[논문]직류 비접지계통에서 절연저항측정장치(IMD)를 이용한 사고검출 알고리즘

김기영; 이후동; 태동현; 노대석

doi:10.5762/kais.2020.21.9.528

직류 비접지계통에서 절연저항측정장치(IMD)를 이용한 사고검출 알고리즘
Algorithm of Detecting Ground Fault by Using Insulation Monitoring Device(IMD) in Ungrounded DC System 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.21 no.9, 2020년, pp.528 - 535

김기영 (한국기술교육대학교 전기공학과) , 이후동 (한국기술교육대학교 전기공학과) , 태동현 (한국기술교육대학교 전기공학과) , 노대석 (한국기술교육대학교 전기공학과)

초록
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최근 신재생에너지 및 분산전원의 급속한 보급과 직류부하의 증가로 인하여 직류급전에 대한 관심이 높아지고 있으며, 이에 대한 보호협조방식에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 그러나 직류급전방식을 사용하는 기존의 직류 부하망과 도시철도 등은 비접지방식인 IT 접지 시스템으로서 지락고장발생 시 고장전류의 경로가 없고, 정상상태 전류에 비하여 큰 차이가 발생하지 않기 때문에 지락고장검출이 어려운 실정이다. 따라서 본 논문에서는 절연저항측정장치(IMD : Insulation Monitoring Device)를 직류 비접지계통의 보호기기로 활용하기 위하여, IMD의 검출원리를 정식화한다. 이를 바탕으로 IMD의 신호주입방식에 의한 출력 값을 웨이블릿변환기법으로 분석하여, 사고검출을 신속하고, 정확하게 판단할 수 있는 검출알고리즘을 제안한다. 또한, 상용전력 계통해석프로그램인 PSCAD/EMTDC를 이용하여, 직류 비접지계통과 IMD를 모델링하고, MATLAB을 이용한 웨이블릿변환 수치해석모델링을 수행한다. 이를 바탕으로 직류 비접지계통의 지락사고를 해석한 결과, 본 논문에서 제안한 IMD의 사고검출 알고리즘의 유효성을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, the protection coordination method of DC systems has been presented because renewable energy and distributed resources are being installed and operated in distribution systems. On the other hand, it is difficult to detect ground faults because there is no significant difference compared to a steady-state current in ungrounded IT systems, such as DC load networks and urban railways. Therefore, this paper formulates the detection principle of IMD (Insulation Monitoring Device) to use it as a protection coordination device in a DC system. Based on the signal injection method of IMD, which is analyzed by a wavelet transform, this paper presents an algorithm of detecting ground faults in a DC system in a fast and accurate manner. In addition, this paper modeled an IMD and an ungrounded DC system using the PSCAD/EMTDC S/W and performed numerical analysis of a wavelet transform with the Matlab S/W. The simulation results of a ground fault case in an ungrounded DC system showed that the proposed algorithm and modeling are useful and practical tools for detecting a ground fault in a DC system.

주제어

표/그림 (17)

그림 Fig. 1. Protection method of IMD
그림 Fig. 2. Measurement time interval of IMD
그림 Fig. 3. Various general function of wavelet form
표 Table 1. Application values of IMD
그림 Fig. 4. Types of m order waveforms in daubechies’s general function
그림 Fig. 5. Multi(n) level of wavelet filter
그림 Fig. 6. Fault detection algorithm of IMD
그림 Fig. 7. Modeling of IMD for ungrounded DC system
그림 Fig. 8. Modeling of signal generator in IMD
그림 Fig. 9. Mother function with DWT
그림 Fig. 10. Modeling of wavelet transform with Matlab
그림 Fig. 11. Composite waveform of signal generator inIMD
그림 Fig. 12. Simulation conditions of numerical analysis in Matlab
그림 Fig. 13. Characteristics of ground faults withPSCAD/EMTDC (a) Voltage wave(above), (b) Current wave(below)
그림 Fig. 14. Characteristics of numerical analysis with Matlab
그림 Fig. 15. Characteristics of current(s) and factor(a) by wavelet transform with Daubechies
그림 Fig. 16. Characteristics of fault current by wavelet transform with Daubechies

