[논문]2차 보간법을 이용한 전기철도 급전계통의 고장점 산출 기법에 관한 연구

민명환; 안태풍; 권성일; 정호성

doi:10.5370/kiee.2017.66.3.599

[국내논문] 2차 보간법을 이용한 전기철도 급전계통의 고장점 산출 기법에 관한 연구
A Study on Estimation Technique for Fault Location using Quadratic Interpolation in a Parallel Feeding AC Traction System 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.66 no.3, 2017년, pp.599 - 604

민명환 (Dept. of Power Electronic System Lab, Entec electric & electronic., Ltd.) , 안태풍 (Dept. of Power Electronic System Lab, Entec electric & electronic., Ltd.) , 권성일 (KOREA RAILOAD) , 정호성 (Dept. of R&D Strategy Division, Korea Railroad Research)

Abstract ▼ AI-Helper

Nowadays reactance method is being used as a technique for fault location in parallel feeding AC traction power system. However, implementation of this method requires a large number of field tests(ground fault) which is a huge burden on the operators. This paper presents a new estimation technique using quadratic interpolation to reduce number of times for field test and improves the accuracy of fault location. To verify a new technique, we solve AT feeding circuit and model it using PSCAD/EMTDC. Finally this paper conducts a comparative analysis of usefulness between a new technique and real field data.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 교류전기철도 급전계통의 회로 해석을 통해 전차선로 리액턴스의 계산식을 제시하였다. 또한 전력계통해석 프로그램(PSCAD/EMTDC)을 이용하여 계산식의 유용성을 검증하였다.

제안 방법

또한 전력계통해석 프로그램(PSCAD/EMTDC)을 이용하여 계산식의 유용성을 검증하였다. 검증된 리액턴스 계산식이 거리(사고지점)를 독립변수로 하는 2차 함수로 나타나는 것을 근거로, 2차 보간법과 기존 3~5개의 단락선로임피던스를 적용하여 고장지점에 따른 리액턴스 곡선을 추정하고 실제 고장점 데이터와 비교 분석 연구를 수행하였다.
본 논문에서는 기존 리액턴스 방식의 고장점 표정 기술에 2차 보간법을 적용하여 전차선로 임피던스를 산출하는 기법을 제시하였다. 먼저 기존 운영 방식을 검토하고 이를 개선하기 위해 교류 전기철도 급전계통 해석을 통한 전차선로 임피던스 및 리액턴스 계산식을 도출하고, 전력계통해석프로그램의 모델링 및 고장 시 뮬레이션을 통해 계산식을 검증하였다. 또한 검증된 계산식이 2차 함수의 특성임을 확인하여 이에 적합한 2차 보간법을 적용하여 리액턴스 실측 값과 비교 분석을 수행하였다.

대상 데이터

상기 연구내용에서 도출한 리액턴스 계산 값을 검증하기 위해 전력계통해석 프로그램(PSCAD/EMTDC)를 이용하여 급전계통을 모델링하였다. 급전계통은 스코트변압기(scott transformer), 단권 변압기(AT, auto transformer)와 전차선로(catenary system)로 구성하였으며 간략화를 위해 변전소(SS)와 보조급전구분소(SSP)로만 구성하여 모델링을 수행하였으며 파라미터 값을 표 1에 나타내었다[5].

데이터처리

세 구간(SS-PP1, PP1-PP2, PP2-SP)에 총 15 지점(한 구간에 5개의 지점)에서의 지락시험 데이터 중 각 구간의 처음 지점, 중간 지점 그리고 마지막 지점의 3개 지점을 기지수 데이터로 활용하여 곡선을 그렸다. 그래프의 가독성을 돕기 위해 15개 지점의 실제 데이터를 선형 보간법으로 표현하여 2차 보간 함수와 비교를 하였다. 또한 남은 6개 지점의 리액턴스 데이터와 2차 보간 함수를 통해 추정한 리액턴스 값의 오차를 표 4에 나타내었다.
먼저 기존 운영 방식을 검토하고 이를 개선하기 위해 교류 전기철도 급전계통 해석을 통한 전차선로 임피던스 및 리액턴스 계산식을 도출하고, 전력계통해석프로그램의 모델링 및 고장 시 뮬레이션을 통해 계산식을 검증하였다. 또한 검증된 계산식이 2차 함수의 특성임을 확인하여 이에 적합한 2차 보간법을 적용하여 리액턴스 실측 값과 비교 분석을 수행하였다. 그 결과 2차 보간법을 적용한 리액턴스 값이 실측 리액턴스 값과 상당히 근사함을 확인하였으며, 선형 보간 곡선과 2차 보간 곡선의 경향성도 유사함을 확인하였다.

이론/모형

상기 연구내용에서 도출한 리액턴스 계산 값을 검증하기 위해 전력계통해석 프로그램(PSCAD/EMTDC)를 이용하여 급전계통을 모델링하였다. 급전계통은 스코트변압기(scott transformer), 단권 변압기(AT, auto transformer)와 전차선로(catenary system)로 구성하였으며 간략화를 위해 변전소(SS)와 보조급전구분소(SSP)로만 구성하여 모델링을 수행하였으며 파라미터 값을 표 1에 나타내었다[5].

