KR101505591B1 - 주파수 스펙트럼 성분에 의한 전력설비 이상 감시 방법 및 장치 - Google Patents

주파수 스펙트럼 성분에 의한 전력설비 이상 감시 방법 및 장치 Download PDF

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KR101505591B1
KR101505591B1 KR1020130130257A KR20130130257A KR101505591B1 KR 101505591 B1 KR101505591 B1 KR 101505591B1 KR 1020130130257 A KR1020130130257 A KR 1020130130257A KR 20130130257 A KR20130130257 A KR 20130130257A KR 101505591 B1 KR101505591 B1 KR 101505591B1
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Abstract

본 발명은 주파수 스펙트럼 성분에 의한 전력설비 이상 감시 방법 및 장치에 관한 것으로; 전력설비의 송전단 및 수전단에서 전압, 전류를 동시에 측정하는 제1단계; 상기 전압, 전류의 주파수별
Figure 112013098729283-pat00206
조파 신호의 크기와
Figure 112013098729283-pat00207
조파 신호의 위상각을 계산하는 제2단계; 상기 주파수별
Figure 112013098729283-pat00208
조파 신호의 크기와
Figure 112013098729283-pat00209
조파 신호의 위상각을 주파수별로 나열하여 진폭 및 위상 스펙트럼을 추출하고 각조파별 차동원리를 적용하여 전조현상 유무를 판정하는 제3단계;로 구성되는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 전력설비에 사고가 발생하여 큰 손상이나 파급영향을 주기 이전에 사고의 초기단계 현상(전조현상) 유무를 감지할 수 있어 전력설비 운영 및 유지보수에 유용하다.

Description

주파수 스펙트럼 성분에 의한 전력설비 이상 감시 방법 및 장치{ Condition Monitoring Method and System for Power Equipments by on-line Power Spectrum Differential Measurement }
본 발명은 주파수 스펙트럼 성분에 의한 전력설비 이상 감시 방법 및 장치에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는 전력설비에 있어서 차단해야 하는 사고가 발생하기 이전에 설비 이상현상을 감지하기 위한 방법으로서 평소 전력설비 양단에서 동시에 측정되는 전압 및 전류의 주파수 스펙트럼을 비교하여 설비 내의 이상 유무와 위치를 감지해내는 방법 및 장치에 관한 것이다.
일반적으로 전력설비를 운용함에 있어서는 다음과 같은 3가지 분야의 일이 있다.
사고를 사전에 검출하여 미리 예방 보수하기 위하여 다양한 센서들이나 감시 장치들을 설치하여 사고의 전조 현상들(Symptoms of Fault)을 감지하여 이상이 있다고 판단되면 설비를 적당한 시기에 정지시켜 점검 및 보수하는 예지보수(Predivtive Maintenance) 분야의 일이 있으며, 또 한편으로는 사고가 발생하여 대량의 고장전류가 흐르거나 이상현상이 발생하면 이 현상을 감지 판단하여 회로를 신속히 차단시켜 더 이상의 파급이나 피해를 막아주는 보호계전(Protective Relaying)분야의 일이 있다.
이 두 분야의 일 중에서 사실 어느 분야의 일이 더 중요한지를 선정하기는 어렵고 모두 중요하다고 할 수 있으나 설비 상의 어떤 결함이나 노후 현상 등이 사고로 진전되기 이전에 발견하여 이를 미리 점검 보수하는 것이 사고 발생 후 차단시키는 것보다 더 바람직함은 거론할 여지가 없다.
한편, 전력설비 사고의 대부분은 외부 물체와의 접촉이나 주위 조건에 의하여 절연능력을 상실하여 갑작스럽게 단락 또는 지락사고가 발생하게 되는 경우를 제외하고는 설비 자체 절연의 열화나 파괴 및 설비 결함으로 인한 발열 등으로 인하여 발생되며 운전중에는 대부분 사고발생 이전에 일정기간 또는 간헐적으로 어떤 현상들이 나타나게 된다.
이와 같은 전조 현상으로는 다음과 같은 것들이 있다.
첫째, 열이 발생하여 자체나 주위의 온도가 상승하는 현상으로, 이 같은 열 발생의 원인으로는 도체 및 기구의 접속 또는 접촉이 불량인 경우, 절연이 열화 또는 불량으로 누설전류 증가로 발열하는 경우, 과부하로 인한 발열 등이 있다.
둘째, 방전 현상이 발생하는 경우로서, 그 원인으로는 절연체의 절연능력 열화로 인한 부분방전, 절연체중 습기 또는 이물질의 침입에 이한 방전, 지속성 과전압 발생 및 순간 과전압 발생(surge성 과전압) 등이 있다.
셋째, 고주파 성분 신호가 발생하는 경우로서, 그 원인으로는 상기의 방전 현상으로 인한 고주파 신호 발생에 의한 부분방전은 수 MHz이상의 신호가 발생하고 기타 방전은 약 0.5 MHz이하의 신호가 발생하는 것과, 비선형 특성을 나타내는 절연체를 통한 누설전류에 의해 고주파가 발생하는 것 등이 있다.
