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전력 계통용 보호 계전기 장치의 디지털화와 기술 변천
2011-08-09



낙뢰나 수목 접촉 등으로 전력 계통에 사고가 발생하면, 차단기를 이용해 계통으로부터 사고 개소를 신속히 분리해야 한다. 이때 사고를 검출하고 차단기에 차단 명령을 내리는 것이 보호 계전기의 역할이다. 1971년 출현한 마이크로컴퓨터는 보호 계전기 분야에도 비약적인 진보를 가져왔다. 수치 연산을 원리로 하는 디지털 계전기의 실현성을 높인 것이다. 과거 보호 계전기 장치는 독립된 장치로써 계통을 보호했으나, 오늘날의 디지털 계전기는 계통 사고에 관한 막대한 정보를 기억하고, 외부 시스템으로 전송한다. 이 때문에 디지털 계전기를 전체 전력 계통 속 정보 네트워크의 단말기기로 보기도 한다.

정리 전화영 기자

디지털 계전기의 탄생
디지털 계전기의 개발 약사略史｜디지털 계전기에 관한 최초의 논문은 1968년 미국의 G.D.Rockfeller가 발표했다. 당시는 마이크로컴퓨터가 출현하기 전이어서 실현 수단으로 이용 가능한 것이 대형 프로세스 컴퓨터밖에 없었다. 그러나 이는 장치 규모가 너무 커 실용화 수준까지 아직 먼 상황이었다. 마이크로컴퓨터가 출현한 이후 디지털 계전기의 실현성은 크게 증대해 1970년대 들어서부터 마이크로컴퓨터를 사용한 디지털 계전기의 연구가 각 나라에서 활발히 이뤄졌다. 일본에서도 전력회사와 제조사가 공동으로 연구 개발에 착수해 1980년 디지털 계전기 실용화에 성공했다(<그림 1> 참조).

디지털 계전기의 개발 목적｜디지털 계전기의 개발목적을 살펴보기에 앞서 보호 계전기란 무엇이고, 어떤 역할과 책무를 수행하는지 간단히 살펴본다.
보호 계전기란 전력 계통에 발생한 소란을 검출하고, 그 영향이 전력계통에 미치지 않도록 차단기 등에 지령을 내리는 기기다. 소란 가운데 가장 대표적인 것이 낙뢰 사고다. 송전선이나 철탑에 낙뢰가 치면 상당히 큰 에너지가 애자의 절연을 파괴해 지락 사고나 단락 사고를 유발한다. 보호 계전기는 이것을 확실하고도 빠르게, 물리적으로 분리 가능한 최소 영역을 검출(선택)해야 한다. 확실성(신뢰성), 고속성, 선택성은 보호 계전기의 가장 기본이 되는 책무이며, 보호 계전기 탄생부터 지금에 이르기까지 이 사실에 변함이 없다. 이 책무 추구를 위해 다양한 개발이 행해져 왔다.
디지털 계전기의 개발 역시 보호 계전기의 책무향상이 주 목적이며, 그 외에도 디지털화의 특징을 살린 소형화, 표준화, 보수성 향상 등 보수 운용 측면의 향상을 크게 기대했다.
1986년 발간한 디지털 계전기에 관한 일본 최초의 <전기협동연구보고>에는 디지털 계전기의 개발목적으로 ① 새로운 보호 기능의 창출과 고성능화 ② 보수의 생력화겛力化, 고신뢰화 ③ 소형화 ④ 표준화 지향을 들었다.
이를 실현하기 위한 사례로, 송전선의 상대단 전류를 사용한 PCM 차동差動보호 계전기(이하, PCM 계전기), 자동 감시를 강화한 무보수 무점검화, 불필요한 동작의 방지 대책인 페일 세이프Fail Safe 개념(불량 하나가 오동작을 일으키지 않도록 하는 신뢰성 향상 대책. 하드Hard적으로 독립한 유닛과의 AND로 차단 지령을 내림) 등이 대표적이다.

