박철원
(Chul-Won Park)
†iD
-
(Corresponding Author：Professor, Dept. of Electrical Engineering, Gangneung-Wonju National
University, Korea )
Copyright © The Korean Institute of Illuminating and Electrical Engineers(KIIEE)
Key words
Excitation inrush, Inverter-based VRE, Main protection, Percentage differential relay, PSCAD, Three-winding power transformer, Transient analysis
1. 서 론
전력망의 변전설비 중 전력용 변압기 (Power Transformer)는 45.311%에 해당하는 비중이 높은 설비이다. 전력용 변압기에서 사고발생시
주 보호는 비율차동계전기 (PDR, Percentage Differential Relay)가 사용되어 사고를 검출하고 고장파급을 방지한다. 최근,
국내의 전력망은 WP (Wind Power), PV (Photovoltaic) 등 가변 재생에너지원 (VRE, Variable Renewable Energy)의
계통 연계가 급증하고 있다. 이에 따라 파형 식별, 원인 분류 및 고장 유형 분류 등의 미래형 전력망의 특성을 고려한 FFT (Fast Fourier
Transform)에 의한 상세한 과도상태 분석이 동반되어야 한다. 특히, 인버터 기반의 VRE 전원의 사고 특성은 동기발전원과 달라 기존 보호 알고리즘을
사용하는 IED (Intelligent Electronic Device)의 경우, 고장상 판별 등 보호 요소 성능 확인이 어렵기 때문에, 오동작 및
부동작이 우려되고 있다. 즉, 하이브리드 전력망에서도 신뢰성 있는 응동을 위한 IED의 설정 및 기법의 보완이 요구된다[1, 2].
전력용 변압기와 관련된 국내 연구로, 345kV 변압기 모델링을 통한 변압기용 보호계전기의 동특성 시험이 발표[3]된 이후, 2008년 전력용 변압기의 상간 층간단락 사고 시의 보호를 위한 PDR의 한전 표준 규격이 개정되었다[4]. 2018년 154kV 변압기 보호용 PDR의 오동작 방지를 위한 2고조파 억제 방식의 적용방법[5]이 게재되었고, 2021년 345kV 변압기의 후비보호를 위한 방향성 과전류요소의 동작원인 및 대책이 발표되었다[6]. 2022년 변압기 PDR의 보호협조 운용방안에 대한 알고리즘[7], PDR의 전류보상 알고리즘을 분석하고 고장유형을 식별하는 로직[8]이 개발되었고, 최근, 변압기 오결선 및 설정 오류 등의 휴먼 에러의 발생 가능성을 줄이기 위한 변압기 진단 및 점검 방법[9]이 제시되었다.
국외 연구로는, 2018년 권선간 (Turn-to-Turn) 사고 모니터링을 위한 여러 가지 사고감지 방법[10]과 2019년 보호 성능을 향상시키기 위해 등가 여기 임피던스를 기반으로 한 새로운 전력 변압기의 보호 기법이 제안되었다[11]. 2020년 LNG 및 석유화학 시설용 3권선 변압기 설계[12]와 2021년 웨이블릿 변환 (WT, Wavelet Transform)을 사용한 전력용 변압기 보호에서 여자 돌입 (Excitation inrush)
전류와 고장 전류의 식별[13]이 발표되었고, 2021년 IEEE의 Power System Relaying and Control Committee는 전력용 변압기 보호를 위한 가이드를
개정하였다[14]. 최근, 이미지 처리 및 딥러닝 (Deep Learning)을 이용한 변압기 권선의 새로운 단락사고 위치파악[15]이 제시되었다.
국내외 대부분의 연구는, 2권선 전력용 변압기를 대상으로 2고조파를 억제한 전류보상 방식의 PDR에 집중되어있었다. 따라서 3권선 전력용 변압기와
VRE가 연계된 하이브리드 전력망에 대한 보호 및 해석이 필요하다. 이에 인버터 기반 전원이 연계되는 하이브리드 전력망을 위한 선행연구로서, 3권선
변압기 IED의 주 보호 기법인 PDR을 분석하고자 한다.
본 논문에서는 600MVA 345/161/23kV의 3권선 전력용 변압기를 대상으로, 실계통 데이터를 기반으로 PSCAD 플랫폼을 이용하여 모델링을
수행한다. 과도상태분석을 위하여 먼저, 정상상태 시뮬레이션의 결과를 검토한 후, 여자돌입, 권선 지락사고 및 권선 단락사고의 과도상태를 분석한다.
