[논문]국내 특고압 고객에 대한 IEC 61000-3-7 기반의 플리커 방출한계 평가 및 관리 방안 연구

한수경; 신훈철; 박상호; 김건중; 조수환

doi:10.5370/kiee.2018.67.1.1

문제 정의

대용량의 변동부하설비는 일반적으로 저압이 아닌 특고압계통에 연계되어 있기 때문에 본 논문에서는 특고압 직거래 고객을 대상으로 IEC 표준 기반의 플리커 방출한계값 산정 방안을 제안하였다. 평가 및 관리의 편리성을 위해 용량에 따른 분류, 모선별 고객 수에 따른 분류, 모선별 용량 비율에 따라 3가지 그룹으로 나누었다.
즉, 수전 고객 및 발전 고객 구분 없이 수전을 받는 고객은 모두 플리커 방출한계값을 산정하여 관리해주어야 한다는 것이다. 따라서 본 논문에서는 453개소의 고객 중 수전을 받지 않는 고객 1개소를 제외한 452개소 고객에 대한 플리커 방출한계값을 산정하고자 한다. 표 3과 표 5의 IEC 기준을 참고하여 전달계수(T_PstUEHV), 상위 전압레벨의 계획수준(L_PstUV) 및 특고압 전압레벨에서의 계획수준(L_PstEHV)을 설정한다.
계통 내 전압변동을 일으키는 부하는 주로 전기아크로와 대형 용접기와 같이 전류의 소비가 순간적으로 급변하는 전기설비이므로 일반 가정과 같이 저압 계통(220V)이 아닌 특고압 선로(7kV 이상)에 연결되어 있을 가능성이 크다. 따라서 본 논문에서는 특고압 직거래 고객을 대상으로 개별 플리커 방출한계값을 설정하고 계통의 전압변동을 평가, 관리하기 위한 방안을 IEC 61000-3-7의 두 번째 단계(Stage 2)를 기반으로 소개하고자 한다. 표 6은 IEC와 우리나라의 전압레벨을 비교하여 보여준다.
실시간으로 모든 지점에 대해 플리커 방출치를 운영자가 제어할 수 없기 때문에 적합성수준에 대한 평가는 시스템 차원에서 이루어진다. 따라서 특정 위치에서의 평가를 위한 방법이 아닌 전체 시스템을 평가하기 위한 것이다. IEC에서는 LV(Low Voltage, 120V 혹은 230V)에서의 플리커 적합성수준을 제시하는데, 이는 계통 내의 잠재적인 플리커 영향이 LV 모선에 직접 연계된 주거용 고객(특히 조명부하)에게 미치기 때문이다[9].
IEC에서는 플리커 측정과 관련된 내용을 61000-4-15에, 플리커의 평가 및 관리에 대한 내용을 61000-3-7에서 언급하고 있으며, 선행연구를 통해 플리커 측정 방법과 알고리즘에 대한 검증을 수행한 바 있다[4-6]. 본 논문에서는 현재 △V₁₀에 기반한 플리커 평가 및 관리에 대한 문제점을 언급하고, IEC 표준을 토대로 변동부하설비의 플리커 방출수준 산정 방법을 수립하여 특고압 직거래고객을 대상으로 방출수준을 산정해 플리커를 평가 및 관리하는 방법에 대해 소개하고자 한다.

