이경민
(Kyung-Min Lee)
1iD
박철원
(Chul-Won Park)
†iD
-
(Dept. of Electrical Engineering, Gangneung-Wonju National University, Republic of
Korea. )
Copyright © The Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection
Key words
DWT, EMT, FFT, RDR, Power Transformer, PSCAD, VREs
1. 서 론
전력용 변압기는 변전설비의 45.31% 비중을 차지하는 중요한 설비이다. 정격 용량이 5MVA 이상이고 10kV를 초과하는 전압의 전력용 변압기의
주보호로는 전류비율차동계전기(CRDR, Current Ratio Differential Relay), 단락후비보호로는 거리계전방식과 과전류방식, 지락후비보호로는
방향과전류계전방식과 과전압계전방식을 각각 사용한다.
최근, 탄소중립(Net Zero)을 위한 인버터 기반의 가변재생에너지원(VREs, Variable Renewable Energy Sources)의
사고 특성은 동기발전원과 다르기 때문에 종래의 보호계전 알고리즘을 사용하는 지능형전자장치(IED, Intelligent Electronic Device)는,
과도상태 분류, 고장 검출의 오동작 및 부동작이 유발할 가능성이 있다. 따라서, VREs 기반 하이브리드 전력계통에서 신뢰성 있는 IED의 보호계전
알고리즘의 재검토, 보완 및 설정이 필요하다[1,2].
전력용 변압기 보호와 관련된 국내 연구 동향으로, 154kV 변압기 보호용 비율차동계전기(RDR, Ratio Differential Relay)의
오동작 방지를 위한 2고조파 억제(Second Harmonic Restraint)의 적용방법 및 정정값에 관한 연구[3]와 EMTP를 활용한 345kV 변압기의 후비보호를 위한 방향성 과전류요소의 동작원인 및 대책이 발표되었다[4]. 또한, RDR의 전류보상 알고리즘 분석 및 고장유형 식별로직이 개발되었고[5], 최근, 변압기 오결선 및 설정 오류 등의 휴먼에러의 발생 가능성을 줄이기 위한 변압기 진단 및 점검 방법[6]이 제시되었다.
국외 연구 동향으로, 전력용 변압기의 권선간(Turn-to-Turn) 사고 모니터링을 위한 여러 가지 사고감지 방법[7], 웨이블릿 변환(WT, Wavelet Transform)을 사용한 전력용 변압기 보호에서 자화여자돌입(Magnetizing inrush) 전류와
고장 전류의 식별[8]이 제안되었다. 근래, IEEE의 Power System Relaying and Control Committee는 전력용 변압기 보호를 위한 가이드를
개정하였고[9], 이미지 처리 및 딥러닝(Deep Learning)을 이용한 변압기 권선의 새로운 단락사고 위치파악[10]이 연구되었고, 선진사에서는 변압기 보호를 위한 IED인 RET670을 업그레이 드하여 출시하였다[11]. 최근, 지자기 교란(Geomagnetic Disturbances) 중의 변압기 차동 보호[12], 고급 분류 기법(Advanced Classification Techniques)을 사용한 전력용 변압기의 차동 보호를 위한 종합적 접근 방식[13], 변압기의 차동 어드미턴스 모니터링을 통한 권선간 단락 회로 감지[14]에 관한 연구가 수행되었다.
최근, 인버터 기반의 VREs가 전력계통에 연계되면서, 종래의 동기발전기 기반의 전력계통과 상이한 고장현상이 나타나고 있다.
따라서 본 논문은 VREs 기반 변압기 계통에서의 오동작을 방지할 수 있는 개선된 보호계전 알고리즘 보완의 선행연구로서, 3권선 전력용 변압기를 위하여
PSCAD 기반 RDR 및 DWT 보호기법의 시뮬레이션을 다룬다. 먼저, 345/161/23kV, 600MVA 3권선 전력용 변압기의 실계통 파라미터를
기반으로 EMT 도구인 PSCAD를 이용하여 3권선 전력용 변압기를 모델링한다. 정상상태 시뮬레이션의 유효성을 확인한 후, 여자돌입, 권선 지락사고
및 권선 단락사고의 과도상태를 시뮬레이션한 후, 분석한다. 끝으로, EMT PSCAD 라이브러리의 고속푸리에변환(FFT, Fast Fourier Transform)과
이산웨이브릿변환(DWT, Discrete Wavelet Transform)를 이용한 전력용 변압기의 보호기법을 구현한 후, 성능을 비교한다.
