KR20110120270A - 병렬 반응 보상 전송 선로에서 신속한 ３상 재폐쇄 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 병렬 보상 전송 선로(TL)의 3상 재폐쇄로 인한 과전압을 제어하기 위한 조정 스위칭 방법을 기술한다. 회로 차단기(CB)가 라인을 구동한 이후, TL 횡단 어드미턴스와 유도 반응 보상기의 인덕턴스 사이의 상호 작용은 CB 전극들 사이의 전압이 진동형(비트)을 가정하게 한다. CB를 폐쇄하는 최적의 영역은 CB에 걸친 비트 전압의 진폭이 최소인 영역에 상응한다.
본 방법은 최초 최소 비트 전압 영역을 결정하는데 신뢰성을 나타내며, 이는 전압 제로 크로싱과 무관하다. 이러한 절차는, 일단 재폐쇄를 위한 최소 영역 탐지가 몇몇의 기본 주파수 사이클로서 앞서서 이루어지면, CB를 작동하는 보다 많은 시간 여유을 허용한다.
본 방법은, 병렬 보상 전송 선로용 적응성 3상 재폐쇄를 위해 새로운 디지털 릴레이를 생성하는 TL 3상 재폐쇄 디지털 릴레이의 제어 논리에 채택되어야 한다.

Description

병렬 반응 보상 전송 선로에서 신속한 ３상 재폐쇄 방법{Fast three―phase reclosing method in shunt reactor compensated transmission lines}

전송 선로(TL; transmission line)의 과전압을 스위칭하는 원인이 되는 물리적 현상은 선로에 따른 전자기 파장의 전달이다. 이러한 과전압에 의해 야기되는 부정적 효과는 회로 차단기(CB; circuit breaker)의 접점의 개방 및 폐쇄를 제어함으로써 매우 감소될 수 있어서, 미리 정해진 최적의 타이밍에 회로 차단기의 접점 사이의 전압의 전기적 신호를 기준으로 하는 조치가 수행된다.

본 발명의 분야를 설명하도록 전력 시스템의 예가 도 1의 단선 다이어그램에서 도시되며, 이는 이상적 공급원(1), 전송 선로(2), 반응적 보상기(reactive compensation)(3) 및 회로 차단기(4)로 나타나는 등가 전력 시스템을 포함한다.

예시된 시스템은 500kV의 일반 전압 및 60Hz의 기본 주파수(fundamental frequency)를 갖는다. 전송 선로는 A상, B상 및 C상으로 나타나는 그 3상을 통해 에너지 전송을 허용한다.

모델링된 CB(4)는 3개의 구분된 커맨드를 가지며, 그 각각은 하나의 상(phase)과 관련된다. CB는 전기적 시스템(1)과 선로(2) 사이의 전류를 중단시킨다.

병렬 반응기(shunt reactor)(3)는, 로드 없이 또는 약간의 로드 하에서 작동되는 경우 전송 선로에 의해 생성되는 반응적 커패시티 전력의 일부를 흡수하도록 디자인된다.

회로 차단기(4)는, 3상의 접점들(contacts)(전극들, poles)이 개방된 경우 전송 선로(2)로부터 전기적 시스템(1)을 고립시킨다. 얼마 후에, 3상의 접점들이 재폐쇄된다. 재폐쇄 순간에, 평소보다 높은 전압이 나타남으로써 갑작스러운 변화가 네트워크 전압 상에서 발생하며, 이는 기본 주파수의 소수의 사이클(순간적 과전압) 이후에 사라질 것이다. 이러한 과전압은 전기적 시스템의 선로를 따라 전파된다. 전송 선로의 3상 재폐쇄는 네트워크에서 매우 잦은 작동이며 극단적으로 심각한 순간 과전압을 야기할 수 있다.

