Pilot Protection for Distribution Feeders Using Active Signature-Harmonic Injection from a Soft Open Point

우리 집과 사업장에 전력을 공급하는 전기는 배전 네트워크라고 알려진 거대하고 복잡한 전선망을 통해 이동합니다. 수십 년 동안 이 네트워크는 대규모의 멀리 떨어진 발전소에서 동네와 공장으로 전력이 일정하게 흘러나가는 일방통행 도로처럼 작동해 왔습니다. 그러나 지붕형 태양광 패널이나 지역 사회의 풍력 터빈과 같은 국지적 에너지원의 등장으로, 이 그리드는 분주한 양방향 고속도로로 변모했습니다. 이제 전력은 여러 방향으로 흐르며, 시스템은 불을 밝히기 위해 끊임없이 적응해야 합니다. 이러한 복잡성을 관리하기 위해 엔지니어들은 소프트 오픈 포인트(soft open point)라고 불리는 유연한 장치를 사용합니다. 이것을 그리드의 서로 다른 구역들을 연결하여 부하를 조절하고 전압 변동을 완화하는 스마트하고 조절 가능한 밸브라고 생각하십시오. 이 기술은 큰 유연성을 제공하지만, 그리드를 보호하기 위해 설계된 안전 시스템에는 새로운 과제를 안겨줍니다. 전선이 끊어지는 것과 같은 고장이 발생할 때, 소프트 오픈 포인트는 전기가 작동하는 방식을 변화시켜 전통적인 안전 센서를 혼란스럽게 만들 수 있으며, 이는 잠재적으로 센서가 작동해야 할 때 작동하지 않거나 작동하지 말아야 할 때 불필ী하게 작동하게 만드는 원인이 됩니다.

구이저우 전력 그리드(Guizhou Power Grid Co., Ltd.)와 후난 대학교(Hunan University)의 연구진은 이 특정 문제를 해결하기 위한 새로운 방법을 개발했습니다. 그들은 소프트 오픈 포인트 자체가 안전 센서의 가이드 역할을 하는 시스템을 제안하며, '능동 시그니처 고조파 주입(active signature-harmonic injection)'이라는 기술을 사용합니다. 간단히 말해, 시스템이 고장을 암시하는 전압 강하를 감지하면, 소프트 오픈 포인트는 전력 흐름에 특정하고 높은 음조의 전기 신호를 잠시 추가합니다. 이 신호는 300 Hz 고조파로, 표준 전력 그리드의 일반적인 웅웅거리는 소리와는 구별되는 주파수입니다. 이 독특한 "시그니처"를 주입함으로써, 이 장치는 보호되는 선로의 양 끝에 있는 안전 센서들이 따라올 수 있는 명확한 흔적을 만듭니다. 센서들은 이 특정 주파수를 찾고, 주 전력 전류에 비해 이 신호가 얼마나 강한지를 측정합니다.

이 발견의 핵심은 이 시그니처가 고장의 위치에 따라 어떻게 다르게 행동하는지에 있습니다. 만약 고장이 보호되는 구간 내부에서 발생한다면, 시그니처 신호는 단락 지점을 향해 강하게 흐르며, 이는 보호되는 선로 양 끝의 센서가 감지하는 내용에 명확한 차이를 만듭니다. 한쪽 센서는 신호를 명확하게 포착하는 반면, 다른 쪽은 거의 포착하지 못합니다. 이러한 불균형은 시스템에 "문제가 바로 우리 사이의 여기에 있다"라고 알려줍니다. 반대로, 고장이 보호 구역 외부에 있다면, 시그니처 신호는 선로를 통과하여 반대편으로 흘러나가며, 양쪽 센서에서 유사하고 균형 잡힌 방식으로 나타납니다. 이러한 유사성은 시스템에 "문제가 다른 곳에 있으니 전력을 차단하지 마라"라고 알려줍니다. 연구진은 실제 세계의 전기적 조건을 모사하는 상세한 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 이 아이디어를 테스트했습니다. 그들은 금속 간 직접 단락과 같은 저항이 없는 고장과, 흙이나 식물 등으로 인해 탐지하기 더 어려운 시나리오인 10 Ω 저항이 포함된 고장을 포함한 다양한 시나리오를 시뮬레이션했습니다.

시뮬레이션 결과는 이 새로운 방법이 전통적인 시스템이 어려움을 겪는 곳에서 효과적으로 작동함을 보여줍니다. 소프트 오픈 포인트가 선로의 끝이나 중간에 연결된 경우, 전통적인 센서들은 특히 저항이 포함된 고장이 발생했을 때 안전한 상태와 위험한 상태를 구분하지 못하는 경우가 많았습니다. 그러나 새로운 접근 방식은 모든 시뮬레이션 사례, 특히 까다로운 10 Ω 저항 고장을 포함하여 고장의 위치를 정확하게 식별했습니다. 또한, 이 시스템은 단순히 고장을 찾아내는 데 그치지 않고 정확히 어떤 전선이 손상되었는지도 식별했습니다. 고장이 단일 전선이 지면에 닿은 것인지, 두 개의 전선이 지면에 닿은 것인지, 혹은 세 개의 전선이 모두 단락된 것인지에 관계없이, 시스템은 영향을 받은 상(phase)을 정확히 짚어냈습니다. 이러한 정밀함은 그리드가 손상된 구간만을 격리하여 나머지 네트워크를 원활하게 계속 운영할 수 있게 하므로 매우 중요합니다.

연구진은 또한 소프트 오픈 포인트의 동작이 전기적 환경을 어떻게 변화시키는지 조사했습니다. 그들은 장치가 고장 발생 시 그리드를 지원하기 위해 보호 모드로 전환될 때, 표준적인 안전 계산을 신뢰할 수 없게 만드는 방식으로 전류의 타이밍과 크기를 변화시킨다는 것을 발견했습니다. 표준 전류 대신 주입된 300 Hz 시그니처에 의존함으로써, 이 새로운 보호 체계는 혼란을 우회합니다. 시뮬레이션은 이 시스템이 내부 고장과 외부 고장을 구분할 수 있으며, 단선, 이선, 삼상 고장에 대해 구체적으로 손상된 전선을 식별할 수 있음을 확인했습니다. 이 연구는 소프트 오픈 포인트를 단순히 수동적인 구성 요소가 아니라 보호를 위한 파트너로서 능동적으로 활용함으로써, 엔지니어들이 더욱 복잡해지는 현대의 유연한 전력 그리드에서도 안전성과 신뢰성을 유지할 수 있음을 시사합니다. 연구는 능동 시그니처 고조파 접근 방식이 그리드가 진화함에 따라 불을 계속 밝힐 수 있도록 보장하는 실행 가능하고 효과적인 방법이라는 결론을 내립니다.