강대석
(Dae-Seok Kang)
1iD
원우식
(Woo-Sik Won)
†iD
안병립
(Byung-Lib Ahn)
1iD
이병곤
(Byeong-Gon Lee)
2iD
-
(Entech World Inc., Korea)
-
(echnology and Research Department, Korea Railroad Corporation (KORAIL), Korea)
Copyright © The Korean Institute of Electrical Engineers(KIEE)
Key words
Electric Railway, Digital Protective Relay, Modeling, PSCAD/EMTDC
1. 서 론
전기철도는 2004년 고속철도 개통이후 전철구간이 급격히 증가하여서 2022년에는 85%를 상회할 것으로 예상되며, 그에 대한 안전 확보의 노력도
필요할 것이다[1-2]. 전철변전소는 KEPCO로 부터 154kV를 수전하여 스코트 변압기(Scott transformer)에서 두 개의 단상 교류 전압 55kV로 변압된다.
다시 55kV는 단권변압기(AT; Auto transformer)에서 27.5kV로 변압되어 철도차량에 공급되며, 안전 확보를 위해 다양한 보호계전기를
설치한다. 보호계전기는 과거 기계형 및 정지형에서 디지털 방식의 IED(Intelligent Electronic Device)로 발전 중이며, 최근에는
무인화 및 디지털변전소의 요구에 부응하여 다기능화 추세이다. 전기철도 보호계전기는 입력 전기량의 크기 및 위상을 비교하여 그 결과에 따라 접점을 개폐하는
장치로서 전기철도 급전계통의 단락사고와 지락사고 등을 실시간으로 감시하는데, 차량과 시스템의 정확한 모델 기반의 실시간 시뮬레이션과 분석기술의 정립이
절실하게 필요한 상황이다. 본 연구는 이러한 배경에서 PSCAD/EMTDC와 LabVIEW 등을 기반으로 급전계통 보호계전 시스템을 구현하여 현장
분석 및 교육에 활용하고자 한다.
2. 교류 전기철도 급전계통과 디지털 보호계전기
2.1 교류 전기철도 급전계통의 보호
전기철도 변전소(S/S)는 약 50km 간격으로 설치되며, 변전소 간에는 10km 간격으로 설치되는 급전구분소(SP)와 보조급전구분소(SSP)가 설치된다.
한국전력공사(KEPCO)에서 공급된 154kV는 변전소의 스코트(Scott) 변압기에서 55kV로 강압되어 단권변압기(AT)에 입력된다. 단권변압기는
M상과 T상의 27.5kV를 출력하여 급전선, 전차선 그리고 레일을 통하여 전동차량에 전력을 공급한다. 전기철도 급전계통은 수전반과 변압기반 그리고
급전반으로 구성되며 시스템의 상시 감시를 위해 디지털 보호계전기를 적용한다. 최근 다기능화 추세인 지능형 디지털 보호계전기(IED)는 입력을 정해진
주기로 샘플링후 디지털 값으로 변환하여 내부의 알고리즘에 의해 비교 판단하는 연산형 계전기이다. 비율차동 계전기, 과전류 계전기, 과전압 계전기,
부족전압 계전기 그리고 거리 계전기가 주보호 계전기로 적용된다.
표 1은 전철변전소와 급전구분소 그리고 보조급전구분소에서 발생되는 각종 사고들을 내용별로 정리한 것이다, 전철 변전소의 수전반에서는 단락 및 지락에 의한
과전류 사고가 잦은 고장으로서 변압기 및 기기 소손 문제가 발생할 수 있다. 그리고 변압기반은 과전압에 의한 절연파괴 및 권선단락으로 용량감소 및
전력공급 불능 문제가 발생한다. 급전반의 경우에는 단락 및 지락 그리고 부족전압 사고가 잦은 고장이다. 또한 여러 가지 복합적인 요인에 의한 사고
발생의 대책을 위하여 주보호와 후비보호 형태로 설치한다.