3상 재폐쇄에 의해 생성되는 과전압 스위칭을 최소화시키는 종래의 방법은 미리-삽입된 저항기를 사용하는 것과 관련되며, TL이 재폐쇄된 경우 먼저 보조 접점이 TL에서 일련의 미리-삽입된 저항기를 삽입하는 형태로서 작동된다. 저항기를 삽입함으로써, 선로에 부과될 전압은 선로와 저항기 사이에서 나뉘며, 선로에 가해지는 전압과 상관 관계인 순간적 과전압은 매우 낮아진다. 약간의 시간 간격 이후, 메인 CB 접점은 폐쇄되고 저항기를 단락하며 선로에 총전압을 부과한다. 이러한 해결안은 효과적이지만 실행 상 단점이 있으며 높은 유지 비용을 갖는다.

과전압 스위칭으로 야기되는 부정적 효과는 CB 접점의 폐쇄를 제어함으로써 매우 감소될 수 있어서, 미리 정해진 최적의 순간에 차단기의 접점에 걸친 전압의 기준값으로서 사용되는 조치가 수행된다.

3상 재폐쇄에서 차단기 접점은 그 사이 전압이 최소인 경우에 폐쇄되어야 한다. 이러한 순간은 네트워크 구성에 따라 다양하며 CB의 접점들 사이에서 측정된 전압 신호에 따른 알고리즘에 의해 결정될 수 있다. 이러한 해결 방법의 실행은, 선로 횡단 어드미턴스와 병렬 반응기의 인덕턴스 사이의 상호 작용에 의해 CB 접점들 사이의 전압 파동이 진동형(비트, beat)을 갖는다는 점에서 장점을 갖는다. 따라서 전압 비트의 진폭이 최소인 영역에 상응하여, 회로 차단기를 재폐쇄하는 전압 파동에서 최적의 영역이 존재한다.

현재, 3상 전송 선로 재폐쇄 동안 과전압을 제어하기 위해, 효과적인 방법이지만 낮은 신뢰성 및 CB의 제조와 유지에 높은 총비용을 갖는 미리-삽입된 저항기를 사용하는 것이 일반적이다.

1997년 4월의 IEEE Transactions on Power Delivery 공보에서의 "Controlled Closing on Shunt Reactor Compensated Transmission Lines. Part I: Closing Control Device Development"에서는, 비트의 최소 진폭의 제 1 영역을 식별하고 그 다음 유사한 영역에서 회로 차단기를 폐쇄하는 명령을 전송하는 제어 장치가 기재된다.

상기 방법에 따르면, 먼저 선로측과 공급측 전압 신호가 획득된다. 이러한 신호들은 시간 간격(일반적으로 기본 주파수의 주기)로 감지되어 제 1 데이터 세트를 제공한다. 이러한 데이터는 저장되고 새로운 데이터 세트가 획득된다. 2개의 데이터 세트가 자체적으로 비교된다. 2개의 데이터 세트가 동일하지 않은 경우, 제 3 데이터 세트 등이 획득된다. 2개의 데이터 세트 사이에서 등가가 발견되면, 신호의 주기성이 완성되고 최소 영역이 식별된다.

전술한 방법에 따르면, 재폐쇄를 위해 고려되는 최적의 순간은 CB에 걸친 전압 비트의 낮은 진폭 주기에서의 전압 제로 크로싱(zero crossing)에 상응한다. 따라서, 이러한 방법은 먼저 최소 진폭의 앞선 영역을 식별하며, 그 다음 유사한 영역에서 CB를 폐쇄하는 명령을 전송한다.

오직 최소 진폭의 제 1 영역 이후에야 폐쇄가 이루어지며, 이는 선로가 사용될 수 없는 시간이 보다 길어짐을 의미하기에, 이러한 방법은 부적절하다. 더욱이, 과전압 감소는, 폐쇄가 후속하는 최소 진폭 영역 상에서 이루어지는 경우보다 낮으며, 그 성과는 미리-삽입된 저항기의 방법과 유사해진다.

