변전소의 보조설비 계전보호 회로에서 잠재적 결함의 자동 검출 방법에 대한 연구

I. 소개

변전소의 계전 보호 회로의 비정상적인 운전 상태는 전력 시스템 전체에 큰 영향을 미칩니다. 한편으로, 계전 보호의 2차 회로는 전력 시스템의 중요한 구성 요소이며, 그 주요 기능은 전력 시스템의 안정적인 운전을 보장하는 것입니다. 2차 회로의 운전 상태가 비정상일 경우, 전력 시스템의 안정성이 감소하고 고장 발생 가능성이 증가할 수 있습니다.

또한, 계전 보호의 비정상적인 2차 회로는 보호 장치의 오작동이나 작동 불능을 초래하여 전력 시스템의 안전성을 위협할 수 있습니다. 예를 들어, 선로에서 단락 고장이 발생했을 때, 비정상적인 2차 회로로 인해 보호 장치가 적시에 고장 선로를 차단하지 못하면, 더 심각한 결과를 초래할 수 있으며, 이는 장비 손상과 화재 등으로 이어질 수 있습니다. 따라서 회로 내 숨겨진 고장을 효과적으로 검출하는 것은 매우 필요합니다.

샤 통조 등은 다중 매개변수 정보를 기반으로 변전소 계전 보호의 2차 회로 내 숨겨진 고장을 검출하는 방법을 제안했습니다. 여러 매개변수 정보를 수집하여 계전 보호의 2차 회로의 운전 상태를 종합적으로 분석함으로써, 숨겨진 고장을 더 정확하게 검출하고 고장 검출의 정확성과 신뢰성을 향상시킬 수 있으며, 잠재적인 안전 위험을 적시에 식별하고 해결하는 데 도움이 됩니다. 그러나 이 방법은 데이터 처리의 복잡성과 계산량을 일정 정도 증가시킵니다.

양 유한은 PLC 기술을 기반으로 변전소 계전 보호의 2차 회로 내 고장을 검출하는 방법을 제안했습니다. PLC 기술의 유연한 프로그래밍, 높은 신뢰성 및 강력한 확장성을 활용하여 고장 검출의 자동화 수준과 지능화 정도를 향상시키고, 2차 회로의 운전 상태를 실시간으로 모니터링할 수 있어 전력 시스템의 안전성과 안정성을 개선하는 데 좋은 적용 효과가 있습니다. 그러나 실제 적용 단계에서는 PLC 기술이 상응하는 하드웨어와 소프트웨어 지원을 필요로 하며, 이는 전력 시스템의 비용과 복잡성을 증가시킵니다.

위 내용을 바탕으로, 본 논문은 변전소 2차 장비의 계전 보호 회로 내 숨겨진 고장의 자동 검출 방법에 대한 연구를 제안하며, 설계된 검출 방법의 성능을 비교 실험 환경에서 분석 및 검증합니다.

II. 계전 보호의 2차 회로 내 숨겨진 고장의 자동 검출 방안 설계
2.1 계전 보호의 2차 회로의 고장 연관 영역 분석

계전 보호의 2차 회로의 상태 문제를 처리하는 과정에서 서로 다른 구성 요소들 사이의 상호 관계[3] 때문에, 숨겨진 고장이 있을 때 해당 고장 위치에 국한되지 않은 거시적인 현상이 나타납니다. 이에 따라, 본 논문은 먼저 계전 보호의 2차 회로의 고장 연관 영역을 분석합니다[4]. 적절한 함수를 설정하여 원래의 고장 검출 문제를 목적 함수의 최적 적합도 함수 계산 문제로 변환합니다. 이를 통해 계전 보호의 2차 회로의 실제 운전 정보에 따라 2차 회로의 상태를 평가할 수 있습니다.

계전 보호의 2차 회로의 특정 고장 연관 영역에 대해, 본 논문은 계전 보호의 2차 회로의 실제 운전 정보와 기대값 간의 유사성을 측정 기준으로 삼습니다. 회로의 총 전류를 계산할 때, 모든 분기의 전류를 합산해야 할 수도 있으며, 이때 합산의 상하한은 분기 전류의 수에 해당합니다. 위 방법에 따라, 계전 보호의 2차 회로의 고장 연관 영역 분석을 실현하여, 후속 숨겨진 고장 검출의 실행 기반을 제공합니다.

2.2 계전 보호의 2차 회로 내 숨겨진 고장 검출

표 1. 다양한 정도의 회로 고장 기준의 특징값 전류 값 출력 결과 비교 표

I. 테스트 결과 분석

표 1에 표시된 테스트 결과에서, 세 가지 다른 검출 방법 중 문헌 [1]에서 제안된 다중 매개변수 정보를 기반으로 하는 변전소 계전 보호의 2차 회로 내 숨겨진 고장 검출 방법은 고도의 고장 상태를 검출하는 데 더 우수한 성능을 보입니다. 측정 회로의 종합 오차 정도가 10.0% 미만일 때, 회로 고장 기준의 특징값 출력 결과는 크게 낮아져 실제 고장 판정에 있어서 일정한 부족함이 있습니다.

