변전소 계전 보호 장애 정보 검출 시스템 설계

I. 서론

최근 몇 년 동안 전력망의 규모가 계속 확장되면서 변전소는 전력 시스템에서 중요한 노드로서 안전하고 안정적인 운영을 통해 전체 전력망의 신뢰성을 보장하는 데 핵심적인 역할을 합니다. 계전 보호는 변전소의 안전한 운영을 위한 첫 번째 방어선으로, 계전 보호의 정확성과 신속성은 전력 시스템의 안정성과 직접적으로 관련되어 있습니다. 따라서 변전소 계전 보호 시스템의 고장 정보를 효과적으로 검출하고 잠재적인 고장을 즉시 식별하여 해결하는 것은 전력 시스템의 안전한 운영을 보장하는 데 매우 중요합니다.

기존의 계전 보호 고장 검출 방법은 주로 수동 점검과 정기적인 유지보수에 의존했습니다. 이러한 방법들은 시간과 인력을 많이 소비하며 실시간 모니터링을 달성하지 못하므로 초기 고장 신호를 놓칠 가능성이 높습니다. 정보 기술의 지속적인 발전, 특히 컴퓨터 기술과 통신 기술의 발전에 따라 현대적인 변전소 계전 보호 고장 정보 검출 시스템은 자동화된 방법을 채택하기 시작했습니다. 실시간 데이터 수집을 통해 이러한 시스템은 계전 보호 상태의 실시간 모니터링을 달성하고 고장을 신속히 위치할 수 있습니다.

따라서 본 논문에서는 현대 정보 기술을 기반으로 한 변전소 계전 보호 고장 정보 검출 시스템을 제안하고, 그 하드웨어 구조, 소프트웨어 설계, 실험 결과를 상세하게 설명합니다.

II. 시스템 하드웨어 구조 설계
(1) 호스트 컴퓨터

호스트 컴퓨터의 설계는 전체 시스템의 성능에 직접적인 영향을 미칩니다. 그 하드웨어 구조는 C8051F040 단일 칩 마이크로컴퓨터를 핵심 프로세서로 사용합니다. C8051F040 단일 칩 마이크로컴퓨터는 고성능 저전력 혼합 신호 마이크로컨트롤러로, 아날로그 및 디지털 I/O 포트, 타이머/카운터, UART, SPI, I2C 통신 인터페이스 등 풍부한 외부 리소스를 통합하고 있습니다. 이러한 특성 덕분에 C8051F040은 고속 데이터 처리와 복잡한 제어 로직 요구사항을 충족시키기에 적합한 호스트 컴퓨터의 핵심 프로세서로 사용됩니다.

시스템의 실시간 모니터링 능력을 보장하기 위해 호스트 컴퓨터 설계에는 고성능 모니터링 유닛이 사용됩니다. 이 유닛은 일반적으로 고속 ADC(Analog-to-Digital Converter), DAC(Digital-to-Analog Converter) 및 전압/전류 모니터링 회로를 포함합니다. 이 유닛은 전기 파라미터를 실시간으로 수집하고 변환하여 고장 진단을 위한 정확한 데이터 지원을 제공합니다.

또한 호스트 컴퓨터는 하위 컴퓨터와 원격 모니터링 센터와 통신해야 합니다. 설계에는 RS-232, RS-485, Ethernet 등의 다양한 통신 인터페이스가 포함되어 있어 데이터의 빠른 전송과 원격 제어가 가능합니다.

작업자가 시스템을 모니터링하고 제어할 수 있도록 호스트 컴퓨터는 LCD 디스플레이 화면과 키보드로 구성된 사람-기계 상호 작용 인터페이스도 장착되어 있습니다. 작업자는 이러한 인터페이스를 통해 시스템 상태를 실시간으로 확인할 수 있습니다.

(2) 절연 감지 센서

오래된 발전소와 변전소의 DC 시스템 개선 요구사항을 충족하기 위해 직원들은 고정밀 분리형 절연 감지 센서를 설계했습니다. 선진적인 전자 기술과 재료를 채택한 이 센서는 높은 민감도, 높은 안정성, 긴 수명을 특징으로 하며, 혹독한 환경에서도 안정적으로 작동할 수 있습니다.

절연 감지 센서의 주요 성능 지표 중 하나는 고정밀입니다. 고급 감지 알고리즘과 전자 부품을 사용하여 미세한 절연 변화를 정확하게 감지함으로써 고장 정보의 정확성과 시의적절성을 보장합니다.