미국특허 제5,316,184호는 회로 차단기를 제어하는 순차적 적응성 제어기 및 CB 폐쇄 및 개방에 의해 야기되는 분배 선로 상의 과도(transient)를 제거하는 다른 스위칭 장치를 개시한다. 적응성 제어기는 노후화 및 환경 영향으로 인한 CB 시간 반응 상의 변화를 보상한다. 계기용 변압기(potential transformer)는 전압 파형 제로 크로싱과 관련된 기준 신호를 제공한다. 상 변화 비교기 회로는 차단기가 폐쇄되었던 경우에 어떠한 과도가 생성되었던 시간과 기준 신호를 비교하며, 적응성 조절이 이루어져야 함을 지칭하는 신호를 생성한다. 유사하게, 회로 차단기의 개방시에는 전류 변압기가 기준 신호를 생성하며, 이는 회로 차단기가 개방되었던 동안 탐지되는 과도 시간 간격과 비교된다. 조절 적응성 회로는 CB 응답 상의 변화를 고려하여 적절하게 수정되는 시간 보상을 제조하며, 이는 마모 또는 기후의 효과를 포함한다. 후속하는 개방 또는 폐쇄에서, CB는 적절하게 보상된 시간에서 작동되며, 이에 따라 전압이 제로 크로싱하는 경우 폐쇄되며, 전류가 제로 크로싱 하는 경우 개방되어, 분배 선로 상에서 어떠한 과도도 최소화한다. 위상각은 계기용 변압기에 의해 제공된 신호와 관련되어 CB 개방을 제어하도록 사용될 수 있다.

유사하게, 미국특허 제5,627,415호 역시 개방/폐쇄 신호 탐지 이후 최초 전압 신호 제로 크로싱을 고려한 과전압 제어 기술에 관한 것이며, EHV 선로 상에서 차단기의 개방/폐쇄 이후 과전압을 감소시키거나 제거하는 일련의 미리 정해지고 미루어진 단계들을 개시한다.

여전히 전송 선로 상의 과전압 제어라는 주제에서, 미국특허 제5,629,869호는 지능형 회로 차단기 또는 통신 장치를 개시하며, 이는 조건 감지 유닛(CMU; condition monitoring unit)(40), 차단기 제어 유닛(BCU; breaker control unit)(50) 및 동기화 제어 유닛(SCU; synchronous control unit)(60)을 포함하는 3개의 구분된 연산 유닛을 포함한다. CMU(40)는 회로 차단기 또는 통신 장치의 신뢰성과 관련된 핵심을 감지함으로써 상세한 분석을 제공한다. CMU에 의해 수행되는 온라인 분석은 필요 및 임박한 오류 식별에 따른 유지 수행을 용이하게 하는 정보를 제공한다. BCU(50)는 자체-진단 및 원격 통신을 구비한 프로그램 가능한 시스템이다. 상기 유닛은 CB에 전통적으로 사용되었던 종래의 전기기계적 제어를 대체한다. SCU(60)는 회로 차단기의 개방 및 폐쇄를 위한 통신 장치용 동시 제어를 제공한다. 시스템 과도 변화 및 CB 마모의 효과를 최소화하도록 제어 프로세스가 수행되었다. 지능형 회로 차단기 또는 통신 장치는 시스템 작동 및 장비 유지를 증진시킨다.

본 발명은 병렬 보상 전송 선로의 재폐쇄 동안 과전압을 제어하기 위한 방법을 기술하는 것을 목적으로 한다. 본 발명은 회로 차단기를 스위칭하기 위한 전압 상의 최적의 영역을 앞서서 양호하게 식별하는 방법에 기초하여 작동되며, 부동 시간(dead time) 보호 이후 회로 차단기 비트의 접점에 걸친 최초 최소 전압 내에서 이를 허용한다. 최소 비트 영역이 몇몇 기본 주파수 사이클보다 크기 때문에, 본 방법은 폐쇄 작동 동안 CB 분산 및 절연 특성을 고려하는 것을 허용한다.

본 방법은 신속한 3상 재폐쇄 병렬 보상 전송 선로를 제어하기 위한 디지털 릴레이(digital relay) 내에서 채택되어야 한다.

