KR101341683B1 - 전력 에너지의 전달을 보호, 제어 및 모니터링하는 시스템 - Google Patents

전력 에너지의 전달을 보호, 제어 및 모니터링하는 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전력의 전달을 보호, 제어, 측정 및 모니터링하는 시스템(100)에 관한 것이다. 이 시스템에 대한 실시예는 변전기 스위치야드(power substation switchyard)(150) 내에 위치된 주요 장비(102)로부터 아날로그 및 이진 필드 데이터를 수신하고, 브릭(bricks)(104, 106, 108, 110, 112, 114, 116, 118, 120, 122, 124)으로 지칭되는 입/출력 장치를 제공한다. 브릭은 광섬유 패치 케이블 및 패치 패널(patch panels)을 통해 하나 이상의 IED(intelligent electronic devices)(190)와 연결된다. 작동 중에, 브릭은 수신된 이진 및/또는 아날로그 필드 데이터를 디지털 신호로 변환하고, 각각의 IED에 의해 개별 브릭에 제공된 클록 신호를 이용하여 그 연관된 IED에 디지털 신호를 동시에 전송한다. 브릭은 각각의 그의 마스터 IED(들)로부터 다운로딩된 컴퓨터 소프트웨어 코드를 수용할 수 있다. 그의 마스터 IED(들)의 요구 조건에 대해 각각 맞춰진 다수의 코드 구현은 그에 따라 단일 브릭 상에 공존할 수 있다.

Description

전력 에너지의 전달을 보호, 제어 및 모니터링하는 시스템{PROTECTION AND CONTROL SYSTEM FOR ELECTRIC POWER NETWORKS WITH SIGNAL AND COMMAND INTERFACES AT THE PRIMARY EQUIPMENT}
본 발명의 분야는 일반적으로 전력의 상업 및 산업적 생산에 관한 것이고, 보다 구체적으로는 전력 네트워크를 보호 및 제어하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
통상적인 전력 분배 그리드(power distribution grid)는 일반적으로 원동기(power plant), 전송 변전기(transmission substation), 고전압 전송 라인 및 변전기를 포함한다. 원동기의 회전 발전기(spinning generator)는 3 위상 교류(alternating-current : AC) 전력을 출력하고, 이 전력은 발전기를 떠나 전송 변전기로 진입한다. 전송 변전기에 있는 변환기(transformers)는 실질적으로 고전압 전송 라인을 통해 장거리에 걸쳐 전력을 송신하기에 충분할 정도의 고전압으로 발전기의 전압을 승압한다. 송신된 전력이 가정 또는 산업체에서 사용되기 전에, 이 전력은 변전기를 통과한다.
변전기는 일반적으로 발전기 전압을 분배 전압으로 강하하는 변환기와, 강하된 분배 전압을 다수의 방향으로 분할하는 하나 이상의 분배 "버스"와, 다양한 회로 차단기 및 전력 그리드로부터 변전기(또는 그 일부분)를 단로(disconnect)하거나, 변전기로부터 하나 이상의 분배 라인을 단로하도록 구성될 수 있는 단로 스위치를 포함한다. 중간 전압-초 고전압 변전기에서, 이 주요 장비(예를 들면, 변환기, 회로 차단기, 단로 스위치, 분배 버스 등과 같이, 전기 변전기의 구성 요소임)는 스위치야드(switchyard)로 알려진 변전기의 영역 내에 위치된다.
변전기의 전형적인 배치는 상술된 주요 장비를 그 장비와 인터페이스로 연결되어 그것을 관리하는 보호 및 제어 장비로부터 분리한다. 따라서, 전형적으로는 주요 장비가 스위치야드 내에 상주하는 반면, 보호 및 제어 장비는 전형적으로 별도의 제어 하우스(control house) 내에 상주한다.
보호 및 제어 장비의 예로는 마이크로프로세서 기반의 보호형 중계기, 계량기, 제어 스위치, 원격 단말기 유닛(remote terminal units), HMI(human-machine-interface) 단자-때때로 IED(Intelligent Electronic Devices)로 지칭됨- 등이 있다. 통상적인 IED의 일례로는, 뉴욕 스키넥터디에 소재한 제너럴 일렉트릭 컴퍼니에 의해 제조된 변전기 제어용 모델 D25 다기능 IED가 있다. 이 유닛은 전압 차이, 위상각 차이 및 슬립 주파수(slip frequency)를 모니터링한다. 이것은 또한 프로그래밍 가능 로직 제어기, 변전기 근거리 네트워크 노드 및 IED 게이트웨이(gateway)로서 기능한다. 대부분의 IED는 SCADA(Supervisory Control and Data Acquisition) 프로토콜을 이용하여 통신한다.
작동 중에, IED는 주요 장비와 연관된 센서로부터의 데이터를 모니터링함으로써 변전기의 전력 출력을 관리한다. 원하는 전압 레벨을 유지하기 위해서, IED는 때때로 전압, 전류, 및/또는 주파수의 예외성이 검출되면 주요 장비의 하나 이상의 부분에 커맨드를 발행하도록 구성된다. 이러한 커맨드는 주요 장비의 하나 이상의 부분이 사전 결정된 방식(예를 들면, 회로 차단기를 시동하는 것 등)으로 작동하도록 명령할 수 있다.
