KR102397120B1 - 복합 고장점 위치 검출 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

교류 전기철도의 급전계통에서 연장선 상에서 지락고장이 발생하였을 경우라도 고장점 위치를 신속하면서도 정확히 검출할 수 있도록 한 전기량에 의한 복합 고장점 위치 검출 시스템이 개시된다. 상기 복합 고장점 위치 검출 시스템은, 구분소 및 상기 구분소의 구간내에 서로 일정 간격으로 이격되는 복수개의 보조 구분소에 설치되며, 상기 구분소 및 복수개의 보조 구분소에 각각 설치되는 복수개의 변압기로 흐르는 제 1 전기량을 검출하여 제 1 검출 데이터를 각각 생성하는 복수개의 슬레이브 장치를 갖는 슬레이브 장치 블록, 변전소로부터 급전 연장선의 연장점(E)에서 제 2 전기량을 검출하여 제 2 검출 데이터를 생성하는 현장 처리반, 및 상기 제 1 검출 데이터 또는 제 2 검출 데이터를 이용하여 상기 구분소 및 복수개의 상기 보조 구분소 중 어느 하나를 고장점 위치로 표정하는 마스터 장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

복합 고장점 위치 검출 시스템 및 방법{System and Method for combined fault locating in electric railway}
본 발명은 고장점 위치 검출 기술에 관한 것으로서, 더 상세하게는 전기철도시스템에서 전기량에 의한 고장점 위치 검출 시스템 및 방법에 대한 것이다.
특히, 본 발명은 선로 중간에 급전 연장선이 있거나 구분소 또는 변전소에서 급전 연장선이 있는 교류 전기철도의 급전계통에서 지락고장이 발생하였을 경우 복합 고장점 표정 알고리즘을 이용해 고장점 위치를 신속하면서도 정확히 검출할 수 있도록 하는 복합 고장점 위치 검출 시스템 및 방법에 대한 것이다.
전기철도에서는 가공전선과 레일(Rail) 도체군을 전력의 전송로로 사용하여 차량의 구동을 위해 필요한 전력을 공급받는 형태로 되어 있다. 이렇게 전력을 차량에 공급하는 것을 급전이라고 하는데, 공급하는 전력의 형태에 따라 크게 직류 급전방식과 교류 급전방식으로 구분된다.
이중 직류 급전방식은 일반 전력 계통으로부터 수전하는 특별고압(22.9㎸, 154㎸ 등)의 교류전기를 철도용 변전소 변압기에서 직류(1500V 등)로 변환하여 전차선로에 직류 전력을 공급하는 방식이다. 이와 달리, 교류 급전방식은 일반적으로 변전소로부터 수전하는 상용 주파수 전기(3Ф)를 단상 변압기 또는 3상/2상 변환장치에 의해 전차선로에 단상 교류 전기를 공급하여 운전하는 방식이다.
단권 변압기(AT:Auto-transformer) 급전방식은 권수비가 1:1 인 단권 변압기를 사용하여 피더(Feeder)를 선로를 따라 가선하여 이 피더(Feeder)와 트롤리(Trolley)와의 사이에 약 10㎞ 간격으로 단권 변압기를 병렬로 설치 접속하여 변압기 권선의 중성점을 레일(Rail)에 접속하는 방식이다.
전기 철도 시스템의 교류 급전방식에 있어서는 변전소와 보조 구분소 사이, 보조 구분소와 보조 구분소 사이, 보조 구분소와 구분소 사이의 거리가 약 10km 정도로 멀리 떨어져 있다. 따라서, 지락 등의 고장이 발생하면, 신속한 고장 위치를 파악하여 전철운영에 지장이 없도록 조치를 취하여야 한다.
이를 위해 본 출원인은 2002년 11월 8일자로, 전기철도시스템의 고장 발생시 변전소의 급전 전류 및 변전소, 다수의 보조구분소, 및 구분소에서 발생된 단권 변압기(AT) 흡상전류를 검출하여 고장 형태를 판단한 후 판단된 고장형태에 따라 정확한 고장위치의 거리를 검출하도록 함으로써 복구를 위해 빠른 조치를 취할 수 있어 많은 인력 및 시간의 소모를 방지할 수 있는 방법(명칭 : 전기철도시스템의 고장점 표정방법) 및 장치(명칭 : 전기철도시스템의 고장점 표정장치)를 출원하여, 각각 등록받았다.
상기한 "전기철도시스템의 고장점 표정방법"(등록번호 제10-0384815호, 등록일자 2003.05.09) 및 "전기철도시스템의 고장점 표정장치"(등록번호 제10-0384816호, 등록일자 2003.05.09)에 의하면, 흡상전류의 크기를 기준으로 고장구간을 찾고 고장구간 양단의 흡상전류의 비를 이용하여 고장점을 찾는 방식이다.
