[국내논문]태양광발전이 연계된 배전계통에서 보호협조기기의 오동작에 대한 최적 방안에 관한 연구 A Study on the Optimal Method for Malfunction of Protection Devices in Distribution Systems Interconnected with Photovoltaic Systems원문보기
태양광발전과 같이 자연에너지를 이용한 분산전원은 일정한 출력을 내는 기존의 전원보다 기후나 온도, 지형적인 영향을 많이 받는 간헐적인 전원이므로, 이들이 도입된 배전계통은 기존의 단 방향 공급형태의 배전계통과는 달리 부하와 전원이 혼재되어 운용되는 형태로 된다. 분산전원이 연계된 배전계통의 경우에는 분산전원의 출력용량의 여부에 따라 양방향의 전력조류가 발생할 가능성이 있어, 계통운용상 여러 가지의 문제점이 야기될 수 있다. 특히, 태양광발전이 배전선로에 연계되어 운전되는 경우, 동일 뱅크의 타 배전선로에서 사고가 발생하면 태양광발전이 연계된 건전한 배전선로의 보호협조기기(리클로져)가 오동작하는 사고가 발생하는 경우가 실 계통에서 빈번하게 발생하고 있다. 이에 의하여 건전한 선로의 부하가 정전을 경험하는 심각한 문제점이 발생한다. 따라서 본 논문에서는 이론적인 계산식인 대칭좌표법과 MATLAB/SIMULINK을 이용하여 모델링과 시뮬레이션을 수행하여, 상기의 보호기기의 오동작 메카니즘과 문제점을 분석하고, 이에 대한 개선 방안을 제시하였다.
태양광발전과 같이 자연에너지를 이용한 분산전원은 일정한 출력을 내는 기존의 전원보다 기후나 온도, 지형적인 영향을 많이 받는 간헐적인 전원이므로, 이들이 도입된 배전계통은 기존의 단 방향 공급형태의 배전계통과는 달리 부하와 전원이 혼재되어 운용되는 형태로 된다. 분산전원이 연계된 배전계통의 경우에는 분산전원의 출력용량의 여부에 따라 양방향의 전력조류가 발생할 가능성이 있어, 계통운용상 여러 가지의 문제점이 야기될 수 있다. 특히, 태양광발전이 배전선로에 연계되어 운전되는 경우, 동일 뱅크의 타 배전선로에서 사고가 발생하면 태양광발전이 연계된 건전한 배전선로의 보호협조기기(리클로져)가 오동작하는 사고가 발생하는 경우가 실 계통에서 빈번하게 발생하고 있다. 이에 의하여 건전한 선로의 부하가 정전을 경험하는 심각한 문제점이 발생한다. 따라서 본 논문에서는 이론적인 계산식인 대칭좌표법과 MATLAB/SIMULINK을 이용하여 모델링과 시뮬레이션을 수행하여, 상기의 보호기기의 오동작 메카니즘과 문제점을 분석하고, 이에 대한 개선 방안을 제시하였다.
Recently, new dispersed generation systems such as photovoltaic, wind power, fuel cell etc. are energetically interconnected and operated in the distribution systems, as one of the national projects for alternative energy with the provision against oil crisis. The technical guidelines on the interco...
Recently, new dispersed generation systems such as photovoltaic, wind power, fuel cell etc. are energetically interconnected and operated in the distribution systems, as one of the national projects for alternative energy with the provision against oil crisis. The technical guidelines on the interconnection of dispersed generation systems have been established and conducted positively. However, protection devices (Re-closer) in primary feeder of distribution system interconnected with photovoltaic generation may cause problems with mis-operation, and then many customers could have problems like an interruption. So, this paper presents the optimal method to minimize the impact of interruption, using both the symmetric method and MATLAB/SIMULINK. And, also this paper shows the effectiveness of proposed method by simulating at the real distribution systems.
