[논문]비접지 배전계통 지락고장 검출 알고리즘 및 프로그램 개발

박소영; 신창훈

doi:10.5762/kais.2009.10.10.2619

[국내논문] 비접지 배전계통 지락고장 검출 알고리즘 및 프로그램 개발
Development of Algorithm and Program for the Ground Fault Detection in Ungrounded Distribution Power System 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.10 no.10, 2009년, pp.2619 - 2627

초록
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비접지 배전계통에서 전체고장의 약 70%를 차지하는 지락고장 발생시에는 지락전류가 작아 검출이 어렵지만 고장상태로 전원 공급을 지속할 경우 사고 파급 및 기기 소손을 유발할 가능성이 있기 때문에 지락고장 처리는 매우 중요하다. 본 논문에서는 GPT(접지형 계기용 변압기, Ground Potential Transformer)에서 감지하는 영상전압 신호를 이용하여 고장선로를 검출하고, 비상시 연계선로를 이용하여 정전구역을 복구하기 위해 평상시 개폐기가 열려 있는 상태로 배전선로 사이를 연결하는 상시개방점을 이동하며 각 구간을 차례로 분리하면서 GPT 신호의 사라짐 여부를 감시하여 고장구간을 검출하는 방법을 제안한다. 고장구간 탐색 시 전체 정전이 없고, 고장구간 검출과 건전구간 복구가 동시에 가능하며 다양한 형태의 배전계통 구성에 적용 가능하다는 점에서 효율적이다. 본 논문에서 제안하는 고장처리 방법을 프로그램으로 개발하여 베트남 배전자동화 시범사업에 적용함으로써 알고리즘 및 프로그램의 적정성을 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The ground fault is occupying 70% among the total number of faults in ungrounded distribution power system. When the ground fault occurs in ungrounded system, the fault current is so small that it is hard to detect. But fault handling is very important because to continue power supply during fault conditions may cause the fault spreading and the distribution device in trouble. This paper presents the fault line detection method by using GPT signal detecting zero sequence voltage, and the fault section detection method by detecting whether GPT signal is disappeared or not during shifting normally open switch, which is connecting switch between distribution lines with open state in order to restore the outage area under emergency situation, and during isolating each section one by one which belongs to the fault line. This method is efficient because there is no whole power interruption during the fault section detection, and it is possible to perform both the fault section detection and the service restoration for the outage area at the same time, and it can apply to various distribution system configuration. Program for the fault restoration was developed applying proposed method, and it has been validated by applying to the pilot project of distribution automation system in Vietnam which has the ungrounded distribution system.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 GPT만이 설치되어 있는 비접지 계통에서 GPT 고장신호를 이용하여 고장선로를 검출하고, 상시개방점 이동방식을 이용하여 고장구간을 검출하는 방법을 제안한다.
본 논문에서는 비접지 계통에서 지락고장 발생시 고장 선로 검출, 고장구간 검출 및 분리, 건전구간 복구를 위한 알고리즘을 제안하고, 배전자동화 기반의 고장처리 프로그램을 개발하였다.
본 논문에서는 비접지 계통에서 지락사고 시 GPT 신호를 이용한 고장선로 검출, 상시개방점 이동방식을 이용한 고장구간 검출 방법을 연구하였다. 제안하는 방법은 기존 방식의 문제점인 고장구간 검출 시 전체 정전이 발생하지 않고, 단말장치에 지락고장정보 생성 기능을 필요로 하지 않으며 다양한 계통 구성에도 적용 가능하므로 활용 범위가 넓다.

가설 설정

표 5와 같이 여유용량이 많은 선로가 우선순위가 높고, 여유용량이 동일한 경우에는 고장이력이 적은 선로가 우선순위가 높다. 본 예제에서는 CASE1과 같이 F2가 우선순위가 높다고 가정하겠다.