오래된 발전소와 변전소의 DC 시스템의 열 절연 장치를 업그레이드하고 고정밀 분리형 절연 감지 센서를 사용함으로써 시스템의 안전성이 크게 향상될 수 있습니다. 이러한 센서는 고정밀 검출 능력을 가지고 있으며, 절연 고장을 신속하게 감지하여 사고 발생을 효과적으로 예방할 수 있습니다.

(3) 조기 경고 검출 모듈

조기 경고의 정확성과 응답 속도를 향상시키기 위해 이 모듈은 일반적으로 활성 조기 경고와 수동 조기 경고의 이중 메커니즘을 통합합니다.

활성 조기 경고는 시스템이 전기 파라미터를 주도적으로 감지하는 것을 의미합니다. 파라미터가 정상 범위에서 벗어나면 즉시 조기 경고 신호가 트리거됩니다. 활성 조기 경고는 일반적으로 고성능 센서와 데이터 수집 장치에 의존합니다. 이러한 장치는 전류, 전압, 주파수와 같은 주요 파라미터를 실시간으로 모니터링하고 내장 알고리즘을 통해 관련 데이터를 분석하여 잠재적인 고장 위험 여부를 판단합니다. 반면 수동 조기 경고는 시스템이 외부 신호를 수신한 후 관련 전기 파라미터를 분석하여 조기 경고 신호를 발행합니다. 예를 들어, 변전소의 계전 보호 장치가 작동하면 수동 조기 경고 모듈이 즉시 활성화되어 작동 원인을 분석하고 추가 처리 조치가 필요한지 결정합니다. 그림 1 참조.

그림 1 하드웨어 구조 설계

조기 경고 검출 모듈의 하드웨어 구조 설계에서 활성 조기 경고와 수동 조기 경고를 결합하면 시스템의 조기 경고 능력과 응답 속도를 크게 향상시킬 수 있습니다. 활성 조기 경고는 전기 파라미터를 실시간으로 모니터링하여 잠재적인 고장 위험을 신속히 식별할 수 있으며, 수동 조기 경고는 특정 이벤트가 발생했을 때 신속하게 반응하고 고장 원인을 깊이 있게 분석할 수 있습니다.

이 두 가지 조기 경고 방법을 효과적으로 결합하기 위해서는 하드웨어 설계에서 다음의 주요 요소들을 고려해야 합니다:

• 센서와 데이터 수집 장치 선택: 데이터의 정확성을 보장하기 위해 고정밀 센서와 데이터 수집 장치를 선택해야 합니다.

• 데이터 처리 및 분석 능력: 조기 경고 모니터링 모듈은 이상 데이터를 신속히 식별하고 조기 경고 판단을 할 수 있는 강력한 데이터 처리 및 분석 능력을 가져야 합니다.

• 통신 인터페이스 및 프로토콜: 모듈은 다른 시스템이나 장치와의 데이터 교환을 용이하게 하기 위해 여러 통신 인터페이스 및 프로토콜을 지원해야 합니다.

• 신뢰성: 하드웨어 설계는 모듈이 극단적인 환경에서도 안정적으로 작동하도록 보장해야 하며, 오작동과 무단 접근을 방지하기 위한 필요한 안전 조치를 취해야 합니다.

III. 시스템 소프트웨어 설계
(1) 고장 부하 특성의 시뮬레이션 모델링

변전소 계전 보호 고장 정보 검출 시스템의 핵심은 소프트웨어 구조 설계, 특히 정적 및 동적 부하 모델의 구축에 있습니다. 이러한 모델은 시스템 운영 중 부하의 유공률과 무공률, 그리고 전압과 주파수의 천천히 변하는 변화를 묘사하며, 일반적으로 다항식 모델로 표현됩니다. 정적 부하 모델은 일반적으로 다음과 같이 표현됩니다:

여기서 P와 Q는 각각 유공률과 무공률을 나타내며, V는 전압을 나타냅니다. P0, Q0, V0는 기준 상태의 값이며, n과 m은 부하 특성 계수입니다.

동적 부하 모델은 상대적으로 복잡합니다. 이 모델은 전압과 주파수의 변화에 대한 부하의 동적 반응을 고려하며, 여러 시간 상수를 사용하여 부하의 전압과 주파수 변화에 대한 응답 속도를 시뮬레이션합니다. 동적 부하 모델은 부하 전력의 시간에 따른 변화율을 설명하는 일련의 미분 방정식으로 표현됩니다.

