After North American wide area black out on August 14, 2003, various studies have been conducted to find out the reason of the disaster. One of main reasons was misoperation of generator protection system. Since then, protective coordination between generator protection system and excitation system ...
After North American wide area black out on August 14, 2003, various studies have been conducted to find out the reason of the disaster. One of main reasons was misoperation of generator protection system. Since then, protective coordination between generator protection system and excitation system controls has been hot issue among electrical engineers. Among various generator protection relays, in this paper, we focused on generator overvoltage and overexcitation relay, which protect the over-flux condition of the generator. Thus, at first, we modeled the generator overvoltage, overexcitation relay and detailed power system including excitation system, governor and etc., based on actual field data. And then, we reviewed the protective coordination of generator overvoltage and overexcitation relay using electromagnetic transient program. In addition, we discussed the protective coordination method for redundant protection relays in both automatic voltage regulator and generator side.
After North American wide area black out on August 14, 2003, various studies have been conducted to find out the reason of the disaster. One of main reasons was misoperation of generator protection system. Since then, protective coordination between generator protection system and excitation system controls has been hot issue among electrical engineers. Among various generator protection relays, in this paper, we focused on generator overvoltage and overexcitation relay, which protect the over-flux condition of the generator. Thus, at first, we modeled the generator overvoltage, overexcitation relay and detailed power system including excitation system, governor and etc., based on actual field data. And then, we reviewed the protective coordination of generator overvoltage and overexcitation relay using electromagnetic transient program. In addition, we discussed the protective coordination method for redundant protection relays in both automatic voltage regulator and generator side.
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문제 정의
이를 위하여 발전기 과여자 및 과전압 계전기를 ElectroMagnetic Transient Program-Restructured Version(EMTP-RV)를 이용하여 모델링하고, 실제 A 발전소의 정정값을 바탕으로 발전기 과여자 및 과전압 계전기 정정 현황을 검토 및 분석하였다. 그리고 발전기 과여자 및 과전압 계전기 정정 시 고려해야 할 요소, 정정 방법에 대하여 서술하였으며, AVR 측 및 발전기 측에 중복으로 적용된 보호요소의 용도 및 동작 순서를 구분함으로써 적절한 협조 방안에 대하여 논의해보았다. 제안된 협조 방안의 결과를 시뮬레이션으로 검토하였으며, 이 결과를 바탕으로 향후 중복된 보호요소를 정정하는 대표적인 방안과 기준을 마련할 수 있는 기반으로 활용하고자 한다.
앞서 서술한 바와 같이, 최근 여자시스템 측에는 발전기를 보호하기 위한 AVR 보호요소들이 내재되고 있으므로, 발전기 측 보호계전기와의 중복 보호 가능성이 높다. 따라서 본 논문에서는 AVR 측과 발전기 측의 중복된 보호요소를 모두 포함한 발전기 과여자 및 과전압 계전 보호협조 정정 현황을 고려하였다. 일반적으로 중복된 보호요소를 검토할 경우, AVR 측의 제한기능도 함께 고려할 필요가 있으나 본 논문에서는 관련 정보 취득의 제약으로 인하여 생략하였다.
따라서, 본 논문에서는 발전기 보호시스템의 다양한 보호 항목 중 AVR 내부 보호요소와 중복적으로 적용되어 운용되고 있는 발전기 과여자 및 과전압 계전기를 대상으로 선정하여 상세 연구를 진행하였다. 이를 위하여 발전기 과여자 및 과전압 계전기를 ElectroMagnetic Transient Program-Restructured Version(EMTP-RV)를 이용하여 모델링하고, 실제 A 발전소의 정정값을 바탕으로 발전기 과여자 및 과전압 계전기 정정 현황을 검토 및 분석하였다.
본 논문에서는 발전기 과여자 및 과전압 계전기 보호협조 정정 고려사항을 바탕으로 이를 정정하는 방법을 다음과 같이 정성적인 측면에 집중하여 서술하였다. 보호협조 정정의 정량적인 측면의 경우, 발전기, 계통의 중요도 및 보호 엔지니어의 관점에 따라 각 보호협조 요소들의 정정을 결정하고 시뮬레이션 분석을 통한 시스템의 정정 관계를 면밀히 검토해야 한다.
