KR20140041151A

KR20140041151A - 변전 시스템에서의 전류 차동형 모선 보호 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20140041151A
Application number: KR1020120108168A
Authority: KR
Inventors: 안용호; 장병태; 최종기; 이남호; 한정열; 이유진; 심응보; 문상용
Original assignee: 한국전력공사
Priority date: 2012-09-27
Filing date: 2012-09-27
Publication date: 2014-04-04
Also published as: KR101926869B1

Abstract

복수개의 머징 유닛 각각에서 다르게 구현되는 샘플링 레이트 및 위상각차를 보정하여 보다 정밀한 고장 판단을 가능케 하는 변전 시스템에서의 전류 차동형 모선 보호 기술이 개시된다.
이를 위해, 본 발명에 따른 변전 시스템에서의 전류 차동형 모선 보호 장치는 판별부, 타이밍 신호 생성부, 유효 세트 생성부, 보호 세트 생성부, 위상각 보정부, 및 보호 동작 실행부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

변전 시스템에서의 전류 차동형 모선 보호 장치 및 방법{Current differential protective apparatus and method for protecting bus-line in substation system}

본 발명은 변전 시스템에서의 전류 차동형 모선 보호 장치 및 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게, 본 발명은 복수개의 머징 유닛 각각에서 다르게 구현되는 샘플링 레이트 및 위상각차를 보정하여 보다 정밀한 고장 판단을 가능케 하는 변전 시스템에서의 전류 차동형 모선 보호 장치 및 방법에 관한 것이다.

전류 차동 보호 방식을 이용하는 모선보호 IED(Intelligent Electronic Device, 지능형 전자 장치)는 보호 대상 모선에 연결되어 있는 각 회선의 전류를 합산하여, 그 결과값에 따라 모선 상에 고장이 발생했는지 여부를 판단하는 보호계전기로서, 기본 구성은 도 1과 같다.

도 1에서와 같이 전류차동형 모선보호 IED(10)는 보호 대상 모선에 연결되어 있는 각 회선의 CT(Current Transformer)로부터 전류값을 읽어 각 전류값을 모두 합산하고, 그 합산 결과가 정해진 수준 이상의 값을 나타내면 모선에 고장이 발생했다고 판단하는 방식으로 동작한다.

각 회선의 전류값을 합산한 결과가 일정 수준 이상이 될 때 고장이 발생했다고 판단하는 방식은 도 2 내지 도 4를 통해 좀 더 자세히 설명할 수 있다. 모선(20)에 고장이 없다면 도 2와 같이 각 회선(11a, 12a, 13a)에서 들어오는 전류를 모두 합산하면 키르히호프의 전류 법칙에 의해 그 결과가 0이 된다. 그리고, 보호 대상 모선(20)에 고장이 발생한 내부 고장의 경우에는 도 3과 같이 각 회선(11b, 12b, 13b)의 전류값의 합은 고장 전류와 같아져 0이 아닌 값이 된다. 만약 모선(20)이 아닌 외부에서 고장이 발생한 경우에는 도 4와 같이 고장이 없는 회선들(11c, 12c)의 전류의 합이 고장이 발생한 회선(13c)의 전류값과 같은 크기가 되는데, 다만 방향이 반대이므로 역시 전류를 모두 합산하면 그 결과는 0이 된다.

위에서 설명한 것과 같이 모선 내부 고장이 없다면 각 회선의 전류값의 합은 이론적으로 0이어야 한다. 그러나 실제로는 IED 내부에서 전류값을 계측하는 과정에서 여러 가지 이유로 고정적 오차 및 전류 크기에 비례하는 오차가 발생하기 때문에 전류차가 발생하게 된다. 그리고, 이러한 정상 상태에서의 전류차는 각 회선에 흐르는 전류의 크기가 크면 클수록 비례하여 커지게 된다. 따라서, 모선보호 IED는 이렇게 정상 상태에서 나타날 수 있는 전류차의 수준을 정하고 그 이상의 전류차가 나타나는 경우에만 모선 고장으로 판단하게 된다. 도 5에서 볼 수 있는 것과 같이 IED 내부 계측 과정에서 발생하는 고정 오차와 비례 오차를 감안하고 거기에 어느 정도의 여유분을 적용하여, 그 이상의 전류차가 나타나는 경우에만 모선에 고장이 발생했다고 판단하여 모선보호 IED가 동작하는 영역이 되며, 이 때 고장 판단 영역과 미판단 영역을 구분하는 경계선은 전류의 크기가 커질수록 허용 전류차도 커지는 형태로 구성된다. 도 5에서 계전기 동작영역으로 표시된 부분이 모선 고장이 발생했다고 판단하여 모선보호 IED가 동작하는 영역이다.

위에서 기술한 바와 같이, 전류차동형 모선보호 IED는 각 회선의 전류를 모두 합산한 결과값을 이용하여 동작하는 보호계전기이다. 그런데, 이러한 모선보호 IED의 경우 만약 변전소를 프로세스 레벨(Process Level)의 풀 디지털(Full-Digital) 변전시스템으로 구축하는 경우에는 다음와 같은 문제가 발생한다.

프로세스 레벨의 풀 디지털 변전시스템은 IEC 61850에서 정의하는 스테이션 버스(Station Bus)는 물론이고, 프로세스 버스(Process Bus)까지 구축한 것으로서, 통신 아키텍쳐 관점에서의 시스템 구성은 도 6과 같다.

그림에서와 같이 프로세스 레벨에는 머징 유닛(MU, Merging Unit)이라는 기기가 위치하여, 계기용 변류기(CT,Current Transformer)를 통해 들어오는 아날로그 전류 신호를 직접 디지털 순시 전류 데이터로 변환하고, 프로세스 버스를 이용하여 IED로 전송하게 된다. IED는, 기존의 Conventional 변전시스템에서와는 달리, 머징 유닛이 송신한 디지털 순시 전류 데이터를 이용하여 보호 동작을 실행하게 된다.

