KR100349622B1 - 영상전류 위상비교방식을 이용한 배전계통 고장구간 판단장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 23[kV] 특고압 배전선로의 배전자동화시스템에서 중앙제어소에 설치되어 있는 중앙제어장치가 배전선로상에 설치되어 있는 단말장치의 정보를 취득하여 원격으로 고장구간을 판별하는 장치 및 그 판별방법에 관한 것으로서, 본 발명은 무전압 신호를 출력하는 무전압 검출부(10)와, 기본파의 위상을 계산하는 영상전류 위상계산부(20)와, 세밀한 현재시간을 계산하는 시각동기화부(30)와, 상기 영상전류 위상계산부(20)에서 출력된 영상전류 위상에, 상기 시각동기화부(30)에서 출력된 현재시간을 타임태그로 붙여 저장하고 있다가 출력하는 고장데이타 저장부( 40)와, 외부의 중앙제어장치(200)로부터 영상전류 위상 전송신호가 오면 고장전류 저장기(43)에 저장된 영상전류 위상과 상기 타임태그를 전송하는 통신부(50)로 구성되어진다.

상기 구성에 따른 본 발명은 23kV 특고압 배전선로의 배전자동화 시스템에서 종래의 Yes/No 로직의 고장구간 판단방식에 비하여 중앙 제어장치가 고장구간을 정확히 판단하여 지락에 따른 고장구간의 오판을 배제함으로써 배전자동화 시스템의 성능을 크게 향상시키는 효과가 있다.

Description

영상전류 위상비교방식을 이용한 배전계통 고장구간 판단장치 및 방법 {The method of faulted section detection using comparision of zero sequenc current angle}

본 발명은 23[kV] 특고압 배전계통의 배전자동화시스템에서 고장구간을 판단하기 위한 장치 및 그 판단방법에 관한 것으로서, 좀더 상세하기로는 고장점을 기준으로 전원단과 부하단에 영상전류의 위상이 급격히 변한다는 사실을 이용하여 단말장치에서 측정된 영상전류 위상을 서로 비교함으로써 고장구간을 판별하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

종래의 배전자동화 시스템에서는 중앙제어장치가 단말장치의 정보를 취득하여 원격에서 고장구간을 판단하기 위하여 Yes/No 로직이라 불리는 방식을 사용하고 있다.

도 4는 종래의 Yes/No 로직 방식의 동작원리를 설명하기 위한 것으로서, 일반적으로 지역과 시간에 따라 다소 차이는 있지만, 배전선로에는 평상시 실효치가 대략 250 A를 넘지 않는 정도의 부하전류가 흐른다. 그러나 절연물이 파괴되거나 전력선이 끊어지는 등 여러 가지 원인에 의해 사고가 발생하면 수백에서 수천 A에 이르는 큰 고장전류가 흐르게 된다. 이러한 현상은 상전선(A, B, C상)과 상전성 또는 상전선과 중성선(N상)이 단락되어 임피던스가 급격히 작아짐에 기인한다.

상기의 고장전류는 전원측인 변전소로부터 선로를 지나 고장점을 통하여 회귀하므로 고장점에서 전원단에만 큰 전류가 흐르고 고장점의 부하단에는 고장전류가 흐르지 않는다. 따라서, 배전선로에 일정한 간격으로 단말장치를 설치하고 이 단말장치에서 고장전류가 흘렀는지를 검출하면, 중앙제어소에서는 단말장치의 고장검출 정보를 취득하여 고장전류가 흐른 단말장치의 고장검출 정보를 취득하여 고장전류가 흐른 단말장치와 고장전류가 흐르지 않는 단말장치 사이에서 고장이 발생했다고 판단할 수 있다.

상기 도 4에 표시한 Yes/No 로직방식에서는 상기 단말장치를 고장표시기라고 호칭하며, 상기 고장표시기가 설치된 위치의 전류를 측정하여 실효치가 일정값 이상이면 고장전류라고 판단하고, 상기 고장전류가 검출되면 중앙제어장치에 통신선을 통하여 알리고, 중앙제어장치로부터 명령이 오면 같이 설치되어 있는 자동화 스위치를 투입/개방하는 것이 주요 기능이다.

