KR102026644B1 - 상전류 편차를 이용한 배전선로의 단선위치 검출 장치와 방법 - Google Patents

상전류 편차를 이용한 배전선로의 단선위치 검출 장치와 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 상전류 편차를 이용한 배전선로의 단선위치 검출 장치 및 방법에 관한 것으로, 상기 장치는 배전선로별 개폐기의 상전류 측정순서, 각 개폐기별 상전류 데이터, 각 개폐기의 말단구간 연결 여부, 각 개폐기별 상전류 편차수준 정보 중 적어도 하나 이상의 정보를 저장하는 개폐기 데이터 관리부와, 각 개폐기별 상전류 데이터를 측정하거나 취득하여 각 개폐기별 상전류 편차수준을 산출한 후, 그 상전류 편차수준 정보를 이용하여 배전선로별 단선고장 여부를 검출하는 단선고장 검출부 및 상기 단선고장 검출부를 통해 배전선로에 단선고장이 있는 것으로 판단될 경우, 상기 개폐기 데이터 관리부에 저장된 정보들을 이용하여 단선위치를 판단하는 단선위치 결정부를 포함한다.

Description

상전류 편차를 이용한 배전선로의 단선위치 검출 장치와 방법{APPARATUS FOR DETECTING DISCONNECTION POSITION OF POWER DISTRIBUTION LINE USING PHASE CURRENT DEVIATION AND THE METHOD THEREOF}
본 발명은 상전류 편차를 이용한 배전선로의 단선위치 검출 장치와 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 배전자동화개폐기에서 측정된 상전류의 편차 정보를 이용하여 배전선로의 단선위치를 정확하고 신속하게 검출할 수 있도록 하는 상전류 편차를 이용한 배전선로의 단선위치 검출 장치와 방법에 관한 것이다.
일반적으로 우리나라 배전선로의 경우 대부분 피복 절연전선을 사용하는데 전선의 피복부분이 지면과 접촉한 경우, 또는 전선의 도체부분이 저항이 높은 물질과 접촉한 경우 지락고장이 발생 하여도 고장전류가 매우 작기 때문에 단선 및 지락고장을 감지하지 못하여 배전선로 보호기기(예 : 차단기, Recloser, 퓨즈 등)가 동작하지 않을 가능성이 있다.
상기와 같이 단선 및 지락고장 위치 검출이 지연될 경우, 단선 후 지표면으로 떨어진 전선의 근처에 있던 사람이 감전 사고에 노출될 가능성이 높아진다. 또한 단선고장 구간으로 인해 건전구간이 전력공급에 영향을 받게 되는 문제점이 있다. 따라서 가능한 신속하게 단선고장 위치를 검출하여 고장구간을 분리할 필요가 있다.
상기와 같은 필요성에 따라 종래에도 단선위치를 검출하기 위한 많은 방법들이 개발되어 왔다. 예컨대 3상 단선의 경우 구간별 배전자동화개폐기에서 측정한 전압 정보를 이용하여 단선위치를 검출하는데 전압계측 결과의 신뢰성이 낮아 정확한 단선위치를 검출하지 못하는 문제점이 있다.
이하, 종래의 단선위치 검출 방법에 대해서 보다 구체적으로 설명한다.
도 1은 종래의 배전자동화개폐기에서 측정된 전압을 이용하여 단선결상 정보를 알려주는 배전자동화 시스템을 설명하기 위한 예시도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 배전선로 간선(12)에 구간별 배전자동화개폐기들(13, 14, 15, 16)이 설치되어 있으며, 배전자동화 주장치(20)와 연결된 각각의 통신채널(21, 22, 23, 24)을 통해 각 배전자동화개폐기의 전력 및 상태 정보를 송수신하며 필요시 배전자동화 주장치(20)에서 제어 명령을 전송하도록 구성된다.
여기서 간선(12)의 첫 번째 배전자동화개폐기(13)와 두 번째 배전자동화개폐기(14) 사이의 배전선로에서 B상에 단선고장이 발생했다고 가정할 경우, 배전자동화 주장치(20)는 각 배전자동화개폐기들(13, 14, 15, 16)로부터 전압 정보를 수신 받고, 상-대지 간 전압 수준이 정상 상태일 때의 전압 수준보다 기 설정된 특정 수준 이하일 경우 배전자동화 단선도 화면(미도시)에 관련된 배전자동화개폐기별로 결상(30, 31)을 표시함으로써 사용자(또는 관리자)가 단선구간(즉, 단선위치)을 쉽게 판단할 수 있도록 한다.
그러나 상기 단선구간 판단방법은 그 자체에는 문제가 없지만, 배전자동화개폐기의 전압측정 결과에 대한 신뢰성이 낮아 활용하기 어려운 문제점이 있다.
즉, 상기 배전자동화개폐기 내부의 전압 측정은 CPT(Capacitance Potential Transformer)를 통해 이루어지는데 다양한 원인으로 인해 계측오차가 발생하기 때문에 측정된 전압의 정확성이 떨어지는 문제점이 있다.
도 2는 상기 도 1에 있어서, 배전자동화개폐기의 전압측정 신뢰성을 알아보기 위해 수행한 측정결과를 그래프로 보인 예시도이다.
도 2에 있어서, X축은 측정 위치, Y축은 전압 값을 나타낸다.
도 2에 도시된 바와 같이, 실제 전압 값으로 추정되는 값(42)과 배전자동화개폐기를 통해 측정된 전압 값(41)은 편차가 매우 크며 불규칙한 성향을 보이고 있음을 알 수 있으며, 그에 따라 전압 계측 결과의 신뢰성이 매우 떨어짐을 확인할 수 있다.
또한 종래의 다른 기술로서, 단선 시 물리적 변화를 감지하는 방법이 있다.
그러나 이 방법은 아이디어로만 존재하거나, 다른 국가에서 1980년대 이전에 사용된 적이 있지만, 국내에서 실제로 구현된 경험이 없는 방법이다. 예컨대 가공 배전선로 단선 시 선로가 지표면으로 내려와서 생기는 충격을 감지하여 이 정보를 전송하는 방식의 아이디어가 존재하고, 과거 일부 국가(예 : 미국)에서는 선로 기울기 변화를 기계적(예 : 전선의 장력 변화)으로 감지하여 중성선과 상 도체를 연결시켜 완전 지락을 유도하는 장치가 존재 하였다.
그러나 상기 방법은 공통적으로 물리적 변화를 감지하는 방식인데 전선이 단선되면 영향을 받는 구간이 길어야 2경간 정도로 매우 짧기 때문에 한 선로 당 설치해야 하는 전기적 또는 기계적 센서의 개수가 많아질 수밖에 없다. 따라서 상기 방법은 설치비용의 증가와 더불어 설치된 다수의 센서 자체의 고장률로 인해 신뢰성이 떨어질 수 있는 문제점이 있다. 또한 다수의 기기를 설치하는 방식은 그 기기 자체의 유지보수 작업도 필요하므로 특수한 상황이 아닌 일반적인 상황에서 적절한 검출방법으로 사용하기는 어렵다.
또한 종래의 또 다른 기술로서, 단선 후 지락고장 전류를 분석하는 방법이 있다. 예컨대 Y 결선방식 다중접지 방사상 배전계통이지만 배전선로 거리 등을 고려하여 배전자동화 시스템을 운영하는 지역이 드물고, 운영 수준이 낮은 북미지역 계통에서 단선 후 지락전류가 작은 고저항 지락고장을 검출하기 위해 변전소 인출지점에서 전류를 분석하는 방법을 사용하고 있다.
이 방법은 장거리 배전선로에서 운영 및 통신비용을 고려할 때 경제성이 높은 장점이 존재하고, 주로 아크가 발생하고 있는 상황을 대상으로 하는 검출방식으로 북미지역의 경우에는 가공 배전선로 중 나선 비율이 높아 논리적으로 합당한 방식이다.
