Journal of Industrial Technology, Kangwon Natl. Univ., Korea, No. 29 B, 2009. 안정적전력공급을위한 154kV 변전소배전선로간 연계운영에관한연구 A Study on Loop operation of 154kV Substation Distribution line for Stable power supply 김광호 * 손명권 ** 정종찬 *** Kim, Kwang-Ho Son, Myoung-Gwon Jeong, Jong-Chan Abstract For a stable supply of electric power, periodical inspection of the electric facilities and repair of the distribution lines are required. In case of any unexpected accidents, looped operation among distribution lines may be necessary in order to supply electricity through the sound lines, separating the faulted lines. As a result of this study, it was found that normal looped operation became impossible when phase difference of the looped distribution lines is more than 3 degrees compared with the voltage supply of the distribution lines. Therefore, for a stable supply of electric power to Chuncheon, it is judged to be desirable that looped operation of the distribution lines coming from the same substation M. Tr Bank shall be performed in principle and in case of looped operation with the substation of different system, looped operation among the lines shall be performed after voltage regulation of the substation M. Tr Bank, maintaining similar voltages and load supply volume in order to avoid phase difference through checking the operation conditions of each substation M. Tr Banks. And when looped operation among the distribution lines is scheduled, voltage regulation schedule has been established so far by calculating maximum supply volume through the transformer of the substation and the maximum load volume through the distribution lines but in the future, looped operation of the distribution lines shall be carried out by removing voltage difference with regulating tap or load of the surrounding transformers, with giving prior notice to operators. the substation 키워드 : 연계운영, 154kV 변전소, 배전선 Keywords : Loop operation, 154kV Substation, Distribution line 1. 서론 우리나라의전력수요는경제성장과더불어빠른속도로성장해왔다. 그리고국민생활수준의향상, 정보화시대로접어들어서면서고품질의전력수요 요구가증대하고있으며, 사회전반적으로전기에너지에대한의존도가나날이높아지고있다. 또한전력은일상생활과직접적으로관련이있어전력수급및공급상문제가발생하면각종생활에불편을야기되므로중단없는전력공급요구의특징 - 221 -
