KR20150035277A - 고장처리장치를 구비하는 마이크로그리드 시스템 및 그 동작 방법 - Google Patents

고장처리장치를 구비하는 마이크로그리드 시스템 및 그 동작 방법 Download PDF

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KR20150035277A
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한국전력공사
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Abstract

본 발명에서는 고장처리장치에 의해 마이크로그리드의 계통구성 변경시마다 차단기가 동작될 적절한 설정값을 재계산함으로써 추가적인 고장을 방지할 수 있는 마이크로그리드 시스템 및 그 동작 방법이 개시된다.
일 예로, 본 발명에 따른 마이크로그리드 시스템은 다수의 분산전원과 각각의 분산전원에 연결된 차단기를 포함하며, 상위 전력계통과 연결되는 마이크로그리드 시스템에 있어서, 상기 마이크로그리드 시스템과 상위 전력계통 사이에는 고장처리장치가 구비되고, 상기 고장처리장치는 상기 상위 전력계통의 고장 발생 여부에 따라 상기 마이크로그리드 시스템과 상위 전력계통을 전기적으로 연결 및 분리하는 차단부; 상기 분산전원의 온/오프 상태, 상기 차단부의 투입/개방 상태 정보를 실시간으로 수집하고, 상기 차단기에 고장전류의 설정값을 전송하는 통신부; 상기 통신부로부터 수집된 상태 정보를 이용하여 상기 차단기가 동작하여야 할 고장전류의 설정값을 계산하고, 상기 고장처리장치를 통과하는 전류의 크기 및 방향을 감지하여 상기 차단부에 투입/개방 명령을 전송하는 제어부; 및 상기 마이크로그리드 시스템내의 설비들의 구성 형태 및 임피던스 정보를 저장하는 메모리부를 포함하는 마이크로그리드 시스템 및 그 동작 방법이 개시된다.

Description

고장처리장치를 구비하는 마이크로그리드 시스템 및 그 동작 방법 {fault clearing system and its method for microgrid}
본 발명은 고장처리장치를 구비하는 마이크로그리드 시스템 및 이를 이용한 고장 처리 방법에 관한 것이다.
마이크로그리드는 분산전원(태양광, 풍력 등), 배터리(전력 저장 장치) 등으로 구성되어 부하에 전력을 공급하는 소규모 전력 공급 시스템이다. 마이크로그리드는 평상시에는 대규모 전력계통과 연계되어 전력을 거래하는 연계운전모드로 운전되며, 전력회사 측 선로에서 고장 발생시에는 전력계통과 분리되어 자체적으로 전력을 공급하는 독립운전모드로 전환하게 된다. 주로 건물, 대학 캠퍼스, 공장 등을 대상으로 설치하며, 전기요금 절감, 전력공급 신뢰도 향상 등을 목표로 한다.
마이크로그리드 설치 목표 중 하나인 전력 공급 신뢰도 향상을 위해서는 마이크로그리드를 무정전으로 운전해야 한다. 전력계통에서 고장이 발생할 경우, 이를 정확하게 감지하여 신속하게 상위 전력계통과 마이크로그리드를 분리하여야 한다. 또한, 마이크로그리드 내부에서 고장이 발생하였을 경우, 해당되는 부분만 신속하게 분리하여 정전이 발생하지 않도록 해야 한다. 한편, 마이크로그리드와 전력계통의 연계 상태, 각 분산전원의 연계 상태, 고장 발생 위치, 고장 발생 형태 등에 따라 고장 전류의 크기와 방향이 달라진다. 하지만, 기존의 차단기(MCCB, ACB 등) 및 고장 처리 방법은 마이크로그리드에서 발생하는 다양한 종류의 고장에 적절하게 대응할 수 없어, 국지적인 고장이 마이크로그리드 전체에 영향을 주어 전체 정전이 발생할 수 있다.
