이원석
(Won-Seok Lee)
1iD
송진욱
(Jin-Uk Song)
2iD
황선환
(Seon-Hwan Hwang)
†iD
-
(Master course, Dept. of Electrical Engineering, Kyungnam University)
-
(Master course, Dept. of Electrical Engineering, Kyungnam University)
Copyright © The Korean Institute of Illuminating and Electrical Engineers(KIIEE)
Key words
Distribution Automation System, Feeder Remote Terminal Unit, Hardware-In-the-Loop Simulation, Real Time Digital Simulator, Virtual Distribution System
1. 서 론
전력시스템은 크게 발전설비, 송전설비, 변전설비, 배전설비 등 다양한 종류의 설비로 구성되어있다. 이러한 전력시스템을 구성하는 요소 중에서 변전소부터
배전계통에 설치되어있는 배전지능화 단말장치와 수용가의 분산전원 등 모든 전기설비를 감시하고 제어하는 시스템을 배전지능화시스템이라고 한다(1). 이러한 배전지능화시스템의 다양한 설비와 복잡한 구성으로 인해 배전지능화시스템을 포함한 계통해석 및 운영을 위한 연구가 지속적으로 필요하다. 전력계통과
관련된 복잡한 현상을 해석하고 분석하기 위해서 전력시스템을 모의하거나 상세한 모델링을 통한 시뮬레이션은 시간적인 제약으로 고속 연산 프로세서를 이용한
실시간 디지털 시뮬레이터(Real Time Digital Simulator, RTDS)로 전력시스템의 실시간 해석을 하고 있다(2-6). 실시간 디지털 시뮬레이션 시스템은 고속 연산 프로세서의 병렬 연산으로 인해 해석시간이 줄어든 시뮬레이션 결과로 실제 시스템과 연동할 수 있는 장점이
있다. 그 결과 최근 우주항공, 자동차 등 다양한 분야에서 활용하고 있는 외부 하드웨어와 실시간 시뮬레이터의 결과를 연동하여 시뮬레이션을 구현하는
HILS(Hardware-In-the-Loop Simulation) 시스템을 이용한 연구가 활발히 진행되고 있다(7-11).
본 논문에서는 실효치 기반의 실시간 계통해석 시뮬레이션인 배전지능화시스템(Distribution Automation System, DAS)의 배전계통
해석결과와 배전지능화 단말장치를 실시간 연동하기 위해 고성능 DSP(Digital Signal Processor)를 이용한 아날로그 인터페이스 장치를
개발하고, LabVIEW를 이용하여 배전지능화시스템과 아날로그 인터페이스 간의 TCP/IP 통신을 통해 실시간 계통해석 결과 및 다양한 데이터 통신과
모니터링을 위한 HMI(Human Machine Interface)를 구성하여 실시간으로 시뮬레이션이 가능한 HILS 시스템을 구축하여 고장상황을
모의/시험하였다.
2. 배전지능화시스템 구성
Fig. 1. Simulated power distribution system
배전지능화시스템을 이용하여 수용가로 직접 연결되는 배전계통은 전력공급 신뢰성과 안정성을 필요로한다. 배전지능화시스템은 배전계통 구간마다 존재하는 배전지능화
단말장치(Feeder Remote Terminal Unit, FRTU)를 이용해 실시간 계측/감시하여 고장을 검출하고 단말장치 간의 통신/제어를 하여
안정적인 배전계통을 운용한다.
그림 1은 배전지능화시스템에서 시뮬레이션 한 배전계통의 한 구간이다. 각 구간마다 연결/분리하는 리클로저와 지능형 개폐기마다 고장전류 유무를 나타내는 FI(Fault
Indicator), 단상/결상, 위상불일치 정보를 수집하여 메인 서버로 데이터를 전송하는 배전지능화 단말장치 FRTU로 구성되어있다.
3. 가상 배전계통 HILS 시스템 구현
기존의 RTDS로 배전계통의 시뮬레이션을 구축하기 위해서는 고가의 실험 비용과 실제 배전계통을 구현할 수 없다는 단점이 있다. 따라서 본 논문에서는
기존의 RTDS를 대체할 배전자동화시스템과 실제 배전계통의 전압/전류 및 다양한 고장상황을 모의할 수 있는 아날로그 인터페이스 장치를 통해 FRTU와
연동하여 가상 배전계통 HILS 시스템을 구축하였다.
