KR20050093893A - 분산 전원이 연계된 변전소 모선 보호용 과전류 계전 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전력 계통 시스템에 분산 전원이 연계되어 운전됨에 따라 연계 배전 계통의 조건과 분산 전원의 출력에 따라 능동적으로 과전류 계전기의 설정치를 변경하도록 하여 신속하고도 정확한 배전 계통의 사고를 감지하도록 한 보호용 계전 방법에 관한 것이다. 본 발명의 과전류 계전 방법은, 분산 전원이 연계된 전력 계통을 보호하기 위한 과전류 계전 방법이며, 계통의 변압기 용량(S_B)을 입력하는 단계; 계전점을 기준으로 계통의 역률을 측정하여 변압기 용량(S_B)을 유효전력(P_B) 성분과 무효전력(Q_B) 성분으로 환산하는 단계; 전용선에서 측정된 전압 및 전류값을 이용하여 분산 전원 발전 전력의 유효전력(P_G) 성분과 무효전력(Q_G) 성분을 구하는 단계; 계통의 변압기 용량 및 분산 전원 발전 전력 정보를 이용하여 모선의 과전류 계전기 설정치를 조정하는 단계; 배전선의 전류를 측정하는 단계; 배전선의 전류 값을 조정된 설정치와 비교하는 단계; 및 전류 값이 조정된 설정치보다 큰 경우에, 사고 판단 신호를 발생시키는 단계를 포함한다.

Description

분산 전원이 연계된 변전소 모선 보호용 과전류 계전 방법{OVERCURRENT PROTECTIVE RELAYING METHOD FOR BUS INTERCONNECTED WITH DISTRIBUTED GENERATIONS}

본 발명은 전력 계통을 보호하기 위한 보호용 계전 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 전력 계통 시스템에 분산 전원이 연계되어 운전됨에 따라 분산 전원의 사고 전류 분담으로 인하여 계전점에서의 사고 전류가 작아짐으로써 과전류 계전기가 이를 사고로 인식하지 못하는 문제점을 방지하고 발전기의 돌입 전류로 인한 과전류 계전기의 오동작을 예방하는 등 연계 배전 계통의 조건과 분산 전원의 출력에 따라 능동적으로 과전류 계전기의 설정치를 변경하도록 하여 신속하고도 정확한 배전 계통의 사고를 감지하도록 한 보호용 계전 방법에 관한 것이다.

전력 계통에 있어서 사고시에 유발되는 과전류를 감지하고 이를 차단하여 전력 계통을 보호하기 위한 안전장치로서 과전류 계전기가 일반적으로 사용되고 있다. 종래 기술의 모선 보호용 과전류 계전기는 변압기 용량과 계통 전압을 고려하여 최대 부하전류의 수배(예를 들어, 1.5배)의 값을 기준 설정치로 세팅하고 사고 시 계전점에서의 사고 전류가 이 값을 초과하였을 경우에 사고로 판단하도록 되어 있다.

예를 들어, 종래 기술의 모선 보호 과전류 계전 방법에서는 과전류 계전기 설정치를 다음과 같이 설정할 수 있다.

(1)

( : 계통의 변압기 용량 , V : 계통의 선간 전압, k: 가중치 상수, 예를 들어 1.5)

따라서 상기 과전류 계전기가 설치되어 있는 측정점(이하 '계전점'이라 한다)에서의 측정된 전류가 위의 설정치 이상이 되면 사고로 판단하고 있다.

그러나 이러한 설정치를 이용한 기존의 모선 보호 과전류 계전 방법은 분산 전원의 연계가 전혀 고려되지 않은 과거의 전력계통 상황을 토대로 만들어진 것이기 때문에 여러 가지 문제점들이 발생하고 있는 실정이다.

기존의 계통 조건에서는 예를 들어 최대 부하전류의 1.5배로 설정치를 정한 상술한 사고판단 조건으로도 큰 문제없이 계통의 사고를 검출할 수 있었다. 그러나 전력산업 구조개편에 따른 발전부문의 민영화 및 전력거래의 도입과, 환경문제 해결을 위한 대체에너지의 보급 등으로 인하여 최근들어 전력계통에 풍력발전이나 태양광 발전 등 분산 전원들이 연계되어 운전되는 경우가 많아지고 있고, 향후 그 증가속도는 더욱 빨라질 전망이다.

