JP6449663B2 - 故障点標定方法及び故障点標定システム - Google Patents

Description

本発明は、故障点標定方法及び故障点標定システムに関する。

送配電線等を用いて電力を供給するための経路（以下、送電路）において発生した地絡等の故障点を標定するため、故障点を挟んで送配電経路に設けられた子局の各々でサージ（電流又は電圧）を検出し、各子局でサージが検出された時刻に基づいて故障点を特定する故障点標定システムが知られている（例えば、特許文献１）。このような故障点標定システムで故障点をより正確に標定するためには、故障点からのサージの伝搬速度をより正確に求める必要がある。このため、サージの伝搬速度を求める方法が知られている（例えば、特許文献２）。

特許第３５２７４３２号公報 特許第４０３９５７６号公報

しかしながら、特許文献２に記載の方法では、サージの伝搬速度の算出のために３つ以上の子局を用いる必要がある。このため、サージの伝搬速度の算出のための設備を有するシステムを構築するコストが高く、導入の敷居が高いという問題があった。また、従来の方法では、故障点に対してサージの伝搬速度に用いることができる子局が２つ以下となった場合にサージの伝搬速度を求めることができず、故障点の標定が困難になるという問題があった。

そこで、本発明では、より少ない設備でサージの伝搬速度を求めたうえで故障点を標定することができる故障点標定方法及び故障点標定システムを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、電力を供給する供給部と前記供給部からの電力が供給される線路末端部との間に設けられた送電路において故障が生じた場合に故障点を標定する故障点標定方法であって、前記故障点で発生したサージの直接波が、前記故障点より前記供給部側に存する第１の到達点に到達した第１の時刻を取得し、前記直接波が、前記故障点より前記線路末端部側に存する第２の到達点に到達した第２の時刻を取得し、前記線路末端部で反射した前記サージの反射波が、前記第２の到達点に到達した第３の時刻を取得し、前記第２の時刻と前記第３の時刻との時間差及び前記第２の到達点から前記線路末端部までの伝送経路長に基づいて前記サージの伝搬速度を算出し、前記サージの伝搬速度、前記第１の到達点と前記第２の到達点との間の伝送経路長並びに前記第１の時刻及び前記第２の時刻に基づいて前記故障点を標定する。

本発明の望ましい態様として、前記第２の到達点から前記線路末端部までの伝送経路長をＬとし、前記第２の時刻と前記第３の時刻との時間差をｔとすると、以下の式（１）により前記第２の到達点と前記線路末端部との間におけるサージの伝搬速度ｖを算出する。
ｖ＝２Ｌ／ｔ…（１）

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の故障点標定システムは、電力を供給する供給部と前記供給部からの電力が供給される線路末端部との間に設けられた送電路において故障が生じた場合に故障点から流れたサージ電流の直接波が前記故障点より前記供給部側に存する第１の到達点に到達した第１の時刻を取得する第１取得装置と、前記直接波が前記故障点より前記線路末端部側に存する第２の到達点に到達した第２の時刻及び前記線路末端部で反射した前記サージ電流の反射波が前記第２の到達点に到達した第３の時刻を取得する第２取得装置と、前記第２の時刻と前記第３の時刻との時間差及び前記第２の到達点から前記線路末端部までの伝送経路長に基づいて前記サージ電流の伝搬速度を算出し、前記サージ電流の伝搬速度、前記第１の到達点と前記第２の到達点との間の伝送経路長並びに前記第１の時刻及び前記第２の時刻に基づいて前記故障点を標定する演算処理装置とを備える。

本発明の望ましい態様として、前記第１取得装置及び前記第２取得装置は、各々で計時される現在時刻を同期させる時刻同期部を備える。

本発明の望ましい態様として、前記時刻同期部は、ＧＰＳ信号に含まれる時刻データを用いて現在時刻を同期させる。

本発明によれば、より少ない設備でサージの伝搬速度を求めたうえで故障点を標定することができる。

図１は、故障点標定システムの主要構成の一例を示す図である。 図２は、子局の主要構成の一例を示す図である。 図３は、送電系統に設けられる構成の一例を示す模式図である。 図４は、親局の主要構成の一例を示す図である。 図５は、故障点の標定に係る主要な処理の流れの一例を示すフローチャートである。 図６は、サージ波形の周波数成分とサージの伝搬速度との対応関係の一例を示す図である。 図７は、静電容量に関するデータの一例を示す模式図である。

