KR101732500B1 - 초전도 전력케이블 보호 협조 시뮬레이터 해석 시스템 및 방법 - Google Patents

초전도 전력케이블 보호 협조 시뮬레이터 해석 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초전도 케이블의 모의 계통, 형태, 고장 형태 등을 모델링하고, 모델링에 전류나, 케이블 양단의 전압, 온도 변화 등을 적용하여 케이블의 동특성을 획득하고 이에 대한 보호 협조를 시뮬레이션하는, 초전도 전력케이블 보호 협조 시뮬레이터 해석 시스템 및 방법이 개시된다.
개시된 초전도 전력케이블 보호 협조 시뮬레이터 해석 시스템은, 초전도 전력 케이블에 대한 모의 계통, 회로 형태, 고장 형태를 수학적 모델을 기반으로 모델링하는 RSCAD-RTDS 모델링 시스템; 상기 초전도 전력 케이블의 모델링에 고장 측정용 전류와 양단 전압 및 온도 변화를 인가하는 FPGA 임베디드 시스템; 및 상기 초전도 전력 케이블의 모델링에 인가된 고장 측정용 전류나 양단 전압 및 온도 변화에 따른 상기 초전도 전력 케이블의 동특성을 실시간(Real Time)으로 시뮬레이션하거나, 상기 초전도 전력 케이블에 대한 전력 계통의 파라미터를 입력받아 비실시간(Non real time)으로 시뮬레이션하고, 각 시뮬레이션 결과를 해석하여 보호 협조 방안을 출력하는 시뮬레이션 시스템을 포함한다.
본 발명에 의하면, 초전도 전력 케이블에 대한 고장 등을 시뮬레이션할 수 있다.

Description

초전도 전력케이블 보호 협조 시뮬레이터 해석 시스템 및 방법{Method and system for interpretation of protective coordination simulator in High Temperature Superconductor power cable}
본 발명은 초전도 전력케이블 보호 협조 시뮬레이션 해석 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 자세하게는 실시간 연산처리가 가능한 임베디드 기반의 FPGA(Field-Programmable Gate Array)를 이용하여 모의 계통, 초전도 케이블의 형태, 고장 형태 등을 특정(LabVIEW) 프로그램을 이용하여 모델링하고 고장 전류의 기준 신호를 아날로그 출력을 통해 전류 증폭기로 증폭함으로써 초전도 케이블 모델에 고장 전류를 인가할 수 있고 케이블 양단의 전압, 온도 변화 등을 아날로그 입력을 통해 FPGA 내에 구현되어 있는 계통에 적용함으로써 케이블의 동특성을 실시간 반영하고 이에 대한 보호 협조를 시뮬레이션 할 수 있도록 하는, 초전도 전력케이블 보호 협조 시뮬레이터 해석 시스템 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 전기저항이 제로(0)인 초전도체를 이용한 초전도 전력케이블은 기존의 전력케이블에 비하여 전기저항이 무시할 수 있을 정도로 매우 작기 때문에 단위 면적당 송전용량을 3배 또는 4배 증가시킬 수 있으며 이로 인해 전력케이블의 소형화 및 대용량화가 가능한 장점이 있다. 또한, 전기저항에 의한 손실이 거의 없어 송전비용 절감효과도 가져올 수 있다.
초전도 전력케이블은 에너지의 효율적 전송을 위한 대안으로 연구 개발되고 있으며, 현재 상용화에 근접한 초전도 전력기기 중 하나이다. 우리나라의 경우 배전급 초전도전력케이블의 개발과 실증시험을 완료 하였으며, 송전급 초전도 전력케이블의 경우 현재 실계통 실증 시험을 위해 제주 초전도 센터에 1km를 설치 중에 있다. 또한 직류 80kV 초전도 전력케이블의 개발과 실증 시험을 완료한 상태이다.
초전도체는 임계온도, 임계자장, 임계전류를 초과하지 않을 경우 초전도 특성을 유지하지만 임계값을 초과하게 되면 전기저항이 급격히 증가하는 ??치(Quench) 현상이 발생한다. 계통의 보호협조 시스템 측면에서 상전도 구리 케이블의 경우 고장점만 과도변화 하지만 초전도 전력케이블의 경우 고장점 뿐만 아니라 초전도 전력케이블도 과도 변화하게 된다.
따라서 초전도 전력케이블의 구조에 따라 자기장 차폐를 위한 쉴드층 유도전류, 고장전류로부터 초전도체를 보호하기 위한 안정화제, 냉각 시스템의 고장, 고장전류 제한형 초전도 케이블, 3상 일괄형 또는 분리형, 3상 동축 형태의 케이블 등 보호협조 측면에서 고려되어야 할 요소들이 변화하게 된다.
또한, 초전도 케이블은 그 구조와 형태에 따라 케이블 자체의 임피던스 변화와 이로 인해 고장전류의 크기가 변화하게 됨에 따라 전력계통을 고장으로부터 보호하기 위해서는 보호협조 시스템의 방법이 달라져야 한다.
