1. 서 론

전력 시스템 구조의 복잡성이 증가하고 운영 방식의 유연성이 높아짐에 따라 전력 설비 자동화 프로토콜인 IEC 61850⁽¹⁾을 기반으로 한 디지털 변전소에 관한 연구가 꾸준히 진행되고 있다. IEC 61850 기반의 디지털 변전소는 기본적으로 스테이션/프로세스 버스(Station/Process bus) 두 개로 구성된 네트워크 버스 구조를 활용해 동일 네트워크상에 있는 모든 기기와의 데이터 통신이 가능하며 전압, 전류, 차단기 상태 정보 등의 다양한 데이터를 여러 위치에서 수집하고 활용할 수 있다. 따라서 IEC 61850을 활용한 디지털 변전소는 편단 데이터만을 활용하거나 피보호 설비 양단의 전압, 전류 데이터만을 활용하는 기존 보호 방식과 비교하여 네트워크 버스를 통해 여러 위치의 데이터를 수집함으로써 하나의 IED로 더욱 넓은 영역의 보호 및 제어를 수행할 수 있고, 또한 CT 고장(CT Fail), IED 고장(IED Fail) 등과 같은 상황에서 지속적이고 신뢰성 높은 보호 및 제어 결과를 도출할 것으로 기대된다⁽²⁾.

IEC 61850을 활용한 보호 방식은 동일 네트워크상에 있는 모든 기기 간 시각 동기 기술이 필수적이며, 이는 기존 보호 방식 중 피보호 설비 양단 정보를 활용한 보호 방식에서도 필수적인 사항이다. 현재 국내 154[kV] 변전소의 경우 SNTP (Simple Network Time Protocol) 기반의 시각 동기 방식을 적용하고 있다. SNTP 시각동기 프로토콜은 RFC 5905에 정의되어 있는 NTP(Network Time Protocol) 시각 동기 방식의 서브셋으로 요구되는 시각 동기 정확도는 약 1[ms]로 연구되어 왔다^(3,4). 그러나 기술의 발전에 따라 더욱 정밀한 시각 동기 기술이 요구됐고, 이에 부응하여 IEEE 1588 PTP (Precision Time Protocol) 표준⁽⁵⁾이 발표되었다. 네트워크 기반의 정밀 시각동기 표준인 IEEE 1588 PTP 시각 동기 방식을 적용하면 동일 네트워크상에 있는 PTP 지원 기기 간 최대 1[us] 이하의 시각동기 정밀도를 보장한다. PTP 방식은 기준 시각 정보를 제공하는 마스터 클락(Master clock)과 제공받은 시각 정보를 기준으로 자기 시각을 보정하는 슬레이브 클락(Slave clock) 간의 양방향 통신에 의하여 수행되며, GPS 기반으로 절대 시각 동기를 수행하여 다수의 변전소 IED간 동기 샘플링을 가능하게 한다. 그러나 GPS 신호 단절 등의 문제 발생 시, 각 변전소의 마스터 클락이 절대 시각 동기를 수행할 수 없기 때문에 변전소 간 시각 오차가 발생하게 된다. 전류 차동 IED와 같이 선로 양단에 위치한 각기 다른 변전소 측으로부터 데이터를 취득하는 보호 및 제어 기기의 경우, 변전소간 시각 오차로 인해 오동작 또는 부동작 할 수 있는 우려가 있으므로 이에 대한 대응 방식이 필요하다.

