KR20050010097A - 계통 연계 분산 전원의 단독운전 판단 방법 - Google Patents

계통 연계 분산 전원의 단독운전 판단 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 기존의 분산전원 단독운전 검출 방법들의 취약점을 개선하고자 다양한 시스템 파라미터들의 정보를 분석하여 분산전원의 단독운전을 검출하는 보다 신뢰성 있는 새로운 진단 방법을 제공하기 위한 것이다. 본 발명의 분산전원 단독운전 판단 방법은, 전력 계통에 연계된 분산전원의 단독운전 여부를 판단하는 방법이며: 분산전원 계통 연계지점에서의 전압, 전류를 측정하는 단계; 측정된 전압, 전류로부터 전압 불평형 지수(VU avg,t )를 계산하는 단계; 계산된 전압 불평형 지수(VU avg,t )를 사용하여 전압 불평형 변동 지수(△VU t )를 계산하는 단계; 계산된 전압 불평형 변동 지수(△VU t )가 소정 임계치 이상인지 여부를 판단하는 단계; 및 소정 임계치 이상인 경우에 분산전원 단독운전으로 판단하여 트립(TRIP) 신호를 내보내는 단계를 포함한다.

Description

계통 연계 분산 전원의 단독운전 판단 방법 {ISLANDING DETECTION METHOD FOR DISTRIBUTED GENERATIONS INTERCONNECTED WITH UTILITY NETWORKS}
본 발명은 전력계통에 연계되어 있는 분산전원이 단독운전 상태에 있는지 여부를 판단하기 위한 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 기존의 분산전원 단독운전 검출 방법들의 취약점을 개선하고자 다양한 시스템 파라미터들의 정보를 분석하여 분산전원의 단독운전을 검출하는 보다 신뢰성 있는 새로운 진단 방법을 제공하기 위한 것이다.
최근, 에너지 환경의 변화, 발전사업의 민영화, 대규모 발전설비 비용의 증가 등에 따라 대체에너지 전원을 포함한 다양한 형태의 분산전원 보급의 확대가 예상되고 있다. 이와 같이, 분산전원이 전력 계통에 연계됨에 따라, 단방향의 전력 흐름만을 허용하던 기존의 배전 시스템은 변화하여야 하고, 보호, 운용 및 관리 등에 여러 가지 새로운 영향을 미치게 될 것이다.
특히 분산전원이 연계되어 있는 계통에서 사고에 따른 차단기 동작 또는 보수 작업에 의해 전력공급이 중단되었을 경우, 분산전원이 계속해서 운전하면서 전력을 배전 계통으로 공급하게 된다면, 인명 피해, 재폐로 계전기의 재폐로시 상의 불평형으로 인한 기기 손상, 전력품질의 저하 및 계통 복구의 어려움 등 많은 문제들을 일으킬 가능성이 높다. 여기서 재폐로란 영구 사고 여부의 확인을 위해서 계전기 작동 이후에 다시 한번 선로를 연결하여 보는 동작을 말한다. 이는 선로 사고의 80%가 순시 사고이기 때문에, 순시 사고인지 영구 사고인지를 확인하기 위한 것이다.
이와 같이 분산전원이 단독으로 전력을 계통에 공급하는 운전상태를 단독운전이라고 한다. 따라서 분산전원이 연계되어 있는 배전 계통의 재폐로 계전기가 재폐로하기 이전, 그리고 단독운전 후 계통변화에 따라 분산전원의 제어동작이 실행되기 이전에, 단독운전을 신속히 검출하여 계통으로부터 분산전원을 분리시키는 것은 전력시스템에 연계되어 발전된 전력을 계통측으로 공급하고 있는 분산전원의 보호체계에 있어서 매우 중요하다.
분산전원의 보호체계에서 단독운전은 분산전원 자체의 출력을 계속 조절하면서 연계 운전 시와 단독운전 시의 계통 변화를 감시할 수 있는 능동적인 기법을 이용하여 검출할 수 있다. 그 대표적인 기법으로 Reactive Export Error Detector, Active Frequency Drift(AFD) 등이 제안되어 있다. 그러나 능동적인 단독운전 검출 기법들은 분산전원의 출력을 직접 조절해야 함으로 계통에 여러 가지 의도하지 않았던 영향을 미칠 가능성이 있으며 복잡한 제어회로와 추가적인 기기 설치가 필요하다. 특히, 여러 대의 분산전원을 포함하는 고립운전은 분산전원 출력 변동에 비해 응답 수준이 떨어지므로 고립 운전 검출이 어렵게 될 수 있다.
다른 방법으로는 연계 운전 시와 단독운전 시 여러 가지 계통 파라미터의 변화를 감시하여 단독운전을 검출하는 방법으로서 전압변동, 주파수변동, 주파수변화율, 위상 변화, 발전기 출력변동, 계통임피던스 변동 등을 모니터링하는 수동적인 기법들이 제안되어 있다. 수동적인 단독운전 검출 기법들은 분산전원의 출력을 변화시키는 방법과는 달리 계통에 영향을 주지 않는다는 장점이 있으나, 단독운전 시 분산전원이 담당하는 부하가 단독운전 이전에 비해 변화가 적으면, 계통상의 파라미터의 변화가 적어서 단독운전 검출이 어렵다는 단점이 있다.
분산전원의 단독운전 상황은 사고를 포함하는 경우와 그렇지 않은 경우로 구분되어 질 수 있다. 전자의 경우, 분산전원이 연계되어 있는 배전계통에서 사고가 발생하면 계통에 설치되어 있는 과전류 계전기나 지락 과전류 계전기들은 사고를 검출하여 차단기를 동작시키게 된다. 이후 계통에서 발생하는 순시사고를 제거하기 위하여 차단기가 재폐로 되도록 설정되어 있다. 이와 같은 상황에서는 분산전원이 사고를 포함하여 단독운전 모드로 운전되는데, 소규모의 분산전원에 비하여 계통부하 용량과 사고 용량이 매우 크므로 분산전원 전단에서의 전압이 크게 감소하며 주파수 변화가 심하게 나타나는 등 계통 파라미터들이 급격히 변동하게 된다. 따라서 계통사고를 포함한 분산전원의 단독운전 모드는 쉽게 검출 될 수 있다.
