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1 한국산학기술학회논문지 Vol. 10, No. 8, pp , 2009 분산전원이연계된배전계통의양방향구간개폐기의동작알고리즘에관한연구 윤기갑 1, 정점수 1, 안태풍 2, 노대석 3* 1 한전전력연구원, 2 인택전기, 3 한국기술교육대정보기술공학부 A study on the Operation Algorithm for Bi-directional Sectonalizer in Distribution System Interconnected with Distributed Generations Yoon, Gigab 1, Jeong, Jumsoo 1, An, Taepung 2 and Rho, Daeseok 3* 1 KEPRI, 2 In-Tek, 3 Dep. of Electrical Engineering, Korea University of Technology and Education 요약기존의배전계통은전원측인배전용변전소에서부하측인수용가로전력을단방향으로공급하는것이일반적이지만, 태양광과풍력등과같은분산전원이배전계통에연계되는경우에는분산전원에서발생하는전력이계통으로공급되는역조류가발생하여기존의시스템과달리양방향으로전력이공급되게된다. 이러한양방향전력공급은기존의시스템에악영향을끼칠수있는데, 배전선로에설치되어있는보호협조기기에심각한문제점을발생시킬수있다. 특히기존의구간개폐기는주전원측의전력만감지할뿐, 분산전원측의역조류감지및보호를하지못해오동작을일으킬가능성이존재한다. 이러한경우분산전원의단독운전뿐만아니라배전계통과분산전원의비동기투입에의하여배전계통에악영향을끼칠수도있다. 따라서본논문에서는이에대한대책으로서역조류를감지하는구간개폐기의양방향동작알고리즘을제시하고, 이에대한성능을확인하기위하여, 배전계통의대표적인해석 S/W인 PSCAD/EMTDC를이용하여시뮬레이션을수행하였다. 또한보호기기모의시험장치를제작하여하드웨어적인시험결과를분석하여, 본논문에서제안한구간개폐기의양방향동작알고리즘에대한효용성과타당성을확인하였다. Abstract The typical distribution systems have the power flow from distribution substations (sources) to customers (load) only as one direction. However, in the case where distributed generations (DG) such as PV system and wind power systems are connected to distribution systems, the DG output variations to distribution systems, so called reverse power flow, may cause the bi-directional power flow. So, the reverse power flow has severe impacts on typical power system, for example power quality problems, protection coordination problems, and so on. Especially, protection devices (sectionalizer) in primary feeder of distribution system interconnected with distributed generations may cause problems of malfunction, and then many customers could have problems like an interruption. So, this paper presents the bi-directional operation algorithm of protection devices to overcome the problems like mal-function. And, also this paper shows the effectiveness of proposed method by using both PSCAD/EMTDC software and test facility of protection devices to simulate the field distribution systems. Key Words : Bi-directional sectionalizer, Distribution systems, Distributed generations, Protection devices 1. 서론 최근다양한분산전원이배전계통에연계됨으로써에 너지효율을높일수있고, 송배전선로의건설비용절감, 전력손실감소, 전압보상및전력공급의신뢰도향상과같은많은장점을얻을수있다. 그러나현재의배전계통 * 교신저자 : 노대석 (dsrho@kut.ac.kr) 접수일 09 년 07 월 20 일수정일 (1 차 09 년 08 월 11 일, 2 차 09 년 08 월 16 일 ) 게재확정일 09 년 08 월 19 일 1802

