[논문]DC 비접지 급전계통 선택차단형 통합보호계전기 시뮬레이터 개발 및 알고리즘 테스트

안태풍; 윤준석; 정태영; 김인웅; 정호성

doi:10.5370/kiee.2012.61.6.899

[국내논문] DC 비접지 급전계통 선택차단형 통합보호계전기 시뮬레이터 개발 및 알고리즘 테스트
Development of a Simulator and Algorithm Test for Selective-breaking Integrated Protective Relay for Ungrounded DC Traction Power Supply System 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.61 no.6, 2012년, pp.899 - 904

안태풍 (인텍전기전자(주)) , 윤준석 (인텍전기전자(주)) , 정태영 (인텍전기전자(주)) , 김인웅 (인텍전기전자(주)) , 정호성 (한국철도기술연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

In recent years, a lot of research was done for earth fault protection in ungrounded dc power supply system. As a result, selective-breaking integrated protective relaying system is developed in progress and is currently field-testing are planned. Algorithm on a PC using PSCAD done a lot of testing before performing field tests, but in this study developed algorithms and functions needed to determine whether they were operating normally. Therefore, simulated system is similar to the actual situation was required and made. selective-breaking algorithm verification and validation was performed with simulator.

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

따라서 상업운전을 시행하고 있는 시스템에 적용하기 위해서는 안전에 대한 검증뿐만 아니라 실계통과 유사한 모의계통에서 알고리즘 검증이 요구되고 있다. 본 논문에서는 직류 비접지 급전계통을 모의할 수 있는 하드웨어를 제작하고, 제작된 시뮬레이터를 기반으로 선택지락차단 알고리즘을 검증을 수행하였다. 이를 통해 제안된 알고리즘 타당성을 입증하였다.
논문에서는 비접지 DC 급전계통 선택차단형 통합보호계 전 시스템을 검증하기 위하여 시뮬레이터 개발에 대한 내용을 기술하였으며, 시뮬레이터를 이용한 선택지락 알고리즘 검증 테스트를 수행하였다. 개발된 시뮬레이터는 선택지락 차단 알고리즘 검증뿐만 아니라 다양한 고장에 대해서 검증할 수 있었고, 선택지락차단 알고리즘과 제작된 계전기의 동작이 모두 정상적임을 판단할 수 있었다.

제안 방법

개발된 선택지락차단 알고리즘의 중요한 고려사항으로 접지스위치의 투입시간차 및 계전기간 통신지연 등 다양한 사항이 있으며 선택지락차단 알고리즘은 이러한 여러 가지의 경우를 고려하여 설계되었다.
선택차단형 통합보호시스템을 현장에 적용하기 전에 가능한 현장과 유사한 모의 시스템을 개발하여 알고리즘 테스트 및 현장적용 가능성을 검증할 수 있는 시뮬레이터의 필요성이 요구 되었고 이와같은 필요성에 의하여 비접지 DC급전 계통 시뮬레이터를 제작하게 되었다. 제작된 시뮬레이터는 비접지 DC급전계통을 대상으로 제작되었으며, 3개의 변전소로 모의 구성하였다.
제작된 시뮬레이터는 비접지 DC급전계통을 대상으로 제작되었으며, 3개의 변전소로 모의 구성하였다. 시스템 전압은 모의시스템에 맞도록 DC5V를 사용하였고, 선로 임피던스, 전동차 부하, 고장점 저항, 고장종류등은 모듈교체만으로 다양한 시험이 가능하도록 가변형으로 개발하였다. 개발된 시뮬레이터의 세부사양으은 표 2과 같다.
통합보호계전기는 기존의 급전반에 개별적으로 설치되어 사용되고 있던 보호계전기의 기능과 선택지락 차단 기능을 포함한 구조로 설계 및 제작되었다.
통합보호계전기는 이때 선택지락 알고리즘을 수행하고 최종적으로 계전기간 통신을 통하여 선택차단 명령을 해당 급전반 차단기로 명령을 송신하게 된다. 시뮬레이터는 병렬급전을 고려하여 상행/하행을 구분하여 각각 지락고장 모의가 가능하도록 설계 및 제작되었다.
선택차단형 통합보호계전기는 시뮬레이터의 구성 변전소별로 1대씩 장착되었으며, 계전기들은 선택지락 알고리즘을 위하여 광통신망을 이용하여 변전소간 통신을 수행되도록 설계 및 제작되었다. 실시간 고속도 통신을 위하여 현재 광통신을 사용하나 IEC61850의 GOOSE[4][5] 메시지를 사용할 경우 이더넷도 사용할 수 있도록 구성되어 있다.
통신모듈은 현재 가장 일반적으로 사용되는 DNP3프로토콜과 변전소 프로토콜로 자리잡고 있는 IEC60870등을 지원할 수 있는 구조로 설계되었다. Main 모듈은 사용자와 HMI모듈과의 인터페이스 담당 및 이력, 설정, PLC등 모든 데이터 베이스 관련 처리를 수행하도록 설계되었다.
제작된 통합보호계전기의 형상은 그림 7에서 보여주고 있으며 7인치 그래픽 LCD를 사용하여 사용자가 현장에서 설정 및 이력확인, 단선도 보기등 시각적인 부분에 많은 편의성을 갖도록 설계 및 제작 하였다.
개발된 시뮬레이터를 사용해 지락고장에 대한 선택차단 알고리즘을 구현하였다. 고장사례 구성 및 데이터는 그림 8 과 표 3과 같다.

