KR20240072404A - 전기철도용 디지털 보호계전기의 통신적합성 평가 시스템 및 그 방법 - Google Patents

전기철도용 디지털 보호계전기의 통신적합성 평가 시스템 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

현재 운영중인 하프 디지털 전기철도 급전계통에 대응하여, 전기철도의 급전계통의 전압/전류를 보호계전기에 아날로그 방식으로 공급하고, 외부통신은 디지털 방식의 이더넷 통신을 적용하는 하프 디지털(Half-digital) 방식으로 디지털 보호계전기의 통신적합성을 평가할 수 있으며, 또한, 이더넷 통신을 적용하는 GOOSE 방식(IEC 61850 통신 서비스) 통신시험뿐만 아니라 다른 성능시험 방식인 케이블 방식 통신시험을 수행함으로써, GOOSE 방식과 케이블 방식의 검증 정확도를 비교할 수 있는, 전기철도용 디지털 보호계전기의 통신적합성 평가 시스템 및 그 방법 이 제공된다.

Description

전기철도용 디지털 보호계전기의 통신적합성 평가 시스템 및 그 방법 {SYSTEM FOR EVALUATING COMMUNICATION COMPATIBILITY OF DIGITAL PROTECTION RELAY FOR ELECTRIC RAILWAY, AND METHOD FOR THE SAME}
본 발명은 디지털 보호계전기의 통신적합성 평가 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 전기철도용 디지털 보호계전기의 IEC 61850 GOOSE 통신 적합성 검증을 위해서, 전기철도의 급전계통의 전압/전류를 보호계전기에 아날로그 방식으로 공급하고, 외부통신은 디지털 방식의 이더넷 통신을 적용하는 하프 디지털(Half-digital) 방식으로 디지털 보호계전기의 통신적합성(Communication Compatibility)을 평가하는, 전기철도용 디지털 보호계전기의 통신적합성 평가 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
최근 산업의 고도화에 따른 물동량 증가와 도시 인구집중화에 따른 교통난 심화로 교통문제 해결이 심각하게 부각되고 있고, 자동차의 급속한 증가와 함께 육로교통은 한계 상황에 이르렀으며 공해, 소음 등 환경오염에 대한 우려도 어느 때 보다 높아지고 있다.
이런 상황에서 환경친화적이고 에너지를 유효하게 이용할 수 있는 안전성과 신속성, 편리성 등의 대중교통 수단으로서 여러 이점을 갖고 있는 전기철도는 교통문제 해결의 최선의 대안으로 제시되고 있다.
이러한 전기철도는 디젤 동력에 비해 고속성, 고효율, 친환경성 등 좋은 장점으로 우리나라를 비롯해 세계적으로 사용하고 있으며, 많은 승객을 신속하게 수송하기 위해서 전기철도 시스템이 현재로서 최선의 대안으로 운용되고 있다.
전기철도는 많은 장점을 갖고 있는 반면에, 철도차량의 견인전동기 구동으로 부하 변동이 매우 심하고 고조파, 전압불평형 등이 지속적으로 발생함에 따라 차량뿐만 아니라 전기를 공급하는 변전소, 전차선로 등에 악영향을 끼치고 있다.
이때, 전기철도 급전회로는 철도차량의 전력변환장치에 의해 고조파가 발생하여 통신유도장해, 신호회로에 좋지 않은 영향을 끼치며 보호계전기 오동작 및 고조파 공진현상 등으로 열차운행에 지장을 주고 있다.
이러한 전기철도는 한전의 급전계통과 유사하나 한국전력으로부터 3상 전력을 공급받아 스코트변압기를 통해 단상전력으로 변환된 전기에너지를 공급받기 때문에 3상 전압불평형의 문제를 발생시켜 한국전력 급전계통 운용에 부담을 주고 있다.
또한, 전기철도 구간이 지속적으로 확대됨에 따라 지금까지 사후조치식의 전력품질에 관한 전기철도 시설물 건설 및 관리를 사전 예방차원에서의 공학적 분석 등 실효성과 타당성에 대한 객관적인 자료 확보가 필요한 실정이다.
한편, 현대 전기철도 시스템은 자동차 등의 다른 여타 육상 교통시스템과 비교하여 수송능력, 에너지 효율, 운영비 및 환경친화적인 면에서 많은 이점들을 갖고 있으나, 단락사고, 지락사고 및, 차단기 동작시 서지전압 등의 다양한 사고발생 유형들이 존재하며, 여러 사고 유형 중 경미한 사고 발생시에도 다수의 승객과 대형 설비들로 인해 대형사고로 이어질 수 있는 위험성을 안고 있다.
따라서, 전기철도시스템의 운영 중 경미한 사고 발생시에도 사고의 파급을 최소화하기 위해 급전계통의 계통 조건과 사고에 의한 사고전류를 판별하여 보호계전기를 동작시켜 계통을 보호할 필요가 있으며, 이러한 사고 전류는 사고의 종류와 사고 위치에 따라 다양하게 나타난다.
여기서, 보호계전기(Protective Relay)는 전기회로에 단락, 지락이나 순환전류 등의 이상상태가 발생했을 때, 이상 상태가 발생한 부분을 회로에서 분리시키는 기능을 갖춘 장치이다. 이러한 보호계전기는 급전계통에 사용되는 각종 기기들의 동작상태 및 계측값을 확인하여, 이상상태 발생시 고장 구간을 분리하는 제어신호를 차단기에 송출하여 이상발생의 파급을 방지하는 등, 급전계통의 안정적 운영에 있어 필수적으로 구비되어야 하는 장치이다.
특히, 교류 방식의 전철 급전시스템에 구비되는 보호계전기는 전철급전 시스템의 내부 및 외부 사고를 방지하여 안정적으로 전철을 운행할 수 있도록 하는 중요 장비로서, 일반 보호계전기에 비해 고가의 정밀 장치로 구성되며, 국내 전철 급전시스템의 보호반에 구비되는 보호계전기는 현재 대부분 해외 제조사로부터 수입하여 운용 중에 있다.
특히, 해외 제조사로부터 수입 운영되는 전철급전시스템 보호계전기의 경우, 해외 제조사의 판매 정책에 따라 보호계전기의 세부자료는 공개하고 있지 않으며, 보호계전기의 운용에 필요한 필수 사용법만을 공개하고 있는 실정이다.
한편, 변전소는 발전소에서 민간 수용가까지 전력을 전송하기 위해 변압기, 차단기 등 전력 설비와 이를 보호, 제어, 감시하기 위한 자동화 설비가 집합된 핵심 전력시스템이다. 이러한 변전소 내의 설비들은 상호 간 보호, 제어, 감시신호를 주고 받으며 동작한다. 기존 변전소는 이러한 신호를 구리선에 의한 전기신호 전송을 통해 운영했지만 디지털 변전소는 자동화 설비를 통해 전기신호를 디지털 신호로 변환해 빠르고 효율적인 운영이 가능하다.
특히, 디지털 변전소란 전력설비의 통신 규격인 국제표준 IEC 61850(변전설비 자동화를 위한 통신 네트워크 및 시스템 관련 국제표준)에 따라 변전소를 구성하는 전력설비의 감시, 계측, 제어 및 보호 기능을 자동화한 변전소를 말한다.
이러한 변전소 자동화 기술은 10여 년 전부터 세계적으로 연구개발 또는 상용화 적용이 추진돼 왔으며 기존의 하드 와이어드(Wired) 시스템에서 벗어나 IEC 61850 기반의 디지털 변전소로 대체되고 있는 추세이다. 이는 기존의 아날로그로 감시신호 및 제어신호를 보내던 방식에서 벗어나 이더넷으로 대표되는 통신네트워크를 이용하여 디지털 정보를 이용하여 감시 및 제어가 이루어지고 있다는 것을 의미한다.
도 1은 아날로그 방식의 변전소, 하프 디지털 변전소 및 풀 디지털 변전소로의 진화 과정을 예시하는 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 기존 아날로그 방식은 설비 진단을 인력에 의존하지만 미래의 시스템 기반 온라인 디지털화 방식은 실시간 진단과 고장 복구에 있어서도 자동 복구(Self Healing) 능력을 가지며, 시스템 정보 기반의 고장예지 기능을 갖는다. 현재는 Station Bus를 중심으로 디지털화를 구현한 하프(Half) 디지털 변전소를 구축한 수준이며, 미래에는 Process Bus System을 포함한 풀 디지털 변전소로 발전해 나갈 전망이다. 즉, 현재의 변전소는 보호, 제어, 감시가 자동화된 하프 형태의 디지털변전소이다. 향후 아날로그 전압 및 전류 신호까지 디지털 신호로 변환 전송되는 Full 형태의 디지털변전소로 진화될 전망이다.