국내등록특허공보 제10-1097459호 (2011년12월23일 공고)
본 발명은 고장처리장치에 의해 마이크로그리드의 계통구성 변경시마다 차단기가 동작될 적절한 설정값을 재계산함으로써 추가적인 고장을 방지할 수 있는 마이크로그리드 시스템 및 그 동작 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 마이크로그리드 시스템은 다수의 분산전원과 각각의 분산전원에 연결된 차단기를 포함하며, 상위 전력계통과 연결되는 마이크로그리드 시스템에 있어서, 상기 마이크로그리드 시스템과 상위 전력계통 사이에는 고장처리장치가 구비되고, 상기 고장처리장치는 상기 상위 전력계통의 고장 발생 여부에 따라 상기 마이크로그리드 시스템과 상위 전력계통을 전기적으로 연결 및 분리하는 차단부; 상기 분산전원의 온/오프 상태, 상기 차단부의 투입/개방 상태 정보를 실시간으로 수집하고, 상기 차단기에 고장전류의 설정값을 전송하는 통신부; 상기 통신부로부터 수집된 상태 정보를 이용하여 상기 차단기가 동작하여야 할 고장전류의 설정값을 계산하고, 상기 고장처리장치를 통과하는 전류의 크기 및 방향을 감지하여 상기 차단부에 투입/개방 명령을 전송하는 제어부; 및 상기 마이크로그리드 시스템내의 설비들의 구성 형태 및 임피던스 정보를 저장하는 메모리부를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 마이크로그리드 시스템은 상기 차단부의 개방에 의해 상기 마이크로그리드 시스템과 상위 전력계통이 분리되어 독립운전으로 전환될 때 상기 마이크로그리드 시스템과 연결되는 접지변압기를 더 포함할 수 있다.
그리고 상기 상위 전력계통은 접지변압기용 차단기의 투입/개방에 의해 상기 마이크로그리드 시스템과 연결 및 분리될 수 있다.
또한, 상기 차단기는 양방향 차단기로 이루어져 고장전류의 방향을 감지할 수 있다.
또한, 상기 고장처리장치는 상기 고장처리장치를 통과하는 고장전류의 크기가 설정값을 초과할 경우, 상기 고장전류의 방향을 판단하고 상기 고장전류가 상위 전력계통 측으로 흐를 경우 상기 차단부를 즉시 개방하여 상기 마이크로그리드 시스템과 상위 전력계통을 분리시킬 수 있다.
또한, 상기 고장 전류가 상기 마이크로그리드 시스템 측으로 흐를 경우 기설정된 시간만큼 대기한 후 고장전류의 크기와 설정값을 재비교하여 상기 고장전류의 크기가 설정값을 초과할 경우 상기 차단부를 개방할 수 있다.
또한, 상기 제어부는 상기 마이크로그리드 시스템과 상위 전력계통의 연계/분리 상태와 분산전원의 온/오프 상태가 변경될 때마다 실시간으로 설정값을 재계산하고 상기 차단기로 전송할 수 있다.
또한, 상기 제어부는 상기 차단부의 투입/개방 상태를 확인하여 상기 마이크로그리드 시스템과 상위 전력계통이 연결되었는지의 상태를 확인하고, 상기 분산전원의 온/오프 상태를 확인하여 분산전원의 종류 및 용량을 확인하고, 상기 메모리부로부터 상기 마이크로그리드 시스템의 임피던스 정보를 호출함으로써 얻은 상태 정보로부터 임피던스 맵을 작성하고, 상기 임피던스 맵으로부터 고장전류의 설정값을 계산할 수 있다.
본 발명에 의한 마이크로그리드 시스템 및 그 동작 방법은 다양한 분산전원으로 이루어진 마이크로그리드 내에 고장처리장치를 설치하여 마이크로그리드의 계통 구성 형태를 실시간으로 파악하고, 각 형태에 따른 고장전류의 크기를 계산하여 계통구성 변경시마다 각 차단기의 설정값을 변경함으로써, 고장의 완벽한 처리 및 추가적인 고장을 방지하여 마이크로그리드의 신뢰도를 확보할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고장처리장치를 구비하는 마이크로그리드 시스템의 구성을 간략하게 도시한 블록도이다.
도 2는 지락고장시 지락전류의 흐름을 예시한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 고장처리장치의 구조를 도시한 블록도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 고장처리장치의 동작 방법을 도시한 순서도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 고장처리장치의 동작 방법에서, 설정값의 계산 방법을 도시한 순서도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로그리드 시스템에서 각 설비별 고장전류의 기여도를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로그리드 시스템의 임피던스 맵을 예시한 것이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 고장처리장치의 동작 방법 중, 고장전류 설정값의 변경 예를 도시한 그래프이다.
