KR20110098472A - 계전기 설정값 시험 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 계전기 시험 장치 및 방법에 관한 것으로, 계전기 시험 장치는 발전기의 구동 파라미터를 입력받아 구동 파라미터를 적용하여 발전기의 구동을 모의로 구현하며, 구현된 모의 구동 정보를 출력하는 연산부 및 모의 구동 정보를 수신하여 아날로그 신호로 변환한 후 계전기의 입력 신호로 출력하는 신호출력부를 포함한다.

Description

계전기 설정값 시험 장치 및 방법{APPARATUS FOR TESTING PARAMETER OF PROTECT RELAY AND METHOD THEREOF}
본 발명은 계전기 설정값 시험 장치 및 방법에 관한 것이다.
보호계전기는 전기회로에 단락이나 지락, 순환전류 등의 이상 상태가 일어났을 때, 그 부분을 회로에서 분리하는 명령기능을 갖춘 장치이다. 일반적으로 보호계전기는, 발전소로부터 생산된 전력을 각 수용가인 공장, 오피스빌딩, 가정 등에 안정적으로 공급하기 위해 전력을 생산하는 발전기, 전력을 분배하는 장치인 변압기와 공급 선로의 차단기 등을 제어하는 배전반에 설치되어 전력계통을 감시 보호한다. 보호계전기는, 전력계통에 사용되는 각종 기기들의 동작상태 및 계측값을 확인하여, 이상발생시 고장 구간을 분리하는 제어신호를 차단기에 송출하여 이상발생의 파급을 방지함으로써, 전력계통의 안정적 운영에 있어 필수적으로 구비되어야 하는 장치이다.
이러한 보호계전기 자체적인 결함 발생으로 인해 상술한 감시 및 보호동작을 제대로 수행하지 못하는 경우에는 더욱 심각한 문제가 발생할 수 있는 원인을 제공할 수 있다. 이에 따라, 보호계전기가 정상적으로 작동하는지 여부를 정기적으로 검사함으로써, 보호계전기의 기능이 정상 상태를 유지하도록 해야 한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 보호계전기의 성능 특성을 쉽게 시험할 수 있는 계전기 설정값 시험 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
상술된 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시 예에 따른 계전기 시험 장치는 발전기의 구동 파라미터를 입력받아 상기 구동 파라미터를 적용하여 상기 발전기의 구동을 모의로 구현하며, 구현된 모의 구동 정보를 출력하는 연산부 및 상기 모의 구동 정보를 수신하여 아날로그 신호로 변환한 후 계전기의 입력 신호로 출력하는 신호출력부를 포함한다.
상술된 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시 예에 따른 계전기 시험 방법은 발전기의 구동 파라미터를 입력하는 단계, 송전계통의 파라미터를 입력하는 단계, 시험 대상의 계전기를 선택하는 단계, 입력받은 파라미터를 적용하여 상기 발전기의 구동을 시뮬레이션한 후 시뮬레이션 결과를 계전기로 입력하는 단계 및 상기 계전기의 시험 결과를 확인하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 계전기 시험 장치 및 방법은 발전소의 발전기 보호에 대한 여러 가지 보호 계전기를 실제 발전기가 계통에 연결되어 운전되는 것처럼 현장에서 시뮬레이션 하여 각각의 계전기 특성에 따라서 모의 사고운전을 실시함으로서 디지털 계전기의 성능 특성을 쉽게 알 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 계전기 시험 장치를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 신호출력부를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 계전기 시험 장치의 시뮬레이션 설정을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 계전기 시험 방법을 나타내는 순서도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 이를 상세한 설명을 통해 상세히 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.
본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 본 명세서의 설명 과정에서 이용되는 숫자(예를 들어, 제1, 제2 등)는 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위한 식별기호에 불과하다.
또한, 본 명세서에서, 일 구성요소가 다른 구성요소와 "연결된다" 거나 "접속된다" 등으로 언급된 때에는, 상기 일 구성요소가 상기 다른 구성요소와 직접 연결되거나 또는 직접 접속될 수도 있지만, 특별히 반대되는 기재가 존재하지 않는 이상, 중간에 또 다른 구성요소를 매개하여 연결되거나 또는 접속될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 계전기 설정값 시험 장치 및 방법에 관하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 계전기 시험 장치를 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 계전기 시험 장치(100)는 연산부(110), 신호처리부(120), 신호출력부(130), 통신부(140), 메모리부(150), 표시부(160), 신호회기부(170) 및 시험확인부(180)를 포함한다.
