KR102641615B1 - 고장 거리 검출이 가능한 다기능 위상 측정 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다기능 위상 측정 장치에 관한 것으로, 제1터미널과 제2터미널 각각을 통해 입력된 전압과 전류를 센싱하고, 샘플링하는 제1센서부와 제2센서부와, 위상동기페이저를 포함하여 상기 제1센서부와 제2센서부의 샘플링 데이터를 기준 시간에 동기화하여 고장거리 산출을 위한 데이터를 생성하는 고장거리 검출부와, 상기 제1센서부와 제2센서부의 샘플링데이터를 디지털데이터로 변환하는 머징유닛과, 상기 머징유닛의 디지털데이터를 디지털 변전소 시스템으로 송신하는 이더넷 통신부를 포함하되, 상기 제1터미널, 제2터미널, 제1센서부, 제2센서부, 고장거리 검출부, 머징유닛 및 이더넷 통신부는 동일 보드에 위치하고, 상기 고장거리 검출부의 데이터는 버스를 통해 공유될 수 있다.

Description

고장 거리 검출이 가능한 다기능 위상 측정 장치{Multifunctional phase measuring device with fault distance detection}

본 발명은 위상 측정 장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 위상동기페이저를 이용하여 송전선로의 고장 거리를 검출할 수 있는 위상 측정 장치에 관한 것이다.

최근, 정부의 신재생 에너지 정책 추진으로 대규모의 신재생 발전원의 개발이 이루어지고 있다. 대규모의 신재생 발전원에서 생산된 전력은 기존에 구축된 송/배전망에 연계가 되지만, 이에 따라 계통안정도 저하와 전력품질에 악영향을 주는 사례가 발생하고 있다.

신설되는 154kV 변전소는 자동화 기술을 적용하여 무인화 운영이 되고 있어 지능형 전력설비감시 및 계통보호를 위한 디지털 기반의 신규 장치들이 요구가 되고 있다.

한전에서는 최근 디지털 컨버전스를 표명하고 미래형 전력설비 운영을 위한 로드맵을 작성하고 있어 새로운 전력보호기기 시장에 대비한 기술 및 제품개발이 필요하며, 연구기관에서 보유한 GPS 계측동기신호 응용기술을 활용하여 동기페이저 측정기반의 계통 고장위치연산 및 변전소자동화를 위한 디지털 센싱 병합(Merging) 전송기능을 갖춘 다기능 IED 개발이 요구되고 있다.

변전소 자동화 시스템의 계통보호 기능은 전압 및 전류를 측정해야한다. 아날로그 값은 계측기 변압기를 통해 측정 된 다음 보호 장치에 제공되고 보호 알고리즘에 의해 처리된다. 기존의 계기 용 변압기는 평행 한 구리선을 사용하여 보호장치에 직접 연결된다. 이 솔루션은 입증되었지만 많은 배선 작업이 필요하며 물리적 한계 (정확도, 채도)가 있으며 개방형 CT 회로 위험이 있다.

이 혁신적인 솔루션은 변압기 가까이에 병합 유닛을 배치하는 것과 관련이 있다. 합병부는 변압기의 측정값을 기록하고 디지털화 한 다음 광섬유 이더넷을 통해 샘플링 된 측정 값(SMV)을 데이터 스트림을 통해 하나 이상의 보호 장치로 보낸다.

보호 계전기는 더 이상 아날로그 값으로 작동하지 않지만 샘플링 된 측정 값 데이터 스트림의 디지털 값을 직접 사용한다. 머징 유닛은 IEC 61869 및 IEC 61850-9-2를 준수하는 프로세스 버스 솔루션을 위한 1차 및 2차 장비 간의 상호 운용 가능한 인터페이스이다. 기존 및 비전통적 변압기의 측정값은 표준화 된 이더넷 기반 텔레그램(SMV)으로 변환된다.

IEC 61850 표준은 단순한 이더넷 기반 변전소 자동화 프로토콜 그 이상이다.

이 표준은 엔지니어링 프로세스, 데이터 및 서비스 모델, 적합성 테스트 및 변전소 내의 전체 통신을 종합적으로 정의한다. 현재 IEC 61850은 변전소 자동화 분야에서 확고하게 자리 잡았으며, 최근에 릴리즈 된 Edition 2 에서는 에너지 공급 사업의 다른 분야에서도 장점을 사용할 수 있게 되었다.