（実施形態）
次に、本発明の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。図１は、故障点標定システム１の主要構成の一例を示す図である。図１に示すように、故障点標定システム１は、複数の子局１０及び親局２０を備える。子局１０は、電力の供給部３０と、線路末端部Ｅとを接続する送電系統に設けられる。供給部３０とは、例えば電力会社の発電所、変電所等の施設であるが、これに限られるものでなく、線路末端部Ｅに対して電力を供給する構成であれば供給部３０に該当しうる。線路末端部Ｅとは、開放状態である送電系統の末端部を指す。

図２は、子局１０の主要構成の一例を示す図である。子局１０は、故障点Ｂ（図３参照）で発生したサージによって生じる電気的な波形（以下、サージ波形）を検出する。子局１０は、当該波形が生じた時刻を「当該子局が設けられた位置にサージ電流が到達した時刻」として親局２０に送信する。具体的には、子局１０は、例えば時刻同期部１１、サージ波形検出部１２、送信部１３等を備える。

時刻同期部１１は、各子局１０で計時される現在時刻を同期させるための処理を行う。具体的には、時刻同期部１１は、例えば、現在時刻を計時するデジタル時計回路、グローバル・ポジショニング・システム（ＧＰＳ：Global Positioning System）の衛星からの信号（ＧＰＳ信号）を受信するアンテナ、ＧＰＳ信号に含まれる時刻データに基づいてデジタル時計回路が計時する現在時刻を補正する時刻補正部等を有する。子局１０がそれぞれ時刻同期部１１を有することで、各子局１０で計時される時刻はＧＰＳ信号に含まれる時刻データが示す現在時刻に統一される。

サージ波形検出部１２は、サージ波形を検出する。具体的には、サージ波形検出部１２は、例えば、零相変流器（ＺＣＴ：Zero-phase-sequence Current Transformer）、ＺＣＴにより検出された電流に応じてサージ波形の到来及びサージ波形の到来方向を示す検出信号を出力する信号出力回路等を有する。サージ電流が子局１０に到達した場合、サージ波形を示す電流がＺＣＴに流れる。サージ波形検出部１２は、ＺＣＴにサージ波形を示す電流が流れた場合に検出信号を送信部１３に出力する。

送信部１３は、子局１０が設けられた位置にサージ電流が到達した時刻及びサージ電流の到来方向を示すデータを親局２０に送信する。送信部１３は、例えば、サージ波形検出部１２から検出信号が出力された時刻をデジタル時計回路から取得する時刻取得部、親局２０との間でデータの送受信を行う受信部２１等を有し、時刻取得部により取得された時刻と検出信号が示すサージ電流の到来方向を示すサージ情報Ｓｉｇを親局２０に送信する。本実施形態の受信部２１は、無線通信により親局２０と通信を行うが、通信の具体的形態は任意である。

図３は、送電系統に設けられる構成の一例を示す模式図である。子局１０は、一本の送電系統に二つ以上設けられる。具体的には、例えば図３に示すように、電力を供給する供給部３０と当該供給部３０からの電力が供給される線路末端部Ｅとの間の送電系統には、相対的に供給部３０側に設けられる子局１０（第１の子局１０Ａ）と相対的に線路末端部Ｅ側に設けられる子局１０（第２の子局１０Ｂ）とが存する。

図４は、親局２０の主要構成の一例を示す図である。親局２０は、子局１０からのデータに基づいて故障点Ｂを標定するための各種の演算処理を行う。具体的には、親局２０は、例えば、受信部２１、演算処理部２２等を有する。受信部２１は、例えばアンテナその他の通信装置を有し、子局１０から送信されるサージ情報Ｓｉｇの受信等、各種の通信を行う。演算処理部２２は、例えばＣＰＵ等の演算処理回路並びにＲＡＭ、ＲＯＭ及びフラッシュメモリー等の記憶装置を有し、受信部２１を介して入力されたデータ及び記憶装置に記憶されたデータに基づいて故障点Ｂの標定に関する各種の演算処理を行う。

