KR101844468B1

KR101844468B1 - 귀납적 분석 기반의 데이터베이스를 이용한 고속 전기철도 급전계통 보호용 고속도 고장점 표정 시스템, 고장점 표정 장치 및 방법

Info

Publication number: KR101844468B1
Application number: KR1020160141682A
Authority: KR
Inventors: 김철환; 조규정; 김현동; 허승훈
Original assignee: 성균관대학교 산학협력단
Priority date: 2016-10-28
Filing date: 2016-10-28
Publication date: 2018-05-18

Abstract

본 명세서는 전기철도 급전계통에 포함된 변전소, 병렬 구분소 및 급전구분소에 설치되어 있는 전류 측정 장비만을 이용한 고장점 표정 계산을 정확하고 신속하게 수행시킬 수 있는 고장점 표정 장치 및 방법을 개시한다. 본 명세에 따른 고장점 표장 장치는, 상하행선의 전차선 및 급전선의 전류를 센싱하여 전류 데이터를 출력하는 센서부; 고장 발생 지점을 판단할 수 있는 수식 및 고장점 표정 연산을 수행할 수 있는 수식을 저장하고 있는 데이터 저장부; 상기 센서부에 출력된 전류 데이터값을 이용하여 상기 고장 발생 지점을 판단할 수 있는 수식에 대입하여 고장이 발생한 지점이 변전소-병렬구분소 구간인지, 병렬구분소-급전구분소 구간인지 여부를 판단하는 고장 판별부; 상기 센서부에 출력된 전류 데이터값을 이용하여 상기 고장점 표정 연산을 수행할 수 있는 수식에 대입하여 고장이 발생한 지점을 변전소-병렬구분소 간 거리 대비 변전소-고장점까지의 거리 비율 또는 병렬구분소-급전구분소 간 거리 대비 병렬구분소-고장점까지의 거리 비율로 산출하는 고장점 표정부; 및 상기 고장점 표정부에서 거리 비율에 따라 고장으로 판단된 해당 차선을 고립시키도록 해당 차단기에 제어신호를 출력하는 차단기 제어부;를 포함할 수 있다.

Description

귀납적 분석 기반의 데이터베이스를 이용한 고속 전기철도 급전계통 보호용 고속도 고장 판별 및 고장점 표정 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR HIGH SPEED FAULT DISTINCTION AND FAULT LOCATION ESTIMATION USING THE DATABASE BASED ON INDUCTIVE ANALYSIS IN HIGH SPEED AC RAILWAY FEEDING SYSTEM}

본 발명은 귀납적 분석 기반의 데이터베이스를 이용한 고속 전기철도 급전계통 보호용 고속도 고장 판별 및 고장점 표정 장치 및 방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 변전소와 병렬구분소, 급전구분소에 설치되어 있는 급전반 보호계전기 입력용 CT (Current Transformer, 계기용 변류기)에서 측정된 전류 데이터와 데이터베이스에 내장된 분기별 전류와 귀선 전류 간 관계식을 이용, 귀선 전류를 역으로 연산하여 정확한 고장점 표정을 고속도로 수행할 수 있는 장치 및 방법에 관한 것이다.

교류 전기철도 급전계통에서 전류가 흐르는 도선은 전차선, 급전선 2개이며 레일을 통하여 귀선 전류가 도통된다. 따라서 전차선 지락 고장, 급전선 지락 고장과 같은 1선 지락 고장이 발생할 수 있는 고장의 대다수이다. 해당 고장 발생 시 전차선로의 차단기가 동작하여 급전계통에 전력 공급을 중단하기 때문에 고장 원인의 제거가 신속하게 이루어지지 않는다면 전기철도 부하 운행 중단 시간이 길어질 수 있다. 특히, 전기철도 급전계통의 전차선로는 일반 3상 전력계통의 송전선로와는 다르게 단락 임피던스의 크기가 비선형적인 특성을 보인다. 따라서 일반적인 거리계전기로는 고장점 표정이 불가능하기 때문에 고장점 표정 장치를 따로 운영하고 있으며, 정확하고 신속한 고장점 표정이 이루어질수록 전력 공급의 연속성이 크게 보장된다.

기존 교류 전기철도 급전계통에서 사용하는 고장점 표정 기법은 리액턴스 방식과 흡상전류비 방식으로 구분할 수 있다.

먼저, 리액턴스 방식은 고장 저항으로 인한 영향을 감소시키기 위하여 리액턴스 성분만을 이용하여 고장점을 계산하는 방식이다. 단위길이 당 단락 리액턴스 값을 알고 있을 때 고장 발생 시 계산되는 최종 리액턴스 값을 바탕으로 고장점을 표정한다. 일반 3상 송전선로에서는 리액턴스 값이 선로 길이에 비례하여 선형적으로 증가하기 때문에 고장 발생 시 고장점을 쉽게 표정할 수 있다. 하지만, 급전 구간 내 변전소, 병렬 구분소, 급전 구분소에 단권변압기가 설치되어 운용되는 전기철도 급전계통 특성 상, 변전소를 기준으로 고장점이 멀어진다고 하여도 선형적으로 리액턴스가 증가하지 않는다. 이 때문에 같은 리액턴스 값을 기준으로 최대 3개의 고장점을 동시에 표정하는 오차가 발생할 수 있으며, 정확한 정정을 위하여 강제지락시험과 같은 부수적인 노력이 필요하다.

다음으로, 흡상전류비 방식은 구분소마다 설치되어 있는 단권변압기의 중성선에 흐르는 전류를 측정하여 고장점을 표정하는 방식이다. 고장 발생 시 고장점을 기준으로 양쪽 구분소에 설치된 단권변압기의 중성점으로 귀선 전류가 형성된다. 이 전류는 레일을 타고 흐르며, 국내 전기철도 계통 구성 상 레일은 매 1.2km 마다 보호선과 결선되어 대지에 접지되어 있다. 따라서 실제 양쪽 구분소에서 측정되는 전류는 접지 구간을 지남으로써 정확한 값이라 보기 어려우며, 표정된 고장점 결과를 실제값과 비교했을 때 오차가 크게 발생할 가능성이 높다.

한편, 현재의 고속 전기철도 급전계통은 주로 복선 병렬 급전선 급전방식을 채택하고 있다. 운영 상 문제점은 고장 발생 시 모든 구분소의 상하행선 급전선이 차단기 트립을 통하여 개방된다는 점이다. 모든 차단기 개방 후 고속도 재폐로가 순차적으로 투입되어 고장이 발생한 구간을 리액턴스 방식의 고장점 표정 기법으로 추정한다. 하지만 이 때, 영구 고장 같이 고장이 완벽하게 제거되지 않는 상황이라면 불필요한 재폐로 실패가 발생하여 민감한 설비에 큰 충격을 줄 수 있다.

따라서, 상기와 같은 기존에 사용되고 있는 방법들의 단점을 극복하고 추가적인 전류 측정 장비 설치 없이 고장점을 표정하기 위한 새로운 방법이 필요하다. 또한, 재폐로 실패를 막기 위하여 고장 발생과 거의 동시에 고장점을 표정하며 고장이 발생한 구간만을 독립적으로 분리, 정전 구간을 최소화할 수 있는 방법이 필요하다.

대한민국 등록특허공보 제10-1628353호

본 명세서에 따른 고장점 표정 장치 및 방법은 추가적인 전류 측정 장비의 설치나 설비에 무리를 줄 수 있는 강제지락시험과 같은 인공적인 시험이 필수적인 기존 고장점 표정 장치의 단점을 개선하여, 변전소와 급전구분소에 설치되어 있는 전류 측정 장비만을 이용한 고장점 표정 계산을 정확하고 신속하게 수행시키고자 한다.

