KR0176063B1 - 부하 불평형율 자동 측정장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 3상 4선식 송전선로에서의 부하 불평형율 자동측정장치에 관한 것으로서, 종래기술에서 부하 불평형으로 인한 선로사고로 인한 기기 고장, 송전 불가능등의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 송전선로로 부터 입력된 3상 전류 및 전압 신호를 측정하는 데이타 측정부와, 그 데이타 측정부에서 측정된 신호들을 부하의 불평형율의 계산을 하기 위한 데이타로 저장시키기 위해 그 데이타 분석하는 데이타 분석부와, 데이타 분석부에서 분석되어 저장된 데이타를 읽어 미리 저장해 놓은 프로그램에 따라 부하 불평형율을 연산하는 데이타 연산부와, 데이타 연산부에서 연산된 부하 불평형율의 데이타를 사용자에게 출력해주는 출력부로 구성되어, 자동으로 부하 불평형율을 측정함으로써 송전선로의 사고를 미연에 방지할 수가 있고, 작업상의 간편성과 정확성 및 신뢰성을 제공한다.

Description

부하 불평형율 자동측정정치

제1도는 본 발명이 적용되는 일반적인 3상 4선식 송전방식 회로도.

제2도는 본 발명의 부하 불평형율 자동측정장치의 블럭 구성도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

100 : 데이타 측정부

110 : 계기용 변류부(CT: Current Transformer)

120 : 계기용 변압부(PT: Potention Transformer)

130 : 저항 분압기 200 : 데이타 분석부

210 : A/D신호변환부 220 : 메모리

230 : 필터 240 : 위상비교기

300 : 데이타 연산부 400 : 출력부

410 : 선택 스위치 420 : 표시부

본 발명은 부하 불평형율 자동측정장치에 관한 것으로서, 특히 3상 4선식 송전선로에 연결된 부하의 불평형율을 자동측정하기 위한 장치에 관한 것이다.

일반적으로 송전선로는 제1도에 도시된 바와 같이, 다중 접지 계통의 3상 4선식 회로로 구성되어 있다.

이러한 회로에 각각의 상에 나타나는 기전력의 크기가 같고, 상전압(Phase voltage)의 위상차가 각각 120°이고, 각각의 상에 걸리는 부하가 같다면 각 상을 통해 흐르는 부하전류는 같게 되는데, 이를 평형 또는 대칭되었다고 말한다.

이때 중심선을 통해 흐르는 전류는 0 이 된다.

그러나 실제 선로 상태에서 완전히 평형된 상태라는 존재할 수가 없다.

그 이유는 각각의 상에 걸리는 부하가 완전히 같게 될 수는 없기 때문이다.

그래서 선로에는 불평형 상태가 언제나 존재하게 된다.

따라서, 평상시에는 운전상태를 점검하여 부하에 따른 선로를 변경시켜 가능한 불평형을 줄여주어야 한다.

이와같은 조치를 취하지 않으면 선로사고로 인하여 단락이나 지락사고가 발생하게 된다.

그 영향으로 계통의 기기를 손상시키고, 송전을 불가능하게 만들 뿐만 아니라 영상전류가 흘러 인접 통신선에 유도 고정을 발생시킴으로써, 그 고장에 대한 적절한 보호대책이 강구되고 있다.

이때, 상기 불평형율이 30% 이상 발생되게 되면, 상술한 선로사고로 간주하여 통상적인 경우에는 선로 보호장치가 동작하게 된다.

이와는 달리 상기 불평형율이 30%미만인 경우에는 고장사고가 아닌 것으로 간주하여 주위의 선로 보호장치가 동작하지 않게 된다.

그러나 30%미만의 불평형율이 계속되면 발전기의 부담이 커지고, 영상전류가 흘러 주위 통신선과의 유도 장해를 발생시키는 등의 문제점을 일으키기 때문에 선로에 연결된 불평형된 부하를 평형에 가깝도록 수시로 조정해주어야 하는 불편한 문제점이 있다.

이와같은 부하의 불평형은 각 상전압, 상전류값의 크가와 위상차가 모두 다르게 되어 중성선에 흐르는 전류가 존재하게 된다.

이때 중성선을 흐르는 전류가 존재한다는 것은 중성점 n과 n' 사이에 전위차가 존재함을 의미한다.

따라서 각각의 상전압, 상전류를 계기용 변류기(CT), 계기용 변압기(PT)의 단자를 이용하여 측정하면, 위상차, 전압차 그리고 전류차이를 비교하여 평형인지 아닌지를 판단하고 평형이 아니면 얼마만큼 평형이 아닌지를 알 수 있다.

