분산전원이 연계된 배전계통에 보호협조기기 평가시스템의 최적운용에 관한 연구 A study on Optimal Operation of Protection Coordination Devices Evaluation System in Distribution System with Distributed Sources원문보기
최근 배전계통은 정부의 녹색성장 정책으로 태양광, 풍력발전 등과 같은 분산전원의 보급률이 지속적으로 증가되고 있는 실정이다. 이러한 분산전원의 연계로 기존 배전계통의 조류흐름은 단방향(One-direction)에서 양방향(Bi-direction)으로 변화되고, 고장전류의 증 감이 발생하는 등, 다양한 변화가 생겨 배전계통의 운용상에 여러 가지 문제점들이 발생할 가능성이 커지고 있다. 따라서 본 논문에서는 분산전원의 배전계통 연계에 따른 보호기기의 정정 및 양방향 보호협조 검토가 가능한 보호협조 평가알고리즘과 실제의 사고전류 값을 이용한 개선된 T-C곡선 알고리즘을 제안하고, 이 알고리즘을 바탕으로 양방향 보호협조 평가시스템을 개선하였다. 또한 평가시스템을 이용하여 배전계통을 모델링하고, 분산전원 연계 시 보호기기들 간의 보호협조를 검토하여, 분산전원이 연계된 경우 배전계통에 발생할 수 있는 기술적인 문제점들을 분석하여 그 방안을 제시하였다.
최근 배전계통은 정부의 녹색성장 정책으로 태양광, 풍력발전 등과 같은 분산전원의 보급률이 지속적으로 증가되고 있는 실정이다. 이러한 분산전원의 연계로 기존 배전계통의 조류흐름은 단방향(One-direction)에서 양방향(Bi-direction)으로 변화되고, 고장전류의 증 감이 발생하는 등, 다양한 변화가 생겨 배전계통의 운용상에 여러 가지 문제점들이 발생할 가능성이 커지고 있다. 따라서 본 논문에서는 분산전원의 배전계통 연계에 따른 보호기기의 정정 및 양방향 보호협조 검토가 가능한 보호협조 평가알고리즘과 실제의 사고전류 값을 이용한 개선된 T-C곡선 알고리즘을 제안하고, 이 알고리즘을 바탕으로 양방향 보호협조 평가시스템을 개선하였다. 또한 평가시스템을 이용하여 배전계통을 모델링하고, 분산전원 연계 시 보호기기들 간의 보호협조를 검토하여, 분산전원이 연계된 경우 배전계통에 발생할 수 있는 기술적인 문제점들을 분석하여 그 방안을 제시하였다.
Recently, with the world-wide issues about global warming and CO2 reduction, a number of distributed generations(DGs) such as photovoltaic(PV) and wind power(WP), are interconnected with the distribution systems. However, DGs can change the direction of the power flow from one-direction to bi-direct...
Recently, with the world-wide issues about global warming and CO2 reduction, a number of distributed generations(DGs) such as photovoltaic(PV) and wind power(WP), are interconnected with the distribution systems. However, DGs can change the direction of the power flow from one-direction to bi-direction, and also change the direction and amount of fault current of existing distribution systems. Therefore, it may cause the critical problems on the power quality and protection coordination. This paper proposes an operation algorithm for bi-directional protection coordination using and apply it for the evaluation system for protection coordination. From the simulation results It is found that the proposed method is more effective and convenient than existing method.
Recently, with the world-wide issues about global warming and CO2 reduction, a number of distributed generations(DGs) such as photovoltaic(PV) and wind power(WP), are interconnected with the distribution systems. However, DGs can change the direction of the power flow from one-direction to bi-direction, and also change the direction and amount of fault current of existing distribution systems. Therefore, it may cause the critical problems on the power quality and protection coordination. This paper proposes an operation algorithm for bi-directional protection coordination using and apply it for the evaluation system for protection coordination. From the simulation results It is found that the proposed method is more effective and convenient than existing method.
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문제 정의
본 논문에서는 배전계통에 분산전원이 연계된 경우 보호협조에 발생할 수 있는 문제점을 검토할 수 있는 보호협조 평가시스템의 알고리즘을 개발하여 분산전원 연계에 따른 보호협조 시뮬레이션을 수행하였다. 주요 연구결과를 요약하면 다음과 같다.