본 발명의 해결과제는 이상에서 언급한 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상술한 목적을 해결하기 위해 본 명세서에 따른 고장점 표정 장치는, 전기철도 급전계통에 포함된 변전소, 병렬구분소 및 급전구분소 각각에 설치되어 상하행선의 전차선 및 급전선의 전류를 센싱하여 전류 데이터를 출력하는 센서부; 고장 발생 지점을 판단할 수 있는 수식 및 고장점 표정 연산을 수행할 수 있는 수식을 저장하고 있는 데이터 저장부; 상기 센서부에서 출력된 전류 데이터값을 이용하여 상기 고장 발생 지점을 판단할 수 있는 수식에 대입하여 고장이 발생한 지점이 변전소-병렬구분소 구간인지, 병렬구분소-급전구분소 구간인지 여부를 판단하는 고장 판별부; 상기 센서부에서 출력된 전류 데이터값을 이용하여 상기 고장점 표정 연산을 수행할 수 있는 수식에 대입하여 고장이 발생된 지점을 변전소-병렬구분소 간 거리 대비 변전소-고장점까지의 거리 비율 또는 병렬구분소-급전구분소 간 거리 대비 병렬구분소-고장점까지의 거리 비율로 산출하는 고장점 표정부; 및 상기 고장점 표정부에서 거리 비율에 따라 고장으로 판단된 해당 차선을 고립시키도록 해당 차단기에 제어신호를 출력하는 차단기 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고장점 표정 장치로서, 상기 고장점 표정 연산을 수행할 수 있는 수식은 아래의 수식이며,

여기서, L_fault: 변전소-병 렬구분소 간 거리 대비 변전소-고장점까지의 거리 비율 (0~1사이의 값), C: 고장이 발생한 도선, C': 고장이 발생하지 않은 도선, T: 고장이 발생한 차선, T': 고장이 발생하지 않은 차선, SS: Sub-Station, 변전소, I _C,T,SS : 고장이 발생한 차선에서 고장이 발생한 도선에 흐르는, 변전소 측 CT(Current Transfomer, 계기용 변류기)에서 관측된 전류의 실효값이고, 상기 고장 판별부가 고장이 발생한 지점을 변전소-병렬구분소 구간으로 판단할 때, 상기 고장점 표정부는, 상기 변전소에 설치된 센서부에서 출력한 전류 데이터만을 이용하여 상기 고장점 표정 연산을 수행할 수 있는 수식에 대입하여 고장이 발생한 지점을 변전소-병렬구분소 간 거리 대비 변전소-고장점까지의 거리 비율로 산출한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 고장 발생 지점을 판단할 수 있는 수식은 아래의 수식이며, |I_{TF_up_SS} - I_{TF_down_SS}|≤2[A], |I_{AF_down_SS} - I_{AF_ up_SS}|≤2[A], 여기서, I_{TF_up_SS} : 변전소 상행선 전차선에 흐르는 전류, I_{AF-do wn-SS}: 변전소 하행선 급전선에 흐르는 전류, I_{TF_down_SS}: 변전소 하행선 전차선에 흐르는 전류, I_AF-up-SS: 변전소 상행선 급전선에 흐르는 전류이고, 상기 고장 판별부는, 상기 고장 발생 지점을 판단할 수 있는 수식에 포함된 수식을 모두 만족하지 못할 때에는 고장이 발생한 지점을 변전소-병렬구분소 구간으로 판단하고, 상기 고장 발생 지점을 판단할 수 있는 수식에 포함된 수식을 모두 만족할 때에는 고장이 발생한 지점을 병렬구분소-급전구분소 구간으로 판단한다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 상기 고장점 표정 연산을 수행할 수 있는 수식은 아래의 두 수식이며,

,

여기서, L_{fault, PP}: 병렬구분소-급전구분소 간 거리 대비 병렬구분소-고장점까지의 거리 비율 (0~1사이의 값), L_{fault, SP}: 병렬구분소-급전구분소 간 거리 대비 병렬구분소-고장점까지의 거리 비율 (0~1사이의 값), C: 고장이 발생한 도선, C': 고장이 발생하지 않은 도선, T : 고장이 발생한 차선, T': 고장이 발생하지 않은 차선, SS: Sub-Station, 변전소, PP: Parallel Post, 병렬구분소, SP: Sectioning Post, 급전구분소, I _C,T,PP : 고장이 발생한 차선에서 고장이 발생한 도선에 흐르는, 병렬구분소 측 CT(Current Transfomer, 계기용 변류기)에서 관측된 전류의 실효값, I _C,T,SP : 고장이 발생한 차선에서 고장이 발생한 도선에 흐르는, 급전구분소 측 CT(Current Transfomer, 계기용 변류기)에서 관측된 전류의 실효값이고, 상기 고장 판별부가 고장이 발생한 지점을 병렬구분소-급전구분소 구간으로 판단할 때, 상기 고장점 표정부는, 상기 병렬구분소와 상기 급전구분소에서 각각 설치된 센서부에서 출력한 전류 데이터를 이용하여 상기 고장점 표정 연산을 수행할 수 있는 수식에 대입하여 고장이 발생한 지점을 병렬구분소-급전구분소 간 거리 대비 병렬구분소-고장점까지의 거리 비율로 산출한다.
이 실시예에 있어서, 상기 고장점 표정부는, 상기 고장 발생 지점이 병렬구분소-급전구분소 구간 길이의 50%이내일 때 상기 병렬구분소에 설치된 센서부에서 출력한 전류 데이터를 이용하여 계산된 고장점 표정 결과를 채택하고, 상기 고장 발생 지점이 병렬구분소-급전구분소 구간 길이의 50%를 초과할 때 상기 급전구분소에 설치된 센서부에서 출력한 전류 데이터를 이용하여 계산된 고장점 표정 결과를 채택한다.
상술한 목적을 해결하기 위해 본 명세서에 따른 고장점 표정 시스템은, 전기철도 급전계통에 포함된 변전소, 병렬구분소 및 급전구분소 각각에 설치된 고장점 표정 장치를 포함하는 고장점 표정 시스템으로서, 상기 고장점 표정 장치는, 상하행선의 전차선 및 급전선의 전류를 센싱하여 전류 데이터를 출력하는 센서부; 고장 발생 지점을 판단할 수 있는 수식 및 고장점 표정 연산을 수행할 수 있는 수식을 저장하고 있는 데이터 저장부; 상기 센서부에서 출력된 전류 데이터값을 이용하여 상기 고장 발생 지점을 판단할 수 있는 수식에 대입하여 고장이 발생한 지점이 변전소-병렬구분소 구간인지, 병렬구분소-급전구분소 구간인지 여부를 판단하는 고장 판별부; 상기 센서부에서 출력된 전류 데이터값을 이용하여 상기 고장점 표정 연산을 수행할 수 있는 수식에 대입하여 고장이 발생한 지점을 변전소-병렬구분소 간 거리 대비 변전소-고장점까지의 거리 비율 또는 병렬구분소-급전구분소 간 거리 대비 병렬구분소-고장점까지의 거리 비율로 산출하는 고장점 표정부; 상기 전류 데이터 및 상기 고장점 표정 연산을 통해 산출된 거리 비율값을 전송할 수 있는 통신부; 및 상기 고장점 표정부에서 거리 비율에 따라 고장으로 판단된 해당 차선을 고립시키도록 해당 차단기에 제어신호를 출력하는 차단기 제어부;를 포함하고, 상기 고장점 표정 연산을 수행할 수 있는 수식은 아래의 수식이며,

여기서, L_fault: 변전소-병렬구분소 간 거리 대비 변전소-고장점까지의 거리 비율 (0~1사이의 값), C: 고장이 발생한 도선, C': 고장이 발생하지 않은 도선, T: 고장이 발생한 차선, T': 고장이 발생하지 않은 차선, SS: Sub-Station, 변전소, I _C,T,SS : 고장이 발생한 차선에서 고장이 발생한 도선에 흐르는, 변전소 측 CT(Current Transfomer, 계기용 변류기)에서 관측된 전류의 실효값이고, 상기 고장 판별부가 고장이 발생한 지점을 변전소-병렬구분소 구간으로 판단할 때, 상기 고장점 표정부는, 상기 변전소에 설치된 센서부에서 출력한 전류 데이터만을 이용하여 상기 고장점 표정 연산을 수행할 수 있는 수식에 대입하여 고장이 발생한 지점을 변전소-병렬구분소 간 거리 대비 변전소-고장점까지의 거리 비율로 산출한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 데이터 저장부는, 고장 판단의 기준이 되는 부하 전류값을 더 저장한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 고장 발생 지점을 판단할 수 있는 수식은 아래의 수식이며, |I_{TF_up_SS} - I_{TF_down_ SS}|≤2[A], |I_{AF_down_SS} - I_{AF_up_SS}|≤2[A], 여기서, I_{TF_up_SS} : 변전소 상행선 전차선에 흐르는 전류, I_AF-down-SS: 변전소 하행선 급전선에 흐르는 전류, I_{TF_down_SS}: 변전소 하행선 전차선에 흐르는 전류, I_AF-up-SS: 변전소 상행선 급전선에 흐르는 전류이고, 상기 고장 판별부는, 상기 고장 발생 지점을 판단할 수 있는 수식에 포함된 수식을 모두 만족하지 못할 때에는 고장이 발생한 지점을 변전소-병렬구분소 구간으로 판단하고, 상기 고장 발생 지점을 판단할 수 있는 수식에 포함된 수식을 모두 만족할 때에는 고장이 발생한 지점을 병렬구분소-급전구분소 구간으로 판단한다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 상기 고장점 표정부는, 상기 변전소에 설치된 고장점 표정 장치에 포함된 고장점 표정부이다.
본 발명의 또 다른 실시예에 있어서, 상기 고장점 표정 연산을 수행할 수 있는 수식은 아래의 두 수식이며,

