KR102116145B1 - 고전압 전기회로망에서 전류 차단 장치를 제어하기 위한 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스위치기어 제어 방법에 관한 것으로, 고전압 전기회로망에서 접속 차단 동안 전력 변압기의 잔류 자속 값을 추정하기 위하여, 용량성 전압 변압기의 전달 함수를 보정함으로써 용량성 전압 변압기에 의해 전달된 측정 전압을 이용하고, 그 값은 최적의 스위치기어 스위칭 순간을 결정하는 제어기로 전달된다.

Description

고전압 전기회로망에서 전류 차단 장치를 제어하기 위한 방법{METHOD FOR CONTROLLING A CURRENT-INTERRUPTING DEVICE IN A HIGH-VOLTAGE ELECTRICAL NETWORK}

본 발명은 고전압 전기회로망에서 스위치기어를 제어하는 방법에 관한 것이다. 이하에, 이해를 돕기 위해, 스위치 기어는 회로 차단기 형태인 것으로 간주한다.

본 발명은 고전압 전기회로망에서 전력 변압기 스위치기어를 동작시키는 것과 관련된 돌입 전류(inrush current)를 줄이는 방법과 관련이 있고, 그 방법은 스위치기어의 스위칭 순간을, 최적의 방법으로, 결정 가능하게 한다.

고전압 전기회로망에서, 회로 차단기와 같은, 스위치기어를 동작시키는 것은, 서지 전압 및 돌입 전류와 같은 외란 발생원이 된다. 그러한 현상은 에너지 수송 네트워크들의 복잡성 및 그것들의 상호접속과 특히 관련이 있다. 그런 동작들과 관련된 과도현상을 제어하기 위해, 스위치기어를 개방(opening) 및/또는 폐쇄(closing)하기 전에 레지스터 및 인덕터를 미리 삽입하는 것 등의 해결책이 있지만, 가장 효과적인 해결책은, 네트워크의 순시 전압의 기능으로서 개방 또는 폐쇄을 위한 최적의 순간을 선택 가능하게 하는, "제어된" 동작에 의해 얻어진다.

진공 전력 변압기(vacuum power transformer)를 접속 차단하는 것은 소수의 과도현상을 발생시킨다. 그러나, 비(非)제어된 순간에 실행된 폐쇄 동작(closing operation)은, 변압기들의 고장 전류 레벨에 도달할 가능성이 있는, 상당한 돌입 전류를 발생시킬 수 있다. 그런 전류는, 전기 공급의 품질을 떨어뜨리고 뉴트럴 전류(neutral current) 불균형의 결과로서 원치않는 동작들이 생기게 하는 심각한 일시 전압을 생성하여, 권선(winding)에 스트레스를 준다. 또한, 변압기의 권선들 내에 가해진 전기력의 스트레스들은 그 권선들의 기대 수명 감소로 이어진다.

그러한 문제를 해결하기 위해, 하기의 비특허 문헌 [1]에 설명된 선행 기술의 해결책은 최적의 폐쇄 순간(optimum closing instant)을 계산하기 위해 알고리즘을 실행하는 것에 있다. 그 알고리즘은 변압기의 단자들에서의 전압들을 알아냄으로써, 잔류 자속의 레벨에 대한 인식이 요구된다. 고전압 변전소에 사용되는 전압 변압기들은, 그 비용 때문에, 매우 자주 용량성 전압 변압기 형태를 갖는다. 그러나, 과도 상태하에서 그런 변압기들의 성능은 적용된 그 형태에 잘 적응하지 못한다. 그것이 잔류 자속을 추정하는 일반적인 방법에 특정 전압 변압기들을 사용하는 이유이다.

자속 값은, 일반적으로 전력 변압기의 단자들에서 전압을 통합함으로써 얻어진다. 잔류 자속은, 자속이 그 평정 값(equilibrium value)에 도달할 만큼 충분히 긴 일정기간 동안, 전력 변압기의 접속 차단 순간(disconnection instant)을 지나 계속되는 통합(integration)을 요구하며, 그 평정 값은 일반적으로 접속 차단 순간에서의 값과 다르다. 그러나, 그 기간 동안, 용량성 전압 변압기에 의해 전달된 전압은 그 자체의 과도 상태에 의해 크게 변경된다. 과제는 과도 상태의 효과를 제거하는데 있다. 종래 기술에 따른 동기식의 폐쇄 방법은 그러한 과제를 해결하지 못하며, 특정한 전압 센서들을 사용하게 한다.