이러한 디지털변전소 자동화 설비는 크게 상위운영장치와 IED(지능형전자장치, Intelligent Electric Device)로 구성된다. 이러한 자동화 설비들을 안정적으로 운영하기 위해 국제표준인 IEC 61850을 따라야 하며, IEC 61850 인증 시험기관에서 적합성 인증을 받은 제품만 사용해야 한다. 더불어 자동화 설비의 동적 시험영역에 해당하는 설비간 상호운용성 시험에 대한 인증도 요구되고 있다.
한편, 현행 전기철도의 급전계통 감시설비는 모두 동축케이블 방식인 아날로그 기반의 MODBUS 통신을 적용 중이며, 디지털 방식의 IEC 61850 도입을 위해서는 급전계통 감시용 디지털 보호계전기 자체의 검증이 선행되어야 한다. 즉, 전기철도용 디지털 보호계전기의 IEC 61850 GOOSE 통신적합성을 검증해야 한다. 이때, GOOSE 통신프로토콜은 국제규격 IEC 61850에서 설정된 디지털 통신방식이며, 가장 기본이면서도 중요한 핵심기술이다.
한편, 선행기술로서, 대한민국 등록특허번호 제10-0926602호에는 "네트워크 기반 디지털 보호계전기 통신시험 장치 및 방법"이라는 명칭의 발명이 개시되어 있는데, 도 2를 참조하여 설명한다.
도 2는 종래의 기술에 따른 네트워크 기반 디지털 보호계전기 통신시험 장치를 나타내는 구성도이다.
도 2를 참조하면, 종래의 기술에 따른 네트워크 기반 디지털 보호계전기 통신시험 장치는, 변전소의 운영을 총체적으로 관리하는 상위운영 시스템(11); 상위운영시스템(11)으로부터 정보를 제공받아 저장하는 데이터베이스(12); 데이터베이스(12)에 저장된 정보를 시각화시켜 사용자에게 보여주는 HMI(Human Machine Interface) 장치(13); 상위운영시스템(11)과 디지털 보호계전기(16)의 사이에 위치하며 상호간에 고속의 이더넷(Ethernet) 통신이 가능하게 하는 이더넷 스위치(14); 이더넷 스위치(14)로부터 전압전류 주입신호를 받아 전압전류를 디지털 보호계전기(16)에 주입하는 전압전류 주입기(15); 및 전압전류 주입기(15)로부터 전압전류를 주입받아 보호계전요소, 측정값 및 차단기 트립신호를 발생시켜 상기 이더넷 스위치로 전송하는 디지털 보호계전기(16)를 포함하여 구성된다.
종래의 기술에 따른 네트워크 기반 디지털 보호계전기 통신시험 장치에 따르면, 정보전송이 네트워크를 통해 이루어지는 상황에서 디지털 보호계전기의 통신 내용을 분석하고 국제규격의 디지털 변전 자동화 시스템에 적합한 통신 성능을 보유했는지를 검증할 수 있으며, 또한, 디지털 보호계전기가 디지털 변전 자동화 시스템에 적합한 통신 성능을 보유했는지 국제규격의 검증을 통해서 디지털 보호계전기의 신뢰성을 검증할 수 있다.
종래의 기술에 따른 네트워크 기반 디지털 보호계전기 통신시험 장치의 경우, 모든 정보가 네트워크상에 공유됨으로써 1대 다 또는 다대 다 정보교환이 이루어지는 성능시험을 평가할 수 있지만, 풀 디지털(Full-digital) 방식의 시험방식을 적용하고 있기 때문에, 현재의 하프 디지털(Half-digital) 방식으로 구현된 전기철도용 급전계통의 디지털 보호계전기에 적용할 수 없다는 한계가 있다.
한편, 다른 선행기술로서, 대한민국 등록특허번호 제10-1906383호에는 "보호계전기 시험장비 운용 장치 및 방법"이라는 명칭의 발명이 개시되어 있는데, 도 3을 참조하여 설명한다.
도 3은 종래의 기술에 따른 보호계전기 시험장비 운용 장치의 구성도이다.
도 3을 참조하면, 종래의 기술에 따른 보호계전기 시험장비 운용 장치(20)는, 제1 포트(21), 제2 포트(22), 제3 포트(23), 스위치부(24), 측정부(25), 연산부(26), 표시부(27) 및 설정부(28) 중 적어도 일부를 포함할 수 있으며, 시험장비(30)와 보호계전기(40) 사이에서 진행되는 시험에 개입할 수 있다.
제1 포트(21)는 시험신호를 생성하는 시험장비(30)에 전기적으로 연결되도록 구성될 수 있다. 이때, 시험신호는 시험전압과 시험전류를 포함할 수 있으며, 서로 다른 위상의 3개의 시험전압과 3개의 시험전류를 포함할 수 있다.
제2 포트(22)는 보호계전기(40)에 전기적으로 연결되도록 구성될 수 있다. 제2 포트(22)는 제1 포트(21)에 대응되도록 구성될 수 있다.
제3 포트(23)는 보호계전기(40)로부터 트립(trip) 신호 또는 클로즈(close) 신호를 전달받도록 구성될 수 있다. 이때, 트립 신호와 클로즈 신호는 시험전압 또는 시험전류가 보호계전기(34)의 동작범위 내에 속할 때 보호계전기(40)에 의해 생성될 수 있다.
스위치부(24)는 제3 포트(23)로부터 트립 신호 또는 클로즈 신호를 전달받음에 따라 제1 포트(21)와 제2 포트(22) 사이의 전기적인 연결 상태를 변경할 수 있다.
이에 따라, 보호계전기 시험장비 운용 장치(20)는 보호계전기 동작 데이터를 확보하는 과정에서 시험신호가 보호계전기 동작 데이터에 주는 부정적인 영향을 줄일 수 있으므로, 정확한 보호계전기 동작 데이터를 확보할 수 있다.
측정부(25)는 스위치부(24)의 동작 시점에 기초한 시험기간 동안의 제1 포트(21)와 제2 포트(22) 사이의 전압 및 전류를 측정할 수 있다.
연산부(26)는 측정부(25)의 측정결과에 따라 시험기간내의 복수의 시점 별 임피던스를 연산할 수 있다.
표시부(170)는 저항 성분 축(R)과 리액턴스 성분 축(X)을 가지는 좌표에 연산부(26)에 의해 연산된 임피던스를 실시간으로 표시하여 임피던스 궤적을 표시할 수 있다.
설정부(28)는 보호계전기(40)의 종류정보를 입력받고, 종류정보에 기초하여 보호계전기(40)의 동작범위 및 기준 임피던스를 설정할 수 있다. 또한, 설정부(28)는 시험장비의 종류 정보를 입력받고, 종류정보에 기초하여 기준기간의 길이를 설정할 수 있다.
다시 말하면, 종래의 기술에 따른 보호계전기 시험장비 운용 장치(20)는, 사전에 준비된 사고발생시 생성된 소정 시험 전류값 및 전압값 데이터가 저장된 시험장비를 시험장비 운용 장치를 통해 보호계전기와 연결하고, 소정 시험 전류값 및 전압값을 시험장비 운용장치를 거쳐 보호계전기로 입력함과 함께, 보호계전기로부터 출력되는 트립(Trip) 신호 또는 클로즈(Close) 신호를 전달받아 보호계전기의 성능정보를 분석할 수 있다.
하지만, 종래의 기술에 따른 보호계전기 시험장비 운용 장치의 경우, 교류 급전시스템에 구비되는 보호계전기에 대한 실제 전철 급전시스템에서 발생될 수 있는 다양한 사고상황에 따라 발생되는 다양한 소정의 사고 전류값 및 전압값을 실제 보호계전기로 입력하기 어려워 보다 실제 급전시스템의 사고상황에 따른 전절급전시스템 보호계전기에 대한 보다 정확한 성능분석 및 테스트가 어려운 문제점이 있다.
또한, 다양한 제조사에 따른 보호계전기의 성능분석의 토대가 되는 다양한 기준 임피던스 궤적을 활용한 정확한 보호계 전기 성능분석이 어려운 문제점이 있다.
