KR102555040B1 - 저압직류 배전계통의 보호기기 정정시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 저압직류 배전계통의 보호기기 정정시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 임의 계통에 대한 시변성 고장전류를 계산하여 다양한 계전요소의 보호기기를 정정할 수 있는 저압직류 배전계통의 보호기기 정정시스템에 관한 것이다.

Description

저압직류 배전계통의 보호기기 정정시스템{Setting system of protective devices in low voltage direct current distribution system }
본 발명은 저압직류 배전계통의 보호기기 정정시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 임의 계통에 대한 시변성 고장전류를 계산하여 다양한 계전요소의 보호기기를 정정할 수 있는 저압직류 배전계통의 보호기기 정정시스템에 관한 것이다.
저압직류(low voltage directe current, LVDC) 배전계통에서의 보호계전 방식으로 여섯 개의 대표적인 선행연구가 존재한다.
먼저, 선행연구1은 LVDC 단락전류 계산을 위한 방법으로 고장전류 공급원(정류기, 모터, 캐패시터, 납축전지)에 대한 각각의 단자고장에 대한 기여분을 중첩하는 방식을 제시하였다. 이를 위해 다른 전류원들에 의한 영향을 보정계수를 통해 반영하였다. 이 연구는 부분단락 전류원 중첩에 의한 단락전류 계산식을 제시하고 있으나 계통이 복잡해질 경우 전류원 중첩방식을 적용하기 어려운 문제점이 있다.
선행연구2는 AC/DC 및 DC/DC 컨버터(converter)의 단자(terminal) 고장시 고장전류의 양태를 분석하여 AC/DC 정류기의 경우, DC링크 캐패시터 방전단계, 선로 인덕터 방전단계 및 공급전원 입력에 의한 고장전류 공급단계의 3단계로 구분하고, DC/DC 컨버터의 경우, DC링크 캐패시터 방전단계와 역병렬 다이오드 도통단계의 2단계로 구분하였으며 EMTP라는 순시치 계통 시뮬레이션 툴(tool)을 사용하여 그 양태를 검토하였다. 이 방법은 특정 계통에 대해 EMTP라는 고가의 시뮬레이션 툴을 이용하여야 하는 문제점이 있다.
선행연구3은 과전류 계전, 방향성 과전류 계전, 부족전압 계전기 등의 AC 보호방식의 LVDC 적용가능성 검토하였으며, EMTP 시뮬레이션을 통해 각 계전방식을 비교하고 주보호로 전류변화율과 전류극성을 후비보호로 부족전압 요소를 사용가능한 것으로 도출하였다. 이 방법 역시 EMPT 시뮬레이션 툴이 필요하며 임의 계통에 대한 정정에 관한 내용은 존재하지 않는다.
선행연구4는 PSCAD를 이용한 LVDC 고장양태 시뮬레이션 분석하고 모의 배전계통에 대한 고장 사례연구를 수행하였다. 이 연구도 특정 계통에 대해 PSCAD 시뮬레이션 툴을 사용하여야 하는 문제점이 있다.
선행연구5는 전류변화율 요소를 이용한 LVDC 고장검출 방식 제시하였다. 특정 컨버터에 대한 고장전류 및 전류변화율 산식을 제시하였으며, AC/DC 컨버터 1대에 대한 단순계통에 대한 고장 사례연구(수식과의 비교)를 수행하였다. 최종적으로, 전류변화율 극점 비율을 이용한 고장검출 방안 제안하였다. 그러나 이 연구도 특정 계통에 대해 시뮬레이션 툴을 이용하여 분석을 수행하였고 임의 계통에 대한 설정 방법은 제시하고 있지 않다.
선행연구6은 DC 배전계통의 단락고장 해석을 PSCAD 시뮬레이션 툴을 사용하여 수행하였다. AC/DC 컨버터 1대에 대한 단자 고장과 앞서 선행연구2 등의 수식의 결과를 비교하였으며, 모의 결과 네트웍(선로) 모델을 고려한 고장해석 시 개별 기기 고장기여 수식의 결과와 오차가 크게 발생함을 보였다.
보호기기의 정정을 위한 첫 번째 단계는 대상 계통에 대한 고장전류의 계산이다. 선행연구 2, 4, 6에서는 AC/DC 컨버터와 DC/DC 컨버터로 LVDC 계통의 고장기여 모델을 단순화하고 각각의 개별 모델에 대한 단락 및 지락 고장발생시의 시변성 고장전류 모델을 제시하였다. 그러나 1대의 고장이 아닌 여러 대의 고장전류원으로 구성되는 실제 계통에서는 고장전류원들의 영향 및 계통요소(선로, 변압기 등등)를 반영한 일반화가 필요하나 이러한 방법에 대해서는 기술하고 있지 않다. 선행연구들에서는 계통요소를 반영한 고장전류해석은 PSCAD나 EMTP와 같은 전문적인 순시치 시뮬레이션 툴을 사용하여 해석하고 있으나 이러한 해석툴은 가격과 사용의 전문성 때문에 일반적인 사용이 어려우며, 대상 계통이 변경될 때마다 새로 계통 모의파일을 준비하는데 많은 시간이 소요된다는 문제점이 있다. 선행연구 1(IEC61660 규격)의 경우 해석적 고장계산 방식을 제시하였다. 그러나, 각 고장전류원에 보정계수를 적용하고 이를 특정 고장점에 대해 중첩하는 방식을 사용함으로써, 다양한 계통구조(radial, loop, mesh 등)와 계통 규모가 커지는 경우 적용하기 어렵다는 문제점이 있다.