,

여기서, L_{fault, PP}: 병렬구분소-급전구분소 간 거리 대비 병렬구분소-고장점까지의 거리 비율 (0~1사이의 값), L_{fault, SP}: 병렬구분소-급전구분소 간 거리 대비 병렬구분소-고장점까지의 거리 비율 (0~1사이의 값), C: 고장이 발생한 도선, C': 고장이 발생하지 않은 도선, T : 고장이 발생한 차선, T': 고장이 발생하지 않은 차선, SS: Sub-Station, 변전소, PP: Parallel Post, 병렬구분소, SP: Sectioning Post, 급전구분소, I _C,T,PP : 고장이 발생한 차선에서 고장이 발생한 도선에 흐르는, 병렬구분소 측 CT(Current Transfomer, 계기용 변류기)에서 관측된 전류의 실효값, I _C,T,SP : 고장이 발생한 차선에서 고장이 발생한 도선에 흐르는, 급전구분소 측 CT(Current Transfomer, 계기용 변류기)에서 관측된 전류의 실효값이고, 상기 고장 판별부가 고장이 발생한 지점을 병렬구분소-급전구분소 구간으로 판단할 때, 상기 고장점 표정부는, 상기 병렬구분소와 상기 급전구분소에서 각각 설치된 센서부에서 출력한 전류 데이터를 이용하여 상기 고장점 표정 연산을 수행할 수 있는 수식에 대입하여 고장이 발생한 지점을 병렬구분소-급전구분소 간 거리 대비 병렬구분소-고장점까지의 거리 비율로 산출한다.
이 실시예에 있어서, 상기 고장점 표정부는, 상기 병렬구분소 및 상기 급전구분소 각각에 설치된 상기 고장점 표정 장치에 포함된 고장점 표정부이다.
이 실시예에 있어서, 상기 병렬구분소에 설치된 고장점 표정부는, 상기 고장 발생 지점이 병렬구분소-급전구분소 구간 길이의 50%이내일 때 상기 병렬구분소에 설치된 상기 고장점 표정 장치에 포함된 센서부에서 출력한 전류 데이터를 이용하여 계산된 고장점 표정 결과를 채택하고, 상기 급전구분소에 설치된 고장점 표정부는, 상기 고장 발생 지점이 병렬구분소-급전구분소 구간 길이의 50%를 초과할 때 상기 급전구분소에 설치된 상기 고장점 표정 장치에 포함된 센서부에서 출력한 전류 데이터를 이용하여 계산된 고장점 표정 결과를 채택한다.
상술한 목적을 해결하기 위해 본 명세서에 따른 고장점 표정 방법은, 센서부, 데이터 저장부, 고장 판별부, 고장점 표정부 및 차단기 제어부를 포함하는 장치를 이용하여 고장점을 표정하는 방법으로서, (a) 상기 데이터 저장부가, 고장 발생 지점을 판단할 수 있는 수식 및 고장점 표정 연산을 수행할 수 있는 수식을 저장하는 단계; (b) 상기 센서부가, 전기철도 급전계통에 포함된 변전소, 병렬 구분소 및 급전구분소 상하행선의 전차선 및 급전선의 전류를 센싱하여 전류 데이터를 출력하는 단계; (c) 상기 고장 판별부가, 상기 센서부에 출력된 전류 데이터값을 이용하여 상기 고장 발생 지점을 판단할 수 있는 수식에 대입하여 고장이 발생한 지점이 변전소-병렬구분소 구간인지, 병렬구분소-급전구분소 구간인지 여부를 판단하는 단계; (d) 상기 고장점 표정부가, 상기 센서부에 출력된 전류 데이터값을 이용하여 상기 고장점 표정 연산을 수행할 수 있는 수식에 대입하여 고장이 발생한 지점을 변전소-병렬구분소 간 거리 대비 변전소-고장점까지의 거리 비율 또는 병렬구분소-급전구분소 간 거리 대비 병렬구분소-고장점까지의 거리 비율로 산출하는 단계; 및 (e) 상기 차단기 제어부가, 상기 고장점 표정부에서 거리 비율에 따라 고장으로 판단된 해당 차선을 고립시키도록 해당 차단기에 제어신호를 출력하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고장점 표정 방법으로서, 상기 고장점 표정 연산을 수행할 수 있는 수식은 아래의 수식이며,

여기서, L_fault: 변전소-병 렬구분소 간 거리 대비 변전소-고장점까지의 거리 비율 (0~1사이의 값), C: 고장이 발생한 도선, C': 고장이 발생하지 않은 도선, T: 고장이 발생한 차선, T': 고장이 발생하지 않은 차선, SS: Sub-Station, 변전소, I _C,T,SS : 고장이 발생한 차선에서 고장이 발생한 도선에 흐르는, 변전소 측 CT(Current Transfomer, 계기용 변류기)에서 관측된 전류의 실효값이고, 상기 (c) 단계에서, 상기 고장 판별부가 고장이 발생한 지점을 변전소-병렬구분소 구간으로 판단할 때, 상기 (d) 단계는, 상기 고장점 표정부가 상기 변전소에 설치된 센서부에서 출력한 전류 데이터만을 이용하여 상기 고장점 표정 연산을 수행할 수 있는 수식에 대입하여 고장이 발생한 지점을 변전소-병렬구분소 간 거리 대비 변전소-고장점까지의 거리 비율로 산출하는 단계이다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 고장 발생 지점을 판단할 수 있는 수식은 아래의 수식이며, |I_{TF_up_SS} - I_{TF_down_SS}|≤2[A], |I_{AF_down_SS} - I_{AF_ up_SS}|≤2[A], 여기서, I_{TF_up_SS} : 변전소 상행선 전차선에 흐르는 전류, I_{AF-do wn-SS}: 변전소 하행선 급전선에 흐르는 전류, I_{TF_down_SS}: 변전소 하행선 전차선에 흐르는 전류, I_AF-up-SS: 변전소 상행선 급전선에 흐르는 전류이고, 상기 (c) 단계는, 상기 고장 판별부가, 상기 고장 발생 지점을 판단할 수 있는 수식에 포함된 수식을 모두 만족하지 못할 때에는 고장이 발생한 지점을 변전소-병렬구분소 구간으로 판단하고, 상기 고장 발생 지점을 판단할 수 있는 수식에 포함된 수식을 모두 만족할 때에는 고장이 발생한 지점을 병렬구분소-급전구분소 구간으로 판단하는 단계이다.
이 실시예에 있어서, 상기 고장점 표정 연산을 수행할 수 있는 수식은 아래의 두 수식이며,

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여기서, L_{fault, PP}: 병렬구분소-급전구분소 간 거리 대비 병렬구분소-고장점까지의 거리 비율 (0~1사이의 값), L_{fault, SP}: 병렬구분소-급전구분소 간 거리 대비 병렬구분소-고장점까지의 거리 비율 (0~1사이의 값), C: 고장이 발생한 도선, C': 고장이 발생하지 않은 도선, T : 고장이 발생한 차선, T': 고장이 발생하지 않은 차선, SS: Sub-Station, 변전소, PP: Parallel Post, 병렬구분소, SP: Sectioning Post, 급전구분소, I _C,T,PP : 고장이 발생한 차선에서 고장이 발생한 도선에 흐르는, 병렬구분소 측 CT(Current Transfomer, 계기용 변류기)에서 관측된 전류의 실효값, I _C,T,SP : 고장이 발생한 차선에서 고장이 발생한 도선에 흐르는, 급전구분소 측 CT(Current Transfomer, 계기용 변류기)에서 관측된 전류의 실효값이고, 상기 (c) 단계에서, 상기 고장 판별부가 고장이 발생한 지점을 병렬구분소-급전구분소 구간으로 판단할 때, 상기 (d) 단계는, 상기 고장점 표정부가, 상기 병렬구분소와 상기 급전구분소 각각에 설치된 센서부에서 출력한 전류 데이터를 이용하여 상기 고장점 표정 연산을 수행할 수 있는 수식에 대입하여 고장이 발생한 지점을 병렬구분소-급전구분소 간 거리 대비 병렬구분소-고장점까지의 거리 비율로 산출하는 단계이다.
이 실시예에 있어서, 상기 (d) 단계는, 상기 고장점 표정부가, 상기 고장 발생 지점이 병렬구분소-급전구분소 구간 길이의 50%이내일 때 상기 병렬구분소에 설치된 센서부에서 출력한 전류 데이터를 이용하여 계산된 고장점 표정 결과를 채택하고, 상기 고장 발생 지점이 병렬구분소-급전구분소 구간 길이의 50%를 초과할 때 상기 급전구분소에 설치된 센서부에서 출력한 전류 데이터를 이용하여 계산된 고장점 표정 결과를 채택하는 단계이다.