또한, FFT를 이용하여 고조파를 분석하고 DWT를 이용하여 사고 검출을 수행한다. 끝으로 PSCAD 라이브러리를 이용하여 전력용 변압기의 주 보호인,
2고조파 기반 PDR 기법의 성능을 검증하고자 한다.
2. 3권선 전력용 변압기의 PDR
전력용 변압기 보호방식에는 주로 PDR이 널리 사용된다. 이 기법은 여자돌입전류와 과여자로 인한 오동작을 방지한다. PDR은 변류기의 1차측과 2차측간의
동작전류와 억제전류의 비율을 이용하되, 2고조파 억제특성과 조합하여 사용된다. 동작전류는 두 권선으로 입력되는 전류의 벡터합으로 식 (1)과 같이 계산된다.
여기서, $I_{op}$는 동작전류, $I_{W1}$은 변압기의 1차측 전류, $I_{W2}$는 변압기의 2차측 전류, $I_{W3}$는 변압기의
3차측 전류이다.
억제 전류는 두 권선의 스칼라합으로 식 (2)과 같이 계산된다.
여기서, $I_{res}$는 억제 전류, $k$는 비례 상수이다.
2고조파 비율은 식 (3)과 같이 계산된다.
여기서, 2고조파 비율은 $I_{2nd-ratio}$, $I_{H2}$는 2고조파 전류, $I_{fund}$는 기본파 전류이다.
Fig. 1은 PDR의 특성곡선을 나타낸다. Fig. 1과 같이, 이 특성곡선의 동작영역은 소전류 영역과 대전류 영역으로 구분된다. 소전류영역의 Slope1은 변류기, 계전기 오차, 여유 및 무부하탭절환기(ULTC)
등을 고려하여 계전기가 오동작하지 않도록 20～40%의 비율을 설정한다. 대전류영역의 Slop2는 변류기의 포화요인에 의해 계전기가 오동작하지 않게
50% 이상으로 설정한다. 계산된 동작 전류와 억제 전류가 동작영역에 도달할 경우, 차단기로 트립 신호를 발생시킨다 [2, 5,15].
Fig. 1. Characteristic curve of PDR
3. 3권선 전력용 변압기 모델링
3.1 모델링
○○ S/S에서 수집한 600MVA 345/161/23kV의 3권선 전력용 변압기를 대상으로 PSCAD를 사용하여 모델링을 수행하고 정상상태를 검토한
후, 여자돌입 및 사고 등의 과도상태를 분석하였다. 총 시뮬레이션 시간은 6s, 주기당 샘플링 수는 256s/c로 설정하였다.
Fig. 2는 PSCAD를 이용한 3권선 전력용 변압기 시스템 모델을 나타낸다. Fig. 2와 같이, 3권선 전력용 변압기를 중심으로, 1차측은 전압원이 연계되어 있고, 2차측과 3차측은 부하가 연결되어 있다.
Fig. 2. Model of 3-winding power transformer system using PSCAD
대상 3권선 전력용 변압기 시스템은 Y-Y-△결선 변압기로, 1차측 CT는 2000/5A, 2차측과 3차측 CT는 4000/5A이다[1].
Fig. 3은 PSCAD를 이용한 1차측 3상 전류의 FFT 모델을 나타낸다. Fig. 3과 같이, 3상 전류는 CT를 거쳐 FFT 모델을 통해 기본파, 2고조파, 5고조파 등을 포함해 31고조파까지의 크기와 위상각을 출력한다.
Fig. 3. Model of FFT in three phase current of primary side using PSCAD
Fig. 4는 PSCAD를 이용한 1차측 A상 전류의 DWT (Discrete Wavelet Transform) 모델을 나타낸다. Fig. 4와 같이, A상 전류는 DWT 모델을 통해 daubechies 모 함수의 order 4, detail 1∼detail 4를 출력한다. daubechies
모 함수는 전력계통에서 과도상태를 검출하는데 주로 사용된다. 여러 가지 사례연구를 통해, 간단하고 실시간으로 처리할 수 있는 detail 4가 선정이
되었고, 초기 과도상태를 고려하여, 그 임계치를 0.05A로 설정할 수 있었다. 임계치를 초과할 경우, 차단기로 트립 신호를 발생시킨다.
