김민수
(Min-Soo Kim)
1iD
강상희
(Sang-Hee Kang)
†iD
-
(Dept. of Electrical Engineering, Myongji University, Korea.)
Copyright © The Korean Institute of Electrical Engineers(KIEE)
Key words
IEC 61850, Substation restoration, Breaker failure, Disconnect switch
1. 서 론
재폐로 수행 시, 인근 선로의 과부하 및 국지적 전압 불안정 방지, 발전기의 과도 안정도 향상 등 다양한 장점이 있어 많은 나라에서 송전선로 자동
재폐로 방식을 적용하고 있다(1-3). 그러나 차단 실패가 발생한 경우나 복합선로, 지중선로, 발전기 연계선로 등 재폐로 적용이 곤란할 경우에 송전선로 재폐로 계전기는 자동 재폐로를
수행하지 않는다(4). 차단기가 부동작 할 수 있는 유형은 DC 전원 상실, Trip coil 소손, 공기압 및 유압저하, 기계적 메커니즘 결함, 가스압력 저하 등이
있으며, 차단 실패가 발생한 차단기를 보수하기 전까지 동일 선로와 같은 모선에 연결된 설비들은 모두 전력공급이 중단된다. 그러나 차단 실패가 발생한
선로 혹은 변압기 측 차단기 외에는 모두 정상 상태이기 때문에 이러한 전력 공급 중단 사태의 지속을 방지하고 정전시간 최소화 및 안정적 전력공급을
도모하고자 한국 전력 공사에서는 ‘송변전 표준 복구 절차서’에 복구 절차를 명시하고 있으며, 변전소 특성을 반영한 복구절차를 근무자 전원이 숙지할
수 있도록 주기적으로 변전소 별 모의 훈련을 실시해 급전(분)소 및 변전소 근무자들로 하여금 조작절차 작성을 습관화하여 응급상황에 대처할 수 있도록
상시 숙지할 것을 요하고 있다(5). 또한, 1인 조작 및 1인 확인으로 조작의 정확도를 보장하고 있으나, 인적재원을 활용한 수동 조작이 필요한 작업이기 때문에 찰나의 실수로 인해
더욱 큰 정전 사고로 이어질 가능성이 있다.
IEC 61850 통신은 디지털 변전소 자동화에 적용하기 위한 통신 프로토콜로써 MMS, GOOSE 및 샘플 값(Sampled Values) 이상
3가지 통신 모델을 사용하며, 통신 부하 조절 및 역할 분담을 위해 스테이션 버스와 프로세스 버스로 디지털 변전소 자동화 시스템 구성 요소 간 데이터
교환을 수행한다(6).
참고문헌(7)에서는 IEC 61850 기반의 차단 실패 보호 방식을 제안하였다. 기존의 차단 실패 보호 방식을 IEC 61850 기반으로 실용적인 통신 아키텍처를
설계하고 구현하였다.
본 논문은 차단 실패 이후에 변전소 근무자가 수동으로 수행해야 할 변전소 복구 방식을 IEC 61850을 이용해 자동화하여 신속한 변전소 복구를 도모함으로써
계통의 안정도, 신뢰도 향상을 도모할 수 있다.
제안하는 방안은 차단 실패가 발생한 선로 혹은 변압기 측 단로기를 개방한 후, 정상 상태인 설비들의 차단기를 재폐로 하는 방법이다. 이를 위해 송전선로,
모선 각각의 전압, 전류와 차단기, 단로기의 접점 정보 데이터까지 활용한다. 본 논문에서 제안하는 방안을 설명하기 위해 RSCAD를 이용해 IEC
61850 통신 기반 디지털 변전소를 기준 모델로 상정하여 모델링 하였고, 154[kV] 측 이중모선에 연계된 설비 중 한 곳 에서 차단 실패가 발생하는
상황을 상정하였으며, 실물 계전기와 RTDS간 HILS (Hardware In the Loop Simulation)를 테스트를 통해 제안 방식의 적정성을
검증하였다.
2. 본 론
2.1 송변전 표준 복구 절차
본 절에서는 한국 전력 공사의 ‘송변전 표준 복구 절차’에 명시된 차단 실패 상황 발생 시의 복구 절차를 다음과 같이 설명한다.