종래의 IED를 그가 관리하는 주요 장비의 부분으로부터 분리하는 것의 단점은, 주요 장비와 종래의 IED를 상호 접속하기 위해 수 마일의 구리 배선이 필요하다는 것이다. 때때로, 중간 전압-고전압 변전기는 그 각각이 수만의 단자 및 수백만의 단자를 상회하도록 구비하는데, 예를 들면, 제어 케이블의 단이 제어 하우스에 위치된 단자 랙(termination racks)에 부착될 때 접속부가 만들어진다. 다른 단점은, 수백만의 배선 단자가 포함되는 것에 기인하여 이러한 시스템을 형성 또는 갱신(retrofitting)하는 것과 연관된 상당한 비용이다. 이 비용의 대부분은 제어 배선의 설계, 설치, 시험 및 조사와 관련된다. IEC(International Electrotechnical Commission) 표준 제 61850 호(Communication Networks and Systems in Substations)는 전력 전달 시스템 내에서 변전기의 자동화에 대해 제안된 산업계 전반의 기초이다. 그러나, 이 표준을 구현하고 구리 배선의 영향을 감소시키는 예비 접근법은, 명확한 기법 또는 견고하고 작동 가능한 아키텍처를 제공하지 못했다. 이러한 접근법 및 그 표준은 아직 충족되어야 할 여러 문제점을 해결하지 못하고 있다. 특정하게는 IEC 제 61850 호와 연관된 단점 및 일반적으로는 종래 기술의 접근법과 연관된 단점에 대한 상세한 논의는 "Unanswered Questions about IEC 61850 - What needs to happen to realize the vision?"라는 제목의 B.Kasztenny, J.Whatley, E.Udren, J.Burger, D.Finney, M.Adamiak에 의한 논문(2005년 10월 25-27일, 미국 워싱톤주 스포케인에서 개최된 32주년 서부 보호형 중계기 회의의 회의록에 수록됨)에 제공되어 있다.
따라서 새로운 변전기 아키텍처, 새로운 보호 및 제어 장비, 및/또는 변전기를 작동시키는 새로운 방법을 제공하는 해결책이 필요하다.
본 명세서에 개시된 기법은, 다른 단점들 중에서도 통상적인 변전기 아키텍처와 연관된 수백만의 구리 배선 단자에 대한 필요성을 감소 또는 제거하고, 변전기를 구성 또는 갱신하는 비용을 크게 감소하고, IED로부터 주요 장비로 제어 데이터를 중계하는 추가 장치의 사용을 제거하고, 마스터 및 슬레이브 장치의 동기화를 위한 외적인 시간을 제거하고, 중복 필드 장치의 경제적 사용을 제공하는 새로운 발전기 아키텍처를 제공함으로써, 관련 기술과 연관된 단점을 극복하고 상술된 필요성을 만족시킨다. 또한, 본 명세서에 개시된 방법에 대한 일실시예는, 다른 이점 중에서도 주요 장비 또는 제어 장비의 하나 이상의 부분에 대한 내부적인 동적(on-the-fly) 시간 동기화를 제공한다.
일실시예에서, 새로운 변전기 아키텍처는 주요 장비의 하나 이상의 부분을 스위치야드 내의 IED(이하에서 이러한 새로운 장치는 "브릭"으로 지칭됨)에 대해 인터페이스로 연결하는 하나 이상의 새로운 장치를 배치한다. 각각의 "브릭"은 주요 장비의 부분의 구리 회로에 직접 접속되고, 광섬유 패치 패널에 직접 접속될 수 있다. 광섬유 패치 패널은 제어 하우스 내에 위치된 하나 이상의 SCADA IED와 접 속할 수 있다. 각각의 브릭과 주요 장비의 부분 사이의 접속은 변전기의 배선을 설치하는 통상적인 방법에 비해서 더 짧고, 더 간단하고 덜 가변적이고, 덜 노동 집약적이다. 일실시예에서, 각각의 브릭은 예를 들면, 전류, 전압 등과 같은 아날로그 입력 신호를 디지털 표현으로 변환하고, 이것으로 한정되지는 않지만, 하나 이상의 회로 차단기를 차단(tripping) 및 재연결(reclosing)하는 것 등과 같이 보호 및 제어 시스템에 의해 생성되는 커맨드를 실행할 수 있다.
일실시예에서 점대점(point-to-point)으로 각각의 브릭과 하나 이상의 IED를 접속하기 위해 광섬유 케이블이 사용되는 경우, 새로운 변전기 아키텍처는 데이터를 이동시키기 위해 이더넷(Ethernet) 스위치 등과 같은 추가 장치를 이용하지 않는다. 또한, 이러한 공유는 변전기 보호 및 제어 장비의 전체 개수(및 설치/유지 비용)를 감소한다.
본 발명의 일실시예에 의해 제공되는 기술적 효과는, 각각의 브릭을 그 처리(마스터) IED(또는 IED들)와 동기화하기 위해 사용되는 가상 동기화 신호를 생성 및 출력하는 것이다.
본 발명의 일실시예는 전력의 전달을 보호, 제어, 및 모니터링하는 시스템을 제공할 수 있다. 이 시스템은 주요 장비의 부분과 연결되어, 주요 장비의 부분으로부터 필드 데이터를 수신하도록 구성되는 입/출력 인터페이스 장치(이하에서는 "브릭"으로 지칭함)를 포함할 수 있다. 또한, IED(intelligent electronic device)는 브릭과 연결될 수 있다. IED는 브릭으로부터 필드 데이터를 수신하도록 구성될 수 있다. 패치 패널은 브릭에 연결되고, IED로 필드 데이터를 라우팅하도록 구성 될 수 있다. 제 1 통신 링크는 브릭과 패치 패널을 연결할 수 있다. 제 2 통신 링크는 패치 패널과 IED를 연결할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예는 변전기를 작동하는 방법을 제공할 수 있다. 이 방법은 입/출력 인터페이스 장치(이하에서는, "브릭"으로 지칭함)에서 하나 이상의 타입의 주요 장비로부터 필드 데이터 신호를 수신하는 단계를 포함할 수 있다. 이 방법은 하나 이상의 IED(intelligent electronic devices)에 필드 데이터 신호를 전달하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이 방법은 브릭에서 필드 데이터 신호로부터 도출된 이진 커맨드를 수신하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이 방법은 수신된 이진 커맨드에 따라서 출력을 동작하는 단계를 더 포함할 수 있다.
청구된 본 발명의 여러 실시예에 대한 상술된 측면 및 다른 측면은 이하의 상세한 설명을 첨부된 도면과 함께 고찰할 때 보다 더 명확해질 것이다.
본 발명은 통상적인 변전기 아키텍처와 연관된 수백만의 구리 배선 단자에 대한 필요성을 감소 또는 제거하고, 변전기를 구성 또는 갱신하는 비용을 크게 감소하고, IED로부터 주요 장비로 제어 데이터를 중계하는 추가 장치의 사용을 제거하고, 마스터 및 슬레이브 장치의 동기화를 위한 추가적인 시간을 제거하고, 중복 필드 장치의 경제적 사용을 제공하는 새로운 발전기 아키텍처를 제공함으로써, 관련 기술과 연관된 단점을 극복한다는 이점을 갖는다.