연산부(110)는 발전기의 구동 또는 송전계통 상황의 파라미터를 입력받아 발전기의 구동을 모의로 구현한다. 이때, 연산부(110)는 발전기를 모의로 구동하기 위한 시뮬레이션 설정에 맞춰 발전기의 구동 및 송전계통의 상황 중 적어도 하나의 파라미터를 적용시킨다. 예를 들어, 연산부(110)는 디지털 시그널 프로세서(Digital Signal Processor: DSP)를 포함한다. 연산부(110)는 발전기의 모의 구동을 위한 시뮬레이션 설정을 메모리부(150)로부터 불러오고, 시뮬레이션 설정에 발전기의 구동 또는 송전계통 상황의 파라미터를 적용시켜 발전기의 모의 구동 정보를 연산하여 출력한다.
여기서, 모의 구동 정보는 발전기의 모의 고장을 발생시키기 위해 필요한 항목을 포함한다. 예를 들어, 모의 구동 정보는 발전기 출력 단자의 3상 전압 신호(Vg), 발전기 출력 단자의 3상 전류 신호(Ig1), 발전기 Y결선 3상 전류(Ig2), 발전기 여자시스템 전류(EX-IF), 발전기 Y 중성점 전류(Ie) 및 발전기 터빈 속도 신호를 포함할 수 있다.
신호처리부(120)는 연산부(110)로부터 모의 구동 정보를 수신하여 변환한 후 신호출력부(130)로 출력한다. 신호처리부(120)는 연산부(110)로부터 모의 구동 정보를 수신하여 아날로그 신호로 변환한 후 신호출력부(130)로 출력한다. 여기서 신호처리부(120)는 는 최소 임피던스 계전기, 여자시스템 과여자 계전기, 역전력 계전기, 여자 상실 계전기, 역상 전류 계전기, 발전기 과부하 계전기, 발전기 과전류 계전기, 발전기 과전압 계전기, 지락 계전기, 동기 탈조 계전기, 주파수 계전기, 차동전류 계전기의 기능 중 하나를 선택하여 시험하도록 연산부(110)에 제어 신호를 전송할 수 있다.
신호출력부(130)는 신호처리부(120)로부터 아날로그 신호로 변환된 모의 구동 정보를 수신하여 증폭한 후 증폭된 신호를 계전기(195)의 입력 신호로 출력한다. 이를 위해, 신호출력부(130)는 신호처리부(120)로부터 입력받은 모의 구동 정보를 증폭하는 증폭 회로를 포함한다. 예를 들어, 신호출력부(130)는 발전기의 출력 단자 3상 전압 신호, 3상 전류 신호, Y결선 3상 전류 신호, Y 중성점 전류 신호 및 여자시스템 전류 신호를 증폭하는 복수의 증폭 회로를 포함한다. 신호출력부(130)는 도 2를 참조하여 더 상세하게 설명한다.
통신부(140)는 연산부(110)와 연결되어 모니터링부(190)로 모의 구동 정보를 전송한다. 또한, 통신부(140)는 모니터링부(190)로부터 발전기의 구동 및 송전계통의 상황 중 적어도 하나의 파라미터를 입력받아 연산부(110)로 전송할 수 있다. 모니터링부(190)은 전체 모의 시뮬레이션을 실시간으로 모니터링할 수 있으며, 사용자가 계전기 시험을 위한 12가지 항목 중 적어도 하나를 선택할 수 있도록 인터페이스를 제공한다.
메모리부(150)는 연산부(110)와 연결되어 통신부(140)를 통해 입력되는 파라미터를 저장한다. 또한, 메모리부(150)는 발전기의 모의 구동을 위해 시뮬레이션 설정을 저장한다. 여기서, 메모리부(150)는 신호처리부(120)의 제어에 의해 연산부(110)로 저장된 시뮬레이션 설정 또는 파라미터를 전송할 수 있다. 이러한 시뮬레이션 설정 및 파라미터를 저장하기 위해 메모리부(150)는 복수의 메모리 소자를 포함한다. 예를 들어, 메모리부(150)는 NVRAM, EEPROM, SRAM, 플래쉬 메모리 등을 포함할 수 있다. 여기서, 시뮬레이션 설정은 EEPROM에 저장되고, 파라미터는 NVRAM 및 플래쉬 메모리에 저장될 수 있다.