따라서, 임의 계통에 대해 순시치 시뮬레이션 툴을 이용하지 않고 엔지니어링(engineering) 해석방식의 시변성 고장전류 계산이 필요하다.
보호기기 정정을 위한 두 번째 단계는 각 보호기기의 보호계전 요소에 대한 정정치(setting value)의 계산이다. 이는 앞서의 엔지니어링 해석방식의 시변성 고장전류 계산결과를 활용하여 수행되어야만 한다. 선행연구3의 경우 전류변화율 요소를 가장 적합한 LVDC 보호기기의 계전 요소로 분석하였으나 임의계통에 대한 정정치 설정 방식을 제시하고 있지 못하다. 선행연구5의 경우, 특정 컨버터에 대한 고장전류 및 전류변화율 산식을 제시하였다. 또한 AC/DC 컨버터 1대에 대한 단순계통에 대한 고장 사례연구(수식과의 비교)를 수행하고, 전류변화율 극점 비율을 이용한 고장검출 방안 제안하였다. 그러나 임의 계통에 대한 설정방법의 제시는 하고 있지 못하며, 1개(전류변화율)만을 고려한 보호기기 정정만을 수행하고 있다.
따라서, 임의 계통에 대한 엔지니어링 해석방식의 시변성 고장전류 계산결과를 활용한 다양한 계전요소의 정정방식이 필요하다.
1. 선행연구1: Short-circuit currents in d.c. auxiliary installations in power plants and substations, IEC61660-1, 1997 2. 선행연구2: 저압직류 배전계통의 고장응답 특성 분석, 전기학회논문지 제65권 제6호 pp.911~917, 2016.06 3. 선행연구3: 교류 배전계통 보호 알고리즘의 직류 배전계통 적용 가능성 검토에 관한 연구, 조명설비학회논문지 제30권 제11호 pp.50~56, 2016.11 4. 선행연구4: PSCAD/EMTDC를 활용한 LVDC 고장분석에 관한 연구, 교통대학교 석사학위논문, 2017.02 5. 선행연구5: 저압직류 배전계통의 전류 변화율 특성을 활용한 고장 검출 알고리즘 개발, 성균관대학교 석사학위논문, 2017.02 6. 선행연구6: LSPS에 있어서 DC차단기 선정을 위한 고장계산, 전기학회하계학술대회 pp.2094~2095, 2019.07
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로 본 발명의 목적은 시뮬레이션툴을 이용하지 않고 임의 계통에 대한 엔지니어링 해석방식으로 시변성 고장전류 계산을 수행할 수 있는 저압직류 배전계통의 보호기기 정정시스템을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 계산된 시변성 고전전류를 활용하여 다양한 계전요소를 정정할 수 있는 저압직류 배전계통의 보호기기 정정시스템을 제공하는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 저압직류(LVDC:low voltage directe current) 배전계통의 운영 데이터가 저장되는 운영 데이터 베이스; 상기 운영 데이터 베이스의 운영 데이터를 읽어 표 형태로 구성하는 운영 데이터 처리부; 계통의 각 전류원에 대해 보정계수를 계산하고, 계산된 보정계수에 해당 전류원의 단자에서의 고장전류 기여분을 곱하여 고장전류를 계산하는 고장전류 계산부; 및 고장발생 직후부터 상기 고장전류가 최대가 되는 순간까지 고장전류의 평균전류변화율에 마진을 곱하여 보호기기 정정치를 계산하고 기기 및 부하 보호기기의 보호 영역 고장에 대해 선로 보호기기의 동작지연시간을 계산하는 보호기기 정정치 계산부;를 포함하고, 상기 보호기기 정정치와 상기 동작지연시간은 통신 중계장치를 통해 현장 보호기기들로 전송되며, 상기 현장 보호기기들은 상기 보호기기 정정치와 상기 동작지연시간을 이용하여 차단기의 개방하는 것을 특징으로 하는 저압직류 배전계통의 보호기기 정정시스템을 제공한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 운영 데이터는 모선에 연결된 각 설비의 토폴로지 정보, 각 설비의 임피던스 정보, 선로의 각 구간 길이 정보, 모선에 연결된 전원의 정격전압 정보, 정류기 및 컨버터의 DC링크 캐패시터 용량 정보를 포함한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 보정계수는 아래의 수학식 1과 같이 전체 전류원들이 모선에 존재하는 상태에서 보정계수 계산을 위한 해당 전류원(전류원i)이 공급하는 고장전류(Ieq)와 전류원i 만이 모선에 존재하는 것으로 가정한 상태에서 전류원i가 공급하는 고장전류(Ipa)의 비로 계산된다.
