2.1 IEC61850

디지털 변전소에서 상호운용성 확보를 위해 IEC61850을 적용한 것처럼 디지털 트윈 모델의 장치들 사이에서 일어나는 정보교환을 IEC61850 기반으로 개발함으로써 디지털 트윈 모델의 상호운용성을 확보하였다. 상호운용성 확보로 인해 디지털 트윈 모델의 지속적인 활용이 용이해지고 신규장치 도입을 대비하여 신규장치에 대한 디지털 트윈 장치를 모델링하여 디지털 트윈에 문제없이 연계를 가능토록 할 수 있다.

IEC61850 통신 프로토콜을 사용하기 위해서는 DataSet 설정이 필요하다. IEC 61850 표준은 데이터 모델을 계층적으로 구성하고 있으며, 하나의 IED 내에는 PHD(Physical Device), LD (Logical Device), LN(Logical Node), DO(Data Object), DA(Data Attribute) 순서로 구성되며 데이터 교환을 위한 최소 단위는 Logical Node이다. Logical Node는 기능에 따라 분류가 되어 있으며 본 논문에서의 Logical Node 구성은 그림 1과 같다. MU(Merging Unit)에서는 CT, PT의 샘플링 값 LN인 TCTR, TVTR을 사용하여 SV데이터 포맷으로 전류 및 전압의 순시값을 IED에 전송한다. IED는 3상 전류 및 전압 관측 데이터 LN인 MMXU, 과전류 보호 LN인 PTOC와 거리계전 보호 LN인 PDIS, 차단기 동작 LN인 PTRC를 사용하였다. Logical Node의 세부 내용은 IEC 61850-7-4에 의해 정의되어 있다⁽⁶⁾.

2.2 IEC61850 기반 디지털 변전소

디지털 변전소는 과거 변전소 운영시스템이 전기적 신호를 기반으로 하여 1:1의 장치 간 연결 관계를 갖고 전력 설비를 단독으로 운전하는 방식이 아니라, IED의 정보 공유를 기반으로 하여 하나의 시스템으로 동작하는 것을 중요한 특징으로 하고 있다. 또한 변압기, 송전선로 등 전력 설비를 감시, 계측, 제어, 보호하기 IED를 중심으로 하고 네트워크 시스템을 통한 변전소를 운영하는 상위 시스템 간에 데이터를 공유하는 자동화 시스템을 갖추고 있다. 그림 2의 디지털 변전소 시스템의 구성도와 같이 디지털 변전소는 Station Level, Bay Level, Process Level이라 불리는 3개의 레벨과 Station Bus, Process Bus라 불리는 2개의 통신 네트워크로 구성된다^(7,8).

2.3 IEEE 1588 PTP

IEC 61850 9-3 에서는 IEEE 1588 PTP를 전력계통의 기준시간 동기화 프로토콜로서 제시하고 있으며, 이를 전력계통에 적용하기 위해서 IEEE C37.238에 따라 시간동기화 시스템 구성이 필요하다⁽⁹⁾,⁽¹⁰⁾. PTP는 네트워크 간 정확한 동기화를 가능하게 하는 표준 시간 전송프로토콜로서, 일반적으로 PTP 방식을 이용하면 정밀한 타임 스탬프를 사용하여 수 나노초 이하로 측정된 값을 기록하는 것이 가능하고 기존의 네트워크 시각 프로토콜 NTP(Network Time Protocol)보다 더욱 정밀한 동기 성능을 제공한다.

PTP를 이용하여 Slave clcok을 Master clock에 동기시키기 위해서는 둘 사이에 동기 메시지 교환이 필요하다. 동기 메시지의 교환은 그럼4처럼 나타난다.

이때 Master clock에 대한 Slave clock의 시각 차이 $\Delta MS$는

식(1)과 같이 나타낼 수 있고, $T_{offset}$은 Master clock에 대한 종속 클락의 위상 오프셋이고 $T_{delay}$는 전송지연이다. 또한 Slave clock에 대한 Master clock의 시각차이 $\Delta SM$은 다음과 같이 표현할 수 있다.

식(1)과 식(2)를 사용하여 요구되는 클락 오프셋과 전송지연의 값은

식(3)과 식(4)와 같이 구해지며 이 값들을 보상해 줌으로써 동기를 이루게 된다.

PTP를 적용한 디지털 변전소의 Process Level 검증을 위해 IEEE std C37.112에서 제공하는 반한시 과전류 계전기의 동작 특성 그래프를 비교 검증하였다. 동작 특성식은 식(5)처럼 나타난다⁽¹¹⁾.

2.4 거리계전기의 리액턴스 효과

거리계전 알고리즘의 고장 판단은 선로 임피던스와 송전선로의 길이가 비례하는 것을 이용하여 이루어진다. 송전계통이 복잡해지면서 중 조류가 흐르는 송전 구간의 평균 길이가 짧아짐에 따라 고장저항과 부하전류의 결합 효과에 의해 측점 임피던스가 영향을 받는 리액턴스 효과에 의한 계전기 성능저하는 큰 문제점이다.

그림 5와 같은 양단 전원 계통을 살펴보면, 고장 발생 지점으로 흐르는 고장전류와 계전기 설치 점의 전압 전류는 아래와 같다.

따라서, 계전기에서 측정되는 임피던스는 다음과 같이 표현된다.

그림 6은 측정임피던스를 R-X 평면에 나타낸 것으로 $\alpha > 0$이면 언더리치(Underreach)하고, $\alpha < 0$이면 오버리치(Overreach)하게 되므로 리액턴스 검출 요소에 기울기를 사용한다.

3.1 모의 계통 모델링

본 논문에서 제안된 디지털 변전소의 보호 적정성 문제 해결을 위한 디지털 트윈을 이용한 상시평가기술을 검증하기 위해 PSCAD를 이용해 그림 7과 같은 모의 계통을 모델링 하였다. 대상 계통의 송전선 양단을 154[kV] 테브난 등가 전원으로 구성하였으며 계통의 설비별 파라미터는 표 1과 같다. 또한 전력계통의 상태변화를 일으키기 위해 전원임피던스의 값을 변수로 설정하여 전원임피던스의 크기가 2배일 때와 1/2배 일 때의 상황을 구성하였다.

3.2 시험 결과

디지털 변전소에 대한 보호 적정성 상시평가 기술을 위해 설계한 디지털 트윈 환경의 검증을 위와 같은 계통에서 전원임피던스가 변경되었을 때의 계전기 오/부동작 모의시험을 진행하였다. 또한 IEEE 1588 PTP를 적용한 MU 및 IED의 검증을 위해 반한시 과전류계전기 모의시험을 진행하였다.