본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로그리드 시스템의 구성을 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고장처리장치를 구비하는 마이크로그리드 시스템의 구성을 간략하게 도시한 블록도이다. 도 2는 지락고장시 지락전류의 흐름을 예시한 블록도이다. 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 고장처리장치의 구조를 도시한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 마이크로그리드 시스템(100)은 고장처리장치(110), 다수의 차단기(120, 130), 다수의 분산전원(140) 및 다수의 부하 장치(150)를 포함한다. 여기서, 상기 분산전원(140)은 태양광 발전기, 풍력 발전기, 디젤 발전기, 배터리, 마이크로 가스터빈 발전기, 가스엔진 발전기 등으로 구성될 수 있으며, 상기 부하 장치(150)는 형광등, 전열기구, 모터, 각종 가전기기 등으로 구성될 수 있다. 한편, 상기 마이크로그리드 시스템은 접지 변압기(160) 및 접지 변압기용 차단기(165)를 더 포함할 수 있다. 그리고 상기 마이크로그리드 시스템(100)은 다수의 전력선(L1) 및 다수의 통신선(L2)에 의해 서로 연결된다. 더불어, 이러한 마이크로그리드 시스템은 상위 전력계통과 연계되어 동작될 수 있다.
상기 마이크로그리드 시스템(100)과 상위 전력계통의 사이에는 상기 고장처리장치(110)가 구비된다. 상기 고장처리장치(110)는 전력선(L1)을 통해 다수의 1수준 차단기(120)와 연결되어 있으며, 각각의 상기 1수준 차단기(120)는 다시 전력선(L1)을 통해 다수의 2수준 차단기(130)와 연결된다. 그리고 상기 다수의 2수준 차단기(130)는 전력선(L1)을 통해 분산전원(140) 및 부하 장치(150)와 각각 하나씩 연결된다. 또한, 상기 고장처리장치(110)는 상기 전력선(L1)과 유사한 경로를 형성하는 통신선(L2)에 의해 1수준 차단기(120), 2수준 차단기(130) 및 분산전원(140)과 연결된다.
상기 고장처리장치(110)는 상기 통신선(L2)에 의해 다수의 양방향 차단기(120, 130), 접지 변압기용 차단기(165)와 연계되어 있다. 상기 고장처리장치(110)는 상기 마이크로그리드 시스템(100)과 상위 전력계통과의 연계 상태, 상기 분산전원(140)의 계통 연계 상태를 파악하고, 파악된 정보를 이용하여 상기 차단기(120, 130, 165)를 통과할 수 있는 고장전류를 계산한다. 그리고 상기 고장처리장치(110)는 상기 통신선(L2)을 통해 상기 차단기(120, 130, 165)에 고장 처리를 위한 고장전류의 설정값 범위를 전송한다. 상기 차단기(120, 130, 165)는 전송받은 설정값에 의해 고장발생시, 즉 상기 차단기(120, 130, 165)를 통과하는 고장전류의 값이 설정값을 초과할 경우 개방되어 고장이 발생한 선로를 상기 마이크로그리드 시스템(100)과 분리시킨다.
상기 차단기(120, 130)는 고장전류의 방향을 감지할 수 있는 양방향 차단기로 구성된다. 따라서, 상기 차단기(120, 130)는 고장 발생시 고장전류의 방향을 판별하여 각각의 고장 상황에 맞게 적절하게 동작할 수 있다. 즉, 상기 차단기(120, 130)가 고장전류의 방향을 판별하므로 무조건적으로 차단기가 동작하여 전력 차단이 이루어짐으로써 마이크로그리드의 정전이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
상기 분산전원(140)은 그 형태에 따라 인버터 기반 분산전원과 원동기 기반 분산전원으로 분류될 수 있다(도면부호는 140으로 통일하여 기재하도록 한다). 인버터 기반 분산전원은 태양광 발전기, 일부 풍력 발전기, 마이크로 가스터빈 발전기 등이 있으며, 각 분산전원에서 생산된 전력이 인버터를 거쳐 마이크로그리드와 연계된다. 한편, 원동기 기반 분산전원은 생산된 전력이 인버터를 거치지 않고 직접 마이크로그리드와 연계된다. 상기 인버터 기반 분산전원은 출력의 정밀한 제어가 가능하며, 인버터 내부의 스위칭 소자를 보호해야 하기 때문에 선로에서 고장이 발생하더라도 공급되는 고장전류가 통상 인버터 정격의 1.5 내지 2배 정도로 제한된다. 그러나 원동기 기반 분산전원은 전류를 제한할 수 있는 기능이 없어 통상 분산전원 정격의 7 내지 10배 정도의 고장전류를 공급하게 된다.
