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동적 링크 라이브러리를 활용한 과전압 계전기 모델링
성노규, 여상민, 김철환 성균관대학교
The Modeling of OverVoltage Relay using Dynamic Link Library
No-Kyu Seong, Sang-Min Yeo, Chul-Hwan Kim Sungkyunkwan University
Abstract
- 최근 전력산업의 화두가 되고 있는 지능형 전력망과 그린 에너지 사용의 확대로 인하여 배전계통은 더욱 복잡한 망구조를 띄고 있으며, 이에 따라 계통에서 발생하는 고장전류 증가 및 과도현상들도 매우 다양하게 나타나고 있다. 이와 같은 과도현상으로부터 배전계통을 보호하기 위해 전력용 퓨즈, Recloser, 과전류 계전기, 과전압 계전기 등 이 사용된다. 이러한 보호 기기들이 정상 동작하기 위해서는 사전 모의 를 통해 상시 부하 전류와 고장 전류 및 계통 이상 상태를 파악하고, 다 른 보호기기와의 보호 협조를 고려해야 한다. 이러한 보호 장비들을 구 현하고, 동작을 검증함에 있어 기존에는 EMTP(ElectroMagnetic Transients Program)와 같은 과도현상 해석 프로그램이 사용되어 왔다.
최근 상용 버전으로 개발된 EMTP-RV(ElectroMagnetic Transients Program-Restructured Version)는 기존의 컨트롤 소자들로만 구현해야 했던 한계점을 극복하기 위해 사용자 정의가 가능한 DLL(Dynamic Link Library) 기능을 제공함으로써 사용자가 EMTP-RV 개발자와 동 일한 환경 하에서 계통 소자를 구현할 수 있도록 하였다.
본 논문에서는 새로운 모델링 기법인 DLL 기능을 이용하여 과전압 계전기를 구현하고 결과를 검증하여 모델링 방법의 적합함을 보였다.
1. 서 론
최근 배전계통은 신재생 에너지원을 사용한 분산전원과의 연계 및 통 신 기술을 접목한 스마트 그리드로 발전하면서 복잡한 네트워크를 이루 고 있다. 배전계통이 지능화되고 분산전원과 같은 발전원과의 연계로 인 하여 복잡해짐에 따라 계통에서 발생하는 과도현상들도 다양해지고 있 으며, 다양한 과도현상들로부터 계통을 보호하는 것 또한 중요한 화두이 다. 배전계통을 보호하기 위해 사용되는 보호 장비로는 과전류 계전기, 재폐로부 과전류 계전기, 과전압 계전기 등이 주로 사용된다.
이와 같은 보호계전기들은 비정상적인 계통 조건을 검출하고 가능한 한 신속하게 반응하여 계통을 정상상태로 되돌리는 역할을 한다. 이러한 보호 장비들을 구현하고, 동작을 검증함에 있어 EMTP(ElectroMagnetic Transients Program)와 같은 과도현상 해석 프로그램이 사용되어 왔으 나, 사용법이 어려워 사용자가 프로그램을 따로 공부해야 하는 단점이 있다. 이러한 단점을 해결하고자 개발된 EMTP의 상업용 버전인 EMTP-RV(ElectroMagnetic Transients Program-Restructured Version)는 EMTP가 갖고 있는 계산의 우수성뿐만 아니라 사용자 인터 페이스 환경도 개선하여 사용자가 전력계통의 다양한 현상들을 분석함 에 있어 보다 용이하다[1].
최근 EMTP-RV는 컨트롤 소자들의 한계를 극복하고자 사용자정의가 가능한 DLL(Dynamic Link Library) 기능을 제공하고 있다. DLL 기능 을 이용한 모델링 기법을 통하여 사용자가 EMTP-RV의 Core Code에 직접 접근할 수 있으며, 계통의 데이터를 저장하고 필요시 저장한 데이 터를 사용할 수 있는 장점이 있다. 따라서, 본 논문에서는 새로운 모델 링 기법인 DLL을 활용하여 과전압 계전기를 구현하고 구현한 계전기의 동작을 검증하였다.