한편, 보호계전기 시험장비 운용 장치의 문제점을 해결하기 위한 다른 선행기술로서, 대한민국 등록특허번호 제10-2298314호에는 "전철급전시스템 보호계전기용 시험 시뮬레이터"라는 명칭의 발명이 개시되어 있는데, 도 4를 참조하여 설명한다.
도 4는 종래의 기술에 따른 전철급전시스템 보호계전기용 시험 시뮬레이터를 나타내는 구성도이다.
도 4를 참조하면, 종래의 기술에 따른 전철급전시스템 보호계전기용 시험 시뮬레이터는, 전철급전시스템 사고 모델링부, 시뮬레이터 제어부, 보호계전기 신호입력부 및 신호 검출부를 포함하여 구성된다.
전철급전시스템 사고 모델링부는 교류 전철급전시스템을 수치해석 모델링하고, 다수의 전철급전시스템의 사고 발생 유형 중 소정 사고발생 유형을 수치해석 모델링한 후, 시뮬레이션하여 해당 사고발생 유형에 따른 소정 전류 파형 및 전압 파형 데이터를 출력한다.
시뮬레이터 제어부는 전철급전시스템 사고 모델링부에서 출력되는 해당 사고발생 유형에 따른 소정 전류파형 및 전압파형 데이터를 입력받아 저장하고, 저장한 소정 전류파형 및 전압파형 데이터를 출력한다.
보호계전기 신호 입력부는 시뮬레이터 제어부로부터 입력받은 소정 전류파형 및 전압파형 데이터를 이용하여 소정 전류값 및 전압값으로 변환시켜 전철급전시스템 보호계전기로 출력한다.
신호검출부는 전철급전시스템 보호계전기에서 외부로 출력되는 작동신호를 검출하여 시뮬레이터 제어부로 출력한다.
구체적으로, 시뮬레이터 제어부는, 신호검출부로부터 입력받은 소정 전류값 및 전압값을 통해 시험기간 내의 복수의 시점별 임피던스를 연산하여 디스플레이 장치로 출력하고, 신호검출부로부터 입력받은 전철급전시스템 보호계전기의 작동신호를 통해 보호계전기의 성능정보를 디스플레이 장치로 출력하고, 시뮬레이터 제어부는, 보호계전기 신호입력부 및 전철급전시스템 보호계전기에 각각의 작동에 필요한 작동 셋팅 신호를 출력한다.
또한, 시뮬레이터 제어부는, 전철급전시스템 보호계전기의 임피던스 궤적과 함께, 시험 대상이 되는 전철급전시스템 보호계전기의 제조사와 다른 제조사에서 생산된 다수의 전철급전시스템 보호계전기에 대한 임피던스 궤적 및 신호검출부로부터 입력받은 소정 전류값 및 전압값을 통해 시험기간 내의 복수의 시점 별 임피던스 궤적을, 상기 디스플레이 장치의 한 화면에 동시에 출력한다.
또한, 전철급전시스템 사고 모델링부는, 스코트 변압기(Scott transformer), 권선변압기(AT), 전철선로, 병렬급전소(Parallel Post) 및 급전구분소(Sectioning Post)에 대한 수치해석 모델링을 실시한다.
다시 말하면, 종래의 기술에 따른 전철급전시스템 보호계전기용 시험 시뮬레이터는, 교류 전철급전시스템의 사고 발생을 방지하기 위해 변전소 보호반에 구비되는 전철급전시스템 보호계전기에 연결되며, 교류 전철급전시스템의 사고발생을 수치해석 모델링을 통해 시뮬레이션하고, 사고 발생 시뮬레이션을 통해 연산 출력되는 소정 전류값 및 전압값을 전철급전시스템 보호계전기로 입력하여 전철급전시스템 보호계전기의 정상 동작 여부를 테스트하는 전철급전시스템 보호계전기용 시험 시뮬레이터이다.
종래의 기술에 따른 전철급전시스템 보호계전기용 시험 시뮬레이터에 따르면, 전철급전시스템에서 발생되는 다양한 급전사고를 수치해석 모델링을 통해 시뮬레이션할 수 있고, 급전사고 시뮬레이션을 통해 계산 출력되는 다양한 급전사고에 의해 발생되는 소정 전류값 및 전압값을 테스트하고자 하는 전절급전시스템 보호계전기로 입력하여 보호계전기의 성능정보를 분석할 수 있다.
또한, 보호계전기의 성능정보 분석을 통해 전철급전시스템 보호계전기의 작동 불량 여부를 용이하게 판별할 수 있고, 다양한 제조사에서 생산 판매중이 전철급전시스템 보호계전기의 성능정보를 서로 비교분석할 수 있어 해당 전철급전시스템에서 발생되는 다양한 급전사고에 대해 능동적으로 보호동작하는 최적의 보호계전기를 선택할 수 있는 근거자료를 제공할 수 있다.
한편, 도 5는 종래의 기술에 따른 케이블 방식의 전기철도용 급전계통 감시설비를 나타내는 도면이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 종래의 기술에 따른 전기철도의 급전계통 감시설비가 케이블 방식인 아날로그 기반의 통신을 적용해왔으며, 이것은 모든 정보가 하드 와이어드된(Hard Wired) 케이블 환경에서 1대1 교환만 이루어지는 것을 의미하며, 이에 따라 전술한 IEC 61850를 지원할 수 없고, 또한, 전압, 전류, 상태신호 등의 복잡한 결선문제 및 설비 제조사마다 다른 운영 소프트웨어를 사용하기 때문에 전기철도용 디지털 보호계전기의 통신적합성을 평가하기 어렵다는 문제점이 있다.
대한민국 등록특허번호 제10-1906383호(등록일: 2018년 10월 2일), 발명의 명칭: "보호계전기 시험장비 운용 장치 및 방법" 대한민국 등록특허번호 제10-0926602호(등록일: 2009년 11월 5일), 발명의 명칭: "네트워크 기반 디지털 보호계전기 통신시험 장치 및 방법" 대한민국 등록특허번호 제10-2298314호(등록일: 2021년 8월 31일), 발명의 명칭: "전철급전시스템 보호계전기용 시험 시뮬레이터" 일본 등록특허번호 제5,627,274호(등록일: 2014년 10월 10일), 발명의 명칭: "디지털 보호계전기 및 디지털 보호계전기의 시험 장치" 일본 등록특허번호 제5,901,989호(등록일: 2016년 3월 18일), 발명의 명칭: "보호계전기 시스템 및 그 시험 방법"
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 현재 운영중인 하프 디지털 전기철도 급전계통에 대응하여, 전기철도의 급전계통의 전압/전류를 보호계전기에 아날로그 방식으로 공급하고, 외부통신은 디지털 방식의 이더넷 통신을 적용하는 하프 디지털(Half-digital) 방식으로 디지털 보호계전기의 통신적합성을 평가할 수 있는, 전기철도용 디지털 보호계전기의 통신적합성 평가 시스템 및 그 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 이더넷 통신을 적용하는 GOOSE 방식(IEC 61850 통신 서비스) 통신시험뿐만 아니라 다른 성능시험 방식인 케이블 방식 통신시험을 수행함으로써, GOOSE 방식과 케이블 방식의 검증 정확도를 비교할 수 있는, 전기철도용 디지털 보호계전기의 통신적합성 평가 시스템 및 그 방법을 제공하기 위한 것이다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명에 따른 전기철도용 디지털 보호계전기의 통신적합성 평가 시스템은, 전기철도의 급전계통 해석용 실시간 디지털 시뮬레이터, 증폭기 및 IEC 61850 통신 인터페이스로 이루어지며, 실시간 디지털 시뮬레이터가 전기철도의 급전계통을 디지털 방식으로 시뮬레이션하고, 증폭기를 통해 아날로그 방식으로 전압/전류를 공급하며, 디지털 방식의 외부통신을 통해 제1 측정결과를 전송하는 GOOSE 방식 통신시험기; 통신적합성 분석 툴, 보호계전기 및 IED 서버를 포함하며, 상기 보호계전기가 상기 GOOSE 방식 통신시험기로부터 급전계통의 전압/전류를 아날로그 방식으로 공급받고, 상기 실시간 디지털 시뮬레이터와 디지털 방식으로 외부통신을 수행하는 지능형 전자장치(IED) 급전반; 및 상기 GOOSE 방식 통신시험기와 상기 IED 급전반이 이더넷 랜을 따라 연결되도록 설치되는 이더넷 통신모듈을 포함하되, 상기 IED 급전반은 전기철도의 계통감시설비인 보호계전기의 통신 특성을 하프디지털 성능시험 방식으로 평가하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 GOOSE 방식 통신시험기는 IEC 61850 GOOSE 프로토콜에 따른 외부통신을 통해 디지털 방식으로 제1 측정결과를 전송할 수 있다.