그러나 도 3에 도시된 바와 같이 점퍼선 단선으로 인해 고장전류가 없는 경우 단선고장을 검출하기 어려운 문제점이 있다. 특히 우리나라의 경우 절연전선 비율이 매우 높아 고장전류가 발생하지 않는 확률이 높다. 또한 다른 보조적인 정보를 이용해 검출이 가능하다고 하여도 단선고장 위치를 파악하기 어려운 문제점이 있다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 등록특허 10-1100969호(2011.12.23.등록, 배전선로의 단선 검출 장치 및 그 방법)에 개시되어 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창작된 것으로서, 배전자동화개폐기에서 측정된 상전류의 편차 정보를 이용하여 배전선로의 단선위치를 정확하고 신속하게 검출할 수 있도록 하는 상전류 편차를 이용한 배전선로의 단선위치 검출 장치와 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상전류 편차를 이용한 배전선로의 단선위치 검출장치는, 배전선로별 개폐기의 상전류 측정순서, 각 개폐기별 상전류 데이터, 각 개폐기의 말단구간 연결 여부, 각 개폐기별 상전류 편차수준 정보 중 적어도 하나 이상의 정보를 저장하는 개폐기 데이터 관리부; 각 개폐기별 상전류 데이터를 측정하거나 취득하여 각 개폐기별 상전류 편차수준을 산출한 후, 그 상전류 편차수준 정보를 이용하여 배전선로별 단선고장 여부를 검출하는 단선고장 검출부; 및 상기 단선고장 검출부를 통해 배전선로에 단선고장이 있는 것으로 판단될 경우, 상기 개폐기 데이터 관리부에 저장된 정보들을 이용하여 단선위치를 판단하는 단선위치 결정부;를 포함하며, 상기 개폐기는 배전자동화개폐기인 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기 상전류 측정이나 취득을 위하여 각 개폐기들과 통신하는 통신부;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기 단선위치가 산정되면, 단선도 상에 각 개폐기별 상전류 및 상전류 편차수준과 고장 점을 표시하며, 사용자에게 경보를 출력하는 사용자 인터페이스부;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 개폐기별 상전류 편차수준은, 3상 전류 크기(RMS)의 평균(
Figure 112013077225472-pat00001
)과 3상 전류 크기(RMS) 중 최소값(
Figure 112013077225472-pat00002
)의 차이(
Figure 112013077225472-pat00003
)를 다시 상기 3상 전류 크기(RMS)의 평균(
Figure 112013077225472-pat00004
)으로 나눈 값에 100을 곱하여 산출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 단선고장 검출부는, 미리 설정된 개폐기의 상전류 측정순서에 따라, 강제 폴링(Polling)에 의해 각 개폐기별 상전류를 측정하거나 취득하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 단선고장 검출부는, 각 개폐기별 산출된 상전류 편차수준이 각 개폐기의 측정순서에 따라 증가 추세인 경우 배전선로에 단선고장이 있는 것으로 판단하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 단선고장 검출부는, 측정순서가 느린 상전류 편차수준(
Figure 112013077225472-pat00005
)과 측정순서가 빠른 상전류 편차수준(
Figure 112013077225472-pat00006
)과의 차이가 미리 설정된 오차 수준(
Figure 112013077225472-pat00007
)을 벗어날 경우(
Figure 112013077225472-pat00008
), 상전류 편차수준이 증가추세인 것으로 판단하며, 상기 오차 수준(
Figure 112013077225472-pat00009
)은 전류 계측 시 오차와 배전선로 구간별 불평형을 고려하여 미리 설정되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 단선위치 결정부는, 각 개폐기별 상전류 편차수준의 최대값이 말단구간 전원측에 연결된 개폐기에서 발생한 것이 아니면, 상기 상전류 편차수준의 최대값이 발생한 개폐기의 전원측 구간에서 단선고장이 발생한 것으로 판단하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 단선위치 결정부는, 상전류 편차수준의 최대값이 말단구간 전원측에 직접 연결된 개폐기에서 발생한 것이면, 상기 말단구간 전원측에 직접 연결된 개폐기와 그 개폐기의 전원측에 연결된 개폐기간의 상전류값 중 최대값들의 차이(
Figure 112013077225472-pat00010
)와 상전류값 중 최소값들의 차이(
Figure 112013077225472-pat00011
)를 이용해 다시 그들 간의 차이값(
Figure 112013077225472-pat00012
)을 구하여, 상기 차이값(
Figure 112013077225472-pat00013
)이 '
Figure 112013077225472-pat00014
'이내이면 차이가 없다고 간주하여, 상기 상전류 편차수준의 최대값이 발생된 개폐기의 부하구간에서 단선고장이 발생한 것으로 판단하며, 상기 차이값(
Figure 112013077225472-pat00015
)이 '
Figure 112013077225472-pat00016
'을 초과하면 차이가 있다고 간주하여, 상기 상전류 편차수준의 최대값이 발생된 개폐기의 전원구간에서 단선고장이 발생한 것으로 판단하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 측면에 따른 상전류 편차를 이용한 배전선로의 단선위치 검출 방법은, 개폐기별 상전류 데이터를 측정하거나 취득하는 단계; 상기 개폐기별 상전류 편차수준을 산출하는 단계; 상기 상전류 편차수준 정보를 이용하여 배전선로별 단선고장 여부를 판단하는 단계; 및 상기 배전선로에 단선고장이 있는 것으로 판단될 경우, 각 개폐기별 상전류 데이터 및 상전류 편차수준을 이용하여 단선위치를 판단하는 단계;를 포함하며, 상기 개폐기는 배전자동화개폐기인 것을 특징으로 한다.
본 발명은 배전선로별 개폐기의 상전류 측정순서, 각 개폐기별 상전류 데이터, 각 개폐기의 말단구간 연결 여부, 각 개폐기별 상전류 편차수준 정보 중 적어도 하나 이상의 정보를 저장하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 단선위치를 판단하는 단계는, 미리 지정된 주기나 특정 시간, 또는 미리 설정된 특정 이벤트가 발생되는 경우에 실행되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기 단선위치가 산정되면, 단선도 상에 각 개폐기별 상전류 및 상전류 편차수준과 고장 점을 표시하며, 사용자에게 경보를 출력하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 개폐기별 상전류 편차수준은, 3상 전류 크기(RMS)의 평균(
Figure 112013077225472-pat00017
)과 3상 전류 크기(RMS) 중 최소값(
Figure 112013077225472-pat00018
)의 차이(
Figure 112013077225472-pat00019
)를 다시 상기 3상 전류 크기(RMS)의 평균(
Figure 112013077225472-pat00020
)으로 나눈 값에 100을 곱하여 산출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 개폐기별 상전류 데이터는, 미리 설정된 개폐기의 상전류 측정순서에 따라, 강제 폴링(Polling)에 의해 각 개폐기별 상전류를 측정하거나 취득하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 단선고장 여부를 판단하는 단계는, 각 개폐기별 산출된 상전류 편차수준이 각 개폐기의 측정순서에 따라 증가 추세인 경우 배전선로에 단선고장이 있는 것으로 판단하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 단선고장 여부를 판단하는 단계는, 측정순서가 느린 상전류 편차수준(
Figure 112013077225472-pat00021
)과 측정순서가 빠른 상전류 편차수준(
Figure 112013077225472-pat00022
)과의 차이가 미리 설정된 오차 수준(
Figure 112013077225472-pat00023
)을 벗어날 경우(
Figure 112013077225472-pat00024
), 상전류 편차수준이 증가추세인 것으로 판단하며, 상기 오차 수준(
Figure 112013077225472-pat00025
)은 전류 계측 시 오차와 배전선로 구간별 불평형을 고려하여 미리 설정되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 단선위치를 판단하는 단계는, 각 개폐기별 상전류 편차수준의 최대값이 말단구간 전원측에 연결된 개폐기에서 발생한 것이 아니면, 상기 상전류 편차수준의 최대값이 발생한 개폐기의 전원측 구간에서 단선고장이 발생한 것으로 판단하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 단선위치를 판단하는 단계는, 상전류 편차수준의 최대값이 말단구간 전원측에 직접 연결된 개폐기에서 발생한 것이면, 상기 말단구간 전원측에 직접 연결된 개폐기와 그 개폐기의 전원측에 연결된 개폐기간의 상전류값 중 최대값들의 차이(
Figure 112013077225472-pat00026
)와 상전류값 중 최소값들의 차이(
Figure 112013077225472-pat00027
)를 이용해 다시 그들 간의 차이값(
Figure 112013077225472-pat00028
)을 구하여, 상기 차이값(
Figure 112013077225472-pat00029
)이 '
Figure 112013077225472-pat00030
'이내이면 차이가 없다고 간주하여, 상기 상전류 편차수준의 최대값이 발생된 개폐기의 부하구간에서 단선고장이 발생한 것으로 판단하며, 상기 차이값(
Figure 112013077225472-pat00031
)이 '
Figure 112013077225472-pat00032
'을 초과하면 차이가 있다고 간주하여, 상기 상전류 편차수준의 최대값이 발생된 개폐기의 전원측에서 단선고장이 발생한 것으로 판단하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 배전자동화개폐기에서 측정된 상전류의 편차 정보를 이용하여 배전선로의 단선위치를 정확하고 신속하게 검출할 수 있도록 하는 효과가 있고, 또한 정확한 정보 측정을 통해 단선 고장 검출율을 향상시킬 수 있도록 한다.
도 1은 종래의 배전자동화개폐기에서 측정된 전압을 이용하여 단선결상 정보를 알려주는 배전자동화 시스템을 설명하기 위한 예시도.
도 2는 상기 도 1에 있어서, 배전자동화개폐기의 전압측정 신뢰성을 알아보기 위해 수행한 측정결과를 그래프로 보인 예시도.
도 3은 가공 배전선로의 점퍼선 단선 형태를 보인 예시도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 상전류 편차를 이용한 배전선로의 단선위치 검출 장치의 개략적인 구성을 보인 예시도.
