디지털 보호계전기(Digital Relay)의 구성 / 강제여자회로의 설명

디지털 보호계전기(Digital Relay)의 구성 / 강제여자회로의 설명

 

1. 입력변환기 (Input Transducer)

PT, CT입력과 전자회로간을 절연하며 큰 입력 신호값을 전자회로에 적당한 전압, 전류값(±10V 수준)으로 변환하는 역할을 한다. 위상변동, 잡음, 전자기적 특성이 우수하여야 한다.

 

 

2. 필터 (Filter)

디지털 계전기의 연산 알고리즘은 대부분 전력계통 기본 주파수의 정현파를 기본으로 하므로 정현파 이외의 주파수 성분이 입력 파형에 포함되면 연산 결과에 오차가 발생하여 정확한 고장 판단이 어렵게 될 수 있다. 예를들어 샘플링 주파수가 720Hz인 계전기에 660Hz의 고조파가 입력된 경우 샘플링 데이터는 <그림 9-4>에 표시한 것과 같이 마치 기본파분이 입력된 것과 같게 된다. 이 현상을 Aliasing이라고하며720×n±60Hz(n=1,2,3…)의 고조파에 대하여 나타난다. 이들 주파수 외에도 기본파가 아닌 고조파는 계전기 오동작의 원인이 될 수 있으므로 계전기에 입력되기 전에 제거되어야 하는데 이때에 사용되는 것이 필터이며, 종류로는 아날로그 필터와 디지털 필터가 있다.

 

 

3. 아날로그 필터 (Analog Filter)

디지털 필터에서는 Aliasing되는 주파수 이상의 성분을 제거할 수 없으므로 아날로그 필터가 반드시 필요하다. 또한 디지털 필터 처리를 하면 연산시간에서 디지털 필터 처리에 소요되는 시간이 길어져 계전기 연산을 수행하는데 문제가 되므로 아날로그 필터에서 충분하게 고조파 성분을 제거하고 디지털 필터는 보완적으로 사용하는 것이 바람직하다. 현재 주로 사용되는 아날로그 필터에는 저역통과 필터(Low Pass Filter)와 대역통과 필터(Band Pass Filter)가 있으며 일반적으로 직류성분을 제거하기 위해서 대역통과 필터를 사용한다.

 

 

4. 디지털 필터 (Digital Filter)

전력계통의 아날로그 신호들(전압,전류)은 정상적인 계통 운전조건에서도 고조파(전력용 변압기, 인버터, 콘버터, 부하 등과 같은 요소에 의해 발생됨)를 함유한다. 이에 반해 보호계전기는 일정한 주기를 갖는 신호(기본파)를 기준으로 동작력이 계산되므로, 고조파가 함유된 왜형 신호가 보호계전기로 입력되는 경우 주기가 변하게 되어 오동작 또는 부동작의 원인이 된다. 이와 같이 보호계전기 오.부동작의 원인이 되는 고조파를 소프트웨어적으로 제거하는 것을 디지털필터라고 하며 계산방식에 따라 Fourier Filter, Kalman Filter 등이 있다.

 

5. Sampling holder

Filter에서 출력되는 Analog값을 일정시간 간격으로 표본화(sampling)하기 위하여 Sampling 값을 일정시간 Holding시키는 것으로 동작원리는 그림과 같다. CT, PT신호값을 같은시간에 Sampling하여야 하기 때문에 각 입력마다 S/H 회로를 구비한다. digital계전기의 sampling주파수는 보호방식별 연산 알고리즘에 의해 결정되는데 보통 12-16회/주기로 시행한다.

 

 

6. 데이터 선택기(Multiplex;MUX)

많은 수의 정보장치를 적은 수의 채널이나 회선 등을 통하여 전송하는 것을 말하며 멀티플렉서는 많은 입력들 중에서 하나를 선택하여 출력에 연결하는 조합회로이다. 일반적으로 각 스위치는 FET를 이용한 전자 스위치로 구성되며 절환신호주기는 모든 입력찬넬에 1 Sampling 주기동안 1회 정도 하도록 되어있다.

 

< Fig01. 원리도 >

 

 

7. 강제여자회로(强制勵磁回路)

계전기의 동작시간을 빨리 할 경우에 사용하는 회로로 그림(10)과 같이 접속한다.

동작은 coil X가 여자될 때는[그림10] 강제여자회로 X는 b접점 또는 condenser를 통해 저항을 단락하여 여자되었다가 coil X가 동작 후에는 b접점의 개방 또는 정상상태에서 condenser전류의 소멸로 저항을 통해서 여자된다.