그러나 사고를 포함하는 단독운전 모드와는 달리 사고를 포함하지 않는 분산전원의 단독운전에서는 단독운전 시 계통 부하와 분산전원 출력사이에 큰 차이가 발생하지 않으면 계통 파라미터의 변동이 심하게 나타나지 않게 된다. 이는 분산전원의 출력량과 부하의 크기가 비슷하여 분산전원만으로도 단독운전 시 계통부하들에게 충분히 전력 공급이 가능할 수 있는 것에 기인한다. 그러므로 사고를 포함하지 않고, 분산전원의 출력과 부하사이에 전력평형을 이루는 형태의 단독운전을 판단하는 것은 매우 어려운 일이라 생각된다.
도 1은 분산전원이 연계된 전력 계통의 한 예를 도시하는 개념도 이다. 그림에서 도시한 바와 같이 분산전원은 계통의 여러 부분에 투입되어 생산된 전력을 로컬 부하는 물론 네트워크 부하들에게 공급하게 된다. 단독운전 시 분산전원이 담당하는 부하들은 일반적으로 변화하게 되지만, 경우에 따라서는 거의 동일한 용량의 부하가 유지되는 경우도 발생한다. 전자의 경우는 전압, 위상, 주파수 등 파라미터의 변동이 크게 발생하므로 기존의 방법으로도 쉽게 단독운전을 검출할 수 있으나, 후자의 경우는 계통 파라미터의 변화가 적기 때문에 검출에 어려움이 있다.
도 2는 도 1의 배전 계통에서 분산 전원이 840번 버스에 연계되어 운전되고 있을 때, 53ms에서 차단기 3을 동작시켜 단독운전 전후의 부하 변화가 큰 상태를 모의한 결과이다. 전술한 것처럼 단독운전 전후의 분산 전원 담당부하 변화가 클 때에 나타나는 일반적인 특성인 전압의 급격한 감소, 주파수 변화 및 큰 위상차등이 발생하였다. 그러므로 단독운전 전후의 부하 변동이 큰 경우는 계통 파라미터의 변동이 심하게 발생하므로 전압, 주파수, 위상 변동 모니터링 방법들을 이용하면 쉽게 단독운전을 검출 할 수 있다.
도 3은 도 1의 배전 계통에서 분산전원을 832번 버스에 투입하고, 차단기 1을 동작시켜 단독운전 전후의 부하변화가 적은 상태에 대한 모의 결과이다. 도 3에서 보는 바와 같이 이러한 경우에는 단독운전 시 부하변동이 큰 도 2의 경우에 비하여 전압, 위상, 주파수 변동이 거의 발생하지 않기 때문에 이들의 변동을 모니터링하는 종래 기술의 방법만으로는 단독운전의 검출이 거의 불가능하다.
따라서, 상술한 종래 기술의 방법들에 있어서, 능동적인 단독운전 검출 방법은 계통에 의도하지 않은 영향을 미치게 되는 문제점이 있으며, 수동적인 검출 방법은 단독운전 전후의 부하 변화가 적을 때에 검출이 곤란하다는 문제가 있어 어느 방법도 전력 계통 시스템에 연계되어 운전되는 분산전원의 단독운전을 검출하기 위하여 실제 사용되기에는 많은 한계를 지니고 있다.
본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 전력 계통 시스템에 연계되어 운전되는 분산전원의 단독운전을 검출하기 위한 종래 기술의 검출 기법들의 취약점을 종합적으로 개선하고자 다양한 시스템 파라미터들의 정보를 분석하여 분산전원의 단독운전을 검출하는 새로운 형태의 검출 방법을 제공하기 위한 것이다.
상술한 분산전원의 단독운전을 전압, 주파수, 위상 등을 모니터링 하는 수동적인 방법과 분산전원의 출력 조절에 따른 계통 응답의 정도를 측정하여 검출하는 능동적인 방법 등 종래 기술의 검출 기법과는 달리, 본 발명은 전압 불평형 및 전류 고조파 왜형율의 변동을 모니터링하여 분산전원의 고립운전(또는 단독운전)을 검출하는 새로운 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명은 분산전원이 단독운전 상태에 들어가기 전후의 부하변동이 큰 경우는 물론 적은 경우에도 신속하고도 정확히 계통의 단독운전 상황을 판단할 수 있으며 유도기의 돌입 전류, 커패시터 뱅크 투입, 불평형 부하 변동 등의 상황을 단독운전으로 오판하는 일이 없는 안정된 단독운전 검출 방법을 제공하기 위한 것이다.
도 1은 분산 전원을 포함하는 계통 단선도의 한 예를 도시한 블록도이다.
도 2는 도 1에서 분산전원 840번 버스 연계 시 차단기 3 동작으로 단독운전 전후의 부하 변동이 큰 경우의 전압, 위상, 주파수 파라미터에 대한 변화를 나타낸다.
도 3은 도 1에서 분산전원 832번 버스 연계 시 차단기 1 동작으로 단독운전 전후의 부하 변동이 작은 경우의 전압, 위상, 주파수 파라미터에 대한 변화를 나타낸다.
도 4는 도 1에서 분산전원 832번 버스 연계 시 차단기 1 동작으로 단독운전 전후의 부하 변동이 작은 경우의 A상 전류 고조파 왜형률과 전압 불평형에 대한 변화를 나타낸다.
도 5는 도 1에서 분산전원 840번 버스 연계 시 차단기 5 동작으로 인한 분산전원의 단독운전 검출 결과를 나타낸다.
도 6은 도 5와 동일한 분산전원 단독운전 조건 하에서의 위상, 주파수 파라미터의 변화를 나타낸다.
