A Study on the Wide Area Monitoring system using satellite communication network

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위성통신을 이용한 광역계통 시각동기 감시시스템 구현에 관한연구

오규환 , 최효열 , 정광균 한전전력연구원

A Study on the Wide Area Monitoring system using satellite communication network

Kyuwhan Oh , Hyoyul Choi , KwangKyoon Jung KEPRI

Ⅰ. 서 론

산업발달로 인한 전력산업 구조변화와 해마다 증가하는 전력소 비는 전력계통의 복잡성을 증가시켜 전력품질의 신뢰성과 안정 도 확보룰 위한 계통데이터의 실시간 수집 및 감시 ^/ 제어의 중요 성을 부각시키고 있다 .

또한 최근 몇 년간 선진국에서 발생하는 대정전사고는 전체 계 통의 유기적인 흐름과 변화를 감시할 수 있는 시스템의 필요성 을 인식시켰으며 , 이를 위해서 선진국에서는 광역계통감시시스템 (WAMS) 의 개발에 집중을 하고 있는 실정이다 ^.

본 논문에서는 한전전력연구원에서 연구중인 광역계통감시시스 템과 전력계통에서 시각동기 데이터를 취득하는 sPMU 의 구조와 전력계통에 최초로 적용한 위성시스템에 대하여 기술한다 .

Ⅱ. 시스템 구성 개요

1. 시스템 개요

위성망을 이용한 전력계통 안정화 시스템은 발전소 및 변전소 에서 취득한 시각동기화된 전력계통 데이터를 위성망을 통해 온 라인 전송함으로서 광역계통의 상태를 실시간으로 감시 , 분석하 고 , 운영자에게 계통상황 및 안정적인 계통운영에 관한 지침을 제공할 뿐 아니라 , 위성망을 이용하기 때문에 지진 ․ 화재 ․ 홍수 등 의 재난 ^․ 재해시에도 상시 감시가 가능한 시스템이다 ^.

2. 시스템의 구성

2.1 sPMU(Satellite Phasor Measurement Unit) 발전소 및 변전소에 설치되어 전력계통의 데이터

( 전압 ^, 전류 ^, 위상 ⁾ 를 실시간 측정하고 ^, 지역사고 판단 및 사고데이터를 저장하며 , 위성 및 기존의 통신망과 동시 연계가 가능한 로컬시스템 이다 .

2.2 Host 시스템

sPMU 로부터 취득한 데이터를 실시간 감시하고 , 분 석 하여 계통의 전압 안정도를 평가하고 ^, 운영자에게 계통의 이 상유무를 알려주는 기능을 수행한다 .

2.3 위성통신 시스템

sPMU 에서 취득한 데이터를 Host 시스템으로 전송 하는 역할을 수행하며 , 통신망의 종합적인 관리를 하는 기능을 수행한다 ^.

H O S T 시 스 템

무 궁 화 3 호 위 성

< s P M U >

S a te llite

< 위 성 단 말 >

제 주 도 설 치 위 치 H O S T 시 스 템

무 궁 화 3 호 위 성

< s P M U >

S a te llite

< 위 성 단 말 >

제 주 도 설 치 위 치

<그림1> 위성망을 이용한 위기관리 시스템 구성도

Ⅲ. 시스템의 구현

1. 광역계통 시각동기 시스템

기존의 계통감시시스템은 지역적으로 분리된 계통의 정보만을 취득하여 전체계통의 유기적인 연관성을 파악하는데 어려움이

많았다 .

본 연구과제에서는 계통데이터 중에서 위상각 정보를 이용하여 동 시각에서의 전계통의 흐름 분석을 할 수 있다 .. 각 변전소 별 로 설치된 GPS 를 이용한 1PPS(Pulse Per Second) 신호를 이 용하여 ^sPMU 에서는 동일시각의 계통데이터를 취득한다 ^. 이러한 데이터를 이용하여 전체계통의 전반적인 흐름을 파악할 수 있다 는 것이 기존의 시스템과 다른 점이다 .