도 1은 전기적 시스템의 단선 다이어그램을 나타낸다.
도 2는 90% 병렬 보상을 구비한 전송 선로의 회로 차단기 접점(A, B, C상)에 걸친 전압 파형을 도시한다. 원은 최소 진폭 비트 영역을 지칭한다.
도 3은 병렬 보상 전송 선로 재폐쇄 제어를 위한 블록 다이어그램을 도시한다.
도 4는 A상에서 회로 차단기 접점에 걸친 전압 파형의 그래프를 도시한다.
도 5는 회로 차단기 접점에 걸친 전압의 rms값의 그래프를 도시한다.
도 6은 회로 차단기가 개방되는 순간을 식별하는 그래프를 도시한다.
도 7은 회로 차단기가 구동(tripping)된 이후 필터링된 신호의 증가 및 퇴조 순간을 구비한 그래프를 도시한다.
도 8은 최초 절반-사이클을 식별하는 그래프를 도시한다.
도 9는 필터링된 신호의 최초 절반-사이클 지속 시간의 그래프를 도시한다.

본 발명에서 개발된 방법은 회로 차단기 3상 재폐쇄 시간을 최적화하고 과전압 진폭을 감소시킨다. 따라서, 회로 차단기는 보다 신속하게 폐쇄될 수 있으며 에너지 전송 중단 시간을 감소시킬 것이다.

본 발명은 3상 재폐쇄 작동에서 CB를 스위칭하는 최적의 순간을 앞서서 양호하게 식별하며, 부동 시간 보호 작동 이후 최초 전압 비트에서 CB를 폐쇄하는 것을 허용한다. 전압 비트 영역의 최소 진폭이 하나의 기본 주파수 사이클보다 크기 때문에, 이러한 모델은 폐쇄 작동 동안 CB 분산 및 절연 특성을 고려하는 것을 허용한다.

여기에 기술되는 방법에서 수행되는 프로시져는, 전압 파동 제로 크로싱과 무관하게, 이전의 전압 비트 구간을 결정하는데 보다 신뢰성을 나타낸다. 또한, 이러한 프로시져는, 일단 최소 영역 탐지가 몇몇의 기본 주파수 사이클로서 앞서서 이루어지면, CB를 작동하는 보다 많은 시간을 갖는 것을 허용한다.

개발된 방법을 사용하는 주된 장점은, 최초 전압 비트의 최소에서 회로 차단기의 폐쇄로 인하여, 다른 기술과 비교하여 재폐쇄 작동을 위한 과전압 레벨의 매우 큰 감소이다. 여기에 기술된 방법은 전송 선로 3상 재폐쇄를 위한 디지털 릴레이에 인코딩되어야 하며, 부동 시간에 기초하여 선로를 앞서 재폐쇄하는 릴레이 코드 상에서 3상 재폐쇄의 새로운 적응성 프로시져를 채택하며, 미리-삽입된 저항기와 함께 작동한다. 기술된 방법은 새로운 디지털 릴레이를 야기할 것이다.

전송 선로에서 오류가 발생한 후, 오류 하의 섹션을 고립시키도록 보호가 3상을 구동한다. 전송 선로에 영향을 주는 대부분의 오류는 영구적이지 않음에 따라, 미리 설정된 시간 이후 보호는 개방된 선로 섹션을 재폐쇄하여 전력 공급 연속성을 보장한다.

CB가 무하중 선로(no-load line)를 구동시킨 경우, 커패시티 전류는 각 상에서의 제로 크로싱에서 중단된다. 이와 같이 발생된 경우, 선로 저압은 그 최대값에 있을 것이며, 선로 상에서 트랩된 전하를 남겨둘 것이며, 이는 모든 상에서 동일하지는 않다. 최초 중단 상에서, 전압은 1.3pu에 이를 것이며, 트랩된 전하가 변압기 또는 반응기에 의해 드레인되지 않은 경우 선로는 오랜 시간 동안 충전될 것이다.

트랩된 전하가 드레인되기 전에 선로가 재폐쇄되고, 시스템 전압이 선로 전압의 반대 극성인 경우 회로 차단기 전극이 폐쇄되면, 순간 과전압이 매우 높을 것이다.