표 1. 변전소 보호계전기의 고장과 파급영향
Table 1. Faults and Effects of S/S Protective Relays
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고장종류
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발생현상
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파급영향
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수전반
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- 이상단락
- 지락
|
- 과전류도통
|
- 변압기 및
기기 소손
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|
변압기반
|
- 내부고장
- 과전압
|
- 권선단락
- 절연파괴
|
- 용량감소
- 전력공급불능
|
|
급전반
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- 단락
- 지락
|
- 과전류도통
- 과전압도통
|
- 변압기 및
기기 소손
|
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- 부족전압
|
|
- 정상운전불능
|
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- 전차선
과부하
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- 온도상승
|
- 전차선파괴
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2.2 보호계전기와 동작 평가
교류철도 변전소에서는 과전류 계전기(50/51, 50/51N), 저전압 계전기(27), 비율차동 계전기(87), 과전압 계전기(59, 64) 그리고
거리 계전기(21)가 주로 사용된다. 또한 보호계전기 제조사별로 다양한 알고리즘과 별도의 운용 프로그램을 사용하는데 표 2에 간단히 정리하였다.
표 2. 보호 계전기의 운용 프로그램 및 특징
Table 2. Operation program of protective relay
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제조 회사
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SIEMENS
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ICE
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ABB
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정정 프로그램
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DIGSI4
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SMART9
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PCM600
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분석 프로그램
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SIGRA4
|
SMART9
|
PCM600
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거리 계전기 보호영역
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부채꼴
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4변형
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4변형
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비율차동 계전기(87)와 거리 계전기(21)는 전철 급전계통에서 지락 또는 단락사고 발생시 동작하여 고장 전류를 차단하고 고장위치를 찾아내는데 기여한다.
다음은 비율차동 계전기와 거리 계전기에 대하여 간략하게 설명한다. 그림 1은 비율차동 계전기의 동작 특성을 설명한다.
그림. 1. 비율차동 계전기의 시험 방법
Fig. 1. Test method of differential protective relay
비율차동 계전기는 변압기 내부 보호를 위해 계전기 내의 억제코일과 동작코일에서 변압기 1차측과 2차측 전류의 차이를 감지하여 계전기의 동작 여부를
판단한다. 표 3은 비율차동 계전기의 정정비율 및 억제전류 정정 조건을 설명하고 있다.
표 3. 비율차동 계전기의 정정
Table 3. Differential protective relay setting
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정정 구간
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차전류(%)
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억제전류(pu)
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Pick-up 전류
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15%
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1.0
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Slope 1
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35~40%
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5.0
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Slope 2
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70%
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10.0 이상
|
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HOC
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단락전류의 70%
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10.0 이상
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그림 2는 거리 계전기(21)의 동작 특성을 설명한다. 거리 계전기에는 임피던스형, 모우형, 리액턴스형, 오옴형, 오프셋모우형 등이 있다. 이는 전압과 전류를
입력으로 받아서 그 비가 일정값 이하로 될 경우 동작한다. 계전기의 설치점으로부터 단락 또는 지락점의 방향과 고장 발생점까지의 전기적인 거리(임피던스)를
판별하여 동작하는 것이다.
그림. 2. 거리 계전기의 시험 방법
Fig. 2. Test method of distance protective relay
표 4는 거리 계전기의 정정에 관한 것으로서 보호범위까지 선로의 정상 임피던스를 기본으로 정한다. 너무 둔감하거나 민감하여서 발생 가능한 under-reach와
over-reach의 오동작을 감안하여 약 20%의 정정 여유를 반영한다.
표 4. 거리 계전기의 정정
Table 4. Distance protective relay setting
|
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정정기준
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목적
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Zone1
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거리정정
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자기보호구간의 85~90%
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오동작방지
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시간정정
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0.05sec
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Zone2
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거리정정
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자기보호구간의 120~125%
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보호영역확대
|
|
|
시간정정
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0.2sec
|
|
|
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고조파억제
|
제2고조파 비율 10~20%
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오동작방지
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3. 교류철도 급전계통의 고장 전류 특성
디지털 보호계전기 시험은 크게 정특성과 동특성 시험으로 구분된다. 민수규격에서는 정특성 시험을 실시하고, 동특성 시험은 계통의 사고 발생시 원인 분석
및 보호계전기 오동작 확인을 위한 수단으로 이용된다. 그림 4는 보호계전기의 일반적인 시험 방법으로서, 정특성과 동특성 시험 절차를 설명한다. 정특성은 정상상태에서의 시험이고, 동특성은 상당히 복잡한 계통사고
분석을 위해 이용된다. 또한 사고현장 또는 시뮬레이션에서 구한 COMTRADE파일을 이용한 플레이백 모드는 발생 사고의 정상적인 분석 수단으로 이용된다[3-4]. 보호계전기들은 고장 전류를 기반으로 동작하므로 철도 급전계통의 고장 전류 특성을 파악하고자 한다.