이렇게 불평형 상태를 판단하기 위해 일반적인 해석법(중첩의 정리, 테브난의 정리)을 적용할 수 있으나 이는 매우 복잡하고 어렵다.

따라서 대칭좌표법을 이용하여 선로의 불평형율을 계산하는 것이 매우 쉽게 된다.

그 대칭좌표법은 3상 교류회로를 단상 회로로 치환하고, 불평형(비대칭)전압 또는 전류를 평형(대칭)인 3성분(영상분, 정상분, 역상분)으로 해석하여 취급하기 때문에 계산이나 회로의 이해를 쉽게 할 수 있어 3상 불평형 상태를 용이하게 해석할 수 있다.

종래기술에서는 불평형 상태를 검출하기 위한 수단으로 검출자가 각 상전압·전류를 측정한 후 수작업으로 계산하여 불평형율을 계산하였다. 이와같은 종래기술은 작업상 비효율적이고 계산상의 오차가 존재할 수 있는 문제점을 갖고 있다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 제반 문제점들을 해결하기 위해 송전선로의 부하 불평형 상태를 자동으로 측정함으로써 선로사고를 미연에 방지하기 위한 부하 불평형을 자동측정장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 3상 회로에서 각각의 부하 불평형으로 인한 불평형 상전압·전류를 대칭분의 합으로 표시할 수 있는 대칭좌표법을 이용하여 불평형율을 계산하고 있다.

여기서, 평형(대칭)은 3상의 전원 전압이 서로 같고, 각 상에 걸린 부하의 크기가 같고, 각 상전압, 상전류의 위상차가 각각 120°로 된 상태를 말한다.

그러나 본 발명에서는 전원전압이 언제나 변함이 없다고 가정하고, 부하에 의한 불평형만을 고려한다.

여기서, 불평형율은 측정에 의해 불평형 3상전류가 Ia(a상의 전류), Ib(b상의 전류), Ic(c상의 전류)라 할 때, 새로운 벡터 I0, I1, I2를 이용하여 식(1)과 같이, Ia를 기준으로 나머지 Ib, Ic 를 구할 수 있다.

따라서 어떠한 불평형 3상 전류에서도 그 크기와 위상만 알게 되면, 이 3개의 상전류를 합하여 상기 I0, I1, I2를 식(2)와 같이 각각 구하면, 이는 각각 영상전류, 정상전류, 역상전류가 된다.

이들 대칭분의 전류들을 이용하여 평형상태에서 이탈정보를 표시하는 양을 불평형율로 나타낼 수 있다.

마찬가지로, 전압에 대해서도 불평형 3상전압이 Va, Vb, Vc라 할 때에 식(3)과 같이 벡터 V0, V1, V2를 각각 영상전압, 정상전압, 역상전압이라고 하며, 이들 대칭분의 전압을 이용하여 평형상태에서 이탈정도를 표시하는 양을 불평형율로 나타낼 수 있따.

마찬가지로 이 3개의 상전압을 합하여 영상분과 정상분 및 역상분을 다음 식(4)과 같이 계산할 수 있다.

이에따라 어떠한 불평형 3상 전류, 전압일지라도 3성분의 평형된 대칭분 전류, 전압으로 분해할 수 있으므로 각 상의 선로정수가 평형이라면 이를 단상 등가회로로 변환할 수 있다.

따라서 3상 불평형을 알기 위해서는 직접 불평형 3상의 전류나 전압으로 부터 취급하지 않고 다상 등가회로로 변환된 대칭분 회로에서 각각 대칭성분에 대한 계산을 하여 이를 중첩시키면 불평형을 쉽게 알 수 있다.

이와같이 불평형율을 구하는 원리를 이용하여 본 발명을 첨부 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

제2도는 본 발명에 따른 부하 불평형율 자동측정장치의 블럭 구성도이다.

그 구성은, 3상 4선식 송전선로에 적용되는 예로서 설명하면, 크게 배전선로의 3상정보인 A, B, C, N상 전류(즉, Ia, Ib, Ic, In) 및 A, B, C상 전압(Va, Vb, Vc) 신호를 측정하는 데이타 측정부(100)와, 상기 데이타 측정부(100)에서 측정된 신호들을 부하의 불평형율의 계산을 하기 위한 데이타로 저장시키기 위해 그 데이타를 분석하는 데이타 분석부(200)와, 상기 데이타 분석부(200)에서 분석되어 저장된 데이타를 읽어 미리 저장해 놓은 프로그램에 따라 부하 불평형율을 연산하기 위해 중앙처리장치를 사용하는 데이타 연산부(300)와, 상기 데이타 연산부(300)에서 연산된 부하 불평형율의 데이타를 사용자에게 출력해주는 출력부(400)로 구성되어 있다.

