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KR100709980B1 - 비접지 배전계통에서 영상전류 위상차와 크기 비교에 의한고장구간 검출방법 및 시스템 - Google Patents

비접지 배전계통에서 영상전류 위상차와 크기 비교에 의한고장구간 검출방법 및 시스템 Download PDF

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KR100709980B1
KR100709980B1 KR1020050099764A KR20050099764A KR100709980B1 KR 100709980 B1 KR100709980 B1 KR 100709980B1 KR 1020050099764 A KR1020050099764 A KR 1020050099764A KR 20050099764 A KR20050099764 A KR 20050099764A KR 100709980 B1 KR100709980 B1 KR 100709980B1
Authority
KR
South Korea
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line
fault
phase difference
section
magnitude
Prior art date
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Expired - Fee Related
Application number
KR1020050099764A
Other languages
English (en)
Inventor
최면송
임성일
이승재
Original Assignee
명지대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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    • Y04S10/20—Systems supporting electrical power generation, transmission or distribution using protection elements, arrangements or systems
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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Locating Faults (AREA)
  • Remote Monitoring And Control Of Power-Distribution Networks (AREA)
  • Emergency Protection Circuit Devices (AREA)

Abstract

본 발명은 비접지 배전계통에서의 영상전류 위상차와 크기 비교에 의한 고장구간 검출방법 및 장치에 관한 것으로서, 선로 단말장치에서 측정되는 선간전압과 영상전류의 위상차와 영상전류의 크기 비교에 의해 고장구간을 검출하기 위한 것이다.
이를 위하여 본 발명은, 비접지 배전계통의 선로 각 구간에 설치되어 선간단락 전압과 영상전류의 위상차와 크기를 측정하여 중앙으로 전송하며, 중앙의 지령에 따라 개폐기 스위치의 개방 또는 투입 명령을 수행하는 다수 개의 선로 단말장치와; 선로에 고장이 발생한 경우 자기 회선의 고장 발생 여부를 검출하여 중앙으로 전송하는 고장회선 검출장치와; 고장회선 검출장치에서 고장정보가 전송되면 해당 선로의 각 단말장치에 위상차와 크기 정보의 전송을 요청하여 해당 선로의 고장 구간을 판정하고, 연계 스위치를 투입하여 고장구간을 계통으로부터 분리하고 건전구간을 연계선로로 절체하여 부하에 전력공급을 지속하는 중앙제어장치를 포함하는 영상전류 위상차와 크기 비교에 의한 고장구간 검출장치를 제공하여, 고장 구간을 쉽게 판별할 수 있으며, 정전없이 부하에 전력을 지속적으로 공급할 수 있게 한다.
비접지, 배전계통, 영상전류, 위상차, 크기, 비교, 고장구간, 검출, 분리

Description

비접지 배전계통에서 영상전류 위상차와 크기 비교에 의한 고장구간 검출방법 및 시스템{Method and apparatus for detecting a fault section using comparison of phase difference and magnitude difference bewteen zero phase currents in ungrounded distribution power systems}
도 1은 종래의 비접지 배전계통에서 지락사고 발생시 순송방식을 이용하여 고장구간을 분리하고 복구하는 과정을 예시한 도면
도 2는 본 발명에 의한 고장구간 검출장치의 구성도 및 각 동작에 대한 설명을 도시한 도면
도 3은 본 발명을 설명하기 위하여 예시한 비접지 배전 계통에서의 지락고장 발생시 영상전류의 분포를 도시한 도면
도 4는 본 발명을 설명하기 위하여 예시한 비접지 배전 계통에서의 지락고장 발생시 고장점을 중심으로 고장회선의 영상전류의 방향을 도시한 도면
도 5는 본 발명에 의한 비접지 배전 계통에서의 지락고장 발생시 고장구간 판단 영역을 도시한 그래프
도 6은 본 발명에 따른 실시예를 적용하는 모의 계통 및 시스템 구성도
도 7은 지락 고장후에 각 회선에 나타나는 영상전류와 모선의 영상전압을 도시한 벡터도
도 8은 지락 고장후 고장 회선의 각 단말기에서 측정된 선간단락 전압과 영상 전류를 도시한 벡터도
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 고장회선 검출장치 21,22 : 선로 단말장치
30 : 중앙제어장치
본 발명은 비접지 배전계통에서 영상전류 위상차와 크기 비교에 의한 고장구간 검출 방법 및 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 비접지 방식의 배전 계통에 있어서 1선 지락 고장이 발생한 경우, 고장회선 검출장치, 선로의 선간전압과 영상전류 측정 단말기, 그리고 전체 시스템을 구성하는 중앙장치와 선로의 각 단말기에서 측정된 영상전류와 선간 전압의 위상차와 크기를 비교하여 고장구간을 검출하고 정전 없이 고장구간을 계통으로부터 분리하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
일반적으로 배전 계통에 있어서, 비접지 방식은 선로의 긍장이 짧고 전압이 낮은 계통에 사용되는데, 이러한 선로에서는 대지 정전 용량이 작기 때문에 충전 전류도 크지 않다. 비접지 계통의 선로에 1선 지락 고장이 발생하면 건전상의 대지 정전 용량에 의한 고장 전류가 고장점으로 유입되지만, 그 크기가 매우 작아서 전력 공급을 계속할 수 있다. 또한 주요 변압기가 △-△로 결선되어 있으므로 변압기의 고장 또는 점검 수리 작업시 Ｖ결선으로 전환해서 송전을 계속할 수 있다는 장 점이 있다.