Recently, new dispersed generation systems such as photovoltaic, wind power, fuel cell etc. are energetically interconnected and operated in the distribution systems, as one of the national projects for alternative energy with the provision against oil crisis. The technical guidelines on the interconnection of dispersed generation systems have been established and conducted positively. However, protection devices (Re-closer) in primary feeder of distribution system interconnected with photovoltaic generation may cause problems with mis-operation, and then many customers could have problems like an interruption. So, this paper presents the optimal method to minimize the impact of interruption, using both the symmetric method and MATLAB/SIMULINK. And, also this paper shows the effectiveness of proposed method by simulating at the real distribution systems.
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문제 정의
따라서 본 논문에서는 상기에서 지적된 문제점들에 대하여 배전계통의 보호체제와 분산전원의 보호 장치가 서로 협조하여 대처할 수 있는 최적 방안에 대한 검토를 수행한다. 특히 태양광발전이 어느 한 배전선로에 연계되는 경우, 동일 뱅크의 타 선로에서 사고(지락사고)가 발생하면 태양광발전이 연계된 비 사고선로의 보호협조기기(리클로져)가 오동작하는 사고가 발생하는 사례가 실 계통에서 빈번하게 일어나고 있는데, 이에 대한 보호기기의 오동작 메카니즘과 문제점을 분석하고, 이에 대한 개선사항을 제시하기 위하여, 이론적인 대칭좌표법과 대표적인 배전계통 해석 S/W인 MATLAB/SIMULINK을 이용하여 모델링과 시뮬레이션을 통한 두 가지 방법을 비교, 검토하고, 이것을 바탕으로 최적의 개선 방안을 제시하였다[11]-[13].
정도가 발생한 것이 계측되었다. 본 논문에서는 사고가 발생하지 않은 태양광 연계선로인 북평 D/L에 설치된 리클로져의 오동작 원인을 규명하고, 보호협조기기에 대한 메카니즘을 분석하고 그 문제점에 대한 대책을 제시한다.
본 연구에서는 기존의 배전계통에 태양광발전이 연계되어 발생한 보호협조상의 새로운 문제점에 대한 원인을 이론적인 방법과 시뮬레이션 S/W를 이용하여 실 계통에 문제점을 분석하고 보호협조의 운용 개선방안을 제시한 것이다. 즉, 실 계통의 보호협조기기의 오동작에 대한 문제점을 분석하고 그 문제점에 대한 대책을 제시하기 위하여, 이론식인 대칭좌표법과 대표적인 시뮬레이션 S/W인 MATLAB/ SIMULINK을 이용하였다.
상기에서 보호기기의 오동작에 대한 문제점이 연계 변압기의 결선에 의하여 영상전류의 통로를 없애는 방법이 가장 좋은 방안이므로 본 논문에서는 연계변압기의 Yg-△결선에 적절한 접지저항을 삽입하여 중성선의 사고전류(130A)를 70A 이하로 줄이는 방법을 제시한다. 즉, 분산 전원 연계변압기의 결선을 匕-△에서 匕저항접지-△ 결선으로 변경하여, 중성선에 접지저항(NGR)으로 100Q (300x19.
가설 설정
70A 이하로 줄이는 방법을 제시한다. 즉, 분산 전원 연계변압기의 결선을 匕-△에서 匕저항접지-△ 결선으로 변경하여, 중성선에 접지저항(NGR)으로 100Q (300x19.1%)을 삽입한 것으로 가정하였다. 이것을 고려하여, 영상분 임피던스와 정상분/역상분 임피던스의 등가회로를 나타내면, 그림 10과 그림 11과 같다.
제안 방법
(4) 상기의 문제점을 해결하기 위하여 연계용변압기의 결선방식을 Y비접지-△결선으로 변경하는 방법을 제안하였다. 즉 동일한 효과를 가지는 Y고 저항접지-△결선방식을 사용하여 시뮬레이션을 수행했다.
