[논문]EMTP-RV를 이용한 변전소 모선 방식과 보호협조 기초 논리 설계 방법론에 대한 연구

고윤석

doi:10.13067/jkiecs.2019.14.6.1129

EMTP-RV를 이용한 변전소 모선 방식과 보호협조 기초 논리 설계 방법론에 대한 연구
Design Methodology of the Bus Configuration and Protection Coordination Basic Logics of Power Substation Using EMTP-RV 원문보기

한국전자통신학회 논문지 = The Journal of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, v.14 no.6, 2019년, pp.1129 - 1138

고윤석 (남서울대학교 전자공학과)

초록
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변전소는 변전설비들이 제한된 장소에 집중되어 구조적으로 복잡하기 때문에 송전선로나 배전선로 상에서 고장발생 시 고장파급효과를 최소화하기 위한 보호협조 시스템을 설계하기가 쉽지 않다. 본 연구에서는 변전소 전력공급 신뢰성에 핵심적인 영향을 미치는 모선 방식과 보호협조 기초논리를 분석하였으며 EMTP-RV 기반으로 변전소 내부 및 외부 고장을 정확하게 검출하기 위한 변전소 보호협조 논리를 모델링하였다. 변전소 보호협조 기본 논리로서 변전소 내부 고장 검출을 위한 비율차동 보호계전 논리와 외부고장을 추론하기 위한 과부하 보호계전 논리가 모델링되었다. 끝으로, EMTP-RV를 이용하여 개발된 보호협조 논리 모델링을 기반으로 154kV 변전소를 모델링한 후, 수개의 고장모의를 통해 EMTP-RV 모델링 결과의 유효성을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Since substations are structurally complex due to the concentration of protection coordination facilities with substation facilities for long distance power transmission, it is difficult to design a protection coordination system to minimize the spreading effect of the fault when a fault occurs on transmission line or distribution line. Therefore, in this paper, the bus configuration and the basic logic of protection coordination that have a major influence on the reliability of substation power supply were analyzed, and the substation protection coordination logic to detect internal and external faults was developed based on EMTP-RV. As the basic logic of substation protection coordination, the percent differential protection relay logic for substation internal fault detection and the overload protection relay logic for inference of external failure were modeled. Finally, the 154kV substation including the protection coordination logic was modeled using EMTP-RV, and the effectiveness of the protection coordination design methodology was confirmed through the several fault simulation cases based on EMTP-RV.

주제어

표/그림 (17)

표 표 1. 변전소의 분류 Table 1. Classification of substation
그림 그림 1. 단일모선 방식 Fig. 1 Configuration of single bus
그림 그림 2. 섹션구분 모선방식 Fig. 2 Configuration of sectionalized bus
그림 그림 3. 환형 모선 방식 Fig. 3 Configuration of a ring bus
그림 그림 4. 기본 및 전환 모선 구성 Fig. 4 Configuration of main and transfer bus
그림 그림 5. 이중 모선 단일 차단 모선 방식 Fig. 5 Configuration of double bus single breaker bus
그림 그림 6. 이중 모선 2중 차단 모선 방식 Fig. 6 Configuration of double bus double breaker
그림 그림 7. 이중모선 1.5차단 모선 방식 Fig. 7 Configuration of a breaker and a half bus
그림 그림 8. 비율차동 계전 논리 Fig. 8 Simple percentage restrained differential relay
그림 그림 9. 이중모선 단일차단 모선 보호계전논리 Fig. 9 Protection relay logic of double bus single breaker configuration
그림 그림 10. 단일모선방식의 과부하 보호계전논리 Fig. 10 Overcurrent based protection relay logic of single bus configuration
그림 그림 11. 154kV 변전소 EMTP 모델링 Fig. 11 EMTP modelling of 154kV substation
그림 그림 12. 비율차동 계전 논리의 EMTP 모델 Fig. 12 An EMTP model of simple percentage restrained differential relay
그림 그림 13. 배전선로 고장모의 결과 Fig. 13 Distribution line fault simulation result
그림 그림 14. 배전선로 고장모의 결과 Fig. 14 Distribution line fault simulation result
그림 그림 15. 배전선로 고장모의 결과 Fig. 15 Distribution line fault simulation result
그림 그림 16. 배전선로 고장모의 결과 Fig. 16 Distribution line fault simulation result