본 논문의 연구과제는 계통적으로 육지계통과 분리된 제주계통 을 대상으로 12 개 발 ․ 변전소에 sPMU 를 설치하여 계통데이터를 취득하여 중심국으로 모인 데이터를 이용하여 동 시각의 광역계 통의 전압 , 전류 , 주파수 및 실시간 전압안정도 , 그리고 동기위상 을 분석할 수 있다 .sPMU 에서 취득된 데이터는 GPS 신호를 이 용한 타임태그를 첨부하여 호스트시스템으로 전송된다 .

<그림2. 제주계통 시각동기시스템 표현 화면>

〈 그림 ^2〉 는 호스트시스템에서 제주계통의 각 변전소에 전송되 어진 데이터를 이용하여 동기위상을 표현한 화면이다 . 제주변환 소의 동기위상을 기준으로 각 변전소의 동기위상각이 30° 안에 서 수렴되어질 경우 계통이 정상적으로 운영되어 지고 있다고 판단되어질 수 있고 , 30° 를 초과시에 계통의 위험상황을 예측할 수 있다 ^. 왼쪽의 원안에 선은 각 변전소에서의 동기위상각을 나 타내고 있다 . 제주변환소의 각을 기준으로 상대적인 변환소의 위 상각을 보여주고 있다 .

현재의 구축된 동기위상 감시위상시스템은 국내에서 실계통에 적용한 최초의 사례이며 , 아직은 기술발달의 단계가 초기이지만 , 향후 광역계통시스템 감시 및 제어를 위해 중요한 초석이 되리 라 생각되어진다 .

2. sPMU의 구조 2.1 DSP 모듈

DSP 모듈은 데이터 취득 부분과 ^I/O 부분을 ^DSP 각각 하나씩 전담하여 설계하여 , 안정적인 운영이 되도록 하였다 .

<그림 3> DSP 모듈 구성요소

< 그림 3> 에서와 같이 두 개의 DSP 와 그 주변 장치들로 이루어

진 DSP 모듈 중 하나는 데이터 연산 장치로써 , 다수의 AI 모듈에

2009년도 대한전기학회 하계학술대회 논문집 2009. 7. 14 - 1 7

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서 취득한 데이터를 실시간 RMS 연산을 하여 전압 , 전류 그리 고 그 외의 전력요소들을 감시하는 기능을 수행한다 .

2.2 AI 모듈

Analog 입력 모듈은 외부에서 인입되는 AC 전압 (110V) 와 전 류 ^(5A) 를 각각 소스에 대해 ^PT 와 ^CT 를 거쳐 노이즈 필터링을 한 후 AD 변환을 통해 디지털 데이터로 DSP 모듈에 전송하는 정밀 계측모듈이다 .

<그림 4> AI 모듈 구성요소

위의 그림에서와 같이 AI 모듈은 PT 와 CT 를 통해 들어온 2 차 전압 , 전류 값을 Amplifier 를 거쳐 신호를 증폭시킨 후 , AD Converter 로 넘어가게 되는데 이때 전류의 경우 전류 값 차이에 따라 Comparator 로 스위칭을 하게 된다 . AD Converter 로 아날 로그 신호가 디지털 신호로 바뀐 후 인터페이스 커넥터로 ^DSP 모듈로 전달이 된다 . AD Converter 는 DSP 모듈의 1PPS 신호 에 따라 모든 모듈이 동시에 신호변환을 하며 이는 모든 장소의 위상 값을 동기화하여 위상각을 분석해 과도 안정도 및 전력계 통 안정도를 평가하는데 핵심역할을 한다 . AD Converter 는 DSP 에서 ^7680Hz/sec 로 샘플링 하는데 전혀 지장이 없으며 ^, 변 환 품질 또한 매우 우수하다 . 그리고 한 채널에 AD Converter 가 하나씩 사용이 되고 있어서 매우 안정된 계측모듈이다 . 2.3 DI 모듈

DI module 은 외부 전력설비 ( 차단기 등 ) 의 접점을 입력받아 그 상태를 신호취득 프로세서에 전달하는 역할을 하는 장치로 ^[ 그 림 5] 과 같은 구성을 갖는다 .

