2.1 IEC 61850 GOOSE와 데이터셋

GSE(Generic Substation Event) 모델은 브로드캐스트 또는 멀티캐스트 서비스를 통해서 하나 이상의 물리적 장치에 동일한 데이터를 전송할 수 있는 효율적인 방법을 제공한다⁽⁶⁾. 데이터 교환은 publish-subscribe 기반이다. GOOSE는 이벤트 기반으로 전송되며 데이터셋에 FCD (Functionally Constrained Data)와 FCDA (Functionally Constrained Data Attribute)을 지원한다. 표 1은 GOOSE 메시지의 구조를 보여준다. GOOSE는 데이터셋에 의해 참조된 하나 이상의 데이터 멤버가 변화할 경우 Publish 되어야 한다. 이벤트가 발생하면 StNum (State Number)는 1씩 증가하게 되고 SqNum (Sequence Number)는 0으로 리셋된다. 그리고 다음 이벤트가 발생할 때까지 SCL 파일에 정의된 재전송 주기에 따라 SqNum이 1씩 증가한다. GOOSE는 재전송을 지원하기 때문에 패킷이 손실되더라도 다음 재전송 패킷에 의해 데이터를 수신할 수 있게 되며, 데이터 전송의 신뢰성을 확보할 수 있다.

페이저 데이터를 전송하기 위해 데이터셋은 그림 1과 같이 설정하였다. 그림 1은 전류차동 모선보호를 위해 A상 전압 및 전류를 데이터셋으로 설정하였으며, 실제 보호를 위해서 3상 전류 및 전압이 포함되어야 한다. 본 논문에서는 저전압 요소뿐만 아니라 모선전압을 이용하여 기준시각 오차를 보상하기 때문에, 각 IED가 자기 회선의 전류와 22.9kV 모선의 전압을 계측하고 있다고 가정하였다. 수신 측인 중앙보호장치에서는 GOOSE 데이터를 분석하여 보호에 사용하기 위해, SCL 파일을 참조하였다. 그리고 GOOSE는 데이터셋의 멤버 값이 변경되면 publish 하므로, GOOSE를 주기적으로 전송하기 위하여 데이터를 주기적으로 업데이트할 수 있는 statistical calculation model을 이용하였다.

2.2 Statistical Calculation Model

GOOSE는 데이터가 변경되면 즉시 전송되므로 일정한 주기로 전송할 수 없다. 하지만 데이터의 업데이트 주기를 설정할 수 있는 Statistical Calculation Model을 이용하여 주기적으로 GOOSE 데이터를 전송할 수 있게 된다. 그림 2는 IED에서 계측에 관련된 논리노드의 구조를 보여주며, MMXU에 페이저 데이터가 저장된다.

MMXU의 페이저 데이터를 GOOSE의 데이터셋으로 설정하게 되면 매 샘플링마다 데이터가 갱신되므로 샘플링 주기에 맞춰서 전송된다. 아주 짧은 시간 동안 많은 패킷을 전송하는 것은 네트워크 부하를 가중시킬 수 있다. 본 논문에서 고려한 시스템은 그림 3과 같은 중앙집중식 후비보호 시스템에서 모선보호를 수행하기 때문에, 상대적으로 긴 시간 간격으로 데이터를 보내는 방법으로 기존 보호 IED의 악영향을 감소시킬 수 있다. 따라서 일정한 시간 간격으로 데이터 갱신이 가능한 statistical calculation model을 사용하였다. Statistical calculation model을 사용하기 위하여는 MMXU에 그림 4과 같이 ClcMod, ClcIntvPer 그리고 ClcIntvType을 포함시켜야 한다. 후비보호 시간 내에 모선보호를 수행하기 위해 데이터 업데이트 주기는 50ms로 설정하였다. 50ms 주기로 데이터를 업데이트하기 위해 ClcMod는 PERIOD로 설정하고 ClcIntvPer는 50, ClcIntvType은 ms로 설정하였다. 그림 5는 statistical calculation model을 사용하여 전류 페이저의 크기의 최댓값을 업데이트하는 예시이다. ClcMth는 MAX로 설정되어 있고, t1과 t2 시점 사이에 전류의 최댓값을 t2의 시각과 함께 업데이트한다.

2.2 보간을 이용한 시각동기 오차 보상

시각동기 오차는 전류차동 보호의 올바른 동작에 영향을 끼치기 때문에 이에 따른 시각동기 오차 보상이 필요하다. 본 논문에서는 1차 라그랑주 보간법을 이용하였으며 n차 라그랑주 보간법 일반식은 식 (2)와 같다.

여기서 $L_{i}(x)$는 다음과 같다.