2. EMTP-RV와 DLL
2.1 Core Code와 DLL 파일간의 상호동작
EMTP-RV의 Core Code는 구성된 전력 계통에 대한 해를 구하기 위 하여, 매 타임스텝마다 모듈화된 DLL 파일에게 참가(participation)에 대 한 요청(request)을 하며, 요청을 받은 DLL 파일은 필요에 따라 Core Code에 참가하게 된다. 다음 그림 1은 DLL 파일과 Core Code 간의 상 호 동작에 관한 설계도를 보여준다[1].
EMTP-RV Core Code Organizer
Solver
Scopes, external interaction Data
DLL
Request Participation
<그림 1> EMTP-RV의 요청-참가 설계도
2.2 EMTP-RV 내의 DLL 기능
EMTP-RV는 EMTP-RV의 Core Code와는 완전히 독립적인 사용자 정의가 가능한 DLL 기능을 제공하고 있다. EMTP-RV에서의 DLL을 이용한 모델링 기법의 특징은 다음과 같다.
∙ EMTP-RV 내의 플러그인 표준방식을 따름으로써 DLL 파일과 EMTP-RV Core Code와의 링크 문제를 해결할 수 있다.
∙ DLL을 이용하여 EMTP-RV의 Core Code와 상호 동작하는 새로 운 소자들을 구현할 수 있다.
생성된 DLL 파일은 EMTP-RV가 제시하는 표준 링크 방식에 따라 EMTP-RV의 Core Code와 동적으로 링크되어 사용되며, 별도의 언어로 구현해야만 하는 EMTP/MODELS와는 달리 DLL 파일 생성을 위하여 C++, JAVA, Fortran과 같이 다양한 프로그램을 사용할 수 있다. 본 논 문에서는 Compaq Visual Fortran을 사용하여 DLL 파일을 생성하였다.
3. DLL 기법을 활용한 보호계전기 모델링
3.1 과전압 계전기
본 논문에서 구현한 과전압 계전기는 한국전력공사 과전압 계전기 표 준규격에 따라 모델링하였다. 구현한 과전압 계전기의 동작 특성은 크게 과전압요소에 대한 보호와 지락과전압요소에 대한 보호로 구분된다. 과 전압요소에 대한 동작 특성식은 다음 식(1)과 같으며, 표준규격이 제시 하는 참고값에 따라 구현되었다[2].
(1)
여기서, - G : 고장전압 - G
b: 정정치 - tp : 시간 정정치 - a : 특성곡선지수 - k, C : 계전기 특성값
▸과전압요소 : k = 10.05, a = 1.75, C = 0.0 ▸지락과전압요소(Trip) : k = 12.15, a = 2, C = 0.35 ▸지락과전압요소(Alarm) : k = 24.75, a = 2.23, C = 4.15
3.2 DLL을 이용한 과전압 계전기 모델링본 논문에서 DLL을 이용하여 구현한 과전압계전기의 기호는 다음 그 림 2와 같다.
<그림 2> 구현한 과전압 계전기 기호
2009년도 대한전기학회 하계학술대회 논문집 2009. 7. 14 - 1 7
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Case 계전기의 동작 기능
Case 1 과전압 : 차단기 트립 동작(순시 기능) Case 2 과전압 : 차단기 트립 동작(한시 기능) Case 3 지락과전압 : 차단기 트립 동작(순시 기능) Case 4 지락과전압 : 차단기 트립 동작(한시 기능) Case 5 지락과전압 : 차단기 트립 동작(정한시 기능) Case 6 지락과전압 : 경보 동작(한시 기능)
Case 7 지락과전압 : 경보 동작(정한시 기능) 고장발생시간 : 0.15 [s]
정한시설정 : 1 [s]
구현한 과전압 계전기는 그림 2에서 보는 바와 같이 각 상전압(a, b, c)과 중성선의 전압(n)을 입력 받고, 계통의 과전압을 감지하면 ‘Trip’
또는 ‘Alarm’ 단자를 통하여 각각 트립, 경보 신호를 생성한다. 계전기를 구현하기 위해 사용된 DLL의 서브루틴과 각각의 역할은 다음 표 1과 같다.