하기의 비특허 문헌 [2]는, 잔류 자속을 고려하는 경우 전력 변압기의 제어된 동작을 설명한다. 그 제어된 동작은, 잔류 자속을 고려하는 동안 변압기의 각 상(phase)을 연결하기 위해 적절한 순간을 선택하는데 있다. 그 문헌은 부가적인 비용을 야기하는 특정 센서들의 사용을 요구한다. 또한, 어떤 전력 변압기 형태들은 그런 센서들과 맞출 수 없다.

[비특허 문헌]

본 발명은, 용량성 전압 변압기에 의해 전달된 전압 측정으로부터 전력 변압기의 잔류 자속을 추정 가능하게 하는 방법을 제안함으로써 상술한 문제를 해결하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 고전압 전기회로망에서 전력 변압기를 접속 차단하기 위한 스위치기어 제어 방법에 관한 것으로, 전력 변압기의 잔류 자속 값은, 용량성 전압 변압기에 의해 전달된 측정 전압으로부터 용량성 전압 변압기의 전달 함수를 보정함으로써 추정되며, 그 값은 최적의 스위치기어 스위칭 순간을 결정하는 제어기로 전달되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 이러한 방법은 다음의 단계를 포함한다.

· 용량성 전압 변압기의 전달 함수를 결정하는 단계;

· 용량성 전압 변압기의 의사 역전달 함수를 결정하는 단계; 및,

· 전력 변압기를 접속 차단하는 단계.

바람직하게는, 용량성 전압 변압기의 전달 함수는, 변압기의 전기회로로부터 결정된다.

바람직하게는, 용량성 전압 변압기의 전달 함수는, 등가 필터의 스텝 응답을 사용하여 극점들과 영점들을 식별함으로써 결정된다.

바람직하게는, 용량성 전압 변압기의 의사 역함수는, 로 패스 필터의 삽입으로 결정된다.

또한, 바람직하게는, 전력 변압기의 접속 차단 동안에는 다음의 단계를 포함한다.

· 용량성 전압 변압기의 출력 전압을 저장하는 단계;

· 의사 역전달 함수를 통한 디지털 처리 단계; 및

· 잔류 자속 값을 얻기 위해 보정된 신호를 통합하는 단계.

도 1은, 종래 기술의 시스템에 따른 고전압 네트워크에서 회로 차단기의 제어된 동작을 나타내는 도이다.
도 2 및 도 3은, 안티 페로 공진회로(anti-ferroresonance circuit)를 갖는 단상 용량성 전압 변압기의 등가 회로를 나타낸다.
도 4는 용량성 전압 변압기의 입력 신호를 재구성하는 방법을 나타낸다.
도 5는 본 발명에 따른 의사 역전달 함수 처리 후에 재구성된 전압 신호를 나타낸다.
도 6은 실효 전압에 대해 재구성된 도 5에서의 전압 신호의 기하학적 보정을 나타낸다.
도 7은 전력 변압기가 접속 차단될 때 실효 자속(실선) 및 추정된 자속(점선)을 나타낸다.
도 8은 본 발명에 따른 방법을 실행하는 시스템의 회로도이다.

도 1은, 종래 기술의 시스템에서, 제어기(11)에 의해 수행된 회로 차단기(10)의 제어된 동작을 나타내는 도이며, 그 제어기(11)는 다양한 다른 종류의 정보를 수신한다.

다양한 다른 종류의 정보는, 다음의 정보를 포함한다.

· 기준 전압(reference voltage), 전류(current), 및 접지(grounding)와 같은 네트워크 정보(12);

· 응용(application), 기간(time periods), 및 보정(compensation)과 같은 조절 정보(13); 및

· 온도, 압력, 보조 전압, 및 보조 압력과 같은 회로 차단기(10)에 관한 정보(14).

또한, 그 제어기(11)는, 모니터링 제어 장치(monitoring control equipment: 15)에 연결되어, 모니터링 제어 장치로 경보 신호를 전송하거나, 모니터링 제어 장치로부터 회로 차단기(10)를 열거나(open) 또는 닫기(close) 위한 명령(O/C 명령)을 수신한다.

