[논문]발전기 고장보호를 위한 디지털 계전기에 관한 연구

장낙원; 박정도; 이성환

doi:10.5916/jkosme.2009.33.8.1232

발전기 고장보호를 위한 디지털 계전기에 관한 연구
A Study on the Digital Protective Relay for Generator Fault Protection 원문보기

한국마린엔지니어링학회지 = Journal of the Korean Society of Marine Engineering, v.33 no.8, 2009년, pp.1232 - 1238

장낙원 (한국해양대학교 전기전자공학부) , 박정도 (위덕대학교 에너지전기공학부) , 이성환 (위덕대학교 에너지전기공학부)

초록
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전력설비의 대용량, 고전압화 됨에 따라 발전기 고장 예방을 위한 고장보호시스템의 필요성이 점차 증대되고 있다. 신속하고 신뢰성 있게 운전하며 보호하는 발전기 보호제어 시스템의 개발이 시급히 요구된다. 본 논문에서는 전력 공급의 안정을 도모하고 대용량, 고전압화 되는 발전기의 고장 예방을 위한 발전기 보호기능을 갖춘 디지털 보호계전기 설계에 관한 연구를 수행하였다. 디지털 계전기의 발전기 고장보호에 사용되는 고장보호 알고리즘을 개발하였고 디지털보호계전기 H/W를 설계 제작하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

As power facilities are getting higher at capacity, the monitoring and diagnosis of generators for fault detection and protection has attracted intensive interest. In case of an after-fault in high capacity rotating machines, the recovering cost is usually very expensive and additional time is necessary for returning in a normal situation. In this paper, we developed the protection program for the generator fault protection system and each module of the digital protective relay H/W for loading the protection program. The protective relay H/W was designed to have EMC characteristics for prohibiting from fault operation in bad power systems.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 논문에서는 전력 공급의 안정을 도모하고 대용량, 고전압화 되는 발전기의 고장 예방을 위한 발전기 보호기능을 갖춘 디지털 보호계전기 설계에 관한 연구를 수행하였다.
본 논문에서는 fault recording 시스템을 이용하여 제안한 발전기 보호용 디지털 계전기의 타당성을 검증하기 위하여 한국전기협동조합에서 제정한 KEMC 1120에 의거하여 Omicron이라는 계전기 기능 시험 장비를 이용하여 다양한 실험을 하였다.
본 논문에서는 대용량, 고전압화 되는 발전기의 고장 예방을 위한 발전기 보호기능을 갖춘 디지털 보호계전기 설계에 관한 연구를 수행하였다. 디지털 계전기의 발전기 고장보호에 사용되는 고장보호 알고리즘을 개발하였다.
본 연구에서는 계전기가 사고를 인식하고 이에 대한 대처를 하는 과정을 분석하기 위해 사고 전후 전압과 전류 파형을 기록하는 사고파형 기록시스템을 설계하였다.
본 연구에서는 전압과 전류의 위상차 및 유효,무효 전력의 크기를 이용하여 디지털 역전력 보호 알고리즘을 개발 하였다. 전압 기준 전류의 위상이 동작영역의 정정치 안에 들어오면 역방향으로 판별 동작한다.

제안 방법

계전 및 계측을 실시간 계산하기 위하여, 고성능의 DSP CPU를 사용하고 사고파형을 저장할 수 있는 대용량의 비휘발성 메모리를 사용한다. 사고파형 및 고조파 분석을 하기 위하여 본 연구에서는 주기당 32샘플링으로 사고전후 5초내의 사고파형이 저장될 수 있게 하였다.
Figure 10은 3상 중 한 상의 전류가 증가되어과전류 보호계전기가 작동된 사고의 전압과 전류, 트립상태를 나타낸 것이다. 계전기 테스터(Omicron)를 이용하여 과전류 사고를 모의하여 약-32[msec] (Figure 10(a)) 시점에서 사고 전류를 인가하였다.
기기의 단락 고장전류 및 과전류를 검출하여 그 해당 기기 및 선로를 보호하는 단락보호 알고리즘을 개발하였다. 과전류를 검출하기 위하여 각 상의 RMS값이 계산된다[3,4].
본 논문에서는 대용량, 고전압화 되는 발전기의 고장 예방을 위한 발전기 보호기능을 갖춘 디지털 보호계전기 설계에 관한 연구를 수행하였다. 디지털 계전기의 발전기 고장보호에 사용되는 고장보호 알고리즘을 개발하였다. 사고 전후 전압과 전류 파형을 기록하는 사고파형 기록시스템을 설계하였다.
사고 전후 전압과 전류 파형을 기록하는 사고파형 기록시스템을 설계하였다. 또한 고성능 마이크로프로세서, 변성기, 변류기를 이용한 디지털보호계전기 H/W를 설계 제작하였다.
또한 수신된 사고 파형을 화면을 통해 보여주어 사고의 원인분석을 가능하게 하였다. 전송된 사고 파형은 comtrade 파일 형태로 저장되어 다른 사고 분석장치나 계전기 테스터의 입력으로 사용할수 있게 고려하였다.
사고에 대한 빠른 대처를 위해 시급히 사용자에게 사고내용을 알려야하므로 상위의 제어 시스템의 요청 없이도 디지털계전기로부터 unsolicited한 데이터 전송이 이루어진다. 또한 이때 대량의 사고데이터가 통신을 통해 전송하게 되므로 흐름제어(flow control)를 가진 안정된 modbus 프로토콜을 사용하였다[5].
본 논문에서 제작한 디지털 보호계전기의 발전기 고장보호에 사용되는 보호 알고리즘은 51, 51G/N, 27, 46, 47, 50G/N, 87, 32이며, 각 보호 요소별 고장보호 알고리즘을 개발하였다. 각 프로그램은 한국전기협동조합에서 제정한 KEMC 1120에 의거하여 기준값을 설정하였다.
따라서 사고기록 저장 시간의 절반에 해당되는 양의 버퍼 크기를 사용해야 한다. 본 연구에서는 A/D입력 링버퍼 외에 직교필터의 출력인 실수 값과 허수 값을 저장할수 있는 버퍼를 같은 크기로 사용하였다.
본 연구에서는 위의 요건에 맞는 디지털보호계전기 H/W를 설계 제작하였다. Figure 7은 제작한 디지털보호계전기의 H/W를 나타낸다.
본 연구에서는 계전기가 사고를 인식하고 이에 대한 대처를 하는 과정을 분석하기 위해 사고 전후 전압과 전류 파형을 기록하는 사고파형 기록시스템을 설계하였다.
계전 및 계측을 실시간 계산하기 위하여, 고성능의 DSP CPU를 사용하고 사고파형을 저장할 수 있는 대용량의 비휘발성 메모리를 사용한다. 사고파형 및 고조파 분석을 하기 위하여 본 연구에서는 주기당 32샘플링으로 사고전후 5초내의 사고파형이 저장될 수 있게 하였다. 제어전원이 공급되지 않는 정전사고에도 저장 데이터를 온전히 유지하기 위해 flash 메모리나 NVRAM 메모리와 같은 비휘발성 메모리에 저장되어야한다.
그림에서 보는 바와 같이 역상전류 또는 전류입력차가 동작전류보다 큰 경우, 정한시 동작특성에 따라 일정시간을 기다린 후, 동작시간이 경과하면 부하차단 명령을 보낸다. 삼상회로의 결상운전 또는 불평형 운전을 검출하기 위한 방법으로 역상전류와 더불어 삼상 전류입력의 최대값과 최저값의 차를 이용하였다.