2 분산전원이연계된배전계통의양방향구간개폐기의동작알고리즘에관한연구 이나수용가내보호시스템의기본적조류는상위계통에서하위의수용가로한방향으로전력조류가흐르고있다. 이런상황에서수용가측에설치되어있는분산전원이연계되면역방향의전력조류도발생하므로기존의제어 보호시스템으로해결할수없는상황이발생하여새로운보호협조에관한연구가요구된다. 특히새로운보호시스템구축에중요한요소인양방향구간개폐기의개발이필수적이다 [1-6]. 기존의구간개폐기는자체적으로고장을차단하는능력이없으며, 일반적으로후비보호장치인리클로져와함께사용되어리클로져의재폐로동작시, 선로의무전압을감지하여고장을차단하는기능을가지고있다. 그러나분산전원이연계되는경우에기존의구간개폐기는주전원측의전력만감지할뿐, 분산전원측의역조류감지및보호를하지못해오동작을일으킬가능성이존재한다. 따라서본논문에서는먼저분산전원이배전계통에연계되어운용되는경우, 기존의구간개폐기의문제점을분석하고, 이를해결할수있는양방향구간개폐기의알고리즘을제시한다. 제시한보호계전알고리즘의타당성을검증을위하여, 배전계통해석전용 S/W인 PSCAD/EMTDC를이용하여, 각분산전원별계통연계특성을해석하고, 계통연계시계통에미치는영향에대한해석을수행한다. 한편하드웨어적인실증시험을위하여, 신에너지전원계통연계모의시험장치를제작하여, 계통연계시에일어날수있는보호기기의실증시험을수행하여, 본연구에서제시한양방향구간개폐기의알고리즘의타당성을입증하도록한다. 이와같이소프트웨어에의한분석과하드웨어적인시험결과를바탕으로양방향구간개폐기를개발할수있는알고리즘을제시하고자한다. 2. 양방향구간개폐기의보호계전알고리즘 2.1 기존의구간개폐기의문제점 기존의단방향구간개폐기는자체적으로고장을차단하는능력이없으며, 일반적으로후비보호장치인리클로져 (Recolser) 와함께쓰인다. 리클로져의최소차단정격용량의 80[%] 의과전류가흐르면구간개폐기는계수를행할준비를하고, 리클로져의동작에의해선로가무전압상태가되면이를감지하여계수한다. 무전압상태의횟수를일정시간동안기억하고있으며, 미리정해놓은횟수에도달하면선로의무전압상태에서선로를개방하 여고장구간을분리시킨다. 하지만분산전원이리클로져와구간개폐기사이에연계되고고장이구간개폐기이후에발생하거나분산전원이구간개폐기이후에연계되고고장이리클로져와구간개폐기사이에발생하였을경우, 리클로져에의해선로가차단되더라도분산전원의단독운전에의해선로무전압상태를감지하는구간개폐기의오동작, 즉리클로져동작횟수의카운트에실패하여선로를차단할수없는경우가발생할수있다 [7-10]. 배전계통에분산전원연계시, 기존구간개폐기의보호협조의문제점은그림 1을통하여나타낼수있다. 즉, 단방향보호요소를가지고있는기존의구간개폐기는후비보호기기인리클로져 RE2의동작에의해선로가무전압을감지하여고장구간을분리하도록셋팅되어있는데분산전원연계시주전원측의고장전류로인하여후비보호기기인리클로져의동작을구간개폐기가카운트하여선로를분리하려다가분산전원측의전압을감지하여오동작을할수있다 [11,12]. [ 그림 1] 구간개폐기보호협조개념도따라서상기의경우리클로져에의해선로가재투입되었을때, 분산전원의단독운전뿐만아니라배전계통과분산전원의비동기투입에의하여악영향이발생할수도있다. 이에대한대책으로서역조류를고려한구간개폐기의개발이필요하다. 2.2 양방향구간개폐기의보호협조알고리즘그림 1에서 F1 지점의고장발생시구간개폐기는후비보호장치인리클로져의동작을카운트하여선로무전압을감지하기는어렵다. 왜냐하면리클로져의재폐로동작이있어도분산전원으로인하여선로는무전압이되지않기때문이다. 그러므로본연구에서제시하는양방향구간개폐기는분산전원측의전력및전압, 전류감지기능및고장복구후분산전원재연계시계통과동기가맞지않을경우연계방지를위한동기검출과단독운전방지를위한저주파검출등의기능을추가하도록한다. 한편, F2 지점에서고장이발생할시에는기존의구간개 1803