여기서, 상기 GOOSE 방식 통신시험기는, 전기철도의 급전계통을 디지털 방식으로 실시간 시뮬레이션하는 실시간 디지털 시뮬레이터; 상기 전압/전류를 아날로그 방식으로 공급할 수 있도록 증폭하는 증폭기; 및 상기 실시간 디지털 시뮬레이터의 실시간 시뮬레이션에 따른 제1 측정결과를 전송할 수 있도록 IEC 61850 GOOSE 프로토콜에 따른 외부통신을 수행하는 IEC 61850 통신 인터페이스를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 IED 급전반은 GOOSE 방식의 제1 측정결과와 케이블 방식의 제2 측정결과의 검증 정확도를 비교하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 IED 급전반은, 상기 GOOSE 방식 통신시험기로부터 전송된 제1 측정결과에 따라 IEC 61850 GOOSE 통신 포로토콜에 대한 통신적합성을 분석하는 통신적합성 분석 툴; 상기 통신적합성 분석 툴이 통신적합성을 분석할 수 있도록 사전 조건을 설정하는 설정 툴; 상기 GOOSE 방식 통신시험기로부터 아날로그 방식으로 전압/전류를 공급받는 보호계전기; 및 상기 GOOSE 방식 통신시험기와 디지털 방식으로 외부통신을 수행하는 IED 서버를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 보호계전기는 거리계전기, 고장선택계전기 및 과전류계전기를 포함하고, 전기철도 선로에서 지락 또는 단락 고장이 발생할 경우, 고장을 검출하고 상기 GOOSE 방식 통신시험기 내의 급전용 차단기를 동작시켜 고장구간을 차단하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 이더넷 통신모듈은, 상기 GOOSE 방식 통신시험기와 상기 IED 급전반 사이에 각각 이더넷 랜을 따라 연결되고, IEC 61850 GOOSE 통신이 가능하도록 상기 GOOSE 방식 통신시험기와 상기 IED 급전반이 허브를 통해 연결될 수 있다.
본 발명에 따른 전기철도용 디지털 보호계전기의 통신적합성 평가 시스템은, 상기 IED 급전반의 통신적합성 분석 툴이 상기 제1 측정결과와 비교할 수 있도록 상기 급전계통의 보호계전기에 대해 케이블 방식 통신시험을 수행하여 제2 측정결과를 전송하는 케이블 방식 통신시험기를 추가로 포함할 수 있다.
여기서, 상기 케이블 방식 통신시험기는, 상기 IED 급전반과 케이블 방식으로 하드와이어드로 연결되도록 프로그래머블 로직 컨트롤러로 구현되는 통신 인터페이스: 및 상기 통신 인터페이스와 모드버스 통신을 수행하고, 상기 IED 급전반과 MMS 통신을 수행하는 휴먼 머신 인터페이스를 포함할 수 있다.
한편, 전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 다른 수단으로서, 본 발명에 따른 전기철도용 디지털 보호계전기의 통신적합성 평가 방법은, a) GOOSE 방식 통신시험기의 실시간 디지털 시뮬레이터가 철도용 급전계통의 보호계전기에 대해 GOOSE 통신프로토콜에 따른 통신시험 시뮬레이션을 수행하는 단계; b) 상기 GOOSE 방식 통신시험기가 증폭기를 통해 아날로그 방식으로 전압 및 전류를 지능형 전자장치(IED) 급전반의 보호계전기에 공급하는 단계; c) 상기 GOOSE 방식 통신시험기가 이더넷 통신모듈을 통해 GOOSE 방식으로 상기 IED 급전반에 제1 측정결과를 전송하는 단계; 및 d) 상기 IED 급전반의 통신적합성 분석 툴이 상기 보호계전기에 대한 IEC 61850 GOOSE 통신적합성을 검증하는 단계를 포함하되, 상기 IED 급전반은 전기철도의 계통감시설비인 보호계전기의 통신 특성을 하프디지털 성능시험 방식으로 평가하는 것을 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 전기철도용 디지털 보호계전기의 통신적합성 평가 방법은, e) 상기 IED 급전반에 하드와이어드된 케이블 방식 통신시험기가 케이블 통신시험을 수행하고 제2 측정결과를 전송하는 단계; 및 f) 상기 IED 급전반의 통신적합성 분석 툴이 상기 제1 측정결과와 제2 측정결과를 비교 분석하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 현재 운영중인 하프 디지털 전기철도 급전계통에 대응하여, 전기철도의 급전계통의 전압/전류를 보호계전기에 아날로그 방식으로 공급하고, 외부통신은 디지털 방식의 이더넷 통신을 적용하는 하프 디지털(Half-digital) 방식으로 디지털 보호계전기의 통신적합성을 평가할 수 있다.
본 발명에 따르면, 이더넷 통신을 적용하는 GOOSE 방식(IEC 61850 통신 서비스) 통신시험뿐만 아니라 다른 성능시험 방식인 케이블 방식 통신시험을 수행함으로써, GOOSE 방식과 케이블 방식의 검증 정확도를 비교할 수 있다.
도 1은 아날로그 방식의 변전소, 하프 디지털 변전소 및 풀 디지털 변전소로의 진화 과정을 예시하는 도면이다.
도 2는 종래의 기술에 따른 네트워크 기반 디지털 보호계전기 통신시험 장치를 나타내는 구성도이다.
도 3은 종래의 기술에 따른 보호계전기 시험장비 운용 장치의 구성도이다.
도 4는 종래의 기술에 따른 전철급전시스템 보호계전기용 시험 시뮬레이터를 나타내는 구성도이다.
도 5는 종래의 기술에 따른 케이블 방식의 전기철도용 급전계통 감시설비를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 전기철도용 디지털 보호계전기의 통신적합성 평가 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 전기철도용 디지털 보호계전기의 통신적합성 평가 시스템의 구체적인 구성도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 전기철도용 디지털 보호계전기의 통신적합성 평가 시스템에 적용되는 GOOSE 방식의 전기철도용 급전계통 감시설비를 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 전기철도용 디지털 보호계전기의 통신적합성 평가 시스템에서 지능형 전자장치(IED) 급전반 내의 IED 서버의 구체적인 구성도이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 전기철도용 디지털 보호계전기의 통신적합성 평가 시스템에서 IEC 61850 GOOSE 메시지 구조를 구체적으로 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 전기철도용 디지털 보호계전기의 통신적합성 평가 시스템에서 실시간 디지털 시뮬레이터와 보호계전기 간의 통신을 구체적으로 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 전기철도용 디지털 보호계전기의 통신적합성 평가 시스템에서 보호계전기의 IEC 61850 통신네트워크의 구성을 예시하는 도면이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 전기철도용 디지털 보호계전기의 통신적합성 평가 방법을 나타내는 동작흐름도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
먼저, 현재의 전기철도의 계통감시 설비는 모두 동축 케이블 방식인 아날로그 기반의 MODBUS 통신을 적용중이며, 향후 디지털 방식의 IEC 61850을 통해 디지털 방식이 도입될 예정이다.
여기서, IEC 61850는 국제전기전자표준위원회(IEC)에서 제공하는 전 세계적으로 인정받는 표준 전송 프로토콜로서, 중간 전압 디바이스와 고전압 전기 스위치 장치 간 통신을 위해 일반적으로 적용되는 규정을 제공하고 필수 시스템 요구사항을 정의한다. IEC 61850은 변전소 통신 자동화를 위한 표준으로서, 이 표준은 모든 보호, 제어, 측정 및 모니터링 기능을 변전소 내에 통합시키며, 추가적으로 고속 변전소 보호 어플리케이션, 인터록 및 상호트리핑을 위한 수단을 제공하며, 이더넷의 편리함을 오늘날 변전소에 필수적인 성능 및 보안에 결합하였다.
