이선우
(Sun-Woo Lee)
1iD
이남호
(Nam-Ho Lee)
2iD
남순열
(Soon-Ryul Nam)
†iD
-
(Dept. of Electrical Engineering, Myonji University, Korea)
-
(Korea Electric Power Research Institute, Korea)
Copyright © The Korean Institute of Electrical Engineers(KIEE)
Key words
IEC 61850, SBP(Substation Backup Protection), Negative Current Differential Relay, Negative Directional Relay, R-GOOSE, Transmission Line Protection, Central Protection, Asynchronous Data
1. 서 론
본 논문은 현재 기초연구가 진행되고 있는 중이자 나아가야할 방향인 IEC 61850 데이터 기반 중앙집중식 환경을 구축하기 위한 연구와 환경 구축이
진행된 후 전력계통의 필수 요소 중 하나인 송전선로 보호를 위해 사용될 중앙 IED의 후비보호 알고리즘을 제안하는 것을 목표로 한다. 디지털 변전소
중앙집중식 환경의 바탕이 되는 IEC 61850은 IEC TC 57 WG에서 제정한 통신 네트워크 및 시스템에 대한 국제 표준으로 2003년 변전소
자동화를 범위로 Ed.1이 발간된 이후 2007년부터는 전력 시스템 유틸리티 자동화를 목표로 하는 Ed.2를 발간하는 등 전반적인 범위 확장이 진행되고
있으며 주요 특징으로는 XML 언어를 기반으로 한 SCL(Substation Configuration Language)의 사용으로 시스템의 엔지니어링이
단순하다는 이점과 데이터 구조 및 통신 방법의 표준화를 통한 상호운용성의 확보 등을 갖는다. 또한 프로토콜의 범위 확장 이후 변전소 범위를 벗어나는
통신에서 사용할 수 있는 UDP/IP 기반의 통신 방법인 R-GOOSE(Routable GOOSE), R-SV(Routable Sampled Value)가
추가되었으며 IEC 61850 90-5 TR(Technical Report)(1)을 통해 사용방법에 대한 가이드라인을 기술함과 동시에 WAN 환경에서의 UDP/IP 데이터 전송의 성능 평가 내용도 제시한다. 또한 변전소 간 IEC
61850 기술을 적용한 사례가 수록 된 선행 연구 논문들을(1)(2) 통해 결과적으로 본 논문에서 제안하고자하는 IEC 61850기반 인접 디지털변전소로부터 취득한 시각 비동기 데이터를 이용한 중앙 IED의 송전선로
후비보호의 가능성을 확인할 수 있다.
따라서 본 논문에서는 인접 변전소의 데이터 취득이 가능한 통신 방법인 R-GOOSE를 기반으로 하여 인접변전소의 데이터를 중앙 IED가 취득 및 활용할
수 있는 환경을 가정하고 Virtual Machine을 이용하여 한 대의 PC에서 환경을 구성하였으며 취득한 데이터를 바탕으로 비교적 시각 동기의
영향으로부터 자유로운 역상전류 방향성을 이용한 차동 알고리즘을 제안한다. 제안한 알고리즘을 계전 요소로 사용 시 기존 한전(KEPCO) 계통의 154kV
송전선로 보호 방식인 87P 계전 요소의 고장전 부하전류, 고장저항 영향이나 시각 동기에 의한 오부동작 가능성을 방지할 수 있다. 구축에 사용 된
IED들은 IEC 61850 기반 IED 개발 툴인 SISCO사의 MMS-Ease-Lite Library 6.2v의 Server 예제를 기반으로 중앙
IED 1대 및 송전선로 양단 IED 2대 총 3대의 IED를 제작하였으며 전력계통 설계 및 해석 소프트웨어인 PSCAD/EMTDC를 이용하여 실계통
모의시험 절차서 기반의 154kV 송전선로를 설계하고 송전선로 양단에서 64 Sampling 전압, 전류데이터를 추출하여 사용하였다.
