KR101147347B1

KR101147347B1 - 저압배전선로에 연계된 신에너지(태양광) 전원의 양방향 보호협조 시험장치

Info

Publication number: KR101147347B1
Application number: KR1020100049196A
Authority: KR
Inventors: 노대석; 이헌태
Original assignee: 한국기술교육대학교 산학협력단
Priority date: 2010-05-26
Filing date: 2010-05-26
Publication date: 2012-05-23
Anticipated expiration: 2030-05-26
Also published as: KR20110129681A

Abstract

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 운용되어 신에너지전원의 연계 용량에 따라 사고전류가 증가하거나 감소하는 경우가 발생하고 있다.
이에 본 발명에서는 신에너지 전원이 배전계통에 연계되는 경우에 발생할 수 있는 기술적인 문제점을 평가할 수 있는 신에너지전원 연계용 시험장치를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 양방향 보호협조 시험장치는 수전변압기(22,900/380/220[V]), 저압배전계통(380/220[V], 3상/단상), 저압부하(R,L,C) 등으로 구성된 모의 배전계통장치와 계통연계용 인버터, DC전원공급장치로 구성된 모의 신에너지전원장치, 보호기기(VIPAM), 측정기기, 제어장치 등으로 구성된 양방향 보호기기장치, 시험장치 구성소자 감시제어와 전압, 전류, 전력파형 측정 및 분석용 기기로 구성된 감시제어 장치로 구성되어 있다. 또한 각 구성부분을 직접 제어할 수 있을 뿐만 아니라 PC에서 원격으로 감시와 제어를 할 수 있도록 하여 비전문가라도 쉽게 시험 및 분석업무를 효율적으로 수행할 수 있도록 할 수 있다.
본 발명의 양방향 보호협조 시험장치에 의해 신에너지전원의 수용가 설비 시공전에 다양한 시험과 시뮬레이션을 통하여 시공업자와 공사업자에게 시공후에 발생 가능한 위험요소를 줄일 수 있다.

Description

저압배전선로에 연계된 신에너지(태양광) 전원의 양방향 보호협조 시험장치 {Test Devices for Bi-Directional Coordination of New Energy Sources(PV Systems) in Secondary Feeders}

본 발명은 신에너지 전원의 양방향 보호협조 시험장치에 관한 것으로 종래에는 태양광, 풍력, 연료전지, 열병합 등과 같이 신에너지 전원이 도입된 수용가 설비 계통은 기존의 부하만이 존재하는 설비계통과는 달리 소규모로서 소비자 근방에 분산배치가 가능한 전원과 기존의 부하가 혼재되어 운용되는 형태가 되기 때문에 신에너지 전원의 연계에 따른 사고전류의 증가, 양방향 보호협조 등의 많은 문제점이 발생하였다. 이러한 문제점들을 이해하고 해결하기 위해서는 신에너지전원이 계통에 연계되는 경우에 발생할 수 있는 신에너지 전원 연계용 시험장치가 필수이다. 따라서 본 발명에서는 이러한 신에너지전원이 배전계통에 연계되어 운용되는 경우 이를 실증할 수 있는 시험장치에 관한 것이다.

태양광과 같은 신에너지전원의 용량은 점차 증가하고 있는 상황이지만, 설치자(신에너지전원 소유자)의 보호방식은 기존 방식을 고수하고 있는 실정으로 신에너지전원의 역조류에 의해 설치자의 보호기의 오/부 동작 발생이 점차 증가하고 있다. 실례로 2009년 3월에 충남 태안의 송현 태양광 발전소의 시스템이 태양광발전이 설치된 고압선로의 부하불평형에 의해 중심선에 영상전류가 흘러 지락계전기의 오동작에 의한 고장이 발생하였고, 2009년 7월에는 지산 태양광 발전소의 인터버 불량으로 태양광 발전소의 VCB가 자주 트립되는 현상이 발생하였으며, 2009년 9월에는 영주의 태양광발전소에서 핵심 전력변환장치인 인버터가 트립되는 현상이 발생하였다.

일반적으로 다수의 신에너지전원이 배전계통에 연계되어 운전되면 현재까지 수지상으로 단방향의 전력조류로 운용되던 배전계통의 구성이 루프 혹은 매쉬(Mash) 형태로 변경되어, 보호협조, 배전기기 제어 및 운영방식도 변화하게 된다. 또한, 신에너지전원의 보급이 확대됨에 따라 전력망 연계에 필수적인 PCS의 수용가가 증가하고 있어 모든 종류의 신에너지전원에 적용 가능한 Plug-In 방식의 스마트 수배전반을 채용하는 수용가의 증대가 예상된다. 따라서 매쉬 형태의 배전계통과 양방향 보호기기의 운용방식을 모의하여 다양한 시험을 수행할 수 있는 보호협조 시험장치가 필수적이다.

