[논문]LAN을 이용한 분산전원 연계 계통의 보호

정태영; 백영식

문제 정의

이 논문에서는 과도상태시 분산전원의 고립운전 방지, 외부 선로에서 사고시 분산전원 측 변전소 인출단 과전류계전기의 불필요한 동작 방지를 위해 제안한 LAN(Local Area Network) 기반의 보호 시스템에 대하여 설명 한다. 이 시스템은 변전소 측에서의 고립운전 검출법에 속하지만, 기존 SCADA 시스템 및 배전자동화 기반의 고립운전 방지방법 [4]에 비하여 고속 동작이 가능하고, 고립운전 검출뿐만 아니라 외부 선로 사고시 과전류계전기간의 보호협조 없이 불필요한 동작을 방지한다.
이 논문은 IT기술을 전력계통에 적용하여 분산전원이 연계된 배전계통의 새로운 보호 방법에 관한 연구이다. 분산 전원이 연계된 배전계통에서 사고 발생시 분산전원의 고립운전 현상 방지와 외부 선로 사고시 분산전원이 연계된 변전소 인출단 과전류계전기의 불필요한 동작을 방지하기 위해서 HMI, IED, LAN을 이용한 보호 시스템을 제시하고 시스템의 검증을 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

가설 설정

Etl = EtL + EtH 가 성립함으로 0.1 초(6cycle)이내에 동작해야 하는 순시 계전기에도 적용 가능하다고 가정하고 제안한 시스템이다.
분산전원이 연계되지 않은 외부선로 사고를 시험하기 위하여 그림 12에서와 실제로 IED1 은 외부선로 측 차단기인 CB1 과 연결되고 IED2는 분산전원이 연계된 선로의 측 차단기인 CB2와 연결 되었다고 가정하고 IED1 에 1〜20P.U의전류를 인가하고 IED2에 외부선로 사고시 역조류를 가정하여 0.1 〜5P.U[4]의 전류를 인가한다.

제안 방법

이 시스템은 변전소 측에서의 고립운전 검출법에 속하지만, 기존 SCADA 시스템 및 배전자동화 기반의 고립운전 방지방법 [4]에 비하여 고속 동작이 가능하고, 고립운전 검출뿐만 아니라 외부 선로 사고시 과전류계전기간의 보호협조 없이 불필요한 동작을 방지한다. 실제 계통 적용의 검토를 위하여 분산 전원이 연계된 배전계통을 모델링하고 모의실험을 통하여 시스템의 타당성과 활용가능을 검증하였다.
전송한다. 사고 발생시 측정된 고장전류 값은 HMI Server로 보내지고 Main HMI에서 제안된 알고리즘에 따라 사고 위치 판단 후 지정된 IED로 Trip 신호를 보내 차단기를 동작시킨다.
가능하다. 분산전원 보호 시스템에서는 RS485를 사용하여 연결하였고 RS232나 RS422와 달리 Half Duplex 전송방식만 지원하기 때문에 버스의 접속과 단락을 제어하기 위하여 RTS나 DTS 핀을 추가로 사용하였다.
이 논문에서는 전력계통시스템의 설계 및 해석 프로그램인 ETAP을 이용하여 분산전원이 연계된 배전계통을 모델링 하였다. 분산전원은 풍력발전형태인 회전기로 모델링 하였고, 분산전원이 연계 운전될 계통은 22.
하였다. 분산전원은 풍력발전형태인 회전기로 모델링 하였고, 분산전원이 연계 운전될 계통은 22.9kV 배전계통, 배전선은 일반적인 ACSR 160< 95nM로 구성하였다. 계통과 연계된 모선은 서로 다른 부하용량을 가진 2개의 간선들로 이루어져 있다.
전류 계전기 시험 장치를 사용하였다. 실증 시험에서는 Main HMI에 설정된 동작 설정치 이하의 전류를 계전기 시험 장치를 사용하여 IED에 인가하고, 동작 설정치를 초과하도록 전류를 증가 시켜 보호 시스템이 순시동작과 한시동작에 소요되는 시간에 동작 하는가를 확인하고 Main HMI에 사용한 분산 전원 보호 알고리즘의 올바른 동작 여부를 확인하였다.
분산전원이 연계된 내부 계통 사고시 보호시스템의 동작 시험을 위하여 그림 11에서와 같이 IED에서 출력하는 차단기의 동작 신호를 받아 HMI 화면에 차단기의 동작 유무를 표시하였다. HMI화면에서 차단기는 사고발생 이전에는 녹색 사각형으로 표시되고 사고 발생 후 차단기가 동작하였을경우 붉은 사각형으로 표시하도록 설정 하였다.
HMI화면에서 차단기는 사고발생 이전에는 녹색 사각형으로 표시되고 사고 발생 후 차단기가 동작하였을경우 붉은 사각형으로 표시하도록 설정 하였다.
분산전원이 연계된 내부 계통사고를 시뮬레이션하기, 위하여 IED1 에 L-20P.U의 전류를 인가하였다. 보호 시스템에 동작 설정치 이상의 전류를 인가한 경우 그림 11에서처럼 IED1 의 동작과 동시에 IED2가 동작함으로 정상적으로 분산 전원이 계통으로부터 분리된 것을 보여주었다.
사고는 분산전원의 변압기 2차 측에서 변전소 측 IED 사이의 각 노드에서 3phase fault, single line to ground, line to line, double line to ground를 각각 모의 하였다. 아래 그림 14는 ETAP에서 분산전원이 연계된 계통 내부 사고를 상정하여 만들어진 데이터를 바탕으로 시뮬레이션을 수행한 결과 HMI화면이다.
연구이다. 분산 전원이 연계된 배전계통에서 사고 발생시 분산전원의 고립운전 현상 방지와 외부 선로 사고시 분산전원이 연계된 변전소 인출단 과전류계전기의 불필요한 동작을 방지하기 위해서 HMI, IED, LAN을 이용한 보호 시스템을 제시하고 시스템의 검증을 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