여기에서는 앞서 간략하게 설명되어 있고, 청구된 본 발명의 여러 실시예를 예시로 나타내는 첨부 도면들을 참조하기로 한다. 당업자라면 다른 실시예가 활용될 수 있다는 것과, 청구된 본 발명의 범주를 벗어나지 않으면서 구조, 전기 및 절차적 변경이 이루어질 수 있다는 것을 이해할 것이다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, 단수로 표현된 대상(일례로, "브릭")은 그 복수의 대상(일례로, "브릭들)을 포함하고, 복수의 대상은 단수의 대상을 포함한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따라 구성된 변전기 아키텍처(100)를 도시하는 개략도이다. 도 1을 참조하면, 2개의 광섬유 패치 패널(130, 140)은 스위치야드(150)와 중계 제어 하우스(160) 사이에 배치된다. 스위치야드(150)는 (이것으로 한정되지는 않으나) 고전압 장치(102) 등과 같은 주요 장비의 하나 이상의 부분을 포함한다. 주요 장비의 각 부분은 주요 장비를 하나 이상의 IED에 대해 인터페이스로 연결하는 적어도 하나의 새로운 장치("브릭"으로 지칭됨)에 직접 접속될 수 있다. 도 1에서, 예를 들면, 2개의 브릭(104, 116)은 고전압 장치(102)에 접속되어 있다. 브릭(104)은, 브릭(106, 108, 110, 112, 114)과 함께, 외부의 광섬유 패치 케이블(180)을 통해 광섬유 패치 패널(130)에 점대점(point-to-point)으로 접속되어 있다. 마찬가지로, 브릭(116)은, 브릭(118, 120, 122, 124)과 함께, 외부의 광섬유 패치 케이블(181)을 통해 광섬유 패치 패널(140)에 접속되어 있다. 브릭은 광섬유 패치 케이블 내에 내장된 한 쌍의 구리 배선을 이용하여 전력을 공급받을 수 있다. 도 1에서, 각각의 브릭(106, 108, 110, 112, 114, 118, 120, 122, 124) 과 연결된 주요 장비의 부분들은 도면을 너무 복잡하게 하지 않게 하기 위해 도시하지 않았다. 결과적으로, 본 발명의 일실시예는 고전압 장치(102) 이외에 다른 타입의 주요 장비를 포함할 수 있다는 것을 이해할 것이다.
일실시예에서, 광섬유 패치 패널(130)은 내부 광섬유 패치 케이블(170)을 통해 처리 유닛(190)에 접속된다. 마찬가지로, 광섬유 패치 패널(140)은 내부 광섬유 패치 케이블(171)을 통해 처리 유닛(예를 들면, "IED")(190)에 접속된다. IED(190)는 각각 통신 링크(195)를 통해, (이것으로 한정되지는 않지만) 컴퓨터 데이터베이스, 사용자-인터페이스 단말기 등과 같은 높은 수준의 보호 및 제어 장비로 접속된다. 각 타입의 높은 레벨의 보호 및 제어 장비는 상술된 SCADA 프로토콜을 이용하여 통신하도록 구성될 수 있다.
각각의 IED(190)(및/또는 각 타입의 높은 수준의 보호 및 제어 장비)는 컴퓨터 프로세서와, 그 컴퓨터 프로세서를 적어도 하나의 메모리 및 통신 포트와 연결하는 데이터 버스를 포함할 수 있다. 각각의 IED(190)(및/또는 각 타입의 높은 수준의 보호 및 제어 장비)는 메모리 내에 저장된 머신 실행 가능 코드가 컴퓨터 프로세서에 의해 액세스 및 처리될 수 있도록 작동하여, 각각의 IED(190)(및/또는 각 타입의 높은 수준의 보호 및 제어 장비)에 입력된 제 1 신호(또는 제 1 데이터)가 변전기(또는 그 구성 요소)에 대한 원하는 전압 레벨을 유지하기 위해 변전기 아키텍처의 다른 부분에 의해 이용될 수 있는 제 2 신호(또는 제 2 데이터)로서 출력되게 한다.
다시 도 1을 참조하면, 광섬유 기반의 보호 및 제어 기법을 전개하는 데 성 공한 아키텍처(100)는 주어진 전력 시스템에 대해 요구되는 엄격한 신뢰도 기준을 충족시켜야 한다. 도 2, 도 4, 도 6 및 도 7을 참조하여 이하에 보다 상세하게 설명되는 바와 같이, 본 발명의 실시예는 중복성을 제공하고, 시스템의 전체 개수를 낮게 유지함으로써 이것을 달성한다. 본 발명의 실시예는 브릭을 이용하여 적은 개수의 시스템 구성 요소를 이용하고, 브릭이 다수의 IED를 서비스하도록 구성하는 중복성을 제공한다. 이것은 IED마다 하나 이상의 입/출력 서브시스템을 이용하는 종래의 방법과는 대조적이다. 이것은 또한 이더넷 스위치가 IED들 사이에서 데이터를 공유하게 하여, 이러한 구성이 신뢰도를 감소시키고, 구성, 보안, 데이터 트래픽 및 다른 문제점을 발생시키는 종래의 방법과는 대조적이다. 그와는 반대로, 본 발명의 실시예는 사전 종단된 고밀도 접속부를 갖는 사전 제조된 다중 섬유의 패치 케이블을 이용한 직접 점대점 방사(radial) 형태의 다중 섬유 접속부를 이용하여 모든 IED에 필드 데이터를 제공한다. 따라서, 도 1에 도시되고 이하에 추가적으로 설명되는 바와 같이 각 IED는 브릭으로부터 독립적으로 서비스될 수 있다.
