KR102041777B1 - 배전계통의 재폐로 방법 - Google Patents

Abstract

배전계통의 재폐로 방법이 개시된다.
배전계통의 재폐로 방법은 고장전류가 발생된 선로의 고장선로 부하 전류의 기울기의 절대값이 설정값 이상으로 증가된 경우 고장제거로 판단하는 단계를 포함한다.
이러한, 배전계통의 재폐로 방법은 고정된 무전압 시간을 채택하는 종래 재폐로 방법 대비 정전시간을 단축할 수 있다. 또한, 고장전류가 제거되지 않은 상태에서는 재폐로가 수행되지 않기 때문에 고장전류가 제거되지 않은 상태에서도 설정 시간이 지나면 재폐로를 수행하는 종래 재폐로 방법 대비 부하의 손상, 수명 단축 등의 피해를 방지할 수 있다.

Description

배전계통의 재폐로 방법{Method of reclosing distribution system}

본 발명은 정전시간을 단축하도록 중성선 전류와 배전선로의 정전유도 현상을 이용하는 배전계통의 재폐로 방법에 관한 것이다.

배전계통에서 발생하는 대부분의 고장은 일시고장이다. 따라서, 고장전류 차단 후 빠른 회복을 위하여 일정한 무전압시간 이후 재폐로가 시행되고 있다. 재폐로차단기는 고장전류를 차단하고 재폐로를 수행하기 위하여 배전계통 사용되는 장치이다. 한국전력공사의 재폐로 차단기는 도 1과 같이 0.5초와 15초의 무전압 시간을 채택하고 있다. 무전압 시간이 경과되면 재폐로 차단기는 자동으로 재폐로 동작을 시행한다. 1차 재폐로가 실패한다면 자동으로 다시 개방되어 2차 재폐로 동작을 시행하게 된다.

재폐로 동작에서 일시고장과 영구고장을 구별하는 것은 매우 중요하다. 기존의 재폐로 동작의 경우, 고장제거 여부에 상관 없이 재폐로 동작을 시행한다. 송전계통에서 고장제거를 검출하고 무전압 시간을 줄이기 위한 다양한 방법이 제안되었다. 그러나 이 방법들은 배전계통의 구성 및 짧은 길이 등의 이유로 배전계통에는 적용될 수 없다. 배전계통에 적응형 재폐로에 관한 연구는 매우 적다.

'Jun-Hee Park; Hun-Chul Seo; Chul-Hwan Kim; Sang-Bong Rhee. Development of Adaptive Reclosing Scheme Using Wavelet Transform of Neutral Line Current in Distribution System. Electric Power Components and Systems 2016, 44(4), 426-433.'에서는 웨이블릿 변환을 수행하고 전체 고조파 왜형률 계산을 하여 고장제거 판단하는 방법을 제안하였으나, 계산 과정이 복잡한 단점이 있다.

등록특허공보 제10-0343122호(공고일자: 2002년07월05일)

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 배전계통에서 일시고장이 발생된 경우, 종래기술 대비 정전시간을 단축하려는 것이다.

상기 과제의 해결 수단으로서, 본 발명은 아래와 같은 재폐로 방법을 제안한다.

배전계통의 재폐로 방법에 있어서, 고장전류가 발생된 선로의 고장선로 부하 전류의 기울기의 절대값이 설정값 이상으로 증가된 경우 고장제거로 판단하는 단계를 포함하는 배전계통의 재폐로 방법.

이와 같은 재폐로 방법에 있어서, 고장제거 판단 단계는 고장전류가 발생되어 차단기가 개방된 상태에서 수행되는 것일 수 있다.

또한, 고장제거 판단 단계 이후에는 재폐로 수행 단계를 포함할 수 있다.

또한, 상기 부하전류는 중성선으로부터 부하로 흐르는 전류인 것이 바람직하다.

또한, 상기 설정값은 정상선로 부하전류의 기울기의 절대값 대비 같거나 큰 값인 것이 바람직하다.

본 발명은 고정된 무전압 시간을 채택하는 종래 재폐로 방법 대비 정전시간을 단축할 수 있다.

