KR20080069021A - 분산전원을 고려한 적응형 재폐로 시스템 및 그 방법 - Google Patents

분산전원을 고려한 적응형 재폐로 시스템 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

분산전원을 고려한 적응형 재폐로 시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 상기 분산전원의 데이터를 이용하여 운동 에너지를 검출하는 운동 에너지 계산부, 모선의 전압과 고장 발생지역의 하단의 스위치에 흐르는 전류와 전압을 이용하여 포텐셜 에너지를 검출하는 포텐셜 에너지 계산부, 상기 운동 에너지 계산부의 출력과 상기 포텐셜 에너지 계산부의 출력으로 에너지 함수를 계산하는 에너지 함수 계산부 및 상기 에너지 함수 계산부의 출력과 상기 모선의 전압 및 상기 스위치에 흐르는 전류와 전압에 따라 제 1및 제 2의 차단기를 제어하는 재폐로 계전기를 포함하는 구성을 마련한다.
상기와 같은 분산전원을 고려한 적응형 재폐로 시스템 및 그 방법을 이용하는 것에 의해, 분산전원의 분리에 따른 계통의 발전원의 손실 즉, 전기품질 및 신뢰도의 저하를 예방할 수 있으며, 분산전원과 계통 보호에 기여할 수 있다. 따라서 안정적이고 신뢰성 있는 계통 운영과 분산전원의 효율적인 운용을 기대할 수 있다.
배전계통, 분산전원, 고장, 에너지, 안정도

Description

분산전원을 고려한 적응형 재폐로 시스템 및 그 방법{An adaptive reclosing technique considering the distributed generation }
도 1은 본 발명에 따른 적응형 재폐로 시스템이 적용된 한전의 실배전 계통 모델을 나타낸 도면,
도 2는 분산전원이 연계되지 않은 배전계통을 나타내는 도면,
도 3은 분산전원이 연계되지 않은 배전계통의 고장 시 등가 회로를 나타낸 도면,
도 4는 분산전원이 연계되지 않은 배전계통의 고장 제거 후 재폐로 이전의 등가 회로를 나타내는 도면,
도 5은 본 발명에 따른 분산전원이 연계된 배전계통을 나타내는 도면,
도 6은 본 발명에 따른 분산전원이 연계된 배전계통의 고장 시 등가 회로를 나타내는 도면,
도 7는 본 발명에 따른 분산전원이 연계된 배전계통의 고장 제거 후 재폐로 시행 이전의 등가 회로를 나타내는 도면,
도 8은 본 발명에 따른 분산전원을 고려한 적응형 재폐로 기법의 흐름도,
도 9는 본 발명에 따른 고장제거 여부 판단 알고리즘을 나타내는 흐름도,
도 10은 본 발명에 따른 에너지 함수를 이용한 실시간 안정도 판단기법을 설 명하는 흐름도,
도 11은 본 발명에 따른 수정된 재폐로 알고리즘을 나타내는 도면,
도 12은 본 발명에 따른 분산전원의 계통 재병입 알고리즘을 나타내는 도면,
도 13은 본 발명에 따른 2선 지락 고장, 고장 지속 시간 10cycle, 동기 발전기 초기 위상각 0도인 경우의 에너지 함수의 변화를 나타낸 도면,
도 14는 본 발명에 따른 2선 지락 고장, 고장 지속 시간 10cycle, 동기 발전기 초기 위상각 0도인 경우의 선로 전압의 변화를 나타낸 도면,
도 15는 본 발명에 따른 2선 지락 고장, 고장 지속 시간 10cycle, 동기 발전기 초기 위상각 30도인 경우의 에너지 함수의 변화를 나타낸 도면,
도 16는 본 발명에 따른 2선 지락 고장, 고장 지속 시간 10cycle, 동기 발전기 초기 위상각 30도인 경우의 선로 전압의 변화를 나타낸 도면,
도 17은 본 발명에 따른 3상 고장, 고장 지속 시간 10cycle, 동기 발전기 초기 위상각 0도인 경우의 에너지 함수의 변화를 나타낸 도면,
도 18은 본 발명에 따른 3상 고장, 고장 지속 시간 10cycle, 동기 발전기 초기 위상각 0도인 경우의 선로 전압의 변화를 나타낸 도면,
도 19는 본 발명에 따른 3상 고장, 고장 지속 시간 10cycle, 동기 발전기 초기 위상각 30도인 경우의 에너지 함수의 변화를 나타낸 도면,
도 20은 본 발명에 따른 3상 고장, 고장 지속 시간 10cycle, 동기 발전기 초기 위상각 30도인 경우의 선로 전압의 변화를 나타낸 도면.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
10 : 전원 20 : 제1의 모선
21 : 제2의 모선 30 : 재폐로 계전기
40 : 제1의 차단기 50 : 분산전원
60 : 운동 에너지 계산부 70 : 포텐셜 에너지 계산부
80 : 에너지 함수 계산부 100 : 제2의 차단기
본 발명은 배전계통에 분산전원이 연계된 경우의 분산전원을 고려한 적응형 재폐로 시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 특히 분산전원의 연계에 따라 과도 안정도를 고려하여 재폐로 방법을 변화시키고, 분산전원이 분리된 경우 재폐로 후 계통의 과도 안정도 유지뿐만 아니라 분산전원의 보호 및 전기품질을 향상시킬 수 있는 재폐로 방법에 관한 것이다.