도 2는 브릭(200)에 대한 일실시예를 도시하는 블록도이다. 도 2를 참조하면, 브릭(200)은 복수의 입력(202, 204, 206, 208)을 포함하여 주요 장비로부터 아날로그 및 이진 신호를 수신한다. 이 신호는 변류기 또는 저 에너지 전자 변환기 등과 같은 등가의 장비로부터의 전류 신호(202)와, 변압기 또는 저 에너지 전자 변환기 등과 같은 등가의 장비로부터의 전압 신호(204)와, 회로 차단기 위치(개방 또는 폐쇄), 낮은 가스 압력, 스프링 장전 실패(spring charge failure) 등(이것으로 한정되지 않음)과 같은 사건을 나타내는 신호(206)를 포함한다. 브릭(200)은 또한 이진 커맨드를 그와 연관된 주요 장비에 전달하는 복수의 출력(208)을 포함한다. 이러한 커맨드에 대한 한정적이지 않은 예시는 "트립(Trip)" 커맨드 및 "리클로우즈(Reclose)" 커맨드를 포함한다. "트립(Trip)" 커맨드는 예를 들면 회로 차단기가 전압, 전류, 또는 다른 이상이 검출될 때 특정 회로를 차단하게 한다. "리클로우즈(Reclose)" 커맨드는 회로 차단기가 이전에 턴-오프(turned off)되었던 회로를 턴-온(turn on)하게 한다. 브릭(200)은 단일 고밀도 커넥터(도시하지 않음)로 통합될 수 있는 복수의 광섬유 통신 포트(210, 212, 214, 216)를 포함한다. 이 커넥터는 하나 이상의 IED에 독자적 통신 경로를 제공하도록 구성된 다중 광섬유 케이블을 수용하도록 구성될 수 있다.
도 3은 보호 및 제어 IED(300)에 대한 일실시예를 도시하는 블록도이다. 도 3을 참조하면, 보호 및 제어 IED(300)는 단일 고밀도 커넥터(도시하지 않음)에 통합될 수 있는 복수의 광섬유 통신 포트(302, 303, 304, 305)를 포함한다. 이러한 커넥터는 다수의 브릭에 독자적 통신 경로를 제공하도록 구성된 다중 광섬유 케이블을 수용하도록 구성될 수 있다. IED(300)는 광섬유 패치 케이블 내에 내장된 한쌍의 구리 배선을 이용하여 독점적으로 또는 중복적으로 전력을 공급받을 수 있다.
도 4는 다른 변전기 아키텍처(400)에 대한 일실시예를 도시하는 개략도이다. 도 4를 참조하면, 변전기 아키텍처(400)의 예시적인 실시예가 4개의 전송 라인(401, 402, 403, 404), 2개의 버스(405, 406) 및 6개의 회로 차단기(407, 408, 409, 410, 411, 412)를 가지고 도시되어 있다. 각각의 전송 라인(401, 402, 403, 404)은 각각 하나의 변압기(413, 414, 415, 416)를 포함한다. 각각의 회로 차단 기(407, 408, 409, 410, 411, 412)는 2개의 변류기를 포함한다. 예를 들면, 회로 차단기(407)는 변류기(417, 418)를 포함한다. 회로 차단기(408)는 변류기(419, 420)를 포함한다. 회로 차단기(409)는 변류기(421, 422)를 포함한다. 회로 차단기(410)는 변류기(423, 424)를 포함한다. 회로 차단기(411)는 변류기(425, 426)를 포함한다. 회로 차단기(412)는 변류기(427, 428)를 포함한다.
변전기 아키텍처(400)는 또한 제어 하우스(440) 내에 배치된 6개의 보호 및 제어 IED(431, 432, 433, 434, 435, 436) 및 2개의 패치 패널(437, 438)을 포함한다. 변전기 아키텍처(400)는 또한 주요 장비의 사전 결정된 부분에 인접하게 위치된 10개의 인터페이스 장치(예를 들면, "브릭")(441, 442, 443, 444, 445, 446, 447, 448, 449, 450)를 포함한다. 변전기 아키텍처(400)는 상술된 브릭, 패치 패널 및 IED를 함께 연결하는 다수의 통신 링크(이것으로 한정되지는 않으나, 예시적으로 통신 링크(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10) 등)를 더 포함한다. 일실시예에서, 다중 광섬유 케이블(또는 그 하나 이상의 구성 요소)을 이용하여 통신 링크를 형성할 수 있다. 각각의 패치 패널(437, 438)에서, IED와 브릭을 연결하는 고밀도 광섬유 케이블과 인터페이스로 연결된 패치 패널의 일부분에 대해 별개의 물리 액세스가 제공될 수 있고, IED와 브릭 사이에 광섬유 쌍을 교차 접속하는 부분에 대해 별개의 무릴 액세스가 제공될 수 있다.
각각의 브릭은 아날로그 신호, 이진 신호 및 그 조합 중 적어도 하나를 수신(및/또는 디지털화)할 수 있다. 아날로그 신호에 대한 한정적이지 않은 예시는, 그 중에서도 변환기에 의해 제공된 교류형 전압 및 전류와, 기계 변환기에 의해 제 공된 저 에너지 아날로그 신호와, 온도 및 압력, 움직임 및 다른 센서로부터의 아날로그 출력을 포함한다. 이진 신호에 대한 한정적이지 않은 예시는, 그 중에서도 다른 센서 및 장치로부터의 회로 차단기 위치, 접속 해제 및 접지 스위치 위치 및 경고(alarm) 또는 상태 표시를 포함한다.
도 4에 도시된 바와 같이, IED(432)는 브릭(441) 및 브릭(443)으로부터 디지털화된 전류 신호 및 이진 신호를 수신하고, 브릭(442)으로부터 디지털화된 전압 신호를 수신한다. IED(432)는 또한 브릭(441) 및 브릭(442)에 디지털화된 커맨드 신호를 전달한다. IED(432)는 다수의 독립적 통신 포트를 포함할 수 있다. 따라서, IED(422)와 브릭(441) 사이의 데이터 전달이 제 1 독립 통신 포트를 통해 발생될 수 있고, IED(432)와 브릭(442) 사이의 데이터 전달이 제 2 독립 통신 포트를 통해 발생될 수 있다.