그림. 1. 송변전 표준 복구 절차 설명 계통도
Fig. 1. Systematic diagram for describing standardized substation restoration procedures
그림 1은 한국 전력 공사의 ‘송변전 표준 복구 절차’에 명시된 차단 실패 상황 발생 시의 복구 절차를 설명하기 위한 계통도이다. #1M.Tr 측에 내부고장이
발생하였고, 변압기 보호 계전기가 동작하여 양단 차단기에 차단 명령이 내려졌으나 200번 차단기가 부동작 한 상황이다. 이에 따라 순차적으로 BUS1의
모선 보호 계전기가 동작하고, 200번 차단기의 부동작에 대한 모선 보호 계전기의 차단 실패 동작 시퀀스는 다음과 같다.
그림. 2. 차단 실패 동작 시퀀스
Fig. 2. B/F protection operating sequence
그림 2의 순서와 같이 BUS1 측 모선 보호 계전기의 차단 실패(B/F) 시퀀스가 동작하게 되고, 모선 보호 계전기의 차단 실패 시퀀스 동작으로 인해 #1M.Tr과
같은 모선인 BUS1에 연계된 모든 설비의 차단기가 동작하여 BUS1은 고장을 고립시키고, 정전 상태가 된다. 그림 1에서와 같이 BUS1에 연계된 100(Tie-Breaker), 500, 700, 800번 차단기가 개방된 상태이다. 차단 실패가 발생한 #1M.Tr을
제외한 모든 설비는 정상 상태이므로 불필요한 정전이 지속되는 상황이기 때문에 이에 대한 적절한 조치가 필요하다.
한국 전력 공사의 송변전 표준 복구 절차에서는 이와 같은 문제를 해결하기 위해 다음과 같은 복구 절차를 수행한다.
그림. 3. 송변전 표준 복구절차 순서도
Fig. 3. Flow chart of standardized substation restoration procedures
BUS1 측 모선 보호 계전기의 차단 실패 시퀀스가 동작하여 BUS1에 연계된 모든 차단기가 개방된 이후, 해당 문제가 발생한 변전소의 근무자는 #1M.Tr의
차단기를 수동으로 조작하여 개방/미개방 여부에 따라 복구 절차를 수행한다.
#1M.Tr의 차단기인 200번 차단기의 개방이 정상적으로 이루어졌을 때는 #1M.Tr을 BUS1에 연계하는 DS, 즉 201번 단로기를 개방한다.
이로써 #1M.Tr은 무전압 상태가 되며, BUS1과 완전히 분리된다. 따라서 BUS1에 연계되어 불필요한 정전이 지속되던 타 설비들의 정전이 해소되도록
200번 차단기를 제외한 모든 설비들의 차단기를 투입한다. 투입 이후, #1M.Tr의 부하는 #2M.Tr로 전환한다.
#1M.Tr의 차단기가 개방이 불가한 경우에는 기존에 BUS1에 연계 돼 있던 정상 상태의 설비를 모두 BUS2로 단로기 제어를 통해 전환한다. 따라서
501, 701, 801번 단로기를 개방하고, 502, 702, 802번을 투입하고, 각 설비의 차단기를 투입한다. 이후 #1M.Tr의 부하를 #2M.Tr로
전환하고, 정전 안내를 수행한다.
차단기가 부동작 할 수 있는 유형은 DC 전원 상실, Trip coil 소손, 공기압 및 유압저하, 기계적 메커니즘 결함, 가스압력 저하 등이 있다.
위와 같은 복구 절차에 따라 정전 구간은 최소화를 도모할 수 있고, 정상 상태인 설비들의 불필요한 정전을 복구할 수 있다. 한국 전력 공사에서는 이와
같은 복구 절차를 ‘송변전 복구 절차서’에 명확하게 제시하고 있으며, 각 변전소의 특성을 반영한 복구절차를 근무자 전원이 숙지할 수 있도록 주기적으로
변전소 별 모의 훈련을 실시하고 있다. 이를 통해 급전(분)소 및 변전소 근무자들로 하여금 조작절차 작성을 습관화 시키고, 발생 가능한 응급상황에
대처할 수 있도록 상시 숙지하도록 수행하고 있다. 이에 더해, 정확도를 보장하기 위해 1인 조작 및 1인 확인 체제를 수행하고 있다.
