JP5332222B2 - 自動電圧制御装置の二重化処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、タービン発電機のディジタル式自動電圧制御装置に係り、特に発電機のディジタル式自動電圧制御装置の二重化処理装置に関するものである。

タービン発電機の自動電圧制御装置には、図８に示すような制御ブロック構成が使用される。図８において、１はタービン（Ｔ）で、このタービン１で駆動される発電機２の励磁巻線には、サイリスタ制御部から構成される励磁装置３により界磁電流が供給される。

４はディジタル式自動電圧制御装置（以下ＡＶＲと称す）で、このＡＶＲ４は、変成器ＰＴで検出する発電機電圧を、Ａ／Ｄ変換器５でディジタル信号に変換し、図示しない実効値変換部により実効値に変換し、電力動揺安定化装置６により位相の進み／遅れを調整し、９０Ｒからなる電圧設定器７との偏差を偏差器８で得た後、その偏差をリミッタ付き電圧制御演算部（第１ＬＰＩ）９により比例積分（ＰＩ）演算を行って界磁電流指令を得る。

切換スイッチ１０は、第１ＬＰＩ９からの界磁電流指令と、７０Ｅの界磁電流設定器１１からの界磁電流指令を切換えるものである。１２は、励磁装置３から発電機２の励磁巻線に供給する界磁電流Ｉｆを検出するＡ／Ｄ変換器で、このＡ／Ｄ変換器１２は、変流器ＣＴからの検出電流をディジタル信号に変換して、偏差器１３に前記界磁電流指令とディジタル信号に変換された界磁電流Ｉｆとが供給される。

この偏差器１３で界磁電流指令と界磁電流Ｉｆの偏差が取られ、その偏差はリミッタ付き界磁電流制御演算部（第２ＬＰＩ）１４で比例積分（ＰＩ）演算される。この演算結果は、Ｄ／Ａ変換器１５によりアナログ信号に変換され、図示しないゲート回路の励磁制御信号とし、ゲート回路により励磁装置３のサイリスタの位相制御が行われる。

上記の構成において、切換スイッチ１０を界磁電流設定器１１側に設定して発電機２の初期励磁を行い、その後に切換スイッチ１０を、第１ＬＰＩ９側に切換えて発電機２の自動電圧制御を開始し、発電機２の発電電圧が電圧設定器７の設定電圧（定格電圧）に一致するよう界磁電流を自動制御する（特許文献１参照。）。

また、水力発電所の制御装置において、発電機の励磁制御装置と調速制御装置を備え、励磁制御装置は、マスタ側制御部とスレーブ側制御部による二重化制御装置を構成したものがある。この装置は、マスタ側制御部の内部データの制御量、現在量を常時スレーブ側制御部に伝送し、マスタ側制御部が故障したときにスレーブ側制御部に切換えて制御を継続するようにしたものである（特許文献２参照。）。

さらに、図８に示す装置において、ＡＶＲ４を二重化した図９（ａ）に示す装置がある。この装置は、マスタ側ＡＶＲ−１と、スレーブ側ＡＶＲ−２を持ち、電流指令は、重故障信号でマグネットＳＷによりＡＶＲ−１とＡＶＲ−２を切り替える方式を採用している。この装置では、励磁装置ＡＣＥＸの界磁電流の検出部は、別に有り、それぞれのＡＶＲ−１，ＡＶＲ−２に界磁電流が入力される構成となっている。このため、ＡＶＲ−１からＡＶＲ−２への切り替えが発生してもショックレスに切り替えが可能となる。
特開平１１−１５０９９４号公報 特開平０９−２８５１９６号公報

しかし、図９（ａ）に示すＡＶＲ二重化処理装置では、界磁電流検出部が別設置のため、装置切り替えはショックレスであるが、図９（ｂ）に示す×印のように界磁電流検出部に故障が発生した場合には、ＡＶＲ−１，ＡＶＲ−２には界磁電流が供給されなくなる。このため、ＡＶＲを二重化したメリットが無くなって、電流指令が大きく変動することとなり、ショックレスにも切り替えが不可能になってしまう問題がある。