도 7은 도 1에서 분산전원 858번 버스 연계 시 차단기 2 동작으로 인한 분산전원의 단독운전 검출 결과를 나타낸다.
도 8은 도 7과 동일한 분산전원 단독운전 조건 하에서의 위상, 주파수 파라미터의 변화를 나타낸다.
도 9는 도 1에서 분산전원 840번 버스 연계 시 차단기 4 동작으로 인한 분산전원의 단독운전 검출 결과를 나타낸다.
도 10은 도 9와 동일한 분산전원 단독운전 조건 하에서의 위상, 주파수 파라미터의 변화를 나타낸다.
도 11은 도 1에서 분산전원 840번 버스 연계 시 큰 용량의 유도 전동기 투입 시 분산전원의 단독운전 기법 검증 결과를 나타낸다.
도 12는 도 11과 동일한 계통 변동 조건 하에서의 위상, 주파수 파라미터의 변화를 나타낸다.
도 13은 도 1에서 분산전원 840번 버스 연계 시 커패시터 뱅크투입 시 분산전원의 단독운전 기법 검증 결과를 나타낸다.
도 14는 도 13과 동일한 계통 변동 조건 하에서의 위상, 주파수 파라미터의 변화를 나타낸다.
도 15은 도 1에서 분산전원 840번 버스 연계 시 불평형 계통 부하 제거 시 분산전원의 단독운전 기법 검증 결과를 나타낸다.
도 16은 도 1에서 분산전원 840번 버스 연계 시 불평형 계통 부하 증가 시 분산전원의 단독운전 기법 검증 결과를 나타낸다.
도 17은 본 발명의 분산전원 단독운전 검출 기법의 한 실시 예를 나타내는흐름도이다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 한 측면에 따른 분산전원 단독운전 판단 방법은 전력 계통에 연계된 분산전원의 단독운전 여부를 판단하는 방법이며: 분산전원 계통 연계지점에서의 전압, 전류를 측정하는 단계; 상기 측정된 전압, 전류로부터 전압 불평형 지수(VU avg,t )를 계산하는 단계; 상기 계산된 전압 불평형 지수(VU avg,t )를 사용하여 전압 불평형 변동 지수(△VU t )를 계산하는 단계; 상기 계산된 전압 불평형 변동 지수(△VU t )가 소정 임계치 이상인지 여부를 판단하는 단계; 및 상기 소정 임계치 이상인 경우에 분산전원 단독운전으로 판단하여 트립(TRIP) 신호를 내보내는 단계를 포함한다.
바람직하게는 상기 트립 신호를 내보내는 단계는, 상기 계산된 전압 불평형 변동 지수(△VU t )가 미리 정하여진 일정 기간 동안 상기 소정 임계치 이상으로 유지되는 경우, 분산전원 단독운전으로 판단하여 트립(TRIP) 신호를 내보내는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 상기 분산전원 단독운전 판단 방법에서, 상기 전압 불평형 지수(VU avg,t )는 3상의 불평형 정도를 나타내는 지수이며, 상기 전압 불평형 변동 지수(△VU t )는 상기 전압 불평형 지수(VU avg,t )의 소정 기준치에 대한 상대적 변화를 나타내는 지수이며, 상기 전압 불평형 변동 지수(△VU t )가 미리 정하여진 일정 기간 동안 소정 임계치 이하로 유지되는 경우, 상기 전압 불평형 변동 지수(△VU t )를 구하기 위한 상기 소정 기준치를 현재 시점의 전압 불평형 지수(VU avg,t )로 갱신하는단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 한 측면에 따른 분산전원 단독운전 판단 방법은: 분산전원 계통 연계지점에서의 전압, 전류를 측정하는 단계; 상기 측정된 전압, 전류로부터 전류 고조파 왜형률 지수(THD avg,t )를 계산하는 단계; 상기 계산된 전류 고조파 왜형률 지수(THD avg,t )를 사용하여 전류 고조파 왜형률 변동 지수(△THD t )를 계산하는 단계; 상기 계산된 전류 고조파 왜형률 변동 지수(△THD t )가 소정 임계치 이상인지 여부를 판단하는 단계; 및 상기 소정 임계치 이상인 경우에 분산전원 단독운전으로 판단하여 트립(TRIP) 신호를 내보내는 단계를 포함한다.
바람직하게는 상기 트립 신호를 내보내는 단계는, 상기 계산된 전압 불평형 변동 지수(△VU t )가 미리 정하여진 일정 기간 동안 소정 임계치 이상으로 유지되는 경우, 분산전원 단독운전으로 판단하여 트립(TRIP) 신호를 내보내는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 상기 분산전원 단독운전 판단방법의 상기 전류 고조파 왜형률 지수(THD avg,t )는 고조파의 차수별 분포를 상황을 대표하는 지수이며, 상기 전류 고조파 왜형률 변동 지수(△THD t )는 상기 전류 고조파 왜형률 지수(THD avg,t )의 소정 기준치에 대한 상대적 변화를 나타내는 지수이며, 상기 전류 고조파 왜형률 변동 지수(△THD t )가 미리 정하여진 일정 기간 동안 소정 임계치 이하로 유지되는 경우, 상기 전류 고조파 왜형률 변동 지수(△THD t )를 구하기 위한 상기 소정 기준치를 현재시점의 전류 고조파 왜형률 지수(THD avg,t )로 갱신하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 한 측면에 따른 분산전원 단독운전 판단 방법은: 분산전원 계통 연계지점에서의 전압, 전류를 측정하는 단계; 상기 측정된 전압, 전류로부터 전압 불평형 지수(VU avg,t ) 및 전류 고조파 왜형률 지수(THD avg,t )를 계산하는 단계; 상기 계산된 전압 불평형 지수(VU avg,t ) 및 전류 고조파 왜형률 지수(THD avg,t )를 사용하여 전압 불평형 변동 지수(△VU t ) 및 전류 고조파 왜형률 변동 지수(△THD t )를 계산하는 단계; 상기 계산된 전압 불평형 변동 지수(△VU t ) 및 전류 고조파 왜형률 변동 지수(△THD t )가 각각 제1 임계치 및 제2 임계치 이상인지 여부를 판단하는 단계; 및 상기 제1 임계치 및 제2 임계치 이상인 경우에 분산전원 단독운전으로 판단하여 트립(TRIP) 신호를 내보내는 단계를 포함한다.