이러한 분산 전원들이 전력계통에 다수 연계되어 운전될 경우, 계통 사고 시에는 이들이 발전기로서 사고전류의 일부를 공급하는 역할을 담당하게 되어 위와 같은 설정치를 이용한 기존의 과전류 계전 방법으로는 사고가 판단되지 않는 경우들이 다수 발생하고 있다. 그리고 이들 분산 전원의 계통 연계 시 발생하는 돌입전류 등의 원인으로 사고가 아님에도 불구하고 사고로 잘못 판단되는 경우도 발생하고 있는 실정이다.

도 1은 분산 전원이 연계된 전력 계통의 한 예를 도시하는 개념도이다. 도 1에 도시한 바와 같이 변압기 후단에 과전류 계전기(51)가 설치되어 있고, 각각의 간선 A, B, C, D 및 E 등과 함께 분산 전원이 연계되어 있다. 부하에 (계통 사고 시 사고 배전선으로) 공급되는 전류에는 변압기로부터 공급되는 전류 성분(I_F1)과 분산 전원으로부터 공급되는 전류 성분(I_F2)이 함께 존재하게 된다.

이러한 전력 계통에서 분산전원이 존재하지 않는 경우에는, 도 2에 도시된 바와 같은 종래 기술의 과전류 계전 방식이 유효하였다. 도 2는 과전류 계전점에서 측정된 전류(12)의 시간에 따른 추이를 나타낸다. 종래 기술의 과전류 계전 방법에서는 상술한 바와 같이 계통의 변압기 용량과 선간 전압에 의해 결정되는 설정치(10)를 세팅하고, 과전류 계전점에서의 전류가 이를 초과할 경우(예를 들어, 도 2에서 1선 지락 사고의 발생 시점), 사고로 판단하는 방식을 사용하였다. 이러한 설정치는 예를 들어 식 (1)과 같이 최대 부하전류의 1.5배로 설정될 수 있다.

도 3은 분산 전원이 연계된 전력 계통에서 1선 지락 사고가 발생한 경우를 예시한다. 분산 전원이 연계되지 않은 경우의 전류(22)와 설정치(10)의 관계는 상술한 도 2의 종래 기술의 경우와 같으며, 이러한 경우 상술한 설정치(10)로도 사고를 쉽게 검출할 수 있다. 그러나, 도 3에서 보는 바와 같이 분산 전원이 계통에 연계되었을 시, 분산 전원으로부터 공급되는 전력에 의해 계전점의 전류 추이는 달라지게 된다(14, 26, 28). 이러한 경우, 사고가 계통에서 발생하면 분산 전원이 사고 전류의 일부를 공급하게 되므로 계전점에서 측정한 전류는 분산 전원이 연계되지 않은 경우의 전류(22)보다 작아져, 분산 전원이 연계되지 않은 경우(22)와 동일한 사고가 계통 내에 발생한 경우에도 이를 사고로 판단 할 수 없는 일들이 발생하게 된다. 예를 들어, 도 3의 3MVA 분산 전원 연계시 및 6MVA 분산 전원 연계시에는 1선 고장 지락 사고시의 계전점 전류가 설정치보다 낮아져 이를 사고로 판단할 수 없게 된다. 계통 사고시 분산 전원의 사고전류 분담은 도 3에서와 같이 분산 전원의 발전량이 커짐에 따라 많아지게 되므로, 분산 전원의 발전량이 커질수록 계전점에서의 사고 전류는 그만큼 더욱 작아져 사고시에도 이를 잘 판단하지 못할 가능성이 증가하게 된다.

이러한 문제점은 종래 기술의 과전류 계전 방법에서는 분산 전원이 연계된 계통을 전혀 염두에 두고 있지 않기 때문에 발생하는 것이며, 전력 계통 상황의 변화에 맞추어 이러한 한계를 극복할 수 있는 새로운 설정치의 세팅 방식을 채택한 과전류 계전 방법이 절실히 요구된다.