그림. 1. 중앙집중식 보호방안 구조
Fig. 1. Centralized protection environment structure
2. 본 론
2.1 IEC 61850 RGOOSE를 이용한 인접 변전소 데이터 교환
그림. 2. 데이터 취득지점 및 교환 방식
Fig. 2. Data acquisition point and exchange method
서론에서 이야기한바와 같이 본 논문에서 제안하는 인접변전소 간 데이터 교환 방식은 UDP/IP기반의 R-GOOSE이다. 본 서비스는 IEC 61850
90-5 TR(3)에서 제안하는 A-profile을 구성함으로써 구현이 가능하며 기존의 GOOSE와는 달리 GSE 요소의 Address에 송신하는 Network의 IP정보를
포함하여야한다. 또한 GOOSE는 Dataset에 참조된 Data가 변화하는 이벤트가 발생하였을 때 Publish하기 때문에 본 논문에서 제안하는
페이저 데이터의 주기적인 전송을 위해서는 Statistical Calculation Model의 사용(4)이 필요하다. 본 모델을 사용하면 Goose DataSet에 참조된 Data의 업데이트 주기를 설정할 수 있기 때문에 전압 및 전류 페이저 데이터를
주기적으로 전송이 가능하며 포함되어야 할 요소는 ClcMod, ClcIntvPer, ClcIntvType이며 각 요소에 대한 설명은 참고문헌(3)에서 확인 가능하다.
2.2 기존의 154kV 송전선로 보호 방식
기존 한전(KEPCO) 계통의 154kV 송전선로는 87P 계전요소를 주보호로 사용한다. 87P 계전기의 원리는 보호 구간 양단 전류의 벡터 합(동작
전류)과 스칼라 합(구속 전류)의 비를 이용하여 고장을 판단하는데 고장 전 부하 전류의 영향 및 고장저항의 영향으로 구속 전류의 크기가 동작 전류의
크기에 비해 매우 클 경우 87P 요소는 부동작 할 가능성을 갖으며 또한 데이터의 시각 동기화가 필수적이다. 따라서 본 논문에서는 87P 계전 요소가
부동작하는 경우를 극복할 수 있는 중앙집중식 IED의 후비보호용 역상전류 차동 계전 알고리즘을 제안함으로서 계통의 안정성 보안 및 신뢰성을 향상시키고자한다.
2.3 제안하는 역상전류 차동 알고리즘
본 논문에서 제안하는 알고리즘은 동작 전류를 송수전단 역상전류의 스칼라 값에 방향성을 판단하는 $\alpha$ 요소를 포함함으로서 시각 비동기 상태에서도
오작동을 방지할 수 있는 장점을 갖도록 설계하였다. 즉 제안하는 알고리즘의 동작전류는 식 (1)과 같으며 억제전류는 식 (2)와 같다. 또한 정상상태의 송전선로 역상전류는 이상적일 경우 없거나 매우 작아야 하며 고장 후에도 역상분 동작 전류와 구속 전류가 비례하며 증가하는
특성 때문에 기존 87P 계전기보다 구속 전류 크기(고장전 부하전류 및 고장저항)의 영향에 강인하다(5). 본론 2.2에서 이야기한 87P의 부동작 상황과 이 경우 제안하는 알고리즘의 동작상황은 그림 3과 같이 제안하는 알고리즘은 정정치보다 높아 동작하지만 기존 보호방식은 부하전류 및 고장저항의 영향으로 정정치 이하이므로 동작하지 않는 상황으로 고려할
수 있다. 또한 본 논문은 제안하는 알고리즘의 효과적인 특성영역 설계 방안이 아닌 알고리즘 논리 제안으로 기존 87P 계전요소 정정방법에 따른 특성곡선을
사용한다.
그림. 3. 기존 87P 요소 부동작, 제안 요소는 동작하는 상황
Fig. 3. Existing 87P element malfunction, proposed element operation situation
역상전류 방향성에 관련된 요소인 $\alpha$요소에 관한 판단은 송수전단에서 계측된 역상전압에 대한 역상전류의 위상차인 $\theta_{v_{2}-i_{2}}^{send}$와
$\theta_{v_{2}-i_{2}}^{received}$를 이용하여 판단하며 다음과 같다.