현재 국내외 시장에서 Protection Relay+PMU, Protection Relay+Merging Unit(이하 MU, IEC61850 기반 디지털 센싱 및 전송장치) 등 복합기능 형태로 수입하여 디지털 변전소용 제품이 유통되고 있음. 따라서 본 사업에서의 기술목표인 PMU + MU 제품을 개발하여 시장에 공급하면 기술 및 가격 경쟁력이 높아질 것으로 판단된다.

국내는 보호계전기 기반의 PMU 또는 고장기록장치 기반의 PMU 제품이 시장에서 수요가 있지만, 송전 및 배전계통이 불안정한 동남아시아 시장은 PMU + Fault Locator(전력망 고장위치 판독장치, 이하 F/L) 제품의 수요가 가장 높다.

이는 선로 길이가 길고 송·배전 전력설비 운영상태가 열악하여 선로에 고장이 자주 발생하므로 이에 대한 수요가 높아서 나타나는 현상으로 보인다.

PMU, F/L, MU는 대기업, 중소기업 모두 기술개발에 참여하고 있으며, 글로벌 기업(슈나이더, SIEMENS, ABB, GE, SEL) 모두 각각의 자신들만의 기술을 보유하고 있을 것으로 판단됨에 따라 향후 PMU, F/L, MU이 통합되어 시장에 진출할 것으로 예상되고 있다.

국내 전력망은 안정적인 전력공급을 위해 계통의 보호기술뿐만 아니라 전력설비감시기술, 설비예방 진단기술, 온라인 실시간시스템 정보취득 기술 등 다양한 분야의 기술이 연구개발 되고 있다.

계통의 각 설비를 위한 보호 배전반은 기존 아날로그 기계식 계전기를 적용하였으나, 최근에는 대부분 디지털 보호계전기를 적용하고 있다.

특히 디지털 변전소 규격인 IEC 61850은 대부분의 유틸리티가 선호하는 규격이어서 머지않아 대부분의 송·변전 기기가 이 규격의 영향아래 놓일 것으로 판단된다. 기존 아날로그 영역인 센서 분야(VT, CT)가 디지털 샘플링 방식으로 전환을 맞을 것으로 예상된다.

송전선로의 고장 위치의 검출을 위한 기술로서 등록특허 10-2121046호(2020년 6월 3일 등록, 복합 송전선로 고장 검출장치)가 알려져 있다.

위의 등록특허에서는 다수의 센서로부터 고장 전류를 수집하고, 동기화된 고장 전류의 위상 변화를 근거로 고장 위치를 검출하는 구성이 기재되어 있다.

즉, 변류기 센서의 위상 측정 장치(PMU)에서 측정된 PMU 데이터를 별도의 고장 위치 검출부로 제공하고, 고장 위치 검출부에서 고장 거리를 산출하는 방식을 사용한다.

이는 고장 전류의 위상각 변화와 고장 전류의 발생 시간을 이용하는 것이며, 고장 전류를 검출하는 센서와 그 센서에서 검출된 데이터를 이용하여 고장 위치를 판단하는 구성이 별도로 마련되어 있어, 각 장치의 유지 및 보수가 용이하지 않으며, 비용이 증가하게 되는 문제점이 있었다.

또한 종래의 기술은 아날로그 전기신호를 이용하는 것으로, 디지털 변전소에는 적용할 수 없다는 문제점이 있었다.

상기와 같은 문제점을 감안한 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, PMU의 고유 기능을 통해 연산된 위상동기페이저 데이터를 이용하여 자체에서 송전선로 고장감시에 필요한 고장 거리 산출이 가능한 PMU를 제공함에 있다.

또한, 본 발명은 디지털 변전소 운영에 필요한 아날로그 전기신호를 디지털 변환하여 전송할 수 있는 PMU를 제공함에 다른 목적이 있다.

상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명 고장 거리 검출이 가능한 다기능 위상 측정 장치는, 제1터미널과 제2터미널 각각을 통해 입력된 전압과 전류를 센싱하고, 샘플링하는 제1센서부와 제2센서부와, 위상동기페이저를 포함하여 상기 제1센서부와 제2센서부의 샘플링 데이터를 기준 시간에 동기화하여 고장거리 산출을 위한 데이터를 생성하는 고장거리 검출부와, 상기 제1센서부와 제2센서부의 샘플링데이터를 디지털데이터로 변환하는 머징유닛과, 상기 머징유닛의 디지털데이터를 디지털 변전소 시스템으로 송신하는 이더넷 통신부를 포함하되, 상기 제1터미널, 제2터미널, 제1센서부, 제2센서부, 고장거리 검출부, 머징유닛 및 이더넷 통신부는 동일 보드에 위치하고, 상기 고장거리 검출부의 데이터는 버스를 통해 공유될 수 있다.