도 5는 본 발명에 따른 단선위치 검출방법을 이용하여 주 간선 배전선로에서 측정 구간별 정상상태의 상전류 편차특성을 설명하기 위한 예시도.
도 6은 본 발명에 따른 단선위치 검출방법을 이용하여 주 간선에서 분기선까지 확장한 배전선로에서 측정 구간별 정상상태의 상전류 편차특성을 설명하기 위한 예시도.
도 7은 본 발명에 따른 단선위치 검출방법에 관련하여 3분할 선로에서의 구간부하 50A 수준에서 상전류 편차의 최대값 분포를 보인 예시도.
도 8은 본 발명에 따른 단선위치 검출방법에 관련하여 3분할 선로에서의 구간부하 50A 수준에서 상전류 편차의 최소값 분포를 보인 예시도.
도 9는 본 발명에 따른 단선위치 검출방법을 이용한 주 간선의 첫 번째 구간에서 1선 단선 시 상전류 편차 특성을 보인 예시도.
도 10은 상기 도 9에 있어서, 주 간선의 두 번째 구간에서 1선 단선 시 상전류 편차 특성을 보인 예시도.
도 11은 상기 도 9에 있어서, 주 간선의 세 번째 구간에서 1선 단선 시 상전류 편차 특성을 보인 예시도.
도 12는 본 발명에 따른 단선위치 검출방법을 이용한 주 간선의 첫 번째 구간에서 2선 단선 시 상전류 편차 특성을 보인 예시도.
도 13은 상기 도 12에 있어서, 주 간선의 두 번째 구간에서 2선 단선 시 상전류 편차 특성을 보인 예시도.
도 14는 상기 도 12에 있어서, 주 간선의 세 번째 구간에서 2선 단선 시 상전류 편차 특성을 보인 예시도.
도 15는 본 발명에 따른 단선위치 검출방법을 이용한 분기선의 첫 번째 구간에서 1선 단선 시 상전류 편차 특성을 보인 예시도.
도 16은 상기 도 15에 있어서, 분기선의 첫 번째 구간에서 2선 단선 시 상전류 편차 특성을 보인 예시도.
도 17은 본 발명에 따른 단선위치 검출 방법을 설명하기 위한 흐름도.
도 18은 상기 도 17에 있어서, 단선위치(단선구간)의 결정 방법을 더 구체적으로 설명하기 위한 흐름도.
도 19는 본 발명에 따른 상전류 편차를 이용한 배전선로의 단선위치 검출 장치를 정상상태의 수용가 3상 평형부하 공급선로에 활용하는 방법을 설명하기 위한 예시도.
도 20은 상기 도 19에 있어서, 1선 단선고장이 발생한 경우 본 발명에 따른 배전선로의 단선위치 검출 장치를 이용해 단선고장을 검출하는 방법을 설명하기 위한 예시도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 상전류 편차를 이용한 배전선로의 단선위치 검출 장치와 방법의 일 실시예를 설명한다.
이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 상전류 편차를 이용한 배전선로의 단선위치 검출 장치의 개략적인 구성을 보인 예시도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 상전류 편차를 이용한 배전선로의 단선위치 검출 장치는, 단선구간을 검출하고 사용자(즉, 배전센터 배전계통 운영 담당자)가 보고 있는 배전자동화 시스템의 화면(즉, 사용자 인터페이스부)를 통해 단선위치(또는 단선구간)을 표시하거나 경보를 출력함으로써 해당 배전자동화개폐기의 조작을 통해 신속히 단선고장에 대응할 수 있도록 한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 상전류 편차를 이용한 배전선로의 단선위치 검출 장치는, 단선고장 검출부(200), 단선위치 결정부(210), 배전자동화개폐기 통신부(231), 배전자동화개폐기 데이터 관리부(232), 사용자 인터페이스부(240), 단선도 표시부(241), 입력 및 제어부(242)를 포함한다.
먼저, 사용자(즉, 배전센터 배전계통 운영 담당자)는 상기 사용자 인터페이스부(240)의 입력/제어부(242)를 통해 배전선로별 상전류 측정순서 및 단선고장 검출부(200)의 실행 주기, 배전자동화개폐기별 말단구간 연결 여부를 상기 개폐기 데이터 관리부(232)에 저장한다.
상기 배전자동화개폐기 통신부(231)는 각 배전자동화개폐기들과 통신을 전담하는 수단으로서, 상기 단선고장 검출부(200)는 배전자동화개폐기의 상전류 데이터 취득이 필요할 때마다 사용자가 미리 설정한 측정순서에 따라 실행되어 각 개폐기별 상전류 데이터를 취득한다. 그리고 이때 취득한 데이터(즉, 각 배전자동화개폐기의 상전류 데이터)는 상기 배전자동화 개폐기 데이터 관리부(232)에 각 개폐기별로 저장된다.
상기 단선고장 검출부(200)는 상기 취득한 각 배전자동화개폐기의 상전류 데이터를 이용하여 단선고장이 있는지 판단한다. 만약 단선고장이 있는 것으로 판단되면, 상기 단선위치 결정부(210)를 실행시켜 단선위치(또는 단선구간)을 산정한다. 이때 상기 단선위치 결정부(210)는 상기 배전자동화개폐기 데이터 관리부(232)에 저장된 정보들(예 : 개폐기별 측정순서, 각 개폐기별 상전류 데이터, 말단구간 연결 여부, 단선고장 검출부에서 계산된 상전류 편차수준 정보 등)을 이용하여 단선위치(또는 단선구간)을 결정한다.
상기 단선위치가 결정되면, 상기 단선위치 결정부(210)는 상기 사용자 인터페이스부(240)의 단선도 표시부(241)에 결과를 전송한다. 그리고 상기 단선도 표시부(241)는 상기 전송받은 결과를 이용하여 단선도 상에 상전류 및 상전류 편차수준과 고장 점을 표시하며 사용자에게 경보를 한다.
이에 따라 사용자(즉, 배전센터 배전계통 운영 담당자)는 단전 상황에 따라 상기 입력 및 제어부(242)를 통해 고장구간에 연결된 해당 배전자동화개폐기들을 차단하여 고장구간을 분리 하도록 명령을 내리고, 해당 배전자동화개폐기 통신부(231)를 통해 제어 명령을 해당 배전자동화개폐기들에 전송하여 차단 동작을 수행할 수 있도록 한다.
이하, 상기 본 발명에 따른 장치에서 단선고장 검출과 단선위치 결정을 위해 사용하는 상전류 편차(또는 편차수준)의 산출 방법, 상기 상전류 편차의 특성, 및 본 발명의 장치를 이용해 1~2선 단선위치를 결정하는 구체적인 방법을 다양한 실시예의 도면을 참조하여 설명한다.
통상적으로, 3상 단선은 풍우 등의 자연재해나 일반인 과실에 의해 발생한 경우가 많아 발생 시 신고로 인해 이미 고장현상을 배전센터에서 알고 있을 가능성이 높다. 그리고 대부분의 배전선로 단선고장은 1~2선 고장으로 알려져 있다. 또한 이미 상술한 바와 같이 3상 단선의 경우, 단선고장 검출을 위해 기본적으로 구간별 배전자동화개폐기에서 측정한 전압 정보를 이용하는데, 전압계측 결과의 신뢰성이 떨어지는 문제가 존재한다.
따라서 본 발명에서는 1~2선 단선 시 각상 전류들의 편차가 구간별로 변화하는 현상을 이용하여 단선위치를 검출하는 방법을 제공한다.
다시 말해, 본 발명은 외부 사고에 의해 발생할 가능성 높고 그 빈도가 낮은 3상 단선 보다는 1~2선 단선 검출에 목적이 있다. 우선, 상기 1~2선 단선 시 배전선로 구간별 각 상의 전류 값의 변화가 어떠한 특성을 가지고 있는지 분석하기 위해서 정상상태의 상황에 대해서 설명한다.
도 5는 본 발명에 따른 단선위치 검출방법을 이용하여 주 간선 배전선로에서 측정 구간별 정상상태의 상전류 편차특성을 설명하기 위한 예시도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 배전선로의 주 간선에 구간별 배전자동화개폐기들(13, 14, 15, 16)(이하, 개폐기로 기재)이 설치되어 있으며, 변전소(11)로부터 4번 개폐기(16)까지 공급되고 있는 배전선로 구간부하는 1번 개폐기(13)와 2번 개폐기(14) 사이에 50A(51), 2번 개폐기(14)와 3번 개폐기(15) 사이에 20A(52), 3번 개폐기(15)와 4번 개폐기(16) 사이에 30A(53)가 있는 것으로 가정한다.
이때 각 배전자동화개폐기의 단말장치(미도시)에 기록된 각 상의 전류 값은, 3번 개폐기(15)의 경우 말단구간부하(30A) 만을 고려한 상전류 화면(63)이 표시되고, 2번 개폐기(14)의 경우 3번 개폐기(15)의 전류 값(30A)에 2번 개폐기(4)와 3번 개폐기(15) 사이의 구간부하(20A)를 더한 상전류 화면(62)이 표시된다. 마찬가지로, 1번 개폐기(13)의 경우도 2번 개폐기(14)의 전류 값(50A)에 1번 개폐기(13)와 2번 개폐기(14) 사이의 구간부하(50A)를 더한 상전류 화면(61)이 표시된다.
