경전철 직류급전계통을 위한 디지털 보호제어장치의 개발 및 적용에 관한 연구 A Study on the Development and Application of Digital Protective Relay for DC Feeding System of Light Rail Transit System원문보기
본 논문은 경전철 급전시스템을 위한 직류보호제어장치의 개발 및 적용에 관한 것이다. 이를 위하여 직류급전계통의 단락특성을 이론과 실측자료를 이용하여 분석하였으며, 사고전류를 검출하는 기법의 개선안을 제시하여 직류 보호계전장치를 개발하였다 특히 계전기능 중 가장 중요한 고장선택계전기(50F)의 계전알고리즘을 개선하여 개발하였고, 이를 경북 경산 경전철 시험선에 설치하여 운전 중이다. 직류 보호계전기를 현장에 적용하기 위하여 그동안 불분명하고 명확하지 않았던 규정 및 규격을 개발과정에서 명확하게 정리하였다. 또한 특성시험과 EMC시험 규정 중 일부항목에 대해 시험방법이 제정되어있지 않아 IEC 규정의 분석을 통하여 객관적이고 타당한 시험회로, 방법 및 평가방법을 제안하였다.
본 논문은 경전철 급전시스템을 위한 직류보호제어장치의 개발 및 적용에 관한 것이다. 이를 위하여 직류급전계통의 단락특성을 이론과 실측자료를 이용하여 분석하였으며, 사고전류를 검출하는 기법의 개선안을 제시하여 직류 보호계전장치를 개발하였다 특히 계전기능 중 가장 중요한 고장선택계전기(50F)의 계전알고리즘을 개선하여 개발하였고, 이를 경북 경산 경전철 시험선에 설치하여 운전 중이다. 직류 보호계전기를 현장에 적용하기 위하여 그동안 불분명하고 명확하지 않았던 규정 및 규격을 개발과정에서 명확하게 정리하였다. 또한 특성시험과 EMC시험 규정 중 일부항목에 대해 시험방법이 제정되어있지 않아 IEC 규정의 분석을 통하여 객관적이고 타당한 시험회로, 방법 및 평가방법을 제안하였다.
The DC protection and control device for the feeding system of a Light Rail Transit(LRT) system is developed. For the development, the short circuit characteristics in the system are analyzed. As a result a protection algorithm for the DC fault selective relay (50F) is newly proposed, and principles...
The DC protection and control device for the feeding system of a Light Rail Transit(LRT) system is developed. For the development, the short circuit characteristics in the system are analyzed. As a result a protection algorithm for the DC fault selective relay (50F) is newly proposed, and principles of the DC fault selective relay, Line Test Device (LTD), DC Over Current Relay (DC OCR) are introduced From the development, the specifications and codes used to be unclear have become clarified and summarized. Moreover, the methods to examine the protective characteristics and Electromagnetic Compatibility (EMC) are established Finally, the performance and the effectiveness of the developed protective relay have been verified with the test based on IEC. For the reliability of the system, the relay has been installed and is being operated at the test track of the LRT system at Gyeong-San.
The DC protection and control device for the feeding system of a Light Rail Transit(LRT) system is developed. For the development, the short circuit characteristics in the system are analyzed. As a result a protection algorithm for the DC fault selective relay (50F) is newly proposed, and principles of the DC fault selective relay, Line Test Device (LTD), DC Over Current Relay (DC OCR) are introduced From the development, the specifications and codes used to be unclear have become clarified and summarized. Moreover, the methods to examine the protective characteristics and Electromagnetic Compatibility (EMC) are established Finally, the performance and the effectiveness of the developed protective relay have been verified with the test based on IEC. For the reliability of the system, the relay has been installed and is being operated at the test track of the LRT system at Gyeong-San.
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문제 정의
외국의 경우도 비슷하지만 특히 국내의 경우는 그 적용에 있어서 기술의 정확한 이해와 적용 규정 및 규격에 대하여 근거 없이 선진사에서의 적용사례를 모두 인정하여 설치 및 운영하고 있는 실정이다. 본 논문에서는 직류보호계통의 발전과정, 보호개 념을 분석하여 직류전기철도 급전보호계통에서 가장 중 요하고, 필수적으로 적용되는 고장선택계전기가 탑 재된 직류보호제어장치를 개발한 내용의 전반에 대하여 기술하였다. 고장선택 계 전기의 계 전알고리즘을 도출하기 위하여 급전회로의 이론적 분석 및 실 측된 데이터에 의한 사고전류를 분석하였으며, 고장 검출 개념 및 알고리즘을 도출하여 보호계전장치를 개발하였다.
