KR102539894B1 - 발전소 동기발전의 변전소 전력계통 연계장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 상세하게는 다양한 계통연계조건에서의 계통전압 선택 및 제어회로를 로직화하여 발전기 계통병입 시스템을 단순화, 간소화하여 고장요인을 감소시킬 수 있는 발전소 동기발전의 전력계통 연계장치에 관한 것이다.

Description

발전소 동기발전의 변전소 전력계통 연계장치{Power system of substation linkage device for power plant synchronous generator}

본 발명은 발전소 동기발전의 변전소 전력계통 연계장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다양한 계통연계조건에서의 계통전압 선택 및 제어회로를 로직화 및 이중화하여 발전기 계통병입 시스템을 단순화, 간소화하여 고장요인을 감소시킬 수 있는 발전소 동기발전의 전력계통 연계장치에 관한 것이다.

동기 발전기(또는 동기기)는 전력계통에 병입운전하기 위해서 전력계통의 전압크기, 전압위상 및 주파수 등을 일치시켜 병입되어야 한다. 이처럼, 동기 발전기를 구동시켜 전력계통에 연결하여 운전하기 위해서는 동기 투입(또는 계통 병입, 계통 투입, 동기 병입)을 위한 동기병입장치가 필요하다.

일반적으로, 동기병입장치는 독립적으로 설치되어 있으며, 계통병입 전 발전기 여자기로 단자전압 조절 명령과, 터빈의 조속기로 속도와 위상 조절 명령을 주게 된다.

계통에서 분리된 동기발전기를 전력계통에 연계할 경우 발전기측과 전력계통측의 전압, 주파수, 위상이 같아야 하며, 특히 복모선 1.5차단방식의 변전소를 통한 전력계통 연계시 다양한 연계조건이 존재하기 때문에 더욱 복잡한 제어회로로 구성된다.

이러한 계통연계 회로는 일반적으로 Hard Wire로 구성되어 있어 고장요인 증가로 전력계통의 안정운영이 저해될 뿐만 아니라 설치비와 유지관리 비용도 증가되고 있다는 문제점이 있다.

따라서, 동기발전기 계통연계 회로의 복잡성을 간략화하고, 기존 Hard Wire 및 Aux. Relay를 소프트(Logic)화 및 이중화로 구성하여 관련시스템의 안정성, 유지보수성, 경제성 확보가 필요한 실정이다.

한편, 전술한 배경 기술은 발명자가 본 발명의 도출을 위해 보유하고 있었거나, 본 발명의 도출 과정에서 습득한 기술 정보로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에게 공개된 공지기술이라 할 수는 없다.

한국등록특허 제10-1825225호

본 발명의 일측면은 발전기의 다양한 계통연계 조건에서의 전력계통측 전압 선택 및 제어로직으로 구성하고 2계열화하여 동작하도록 하는 계통연계용 차단기의 제어장치를 제공한다.

본 발명의 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 발전소 동기발전의 전력계통 연계장치는 제1 계통 및 제2 계통으로부터 계통연계를 위한 PT 정보 및 접점정보를 입력받아, 계통연결을 위한 전압을 선택하고, 차단기를 제어하기 위한 제어 신호를 생성하는 ECMS(Electrical Control & Monitoring System) 제어반;을 포함한다.

상기 ECMS 제어반은,

제1 차단기 제어용 컨트롤러;

제2 차단기 제어용 컨트롤러;

계통연결 차단기 전압선택회로;

계통연결 제어회로; 및

차단기 폐쇄회로;를 포함한다.

상기 상기 ECMS 제어반은,

상기 계통연계 배전반으로부터 계통연계가 요청되면, 상기 제1 차단기 제어용 컨트롤러 및 상기 제2 차단기 제어용 컨트롤러 중 적어도 하나를 통해 차단기 제어 신호를 생성하고, 생성된 차단기 제어 신호를 연계 단자반으로 전송한다.

