[논문]DTS를 활용한 광복합 지중 배전계통 실시간 감시시스템 개발 및 성능평가

조진태; 김주용; 이학주; 조휘창; 최명호

doi:10.5207/jieie.2011.25.6.115

문제 정의

하지만 부분방전 측정 장치를 상시 연계하는 구조로 시스템을 구축할 경우, 고가인 부분방전 측정장치롤 인해 구축비용이 지나치게 높을 것으로 예상된다. 따라서 본 논문에서는 고장이 많이 발생하는 여름철이나 열화가 예상되는 특정 개소에 대해 부분방전 측정장치를 연결하여 필요한 일정기간 동안 상태를 감시할 수 있는 구조로 설계하였다.
더불어 많은 간선과 분기선로를 가진 복잡한 지중 배전계통 전체를 감시할 수 있으면서 경제적인 시스템이 되어야 한다. 따라서 본 논문에서는 지중 배전계통에서 전력전송과 통신이 동시에 가능한 케이블 구조를 제시하고 이를 활용한 케이블 감시시스템을 설계하였다.
본 논문에서는 DTS를 이용하여 지중 배전선로에 적합한 온라인 케이블 감시시스템을 개발하고 기본성능시험을 수행하였다. 광복합 케이블, 접속재, 광접속부, 운영 프로그램 등의 실시간 감시시스템의 각 구성 부분을 지중 배전계통을 고려하여 설계하고 제작하였다.
DTS는 송전 케이블의 온도 감시를 위해 폭넓게 적용되고 있는 기술이지만 배전선로와 같이 복잡한 선로에 적용하기에는 시스템 구축비용이 고가이고 해결해야 할 문제가 많다. 본 논문은 광케이블을 이용한 DTS를 배전계통에 적합하도록 개선하고 이를 배전자동화 시스템과 연계할 수 있는 시스템을 제안하고 실제 계통 환경을 모의할 수 있는 실증시험선로를 구성하고 기본 특성시험을 수행하였다.