[수학식 1]
Figure 112021026103515-pat00001
여기서, σik는 모선k의 고장에 대해 전류원i의 보정계수이다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 Ipa는 아래의 수학식 2와 같이 전체 전류원이 계통과의 연결을 무시한 네트웍의 어드미턴스행렬(Y단계1)을 생성하고, 아래의 수학식 3과 같이 전류원i를 제외한 나머지 전류원의 영향을 무시하고 전압 전류식을 정리한 후, 아래의 수학식 4와 같이 상기 수학식 3을 계산하여 얻는다.
[수학식 2]
Figure 112021026103515-pat00002
[수학식 3]
Figure 112021026103515-pat00003
여기서, Ii는 모선i의 전류인 전류원i, 0은 전류원i를 제외한 나머지 전류원들의 전류로 무시된 값, Ei는 모선i의 전압, V1은 i모선을 제외한 나머지 모선들의 전압행렬로 1부터 i-1까지의 행렬, V2은 i모선을 제외한 나머지 모선들의 전압행렬로 i+1부터 N까지의 행렬이다.
[수학식 4]
Figure 112021026103515-pat00004
바람직한 실시예에 있어서, 상기 Ieq는 아래의 수학식 5와 같이 전체 전류원이 계통과 연결된 확장된 네트웍의 어드미턴스행렬(Y단계2)을 생성하고, 아래의 수학식 6과 같이 전류원i를 제외한 나머지 전류원의 영향을 무시하고 확장된 어드미턴스행렬(Y단계2)에 대해 전압 전류식을 정리하며, 상기 수학식 5와 상기 수학식 6을 아래의 수학식 7과 같이 V1과 V2의 식으로 정리하고, 아래의 수학식 8과 같이 고장모선 k를 중심으로 정리하여 계산함으로써 얻는다.
[수학식 5]
Figure 112021026103515-pat00005
여기서, Y1, Y2, Y3, Y4는 확장된 어드미턴스행렬(Y단계2)에서 모선i를 중심으로 구분되는 서로 다른 행렬의 부분으로 Y1은 Y11에서 Y(i-1)(i-1)까지의 행렬, Y2는 Y1(i+1)에서 Y(i-1)(N+M)까지의 행렬, Y3는 Y(i+1)1에서 Y(N+M)(i-1)까지의 행렬, Y4는 Y(i+1)(i+1)에서 Y(N+M)(N+M)까지의 행렬이다.
[수학식 6]
Figure 112021026103515-pat00006
[수학식 7]
Figure 112021026103515-pat00007
[수학식 8]
Figure 112021026103515-pat00008
본 발명은 다음과 같은 우수한 효과를 가진다.
먼저, 본 발명의 저압직류 배전계통의 보호기기 정정시스템에 의하면 고가의 전문적인 순시치 시뮬레이션 툴을 이용하지 않고 임의 계통에 대해 엔지니어링 해석방식으로 시변성 고장전류를 계산할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 저압직류 배전계통의 보호기기 정정시스템에 의하면, 계산된 시변성 고장전류를 활용하여 다양한 계전요소를 정정할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 저압직류 배전계통의 보호기기 정정시스템을 보여주는 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 저압직류 배전계통의 보호기기 정정시스템의 고장전류 계산부가 Ipa를 계산하는 개념을 설명하기 위한 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 저압직류 배전계통의 보호기기 정정시스템의 고장전류 계산부가 Ieq를 계산하는 개념을 설명하기 위한 도면,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 저압직류 배전계통의 보호기기 정정시스템의 고장전류 계산부가 고장전류를 계산하는 과정을 설명하기 위한 도면,
도 5는 기기 및 부하 보호기기의 보호 영역 외부에서 고장 발생시 배전계통의 보호원리를 설명하기 위한 도면,
도 6은 기기 및 부하 보호기기의 보호 영역에서 고장 발생시 배전계통의 보호원리를 설명하기 위한 도면,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 저압직류 배전계통의 보호기기 정정시스템의 보호기기 정정치 계산부가 계산하는 보호기기 정정치를 설명하기 위한 도면,
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 저압직류 배전계통의 보호기기 정정시스템의 고장전류 계산 정확도를 검증하기 위한 사례연구1의 모의 배전계통 구성도,
도 9 내지 도 12는 사례연구1의 계산결과와 Matlab Simulink의 시뮬레이션 결과를 비교한 도면,
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 저압직류 배전계통의 보호기기 정정시스템의 보호기기 정정치 계산의 효과를 검증하기 위한 사례연구2의 모의 배전계통 구성도,
도 14 및 도 15는 선로 고장에 대한 보호기기 P1과 P2의 보호협조 결과를 보여주는 도면,
도 16 및 도 17은 기기 내부 고장에 대한 보호기기 P1과 P2의 보호협조 결과를 보여주는 도면이다.
본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명의 상세한 설명 부분에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다.
이하, 첨부한 도면에 도시된 바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.