또한, 고장전류가 제거되지 않은 상태에서는 재폐로가 수행되지 않기 때문에 부하의 손상, 수명 단축 등의 피해를 방지할 수 있다.

도 1은 종래의 재패로 동작 개념도,
도 2는 고장전류 차단 후 등가회로,
도 3은 본 발명에 따른 재폐로 방법을 설명하기 위한 배전계통 구성,
도 4는 본 발명에 따른 재폐로 방법의 흐름도,
도 5는 i_{load_rms} 와 │Δi_{load_rms}│의 변화,
도 6은 고장지속시간이 20cycles 일 때 │Δi_{load_rms}│,
도 7은 고장지속시간이 20cycles 일 때 계통 전류,
도 8은 고장지속시간이 40cycles 일 때 │Δi_{load_rms}│,
도 9는 고장지속시간이 40cycles 일 때 계통전류,
도 10은 영구고장일 때 │Δi_{load_rms}│,
도 11은 영구고장일 때 계통전류.

이하, 본 발명의 양호한 실시예를 도시한 첨부 도면들을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명은 배전계통의 재폐로 방법에 있어서, 고장전류가 발생된 선로의 고장선로 부하 전류의 기울기의 절대값이 설정값 이상으로 증가된 경우 고장제거로 판단하는 단계를 포함한다. 이와 같은 재폐로 방법에 있어서, 고장제거 판단 단계는 고장전류가 발생되어 차단기가 개방된 상태에서 수행되는 것일 수 있다. 또한, 고장제거 판단 단계 이후에는 재폐로 수행 단계를 포함할 수 있다. 또한, 상기 부하전류는 중성선으로부터 부하로 흐르는 전류인 것이 바람직하다. 또한, 상기 설정값은 정상선로 부하전류의 기울기의 절대값 대비 같거나 큰 값인 것이 바람직하다.

상기와 같은 배전계통의 재폐로 방법을 구체적으로 살펴보면, 한국의 배전계통은 3상 4선식 22.9kV 다중접지 계통이다. 배전계통의 대부분은 불평형 상태에서 운전되고 있다. 결과적으로 중성선 전류는 정상상태에서도 항상 흐르게 된다. 대칭고장이 발생하더라도 중성선 전류가 항상 흐를 것이라는 것을 의미한다. 따라서, 본 발명에서는 이 전류를 활용한 방법을 제안하는 것이다.

따라서, 본 발명에서는 불평형 배전계통에서 새로운 적응형 재폐로 방법을 제안하기 위해 등가회로를 기반으로 중성선과 배전선로 사이의 정전유도 현상을 분석한다. 그리고 이 분석을 기반으로 새로운 재폐로 방법을 제안하도록, 배전계통의 구성 및 알고리즘 제시와, 시뮬레이션 및 그 결과를 나타낼 것이다.

<중성선과 배전선 사이의 정전유도>

중성선과 배전선로 사이의 정전유도가 분석된다. 도 2는 고장전류 차단 후 등가회로를 나타내고 있다. 도 2는 고장상이 A상이고 건전상은 B상과 C상이라고 가정한다. 각 파라미터의 의미는 아래와 같다.

고장 부분이 배전선로로부터 분리되었을지라도, 고장 이외의 지역은 정상전류가 공급되고 있으므로 불평형 상태로 인한 중성선 전류가 여전히 흐르고 있다. 중성선에 흐르는 전류로 인하여 중성선과 배전선로 사이의 정전유도 현상이 발생한다. 도 2에서 중성선에 흐르는 전류는 정전유도로 인하여 3개의 상전류로 나뉘게 된다.

A 상에 흐르는 전류는 수학식 2와 같다.

건전상의 B상과 C상에 흐르는 전류는 아래와 같다.

상호 커패시턴스 C_Aneu, C_Bneu, C_Cneu가 매우 작기 때문에 수학식 2와 3에서 리액턴스의 차이 또한 매우 작다. 따라서, 수학식 2와 3에서 각 상에 흐르는 전류의 상대적인 크기를 결정하는 것은 선로의 특성 임피던스와 고장저항이다. 고장저항은 보통 선로의 특성 임피던스 보다 작다. 따라서, 고장 동안, 수학식 2에서

이 수학식 3의

보다 작기 때문에 수학식 2의 값은 수학식 3의 값보다 크다. 고장이 제거된다면, 수학식 2의 값과 수학식 3의 값은 같아지게 된다.