표시부(160)는 연산부(110)와 연결되어 계측기 시험 장치(100)의 작동 상태를 표시한다. 이를 위해 표시부(160)는 작동 상태를 표시하는 점등 장치 또는 화면 표시 장치를 포함할 수 있다.
신호회기부(170)는 신호출력부(130)에서 출력되는 계전기(195)의 입력 신호를 피드백받아 신호처리부(120)로 전송한다. 신호회기부(170)로 피드백된 계전기(195)의 입력 신호는 신호처리부(120)를 거쳐 연산부(110)로 전송되며, 연산부(110)에서 연산된 모의 구동 정보와 비교된다. 여기서, 연산부(110)는 모의 구동 정보를 피드백된 계전기(195)의 입력 신호와 비교하여 보정할 수 있다.
시험확인부(180)는 계전기(195)의 입력 신호가 계전기(195)로 입력된 후 계전기(195)에서 확인되는 신호를 수신한다. 또한, 시험확인부(180)는 계전기(195)에 송전계통과의 연결 정보를 전송한다. 이를 위해, 시험확인부(180)는 계전기(195)와 디지털 입력 신호 및 디지털 출력 신호를 주고 받는다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 신호출력부를 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 신호출력부(130)는 복수의 신호를 포함하는 모의 구동 정보를 증폭하여 계전기(195)의 입력 신호로 출력한다. 이를 위해, 신호출력부(130)는 신호처리부(도 1의 130)로부터 아날로그 신호로 변환된 모의 구동 정보를 입력받는 복수의 증폭 회로(151,152,153,154)를 포함한다.
구체적으로, 증폭 회로들(151,152,153,15)은 발전기 출력 단자의 3상 전압 신호(Vg), 발전기 출력 단자의 3상 전류 신호(Ig1), 발전기 Y결선 3상 전류(Ig2), 발전기 여자시스템 전류(EX-IF), 발전기 Y 중성점 전류(Ie)를 증폭하기 위한 제1 내지 제4 증폭 회로(154)를 포함한다.
제1 증폭 회로(151)는 발전기 출력 단자의 3상 전압 신호(Vg)를 증폭하기 위해 복수의 파워 앰프 및 변압기로 이루어진다. 제1 증폭 회로(151)의 앞단에 연결된 파워 앰프는 소신호 전압원으로 입력되는 신호를 용량이 증대된 전류원으로 변환한다. 또한, 제2 증폭 회로(152)의 뒷단에 병렬로 연결된 3개의 파워 앰프는 연결된 변압기에서 권선비에 따라 변환되도록 대응하기 위해 전류원으로 변환된 신호의 증폭 용량을 늘린다.
여기서, 제1 증폭 회로(151)는 도 에서 편의상 1개만 도시되었으나 실제로는 3상 전압 신호(Vg)를 상별로 증폭하기 위해 3개의 제1 증폭 회로(151)가 구비될 수 있다.
또한, 제1 증폭 회로(151)에서 출력되는 신호는 제1 출력 단자(155)를 통해 출력된다. 제1 출력 단자(155)는 발전기 출력 단자를 대신하여 A상 전압 신호(Va), B상 전압 신호(Vb), C상 전압 신호(Vc) 및 중성상 전압 신호(Vn)를 출력한다. 여기서, 중성상 전압 신호(Vn)은 제1 증폭 회로(151)의 변압기의 그라운드 단자와 연결된다.
제2 증폭 회로(152)는 발전기 출력 단자의 3상 전류 신호(Ig1)를 증폭하기 위해 복수의 파워 앰프 및 변류기로 이루어진다. 예를 들어, 제2 증폭 회로(152)의 앞단에 직렬로 연결된 2개의 파워 앰프는 입력되는 신호의 스케일을 조정한다. 여기서, 파워 앰프의 스케일 조정은 전압원으로 입력되는 신호를 전류원으로 변환한다. 또한, 제2 증폭 회로(152)의 뒷단에 병렬로 연결된 3개의 파워 앰프는 전류원으로 변환된 신호의 증폭 용량을 늘린다.
