[논문]태양광전원의 연계에 의한 배전계통 보호기기의 최적 운용방안에 관한 연구

김병기; 박재범; 유경상; 노대석

doi:10.5370/kiee.2011.60.8.1485

태양광전원의 연계에 의한 배전계통 보호기기의 최적 운용방안에 관한 연구
Optimal Operation Methods of Protection Devices in Distribution Systems with PV Systems 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.60 no.8, 2011년, pp.1485 - 1491

김병기 (한국기술교육대 전기공학) , 박재범 (한국기술교육대 전기공학) , 유경상 (한국기술교육대 전기공학) , 노대석 (한국기술교육대 전기공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper deals with the technical problems for the protection devices, by simulating test facilities of protection coordination for Photovoltaic systems. In order to analyze the operation characteristics for the protection devices in the case that the Photovoltaic systems with bi-directional power supply are located in the feeder, this paper proposes the test facilities composed of model distribution system, protection device and model Photovoltaic systems. By performing the simulation for operation characteristics for the protection devices based on the test facilities, this paper presents the malfunction mechanism for the protection devices. The test results show that this paper is practical and effective for the technical guideline for the Photovoltaic systems.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 이러한 문제점들을 해석하고 대책을 세우기 위하여, 태양광전원이 배전계통에 연계되는 경우에 발생할 수 있는 기술적인 문제점을 평가할 수 있는 태양광전원 연계용 시험장치가 필수적이다. 따라서 본 연구에서는 태양광전원이 배전계통에 연계되어 운용되는 경우를 상정하여 각종 모의시험을 수행할 수 있는 태양광전원용 보호협조 시험장치를 제작하였다. 이 시험장치는 모의 배전계통장치(저압계통및 R, L, C 부하)와 모의 태양광전원장치(계통연계용 인버터, DC전원공급장치), 양방향 보호기기장치(보호기기, 측정기기, 제어장치 등), 감시제어장치로 구성된다.
본 논문에서는 태양광전원이 연계된 배전계통에서의 보호 기기의 동작특성을 분석하기 위하여, 실 계통을 축소 모의하여 제작한 태양광전원용 보호협조 시험장치를 제작하여, 사고종류별로 보호기기의 동작특성을 분석하여 보호기기의 운용방안을 제시하였다. 주요 연구내용은 다음과 같다.
이 시험장치는 모의 배전계통장치(저압계통및 R, L, C 부하)와 모의 태양광전원장치(계통연계용 인버터, DC전원공급장치), 양방향 보호기기장치(보호기기, 측정기기, 제어장치 등), 감시제어장치로 구성된다. 본 연구에서는 이 시험장치를 이용하여 태양광전원이 도입된 계통에서 태양광전원이 계통에 미치는 영향 등을 검토하고, 계통의 외란에 의한 태양광전원의 특성을 분석하여, 태양광전원의 계통연계 시에 발생할 수 있는 보호기기의 최적운용 방안을 제시하였다.
본 연구에서는 태양광전원 연계 시 지락사고에 OCGR의 동작특성을 분석하기 위하여, 그림 18과 같이 부하 불평형에 의한 영상전류를 발생시켜 지락사고전류를 모의하였다.