그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 저압직류 배전계통의 보호기기 정정시스템을 보여주는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 저압직류 배전계통의 보호기기 정정시스템(100, 이하, '보호기기 정정시스템')은 운영 데이터 베이스(110), 운영 데이터 처리부(120), 고장전류 계산부(130) 및 보호기기 정정치 계산부(140)를 포함하여 이루어진다.
또한, 상기 보호기기 정정치 계산부(140)에서 계산된 보호기기 정정치는 통신 중계 장치(10)를 통해 차단기와 같은 현장 보호 기기(20)로 전송되며, 상기 현장 보호 기기(20)는 보호기기 정정치를 이용하여 선로의 개폐동작을 수행한다.
또한, 본 발명의 보호기기 정정시스템(100)은 하나의 컴퓨터장치로 구성될 수 있으며, 운영 데이터 베이스(110), 운영 데이터 처리부(120), 고장전류 계산부(130) 및 보호기기 정정치 계산부(140)는 상기 컴퓨터장치에 저장된 프로그램의 기능이다.
즉, 상기 프로그램은 상기 컴퓨터장치를 운영 데이터 베이스(110), 운영 데이터 처리부(120), 고장전류 계산부(130) 및 보호기기 정정치 계산부(140)로 기능하게 한다.
또한, 상기 프로그램은 별도의 기록 매체에 저장되어 제공될 수 있으며, 상기 기록매체는 본 발명을 위하여 특별히 설계되어 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수 있다.
예를 들면, 상기 기록매체는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD, DVD와 같은 광 기록 매체, 자기 및 광 기록을 겸할 수 있는 자기-광 기록 매체, 롬, 램, 플래시 메모리 등 단독 또는 조합에 의해 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치일 수 있다.
또한, 상기 프로그램은 프로그램 명령, 로컬 데이터 파일, 로컬 데이터 구조 등이 단독 또는 조합으로 구성된 프로그램일 수 있고, 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라, 인터프리터 등을 사용하여 컴퓨터에 의해 실행될 수 있는 고급 언어 코드로 짜여진 프로그램일 수 있다.
상기 운영 데이터 베이스(110)는 저압직류(LVDC:low voltage directe current) 배전운영자가 보유하고 있는 운영 데이터를 저장한다.
또한, 상기 운영 데이터는 정류기, 컨버터, 부하, 분산전원, 배터리 등과 같은 각 설비의 토폴로지 정보(모선과 설비의 연결정보), 각 설비의 임피던스(R 및 L) 정보, 선로의 각 구간 길이(km 또는 m) 정보, 모선에 연결된 전원의 정격전압 정보, 정류기 및 컨버터의 DC링크 캐패시터 용량 정보를 포함한다.
상기 운영 데이터 처리부(120)는 상기 운영 데이터 베이스(110)의 운영 데이터를 읽어 전처리하는 기능을 수행하며, 구체적으로는 시변성 고장전류의 계산을 위해 상기 운영 데이터를 아래의 표1, 표2, 표3, 표4와 같이 표 형태의 데이터로 구성한다.
Bus Source Rated V
1 1 750
: : :
10 4 380
상기 표1은 저압직류 계통의 모선정보를 표로 구성한 것으로 각 모선번호(Bus)와 모선에 연결된 전원(Source) 및 정격전압(Rated V)를 포함한다.
Source Type C link L Vb
1 1 10E-03 800E-06 Null
: : : : :
4 2 6.6E-03 0.1E-03 100
상기 표2는 각 전원(Source)의 정보를 표로 구성한 것으로 전원의 종류(1:AC 전원이 AC/DC 정류기로 연결됨, 2:태양전지 및 배터리 등의 전원설비가 DC/DC컨버터로 연결됨, 3:부하가 DC/DC컨버터로 연결됨), 내부 DC링크 캐패시터(C link) 용량, 인덕턴스(L), 고장전 배터리의 DC전압(Vb)를 포함한다.
From Bus To Bus Distance R(Ω) L(H)
1 2 0.005 0.00343 0.0000023290
: : : : :
4 5 0.03 0.02058 0.0000139738
: : : : :
상기 표3은 아래에서 설명할 단계1 어드미턴스행렬을 생성하기 위한 정보로 From/To측 모선번호, 선로길이(Distance), 선로저항(R), 선로 인덕턴스(L)를 포함한다.
From Bus To Bus Distance R(Ω) L(H)
1 11 0.02 1.37E-02 9.32E-06
: : : : :
10 15 0.02 1.37E-02 9.32E-06
상기 표4는 아래에서 설명할 단계2 어드미턴스행렬(확장된 계통 어드미턴스 행렬)을 생성하기 위한 정보로 From/To측 모선번호, 선로길이(Distance), 선로저항(R), 선로 인덕턴스(L)를 포함한다.
상기 고장전류 계산부(130)는 계통의 각 전류원의 고장전류를 계산한다.
또한, 상기 고장전류 계산부(130)는 각 전류원의 보정계수를 계산하고, 계산된 보정계수에 해당 전류원의 단자에서의 고장전류 기여분을 곱하여 고장전류를 계산한다.