김광호, 손명권, 정종찬 을갖는다. 전력공급은발전소, 송전선로, 변전소, 배전선로등전기를생산, 수송하여소비지까지연결하는여러가지기기들을유기적으로결합해서하나의시스템 (System) 을구성한다. 일반적으로이것을전력시스템 (Power System) 이라한다. 이러한전력시스템을구성하는발전소경우여러곳에발전설비가분산되어설치되어있으며충분한공급예비율을확보하여운영하고있고, 송전선로의경우최소 2회선이상으로계통을구성하여운영하기때문에송전탑파손과같은중대한고장이발생하지않는한수용가에공급지장을초래하지않는다. 그러나전력시스템에말단에서수용가에직접전력을공급하고있는배전선로에경우는보통방사상으로계통을구성되기때문에고장이발생하면전력공급중단으로인하여수용가에직접적피해를입히게된다. 수용가에안정적이고지속적인전력공급을위해배전선로의유지, 보수작업중에도전력을공급할수있는무정전공법을도입해서활용하고있으며, 변전소설비의점검및유지보수위해서는공급선로를다른선로에연계한후점건하고자하는설비를휴전시키고점검을하게된다. 춘천시의전력공급현황을살펴보면 82년 12월준공된춘천 S/S와퇴계농공단지와석사, 퇴계, 온의신주거지역의전력수요에맞추어 98년 12월남춘천 S/S의준공으로전력공급의여유가생김으로써 90년대초반보다전체적인전력공급안정도는높아졌으며, 부하부담도 2007년 3월현재는춘천시전체부하의 39% 를춘천 S/S에서나머지 61% 의부하는남춘천 S/S에서공급하고있다. 이에따라변전소상호간의배전선로 (Distribution Line : D/L) 연계에대한필요성이대두되었으며, 여러번의 D/L 연계가있었다. 그러나배전선로연계운전시마다일어나지는않았지만춘천S/S와남춘천S/S 양변전소에서공급되는배전선로에상호연계를할경우원인이밝혀지지않은 D/L CB( 차단기 ; Circuit Breaker) 의과전류계전기동작에인한 Trip이발생하였다. 가장최근의기록은 00년 3회중 1회, 01년 3회중 2회등 Trip 사고가있었다. 이후강원지사에서는특별한경우를제외하고는상호변전소간의연계를하지않고있다. 하지만춘천시에안정적인전력을공급하기위하여주기적인변전소기기점검작업이나배전선로보수등이필요하며, 변전소의모선이나기기, 2) 배전선로의사고나고장시에도안정적인부하를 공급하기위해서는현재양변전소간배전선로의상호연계가필요하다. 따라서본연구에서는춘천과남춘천 S/S간의배전선로상호연계시 D/L Circuit Breaker의과전류계전기동작에의한 Trip 원인을규명하여춘천시의안정적인전력공급을모색해보고자한다. 이와같은연구를수행하기위해서본논문에서는전력계통과도현상해석프로그램인 PSCAD/EMTDC(Power System Computer Aided Design/Electro Magnetic Transients in DC System) 를이용하여춘천 S/S와남춘천 S/S 전력을공급하는송전선로계통, 양변전소에설치된 M. Tr(Main Transformer)Bank 및상호연계가가능한 D/L 등을모델링하여선로의연계시전류특성등을모의하고, 실계통에적용시상호연계시에도안정적으로전력을공급할수있는지여부를알아보았다. 2. 춘천시전력공급계통현황 춘천시에전력을공급하는송전계통을살펴보면북한강수계의화천, 춘천, 소양강수력발전소에서발전된전력을수도권과영서지역에공급하는계통의중심에있으며, 특히춘천 S/S의경우소양강 H/P(Hydro electric Power) 와화천 H/P, 춘천 H/P 에서발전된전력을직접송전받고있는변전소이기도하다. 그리고남춘천 S/S의경우도청평 P/S(Pumped Storage hydro electric Power Station) 를경유하는동서울계통의수전단의말단에위치하고, 청평 P/S 에서발전할경우발전량에따라조류의많은영향을받을수있는변전소이다. * 강원대학교전기전자공학부교수, 공학박사 ** 강원대학교전기전자공학부석사, 공학석사 *** 강원대학교전기전자공학부박사과정, 교신저자 그림 2 춘천남춘천 S/S 연계선로현황 [ 자료 : 한전강원지사 SOP 2007 년 03 월 ] - 222 -