삭제

본 명세서에 따른 고장점 표정 장치 및 방법은 다음과 같은 효과를 가진다.

첫째, 고속도 고장 판별 및 고장점 표정 기법은 기존에 사용해 왔던 고장점 표정 장치들과는 달리 정정하기 위한 추가적인 단락 시험이 필요하지 않는다. 따라서 반복적인 강제 시험을 통한 설비에 미치는 손상 가능성이나 고압 시험으로 인한 추가적인 인명사고를 줄일 수 있다.

둘째, 고장이 발생하여도 모든 구분소의 상하행선 급전선이 차단기 트립을 통하여 개방되지 않는다.

셋째, 고장 발생과 거의 동시에 고장점을 표정하며 고장이 발생한 구간만을 독립적으로 분리, 정전 구간을 최소화할 수 있다. 따라서, 영구 고장이 발생한 경우 불필요한 재폐로 실패로 인해 민감한 설비의 영향을 미치는 것을 최소화 할 수 있다.

넷째, 전차선로의 구성이 달라지거나 구간별 길이가 상이하여 단락 임피던스에 변화가 있을지라도 임피던스와 무관한 관계식을 이용하기 때문에 정확하게 고장점을 표정할 수 있다.

다섯째, 고장 저항이 변하더라도 영향을 받지 않기 때문에 고저항 지락 사고나 완전 지락 사고 구분 없이 모든 고장에 유연하게 대처할 수 있다.

본 명세서에 따른 고장점 표정 장치 및 방법의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 명세서의 일 실시예에 따른 고장점 표정 장치의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 2는 본 명세서의 일 실시예에 따라 고장점 표정 장치가 변전소, 병렬 구분소 및 급전구분소 각각에 설치된 예시도이다.
도 3 내지 도 5는 본 명세서의 일 실시예에 따른 고장점 표정 방법을 도시한 흐름도이다.
특히, 도 4는 변전소-병렬구분소 구간에 고장이 발생한 경우(A)에 따른 흐름도이다.
특히, 도 5는 병렬구분소-급전구분소 구간에 고장이 발생한 경우(B)에 따른 흐름도이다.
도 6는 변전소-병렬구분소 구간 전차선의 모의 지점에 고장이 발생할 때 전류의 흐름을 도시한 회로도이다.
도 7는 병렬구분소-급전구분소 구간 전차선의 모의 지점에 고장이 발생할 때 전류의 흐름을 도시한 회로도이다.
도 8은 PSCAD/EMTDC로 구성된 복선 병렬 AT 급전계통도이다.
도 9는 전차선 고장에 대한 단락 임피던스 경향과 제안하는 고장점 표정 기법의 검증을 위한 케이스 선정 구간을 나타내는 참고도이다.
도 10은 급전선 고장에 대한 단락 임피던스 경향과 제안하는 고장점 표정 기법의 검증을 위한 케이스 선정 구간을 나타내는 참고도이다.
도 11은 각 케이스에 따라서 전차선 고장점을 다르게 상정한 후, 제안하는 기법이 고장점 표정 동작 속도를 나타내는 그래프이다.
도 12는 각 케이스에 따라서 급전선 고장점을 다르게 상정한 후, 제안하는 기법이 고장점 표정 동작 속도를 나타내는 그래프이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 설명한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있는 바와 같이, 후술하는 실시예는 본 발명의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 형태로 변형될 수 있다. 가능한 한 동일하거나 유사한 부분은 도면에서 동일한 도면부호를 사용하여 나타낸다.

본 명세서에서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지는 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다.

본 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.

본 명세서에서 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하에서는 도면을 중심으로 본 발명을 설명하고자 한다.

도 1은 본 명세서의 일 실시예에 따른 고장점 표정 장치의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.

본 명세서의 일 실시예에 따른 고장점 표정 장치(100)는 센서부(110), 데이터 저장부(120), 고장 판별부(130), 고장점 표정부(140) 및 차단기 제어부(150)를 포함할 수 있다.

상기 센서부(110)는 상하행선의 전차선 및 급전선의 전류를 센싱하여 전류 데이터를 출력할 수 있다.

상기 데이터 저장부(120)는 고장 발생 지점을 판단할 수 있는 수식 및 고장점 표정 연산을 수행할 수 있는 수식을 저장할 수 있다.

상기 고장 판별부(130)는 상기 센서부(110)에서 출력된 전류 데이터를 바탕으로 고장 발생 구간 및 도선을 판별할 수 있다.

상기 고장점 표정부(140)는 상기 고장 판별부(130)에서 고장 발생 여부를 판단한 경우, 고장이 발생한 지점 즉, 고장점을 표정할 수 있다.

상기 차단기 제어부(150)는 상기 고장점으로 표정된 부분을 포함하는 차선에 전류공급을 차단하여 고립시키도록 차단기를 제어하는 신호를 출력할 수 있다.

한편, 본 명세서에 따른 고장점 표정 장치(100)는 두 가지 실시예로 구현될 수 있다. 첫번째는 상기 센서부(110)가 전기철도 급전계통에 포함된 변전소, 병렬 구분소 및 급전구분소 각각에 설치되어 상하행선의 전차선 및 급전선의 전류를 센싱하는 실시예이다. 두번째는 고장점 표정 장치(100)가 전기철도 급전계통에 포함된 변전소, 병렬 구분소 및 급전구분소 각각에 설치되고, 고장점 표정 장치(100)는 통신을 통해서 센싱된 전류 데이터를 공유하는 실시예이다. 두번째 실시예의 경우 복수의 고장점 표정 장치(100)를 통해서 고장점 표정 시스템을 이룰 수 있다.

도 2는 본 명세서의 일 실시예에 따라 고장점 표정 장치가 변전소, 병렬 구분소 및 급전구분소 각각에 설치된 예시도이다.

도 2를 참조하면, 'Fault Locator'로 도시된 고장점 표정 장치(100)가 변전소, 병렬구분소 및 급전구분소 각각에 설치된 것을 확인할 수 있다. 즉, 고장점 표정 장치(100)는 단위 급전 구간 내 존재하는 변전소와 병렬구분소, 급전구분소에 각각 위치하여 기 설치되어 있는 계기용 변류기에 연결될 수 있다. 그리고 각각의 고장점 표정 장치(100)는 통신부(미도시)를 통해서 센싱된 전류 데이터를 공유할 수 있다. 상기 통신부(미도시)는 유선 또는/및 무선 통신을 수행하는 모듈로서, 통신 방법에 의해 본 명세서에 따른 고장점 표정 장치(100)의 권리 범위가 제한되는 것은 아니다. 한편, 도 2에 도시된 명칭 중, 'AF'는 급전선, 'TF'는 전차선을 각각 의미한다.

도 3 내지 도 5는 본 명세서의 일 실시예에 따른 고장점 표정 방법을 도시한 흐름도이다.

도 1 내지 도 5를 함께 참조하면서 본 명세서에 따른 고장점 표정 장치 및 방법에 대해서 설명하도록 하겠다. 다만, 이해의 편의를 위해 도 2에 도시된 실시예를 중심으로 설명하도록 하겠다. 또한, 각 단계에서 설명되는 상기 고장점 표정 장치(100)에 포함되는 각 구성은 도 1에 도시된 동일 참조번호를 가진 구성에 대응됨은 자명하다. 따라서, 본 명세서에 따른 고장점 표정 장치 및 방법은 이하에서 함께 설명된다.

먼저 도 3을 참조하면, 단계 S200에서 변전소에 설치된 고장점 표정 장치(100) 내 상기 센서부(110)는 상하행선의 전차선, 급전선의 전류를 실시간으로 센싱하여 전류 데이터를 출력한다.

다음 단계 S210에서, 상기 고장 판별부(130)는 일반적인 부하 전류 이상의 전류가 감지여부를 통해 고장 발생여부를 판별할 수 있다. 만약 고장이 발생한 경우(단계 S210의 YES), 단계 S220으로 이행한다. 반면, 고장이 발생하지 않은 경우(단계 S210의 NO), 단계 S200으로 되돌아간다. 따라서, 고장이 발생하지 않은 경우, 단계 S200과 단계 S210을 반복 수행하게 된다. 한편, 고장 판단의 기준이 되는 상기 일반적인 부하 전류값은 미리 설정되어 상기 데이터 저장부(120)에 저장될 수 있다.