제안 방법

DC Power Supply의 출력범위는 전압400[V] × 전류3[A]로 300∼1,200[W]까지 조절을 통해 인버터에서 나온 출력을 배전 계통 모의 장치에 연계하여 전력을 공급하도록 하였다.
그림 10과 같이, 고장위치가 F1 지점으로 가정하고, 실제로 사고전류를 만드는 것이 쉬운 일이 아니어, 여기서는 보호기기의 동작치(Pick Up치)를 최대한 낮추어 부하전류에 동작하도록 만들어 사고가 발생한 것처럼 조작하여, 단락사고 발생시 OCR 계전기의 순시동작 특성시험을 수행하였다.
모의 배전계통장치에 연계되는 모의 태양광전원장치는 그림 5와 같이 태양광모듈에서 발생되는 DC 전압, 전류를 DC Power Supply (1,200W)로 대체한 후 계통연계용 인버터 (3KVA)와 연결하여 태양광전원장치를 구성하였다. DC Power Supply의 출력범위는 전압400[V] × 전류3[A]로 300∼1,200[W]까지 조절을 통해 인버터에서 나온 출력을 배전 계통 모의 장치에 연계하여 전력을 공급하도록 하였다.
모의 배전계통장치는 그림 3의 모의 배전선로장치와 그림 4의 모의 부하장치로 구성된다. 모의 배전선로장치의 모의선로(R+jX)는 임피던스 조정이 가능하도록 MC와 NFB를 조합하여, 1[Ω]단위로 1 ^~ 15[Ω] 조정할 수 있도록 장치를 제작하였다. 배전선로의 긍장(길이)을 모의하기 위한 모의 배전선로장치는 R, X의 임피던스 값을 이용하여 고압배전선로는 40km까지, 저압배전선로는 400m 정도까지, 최악의 경우를 상정하여 모의할 수 있도록 하였다.
한편, 모의 부하장치는 고압배전선로의 전압강하를 10%까지 모의할 수 있도록 R부하와 L부하, C부하를 조합하여 용량(상당 1,500W, 1,500 VAR)을 선정하였고, 부하의 용량을 가변시켜 다양한 역률(지상과 진상역률)을 제공할 수 있도록 하여, 실 계통과 동일한 상태로 모의할 수 있도록 제작하였다. 모의 부하장치는 종류별로(저항, 리액터, 콘덴서) 모의하여 부하의 용량을 조절할 수 있도록 MC로 조합하여 저항은 100[W]단위로 100^~1500[W] 범위로 조절이 가능하도록 하였고, L(리액터)과 C(콘덴서)부하는 100[VAR] 단위로 100^~1500[VAR] 범위로 조절이 가능하도록 제작하였다. L과 C부하를 모의하기 위한 계산 값은 표 1과 같고, 계산 내역은 다음과 같다.
모의 배전선로장치의 모의선로(R+jX)는 임피던스 조정이 가능하도록 MC와 NFB를 조합하여, 1[Ω]단위로 1 ^~ 15[Ω] 조정할 수 있도록 장치를 제작하였다. 배전선로의 긍장(길이)을 모의하기 위한 모의 배전선로장치는 R, X의 임피던스 값을 이용하여 고압배전선로는 40km까지, 저압배전선로는 400m 정도까지, 최악의 경우를 상정하여 모의할 수 있도록 하였다. 실제 배전선로의 X값은 대부분 L성분으로 구성되어 있어서, 본 모의 선로장치에서는 다음과 같이 리액터를 이용하여 값을 산정하였다.
불평형 부하에 의한 영상전류를 모의하기 위하여, A상, B 상, C상에 각각 200[W]의 부하를 설정하고, A상에 지락사고를 상정하여 A상의 부하를 가변시켜 N상에 영상전류를 발생시킨 후, 태양광전원 연계에 따른 특성 시험을 수행하였다. 부하 불평형에 의한 불평형률 및 불평형 전류 계산은 다음 식과 같다.
본 연구에서는 PC에서 운영되는 강력하고 유연성있는 해석 소프트웨어 시스템인 LabVIEW를 이용하여 감시제어장치를 구성하였다. 언제든지 리얼타임 데이터나 최신 테스트 결과를 원격지에서 확인할 수 있도록 제작하였다. 본 연구에서는 실시간의 전압, 전류파형을 감시제어 및 분석하기 위하여, 아날로그(Analog) 디바이스인 NI9201과 NI9203을 이용하여 그림 8과 같이 구성하였으며, PC상에서 양방향 보호 협조 시험장치의 8개 MC를 제어(On/Off)하기 위하여, 디지털(Digital) 디바이스인 NI9425와 NI9477을 이용하여 그림 9와 같이 구성하였다.
태양광전원이 배전계통에 연계되어 운용되고 있는 동안 단락사고와 지락사고 등이 발생할 때 보호기기의 특성을 분석하기 위하여, 배전계통과 태양광전원을 축소 모의하여 태양광전원용 보호협조 시험장치를 제작하였다. 이 시험장치는 그림 2와 같이, 모의 배전계통장치(모의선로와 부하)와 태양광전원 모의장치(인버터와 DC전원공급장치), 양방향 보호협조장치, 감시제어장치(LabVIEW)로 구성되며, 단락사고 (OCR와과 지락사고(OCGR) 시험을 수행하여, 보호기기의 동작특성을 분석할 수 있도록 제작하였다.
태양광전원이 배전계통에 연계되어 운용되고 있는 동안 단락사고와 지락사고 등이 발생할 때 보호기기의 특성을 분석하기 위하여, 배전계통과 태양광전원을 축소 모의하여 태양광전원용 보호협조 시험장치를 제작하였다. 이 시험장치는 그림 2와 같이, 모의 배전계통장치(모의선로와 부하)와 태양광전원 모의장치(인버터와 DC전원공급장치), 양방향 보호협조장치, 감시제어장치(LabVIEW)로 구성되며, 단락사고 (OCR와과 지락사고(OCGR) 시험을 수행하여, 보호기기의 동작특성을 분석할 수 있도록 제작하였다.
표 3은 OCR 반한시 동작시험의 시험조건으로 태양광전원이 300W이고, 사고전류를 각각 1.36A(300W), 4.52A (900W), 5.44A(1100W)로 증가시키면서 OCR의 한시특성을 분석하였다. 그림 16은 태양광전원이 300W가 연계되기 전과 후의 OCR 한시 특성시험을 나타낸 것으로 연계 전에는 0.
한편, 모의 부하장치는 고압배전선로의 전압강하를 10%까지 모의할 수 있도록 R부하와 L부하, C부하를 조합하여 용량(상당 1,500W, 1,500 VAR)을 선정하였고, 부하의 용량을 가변시켜 다양한 역률(지상과 진상역률)을 제공할 수 있도록 하여, 실 계통과 동일한 상태로 모의할 수 있도록 제작하였다. 모의 부하장치는 종류별로(저항, 리액터, 콘덴서) 모의하여 부하의 용량을 조절할 수 있도록 MC로 조합하여 저항은 100[W]단위로 100^~1500[W] 범위로 조절이 가능하도록 하였고, L(리액터)과 C(콘덴서)부하는 100[VAR] 단위로 100^~1500[VAR] 범위로 조절이 가능하도록 제작하였다.

