要素と、事故検出要素に分かれているものなど、幾つかの構成のものがあるが、そのいずれのものであっても、基本的には図２の構成を備えるものである。

図２において保護継電装置１００は、システムバス９０に接続された演算処理部１０、プログラム記憶部２０、データ記憶部３０、整定値記憶部４０、Ａ／Ｄ変換データメモリ５０及び外部インタフェイス６０から構成されている。

電力系統からの電流や電圧のアナログ信号は、アナログ／ディジタル変換器２００により、ディジタル信号に変換される。アナログ／ディジタル変換器２００は、所定のサンプリングタイミング毎に、入力する電流や電圧のアナログ信号を、ディジタル信号に変換する。サンプリングタイミングは、例えば電気角３０度ごとである。Ａ／Ｄ変換されたデータは、逐次Ａ／Ｄ変換データメモリ５０に書き込まれる。Ａ／Ｄ変換データメモリ５０は、一時的なデータの記憶部であり、ＲＡＭを使用している。

演算処理部１０は、Ａ／Ｄ変換データメモリ５０に複数のデータが記憶されたタイミングで、Ａ／Ｄ変換データメモリ５０に記憶されたデータを読み出し、読み出したデータを、システムバス９０を介してデータ記憶部３０に転送する。例えば、アナログ／ディジタル変換器２００に入力するアナログ信号として、Ａ相、Ｂ相、Ｃ相の３相及び零相の電流信号及びＡ相、Ｂ相、Ｃ相の３相及び零相の電圧信号の８種類の信号が入力される場合には、この８チャネル分のデータがＡ／Ｄ変換データメモリ５０に記憶された後、これらのデータを一括して読み出し、転送する。

データ記憶部３０は、書き込み及び読み出しが自由に行うことができるディジタルデータの記憶部である。データ記憶部３０には、上記したようにＡ／Ｄ変換データメモリ５０に一時記憶された電流や電圧のデータが記憶される他に、保護継電装置としての保護演算を実行する際のデータも一時記憶される。記憶素子としてはＲＡＭが使用される。

プログラム記憶部２０には、演算処理部１０で演算処理を行う手順（プログラム）が記憶されている。リレー特性を実現する為の処理内容が演算処理手順として、１ステップごとに、プログラム記憶部２０に記憶されている。ディジタルリレー製作時に書き込んだ演算処理手順を半永久的に保存する必要があるため、記憶素子としてはＲＯＭが使用される。

整定値記憶部４０には、ディジタルリレーとして動作する条件である各リレー要素の整定値が記憶されている。整定値は、図示せぬマンマシンインタフェイスから入力され、整定値記憶部４０に記憶されている。整定値は、リレー使用者が容易に書き換え可能であると共に、電源を切っても内容が安全に保持されるようにする必要があるため、電気的に書き換え可能なＲＯＭ（ＥＥＰＲＯＭ）が記憶素子として使用される。

外部インタフェイス６０は、ディジタルリレーの異常検出信号接点や事故検出信号接点などの機器情報を取り込んで、システムバス９０を介して、演算処理部１０に転送したり、また演算処理部における演算処理の結果に基づいて、リレー動作時に、外部の遮断器などに引き外し指令などの制御指令を出力する。

一般的なディジタル保護継電装置は、概略以上のように装置構成されており、電力系統からの電流や電圧のアナログ信号は、アナログ／ディジタル変換器２００により、ディジタル信号に変換され、変換されたデータは、逐次、Ａ／Ｄ変換データメモリ５０に書き込まれる。演算処理部１０は、Ａ／Ｄ変換データメモリ５０に書き込まれたデータを読み出し、読み出したデータを、システムバス９０を介してデータ記憶部３０に転送する。

演算処理部１０は、プログラム記憶部２０に記憶された実行処理内容に従って、データ記憶部３０に記憶された電力系統の電流、電圧データを読み出し、整定値記憶部４０に記憶されたディジタルリレーとして動作する条件である各リレー要素の整定条件に基づいて、電力系統の状態を判断し、整定条件を満たすときにはリレーを動作させ、外部インタフェイス６０を介して外部の遮断器などに引き外し指令を出力する。