제안 방법

광복합 케이블 10[m]에 대하여 그림 7에서 보는 것과 같이 단락시험을 구성하였다. 10초의 측정시간으로 지속적으로 DTS를 통해 통신 상태 및 손실을 측정 하는 상태에서, 단락전류 시험기를 통해 10[kA] 전류를 0.3[s] 동안 케이블 도체와 중성선에 각각 3회 인가 하였다. 그 결과 통신 이상은 발생하지 않았으며, 그림 8에서 보는 것과 같이 시험 전․후에 통신 손실 변화는 거의 발생하지 않았다.
본 논문에서는 DTS를 이용하여 지중 배전선로에 적합한 온라인 케이블 감시시스템을 개발하고 기본성능시험을 수행하였다. 광복합 케이블, 접속재, 광접속부, 운영 프로그램 등의 실시간 감시시스템의 각 구성 부분을 지중 배전계통을 고려하여 설계하고 제작하였다. 본 시스템의 기본성능 시험을 위해 실증시험선로를 구축하였다.
Heat gun을 이용하여 다중 간선 부분과 분기선로 부분의 온도 감시 여부를 확인한 결과, 정상적으로 각 선로에 대한 순차적 감시가 이루어짐을 확인하였다. 다음으로 설계된 직선 접속부의 구조에 맞추어 직선접속재와 중성선 온도 측정 가능 여부를 확인하였고, 이후 맨홀을 침수시켜광 접속함을 포함한 직선접속 부분의 수밀성을 확인 하였다. 마지막으로 광복합 케이블에 물리적 외력 및 단선으로 인한 통신 손실 변화를 확인하였고, 더불어 단선시에는 신속한 Alarm 발생을 확인하였다.
더불어 지중 배전선로의 직선 접속 부분에서 실시간 감시를 위한광 접속이 필요하다. 본 논문에서는 제작된 광 접속 함과 광 스위치를 실증시험선로에 설치하고, 이를 통해 실시간 감시 시스템의 통신손실 특성시험을 수행 하였다.
광복합 케이블, 접속재, 광접속부, 운영 프로그램 등의 실시간 감시시스템의 각 구성 부분을 지중 배전계통을 고려하여 설계하고 제작하였다. 본 시스템의 기본성능 시험을 위해 실증시험선로를 구축하였다. 1채널의 DTS를 사용하여 다중 간선과 분기선로를 순차적으로 모니터링 할 수 있었고, 접속부의 온도를 측정할 수 있었고, 침수시험을 통해 접속부의 수밀성을 확인할 수 있었다.
앞에서 언급한 각 구성부분의 설계에 맞추어 제작한 실시간 감시시스템의 기본성능을 평가하기 위해 실제 선로 환경과 동일한 구조로 그림 9와 같이 약 1[km]길이의 지중선로를 구성하였다. 본 실증시험선로는 3개의 인출선로와 2개의 분기선로 및 맨홀로 구성되어 있으며, 3,000[A], 660[kVA] 전류원을 통해 선로에 전류를 공급할 수 있도록 구성하였다.
앞에서 언급한 것과 같이 지중 배전계통은 많은 간선과 분기선로를 가지므로 모든 선로를 동시에 실시간 감시하는 것은 과다 비용 발생으로 효율적이지 못하므로 경로 변경 광 스위치를 이용하며 1채널 DTS 로 다수의 선로를 순차적으로 감시할 수 있도록 설계 하였다.
그림 11은 본 시스템의 메인 화면으로서, 이를 통해 선로에 포설된 광복합 케이블의 온도 감시를 수행하게 된다. 우선 3개의 인출선로와 2개의 분기선로에 대한 순차적 온도감시 시험을 시행하였다. Heat gun을 이용하여 다중 간선 부분과 분기선로 부분의 온도 감시 여부를 확인한 결과, 정상적으로 각 선로에 대한 순차적 감시가 이루어짐을 확인하였다.
따라서 최소한의 DTS 채널로 분기선로까지 감시 가능하도록 구성하여야 한다. 이를 위해 본 연구에서는 지중 배전선로가 분기되는 지상개폐기나 지상변압기 부분에 설치할 수 있으면서 DTS 경로를 변경할 수 있는 광 경로 변경 스위치를 그림 5와 같이 설계하였다.
하나는 접속재 표면과 중성선을 따라서 설치함으로써 접속재의 온도 분포와 중성선의 온도 분포를 측정할 수 있다. 중성선의 온도 분포 측정은 외부온도를 측정하는 용도로 사용하고자 한다. 그리고 다른 하나의 다음 광복합 케이블의 스테인레스 튜브와 연결되어 통신선로로 활용된다.

대상 데이터

앞에서 언급한 각 구성부분의 설계에 맞추어 제작한 실시간 감시시스템의 기본성능을 평가하기 위해 실제 선로 환경과 동일한 구조로 그림 9와 같이 약 1[km]길이의 지중선로를 구성하였다. 본 실증시험선로는 3개의 인출선로와 2개의 분기선로 및 맨홀로 구성되어 있으며, 3,000[A], 660[kVA] 전류원을 통해 선로에 전류를 공급할 수 있도록 구성하였다.
본 연구에서는 배전계통에서 가장 많이 사용되고 있는 TR-CNCV 325[㎟] 케이블에 광케이블을 삽입하였다. 2개 중 1개의 스테인레스 튜브 속에 포함된 광케이블이 DTS 시스템과 연결되어 온도측정용으로 사용 되고 나머지 광케이블은 통신망으로 사용된다.

이론/모형

광복합 케이블을 활용한 케이블의 실시간 감시 및 통신망 구축을 위해선 현재 지중 배전계통의 전력 케이블을 대신하여 광복합 케이블 포설시 지중 배전계통의 지락고장 등의 고장에 대하여 광케이블의 신뢰성이 확보되어야 한다. 따라서 광복합 케이블에 내장된 광케이블의 신뢰성 확인을 위해 광섬유케이블 시험 절차인 IEC 60794-1-2 기준에[3] 따라 광복합 케이블의 단락시험을 시행하였다.