대상 데이터

본 연구에서 이용한 보호기기 장치는 다양한 보호협조 특성시험을 수행할 수 있는 보호계전요소를 가진 디지털 복합 계전기(VIPAM3000)이다. 컴퓨터를 통해 실시간 제어 및 계 전과 계측을 할 수 있도록 그림 6과 같이 구성하였으며, 그림 7은 통합형 보호장치의 전용 Software인 HMI를 이용하여 화면을 구성한 것이다.
본 연구에서는 PC에서 운영되는 강력하고 유연성있는 해석 소프트웨어 시스템인 LabVIEW를 이용하여 감시제어장치를 구성하였다. 언제든지 리얼타임 데이터나 최신 테스트 결과를 원격지에서 확인할 수 있도록 제작하였다.
언제든지 리얼타임 데이터나 최신 테스트 결과를 원격지에서 확인할 수 있도록 제작하였다. 본 연구에서는 실시간의 전압, 전류파형을 감시제어 및 분석하기 위하여, 아날로그(Analog) 디바이스인 NI9201과 NI9203을 이용하여 그림 8과 같이 구성하였으며, PC상에서 양방향 보호 협조 시험장치의 8개 MC를 제어(On/Off)하기 위하여, 디지털(Digital) 디바이스인 NI9425와 NI9477을 이용하여 그림 9와 같이 구성하였다.
따라서 본 연구에서는 태양광전원이 배전계통에 연계되어 운용되는 경우를 상정하여 각종 모의시험을 수행할 수 있는 태양광전원용 보호협조 시험장치를 제작하였다. 이 시험장치는 모의 배전계통장치(저압계통및 R, L, C 부하)와 모의 태양광전원장치(계통연계용 인버터, DC전원공급장치), 양방향 보호기기장치(보호기기, 측정기기, 제어장치 등), 감시제어장치로 구성된다. 본 연구에서는 이 시험장치를 이용하여 태양광전원이 도입된 계통에서 태양광전원이 계통에 미치는 영향 등을 검토하고, 계통의 외란에 의한 태양광전원의 특성을 분석하여, 태양광전원의 계통연계 시에 발생할 수 있는 보호기기의 최적운용 방안을 제시하였다.