다시 말하면, 수학식 2의 값은 고장 동안 큰 값을 가지지만, 고장 제거로 인하여 작은 값으로 바뀌게 된다. 이 특성이 고장제거를 검출하기 위하여 활용된다.

<불평형 배전계통에서 적응형 재폐로 방법>

본 발명에서 새로운 적응형 재폐로 방법을 제안하였다. 이 방법에서 도 3과 같이 계통 전류(i_sys) 및 부하전류(i_load)가 보호계전기에 입력된다. 통신 방법 또한 요구된다. 기존 재폐로차단기로는 적응형 재폐로를 수행할 수 없으므로 차단기와 보호계전기로 대체된다.

제안된 방법의 흐름도는 도 4에 나타나 있다. 우선, 계통 전류와 부하전류를 받은 후 실효치를 계산한다. 계통 전류가 어떤 값(α) 보다 크다면 차단기는 배전선로를 차단하기 위하여 개방된다. 도 2에 나타난 바와 같이 정전유도에 의하여 배전선로에 흐르는 전류는 부하측으로 흐르게 될 것이다. 따라서, 부하 전류가 입력되고 실효치가 계산된다. 그 다음 실효치의 미분의 절대값이 계산된다.

도 5는 고장발생부터 고장 제거까지 i_{load_rms} 와 │Δi_{load_rms}│의 변화를 나타낸다. 고장발생 동안, i_{load_rms}는 변하지 않고, 따라서, │Δi_{load_rms}│또한 변하지 않고 0을 유지한다. 그러나, 고장이 제거된다면, i_{load_rms} 값은 매우 작은 값으로 바뀌기 때문에 │Δi_{load_rms}│는 증가하게 된다. │Δi_{load_rms}│가 일정 값(β) 이상으로 증가하면 지속확인 계수(duration threshold)가 증가한다. 지속확인 계수가 ε이상으로 증가하면 최종적으로 고장제거로 판단하고 그 즉시 재폐로를 수행한다.

<시뮬레이션 및 결과검토>

계통모델:

제안된 방법은 도 3의 배전계통에서 증명된다. 부하 1과 2의 용량은 1000Kw 와 2000Kw이다. 선로 1과 2의 길이와 유형은 10km와 ACSR95㎟이다.

배전계통은 EMTP / ATPDraw를 이용하여 모델링되고, 제안된 방법은 EMTP / MODELS로 구현된다. 샘플링 주파수는 120 samples/cycle이다.

시뮬레이션 조건:

본 발명에서는 불평형율 및 고장조건을 변화시키면서 시뮬레이션을 수행하였다. 불평형율은 수학식 5와 같이 계산된다.

현재 한전의 배전계통은 불평형율을 20%로 제한하고 있다. 따라서, 5%와 10%의 불평형율을 선정하였다. 1선 지락고장 및 3상 지락고장이 시뮬레이션 된다. 또한, 표 1과 같이 다양한 고장저항, 고장지속시간, 고장위치가 시뮬레이션 된다. 모든 경우에, 고장은 0.1초에 발생된다. 고장지속시간이 20cycles인 경우는 고장은 0.433초에 제거되고 40cycles인 경우는 0.766초에 제거된다.

시뮬레이션 조건

불평형율	고장유형	고장저항	고장지속시간	고장위치
5% 10%	1선지락고장 3상지락고장	0.1Ω 10Ω 100Ω	20cycle 40cycle pemanent	10% 50% 90%

시뮬레이션 결과:

표 2는 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 불평형율 및 고장조건에 상관없이 제안하는 알고리즘에 따라 고장제거가 판단되고 재폐로 또한 성공적으로 수행된다. 재폐로는 고장제거 이후 무전압 시간을 기다리지 않고 1/2cycle 지난 시점에서 수행된다. 5%의 불평형율(즉, 중성선 전류가 매우 작은 경우)에서도 재폐로는 고장제거 판단 이후 적응적으로 수행됨을 알 수 있다. 대칭고장 및 비대칭 고장에 상관없이 항상 중성선 전류가 흐르기 때문에 고장유형에 상관없이 재폐로가 성공적으로 수행되는 것도 알 수 있다. 또한, 고저항인 100옴의 고장저항 뿐만 아니라 0.1옴의 매우 낮은 고장저항에서도 재폐로가 성공적으로 수행되며, 전원단 근처의 고장 뿐만 아니라 부하단 근처의 고장에서도 고장위치에 상관없이 재폐로는 성공적으로 수행된다. 불평형율, 고장유형, 고장저항, 고장위치에 상관없이 고장지속시간이 같다면 재폐로는 같은 시간에 수행되는 것 또한 알 수 있다. 영구고장에서는 재폐로가 수행되지 않는다.

시뮬레이션 결과1

불평형율(%)	고장유형	고장저항(Ω)	고장지속시간 (cycles)	고장위치(%)	재폐로시간(s)
5	1선지락	0.1	20	10	0.441
				50	0.441
				90	0.443
			40	10	0.775
				50	0.775
				90	0.776
			영구	10	-
				50	-
				90	-
		10	20	10	0.441
				50	0.441
				90	0.443
			40	10	0.775
				50	0.775
				90	0.776
			영구	10	-
				50	-
				90	-
		100	20	10	0.441
				50	0.441
				90	0.443
			40	10	0.775
				50	0.775
				90	0.776
			영구	10	-
				50	-
				90	-

시뮬레이션 결과2

불평형율(%)	고장유형	고장저항(Ω)	고장지속시간 (cycles)	고장위치(%)	재폐로시간(s)
5	3상 지락	0.1	20	10	0.441
				50	0.441
				90	0.443
			40	10	0.775
				50	0.775
				90	0.776
			영구	10	-
				50	-
				90	-
		10	20	10	0.441
				50	0.441
				90	0.443
			40	10	0.775
				50	0.775
				90	0.776
			영구	10	-
				50	-
				90	-
		100	20	10	0.441
				50	0.441
				90	0.443
			40	10	0.775
				50	0.775
				90	0.776
			영구	10	-
				50	-
				90	-

시뮬레이션 결과3

불평형율(%)	고장유형	고장저항(Ω)	고장지속시간 (cycles)	고장위치(%)	재폐로시간(s)
10	1선지락	0.1	20	10	0.440
				50	0.440
				90	0.441
			40	10	0.774
				50	0.774
				90	0.775
			영구	10	-
				50	-
				90	-
		10	20	10	0.440
				50	0.440
				90	0.441
			40	10	0.774
				50	0.774
				90	0.775
			영구	10	-
				50	-
				90	-
		100	20	10	0.440
				50	0.440
				90	0.441
			40	10	0.773
				50	0.773
				90	0.774
			영구	10	-
				50	-
				90	-

시뮬레이션 결과4

불평형율(%)	고장유형	고장저항(Ω)	고장지속시간 (cycles)	고장위치(%)	재폐로시간(s)
10	3상 지락	0.1	20	10	0.440
				50	0.440
				90	0.441
			40	10	0.774
				50	0.774
				90	0.775
			영구	10	-
				50	-
				90	-
		10	20	10	0.440
				50	0.440
				90	0.441
			40	10	0.774
				50	0.774
				90	0.775
			영구	10	-
				50	-
				90	-
		100	20	10	0.440
				50	0.440
				90	0.441
			40	10	0.773
				50	0.773
				90	0.774
			영구	10	-
				50	-
				90	-

이하, 제안된 방법의 우수성을 증명하기 위하여, 제안된 방법의 시뮬레이션 결과와 기존 재폐로 방법의 시뮬레이션 결과가 비교된다. 비교를 위한 조건은 10%의 불평형율, 1선지락고장, 0.1옴의 고장저항, 10%의 고장위치이다. 기존 재폐로 방법의 경우 0.5초 및 15초를 기다린 후 2회의 재폐로를 수행한다. 시뮬레이션 시간 단축을 위하여 15초 대신에 1.5초를 설정하여 시뮬레이션을 하였다. 각 파형에서 숫자의 의미는 아래와 같다.