본 발명의 실시 예에서, 상기 고장거리 검출부는, GPS 위성 신호를 수신하여 계측동기신호를 생성하는 GPS 모듈과, 일정한 주기의 타이밍 신호를 출력하는 타이머와, GPS 위성 신호의 신뢰성 여부에 따라, 신뢰성이 있을 때 상기 GPS 모듈의 계측동기신호를 선택하고, 신뢰성이 없을 때 상기 타이머의 타이밍 신호를 선택하여 동기 신호를 생성할 수 있다.

본 발명의 실시 예에서, 상기 고장거리 검출부는, 상기 샘플링 데이터를 디지털 데이터로 변환하는 아날로그 디지털 변환부와, 디지털 데이터로 변환된 샘플링 데이터를 상기 동기 신호에 동기를 맞춰 위상을 검출하는 위상동기페이저와, 상기 위상동기페이저의 출력을 버스를 통해 송신하는 버스 드라이버를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시 예에서, 고장거리 검출부는, 상기 샘플링 데이터를 디지털 데이터로 변환하는 아날로그 디지털 변환부와, 디지털 데이터로 변환된 샘플링 데이터를 상기 동기 신호에 동기를 맞춰 위상을 검출하는 위상동기페이저와, 상기 위상동기페이저의 출력에서 위상의 변화 시점을 검출하여 고장거리를 산출하는 고장거리 산출부와, 상기 고장거리 산출부의 산출결과를 버스를 통해 송신하는 버스 드라이버를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시 예에서, 상기 머징유닛은, 상기 샘플링 데이터를 디지털 데이터로 변환하는 아날로그 디지털 변환부와, 상기 아날로그 디지털 변환부의 데이터를 통신에 적합한 데이터로 변환하는 신호처리부를 포함할 수 있다.

본 발명은 다양한 기능을 병합한 위상 측정 장치를 제공하여, 케이블 설비 및 유지보수 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 개방형 CT회로의 사용을 최소화하여 안정성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

아울러 본 발명은 디지털 변전소 운영에 적합한 디지털 보호계전기에 직접 차단 신호를 제공함으로써, 디지털 변전소에 적용이 가능하여 추가적인 설비의 개발과 적용이 불필요하여, 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 고장 거리 검출이 가능한 다기능 위상 측정 장치의 블록 구성도이다.
도 2는 고장거리 검출부의 블록 구성도이다.
도 3은 머징유닛의 블록 구성도이다.

본 발명의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예들을 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라, 여러가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 변경을 가할 수 있다. 단지, 본 실시 예에 대한 설명은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다. 첨부된 도면에서 구성요소는 설명의 편의를 위하여 그 크기를 실제보다 확대하여 도시한 것이며, 각 구성요소의 비율은 과장되거나 축소될 수 있다.

'제1', '제2' 등의 용어는 다양한 구성요소를 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소는 위 용어에 의해 한정되어서는 안 된다. 위 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않으면서 '제1구성요소'는 '제2구성요소'로 명명될 수 있고, 유사하게 '제2구성요소'도 '제1구성요소'로 명명될 수 있다. 또한, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 표현하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명의 실시 예에서 사용되는 용어는 다르게 정의되지 않는 한, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 통상적으로 알려진 의미로 해석될 수 있다.

이하에서는, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 고장 거리 검출이 가능한 다기능 위상 측정 장치에 대하여 설명한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 고장 거리 검출이 가능한 다기능 위상 측정 장치의 블록 구성도이다.

도 1을 참조하면 본 발명 다기능 위상 측정 장치(100)는, 송전선로의 각기 다른 위치의 전압 및 전류가 입력되는 제1터미널(130) 및 제2터미널(140)과, 상기 제1터미널(130) 및 제2터미널(140)을 통해 입력되는 전압 및 전류값을 각각 검출하고, 고속 샘플링을 수행하는 제1센서부(150) 및 제2센서부(160)와, 상기 제1센서부(150)와 제2센서부(160)의 샘플링 데이터와 GPS 시각 동기를 이용하여 고장 거리를 검출하는 고장거리 검출부(110)와, 상기 제1센서부(150)와 제2센서부(160)의 샘플링 데이터를 디지털 신호로 변환하고, 이더넷 통신부(170)를 통해 외부로 송신하는 머징유닛(MU, 120)을 포함한다.

이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 구성과 작용에 대하여 보다 상세히 설명한다.

먼저, 제1터미널(130)과 제2터미널(140)은 송전선로의 임의의 두 위치에 전기적으로 연결된다. 제1터미널(130)은 송전선로의 입력측, 제2터미널(140)은 송전선로의 출력측에 연결될 수 있으나 본 발명은 이에 제한되지 않는다.