본 연구에서는 전기철도의 직류급전계통의 단락 특성을 분석하였으며, 사고전류를 검출하는 알고리즘을 제시하여 이를 적용한 보호계전장치를 개발한 과정을 기술하였다. 또한 이 과정에서 불분명하고 제시되지 않은 각종 기술규격 및 규정을 체계화하였다.
제안 방법
개발 직류보호제어장치는 전력 IT화와 복잡 다양 해진 시스템의 특성을 모두 고려하여 동작이 가능하 도록 40여개의 입출력 제어/감시 신호를 사용하였다. 각 배전반별 인터록신호를 포함하여 중고장신호 화재감지신호 차단기, 단로기의 상태신호등 다양한 정보들이 모두 입력되며 단순한 스위치 동작 (OWOFF)시에도 해당 인터록 신호의 확인을 거친 후 동작이 수행되고 보호로직 동작중이라도 우선순 위가 높은 트립 인터록 신호가 입력되면 시스템 보 호루틴이 구동되도록 설계되어 안전을 고려하였다. 또한 표준화된 통신을 통하여 정보 및 데이터 교환 이 가능하도록 하였으며, 원격제어 및 감시가 가능하게 설계되었고 보호로직으로는 선로시험기능, 고 장선택 계 전기 능, 과전류계 전기 능이 탑재되어 있고 디지털 보호제어장치의 장점을 살려 향후 필요시 쉽게 확장이 가능하도록 설계 되었다[9, 10, 11].
또한 직류보호계전장치의 보호원리를 제 안하였으며, 특히 계전기기능 중 가장 중요한 고장 선택계전기(50F)의 계전 알고리즘을 제안하여 개발 하고 이를 경북 경산 경전철 시험선에 설치하여 운 전 중이다. 개발과정에서 특성시험과 EMC 시험 규 정 중 일부항목에 대해 시험방법이 제정되어있지 않 아 IEC 규정의 분석을 통하여 객관적이고 타당한 시 험장비 및 시험방법을 제안하였다. 따라서 대중교통 인 전기철도 보호계통 관련한 연구개발 및 관련 산 업계에 종사하는 사람에게 많은 참고가 될 것으로 사료된다.
본 논문에서는 직류보호계통의 발전과정, 보호개 념을 분석하여 직류전기철도 급전보호계통에서 가장 중 요하고, 필수적으로 적용되는 고장선택계전기가 탑 재된 직류보호제어장치를 개발한 내용의 전반에 대하여 기술하였다. 고장선택 계 전기의 계 전알고리즘을 도출하기 위하여 급전회로의 이론적 분석 및 실 측된 데이터에 의한 사고전류를 분석하였으며, 고장 검출 개념 및 알고리즘을 도출하여 보호계전장치를 개발하였다. 이 과정에서 관련된 필수 요구조건, 규 정 및 규격 등을 포함하여 특성시험과 EMC 시험 규 정 중 일부항목에 대해 시험방법이 제정되어있지 않 아 IEC 규정의 분석을 통하여 객관적이고 타당한 시 험장비 및 시험방법을 제안하였다.
극단적인 근거리 고장과 원거리 고장도 검출하여 보호기능을 수행할 수 있도록 알고리즘이 작성되었다. 특히 운전전류로부터 고장전류를 정확히 판별하여 보호계전기능의 신뢰도를 향상시키고 소기의 목 적을 달성하고자, 전류의 검출에서부터 검출오차를 줄이고 내 노이즈성을 확보하여 신뢰도를 증가시키 는 방법을 고려하였다.
전철용 직류급전시스템의 경우 그 특성상 시스템 보호 및 인명보호 측면에서 차단기를 투입하기 이전에 부하전력회로의 단락상태 이상유무의 확인이 필요하다. 따라서 그림 11과 같이 병렬로 시험회로를 구성하였으며 설정된 시간동안 선로시험 저항을 설 치하여 적정한 시험전류를 흘리고 보호제어장치로 입력되는 전류 및 전차선에 인가되는 전압값을 분석하여 고속도 차단기의 투입여부를 결정하였다.
