KR100868892B1 - 배전계통의 원격감시제어 및 자료취득 시스템 - Google Patents

배전계통의 원격감시제어 및 자료취득 시스템 Download PDF

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김철호
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Abstract

본 발명은 배전계통의 원격감시제어 및 자료취득 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 배전계통의 회로차단기 상태와 선로 임피던스(Line Impedance) 데이터를 획득하는 다수개의 데이터획득유닛(Data Acquisition Unit)과, 배전계통의 전압과 전류를 측정하여 이상전류 발생시 선로를 차단하는 디지털 과전류 계전기와, 상기 데이터획득유닛과 디지털 과전류 계전기에서 측정된 회로차단기 상태 정보, 선로 임피던스 데이터, 전압과 전류 값 등을 저장하고, 상기 디지털 과전류 계전기에 특성곡선 데이터를 전송하는 데이터베이스(Database)와, 상기 데이터베이스로부터 배전계통의 각 데이터를 이용하여 고장전류를 예측하여 다시 데이터베이스에 전달하는 엔진(Engine)과, 상기 데이터베이스와의 인터페이스 연결을 통해 사용자가 계통상태를 실시간 모니터링 할 수 있도록 하는 모니터링부로 구성되어 있음을 특징으로 하는 배전계통의 원격감시제어 및 자료취득 시스템에 관한 것이다.
배전계통, 원격감시제어, 자료취득, 과전류 계전기

Description

배전계통의 원격감시제어 및 자료취득 시스템{Remote monitoring control and data acquisition system of electric supply channel}
도 1은 본 발명에 따른 배전계통의 원격감시제어 및 자료취득 시스템 구성도
도 2는 본 발명에 따른 디지털 과전류 계전기 구성도
도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 시스템 설명을 위한 간단한 배전계통도
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
데이터획득유닛(1), 디지털 과전류 계전기(2), 데이터베이스(3), 엔진(4), 인터페이스(5), 모니터링부(6), 계기용변류기(10)와 계기용변압기(11), 멀티플렉서(12), 아날로그/디지털 변환부(13), 연산처리부(14), 회로차단기(15)
본 발명은 본 발명은 배전계통의 원격감시제어 및 자료취득 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 배전계통의 회로차단기 상태와 선로 임피던스(Line Impedance) 데이터를 획득하는 다수개의 데이터획득유닛(Data Acquisition Unit)과, 배전계통의 전압과 전류를 측정하여 이상전류 발생시 선로를 차단하는 디지털 과전류 계전기와, 상기 데이터획득유닛과 디지털 과전류 계전기에서 측정된 회로차 단기 상태 정보, 선로 임피던스 데이터, 전압과 전류 값 등을 저장하고, 상기 디지털 과전류 계전기에 특성곡선 데이터를 전송하는 데이터베이스(Database)와, 상기 데이터베이스로부터 배전계통의 각 데이터를 이용하여 고장전류를 예측하여 다시 데이터베이스에 전달하는 엔진(Engine)과, 상기 데이터베이스와의 인터페이스 연결을 통해 사용자가 계통상태를 실시간 모니터링 할 수 있도록 하는 모니터링부로 구성되어 있음을 특징으로 하는 배전계통의 원격감시제어 및 자료취득 시스템에 관한 것이다.
사회가 발전함에 따라, 사회전반에 걸쳐 전기에너지에 대한 의존도가 높아지고 정보화사회가 고도화됨에 따라 전력의 안정적 공급과 질적 향상에 대한 요구는 급증하고 있다. 또한, 전력 계통에는 수많은 발전 및 변전, 송배전 설비가 서로 복잡하게 연계되어 있기 때문에, 고장발생시 신속하게 보호계전기가 고장구간을 계통으로부터 분리시키기 않으면 전력설비는 크게 손상될 뿐만 아니라 고장이 인접구간으로 파급되어 사고의 범위는 확대되어 간다. 따라서, 계통 보호 및 안정도 확보가 절대적으로 필요하며 보호계전기의 중요성은 더욱 증대되고 있다.