여기서, 제2 증폭 회로(152)는 제1 증폭 회로(151)와 같이 편의상 1개만 도시되었으며, 실제로는 3상 전류 신호(Ig1)를 상별로 증폭하기 위해 3개의 제2 증폭 회로(152)가 구비될 수 있다.
또한, 제2 증폭 회로(152)에서 출력되는 신호는 제2 출력 단자(156)를 통해 출력된다. 제2 출력 단자(156)는 발전기 출력 단자를 대신하여 A상 전류 신호(Ia), B상 전류 신호(Ib), C상 전류 신호(Ic) 및 중성상 전류 신호(In)를 출력한다. 여기서, 중성상 전류 신호(In)은 제2 증폭 회로(152)의 변류기의 그라운드 단자와 연결된다.
제3 증폭 회로(153)는 제2 증폭 회로(152)와 실질적으로 동일하므로 상세한 설명을 생략한다. 또한, 제3 출력 단자(157)는 발전기의 Y결선을 대신하여 A상 전류 신호(Ia), B상 전류 신호(Ib), C상 전류 신호(Ic) 및 중성상 전류 신호(In)를 출력한다. 여기서 중성상 전류 신호(In)은 제3 증폭 회로(153)의 변류기의 그라운드 단자와 연결된다.
제4 증폭 회로(154)는 발전기 여자시스템 전류(EX-IF)와 발전기 Y 중성점 전류(Ie)를 증폭하기 위해 직렬로 연결된 파워 앰프들를 포함한다. 제4 증폭 회로(154)에서는 직류 신호가 입력되므로 파워 앰프가 직렬로 연결되어 신호를 증폭한다.
또한, 제4 증폭 회로(154)에서 출력되는 신호는 제4 출력 단자(158) 및 제5 출력 단자(159)를 통해 출력된다. 제4 출력 단자(158)는 발전기의 여자시스템을 대신하여 여자시스템 전류 신호(EX-IF)를 출력한다. 여기서, 제4 출력 단자(158)에서 출력되는 여자시스템 전류 신호(EX-IF)는 하드웨어적인 구성을 위해 +신호와 -신호가 출력된다. 제5 출력 단자(159)는 발전기의 Y 중성점을 대신하여 Y 중성점 전류(Ie)를 출력한다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 계전기 시험 장치의 시뮬레이션 설정을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 계전기 시험 장치(100)는 송전계통(370)과 연결된 발전기(310)의 구동을 시뮬레이션하여 발전기(310)의 구동 정보를 계전기(도 1의 195)에 입력신호로 제공한다. 이를 통해, 계전기 시험 장치(100)는 계전기(도 1의 195)의 성능을 시험할 수 있다.
계전기 시험 장치(100)는 발전기(310)의 구동을 시뮬레이션하기 위해 발전기(310), 발전기(310)를 구동시키는 터빈(320), 발전기(310)와 연결된 여자시스템(330) 및 발전기(310)의 Y결선(Z0)에 대한 파라미터를 입력받는다. 즉, 계전기 시험 장치(100)는 발전기(310)의 구동 파라미터를 입력받는다.
또한, 계전기 시험 장치(100)는 계통 연계 스위치(350)를 통해 발전기(310)와 연결되는 변압기(360) 및 송전계통(370)의 상황을 파라미터로 입력받는다.
송전계통(370)은 서로 직렬 또는 병렬로 연결되는 제1 임피던스(Z1), 제2 임피던스(Z2), 제3 임피던스(Z3), 제4 임피던스(Z4) 및 제5 임피던스(Z5)로 구성된다. 다만, 도 3에 도시된 송전계통(370)은 예시적으로 구성되었을 뿐 이에 한정되는 것은 아니며 다양항 계통 임피던스의 조합을 포함할 수 있다.
여기서는 제2 임피던스(Z2), 제3 임피던스(Z3), 제4 임피던스(Z4)는 지락 사고를 모의하기 위해 스위칭 함수가 적용된다. 예를 들어, 제2 임피던스(Z2), 제3 임피던스(Z3), 제4 임피던스(Z4) 각각은 스위칭 동작을 수행하는 스위칭 소자(S1, S2, S3)가 결합된 상태이다. 여기서 스위칭 함수 S는 0과 1로 구분된다. 스위칭 함수 S가 0일 경우는 해당 임피던스가 오프 상태인 것이며, 1일 경우는 해당 임피던스가 온 상태인 것이다. 임피던스의 오프 상태는 쇼트에 의해 임피던스가 0인 상태로 고장 상황의 발생을 의미한다. 임피던스가 온 상태는 해당 계통이 가동되는 상태를 의미한다.