또한, 유도 발전기 형태의 분산 전원이 계통에 연계되는 경우에는 계통 연계 순간에 도 4에 나타낸 바와 같이 매우 큰 돌입 전류를 발생시키게 된다. 이러한 돌입 전류는 사고에 의한 것이 아니므로 이를 사고로 판단하여서는 아니되나, 만일 돌입 전류의 양이 커져서 계전점에서 측정된 전류가 상술한 종래 기술의 설정치를 넘게 되는 경우 종래 기술의 과전류 계전 방법에서는 이를 사고로 판단하게 되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 모선에 설치되어 배전선의 후비 보호용으로 이용되는 과전류 계전기에서 분산 전원의 출력 및 운전 특성을 고려할 수 있는 새로운 개념의 과전류 계전 방법을 제공하기 위한 것이다.

특히, 본 발명은 분산 전원이 전용선을 통해 변전소의 모선에 연계되어 있는 계통에 적용하기에 적합한 모선 보호용 과전류 계전 방법이다.

본 발명의 과전류 계전 방법에서는 단순히 변압기의 용량과 선간 전압을 사용하는 종래 기술의 설정치 세팅 방식과는 달리, 변압기 용량을 계통 역률을 이용하여 유효전력과 무효전력으로 변환하고, 모선에 전용 선로로 연계된 분산 전원의 출력의 유효분과 무효분을 구하여 연계 배전 계통의 조건과 분산 전원의 출력에 따라 과전류 계전기 설정치가 능동적으로 변경하도록 제어한다.

이와 같이 하여 본 발명은 분산전원 출력 특성에 관계없이 신속하고도 정확히 계통의 사고를 검출할 수 있으며 발전기의 돌입 전류 등으로 인한 과전류 계전기의 오동작을 예방할 수 있는 새로운 과전류 계전 방법을 제공한다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 과전류 계전 방법은, 분산 전원이 연계된 전력 계통을 보호하기 위한 과전류 계전 방법이며, 계통의 변압기 용량(S_B)을 입력하는 단계; 계전점을 기준으로 계통의 역률을 측정하여 상기 변압기 용량(S_B)을 유효전력(P_B) 성분과 무효전력(Q_B) 성분으로 환산하는 단계; 전용선에서 측정된 전압 및 전류값을 이용하여 분산 전원 발전 전력의 유효전력(P_G) 성분과 무효전력(Q_G) 성분을 구하는 단계; 상기 계통의 변압기 용량 및 분산 전원 발전 전력 정보를 이용하여 모선의 과전류 계전기 설정치를 조정하는 단계; 배전선의 전류를 측정하는 단계; 상기 배전선의 전류 값을 상기 조정된 설정치와 비교하는 단계; 및 상기 전류 값이 상기 조정된 설정치보다 큰 경우에, 사고 판단 신호를 발생시키는 단계를 포함한다.

바람직하게는, 상기 과전류 계전기 설정치의 조정 단계에서는 과전류 계전기 설정치(I_set)를 결정하기 위하여,

의 관계식을 이용하며, 여기서 V는 계통의 선간 전압, k는 가중치 상수이다.

여기서, 상기 가중치 상수 k는 1.2~2.5 범위의 값으로 결정될 수 있다.

바람직하게는, 상기 설정치의 조정은 계통 상황의 변화에 반응하여 매 순간 마다 동적으로 수행되는 것을 특징으로 한다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 바람직한 실시예에 관하여 상세히 설명한다.

도 6은 본 발명의 바람직한 실시예를 나타내는 흐름도이다. 도 6에 도시한 바와 같이, 본 발명의 과전류 계전 방법은 우선 계통의 변압기 용량(S_B)을 입력하고(S10), 계전점을 기준으로 계통의 역률을 측정하여 변압기 용량(S_B)을 유효전력(P_B) 성분과 무효전력(Q_B) 성분으로 환산하고(S20), 전용선에서 측정된 전압 및 전류값을 이용하여 분산 전원 발전 전력의 유효전력(P_G) 성분과 무효전력(Q_G) 성분을 구한다(S30).

이상에서 얻어진 계통의 변압기 용량 및 분산 전원 발전 전력 정보를 이용하여 모선의 과전류 계전기 설정치를 조정한다(S40).