기존의 아날로그 변전시스템에서, IED는 CT로부터 아날로그 전류 신호를 직접 받아들이고 이를 자체적으로 샘플링 과정을 통해 디지털 순시 전류 데이터로 변환하여 이용하게 된다. 따라서, 아날로그 전류 신호를 디지털 순시 전류 데이터로 변환하기 위해 1주기 동안 언제, 그리고 얼마나 자주 아날로그 전류 신호 값을 샘플링할 것인가를 나타내는 샘플링 타이밍(Sampling Timing)과 샘플링 레이트(Sampling Rate)는 이미 IED 구현 과정에서 IED 제조사에 의해 결정되어 적용된다. 또한, 이렇게 정해진 샘플링 레이트에 따라 IED는 각 회선으로부터 입력되는 모든 아날로그 전류 신호에 대해 사실상 동시에 샘플링 동작을 수행하여 각 회선별 디지털 순시 전류 데이터를 취득하게 된다. 따라서, 각 회선별 아날로그 전류 신호에 대한 샘플링 타이밍은 전부 동일하게 적용된다.

반면, 프로세스 레벨의 변전시스템에서는, IED는 머징 유닛 등이 이미 변환하여 프로세스 버스를 통해 전송하는 디지털 순시 전류 데이터를 통신망을 통해 수신하게 된다. 이것은, 아날로그 전류 신호를 디지털 순시 전류 데이터로 변환하는 머징 유닛에서 샘플링 타이밍과 샘플링 레이트를 결정하므로, IED로 입력되는 각 신호별로 샘플링 타이밍과 샘플링 레이트가 다를 수 있다는 것을 의미한다. 예를 들어, 모선에 연결된 1번 회선의 머징 유닛과 2번 회선의 머징 유닛의 샘플링 타이밍과 샘플링 레이트는 서로 다를 수 있다. 좀 더 확장시켜 생각하면, 보호 대상 모선에 연결된 n개의 회선에 대한 n개의 머징 유닛 각각이 전부 서로 다른 샘플링 타이밍과 샘플링 레이트를 가질 수 있다는 뜻이 된다.

이렇게 되면, 설사 모선에 연결된 각 회선에 동일한 아날로그 전류 신호가 있다고 하더라도, 모선보호 IED 입장에서는 각 회선별로 서로 다른 디지털 순시 전류 데이터를 받게 되므로 그 데이터 간 기본적인 차이가 존재하는 문제점이 있다. 또한, 이 전류 데이터를 크기와 위상각을 가지는 페이저 신호로 변환하는 경우에는, 각 회선별로 샘플링 레이트에 따라 그에 맞게 제각각 페이저 신호를 계산해야 하며, 그렇게 하더라도 실제로 존재하지 않는 각 회선 전류 신호간 위상각 차가 나타나게 되는 문제점이 있다.

그리고 모선보호 기능을 수행하는 입장에서 보면, 만약 디지털 순시 전류 데이터를 그대로 사용하는 경우에도 합산 시 실제로 존재하지 않는 차이값이 생겨 모선보호 IED의 오동작을 발생시킬 수 있다는 문제점이 있다. 또한 페이저 신호를 그대로 사용하는 경우에도 위상각 차에 의해 모선보호 IED의 오동작을 발생시킬 수 있다는 문제점이 있다.

관련하여, 한국등록특허 제1108683호는 "프로세스 버스 기반의 차동보호계전 IED의 위상각 차 보상 장치 및 방법"을 개시하고 있다.

본 발명의 목적은 모선에 연결된 각 회선에 적용되는 머징 유닛의 독립적인 동작에도 정확한 보호 기능을 수행할 수 있는 전류 차동형 모선 보호 기술을 구현하는 것이다.

즉, 본 발명은 복수개의 머징 유닛 각각에서 다르게 구현되는 샘플링 레이트 및 위상각차를 보정한 후 모선 보호 기술을 구현하여 보다 정밀한 고장 판단이 가능케하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 변전 시스템에서의 전류 차동형 모선 보호 방법은 보호 대상 모선에 연결된 복수개의 회선 각각에 연결된 복수개의 머징 유닛의 샘플링 레이트(sampling rate)를 판별하는 단계; 상기 복수개의 머징 유닛의 샘플링 레이트를 기초로 각 회선의 샘플링되는 신호에 대응되는 타이밍 신호를 생성하는 단계; 상기 각 회선별로, 상기 타이밍 신호 및 상기 각 회선의 샘플링 레이트에 대응되는 유효 타이밍 신호를 도출하고, 상기 복수개의 회선 각각의 상기 유효 타이밍 신호들을 종합하여 유효 타이밍 신호 세트를 생성하는 단계; 상기 각 회선별로, 상기 각 회선에서 샘플링 구간이 상기 타이밍 신호와 중첩되는 신호를 보호 타이밍 신호로 도출하고, 상기 복수개의 회선 각각의 상기 보호 타이밍 신호들을 종합하여 보호 타이밍 신호 세트를 생성하는 단계; 기준 회선의 전류 페이저를 기준으로 상기 복수개의 회선 각각에 있어서, 상기 유효 타이밍 신호 세트의 위상각차를 보정하는 단계; 및 상기 위상각차를 보정하는 단계 이후, 상기 보호 타이밍 신호 세트의 상기 보호 타이밍 신호들의 전류 페이저를 합산하여 보호 동작을 실행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이 때, 상기 타이밍 신호를 생성하는 단계는, 상기 복수개의 회선의 샘플링 레이트에 대한 최소공배수를 산출하는 단계; 및 1 주기에 상기 최소공배수에 해당하는 횟수만큼 신호가 발생하는 상기 타이밍 신호를 생성하는 단계를 포함할 수 있다.