성능/효과

(1) 태양광전원의 연계용량에 따라 단락사고시에 보호기기(OCR)의 오동작이나 부동작 현상이 발생할 수 있음을 확인하였고, OCR의 정정치의 보완이 필요함을 알 수 있었다.
(2) 태양광전원의 연계용량에 따라 단락사고의 전류 크기가 변동되어, 보호기기(OCR 한시계전기)의 Trip시간이 변화 하여, 보호기기의 정정치를 태양광전원의 용량에 맞추어 적절하게 보완해야 할 필요성이 있음을 알 수 있었다. 즉, 태양광전원의 용량이 증가할수록, OCR의 Trip시간이 지연되어 보호협조에 문제점을 야기시킬 수 있음을 확인할 수 있었다.
(3) 태양광전원의 연계로 지락전류가 감소하여, OCGR이부동작하는 현상을 확인하였고, 태양광전원의 연계에 의하여 전반적으로 영상전류가 감소하여 OCGR의 부동작 가능성이 증가함을 알 수 있었다. 따라서 OCGR의 부동작 방지를 위하여, OCGR의 정정치 보완이 필수적임을 확인하였다.
18[A] 보다 작기 때문에 OCR은 정상적으로 동작하지 않았다. 그러나 태양광전원 1,200[W]가 연계된 후에는 그림 14와 같이 태양광전원으로부터 5.74[A]의 역조류가 발생하여, 사고전류가 OCR의 정정치인 3.18[A]보다 큰 3.47[A]가 흘러 OCR이 오동작되는 현상이 발생함을 확인할 수 있었다.
(3) 태양광전원의 연계로 지락전류가 감소하여, OCGR이부동작하는 현상을 확인하였고, 태양광전원의 연계에 의하여 전반적으로 영상전류가 감소하여 OCGR의 부동작 가능성이 증가함을 알 수 있었다. 따라서 OCGR의 부동작 방지를 위하여, OCGR의 정정치 보완이 필수적임을 확인하였다.
표 5는 태양광전원 300W를 계통에 연계하기 전과 연계 후에 대하여 A상의 부하 불평형율에 따라 OCGR의 동작특성 시험결과를 분석한 것이다. 부하 불평형율이 작은 경우에는 태양광전원의 연계로 불평형 전류가 감소하여, OCGR의 정정치보다 작게되어 OCGR이 부동작하는 현상을 확인하였고, 태양광전원의 연계에 의하여 전반적으로 영상전류가 감소하여 부동작 가능성이 증가함을 알 수 있었다.
또한, 부하전류의 크기를 조정하여 사고전류를 실제로 변화 시키며 OCR의 한시동작특성을 분석하면 그림 17과 같다. 이 그림에서와 같이 태양광전원의 연계 전, 후에 OCR계전기의 동작시간이 바뀌어 보호협조상에 문제점이 발생할 수 확인하였고, 태양광전원의 연계용량에 따라 부동작 현상이 발생함을 알 수 있었다.
(2) 태양광전원의 연계용량에 따라 단락사고의 전류 크기가 변동되어, 보호기기(OCR 한시계전기)의 Trip시간이 변화 하여, 보호기기의 정정치를 태양광전원의 용량에 맞추어 적절하게 보완해야 할 필요성이 있음을 알 수 있었다. 즉, 태양광전원의 용량이 증가할수록, OCR의 Trip시간이 지연되어 보호협조에 문제점을 야기시킬 수 있음을 확인할 수 있었다.
한편, 부하불평형율과 태양광전원의 연계용량을 파라메타로 분석하면 표 6과 같다. 태양광전원의 연계용량이 증가하면 할수록 OCGR이 부동작할 가능성이 증가함을 알 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	신에너지전원이 도입된 배전계통의 특징은 무엇인가?	이에 부응하여 지자체뿐만 아니라 발전사업자에 의하여 배전계통에 연계되어 운전되는 신에너지전원의 용량이 급격하게 증가하고 있는 상황이다. 태양광, 풍력, 연료전지, 열병합 등과 같이 신에너지전원(분산전원)이 도입된 배전계통은 기존의 부하만이 존재하는 배전계통과는 달리, 소규모로써 소비자 근방에 분산배치가 가능한 전원으로 부하와 전원이 혼재되어 운용되는 형태가 된다. 따라서 신에너지전원의 연계용량에 따라 사고전류가 증가하거나 감소 하는 경우가 발생할 수 있고, 더구나 신에너지전원의 연계지점에 따라 사고전류의 방향성을 고려해야 하는 등 기존의 보호협조체계와 상이한 양방향 보호협조에 대한 문제점(보호기기의 오동작, 부동작, 차단용량 초과 등)이 발생하므로 이에 대한 적절한 대책이 필요하다[1]-[6].
	KPPC의 기술보고서에 따르면 계통에서 발생하는 문제는 무엇인가?	또한, 태양광발전 사업자들의 조합인 KPPC의 기술보고서에 따르면 계통연계 운전 중에 화재가 발생하거나 계통연계용 인버터의 운전정지, 보호기기의 오동작 등 수많은 문제점들이 발생되고 있다고 한다. 태양광발전소가 계통과 연계되어 운전할 때 계통의 운전 상태에 따라서 보호계전기가 동작하게 되어 태양광발전 시스템을 보호하게 되는데, 특히 태양광발전이 설치된 고압선로의 부하불평형에 의하여 중성선에 영상전류가 흘러 지락계전기(OCGR)의 오동작에 의한 고장이 많은 것으로 판명되고 있다.
	태양광전원용 보호협조 시험장치는 어떻게 구성되는가?	따라서 본 연구에서는 태양광전원이 배전계통에 연계되어 운용되는 경우를 상정하여 각종 모의시험을 수행할 수 있는 태양광전원용 보호협조 시험장치를 제작하였다. 이 시험장치는 모의 배전계통장치(저압계통및 R, L, C 부하)와 모의 태양광전원장치(계통연계용 인버터, DC전원공급장치), 양방향 보호기기장치(보호기기, 측정기기, 제어장치 등), 감시제어장치로 구성된다. 본 연구에서는 이 시험장치를 이용하여 태양광전원이 도입된 계통에서 태양광전원이 계통에 미치는 영향 등을 검토하고, 계통의 외란에 의한 태양광전원의 특성을 분석하여, 태양광전원의 계통연계 시에 발생할 수 있는 보호기기의 최적운용 방안을 제시하였다.