한편, 종래 전력설비 감시 및 제어 기술의 일 예로 등록특허 제0334428호가 제안된 바 있다. 이는 배전 자동화용 개폐기기의 선로고장 표시 제어장치와 선로고장의 처리방법에 관한 것으로, 그 선로고장 표시 제어장치는 배전 자동화용 개폐기기의 선로고장 표시 제어장치와 선로고장의 처리방법은 배전선로상의 전류를 검출하는 전류 검출수단; 상기 검출되는 전류의 과전류 여부를 판별하는 비교수단; 상기 검출되는 전류의 감소형태를 식별하는 식별수단; 및 상기 비교수단에서 과전류가 판별되는 경우 상기 식별수단에서 상기 전류의 감소형태가 전류의 포락선(envelop)이 지수함수적으로 감소하는 형태가 아닌 것으로 식별되면 상기 선로의 고장으로 판단하고 선로고장의 표시를 제어하는 제어수단을 포함한다.
그런데, 상기 등록특허는 과전류가 검출되는지 여부를 사후적으로 감시할 수 있을 뿐 사전에 이와 같은 일이 발생되는 원인이 될 수 있는 전조현상을 미리 감지할 수 없어 후속피해를 방지하기 어렵다.
참고문헌: 등록특허 제0334428호
따라서, 본 발명은 이러한 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 사고 전조 현상에서 나타나는 레벨이 낮은 복수의 고조파 성분들을 전력설비 각 단자에서 동시에 측정하여 차동원리를 적용하므로 전력설비 내부에서 발생하는 전조현상 유무를 알아낼 수 있는 주파수 스펙트럼 성분에 의한 전력설비 이상 감시 방법 및 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
특히, 본 발명은 전력설비에서 사고가 발생하기 이전에 이상현상을 감지하기 위한 방법으로서 평소 전력설비 양단에서 측정되는 전압 및 전류의 주파수 스펙트럼을 비교하여 설비 내의 이상 유무를 감지하는 방법 및 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
이와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명은;
전력설비의 송전단 및 수전단에서 전압, 전류를 동시에 측정하는 제1단계;
상기 전압, 전류의 주파수별
Figure 112014099352412-pat00213
조파 신호의 크기와
Figure 112014099352412-pat00214
조파 신호의 위상각을 계산하는 제2단계;
상기 주파수별
Figure 112014099352412-pat00215
조파 신호의 크기와
Figure 112014099352412-pat00216
조파 신호의 위상각을 주파수별로 나열하여 진폭 및 위상 스펙트럼을 추출하고 각조파별 차동원리를 적용하여 전조현상 유무를 판정하는 제3단계;로 구성되되,
상기 제3단계는
상기 전압, 전류의 주파수별
Figure 112014099352412-pat00217
조파 신호의 크기는 전력설비 양단의
Figure 112014099352412-pat00218
차 고조파 전압 페이저 값
Figure 112014099352412-pat00219
,
Figure 112014099352412-pat00220
와, 전류 페이저 값
Figure 112014099352412-pat00221
,
Figure 112014099352412-pat00222
로서, 상기
Figure 112014099352412-pat00223
차 고조파 전압 페이저 값
Figure 112014099352412-pat00224
,
Figure 112014099352412-pat00225
와, 전류 페이저 값
Figure 112014099352412-pat00226
,
Figure 112014099352412-pat00227
의 차동분 크기를 계산하여 양단의
Figure 112014099352412-pat00228
차 고조파 전압 및 전류차동분 크기(절대값)
Figure 112014099352412-pat00229
,
Figure 112014099352412-pat00230
를 계산하는 3_1단계;
상기
Figure 112014099352412-pat00231
차 고조파 전압 및 전류차동분 크기(절대값)
Figure 112014099352412-pat00232
,
Figure 112014099352412-pat00233
가
Figure 112014099352412-pat00234
차 고조파 전압 및 전류에 대한 이상 유무 판정값
Figure 112014099352412-pat00235
,
Figure 112014099352412-pat00236
보다 크면 전조현상이 발생한 것으로 판정하는 3_2단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 주파수 스펙트럼 성분에 의한 전력설비 이상 감시 방법을 제공한다.