상기 고장표시기는 도 4에서 가, 나, 다 및 라로 나타내었다. 만일 F점에서 사고가 발생하였다고 가정하면 고장전류는 변전소에서부터 시작하여 '가', '나'점을 지나 F점을 통해 되돌아온다. 따라서 '가', '나', '다' 및 '라'점에 고장표시기를 설치하고 고장전류를 검출하여 각 고장표시기의 정보를 중앙제어장치에서 취합하면 고장전류를 검출한 '나'와 고장전류를 검출하지 못한 '다'사이가 고장구간이라고 판정할 수 있다.

하지만 종래의 Yes/No 로직 고장구간 검출방식은 다음과 같은 문제점을 지니고 있다.

고장표시기는 A상, B상, C상과 N상의 전류를 측정하여 그 중의 하나라도 전류의 크기가 정해진 값 이상이 되면 고장전류를 검출했다고 판단한다. 도 2에서 '나'와 '다'사이에서 A상이 N상과 접촉되는 지락사고가 발생하였다면 '가'와 '나'에는 A상과 N상에 매우 큰 고장전류가 흐르고 B상과 C상에는 평상시와 비슷한 부하전류가 흐르므로 '가'와 '나'에 설치된 고장표시기는 A상과 N상에서 고장전류를 검출하여 정확히 동작한다. 그런데, '다'와 '라'의 고장표시기에서 생각해보면, B상과 C상에는 평상시와 비슷한 부하전류가 유지되지만 A상에는 전류가 F점을 통해 전원단으로 돌아가므로 '다'와 '라' 고장표시기 설치점에 A상은 평상시 부하전류보다 매우 작은 전류만이 흐르게 된다. 이때 N상에 흐르는 전류는 A상, B상, C상에 흐르는 전류의 벡터합이므로 고장전류 검출기준보다 큰 전류가 흐르게 된다. 따라서, '다'와 '라'에 설치된 고장표시기도 N상의 전류에 의해 고장전류를 검출했다고 판단하게 된다. 결국, '나'와 '다' 사이의 지락사고에 대하여 '가', '나', '다' 및 '라'에 설치된 모든 고장표시기가 고장전류를 검출했다고 표시하게 되므로 중앙제어장치는 어느 구간에서 고장이 발생했는지를 판단할 수 없게 된다. 이러한 Yes/No 로직 고장구간 검출방식의 오동작은 같은 원리에 의하여 2선 단락의 경우에도 발생하게 된다.

상기와 같이 종래의 고장전류의 검출방식이 지니는 문제점을 극복하기 위하여 본 발명에서는 영상전류의 위상을 비교하는 방식을 채택하고자 한다.

배전계통은 전원이 한쪽에만 존재하는 방사상으로 운전되기 때문에 선로상의 한점에서 고장이 발생하면 고장점을 기준으로 하여 전원측과 부하측의 영상전류의 위상이 다르게 된다. 단말장치는 설치된 위치에서 영상전류의 위상을 측정하고, 중앙제어장치는 여러 단말장치의 영상전류 위상을 취합하여 영상전류의 위상이 급격히 달라지는 두 단말장치 사이에서 고장이 발생하였다고 판단한다. 여기서 단지 문제가 되는 것은 서로 떨어져 있는 여러 단말장치가 정확히 동시점에 영상전류의 위상을 측정해야 한다는 점이다.

본 발명은 상기 문제를 해결하기 의하여 GPS를 이용한 시각동기화 기법을 사용한다. 즉, 각 단말장치에 GPS 수신기를 설치하고 고장이 발생된 임의의 시점에서 영상전류위상을 측정한 후 GPS로 수신된 그 시점의 정확한 시간을 측정된 영상전류 위상과 함께 중앙제어장치로 전송한다. 중앙제어장치는 여러 단말장치의 측정시간을 기준으로 영상전류위상을 보정하여 여러 단말장치가 동시에 영상전류위상을 측정한 것과 동일한 효과를 얻을 수 있다. 따라서, 여러 단말장치에서 측정된 영상전류위상을 서로 비교할 수 있고, 위상이 급격히 변한 두 단말 장치 사이에서 고장이 발생했다고 판정할 수 있는 것이다.