이 때, 상기 유효 타이밍 신호 세트를 생성하는 단계는, 상기 각 회선별로, 상기 최소공배수를 각 샘플링 레이트로 나눈 제 1 간격치를 산출하는 단계; 상기 각 회선별로, 상기 타이밍 신호에서 기준 타이밍 신호부터 상기 제 1 간격치 간격으로 신호를 선정하여 해당 회선의 유효 타이밍 신호를 도출하는 단계; 및 상기 복수개의 회선 각각의 상기 유효 타이밍 신호들을 종합하여 상기 유효 타이밍 신호 세트를 생성하는 단계를 포함할 수 있다.

이 때, 상기 보호 타이밍 신호 세트를 생성하는 단계는, 상기 복수개의 회선의 샘플링 레이트에 대한 최대공약수를 산출하는 단계; 상기 최소공배수를 최대공약수로 나눈 제 2 간격치를 산출하는 단계; 상기 각 회선별로, 상기 타이밍 신호에서 기준 타이밍 신호부터 상기 제 2 간격치 간격으로 신호를 선정하여 해당 회선의 보호 타이밍 신호를 도출하는 단계; 및 상기 복수개의 회선 각각의 보호 타이밍 신호들을 종합하여 상기 보호 타이밍 신호 세트를 생성하는 단계를 포함할 수 있다.

이 때, 상기 위상각차를 보정하는 단계는, 상기 복수개의 회선 중 기준 회선을 선정하는 단계; 상기 기준 회선의 전류 페이저를 기준으로, 다른 회선들에서의 위상각차를 산출하는 단계; 및 상기 다른 회선들의 상기 유효 타이밍 신호 세트의 위상각차를 보정하는 단계를 포함할 수 있다.

이 때, 상기 보호 동작을 실행하는 단계는, 상기 위상각차를 보정하는 단계 이후, 상기 각 회선별로 샘플링된 신호들이 상기 보호 타이밍 신호 세트에 속하는지를 판단하는 단계; 및 상기 보호 타이밍 신호 세트에 속하는 경우, 상기 샘플링된 신호들의 전류 페이저를 합산하여 보호 동작을 실행하는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 변전 시스템에서의 전류 차동형 모선 보호 장치는 보호 대상 모선에 연결된 복수개의 회선 각각에 연결된 복수개의 머징 유닛의 샘플링 레이트를 판별하는 판별부; 상기 복수개의 머징 유닛의 샘플링 레이트를 기초로 각 회선의 샘플링되는 신호에 대응되는 타이밍 신호를 생성하는 타이밍 신호 생성부; 상기 각 회선별로, 상기 타이밍 신호 및 상기 각 회선의 샘플링 레이트에 대응되는 유효 타이밍 신호를 도출하고, 상기 복수개의 회선 각각의 상기 유효 타이밍 신호들을 종합하여 유효 타이밍 신호 세트를 생성하는 유효 세트 생성부; 상기 각 회선별로, 상기 각 회선에서 샘플링 구간이 상기 타이밍 신호와 중첩되는 신호를 보호 타이밍 신호로 도출하고, 상기 복수개의 회선 각각의 상기 보호 타이밍 신호들을 종합하여 보호 타이밍 신호 세트를 생성하는 보호 세트 생성부; 기준 회선의 전류 페이저를 기준으로 상기 복수개의 회선 각각에 있어서, 상기 유효 타이밍 신호 세트의 위상각차를 보정하는 위상각 보정부; 및 상기 위상각 보정부에 의한 상기 유효 타이밍 신호 세트의 위상각차가 보정된 후, 상기 보호 타이밍 신호 세트의 상기 보호 타이밍 신호들의 전류 페이저를 합산하여 보호 동작을 실행하는 보호 동작 실행부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이 때, 상기 타이밍 신호 생성부는, 상기 복수개의 회선의 샘플링 레이트에 대한 최소공배수를 산출하는 최소공배수 산출부; 및 1 주기에 상기 최소공배수에 해당하는 횟수만큼 신호가 발생하는 상기 타이밍 신호를 생성하는 신호 생성부를 포함할 수 있다.

이 때, 상기 유효 세트 생성부는, 상기 각 회선별로, 상기 최소공배수를 각 샘플링 레이트로 나눈 제 1 간격치를 산출하는 제 1 간격치 산출부; 상기 각 회선별로, 상기 타이밍 신호에서 기준 타이밍 신호부터 상기 제 1 간격치 간격으로 신호를 선정하여 해당 회선의 유효 타이밍 신호를 도출하는 유효 신호 도출부; 및 상기 복수개의 회선 각각의 상기 유효 타이밍 신호들을 종합하여 상기 유효 타이밍 신호 세트를 생성하는 유효 종합부를 포함할 수 있다.

이 때, 상기 보호 세트 생성부는, 상기 복수개의 회선의 샘플링 레이트에 대한 최대공약수를 산출하는 최대공약수 산출부; 상기 최소공배수를 최대공약수로 나눈 제 2 간격치를 산출하는 제 2 간격치 산출부; 상기 각 회선별로, 상기 타이밍 신호에서 기준 타이밍 신호부터 상기 제 2 간격치 간격으로 신호를 선정하여 해당 회선의 보호 타이밍 신호를 도출하는 보호 신호 도출부; 및 상기 복수개의 회선 각각의 보호 타이밍 신호들을 종합하여 상기 보호 타이밍 신호 세트를 생성하는 보호 종합부를 포함할 수 있다.

이 때, 상기 위상각 보정부는, 상기 복수개의 회선 중 기준 회선을 선정하는 기준 회선 선정부; 상기 기준 회선의 전류 페이저를 기준으로, 다른 회선들에서의 위상각차를 산출하는 위상각차 산출부; 및 상기 다른 회선들의 상기 유효 타이밍 신호 세트의 위상각차를 보정하는 보정부를 포함할 수 있다.

