[논문]환상형 분산전원 단지 보호를 위한 전압제어 과전류 계전기

김태희; 강상희

doi:10.5370/kiee.2016.65.12.1979

환상형 분산전원 단지 보호를 위한 전압제어 과전류 계전기
Voltage-controlled Over-current Relay for Loop-connected Distributed Generators 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.65 no.12, 2016년, pp.1979 - 1985

김태희 (Dept. of Electrical Engineering, Myongji University) , 강상희 (Dept. of Electrical Engineering, Myongji University)

Abstract ▼ AI-Helper

A protection algorithm using a voltage-controlled overcurrent element for a looped collection circuit in a wind farm is suggested in this paper. Because the proposed algorithm uses voltage relaying signals as well as current relaying signals, any fault in the looped collection circuit can be cleared by voltage-controlled overcurrent relays located at the two adjacent relaying points, the nearest place in each direction from the fault point. The algorithm can also distinguish the external faults which occur at the outside of a wind farm from the internal faults. It means that the proposed algorithm can provide the proper ability of protection coordination to the relays in the looped collection circuits of a large wind farm. The performance of the proposed algorithm is verified under various fault conditions using PSCAD/EMTDC simulations.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

연계선로 상의 고장 Fault1에 대해서는 연계선로 보호용 계전기 동작으로 차단기 CB11과 CB13을 개방하여 연계선로를 차단하고, 이 때 풍력발전단지 내부의 보호계전기들은 동작하지 않아야 한다. 따라서 본 논문에서는 고장구간을 최소화 하고 지속적인 발전전력 전송이 가능한 그림 2와 같은 루프접속 구조이고 계통에 2회선으로 연계되는 풍력발전단지를 대상으로 내부 및 외부 고장을 구분할 수 있는 알고리즘을 제안하였다.
본 논문에서는 고장 구간만 선택적으로 차단 후 지속적인 발전전력 전송이 가능한 루프계통으로 구성된 풍력발전단지에서 풍력단지의 내부고장과 외부고장을 구분하고 고장 구간만 선택적으로 차단할 수 있는 전압제어 과전류 계전알고리즘을 제안하였다.
본 논문에서는 과전류 계전기를 기본으로 하여 발전단지 내부 고장과 외부고장을 구별할 수 있는 방법을 제안한다. 제안한 방법은 외부고장에 동작하지 않고 내부고장에 대해서만 동작해 고장 발생 구간을 차단할 수 있다.
본 논문에서는 풍력발전단지 내 고장 발생 시에도 안정적인 전력공급을 위해 각 발전기들을 루프계통으로 구성하였으며, 발전단지 내부고장과 외부고장을 판별하는 것은 물론 계전기와 차단기의 동작시간을 고려하여 내부 계전기간 보호협조가 이루어지도록 하는 전압제어 과전류 계전 알고리즘을 제안하였다. 풍력발전기는 동기기와 전력변환장치로 구성하였으며 고장 발생 시 전력변환 장치를 이용해 발전기 정지가 가능하여 각 풍력발전기 출력단 측의 차단기를 생략하였다.

