라인 보호 릴레이 마이크로컴퓨터 기반 라인 보호 솔루션

1. 요약 및 배경​
   전력망 구조의 복잡성 증가, 특히 초고압직류(UHVDC) 송전, 재생 에너지의 대규모 통합, 다중 병렬 송전선 등으로 인해 송전선 보호의 성능 요구사항이 전례 없는 수준에 도달했습니다. 핵심 과제는 고장 발생 시 보호 장치의 극도로 빠른 작동을 보장하여 시스템 안정성을 유지하면서 동시에 불필요한 트리핑과 고장 확대를 방지하기 위한 강력한 선택성을 보장하는 것입니다. 이러한 모순은 병렬 이중 회로와 같은 복잡한 그리드 구조에서 특히 두드러지며, 기존의 단일 종단 보호 원칙이 상당한 한계를 겪고 있습니다.

이 솔루션은 고급 마이크로컴퓨터 기반 보호 기술을 활용하여 세 가지 핵심 모듈, 즉 전력 주파수 변동 거리 보호, 이중 종단 여행파 고장 위치, 그리고 적응형 자동 재폐합 전략을 통합합니다. 이를 통해 선로 보호의 신뢰성, 속도, 지능화를 종합적으로 향상시키고, 강력하고 스마트한 그리드 구축에 중요한 지원을 제공합니다.

​2. 핵심 과제 분석​

• ​속도와 선택성 간의 모순: 기존 보호 방식은 선택성을 보장하기 위해 지연 작동이 필요하며, 이는 시스템 안정성을 유지하기 위해 필요한 빠른 고장 제거와 충돌합니다.
• ​병렬 이중 회로에서의 정확한 고장 위치: 이중 회로 간의 상호 유도로 인해 고장 특성이 복잡해져, 기존 고장 위치 방법의 정확성이 크게 감소하고 고장 식별 및 전력 복구가 어려워집니다.
• ​재생 에너지 통합에 의한 불확실성: 풍력 및 태양광 발전소의 통합으로 인해 단락 전류 수준 및 특성이 변경되어 보호 장치의 오작동 또는 실패를 초래할 수 있습니다. 또한, 그들의 출력 변동은 자동 재폐합 전략의 성공률에 도전을 줍니다.

​3. 솔루션의 핵심 기술​

​3.1 전력 주파수 변동 거리 보호 (ΔZ 보호)​​

• ​기술 원리: 이 기술은 정상 시스템 작동 중에는 부하 전류의 영향을 받지 않습니다. 고장 발생 순간에 생성된 전력 주파수 변동 전압과 전류만을 사용하여 고장 임피던스를 계산합니다. 높은 시작 임계값을 가짐으로써, 이는 본질적으로 방향성이 있으며, 매우 선택적이며, 시스템 진동과 전환 저항에 민감하지 않습니다.
• ​성능 장점:
• 초고속 작동: 매우 빠른 응답으로, 일반적인 작동 시간이 10ms 미만입니다.
• 높은 신뢰성: 부하 전류의 영향으로 인한 오작동을 효과적으로 피합니다.
• ​응용 사례: ±800kV UHVDC 송전선에서 이 기술은 근거리 고장의 경우 총 고장 제거 시간(보호 작동 + 차단기 트리핑)을 80ms 내로 줄여 UHVDC 시스템의 일시적 안정성을 크게 향상시켰습니다.

​3.2 이중 종단 여행파 고장 위치​

• ​기술 원리: 고장은 여행파를 생성하여 선로의 양 끝으로 전파됩니다. 고정밀 GPS/BDS 동기화 시계를 사용하여 양 끝의 보호 장치는 초기 전류 여행파(t1 및 t2)의 도착 시간을 정확하게 기록합니다. 고장 위치는 L = (v * Δt) / 2 공식을 사용하여 계산되며, 여기서 v는 파동 속도이고 Δt = |t1 - t2|입니다.
• ​성능 장점:
• 초고정밀도: 고장 위치는 선로 상호 유도, 시스템 작동 모드, 전환 저항, 또는 전류 변환기(CT) 포화에 크게 영향을 받지 않습니다.
• 매개변수 독립성: 선로 임피던스 매개변수에 의존하지 않아, 기존 임피던스 기반 방법의 부정확한 매개변수로 인한 오차를 제거합니다.
• ​응용 사례: 동일 타워의 500kV 이중 회로선에 배포하여 고장 위치 오차를 200미터 미만으로 줄여, 기존 단일 종단 임피던스 기반 방법보다 80% 이상의 정확도 향상을 달성했습니다. 이는 빠른 고장 식별 및 유지보수를 크게 용이하게 합니다.

​3.3 적응형 자동 재폐합 전략​

• ​기술 원리: 마이크로컴퓨터 기반 보호 장치는 고장 유형(일시적 또는 영구적)을 지능적으로 구분합니다:
1. ​일시적 고장: 트리핑 후, 선로 절연 강도가 자체적으로 복원됩니다. 장치는 절연 복원을 감지하고 즉시 재폐합 명령을 발행합니다.
2. ​영구적 고장: 장치는 지속적인 고장을 감지하고 재폐합을 차단하여 2차 차단기 트리핑을 방지하고 장비의 안전을 보장합니다.
   또한, 이 전략은 실시간 시스템 상태(예: 재생 에너지 출력 비율)에 따라 자동 재폐합의 사망 시간을 동적으로 조정하여 시스템 복구 특성에 맞춥니다.
• ​성능 장점:

• 성공률 증가: 영구적 고장에 대한 재폐합을 피함으로써, 자동 재폐합의 성공률과 전력 공급 신뢰성을 크게 향상시킵니다.
• 영향 감소: 불필요한 2차 충격을 시스템에 주지 않아, 장비를 보호합니다.

• ​응용 사례: 중요한 풍력 발전소 출발선에 구현하여 자동 재폐합 성공률을 72%에서 93%로 높였으며, 일시적 선로 고장으로 인한 풍력 터빈 해제를 효과적으로 줄였습니다.

​4. 솔루션 가치 요약​
이 통합 마이크로컴퓨터 기반 보호 솔루션은 세 가지 핵심 기술의 협력적 적용을 통해 고객에게 핵심 가치를 제공합니다:

1. ​시스템 안정성 향상: 초고속 보호로 인해 고장이 빠르게 격리되어, 그리드 안정성을 유지하기 위한 중요한 시간을 확보합니다.
2. ​전력 공급 신뢰성 향상: 지능형 적응형 자동 재폐합으로 전력 복구를 최대화하여 정전 시간과 손실을 줄입니다.
3. ​운영 효율성 향상: 고정밀 고장 위치로 "선로 순찰"에서 "점검"으로 유지보수를 변화시켜, 조사 비용과 시간을 크게 줄입니다.
4. ​새로운 전력 시스템에 대한 적응성: 그 뛰어난 성능으로 UHVDC, 재생 에너지 통합, 다중 회로선을 포함한 복잡한 현대 그리드 시나리오에 매우 적합합니다.