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문제 정의
- 이와 같은 마이크로그리드의 특성을 고려하여 이 논문에서는 마이크로그리드의 보호 시스템을 제안하였고 보호 감시 시스템을 구현하였다. 특히 마이크로그리드가 220/380V의 저압 배전계통에 연계되는 경우 기존의 계통 보호에 사용되는 보호기기만으로는 마이크로그리드의 보호 시스템을 구성하기에는 많은 제약이 따르기 때문에 전력 IT 기술을 이용하여 이 문제를 해결하였다.
제안 방법
- HMI에 구현된 OCR 알고리즘의 반한시 동작 특성을 검증하기 위하여 ETAP 라이브러리에 포함되어 있는 GE사의 F60 디지털 계전기와 EMTP/RV를 이용하여 단순 계산한 동작시간과 보호시스템의 동작 시간을 비교를 하였다. 그림 14는 비교결과를 나타낸다.
- 그림 11∼13은 보호 시스템의 알고리즘과 동작 테스트를 위한 HMI화면이다. OCR의 정정 값은 HMI에 표시되어 있는 각각의 IED에서 입력하도록 하였다. 테스트 시스템의 HMI에서는 IED에서 계측된 정보 대신 ETAP에 의해 계산된 결과를 입력으로 사용하여 테스트를 수행하였다.
- 계통 연계 지점의 IED를 통하여 마이크로그리드에서 계통으로 역송되는 전류 i을 측정하고 마이크로그리드 내부 마이크로전원들의 정격전류의 합 in-Σ에 정정치 k를 곱한 값과 비교하여 역송되는 전류가 더 크다면 계통 측 사고로 판단한다.
- 사고위치 판단 알고리즘은 전력계통 해석 툴인 ETAP 시뮬레이션을 통하여 검증하였다. 계통은 한전 측 임피던스 데이터와 마이크로그리드가 연계될 계통의 설계도면 데이터를 기준으로 모델링 하였고 ETAP의 발전기 모델은 인버터 기반 마이크로전원의 단락전류 한계를 고려하여 모델링 하였다.
- 기본적인 시스템의 구성은 그림 10에 나타나 있는 보호 감시 시스템과 동일하지만 배선용 차단기, 전동개폐장치, IED는 2대로 구성하였다. 그리고 사고 전압과 전류를 모의하기위하여 보호계전기 테스트용 장비를 사용하였다.
- 마이크로그리드가 220/380V 저압 계통에 연계될 경우 기존의 보호기기만으로 보호 시스템을 구성하는데 많은 제약이 따르므로, 이 논문에서는 전력 IT 기술을 도입하여 문제를 해결하였다. 제안된 마이크로그리드 보호감시 시스템을 마이크로그리드 실증 사이트 구축에 사용하기 위하여 테스트 시스템을 구축하였다.
- 마이크로그리드 실증 시스템은 선간전압이 220V인 저압 계통에 연계 되고, 보호 시스템과 보호 배전반은 실험실 내에 설치된다. 보호감시 시스템과 보호 기기의 전원은 민감부하 피더에 연결되어 운용되며, 보호감시 시스템의 신뢰도 향상을 위하여 UPS를 추가로 설치하였다. UPS는 모선 사고시 보호감시 시스템의 비상전원으로 사용된다.
- 마이크로그리드가 220/380V 저압 계통에 연계될 경우 기존의 보호기기만으로 보호 시스템을 구성하는데 많은 제약이 따르므로, 이 논문에서는 전력 IT 기술을 도입하여 문제를 해결하였다. 제안된 마이크로그리드 보호감시 시스템을 마이크로그리드 실증 사이트 구축에 사용하기 위하여 테스트 시스템을 구축하였다. 그리고 테스트 시스템을 통한 알고리즘 검증과 보호 시스템의 동작 테스트결과 제안된 마이크로그리드 보호 감시 시스템의 타당성을 검증하였다.
- 특히 마이크로그리드가 220/380V의 저압 배전계통에 연계되는 경우 기존의 계통 보호에 사용되는 보호기기만으로는 마이크로그리드의 보호 시스템을 구성하기에는 많은 제약이 따르기 때문에 전력 IT 기술을 이용하여 이 문제를 해결하였다. 제안된 보호 시스템을 마이크로그리드 실증사이트에 도입하기 위하여 테스트용 시스템을 구축하였다. 테스트 결과 제안한 시스템의 보호 알고리즘들은 IEEE standard 1547.
- 그림 5의 보호 알고리즘에서 사고상태 판단을 위한 세부 알고리즘은 그림 8과 같다. 제안한 마이크로그리드 보호 시스템에서는 표 1에 나타나 있는 계전 요소를 알고리즘으로 모두 구현 하였고 실제 디지털 계전기와 같이 동작하도록 하였다.