2. 3권선 전력용 변압기의 보호
2.1 FFT 기반 비율차동보호
전력용 변압기는 열 사이클로 인한 팽창 및 수축, 진동, 자속으로 인한 국부 가열, 통과 고장 전류의 흐름으로 인한 힘, 과부하 또는 부적절한 냉각으로
인한 과도한 가열에 따라 변압기 권선의 전기 절연이 저하되어 여러 가지 고장 유형을 일으킬 수 있다. 전류 차동 계전기(CDR, Current Differential
Relay)는 정격이 10MVA 이상인 변압기를 보호하는 데 가장 일반적으로 사용된다.
그림 1은 단상 변압기의 전형적인 차동 계전기의 결선도를 나타낸다. 차동 계전기는 CT1과 CT2의 비율이 1:1이면, 한 권선에 들어오는 전류와 다른 권선에서
나가는 전류의 차이인 동작전류로 표현할 수 있다.
그림 1. 단상 변압기의 전형적인 차동 계전기의 결선도
Fig. 1. Typical differential relay connection diagram for a single-phase transformer
전력용 변압기의 보호방식은 일반적으로 RDR이 널리 사용된다. 이 RDR은 자화여자돌입과 과여자(Overexcitation)로 인한 오동작을 방지하기
위하여 2고조파 및 5고조파 억제를 탑재한다. 이에 고조파 억제기반 RDR은 변류기의 1차측과 2차측간의 동작전류와 억제전류의 비율을 이용하되, 2고조파
억제특성과 조합하여 사용된다.
동작전류(또는 차전류)는 두 권선으로 입력되는 전류의 벡터합으로 식
(1)과 같이 표현할 수 있다.
여기서, $I_{Op}$는 동작전류, $I_{W1}$은 변압기의 1차 권선의 전류, $I_{W2}$는 변압기의 2차 권선의 전류, $I_{W3}$는
변압기의 3차측 전류이다.
억제전류는 두 권선의 스칼라합으로 식 (2)와 같이 표현할 수 있다.
여기서, $I_{Res}$는 억제전류, $k$는 비례 상수이다.
기본파에 대한 2고조파 비율은 식 (3)과 같이 표현할 수 있다.
여기서, $I_{2nd-ratio}$는 동작전류의 기본파에 대한 2고조파 성분의 비율, $I_{Fund}$는 기본파 성분, $I_{2nd}$는 2고조파
성분이다.
기본파 및 고조파 추출을 위한 DFT 필터는 코사인 필터와 사인 필터로 각각 표현할 수 있다[15].
그림 2는 RDR의 특성곡선을 나타낸다. 그림 2와 같이, 이 특성곡선의 동작영역은 소전류 영역과 대전류 영역으로 구분된다. 소전류 영역의 Slope 1은 CT, 계전기 오차, 여유(margin)
및 무부하탭절환기(ULTC) 등을 고려하여 계전기가 오동작하지 않도록 20～40%의 비율로 설정한다. 대전류 영역의 Slop 2는 CT의 포화요인에
의해 계전기가 오동작하지 않도록 50% 이상으로 설정한다. 본 논문에서는 IEEE 권고값인 0.3의 최소 동작전류(Pick up current),
30%의 Slope 1, 70%의 Slope 2로 설정하였다[9,11].
그림 2. RDR의 특성곡선
Fig. 2. Characteristic curve of RDR
RDR의 고장판별식은 식 (4)와 같이 표현할 수 있다. 즉, 계산된 동작전류와 억제전류가 동작(TRIP)영역에 도달할 경우, RDR은 차단기로 트립 신호를 발생하게 된다.
2.2 DWT 기반 변압기 보호
웨이브릿 변환은 Mallet에 의해 제안된 제2의 멱승 형태에 기초한 scale과 shift를 이용하여 효과적인 분석을 수행할 수 있다. DWT$D_{a,\:
b}$는 식 (5)와 같이 표현할 수 있다[3,4].