지면에 연결된 어떠한 장치도 없는 경우, 무하중 선로에서 선로 트랩된 전하 퇴조는 매우 낮으며, 기후 조건에 좌우되며, 그리고 이는 절연 스트링을 유동하는 전하를 통하여 이루어진다. 따라서, 선로는 전류 중단 이후 긴 시간 동안 실질적으로 최대 전압으로 연속적으로 충전되며, 완전 선로 방전까지 그 시간은 약 2 내지 5분이며, 매우 건조한 조건에서는 15분에 이를 수 있다. 선로 재폐쇄가 이러한 조건 하에서 이루어진 경우, 선로 수용 말단에서의 과전압은 매우 높은 값에 이를 수 있으며, 이는 감소된 장치 수명, 전력 시스템에 의해 공급되는 에너지의 품질 저하 및 소정의 조치를 방해하는 작동 제한성의 부가와 같은 부정적 효과를 야기할 수 있다.

병렬 반응 보상 선로의 경우, 보상 정도는 CB 전극에 거쳐 전압 파형 상에 중요한 효과를 갖는다. 전송 선로 횡단 어드미턴스 및 반응기의 인덕턴스에 의해 형성된 회로로 인하여, 회로 차단기 전극에 걸친 전압은 재폐쇄 동안 진동형(비트)으로 특징지어 진다. 전압이 각각의 전극에서 상이한 주파수를 갖기 때문에, 특히 회로 차단기의 일 측면에서의 시스템 전력 주파수와 회로 차단기의 다른 측면에서의 선로 횡단 어드미턴스와 보상 장치의 자연 주파수를 갖기 때문에, 이러한 비트가 생성된다. 비트 주기는 선로 보상 정도에 따른다. 선로-트랩된 전하 드레인은 시간에 따라 선로 측에서의 전압 진폭의 감소를 제공한다. 이러한 드레인은 병렬 보상 반응기 품질 인자에 상관 관계에 있다. 그 결과, 전압 비트의 최대 진폭은 감소하는 경향이 있으며, 전압 비트의 최소 진폭은 시간에 따라 증가하는 경향이 있다. 이러한 조건에 기초하여, CB 재폐쇄를 위한 최적 영역은, 최초 최소 비트 영역을 강조하도록 도 2에서 적색 원으로 지칭되는 바와 같이 회로 차단기 비트 영역에 걸친 최초 최소 전압이다.

병렬 보상 전송 선로의 신속한 3상 재폐쇄를 위해 개발된 방법은, 회로 차단기 비트 영역에 걸쳐 최초 최소 전압에서 CB 전극을 폐쇄한다. 이를 위해 알고리즘이 개발되었는데, 이는 상세히 후술하며, 재폐쇄를 위한 최적의 시간을 앞서서 양호하게 식별한다.

본 방법은 PSCAD/EMTDC 시뮬레이션 툴로 실행되었고 평가되었다. PSCAD 연속 시스템 모델 함수(CSMF; Continuous System Model Functions) 언어는 스위칭 루틴을 동기화하도록 실행되며, 이는 PSCAD 자체의 실행 시간 내에서 동적 상호 작용을 허용한다. 이는 방법을 개발하기 위해 필요한 스위칭 장치 제어를 시뮬레이션하도록 한다.

통상적인 CSMF는 보다 유연한 시뮬레이션을 가능하게 하여, 이러한 통상적 실시에서 수행되는 프로그램들(또는 모델들)에 의해 시뮬레이션 동안 전력 시스템 상태가 동적으로 수정될 수 있다.

3상 재폐쇄 스위칭 동안 전송 선로의 제어된 폐쇄를 위한 방법을 수행하도록 개발된 알고리즘은 도 3에서 도시되는 블록 다이어그램을 통해 상세히 설명된다. 이러한 다이어그램으로부터 아래의 설명이 이루어진다:

● 전력 시스템 전압이 계기용 변압기(PTs)에 의해 연속적으로 감지된다. 시뮬레이션 목적을 위해 본 방법은 실재 시스템 전압을 사용하나, 보호 장치(릴레이)에서의 수행을 위해서 PTs에 의해 변압된 감소된 크기가 사용될 것이다. 더욱이, 본 시스템은 3상이지만, 상기 알고리즘은 오직 1상의 전압을 필요로 하며, 이는 3상의 재폐쇄를 작동시키는 신호를 전송한다.