일실시예에서, IED(432)의 다수의 통신 포트는 단일 다중 섬유 통신 링크(12)를 통해 광섬유 패치 패널(437)에 접속될 수 있다. 통신 링크(12)는 광섬유 패치 패널(437)에서 복수의 사전 종단된 광섬유 쌍 커넥터를 이용하여 종단될 수 있다. 다중 섬유 통신 링크(12) 내에서, 한 쌍의 광섬유는 IED(432)와의 통신을 필요로 하는 각각의 브릭과의 통신 전용일 수 있다. 이 예시적인 실시예에서, 3개의 브릭(441, 442, 443)과의 통신이 요구된다. 따라서, 다중 섬유 통신 링크(12) 중 제 1 쌍의 광섬유는 브릭(441)과의 통신 전용이고, 제 2 쌍의 광섬유는 브릭(442)과의 통신 전용이며, 제 3 쌍의 광섬유는 브릭(443)과의 통신 전용이다.
도 5는 변전기를 작동하는 방법(500)에 대한 일실시예를 도시하는 흐름도이다. 이 방법(500)의 단계는 임의의 적합한 순서로 실행될 수 있고, 이 방법(500)의 변형은 도 5에 도시되고, 본 명세서에 설명된 것에 추가하여 하나 이상의 단계를 포함할 수 있다.
도 5를 참조하면, 방법(500)은 브릭이 하나 이상의 변류기로부터 전류 신호를 수신 및 디지털화할 때 단계(501)에서 시작할 수 있다. 단계(502)에서, 동일하거나 상이한 브릭은 또한 하나 이상의 변압기로부터 전압 신호를 수신 및 디지털화할 수 있다. 단계(503)에서, 동일하거나 상이한 브릭은 회로 차단기 또는 다른 타입의 주요 장비로부터의 하나 이상의 이진 입력 중 이진 신호를 수신 및 디지털화할 수 있다. 단계(504)에서 브릭(또는 브릭들)은 수신 및 디지털화된 전류, 전압, 및 이진 신호 데이터를 하나 이상의 IED로 전달한다. 단계(505)에서, 브릭(또는 브릭들)은 IED로부터 이진 커맨드를 수신한다. 단계(505)에서, 브릭(또는 브릭들)은 IED로부터 이진 커맨드를 수신한다. IED는 브릭(또는 브릭들)으로부터 이전에 수신된 디지털화된 전류, 전압, 및 이진 신호 데이터로부터 이러한 이진 커맨드를 도출할 수 있다. 단계(506)에서, 브릭(또는 브릭들)은 수신된 이진 커맨드에 따라서 출력을 실행한다(예를 들면, 동작이 실행되게 함). 그 후, 방법(500)은 종료될 수 있다.
일실시예에서, 출력을 실행하는 단계(506)는 회로 차단기 및 연결 해제 스위치에 대한 개/폐 커맨드, 변환기 탭 체인저(tap changers)에 대한 하강/상승 커맨드 및 변전기 주요 장비의 동작에 적합한 다른 커맨드를 포함하는 커맨드 신호의 발행을 포함할 수 있다. 커맨드 신호는 주요 장비의 직류("DC") 제어 회로와 인터페이스로 연결된 고체 상태 스위치를 통해 주요 장비로 전달될 수 있다.
도 6은 3개의 IED(631, 632, 633), 광섬유 패치 패널(637) 및 3개의 브릭(641, 642, 643) 사이의 통신 경로 라우팅(600)에 대한 일실시예를 도시하는 블록도이다. 도 6을 참조하면, 각각의 IED(631, 632, 633) 및 각각의 브릭(641, 642, 643)은 4개의 독립적인 통신 포트(Com-1, Com-2, Com-3, Com-4)를 구비한다. 각각의 브릭에서, 하나의 포트는 단일 IED와의 통신 전용이다. 각각의 IED에서, 하나의 포트는 단일 브릭과의 통신 전용이다. 각각의 장치(예를 들면, 각각의 브릭 및 각각의 IED)와 패치 패널(637) 사이의 접속은 각 IED-브릭의 연결을 위해 전용의 광섬유 쌍을 구비한다. 예를 들면, IED(631)는 브릭(641, 642)과 연결된다. 따라서, IED(631)의 통신 포트(Com-1)는 브릭(641)의 통신 포트(Com-1)와 연결되고, IED(631)의 통신 포트(Com-2)는 브릭(642)의 통신 포트(Com-1)와 연결된다. 추가하여, IED(632)는 각각의 브릭(641, 642, 643)과 연결된다. 따라서, IED(632)의 통신 포트(Com-1)는 브릭(642)의 통신 포트(Com-2)와 연결된다. IED(632)의 통신 포트(Com-2)는 브릭(641)의 통신 포트(Com-2)와 연결된다. IED(632)의 통신 포트(Com-3)는 브릭(643)의 통신 포트(Com-1)와 연결된다. 추가하여, IED(633)는 각각의 브릭(642, 643)과 연결된다. 따라서, IED(633)의 통신 포트(Com-1)는 브릭(642)의 통신 포트(Com-3)와 연결된다. IED(633)의 통신 포트(Com-2)는 브릭(643)의 통신 포트(Com-2)와 연결된다. 본 발명의 범주 내에서 IED(631, 632, 633)와 브릭(641, 642, 643) 사이의 여러 다른 접속부 구성이 가능하다는 것을 이해할 것이다.
도 4 및 도 6을 다시 참조하면, 각각의 브릭은 그가 서비스하는 각각의 IED로부터 클록 신호를 수신한다. 따라서, 다수의 IED를 서비스하는 브릭은 그에 따라 다수의 클록 신호를 수신할 것이다. 이것의 예시로는 도 4에서 IED(431, 432)를 서비스하는 브릭(441) 및 도 6에서 IED(631, 633)를 서비스하는 브릭(642)이 존재한다. 일실시예에서, 각각의 IED는 독립적으로 그 자신의 클록 신호를 생성하고, IED에 연결된 각각의 브릭은 동일한 IED에 의해 생성된 클록 신호를 이용하여 데이터 전송을 동기화한다. 종래의 IED를 동기화하는 데 이용되던 외부 클록 방법과는 대조적으로, 본 발명의 일실시예에서는 개별 IED들 사이에 데이터를 동기화하는 조건이 존재하지 않는다. 대신에, 데이터 동기화는 그 마스터 IED(들)로부터 수신된 클록 신호(들)를 이용하여 각 브릭 내에서 독립적으로 실행되고, 각각의 IED는 그 브릭 전부로부터 동기화된 데이터를 수신한다. 따라서, 일실시예에서, 각각의 브릭은 IED로/로부터 데이터를 비동기적으로 송신/수신하고, IED와의 각각의 직접 1:1 통신 접속에서 위상 고정 루프(phase lock loop)를 이용한다.