구체적으로, IEC 61850의 통신 기능과 관련된 특징은 응용과 통신의 분리이다. 응용은 ACSI(Abstract Communication Service Interface)에 적합하게 통신을 하는데, 이를 위해서는 응용 계층 프로토콜에 알맞게 변환이 가능해야 하고, 통신 프로파일(communication profile)에 정상적으로 반영되어야 한다. ACSI는 SCSM(Specific Communication Service Mapping)으로 매핑된다.
이러한 IEC 61850이 주목받고 있는 가장 큰 이유가 강력한 데이터 모델링이다. 각 LN(Logical Node)는 주고받은 데이터의 문법(syntax)과 의미(semantic)을 해석할 수 있어야만 서로 사용될 수 있는데, 이를 위해 응용에서는 3단계로 데이터를 모델링한다.
레벨 1 ACSI에서는 객체 모델(object model)로 구체화 되는 도메인, 즉, SAS의 항목을 접근하는데 사용되는 모델과 서비스로 구체화 되는데, 이러한 모델과 서비스는 응용의 요구를 반영하여 적용한다. 이때, 서비스는 응용의 객체 값을 읽거나 쓰는 기능뿐만 아니라 장비를 제어하는 기능도 수행한다.
레벨 2 CDC(Common Data Classes)에서는 하나 이상의 속성을 갖는 객체의 구조를 정의하는데, 이러한 속성들의 데이터 타입은 IEC 61850-7-1에 정의된다. 레벨 3 "호환 가능한 LN 클래스 및 객체 클래스(Compatible logical node classes and data classes)"에서는 CDC를 기반으로 하여, 기능 클래스와 데이터 클래스로 정의되는, 호환성 있는 객체 모델을 정의한다.
이러한 IEC 61850은 통신에 의해 변전소의 자동화를 지원하도록, CT(Current Transformer)와 VT(Voltage Transformer) 샘플 값 교환, 보호와 제어를 위한 I/O 데이터의 빠른 교환, 제어와 트립(trip) 신호, 공학 처리 및 구성, 감시 및 관리, 제어센터(control-center) 통신, 그리고 시각 동기화 등이 고려되어 있다
따라서 이러한 IEC 61850에서 정의된 통신 방식은 서비스 요청과 응답을 위한 클라이언트-서버 방식과 실시간 통신(SAV 또는 GOOSE)을 위한 일대일, 일대다 방식을 모두 지원한다. 예를 들면, 클라이언트-서버 방식의 통신에서 클라이언트는 서비스 요청을 하고 서버에서 처리된 서비스 결과를 확인하며, 또한 서버에서 오는 보고를 받을 수도 있다. 또한, 일대일 통신은 시간에 민감한 통신을 위한 것으로 회로 차단기를 작동시키거나 샘플 값을 전송하는데 이용된다.
이하, 도 6 내지 도 12를 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 전기철도용 디지털 보호계전기의 통신적합성 평가 시스템을 설명하며, 도 13을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 전기철도용 디지털 보호계전기의 통신적합성 평가 방법을 구체적으로 설명한다.
[전기철도용 디지털 보호계전기의 통신적합성 평가 시스템(100)]
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 전기철도용 디지털 보호계전기의 통신적합성 평가 시스템의 개략적인 구성도이고, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 전기철도용 디지털 보호계전기의 통신적합성 평가 시스템의 구체적인 구성도이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전기철도용 디지털 보호계전기의 통신적합성 평가 시스템(100)은, GOOSE(Generic Object Oriented Substraction Event) 방식 통신시험기(110), 이더넷 통신모듈(120), 지능형 전자장치(Intelligent Electronic Device: IED) 급전반(130) 및 케이블 방식 통신시험기(140)를 포함하여 구성된다.
GOOSE 방식 통신시험기(110)는 전기철도의 급전계통 해석용 실시간 디지털 시뮬레이터(111), 증폭기(112) 및 IEC 61850 통신 인터페이스(113)로 이루어지며, 실시간 디지털 시뮬레이터(111)가 전기철도의 급전계통을 디지털 방식으로 시뮬레이션하고, 증폭기(112)를 통해 아날로그 방식으로 전압/전류를 공급하며, 디지털 방식의 외부통신을 통해 제1 측정결과를 전송한다. 여기서, 상기 실시간 디지털 시뮬레이터(111)는 RDTS(Real Time Digital Simulator) 또는 DRTS(Digital Real Time Simulator)로도 불린다.
여기서, 상기 GOOSE 방식 통신시험기(110)는 IEC 61850 GOOSE 프로토콜에 따른 외부통신을 통해 디지털 방식으로 제1 측정결과를 전송할 수 있다.
구체적으로, 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 GOOSE 방식 통신시험기(110)는, 전기철도의 급전계통을 디지털 방식으로 실시간 시뮬레이션하는 실시간 디지털 시뮬레이터(111); 상기 전압/전류를 아날로그 방식으로 공급할 수 있도록 증폭하는 증폭기(112); 및 상기 실시간 디지털 시뮬레이터(111)의 실시간 시뮬레이션에 따른 제1 측정결과를 전송할 수 있도록 IEC 61850 GOOSE 프로토콜에 따른 외부통신을 수행하는 IEC 61850 통신 인터페이스(113)를 포함할 수 있다.
도 6을 참조하면, 지능형 전자장치(IED) 급전반(130)은 통신적합성 분석 툴(132), 보호계전기(Protective Relay)(133) 및 IED 서버(134)를 포함하며, 상기 보호계전기(133)가 상기 GOOSE 방식 통신시험기(110)로부터 급전계통의 전압/전류를 아날로그 방식으로 공급받고, 상기 실시간 디지털 시뮬레이터(111)와 디지털 방식으로 외부통신을 수행한다.
여기서, 급전반(Load-dispatching Board)은 전력계통의 각 발전소, 변전소의 운전상태, 주차단기의 개폐상태, 송전선로의 사용 상태, 저수지의 상태 등을 일목 요연하게 하여 급전업무를 수행하는 계기반을 말한다.
또한, 상기 IED 급전반(130)은, 후술하는 바와 같이, GOOSE 방식의 제1 측정결과와 케이블 방식의 제2 측정결과의 검증 정확도를 비교할 수 있다.
구체적으로, 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 IED 급전반(130)은, 상기 GOOSE 방식 통신시험기(110)로부터 전송된 제1 측정결과에 따라 IEC 61850 GOOSE 통신 포로토콜에 대한 통신적합성을 분석하는 통신적합성 분석 툴(132); 상기 통신적합성 분석 툴(132)이 통신적합성을 분석할 수 있도록 사전 조건을 설정하는 설정 툴(131); 상기 GOOSE 방식 통신시험기(110)로부터 아날로그 방식으로 전압/전류를 공급받는 보호계전기(Protective Relay)(133); 및 상기 GOOSE 방식 통신시험기(110)와 디지털 방식으로 외부통신을 수행하도록 지원하는 IED 서버(134)를 포함할 수 있다. 여기서, 예를 들면, 상기 설정 툴(131)은 보호계전기(133)의 종류정보를 입력받고, 상기 종류정보에 기초하여 보호계전기(133)의 동작범위 및 기준 임피던스를 설정할 수 있다.
또한, 상기 보호계전기(133)는 거리계전기, 고장선택계전기 및 과전류계전기를 포함하고, 전기철도 선로에서 지락 또는 단락 고장이 발생할 경우, 고장을 검출하고 상기 GOOSE 방식 통신시험기(110) 내의 급전용 차단기를 동작시켜 고장구간을 차단하는 것을 특징으로 한다.
도 6을 참조하면, 이더넷 통신모듈(120)은 상기 GOOSE 방식 통신시험기(110)와 상기 IED 급전반(130)이 이더넷 랜(LAN)을 따라 연결되도록 설치된다.
구체적으로, 상기 이더넷 통신모듈(120)은, 상기 GOOSE 방식 통신시험기(110)와 상기 IED 급전반(130) 사이에 각각 이더넷 랜(LAN)을 따라 연결되고, IEC 61850 GOOSE 통신이 가능하도록 상기 GOOSE 방식 통신시험기(110)와 상기 IED 급전반(130)이 허브(Hub)를 통해 연결될 수 있다.
도 6을 참조하면, 케이블 방식 통신시험기(140)는 상기 IED 급전반(130)의 통신적합성 분석 툴(132)이 상기 제1 측정결과와 비교할 수 있도록 상기 급전계통의 보호계전기(133)에 대해 케이블 방식 통신시험을 수행하여 제2 측정결과를 전송한다.