일반적으로 종래의 기술은 분산전원 연계시 고장 발생 이후 재폐로 시행 이전에 분산전원을 반드시 분리하고, 재폐로를 시행한다. 비록 고장이 발생하였지만, 분산전원의 출력이 안정적인 상황에서 분산전원을 계통에서 분리하는 것은 계통의 발전원의 손실을 의미하며, 분산전원을 계통에 재병입 할 때 또 다른 과도 현상이 발생할 수 있으므로 분산전원의 무 조건적 분리는 전기품질에 악영향을 미치고 신뢰성 있고 효율성 있는 분산전원의 운용을 힘들게 한다.
또한, 종래에는 배전계통 재폐로 시 일반적으로 과도 안정도를 고려하지 않았다. 그렇지만, 분산전원의 연계가 점점 증가함에 따라 과도 안정도에 미치는 영향이 점점 증가하고 있으며, 재폐로시 이를 고려할 필요가 있게 되었다.
또한 이러한 전원 계통의 재폐로 및 송전계통에서 과도 안정도를 고려한 재폐로에 관한 일 예가 "논문지 Analysis of Impact of Distributed Generation on Automatic Reclosing L. K. Kumpulainen, K. T. Kauhaniemi, Power Engineering Society Winter Meeting, 2004 IEEE PES, Vol 1.페이지 603-608.", 대한민국 등록특허공보 0549085호(2006년01월26일)등에 개시되어 있다.
즉, 2차 아크는 고장상과 건전상 과의 용량성 결합에 의하여 생기는 현상이다. 일반적으로 중거리 선로 이상의 계통에서 상간의 용량성 결합이 고려되며, 단거리 선로에서는 상간의 용량성 결합이 고려되지 않는다.
따라서, 상기 논문에 있어서는 배전계통에서 분산전원의 존재시 2차 아크가 지속 될 수 있으며, 재폐로시 분산전원의 영향을 조사하여 재폐로 이전에 분산전원을 반드시 분리하여야 한다고 제시하고 있다.
또 전력계통은 발전, 송전, 배전으로 분류된다. 이 중에서 상기 대한민국 등록특허공보 0549085호에는 송전계통에서 과도 안정도를 고려한 적응형 자동 재폐로 방법으로 타이머를 동작시키는 단계, 2차 아크 소호 시간 및 최적 재폐로 시간을 검출하는 단계, 만약 상기 과도 안정도가 FSS(First Swing Stable)이 아닌 경우에는 상별(phase-by-phase) 재폐로를 수행하는 단계 및 만약 상기 과도 안정도가 FSS 이고, 타이머의 시간이 상기 최적 재폐로 시간과 같고 상기 2차 아크 소호 시간보다 큰 경우에 최적 재폐로를 수행하는 방법을 제시하고 있다.
그러나, 상술한 문헌 등에 개시된 기술에 있어서, 상기 논문은 분산전원이 연계된 배전계통에서 재폐로 이전에 분산전원을 반드시 분리하여야하는 비효율적인 문제가 있었다.
또, 상기 공보 0549085호는 송전계통의 재폐로 방법에 관한 것으로 배전계통에 적용하기에는 문제가 있었다.
본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 재폐로 시행을 위하여 고장제거 여부 판단 방법을 마련한 분산전원을 고려한 적응형 재폐로 시스템 및 그 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 에너지 함수를 이용하여 실시간으로 과도 안정도 판단 방법을 마련한 분산전원을 고려한 적응형 재폐로 시스템 및 그 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 안정한 경우에 분산전원을 분리하지 않는 경우에 수정된 재폐로 알고리즘에 따라 재폐로 하는 방법을 마련한 분산전원을 고려한 적응형 재폐로 시스템 및 그 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 불안정한 경우에 분산전원이 분리된 경우에 기존의 방법에 의하여 재폐로 후 계통의 전압과 주파수의 변화를 이용하여 분산전원의 계통 재병입 시간을 결정하는 방법을 마련한 분산전원을 고려한 적응형 재폐로 시 스템 및 그 방법을 제공하는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 분산전원을 고려한 적응형 재폐로 시스템은, 분산전원의 분리 여부에 따른 적응형 재폐로 시스템에 있어서, 상기 분산전원의 데이터를 이용하여 운동 에너지를 검출하는 운동 에너지 계산부, 모선의 전압과 고장 발생지역의 하단의 스위치에 흐르는 전류와 전압을 이용하여 포텐셜 에너지를 검출하는 포텐셜 에너지 계산부, 상기 운동 에너지 계산부의 출력과 상기 포텐셜 에너지 계산부의 출력으로 에너지 함수를 계산하는 에너지 함수 계산부 및 상기 에너지 함수 계산부의 출력과 상기 모선의 전압 및 상기 스위치에 흐르는 전류와 전압에 따라 제 1및 제 2의 차단기를 제어하는 재폐로 계전기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명에 따른 분산전원을 고려한 적응형 재폐로 시스템에 있어서,
상기 제 1의 차단기는 상기 모선과 상기 스위치 사이에 마련되고, 상기 제 2의 차단기는 상기 제 1의 차단기와 상기 분산전원 사이에 마련되는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명에 따른 분산전원을 고려한 적응형 재폐로 시스템에 있어서,
상기 운동 에너지 계산부, 상기 포텐셜 에너지 계산부 및 에너지 함수 계산부는 마이크로 프로세서에 의해 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명에 따른 분산전원을 고려한 적응형 재폐로 시스템에 있어서, 상기 시스템은 상기 분산전원의 분리 여부를 과도 안정도에 따라 결정하는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명에 따른 분산전원을 고려한 적응형 재폐로 시스템에 있어서, 상기 과도 안정도는 실시간으로 판단되는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명에 따른 분산전원을 고려한 적응형 재폐로 시스템에 있어서, 상기 분산전원은 단거리 배전계통에 연계되고, 상기 시스템은 2차 아크를 고려하지 않는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명에 따른 분산전원을 고려한 적응형 재폐로 시스템에 있어서, 상기 재폐로 계전기는 상기 과도 안정도의 판정결과에 따라, 안정한 경우 상기 분산전원을 분리하지 않고 재폐로를 시행하고, 불안정한 경우 상기 분산전원을 분리한후 재폐로를 시행하는 것을 특징으로 한다.
