KR102298211B1 - 방향성 지락과전류 계전기와 거리계전기를 이용한 분산 전원이 연계된 계통의 보호 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 분산 전원이 연계된 계통의 보호 장치에서, 각 배전선로에서 전력 공급 사업자의 계통 쪽에 위치하는 OCR(Overcurrent Relay) 및 각 배전선로에서 분산 전원 쪽에 위치하며, 방향성 지락과전류 계전기와 거리계전기를 포함하여 이루어지는 차단부를 포함한다. 이때, 상기 방향성 지락과전류 계전기와 상기 거리계전기의 트립 영역이 같은 방향으로 설정된다.
본 발명에 의하면, 방향성 지락과전류 계전기와 거리 계전기를 이용한 보호 장치를 통해 타 선로의 보호계전기에서 발생할 수 있는 오동작을 방지하는 효과가 있다.

Description

방향성 지락과전류 계전기와 거리계전기를 이용한 분산 전원이 연계된 계통의 보호 장치 {Protection apparatus using directional overcurrent ground relay and distance relay in grid-connected distributed generation}

본 발명은 분산 전원이 연계된 계통의 보호 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 에너지저장장치(ESS, Energy Stroage System) 등과 같은 분산전원이 연계된 계통에서 자기 선로의 보호설비 뿐만 아니라 타 선로의 보호설비의 오동작을 방지할 수 있는 보호장치에 관한 것이다.

최근 분산전원(DG, Distributed Generation)이 지속적으로 논의되고 있는 이유 중에는 전 세계적인 기후변화에 대응하기 위해 변화한 에너지 정책을 빼놓을 수 없다. 전 세계적으로 환경 및 안전 문제가 에너지 정책의 중요한 화두로 부상하면서 선진국을 중심으로 저탄소화를 추구하고 있다.

우리나라는 에너지기본계획을 통해 에너지 정책의 변화를 추구하고 있으며, 그중 하나가 신재생에너지와 같은 분산전원을 통한 스마트 에너지 시스템을 구축하는 것이다. 특히 분산전원이 도입된 시스템은 현재의 에너지 시스템에 비하여 여러 장점을 가지고 있기 때문에 점차 증가하고 있는 추세다.

분산형 전원은 신재생에너지, 소형 동기발전, 연료전지 발전 등의 소규모 발전시스템 기술을 의미하며 전기사업자와 수요자 양 측면에서 모두 장점이 있다. 그러므로, 이를 현실화하고 더 경쟁력을 갖추기 위하여 전 세계적으로 수많은 연구와 개발이 이뤄지고 있다.

이처럼 신재생에너지에서부터 에너지저장장치(ESS, Energy Stroage System) 등과 같은 분산전원의 급격한 증가로 인하여 기존의 전력망 운영 시스템과는 다른 새로운 시스템이 필요하게 되었다.

또한 분산전원이 연계될 시 기존 배전계통에서의 단방향 조류만 고려해야 하는 상황에서 양방향 조류의 운전 특성을 고려해야 하고, 배전선로의 용량 제한, 전압 조정, 전력품질, 보호 설비의 오·부동작 등 다양한 문제들이 발생하기 때문에 이에 대하여 많은 연구가 진행되고 있다.

이처럼, 전력계통에 연계되는 분산전원의 수량이 증가하고 있다는 점과 사고가 발생했을 시 상호 간에 보호협조하는 보호기기의 역할이 중요하다는 것은 명확하다. 현재 NGR(Neutral Grounding Reactor)을 분산전원의 연계변압기 1차 측 중성선에 설치하여 고장전류의 크기를 저감하는 방법, 배전기기와 같이 현장에 설치되는 mFRTU(Multi-function Feeder Reomte Terminal Unit)으로 고장전류의 파형형태를 분석하여 고장구간을 검출하는 방법, 초전도체의 특성으로 평상시에는 저항이 0이고 고장 발생 시에는 저항이 발생하는 초전도 한류기를 이용하여 고장전류를 제한하는 방법 등과 같이 다양한 보호방법들이 제시되고 있다. 이중 초전도 한류기를 이용하는 방법은 비교적 여러 장점을 가지고 있어 활발히 연구가 진행되고 있으나 아직까지는 명확한 보호방법으로 결정된 것이 없는 실정이다.