예를 들어 송전선로를 다수의 분할영역으로 나누고, 각 분할영역마다 본 발명을 적용할 수 있다.

본 발명 다기능 위상 측정 장치(100)는 하나의 카드(보드)에 실장하는 것이며, 이러한 카드들의 집합과 데이터 처리 및 표시를 위한 메인 보드 등이 동일 시스템에 장착될 수 있다.

즉, 본 발명은 다수의 확장 가능한 카드들과 데이터 버스(BUS)를 통해 통신하여, 고장 거리 계산 및 디지털 변전소를 위한 머징유닛을 단일 시스템으로 만들 수 있다.

제1터미널(130)과 제2터미널(140)을 통해 입력된 전압/전류는 각각 제1센서부(150)와 제2센서부(160)에서 검출 및 샘플링 된다.

제1센서부(150)와 제2센서부(160)는 각각 다수의 전압/전류 센서를 포함하며, 전압/전류 센서의 검출값을 고속 샘플링한다. 이는 전 채널을 동시에 샘플링하는 것으로 주기당 128 샘플 이상을 샘플링한다.

이처럼 샘플링된 데이터는 고장거리 검출부(110) 및 머징유닛(120)으로 입력된다.

도 2는 고장거리 검출부(110)의 블록 구성도이다.

고장거리 검출부(110)는 GPS위성의 신호를 기준으로 계측동기신호를 생성하는 GPS 모듈(111)과, 타이밍 신호를 발생시키는 타이머(112)와, GPS 신호가 신뢰성을 가질 때 계측동기신호의 상승 또는 하강 에지에 따라 계측동기신호 사이의 시간 간격을 검출하고, 신뢰성을 가지지 못하는 경우 상기 타이머(112)의 출력신호의 주기를 검출된 시간 간격으로 설정하여 제어하는 마이크로 컨트롤러(MCU, 113)와, 상기 마이크로 컨트롤러의 출력과 상기 샘플링 데이터를 동기화하여 고장 전류의 위상 변화를 검출하는 위상동기페이저(114)와, 상기 위상동기페이저(114)의 위상 측정 결과와 산출 알고리즘을 통해 고장 거리를 산출하는 거리산출부(115)와, 상기 거리산출부(115)의 산출결과를 버스를 통해 출력하는 버스 드라이버(116)를 포함한다.

위의 구성에서 GPS 모듈(111)은 GPS 위성 신호를 기반으로 정확한 계측동기신호를 생성한다. 계측동기신호는 고장전류 발생의 정확한 시점을 판단하기 위한 것이다.

GPS 모듈(111)에 수신되는 위성 신호는 다양한 요인에 의해 수신되지 않는 경우가 발생할 수 있다. 위성 신호가 양호한 수신상태를 가질 때 신뢰성을 가지는 것으로 하며, 위성 신호의 수신이 양호하지 않을 때 신뢰성이 없는 것으로 한다.

본 발명은 위성 신호의 수신에 대한 신뢰성이 없을 때, 고장전류 발생 시점의 정확한 판단을 위하여 타이머(112)를 사용한다. 타이머(112)는 일정한 주기로 타이밍 신호를 출력하는 것으로 한다.

MCU(113)는 위성 신호가 신뢰성을 가질 때에는 GPS 모듈(111)의 계측동기신호를 선택하고, 위성 신호가 신뢰성을 가지지 못할 때에는 타이머(112)의 타이밍 신호를 계측동기신호로 선택하여 그에 따른 동기 신호를 출력한다.

위상동기페이저(114)는 MCU(113)의 동기 신호에 동기를 맞춰 샘플링 데이터들을 동기화하고, 그 위상의 변화를 검출한다. 이때의 샘플링 데이터들은 아날로그 디지털 변환부(117)를 통해 디지털 데이터로 변환된 것으로 한다.

즉, 고장 전류가 없을 때 위상은 일정하며, 고장 전류가 발생한 경우 위상에 변화가 발생하게 된다.

이후, 거리산출부(115)는 위상동기페이저(114)의 검출결과를 해석하는 알고리즘을 이용하여 고장거리를 계산한다. 고장거리의 계산은 EMTP 시뮬레이터를 사용할 수 있다.

산출된 고장거리는 버스 드라이버(116) 및 버스를 통해 다른 카드로 송신된다.

도면에서는 고장거리 검출부(110)가 거리산출부(115)를 내장하는 것으로 도시하고 설명하였으나, 거리산출부(115)는 메인 보드에 위치하는 것일 수 있다.