그러나 인적재원을 활용한 수동 조작이 필요한 작업이기 때문에 철저한 훈련과 사전 검토 등의 절차를 거치더라도 찰나의 실수로 인해 더욱 큰 정전 사고로
이어질 가능성이 있으므로 통신을 이용한 자동화가 요구된다.
2.2 IEC 61850 기반 변전소 복구 방식 개선방안 연구
본 논문의 앞 절에서 한국 전력 공사의 ‘송변전 표준 복구 절차’의 내용을 검토/분석하고, 수동 조작을 통한 복구 방식에 대해 정전 구간 확대 등의
사고로 이어질 수 있는 문제점을 제시하였다. 이에 대한 해결책으로 본 논문에서는 변전소 보호 자동화를 위한 통신 프로토콜인 IEC 61850을 기반으로
한 변전소 복구 방식의 개선방안을 제안한다.
본 논문에서는 ‘송변전 표준 복구 절차’에 명시된 복구 절차 중 차단 실패가 발생한 차단기와 연계된 단로기의 개방을 이용한 변전소 복구 절차에 대해
설명한다. 현재 한국 전력 공사에서는 차단기 개방이 이뤄지지 않을 시, ‘활선 상태’에서 단로기를 개방할 수 없도록 규정하고 있다. 단로기의 경우,
송변전 설비의 전류를 차단할 수 없기 때문에 이와 같은 방식을 채택하고 있으나 차단 실패 시퀀스에 의해 모든 차단기가 개방된 모선의 경우, 무전압
상태 여부가 확인된 후에는 단로기 개방에도 문제가 없다. 따라서 차단 실패 시퀀스가 동작한 모선의 무전압 상태 확인 후 IEC 61850을 이용해
차단 실패가 발생한 차단기 측 단로기를 개방하고, 이후 차단 실패가 발생한 차단기를 제외한 모든 차단기를 재폐로 하는 방식을 제안한다.
그림. 4. 제안 방식 순서도
Fig. 4. Flow chart of proposed scheme
그림 4는 본 논문에서 제안하는 IEC 61850 기반 변전소 복구 방식의 순서도이다. 차단 실패 시퀀스가 동작한 모선 보호 계전기는 해당 모선의 활선 상태
확인을 위해 무전압 여부를 검토한다. 이후 차단 실패가 발생한 차단기 측 CT의 전류를 검토해 해당 차단기 측 선로/변압기의 활선 상태를 다시 한
번 검토한다. 위 모든 조건이 갖춰졌을 때 모선 보호 계전기는 모선이 완전한 비활선 상태라고 판단하여 차단 실패가 발생한 차단기 측 단로기 개방을
위한 GOOSE 메시지를 발생시킨다.
2.2.1 IEC 61850 GOOSE
GOOSE 모델은 브로드캐스트 혹은 멀티캐스트 서비스를 이용해 하나 이상의 물리적 장치에 동일한 데이터를 제공할 수 있는 효율적인 방법을 제공한다(8).
표 1. GOOSE 메시지 구조
Table 1. Structure of GOOSE message
|
GOOSE Pdu name
|
GOOSE Pdu type
|
|
DataSet
|
Object Reference
|
|
GoID
|
Visible String 129
|
|
GoCBRef
|
Object Reference
|
|
T
|
Time stamp
|
|
StNum
|
INT32U
|
|
SqNum
|
INT32U
|
|
Simulation
|
Boolean
|
|
GOOSE Data
|
Defined by CDC
|
데이터의 교환 방식은 Publish and Subscribe 방식이며, GOOSE 의 경우 이벤트를 감지하여 데이터를 전송하는데 이때 DataSet으로
설정한 하나 이상의 데이터 멤버가 변화할 경우에만 GOOSE 메시지를 전송한다.
표 1은 GOOSE 메시지의 구조를 보여준다. 이벤트가 발생됨에 따라 StNum(State Number)가 1씩 증가하게 되고, SqNum(Sequence
Number)는 0으로 리셋 되며, 다음 이벤트가 발생할 때까지 StNum은 변하지 않으며, SqNum만 SCL 파일에 정의된 재전송 주기에 따라
1씩 증가한다. GOOSE는 한 번의 이벤트 발생에 대해 짧은 시간동안 여러 차례 메시지를 전송하며, 재전송 주기에 따라 계속해서 재전송되기 때문에
데이터 손실에 대한 신뢰성을 확보할 수 있다.