삭제
또한, 상기 제3_2단계 후에, 전조현상 위치를 판정하는 제3_3단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 전력설비의 송전단으로부터 전조현상발생점까지의 거리
Figure 112014099352412-pat00025
는,
Figure 112014099352412-pat00026
로 계산하고, 수전단으로부터의 전조현상발생점까지의 거리
Figure 112014099352412-pat00027
는
Figure 112014099352412-pat00028
로써 전조현상 발생위치를 구하는 것을 특징으로 한다. (이때,
Figure 112014099352412-pat00029
은 송전선 전체 구간의
Figure 112014099352412-pat00030
조파 임피던스,
Figure 112014099352412-pat00031
는 전조현상 발생점에서 송전단까지의
Figure 112014099352412-pat00032
조파 선로 임피던스,
Figure 112014099352412-pat00033
는 송전단의 배후계통을 바라다 본
Figure 112014099352412-pat00034
조파 등가임피던스,
Figure 112014099352412-pat00035
은 수전단의 배후계통을 바라본
Figure 112014099352412-pat00036
조파 등가임피던스,
Figure 112014099352412-pat00037
는 송전단 측으로 흐르는
Figure 112014099352412-pat00038
조파 전류,
Figure 112014099352412-pat00039
은 수전단 측으로 흐르는
Figure 112014099352412-pat00040
조파 전류임)
아울러, 상기 전력설비는 송전선로인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은;
전력설비의 송전단과 수전단에 구비되는 전압변성기(PT)와 변류기(CT)에서 입력되는 전압과 전류를 동시에 측정하는 제1 및 제2전압전류측정수단과;
상기 제1 및 제2전압전류측정수단에서 감지된 전압과 전류에 포함된 각 고조파 성분의 크기와 위상 값을 구하고 각 고조파 성분의 크기와 위상 값의 차이를 계산하여 해당설비에 전조현상 발생 유무를 분석하는 전조 현상 감시 수단;으로 구성되되,
상기 전조 현상 감시 수단은 상기 전압, 전류의 주파수별
Figure 112014099352412-pat00237
조파 신호의 크기는 전력설비 양단의
Figure 112014099352412-pat00238
차 고조파 전압 페이저 값
Figure 112014099352412-pat00239
,
Figure 112014099352412-pat00240
와, 전류 페이저 값
Figure 112014099352412-pat00241
,
Figure 112014099352412-pat00242
로서, 상기
Figure 112014099352412-pat00243
차 고조파 전압 페이저 값
Figure 112014099352412-pat00244
,
Figure 112014099352412-pat00245
와, 전류 페이저 값
Figure 112014099352412-pat00246
,
Figure 112014099352412-pat00247
의 차동분 크기를 계산하여 양단의
Figure 112014099352412-pat00248
차 고조파 전압 및 전류차동분 크기(절대값)
Figure 112014099352412-pat00249
,
Figure 112014099352412-pat00250
를 계산하여,
상기
Figure 112014099352412-pat00251
차 고조파 전압 및 전류차동분 크기(절대값)
Figure 112014099352412-pat00252
,
Figure 112014099352412-pat00253
가
Figure 112014099352412-pat00254
차 고조파 전압 및 전류에 대한 이상 유무 판정값
Figure 112014099352412-pat00255
,
Figure 112014099352412-pat00256
보다 크면 전조현상이 발생한 것으로 판정하는 것을 특징으로 하는 주파수 스펙트럼 성분에 의한 전력설비 이상 감시 장치도 제공한다.
본 발명에 따르면, 전력설비에 사고가 발생하여 큰 손상이나 파급영향을 주기 이전에 사고의 초기단계 현상(전조현상) 유무를 감지할 수 있어 전력설비 운영 및 유지보수에 유용하다.
특히, 본 발명은 전력설비 양단(입력단 및 출력단)에서 전압전류를 측정하여 그의 파형을 분석하고 고조파 성분끼리의 차동분(크기와 위상차)을 산출하여 전조현상을 감지 및 판정함으로서, 기존의 차동전류보호계전기에서 감지할 수 없는 낮은 레벨의 고주파 신호들을 측정하여 이들을 비교함으로써 지금까지 할 수 없었던 사고 발생전 전조현상에도 사용될 수 있다.
아울러, 본 발명에 의하면 전력설비 양단에 나타나는 고조파 성분의 크기와 위상, 그리고 양 지점의 계통등가 임피던스를 이용하여 전조 현상이 발생한 위치를 추정할 수 있어 사고 발생전에 신속한 수습을 통한 전력 계통의 고장 예방 및 안전 운영이 가능하다.
도 1의 (a)(b)는 임의 신호의 주파수 스펙트럼을 도시한 그래프이다.
도 2는 본 발명에 따른 주파수 스펙트럼 성분에 의한 전력설비 이상 감시 장치의 구성도이다.
도 3은 본 발명에 따라 전조 현상의 발생 위치 추정을 설명하기 위해 도시한 개념도이다.
본 발명에 따른 주파수 스펙트럼 성분에 의한 전력설비 이상 감시 방법 및 장치를 첨부한 도면을 참고로 하여 이하 상세히 기술되는 실시 예에 의하여 그 특징들을 이해할 수 있을 것이다.
이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들은 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 도 1 내지 도 3을 참고로 주파수 스펙트럼 성분에 의한 전력설비 이상 감시 장치를 이용한 전조 현상 분석 과정을 설명한다.
먼저, 본 발명은 전력설비에서의 전조 현상을 미리 감지하기 위해 스펙트럼 차동원리를 이용하는데, 이는 기존의 사고 검출 차단용 전류차동계전방식의 전류차동원리와 동작원리는 유사하지만, 기존의 전류차동계전방식은 기본파 전류만을 기본으로 하여 사고전조현상에 나타나는 레벨이 낮은 고조파 및 고주파 신호에 대하여는 작용 할 수 없으나, 본 발명의 스펙트럼 차동방식은 다수의 고조파성분들을 측정하여 차동원리를 적용하므로 전조현상 유무를 알아낼 수 있는 방식을 이용한다.
즉, 본 발명에 따른 감시 방법은 평소 차동전류보호계전기에서 감지할 수 없는 낮은 레벨의 고주파 성분신호들을 측정하여 이들을 비교함으로써 지금까지 할 수 없었던 사고 발생전 전조현상에도 사용될 수 있다.