따라서, 본 발명의 목적은 배전자동화시스템에 있어서 배전선로에 고장이 발생하였을 때 중앙제어소에 설치되어 있는 중앙제어장치가 배전선로상에 설치되어있는 단말장치의 정보를 취득하여 원격에서 고장구간을 정확히 판정할 수 있는 장치 및 그 판정방법을 제공하는 데에 있다.

도 1은 본 발명에 의한 배전자동화시스템 단말장치의 블록구성도.

도 2는 본 발명의 배전자동화 시스템 단말장치의 설치예.

도 3은 본 발명의 배전자동화 시스템의 중앙제어장치의 구성도.

도 4는 종래의 고장구간 검출방식을 설명하기 위한 개념도.

도 5(a)은 도 4의 내용을 기준으로 하여 단말장치 "가"에서의 "나"와 "다"사이에서의 1선지락사고에 대한 영상전류를 나타내는 실시예.

도 5(b)은 도 4의 내용을 기준으로 하여 단말장치 "나"에서의 "나"와 "다"사이에서의 1선지락사고에 대한 영상전류를 나타내는 실시예.

도 5(c)은 도 4의 내용을 기준으로 하여 단말장치 "다"에서의 "나"와 "다"사이에서의 1선지락사고에 대한 영상전류를 나타내는 실시예.

도 6(a)는 도 4의 내용을 기준으로 하여 단말장치 "가"에서의 "나"와 "다"사이에서의 2선지락사고에 대한 영상전류를 나타내는 실시예.

도 6(b)는 도 4의 내용을 기준으로 하여 단말장치 "나"에서의 "나"와 "다"사이에서의 2선지락사고에 대한 영상전류를 나타내는 실시예.

도 6(c)는 도 4의 내용을 기준으로 하여 단말장치 "다"에서의 "나"와 "다"사이에서의 2선지락사고에 대한 영상전류를 나타내는 실시예.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

10: 무전압 검출부 11: 전압변성기 13: A/D 변환기

15: 무전압 판정기 20: 영상전류 위상계산부 21: 전류변성기

23: A/D 변환기 25: 위상계산기 30: 시각 동기화부

31: 시각 수신기 33: 현재시각 계산기 40: 고장데이터 저장부

41: 타임태그 작성기 43: 고장전류 저장기 50: 통신부

200: 중앙제어장치

이하 본 발명의 내용을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 의한 배전자동화시스템 단말장치(100)의 구성도로서, 이에 도시한 바와 같이, 23[kV] 특고압 배전선로의 전압을 측정하여 그 실효치가 미리 정해진 값 이하이면 선로가 차단되었다고 판단하여 무전압 신호를 출력하는 무전압 검출부(10)와, 배전선로 N상의 전류의 순시치를 측정하고, 그 순시치를 디지털 값으로 변환하고, 그 디지털 값을 퓨리에 변환하여 기본파의 위상을 계산하는 영상전류 위상계산부(20)와, 인공위성으로부터 시각 정보를 수신하고 그 시간을 1초당 10,000회로 나누어 세밀한 현재시간을 계산하는 시각동기화부(30)와, 상기 영상전류 위상계산부(20)에서 출력된 영상전류 위상에, 상기 시각동기화부(30)에서 출력된 현재시간을 타임태그로 붙여 저장하고 있다가 상기 무전압 검출부(10)로부터 무전압신호가 입력되면 그 시점으로부터 30[msec] 전에 입력된 영상전류 위상과 상기 타임태그를 고장전류 저장기(43)에 저장하였다가 통신부(50)로부터 신호가 오면 고장전류 저장기(43)에 저장된 영상전류위상과 상기 타임태그를 출력하는 고장데이타 저장부(40)와, 외부의 중앙제어장치(200)로부터 영상전류 위상 전송신호가 오면 고장전류 저장기(43)에 저장된 영상전류 위상과 상기 타임태그를 전송하는 통신부(50 )로 구성된다.