 

 

8. AC시퀀스 (AC sequence)

전력계통의 보호장치의 대부분은 기기와 송전선을 대상으로 하고 있으며 피보호기기의 이상상태는 거의 계기용 변압기와 변류기를 경유하여 보호장치에 인가된다. 그러므로 보호계전장치로서 소기의 목적을 달성하기 위해서는 적절한 입력을 주는 것이 필요하며 그 구체적인 회로를 나타낸것이 AC sequence이다. 즉 피보호계통의 어느 부분에서 어떤 PT와 CT에서 보호계전기에 전압, 전류를 공급하는가를 3선도로 나타낼 필요가 있다. 간단히 말하면 AC sequence는 보호계전기장치의 입력관계를 나타내는 3선 결선도이다.

 

 

9. DC시퀀스 (DC sequence)

전력계통의 기계, 기구를 제어 또는 보호하기 위한 각종 접촉기, 개폐기와 계전기류의 coil과 접점을 대략 조작순서에 따라 전개하여 제어장치, 배전반 및 관련기구의 동작을 쉽게 이해할 수 있도록 한 것이다. DC sequence를 이해하는 데는 도면중의 도기호(graphic symbol),약호,자동제어기구번호(device-function-number)등 을 알아야 한다.

이것은 여러가지 약속에 의해 작성된 것으로 이것들을 조합하여 만든 전기회로도를 기획^작성한 설계자, 이것에 의해 전기기구를 제조한 사람과 그의 운용.보수를 하는 사람사이에 의사를 정확하게 전달하는 언어이며 그 가운데의 도기호는 단어에 해당된다.

 

 

10. 디지털 보호계전기

전력계통의 아날로그 전압.전류를 일정한 시간간격으로 샘플링하여 디지털 수치로 변환하여 마이크로 프로세서에서 프로그램으로 보호계전 기능을 수행하는 장치를 디지털형 보호계전기라 한다. 보호계전기를 디지털화 하는 목적은 다음과 같다.

①전력계통이 대형 복잡화 함에 따라 직류분, 저차고조파 발생등 기존 아날로그 보호계전기의 한계성 극복

②자기진단기능 및 다기능화 함으로서 유지보수의 고려 및 신뢰성을 향상

③반도체 및 정보통신 기능의 적극 이용 등을 들 수 있다.

디지털 계전기의 장단점은 다음과 같다.

장점 : 고성능 다기능, 소현화, 고신뢰성, 융통성, 표준화, 저부담, 경제선 및 장래성

단점 : surge, noise대책, data변환시 오차, H/W고장시 응급복구 난점, 원인규명 난점(내부동작이 program화),

< Fig02. 디지털계전기 구성도 >

 

 

11. 디지털 보호계전기 종류

디지털 보호계전기의 종류를 보면 Hardware와 Software의 구성형태에 따라 완전연산형, 간이구성형, 계수형, Scaner형 등으로 구분할 수 있다.

 

1) 연산형

연산형은 전류, 전압 등의 입력량을 주기적으로 샘플링하여 양자화된 디지털량으로 변환후 프로그램에 따라 계산, 처리 함으로서 보호계전기 기능을 갖도록 한 것이다.

일반적으로 다수의 보호계전기능(단락, 지락, 각상구분)을 시분할 다중처리 함으로서 복합적인 보호계전기 기능을 가질 수 있다. 연산형 디지털 보호계전기는 일 반적으로 16bit 마이크로 프로세서로 구성된다.

 

2) 간이 구성형

기본적으로는 연산형과 동일구성이나 회로의 간소화 또는 bit수의 삭감등으로 비교적 간단한 계전기의 기능, 즉 감시나 고장검출(Fail safe)용으로 이용된다.

 

3) 계수형

입력량을 디지털량으로 변환하여 이것을 계수처리하여 보호계전기능을 갖도록 한 것인데 일반적으로 8bit 마이크로 프로세서가 사용되며 주로 주파수 계전기 등에 이용된다.

 

4) Scaner형

마이크로 프로세서에 의거 계전기 입력과 정정치를 동작시켜 절체하고 입력장치와 정정치를 아날로그의 양으로 비교 판정하여 동작하는 것을 Scaner형이라 하며 과전류계전기나 고장검출(fail safe)용으로 사용되는 비교적 단순계전기에 사용된다.