2.1 배전자동화시스템 구성

배전자동화시스템은 배전선로를 원격으로 감시하고 제어하며 선로의 공급 신뢰도와 운전 효율을 향상시키 위한 시스템이다. 그림 1에서 보는 바와 같이 배전자동화시스템은 단말장치, 통신장치 및 중앙제어장치로 구성된다. 단말장치는 실계통에 설치되어 현장에서 발생되는 이벤트를 중앙제어장치로 전달하거나 중앙제어장치에서 전달된 명령을 처리한다. 통신장치는 단말장치와 중앙제어장치간의 데이터를 전달한다. 중앙제어장치는 정전복구, 연계점 최적화, 전압제어 등 배전자동화시스템을 효율적으로 운영하기 위한 기능을 수행한다. 기능의 목적에 맞게 개폐기 상태 조작, 계측 등 현장의 단말장치에 대한 명령을 하달한다.

1선 지락 고장 이벤트가 발생하였을 경우 단말장치인 FRTU(Feeder Remote Terminal Unit)에서는 FI 검출, 외부전원상실, 무전압 경보 등을 생성하고 중앙제어장치로 전달한다. 중앙제어장치는 통신회선에서 FEP(Front End Processor)를 통해 전달된 경보를 기반으로 고장처리 응용프로그램을 실행시켜 고장을 인지하여 고장구간을 판단하고 복구방안을 수립한다.

2.2 배전자동화시스템을 이용한 고장처리

배전자동화시스템의 중앙제어장치는 계통을 안정적이고 효율적으로 운영하기 위한 여러 기능을 포함하고 있다. 대표적으로 고장처리 응용프로그램이 있으며 고장처리 응용프로그램은 고장인지 AP(Alarm Processor), 고장구간판단 FD(Fault Detection) 및 정전복구 SR(Service Restoration)로 구성된다. 고장인지 응용프로그램은 DMS 측으로 전달되는 경보를 기반으로 하여 고장 발생여부를 판단한다. 고장구간판단 응용프로그램은 선로에서 고장이 발생한 구간을 판단하여 고장구간 양단의 개폐기를 탐색하고 조작한다. 정전복구 응용프로그램은 고장구간 이하의 건전구역을 타 연계선로로 절체하기 위한 방안을 수립하여 신속히 전원을 공급한다.

그림 2는 중앙제어장치에서의 고장처리 과정을 나타내고 있다. 선로 고장 발생 시 생성된 경보가 중앙제어장치로 전달되면 고장을 처리하기 위한 응용프로그램이 고장인지, 고장구간판단 및 정전복구 순으로 구동되며 선로를 정상적으로 운영하기 위하여 각각의 기능을 수행한다. 그림 2에서 보는 바와 같이 고장인지는 고장처리의 첫 단계로써 프로세스 실행 여부를 결정하므로 고장처리 과정에서 핵심적인 기능을 수행한다.

2.3 고장처리 실계통 적용 시 문제점

고장처리 과정 중 고장인지 단계에서 해결하기 어려운 문제는 실제로 일어날 가능성이 있는 현상들에 대한 예외처리이다. 통신 네트워크 트래픽에 의하여 경보 전달시간이 지연되는 등 실계통은 이상적인 환경과 달리 고려되어야 하는 요소가 있다. 배전선로는 그림 3과 같이 차단기, 리클로져, 자동화개폐기 등으로 구성된다. 리클로져나 자동화개폐기는 ADMS 소속이고 차단기는 변전소 내에 설치되어 있으므로 송변전 SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition) 시스템 관할이다. 그림에서 보는 바와 같이 CB 동작 고장이 발생한 경우 송변전 SCADA 시스템의 정보를 ADMS 측에서 연계하여 확인할 수 있어야 한다. 타 시스템 연계에 실패하여 요구되는 경보가 전달되지 않는다면 고장을 확진할 수 없다.

고장으로 인한 경보량이 많고 수많은 경보가 동시에 ADMS 측으로 전달되기 때문에 정보로 인식하기 어렵다. 경보는 ADMS의 사령원이 현재 상황을 인지할 수 있도록 알려주는 역할을 한다. 여러 개의 경보가 동시에 발생되어 너무 많은 정보가 동시에 주어지면 사령원은 상황을 직관적으로 인지할 수 없다. 또한 동시에 많은 경보가 발생하기 때문에 통신 네트워크 트래픽에 의해 도중에 누락될 수 있다. 고장 발생 시 FI 정보가 올라오지 않거나 전달시간이 지연되는 경우, 개폐기 무전압 정보와 FI 정보 전달 순서가 변경되는 경우, 다중고장이 동시에 발생하는 경우, 복잡한 선로에 고장이 발생되어 일반선로에 비해 경보의 개수가 많을 경우 등 다양한 사례가 존재한다.

