[논문]LabVIEW를 이용한 가상 배전계통의 HILS 시스템 구축에 관한 연구

이원석; 황선환; 김태성

doi:10.7471/ikeee.2020.24.2.385

LabVIEW를 이용한 가상 배전계통의 HILS 시스템 구축에 관한 연구
A Study on HILS System for Virtual Distribution System Using LabVIEW 원문보기

전기전자학회논문지 = Journal of IKEEE, v.24 no.2, 2020년, pp.385 - 391

이원석 (Dept. of Electronics Engineering, Kyungnam University) , 황선환 (Dept. of Electronics Engineering, Kyungnam University) , 김태성 (Eco-friendly Vehicle R&D Division, Korea Automotive Technology Institute)

초록
AI-Helper

배전계통에서의 과전류 및 이상 전압 현상은 전력설비에 부담을 줄 뿐만 아니라 수용가에 치명적인 피해를 입힐 수 있다. 그로 인해 실시간 배전계통 시뮬레이터를 활용하여 신속한 고장처리와 정전구간 축소 및 고장복구를 통한 전력공급의 신뢰도를 높이는 배전자동화 관련 연구가 활발히 진행되고 있다. 기존의 디지털 시뮬레이터를 이용한 배전계통 모의시스템은 고가의 설비로 시스템 구축에 제약이 있고 실 배전계통을 통한 검증 또한 불가능하다. 본 논문에서는 배전계통 디지털 시뮬레이터의 계통해석결과를 기반으로 배전자동화용 단말장치와의 연동을 통해 실시간 시뮬레이션 및 기능검증이 가능한 시스템을 개발하였다. 제안한 시스템의 효용성은 실험을 통해 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Overcurrent and abnormal voltages in the distribution system can cause not only burden of power plant but also damage to customers. As a result, researches related to the distribution automation have been widely conducted by utilizing a real time digital simulation to improve the reliability of power supply through rapid failure handing, reduction of power failure intervals and failure recovery. However, the distribution automation systems using the real time digital simulator are expensive and limited to verify actual hardwares. Therefore, in this paper, an external hardware devices was developed based on the distribution system analysis results of the digital simulator. And real-time simulation and functional verification are implemented by the real feeder remote terminal units used in distribution automation. The effectiveness of the proposed system is verified through several experiments.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 1. Power distribution system simulated by DAS. 그림 1. 모의 배전계통 구성도
그림 Fig. 2. HILS system structure interlocked with actual hardware. 그림 2. 실제 하드웨어와 연동된 HILS 시스템 구조
그림 Fig. 3. DB data extraction using LabVIEW. 그림 3. LabVIEW를 이용한 DB 데이터 추출
그림 Fig. 4. Transmission of analysis results using TCP/IP. 그림 4. TCP/IP 통신을 이용한 해석결과 전송
그림 Fig. 5. Overall system configuration. 그림 5. 전체 시스템 구성
그림 Fig. 6. Hardware configuration of interface device. 그림 6. 인터페이스 장치의 하드웨어 구성
표 Table 1. Specifications of interface device. 표 1. 인터페이스 장치의 사양
그림 Fig. 7. Flow chart based on HILS. 그림 7. HILS 기반 동작 흐름도
그림 Fig. 8. Phase disconnection test (a) Voltage waveforms, (b) Output results of FRTU. 그림 8. 단선/결상 시험 (a) 전압파형, (b) FRTU 출력결과
그림 Fig. 9. Phase difference test (a) Voltage waveforms, (b) Output results of FRTU. 그림 9. 위상불일치 시험 (a) 전압파형, (b) FRTU 출력결과
그림 Fig. 10. Line to ground fault test (a) Voltage and current waveforms, (b) Output results of FRTU. 그림 10. 지락고장 시험 (a) 전압 및 전류파형, (b) FRTU 출력결과

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 논문에서는 기존의 RTDS의 역할을배전계통의 시뮬레이션을 위한 배전자동화 시뮬레이터와 실제 배전계통의 전압/전류 및 다양한 고장상황을 모의할 수 있는 인터페이스 장치를 연동하여 실제 단말장치와의 HILS 시스템을 연동하여 배전계통을 모의하고자 한다.
배전계통 시뮬레이션은 신뢰성 높은 전력공급을 위해 여러 알고리즘을 적용하여 고장상황을 신속히 검출하고 이를 복구하는데 그 목적이 있다.
이러한 단점을 해결하고자 본 논문에서는 배전선로 자동화 설비인 단말장치와의 실시간 연동을위해 고성능 DSP(Digital Signal Processor)를 이용한 인터페이스 장치를 개발하고 실시간 계통해석 시뮬레이션 프로그램인 배전자동화시스템(DistributionAutomation System, DAS)의 배전계통 해석결과를 기반으로 FRTU(Feeder Remote Terminal Unit)단말장치와 실시간 시뮬레이션이 가능한 HILS 시스템을 구현하였다.