(1): 고장발생

(2): 고장발생으로 인한 차단기 개방

(3): 제안된 방법의 재폐로 시간

(4): 기존 재폐로 방법의 1차 재폐로 시간

(5): 기존 재폐로 방법의 2차 재폐로 시간

도 6과 7은 고장지속시간이 20cycles일 때 │Δi_{load_rms}│와 계통전류의 실효치 파형을 나타낸다. 고장이 0.433s에 제거된 이후, │Δi_{load_rms}│는 급격히 증가하고 따라서, 고장제거가 판단된다. 도 7과 같이 제안된 방법의 재폐로는 고장제거 판단 이후 0.44초에 수행된다. 그렇지만 기존 재폐로의 경우 고정된 무전압 시간 0.5초 이후인 0.65초에 재폐로가 수행된다. 따라서, 정전시간은 제안된 방법에 의하여 단축될 수 있다.

도 8은 고장지속시간이 40cycles일 때 │Δi_{load_rms}│를 나타낸다. 고장이 0.766초에 제거된 이후 │Δi_{load_rms}│는 급격히 증가한다. 제안된 방법에 따라 0.773초에 고장제거가 판단되고 재폐로가 즉시 수행된다. 계통전류의 실효치 파형은 도 9에 나타나 있다. 제안된 재폐로 방법에서 0.773초에 재폐로가 성공적으로 수행되고 정상전류가 부하에 공급됨을 알 수 있다. 기존 재폐로의 경우 고장제거 이전인 0.65초에 재폐로가 시도된다. 고장이 제거되지 않았기 때문에 큰 고장전류가 다시 흐르게 되고 따라서 0.7초에 차단기가 다시 개방된다. 2번째 재폐로는 1.5초 이후인 2.2초에 시행되고 정상전류가 부하에 흐르게 된다. 정전시간은 제안된 방법에 의하여 1.45초 단축됨을 알 수 있다. 만약 한전에서 시행하고 있는 15초의 무전압 시간을 적용하였다면 정전시간은 제안된 방법에 의하여 더욱 더 감소될 수 있다.

도 10은 영구고장일 때 │Δi_{load_rms}│를 나타낸다. 이 값은 고장이 제거되지 않았기 때문에 0으로 남아 있다. 도 11은 영구고장일 때 계통전류의 실효치 파형을 나타낸다. 제안된 방법의 경우 재폐로는 시행되지 않는다. 기존 재폐로의 경우 2회의 재폐로가 시행되지만 모두 실패하고 차단기가 다시 개방된다. 재폐로 시도 시 큰 고장전류가 선로, 애자 등의 전기설비에 흐르기 때문에 장비손상, 수명 단축 등의 피해가 발생할 수 있다.

이상과 같이 전력계통은 부하 불평형으로 인하여 불평형상태에서 운전되고 있다. 따라서, 항상 중성선 전류가 흐를 것이다. 본 발명에서는 이 중성선 전류와 배전선로의 정전유도 현상을 기반으로 적응형 재폐로 방법을 제안하였다. 정전유도 현상의 등가회로 해석을 기반으로 고장상과 건전상 사이의 차이가 분석된다. 이 결과를 기반으로 부하전류의 미분의 절대값의 증가를 이용하여 고장제거를 판단하고 재폐로를 수행하는 방법을 제안하였다.

제안하는 방법을 증명하기 위하여 불평형율, 고장유형, 고장저항, 고장지속시간, 고장위치에 따른 다양한 시뮬레이션이 수행되었다. 모든 결과들에서 재폐로가 성공적으로 수행됨을 확인할 수 있었다. 그 뿐만 아니라 기존의 재폐로 방법과 비교함으로서 제안된 방법의 우수성을 증명하였다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (5)

1. 배전계통의 재폐로 방법에 있어서,
   고장전류가 발생되어 차단기가 개방된 상태에서 수행되며, 상기 고장전류가 발생된 고장선로에서 중성선으로부터 부하로 흐르는 전류인 부하전류의 실효치의 미분 절대값

   

   이

   

   이상으로 증가된 경우에 고장제거로 판단하는 단계;와
   재폐로 수행 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배전계통의 재폐로 방법.
   
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