그런데, 이러한 흡상 전류비 방식에서는 급전 연장선이 있는 경우, 연장선에서의 고장은 단권변압기의 중성점을 통한 순환전류흐름으로 판별할 수 없으며, 고장 검출이 어려운 문제점이 있다.
1.한국등록특허번호 제10-0384815호(등록일자: 2003.05.09) 2.한국등록특허번호 제10-0384816호(등록일자: 2003.05.09)
본 발명은 위 배경기술에 따른 문제점을 해소하기 위해, 교류 전기철도의 급전계통에서 연장선 상에서 지락고장이 발생하였을 경우라도 고장점 위치를 신속하면서도 정확히 검출할 수 있도록 한 전기량에 의한 복합 고장점 위치 검출 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위해, 교류 전기철도의 급전계통에서 연장선 상에서 지락고장이 발생하였을 경우라도 고장점 위치를 신속하면서도 정확히 검출할 수 있도록 한 전기량에 의한 복합 고장점 위치 검출 시스템을 제공한다.
상기 복합 고장점 위치 검출 시스템은,
구분소 및 상기 구분소의 구간내에 서로 일정 간격으로 이격되는 복수개의 보조 구분소에 설치되며, 상기 구분소 및 복수개의 보조 구분소에 각각 설치되는 복수개의 단권 변압기로 흐르는 제 1 전기량을 검출하여 제 1 검출 데이터를 각각 생성하는 복수개의 슬레이브 장치를 갖는 슬레이브 장치 블록;
변전소로부터 급전 연장선의 연장점에서 제 2 전기량을 검출하여 제 2 검출 데이터를 생성하는 현장 처리반; 및
상기 제 1 검출 데이터 또는 제 2 검출 데이터를 이용하여 상기 구분소 및 복수개의 상기 보조 구분소 중 어느 하나를 고장점 위치로 표정하는 마스터 장치;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 제 1 전기량은 복수개의 상기 단권 변압기로 각각 흐르는 복수개의 흡상전류 및 복수개의 순환전류인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 2 전기량은 급전 전압 및 급전 전류인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 고장점 위치는 복수개의 상기 순환 전류에 의해 형성되는 복수개의 상기 흡상 전류비를 이용하여 표정되는 것을 특징으로 한다.
또한, 복수개의 상기 순환전류의 크기순으로 상기 고장점 위치에 해당하는 고장구간이 특정되는 것을 특징으로 한다.
또한, 복수개의 상기 변압기는 권수비가 1:1인 단권 변압기이고, 복수개의 상기 순환전류는 복수개의 상기 흡상전류의 절반인 것을 특징으로 한다.
또한, 기 단권 변압기의 중성점으로 흡상되는 흡상 전류는 고장점에서 중성점까지의 거리에 반비례하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 흡상 전류비에 의한 고장점 위치는 수학식
Figure 112020041419702-pat00001
(여기서, Lf는 고장점 위치이고,
Figure 112020041419702-pat00002
, I0,I1는 전차선 순환전류이고, k3, k4는 보정계수이며, Ld는 양 단권 변압기 사이 거리이다)으로 정의되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 급전 전압 및 급전 전류에 의한 고장점 위치는 상기 급전전압과 상기 급전전류의 임피던스(Xf)를 이용하여 표정되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 임피던스(Xf)는 수학식
Figure 112020041419702-pat00003
(여기서, Vtx는 급전전압, Itx는 급전전류, ∠는 급전전압의 위상각, ∠는 급전전류의 위상각이다)으로 정의되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 고장점 위치는 상기 변전소로부터의 제 1 거리(Le0)와 현장 처리반으로부터 고장점(F1)까지의 제 2 거리(m)의 합인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 2 거리(m)는 수학식
Figure 112020041419702-pat00004
(여기서, k1과 k2는 보정계수이고, Xl은 단위길이당 선로 임피던스이다)으로 정의되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 복합 고장점 위치 검출 시스템은, 급전 계통에 고장이 발생하면, 상기 마스터 장치에 트립신호를 전송하여 상기 마스터 장치(130)가 상기 슬레이브 장치 블록 및 상기 현장 처리반에 각각 상기 제 1 검출 데이터 및 상기 제 2 검출 데이터를 생성하도록 요청하는 보호 계전기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 복합 고장점 위치 검출 시스템은, 상기 보호 계전기의 제어에 따라 상기 급전 계통을 차단하는 차단기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