상술한 본 발명의 일측면에 따르면, 동기발전기의 전력계통 연계 시 기존 조건부합회로 및 제어회로의 제어케이블을 로직 구현이 가능한 컨트롤러(C60)인 계통병입 시스템에 로직화(Logic)하여 내장하고 2중화를 구현하여 계통연계 배전반(Synchro Panel)의 제어회로를 개선하여 발전설비의 안정 운영과 경제성을 추구할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발전소 동기발전의 전력계통 연계장치의 개념도이다.

후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예와 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.

이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발전소 동기발전의 전력계통 연계장치의 개략적인 구성이 도시된 도면이다.

본 발명에 따른 발전소 동기발전의 전력계통 연계장치는 동기발전기의 전력계통 연계 시 기존 조건부합회로 및 제어회로의 제어케이블을 로직 구현이 가능한 컨트롤러(C60)인 계통병입 시스템에 로직화(Logic)하여 내장하고 2중화를 구현하여 계통연계 배전반(Synchro Panel)의 제어회로를 개선하여 발전설비의 안정 운영과 경제성을 추구하는 것을 목적으로 한다.

이를 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 발전소 동기발전의 전력계통 연계장치는 계통연계 배전반과 연계 단자반, SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition system)와 같은 원격 감시 제어 장치 사이에 구비되어, 제1 계통 및 제2 계통으로부터 계통연계를 위한 PT 정보 및 접점정보를 입력받아, 계통연결을 위한 전압을 선택하고, 차단기를 제어하기 위한 제어 신호를 생성하는 ECMS(Electrical Control & Monitoring System) 제어반(100)을 포함한다.

구체적으로, ECMS 제어반은 제1 차단기 제어용 컨트롤러, 제2 차단기 제어용 컨트롤러, 계통연결 차단기 전압선택회로, 계통연결 제어회로 및 차단기 폐쇄회로를 포함하며, 다양한 계통연계조건에서의 계통전압을 선택하고 차단기의 동작을 제어할 수 있다.

도 2는 종래의 계통연결 전압 선택 시나리오가 도시된 도면이고, 도 3은 본 발명에 따른 계통연결 전압 선택 시나리오가 도시된 도면이다.

도시된 도면에 기재된 각 용어의 정의는 다음과 같다.

PT(potential transformer,계기용변압기) : 고전압을 저전압으로 변성하여 계측기나 계전기용 전압을 측정하는 기기이다.

GIS(Gas Insulated switchgear) : 가스절연개폐장치로 발전소 및 변전소에서 부하전류 개폐뿐만 아니라 사고·단락전류 등의 이상 상태에 있어서도 선로를 안전하게 개폐하는 장치이다.

C60 : 전력설비보호, 감시, 제어시스템(ECMS)의 차단기제어, 입력된 접점을 이용하여 로직회로 구현 등이 가능한 콘트롤러이다.

BO : 계통연계 전압선택회로에서 차단기 접점, PT전압 신호를 구분하기위해 임의적으로 표현한 기호이다.

AO : 차단기 제어회로에서 제어명령신호를 구분하기 위해 임의로 표현한 기호이다.

BTG(Boiler, Turbine, Generator) : 발전소에서 보일러, 터빈, 발전기를 종합적으로 운전하는 장치이다.

PT 요소/GIS 접점 : PT는 고전압을 계기용 저전압으로 변성(예 345kV을 110V 변환)하여 전압의 크기를 측정하여 계기로 사용한다.

GIS 접점 : GIS내에는 차단기(CB), 단로기(DS)등이 내장된 전력기기로서 CB 또는 DS가 Open/Closed 상태인지 접점을 통해서 알 수 있다. 예를 들면 a접점은 CB가 Closed 상태면 접점이 연결되어 있고 Open 상태면 접점이 떨어지며, b접점은 a접점의 반대이다.

연계단자반(Terminal Block) : 현장설비와 제어반사이의 신호를 연결하는 제어케이블이 연결되는 터미널 블록이다.