본 논문에서는 발전기 보호시스템의 다양한 보호 항목 중 AVR 내부 보호요소와 중복적으로 적용되어 운용되고 있는 발전기 과여자 및 과전압 계전기를 연구 대상으로 하여 보호협조에 관한 연구를 수행하였다. 실제 A 발전소에서 운용중인 정정값을 바탕으로 EMTP-RV를 이용하여 발전기 과여자 및 과전압 계전기를 모델링하고 보호협조 정정 현황을 검토 및 분석하였다.
상기 발전기 과여자 및 과전압 계전기 보호협조 정정값을 바탕으로 발전기 외란 발생 시, 보호협조 결과가 어떻게 나타나는지를 검토해보았다. 발전기의 과여자 및 과전압 상태를 모의하기 위하여 AVR의 기준전압 신호가 증가되는 오류를 가정하였다.
이 방안은 AVR이 가지는 본연의 목적인 제어기능과 발전기 보호계전 시스템이 가지는 본연의 목적인 발전기 보호기능을 최대한 활용하기 위함이다. AVR 측의 제한기능, 보호요소의 순차적인 경보를 통하여 운전원이 사전에 문제를 인지하고 대처할 수 있으므로 발전기가 트립까지 가는 상황을 최대한 지양할 수 있으므로 발전기의 운영 안정성 및 지속성 측면에서 이점을 가질 수 있다.
가설 설정
③ AVR 측 과여자 보호요소 및 발전기 측 과여자 계전기 특성 곡선을 정정한다. 이때, AVR 제한기능 곡선 및 설비 V/Hz 용량 곡선을 침범하지 않도록 유의한다.
④ AVR 측 과전압 보호요소 및 발전기 측 과전압 계전기 특성 곡선을 정정한다. 이때, AVR 제한기능 곡선 및 설비 V/Hz 용량 곡선을 침범하지 않도록 유의한다.
상기 발전기 과여자 및 과전압 계전기 보호협조 정정값을 바탕으로 발전기 외란 발생 시, 보호협조 결과가 어떻게 나타나는지를 검토해보았다. 발전기의 과여자 및 과전압 상태를 모의하기 위하여 AVR의 기준전압 신호가 증가되는 오류를 가정하였다. 상세한 시뮬레이션 조건은 표 4와 같다.
제안 방법
국내 전체 계통의 데이터가 포함된 PSS/E 조류 계산 결과를 바탕으로 A 발전소의 인접 송전계통을 그림 4와 같은 형태의 단선도를 가지도록 등가화 모델링하였다. A 발전소의 1~8호기에 포함된 여자기, 조속기 등을 모두 포함하여 모델링 하였으며 대표적으로 발전기 1호기에 대한 파라미터를 표 3과 같이 정리하였다.
발전기 과여자 및 과전압 계전기의 보호협조 검토를 수행하기 위하여 본 논문에서는 A 발전소를 연구 대상 계통으로 선정하였다. 국내 전체 계통의 데이터가 포함된 PSS/E 조류 계산 결과를 바탕으로 A 발전소의 인접 송전계통을 그림 4와 같은 형태의 단선도를 가지도록 등가화 모델링하였다. A 발전소의 1~8호기에 포함된 여자기, 조속기 등을 모두 포함하여 모델링 하였으며 대표적으로 발전기 1호기에 대한 파라미터를 표 3과 같이 정리하였다.
발전기 과여자 계전기는 크게 전압 및 주파수 측정부, V/Hz 비율 계산부, 계전기 동작 판단부로 나뉘어 모델링 되었다. 먼저 전압 및 주파수 측정부에서 발전기 단자 전압과 전류의 주파수를 계산하여 측정한 뒤, V/Hz 비율을 계산한다. 이렇게 계산된 V/Hz 비율은 계전기 동작 판단부에 입력되어 정정된 Pick-up 값 초과 여부와 시간 지연 충족 여부를 판단하고 조건을 모두 충족할 경우 차단기 트립 신호를 생성한다.