본 발명에서는 분산전원이 계통에 연계되어 있을 때 유용한 모선 보호용 과전류 보호계전 방법을 구현하기 위하여 다음의 조건에 의하여 설정치를 정한다.

( : 계통의 변압기 용량 , : 분산전원의 발전량, k : 가중치 상수, 예를 들어 1.5) (2)

식 (2)를 전력 와 를 이용하여 계산을 하면 다음과 같이 나타내어 질 수 있다.

(3)

여기서 , 는 도 1에서의 과전류 계전기(51)가 설치되어있는 계전점에서의 위상을 기준으로 변압기 용량을 기초로 환산한 유효전력과 무효전력을 각각 의미한다. 그리고 , 는 전용선에서 측정한 분산 전원의 유효 및 무효 발전 전력을 의미한다. 여기서 와 는 모선에 연결된 분산전원 전용선에서 계측된 전압, 전류를 이용하여 계산한다.

이상과 같이 설정치를 세팅한 후, 그 순간의 배전선의 전류를 측정(S50)하여, 배전선의 전류 값을 상기 조정된 설정치와 비교(S60)하여 상기 전류 값이 상기 조정된 설정치보다 큰 경우에 사고 판단 신호를 발생(S70)시키는 과정이 실행된다.

설정치의 세팅은 배전선의 전류를 측정(S50)하는 샘플링 주기와 동일하게 설정하도록 할 수도 있다. 이러한 경우에는 매 샘플링 시마다 세팅된 설정치가 갱신되도록 구성하여 계통 상황의 동적 변화에 따른 보호가 충실하게 이루어질 수 있는 장점이 있다. 그러나, 설정치의 세팅이 배전선 전류 측정 주기와 반드시 동일할 필요는 없으며 경우에 따라서는 배전선 전류 측정 주기의 2주기나 3주기 또는 그 이상의 주기마다 설정치의 세팅이 이루어지도록 프로그래밍하여 계산량을 줄일 수 있도록 구성하는 것도 가능하다.

이상과 같은 본 발명의 실시예를 분산 전원이 연계된 모의 계통에 적용하여 다음과 같이 그 효과를 검증하였다. 일반적으로 한국전력공사에서는 역률을 90%이상에서 99%까지 유지될 수 있도록 계통을 운영하는 것이 일반적이므로 8.1096°∼ 25.8419° 사이의 위상 값이 얻어지게 된다.

도 4는 계통에 연계된 분산 전원의 운전 특성에 따라 상술한 본 발명의 실시예에 있어서의 설정치(110)가 적응하여 동적 변화하는 것을 보여주고 있다. 도 4의 결과가 얻어진 모의 시험 조건은 0.5초의 시점에서 전체 6 MVA 발전 용량의 농형 유도 발전기 6대를 계통에 투입하고, 0.75초에 최대 발전 출력을 내는 경우를 모사한 상황이다. 도 4 하단의 그래프는 이와 같은 발전기 출력(32)의 시간에 따른 변화를 나타낸다. 분산 전원 계통 연계 초기에는 유도 발전기에 의한 돌입 전류의 영향으로 계전점에서 급격한 전류 변동(30)이 발생하지만 이후 분산 전원의 출력이 늘어남에 따라 계전점에서의 전류는 반대로 감소하게 된다.

본 발명의 실시예를 적용한 결과 이러한 분산 전원의 운전 특성이 고려되어 설정치(110)가 분산 전원의 출력 조건에 적응하면서 변화하는 것을 도 4에서 볼 수 있다. 상술한 바와 같이 본 발명의 실시예를 적용한 결과, 분산 전원의 돌입 전류 등 운전 특성에 잘 적응된 과전류 보호가 이루어질 수 있었다.

또한, 도 3에 도시한 바와 같은 계통 사고 발생시에도 본 발명의 실시예를 적용한 결과, 보다 정확히 계통의 사고를 감지할 수 있음이 검증되었는데, 그 결과를 도 5에 나타내었다. 도 5에 도시된 바와 같이, 새로운 설정치(110)는 분산 전원 연계시의 돌입 전류에 적응하여 이를 사고로 판단하지 않도록 상승하였다가, 이후 분산 전원의 출력이 정상화됨에 따라 하강하여 1선 지락 사고의 발생을 민감하게 검출하도록 변화하였다.