제안 방법

은 1960년 아크로에 의한 플리커 장애에 대한 연구가 실행되면서 만들어진 것으로, 일본전력중앙연구소(CRIEPI)가 개발한 플리커미터 지시치에 깜빡임 시감도 계수를 곱한 것이다. 과거 일본의 경우, 플리커에 대한 표준측정법이 개발되지 않아 각 전력회사별로 △V_T(도쿄 전력), △V_h(츄고쿠 전력) 등 서로 다른 플리커 지표를 사용하고 있었으며, 실험을 통해 각 회사의 플리커 지표를 △V₁₀으로 환산하여 사용하게 되었다. 측정 알고리즘은 다르나 관리 기준을 통일시키기 위해 CRIEPI는 각 전력회사의 측정 장비를 가지고 동일한 실험을 수행하였다.
측정 알고리즘은 다르나 관리 기준을 통일시키기 위해 CRIEPI는 각 전력회사의 측정 장비를 가지고 동일한 실험을 수행하였다. 이 실험은 아크로에 의해 발생하는 실제 전압 변동 신호를 이용해 랜덤으로 4개 글자를 지우는 과정에서 느껴지는 깜빡임을 4단계(깜빡임이 심함, 깜빡임 발생, 깜빡임일 발생한 것으로 느껴짐, 깜빡임 미발생) 중 선택하는 방법으로 진행되었으며, 그 결과 F₂(깜빡임 발생과 깜빡임이 심함 비율을 합산하여 만들어진 인식률 곡선)에서 인식률이 50%에 해당하는 %0.45V 전압변동률을 관리 기준으로 제시하였다. 현재 우리나라에서도 이 값을 플리커 허용 기준치로 사용하고 있다.
따라서 전체 고객을 몇 개의 그룹으로 분류하여 각 그룹 별로 특정 한계값을 제시함으로써 플리커 방출수준을 관리하는 방안이 필요하다. 전체 고객을 그룹으로 나누는 방법으로 (1) 고객별 용량에 따른 분류, (2) 모선별 연계된 고객 수에 따른 분류, 그리고 (3) 모선별 용량비율에 따른 분류 이렇게 3가지를 제안하며, 각 방법에 따라 방출한계값을 산정한 후 그 결과를 비교하여 가장 합리적인 방법을 선택한다.
총 452개의 전체 고객의 최대, 최소 계약용량은 각각 2,000 MVA와 0.3MVA이며, 고객들의 계약용량 대비 상위, 하위 약 30%를 기준으로 3 그룹으로 구분하여 플리커 방출한계값을 산정하였다.
과거 일본의 경우, 플리커에 대한 표준측정법이 개발되지 않아 각 전력회사별로 △V_T(도쿄 전력), △V_h(츄고쿠 전력) 등 서로 다른 플리커 지표를 사용하고 있었으며, 실험을 통해 각 회사의 플리커 지표를 △V₁₀으로 환산하여 사용하게 되었다. 측정 알고리즘은 다르나 관리 기준을 통일시키기 위해 CRIEPI는 각 전력회사의 측정 장비를 가지고 동일한 실험을 수행하였다. 이 실험은 아크로에 의해 발생하는 실제 전압 변동 신호를 이용해 랜덤으로 4개 글자를 지우는 과정에서 느껴지는 깜빡임을 4단계(깜빡임이 심함, 깜빡임 발생, 깜빡임일 발생한 것으로 느껴짐, 깜빡임 미발생) 중 선택하는 방법으로 진행되었으며, 그 결과 F₂(깜빡임 발생과 깜빡임이 심함 비율을 합산하여 만들어진 인식률 곡선)에서 인식률이 50%에 해당하는 %0.
대용량의 변동부하설비는 일반적으로 저압이 아닌 특고압계통에 연계되어 있기 때문에 본 논문에서는 특고압 직거래 고객을 대상으로 IEC 표준 기반의 플리커 방출한계값 산정 방안을 제안하였다. 평가 및 관리의 편리성을 위해 용량에 따른 분류, 모선별 고객 수에 따른 분류, 모선별 용량 비율에 따라 3가지 그룹으로 나누었다. 용량에 따른 분류 기준을 적용한 경우, 모선에 연계된 개별 부하의 용량이 서로 다르고, 모선별로 부하 구성이 다양하여 같은 용량이라 하더라도 연계된 모선에 따라 방출한계값이 상이하게 선정되었다.

대상 데이터

154kV 및 345kV 특고압 직거래 고객은 총 453개소로 전력 계통으로부터 수전, 발전 및 수전과 발전을 동시에 하는 고객으로 구성되어 있다. 이 때 수전과 발전을 동시에 하는 고객은 플리커 방출 제한이 필요한 고객으로 분류되나, 플리커 방출한계값 산정 시에는 수전용량만 고려한다.