송전계통(370)은 발전기(310)에 연결되는 상태로 설정되려면 제1 임피던스(Z1)와 제5 임피던스(Z5)는 스위칭 함수가 항상 온 상태로 적용되어야 한다. 이에 따라 도 4에서 제1 임피던스(Z1)와 제5 임피던스(Z5)는 스위칭 함수가 적용되지 않도록 도시되었다.
여기서, 계전기 시험 장치(100)의 모의 시험은 크게 송전계통(370)에 병입되기 전 시험과 병입 후의 시험으로 나누어질 수 있다. 송전계통(370)에 병입되기 전 시험은 계통 연계 스위치(350)에 의해 발전기(310)가 송전계통(370)과 차단된 상태에서 계전기를 시험하는 것이다. 또한, 송전계통(370)에 병입된 후 시험은 계통 연계 스위치(350)에 의해 발전기(310)가 송전계통(370)과 연결된 상태에서 계전기를 시험하는 것이다.
또한, 계전기 시험 장치(100)는 최소 임피던스 계전기, 여자시스템 과여자 계전기, 역전력 계전기, 여자 상실 계전기, 역상 전류 계전기, 발전기 과부하 계전기, 발전기 과전류 계전기, 발전기 과전압 계전기, 지락 계전기, 동기 탈조 계전기, 주파수 계전기, 차동전류 계전기 중 하나 기능을 선택하여 시험할 수 있다.
계전기 시험 장치(100)는 발전기(310), 터빈(320) 및 여자시스템(330)이 IEEE의 국제 기준에 의하여 시뮬레이션으로 설정되어있다. 이때, 계전기 시험 장치(100)는 D-Q축 방정식을 이용한 수식을 사용한 후 다시 이산화 또는 시뮬레이션에 적합하도록 변환하여 발전기(310), 터빈(320) 및 여자시스템(330)의 시뮬레이션을 저장한다. 여기서, D-Q축 방정식을 이용한 연립미분 방정식과 이산화는 시뮬레이션과 관련된 당해 기술 분야에서 이미 공지된 부분이므로 상세한 설명은 생략한다.
계전기 시험 장치(100)는 발전기(310)의 구동을 시뮬레이션하여 발전기 출력단자 3상 전압 신호, 발전기 출력단자 3상 전류 신호, 발전기 터빈 속도 신호, 발전기 Y 결선 3상 전류, 발전기 Y 중성점 전류 및 발전기 여자시스템 전류에 대한 신호를 입력 신호로 계전기로 제공한다.
송전계통(370)의 지락 사고에 의한 계전기의 발전기 보호 동작을 시험하기 위해 계전기 시험 장치(100)에는 발전기의 전압, 송전계통(370)의 임피던스 조합 및 무한대 모선의 계통전압을 입력받을 수 있다. 이에 따라, 계전기 시험 장치(100)에서는 아래의 수학식 1을 통해 발전기의 전류를 검출할 수 있는 수식이 설정되어 발전기의 구동을 시뮬레이션할 수 있다.
Figure pat00001
수학식 1에서 Vg는 발전기 전압, Z3 및 Z4는 제3 및 제4 임피던스, VB는 송전계통의 전압, Zt는 임피던스들의 조합에 대한 제1 대표 변수, Za는 임피던스들의 조합에 대한 제2 대표 변수, Ig는 발전기의 전류, S2 및 S3는 스위칭 함수를 나타낸다.
여기서, Zt는 송전계통(370)의 임피던스의 합의 계산이 복잡하여 간략하게 표기하기 위해 사용된 제1 대표변수이다. 또한, Za도 송전계통(370)의 임피던스의 합의 계산이 복잡하여 간략하게 표기하기 위해 사용된 제2 대표변수이다. 또한, S2 및 S3는 송전계통(370)이 발전기(310)에 연결되는 상황을 모의하기 위해 모두 0인 상태로 설정되지는 않는다.