또한, 상기 보정계수는 고장전류 Ipa와 고장전류 Iqa의 비로 계산한다.
또한, 도 2는 고장전류 Ipa를 계산하는 개념을 설명하기 위한 도면으로 고장전류 Ipa는 해당 전류원i 이외에 나머지 전류 공급원(전류원j)의 영향은 배제하고 모선 k에 대해 전류원i가 공급하는 고장전류로 정의한다.
또한, 도 3은 고장전류 Ieq를 계산하는 개념을 설명하기 위한 도면으로 고장전류 Ieq는 해당 전류원i 이외에 나머지 전류 공급원(전류원j)의 영향을 모두 고려하여 모선 k에 대해 전류원i가 공급하는 고장전류로 정의한다.
즉, 상기 보정계수는 아래의 수학식 1과 같이 표현할 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112021026103515-pat00009
여기서, σik는 모선k의 고장에 대해 전류원i의 보정계수이다.
도 4는 상기 고장전류 계산부(130)가 고장전류를 계산하는 과정을 상세히 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 상기 고장전류 계산부(130)는 상기 운영 데이터 처리부(120)에서 처리한 데이터들을 입력받고(S1000), 임의의 고장점인 k모선 고장점을 선택한다(S2000).
다음, k모선 고장에 대한 임의의 전원인 i모선 전원을 선택하고(S3000), i모선의 단계1 어드미턴스행렬(Y단계1)을 생성한다(S3100).
또한, 상기 단계1 어드미턴스행렬(Y단계1)은 도 2에 도시한 바와 같이 나머지 전류원의 영향은 제외하고 전류원i가 공급하는 고장전류를 계산하기 위한 행렬로 모든 전류원과 계통간의 연결을 무시한 네트웍의 어드미턴스 행렬이다.
또한, 상기 단계1 어드미턴스행렬(Y단계1)은 아래의 수학식 2와 같다.
[수학식 2]
Figure 112021026103515-pat00010
다음, 고장전류 Ipa를 계산한다(S3200).
상기 고장전류 Ipa의 먼저, 아래의 수학식 3과 같이 전류원i를 제외한 나머지 전류원의 영향을 무시하고 전압 전류식을 정리한 후, 아래의 수학식 4와 같이 상기 수학식 3을 계산하여 얻는다.
[수학식 3]
Figure 112021026103515-pat00011
여기서, Ii는 모선i의 전류인 전류원i, 0은 전류원i를 제외한 나머지 전류원들의 전류로 무시된 값, Ei는 모선i의 전압, V1은 i모선을 제외한 나머지 모선들의 전압행렬로 1부터 i-1까지의 행렬, V2은 i모선을 제외한 나머지 모선들의 전압행렬로 i+1부터 N까지의 행렬이다.
[수학식 4]
Figure 112021026103515-pat00012
다음, 단계2 어드미턴스행렬(Y단계2)을 생성한다(S3300).
또한, 상기 단계2 어드미턴스행렬(Y단계2)은 도 3에 도시한 바와 같이 나머지 전류원의 영향을 모두 고려할 경우, 전류원i가 공급하는 고장전류를 계산하기 위한 행렬로 모든 전류원이 계통에 연결된 확장된 네트웍의 어드미턴스 행렬이다.
또한, 상기 단계2 어드미턴스행렬(Y단계2)은 아래의 수학식 5와 같다.
[수학식 5]
Figure 112021026103515-pat00013
여기서, Y1, Y2, Y3, Y4는 확장된 어드미턴스행렬(Y단계2)에서 모선i를 중심으로 구분되는 서로 다른 행렬의 부분으로 Y1은 Y11에서 Y(i-1)(i-1)까지의 행렬, Y2는 Y1(i+1)에서 Y(i-1)(N+M)까지의 행렬, Y3는 Y(i+1)1에서 Y(N+M)(i-1)까지의 행렬, Y4는 Y(i+1)(i+1)에서 Y(N+M)(N+M)까지의 행렬이다.
다음, 고장전류 Ieq를 계산한다(S3400).
상기 고장전류 Ieq는 먼저, 아래의 수학식 6과 같이 전류원i를 제외한 나머지 전류원의 영향을 무시하고 확장된 어드미턴스행렬(Y단계2)에 대해 전압 전류식을 정리하며, 상기 수학식 5와 상기 수학식 6을 아래의 수학식 7과 같이 V1과 V2의 식으로 정리하고, 아래의 수학식 8과 같이 고장모선 k를 중심으로 정리하여 계산함으로써 얻는다.
[수학식 6]
Figure 112021026103515-pat00014
[수학식 7]
Figure 112021026103515-pat00015
[수학식 8]
Figure 112021026103515-pat00016
다음, 상기 수학식 1을 이용하여 보정계수 σik를 계산한다(S3500).
다음, 아래의 수학식 9과 같이 상기 보정계수 σik에 상기 전류원i의 단자에서의 고장전류 기여분을 곱하여 고장전류(Isourcei(t))를 계산한다.