3 한국산학기술학회논문지제 10 권제 8 호, 2009 폐기동작시퀀스와같이, 후비보호장치인재폐로보호기기동작으로선로무전압이감지될경우선로를분리하면된다 [13,14]. 즉, 고장위치에따른구간개폐기의동작알고리즘은다음과같이 3가지의요소로나눌수있다. 1 Case I : 고장위치가 F2일때, 구간개폐기가정방향의고장전류를감지하는경우 2 Case II : 고장위치 F1일때, 구간개폐기가역방향고장전류를감지하는경우 3 Case III : 리클로져 RE2의재폐로시, 구간개폐기와리클로져사이에협조하는경우그림 2는역조류를고려한구간개폐기의알고리즘으로서기존의구간개폐기가단지선로의무전압을감지하여선로를분리하는반면, 역조류를고려한구간개폐기는정방향조류일때는기존의구간개폐기원리로선로를분리하게된다. 만약역조류가감지될경우에는알람으로서중앙에통보하게된다. 이를위하여, 보호요소에서는기존의구간개폐기를보완하여, 양방향전압전류검출및동기검출, 역전력검출기능을추가하고측정에서는위상차추가및전류, 전압측정폭을확대하도록한다. 또한이력관리를위하여저장공간을증대시키고, 통신장치에서는다양한포트및프로토콜을추가시킨다. 이에대한제어장치의개념도는그림 3과같다. [ 그림 3] 구간개폐기의제어장치개념도 3. PSCAD/EMTDC 를이용한양방향알고리즘의검증 그림 4와표 1은양방향구간개폐기의알고리즘을검증하기위하여고장모의해석을수행하기위한배전계통도와모델링데이터이다. [ 그림 4] 실증시험을위한시뮬레이션계통도 [ 표 1] EMTDC 용배전계통 ( 분산전원 ) 의모델링데이터 [ 그림 2] 역조류를고려한구간개폐기의양방향동작알고리즘 전원측배전용변전소주변압기배전선로 (ACSR 1600[mm] 2 분산전원시스템 영상분임피던스 (Z so)[%] j1.336 정상, 역상분임피던스 (Z s1,z s2)[%] j0.757 공급전압 [kv] 154 정격용량 [MVA] 45/60 임피던스 (Z t)[%] j11 영상분임피던스 (Z lo)[%/km] j29.26 정상, 역상분임피던스 (Z l1,z l2)[%/km] 3.47+j7.46 선로길이 [km] 2 발전기종류 동기발전기 정격용량 [MVA] 2 정격전압 [kv] 480 X d''[p.u.] (V) 변압기 480V/22.9kV 2MVA j7 1804

분산전원이연계된배전계통의양방향구간개폐기의동작알고리즘에관한연구 그림 5에서고장위치가 F1인경우의고장조건은다음과같다. 고장발생은 0.

그림 3은시뮬레이션결과로서구간개폐기가감지하는전압, 역방향고장전류와보호기기동작시간을보여주고있다.

따라서 DG에서공급하는고장전류에동작하지않도록구간개폐기에방향성계전요소가필요하다는것을알수있다.

36초로가정하고시뮬레이션을하였다. 그림 4는시뮬레이션결과로서구간개폐기가감지하는전압, 역방향고장전류와보호기기동작시간을보여주고있다.

25 초후에도 DG의전압공급에의해 DG 측차단기개방시간인 0.36초까지무전압감지를실패하게된다.

4 분산전원이연계된배전계통의양방향구간개폐기의동작알고리즘에관한연구 그림 5에서고장위치가 F1인경우의고장조건은다음과같다. 고장발생은 0.2초이고, RE2 개방시간은 0.25 초, 분산전원 (DG) 측차단기개방시간은 0.36초로가정하고시뮬레이션을하였다. 그림 3은시뮬레이션결과로서구간개폐기가감지하는전압, 역방향고장전류와보호기기동작시간을보여주고있다. 이그림과같이, F1에서고장이발생한경우구간개폐기는역방향고장전류를감지하게된다. 따라서 DG에서공급하는고장전류에동작하지않도록구간개폐기에방향성계전요소가필요하다는것을알수있다. 한편, F2 지점에서의고장모의로서고장조건은아래와같다. 고장발생은 0.2초, RE2 개방시간은 0.25초 DG 측차단기개방시간은 0.36초로가정하고시뮬레이션을하였다. 그림 4는시뮬레이션결과로서구간개폐기가감지하는전압, 역방향고장전류와보호기기동작시간을보여주고있다. 그림 6의전압파형을분석한결과, F2에서고장발생시구간개폐기는 RE2의개방시점인 0.25 초후에도 DG의전압공급에의해 DG 측차단기개방시간인 0.36초까지무전압감지를실패하게된다. 그러므로구간개폐기는무전압을감지하기위해 RE2의개발시간과 DG 측차단기분리시간만큼의 delay time을고려해야한다. (a) 구간개폐기의감지전압 (a) 구간개폐기의감지전압 (b) 구간개폐기의감지전류 (b) 구간개폐기의감지전류 (c) 구간개폐기의동작시간 [ 그림 5] F1 고장발생시역조류를고려한구간개폐기전압, 전류파형 (c) 구간개폐기의동작시간 [ 그림 6] F2 고장발생시역조류를고려한구간개폐기전압, 전류파형 1805