표 2.3.1 계측점 기준 역상전류 방향에 의한 $\alpha$ 요소
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$\theta_{v_{2}-i_{2}}^{Send}$
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$\theta_{v_{2}-i_{2}}^{Received}$
|
$\alpha$ 요소
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판단
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$Backward$
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$Forward$
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-1
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수전단 측 외부고장
|
|
$Forward$
|
$Backward$
|
-1
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송전단 측 외부고장
|
|
$Forward$
|
$Forward$
|
+1
|
내부고장
|
2.4 사례 연구
2.4.1 계통 모델링 – 154kV 송전선로
본 논문에서 제안하는 알고리즘의 검증을 위한 모의에 사용된 계통은 실계통 모의시험 절차서 내 154kV 송전선로 보호용 비율차동 계전기의 동작 시험을
위해 사용하는 계통을 기반으로 전력계통 모의 소프트웨어인 PSCAD/EMTDC를 이용하여 설계하였으며 사용한 파라미터는 표 1과 같다. 또한 Phasor 크기 및 위상 연산을 위해 그림 4의 IED1, IED2가 위치한 지점에서 주기당 64 Sampling한 전압, 전류 데이터를 추출하여 모의를 진행하였다.
그림. 4. PSCAD로 모델링한 154kV 송전계통 단선도
Fig. 4. 154kV Transmission System Modeled with PSCAD
표 1. 모의 계통 파라미터
Table 1. Simulation system parameters
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항 목
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데이터 ( $\%Z$ @ 100 MVA Base )
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전원단
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Source 1
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$R_{1}+j X_{1}$
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$0.081+j0.866$
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$R_{0}+j X_{0}$
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$0.384+j1.956$
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Source 2
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$R_{1}+j X_{1}$
|
$0.231+j1.568$
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$R_{0}+j X_{0}$
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$0.939+j4.581$
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송전선로
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#1 T/L
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$R_{1}+j X_{1}$
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$0.4596+j3.6354$
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$R_{0}+j X_{0}$
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$2.5145+j11.0173$
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$Y_{1}$
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$j2.9790$
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긍장
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$25.991$km
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비고
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$CT : 2000/5 A$
$PT :\dfrac{154k V}{\sqrt{3}}/\dfrac{110V}{\sqrt{3}}$
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2.4.2 모의에 사용 된 IED 개발
모의에 사용 된 중앙 및 송전선로 IED의 개발 과정은 SCL(Substation Configuration Language)으로 변전소 구성요소들을
기술하는 SCD(Substation Configuration Description)파일 설계 영역과 IED의 기능을 구현하는 Application
영역으로 구분 할 수 있다.
2.4.2.1 SCL 기반 SCD파일 영역
IEC 61850 기반 IED의 Application 영역 작업 전 필수적으로 진행되어야 하는 부분이며 본 논문에서 제안하는 알고리즘의 사례연구를
위한 모의진행을 위해 설계한 부분은 송전선로 양단 IED의 내부 맵핑을 위한 LN MMXU(IEC 61850에서 계측 데이터를 위해 정의)의 Instance
선언 및 Dataset 설계와 RGoCB(Routable GOOSE object Control Block)설정, 중앙 IED의 LN MMXU Instance1,2
선언(송전선로 양단 IED로부터의 데이터 저장을 위함) 및 외부 소스로 부터의 내부 참조를 위한 SCD파일 내 Inputs 영역의 Extref의 설계이며
그림 5는 본 논문의 모의에 사용한 SCD파일의 외부 인접변전소 데이터 취득을 위한 핵심 요소인 Extref 설계 예시를 설명한다.
그림. 5. SCD파일 내 송수신 측 RGoCB, DataSet, Extref 요소 작성 방법
Fig. 5. How to create RGoCB, DataSet, Extref element in SCD file
2.4.2.2 MMS-Ease-Lite 6.2Ver를 이용한 Application 영역
서론에서 이야기한 바와 같이 모의를 위해 사용한 총 3대의 IED들은 SISCO사의 MMS-Ease-Lite Library 6,2v의 Server
예제를 기반으로 설계하였으며 각 IED별로 수행하여야 하는 동작 알고리즘은 다음과 같다.