위상 고정 루프는 각각의 서비스된 IED에 대한 가상 동기화 샘플 및 홀드 신호(sample and hold signal)를 형성한 다음, 데이터를 재샘플링하여 각각의 서비스된 IED와 동기화된 데이터의 버전을 획득한다. 이러한 특징은 단일 외부 클록(예를 들면, 단일 장애 포인트)을 제거함으로써 시스템 신뢰도를 향상하고, 각 데이터 전달의 동기화 비용을 감소한다(예를 들면, 동시에 모든 브릭에 외부 클록 신호를 분산할 필요가 없음). 일실시예에서, IED는 IRIG-B 입력 신호 등과 같은 타이밍 입력 신호를 구비할 수 있고, 이 신호를 디코딩하여 GPS(Global Positioning System) 시계를 이용하는 경우 등과 같이 그 시간과 변전기 내부 또는 변전기 양단의 절대 시간 기준을 동기화할 수 있다. IRIG-B는 타이밍 신호를 인코딩하고, 마스터 클록으로부터 하나 이상의 수신 장치로 타이밍 신호를 분배하는 표준 양식으로서, 원래는 미국 군대에 의해 생성되었고, 이제는 개인 산업체에서 사용되는 표준인 Inter Range Instrumentation Group mod B를 따른다. 일실시예에서, 각각의 IED는 하나 이상의 연관된 브릭에 대해 일자 및 시간 정보를 통신하여 브릭(또는 브릭들)의 디지털 필드 데이터의 정확한 타임 스탬핑(time stamping)을 제공하도록 구성된다.
도 7은 하나 이상의 IED(731)에 대하여 중복 브릭(751, 752)을 갖는 변전기 아키텍처(700)에 대한 일실시예를 도시하는 개략도이다. 도 7을 참조하면, 2개의 브릭(751, 752)은 주요 장비(760)에 접속되어 중복 신호 측정 및 제어를 제공할 수 있다. 주요 장비(760)는 회로 차단기, 변류기, 변압기 등을 포함할 수 있다. 도 7에 도시된 중복 시스템에서, 각각의 브릭(751, 752)은 주요 장비(760)로부터 전류, 전압 및 이진 신호 중 적어도 하나를 수신 및 디지털화하고, IED(731)로 디지털화된 신호를 동시에 전송한다. IED(731)는 각각의 브릭(751, 752)으로부터 수신된 디지털화된 신호를 비교하여 데이터의 무결성을 확인하고, 브릭(751 또는 752)의 장애에 대해 보호한다. IED는 브릭(751)으로부터 수신된 제 1 디지털 필드 데이터 및 제 2 브릭(752)으로부터 수신된 제 2 디지털 필드 데이터 사이의 불일치성이 검출될 때 디지털 필드 데이터의 완전한 세트를 식별하기 위한 추가 검사를 적 용하도록 구성될 수 있다. IED는 디지털 필드 데이터의 완전한 세트를 영구적으로 전환하고, 브릭(751) 또는 제 2 브릭(752)의 장애에도 불구하고 계속 작동하도록 더 구성될 수 있다.
따라서, 일실시예에서, 모니터링된 주요 장비로부터 입수된 2개의 데이터 복사본은 각각의 IED로 전달된다. 이것은 종래의 보호 및 제어 시스템을 능가하도록 신뢰도를 증가시키면서도, 다수의 IED가 데이터를 공유하도록 허용함으로써 시스템 내의 전체 부품의 개수를 적게 유지한다. 예를 들면, 변전기 스위치야드 내의 주요 장비의 주어진 부분을 모니터링하기 위해서는 평균 3개의 종래 IED가 필요할 것이다. 이것은 구리 배선을 통해 제어 하우스로 전달되는 신호를 처리하는 데 3개의 입/출력 서브시스템이 필요하다는 것을 의미한다. 또한, 이 서브시스템 중 어느 것도 중복되지 않을 것이다. 반대로, 본 발명의 실시예는 주요 장비의 주어진 부분을 위해 스위치야드 내에 위치된 오로지 2개의 중복 브릭만을 이용하는 입/출력 인터페이스를 제공한다. 이러한 2개의 브릭이 3개의 IED 마스터를 서비스할 수 있으므로, 각각의 IED는 더 이상 별도의 I/O 서브시스템을 필요로 하지 않는다. 따라서, 본 발명의 일실시예는 전체 시스템에 대한 최대 중복성을 추가하면서 입/출력 서브시스템의 전체 부분의 개수를 2/3만큼 감소시킨다.
본 발명의 실시예는 전력 보호 및 제어 시스템 공학에 대한 종래의 접근법을 보존한다. 특히, 이 실시예는 보호 영역의 개념을 보존한다. 따라서, 일실시예에서, 하나의 IED(마스터)는 주요 장비 내의 단일 영역(예를 들면, 전송 라인, 변환기, 캐패시터 뱅크(capacitor bank), 모선(busbar) 등)을 보호하도록 배치될 수 있 다. 상술된 브릭을 이용하면 필드 신호(예를 들면, 전류, 전압, 이진 신호 등)가 생성되는 방식의 차이에도 불구하고 위와 같이 발생되게 할 수 있다.