여기서, $a_{0}^{m}$는 scale을 나타내는 변수, $na_{0}^{m}$는 shift를 나타내는 변수, $\dfrac{1}{\sqrt{a_{0}^{m}}}$는
모 웨이브릿과 같은 크기의 에너지를 유지시키기 위한 에너지 정규화 성분이다.
RDR과 DWT 계전기의 주기당 샘플링수는 256s/c이다. RDR 계전기는 FFT를 이용하여 주파수를 추출하는 반면에, DWT 계전기는 저주파 대역필터를
통해 상세계수(Detail coefficient)를, 고주파 대역필터를 통해 근사계수(Approximation coefficient)를 추출한다.
DWT는 MRA(Multi-Resolution Analysis) 과정을 이용하여 신호를 여러 단계로 분해한다[16].
본 논문에서는 daubechies 모 함수의 order 4의 detail 4를 이용한다. 이는 MRA 과정에서 저주파 대역필터에 의해 960~1,920Hz의
주파수 대역의 성분을 나타낸다. 따라서, 간단하고 실시간으로 처리할 수 있도록, 이산전류의 상세계수와 근사계수 계산 기반 차분방정식으로 표현할 수
있다[15].
그림 3은 RDR 및 DWT 보호 기법의 흐름도를 나타낸다. 그림 3과 같이, RDR 기법은 FFT를 기반으로 2고조파 및 5고조파를 추출한 후, 여자돌입 및 과여자 현상을 고조파 함유율로 억제하고, RDR의 특성곡선을
이용하여 고장을 검출한다. 한편, DWT 보호 기법은 db4의 detail 4의 크기를 이용하여 여자돌입을 식별하고, 고장을 검출한다.
그림 3. RDR 및 DWT 보호 기법의 흐름도
Fig. 3. Flowchart of RDR and DWT protection techniques
3. EMT 기반 모델 및 보호
3.1 3권선 전력용 변압기 모델 계통
신김해 변전소의 3권선 전력용 변압기를 중심으로, 1차측에는 345kV 전압원 2기, 2차측에는 전압원 1기와 약 138MVA의 부하, 3차측에는
250kVA의 부하가 연결되어 있다[1,15]. 345/161/23kV 600MVA 3권선 전력용 변압기 계통의 제반 파라미터를 기반으로 EMT PSCAD를 사용하여 모델링을 수행하였다. 변압기의
각변위는 Ynyn0 d1이며, 제반 파라미터의 %임피던스를 pu값으로 변환한 후, EMT에서 사용하였다.
3.2 2고조파 억제 기반 RDR
그림 4는 EMT PSCAD를 이용한 1차측 3상 전류의 FFT 모델을 나타낸다. 그림 4와 같이, 3상 전류는 CT를 거쳐 FFT 모델을 통해 기본파, 2고조파 및 5고조파의 크기와 위상각을 출력하고, 기본파에 대한 2고조파 비율과 5고조파
비율을 계산한다.
그림 4. PSCAD를 이용한 FFT 기반 고조파 추출 및 비율
Fig. 4. FFT based harmonic extraction and ratio using PSCAD
여기서, I_P_A, I_P_B 및 I_P_C는 1차측 3상 전류, I_P_A_Harmonic_Mag, I_P_B_Harmonic_Mag 및 I_P_C_
Harmonic_Mag는 1차측 3상 전류의 고조파 크기, I_P_A_Harmonic_Ph, I_P_B_Harmonic_Ph 및 I_P_C_Harmonic_
Ph는 1차측 3상 전류의 고조파 위상, I_P_A_H1_Mag, I_P_A_H2_Mag 및 I_P_A_H5_Mag는 1차측 A상 전류의 기본파,
2고조파 및 5고조파의 크기이다.
그림 5는 EMT PSCAD를 이용한 고조파 기반 RDR 모델과 2고조파 및 5고조파 억제 트립 로직을 나타낸다. 그림 5와 같이, 2고조파 및 5고조파 억제 트립 로직을 이용하여 여자돌입 및 과여자를 억제한다. 기본파에 대한 2고조파 및 5고조파 비율이 설정값보다 크면
억제요소 신호를 0으로 출력하고, 설정값보다 작으면 1로 출력한다. 최근 변압기의 코어특성 개선으로 인하여, 기본파에 대한 2고조파 비율이 낮아지고
있는 바, 본 논문에서는 그 비율을 15%로 설정하였다.