전력계통은 고장발생으로 인한 구간절체 및 복구, 기기나 설비의 점검 등으로 인해 종종 변경되어 질 수 있으며, 특히 배전 계통은 계통 변경이 빈번하다. 이와 같은 계통 변경시 적절한 보호를 위하여 변화된 계통에 맞게 보호계전기의 정정값을 바꾸어 줄 필요가 있다. 그러나, 정정업무는 상당히 어려운 작업 중의 하나이므로 현재는 정정전문가에 의하여 수작업으로 이루어지고 있어 빈번한 계통변화에 실시간으로 대응하기란 사실상 불가능한 문제점이 있었다.
이와 같이, 계통의 변화에 따른 보호 계전기의 정정이 용이하지 않기 때문에, 보호계전기에서 고장을 검출하는 감도를 가능한 낮게 취하고 있는 실정이며, 그 결과 고감도의 고장 검출이 어려웠다.
과전류 보호 계전기의 일반적인 동작 임무는 부하 전류와 고장 전류를 판정하고 고장시에 주위 보호 계전기와 협조를 이루며 가능한 빨리 고장을 제거하는 것이다. 과전류 계전기에 의한 보호 방식은 송배전선의 보호 계전 방식 중에서도 가장 기본적인 방식이고 간단하며, 경제적인 이점을 가지고 있다. 현재 주보호로에서는 비교적 저압의 방사성 송배전선이나 변전소의 소내회로의 보호에 한하며 일반적으로 후비보호로서 사용되고 있다.
하지만, 전술한 바와 같이, 계통의 변화에 따른 보호 계전기의 정정이 용이하지 않으므로, 최소 고장 전류의 값을 높게 설정하는 등 고장을 검출하는 감도를 가능한 한 낮게 취하는 문제점이 있었다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 다양한 연구가 진행되고 있으며, 대한민국특허청 공개특허공보 제2005-0023103호에는 디지털 계전기의 동작 임계값인 픽업 전류값을 구하는 단계; 자구단 및 다음단에 대한 최대 고장 전류값을 구하는 단계; 및 픽업 전류값 및 자구단, 다음단의 최대 고장 전류값을 이용하여 동작특성곡선을 정정하는 단계 를 구비하여, 전력 계통이 수시로 변하더라도 계전기가 동작특성곡선을 자율적으로 정정할 수 있는 디지털 과전류 계전기의 정정방법이 공지되어 있고,
동 공보 공개번호 제2004-0045543호에는 계통 보호협조 조건을 입력받아 보호 장치의 시간-전류 특성 곡선을 생성하는 정정 모듈과, 상기 정정 모듈에 의해 생성된 시간-전류 특성 곡선으로부터 사고시 동작 시간을 결정하고, 상기 동작 시간에 따라 차단 신호를 발생하는 운전 모듈을 포함하는 과전류 차단 보호 장치가 공지되어 있으며,
일본 공개특허공보 공개번호 제2004-282904호에는 보호대상이 되는 계통의 전류, 전압, 위상 등의 검출 입력과 사인 부호부의 정정치와의 대소 비교에 따라서 보호 동작의 요부를 판정하고, 보호 동작을 필요로 하는 때에 릴레이 출력을 얻는 디지탈 형태 보호 계전기에 있어 상기 정정치가 미리 지정되는 사인 부호와 반대의 경우는 릴레이의 동작 출력을 닫게 하는 릴레이 록 수단을 가진 것을 특징으로 하는 디지탈 형태 보호 계전기가 공지되어 있고,
동 공보 공개번호 제2001-268776호에는 전력계통의 전류를 일정 주기로 샘플링 하여 아날로그/디지털 변환한 샘플링부와, 상기 샘플링부로 얻어진 디지털 데이터에 대하여 디지털 필터 처리 및 진폭치 연산 처리를 행하고 상기 전류의 진폭이 소정의 정정치를 초과한 때 제1의 동작 출력을 얻는 릴레이 판정부와, 상기 샘플링부로 얻어진 디지털 데이터가 전면적을 오버하고 있는지 아닌지를 판정하고 전면적을 오버하고 있는 때는 제2의 동작출력을 출력하는 FS 오버 판정부와, 상기 릴레이 판정부에서의 제1의 동작출력과 상기 FS 오버 판정부에서의 제2의 동작 출력과의 OR 조건으로 최종의 동작 출력을 얻는 동작 출력부를 구비한 것을 특징으로 한 디지털형 과전류 계전기가 공지되어 있으며,
동 공보 공개번호 제1993-091658호에는 배전선노를 여러 구간에 구분한 배전선노의 구분 개폐 장치에 있어 각 구분 개폐 장치를 무접점 개폐부와, 사고 전류를 검출한 검출부와, 사고 전류가 검출된 때 상기 무접점 개폐부를 배전 변전소의 과전류 계전기의 정정 시간보다도 빠르게, 또한 수요가의 과전류 계전기의 정정 시간보다도 느리게 오프 제어한 제어부로 된 것으로 한 것을 특징으로 한 배전선노의 구분 개폐 장치가 공지되어 있다.