선진사의 경우도 특성시험항목의 경우, 자체적인 장비와 기준으로 인증을 하고 있는 실정이다. 따라서 적용 가능한 규정은 우선순위가 가장 높은 Product Standard IEC 60255(Electrical Relay)series와 일반규정인 Basic Standard IEC 61000-4 series를 적용하였으며 적용이 곤란한 경우 AC계전기의 특성시험에 준하는 시험방식으로 시험 장비를 선정하여 공인시험을 수행하였다{12, 13]. 시 험은 보호계전 특성시험과 EMC 시험이 이루어졌으 며, 상세한 시험내용과 방법 및 결과는 다음과 같다.
특히 운전전류로부터 고장전류를 정확히 판별하여 보호계전기능의 신뢰도를 향상시키고 소기의 목 적을 달성하고자, 전류의 검출에서부터 검출오차를 줄이고 내 노이즈성을 확보하여 신뢰도를 증가시키 는 방법을 고려하였다. 또 전류검줄에 있어서 전류 의 특성에 맞춰 샘플링 함으로서 검출오차를 줄이는 기법도 적용하였다. 또한 고 신뢰성의 보호특성을 확보하고자 전류변화율 및 전류변화량에 대한 고장 전류를 판단하는 기법을 이중화 및 이를 확인하는 방법으로 보호알고리즘을 구현하였다.
또 전류검줄에 있어서 전류 의 특성에 맞춰 샘플링 함으로서 검출오차를 줄이는 기법도 적용하였다. 또한 고 신뢰성의 보호특성을 확보하고자 전류변화율 및 전류변화량에 대한 고장 전류를 판단하는 기법을 이중화 및 이를 확인하는 방법으로 보호알고리즘을 구현하였다.
본 연구에서는 전기철도의 직류급전계통의 단락 특성을 분석하였으며, 사고전류를 검출하는 알고리즘을 제시하여 이를 적용한 보호계전장치를 개발한 과정을 기술하였다. 또한 이 과정에서 불분명하고 제시되지 않은 각종 기술규격 및 규정을 체계화하였다.
각 배전반별 인터록신호를 포함하여 중고장신호 화재감지신호 차단기, 단로기의 상태신호등 다양한 정보들이 모두 입력되며 단순한 스위치 동작 (OWOFF)시에도 해당 인터록 신호의 확인을 거친 후 동작이 수행되고 보호로직 동작중이라도 우선순 위가 높은 트립 인터록 신호가 입력되면 시스템 보 호루틴이 구동되도록 설계되어 안전을 고려하였다. 또한 표준화된 통신을 통하여 정보 및 데이터 교환 이 가능하도록 하였으며, 원격제어 및 감시가 가능하게 설계되었고 보호로직으로는 선로시험기능, 고 장선택 계 전기 능, 과전류계 전기 능이 탑재되어 있고 디지털 보호제어장치의 장점을 살려 향후 필요시 쉽게 확장이 가능하도록 설계 되었다[9, 10, 11].
△【는 전류의 미분치가 양의 쪽으로 급변한 시점으로부터의 전류의 증분치를 보인 것으로 가 정정치를 넘지 않으면 사고가 아니라고 판정하여 운 전전류와 사고전류를 식별한다. 본 연구에서는 두 가지 요소를 모두 이용하여 고속도 차단기에 투입신 호를 출력하는 방식을 적용하였다. 그림 8에서 알 수 있듯이 근거리 사고의 경우 사고전류는 운전전류와 크기나 기울기 면에서 확실한 차이를 보여 쉽게 구 분이 가능하나 원거리 사고나 고저항 사고의 경우는 운전전류와 고장전류의 판별이 곤란한 경우가 발생 될 수 있으므로 보호 계전시 반드시 고려되어야 할 부분이다.