한국산학기술학회논문지제 10 권제 8 호, 2009 4. 보호기기모의시험장치를이용한양방향알고리즘의검증 그림 7은양방향구간개폐기의알고리즘을검증하기위한시험장치의구성도를나타낸것이다. 주요구성요소로서는상기의 EMTDC S/W의시뮬레이션결과치를보호기기의제어단자에실제로출력할수있는전원공급장치 (Freja) 와구간개폐기제어장치, 노트북등이다.

1 정방향고장전류감지 (Case I) 상기의하드웨어시험장치를이용하여, 역조류를고려한구간개폐기가정방향고장전류감지시방향성보호계전알고리즘을검증하였다. 그림 9는 Freja로입력하는 PSCAD/EMTDC의모의파형을나타낸것이고, 표 2 는시험결과를나타낸것이다.

5 한국산학기술학회논문지제 10 권제 8 호, 보호기기모의시험장치를이용한양방향알고리즘의검증 그림 7은양방향구간개폐기의알고리즘을검증하기위한시험장치의구성도를나타낸것이다. 주요구성요소로서는상기의 EMTDC S/W의시뮬레이션결과치를보호기기의제어단자에실제로출력할수있는전원공급장치 (Freja) 와구간개폐기제어장치, 노트북등이다. 먼저양방향구간개폐기 ( 계전기 ) 에노트북을사용하여보호계전요소를다운로드시킨후, Freja로 EMTDC 시뮬레이션의결과를증폭하여, 모의 A, B, C상전압, 전류의크기와위상을계전기에인가하여, 제시한알고리즘을검증하였다. 4.1 정방향고장전류감지 (Case I) 상기의하드웨어시험장치를이용하여, 역조류를고려한구간개폐기가정방향고장전류감지시방향성보호계전알고리즘을검증하였다. 그림 9는 Freja로입력하는 PSCAD/EMTDC의모의파형을나타낸것이고, 표 2 는시험결과를나타낸것이다. Freja 운영 PC를사용각상에전압, 전류의크기와위상을계전기에인가하여, 미리설정된계전기설정치에의하여보호계전요소가동작하는지를검증하였다. 계전기의방향성 Forward, 픽업전류 500[A] 로설정한후, 정방향 600[A] 고장전류인가시, 구간개폐기의동작을확인할수있었다. 한편, 역방향고장전류인가시에는동작을하지않음을알수있었다. [ 그림 7] 구간개폐기의시험장치구성도상기의시험장치를이용하여구간개폐기보호알고리즘을검증하기위하여, 2장의동작알고리즘에서제시한 3개의 Case를상정하였다. 선정기준은그림 8과같이, 고장위치에따라구간개폐기가고장전류를정방향으로감지하는경우와역방향으로감지하는경우, 리클로져의동작에따른협조시험으로선정하였다. [ 그림 9] Case I 의알고리즘검증을위한모의파형 [ 표 2] Case I 의알고리즘검증결과 [ 그림 8] 동작알고리즘의시험을위한계통도 4.2 역방향고장전류감지 (Case II) 여기서는역조류를고려한구간개폐기가역방향고장전류감지하는방향성보호계전알고리즘을검증하였다. 그림 10은 Freja로입력하는 PSCAD/EMTDC의모의파 1806

분산전원이연계된배전계통의양방향구간개폐기의동작알고리즘에관한연구 형을나타낸것이고, 표 3은시험결과를나타낸것이다.