係る保護継電装置の各種の記憶部２０，３０，４０、あるいはメモリ５０に記憶されている内容について検討すると、各リレー要素の演算処理を行う手順（プログラム）と、このプログラムで使用するデータ、整定値に分類される。前者がＲＯＭで構成されたプログラム記憶部に収納され、後者が書き換え可能なＲＡＭやＥＥＰＲＯＭで構成されたデータ記憶部３０、整定値記憶部４０に収納されている。

本発明においては、前者を第１の記憶部Ｍ１、後者を便宜上第２の記憶部Ｍ２とし、それぞれ、記憶内容、記憶形式を以下のように定めている。

まず、第１の記憶部Ｍ１は、各リレー要素の演算処理を行う手順（プログラム）を記憶しており、ＲＯＭで構成されたプログラム記憶部２０に該当し、図１の３つの機能から構成される。

図１の第１の記憶部Ｍ１の３つの機能は、図３に一例を示す実行部プログラムと、図４に一例を示すオブジェクト参照テーブル、図５に一例を示すリレーモジュールである。

このうち、まず図５のリレーモジュールは、各リレー要素の演算処理を行う手順（プログラム）を記憶した部分であり、ここでは保護継電装置として、不足電圧継電器２７、過電流継電器５１、地絡過電圧継電器６４、差動継電器８７を使用するものとする。また、差動継電器８７としては、Ａ相、Ｂ相、Ｃ相の各相の差動継電器８７Ａ，８７Ｂ，８７Ｃを使用するものとする。

リレーモジュールは、Ｃ＋＋言語で記述する。また、リレーモジュールは、全て共通のリレー基底クラスＣ１を継承するようにする。共通の基底クラスＣ１は、保護リレーといった概念で纏められ、共通のリレー基底クラスＣ１には、初期化用の関数、整定変更時用の関数、リレー演算用の関数を、仮想関数（ｖｉｒｔｕａｌ ｆｕｎｃｔｉｏｎ）としておく。

共通のリレー基底クラスＣ１を継承したサブクラスＣ２には、不足電圧継電器２７、過電流継電器５１、地絡過電圧継電器６４、差動継電器８７のリレーモジュールが位置づけられる。また、例えば単相の差動継電器８７に対して、電圧抑制機能付きの単相の差動継電器８７を実現する場合には、サブクラスＣ２の差動継電器８７に電圧抑制機能を付加した派生クラスＣ３として位置づけられる。また、三相の差動継電器８７を実現する場合には、Ａ相、Ｂ相、Ｃ相の各相の差動継電器８７Ａ，８７Ｂ，８７Ｃを準備し、クラスＣ５，Ｃ６に示す三相の差動継電器８７とする。

またこれらのリレーモジュールは、演算に必要な変数はクラスのメンバとしておき、カプセル化し、外部のモジュールから変更しない構成とする。また、一部のパラメータのみ変更し、異なる特性のリレーモジュールを作成する場合は多重継承し、必要なメンバ関数、メンバ変数のみを追記する。さらに、基底クラスのポインタと初期化に必要なパラメータを１つのグループとした構造体を定義する。

次に、図１の第１の記憶部Ｍ１のほかの２つの機能のうち、実行部プログラムは、図３に一例を示すように構成され、オブジェクト参照テーブルは、図４に一例を示すように構成されている。この実行部プログラムは、オブジェクト参照テーブルに定義されたポインタに従い、ポインタの先頭から、ポインタの終端まで逐次ポインタ更新しながら、実行する。

図４のオブジェクト参照テーブルは、図５の保護継電装置を備える場合には、保護継電装置に電源投入したときのブートプログラムＢＰに続き、ポインタ０Ｘ０００１００００に差動継電器８７のリレーモジュールを表す情報、ポインタ０Ｘ０００１０１００に地絡過電圧継電器６４のリレーモジュールを表す情報、ポインタ０Ｘ０００１０２００に不足電圧継電器２７のリレーモジュールを表す情報、ポインタ０Ｘ０００１０３００に不足電圧継電器２７のリレーモジュールを表す情報が記憶されている。このオブジェクト参照テーブルは、リレー演算定義のテーブルである。