종래의 방법은 PSCAD/EMTDC와 같은 전력계통 해석 소프트웨어를 사용하여 고장시 보호협조 측면에서의 검토를 수행해 왔으나, 초전도 케이블의 모델은 사용자가 직접 개발해야 되는 단점이 있고, 케이블의 형태(3상 일괄형, 동축형 케이블, 쉴드층 설계 유무 등), 고장 형태(1선지락, 선간단락, 3상 단락 등)에 따라 달라지므로 이를 모두 적용하여 시뮬레이션을 수행하는 것 또한 쉽지 않을 뿐만 아니라 케이블의 특성을 실시간으로 반영하지 못하는 문제점을 나타내게 된다.
이를 보완할 수 있는 방법으로 RSCAD/RTDS(Real-Time Digital Simulator)를 이용하여 초전도 케이블 모델을 제작하여 응동 특성을 계통 내에 적용할 수 있는 해석 방법이 있으나 RTDS 구축 비용이 매우 비싸므로 현실적으로 어려움이 있다.
한국 공개특허공보 제10-2010-0038907호(공개일 : 2010년04월15일)
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 실시간 연산처리가 가능한 임베디드 기반의 FPGA(Field-Programmable Gate Array)를 이용하여 모의 계통, 초전도 케이블의 형태, 고장 형태 등을 특정(LabVIEW) 프로그램을 이용하여 모델링하고 고장 전류의 기준 신호를 아날로그 출력을 통해 전류 증폭기로 증폭함으로써 초전도 케이블 모델에 고장 전류를 인가할 수 있고 케이블 양단의 전압, 온도 변화 등을 아날로그 입력을 통해 FPGA 내에 구현되어 있는 계통에 적용함으로써 케이블의 동특성을 실시간 반영하고 이에 대한 보호협조를 시뮬레이션 할 수 있도록 하는, 초전도 전력케이블 보호 협조 시뮬레이터 해석 시스템 및 방법을 제공함에 있다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 초전도 전력케이블 보호 협조 시뮬레이터 해석 시스템은, 초전도 전력 케이블에 대한 모의 계통, 회로 형태, 고장 형태를 수학적 모델을 기반으로 모델링하는 LabVIEW 모델링 시스템; 상기 초전도 전력 케이블의 모델링에 고장 측정용 전류와 양단 전압 및 온도 변화를 인가하는 FPGA 임베디드 시스템; 및 상기 초전도 전력 케이블의 모델링에 인가된 고장 측정용 전류나 양단 전압 및 온도 변화에 따른 상기 초전도 전력 케이블의 동특성을 실시간(Real Time)으로 시뮬레이션하거나, 상기 초전도 전력 케이블에 대한 전력 계통의 파라미터를 입력받아 비실시간(Non real time)으로 시뮬레이션하고, 각 시뮬레이션 결과를 해석하여 보호 협조 방안을 출력하는 시뮬레이션 시스템을 포함한다.
또한, 상기 시뮬레이션 시스템은, 상기 초전도 전력 케이블에 대한 전력 계통의 파라미터로 변압기 정보와, 케이블 정보, 부하 정보 및 고장 유형과 고장 지점의 설정 정보를 입력받아 시뮬레이션을 실행하게 된다.
또한, 상기 변압기 정보는 변압기 종류, 변압기 전압, 변압기 용량, 임피던스 및 접지형태를 포함하고, 상기 케이블 정보는 케이블의 종류, 길이, 임피던스를 포함하며, 상기 부하 정보는 용량, 유효와 무효 비율 설정을 포함한다.
또한, 상기 시뮬레이션 시스템은, 상기 각 시뮬레이션 결과에 대해, 상기 고장 측정용 전류의 크기와, 상기 초전도 전력 케이블의 임피던스 및 온도변화, 유효 및 무효전력, 벡터 다이어그램으로 출력하고, 이러한 각 시뮬레이션 결과를 해석하여 보호 협조 방안을 출력한다.
또한, 상기 초전도 전력 케이블에 대해 상기 FPGA 임베디드 시스템을 통해 실시간(Real Time)으로 시뮬레이션하는 경우에, 상기 FPGA 임베디드 시스템에서 출력된 고장 전류의 기준 신호를 전류 증폭기(Current Amplifier)로 증폭하고, 변압기(Transformer)를 통해 일정 비율로 변환하여 상기 초전도 전력 케이블 및 과전류 보호 계전기(Protective Relay)에 전달하여, 상기 초전도 전력 케이블의 저항값, 인덕터의 임피던스 변화, 온도 변화에 따른 전체 임피던스 변화를 상기 초전도 전력 케이블의 모델링에 피드백(Feedback)하여 실시간으로 시뮬레이션하게 된다.