기존 배전계통 보호방법에서, 배전선로에 기본적으로 적용되는 보호 설비로는 과전류계전기(OCR), 지락과전류계전기(OCGR), 리클로져 등이 있으며, 기존의 보호방법은 방향에 관계 없이 고장을 감지하는 보호방법이다.

일반적으로 배전계통에서는 보호계전 방법으로 과전류 계전기를 많이 사용해왔다. 이 과전류 계전기(OCR: Overcurrent Relay)는 선로에 사고 발생 시 큰 사고전류가 흐르는 것을 검출해서 동작하는 계전기로서, 순시 과전류 계전기와 한시 과전류 계전기로 구분되는 가장 단순한 계전기이며 가격이 싸기 때문에 경제적인 이점을 가지고 있다.

리클로져(REC: Recloser)는 고장전류를 감지하여 지정된 시간에 차단하고 자동으로 재폐로 동작을 수행하는 보호 설비이다. 재폐로 동작을 수행하는 이유는 가공선로에서 일어나는 대부분의 고장이 일정시간이 지나면 스스로 해소되는 특징을 가진 순간고장이기 때문이다. 예를 들어, 선로에서 고장이 발생하면 고장 위치와 가장 가까운 상위의 리클로져가 선로를 차단하고 일정 시간이 지난 후 재폐로 동작을 시작한다.

방향성 지락과전류 계전기(DOCGR: Directional Overcurrent Ground Relay)는 일반적으로 영상전압의 위상과 영상전류의 위상을 사용하는 방법이 많이 사용된다.

일반적으로 거리계전기(DR: Distance Relay)는 전압과 전류를 측정하여 임피던스를 계산하고, 계전기에서 설정한 값 이하가 되었을 때 고장으로 판단하여 동작하는 방식이다.

기존 분산전원이 없는 배전계통은 단방향 조류만 생각하여 방향성을 고려하지 않는 과전류 계전기(OCR)를 주로 사용해 왔다. 그러나 분산전원이 배전계통에 연계됨에 따라 양방향의 조류가 발생할 수 있으므로 기존 보호 설비의 보호방법으로는 여러 가지 문제점이 발생하게 된다.

계통사고의 대부분은 1선 지락사고이므로, 1선 지락사고만 고려하여 이 문제를 살펴보면, 국내의 실제 계통을 고려해서 다중접지 배전계통에 다수의 분산전원이 Y접지-결선으로 연계되어 있는데 배전선로에서 1선 지락사고가 발생할 때, 고장전류는 한전 측 계통뿐만 아니라 분산전원의 Y접지로도 흘러가게 된다. 이렇게 되면 위에서 기술한 것처럼 자기 선로의 설치되어 있는 보호 설비뿐만 아니라 타선로의 보호 설비에도 영향을 미치게 되고, 기존의 설치된 보호 설비는 방향성이 고려하지 않는 과전류 계전이므로 해당 기기의 동작 원리에 의해 타선로의 보호 설비가 오동작을 일으킬 수 있다.

대한민국 등록특허 10-1569144

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 자기 선로의 보호설비 뿐만 아니라 타 선로의 보호설비의 오동작을 방지할 수 있도록, 방향성 지락과전류 계전기와 거리계전기를 이용한 분산전원이 연계된 계통의 보호 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1 실시예에 따른 분산 전원이 연계된 계통의 보호 장치에서, 각 배전선로에서 전력 공급 사업자의 계통 쪽에 위치하는 OCR(Overcurrent Relay) 및 각 배전선로에서 분산 전원 쪽에 위치하며, 방향성 지락과전류 계전기와 거리계전기를 포함하여 이루어지는 차단부를 포함한다. 이때, 상기 방향성 지락과전류 계전기와 상기 거리계전기의 트립 영역이 같은 방향으로 설정된다.