구체적으로, 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 케이블 방식 통신시험기(140)는, 상기 IED 급전반(130)과 케이블 방식으로 하드와이어드(Hard Wired)로 연결되도록 프로그래머블 로직 컨트롤러(Programmable Logic Controller: PLC)로 구현되는 통신 인터페이스(141): 및 상기 통신 인터페이스(141)와 모드버스(Modbus) 통신을 수행하고, 상기 IED 급전반(130)과 MMS(Manufacturing Message Specification) 통신을 수행하는 휴먼 머신 인터페이스(Human-Machine Interface: HMI)(142)를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 모드버스(Modbus)는 시리얼 통신 프로토콜로서, 제조공장이나 놀이공원의 기계들을 자동화하고 제어하는 목적으로 사용되는 프로그래머블 로직 컨트롤러(Programmable Logic Controller: PLC)들과의 통신에 사용할 목적으로 만들어졌다. 상기 모드버스(Modbus)는 프로토콜이 단순하지만, 장비 제어와 모니터링에 필요한 기능들을 수행할 수 있기 때문에 현재까지 산업용 전자장치들을 서로 연결하는 목적으로 널리 사용된다.
이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 전기철도용 디지털 보호계전기의 통신적합성 평가 시스템(100)에서, 상기 IED 급전반(130)은 전기철도의 계통감시설비인 보호계전기(133)의 통신 특성을 하프 디지털(Half-digital) 성능시험 방식으로 평가할 수 있다.
한편, 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 전기철도용 디지털 보호계전기의 통신적합성 평가 시스템에 적용되는 GOOSE 방식의 전기철도용 급전계통 감시설비를 나타내는 도면이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 전기철도용 디지털 보호계전기의 통신적합성 평가 시스템에 적용되는 GOOSE 방식의 전기철도용 급전계통 감시설비는, IEC 61850 통신 인터페이스(113)는, 예를 들면, SIPROTEC4 (7ST61)로 구현될 수 있고, IEC 61850을 지원할 수 있도록 이더넷 통신모듈이 설치된다.
본 발명의 실시예에 따른 전기철도용 디지털 보호계전기의 통신적합성 평가 시스템은 이러한 IEC 61850 통신 인터페이스(113)를 통해 IEC 61850 국제통신규격의 GOOSE와 구조가 일치하는지 설정값(IP 주소, 데이터 값 등)이 통신을 통해 전송되었는지 검사한다.
이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 전기철도용 디지털 보호계전기의 통신적합성 평가 시스템은 모든 정보가 이더넷(LAN) 네트워크상에 공유되어 1대N 또는 N:N 정보교환이 가능하다.
한편, 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 전기철도용 디지털 보호계전기의 통신적합성 평가 시스템에서 지능형 전자장치(IED) 급전반 내의 IED 서버의 구체적인 구성도이고, 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 전기철도용 디지털 보호계전기의 통신적합성 평가 시스템에서 IEC 61850 GOOSE 메시지 구조를 구체적으로 나타내는 도면이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 전기철도용 디지털 보호계전기의 통신적합성 평가 시스템에서 지능형 전자장치(IED) 급전반(130) 내에 IED 서버(134)가 구현될 수 있으며, 예를 들면, 상기 IED 서버(134)는 제어, 파일 전송, 시각 동기화 및 GOOSE 데이터를 수신할 수 있고, GOOSE 데이터를 분류하여 상기 GOOSE 방식 통신시험기(110)와 디지털 방식으로 외부통신을 수행하도록 지원할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 전기철도용 디지털 보호계전기의 통신적합성 평가 시스템엣, IEC 61850 GOOSE 메시지 구조는, 도 10에 도시된 바와 같고, 이러한 IEC 61850 통신 인터페이스(113)를 통해 IEC 61850 국제통신규격의 GOOSE와 구조가 일치하는지 설정값(IP 주소, 데이터 값 등)이 통신을 통해 전송되었는지 검사할 수 있다.
또한, 전기철도의 급전계통의 전압/전류를 보호계전기(133)에 아날로그 방식으로 공급하되, 외부통신은 디지털 방식의 이더넷 통신을 적용하는 하프 디지털(Half-digital) 방식을 수행하며, 이때, GOOSE 성능시험 방식과는 다른 케이블 방식의 성능시험 방식을 추가로 적용하여 GOOSE 방식과 케이블 방식의 검증 정확도를 비교할 필요가 있다.
다시 말하면, 상기 보호계전기(133)에 아날로그 방식으로 전압/전류를를 공급할 경우, 변류기(Current Transformer: CT) 및 계기용 변압기(Potential Transformer: PT)를 각각 이용한다. 다시 말하면, 계측이나, 보호용 계전기 등을 사용해 주회로의 전압 및 전류를 계층 제어하기 위해 주회로의 전압이나 전류를 작은 전기량으로 변성해서 사용할 필요가 있다. 이를 위해, 전압용으로 계기용 변압기(PT) 및 전류용으로 변류기(CT)를 사용하며, 일반적으로 계기용 변성기라고 총칭한다. 예를 들면, 계기용 변압기(PT)란 어떤 전압값을 이에 비례하는 전압값으로 변성하는 계기용 변성기를 말하며, 사용목적에 따라 비접지형과 접지형, 상수에 따라 단상과 삼상으로 분류된다.
한편, 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 전기철도용 디지털 보호계전기의 통신적합성 평가 시스템에서 실시간 디지털 시뮬레이터와 보호계전기 간의 통신을 구체적으로 나타내는 도면이다.
도 11에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 전기철도용 디지털 보호계전기의 통신적합성 평가 시스템에서 상기 실시간 디지털 시뮬레이터(111) 및 상기 보호계전기(133) 간의 통신 및 동작은 다음과 같이 수행될 수 있다.
먼저, 상기 실시간 디지털 시뮬레이터(111)는 시뮬레이션과 동시에 측정결과를 증폭기(AMP)(112)를 통해 보호계전기(133)에 인가한다. 여기서, 상기 실시간 디지털 시뮬레이터(111)는 시뮬레이션과 동시에 지능형 전자장치(IED) 급전반에 시뮬레이션 결과를 출력으로 전송하는데, 이때, 전자장치(IED) 급전반 내의 보호계전기의 동작 상태를 반영하여 시뮬레이션 하는 것을 실시간 시뮬레이션이라 한다.
이후, 상기 보호계전기(133)는 사고를 감지하여 상기 실시간 디지털 시뮬레이터(111) 내의 가상 차단기를 트립시키는 트릅 신호를 출력할 수 있다. 이후, 상기 실시간 디지털 시뮬레이터(111)는 보호계전기의 트립 발생을 반영한 시뮬레이션을 수행하고, 이 결과를 다시 보호계전기(133)에 인가한다.
이후, 상기 보호계전기(133)는 트립 복귀되며, 후속 동작으로서 재폐로를 수행한다. 이후, 상기 실시간 디지털 시뮬레이터(111)는 내장된 가상 차단기의 재폐로를 반영하여 시뮬레이션을 수행하고, 다시 상기 보호계전기(133)에 인가한다.
한편, 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 전기철도용 디지털 보호계전기의 통신적합성 평가 시스템에서 보호계전기의 IEC 61850 통신네트워크의 구성을 예시하는 도면이다.
도 12를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전기철도용 디지털 보호계전기의 통신적합성 평가 시스템(100)의 경우, IED 급전반(130)은 전기철도의 급전계통 전압/전류를 보호계전기(133)에서 아날로그 방식으로 공급받고, 급전계통의 실시간 디지털 시뮬레이터(111)를 통해 디지털 방식으로 외부통신이 가능하도록 구현된다.
또한, 실시간 디지털 시뮬레이터(111)는 전기철도 급전계통 해석용 디지털 시뮬레이터로서, 측정결과를 외부통신을 디지털로 수행하며, 이더넷 통신모듈(120)은 상기 IED 급전반(130)과 전기철도 급전계통 해석용 디지털 시뮬레이터가 허브를 통해 연결되도록 구성된다.
이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 전기철도용 디지털 보호계전기의 통신적합성 평가 시스템에 따르면, 현재 운영중인 하프 디지털 전기철도 급전계통에 대응하여, 전기철도의 급전계통의 전압/전류를 보호계전기에 아날로그 방식으로 공급하고, 외부통신은 디지털 방식의 이더넷 통신을 적용하는 하프 디지털(Half-digital) 방식으로 디지털 보호계전기의 통신적합성을 평가할 수 있다.