그리고, 상기 시뮬레이션 시스템은, 상기 초전도 전력 케이블에 대해 상기 FPGA 임베디드 시스템을 통해 실시간(Real Time)으로 시뮬레이션하는 경우에, 대칭 성분(symmetrical components)의 사용을 통해 결함으로 인한 불평형 전력 시스템 동작을 분석하게 된다.
한편, 전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 초전도 전력케이블 보호 협조 시뮬레이터 해석 방법은, (a) LabVIEW 모델링 시스템에서 초전도 전력 케이블에 대한 모의 계통, 회로 형태, 고장 형태를 수학적 모델을 기반으로 모델링하는 단계; (b) FPGA 임베디드 시스템에서 상기 초전도 전력 케이블의 모델링에 고장 측정용 전류와 양단 전압 및 온도 변화를 인가하는 단계; (c) 시뮬레이션 시스템에서 상기 초전도 전력 케이블의 모델링에 인가된 고장 측정용 전류나 양단 전압 및 온도 변화에 따른 상기 초전도 전력 케이블의 동특성을 실시간(Real Time)으로 시뮬레이션하거나, 상기 초전도 전력 케이블에 대한 전력 계통의 파라미터를 입력받아 비실시간(Non real time)으로 시뮬레이션하는 단계; 및 (d) 시뮬레이션 시스템에서 각 시뮬레이션 결과를 해석하여 보호 협조 방안을 출력하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 (c) 단계에서 상기 시뮬레이션 시스템은, 상기 초전도 전력 케이블에 대한 전력 계통의 파라미터로 변압기 정보와, 케이블 정보, 부하 정보 및 고장 유형과 고장 지점의 설정 정보를 입력받아 시뮬레이션을 실행하게 된다.
또한, 상기 변압기 정보는 변압기 종류, 변압기 전압, 변압기 용량, 임피던스 및 접지형태를 포함하고, 상기 케이블 정보는 케이블의 종류, 길이, 임피던스를 포함하며, 상기 부하 정보는 용량, 유효와 무효 비율 설정을 포함한다.
그리고, 상기 (c) 단계에서 상기 시뮬레이션 시스템은, 상기 각 시뮬레이션 결과에 대해, 상기 고장 측정용 전류의 크기와, 상기 초전도 전력 케이블의 임피던스 및 온도변화, 유효 및 무효전력, 벡터 다이어그램으로 출력하게 된다.
본 발명에 의하면, 시뮬레이션 시스템을 통해 초전도 전력 케이블에 대해 실시간으로 또는 비실시간으로 전력 계통을 시뮬레이션하여 고장 여부를 예측하거나 확인할 수 있다.
또한, 초전도 전력 케이블에 대한 케이블 특성과 변압기, 부하 등 구조상의 특성을 고려하여, 정상 상태와 고장 상태에 대한 보다 정확한 시뮬레이션을 통해 초전도 전력 케이블의 고장을 예측하고, 치명적인 손상으로부터 보호할 수 있다.
그리고, 초전도 전력 케이블에 대한 시뮬레이션을 통해 고장을 용이하게 검출하여, 초전도 전력 케이블의 보호 뿐만 아니라 전력계통 전체로 파급되는 사고를 미연에 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 적용되는 초전도 전력 케이블의 구조를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명이 적용되는 초전도 전력 케이블의 등가 회로도를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 초전도 전력케이블 보호 협조 시뮬레이터 해석 시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 초전도 전력케이블 보호 협조 시뮬레이터 해석 방법을 설명하기 위한 동작 흐름도를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 3상 동축 초전도 전력 케이블을 모델링 한 예를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 초전도 전력 케이블을 실시간으로 시뮬레이션하는 과정 예를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 초전도 전력 케이블의 시뮬레이션 결과로 결함 상태를 출력하는 예를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 초전도 전력 케이블의 종류와 길이, 임피던스를 포함하는 케이블 정보를 입력하는 예를 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 LabVIEW 프로그램을 통해 임피던스 입력에 따른 각 케이스별 고장 전류값들을 출력하는 예를 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 초전도 전력 케이블의 벡터 다이어그램을 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 LabVIEW 프로그램을 이용한 고장 전류 계산 과정을 통해 고장 전류값을 출력하는 예를 나타낸 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 고장 전류 값을 일정 비율로 변환 증폭해 출력하는 예를 나타낸 도면이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 LabVIEW 프로그램을 통해 케이블의 임피던스 증가에 따른 고장 전류의 크기 변화를 나타낸 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우 뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
어느 부분이 다른 부분의 "위에" 있다고 언급하는 경우, 이는 바로 다른 부분의 위에 있을 수 있거나 그 사이에 다른 부분이 수반될 수 있다. 대조적으로 어느 부분이 다른 부분의 "바로 위에" 있다고 언급하는 경우, 그 사이에 다른 부분이 수반되지 않는다.