상기 마이크로그리드 시스템(100)은 일반적으로 상위 전력계통과 전기적으로 연계되어 '연계운전' 상태로 운전된다. 그러나 상기 마이크로그리드 시스템(100) 또는 상위 전력계통에 고장이 발생할 경우, 상기 고장처리장치(110)의 차단부(111)가 개방되어 상기 마이크로그리드 시스템(100)은 상위 전력계통과 분리된 '독립운전' 상태로 운전된다. 여기서, 고장은 전력선과 전력선의 접촉에 의한 단락 고장 및 전력선과 대지와의 접촉에 의한 지락 고장으로 구분된다. 전력계통에서의 고장은 여러 곳에서 발생할 수 있으며, 도 1에 그 예들이 도시되었다. 보다 구체적으로, F1은 상위 전력계통에서 발생하는 고장이며, F2는 고장처리장치(110)와 1수준 차단기(120) 사이의 전력선(L1)에서 발생하는 고장이며, F3은 1수준 차단기(120)와 2수준 차단기(130) 사이의 전력선(L1)에서 발생하는 고장이며, F4는 2수준 차단기(130)와 인버터 기반 분산전원(140) 사이에 설치된 전력선(L1)에서 발생하는 고장이며, F5는 2수준 차단기(130)와 원동기 기반 분산전원(140) 사이에 설치된 전력선(L1)에서 발생하는 고장이며, F6은 2수준 차단기(130)와 부하 장치(150) 사이에 설치된 전력선(L1)에서 발생하는 고장이다. 상기 F4, F5, F6은 모두 2수준 차단기(130)의 2차 측에서 발생하는 고장이지만, 2차 측에 연결된 설비의 종류가 각각 상이하기 때문에 분류를 달리하여 도시하였다. 선로에 고장이 발생하게 되면, 상기 인버터 기반 분산전원 및 원동기 기반 분산전원은 고장전류를 공급하게 되므로 상기 차단기(120, 130)는 고장전류의 방향을 판별해야 한다. 이 때, 상기 인버터 기반 분산전원에서 공급하는 고장전류의 크기는 통상 분산전원 정격의 1.5 내지 2배 정도이며, 상기 원동기 기반 분산전원에서 공급하는 고장전류의 크기는 분산전원 정격의 7 내지 10배 정도이다. 한편, 부하 장치(150)의 경우에는 고장전류를 공급하지 않으므로, 고장전류의 방향이 단방향이다. 따라서 상기 부하 장치와 연결된 차단기로는 양방향 차단기를 필요로 하지 않는다.
상기 접지 변압기(160) 및 접지 변압기용 차단기(165)는 상기 마이크로그리드 시스템(100)의 독립운전 중 발생할 수 있는 지락고장을 해결하기 위하여 설치된다. 상기 마이크로그리드 시스템(100)이 상위 전력계통과 분리되어 독립운전 중일 때, 상기 마이크로그리드 시스템(100)은 비접지 상태가 된다. 비접지 상태에서 상기 마이크로그리드 시스템(100) 내부에 지락고장이 발생할 경우에는 영상전류를 얻을 수가 없어 고장의 처리가 어려워진다. 하지만 상기 마이크로그리드 시스템(100)에 접지 변압기(160) 및 접지 변압기용 차단기(165)가 설치되므로, 고장전류, 즉 지락전류가 흐를 수 있는 경로가 생성되어 지락고장시의 적절한 대처가 가능하다.
특히, 도 2에는 상기 마이크로그리드 시스템(100)에 지락고장(F7)이 발생하였을 때의 지락전류의 흐름이 예로 도시되었다. 상기 마이크로그리드 시스템(100)과 상위 전력계통이 분리되는 경우, 상기 고장처리장치(110)에서 이를 감지하여 상기 접지 변압기용 차단기(165)를 상기 마이크로그리드 시스템(100)에 투입시킨다. 그리고 상기 마이크로그리드 시스템(100)과 상기 접지 변압기(160)가 전기적으로 연결되어 지락전류의 루프가 생성된다. 따라서, 상기 지락전류가 상기 2수준 차단기(130)를 통과하게 되므로 차단기가 정상 동작하여 고장이 발생한 선로를 마이크로그리드 시스템(100)으로부터 분리할 수 있게 된다. 만약 상기 접지 변압기(160)가 설치되어 있지 않는다면, 지락전류의 루프가 생성되지 않으므로 차단기(130)가 동작할 수 없어 고장상태가 지속되고, 인축의 감전이나 설비의 소손이 발생될 수 있다. 한편, 고장 상황의 종류 후 상기 마이크로그리드 시스템(100)이 연계운전으로 전환될 경우에는 상기 고장처리장치(110)가 이를 감지하여 상기 접지 변압기용 차단기(165)를 개방한다. 따라서 상기 마이크로그리드 시스템(100)의 연계운전시에는 상기 접지 변압기(160)가 상기 마이크로그리드 시스템(100)으로부터 전기적으로 분리된다.
