수력발전소 IED의 디지털 보호 알고리즘에 관한 연구
A Study on Digital Protection Algorithm of IED for Hydroelectric Generating Unit
박 철 원† (Chul-Won Park)
Abstract – Generator of hydroelectric generating unit is to be protected by the digital protection IED. Now, any IED of large capacity for hydro power plant was not developed by domestic technology. This is because it is required for the generator of the high reliability technology and considered as due to the sale of the market of IED device is small.
However, the protection IED must be develop by domestic technology to meet the advanced needs of the construction and replacement of electrical equipment in accordance with the new power plant development. In this paper, a digital algorithms for protection IED of large size of hydroelectric generating unit were designed. The algorithms consist of the stator protection, anti-motoring, overexcitation and loss of excitation. The performance of the algorithms were evaluated by using the simulation data collected from the PSCAD/EMTDC software. From test results, it can be seen that the developed algorithms were not maloperation.
Key Words : Anti-motoring, Hydroelectric generating unit, IED, Loss of excitation, Overexcitation, Stator protection, PSCAD/EMTDC
† 교신저자, 종신회원 : 강릉원주대학교 전기공학과 교수․공박 E-mail : [email protected]
접수일자 : 2014년 8월 9일 수정일자 : 2014년 8월 14일 최종완료 : 2014년 8월 18일
1. 서 론
발전소내 발전기는 사고로 인해 장기간 고장이 지속되지 않도록 보호계전기는 신속하고 정확하게 동작하여야 한다.
전력시스템이 점차 복잡화, 다양화, 대용량화됨에 따라 전력 공급의 신뢰도와 안정성 확보를 위하여 핵심 디바이스는 아 날로그계전기에서 디지털계전기를 거쳐서 지능형전자장치 (IED)로 급속하게 진화하고 있다[1]. 디지털 발전기 보호시 스템은 마이크로프로세서와 임베디드를 사용하여 보호, 제 어, 통신 및 HMI 등을 제공한다. 이는 입력되는 전류 및 전 압신호를 샘플링하고 디지털 신호처리기법에 의하여 페이저 을 계산하고 보호기능이 구현되는 IED 기반 차세대 보호계 전시스템이다[2].
국내 발전소의 대용량 발전기용 전기적인 보호계전기는 해외 주력회사인 GE, ABB, Siemens, SEL, AREVA 등으로 부터 일괄입찰방식으로 수입, 운용되고 있다. 그 이유는 보 수적인 성향이 강한 발전사는 고 신뢰성의 기술을 요구하고 있는 반면에 발전기 IED 판매시장이 크지 않았기 때문으로 생각된다. 그러나 최근 전원개발을 위한 신규 발전소의 건 설과 전기설비의 선진화 교체 요구에 부응하여 발전기 보호 에 관한 관심이 증대되고 있다. 또 발전설비의 기술자립과 국산화를 통해 외화낭비요인의 제거와 최적운영이 제기되고 있다[3∼7].
국내에서는 변전소 및 송배전 보호분야에 비하여 발전기
보호에 관한 연구는 매우 미미한 편이다. 발전소를 포함한 전력계통 보호계전기의 정정기준 수립에 관한 연구와 보호 계전기 시험 훈련코스 개발이 이루어졌다[8,9]. 또 실시간 전 력계통 시뮬레이터를 이용한 발전기 보호계전기 모델 개발 과 발전기 보호제어를 위한 bay controller 설계에 관한 연 구가 수행되었다[10,11]. 특히 지식경제부의 지원 기술개발사 업인 대형 발전기 내부사고 보호를 위한 다기능 IED 시제 품 기술 개발을 통해, 발전기, 터빈, 조속기, 여자기 등으로 구성된 발전기 제어시스템이 모델링과 사고 시뮬레이션 [12,21], 직류옵셋제거필터와 DFT필터 기반 비율차동보호, 주파수보호, 불평형보호 및 과여자보호 등의 알고리즘에 관 한 실질적인 연구가 수행되었다[1,13,14,21,22].
해외에서는 발전기보호에 관한 IEEE 표준이 정립되면서 메이저사들은 디지털 IED 기반 복합 보호계전시스템을 출 시하였다[15]. 한편 고정자 권선의 내부고장과 외부고장을 위한 돌극형 동기발전기의 개선된 과도 시뮬레이션[16]과 동 기발전기 보호를 위한 웨이브릿 전력에 근거한 기법이 발표 되었다[17]. 발전기의 고정자권선 전압에 3차 고조파의 부하 조건 영향에 관한 연구[18]와 대용량 전력시스템을 위한 신 경회로망을 적용한 과전류 전압억제 보호[19], 발전기 보호 의 여자상실보호기법의 비교와 분석에 관한 논문이 발표되 었다[20].