図３の実行部プログラムは、保護継電装置に電源投入したときのブートプログラムＢＰに続きリレー演算開始が指示されると、ステップＳ０１１において、図４のオブジェクト参照テーブルの先頭ポインタ０Ｘ０００１００００を取得する。次に、ステップＳ０１２において、これが終端ポイントでないことを確認すると、ステップＳ０１３に移り、ここで定義された差動継電器８７のリレーモジュールを表す情報に基づきリレー演算実行する。その完了後に、ステップＳ０１４において、テーブルポインタを更新して０Ｘ０００１０１００とし、以下ポインタ０Ｘ０００１０１００について、ステップＳ０１２からＳ０１４の処理を行う。これは、ポインタ０Ｘ０００１０１００の意味する地絡過電圧継電器６４のリレーモジュールを表す情報に基づく処理を実行することである。以下、同様にポインタ０Ｘ０００１０３００まで実行され、最終的にはステップＳ０１５において、リレー演算処理が終了する。

なお、上記説明では、保護継電装置に電源投入したときの初期動作について説明したが、通常の動作では、保護継電装置のサンプリングタイミングに同期して起動されることは言うまでもない。また、このときにブートプログラムＢＰの部分は実行されない。

本発明において、図３の実行部プログラムは、例えば３つの態様において使用される。最初に使用されるのが初期化処理であり、次に整定開始処理を行ない、通常はリレー演算開始処理を行う。

このうち、例えば初期化処理は次のように行われる。まず、図４のオブジェクト参照テーブルは、ダブルポインタとされており、ポインタ０Ｘ０００１００００の位置のＲＯＭに記載された差動継電器８７のリレーモジュールを表す情報に基づき、図６のリレー演算を実行する。

図６は、初期化処理において、リレー要素１つに付設定するパラメータの例を示したものである。ここで、パラメータとは、例えば差動継電器８７のリレーモジュールを実現するときに、入力したアナログデータ、ディジタルデータ、アナログ出力、ディジタル出力といった取り扱う諸量の種別であり、これらのパラメータを、第２の記憶部Ｍ２であるＲＡＭ上にどのように配置するのかを、ＲＡＭアドレスに相当するポインタの形で定義する。これにより、以後の差動継電器８７のリレーモジュールの演算では、どのポインタの情報を読み出して、その結果をどのポインタに収納すればよいのかが定義付けされ、決定される。

図６の初期化処理において、処理１１ではリレー要素（この場合は差動継電器８７）のオブジェクトの実体を定義する。具体的には、処理１１ではテーブル１７に、そのポインタをエントリする。処理１１により、テーブル１７にエントリされるポインタの種別は以下のようである。

１２は、このリレー要素の入力として使用するアナログデータを収納する場所を意味するテーブルのポインタである。テーブル１７には、このポインタをエントリする。以下同様に、１３はこのリレー要素の入力に使うディジタルデータのポインタのテーブルである。１２と１３は、入力信号関係である。

１４は、このリレー要素の出力に使うアナログデータのポインタのテーブルである。この要素は、通常のリレーの場合には不要なことが多いが、８７リレーの差電流など、リレーモジュール内部の演算値を外部に引き出したい場合に有効である。１５はリレー要素の出力に使うディジタルデータのポインタのテーブルである。リレーの出力はこのテーブルにエントリされる。これもテーブルのポインタをテーブル１７のテーブルにエントリする。１４と１５は、出力信号関係である。

１６は整定値のポインタのテーブルであり、これも同様にテーブル１７のポインタにエントリされる。

上記の構造体で定義されたデータテーブル１７を作成し、初期化時、整定変更時、リレー演算実行時はこのテーブルを参照し、各オブジェクトのメンバ関数をコールするようにする。