また、図１０に示すように、マスタ側ＡＶＲ−１とスレーブ側ＡＶＲ−２間のデータ授受には、ＲＳ２３２Ｃを用いて、マスタ側で運転している現状の演算結果等をスレーブ側へ送信（データ更新間隔：３００ｍＳ）することにより実施していた。このような構成であるため、スレーブ側は逆演算を実施し、マスタ側からデータを受信したり、９０Ｒの設定値、第１、第２ＬＰＩの演算積分項を合わせる処理をしているため、切り替え時、場合によっては安定した切り替えができなかった。

又、スレーブ側の処理は、９０Ｒの設定値、第１、第２ＬＰＩの演算積分項をマスタ側から受信したデータに合わせるのみであったため、切り替えが発生した場合の電圧推移状況から電圧確立制御時（図１１）及び負荷遮断処理時（図１２）は安定した電圧制御ができない問題があった。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、切り替え前のマスタとほぼ同一の電流指令となるようにしてショックレスに切り替え可能とするとともに、電圧変動を抑制して安定した制御を可能とした自動電圧制御装置の二重化処理装置を提供することを課題とする。

本発明の請求項１は、タービン発電機の検出電圧と電圧設定器の設定値の偏差の比例積分演算で界磁電流指令を得る電圧制御演算部と、前記界磁電流指令と前記発電機の界磁電流検出値との偏差を比例積分演算に応じて前記発電機の界磁電流を制御する界磁電流制御演算部とを備えた自動電圧制御装置であって、
前記自動電圧制御装置をマスタ・スレーブの二重化して両自動電圧制御装置間のデータ授受を行うシリアル通信手段と、マスタかスレーブかを判定して自動電圧制御装置を選択して使用するマスタ・スレーブ判定処理部を設け、マスタからスレーブ側自動電圧制御装置を選択して使用するＣＰＵ演算部にシリアル通信を介してデータ入力があった時、スレーブ側でデータをテーブルにセットし、且つテーブルにセット後、今回のテーブルセットから所定時間前の入力データをテーブルから制御ループにデータをセットして前記マスタの電圧制御演算部の積分項をスレーブの界磁電流の指令値にする処理を行うと共に、マスタからスレーブへの切替え発生の有無を判断し、切替え発生時に設定時間経過後に内部スイッチ状態を切替えてスレーブ側自動電圧制御装置をマスタ側自動電圧制御装置にするよう構成したことを特徴とするものである。

本発明の請求項２は、前記スレーブ側の自動電圧制御装置で、データのセットされたテーブルから制御ループにセットするまでのデータ取出時間を設定変更可能としたことを特徴とするものである。

本発明の請求項３は、前記二重化した自動電圧制御装置間に電圧確立制御，負荷遮断制御処理を行う種別判定処理部を設け、この種別判定処理部は、前記マスタ・スレーブ判定処理部がスレーブ動作と判定した時に界磁遮断器がオンして負荷遮断制御処理を行うことを特徴とするものである。

本発明の請求項４は、前記処理種別判定処理部は、前記マスタ・スレーブ判定処理部がマスタへの切替えと判断したとき、処理種別判定処理部は電圧確立制御処理を行うことを特徴とするものである。

本発明の請求項５は、前記処理種別判定処理部が、負荷遮断制御時と判定処理したときには、前記界磁電流制御演算部の出力をほぼ「０」にしたことを特徴とするものである。

本発明によれば、切り替え発生後、界磁電流が正常に入力できる時間分スレーブ状態とすることにより、切り替え前のマスタ側とほぼ同一の電流指令となるため、ショックレスに切り替えが可能となる。

また、マスタ側の故障によってはマスタ側から送信された現在値を使用すると、逆にショックを与える可能性があるため、使用するデータを設定時間前とすることにより、安定した制御を行うことができる。

さらに、スレーブ側からマスタ側への切り替え時、通常電圧制御時には、電圧変動を抑制でき、電圧確立制御時には、大きな電圧変動を抑制し、定格電圧制御が可能となり、しかも負荷遮断処理時には、上昇した電圧をすばやく抑制し、定格電圧制御が可能となる利点がある。

以下本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１はディジタル式ＡＶＲ装置の概略構成図で、図１において、２１は図８に示すＡＶＲ４からなるＣＰＵ演算部、２２はＩＧＢＴ制御部からなる励磁装置、２３は界磁電流検出部を含む電源部、２４は発電機の励磁部である。

