네트워크 안정성을 위한 전력 시스템의 오류 분석 및 보호
전력 시스템의 오류 분석 및 보호는 전력 네트워크의 안정적이고 안전한 작동을 보장하는 전기 공학의 중요한 측면입니다. 전원 시스템의 비정상적인 조건인 결함은 장비 손상, 전원 공급 중단으로 이어질 수 있으며 개인과 공공 안전에 위험을 초래할 수 있습니다. 결함 분석에는 결함 식별 및 분석이 포함되며, 보호 시스템은 결함을 즉시 감지하고 격리하여 전력 시스템에 미치는 영향을 최소화하도록 설계되었습니다. 이 포괄적인 접근 방식은 시스템 안정성을 유지하고 장비 손상을 방지하며 인력과 자산을 보호하는 데 도움이 됩니다.
결함 유형 및 특성:
전력 시스템에서 각각 고유한 특성을 가진 다양한 유형의 오류가 발생할 수 있습니다. 몇 가지 일반적인 결함 유형은 다음과 같습니다.
단락 고장: 정상 부하 또는 저항을 우회하여 두 개 이상의 도체 또는 위상이 직접 접촉할 때 단락이 발생합니다. 이로 인해 전류 흐름이 급격히 증가하고 장비에 심각한 손상을 입히고 전원 공급이 중단될 수 있습니다.
접지 오류: 접지 오류는 도체가 접지 또는 접지된 표면과 접촉할 때 발생합니다. 심각한 안전 위험이 있으며 절연 파괴, 장비 손상 및 정전을 일으킬 수 있습니다.
개방 회로 결함: 개방 회로 결함은 전원 시스템의 도체 또는 구성 요소의 완전한 중단 또는 분리를 초래합니다. 이러한 결함은 비정상적인 전압 상태, 불균형 작동을 유발할 수 있으며 장비 손상으로 이어질 수 있습니다.
상간 고장: 상간 고장은 다상 시스템의 두 상이 직접 접촉할 때 발생합니다. 심각한 단락, 높은 고장 전류 및 장비 손상을 유발할 수 있습니다.
위상 대 접지 결함: 위상 대 접지 결함은 위상 도체가 접지 또는 접지된 물체와 접촉할 때 발생합니다. 이러한 오류는 접지를 통한 전류 흐름, 절연 파괴 및 장비 손상으로 이어질 수 있습니다.
오류 분석 기법:
결함 분석에는 결함 상태 동안 전력 시스템의 동작을 연구하는 것이 포함됩니다. 결함을 분석하고 그 영향을 평가하기 위해 다양한 기술과 방법이 사용됩니다. 주요 기술은 다음과 같습니다.
대칭 구성 요소: 대칭 구성 요소 분석은 3상 시스템의 고장 분석을 위한 강력한 방법입니다. 불균형 오류 전류를 양의 시퀀스, 음의 시퀀스 및 제로 시퀀스의 세 가지 대칭 구성 요소로 분해합니다. 이 분석을 통해 결함 동작을 명확하게 이해하고 결함 전류 및 전압을 결정할 수 있습니다.
단위 단위 시스템: 단위 단위 시스템은 전기량을 정규화하고 이를 공통 기준, 일반적으로 시스템의 정격 값으로 표현하는 데 사용됩니다. 다양한 장치를 처리할 필요가 없어 결함 분석을 단순화하고 서로 다른 시스템 구성 요소 간의 직접적인 비교를 허용합니다.
단락 분석: 단락 분석에는 오류 조건 동안 오류 전류 및 전압 계산이 포함됩니다. 고장 전류의 크기와 지속 시간을 결정하고 장비 등급을 평가하며 보호 장치 조정을 설정하는 데 도움이 됩니다.
결함 위치: 결함 위치 기술은 전력 시스템에서 결함의 정확한 위치를 결정하는 것을 목표로 합니다. 이러한 기술은 오류 위치를 정확하게 추정하기 위해 서로 다른 위치에서 전압, 전류 또는 오류 시작 시간 측정을 사용합니다. 방법에는 임피던스 기반 결함 위치 및 진행파 기반 결함 위치가 포함됩니다.