스펙트럼 차동에 의한 이상 감시(진단) 방법을 살펴보면, 이는 전력설비에서의 사고의 전조 현상에 따른 방전현상이 있어 비선형 전압, 전류신호 및 고주파 신호를 발생시키는 방전현상이 있는 것에 대하여 전력설비 양단에서 전압, 전류를 측정하여 주파수별 스펙트럼의 크기와 방향을 비교함으로써 사고 전조현상이 설비 내부에서 일어난 것인지 또는 외부에서 일어난 것인지를 검출하여 설비 내부에서 일어난 것으로 판정되면 경보(메시지 포함) 관련 계통을 통하여 전력계통에 관한 보수센터(Maintenance Engineering Center)(미도시됨)나 제어센터(Control center)(미도시됨)로 정보를 주어 적당한 조치를 취하게 함이 바람직하다.
이와 같은 전력설비 양단에서 측정되는 전압, 전류의 주파수별 스펙트럼 측정원리를 이하에서 설명한다.
먼저, 주기적인 전압, 전류 신호를 퓨리에 함수로 표시하면 다음의 식(1)과 같다.
Figure 112013098729283-pat00041
-------------(1)
이때,
Figure 112013098729283-pat00042
는 임의의 주기함수(전압이나 전류의 신호를 나타냄),
Figure 112013098729283-pat00043
는 직류성분의 크기이고,
Figure 112013098729283-pat00044
은
Figure 112013098729283-pat00045
조파 허수성분 크기이며,
Figure 112013098729283-pat00046
은
Figure 112013098729283-pat00047
조파 실수성분의 크기이다.
한편, 벡터
Figure 112013098729283-pat00048
은
Figure 112013098729283-pat00049
과
Figure 112013098729283-pat00050
을 이용해 다음과 같은 식(1-1)을 통해 구할 수 있다.
Figure 112013098729283-pat00051
-------------(1-1)
이때,
Figure 112013098729283-pat00052
는
Figure 112013098729283-pat00053
조파 신호의 크기(절대치)이고, θn은
Figure 112013098729283-pat00054
조파 신호의 위상각이다.
여기서 각 조파성분을 구하려면 식(1)을 변환하여 각각 다음의 식(2),(3)을 얻을 수 있다.
Figure 112013098729283-pat00055
-------------(2)
Figure 112013098729283-pat00056
-------------(3)
위 연속형(아나로그식) 공식을 디지털 장치에서 구현하기 위하여 이산치식으로 표현하면 아래와 같이 식(4),(5)로 각 주파수(조파)성분을 연산하여 구할 수 있다.
Figure 112013098729283-pat00057
-------------(4)
Figure 112013098729283-pat00058
-------------(5)
이때,
Figure 112013098729283-pat00059
은 1주기당 샘플링 회수이고,
Figure 112013098729283-pat00060
는 1주기
Figure 112013098729283-pat00061
회 샘플중
Figure 112013098729283-pat00062
번째 샘플이며,
Figure 112013098729283-pat00063
은 조파수( =[각 신호성분 주파수/기본파 주파수]) 이다.
여기서 신호
Figure 112013098729283-pat00064
로부터 각 주파수(조파) 성분의 크기
Figure 112013098729283-pat00065
과 위상각
Figure 112013098729283-pat00066
을 측정한 다음 주파수(파장)별로 그 크기와 위상각을 나열한 그래프가 스펙트럼이며 각각 진폭스펙트럼 및 위상스펙트럼 이라고 하며, 그 예가 도 1에 도시된다. 이에 의하면 어떤 신호에 대하여 기본파를 60[Hz]로 하고 20조파인 1,200[Hz] 성분까지의 스펙트럼을 구한다면 도 1에 도시된 바와 같은 형태의 그래프로 나타내질 수 있다. 이때, 횡축에는 주파수(조파수로 표시 함)를 종축에는 그 크기(절대치)나 위상을 표시한 것으로, 도 1의 (a)는 기본파로 부터 20조파까지에 대한 진폭스펙트럼을 나타낸 것이며, 도 1의 (b)는 위상 스펙트럼이다.
이하에서는 이상의 진폭 및 위상 스펙트럼을 이용하여 전조현상을 감시하기 위한 스펙트럼 차동원리를 설명한다.
도 2를 참고하면, 본 발명의 주파수 스펙트럼 성분에 의한 전력설비 이상 감시 장치는 전력설비의 선로에서 사고 전조현상이 발생하면 기본파 외에 고조파 전압, 전류가 포함된 전압,전류(
Figure 112014099352412-pat00067
,
Figure 112014099352412-pat00068
,
Figure 112014099352412-pat00069
,
Figure 112014099352412-pat00070
)가 전력설비의 선로 양단에 구비되는 전압변성기(PT)와 변류기(CT)에서 입력되는 전압과 전류를 측정하는 제1 및 제2전압전류측정수단(100,200)과, 상기 제1 및 제2전압전류측정수단(100,200)에서 감지된 전압과 전류값을 데이터 통신을 통해 수신하여 전압 및 전류에 포함된 각 고조파 성분의 크기와 위상 값을 구하고 각 고조파 성분의 크기와 위상 값의 차이를 계산하여 전조현상 발생 유무를 종합적으로 분석하는 전조 현상 감시 수단(300)으로 구성된다.