제1, 제2 및 제3 등의 용어들은 다양한 부분, 성분, 영역, 층 및/또는 섹션들을 설명하기 위해 사용되나 이들에 한정되지 않는다. 이들 용어들은 어느 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션을 다른 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션과 구별하기 위해서만 사용된다. 따라서, 이하에서 서술하는 제1 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션은 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 제2 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션으로 언급될 수 있다.
여기서 사용되는 전문 용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
"아래", "위" 등의 상대적인 공간을 나타내는 용어는 도면에서 도시된 한 부분의 다른 부분에 대한 관계를 보다 쉽게 설명하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 용어들은 도면에서 의도한 의미와 함께 사용 중인 장치의 다른 의미나 동작을 포함하도록 의도된다. 예를 들면, 도면 중의 장치를 뒤집으면, 다른 부분들의 "아래"에 있는 것으로 설명된 어느 부분들은 다른 부분들의 "위"에 있는 것으로 설명된다. 따라서 "아래"라는 예시적인 용어는 위와 아래 방향을 전부 포함한다. 장치는 90˚ 회전 또는 다른 각도로 회전할 수 있고, 상대적인 공간을 나타내는 용어도 이에 따라서 해석된다.
다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련 기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 적용되는 초전도 전력 케이블의 구조를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 적용되는 초전도 전력 케이블은, 예를 들어, 3 상(phase) 초전도 전력 케이블로 구현할 수 있으며, 3 개의 케이블 코어를 포함한다. 각각의 케이블 코어는 중심으로부터 차례로 포머(10), 포머를 둘러 묶으며 트위스트 피치(twist pitch)로 감싸는 통전층(Super Conducting Layer, 11)과 탄소 종이(Carbon Paper, 12), 외부와 전기적으로 절연되도록 통전층(11)을 둘러 감싸는 절연층(Electrical Insulation, 13)과, 테이프 형상의 초전도체로 형성되고 통전층(11)으로 흐르는 전류에 의해 발생되는 자기장을 감소시키는 방향으로 절연층(13)을 트위스트 피치로 둘러 감싸는 쉴드층(Shield Layer, 14)으로 이루어진다.
케이블 코어는, 그 내부에 통전층(11) 및 쉴드층(14)의 초전도체 냉각을 위한 냉매를 함유하는 저온 유지 장치(Cryostat, 15)에 둘러 싸여 초전도 전력 케이블을 구성한다.
통전층(11)은 테이프 형성의 초전도체로 형성되며, 고온 초전도 전력 케이블의 주축 방향에 평행하게 되어 있지 않고, 마치 스프링이나 코일과 같이 포머(10)를 둘러 묶으며, 묶음 외곽에 소정의 트위스트 피치로 감겨 있으며, 전력 케이블의 전력 이송매체가 된다. 절연층(13)은 통전층(11)이 외부와 전기적으로 절연되도록, 크라프트지와 같은 절연지를 통전층(11)의 외면을 감싸 권선되어 있다. 쉴드층(14)은 통전층(11)과 동일하게 테이프 형성의 초전도체로 형성되며, 통전층(11)과는 반대 방향으로 절연층(13)에 트위스트 피치로 권선되어 있는데, 쉴드층(14)은 통전층(11)과 반대 방향으로 권선되어 있으며, 쉴드층(14)에는 통전층(11)으로 흐르는 전류와 역방향으로 같은 크기의 전류가 흐르는 것이 바람직하다. 이로써, 쉴드층(11)은 자기 인덕턴스 및 상호 인덕턴스 작용에 의하여 흐르는 전류가 100% 유도되어 초전도 전력 케이블에서 발생한 자장(내부자장) 및 주변 요인에 의해 발생한 자장(외부자장)을 차폐시키는 역할을 한다.
도 2는 본 발명이 적용되는 초전도 전력 케이블의 등가 회로도를 나타낸 도면이다.
본 발명에 적용되는 초전도 전력 케이블은, 22.9 kV/50 MVA의 계통에 적용한 3상 동축형 초전도 전력 케이블로서, 회로의 선로 임피던스로 인덕턴스(L), 저항(R)이 적용되고 있다.
인덕턴스는 자기 인덕턴스(Self Inductance) 및 상호 인덕턴스(Mutual Inductance)로 구분하고, 자기 인덕턴스는 다음 수학식1에 따라 산출하며, 상호 인덕턴스는 다음 수학식2에 따라 산출한다.
Figure 112016031146387-pat00001
Figure 112016031146387-pat00002
수학식1 및 수학식2에서, Lself은 자기 인덕턴스, Mij 및 Mji은 상호 인덕턴스, ri은 케이블의 내부 반경, rj은 케이블의 외부 반경, μ0은 자유공간의 투과율, Lpi과 Lpj은 케이블 내부 및 외부의 와인딩 피치, ai 및 aj는 와이딩 방향성 팩터로 1 및 -1, D는 자기장 return path까지의 거리, ε0은 자유공간의 유전율, εr은 유전체의 유전율을 의미한다.