과도 안정성 분석: 과도 안정성 분석은 오류 이후 안정적인 작동을 유지하는 전력 시스템의 능력을 평가하기 위해 수행됩니다. 여기에는 결함 제거 및 후속 과도 응답 동안 시스템의 동적 동작을 연구하는 것이 포함됩니다.
전자기 과도 해석: 전자기 과도 해석은 결함과 관련된 빠른 과도 및 고주파 현상을 고려합니다. 스위칭 작업, 낙뢰 서지 및 오류로 인한 과도 상태 동안 시스템의 동작을 이해하는 데 도움이 됩니다.
보호 시스템:
보호 시스템은 결함을 감지하고 전력 시스템의 결함 부분을 신속하게 격리하여 전체 네트워크의 안전과 신뢰성을 보장하도록 설계되었습니다. 보호 시스템의 핵심 요소는 다음과 같습니다.
보호 계전기: 보호 계전기는 전원 시스템의 이상 상태를 감지하고 오류를 격리하기 위한 적절한 조치를 시작하는 장치입니다. 전류, 전압, 전력 및 주파수와 같은 다양한 전기적 양을 모니터링하고 미리 설정된 임계값과 비교합니다. 보호 계전기는 전류 균형, 전압 비교 및 임피던스 측정과 같은 원리를 기반으로 작동합니다.
CT(Current Transformer) 및 PT(Potential Transformer): CT 및 PT는 전력 시스템의 전류 및 전압을 보호 계전기에서 정확하게 측정할 수 있는 수준으로 낮추는 데 사용됩니다. 절연을 제공하고 릴레이 입력이 지정된 작동 범위 내에 있는지 확인합니다.
회로 차단기: 회로 차단기는 고장 전류를 차단하고 고장 난 부분을 나머지 전력 시스템으로부터 격리할 수 있는 장치입니다. 보호 계전기의 신호에 응답하거나 미리 설정된 전류 또는 시간 값에 따라 작동합니다. 회로 차단기는 고장 전류를 안전하게 처리할 수 있는 적절한 차단 용량이 있어야 합니다.
통신 시스템: 최신 보호 시스템은 통신 네트워크를 통합하여 보호 체계를 조정하고 결함 위치를 결정할 수 있습니다. 통신 시스템은 릴레이 간의 신속한 정보 교환을 촉진하여 더 빠른 오류 감지 및 시스템 복원을 가능하게 합니다.
백업 보호: 백업 보호는 기본 보호 시스템이 실패할 경우 장애 격리를 보장하는 보조 보호 계층입니다. 추가 수준의 보안을 제공하고 전력 시스템의 무결성을 유지하는 데 도움이 됩니다.
조정 및 선택성: 보호 시스템은 결함에 가장 가까운 보호 장치만 작동하도록 조정되어 시스템의 나머지 부분은 영향을 받지 않고 결함이 있는 부분을 격리합니다. 선택성은 보호 장치에 대한 적절한 시간-전류 조정 곡선을 설정하여 달성됩니다.
시스템 안정성 및 사후 오류 분석:
오류 발생 후 전력 시스템의 안정성을 평가하고 정상 작동으로 복원하는 것이 필수적입니다. 여기에는 다음이 포함됩니다.
일시적 안정성 분석: 일시적 안정성 분석은 오류 발생 후 시스템이 안정적인 작동을 유지하는 능력을 평가하기 위해 수행됩니다. 로터 각도 안정성, 전압 안정성 및 전력 시스템 진동과 같은 요소를 고려하여 발전기, 송전선 및 부하의 동적 응답을 평가합니다.
전압 안정성 분석: 전압 안정성 분석은 오류 발생 중 및 이후에 허용 가능한 전압 수준을 유지하는 전력 시스템의 능력을 평가합니다. 무효 전력 지원, 전압 제어 및 오류로 인한 전압 변동의 영향과 같은 요소를 고려합니다.