그러나, 비접지 계통이 확대되면 정전용량이 증가하게 되고 1선 지락 고장 시 충전 전류에 의한 간헐 아크 지락을 일으켜서 이상 전압이 발생하게 된다. 또한 1선 지락 고장 시 고장 전류가 수 암페어 이하이므로 고장감지의 어려움이 있어 지락 보호 계전기의 확실한 동작을 기대하기 어렵다. 그리고 보호 실패시 고장 범위의 확대와 단락 고장으로 발전될 가능성이 있다. 만약 배선 계통에 고장이 발생하는 경우, 손쉽고 자동적으로 고장의 종류와 위치를 판별하는 장치가 없다면 계통 관리자는 고장점을 찾아내기 위하여 광범위한 송배전 선로 구간을 육안으로 확인하여야 한다. 이러한 작업은 많은 인력과 정전비용이 요구된다. 따라서, 고장 종류 판정과 고장점의 검출에 대한 연구는 현실적으로 그 필요성이 높다.
비접지 계통의 보호 방식으로는, 1회선인 경우는 지락 과전압 계전 방식(OVGR)이 사용되고 있으며, 다회선인 경우는 고장 회선의 판별을 위해 모선의 영상 전압과 각 회선의 영상 전류을 이용한 방향 지락 계전 방식(DGR)이 사용되고 있다.
최근 비접지 계통 보호 방법으로 네트워크 계통의 보호를 위해 방향지락계전 방식을 응용하고 전압, 전류 측정점으로부터 고장 거리를 계산하는 알고리즘, 기본파 전압, 전류를 이용하여 고장의 방향을 진단하는 알고리즘, 고저항 접지 계통의 고장 거리계산을 위한 고장 신호 해석, 펄스 고장 감지기를 이용하여 실제 산업 계통 보호에 적용 및 고장 감지에 영향을 끼치는 다양한 요소에 대한 영향 분석 등의 논문이 소개되고 있다. 또한, 선택지락 과전류 계전기를 이용하여 고장회선을 탐색하는 순송방식이 사용되고 있다.
그러나 이들 연구는 고장 회선을 결정하는데 국한되어 있어 1선 지락 고장 시 고장상을 판별하는데 어려움이 있으며, 최근 배전자동화 시스템의 도입으로 배전 변전소 및 다양한 기능을 수행하는 자동화 개폐기에서 고장상을 검출할 수 있는 알고리즘이 요구되고 있다. 또한, 지중 케이블 사용의 증가로 고장상을 판별하는 문제의 중요성이 보다 증대되고 있다.
한편, 도 1은 종래의 비접지 배전계통에서 지락사고 발생시 순송방식을 이용하여 고장구간을 분리하고 복구하는 과정을 예시한 도면이고, 이러한 배전 계통에서 고장이 발생한 경우의 고장 처리 과정에 대한 타임 챠트는 아래의 표 1과 같다.