- 제안한 마이크로그리드 보호 시스템은 마이크로그리드 내부에 사고가 발생할 경우 배선용 차단기를 이용하여 전원 측 고장 전류에 대한 순시 차단 기능을 수행 한다. 고장 전류에 의한 순시 차단 기능 이외의 보호 기능들은 보호 시스템 내부 알고리즘 의해 수행 된다.
- 그리고 마이크로그리드의 보호감시를 위한 시스템을 추가로 구축해야 하는 단점이 있다. 제안한 전력 IT 기반의 마이크로그리드 보호 시스템은 이러한 문제점 들을 해결하고 마이크로그리드 중앙 제어 시스템과 연계되는 경우 부하제어 기능도 함께 수행 할 수 있도록 하였다.
- OCR의 정정 값은 HMI에 표시되어 있는 각각의 IED에서 입력하도록 하였다. 테스트 시스템의 HMI에서는 IED에서 계측된 정보 대신 ETAP에 의해 계산된 결과를 입력으로 사용하여 테스트를 수행하였다. 그림 11은 계통에서 사고 시 고장전류 계산 데이터를 입력하여 테스트한 결과이다.
- 테스트용 시스템에서는 보호감시 시스템 HMI의 알고리즘에 따라 하위 장비들의 조작이 잘되는지를 살펴보았고, 통신 시스템의 데이터 전송 주기(tick interval) 딜레이에 따른 적용 타당성도 검토하였다. 보호 감시 시스템의 동작 테스트 검토 결과 알고리즘으로 구현된 보호계전기 요소에 따라 MCCB의 차단과 투입이 정확하게 되는 것을 확인 하였다.
대상 데이터
- 마이크로그리드 보호 감시 시스템의 실증에 앞서 보호감시 시스템 동작 테스트를 위하여 그림 15에서 보는 것과 같이 테스트용 시스템을 구축하였다. 기본적인 시스템의 구성은 그림 10에 나타나 있는 보호 감시 시스템과 동일하지만 배선용 차단기, 전동개폐장치, IED는 2대로 구성하였다. 그리고 사고 전압과 전류를 모의하기위하여 보호계전기 테스트용 장비를 사용하였다.
이론/모형
- 사고상태 판단 알고리즘은 크게 전압, 전류, 주파수에 대한 보호로 나눌 수 있는데, 이상 전압에 대한 보호는 IEEE std 1547.2의 기준에 따라 동작시간과 범위를 결정 하도록 하였고, 이상 주파수에 대한 보호도 IEEE std 1547.2의 기준을 적용하였다. 고장전류에 대한 보호는 IEC std 60255 반 한시 동작 곡선을 기준으로 하였다.
- 사고위치 판단 알고리즘은 전력계통 해석 툴인 ETAP 시뮬레이션을 통하여 검증하였다. 계통은 한전 측 임피던스 데이터와 마이크로그리드가 연계될 계통의 설계도면 데이터를 기준으로 모델링 하였고 ETAP의 발전기 모델은 인버터 기반 마이크로전원의 단락전류 한계를 고려하여 모델링 하였다.
성능/효과
- ETAP 시뮬레이션 결과 수전 변압기 1차측 6.6kV 계통 사고시 약 60A의 고장전류가 계통 측으로 유출 되는 것을 확인 할 수 있었다. 그리고 마이크로그리드의 내부 주 모선에서의 사고와 내부 피더 측에서 사고에 대한 고장전류 계산 결과는 표 2에 나타내었다.
- 보호 감시 시스템의 동작 테스트 검토 결과 알고리즘으로 구현된 보호계전기 요소에 따라 MCCB의 차단과 투입이 정확하게 되는 것을 확인 하였다. 그리고 이론적으로 HMI의 내부 스크립트 수행주기는 1ms, HMI와 IED 내부 레지스터 사이의 통신 데이터 전송 10ms 이내 , MCCB의 전 차단 시간이 10ms 이내[9] 이므로 6cycle(100ms) 이내에 순시 동작이 가능하지만 구성된 시스템은 프로토콜변환기에 의해 최대 50ms를 더 소요하므로 제안한 시스템을 MCCB 내부 과전류 트립장치 없이 순방향 주 보호까지 적용하는 것은 어렵다는 것을 알 수 있었다. 보호시스템 테스트 결과 IEEE1547.