선로 중 하단의 선로에 고장을 발생시켰다. A상 1선 지락 고장을 0.2초에서 빌생시켜 Q2초간 지속하도록 하였다. 모의한 고장에 대하여 북평 변전소의 모선에서의 A, B, 。샹 전압, 전류와 사고선로인 삼화D/L의 A상전류, 태양광이 연계된 북평D/L의 N상전류 값을 구하면 그림 8과 그림 9와 같다.
특히 태양광발전이 어느 한 배전선로에 연계되는 경우, 동일 뱅크의 타 선로에서 사고(지락사고)가 발생하면 태양광발전이 연계된 비 사고선로의 보호협조기기(리클로져)가 오동작하는 사고가 발생하는 사례가 실 계통에서 빈번하게 일어나고 있는데, 이에 대한 보호기기의 오동작 메카니즘과 문제점을 분석하고, 이에 대한 개선사항을 제시하기 위하여, 이론적인 대칭좌표법과 대표적인 배전계통 해석 S/W인 MATLAB/SIMULINK을 이용하여 모델링과 시뮬레이션을 통한 두 가지 방법을 비교, 검토하고, 이것을 바탕으로 최적의 개선 방안을 제시하였다[11]-[13].
대상 데이터
경우가 발생하였다. 북평변전소 #3 M.Tr 뱅크에서 인출된 북평 고압배전선로(D/L)에 설치된 리클로져가 동일뱅크 인출 선로인 삼화, 동삼, 어달 D/L에서 외물 접촉, LA 파손, 변압기 소손 등의 이유로 발생한 10건의 고장에 대하여 오동작하여 재폐로하였다.
이론/모형
실 계통의 양방향 보호협조에 대한 문제점을 분석하기 위하여, 본 연구에서는 이론적인 식에 기초한 대칭 좌표법과 대표적인 배전계통 시뮬레이션 S/W인 MATLAB/ SIMULINK을 이용하였다.
즉 동일한 효과를 가지는 Y고 저항접지-△결선방식을 사용하여 시뮬레이션을 수행했다. 이 경우, 타 선로의 지락사고에 대하여 분산전원 연계선로의 중성선(N 선)에는 약 13A정도만 흘러, 중선선의 지락 사고전류를 획기적으로 줄일 수 있음을 확인하였다.
즉, 실 계통의 보호협조기기의 오동작에 대한 문제점을 분석하고 그 문제점에 대한 대책을 제시하기 위하여, 이론식인 대칭좌표법과 대표적인 시뮬레이션 S/W인 MATLAB/ SIMULINK을 이용하였다. 주요 연구 결과를 요약하면 다음과 같다.
성능/효과
(1) 분산전원이 연계된 배전선로에서는 동일 뱅크의 타 배전선로에서 지락사고가 발생하는 경우, 사고가 발생하지 않은 분산전원 연계선로의 중성선(N선)에 상당히 큰 지락 사고전류가 흐르게 되어, 건전한 배전선로의 OCGR이 오동작을 일으킬 수 있음을 확인하였다.
(2) 중성선(N상)어I 흐르는 사고전류는 분산전원에서 공급하는 사고전류의 영향이 아니라 분산전원의 연계용 변압기의 결선방식에 의한 것임을 확인하였다.
그리고 시뮬레이션 S/W인 MATLAB/ SIMULINK으로는 그림 8과 그림 9와 같이 150A - 420A정도가 산정되었다. MATLAB에 의한 결과가 3권선 변압기의 데이터 입력에 의하여 약간의 오차가 있지만, 보호기기의 오동작에 대한 해석에는 큰 무리가 없음을 확인할 수 있었다.
계산된다. 따라서 리클로저의 N상 OCGR이 70A 로 설정되어 있어서 오동작할 가능성이 있음을 확인 할 수 있었다. 이것은 태양광전원에서 공급하는 사고전류(최대 정격전류의 技배 정도로 약 30A 정도임)의 영향이 아니라 분산전원의 연계용변압기의 결선방식에 의한 것임을 획-인했다.