ディジタル式ＡＶＲ装置は上記図１のように界磁電流検出部も内蔵した構成となっている。このため、本発明の実施の第１形態は、ＡＶＲ装置を二重化した場合、図２に示すようなＡＶＲ−１（Ａ系ユニット）とＡＶＲ−２（Ｂ系ユニット）、マグネットＳＷから構成され、マグネットＳＷがＡＶＲ−１（Ａ系ユニット）の場合には、ＡＶＲ−２（Ｂ系ユニット）には、スレーブ信号が入力される構成となっている。

また、ＡＶＲ−１（Ａ系ユニット）で運転している場合には、ＡＶＲ−２（Ｂ系ユニット）は、界磁電流検出値が「０」となるため、制御系は開ループとなり、制御不能状態となっている。

この状態でＡＶＲ−２（Ｂ系ユニット）への切り替えが発生すると、ＡＶＲ−２（Ｂ系ユニット）の電流指令は最大出力となり、発電機電圧に大きな変動を発生させてしまう。しかし、この実施の第１形態では、スレーブ側はマスタ側からシリアル通信により、９０Ｒ，７０Ｅ，界磁電流値、積分項を１００ｍＳ周期で入力し、入力したデータで制御ループを起動させるようにした。

また、切り替え発生時の両系の界磁電流検出値は、図３に示すようになるため、切り替え発生後から設定時間分は、界磁電流を保持するようにした。

図４は、図２に示したＡＶＲ装置を二重化した場合の具体的なブロック構成図で、図４において、４１，４２はＡＶＲ−１（Ａ系ユニット：マスタ），ＡＶＲ−２（Ｂ系ユニット：スレーブ）で、ＡＶＲ−１（Ａ系ユニット）４１はＣＰＵ演算部４１ａ、界磁電流検出部４１ｂおよびＩＧＢＴ制御部４１ｃなどから構成され、ＡＶＲ−２（Ｂ系ユニット）４２はＣＰＵ演算部４２ａ、界磁電流検出部４２ｂおよびＩＧＢＴ制御部４２ｃなどから構成される。

ＩＧＢＴ制御部４１ｃ、４２ｃの出力は、シャント４３、４４を介してマグネットＳＷ４５，４６から発電機の励磁部４７に供給される。４８，４９はマスタ、スレーブ切り替え制御信号をＡＶＲ−１（Ａ系ユニット）４１，ＡＶＲ−２（Ｂ系ユニット）４２に供給するＤＩ信号入力部である。５０は二重化したＡＶＲ−１，ＡＶＲ−２のセット、リセットと、マグネットＳＷ４５，４６の切換えを行う切換部、５１はＡＶＲ切換スイッチである。

この図４の構成図は、図２に示す動作と同じであるが、ＡＶＲ−２（Ｂ系ユニット）４２のスレーブ側に切り換わったときの動作を図５に示すフローチャートにより述べる。

図５において、ステップＳ１はシリアル通信を介してＡＶＲ−２にデータ入力があるかを判定し、「Ｙｅｓ」ならステップＳ２の処理で入力したデータをテーブルにセットする。その後、ステップＳ３では、テーブルから制御ループにデータをセットする。ここで、セットするデータは、今回セットしたテーブル位置から設定時間分前のデータ（設定時間＝３の場合、今回入力から３回前のデータで最大２０）である。

ステップＳ３の処理でデータをセットした後、第１ＬＰＩの積分項を界磁電流にする処理をステップＳ４にて行う。このように処理した後に、切り替えが発生したかをステップＳ５で判定し、発生なし「Ｎｏ」なら処理を終了する。

ステップＳ５の判定で、発生あり「Ｙｅｓ」ならステップＳ６で設定時間経過したかを判定し、「Ｎｏ」なら処理を終了し、「Ｙｅｓ」ならステップＳ７で内部スイッチ状態をマスタ側に切換える。

図６は本発明の実施の第２形態を示すブロック構成図で、図８と同一部分には同一符号を付して説明する。図６において、ＡＶＲ−１をマスタとし、ＡＶＲ−２をスレーブとする。６１はマスタ／スレーブ判定処理部、６２は電圧確立時の処理と負荷遮断制御時の処理の種別を判定する処理種別判定処理部である。