제안 방법

이 때 고장이 검출되면 고장 구간은 CB와 1/2 지점 사이에 위치한 것이고, 고장이 검출되지 않으면 1/2 지점과 그 부하측 사이에 위치한 것으로 판단한다. 고장 구간이 위치한 것으로 판단된 구간을 1/2로 분할하여 탐색하는 방법을 반복하여 수행함으로써 고장구간을 검출한다.
고장선로 검출 후 고장구간을 검출하기 위해 상시개방 점을 이동하여 고장선로 내 각 구간을 고립하면서 GPT 고장신호가 사라지는 구간을 탐색하고, 구간이 고립되었을 때 GPT 고장신호가 사라지는 구간을 고장구간으로 판단한다.
고장선로 검출 후 연계선로의 조건을 고려하여 우선순위를 지정하고 “고장구간 검출”을 실행하면 우선순위가 높은 연계선로와의 상시개방점과 CB 사이에 조작 가능한 개폐기 목록을 생성하고 고장구간을 검출하기 위한 상시개방점 이동 조작절차를 제시한다.
고장선로 검출은 GPT에서 감지하는 영상전압 신호를 이용하여 검출하고 고장구간 검출은 상시개방점을 이동하며 고장선로 내 각 구간을 분리하면서 GPT 고장신호가 사라지는 구간을 고장구간으로 검출한다.
각 방식별로 검토해보면, 순송방식은 고장선로 검출후 CB가 동작하여 모든 개폐기가 자동 개방됨으로써 선로 전체가 정전을 경험한다. 그 후 일정시간 간격으로 전 원측 자동화 개폐기부터 투입하면서 고장구간을 탐색하고, 고장구간 검출 후 다른 개폐기들은 모두 투입하여 정전구역을 복구한다. 순송방식에서는 선로 전체가 정전을 경험한다는 큰 문제점이 있고, 고장구간 분리 후 정전구역 복구를 별도로 수행해야 한다.
고장선로가 여러 연계선로와 연계되어 있을 경우에는 연계선로의 소속 정보와 여 유용량, 고장이력 등을 고려하여 우선순위를 선정한 후 우선순위가 높은 순으로 차례로 탐색한다. 먼저 연계선로 특성부터 고려하여 연계선로가 타 변전소 소속, 동일변전소의 타 뱅크 소속, 동일뱅크 소속, 한 선로에 두 개 이상 연계되어 있는 선로, 연계선로가 없는 말단, 내부루프 순으로 우선순위를 선정한다. 연계선로의 소속 특성이 동일한 선로들 중에서는 연계선로의 여유용량이 많을수록 고장이력이 적을수록 우선순위가 높다.
모든 선로의 CB를 개방하였을 때 GPT 고장신호가 사라지면 두 선로 이상에서 고장이 발생한 다중고장이므로 CB를 하나씩 투입하며 GPT 고장신호 발생여부를 확인한다. 하나의 CB를 투입하였을 때 GPT 고장신호가 발생 하면 이를 고장선로로 검출한 후 다시 개방하고, 다음 CB를 차례대로 투입하며 동일한 방식으로 또 다른 고장선로를 탐색한다.
본 논문에서 제안하는 알고리즘을 배전자동화 기반의 고장처리 프로그램으로 개발하였고 프로그램은 고장선로및 고장구간 검출을 수행하고 각 단계에 필요한 절차를 제시할 수 있다. 배전자동화 시스템에서는 관리하는 현재선로용량과 구간부하, 선로임피던스 정보를 이용하여 고 장구간 검출 단계에서 연계선로의 과부하 여부를 판단하기 위해 부하융통 계산을 수행할 수 있다.
예를 들어, 그림 6에서 STEP1에서 SEC4를 연계선로 F2로 절체하고자 할 때 연계선로 F2가 제한조건을 만족하지 못한다면 SW5는 open한 상태로 유지하고 더 이상 F2를 탐색하지 않으며 F2를 제외한 다른 경로로 고장구간을 탐색한다. 상시개방점을 이동하기 전에 절체 구간 용량과 현재 연계선로의 용량을 더한 용량이 과부하 기준을 초과하는지 검토하고, 연계선로로 절체하였을 때 고장선로와 연계선로의 말단 최대전압강하가 기준을 초과하는지 검토한다. 배전자동화 시스템에서는 현재 선로용량과 구간부하에 대한 데이터를 관리하고 있고, 선로 임피던스 및 선로에 흐르는 전류를 이용하여 말단 최대전압강하를 계산할 수 있으므로 상시개방점을 이동하기 전에 이를 계산하여 검토할 수 있다.
주변압기 뱅크에 소속된 선로들 중 고장선로를 판단하기 위해 선로의 CB를 차례로 개방/투입하면서 GPT 고장신호가 사라지는지 여부를 확인한다. 하나의 CB를 개방 하였을 때 GPT 고장신호가 사라지는 선로가 고장선로이다.
프로그램에서 원격으로 제어명령을 내릴 수 있고 제어 성공 후 다음 조작절차를 자동 또는 수동으로 제어명령을 내릴 수 있다. 프로그램이 GPT 고장신호가 사라지는 시점을 감지하여 고장구간을 검출하여 제시하고, 현장 보수 후 원상복귀 절차 제시 및 수행 완료 후 프로그램을 종료한다.
모든 선로의 CB를 개방하였을 때 GPT 고장신호가 사라지면 두 선로 이상에서 고장이 발생한 다중고장이므로 CB를 하나씩 투입하며 GPT 고장신호 발생여부를 확인한다. 하나의 CB를 투입하였을 때 GPT 고장신호가 발생 하면 이를 고장선로로 검출한 후 다시 개방하고, 다음 CB를 차례대로 투입하며 동일한 방식으로 또 다른 고장선로를 탐색한다.