대상 데이터

선택차단형 통합보호시스템을 현장에 적용하기 전에 가능한 현장과 유사한 모의 시스템을 개발하여 알고리즘 테스트 및 현장적용 가능성을 검증할 수 있는 시뮬레이터의 필요성이 요구 되었고 이와같은 필요성에 의하여 비접지 DC급전 계통 시뮬레이터를 제작하게 되었다. 제작된 시뮬레이터는 비접지 DC급전계통을 대상으로 제작되었으며, 3개의 변전소로 모의 구성하였다. 시스템 전압은 모의시스템에 맞도록 DC5V를 사용하였고, 선로 임피던스, 전동차 부하, 고장점 저항, 고장종류등은 모듈교체만으로 다양한 시험이 가능하도록 가변형으로 개발하였다.
DSP 모듈은 Analog Input 모듈에서 전압 및 전류 신호를 입력받아 보호요소에 필요한 데이터로 연산하여 보호관련 알고리즘을 수행한다. 통신모듈은 현재 가장 일반적으로 사용되는 DNP3프로토콜과 변전소 프로토콜로 자리잡고 있는 IEC60870등을 지원할 수 있는 구조로 설계되었다. Main 모듈은 사용자와 HMI모듈과의 인터페이스 담당 및 이력, 설정, PLC등 모든 데이터 베이스 관련 처리를 수행하도록 설계되었다.

성능/효과

본 논문에서는 직류 비접지 급전계통을 모의할 수 있는 하드웨어를 제작하고, 제작된 시뮬레이터를 기반으로 선택지락차단 알고리즘을 검증을 수행하였다. 이를 통해 제안된 알고리즘 타당성을 입증하였다.
그림 9에서 16은 결과파형을 보여주고 있다. 공통적으로 지락고장 발생시 지락(접지)전압은 순간적으로 크게 증가하였으며, 접지스위치 투입시점에서 고장전류가 급격히 상승함을 보였다. 이후 양측 변전소의 고장구간에 해당되는 차단기가 약간의 시간차를 두고 차단되었다.
이것은 알고리즘 특성에 기인한 것으로써 전류의 크기와 기울기에 관계된다. 결과적으로 시뮬레이터를 이용한 고장모의는 고장위치에 따라 알고리즘의 수행시간에 차이가 발생하나 모든 사례에서 선택차단 알고리즘이 정상 동작됨을 확인할 수 있었다. 첫 번째 시험결과로 case1의 경우 A 변전소의 F4와 B 변전소의 F2 급전반 차단기가 동작하는 것을 확인하였고, 이때 계측된 전류 및 전압파형은 그림 9, 10과 같다.
논문에서는 비접지 DC 급전계통 선택차단형 통합보호계 전 시스템을 검증하기 위하여 시뮬레이터 개발에 대한 내용을 기술하였으며, 시뮬레이터를 이용한 선택지락 알고리즘 검증 테스트를 수행하였다. 개발된 시뮬레이터는 선택지락 차단 알고리즘 검증뿐만 아니라 다양한 고장에 대해서 검증할 수 있었고, 선택지락차단 알고리즘과 제작된 계전기의 동작이 모두 정상적임을 판단할 수 있었다. 또한 제작된 시뮬레이터는 실계통을 염두해 두고 제작되었기 때문에 현장실증에 본 선택지락차단 시스템이 충분히 적용될 수 있음을 확인할 수 있었다.
개발된 시뮬레이터는 선택지락 차단 알고리즘 검증뿐만 아니라 다양한 고장에 대해서 검증할 수 있었고, 선택지락차단 알고리즘과 제작된 계전기의 동작이 모두 정상적임을 판단할 수 있었다. 또한 제작된 시뮬레이터는 실계통을 염두해 두고 제작되었기 때문에 현장실증에 본 선택지락차단 시스템이 충분히 적용될 수 있음을 확인할 수 있었다. 향후 연구방향으로 시스템의 실계통 적용과 현장시험을 통한 실제 알고리즘의 동작여부와 관련 데이터의 취득 및 분석을 수행할 예정이다.