통전층과 쉴드층은 자체적으로 자기 인덕턴스를 가지고 있으며, 통전층과 쉴드층 상호 간에는 쇄교하는 자속의 크기에 따라 결정되는 상호 인덕턴스가 존재한다. 그래서, 정상 운전 시에는 통전층 전류의 약 95%이상의 전류가 반대방향으로 쉴드층에서도 통전된다. 이는 쉴드층의 자기 인덕턴스값과 통전층 및 쉴드층 간의 상호 인덕턴스 값이 거의 일치하기 때문에 가능한 일이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 초전도 전력케이블 보호 협조 시뮬레이터 해석 시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 초전도 전력케이블 보호 협조 시뮬레이터 해석 시스템(300)은, LabVIEW 모델링 시스템(310)과 FPGA 임베디드 시스템(320) 및 시뮬레이션 시스템(330)을 포함한다.
LabVIEW 모델링 시스템(310)은 초전도 전력 케이블에 대한 모의 계통, 회로 형태, 고장 형태를 수학적 모델을 기반으로 모델링한다.
FPGA 임베디드 시스템(320)은 초전도 전력 케이블의 모델링에 고장 측정용 전류와 양단 전압 및 온도 변화를 인가한다.
시뮬레이션 시스템(330)은 초전도 전력 케이블의 모델링에 인가된 고장 측정용 전류나 양단 전압 및 온도 변화에 따른 초전도 전력 케이블의 동특성을 실시간(Real Time)으로 시뮬레이션하거나, 초전도 전력 케이블에 대한 전력 계통의 파라미터를 입력받아 비실시간(Non real time)으로 시뮬레이션하고, 각 시뮬레이션 결과를 해석하여 보호 협조 방안을 출력한다.
또한, 시뮬레이션 시스템(330)은, 초전도 전력 케이블에 대한 전력 계통의 파라미터로 변압기 정보와, 케이블 정보, 부하 정보 및 고장 유형과 고장 지점의 설정 정보를 입력받아 시뮬레이션을 실행하게 된다. 이때, 변압기 정보는 변압기 종류, 변압기 전압, 변압기 용량, 임피던스 및 접지형태를 포함하고, 케이블 정보는 케이블의 종류, 길이, 임피던스를 포함하며, 부하 정보는 용량, 유효와 무효 비율 설정을 포함한다.
또한, 시뮬레이션 시스템(330)은, 각 시뮬레이션 결과에 대해, 고장 전류의 크기와, 초전도 전력 케이블의 임피던스 및 온도변화, 유효 및 무효전력, 벡터 다이어그램으로 출력하고, 이러한 각 시뮬레이션 결과를 해석하여 보호 협조 방안을 출력한다.
또한, 시뮬레이션 시스템(330)은, 초전도 전력 케이블에 대해 FPGA 임베디드 시스템을 통해 실시간(Real Time)으로 시뮬레이션하는 경우에, FPGA 임베디드 시스템에서 출력된 고장 전류의 기준 신호를 전류 증폭기(Current Amplifier)로 증폭하고, 변압기(Transformer)를 통해 일정 비율로 변환하여 초전도 전력 케이블 및 과전류 보호 계전기(Protective Relay)에 전달하여, 초전도 전력 케이블의 저항값, 인덕터의 임피던스 변화, 온도 변화에 따른 전체 임피던스 변화를 초전도 전력 케이블의 모델링에 피드백(Feedback)하여 실시간으로 시뮬레이션하게 된다.
그리고, 시뮬레이션 시스템(330)은, 초전도 전력 케이블에 대해 FPGA 임베디드 시스템을 통해 실시간(Real Time)으로 시뮬레이션하는 경우에, 대칭 성분(symmetrical components)의 사용을 통해 결함으로 인한 불평형 전력 시스템 동작을 분석하게 된다. 즉, 시뮬레이션 시스템(330)은, 초전도 전력 케이블의 종류와 형태에 따른 임피던스 값을 입력받고, 과전류 보호 계전기의 종류에 따른 방법과 커브를 선택받아 시뮬레이션하는 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 초전도 전력케이블 보호 협조 시뮬레이터 해석 방법을 설명하기 위한 동작 흐름도를 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 초전도 전력케이블 보호 협조 시뮬레이터 해석 시스템(300)은, LabVIEW 모델링 시스템(310)에서 초전도 전력 케이블에 대한 모의 계통, 회로 형태, 고장 형태를 수학적 모델을 기반으로 모델링한다(S410).