바람직하게는 상기 트립 신호를 내보내는 단계는, 상기 계산된 전압 불평형 변동 지수(△VU t ) 및 전류 고조파 왜형률 변동 지수(△THD t )가 미리 정하여진 일정 기간 동안 각각 상기 제1 임계치 및 제2 임계치 이상으로 유지되는 경우, 분산전원 단독운전으로 판단하여 트립(TRIP) 신호를 내보내는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 상기 분산전원 단독운전 판단 방법의 상기 전압 불평형 지수(VU avg,t )는 3상의 불평형 정도를 나타내는 지수이며, 상기 전압 불평형 변동 지수(△VU t )는 상기 전압 불평형 지수(VU avg,t )의 소정 기준치에 대한 상대적 변화를 나타내는 지수이며, 상기 전류 고조파 왜형률 지수(THD avg,t )는 고조파의 차수별 분포 상황을 대표하는 지수이며, 상기 전류 고조파 왜형률 변동 지수(△THD t )는 상기 전류 고조파 왜형률 지수(THD avg,t )의 소정 기준치에 대한 상대적 변화를 나타내는 지수이며, 상기 전압 불평형 변동 지수(△VU t )가 미리 정하여진 일정 기간 동안 상기 제1 임계치 이하로 유지되고, 상기 전류 고조파 왜형률 변동 지수(△THD t )가 미리 정하여진 일정 기간 동안 상기 제2 임계치 이하로 유지되는 경우, 상기 전압 불평형 변동 지수(△VU t )를 구하기 위한 상기 소정 기준치를 현재 시점의 전압 불평형 지수(VU avg,t )로 갱신하고, 상기 전류 고조파 왜형률 변동 지수(△THD t )를 구하기 위한 상기 소정 기준치를 현재 시점의 전류 고조파 왜형률 지수(THD avg,t )로 갱신하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 관하여, 첨부된 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.
우선 본 발명에서 사용되는, 전압 불평형 지수(VU avg,t ), 전류 고조파 왜형률 지수(THD avg,t ), 3상 전압 실효치 지수(V avg,t ), 불평형 변동 지수(△VU t ) 및 전류 고조파 왜형률 변동 지수(△THD t )는 예시적으로 다음과 같이 정의될 수 있다.
1. 전압 불평형 변동 지수:
전압 불평형 지수란 일정 시점에서의 3상 전압의 불평형 정도를 수치화 하여표시하기 위한 파라미터로서 다양하게 정의할 수 있으나, 본 실시예에서는t시점에서의 전압 불평형 지수(VU t )를 (1)과 같이 정의하였다.
(1)
여기서 VU t , NS t , PS t 는 각각t시점에서의 전압 불평형 지수, 역상 전압크기, 정상 전압크기를 의미한다. 이 때, 순간적인 과도현상의 영향을 단독운전 판단에서 제거하여 보다 신뢰성을 높이기 위하여 이전 1주기 평균으로t시점의 불평형 지수(VU avg,t )를 아래의 식 (2) 와 같이 정의하였다.
(2)
여기서N은 1주기 샘플링(sampling) 수를 의미한다.
전압 불평형 지수의 변화를 평가하기 위하여 다음 (3)과 같은 변화율을 정의하였다.
(3)
여기서 VU avg,s 는 전압 불평형의 기준이 되는 값을 의미하는데, 초기에 일정한 기준 값으로 설정된 후에도 변화율이 일정 값(예를 들어, -100[%])보다 크고 다른 일정 값(예를 들어, +50[%])보다 작은 경우, 즉, 변화율이 어느 일정 범위 내이고 그다지 크지 않은 상황으로 유지되는 현상이 1주기 이상 계속 유지되면, 계통의 정상적인 변화인 것으로 간주하고 이때는VU avg,s 를VU avg,t 값으로 갱신하여 계통의 정상적인 변화에 능동적으로 대처하도록 하였다.
또한, 순간적인 과도현상에 의해 부정확한 판단이 이루어지는 것을 방지하기 위해, 지나치게 과도한 지수변화는 검출 알고리즘 상에서 제외하도록 하는 것이 바람직하다. 이를 위한 방법은 여러 가지가 있을 수 있지만, 예를 들어 (4)와 같이 정의된 전압 불평형의 경사지수VU DE,t 를 이용하여, 이 지수가 미리 정해진 설정치 이하가 되는 상태에서만 단독운전 검출 판단을 수행하도록 할 수 있다. 여기서, 설정치는 계통의 구성에 따라 달라질 것이며, 예를 들어 0.05[%]를 설정치로 하고 그 이상의 지수 변화에만 단독운전 검출 판단을 수행하도록 하는 것 등이 가능하다.
(4)
위에서 예시한 식 (4)에서 경사지수VU DE,t 는 t 시점의 불평형 지수와 그로부터 p만큼 앞선 시점의 불평형 지수의 차로 주어지는데, 예를 들어 t시점으로부터 앞선 시점 p는 1/4주기(4.17 [msec])로 설정하는 것 등이 가능하다.
2. 고조파 왜형률 변동 지수:
또한, t 시점의 고조파 왜형률(THDt)을 (5)와 같이 정의하였다.
(5)
여기서I h 는h차수의 고조파 실효치를,I 1 은 기본파 실효치를 의미한다.H는전력 계통의 상황에 따라 적절한 값으로 세팅하는 것이 가능(예를 들어, 31)하다. 순간적인 과도현상의 영향을 단독운전 판단에서 제거하여 보다 신뢰성을 높이기 위하여 이전 1주기 평균을 사용하여t시점의 전류 고조파 왜형률 평균(THD avg,t )을 (6)과 같이 정의하였다. 여기서N은 1주기 샘플링 수를 의미한다.