본 논문에서는 수력발전소 대용량 발전기를 위한 IED의 4가지 보호기능을 약술하였고 4가지 디지털 보호 알고리즘 을 개발하였다. 개발된 알고리즘은 고정자차동보호, 역전력 보호, 과여자보호 및 여자상실보호용이다. 이 알고리즘은 발 전기 제어시스템을 PSCAD/EMTDC로 모델링한 후 다양한 사고를 발생시킨 후 수집한 계전기 모의사고 데이터를 이 용하여 과도현상을 간단히 살펴본 후 각 계전기 알고리즘의 픽업 및 트립신호 발생 등의 성능평가를 수행하였다.
2. 대용량 발전기의 보호
대용량 발전기 주요 보호기능은 고정자보호, 회전자보호, 터빈보호, 후비보호 및 기타 보호요소로 나뉜다. 고정자 보 호요소는 비율차동보호, restrict earth fault 보호, 고정자지 락보호, thermal 보호이고, 회전자 보호요소는 회전자지락보 호, 여자상실보호, 과여자보호, 불평형보호이고, 터빈 보호요 소는 주파수보호 및 전력보호이며, 기타 보호요소는 동기탈 조, 부주의한 가압시 보호, PT 퓨즈 불량 및 차단기동작 실 패보호 등이다[1,2,4].
디지털 IED 기반 발전기 보호계전시스템은 사고의 경중 에 따라 트립 계전기(94G, 94G1, 94G2, 94G3)와 알람출력 계전기(74A, 74B, 74C, 74D)를 동작하게 된다.
2.1 비율차동 보호
비율차동계전기는 내부 상간고장 및 3상고장 동안에 발전 기 고정자를 고속도 보호를 제공한다. 이는 발전기 부하측 전류와 발전기 시스템측 전류를 비교하여 사고를 검출한다.
고정자 내부 고장판별은 식(1)과 같다.
(1)
여기서, 발전기 부하측 상전류, 비율, 발전기 시스템측 상전류.
비율차동보호 알고리즘은 수집된 입력전류로 먼저 차전류 를 계산하여 순시고장여부를 확인한다. 직류옵셋제거필터와 DFT필터를 거쳐 식(1)에 의해 내부고장을 판별한다. 비율차 동을 계산한 후, 비율차동특성곡선상에서 동작영역에 들어가 느냐의 여부를 따져 트립신호를 발생하게 된다[1,2,4].
2.2 역전력 보호
원동기의 전체 또는 부분에서 생성된 전력이 발전기의 무 부하 손실보다 작으면 유효전력은 발전기로 흘러가기 시작 하게 된다. 전력계통의 관점에서 볼 때 역전력은 발전기가 유효전력을 소비하면서 전동기처럼 동작하게 된다. 즉, 여자 전류도 공급되고 발전기가 전력계통과 동기화된 상태로 동 기전동기처럼 동작하게 된다. 역전력보호 알고리즘은 발전 기 원동기별 정격당 모터링 전력율에 따라 역전력계전기가 동작하게 된다. 결국 계산된 모터링 전력은 설정된 역전력 레벨과 비교한 후 지연 트립신호를 발생하게 된다[1,2,4].
2.3 과여자 보호
과여자 원인은 계통에서 부하의 갑작스런 차단, 변성기 입력상실, AVR의 고장, 발전기 기동 및 정지 시와 같은 주 요 원인에 의해 전압이 증가하거나 주파수가 감소 등이다.
이로 인해 비 적층 금속 부품의 과열되고 코어와 권선 온도 의 상승하고 철심의 포화하고, 과다한 자속 누설되기 때문에 철심과 주변의 도체에 심한 와류손을 일으킨다. 이때 히스 테리시스 손실과 와전류 손실은 자속밀도에 비례하게 된다.
즉, V/F 양은 발전기 및 승압 변압기 코어의 자속에 비례하 기 때문에 과여자 상태를 검출하는데 사용될 수 있다.
과여자계전기는 시지연 특성을 가진 순시 기능과 반한시 기능으로 구성된다. 반한시 기능의 경우 과거에는 과여자보 호를 위해 저주파수계전기와 과전압계전기를 조합해서 사용 하였다. 최근에는 식(2)의 반한시 특성곡선을 사용한다. 과 여자보호 알고리즘은 전압신호에서 주파수를 계산한 후 식 (2)에 따라 알람이나 트립신호를 발생하게 된다[1,2,4].