본 논문에서는 발전기 과여자 계전기를 그림 5과 같이 모델링하였다. 발전기 과여자 계전기는 크게 전압 및 주파수 측정부, V/Hz 비율 계산부, 계전기 동작 판단부로 나뉘어 모델링 되었다. 먼저 전압 및 주파수 측정부에서 발전기 단자 전압과 전류의 주파수를 계산하여 측정한 뒤, V/Hz 비율을 계산한다.
본 논문에서는 발전기 과여자 계전기를 그림 5과 같이 모델링하였다. 발전기 과여자 계전기는 크게 전압 및 주파수 측정부, V/Hz 비율 계산부, 계전기 동작 판단부로 나뉘어 모델링 되었다.
상기에 서술된 중복된 보호요소를 보호협조 할 수 있는 방안을 시뮬레이션을 통하여 검토하였다. 본 시뮬레이션 검토에서 적용된 정정값 및 발전기 과여자 외란의 정도는 (VREF 제어 오류 125%) 예시적으로 적용된 것이며, 그림 10과 같이 AVR 측의 과여자 보호요소 및 발전기 측의 과여자 보호계전기가 중복되었을 경우 상기의 보호협조 방안을 바탕으로 정정하였을 경우에 나타날 수 있는 결과를 확인하였다.
본 논문에서는 발전기 보호시스템의 다양한 보호 항목 중 AVR 내부 보호요소와 중복적으로 적용되어 운용되고 있는 발전기 과여자 및 과전압 계전기를 연구 대상으로 하여 보호협조에 관한 연구를 수행하였다. 실제 A 발전소에서 운용중인 정정값을 바탕으로 EMTP-RV를 이용하여 발전기 과여자 및 과전압 계전기를 모델링하고 보호협조 정정 현황을 검토 및 분석하였다. 그 결과 동일한 발전소의 호기임에도 불구하고 AVR 측과 발전기 측에 중복 적용된 발전기 과여자 및 과전압 계전기의 정정값이 상이함을 확인할 수 있었다.
여러 개의 정한시 특성을 가지는 Multi-Level 발전기 과전압 계전기를 그림 6과 같이 모델링 하였다. 또한, 필요에 따라 반한 시 특성 또한 모델링 가능하다.
그림 9는 중복된 AVR 보호요소 및 발전기 보호계전 시스템의 협조 및 구분 방안을 보여준다. 이 방안은 1차적으로 외란 발생 시, AVR 측의 제한기능이 동작하여 발전기를 최대한 정상운전 범위로 제어할 수 있도록 한다. 만일 AVR 제한기능의 동작이 실패할 경우, 발전기 보호계전 시스템보다 민감하게 정정된 AVR 보호요소가 경보 동작을 하게 된다.
따라서, 본 논문에서는 발전기 보호시스템의 다양한 보호 항목 중 AVR 내부 보호요소와 중복적으로 적용되어 운용되고 있는 발전기 과여자 및 과전압 계전기를 대상으로 선정하여 상세 연구를 진행하였다. 이를 위하여 발전기 과여자 및 과전압 계전기를 ElectroMagnetic Transient Program-Restructured Version(EMTP-RV)를 이용하여 모델링하고, 실제 A 발전소의 정정값을 바탕으로 발전기 과여자 및 과전압 계전기 정정 현황을 검토 및 분석하였다. 그리고 발전기 과여자 및 과전압 계전기 정정 시 고려해야 할 요소, 정정 방법에 대하여 서술하였으며, AVR 측 및 발전기 측에 중복으로 적용된 보호요소의 용도 및 동작 순서를 구분함으로써 적절한 협조 방안에 대하여 논의해보았다.
따라서 공통된 기준에 따라 중복 적용된 보호요소의 보호협조 정정을 재검토할 필요가 있을 것으로 사료된다. 이를 위하여 본 논문에서는 발전기 과여자 및 과전압 계전기 정정 시 고려해야 할 요소, 정정 방법에 대하여 정성적으로 서술하였으며, AVR 측 및 발전기 측에 중복으로 적용된 보호 요소의 용도 및 동작 순서를 구분함으로써 적절한 협조 방안을 제시하였다. 이러한 결과를 바탕으로 향후 중복된 보호요소를 정정하는 기준 수립에 활용할 수 있을 것으로 사료된다.