다른 한편으로, 본 발명의 다른 일실시예는, (a) 구분소 및 상기 구분소의 구간내에 서로 일정 간격으로 이격되는 복수개의 보조 구분소에 설치되는 복수개의 슬레이브 장치를 갖는 슬레이브 장치 블록이 상기 구분소 및 복수개의 보조 구분소에 각각 설치되는 복수개의 변압기로 흐르는 제 1 전기량을 검출하여 제 1 검출 데이터를 각각 생성하는 단계; (b) 현장 처리반이 변전소로부터 급전 연장선의 연장점에서 제 2 전기량을 검출하여 제 2 검출 데이터를 생성하는 단계; 및 (c) 마스터 장치가 상기 제 1 검출 데이터 또는 제 2 검출 데이터를 이용하여 상기 구분소 및 복수개의 상기 보조 구분소 중 어느 하나를 고장점 위치로 표정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기량에 의한 복합 고장점 위치 검출 방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 교류 전기철도의 급전계통에 지락고장이 발생하는 경우 단권 변압기 중성점을 통해 순환전류가 흡상되는 고장은 흡상전류의 비로써, 고장전류가 단권변압기 흡상전류로 분포되지 않는 급전 연장선에서 발생하는 고장의 경우는 급전전압과 급전전류로부터 임피던스를 계산하여 고장점까지의 거리를 구하는 복합 고장점 위치 표정 방식에 의해 고장점 위치를 신속하면서도 정확하게 검출할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 효과로서는 검출된 고장점 위치의 표정에 의해 고장제거와 복구에 드는 시간을 획기적으로 줄여서 열차운행을 원활하게 할 수 있다는 점을 들 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전기량에 의한 복합 고장점 위치 검출 시스템의 구성 블럭도이다.
도 2는 도 1에 도시된 슬레이브 장치의 상세한 구성 블럭도이다.
도 3은 도 1에 도시된 현장 처리반의 상세한 구성 블럭도이다.
도 4는 도 1에 도시된 마스터 장치의 상세한 구성 블럭도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 복합 고장점 위치 검출을 설명하기 위해 채용된 고장점 표정 알고리즘 모델의 개념도이다.
도 6은 도 5에 도시된 모델에서 본선에 고장이 있는 경우의 순환전류 분포를 표시한 개념도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 전기 철도 시스템에서 전기량에 의한 고장점 검출 과정을 설명하기 위한 플로우 차트이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 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 이해되어야한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다. 제 1, 제 2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 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.
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 의미가 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 않아야 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 전기량에 의한 복합 고장점 위치 검출 시스템 및 방법을 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전기량에 의한 복합 고장점 위치 검출 시스템(100)의 구성 블럭도이다. 도 1을 참조하면, 복합 고장점 위치 검출 시스템(100)은, 변압기의 흡상전류 및 순환전류를 검출하는 슬레이브 장치 블럭(110), 급전 전압 및 급전 전류를 검출하는 현장 처리반(120), 흡상전류, 순환전류, 급전 전압 및 급전 전류 등의 데이터를 취득하여 전기 철도 시스템의 상태를 표시 및/또는 기록하는 마스터 장치(130), 전기 계통에서 설비를 보호하는 보호 계전기(140), 보호 계전기(140)로부터 온/오프하는 신호를 받아 도통 또는 차단하는 차단기(150) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
슬레이브 장치 블럭(110)은 제 1 내지 제 n 슬레이브 장치(110a ~ 110n)로 구성된다. 제 1 내지 제 n 슬레이브 장치(110a ~ 110n)는 다수의 보조 구분소(미도시) 및 구분소(미도시)에 각각 설치된다. 구분소는 변전소와 변전소(또는 단권 변압기) 사이에 설치되는 것으로 급전계통을 구분하는 기능을 한다. 또한, 보조 구분소는 구분소의 구간 내에서 단권 변압기(AT)가 설치되는 것으로 구분소 구간을 여러개로 분할하는 것을 나타낸다.
제 1 내지 제 n 슬레이브 장치(110a ~ 110n)는 마스터 장치(130)의 제어신호에 따라 상기 보조 구분소의 단권 변압기(AT) 흡상전류 및 순환전류 또는 구분소의 단권 변압기(AT) 흡상전류 및 순환전류를 검출하여 검출 데이터를 상기 마스터장치(130)로 전송하는 기능을 수행한다.
현장 처리반(120)은 마스터 장치(130)의 제어신호에 따라 급전 연장선(미도시)의 시작점에서 급전전압 및 급전전류를 검출하여 검출 데이터를 상기 마스터 장치(130)로 전송하는 기능을 수행한다.
마스터 장치(130)는 변전소(미도시)에 설치되며, 변전소에서 발생된 급전 전압 및 급전 전류를 검출하고, 상기 슬레이브 장치 블럭(110)과 상기 현장 처리반(120)으로부터 주기적으로 전기 철도 시스템의 상태 표시용 데이터를 취득하여 전기 철도 시스템의 상태를 표시 및/또는 기록하는 기능을 수행한다.