본 발명의 제2 실시예에 따른 분산 전원이 연계된 계통의 보호 장치에서, 각 배전선로에서 전력 공급 사업자의 계통 쪽에 위치하는 OCR(Overcurrent Relay), 각 배전선로에서 분산 전원 쪽에 위치하며, 제1 방향성 지락과전류 계전기와 제1 거리계전기를 포함하여 이루어지는 제1 차단부 및 각 배전선로에서 상기 OCR과 상기 제1 차단부 사이에 위치하며, 제2 방향성 지락과전류 계전기와 제2 거리계전기를 포함하여 이루어지는 제2 차단부를 포함한다. 이때, 상기 방향성 지락과전류 계전기와 상기 거리계전기의 트립 영역이 반대 방향으로 설정된다.

본 발명의 제3 실시예에 따른 분산 전원이 연계된 계통의 보호 장치에서, 각 배전선로에서 전력 공급 사업자의 계통 쪽에 위치하는 제1 방향성 지락과전류 계전기, 각 배전선로에서 분산 전원 쪽에 위치하며, 제2 방향성 지락과전류 계전기와 제1 거리계전기를 포함하여 이루어지는 제1 차단부 및 각 배전선로에서 상기 OCR과 상기 제1 차단부 사이에 위치하며, 제3 방향성 지락과전류 계전기와 제2 거리계전기를 포함하여 이루어지는 제2 차단부를 포함한다. 이때, 상기 방향성 지락과전류 계전기와 상기 거리계전기의 트립 영역이 반대 방향으로 설정된다.

본 발명에 의하면, 방향성 지락과전류 계전기와 거리 계전기를 이용한 보호 장치를 통해 타 선로의 보호계전기에서 발생할 수 있는 오동작을 방지하는 효과가 있다. 즉, 본 발명에서는 다중 접지 배전계통에 다수의 분산전원이 Y접지-Δ결선으로 연계되는 경우에 대하여 기존의 배전계통에 분산전원이 연계된 경우, 1선 지락고장이 발생하게 되면 타 선로의 보호계전기의 오동작을 발생시킬 수 있었으나, 본 발명에서는 방향성 지락과전류 계전기와 기존에 송전계통에만 사용되고 배전계통에서는 사용되지 않던 거리계전기를 사용함으로써, 타 선로의 보호계전기의 오 동작을 방지할 수 있도록 하는 효과가 있다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 분산전원이 연계된 계통의 보호 장치를 도시한 것이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 분산전원이 연계된 계통의 보호 장치를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 분산전원이 연계된 계통의 보호 장치를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 제4 실시예에 따른 분산전원이 연계된 계통의 보호 장치를 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 시뮬레이션 다이어그램이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 시뮬레이션에서 계측기의 트립 신호를 나타낸 그래프이다.
도 10 및 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 시뮬레이션에서 거리계전기의 동작을 R-X좌표로 나타낸 결과 그래프이다.
도 12 및 도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 시뮬레이션에서 계전기의 동작 전압을 나타낸 그래프이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 시뮬레이션에서 DOCGR의 트립 신호를 나타낸 그래프이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 시뮬레이션 결과를 전체적으로 정리한 도표이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 DOCGR 모듈의 구현예이다.
도 17 및 도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템의 전체 모델링을 나타낸 것이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 갖는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

본 발명은 분산전원이 연계된 계통에서 방향성 지락과전류 계전기(DOCGR: Directional Overcurrent Ground Relay)와 거리계전기(DR: Distance Relay)를 이용한 계통 보호 장치에 대한 것이다.