송전선로 양단 IED가 수행하여야 하는 알고리즘은 파일입출력을 통해 PSCAD로부터 추출한 64 Sampling 전압, 전류의 데이터를 페이저 크기
및 위상으로 연산하고 IEC 61850에서 정의하는 계측 LN(Logical Node)인 MMXU1 Instance에 내부 맵핑 후 Dataset에
정의한 바에 따라 중앙 IED로의 R-GOOSE 송신이다. 페이저 크기, 위상 연산에 대한 알고리즘은 개발 툴에 포함 되어 있는 Server 예제에서
제공하는 병렬 연산 기능인 Thread를 이용하여 구현하였다. 중앙 IED가 수행하여야 하는 알고리즘은 송신받은 R-GOOSE 데이터를 디코드한 후
SCD파일의 Inputs 영역에서 정의하는 Extref에 따라 LN MMXU Instance 1,2에 맵핑한 후 본론 2.3에서 제시한 알고리즘을
수행하여 고장을 판단한다. 마찬가지로 수행 알고리즘은 Thread를 이용하여 구현하였다.
2.4.3 모의 과정
본론 2.3.2의 내용을 바탕으로 개발한 IED들을 이용한 모의 순서도는 그림 6과 같다. 모의를 위해 PSCAD로부터 추출한 전압, 전류 데이터를 송수전단 IED에 입력 후 페이저로 연산하여 크기 위상 데이터를 송수전단 IED내
MMXU1 Instance에 내부 맵핑한 후 R-GOOSE로 MMXU1이 포함된 Dataset을 중앙IED에 송신한다. 중앙IED는 수신받은 Dataset을
MMXU1,2 Instance에 내부 맵핑하고 역상분 전압, 전류 페이저 크기와 위상을 계산한다. 계산된 전압 전류 페이저의 위상차로 방향성을 판단한
후 특성 요소에 맞추어 동작전류와 억제전류를 계산하는 역상전류 전류차동 알고리즘을 수행하여 고장을 판단한다.
그림. 6. 모의 순서도
Fig. 6. Flowchart
2.4.4 모의 환경 구성
모의 환경 구성 및 진행을 위해서는 총 3대의 PC가 필요하지만 본 논문에서는 환경적 제약조건으로 인해 가상의 운영체제 실행 소프트웨어인 Virtual
Machine을 이용하여 1대의 PC에서 3대의 IED를 구현하였으며 환경은 그림 7과 같다.
그림. 7. VMWare를 이용한 모의 환경
Fig. 7. Simulation environment using VMWare
2.4.5 모의 결과
성능비교를 위한 87P 계전요소의 특성곡선 정정 값은 일반적인 전류차동 계전기의 정정요소를 기준으로 사용하여 설계하였다. Minimum Pickup
전류는 계통 상황을 고려해 충전전류의 약 5배로 설정, Knee point는 2차측 기준 정격전류의 3배, Slope1의 경우 20%, Slope2는
80%를 사용하였다. 이때 그림 8은 부하전류 2차측 기준 1A,고장저항 0.01Ω 고장지점 50% 1선지락 상황을 모의한 동작 결과로 두 계전요소 모두 정상 동작함을 확인할 수 있다.
그림. 8. 고장저항 0.1Ω 고장지점 50% 부하전류 0.4kA
Fig. 8. Fault resistance 0.1Ω Fault address 50% Load current 0.4kA
그림 9는 억제전류와 고장저항 영향에 대해 강인한 특성 증명을 위해 부하전류 2차측 기준 5A, 고장저항 100Ω, 고장지점50% 1선지락 상황을 모의하였으며
제안하는 계전요소는 동작, 기존의 계전요소는 부동작 함을 확인할 수 있다.