대상 데이터

제안하는 방법은 기존 방식의 문제점인 고장구간 검출 시 전체 정전이 발생하지 않고, 단말장치에 지락고장정보 생성 기능을 필요로 하지 않으며 다양한 계통 구성에도 적용 가능하므로 활용 범위가 넓다. 또한 제안하는 지락고장 검출 방법을 프로그램으로 개발하였고 이를 베트남 배전자동화 시범사업에 적용하여 해외 실 계통을 대상으로 성능을 검증 하였다.

성능/효과

(1)개폐기 조작순서가 순차적이므로 운영자 이해가 쉽고 (2)고장구간 탐색절차를 미리 계산해놓을 수 있으며 (3) 고장구간 검출 시 소요시간을 2시간 이내에서 5분 이내로 대폭 줄일 수 있다.
예를 들어 Open 필드에 ① 4 이면 첫 번째 조작절차가 4번 개폐기를 open한다는 것을 나타내고, GPT 고장신호가 사라지는 시점을 음영 칸으로 표시하였다. 각 구간을 고장구간으로 가정한 모든 경우에 대하여 최대 9번 조작횟수 내에서 모두 고장구간을 검출할 수 있음을 확인할 수 있다.
본 논문에서 제안한 방식은 선로 전체 정전이 없고, 고 장구간 분리와 건전구역 복구가 동시에 이루어지므로 건전구역 복구를 별로도 수행할 필요가 없다. 또한 고장선로 검출 후 고장구간 검출을 위한 개폐기 조작순서를 미리 계획할 수 있고 조작순서가 말단에서부터 순차적이기 때문에 배전자동화 프로그램 화면이 자주 전환되지 않으므로 운전자가 개폐기 조작 상태를 쉽게 확인할 수 있다는 점에서 다른 기존 방식에 비해 효율적이다.
본 논문에서 제시하는 지락고장 검출 알고리즘 및 프로그램은 베트남 배전자동화 시범사업에 적용하여 성능검증을 완료함으로써 알고리즘 및 프로그램의 적정성을 검증하였고, 현재 한전에서 추진 중인 중국 배전자동화 시범사업에 적용 개발 중이다. 현재 한전의 주요 핵심사업인 해외사업의 일환으로 향후 비접지 계통의 해외 시범사업 및 해외 수출사업이 점차 확대될 계획이고, 이에 비접지 고장처리 방식은 국내 배전자동화 시스템의 핵심 기능으로 적용하여 비접지 지락고장 검출의 어려움으로 인한 배전계통 운영 시 어려움을 해결할 수 있고 추가 해외사업 발굴시 긍정적으로 적용될 수 있다.