[sec] (2)
여기서 : = 시간 요소, 픽업 = V / Hz pickup.
2.4 여자상실 보호
여자상실계전기는 동기발전기에서 여자상실을 검출하는 데 조정 가능한 오프셋 및 시간 지연을 찾는 두 개의 mho 특성을 사용한다. 발전기의 여자상실은 발전기 단자에서 바 라본 임피던스 변화를 사용하여 검출하게 되는데, 여자상실 이 발생된 시점에서의 부하에 따라 발전기 단자에서 측정한 임피던스는 변하게 된다. 발전기 단자에서 측정한 임피던스 는 식(3)과 DFT필터를 거친 델타전압과 델타전류를 사용하 여 계산된다.
(3)
여기서, 과 는 각각 a상과 b상의 기본파전압이고,
과 는 각각 a상과 b상의 기본파전류이며, 는 임피던 스이고 와 는 각각 저항성분과 리액턴스성분이다.
임피던스 평면에서 오프셋 mho 계전기에 대한 정상상태 설정은 포화직축 과도리액턴스 인 지름과 직축 과도리액 턴스의 절반인
′인 negative 오프셋인 외부 원(40-1) Zone2와 negative 오프셋
′와 베이스 임피던스 가 1 PU의 지름을 갖는 내부 원(40-2) Zone2의 두 개원을 갖는 다. Zone2에서는 시간지연 트립신호를 발생하고 Zone1에서 는 순시트립신호를 발생하게 된다[1,2,4].
3. PSCAD/EMTDC 모델링과 시뮬레이션
3.1 비율차동 보호
동기 발전기의 사고는 내부사고와 외부사고로 구분하는데 내부사고는 발전기 고정자권선의 지락 및 단락사고로 구분 할 수 있다. PSCAD/EMTDC에서는 접지측에서 신호를 수 집할 수 없기 때문에 발전기 내부사고 시뮬레이션을 위해 발전기와 변압기 사이에 발전기 권선을 3분배하여 사고를 발생시켰다. 그림 1은 발전기의 내부사고를 위한 모델계통 도를 나타낸다.
그림 2는 그림 1의 모델계통도에서 사고발생시각은 15[sec], 0.000001[Ω]인 저저항 AB상 지락사고가 발생한 경 우 발전기의 1차전류와 2차전류를 나타낸다. 그림 2로부터 고장발생후 전류가 상승함을 알 수 있다.
그림 1 발전기의 내부사고를 위한 모델계통도 Fig. 1 Model system for internal faults on generator
(a) 1차전류
(b) 2차전류
그림 2 발전기 고정자권선의 AB상 지락사고시 순시치전류 Fig. 2 Instantaneous current during AB ground fault on
generator stator winding
PSCAD/EMTDC 시뮬레이션 데이터로부터 수집된 순시 치 3상전류로부터 DFT필터를 거쳐서 3상 차전류와 3상 억 제전류를 연산하게 된다. 그림 3은 비율차동특성곡선에서의 고장판별을 나타낸다. 그림 3(a)는 A상의 고장판별, (b)는 B 상의 고장판별, (c)는 C상의 고장판별이다. A상의 경우, 고 장직후 9번째에서 특성곡선의 상단으로 수렴함으로서, 내부 사고가 판별되고 B상의 경우, 고장직후 6번째에서 내부사고 가 판별됨을 알 수 있다. C상의 경우, 그 값이 특성곡선 하 단으로 수렴함으로서 내부사고가 발생하지 않았음을 알 수 있다. A상은 고장발생직후 9번째에 특성곡선 내부로 진입하 였기에 판별시각은 0.009375[sec]이고, B상은 고장발생직후
6번째에 특성곡선 내부로 진입함으로서, B상에 대한 내부사 고 판별시각은 0.00625[sec] 임을 알 수 있다.
(a) A상
(b) B상
(c) C상 그림 3 비율차동특성곡선에서의 고장판별
Fig. 3 Fault discriminant of percentage differential curve
3.2 역전력 보호
발전기가 동기전동기로 운전되는 현상으로 원동기의 손상 을 보호토록 하는 것이다. 그림 4에서 터빈 입력토크를 정 상 출력시 1[pu]를 15[sec]에서 –0.05[pu]로 변동 시키므로 역전력 사고를 발생시켰다. 그림 4는 기계적 토크, 각속도, 계자전압, 계자전류, 유효전력, 무효전력 등 발전기의 여러 가지 신호이고, 그림 5는 실효치전압과 실효치전류를 나타낸 다. 그림 4로부터 기계적 입력토크는 15[sec]에 정상상태의 1[pu]에서 –0.05[pu]로 변경되었음을 알 수 있고, 발전기 각 속도는 정상속도에서 현저하게 감소되었으며, 여자전압과 여 자전류는 상승함을 알 수 있다. 그림 5로부터 발전기 선간 전압은 급격하게 감소하고 발전기 전류와 출력들은 현저하 게 감소됨을 알 수 있다. 또 발전기 유효출력은 –5[MW]
정도의 역전력이 발생함을 확인할 수 있었다.