따라서 본 논문에서는 AVR 측과 발전기 측의 중복된 보호요소를 모두 포함한 발전기 과여자 및 과전압 계전 보호협조 정정 현황을 고려하였다. 일반적으로 중복된 보호요소를 검토할 경우, AVR 측의 제한기능도 함께 고려할 필요가 있으나 본 논문에서는 관련 정보 취득의 제약으로 인하여 생략하였다.
대상 데이터
발전기 과여자 및 과전압 계전기의 보호협조 검토를 수행하기 위하여 본 논문에서는 A 발전소를 연구 대상 계통으로 선정하였다. 국내 전체 계통의 데이터가 포함된 PSS/E 조류 계산 결과를 바탕으로 A 발전소의 인접 송전계통을 그림 4와 같은 형태의 단선도를 가지도록 등가화 모델링하였다.
성능/효과
실제 A 발전소에서 운용중인 정정값을 바탕으로 EMTP-RV를 이용하여 발전기 과여자 및 과전압 계전기를 모델링하고 보호협조 정정 현황을 검토 및 분석하였다. 그 결과 동일한 발전소의 호기임에도 불구하고 AVR 측과 발전기 측에 중복 적용된 발전기 과여자 및 과전압 계전기의 정정값이 상이함을 확인할 수 있었다. 따라서 공통된 기준에 따라 중복 적용된 보호요소의 보호협조 정정을 재검토할 필요가 있을 것으로 사료된다.
상기에 서술된 중복된 보호요소를 보호협조 할 수 있는 방안을 시뮬레이션을 통하여 검토하였다. 본 시뮬레이션 검토에서 적용된 정정값 및 발전기 과여자 외란의 정도는 (VREF 제어 오류 125%) 예시적으로 적용된 것이며, 그림 10과 같이 AVR 측의 과여자 보호요소 및 발전기 측의 과여자 보호계전기가 중복되었을 경우 상기의 보호협조 방안을 바탕으로 정정하였을 경우에 나타날 수 있는 결과를 확인하였다. 그림 11에서 볼 수 있듯이 발전기 측에 과여자 상태가 만들어지게 되면 1차적으로 AVR 측의 과여자 보호요소가 발전기의 과여자 상태를 경보하게 되며, 적절한 조치가 취해지지 않을 경우 발전기 측의 과여자 보호계전기가 동작하여 발전기를 트립 시키는 결과를 확인할 수 있다.
120%의 AVR 제어 오류의 경우 AVR 측 및 발전기 측 과여자 계전기가 동시 동작하게 된다. 즉, 야기된 과여자 및 과전압의 크기에 따라 AVR 측과 발전기 측 보호요소 중 우선적으로 동작하는 보호요소가 다름을 확인할 수 있다.
후속연구
그림 11에서 볼 수 있듯이 발전기 측에 과여자 상태가 만들어지게 되면 1차적으로 AVR 측의 과여자 보호요소가 발전기의 과여자 상태를 경보하게 되며, 적절한 조치가 취해지지 않을 경우 발전기 측의 과여자 보호계전기가 동작하여 발전기를 트립 시키는 결과를 확인할 수 있다. 따라서 AVR이 가지는 제어기능, 외란의 경보 역할과 유사 시 발전기를 트립하여 보호하는 역할을 구분함으로써 중복된 보호요소를 운용하는 체계적인 방안으로 활용할 수 있다.
그 결과 동일한 발전소의 호기임에도 불구하고 AVR 측과 발전기 측에 중복 적용된 발전기 과여자 및 과전압 계전기의 정정값이 상이함을 확인할 수 있었다. 따라서 공통된 기준에 따라 중복 적용된 보호요소의 보호협조 정정을 재검토할 필요가 있을 것으로 사료된다. 이를 위하여 본 논문에서는 발전기 과여자 및 과전압 계전기 정정 시 고려해야 할 요소, 정정 방법에 대하여 정성적으로 서술하였으며, AVR 측 및 발전기 측에 중복으로 적용된 보호 요소의 용도 및 동작 순서를 구분함으로써 적절한 협조 방안을 제시하였다.