본 발명에서는 방향성 지락과전류 계전기와 거리계전기를 적용함에 있어서, DOCGR과 DR의 트립(Trip) 영역을 같은 방향으로 설정하는 경우와, DOCGR과 DR의 트립(Trip) 영역을 반대 방향으로 설정하는 경우의, 크게 두 가지 경우로 구분하여 설명하기로 한다.

도 1 내지 도 6에서 파란색 화살표는 DOCGR의 보호방향이고, 분홍색 화살표는 DR의 보호방향을 표시한 것이다. 그리고, 도 1 내지 도 6에서 DOCGR은 Directional Overcurrent Ground Relay이고, DR은 Distance Relay이고, OCR은 Overcurrent Relay이고, REC은 Recloser이고, DG는 Distributed Generation이다.

거리계전기를 사용하는 사용방식에는 여러 가지 방식이 있으나, 본 발명에서 사용하는 방식은 3개를 1조로 하여 각 구간을 Zone 1, Zone 2, Zone 3로 나누고 시간차 협조를 설정하는 3단계 거리 계전 방식이다. 일반적으로 첫 번째 부분 Zone 1은 구간의 75∼85%로 설정하고 순시로 동작하고, 두 번째 부분인 Zone 2는 자기 선로의 잔여 범위를 보호하는 것이 목적이며 자기 구간의 150% 정도로 설정하고, 마지막 Zone 3은 약 225%까지 설정한다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 분산전원이 연계된 계통의 보호 장치를 도시한 것이다.

도 1 및 도 2는 DOCGR과 DR의 트립(Trip) 영역이 같은 방향으로 설정된 경우, DOCGR과 DR에서 모두 트립 신호가 발생할 때만 차단하는 보호협조 알고리즘을 이용한 계통 보호 장치를 예시하고 있다.

도 1 및 도 2의 본 발명의 제1 실시예에 따른 계통 보호 장치는, 각 배전선로에서 전력 공급 사업자의 계통 쪽에 위치하는 OCR(Overcurrent Relay) 및 각 배전선로에서 분산 전원 쪽에 위치하며, 방향성 지락과전류 계전기(DOCGR)와 거리계전기(DR)를 포함하여 이루어지는 차단부를 포함하여 이루어진다. 이때, 방향성 지락과전류 계전기와 거리계전기의 트립 영역이 같은 방향으로 설정되어 있다.

먼저, 도 1에서 보는 바와 같이, 1선 지락이 OCR과 REC, DOCGR, DR 사이에 발생한 경우, 자기 선로에서는 지락이 발생한 지점을 기준으로, 왼쪽의 OCR이 동작하여 차단(open)하고, DOCGR과 DR가 모두 트립 신호를 발생시켜, 지락 발생 지점의 오른쪽 역시 차단(open)하는 것을 확인할 수 있다.

그리고, 타 선로에서는 DOCGR은 트립(Trip) 신호가 발생하지만, DR이 트립(Trip) 신호가 발생하지 않기 때문에 보호기기의 차단이 발생하지 않는다(close). 즉, 타 선로의 보호기기의 오동작을 막을 수 있다.

하지만, 도 2에서 보는 바와 같이, 1선 지락이 하단에서 발생하는 경우, 자기 선로의 보호기기가 고장구간을 차단해야 하는 상황인데도 불구하고, DOCGR과 DR이 보호하는 방향이 아니므로 해당 부분의 차단기는 동작하지 않고(close), 상단의 OCR이 동작하는 경우(open)가 발생한다. 즉, 도 2에서와 같이 자기 구간의 보호기기가 동작하지 않고, 상단의 OCR이 후비보호용으로 동작하므로 이를 해결할 또 다른 방법이 필요하다.

도 3 및 도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 분산전원이 연계된 계통의 보호 장치를 도시한 것이다.

도 3 및 도 4는 DOCGR과 DR의 트립(Trip) 영역이 반대 방향으로 설정된 경우의 계통 보호 장치를 예시하고 있다.

