KR102333276B1 - Dc 배전망의 선로 고장 위치 판별 방법 - Google Patents

Dc 배전망의 선로 고장 위치 판별 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 DC(Direct Current) 배전망에서 선로 고장 이벤트가 발생한 경우, 선로 상에서 그 고장 이벤트가 발생한 위치를 판정하는 방법에 관한 것이다.
본 발명은 DC 배전망에서 선로 고장이 발생하였을 때 그 고장 위치를 판별하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 DC 배전망의 선로 고장 위치 판별 방법은 데이터 수집부가 송전단 전류 계측부로부터 수집한 송전단 측 고장 전류값 및 수전단 전류 계측부로부터 수집한 수전단 측 고장 전류값을 고장 위치 판정부에 제공하는 단계; 및 상기 고장 위치 판정부가 상기 송전단 측 고장 전류값 및 수전단 측 고장 전류값을 이용해, 고장 위치를 특정하는 단계를 포함한다.
본 발명은 DC 배전망에서 선로 고장이 발생하였을 때 고장 위치 정보를 신속히 제공하는 것에 의해 빠르게 고장 위치의 케이블 교체 등을 진행하여 계통 단절 시간을 줄여 계통 안정성을 확보할 수 있다.

Description

DC 배전망의 선로 고장 위치 판별 방법{Method for determining the location of line faults in the DC distribution network}
본 발명은 DC(Direct Current) 배전망에서 선로 고장 이벤트가 발생한 경우, 선로 상에서 그 고장 이벤트가 발생한 위치를 판정하는 방법에 관한 것이다.
직류(DC, Direct Current) 배전 기술은 선로의 절연 계급이 낮아 교류보다 경제적이고, 송전에 교류보다 최소 1상이 적어서 선로 구성 비용의 절감도 가능하다. 그리고, 직류 배전 기술은 교번하는 성분(주파수)이 없어 리액턴스 성분이 없어 무효전력도 발생하지 않고 표피효과도 발생하지 않는다.
단순히 비교하면 직류 송전이 교류 송전 보다 송전용량 상승, 송전손실저감, 환경적으로 적은 영향 및 투자비 감소 등에 있어 이점이 있다.
최근, DC기반 분산전원 증가, 에너지 저장장치 사용, 마이크로그리드 구축 등에 따라 기존 AC 배전망의 단점을 보완하고 효율을 증대할 수 있는 DC 배전망에 대한 관심이 증가하고 있다.
특히, 국내 배전망은 계통 운영 주체의 단일화라는 특수성에 의해 유럽, 미국, 중국 등에 비해 DC 배전망에 대한 연구가 더딘 상황이다. 2020년 전남 에너지신산업 규제자유특구를 통한 ±35kV급 MVDC 계통 실증을 시작으로 DC 배전망에 대한 관심 및 연구가 진행되고 있다.
KR10-2017-0138178 (출원일 : 2017.10.24) KR10-2013-0123408 (출원일 : 2013.10.16)
본 발명은 DC 배전망에서 선로 고장이 발생하였을 때 그 고장 위치를 판별하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 DC 배전망의 선로 고장 위치 판별 방법은 데이터 수집부가 송전단 전류 계측부로부터 수집한 송전단 측 고장 전류값 및 수전단 전류 계측부로부터 수집한 수전단 측 고장 전류값을 고장 위치 판정부에 제공하는 단계; 및 상기 고장 위치 판정부가 상기 송전단 측 고장 전류값 및 수전단 측 고장 전류값을 이용해, 고장 위치를 특정하는 단계를 포함한다.
여기서, 상기 고장 위치 판정부는 송전단 측 고장 전류값과 수전단측 고장 전류값 간의 전류비를 산출하고, 상기 산출된 전류비에 대응한 전류비를 데이터베이스에서 조회하고, 상기 조회된 전류비에 매칭되어 있는 고장 구간 정보를 상기 데이터베이스에서 독출하고, 상기 독출된 고장 구간 정보를 통해, 단위 DC 배전 구역에서의 고장 위치를 특정할 수 있다.
그리고, 상기 전류비에 매칭된 고장 구간 정보는 단위 DC 배전 구역 상의 고장 지점에서 송전단까지의 거리 및 단위 DC 배전 구역 상의 고장 지점에서 수전단까지의 거리 중 적어도 하나일 수 있다.