또, 상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 분산전원을 고려한 적응형 재폐로 방법은, 선로에서 고장제거 여부를 판단하는 방법에 있어서, (a)고장 시 전력과 정상상태 전력의 차이(Pfault)를 구하는 단계, (b)현재 샘플에서의 Pfault 와 이전 샘플에서의 Pfault 의 차이를 구하는 단계, (c)이값이 일정 값 이상 커지고, 일정시간 되는지 여부를 판단하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 한다.
또, 상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 분산전원을 고려한 적응형 재폐로 방법은, 에너지 함수를 이용한 선로의 실시간 과도 안정도를 판단하는 방법에 있어서, (a)에너지 함수의 고조파를 구하는 단계, (b)에너지 함수의 고조파가 일정값 이하이며, 현재 샘플에서의 고조파와 이전 샘플에서의 고조파의 차이가 0 이하인지 판단하는 단계, (c)에너지 함수의 변화율을 구하는 단계, (d)현재 샘플에 서의 변화율이 0 보다 작고, 이전 샘플에서의 변화율이 0 보다 큰 경우의 에너지 함수(Wmax)를 구하는 단계, (e)현재 샘플에서의 Wmax와 이전 샘플에서의 Wmax의 차이가 0 이하 인지를 판단하는 단계, (f)상기 (b)와 (e)의 단계가 일정시간 이상 유지되는지 판단하여 과도 안정도를 판단하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 한다.
또, 상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 분산전원을 고려한 적응형 재폐로 방법은, 분산전원을 분리하지 않고 재폐로 하는 방법에 있어서, (a)분산전원에 의하여 선로에 공급되는 전압을 계산하는 단계, (b)계산한 전압 값에 따라 새로운 데드라인(Dead Line)을 설정하는 단계, (c)새로운 데드라인(Dead Line)조건과 라이브 버스(Live Bus)를 만족하는지 판단하여 재폐로를 시행하는 단계를 구비하고, 상기 데드라인은 선로 상에 전압이 존재하지 않음을 나타내고, 상기 라이브 버스는 모선에 일정 크기 이상의 전압이 존재하는 것을 나타내는 것을 특징으로 한다.
또, 상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 분산전원을 고려한 적응형 재폐로 방법은, 분산전원을 분리한 후 재폐로에 성공한 방법에 있어서, (a)선로 전압의 실효치 값을 구하는 단계, (b)선로 전압을 이용하여 계통 주파수를 구하는 단계, (c)전압의 실효치 및 주파수에 대하여 각각 현재 샘플에서의 값과 이전 샘플에서의 값의 차이를 구하는 단계, (d)차이 값이 매우 작은 값으로 지속되는 시간을 결정하는 단계, (e)지속시간에 따라 분산전원의 계통 재병입을 결정하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 및 그 밖의 목적과 새로운 특징은 본 명세서의 기술 및 첨부 도면에 의해 더욱 명확하게 될 것이다.
먼저 본 발명의 개념에 대해 설명한다.
일반적으로 분산전원이란 단일 말단수용가를 위해 계획하고 설치하는 소규모의 환경친화적 설비를 말한다. 즉, 태양광발전, 연료전지, 마이크로터빈, 풍력발전 등이 포함될 수 있다. 분산전원을 사용함으로써 환경 문제의 해소, 다양한 에너지원의 효율적 이용, 전력수요 충족 등의 장점이 있으나, 분산전원 제어문제, 기후 의존형 불안정 전원, 기존 전력계통의 전기품질 및 신뢰도 문제, 경제성 문제, 보호협조, 안전 등 계통 운영상의 문제가 발생할 수 있다.
그리고 재폐로는 고장으로 인한 차단기의 트립에 따른 계통을 복구하기 위한 목적으로 사용된다. 성공적인 재폐로는 계통의 신뢰도뿐만 아니라 안정도를 향상시킬 수 있다. 그러나 영구고장에 대한 재폐로는 계통 안정도에 역효과를 일으킬 수 있고, 장비에 손상을 끼칠 수 있다. 또한, 고객에 대한 신뢰도를 떨어뜨릴 수 있다. 배전계통의 고장의 경우 80% 이상이 순간 고장으로서 성공적인 재폐로를 통하여 전기 품질 및 신뢰도를 향상시킬 수 있다.
