1. 서 론

전력 유틸리티 자동화 프로토콜인 IEC 61850 ⁽¹⁾을 기반으로 디지털 변전소 자동화에 관한 연구가 꾸준히 진행되고 있다. IEC 61850을 활용한 디지털 변전소는 기본적으로 두 개의 네트워크 버스 기반(Station/Process bus)의 통신 구조를 활용해 동일 네트워크상에 있는 모든 기기들과의 데이터 통신이 가능 하며, 다양한 데이터를 여러 위치에서 수집하고 활용할 수 있다. 기존의 보호 방식은 피보호 설비를 중심으로 양단의 전압/ 전류 데이터를 활용하거나 편단 데이터만을 활용해 보호 및제어를 수행하는 반면에 IEC 61850을 활용한 디지털 변전소는 네트워크 버스를 통해 여러 위치의 데이터를 수집함으로써 하나의 IED로 더욱 넓은 영역의 보호 및 제어를 수행할 수 있을 것으로 기대된다⁽²⁾.

기존 방식 중 피보호 설비 양단 정보를 활용한 보호 방식과 더불어 IEC 61850을 활용한 보호 방식 모두 기기 간 시각 동기 기술이 필수적이며, 현재 한전의 154[kV] 변전소의 경우 SNTP(Simple Network Time Protocol)를 활용한 시각동기 방식을 적용하고 있다. SNTP 시각동기 프로토콜은 RFC 5905에 정의되어 있는 NTP(Network Time Protocol)의 서브셋으로 시각 동기 정확도는 약 1[ms]로 연구되어 왔다^(3,4). 그러나 기 술의 발전에 따라 더욱 정밀한 시각동기가 요구되어 왔고, 네트워크 기반의 정밀 시각동기 표준인 IEEE 1588 PTP (Precision Time Protocol) 표준⁽⁵⁾를 이용해 동일 네트워크상에 있는 PTP 지원 기기 간 최대 1[us] 이하의 시각동기 정밀도를 보장한다. PTP 방식은 기준 시각 정보를 제공하는 Master clock과 제공받은 시각 정보를 기준으로 자기 시각을 보정하는 Slave clock 간의 양방향 통신에 의하여 수행되며, GPS 기반으로 절대 시각 동기를 수행하여 다수의 변전소 IED간 동기 샘플링을 가능하게 한다. 그러나 GPS 신호 단절 등의 문제 발생 시, 각 변전소의 Master clock이 절대 시각 동기를 수행할 수 없기 때문에 변전소 간 상대 시각 오차가 발생하게 된다. 전류 차동 IED와 같이 선로 양단의 각기 다른 변전소 측으로부터 데이터를 취득해야 하는 보호 기기의 경우, 변전소간 상대 시각 오차로 인해 오동작 할 수 있는 우려가 있으므로 이에 대한 대처가 필요하다.

최근 시각 동기 오차가 전력 시스템 보호 및 제어에 미치는 영향에 대한 연구가 다수 진행되었다^(6-8). ⁽⁶⁾은 시각 동기 오차가 거리 계전 방식에 미치는 영향을 분석하였고, ⁽⁷⁾은 하나의 디지털 변전소 내 동일 네트워크에 연결된 보호 IED 간 시각 동기 오차에 대한 영향을 분석하였다. ⁽⁸⁾은 IEC 61850 기반 22.9[kV] 모선 보호에 관해 시각 동기 오차의 영향을 분석하고, 대응 방안으로 1차 라그랑주(Lagrange) 보간법을 제안하 였다. 그러나 이상의 논문들은 동일 변전소 내 IED 간 시각 동기 오차에 관한 영향 분석 및 대응 방안만을 다루고 있다.

본 논문은 선로 보호용 전류 차동 IED와 같이 선로 양단의 각기 다른 변전소 측으로부터 데이터를 취득하는 IED의 오/부동작을 방지하기 위해 GPS 신호 단절 등과 같은 문제 발생시, 변전소 간 상대 시각 오차를 추정/보상하는 방법을 제안한다. 변전소 간 상대 시각 오차를 추정하기 위해 GPS 신호 단절 이전, 정상 상태의 동기화된 선로 양단 전압/전류페이저를 이용해 선로정수를 추정한다. GPS fail 이전까지 추정된 선로 정수와 편단 전압/전류 페이저를 이용해 상대단 전압/전류 페이저를 추정하고, 이후 추정된 상대단 전압/전류 위상과 IEC 61850을 이용해 수신된 상대단 전압/전류의 위상을 비교하여 변전소 간 상대 시각 오차를 추정한다.

