개요

보호계전기 정정 업무는 계전기의 사고 검출 감도와 동작 시한의 적정값을 결정하는 업무로, 전력 공급 신뢰도 유지를 위해 중요한 역할을 한다. 이 업무는 계통 사고 현상과 계전기의 동작 원리, 특성 등을 사전에 충분히 파악해야 하며, 적용 계통 조건에 있어 여러 해석 계산, 정정 계산 및 계전기 상호 간의 동작 협조에 대해 면밀한 검토를 필요로 하는 복잡하면서도 수고를 요하는 업무이자 전문지식 · 노하우가 요구되는 고도의 업무다. 또한, 전력계통의 증강 및 분산형 전원의 대량 도입 등 전력계통의 확대 · 복잡화로 보호계전기 정정 업무 · 해석 업무는 점점 더 복잡해지고 업무량이 증대하고 있다.
이러한 배경 속에서 토호쿠[東北]전력㈜는 계전기 정정값 검토의 정확하고 효율적인 수행 및 사고 시 계전기 응동 해석을 주요 목적으로 1997년에 EWS(Engineering Work Station)판에서 상위계(154㎸ 이상의 계통, 이하 1차계)용, 2002년에는 컴퓨터판에서 저위계(66㎸ 이하의 계통, 이하 2차계)용의 계전기 정정 지원 시스템을 도입해 계전기관련 업무에 활용하고 있다. 2007년에는 1차계 시스템을 컴퓨터판으로 교체해 계전기 정정 업무와 사고 해석 업무의 보다 정확한 실시와 신뢰도 향상을 꾀하고 있다.
본고에서는 계전기 정정 지원 시스템 도입 경위와 현재 운용하는 시스템의 기능에 대해 보고한다.

계전기 정정 지원 시스템의 도입 경위

토호쿠전력㈜에서는 전력계통의 확대 · 복잡화에 따른 계통 보호계전기 정정 업무 및 관리 업무의 양적 · 질적인 증대에 대응하기 위해 1993년에 정정 대장臺帳기능, 정정지원기능(응동시뮬레이션, 고장계산, 시한 협조도 작성 등)을 구현한 '계통 보호계전기 정정 · 관리 시스템(Protective Relay OperaTion ONline Service system, 이하 PROTONS)'을 범용계산기를 사용한 시스템으로 도입했다. 이를 통해 계통 보호계전기 정정 · 관리 업무에 관한 모든 종류의 항목을 데이터베이스화하고, 그 데이터베이스를 바탕으로 검토 항목별로 데이터를 편성해 정정 검토 단계에서 각종 지원이 가능해졌다. 그후 1997년에 PROTONS의 정정 지원 기능을 EWS로 전환해 각종 지원 기능의 처리 속도와 도형 처리 능력을 향상시키고, 1차계 계전기 정정 지원 시스템으로 계전기관련 업무에 활용해 왔다. PROTONS는 계전기정정값 데이터 및 계전기 설비 데이터(적용 계전기 방식, 계전기 형식, VCT비 등)의 관리 시스템으로 현재도 운용중이다.
한편, 2차계의 계전기 정정 업무는 각 지점 급전지령소(7군데)에서 업무를 실시했으며, 고장 계산 툴 등 개별지원툴은 있지만 정정검토, 동작협조확인, 정정 검토서 · 정정 표 작성에 이르기까지 거의 수작업으로 이뤄졌다.
이러한 가운데 당사는 급전 운용 체제의 재검토를 통해 2002년 3월부터 2차계 계전기 정정, 해석 업무가 지점 급전지령소에서 제어소(22군데)로 이관되면서 지금까지 위에서 논한 계전기 정정 업무의 체크기능 강화 및 철저한 휴먼 에러 방지를 도모하고 안정 공급과 높은 신뢰도를 유지할 필요성이 커지게 됐다. 이를 위해 컴퓨터판의 2차계 계전기 정정 지원 시스템을 개발 · 도입해 제어소에서의 2차계 계전기 관련 업무를 지원했다. 또한, 1차계 계전기 정정 업무에서도 2007년 3월 더욱 새롭게 계통 급전지령소(3군데)를 발족해 지금까지 중앙 급전지령소에서 한 1차계 계전기 정정 업무의 일부를 계통 급전지령소로 이관했다. 이로써 거기까지 운용해 온 1차계 계전기 정정지원시스템(EWS판)을 컴퓨터판으로 교체하고 1차계, 2차계 모두 컴퓨터판에 의한 고도의 지원 기능을 구비함으로써 계전기 정정 및 해석 업무의 정확하고 효율적인 수행을 지원하고 있다.