이때, 상기 전조 현상 감시 수단(300)은 전력 계통을 감시하는 관제실에 구비될 수 있는 것으로, 산업용 PC로 구성됨이 바람직하다.
한편, 상기 전조 현상 감시 수단(300)은 스펙트럼 차동분의 크기를 연산한다. 이때, 스펙트럼 차동 원리는 기존의 사고 검출 차단용 전류차동계전방식의 전류차동원리와 동작원리는 유사하지만 기존의 전류차동계전방식은 기본파 전류만을 기본으로 하여 사고전조현상에 나타나는 레벨이 낮은 고조파 및 고주파 신호에 대하여는 작용 할 수 없으므로, 본 발명의 스펙트럼 차동방식은 다수의 고조파성분들을 측정하여 각 조파별 및 고조파 성분 합성치에 대하여 차동원리를 적용하여 전조현상 유무를 알아낼 수 있다.
즉, 본 발명에서는 평소 차동전류보호계전기에서 감지할 수 없는 낮은 레벨의 고주파 신호들을 측정하여 이들을 비교함으로써 지금까지 할 수 없었던 사고 발생전 전조현상을 감지할 수 있다. 이 경우 감시범위 이내에서 전조현상이 있다면 차동 값이 크게 되고, 평상시나 외부 전조현상이라면 차동 값이 없거나 낮게 나타나는 것으로 특성을 단지 각 조파별의 양단 전압, 전류의 페이저(phasor) 값들 즉 '
Figure 112013098729283-pat00071
'을 아래 식 (6) 및 (7)에 따라서 연산하여 그 값을 구하고 이 값이 설정한 값
Figure 112013098729283-pat00072
(전압
Figure 112013098729283-pat00073
, 전류
Figure 112013098729283-pat00074
)보다 크거나 같으면 내부에 전조현상(Incipient Phenomena)이 있는 것으로 판정한다.
Figure 112013098729283-pat00075
-------------(6)
Figure 112013098729283-pat00076
-------------(7)
이때,
Figure 112013098729283-pat00077
,
Figure 112013098729283-pat00078
는 송전단 및 수전단의
Figure 112013098729283-pat00079
차 고조파 전압 페이저 값이고,
Figure 112013098729283-pat00080
,
Figure 112013098729283-pat00081
는 송전단 및 수전단의
Figure 112013098729283-pat00082
차 고조파 전류 페이저 값이고,
Figure 112013098729283-pat00083
,
Figure 112013098729283-pat00084
는 송전단과 수전단 양단의
Figure 112013098729283-pat00085
차 고조파 전압 및 전류차동분 크기(절대값)이며,
Figure 112013098729283-pat00086
,
Figure 112013098729283-pat00087
는
Figure 112013098729283-pat00088
차 고조파 전압 및 전류에 대한 이상 유무 판정값이다.
또한,
Figure 112013098729283-pat00089
,
Figure 112013098729283-pat00090
는 사용자가 경험이나 운영방침에 따라 정할 수 있는 것이며, 처음단계에서는 비교적 낮은 값을 적용하여 예민하게 할 수 있다.
한편, 이상의
Figure 112013098729283-pat00091
차 고조파 전압 및 전류의 차동분 크기(절대값)인
Figure 112013098729283-pat00092
,
Figure 112013098729283-pat00093
를
Figure 112013098729283-pat00094
차 고조파 전압 및 전류에 대한 이상 유무 판정값
Figure 112013098729283-pat00095
,
Figure 112013098729283-pat00096
와 비교하여 전조현상의 발생을 판정시 다음과 같이 세분화하여 비교판정함으로서 종합적인 사고전조현상 유무를 판정할 수 있다.
이 경우 전조현상은 미세한 고조파 신호들을 측정하여 비교하는 것으로서 각 송전선 또는 전력설비의 평소여건이나 특성에 따라 내부 또는 외부로부터 평소에도 고조파 및 고주파 신호들이 발생 또는 유입될 수 있다. 따라서 평소 이러한 현상이 많이 발생되는 송전선 또는 전력설비인 경우에는 오 판정되는 일이 없도록 하기 위해 일반적인 한계치
Figure 112013098729283-pat00097
,
Figure 112013098729283-pat00098
보다 150 ~ 200 %정도 높게 설정하여 적용하며 다음과 같은 절차를 통해 종합적으로 전조현상 발생 유무를 판정한다.
우선, 평상시에는 각 조파 전압, 전류의 차동분 크기(
Figure 112013098729283-pat00099
,
Figure 112013098729283-pat00100
)를 측정하고
Figure 112013098729283-pat00101
차 고조파 전압 및 전류에 대한 이상 유무 판정값(
Figure 112013098729283-pat00102
,
Figure 112013098729283-pat00103
)과 비교하여, 차동분(
Figure 112013098729283-pat00104
,
Figure 112013098729283-pat00105
,)이 판정값(
Figure 112013098729283-pat00106
,
Figure 112013098729283-pat00107
) 이상인 조파수가 전체 측정된 조파수(
Figure 112013098729283-pat00108
)의 1/3, 1/4 1/5 이상인지를 차례대로 비교하여 각기 다르게 분석한다.