(6)
다음으로 전류 고조파 왜형률의 변화를 평가하기 위하여 다음 (7)과 같은 변화율을 정의하였다.
(7)
여기서THD avg,s 는 고조파 왜형률의 기준이 되는 값을 의미하는데, 초기치 설정 후, 변화율, 즉△THD t 가 일정 값(예를 들어, -100 [%])보다 크고 다른 일정 값(예를 들어, +75 [%]) 보다 작은 범위 이내인 정도로 변화율이 크지 않은 안정상태를 1주기 이상 계속 유지하면, 단독운전이 아닌 계통의 정상적인 변화로 간주하여 위의 기준 값인THD avg,s 를THD avg,t 로 갱신하여 계통의 정상적인 변화에 적응하도록 하였다.
그리고 상술한 전압 불평형 지수의 경우와 마찬가지로 순간적인 과도현상에 의해 부정확한 판단이 이루어지는 것을 방지하기 위해, 지나치게 과도한 지수변화는 검출 알고리즘 상에서 제외하는 것이 바람직하다. 이를 위해 아래의 (8)과 같이정의된 고조파 왜형률의 경사지수THD DE,t 를 이용하여, 이 지수가 일정값 이하가 되는 상태에서만 단독운전 검출 판단을 수행하도록 하였다.
(8)
위에서 예시한 식 (8)에서 경사지수THD DE,t 는 t 시점의 불평형 지수와 그로부터 p만큼 앞선 시점의 평균 불평형 지수의 차로 주어지는데, 예를 들어, t시점으로부터 앞선 시점 p는 1/4주기(4.17 [msec])로 설정하는 것 등이 가능하다.
3. 선간 삼상 전압 실효치:
또한,t시점에서의 선간 삼상 전압 실효치를 아래의 (9)에 정의하였다.
(9)
여기서 N은 1주기 샘플링 수를 의미하며,V a ,V b ,V c ,는 각각A,B,C상의 순시전압을 나타낸다.
4. 판단 방법의 흐름:
상술한 도 3의 경우와 같이, 단독운전 시 부하변동이 작은 경우에는 전압, 위상, 주파수 변동이 거의 발생하지 않기 때문에 이러한 파라미터를 기준으로 한 종래 기술에 의하여서는 단독운전의 판단이 어렵게 되는 문제점이 있었다. 도 4에서는 분산전원 출력의 변화가 적은 경우에 단독운전 전후의 전류 고조파 왜형률과전압 불평형을 나타내었다.
도 4를 살펴보면, 분산전원 출력의 변화가 적더라도 단독운전에 의해 계통부하의 구성이 달라지기 때문에 전류 고조파와 전압 불평형은 단독운전 전후에 차이가 나타나게 된다. 전류 고조파는 급격히 감소하며, 전압 불평형은 상대적으로 증가하게 된다. 본 발명자는 이러한 관찰을 기초로 하여 전류 고조파와 전압 불평형의 변화로부터 단독운전을 효과적으로 검출할 수 있다고 판단하였다.
도 17에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 분산전원 단독운전 판단방법의 흐름을 나타내었다.
우선, 분산전원 계통 연계지점에서의 전압, 전류를 측정하는 단계(S10)에서는 분산전원 전단에 설치된 변류기(current transformer: CT) 및 변압기를 통하여 3상 전압과 적어도 한 상(예를 들어, A상)의 전류를 측정한다.
다음으로, 측정된 전압, 전류로부터 전압 불평형 지수 (VU avg,t ) 및/또는 전류 고조파 왜형률 지수(THD avg,t )를 계산한다(S20). 이때, 전압 불평형 지수나 전류 고조파 왜형률 지수의 어느 하나만을 파라미터로 하여 분산전원의 단독운전 여부를 판단하는 것도 가능하며, 두 가지 모두를 파라미터로 하여 분산전원 단독운전 여부를 판단하는 것도 가능하다. 후자의 경우는 계산량이 많아진다는 단점이 있으나 분산전원 단독운전 여부 판단에 있어 보다 정확성을 기할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 이 단계(S20)에서, 3상 전압 실효치(V avg,t )를 전압 불평형 지수(VU avg,t ) 및/또는 전류 고조파 왜형률 지수(THD avg,t )와 함께 계산하여, 이후의 단계(S30)에서3상 전압 실효치(V avg,t )가 임의의 설정값 이하가 되는 경우에는 바로 사고로 판단하여 차단기 동작을 위한 트립(Trip)신호를 내보내도록 하는 것도 가능하다.
다음 단계(S40)에서는 전압 불평형 변동 지수(△VU t ) 및/또는 전류 고조파 왜형률 변동 지수(△THD t )를 계산한다.
만약, 단계 S30에서 3상 전압 실효치가 미리 설정된 기준 값(예를 들어, 0.5pu) 이하인 것으로 판단되면, 부하변화가 큰 경우의 단독운전을 의미하므로 즉시 트립 신호를 발생시킨다.
단계 S30에서 전압 실효치의 값이 설정값 이상인 것으로 판단되면, 전압 불평형 변동 지수(△VU t ) 및/또는 전류 고조파 왜형률 변동 지수(△THD t )를 계산한다(S40).
이후, 계산된 결과가 다음의 조건을 만족하는지의 여부를 판단(S50)한다.