Running/incoming전압 : 발전기를 전력계통에 연계하려고 할 때 전력계통 측 전압을 Running 전압, 발전기측(계통병입하려는 기기) 전압을 incoming 전압이라 한다. Running/incoming 전압을 서로 비교해서 전압의 크기, 위상, 상회전, 주파수가 일치하면 발전기는 전력계통에 병입하여 운전할 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 종래 기술에 따른 계통연결 전압 선택 방법은

도시된 도면에서, BO1은 BTG에 의한 차단기 동기검정 회로 구성용 차단기 및 단로기의 접점을 의미하며, BO2는 BTG에 의한 차단기 동기검정 회로 구성용 345kV 스위치야드(SWYD)측 모선 및 상대선로의 PT전압을 의미한다.

반면, 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 계통연결 전압 선택 방법은 전력설비보호, 감시 및 제어 시스템(ECMS)에 차단기 제어용 콘트롤러(Controller, C60)를 이중으로 구축하여 GIS 및 발전기 현장 배전반에서 물리적 입력(Hard wire)으로 차단기, 단로기 접점과 345kV 모선, 송전선, 발전기 전압을 신호를 받아 콘트롤러에 각각의 입력 조건을 로직(Logic)으로 구성하여 전압 선택(Voltage Selection)과 차단기 제어(Control)의 출력을 사용한다.

도시된 도면에서, BO1과 BO3은 ECMS System에 호환되는 Digital Controller를 신규 시설하여 차단기 동기 검정 회로 구성용 차단기, 단로기 접점을 입력하는 것을 의미하며, BO2,BO4 및 BO5는 차단기 동기검정 회로 구성용 345kV SWYD측 모선, 상대선로 PT전압을 기설 Control & Monitoring을 거쳐 신규 Digital Controller측에 연결하는 것을 의미한다.

이와 같이, 본 발명에 따른 ECMS 제어반은 발전소 및 변전소의 모든 PT요소 (#70,75 모선 전압, #1 송전선로 전압, 발전기 출력 전압) 및 GIS의 접점(차단기 및 단로기 운전상태 접점)을 수집하여 GIS의 기존 접점을 그대로 사용함으로써 회로가 간소화될 수 있다.

한편, 디지털 컨트롤러(C60)는 #1C60과 #2C60이 있으며, 예시된 로직회로와 같이 동일한 입력 신호가 #1C60과 #2C60에 각각 입력되어 로직회로를 통하여 동일한 결과 값이 출력되어 차단기 투입 혹은 트립회로에 병렬로 접점을 제공한다.

도 6은 변전소의 계통도가 도시된 일 예로, 도시된 회로는 #1C60에 대한 로직회로로서 #2C60도 동일한 로직회로로 구성되며 출력신호는 Schematic Diagram에서 보는 바와 같이 병렬회로를 구성하여 2중화된다.

대전류가 흐르는 변전소의 계통연계용 차단기는 동일한 동기조건에서 즉시 전력계통과 연결하여 발전을 하여야 하며, 지락 혹은 단락고장시에는 즉시 차단기를 동작시켜 회로를 차단시켜야 발전기의 손상을 방지하고 고장이 확대되는 것을 방지해야 한다.

따라서 동기투입 또는 차단회로를 완전 2중화하여 동작을 확실하게 하고 오동작을 방지할 수 있기 때문에 신뢰성과 안정성을 확보할 수 있다.

도 4는 종래의 차단기 제어 시나리오가 도시된 도면이고, 도 5는 본 발명에 따른 차단기 제어 시나리오가 도시된 도면이다.

종래 기술에 따른 차단기 제어 방법은 계통연계 배전반에서 계통연결을 위한 요청이 이루어지면 BTG Board와 GIS 현장제어반 간의 통신을 통해 차단기 폐쇄 또는 개방을 제어하였다.