제안 방법

내부고장 Fault2에서 1선 지락고장인 경우 계통으로부터 고장 전류가 루프선로에 유입되어 더해지므로 그림 12와 같이 ROC값의 분모가 커져 값이 작아지게 된다. ROC값이 고장전과 비교하여 15% 이상 감소하였으므로 제안하는 전압제어 과전류 계전기가 내부고장으로 판별하였다.
그림 5에서도 고장 위치에 가까운 발전기 WG2와 WG3의 전압강하량이 가장 큰 것을 볼 수 있다. 따라서 발전기 출력전압을 사용하여 다음 식 (3)과 같이 수정된 과전류 계전기의 동작시간 식을 사용하여 동작시간을 제어하는 방법을 제안한다.
그러나 내부 고장 시에는 루프선로에는 발전기에서 출력되는 고장전류와 더불어 외부 계통으로부터 유입되는 고장전류가 더해짐으로 ROC 값의 분모가 커져 값이 작아진다. 따라서 본 논문에서는 내부고장과 외부고장 판별을 위해 발전기에 설치된 과전류 계전기 픽업 이후 ROC값이 픽업 이전값과 비교하여 15%이상 감소하면 내부고장으로 판별하고, 픽업 이후 값이 픽업 이전 값과 비교하여 15%이상 감소하지 않으면 외부고장으로 판별하였다.
발전기간 연결선로는 200[m]이며 2회선 연계선로의 길이는 5[km]이다. 모델 계통에서 외부고장 Fault1과 내부고장 Fault2, 인출단 고장 Fault3에 대하여 1선 지락고장을 모의하였다. 발전기가 정격 출력으로 운전되고 있는 상황에서 고장을 모의 하였으며, 결과는 고장 발생시간을 0[ms]로 표시하였다.
모델 계통에서 외부고장 Fault1과 내부고장 Fault2, 인출단 고장 Fault3에 대하여 1선 지락고장을 모의하였다. 발전기가 정격 출력으로 운전되고 있는 상황에서 고장을 모의 하였으며, 결과는 고장 발생시간을 0[ms]로 표시하였다.
이때 고장전류의 크기가 바뀌면서 계전기 동작시간이 변경되어 고장구간이 아닌 계전기가 동작하게 되는 문제가 발생한다. 이를 해결하기 위해 고장전류반전에 의한고장전류의 상승을 검출해 픽업지속시간을 리셋하여 계전기 동작 시간이 지연되도록 하였다.
풍력발전단지 모선 측에 변압기가 있으나 전류의 순시치 파형을 변압비를 고려하여 1:1로 나타내었고, 시간 0[ms]를 기준으로 이전은 고장 전 정상상태이며 이후는 고장상태이다. 전류 측정은 CB9와 CB13에서 각각 연계선로 쪽을 정방향으로 하여 측정하였다.
고장전류 A, B를 계측한 경우 특성곡선이 고정되어 있다면고장전류 A와 B의 동작시간 차이는 Δt1만큼 생기는 반면, 전압강하량에 따라 특성곡선이 조정되면 동작시간의 차이가 Δt2만큼 늘어나게 된다. 전압강하량에 따라 과전류 계전기 동작시간의 차이를 늘려 차단기 동작시간을 고려한 보호협조가 이루어지도록 하였다.
고장 구간을 선택적으로 차단하기 위해서는 발전단지 내부 계전기간 동작시간의 차이가 차단기 동작시간인 5주기(80[ms])이상 차이가 나도록 해야 한다. 제안된 전압제어 과전류 계전기의 특성곡선을 통해 보호협조가 이루어지도록 하였고, 이를 통해 내부 고장 시 고장 지점과 가장 가까운 계전기가 먼저 동작하고 5주기 후에 해당 차단기가 동작할 때까지 나머지 계전기는 동작하지 않게 된다. 그림 13은 내부고장 Fault2에서 각 풍력발전기 WG1∼WG5의 위치에서 전압제어 과전류 계전기의 동작결과이다.
제안하는 전압제어 과전류 계전 알고리즘의 검증을 위해 PSCAD/EMTDC를 사용하여 그림 9와 같은 풍력발전단지를 모델링하였다. 풍력발전기는 동기기와 전력변환장치로 구성하였고 단위 발전기 용량은 5[MW]로 전체 발전용량은 25[MW]이다.
본 논문에서는 과전류 계전기를 기본으로 하여 발전단지 내부 고장과 외부고장을 구별할 수 있는 방법을 제안한다. 제안한 방법은 외부고장에 동작하지 않고 내부고장에 대해서만 동작해 고장 발생 구간을 차단할 수 있다. 알고리즘 구현을 위해서는 그림 2의 WG3과 같이 CT를 2개 사용하여 발전기 출력 전류와 발전기에 연결된 루프선로 전류를 측정해야 한다.
제안한 전압제어 과전류 계전알고리즘은 발전기 접속 루프선로 전류와 발전기 출력전류 비의 변화량을 이용하여 내부와 외부고장을 구분하며 전압요소를 이용하여 계전기 동작시간을 제어하였다. 계전기와 차단기 동작시간을 고려하여 풍력발전단지 내의 각 전압제어 과전류 계전기간의 보호협조가 가능하게 하였다.
본 논문에서는 풍력발전단지 내 고장 발생 시에도 안정적인 전력공급을 위해 각 발전기들을 루프계통으로 구성하였으며, 발전단지 내부고장과 외부고장을 판별하는 것은 물론 계전기와 차단기의 동작시간을 고려하여 내부 계전기간 보호협조가 이루어지도록 하는 전압제어 과전류 계전 알고리즘을 제안하였다. 풍력발전기는 동기기와 전력변환장치로 구성하였으며 고장 발생 시 전력변환 장치를 이용해 발전기 정지가 가능하여 각 풍력발전기 출력단 측의 차단기를 생략하였다.
외부고장인 Fault1에서 1선 지락고장인 경우 각 발전기에서 고장으로 인해 전류는 증가하지만 계통으로부터 루프선로에 유입되는 전류가 없으므로 ROC값은 그림 10과 같이 고장 발생 시점인 0[ms]이전과 비교하여 변화가 없으므로 외부고장으로 판단 하여 각 전압제어 과전류 계전요소가 픽업이 되더라도 그림 11과 같이 트립을 억제하게 된다. 풍력발전단지 인출 모선 측 CB6과 CB7에 위치한 과전류 계전기는 풍력발전기를 가지고 있지 않아 ROC값을 계산할 수 없어 내부 및 외부고장을 판별할 수 없으므로 방향성 과전류 계전기를 설치하고 동작영역은 발전단지 내부고장에 동작하도록 정정하였다. 이 방향성 계전기의 동작시간 정정은 풍력발전단지 내부 계전기들보다 길어야 하는데, 이는 내부 고장에 대하여 제안하는 전압제어 과전류 계전기보다 방향성 계전기가 더 빨리 동작하는 것을 방지하기 위함이다.