도 3 및 도 4의 본 발명의 제2 실시예에 따른 계통 보호 장치에서 각 배전선로에서 전력 공급 사업자의 계통 쪽에 위치하는 OCR(Overcurrent Relay), 각 배전선로에서 분산 전원 쪽에 위치하며, 제1 방향성 지락과전류 계전기와 제1 거리계전기를 포함하여 이루어지는 제1 차단부 및 각 배전선로에서 상기 OCR과 상기 제1 차단부 사이에 위치하며, 제2 방향성 지락과전류 계전기와 제2 거리계전기를 포함하여 이루어지는 제2 차단부를 포함한다. 이때, 방향성 지락과전류 계전기와 거리계전기의 트립 영역이 반대 방향으로 설정되어 있다.

도 3에서 보는 바와 같이, 1선 지락이 발생할 때 DOCGR과 DR의 동작 원리에 의해, 자기 선로에서 1선 지락이 발생한 구간의 왼쪽에 위치한 계전기는 DOCGR이 동작하고(open), 오른쪽에 위치한 계전기는 DR이 동작하며(open), 타 선로의 분산전원에 인접한 위치의 계전기는 DOCGR도, DR도 동작 조건에 부합하지 않기 때문에 부동작(close)하는 것을 확인할 수 있다. 즉, 이는 타 선로 보호기기의 오동작을 막을 수 있음을 의미한다.

또한, 도 4에서 보는 바와 같이, 배전선로 하단에 1선 지락이 발생한 경우,

DOCGR과 DR의 두 계전 요소의 트립(Trip) 영역이 반대 방향이므로, 자기 선로의 DOCGR이 동작하여 차단하고(open), 타 선로의 계전기는 DOCGR도, DR도 동작 조건에 부합하지 않기 때문에 부동작하여 보호기기의 오동작 문제가 없음을 확인할 수 있다.

그러므로, 다중접지 배전계통에 다수의 분산전원이 Y접지-결선으로 연계될 때, 1선 지락 발생 시, DOCGR과 DR의 트립 영역을 반대방향으로 적용하는 방식을 사용하면, 고장구간을 명확히 알 수 있으며, 타 선로에서 보호기기가 오동작하는 문제를 해결할 수 있다.

1선 지락사고가 선로의 다 구간에서 발생할 시, 즉 최악의 경우에는 타 선로의 REC, DOCGR, DR이 있는 차단기가 동작을 하지 않음으로 인하여, 고장전류가 배전선로 상단의 OCR까지 영향을 미쳐 해당 부분이 오동작할 수도 있다. 따라서 도 5에서 보는 바와 같이, 본 발명에서는 배전선로 상단에 위치한 차단기도 OCR 대신에 방향성을 갖는 DOCGR로 대체하여 보호기기의 오동작을 방지하는 방식을 제안한다.

도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 분산전원이 연계된 계통의 보호 장치를 도시한 것이다.

도 5에서 제3 실시예에 따른 계통 보호 장치는 각 배전선로에서 전력 공급 사업자의 계통 쪽에 위치하는 제1 방향성 지락과전류 계전기, 각 배전선로에서 분산 전원 쪽에 위치하며, 제2 방향성 지락과전류 계전기와 제1 거리계전기를 포함하여 이루어지는 제1 차단부 및 각 배전선로에서 상기 제1 방향성 지락과전류 계전기와 상기 제1 차단부 사이에 위치하며, 제3 방향성 지락과전류 계전기와 제2 거리계전기를 포함하여 이루어지는 제2 차단부를 포함한다. 이때, 방향성 지락과전류 계전기와 거리계전기의 트립 영역이 반대 방향으로 설정되어 있다.

이상에서 기술한 경우는 배전선로에 한 개의 분산전원이 연계된 경우를 가정하였으나, 한 배전선로에 여러 개의 분산전원이 연계될 수 있으며, 이러한 것을 고려하여 본 발명에서는 다음과 같은 방식을 제안한다.