또한, 신에너지전원이 연계된 경우, 신에너지전원의 사고전류 공급으로 수용가의 차단용량 초과로 인한 문제점이 발생할 수 있고, 인근 수용가의 지락사고에 의하여 보호기기가 오동작할 수 있으며, 또한 신에너지전원의 병렬 임피던스에 의한 분류효과로 인하여 보호기기가 부동작할 수 있는 문제점이 발생할 수 있다. 따라서 이러한 문제점을 정확히 분석하여 수용가의 양방향 보호협조에 대한 방안을 제시할 수 있는 보호협조 시험장치의 필요성이 증가하고 있다.

태양광과 같은 신에너지전원을 소유한 수용가 전기설비를 시공하는 공사업체(‘09년 2월 기준 신재생에너지관련 공사업체가 약 3,110여개)들이 증가하는 실정인데 반하여, 신에너지전원의 계통연계에 필수적인 기술사항(보호협조)에 대하여 상세한 검토 없이 수배전반에 대한 시공을 추진하여, 신에너지전원을 운용하는 수용가에 많은 문제점(보호기기 오부동작, 전기요금 과다 등)이 발생되고 있는 실정이다. 따라서 신에너지전원이 연계된 수용가 설비의 양방향 보호협조의 문제점을 사전에 파악하고 그 문제점을 해결할 수 있는 양방향 보호협조 실증시험장치가 필수적이다.

본원발명과 관련된 선행문헌으로는 2008년 8월25일에 출원된 특허 제2008-0083108(발명의 명칭 : 복합충전제어장치를 갖는 상업 전력 연계형 복합발전용 시스템)으로 태양광과 풍력을 이용하여 저렴한 발전비용을 갖도록 한 복합충전제어장치를 갖는 상업전력 연계형 복합 발전용 시스템에 관한 것이다. 이러한 목적을 달성하기 위하여 태양광 발전 방식으로 발전하는 태양광 모듈, 풍력 발전방식으로 발전하는 풍력모듈, 태양광 모듈과 풍력모듈 중 적어도 하나로부터 생산되는 전력을 충전하는 충전모듈, 사용자에게 정보를 제공하는 표시모듈, 상기 태양광모듈에서 생산되는 전력을 상기 충전모듈에 충전하도록 제어하는 태양광 충전제어부와 풍력모듈에서 생산되는 전력을 상기 충전모듈에 충전하도록 제어하는 풍력충전제어부, 충전모듈에 연결되는 부하가 상기 충전모듈에 저장된 전력이상의 전력을 필요로하는 경우 상업용 전력으로 상기 부하의 배전을 절환하는 배전 절환제어부, 상기 표시 모듈에 소정의 정보를 표시하거나 사용자로부터 설정 정보를 입력받도록 제어하는 표시모듈제어부로 구성되어 있다. 이를 통해 역전류에 의한 발전 설비의 이상을 방지할 수 있는 복합충전제어장치를 갖는 상업용 복합발전용 시스템을 제공할 수 있다. 또 다른 본원발명과 관련된 선행문헌으로는 2008년 5월 20일에 출원된 특허 제 2009-7025699(발명의 명칭 : 태양 전력 인버터를 위한 커먼 모드 필터 시스템 및 방법)으로 태양에너지를 전기에너지로 보다 효율적으로 변환하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 이를 위하여 태양광 발전 어레이, 수용가측 에너지 소비자의 구내에 전력을 배전하는 배전계통, 상기 배전계통에 결합되고, 태양광 발전 어레이로부터의 DC전력을 AC전력으로 변환하고 그 AC전력을 배전계통에 인가하도록 구성된 인버터, 상기 인버터로부터 방출되는 고주파 전압을 감쇠시키도록 구성되고, 상기 고주파 전압의 주파수는 인버터의 스위칭 주파수의 함수인 댐핑부와 결합되고 댐핑부를 통해 주행하는 저주파 전류의 레벨을 감소시키도록 구성된 트래핑회로로 구성되어 있다. 또 따른 본원발명과 관련된 선행문헌으로는 2006년 11월 7일에 출원된 특허제 2006-0109203(발명의 명칭 : 무변압기형 계통연계 태양광 발전 시스템에서의 DC/AC 컨버터 제어장치)로 외부 환경 조건의 급격한 변동에도 계통 측면에서 계통전압의 변동과 전류 고조파의 증가를 방지할 수 있는 무변압기형 계통연계 태양광 발전시스템의 DC/AC 컨버터 제어장치를 제공하기 위한 것이다. 이를 위해 태양광 발전 시스템에서의 DC/AC 컨버터 제어장치는 DC/AC 컨버터가 태양전지 어레이로 부터 만들어 DC링크 커패시터로 전송하고 직류 전력을 연계되어 있는 배전계통에 적합한 크기와 주파수를 가지는 교류전력으로 변환하여 배전계통에 공급하기 위해 상기 출력전류 기준값을 태양전지어레이의 출력 전력량 계산에 기초하여 산정한다. 이렇게 함으로서 무변압기형 계통연계 태양광 발전 시스템의 전력변환장치 출력제어에 있어서 DC-DC 컨버터는 태양전지어레이로부터 최대출력을 발생시키기 위하여 최대 출력점 추종제어로 운전하며 계통연계인버터는 태양전지어레이로부터 발생되고 있는 출력전력정보를 이용하여 현재 발생되고 있는 출력에 해당하는 전력이 계통으로 출력되도록 계통출력 전류를 제어한다. 상기와 같이 신에너지원전력을 병합시킨 복합발전 방식에 대한 활발한 연구활동이 진행되고 있다. 그러나 종래의 방식은 신에너지원전력을 설치하는 수용가의 환경을 고려하지 않고 가능한 전원과 기존의 부하가 혼재되어 있는 다양한 상황에 대한 고려없이 일정한 설치방법을 제시하고 있어 실제 환경에 따라 기술적인 문제점을 시뮬레이션을 통해 양방향 보호협조에 대한 문제점을 적절히 대응하지 못하는 문제점이 있었다.