3.1 전기철도 급전계통 모델링
전기철도 급전계통의 모렐링은 단자망을 기초로 한 4포트 네트워크 모델로 구성한다. 입력단의 V1, I1과 출력단의 V2, I2를 가정하면 아래 그림 3과 같이 표현할 수 있다.
그림. 3. 선형 4포트 네트워크
Fig. 3. Linear four-port network
6단자망 모델에서 전압, 전류의 관계식은 다음 식(1)과 같이 표현되며 실제 교류 전기철도 급전 시스템 모델링에 이용한다.
전력은 전원, 송전선로 그리고 변압기를 통해 부하에 공급된다. 이때 각 기기가 가진 특정 임피던스에 의해 전압강하가 발생한다. 그 때의 임피던스가
%Z이며 모델링에서 중요하다. %Z는 선로의 전압 강하량과 정격전압의 비를 백분율로 표시한 것이다. %Z와 ohm 값의 환산은 선간전압이 V, 기준용량이
Q일 때 식(2)로 표현된다.
전력계통의 고장 전류 계산에서 기준용량은 대개 1~100MVA로 정하는데, 본 연구에서는 100MVA를 기준용량으로 적용하였다. 그림 4는 교류철도 급전계통이다. 단권변압기는 전차선과 급전선권선 간에 연결되고, 레일은 권선의 중앙에 연결된다. 즉, 단권변압기는 전차선-레일, 급전선-레일에
각각 27.5kV를 공급하게 된다.
그림. 4. 교류철도의 모델링 및 시뮬레이션 회로
Fig. 4. Modeling and simulation circuit of AC railway
모델링은 전철 급전계통의 특정 사고를 가정하여 계산 값과 시뮬레이션 값을 비교하였다. 대칭좌표법을 적용한 수계산과 PSCAD/EMTDC를 활용한 시뮬레이션
결과를 비교하는데 아래 표는 154kV 1선지락 전류 계산을 위한 임피던스 값이다. 계산된 1선지락 전류(Ig)는 20.33kA이며 식(3)과 같다.
표 5. 154[kV] 1선 지락의 임피던스
Table 5. Single line to ground fault
|
$Z = R+j X [Ω]$
|
R
|
X
|
|
영상분
|
1.0296
|
5.2232
|
|
정상분
|
0.5853
|
3.8554
|
|
역상분
|
0.5853
|
3.8554
|
|
합성 임피던스
|
2.202
|
12.934
|
3.2 전철 급전계통의 보호계전기 평가 시스템 설계
그림 5(a)는 PSCAD/EMTDC와 LabVIEW를 기반으로 한 보호계전기 동작 시뮬레이터의 하드웨어 구성도와 보호요소의 그래픽 출력의 예시이다.
그림 5(b)의 비율차동 계전기(87)는 변압기의 1차측과 2차측 전류비율을 감시하여 이상 여부를 판단하며, 거리 계전기(21)는 급전반의 임피던스를 계측하여
고장의 상황을 실시간으로 모니터링 가능하다.
그림. 5. IED 시뮬레이터의 하드웨어 구성
Fig. 5. Hardware configuration of IED simulator
3.3 전기철도 급전계통의 사고 시뮬레이션
그림 6는 PSCAD/EMTDC를 이용한 시뮬레이션 결과인데, 154kV 1선지락 전류와 3상단락 전류, 55kV 선간단락 전류 그리고 27.5kV 1선지락
전류를 대상으로 하였다.
그림. 6. 교류철도 모델링 회로의 시뮬레이션 결과
Fig. 6. Simulation result of AC railway modeling circuit
표 6은 대칭좌표법의 계산 값과 시뮬레이션 값을 비교한 것이다. 154kV 1선지락 전류는 92.4%의 일치성을 보였고, 154kV 3상단락 전류는 97.8%,
55kV 선간단락 전류는 92.9%, 27.5kV 1선지락 전류는 97.0%의 일치성을 보였다.