시각 동기 오차가 전력 시스템 보호 및 제어에 미치는 영향과 관련한 최근의 연구 논문은 ^(6-9)와 같으며, ⁽⁶⁾은 시각 동기 오차가 거리 계전 방식에 미치는 영향을 분석하였고, ⁽⁷⁾은 하나의 디지털 변전소 내 동일 네트워크에 연결된 보호 IED 간 시각 동기 오차에 대한 영향을 분석하였다. ⁽⁸⁾은 IEC 61850 기반 22.9[kV] 모선 보호에 관해 시각 동기 오차의 영향을 분석하고, 대응 방안으로 1차 라그랑주(Lagrange) 보간법을 제안하였다. 그러나 이상의 논문들은 동일 변전소 내 IED 간 시각 동기 오차에 관한 영향 분석 및 대응 방안만을 다루고 있다. ⁽⁹⁾는 선로 양단 전압, 전류 페이저를 이용해 선로정수를 추정하고, GPS 고장 이전까지 추정된 선로정수를 기반으로 GPS 고장 이후 인접단 전류를 추정하여 IEC 61850 기반의 통신으로 수신된 인접단 전류와의 위상차를 계산하고 이를 이용해 변전소 간 시각 동기 오차를 추정하는 방식을 제안하였다. 그러나 ⁽⁹⁾는 PSCAD를 이용해 출력한 선로 양단 전압, 전류 데이터를 이용해 가상 윈도우로 구성한 IED간 IEC 61850 기반 데이터 송/수신 방식을 통해 제안 방식을 검증하였고, 또한 시각 동기 오차를 모의하기 위해 임의 시점에 편단 변전소 전압, 전류 페이저 위상을 180도 변경하였다. 따라서 실제 변전소에서 반영될 수 있는 AD(Analog-to-Digital) 변환 오차 등의 영향과 실제 측정 시각 오차의 영향이 반영되지 않았다. 또한 ⁽⁹⁾는 전력계통의 고장 상황을 모의하지 않아 내/외부고장에 대한 알고리즘의 적정성 여부가 검토되지 않았다.

본 논문은 ⁽⁹⁾의 결론에서 언급한 향후 연구 예정 사항을 진행한 논문으로 EVM (EValuation Module) 보드를 이용해 구현한 실물 IED와 RTDS를 이용한 테스트 베드를 구축함으로써 HILS (Hardware-In-the-Loop System) 시험을 통해 RTDS의 DA 변환 오차, ADC 보드의 AD 변환 오차, DSP 연산 오차 등이 포함된 환경에서 제안 방식의 적정성을 검증하였다.

본 논문에서는 선로 보호용 전류 차동 IED와 같이 선로 양단의 각기 다른 변전소 측으로부터 데이터를 취득하는 IED의 오/부동작을 방지하기 위해 GPS 고장 등과 같은 문제 발생 시, 변전소 간 시각 오차를 추정/대응하는 방법을 제안한다. 변전소 간 시각 오차를 추정하기 위해 GPS 고장 이전, 동기화된 선로 양단 정상 상태 전압 페이저와 전류 페이저를 이용해 선로정수를 추정한다. GPS 고장 이전까지 추정된 선로정수를 기반으로 GPS 고장 이후 자기단 전압, 전류 페이저를 이용해 인접단 전압, 전류 페이저를 추정하고, 이후 추정된 인접단 전류 페이저와 IEC 61850을 이용해 수신된 인접단 전류 페이저를 이용해 변전소 간 시각 오차를 추정하고 대응한다.

제안 방식의 적정성을 검증하기 위해 RSCAD를 이용해 계통을 모델링하고, RTDS 연산 카드 전면 패널을 통해 선로 양단에서 측정된 순시 전압, 전류를 출력하였다. TI(Texas Instruments) 사의 EVM (AM572X, ADS8688) 보드를 이용해 선로 보호용 전류 차동 IED를 설계/구현하였고, EVM 보드로 구현된 전류 차동 IED는 RTDS로부터 순시 전압, 전류 신호를 입력받아 이를 페이저 변환 후, IEC 61850 SV(Sampled Value)를 통해 인접단 전류 차동 IED와 전압, 전류 페이저 데이터를 송/수신한다. 송전선 양단에 위치한 두 개의 전류 차동 IED는 각각 인접단 전압, 전류 페이저 데이터를 수신하고, 이를 이용해 추정 선로정수 기반의 페이저 시각 오차에 대응한다.

2. 본 론

3. 사례연구

본 논문에서 제안된 추정 선로정수 기반 변전소 간 페이저 시각 오차 대응 기법을 검증하기 위해 RTDS사의 RSCAD를 이용해 대상 계통을 그림 3과 같이 모델링하였고, 대상 계통의 송전선 양단을 154[kV] 테브난 등가 전원으로 구성하였다.