상기 무전압 검출부(10)는 23kV 특고압 배전선로의 A상-N상, B상-N상, C상-N상간의 전압을 A/D 컨버터가 사용할 수 있는 수 V 레벨의 낮은 전압으로 변환하는 전압변성기(11)와, 상기 전압변성기의 낮은 전압의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 변환기(13)와, 상기 A/D 변환기가 출력한 디지털의 현재시점으로부터 이전 한 주기의 데이터의 실효치를 계산하여 미리 정해진 값 이하라면 무전압으로 판정하는 무전압판정기(15)로 구성된다.

상기 영상전류 위상계산부(20)는 수백 A에서 수천 A에 이르는 특고압 배전선로의 N상 전류를 1A 미만의 낮은 전류로 변류하여 출력하고 다시 A/D 컨버터가 사용할 수 있는 수 V 레벨의 전압으로 변환하여 출력하는 전류변성기(21)와 상기 전류변성기에서 나오는 N상의 전류를 60Hz 한주기당 12번씩 샘플링하여 디지털 신호로 변환하여 출력하는 A/D 변환기(23)와, 상기 A/D 변환기로부터 입력된 디지털 신호 중 현재 시점으로부터 1주기간의 12샘플을 대상으로 퓨리에 변환하여 기본파의 위상을 계산하는 위상계산기(25)로 구성된다.

상기 시각동기화부(30)는 일반적인 GPS 모듈로서 인공위성으로부터 현재시각에 대한 정보를 수신하는 시각 수신기(31)와, 상기 시각수신부에서 수신된 현재시간을 백만분의 1초단위로 분주하여 세밀한 현재시간을 출력하는 현재시각 계산부(3 3)로 구성된다.

상기 고장 데이터저장부(40)는 상기 시각 동기화부(30)에서 출력된 현재시간을 입력받아 타임태그를 만들고, 상기 영상전류 위상계산부(20)에서 출력된 영상전류의 위상에 덧붙여 고장기록 데이터를 만들어 임시 저장하고 있다가 상기 무전압 검출부(10)로부터 무전압 신호가 입력되면 30 msec 전에 측정된 상기 고장기록 데이터를 고장기록부로 전달하는 타임태그 작성기(41)와, 상기 중앙제어장치(60)로부터 상기 타임태그 작성부에서 출력된 고장기록 데이터를 저장하고 있다가 상기 통신부로부터 요청이 오면 고장기록 데이터를 통신부로 전달하는 고장기록 저장기(43)로 구성된다.

상기 통신부(50)는 외부의 중앙제어장치(200)에서 요청이 오면 상기 고장기록 저장기(43)에 저장되어 있는 고장기록 데이터를 전용 통신선을 통하여 중앙제어장치로 전송한다.

중앙제어장치(200)는 고장이 발생하여 보호계전기가 선로를 차단하고, 선로가 무전압이 되면 도 2에 도시한 바와 같이 고장 D/L에 설치되어 있는 단말장치에 신호를 보내어 무전압이 되기 2주기 전의 영상전류위상과 타임태그를 전송받는다. 단말장치로부터 취득된 영상전류의 위상은 단말장치들이 서로 거리를 달리하고 있으므로 무전압을 기준으로 영상전류를 측정한다고 하더라도 약간의 측정시간에 따른 차이가 발생하게 된다. 따라서 동일시간대에서의 영상전류의 위상을 상호 비교하기 위하여는 타임태그를 이용한 위상보정이 필요하다. 영상전류의 위상은 60Hz를 기본파로 하므로 측정시간 1ms는 21.6°의 위상각으로 계산된다. 따라서, 타임태그에 의해 얻은 시간차를 위상각의 차이로 변환한 위상차를 이용하여 실제 측정위상에서 상기 시간차에 따른 위상차를 빼주면 동일한 시간대에서의 보정된 영상전류위상으로 환산이 가능하다. 이렇게 하여 얻어진 결과를 검토하여 영상전류의 위상이 급격히 변하는 구간이 고장구간이라고 판단한다.