디지털 계전기의 특이성｜다른 디지털 제품과 비교해 디지털 계전기를 실현하기 위해 몇 가지 기술적 어려움을 극복해야 한다. 기능상 가장 중요한 것은 리얼 타임성이다. 전력 계통의 전류 · 전압을 디지털 신호로 받아들인 후, 이 신호를 이용해 각종 알고리즘에서 보호 연산을 하고 보호 구간 내외를 판단해 차단 지령을 송출하기까지 걸리는 시간이 사고발생으로부터 수십 밀리초여야 한다. 이 때문에 기본적으로 전기각 30°(1.667㎳/50㎐, 1.389㎳/60㎐) 주기로 아날로그 신호를 샘플링하며, 이 샘플링 간격 시간 내에 모든 보호 연산을 한다. 흔히 OS(Operating System)에서는 이러한 고속 태스크Task 실행을 지원할 수 없기에 개발 당시에는 OS를 사용하지 않는 어셈블러 언어를 이용한 직접 프로그래밍이 주류였다. 그러나 편입형 리얼 타임 OS가 개발(μ-ITRON 등)된 이후 C 언어와 같은 고급언어를 사용했으며, 보다 복잡한 기능과 유저 인터페이스가 가능해졌다. 다뤄야 하는 입력 레인지 폭이 크고(전류로는 수백~수만A), 노이즈 환경이 까다로우며, 차동 보호에서 높은 정밀도의 시각 동기 등도 타 디지털 제품과는 다른 특징이다. 또한, 운용 측면에서 보면 예정된 정지 외에는 아주 짧은 순간의 정지조차 허용하지 않으며, 기본적으로 수십 년의 제품 수명 동안 무정지를 요구한다. 때문에 팬이나 하드디스크 등과 같은 회전체를 사용할 수 없다는 제약 하에 장기간 가동을 계속하는 하드웨어가 필요하다.

디지털 계전기의 보급
대상 장치의 확대와 적용 기술의 변천｜PCM 계전기에서 시작된 디지털 보호 계전기는 그 후 1980년 66㎸ 계통의 회선 선택 보호 장치를 비롯해 서서히 그 적용을 확대해 나갔다. 개발 초기의 디지털 계전기(초기형)는 바이폴러Bipolar형 소자 채용으로 발열 해결이 과제였다. 팬 등 회전체를 쓸 수 없어 특수 히트 파이프를 설치해 발열 문제를 해결했다. 그러나 연산 소자는 놀랄 만한 진보를 보였다. 발열이 적은 MOS형의 고속 연산이 가능한 소자가 그 후 수년 만에 출현해 디지털 계전기는 MOS형을 사용한 시리즈로 이동했다(이때의 것을 제1세대라고 부름). 초기형에서 이 적용은 아직 한정적이었으나, 제1세대 시리즈를 개발한 1985년 이후 일본에서 디지털 계전기의 적용은 급속히 늘어나 보호 계전기의 주류를 이뤘다. <표 1>은 디지털 계전기의 보급률 추이를 나타낸 것이다.

또한, 그 사이 32비트 CPU와 16비트 A/D 변환기를 채용해 고속 샘플링(전기각 3.75°)과, 입력 전기량에 포함된 고조파 성분을 제거하기 위한 고도의 디지털 필터 처리가 가능해졌다. 시간이 지날수록 특성 변화를 초래할 수 있는 아날로그 필터를 크게 간소화함으로써 한층 더 무보수 무점검화에 가까워졌다.

기능 확장｜기능 확장은 방식 면에서의 확장과 알고리즘 면에서의 확장으로 나눠 생각하는 편이 알기 쉽다. 방식 면이란 흔히 말하는 보호 방식을 일컫는 것으로, 과전류 · 거리 · 회선 선택 · 방향 비교 · 위상 비교 · 전류 차동 방식 등이 대표적이다. 이들방식은 모두 디지털 계전기 출현 전에 실현됐으며, 디지털화로 실현된 방식은 없다. 그러나 전류 차동방식에서 샘플링한 디지털 전류 신호를 상대 단자와 송수신하는, 이른바 PCM 전류 차동 방식은 디지털화의 산물로 통신 기술에 힘입은 바가 크다.
한편, 알고리즘 면에서의 기능 확장에는 눈을 번쩍 뜨게 하는 것이 있다. 소프트웨어로 다양한 연산을 자유롭게 해 기능을 실현하는 디지털 계전기의 특징을 살려, 이전까지 실현이 불가능했던 복잡한 계전기 특성이나 계통 상태에 자동으로 딱 들어맞는 어댑티브Adaptive 계전기 등을 실현했다. 모선보호에서 이뤄지는 CT 포화 대책(사고 시 CT가 포화하더라도 오동작을 일으키지 않는 대책)은 전류차동 보호의 약점을 메우고 적용 대상을 확대한 예이며, 사고 시 전압의 크기에 따라 PCM 계전기의 동작 감도를 유연하게 변화시키는 분기 부하 대책용 PCM(<그림 2> 참조), 보호 대상의 열 관련 이력이나 허용 열량 등을 고려한 OLR(과부하 계전기) 등은 디지털 계전기의 특징을 살린 대표적인 예다.
비약적으로 성능을 향상시킨 현재의 CPU 성능을 봤을 때 보호 계전기는 아직 그 능력을 다 쓰지 않았으며, 앞으로도 전력 계통의 요구, 운용자의 요구에 따라 새로운 알고리즘이 개발될 것으로 기대한다.