図６において、スレーブ動作時は、通常制御時（電圧確立制御・負荷遮断制御以外）ＬＰＩ演算・Ｄ／Ａ出力の各演算を停止させマスタから受信したデータを格納するのみとした。これにより、マスタ側に切り替わっても安定した電圧制御が可能となった。

上記処理種別判定処理部６２では、次に述べる電圧確率制御時と負荷遮断制御時を判定する処理を行う。

（ａ）電圧確立制御時を特殊処理とし、スレーブ動作時は、Ｉ３０相当の電流が制御できるようにＤ／Ａ出力・各ＬＰＩ演算積分項を合わせる制御とした。

（ｂ）負荷遮断制御時を特殊処理としてスレーブ動作時は「０．０」出力するようにした。
電圧確立制御時
電圧確立制御時、マスタ故障となるとマスタからのデータ受信ができないため、現状のマスタの各データ値が不明となる。そのため、マスタになったっ場合、電圧を大きく変動させる制御となる可能性があった。

しかし、実施の第２形態では、この制御時は、Ｉ３０の電流を出力させる方式とした。Ｉ３０の出力とするためには、Ｄ／Ａ出力＝設定値とする。なお、その他の設定値は、次のようにする。

９０Ｒ設定値＝１００％、第２ＬＰＩ演算積分項＝Ｄ／Ａ出力値から演算した結果、第１ＬＰＩ演算積分項＝５０％
なお、本機能を有効／無効にする条件は以下となる。

＃４１（界磁遮断器）ＯＮから設定時間以内：本機能を有効
＃４１（界磁遮断器）ＯＮから設定時間以上：通常スレーブ制御
負荷遮断制御時
負荷遮断制御時、マスタ故障となるとマスタからのデータ受信ができないため、現状のマスタの各データ値が不明となる。そのため、マスタになったっ場合、電圧を大きく変動させる制御となる可能性があった。なお、負荷遮断時は、１〜２秒程度の間電圧が大きくなるため、この間のＤ／Ａ出力がほぼ「０」となる。

従って、スレーブ側は以下のような特殊処理とした。

第１ＬＰＩ演算積分項＝０．０％、９０Ｒ設定値＝１００％とする。

本機能を有効にする条件は以下となる。

＃５２（遮断器）ＯＦＦから設定時間以内：本機能を有効
＃５２（遮断器）ＯＦＦから設定時間以上：通常スレーブ制御
図７は処理種別判定処理のフローチャートで、図７において、ステップＳ１１でスレーブ動作かを判定し、「Ｙｅｓ」ならステップＳ１２の処理に進み、＃４１が「ＯＮ」であるかを判定する。

ステップＳ１２の判定の結果、「Ｙｅｓ」ならステップＳ１３の処理に進み、＃４１が「ＯＮ」から設定時間アップしたかを判定する。設定時間アップしたなら「Ｙｅｓ」、電圧確立制御フラグ１＝０の処理をステップＳ１４で行ってステップＳ１５の処理に進む。

ステップＳ１５は＃５２が「ＯＦＦ」であるかを判定し、「Ｙｅｓ」ならステップＳ１６の処理に進んで、＃５２が「ＯＦＦ」から設定時間アップしたかを判定する。設定時間アップしたならステップＳ１７の処理で負荷遮断制御フラグ２＝０として処理を終了する。

上記ステップＳ１３の判定で、「Ｎｏ」の処理ならステップＳ１８で電圧確立制御フラグ１＝１の処理を行う。また、ステップＳ１６の判定で、「Ｎｏ」の処理なら負荷遮断制御フラグ２＝１の処理を行う。

前記ステップＳ１１のスレーブ動作かを判定したとき、「Ｎｏ」ならステップＳ２０の処理に進んで、マスタへの切替であるかを判定する。判定の結果、「Ｙｅｓ」ならステップＳ２１の処理に進んで、フラグ１が「ＯＮ」であるならステップＳ２２で電圧確立処理を行って処理を終了する。

ステップＳ２１で「Ｎｏ」ならステップＳ２３の処理に進んで、フラグ２がＯＮであるかを判定し、「Ｙｅｓ」ならステップＳ２４で負荷遮断処理を行って処理を終了する。ステップＳ２３で「Ｎｏ」ならステップＳ２５で通常切り替え処理に切替えて処理を終了する。