마스터 장치(130)는 급전계통에 지락 등에 의한 고장 발생시 상기 보호 계전기(140)로부터 인가되는 트립신호에 따라 상기 변전소의 단권 변압기(AT)를 순환하는 순환전류를 검출한다. 또한, 마스터 장치(130)는 현장 처리반(20)에게로 급전전압과 급전전류를 요청하고, 상기 슬레이브 장치 블럭(110)에게로 해당하는 단권 변압기(AT)를 순환하는 순환전류를 각각 요청한다.
이후, 마스터 장치(130)는 상기 현장 처리반(120)과 슬레이브 장치 블럭(110)로부터 각각 인가되는 연장선의 급전전압 및 급전전류와 단권변압기(AT) 순환전류와 상기 검출된 변전소의 단권변압기(AT) 순환전류 및 상기 순환전류들에 의해 흡상 전류들의 비 또는 연장선의 급전전압과 급전전로부터 구한 임피던스를 이용하여 고장점 위치를 검출한 후에 표정한다.
부연하면, 마스터 장치(130)는 고장점이 위치한 고장 구간을 판정하고, 고장 구간 내의 고장점 위치를 결정한다. 고장 구간은 각 슬레이브 장치(110a 내지 110n)가 일정 간격으로 배치되는 구간을 말한다. 예를 들면, 거리가 0인 기준점과 제 1 슬레이브 장치(110a) 사이를 제 1 고장 구간, 제 1 슬레이브 장치(110a)와 제 2 슬레이브 장치(110b) 사이를 제 2 고장 구간, 제 2 슬레이브 장치(110b)와 와 제 3 슬레이브 장치(110c) 사이를 제 3 고장 구간 등과 같이 구성할 수 있다. 물론, 이들 사이 간격은 약 10km가 될 수 있다.
보호 계전기(140)는 전기 철도 시스템에 고장 발생시 차단기(150)를 차단시키기 위한 신호를 출력하고, 상기 차단기(150)는 상기 보호 계전기(140)로부터 출력된 차단신호에 따라 상기 변전소내 급전 전원을 차단한다.
도 2는 도 1에 도시된 슬레이브 장치(110a 내지 110n)의 상세한 구성 블럭도이다. 도 2를 참조하면, 제 1 내지 제 n 슬레이브 장치(110a 내지 110n)는, 변류부(210-1), 제어부(210-2), 디지털 신호 입출력부(210-3), 조작 표시부(210-4), 전원 공급부(210-5), 백플레인(220) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
상기 변류부(210-1)는 상기 보조 구분소 또는 구분소에 설치된 단권 변압기(AT)의 흡상전류를 검출한다. 변류부(210-1)는 홀 센서, 광섬유 전류 센서, CT(Current Transformer)형 전류 센서 등이 될 수 있다.
상기 제어부(210-2)는 상기 마스터 장치(130)로부터의 순환전류 요청에 따라 상기 변류부(210-1)에서 검출된 단권 변압기(AT)의 흡상전류로부터 순환전류를 계산하여 신호처리한다. 권수비가 1:1인 단권변압기에서 순환전류는 흡상전류의 절반이 된다. 신호처리를 위해 제어부(210-2)는 마이크로프로세서, 메모리 등으로 구성될 수 있다.
상기 디지털 신호 입출력부(210-3)는 상기 제어부(210-2)에서 신호처리된 단권 변압기(AT)의 순환전류에 상응하는 신호를 상기 마스터 장치(120)에게로 출력하게 된다.
상기 조작 표시부(210-4)는 상기 슬레이브 장치(110a 내지 110n)를 제어하기 위한 신호를 입력하거나 검출된 단권 변압기(AT)의 흡상전류에 상응하는 신호를 디스플레이하게 된다. 이를 위해, 조작 표시부(210-4)는 LCD(Liquid Crystal Display), LED(Light Emitting Diode) 디스플레이, OLED(Organic LED) 디스플레이, 터치 스크린, 플렉시블 디스플레이 등이 될 수 있다. 터치 스크린의 경우, 입력 수단으로서도 사용될 수 있다.
상기 전원 공급부(210-5)는 상기 슬레이브 장치(110a 내지 110n)에 일정 레벨의 전원을 공급하게 된다. 이를 위해, 내장형 배터리, 컨버터 등을 포함하여 구성될 수 있다.
백플레인(220)은 구성요소들(210-1 내지 210-5)간의 신호를 송수신하는 버스 구조를 형성하는 전자회로 기판이다.
도 3은 도 1에 도시된 현장 처리반(120)의 상세한 구성 블럭도이다. 도 3을 참조하면, 변성/변류부(320-1)는 단권 변압기의 급전 전류, 급전 전압을 검출한다. 이를 위해, 변성/변류부(320-1)는 전압 센서, 전류 센서를 포함하여 구성될 수 있다. 전류 센서로는 홀 센서, 광섬유 전류 센서, CT(Current Transformer)형 전류 센서 등이 사용될 수 있다.