단계 S220에서, 상기 고장 판별부(130)는 아래의 수학식을 통해서 고장이 발생한 지점이 변전소-병렬구분소 구간인지, 병렬구분소-급전구분소 구간인지 여부를 판단한다.

|I_TF _{_up_SS} - I_TF _{_down_SS}|≤2[A]

|I_AF _{_down_SS} - I_AF _{_up_SS}|≤2[A]

I_TF _{_up_SS} : 변전소 상행선 전차선에 흐르는 전류

I_AF _-down-SS: 변전소 하행선 급전선에 흐르는 전류

I_TF _{_down_SS}: 변전소 하행선 전차선에 흐르는 전류

I_AF _-up-SS: 변전소 상행선 급전선에 흐르는 전류

상기 수학식을 모두 만족하지 못 할 경우(단계 S220의 NO), 고장이 발생한 지점이 변전소-병렬구분소 구간으로서 'A'로 이행한다. 반면, 상기 수학식을 모두 만족할 경우(단계 S220의 YES), 고장이 발생한 지점이 병렬구분소-급전구분소 구간으로서 'B'로 이행한다.

도 4는 변전소-병렬구분소 구간에 고장이 발생한 경우(A)에 따른 흐름도이다.

도 4를 참조하면, 단계 S231에서 상기 고장점 표정부(140)는 최대 고장전류가 발생한 도선을 파악할 수 있다. 이때 상기 고장점 표정부(140)는 상기 변전소에 설치된 고장점 표정 장치(100) 내 상기 센서부(110)에서 출력한 전류 데이터만을 이용할 수 있다. 즉, 상기 고장점 표정부(140)는 전차선 상행선 전류(I_TF _{_up}), 전차선 하행선 전류(I_TF _{_down}), 급전선 상행선 전류(I_AF _{_up}) 및 급전선 하행선 전류(I_AF _{_down}) 중 가장 큰 값을 가진 전류값을 통해 최대 고장전류가 발생한 도선을 파악할 수 있다.

다음 단계 S232에서, 상기 고장점 표정부(140)는 최대 고장전류 발생 도선에 아래의 수학식 1을 이용한 고장점 표정 연산을 수행할 수 있다.

<수학식 1>

L_fault: 변전소-병렬구분소 간 거리 대비 변전소-고장점까지의 거리 비율 (0~1사이의 값)

C: 고장이 발생한 도선

C': 고장이 발생하지 않은 도선

T: 고장이 발생한 차선

T': 고장이 발생하지 않은 차선

SS: Sub-Station, 변전소

즉, I _C,T,SS : 고장이 발생한 차선에서 고장이 발생한 도선에 흐르는, 변전소 측 CT(Current Transfomer, 계기용 변류기)에서 관측된 전류의 실효값

도 6는 변전소-병렬구분소 구간 전차선의 모의 지점에 고장이 발생할 때 전류의 흐름을 도시한 회로도이다.

도 6을 참조하면, 변전소-병렬구분소 구간 전차선 고장 발생 시 각 분기에 해당하는 전류의 방향이 도시된 것을 확인할 수 있다. 상기 회로는 다양한 전차선로의 임피던스 조건과 고장점 위치가 달라지더라도 고장점 양단의 귀선 전류와 특정한 관계를 갖는 분기를 찾기 위한 계통으로, 고장 발생 시의 실제 전기철도 계통과 전기적으로 동일한 회로이다.

다양한 고장 지점에 따라 도출된 귀선 전류와 분기에 대한 관계식이 아래의 표 1이다. 이 중 고장이 발생한 도선과 그렇지 않은 도선의 관계식을 이용하여 연립 방정식의 해를 구한 결과가 수학식 1이 될 수 있다.

<표 1>

Z _t : 전차선의 단위길이 당 임피던스

Z _f : 급전선의 단위길이 당 임피던스

k: 전차선 / 급전선에 대한 임피던스 계수

I _b1 , I _b2 : 고장점 양단의 귀선전류

다음 단계 S233에서, 상기 차단기 제어부(150)는 고장으로 판단된 해당 차선을 고립시킬 수 있는 차단기가 동작하도록 제어할 수 있다. 이를 통해 고장이 발생하지 않은 차선에 피해가 가지 않도록 한다. 이로서 변전소-병렬구분소 구간에 고장이 발생한 경우에 따른 동작이 종료된다.

도 5는 병렬구분소-급전구분소 구간에 고장이 발생한 경우(B)에 따른 흐름도이다.

도 5를 참조하면, 단계 S241에서 상기 고장점 표정부(140)는 최대 고장전류가 발생한 도선을 파악할 수 있다. 이때 상기 고장점 표정부(140)는 상기 병렬구분소와 상기 급전구분소에서 각각 설치된 고장점 표정 장치(100) 내 상기 센서부(110)에서 출력한 전류 데이터를 모두 이용할 수 있다.

다음 단계 S242에서, 상기 고장점 표정부(140)는 최대 고장전류 발생 도선에 아래의 수학식 2 및 3을 이용한 고장점 표정 연산을 수행할 수 있다.

<수학식 2>

L_fault _{, PP}: 병렬구분소-급전구분소 간 거리 대비 병렬구분소-고장점까지의 거리 비율 (0~1사이의 값)

C: 고장이 발생한 도선

C': 고장이 발생하지 않은 도선

T: 고장이 발생한 차선

T': 고장이 발생하지 않은 차선

SS: Sub-Station, 변전소

PP: Parallel Post, 병렬구분소

즉, I _C,T,PP : 고장이 발생한 차선에서 고장이 발생한 도선에 흐르는, 병렬구분소 측 CT(Current Transfomer, 계기용 변류기)에서 관측된 전류의 실효값

<수학식 3>

L_fault _, _SP: 병렬구분소-급전구분소 간 거리 대비 병렬구분소-고장점까지의 거리 비율 (0~1사이의 값)

C: 고장이 발생한 도선

C': 고장이 발생하지 않은 도선

T: 고장이 발생한 차선

T': 고장이 발생하지 않은 차선

SS: Sub-Station, 변전소

SP: Sectioning Post, 급전구분소

즉, I _C,T,SP : 고장이 발생한 차선에서 고장이 발생한 도선에 흐르는, 급전구분소 측 CT(Current Transfomer, 계기용 변류기)에서 관측된 전류의 실효값

상기 수학식 2 및 수학식 3을 이용한 고장점 표정 연산은 상기 병렬구분소와 상기 급전구분소 각각에 설치된 고장점 표정 장치(100) 내 고장점 표정부(140)에서 수행될 수 있다.

도 7는 병렬구분소-급전구분소 구간 전차선의 모의 지점에 고장이 발생할 때 전류의 흐름을 도시한 회로도이다.

도 7을 참조하면, 병렬구분소-급전구분소 구간 전차선 고장 발생 시 각 분기에 해당하는 전류의 방향이 도시된 것을 확인할 수 있다. 상기 회로는 다양한 전차선로의 임피던스 조건과 고장점 위치가 달라지더라도 고장점 양단의 귀선 전류와 특정한 관계를 갖는 분기를 찾기 위한 계통으로, 고장 발생 시의 실제 전기철도 계통과 전기적으로 동일한 회로이다.

다양한 고장 지점에 따라 도출된 귀선 전류와 분기에 대한 관계식이 표 2이다. 이 중 고장이 발생한 도선과 그렇지 않은 도선의 관계식을 이용하여 연립 방정식의 해를 구한 결과가 수학식 2 및 3이 될 수 있다.

<표 2>

Z _t : 전차선의 단위길이 당 임피던스

Z _f : 급전선의 단위길이 당 임피던스

k, k', k'': 전차선 / 급전선에 대한 임피던스 계수

I _b2 , I _b3 : 고장점 양단의 귀선전류

단계 S243에서, 상기 고장점 표정부(140)는 이 때 고장발생 지점이 병렬구분소-급전구분소 구간 길이의 50%를 초과한다면(단계 S243의 YES), 단계 S244로 이행하여 상기 급전구분소에서 계산된 고장점 표정 결과를 채택 한다. 반대의 경우(단계 S243의 NO), 단계 S245로 이행하여 상기 병렬구분소에서 계산된 고장점 표정 결과를 채택 한다.

마지막으로 단계 S246으로 이행하여, 상기 차단기 제어부(150)는 고장으로 판단된 해당 차선을 고립시킬 수 있는 차단기가 동작하도록 제어할 수 있다. 이를 통해 고장이 발생하지 않은 차선에 피해가 가지 않도록 한다. 이로서 병렬구분소-급전구분소 구간에 고장이 발생한 경우에 따른 동작이 종료된다.

한편, 고장점을 표정하는 방식은 고장 전류의 귀선 전류가 구분소로부터 고장점까지의 거리에 선형적으로 비례한다는 특징을 이용하며, 아래의 수학식 4와 같이 특정할 수 있다.