양단 전원의 위상차는 4도이며, 송전선로는 국내 특정 구간의 2회선 송전선로 데이터를 이용해 모델링하였고, 대상 계통의 설비별 파라미터는 표 1과 같다. 송전선로는 2회선 모두 같은 선종을 사용하였고, 긍장도 같은 2회선으로 모델링 하였다.

그림 4는 변전소 간 시각 오차에 따른 차동 전류를 도시한 것으로 동기가 맞는 경우부터 반주기(8.335[ms])까지의 변전소 간 동기 시각 오차가 발생하는 경우의 차동 전류를 나타내었다. 반주기 시각 오차가 있을 경우, 편단 전류 크기의 약 2배에 해당하는 차동 전류가 발생하게 되며 부하전류가 크거나 외부고장이 발생했을 때 오동작할 가능성이 크다.

본 논문에서는 A 변전소에 GPS 고장이 발생하였음을 가정하였고, A 변전소 선로 보호용 IED 내부에 구현한 IEEE 1588 PTP 시각 동기 알고리즘에 시각 동기 오류를 모의해 선로 양단 변전소 간 시각 동기 오차가 발생하도록 모의하였다.

이후 제안 방식의 적정성 검증을 위해 그림 5와 같이 테스트베드를 구성하였다. 변전소별로 GPS 수신기, 마스터 클락, IEEE 1588 PTP 지원 Network S/W와 IED로 구성되며, TI 사의 AM572X 보드와 ADS 8688 보드를 이용해 송전선로 보호용 IED를 구현하였고, SISCO사의 MMS-Ease lite 라이브러리를 이용해 IEC 61850 기능을 구현하였다. ADS 8688 보드의 분해능은 16bit (0-10[V])이며, AM572X의 성능은 표 2와 같다.

RTDS 연산 카드 전면 패널에서 출력된 송전선로 양단 전압, 전류 신호 순시치는 각 IED의 ADC 보드인 ADS 8688 보드를 통해 AM572X의 DSP로 전달되고, DSP는 이를 페이저 변환하여 ARM core로 전달한다. 이때 ADC 보드의 샘플링 주파수는 3,840[Hz]이다. ARM core는 전달된 전압, 전류 페이저 데이터를 IEC 61850 SV (Sampled Value)를 이용해 인접단 IED와 송/수신하도록 구성하였다. 각 IED는 자단에서 측정된 전압, 전류와 인접단으로부터 수신된 전압, 전류를 이용해 송전선로 내부고장 여부를 판단하고 RTDS로 차단 명령이 담긴 GOOSE 메시지를 전달하며, RTDS는 네트워크 카드인 GTNET을 통해 GOOSE를 수신하고 차단기를 동작한다.

표 3은 식(1),(2)를 이용한 선로정수 추정 결과를 나타낸다. 실제값은 시험 대상 계통의 송전선로에 입력한 데이터이며, 추정값과의 오차는 1[%] 미만으로 나타난다.