성능/효과

본 시스템의 기본성능 시험을 위해 실증시험선로를 구축하였다. 1채널의 DTS를 사용하여 다중 간선과 분기선로를 순차적으로 모니터링 할 수 있었고, 접속부의 온도를 측정할 수 있었고, 침수시험을 통해 접속부의 수밀성을 확인할 수 있었다. 또한 케이블의 물리적 외력 인가 및 단선상황을 모의하여 케이블 단선고장에 고장점 위치 확인을 할 수 있었다.
우선 3개의 인출선로와 2개의 분기선로에 대한 순차적 온도감시 시험을 시행하였다. Heat gun을 이용하여 다중 간선 부분과 분기선로 부분의 온도 감시 여부를 확인한 결과, 정상적으로 각 선로에 대한 순차적 감시가 이루어짐을 확인하였다. 다음으로 설계된 직선 접속부의 구조에 맞추어 직선접속재와 중성선 온도 측정 가능 여부를 확인하였고, 이후 맨홀을 침수시켜광 접속함을 포함한 직선접속 부분의 수밀성을 확인 하였다.
이를 통해 선로의 신속한 고장복구가 가능하도록 하고, 고저항 지락고장시 변전소 차단기(Circuit Breaker)의 재투입을 방지할 수 있게 된다. 더불어 측정된 광케이블 온도를 통해 케이블 도체온 도를 추정함으로써, 케이블의 실시간 허용용량 산정이 가능하여 배선선로 이용률을 증대할 수 있다.
그 결과 통신 이상은 발생하지 않았으며, 그림 8에서 보는 것과 같이 시험 전․후에 통신 손실 변화는 거의 발생하지 않았다. 따라서 지중 배전계통에 광복합 케이블 적용 시 지중 선로고장에 대해서 광케이블의 신뢰성을 확보 할 수 있음을 알 수 있다.
1채널의 DTS를 사용하여 다중 간선과 분기선로를 순차적으로 모니터링 할 수 있었고, 접속부의 온도를 측정할 수 있었고, 침수시험을 통해 접속부의 수밀성을 확인할 수 있었다. 또한 케이블의 물리적 외력 인가 및 단선상황을 모의하여 케이블 단선고장에 고장점 위치 확인을 할 수 있었다.
다음으로 설계된 직선 접속부의 구조에 맞추어 직선접속재와 중성선 온도 측정 가능 여부를 확인하였고, 이후 맨홀을 침수시켜광 접속함을 포함한 직선접속 부분의 수밀성을 확인 하였다. 마지막으로 광복합 케이블에 물리적 외력 및 단선으로 인한 통신 손실 변화를 확인하였고, 더불어 단선시에는 신속한 Alarm 발생을 확인하였다. 이와 같은 기능은 현장에서 지중 케이블 외상 고장 등의 케이블 단선 고장시 신속한 고장점 위치를 제공할 수있을 것이다.
2[dB] 정도로 나타났다. 이와 같은 통신손실 결과를 통해 실증시험선로의 실시간 감시시스템은 정확한 케이블 온도 측정이 가능함을 알 수 있다. 하지만 실증시험선로 보다 선로가 길고, 분기선로가 많은 실제 지중 배전계통에 적용하기 위해선 향후 전체 손실의 약 40[%] 정도를 차지하는 광 스위치의 통신 손실을 개선해야 할 것이다.