안정적전력공급을위한 154kV 변전소배전선로간연계운영에관한연구 춘천 S/S 와남춘천 S/S 의연계및절체가가능따라서양변전소모두연계된발전소에서발전기를기동과정지시송전선전류의조류흐름에많은영향을받는변전소라할수있다. 한선로를강원지사 SOP(Standard Operating Procedure ; 표준복구절차서 ) 통해살펴보면다음과같이춘천 S/S 를기준으로남춘천 S/S 와 9 개 D/L 을상호연계가가능하고 3 개 D/L 이절체가가능하다. 그리고춘천 S/S 15 개 D/L 중 5 개, 남춘천 S/S 22 개 D/L 중 11 개 D/L 은자체변전소의다른 Bank 의 D/L 과연계나절체를할수있도록선로가구성되어있다. 따라서양변전소에서 M. Tr(Main Transformer) 이나 D/L 고장시에는변전소간의연계는꼭필요하다고할수있다. 춘천시의전력공급은 39% 를춘천 S/S 에서나머지 61% 의부하는남춘천 S/S 에서공급하고있다. 이에따라변전소내전력기기의점검이나배전선로보수시무정전전원공급을위한 D/L 연계에대한필요성이대두되었으며, 여러번의 D/L 연계가있었다. 그러나춘천과남춘천 S/S 양변전소에서공급되는배전선로에상호연계를할경우원인이명확히밝혀지지않은 D/L CB(Circuit Breaker) 의과전류계전기 (OCR ) 동작에인한 Trip 이수차례발생하였다. 전력의안정적인공급의측면에서보면 D/L Loop 시 Trip 에의한정전사고의발생은시민생활에많은불편함과민원발생의소지가있다. 따라서춘천시의안정적인전력공급을위해서양변전소간의 Loop 시 Trip 원인을규명하고해결하는것이중요하다고하겠다. 그림 3 변전소배전선로간 Loop 단선도 3. PSCAD/EMTDC 춘천시전력계통모델링 변전소간 Loop 운전시계통상황에따른변화를알아보기위해그림 2 과같은계통을모의하였다. A S/S, B S/S 전압, 부하, 위상이모두동일하다고가정하였으며, M. Tr 1, 2차측전압, 부하또한같다. A S/S, B S/S 각각의부하는 145 MVA로같으며, M. Tr #1 부하는각각 45 MVA이다. A D/L, B D/L 각각의부하는 5 MVA이다. 춘천 S/S와남춘천 S/S 계통은그림3 과같이구성되며, 각각의변전소는서로상이한 154kV계통으로부터전력을공급받는다. 계통모의에사용된데이터는한전의 07년 3월실제데이터를이용하였으며, 춘천변전소총부하량은약 108 MVA 전압은 155.3 kv 남춘천 S/S 총부하량은 154 MVA 전압은 158.5 kv 이다. 배전선로간 Loop가될 D/L은춘천 S/S #1 M. Tr. 석사 D/L 말단과남춘천변전소 #1 MTr. 의강원 D/L 말단으로모의하였으며, 실제 Loop 운전지점과동일하다. 그림 4 실제변전소배전선로간 Loop 단선도 - 223 -
김광호, 손명권, 정종찬 배전선간 Loop가될춘천변전소 MTr. #1 부하량은 34.8MVA이고, 석사 D/L의부하량은 4.9MVA 전압은 23.4kV 이며, 남춘천변전소 MTr. #1 부하량은약 41.8MVA이고, 강원의 D/L 의부하량은 6.7MVA 전압은 23.3kV 이다. 춘천변전소과연계된송전계통인홍천변전소와소양강수력발전소를모의하였다. 4. 배전선로간 Loop 운전사례연구 아래의내용은계통과운영상황조건은동일하나, 변전소간위상차가있도록모의한것으로, 위상차에따른배전선로 Loop 에미치는영향을보기위하여모의하였다. 3 앞서는것으로모의하였다. 1초에배전선로간 Loop를실시한결과 A D/L에서 B D/L로전력이공급되는것을유효전력과전류그래프를통하여알수있으며, 그림 4와비교하여 Loop로인하여 A D/L에서 B D/L 를공급하는전력량또한늘어나 A D/L의유효전력이 5 MW에서 12.5 MW로증가한다. 또한 A D/L 선로의전류가 300A를초과하므로, 과전류계전기로부터 Trip 신호발생하여, 차단기가개방되므로, 그림 4를그림 5와비교하면위상차가커질수로 Loop로인한영향이증가함을알수있고, 배전선로간위상차가 3 이상이되면배전선로에정상적인연계운전이불가능하다는것을보여주고있다. 4.1 배전선로간위상차가 1 가되도록모의 그림 6 변전소간위상차가 3 인경우배전선로 Loop 운전모의 그림 5 변전소간위상차가 1 인경우배전선로 Loop 운전모의 그림 4는 A S/S의위상이 B S/S의위상보다 1 앞서는것으로모의하였다. 1초에배전선로 Loop 를실시한결과 A 배전선로의전력이 5 MW에서 7 MW로증가하며, B 배전선로의전력은 5 MW 에서 3 MW로감소한다. 이것을통하여 A 배전선로에서 B 배전선로로전력이공급됨을알수있다. 4.2 변전소간위상차가 3 가되도록모의그림 5 는 A S/S 의위상이 B S/S 의위상보다 4.3 배전선로간전압차가발생한경우배전선로 Loop 운전모의 A D/L의전압은 23.8kV이며 B D/L의전압은 22.7kV이다. 전압이외에부하및위상등의조건은모두동일하다. 1초에 Loop 운전을실시한결과그림6의위상그래프를통하여알수있듯이전압이높은 A배전선로에위상뒤지게되며, 이에따라전력은 B D/L에서 A D/L 이로공급됨을알수있다. 배전선로간전압차를가정하고모의한결과위상차는전압크기에의해서도발생함을알았으며, 배전선로전압이낮은쪽의위상이앞서게됨을알았다. - 224 -