[수학식 9]
Figure 112021026103515-pat00017
여기서, Ii(t)는 전류원i의 단자에서의 고장전류 기여분으로 앞서 설명한 선행연구1의 고장전류 기여분 산식을 활용할 수 있다.
다음, 계산결과를 저장한다(S3700).
고장전류를 계산하여 저장하는 과정은 모든 전원에 대해 반복적으로 수행된다(S4000,S4100).
다음, 모든 전원에 대해 고장전류가 계산되었다면, 모든 모선에 대해 순차적으로 고장점을 설정하여 모의를 수행한다(S5000,S5100).
한편, 전류원i의 고장전류는 선택되는 고장점의 개수에 대응하여 복수 개로 계산되는데 이 중, 최소 고장전류를 최종적인 고장전류로 저장한다.
상기 보호기기 정정치 계산부(140)는 상기 고장전류를 이용하여 보호기기가 동작해야하는 기준이 되는 값인 보호기기 정정치를 계산한다.
한편, 본 발명에서의 저압직류 배전계통의 보호는 두 가지로 구분되는데, 첫 번째는 도 5에 도시한 기기 및 부하 보호기기의 보호 영역 외부에서 고장 발생시 배전계통의 보호이고 두 번째는 도 6에 도시한 기기 및 부하 보호기기의 보호 영역에서 고장 발생시 배전계통의 보호이다.
도 5에서 도시한 바와 같이 선로보호기기 P1은 기기 및 부하보호기기 P2의 보호영역 외부의 고장(P1과 P2 사이에서의 고장으로 P1의 보호영역)에 대해서는 전위보호기기로 동작한다. 또한, P2는 P1의 고장에 대해 사전에 설정된 기준 동작방향(22)에 의해 그 동작이 차단(blocking)되며, P1은 기준 동작방향(21)과 일치하므로 동작을 수행한다.
도 6에 도시한 바와 같이 P1은 P2의 보호영역 내부의 고장(컨버터와 분산전원 또는 컨버터와 부하 사이에서의 고장)에 대해서는 지연시간(tp1)을 가진 후비(backup) 보호기기로 동작한다. 또한, P2의 보호영역 고장에 대해서는 P2는 기준 동작 방향(22)과 일치하므로 보호기기 정정치 이상이면 즉시동작하며 P1은 지연시간(tp1)을 가진 후에 동작한다.
또한, 상기 보호기기 정정치는 상기 고장전류(Isourcei(t))의 전류 변화율을 이용한다.
도 7은 보호기기 정정치를 설명하기 위한 도면으로 시간에 따른 고장전류의 변화를 보여주는 그래프이며, 상기 보호기기 정정치는 아래의 수학식 10과 같이 고장 발생(initial)부터 고장전류가 최대가 되는 순간(Max)까지의 고장전류의 평균전류변화율을 계산하고, 아래의 수학식 11과 같이 평균전류변화율에 계측오차 등의 마진 αmargin을 곱하여 계산한다.
[수학식 10]
Figure 112021026103515-pat00018
여기서, Iinitial은 고장 발생 직후의 고장전류, Imax는 최대 고장전류, N은 고장 발생 직후부터 고장전류가 최대가 되는 순간까지의 샘플수이며, Δt는 샘플링 간격을 의미한다.
[수학식 11]
Figure 112021026103515-pat00019
또한, αmargin은 0과 1사이의 값으로 설정한다.
또한, 선로보호기기 P1은 P2의보호영역 고장에 대해 고장발생을 인지하고 지연시간 후에 동작해야 하며, 지연 시간 후에 고장여부를 판단할 기준(고장지속판단기준값)이 필요하다.
본 발명에서는 상기 고장지속판단기준값을 아래의 수학식 12와 같이 AC/DC정류기의 정격전류의 배수로 설정하였다.
[수학식 12]
Figure 112021026103515-pat00020
여기서, βmargin은 1보가 큰 값으로 설정한다.
예를 들어, P2의 보호영역에 고장이 발생할 경우, 보호기기 P2는 관통하고 있는 전류 계측치의 순간전류변화율을 계산하여 그 값이 보호기기 정정치 이상이면 즉시 차단기를 개방하고 보호기기 P1은 전류 계측치의 순간전류변화율을 계산하여 그 값이 보호기기 정정치 이상이면 고장으로 인식하고 정해진 지연시간 후에 보호기기 P1에 흐르는 전류가 고장지속판단기준값 이상이면 차단기를 개방하여 보호협조를 통해 보호계전을 수행한다.
본 발명의 효과를 2가지 사례연구를 통해 검증하였다.
도 8은 사례연구1의 모의 배전계통 구성도이며 상기 고장전류 계산부(130)의 계산 결과 정확도를 검증하기 위한 것으로 750Vdc LVDC 모의배전계통을 구성하였다. 또한, CV70㎟ 선로 km당 저항(R)은 0.343Ω, 인덕턴스(L)는 232.8μH를 적용하였으며 선로 데이터는 아래의 표 5와 같다.