본원발명의 목적으로는 신에너지전원과 관련된 수용가 전기설비를 시공하는 공사업체들은 보호협조에 대한 상세한 기술적인 검토 없이 보호기기를 포함한 수배전반의 시공을 추진하여, 신에너지전원을 운용하는 수용가의 배전반에 설치된 보호기기의 오동작, 부동작, 전기요금 과다 등의 많은 문제점을 발생시키고 있는 실정으로 이를 해결하기 위해서, 신에너지전원이 연계된 스마트그리드 수용가 설비의 양방향 보호협조 제어장치(지락전류제한장치, 단락전류제한장치)에 대한 모의 시험장치를 개발하여 신에너지전원 수용가 설비를 보호하는데 있다.

본원발명의 또 다른 목적으로는 신에너지전원의 발전사업자 및 시공업자들은 배전계통 연계에 따른 양방향 보호협조에 관한 기술적 항목의 상세한 검토 없이 배전계통에 신에너지전원을 시공하거나 운용하여 많은 문제점이 발생하고 있으므로, 이들 복잡한 기술적 고려사항을 정확하게 파악하기 위하여, 전력회사(한전)에서 정한 계통연계기술지침(가이드라인)과 관련 해설서 등을 모두 이해해야 하는데, 영세성을 가지고 있는 신에너지전원 수용가와 시공업자가 수권의 분량을 모두 해석하고 이해하기에는 어려운 실정이다. 따라서 본 발명에서는 이를 해결하기 위하여 신에너지전원의 배전계통 및 수용가설비 계통에 연계 공사 시, 사용자(공사업자, 설계자)가 계통연계에 대한 보호협조에 대한 기술적인 사항을 모의 시험할 수 있는 장치를 제공함으로써 시공사업자 들이 쉽게 사용할 수 있도록 하는 데 있다.

상기의 목적을 달성하기 위해 본원발명의 양방향 보호협조 시험장치는 수전변압기(22,900/380/220[V]), 저압배전계통(380/220[V], 3상/단상), 저압부하(R,L,C) 등으로 구성된 모의 배전계통장치와 계통연계용 인버터, DC전원공급장치로 구성된 모의 신에너지전원장치, 보호기기(VIPAM), 측정기기, 제어장치 등으로 구성된 양방향 보호기기장치, 시험장치 구성소자 감시제어와 전압, 전류, 전력파형 측정 및 분석용 기기로 구성된 감시제어 장치로 구성되어 있다. 또한 각 구성부분을 직접 제어할 수 있을 뿐만 아니라 PC에서 원격으로 감시와 제어를 할 수 있도록 하여 비전문가라도 쉽게 시험 및 분석업무를 효율적으로 수행할 수 있도록 할 수 있다.