이와 같이 동일한 발전소임에도 불구하고 호기 별로 정정값이 상이함을 확인할 수 있으며, AVR 측과 발전기 측에 중복된 보호 요소의 우선 동작 순서가 일관성 없이 정정되어 있다. 이 경우 유사 시 발전기를 트립시킨 보호주체가 AVR 측인지 발전기 측인지 확인해야하는 문제가 야기될 수 있으므로 향후 면밀한 검토가 요구된다.
이를 위하여 본 논문에서는 발전기 과여자 및 과전압 계전기 정정 시 고려해야 할 요소, 정정 방법에 대하여 정성적으로 서술하였으며, AVR 측 및 발전기 측에 중복으로 적용된 보호 요소의 용도 및 동작 순서를 구분함으로써 적절한 협조 방안을 제시하였다. 이러한 결과를 바탕으로 향후 중복된 보호요소를 정정하는 기준 수립에 활용할 수 있을 것으로 사료된다.
최근 전력 계통의 규모가 점차 확장됨에 따라 계통의 복잡성 및 발전단지의 집중화가 증가하고 있다. 이러한 현실에서 적절한 발전기 보호시스템 및 보호 협조 방안의 부재, 발전기 보호시스템의 오동작으로 인한 설비의 손상과 같은 잠재적 위험요인들은 국가 산업 및 국민 생활에 막대한 피해를 야기할 수 있기 때문에 발전기 보호시스템에 대한 면밀한 연구가 요구된다.
그리고 발전기 과여자 및 과전압 계전기 정정 시 고려해야 할 요소, 정정 방법에 대하여 서술하였으며, AVR 측 및 발전기 측에 중복으로 적용된 보호요소의 용도 및 동작 순서를 구분함으로써 적절한 협조 방안에 대하여 논의해보았다. 제안된 협조 방안의 결과를 시뮬레이션으로 검토하였으며, 이 결과를 바탕으로 향후 중복된 보호요소를 정정하는 대표적인 방안과 기준을 마련할 수 있는 기반으로 활용하고자 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
발전기 과여자 계전기는 어떠한 역할을 하는가?
상기의 원리를 바탕으로 발전기의 과여자(과자속) 상태를 전압과 주파수의 비율(V/Hz)로 계산할 수 있다. 발전기 과여자 계전기는 과도한 자속 밀도로부터 발전기나 변압기를 보호하는 역할을 수행한다. 발전기 내부에 과도한 자속 밀도가 장시간 유지되면 자속이 이동하는 경로가 포화되어 자속이 누설되어 흐르게 된다.
발전기 내부의 자기장이 필요한 이유는 무엇인가?
발전기 내부의 자기장은 회전자 운동의 기계적 에너지를 고정자의 전기적 에너지로 변환하기 위하여 반드시 필요하다. 발전기 고정자 코어에 공급되는 자속은 식 (1)과 같이 정현파 특성을 가지는 것으로 가정할 수 있다.
AVR 내부의 보호요소 간의 비협조로 인한 고장 발생 확률이 높은 이유는 무엇인가?
전력계통에서 사용되고 있는 발전기 보호시스템과 자동 전압조정기 (Automatic Voltage Regulator, AVR) 내부의 보호요소는 상당수 중복되어 동작하며, 이러한 중복 보호요소들을 정정하는 방법에 대한 체계적인 정정기준, 정정방법 및 관련연구가 없는 실정이다. 실제로 중복된 보호요소들이 동일한 정정값으로 운용되거나 혹은 각기 상이한 정정값으로 운용되는 등 발전기 보호를 위한 일관적이지 못한 보호 체계가 적용되어 있다. 때문에, 실제 발전기 보호시스템과 AVR 내부의 보호요소 간의 비협조에 따른 고장이 발생할 가능성이 있다.
참고문헌 (9)
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R. Schaefer, D. Jansen, S. McMullen and P. Rao, "Coordination of digital excitation system settings for reliable operation", Pulp and Paper Industry Technical Conference (PPIC), Conference Record of 2011 Annual IEEE, Nashville, TN, 2011, pp. 112-119.
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IEEE Standard C37.102, "IEEE Guide for AC Generator Protection".
GE Energy Product Description, GEI-100545A, "EX2100 35 A Regulator".
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