図４のオブジェクト参照テーブルには、演算終了用の終端としてＮＵＬＬポインタを挿入するようにする。

なお、図６のポインタは、その作り方次第では、アナログ関係の１２、１４とディジタル関係の１３、１５は１つにして、パラメータ数を減らすことも可能だが、本実施例では入力と出力の関係が明白の方が管理しやすいため、このような形とした。また、リレーによっては不要な要素もあるのでこの場合は、リレーモジュールが読み込みを実施しないためＮＵＬＬポインタとすれば良い。図６は１つの要素だけを示すものであるが、これを図４に示す様に必要なリレーの数だけエントリをすれば、保護継電装置を構成するすべての保護リレー要素の演算処理が可能となる。

初期化処理においては、図６の処理により、第２の記憶装置ＲＡＭ内に各保護リレー要素の演算に使用する入力と出力の保管場所がポインタにより設定される。また、説明を省略したが、実行部プログラムの整定開始処理により、図６の整定データテーブルのポインタ設定も行われる。この整定開始処理のときのポインタは通常はＥＥＰＲＯＭ内に設定される。

最後に、リレー演算開始処理の実行部プログラムについて、説明する。図７は、図６の実際のプログラムコードであるが、プログラムといっても定数のデータ定義のみである。なお、プログラム中の／／はコメントである。

図７において、１８に示すのがリレーモジュールのオブジェクトの実体でありこれは、図６の１１に相当する。このポインタ（コード上では＆がついたもの）が、プログラムが参照する演算テーブル２４にエントリされる。

１９は、アナログ入力（図６の１２）の定義テーブルで、これもプログラムが参照する演算テーブル２４にエントリされる。テーブルはもともとポインタなので＆は付ける必要がない。

２０は、入力されるビットテーブルで、本実施例ではメモリ節約の為、ポインタとビット位置で入力フラグを定義している。処理系によってＯＮ／ＯＦＦの情報はｉｎｔ型やｂｏｏｌ型を使うことも可能であり、これらの場合は直接ポインタを設定する形としても良い。図６のディジタル入力１３がこれに相当する。

アナログ出力テーブル２１、ディジタル（バイナリ）出力テーブル２２も、アナログ入力（図６の１２）の定義テーブル１９、ディジタル入力１３の定義テーブル２０と同様に、プログラムが参照する演算テーブル２４に設定される。

２３は整定のポインタテーブルであり、これも同様にプログラムが参照する演算テーブル２４に設定される。なお、整定はリレーモジュールの取り込み順に、ここでポインタを並べるため、ＨＩ画面（ヒューマンインタフェイス画面）の設定と並びが一致する必要はない。

これにより、保護リレー要素の１要素分のリレーモジュールの定義が完了でき、これを繰り返すことで、プログラムが参照する演算テーブル２４のテーブルを完成させる。

プログラムが参照する演算テーブル２４のテーブル定義の構造体は、２５の様になっており、オブジェクトの定義がリレーの基底クラスとなっている。このため、実際のプログラムはプログラムが参照する演算テーブル２４のテーブルのみを参照することで、プログラム実施が出来る。

図８は、リレー演算の処理のフロー図を示したものである。２６は初期化時、２７は整定変更時、２８はリレー演算処理時のものである。この図から明らかなように、どの処理も、基底クラスのメンバ関数のコールを変えるのみの同じ処理で簡単に実行することが可能である。

図８に示すフロー図の実際のプログラムを、図９の初期化処理２９、整定処理３０、リレー演算処理３１に示す。プログラムは僅か数行のコードで実現でき、以後変更の必要はない。なお、基底クラスは３２に示すようなコードで実現でき、プログラムからコールされる関数は仮想関数として定義されている。また、実際のリレークラスは３３の様に、基底クラス３２を継承し作成される。

先に説明した図５のリレーモジュールのクラス階層図によれば、基本にすべてのリレークラスは基底クラスＣ１を継承し、演算の際には、この基底クラスＣ１のメンバ関数をコールされることによって演算が実施されるが、実際には各クラスの個別のメンバ関数がコールされ演算がなされる為、共通の処理を１つ作成するだけで各種の異なるリレーの処理を実施可能となる。