페이저는 위상과 크기를 가지고 있으므로 각각에 대하여 보간을 하여야 한다. 여기서 통계 계산 모델을 사용하여 데이터를 업데이트하는 주기인 측정시각, 즉 데이터 갱신시각은 동기화가 되어 있지 않기 때문에 측정시각 오차 보상을 위한 보간이 한 번 필요하다. 그림 11은 측정시각 동기화를 위한 보상 방법을 보여준다. 페이저 데이터의 갱신 시각은 MMXU 속성 중 t에 저장되어 있으므로 해당 시각을 참조하여 보간을 수행한다. 급격한 크기나 위상의 변화가 있지 않는 한 선형으로 근사화할 수 있고, 데이터의 타임스탬프 간격이 50ms이므로 고차 라그랑주 보간은 오차를 크게 유발시킨다. 따라서 1차 보간인 선형보간을 사용하여 시각동기 오차를 보상한다. 위상의 경우 180˚에서 -180˚로 변화하는 구간이 발생하므로 이 구간에서는 360˚만큼 더하여 불연속 구간을 보상한 후 보간을 수행한다.

측정시각 오차를 보상 후 22.9kV 모선보호를 위한 기준시각 오차를 보상하여야 한다. 각 IED의 기준시각 오차 값은 그림 12와 같이 가장 늦은 전압 위상을 기준으로 나머지 위상에 대한 위상차를 구하여 계산할 수 있다. 기준시각 오차가 없다면 데이터 갱신 시각인 측정시각을 보상하면 모선에 연결되어 있는 IED에서 계측된 전압의 위상은 전부 같아야 한다. 하지만 1ms 오차는 60Hz 계통에서 21.6˚의 위상 차이가 발생하게 된다. 기준시각 오차는 식 (4)의 Degree 단위와 60Hz 전력 계통이 고려된 식으로 계산될 수 있다. 해당 식으로 구해진 기준시각 오차의 값을 이용하여 그림 13과 같이 전류데이터의 보간을 수행하여 최종적으로 전류차동을 수행하게 된다.

알고리즘 순서도는 그림 14와 같다. 먼저 데이터를 수신 후 측정시각 오차를 보상한다. 다음 단계에서는 가장 느린 전압을 기준으로 시각동기 오차를 계산한 후, 전압 위상이 같아지는 시점으로 전류 페이저 데이터를 보간함으로써 전류차동을 수행하게 된다.

2.3 시험환경 및 결과

2.3.1 시험환경

시험환경 구성을 위하여 SISCO사의 MMS-ease-lite 라이브러리를 이용하여 IEC 61850 가상서버를 구현하였다. 중앙보호장치 1대와 측정값을 전송하는 3개의 가상 IED를 구성하였고 PSCAD 시뮬레이션을 통해 추출한 데이터를 입력으로 사용하였다. IED1, IED2 그리고 IED3는 중앙보호장치로 GOOSE를 이용하여 페이저 데이터를 전송하였다.

IED 구현을 위한 하드웨어는 TI사의 SGIEVM을 사용하였다. SGIEVM은 OMAP-L138이 탑재되어 있으며 데이터 취득 장치, 보호 IED 등의 애플리케이션을 개발하기 위한 플랫폼이다⁽¹¹⁾. OMAP-L138은 dual-core SoC(System on Chip)이며 DSP core와 ARM core가 탑재되어 있다. 가상 IED 애플리케이션은 ARM 측에 구현하였다. 그림 15와 같이 각 가상 보호 IED는 이더넷 스위치에 연결되어 있으며 페이저 데이터를 중앙보호장치로 전송하고, 중앙보호장치에서 시각동기 오차를 보상한 후 전류차동을 수행하였다.

2.3.1 시험결과

본 논문의 주요 목표는 고장 전후 정상상태 구간에서 차동전류의 오차를 줄이는 것이다. 그림 16에서 0.5s에 1선 지락고장이 발생했을 때 보간을 적용하면 TVE가 감소하는 것을 확인할 수 있다. 고장 발생 후 과도 구간에서 오차가 있으나 3cycle 이후 수신되는 데이터를 사용하면 0.002%로 감소하므로 후비보호 시스템에서는 충분한 성능을 보여준다. 그림 17에서도 TVE 감소에 따른 차동전류 에러 감소와 전류차동 보호 동작을 위한 차동전류의 비율이 감소함을 확인할 수 있다. 그림 18는 전류차동 동작곡선을 보여준다. 최종적으로 차동전류가 0으로 수렴함을 확인할 수 있다. 표 2는 그림 17에 대한 결과 값을 보여준다.