도 3을 참조하면, 상기 고장처리장치(110)는 차단부(111), 제어부(112), 통신부(113) 및 메모리부(114)를 포함한다.
상기 차단부(111)는 상위 전력계통에서 고장이 발생했을 경우, 전력전자 소자를 이용하여 상기 마이크로그리드 시스템(100)과 상위 전력계통을 빠르게 전기적으로 분리시킨다. 또한, 상기 상위 전력계통에서의 고장이 처리되면 마이크로그리드 시스템(100)과 상위 전력계통을 다시 전기적으로 연계시킨다.
상기 제어부(112)는 통신에 의해 실시간으로 수집된 상태정보를 이용하여 상기 차단기(120, 130)가 동작하여야 할 고장전류의 설정값을 순시치 및 한시치로 각각 계산한다. 그리고 이러한 설정값을 상기 차단기(120, 130)로 실시간으로 전송한다. 또한, 상기 제어부(112)는 상기 고장처리장치(110)를 통과하는 전류의 크기 및 방향을 감지하며 고장 발생 여부를 판단한다. 따라서 상기 제어부(112)는 상위 전력계통에서 고장이 발생한 것으로 판단되는 즉시 상기 차단부(111)에 개방 명령을 전송하여 상기 마이크로그리드 시스템(100)과 상위 전력계통이 전기적으로 분리되도록 한다. 그리고 상기 제어부(112)는 상기 접지변압기용 차단기(165)에 투입 명령을 전송하여 독립운전 중인 상기 마이크로그리드 시스템(100)과 상기 접지 변압기(160)가 전기적으로 연결되도록 한다. 이후 상위 전력계통 측, 즉 상기 고장처리장치(110)의 1차 측을 지속적으로 감지하며, 상위 전력계통이 정상적으로 복귀된 것으로 판단되면 상기 차단부(111)에 투입 명령을 전송한다. 상기 차단부(111)의 투입으로 상기 마이크로그리드 시스템(100)과 상위 전력계통은 다시 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 상기 제어부(112)는 상기 접지변압기용 차단기(165)에는 개방 명령을 전송하여 상기 접지변압기(160)와 마이크로그리드 시스템(100)을 전기적으로 분리되도록 한다.
상기 통신부(113)는 상기 고장처리장치(110) 내의 차단부(111)의 투입/개방 상태, 상기 분산전원(140)의 온/오프 상태에 대한 정보를 실시간으로 수집한다. 그리고 수집된 정보를 상기 제어부(112)로 전송한다. 또한, 상기 제어부(112)로부터 계산된 설정값을 상기 차단기(120, 130)에 전송하여 상기 차단기(120, 130)가 고장 상황에 적절하게 대응할 수 있도록 한다.
상기 메모리부(114)는 상기 마이크로그리드 시스템(100)의 구성 설비, 즉 상위 전력계통, 변압기, 고장처리장치(110), 차단기(120, 130), 분산전원(140) 등의 구성 형태 및 임피던스 정보를 저장하는 역할을 수행한다.
이하에서는 고장처리장치를 구비하는 마이크로그리드 시스템의 동작 방법에 대하여 설명하도록 한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 고장처리장치의 동작 방법을 도시한 순서도이다. 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 고장처리장치의 동작 방법에서, 설정값의 계산 방법을 도시한 순서도이다. 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로그리드 시스템에서 각 설비별 고장전류의 기여도를 나타낸 그래프이다. 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로그리드 시스템의 임피던스 맵을 예시한 것이다. 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 고장처리장치의 동작 방법 중, 고장전류 설정값의 변경 예를 도시한 그래프이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 고장처리장치(110)의 동작 방법은 설정값 계산 및 전송 단계(S10), 고장 여부 판단 단계(S20), 차단부 개방 단계(S30), 접지변압기용 차단기 투입 단계(S40), 설정값 재계산 및 전송 단계(S50), 정상 상태 판단 단계(S60), 차단부 투입 단계(S70), 접지변압기용 차단기 개방 단계(S80)로 이루어질 수 있다.