본 발명은 DC 배전망에서 선로 고장이 발생하였을 때 고장 위치 정보를 신속히 제공하는 것에 의해 빠르게 고장 위치의 케이블 교체 등을 진행하여 계통 단절 시간을 줄여 계통 안정성을 확보할 수 있다.
도 1은 본 발명의 DC 배전망의 선로 고장 위치 판별 방법을 설명하기 위한 개념도이다.
도 2는 송전단과 수전단에서 동일 거리로 이격된 위치에서 선로 고장이 발생한 경우에 송전단과 수전단에서의 전류값을 시뮬레이션 한 결과 화면이다.
도 3은 고장위치와 송전단과의 거리와 고장위치와 수전단과의 거리비를 다양하게 하면서 송전단과 수전단에서의 전류값을 시뮬레이션 한 결과 테이블이다.
도 4는 본 발명의 DC 배전망의 선로 고장 위치 판별 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 DC 배전망의 선로 고장 위치 판별 방법에 대한 플로우 차트이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다.
및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 도 1 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 DC 배전망의 선로 고장 위치 판별 방법에 대하여 설명한다. 이하에서, 본 발명의 요지를 명확히 하기 위해 종래 주지된 사항에 대한 설명은 생략하거나 간단히 한다.
* DC 배전망의 임피던스 *
DC 배전망과 기존 AC 배전망의 가장 큰 차이점은 계통 주파수가 없다는 것이다. 특히, 계통 주파수는 계통 해석에 있어서 중요한 요소인 임피던스에 영향을 미치는 성분으로 계통 주파수의 크기는 임피던스의 크기와 비례하므로 동일한 길이의 선로일 때 DC 배전망의 임피던스는 AC 배전망의 임피던스에 비해 낮다. 기존 AC 배전망에서의 임피던스는 아래의 수학식 1과 같이 계산된다.
[수학식 1]
Figure 112020131532911-pat00001
여기서,
Figure 112020131532911-pat00002
: 케이블 고유 저항
Figure 112020131532911-pat00003
: 유도성 리액턴스
Figure 112020131532911-pat00004
: 용량성 리액턴스
일반적으로, 전력공학에서 배전망의 임피던스를 계산할 때, 선로의 길이가 짧아 용량성 리액턴스는 무시하게 된다. 유도성 리액턴스
Figure 112020131532911-pat00005
은
Figure 112020131532911-pat00006
로 표현되는데, L은 케이블의 인덕턴스,
Figure 112020131532911-pat00007
는 AC의 각진동수를 의미한다. 즉, 계통 주파수가 0인 DC 배전망에서는 각진동수
Figure 112020131532911-pat00008
성분이 없어 선로의 임피던스가 감소되는 효과를 얻을 수 있다. 다만, 케이블의 인덕턴스 성분에는 케이블 면적에 의한 자체 인덕턴스와 케이블 간의 상호 인덕턴스 성분이 존재하며, 이는 케이블의 길이와 케이블 간의 거리에 따라 그 크기가 변화하므로 계통 주파수의 영향을 받지 않는다.
* 고장전류 비율에 따른 위치 판별 *
도 1은 본 발명의 DC 배전망의 선로 고장 위치 판별 방법을 설명하기 위한 개념도이다. 전술한 바와 같이 DC 배전망에서는 선로 임피던스에 영향을 주는 계통 주파수 성분이 제거되어 계통 해석에 있어 기존 AC 배전망에 비해 좀 더 직관적인 해석이 가능하다. 특히, 배전선로의 케이블에서 지락 또는 단락 사고가 발생했을 때 발생하는 고장전류는 임피던스에 의해 계산되므로 고장전류의 크기에 따라 고장 위치를 판별할 수 있다. 고장전류를 송전단과 수전단에서 계측하였을 때, 계측된 고장전류의 비율에 따라 고장위치를 특정하게 된다. 송전단 측의 임피던스를 ZS, 수전단 측의 임피던스를 ZR이라고 하고 송전단에서 고장 위치까지의 거리를 DS, 수전단에서 고장 위치까지의 거리를 DR이라고 했을 때 아래 수학식 2와 같은 관계식이 성립될 수 있다.
DS : DR = ZS : ZR
위의 관계식을 바탕으로 DC배전망의 고장전류에 대한 시뮬레이션을 진행하여 해당 판별 방법을 검증하였다.
