디지털 보호계전기

왜 배우는가: 디지털 보호계전기는 현재 수변전설비와 전력계통 보호의 표준 장치이므로 설계·정정·유지보수 실무의 출발점이다. 기술사 시험에서는 기계식 계전기와의 비교, 기능 통합, 자기진단, 통신 기능을 묶어 반복해서 묻는다.

출제 이력: 제121회 2교시 4번, 제101회 1교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

디지털 보호계전기는 전압·전류를 디지털 신호로 바꾸어 마이크로프로세서로 고장 여부를 판단하고 차단 신호를 내는 보호계전기이다.

• 마이크로프로세서(Microprocessor) 기반 연산
• A/D 변환(Analog-to-Digital Conversion)과 샘플링
• 수치 계전 알고리즘
• 다기능 통합
• 자기진단(Self-test)
• 정정값 그룹 저장
• 통신(SCADA) 인터페이스
• 선택성·신속성·감도·신뢰성

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 옛날 계전기는 코일과 접점의 힘으로 고장을 감지했다. 디지털 보호계전기는 그 판단을 컴퓨터가 계산해서 한다. 전류와 전압을 샘플링해 숫자로 바꾸고, 그 숫자로 크기·위상·임피던스를 구해 정정값과 비교한다.

정식으로 정의하면, 디지털 보호계전기는 계기용 변류기(CT)와 계기용 변압기(VT)의 2차 신호를 저역통과필터와 A/D 변환기로 디지털화한 뒤, 마이크로프로세서에서 보호 알고리즘을 수행하여 사고 구간의 차단기에 트립 신호를 보내는 계전기이다. 같은 의미로 수치형 계전기(Numerical Relay)라고도 부른다.

핵심 용어를 풀이하면 다음과 같다.

• 저역통과필터: 입력 신호에서 샘플링 주파수의 약 1/3 이상 고주파 성분을 제거한다. 이를 통해 샘플링 과정에서 저주파 성분이 고주파 성분과 섞이는 현상(Aliasing)을 막는다.
• 샘플링: 입력 파형을 일정 시간 간격으로 읽어 숫자 값으로 바꾸는 과정이다. 계전기 종류에 따라 한 주기(1사이클)당 일정 횟수로 샘플링한다.
• 자기진단: 계전기가 스스로 하드웨어와 소프트웨어 상태를 점검하는 기능이다. 이상이 감지되면 경보를 낸다.
• 정정 그룹: 보호 정정값을 여러 세트로 저장해 두고 필요할 때 전환하는 기능이다. 연결된 설비의 유지보수 중에 계전기 동작을 바꿀 수 있다.
• 다기능 통합: 과전류, 거리, 차동 같은 여러 보호 기능을 한 장치에서 에뮬레이션하는 기능이다.

보호계전기에는 선택성, 신속성, 감도, 신뢰성이라는 기본 요건이 있다. 디지털 보호계전기는 이 요건을 소프트웨어 정정과 자기진단으로 함께 충족하려는 장치다.

3. 등장 배경과 필요성

디지털 보호계전기는 1960년대 후반에 초기 연구가 시작되었다. 1970년대 초에는 실험실과 현장에서 시험되었다. 1984년에는 워싱턴주 풀만에 본사를 둔 슈웨처 엔지니어링 연구소(SEL)가 세계 최초의 상업용 디지털 보호계전기를 전력 산업에 도입하였다.

등장 배경은 기계식과 정지형 계전기의 한계에 있다. 전기기계식 계전기는 기능마다 별도의 장치가 필요했다. 장치마다 복잡한 배선이 따라 붙었고, 정정을 바꾸려면 현장에서 장치를 직접 조정해야 했다. 설비가 늘어날수록 설계·시험·유지보수 부담이 커졌다.

디지털화는 이 문제를 세 방향으로 줄인다. 첫째, 여러 보호 기능을 한 장치로 묶어 배선과 설치 공간을 줄인다. 둘째, 자기진단으로 장치 이상을 조기에 알려 고장 전 점검을 가능하게 한다. 셋째, 정정 그룹과 통신 기능으로 원격에서 정정을 바꾸고 감시 제어 시스템과 정보를 주고받게 한다.

전력계통의 구조 변화도 필요성을 높였다. 장거리 초고압 선로, 다단자 회로, 직렬 또는 병렬 보상된 선로에서는 기계식 계전기로 구현하기 어려운 보호 전략이 요구된다. 디지털 계전기는 이런 전략을 소프트웨어로 구현할 수 있다.