상술한 바와 같이 배전계통은 부하 절체나 복구, 설비 점검 등으로 계통의 변경이 자주 발생하게 되며, 사고 발생시 흐르는 이상전류는 계통의 상태에 따라 달라진다. 따라서 계통이 변경되면 계통의 안정성을 향상시키기 위해 보호기기 또한 상황에 맞게 적절히 설정값이 변경되어야 한다.
그러나 상기 선행기술들은 대부분의 보호기기들의 정정이 이루어지지 않아 오동작 및 부동작 하는 확률이 높아지게 되는 문제점이 있다.
상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명은 신속하게 배전계통의 이상전류를 감지하여 계통이 변경되었을 경우 특성곡선을 정정할 수 있는 배전계통의 원격감시제어 및 자료취득 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 배전계통의 원격감시제어 및 자료취득 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 통신 경로상의 아날로그 또는 디지털 신호를 사용하여 원격장치의 상태정보 데이터를 원격 장치로 수집, 수신, 기록, 표시하여 중앙제어 시스템이 원격장치를 감시 제어하는 시스템으로서, 상기 디지털 과전류 계전기를 제어하도록 구성된 것이다.
그 구성을 살펴보면, 배전계통의 회로차단기 상태와 선로 임피던스(Line Impedance) 데이터를 획득하는 다수개의 데이터획득유닛(Data Acquisition Unit)과, 배전계통의 전압과 전류를 측정하여 이상전류 발생시 선로를 차단하는 디지털 과전류 계전기와, 상기 데이터획득유닛과 디지털 과전류 계전기에서 측정된 회로차단기 상태 정보, 선로 임피던스 데이터, 전압과 전류 값 등을 저장하고, 상기 디지털 과전류 계전기에 특성곡선 데이터를 전송하는 데이터베이스(Database)와, 상기 데이터베이스로부터 배전계통의 각 데이터를 이용하여 고장전류를 예측하여 다시 데이터베이스에 전달하는 엔진(Engine)과, 상기 데이터베이스와의 인터페이스 연결을 통해 사용자가 계통상태를 실시간 모니터링 할 수 있도록 하는 모니터링부로 구성되어 있고,
상기 디지털 과전류 계전기는 계통의 전압과 전류를 측정해 적절한 크기로 조정하는 계기용변류기(Current Transformer; CT)와 계기용변압기(Potential Transformer; PT)와, 상기 계기용변류기와 계기용변압기를 통해 적절한 크기로 조정된 전압과 전류를 일정한 샘플링 시간(Sampling Time)으로 출력시키는 멀티플렉서와, 상기 멀티플렉서를 통해 일정한 샘플링 시간으로 입력되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환 시키는 아날로그/디지털 변환부와, 상기 아날로그/디지털 변환부를 통해 변환된 디지털 신호를 중앙처리장치(CPU)에서 입력받아, 중앙처리장치에서 상기 변환된 디지털 신호를 연산처리하도록 동작시키기 위한 동작 프로그램의 데이터를 메모리(Read Only Memory; ROM)에서 호출하여 중앙처리장치에서 연산을 수행하므로써 사고 여부를 판단하는 디지털 연산처리부와, 상기 디지털 연산처리부에서 사고로 판단되었을 경우 발생되는 트립신호(Trip Signal)에 따라 선로를 차단하여 사고구간을 계통으로부터 분리시키는 회로차단기(Circuit Braker; CB)로 구성되어 있으며,
사고 발생시 상시 전류보다 큰 이상전류가 흐르는 것을 검출하여, 이상전류에 빨리 동작하도록 이상전류에 반비례하는 시간에 차단신호를 보내도록 이루어져 있다.