모선 From 모선 To 길이(km) 모선 From 모선 To 길이(km) 모선 From 모선 To 길이(km)
1 2 0.02 5 6 0.03 8 9 0.02
2 3 0.005 6 7 0.03 10 11 0.02
3 4 0.03 6 12 0.005 12 13 0.02
4 5 0.03 7 8 0.005 14 15 0.02
4 10 0.005 7 14 0.005
또한, 도 8에서 P1은 선로보호기기이며, 나머지 P2, P3, P4, P5는 기기 및 부하 보호기기이다.
도 9 내지 도 12는 사례연구1의 계산결과와 Matlab Simulink의 시뮬레이션 결과를 비교한 도면이다.
도 9는 모선 3번의 단락고장시 보호기기를 관통하는 시간별 전류를 보여주는 것이고, 도 10은 모선 3번의 지락고장, 도 11은 모선 7번의 단락고장, 도 12는 모선 7번의 지락고장시 각각 보호기기를 관통하는 시간별 전류를 보여주는 것이다.
모선 3번의 단락고장결과 본 발명에 따라 계산된 전체 고장전류(전체_구)는 29.96kA였고, Matlab Simulink로 시뮬레이션한 전체 고장전류(전체_시뮬)이 26.56kA로 나타나 오차가 12.8% 였으며, 모선 3번의 지락고장결과 본 발명에 따라 계산된 전체 고장전류는 27.71kV, Matlab Simulink로 시뮬레이션한 전체 고장전류는 26.48kV로 나타나 오차가 4.6% 였으며, 모선 7번의 단락고장 결과 본 발명에 따라 계산된 전체 고장전류는 32.261kV, Matlab Simulink로 시뮬레이션한 전체 고장전류는 30.37V로 나타나 오차가 6.2% 였으며, 모선 7번의 지락고장 결과 본 발명에 따라 계산된 전체 고장전류는 32.251kV, Matlab Simulink로 시뮬레이션한 전체 고장전류는 30.36V로 나타나 오차가 6.2% 였다.
즉, 고가의 시뮬레이션 프로그램을 이용하지 않고 간단한 엔지니어링 해석방식으로도 고장전류 계산이 가능함을 확인할 수 있다.
도 13은 사례연구2의 모의 배전계통 구성도이며 상기 보호기기 정정치 계산부(140)의 효과를 검증하기 위한 것이다. 도 13에서 P1은 선로보호기기이며, 나머지 P2, P3, P4, P5, P6 P7는 기기 및 부하 보호기기이다.
또한, 모의 배전계통의 선로 데이터는 아래의 표 6과 같다.
모선 From 모선 To 길이(km) 모선 From 모선 To 길이(km) 모선 From 모선 To 길이(km)
1 2 0.02 8 9 0.03 13 26 0.005
2 3 0.005 8 20 0.005 14 15 0.02
3 4 0.03 9 10 0.03 16 17 0.02
4 5 0.03 10 11 0.03 18 19 0.02
4 16 0.005 10 22 0.005 20 21 0.02
5 6 0.03 11 12 0.03 22 23 0.02
6 7 0.03 12 13 0.03 24 25 0.02
6 18 0.005 12 24 0.005 26 27 0.02
7 8 0.03 13 14 0.005
또한, 본 발명의 보호기기 정정치 계산부(140)가 계산한 보호기기 정정치로 각 보호기기를 정정한 설정값은 아래의 표 7과 같다.
보호기기 설정값(kA/s) 보호기기 설정값(kA/s)
P1 830 P5 19,259
P2 17,190 P6 18,831
P3 20,659 P7 20,487
P4 18,534 P8 20,487
도 13 및 14는 모선 13번에서 선로고장 시 보호협조 결과를 보여주는 것으로 도 13은 선로보호기기 P1의 전류, 전류변화율 및 제어신호를 보여주는 것이고, 도 14는 기기 및 부하보호기기 P2의 전류, 전류변화율 및 제어신호를 보여주는 것이다.
P1은 순간전류변화율이 830kA/s 이상에서 고장을 감지했으며 지연시간 이후 전류 크기가 부하전류 이상이기 때문에 동작함을 알 수 있으며, P2는 선로고장에 대해 전류변화율이 음의 방향이며, 순간전류변화율이 설정값 17,190kA/s 이하이므로 동작하지 않음을 알 수 있다.
도 14 및 도 15는 모선 17번에서의 컨버터 앞 고장에 대해 보호협조 결과를 보여주는 것으로, 선로보호기기 P1의 전류, 전류변화율 및 제어신호를 보여주는 것이고, 도 14는 기기 및 부하보호기기 P2의 전류, 전류변화율 및 제어신호를 보여주는 것이다.
P2의 순간전류변화율이 설정값 17,190kA/s 이상이므로 고장을 감지하여 즉시 동작하여 차단기를 개방함을 알 수 있다.