본 발명에서는 분산전원을 고려하여 재폐로를 시행한다. 고장제거 이후 고장상과 건전상과의 용량성 결합에 의하여 2차 아크가 발생하게 된다. 2차 아크가 완전히 소호되기 이전에 재폐로를 시행한다면, 아크가 재점호 되어 고장이 다시 발생하게 되어 영구고장으로 발전할 수 있으며, 계통은 불안정하게 된다.
따라서, 재폐로 시행 이전에 2차 아크의 소호여부를 반드시 확인하여야 한다. 현재, 분산전원은 소규모 용량으로서 수용가 근처의 단거리 배전계통에 연계되고 있는 실정이다. 단거리 배전계통의 경우 선로는 집중정수 선로로서 일반적으로 상간의 용량성 결합이 고려되지 않아, 고장제거 후 2차 아크가 발생하지 않게 된다. 따라서 본 발명은 단거리 배전계통에 분산전원이 연계된 경우에 대하여 고려하였다. 이에 따라 2차 아크는 재폐로 시행 이전에 매우 빨리 소호되거나 발생하지 않는 것으로 가정하였다.
이하, 본 발명의 구성을 도면에 따라서 설명한다.
또한, 본 발명의 설명에 있어서는 동일 부분은 동일 부호를 붙이고, 그 반복 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명에 따른 적응형 재폐로 시스템이 적용된 한전의 실배전 계통 모델을 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 배전계통 모델은 본래 분산전원이 연계되어 있지 않은 모델이다. 그렇지만, 본 발명에서는 분산전원의 영향을 고려하기 위하여 부하 밀집 지역(선종 : EW160x3ⓝAL95)에 2MW급의 동기 발전기가 분산전원으로 연계되어 있다고 가정하였다. 또한 도 1은 본 발명에 따라 에너지 함수 계산을 위한 블록도를 나타낸다. 운동 에너지 계산부(60)는 분산전원(50)의 데이터를 이용하여 운동 에너지W1 을 계산하며, 포텐셜 에너지 계산부(70)는 제 1의 차단기(40)의 앞단 제 1의 모선(20)의 전압과 고장발생 지역의 하단 차단기인 SW3에 흐르는 전압, 전류를 이용하여 포텐셜 에너지W2를 계산한다.
운동 에너지 계산부(60)에서 계산된 운동 에너지W1과 포텐셜 에너지 계산부(70)에서 계산된 포텐셜 에너지W2가 에너지 함수 계산부(80)에 입력되고, 에너지 함수 계산부(80)는 W1과W2를 가산하여 재폐로 계전기(30)로 출력하며, 재폐로 계전기(30)는 제 1의 모선(20)의 전압 및 SW3에 흐르는 전압, 전류 및 에너지 함수 계산부(80)에서 계산된 에너지 함수를 이용하여 제1의 차단기(40)의 재폐로 책무를 수행할 뿐만 아니라 분산전원(50)과 계통을 연결해 주는 제2의 차단기(100)를 제어하는 역할을 수행하게 된다.
상술한 운동 에너지 계산부(60), 포텐셜 에너지 계산부(70)및 에너지 함수 계산부(80)는 미리 설정된 데이터를 처리하는 마이크로 프로세서에 의해 실행되는 구성이다.
본 발명을 통하여 새로이 개발된 분산전원(50)을 고려한 적응형 재폐로 기법은 도 1의 한전 실 배전계통 모델을 이용하여 검증하였다. 알고리즘의 검증은 EMTP(Electromagnetic Transient Program)를 통한 도 1의 계통 모델링에서 얻은 데이터를 사용하였으며, 하드웨어 구현이 쉽도록 포트란(Fortran)으로 컴파일된 EMTP내의 MODELS란 언어를 사용하였다. 또한, 분산전원(50)은 동기 발전기로 모델링하 였다.
도 2는 분산전원이 연계되지 않은 배전계통 모델로서 제1의 모선(20)과 제2의 모선(21)에 부하가 연결되어 있으며, 재폐로 계전기(30)는 모선 전압(Vbus1)과 선로 전압(Vline)을 이용하여 재폐로를 시행하게 된다.
만약, 도 2와 같이 분산전원이 연계되지 않은 계통은 고장 제거 후 도 4와 같이 계통에 전압이 존재하지 않게 된다. 도 2와 같은 라디얼(radial)형 배전계통에서 재폐로는 모선과 전압의 존재 유무를 판단하여 실시하며 그 조건은 다음과 같다.
라이브 버스(Live Bus) : 모선에 일정크기 이상의 전압이 존재함
데드 라인(Dead Line) : 선로상에 전압이 존재하지 않음
도 3는 분산전원이 연계되지 않은 배전계통의 고장 시 등가 회로로서, 고장은 선로의 임의의 지점에서 발생하였으며, Ifault의 고장전류가 흐르게 된다. 부하Zl1 에는 정상상태의 전류가 공급되지 못하며, 부하 Zl2 는 정전된다.