이 때, 상기 보호 동작 실행부는, 상기 위상각 보정부에 의한 상기 유효 타이밍 신호 세트의 위상각차가 보정된 후, 상기 각 회선별로 샘플링된 신호들이 상기 보호 타이밍 신호 세트에 속하는지를 판단하는 판단부; 및 상기 보호 타이밍 신호 세트에 속하는 경우, 상기 샘플링된 신호들의 전류 페이저를 합산하여 보호 동작을 실행하는 실행부를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 모선에 연결된 각 회선에 적용되는 머징 유닛의 독립적인 동작에도 정확한 보호 기능을 수행할 수 있는 전류 차동형 모선 보호 기술을 구현할 수 있다.

즉, 본 발명은 복수개의 머징 유닛 각각에서 다르게 구현되는 샘플링 레이트 및 위상각차를 보정한 후 모선 보호 기술을 구현하여 보다 정밀한 고장 판단이 가능하다.

도 1은 일반적인 전류 차동형 지능형 전자 장치의 구성 및 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 2 내지 도 5는 전류 차동형 지능형 전자 장치의 고장 여부 판단 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 프로세스 레벨이 적용된 풀 디지털 변전 시스템의 구성도이다.
도 7은 샘플링 타이밍 차이에 의하여 위상각차가 생기는 경우의 일 예를 도시한 그래프이다.
도 8은 본 발명에 따른 변전 시스템에서의 전류 차동형 모선 보호 장치 및 방법이 적용되는 계통 구성을 도시한 도면이다.
도 9 내지 도 13은 본 발명에 따른 변전 시스템에서의 전류 차동형 모선 보호 방법을 설명하기 위한 플로우챠트 및 그래프이다.
도 14는 본 발명에 따른 변전 시스템에서의 전류 차동형 모선 보호 장치의 구성을 설명하기 위한 블록도이다.

본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능, 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.

이하에서는 풀 디지털 변전시스템에 있어서, 샘플링 레이트(Sampling rate) 또는 샘플링 타이밍(Sampling timming)이 서로 다른 경우에 대한 처리 필요성에 대하여 설명하도록 한다.

먼저, 샘플링 레이트가 서로 다른 경우에 관하여 설명한다. 전류에 대한 페이저를 계산하는 방법은 여러 가지가 있으나, 일반적으로 사용되는 방법은 DFT(Discrete Fourier Transform)이다. 또한 전류 페이저를 계산할 때 사용하는 디지털 순시 전류 데이터의 수는 임의로 정할 수 있으나, 일반적으로는 1 주기 동안의 디지털 순시 전류 데이터를 이용하여 1 주기의 전류 페이저를 구하게 된다.

상기에서 설명한 것과 같이 1 주기의 전류 페이저를 구할 때 필요한 것은 결국 1 주기 동안의 디지털 순시 전류 데이터 세트와, 각 데이터에 곱해서 DFT를 실행하기 위한, 데이터의 숫자와 동일한 숫자의 DFT 계수(Coefficient) 세트이다. 따라서, 전류 페이저를 구하기 위해서는 결국 1 주기 동안에 디지털 순시 전류 데이터가 몇 개나 발생하는가를 나타내는 샘플링 레이트를 알아야 하며, 그 샘플링 레이트에 맞게 DFT 계수 세트를 생성할 필요가 있다.

프로세스 레벨의 모선보호 IED는 한국전력공사의 경우 최대 18개의 회선으로부터 전류를 받아서 처리해야 한다. 그런데 각 회선별로 설치된 머징 유닛의 샘플링 레이트가 다르다면, 그 회선별로 서로 다른 DFT 계수 세트를 이용하여 전류 페이저를 계산해야 한다. 결국, 프로세스 레벨의 전류차동형 모선보호 기능이 정상적으로 수행되기 위해서는, 보호 대상 모선에 연결된 각 회선별로 머징 유닛이 수행하는 샘플링의 레이트가 다른 경우에, 각 회선별 전류 페이저를 정확하게 계산하기 위해서 회선의 머징 유닛별 샘플링 레이트를 판별하고, 각 샘플링 레이트에 맞는 각 DFT 계수 세트를 생성하여, 각 회선의 전류 페이저를 계산할 때 회선별로 적절한 DFT 계수 세트를 사용해야 한다는 것을 알 수 있다.

이하, 샘플링 타이밍이 서로 다른 경우에 관하여 설명한다. 도 7은 실제로는 위상각이 동일한 두 개의 전류 신호(A, B)에 대해 디지털 순시 전류 데이터를 얻기 위한 샘플링 타이밍이 다른 경우, 두 개의 신호에 대한 전류 페이저의 위상각 간에 계산 상의 차이가 발생하는 예를 보여준다. 도 7에서와 같이 위 아래 두 신호(A, B)는 실제로 위상각 차가 없다. 그러나, 두 신호에 대한 샘플링 레이트가 동기화되지 않아서 도 7에서와 같이 15도에 해당하는 차이가 있다고 하면, 같은 시점에 페이저를 계산한다고 하더라도 위 신호(A)에 대해서는 위상각이 0도, 아래 신호(B)에 대해서는 위상각이 15도로 계산되어, 실제로는 존재하지 않는 위상각 차가 계산 상으로 나타나게 된다. 도 7에서 위 신호(A)가 회선 1의 전류, 아래 신호(B)가 회선 2의 전류라고 한다면 IED는 회선 1의 전류와 회선 2의 전류가 15도의 위상차를 가진다고 인식하게 된다. 결국, 어떤 두 개의 아날로그 전류 신호의 샘플링 타이밍이 다른 경우에는 실제로 두 전류의 위상각이 동일하다고 하더라도 전류 페이저 계산 과정에서 계산 상 위상각 차가 발생하게 되므로, 이를 정확히 검출하여 보정하는 과정이 필요하게 된다.