즉, LabVIEW 모델링 시스템(310)은 초전도 전력 케이블에 대해 통전층(Conducting Layer)과 쉴드층(Shield Layer)을 고려하여 도 5에 도시된 바와 같이 3상 동축(Triad co-axial) 초전도 전력 케이블로 모델링 할 수 있다. 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 3상 동축 초전도 전력 케이블을 모델링 한 예를 나타낸 도면이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 통전층에 대해 RcHTS는 결함 상태(Fault state) 일 때 232 mΩ/km이고, Rcstabilizer는 11.7 mΩ/km, LcHTS는 0.237 mH/km로 설정하고, 쉴드층에 대해 RsHTS는 결함 상태(Fault State)일 때 295 mΩ/km, Rsstabilizer는 11.7 mΩ/km, LsHTS는 0.237 mH/km, LM은 0.137 mH/km, Ltotal은 0.1 mH/km, RIn-cryo는 3 mΩ/km, ROut-cryo는 21.5 mΩ/km로 설정한다.
이어, FPGA 임베디드 시스템(320)에서 초전도 전력 케이블의 모델링에 고장 측정용 전류와 양단 전압 및 온도 변화를 인가한다(S420).
여기서, 온도 변화는 초전도체를 극저온 상태로 유지하기 위해 포머(10)측으로 들어가 쉴드층(14)측으로 되돌아 나오는 액체 질소(LN2)의 온도 변화를 의미한다.
이어, 시뮬레이션 시스템(330)에서 초전도 전력 케이블의 모델링에 인가된 고장 측정용 전류나 양단 전압 및 온도 변화에 따른 초전도 전력 케이블의 동특성을 실시간(Real Time)으로 시뮬레이션하거나, 초전도 전력 케이블에 대한 전력 계통의 파라미터를 입력받아 비실시간(Non real time)으로 시뮬레이션한다(S430).
이때, 시뮬레이션 시스템(330)은, 초전도 전력 케이블에 대한 전력 계통의 파라미터에 대해, 특정 프로그램 예를 들면, LabVIEW 프로그램을 이용하여, 변압기 종류, 변압기 전압, 변압기 용량, 임피던스 및 접지형태를 포함하는 변압기 정보와, 도 8에 도시된 바와 같이 케이블의 종류, 길이, 임피던스를 포함하는 케이블 정보, 용량, 유효와 무효 비율을 포함하는 부하 정보 및 고장 유형과 고장 지점의 설정 정보를 입력받아 시뮬레이션을 실행하게 된다. 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 초전도 전력 케이블의 종류와 길이, 임피던스를 포함하는 케이블 정보를 입력하는 예를 나타낸 도면이다. 도 8에서, LabVIEW 프로그램은 사고 지점의 위치 및 전원(Source) 측과 변압기(Transformers)의 임피던스(Impedance)를 설정하고, 케이블의 종류를 결정함에 따라 케이블의 길이에 따른 임피던스를 계산하게 된다. 또한, LabVIEW 프로그램은 계통의 임피던스 합성에 따른 고장 전류 값을 계산할 수 있다. 도 8에서, 제3 케이블(Cable 3)의 임피던스는 다음 수학식에 따라 계산하면 1.601 옴(ohm)을 얻을 수 있다.
Figure 112016031146387-pat00003
따라서, 사용자는 LabVIEW 프로그램을 통해 도 9에 도시된 바와 같이 임피던스 입력에 따라 각 케이스(3상 단락, 선간단락, 1선지락 등)별로 계산된 고장 전류 값을 확인할 수 있다. 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 LabVIEW 프로그램을 통해 임피던스 입력에 따른 각 케이스별 고장 전류값들을 출력하는 예를 나타낸 도면이다.
또한, 시뮬레이션 시스템(330)은 초전도 전력 케이블에 대한 전력 계통의 파라미터를 입력받아 비실시간(Non real time)으로 시뮬레이션하는 경우에, 도 6에 도시된 바와 같이 FPGA 임베디드 시스템에서 출력된 고장 전류의 기준 신호(Reference Signal)를 전류 증폭기(Current Amplifier)로 증폭하고, 변압기(Transformer)를 통해 일정 비율(1:40)로 변환하여 초전도 전력 케이블 및 과전류 보호 계전기(Protective Relay)에 전달한다. 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 초전도 전력 케이블을 실시간으로 시뮬레이션하는 과정 예를 나타낸 도면이다. 도 6에서, 특정(LabVIEW) 프로그램은 초전도 전력 케이블의 저항값, 인덕터의 임피던스 변화, 온도 변화에 따른 전체 임피던스 변화를 초전도 전력 케이블의 모델링에 피드백(Feedback)하여 실시간으로 시뮬레이션하게 된다.
이어, 시뮬레이션 시스템(330)은, 각 시뮬레이션 결과에 대해, 도 7에 도시된 바와 같이 고장 전류의 크기와, 초전도 전력 케이블의 임피던스 및 온도변화, 유효 및 무효전력, 벡터 다이어그램 등으로 출력하게 된다(S440).