그림 5. PSCAD를 이용한 고조파 기반 RDR 모델과 트립 로직
Fig. 5. Hamonic restaint RDR model and trip logic using PSCAD
각 상 전류의 크기 및 위상을 입력받아 동작전류와 억제전류를 계산하고 RDR 특성곡선을 통해 고장을 판별한다. RDR의 설정값은 IEEE 권고값인
0.3의 최소 동작전류, 30%의 Slope 1, 70%의 Slope 2로 설정하였다[9].
여기서, CT_A_H1_Mag, CT_B_H1_Mag 및 CT_C_H1_Mag는 CT를 통과한 1차측 3상 전류의 기본파 크기, CT_A_H1_ph,
CT_B_H1_ph 및 CT_C_H1_ph는 CT를 통과한 1차측 3상 전류의 기본파 위상, Trip_A, Trip_B 및 Trip_C는 3상의 트립
신호, A_O_H2, A_O_H5는 A상 2고조파와 5고조파 억제요소, B_O_H2, B_O_H5는 B상 2고조파와 5고조파 억제요소, C_O_H2,
C_O_H5는 C상 2고조파와 5고조파 억제요소이다.
3.3 DWT 기반 보호 기법
그림 6은 EMT PSCAD를 이용한 1차측 3상 전류의 DWT 계전기 모델을 나타낸다. 그림 6과 같이, 3상 전류는 DWT 모델을 통해 daubechies 모 함수의 order 4, detail 1 ∼ detail 4를 출력하는데, detail
4를 이용한다. 여러 가지 사례연구를 통해, 초기 과도상태를 고려하여, 그 임계치를 0.4kA로 설정하였다. 임계치를 초과할 경우, 고장을 판별한다.
그림 6. PSCAD를 이용한 DWT 계전기 모델
Fig. 6. DWT relay model using PSCAD
그림 7. PSCAD 기반 RDR 및 DWT 계전기의 시뮬레이션 개략도
Fig. 7. Block diagram of RDR and DWT relay using PSCAD
여기서, I_P_A_db4, I_P_B_db4 및 I_P_C_db4는 1차측 3상 전류의 db4의 detail 값이다.
그림 7은 상기에서 구현한 PSCAD 기반 RDR 및 DWT 계전기의 시뮬레이션 개략도를 나타낸다. 전체 전력용 변압기 계통을 중심으로, 사고 선택, 각
차단기 Logic, FFT, RDR 특성곡선, RDR 및 DWT 계전기로 구현하였다.
4. 시뮬레이션 및 결과
EMT PSCAD 시뮬레이션 시간은 총 5s, 주기당 샘플링 수는 256s/c, 샘플링주파수는 15,360Hz 및 사고 발생 시각은 2s로 설정하였다.
시뮬레이션 종류는 여자돌입, A상 지락사고, B상 지락사고, C상 지락사고, AB상 단락사고, BC상 단락사고 및 CA상 단락사고이며, 사고저항은
0.01Ω, 사고 발생 시 전압 위상각은 0˚, 45˚ 및 90˚로 가변하였다.
4.1 정상상태 시뮬레이션
그림 8은 정상상태시 3상 전압 및 유효전력을 나타낸다. 그림 8(a)와 같이, 3상 전압은 가압 후 약 0.250s 이후에 안정화되었으며, 1차측, 2차측, 3차측 전압의 RMS값은 각각 347.531kV, 161.362kV,
23.021kV이다. 이론치 값은 각각 347.140kV, 161.310kV, 23.040kV이기에, 최대 오차가 0.11%임을 알 수 있다. 그림 8(b)와 같이, 1차측, 2차측, 3차측 유효전력은 각각 304.240MW, 303.600MW, 225.800kW이다. 이론치 값은 각각 304.200MW,
304.200MW, 225.000kW이기에, 최대 오차가 0.36%임을 알 수 있다. 따라서 정상상태 시뮬레이션의 유효성을 확인할 수 있었다.