도 5는 본 발명의 1선지락사고를 모델로 한 시뮬레이션 결과로서, 도 4에 나타난 바와 같은 내용을 토대로 전력계통 과도현상해석 소프트웨어를 이용하여 얻은 결과이다. 도 5(a)(b)(c)에 의하면 '나'와 '다'사이에서 1선지락사고가 발생시 '가'와 '나' 사이에서는 영상전류의 위상이 같고, '나'와 '다' 사이에서는 영상전류의 위상이 반전되어 있음을 알 수 있다. 따라서, 위상이 반전된 '나'와 '다'사이에서 고장이 발생하였음을 확인할 수 있다.

또한, 도 6(a)(b)(c)는 본 발명의 2선지락사고시의 시뮬레이션 결과로서, 마찬가지로 '가'와 '나' 사이에서는 영상전류의 위상이 같고, '나'와 '다' 사이에서는 영상전류의 위상이 반전되어 있음을 알 수 있다. 따라서, 위상이 반전된 '나'와 '다'사이에서 고장이 발생하였음을 확인할 수 있다.

본 발명은 23kV 특고압 배전선로의 배전자동화 시스템에서 종래의 Yes/No 로직의 고장구간 판단방식에 비하여 중앙 제어장치가 고장구간을 정확히 판단하여 지락에 따른 고장구간의 오판을 배제함으로써 배전자동화 시스템의 성능을 크게 향상시키는 효과가 있다.

Claims (7)

1. 23[kV] 특고압 배전선로의 배전자동화시스템에서 중앙제어소에 설치되어 있는 중앙제어장치가 배전선로상에 설치되어 있는 단말장치의 정보를 취득하여 원격으로 고장구간을 판별하는 장치에 있어서,