이러한 문제점을 모선보호의 관점에서 확장시켜 보면, 보호 대상 모선에 연결된 각 회선별 머징 유닛의 샘플링 타이밍이 다른 경우에는, 각 회선의 실제 아날로그 전류 신호의 위상각이 완전히 동일하다고 하더라도, 계산된 각 회선별 전류 페이저 간에 계산 상의 위상각 차가 발생하게 된다는 것이며, 이러한 현상은 모선보호 기능 상의 오동작이나 오부동작을 유발할 수 있기때문에 문제가 된다.

따라서, 프로세스 레벨의 전류 차동형 모선보호 기능을 위해서는, 상기에서 설명한 원인에 의해 발생하는 각 회선별 전류 페이저 간 계산 상 위상각 차를 보정해야 한다는 것을 알 수 있다.

이하에서는 상기의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 변전 시스템에서의 전류 차동형 모선 보호 방법에 대하여 설명하도록 한다.

도 8은 본 발명에 따른 변전 시스템에서의 전류 차동형 모선 보호 장치 및 방법이 적용되는 계통 구성을 도시한 도면이다. 도 9 내지 도 13은 본 발명에 따른 변전 시스템에서의 전류 차동형 모선 보호 방법을 설명하기 위한 플로우챠트 및 그래프이다.

도 8을 참조하면, 본 발명에 따른 변전 시스템에서의 전류 차동형 모선 보호 방법이 적용되는 풀 디지털 변전 시스템에서의 구성이 도시되어 있다. 이러한 변전 시스템 구성에서, 모선 보호 장치(100)가 보호 대상 모선(1)에 연결된 복수개의 회선 각각에 연결된 복수개의 머징 유닛(MU, 200a ~ 200g)으로부터 보호 동작 실행 판단을 위하여 전류 신호를 수신한다. 보호 동작 실행 방법의 보다 구체적인 내용은 다음과 같다.

도 9를 참조하면, 먼저, 보호 대상 모선에 연결된 각 회선의 디지털 순시 전류 데이터를 수신하고, 각 회선에 연결된 머징 유닛의 샘플링 레이트를 판별하여 보호 동작을 준비한다(S100). 그리고, 복수개의 회선에 있어서의, 유효 타이밍 신호 세트 및 보호 타이밍 신호 세트를 생성한다(S200).

보다 구체적으로 도 10과 함께 참조하면, S100 단계 및 S200 단계는 먼저, 보호 대상 모선에 연결된 각 회선들로부터 디지털 순시 전류 데이터를 수신한다(S110). 이 때, S110 단계는 디지털 순시 전류 데이터를 1초 동안 수신하여 진행될 수 있다. 그리고, 복수개의 회선 각각에 연결된 복수개의 머징 유닛의 샘플링 레이트를 판별한다(S120).

판단한 후에는 각 회선별로 샘플링 레이트에 맞는 DFT 계수 세트를 생성한다. DFT 계수 세트는 Cosine 함수 계수 세트와 Sine 함수 계수 세트의 두 가지 세트로 구성되며, 1 Cycle을 360도로 하여, 360도를 샘플링 레이트에 해당하는 숫자로 나눈 각도 단위로 Cosine 함수 및 Sine 함수의 값을 구한 것이 된다. 예를 들어, 어떤 회선에 설치된 MU의 Sampling Rate가 24인 경우, 360도를 24로 나누면 15도가 되므로, Cosine 함수 계수 세트는 [cos(0°), cos(15°), cos(30°), cos(45°), cos(60°), .... , cos(315°), cos(330°), cos(345°)]가 되고, Sine 함수 계수 세트는 [sin(0°), sin(15°), sin(30°), sin(45°), sin(60°), ...., sin(315°), sin(330°), sin(345°)] 가 되며, 이 두 세트가 합쳐져서 해당 회선의 DFT 계수 세트가 된다.

이 후, 복수개의 회선의 샘플링 레이트에 대한 최소공배수 및 최대공약수를 산출한다(S210). 이렇게 되면 계산된 최소공배수 내에는 모든 회선의 샘플링 레이트가 포함되는 형태가 된다.

그리고, 각 회선별로, 상기 최소공배수를 각 샘플링 레이트로 나눈 제 1 간격치(INTVL^MU)를 산출한다(S220). 최소공배수를 각 회선의 샘플링 레이트로 나눈 값을 구하는데, 이 값은 결국 각 회선별 "인터벌"로 간주할 수 있다. 즉, 만약 샘플링 레이트가 64이고 최소공배수가 128이라면 인터벌은 2가 된다.

또한, 상기 최소공배수를 상기 최대공약수로 나눈 제 2 간격치(MUL^CM)를 산출한다(S230).

그리고, 1 주기에 상기 최소공배수에 해당하는 횟수만큼 신호가 발생하는 타이밍 신호를 생성한다(S240).

이 후, 각 회선별로, 타이밍 신호에서 기준 타이밍 신호부터 제 1 간격치 간격으로 신호를 선정하여 해당 회선의 유효 타이밍 신호를 도출한다. 그리고, 복수개의 회선 각각의 유효 타이밍 신호들을 종합하여 유효 타이밍 신호 세트를 생성한다(S250). 각 회선별 유효 타이밍 신호 세트는 결국 해당 회선의 머징 유닛의 샘플링 레이트와 동일한 타이밍 신호 세트가 되며, 초기화 및 전류 페이저 계산 준비 완료 후에 해당 회선의 머징 유닛으로부터 전송된 디지털 순시 전류 데이터 및 해당 회선의 DFT 계수 세트를 이용하여 전류 페이저 계산을 실행하는 타이밍 신호로 사용된다.

또한, 각 회선별로, 타이밍 신호에서 기준 타이밍 신호부터 제 2 간격치 간격으로 신호를 선정하여 해당 회선의 보호 타이밍 신호를 도출한다. 그리고, 복수개의 회선 각각의 보호 타이밍 신호들을 종합하여 보호 타이밍 신호 세트를 생성한다(S260). 보호 타이밍 신호 세트는, 초기화 및 전류 페이저 계산 준비가 완료되고 위에서 설명한 각 회선별 유효 타이밍 신호 세트에 의해 각 회선별로 전류 페이저 계산이 정상적으로 실행되기 시작한 이후에, 프로세스 레벨 전류차동형 모선보호 기능이 실제로 수행되어야 하는 타이밍 세트를 나타낸다.