안정적전력공급을위한 154kV 변전소배전선로간연계운영에관한연구 A S/S의부하는 170MVA, B S/S의부하는 130MVA로 40MVA차이가발생하도록모의하였으며, Loop운전을하게될 A S/S, B S/S 각각 #1 M. Tr의부하는 45MVA 로동일한조건에서 1초에배전선로 Loop운전을실시한경우그림 7을보면알수있듯이변전소간부하차에의해서도배전선로의위상차가발생한다. 또한부하량이큰 A S/S에위상이 B S/S에위상보다뒤지므로, 배전선로에위상또한배전선로에위상또한 A D/L 가뒤지게되어 1초에 Loop 운전을한경우 B D/L로부터 A D/L로전력이공급된다. 그림 7 배전선로간전압차가발생한경우배전선로 Loop 운전모의 4.4 변전소간부하차가발생한경우배전선로 Loop 운전모의 4.5 주변압기간부하차가발생한경우배전선로 Loop 운전모의 A S/S 의 #1 M. Tr 부하가 B S/S 의 #1 M. Tr. 부하보다 5 MVA 작도록모의하였으며, 각각의 M. Tr. 에연결된 A D/L, B D/L 의부하는 5 MVA 로동일하게모의하였다. 그림 8 에서알수있듯이주변압기부하량에따라서도위상차가발생하며, 변전소간부하차가있는경우와동일하게부하가큰쪽의위상에뒤지게되어전력을공급받게된다. 따라서그림 8 의경우는 A D/L 에서 B D/L 로전력을공급하게된다. 그림 8 변전소간부하차가발생한경우배전선로 Loop 운전모의 그림 9 주변압기간부하차가발생한경우배전선로 Loop 운전모의 - 225 -
김광호, 손명권, 정종찬 5. 춘천시공급배전선로실계통연계운전사례모의분석 배전선로간 Loop운전사례연구를통하여상위계통의전압및부하의크기에따라위상차가발생하며, 이에의한위상의차에크기에따라계통에대한영향이비례함을알았고, 위상에앞서고뒤짐에따라전력공급방향이결정됨을알수있었다. 배전선로의 Loop시상기의원인에의한위상차가발생하면위상이앞선쪽에서뒤지는쪽으로전력공급의흐름이바뀜을알았다. 실제춘천시에전력을공급하고있는춘천변전소와남춘천변전소간에 Loop운전모의하여보았다. 모의를위하여부하및전압과계통구성에있어서실데이터를사용하였다. 춘천시에전력을공급하는춘천변전소와남춘천변전소의경우 154kV 계통이상이하며, 춘천변전소의경우는송전선로기준으로약 16km지점에위치한소양강발전소가중대한영향을미치고있다. Loop 운전을하게될배전선로는춘천변전소 MTr. #1의석사 D/L 말단과남춘천변전소 MTr. #1의강원 D/L 말단으로모의하였으며, 실제 Loop 운전지점과동일하다. 5.1 소양강발전소가발전하지않을경우배전선로연계사례모의및분석 3절의그림 3과같이선로를구성하였으며, 소양강발전소는발전을하지않는상태에서배전선로 Loop 운전을모의하였다. 이때그림 9의전력그래프를통하여알수있듯정상상태에서는석사배전선로는 5.2MW의전력을춘천변전소 #1 M. Tr 로부터공급받으며, 강원배전선로는 6.7MW의전력을남춘천변전소 #1 M. Tr으로부터공급받고있으며, 춘천변전소 2차배전전압은 23.7 kv, 남춘천변전소 2차배전전압은 23.1kV로서로상이하다. 위계통상황을종합해보면 Loop 배전선로간위상차가발생할수있음을알수있다. 실제모의결과그림 9의위상그래프에서알수있듯이 1.5 의위상차를보이며석사배전선로의위상이앞서고있다. Loop운전은 1초에실시한결과 3절에서와같이위상이앞서는석사배전선로에서강원배전선로로전력을공급하게되며, 석사배전선로의전력이 9.77MW가되며, 전류는 247A로증가하게되나 300A 미만이므로정상적인 Loop 운전이가능함을알수있다. 그림 10 소양강발전소가발전하지않는경우배전선로 Loop 운전모의 5.2 소양강발전소가발전할경우배전선로연계사례모의및분석소양강발전소가발전하는상태에서배전선로 Loop 운전을모의하였다. 그림 10 의유효전력그래프를통하여알수있듯정상상태에서는석사 D/L 은 5.2 MW 의전력을춘천변전소 #1 M. Tr 으로부터공급받으며, 강원 D/L 은 6.7 MW 의전력을남춘천변전소 #1 M. Tr. 으로부터공급받고있다. 춘천변전소 2 차배전전압은 23.7kV, 남춘천변전소 2 차배전전압은 23.1kV 로서로상이하다. 이는본절 (1) 의경우와동일하며, 소양강발전소가발전함에따라그림 10 의위상그래프처럼 5 의위상차를보이며석사 D/L 의위상이앞서고있다. Loop 운전은 1 초에실시한결과석사 D/L 에서강원 D/L 로전력을공급하게되며, 석사배전선로의전력이 13.2MW 가되며, 전류는 331A 로증가하게되므로 300A 초과로배전선로의과전류계전기로부터 Trip 신호가발생하여차단기가개방된다. 이는배전선로의정상적인정상적운전이불가능 - 226 -