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 초전도 전력 케이블의 시뮬레이션 결과로 결함 상태를 출력하는 예를 나타낸 도면이다. 도 7에서, 싱글라인(Single line)에서 접지(Ground)까지의 결함(Fault)에 따른 저항(Resistance)은 3상(phase) 단락(short) 결함 조건(Fault Condition)보다 더 높다는 것을 알 수 있다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 초전도 전력 케이블의 벡터 다이어그램을 나타낸 도면이다. 도 10에 도시된 바와 같이, 고장 검출(Fault Detection)과 실용 전류(Utility Currents), 실용 전압(Utility Voltage), 저항(Resistance), 전도 계층 전류(Conducting Layter Current), 차폐 계층 전류(Shield Layer Current) 등을 그래프로 확인할 수 있다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 LabVIEW 프로그램을 이용한 고장 전류 계산 과정을 통해 고장 전류값을 출력하는 예를 나타낸 도면이다. 도 11에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 LabVIEW 프로그램은 전원(Source) 임피던스 과정과, 케이블 임피던스(Cable Impedance) 과정, 고장 전류 계산(Fault Current Calculations) 과정을 통해 고장 전류를 출력(Fault Current Output)하게 된다.
또한, 본 발명에 따른 LabVIEW 프로그램은 도 12에 도시된 바와 같이 이전 단계에서 출력된 고장 전류 값을 1/1000로 변환한 후, 이 값을 진폭(Amplitude)으로 하는 사인(Sine) 파형을 생성하여 전류 증폭(Current Amp.)의 아날로그 신호로 출력한다. 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 고장 전류 값을 일정 비율로 변환 증폭해 출력하는 예를 나타낸 도면이다. 도 12에서, 생성된 파형 신호(Signal)가 전류 증폭(Current Amp)에서 출력되는 전류의 RMS 값을 확인하여 계통에 다시 입력하게 된다.
또한, 본 발명에 따른 LabVIEW 프로그램은 도 13에 도시된 바와 같이 초전도 전력 케이블의 임피던스 증가에 따른 고장 전류의 크기 변화를 화면 상에 출력해 준다. 도 13은 본 발명의 실시예에 따른 LabVIEW 프로그램을 통해 케이블의 임피던스 증가에 따른 고장 전류의 크기 변화를 나타낸 도면이다. 도 13에서 알 수 있는 바와 같이, 수학식 3에 따라 산출한 케이블 1 Km당 임피던스 크기가 약 1.6 옴(ohm)씩 증가함을 알 수 있고, 계통의 임피던스 값의 크기가 커짐에 따라 고장 전류 값이 감소함을 알 수 있다.
이어, 시뮬레이션 시스템(330)은 각 시뮬레이션 결과를 해석하여 보호 협조 방안을 출력한다(S450).
따라서, 본 발명에 따른 시뮬레이션 시스템을 통해 초전도 전력 케이블에 대해 실시간으로 또는 비실시간으로 전력 계통을 시뮬레이션하여 고장 여부를 예측하거나 확인할 수 있다.
전술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 실시간 연산처리가 가능한 임베디드 기반의 FPGA(Field-Programmable Gate Array)를 이용하여 모의 계통, 초전도 케이블의 형태, 고장 형태 등을 특정(LabVIEW) 프로그램을 이용하여 모델링하고 고장 전류의 기준 신호를 아날로그 출력을 통해 전류 증폭기로 증폭함으로써 초전도 케이블 모델에 고장 전류를 인가할 수 있고 케이블 양단의 전압, 온도 변화 등을 아날로그 입력을 통해 FPGA 내에 구현되어 있는 계통에 적용함으로써 케이블의 동특성을 실시간 반영하고 이에 대한 보호 협조를 시뮬레이션 할 수 있도록 하는, 초전도 전력케이블 보호 협조 시뮬레이터 해석 시스템 및 방법을 실현할 수 있다.