제안 방식을 검증하기 위해 PSCAD를 이용해 계통을 모델 링하고, 선로 양단 전압/전류를 출력하여 가상 윈도우로 두 개의 가상 IED를 구현하고, IEC 61850 기반 데이터 송/수신을 수행하였다.

2. 본 론

2.1 선로정수 추정 결과 기반 상대단 전압/전류 페이저 추정을 활용한 변전소 간 상대 시각 오차 추정 방식

본 논문에서 제안하는 알고리즘은 IEC 61850을 통해 변전소 간 전압/전류 데이터를 송수신 할 수 있는 환경이 요구되며, 제안하는 방식의 순서도는 그림 1과 같다.

자단/상대단 전압/전류 페이저를 이용해 선로 보호용 전류 차동 계전 알고리즘의 동작 여부를 판단하고, GPS fail 여부를 검토하는데 여기서 GPS fail이 발생하면 변전소 간 상대 시각 오차가 발생하고, 지속 정도에 따라 시각 오차가 커진다. 반면에 GPS fail이 발생하지 않았고, 전류 차동 IED가 동작한 경우에는 대상 선로에 내부고장이 발생한 것이므로 차단기를 동작시킨다. 또한 GPS fail이 없을 때는 선로 양단 변전소들이 시각 동기화 되어 있기 때문에 동기화 된 양단 전압/전류 데이터를 이용해 대상 선로의 선로정수를 추정한다. 이후, GPS fail이 발생한 경우에는 선로 양단 변전소 간 상대 시각 오차가 발생하기 시작하므로 GPS fail 이전에 추정된 선로정수를 이용해 상대단 전압/전류 추정을 수행해야 한다. 따라서 GPS fail이 발생하였고, 전류 차동 IED 또한 Pick-up한 경우, 변전소 간 상대 시각 오차에 의한 오동작 여부를 판단하기 위해 GPS fail 이전에 추정된 선로정수와 자기단 전압/전류 데이터를 이용해 상대단 전압/전류 페이저를 추정하고, 수신된 상대단 전압/전류 페이저와 비교를 통해 변전소 간 상대 시각 오차를 추정한다. 이후 추정된 상대 시각 오차만큼 상대단 전압/ 전류를 보상하여 전류 차동 IED의 동작 여부를 다시 한 번 검 토한다. 그러나 GPS fail 이후 내부고장의 발생 가능성 또한 존재하므로 GPS fail 전/후의 전류 위상차와 전압 위상차가 정정치(Set) 이상이 되면 내부고장으로 판단한다.

그림 1 송전선 π 등가회로

Fig. 1 π equivalent circuit of TL

2.1.1 선로정수 추정

그림 2 송전선 π 등가회로

Fig. 2 π equivalent circuit of TL

본 절에서는 선로 양단의 동기화된 전압/전류를 이용해 선로정수를 추정하는 방법을 설명한다. 선로정수는 지속적인 열화, 도체 자체의 온도, 주변 기온, 습도, 대지 저항 등에 따라 변화한다. 따라서 선로정수의 변화에 민감할 수 있는 알고리즘 혹은 유사한 프로그램 등의 사용 시, 선로정수를 추정하는 방식이 요구된다. IEC 61850이 Edition 2로 개정되면서 변전소간 데이터 송/수신이 가능해졌고, 이를 통해 상대단 변전소로 부터 시각 동기화 된 전압/전류 페이저를 수신하여 다음과 같이 선로정수를 추정할 수 있다.

중거리 선로가 대부분인 우리나라의 송전선로는 그림 2와같이 π 등가회로로 가정 할 수 있고, 이 때 송/수전단의 전압/ 전류를 각각 $V_{S}$, $I_{S}$, $V_{R}$, $I_{R}$로 표시하였으며, π 등가회로로 모델링된 선로의 선로정수는 각각 $Z$, $\dfrac{Y}{2}$로 나타내었다. π 등가회로로 가정한 송전선로 양단의 전압/전류를 이용하면 다음과 같이 각 상별 선로정수를 추정할 수 있다.

(1)

$Z=\dfrac{V_{S}^{2}-V_{R}^{2}}{I_{R}V_{S}+I_{S}V_{R}}$

(2)

$Y=2\left(\dfrac{I_{S}-I_{R}}{V_{S}+V_{R}}\right)$

그러나 위와 같은 방식으로 각 상별 선로정수를 추정하기 위해서는 3상 송전 선로의 선로 배치 시, 연가를 통해 선로정 수의 평형 상태를 만들어줘야 한다. 그러나 국내 송전 선로는 비연가 배치되어 있으며 연가를 하였어도 지형이 고르지 못해 비대칭 구조로 가설된 곳이 많아 선로정수가 불평형이 되는 문제가 발생한다.