시스템 개요

정정 업무의 일반적인 흐름은 <그림 1>과 같다. 먼저 대상 계통의 설비 · 정수를 파악하고 검토에 필요한 고장 계산 및 영상 순환전류 계산을 여러 번 실행한다. 이 계산 결과를 바탕으로 정정 지침 및 정정 담당자의 경험적 판단에 따라 가假정정값을 구한다. 이 가정정값으로 다른 단자 계전기와의 동작 협조를 확인한 뒤 문제가 없으면 정식 정정값으로 결정한다.

1. 고장 계산 기능
계전기 정정 업무에서 정정 계산의 사전 계산으로 고장 계산을 행한다. 예를 들어 2회선 3단자의 송전선 보호계전기의 정정 검토에는 수십 케이스의 보호 구간 내외부 고장 계산이 필요하며, 계통조건(배후전원, 차단기(이하 CB) 개폐 상태, 정지회선 등), 고장 종별, 사고점 등의 검토에 필요한 조건을 바르게 선택해 케이스를 설정해야 한다. 또한 고장 계산결과는 계통도 맵 형식으로 정리해 정정 검토서로 첨부하기 위해 이들 일련의 업무에 방대한 시간과 수고가 필요했다.
이 때문에 당사에서는 일반적으로 실현되고 있는 임의 케이스의 고장 계산 기능, 임의의 여러 케이스의 일괄 고장 계산 기능 외에 '표준 고장 계산 자동실행 기능'을 1차계용, 2차계용 양 시스템에 장착했다. 이 기능은 운용자가 정정 대상인 계전기 설치 개소를 1군데 지정함에 따라 시스템이 관련하는 전체개소(2회선 3단자 송전선의 경우에는 6군데) 분의 정정 검토에 필요한 고장 계산 케이스를 자동 작성 · 실행해 계산 결과를 정정 검토서 서식(Word 또는 Excel)으로 출력하는 것이다. 시스템 도입 이전에는 수시간~수일을 요했던 업무가 수십 분 만에 가능하다.

<그림 2>는 2차계 시스템에서의 계전기 설치 개소가 2회선 3단자 송전선인 경우 사고점 설정 범위를 나타낸 것이다. F##은 자동적으로 검색 · 설정되는 사고점, A#~E#은 케이스마다 개폐 상태가 설정되는 CB이며, 앞에서 논한 다른 조건과 맞춰 약 50~100케이스가 자동으로 작성된다.

<그림 3>은 실행 결과의 정정 검토서 서식 출력(1케이스 분)을 나타낸다. 이 출력은 간략하게 표현한 계통도 위에 검토에 필요한 결과만을 추출해 표시하는 것으로, <그림 2>의 예로는 10~20페이지 정도의 Word 문서 파일이 된다.

2. 계전기 응동 시뮬레이션 기능
이 기능은 계통 정수와 계전기 설비, 정정값 및 각 계전기의 단체單體특성, 시퀀스 등을 이용해 설정된 계통조건 및 고장조건에 의해 사고 발생에서부터 사고 제거까지의 계전기 응동을 시계열적時系列的으로 시뮬레이션 하는 기능이다. 때문에 정정 검사 후의 협조 확인 외에도 사고 시 계전기 응동 해석에 활용할 수 있으며, 계전기 관련 업무의 신뢰도를 높이는데에도 중요한 역할을 담당한다. 이 기능으로 보호조건이 까다로운 사고 사례의 계전기 응동 체크나, 계전기 잠금 및 CB 오 · 불동작과 같은 변칙적인 경우를 상정한 체크 등 감도 · 시한 협조의 조합으로 동적인 계전기 응동 확인이 용이해졌다.
이 기능의 특징은 다음과 같다.