또한, 본 발명에서는 아래 [표 1]와 같이 OCR의 반한시 특성을 시험하기 위하여, 보호계전기의 정정치를 낮게 설정하고, 부하전류를 변동시켜 사고전류가 발생한 것처럼 모의하여, 단락사고 전류에 대한 OCR Trip시간을 측정하여 계전기의 동작 특성시험을 수행하도록 하였다. 신에너지전원 보호협조 시험장치는 실제의 큰 사고전류를 발생시켜 시험장치를 제작하는 것은 쉬운 문제가 아니어서 본 발명에서는 보호계전의 정정치(Pick Up치)를 상대적으로 낮게 설정하고 부하의 변동전류를 사고전류가 발생한 것처럼 모의하여 단락사고에 대한 신에너지전원의 특성시험을 수행할 수 있도록 하였다.

{표 1} OCR의 반한시 특성 시험결과

상술한 실시예들에 의하면, 양방향 보호협조 시험장치에 의하여 신에너지전원의 수용가 설비 시공 전에 다양한 시험과 시뮬레이션을 통하여 시공업자와 공사업자에게 시공 후에 발생 가능한 위험요소를 줄일 수 있다.

또한, 본 발명에서 제작한 양방향 보호협조 시험장치를 이용하여 신에너지전원이 도입된 계통에서 신에너지전원이 계통에 미치는 영향 등을 검토하고, 계통의 외란에 의한 신에너지 전원의 특성을 분석함으로서 한전에서 제정하여 사용하고 있는 신에너지전원의 계통연계가이드라인에 근거하여 신에너지전원의 보호협조, 전압변동, 전력품질 등에 대한 모의시험을 수행이 가능하게 되어 다양한 신에너지전원의 계통연계에 활용이 가능하다.

또한, 본 발명에서 제작한 양방향 보호협조 시험장치를 이용함으로서 그린스마트 빌딩 시스템 연구분야에 있어 핵심기술인 양방향 보호협조시스템 제어장치 및 E-safe 시스템은 타 스마트그리드 전기설비를 수행하는데 효율성을 높여줄 수 있다.

또한, 신에너지전원의 운용이 배전계통에 미치는 영향과 배전계통의 각종 외란이 신에너지전원에 미치는 영향을 정확히 분석하여 신에너지전원의 계통연계에 대한 전력품질을 향상시키고 수용가에게 고품질의 전력을 보장할 수 있는 효과가 있다.

도1은 선행문헌에 따른 복합충전제어장치를 갖는 상업전력연계 복합발전용시스템을 개략적으로 나태낸 도면이다.
도2은 본 발명에 따른 분산전원모의시험선로의 구성예를 나타낸 도면
도3은 본 발명에 따른 신에너지전원장치의 구성예를 나타낸 도면
도4는 본 발명에 따른 모의보호기기장치의 구성예를 나타낸 도면
도5는 실시예에 따른 컴퓨터를 통한 실시간 제어 및 계측 예를 나타낸 도면
도6은 본 발명의 양방향 보호협조시험장치 구성도
도7는 실시예로서 모의 배전선로장치의 구체적인 구성도
도8은 모의 부하장치 개요도 및 상세결선도
도9는 보호협조시험장치 구성예시도
도10은 측정을 위한 결선예시도
도11은 보호협조 시험장치에서 신호를 전송하는 장치의 구성도
도12는 PC상에서 계측된 신호와 제어요소의 상태도
도13은 시험장치의 감시상태도
도14는 시험장치의 제어상태도
도15는 신에너지전원 보호협조 시험장치에서 신호전송하는 하드웨어구성도
도16은 전류파형 감시제어 및 분석을 위한 장치구성도
도17은 보호협조 시험장치를 제어하기 위한 구성예시도
도18은 반한시요소 특성시험결과(순조류에 대한 단락사고를 모의시험)
도19는 반한시요소 특성시험결과(역조류에 대한 단락사고를 모의시험)
도20은 순시요소 특성시험결과(순조류에 대한 단락사고를 모의시험)
도21는 순시요소 특성시험결과(역조류에 대한 단락사고를 모의시험)

이하, 첨부된 도면을 참조하여 각 구성요소별로 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 보다 상세히 설명한다.