계통의 불평형 문제를 다루기 위한 대표적인 방법으로 대칭 좌표법이 있으며, 대칭 좌표법은 불평형 3상 전압/전류를 각각 평형한 3개의 성분으로 변환하는 방식으로써 다음과 같이 나타낼 수 있다.

(3)

$$\left[\begin{aligned}\begin{aligned}V_{0}\\V_{1}\end{aligned}\\V_{2}\end{aligned}\right]=\dfrac{1}{3}\begin{bmatrix}1&1&1\\1&a&a^{2}\\1&a^{2}&a\end{bmatrix}\left[\begin{aligned}\begin{aligned}V_{a}\\V_{b}\end{aligned}\\V_{c}\end{aligned}\right]$$ $$\left[\begin{aligned}\begin{aligned}V_{a}\\V_{b}\end{aligned}\\V_{c}\end{aligned}\right]=\begin{bmatrix}1&1&1\\1&a^{2}&a\\1&a&a^{2}\end{bmatrix}\left[\begin{aligned}\begin{aligned}V_{0}\\V_{1}\end{aligned}\\V_{2}\end{aligned}\right]$$ $$a=e^{j\dfrac{2\pi}{3}}$$

여기서 $V_{012}$는 각각 영상분, 정상분, 역상분 전압이다.

그러나 비연가 선로와 같은 불평형 계통의 경우, 대칭분 변환 결과의 비대각 요소가 0이 아니게 된다. 즉, 영상분, 정상분, 역상분 간의 상호 임피던스가 존재한다는 의미로 불평형 계통을 해석하기에 용이하지 않다.

본 논문은 연가 선로 양단의 평형 계통 전압/전류를 대칭분 변환하여 정상분 전압/전류를 이용해 선로정수를 추정하였으며, 비연가 선로에 대한 연구는 추후 진행 예정이다. 본 논문 에서 사용된 선로정수 추정 방식은 선로 양단 변전소에 설치된 Master clock의 GPS 수신이 양호한 상태에서만 유효하므로 GPS fail 여부와 전압/전류 페이저 데이터를 함께 상대단으로 송신하여야 한다. 수신한 변전소 측 IED는 GPS fail 여부를 확인하여 GPS fail이 발생한 데이터가 수신될 경우 GPS fail 이전에 추정된 선로정수를 버퍼에 저장해두어야 한다.

2.1.2 변전소 간 상대 시각 오차 추정 방식

GPS fail이 발생하면 발생 시점으로부터 시간에 따라 선로 양단 변전소의 시각 오차가 커지고, 이에 따라 선로 양단 데이터를 이용하는 전류 차동 IED의 경우 오동작 할 우려가 있다. 따라서 GPS fail 발생 이후 전류 차동 IED의 Pick-up이 발생한 경우, 변전소간 상대 시각 오차로 인한 오동작 여부를 판단하기 위해 GPS fail 이전, 추정된 선로정수를 이용해 상대단 전압/전류 페이저를 추정하고, 추정된 전압/전류 페이저와 상대단으로부터 IEC 61850을 이용해 수신된 전압/전류 페이저를 이용해 변전소 간 상대 시각 오차를 추정한다. 다음으로는 추정된 상대 시각 오차를 이용해 전압/전류 페이저를 보상하고, 이후 상대 시각 오차가 보상된 전압/전류 페이저를 이용해 차동 전류를 계산하고, 최종 트립 여부를 결정한다.

추정된 선로정수와 자기단 전압/전류 데이터를 이용하여 다음과 같이 상대단 전압/전류를 추정할 수 있다.

(4)

\begin{align*} V_{R}=V_{S}-V_{d1}\\ V_{d1}=Z_{1}(I_{S}-I_{c1}) \end{align*}

(5)

\begin{align*} I_{R}=I_{S}-I_{c1}-I_{c2}\\ I_{c1}=\dfrac{Y}{2}(V_{S})\\ I_{c2}=\dfrac{Y}{2}(V_{S}-V_{d1}) \end{align*}

식 (4, 5)는 선로를 그림 2와 같이 π 등가 회로로 가정하고 설계한 상대단 전압/전류 페이저 추정 방정식이다. 여기서 $V_{d1}$, $I_{c1}$, $I_{c2}$는 각각 선로 전압 강하와 충전 전류이다. 상대

단 전압/전류 페이저를 추정하기 위해 자기단 전압/전류와 GPS fail 이전에 추정된 선로정수를 이용해 상대단 전압/전류를 추정한다.