Figure 112005059826379-pat00001
상기 배전 선로에 고장이 발생하면 방향지락계전기(SGR)에 의해서 고장회선을 판정한 후에 차단기(Circuit Braker;이하 'CB'라 한다)가 동작하여 고장난 회선의 선로가 정전된다. 일본에서는 대부분 리클로져를 사용하지 않기 때문에 선로 전구간의 정전이 필수적이다. CB가 동작하여 무전압이 되면 해당 배전선로의 모든 순송식 자동화 개폐기가 자동으로 개방된다. 일정시간 후에 CB가 재폐로하여 배전 선로를 가압시키고 순차적으로 첫 번째, 두 번째, 세 번째 순으로 자동화 개폐기가 투입된다. 고장구간의 바로 직전의 자동화 개폐기가 투입되면 영구고장 상태가 지속되고 있으므로 변전소의 CB가 다시 동작하며, 이때 고장점 바로 앞에서 최종적으로 투입됐던 개폐기는 투입된 후 정해진 시간 이전에 다시 정전되었기 때문에 자기가 보호하는 구간에서 영구 고장이 발생했음을 판단하여 Lock된다. 고장 구간 직후의 개폐기는 전원이 가압된 후 정해진 시간 동안 가압 상태가 유지되지 못한 채 전원이 없어졌기 때문에 바로 자기 앞의 전원 측에서 고장이 발생하였다고 판단하여 Lock된다. 이후의 동작은 처음과 같이 차단기가 일정 시간 후에 재투입되고 첫 번째, 두 번째 등 자동화 개폐기가 일정 시간 간격으로 재투입되면서 전원측의 건전구간에는 전기가 공급되게 된다.
전술한 고장 처리 방식은 배전 계통이 다른 선로와 연계가 가능하도록 구성되어 있지만, 대부분 Loop 운전하지 않고 항상 수지상 방식으로 운전되고 있는 우리나라 배전 계통을 포함하여 모든 배전 선로에 적용이 가능하다. 그러나 일본에서 적용하고 있는 보호 방식으로는 고장 회선의 판단 및 순송 방식을 이용한 고장 구간 판단이 가능하지만, 순송 방식을 이용하므로 고장구간을 찾는 과정에서 부하에 전력공급이 중단되는 정전을 피할 수 없으며, 개폐기를 열고 닫는 스위칭 횟수도 많아 개폐기의 스위칭 실패 가능성이 높아지게 되는 등의 많은 한계점을 가지고 있다.
따라서 이와 같은 한계점 극복을 위해 본 출원인은 비접지 방식의 배전계통에 대한 고장 회선 및 고장상 판별 방법(특허출원 제2003-060175호)을 개발하였으며, 이 기술에 의하면, 선택지락 과전류 계전기(SGR)에 의해 모선의 영상 전압과 각 회선의 영상 전류를 이용하여 고장 회선을 검출하고 상기 검출된 고장 회선의 선간 전압과 고장 회선의 영상 전류를 이용하여 고장상을 판별할 수 있게 된다. 이러한 방법은 비접지 계통에 배전자동화 시스템이 도입되면 선로 상에 설치되어 있는 자동화 개폐기에서 취득되는 전압, 전류 정보를 이용해서 구현가능하게 되며, 이러한 방법은 전자기적 과도현상 해석 장비인 EMTP(Electro Magnetic Transient Program) 시뮬레이션을 통하여 그 효용성이 이미 증명된 바 있다.
본 발명은 본 출원인에 의해 제안되고 이미 출원된 바 있는 상기 비접지 방식의 배전계통에 대한 고장 회선 및 고장상 판별 방법(대한민국 특허출원 제2003-060175호)을 개량한 것으로서, 본 발명의 목적은 고장회선 검출장치, 선로의 선간전압과 영상전류를 측정하는 선로 단말장치, 그리고 상기 각 장치로부터 정보를 전송받아 고장구간을 검출하고 무정전 고장구간 분리 및 복구과정을 수행하는 중앙제어장치를 이용하여, 비접지 배전계통에서 지락고장이 발생한 경우에 정전 발생 없이 고장구간을 계통으로부터 분리하고 부하에 전력공급을 지속할 수 있도록 한 비접지 배전계통에서의 영상전류 위상차와 크기 비교에 의한 고장구간 검출방법 및 장치를 제공함에 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 한 특징은, 비접지 배전계통에서의 고장구간 검출장치에 있어서, 선로의 각 구간에 설치되어 선간단락 전압과 영상전류를 측정하고 그 위상차와 크기를 산출하여 중앙제어장치로 전송하며, 중앙제어장치의 지령에 따라 개폐기 스위치의 개방 또는 투입 명령을 수행하는 다수 개의 선로 단말장치와; 선로에 고장이 발생한 경우 자기 회선의 고장 발생 여부를 검출하여 중앙제어장치로 전송하는 고장회선 검출장치와; 시스템의 전체적인 동작을 제어하며, 상기 고장회선 검출장치에서 고장정보가 전송되면 해당 선로의 각 선로 단말장치에 위상차 정보의 전송을 요청하여 해당 선로의 고장 구간을 판정하고, 연계 스위치를 투입하여 고장구간을 계통으로부터 분리하고 건전구간을 연계선로로 절체하여 부하에 전력공급을 지속하는 중앙제어장치를 포함하는 비접지 배전계통에서의 영상전류 위상차와 크기 비교에 의한 고장구간 검출장치를 제공한다.