상기한 구성을 구체적으로 설명하면, 상기 데이타 측정부(100)는 송전선로로부터 입력된 3상(A, B, C)의 전류와 중성선(N)의 전류를 측정하는 계기용 변류부(110) 와, 같은 시간에 송전선로로 부터 입력된 3상(A, B, C)의 전압을 측정하는 계기용 변압부(120)와, 상기 계기용 변류부(110)와 상기 계기용 변압부(120)로 부터 출력된 신호를 최대 출력전압 5V이하로 분압시켜 출력하는 저항 분압기(130)로 구성되어 있다.

또한, 상기 데이타 분석부(200)는 상기 저항 분압기(130)에서 출력된 신호들을 저장하기 위해 디지탈 신호로 변환하는 A/D신호변환기(210)와, 상기 A/D신호변환기에서 변환된 디지탈신호의 데이타를 저장하는 메모리(220)와, 이 메모리에 저장된 데이타의 잡음을 제거하고, 그 데이타의 영점 전과 후의 값을 보정하여 상기 메모리(220)로 출력하는 필터(230)와, 상기 메모리(220)에 저장된 전압과 전류 데이타의 위상차를 비교하고, 그 비교된 결과의 데이타를 상기 메모리(220)로 출력하는 위상 비교기(240)로 구성되어 있다.

또한, 상기 출력부(400)는 상기 데이타 연산부(300)에서 계산된 부하 불평형율 데이타를 상기 메모리(220)에 기억시키고, 그 데이타의 출력을 제어하는 선택스위치(410)와, 상기 선택 스위치(410)에 의해 선택된 상기 부하 불평형율 데이타를 표시하는 표시부(420)로 구성되어 있다.

이와같은 구성에 의해 본 발명의 동작을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 배전반에 부착되어 있는 계기용 변류부(110)와 계기용 변압부(120)에서 송전선로 각각의 3상전류(Ia, Ib, Ic) 및 중선선의 전류(In)에 대한 정보와 3상전압(Va, Vb, Vc)를 측정한다.

그리고 상기 계기용 변류부(110) 및 계기용 변압부(120)의 단자에 20:1의 저항 분압기(R1, R2) 분압기(130)에 프로브(Probe)가 연결되는 결선을 제2도에 도시된 바와 같이 갖는다.

여기서 상기 계기용 변류부(110) 4대(111-114)는 각상의 전류와 중성선의 전류를 측정한다.

또한, 계기용 변압부(120) 3대(121-123)는 상간 전압을 측정하도록 연결되어 있다.

그리고 변전소 배전판 판넬에 연결된 상기 계기용 변류부(110)와 계기용 변압부(120)는 BNC)단자로 된 7개의 프로부를 연결하여 상전압, 상전류를 측정한다.

그 측정된 각각의 정보는 같은 시간에 한 번에 측정해야 하므로 7개의 채널로 구성되어 있으며, 채널당 4주기의 파형을 읽어들인다.

이때 한 주기 동안 200포인트를 샘플링하게 되어 있어 83μs 마다 1개씩 데이타를 읽어들여 반주기 동안 100개의 데이타를 얻을 수 있다.

이와같이 계기용 변류부(110)와 계기용 변압부(120)에서 얻은 신호를 입력 받은 저항분압기(130)은 저항소자(R1, R2)를 이용하여 20:1로 전압을 낮추어 최대 출력 전압이 5V이하가 되게 처리한다.

이에따라 A/D신호변환기(210)는 상기 저항분압기(130)에서 분압되어 출력되는 정보를 디지탈화하여 일단 버퍼에 저장시키고 데이타가 다 모이면 메모리(220)로 전송한다.

그리고 필터(230)는 그 메모리(220)에 저장된 데이타를 소프트웨어적으로 필터링 하여 그 파형의 노이즈를 제거시킬 뿐만 아니라 영점 부근의 샘플링 값이 정확히 0의 위치에 있지 않을 수도 있기 때문에 영점 전과 후의 값에 대해 꼭 영점을 파형이 지나가도록 한다.

즉, 영점 전과 후의 값을 보정하여 상기 필터(230)는 다시 메모리(220)로 전송한다.

한편, 위상 비교기(240)는 메모리(220)에 저장된 전압, 전류 데이타를 읽어와 a상을 기준으로 b상이 영이 되는 시간을 측정하여 위상차를 측정하고, 마찬가지로 c상의 위상도 측정한다.

즉, 이는 일정 측정 기준점에서 부터 시간의 개념을 도입하여 위상과 크기를 분석하는 것이다.