<수학식 4>

L _fault : 좌측 구분소-우측 구분소 간 거리 대비 좌측 구분소-고장점까지의 거리 비율(0~1사이의 값)

I _return,L : 고장 발생 지점을 기준으로 좌측 방향의 레일을 타고 흐르는 귀선 전류

I _return,R : 고장 발생 지점을 기준으로 우측 방향의 레일을 타고 흐르는 귀선 전류

이 때, 레일을 따라 고장 전류의 귀로가 형성되지만, 이를 직접적으로 측정하기 어려우며 추가적인 장비 설치를 요한다. 따라서 본 명세서에 따른 고장점 표정 방법을 통하여 기 수행된 분석 결과인 고장 상황 시 전류가 흐르는 모든 분기와 귀선 전류 간의 관계식을 이용하여 귀선 전류를 역으로 추정할 수 있다.

상기 표 1 및 표 2는 도 6와 도 7와 같이 고장 발생 구간을 구분한 모의 계통에서 분석된 것이다. 각 결과는 분석을 위하여 고장 위치, 전차선로 임피던스 등 다양한 조건이 가변되었으며, 대규모 데이터 간에서 선형적인 관계를 찾아내기 용이한 귀납적 분석법을 이용하였다. 상하행선 각각의 총 길이가 동일하다고 가정하면 각 차선에 해당하는 결과는 동일한 수식을 적용할 수 있다. 또한, 구분소에 설치되어 있는 단권변압기의 권수비가 1:1이기 때문에 급전선 고장에 대한 분석 결과 또한 상기 결과와 유사하다.

<실험예>

이하에서는 본 명세서에 따른 고장점 표정 장치 및 방법을 검증하기 위하여 Power System Computer Aided Design / Eletromagnetic Transients including DC (PSCAD/EMTDC) 프로그램을 이용하여 고속 전기철도 급전계통인 복선 병렬 급전계통을 도 8과 같이 구성하였으며 전차선로 구성 및 변전설비 파라미터는 표 3과 같다.

<표 3>

본 명세서에 따른 고장점 표정 장치 및 방법기법의 순시 동작을 확인하기 위한 고장 발생 모의 조건은 표 4와 같다.

<표 4>

시뮬레이션 조건에서 전차선-레일 간 단락 임피던스와 급전선-레일 간 단락 임피던스는 각각 도 9 및 도 10과 같으며 표 4에서 선정한 각각의 케이스(case)는 단락 임피던스가 동일하게 계산되는 지점으로, 기존의 리액턴스 방식의 고장점 표정 기법으로는 고장점을 구별할 수 없는 지점이다.

고장 발생 시 변전소, 병렬구분소, 급전구분소에서 계산된 각 고장에 대한 고장점 표정 계산 결과는 도 11 및 도 12와 같다.

도 11은 각 케이스(case)에 따라서 전차선 고장점을 다르게 상정한 후, 제안하는 기법이 고장점 표정 동작을 빠르게 수행하는지 여부를 확인한 것이다. 그래프에서 굵게 나타낸 파형이 해당 고장점에 맞는 구분소에서 고장점을 계산한 파형이다. 예를 들어, 케이스(case) 4의 경우 고장 지점이 병렬구분소와 급전구분소 사이 거리의 50%를 초과하였기 때문에 급전구분소에서 고장점 연산 결과를 확인한 것이다. 이 경우, 고장점 표정 결과는 0.833으로, 병렬구분소와 급전구분소 사이의 거리를 15[km]로 모의하였기 때문에 상정한 고장점인 변전소로부터 22.5[km]를 급전 구간에 대한 상대적인 비율(병렬구분소로부터 12.5[km], 12.5/16=0.833)로 정확하게 계산하는 것을 알 수 있다. 모든 케이스(case)에서 약 3~4 사이클(cycles) 내에 최대 ±50[m] 의 오차 범위 안으로 고장점 표정 연산을 수행하는 것을 확인하였다.

도 12는 각 케이스(case)에 따라서 급전선 고장점을 다르게 상정한 후, 제안하는 기법이 고장점 표정 동작을 빠르게 수행하는지 여부를 확인한 것이다. 그래프에서 굵게 나타낸 파형이 해당 고장점에 맞는 구분소에서 고장점을 계산한 파형이다. 예를 들어, 케이스(case) 7의 경우 고장 지점이 병렬구분소와 급전구분소 사이 거리의 50%보다 작기 때문에 병렬구분소에서 고장점 연산 결과를 확인한 것이다. 이 경우, 고장점 표정 결과는 0.32으로, 병렬구분소와 급전구분소 사이의 거리를 15[km]로 모의하였기 때문에 상정한 고장점인 변전소로부터 14.8[km]를 급전 구간에 대한 상대적인 비율(병렬구분소로부터 4.8[km], 4.8/15=0.32)로 정확하게 계산하는 것을 알 수 있다. 모든 케이스(case)에서 약 3~4 사이클(cycles) 내에 최대 ±50[m] 의 오차 범위 안으로 고장점 표정 연산을 수행하는 것을 확인하였다.

이는 전차선로 보호용 거리계전기의 존(zone) 1영역 동작 시간인 50[ms] 이내에 속한다. 고장 발생 직후에 고장점을 빠르게 표정함으로써 신속한 고장 원인 제거 및 고장 구간 고립을 통하여 공급 연속성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.

실제 계통에서 제안하는 기법의 동작을 확인해보기 위하여 변전소 및 병렬구분소에서 전기철도 부하 이동 시 측정되는 전류 데이터를 본 발명에서 제안하는 고장점 표정 관계식인 상기 수학식 1 및 수학식 2에 각각 대입하였다. 전기철도 급전계통의 특성 상, 레일은 보호선과 일정 길이마다 직결되어 대지로 접지되므로 레일 전위는 대지와 등전위이다. 즉, 전차선 지락 고장과 전차선-레일 간 단락 고장은 동일한 특성을 나타낸다고 간주할 수 있다. 전차선을 통하여 전력을 공급받는 전차 부하의 이동 시 부하 전류의 흐름은 전차선-레일 간 단락 고장 전류 흐름과 동일하다. 따라서 변전소 및 병렬구분소에서 전차 부하 이동 시 측정된 전류를 상기 수학식 1 및 수학식 2에 대입하면 전차선 고장점 표정 관계식을 검증할 수 있다.

삭제

본 명세서에서 설명되는 실시예와 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 예시적으로 설명하는 것에 불과하다. 따라서, 본 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아님은 자명하다. 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시 예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100 : 고장점 표정 장치
110 : 센서부
120 : 데이터 저장부
130 : 고장 판별부
140 : 고장점 표정부
150 : 차단기 제어부

Claims

전기철도 급전계통에 포함된 변전소, 병렬구분소 및 급전구분소 각각에 설치되어 상하행선의 전차선 및 급전선의 전류를 센싱하여 전류 데이터를 출력하는 센서부;
고장 발생 지점을 판단할 수 있는 수식 및 고장점 표정 연산을 수행할 수 있는 수식을 저장하고 있는 데이터 저장부;
상기 센서부에서 출력된 전류 데이터값을 이용하여 상기 고장 발생 지점을 판단할 수 있는 수식에 대입하여 고장이 발생한 지점이 변전소-병렬구분소 구간인지, 병렬구분소-급전구분소 구간인지 여부를 판단하는 고장 판별부;
상기 센서부에서 출력된 전류 데이터값을 이용하여 상기 고장점 표정 연산을 수행할 수 있는 수식에 대입하여 고장이 발생된 지점을 변전소-병렬구분소 간 거리 대비 변전소-고장점까지의 거리 비율 또는 병렬구분소-급전구분소 간 거리 대비 병렬구분소-고장점까지의 거리 비율로 산출하는 고장점 표정부; 및
상기 고장점 표정부에서 거리 비율에 따라 고장으로 판단된 해당 차선을 고립시키도록 해당 차단기에 제어신호를 출력하는 차단기 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고장점 표정 장치로서,
상기 고장점 표정 연산을 수행할 수 있는 수식은 아래의 수식이며,