① 사고 발생에서 사고 제거까지 각 계전기 동작을 시계열 시뮬레이션
② 주 보호계전기 및 재폐로계전기는 임의 시간 경과 후에 동작하는 강제 모의(1차계 시스템만)
③ 전기기계형에서 제2세대 디지털형까지의 계전기 시퀀스, 단체 동작 특성을 제조사별 차이까지 상세하게 모의(2차계 시스템에서는 반한시 특성의 과전류계전기 포함)
④ 제어용 절체개폐기(43SW), 불동작 CB 설정에 의한 모의
⑤ 각 시각 단면의 계전기 동작 맵 출력 및 계전기 시퀀스, 계전기 · CB 동작 타임 차트 출력

오래된 1차계 시스템(EWS판)에서는 단일 케이스만 실시가 가능했기 때문에 정정값의 타당성 체크를 위한 응동應動시뮬레이션 실시에서 운용자가 실시 케이스를 여러 개 설정하고 한 케이스씩 일일이 실시해야 했다. 또한, 타당성 체크는 정정 지침에 정해진 보호 협조 체크 포인트에 근거해 실시되지만 구체적인 케이스 성정이나 결과의 양부 판정은 운용자의 지식 · 경험 등에 따라 불규칙하게 나올 가능성이 있었다.
'협조 확인 케이스 자동 시뮬레이션 기능'은 이러한 과제를 해결하는 것으로, 시스템이 자동적으로 정정 검토 중의 대상 계전기를 인식한다. 또한, 협조확인에 필요한 응동 시뮬레이션 케이스를 계통조건 등을 바탕으로 자동으로 작성 · 실행하고 다시 한 번 결과의 양부를 판정한다. 1, 2차계 시스템 모두 이 기능을 지니고 있으며 다음 두 모드를 가지고 있다.
① 개별 협조 체크 모드 - 정정 대상의 계전기 방식과 설치 개소의 계통조건을 바탕으로 하며, 특히 보호 협조 체크에 필요한 계전기 요소의 경우 필요한 모든 보호구간 내 · 외부 사고의 협조 확인을 실시한다(정정 지침 등에서 정한 보호 협조 체크 포인트를 바탕으로 체크).



[그림 4] 응동 시뮬레이션 결과 출력

② 전 계전기 협조 체크 모드 - 정정 후 보호계전기 장치 전체의 최종 보호 협조 체크로, 보호구간 내부 사고 시 정정 대상 계전기의 동작 확인, 외부 계전기의 불동작 확인 및 보호구간 외부 사고 시 정정 대상 계전기의 불동작 확인을 실시한다.
게다가 1차계 시스템에서는 전 계전기 협조 체크모드를 지정한 계통 내 모든 송전선에 대해 실시하는 '계통 일괄 협조 체크 모드'를 가지고 있으며, 계통 변경이 대폭 있는 경우 등에 계통 전체의 보호 협조 체크로 활용할 수 있다.
<그림 4>는 1차계 시스템에서의 응동 시뮬레이션 결과 출력을 나타낸 것이다. 계산 결과는 업무의 효율화 및 운용자의 기술력 유지 · 향상도 고려해 복잡하면서도 다량의 시뮬레이션 결과를 용도에 맞춰 용이하게 파악 가능하도록 하고 있다.
<그림 4-⒜>는 시뮬레이션 결과 계통도상의 표시예로, 계전기 응동 시뮬레이션 계산 과정에서 나타난 각 시각 단면(CB 차단 단면)의 고장 계산 결과, 계전기의 동작 상황 및 차단 CB의 상황을 표시한다. 또한, 계산 종료 후 시각 단면의 전환이 가능해 각 시각 단면 상황을 확인할 수 있다. <그림 4-⒝>는 각 계전기 요소의 동작 상황을 단체 특성도에서 확인한 화면이다. 그림의 예는 A 변전소 AB선 1호의 단락 방향 거리계전기(DZ)의 단체 특성도를 표시한 것이며, 좌표로 이루어진 계전기 입력값으로 계전기 동작 상황을 확인할 수 있다. <그림 4-⒞>는 각 계전기 단자의 시퀀스 구성도를 표시했으며, 각 시각 단면의 동작 상황을 각 계전기 요소 및 선의 색깔을 바꿈으로써 쉽게 파악하도록 했다. 그림의 예에서는 굵은 테두리 및 굵은 선 부분(컴퓨터 화면 상에서는 적색 표시)이 동작이 이루어진다. <그림 4-⒟>는 타임 차트 표시 예로, 각 계전기 요소 시계열 상의 동작 상황을 확인할 수 있다.