이론/모형

본 논문에서 제작한 디지털 보호계전기의 발전기 고장보호에 사용되는 보호 알고리즘은 51, 51G/N, 27, 46, 47, 50G/N, 87, 32이며, 각 보호 요소별 고장보호 알고리즘을 개발하였다. 각 프로그램은 한국전기협동조합에서 제정한 KEMC 1120에 의거하여 기준값을 설정하였다. 발전 계통에 적용되는 예는 아래 Figure 1과 같다.

성능/효과

Figure 11 (a)의 c상의 전류가 사고로 인하여 감소되고 일정 시간 후에 지락 계전기가 동작하여 계전기 트립이 발생하였다. 계전기의 동작 시간이 사용자가 정의한대로 정확히 동작함을 확인하였다.
디지털 보호 계전 기능을 한국전기협동조합에서 제정한 KEMC 1120에 의거하여 실험을 수행한결과 계전 동작시간이 모두 ±5% 및 35ms 이내로 동작하여 실험 기준을 만족함으로써 디지털계전기의 발전기 보호 기능을 검증할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	발전기 고장 예방을 위한 고장보호시스템의 필요성이 점차증대되는 배경은 무엇인가?	전력설비 용량의 증가와 기술의 진보에 따라 터빈 발전기, 수차 발전기, 대형 전동기 등의 회전기가 대용량, 고전압화 됨에 따라 발전기 고장 예방을 위한 고장보호시스템의 필요성이 점차 증대되고 있다. 특히 발전기는 발전소, 대형 플랜트 및 선박 등 전 분야에서 널리 사용되고 있다.
	역상 과전류 계전기는 어떤 기능을 수행하는가?	상 불평형 알고리즘은 삼상회로의 결상운전 또는 불평형 운전시 회로에 흐르는 역상전류를 검출하여 회로를 차단함으로써 기기를 보호하는 역상 과전류 계전기 요소이다. 이 계전기의 기능은 각 상 간의 심각한 위상 불균형, 그리고 정상순이 아니 역상순, CT 오결선등을 검출하는 기능을 함께 수행한다. 역상 과전류 계전기 요소의 구현에 대한 알고리즘과 흐름도는 Figure 2와 같다.
	상 불평형 알고리즘이란 무엇인가?	상 불평형 알고리즘은 삼상회로의 결상운전 또는 불평형 운전시 회로에 흐르는 역상전류를 검출하여 회로를 차단함으로써 기기를 보호하는 역상 과전류 계전기 요소이다. 이 계전기의 기능은 각 상 간의 심각한 위상 불균형, 그리고 정상순이 아니 역상순, CT 오결선등을 검출하는 기능을 함께 수행한다.

참고문헌 (5)

R. C. Patterson, "A quantum leap into the IED age", The 39th Rural Electric Power Annual Conference, pp. (B1)-1-5, 1996
S. Ovcharov, S. Vichev, and P. Yakimov, "Investigation on Protective Relays Testing Methods", Electronics Technology: Concurrent Engineering in Electronic Packaging, 2001. 24th International Spring Seminar on, pp. 243 -247, 2001
E. Y. Hamid and Z. I. Kawasaki, "Wavelet packet transform for RMS values and power measurements", IEEE Power Engineering Review, vol. 21, Issue 9, pp. 49-51, 2001

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L. G. Durnte, P. K. Ghosh, "Active power measurement in nonsinsoidal

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G. Bucci and C. Landi, "On-line digital measurement for the quality analysis

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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