그림 6, 7, 8은 그림 5와 같은 시뮬레이션 환경에서의 모의 결과를 나타낸다. 그림 6은 A 변전소에 위치한 선로 보호 전류 차동 IED 실행 화면이다. LINUX signal handler를 이용해 ‘Ctrl + \’ 입력 시, signal interrupt가 발생하여 시각 오차 알고리즘이 구동되도록 설계하였고, 그림 6과 같은 정상 상태에서는 최대 수십 ns 단위(그림 내, 사각형 박스 안 수치의 단위)의 시각 오차만 발생하지만, 시각 오차 알고리즘 실행으로 인해 약 120us의 시각 오차가 나타남을 그림 7을 통해 알 수 있다. 오차는 시간에 따라 점차 증가하도록 구현하였으며, GPS 고장이 감지된 A 변전소 측 선로 보호 전류 차동 IED가 시각 오차 여부를 B 변전소에 전달하도록 구현하였다. B 변전소 측 선로 보호 전류 차동 IED는 시각 오차 여부가 수신되기 전까지 추정된 선로정수와 자단 전압, 전류 페이저를 이용해 인접단인 A 변전소 측 전류 페이저를 추정한다. 120us의 오차는 위상으로 환산하였을 때 약 2.592° 이며, 그림 8과 같이 A 변전소 측 선로 보호 전류 차동 IED가 추정 선로정수 기반 변전소 간 시각 오차 추정/대응 알고리즘을 통해 선로 양단 시각 오차를 비교적 잘 추정하고 있음을 알 수 있다. (추정 시각 오차 범위: 2.642°~2.663°) 그림 8(b)는 B 변전소 송전선로 보호 IED의 시각 오차 추정 결과를 그래프로 도시한 그림으로써 인접단 전류 추정(빨강) 값과 수신(검정) 값을 각각 도시 하였으며, 둘의 차이로 추정된 선로 양단 시각 오차(파랑)를 나타낸다. GPS 고장이 발생하기 이전까지는 인접단 전류를 정확하게 추정하므로 추정 값과 수신 값의 차이가 없어 시각 오차가 0으로 나타나며, GPS 고장 시점으로부터 시각 오차가 발생하여 시간에 따라 그 차이가 커지게 되는데 그림 8(b)와 같이 정확하게 추정하는 것을 확인할 수 있다.

표 4는 그림 7, 8의 결과를 표로 나타낸 것으로써 편단 IED에 약 120[us]의 시각 오차를 발생하였을 때, 인접단 IED가 추정한 시각 오차 추정 결과를 나타낸다. 발생 시각 오차로 나타낸 데이터는 IED 오실레이터 (Oscillator)와 마스터 클락 간 시각 오차이다. 즉, 절대 시각 동기 오차를 나타내는 수치로써, 변전소 간 시각 오차 추정 결과 비교적 정확한 추정 결과를 나타냄을 확인할 수 있다.

그림 9는 GPS 고장이 발생한 이후 내부고장을 모의한 결과이다. 그림 9(a)에서는 송전단인 A 변전소 측 전류 페이저 수신값과 추정값, 고장 여부를 순서대로 나타내었고, 0ms부터 GPS 고장이 발생하여 A 변전소 측 전류 페이저 수신값과 추정값이 점차 벌어지는 모습을 확인할 수 있다. 약 38ms 시점에 내부고장이 발생하여 전류 페이저 추정값과 수신값이 반대 방향으로 변화해 그 차이가 약 180° 가까이 변화하며 ‘추정 시각 오차의 시간적 변화량 (그림 내, Del_Est.Sync)’ 기반 내부고장 판단 알고리즘을 통해 내부고장이 정확하게 검출되는 것을 확인할 수 있다. 송전선 보호 IED에서 내부고장이 판단되면 RTDS로 차단 명령이 담긴 GOOSE를 송신하고, 이는 그림 9(b)와 같이 RTDS에서 수신한 차단 명령 GOOSE(CBS, CBR)결과로 확인할 수 있다. RTDS는 차단 명령 GOOSE가 수신된 이후, 순시치 전류의 크기가 0이 되는 가장 가까운 시점에 차단기를 동작시킨다. 그림 9(b)와 같이 차단 명령 GOOSE가 수신된 이후, 송/수전단 전류의 변화를 통해 차단기가 정확히 동작했음을 알 수 있다. CT는 피보호 설비를 기준으로 양쪽에 위치하며 권선이 각기 반대 방향으로 감겨 있으므로 RSCAD Runtime에서 보여지는 순시 전류의 방향은 내부고장 시 같은 방향, 외부고장 시 반대 방향으로 보여진다.

또한 시각 동기 오차 추정/대응 알고리즘은 내부고장과 외부고장을 정확하게 구별하여 판단하고 대응할 수 있어야 한다. 변전소 간 시각 동기 오차가 180° 가까이 나타나고, 지속되는 상황에서 외부고장이 발생한 경우, 송전선로 보호 전류 차동 IED는 그림 10과 같이 오동작할 수 있다.