3.1 가상 배전계통 HILS 시스템
가상 배전계통 HILS 시스템은 실시간 계통해석 시뮬레이터인 배전지능화시스템 DAS와 실제 하드웨어인 배전지능화 단말장치 FRTU와 아날로그 인터페이스
장치로 구성하여 시뮬레이션을 진행하는 방법이다. 실 계통에서 사용하는 배전지능화 단말장치를 이용하여 시뮬레이션이 불가능한 FI, 단선, 위상불일치
등의 고장상황을 모의할 수 있으며 다양한 시나리오를 구성 가능하여 기존의 시뮬레이션보다 신뢰성이 높고 비용, 시간과 실험장소의 제약이 없다.
Fig. 2. Configuration of developed HILS system with actual hardware equipments
3.2 배전지능화시스템과 아날로그 인터페이스 장치 연동
실시간 계통해석 시뮬레이터인 배전지능화시스템은 DB(DataBase)에 계통해석 결과값을 실시간으로 업데이트한다. 따라서 가상 배전계통 HILS 시스템은
배전지능화시스템에서 모의한 배전계통의 전압과 전류와 FI, 단상/결상, 위상불일치 등의 고장상황 등을 아날로그 인터페이스 장치를 통해 전달한다.
3.2.1 계통해석결과 추출
그림 3은 LabVIEW 프로그램을 통해 DB에 업데이트된 계통해석 결과값을 OBDC(Open Database Connectivity)를 이용하여 UDL
형태로 저장하고 이를 추출하는 과정이다. DB에 업데이트된 계통해석결과를 DB 접속 툴을 통해 배열 형식으로 가공하여 아날로그 인터페이스 장치와의
TCP/IP 통신으로 계통해석결과를 전송한다.
3.2.2 계통해석결과 송/수신
그림 4는 TCP/IP 통신을 이용한 배전지능화시스템에서 모의한 계통해석결과와 배전지능화 단말장치의 상태를 송/수신하는 과정이다. 계통해석결과를 오차 없이
모의하기 위해 가상 배전계통 HILS 시스템의 통신환경이 구축되어야 한다. 가상 배전계통 HILS 시스템의 유연한 통신환경을 위해 LabVIEW와
아날로그 인터페이스 장치의 Serial to TCP/IP 이더넷 컨트롤러인 W5100를 이용하여 9,600[bps]의 UART 통신 속도로 계통해석결과
및 FRTU의 고장상황 등을 송/수신한다.
Fig. 3. Extraction of analysis results of DB
Fig. 4. Transmission of analysis results
3.3 배전지능화 단말장치와 인터페이스 장치 연동
실시간 배전계통 모의를 위해 표 1과 같이 고성능 DSP를 기반으로 한 인터페이스 장치는 아날로그, 디지털 입/출력 회로로 배전지능화 단말장치와 연동하며 실시간 배전계통 모의를 위해
외부 DAC 회로와 ADC 회로, TCP/IP 통신 회로를 통해 실시간으로 연동한다.
4. 가상 배전계통 HILS 시스템 시험
신뢰성이 높은 가상 배전계통 HILS 시스템을 위해 배전계통에서 사용 중인 배전지능화 단말장치인 가공용, 지중용 FRTU, 리클로저, 다회로 차단기로
구성하였다.
아날로그 인터페이스 장치는 표 2에서 알 수 있듯이 전력계통에서 발생할 수 있는 현상을 모의할 수 있도록 구성하였다. 본 논문에서는 구현한 가상 배전계통 HILS 시스템의 타당성을
확인하기 위해 실계통에서 사용하고 있는 지중용 FRTU를 연동하여 단선/결상, 위상불일치 및 지락고장 시험을 통해 제안한 HILS 시스템의 효용성을
검증하였다.