2.2.2 GOOSE DataSet 설정
‘송변전 표준 복구 절차’에 명시된 복구 절차 중 차단 실패가 발생한 차단기와 연계된 단로기의 개방을 이용한 변전소 복구 절차를 수행하기 위해 단로기에
개방 명령을 내릴 수 있는 GOOSE DataSet 설정이 필요하다. 본 논문에서 제안하는 GOOSE DataSet 설정은 다음과 같다.
그림 5는 본 논문에서 제안하는 IEC 61850 기반 변전소 복구 방식을 위한 GOOSE 메시지의 DataSet 구조이다. 단로기 개방 명령을 내리기 위해서는
DsOp 변수의 변화가 발생해야 하며, DsOp는 다음과 같은 조건에 의해 그 값이 변화하도록 설정하였다.
그림. 5. 단로기 개방을 위한 GOOSE DataSet 구조
Fig. 5. GOOSE DataSet structure for DS opening
표 2. DataSet 변화 조건
Table 2. Condition for changing DataSet
|
B/F protection
operation
|
Zero volt. check on B/F protection operated BUS
|
Zero current check on B/F occurred CB
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DsOp
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|
0
|
0
|
0
|
0
|
|
0
|
0
|
1
|
0
|
|
0
|
1
|
0
|
0
|
|
0
|
1
|
1
|
0
|
|
1
|
0
|
0
|
0
|
|
1
|
0
|
1
|
0
|
|
1
|
1
|
0
|
0
|
|
1
|
1
|
1
|
1
|
표 2는 본 논문에서 제안하는 IEC 61850 기반 변전소 복구 방식을 위한 단로기 개방 목적 GOOSE 메시지의 DataSet 변화 조건이다. 모선
보호 계전기의 차단 실패 시퀀스 동작 여부와 차단 실패 발생 모선의 무전압 여부, 차단 실패가 발생한 차단기의 통전 여부를 AND 조건으로 조합하여
모든 조건이 만족 되었을 때 단로기 개방 명령 DataSet 멤버인 DsOp가 트리거(Trigger) 된다. 따라서 GOOSE 메시지의 DataSet
멤버인 DsOp의 트리거로 인해 단로기를 개방하기 위한 GOOSE 메시지가 발생하고, 차단 실패가 발생한 차단기 측 단로기는 모선 보호 계전기로부터
GOOSE 메시지를 수신하여 개방 명령을 수행한다.
본 제안 방식을 수행하기 위해서는 논리 노드(Logical Node) 설정이 중요하다. 논리 노드는 IEC 61850 통신에서 데이터 교환의 단위이며,
IED의 주요 기능을 표현한다. IEC 61850-7-4에 따라 모선 보호 계전기에서 단로기는 논리 노드인 XSWI로 모델링되며, 이는 차단기(CB)를
제외한 회로 차단 기능이 없는 스위치 (예: 단로기, 접지 스위치 등)를 모델링하는데 사용된다.
단로기가 모선 보호 계전기로부터 GOOSE 메시지를 수신하여 개방되면, 차단 실패가 발생한 차단기를 제외한 BUS1 의 모든 설비 차단기를 재폐로
할 수 있다.
3. 사례연구
본 논문에서 제안된 IEC 61850 기반 변전소 복구방식을 검증하기 위해 RSCAD를 이용해 대상 계통을 모델링하였다. 대상 계통은 154/22.9[kV]
주변압기를 포함한 변전소를 중심으로 구성하였으며, 계통도는 다음과 같다.
그림. 6. 계통도
Fig. 6. Schematic diagram for case studies
대상 계통의 설비별 파라미터는 다음과 같다.