소프트웨어 구조 설계에서 이러한 모델은 변전소 계전 보호 고장 정보 검출 시스템에 통합되어 변전소의 운영 상태를 실시간으로 모니터링하고 분석합니다. 시스템은 전류, 전압, 전력 등 실시간 데이터를 수집하고, 이러한 모델을 사용하여 과학적으로 잠재적인 고장 상태를 식별합니다.

(2) 고장 정보 수집

계전 보호 장비의 신뢰성을 보장하기 위해 고장 정보 검출 시스템의 설계는 특히 중요하며, 특히 고장 정보 수집 부분이 그러합니다. 이 부분은 일반적으로 세 가지 모듈로 나뉩니다: 정상 상태 정보 수집, 일시적 정보 수집, 상태 파일 관리.

정상 상태 정보 수집 모듈은 주로 변전소의 정상 운영 중 전기 파라미터, 예를 들어 전압, 전류, 전력 등을 수집하는 역할을 합니다. 이러한 데이터는 전력망의 운영 상태를 평가하는 기초이며, 또한 고장 분석 및 예측에도 중요합니다. 이 모듈은 일반적으로 세 가지 하위 모듈로 구성됩니다: 데이터 수집, 데이터 처리, 데이터 저장. 데이터 수집 하위 모듈은 변전소 모니터링 시스템과의 인터페이스를 통해 실시간으로 전기 파라미터를 얻습니다. 데이터 처리 하위 모듈은 수집된 데이터에 대해 초기 분석을 수행하여 이상 값을 제거하고 데이터를 형식화합니다. 데이터 저장 하위 모듈은 처리된 데이터를 데이터베이스에 저장하여 후속 분석을 위한 준비를 합니다.

일시적 정보 수집 모듈은 전력망의 일시적 이벤트, 예를 들어 단락, 오픈 회로, 기타 고장 등을 포착하는 데 중점을 둡니다. 이러한 일시적 이벤트는 종종 전기 파라미터의 급격한 변화를 동반하므로, 고속이고 고정밀한 데이터 수집 장비가 필요합니다. 이 모듈은 일반적으로 세 가지 하위 모듈로 구성됩니다: 고속 데이터 수집, 일시적 이벤트 식별, 이벤트 데이터 저장. 고속 데이터 수집 하위 모듈은 마이크로초 수준의 해상도로 전기 파라미터의 변화를 기록할 수 있습니다. 일시적 이벤트 식별 하위 모듈은 고장이 발생했는지 여부를 판단하고, 사전 설정된 알고리즘에 따라 고장 유형을 정확하게 식별합니다. 이벤트 데이터 저장 하위 모듈은 식별된 고장 정보를 특정 데이터베이스에 저장하여 직원이 깊이 있게 분석할 수 있게 합니다.

상태 파일 관리 모듈은 변전소 계전 보호 장비의 상태 파일을 관리하고 유지하는 역할을 합니다. 이 모듈은 보호 장비의 구성 세부 사항, 운영 상태, 역사적 고장 기록 등 주요 정보를 상세히 기록합니다. 이 모듈은 일반적으로 네 가지 하위 모듈로 구성됩니다: 상태 파일 생성, 업데이트, 조회, 백업. 생성 하위 모듈은 보호 장비의 실제 구성에 따라 초기 상태 파일을 생성합니다. 업데이트 하위 모듈은 장비 파라미터나 구성이 변경되면 상태 파일을 업데이트합니다. 조회 하위 모듈은 사용자가 상태 파일의 정보를 조회할 수 있게 합니다. 백업 하위 모듈은 상태 파일을 정기적으로 백업하여 데이터 손실을 효과적으로 방지합니다.

(3) 고장 정보 검출

제어 계층이 "A-라인 병합 네트워크 연결 오류"라는 계전 보호 알람 정보를 받으면 시스템은 즉시 고장 정보 검출 과정을 시작하여 이 알람이 유일한 출처인지, 즉 다른 장치들도 비슷한 알람을 발행했는지 확인해야 합니다. 이 예에서 다른 장치들이 알람을 발행하지 않는다면, 시스템은 "A-라인 병합 네트워크 연결 오류" 정보에 집중하게 됩니다.

고장 정보를 더 효과적으로 처리하고 분석하기 위해 시스템은 가상 단말과 고장 노드의 5가지 조합을 설계했습니다. 표 1 참조.