직류 급전 시스템의 과전류 보호는 그림 13과 같은 보호곡선을 사용하였다. 부하전류와 최대고장전 류의 비(I/I氐max)에 대하여 시간요소(t)의 범위를 조정하여 보호영역을 결정하게 되며, 일반적으로 과 부하 보호용과 이보다 신속히 동작해야 할 단락보호 용의 시간 차이를 반영하기 위해 동작시간이 다른 2 개 시간영역으로 나뉘어 설정하도록 설계하였다.
전기철도의 동적부하 특성을 효과적으로 분석하여 고장전류와 운전전류를 구분하기 위해 di/dt [A/ms] 와 AI[A]를 이용하였다. 순시변화율, 순시변 화량 순시시간지연, 한시변화율, 한시변화량, 한시 시간지연 등의 항목을 선로의 조건에 맞게 설정하여 입력할 수 있도록 하였으며, 단거리사고와 원거리사 고(고저항사고)에 효율적으로 대응할 수 있도록 설 계하였다.
고장선택 계 전기의 계 전알고리즘을 도출하기 위하여 급전회로의 이론적 분석 및 실 측된 데이터에 의한 사고전류를 분석하였으며, 고장 검출 개념 및 알고리즘을 도출하여 보호계전장치를 개발하였다. 이 과정에서 관련된 필수 요구조건, 규 정 및 규격 등을 포함하여 특성시험과 EMC 시험 규 정 중 일부항목에 대해 시험방법이 제정되어있지 않 아 IEC 규정의 분석을 통하여 객관적이고 타당한 시 험장비 및 시험방법을 제안하였다.
전기철도의 동적부하 특성을 효과적으로 분석하여 고장전류와 운전전류를 구분하기 위해 di/dt [A/ms] 와 AI[A]를 이용하였다. 순시변화율, 순시변 화량 순시시간지연, 한시변화율, 한시변화량, 한시 시간지연 등의 항목을 선로의 조건에 맞게 설정하여 입력할 수 있도록 하였으며, 단거리사고와 원거리사 고(고저항사고)에 효율적으로 대응할 수 있도록 설 계하였다.
직류 급전 계통에 적용되는 직류보호제어장치는 핵심요소기술로 그 공개도 제한되어 많은 자료가 없 을 뿐만 아니라, 관련된 명확한 규정 및 규격이 없었 기 때문에 개발과정에서 적용한 규정 및 규격을 정 리하였다. 또한 직류보호계전장치의 보호원리를 제 안하였으며, 특히 계전기기능 중 가장 중요한 고장 선택계전기(50F)의 계전 알고리즘을 제안하여 개발 하고 이를 경북 경산 경전철 시험선에 설치하여 운 전 중이다.
표 8은 공인시험에 적용된 대표적인 EMC시험의 방법 및 기준이다[12, 13]. 직류계전기 공인시험으로 Electrostatic discharge시험, burst distu- rbance시험, EFT burst시험, 전자파방사 내성시험, Combined surge 시험, 뇌임펄스 내전압시험, 진동시 험, 충격시험, 항온조 시험 등이 수행되었다. 내 환경 시험은 일반 AC계전기와 동일한 시험방법과 기준을 적용하였다.
특성시험 중 선로시험기능, 고장선택기능에 사용한 장비는 함수 발생기, 전원 시뮬레이터, 펄스 유니 버셜 테스트 시스템, 오실로그라프 및 2552 직류전 원 기준발생기 등을 사용하였으며 결선 회로도는 그림 14, 15와 같다.
극단적인 근거리 고장과 원거리 고장도 검출하여 보호기능을 수행할 수 있도록 알고리즘이 작성되었다. 특히 운전전류로부터 고장전류를 정확히 판별하여 보호계전기능의 신뢰도를 향상시키고 소기의 목 적을 달성하고자, 전류의 검출에서부터 검출오차를 줄이고 내 노이즈성을 확보하여 신뢰도를 증가시키 는 방법을 고려하였다. 또 전류검줄에 있어서 전류 의 특성에 맞춰 샘플링 함으로서 검출오차를 줄이는 기법도 적용하였다.