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 송전선로나 배전선로들로부터 발생되는 고장은 물론 변전소 내부 고장 발생 시 그 파급효과를 최소화하기 위한 보호협조 방법론에 대해서 연구한다. 변전소 보호협조 방법론은 복잡하고 불확실성을 포함하는 복합한 문제이기 때문에 본 논문에서는 변전소 보호협조의 기본적인 논리를 연구하는 것을 목표로 한다.
따라서 본 연구에서는 송전선로나 배전선로들로부터 발생되는 고장은 물론 변전소 내부 고장 발생 시 그 파급효과를 최소화하기 위한 보호협조 방법론에 대해서 연구한다. 변전소 보호협조 방법론은 복잡하고 불확실성을 포함하는 복합한 문제이기 때문에 본 논문에서는 변전소 보호협조의 기본적인 논리를 연구하는 것을 목표로 한다. 변전소 종류를 조사하고 변전소 모선방식을 분석한다.
본 논문에서는 앞에서 기술된 변전소의 모선 보호계전 논리와 선로 보호계전 논리를 검증하기 위해서 EMTP 모델링을 수행하였다. 먼저 154kV 변전소의 모델링을 수행하였다.
본 연구에서는 송전선로나 배전선로들로부터 발생되는 고장은 물론 변전소 내부 고장 발생 시 그 파급효과를 최소화하기 위한 보호협조 방법론에 대해서 연구하였다. 변전소의 전력 공급 신뢰성에 핵심적인 영향을 미치는 모선 방식을 분석하였으며, 변전소 보호협조의 기본 계전 논리인 비율차동 보호계전 논리와 과전류 보호계전 논리를 연구하였다.