이때 상별 전류값(즉, 상전류)의 불평형 수준을 나타내는 방법은 수학식 1과 같이 대칭성분을 이용하여 구하는 방법 등 다양한 정의가 존재한다.
Figure 112013077225472-pat00033
그러나 주장치 서버(20, 도 1 참조)는 배전센터 별로 다수의 배전선로로부터 전송되는 정보를 처리해야 하므로 부담을 최소화 하는 방식을 선택해야 한다. 또한 대칭성분은 기본적으로 각상의 전류에 대해 위상각 정보가 필요한데 현재 대부분의 배전자동화개폐기의 단말장치는 이를 처리할 수 없는 실정이다.
따라서 본 발명에서는 다수의 프로그램 시뮬레이션 분석을 통해 각 상전류의 RMS(Root Mean Square) 값으로 3상 전류의 불평형 또는 편차 수준(즉, 상전류 편차수준)을 나타내는 수학식 2를 정의하였다.
Figure 112013077225472-pat00034
여기서,
Figure 112013077225472-pat00035
: 3상 전류 크기(RMS)의 평균,
Figure 112013077225472-pat00036
: 3상 전류 크기(RMS) 중 최소값을 의미한다.
상기 수학식 2를 이용하여 정상상태 일 때의 각 배전자동화개폐기에서의 상전류 편차수준(71, 72, 73)을 산출할 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 각 배전자동화개폐기 사이의 구간부하의 불평형에 상관없이 각 배전자동화개폐기의 상전류(A, B, C상)가 완벽한 평형을 이룰 때(즉, 정상상태 일 때) 상전류 편차수준은 0% 임을 알 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 단선위치 검출방법을 이용하여 주 간선에서 분기선까지 확장한 배전선로에서 측정 구간별 정상상태의 상전류 편차특성을 설명하기 위한 예시도이다.
도 6은 주간선뿐만 아니라 분기선까지 확장하여 배전자동화개폐기의 구간별 부하를 가정하여 각 개폐기에서 측정되는 상전류 값을 구한 후 상전류 편차수준을 산정한 결과이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 배전선로의 주 간선에 구간별 배전자동화개폐기들(13, 14, 15, 16)이 설치되어 있으며, 2번 개폐기(14)와 3번 개폐기(15) 사이에서 분기된 분기선에 구간별 배전자동화개폐기들(17, 18, 19)이 설치되어 있으며, 이때 분기선의 구간부하는 5번 개폐기(17)와 6번 개폐기(18) 사이에 30A(55), 6번 개폐기(18)와 7번 개폐기(19) 사이에 20A(56)가 있는 것으로 가정한다.
이때 각 배전자동화개폐기(13 ~ 19)의 상전류(A, B, C상)가 완벽한 평형을 이루고 있으므로, 상기 수학식 2를 이용하여 각 배전자동화개폐기에서의 상전류 편차수준(71, 72, 73, 75, 76)을 산출하면 0% 로써 모두 정상상태임을 알 수 있다.
하지만 실질적으로, 배전자동화개폐기의 CT(Current Transformer)를 통해 측정된 전류의 오차가 약 ㅁ 3% 로 알려져 있으므로, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 완벽한 상전류 간 평형이 되는 정상상태는 존재하기 어렵다. 또한 전류측정에 오차가 없다고 하더라도 실제 배전선로에서 상전류 간에 완벽한 평형을 이루기는 어려운 실정이다.
따라서 정상상태에서 상전류 편차의 범위를 정하여 단선검출을 위한 알고리즘에 참고할 필요가 있다. 즉, 특정 범위 이내의 변화(즉, 상전류 편차)에 대해서는 무시하는 방식을 적용하는 것이다.
참고로, 우리나라 배전선로는 연계점 기준으로 볼 때 3분할 기준으로 설계된다. 실제 배전자동화개폐기의 개수는 더 많을 수 있지만, 설계기준을 반영하여 주 간선만 살펴보면 도 1과 유사하다고 할 수 있다.
또한 변전소의 인출단 기준 각 상의 전류 값이 평균 150A 이므로, 도 1에 도시된 선로에 각 구간부하를
Figure 112013077225472-pat00037
로 지정하여 k에 상한 +10% 하한 -10% 사이에 난수를 발생시켜 300회 정도 모의 시뮬레이션 하여 각 배전자동화개폐기별 상전류 편차수준 중 최대값의 히스토그램을 도 7과 같이 산출하고, 최소값의 히스토그램을 도 8과 같이 산출하였다. 즉, 구간부하가 최대 +10%에서 최소 -10% 차이가 발생하므로 상전류 차이가 20% 가 될 수 있는 상황을 모의 시뮬레이션 한 것이다.
도 7은 본 발명에 따른 단선위치 검출방법에 관련하여 3분할 선로에서의 구간부하 50A 수준에서 상전류 편차의 최대값 분포를 보인 예시도이고, 도 8은 본 발명에 따른 단선위치 검출방법에 관련하여 3분할 선로에서의 구간부하 50A 수준에서 상전류 편차의 최소값 분포를 보인 예시도이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 최대값의 평균은 약 6.4% 이고, 도 8에 도시된 바와 같이, 최소값의 평균은 약 2.9%로서 그 차이는 약 3.5% 였다.
그러나 최악의 상황이 벌어질 수 있음을 고려할 필요가 있다.
즉, 도 7에 도시된 바와 같이, 최대값 상한은 약 13% 이고, 도 8에 도시된 바와 같이 최소값 하한은 약 1% 이므로 그 범위는 약 12% 임을 알 수 있다.
이상으로 정상상태에서의 상전류 편차에 대해서 설명하였다.
이하 1선 단선 시 구간별 상전류 편차의 변화에 대해서 설명한다.
도 9는 본 발명에 따른 단선위치 검출방법을 이용한 주 간선의 첫 번째 구간에서 1선 단선 시 상전류 편차 특성을 보인 예시도이고, 도 10은 상기 도 9에 있어서, 주 간선의 두 번째 구간에서 1선 단선 시 상전류 편차 특성을 보인 예시도이며, 도 11은 상기 도 9에 있어서, 주 간선의 세 번째 구간에서 1선 단선 시 상전류 편차 특성을 보인 예시도이다.
편의상, 각 배전자동화개폐기 사이의 구간부하(51, 52, 53)는 이전의 구간부하(도 5 참조)와 동일하지만, 단선이 발생한 구간의 해당 상(A, B, C 상 중 어느 한 상) 에서는 구간부하 전류가 반으로 줄어든다고 가정한다. 또한 단선 지점 이후의 실질적인 전선의 전류는 "0"인데 측정오차에 의해 측정 전류는"2"로 나타난다고 가정하여 설명한다.
도 9에 도시된 바와 같이, 첫 번째 구간에서 1선(예 : C상) 단선이 발생할 경우, 1번 개폐기(13)에서는 단선이 발생한 C상의 구간부하 전류가 반으로 줄어든 25A가 측정되고, 상기 단선 지점 이후에 있는 2번 개폐기(14)와 3번 개폐기(15)의 C상 측정전류는 "2"가 됨을 알 수 있다.
그리고 각 개폐기(13, 14, 15)에서의 상전류 편차수준을 산출하면, 1번 개폐기(13)에서 67%, 2번 개폐기(14)에서 94%, 3번 개폐기(15)에서 90%가 산출되며 정상상태 일 때와 비교할 때 값이 증가했음을 알 수 있다. 또한 단선이 발생한 구간의 바로 다음에 있는 배전자동화개폐기(즉, 2번 개폐기)에서 산출된 상전류 편차수준이 다른 배전자동화개폐기에서 산출된 상전류 편차수준과 비교할 때 최대인 것을 확인할 수 있다.
도 10에 도시된 바와 같이, 두 번째 구간에서 1선(예 : C상) 단선이 발생할 경우, 2번 개폐기(14)에서는 단선이 발생한 C상의 구간부하 전류가 반으로 줄어든 10A가 측정되고, 상기 단선 지점 이후에 있는 3번 개폐기(15)의 C상 측정전류는 "2"가 됨을 알 수 있다.
그리고 각 개폐기(13, 14, 15)에서의 상전류 편차수준을 산출하면, 1번 개폐기(13)에서 31%, 2번 개폐기(14)에서 73%, 3번 개폐기(15)에서 90%가 산출되며 정상상태 일 때와 비교할 때 값이 증가했음을 알 수 있다. 또한 단선이 발생한 구간의 바로 다음에 있는 배전자동화개폐기(즉, 3번 개폐기)에서 산출된 상전류 편차수준이 다른 배전자동화개폐기에서 산출된 상전류 편차수준과 비교할 때 최대인 것을 확인할 수 있다.