보호 계전기 이외의 파급｜보호 계전기 디지털화의 보급과 동시에, 보호 계전기와 동일한 신뢰성과 고속성을 필요로 하는 시스템, 또는 보호 계전기와 똑같은 알고리즘을 적용하는 장치 등으로 그 적용이 확대됐다. 전력 계통의 안정화 시스템이 그중 하나로, 디지털화의 은혜를 가장 많이 입은 시스템이라고도 할 수 있다. 안정화 시스템(사고 파급 방지 시스템이라고도 함)은, 사고를 적절히 제거한다 해도 사고와 사고 제거의 영향으로 전력 계통의 안정 운용이 불가능한 경우에 적절한 조치를 취해 계통이 안정 운용을 계속하도록 한다. 대상이 되는 현상에는'과도 안정도',' 주파수',' 전압 안정도',' 과부하' 등이 있다. 안정화 시스템은 1960년대부터 필요성이 논의돼 몇 개의 실용 장치도 도입했으나, 아날로그 회로에서 실현 가능한 기능에 한계가 있어 적용이 한정적이었다. 그러나 디지털 계전기 기술의 출현으로 기능의 한계가 사라지고, 여기에 1970년대 이후 급속한 전력 계통 확대로 계통 운용에 어려움이 늘면서 계통 안정화 시스템 도입에 대한 요구가 높아짐에 따라 빠르게 발전했다. 지역적인 것에서 부터, 대형 계산기와 기능을 분담하며 광역 전력 계통의 안정화를 제어하는 것에 이르기까지 고속의 연산 능력과 통신 처리 능력을 살린 다양한 시스템이 실용화됐다(<그림 3> 참조).
보호 분야 외에 제어나 고장점표정故障點標定분야에서도 디지털 계전기의 하드, 소프트를 활용한 디지털화가 보급됐으며, 현재는 모든 보호, 제어 장치가 디지털화된 변전소도 상당히 출현했다.
디지털 계전기의 적용 효과이상 디지털 계전기의 탄생에서부터 보급까지 살펴봤다. 여기서는 디지털 계전기의 적용 효과, 즉 보호 계전기의 디지털화가 전력 계통과 그 운용에 얼마만큼 영향을 미쳤는가의 관점에서 조망해 본다.

전력 계통의 확대, 대전력 송전에 공헌｜일본에서는 1970년 이후 전력의 총 수요가 비약적으로 증대했다. 이에 따라 전력 계통 · 설비도 확대했으나 설비 형성의 제약으로 말미암아 전원의 원격 · 편재화偏在化가 진척돼 전력 계통의 대전력 송전, 다량 루프구성 운용이 필연적으로 나타났다. 이러한 상황 속에서 디지털 계전기와 계통 안정화 시스템은 기존에 많이 발생한 광범위한 파급 사고를 방지하고 계통 신뢰도 향상, 계통 보안 확보 등에 큰 공헌을 했다. 그 전까지 불가피했던 송전선 2회선 동시 사고로 인한 광범위한 계통 파급을 PCM 계전기는 우수한 사고 선택성과 다상 재폐로 기능으로 방지했다.
게다가 오래된 예이긴 하나 일본 수도권에 공급하는 송전선 2회선이 비행기 접촉으로 절단돼 수도권과 그 주변 도시에 이르는 넓은 범위에 공급이 끊긴 사고가 있었다. 이때 안정화 시스템이 적절하게 동작해 도심 중요 지역으로 공급을 계속했다.

설비 형성의 효율화, 설비 형성 제약에 대한 대응 강화｜새로운 송전선이 필요한 경우, 기존 송전선을 T 분기해 계통을 확충하는 편이 전체를 새롭게 건설하는 것보다 효율적일 때가 있다. 1970년 이전까지 이러한 다단자 송전선은 보호가 어려워서(방향 비교나 위상 비교 방식에도 있는 조건 하에서는 3단자까지 가능) 도입은 한정적이었다. 그러나 PCM전류 차동 계전기를 적용한 후 보호 상의 제약은 대부분 없어졌으며, 초고압 계통의 3단자 구성이나 그 이상의 다단자 구성이 가능해졌다. 275㎸ 6단자 송전선에서 200억 엔에 이르는 설비 투자를 절감하는 등 송전선 설비 형성의 효율화에 공헌을 했다.