이 후, 복수개의 회선 각각에 있어서, 유효 타이밍 신호 세트의 위상각차를 보정한다(S300).

보다 구체적으로 도 11과 함께 참조하면, S300 단계는 먼저, 보호 대상 모선에 연결된 복수개의 회선 중 기준 회선을 선정한다(S310). 그리고, 기준 회선의 전류 페이저를 기준으로, 다른 회선들에서의 위상각차를 산출한다(S320). 또한, 각 회선에서의 대상 신호가 유효 타이밍 신호 세트에 포함되는 지를 판단한다(S330). S330 단계의 판단 결과, 대상 신호가 유효 타이밍 신호 세트에 포함되는 경우, S320 단계에서 산출된 위상각차를 이용하여, 다른 회선들의 유효 타이밍 신호 세트의 위상각차를 보정한다(S340).

S300 단계 도출한 위상각차 값을 이용하여, 실제 각 회선별 전류 페이저를 계산한 후 계산 상 위상각 차를 반영하여 전류 페이저를 보정하는 과정을 표현하고 있다. 전류 페이저의 보정은, 계산된 전류 페이저의 위상각에, 위상각차 값을 빼고, 그 결과로 나온 위상각을 이용하여 전류 페이저의 실수분과 허수분까지 다시 계산하는 것을 포함한다.

예를 들어, 어떤 회선에 대해서 판별한 위상각차 값이 15도라고 한다면, 해당 회선에 대해 계산된 전류 페이저가 A∠θ이라고 할 때 위상각 차 15도를 빼서 보완된 전류 페이저를 구하면 A∠(θ-15도)가 된다. 그런데, 도 12를 통해 알 수 있듯이, 페이저의 크기는 같더라도 위상각이 달라지면 그 페이저의 실수분과 허수분의 값이 달라지므로, 위상각차를 보완한 이후에는 크기와 위상각을 이용하여 실수분과 허수분을 다시 계산한다.

S300 단계 이후, 보호 타이밍 신호 세트의 보호 타이밍 신호들의 전류 페이저를 합산하여 보호 동작을 실행한다(S400).

보다 구체적으로 도 13과 함께 참조하면, S400 단계는 먼저, 대상 신호가 보호 타이밍 신호 세트에 포함되는지를 판단한다(S410). S410 단계의 판단 결과, 대상 신호가 보호 타이밍 신호 세트에 포함되는 경우, 대상 신호에 있어서, 샘플링된 신호들의 전류 페이저를 합산하여 전류 차동형 보호 동작을 실행한다(S420).

이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 변전 시스템에서의 전류 차동형 모선 보호 장치의 구성 및 동작에 대하여 설명하도록 한다.

도 8은 본 발명에 따른 변전 시스템에서의 전류 차동형 모선 보호 장치 및 방법이 적용되는 계통 구성을 도시한 도면이다. 도 14는 본 발명에 따른 변전 시스템에서의 전류 차동형 모선 보호 장치의 구성을 설명하기 위한 블록도이다.

도 14를 참조하면, 본 발명에 따른 변전 시스템에서의 전류 차동형 모선 보호 장치(100)는 판별부(110), 타이밍 신호 생성부(120), 유효 세트 생성부(130), 보호 세트 생성부(140), 위상각 보정부(150), 및 보호 동작 실행부(160)를 포함하여 구성된다. 그리고, 이러한, 모선 보호 장치(100)는 도 8과 같이 풀 디지털 변전소 시스템에 있어서 프로세스 버스에 적용된다.

판별부(110)는 보호 대상 모선에 연결된 복수개의 회선 각각에 연결된 복수개의 머징 유닛의 샘플링 레이트를 판별한다.

타이밍 신호 생성부(120)는 상기 복수개의 머징 유닛의 샘플링 레이트를 기초로 각 회선의 샘플링되는 신호에 대응되는 타이밍 신호를 생성한다. 보다 구체적으로, 타이밍 신호 생성부(120)는 최소공배수 산출부(121) 및 신호 생성부(122)를 포함하여 구성된다.

그리고, 최소공배수 산출부(121)는 복수개의 회선의 샘플링 레이트에 대한 최소공배수를 산출한다. 또한, 신호 생성부(122)는 1 주기에 상기 최소공배수에 해당하는 횟수만큼 신호가 발생하는 상기 타이밍 신호를 생성한다.

유효 세트 생성부(130)는 각 회선별로, 상기 타이밍 신호 및 상기 각 회선의 샘플링 레이트에 대응되는 유효 타이밍 신호를 도출하고, 상기 복수개의 회선 각각의 상기 유효 타이밍 신호들을 종합하여 유효 타이밍 신호 세트를 생성한다. 보다 구체적으로, 유효 세트 생성부(130)는 제 1 간격치 산출부(131), 유효 신호 도출부(132), 및 유효 종합부(133)를 포함하여 구성된다.

제 1 간격치 산출부(131)는 각 회선별로, 상기 최소공배수를 각 샘플링 레이트로 나눈 제 1 간격치를 산출한다. 유효 신호 도출부(132)는 각 회선별로, 상기 타이밍 신호에서 기준 타이밍 신호부터 상기 제 1 간격치 간격으로 신호를 선정하여 해당 회선의 유효 타이밍 신호를 도출한다. 유효 종합부(133)는 복수개의 회선 각각의 상기 유효 타이밍 신호들을 종합하여 상기 유효 타이밍 신호 세트를 생성한다.