이때, 차동분(
Figure 112013098729283-pat00109
,
Figure 112013098729283-pat00110
)이 판정값(
Figure 112013098729283-pat00111
,
Figure 112013098729283-pat00112
) 이상인 조파수가 전체 측정된 조파수(
Figure 112013098729283-pat00113
)의 1/3 이상이면 예를 들어 “00 선로 00상에 사고 전조현상 발생: 위험 ”이란 메시지와 경보를 발생하고 당시 스펙트럼을 데이터 또는 그래프로 볼 수 있도록 제시하고, 차동분(
Figure 112013098729283-pat00114
,
Figure 112013098729283-pat00115
)이 판정값(
Figure 112013098729283-pat00116
,
Figure 112013098729283-pat00117
) 이상인 조파수가 전체 측정된 조파수(
Figure 112013098729283-pat00118
)의 1/4 이상이면 예를 들어 “00 선로 00상에 사고 전조현상 발생: 경계 ”란 메시지와 경보를 발생하고 당시 스펙트럼을 데이터 또는 그래프로 볼 수 있도록 제시하며, 차동분(
Figure 112013098729283-pat00119
,
Figure 112013098729283-pat00120
)이 판정값(
Figure 112013098729283-pat00121
,
Figure 112013098729283-pat00122
) 이상인 조파수가 전체 측정된 조파수(
Figure 112013098729283-pat00123
)의 1/5 이상이면 예를 들어 “00 선로 00상에 사고 전조현상 발생: 유의 ”란 메시지와 경보를 발생하고 당시 스펙트럼을 데이터 또는 그래프로 볼 수 있도록 제시하며, 기타의 경우는 운전경험에 따라 예를 들어 적절한 기준으로 전체 조파의 이상이면 “00 선로 00상에 사고 전조현상 발생: XXYY ”이란 메시지와 경보를 발생하고, 당시 스펙트럼을 데이터 또는 그래프로 볼 수 있도록 하며 송전선로 상태를 파악할 수 있게 한다.
한편, 어느 조파 차동분(
Figure 112013098729283-pat00124
,
Figure 112013098729283-pat00125
)이 판정값(
Figure 112013098729283-pat00126
,
Figure 112013098729283-pat00127
)의 2배 이상으로 증가되고 이것이 일정기간이상 지속되면 예를 들어 “00 선로 00상에 사고 전조현상 발생: 경계(
Figure 112013098729283-pat00128
조파 과다발생) ”란 메시지와 경보를 발생하고, 당시 스펙트럼을 데이터 또는 그래프로 볼 수 있도록 제시할 수 있다.
그리고, 조파 차동분의 크기가 일정치 이상 증가되고 일정기간 이상 지속되면 다음과 같이 판정한다. 즉, 차동분의 크기가 50%이상 증가 유지되는 조파가 2개 이상 나타나면 “00 선로 00상에 사고 전조현상 발생: 위험 ”이란 메시지와 경보를 발생하고 당시 스펙트럼을 데이터 또는 그래프로 볼 수 있도록 제시하며, 차동분의 크기가 30%이상 증가 유지되는 조파가 2개 이상 나타나면 “ 00 선로 상에 사고 전조현상 발생: 경계 ”란 메시지와 경보를 발생하고 당시 스펙트럼을 데이터 또는 그래프로 볼 수 있도록 제시할 수 있다.
한편, 본 발명은 주파수 스펙트럼 성분에 의한 전력설비 이상 감시 장치에서 전조현상의 발생위치를 다음과 같은 원리를 이용해 추정할 수 있다. 이 경우 송전선을 대상으로 한다.
전기회로 이론에 따라 전조현상 발생점에는 각 고조파 및 고주파 전원이 있는 것으로 볼 수 있다. 따라서 양측에 흐르는 고조파의 전류크기는 양단의 전기적 배후조건이 동일하다고 할 때 전조현상 발생점에서의 거리에 반비례한다. 즉 중간지점에서 전조현상이 일어났다면 양단의 전류가 동일하거나 비슷한 크기일 것이고, 송전단 쪽에 가까운 지점에서 발생하였다면 송전단 쪽으로 흐르는 고조파전류가 수전단 쪽으로 흐르는 전류보다 클 것이기 때문이다. 도 3은 이런 원리를 나타내주고 있다. 이때,
Figure 112013098729283-pat00129
은 송전선 전체 구간의
Figure 112013098729283-pat00130
조파 임피던스[Ω],
Figure 112013098729283-pat00131
는 전조현상 발생점에서 송전단까지의
Figure 112013098729283-pat00132
조파 선로 임피던스[Ω],
Figure 112013098729283-pat00133
은 전조현상 발생점에서 수전단까지의
Figure 112013098729283-pat00134
조파 선로 임피던스[Ω],
Figure 112013098729283-pat00135
은
Figure 112013098729283-pat00136
조파의 송전 단위 길이당 임피던스,
Figure 112013098729283-pat00137
는 송전단의 배후계통을 바라다 본
Figure 112013098729283-pat00138
조파 등가임피던스(테브난 등가)[Ω],
Figure 112013098729283-pat00139
은 수전단의 배후계통을 바라다 본
Figure 112013098729283-pat00140
조파 등가임피던스(테브난 등가)[Ω] ,
Figure 112013098729283-pat00141
는 송전단 측으로 흐르는
Figure 112013098729283-pat00142
조파 전류[A],
Figure 112013098729283-pat00143
은 수전단 측으로 흐르는
Figure 112013098729283-pat00144
조파 전류[A],
Figure 112013098729283-pat00145
은 고조파 성분 발생 신호 중
Figure 112013098729283-pat00146
조파 전압[V]이다.