또한, 본 발명에 따른 디지털 과전류 계전기는 사고 발생시 계전기가 고장 등의 이유로 동작하지 않을 경우, 주위의 다른 계전기들과 상호 보호협조를 이루어서 동작할 수 있도록 구성할 수도 있다.
다른 계전기들과 상호 보호협조는 CDMA모듈 등의 통신수단을 계전기 각각에 구성하고, 이더넷과 같은 네트워크 통신망을 통해 기기 간의 통신이 이루어 질 수 있도록 함으로서 가능하다.
이와 같은 통신기술은 종래의 기술을 이용하여 구성 가능한 것으로 본 발명의 핵심기술 내용이 아니기 때문에 구체적인 기술설명은 생략한다.
이하, 첨부된 도면을 통해 본 발명을 보다 상세히 살펴본다.
도 1은 본 발명에 따른 배전계통의 원격감시제어 및 자료취득 시스템 구성도, 도 2는 본 발명에 따른 디지털 과전류 계전기 구성도, 도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 시스템 설명을 위한 간단한 배전계통도를 도시한 것이며, 데이터획득유닛(1), 디지털 과전류 계전기(2), 데이터베이스(3), 엔진(4), 인터페이스(5), 모니터링부(6), 계기용변류기(10)와 계기용변압기(11), 멀티플렉서(12), 아날로그/디지털 변환부(13), 연산처리부(14), 회로차단기(15)를 나타낸 것이다.
본 발명에 따른 배전계통의 원격감시제어 및 자료취득 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이, 배전계통의 회로차단기 상태와 선로 임피던스 데이터를 획득하는 다수개의 데이터획득유닛(1)과, 배전계통의 전압과 전류를 측정하여 이상전류 발생시 선로를 차단하는 디지털 과전류 계전기(2)와, 상기 데이터획득유닛(1)과 디지털 과전류 계전기(2)에서 측정된 회로차단기 상태 정보, 선로 임피던스 데이터, 전압과 전류 값 등을 저장하고, 상기 디지털 과전류 계전기(2)에 특성곡선 데이터를 전송하는 데이터베이스(3)와, 상기 데이터베이스로(3)부터 배전계통의 각 데이터를 이용하여 고장전류를 예측하여 다시 데이터베이스에 전달하는 엔진(4)과, 상기 데이터베이스와(3)의 인터페이스(5) 연결을 통해 사용자가 계통상태를 실시간 모니터링 할 수 있도록 하는 모니터링부(6)로 구성되어 있고,
상기 디지털 과전류 계전기(2)는 도 2에 도시된 바와 같이, 계통의 전압과 전류를 측정해 적절한 크기로 조정하는 계기용변류기(10)와 계기용변압기(11)와, 상기 계기용변류기(10)와 계기용변압기(11)를 통해 적절한 크기로 조정된 전압과 전류를 일정한 샘플링 시간(Sampling Time)으로 출력시키는 멀티플렉서(12)와, 상기 멀티플렉서를 통해 일정한 샘플링 시간으로 입력되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환 시키는 아날로그/디지털 변환부(13)와, 상기 아날로그/디지털 변환부(13)를 통해 변환된 디지털 신호를 중앙처리장치(CPU)에서 입력받아, 중앙처리장치에서 상기 변환된 디지털 신호를 연산처리하도록 동작시키기 위한 동작 프로그램의 데이터를 메모리(Read Only Memory; ROM)에서 호출하여 중앙처리장치에서 연산을 수행하므로써 사고 여부를 판단하는 디지털 연산처리부(14)와, 상기 디지털 연산처리부(14)에서 사고로 판단되었을 경우 발생되는 트립신호(Trip Signal)에 따라 선로를 차단하여 사고구간을 계통으로부터 분리시키는 회로차단기(15)로 구성되어 있으며,
사고 발생시 상시 전류보다 큰 이상전류가 흐르는 것을 검출하여, 이상전류에 빨리 동작하도록 이상전류에 반비례하는 시간에 차단신호를 보내도록 이루어져 있다.