また、クラスＣ２，Ｃ３に示すように、Ｃ＋＋言語では多重継承が可能なため、電力会社や、納入サイトによる処理の違うリレーを開発する場合は、従来処理を引き継ぐ形でリレーの種別を増やすことが可能である。

図１０は、多重継承していく場合の例を示した図である。ある１種類のリレーモジュール６を開発し、その機能が検証済みであるとする。この場合、回線数増加に対応する必要が生じたとしても、リレー６の機能はすべてリレー７に継承される為、回線数の変更に伴うポイントにのみ絞って検証すればよい。また同様にリレー７を派生しリレー８を作った場合には、リレー７で検証されている機能は担保されている為、変更のある整定範囲の変更に伴う検証のみで済むことになる。また、リレー６に遡りリレー９を派生し、リレー９からリレー１０を再派生するといったことも可能となる。

このように、図９のリレークラス３３の様な形で、リレーを継承し種別を増やし、図６のプログラムが参照する演算テーブル２４に示すテーブルを編集することでプログラム処理そのものを、変更せずとも、各種のリレーの組み合わせの装置開発が可能となる。

本発明によれば、データテーブルを変更するだけでリレーの実装を変更することが可能であり、演算実行部のプログラムは直接変更する必要が無いので、性能が安定であり、リレーモジュール毎にはデータの干渉当は発生しないので、実績のあるモジュールは、データの接続のみをチェックすればよい。

Ｃ＋＋言語を使用し、本発明のように構成したディジタル保護継電装置は、種々の改変に対して簡便に対応可能であり、広く適用することができる。

１００：保護継電装置
９０：システムバス
１０：演算処理部
２０：プログラム記憶部
３０：データ記憶部
４０：整定値記憶部
５０：Ａ／Ｄ変換データメモリ
６０：外部インタフェイス
２００：アナログ／ディジタル変換器
Ｃ１：基底クラス
Ｃ２：サブクラス
Ｃ３：派生クラス
ＢＰ：ブートプログラム
１２：アナログデータを収納する場所を意味するポインタのテーブル
１７：テーブル
１３：ディジタルデータのポインタのテーブル
１４：アナログ出力データのポインタのテーブル
１５：ディジタル出力データのポインタのテーブル
１６：整定値のポインタのテーブル
１８：リレーモジュールのオブジェクトの実体
１９：アナログ入力（図６の１２）の定義テーブル
２４：プログラムが参照する演算テーブル２４
２０：入力されるビットテーブル
２１：アナログ出力テーブル
２２：ディジタル（バイナリ）出力テーブル
２３：整定のポインタテーブル
２９：初期化処理
３０：整定処理
３１：リレー演算処理

Claims (3)

1. 電力系統の電流、電圧情報を取り込んで故障判定するリレーモジュールを複数備え、保護出力を与えるディジタル保護継電装置において、
   前記リレーモジュールは、Ｃ＋＋言語で記述され、全て共通の基底クラスを継承し、演算に必要な変数はクラスのメンバとしておき、外部のモジュールから変更しない構成とし、
   前記共通の基底クラスには、初期化用の関数、整定変更時用の関数、リレー演算用の関数を、仮想関数としておくとともに、基底クラスのポインタと初期化に必要なパラメータを１つのグループとした構造体を定義し、
   上記の構造体で定義したデータテーブルを作成し、初期化時、整定変更時、リレー演算実行時はこのテーブルを参照し、各オブジェクトのメンバ関数をコールするようにすることを特徴とするディジタル保護継電装置。
2. 請求項１記載のディジタル保護継電装置において、
   一部のパラメータのみ変更し、異なる特性のリレーモジュールを作成する場合は多重継承し、必要なメンバ関数、メンバ変数のみを追記することを特徴とするディジタル保護継電装置。
3. 請求項１記載のディジタル保護継電装置において、
   データテーブルには演算終了用の終端としてＮＵＬＬポインタを挿入するようにすることを特徴とするディジタル保護継電装置。

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