반면, 본 발명에 따른 ECMS 제어반은 SS(Synchro Mode Selection)제어, CB, DS 운전상태(ON,OFF)등을 Logic으로 구성하여 ECMS System에 호환되는 디지털 Controller를 신규 시설하여 차단기제어 2중화 구축방식에 따라 차단기를 조작할 수 있다.

도 7은 계통연결 회로를 구성하는 차단기 전압선택회로의 일 예가 도시된 도면이고, 도 8은 계통연결 제어회로의 일 예가 도시된 도면이고, 도 9는 차단기 폐쇄회로의 일 예가 도시된 도면이다.

먼저, 도 7에 도시된 계통연결 전압선택 로직(Synchro Voltage Selection Logic) 회로 설명하면, 발전기를 전력계통에 병입시에는 전력계통의 전압(Running Voltage)과 발전기측 전압(Incoming)의 크기, 위상, 주파수, 상회전이 일치해야 한다.

예컨대, 발전기를 7371 CB를 이용하여 계통병입 할 경우

1) 70 Bus의 Running Voltage Selection : 가)+나)+다) AND조건

가) 7371 CB Open

나) 7321 DS Closed

다) 7371 CB Synchro & Auto

2) Gen. Incoming Voltage Selection : 가)+나) AND조건

가) 7321 DS Closed

나) 7371 CB Synchro & Auto

다른 예로, 발전기를 7300 CB를 이용하여 계통병입 할 경우

1) #1T/L or 75 Bus Running Voltage Selection : 가)+나)+다)+라) AND조건

가) 7300 CB Open

나) 7372 CB Closed

다) 7322 DS Closed

라) 7300 CB Synchro & Auto

2) Gen. Incoming Voltage Selection : 가)+나) AND조건

가) 7321 DS Closed

나) 7371 CB Synchro & Auto

상기한 1)조건 또는 2)조건이 만족되면 Synchro Check Relay(25C)와 Auto Synchro Relay(25A)가 동작된다.

다음으로, 도 9에 도시된 차단기 투입제어 회로(Close Control Logic)를 설명하면, 앞에서 설명한 로직에 의해 Synchro Check 및 Auto Synchro가 될 경우 차단기(7371, 7300)가 투입되는 로직이다.

1. ECMS에서 차단기를 자동으로 투입할 경우 : All AND 조건

가) 7371 CB가 ECMS 선택

나) Switch Yard에서 7371CB Remote Mode

다) ECMS Selection CB 7371

라) 7321 DS Closed(SWYD LCP; Switch Yard 현장제어반)

마) ECMS에서 7371 CB Synchro Auto Mode

바) Auto Synchro Relay 접점

사) Auto Synchro Check Mode(ARP)

아) 7371 CB 차단기 투입용 보조 릴레이(C71-PCX) 동작

2. ECMS에서 Synchro Check후 차단기 투입할 경우

가) 7371 CB가 ECMS 선택

나) Switch Yard에서 7371CB Remote Mode

다) ECMS Selection CB 7371

라) 7321 DS Closed(SWYD LCP; Switch Yard 현장제어반)

마) Field Breaker 투입

바) Auto Synchro Check

사) Auto Synchro Check Mode(ARP)

아) 7371 CB 차단기 투입용 보조 릴레이(C71-PCX) 동작

3. 차단기를 수동으로 투입할 경우

가) 7371 CB가 ECMS 선택

나) Switch Yard에서 7371CB Remote Mode

다) ECMS Selection CB 7371

라) 7321 DS Closed(SWYD LCP; Switch Yard 현장제어반)

마) ECMS에서 7371 CB Close 조작

바) 7371 CB 차단기 투입용 보조 릴레이(C71-PCX) 동작

도 10은 7300CB 차단기 투입회로로서 도 9와 동일하다.