변성/변류부(320-1)를 제외한 나머지 구성요소들인 제어부(320-2), 디지털 신호 입출력부(320-3), 조작 표시부(320-4), 전원 공급부(320-5) 등은 도 2에서 설명한 슬레이브 장치((110a 내지 110n)와 그 기능 및 구성이 동일하므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 4는 도 1에 도시된 마스터 장치(130)의 상세한 구성 블럭도이다. 도 4를 참조하면, 마스터 장치(130)는, 변성/변류부(430-1), 제어부(430-2), 디지털 신호 수신부(430-3), 신호 처리부(430-4), 전원 공급부(430-5), 시리얼 신호 입출력부(430-6), 조작 표시부(430-7) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
상기 변성/변류부(430-1)는 상기 변전소내 단권 변압기의 급전 전류, 급전 전압, 및 단권변압기(AT)의 흡상전류를 검출한다.
상기 제어부(430-2)는 상기 마스터 장치(130)의 동작을 총괄제어하며, 상기 신호 처리부(430-4)에서 판정된 현재 전기 철도 시스템의 상태를 파악하기 위한 제어신호, 상기 보호 계전기(140)로부터 출력된 트립신호 또는 테스트 신호에 따라 고장점을 검출 및 표정하기 위한 제어신호를 출력한다. 또한, 제어부(430-2)는 이후 상기 신호 처리부(430-4)로부터 출력된 현재 전기 철도 시스템의 상태를 표시하도록 제어함과 더불어 현재 전기 철도 시스템의 고장점을 검출하여 표정하도록 제어하게 된다.
아울러 상기 제어부(430-2)는 외부의 노트북(미도시)과 연결될 수 있으며, 관리자는 상기 노트북을 통해 상기 제어부(430-2)로부터 급전 전류, 급전 전압, 단권 변압기(AT)의 흡상전류에 상응하는 신호를 수신하여 고장점 표정을 제어할 수 있다.
상기 디지털 신호 수신부(430-3)는 상기 보호 계전기(140)로부터의 트립신호 또는 테스트신호를 수신하게 된다.
상기 신호 처리부(430-4)는 상기 제어부(430-2)의 제어신호에 따라 상기 변성/변류부(430-1)에서 검출된 급전 전류, 급전 전압, 및 단권 변압기(AT)의 흡상전류와 상기 디지털신호 수신부(430-3)를 통해 수신된 슬레이브 장치(110a 내지 110n) 각각의 단권 변압기(AT)의 흡상전류에 따라 현재 전기 철도 시스템의 상태를 판정하고, 고장 발생시 고장 형태를 판정한 후 각 고장 형태에 따른 고장점 위치를 표정하게 된다.
또한, 상기 신호 처리부(430-4)는 지락고장이 발생하게 되면 상기 제어부(430-2)의 제어신호에 따라 상기 변성/변류부(430-1)에서 검출된 단권변압기(AT)의 순환전류와 상기 디지털신호 수신부(430-3)를 통해 수신된 슬레이브 장치(110a 내지 110n) 각각의 단권 변압기(AT)의 순환전류 및 상기 순환전류들에 의해 형성되는 흡상전류의 비를 이용하여 고장점을 검출한 후에 표정하게 된다.
상기 전원 공급부(430-5)는 상기 마스터 장치(130)에 일정 레벨의 전원을 공급하게 된다.
상기 시리얼신호 입출력부(430-6)는 상기 슬레이브 장치(110a 내지 110n)로부터 각각 출력된 순환전류에 상응하는 신호를 수신하거나 상기 신호 처리부(430-4)에서 신호처리된 디지털 신호를 상기 슬레이브장치(110a 내지 110n)에게로 출력하게 된다.
상기 조작 표시부(430-7)는 상기 마스터 장치(130)를 제어하거나 마스터 장치(430)의 상태를 표시하게 된다.
본 발명에서는 상술한 슬레이브장치(110a 내지 110n)의 변류부(도 2의 210-1)와 현장 처리반(120)의 변성/변류부(도 3의 320-1)와 마스터 장치(130)의 변성/변류부(도 4의 430-1)는 본 발명의 구성요소인 순환전류 검출수단이다. 또는, 상기 마스터 장치(130)의 디지털 신호 수신부(도 4의 420-3)가 상기 변류부(도 2의 210-1)에서 검출된 단권 변압기(AT)의 순환전류를 수신하기 때문에, 상기 마스터 장치(130)측에서는 디지털 신호 수신부(도 4의 420-3) 및 변성/변류부(430-1)가 순환전류 검출수단이 될 수도 있다.