고장전류인가시에구간개폐기가카운트하지않는것을확인하였다. 역방향고장전류인가시에는동작함을확인하였다.

II 의알고리즘검증을위한모의파형 [ 표 3] Case II 의알고리즘검증결과 표 5는전체알고리즘에대하여검증한결과를종합한것으로,

3 리클로져재폐로협조시험 (Case III) 리클로져재폐로동작시구간개폐기카운터를시험하였다.

6 분산전원이연계된배전계통의양방향구간개폐기의동작알고리즘에관한연구 형을나타낸것이고, 표 3은시험결과를나타낸것이다. 계전기의방향성 Forward, 픽업전류 500[A] 로설정한후, 역방향 600[A] 고장전류인가시에구간개폐기가카운트하지않는것을확인하였다. 역방향고장전류인가시에는동작함을확인하였다. [ 그림 11] Case III 의알고리즘검증을위한모의파형 [ 표 4] Case III 의알고리즘검증결과 [ 그림 10] Case II 의알고리즘검증을위한모의파형 [ 표 3] Case II 의알고리즘검증결과 표 5는전체알고리즘에대하여검증한결과를종합한것으로, 재폐로시험에대하여본연구에서제시한동작알고리즘에의한양방향구간개폐기가적정하게동작함을확인할수있었다. [ 표 5] 전체알고리즘검증결과 4.3 리클로져재폐로협조시험 (Case III) 리클로져재폐로동작시구간개폐기카운터를시험하였다. 구간개폐기의방향성을 Forward, 카운터설정을 2 회로하고, 모의파형처럼 Freja로모의시구간개폐기가 2회카운트하는것을확인하였다. 그림 11은 Case3 알고리즘검증을위한모의파형및 Freja 설정치이며, 표 4는알고리즘결증결과로서적정하게협조가이루어짐을확인할수있었다. 1807

한국산학기술학회논문지제 10 권제 8 호, 2009 5. 결론 분산전원연계시에기존의구간개폐기는주전원측의전력만감지할뿐분산전원측의역조류감지및보호를하지못해오동작을일으킬수있다. 이러한경우분산전원의단독운전뿐만아니라배전계통과분산전원의비동기투입에의한악영향이발생할수도있다. 이에대한대책으로서본논문에서는분산전원의역조류를감지하는새로운구간개폐기의양방향동작알고리즘을제시하였다.

[11] 노대석외, 신재생에너지전원이연계된배전계통에서보호협조방안에관한연구, 한국산학기술학회, 춘계학술회논문집, 5월, 2008 [12] 노대석, 배전계통에있어서전압변동이일반수용가에미치는영향에대한분석, 한국산학기술학회, 추계학술회논문집, 11월, 2008.