Fig. 4. Model of DWT using PSCAD
Fig. 5는 PSCAD를 이용한 Dual Slope PDR 모델을 나타낸다. Fig. 5와 같이, 3상 전류의 크기와 위상각은 Dual Slope PDR 모델을 통해 동작전류와 억제 전류를 계산한 후, 동작영역에 도달할 경우, 차단기로
트립신호를 발생하게 된다.
Fig. 5. Model of dual slope PDR using PSCAD
3.2 정상상태
Fig. 6은 정상상태시 3상 전압을 나타낸다. Fig. 6과 같이, 가압 후 약 0.2s 이후에 안정화되었으며, 1차측, 2차측, 3차측 전압의 최대값은 각각 279.77kV, 125.15kV, 18.69kV이다.
상전압의 최대값은 각각 $\dfrac{345k V\times\sqrt{2}}{\sqrt{3}}$, $\dfrac{154k V\times\sqrt{2}}{\sqrt{3}}$,
$\dfrac{23k V\times\sqrt{2}}{\sqrt{3}}$로 각각 계산되기 때문에 정상상태가 잘 수행되었음을 알 수 있다.
Fig. 6. Three phase voltage during steady state
Fig. 7은 정상상태시 3상 전류의 기본파, 2고조파 및 5고조파를 나타낸다. Fig. 7과 같이, 기본파, 2고조파 및 5고조파의 크기는 시작부터 증가하여 최대 1.013A, 0.062A, 및 0.018A까지 각각 증가하였다. 기본파에
대한 2고조파의 비율이 각각 124.30%, 175.65%, 100.00%까지 증가한 후, 0.029s에 15% 이하로 감소하였다. 초기 기동 시
2고조파 및 5고조파를 함유하는 것을 알 수 있다.
Fig. 7. Harmonic of three-phase current during steady state
Fig. 8은 2고조파의 비율이 가장 큰 0.008s에서 정상상태 시 1차측 A상 전류의 고조파를 나타낸다. Fig. 8과 같이, 기본파, 2고조파 및 5고조파의 크기는 0.017A, 0.022A, 0.008A로 각각 나타났다.
Fig. 8. Harmonic of A-phase current of primary side at 0.008s during steady state
4. 과도상태 해석
4.1 여자돌입상태
여자돌입상태의 시나리오는 2차측 및 3차측이 무부하 상태에서 1s에 1차측에서 가압하였다. Fig. 9는 여자돌입상태의 3상 전류를 나타낸다. Fig. 9와 같이, 1차측 전류는 비대칭 전류가 –3.38kA까지 크게 증가 하였으며, 2차측 및 3차측 전류는 변동하지 않았다. 3상 여자돌입 전류는 초기
가압한 위상에 따라 그 크기 및 직류 옵셋 성분의 함유량이 상이하게 되는 것을 확인할 수 있다.
Fig. 9. Three phase current during inrush condition
Fig. 10은 여자돌입상태의 2고조파 비율을 나타낸다. Fig. 10과 같이, 여자돌입 직후 기본파에 대한 2고조파 비율이 각각 115.66%, 97.24%, 97.46%까지 증가하다가, 시간이 지남에 따라 각각 96.07%,
57.14%, 52.59%로 감소되어 지속되었다.
Fig. 10. Ratio 2nd harmonic to fundamental frequency component during inrush condition
4.2 권선 지락사고
권선 지락사고의 시나리오는 정상상태로 운전하다가 1s에 1차측 A상 권선 지락사고를 발생시켰다. Fig. 11은 A상 권선 지락사고 시 3상 전류를 나타낸다. Fig. 11과 같이, 사고 발생 시각인 1s 직후 1차측 A상 전류는 23.00kA 까지 증가하였으며, 2차측 A상 전류는 4.02kA 까지 증가하였다. 1선
지락사고 시 사고전류는 식 (4)와 같이 계산된다. 계산된 값은 실효값이므로, 최대값을 계산하면, 약 23.29kA로 1차측 A상 권선 지락사고 시뮬레이션이 잘 수행되었음을 알 수
있다.
Fig. 11. Three phase current during A phase ground fault
여기서, $I_{f}$는 사고전류, $I_{n}$은 정격전류를 나타낸다.