또한 본 발명은, 선로의 각 구간에 설치되어 선간단락 전압과 영상전류의 위상차와 크기를 측정하고 중앙의 지령에 따라 스위치를 개폐하는 다수의 선로 단말장치와, 선로의 고장여부를 검출하여 중앙으로 전송하는 고장회선 검출장치와, 상기 고장회선 검출장치로부터 고장여부를 확인하여 상기 선로 단말장치의 동작을 제어하는 중앙제어장치를 포함하는 비접지 배전시스템에서의 고장구간 검출방법에 있어서, 상기 고장회선 검출장치가 모선의 영상전압과 선로의 영상전류를 이용하여 고장회선을 검출하고 고장 발생 정보를 중앙제어장치로 전송하는 제1단계; 상기 중앙제어장치가 상기 고장 회선의 각 선로 단말장치에 선간단락 전압과 영상전류에 대한 위상차와 크기 정보를 요청하는 제2단계; 상기 중앙제어장치의 요청에 따라 해당 선로 단말장치가 선간단락 전압과 영상전류의 위상차와 크기를 산출하여 각각 개별적으로 중앙제어장치에 전송하는 제3단계; 상기 중앙제어장치가 상기 각 선로 단말장치에서 전송된 위상차와 크기 정보를 비교하여 고장구간을 판정하고, 고장구간 부하 측에 건전구간이 있을 경우 고장 구간을 계통으로부터 분리한 후 건전구간을 연계선로로 절체하는 제4단계를 포함하는 특징의 비접지 배전계통에서의 영상전류 위상차와 크기 비교에 의한 고장구간 검출방법을 제공한다.
상기 본 발명의 각 선로 단말장치에서 처리되는 제3단계는, 선로의 선간단락 전압과 영상전류를 측정하여 위상차를 산출하는 단계와, 상기 중앙제어장치의 요청이 있는지를 확인하여 상기 산출된 위상차 정보를 중앙제어장치로 전송하는 단계와, 상기 중앙제어장치에서 전송되는 지령이 있는지를 확인하여 해당 지령에 따라 개폐기의 스위치를 열거나 닫는 단계로 이루어질 수 있을 것이다.
상기 본 발명의 중앙제어장치에서 처리되는 제4단계는, 상기 해당 선로의 각 단말장치에서 전송된 각 영상전류의 위상차와 크기 정보를 비교하여 이웃하는 앞/뒷단의 두 단말장치의 영상전류의 위상차가 90~180°범위에 있고 영상전류의 크기차이가 허용오차범위 이상으로 큰 조건이면 해당 선로 단말장치 설치 구간을 고장구간으로 판정하는 것이 바람직할 것이다.
상기 본 발명의 목적과 특징 및 장점은 첨부도면 및 다음의 상세한 설명을 참조함으로서 더욱 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 비접지 배전계통에서의 영상전류 위상 비교에 의한 고장구간 검출방법 및 장치를 구체적으로 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 비접지 배전계통에서의 영상전류 위상 비교에 의한 고장구간 검출장치의 개략적인 구성 및 고장구간 검출동작에 대한 설명을 도시한 블록도로서, 선로에 설치되는 다수 개의 선로 단말장치(21,22)와, 고장회선 검출장치(10), 그리고 중앙제어장치(30)로 구성되어 영상전류 위상차와 크기 비교에 의해 고장구간을 탐색 및 분리하고 고장구간 부하 측에 포함된 건전구간을 연계선로로 절체하여 전력공급의 중단 없이 모든 부하에 전력공급 지속할 수 있도록 구성한 배전시스템을 예시하고 있다.