표 6. 고장 시뮬레이션 결과
Table 6. Fault simulation results
|
단위:[kA]
|
154kV
1선지락
전류
|
154kV
3상단락
전류
|
55kV
선간단락
전류
|
27.5kV
1선지락
전류
|
|
(A)계산값
|
20.33
|
23.04
|
2.60
|
5.201
|
|
(B)시뮬레이션
|
22.00
|
23.56
|
2.80
|
5.36
|
|
(A)/(B)
|
92.4%
|
97.8%
|
92.9%
|
97.0%
|
※ 기준용량 : 100MVA
다음 그림 7은 호남선 “논산~봉명” 구간에서 변전소 앞단 27.5kV의 전차선 지락사고에서 발생한 고장 전류를 나타낸다. 고장 전류값은 계전기에 저장된 COMTRADE파일을
통해 지락 전류가 5.57kA임을 확인하였고, 시뮬레이션에서 얻어진 5.36kA와 96.2%의 일치성을 보였다.
그림. 7. COMTRADE파일의 지락사고 전류
Fig. 7. Ground fault current of COMTRADE file
4. 결 론
전력계통의 규모가 증가하고 더욱 복잡해지는 상황에서 지속적인 데이터 축적을 통한 발생 사고의 신속정확한 대처가 필요하다. 본 연구는 디지털 보호계전기의
성능 평가 시스템 구축에 필요한 하드웨어와 소프트웨어 설계를 진행하고 교류철도 급전 시스템에서 발생되는 다양한 사고 해석을 위해 PSCAD를 이용하여
축소 모델링과 함께 유형별로 시뮬레이션을 실시하였다. 그 결과, 154kV 1선지락 전류는 92.4%의 일치성을 보였고, 154kV 3상단락 전류는
97.8%, 55kV 선간단락 전류는 92.9%, 27.5kV 1선지락 전류는 97.0%의 일치성을 보였다. 지락 및 단락 사고의 수계산과 모델링에
의한 시뮬레이션 결과, 100% 동일하지는 않지만 거의 동일한 경향을 보였다. 또한 변전소 앞 단 27.5kV 전차선 지락사고의 실측 결과 값과도
96.2%의 일치성을 보였다. 향후 본 연구개발의 결과는 다양한 고장상황 분석 및 현장 교육 등에 활용될 것으로 기대된다.
Acknowledgements
본 연구는 2019년도 국토교통부 철도기술연구사업(No. 19RTRP- B146034-02)의 지원에 의하여 이루어진 연구로서, 관계부처에 감사드립니다.
References
European Commission, JAN 2009, A sustainable future for transport, Brussels, pp.
12
Swedish Transport Analysis, DEC 2014, Railway in Sweden and Japan – a comparative
study, pp. 25-30
C. Henville, A. Hiebert, R. Folkers, R. Wierckx, APR 2004, Dynamic Simulations Challenge
Protection Performance, in The 58th Annual Georgia Tech Protective Relaying Conference
Y.-S. Cho, S.-W. Park, C.-K. Lee, U.-H. Lee, T.-K. Kim, FEB 2007, An Implementation
of Generator Protective Relay for Real Time Digital Simulator, Trans. KIEE, Vol. 56,
No. 2, pp. 240-247
저자소개
He received his Ph.D. degree in electronics engineering from KIT (Kumoh National Institue
of Technology), Korea in 2003.
He was with KEC Corp. and SOMO Energy & Technology Corp. 1986~2018.
Since Sep. 2018, he has been with Research Institute Director at Entech World Inc.
His research interests are sensor netwok and automatic control of power plant and
electric railway.
E-mail : thomas@entechworld.net
He received the B.S degree in electrical engineering from Myongji University, Korea
in 2003.
He was with Shilla Scada System Inc. and Samjung C&M System Inc. for 1995~2005.
Since 2006, he has been with VP at Entech World Inc.
His research interests are automatic control and heavy electric machinery of power
plant and electric railway.
E-mail : woos.won@entechworld.net
He received the Ph.D. degree in electrical engineering from Hanyang University, Korea
in 2009.
He was with KEPCO (Korea Electric Power Corp.) for 1983~1991 and Samjung C&M System
Inc. for 1991~2006.
Since 2007, he has been with CEO at Entech World Inc.
His research interests are automatic control and heavy electric machinery of power
plant and electric railway.
E-mail : bl.ahn@entechworld.net
He received his M.S degree in electrical engineering from Chungnam National University,
Korea in 2014.
Currently, he is the deupy general manager of technology and research department at
KORAIL (Korea Railroad Corp.)
His research interests are real-time analysis and test of electric railway feeding
system.
E-mail : yeun0714@korail.com