즉, 고장거리 검출부(110)는 위상동기페이저(114)를 이용하여 동기화된 위상 정보를 생성하고, 버스 드라이버(116)를 이용하여 동기화된 위상 정보를 외부로 출력하여 분리된 다른 카드인 메인 보드에서 고장거리를 산출하도록 할 수 있다.

이처럼 본 발명은 GPS 모듈(111)과 함께 타이머(112)를 이용하여 동기 신호를 생성함으로써, 신뢰성을 향상시킬 수 있으며, 비용을 줄일 수 있다.

도 3은 머징유닛(120)의 간략화한 블록 구성도이다.

머징유닛(120)은 제1센서부(150) 및 제2센서부(160)의 샘플링 데이터를 디지털 데이터로 변환하는 아날로그 디지털 변환부(121)와, 아날로그 디지털 변환부(121)의 디지털 데이터를 이더넷 통신에 적합하게 처리하는 신호처리부(122)를 포함할 수 있다.

이 외에 메모리 등을 포함할 수 있으나, 설명의 편의를 위하여 생략한다.

상기 머징유닛(120)은 제1센서부(150)와 제2센서부(160)를 통해 샘플링된 아날로그 데이터를 디지털신호로 변환하여, 디지털 변전소로 전송함으로써, 고장전류 발생시 디지털 변전소의 보호계전기 동작을 제어하도록 할 수 있다.

즉, 본 발명은 디지털 변전소에 적용할 수 있으며, 별도의 센서를 사용하지 않고도 고장전류로부터 전력시스템을 보호할 수 있다.

도 2와 도 3을 참조하여 설명한 바와 같이 고장거리 검출부(110)와 머징유닛(120) 각각에 아날로그 디지털 변환부(117, 121)를 사용하는 것으로 설명하였으나, 이를 통합하여 하나의 아날로그 디지털 변환부를 고장거리 검출부(110)와 머징유닛(120)에서 공유할 수 있다.

이상에서 본 발명에 따른 실시 예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.

110:고장거리 검출부 111:GPS 모듈
112:타이머 113:MCU
114:위상동기페이저 115:거리 산출부
116:버스 드라이버 117:아날로그 디지털 변환부
120:머징유닛 121:아날로그 디지털 변환부
122:신호처리부 130:제1터미널
140:제2터미널 150:제1센서부
160:제2센서부 170:이더넷 통신부

Claims (5)

1. 제1터미널과 제2터미널 각각을 통해 입력된 전압과 전류를 센싱하고, 샘플링하는 제1센서부와 제2센서부;
   위상동기페이저를 포함하여 상기 제1센서부와 제2센서부의 샘플링 데이터를 기준 시간에 동기화하여 고장거리 산출을 위한 데이터를 생성하는 고장거리 검출부;
   상기 제1센서부와 제2센서부의 샘플링데이터를 디지털데이터로 변환하는 머징유닛; 및
   상기 머징유닛의 디지털데이터를 디지털 변전소 시스템으로 송신하는 이더넷 통신부를 포함하되,
   상기 제1터미널, 제2터미널, 제1센서부, 제2센서부, 고장거리 검출부, 머징유닛 및 이더넷 통신부는 동일 보드에 위치하고,
   상기 고장거리 검출부는,
   GPS 위성 신호를 수신하여 계측동기신호를 생성하는 GPS 모듈;
   일정한 주기의 타이밍 신호를 출력하는 타이머;
   GPS 위성 신호의 신뢰성 여부에 따라, 신뢰성이 있을 때 상기 GPS 모듈의 계측동기신호를 선택하고, 신뢰성이 없을 때 상기 타이머의 타이밍 신호를 선택하여 동기 신호를 생성하는 마이크로 컨트롤러;
   상기 샘플링 데이터를 디지털 데이터로 변환하는 아날로그 디지털 변환부;
   디지털 데이터로 변환된 샘플링 데이터를 상기 동기 신호에 동기를 맞춰 위상을 검출하는 위상동기페이저; 및
   상기 위상동기페이저의 출력을 데이터 버스를 통해 다른 카드로 송신하여 다른 카드인 메인 보드에서 고장거리를 산출하도록 하는 버스 드라이버를 더 포함하는 다기능 위상 측정 장치.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 머징유닛은,
   상기 샘플링 데이터를 디지털 데이터로 변환하는 아날로그 디지털 변환부; 및
   상기 아날로그 디지털 변환부의 데이터를 통신에 적합한 데이터로 변환하는 신호처리부를 포함하는 다기능 위상 측정 장치.

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