도 4는 분산전원이 연계되지 않은 배전계통의 고장 제거 후 재폐로 이전의 등가 회로를 나타낸다. 제1의 차단기(40)를 개방하고, 고장을 제거한 이후 선로 상에 전압이 존재하지 않게 된다. 따라서, 재폐로 조건(Live Bus, Dead Line)을 만족 하게 되어 재폐로가 시행되며, 재폐로 이후 계통은 정상상태로 복구된다.
도 5는 분산전원이 연계된 배전계통을 나타내는 도면으로, 분산전원(50)은 제2의 모선(21)에 연결되어 있으며, 제1의 모선(20)과 제2의 모선(21)에 부하가 연결되어 있다. 재폐로 계전기(30)는 제1의 모선 전압(Vbus1)과 선로 전압(Vline)을 이용하여 재폐로를 시행하게 된다.
도 6은 분산전원이 연계된 배전계통의 고장 시 등가 회로로서, 고장전류는 주전원(10)에 의하여 주입되는 전류와 분산전원(50)에 의하여 주입되는 전류의 합으로 나타나게 되어 고장전류는 더 커지게 됨을 확인할 수 있다.
도 7은 분산전원이 연계된 배전계통의 고장 제거 후 재폐로 시행 이전의 등가 회로를 나타내는 도면으로, 고장 제거 이후 분산전원에 의하여 선로에 지속적으로 공급되는 전류로 인하여 선로에 전압이 존재하게 됨을 알 수 있다. 이로 인하여 재폐로 계전기(30)는 고장이 제거되지 않았다고 인식할 것이며, 이는 재폐로 시행 조건 중 데드 라인(Dead Line)을 만족시키지 못하게 되어 재폐로가 시행되지 못하고 계통은 정상적으로 복구되지 못한다.
또한, 재폐로 실패로 인하여 비록 부하 2에는 분산전원(50)으로 인하여 계속 전류가 공급되지만, 이는 정상 상태보다 낮은 전류이며 전기 품질이 나빠질 것이 다.
도 8은 분산전원을 고려한 적응적 재폐로 기법의 흐름도를 나타낸다. 우선, 고장이 발생하면 본 발명에 따른 시스템은 고장제거 여부를 판단(S20)하고, 고장이 제거된다면, 에너지 함수를 이용하여 실시간으로 과도 안정도를 판단하고(S30), 안정한지 불안정한지를 판단한다(S40). 만약, 고장이 제거되지 않았다면 다시 고장발생 단계로 돌아간다.
단계(S30)에서 안정한 경우, 분산전원(50)은 분리되지 않고 수정된 재폐로 알고리즘에 의하여 재폐로가 시행되고(S50) 재폐로 완료를 한다. 단계(S30)에서 불안정한 경우, 분산전원(50)이 분리(S60)된 후 기존의 재폐로 알고리즘에 따라 재폐로가 시행되며(S70), 재폐로 성공 후 분산전원(50)을 계통에 재병입 하고(S80) 재폐로 완료를 한다.
도 9는 고장제거 여부 판단 알고리즘을 나타내는 흐름도로, 고장 발생시, 현재의 전력(Pk)과 정상상태의 전력(Pks)의 차이를 계산하여 Pfault에 저장한다(S110). 무빙 윈도우(Moving Window)를 기반으로 한 샘플씩 이동하며 Pfault[n]-Pfault[n-1]을 계산한다(S120). 이값이 일정값(α) 보다 크다면, 카운트를 한다(S130). 여기에서 α에 절대값을 이용한 이유는 방향에 따라 전력의 부호가 반대가 될 수 있기 때문이다.
단계(S130)에서 카운트 된 값이 β보다 큰 지 작은지를 판단하고(S140), 카운트가 주어진 값β보다 크다면, 즉 Pfault[n]-Pfault[n-1]가 일정시간 이상 연속으로 큰 값을 보인다면 고장이 제거된 것으로 판단하며, 그렇지 않다면 고장은 지속 되고 있는 것으로 판단한다. 즉, 영구고장인 것으로 판단하고 고장을 제거한다. 만약 카운트가 주어진 값β보다 작다면, 카운트 값을 0 으로 하고(S150) 단계(S110)로 되돌아간다.
도 10은 본 발명에 따른 에너지 함수를 이용한 실시간 안정도 판단기법을 설명하는 흐름도이다.
도 10에 의하여 에너지 함수를 이용하여 과도 안정도를 판단한다. 순간 고장에 대하여 에너지 함수를 이용하여 안정도를 판단할 수 있다. 에너지 함수 W는 다음 식(식 1)과 같이 정의된다.
(식 1)
W=W1+W2
여기서, W1 은 운동 에너지이고 W2 는 포텐셜 에너지로 다음식 (식 2)~(식 3)과 같이 주어진다.
(식 2)
Figure 112007006326019-PAT00001
(식 3)
Figure 112007006326019-PAT00002
여기서, Pk 는 직렬 요소 k에서의 전력이고, Pks 는 Pk 의 정상상태 값이다. 또한, δk 는 요소에 대한 위상각 차이이고, ns는 전체 직렬 요소의 수이다.
이와 같은 에너지 함수의 고조파 및 변화율을 실시간으로 계산하여 과도 안정도를 판단한다.