한편, 송전 설비 자체에 아직 여유가 있어도 계통의 상시 안정화나 사고 발생 시 안정성 측면에서 송전 가능한 전력 크기에 제약이 있어 설비 능력을 충분히 발휘하지 못하는 경우가 있다. 디지털 계전기의 출현으로 보호 계전기에 요구되는 책무가 향상되자 이러한 제약이 완화됐으며 효율적인 설비 운용과 계통 운용이 가능해졌다. 보호 계전기의 고속화는, 예를 들어 사고 발생으로부터 3사이클의 사고차단을 보장한다면 기존 4사이클 차단을 전제로 한 계통 운용을 완화하고, 보다 큰 한계 조류를 전제한 계통 운용이 가능하다. 또한, 계통 안정화 시스템의 고도화로 전원 계획이나 계통 운용 계획이 보다 자유로우며, 설비의 대폭적인 증대로 대처할 수 없었던 과거의 사례가 현재는 설비에서 대응이 가능해졌다. 이러한 점에서 보호 계전기의 디지털화는 설비효율화와 계통 · 전원운용의 효율화에 공헌한다.

장치의 보수 운용성 향상｜보호 계전기의 디지털화는 보호 계전 장치의 보수 운용을 간소화하고 효율화하는 데도 크게 공헌했다. 디지털 계전기가 가진 우수한 자동 감시 기능(자동 점검, 상시 감시)으로 기능에 영향을 미치는 대부분의 불량을 사전에 발견하며, 지금까지의 정기 점검 기간을 대폭 연장하거나 생략시켰다. 또한, 휴먼 인터페이스의 향상과 통신을 이용한 원격 운용 시스템의 도입으로 기존현장에서 실시했던 정정 업무와 장치 동작 시 상세정보의 열람 · 해석, 이상 발생 시 불량 내용 확인 등을 보수 작업 인력이 있는 전기센터 등에서 원방으로 할 수 있어 보수 운용 업무의 효율화에 기여하는 동시에 신속한 복구에도 공헌한다. 그 외에 장치 소형화로 설치 공간 저감, 입력 회로의 저부담화로 계기용 변성기(CT/VT) 등 주 기기의 소형화 등에도 일조한다.

최근 기술 동향
보호 제어 기술과 통신은 점점 밀접한 관계를 맺고 있다. 해외에는 변전소 구 내에서도 여러 장치를 LAN으로 연계하거나 변전기기끼리 고속 전송으로 결합해 기기와 직접 디지털 신호를 주고받는 올All 디지털 변전소까지 출현했다. 보호 제어와 통신의 융합 정도가 커지면 다양한 벤더 장치가 동일한 LAN에 접속돼 운용되는 것을 상정해야 하며, 표준 · 규격화가 중요해진다.
IEC61850는 변전소의 보호 · 제어 장치 전체를 규격에 의거해 디지털화해 변전소의 장치 · 기기를 상호 운용하는 목적으로, 2005년에 Edition1의 규격화를 완료하고 이어 Edition2의 규격화를 추진 중이다(<그림 4> 참조).
IEC61850을 일본에 적용하려면 논리 모델의 확장이 필요하며, 페일 세이프 계전기를 네트워크상에서 어떻게 구성할 것인지 등 몇 개의 과제가 있다. 한편, 인터넷의 급속한 발전 · 확대와 전력회사의 광섬유망 확충 덕분에 전력 통신망도 크게 변모했다. 이미 일부 전력회사는 모든 전기소에 IP망을 구축했으며, 가까운 미래에 대부분의 전력에서 구축할 것으로 보인다.
IP망을 PCM 계전기에 적용하는 데 있어 샘플링 동기가 최대 기술 과제이나, 이미 몇 개의 방식이 연구돼 실용화도 가까워졌다. 현재 일본 전기학회 조사전문위원회에서 보호 계전기의 범용 통신망 이용에 대해 조사 중이며, <기술보고>를 2012년에 발행할 예정이다(<그림 5> 참조).
또한, 스마트 그리드나 송전선 광역 감시 제어 시스템(WASA) 등에서도 디지털 계전기 기술의 적용은 필수며, 국가 프로젝트로 국제 표준화에도 적극나서고 있다.

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< Energy News >


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