ディジタル式ＡＶＲ装置の概略構成図。 本発明の実施の第１形態を示す概略構成図。 切り替え発生時のＡ，Ｂ両系の界磁電流検出値の説明図。 ＡＶＲ装置を二重化した場合の具体的なブロック構成図。 スレーブ時のフローチャート。 本発明の実施の第２形態を示すブロック構成図。 処理種別判定処理のフローチャート。 タービン発電機の自動電圧制御装置の制御ブロック構成図。 （ａ）は従来のアナログ式ＡＶＲの二重化装置の構成図、（ｂ）は該二重化装置の界磁電流検出部故障発生時の説明図。 マスタ側で運転している現状の演算結果等をスレーブ側へ送信するときの説明図。 電圧確立時に切り替えが発生した場合の電圧推移状況説明図。 負荷遮断時に切り替えが発生した場合の電圧推移状況説明図。

符号の説明

４１…ＡＶＲ−１（Ａ系ユニット）
４１ａ…ＣＰＵ演算部
４１ｂ…界磁電流検出部
４１ｃ…ＩＧＢＴ制御部
４２…ＡＶＲ−２（Ｂ系ユニット）
４２ａ…ＣＰＵ演算部
４２ｂ…界磁電流検出部
４２ｃ…ＩＧＢＴ制御部
４３，４４…シャント
４５，４６…マグネットＳＷ
４７…発電機の励磁部
４８，４９…ＤＩ信号入力部

Claims (5)

1. タービン発電機の検出電圧と電圧設定器の設定値の偏差の比例積分演算で界磁電流指令を得る電圧制御演算部と、前記界磁電流指令と前記発電機の界磁電流検出値との偏差を比例積分演算に応じて前記発電機の界磁電流を制御する界磁電流制御演算部とを備えた自動電圧制御装置であって、
   前記自動電圧制御装置をマスタ・スレーブの二重化して両自動電圧制御装置間のデータ授受を行うシリアル通信手段と、マスタかスレーブかを判定して自動電圧制御装置を選択して使用するマスタ・スレーブ判定処理部を設け、
   マスタからスレーブ側自動電圧制御装置を選択して使用するＣＰＵ演算部にシリアル通信を介してデータ入力があった時、スレーブ側でデータをテーブルにセットし、且つテーブルにセット後、今回のテーブルセットから所定時間前の入力データをテーブルから制御ループにデータをセットして前記マスタの電圧制御演算部の積分項をスレーブの界磁電流の指令値にする処理を行うと共に、マスタからスレーブへの切替え発生の有無を判断し、切替え発生時に設定時間経過後に内部スイッチ状態を切替えてスレーブ側自動電圧制御装置をマスタ側自動電圧制御装置にするよう構成したことを特徴とする自動電圧制御装置の二重化処理装置。
2. 前記スレーブ側の自動電圧制御装置で、データのセットされたテーブルから制御ループにセットするまでのデータ取出時間を設定変更可能としたことを特徴とする請求項１記載の自動電圧制御装置の二重化処理装置。
3. 前記二重化した自動電圧制御装置間に電圧確立制御，負荷遮断制御処理を行う種別判定処理部を設け、この種別判定処理部は、前記マスタ・スレーブ判定処理部がスレーブ動作と判定した時に界磁遮断器がオンして負荷遮断制御処理を行うことを特徴とする請求項１又は２記載の自動電圧制御装置の二重化処理装置。
4. 前記処理種別判定処理部は、前記マスタ・スレーブ判定処理部がマスタへの切替えと判断し、フラグ１が立っていたときに処理種別判定処理部は電圧確立制御処理を行い、フラグ１が立っていなく且つフラグ２が立っているときに負荷遮断処理を行い、前記フラグ２が立っていないときに通常の切替え処理を行うことを特徴とする請求項３記載の自動電圧制御装置の二重化処理装置。
5. 前記処理種別判定処理部が、負荷遮断制御時と判定処理したときには、前記界磁電流制御演算部の出力をほぼ「０」にしたことを特徴とする請求項３又は４記載の自動電圧制御装置の二重化処理装置

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