P1은 순간전류변화율이 설정값 830kA/s 이상으로 고장을 감지했으나 지연시간 이후 보호기기 P2의 동작으로 인해 전류 크기가 부하전류 이하가 되어 동작하지 않음을 알 수 있으며 이를 통해 보호 협조가 원활히 수행됨을 확인하였다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
100:보호기기 정정 시스템 110:운영 데이터 베이스
120:운영 데이터 처리부 130:고장전류 계산부
140:보호기기 정정치 계산부

Claims (5)

  1. 저압직류(LVDC:low voltage directe current) 배전계통의 운영 데이터가 저장되는 운영 데이터 베이스;
    상기 운영 데이터 베이스의 운영 데이터를 읽어 표 형태로 구성하는 운영 데이터 처리부;
    계통의 각 전류원에 대해 보정계수를 계산하고, 계산된 보정계수에 해당 전류원의 단자에서의 고장전류 기여분을 곱하여 고장전류를 계산하는 고장전류 계산부; 및
    고장발생 직후부터 상기 고장전류가 최대가 되는 순간까지 고장전류의 평균전류변화율에 마진을 곱하여 보호기기 정정치를 계산하고 기기 및 부하 보호기기의 보호 영역 고장에 대해 선로 보호기기의 동작지연시간을 계산하는 보호기기 정정치 계산부;를 포함하고,
    상기 보호기기 정정치와 상기 동작지연시간은 통신 중계장치를 통해 현장 보호기기들로 전송되며,
    상기 현장 보호기기들은 상기 보호기기 정정치와 상기 동작지연시간을 이용하여 차단기를 개방하며,
    상기 보정계수는 아래의 수학식 1과 같이 전체 전류원들이 모선에 존재하는 상태에서 보정계수 계산을 위한 해당 전류원(전류원i)이 공급하는 고장전류(Ieq)와 전류원i 만이 모선에 존재하는 것으로 가정한 상태에서 전류원i가 공급하는 고장전류(Ipa)의 비로 계산되는 것을 특징으로 하는 저압직류 배전계통의 보호기기 정정시스템.
    [수학식 1]
    Figure 112023044946365-pat00046

    여기서, σik는 모선k의 고장에 대해 전류원i의 보정계수이다.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 운영 데이터는 모선에 연결된 각 설비의 토폴로지 정보, 각 설비의 임피던스 정보, 선로의 각 구간 길이 정보, 모선에 연결된 전원의 정격전압 정보, 정류기 및 컨버터의 DC링크 캐패시터 용량 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 저압직류 배전계통의 보호기기 정정시스템.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 Ipa는 아래의 수학식 2와 같이 전체 전류원이 계통과의 연결을 무시한 네트웍의 어드미턴스행렬(Y단계1)을 생성하고, 아래의 수학식 3과 같이 전류원i를 제외한 나머지 전류원의 영향을 무시하고 전압 전류식을 정리한 후, 아래의 수학식 4와 같이 상기 수학식 3을 계산하여 얻는 것을 특징으로 하는 저압직류 배전계통의 보호기기 정정시스템.
    [수학식 2]
    Figure 112023044946365-pat00022

    [수학식 3]
    Figure 112023044946365-pat00023

    여기서, Ii는 모선i의 전류인 전류원i, 0은 전류원i를 제외한 나머지 전류원들의 전류로 무시된 값, Ei는 모선i의 전압, V1은 i모선을 제외한 나머지 모선들의 전압행렬로 1부터 i-1까지의 행렬, V2은 i모선을 제외한 나머지 모선들의 전압행렬로 i+1부터 N까지의 행렬이다.
    [수학식 4]
    Figure 112023044946365-pat00024

  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 Ieq는 아래의 수학식 5와 같이 전체 전류원이 계통과 연결된 확장된 네트웍의 어드미턴스행렬(Y단계2)을 생성하고, 아래의 수학식 6과 같이 전류원i를 제외한 나머지 전류원의 영향을 무시하고 확장된 어드미턴스행렬(Y단계2)에 대해 전압 전류식을 정리하며, 상기 수학식 5와 상기 수학식 6을 아래의 수학식 7과 같이 V1과 V2의 식으로 정리하고, 아래의 수학식 8과 같이 고장모선 k를 중심으로 정리하여 계산함으로써 얻는 것을 특징으로 하는 저압직류 배전계통의 보호기기 정정시스템.
    [수학식 5]
    Figure 112021026103515-pat00025

    여기서, Y1, Y2, Y3, Y4는 확장된 어드미턴스행렬(Y단계2)에서 모선i를 중심으로 구분되는 서로 다른 행렬의 부분으로 Y1은 Y11에서 Y(i-1)(i-1)까지의 행렬, Y2는 Y1(i+1)에서 Y(i-1)(N+M)까지의 행렬, Y3는 Y(i+1)1에서 Y(N+M)(i-1)까지의 행렬, Y4는 Y(i+1)(i+1)에서 Y(N+M)(N+M)까지의 행렬이다.
    [수학식 6]
    Figure 112021026103515-pat00026

    [수학식 7]
    Figure 112021026103515-pat00027

    [수학식 8]
    Figure 112021026103515-pat00028



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