이 때, 상기 메모리에서 호출되는 동작 프로그램 데이터는 시스템 제작시 이미 설정입력되는 것임은 당연하다. 특히, 상기 동작 프로그램 데이터는 전술한 중앙처리장치에서 연산을 수행하기 위한 알고리즘 데이터이며, 이 때, 중앙처리장치에서 연산을 수행하기 위한 알고리즘 데이터는 통상의 기술내용으로 이상의 기재를 생략한다.
도 3은 간단한 배전계통을 도시한 것으로서, 각 모선마다 계전기가 설치되어 있으며 계전기의 회로차단기(CB)의 ON/OFF 상태를 나타낸 것이다. 도 3에 도시된 배전계통 상에서 선로 임피던스 데이터가 표 1과 같고, 디지털 과전류 계전기에서 측정된 전압과 전류가 표 2와 같을 경우,
<표 1> 선로 임피던스 데이터
FBus TBus R X CB state
1 0 34.5 64.3 1
1 3 2.3 7.5 1
3 5 3.4 9.8 1
5 7 4.5 6.7 1
7 8 6.7 10.5 1
7 9 3.3 8.8 1
3 6 4.5 9.4 1
2 0 36.2 73.4 1
2 4 5.4 10.2 1
4 6 3.8 6.1 1
<표 2> 각 계전기에서 측정된 전압과 전류
Relay Number Vr Vi Ir Ii State
1 23143.77 19.07 5.32 -10.46 1
2 24770.8 4.94 -4.22 8.42 1
3 23053.08 3.23 2.93 -5.77 1
4 23053.08 3.23 2.4 -4.69 1
5 24879.46 2.52 -4.22 8.42 1
6 22986.58 -5.87 2.93 -5.77 1
7 22934.73 0.47 1.55 -2.33 1
8 22934.73 0.47 1.38 -3.44 1
이 값을 이용하여 각 계전기 별로 동작전류와 자기단 최대고장전류, 다음단 최대 고정전류를 계산한 값은 표 3과 같다.
<표 3> 각 계전기별로 계산된 특성값
Relay Number Pickup Optional Next Self
1 10.99589 99.15551 297.46654 328.89863
2 10.93897 85.67295 257.01885 293.25045
3 10.99589 138.14864 414.44594 505.77350
4 10.93897 87.79952 263.39858 197.41069
5 10.93897 79.57441 238.72325 257.07883
6 10.99589 121.15503 363.46509 414.44597
7 4.74911 100.11175 300.33526 357.62176
8 6.30544 104.67622 314.02867 359.21307
만약, 계통이 바뀌는 경우, 예를 들어 도 4와 같이 4번 회로차단기(CB)가 Open 되었을 경우 하나의 배전계통이 서로 다른 2개의 계통으로 분리되어 운영되게 된다. 이와 같이 분리되게 되면 계전기도 원래 설정되어 있는 값에서 바뀐 계통의 상황에 맞도록 적절히 수정이 되게 된다. 표 4에 수정된 계전기의 설정 값을 나타내었다.
<표 4> 변경된 계통에 대한 계전기 정정값
Relay Number Pickup Optional Next Self
1 10.99589 99.15551 297.46654 328.89863
2 10.93897 85.67295 257.01885 293.25045
3 10.99589 87.94606 263.83818 297.46646
4 0 0 0 0
5 10.93897 79.57441 238.72325 257.01883
6 10.99589 80.83290 242.49870 263.83820
7 4.74911 70.05639 210.16918 236.50353
8 6.30544 72.51507 217.54521 238.09011
각 계전기는 계통이 변화하는 경우 상기 표 4에와 같이 적절히 설정값이 수정되는 것을 볼 수 있다. 4번 계전기의 경우는 4번 회로차단기(CB)가 Open인 상태로 있으므로 전류가 흐르지 않기 때문에 설정 값을 굳이 수정할 필요가 없다.