상기 설정값 계산 및 전송 단계(S10)는 상기 제어부(112)에 의해 상기 분산전원(140)의 온/오프 상태를 감시하고, 고장을 판단하기 위한 고장전류 설정값을 계산하여 상기 차단기(120, 130)로 전송한다.
상기 고장 여부 판단 단계(S20)는 상기 고장처리장치(110)를 통과하는 전류값을 감시하여 고장의 여부를 판단한다. 상기 고장 여부 판단 단계(S20) 이후에는 전류값과 설정값 비교 단계(S21), 전류의 방향 판단 단계(S22), 대기 단계(S25) 및 전류값과 설정값 재비교 단계(S26)가 이루어진다. 상기 제어부(112)는 상기 고장처리장치(110)를 통과하는 전류값을 측정하고, 상기 전류값이 설정값을 초과하는지의 여부를 판단한다. 이 때, 상기 전류값이 설정값을 초과하지 않는다면 정상 상태로 판단되어 다시 초기 상태인 설정치 계산 및 전송 단계(S10)로 복귀한다. 즉, 정상 상태일 경우, 고장 감지시까지 이러한 과정이 반복된다. 그리고 상기 전류값이 설정값을 초과할 경우, 상기 제어부(112)는 시스템 상에 고장이 발생된 것으로 판단하고, 전류의 방향을 판단하게 된다. 여기서, 전류의 방향이 상위 계통 측으로 흐르면 상기 차단부 개방 단계(S30)가 이루어진다. 만약, 전류의 방향이 마이크로그리드 시스템(100) 측으로 흐른다면, 미리 설정된 시간만큼 대기하다가 다시 전류값을 확인하여 설정값과 재비교함으로써 상기 전류값이 설정값을 초과하는지의 여부를 판단한다. 이 때, 상기 전류값이 설정값을 초과하지 않는다면 정상 상태로 판단되어 다시 설정치 계산 및 전송 단계(S10)로 복귀하고, 고장 감지시까지 이러한 과정이 반복된다. 그리고 상기 전류값이 설정값을 초과할 경우, 상기 제어부(112)는 상위 전력계통에 고장이 발생된 것으로 판단하고, 상기 차단부 개방 단계(S30)가 이루어진다.
상기 차단부 개방 단계(S30)에서는 상기 제어부(112)에 의해 고장이 감지되어 상기 제어부(112)가 상기 차단부(111)로 개방 명령을 내리게 된다. 즉, 상기 고장처리장치(110)의 차단부(111)가 개방되므로, 상기 마이크로그리드 시스템(100)과 상위 전력계통은 전기적으로 분리된다.
상기 접지변압기용 차단기 차단기 투입 단계(S40)에서는 상기 제어부(112)가 상기 접지변압기용 차단기(165)로 투입 명령을 전송함으로써 이루어진다. 상기 마이크로그리드 시스템(100)에 상기 접지변압기용 차단기(165)가 투입되므로, 상기 마이크로그리드 시스템(100)은 상기 접지변압기(160)와 전기적으로 연결된다. 따라서, 상기 마이크로그리드 시스템(100)이 상위 전력계통과 분리되어 독립운전을 함으로써 비접지 상태가 되더라도, 상기 접지변압기(160)의 투입으로 다시 접지 상태가 되므로 지락고장시의 적절한 대처가 가능하다.