무전압에 의해 발생되는 외부전원 상실 경보와 관련하여 2단 장주에서 전원을 해당 개폐기가 아닌 다른 개폐기에서 공급받는다면 상황이 복잡해질 수 있다. 리클로져는 방향성이 있는 것과 없는 것으로 나누어지는데 분산전원 연계 선로의 경우 방향성이 없는 리클로져가 설치되어 있으면 오동작할 수 있다. 본 논문의 4장에서 타 시스템 연계 문제, 시스템 자체 통신 오류, 경보 대량 생성 등의 조건을 고려하여 사례연구를 수행하였다.

3.1 고장인지 역할 정의

경보처리는 현장에서 중앙제어장치로 전달되는 수많은 경보를 처리하여 직관적으로 인식 가능한 정보를 생성한다. 다양한 이벤트에 의하여 발생되는 경보를 입력으로 현재의 상황을 묘사하고, 운영자에게 보다 효과적으로 전달하기 위한 방안에 대한 연구가 진행되었다. 경보처리의 목적은 수많은 데이터를 결합, 축약 및 제거하여 빠른 시간 내에 효과적인 정보를 제시하는 것이다. 경보를 신속히 처리하기 위하여 계통 모델을 간단히 설계하고 원인-결과 트리를 생성한 뒤 우선순위 판단기법을 적용하여 현상을 판단한다⁽¹⁾.

본 논문에서는 계통 운영 시 발생 가능한 이상 현상 중에서도 고장에 대한 경보처리 기법을 제안한다. 기존의 경보처리 관련 논문에서는 일반적으로 과부하, 과전압, 고장 등과 같은 이상 현상을 포함하여 계통 운영의 전반에 대한 처리방법을 제안하였다. 본 논문에서 제안하는 방법은 경보를 바탕으로 고장 여부를 인지하고 고장처리 프로세스를 실행하는 것이 주목적이므로 고장으로 인한 경보에 국한된 처리기법을 제시한다. 고장인지의 목적은 수많은 알람에 대한 예외를 신속히 처리하여, 고장 발생 여부를 인지하고 고장선로를 탐색하는 것이다. 고장 현상에 대해서만 다루기 때문에 계통 모델을 구체화하였으며, ADMS 측으로 전달되는 알람을 순차적으로 확인하고 경보의 특성에 따라 알고리즘이 다르게 적용된다. 알람의 흐름을 고려하기보다는 이산적으로 분류하여 별도로 해석한다.

3.2 동작 알고리즘

고장인지 응용프로그램은 현장에서부터 ADMS 측으로 전달되는 경보를 기반으로 동작하며, 선로 토폴로지 탐색기법을 적용하여 실제와 동일한 선로를 구성한다. 현장에서 전달된 경보가 고장을 인지하기에 부족하다면 계측을 요청하여 정보를 보완한다. 고장인지의 역할을 세부적으로 분류하면 4가지로 나타낼 수 있는데, 1단계와 2단계는 확진과 증상 단계에서 처리하고 3단계와 4단계는 특정 단계에서 처리한다.

- 1 Step : 단순 고장발생여부 확인

- 2 Step : 고장 D/L 정보 탐색

- 3 Step : 동작 보호기기 탐색

- 4 Step : 고장구간판단 입력 생성

고장을 인지하기 위해 처리되는 경보는 특성에 따라 확진과 증상으로 분류된다. 보호기기 동작과 직접적인 연관이 있으면 확진으로 처리되고 보호기기 동작의 원인이 될 수 있는 경보는 증상으로 처리된다. 표 1에서 보는 바와 같이 보호기기 동작으로 인한 FI 검출과 Sequence Lockout 경보는 확진 기준이 되고 활선/사선, 외부전원상실 등 무전압 경보는 증상 기준이 된다. 무전압은 보호기기 동작에 따른 결과로 발생하지만, 개폐기 조작의 결과로도 생성되므로 증상으로 처리된다.

그림 4는 고장인지 동작 알고리즘의 순서도를 제시하고 있다. 주기적으로 알람 버퍼를 확인하고 확진이나 증상에 속한 알람이 발생되면 각각에 대한 알고리즘을 적용한다. 확진 및 증상처리의 결과로 고장선로가 탐색되면 특정처리 알고리즘을 이용하여 동작 보호기기를 탐색하고 다음 처리단계인 고장구간판단의 입력정보를 생성한다. 전달되는 경보를 순차적으로 처리하고 고장인지 판단에 필요한 경보가 누락될 경우 해당 개폐기에 대하여 계측을 요청한다. 다중 고장처리에 유용하도록 이미 처리된 알람과 관련된 경보는 모두 무시한다.