대상 데이터
개발 직류보호제어장치는 전력 IT화와 복잡 다양 해진 시스템의 특성을 모두 고려하여 동작이 가능하 도록 40여개의 입출력 제어/감시 신호를 사용하였다. 각 배전반별 인터록신호를 포함하여 중고장신호 화재감지신호 차단기, 단로기의 상태신호등 다양한 정보들이 모두 입력되며 단순한 스위치 동작 (OWOFF)시에도 해당 인터록 신호의 확인을 거친 후 동작이 수행되고 보호로직 동작중이라도 우선순 위가 높은 트립 인터록 신호가 입력되면 시스템 보 호루틴이 구동되도록 설계되어 안전을 고려하였다.
실제 사고전류에 의한 특성을 정확히 파악하고자 첫 번째 자료로서 홍콩의 MTRC 경전철의 시운전시 전원으로부터 2.28[km] 지점의 사고전류를 분석하 였으며 실측 파형은 그림 5와 같다[5]. 표 1을 통하여 상세히 알 수 있듯이 시간대별로 시정수가 달라지며 사고전류의 지속시간은 약 42.
성능/효과
(2) 사고전류의 는 부하전류의 보다 일반적으로 크다.
(3) 사고시 전류변화율(di/dt)은 급전회로의 인덕 턴스에만 지배를 받으며, 부하시 전류변화율(di/dt) 은 급전회로와 모터 인덕턴스의 합에 지배를 받아, 사고시보다 변화율이 작게 된다. 즉 급전 회로내에서 시시각각 변화하는 부하전류나, 사고전류의 성질 을 조사하면, 어떤 전류의 값에서 다음 전류의 값으 로 변화 할 때의 의 크기를 비교하는 경우 부하전 류보다도 사고전류 쪽의 값이 일반적으로 크다.
고속도 차단기가 실용화된 이후 많이 적용되어 왔으나, 고속도 차단기만에 의한 보호는 부하전류 증대에 동반하여 고속도차단기의 정정치 상승으로 점점 곤란하게 되었다. 즉, 사고전류가 작은 경우 (원거리 사고, 고저항 접지사고)와 수송량의 증대 로 인하여, 부하전류의 증가는 고속도차단기만으 로 확실한 보호가 되지 않아 정정치와 선택율로 정 해진 일정치 이상의 전류에서는 고장을 검출하는 단점을 보완하게 되었다. 즉 그 결과로서 선택고장 보호장치(이하 50F 계전기라고 칭함)는 선로전류 의 절대치에 무관하게 고장시의 전류변화를 검출 하는 것으로, 고속도차단기의 정정치가 단위 부하 전류보다 크게 될수록 그의 성능을 발휘하게 되는 것이다.
참고문헌 (13)
John S. MORTON 'Circuit Breaker and Protection Requirements for DC Switchgear used in Rapid Transit System', IEEE Transactions on Industry Application, Vol. IA-21, No.5, 1985
J.C. Brown et al, 'Six-pulse three-phase rectifier bridge models for calculating closeup and remote short circuit transients on DC supplied railways' IEE Proceedings-B, Vol. 138, No. 6, pp.303-310, November 1991
J.C. Brown et al, 'Calculation of remote short circuit fault currents for DC railways' IEE Proceedings-B, Vol. 139, No. 4, pp. 289-294, July 1992
Bih-Yuan Ku, 'Simulation and Emulation of Rapid Transit DC Short Circuit Current' Proceeding of the 2003 IEEE/ASME Joint Rail Conference, pp. 191-197, April 22-24, 2003
Alberto Berizzi et al, 'Short-Circuit Current Calculations for DC Systems' IEEE 1994
C.S.Chang, S.Kumar, B.Liu and A.Khambadkone, 'Real-time detection using wavelet transform and neural network of short-circuit faults within a train in DC transit systems' IEE Proc.-Electr. Power Appl., Vol. 148. No. 3. pp. 251-256, May 2001
철도청, '철도용품 표준규격(안) 배전반(디지털화)', 2000년
한국전력거래소, '보호계전기 시험기준수립에 관한 연구', 2002년
백병산 외 '경량전철 급전전력 보호 제어용 직류배전반 개발(1)' 한국철도학회 추계학술대회 P995-1000, 2002
IEC 60255 series 'Electrical Relays' International Electrotechnical Comission, 1996
백병산 외 5인, '경전철 시험선로의 직류 보호시스템 및 보호계전기 설계', 대한전기학회 하계학술대회 논문집, pp. 10-12, 2002년 7월
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