안정적전력공급을위한 154kV 변전소배전선로간연계운영에관한연구 함을알수있다. 간연계운전이후에도석사 D/L 의전류가 300A 를넘지않으므로정상적이연계운전이가능하였다. 그림 11 소양강발전소가발전하는경우배전선로 Loop 운전모의 6. 연구결과를적용한실계통연계운전사례모의분석 본논문에서배전선로간 Loop 운전사례연구를통하여다양한원인으로위상차가발생하는것알수았으며, 그결과를이용하여 5 절 (2) 에모델계통에위상차가줄어들수있도록적용하여보았다. 모의상황은 5 절 (2) 동일하며석사 D/L 전력을공급하는춘천변전소 #1 M. Tr. 과강원 D/L 전력을공급하는남춘천변전소 #1 M. Tr. 각각의부하량을동일하게하기위해남춘천변전소 #1 M. Tr. 의임의의 D/L 을같은변전소의다른 M. Tr. 로절체하였으며, 변압기탭조절을통하여석사, 강원각 D/L 의전압의크기또한오차범위안에서동일하게설정하여모의하였다. 그결과위상차가 3 를넘지않으며, 배전선로 그림 12 소양강발전소가발전하는경우에연구결과를적용한배전선로 Loop 운전모의 7. 결론 위와같이모의결과부하공급량보다도 Loop 되는배전선로간위상차가 3 이상이되면배전선로에정상적인연계운영이불가능하다는것을보여주고있다. 그리고위상차가발생하는원인으로는공급변전소의배전전압의차이가있는경우, 변전소부하의차이, 주변압기의부하차이등에의해위상이변화함을알았고, 위상이앞서는쪽에서뒤지는쪽으로전류공급이편중됨을알수있었다. 따라서안정적인전력공급을위해서는원칙적으로같은변전소 M. Tr Bank 에서공급되는배전선로간의 Loop 운전을하고, 계통이다른변전소와 Loop 운영을해야할경우에는위상차가생기지않도록각각의변전소의 M. Tr Bank 의운전상태를파악한후전압및부하공급량이비슷해지도록 - 227 -
김광호, 손명권, 정종찬 변전소 M. Tr Bank 의부하를조정한다음선로간 Loop 운전함이바람직할것으로판단된다. 전력기기의점검이나고장복구등으로인한배전 Loop 운전계획시현재는변전소의 M. Tr 로공급할수있는최대공급량과 D/L 로공급할수있는최대부하량만계산하여부하절체계획을작성하고있는데, 앞으로는 Loop될양변전소의 M. Tr의뱅크에서공급되는 D/L의부하로인한전압차이가없도록사전에변전소측에요청하여주변압기 Tap이나부하를조정하여전압차이가없도록한후배전선로연계운전을실시하여야한다. 춘천시공급배전선로실계통연계운전모의분석에서보듯이소양강발전소의발전을하지않을경우라도배전선로연계운전시전류가춘천변전소나남춘천변전소로편중되어흐르며연계할배전선로의부하를각각 100A 이하가되도록부하를절체한다음운전하는것이바람직하다. 소양강발전소발전시에는발전전압으로인하여춘천변전소와남춘천변전소의위상차가 4.5 이상발생하므로, 배전선로간연계운전을지양하고긴급한상황이라면연계운전을하여야할배전선로의인출측차단기를개방한후연계운전하여야한다. 그리고배전선로신규건설시변전소간의연계가필요한지충분한검토가있어야할것이고배전선로간연계운전을하여야할경우라면본논문의모의결과를고려하여춘천변전소와남춘천변전소간에연계점을부하상황들을고려하여신중히결정하여야한다. 연구, 서울산업대학교산업대학원석사학위논문, 2006. [11] 김인상, 배전의신뢰성향상에관한연구, 연세대학교산업대학원석사학위논문, 1999. 참고문헌 [1] 송변전기술용어해설집, 한국전력공사 송변전 처, 2001. [2] 유인변전소운전기본반, 한국전력공사중앙 교육원, 2005. [3] 송전선로지역별계통도, 한국전력공사송변 전처, 2007. [4] 변전설비현장 GUIDE BOOK, 한국전력공사 동해전력소, 2001. [5] 변전소운전길라잡이, 한국전력공사서울전 력관리처, 2002. [6] 최신배전시스템공학, 대한전기학회, 2006. [7] 송길영, 신편 전력계통공학, 동일출판사, 2003. [8] 조남훈, 상정사고를고려한배전계통최적연 계및분할에관한연구, 충남대학교대학원 석사학위논문, 2003. [9] 이철균, 배전자동화를위한정전복구전문가 시스템에관한연구, 광운대학교대학원석사 학위논문, 1996. [10] 문형배, 전력계통의변전소자동화에대한 - 228 -