本実施形態の記憶装置は、第１の到達点と第２の到達点との間の伝送経路長（Ｌ_ａ）及び第２の子局１０Ｂから線路末端部Ｅ（図３参照）までの伝送経路長（Ｌ）を示すデータを記憶している。

次に、故障点標定システム１による故障点（例えば、図３の故障点Ｂ）の標定について説明する。図３に示す送電系統において第１の子局１０Ａと第２の子局１０Ｂの間の位置で地絡を伴う故障が生じた場合、当該位置が故障点Ｂとなり、サージ電流が故障点Ｂから供給部３０側及び線路末端部Ｅ側に伝搬する。

供給部３０側に伝搬したサージ電流は、サージの直接波として第１の子局１０Ａに到達する。第１の子局１０Ａは、供給部３０側に伝搬したサージ電流を検出してサージ情報Ｓｉｇ（第１情報）を親局２０に送信する。この場合、サージ電流が到達した第１の子局１０Ａが設けられた位置は、故障点Ｂより供給部３０側に存する第１の到達点となる。また、第１情報は、サージの直接波が第１の到達点に到達した第１の時刻を示す。また、第１の子局１０Ａは、第１取得装置として機能する。親局２０は、サージの直接波に応じて第１の子局１０Ａから送信された第１情報を受信する。

線路末端部Ｅ側に伝搬したサージ電流は、まず、サージの直接波として第２の子局１０Ｂに到達する。第２の子局１０Ｂは、線路末端部Ｅ側に伝搬したサージ電流を検出してサージ情報Ｓｉｇ（第２情報）を親局２０に送信する。この場合、サージ電流が到達した第２の子局１０Ｂが設けられた位置は、故障点Ｂより線路末端部Ｅ側に存する第２の到達点となる。また、第２情報は、サージの直接波が第２の到達点に到達した第２の時刻を示す。また、第２の子局１０Ｂは、第２取得装置として機能する。親局２０は、サージの直接波に応じて第２の子局１０Ｂから送信された第２情報を受信する。

線路末端部Ｅ側に伝搬したサージ電流は、第２の到達点を通過して線路末端部Ｅで反射し、反射波として第２の子局１０Ｂに到達する。具体的には、送電系統のサージインピーダンスをＺ１とし、線路末端部ＥのサージインピーダンスをＺ２とすると、サージ電流の反射係数αは、以下の式（２）により算出することができる。線路末端部Ｅは開放状態であるため、Ｚ２＝∞となる。このため、式（２）により求められる反射係数αは実質的に「１」となる。すなわち、サージ電流は線路末端部Ｅで全反射する。
α＝（Ｚ２−Ｚ１）／（Ｚ２＋Ｚ１）…（２）

第２の子局１０Ｂは、反射により到来したサージ電流を検出してサージ情報Ｓｉｇ（第３情報）を親局２０に送信する。この場合、第３情報は、サージの反射波が第２の到達点に到達した第３の時刻を示す。親局２０は、サージの反射波に応じて第２の子局１０Ｂから送信された第３情報を受信する。

なお、第２の子局１０Ｂに到達したサージ電流が直接波であるか反射波であるかは、直接波の方がより早く第２の子局１０Ｂに到達すること、直接波の到来方向と反射波の到来方向とが逆であること、第１の子局１０Ａから出力されたサージ情報Ｓｉｇが示すサージ電流の到来方向と第２の子局１０Ｂから出力されたサージ情報Ｓｉｇが示すサージ電流の到来方向との関係等により区別可能である。

親局２０は、第２の時刻と第３の時刻との時間差及び第２の到達点と線路末端部Ｅとの間の伝送経路長に基づいてサージの伝搬速度を算出する。具体的には、親局２０の演算処理部２２は、第２情報が示すサージ電流の到達時刻と第３情報が示すサージ電流の到達時刻との時間差から第２の時刻と第３の時刻との時間差（ｔ）を算出する。また、演算処理部２２は、第２の子局１０Ｂと線路末端部Ｅとの間の伝送経路長を示すデータを記憶装置から読み出して、第２の到達点と線路末端部Ｅとの間の伝送経路長（Ｌ）を特定する。演算処理部２２は、式（１）により第２の到達点と線路末端部Ｅとの間におけるサージの伝搬速度（ｖ）を算出する。式（１）における「２Ｌ」は、反射波が第２の到達点と線路末端部との間を往復することを示している。
ｖ＝２Ｌ／ｔ…（１）