예를 들어, 변전소 직하지점에 지락사고가 발생하면 분산전원 연계선로의 중성선에는 약 498A정도, 말단지점에 사고가 발생하면 약 131A가 흐른다. 따라서 사고지점에 상관없이 중성선에는 상당한 크기의 지락전류가 흐르게 되어, 분산전원이 연계된 건전한 배전선로의 OCGR (보통 70A로 설정)이 오동작을 일으키게 될 가능성이 있음을 확인하였다.
따라서, Y고저항접지-△결선방식을 사용하면, 타 선로의 1선 지락사고에 대하여 분산전원 연계선로의 중성선(N선)에는 약 13A정도만 흘러, 중성선의 지락사고 전류를 획기적으로 줄여, 보호기기(리클로져)의 오동작을 방지할 수 있음을 알 수 있었다.
모의한 고장에 대하여 북평 변전소의 모선에서의 A, B, 。샹 전압, 전류와 사고선로인 삼화D/L의 A상전류, 태양광이 연계된 북평D/L의 N상전류 값을 구하면 그림 8과 그림 9와 같다. 이 그림에서, 모선의 A상전류(AG Fault)가 다른 상에 비하여 현저하게 감소하고, 북평 D/L 의 N상전류가 약 150A 정도임을 확인할 수 있었다. 이 전류는 리클로져의 OCGR을 오동작시킬 만큼 충분히 큰 전류임을 알 수 있었다.
이것은 태양광전원에서 공급하는 사고전류(최대 정격전류의 技배 정도로 약 30A 정도임)의 영향이 아니라 분산전원의 연계용변압기의 결선방식에 의한 것임을 획-인했다. 즉 분산전원의 연계변압기의 YgroundMelta 결선이 영상전류의 통로를 제공하여 N상의 지락전류가 증가하여 건전상의 보호기기(OCGR)를 오동작 시킬 수 있음을 알 수 있었다.
후속연구
앞으로는 배전계통의 과도해석 프로그램인 EMTDC/PSCAD를 이용하여 보호기기의 특성에 대한 보다 정밀한 해석을 수행할 예정이다.
참고문헌 (13)
분산전원 배전계통 연계기술기준, 한국전력공사 2005. 4.
일본 분산형전원 계통연계 기술지침 (사)일본전기협회 2001.
일본 전력계통 연계 기술요건 가이드라인 1998.
일본 북해도전력 분산형전원 연계업무 절차서 및 기술해설서 2002.
일본 북해도전력 분산형전원 배전계통연계 기술검토시스템 2004.
분산전원 도입에 따른 복합배전계통 운영에 관한 연구, 산업자원부 2004. 8.
IEEE 1547 "IEEE Standard for Interconnecting Distributed Resources with Electric Power Systems" 2003. 7.
IEEE 1547 "IEEE Standard for Interconnecting Distributed Resources with Electric Power Systems" 2003. 7.
IEEE 1547.1 "IEEE Standard conformance Test Procedures for Equipment Interconnecting Distributed Resources with Electric Power Systems" 2005.1.
Hadi Saadat,"Power System Analysis", McGraw-Hill, Printed in Singapore, 1999.
"태양광발전의 배전계통 연계 알고리즘 개발에 관한 연구", 2005 한국산학기술학회, 춘계 학술발표논문집, 노 대석외 3인, 2005. 5.
"분산형전원의 배전계통 연계 시 사고해석 알고리즘 개발에 관한 연구", 한국산학기술학회, 춘계 학술발표 논문집, 노 대석 외 3인, 2008. 5.
"신재생에너지전원이 연계된 배전 계통에서 보호협조방안에 관한 연구", 한국산학기술학회, 춘계 학술발표논문집, 노 대석 외 3인, 2008. 5.(우수논문 수상)
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