여기서, L_fault: 변전소-병 렬구분소 간 거리 대비 변전소-고장점까지의 거리 비율 (0~1사이의 값), C: 고장이 발생한 도선, C': 고장이 발생하지 않은 도선, T: 고장이 발생한 차선, T': 고장이 발생하지 않은 차선, SS: Sub-Station, 변전소, I _C,T,SS : 고장이 발생한 차선에서 고장이 발생한 도선에 흐르는, 변전소 측 CT(Current Transfomer, 계기용 변류기)에서 관측된 전류의 실효값이고,
상기 고장 판별부가 고장이 발생한 지점을 변전소-병렬구분소 구간으로 판단할 때, 상기 고장점 표정부는, 상기 변전소에 설치된 센서부에서 출력한 전류 데이터만을 이용하여 상기 고장점 표정 연산을 수행할 수 있는 수식에 대입하여 고장이 발생한 지점을 변전소-병렬구분소 간 거리 대비 변전소-고장점까지의 거리 비율로 산출하는 것을 특징으로 하는 고장점 표정 장치.
제1항에 있어서,
상기 데이터 저장부는, 고장 판단의 기준이 되는 부하 전류값을 더 저장하고 있는 것을 특징으로 하는 고장점 표정 장치.
제1항에 있어서,
상기 고장 발생 지점을 판단할 수 있는 수식은 아래의 수식이며,
|I_{TF_up_SS} - I_{TF_down_SS}|≤2[A]
|I_{AF_down_SS} - I_{AF_ up_SS}|≤2[A]
여기서, I_{TF_up_SS} : 변전소 상행선 전차선에 흐르는 전류, I_{AF-do wn-SS}: 변전소 하행선 급전선에 흐르는 전류, I_{TF_down_SS}: 변전소 하행선 전차선에 흐르는 전류, I_AF-up-SS: 변전소 상행선 급전선에 흐르는 전류이고,
상기 고장 판별부는,
상기 고장 발생 지점을 판단할 수 있는 수식에 포함된 수식을 모두 만족하지 못할 때에는 고장이 발생한 지점을 변전소-병렬구분소 구간으로 판단하고,
상기 고장 발생 지점을 판단할 수 있는 수식에 포함된 수식을 모두 만족할 때에는 고장이 발생한 지점을 병렬구분소-급전구분소 구간으로 판단하는 것을 특징으로 하는 고장점 표정 장치.
삭제
제1항에 있어서,
상기 고장점 표정 연산을 수행할 수 있는 수식은 아래의 두 수식이며,

여기서, L_{fault, PP}: 병렬구분소-급전구분소 간 거리 대비 병렬구분소-고장점까지의 거리 비율 (0~1사이의 값), L_{fault, SP}: 병렬구분소-급전구분소 간 거리 대비 병렬구분소-고장점까지의 거리 비율 (0~1사이의 값), C: 고장이 발생한 도선, C': 고장이 발생하지 않은 도선, T : 고장이 발생한 차선, T': 고장이 발생하지 않은 차선, SS: Sub-Station, 변전소, PP: Parallel Post, 병렬구분소, SP: Sectioning Post, 급전구분소, I _C,T,PP : 고장이 발생한 차선에서 고장이 발생한 도선에 흐르는, 병렬구분소 측 CT(Current Transfomer, 계기용 변류기)에서 관측된 전류의 실효값, I _C,T,SP : 고장이 발생한 차선에서 고장이 발생한 도선에 흐르는, 급전구분소 측 CT(Current Transfomer, 계기용 변류기)에서 관측된 전류의 실효값이고,
상기 고장 판별부가 고장이 발생한 지점을 병렬구분소-급전구분소 구간으로 판단할 때,
상기 고장점 표정부는, 상기 병렬구분소와 상기 급전구분소에서 각각 설치된 센서부에서 출력한 전류 데이터를 이용하여 상기 고장점 표정 연산을 수행할 수 있는 수식에 대입하여 고장이 발생한 지점을 병렬구분소-급전구분소 간 거리 대비 병렬구분소-고장점까지의 거리 비율로 산출하는 것을 특징으로 하는 고장점 표정 장치.
제5항에 있어서,
상기 고장점 표정부는,
상기 고장 발생 지점이 병렬구분소-급전구분소 구간 길이의 50%이내일 때 상기 병렬구분소에 설치된 센서부에서 출력한 전류 데이터를 이용하여 계산된 고장점 표정 결과를 채택하고,
상기 고장 발생 지점이 병렬구분소-급전구분소 구간 길이의 50%를 초과할 때 상기 급전구분소에 설치된 센서부에서 출력한 전류 데이터를 이용하여 계산된 고장점 표정 결과를 채택하는 것을 특징으로 하는 고장점 표정 장치.
전기철도 급전계통에 포함된 변전소, 병렬구분소 및 급전구분소 각각에 설치된 고장점 표정 장치를 포함하는 고장점 표정 시스템으로서,
상기 고장점 표정 장치는,
상하행선의 전차선 및 급전선의 전류를 센싱하여 전류 데이터를 출력하는 센서부;
고장 발생 지점을 판단할 수 있는 수식 및 고장점 표정 연산을 수행할 수 있는 수식을 저장하고 있는 데이터 저장부;
상기 센서부에서 출력된 전류 데이터값을 이용하여 상기 고장 발생 지점을 판단할 수 있는 수식에 대입하여 고장이 발생한 지점이 변전소-병렬구분소 구간인지, 병렬구분소-급전구분소 구간인지 여부를 판단하는 고장 판별부;
상기 센서부에서 출력된 전류 데이터값을 이용하여 상기 고장점 표정 연산을 수행할 수 있는 수식에 대입하여 고장이 발생한 지점을 변전소-병렬구분소 간 거리 대비 변전소-고장점까지의 거리 비율 또는 병렬구분소-급전구분소 간 거리 대비 병렬구분소-고장점까지의 거리 비율로 산출하는 고장점 표정부;
상기 전류 데이터 및 상기 고장점 표정 연산을 통해 산출된 거리 비율값을 전송할 수 있는 통신부; 및
상기 고장점 표정부에서 거리 비율에 따라 고장으로 판단된 해당 차선을 고립시키도록 해당 차단기에 제어신호를 출력하는 차단기 제어부;를 포함하고,
상기 고장점 표정 연산을 수행할 수 있는 수식은 아래의 수식이며,

여기서, L_fault: 변전소-병렬구분소 간 거리 대비 변전소-고장점까지의 거리 비율 (0~1사이의 값), C: 고장이 발생한 도선, C': 고장이 발생하지 않은 도선, T: 고장이 발생한 차선, T': 고장이 발생하지 않은 차선, SS: Sub-Station, 변전소, I _C,T,SS : 고장이 발생한 차선에서 고장이 발생한 도선에 흐르는, 변전소 측 CT(Current Transfomer, 계기용 변류기)에서 관측된 전류의 실효값이고,
상기 고장 판별부가 고장이 발생한 지점을 변전소-병렬구분소 구간으로 판단할 때,
상기 고장점 표정부는, 상기 변전소에 설치된 센서부에서 출력한 전류 데이터만을 이용하여 상기 고장점 표정 연산을 수행할 수 있는 수식에 대입하여 고장이 발생한 지점을 변전소-병렬구분소 간 거리 대비 변전소-고장점까지의 거리 비율로 산출하는 것을 특징으로 하는 고장점 표정 시스템.
제7항에 있어서,
상기 데이터 저장부는, 고장 판단의 기준이 되는 부하 전류값을 더 저장하고 있는 것을 특징으로 하는 고장점 표정 시스템.
제7항에 있어서,
상기 고장 발생 지점을 판단할 수 있는 수식은 아래의 수식이며,
|I_{TF_up_SS} - I_{TF_down_ SS}|≤2[A]
|I_{AF_down_SS} - I_{AF_up_SS}|≤2[A]
여기서, I_{TF_up_SS} : 변전소 상행선 전차선에 흐르는 전류, I_AF-down-SS: 변전소 하행선 급전선에 흐르는 전류, I_{TF_down_SS}: 변전소 하행선 전차선에 흐르는 전류, I_AF-up-SS: 변전소 상행선 급전선에 흐르는 전류이고,
상기 고장 판별부는,
상기 고장 발생 지점을 판단할 수 있는 수식에 포함된 수식을 모두 만족하지 못할 때에는 고장이 발생한 지점을 변전소-병렬구분소 구간으로 판단하고,
상기 고장 발생 지점을 판단할 수 있는 수식에 포함된 수식을 모두 만족할 때에는 고장이 발생한 지점을 병렬구분소-급전구분소 구간으로 판단하는 것을 특징으로 하는 고장점 표정 시스템.
제9항에 있어서,
상기 고장 판별부는, 상기 변전소에 설치된 고장점 표정 장치에 포함된 고장 판별부인 것을 특징으로 하는 고장점 표정 시스템.
삭제
제7항에 있어서,
상기 고장점 표정부는, 상기 변전소에 설치된 고장점 표정 장치에 포함된 고장점 표정부인 것을 특징으로 하는 고장점 표정 시스템.
제7항에 있어서,
상기 고장점 표정 연산을 수행할 수 있는 수식은 아래의 두 수식이며,