계전기 시험 장치(100)는 수학식 1에서 발전기 전압, 송전계통(370)의 임피던스값 및 송전계통의 전압을 설정하여 발전기 전류를 구할 수 있다. 이에 따라, 계전기 시험 장치(100)는 임피던스의 변경에 따라 변화되는 발전기 전류(Ig)를 계전기에 제공할 수 있다.
한편, 수학식 1에서 Zt는 아래와 같은 수학식 2를 대표하는 변수이다.
Figure pat00002
수학식 2에서 Ztr은 송전계통(370)의 변압기(360)의 임피던스, Zl은 송전계통(370)의 직렬라인의 임피던스, Za는 임피던스들의 조합에 대한 제2 대표 변수이다.
여기서, Zl은 아래의 수학식 3과 같이 제1 임피던스(Z1)와 제2 임피던스(Z2)의 합으로 나타낼 수 있다. 또한, Za는 아래의 수학식 4와 같이 임피던스들의 합으로 나타낼 수 있다.
Figure pat00003
수학식 3에서 Zl은 송전계통(370)의 직렬라인의 임피던스, Z1은 제1 임피던스, Z2는 제2 임피던스, S1은 스위칭 함수이다.
Figure pat00004
수학식 4에서 Zl은 송전계통(370)의 직렬라인의 임피던스, Z3은 제3 임피던스, Z4는 제4 임피던스, Z5는 제5 임피던스, S2 및 S3은 스위칭 함수이다.
수학식 1 내지 수학식 4에서 송전계통(370)에서 스위칭 함수 S는 제2 임피던스(Z2), 제3 임피던스(Z3) 및 제4 임피던스(Z4)는 송전계통(370)이 발전기(310)에 연결되는 상황을 모의하기 위해 모두 0인 상태로 설정되지는 않는다.
계전기 시험 장치(100)는 수학식 1의 송정계통 모의 방정식으로 수행되는 시뮬레이션에서 스캔 타임이 약 1μs 라면, 사용자가 스위칭 함수 S의 온 시간을 100으로 설정하여 지락사고가 0.1ms 동안 발생하는 것을 모의할 수 있다. 또한, 이러한 모의 시험에 의해 발생되는 사고 전류는 계전기의 입력 신호를 사용될 수 있다.
한편, 계전기 시험 장치(100)는 지락 전류 및 차동 전류에 대한 계전기 시험을 모의하기 위해 발전기의 출력 전류를 계산한 후에 임의로 정상 운전시 아래의 수학식 5와 같이 평형이던 것을 발전기 Y결선의 3상의 임피던스 Z01, Z02, Z03(340) 값을 조정하여 발전기의 Y 중성점 전류 Ie값을 발생시킬 수 있다. 여기서, 지락 전류 및 차동 전류는 발전기의 Y 중성점 전류 Ie값에 의해 발생된다.
Figure pat00005
수학식 5에서 Ie는 발전기의 Y 중성점 전류, Z01, Z02 및 Z03은 발전기 Y 결선의 3상의 임피던스, Ia, Ib 및 Ic는 발전기 Y 결선의 3상의 전류이다.
예를 들어, 발전기 Y 결선의 3상의 전류가 평형이면 중성선으로 전류가 흐르지 않으나 3상의 전류가 불평형이면 중성선에 전류가 흘러 이상 발생을 의미한다. 이에 따라, 수학식 5에서 임피던스 Z01, Z02, Z03(340)의 값을 조정하여 3상의 전류가 불평형을 시뮬레이션하여 발전기의 Y 중성점 전류 Ie값을 발생시킬 수 있다.
송전계통에 대한 시뮬레이션 설정은 다양한 방정식을 이용한 방법으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 송전계통에 대한 시뮬레이션 설정은 절점 방정식(Node equation)을 이용한 미분 방법으로 설정될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시 예에 따른 계전기 시험 장치는 크게 5개의 함수로 이루어진 시뮬레이터를 포함할 수 있다.