도 6은 본 발명의 제4 실시예에 따른 분산전원이 연계된 계통의 보호 장치를 도시한 것이다.

도 6에서 보는 바와 같이, 본 발명의 제4 실시예에 따른 계통 보호 장치는, 각 배전선로에서 전력 공급 사업자의 계통 쪽에 위치하는 제1 지락과전류 계전기, 각 배전선로에서 각 분산 전원(DG) 쪽에 위치하며, 제2 방향성 지락과전류 계전기와 제1 거리계전기를 포함하여 이루어지는 차단부를 포함하며, 각 분산전원(DG) 마다 차단부가 각각 구비되어 있는 구조이다. 이때, 이때, 방향성 지락과전류 계전기와 거리계전기의 트립 영역이 반대 방향으로 설정되어 있다.

도 6에서 보는 바와 같이, DOCGR과 DR의 보호방향을 설정한다면 ①번, ②번, ③번 어디에서 1선 지락이 발생하더라도 타 선로의 DOCGR은 동작 조건에 부합하지 않기 때문에 동작하지 않는다. 즉, 타 선로 DOCGR의 오동작은 고려할 필요가 없다. 하지만 DR의 경우는 동작 원리상, 1선 지락 고장 위치가 계전기의 동작 설정 범위 안에 있다면 동작할 수 있으므로, 타 선로의 DR이라도 오동작할 여지가 있음을 고려해야 한다.

따라서, 도 6에서 ①번, ②번, ③번과 같이 1선 지락이 발생하는 경우, 각각의 계전기들을 어떻게 설정해야 하는지와 어떻게 동작하는지 확인할 필요가 있다.

먼저 첫 번째로 ①번에서 1선 지락이 발생하는 경우는 계전기 D의 DOCGR이 동작하고 계전기 E의 DR이 동작하여 계전기 D-E 사이의 고장 구간을 차단한다. 여기서 타 선로의 부분은 위에서 기술한 바와 같이 DR만 동작을 하지 않게 해야 하므로, 계전기 B의 DR는 3단계 거리 계전 방식에서 가장 마지막 영역인 Zone 3의 설정 범위가 계전기 D의 DOCGR이 보호하는 구간을 포함하면 안 된다. 그리고, 계전기 C의 DR 또한 동작을 하지 않게 해야 하므로 계전기 B의 DR와 동일하게 계전기 D를 고려해서 설정해야 한다.

두 번째로 ②번에서 1선 지락이 발생하는 경우는 계전기 E의 DOCGR이 동작하고 계전기 F의 DR이 동작하여 계전기 E-F 사이의 고장 구간을 차단한다. 타 선로의 부분은 앞서 기술한 바와 같이 ①번에서 1선 지락이 발생하는 경우를 고려하여 설정한 계전기 B, C의 DR와 다르지 않다.

마지막으로 ③번에서 1선 지락이 발생하는 경우는 계전기 F의 DOCGR이 동작하여 계전기 F의 오른쪽 구간을 차단한다. 그리고, 첫 번째와 두 번째에서 기술한 바와 같이 계전기 B, C의 DR 동작 범위 설정은 동일하다.

위와 같이 DOCGR과 DR의 동작 범위를 설정하고, 일반적으로 보호기기들이 시간차에 의한 보호 협조를 한다는 점을 고려하여, DOCGR은 같은 선로의 DOCGR과 시간차 보호 협조를 하도록 설정하고, DR는 같은 선로의 DR와 시간차 보호 협조를 하게 설정한다면, 1선 지락이 발생하더라도 어느 구간에서 고장이 일어났는지 알 수 있고, 타 선로 보호기기가 오동작하는 문제 또한 막을 수 있다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 시뮬레이션 다이어그램이다.