<표 1> 사용된 DLL의 서브루틴과 용도
①
DLL_INITIALIZE_NEW
각상 정정치, 정한시 정정치와 단락과전압 정정치, 지락 과전압 정정치를 Model Data 영역에서 입력받음
② DLL_POST_INITIALIZE_NEW 사용될 전력 노드들의 메모리를 할당
③ DLL_INDEX_CONTROLLABLES
계통으로부터 전류값을 입력받음
④ DLL_LOAD_OBSERVABLES_T0
계전기의 초기 출력값을 지정
⑤
DLL_LOAD_OBSERVABLES
계전기의 입력값에 따라 계전기의 출력값을 결정한 후 트립 또는 알람 신호를 생성
⑥
DLL_PUT_IN_IAUG
계전기를 구현함에 있어서 사용도는 없지만, 에러 발생 을 피하기 위해 소스 파일에 포함
4. 과전압 계전기 동작 검증
4.1 모델계통
한국전력공사 실 배전계통 모델을 이용하여 1선지락 고장과 같은 고 장 발생시 보호 계전기의 동작을 검증하였다. 실 배전계통 모델을 구현 하기 위하여 부하 모델은 참고문헌[3]을 기반으로 모델링하였다. 다음 그림 3은 과전압 계전기가 투입된 모델계통을 나타낸다.
<그림 3> 모델 계통
4.2 모의 조건
DLL로 구현한 과전압 계전기의 동작을 검증하기 위하여 모델 계통에 역률보상을 위한 커패시터 스위치의 투입과 1선지락 고장을 발생시켜 각 상과 중성선의 과전압 현상을 모의하였고, 다음 표 2는 구현한 계전 기의 기능을 나타낸 표이다.
<표 2> 모의 조건
4.3 모의 결과
다음 그림 4는 표 2의 Case 1, 2에 대한 전압 파형을 나타낸다. 사용 자의 기능 선택에 따라 과전압 계전기가 과전압 상황을 인지한 후 선로
를 차단하였다.
Open Close
Trip Signal
고장발생
CB트립 개폐서지
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Trip Signal
고장발생 CB트립
개폐서지
(a) Case 1 (b) Case 2
<그림 4> 과전압 기능에 대한 모의 결과 파형
다음 그림 5는 지락과전압에 대한 동작 검증 결과를 나타낸다.
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Trip Signal
고장발생 CB트립
개폐서지
Open Close
Trip Signal
고장발생 CB트립
개폐서지
(a) Case 3 (b) Case 4
Open Close
Trip Signal
고장발생
CB트립 개폐서지
On Off
Alarm Signal
알람 신호 생성 고장발생
(c) Case 5 (d) Case 6
알람신호 생성 고장발생
On Off
Alarm Signal
(e) Case 7
<그림 5> 지락과전압 기능에 대한 모의 결과 파형
그림 4, 5에서 보인 것과 같이 DLL로 구현한 과전압 계전기는 단락과 전압 발생을 인지하여, 정한시 및 한시 동작특성에 따라 선로를 차단하 였고, 지락과전압이 발생할 경우 중성선의 과전압 상태를 인지하여, 선 로를 차단하거나 경보 동작을 정확히 수행하였다.
5. 결 론
본 논문에서는 사용자 정의가 가능한 EMTP-RV 내의 DLL로 과전압 계전기를 구현하였으며, 한국 전력공사 실 배전 계통 모델에 투입하여 과전압 상황을 모의하여 계전기의 동작을 검증하였다. 향후 본 연구를 기반으로 MATLAB과 같은 다른 프로그램과의 연동 및 초전도 한류기, 발전기, 차단기 아크 모델등 계통의 복잡한 장비 구현 및 계통에서 발생 가능한 다양한 현상들을 모의하고 구현한 계전기를 계통에 투입함으로 써 보호협조와 같은 보호계획을 수립함에 있어 활용도가 예상된다.
감사의 글
본 연구는 지식경제부의 지원에 의하여 기초전력연구원 (R-2007-2-055) 주관으로 수행된 과제임.
[참 고 문 헌]