도 11에 도시된 바와 같이, 세 번째 구간(즉, 말단구간)에서 1선(예 : C상) 단선이 발생할 경우, 3번 개폐기(15)에서는 단선이 발생한 C상의 구간부하 전류가 반으로 줄어든 15A가 측정됨을 알 수 있다.
그리고 각 개폐기(13, 14, 15)에서의 상전류 편차수준을 산출하면, 1번 개폐기(13)에서 11%, 2번 개폐기(14)에서 22%, 3번 개폐기(15)에서 40%가 산출되며 정상상태 일 때와 비교할 때 값이 증가했음을 알 수 있다.
다만, 상기와 같이 말단구간에서 단선이 발생한 경우, 그 단선지점의 바로 이전에 있는 개폐기(즉, 3번 개폐기)의 상전류 편차가 최대로 나타난다.
상기와 같이 1선 단선일 때의 상전류 편차수준은, 말단구간에서 단선이 발생한 경우를 제외하면 모두 단선이 발생한 구간의 바로 다음에 있는 배전자동화개폐기에서 측정한 상전류 편차수준이 최대가 되는 특징이 있음을 알 수 있다.
이하 2선 단선 시 구간별 상전류 편차의 변화에 대해서 설명한다.
도 12는 본 발명에 따른 단선위치 검출방법을 이용한 주 간선의 첫 번째 구간에서 2선 단선 시 상전류 편차 특성을 보인 예시도이고, 도 13은 상기 도 12에 있어서, 주 간선의 두 번째 구간에서 2선 단선 시 상전류 편차 특성을 보인 예시도이며, 도 14는 상기 도 12에 있어서, 주 간선의 세 번째 구간에서 2선 단선 시 상전류 편차 특성을 보인 예시도이다.
편의상, 각 배전자동화개폐기 사이의 구간부하(51, 52, 53)는 이전의 구간부하(도 5 참조)와 동일하지만, 단선이 발생한 구간의 해당 상(A, B, C 상 중 어느 한 상) 에서는 구간부하 전류가 반으로 줄어든다고 가정한다. 또한 단선 지점 이후의 실질적인 전선의 전류는 "0"인데 측정오차에 의해 측정 전류는"2"로 나타난다고 가정하여 설명한다.
도 12에 도시된 바와 같이, 첫 번째 구간에서 2선(예 : B상, C상) 단선이 발생할 경우, 1번 개폐기(13)에서는 단선이 발생한 B상과 C상의 구간부하 전류가 반으로 줄어든 25A가 측정되고, 상기 단선 지점 이후에 있는 2번 개폐기(14)와 3번 개폐기(15)의 B상과 C상 측정전류는 "2"가 됨을 알 수 있다.
그리고 각 개폐기(13, 14, 15)에서의 상전류 편차수준을 산출하면, 1번 개폐기(13)에서 50%, 2번 개폐기(14)에서 89%, 3번 개폐기(15)에서 82%가 산출되며, 1선 단선고장 발생인 경우보다 편차수준이 작게 감소했음을 알 수 있다. 하지만 1선 단선고장인 경우와 마찬가지로, 단선이 발생한 구간의 바로 다음에 있는 배전자동화개폐기(즉, 2번 개폐기)에서 산출된 상전류 편차수준이 다른 배전자동화개폐기에서 산출된 상전류 편차수준과 비교할 때 최대인 것을 확인할 수 있다.
도 13에 도시된 바와 같이, 두 번째 구간에서 2선(예 : B상, C상) 단선이 발생할 경우, 2번 개폐기(14)에서는 단선이 발생한 B상과 C상의 구간부하 전류가 반으로 줄어든 10A가 측정되고, 상기 단선 지점 이후에 있는 3번 개폐기(15)의 B상과 C상 측정전류는 "2"가 됨을 알 수 있다.
그리고 각 개폐기(13, 14, 15)에서의 상전류 편차수준을 산출하면, 1번 개폐기(13)에서 18%, 2번 개폐기(14)에서 57%, 3번 개폐기(15)에서 82%가 산출되며, 1선 단선고장 발생인 경우보다 편차수준이 작게 감소했음을 알 수 있다. 하지만 1선 단선고장인 경우와 마찬가지로, 단선이 발생한 구간의 바로 다음에 있는 배전자동화개폐기(즉, 3번 개폐기)에서 산출된 상전류 편차수준이 다른 배전자동화개폐기에서 산출된 상전류 편차수준과 비교할 때 최대인 것을 확인할 수 있다.
도 14에 도시된 바와 같이, 세 번째 구간(즉, 말단구간)에서 2선(예 : B상, C상) 단선이 발생할 경우, 3번 개폐기(15)에서는 단선이 발생한 B상과 C상의 구간부하 전류가 반으로 줄어든 15A가 측정됨을 알 수 있다.
그리고 각 개폐기(13, 14, 15)에서의 상전류 편차수준을 산출하면, 1번 개폐기(13)에서 6%, 2번 개폐기(14)에서 13%, 3번 개폐기(15)에서 25%가 산출되며, 1선 단선고장 발생인 경우보다 편차수준이 작게 감소했음을 알 수 있다. 다만, 상기와 같이 말단구간에서 단선이 발생한 경우, 그 단선지점의 바로 이전에 있는 개폐기(즉, 3번 개폐기)의 상전류 편차가 최대로 나타난다.
상기와 같이 2선 단선일 때의 상전류 편차수준은, 말단구간에서 단선이 발생한 경우를 제외하면 모두 단선이 발생한 구간의 바로 다음에 있는 배전자동화개폐기에서 측정한 상전류 편차수준이 최대가 되는 특징이 있음을 알 수 있다. 또한 1선 단선의 경우와 마찬가지로 말단구간에서 단선 시 바로 앞에 있는 개폐기의 상전류 편차가 최대로 나타나는 특징이 있음을 알 수 있다.
이상으로 주 간선에서 1~2선 단선이 발생한 경우, 각 배전자동화개폐기의 상전류 편차 특성을 설명하였다.
이하 실제 배전선로에 가까운 T자형 선로의 분기선에서 1~2선 단선고장이 발생할 경우 각 배전자동화개폐기의 상전류 편차 특성에 대해서 설명한다. 그에 따라 상기 주 간선에서 1~2선 단선이 발생한 경우의 상전류 편차 특성이 분기선에 단선이 발생하는 경우에도 유지되는지에 대해서 설명한다.
도 15는 본 발명에 따른 단선위치 검출방법을 이용한 분기선의 첫 번째 구간에서 1선 단선 시 상전류 편차 특성을 보인 예시도이다.
도 15는 주 간선뿐만 아니라 분기선까지 확장하여 배전자동화개폐기의 구간별 부하를 가정하여 각 개폐기에서 측정되는 상전류 값을 구한 후 상전류 편차수준을 산정한 결과이다.
도 15에 도시된 바와 같이, 배전선로의 주 간선에 구간별 배전자동화개폐기들(13, 14, 15, 16)이 설치되어 있을 때, 2번 개폐기(14)와 3번 개폐기(15) 사이에서 분기된 분기선에 구간별 배전자동화개폐기들(17, 18, 19)이 설치되며, 이때 분기선의 구간부하는 5번 개폐기(17)와 6번 개폐기(18) 사이에 30A(55), 6번 개폐기(18)와 7번 개폐기(19) 사이에 20A(56)가 있는 것으로 가정한다.
도 15에 도시된 바와 같이, 분기선의 첫 번째 구간에서 1선(예 : C상) 단선이 발생할 경우, 5번 개폐기(17)에서는 단선이 발생한 C상의 구간부하 전류가 반으로 줄어든 15A가 측정되고, 상기 단선 지점 이후에 있는 6번 개폐기(18)의 C상 측정전류는 "2"가 됨을 알 수 있다.
그리고 각 개폐기(13 ~ 19)에서의 상전류 편차수준을 산출하면, 1번 개폐기(13)에서 17%, 2번 개폐기(14)에서 26%, 3번 개폐기(15)에서 0%, 5번 개폐기(17)에서 61%, 6번 개폐기(18)에서 86%가 산출되며, 단선이 발생한 구간의 바로 다음에 있는 배전자동화개폐기(즉, 6번 개폐기)에서 산출된 상전류 편차수준이 다른 배전자동화개폐기에서 산출된 상전류 편차수준과 비교할 때 최대인 것을 확인할 수 있으며, 분기점 이후의 주 간선에 있는 개폐기(즉, 3번 개폐기)는 상전류 편차가 0%로써 분기선의 단선에 영향을 받지 않는 것을 알 수 있다.
상기와 같이 1번 개폐기(13)의 상전류 편차 값(131)인 17% 보다 2번 개폐기(14)의 상전류 편차 값(132)이 26%로 증가하고, 2번 개폐기(14)의 상전류 편차 값(132) 보다 분기선에 있는 5번 개폐기(17)의 상전류 편차 값(135)이 61%로 증가하고, 단선구간의 바로 뒤에 있는 6번 개폐기(18)에서 상전류 편차 값(136)이 86%로 최대를 나타내고 있다. 반면 주 간선에 있는 3번 개폐기(15)의 상전류 편차 값(133)은 0% 로써 단선 발생 전과 차이가 없음을 알 수 있다.
