[논문]분산전원이 연계된 배전계통의 고장특성을 고려한 방향성 보호계전 방식 적용 연구

정원욱; 이학주; 권성철; 채우규

doi:10.5207/jieie.2010.24.9.097

분산전원이 연계된 배전계통의 고장특성을 고려한 방향성 보호계전 방식 적용 연구
Application of Directional Over Current Protection Schemes Considering the Fault Characteristics in the Distribution System with Dispersed Generation 원문보기

照明·電氣設備學會論文誌 = Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, v.24 no.9, 2010년, pp.97 - 107

정원욱 (한전 전력연구원) , 이학주 (한전 전력연구원) , 권성철 (한전 전력연구원) , 채우규 (한전 전력연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

Penetration of distributed generator(DG) to power distribution system can cause malfunction of existing protection schemes. Because grid interconnected DG can contribute fault currents and make bidirectional current flows on the system, fault contributions from DG can cause an interference of protection relay operation. Therefore, over current protection device of the distribution system with DGs need directional protection schemes. In this paper, improved directional protection algorithms are proposed for the distribution system with DG considering their fault characteristics. And than, these directional protection algorithms are tested and validated in various fault conditions. From the simulation results, it can be seen that the proposed directional protection algorithms are practically efficient for the radial distribution system with DG.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 배전용 보호기기에 방향성을 부여하기 위해 주로 송전계통 혹은 Loop 배전계통에서 사용되어 온 전압, 전류의 시퀀스 요소를 이용한 방향판별 계전 방식(DOCR, DOCGR)을 분산전원 연계 배전계통의 리클로져에 적용할 경우 문제점을 분석하고 분산전원 연계 배전계통의 고장 특성을 고려한 방향판별 알고리즘을 제안하였다.
본 논문에서는 보호측면에서 분산전원이 배전계통의 보호체계에 미치는 영향을 다루고자 한다. 배전계통에서 고장이 발생하는 경우 고장전류를 공급하는 전원은 오직 변전소측의 전원이였고, 변전소부터 고장점으로 단방향으로 고장전류가 공급되었다.
본 논문은 분산전원의 배전계통 연계로 인해 발생할수 있는 보호측면의 문제점을 살펴보았고 특히, 건전 선로 고장시 분산전원 연계 선로에서의 고장전류 기여에 따른 보호기기 오동작을 방지하고자 배전용 보호기기에 전통적으로 송전계통 혹은 Loop 배전계통에서 적용되어온 방향판별 방법을 적용하여 이 방법의 문제점을 분석하였다.
본 절에서는 기존 전력계통에서 사용되어 온 방향판별 방법을 알아보고 분산전원 연계 배전계통의 보호 기기에 적용하여 다양한 고장조건에서 오류 없이 고장 방향을 구분할 수 있는지를 검토한다.
본 절에서는 분산전원 연계 배전계통의 고장특성을 고려한 DOCR의 방향판별 알고리즘을 도출하고자 한다. 표 5는 고장종류별 검출 가능한 시퀀스 요소이다.