본 연구에서는 기존에 제작된 평가시스템 상에서, 배전선로에서 발생한 고장이 파급되는 것을 방지하기 위해 보호기기를 운용하는데 있어서, 최적의 동작을 할 수 있도록 보호협조 판정 방법과 분산전원 연계에 따른 사고해석을 고려한 보호협조 평가알고리즘을 제시하였다. 또한, 기존의 정정치(Pick-Up)값을 이용한 T-C곡선에 의한 보호협조 판정이 계산상 오차가 발생하는 단점을 보완하기 위하여, 실제로 발생하는 최대 사고전류를 이용한 개선된 T-C곡선 알고리즘을 제안하였다.
제안 방법
(1) 기존의 보호협조 방식은 배전계통에서 최소동작전류를 이용한 PU(10.125PU)에 의해 동작시간을 판정하는 기존의 방식을 수정하여, 실제의 최대 사고전류값 (4009.61A)에서 동작시간을 판정함으로써, 정확도를 향상시키는 프로그램을 제작하였다.
제안한 보호협조 평가알고리즘을 적용하여, 개선한 보호협조 평가시스템의 운용화면은 그림 5와 같다. CB, R/C, DG(분산전원 및 수용가 계전기) 등 각종 기기 추가 및 선로를 편집하는 아이콘을 이용해 사용자가 원하는 배전계통을 쉽게 모의할 수 있도록 C++를 이용하여, HMI(Human Machine Interface) 프로그램을 개발하였다. 표 5는 프로그램의 주요 기능으로서 분산전원의 연계 유·무에 따라 각 구간의 고장전류 및 전압강하 등의 기술계산을 수행할 수 있으며, 이를 바탕으로 배전계통의 보호협조를 정정 및 검토할 수 있다.
앞서 언급한 사고해석 알고리즘을 통하여, 분산전원을 고려한 각 지점의 고장전류를 산출한다. 각 지점의 고장전류 및 부하전류를 산출하여, 전위보호기기와 후비보호기기(고객계전기) 사이의 정정치를 검토하고, TC특성곡선을 확인하여, 전위보호기기와 후비보호기기가 협조시간차 이상의 시간을 갖고 동작하는지, 보호협조를 판정한다. 협조가 가능하다면 문제가 없지만 협조가 불가능한 경우, 기기의 TC특성곡선을 변경하여 동작시간을 조정하여 보호협조를 가능하도록 조정한다.
개선된 보호협조 알고리즘에서는 변전소계전기와 R/C의 보호협조 가능여부를 판별하기 위하여, R/C 설치 점의 단락고장 시 최대고장전류로 R/C의 TC특성곡선에 대입하여 보호기기간의 동작시간을 판별하였다. 그림 9는 개선된 방법으로 분산전원이 연계되기 전, 변전소와 R/C 간의 보호협조를 하기 위한 T-C곡선이다.
분산전원 연계로 인한 역조류의 흐름 및 고장전류의 변화에도 현재 배전계통의 보호협조는 분산전원을 고려하지 않는 방식을 고수하고 있다. 따라서 계통에 연계되는 분산전원의 용량이 증가할수록 보호협조에 문제점이 발생할 가능성이 점차 커지고 있어, 분산전원을 고려한 보호협조 평가알고리즘을 그림 6과 같이 제안하였다. 먼저 대상 계통의 데이터를 수집하고, 보호기기의 종류를 선정한다.
본 연구에서는 기존에 제작된 평가시스템 상에서, 배전선로에서 발생한 고장이 파급되는 것을 방지하기 위해 보호기기를 운용하는데 있어서, 최적의 동작을 할 수 있도록 보호협조 판정 방법과 분산전원 연계에 따른 사고해석을 고려한 보호협조 평가알고리즘을 제시하였다. 또한, 기존의 정정치(Pick-Up)값을 이용한 T-C곡선에 의한 보호협조 판정이 계산상 오차가 발생하는 단점을 보완하기 위하여, 실제로 발생하는 최대 사고전류를 이용한 개선된 T-C곡선 알고리즘을 제안하였다. 상기에서 제안한 방법을 보호협조 평가시스템에 적용하여, 분산전원이 연계된 배전선로의 보호기기 들(변전소와 선로의 리클로즈, 고객측 보호기기, 분산전원 수용가 보호기기 등) 간의 보호협조에 미치는 영향에 대해 검토하여, 본 논문의 유용성을 확인하였다.