상기 각 선로 단말장치(21,22)는 선로의 선간전압과 영상전류의 위상차와 크기를 측정하여 중앙제어장치의 요구가 있을 경우 그 위상차 정보를 중앙제어장치(30)로 각각 개별 전송하고, 중앙제어장치의 지령을 받아 개폐기 스위치의 개방 또는 투입 명령을 수행한다.
상기 고장회선 검출장치(10)는 선로에 고장이 발생한 경우 자기 회선에 고장이 발생했는지 여부를 검출하여 고장이 발생한 경우 중앙제어장치(30)로 고장 정보를 전송한다.
상기 중앙제어장치(30)는 시스템의 전체적인 동작을 관장하며, 상기 고장회선 검출장치(10)에서 고장정보를 전송한 경우, 해당 선로의 토폴로지(topology)를 검색하여 해당 선로 단말장치에 위상차 정보를 요청하고, 상기 해당 선로의 각 단말장치에서 전송된 각 위상차 정보를 비교하여 이웃하는 앞/뒷단의 두 단말장치의 위상차가 90~180°범위에 있고 영상전류의 크기차이가 허용오차범위 이상으로 큰 조건이면 해당 선로 단말장치 설치 구간을 고장구간으로 판하며, 이러한 고장 구간 내에 건전 구간이 있을 경우 연계 스위치를 투입하여 고장 구간의 단말기를 개방한 후 고장구간을 배전계통으로부터 분리하여, 전력공급의 중단 없이 건전 구간의 부하에 전력공급을 지속하는 동작을 수행한다.
이러한 비접지 배전시스템에서의 동작을 보면, 먼저, 상기 고장회선 검출장치가 모선의 영상전압과 선로의 영상전류를 이용하여 고장회선을 검출하고 고장 발생 정보를 중앙제어장치로 전송하는 단계(도면의 ①과정 또는 ⑥과정)를 수행하고, 이어서 상기 중앙제어장치가 배전 계통의 토폴로지를 검색하여 그 결과로 상기 고장 회선의 각 선로 단말장치에 선간단락 전압과 영상전류에 대한 위상차와 크기 정보를 요청하는 단계(도면의 ②과정과 ③과정)를 수행하며, 다음으로 상기 중앙제어장치의 요청에 따라 해당 선로 단말장치가 선간단락 전압과 영상전류의 위상차와 크기를 산출하여 각각 개별적으로 중앙제어장치에 전송하는 단계를 수행하고, 마지막으로 상기 중앙제어장치가 상기 각 선로 단말장치에서 전송된 위상차와 크기 정보를 비교하여 고장구간을 판정하고, 고장구간 부하 측에 건전구간이 있을 경우 고장 구간을 계통으로부터 분리한 후 건전구간을 연계선로로 절체하는 단계(도면의 ④과정과 ⑤과정과 ⑦과정)를 수행하는 것으로 이루어진다.
도 3은 비접지 배전 계통에서의 지락 고장시 영상전류의 분포를 도시한 도면으로서, 상기 고장회선 검출장치(10)가 고장회선을 판단하는 동작을 설명하기 위하여 선로 C의 고장을 가정할 경우 고장 전류의 분포상태를 예시하고 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 건전 회선 A와 B의 충전전류(Ic3,Ic2)는 모선을 통 하여 고장 지점으로 흘러 들어가고 고장 회선 C의 모선 측과 부하 측의 충전전류는 고장 점을 향해 흐른다. 이들 전류는 모두 충전전류이고 또한 위상도 동상이므로 합성된 전류가 고장 점으로 흐르게 되고 접지형 계기용 변압기(GPT)의 중성점을 흐르는 전류(In)이 합성된다. 여기서 충전전류 Ic1, Ic2, Ic3 는 고장 시에 발생하는 영상전압(V0)에 비해 90° 진상 전류가 되며, 또 접지형 계기용 변압기(GPT)로 흐르는 전류(In)은 영상전압(V0)에 대해서 동상이 되므로 모선에서 사고회선의 고장점으로 흐르는 전체 지락고장전류의 위상은 접지형 계기용 변압기(GPT)에서 측정되는 영상전압(V0)에 대해서 30∼80° 정도의 진상을 갖는다.