또한, 상기 마스터 장치(130)의 신호 처리부(430-4)와 제어부(430-2)가 본 발명의 구성요소인 고장점 위치 검출수단이 될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 복합 고장점 위치 검출을 설명하기 위해 채용된 고장점 표정 알고리즘 모델의 개념도이다. 특히, 도 5는 급전 연장선 상에서 고장이 발생하는 경우를 나타낸다. 도 6은 도 5에 도시된 모델에서 본선(501,601)에 고장이 있는 경우의 순환전류 분포를 표시한 개념도이다. 도 5 및 6을 참조하면, 본선(501,601)에 고장이 있는 경우에는 순환전류는 흡상전류/2이다.
예를 들어, 권수비가 1:1인 단권 변압기(AT0)의 흡상전류(In01)는 전차선 순환전류(I0)와 급전선 순환전류(I0′)의 합이며, I0 = I0′이다. 따라서, 본 발명의 고장점 검출에서는 슬레이브 장치 또는 마스터 장치에서 흡상전류를 계측하는데, 고장점 위치 판정에는 흡상전류 또는 순환전류를 이용하게 된다.
이하의 설명에서는 지락고장 발생시 순환전류를 이용하여 고장점을 검출하는 것으로 상정하고 설명하기로 한다.
도 5의 모델 계통에서, 분기선(502)인 연장선상의 전차선 도체군(T)의 한 점(F1)과 레일 도체군(R)의 한 점 O사이에 지락이 발생하면, F1-O사이 고장전류 If는 현장 처리반(120)의 급전 전류 계측값인 Itx와 같다. 현장 처리반(120)에서 계측한 급전 전압값(Vtx)를 이용하여 고장점(F1)까지의 임피던스(Xf)는 다음 식과 같이 계산된다.
Figure 112020041419702-pat00005
여기에서, Vtx는 급전전압, Itx는 급전전류, ∠Vtx 는 급전전압의 위상각, ∠Itx는 급전전류의 위상각이다.
구해진 임피던스 Xf를 단위길이당 선로 임피던스(Xl)로 나누고, 보정계수를 적용하면 현장 처리반(120)으로부터 고장점(F1)까지의 거리(m)가 구해진다. 이를 수학식으로 나타내면 다음과 같다.
Figure 112020041419702-pat00006
여기에서, k1과 k2는 보정계수이고, Xl은 단위길이당 선로 임피던스이다. 고장점 위치는 고장거리를 의미하며, 고장점 위치는 발전소(510)로부터 전력을 공급받는 변전소(AT0)로부터의 거리(Le0)에 현장처리반과 고장점까지의 거리(m)를 더해서 표시한다. 이를 수학식으로 나타내면 다음과 같다.
Figure 112020041419702-pat00007
도 5에서 Le1은 연장점(E)으로부터 보조 구분소(AT1)까지의 거리이다.
도 6에 도시된 모델 계통에서, 본선(601)상의 전차선 도체군(T)의 한점(F2)와 레일 도체군(R)의 한점(O)사이에 지락이 발생하면, F2-O사이의 고장전류는 In01, In11과 같이 각각의 단권변압기(AT)의 중성점을 통해 전차선 또는 급전선으로 흡상된다.
그리고, 권수비가 동일하고 동일 임피던스를 갖는 양쪽의 단권변압기의 특성으로 인해 각 단권 변압기의 중성점으로 흡상되는 흡상 전류(In11)는 고장점(F2)에서 중성점까지의 거리에 반비례한다. 다시말해서, 양쪽 단권 변압기 사이의 구간에서 고장점 위치(Lf)는 흡상전류의 비로써 알 수 있다. 이를 수학식으로 나타내면 다음과 같다.
Figure 112020041419702-pat00008
여기서,
Figure 112020041419702-pat00009
, I0,I1는 전차선 순환전류이고, k3, k4는 보정계수이며, Ld는 양 단권 변압기 사이의 거리이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 전기 철도 시스템에서 전기량에 의한 고장점 검출 과정을 설명하기 위한 플로우 차트이다. 도 7을 참조하면, 마스터 장치(130)가 변전소에서 고장이 발생하였는지를 모니터링한다(단계 S710). 부연하면, 급전계통에 지락 등에 의한 고장 발생시 상기 보호 계전기(140)로부터 인가되는 트립신호에 따라 슬레이브 장치(110a ~ 110n) 및 현장 처리반(120)에 데이터를 검출하도록 한다.
이에 따라, 슬레이브 장치(110a ~ 110n)에서는 흡상전류 정보가 수집되고, 현장 처리반(120)에서는 급전 전압 및 급전 전류 정보가 수집된다(단계 S720).