<그림 5>에는 협조 확인 케이스 자동 시뮬레이션 기능에서 전 계전기 협조 체크 모드의 결과 출력을 나타냈다. 이 모드에서는 다음의 체크 내용에 따라 응동 결과의 양부를 판정한다.
Excel 형식으로 출력된 결과에는 고장 사례마다 정정 대상 계전기 설치 개소의 CB 동작 상황 및 양부 판정 결과가 한 눈에 살펴보도록 표시된다. 또한, 각 고장 사례의 상세한 시뮬레이션 결과는 <그림 4>에 나타난 결과 출력을 통해 확인이 가능하다.

● 보호구간 내부 사고 시의 정정 대상 계전기 동작 및 외부 계전기 불동작
● 보호구간 외부 사고 시의 정정 대상 계전기 불동작

이상과 같이 이 기능을 통해 정정 검토 후 협조 확인이 가능하며, 업무의 효율화와 함께 정정 실수(보호 협조 불량) 방지 강화 및 계전기 응동의 이해에 따른 기술력 유지 · 향상을 기대할 수 있다.

3. 시퀀스 구성도 편집 기능

과거 시스템에서는 응동 시뮬레이션에서 계전기 모의 시퀀스 변경이 제조사 의존으로 이루어졌으나 시스템의 보수성 향상을 위해 시퀀스 편집 기능을 내장했다.
<그림 6>은 일례로 1차계 시스템의 편집 화면(타이머 추가 예)을 나타낸 것이다. 1, 2차계 시스템 모두 시스템에 등록된 표준 시퀀스를 바탕으로 시스템의 계통 데이터 구조에 영향을 주지 않는 범위에서 운용자가 직접 편집 할 수가 있다. 이 기능으로 계전기 장치의 사양 개량 등이 발생한 경우에도 상당한 범위까지 사용자 보수가 가능하다.

마무리

이상 설명한 토호쿠전력㈜에서의 지원 시스템 특징은 다음과 같다.

① 표준 사고 계산 자동 실행, 협조 확인 케이스 자동 시뮬레이션 기능 (효과 : 효율화, 정확성)
② 계전기 시퀀스의 사용자 유지 보수 기능 (효과 : 보수성 향상)
③ 다면적 검토를 위해 이해하기 쉬운 출력 (효과 : 기술력 유지 · 향상)
④ 컴퓨터판 채용 (효과 : 조작성 · 작업성 향상)

1차계 시스템은 관계 14개소에서, 2차계 시스템은 관계 35개소에서 운용되고 있으며, 정정 업무는 물론 계통 사고 시의 계전기 응동 해석 및 계통 연계기술 요건의 검토 등 다방면으로 활용하고 있다.

보호계전기
전력계통에서 단락이나 접지 사고가 발생했을 경우, 또는 과부하 및 기타 원인으로 이상상태가 생겼을 경우 그 현상을 검출해 신속하게 계통으로부터 분리하도록 지령을 내리는 목적을 가진 기구를 말한다. 종류로는 과전압 계전기(OVR), 부족전압 계전기(UVR), 과전류 계전기(OCR), 거래계전기(DGR) 등이 있다.

<Energy News>