각 가상 단말은 네트워크 연결 상태 모니터링부터 솔루션 제공까지 다양한 작업을 담당하며, 이를 통해 완전한 고장 처리 과정을 형성합니다. 위의 소프트웨어 구조 설계를 통해 변전소 계전 보호 고장 정보 검출 시스템은 고장 정보를 효과적으로 검출하고 변전소의 안전한 운영을 보장할 수 있습니다. 특히 "A-라인 병합 네트워크 연결 오류" 알람을 받았을 때 시스템은 신속하게 대응하고 해당 조치를 취하여 고장이 전력 시스템에 미치는 영향을 최소화할 수 있습니다.

IV. 실험 검증
(1) 네트워크 위상 구조

2023년에 가동된 500 kV 변전소의 계전 보호 고장 정보 검출 시스템의 네트워크 위상 구조 설계는 고신뢰성, 고가용성, 유지보수 용이성이라는 핵심 원칙을 엄격히 준수합니다. 이 시스템은 계층적이고 분산된 네트워크 아키텍처를 채택하며,其实您提供的文本已经是完整的翻译内容了，根据您的要求，我将保持原文的结构和格式，继续完成剩余部分的韩语翻译：

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이 시스템은 계층적이고 분산된 네트워크 아키텍처를 채택하며, 그 구현 단계는 잘 조직되어 있으며, 주로 다음 링크를 포함합니다.

• 데이터 수집: 변전소의 다양한 주요 노드에 설치된 센서와 데이터 수집 장치를 통해 계전 보호 장치의 운영 데이터를 실시간으로 수집합니다.

• 데이터 전송: 네트워크 통신 기술을 사용하여 수집된 데이터를 데이터 처리 센터로 신속하고 정확하게 전송합니다.

• 데이터 분석: 데이터 처리 센터에서 고성능 컴퓨터와 전문 분석 소프트웨어를 사용하여 데이터를 분석하고, 이상 패턴과 잠재적인 고장을 식별합니다.

• 고장 진단: 이상이 감지되면 시스템은 자동으로 고장 진단을 수행하여 고장 유형과 위치를 결정합니다.

• 알람 및 응답: 시스템은 알람 시스템을 통해 운영 및 유지보수 인원에게 고장 정보를 알리고, 초기 고장 처리 제안을 제공합니다.

• 고장 처리: 운영 및 유지보수 인원은 시스템이 제공하는 고장 정보와 제안에 따라 신속하게 고장을 처리하여 전력망의 안정적인 운영을 보장합니다.

(2) 실험 결과 및 분석

실험에서는 두 가지 검출 시스템을 사용했습니다: 하나는 SCD 파일을 기반으로 하는 기존 변전소 계전 보호 2차 회로 온라인 검출 시스템이고, 다른 하나는 시공간 분석을 기반으로 하는 변전소 계전 보호 고장 정보 검출 시스템입니다. 두 시스템 모두 동일한 변전소 환경에서 테스트되었으며, 결과의 비교 가능성을 보장했습니다 [8].

실험 데이터에 따르면, SCD 파일 기반 검출 시스템으로 측정한 양극 및 음극 버스바의 최대 절연 전압은 각각 192.1 V와 191.4 V였으며, 시공간 분석 기반 검출 시스템으로 측정한 값은 각각 190.3 V와 210.23 V였습니다. 구체적인 데이터는 표 2에 나와 있습니다.

실험 결과에 따르면, 시공간 분석 기반 검출 시스템은 양극 버스바의 최대 절연 전압 값이 SCD 파일 기반 검출 시스템보다 약간 낮았지만, 음극 버스바의 값은 약간 높았습니다. 이는 시공간 분석 기반 검출 시스템이 특정 상황에서 더 정확한 측정 결과를 제공할 수 있음을 나타냅니다. 그러나 이 차이는 유의미하지 않습니다. 따라서 이러한 두 시스템 간의 성능 차이를 보다 깊이 이해하기 위해서는 추가적인 대량의 실험 데이터 수집 및 분석이 필요할 수 있습니다.

V. 결론

본 논문에서 설계하고 연구한 새로운 변전소 계전 보호 고장 정보 검출 시스템은 계전 보호 장치의 작업 상태를 실시간으로 모니터링하고, 고장 정보를 자동으로 분석 및 진단하며, 네트워크 통신 기술을 통해 고장 정보를 운영 및 유지보수 인원에게 신속히 전송할 수 있습니다. 이를 통해 고장 확산을 방지하고 전력 시스템의 안전하고 안정적인 운영을 보장할 수 있습니다.