4.2 여자돌입 시뮬레이션
여자돌입상태의 시나리오는 2차측 및 3차측이 무부하 상태에서 2s에 1차측에서 가압하였다. 그림 9는 여자돌입시 1차측 3상 전류를 나타낸다. 그림 9와 같이, 1차측 순시치 전류는 3상이 비대칭 형태로서 그 전류가 각각 3.022kA, -2.020kA, -0.691kA까지 증가하였으며, 2차측
및 3차측 전류는 흐르지 않는다.
그림 8. 정상상태시 3상 전압과 유효전력
Fig. 8. Three phase voltage and active power in normal condition
그림 9. 여자돌입시 1차측 3상 전류
Fig. 9. Three phase current of primary side in inrush
그림 10. 여자돌입시 기본파에 대한 2고조파 비율
Fig. 10. Ratio of 2nd harmonic to fundamental in inrush
그림 10은 여자돌입시 실효치의 기본파에 대한 2고조파 비율을 나타낸다. 그림 10과 같이, 여자돌입 직후 2고조파 비율이 각각 105.084%, 95.636%, 140.315%까지 증가하였으나, 시간이 지남에 따라 서서히 감소되어,
A상은 여자돌입 직후0.013초(0.779 cycle)부터 약 48.977%로 수렴, B상은 0.011초(0.659 cycle)부터 약 58.199%로
수렴, C상은 0.015초(0.899 cycle)부터 약 57.230%로 수렴하는 것을 알 수 있었다.
그림 11. 여자돌입시 detail 4의 크기
Fig. 11. Magnitude of detail 4 in inrush
그림 11은 여자돌입시 db4의 detail 4의 크기를 나타낸다. 그림 11과 같이, 여자돌입 이후 detail 4의 크기가 각각 0.274kA, 0.260kA, 0.114kA까지 상승하면서 진동하는 것을 알 수 있었다.
4.3 지락사고 시뮬레이션
지락사고의 시나리오는 정상상태로 운전하다가 2s에 1차측 A상 지락사고를 발생시켰다. 그림 12는 A상 지락사고시 3상 전류를 나타낸다. 그림 12와 같이, 사고 발생 시각인 2s 직후 1차측 A상 순시치 전류는 17.196kA까지 증가, 2차측 A상 순시치 전류는 5.369kA까지 증가, 3차측
사고상 순시치 전류는 매우 작으며 미소하게 변동하였다.
그림 12. A상 지락사고시 3상 전류
Fig. 12. Three phase current in A phase ground fault
그림 13은 A상 지락사고시 기본파에 대한 2고조파 비율을 나타낸다. 그림 13과 같이, A상 지락사고 직후 2고조파 비율은 각각 72.266%, 22.839%, 21.302%까지 증가하고, A상은 사고 직후 0.013초(0.779
cycle)에서 약 34.088%, B상은 0.011초(0.659 cycle)부터 약 15.410%, C상은 0.015초(0.899 cycle)부터
약 10.568%이었고, 이후 변동하면서 감소하였다. 2고조파 비율은 사고 직후 0.017s(1.019 cycle)에 15% 이하로 감소하였으며,
여자돌입으로 오식별하지 않았다.
그림 14는 A상 지락사고시 특성곡선을 나타내는데, Ia_bias_H1, Ib_bias_H1, Ic_bias_H1은 A상, B상, C상 억제전류, Ia_diff_H1,
Ib_diff_H1, Ic_diff_H1은 A상, B상, C상 동작전류이다.
그림 13. A상 지락사고시 기본파에 대한 2고조파 비율
Fig. 13. Ratio of 2nd harmonic to fundamental in A phase ground fault
그림 14. A상 지락사고시 RDR 특성곡선
Fig. 14. RDR Characteristic curve in A phase ground fault
그림 14와 같이, 정상상태시 동작전류와 억제전류가 각각 0.010A, 0.131A로 운전하다가, A상 지락사고 직후 동작전류와 억제전류가 각각 3.358A,
1.679A로 상승하여 특성곡선의 동작영역으로 진입하는 것을 알 수 있었다. FFT 기반 RDR은 지락사고 직후 0.017s에서 차단기로 트립신호를
발생하였다.
그림 15는 A상 지락사고시 detail 4의 크기를 나타낸다. 그림 15와 같이, A상 지락사고 직후 detail 4의 크기가 각각 0.426kA, 0.029kA, 0.019kA까지 상승하면서 진동하는 것을 알 수 있다.