이때, 다음과 같은 원리에 의해 그 전조현상 발생 위치를 추정할 수 있다. 전조현상이 발생한 선로는 도 3과 같이 표현할 수 있으며 양단에 있는 임피던스
Figure 112013098729283-pat00147
,
Figure 112013098729283-pat00148
은 각각 각 양단에서 배후 계통측으로 본 등가 임피던스들이다. 따라서 계통 양단에 흐르는
Figure 112013098729283-pat00149
차 조파의 크기는 아래의 식 (8) 및 (9)로 표현된다.
Figure 112013098729283-pat00150
-------------(8)
Figure 112013098729283-pat00151
-------------(9)
이때, 전체 송전선의 임피던스는
Figure 112013098729283-pat00152
이고(
Figure 112013098729283-pat00153
: 송전선 길이), 전조 현상이 송전단으로부터
Figure 112013098729283-pat00154
km 지점에서 발생했다면,
Figure 112013098729283-pat00155
,
Figure 112013098729283-pat00156
이 되므로, 이식들을 식(8), (9)에 대입하면 아래의 식 (10) 및 (11)로 표현된다.
Figure 112013098729283-pat00157
-------------(10)
Figure 112013098729283-pat00158
-------------(11)
이때, 위 식 (10) 및 (11)에서 미지수는
Figure 112013098729283-pat00159
,
Figure 112013098729283-pat00160
로서, 즉 송전단으로부터 전조현상발생점까지의 거리
Figure 112013098729283-pat00161
와 수전단으로부터의 전조현상발생점까지의 거리
Figure 112013098729283-pat00162
는 아래의 식(12) 및 (13)과 같이 산출할 수 있다.(
Figure 112013098729283-pat00163
은 전조현상 발생을 나타내는 등가전원이다.)
Figure 112013098729283-pat00164
-------------(12)
Figure 112013098729283-pat00165
-------------(13)
이 경우 위치 추정 과정에서는 다수의 조파에 대한 각각의 연산을 통하여 산출되는 위치가 각각 다를 수 있으므로, 위치 추정을 위한 고조파를 선정은 다음과 같은 방법으로 산정한다.
즉, 전조현상 발생위치측정 방법은 첫째, 전력설비 양단의 전류 차동분의 크기가 큰 순서로 3개 조파분 전류에 대하여 각각 위치를 산출하고, 3가지 추정치의 평균값을 “평균 위치”로 하고, 차동분이 가장 큰 전류에 의한 위치를 “대표 위치”로 판단한다. 이는 위치를 정확히 추정하기 어렵지만 대략적인 위치범위의 제시가 가능하다. 둘째, 전력설비 양단의 전류 차동분이 2배 이상 증가된 조파전류만에 의해 위치를 추정하고 결과를 제시할 수 있다. 셋째, 전류 차동분의 크기가 일정치 비율이상 증가 된 조파전류에 의해 위치를 추정하고 결과를 제시한다. 물론 이와 같은 연산은 전조현상 감지 수단(300)에서 연산처리함은 당연하다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형 가능한 것으로, 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
PT: 전압변성기 CT: 변류기
100: 제1전압전류측정수단 200: 제2전압전류측정수단
300: 전조 현상 감시 수단

Claims (6)

  1. 전력설비의 송전단 및 수전단에서 전압, 전류를 동시에 측정하는 제1단계;
    상기 전압, 전류의 주파수별
    Figure 112014099352412-pat00257
    조파 신호의 크기와
    Figure 112014099352412-pat00258
    조파 신호의 위상각을 계산하는 제2단계;
    상기 주파수별
    Figure 112014099352412-pat00259
    조파 신호의 크기와
    Figure 112014099352412-pat00260
    조파 신호의 위상각을 주파수별로 나열하여 진폭 및 위상 스펙트럼을 추출하고 각조파별 차동원리를 적용하여 전조현상 유무를 판정하는 제3단계;로 구성되되,
    상기 제3단계는
    상기 전압, 전류의 주파수별
    Figure 112014099352412-pat00261
    조파 신호의 크기는 전력설비 양단의
    Figure 112014099352412-pat00262
    차 고조파 전압 페이저 값
    Figure 112014099352412-pat00263
    ,
    Figure 112014099352412-pat00264
    와, 전류 페이저 값
    Figure 112014099352412-pat00265
    ,
    Figure 112014099352412-pat00266
    로서, 상기
    Figure 112014099352412-pat00267
    차 고조파 전압 페이저 값
    Figure 112014099352412-pat00268
    ,
    Figure 112014099352412-pat00269
    와, 전류 페이저 값
    Figure 112014099352412-pat00270
    ,
    Figure 112014099352412-pat00271
    의 차동분 크기를 계산하여 양단의
    Figure 112014099352412-pat00272
    차 고조파 전압 및 전류차동분 크기(절대값)
    Figure 112014099352412-pat00273
    ,
    Figure 112014099352412-pat00274
    를 계산하는 3_1단계;
    상기
    Figure 112014099352412-pat00275
    차 고조파 전압 및 전류차동분 크기(절대값)
    Figure 112014099352412-pat00276
    ,
    Figure 112014099352412-pat00277
    가
    Figure 112014099352412-pat00278
    차 고조파 전압 및 전류에 대한 이상 유무 판정값
    Figure 112014099352412-pat00279
    ,
    Figure 112014099352412-pat00280
    보다 크면 전조현상이 발생한 것으로 판정하는 3_2단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 주파수 스펙트럼 성분에 의한 전력설비 이상 감시 방법.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제3_2단계 후에, 전조현상 위치를 판정하는 제3_3단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 주파수 스펙트럼 성분에 의한 전력설비 이상 감시 방법.