   배전선로의 전압을 측정하여 그 실효치가 미리 정해진 값 이하이면 선로가 차단되었다고 판단하여 무전압 신호를 출력하는 무전압 검출부(10)와,

   배전선로 N상의 전류의 순시치를 측정하고, 그 순시치를 디지털 값으로 변환하고, 그 디지털 값을 퓨리에 변환하여 기본파의 위상을 계산하는 영상전류 위상계산부(20)와, 인공위성으로부터 시각 정보를 수신하고 그 시간을 1초당 10,000회로 나누어 세밀한 현재시간을 계산하는 시각동기화부(30)와, 상기 영상전류 위상계산부(20)에서 출력된 영상전류 위상에, 상기 시각동기화부(30)에서 출력된 현재시간을 타임태그로 붙여 저장하고 있다가 상기 무전압 검출부(10)로부터 무전압신호가 입력되면 그 시점으로부터 30[msec] 전에 입력된 영상전류 위상과 상기 타임태그를 고장전류 저장기(43)에 저장하였다가 통신부(50)로부터 신호가 오면 고장전류 저장기(43)에 저장된 영상전류위상과 상기 타임태그를 출력하는 고장데이타 저장부(40)와, 외부의 중앙제어장치(200)로부터 영상전류 위상 전송신호가 오면 고장전류 저장기(43)에 저장된 영상전류 위상과 상기 타임태그를 전송하는 통신부(50)로 구성되는 것을 특징으로 하는 영상전류 위상비교방식을 이용한 배전선로 고장구간 검출장치.
2. 제 1항에 있어서, 무전압 검출부(10)는 23kV 특고압 배전선로의 A상-N상, B상-N상, C상-N상간의 전압을 A/D 컨버터가 사용할 수 있는 수 V 레벨의 낮은 전압으로 변환하는 전압변성기(11)와, 상기 전압변성기의 낮은 전압의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 변환기(13)와, 상기 A/D 변환기가 출력한 디지털의 현재시점으로부터 이전 한 주기의 데이터의 실효치를 계산하여 미리 정해진 값 이하라면 무전압으로 판정하는 무전압판정기(15)로 구성되는 것을 특징으로 하는 영상전류 위상비교방식을 이용한 배전선로 고장구간 검출장치.
3. 제 1항에 있어서, 영상전류 위상계산부(20)는 수백 A에서 수천 A에 이르는 특고압 배전선로의 N상 전류를 1A 미만의 낮은 전류로 변류하여 출력하고 다시 A/D 컨버터가 사용할 수 있는 수 V 레벨의 전압으로 변환하여 출력하는 전류변성기(21)와 상기 전류변성기에서 나오는 N상의 전류를 60Hz 한주기당 12번씩 샘플링하여 디지털 신호로 변환하여 출력하는 A/D 변환기(23)와, 상기 A/D 변환기로부터 입력된 디지털 신호중 현재 시점으로부터 1주기간의 12샘플을 대상으로 퓨리에 변환하여 기본파의 위상을 계산하는 위상계산기(25)로 구성되는 것을 특징으로 하는 영상전류 위상비교방식을 이용한 배전선로 고장구간 검출장치.
4. 제 1항에 있어서, 시각동기화부(30)는 일반적인 GPS 모듈로서 인공위성으로부터 현재시각에 대한 정보를 수신하는 시각 수신기(31)와, 상기 시각수신부에서수신된 현재시간을 백만분의 1초단위로 분주하여 세밀한 현재시간을 출력하는 현재시각 계산부(33)로 구성되는 것을 특징으로 하는 영상전류 위상비교방식을 이용한 배전선로 고장구간 검출장치.
5. 제 1항에 있어서, 고장데이터저장부(40)는 상기 시각 동기화부(30)에서 출력된 현재시간을 입력받아 타임태그를 만들고, 상기 영상전류 위상계산부(20)에서 출력된 영상전류의 위상에 덧붙여 고장기록 데이터를 만들어 임시 저장하고 있다가 상기 무전압 검출부(10)로부터 무전압 신호가 입력되면 30 msec 전에 측정된 상기 고장기록 데이터를 고장전류 저장기(43)로 전달하는 타임태그 작성기(41)와, 상기 중앙제어장치(200)로부터 상기 타임태그 작성부에서 출력된 고장기록 데이터를 저장하고 있다가 상기 통신부(50)로부터 요청이 오면 고장기록 데이터를 통신부로 전달하는 고장전류 저장기(43)로 구성되는 것을 특징으로 하는 영상전류 위상비교방식을 이용한 배전선로 고장구간 검출장치.
6. 23[kV] 특고압 배전선로의 배전자동화시스템에서 중앙제어소에 설치되어 있는 중앙제어장치가 배전선로상에 설치되어 있는 단말장치의 정보를 취득하여 원격으로 고장구간을 판별하는 방법에 있어서, 배전선로의 전압을 측정하여 그 실효치가 미리 정해진 값 이하이면 선로가 차단되었다고 판단하여 무전압 신호를 출력하는 무전압 신호 출력단계와, 배전선로 N상의 전류의 순시치를 측정하고, 그 순시치를 디지털 값으로 변환하고, 그 디지털 값을 푸리에 변환하여 기본파의 위상을 계산하는 위상계산단계와, 인공위성으로부터 시각 정보를 수신하고 그 시간을 1초당 10000회로 나누어 세밀한 현재시간을 계산하는 현재시간 계산단계와, 영상전류 위상계산부(20)에서 출력된 영상전류 위상에, 시각동기화부(30)에서 출력된 현재시간을 타임태그로 붙여 저장하고 있다가 무전압 검출부(10)로부터 무전압신호가 입력되면 그 시점으로부터 30[msec] 전에 입력된 영상전류 위상과 상기 타임태그를 고장전류 저장기(43)에 저장하였다가 통신부(50)로부터 신호가 오면 고장전류 저장기(43)에 저장된 영상전류위상과 상기 타임태그를 출력하는 영상전류위상과 타임태그의 출력단계와, 외부의 중앙제어장치(200)로부터 영상전류 위상 전송신호가 오면 고장전류 저장기에 저장된 영상전류 위상과 타임태그를 상기 중앙제어장치로 전송하여 단말장치로부터 취득한 영상전류의 위상을 계산함으로써 영상전류의 위상이 급격히 변하는 구간을 고장구간이라고 판단하는 것을 특징으로 하는 영상전류 위상비교방식을 이용한 배전선로 고장구간 검출방법.
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