다수의 컴퓨터 소프트웨어 응용 프로그램이 다수의 보호 및 제어 장치(예를 들면, IEDS 및 브릭) 사이에 분산되어 있는 전력 시스템에 관한 일실시예에서, 이 장치들 전체에 걸친 정확한 상호 운용은 최고 수준이다. 본 발명의 실시예는 다음의 방식으로 상호 운용을 제공한다. 브릭은 독립된 펌웨어일 필요가 없다. 대신에, 각각의 그 마스터 IED(들)로부터 다운로딩된 컴퓨터 소프트웨어 코드를 수용할 수 있다. 그 마스터 IED(들)의 요구 사항에 각각 맞춰진 다수의 코드 구현은 그에 따라 단일 브릭 상에 공존할 수 있다. 이것은 다수의 펌웨어 버전과 연관된 상호 운용성의 문제를 완화시키고, 그에 따라 시험에 대한 필요성을 제거한다. 따라서, 일실시예에서, 브릭은 변전기의 조작자(사람)가 별도의 장치로서 브릭과 상호 작용할 필요 없이, 필요한 경우에 그 작동 코드 및 다른 변수를 업데이트하는 것에 따라 그 연관된 IED(들)에 의해 전적으로 관리될 수 있다. 다른 실시예에서, 주어진 브릭과 IED 사이에 통신을 형성하면 IED는 필요한 경우에 오로지 주어진 브릭의 기능만을 제어하는 컴퓨터 소프트웨어 코드를 검증 및 업데이트할 수 있다.
일실시예에서, 하나 이상의 브릭은 주요 장비의 부분에 직접적으로, 또는 주요 장비의 부분에 근접하게 탑재될 수 있다.
일실시예에서, 변전기 또는 대응하는 동작을 할당하는 동안, 사용자는 주어진 구성의 물리적 장치가 유효하고, 컴퓨터 메모리 내에 저장되고, 시스템의 후속 작동에 대해 정규적으로 간주되어야 한다는 것을 확인하는 것에 의해 브릭 및 IED(들)로 이루어진 시스템을 차단할 수 있다. 유효한 구성의 브릭 및 IED(들)는 일련 번호 등과 같은 고유 식별자에 의해 또는 유사한 방법에 의해 표시될 수 있다.
일실시예에서, 주어진 브릭과 IED 사이의 통신을 형성할 때, IED는 브릭의 고유 식별 표시에 대해 검사할 수 있고, 그 검사의 긍정 또는 부정 결과에 기초하여, 예를 들면 경고를 발생하거나, 몇몇 기능을 제한하거나, 자동적으로 테스트 모드로 전환하는 것 등에 의해 IED의 기능을 변경할 수 있다. 기능은 입력의 평가 또는 처리를 통해 출력을 생성한다. 기능이 제한될 때, 출력은 사전 결정된 디폴트 상태로 강제된다.
일실시예에서, 브릭과 IED 사이의 연관은 어드레싱 또는 그와 대등한 기법에 비교되는 물리적 접속부를 포함한다. 추가하여, 2개 이상의 IED는 그들 사이의 통신을 활성화하기 위해 공유된 브릭을 이용할 수 있다. 이러한 실시예에서, 송신 IED는 공유된 브릭을 향하도록 정해진 패킷 내에 관심 대상인 데이터 항목을 포함할 수 있다. 이 브릭은 다른 접속된 IED의 일부 또는 전부를 향하는 출력 패키지 내에 수신된 관심 대상인 데이터 항목을 복사할 수 있다.
일실시예에서, 브릭에 제공된 일부 또는 전부의 구리 기반의 신호는 비평탄형 멀티-핀 커넥터에 의해 제공될 수 있다. 다른 실시예에서, 단락 캡은 IED 커넥터에서 교류 전류 신호를 단락하도록 제공되어 브릭을 제거(제거하지 않으면 전류 신호 경로를 개방 상태가 되게 함)하여 전력 시스템의 계속적인 동작을 허용한다.
브릭은 전력 시스템 장치를 설치 구역으로 이동하기 전에 전력 시스템 장치 의 제조자 또는 보수업자에 의해 다른 장소에서 설치 및 사전 테스트될 수 있다. 제어 하우스가 미리 제조되는 일실시예에서, IED 및 광섬유 패치 패널은 제어 하우스 내에 탑재되고, 제어 하우스를 설치 구역으로 이동하기 전에 사전 테스트될 수 있다. 본 발명의 실시예는 섬유 매체를 이용하는 것으로 한정되지 않는다. 오히려, 상술된 섬유 매체는 전기 매체 또는 무선 매체로 대체될 수 있다.
본 발명의 여러 실시예에 대한 상세한 설명이 제공되어 있으나, 본 기술 분야에 관련된 당업자라면 본 발명의 범주 내에서 변형이 이루어질 수 있다는 것을 이해할 것이다. 이러한 당업자는 하나의 실시예와 관련하여 설명된 특징이 다른 실시예에 적용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 범주는 이하의 청구항을 참조하여 적절하게 해석되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따라 구성된 변전기 아키텍처를 도시하는 개략도.
도 2는 브릭에 대한 일실시예를 도시하는 블록도.
도 3은 IED(intelligent electronic device)에 대한 일실시예를 도시하는 블록도.
도 4는 제어 장비의 하나 이상의 부분에서 신호 및 커맨드 인터페이스를 가지고 샘플 전력 네트워크를 보호 및 제어하는 시스템에 대한 실시예를 도시하는 개략도.
도 5는 변전기의 작동 방법에 대한 일실시예를 도시하는 흐름도.
도 6은 3개의 브릭 및 3개의 IED 사이에 라우팅하는 통신에 대한 일실시예를 도시하는 개략도.