이와 같이, 본 발명의 과전류 계전 방법은 분산 전원의 출력 변동에 능동적으로 동작할 수 있으므로 기존의 과전류 계전 방법에서는 검출이 불가능한 다양한 사고들을 올바르게 판단할 수 있었다. 또한, 도 4에서 알 수 있는 바와 같이 유도 발전기의 초기 투입 시 발생되는 돌입 전류의 영향에도 오동작하지 않는 안정성을 보였다.

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 새롭게 연계되었을 경우에 잘못된 동작을 하여 전기 공급에 막대한 손실을 주게 될 가능성이 높았던 종래 기술의 한계를 극복하고, 분산 전원의 기동시 나타날 수 있는 계전기의 오동작과 분산 전원의 영향으로 인한 사고 검출의 실패 등을 현격히 감소시킴으로써 안정적이고 신뢰도 높은 전력 공급이 가능하게 된다. 그에 따른 사회, 경제적인 이득이 상당히 클 것은 자명하며, 또한 대체 에너지원을 포함한 분산 전원의 보급을 가속화하는 기술적인 토대를 마련함으로써 환경에너지 문제해결에도 일익을 담당하게 될 것이다.

도 1은 분산 전원을 포함하는 계통 단선도 및 계통 사고시 사고 전류의 한 예를 도시한 블록도이다.

도 2는 종래 기술의 모선 보호용 과전류 계전 방법에서 사용하는 설정치 및 사고시 계전점 사고 전류의 한 예를 나타낸다.

도 3은 도 2와 같은 사고 조건에서의 연계 분산 전원의 출력에 따른 계전점 사고 전류를 예시한다.

도 4는 종래 기술의 과전류 계전기 설정치와 분산 전원의 계통 연계를 고려한 본 발명의 과전류 계전 방법을 적용하여 동적으로 변화하는 설정치를 비교하여 도시한다.

도 5는 본 발명을 적용한 과전류 계전기 설정치의 동적 변경에 따른 사고 검출 결과를 예시한다.

도 6은 본 발명의 과전류 계전 방법의 한 실시예를 나타내는 흐름도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 종래 기술의 설정치 12, 22 : 계전점 전류

24, 26, 28, 30 : 분산 전원 연계시의 계전점 전류

110 : 본 발명이 적용된 동적 설정치

51 : 과전류 계전기

Claims (4)

1. 분산 전원이 연계된 전력 계통을 보호하기 위한 과전류 계전 방법에 있어서,

   계통의 변압기 용량(S_B)을 입력하는 단계;

   계전점을 기준으로 계통의 역률을 측정하여 상기 변압기 용량(S_B)을 유효전력(P_B) 성분과 무효전력(Q_B) 성분으로 환산하는 단계;

   전용선에서 측정된 전압 및 전류값을 이용하여 분산 전원 발전 전력의 유효전력(P_G) 성분과 무효전력(Q_G) 성분을 구하는 단계;

   상기 계통의 변압기 용량 및 분산 전원 발전 전력 정보를 이용하여 모선의 과전류 계전기 설정치를 조정하는 단계;

   배전선의 전류를 측정하는 단계;

   상기 배전선의 전류 값을 상기 조정된 설정치와 비교하는 단계; 및

   상기 전류 값이 상기 조정된 설정치보다 큰 경우에, 사고 판단 신호를 발생시키는 단계를 포함하는 과전류 계전 방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 과전류 계전기 설정치의 조정 단계는 과전류 계전기 설정치(I_set)를 결정하기 위하여,

   의 관계식에 의하며, 여기서 V는 계통의 선간 전압, k는 가중치 상수인 과전류 계전 방법.
3. 제2항에 있어서,

   상기 가중치 상수 k는 1.2~2.5 범위의 값인 과전류 계전 방법.
4. 제1항에 있어서,

   상기 설정치의 조정은 계통 상황의 변화에 반응하여 매 순간 마다 동적으로 수행되는 것을 특징으로 하는 과전류 계전 방법.