그러나 건전회선에 흐르는 영상전류는 고장회선에 흐르는 영상전류와 반대 방향이므로, 결과적으로 지락 고장시 모선의 영상전압의 위상을 기준으로 영상전류의 위상이 진상 특성을 나타내는 회선을 고장회선이라고 판정할 수 있게 된다.
따라서 상기 고장회선 검출장치(10)는 모선 영상전압의 측정을 위한 접지형 계기용 변압기(GPT)의 오차와, 각 회선에 설치되는 영상변류기의 오차, 그리고 마진을 고려하여 선로의 영상전류의 위상이 모선 영상전압의 위상에 대하여 -60°∼+120°영역에 위치하는 회선을 고장회선이라고 판정할 수 있게 된다.
상기와 같이 고장회선 검출장치(10)가 모선의 영상전압과 각 선로의 영상전류를 이용하여 고장회선을 결정한 후 중앙제어장치(30)로 전송하게 되면, 상기 중앙제어장치(30)는 상기 고장 회선의 각 선로 단말장치(21,22)에서 측정된 선로의 선간전압과 영상전류를 이용하여 고장구간을 결정한다.
도 4는 비접지 배전 계통에서의 지락고장 발생시 고장점을 중심으로 고장회선의 영상전류의 방향을 도시한 도면으로서, 상기 중앙제어장치(30)가 각 선로 단말장치(21,22)의 위상차와 크기 정보를 이용하여 고장구간을 검출하는 과정을 설명하면 다음과 같다.
우선, 변전소의 접지형 계기용 변압기(GPT)에서 측정되는 영상전압과 각 단말기에서 측정되는 영상전류를 이용하여 고장구간을 판정하기 위해서는 접지형 계기용 변압기(GPT)와 각 단말장치 등 전체 시스템의 동기를 맞춰야 하는 문제가 발생하며 이를 해결하기 위해서는 모든 단말기에 동기화 장치를 설치해야 한다.
본 발명의 중앙제어장치에서 실시되는 고장구간 검출방법은, 선로에 설치된 다수의 선로 단말장치(21,22)에서 측정할 수 있는 전압 정보와 전류 정보만을 이용하여 고장구간을 판정할 수 있도록 함으로써, 상기 문제점을 극복할 수 있게 한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 고장회선에 설치된 각 단말장치에서 측정되는 영상전류가 흐르는 방향은 고장점을 중심으로 앞 구간과 뒷 구간에서 바뀌게 되며, 비접지 계통에서는 고장 전후에 선간 전압 벡터는 변하지 않으므로 3상 중 하나의 선간 전압을 기준으로 영상전류의 위상을 비교하면 고장점 앞단의 선로 단말장치와 뒷단의 선로 단말장치 사이에 위상차가 180°발생함을 알 수 있다. 따라서 본 발명에 의한 중앙제어장치(30)에서는 고장 회선의 각 선로 단말장치에서 개별적으로 전송되는 영상전류의 위상차와 크기 정보를 수신한 후, 이웃하는 두 선로 단말장치의 영상전류의 위상차 정보, 즉 앞단의 선로 단말장치의 위상을 기준으로 그 뒷단의 선로 단말장치의 위상차 정보를 비교하여 그 위상차가 180°발생하는 구간을 고장 구간으로 판단할 수 있게 된다.
도 5는 비접지 배전 계통에서의 지락고장 발생시 고장구간 판단 영역을 도시한 그래프로서, 도 5에서 X축은 k-1번째 선로 단말장치의 위상차와 k번째 선로 단말장치의 위상차와의 차(
Figure 112005059826379-pat00002
: 수학식1)를 나타내며, k번째 선로 단말장치의 위상차이라 함은 선로 단말장치의 임의의 선간전압과 영상전류의 위상차(
Figure 112005059826379-pat00003
: 수학식2)를 나타낸다.
Figure 112005059826379-pat00004
(여기서,
Figure 112005059826379-pat00005
은 k-1번째 선로 단말장치의 위상차이고,
Figure 112005059826379-pat00006
은 k번째 선로 단말장치의 위상차임)
Figure 112005059826379-pat00007
(여기서,
Figure 112005059826379-pat00008
은 선로 단말장치의 임의의 선간전압이고,
Figure 112005059826379-pat00009
은 영상전류임)
따라서 중앙제어장치(30)에서는 선로의 각 단말장치에서 측정되는 선간전압과 영상전류의 오차, 그리고 마진을 고려하여 두 선로 단말장치의 위상차가 180° ~90° 인 경우 두 선로 단말장치 사이의 구간을 고장 구간이라고 판정할 수 있게 된다.