보호 세트 생성부(140)는 상기 각 회선별로, 상기 각 회선에서 샘플링 구간이 상기 타이밍 신호와 중첩되는 신호를 보호 타이밍 신호로 도출하고, 상기 복수개의 회선 각각의 상기 보호 타이밍 신호들을 종합하여 보호 타이밍 신호 세트를 생성한다. 보다 구체적으로, 보호 세트 생성부(140)는 최대공약수 산출부(141), 제 2 간격치 산출부(142), 보호 신호 도출부(143) 및 보호 종합부(144)를 포함하여 구성된다.

최대공약수 산출부(141)는 상기 복수개의 회선의 샘플링 레이트에 대한 최대공약수를 산출한다. 제 2 간격치 산출부(142)는 최소공배수를 최대공약수로 나눈 제 2 간격치를 산출한다. 보호 신호 도출부(143)는 각 회선별로, 상기 타이밍 신호에서 기준 타이밍 신호부터 상기 제 2 간격치 간격으로 신호를 선정하여 해당 회선의 보호 타이밍 신호를 도출한다. 보호 종합부(144)는 복수개의 회선 각각의 보호 타이밍 신호들을 종합하여 상기 보호 타이밍 신호 세트를 생성한다.

위상각 보정부(150)는 기준 회선의 전류 페이저를 기준으로 상기 복수개의 회선 각각에 있어서, 상기 유효 타이밍 신호 세트의 위상각차를 보정한다. 보다 구체적으로, 위상각 보정부(150)는 기준 회선 선정부(151), 위상각차 산출부(152), 및 보정부(153)를 포함하여 구성된다.

기준 회선 선정부(151)는 복수개의 회선 중 기준 회선을 선정한다. 위상각차 산출부(152)는 기준 회선의 전류 페이저를 기준으로, 다른 회선들에서의 위상각차를 산출한다. 보정부(153)는 다른 회선들의 상기 유효 타이밍 신호 세트의 위상각차를 보정한다.

보호 동작 실행부(160)는 위상각 보정부에 의한 상기 유효 타이밍 신호 세트의 위상각차가 보정된 후, 상기 보호 타이밍 신호 세트의 상기 보호 타이밍 신호들의 전류 페이저를 합산하여 보호 동작을 실행한다. 보다 구체적으로, 보호 동작 실행부(160)는 판단부(161) 및 실행부(162)를 포함하여 구성된다.

판단부(161)는 위상각 보정부에 의한 상기 유효 타이밍 신호 세트의 위상각차가 보정된 후, 상기 각 회선별로 샘플링된 신호들이 상기 보호 타이밍 신호 세트에 속하는지를 판단한다. 실행부(162)는 보호 타이밍 신호 세트에 속하는 경우, 상기 샘플링된 신호들의 전류 페이저를 합산하여 보호 동작을 실행한다.

이상에서와 같이 본 발명에 따른 변전 시스템에서의 전류 차동형 모선 보호 방법 및 장치는 상기한 바와 같이 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

100; 전류 차동형 모선 보호 장치
110; 판별부
120; 타이밍 신호 생성부
130; 유효 세트 생성부
140; 보호 세트 생성부
150; 위상각 보정부
160; 보호 동장 실행부