RULE1(전압 불평형 변동 지수만으로 판단하는 경우):
{(△VU t > +50%) or (△VU t < -100%)}
RULE2(전류 고조파 왜형률 변동 지수만으로 판단하는 경우):
{(△THD t > +75%) or (△THD t < -100%)}
RULE3(위의 양자로 판단하는 경우):
{(△THD t > +75%) or (△THD t < -100%)} AND
{(△VU t > +50%) or (△VU t < -100%)} (10)
위의 조건 (10)에서와 같이 전류 고조파 왜형률 변동 지수(△THD t )값이 -100% 이하 혹은 +75% 이상 및/또는 전압 불평형 변동 지수(△VU t ) 값이 -100 %이하 혹은 +50 %이상으로 판단되고(S50), 이와 같은 상태가 소정 기간(예를 들어, 1주기) 이상 계속되면 단독운전으로 판단한다(S60). 그러나 소정 기간(예를 들어, 1주기) 이상 지속되는 것이 아니라면, 단독운전이 아닌 순간적인 변화로 판단하여 트립 신호를 내지 않는다.
계산된 값이 위의 조건 (10)에 부합하지 않는 경우에는 그러한 상태가 소정 기간(예를 들어, 1주기) 이상 지속되었는지의 여부를 판단한다(S70). 만일△THD t 와△VU t 가 위의 조건 (10)의 범위를 벗어난 상태로 소정 기간(예를 들어, 1주기) 이상 지속되면 단독운전 상태가 아닌 정상적인 계통의 부하변동이므로,THD avg,s 와UB avg.s 를 현재의THD avg,t 와UB avg.t 으로 갱신하여 정상적인 계통 부하변동에 적응하도록 하는 것이 바람직하다(S80).
여기서, 특정 파라미터가 설정치를 초과할 경우에 정확을 기하기 위하여 다른 파라미터의 결과를 함께 고려하도록, 일정 시간(예를 들어, 100 msec) 동안 계속해서 트립 신호 상태를 유지하도록 조정하는 것도 가능하다.
본 발명의 방법의 신뢰성을 검증하기 위하여 다음에서는 분산전원의 단독운전 상황과 정상적인 부하변동에 대한 모의 시험 결과를 개시한다.
도 5는 도 1에서의 계통 모델에서 분산전원 840번 버스 연계 시 차단기 5의동작으로 인한 분산전원의 단독운전 검출 결과를 나타낸다. 도시한 바와 같이 단독운전 시 분산전원의 담당부하가 급격히 증가하므로 3상 전압 실효치 지수가 0.27 pu까지 감소하는 것을 볼 수 있다. 따라서 제안된 분산전원 보호 방법에 의하여 75 ms에 단독운전이 검출되었다.
도 6은 도 5와 동일한 분산전원 단독운전 조건 하에서의 위상, 주파수 파라미터의 변화를 나타낸다. 이와 같이 급격한 부하변동을 동반하는 분산전원의 단독운전은 종래 기술의 위상 변동, 주파수 변동 등에 의해서도 간단히 검출 될 수 있다.
도 7은 도 1에서의 계통 모델에서 분산전원 858번 버스 연계 시 차단기 2 동작으로 인한 분산전원의 단독운전 검출 결과를 나타낸다. 이러한 상황에서는 부하의 변화가 크지 않으므로 도 8에서와 같이 위상이나 주파수 변화가 크게 발생하지 않아 종래 기술의 방법으로는 이들을 이용한 단독운전 검출은 불가능하게 된다. 그러나 분산전원이 담당하는 부하의 변화가 적다할지라도 부하의 구성이 달라지므로 도 7에 도시한 바와 같이 전류 고조파 왜형률과 전압 불평형의 변화가 크게 발생하였다.
따라서 이들의 변화를 이용하는 본 발명에서 제안된 분산전원의 단독운전 검출 방법은 부하 변동이 심하게 나타나지 않는 경우에 있어서도 신속하게 계통 전원 공급의 상실을 판단할 수 있었다. 모의 시험 결과, 단독운전 판단 트립 신호는 129 msec에 발생하였다.
본 발명에서 제안된 단독운전 판단 알고리즘은 배전선에서 발생한 순시사고에 의한 오판의 제거를 목적으로 동작하는 재폐로 계전기 동작시간인 500 msec 보다 빠르게 단독운전을 검출하므로, 재폐로 시 발생될 수 있는 기기손상이나 배전 계통의 유지, 보수 시 일어날 수 있는 인명피해를 예방할 수 있을 것이다.
도 9는 도 1에서의 계통 모델에서 분산전원 840번 버스 연계 시 차단기 4의 동작으로 인한 분산전원의 단독운전 검출 결과를 나타낸다. 이때에는 844번 버스와 848번 버스에 연결된 A상의 역률 보상용 커패시터 뱅크가 제거된 것으로 가정하였다.
도 9에서 알 수 있듯이 평상시 발생하는 큰 전압 불평형이 단독운전 후 커패시터 뱅크의 영향이 사라져 급격히 감소하는 것을 볼 수 있다. 그리고 분산전원 담당 부하의 변동이 작은 도 7의 단독운전 결과에서처럼 전류 고조파 왜형율은 단독운전 후 급격히 감소하였다.
도 8의 경우와 마찬가지로 도 10에서는 전압 크기, 위상, 주파수의 변동이 단독운전 전후에 큰 변화가 발생하지 않으므로 이들을 이용한 종래 기술의 단독운전 검출은 곤란한 것을 알 수 있다. 따라서 이와 같이 부하변동이 적은 경우에 해당하는 단독운전은 종래 기술의 경우에서는 검출될 수 없으며, 본 발명에서 제안된 기법에 의해서야 정확하게 정상상태와 구분될 수 있었다.
도 11은 도 1에서의 계통 모델에서 분산전원 840번 버스 연계 시 큰 용량의 유도 전동기 투입 시 분산전원의 단독운전 기법 검증 결과를 나타낸다. 큰 용량의 전동기 기동에 의하여 전류 고조파 왜형율과 전압 불평형이 급격하게 변동하더라도 제안된 보호 알고리즘은 단독운전과 부하변동을 효과적으로 구분할 수 있다. 도 11에서 전압은 큰 부하의 계통 연계로 인하여 급격히 감소하는 것을 볼 수 있다. 따라서, 전압의 변화를 이용한 종래 기술의 방법은 정상적인 부하변동을 단독운전으로 판단할 가능성이 있다.