그림 11은 그림 10과 같은 외부고장 상황에서 본 논문에서 제안한 추정 선로정수 기반 변전소 간 페이저 시각 오차 추정/대응 기법을 적용한 결과이다. 0ms부터 GPS 고장이 발생하여 A 변전소 측 전류 페이저 수신값과 추정값이 점차 벌어지는 모습을 확인할 수 있다. 약 30ms 시점에 외부고장이 발생하여 전류 페이저 추정값과 수신값이 같은 방향으로 변화하기 때문에 추정 시각 오차의 시간적 변화량이 매우 작아 내부고장 판단 알고리즘을 통해 외부고장 시, 오동작하지 않음을 확인할 수 있다.

고장 종류별 시험 결과는 표 5와 같으며, 시각 동기 오차는 A 변전소 IED에 모의하였고, 고장 종류별로 내/외부고장에 대한 고장 검출 결과를 나타내었다. 본 논문에서 제안된 변전소 간 시각 오차의 시간적 변화량을 이용해 상별로 고장 여부를 판단하며, 표 5와 같이 내부고장이 발생한 상을 정확하게 검출하는 것을 알 수 있다.

본 논문에서 제안된 변전소 간 시각 오차를 추정하기 위해서는 GPS 고장 이전까지 정확한 선로 정수가 추정되어야 한다. 따라서 계통으로부터 전압, 전류를 취득하는 PT와 CT의 정확도와 AD 변환하는 ADC의 성능에 큰 영향을 받는다. 본 논문에서의 PT, CT 데이터는 RTDS 전면패널에서 출력되는 12bit DA 변환 신호이고, ADC는 16bit AD 변환을 수행한다. 실제 계통에서 사용되는 PT, CT는 각기 다른 오차율을 갖고 있으며, 이는 본 알고리즘의 선로 정수 추정 결과에 영향을 미칠 것으로 사료 된다. 따라서 시각 오차 추정 결과에도 영향을 미칠 것이므로 시각 오차 추정 결과를 이용해 페이저를 보상하는 방식을 이용할 경우, 전류 차동 계전기 동작에 영향을 미칠 수 있으나 본 논문에서는 시각 오차의 시간적 변화량을 이용해 내/외부고장을 구분하기 때문에 PT, CT 오차로부터 영향이 적다. 이는 PT, CT의 오차가 시간에 따라 같다고 가정할 시, 시각 오차의 시간적 변화량은 한 샘플 간격의 시각 오차 추정 결과의 차이를 이용해 추정되기 때문에 각 샘플에 포함된 오차 요인이 제거되기 때문이다. 그러나 높은 정확도의 시각 오차 추정이 요구되는 응용 분야에 대해서는 분해능이 높은 ADC를 이용하여야 한다.

5. 결 론

변전소 간 시각 오차는 전력 시스템 보호 계전기 오동작 문제를 야기할 수 있다. 이러한 문제를 방지하기 위해 본 논문은 변전소 간 시각 오차를 추정하고, 시각 오차가 발생한 이후에도 송전선로를 정확하게 보호할 수 있는 시각 오차 추정/대응 방법을 제안하였다. 변전소 간 시각 오차를 추정하기 위해 GPS 고장 이전, 정상 상태의 동기화된 선로 양단 전압, 전류 페이저를 이용해 선로정수를 추정한다. GPS 고장 이전까지 추정된 선로정수와 자단 전압, 전류 페이저를 이용해 인접단 전류 페이저를 추정하고, 추정된 인접단 전류 위상과 IEC 61850을 이용해 수신된 인접단 전류의 위상을 이용하여 변전소 간 시각 오차를 추정한다. 이후, 추정 시각 오차의 시간적 변화량을 이용해 선로의 내/외부고장을 정확하게 구분하여 검출한다.

제안 방식을 검증하기 위해 RSCAD를 이용해 계통을 모델 링하고, 선로 양단 순시치 전압, 전류를 출력하여 TI 사의 AM572X, ADS8688 보드로 구현한 IED에 입력하고, IEC 61850 SV를 이용해 각 IED 간 데이터를 송/수신하도록 하여 구현된 제안 방식의 적정성을 검토하였다.