Claims

보호 대상 모선에 연결된 복수개의 회선 각각에 연결된 복수개의 머징 유닛의 샘플링 레이트(sampling rate)를 판별하는 단계;
상기 복수개의 머징 유닛의 샘플링 레이트를 기초로 각 회선의 샘플링되는 신호에 대응되는 타이밍 신호를 생성하는 단계;
상기 각 회선별로, 상기 타이밍 신호 및 상기 각 회선의 샘플링 레이트에 대응되는 유효 타이밍 신호를 도출하고, 상기 복수개의 회선 각각의 상기 유효 타이밍 신호들을 종합하여 유효 타이밍 신호 세트를 생성하는 단계;
상기 각 회선별로, 상기 각 회선에서 샘플링 구간이 상기 타이밍 신호와 중첩되는 신호를 보호 타이밍 신호로 도출하고, 상기 복수개의 회선 각각의 상기 보호 타이밍 신호들을 종합하여 보호 타이밍 신호 세트를 생성하는 단계;
기준 회선의 전류 페이저를 기준으로 상기 복수개의 회선 각각에 있어서, 상기 유효 타이밍 신호 세트의 위상각차를 보정하는 단계; 및
상기 위상각차를 보정하는 단계 이후, 상기 보호 타이밍 신호 세트의 상기 보호 타이밍 신호들의 전류 페이저를 합산하여 보호 동작을 실행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 변전 시스템에서의 전류 차동형 모선 보호 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 타이밍 신호를 생성하는 단계는,
상기 복수개의 회선의 샘플링 레이트에 대한 최소공배수를 산출하는 단계; 및
1 주기에 상기 최소공배수에 해당하는 횟수만큼 신호가 발생하는 상기 타이밍 신호를 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 변전 시스템에서의 전류 차동형 모선 보호 방법.
청구항 2에 있어서,
상기 유효 타이밍 신호 세트를 생성하는 단계는,
상기 각 회선별로, 상기 최소공배수를 각 샘플링 레이트로 나눈 제 1 간격치를 산출하는 단계;
상기 각 회선별로, 상기 타이밍 신호에서 기준 타이밍 신호부터 상기 제 1 간격치 간격으로 신호를 선정하여 해당 회선의 유효 타이밍 신호를 도출하는 단계; 및
상기 복수개의 회선 각각의 상기 유효 타이밍 신호들을 종합하여 상기 유효 타이밍 신호 세트를 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 변전 시스템에서의 전류 차동형 모선 보호 방법.
청구항 2에 있어서,
상기 보호 타이밍 신호 세트를 생성하는 단계는,
상기 복수개의 회선의 샘플링 레이트에 대한 최대공약수를 산출하는 단계;
상기 최소공배수를 최대공약수로 나눈 제 2 간격치를 산출하는 단계;
상기 각 회선별로, 상기 타이밍 신호에서 기준 타이밍 신호부터 상기 제 2 간격치 간격으로 신호를 선정하여 해당 회선의 보호 타이밍 신호를 도출하는 단계; 및
상기 복수개의 회선 각각의 보호 타이밍 신호들을 종합하여 상기 보호 타이밍 신호 세트를 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 변전 시스템에서의 전류 차동형 모선 보호 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 위상각차를 보정하는 단계는,
상기 복수개의 회선 중 기준 회선을 선정하는 단계;
상기 기준 회선의 전류 페이저를 기준으로, 다른 회선들에서의 위상각차를 산출하는 단계; 및
상기 다른 회선들의 상기 유효 타이밍 신호 세트의 위상각차를 보정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 변전 시스템에서의 전류 차동형 모선 보호 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 보호 동작을 실행하는 단계는,
상기 위상각차를 보정하는 단계 이후, 상기 각 회선별로 샘플링된 신호들이 상기 보호 타이밍 신호 세트에 속하는지를 판단하는 단계; 및
상기 보호 타이밍 신호 세트에 속하는 경우, 상기 샘플링된 신호들의 전류 페이저를 합산하여 보호 동작을 실행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 변전 시스템에서의 전류 차동형 모선 보호 방법.
보호 대상 모선에 연결된 복수개의 회선 각각에 연결된 복수개의 머징 유닛의 샘플링 레이트를 판별하는 판별부;
상기 복수개의 머징 유닛의 샘플링 레이트를 기초로 각 회선의 샘플링되는 신호에 대응되는 타이밍 신호를 생성하는 타이밍 신호 생성부;
상기 각 회선별로, 상기 타이밍 신호 및 상기 각 회선의 샘플링 레이트에 대응되는 유효 타이밍 신호를 도출하고, 상기 복수개의 회선 각각의 상기 유효 타이밍 신호들을 종합하여 유효 타이밍 신호 세트를 생성하는 유효 세트 생성부;
상기 각 회선별로, 상기 각 회선에서 샘플링 구간이 상기 타이밍 신호와 중첩되는 신호를 보호 타이밍 신호로 도출하고, 상기 복수개의 회선 각각의 상기 보호 타이밍 신호들을 종합하여 보호 타이밍 신호 세트를 생성하는 보호 세트 생성부;
기준 회선의 전류 페이저를 기준으로 상기 복수개의 회선 각각에 있어서, 상기 유효 타이밍 신호 세트의 위상각차를 보정하는 위상각 보정부; 및
상기 위상각 보정부에 의한 상기 유효 타이밍 신호 세트의 위상각차가 보정된 후, 상기 보호 타이밍 신호 세트의 상기 보호 타이밍 신호들의 전류 페이저를 합산하여 보호 동작을 실행하는 보호 동작 실행부를 포함하는 것을 특징으로 하는 변전 시스템에서의 전류 차동형 모선 보호 장치.
청구항 7에 있어서,
상기 타이밍 신호 생성부는,
상기 복수개의 회선의 샘플링 레이트에 대한 최소공배수를 산출하는 최소공배수 산출부; 및
1 주기에 상기 최소공배수에 해당하는 횟수만큼 신호가 발생하는 상기 타이밍 신호를 생성하는 신호 생성부를 포함하는 것을 특징으로 하는 변전 시스템에서의 전류 차동형 모선 보호 장치.
청구항 8에 있어서,
상기 유효 세트 생성부는,
상기 각 회선별로, 상기 최소공배수를 각 샘플링 레이트로 나눈 제 1 간격치를 산출하는 제 1 간격치 산출부;
상기 각 회선별로, 상기 타이밍 신호에서 기준 타이밍 신호부터 상기 제 1 간격치 간격으로 신호를 선정하여 해당 회선의 유효 타이밍 신호를 도출하는 유효 신호 도출부; 및
상기 복수개의 회선 각각의 상기 유효 타이밍 신호들을 종합하여 상기 유효 타이밍 신호 세트를 생성하는 유효 종합부를 포함하는 것을 특징으로 하는 변전 시스템에서의 전류 차동형 모선 보호 장치.
청구항 8에 있어서,
상기 보호 세트 생성부는,
상기 복수개의 회선의 샘플링 레이트에 대한 최대공약수를 산출하는 최대공약수 산출부;
상기 최소공배수를 최대공약수로 나눈 제 2 간격치를 산출하는 제 2 간격치 산출부;
상기 각 회선별로, 상기 타이밍 신호에서 기준 타이밍 신호부터 상기 제 2 간격치 간격으로 신호를 선정하여 해당 회선의 보호 타이밍 신호를 도출하는 보호 신호 도출부; 및
상기 복수개의 회선 각각의 보호 타이밍 신호들을 종합하여 상기 보호 타이밍 신호 세트를 생성하는 보호 종합부를 포함하는 것을 특징으로 하는 변전 시스템에서의 전류 차동형 모선 보호 장치.
청구항 7에 있어서,
상기 위상각 보정부는,
상기 복수개의 회선 중 기준 회선을 선정하는 기준 회선 선정부;
상기 기준 회선의 전류 페이저를 기준으로, 다른 회선들에서의 위상각차를 산출하는 위상각차 산출부; 및
상기 다른 회선들의 상기 유효 타이밍 신호 세트의 위상각차를 보정하는 보정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 변전 시스템에서의 전류 차동형 모선 보호 장치.
청구항 7에 있어서,
상기 보호 동작 실행부는,
상기 위상각 보정부에 의한 상기 유효 타이밍 신호 세트의 위상각차가 보정된 후, 상기 각 회선별로 샘플링된 신호들이 상기 보호 타이밍 신호 세트에 속하는지를 판단하는 판단부; 및
상기 보호 타이밍 신호 세트에 속하는 경우, 상기 샘플링된 신호들의 전류 페이저를 합산하여 보호 동작을 실행하는 실행부를 포함하는 것을 특징으로 하는 변전 시스템에서의 전류 차동형 모선 보호 장치.