도 7은 1선 지락고장이 ①과 ②의 위치에서 발생했을 때를 나타낸 도면으로서, 시나리오 ①의 경우, 계전기 E는 DOCGR이 동작하고 계전기 F는 DR이 동작하며, 계전기 C는 DOCGR과 DR 모두 동작 조건에 부합하지 않기 때문에 부동작한다. 그리고, 시나리오 ②의 경우, 계전기 F는 DOCGR이 동작하고 계전기 C는 시나리오 ①에서와 마찬가지고 부동작함을 확인할 수 있다. 이는 본 발명에서 제안한 DOCGR과 DR를 이용한 분산전원의 보호방법이 유효하다는 것을 알 수 있다.

도 8 및 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 시뮬레이션에서 계측기의 트립 신호를 나타낸 그래프이다.

도 8은 고장점 저항(

)이 0.01 [Ω] 인 경우의 계측기의 트립신호를 나타낸 그래프이고, 도 9는 고장점 저항(

)이 5 [Ω] 인 경우의 계측기의 트립신호를 나타낸 그래프이다.

도 8 및 도 9를 참조하면, 시나리오 ①의 결과로 초록색은 계전기 E의 DOCGR을 나타내고, 파란색은 계전기 F의 거리계전기의 트립신호를 나타낸다. 도 8 및 도 9에서 트립이 일어나는 가로축(시간)을 보면 파란색을 의미하는 거리계전기는 고장점 저항의 영향을 받아 고장점 저항이 크면 늦게 동작하게 됨을 알 수 있다.

도 10 및 도 11은 본 발명의 시뮬레이션에서 거리계전기의 동작을 R-X좌표로 나타낸 결과 그래프이다.

도 10 및 도 11은 고장점 저항(

)을 0.01, 5[Ω] 두 가지 경우로 설정했을 때, 시나리오 ①에서 DR의 동작을 R-X좌표로 나타낸 결과이다. 도 10은 고장점 저항(

)이 0.01 [Ω] 인 경우의 거리계전기의 동작 특성을 나타낸 결과 그래프이고, 도 11은 고장점 저항(

)이 5 [Ω] 인 경우의 거리계전기의 동작 특성을 나타낸 결과 그래프이다.

도 10 및 도 11에서 청록색으로 그려진 선이 DR를 의미하며 고장점 저항이 커질수록 고장위치가 X축의 오른쪽으로 이동함을 확인할 수 있다. 이는 고장점 저항이 DR에서 설정되는 동작 특성의 범위를 벗어날 정도로 커지면, DR이 부동작할 수도 있음을 나타낸다.

이처럼, 본 발명에서 제안하는 분산전원 연계된 계통의 보호방법은 기존의 송전계통에서만 사용되고 배전계통에서는 사용되지 않는 거리계전기를 도입함으로써, 기존 전력계통의 보호방식에 변화를 주고, 다수의 분산전원이 연계된 다중접지 배전계통에 1선 지락이 발생했을 때 타 선로의 보호 설비 오동작을 막는 방법으로 유효함을 확인할 수 있다.

도 12 및 도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 시뮬레이션에서 계전기의 동작 전압을 나타낸 그래프이다. 도 12는 계전기 E의 동작 전압을 나타낸 그래프이고, 도 13은 계전기 F의 동작 전압을 나타낸 그래프이다.

도 12는 시나리오 ①에서 a상 지락시 계전기 E가 동작할 때의 전압을 나타낸 것이고, 도 13은 계전기 F가 동작할 때의 전압을 측정한 그래프이다.

도 12 및 도 13을 참조하면, a상에서 1선 지락이 발생했기 때문에 a상의 전압은 낮아지고, 분산전원의 영향으로 b, c상의 전압은 높아지게 된다. b, c상의 전압이 높아지는 정도는 지락 사고의 위치와 계전기 사이의 거리에 따라 다르게 된다. 본 발명의 시뮬레이션에서는 1선 지락고장의 위치가 계전기 F쪽에 더 가까웠기 때문에 도 12의 계전기 E에서 측정된 b, c상의 전압보다 도 13의 계전기 F에서 측정된 b, c상의 전압이 더 크게 측정되었다.