계전기 시험 장치의 시뮬레이터는 5개의 함수인 터빈 모델링부, 발전기 모델링부, 여자시스템 모델링부, 발전기/계통 변환부 및 스위칭 함수 S를 포함하는 무한모선 모델링부를 포함한다. 여기서 함수들 각각은 연산부(도 1의 110)에 의해 서로 다른 속도로 스캔될 수 있다. 또한, 함수들은 터빈 기준 신호 입력, 여자기 기준 신호 입력, S함수를 포함한 무한모선 파라미터 입력 등으로 시뮬레이터에서 외란을 모의할 수 있다. 여기서, 각 함수는 방정식으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 각 함수는 차분 미분 방정식으로 구성된다. 또한, 각 함수는 유기적으로 데이터를 주고 받을 수 있다.
시뮬레이터는 송전계통에서 출력전류의 증가를 모의할 수 있다. 예를 들어, 발전기가 계통에 연결되기 전에는 무부하 상태, 즉 출력 전류가 0이 되는데 터빈의 속도 제어에 따라서 회전하는 것처럼 동작된다. 이때, 발전기가 동기 속도로 운전되면 계통 연계 스위치에 따라서 송전계통에 전력을 공급한다. 이에 따라 전력이 공급된 송전계통에서 출력전류가 증가된다. 즉, 시뮬레이터는 함수들에 터빈의 속도와 발전기의 동기 속도를 입력하여 송전계통에 전력의 공급을 모의하고, 전력 공급에 의한 출력전류의 증가를 시뮬레이션할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 계전기 시험 장치는 발전소의 발전기 보호에 대한 여러 가지 보호 계전기를 실제 발전기가 계통에 연결되어 운전되는 것처럼 현장에서 시뮬레이션 하여 각각의 계전기 특성에 따라서 모의 사고운전을 실시함으로서 계전기의 성능 특성을 쉽게 알 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 계전기 시험 방법을 나타내는 순서도이다.
우선, 본 발명의 일 실시 예에 따른 계전기 시험 방법을 설명하기 전에 계전기 시험 방법을 수행하는 계전기 시험 장치에 대해 살펴본다.
여기서는 도 1 및 도 3을 참조하여 설명한 계전기 시험 장치의 기능과 관련된 내용과 유사한 부분에 대해서는 중복되는 설명을 생략하기 위해 상세한 설명을 생략한다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 계전기 시험 방법은 발전기의 구동 파라미터를 입력하는 단계(S10), 송전계통의 파라미터를 입력하는 단계(S20), 시험 대상의 계전기를 선택하는 단계(S30), 시뮬레이션을 적용하는 단계(S40), 외란 상승을 위한 파라미터값을 변경하는 단계(S50), 계전기에서 트립 신호를 발생하는 단계(S60) 및 상기 계전기의 시험 결과를 확인하는 단계(S70)를 포함한다.
단계 S10에서는 발전기의 구동 파라미터를 계전기 시험 장치에 입력한다. 발전기의 구동 파라미터로 발전기, 여자시스템, 터빈 시스템에 대한 기본 파라미터를 입력한다. 예를 들어, 발전기의 구동을 시뮬레이션하기 위해 발전기, 발전기를 구동시키는 터빈, 발전기와 연결된 여자시스템 및 발전기의 Y결선에 대한 파라미터를 입력한다.
단계 S20에서는 송전계통의 파리미터를 계전기 시험 장치에 입력한다. 송전계통은 서로 직렬 또는 병렬로 연결되는 계통 임피던스들의 연결로 구성되므로, 계통 임피던스값을 입력한다. 또한, 현지에 있는 발전기의 특성에 맞게 송전계통의 파라미터를 입력한다.
단계 S30에서는 시험하고자 하는 계전기들 중 하나를 선택한다. 여기서 계전기는 발전기의 보호를 위해 12종류가 있으며, 그 중 시험하고자 하는 하나를 선택한다.
단계 S40에서는 입력받은 파라미터를 적용하여 상기 발전기의 구동을 시뮬레이션한 후 시뮬레이션 결과를 계전기로 입력한다. 구체적으로, 발전기의 구동 시뮬레이션은 연립 미분 방정식으로 전기적 및 기계적 모델링되어 있으며, 시뮬레이션에 의해 발전기 출력 전압값을 얻을 수 있다.
이때, 선택된 계전기의 종류에 따라서 외란 상승을 위한 파라미터값을 변경한다(S50). 여기서 변경된 파라미터값에 따라 각기 다른 외란이 자동으로 선택된다. 이 변화 값에 의하여 발전기와 송전계통의 동적 특성이 안정 상태에서 불안정 상태로 변화하면서 외부에 연결된 신호들이 변화하여 계전기가 동작한다.