성능/효과

또한 검증된 계산식이 2차 함수의 특성임을 확인하여 이에 적합한 2차 보간법을 적용하여 리액턴스 실측 값과 비교 분석을 수행하였다. 그 결과 2차 보간법을 적용한 리액턴스 값이 실측 리액턴스 값과 상당히 근사함을 확인하였으며, 선형 보간 곡선과 2차 보간 곡선의 경향성도 유사함을 확인하였다.

후속연구

본 논문에서 제시한 2차 보간법을 이용한 리액턴스 산출기법을 통해 기존 리액턴스 측정을 위해 한 구간 당 5개 지점에서의 지락사고 시험을 3개 지점에서의 시험으로 감축시킴으로써 지락시험에 대한 시간적, 경제적 부담을 경감시킬 수 있을 것으로 판단된다. 또한 3개 지점의 지락시험을 통해 도출된 2차 보간 함수를 활용하여 다른 지점들의 리액턴스 값도 도식적이고 정량적으로 산출함으로써 보다 정밀한 고장점 표정을 할 수 있을 것으로 사료된다.
본 논문에서 제시한 2차 보간법을 이용한 리액턴스 산출기법을 통해 기존 리액턴스 측정을 위해 한 구간 당 5개 지점에서의 지락사고 시험을 3개 지점에서의 시험으로 감축시킴으로써 지락시험에 대한 시간적, 경제적 부담을 경감시킬 수 있을 것으로 판단된다. 또한 3개 지점의 지락시험을 통해 도출된 2차 보간 함수를 활용하여 다른 지점들의 리액턴스 값도 도식적이고 정량적으로 산출함으로써 보다 정밀한 고장점 표정을 할 수 있을 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	흡상전류비 방식이란 무엇인가?	일반적으로 흡상전류비방식은 분리급전계통(일반선)에서 사용하고 있으며, 리액턴스 방식 은 병렬급전계통(고속선)에서 사용하고 있다. 흡상전류비 방식은 고장지점 좌우 양단의 AT(auto transformer) 중성점 흡상전류를 계측하여 고장점을 연산하는 방식으로 원거리(수 km~수십 km)에 있는 전류정보를 변전소에서 취합하여 연산을 한다. 이 방식은 계통의 AT마다 계측장비 및 통신장비 구성으로 인해 설치 비용이 크며, 원거리 통신장비의 통신지연에 따른 거리표정 오차가 발생한다.
	전기철도 급전계통에서 고장 지점을 정확히 찾는 것이 왜 중요한가?	전기철도 급전계통에서 단락 혹은 지락 사고시 변전소의 급전 보호반에서는 전력공급을 신속히 차단하고, 동시에 고장점표정반에서는 고장 위치를 연산하여 고장지점을 현시한다. 여기서 고장 지점의 정확도에 따라 고장복구 시간이 정해지며, 보다 정확한 고장지점의 연산은 전력차단(단전)시간을 감소시킬 수 있다. 현재 국내 전기철도 급전계통의 고장점을 표정하기 위해 흡상전류비 방식과 리액턴스방식을 사용하고 있다.
	리액턴스방식이 AT 병렬구성으로인한 단점을 보완하기 위해 사용하는 방법은?가?	하지만 AT의 병렬구성으로 인해 선로 임피던스가 거리에 비례하지 않고 비선형성을 가지며, 급전계통해석을 통한 전차선로 임피던스를 계산하는 식도 존재하지 않아 선로 리액턴스 값을 산출하는 것이 매우 어렵다. 따라서 거리(사고지점)에 따른 선로 리액턴스 값을 정하기 위해 AT-AT 구간마다 3~5 지점에서 지락사고 시험을 하여 단락선로리액턴스를 측정하고 그 이산 값들을 보간법으로 보간하여 운영하고 있다[1].

참고문헌 (7)

Korea Rail Network Authority, "KR E-02120 electric railway power device test", KR Code, pp. 81-82, 2014
IEEE Std C37.114 TM, "IEEE Guide for Determining Fault Location on AC Transmission and Distribution Lines", pp. 11, 2014.
Korea Rail Network Authority, "KR E-04050 ground", KR Code, pp. 8-14, 2016
Hosung Jung, Hyungchul Kim, Sang-Hoon Chang, Joorak Kim, Myung-Hwan Min, Tae-Pung An, Sung-Il Kwon, "A Study on a Catenary Impedance Estimation Technique using Boosting Current Compensation Based on Current Division Characteristics of an AT Feeding System", Journal of Electrical Engineering & Technology, pp. 1370-1376, 2015.
Hosung Jung, "A Study on Real Time Catenary Impedance Estimation Technique using the Synchronized Measuring Data between Substation and Train", The transactions of The Korean Institute of Electrical Engineers, no. 10, pp. 1458-1464, 2013.
Steven C. Chapra, Raymond P. Canale, "Numerical Methods for Engineers sixth edition", Mc Graw Hill, pp. 491-494, 2008.
Kim Joorak, Lee Changmu, Jung Hosung, Moonseob Han, Kim Junghoon, "Test Result of short circuit in Kyungbu High Speed Railway", 2006 Conference of the Korean Society for Railway, pp. 22-27. 2006.

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