식 (4, 5)를 이용해 추정된 상대단 전압/전류 페이저와 IEC 61850을 통해 자기단 IED에 수신된 상대단 전압/전류 페이저를 비교하여 식 (6)과 같이 변전소 간 상대 시각 오차를 추정할수 있다.

(6)

\begin{align*} \angle V_{R,\:Est}-\angle V_{R,\:Received}\\ \angle I_{R,\:Est}-\angle I_{R,\:Received} \end{align*}

여기서 $\angle V_{R,\:Est},\:\angle I_{R,\:Est}$는 추정된 수전단 전압/전류 페이저 위상, $\angle V_{R,\:Received},\:\angle I_{R,\:Received}$는 수전단 IED로부터 수신된 전압/전류 페이저 위상이다.

3. 사례연구

본 논문에서 제안된 선로정수 추정 결과 적용 상대단 전압/ 전류 페이저 추정 기반 변전소 간 상대 시각 오차 추정 방식을 검증하기 위해 PSCAD를 이용해 대상 계통을 모델링하였고, 대상 계통의 송전선 양단을 154[kV] 테브난 등가 전원으로 구성하였으며, 샘플링 주파수는 3,840[Hz]이다.

그림 3 사례연구 모의 계통도

Fig. 3 Schematic diagram for case studies

송전선로는 국내 특정 구간의 2회선 송전선로 철탑과 선종 제원을 이용해 모델링하였고, 계통도는 그림 3과 같으며, 대상 계통의 설비별 파라미터는 표 1과 같다. 송전선로는 2회선 모두 같은 선종을 사용하였고, 긍장도 같은 2회선으로 모델링 하였다.

본 논문에서 제안하는 알고리즘은 송전선로의 선로정수에 크게 의존하기 때문에 현실에 가까운 송전선로를 모델링 하고자 송전 철탑과 송전선로 데이터를 활용하였고, PSCAD에서 제공하는 Universal tower 모듈을 이용해 송전선을 모델링하였 으며 각 입력 데이터는 표 2와 같다.

그림 4 철탑 모델링 데이터(단위: [mm])

Fig. 4 Tower modeling data(Unit: [mm])

PSCAD에서 제공하는 Universal tower 모듈에서 연가 여부를 연가로 설정하였고, 모델링한 선로의 선로정수는 표 1의송전선로 선로정수와 같이 계산되었다.

또한 선로정수 추정 알고리즘의 적정성을 검증하기 위해 대상 계통의 선로 양단 전압/전류 페이저를 이용해 선로정수를 추정하였으며 추정한 결과를 표 3에 나타내었다.

표 3은 식 (1, 2)를 이용해 추정한 선로정수 추정 결과를 나타낸 표이다. R1, jX1, C1은 각각 정상분 저항, 리액턴스, 병렬 캐패시턴스를 의미하며, 실제값과 추정값의 오차를 항목별로 나타내었다.

위에서 추정한 선로정수는 각 변전소 Master clock의 GPS 신호 수신이 양호할 시 추정한 결과이며, GPS fail 이전까지의 선로정수를 버퍼에 저장해둔다. GPS fail이 장시간 지속될수록 변전소 간 상대 시각 오차는 커지며, 이에 따라 전류 차동 IED에서 계산되는 차동 전류의 값도 커지게 된다. 특히 외부 고장이 발생한 상황에서는 차동 전류의 값이 더욱 크게 나타나 오동작할 수 있는 가능성이 높아진다.

그림 5 변전소 간 상대 시각 오차에 따른 차동 전류

Fig. 5 Differential currents due to time sync error

그림 5는 변전소 간 상대 시각 오차에 따른 차동 전류를 도시한 것으로 반주기(8.335[ms])까지의 변전소 간 시각 동기 오차에 대한 차동 전류를 나타내었다. 반주기 시각 오차가 있을 경우, 편단 전류 크기의 약 2배에 해당하는 차동 전류가 발생 하게 되며 부하전류가 크거나 외부고장이 발생했을 때 오동작할 가능성이 크다.

본 논문에서는 차동 전류가 가장 크게 나타나는 반주기의 상대 시각 오차를 대상으로 실험을 진행하였으며, 상대단 변전소에 GPS fail이 발생하였음을 가정하였고, GPS fail의 장시간 지속을 가정하여 특정 시각에 반주기의 변전소 간 상대 시각 오차가 발생한 것으로 모의하였다.