시나리오 ②의 위치에서 1선 지락 고장이 발생했을 때는 계전기 F의 DOCGR만 동작하고 계전기 C는 DOCGR과 거리계전기 모두 동작 조건에 부합하지 않기 때문에 부동작한다.

도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 시뮬레이션에서 DOCGR의 트립 신호를 나타낸 그래프이다. 도 14는 계전기 F의 DOCGR 동작을 나타낸 것이다.

도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 시뮬레이션 결과를 전체적으로 정리한 도표이다.

도 15를 참조하면, 결과적으로 본 발명에서 제안한 방식처럼 DOCGR과 DR을 사용함으로써 1선 지락 사고가 발생할 때 일어날 수 있는 타 회선에 존재하는 보호계전기의 오동작을 막을 수 있음을 확인하였다.

종래에는 거리계전기를 분산전원이 연계된 배전계통에서 발생하는 문제점의 솔루션으로서 제시하는 기술은 없었고, 보호 설비들의 오·부동작에 관한 사례와 그 문제의 해결 방안들은 거의 기존의 배전계통에서 사용되는 계전 요소를 조합하여 이용하거나 통신 기술을 추가하는 대안을 제시하는 경우가 많았다. 하지만 그 대안들 역시 경제성에 대한 부분을 간과하거나 누구나 명확하다고 여길만한 방안은 아닌 경우가 많다.

그러나, 본 발명에서 제안하는 보호방법은 기존의 송전계통에서만 사용되고 배전계통에서는 사용되지 않는 거리계전기를 도입함으로써, 기존 전력계통의 보호방식에 변화를 주었으며, 다수의 분산전원이 연계된 다중접지 배전계통에 1선 지락이 발생했을 때 타 선로의 보호 설비 오동작을 막는 방법으로 유효함을 확인하였다.

도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 DOCGR 모듈의 구현예이다. 도 16에서 포트란 언어를 사용하여 DOCGR 모듈을 구현하였다.

도 17 및 도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템의 전체 모델링을 나타낸 것이다.

도 17은 차단기를 사용하여 DOCGR과 DR을 나타낸 것이며, 도 18은 시나리오의 전체 모델링을 나타낸 것이다.

이상 본 발명을 몇 가지 바람직한 실시예를 사용하여 설명하였으나, 이들 실시예는 예시적인 것이며 한정적인 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 사상과 첨부된 특허청구범위에 제시된 권리범위에서 벗어나지 않으면서 다양한 변화와 수정을 가할 수 있음을 이해할 것이다.

Claims (6)

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5. 각 배전선로의 일단에 분산 전원이 연결되어 있고, 다중접지 배전 계통에 다수의 분산 전원이 Y접지-결선으로 연계된 계통의 보호 장치에서,
   각 배전선로에서 전력 공급 사업자의 계통 쪽에 위치하는 제1 방향성 지락과전류 계전기(DOCGR: Directional Overcurrent Ground Relay);
   각 배전선로에서 분산 전원 쪽에 위치하며, 제2 방향성 지락과전류 계전기와 제1 거리계전기(DR: Distance Relay)를 포함하여 이루어지는 제1 차단부; 및
   각 배전선로에서 상기 제1 방향성 지락과전류 계전기와 상기 제1 차단부 사이에 위치하며, 제3 방향성 지락과전류 계전기와 제2 거리계전기를 포함하여 이루어지는 제2 차단부를 포함하며,
   자기 선로에서 1선 지락이 발생할 때, 타 선로의 기기에 대한 오동작을 방지하도록 하기 위하여, 각 배전선로에서 상기 제1, 제2 및 제3 방향성 지락과전류 계전기의 트립 영역이 분산 전원 쪽 방향으로 설정되고, 상기 제1 및 제2 거리계전기의 트립 영역이 상기 전력 공급 사업자의 계통 쪽 방향으로 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 계통의 보호 장치.
   
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