성능/효과

그룹 2의 최대 비율은 단일고객 모선을 제외하고 부하가 가장 많이 연계된 모선 2개를 선택하여 같은 용량의 부하가 연계되었을 때의 이상적 부하 용량 비율과 각 모선이 차지하는 비율을 곱한 후 합산한 값으로 설정하였으며, 그 결과는 표 11과 표 12를 통해 알 수 있다. 결과적으로 특정 모선에 여러 개의 변동부하설비가 연계되어 있는 경우, 개별 고객의 용량이 해당모선의 총 용량에 대비하여 45%를 초과하는 고객에 대해서는 0.8, 8%~45%인 고객에 대해서는 0.61, 그리고 8% 이하인 고객에 대해서는 0.35로 방출한계값을 산정하는 것이 가장 합리적임을 보여준다.
값 중 95% 확률에 해당하는 값 중 하나를 선택해서 사용한다. 계획수준에 부합하는지에 대한 판단기준은 95% 확률값을 사용할 경우 계획수준을 초과할 수 없으며, 99% 확률값을 사용할 경우 계획수준의 1.5배를 초과할 수 없다.
하나의 모선에 연계된 고객 수는 최대 13개소로 표 9와 표 10과 같이 3개의 그룹으로 나누었다. 그 결과 모선에 연계된 고객 수가 작을수록 모선의 총 용량에 대한 개별 고객의 용량이 고객수에 반비례하여 방출한계의 최대값이 증가한다는 것을 알 수 있었다. 하지만 한 모선의 총 용량과 연계된 고객의 용량 비율이상이해 방출한계의 최소값은 모선에 연계된 고객 수와 관련성이적었다.
마지막으로 모선별 용량 비율에 따른 분류 방법의 경우, 다른 모선에 연계되더라도 모선의 총 용량 대비 개별 고객의 용량 비율이 같다면 유사한 방출수준을 갖는다는것을 알 수 있었다. 따라서 IEC 61000-3-7의 플리커 평가 및관리기준을 우리나라에 적용하기 위해서는, 다수의 변동부하설비가 연계되어 있는 모선에 대해 개별 고객의 용량이 해당모선의 총 용량에 대비하여 45%를 초과하는 경우에는 0.8, 8%~45%인 경우에는 0.61, 그리고 8% 이하인 경우에는 0.35의 방출한계값을 갖는 것이 가장 합리적임을 보여준다.
모선별 고객 수에 따른 분류 방법의 경우,모선에 연계되는 고객 수와 방출한계의 최대값이 반비례하지만, 최소값의 경우 모선에 연계되는 고객의 용량이 상이하여 상관관계가 없는 것으로 나타났다. 또한 실제 계산된 방출한계값이 0.35보다 낮아 IEC 표준에서 제시하고 있는 방출한계 최소값인 0.35로 관리되어야할 고객들이 0.4 이상의 방출수준으로 관리될수 있음을 알 수 있었다. 마지막으로 모선별 용량 비율에 따른 분류 방법의 경우, 다른 모선에 연계되더라도 모선의 총 용량 대비 개별 고객의 용량 비율이 같다면 유사한 방출수준을 갖는다는것을 알 수 있었다.
용량에 따른 분류 기준을 적용한 경우, 모선에 연계된 개별 부하의 용량이 서로 다르고, 모선별로 부하 구성이 다양하여 같은 용량이라 하더라도 연계된 모선에 따라 방출한계값이 상이하게 선정되었다. 또한 실제 계산된 방출한계값이 0.35보다 낮아 IEC 표준에서 제시하고 있는 방출한계 최소값인 0.35로 관리되어야할 고객에 대해 2배 이상의 방출수준으로 관리될 가능성이 커짐을 알 수 있었다. 모선별 고객 수에 따른 분류 방법의 경우,모선에 연계되는 고객 수와 방출한계의 최대값이 반비례하지만, 최소값의 경우 모선에 연계되는 고객의 용량이 상이하여 상관관계가 없는 것으로 나타났다.
4 이상의 방출수준으로 관리될수 있음을 알 수 있었다. 마지막으로 모선별 용량 비율에 따른 분류 방법의 경우, 다른 모선에 연계되더라도 모선의 총 용량 대비 개별 고객의 용량 비율이 같다면 유사한 방출수준을 갖는다는것을 알 수 있었다. 따라서 IEC 61000-3-7의 플리커 평가 및관리기준을 우리나라에 적용하기 위해서는, 다수의 변동부하설비가 연계되어 있는 모선에 대해 개별 고객의 용량이 해당모선의 총 용량에 대비하여 45%를 초과하는 경우에는 0.
35로 관리되어야할 고객에 대해 2배 이상의 방출수준으로 관리될 가능성이 커짐을 알 수 있었다. 모선별 고객 수에 따른 분류 방법의 경우,모선에 연계되는 고객 수와 방출한계의 최대값이 반비례하지만, 최소값의 경우 모선에 연계되는 고객의 용량이 상이하여 상관관계가 없는 것으로 나타났다. 또한 실제 계산된 방출한계값이 0.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	플리커란?	IEC에서는 플리커를 휘도 또는 스펙트럼 분포가 시간에 따라 변동하는 광 자극에 의해 유발되는 시각적 불안정성에 대한 인지로 정의한다. 즉, 플리커란 지속적이고 주기적인 전압변동으로 인한 전등의 밝기 변화가 사람에게 미치는 시각적 심리적 불편함을 정량화한 것이다.
	IEC 61000-3-7에 따라 국내에서 플리커 관리는 어떻게 이루어져야 하겠는가?	일반적으로 전력 시스템은 다양한 전압레벨로 구성되어 있으며, 시스템의 전력품질 특히 전압변동을 일정수준으로 유지하기 위해서는 각 전압레벨 별로 플리커 방출수준을 조절하여 최하위 계통에서의 적합성기준을 만족시킬 수 있어야 한다. 이를 위해 특정 전압레벨에서의 플리커 방출의 계획수준을 설정하고, 해당 계획수준을 기준으로 개별 변동부하설비의 방출수준을 결정하도록 권고하고 있다.
	플리커가 전기사용자에게 끼치는 불편함은?	즉, 플리커란 지속적이고 주기적인 전압변동으로 인한 전등의 밝기 변화가 사람에게 미치는 시각적 심리적 불편함을 정량화한 것이다. 플리커의 인지 과정은 대형비선형부하의 기동에 의한 전압변동이 송배전계통을 통해 인근 부하로 전달되어 인근 부하의 전력품질에 영향을 미치는 것으로, 특히 전등부하에 영향을 미쳐 전기사용자에게 시각적인 불편함을 주게 된다. 플리커는 정격전압의 10% 이내의 전압변동에 의해 발생하는 것으로, 전등부하(백열등)에 의한 시각적 불편함을 야기하기 때문에 순간전압강하와 순간전압상승과 구분되어 더 정밀한 전력품질을 관리할 수 있는 지표라 할 수 있다.

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Assessment and Management Method of Flicker Emission Level Based on IEC 61000-3-7 for Domestic Extra-high Voltage Customers 원문보기

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