표 3. 대상 계통 설비별 파라미터
Table 3. Parameters of each equipments for target system
|
Category
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Data(%Z @ 100 MVA base)
|
|
Source
|
Eq.1
|
R1 + jX1
|
0.0130 + j 0.0990
|
|
R0 + jX0
|
0.0260 + j 0.1980
|
|
Eq.2
|
R1 + jX1
|
0.2630 + j 1.7170
|
|
R0 + jX0
|
0.5259 + j 3.9654
|
|
Transmission Line
[%Z/m]
|
TL#1
|
R1 + jX1
|
0.0177 + j 0.1371
|
|
R0 + jX0
|
0.0756 + j 0.3935
|
|
Y1
|
j 2.2923
|
|
Type/Length
|
A410B / 20[km]
|
|
TL#2
|
Type/Length
|
A410B / 15[km]
|
|
TL#3
|
Type/Length
|
A410B / 10[km]
|
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TL#4
|
Type/Length
|
A410B / 5[km]
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Transformer
|
#1M.Tr
#2M.Tr
|
Z12, Z13, Z23 = j10
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Grounding
|
Primary side: LA
Secondary side: NGR
|
표 3은 대상 계통의 설비별 파라미터를 나타낸 표이며, 송전선로는 같은 선종을 사용하나 긍장만 다르고, 변압기는 모두 같은 종류를 사용하였다.
모선 보호 계전기는 실물 계전기를 활용하였으며, RTDS의 GTNET 카드를 이용해 IEC 61850 기반 GOOSE 메시지를 송/수신한다. 실물
계전기의 XSWI Logical Node를 RTDS GOOSE 모듈에 맵핑하여, 실물 계전기에서 발생하는 GOOSE 메시지를 RTDS GTNET 모듈에서
해독할 수 있도록 설정하였다. 모의 결과는 다음과 같다.
그림 6에서 송전선로 #4(TL#4)에 A상 지락고장을 발생시키고, 송전선 보호용 계전기 동작으로 인해 변전소 원단 차단기(710번 차단기)만 동작시켜 차단
실패 상황을 모의하였다. BUS4의 모선 보호 계전기는 700번 차단기의 차단 실패를 감지하고, 차단 실패 시퀀스를 동작하게 된다. 따라서 차단 실패가
발생한 차단기를 제외하고, BUS4에 연계된 모든 차단기가 개방된다. 또한 154[kV] 모선 보호 계전기의 차단 실패 판단 시간은 75[Hz],
즉 13.33[ms] 이지만 긴 시간의 파형을 보여주기 위해서는 RTDS와 연결된 컴퓨터에 부담이 가고 파형의 연속 신호 파형의 구분이 육안으로 보기에
어려워지기 때문에 본 논문에서는 2[ms]로 하였다. 모의 결과는 그림 7, 8과 같다.
그림. 7. 모의 결과(차단기 별 전류)
Fig. 7. Test result(Currents by CB)
그림. 8. 모의 결과(차단기 및 GOOSE 입/출력 신호)
Fig. 8. Test result(Signal of CB and GOOSE)
그림 7에는 앞서 언급한 차단기들(710, 100, 500, 600번 차단기)에 흐르는 전류를 나타내었고, 그림 8은 각 차단기들의 차단 신호와 Ds_Op DataSet의 변화 조건이 되는 변수들(BF_check(차단 실패 시퀀스 여부), Va_check(차단
실패 발생 모선 무전압 여부), Ia_check(차단 실패 발생 차단기 통전 여부)) 및 GOOSE 메시지로 송/수신한 데이터를 나타내었다.
고장은 약 0.028초에 발생하였고, TL#4 보호용 전류 차동 계전기가 동작하여 710번 차단기와 700번 차단기에 차단 명령을 보내지만 700번
차단기는 차단 실패가 발생한다. 이후 BUS4의 모선 보호 계전기는 차단 실패 시퀀스를 동작시켜 BUS4에 연계된 500, 600, 100번 차단기를
동작시킨다. 그림에서는 차단기 동작 명령이 발생하였어도 전류가 계속 있는 것처럼 보이지만 RTDS의 차단기 모듈은 차단기 개방 명령 이후, 전류가
0이 되는 제로 크로싱(Zero crossing) 순간에만 개방이 이루어지기 때문에 차단기 동작 명령 발생 이후에도 전류가 계속 흐르는 것처럼 보여진다.
BUS4 모선 보호 계전기의 차단 실패 시퀀스가 동작함에 따라 BF_check 변수가 트리거 되고, BUS4의 무전압 여부와 700번 차단기에 전류가
흐르지 않음을 판단하여 Va_check와 Ia_check 변수가 각각 트리거 된다. 여기서 Va_check는 BUS4 전압의 페이저 크기가 0.5
이하가 되었을 때 트리거 되게 설정하였고, Ia_check는 700번 차단기에 흐르는 전류의 페이저 크기가 0.1 이하일 때 트리거 되도록 설정하였다.