AI 본문요약
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문제 정의

그러나 이러한 비접지 직류계통은 지락고장 발생 시 고장전류의 경로가 없고, 정상상태 전류에 비하여 큰 차이가 발생하지 않기 때문에 지락고장검출이 어려운 실정이다[6-9]. 따라서 본 논문에서는 직류 비접지계통의 지락사고 보호기기로서 절연저항측정장치(IMD : Insulation Monitoring Device)를 적용하기 위하여, IMD의 사고검출원리 및 기존계통에서 적용사례를 분석한다. 또한, IMD의 신호주입방식에 의한 출력 값을 웨이블릿변환기법으로 분석하여, 사고검출을 신속하고, 정확하게 판단할 수 있는 알고리즘을 제안한다.

가설 설정

[STEP 1] 사고검출에 사용할 모함수 파형(Daubechies, Haar, Bior, Sym 등) 및 모함수 파형의 차수(m)를 상정한다.

제안 방법

(1) IMD의 절연저항측정 및 보호방식을 분석하기 위하여, 펄스전원 인가방식 IMD의 구조적 특성을 분석하고, IMD와 타 보호기기간 보호협조 가능성을 확인하기 위하여, 각 펄스동안의 계통누설 커패시턴스 충・방전시간에 대한 수식을 정식화하였다. 이를 통해, IMD가 사고발생 시부터 사고를 감지하기까지 약 3.
(2) 비접지 직류계통의 지락사고 시, 수[mA] 이내의 미미한 사고전류 값을 확실하게 검출하기 위하여, 국부적인 영역의 과도신호 분석에 유용한 웨이블릿 변환을 이용하여, 지락사고를 검출하는 알고리즘을 제안하였다.
따라서 본 논문에서는 직류 비접지계통의 지락사고 보호기기로서 절연저항측정장치(IMD : Insulation Monitoring Device)를 적용하기 위하여, IMD의 사고검출원리 및 기존계통에서 적용사례를 분석한다. 또한, IMD의 신호주입방식에 의한 출력 값을 웨이블릿변환기법으로 분석하여, 사고검출을 신속하고, 정확하게 판단할 수 있는 알고리즘을 제안한다. 한편, 상용 계통해석 프로그램인 PSCAD /EMTDC를 이용하여, 직류 비접지계통과 IMD를 모델링하고, MATLAB을 이용한 웨이블릿변환 수치해석모델링을 수행한다.
이를 통해 직류 비접지계통 지락사고를 시뮬레이션하고, 그 결과를 수치 해석하여 본 논문에서 제안한 알고리즘의 유효함을 확인한다. 또한, 신호주입방식의 IMD의 모델링 및 시뮬레이션 분석을 통하여, IMD보호기기의 특성을 분석하고 직류 비접지계통의 적절한 보호협조방안을 제안한다.
본 논문에서는 IMD의 신호주입방식에 의한 출력 값을 웨이블릿변환기법으로 분석하여, 사고검출을 신속하고, 정확하게 판단할 수 있는 알고리즘을 제안하였다. 한편, 상용 전력계통 해석프로그램인 PSCAD/ EMTDC를 이용하여, 직류 비접지계통과 IMD를 모델링하고, MATLAB을 이용한 웨이블릿변환 수치해석모델링 및 시뮬레이션 분석을 수행하였다.
상기의 PSCAD/EMTDC모델링을 바탕으로 직류 비접지계통의 지락사고 검출특성을 모의하기 위하여, AC 전원부는 단상 220[V]의 전압원, DC전원부는 200[Vdc]의 전압원으로 구성된 모델계통을 상정한다. 또한, 직류 계통은 Bi-pole 비접지방식을 적용하고, 지락사고발생기는 PSCAD/EMTDC에서 제공하는 사고발생 컴포넌트를 사용하며, 고장저항을 가변시켜 계통의 특성에 따라 다양한 사고조건을 모의할 수 있도록 한다.
앞에서 분석한 바와 같이, 직류 비접지계통에서 지락이 발생되면, 고장전류의 경로가 없고, 정상상태 전류에 비하여 큰 차이가 발생하지 않기 때문에 지락고장 검출이 어렵게 된다. 이에 대한 방안으로, 본 논문에서는 국부적인 영역의 과도신호 분석에 유용한 웨이블릿 변환을 이용하여, 사고를 검출하는 알고리즘을 제안한다. IMD 사고검출 알고리즘을 구체적으로 나타내면 다음과 같다.
일반적으로 전력계통 고장해석에 사용하는 모함수 웨이블릿은 Daubechies, Coiflets, Haar 등이 있으며, 비접지직류계통의 사고특성을 정확하게 판단하기 위하여, 이와 유사한 특성의 고저항 지락고장검출에 적합한 모함수 웨이블릿을 선정해야 한다. 한편, 본 논문에서는 IMD의 신호주입방식을 통한 누설전류를 DWT으로 분석하여, 계통의 정상상태와 사고상태를 신속하고 정확하게 판단할 수 있는 지락사고 검출방안을 제안 한다.
또한, IMD의 신호주입방식에 의한 출력 값을 웨이블릿변환기법으로 분석하여, 사고검출을 신속하고, 정확하게 판단할 수 있는 알고리즘을 제안한다. 한편, 상용 계통해석 프로그램인 PSCAD /EMTDC를 이용하여, 직류 비접지계통과 IMD를 모델링하고, MATLAB을 이용한 웨이블릿변환 수치해석모델링을 수행한다. 이를 통해 직류 비접지계통 지락사고를 시뮬레이션하고, 그 결과를 수치 해석하여 본 논문에서 제안한 알고리즘의 유효함을 확인한다.
본 논문에서는 IMD의 신호주입방식에 의한 출력 값을 웨이블릿변환기법으로 분석하여, 사고검출을 신속하고, 정확하게 판단할 수 있는 알고리즘을 제안하였다. 한편, 상용 전력계통 해석프로그램인 PSCAD/ EMTDC를 이용하여, 직류 비접지계통과 IMD를 모델링하고, MATLAB을 이용한 웨이블릿변환 수치해석모델링 및 시뮬레이션 분석을 수행하였다. 이에 대한 주요 연구결과를 요약하면 다음과 같다.