상기와 같이 주 간선에 1선 단선고장이 발생할 경우에 나타나는 상전류 편차 특성이 분기선에 1선 단선고장이 발생하는 경우에도 적용될 수 있음을 알 수 있다.
도 16은 상기 도 15에 있어서, 분기선의 첫 번째 구간에서 2선 단선 시 상전류 편차 특성을 보인 예시도이다.
편의상, 상기 도 15와 동일한 구성에 대한 설명은 생략한다.
도 16에 도시된 바와 같이, 분기선의 첫 번째 구간에서 2선(예 : B상, C상) 단선이 발생할 경우, 5번 개폐기(17)에서는 단선이 발생한 B상과 C상의 구간부하 전류가 반으로 줄어든 15A가 측정되고, 상기 단선 지점 이후에 있는 6번 개폐기(18)의 B상과 C상 측정전류는 "2"가 됨을 알 수 있다.
그리고 각 개폐기(13 ~ 19)에서의 상전류 편차수준을 산출하면, 1번 개폐기(13)에서 9%, 2번 개폐기(14)에서 15%, 3번 개폐기(15)에서 0%, 5번 개폐기(17)에서 44%, 6번 개폐기(18)에서 75%가 산출되었으며, 1선 단선고장 발생인 경우보다 편차수준이 작게 감소했음을 알 수 있다.
따라서 단선이 발생한 구간의 바로 다음에 있는 배전자동화개폐기(즉, 6번 개폐기)에서 산출된 상전류 편차수준이 다른 배전자동화개폐기에서 산출된 상전류 편차수준과 비교할 때 최대인 것을 확인할 수 있으며, 분기점 이후의 주 간선에 있는 개폐기(즉, 3번 개폐기)는 상전류 편차가 0% 로써 분기선의 단선에 영향을 받지 않는 것을 알 수 있다.
상기와 같이 1번 개폐기(13)의 상전류 편차 값(151)인 9% 보다 2번 개폐기(14)의 상전류 편차 값(152)이 15%로 증가하고, 2번 개폐기(14)의 상전류 편차 값(152) 보다 분기선에 있는 5번 개폐기(17)의 상전류 편차 값(155)이 44%로 증가하고, 단선구간의 바로 뒤에 있는 6번 개폐기(18)에서 상전류 편차 값(156)이 75%로 최대를 나타내고 있다. 반면 주 간선에 있는 3번 개폐기(15)의 상전류 편차 값(153)은 0% 로써 단선 발생 전과 차이가 없음을 알 수 있다.
상기와 같이 주 간선에 2선 단선고장이 발생할 경우에 나타나는 상전류 편차 특성이 분기선에 2선 단선고장이 발생하는 경우에도 적용될 수 있음을 알 수 있다.
이상으로 주 간선 및 분기선에서 1~2선 단선고장이 발생할 경우, 본 발명에서 상기 수학식 2를 통해 산출한 상전류 편차 특성에 대하여 설명하였다.
한편 도 1에 도시된 바와 같은 배전자동화 시스템은 주장치(20)와 각각의 통신채널(21 ~ 24)을 통해 각 배전자동화개폐기별로 개폐기 전력 및 상태 정보를 송수신하며 필요시 상기 주장치(20)에서 제어 명령을 송신하게 된다.
상기 배전자동화 시스템은 배전선로 구간부하 관리를 위해 주기적으로 각 배전자동화개폐기에서 측정된 전류를 저장하는데, 이때 각 배전자동화개폐기별로 전류 측정시간이 다른 형태, 즉, 시각동기화가 안 된 형태로 전류 측정이 이루어지고 있다.
최근 광통신을 사용하는 비율이 높아져서 배전선로 내 모든 배전자동화개폐기들의 데이터를 시간적으로 동기 폴링(Polling)을 할 수 있는 FEP(Front-End Processor : 배전자동화 시스템 통신전용 서버)가 개발되어 보급 될 예정이다. 그에 따라, 동기 폴링이 이루어질 경우 각 배전자동화개폐기별로 측정시간의 차이가 1~2초 이내로 줄어들 수 있을 것으로 예상된다. 하지만, 현재와 같이 다수의 통신방식이 시각동기화가 되지 않은 전류 측정 형태에서는 개폐기별 측정시간 차이가 한 선로 내에서 최대 50분 까지도 발생 할 수 있는 상황이다.
따라서 본 발명에 따른 단선위치 검출 방법은 상전류간의 불평형 상태인 상전류 편차수준에 따라 단선고장 위치를 판단하는 방식으로서, 개폐기간의 측정시간은 달라도 어느 한 배전자동화개폐기에서 각각의 상전류를 동시에 측정하므로 이론적으로는 개폐기별 측정시간이 다른 것은 문제가 되지 않는 장점이 있다. 하지만, 개폐기별 측정시간이 50분 차이가 날 경우 단선이 발생한 시간에 실시간으로 검출 정보를 알려줄 수 없는 문제가 발생한다.
따라서 그에 대한 대책으로, 본 발명에서는 사용자가 지정한 시간 마다, 또는 특정 이벤트 발생 후 전원측으로부터 부하측으로 사용자가 미리 지정한 순서에 따라 강제 폴링(Polling)을 수행하여 전류를 측정하여 단선 및 단선위치 검출을 수행하는 방식을 사용한다.
예컨대 표 1과 같이 배전자동화개폐기들의 시간차이가 최소화된 전류 측정을 위하여 강제 폴링을 수행하도록 한다. 여기서 전류 측정순서는 전원측에서 부하측으로 정하고, 말단구간은 도 15의 3번 개폐기(15)와 4번 개폐기(16)의 사이 구간 및 6번 개폐기(18)와 7번 개폐기(19)의 사이 구간을 의미한다.
표 1은 본 발명에 따른 배전자동화개폐기별 측정순서 및 부가적 데이터(예 : 말단구간 전원측에 연결된 개폐기인지 여부)를 테이블로 보인 것이다.
Figure 112013077225472-pat00038
도 17은 본 발명에 따른 단선위치 검출 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 17에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 단선위치 검출 과정은 사용자가 미리 설정한 지정된 주기나 특정 시간에 실행되거나(S101), 외부에서 미리 설정된 특정 이벤트(즉, 외부 실행 이벤트)가 실행되는 경우에 실행된다(S102).
여기서, 상기 외부 실행 이벤트는 다른 단선고장 검출 시스템에 의해서 트리거 되거나, 사용자에 의해서 강제적으로 발생되는 이벤트를 의미하며, 기존 프로그램 루프 동작에 관계없이 인터럽트 될 수 있다.
그리고 상기 지정된 주기나 특정 시간이 되었을 때, 단선고장 검출부(200)는 상기 표 1에 설정된 측정순서에 따라, 강제 폴링을 통해 각 배전자동화개폐기의 상전류를 순차적으로 취득한다(S103). 상기 각 배전자동화개폐기의 상전류 취득은 상기 표 1에 설정된 모든 배전자동화개폐기에 대하여 모두 실시한다(S104)
그리고 상기 단선고장 검출부(200)는 상기 수집된 상전류 데이터를 이용해 상전류 편차수준을 산정한다(S105). 이때 상기 산정된 상전류 편차수준은 각 배전자동화개폐기별로 상기 배전자동화개폐기 데이터 관리부(232)에 저장된다. 그리고 상기 표 1에 정의된 측정순서에 따라 상전류 편차수준 값이 증가하는 추세인지 판단한다(S106).
상기 상전류 편차수준 값이 증가하는 추세인지 여부의 판단은 다음 수학식 3을 이용할 수 있다.
Figure 112013077225472-pat00039
여기서, D : 상전류 편차수준,
i, j : 측정순서를 나타내는 인덱스(i가 j보다 빠름),
Figure 112013077225472-pat00040
: 사용자가 지정한 오차 수준(%)을 의미한다.
만약 상기 산정된 상전류 편차수준이 상기 표 1에 정의된 측정순서에 따라 상전류 편차수준 값이 증가하는 추세를 보이면(S106의 예), 단선고장이 검출된 것으로 판단할 수 있다.
상기와 같이 단선고장이 검출된 것으로 판단되면, 상기 단선위치 결정부(210)는 단선위치(또는 단선구간)를 검출하는 과정을 수행한다. 즉, 상기 상전류 편차수준의 최대값이 나타나고 있는 배전자동화개폐기의 위치에 따라 단선위치(단선구간)를 결정한다(S107).
도 18은 상기 도 17에 있어서, 단선위치(단선구간)의 결정 방법을 더 구체적으로 설명하기 위한 흐름도로서, 도 18에 도시된 바와 같이, 상기 단선위치 결정부(210)는 상기 산정된 상전류 편차수준의 최대값이 나타나고 있는 배전자동화개폐기가 말단구간의 전원측에 직접 연결된 개폐기에서 발생한 것인지 판단한다(S201).