모의 배전 계통장치

[도 2]과 같이 본 발명에서 제작한 모의 배전계통장치는 전기설비 계통에 신에너지전원을 연계하여 운용하는 경우, 정상상태 및 전력품질, 사고상태 등에 대하여, 신에너지원에 미치는 영향과 신에너지전원이 계통에 미치는 영향을 시험하고 분석하기 위하여 실제의 배전계통을 축약으로 모의 한 장치이다. 모의 배전계통은 격리변압기를 이용하여 3상4선식 380/220V의 2개의 저압선로를 구성하고, 선로의 각 구간에는 M/C와 NFB를 이용하여 보호기기와 개폐기를 대용하게 하였으며, 가변부하를 인가하여 부하특성을 조정할 수 있도록 하였고, 신에너지전원을 연계할 수 있도록 하였다. 본 모의 배전계통장치는 배전용변전소(154/22.9KV)의 주변압기를 모의한 격리변압기와 와 3상 4선식의 22.9KV 고압배전선로를 상정한 모의 배전선로장치, 계통의 부하를 1/100 정도의 비율로 축소한 모의 부하장치로 구성하여 실제의 배전계통과 동일한 기능을 구현할 수 있도록 할 수 있다. 좀 더 구체적으로 고압배전선로(22.9KV)에 전원을 공급하기 위하여 배전용변전소에서는 154/22.9kV 주변압기를 사용하는데, 이를 모의하기 위하여 저압 380/220V, 3상 4선식의 축소형으로 모의 제작하였다. 이 격리변압기의 결선구조는 실제의 주변압기와 동일한 방식인 Y-Y-OPEN △ 결선으로 하였고, 3상 12KVA의 용량으로 두 개의 고압선로에 각각 6KVA씩 공급할 수 있도록 하였다. 또한, 1차 및 2차 측에서는 220, 225, 230, 235V 전압조정이 가능하며, 1-2차 권수비는 1:1이고, 상별 전압조정이 가능하도록 슬라이닥스를 설치하여 송출전압을 0 ~ 250V의 범위 내에서 가변시킬 수 있도록 구성하였다. 그리고, 2개의 저압선로의 인출을 가능하도록 하여, 동일 Bank 내 인근 선로 파급사고를 모의할 수 있고, 또한 동일 Bank 내 고압배전선로(D/L)의 루프 운전 시에 역조류 현상을 모의할 수 있도록 하였다.

[도 7]은 모의 배전선로장치의 구체적인 구성도를 나타낸 것이고, 모의선로(R+jX)는 임피던스 조정이 가능하도록 MC를 조합, 사용하여 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.

[도 8]과 같이, 모의 부하장치는 고압배전선로의 전압강하를 10%까지 모의할 수 있도록 R부하와 L부하, C부하를 조합하여 용량(상당 1,500W, 1,500VAR)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 2]과 같다

{표 2}모의부하실험을 하기 위한 계산표값

모의 신에너지전원장치

[도 3]와 같이 모의 신에너지전원(태양광 발전)장치는 계통연계용 인버터(3KVA)와 DC 전원공급장치(1,200W)로 구성되며, DC의 출력전류를 가변시켜 신에너지전원의 출력량을 조정할 수 있도록 제작하였다. 태양광전지의 모듈(170W, 30V)을 모의하기 위하여 DC Power Supply의 출력범위는 전압 0 ～ 400[V]와 전류 0 - 3[A]으로 0～1,200[W]까지 조절이 가능하다. [도 9]과 같이, DC 전압의 입력전압이 보통 150 ～ 400V로 공급되는 계통연계용 인버터에서 나온 출력은 모의 배전계통장치의 부하 측에 연계되어 전력을 공급한다.

모의 보호기기 장치

본 발명에서 이용한 디지털 보호계전기기인 VIPAM 3000은 보호협조 특성시험을 위한 보호계전요소로서, 수배전 전력설비에 대한 고정밀 계측과 보호계전을 제공하는 디지털 복합계전기이다. 본 발명에서는 신에너지전원의 사고특성을 해석하기 위한 모의 보호기기 장치로서 VIPAM 3000을 이용하여, [도 4]과 같이 컴퓨터를 통해 실시간 제어 및 계전과 계측을 할 수 있다. 그리고, 본 장치에서는 [도 10]와 같이 3CT를 이용하여 Y결선의 N상을 이용하여 전류를 순환 시켜 벡터적으로 Ir+Is+It의 값을 측정하는 ZCT의 결선을 이용하였다. 만약 선로의 불 평형이 생기게 되면 ZCT역할을 하는 변류기에 전류가 발생하여 영상전류를 검출하게 된다.

보호협조시험장치 제어용 감시제어장치

본 발명에서는 AutoBase S/W를 이용하여 모의 배전계통의 소자를 조작하고, 실시간의 전압, 전류 등을 감시하는 감시제어장치를 개발하였다. AutoBase는 신호를 센싱하여 변환하고, 전송하는 하드웨어장치와 PC에서 운용하는 소프트웨어 프로그램으로 구성된다. [도 11]는 신에너지전원 보호협조 시험장치에서 신호를 전송하는 장치의 구성도를 나타낸 것이고, [도 12]은 PC상에서 계측된 신호와 제어요소의 상태를 나타낸 것이다.