제안 방법

DOCGR에 채용되는 영상분 방향판별 요소의 방향 판별 정확도를 시험하기 위해서 표 2과 같이 영상분 전압 및 전류에 영향을 미치는 고장 조건을 상정하여 고장해석을 수행하였다. 표 3은 선로 부하의 불형평률, 고장점, 고장저항에 따른 1선 지락고장을 모의하고 그림 3의 리클로져 설치점에서 검출한 전압, 전류를 이용한 영상분 방향판별 요소의 방향판정 결과를 보여준다.
DOCR 방향판별 요소인 정상분 요소가 특정 고장조건에서 방향판별에 실패하는 원인을 도출하기 위해 분산전원 연계 형태에 따른 고장 특성을 분석한다. 그림 4는 리클로져의 전원측에서 1선 지락고장이 발생한 경우 고장회로를 보여준다.
고장조건으로 분산전원 연계 형태, 부하조건, 고장점에 따른 3상단락, 선간단락, 지락고장을 모의하였다. 고장점은 그림 3의 RC 설치점을 기준으로 부하측, 전원측, 타선로에서 각각 고장을 상정하였으며 분산전원 연계 형태는 아래와 같이 정의하였다.
따라서 본 논문에서는 분산전원 연계 배전계통에서 상고장에 대한 방향판별 방법으로 그림 7과 같은 방향 판별 방법을 제안한다. 즉 고장 발생시 역상분 전류를 검출하여 임계값(Threshold) 이상인 경우 불평형 고장으로 판단하여 역상분 요소로 방향 판별하고, 임계값 이하인 경우 평형고장으로 간주하여 정상분 요소로 방향판별을 하는 방법이다.
방향성 과전류 계전기의 상고장에 대해서는 정상분 전압(V1)을 기준으로 MTA1를 기본값 300[°](진상기준) 로 설정하고, 지락고장에 대해서는 영상분 전압(V0)을 기준으로 MTA0를 기본값으로 135[°](진상기준)로 설정하여 방향판별을 수행한다.
배전계통에서 고장발생시 보호기기의 상고장에 대한 방향계전을 위해 DOCR에 정상분 방향판별 요소를 적용하여 다양한 고장조건에서 방향판별 정확도를 시험하기 위해 표 2와 같이 정상분 전압 및 전류에 영향을 미치는 고장 조건을 상정하여 고장해석을 수행하였다.
본 논문에서는 고장의 종류를 불평형과 평형 고장으로 구분하고 각각 역상분과 정상분 요소를 적용하여 분산전원의 고장특성을 고려한 모든 고장조건에서 방향판별이 가능한 알고리즘을 제안하였고 이의 효용성을 시뮬레이션 결과를 통해 입증하였다. 제안된 방향성 판별 알고리즘은 분산전원이 연계된 방사상 배전계통의 보호기기에 효율적으로 적용되리라 생각된다.
본 절에서는 정상분 및 영상분 방향판별 요소를 분산전원이 연계된 배전계통의 리클로져(RC)에 적용하여 방향 판별의 정확도를 검토한다.
영상분과 정상분 방향판별 요소의 적용 평가를 위해 표 2에 정리된 바와 같이 영상분과 정상분 방향판별 요소 각각에 영향을 주는 고장 조건을 시뮬레이션으로 모의하여 시험을 진행하였다.

성능/효과

결국 DOCR의 방향계전 방법으로 정상분 요소를 적용한 표 4와 역상분 요소를 적용한 표 6의 시험결과를 볼 때, 분산전원 연계 배전계통의 상고장에 대하여 불평형고장 조건(지락고장, 선간단락 고장)에서는 역상분 요소 방향 판별 요소로 적합하고 평형고장(3상 단락)인 경우는 정상분 요소가 적합한 것으로 분석되었다.
기존 방향판별 방법을 분산전원이 연계된 배전계통에 적용하는 경우, 지락고장에 대한 방향판별 요소로 영상분 요소를 사용하는데 문제가 없었으나 상고장에 대한 방향판별에 정상분 요소를 사용하는 경우 방향 판별의 오류가 발생되었으며 원인 분석 결과, 분산전원 연계 계통은 일반 송전계통이나 Loop 배전계통과는 다르게 특정 고장조건에서 고장전류의 크기가 비교적 작은 경우가 발생하고 이러한 경우 정상분 방향판별 요소는 방향 판별에 실패하는 것으로 분석되었다.
분산전원의 연계 형태에 따른 고장 특성과 표 4의 1선지락고장시 정상분 방향판별 요소의 방향판정 결과를 비교해 볼 때 정상분 방향판별 요소는 지락고장시 고장전류가 큰 경우 정확한 방향판단을 할 수 있으나 연계용 변압기만 가압되어 있거나 태양광발전이 발전하는 경우와 같이 분산전원측에서 공급하는 고장전류의 크기가 비교적 작은 경우 방향판별에 실패하는 것으로 분석된다.
DOCR에 역상분 방향판별 요소를 적용하여 표 4의 정상분 방향판별 요소의 시험 조건과 동일한 고장조건에서 시험한 결과를 표 6에 도시하였다. 시험 결과에서와 같이 역상분 방향판별 요소는 모든 지락고장 조건에 대해서 방향판별에 오류가 없었으며 선간단락 고장 조건의 경우, 표 4에서 정상분 방향판별 요소가 오류를 보였던 고장조건에서 역상분 방향판별 요소는 정확히 고장 판단을 할 수 있었다. 그러나 3상 단락고장의 경우 역상분 방향 판별 요소는 거의 대부분의 경우 방향 판별에 실패하였다.
표 3에서 T₀가 ±90[°]이내인 경우 정(정방향)으로 판정하고 그 외의 경우 역(역방향)으로 판정한다. 실험 결과에서와 같이 지락고장에 대하여 영상분 방향판별 요소의 오류는 없는 것을 확인할 수 있으며 분산전원 연계 배전계통의 DOCGR 방향계전 방법으로 영상분 방향판별 요소의 적용이 유효함을 확인할 수 있다.
그러나 이러한 상별 방향판별 방법은 3상단락고장 같은 평형고장(Balanced Fault)에 대하여는 각 상의 방향 판정 결과가 일치하여 방향판별이 항상 유효하지만, 지락고장과 같은 불평형고장(Unbalanced Fault)에 대해서는 각 상의 방향 판별 결과가 일치하지 않는 문제가 발생하여 방향판별 결과가 유효하지 않다. 이러한 문제를 극복하기 위해 A상, B상, C상에서 개별적으로 판단하는 3개의 방향판별 요소를 전압과 전류의 시퀀스 요소를 사용하여 1개로 줄일 수 있다. 시퀀스 요소를 이용한 방향판별은 1개의 판별요소를 사용하기 때문에 상별 판정 결과가 불일치하는 일은 발생하지 않는 장점이 있어 현재 전력계통의 방향계전에 시퀀스 방향판별 요소가 주로 사용된다[6-7].