DWT 계전기는 지락사고 직후 0.018s에서 차단기로 트립신호를 발생하였다.
그림 15. A상 지락사고시 detail 4의 크기
Fig. 15. Magnitude of detail 4 in A phase ground fault
4.4 단락사고 시뮬레이션
단락사고의 시나리오는 정상상태로 운전하다가 2s에 2차측 AB상 단락사고를 발생시켰다. 그림 16은 AB상 단락사고시 3상 전류를 나타낸다. 그림 16과 같이, 사고 발생 시각인 2s 직후 1차측 A상 순시치 전류는 5.210kA까지 증가, B상 순시치 전류는 4.618kA까지 증가, 2차측 A상
순시치 전류는 8.404kA까지 증가, B상 순시치 전류는 9.504kA까지 증가, 3차측 사고상 순시치 전류는 매우 작으며 미소하게 변동하였다.
그림 16. AB상 단락사고시 3상 전류
Fig. 16. Three phase current in AB phase short fault
그림 17은 AB상 단락사고시 기본파에 대한 2고조파 비율을 나타낸다. 그림 17과 같이, AB상 단락사고 직후 2고조파 비율은 각각 53.358%, 50.103%, 0.012%까지 증가하고, 2고조파 비율은 사고 직후 0.017s(1.019
cycle)에 15% 이하로 감소하였으며, 여자돌입으로 오식별하지 않았다.
그림 17. AB상 단락사고시 기본파에 대한 2고조파 비율
Fig. 17. Ratio of 2nd harmonic to fundamental in AB phase short fault
그림 18은 AB상 단락사고시 특성곡선을 나타낸다. 그림 18과 같이, 정상상태시 동작전류와 억제전류가 각각 0.010A, 0.131A로 운전하다가, AB상 단락사고 직후 A상의 동작전류와 억제전류가 각각 1.611A,
0.805A로 상승, B상의 동작전류와 억제전류가 각각 1.619A, 0.809A로 상승하여 특성곡선의 동작영역으로 진입하는 것을 알 수 있었다.
FFT 기반 RDR은 단락사고 직후 0.017s에서 차단기로 트립신호를 발생하였다.
그림 18. AB상 단락사고시 특성곡선
Fig. 18. Characteristic curve in AB phase short fault
그림 19는 AB상 단락사고시 detail 4의 크기를 나타낸다. 그림 19와 같이, AB상 단락사고 직후 detail 4의 크기가 각각 -0.473kA, 0.467kA, 0.019kA까지 상승하면서 진동하는 것을 알 수
있다. DWT 계전기는 단락사고 직후 0.014s에서 차단기로 트립신호를 발생하였다.
그림 19. AB상 단락사고시 detail 4의 크기
Fig. 19. Magnitude of Detail 4 in AB phase short fault
4.5 결과 및 고찰
표 1은 RDR 및 DWT 보호 기법의 결과를 나타낸다. 표 1과 같이, RDR은 여자돌입시 2고조파 억제를 통하여 전압위상각이 0˚, 45˚, 90˚에 발생한 모든 여자돌입을 식별하였다. 지락사고시 각 상의
지락사고 판별 시간은 A상은 0.018s, B상은 0.020s, C상은 0.020s이었다. 이때 차단기로 트립신호 발생시간은 평균 0.019s이었다.
단락사고시 두 상의 단락사고 판별 시간은 AB상은 0.019s, BC상은 0.020s, CA상은 0.019s이었다. 즉, 차단기로 트립신호 발생시간은
평균 0.019s이었다. 한편, DWT은 여자돌입시 detail 4의 임계치를 통하여, 전압위상각에 관계없이 발생한 모든 여자돌입을 식별하였다. 지락사고시
각상의 지락사고 판별 시간은 A상은 0.017s, B상은 0.017s, C상은 0.016s이었다.