PSCAD/EMTDC 시뮬레이션으로 수집된 순시치 3상전압 과 3상전류로부터 DFT필터를 거쳐서 3상전류의 크기와 위
(a) 기계적 토크 (b) 각속도
(c) 계자전압 (d) 계자전류
(e) 유효전력 (f) 무효전력 그림 4 발전기 여러 가지 신호
Fig. 4 Several signals on a generator
(a) 실효치전압 (b) 실효치전류 그림 5 역전력 상태의 전압 및 전류신호
Fig. 5 Voltage and current signal during reverse power
상을 구하고 역률, 단상 유효전력 및 3상 유효전력을 계산한 다. 그림 6은 유효전력을 나타낸다.
그림 6으로부터 터빈의 입력이 감소하자마자 단상 및 3상 유효전력이 변동하면서 감소하는 것을 알 수 있다. 본 연구 에서 픽업값은 120[MVA]의 90%를 고려한 108[MVA]의 0.03인 3.24[MVA]가 된다. 정한시 3[sec]인 경우, 픽업이후 약 3[sec]에 트립을 발생시키는 역전력계전기의 경우, 본 사 례에서 픽업은 되나 그 값이 크지 않기 때문에 트립신호는
발생하지 않음을 알 수 있다.
3.3 과여자 보호
과여자 상태는 발전기탈락이나 부하탈락에 의해 발생될 수 있다. 그림 7은 부하탈락에 의한 과여자 사고를 위한 모 델계통도이다. 그림 7과 같이 3개의 부하에서 1개씩 부하탈 락함으로서 과여자 상태를 발생시켰다. 첫번째 부하는 10[sec]에 두번째 부하탈락은 15[sec]에 발생시켰다.
(a) 단상 (b) 3상 그림 6 유효 전력
Fig. 6 Real power
그림 7 부하탈락을 통한 과여자를 위한 모델계통도 Fig. 7 Model system for overexcitation by load rejection
(a) 전압신호 (b) 전류신호 그림 8 부하탈락시의 전압 및 전류신호
Fig. 8 Voltage and current signal during load rejection
그림 8은 부하탈락시의 전압 및 전류신호를 나타낸다. 그 림 8로부터 10[sec]에서 부하를 탈락한 경우 전류는 감소함 을 알 수 있었으며 15[sec]에서 부하를 다시 탈락한 경우 전 류는 감소하나 전압의 크기 변화는 매우 적음을 알 수 있다.
PSCAD/EMTDC 시뮬레이션으로 수집된 전압신호로부터 기본파 페이저 추출을 위하여 DFT필터를 통과한 후, Sidhu 기법에 따라 상차각 연산을 거친 주파수를 구한 후, 위상보 정을 하여 주파수를 계산한다. 최종 반한시성 특성식을 통 하여 트립시간을 계산하게 된다. 본 연구에서는 시간계수 K=
1, 공칭전압 Vnom=140, v/f인 INVpu = 1.09, 시스템 주파수 는 60[Hz], 샘플링주파수 FS=960으로 설정하였다.
그림 9는 과여자계전기의 고장판별을 나타낸다. 픽업은
고장발생직후 15.000055[sec]에서 발생하였고 고장은 반한시 특성곡선에 의하여 계산된 시간지연 1.000282[sec]이후인 16.00422[sec]에서 트립신호가 발생함을 알 수 있다.
3.4 여자상실 보호
발전기 모델에서 여자기 권선의 전원 회로에서 개방이 발 생하여 여자전류 입력을 0으로 되도록 완전히 상실시켜 여 자기 사고를 모의하였다. 그림 10은 발전기 여자상실 모델 계통도를 나타낸다. 그림 10과 같이 여자전압을 15[sec] 이 후에 개방하여 여자전류를 0으로 함으로서 여자상실을 발생 시켰다.