● PSCAD에서 가용한 전압계를 이용하여, 시스템 측의 전압과 선로 측의 전압이 측정된다. 따라서 CB 개방 접점에 걸친 전압의 파형이 측정된다(도 4).

● 디지털 처리를 이용하여, 회로 차단기의 전극에 걸친 전압의 rms값을 획득할 수 있으며(도 5), 이는 미리 정해진 기능을 통해 PSCAD에서 이루어진다. 다음, 상기 신호는 전기적 필터에 의해 처리된다.

● 이어서, 2개의 입력 레벨을 비교하는 PSCAD에서 가용한 비교기를 이용하여 필터링된 신호가 샘플링되며, 이는 회로 차단기 개방 순간을 식별하도록 허용한다(도 6).

● 다음, 회로 차단기 개방이 식별된 후에 필터링된 신호의 증가 및 퇴조 순간이 식별된다(도 7).

● 최초 절반-사이클 동안 유닛값을 갖고 최초 절반-사이클 이후에는 음수인 신호가 생성된다(도 8).

● 상기 결과로서, 필터링된 신호의 최초 절반 사이클 지속 시간 연산이 가능하다(도 9).

● 최종적으로, 이러한 절반-사이클의 값이 복제되어 비트 주기의 지속 시간이 야기된다.

회로 차단기 접점이 개방된 후, 재폐쇄 시간은 높은 값으로 수정되어야만 하며, 이는 60s일 수 있다. 절반-주기 식별의 논리 신호가 종료되는 순간에, 식별된 비트 주기에 의해 재폐쇄 시간을 대체하도록 명령이 전송된다. 최적 폐쇄 시간의 식별은 몇몇 전력 주파수 구간에 앞서 획득되며, 회로 차단기의 전극 분산 및 절연 특성으로 인하여 필요시에 추가 조절을 허용한다. 3상 재폐쇄를 위한 최적 영역은 몇몇의 기본 주파수 사이클로 이루어지며, 이에 따라 제안된 방법은 필요한 경우 수정 및 조절을 가능하게 하는 긴 시간을 갖는다.

여기에서 기재되는 본 발명은 이러한 구체화에 제한되지 않으며, 당업자는 이해를 용이하게 하도록 정의된 본 발명의 사상과 범위를 벗어남 없이 다양한 형태 변화 및 상세화가 그 안에서 이루어질 수 있고 이는 개시된 진보한 개념으로부터 분리되지 않고서는 수행될 수 없음을 이해할 것이다. 본 발명의 목적의 제한된 특징은 본 서면의 청구범위와 관련된다.

Claims (4)

1. 병렬 보상(shunt compensation) 전송 선로에 인가되는 적응성 3상의 신속한 재폐쇄를 위한 방법으로서,
   - 릴레이를 검증하여 선로 구동(tripping) 이후 전형적으로 높은 값으로 재폐쇄 시간을 조절;
   - 계기용 변압기(PTs; potential transformers)를 통해 회로 차단기 접점에 걸친 전압 측정;
   - 상기 회로 차단기 전극에 걸친 전압의 전압 rms 값 획득;
   - rms 값을 필터링하여 높은 고조파(harmonics)를 제거;
   - 회로 차단기 개방 순간의 식별;
   - 상기 필터링된 신호의 최초 절반-사이클의 식별;
   - 상기 필터링된 신호의 최초 절반-사이클 지속 시간의 식별;
   - 비트 사이클 지속 시간의 결정; 및
   - 재폐쇄 시간을 비트 주기 시간과 동일하게 설정하여 재폐쇄 시간 조절
   의 단계에 따라 작동되는 것을 특징으로 하는,
   방법.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 전형적으로 높은 값은 60s인 것을 특징으로 하는,
   방법.
   
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   rms 비트 전압은 상기 회로 차단기에 걸친 전압으로부터 획득되며; 상기 신호로부터 비트 최초 절반-사이클이 결정되고 그리고 최적의 재폐쇄 시간이 연산되는 것을 특징으로 하는.
   방법.
   
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   바람직하게는 디지털 릴레이(digital relay)에서 채택되는 것을 특징으로 하는,
   방법.

Images