표 1 RDR 및 DWT 보호 기법의 결과
Table 1 Results of RDR and DWT protection technique
|
기법
조건
|
RDR
|
DWT Relay
|
|
동작전류
크기 [A]
|
트립시간
[s]
|
detail 4 크기
[kA]
|
트립시간
[s]
|
|
여자돌입
|
0˚
|
0.257
|
-
|
0.274
|
-
|
|
45˚
|
0.225
|
-
|
0.318
|
-
|
|
90˚
|
0.244
|
-
|
0.307
|
-
|
|
지락사고
|
A상
|
0˚
|
3.358
|
0.017
|
0.426
|
0.018
|
|
45˚
|
3.443
|
0.017
|
0.864
|
0.015
|
|
90˚
|
3.373
|
0.020
|
1.694
|
0.018
|
|
B상
|
0˚
|
3.358
|
0.016
|
1.346
|
0.015
|
|
45˚
|
3.384
|
0.020
|
1.723
|
0.017
|
|
90˚
|
3.447
|
0.023
|
1.069
|
0.019
|
|
C상
|
0˚
|
3.358
|
0.018
|
1.232
|
0.014
|
|
45˚
|
3.471
|
0.020
|
0.696
|
0.015
|
|
90˚
|
3.491
|
0.021
|
0.624
|
0.019
|
|
단락사고
|
AB상
|
0˚
|
1.619
|
0.017
|
0.473
|
0.014
|
|
45˚
|
4.957
|
0.017
|
2.029
|
0.016
|
|
90˚
|
5.078
|
0.023
|
2.055
|
0.018
|
|
BC상
|
0˚
|
1.619
|
0.018
|
1.283
|
0.015
|
|
45˚
|
5.144
|
0.021
|
1.817
|
0.015
|
|
90˚
|
5.322
|
0.022
|
0.591
|
0.023
|
|
CA상
|
0˚
|
1.619
|
0.016
|
0.804
|
0.015
|
|
45˚
|
5.342
|
0.020
|
0.431
|
0.019
|
|
90˚
|
5.060
|
0.020
|
1.682
|
0.018
|
이때 차단기로 트립신호 발생시간은 평균 0.017s이었다. 단락사고시 두 상의 단락사고 판별 시간은 AB상은 0.016s, BC상은 0.018s,
CA상은 0.017s이었다. 즉, 차단기로 트립신호 발생시간은 평균 0.017s이었다. 따라서, RDR과 DWT 계전기는 사고발생시 정동작을 나타냈고,
DWT 계전기는 RDR 보다 사고를 약 0.002s 신속하게 검출하는 것을 알 수 있었다.
5. 결 론
본 논문에서는 EMT PSCAD 기반 345/161/23kV 600MVA 3권선 전력용 변압기 실제 계통을 모델링하고, RDR 및 DWT 보호 기법을
제시하여 구현하였다. 먼저, 정상상태를 확인하여 모델링의 유효성을 검증하였고, 여자돌입, 지락사고 및 단락사고 시뮬레이션 데이터를 활용하여 제반 보호
기법의 성능을 비교하였다. 시뮬레이션 결과, 종래 RDR의 경우, 2고조파를 이용하여 여자돌입의 트립 오동작을 억제하였고, 지락사고 및 단락사고를
모두 정확하게 판별하여, 사고검출의 정동작을 확인하였다. 제안된 detail 4의 크기 기반 DWT 계전기의 경우, 여자돌입에 오동작하지 않았고,
지락사고 및 단락사고를 모두 정확하게 판별하여, 사고검출의 정동작을 확인하였다. 따라서, 제안된 DWT 계전기의 사고검출은 종래 RDR 보다 평균
0.002s 신속하였다.
따라서, 본 DWT 보호 기법은 VREs 기반 변압기 계통에서의 오동작을 방지할 수 있으며, 인버터 특성을 고려한 보호신뢰도 개선에 기초 자료로 활용될
수 있을 것이다.
References
C. W. Park, et al., “A study on IED for three-winding power transformer,” in Proc.
of 2022 KIIEE Annual Autumn Conf., pp. 7, November 2022.
Y. J. Lee, et al., “The Overview of 345kV Transformer Protection Analysis Considering
Inverter Based Resources,” in Proc. of KIEE Autumn Conf., pp. 413-414, October 2023.
Y. B. Son, and S. H. Kang, “A study on the 2nd harmonic blocking scheme and setting
value of a current differential relay for 154kV transformers to prevent maloperation,”
in Trans. of KIEE, vol. 67, no. 1, pp. 29-37, January 2018.