데이터처리

(3) IMD의 사고검출 여부를 분석하기 위해 PSCAD/EMTDC 지락사고 시뮬레이션 결과를 MATLAB에 입력하여 웨이블릿변환 신호해석기법으로 수치해석을 수행하였다. 이를 통해, IMD의 수치해석 모델링이 직류 비접지계통의 지락사고를 정확히 검출함을 확인하였으며, 본 논문에서 제시한 방식이 직류 배전계통의 보호방안으로서 유효함을 알 수 있었다.
[STEP 4] 측정된 누설전류에 대해, Fig. 4와 같이 m 차수의 모함수 파형을 이용하여, n레벨까지 DWT 분석을 수행한다.
상기의 직류 비접지계통과 IMD보호기기의 모델링을 바탕으로 출력된 전류 값의 정상상태와 사고상태를 판단하기 위하여, 본 논문에서는 이산웨이블릿변환(DWT)의 수치해석기법을 적용한다. 수치해석을 위한 모델링은 수치해석 S/W인 MATLAB을 이용하여 DWT수치해석 모델링을 수행하였으며, 상기의 DWT수치해석기법을 바탕으로, 모함수(S)를 n차 레벨로 분석하면 Fig. 9와 같이 나타낼 수 있다.
한편, 상용 계통해석 프로그램인 PSCAD /EMTDC를 이용하여, 직류 비접지계통과 IMD를 모델링하고, MATLAB을 이용한 웨이블릿변환 수치해석모델링을 수행한다. 이를 통해 직류 비접지계통 지락사고를 시뮬레이션하고, 그 결과를 수치 해석하여 본 논문에서 제안한 알고리즘의 유효함을 확인한다. 또한, 신호주입방식의 IMD의 모델링 및 시뮬레이션 분석을 통하여, IMD보호기기의 특성을 분석하고 직류 비접지계통의 적절한 보호협조방안을 제안한다.