Table 1. Specifications of developed analog interface device
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Parameters
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Value
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Unit
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Digital signal processor(FPU)
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TMS320F28335
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Clock speed
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150
|
MHz
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Flash ROM
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512
|
KB
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SRAM
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68
|
KB
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External memory
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4
|
MB
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Analog input pins
|
6
|
Ch
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|
Analog current output
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3(±3A)
|
Ch
|
|
Analog voltage output
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6(±10V)
|
Ch
|
|
Digital input pins
|
8
|
Ch
|
|
Digital output pins
|
16
|
Ch
|
|
Communication
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TCP/IP
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Fig. 6. Developed analog interface device
Table 2. Simulation categories of power quality
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Categories
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Short duration variations
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Interruption
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Long duration variations
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Interruption sustained
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Under-voltages
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Sag
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Over-voltages
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Swell
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Voltage imbalance
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Waveform distortion
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Harmonics
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Fig. 7. Overall experiment configuration
4.1 지중용 FRTU의 단선/결상 시험
배전지능화시스템에서 모의한 C상 전압 단선/결상 고장상황을 LabVIEW를 통해 각 인터페이스 장치로 C상 전압 단선/결상 지령과 계통해석결과를 보낸다.
이때 아날로그 인터페이스 장치의 전압 출력과 지중용 FRTU에서의 고장상황을 그림 8의 (a)와 같이 C상에 단선 신호를 주었을 경우 그림 8의 (b)에서 볼 수 있듯이 고장표시기와 단선/결상에 LED가 표시된 것을 확인할 수 있다.
4.2 지중용 FRTU의 위상불일치 시험
배전지능화시스템에서 모의한 지중용 FRTU 기준 C상과 T상의 위상불일치 고장상황이다. 위상불일치로 인한 아날로그 인터페이스 장치의 전압 출력과 지중용
FRTU에서의 고장상황을 그림 9의 (a)와 같이 C상에 위상불일치 신호를 주었을 경우 그림 9의 (b)에서 볼 수 있듯이 위상불일치에 LED가 표시된 것을 확인할 수 있다.
4.3 지중용 FRTU의 지락고장 시험
배전지능화시스템에서 모의한 지중용 FRTU 기준 C상 지락 고장상황이다. 지락사고에 의해 발생한 과전류를 표현한 아날로그 인터페이스 장치의 C상의
전류 출력과 지중용 FRTU에서의 고장상황을 그림 10의 (a)와 같이 C상에 과전류를 흘렸을 경우 그림 10의 (b)에서 볼 수 있듯이 고장표시기에 LED가 표시된 것을 확인할 수 있다.
5. 결 론
본 논문에서는 배전지능화시스템의 계통해석결과를 실시간 가공, 추출, 송/수신이 가능한 LabVIEW 프로그램, 실제 배전계통 상황을 모의할 수 있는
고성능 DSP 기반 아날로그 인터페이스 장치와 실제 배전계통에서 사용하는 배전지능화 단말장치를 연동하여 가상 배전계통 HILS 시스템을 구축하였고
배전지능화 단말장치 중 지중용 FRTU를 대상으로 연동시험을 통한 가공 배전계통 HILS 시스템의 신뢰성과 효용성을 검증하였다. 향후 배전계통의 모의
동작이 가능하도록 다양한 배전지능화 단말장치와 연동을 통해 현 시스템을 확장하고 기존의 RTDS와 같은 시뮬레이터와의 비교를 통해 신뢰성을 확보하고자
한다.
Fig. 8. Phase disconnection test (a) Output results of FRTU (b) Voltage waveforms
Fig. 9. Phase difference test (a) Output results of FRTU (b)Voltage waveforms
Fig. 10. Line to ground fault test (a)Output results of FRTU (b)Voltage and current waveforms
Acknowledgements
This work was supported by the National Research Foundation of Korea(NRF) grant funded
by the Korea government.(MSIT:Ministry of Science and ICT)(NO.2020R1F1A1075795)
References
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pp. 1-6
Biography
He received B.S degree in Electrical Engineering from Kyungnam University, Changwon,
Korea, in 2020, where he is presently working towards his M.S. degree in the Department
of Electrical Engineering.
His currently research interests include electrical drives and power electronics.
He received B.S degree in Electrical Engineering from Kyungnam University, Changwon,
Korea, in 2020, where he is presently working towards his M.S. degree in the Department
of Electrical Engineering.
His research fields are distribution automation and power system operation.
He received B.S., M.S. and Ph.D. degrees in Electrical Engineering from Pusan National
University, Busan, Korea, in 2004, 2006 and 2011, respectively.
From 2011 to 2012, he was with the Center for Advanced Power Systems (CAPS), Florida
State University, Tallahassee, FL, USA.
In 2012, he joined the Department of Electrical Engineering, Kyungnam University,
Changwon, Korea.
His current research interests include the control of electrical machines, power electronics
and renewable energy generation systems.