Fig. 12는 A상 권선 지락사고 시의 2고조파 비율을 나타낸다. Fig. 12와 같이, A상 권선 지락사고 직후 기본파에 대한 2고조파 비율이 각각 93.68%, 40.45%, 61.58%까지 증가한 후, 1.017s에 15%
이하로 감소하였다.
Fig. 12. Ratio 2nd harmonic to fundamental frequency component during A phase ground
fault
Fig. 13은 A상 권선 지락사고 시의 detail 4의 크기를 나타낸다. Fig. 13과 같이, A상 권선 지락사고 이후 A상의 detail 4의 크기가 –1.438A까지 상승하였다. B상과 C상의 detail 4의 크기는 0.033A,
0.034A로 각각 약간의 변화가 나타났다.
Fig. 13. Detail 4 of 3-phase current during A phase ground fault
4.3 권선 단락사고
권선 단락사고의 시나리오는 정상상태로 운전하다가 1s에 2차측 AB상 권선 단락사고를 발생시켰다. Fig. 14는 AB상 권선 단락사고 시 3상 전류를 나타낸다. Fig. 14와 같이, 사고 발생 시각인 1s 직후 1차측 A상 전류는 2.66kA, B상 전류는 2.98kA 까지 증가하였으며, 2차측 A상 전류는 14.76kA,
B상 전류는 13.83kA 까지 증가하였다.
Fig. 14. Three phase current during AB phase short fault
Fig. 15는 AB상 권선 단락사고 시의 2고조파 비율을 나타낸다. Fig. 15와 같이, AB상 권선 단락사고 직후 기본파에 대한 2고조파 비율이 각각 79.14%, 63.98%, 0.38%까지 증가한 후, 1.016s에 15%
이하로 감소하였다. 특히, 건전상은 크게 변동하지 않는 것을 알 수 있다.
Fig. 15. Ratio 2nd harmonic to fundamental frequency component during AB phase short
fault
Fig. 16은 AB상 권선 단락사고 시의 detail 4의 크기를 나타낸다. Fig. 16과 같이, AB상 권선 단락사고 이후 A상과 B상의 detail 4의 크기가 –0.124A, 0.126A까지 각각 상승하였다. C상의 detail
4의 크기는 0.001A로 각각 약간의 변화가 나타났다.
Fig. 16. Detail 4 of 3-phase current during AB phase short fault
5. 성능검증
5.1 여자돌입상태
Fig. 17은 여자돌입상태의 트립신호를 나타낸다. Fig. 17과 같이, 여자돌입이 발생하여도 2고조파가 크게 나타나기 때문에 트립이 억제되어 0으로 나타나는 것을 볼 수 있다.
Fig. 17. Trip signal during inrush condition
5.2 권선 지락사고
Fig. 18은 A상 권선 지락사고 시 특성곡선을 나타낸다. Fig. 18과 같이, 정상상태 시 동작전류와 억제전류가 각각 0.21A, 0.10A로 운전하다가, A상 권선 지락사고 직후 동작전류와 억제전류가 각각 2.65A,
2.76A로 상승하여 특성곡선이 동작영역으로 이동하고 건전상은 크게 변동하지 않는 것을 알 수 있다.
Fig. 18. Characteristic curve during A phase ground fault
Fig. 19는 A상 권선 지락사고 시 트립신호를 나타낸다. Fig. 19와 같이, 1.017s에 차단기로의 트립 신호를 정상적으로 발생하여, 사고 직후 0.017s 이내에 사고를 검출하여 정동작하였다.
Fig. 19. Operating current, restrain current and trip signal during A phase ground
fault
Fig. 20은 A상 권선 지락사고 시 DWT를 이용한 기법의 트립신호를 나타낸다. Fig. 20와 같이, A상의 detail 4의 크기가 임계치인 0.05A를 초과하여, 1.007s에 차단기로의 트립 신호를 정상적으로 발생하여, 사고 직후 0.007s
이내에 사고를 검출하여 정동작하였다.
Fig. 20. Detail 4 and trip signal during A phase ground fault
5.3 권선 단락사고
Fig. 21은 AB상 권선 단락사고 시 특성곡선을 나타낸다. Fig. 21과 같이, 정상상태 시 동작전류와 억제전류가 각각 0.21A, 0.10A로 운전하다가, AB상 권선 단락사고 직후 A상의 동작전류와 억제전류가 각각
2.97A, 3.01A로 상승하여 특성곡선이 동작영역으로 이동한 것을 알 수 있다. B상의 동작전류와 억제전류가 각각 2.96A, 3.01A로 상승하여
특성곡선이 동작영역으로 이동하고 건전상은 크게 변동하지 않는 것을 알 수 있다.