제안 방식의 적정성 검증을 위해 IEC 61850 기반 전압/전류 페이저 신호 송/수신을 목적으로 그림 6과 같이 VMware 환경 에서 두 개의 가상 윈도우를 만들고, 각각의 가상 윈도우에

SISCO사의 MMS ease lite 라이브러리를 이용해 IEC 61850

기반의 가상 IED를 구현하였으며 PSCAD에서 출력한 송전선로 양단 전압/전류 신호 순시치를 SV(Sampled Value)를 이용해 송/수신 하도록 구성하였다.

그림 6 시뮬레이션 환경

Fig. 6 Simulation environment

그림 7은 그림 6과 같은 환경에서의 모의 결과를 나타낸다.

단시간의 시뮬레이션 결과를 검토하기 위한 PSCAD의 특성을 고려하여 0[ms]에 상대단인 수전단에 반주기 시각 오차를 모의하였다.

첫 번째와 두 번째 그림은 각각 자기단과 상대단의 A상 순시치 전압과 전류를 나타내며, 세 번째 그림은 전류 차동 IED 의 Pick-up 여부를 나타내었다.

본 논문에서는 GPS fail이 발생하였다고 가정했기 때문에 전류 차동 IED가 Pick-up 한 이후, 실제 고장 여부를 판단하기 위해 GPS fail 이전에 추정한 선로 정수를 이용해 상대단 전압/전류 페이저를 추정한다.

그림 7의 네 번째 그림은 추정된 전압/전류 페이저와 IEC 61850을 이용해 수신된 상대단 전압/전류 페이저와의 차이를 나타내었다. 전압/전류 페이저 위상차 모두 상대단에 반 주기 시각 오차가 있음을 보여준다.

다섯 번째 그림은 전류 차동 IED의 차동 전류를 나타낸 것으로, 추정된 변전소 간 상대 시각 오차를 보상하기 전과 이후의 신호를 도시하였다. 그림에서 보이는 바와 같이 모의한 변전소 간 상대 시각 오차를 정확하게 추정하고 보상함을 알수 있다.

그림 7 모의 결과

Fig. 7 Simulation results

4. 결 론

변전소 간 상대 시각 오차는 전력 시스템 보호 및 제어와 관련하여 보호 계전기 오동작과 같은 문제를 야기할 수 있다. 이러한 문제를 방지하기 위해 본 논문은 변전소 간 상대 시각 오차를 추정하고 오차만큼의 전압/전류 신호를 보상하는 방법을 제안한다. 변전소 간 상대 시각 오차를 추정하기 위해 GPS 신호 단절 이전, 정상 상태의 동기화된 선로 양단 전압/전류 페이저를 이용해 선로정수를 추정한다. GPS fail 이전까지 추정된 선로정수와 편단 전압/전류 페이저를 이용해 상대단 전압/전류 페이저를 추정하고, 이후 추정된 상대단 전압/전류 위상과 IEC 61850을 이용해 수신된 상대단 전압/전류의 위상을 비교하여 변전소 간 상대 시각 오차를 추정 및 보상한다.

제안 방식을 검증하기 위해 PSCAD를 이용해 계통을 모델 링하고, 선로 양단 전압/전류를 출력하여 가상 윈도우를 이용해 구현한 가상 IED에 입력하고, IEC 61850 SV를 이용해 각

IED 간 데이터를 송/수신함으로써 선로정수를 추정한다. GPS fail 이전까지 추정된 선로정수와 자기단 전압/전류를 이용해 상대단 전압/전류를 추정하고, IEC 61850을 통해 수신된 상대단 전압/전류 페이저와 비교함으로써 변전소 간 상대 시각 오차를 추정하였다. 추정된 변전소 간 상대 시각 오차를 이용해 상대단 전압/전류를 보상하였고, 모의 결과를 통해 제안 방식의 적정성을 검토하였다.

추후 연구에서는 보다 국내 송전 계통의 특성을 잘 반영한 비연가 선로 모델을 이용하고, 비연가 선로의 선로정수 추정 방식을 연구할 예정이며, CT/PT의 오차를 고려해 연구할 예정 이다. 또한 EVM 보드를 이용해 구현한 하드웨어 IED와 RTDS를 이용한 HILS(Hardware In the Loop System) 시험을 통해 GPS fail 모의 후 장시간의 시뮬레이션을 수행하여 제안 방식의 적정성을 검토할 예정이다.