후속연구

이와 같은 실시간 감시시스템을 배전자동화 시스템과 연계할 경우 기존의 지능형 배전기기와 함께 선로 상태를 실시간으로 감시 가능하여 배전계통의 고장예측과 복구시간 단축이 가능할 것이다. 또한 광복합 지중 케이블을 이용한 통신망의 안정적인 운전을 가능 하게 할 것이다.
본 연구의 실시간 감시시스템은 고장발생 빈도가 높은 접속재의 열화상태를 감시할 수 있는 부분방전 측정장치의 연계가 가능한 구조로 설계될 필요가 있다. 하지만 부분방전 측정 장치를 상시 연계하는 구조로 시스템을 구축할 경우, 고가인 부분방전 측정장치롤 인해 구축비용이 지나치게 높을 것으로 예상된다.
앞에서 언급한 것과 같이 지중선로 고장의 높은 비율을 차지하는 접속재 부분에 대해서 접속재에서 고장이 발생할 경우에도 통신용으로 사용되는 광케이블이 보호될 수 있는 구조로 설계가 고려되어야 하며, 추가적으로 DTS 기능 구현에 필수적인 외부온도 측정을 위해 별도의 센서나 광케이블을 구비하지 않고도 직선접속재 부분의 광 접속부분에서 외부온도를 측정할 수 있도록 구성될 필요가 있다.
이와 같은 실시간 감시시스템을 배전자동화 시스템과 연계할 경우 기존의 지능형 배전기기와 함께 선로 상태를 실시간으로 감시 가능하여 배전계통의 고장예측과 복구시간 단축이 가능할 것이다. 또한 광복합 지중 케이블을 이용한 통신망의 안정적인 운전을 가능 하게 할 것이다.
이와 같은 통신손실 결과를 통해 실증시험선로의 실시간 감시시스템은 정확한 케이블 온도 측정이 가능함을 알 수 있다. 하지만 실증시험선로 보다 선로가 길고, 분기선로가 많은 실제 지중 배전계통에 적용하기 위해선 향후 전체 손실의 약 40[%] 정도를 차지하는 광 스위치의 통신 손실을 개선해야 할 것이다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	분포온도 측정시스템이란 무엇인가?	분포온도 측정시스템(DTS)은 그림 1과 같이 레이저 펄스를 분포온도센서 케이블에 입사시킨 후, 되돌아오는 후방 산란광의 시간을 분석하여 거리를 측정하고, 후방 산란광 중 온도의존성이 있는 라만산란광만을 광학 필터로 분리하여 이를 수광부를 통해 광의 세기를 측정/분석하여 온도를 측정하는 시스템으로써, 평균화 처리를 통하여 그 정확성을 확보한다[1].
	분포온도 측정시스템의 성능지표는 무엇으로 구분되는가?	따라서 분포온도 측정시스템의 성능지표는 장비 내부의 광학부의 특성(Signal level)과 분포온도센서 케이블의 특성으로 구분되며, 두 가지 특성이 종합 되어 온도 측정 정확도(Temperature accuracy), 온도 측정 편차(Temperature resolution), 측정 시간 (Measurement time), 온도 데이터 최소 표시 간격 (Sampling resolution), 온도 변화 감지 구간(Spatial resolution) 등이 성능을 나타내게 된다. 아래 표 1에 본 연구에서 사용한 분포온도 측정 시스템의 성능 지표를 나타냈었다.
	OFCPC의 장점은 무엇인가?	최근에는 이를 해소하기 위해 전력망에서 광복합 케이블(Optical Fiber Composite Power Cable; OFCPC)의 사용이 증가하고 있으며, 배전계통으로의 확대가 검토되고 있다. 광복합 케이블을 사용할 경우, 별도의 통신망 구축 없이 전력통신이 가능하지만, 전력선 고장시 통신 불능 상태가 될 가능성이 있기 때문에 이를 사전에 예방할 수 있는 감시시스템이 필수적이다. 또한 통신망으로 사용되는 광복합 케이블의 감시시스템은 발생된 고장이 확대되지 않도록 초기에 고장을 검출 할 수 있도록 설계되어야 하며, 광복합 케이블과 접속재도 고장발생시 통신 불능 최소화 될 수 있는 구조로 설계되어야 한다.

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