후속연구

본 논문에서 제안한 방식은 선로 전체 정전이 없고, 고 장구간 분리와 건전구역 복구가 동시에 이루어지므로 건전구역 복구를 별로도 수행할 필요가 없다. 또한 고장선로 검출 후 고장구간 검출을 위한 개폐기 조작순서를 미리 계획할 수 있고 조작순서가 말단에서부터 순차적이기 때문에 배전자동화 프로그램 화면이 자주 전환되지 않으므로 운전자가 개폐기 조작 상태를 쉽게 확인할 수 있다는 점에서 다른 기존 방식에 비해 효율적이다.
본 논문에서는 비접지 계통에서 지락사고 시 GPT 신호를 이용한 고장선로 검출, 상시개방점 이동방식을 이용한 고장구간 검출 방법을 연구하였다. 제안하는 방법은 기존 방식의 문제점인 고장구간 검출 시 전체 정전이 발생하지 않고, 단말장치에 지락고장정보 생성 기능을 필요로 하지 않으며 다양한 계통 구성에도 적용 가능하므로 활용 범위가 넓다. 또한 제안하는 지락고장 검출 방법을 프로그램으로 개발하였고 이를 베트남 배전자동화 시범사업에 적용하여 해외 실 계통을 대상으로 성능을 검증 하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	배전자동화 시스템 도입으로 무엇이 가능해졌는가?	배전자동화 시스템이 도입되면서 배전선로에 산재되어 있는 자동화 개폐기를 단말장치(FRTU : Feeder Remote Terminal Unit)를 통해 원격에서 감시 및 제어하는 것이 가능해졌고[1] 고장정보 또한 원격에서 검출하고 고장분리 및 건전부하절체를 위한 조작명령을 내릴 수있게 됨으로써 고장처리 시간을 단축시킬 수 있게 되었다.[2]
	고품질 고 신뢰도의 전력공급에 대한 요구가 증가하는 이유는 무엇인가?	전력공급은 현대 산업사회에서 매우 중요하고 산업이 발달함에 따라 고품질 고 신뢰도의 전력공급에 대한 요구 또한 증가하고 있다. 이러한 사회 환경에서 고장으로 인한 전력공급의 중단은 고객에게 큰 불편을 줄뿐만 아니라 사회적으로 큰 손실을 초래할 수 있기 때문에 신속 하게 고장을 처리하는 것이 전력회사의 큰 관심사항이다.
	고장구간 검출 방법으로 주로 사용하는 순송방식의 문제점은 무엇인가?	비접지 계통에서 고장선로 검출 방법으로는 방향선택지락계전기(SGR : Selective Ground Relay)를 이용한 방법[4], wavelet transform을 이용하는 방법[6] 등이 연구되 었고 고장구간 검출 방법으로는 자동화 개폐기의 순차투입을 통하여 고장구간을 검출하는 순송방식이 주로 사용 되고 있다.[7] 하지만 순송방식은 고장구간 검출과정에서 정전을 피할 수 없고 스위칭 횟수도 많아 스위칭 조작 실패 가능성이 높다. 이외에도 선로를 1/2씩 탐색하는 이분 찾기 방식과 선간전압과 영상전류의 위상차를 이용하여 고장구간을 검출하는 방법이 연구되었으나[8] 단말장치에 영상전류 검출 및 고장정보 생성, 전송 기능이 있어야 하므로 적용이 제한적이다.

참고문헌 (9)

하복남, 이성우, 신창훈, 박소영 "배전자동화 기술개발 현황 및 전망", 대한전기학회 하계학술대회 논문집, pp.313-314, 2008.
Gleen C.Lampley, P.E., C.E.M "Fault Detection and Location on Electrical Distribution System", Rural Electric Power Conference 2002, pp. B1-1-5, 2002.
하복남, 이중호, 조남훈, "신 배전자동화시스템의 배전선로 고장처리 알고리즘", 대한전기학회 하계학술대회 논문집, pp.841-843, 1998.
이성우, "비접지 방식의 특징과 지락보호 협조", 한국전력기술인협회, 2005.
T. Baldwin, F. Renovich, L.F.Saunders, D. Lubkeman, "Fault Locating in Ungrounded and High-Resistance Grounded System", IEEE Trans. Industry Application, Vol.37, No.4,July/August, 2001.
J. Liang, Z. Yun, F. Liu, Y. Liu "A Method of Fault Line Detection in Distribution Systems Based on Waveltes", PowerCon2002 Power System Technology, pp. 2635-2639, 2002.
하복남, 한용희, 이중호, 조남훈, 임성일 "고속순송방식 배전선로 고장처리 알고리즘", 대한전기학회 춘계학술대회 논문집, pp. 139-141, 1999.
임희택, 임일형, 최면송, 이승재 "비접지 계통에서 영상전류 위상을 이용항 고장표시 생성 알고리즘", 대한전기학회 논문집, 57권 7호 pp. 1141-1149, 2008
"베트남 배전자동화 실증시스템 개발(최종보고서)", 전력산업기반조성센터, 2009.

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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