특성곡선을 정정하기 위하여 엔진에서 정정에 필요한 고정전류 값을 계산하는 알고리즘을 수행하는데 걸린 시간은 1초가 되지 않았고 30모선 이상인 실제의 더 큰 배전계통에서도 약 2초 이내에 알고리즘을 수행하는 것을 확인 하였다. 이와 같은 결과는 일반적으로 계통의 변경이 수 초 내에 몇 번씩 자주 발생하는 것은 아니므로 충분히 계통의 변화에 대처할 수 있게 된다.
이상과 같이, 본 발명은 사고 발생시 상시 전류보다 큰 이상전류가 흐르는 것을 검출하여 이상전류에 빨리 동작하도록 이상전류에 반비례하는 시간에 차단신호를 보내도록 이루어져 있어, 신속하게 배전계통의 이상전류를 감지하여 계통이 변경되었을 경우 특성곡선을 정정할 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

  1. 배전계통의 원격감시제어 및 자료취득 시스템에 있어서, 배전계통의 회로차단기 상태와 선로 임피던스 데이터를 획득하는 다수개의 데이터획득유닛(1)과, 배전계통의 전압과 전류를 측정하여 이상전류 발생시 선로를 차단하는 디지털 과전류 계전기(2)와, 상기 데이터획득유닛(1)과 디지털 과전류 계전기(2)에서 측정된 회로차단기 상태 정보, 선로 임피던스 데이터, 전압과 전류 값을 저장하고, 상기 디지털 과전류 계전기(2)에 특성곡선 데이터를 전송하는 데이터베이스(3)와, 상기 데이터베이스로(3)부터 배전계통의 각 데이터를 이용하여 고장전류를 예측하여 다시 데이터베이스에 전달하는 엔진(4)과, 상기 데이터베이스와(3)의 인터페이스(5) 연결을 통해 사용자가 계통상태를 실시간 모니터링 할 수 있도록 하는 모니터링부(6)로 구성되어 있음을 특징으로 하는 배전계통의 원격감시제어 및 자료취득 시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 디지털 과전류 계전기(2)는 계통의 전압과 전류를 측정 및 조정하는 계기용변류기(10)와 계기용변압기(11)와, 상기 계기용변류기(10)와 계기용변압기(11)를 통해 조정된 전압과 전류를 일정한 샘플링 시간(Sampling Time)으로 출력시키는 멀티플렉서(12)와, 상기 멀티플렉서를 통해 일정한 샘플링 시간으로 입력되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환 시키는 아날로그/디지털 변환부(13)와, 상기 아날로그/디지털 변환부(13)를 통해 변환된 디지털 신호를 중앙처리장치(CPU)에서 입력받아, 중앙처리장치에서 상기 변환된 디지털 신호를 연산처리하도록 동작시키기 위한 동작 프로그램의 데이터를 메모리(Read Only Memory; ROM)에서 호출하여 중앙처리장치에서 연산을 수행하므로써 사고 여부를 판단하는 디지털 연산처리부(14)와, 상기 디지털 연산처리부(14)에서 사고로 판단되었을 경우 발생되는 트립신호(Trip Signal)에 따라 선로를 차단하여 사고구간을 계통으로부터 분리시키는 회로차단기(15)로 구성되어 있음을 특징으로 하는 배전계통의 원격감시제어 및 자료취득 시스템.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 디지털 과전류 계전기(2)는 사고 발생시 상시 전류보다 큰 이상전류가 흐르는 것을 검출하여, 이상전류에 빨리 동작하도록 이상전류에 반비례하는 시간에 차단신호를 보내도록 이루어져 있음을 특징으로 하는 배전계통의 원격감시제어 및 자료취득 시스템.
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