본 발명에서 이용한 AutoBase는 감시상태일 경우 먼저 통신 프로그램에서 데이터 값 입력 후 Controller에 명령을 내리게 되고 Controller에서 이 데이터를 수신한다. 다음으로 데이터에 대한 응답을 프로그램에 전송, 이 값들을 통신 버퍼에 데이터 저장시킨다. 감시 프로그램에서의 데이터를 각 해당 하는 태그에 매칭을 시키게 되면 그래픽을 통해 화면에 표시하게 되며, 감시상태의 전체 블록도는 [도 13]와 같다. 이때 센서는 계측기에서 계측되는 값을 말하고 Controller는 일반적으로 많이 사용하는 PLC대신 통신 I/O와 NetWork 기능을 겸비한 프로토콜을 사용하며 AC를 DC로 변환 하는 기능을 가진 PC와 센서간의 중계기라고 할 수 있다. 인터페이스는 comport를 사용하지만 컴퓨터에 내장된 인터페이스는 RS232로 통신 가능 길이가 12~13m로 짧기 때문에 2Km까지 통신이 가능한 RS485로 변환해서 사용 한다. 한편 제어상태일 경우에도 감시 프로그램에서 PLC로 직접 데이터가 나가는 것이 아니라 먼저 감시 프로그램에서 통신프로그램으로 데이터를 전송하게 되고 통신 프로그램에서 받은 데이터를 프로토클 포맷에 맞게 변환 후 PLC로 데이터 전송 하게 된다. 마지막으로 PLC에서 제어 후 그에 대한 응답을 통신 프로그램으로 다시 전송을 시키게 된다. 제어상태의 전체 블록도는 [도 14]와 같이 감시상태의 역순으로 진행되는 것을 알 수 있다.

시험장치 분석용 감시제어장치

본 발명에서는 LABVIEW를 이용하여 개폐기 조작 및 전압, 전류 등을 실시간으로 분석하는 감시제어장치를 개발하였다. LABVIEW는 신호를 센싱하여 변환하고, 전송하는 하드웨어장치와 PC에서 운용하는 소프트웨어 프로그램으로 구성된다. [도 15]은 신에너지전원 보호협조 시험장치에서 신호를 전송하는 하드웨어장치의 구성도를 나타낸 것이다.

본 발명에서 감시제어장치로 PC에서 운영되는 강력하고 유연성있는 해석 소프트웨어 시스템인 LabVIEW를 이용하였다. 언제든지 리얼타임 데이터나 최신 테스트 결과를 원격지에서 확인할 수 있도록 구성하였다. 본 발명에서는 실시간의 전압, 전류파형을 감시제어 및 분석하기 위하여, 아날로그(Analog) 디바이스인 NI9201과 NI9203을 이용하여 [도 16]과 같이 구성하였으며, PC상에서 양방향 보호협조 시험장치의 8개 MC를 제어(On/Off)하기 위하여, 디지털(Digital) 디바이스인 NI9425와 NI9477을 이용하여 [도 17]과 같이 구성하였다. 한편,

상기 실시예의 구성에 따른 특성시험결과를 반한시요소와 순시요소로 나누어 살펴보면 다음과 같다.

보호기기 반한시요소 특성시험결과분석

[도 18]은 신에너지(태양광)전원의 용량이 부하용량보다 작은 경우인 순조류에 대하여 단락사고를 모의한 시험분석 결과이다. 즉, 태양광전원이 300W이고, 부하용량이 1,100W일 때 전원 측에서 부하 측으로 800W에 해당하는 3.64A의 부하전류(순조류 방향)가 흐르게 된다. 이때 보호계전기(VIPAM3000)의 OCR 전류 정정치(Ipu)를 1[A]로 정하면, 단락전류가 3.6배가 흐르는 경우와 동일한 효과를 낼 수 있다. 따라서 [표 2]의 IEC SI의 반한시 특성 CT곡선에 의거하여 이론적으로 계산하면, 약 0.26초에 보호계전기는 트립 신호를 송출하게 된다. 실제로 양방향 보호협조 시험장치의 보호계전기인 VIPAM3000을 이용하여, 동일한 조건을 설정하여 PC로 시험 파형을 분석하면 약 0.27초 정도에 트립되는 것을 확인할 수 있었다. 약간의 오차는 계통의 전압이 변동하여 발생한 것으로 시험장치의 기능에는 큰 문제점이 없음을 확인할 수 있었다.