문헌 [2]에서 제안된 PLC 기술을 기반으로 하는 변전소 계전 보호의 2차 회로 내 고장 검출 방법의 경우, 전체 회로 고장 기준의 특징값 출력 결과는 비교적 안정적이지만, 전체 값에는 개선의 여지가 있습니다.

반면, 본 논문에서 설계된 검출 방법 아래에서는, 회로 고장 기준의 특징값 출력 결과가 항상 0.12 A 이상이며, 최대값은 0.22 A를 초과하여, 2차 장비의 계전 보호 회로의 숨겨진 고장 상태를 효과적으로 반영할 수 있습니다. 대조군과 비교하여, 안정성과 적응성 면에서 상대적으로 분명한 장점을 보입니다.

설계된 검출 방법의 성능을 분석하기 위해, PSCAD/EMTDC에서 변전소의 2차 장비 계전 보호 회로 모델을 구축하였습니다. 구체적인 설정 단계에서, 실제 보호 유형, 전기 구성 요소 모델 및 운전 매개변수 설정을 충분히 고려하였습니다.

II. 적용 테스트
2.1 테스트 준비

전형적인 송전선로를 기반으로 거리 보호를 구성하고, 이를 2차 장비의 계전 보호 회로로 사용하였습니다. 구체적인 운전 매개변수 설정에서는, 임피던스 범위를 선로 임피던스의 80% - 120%로 설정하였으며, 지연 시간은 0.1초, 작동 시간은 0.02초로 설정하였습니다. 작동 특성은 사각형 특성을 채택하여, 보호 범위 내에서 고장이 발생했을 때 신뢰성 있게 작동하고, 보호 범위 외에서 고장이 발생했을 때 신뢰성 있게 작동하지 않도록 하였습니다. 전압이 정격 전압의 80% 미만일 때, 보호가 차단되어 너무 낮은 전압에서 오작동을 방지하였습니다. CT의 변환비는 1000:1이고, 정격 전류는 1.0 A로 설정되었습니다. PT의 변환비는 10000:1이고, 정격 전압은 100 kV로 설정되었습니다. 필터 구성에서는 저주파 필터를 사용하였으며, 차단 주파수는 500 Hz로 설정하여 고주파 노이즈의 영향을 줄였습니다.

2.2 테스트 방안

위에서 언급한 테스트 환경을 기반으로, 문헌 [1]에서 제안된 다중 매개변수 정보를 기반으로 하는 변전소 계전 보호의 2차 회로 내 숨겨진 고장 검출 방법과 문헌 [2]에서 제안된 PLC 기술을 기반으로 하는 변전소 계전 보호의 2차 회로 내 고장 검출 방법을 대조군으로 하여 테스트를 진행하였습니다. 세 가지 다른 방법의 검출 결과를 동일한 작업 조건 하에서 테스트하였습니다.

구체적인 테스트 작업 조건으로, CT가 위치한 분기의 전류 측정 회로를 고장 위치로 설정하였으며, CT가 위치한 분기의 측정 회로의 종합 오차 정도는 각각 -15%, -10%, -5%, +5%, +10%, +15%로 설정하였습니다. 이를 기반으로, 서로 다른 검출 방법에 의해 출력되는 고장 전류 측정 회로 분기의 고장 기준 특징값 분포를 각각 집계하였습니다.

2.3 테스트 결과 및 분석

다양한 검출 방법 하에서 서로 다른 정도의 회로 고장 기준의 특징값 전류 값 출력 결과를 각각 집계하였으며, 구체적인 데이터 결과는 표 1에 표시되어 있습니다.

III. 결론

계전 보호의 2차 회로의 비정상은 전력 시스템의 에너지 손실 증가를 초래하는 가장 직접적인 요인 중 하나입니다. 2차 회로의 전류 변환기나 전압 변환기가 고장이 나면, 측정 오류가 발생하여 전기료 정산의 정확성에 영향을 미칩니다.

본 논문은 변전소의 2차 장비 계전 보호 회로의 숨겨진 고장의 자동 검출 방법에 대한 연구를 제안하였으며, 다양한 정도의 2차 회로의 정확한 검출을 효과적으로 실현하며, 좋은 실제 적용 가치를 가지고 있습니다. 본 논문에서 제안된 2차 장비 계전 보호 회로의 고장 검출 방법의 연구 및 설계를 통해, 실제로 변전소의 안전 관리에 귀중한 참고 자료를 제공할 것으로 기대됩니다.

부분 2.1에서 구성된 계전 보호의 2차 회로의 고장 연관 영역의 적합성 함수와 결합하여, 구체적인 고장 검출 과정에서 본 논문은 적합성 함수의 최적 값을 최종 식별 결과로 해결합니다. 위 방법에 따라, 2차 장비의 계전 보호 회로의 숨겨진 고장의 검출 및 분석을 실현합니다.