후속연구

또한 제작된 시뮬레이터는 실계통을 염두해 두고 제작되었기 때문에 현장실증에 본 선택지락차단 시스템이 충분히 적용될 수 있음을 확인할 수 있었다. 향후 연구방향으로 시스템의 실계통 적용과 현장시험을 통한 실제 알고리즘의 동작여부와 관련 데이터의 취득 및 분석을 수행할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	보호관점에서 볼 때 고장을 어떻게 하는 것이 바람직한가?	하지만 이것 은 변전소 급전반 전체를 차단하게 되고 심지어 연락차단에 의해서 여러개소의 변전소가 동시에 차단되는 대규모 정전 이 발생되는것이 현실이었다. 보호관점에서 볼때 고장은 최 소구간만 차단하는 것이 바람직하며, 전철을 사용하는 시민 들의 편의를 고려할 때도 이러한 사항은 더욱 중요해지고 있고 민감한 사항이라 볼 수 있다. 이러한 이유로 현재까지 비접지 DC 급전계통의 지락고장에 대하여 보호 알고리즘 개발 및 통합보호계전 시스템이 수년간 연구되어 왔다.
	비접지 DC 급전계통의 지락고장에 대한 보호 알고리즘을 상업운전을 시행하고 있는 시 스템에 적용하기 위해서는 무엇이 요구되는가?	하지 만 이것은 컴퓨터를 이용한 이론적인 알고리즘 검증을 위한 도구로 실계통에 바로 적용하기에는 다소 무리가 있다는 지 적이 제기되어 왔다. 따라서 상업운전을 시행하고 있는 시 스템에 적용하기 위해서는 안전에 대한 검증뿐만 아니라 실 계통과 유사한 모의계통에서 알고리즘 검증이 요구되고 있 다. 본 논문에서는 직류 비접지 급전계통을 모의할 수 있는 하드웨어를 제작하고, 제작된 시뮬레이터를 기반으로 선택지락차단 알고리즘을 검증을 수행하였다.
	직류 비접지 계통의 선로보호를 위한 방법 중 지락고장에 대한 보호 방법은 어떤 방법을 사용해왔는가?	직류 비접지 계통의 선로보호를 위한 방법은 오래전부터 많은 연구가 진행되어 왔다. 이중에서 지락고장에 대한 보 호방법으로는 지락고장시 대지와 레일간의 과전압을 검출하 여 변전소를 차단하는 방법을 사용하여 왔다. 하지만 이것 은 변전소 급전반 전체를 차단하게 되고 심지어 연락차단에 의해서 여러개소의 변전소가 동시에 차단되는 대규모 정전 이 발생되는것이 현실이었다.

참고문헌 (5)

Hyun-Ki Jung et al, "A Study on Operational Characteristics of DC protective relay systems on the Subway', Annual Spring Conference of the Korean Society for Railway, pp451-465, 2008.
Sang-Hee Kang et al, "Integrated Protection Method for DC Railway System", KIEE, vol.60, no.2, pp285-292, 2011. 2.
Chang-Young Choi et al, "Selective Ground Fault Protection Algorithm Using a Cumulative Overcurrent Element for DC Railway System", KIEE Annual Spring Conference,, pp55-57, 2009. 5.
IEC, IEC 61850 International Standard Part1-9. 2003.
Tae-Young Jung et al, "Design of IEC 61850 Logical Node for modeling protective elements of selective-breaking integrated protective relay for DC traction power suply system", KIEE, vol.61, no.3, pp491-496, 2012. 3.

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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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