演算処理部２２は、サージの伝搬速度、第１の到達点と第２の到達点との間の伝送経路長並びに第１の時刻及び第２の時刻に基づいて故障点Ｂを標定する。具体的には、演算処理部２２は、以下の式（３），（４）に基づいて故障点Ｂと第１の子局１０Ａとの間の伝送経路長（Ｌ_１）及び故障点Ｂと第２の子局１０Ｂとの間の伝送経路長（Ｌ_２）の少なくとも一方を算出して故障点Ｂを特定する。式（３），（４）におけるｔ１，ｔ２はそれぞれ第１の時刻、第２の時刻を示している。式（３）、（４）は、仮にｔ１＝ｔ２であるとすると故障点Ｂが第１の子局１０Ａと第２の子局１０Ｂとの中間点（Ｌ_ａ／２）に存することを示している。また、式（３）、（４）は、ｔ１≠ｔ２であるとすると、故障点Ｂが第１の子局１０Ａと第２の子局１０Ｂとの中間点からｔ１とｔ２との時間差に応じたサージの伝搬経路長の半分だけずれた位置に存することを示している。なお、（ｔ１−ｔ２）及び（ｔ２−ｔ１）が示す時間の単位（例えば、マイクロ秒［μｓ］）と、サージの伝搬速度（ｖ）（例えば、メートル毎マイクロ秒［ｍ／μｓ］）を示すのに用いられる時間の単位とは統一されているものとする。また、サージの伝搬速度（ｖ）を示すのに用いられる長さの単位と、第１の到達点と第２の到達点との間の伝送経路長（Ｌ_ａ）を示すのに用いられる長さの単位とは統一されているものとする。
Ｌ_１＝｛Ｌ_ａ＋（ｔ１−ｔ２）ｖ｝／２…（３）
Ｌ_２＝｛Ｌ_ａ＋（ｔ２−ｔ１）ｖ｝／２…（４）

図５は、故障点Ｂの標定に係る主要な処理の流れの一例を示すフローチャートである。第１の子局１０Ａと第２の子局１０Ｂとの間で故障が生じると、故障点Ｂからサージが伝搬する。第１の子局１０Ａは、サージの直接波によるサージ波形を検出した第１の時刻を示す情報を含む第１情報を親局２０に送信する（ステップＳ１）。第２の子局１０Ｂは、サージの直接波によるサージ波形を検出した第２の時刻を示す情報を含む第２情報を親局２０に送信する（ステップＳ２）。また、第２の子局１０Ｂは、サージの反射波によるサージ波形を検出した第３の時刻を示す情報を含む第３情報を親局２０に送信する（ステップＳ３）。ステップＳ１と、ステップＳ２、ステップＳ３との処理順は、故障点Ｂと各子局との位置関係に応じた処理順になる。ただし、ステップＳ３の処理は、必ずステップＳ２の処理後の処理になる。

親局２０は、第１情報、第２情報及び第３情報からそれぞれ、第１の時刻、第２の時刻及び第３の時刻を取得する（ステップＳ４）。親局２０の演算処理部２２は、第２の時刻と第３の時刻との時間差（ｔ）及び第２の子局１０Ｂから線路末端部Ｅまでの伝送経路長（Ｌ）に基づいてサージの伝搬速度を算出する（ステップＳ５）。演算処理部２２は、サージの伝搬速度、第１の到達点と第２の到達点との間の伝送経路長（Ｌ_ａ）並びに第１の時刻及び第２の時刻に基づいて故障点Ｂを標定する（ステップＳ６）。このように、演算処理部２２を備える親局２０は、演算処理装置として機能する。