[도 19]는 신에너지(태양광)전원의 용량이 부하용량보다 커서 역조류가 발생하는 경우에 대하여 단락사고를 모의한 시험분석 결과이다. 즉, 태양광전원이 900W이고, 부하용량이 300W일 때 부하 측에서 전원 측으로 역방향으로 600W에 해당하는 2.73A의 부하전류(역조류)가 흐르게 된다. 이때 보호계전기(VIPAM3000)의 OCR 전류 정정치(Ipu)를 1[A]로 정하면, 단락전류가 2.7배가 흐르는 경우와 동일한 효과를 낼 수 있다. 따라서 [표 2]의 IEC SI의 반한시 특성 CT곡선에 의거하여 이론적으로 계산하면, 약 0.34초에 보호계전기는 트립 신호를 송출하게 된다. 실제로 양방향 보호협조 시험장치의 보호계전기인 VIPAM3000을 이용하여, 동일한 조건을 설정하여 PC로 시험 파형을 분석하면 약 0.33초 정도에 트립되는 것을 확인할 수 있었다. 시험결과와 이론치가 거의 일치하였다.

본 발명에서 개발한 시험장치를 활용하여 시험한 결과를 살펴보면, 신에너지전원의 계통연계를 통하여 신에너지전원의 연계 용량에 의하여 단락사고의 전류 크기가 변동되어, 신에너지전원 수용가에 설치된 보호기기(반한시 계전기)의 Trip시간이 변화하여, 수용가 보호기기의 정정치를 신에너지전원의 용량에 맞추어 적절하게 보완해야 할 필요성이 있음을 알 수 있었다. 그리고 [표 3]의 실험 데이터를 통해 신에너지전원의 용량이 증가 할수록, OCR의 반 한시 특성에 대해 Trip 시간의 특성을 확인할 수 있었으며, 역 조류 시 OCR의 Trip시간의 Delay를 확인할 수 있었다.

{표 3} 실험데이터를 통한 전압 및 전류사고파형분석값

보호기기 순시요소 특성시험결과 분석

[도 20]은 신에너지(태양광)전원의 용량이 부하용량보다 작은 경우인 순조류에 대하여 단락사고를 모의한 시험분석 결과이다. 태양광전원을 300W로 고정하고, 부하용량을 900W에서 1,500W까지 변화시키면, 전원 측에서 부하 측으로 2.7A에서 5.5A의 부하전류(순조류 방향)가 흐르게 된다. 이때 보호계전기(VIPAM3000)의 OCR 전류 정정치(Ipu)를 5[A]로 설정하면, 부하용량이 1,400W가 되는 순간에 보호계전기는 트립 신호를 송출하게 된다. 실제로 양방향 보호협조 시험장치의 보호계전기인 VIPAM3000을 이용하여, 동일한 조건을 설정하여 PC로 시험 파형을 분석하면, 부하전류가 5A가 되는 순간에 트립되는 것을 확인할 수 있었다. 시험결과와 이론치가 거의 일치하여 본 발명에서 개발한 시험장치의 기능이 우수함을 확인할 수 있었다.

[도 21]은 신에너지(태양광)전원의 용량이 부하용량보다 큰 역조류가 발생하는 경우에 대하여 단락사고를 모의한 시험분석 결과이다. 부하용량을 300W로 고정하고, 태양광전원의 용량을 900W에서 1,200W까지 변화시키면, 부하 측에서 전원 측으로 2.7A에서 4.1A의 역조류 방향의 부하전류가 흐르게 된다. 이때 보호계전기(VIPAM3000)의 OCR 전류 정정치(Ipu)를 3[A]로 설정하면, 신에너지전원의 용량이 1,000W가 되는 순간에 보호계전기는 트립 신호를 송출하게 된다. 실제로 양방향 보호협조 시험장치의 보호계전기인 VIPAM3000을 이용하여, 동일한 조건을 설정하여 PC로 시험 파형을 분석하면, [도 21]과 같이 부하전류가 3A를 초과하는 되는 순간에 트립되는 것을 확인할 수 있었다. 약간의 수치 오차는 계통의 전압이 변동하여 발생한 것으로 시험장치의 기능에는 큰 문제점이 없음을 확인할 수 있었다.

본 발명에서 개발한 시험장치를 활용하여 시험한 결과를 살펴보면, 신에너지전원의 도입 용량에 의한 전류의 변동을 확인하였으며, 시험 시에 전류정정치의 값의 변화와 부하의 변화를 통해 사고 상태에서의 신에너지전원의 용량에 의한 계전기의 전류정정치의 보완이 필요하다는 것을 알 수 있었다. 그리고 [표 4]의 시험데이터를 통해 신에너지전원의 용량과 부하용량의 변동으로 인한 OCR의 동작특성을 확인하였다. 이 신에너지전원의 역조류에 의하여 수용가 보호기기의 동작확인을 통해 신에너지전원의 용량에 따라 보호기기의 오동작이나 부동작 현상이 발생할 수 있음을 확인할 수 있었다.