또한 디지털 보호계전기는 하드웨어와 소프트웨어라는 두 부분으로 구성된다. 따라서 신뢰성을 확보하려면 하드웨어 설계와 함께 알고리즘과 시험 절차도 관리해야 한다. 이 점이 기계식 계전기의 등장 배경과 다른 새로운 관리 과제다.

4. 구성요소·원리·절차

디지털 보호계전기는 입력부, 신호처리부, 연산부(CPU), 출력부, 전원부로 구성된다. 전압·전류 입력은 보조 변성기(PT·CT)에서 낮은 크기로 줄어든 뒤 저역통과 필터를 거친다. 필터는 샘플링 주파수의 약 1/3 이상 주파수 성분을 제거한다. 이후 아날로그-디지털 변환기(ADC)가 전력계통 1주기당 계전기 사양이 정한 횟수(계전기마다 다름)만큼 샘플링하여 수치 데이터로 바꾼다.

표의 구성요소는 소형 컴퓨터의 구조와 같다. 입력부에서 연산부까지가 신호 처리 경로이고, 연산 결과는 출력부를 통해 차단기로 전달된다.

원리는 다음과 같다. 샘플링된 값으로 실효값(RMS)과 위상각을 계산한다. 그 결과를 정정값과 비교하여 동작 여부를 판단한다. 푸리에 변환 개념을 사용하므로 기본파 성분을 분리할 수 있다. 고조파 성분의 영향은 필터링으로 줄인다.

디지털 계전기는 샘플링한 값을 연산하여 보호 기능을 구현한다

보호 연산의 절차는 다음과 같다.

• 전압·전류를 PT·CT로 변환하고 저역통과 필터로 고주파를 제거한다.
• ADC가 1주기당 일정 횟수로 샘플링하여 디지털 값으로 바꾼다.
• CPU가 푸리에 변환 등으로 실효값과 위상, 임피던스를 계산한다.
• 계산값을 정정값과 비교하여 동작 조건 충족 여부를 판단한다.
• 동작 조건이면 출력 접점을 닫아 차단기 트립 신호를 보낸다.
• 자체 진단 루틴을 주기적으로 수행하여 이상이 있으면 경보를 낸다.

샘플링 주파수는 나이퀴스트 기준에 따라 관심 최고 주파수의 2배보다 커야 한다. 60Hz 계통에서 1주기당 16회 샘플링은 960Hz 샘플링에 해당한다. 계산식은 f_s = N \times f 이며, f_s는 샘플링 주파수(Hz), N은 주기당 샘플 수, f는 계통 주파수(Hz)이다. 960Hz는 최고 주파수 480Hz를 샘플링할 수 있으므로 고조파 분석에 충분하다.

5. 관련 법령·기준·표준

디지털 보호계전기의 설계와 시험은 국내 전기설비 기준과 국제 규격을 따른다. 국내에서는 한국전기설비규정(KEC)이 배전·수변전 설비의 보호 장치 설치 기준을 정한다. 보호계전기 자체의 성능 기준은 IEC 60255 시리즈와 IEEE C37.90 계열 규격이 널리 쓰인다. 규격 번호는 개정 이력이 있으므로 적용 시 최신 판을 기준으로 한다.

계전기 시험과 보호 기능에 관한 기준값은 다음과 같다.

표의 값은 계전기 종류와 제조사에 따라 달라질 수 있다. 실제 설계에서는 제품의 사양서와 해당 규격을 함께 확인한다. 디지털 계전기의 자체 진단 기능은 고장 신호와 경보를 상위 시스템에 전달하는 역할을 한다.

샘플링 주파수 기준 나이퀴스트 2배

관련 법령으로는 「전기사업법」과 「전기설비기술기준」의 보호 장치 조항이 있다. 조문 번호는 확실하지 않으므로 기준 이름만 적는다.

6. 유형과 비교

디지털 보호계전기는 구현 방식에 따라 마이크로프로세서 기반 디지털형, 초기 정지형(static) 계전기, 전기기계식 계전기로 나눠 비교한다. 답안에서는 기능 통합성, 자기진단, 설정 변경, 통신 연계를 기준으로 비교하면 채점 항목을 빠짐없이 짚을 수 있다.