여기서 상기 말단구간은, 도 14를 참조하면, 3번 개폐기(15)와 4번 개폐기(16)를 의미하며, 상기 말단구간의 전원측에 직접 연결된 개폐기는 3번 개폐기(15)를 의미한다. 따라서 상기 말단구간의 전원측에 직접 연결된 개폐기(즉, 3번 개폐기)의 전원측에 연결된 개폐기는 2번 개폐기(14)를 의미한다.
만약, 상기 산정된 상전류 편차수준의 최대값이 말단구간의 전원측에 직접 연결되지 않은 개폐기에서 발생된 것이면(S201의 아니오), 단순히 최대값이 발생한 개폐기의 전원측 구간에서 단선고장이 발생한 것으로 판단한다(S202).
그러나 상기 산정된 상전류 편차수준의 최대값이 말단구간의 전원측에 직접 연결된 개폐기에서 발생된 것이면(S201의 예), 아래의 수학식 4와 수학식 5를 이용하여, 최대값(즉, 상전류 편차수준의 최대값)이 발생한 개폐기의 부하측 단선고장인지 혹은 최대값이 발생 개폐기의 전원측 단선고장인지 판단한다(S203).
Figure 112013077225472-pat00041
Figure 112013077225472-pat00042
여기서,
Figure 112013077225472-pat00043
: 말단구간의 전원측에 직접 연결된 개폐기와 그 개폐기의 전원측에 연결된 개폐기간의 상전류값 중 최대값들의 차이를 의미하고,
Figure 112013077225472-pat00044
은 상전류값 중 최소값들의 차이를 의미한다. 즉,
Figure 112013077225472-pat00045
은 정상적인 상전류의 차이를 의미하고,
Figure 112013077225472-pat00046
은 단선고장으로 인해 줄어든 상전류의 차이를 의미한다. 그리고
Figure 112013077225472-pat00047
은 사용자가 지정한 오차 수준(%)을 의미한다.
다시 말해, 상기 수학식 4와 수학식 5는 말단구간의 전원측에 직접 연결된 개폐기와 그 개폐기의 전원측에 연결된 개폐기간의 정상적인 상전류의 차이(
Figure 112013077225472-pat00048
)와 단선고장으로 인해 줄어든 상전류의 차이(
Figure 112013077225472-pat00049
)를 통해 단선위치가 말단구간의 전원측에 직접 연결된 개폐기의 앞(전원측 구간)인지 뒤(부하측 구간) 인지를 판단하기 위한 것이다.
즉,
Figure 112013077225472-pat00050
과
Figure 112013077225472-pat00051
이 차이가 없으면 그 구간(예 : 도 14의 2번 개폐기와 3번 개폐기 사이) 자체의 구간부하는 일정하므로(즉, 도 14의 A상에서 50-30=20, B상과 C상에서 35-15=20으로 구간부하가 일정하므로) 문제가 없으며, 그 다음 부하측 구간에서 문제가 발생했음을 의미하는 것이다. 반대로,
Figure 112013077225472-pat00052
과
Figure 112013077225472-pat00053
이 차이가 있으면(즉, 도 13의 A상에서 50-30=20, B상과 C상에서 10-2=8로 차이가 있으면) 그 구간(예 : 도 13의 2번 개폐기와 3번 개폐기 사이) 자체의 일부단선으로 인해 부하량이 변경되었음을 의미하는 것이다.
하지만, 상기 수학식 4와 수학식 5에서는
Figure 112013077225472-pat00054
과
Figure 112013077225472-pat00055
이 차이가 없어도 계측 오차로 인해 그 차이가 "0"이 된다는 보장이 없으므로, 그 차이가
Figure 112013077225472-pat00056
의
Figure 112013077225472-pat00057
이내이면 차이가 없는 것으로 간주하고, 반대로 그 차이가
Figure 112013077225472-pat00058
의
Figure 112013077225472-pat00059
을 초과하면 차이가 있는 것으로 간주 한다.
한편, 본 발명에 따른 상전류 편차를 이용한 배전선로의 단선위치 검출 장치는 3상 평형부하 공급선로를 보호하는데 사용될 수도 있다. 즉, 본 발명은 상전류 편차수준을 감시하여 수용가 3상 평형부하 공급선로가 긴 경우에 선로를 보호할 수 있는 방법으로 유용하게 사용될 수 있다.
도 19는 본 발명에 따른 상전류 편차를 이용한 배전선로의 단선위치 검출 장치를 정상상태의 수용가 3상 평형부하 공급선로에 활용하는 방법을 설명하기 위한 예시도이다. 도 20은 상기 도 19에 있어서, 1선 단선고장이 발생한 경우 본 발명에 따른 배전선로의 단선위치 검출 장치를 이용해 단선고장을 검출하는 방법을 설명하기 위한 예시도이다.
도 19에 도시된 바와 같이, 수용가 3상 평형부하 공급선로는, 변압기(300), 변류기(301), 본 발명에 따른 상전류 편차를 이용한 배전선로의 단선위치 검출 장치(302), 3상 차단기(303), 전동기 이외의 3상 평형 전력공급이 필요한 3상 평형부하(304), 3상 전동기부하(305)가 연결되어 있다고 가정한다.
그리고 상기 수용가 3상 평형부하 공급선로가 정상상태라고 가정할 경우, 상기 본 발명에 따른 상전류 편차를 이용한 배전선로의 단선위치 검출 장치(302)에서 산정한 상전류 편차수준은 계측오차를 고려해도 0%에 근접하게 된다. 즉, 상기 수용가 3상 평형부하 공급선로가 정상상태임을 알 수 있다.
그러나 도 20에 도시된 바와 같이, 어느 1선에 단선(또는 지락)이 발생한 경우, 상기 본 발명에 따른 상전류 편차를 이용한 배전선로의 단선위치 검출 장치(302)에서 산정한 상전류 편차수준(예 : 40%)은 급격한 증가되고, 만약 사용자가 미리 설정한 값 이상이 될 경우 상기 차단기(303)를 개방하여 선로를 보호할 수 있도록 한다.
상술한 바와 같이 본 발명은 구형 단말장치에서 계측이 불가할 뿐만 아니라, 계측이 가능하다고 하더라도 배전선로의 각 상의 위치가 중간에 변화하여 신뢰성이 낮은 위상각 및 전압데이터의 측정을 배제하며, 시각동기화가 되지 않은 배전자동화개폐기에서도 신뢰성 높은 전류 값(RMS)을 상별로 신속하게 계측하여 단선위치를 검출함으로써 신뢰성과 신속성을 향상시키는 효과가 있다.
또한 본 발명은 분산전원이 있는 배전선로에서도 적용 가능하며, 기존의 배전자동화 시스템의 하드웨어나 소프트웨어의 일부 변경이나 개선을 통해 구현이 가능하도록 함으로써 경제적으로 비용을 절감할 수 있도록 하는 효과가 있다.
또한 본 발명은 단선고장 감지 능력의 향상으로 인하여 단선고장 위치의 정확하고 신속한 검출을 통해 감전 및 화재사고 예방과 신속한 후속 조치가 가능하도록 함으로서 설비나 서비스에 대한 고객의 거부감을 감소시키고 사고 피해와 처리 비용을 절감할 수 있도록 하는 효과가 있다.