제안 방법

그림 7은 HILS 기반 단말장치 연동시험의 주요 동작 흐름도이다. 가공용 FRTU 단말장치의 동작시험은 단선/결상시험, 위상불일치 시험, 지락고장 및 복구 시험을 진행하였다. 이를 통해 구현된 HILS시스템이 정상적으로 동작됨을 검증하였다.
이러한 단점을 해결하고자 본 논문에서는 배전선로 자동화 설비인 단말장치와의 실시간 연동을위해 고성능 DSP(Digital Signal Processor)를 이용한 인터페이스 장치를 개발하고 실시간 계통해석 시뮬레이션 프로그램인 배전자동화시스템(DistributionAutomation System, DAS)의 배전계통 해석결과를 기반으로 FRTU(Feeder Remote Terminal Unit)단말장치와 실시간 시뮬레이션이 가능한 HILS 시스템을 구현하였다. 또한, LabVIEW 기반 양방향 TCP/IP 통신을 구성하여 배전자동화시스템과 인터페이스 장치간의 실시간 데이터 통신 및 사용자측면에서 계통해석 결과 및 실시간 인터페이스 상황을 쉽게 모니터링 할 수 있도록 하는 HMI(HumanMachine Interface)를 구성하였다.
본 논문에서는 고성능 DSP를 기반으로 실제 배전계통의 상황을 유기적으로 모의하여 줄 수 있는 아날로그 인터페이스 장치와 배전자동화 디지털 시뮬레이터의 계통해석결과를 DB에서 실시간으로 추출하고 가공하여 송/수신할 수 있는 LabVIEW와의 연계를 통해 배전계통을 실시간 시뮬레이션 할 수 있는 Hardware In the Loop Simulation 시스템을 구축하였다. 뿐만 아니라 실제 배전계통에서 운용되는 가공용 단말장치와의 연동시험을 통해 시스템의 신뢰성과 운용 가능성을 검증하였다.
본 논문에서는 고성능 DSP를 기반으로 실제 배전계통의 상황을 유기적으로 모의하여 줄 수 있는 아날로그 인터페이스 장치와 배전자동화 디지털 시뮬레이터의 계통해석결과를 DB에서 실시간으로 추출하고 가공하여 송/수신할 수 있는 LabVIEW와의 연계를 통해 배전계통을 실시간 시뮬레이션 할 수 있는 Hardware In the Loop Simulation 시스템을 구축하였다. 뿐만 아니라 실제 배전계통에서 운용되는 가공용 단말장치와의 연동시험을 통해 시스템의 신뢰성과 운용 가능성을 검증하였다. 향후 배전계통의 연속적인 모의 동작이 가능하도록 배전자동화용 지중용 단말장치, 다회로 차단기 및 리클로저 등을 배전계통 디지털 시뮬레이션과 연동이 될 수 있도록 HILS 시스템을 확장하고자 한다.
이를 위해 각 단말장치와의 연동을 위한 인터페이스 장치내의 이더넷 IC 소자를 이용하여 LabVIEW로 부터 계통해석결과를 송/수신하고 DSP 내의 외부 데이터라인을 통해 계통해석결과 값을 얻는다.
이를 위해 본 논문에서는 실제 배전계통에서 사용되는 가공용 FRTU 단말장치를 대상으로 배전자동화 시뮬레이터의 계통 해석결과를 오차 없이 모의할 수 있는 HILS 시스템을 이용하여 적용한 알고리즘의 타당성을 높일 수 있는 개발환경을 구축하고 대표적인 고장상황을 모의하였다.
LabVIEW의 DB 접속 툴을 이용하여 전체 프로그램 주기마다 업데이트된 계통해석결과를 배열형태로 저장한다. 이후 각 인터페이스 장치와의 통신을 통해 실시간으로 가공된 계통해석결과를 전송한다.
정상동작 과정에서 A상 전류의 지락고장 지령 시 DSP 기반의 인터페이스 장치 전류출력은 그림 10의 (a)와 같이 변동하고 해당 FRTU 단말장치 또한 FI 신호를 출력한다. 이후, 디지털 시뮬레이터에서는 고장검출 알고리즘을 통해 고장구간을 배전계통과 분리하고 고장을 신속하게 처리한 후 정상적인 선로로 복구하는 과정을 진행한다.

성능/효과

가공용 FRTU 단말장치의 동작시험은 단선/결상시험, 위상불일치 시험, 지락고장 및 복구 시험을 진행하였다. 이를 통해 구현된 HILS시스템이 정상적으로 동작됨을 검증하였다.

후속연구

뿐만 아니라 실제 배전계통에서 운용되는 가공용 단말장치와의 연동시험을 통해 시스템의 신뢰성과 운용 가능성을 검증하였다. 향후 배전계통의 연속적인 모의 동작이 가능하도록 배전자동화용 지중용 단말장치, 다회로 차단기 및 리클로저 등을 배전계통 디지털 시뮬레이션과 연동이 될 수 있도록 HILS 시스템을 확장하고자 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	배전계통의 실시간 시뮬레이션을 위해서는 무엇이 필요한가?	배전자동화 시뮬레이터는 계통해석 값을 실시간으로 DB(Database)에 업데이트 하게 된다. 따라서 배전계통의 실시간 시뮬레이션을 위해서는 배전자동화 시뮬레이터에서 모의한 배전계통의 전압/전류의 아날로그 값과 FI신호, 단상/결상, 위상불일치 등의 디지털 값을 인터페이스 장치로 정확히 전달하여야한다.
	HILS란 무엇인가?	HILS는 기존의 디지털 시뮬레이션으로 모델링되어있던 시스템의 일부분을 실제 하드웨어로 구성해 시뮬레이션 하는 방법이다. 이는 기존의 시뮬레이션 결과보다 더 정확한 결과를 얻을 수 있어 시뮬레이션의 신뢰도가 높고 다양한 시나리오로 구성할 수 있어 비용과 시간을 줄일 수 있고 실험장소의 제약이 없다는 장점이 있다.
	배전자동화 관련 연구가 활발히 이루어 지는 이유는 무엇인가?	배전계통에서의 과전류 및 이상 전압 현상은 전력설비에 부담을 줄 뿐만 아니라 수용가에 치명적인 피해를 입힐 수 있다. 그로 인해 실시간 배전계통 시뮬레이터를 활용하여 신속한 고장처리와 정전구간 축소 및 고장복구를 통한 전력공급의 신뢰도를 높이는 배전자동화 관련 연구가 활발히 진행되고 있다.

참고문헌 (8)

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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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