3.2.1 확진처리 알고리즘

확진으로 분류되는 FI 검출과 시퀀스 Lockout 경보가 발생하면 확진처리 알고리즘이 적용된다. 경보가 발생된 개폐기에서부터 고장선로의 CB까지 토폴로지를 탐색한다. 개폐기의 상태가 개방이면 탐색을 중단하는데, 탐색 도중 개방과 Lockout 경보가 모두 발생한 리클로져가 있다면 투입으로 간주하고 CB를 탐색한다. 리클로져 상태가 개방이지만 Lockout 경보가 없을 경우에는 폴링을 요청하여 Lockout 경보의 발생 여부를 확인한다. 폴링 요청으로 인하여 Lockout 경보가 정상적으로 전달되면 계속해서 CB를 탐색하고 전달되지 않으면 CB 탐색을 중단한다.

탐색된 CB의 개수에 따라 고장 발생유무가 판단된다. CB를 탐색하지 못하였을 경우 고립 구간이 발생하였음을 운영자에게 전달한다. CB 탐색 개수가 2개인 경우 루프운전으로 인하여 리클로져 동작이 발생하였음을 운영자에게 전달한다. CB 탐색 개수가 1개일 경우 고장상태임을 확진하고 고장선로 정보를 도출한다.

3.2.2 증상처리 알고리즘

증상으로 분류되는 외부전원상실과 활선/사선 경보가 발생하면 증상처리 알고리즘이 적용된다. 확진의 징후가 될 수 있는 경보를 증상이라 하며, 증상 경보를 기반으로 처리 알고리즘을 적용하여 고장을 확진할 수 있다. 무전압은 고장 뿐만 아니라 개폐기 조작 등 다른 요인에 의해 발생될 수 있으므로 증상으로 판단한다.

무전압 경보가 전달되면 증상으로 등록하고 재폐로 시간을 고려하여 일정 시간 동안 대기한다. 보호기기의 동작 경보 생성 이후에 처리를 시작하기 위함인데, 리클로져가 재폐로 동작한 이후 Lockout 수신시간과 FRTU의 일시 FI 수신시간을 고려하여 대기시간을 정정한다. 확진경보가 제대로 발생되었을 때는 확진경보를 기반으로 고장을 확정할 수 있도록 설계되었다.

대기시간 이후 경보가 발생된 개폐기에서부터 CB까지 토폴로지를 탐색한다. 탐색 도중에 개방과 Lockout 경보를 모두 포함하는 리클로져가 있을 경우 투입으로 간주한다. 확진처리 알고리즘과 마찬가지로 리클로져 상태가 개방이지만 Lockout 경보가 없을 경우에는 폴링을 요청하여 Lockout 경보 발생 여부를 판단한다.

탐색된 CB의 개수에 따라 고장여부를 판단한다. CB를 탐색하지 못하였을 경우 고립된 구간이 발생하였음을 운영자에게 전달한다. 무전압 경보가 발생하였다는 것을 고려하면 탐색된 CB가 2개인 경우는 불가능한 상황이므로 운영자에게 오류가 발생하였음을 전달한다. 탐색된 CB가 1개일 경우 동작 리클로져가 존재하면 고장상태임을 확진하고 고장선로를 도출하고 존재하지 않으면 CB 동작을 의심하여 선로의 무전압 조건을 검사한다. 선로 무전압 조건은 고장선로 내부개폐기 무전압 경보에 대한 과반수로 결정한다. 무전압 조건을 만족한다면 CB 개폐기 조작 또는 보호기기 동작이 예상됨을 운영자에게 전달한다.

3.2.3 특정처리 알고리즘

확진과 증상처리를 통해 고장인지의 역할 중 1단계와 2단계인 단순 고장여부 인지와 고장선로 탐색이 수행된다. 특정처리에서는 고장인지의 역할 중 3단계와 4단계에 해당하는 동작 보호기기 탐색과 고장구간 판단 입력 생성이 수행된다. 확진과 증상에서 도출된 고장선로 CB 정보를 이용하여 고장선로에 대한 트리를 생성한다. 트리 생성 도중에 개방과 Lockout 경보가 발생된 리클로져는 투입으로 간주한다. 고장트리에서 개방과 Lockout 경보가 발생된 리클로져 또는 CB를 동작 보호기기로 판단하고 고장구간판단의 입력을 생성한다. 고장구간판단에 필요한 입력정보가 없는 리클로져 또는 FRTU에 대해서는 폴링을 요청한다.