  4. 제 3항에 있어서,
    전력설비의 송전단으로부터 전조현상발생점까지의 거리
    Figure 112014099352412-pat00190
    는,
    Figure 112014099352412-pat00191

    로 계산하고,
    수전단으로부터의 전조현상발생점까지의 거리
    Figure 112014099352412-pat00192
    는
    Figure 112014099352412-pat00193

    로써 전조현상 발생위치를 구하는 것을 특징으로 하는 주파수 스펙트럼 성분에 의한 전력설비 이상 감시 방법.
    (이때,
    Figure 112014099352412-pat00194
    은 송전선 전체 구간의
    Figure 112014099352412-pat00195
    조파 임피던스,
    Figure 112014099352412-pat00196
    는 전조현상 발생점에서 송전단까지의
    Figure 112014099352412-pat00197
    조파 선로 임피던스,
    Figure 112014099352412-pat00198
    는 송전단의 배후계통을 바라다 본
    Figure 112014099352412-pat00199
    조파 등가임피던스,
    Figure 112014099352412-pat00200
    은 수전단의 배후계통을 바라본
    Figure 112014099352412-pat00201
    조파 등가임피던스,
    Figure 112014099352412-pat00202
    는 송전단 측으로 흐르는
    Figure 112014099352412-pat00203
    조파 전류,
    Figure 112014099352412-pat00204
    은 수전단 측으로 흐르는
    Figure 112014099352412-pat00205
    조파 전류임)
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 전력설비는 송전선로인 것을 특징으로 하는 주파수 스펙트럼 성분에 의한 전력설비 이상 감시 방법.
  6. 전력설비의 송전단과 수전단에 구비되는 전압변성기(PT)와 변류기(CT)에서 입력되는 전압과 전류를 동시에 측정하는 제1 및 제2전압전류측정수단과;
    상기 제1 및 제2전압전류측정수단에서 감지된 전압과 전류에 포함된 각 고조파 성분의 크기와 위상 값을 구하고 각 고조파 성분의 크기와 위상 값의 차이를 계산하여 해당설비에 전조현상 발생 유무를 분석하는 전조 현상 감시 수단;으로 구성되되,
    상기 전조 현상 감시 수단은 상기 전압, 전류의 주파수별
    Figure 112014099352412-pat00281
    조파 신호의 크기는 전력설비 양단의
    Figure 112014099352412-pat00282
    차 고조파 전압 페이저 값
    Figure 112014099352412-pat00283
    ,
    Figure 112014099352412-pat00284
    와, 전류 페이저 값
    Figure 112014099352412-pat00285
    ,
    Figure 112014099352412-pat00286
    로서, 상기
    Figure 112014099352412-pat00287
    차 고조파 전압 페이저 값
    Figure 112014099352412-pat00288
    ,
    Figure 112014099352412-pat00289
    와, 전류 페이저 값
    Figure 112014099352412-pat00290
    ,
    Figure 112014099352412-pat00291
    의 차동분 크기를 계산하여 양단의
    Figure 112014099352412-pat00292
    차 고조파 전압 및 전류차동분 크기(절대값)
    Figure 112014099352412-pat00293
    ,
    Figure 112014099352412-pat00294
    를 계산하여,
    상기
    Figure 112014099352412-pat00295
    차 고조파 전압 및 전류차동분 크기(절대값)
    Figure 112014099352412-pat00296
    ,
    Figure 112014099352412-pat00297
    가
    Figure 112014099352412-pat00298
    차 고조파 전압 및 전류에 대한 이상 유무 판정값
    Figure 112014099352412-pat00299
    ,
    Figure 112014099352412-pat00300
    보다 크면 전조현상이 발생한 것으로 판정하는 것을 특징으로 하는 주파수 스펙트럼 성분에 의한 전력설비 이상 감시 장치.
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KR101255319B1 (ko) * 2011-08-03 2013-04-15 한국전력공사 고조파형 분석에 의한 변압기 진단장치

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