단계 S60에서는 계전기가 동작하면서 이상 발생을 감지하여 트립 신호의발생 여부를 판별한다. 판별 결과, 트립 신호가 발생하면 트립 신호를 계전기 시험 장치로 전송한다. 또는 트립 신호가 발생하지 않으면 단계 S40으로 돌아간다.
단계 S70에서는 계전기 시험 장치가 계전기로부터 트립 신호를 수신하여 시험 결과를 확인한다. 계전기의 동작 신호는 다시 계전기 시험 장치로 입력되어 계전기가 정상적으로 셋팅 값에 동작했는지 알 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 계전기 시험 방법은 발전소의 발전기 보호에 대한 여러 가지 보호 계전기를 실제 발전기가 계통에 연결되어 운전되는 것처럼 현장에서 시뮬레이션 하여 각각의 계전기 특성에 따라서 모의 사고운전을 실시함으로서 계전기의 성능 특성을 쉽게 알 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 계전기 시험 장치 110: 연산부
120: 신호처리부 130: 신호출력부
140: 통신부 150: 메모리부
160: 표시부 170: 신호회기부
180: 시험확인부 190: 모니터링부
195: 계전기

Claims (9)

  1. 발전기를 보호하기 위한 계전기를 시험하는 장치에 있어서,
    발전기의 구동 파라미터를 입력받아 상기 구동 파라미터를 적용하여 상기 발전기의 구동을 모의로 구현하며, 구현된 모의 구동 정보를 출력하는 연산부; 및
    상기 모의 구동 정보를 수신하여 아날로그 신호로 변환한 후 계전기의 입력 신호로 출력하는 신호출력부를 포함하는 계전기 시험 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 모의 구동 정보는 상기 발전기의 이상 상태를 검출하기 위해 상기 계전기에 입력되는 신호인 것을 특징으로 하는 계전기 시험 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 발전기와 연계된 송전계통의 상황을 모의하도록 계통 임피던스가 조합된 시뮬레이션 설정과 상기 구동 파라미터를 저장하는 메모리부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 계전기 시험 장치.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 연산부는
    상기 구동 파라미터가 적용된 상기 메모리부의 상기 시뮬레이션 설정을 연산하여 상기 모의 구동 정보를 출력하는 것을 특징으로 하는 계전기 시험 장치.
  5. 제3 항에 있어서,
    상기 시뮬레이션 설정은
    상기 계통 임피던스의 조합에 의한
    Figure pat00006
    의 식으로 설정되며,
    상기 Vg는 발전기 단자전압, 상기 VB는 계통 전압, 상기 Ig는 발전기 출력전류, 상기 S는 0 및 1 중 하나의 스위칭 함수, 상기 Zt는
    Figure pat00007
    의 식, 상기 Zl은
    Figure pat00008
    의 식에 의한 상기 송전계통의 직렬라인의 임피던스 및 상기 Za는
    Figure pat00009
    의 식인 것을 특징으로 하는 계전기 시험 장치.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 계전기의 입력 신호를 수신하여 상기 연산부로 피드백하는 신호회기부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 계전기 시험 장치.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 계전기의 검사 결과를 확인하기 위해 상기 입력 신호를 입력받은 상기 계전기의 작동 정보를 수신하는 시험확인부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 계전기 시험 장치.
  8. 송전계통과 연계된 발전기를 보호하기 위한 계전기의 시험 방법에 있어서,
    (a) 발전기의 구동 파라미터를 입력하는 단계;
    (b) 송전계통의 파라미터를 입력하는 단계;
    (c) 시험 대상의 계전기를 선택하는 단계;
    (d) 입력받은 파라미터를 적용하여 상기 발전기의 구동을 시뮬레이션한 후 시뮬레이션 결과를 계전기로 입력하는 단계; 및
    (e) 상기 계전기의 시험 결과를 확인하는 단계를 포함하는 계전기 시험 방법.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 발전기의 구동의 시뮬레이션은
    계통 임피던스가 조합된 연립 방정식에 구동 파라미터가 적용되어 연산되는 것을 특징으로 하는 계전기 시험 방법.
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