데이타 연산부(300)는 상기 메모리(220)에 저장된 데이타를 읽어와 미리 저장된 프로그램에 따라 상술한 바와 같은 방법에 의해 불평형율을 계산하고, 아울러 유효전력, 무효전력, 역율, 영상전압, 영상전류를 계산한다.

이때, 미리 저장된 프로그램은 각 파형을 r.m.s(root mean square value)값으로 변형시키고, 그 프로그램은 롬(ROM)에 저장되어 있다.

그리고 버퍼 메모리회로와 데이타 메모리 회로에는 수행시간이 빠른 램(RAM)을 이용한다.

또한, 전원이 끊겨도 내용이 지워지지 않는 불휘발성 메모리를 이용하였다.

상기한 데이타 연산부(300)에서 계산한 정보는 선택스위치(410)에 의해 상기 메모리(220)에 기억시킨 후, 사용자의 요구에 따라 지정된 스위치를 눌러 지시값을 표시하도록 제어한다.

이와같이 선택스위치(410)의 선택에 따라 표시부(420)는 상기 계산한 불평형율, 유효전력, 무효전력, 역율, 피상전력, 영상전압, 영상전류를 액정화면을 통해 문자형태로 표시하여 준다.

이상과 같은 본 발명은 부하 불평형으로 인한 선로사고를 미연에 방지함으로써 작업상의 간편성과 정확성 및 신뢰성을 얻는 효과가 있다.

Claims (7)

1. 3상 4선식 송전선로에 연결된 부하의 불평형율을 측정하는 장치에 있어서, 상기 송전선로로 부터 입력된 3상 전류 및 전압 신호를 측정하는 데이타 측정수단과, 상기 데이타 측정수단에서 측정된 신호들을 부하의 불평형율 계산을 하기 위한 데이타로 저장시키기 위해 그 데이타를 분석하는 데이타 분석수단과, 상기 데이타 분석수단에서 분석되어 저장된 데이타를 읽어 미리 저장해 놓은 프로그램에 따라 부하 불평형율을 연산하는 데이타 연산수단과, 상기 데이타 연산수단에서 연산된 부하 불평형율의 데이타를 사용자에게 출력해주는 출력수단으로 구성된 것을 특징으로 하는 부하 불평형율 자동측정장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 데이타 측정 수단은 송전선로로 부터 입력된 3상의 전류와 중성선의 전류를 측정하는 계기용 변류부와, 이와 동시에 송전선로로 부터 입력된 3상의 전압을 측정하는 계기용 변압부와, 상기 계기용 변류부와 상기 계기용 변압부로 부터 출력된 신호를 일정 전압으로 분압시켜 출력하는 분압부로 구성된 것을 특징으로 하는 부하 불평형율 자동측정장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 계기용 변류부는 전류신호를 측정하기 위해 2차측에 소정 갯수의 접속단자를 구비한 것을 특징으로 하는 부하 불평형율 자동측정장치.
4. 제2항에 있어서, 상기 계기용 변압부는 전압신호를 측정하기 위해 2차측에 소정 갯수의 접속단자를 구비한 것을 특징으로 하는 부하 불평형율 자동측정장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 데이타 분석수단은 상기 데이타 측정수단에서 출력된 신호들을 저장하기 위해 디지탈 신호로 변환하는 A/D신호변환부와, 상기 A/D신호변환부에서 변화된 디지탈신호의 데이타를 저장하는 데이타 저장부와, 상기 데이타 저장부에 저장된 데이타의 잡음을 제거하고, 그 데이타의 영점 전과 후의 값을 보정하여 상기 데이타 저장부로 출력하는 필터링부와, 상기 데이타 저장부에 저장된 전압과 전류 데이타의 위상차를 비교하고, 그 비교된 결과의 데이타를 상기 데이타 저장부로 출력하는 위상 비교부로 구성된 것을 특징으로 하는 부하 불평형율 자동측정장치.
6. 제1항 또는 제5항에 있어서, 상기 위상 비교부는 3상중 어느 하나의 상을 기준으로 나머지 두개의 상이 0 이 되는 시간을 측정하여 위상차를 측정하는 것을 특징으로 하는 부하 불평형율 자동측정장치.
7. 제1항에 있어서, 상기 출력수단은 상기 데이타 연산수단에서 계산된 부하 불평형율 데이타를 상기 데이타 저장수단에 기억시키고, 그 데이타의 출력을 제어하는 선택부와, 상기 선택부에 의해 선택된 상기 부하 불평형율 데이타를 표시하는 표시부로 구성된 것을 특징으로 하는 부하 불평형율 자동측정장치.