Fig. 21. Characteristic curve during AB phase short fault
Fig. 22는 AB상 권선 단락사고 시 동작전류, 억제전류 및 트립신호를 나타낸다. Fig. 22와 같이, 1.016s에 차단기로의 트립 신호를 정상적으로 발생하여, 사고 직후 0.016s 이내에 사고를 검출하여 정동작하였다.
Fig. 22. Operating current, restrain current and trip signal during AB phase short
fault
Fig. 23은 A상 권선 지락사고 시 DWT를 이용한 기법의 트립신호를 나타낸다. Fig. 23과 같이, A상 및 B상의 detail 4의 크기가 임계치인 0.05A를 초과하여, 1.007s에 차단기로의 트립 신호를 정상적으로 발생하여, 사고
직후 0.007s 이내에 사고를 검출하여 정동작하였다.
Fig. 23. Detail 4 and trip signal during AB phase short fault
5.4 결과 및 고찰
성능 검증 결과, 여자돌입상태의 경우, 기본파에 대한 2 고조파 비율이 각각 115.66%, 97.24%, 97.46%까지 증가하며, 50%이상을
유지하였으며, A상 권선 지락사고 및 AB상 권선 단락사고의 경우, 기본파에 대한 2 고조파 비율이 각각 93.68%, 79.14%가 나타났으나,
0.017s 이후 0%로 감소하였다. A상 권선 지락사고의 경우, PDR 기법은 0.017s, DWT 기법은 0.007s에 사고를 검출하여 정동작
하였다. AB상 권선 단락사고의 경우, PDR 기법은 0.016s, DWT 기법은 0.007s에 사고를 검출하여 정동작 하였다. 즉, DWT 기법이
종래의 PDR 기법보다 사고를 약 0.01s 신속하고 정확하게 검출하는 것을 알 수 있었다.
6. 결 론
본 논문에서는 PSCAD 플랫폼을 이용하여 3권선 전력용 변압기 시스템을 모델링하였으며, 정상상태, 여자돌입, 권선 지락사고 및 권선 단락사고를 시뮬레이션한
후, 시간 영역에서 전류의 크기와 2고조파를 분석하였다. 또한, 전력용 변압기의 주보호인, PDR 기법의 성능을 PSCAD 라이브러리를 이용하여 검증하였다.
성능 검증 결과, DWT 기법이 PDR 기법보다 사고를 빠르게 검출하는 것을 확인할 수 있었으며, PDR 기법은 2고조파를 트립 오동작을 억제하는데
사용하여, 약 1주기의 시간이 지연되었다. 따라서 권선 지락사고 및 권선 단락사고 모두 사고를 정확하게 정동작하는 것을 확인하였다. 본 연구 결과는
인버터 기반의 VRE 전원이 연계되는 하이브리드 전력망을 위한 선행 연구로서, 3권선 변압기 IED의 주보호 기법의 기초 자료로 활용될 것으로 기대된다.
현재, 인버터 기반의 VRE 전원에 따른 사고 특성을 반영하고, 오동작을 방지할 수 있도록 PDR 기법과 DWT 기법을 고려한 IED의 보호 계전을
연구하고 있다.
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Biography
He was born in Korea. He received his B.S., M.S. and Ph.D. degrees in Electrical
Engineering from Sungkyunkwan University, Seoul, Korea, in 1988, 1990, and 1996, respectively.
From 1989 to 1993 he was an associate researcher at Lucky GoldStar Industrial Systems.
From 1993 to 1996, he was a senior researcher at PROCOM system and lecturer at S.K.K.
University. At present, he is a professor in the Department of Electrical Engineering
at Gangneung-Wonju National University, since 1997. His research interests include
power IT, IED, LVDC, MVDC, Microgrid, Hybrid, RES, PMU, AI application to power grid,
power system modeling & control, and computer application in power system. He is a
member of the KIEE, KIIEE, and IEEE. Dr. Park was awarded the Paper Prize of KIEE
in 2010, 2020, the Paper Prize of the KOFST in 2017, the Best Paper of the APAP in
2021, and the Best Paper of KOWEPO in 2021, 2022.