도 12에서는 유도전동기 기동 시 위상 변화와 주파수 변동에 대한 모의 결과를 그림으로 나타내었다. 도 12에서 알 수 있듯이 전동기는 큰 인덕턴스 성분을 가진 부하이므로 위상이 급격히 증가하게 된다. 그러므로 위상을 기준으로 분산전원의 단독운전을 판단하는 종래 기술의 방법을 사용한다면 정상적인 부하변동에 대하여 단독운전으로 잘못 인식하여 분산전원을 계통에서 분리하는 오동작이 발생할 수 있다.
도 13은 도 1에서의 계통 모델에서 분산전원 840번 버스 연계 시 커패시터 뱅크투입 시 분산전원의 단독운전 검출 방법의 검증 결과를 나타낸다. 커패시터 뱅크의 투입 시 파라미터의 급격한 변화에도 불구하고 제안된 방법은 부하변동과 단독운전을 효과적으로 구분함을 알 수 있다.
도 14는 커패시터 뱅크 제거 시 위상 변위와 주파수 변화율을 나타낸다. 주파수 변화율은 순간적으로 50 Hz 까지 감소하는 특성을 나타내므로 종래 기술의 검출 방법을 적용할 경우 이를 단독운전으로 판단하여 오동작의 위험성을 가지고 있다.
도 15, 16은 도 1에서의 계통 모델에서 분산전원 840번 버스 연계 시 불평형 계통 부하 증가, 감소 시 분산전원의 단독운전 기법 검증 결과를 나타낸다. 첫 번째로(도 15), 820번과 842번 버스에 연계된 각각의 용량이 62 kVA와 4.2 kVA인 A상부하들을 53 ms에 일시에 제거하여 계통 불평형 부하가 감소된 경우를 모의 시험하였으며, 두 번째로(도 16), 836번 버스에 연결되어 있는 각각 8 kVA, 10 kVA의 용량인 A상, B상 부하를 계통에 투입하여 부하가 증가된 경우를 모의 시험하였다.
이러한 모의 시험 결과, 불평형 부하변동이 전체 계통 부하에 비하여 큰 용량을 가지지 못하므로 전압 불평형은 미소하게 변동하는 것을 알 수 있다. 그리고 R-L 부하 증가, 감소 시 전류 고조파 왜형률의 변화가 과도상태 후 부하변동 이전의 값과 유사하므로 제안된 방법은 이를 단독운전으로 판단하지 않고 안정된 운전 특성을 나타내었다.
이와 같이, 본 발명의 분산전원 단독운전 판단 방법은 단독운전 모드에서 분산전원 출력변화에 관계없이 단독운전을 효과적으로 검출 할 수 있으며, 단독운전과 부하변동을 정확히 구별함을 볼 수 있었다. 제안된 방법은 기존의 단독운전 검출 방법에서 가장 많이 이용되는 전압 크기와 함께, 본 발명에서 새롭게 제안된 전류 고조파 왜형률 변화 지수 및/또는 전압 불평형 변화율 분석을 통해 단독운전을 판단한다. 본 발명의 방법은 기존의 능동적인 검출방법들과는 달리 분산전원 출력과 계통에 변화를 주지 않으며, 단독운전 전후 부하변화가 적을 경우에도 효과적으로 이를 검출할 수 있음을 위의 시험 결과를 통하여 알 수 있다.
또한, 단독운전과 유사한 특성을 가지고 있는 유도 전동기 계통 투입, 부하증가, 부하감소, 커패시터 뱅크 투입 등에 대하여도 단독운전으로 잘못 판단하지 않음이 검증되었다.
이와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 형태에 관해 설명하였으나, 이는 예시적인 것으로 받아들여져야 하며, 본 발명의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 형태에 국한되어 정해져서는 아니 되며 후술하는 특허청구범위 뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
본 발명에 따라, 분산 전원이 계통에 연계되었을 경우에 단독운전 판단 실패로 인해 발생하는 인명 피해, 재폐로 계전기의 재폐로시 상의 불평형으로 인한 기기 손상, 전력품질의 저하 및 계통 복구의 어려움 등과 같은 많은 문제들을 해결할 수 있다.
또한, 큰 용량의 전동기 기동, 커패시터 뱅크의 투입, 급격한 부하 변동에 대해 이를 단독운전으로 잘 못 판단하는 등 계전기의 오동작을 현격히 감소시킴으로써 안정적이고 신뢰도 높은 전력 공급이 가능하게 된다.
위와 같은 본 발명의 기술적 효과에 의해 파생되는 사회, 경제적 이득이 상당히 클 것은 자명하며, 또한 대체 에너지원을 포함한 분산 전원의 보급을 가속화하는 기술적인 토대를 마련함으로써 환경 에너지 문제 해결에도 큰 기여를 하게 될 것이다.

Claims (9)

  1. 전력 계통에 연계된 분산전원의 단독운전 여부를 판단하는 방법에 있어서,
    분산전원 계통 연계지점에서의 전압, 전류를 측정하는 단계;
    상기 측정된 전압, 전류로부터 전압 불평형 지수(VU avg,t )를 계산하는 단계;
    상기 계산된 전압 불평형 지수(VU avg,t )를 사용하여 전압 불평형 변동 지수(△VU t )를 계산하는 단계;
    상기 계산된 전압 불평형 변동 지수(△VU t )가 소정 임계치 이상인지 여부를 판단하는 단계; 및
    상기 소정 임계치 이상인 경우에 분산전원 단독운전으로 판단하여 트립(TRIP) 신호를 내보내는 단계를 포함하는 분산전원 단독운전 판단 방법.