図６は、サージ波形の周波数成分とサージの伝搬速度との対応関係の一例を示す図である。図６を参照して、故障点Ｂの標定に際してサージの伝搬速度を求める理由について説明する。サージの伝搬速度は、サージ波形の周波数成分（帯域）によって変化する。図６に示す例では、帯域以外の条件が同一の所定条件下において、帯域が０．０５［ｋＨｚ］である場合にサージの伝搬速度が２２０［ｍ／μｓ］となり、帯域が１［ｋＨｚ］である場合にサージの伝搬速度が２４４［ｍ／μｓ］となり、帯域が１０［ｋＨｚ］である場合にサージの伝搬速度が２６０［ｍ／μｓ］となり、帯域が５０［ｋＨｚ］である場合にサージの伝搬速度が２７３［ｍ／μｓ］となることを示している。サージの帯域は一定でなく、故障の度に異なるものになりうる。

また、サージの伝搬速度は伝搬経路における静電容量等にも影響を受ける。図７は、静電容量に関するデータの一例を示す模式図である。本実施形態の記憶装置は、送電系統の静電容量に関するデータを記憶している。具体的には、記憶装置は、例えば、変圧器及び開閉器の数及び変圧器及び開閉器の各々の静電容量を示すデータを記憶している。図７に示すデータは、図３に示す送電系統における第２の子局１０Ｂと線路末端部Ｅとの間に１５０［ｐＦ］の対地静電容量を有する一つの柱上開閉器ＳＷと２０００［ｐＦ］の対地静電容量を有する一つの柱上変圧器Ｔが存することを示している。

式（１）により算出されたサージの伝搬速度は、第２の到達点と線路末端部Ｅとの間におけるサージの伝搬速度であり、第２の到達点、線路末端部Ｅ及びその間を通過する反射波の伝搬経路における静電容量による影響を受けている。図３に示す例の場合、一つの柱上変圧器Ｔ（２０００［ｐＦ］）と一つの柱上開閉器ＳＷ（１５０［ｐＦ］）が反射波の伝搬経路に存することになる。

サージの伝搬速度（ｖ）は、一般化すると以下の式（５）のように表すことができる。式（５）におけるωはサージの角周波数を表すものであり、式（６）のように表すことができる。式（６）におけるｆは、サージの周波数である。また、式（５）におけるβは、位相定数である。位相定数は、サージの伝搬経路における静電容量（Ｃ）、サージの伝搬経路のインダクタンス（Ｉ）、サージの伝搬経路の線路抵抗（Ｒ）、サージの伝搬経路の線路コンダクタンス（Ｇ）及びサージの角周波数（ω）に基づいて決定される。
ｖ＝ω／β…（５）
ω＝２πｆ…（６）

仮に、線路抵抗（Ｒ）及び線路コンダクタンス（Ｇ）を無視した無損失分布定数回路内でサージが伝搬する場合の伝搬速度は、以下の式（７）のように表すことができる。

このように、式（５）のように表されるサージの伝搬速度は、サージの角周波数（ω）、すなわちサージの周波数（ｆ）に依存する。サージの周波数（ｆ）は故障の度に異なる周波数となりうる。このため、サージの伝搬速度は、故障の度に異なるものになりうる。よって、故障のシミュレーションによるサージの伝搬速度の推定や所定のパルス電流による事前検証のみを以てサージの伝搬速度を推定したとしても、実際の故障時におけるサージの伝搬速度が異なる伝搬速度となることで、故障点の標定誤差が発生しうる。そこで、本実施形態のように、故障が生じた場合に当該故障におけるサージの伝搬速度を実際の伝搬経路で求めることで、より正確にサージの伝搬速度を求めることができることから、より正確に故障点Ｂを標定することができる。

以上、本実施形態によれば、サージの到達を検出するための構成（例えば、第２の子局１０Ｂ）が第２の到達点にあればサージの伝搬速度を算出することができる。すなわち、サージの伝搬速度を算出するための設備（例えば、子局１０）が１つで済む。よって、サージの伝搬速度の算出のための設備のコストをより低減することができる。また、本実施形態によれば、サージの伝搬速度、第１の到達点と第２の到達点との間の伝送経路長並びに第１の時刻及び第２の時刻に基づいて故障点Ｂを標定することができるので、サージの伝搬速度を求めたうえで故障点Ｂを標定することができる。