본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있으므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10 : 포머 11 : 통전층
12 : 탄소종이 13 : 절연층
14 : 쉴드층 15 : 저온유지장치
300 : 초전도 전력케이블 보호 협조 시뮬레이터 해석 시스템
310 : LabVIEW 모델링 시스템
320 : FPGA 임베디드 시스템
330 : 시뮬레이션 시스템

Claims (10)

  1. 초전도 전력 케이블에 대한 모의 계통, 회로 형태, 고장 형태를 수학적 모델을 기반으로 모델링하는 LabVIEW 모델링 시스템;
    상기 초전도 전력 케이블의 모델링에 고장 측정용 전류와 양단 전압 및 온도 변화를 인가하는 FPGA 임베디드 시스템; 및
    상기 초전도 전력 케이블의 모델링에 인가된 고장 측정용 전류나 양단 전압 및 온도 변화에 따른 상기 초전도 전력 케이블의 동특성을 실시간(Real Time)으로 시뮬레이션하거나, 상기 초전도 전력 케이블에 대한 전력 계통의 파라미터를 입력받아 비실시간(Non real time)으로 시뮬레이션하고, 각 시뮬레이션 결과를 해석하여 보호 협조 방안을 출력하는 시뮬레이션 시스템; 을 포함하고,
    상기 시뮬레이션 시스템은, 상기 초전도 전력 케이블에 대해 상기 FPGA 임베디드 시스템을 통해 실시간(Real Time)으로 시뮬레이션하는 경우에, 대칭 성분(symmetrical components)의 사용을 통해 결함으로 인한 불평형 전력 시스템 동작을 분석하는 초전도 전력케이블 보호 협조 시뮬레이터 해석 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 시뮬레이션 시스템은, 상기 초전도 전력 케이블에 대한 전력 계통의 파라미터로 변압기 정보와, 케이블 정보, 부하 정보 및 고장 유형과 고장 지점의 설정 정보를 입력받아 시뮬레이션을 실행하는, 초전도 전력케이블 보호 협조 시뮬레이터 해석 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 변압기 정보는 변압기 종류, 변압기 전압, 변압기 용량, 임피던스 및 접지형태를 포함하고, 상기 케이블 정보는 케이블의 종류, 길이, 임피던스를 포함하며, 상기 부하 정보는 용량, 유효와 무효 비율 설정을 포함하는, 초전도 전력케이블 보호 협조 시뮬레이터 해석 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 시뮬레이션 시스템은, 상기 각 시뮬레이션 결과에 대해, 상기 고장 측정용 전류의 크기와, 상기 초전도 전력 케이블의 임피던스 및 온도변화, 유효 및 무효전력, 벡터 다이어그램으로 출력하고, 이러한 각 시뮬레이션 결과를 해석하여 보호 협조 방안을 출력하는, 초전도 전력케이블 보호 협조 시뮬레이터 해석 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 초전도 전력 케이블에 대해 상기 FPGA 임베디드 시스템을 통해 실시간(Real Time)으로 시뮬레이션하는 경우에, 상기 FPGA 임베디드 시스템에서 출력된 고장 전류의 기준 신호를 전류 증폭기(Current Amplifier)로 증폭하고, 변압기(Transformer)를 통해 일정 비율로 변환하여 상기 초전도 전력 케이블 및 과전류 보호 계전기(Protective Relay)에 전달하여, 상기 초전도 전력 케이블의 저항값, 인덕터의 임피던스 변화, 온도 변화에 따른 전체 임피던스 변화를 상기 초전도 전력 케이블의 모델링에 피드백(Feedback)하여 실시간으로 시뮬레이션하는, 초전도 전력케이블 보호 협조 시뮬레이터 해석 시스템.
  6. 삭제
  7. (a) LabVIEW 모델링 시스템에서 초전도 전력 케이블에 대한 모의 계통, 회로 형태, 고장 형태를 수학적 모델을 기반으로 모델링하는 단계;
    (b) FPGA 임베디드 시스템에서 상기 초전도 전력 케이블의 모델링에 고장 측정용 전류와 양단 전압 및 온도 변화를 인가하는 단계;
    (c) 시뮬레이션 시스템에서 상기 초전도 전력 케이블의 모델링에 인가된 고장 측정용 전류나 양단 전압 및 온도 변화에 따른 상기 초전도 전력 케이블의 동특성을 실시간(Real Time)으로 시뮬레이션하거나, 상기 초전도 전력 케이블에 대한 전력 계통의 파라미터를 입력받아 비실시간(Non real time)으로 시뮬레이션하는 단계; 및
    (d) 시뮬레이션 시스템에서 각 시뮬레이션 결과를 해석하여 보호 협조 방안을 출력하는 단계; 를 포함하되,
    상기 시뮬레이션 시스템에서, 상기 초전도 전력 케이블에 대해 상기 FPGA 임베디드 시스템을 통해 실시간(Real Time)으로 시뮬레이션하는 경우에, 대칭 성분(symmetrical components)의 사용을 통해 결함으로 인한 불평형 전력 시스템 동작을 분석하는 단계;를 더 포함하는 초전도 전력케이블 보호 협조 시뮬레이터 해석 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 (c) 단계에서 상기 시뮬레이션 시스템은, 상기 초전도 전력 케이블에 대한 전력 계통의 파라미터로 변압기 정보와, 케이블 정보, 부하 정보 및 고장 유형과 고장 지점의 설정 정보를 입력받아 시뮬레이션을 실행하는, 초전도 전력케이블 보호 협조 시뮬레이터 해석 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 변압기 정보는 변압기 종류, 변압기 전압, 변압기 용량, 임피던스 및 접지형태를 포함하고, 상기 케이블 정보는 케이블의 종류, 길이, 임피던스를 포함하며, 상기 부하 정보는 용량, 유효와 무효 비율 설정을 포함하는, 초전도 전력케이블 보호 협조 시뮬레이터 해석 방법.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 (c) 단계에서 상기 시뮬레이션 시스템은, 상기 각 시뮬레이션 결과에 대해, 상기 고장 측정용 전류의 크기와, 상기 초전도 전력 케이블의 임피던스 및 온도변화, 유효 및 무효전력, 벡터 다이어그램으로 출력하는, 초전도 전력케이블 보호 협조 시뮬레이터 해석 방법.
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