또한, 이더넷 통신을 적용하는 GOOSE 방식(IEC 61850 통신 서비스) 통신시험뿐만 아니라 다른 성능시험 방식인 케이블 방식 통신시험을 수행함으로써, GOOSE 방식과 케이블 방식의 검증 정확도를 비교할 수 있다.
[전기철도용 디지털 보호계전기의 통신적합성 평가 방법]
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 전기철도용 디지털 보호계전기의 통신적합성 평가 방법을 나타내는 동작흐름도이다.
도 13을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전기철도용 디지털 보호계전기의 통신적합성 평가 방법은, 먼저, GOOSE 방식 통신시험기(110)의 실시간 디지털 시뮬레이터(111)가 철도용 급전계통의 보호계전기에 대해 GOOSE 통신프로토콜에 따른 통신시험 시뮬레이션을 수행한다(S110).
구체적으로, 상기 GOOSE 방식 통신시험기(110)는, 전기철도의 급전계통 해석용 실시간 디지털 시뮬레이터(111), 증폭기(112) 및 IEC 61850 통신 인터페이스(113)로 이루어지며, 실시간 디지털 시뮬레이터(111)가 전기철도의 급전계통을 디지털 방식으로 시뮬레이션하고, 증폭기(112)를 통해 아날로그 방식으로 전압/전류를 공급하며, 디지털 방식의 외부통신을 통해 제1 측정결과를 전송할 수 있다.
또한, 상기 GOOSE 방식 통신시험기(110)는 IEC 61850 GOOSE 프로토콜에 따른 외부통신을 통해 디지털 방식으로 제1 측정결과를 전송할 수 있다.
다음으로, 상기 GOOSE 방식 통신시험기(110)가 증폭기(112)를 통해 아날로그 방식으로 전압 및 전류를 지능형 전자장치(IED) 급전반(130)의 보호계전기(133)에 공급한다(S120).
여기서, 상기 보호계전기(133)는 거리계전기, 고장선택계전기 및 과전류계전기를 포함하고, 전기철도 선로에서 지락 또는 단락 고장이 발생할 경우, 고장을 검출하고 상기 GOOSE 방식 통신시험기(110) 내의 급전용 차단기를 동작시켜 고장구간을 차단할 수 있다.
구체적으로, 상기 IED 급전반(130)은 통신적합성 분석 툴(132), 보호계전기(Protective Relay)(133) 및 IED 서버(134)를 포함하며, 상기 보호계전기(133)가 상기 GOOSE 방식 통신시험기(110)로부터 급전계통의 전압/전류를 아날로그 방식으로 공급받고, 상기 실시간 디지털 시뮬레이터(111)와 디지털 방식으로 외부통신을 수행할 수 있다.
다음으로, 상기 GOOSE 방식 통신시험기(110)가 이더넷 통신모듈(120)을 통해 GOOSE 방식으로 상기 IED 급전반(130)에 제1 측정결과를 전송한다(S130).
구체적으로, 상기 이더넷 통신모듈(120)은, 상기 GOOSE 방식 통신시험기(110)와 상기 IED 급전반(130) 사이에 각각 이더넷 랜(LAN)을 따라 연결되고, IEC 61850 GOOSE 통신이 가능하도록 상기 GOOSE 방식 통신시험기(110)와 상기 IED 급전반(130)이 허브(Hub)를 통해 연결된다.
다음으로, 상기 IED 급전반(130)의 통신적합성 분석 툴(132)이 상기 보호계전기(133)에 대한 IEC 61850 GOOSE 통신적합성을 검증한다(S140). 이에 따라, 상기 IED 급전반(130)은 전기철도의 계통감시설비인 보호계전기(133)의 통신 특성을 하프디지털(Half-digital) 성능시험 방식으로 평가할 수 있다.
다음으로, 상기 IED 급전반(130)에 하드와이어드된 케이블 방식 통신시험기(140)가 케이블 통신시험을 수행하고 제2 측정결과를 전송한다(S150).
구체적으로, 상기 케이블 방식 통신시험기(140)는, 상기 IED 급전반(130)과 케이블 방식으로 하드와이어드(Hard Wired)로 연결되도록 프로그래머블 로직 컨트롤러(Programmable Logic Controller: PLC)로 구현되는 통신 인터페이스(141): 및 상기 통신 인터페이스(141)와 모드버스(Modbus) 통신을 수행하고, 상기 IED 급전반(130)과 MMS(Manufacturing Message Specification) 통신을 수행하는 휴먼 머신 인터페이스(HMI)(142)를 포함할 수 있다.
다음으로, 상기 IED 급전반(130)의 통신적합성 분석 툴(132)이 상기 제1 측정결과와 제2 측정결과를 비교 분석할 수 있다(S160).
한편, 전술한 IEC 61850에 대표적인 통신방법인 비교적 적은 데이터를 다수의 전력기기와 빠르게 공유하기 위해 사용되는 GOOSE 방식 이외에도 TCP/IP 기반의 Server-Client 통신을 지원하는 MMS 방식 및 UDP/IP 기반의 전력기기들 사이의 시각 동기화를 위해 사용되는 TimeSync(SMTP) 방식에 대한 통신성능 및 타 기기에 메시지를 송신하는데 걸리는 소요시간 등에 대한 다양한 시험성능을 평가할 수 있다.
결국, 본 발명의 실시예에 따르면, 현재 운영중인 하프 디지털 전기철도 급전계통에 대응하여, 전기철도의 급전계통의 전압/전류를 보호계전기에 아날로그 방식으로 공급하고, 외부통신은 디지털 방식의 이더넷 통신을 적용하는 하프 디지털(Half-digital) 방식으로 디지털 보호계전기의 통신적합성을 평가할 수 있다.
또한, 이더넷 통신을 적용하는 GOOSE 방식(IEC 61850 통신 서비스) 통신시험뿐만 아니라 다른 성능시험 방식인 케이블 방식 통신시험을 수행함으로써, GOOSE 방식과 케이블 방식의 검증 정확도를 비교할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 디지털 보호계전기의 통신적합성 평가 시스템
110: GOOSE 방식 통신시험기
120: 이더넷 통신모듈
130: 지능형 전자장치(IED) 급전반
140: 케이블 방식 통신시험기
111: 실시간 디지털 시뮬레이터
112: 증폭기(AMP)
113: IEC 61850 통신 인터페이스
131: 설정 툴
132: 통신적합성 분석 툴
133: 보호계전기(Protective Relay)
134: IED 서버
141: 통신 인터페이스(PLC)
142: 휴먼 머신 인터페이스(HMI)

Claims (17)

  1. 전기철도의 급전계통 해석용 실시간 디지털 시뮬레이터(111), 증폭기(112) 및 IEC 61850 통신 인터페이스(113)로 이루어지며, 실시간 디지털 시뮬레이터(111)가 전기철도의 급전계통을 디지털 방식으로 시뮬레이션하고, 증폭기(112)를 통해 아날로그 방식으로 전압/전류를 공급하며, 디지털 방식의 외부통신을 통해 제1 측정결과를 전송하는 GOOSE(Generic Object Oriented Substraction Event) 방식 통신시험기(110);
    통신적합성 분석 툴(132), 보호계전기(Protective Relay)(133) 및 IED 서버(134)를 포함하며, 상기 보호계전기(133)가 상기 GOOSE 방식 통신시험기(110)로부터 급전계통의 전압/전류를 아날로그 방식으로 공급받고, 상기 실시간 디지털 시뮬레이터(111)와 디지털 방식으로 외부통신을 수행하는 지능형 전자장치(IED) 급전반(130); 및
    상기 GOOSE 방식 통신시험기(110)와 상기 IED 급전반(130)이 이더넷 랜(LAN)을 따라 연결되도록 설치되는 이더넷 통신모듈(120)을 포함하되,
    상기 IED 급전반(130)은 전기철도의 계통감시설비인 보호계전기(133)의 통신 특성을 하프디지털(Half-digital) 성능시험 방식으로 평가하는 것을 특징으로 하는 전기철도용 디지털 보호계전기의 통신적합성 평가 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 GOOSE 방식 통신시험기(110)는 IEC 61850 GOOSE 프로토콜에 따른 외부통신을 통해 디지털 방식으로 제1 측정결과를 전송하는 것을 특징으로 하는 전기철도용 디지털 보호계전기의 통신적합성 평가 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 GOOSE 방식 통신시험기(110)는,
    전기철도의 급전계통을 디지털 방식으로 실시간 시뮬레이션하는 실시간 디지털 시뮬레이터(111);
    상기 전압/전류를 아날로그 방식으로 공급할 수 있도록 증폭하는 증폭기(112); 및