이상으로 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
11 : 변전소 13 ~ 19 : 배전자동화개폐기
200 : 단선고장 검출부 210 : 단선위치 결정부
231 : 배전자동화개폐기 통신부 232 : 배전자동화개폐기 데이터 관리부
240 : 사용자 인터페이스부 241 : 단선도 표시부
242 : 입력 및 제어부 300 : 변압기(300)
301 : 변류기 302 : 단선위치 검출 장치
303 : 3상 차단기 304 : 3상 평형부하
305 : 3상 전동기부하

Claims (19)

  1. 배전선로별 개폐기의 상전류 측정순서, 각 개폐기별 상전류 데이터, 각 개폐기의 말단구간 연결 여부, 각 개폐기별 상전류 편차수준 정보 중 적어도 하나 이상의 정보를 저장하는 개폐기 데이터 관리부;
    각 개폐기별 상전류 데이터를 측정하거나 취득하여 각 개폐기별 상전류 편차수준을 산출한 후, 그 상전류 편차수준 정보를 이용하여 배전선로별 단선고장 여부를 검출하는 단선고장 검출부; 및
    상기 단선고장 검출부를 통해 배전선로에 단선고장이 있는 것으로 판단될 경우, 상기 개폐기 데이터 관리부에 저장된 정보들을 이용하여 단선위치를 판단하는 단선위치 결정부;를 포함하며,
    상기 개폐기는 배전자동화개폐기이며,
    상기 단선위치 결정부는, 각 개폐기별 상전류 편차수준의 최대값이 말단구간 전원측에 연결된 개폐기에서 발생 한 것이 아니면, 상기 상전류 편차수준의 최대값이 발생한 개폐기의 전원 측 구간에서 단선고장이 발생한 것으로 판단하며,
    상기 단선위치 결정부는,
    상전류 편차수준의 최대값이 말단구간 전원측에 직접 연결된 개폐기에서 발생한 것이면 , 상기 말단구간 전원측에 직접 연결된 개폐기와 그 개폐기의 전원측에 연결된 개폐기간의 상전류값 중 최대값들의 차이(
    Figure 112019056057816-pat00112
    )와 상전류값 중 최소값들의 차이(
    Figure 112019056057816-pat00113
    )를 이용해 다시 그들 간의 차이값(
    Figure 112019056057816-pat00114
    )을 구하여,
    상기 차이값(
    Figure 112019056057816-pat00115
    )이 '
    Figure 112019056057816-pat00116
    '이내이면 차이가 없다고 간주하여, 상기 상전류 편차수준의 최대값이 발생된 개폐기의 부하구간에서 단선고장이 발생한 것으로 판단하며,
    상기 차이값(
    Figure 112019056057816-pat00117
    )이 '
    Figure 112019056057816-pat00118
    '을 초과하면 차이가 있다고 간주하여, 상기 상전류 편차수준의 최대값이 발생된 개폐기의 전원구간에서 단 선고장이 발생한 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 상전류 편차를 이용한 배전선로의 단선위치 검출 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 상전류 측정이나 취득을 위하여 각 개폐기들과 통신하는 통신부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상전류 편차를 이용한 배전선로의 단선위치 검출 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 단선위치가 산정되면, 단선도 상에 각 개폐기별 상전류 및 상전류 편차수준과 고장 점을 표시하며, 사용자에게 경보를 출력하는 사용자 인터페이스부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상전류 편차를 이용한 배전선로의 단선위치 검출 장치.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 개폐기별 상전류 편차수준은,
    3상 전류 크기(RMS)의 평균(
    Figure 112013077225472-pat00060
    )과 3상 전류 크기(RMS) 중 최소값(
    Figure 112013077225472-pat00061
    )의 차이(
    Figure 112013077225472-pat00062
    )를 다시 상기 3상 전류 크기(RMS)의 평균(
    Figure 112013077225472-pat00063
    )으로 나눈 값에 100을 곱하여 산출하는 것을 특징으로 하는 상전류 편차를 이용한 배전선로의 단선위치 검출 장치.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 단선고장 검출부는,
    미리 설정된 개폐기의 상전류 측정순서에 따라, 강제 폴링(Polling)에 의해 각 개폐기별 상전류를 측정하거나 취득하는 것을 특징으로 하는 상전류 편차를 이용한 배전선로의 단선위치 검출 장치.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 단선고장 검출부는,
    각 개폐기별 산출된 상전류 편차수준이 각 개폐기의 측정순서에 따라 증가 추세인 경우 배전선로에 단선고장이 있는 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 상전류 편차를 이용한 배전선로의 단선위치 검출 장치.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 단선고장 검출부는,
    측정순서가 느린 상전류 편차수준(
    Figure 112013077225472-pat00064
    )과 측정순서가 빠른 상전류 편차수준(
    Figure 112013077225472-pat00065
    )과의 차이가 미리 설정된 오차 수준(
    Figure 112013077225472-pat00066
    )을 벗어날 경우(
    Figure 112013077225472-pat00067
    ), 상전류 편차수준이 증가추세인 것으로 판단하며,
    상기 오차 수준(
    Figure 112013077225472-pat00068
    )은 전류 계측 시 오차와 배전선로 구간별 불평형을 고려하여 미리 설정되는 것을 특징으로 하는 상전류 편차를 이용한 배전선로의 단선위치 검출 장치.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 개폐기별 상전류 데이터를 측정하거나 취득하는 단계;
    상기 개폐기별 상전류 편차수준을 산출하는 단계;
    상기 상전류 편차수준 정보를 이용하여 배전선로별 단선고장 여부를 판단하는 단계; 및
    상기 배전선로에 단선고장이 있는 것으로 판단될 경우, 각 개폐기별 상전류 데이터 및 상전류 편차수준을 이용하여 단선위치를 판단하는 단계;를 포함하며,
    상기 개폐기는 배전자동화개폐기이고,
    상기 단선위치를 판단하는 단계는,
    각 개폐기별 상전류 편차수준의 최대값이 말단구간 전원측에 연결된 개폐기에서 발생한 것이 아니면, 상기 상전류 편차수준의 최대값이 발생한 개폐기의 전원 측 구간에서 단선고장이 발생한 것으로 판단하며,
    상기 단선위치를 판단하는 단계는,
    상전류 편차수준의 최대값이 말단구간 전원측에 직접 연결된 개폐기에서 발생한 것이면, 상기 말단구간 전원측에 직접 연결된 개폐기와 그 개폐기의 전원측에 연결된 개폐기간의 상전류값 중 최대값들의 차이(
    Figure 112019056057816-pat00119
    )와 상전류값 중 최소값들의 차이(
    Figure 112019056057816-pat00120
    )를 이용해 다시 그들 간의 차이값(
    Figure 112019056057816-pat00121
    )을 구하여,
    상기 차이값(
    Figure 112019056057816-pat00122
    )이 '
    Figure 112019056057816-pat00123
    '이내이면 차이가 없다고 간주하여, 상기 상전류 편차수준의 최대값이 발생된 개폐기의 부하구간에서 단선고장이 발생한 것 으로 판단하며,
    상기 차이값(
    Figure 112019056057816-pat00124
    )이 '
    Figure 112019056057816-pat00125
    '을 초과하면 차이가 있다고 간주하여, 상기 상전류 편차수준의 최대값이 발생된 개폐기의 전원측에서 단선 고장이 발생한 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 상전류 편차를 이용한 배전선로의 단선위치 검출 방법.
  11. 제 10항에 있어서,
    배전선로별 개폐기의 상전류 측정순서, 각 개폐기별 상전류 데이터, 각 개폐기의 말단구간 연결 여부, 각 개폐기별 상전류 편차수준 정보 중 적어도 하나 이상의 정보를 저장하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상전류 편차를 이용한 배전선로의 단선위치 검출 방법.
  12. 제 10항에 있어서, 상기 단선위치를 판단하는 단계는,
    미리 지정된 주기나 특정 시간, 또는 미리 설정된 특정 이벤트가 발생되는 경우에 실행되는 것을 특징으로 하는 상전류 편차를 이용한 배전선로의 단선위치 검출 방법.
  13. 제 10항에 있어서,
    상기 단선위치가 산정되면, 단선도 상에 각 개폐기별 상전류 및 상전류 편차수준과 고장 점을 표시하며, 사용자에게 경보를 출력하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상전류 편차를 이용한 배전선로의 단선위치 검출 방법.
  14. 제 10항에 있어서, 상기 개폐기별 상전류 편차수준은,
    3상 전류 크기(RMS)의 평균(
    Figure 112013077225472-pat00076
    )과 3상 전류 크기(RMS) 중 최소값(
    Figure 112013077225472-pat00077
    )의 차이(
    Figure 112013077225472-pat00078
    )를 다시 상기 3상 전류 크기(RMS)의 평균(
    Figure 112013077225472-pat00079
    )으로 나눈 값에 100을 곱하여 산출하는 것을 특징으로 하는 상전류 편차를 이용한 배전선로의 단선위치 검출 방법.
  15. 제 10항에 있어서, 상기 개폐기별 상전류 데이터는,
    미리 설정된 개폐기의 상전류 측정순서에 따라, 강제 폴링(Polling)에 의해 각 개폐기별 상전류를 측정하거나 취득하는 것을 특징으로 하는 상전류 편차를 이용한 배전선로의 단선위치 검출 방법.
  16. 제 10항에 있어서, 상기 단선고장 여부를 판단하는 단계는,
    각 개폐기별 산출된 상전류 편차수준이 각 개폐기의 측정순서에 따라 증가 추세인 경우 배전선로에 단선고장이 있는 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 상전류 편차를 이용한 배전선로의 단선위치 검출 방법.
  17. 제 16항에 있어서, 상기 단선고장 여부를 판단하는 단계는,
    측정순서가 느린 상전류 편차수준(
    Figure 112013077225472-pat00080
    )과 측정순서가 빠른 상전류 편차수준(
    Figure 112013077225472-pat00081
    )과의 차이가 미리 설정된 오차 수준(
    Figure 112013077225472-pat00082
    )을 벗어날 경우(
    Figure 112013077225472-pat00083
    ), 상전류 편차수준이 증가추세인 것으로 판단하며,
    상기 오차 수준(
    Figure 112013077225472-pat00084
    )은 전류 계측 시 오차와 배전선로 구간별 불평형을 고려하여 미리 설정되는 것을 특징으로 하는 상전류 편차를 이용한 배전선로의 단선위치 검출 방법.
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