도 2는 송전단과 수전단에서 동일 거리로 이격된 위치에서 선로 고장이 발생한 경우에 송전단과 수전단에서의 전류값을 시뮬레이션 한 결과 화면이다. 도 2에서 빨간색 선은 송전단 측(Source side)에서의 전류값을 의미하고 파란색 선은 수전단 측(Receive side)에서의 전류값을 의미한다. 선로 고장 위치에서 송전단까지의 거리 및 선로 고장 위치에서 수전단까지의 거리가 동일하므로, 그 전류값은 거의 동등함을 알 수 있다.
도 3은 고장위치와 송전단과의 거리와 고장위치와 수전단과의 거리비를 다양하게 하면서 송전단과 수전단에서의 전류값을 시뮬레이션 한 결과 테이블이다. 도 3에서 DS는 송전단에서 고장 위치까지의 거리를 의미하고, DR은 수전단에서 고장 위치까지의 거리를 의미한다. 도 3에서
Figure 112020131532911-pat00009
는 송전단에 흐르는 전류를 의미하고,
Figure 112020131532911-pat00010
은 수전단에 흐르는 전류를 의미한다. 그리고, Rate는 송전단에 흐르는 전류와 수전단에 흐르는 전류의 전류비를 의미한다. 시뮬레이션시 50km 길이의 선로가 적용되었다. 송전단에서 5km인 지점에서부터 고장 위치를 10km씩 이동시키며 시뮬레이션을 진행하였다. 도 3에서 송전단에 흐르는 전류와 수전단에 흐르는 전류가 비 선형적으로 변화하는 것은 실제 선로를 모의하기 위해, 도 1에서와 같이, 정류기(Rectifier) 및 인버터(Inverter)와 같은 전력 기기가 DC 배전 선로에 설치된 환경을 고려하였기 때문이다.
도 3에서와 같이, 10km 간격으로 고장 위치를 가변하면서 시뮬레이션을 한 결과, 고장 위치 간 전류비는 소수점 1자리 이상의 차이를 가짐을 알 수 있다. 이 같은 결과로부터 전류비를 통한 선로 고장 위치 판별 기법은 현장에 적용할 수 있는 충분한 분해능을 가짐을 알 수 있다.
즉, 송전단과 수전단에서 계측한 고장전류의 비율에 따라 고장 위치를 특정할 수 있음을 시뮬레이션을 통해 확인할 수 있다. 이를 바탕으로 고장이 발생하였을 때 빠른 케이블 교체 등을 통해 계통 단절 시간을 줄여 계통 안정성 확보에 기여할 수 있음을 알 수 있다.
송전단과 수전단에서 계측한 고장전류의 비율에 따라 고장 위치를 특정하는 방식은 DC 배전망의 다중 선로를 고려할 때, 좀 더 정확한 위치를 탐색하게 할 수있다.
* 선로 고장 위치 판별 시스템 구조 *
도 4는 본 발명의 DC 배전망의 선로 고장 위치 판별 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, DC 배전망의 선로 고장 위치 판별 시스템은 송전단 계측 모듈(110), 수전단 계측모듈(120), 중앙 장치(200), 통신망(300)을 포함할 수 있다.
송전단 계측 모듈(110)은 송전단 측에 설치되고, 수전단 계측모듈(120)은 수전단측에 설치될 수 있다. 도 4에서 도면부호 1은 DC 배전선로를 의미한다. 송전단 계측 모듈(110)과 수전단 계측모듈(120) 각각은 단위 DC 배전 구역 양측에 설치될 수 있다. 단위 DC 배전 구역은 송전단 계측 모듈(110) 및 수전단 계측모듈(120)에 의해 모니터링되는 단위 구역일 수 있다.
송전단 계측 모듈(110)은 송전단 측 전력기기(예를 들어, 정류기) 내에 장착되거나 DC 배전 선로에 직접 장착될 수 있다. 수전단 계측 모듈(120)은 수전단 측 전력기기(예를 들어, 인버터) 내에 장착되거나 DC 배전 선로에 직접 장착될 수 있다. 송전단 계측 모듈(110)과 수전단 계측 모듈(120)은 시간 동기화되어 DC 배전 선로 상의 전류를 계측할 수 있다.
송전단 계측 모듈(110)은 송전단 전류 계측부(111) 및 통신부(112)를 포함할 수 있다. 수전단 계측 모듈(120)는 수전단 전류 계측부(121) 및 통신부(122)를 포함할 수 있다.