이론/모형

상기의 직류 비접지계통과 IMD보호기기의 모델링을 바탕으로 출력된 전류 값의 정상상태와 사고상태를 판단하기 위하여, 본 논문에서는 이산웨이블릿변환(DWT)의 수치해석기법을 적용한다. 수치해석을 위한 모델링은 수치해석 S/W인 MATLAB을 이용하여 DWT수치해석 모델링을 수행하였으며, 상기의 DWT수치해석기법을 바탕으로, 모함수(S)를 n차 레벨로 분석하면 Fig.

성능/효과

즉, d1∼d3의 경우 고장 전과 후에는 각 펄스 파형과 같은 주기로 신호의 크기가 거의 변동하지 않지만, d4∼d5의 경우 지락 고장이 발생하면 신호가 큰 폭으로 변동하여, 고장 전과 후의 신호를 확실하게 구별할 수 있음을 알 수 있다. 따라서 본 연구에서 제안한 Daubechies의 차수와 레벨을 가변하면서 특성을 분석하는 사고검출 알고리즘에 의하여, 지락고장을 효과적으로 검출할 수 있음을 확인하였다.
(3) IMD의 사고검출 여부를 분석하기 위해 PSCAD/EMTDC 지락사고 시뮬레이션 결과를 MATLAB에 입력하여 웨이블릿변환 신호해석기법으로 수치해석을 수행하였다. 이를 통해, IMD의 수치해석 모델링이 직류 비접지계통의 지락사고를 정확히 검출함을 확인하였으며, 본 논문에서 제시한 방식이 직류 배전계통의 보호방안으로서 유효함을 알 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	절연저항측정장치 방식의 보호기기는 어떤 방식인가?	일반적으로 비접지 직류계통의 절연저항을 측정하여, 지락사고를 감시하는 IMD방식의 보호기기는 Fig. 1과 같이 전력선과 대지사이에 펄스전원(직류전압)을 인가하여, 절연저항을 감시하는 방식이다.
	직류급전계통의 장점은 무엇인가?	이미 국내에서는 서거차도 등과 같은 도서지역에 마이크로그리드 구축 사업을 통하여, 저압직류계통(LVDC)을 실증한 사례가 있으며, 경전철과 같은 도시전철에서도 직류급전계통을 운용하고 있다. 한편 다수의 직류급전계통에서는 사고전류가 적고, 한 상만 지락 시 지속적인 전원공급이 가능한 장점으로 인하여, 비접지방식인 IT 접지방식을 적용하고 있다. 그러나 이러한 비접지 직류계통은 지락고장 발생 시 고장전류의 경로가 없고, 정상상태 전류에 비하여 큰 차이가 발생하지 않기 때문에 지락고장검출이 어려운 실정이다[6-9].
	비접지 직류계통에서 지락고장검출이 어려운 이유는 무엇인가?	한편 다수의 직류급전계통에서는 사고전류가 적고, 한 상만 지락 시 지속적인 전원공급이 가능한 장점으로 인하여, 비접지방식인 IT 접지방식을 적용하고 있다. 그러나 이러한 비접지 직류계통은 지락고장 발생 시 고장전류의 경로가 없고, 정상상태 전류에 비하여 큰 차이가 발생하지 않기 때문에 지락고장검출이 어려운 실정이다[6-9]. 따라서 본 논문에서는 직류 비접지계통의 지락사고 보호기기로서 절연저항측정장치(IMD : Insulation Monitoring Device)를 적용하기 위하여, IMD의 사고검출원리 및 기존계통에서 적용사례를 분석한다.

참고문헌 (11)

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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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