87PRO_Ds_Op는 RTDS에서 설정한 GGIO Logical Node의 GOOSE DataSet이다. Lab에 갖추어진 RTDS 환경은 Binary
output 카드인 GTDO 카드가 없어 실물 계전기에 DsOp를 트리거할 수 있는 변수 데이터를 전달할 수 없기 때문에 대안으로 다음과 같은 방법을
이용했다.
그림. 9. 하드웨어 테스트 환경
Fig. 9. Hardware test environment
그림 9는 본 논문의 사례연구를 위한 하드웨어 테스트 환경을 보여준다. 우선 RTDS에서 GOOSE 메시지를 이용해 DsOp가 발생할 수 있는 조건인 87PRO_Ds_Op를
전달하였다. 이후 실물 계전기는 RTDS에서 전달된 GOOSE 메시지를 전달 받아 DsOp DataSet으로 해독하여 해당 DataSet의 변화를
감지하고, RTDS로 단로기를 개방하기 위한 GOOSE 메시지를 전달하게 된다. 그림 8의 DsOp는 모선 보호 계전기인 실물 계전기로부터 GOOSE 메시지를 이용해 RTDS가 수신한 데이터이다. RTDS에서 실물 계전기로 GOOSE
메시지를 전송할 때는 GGIO Logical Node를 이용하였다.
BUSPRO_Ds_Op가 트리거 된 시점과 DsOp가 트리거 된 시점 간에 시간차가 발생한다. 이는 RTDS가 87PRO_Ds_Op데이터를 GOOSE
메시지로 실물 계전기에 전달하는 시간과 실물 계전기가 이를 해독하는 시간 및 실물 계전기가 DsOp를 GOOSE 메시지를 이용해 RTDS로 보내는
시간만큼의 지연이 생기기 때문이다.
4. 결 론
본 논문에서는 차단 실패 시 정전구간 최소화를 위한 IEC 61850 기반 변전소 복구 방식 개선방안을 제안한다. 제안하는 방안은 차단 실패가 발생한
선로 혹은 변압기 측 단로기를 개방한 후, 정상 상태인 설비들의 차단기를 재폐로 하는 방법이다. 이를 위해 송전선로, 모선 각각의 전압, 전류와 차단기,
단로기의 접점 정보 데이터까지 활용한다. 본 논문에서 제안하는 방안을 설명하기 위해 RSCAD를 이용해 IEC 61850 통신 기반 디지털 변전소를
기준 모델로 상정하여 모델링 하였고, 154[kV] 측 이중모선에 연계된 설비 중 한 곳 에서 차단 실패가 발생하는 상황을 상정하였으며, 실물 계전기와
RTDS간 HILS (Hardware In the Loop Simulation) 테스트를 통해 제안 방식의 적정성을 검증하였다.
Acknowledgements
본 연구는 한국전력공사의 2016년 선정 기초연구개발과제 연구비에 의해 지원되었음 (과제번호: R17XA05-2)
This research was supported by Korea Electric Power Corporation. (Grant number: R17XA05-2 )
References
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KIEE Electric Power Systems Research Society, pp. 179-180
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to MMS (ISO/IEC 9560 and ISO/IEC 9560-2) and to ISO/IEC 8802-3
저자소개
He obtained his bachelor’s degree from Myongji Unversity, Korea, in 2012.
He is currently in the unified master and doctor’s course of electrical engineering
at Myongji University.
His main research interests are power system protection.
Tel : (031) 336-3280
E-mail : kms5410@gmail.com
He is professor at Myongji University, Korea. He received the B.S., M.S. and Ph.D.
degrees from Seoul National University, Korea in 1985, 1987 and 1993, respectively.
He was a visiting fellow and a visiting scholar at the University of Bath, UK in 1991
and 1999.
He has been also with Next-generation Power Technology Center, Korea since 2001.
He was an honorary academic visitor at the University of Manchester, UK in 2007.
His research interest is to develop digital protection systems for power systems using
digital signal processing techniques
Tel : (031) 330-6364
Fax : (031) 330-6816
E-mail : shkang@mju.ac.kr