< 실시예 >
도 6은 본 발명의 실시예를 적용하는 모의 계통 및 시스템 구성도로서, 본 발명에서 제안한 알고리즘을 검증하기 위하여 계통전압은 154[kV]/22.9[kV](y-△결선), 배전선로의 선종은 ACSR 58[mm] (Z1 = 0.6959 + j0.5144, Z0 = 1.1028 + j1.4437[Ω]), 각 피더의 길이는 #1 Feeder - 15[km], #2 Feeder - 10[km], #3 Feeder - 15[km], 계통의 부하는 회선 당 약 2[MVA], 그리고 고장판별을 하는데 가장 중요한 요소인 선로의 충전전류는 약 18[mA/km]인 계통을 모델링하였으며, 모델계통에서 EMTP 프로그램을 이용하여 지락 고장을 모의하여 제시한 알고리즘을 검증하였다.
전압과 전류의 순시 데이터로부터 크기와 위상을 추출하기 위하여 한 주기 데이터 윈도우를 사용하는 DFT를 사용하였으며, Matlab으로 제안한 알고리즘을 구현하였으며 검증한 결과를 나타내었다.
상기 도 6과 같은 계통에서 지락 고장시 모선의 영상전압과 각 회선의 영상전류의 크기 및 위상을 이용하여 고장회선을 판정하였으며, 도 7은 지락 고장 후에 각 회선에서 측정된 영상 전류와 모선의 영상 전압 벡터도이다. #1 feeder의 영상전류는 모선의 영상전압보다 88°지상, #2 feeder의 영상전류는 모선의 영상전압보다 87°지상, #3 feeder의 영상전류는 모선의 영상전압보다 89°진상으로 나타남에 따라, 최종적으로 고장회선은 #3 feeder라고 판정하였다. 그리고 이 정보를 중앙제어장치로 전송한다.
상기 도 6과 같은 계통에서 지락 고장시 각 단말기에서 측정한 선간전압과 영상전류의 위상차와 크기를 이용하여 고장 구간을 판정하였으며, 도 8은 지락 고장시 고장회선 판정 후 고장회선에 설치된 각 단말기의 선간전압과 영상전류의 벡터도이다. 각 선로 단말장치에서 선간전압 벡터의 위상이 다른 것은 선로에서 발생하는 전압강하에 의한 것이며 고장회선을 판정하는데 큰 영향을 끼치지 못한다. 그리고 영상전류의 위상은 고장점을 중심으로 위상이 180°틀어진 것을 알 수 있다.
개폐기 위상 SW1 SW2 SW3 SW4
Vab -126.3° -126.9° -127.7° -128.4°
Io -67.3° 67.3° 112.5° 112.5°
｜Vab-Io｜ 58.9° 59.5° 240.3° 240.9°
Figure 112005059826379-pat00010
 - 0.6° 180.8° 0.6°
상기 표 2는 고장회선의 각 선로 단말장치에서 측정된 선간전압과 영상전류의 위상을 나타내었으며, 고장구간을 결정하기 위해 각 단말기에서 전압/전류의 위상차를 이용하여 수학식 1을 계산한 결과를 나타내었다. 고장구간 검출방법을 이용하여 고장구간을 판정한 결과 SW2와 SW3 사이의 구간 Section #2에서 고장이 발생한 것으로 판정하였다.
이상의 본 발명에 의하면, 비접지 배전계통에서 지락고장 발생시 선로에 설치된 단말장치의 위상차와 크기 정보를 이용함으로서 고장 구간을 쉽게 판별할 수 있으며, 정전없이 부하에 전력을 지속적으로 공급할 수 있게 된다.
또한 본 발명은 비접지 계통에 자동화 시스템이 도입되면 변전소의 각 선로 인출단에 설치되는 고장회선 검출장치의 정보와 선로 상에 설치되어 있는 단말장치에서 취득되는 전압, 전류 정보를 이용해서 편리하게 구현될 수 있는 이점이 있다.
한편, 본 발명에 따른 고장구간 판별방법은 전자기적 과도현상 해석 장비인 EMTP(Electro Magnetic Transient Program) 시뮬레이션을 통하여 그 효용성이 실제로 증명됨으로써 구현 가능성이 높은 이점을 얻을 수 있다.