개발된 DI module 은 외부 기기의 다양한 접점형태를 수용할 수 있도록 Dry 접점과 Wet 접점을 모두 수용하게끔 구성되었고 , Wet 입력의 경우에는 DC 48V 와 125V 전원을 사용한다 . 구성된 ^{DI module} 은 ⁸ 채널을 기본으로 하나의 공통단자로 구성 하였기 때문에 접점의 형태 및 레벨은 8 채널 단위로 설정할 수 있다 . Module 에 구성되는 필터는 접점의 On/Off 시 채터링 (chattering) 을 방지하는 역할을 담당하도록 설계되었고 , Optical Isolation 을 채택하여 내부회로와의 절연이 가능하도록 하였다 .

접 점 형 태 선 택 부 ( D r y , W e t ) D I C H # 1

D I C H # 8 D I C H # 3

D I C H # 5 D I C H # 4

D I C H # 7 D I C H # 2

D I C H # 6

I n p u t D a t a B u f f e r F i l t e r

O p t o - I s o l a t i o n 입 력 레 벨

선 택 부 ( 2 4 / 4 8 / 1 2 5 / 2 5 0 )

B U S

접 점 형 태 선 택 부 ( D r y , W e t ) D I C H # 1

D I C H # 8 D I C H # 3

D I C H # 5 D I C H # 4

D I C H # 7 D I C H # 2

D I C H # 6

I n p u t D a t a B u f f e r

F i l t e r O p t o -

I s o l a t i o n 입 력 레 벨

선 택 부 ( 2 4 / 4 8 / 1 2 5 / 2 5 0 )

<그림5> 디지털 입력 모듈의 구성

3. 전력계통 감시시스템 위성통신망의 구조

위성통신은 무선통신방법의 일종으로 자연재해 영향권 밖인 우 주공간에 위치한 위성체를 이용한다 ^. 이로 인해 지상에서 발생하 는 재난 ․ 재해에 영향을 받지 않아 시스템 가용도가 99.98% 이상 으로 유지 가능하여 , 중단없는 전력공급을 위해 고려되어야 할 통신망이다 . 한전전력연구원에 설치된 중심국과 sPMU 가 설치된 발 ․ 변전소에 단말기를 설치하여 sPMU 로부터 취득한 데이터를 중심국이 설치된 호스트시스템에서 분석한다 ^. 중심지구국은 9.3m 안테나 , 주파수 상향 / 하향 변환 , 신호증폭기 그리고 NOC(Network Operation center) 장비 등이 구축되어 있고 , 취 득된 데이터는 NOC 라우터에서 관련 및 요구된 부서로 전달되 어 실시간 안정도 평가 및 안정도 계산으로 인한 위기 대응 시 나리오 개발 및 통합센터에서 광역 계통 감시 ^, 분석이 이루어진 다 .

위성단말지구국 (VSAT) 시스템은 sPMU 에서 취득한 데이터를 위성체를 경유 중심지구국에 송신하면 중심 지구국에 연결된 호 스트시스템은 광여계통의 상태를 감시하고 분석한다 .

<그림 6> 위성시스템 구성도

Ⅳ. 결 론

본 논문에서는 광역계통 동기위상시스템 및 sPMU 의 구조에 대 한 내용과 위성망을 이용하여 계통데이터를 전송하는 시스템에 대하여 소개하였다 . 국내최초로 광역계통 동기위상시스템을 개발 하였음에 의미를 부여할 수 있고 ^, 향후 계통의 해석이나 재난이 나 재해에 대비한 전력계통의안정성 향상에 큰 기여를 할 수 있 으리라 기대한다 .

참 고 문 헌

[1] 김학만 외 3인 “전력계통 실시간 감시를 위한 동기위상 측정 장치의 시작품개발”

[2] 김명수 “위성통신을 이용한 자동화 감시 시스템 구축 연구”, 대한전기학회 하계학술대회 논문집, 2002.7

[3] Power System Relaying Commite of IEEE, "PC37.118 Draft Standard for Synchrophasor for Power System", 2004

[4] 김수배, “전력산업 감시·제어를 위한 위성통신 적용방안 연

구” 대한전기학회 추계학술대회 논문집, 2004.11