먼저 대상 계통의 데이터를 수집하고, 보호기기의 종류를 선정한다. 앞서 언급한 사고해석 알고리즘을 통하여, 분산전원을 고려한 각 지점의 고장전류를 산출한다. 각 지점의 고장전류 및 부하전류를 산출하여, 전위보호기기와 후비보호기기(고객계전기) 사이의 정정치를 검토하고, TC특성곡선을 확인하여, 전위보호기기와 후비보호기기가 협조시간차 이상의 시간을 갖고 동작하는지, 보호협조를 판정한다.
분산전원이 연계된 경우, 각 보호기기 들의 정정지침에 따라 보호협조 평가시스템으로 산출한 고장전류 및 부하전류를 이용하여, 각 보호기기 들의 정정치를 표 8과 같이 산정한다. 여기서 분산전원수용가 계전기는 그 정정지침이 따로 존재하지 않아, 고객계전기의 부하전류 대신 분산전원의 최대공급(출력)전류를 이용하여, 한전의 고객 계전기 정정지침에 따라 정정하였다. R/C의 최대부하전류는 분산전원 연계 전 126A였으나 연계 후, 분산전원의 출력용량(부하전류 75.
그림 3은 배전계통의 보호협조를 위한 사고해석의 알고리즘으로, 이 과정에서 발전기 기본식을 이용한 고장전류 계산식을 이용하여 값을 산출한다. 연계된 분산전원의 특성을 고려한 해당 변전소의 전원측, 변압기, 배전선로 등의 %임피던스를 구한 후, 사고지점을 기준으로 임피던스 맵을 작성하여 종류별 고장(3상단락, 선간단락, 1선지락 등)전류를 구한다.
그러나 이 값으로 동작시간을 구하면 최소 동작전류값을 구할 때 오차가 발생하여 동작시간이 짧아지게 되며, 사고전류를 정정치 값으로 환산해야하는 번거로움이 있었다. 이에 따라 그림 4와 같이 기존의 방법에 의한 정정치 값으로 환산하지 않고, 사고전류로 직접 동작시간을 구함으로서, 보호협조 시간에 대한 오차를 줄일 수 있도록 제안하였다.
태양광 및 풍력이 배전계통에 연계되어 운용하는 경우, 사고해석을 하기 위해서는 분산전원이 고려된 정상/영상 분의 %임피던스를 올바르게 산출해야 한다. 이에 따라 분산전원 연계에 따른 사고해석 알고리즘을 바탕으로 보호협조 평가알고리즘을 제시하고, 기존의 최소동작전류를 이용한 T-C곡선에 대한 보호협조 판정이 아닌 최대사고 전류를 이용한 개선된 T-C곡선 알고리즘을 제안한다.
대상 데이터
보호협조 평가시스템에 그림 7과 같이 분산전원이 연계된 배전계통을 모의하였으며, 각 구간별 임피던스는 표 6과 같고, 설치된 보호기기의 정보는 표 7과 같다. 변전소 및 선로의 정보는 분산전원 연계 전과 같으며, 분산전원 수용가계전기 OCR은 강반한시 TC커브특성을 갖는 GCO-CI Ⅲ D4(경보전기)를 사용하고, OCGR은 GCO-CI Ⅲ D5를 사용하였다. 그리고 연계된 분산전원은 3MVA 용량의 풍력발전으로 상정하였다.
성능/효과
(2) 이와 같이 동작시간차의 기준을 수정한 방식은 기존의 계전기의 복귀율을 고려한 번거로운 동작시간차의 계산을 수행하지 않고도 두 보호기기의 산술적인 동작시간인 21.08사이클(35.74-14.66)로 동작시간차를 산출할 수 있다.
(3) 최대사고전류를 이용한 T-C곡선 보호협조 판정방법으로 분산전원 연계 전과 후, 22.9kV-y 배전선로의 각 보호기기 사이의 동작시간 변화를 비교해 본 결과 협조상의 문제점은 발생하지 않았다. 개선된 방법으로 분산전원 연계 전·후 보호협조 시간차를 확인한 결과, 분산전원 연계에 따른 개선 전 보호협조 시간차보다 27.
(4) 개선된 방법으로 사용할 경우 오차율이 줄어들어, 계전기 정정 시 기존의 보호협조평가방법보다 정확하고 효율적으로 운용할 수 있는 방안임을 확인하였다.