대상 데이터

제안하는 전압제어 과전류 계전 알고리즘의 검증을 위해 PSCAD/EMTDC를 사용하여 그림 9와 같은 풍력발전단지를 모델링하였다. 풍력발전기는 동기기와 전력변환장치로 구성하였고 단위 발전기 용량은 5[MW]로 전체 발전용량은 25[MW]이다. 풍력발전기의 출력전압은 690[V]이며 0.

성능/효과

계전기와 차단기 동작시간을 고려하여 풍력발전단지 내의 각 전압제어 과전류 계전기간의 보호협조가 가능하게 하였다. 제안한 전압제어 과전류 계전기를 적용한 결과 풍력발전단지 모델계통의 외부 및 내부고장을 성공적으로 판별하며, 고장구간을 선택적으로 차단할 수 있음을 검증하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	병렬접속 구조와 루프접속 구조의 특징은?	병렬접속 구조는 구성 및 보호시스템이 간단하지만 내부고장 시고장지점에서 하위 발전기들은 모두 탈락하는 단점이 있다. 루프 접속 구조의 경우 구성 및 보호시스템이 복잡해지지만 내부고장 시에도 고장구간을 선택적으로 차단할 수 있고, 나머지 발전기들은 발전전력을 계속 전송할 수 있다. 루프접속 구조의 풍력발전 단지 보호 측면에서 발전기가 여러 대인 풍력발전단지가 계통과 연계되면 전력 조류와 고장전류에 영향을 미침으로 종래의 보호 계전 방법으로는 적절한 보호를 하지 못하는 경우가 발생한다.
	풍력발전단지 개별 발전기 구성은 어떤 구조로 되어 있는가?	최근 풍력발전단지가 대단위화 됨에 따라 발전단지내 발전기의 개수 및 구성이 복잡해지고 있다. 풍력발전단지 개별 발전기 구성으로는 병렬접속 구조와 루프접속 구조가 있다.
	배전계통에서 송전 계통 보호계전방식을 사용하는 것이 어려운 이유는?	루프 배전계통을 운영하기 위해서는 방사상 배전계통에서와는 다른 보호시스템과 보호협조 방안이 필요하다. 송전계통에서 사용되는 거리계전기나 전류차동계전기와 같은 보호계전방식의 활용도 가능하지만 배전계통에서 송전 계통 보호계전방식을 사용하는 것은 경제성이 떨어지는 문제와 배전계통 특성에 따른 거리계전기 적용의 한계가 있다. 루프 배전계통 보호에 관한 연구로는 방향성 과전류 계전기를 이용한 보호 방식이 제시된 바 있다[3].

참고문헌 (3)

Haslam S. J, Crossley P. A, Jenkins N, "Design and field testin of a source based protection relay for wind farms", IEEE Transactions on Power Delivery, Volume 14, Issue 3, pp.818-823, 1999

상세보기
Young-Jin Kwon, Sang-Hee Kang, "A Protection Algorithm Discriminating Between Internal and External Faults for Wind Farms", The Transations of the Korea Institute of Electrical Engineers, Vol.56 No.5, pp. 854-859, 2007
Bin Li, Xuan Yu, Zhiqian Bo, "Protection Schemes for Closed Loop Distribution Network with Distributed Generator", Sustainable Power Generation and Supply, 2009. SUPERGEN '09. International Conference on, 2009

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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