후속연구

본 논문에서는 고장의 종류를 불평형과 평형 고장으로 구분하고 각각 역상분과 정상분 요소를 적용하여 분산전원의 고장특성을 고려한 모든 고장조건에서 방향판별이 가능한 알고리즘을 제안하였고 이의 효용성을 시뮬레이션 결과를 통해 입증하였다. 제안된 방향성 판별 알고리즘은 분산전원이 연계된 방사상 배전계통의 보호기기에 효율적으로 적용되리라 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	기존의 배전계통에 분산전원을 연계했을 때 어떤 문제점이 발생할 수 있는가?	분산전원은 친환경적이며 부하와 밀접한 지역에서 발전하는 이른바, On-site Generation 방식의 전력공급을 가능하게 하여 기존 전력계통에 여러 가지 이점을 준다. 그러나 기존의 배전계통은 변전소를 전원으로 하여 부하에 전력을 공급할 목적으로 설계되고 운영되고 있어 배전계통에서 분산전원의 연계용량이 증가함에 따라 전기품질, 보호협조, 안전, 선로 운영상의 문제 등을 야기한다.
	최근 분산전원이 연계된 한전 배전계통에서 가장 빈번하게 발생하는 사고는 무엇인가?	최근 분산전원이 연계된 한전 배전계통에서 가장 빈번하게 발생하는 사고는 사고선로 이외에 분산전원이 연계된 건전선로에서의 보호기기 오동작 문제이다[4]. 분산전원의 연계용 변압기는 한전의 분산형전원 계통 연계 기준에서 명시하는 유효접지 기준을 만족하기 위해 대부분 Grounded Y-Delta 결선 방식을 사용하고 있다[5].
	기존의 배전계통 보호 시 방향성을 고려하지 않는 과전류 계전방식을 채택한 이유는 무엇인가?	본 논문에서는 보호측면에서 분산전원이 배전계통의 보호체계에 미치는 영향을 다루고자 한다. 배전계통에서 고장이 발생하는 경우 고장전류를 공급하는 전원은 오직 변전소측의 전원이였고, 변전소부터 고장점으로 단방향으로 고장전류가 공급되었다. 이러한 이유로 배전계통의 보호는 기본적으로 방향성을 고려하지 않는 과전류 계전방식을 채택해 왔다.

참고문헌 (7)

신동열, 하복남, 정원욱, 차한주 "배전계통에서 변압기결선에 의한 연 조류현상에 관한 연구" 조명.전기설비학회 논문지 제 22권 9호, 2008년 9월.

원문보기 상세보기
한국전력공사 전력연구원 "분산전원이 연계된 배전계통의 양방향 보호 실증 연구(최종보고서)" 2009년 7월.
CETC, Canada "Protection Coordination Planning with Distributed Generation (Final Report)" June, 2007.
전력연구원 기술지원 (2008-1-01 67-1, 서천지점) "발전 고객 수전용 OCGR 오동작 원인 분석", 2008년 3월.
한국전력공사, 배전처 "분산형전원 배전계통 연계 기술 해설서" 2006년 9월.
Jeff Roberts, Armando Guzman "Directional Element Design and Evaluation" Schweitzer Engineering Laboratories, 2006.
Armando Guzman, Jeff Roberts "New Ground Directional Elements Operate Reliably For Changing System Conditions0" Schweitzer Engineering Laboratories, 1996.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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