Claims (5)

  1. 비접지 배전계통에서의 고장구간 검출장치에 있어서,
    선로의 각 구간에 설치되어 선간단락 전압과 영상전류를 측정하고 상기 영상전류의 위상차와 크기를 산출하여 중앙제어장치로 전송하며, 중앙제어장치의 지령에 따라 개폐기 스위치의 개방 또는 투입 명령을 수행하는 다수 개의 선로 단말장치와;
    선로에 고장이 발생한 경우 자기 회선의 고장 발생 여부를 검출하여 중앙제어장치로 전송하는 고장회선 검출장치와;
    시스템의 전체적인 동작을 제어하며, 상기 고장회선 검출장치에서 고장정보가 전송되면 해당 선로의 각 선로 단말장치에 위상차와 크기 정보의 전송을 요청하여 해당 선로의 고장 구간을 판정하고, 연계 스위치를 투입하여 고장구간을 계통으로부터 분리하고 건전구간을 연계선로로 절체하여 부하에 전력공급을 지속하는 중앙제어장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 비접지 배전계통에서의 영상전류 위상차와 크기 비교에 의한 고장구간 검출장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 중앙제어장치는,
    상기 해당 선로의 각 단말장치에서 전송된 각 영상전류의 위상차와 크기 정보를 비교하여 이웃하는 앞/뒷단의 두 단말장치의 영상전류의 위상차가 90~180°범위에 있고 영상전류의 크기차이가 허용오차범위 이상으로 큰 조건이면 해당 선로 단말장치 설치 구간을 고장구간으로 판정하는 것을 특징으로 하는 비접지 배전계통 에서의 영상전류 위상차와 크기 비교에 의한 고장구간 검출장치.
  3. 선로의 각 구간에 설치되어 선간단락 전압과 영상전류의 위상차와 크기를 측정하고 중앙의 지령에 따라 스위치를 개폐하는 다수의 선로 단말장치와, 선로의 고장여부를 검출하여 중앙으로 전송하는 고장회선 검출장치와, 상기 고장회선 검출장치로부터 고장여부를 확인하여 상기 선로 단말장치의 동작을 제어하는 중앙제어장치를 포함하는 비접지 배전시스템에서의 고장구간 검출방법에 있어서,
    상기 고장회선 검출장치가 모선의 영상전압과 선로의 영상전류를 이용하여 고장회선을 검출하고 고장 검출정보를 중앙제어장치로 전송하는 제1단계;
    상기 중앙제어장치가 상기 고장 회선의 각 선로 단말장치에 선간단락 전압과 영상전류에 대한 위상차와 크기 정보를 요청하는 제2단계;
    상기 중앙제어장치의 요청에 따라 해당 선로 단말장치가 선간단락 전압과 영상전류의 위상차와 영상전류의 크기를 산출하여 각각 개별적으로 중앙제어장치에 전송하는 제3단계;
    상기 중앙제어장치가 상기 각 선로 단말장치에서 전송된 위상차와 크기 정보를 비교하여 고장구간을 판정하는 제4단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 비접지 배전계통에서의 영상전류 위상차와 크기 비교에 의한 고장구간 검출방법.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 선로 단말장치에서 처리되는 제3단계는,
    선로의 선간단락 전압과 영상전류를 측정하여 위상차와 영상전류의 크기를 산출하는 단계;
    상기 중앙제어장치의 요청이 있는지를 확인하여 상기 산출된 위상차와 영상전류의 크기 정보를 중앙제어장치로 전송하는 단계; 및
    상기 중앙제어장치에서 전송되는 지령이 있는지를 확인하여 해당 지령에 따라 개폐기의 스위치를 열거나 닫는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 비접지 배전계통에서의 영상전류 위상차와 크기 비교에 의한 고장구간 검출방법.
  5. 제3항에 있어서, 상기 중앙제어장치에서 처리되는 제4단계는,
    상기 해당 선로의 각 단말장치에서 전송된 각 영상전류의 위상차와 크기 정보를 비교하여 이웃하는 앞/뒷단의 두 단말장치의 위상차가 90~180°범위에 있고 영상전류의 크기가 허용 오차범위 이상으로 큰 조건이면 해당 선로 단말장치 설치 구간을 고장구간으로 판정하는 것을 특징으로 하는 비접지 배전계통에서의 영상전류 위상차와 크기 비교에 의한 고장구간 검출방법.
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