참고문헌 (12)

"분산전원이 연계된 배전계통의 양방향 보호협조 실증 연구", 한전전력연구원 보고서, 2009.4
"일본 북해도전력 분산전원 배전계통연계 기술검토시스템", 2006
Hadi Saadat, "Power System Analysis "McGraw-Hill, Printed in Singapore, 2004
IEEE 1547.1 "IEEE Standard for Interconnecting Distributed Resources with Electric Power System", July, 2005
IEEE 1547.6 "IEEE Standard conformance Test Procedures for Equipment Interconnecting Distributed Resources with Electric Power System", June, 2009
송길영, "최신 송배전공학", 동일출판사, 2008
Chanhyeok Kim, Osung Park, Beomtae Lee,r, Daeseok Rho,, IEEE "Optimal Algorithms for Voltage Management in Distribution Systems Interconnected with New Dispersed Sources" IEEE T&D Asia 2009
노 대석 외 3인, "PSCAD/EMTDC에 의한 분산전원용 계통연계 시뮬레이터의 설계 및 분석", 한국산학기술학회 추계학술발표논문집, 2009.11
노 대석 외 3인, "사고상태에서의 태양 광전원의 연계 특성에 관한 연구" 대한 전기학회 춘계학술발표논문집. 2010. 5
노 대석 외 4인, "태양광전원의 연계에 의한 보호협조 기기의 운용특성에 관한 연구" 한국산학기술학회 춘계 학술발표논문집 2010. 5
노 대석 외 4인, "불평형부하에 의한 태양 광 전원의 보호기기 특성에 관한 연구" 대한 전기학회 하계학술 발표논문집. 2010. 7
노 대석 외 4인, "분산전원이 연계된 배전계통의 양방향 구간개폐기의 동작 알고리즘에 관한 연구" 한국산학기술학회논문지 제10권 8호, 2009. 8

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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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