과도 안정도 판정결과, 안정한 경우는 분산전원을 분리하지 않고 재폐로를 시행하게 되고, 불안정한 경우는 분산전원을 분리한 후 재폐로를 시행하게 된다.
도 10에 도시된 에너지 함수를 이용한 실시간 안정도 판단 기법에서 안정한 경우, 에너지 함수에 함유된 고조파의 양은 시간이 갈수록 점점 줄어들며, 어떤 일정값(α) 이하로 유지된다. 따라서 우선, 저역 통과 필터를 거친 후(S210), 통과 전과 통과 후의 파형을 이용하여 고조파의 양을 구하고(S220), 이양의 실효치를 구한다(S230).
단계 S210 내지 S230에서 구한 값이 α이하로 유지되며 시간이 지날수록 감소하는지 여부를 체크(S240)하고, 단계 S240에서 고조파의 양이α이하로 유지되면,일정 시간이상 고조파를 카운트하고(S250), 안정도를 판단한다(S260).
즉, 단계 S260에서 카운트된 고조파 값이β보다 큰 경우, 안정으로 판단하고 β보다 작은 경우 단계 S210으로 되돌아 가서 상술한 과정을 반복한다.
또한, 단계 S240에서 고조파의 양이α이상인 경우는 불안정으로 판단한다.
안정도를 판단하기 위하여 또 다른 조건으로 에너지 함수의 변화율을 이용한다(S270). 안정한 경우에 그 동요 정도가 점점 줄어들기 때문에, 변화율을 이용하여 각 동요시 최대값을 구하여(S280), 이 최대값이 계속 감소하는지 여부를 감시하고(S290), 최대값이 일정 시간이상 감소하면(S300), 단계 S260으로 진행하고, 단계 S290에서 최대값이 감소하지 않으면 불안정으로 판단한다.
각 동요시 최대값은 에너지 함수의 변화율이 (+)에서 (-)로 변화하는 시점에서의 값이 된다. 따라서 무빙 윈도우를 기반으로 현재 샘플에서의 변화율은 (-)이며, 이전 샘플의 변화율은 (+)가 되는 시점을 찾아 그 값을 구할 수 있으며, 이값이 계속 감소할 경우에 안정한 것으로 판단할 수 있다.
불안정한 경우에 에너지 함수는 계속 동요하므로 고조파의 양은 줄어들지 않게 되며, 동요 여부도 점점 감소하지 않는다. 따라서, 위 두 조건 중 하나라도 만족되지 않는다면, 불안정한 것으로 판단하여 단계(S210,S270)로 돌아간다.
도 11은 수정된 재폐로 알고리즘으로 분산전원이 연계된 경우 성공적인 재폐로를 위한 수정된 재폐로 알고리즘을 나타낸다. 고장 제거 이후 선로에 흐르는 전압을 계산하여(S410) 새로운 데드 라인 조건을 설정하며(S420), 수정된 재폐로 조건이 만족되면(S430) 재폐로를 시행하며(S440), 그렇지 않으면 재폐로 블로킹(blocking)을 한다(S450).
도 12은 분산전원을 분리하여 재폐로를 시행한 경우 분산전원을 계통에 다시 재병입 하기 위한 알고리즘을 나타낸다. 에너지 함수 계산부(80)는 계통의 전압을 검출하여(S510) 저역통과필터를 통과 시킨다(S520). 계통의 전압과 주파수를 측정하여(S530, S570), 현재의 값과 이전 값과의 차이가 매우 작다면(S540, S580), 정상상태로 간주하여 전압과 주파수에 대한 정상상태 지속시간 설정치 카운터 Vcount, fcount를 증가시킨다(S550, S590). 이 두 값이 정상상태 지속시간의 설정치보다 크다면(S560), 계통 재병입 신호를 발생시킨다.
만약, 이 두 값이 정상상태 지속시간의 설정치보다 작다면(S560), 데이터 윈도우를 움직여(S600, S620) 전압, 주파수 검출하도록 단계 S530, S570으로 되돌아 간다.
또, 단계(S540, S580)에서 현재의 값과 이전 값과의 차이가 매우 작지않다면 0부터 카운트를 하고(S610, S630), 데이터 윈도우를 이동하도록 단계S600, S620으로 진행한다.
도 13에서 도시된 바와 같이 도 1에 도시된 실배전 모델에서 2선 지락 고장, 고장 지속 시간 10cycle, 동기 발전기 초기 위상각 0도인 경우의 에너지 함수로 고장 제거 이후 에너지 함수의 동요가 없으며, 계통은 안정을 유지하는 것을 확인할 수 있다.
도 13은 시간에 따른 에너지 변화를 도시한 것으로 약 2.184초에 고장이 발생하여 약 2.2초 이후에 안정된다.
도 14는 2선 지락 고장, 고장 지속 시간 10cycle, 동기 발전기 초기 위상각 0도인 경우의 선로 전압의 변화로 고장이 제거된 후 계속 선로에 전압이 존재하는 것을 확인할 수 있다. 이는 분산전원에 의하여 공급되는 전압으로서, 기존의 재폐로 조건에 위배되지만, 도 11의 수정된 재폐로 알고리즘에 따라 재폐로는 성공적으로 시행되게 된다. 따라서, 재폐로 후 선로의 전압을 회복하게 된다.