그림. 9. 고장저항 100Ω 고장지점 50% 부하전류 2kA
Fig. 9. Fault Resistance 100Ω Fault address 50% Load Current 2kA
그림 10은 부하전류 2차측 기준 2.5A 정상상태에서 5주기 이후 시각 동기 오차가 반 주기(32 Sampling) 적용 된 경우를 모의하였으며 87P계전기의
경우 부동작 상황에서 오동작을 일으키지만 제안하는 알고리즘은 부동작 영역임을 확인할 수 있다.
그림. 10. 시각동기오차 반주기 적용 정상상태 부하전류 1.25kA
Fig. 10. Steady state with Half cycle time synchronization error
3. 결 론
본 논문에서는 IEC 61850을 기반으로 한 중앙집중식 디지털변전소 환경을 가정하고 인접변전소의 데이터 취득방안에 대한 연구를 진행하였으며 IEC
61850 90-5 TR에서 제안하는 변전소 외 UDP/IP통신인 R-GOOSE를 이용한 주기적인 전압전류 페이저 데이터 통신 가능성을 확인 해당
기술을 기반으로 한 중앙집중식 후비보호 알고리즘 연구를 진행하여 현재 한전(KEPCO) 계통 154kV 송전선로에서 주보호로 사용하고 있는 전류차동
계전요소의 오부동작 상황을 연구하고 대응할 수 있는 역상 전류를 이용한 전류차동 알고리즘 방안을 제안하였으며 본 논문에서 제안하는 알고리즘은 조금
극단적일 수 있는 시각 비동기 상황, 고장저항 및 부하전류의 영향이 매우 큰 상황에도 문제없이 동작할 수 있음을 사례연구를 통해 확인하였다. 그러나
역상 성분을 기반으로 한다는 원초적인 문제와 역상전압 또한 사용하기 때문에 계측 된 역상전압 위상의 신뢰성이 보장되는 상황이어야 한다는 한계점이 존재하며
이러한 문제점에 대한 후속 연구 진행의 필요성은 당연하다.
Acknowledgements
∙This research was supported by Korea Electric Power Corporation(KEPCO) (Grant number:
R17XA05-2)
∙This research was supported by the korea research foundation with funding from the
government(Ministry of Education) in 2019 (NRF-2019R1F1A1059619)
References
Houlei Gao, Yiqing Liu, Guibin Zou, Demin Cui, Jian Liu, Xiaobo Li, July 2014, Principle
and Implementation of Substation- Area Backup Protection for Digital Substation, Proc.
of 12th IET International Conference on Developments in Power System Protection(DPSP)
Yiqing Liu, Houlei Gao, Member, IEEE, Weicong Gao, Fang Peng, November 2017, Development
of a Substation-Area Backup Protective Relay for Smart Substation, IEEE Transactions
on Smart Grid, Vol. 8, No. 6
IEC TC 57, August 2011, IEC 61850-90-5 Ed.1 : Use of IEC 61850 to transmit synchrophasor
information according to IEEEC37. 118, http://www.IEC.ch/
IEC TC 57, March 2011, IEC 61850-7-2 Ed.2 : Basic communication structure - Abstract
communication service interface(ACSI), http://www.IEC.ch/
Bogdan Kasztenny, Normann Fischer, Héctor J. Altuve, Schweitzer Engineering Laboratories,
May 2015, Negative-Sequence Differential Protection – Principles, Sensitivity, and
Security, Presented at the 69th Annual Georgia Tech Protective Relaying Conference
Atlanta, Georgia
저자소개
2018년 명지대학교 전기공학과 졸업
2020년 동대학원 전기공학과 졸업(석사)
1998년 명지대 공대 전기공학과 졸업, 2001년 동대학원 전기공학과 졸업(석사)
2011년 동대학원 전기공학과 졸업(박사)
2004∼2006 LS산전(주) 전력연구소 주임연구원
현재 한국전력공사 전력연구원 선임연구원
EC TC57 WG10 위원
UCA IUG 위원
1996년 서울대 전기공학부 졸업
1998년 동대학원 전기공학부 졸업(석사)
2002년 동대학원 전기공학부 졸업(박사)
현재 명지대학교 전기공학과 교수
Tel : 031-330-6361
E-mail : ptsouth@mju.ac.kr