여기서, L_{fault, PP}: 병렬구분소-급전구분소 간 거리 대비 병렬구분소-고장점까지의 거리 비율 (0~1사이의 값), L_{fault, SP}: 병렬구분소-급전구분소 간 거리 대비 병렬구분소-고장점까지의 거리 비율 (0~1사이의 값), C: 고장이 발생한 도선, C': 고장이 발생하지 않은 도선, T : 고장이 발생한 차선, T': 고장이 발생하지 않은 차선, SS: Sub-Station, 변전소, PP: Parallel Post, 병렬구분소, SP: Sectioning Post, 급전구분소, I _C,T,PP : 고장이 발생한 차선에서 고장이 발생한 도선에 흐르는, 병렬구분소 측 CT(Current Transfomer, 계기용 변류기)에서 관측된 전류의 실효값, I _C,T,SP : 고장이 발생한 차선에서 고장이 발생한 도선에 흐르는, 급전구분소 측 CT(Current Transfomer, 계기용 변류기)에서 관측된 전류의 실효값이고,
상기 고장 판별부가 고장이 발생한 지점을 병렬구분소-급전구분소 구간으로 판단할 때,
상기 고장점 표정부는, 상기 병렬구분소와 상기 급전구분소에서 각각 설치된 센서부에서 출력한 전류 데이터를 이용하여 상기 고장점 표정 연산을 수행할 수 있는 수식에 대입하여 고장이 발생한 지점을 병렬구분소-급전구분소 간 거리 대비 병렬구분소-고장점까지의 거리 비율로 산출하는 것을 특징으로 하는 고장점 표정 시스템.
제13항에 있어서,
상기 고장점 표정부는, 상기 병렬구분소 및 상기 급전구분소 각각에 설치된 상기 고장점 표정 장치에 포함된 고장점 표정부인 것을 특징으로 하는 고장점 표정 시스템.
제14항에 있어서,
상기 병렬구분소에 설치된 고장점 표정부는,
상기 고장 발생 지점이 병렬구분소-급전구분소 구간 길이의 50%이내일 때 상기 병렬구분소에 설치된 상기 고장점 표정 장치에 포함된 센서부에서 출력한 전류 데이터를 이용하여 계산된 고장점 표정 결과를 채택하고,
상기 급전구분소에 설치된 고장점 표정부는,
상기 고장 발생 지점이 병렬구분소-급전구분소 구간 길이의 50%를 초과할 때 상기 급전구분소에 설치된 상기 고장점 표정 장치에 포함된 센서부에서 출력한 전류 데이터를 이용하여 계산된 고장점 표정 결과를 채택하는 것을 특징으로 하는 고장점 표정 시스템.
센서부, 데이터 저장부, 고장 판별부, 고장점 표정부 및 차단기 제어부를 포함하는 장치를 이용하여 고장점을 표정하는 방법으로서,
(a) 상기 데이터 저장부가, 고장 발생 지점을 판단할 수 있는 수식 및 고장점 표정 연산을 수행할 수 있는 수식을 저장하는 단계;
(b) 상기 센서부가, 전기철도 급전계통에 포함된 변전소, 병렬 구분소 및 급전구분소 상하행선의 전차선 및 급전선의 전류를 센싱하여 전류 데이터를 출력하는 단계;
(c) 상기 고장 판별부가, 상기 센서부에 출력된 전류 데이터값을 이용하여 상기 고장 발생 지점을 판단할 수 있는 수식에 대입하여 고장이 발생한 지점이 변전소-병렬구분소 구간인지, 병렬구분소-급전구분소 구간인지 여부를 판단하는 단계;
(d) 상기 고장점 표정부가, 상기 센서부에 출력된 전류 데이터값을 이용하여 상기 고장점 표정 연산을 수행할 수 있는 수식에 대입하여 고장이 발생한 지점을 변전소-병렬구분소 간 거리 대비 변전소-고장점까지의 거리 비율 또는 병렬구분소-급전구분소 간 거리 대비 병렬구분소-고장점까지의 거리 비율로 산출하는 단계; 및
(e) 상기 차단기 제어부가, 상기 고장점 표정부에서 거리 비율에 따라 고장으로 판단된 해당 차선을 고립시키도록 해당 차단기에 제어신호를 출력하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고장점 표정 방법으로서,
상기 고장점 표정 연산을 수행할 수 있는 수식은 아래의 수식이며,

여기서, L_fault: 변전소-병 렬구분소 간 거리 대비 변전소-고장점까지의 거리 비율 (0~1사이의 값), C: 고장이 발생한 도선, C': 고장이 발생하지 않은 도선, T: 고장이 발생한 차선, T': 고장이 발생하지 않은 차선, SS: Sub-Station, 변전소, I _C,T,SS : 고장이 발생한 차선에서 고장이 발생한 도선에 흐르는, 변전소 측 CT(Current Transfomer, 계기용 변류기)에서 관측된 전류의 실효값이고,
상기 (c) 단계에서, 상기 고장 판별부가 고장이 발생한 지점을 변전소-병렬구분소 구간으로 판단할 때,
상기 (d) 단계는, 상기 고장점 표정부가 상기 변전소에 설치된 센서부에서 출력한 전류 데이터만을 이용하여 상기 고장점 표정 연산을 수행할 수 있는 수식에 대입하여 고장이 발생한 지점을 변전소-병렬구분소 간 거리 대비 변전소-고장점까지의 거리 비율로 산출하는 단계인 것을 특징으로 하는 고장점 표정 방법.
제16항에 있어서,
상기 (a) 단계는, 상기 데이터 저장부가 고장 판단의 기준이 되는 부하 전류값을 더 저장하고 단계인 것을 특징으로 하는 고장점 표정 방법.
제16항에 있어서,
상기 고장 발생 지점을 판단할 수 있는 수식은 아래의 수식이며,
|I_{TF_up_SS} - I_{TF_down_SS}|≤2[A]
|I_{AF_down_SS} - I_{AF_ up_SS}|≤2[A]
여기서, I_{TF_up_SS} : 변전소 상행선 전차선에 흐르는 전류, I_{AF-do wn-SS}: 변전소 하행선 급전선에 흐르는 전류, I_{TF_down_SS}: 변전소 하행선 전차선에 흐르는 전류, I_AF-up-SS: 변전소 상행선 급전선에 흐르는 전류이고,
상기 (c) 단계는, 상기 고장 판별부가,
상기 고장 발생 지점을 판단할 수 있는 수식에 포함된 수식을 모두 만족하지 못할 때에는 고장이 발생한 지점을 변전소-병렬구분소 구간으로 판단하고,
상기 고장 발생 지점을 판단할 수 있는 수식에 포함된 수식을 모두 만족할 때에는 고장이 발생한 지점을 병렬구분소-급전구분소 구간으로 판단하는 단계인 것을 특징으로 하는 고장점 표정 방법.
삭제
제16항에 있어서,
상기 고장점 표정 연산을 수행할 수 있는 수식은 아래의 두 수식이며,

여기서, L_{fault, PP}: 병렬구분소-급전구분소 간 거리 대비 병렬구분소-고장점까지의 거리 비율 (0~1사이의 값), L_{fault, SP}: 병렬구분소-급전구분소 간 거리 대비 병렬구분소-고장점까지의 거리 비율 (0~1사이의 값), C: 고장이 발생한 도선, C': 고장이 발생하지 않은 도선, T : 고장이 발생한 차선, T': 고장이 발생하지 않은 차선, SS: Sub-Station, 변전소, PP: Parallel Post, 병렬구분소, SP: Sectioning Post, 급전구분소, I _C,T,PP : 고장이 발생한 차선에서 고장이 발생한 도선에 흐르는, 병렬구분소 측 CT(Current Transfomer, 계기용 변류기)에서 관측된 전류의 실효값, I _C,T,SP : 고장이 발생한 차선에서 고장이 발생한 도선에 흐르는, 급전구분소 측 CT(Current Transfomer, 계기용 변류기)에서 관측된 전류의 실효값이고,
상기 (c) 단계에서, 상기 고장 판별부가 고장이 발생한 지점을 병렬구분소-급전구분소 구간으로 판단할 때,
상기 (d) 단계는, 상기 고장점 표정부가, 상기 병렬구분소와 상기 급전구분소 각각에 설치된 센서부에서 출력한 전류 데이터를 이용하여 상기 고장점 표정 연산을 수행할 수 있는 수식에 대입하여 고장이 발생한 지점을 병렬구분소-급전구분소 간 거리 대비 병렬구분소-고장점까지의 거리 비율로 산출하는 단계인 것을 특징으로 하는 고장점 표정 방법.
제20항에 있어서,
상기 (d) 단계는, 상기 고장점 표정부가,
상기 고장 발생 지점이 병렬구분소-급전구분소 구간 길이의 50%이내일 때 상기 병렬구분소에 설치된 센서부에서 출력한 전류 데이터를 이용하여 계산된 고장점 표정 결과를 채택하고,
상기 고장 발생 지점이 병렬구분소-급전구분소 구간 길이의 50%를 초과할 때 상기 급전구분소에 설치된 센서부에서 출력한 전류 데이터를 이용하여 계산된 고장점 표정 결과를 채택하는 단계인 것을 특징으로 하는 고장점 표정 방법.