부하 흐름 분석: 오류 발생 후 전력 시스템의 정상 상태 작동 조건을 결정하기 위해 부하 흐름 분석을 수행합니다. 결함 제거 및 네트워크 재구성의 영향을 고려하여 시스템의 전압, 전류 및 전력 흐름을 계산합니다.
시스템 복원: 장애 제거 후 시스템 복원 활동은 전원 시스템을 정상 작동 상태로 되돌리는 데 중점을 둡니다. 여기에는 시스템 안정성을 보장하면서 영향을 받는 영역에 전력 공급을 복원하기 위한 조정된 스위칭 작업, 부하 재활성화 및 네트워크 요소 재구성이 포함됩니다.
릴레이 조정 및 보호 철학:
릴레이 조정: 릴레이 조정은 보호 장치의 선택적 작동을 달성하는 것을 목표로 합니다. 여기에는 보호 계전기에 대한 적절한 시간-전류 특성 및 조정 곡선을 설정하여 오류에 가장 가까운 계전기가 작동하도록 하면서 상류 보호 장치의 불필요한 트리핑을 방지하는 것이 포함됩니다.
보호 철학: 보호 철학은 보호 시스템의 설계 및 구현에 채택된 전략과 철학을 결정합니다. 여기에는 보호 체계의 신뢰성, 선택성, 작동 속도, 감도 및 보안과 같은 고려 사항이 포함됩니다.
ZSI(Zone Selective Interlocking): ZSI는 전원 시스템의 여러 구역에서 회로 차단기의 작동을 조정하기 위해 보호 시스템에 사용되는 기술입니다. 빠른 결함 제거가 가능하고 전체 시스템에 미치는 영향을 최소화합니다.
SPS(Special Protection Schemes): SPS는 기존 릴레이를 넘어서는 추가 보호 기능 구현을 포함합니다. 이러한 체계는 향상된 시스템 안정성, 신뢰성 및 발전기 여기 손실 또는 영역 간 진동과 같은 특정 작동 문제를 완화하는 기능을 제공합니다.
신기술 및 발전:
광역 모니터링 및 보호 시스템(WAMS): WAMS는 전력 시스템의 여러 위치에서 동기화된 측정을 활용하여 실시간 모니터링, 오류 감지 및 시스템 보호를 가능하게 합니다. 이러한 시스템은 향상된 상황 인식을 제공하여 더 빠른 오류 분석 및 의사 결정을 가능하게 합니다.
디지털 변전소 및 IEC 61850: 디지털 변전소는 IEC 61850과 같은 디지털 통신 기술을 활용하여 결함 감지, 진단 및 신속한 결함 제거를 개선합니다. 디지털 변전소는 보호 시스템을 제어 및 모니터링 시스템과 원활하게 통합하여 시스템 성능과 유연성을 향상합니다..
PMU 기반 보호: PMU(Phasor Measurement Units)는 전원 시스템에서 동기화된 전압 및 전류 측정을 제공합니다. PMU 기반 보호 시스템은 더 빠른 오류 감지, 정확한 오류 위치 추정, 향상된 시스템 보호 및 제어를 가능하게 합니다.
결함 위치 기술: 고급 결함 위치 기술은 진행파 기반 방법, 시간 영역 반사 측정 또는 동기화된 측정을 사용하여 전력 시스템에서 결함을 정확하게 찾습니다. 이러한 기술은 결함 식별을 향상하고 더 빠른 결함 제거를 가능하게 합니다.
요약하면 전력 시스템의 오류 분석 및 보호에는 전력 네트워크의 안전, 신뢰성 및 안정성을 유지하기 위해 오류를 식별, 분석 및 적시에 격리하는 작업이 포함됩니다. 결함 분석 기술, 보호 시스템 및 조정을 통해 결함을 신속하게 감지, 현지화 및 제거하여 시스템에 미치는 영향을 최소화할 수 있습니다. 디지털 변전소, WAMS 및 PMU 기반 보호와 같은 기술의 지속적인 발전은 전력 시스템의 오류 분석 및 보호 체계의 정확성, 속도 및 효율성을 지속적으로 향상합니다.