도 15는 2선 지락 고장, 고장 지속 시간 10cycle, 동기 발전기 초기 위상각 30도인 경우의 에너지 함수의 변화로 고장이 제거된 후 계통은 안정을 유지하는 것을 알 수 있다.
도 15는 시간에 따른 에너지 변화를 도시한 것으로 약 2.184초에 고장이 발생하여 약 2.2초 이후에 안정된다.
도 16은 2선 지락 고장, 고장 지속 시간 10cycle, 동기 발전기 초기 위상각 30도인 경우의 선로 전압의 변화로 안정한 경우로서 수정된 재폐로 알고리즘에 의하여 재폐로는 성공적으로 수행되며, 재폐로 이 후 전압은 정상상태의 전압을 회복하게 된다.
도 17은 3상 고장, 고장 지속 시간 10cycle, 동기 발전기 초기 위상각 0도인 경우의 에너지 함수의 변화로 고장 발생 후 에너지 함수의 동요가 심한 것을 확인 할 수 있다. 그렇지만, 고장 제거 이후 에너지 함수의 동요가 없으며, 계통은 안정을 유지 하는 것을 확인할 수 있다.
도 18은 3상 고장, 고장 지속 시간 10cycle, 동기 발전기 초기 위상각 0도인 경우의 선로 전압의 변화로 고장제거 이후 분산전원으로 인하여 선로에 전압이 존재하는 것을 확인할 수 있다. 그렇지만, 수정된 재폐로 알고리즘에 의하여 재폐로는 성공적으로 수행되며, 고장제거 이후 다시 정상상태의 전압을 회복하는 것을 알 수 있다.
도 19는 3상 고장, 고장 지속 시간 10cycle, 동기 발전기 초기 위상각 30도인 경우의 에너지 함수의 변화로 고장 발생 후 에너지 함수의 동요가 나타나는 것을 확인할 수 있다. 이 경우는 불안정한 것으로 판단되어, 분산전원은 분리된다. 분산전원 분리 후 계통의 에너지 함수의 동요가 나타나는 것을 확인할 수 있으며, 2.68초경에 재폐로가 되고 동요가 없어지는 것을 알 수 있다.
도 20은 3상 고장, 고장 지속 시간 10cycle, 동기 발전기 초기 위상각 30도인 경우의 선로 전압의 변화로 고장제거 이후 안정도 판단 결과 불안정으로 인하여 분산전원은 분리되며, 재폐로가 시행됨을 알 수 있다. 분산전원의 계통 재병입 알고리즘(5초의 전압 및 주파수 확인시간 설정)에 따라 7.78초 경에 분산전원이 계통에 재병이 되며, 이때 계통의 전압의 변화는 거의 없음을 확인할 수 있다.
도 19와 도 20은 동기 발전기의 초기 위상각이 30도, 10cycles의 지속 시간을 갖는 3상 고장이 발생한 경우의 에너지 함수와 선로 전압의 변화이다. 동기 발전기 초기 위상각이 30도에서 2선 지락 고장의 경우와는 달리 이 경우는 불안정한 것으로 판단되어, 분산전원은 분리된다. 분산전원 분리 후 계통의 에너지 함수의 동요가 나타나는 것을 확인할 수 있으며, 2.68초경에 재폐로가 되고 동요가 없어지는 것을 알 수 있다.
또한, 도 20을 통하여 과도 불안정으로 인하여 분산전원은 분리되며, 재폐로가 시행됨을 알 수 있다. 분산전원의 계통 재병입 알고리즘(5초의 전압 및 주파수 확인시간 설정)에 따라 7.78초 경에 분산전원이 계통에 재병이 되며, 이 때 계통의 전압의 변화는 거의 없음을 확인할 수 있다.
도 13부터 도 20을 통하여 본 발명을 적용한 경우에 대하여 과도 안정도가 유지되며 재폐로가 성공적으로 시행됨을 알 수 있다.
이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 분산전원을 고려한 적응형 재폐로 시스템 및 그 방법에 의하면, 분산전원의 계통 연계가 점점 늘어남에 따라 신뢰성 있고 적응성 있는 분산전원을 고려한 재폐로 방식이 요구되는데 이에 대한 근본적인 해결책이 제시된다는 효과가 얻어진다.
또, 본 발명에 따른 분산전원을 고려한 적응형 재폐로 시스템 및 그 방법에 의하면, 구체적으로 분산전원을 무조건 분리하는 것이 아닌 과도 안정도를 고려하여 분산전원을 분리하며 이에 따라 재폐로 방식을 달리함 으로서 분산전원이 분리되지 않는 경우는 수정된 재폐로 알고리즘에 따라 재폐로를 시행하고, 분리된 경우는 기존의 재폐로 방법에 따라 재폐로를 시행하는 적응적인 동작책무가 가능하다는 효과가 얻어진다.
또, 본 발명에 따른 분산전원을 고려한 적응형 재폐로 시스템 및 그 방법에 의하면, 분산전원이 분리된 경우에 고정된 재병입 시간이 아닌 재폐로 성공 후 계통의 전압과 주파수의 변화에 따라 분산전원 재병입 시간을 결정함으로서 배전계통의 공급 신뢰도 향상뿐만 아니라 분산전원의 보호 및 효율적인 운용에 기여할 수 있다는 효과가 얻어진다.