7 한국산학기술학회논문지제 10 권제 8 호, 결론 분산전원연계시에기존의구간개폐기는주전원측의전력만감지할뿐분산전원측의역조류감지및보호를하지못해오동작을일으킬수있다. 이러한경우분산전원의단독운전뿐만아니라배전계통과분산전원의비동기투입에의한악영향이발생할수도있다. 이에대한대책으로서본논문에서는분산전원의역조류를감지하는새로운구간개폐기의양방향동작알고리즘을제시하였다. 배전계통의해석 S/W인 PSCAD/EMTDC와모의시험장치의하드웨어적인시험결과를통하여본논문에서제시한동작알고리즘의타당성과효용성을확인하였다. Dekker, Inc. pp [11] 노대석외, 신재생에너지전원이연계된배전계통에서보호협조방안에관한연구, 한국산학기술학회, 춘계학술회논문집, 5월, 2008 [12] 노대석, 배전계통에있어서전압변동이일반수용가에미치는영향에대한분석, 한국산학기술학회, 추계학술회논문집, 11월, [13] 노대석외, 태양광발전이연계된배전선로의리클로져의오동작에대한연구, 한국산학기술학회, 춘계학술회논문집, 5월, [14] 노대석외, 신네어지전원이연계된배전계통의양방향보호협조문제점에대한연구, 대한전기학회, 하계학술회논문집, 7월, 참고문헌 [1] 분산전원배전계통연계기술기준, 한국전력공사 [2] NREL, "Distributed Power Program DER Pilot Test at the Nevada Test Site ", NREL/TP , May, [3] EPRI, " Electricity Technology Roadmap, Meeting the Critical Challenge of the 21st Century ", Product No , [4] R. Grunbaum, "SVC Light: A Powerful Means for Dynamic Voltage and Power Quality Control in Industry and Distribution", Power Electronics and Variable Speed Drives, pp , September 2000, Eighth International Conference Publication IEE [5] V. Karasik, K. Dixon, C. Weber, B. Batchelder, G. Campbell, and Ribeiro, "SMES for Power Utility Applications: A Review of Technical and Cost Considerations," IEEE Trans. Applied Superconductivity, Vol.9, No.2, June [6] Lin C. E., Shiao Y. S., Huang C. L. and Sung P., "Design Consideration and Economical Evaluation Battery Energy Storage System", 92 IEEE PESSummer Meeting, SM PWRS,Seattle Washington, July [7] H. Kirkham & R. Das, "Effects of Voltage Control in Utility Interactive Dispersed Storage and Generation Systems", IEEE Trans. Power Apparatus and Systems, Vol. PAS-103, No.8, [8] Vasilije P. Lulcic, "Optimal Operation Policy for Storage", IEEE Trans. PAS-101, No.9, [9] James J. Burke, "Power Distribution Engineering",Dekker, Inc. pp , [10] H. Lee Willis, "Power Distribution PlanningBook", Marcel 윤기갑 (Gi-Gab Yoon) [ 정회원 ] 1983 년 2 월 : 한양대학교전기공학과 ( 공학사 ) 1988 년 8 월 : 한양대학교대학원전기공학과 ( 공학석사 ) 1999 년 2 월 : 한양대학교대학원전기공학과 ( 공학박사 ) 1990 년 3 월 ~ 현재 : 한전전력연구원 < 관심분야 > 전력계통, 배전계통, 분산전원연계, 전력품질해석 정점수 (Soo-Jum Jeong) [ 정회원 ] 2008 년 2 월 : 충남대학원전기공학과 ( 공학석사 ) 1997 년 2 월 ~ 2006 년 6 월 : 한전충남사업본부 2006 년 6 월 ~ 현재 : 한전전력연구원 < 관심분야 > 전력 / 배전계통, 분산전원연계, 전력품질해석 1808

정회원 ] 1985 년 2 월 : 고려대학교전기공학과 ( 공학사 ) 1987 년 2 월 : 동대학원전기공학과 ( 공학석사 ) 1997 년 3 월 : 일본북해도대학교대학원전기공학과 ( 공학박사 ) 1987

8 분산전원이연계된배전계통의양방향구간개폐기의동작알고리즘에관한연구 안태풍 (Tae-Pung An) [ 정회원 ] 1992 년 2 월 : 성균관대학교전자공학과 ( 공학사 ) 1992 년 2 월 ~ 1996 년 5 월 : 일진전기공업 ( 주 ) 1996 년 6 월 ~ 현재 : 인텍전기전자 ( 주 ) < 관심분야 > 전력 / 배전계통, 배전자동화, 전력 IT, 분산전원연계 노대석 (Dae-Seok Rho) [ 정회원 ] 1985 년 2 월 : 고려대학교전기공학과 ( 공학사 ) 1987 년 2 월 : 동대학원전기공학과 ( 공학석사 ) 1997 년 3 월 : 일본북해도대학교대학원전기공학과 ( 공학박사 ) 1987 년 3 월 ~ 1998 년 8 월 : 한국전기연구소연구원 / 선임연구원 1999 년 3 월 ~ 현재 : 한국기술교육대학교정보기술공학부부교수 < 관심분야 > 전력 / 배전계통, 분산전원연계, 전력품질해석 1809

Microsoft Word - KSR2015A135

Microsoft Word - KSR2015A135 2015 년도한국철도학회추계학술대회논문집 KSR2015A135 PSCAD/EMTDC 를이용한직류전기철도급전계통모델링 Modeling for power feeding system of DC electric railway using the PSCAD/EMTDC 정현기 * Hyun-Ki Jung * 초록직류전기철도는 DC 1,500V 전차선로등급전계통에서단락또는지락사고발생시