발전기의 기계적 토오크는 여자상실 순간부터 감소되기 시
그림 9 과여자계전기의 고장판별
Fig. 9 Fault discriminant of overexcitation relay
그림 10 발전기의 여자상실을 위한 모델계통도
Fig. 10 Model system for loss of excitation on generator
(a) 전압신호 (b) 전류신호 그림 11 여자상실동안의 전압 및 전류신호
Fig. 11 Voltage and current signal during loss of excitation
작 했고, 각속도는 급작스럽게 상승 하였으며, 여자전압은 0으 로 수렴하게 되고 여자전류는 스윙하게 됨을 알 수 있다[1].
그림 11은 전압, 전류신호를 나타낸다. 그림 11로부터 전 압은 서서히 강하하고 일정시간 후에 0로 근접하는 반면 전 류는 일시적으로 상승한 후에 일정시간 후에 일정 값을 유 지하는 것을 알 수 있다.
PSCAD/EMTDC 시뮬레이션으로 수집된 전압과 전류를 DFT필터를 통한 페이저를 이용하여 피상임피던스를 구한 후 임피던스 궤적에 표시한다. 본 연구에서 채택한 negative 오프셋 여자상실계전기의 오프셋은 과도리액턴스를 2로 나 눈값으로 설정하였고, 작은원 Zone1의 직경은 1.0[pu], 큰원
Zone2의 직경은 동기리액턴스로 설정하였으며, 이때 Zone2 의 시간지연을 0.5∼0.6[sec]를 갖도록 설정하였다.
그림 12는 negative 오프셋 mho 여자상실계전기의 임피 던스 궤적을 나타낸다. 그림 12로부터 Zone2의 영역으로는 고장발생후 0.04901[sec]후에 진입하였는데 이때 임피던스의 실수부값은 9.6195, 허수부값 –3.80628은 이었다. 즉, 15.04901[sec]에 Zone2의 동작이 시작되게 된다. 이후 Zone2 는 설정한 지연시간이내에 Zone1으로 이동하였음을 확인할 수 있었다.
또 Zone1의 영역으로는 고장발생후 0.31047[sec]후에 진 입하였는데 이때 임피던스의 실수부값은 9.508208, 허수부값
–3.97911 이었다. 즉, 15.30147[sec]에 Zone1이 동작하여 트 립신호를 발생하게 된다.
그림 12 네가티브 오프셋 모 여자상실계전기의 궤적 Fig. 12 Impedance locus of negative offset mho relay
4. 결 론
본 논문에서는 수력발전소에서 사용되는 중요한 전기적인 보호계전기인 비율차동계전기(87G), 역전력계전기(32), 과여 자계전기(24) 및 여자상실계전기(40)의 원리와 특성을 고찰 한 후 디지털 발전기계전시스템을 위한 4가지 보호알고리즘 을 개발하였다. 제시된 발전기보호용 4가지 IED 알고리즘은 PSCAD/EMTDC 모델링과 시뮬레이션을 통해 수집된 전압, 전류신호 등을 활용하여 성능평가를 수행하였다.
제반 4가지 보호알고리즘은 직류옵셋제거필터와 DFT필 터를 거쳐서 페이저가 계산되었고 보호기능별 알고리즘과 특성방정식에 따라 연산, 구현되어 각 계전 알고리즘들의 트 립오동작이 발생하지 하지 않았다.
그러므로 제시된 보호기법들은 발전기 IED용으로 사용될 수 있을 것으로 여겨진다. 본 연구를 통하여 발전기 보호용 IED의 원천기술을 확보함으로서 사고 대처 능력을 향상시키 고 향후 제반 계전설비의 교체시 주도적인 역할이 기대된다.
감사의 글
본 연구는 2010년도 지식경제부의 재원으로 한국에 너지기술평가원(KETEP)의 지원(2010T100100415)과 2014년도 한국수력원자력(주) 협력연구개발사업의 지 원으로 연구되었으며 이에 감사드립니다.
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저 자 소 개
박 철 원 (朴 哲 圓)
1961년 8월 13일생. 1988년 성균관대학교 전기공학과 졸업, 1996년 성균관대학교 대학원 전기공학과 졸업(공박), 1989년~
1993년 금성산전연구소 주임연구원, 1993 년~1996년 프로컴시스템 기술연구소 선 임연구원, 1993년~1997년 성균관대학교 전기전자 및 컴퓨터공학부 강사, 1997년~2007년 국립강 릉원주대학교 전기공학과 전임강사, 조교수, 부교수, 2007 년~현재 국립강릉원주대학교 전기공학과 정교수, 2011 년~현재 대한전기학회 전력기술부문회 이사, 2012년~현 재 대한전기학회 산업전기위원회 편집위원장
E-mail : [email protected]