대상 데이터

계통의 평상시 전압, 전류와 사고시 전압 전류를 인가하기 위하여 아날로그형의 3상 전압 . 전류 계전기 시험 장치를 사용하였다. 실증 시험에서는 Main HMI에 설정된 동작 설정치 이하의 전류를 계전기 시험 장치를 사용하여 IED에 인가하고, 동작 설정치를 초과하도록 전류를 증가 시켜 보호 시스템이 순시동작과 한시동작에 소요되는 시간에 동작 하는가를 확인하고 Main HMI에 사용한 분산 전원 보호 알고리즘의 올바른 동작 여부를 확인하였다.
시험 장비를 이용한 실증 시험 내용을 바탕으로 보호 시스템을 실제 계통에 적용하게 될 경우 보호시스템의 올바른 동작 여부를 알아보기 위하여 ETAP을 이용하여 분산 전원과 배전계통을 모델링하고 사고해석 결과를 IED에서 측정되는 데이터로 이용하였다.

이론/모형

IED와 통신제어장치간의 통신연결은 RS485 Multi-Drop 방식을 이용함으로 통신선로 중간에서 다른 기기로의 연결이 가능하다. 분산전원 보호 시스템에서는 RS485를 사용하여 연결하였고 RS232나 RS422와 달리 Half Duplex 전송방식만 지원하기 때문에 버스의 접속과 단락을 제어하기 위하여 RTS나 DTS 핀을 추가로 사용하였다.
분산전원 보호 시스템에 사용된 HMKHuman-Machine Interface) 개발 툴은 Wonderware사의 InTouch를 사용하였다. InTouch는 Server와 연결된 외부 기기의 메모리 값을 읽어 각종 기기 및 센서의 동작 상태를 쉽게 표현해 주고, 현장의 기기모습이나 모니터링 하고자하는 개체에 태그를 연결하여 실행하면 해당 개체는 현장의 상태를 보여준다.

성능/효과

기반의 보호 시스템에 대하여 설명 한다. 이 시스템은 변전소 측에서의 고립운전 검출법에 속하지만, 기존 SCADA 시스템 및 배전자동화 기반의 고립운전 방지방법 [4]에 비하여 고속 동작이 가능하고, 고립운전 검출뿐만 아니라 외부 선로 사고시 과전류계전기간의 보호협조 없이 불필요한 동작을 방지한다. 실제 계통 적용의 검토를 위하여 분산 전원이 연계된 배전계통을 모델링하고 모의실험을 통하여 시스템의 타당성과 활용가능을 검증하였다.
하지만 제안된 시스템에서는 HMI에서 직접 계전기의 동작을 제어함으로써 분산전원이 연계된 변전소 인출부 차단기의 오동작을 방지한다. 시뮬레이션 시스템에서외부 선로 단락 사고 시 동작은 다음과 같다.
첫째, 이 논문에서 제시된 보호 시스템은 시험기기를 이용한 실증 시험을 통하여 순시동작과 한시동작에 소요되는 시간에 동작하는 것을 확인 할 수 있었다.
둘째, 분산전원이 연계된 계통 내부 사고시 HMI에서 변전소 측 차단기와 분산전원 인출부 측 차단기에 올바르게 동작 신호를 보내는 것을 확인하였고, 분산전원이 연계되지 않은 외부선로 사고시 해당 선로 측 차단기에만 동작 신호를 보내는 것을 확인하였다.
셋째, 전체 계통의 적용을 검증하기 위하여 ETAP에서분산전원과 계통을 모델링하고 시뮬레이션 하여 계통 내 사고 위치에 따라 보호 시스템이 올바르게 동작하는 것을 확인하였다.

후속연구

과도상태시는 유도발전기 의 기동시 돌입전류, 커 패시터스윗칭 현상으로 인한 공진현상, 유도발전기의 자기여자 현상, 고립운전 현상, 설비과부하 현상 등으로 나누어 분석할 필요가 있으며, 사고시 에는 차단기와 퓨즈간의 보호협조, 1선 지락 시 공진현상, 단락용량, 분류효과, 타선로 사고시 과전류계전기의 불필요한 동작등으로 나누어 분석할 필요가 있 다.⑷
따라서 이 논문에 제시한 보호시스템을 실제 분산 전원이 연계된 계통에 적용한다면 계통의 효율적이고 안정적인 운전에 기여 홍]-게 될 것이다.

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