개선된 방법으로 분산전원 연계 전·후 보호협조 시간차를 확인한 결과, 분산전원 연계에 따른 개선 전 보호협조 시간차보다 27.6사이클이 늘어남을 알 수 있었다.
상기와 같이, 개선된 방법으로 분산전원 연계 전·후 보호협조 시간차를 확인한 결과, 표 9와 같이 개선 전 보호협조 시간차보다 늘어남을 알 수 있었다. 따라서 개선된 방법으로 사용할 경우, 오차율이 줄어들어 계전기 정정 시 기존의 보호협조 방법보다 정확하고 효과적으로 운용할 수 있음을 확인하였다.
0배 사이로 이에 따른 R/C의 최소동작전류 값은 분산전원 연계 전보다 최대 360A만큼의 차이가 존재한다. 따라서 분산전원이 연계되기 전 단락사고 시 R/C의 최소동작시간은 400A였으나, 분산전원을 고려한 경우 R/C최소동작전류는 200A로 감소하였다.
83)로 산정된다. 분산전원이 연계된 경우 최대고장전류는 4009.61A로써 동작 시간차는 그림 10과 같이 21.08사이클(35.74-14.66)이 되어 보호협조가 가능함을 확인할 수 있었다. 상기와 같이, 개선된 방법으로 분산전원 연계 전·후 보호협조 시간차를 확인한 결과, 표 9와 같이 개선 전 보호협조 시간차보다 늘어남을 알 수 있었다.
또한, 기존의 정정치(Pick-Up)값을 이용한 T-C곡선에 의한 보호협조 판정이 계산상 오차가 발생하는 단점을 보완하기 위하여, 실제로 발생하는 최대 사고전류를 이용한 개선된 T-C곡선 알고리즘을 제안하였다. 상기에서 제안한 방법을 보호협조 평가시스템에 적용하여, 분산전원이 연계된 배전선로의 보호기기 들(변전소와 선로의 리클로즈, 고객측 보호기기, 분산전원 수용가 보호기기 등) 간의 보호협조에 미치는 영향에 대해 검토하여, 본 논문의 유용성을 확인하였다.
상기와 같이, 개선된 방법으로 분산전원 연계 전·후 보호협조 시간차를 확인한 결과, 표 9와 같이 개선 전 보호협조 시간차보다 늘어남을 알 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
기존의 보호협조를 위한 방법은 무엇인가?
기존의 보호협조는 배전선로에서 발생한 고장이 파급되는 것을 방지하기 위해 보호기기를 적절히 배치하여, 최적의 동작을 할 수 있도록 정정하고 있다. 배전선로 보호기기의 동작시간은 보호기기마다 정정하여 얻은 TC(Time-Current)특성 곡선에서, 식 (1)과 같이 최대고장전류를 최소동작전류로 나눈 정정치(Pick-Up) 배수를 X좌표 값에 대입하여 얻은 Y좌표 값(사이클)이다.
분산전원이 연계된 배전계통이 활발하게 운영되고 있는 배경은 무엇인가?
최근 지구온난화와 환경오염에 대한 관심이 증대되고, 정부의 녹색정책이 진행됨에 따라 배전계통에 태양광 및 풍력발전 등의 분산전원이 활발하게 연계되어 운영되고 있다. 기존의 배전선로의 보호기기는 단방향으로 협조할 수 있도록 정정하여 운영되고 있다.
분산전원의 연계로 인해 기존 배전계통에 발생할 수 있는 문제는 무엇인가?
최근 배전계통은 정부의 녹색성장 정책으로 태양광, 풍력발전 등과 같은 분산전원의 보급률이 지속적으로 증가되고 있는 실정이다. 이러한 분산전원의 연계로 기존 배전계통의 조류흐름은 단방향(One-direction)에서 양방향(Bi-direction)으로 변화되고, 고장전류의 증 감이 발생하는 등, 다양한 변화가 생겨 배전계통의 운용상에 여러 가지 문제점들이 발생할 가능성이 커지고 있다. 따라서 본 논문에서는 분산전원의 배전계통 연계에 따른 보호기기의 정정 및 양방향 보호협조 검토가 가능한 보호협조 평가알고리즘과 실제의 사고전류 값을 이용한 개선된 T-C곡선 알고리즘을 제안하고, 이 알고리즘을 바탕으로 양방향 보호협조 평가시스템을 개선하였다.
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