송전단 전류 계측부(111)는 DC 배전 선로의 고장에 대응한 송전단 측 DC 배전 선로에서의 전류 계측값을 통신부(112)를 이용해 중앙 장치(200)로 전송할 수 있다. 이때, 전류 계측 시간 정보가 전류 계측값과 함께 중앙 장치(200)로 전송될 수 있다. 수전단 전류 계측부(121)는 DC 배전 선로의 고장에 대응한 수전단 측 DC 배전 선로에서의 전류 계측값을 통신부(122)를 이용해 중앙 장치(200)로 전송할 수 있다. 이때, 전류 계측 시간 정보가 전류 계측값과 함께 중앙 장치(200)로 전송될 수 있다.
중앙 장치(200)는 데이터 수집부(210), 고장 위치 판정부(220), 데이터베이스(230) 및 통신부(240)를 포함할 수 있다. 중앙 장치의 통신부(240)는 송전단 계측 모듈의 통신부(112) 및 수전단 계측 모듈의 통신부(122)와 통신할 수 있다. 통신망(300)은 중앙 장치의 통신부(240)와 송전단 계측 모듈의 통신부(112) 및 수전단 계측 모듈의 통신부(122) 간의 통신 환경을 제공할 수 있다. 본 발명이 상기 통신부들 간의 통신 규격을 제한하지 않는다.
데이터 수집부(210)는 송전단 전류 계측부(111)가 전송하는 DC 배전 선로의 고장에 대응한 송전단 측 DC 배전 선로에서의 전류 계측값(이하 ‘송전단 측 고장 전류값’)을 수신할 수 있다. 그리고, 데이터 수집부(210)는 수전단 전류 계측부(121)가 전송하는 DC 배전 선로의 고장에 대응한 수전단 측 DC 배전 선로에서의 전류 계측값(이하, ‘수전단 측 고장 전류값’)을 수신할 수 있다.
고장 위치 판정부(220)는 송전단 측 고장 전류값과 수전단측 고장 전류값 간의 전류비를 산출할 수 있다. 이때, 동일 시간에 계측된 송전단 측 고장 전류값과 수전단측 고장 전류값을 이용해 전류비를 산출할 수 있다. 그리고, 고장 위치 판정부(220)는 그 산출된 전류비에 대응한 전류비를 데이터베이스(230)에서 조회할 수 있다. 그리고, 고장 위치 판정부(220)는 조회된 전류비에 매칭되어 있는 고장 구간 정보를 독출할 수 있다. 여기서, 전류비에 매칭된 고장 구간 정보는 단위 DC 배전 구역 상의 고장 지점에서 송전단까지의 거리 및/또는 단위 DC 배전 구역 상의 고장 지점에서 수전단까지의 거리일 수 있다. 고장 위치 판정부(220)는 독출된 고장 구간 정보를 통해, 단위 DC 배전 구역에서의 고장 위치를 특정할 수 있다.
데이터베이스(230)는 송전단 측 고장 전류값과 수전단측 고장 전류값 간의 전류비 및 그에 매칭되는 고장 구간 정보(달리 표현하면, 단위 DC 배전 구역 상의 고장 지점에서 송전단까지의 거리 및/또는 단위 DC 배전 구역 상의 고장 지점에서 수전단까지의 거리)를 저장할 수 있다. 데이터베이스(230)는 복수의 단위 DC 배전 구역을 식별자로 식별하면서, 복수의 단위 DC 배전 구역 각각에서의 송전단 측 고장 전류값과 수전단측 고장 전류값 간의 전류비 및 그에 매칭되는 고장 구간 정보를 저장할 수 있다.
* 선로 고장 위치 판별 시스템 동작 *
도 5는 본 발명의 DC 배전망의 선로 고장 위치 판별 방법에 대한 플로우 차트이다.
먼저, 송전단 전류 계측부(111)는 DC 배전 선로의 고장에 대응한 송전단 측 DC 배전 선로에서의 전류를 계측할 수 있다(S1). 이와 동시에, 수전단 전류 계측부(121)는 DC 배전 선로의 고장에 대응한 수전단 측 DC 배전 선로에서의 전류를 계측할 수 있다(S2).
그리고, 송전단 전류 계측부(111)는 DC 배전 선로의 고장에 대응한 송전단 측 DC 배전 선로에서의 전류 계측값을 통신부(112)를 이용해 데이터 수집부(210)로 전송할 수 있다(S3). 이때, 전류 계측 시간 정보가 전류 계측값과 함께 데이터 수집부(210)로 전송될 수 있다.