    상기 실시간 디지털 시뮬레이터(111)의 실시간 시뮬레이션에 따른 제1 측정결과를 전송할 수 있도록 IEC 61850 GOOSE 프로토콜에 따른 외부통신을 수행하는 IEC 61850 통신 인터페이스(113)를 포함하는 전기철도용 디지털 보호계전기의 통신적합성 평가 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 IED 급전반(130)은 GOOSE 방식의 제1 측정결과와 케이블 방식의 제2 측정결과의 검증 정확도를 비교하는 것을 특징으로 하는 전기철도용 디지털 보호계전기의 통신적합성 평가 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 IED 급전반(130)은,
    상기 GOOSE 방식 통신시험기(110)로부터 전송된 제1 측정결과에 따라 IEC 61850 GOOSE 통신 포로토콜에 대한 통신적합성을 분석하는 통신적합성 분석 툴(132);
    상기 통신적합성 분석 툴(132)이 통신적합성을 분석할 수 있도록 사전 조건을 설정하는 설정 툴(131);
    상기 GOOSE 방식 통신시험기(110)로부터 아날로그 방식으로 전압/전류를 공급받는 보호계전기(Protective Relay)(133); 및
    상기 GOOSE 방식 통신시험기(110)와 디지털 방식으로 외부통신을 수행하는 IED 서버(134)를 포함하는 전기철도용 디지털 보호계전기의 통신적합성 평가 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 보호계전기(133)는 거리계전기, 고장선택계전기 및 과전류계전기를 포함하고, 전기철도 선로에서 지락 또는 단락 고장이 발생할 경우, 고장을 검출하고 상기 GOOSE 방식 통신시험기(110) 내의 급전용 차단기를 동작시켜 고장구간을 차단하는 것을 특징으로 하는 전기철도용 디지털 보호계전기의 통신적합성 평가 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 이더넷 통신모듈(120)은, 상기 GOOSE 방식 통신시험기(110)와 상기 IED 급전반(130) 사이에 각각 이더넷 랜(LAN)을 따라 연결되고, IEC 61850 GOOSE 통신이 가능하도록 상기 GOOSE 방식 통신시험기(110)와 상기 IED 급전반(130)이 허브(Hub)를 통해 연결되는 것을 특징으로 하는 전기철도용 디지털 보호계전기의 통신적합성 평가 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 IED 급전반(130)의 통신적합성 분석 툴(132)이 상기 제1 측정결과와 비교할 수 있도록 상기 급전계통의 보호계전기(133)에 대해 케이블 방식 통신시험을 수행하여 제2 측정결과를 전송하는 케이블 방식 통신시험기(140)를 추가로 포함하는 전기철도용 디지털 보호계전기의 통신적합성 평가 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 케이블 방식 통신시험기(140)는,
    상기 IED 급전반(130)과 케이블 방식으로 하드와이어드(Hard Wired)로 연결되도록 프로그래머블 로직 컨트롤러(PLC)로 구현되는 통신 인터페이스(141): 및
    상기 통신 인터페이스(141)와 모드버스(Modbus) 통신을 수행하고, 상기 IED 급전반(130)과 MMS(Manufacturing Message Specification) 통신을 수행하는 휴먼 머신 인터페이스(HMI)(142)를 포함하는 전기철도용 디지털 보호계전기의 통신적합성 평가 시스템.
  10. a) GOOSE 방식 통신시험기(110)의 실시간 디지털 시뮬레이터(111)가 철도용 급전계통의 보호계전기에 대해 GOOSE(Generic Object Oriented Substraction Event) 통신프로토콜에 따른 통신시험 시뮬레이션을 수행하는 단계;
    b) 상기 GOOSE 방식 통신시험기(110)가 증폭기(112)를 통해 아날로그 방식으로 전압 및 전류를 지능형 전자장치(IED) 급전반(130)의 보호계전기(133)에 공급하는 단계;
    c) 상기 GOOSE 방식 통신시험기(110)가 이더넷 통신모듈(120)을 통해 GOOSE 방식으로 상기 IED 급전반(130)에 제1 측정결과를 전송하는 단계; 및
    d) 상기 IED 급전반(130)의 통신적합성 분석 툴(132)이 상기 보호계전기(133)에 대한 IEC 61850 GOOSE 통신적합성을 검증하는 단계를 포함하되,
    상기 IED 급전반(130)은 전기철도의 계통감시설비인 보호계전기(133)의 통신 특성을 하프디지털(Half-digital) 성능시험 방식으로 평가하는 것을 특징으로 하는 전기철도용 디지털 보호계전기의 통신적합성 평가 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 a) 단계의 GOOSE 방식 통신시험기(110)는, 전기철도의 급전계통 해석용 실시간 디지털 시뮬레이터(111), 증폭기(112) 및 IEC 61850 통신 인터페이스(113)로 이루어지며, 실시간 디지털 시뮬레이터(111)가 전기철도의 급전계통을 디지털 방식으로 시뮬레이션하고, 증폭기(112)를 통해 아날로그 방식으로 전압/전류를 공급하며, 디지털 방식의 외부통신을 통해 제1 측정결과를 전송하는 것을 특징으로 하는 전기철도용 디지털 보호계전기의 통신적합성 평가 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 GOOSE 방식 통신시험기(110)는 IEC 61850 GOOSE 프로토콜에 따른 외부통신을 통해 디지털 방식으로 제1 측정결과를 전송하는 것을 특징으로 하는 전기철도용 디지털 보호계전기의 통신적합성 평가 방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 b) 단계의 IED 급전반(130)은 통신적합성 분석 툴(132), 보호계전기(133) 및 IED 서버(134)를 포함하며, 상기 보호계전기(133)가 상기 GOOSE 방식 통신시험기(110)로부터 급전계통의 전압/전류를 아날로그 방식으로 공급받고, 상기 실시간 디지털 시뮬레이터(111)와 디지털 방식으로 외부통신을 수행하는 것을 특징으로 하는 전기철도용 디지털 보호계전기의 통신적합성 평가 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 보호계전기(133)는 거리계전기, 고장선택계전기 및 과전류계전기를 포함하고, 전기철도 선로에서 지락 또는 단락 고장이 발생할 경우, 고장을 검출하고 상기 GOOSE 방식 통신시험기(110) 내의 급전용 차단기를 동작시켜 고장구간을 차단하는 것을 특징으로 하는 전기철도용 디지털 보호계전기의 통신적합성 평가 방법.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 c) 단계의 이더넷 통신모듈(120)은, 상기 GOOSE 방식 통신시험기(110)와 상기 IED 급전반(130) 사이에 각각 이더넷 랜(LAN)을 따라 연결되고, IEC 61850 GOOSE 통신이 가능하도록 상기 GOOSE 방식 통신시험기(110)와 상기 IED 급전반(130)이 허브(Hub)를 통해 연결되는 것을 특징으로 하는 전기철도용 디지털 보호계전기의 통신적합성 평가 방법.
  16. 제10항에 있어서,
    e) 상기 IED 급전반(130)에 하드와이어드된 케이블 방식 통신시험기(140)가 케이블 통신시험을 수행하고 제2 측정결과를 전송하는 단계; 및
    f) 상기 IED 급전반(130)의 통신적합성 분석 툴(132)이 상기 제1 측정결과와 제2 측정결과를 비교 분석하는 단계를 추가로 포함하는 전기철도용 디지털 보호계전기의 통신적합성 평가 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 케이블 방식 통신시험기(140)는,
    상기 IED 급전반(130)과 케이블 방식으로 하드와이어드로 연결되도록 프로그래머블 로직 컨트롤러(PLC)로 구현되는 통신 인터페이스(141): 및 상기 통신 인터페이스(141)와 모드버스(Modbus) 통신을 수행하고, 상기 IED 급전반(130)과 MMS 통신을 수행하는 휴먼 머신 인터페이스(HMI)(142)를 포함하는 전기철도용 디지털 보호계전기의 통신적합성 평가 방법.
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