또, 본 발명에 따른 분산전원을 고려한 적응형 재폐로 시스템 및 그 방법에 의하면, 하드웨어 구현이 쉬운 알고리즘의 적용으로 기존 재폐로 계전기의 추가 탑재 및 실용가치가 크다는 효과가 얻어진다.

Claims (11)

  1. 분산전원의 분리여부에 따른 적응형 재폐로 시스템에 있어서,
    상기 분산전원의 데이터를 이용하여 운동 에너지를 검출하는 운동 에너지 계산부,
    모선의 전압과 고장 발생지역의 하단의 스위치에 흐르는 전류와 전압을 이용하여 포텐셜 에너지를 검출하는 포텐셜 에너지 계산부,
    상기 운동 에너지 계산부의 출력과 상기 포텐셜 에너지 계산부의 출력으로 에너지 함수를 계산하는 에너지 함수 계산부 및
    상기 에너지 함수 계산부의 출력과 상기 모선의 전압 및 상기 스위치에 흐르는 전류와 전압에 따라 제 1및 제 2의 차단기를 제어하는 재폐로 계전기를 포함하는 것을 특징으로 하는 분산전원을 고려한 적응형 재폐로 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1의 차단기는 상기 모선과 상기 스위치 사이에 마련되고, 상기 제 2의 차단기는 상기 제 1의 차단기와 상기 분산전원 사이에 마련되는 것을 특징으로 하는 분산전원을 고려한 적응형 재폐로 시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 운동 에너지 계산부, 상기 포텐셜 에너지 계산부 및 에너지 함수 계산 부는 마이크로 프로세서에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 분산전원을 고려한 적응형 재폐로 시스템.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 시스템은 상기 분산전원의 분리 여부를 과도 안정도에 따라 결정하는 것을 특징으로 하는 분산전원을 고려한 적응형 재폐로 시스템.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 과도 안정도는 실시간으로 판단되는 것을 특징으로 하는 분산전원을 고려한 적응형 재폐로 시스템.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 분산전원은 단거리 배전계통에 연계되고, 상기 시스템은 2차 아크를 고려하지 않는 것을 특징으로 하는 분산전원을 고려한 적응형 재폐로 시스템.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 재폐로 계전기는 상기 과도 안정도의 판정결과에 따라, 안정한 경우 상기 분산전원을 분리하지 않고 재폐로를 시행하고, 불안정한 경우 상기 분산전원을 분리한후 재폐로를 시행하는 것을 특징으로 하는 분산전원을 고려한 적응형 재폐로 시스템.
  8. 선로에서 고장제거 여부를 판단하는 방법에 있어서,
    (a)고장 시 전력과 정상상태 전력의 차이(Pfault)를 구하는 단계,
    (b)현재 샘플에서의 Pfault 와 이전 샘플에서의 Pfault 의 차이를 구하는 단계,
    (c)이값이 일정 값 이상 커지고, 일정시간 되는지 여부를 판단하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 고장제거 여부 판단 방법.
  9. 에너지 함수를 이용한 선로의 실시간 과도 안정도를 판단하는 방법에 있어서,
    (a)에너지 함수의 고조파를 구하는 단계,
    (b)에너지 함수의 고조파가 일정값 이하이며, 현재 샘플에서의 고조파와 이전 샘플에서의 고조파의 차이가 0 이하인지 판단하는 단계,
    (c)에너지 함수의 변화율을 구하는 단계,
    (d)현재 샘플에서의 변화율이 0 보다 작고, 이전 샘플에서의 변화율이 0 보다 큰 경우의 에너지 함수(Wmax)를 구하는 단계,
    (e)현재 샘플에서의 Wmax와 이전 샘플에서의 Wmax의 차이가 0 이하 인지를 판단하는 단계,
    (f)상기 (b)와 (e)의 단계가 일정시간 이상 유지되는지 판단하여 과도 안정도를 판단하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 실시간 과도 안정도 판단 방 법.
  10. 분산전원을 분리하지 않고 재폐로 하는 방법에 있어서,
    (a)분산전원에 의하여 선로에 공급되는 전압을 계산하는 단계,
    (b)계산한 전압 값에 따라 새로운 데드라인(Dead Line)을 설정하는 단계,
    (c)새로운 데드라인(Dead Line)조건과 라이브 버스(Live Bus)를 만족하는지 판단하여 재폐로를 시행하는 단계를 구비하고, 상기 데드라인은 선로 상에 전압이 존재하지 않음을 나타내고, 상기 라이브 버스는 모선에 일정 크기 이상의 전압이 존재하는 것을 나타내는 것을 특징으로 하는 수정된 재폐로 방법.
  11. 분산전원을 분리한 후 재폐로에 성공한 방법에 있어서,
    (a)선로 전압의 실효치 값을 구하는 단계,
    (b)선로 전압을 이용하여 계통 주파수를 구하는 단계,
    (c)전압의 실효치 및 주파수에 대하여 각각 현재 샘플에서의 값과 이전 샘플에서의 값의 차이를 구하는 단계,
    (d)차이 값이 매우 작은 값으로 지속되는 시간을 결정하는 단계,
    (e)지속시간에 따라 분산전원의 계통 재병입을 결정하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 분산전원의 계통 재병입 방법.
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