고장이 발생하기 시작한 시점에서는 수많은 경보가 동시에 전달되기 때문에 도중에 폴링을 요청하더라도 데이터가 누락될 수 있다. 또한 경보의 전달에도 영향을 미칠 수 있으므로 폴링 요청은 필요한 경우에 대하여 최소한으로 수행되어야 한다.

특정 처리 시 폴링 요청 절차는 다음과 같다. 먼저 처리 알고리즘에 의하여 생성된 고장트리에서 Lockout 동작한 리클로져를 제외한 나머지 리클로져의 상태에 관계없이 모두 폴링한다. 모든 리클로져에 대한 폴링을 마친 이후 개방 및 Lockout된 리클로져와 해당 리클로져의 전위측 보호기기 사이에 있는 모든 FRTU를 폴링한다. 기기고장이나 통신오류 등으로 FI 정보가 ADMS 측에 전달되지 않을 수 있으므로 고장구간판단의 입력을 정확히 생성하기 위해서는 폴링을 요청해야 한다.

4.1 ADMS 자체통신에 실패한 경우

첫 번째 사례는 리클로져가 Lockout되었으나, ADMS 자체통신 오류로 인하여 경보가 전달되지 않은 경우이다. 사례를 모의하기 위해 개폐기 S18과 S10 사이 구간에 A상 지락고장을 발생하였다.

표 3과 4는 첫 번째 사례에서 발생한 증상과 확진 경보를 나타내고 있다. 발생한 총 경보의 개수는 340개 이며, 확진과 증상경보는 각각 2개와 64개 발생하였다.

최종적으로 고장선로와 동작보호기기를 각각 4번과 17번으로 정확히 판단하였다. 확진경보인 FRTU 18의 일시 FI (A상) 경보를 이용하여 고장을 인지하였다.

4.2 보호기기 동시 동작한 경우

두 번째 사례는 분산전원의 영향으로 방향성 판단기능이 없는 리클로져 2대가 동시 동작하는 경우이다. 사례를 모의하기 위해 개폐기 R8, S67 및 S3 사이 구간에 A상 지락고장을 발생하였다.

표 6과 7은 두 번째 사례에서 발생한 증상과 확진 경보를 나타내고 있다. 발생한 총 경보의 개수는 297개 이며, 확진과 증상경보는 각각 6개와 43개 발생하였다.

최종적으로 고장선로를 1번으로 판단하였고 동작보호기기를 8번과 58번으로 정확히 판단하였다. 확진경보인 REC 58의 Lockout 경보를 이용하여 고장을 인지하였다.

4.3 SCADA-ADMS 연계 실패한 경우

세 번째 사례는 일반적인 방사상 배전선로의 전원측 구간에 고장이 발생하였을 때 SCADA-ADMS 연계에 실패하여 CB 경보가 ADMS 측으로 전달되지 않는 경우이다. 사례를 모의하기 위해 개폐기 CB13, S70, R14 및 S87 사이 구간에 A상 지락고장을 발생하였다.

표 9와 표 10은 세 번째 사례에서 발생한 증상 경보를 나타내고 있다. 발생한 총 경보의 개수는 480개 이며, 증상경보는 96개 발생하였다. SCADA-ADMS 연계에 실패하였기 때문에 확진경보는 발생하지 않았다.

최종적으로 고장선로와 동작 보호기기를 각각 선로 3번과 CB 13번으로 추정하였다. 증상경보인 REC 14 활선/사선 경보를 이용하여 배전선로 전원측 구간 고장을 추측할 수 있다.

4.4 거짓 FI 발생한 경우

네 번째 사례는 분산전원 연계선로의 전원측 구간에 고장이 발생하였을 때 분산전원의 영향으로 고장구간의 부하측에도 거짓 FI가 발생하는 경우이다. 또한 SCADA-ADMS 연계에 실패하였다고 가정하였다. 사례를 모의하기 위해 개폐기 CB1과 S2 사이 구간에 A상 지락고장을 발생하였다.

표 11과 표 12는 네 번째 사례에서 발생한 증상과 확진 경보를 나타내고 있다. 발생한 총 경보의 개수는 357개 이며, 확진과 증상경보는 각각 10개와 72개 발생하였다.

최종적으로 고장선로를 1번으로 판단하였고 동작보호기기를 CB 1으로 정확히 판단하였다. 확진경보인 REC 8 일시 FI 경보를 이용하여 고장을 인지하였다. 사례연구 4.3과 4.4 수행결과를 통해 SCADA-ADMS 연계에 실패하더라도 거짓 FI가 고장구간의 부하측에서 발생되면 배전선로의 고장을 충분히 인지할 수 있음을 알 수 있다.