도 7은 하나 이상의 IED를 위한 중복 브릭을 구비한 변전기 아키텍처에 대한 일실시예를 도시하는 개략도.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1 : 통신 링크 2 : 통신 링크
3 : 통신 링크 4 : 통신 링크
5 : 통신 링크 6 : 통신 링크
7 : 통신 링크 8 : 통신 링크
9 : 통신 링크 10 : 통신 링크
12 : 다중 섬유 통신 링크 100 : 변전기 아키텍처
102 : 고전압 장치 104 : 브릭
106 : 브릭 108 : 브릭
110 : 브릭 112 : 브릭
114 : 브릭 116 : 브릭
118 : 브릭 120 : 브릭
122 : 브릭 124 : 브릭
130 : 패치 패널 140 : 패치 패널
150 : 스위치야드 160 : 중계 제어 하우스
170 : 내부 광섬유 패치 케이블 171 : 내부 광섬유 패치 케이블
180 : 광섬유 패치 케이블 181 : 광섬유 패치 케이블
190 : 처리 유닛(IED) 195 : 통신 링크
200 : 브릭 202 : 전류 신호 입력
204 : 전압 신호 입력 206 : 신호 입력
208 : 이진 출력 210 : 광섬유 통신 포트
212 : 광섬유 통신 포트 214 : 광섬유 통신 포트
216 : 광섬유 통신 포트 300 : 보호 및 제어 IED
302 : 광섬유 통신 포트 303 : 광섬유 통신 포트
304 : 광섬유 통신 포트 305 : 광섬유 통신 포트
400 : 변전기 아키텍처 401 : 전송 라인
402 : 전송 라인 403 : 전송 라인
404 : 전송 라인 405 : 버스
406 : 버스 407 : 회로 차단기
408 : 회로 차단기 409 : 회로 차단기
410 : 회로 차단기 411 : 회로 차단기
412 : 회로 차단기 413 : 변압기
414 : 변압기 415 : 변압기
416 : 변압기 417 : 변류기
418 : 변류기 419 : 변류기
420 : 변류기 421 : 변류기
422 : 변류기 423 : 변류기
424 : 변류기 425 : 변류기
426 : 변류기 427 : 변류기
428 : 변류기 431 : 보호 및 제어 IED
432 : 보호 및 제어 IED 433 : 보호 및 제어 IED
434 : 보호 및 제어 IED 435 : 보호 및 제어 IED
436 : 보호 및 제어 IED 437 : 패치 패널
438 : 패치 패널 440 : 제어 하우스
441 : 인터페이스 장치(브릭) 442 : 인터페이스 장치(브릭)
443 : 인터페이스 장치(브릭) 444 : 인터페이스 장치(브릭)
445 : 인터페이스 장치(브릭) 446 : 인터페이스 장치(브릭)
447 : 인터페이스 장치(브릭) 448 : 인터페이스 장치(브릭)
449 : 인터페이스 장치(브릭) 450 : 인터페이스 장치(브릭)
500 : 방법 501 : 방법 단계
502 : 방법 단계 503 : 방법 단계
504 : 방법 단계 505 : 방법 단계
506 : 방법 단계 600 : 통신 경로 라우팅
631 : 보호 및 제어 IED 632 : 보호 및 제어 IED
633 : 보호 및 제어 IED 641 : 브릭
642 : 브릭 643 : 브릭
700 : 변전기 아키텍처 731 : IED
751 : 중복 브릭 752 : 중복 브릭
760 : 주요 장비 Com-1 : 통신 포트
Com-2 : 통신 포트 Com-3 : 통신 포트
Com-4 : 통신 포트

Claims (10)

  1. 전력 에너지의 전달을 보호하고, 제어하며, 모니터링하는 시스템으로서,
    주요 장비(a piece of primary equipment)에 연결되어 있으며 상기 주요 장비로부터 필드 데이터(field data)를 수신하도록 구성된 제 1 브릭(brick)과, 상기 주요 장비에 중복하여(redundantly) 연결되어 있으며 상기 주요 장비로부터 상기 필드 데이터를 수신하도록 구성된 제 2 브릭을 포함하는 입출력 인터페이스 장치와,
    상기 제 1 브릭 및 상기 제 2 브릭으로부터 필드 데이터를 수신하도록 구성된 적어도 하나의 IED(intelligent electronic device)와,
    상기 제 1 브릭과 상기 제 2 브릭 및 상기 적어도 하나의 IED의 각각에 연결되어 있으며, 상기 제 1 브릭 및 상기 제 2 브릭으로부터의 상기 필드 데이터를 상기 적어도 하나의 IED 중 선택된 IED로 라우팅하도록 구성된 패치 패널(patch panel)과,
    상기 제 1 브릭 및 상기 제 2 브릭의 각각을 상기 패치 패널에 독립적으로 연결하는 제 1 통신 링크와,
    상기 패치 패널을 상기 적어도 하나의 IED의 각각에 독립적으로 연결하는 제 2 통신 링크를 포함하되,
    상기 제 1 브릭 및 상기 제 2 브릭은 상기 적어도 하나의 IED 중 선택된 IED로 상기 필드 데이터를 전송하고, 상기 필드 데이터의 전송을 상기 적어도 하나의 IED 중 선택된 IED의 각각의 샘플링 클록 신호에 동기화하도록 구성되며,
    상기 적어도 하나의 IED의 각각은, 각각의 통신 링크를 통해 상기 제 1 브릭과 상기 제 2 브릭 중 연관된 브릭과 위상 고정 루프(phase lock loop)를 독립적으로 확립하여 상기 제 1 브릭과 상기 제 2 브릭에 상기 샘플링 클록 신호를 제공하도록 구성되는
    시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 통신 링크 및 상기 제 2 통신 링크의 각각은 그 단부에 적어도 하나의 사전 종단된(pre-terminated) 고밀도 커넥터를 갖는 패치 케이블인
    시스템.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 브릭 및 상기 적어도 하나의 IED의 각각은 하나 이상의 독립적 통신 포트를 갖고,
    상기 제 1 브릭은 상기 적어도 하나의 IED 중 대응하는 IED의 통신 포트와의 통신 전용인 통신 포트를 갖는
    시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 IED의 각각은 상기 제 1 브릭과의 통신의 확립시에 상기 제 1 브릭의 기능을 제어하는 컴퓨터 소프트웨어 코드를 검증하고, 필요한 경우에는 업데이트하도록 구성되는
    시스템.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 IED는 상기 제 1 브릭으로부터 수신된 제 1 디지털 필드 데이터와 상기 제 2 브릭으로부터 수신된 제 2 디지털 필드 데이터를 비교하여, 상기 제 1 디지털 필드 데이터 및 상기 제 2 디지털 필드 데이터의 무결성(integrity)을 보장하도록 구성되는
    시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 IED는 상기 제 1 디지털 필드 데이터와 상기 제 2 디지털 필드 데이터 사이의 불일치를 검출할 때 완전한(intact) 디지털 필드 데이터 세트를 식별하기 위한 추가 검사를 적용하도록 구성되는
    시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    브릭이 제거된 상기 시스템을 계속 동작하게 하도록 비평탄형 멀티-핀 커넥터(rugged multi-pin connector)에서 교류 신호를 단락(short out)시키도록 구성된 단락 캡(shorting cap)을 더 포함하는
    시스템.
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