{표 4} 분산전원용량과 부하용량의 변동에 따른 전압 및 전류 사고파형분석값

한전의 자료에 따르면, 전력품질로 인한 피해액이 우리 나라의 대전력 수용가(계약전력 1000kW이상 약 4,600호 정도)에 대해 1% 샘플링조사에 의하여 년간 약 2,700～6,500억원정도로 추정하고 있는데, 본 연구에서 개발된 기술을 활용함으로서 비용절감이 가능하다.

또한, 신에너지전원의 운용이 배전계통에 미치는 영향과 배전계통의 각종 외란(사고나 계통소자 변경)이 신에너지전원에 미치는 영향을 정확하게 분석하여 신에너지전원의 계통연계에 대한 전력품질을 향상시킬 수 있는 소규모 전원을 기존의 배전계통에 활용할 수 있다.

601 : 모의선로(직렬연결) 602 : PT/CT
603 : NFB 604 : 차단기
605 : 분산전원(PV) 606 : VIPAM

Claims

양방향 보호협조시험장치에 있어서,
태양광의 신에너지전원이 연계된 배전계통장치로서, 신에너지전원이 계통에 미치는 영향을 시험하고 분석하기 위하여 실제의 배전계통을 축약으로 모의 한 모의 배전계통장치와
계통연계용 인버터에서 나온 출력은 모의배전계통장치의 부하측에 연계되어 전력을 공급하는 모의 신에너지전원 장치와
보호협조시험장치를 제어하고 분석하기 위한 기능이 포함된 감시제어장치와
수배전 전력설비에 대한 계측과 보호계전을 제공하기 위한 모의 보호기기 장치로 구성된 것을 특징으로 하는 양방향 보호협조시험장치.
제1항에 있어서,
모의 배전계통장치는 격리변압기를 이용하여 3상4선식 고압배전선로를 상정한 모의 배전선로장치, 계통의 부하를 축소한 모의 부하장치로 구성하여 실제의 배전계통과 동일한 기능을 구현한 것을 특징으로 하는 양방향 보호협조시험장치.
제2항에 있어서,
모의배전선로장치는 임피던스 조정이 가능하도록 MC를 조합 사용하여 1[Ω]단위로 조정할 수 있는 것을 특징으로 하는 양방향 보호협조시험장치.
제2항에 있어서,
모의 부하장치는 고압배전선로의 전압강하를 10%까지 모의할 수 있도록 R부하와 L부하, C부하를 조합하거나 저항, 리액터, 콘덴서 종류별로 조합하여 부하의 용량을 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 양방향 보호협조시험장치 .
제1항에 있어서,
신에너지전원 모의장치는 계통연계용 인버터와 DC전원공급장치로 구성되며, DC의 출력전류를 가변시켜 신에너지전원의 출력량을 조정할 수 있는 것을 특징으로 하는 양방향 보호협조시험장치.
제1항에 있어서,
감시제어장치는 모의 배전계통의 소자를 조작하고 실시간의 전압 및 전류를 감시하는 기능을 구비한 것을 특징으로 하는 양방향 보호협조시험장치.
제1항에 있어서,
감시제어장치는 모의 배전계통장치로 부터 신호를 센싱하여 변환하고 전송하는 하드웨어장치와 PC에서 운용하는 소프트웨어 프로그램으로 구성된 것을 특징으로 하는 양방향 보호협조시험장치.
제7항에 있어서,
하드웨어장치와 PC간의 정보전송은 RS232 또는 RS485중의 하나의 통신수단을 선택적으로 사용하는 것을 특징으로 하는 양방향 보호협조시험장치.
태양광의 신에너지전원이 연계된 배전계통장치로서 모의 배전계통장치, 모의 신에너지전원 장치, 감시제어장치, 모의 보호기기 장치로 구성된 양방향 보호협조시험장치에 있어서,
신에너지전원이 연계된 배전계통장치를 시험하기 위한 모의배전계통장치를 구성하는 단계와
입력된 신호에 따른 제어신호를 모의 배전계통장치에 전송하는 단계와
모의배전계통장치로부터 전압, 전류, 전력파형을 측정하고 측정된 신호를 감시제어장치로 전송하는 단계와
수신된 신호를 분석하여 수용가의 배전반에 설치된 보호기기의 오동작, 부동작, 전기요금 과다의 문제점을 분석하는 단계와
분석된 결과를 디스플레이장치에 출력하는 단계로 구성된 저압배전선로에 연계된 신에너지 전원의 양방향 보호협조 시험장치 운용방법.