다수의 응용들은, 특히 로드되지 않는 전력 변압기(power transformer)의 제어된 스위칭을 위해, 전력 변압기의 잔류 자속 값의 인식(knowledge)이 요구된다. 잔류 자속에 관한 불확실성은 제어된 스위칭의 성능을 상당히 감소시킬 수 있다. 본 발명은 폐쇄 순간(closing instant)의 어떤 성능 저하를 피하기 위해, 파형들에 대한 영향으로 잔류 자속을 식별하는 것의 중요성을 분명히 보여준다. 잔류 자속(remanent flux)은, 자기 재료(magnetic material)의 히스테리시스(hysteresis), 여기 감소(de-excitation)의 순간, 및 그 순간에 전력 계통(power system)의 동작 상태에 달려있다. 그것은 측정에 의해 직접적으로 얻어질 수는 없지만, 변압기의 단자들에서 전압과 같이 보다 쉽게 접근 가능한 신호로부터 유도될 수 있다. 그 전압은 여기 감소 순간의 양측 상의 짧은 시간 윈도우(short time window) 내에서 측정되고 통합된다. 전압 센서로 사용되는 용량성 전압 변압기(CVT: capacitive voltage transformer)들은 고려되어야 할 많은 일시적 에러들을 접하게 된다. 전력 변압기들의 제어된 스위칭에 대한 대부분의 연구는 용량성 전압 변압기들의 본질적인 에러들을 무시한다.

용량성 전압 변압기의 2차 전압을 사용할 때, 최적의 폐쇄 순간을 평가하는데 책임이 있는 알고리즘에서 값을 설정하기 위해, 잔류 자속을 고려하는 동안 1차 전압의 파형을 재구성할 필요가 있다.

도 2는 점감(漸減) 유도형(step-down inductive type)의 변압기(17)를 가지고 용량성 전압 변압기의 특성을 나타낸다. 용량성 전압 분배기로서 사용된 커패시터들 C1, C2 간의 상호 작용 및, 변압기의 비선형 자화 인덕턴스(non-linear magnetization inductance) Ln의 분기(branch)와 조절 인덕턴스(adjustment inductance) Lr은 모두 페로 공진(ferroresonance)으로 알려진 특정한 현상을 일으킬 수 있다. 이러한 현상을 극복하기 위해, 제조 회사들은 진동의 안티 페로 공진회로(AFC: anti-ferroresonance circuit)를 용량성 전압 변압기와 결합시켰다. 그 회로는 변압기의 2차 권선에 연결된다. 그래서, 도 2에 나타낸 모델은 도 3에 나타낸 바와 같이 간략화될 수 있다. 등가 커패시턴스(equivalent capacitance) C는 C1과 C2의 커패시턴스 합과 같다. 인덕턴스 L은 유도 변압기의 권선 인덕턴스들과 조절 인덕턴스 Lr의 합이다. 저항 R은 1차측 저항이다. 그 다음에 자화 인덕턴스(magnetization inductance) Lμ는, 변압기의 전압 레벨이 주어진, 선형 존(linear zone)에 위치한다. 이러한 인덕턴스는 용량성 전압 변압기의 다른 구성요소에 비해 무시될 수 있다. 용량성 전압 변압기는 다음의 형태의 전달 함수를 갖는 밴드 패스 필터로서 고려될 수 있다.

여기서, m≥2, n≥1, m-n≥1.

도 4는 용량성 전압 변압기의 입력에서의 전압 신호를 재구성하는 전반적인 방법을 나타낸다. 개방 상태의 전력 변압기에서의 전압은 입력 신호(V_input)로 간주된다. 접속 차단 순간의 양측 상의 단구간 윈도우(short window) 동안 측정이 수행된다. "의사 실시간(pseudo real-time)"에 대한 처리가 뒤따른다. 용량성 전압 변압기의 출력 신호(V_output)가 측정되고(V_probe), 재구성된 신호(V_reconstituted)를 얻기 위해 의사 역전달 함수(

)을 이용하여 처리된다.

여기서, T(p)는 오더 m-n의 로 패스 필터(low-pass filter)를 나타낸다.

직접적 역변환(inversion)은, 전달 함수 H_cvt의 차수(degree)가 1과 같거나 1보다 크기 때문에 수행될 수 없다. 이렇게 하여 로 패스 필터가 용량성 전압 변압기의 통과 대역의 기능으로서 선택된다. 그 필터의 차단 주파수는 용량성 전압 변압기의 통과 대역의 상한(upper limit)보다 훨씬 높고, 그 필터의 이득은 1이다.