그리고, 수전단 전류 계측부(121)는 DC 배전 선로의 고장에 대응한 수전단 측 DC 배전 선로에서의 전류 계측값을 통신부(122)를 이용해 데이터 수집부(210)로 전송할 수 있다(S4). 이때, 전류 계측 시간 정보가 전류 계측값과 함께 데이터 수집부(210)로 전송될 수 있다.
그리고, 데이터 수집부(210)는 송전단 전류 계측부(111)로부터 수집한 DC 배전 선로의 고장에 대응한 송전단 측 DC 배전 선로에서의 전류 계측값(이하 ‘송전단 측 고장 전류값’) 및 수전단 전류 계측부(121)로부터 수집한 DC 배전 선로의 고장에 대응한 수전단 측 DC 배전 선로에서의 전류 계측값(이하, ‘수전단 측 고장 전류값’)을 고장 위치 판정부(220)에 제공할 수 있다(S5).
그리고, 고장 위치 판정부(220)는 송전단 측 고장 전류값과 수전단측 고장 전류값 간의 전류비를 산출할 수 있다(S6). 이때, 동일 시간에 계측된 송전단 측 고장 전류값과 수전단측 고장 전류값을 이용해 전류비를 산출할 수 있다.
그리고, 고장 위치 판정부(220)는 그 산출된 전류비에 대응한 전류비를 데이터베이스(230)에서 조회할 수 있다(S7).
그리고, 고장 위치 판정부(220)는 조회된 전류비에 매칭되어 있는 고장 구간 정보를 데이터베이스(230)에서 독출할 수 있다. 그리고, 고장 위치 판정부(220)는 독출된 고장 구간 정보를 통해, 단위 DC 배전 구역에서의 고장 위치를 특정할 수 있다(S8). 여기서, 전류비에 매칭된 고장 구간 정보는 단위 DC 배전 구역 상의 고장 지점에서 송전단까지의 거리 및/또는 단위 DC 배전 구역 상의 고장 지점에서 수전단까지의 거리일 수 있다.
1 : DC 배전 선로
110 : 송전단 계측 모듈
120 : 수전단 계측 모듈
200 : 중앙 장치
300 : 통신망

Claims (3)

  1. 데이터 수집부가 송전단 전류 계측부로부터 수집한 송전단 측 고장 전류값 및 수전단 전류 계측부로부터 수집한 수전단 측 고장 전류값을 고장 위치 판정부에 제공하는 단계; 및
    상기 고장 위치 판정부는 송전단측 고장 전류값과 수전단측 고장 전류값 간의 전류비를 산출하고, 상기 산출된 전류비에 대응한 전류비를 데이터베이스에서 조회하고, 상기 조회된 전류비에 매칭되어 있는 고장 구간 정보를 상기 데이터베이스에서 독출하고, 상기 독출된 고장 구간 정보를 통해, 단위 DC 배전 구역에서의 고장 위치를 특정하는 단계를 포함하되,
    상기 데이터베이스에 저장된 전류비에 매칭된 고장 구간 정보는 단위 DC 배전 구역 상의 고장 지점에서 송전단까지의 거리 및 단위 DC 배전 구역 상의 고장 지점에서 수전단까지의 거리 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하며,
    상기 데이터베이스에 저장되는 고장 구간 정보는,
    아래의 수학식 1로부터 유도되고,
    송전단에 흐르는 전류와 수전단에 흐르는 전류의 비를 이용하여 특정한 길이의 선로에 대하여, 일정한 간격으로 이동하면서 시뮬레이션을 진행하여, 이때의 전류의 비를 고장 지점과 매칭하여 저장하되,
    정류기 및 인버터가 선로에 설치된 환경을 고려하여, 송전단에 흐르는 전류와 수전단에 흐르는 전류가 비 선형적으로 변화되는 환경을 모의하여 시뮬레이션을 수행하는 것을 특징으로 하는 DC 배전망의 선로 고장 위치 판별 방법.
    [수학식 1]
    DS : DR = ZS : ZR
    ZS는 송전단 측의 임피던스, ZR은 수전단 측의 임피던스, DS는 송전단에서 고장 위치까지의 거리, DR은 수전단에서 고장 위치까지의 거리
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