한편, 본 발명의 일 실시예에서, 계통연결 차단기 전압선택회로는 제1 모선측에 구비되는 제1 차단기; 제2 모선측에 구비되는 제2 차단기; 상기 제1 차단기와 상기 제2 차단기 사이에 구비되는 제3 차단기; 상기 제1 차단기의 양 단에 각각 연결되는 한 쌍의 제1 단로기; 상기 제2 차단기의 양 단에 각각 연결되는 한 쌍의 제2 단로기; 상기 제3 차단기의 양 단에 각각 연결되는 한 쌍의 제3 단로기; 제1 송전선로에 구비되는 제4 단로기; 및 제2 송전선로에 구비되는 제5 단로기;로 구성될 수 있다.

즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 계통연계용 차단기의 계통전압 선택회로는 제1 모선(345kV #1 BUS)과 제2 모선(345kV #2 BUS) 사이에 세 개의 차단기가 구비되고, 각각의 차단기의 양 단에는 한쌍의 단로기가 구비되는 것을 특징으로 한다.

이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 계통연계용 차단기의 계통전압 선택회로는 발전소의 다양한 계통연계조건에서 계통연계 제어회로를 단순, 간소화하고 계통연계 보호반으로 연계된 제어케이블을 제거하고 로직화함으로써 계통연계 제어회로의 2계열화를 통한 고장요인을 감소시킬 수 있으며 계통연계 제어장치의 신뢰도 향상으로 전력계통의 안정적인 운용이 가능한 효과를 제공한다.

본 발명의 일 실시예에서, 계통연결 제어회로는 필요원격 감시 제어(Supervisory Control And Data Acquisition, SCADA) 시스템에서 계통 연결을 위해 변전소 운전원의 투입스위치 조작을 감지하는 스위치 감지부; 변전소의 모선에 구비된 차단기의 개방 또는 폐쇄 상태를 나타내는 신호를 출력하는 차단기 감지부; 미리 정해진 시간 동안 차단기가 폐쇄되기 위한 시간을 카운팅하는 타이머; 및 차단기의 계통 연결을 위해 차단기 투입여부를 자동 또는 수동으로 선택하기 위한 한 쌍의 스위치;를 포함한다.

이와 같이, 본 발명에 따른 발전소 동기발전의 전력계통 연계장치는 다양한 계통연계조건에서 전력계통 연계 시 기존 조건부합회로 및 제어회로의 제어케이블을 로직(Logic)화여 발전기 계통연계 조건의 디지털화 및 2중화 구성으로 시스템의 신뢰성과 안정성을 구현할 수 있다.

이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 공간으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (3)

1. 삭제
2. 제1 계통 및 제2 계통으로부터 계통연계를 위한 PT 정보 및 접점정보를 입력받아, 계통연결을 위한 전압을 선택하고, 차단기를 제어하기 위한 제어 신호를 생성하는 ECMS(Electrical Control & Monitoring System) 제어반;을 포함하는, 발전소 동기발전의 전력계통 연계장치에 있어서,
   상기 ECMS 제어반은,
   제1 차단기 제어용 컨트롤러;
   제2 차단기 제어용 컨트롤러;
   계통연결 차단기 전압선택회로;
   계통연결 제어회로; 및
   차단기 폐쇄회로;를 포함하고,
   상기 차단기 폐쇄회로는,
   상기 ECMS 제어반에서 차단기를 자동으로 투입하는 경우,
   차단기가 ECMS를 선택하고, 스위치 야드(Switch Yard)에서 차단기를 원격 모드로 설정하고, 단로기를 폐쇄하고, ECMS 제어반에서 차단기의 계통연결 자동 모드를 활성화하고, 보조 릴레이 패널이 계통연계 자동 체크 모드가 활성화되어 차단기 투입용 보조 릴레이를 동작시켜 차단기를 투입하고,
   상기 상기 ECMS 제어반은,
   계통연계 배전반으로부터 계통연계가 요청되면, 상기 제1 차단기 제어용 컨트롤러 및 상기 제2 차단기 제어용 컨트롤러 중 적어도 하나를 통해 차단기 제어 신호를 생성하고, 생성된 차단기 제어 신호를 연계 단자반으로 전송하는, 발전소 동기발전의 전력계통 연계장치.
   
   
3. 삭제

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