도 5는 의사 역전달 함수(

)에 의한 처리 후의 재구성된 전압 신호 s를 나타낸다. 그런데, 측정 윈도우에서의 오프셋(offset)들의 존재는, 저주파수 적분기 (

)로 인해 재구성된 신호의 발산(divergence)으로 이어질 수 있다.

도 6은 실선으로서 실효 변압기 전압(real transformer voltage)과 함께, 점선으로서 재구성되고 보정된 전압 신호를 나타낸다. 기하학적 보정을 이용하고, 램프(ramp)를 사용하여, 발산이 쉽게 보정될 수 있고, 그 때 얻어진 신호는 매우 큰 정확도로 전력 변압기에서의 전압 신호에 일치한다.

도 7은 실효 자속(실선) 및 추정된 자속(점선)을 가지고, 전력 변압기가 접속 차단될 때의 자속을 나타낸다.

전력 변압기를 접속 차단하자마자 자속 신호를 얻기 위해 재구성되고 보정된 신호가 사용된다.

도 8은 본 발명의 스위치 기어 제어 방법을 실행하는 시스템을 나타낸다. 이 시스템은 용량성 전압 변압기(21)로부터 전압과 용량성 전압 변압기의 전달 함수를 수신하며, 회로 차단기(23)에 대한 개방/폐쇄 순간을 결정하는 제어기(22)로 잔류 자속 값을 전달하는 컴퓨터(20)를 포함한다. 용량성 전압 변압기(21)는 회로 차단기(23)의 출력과 전력 변압기(24)의 입력 사이에 연결된다. "V"는 공급원(source) 또는 네트워크를 나타낸다. 그래서, 본 발명의 따른 방법은 다음의 단계들을 연속하여 포함한다.

· 만일 제공된다면, 용량성 전압 변압기의 전기회로로부터; 또는 등가 필터(equivalent filter)의 스텝 응답(step response)을 사용하여 극점들(poles)과 영점들(zeros)을 식별함으로써, 용량성 전압 변압기의 전달 함수를 결정하는 단계;

·의사 역전달 함수를 결정하는 단계, 여기서, 전달 함수의 역변환(inversion)은 직접적이지 않다. 역변환 동작으로 부과된 안정 조건(stability conditions)을 지키기 위해서, 용량성 전압 변압기의 동등한 과도 응답의 원인이 되지 않게, 선택된 필터인 로 패스 필터를 삽입할 필요가 있다.

·그 다음에, 실시간으로, 전력 변압기를 접속 차단하는 단계, 여기서, 이 단계는, 용량성 전압 변압기의 출력 전압을 저장하는 단계; 의사 역전달 함수를 통한 디지털 처리 단계; 및 잔류 자속 값을 얻기 위해 보정된 신호를 통합(integration)하는 단계를 갖는다.

계산 시간은 재폐쇄(reclosing)에 대한 사이클 타임과 일치한다. 그래서 계산들은 진짜 "실시간" 계산들이다.

Claims (6)

1. 고전압 전기회로망에서 전력 변압기의 접속을 차단하는 스위치기어 제어 방법으로서,
   상기 전력 변압기의 잔류 자속 값이 상기 스위치기어의 출력과 상기 전력 변압기의 입력 사이에 연결된 하나의 용량성 전압 변압기에 의해 전달된 측정 전압으로부터 상기 하나의 용량성 전압 변압기의 전달 함수를 보정함으로써 추정되고,
   상기 잔류 자속 값이 최적의 스위치기어 스위칭 순간을 결정하는 제어기로 전달되며,
   상기 방법은,
   등가 필터의 스텝 응답을 사용하여 극점들과 영점들을 식별함으로써 용량성 전압 변압기의 전달 함수를 결정하는 단계;
   상기 용량성 전압 변압기의 의사 역전달 함수를 결정하는 단계; 및
   상기 전력 변압기를 접속 차단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 스위치기어 제어 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 용량성 전압 변압기의 의사 역함수는, 로 패스 필터의 삽입으로 결정되는 스위치기어 제어 방법.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 전력 변압기를 접속 차단하는 단계는,
   상기 용량성 전압 변압기의 출력 전압을 저장하는 단계;
   상기 의사 역전달 함수를 통한 디지털 처리 단계; 및
   상기 잔류 자속 값을 얻기 위해 보정된 신호를 통합하는 단계를 포함하는 스위치기어 제어 방법.
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