제안 방법

먼저 154kV 변전소의 모델링을 수행하였다. 154kV 변전소는 우리나라에서 가장 일반적으로 적용되고 있는 이중모선 단일차단 모선방식을 채택하였으며, 6개의 송전선로와 4개의 주변압기로 구성하였다. 또한 각 주변압기는 주변압기의 OA/FA용량 45/60[MVA]를 고려하여 7개의 배전선로들로 구성하여 선로 보호계전논리를 시뮬레이션 할 수 있도록 하였다.
변전소의 전력 공급 신뢰성에 핵심적인 영향을 미치는 모선 방식을 분석하였으며, 변전소 보호협조의 기본 계전 논리인 비율차동 보호계전 논리와 과전류 보호계전 논리를 연구하였다. 다음 EMTP-RV를 기반으로 기본 보호계전 논리를 포함하는 154kV 변전소를 모델링하였다. 그리고 EMTP-RV 모델링 결과를 기반으로 배전선로, 23kV 모선, 주변압기 그리고 송전선로 상에서 각각 고장을 모의하여 보호협조논리의 정상적인 동작을 확인하였다.
또한 각 주변압기는 주변압기의 OA/FA용량 45/60[MVA]를 고려하여 7개의 배전선로들로 구성하여 선로 보호계전논리를 시뮬레이션 할 수 있도록 하였다. 다음 각 주변압기에 적용하기 위한 비율차동 계전논리를 모델링하였으며 끝으로 재폐로 기능을 가지는 선로 과부하 보호계전논리를 모델링하였다. 그림 11은 보호계전 논리를 포함하는 154kV 변전소의 EMTP 모델링 결과를 보인다.
변전소 종류를 조사하고 변전소 모선방식을 분석한다. 다음 변전소의 보호협조 기본논리 및 방법론을 연구하고 154kV 변전소의 대표적인 보호협조논리를 EMTP-RV를 이용하여 모델링한 후 고장모의를 통해 그 유효성을 검증한다.
단일모선의 단점인 공급 신뢰성을 개선하기 위해 고안된 모선방식으로 모선 섹션 차단기에 의해 구분되는 2개의 단일모선으로 구성된다. 모선 섹션 차단기는 운전 중 투입상태를 유지하다가 고장이나 점검 시 개방됨으로서 해당 모선을 계통으로부터 분리, 단일모선 방식에 비해 신뢰성을 개선할 수 있으나 모선 구분 차단기가 추가적으로 요구되고 차단기 점검 시 해당회로는 동일하게 정전을 경험하는 단점을 가진다.
154kV 변전소는 우리나라에서 가장 일반적으로 적용되고 있는 이중모선 단일차단 모선방식을 채택하였으며, 6개의 송전선로와 4개의 주변압기로 구성하였다. 또한 각 주변압기는 주변압기의 OA/FA용량 45/60[MVA]를 고려하여 7개의 배전선로들로 구성하여 선로 보호계전논리를 시뮬레이션 할 수 있도록 하였다. 다음 각 주변압기에 적용하기 위한 비율차동 계전논리를 모델링하였으며 끝으로 재폐로 기능을 가지는 선로 과부하 보호계전논리를 모델링하였다.
본 논문에서는 앞에서 기술된 변전소의 모선 보호계전 논리와 선로 보호계전 논리를 검증하기 위해서 EMTP 모델링을 수행하였다. 먼저 154kV 변전소의 모델링을 수행하였다. 154kV 변전소는 우리나라에서 가장 일반적으로 적용되고 있는 이중모선 단일차단 모선방식을 채택하였으며, 6개의 송전선로와 4개의 주변압기로 구성하였다.
그림 11은 보호계전 논리를 포함하는 154kV 변전소의 EMTP 모델링 결과를 보인다. 변전소 보호계전 논리를 검증하기 위해서 EMTP 모델링 결과를 기반으로 수개의 고장 경우에 대한 시뮬레이션을 수행하여 그 결과를 확인 하였다.
변전소 보호협조 방법론은 복잡하고 불확실성을 포함하는 복합한 문제이기 때문에 본 논문에서는 변전소 보호협조의 기본적인 논리를 연구하는 것을 목표로 한다. 변전소 종류를 조사하고 변전소 모선방식을 분석한다. 다음 변전소의 보호협조 기본논리 및 방법론을 연구하고 154kV 변전소의 대표적인 보호협조논리를 EMTP-RV를 이용하여 모델링한 후 고장모의를 통해 그 유효성을 검증한다.
본 연구에서는 송전선로나 배전선로들로부터 발생되는 고장은 물론 변전소 내부 고장 발생 시 그 파급효과를 최소화하기 위한 보호협조 방법론에 대해서 연구하였다. 변전소의 전력 공급 신뢰성에 핵심적인 영향을 미치는 모선 방식을 분석하였으며, 변전소 보호협조의 기본 계전 논리인 비율차동 보호계전 논리와 과전류 보호계전 논리를 연구하였다. 다음 EMTP-RV를 기반으로 기본 보호계전 논리를 포함하는 154kV 변전소를 모델링하였다.