  2. 전력 계통에 연계된 분산전원의 단독운전 여부를 판단하는 방법에 있어서,
    분산전원 계통 연계지점에서의 전압, 전류를 측정하는 단계;
    상기 측정된 전압, 전류로부터 전류 고조파 왜형률 지수(THD avg,t )를 계산하는 단계;
    상기 계산된 전류 고조파 왜형률 지수(THD avg,t )를 사용하여 전류 고조파 왜형률 변동 지수(△THD t )를 계산하는 단계;
    상기 계산된 전류 고조파 왜형률 변동 지수(△THD t )가 소정 임계치 이상인지 여부를 판단하는 단계; 및
    상기 소정 임계치 이상인 경우에 분산전원 단독운전으로 판단하여 트립(TRIP) 신호를 내보내는 단계를 포함하는 분산전원 단독운전 판단 방법.
  3. 전력 계통에 연계된 분산전원의 단독운전 여부를 판단하는 방법에 있어서,
    분산전원 계통 연계지점에서의 전압, 전류를 측정하는 단계;
    상기 측정된 전압, 전류로부터 전압 불평형 지수(VU avg,t ) 및 전류 고조파 왜형률 지수(THD avg,t )를 계산하는 단계;
    상기 계산된 전압 불평형 지수(VU avg,t ) 및 전류 고조파 왜형률 지수(THD avg,t )를 사용하여 전압 불평형 변동 지수(△VU t ) 및 전류 고조파 왜형률 변동 지수(△THD t )를 계산하는 단계;
    상기 계산된 전압 불평형 변동 지수(△VU t ) 및 전류 고조파 왜형률 변동 지수(△THD t )가 각각 제1 임계치 및 제2 임계치 이상인지 여부를 판단하는 단계; 및
    상기 제1 임계치 및 제2 임계치 이상인 경우에 분산전원 단독운전으로 판단하여 트립(TRIP) 신호를 내보내는 단계를 포함하는 분산전원 단독운전 판단 방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 트립 신호를 내보내는 단계는,
    상기 계산된 전압 불평형 변동 지수(△VU t )가 미리 정하여진 일정 기간 동안 상기 소정 임계치 이상으로 유지되는 경우, 분산전원 단독운전으로 판단하여 트립(TRIP) 신호를 내보내는 것을 특징으로 하는 분산전원 단독운전 판단 방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 전압 불평형 지수(VU avg,t )는 3상의 불평형 정도를 나타내는 지수이며,
    상기 전압 불평형 변동 지수(△VU t )는 상기 전압 불평형 지수(VU avg,t )의 소정 기준치에 대한 상대적 변화를 나타내는 지수이며,
    상기 전압 불평형 변동 지수(△VU t )가 미리 정하여진 일정 기간 동안 소정 임계치 이하로 유지되는 경우, 상기 전압 불평형 변동 지수(△VU t )를 구하기 위한 상기 소정 기준치를 현재 시점의 전압 불평형 지수(VU avg,t )로 갱신하는 단계를 더 포함하는 분산전원 단독운전 판단 방법.
  6. 제 2항에 있어서,
    상기 트립 신호를 내보내는 단계는,
    상기 계산된 전압 불평형 변동 지수(△VU t )가 미리 정하여진 일정 기간 동안 소정 임계치 이상으로 유지되는 경우, 분산전원 단독운전으로 판단하여 트립(TRIP)신호를 내보내는 것을 특징으로 하는 분산전원 단독운전 판단 방법.
  7. 제 2항에 있어서,
    상기 전류 고조파 왜형률 지수(THD avg,t )는 고조파의 차수별 분포를 상황을 대표하는 지수이며,
    상기 전류 고조파 왜형률 변동 지수(△THD t )는 상기 전류 고조파 왜형률 지수(THD avg,t )의 소정 기준치에 대한 상대적 변화를 나타내는 지수이며,
    상기 전류 고조파 왜형률 변동 지수(△THD t )가 미리 정하여진 일정 기간 동안 소정 임계치 이하로 유지되는 경우, 상기 전류 고조파 왜형률 변동 지수(△THD t )를 구하기 위한 상기 소정 기준치를 현재 시점의 전류 고조파 왜형률 지수(THD avg,t )로 갱신하는 단계를 더 포함하는 분산전원 단독운전 판단 방법.
  8. 제 3항에 있어서,
    상기 트립 신호를 내보내는 단계는,
    상기 계산된 전압 불평형 변동 지수(△VU t ) 및 전류 고조파 왜형률 변동 지수(△THD t )가 미리 정하여진 일정 기간 동안 각각 상기 제1 임계치 및 제2 임계치 이상으로 유지되는 경우, 분산전원 단독운전으로 판단하여 트립(TRIP) 신호를 내보내는 것을 특징으로 하는 분산전원 단독운전 판단 방법.
  9. 제 3항에 있어서,
    상기 전압 불평형 지수(VU avg,t )는 3상의 불평형 정도를 나타내는 지수이며,
    상기 전압 불평형 변동 지수(△VU t )는 상기 전압 불평형 지수(VU avg,t )의 소정 기준치에 대한 상대적 변화를 나타내는 지수이며,
    상기 전류 고조파 왜형률 지수(THD avg,t )는 고조파의 차수별 분포 상황을 대표하는 지수이며,
    상기 전류 고조파 왜형률 변동 지수(△THD t )는 상기 전류 고조파 왜형률 지수(THD avg,t )의 소정 기준치에 대한 상대적 변화를 나타내는 지수이며,
    상기 전압 불평형 변동 지수(△VU t )가 미리 정하여진 일정 기간 동안 상기 제1 임계치 이하로 유지되고, 상기 전류 고조파 왜형률 변동 지수(△THD t )가 미리 정하여진 일정 기간 동안 상기 제2 임계치 이하로 유지되는 경우,
    상기 전압 불평형 변동 지수(△VU t )를 구하기 위한 상기 소정 기준치를 현재 시점의 전압 불평형 지수(VU avg,t )로 갱신하고,
    상기 전류 고조파 왜형률 변동 지수(△THD t )를 구하기 위한 상기 소정 기준치를 현재 시점의 전류 고조파 왜형률 지수(THD avg,t )로 갱신하는 단계를 더 포함하는 분산전원 단독운전 판단 방법.
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