- 제안된 마이크로그리드 보호감시 시스템을 마이크로그리드 실증 사이트 구축에 사용하기 위하여 테스트 시스템을 구축하였다. 그리고 테스트 시스템을 통한 알고리즘 검증과 보호 시스템의 동작 테스트결과 제안된 마이크로그리드 보호 감시 시스템의 타당성을 검증하였다. 제안된 보호 감시시스템은 보호 시스템 구성에 필요한 설비 비용을 크게 줄일 수 있으며, 원방제어 및 감시가 가능하다.
- 테스트용 시스템에서는 보호감시 시스템 HMI의 알고리즘에 따라 하위 장비들의 조작이 잘되는지를 살펴보았고, 통신 시스템의 데이터 전송 주기(tick interval) 딜레이에 따른 적용 타당성도 검토하였다. 보호 감시 시스템의 동작 테스트 검토 결과 알고리즘으로 구현된 보호계전기 요소에 따라 MCCB의 차단과 투입이 정확하게 되는 것을 확인 하였다. 그리고 이론적으로 HMI의 내부 스크립트 수행주기는 1ms, HMI와 IED 내부 레지스터 사이의 통신 데이터 전송 10ms 이내 , MCCB의 전 차단 시간이 10ms 이내[9] 이므로 6cycle(100ms) 이내에 순시 동작이 가능하지만 구성된 시스템은 프로토콜변환기에 의해 최대 50ms를 더 소요하므로 제안한 시스템을 MCCB 내부 과전류 트립장치 없이 순방향 주 보호까지 적용하는 것은 어렵다는 것을 알 수 있었다.
- 그리고 이론적으로 HMI의 내부 스크립트 수행주기는 1ms, HMI와 IED 내부 레지스터 사이의 통신 데이터 전송 10ms 이내 , MCCB의 전 차단 시간이 10ms 이내[9] 이므로 6cycle(100ms) 이내에 순시 동작이 가능하지만 구성된 시스템은 프로토콜변환기에 의해 최대 50ms를 더 소요하므로 제안한 시스템을 MCCB 내부 과전류 트립장치 없이 순방향 주 보호까지 적용하는 것은 어렵다는 것을 알 수 있었다. 보호시스템 테스트 결과 IEEE1547.2에서 제안한 전압과 주파수에 관한 순시 동작 시간 160ms 이내에 동작할 수 있으며, 역방향 주 보호 요소와 순방향 주 보호요소의 보조 역할의 기능은 충분하다는 것을 알 수 있었다.
- 그림 14는 비교결과를 나타낸다. 비교결과 고장전류 크기에 따라 정확하게 동작하는 것을 알 수 있었다.
- 마이크로그리드 내부의 피더 측 사고로 판단 후 사고판단 알고리즘의 순시 과전류 계전 요소에 의해 해당 피더의 차단기가 동작한 것을 볼 수 있다. 사례 연구 결과 제안한 마이크로그리드 보호 시스템은 사고위치에 따라 정확하게 동작 하는 것을 확인 할 수 있었다.
- 또한 마이크로그리드의 운전 알고리즘을 포함시켜 마이크로그리드의 중앙제어기 역할을 수행할 수 있다. 실제 보호 배전반 설계결과 기존의 보호 기기만으로 보호 시스템을 구축할 경우 보다 부피가 크게 줄어든 것을 알 수 있었다. 제안된 보호 감시 시스템은 마이크로그리드 운용 시스템과 결합 되어 마이크로그리드 실증 사이트에 적용되어 질 예정이다.
- 그리고 테스트 시스템을 통한 알고리즘 검증과 보호 시스템의 동작 테스트결과 제안된 마이크로그리드 보호 감시 시스템의 타당성을 검증하였다. 제안된 보호 감시시스템은 보호 시스템 구성에 필요한 설비 비용을 크게 줄일 수 있으며, 원방제어 및 감시가 가능하다. 또한 마이크로그리드의 운전 알고리즘을 포함시켜 마이크로그리드의 중앙제어기 역할을 수행할 수 있다.
- 제안된 보호 시스템을 마이크로그리드 실증사이트에 도입하기 위하여 테스트용 시스템을 구축하였다. 테스트 결과 제안한 시스템의 보호 알고리즘들은 IEEE standard 1547.2와 IEC standard 60225 기준에 맞게 동작하는 것을 확인 하였고, 전력IT 시스템을 통한 보호 기기들의 조작이 정확하게 되는 것을 확인 하였다.
후속연구
- 실제 보호 배전반 설계결과 기존의 보호 기기만으로 보호 시스템을 구축할 경우 보다 부피가 크게 줄어든 것을 알 수 있었다. 제안된 보호 감시 시스템은 마이크로그리드 운용 시스템과 결합 되어 마이크로그리드 실증 사이트에 적용되어 질 예정이다.
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