이후, 마스터 장치(130)는 현장 처리반(120)로부터 획득된 급전 전압 및 급전 전류 정보를 이용하여 임피던스를 계산하여 연장선의 고장 여부를 확인한다(단계 S730).
단계 S730의 확인 결과, 연장선의 고장이 아니면, 마스터 장치(130)는 단권 변압기의 흡상전류를 이용하여 고장점을 표정한다(단계 S731).
이와 달리, 단계 S730의 확인 결과, 연장선의 고장이면, 마스터 장치(130)는 임피던스 방식으로 고장점을 표정한다(단계 S740).
또한, 여기에 개시된 실시형태들과 관련하여 설명된 방법 또는 알고리즘의 단계들은, 마이크로프로세서, 프로세서, CPU(Central Processing Unit) 등과 같은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 (명령) 코드, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다.
상기 매체에 기록되는 프로그램 (명령) 코드는 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프 등과 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD, 블루레이 등과 같은 광기록 매체(optical media) 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 (명령) 코드를 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 반도체 기억 소자가 포함될 수 있다.
여기서, 프로그램 (명령) 코드의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
110 : 슬레이브 장치 120 : 현장 처리반
130 : 마스터 장치 140 : 보호 계전기
150 : 차단기
210-1 : 변류부
210-2, 320-2 : 제어부 210-3, 320-3 : 디지털 신호 입출력부
210-4, 320-4, 430-7 : 조작 표시부 210-5, 320-5, 430-5 : 전원 공급부
320-1 : 변성/변류부
320-3, 430-3 : 디지털 신호 수신부 430-6 : 시리얼 신호 입출력부
320-4, 430-4 : 신호 처리부

Claims (14)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 구분소 및 상기 구분소의 구간내에 서로 일정 간격으로 이격되는 복수개의 보조 구분소(AT1)에 설치되며, 상기 구분소 및 복수개의 상기 보조 구분소에 각각 설치되는 복수개의 변압기로 흐르는 제 1 전기량을 검출하여 제 1 검출 데이터를 각각 생성하는 복수개의 슬레이브 장치(110a ~ 110n)를 갖는 슬레이브 장치 블록(110);
    변전소로부터 급전 연장선의 연장점(E)에서 제 2 전기량을 검출하여 제 2 검출 데이터를 생성하는 현장 처리반(120); 및
    상기 제 1 검출 데이터 또는 상기 제 2 검출 데이터를 이용하여 상기 구분소 및 복수개의 상기 보조 구분소(AT1) 중 어느 하나를 고장점 위치로 표정하는 마스터 장치(130);를 포함하고,
    상기 제 1 전기량은 복수개의 상기 변압기로 각각 흐르는 복수개의 흡상전류 및 복수개의 순환전류이고, 상기 제 2 전기량은 급전 전압 및 급전 전류이고,
    상기 고장점 위치는 복수개의 상기 순환 전류에 의해 형성되는 복수개의 상기 흡상 전류비를 이용하여 표정되고,
    복수개의 상기 변압기는 권수비가 1:1인 단권 변압기이고, 복수개의 상기 순환전류는 복수개의 상기 흡상전류의 절반이고,
    상기 단권 변압기의 중성점으로 흡상되는 흡상 전류(In11)는 고장점(F2)에서 단권 변압기 중성점까지의 거리에 반비례하는 것을 특징으로 하는 복합 고장점 위치 검출 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 흡상 전류비에 의한 고장점 위치는 수학식
    Figure 112020041419702-pat00010
    (여기서, Lf는 고장점 위치이고,
    Figure 112020041419702-pat00011
    , I0,I1는 전차선 순환전류이고, k3, k4는 보정계수이며, Ld는 양 단권 변압기 사이 거리이다)으로 정의되는 것을 특징으로 하는 복합 고장점 위치 검출 시스템.
  8. 구분소 및 상기 구분소의 구간내에 서로 일정 간격으로 이격되는 복수개의 보조 구분소(AT1)에 설치되며, 상기 구분소 및 복수개의 상기 보조 구분소에 각각 설치되는 복수개의 변압기로 흐르는 제 1 전기량을 검출하여 제 1 검출 데이터를 각각 생성하는 복수개의 슬레이브 장치(110a ~ 110n)를 갖는 슬레이브 장치 블록(110);
    변전소로부터 급전 연장선의 연장점(E)에서 제 2 전기량을 검출하여 제 2 검출 데이터를 생성하는 현장 처리반(120); 및
    상기 제 1 검출 데이터 또는 상기 제 2 검출 데이터를 이용하여 상기 구분소 및 복수개의 상기 보조 구분소(AT1) 중 어느 하나를 고장점 위치로 표정하는 마스터 장치(130);를 포함하고,
    상기 제 1 전기량은 복수개의 상기 변압기로 각각 흐르는 복수개의 흡상전류 및 복수개의 순환전류이고, 상기 제 2 전기량은 급전 전압 및 급전 전류이고,
    상기 급전 전압 및 급전 전류에 의한 고장점 위치는 상기 급전전압과 상기 급전전류의 임피던스(Xf)를 이용하여 표정되는 것을 특징으로 하는 복합 고장점 위치 검출 시스템.