성능/효과

그림 15를 통해서 EMTP 모델로 개발된 주변압기 상의 비율 차동 계전기가 비율차동 보호계전논리에 기반 하여 주변압기 고장을 정확하게 인식, 동작함으로서 고장을 차단하는 것을 확인할 수 있다. EMTP 모의결과를 통해서, 비율차동 계전논리에 대한 EMTP 모델링의 정확성과 유효성을 확인할 수 있다. 일반적으로 비율차동 계전기는 재폐로 동작을 하지 않도록 설계된다.
다음 EMTP-RV를 기반으로 기본 보호계전 논리를 포함하는 154kV 변전소를 모델링하였다. 그리고 EMTP-RV 모델링 결과를 기반으로 배전선로, 23kV 모선, 주변압기 그리고 송전선로 상에서 각각 고장을 모의하여 보호협조논리의 정상적인 동작을 확인하였다.
그림 15는 주변압기 2차 측의 3상 단락고장 모의에 대한 EMTP 모의 결과를 보인다. 그림 15를 통해서 EMTP 모델로 개발된 주변압기 상의 비율 차동 계전기가 비율차동 보호계전논리에 기반 하여 주변압기 고장을 정확하게 인식, 동작함으로서 고장을 차단하는 것을 확인할 수 있다. EMTP 모의결과를 통해서, 비율차동 계전논리에 대한 EMTP 모델링의 정확성과 유효성을 확인할 수 있다.
그림 16은 송전선로 고장에 대한 EMTP 3상 단락 고장 모의 결과를 보인다. 송전선로상의 계전기 과전류 보호계전원리가 정확하게 동작하여 고장 전류를 인식, 고장을 차단하며 재폐로 동작이 정확하게 실행됨을 알 수 있다. 일반적으로 송전선로에서는 1회의 재폐로 동작만을 허용하지만 본 고장모의에서는 수차례의 재폐로 동작을 설정, 고장을 모의함으로서 그림 16과 같은 고장 파형을 보였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전력계통이란 무엇인가?	전력계통은 발전소로부터 발전된 전력을 국가 전산업에 공급하는 에너지 공급망으로서, 장거리 대전력 전송 및 폭 넓게 분산된 부하에 전력을 공급하기 위해 서로 다른 전압레벨을 가지는 발전, 송전 그리고 배전 시스템으로 구성된다.
	변전소를 설계하기 어려운 이유는 무엇인가?	변전소는 변전설비들이 제한된 장소에 집중되어 구조적으로 복잡하기 때문에 송전선로나 배전선로 상에서 고장발생 시 고장파급효과를 최소화하기 위한 보호협조 시스템을 설계하기가 쉽지 않다. 본 연구에서는 변전소 전력공급 신뢰성에 핵심적인 영향을 미치는 모선 방식과 보호협조 기초논리를 분석하였으며 EMTP-RV 기반으로 변전소 내부 및 외부 고장을 정확하게 검출하기 위한 변전소 보호협조 논리를 모델링하였다.
	변전소 내부 고장 발생 시 파급효과를 최소화하기 위한 보호협조 방법론의 연구를 진행하게 된 계기는 무엇인가?	154kV 변전소에는 이들 고장들로부터 그 파급효과를 최소화하기 위한 보호협조 시스템이 설계되는데 송전선로, 배전선로 그리고 변전 설비들이 제한된 장소에 집약되고 전압레벨들이 다르기 때문에 보호협조논리를 매우 복잡하게 한다[1-3]. 특히 방향성은 물론 계전기나 보호기기들이 부동작하는 경우 고장이 후비지역으로 파급됨으로서 심각한 고장파급효과를 경험하게 되는데, 전력회사들은 이러한 불확실성을 포함하는 문제를 해소하기 위해 많은 노력을 기울이고 있으나 고장원인이 다양하고 불확실성을 포함하기 때문에 보호협조 조직을 설계하는데 어려움을 겪고 있다[4-12].

참고문헌 (12)

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C. Martin, "Bus Protection Considerations for Various Bus Types," 69th Annual Georgia Tech Protective Relaying Conference, Atlanta, Georgia, 2015.
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T. Smith, "Bus Protection Fundamentals," 2017 Texas A&M Protective Relay Conference, Texas A&M University, College Station, Texas, USA, Apr. 2017.
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Y. Kim, M. Kim, G. Park, and J. Kim, "Design of a Current Transducer and Over-Current Fault Detection Circuit for Power Strip Applications," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 10, no. 8, Aug. 2015, pp. 921-926.

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H. Song, K. Park, and E. Kim, "Design and Implementation of Stand-alone Microgrid Monitoring System for Green Energy Independence Island," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 10, no. 4, Oct. 2015, pp. 527-532.

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J. Joo and J. Oh, "Efficient Grid-Independent ESS Control System by Prediction of Energy Production Consumption," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 14. no. 1, Feb. 2019, pp. 155-160.

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J. Park, "AMI System Using Smart Electricity Meter Embedded with Home Concentrate Unit," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 14, no. 3, June 2019, pp. 537-546.

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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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