J. K. Choi, et al., “Analysis of mal-operation of 345kV transformer back-up protection
using EMTP,” in Proc. of 2021 KIEE Spring Conf., pp. 213-214, April 2021.
J. H. Cha, “Analysis of current compensation algorithm of ratio differential protective
relay for transformer and development of logic to identify fault types,” Chungnam
National University, Master’s Thesis, pp. 1-73, February 2022.
Y. B. Lim, H. S. Ahn, and K. Y. Ahn, “Diagnosis and method for transformer protection,”
in Proc of 2022 KIEE PES Autumn Conf., pp. 331-332, October 2022.
M. Mostafaei, et al., “Turn‐to‐turn fault monitoring methods in electrical power transformers-State
of the art,” Int. Trans. on Electrical Energy Systems, vol. 28, no. 12, pp. 1-22,
June 2018.
F. E. Obakpolor, and A. K. Saha, “Discriminating between magnetizing inrush current
and fault current in power transformer protection using wavelet transform,” in Proc.
of 2021 Southern African Universities Power Engineering Conference/Robotics and Mechatronics/Pattern
Recognition Association of South Africa (SAUPEC/RobMech/PRASA), pp. 1-6, January 2021.
IEEE Power, and Energy Society, “IEEE guide for protecting power transformers,” IEEE
Std C37.91™-2021, pp. 1-160, June 2021.
A. Moradzadeh, et al., “Turn-to-turn short circuit fault localization in transformer
winding via image processing and deep learning method,” IEEE Trans. on Industrial
Informatics, vol. 18, no. 7, pp. 4417-4426, July 2021.
ABB, “Transformer protection RET670 Version 2.1 IEC,” Application manual, pp. 1-737,
March 2019.
Babak Ahmadzadeh-Shooshtari, Afshin Rezaei-Zare, “Transformer Differential Protection
During Geomagnetic Disturbances: A Hybrid Protection Scheme and Real-Time Validation
Tests,” IEEE Trans. on Power Delivery, vol. 39, no. 1, pp. 13-28, February 2024.
Vineet Kumar, Pravin Magdum, Rajesh Lekkireddy, Krupa Shah, “Comprehensive Approaches
for the Differential Protection of Power Transformers Using Advanced Classification
Techniques,” 2024-ICPSD24-0080, pp. 1-7, May 2024.
Gustavo G. Leal H., Matias Meira, Guillermo R. Bossio, Cristian R. Ruschetti and Carlos
J. Verucchi, “Inter-Turn Short-Circuit Detection Through Differential Admittance Monitoring
in Transformers,” IEEE Trans. on Instrumentation and Measurement, vol. 73, art no.
3519508, pp. 1-8, April 2024.
C. W. Park, et al., “PSCAD-based CRDR and DWT Protection Simulation of a Three-winding
Power Transformer,” in Proc. of 2024 KIEE Summer Conf., KO036, July 2024.
M. Misiti, et al., “MATLAB - Wavelet Toolbox User’s Guide,” The MATH WORKS Inc., pp.
1-1448, September 2024.
Manitoba Hydro International Ltd., “PSCAD User’s Guide,” pp. 1-513, May 2018.
저자소개
He was born in Korea. He received his B.S., M.S. and Ph.D. degrees in Electrical Engineering
from Gangneung-Wonju National University, Wonju, Korea, in 2014, 2017, and 2023, respectively.
He is a post-doctor at Gangneung-Wonju National University, since 2023. He is a lecturer
at Myongji College, since 2024. His research interests include Smartgrid, LVDC, Microgrid,
RES, PMU, AI application of power system, power system modeling &control, and power
system protection. He is a member of the KIEE, KIIEE, and IEEE. Dr. Lee was awarded
the Paper Prize of KIIEE in 2020, the Best Paper of the APAP in 2021, and the Best
Paper of KOWEPO in 2021, 2022, and the Best Paper of KHNP in 2023, and the Best Paper
of KERI in 2024.
Tel : 033-760-8796, Fax : 033-760-8781
E-mail : point2529@gwnu.ac.kr
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, the Best Paper of KOWEPO in 2021, 2022, and the Best Paper of KHNP in 2023,
and the Best Paper of KERI in 2024.
Tel : 033-760-8786, Fax : 033-760-8781
E-mail : cwpark1@gwnu.ac.kr