  9. 제 8항에 있어서, 분소 및 상기 구분소의 구간내에 서로 일정 간격으로 이격되는 복수개의 보조 구분소(AT1)에 설치되며, 상기 구분소 및 복수개의 상기 보조 구분소에 각각 설치되는 복수개의 변압기로 흐르는 제 1 전기량을 검출하여 제 1 검출 데이터를 각각 생성하는 복수개의 슬레이브 장치(110a ~ 110n)를 갖는 슬레이브 장치 블록(110);
    변전소로부터 급전 연장선의 연장점(E)에서 제 2 전기량을 검출하여 제 2 검출 데이터를 생성하는 현장 처리반(120); 및
    상기 제 1 검출 데이터 또는 상기 제 2 검출 데이터를 이용하여 상기 구분소 및 복수개의 상기 보조 구분소(AT1) 중 어느 하나를 고장점 위치로 표정하는 마스터 장치(130);를 포함하고,
    상기 제 1 전기량은 복수개의 상기 변압기로 각각 흐르는 복수개의 흡상전류 및 복수개의 순환전류이고, 상기 제 2 전기량은 급전 전압 및 급전 전류이고,
    상기 임피던스(Xf)는 수학식
    Figure 112021144106384-pat00012
    (여기서, Vtx는 급전전압, Itx는 급전전류, ∠는 급전전압의 위상각, ∠는 급전전류의 위상각이다)으로 정의되는 것을 특징으로 하는 복합 고장점 위치 검출 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 고장점 위치는 상기 변전소로부터의 제 1 거리(Le0)와 현장 처리반(120)으로부터 고장점(F1)까지의 제 2 거리(m)의 합인 것을 특징으로 하는 복합 고장점 위치 검출 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 2 거리(m)는 수학식
    Figure 112020041419702-pat00013
    여기서, k1과 k2는 보정계수이고, Xl은 단위길이당 선로 임피던스이다.)으로 정의되는 것을 특징으로 하는 복합 고장점 위치 검출 시스템.
  12. 제 6 항 또는 제 8 항에 있어서,
    급전 계통에 고장이 발생하면, 상기 마스터 장치(130)에 트립신호를 전송하여 상기 마스터 장치(130)가 상기 슬레이브 장치 블록(110) 및 상기 현장 처리반(120)에 각각 상기 제 1 검출 데이터 및 상기 제 2 검출 데이터를 생성하도록 요청하는 보호 계전기(140);를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 고장점 위치 검출 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 보호 계전기(140)의 제어에 따라 상기 급전 계통을 차단하는 차단기(150);를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 고장점 위치 검출 시스템.
  14. (a) 구분소 및 상기 구분소의 구간내에 서로 일정 간격으로 이격되는 복수개의 보조 구분소(AT1)에 설치되는 복수개의 슬레이브 장치(110a ~ 110n)를 갖는 슬레이브 장치 블록(110)이 상기 구분소 및 복수개의 보조 구분소에 각각 설치되는 복수개의 변압기로 흐르는 제 1 전기량을 검출하여 제 1 검출 데이터를 각각 생성하는 단계;
    (b) 현장 처리반(120)이 변전소로부터 급전 연장선의 연장점(E)에서 제 2 전기량을 검출하여 제 2 검출 데이터를 생성하는 단계; 및
    (c) 마스터 장치(130)가 상기 제 1 검출 데이터 또는 상기 제 2 검출 데이터를 이용하여 상기 구분소 및 복수개의 상기 보조 구분소(AT1) 중 어느 하나를 고장점 위치로 표정하는 단계;를 포함하고,
    상기 제 1 전기량은 복수개의 상기 변압기로 각각 흐르는 복수개의 흡상전류 및 복수개의 순환전류이고, 상기 제 2 전기량은 급전 전압 및 급전 전류이고,
    상기 고장점 위치는 복수개의 상기 순환 전류에 의해 형성되는 복수개의 상기 흡상 전류비를 이용하여 표정되고,
    복수개의 상기 변압기는 권수비가 1:1인 단권 변압기이고, 복수개의 상기 순환전류는 복수개의 상기 흡상전류의 절반이고,
    상기 단권 변압기의 중성점으로 흡상되는 흡상 전류(In11)는 고장점(F2)에서 단권 변압기 중성점까지의 거리에 반비례하는 것을 특징으로 하는 복합 고장점 위치 검출 방법.
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