また、式（１）を用いることでサージの伝搬速度の算出をより単純化することができる。

また、本実施形態によれば、サージの伝搬速度の算出に必要な子局１０の数が１つで足りる。このため、発生する箇所が不確定である故障点に対して３つ以上の子局を必要とする従来に比して、本実施形態であれば１つの子局１０で足りることから、より確実にサージの伝搬速度の算出を行うことができる。また、故障点の標定においても、必要な子局１０の数が２つで足りることから、より確実に故障点を標定することができる。

以上、実施形態について説明したが、これらの実施形態の内容により本発明が限定されるものではない。また、前述した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、前述した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。さらに、前述した実施形態の要旨を逸脱しない範囲で構成要素の種々の省略、置換又は変更を行うことができる。

例えば、時刻同期部１１によるＧＰＳ信号を用いた現在時刻の同期は、あくまで子局１０同士の現在時刻を同期させるための方法の一例である。時刻同期部１１は、他の方法で子局１０同士の現在時刻を同期させてもよい。例えば、標準時を示す標準電波等を用いて現在時刻を同期させるようにしてもよい。他の構成についても、機能的要件を満たす他の具体的構成によって実現されてもよい。

また、静電容量に影響を与える構成は、柱上変圧器Ｔ、柱上開閉器ＳＷに限られるものでない。送電系統に設けられるものであって対地静電容量を有する構成であれば、サージの伝搬速度に影響を与えうる。

１ 故障点標定システム
１０ 子局
１０Ａ 第１の子局
１０Ｂ 第２の子局
１１ 時刻同期部
１２ サージ波形検出部
１３ 送信部
２０ 親局
２１ 受信部
２２ 演算処理部
３０ 供給部
Ｂ 故障点
Ｅ 線路末端部
ＳＷ 柱上開閉器
Ｔ 柱上変圧器

Claims (5)

1. 電力を供給する供給部と前記供給部からの電力が供給される線路末端部との間に設けられた送電路において故障が生じた場合に故障点を標定する故障点標定方法であって、
   前記故障点で発生したサージの直接波が、前記故障点より前記供給部側に存する第１の到達点に到達した第１の時刻を取得し、
   前記直接波が、前記故障点より前記線路末端部側に存する第２の到達点に到達した第２の時刻を取得し、
   前記線路末端部で反射した前記サージの反射波が、前記第２の到達点に到達した第３の時刻を取得し、
   前記第２の時刻と前記第３の時刻との時間差及び前記第２の到達点から前記線路末端部までの伝送経路長に基づいて前記サージの伝搬速度を算出し、
   前記サージの伝搬速度、前記第１の到達点と前記第２の到達点との間の伝送経路長並びに前記第１の時刻及び前記第２の時刻に基づいて前記故障点を標定する
   故障点標定方法。
2. 前記第２の到達点から前記線路末端部までの伝送経路長をＬとし、前記第２の時刻と前記第３の時刻との時間差をｔとすると、以下の式（１）により前記第２の到達点と前記線路末端部との間におけるサージの伝搬速度ｖを算出する
   請求項１に記載の故障点標定方法。
   ｖ＝２Ｌ／ｔ…（１）
3. 電力を供給する供給部と前記供給部からの電力が供給される線路末端部との間に設けられた送電路において故障が生じた場合に故障点から流れたサージ電流の直接波が前記故障点より前記供給部側に存する第１の到達点に到達した第１の時刻を取得する第１取得装置と、
   前記直接波が前記故障点より前記線路末端部側に存する第２の到達点に到達した第２の時刻及び前記線路末端部で反射した前記サージ電流の反射波が前記第２の到達点に到達した第３の時刻を取得する第２取得装置と、
   前記第２の時刻と前記第３の時刻との時間差及び前記第２の到達点から前記線路末端部までの伝送経路長に基づいて前記サージ電流の伝搬速度を算出し、前記サージ電流の伝搬速度、前記第１の到達点と前記第２の到達点との間の伝送経路長並びに前記第１の時刻及び前記第２の時刻に基づいて前記故障点を標定する演算処理装置と
   を備える故障点標定システム。
4. 前記第１取得装置及び前記第２取得装置は、各々で計時される現在時刻を同期させる時刻同期部を備える
   請求項３に記載の故障点標定システム。
5. 前記時刻同期部は、ＧＰＳ信号に含まれる時刻データを用いて現在時刻を同期させる
   請求項４に記載の故障点標定システム。

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