상기 설정값 재계산 및 전송 단계(S50)에서는 상기 제어부(112)에 의해 상기 분산전원(140)의 온/오프 상태를 감시하고, 고장을 판단하기 위한 고장전류 설정값을 재계산하여 상기 차단기(120, 130)로 전송한다. 여기서는, 상기 마이크로그리드 시스템(100)과 상위 전력계통이 분리됨으로써 상기 마이크로그리드 시스템(100) 내부를 흐르는 전류값이 변경되므로 상기 차단기(120, 130)가 작동될 설정값을 다시 계산한다. 상기 설정치 재계산 및 전송 단계(S50)는 상기 마이크로그리드 시스템(100)과 상위 전력계통의 연계/분리 상태 및 상기 분산전원(140)의 온/오프 상태가 변경될 때마다 수행되는 것이 바람직하다. 본 발명의 실시예에 따른 고장처리장치(110)는 고장 발생으로 상기 마이크로그리드 시스템(100)의 상태가 변경되어도 실시간으로 상기 차단기(120, 130)가 작동될 전류값을 다시 계산하여 적용시킴으로써, 추가적인 고장이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
상기 정상 상태 판단 단계(S60)에서는 고장이 발생된 이후, 상기 고장처리장치(110)의 1차 측, 즉 상위 전력계통의 전압이 정상으로 복귀되었는지의 여부를 판단한다. 다시 말해서, 고장 상태가 회복되어 정상 상태가 되었는지를 확인한다. 여기서, 전압이 정상으로 복귀되었을 경우에는 상기 차단부 투입 단계(S70)가 진행되며, 그렇지 않을 경우 전압의 정상 복귀시까지 설정치 재계산 및 전송 단계(S50)가 이루어진다.
상기 차단부 투입 단계(S70)에서는 상기 제어부(112)가 차단부(111)로 투입 명령을 전송하여 상기 마이크로그리드 시스템(100)과 상위 전력계통을 다시 전기적으로 연결시킨다.
상기 접지변압기용 차단기 개방 단계(S80)에서는 상기 제어부(112)가 상기 접지변압기용 차단기(165)로 개방 명령을 전송하여 상기 마이크로그리드 시스템(100)과 상기 접지변압기(160)를 분리시킨다. 여기서는, 상기 마이크로그리드 시스템(100)과 상위 전력계통이 다시 연계운전되어 접지상태가 되므로 상기 접지변압기(160)를 분리시키는 것이 바람직하다.
도 5를 참조하면, 설정값 계산 방법은 차단부 상태 확인 단계(S110), 분산전원 상태 확인(S120), 임피던스 정보 호출 단계(S130), 임피던스 맵 작성 단계(S140), 고장전류 계산 단계(S150), 단락전류 및 지락전류 비교 단계(S160)로 이루어진다.
상기 차단부 상태 확인 단계(S110)에서는 상기 고장처리장치(110)의 차단부(111)의 투입/개방 상태를 확인한다. 상기 마이크로그리드 시스템(100)은 상위 전력계통과 연결되어있는지의 여부에 따라 고장전류의 크기가 매우 상이하게 달라지므로, 설정값의 계산을 위해 상기 차단부(111)의 상태 확인이 이루어질 수 있다.
상기 분산전원 상태 확인 단계(S120)에서는 상기 분산전원(140)의 온/오프 상태를 확인한다. 상기 고장전류는 상위 전력계통과의 연결 여부뿐만 아니라, 상기 분산전원(140)의 온/오프 상태 및 어떤 종류/용량의 분산전원이 투입되어 있는지에 따라 그 크기가 상이해지므로 상기 분산전원(140)의 상태 확인이 이루어지게 된다.
특히, 도 6을 참조하면, 고장전류의 크기는 각 설비별 기여도에 따라 달라지는 것을 알 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 상위 전력계통과 마이크로그리드 시스템(100)이 연결되어 있을 경우에는 수전전력에 해당하는 만큼의 고장전류가 고장점으로 흐르게 되며, 분리되어 있을 경우에는 수전전력에 해당하는 만큼의 고장전류가 흐르지 않으므로 전체적인 고장전류의 크기가 줄어들게 된다.
상기 임피던스 정보 호출 단계(S130)에서는 상기 메모리부(114)에 저장되어 있는 상기 상위 전력계통, 변압기, 전력선(L1), 분산전원(140) 등의 임피던스(%Z) 정보를 호출한다. 상기 임피던스 정보는 상기 메모리부(114)에 수치로 저장되어 있다.
상기 임피던스 맵 작성 단계(S140)에서는 상기 임피던스 정보, 차단부(112)의 투입/개방 상태, 분산전원(140)의 온/오프 상태를 이용하여 임피던스 맵을 작성한다. 상기 임피던스 맵은 도 7에 도시된 바와 같이 상기 마이크로그리드 시스템(100)의 구성과 대응되도록 작성될 수 있다. 이 때, 상기 임피던스 맵은 상기 마이크로그리드 시스템(100)과 연결된 요소들만을 고려하여 작성된다.
상기 고장전류 계산 단계(S150)에서는 상기 임피던스 맵을 이용하여 고장이 발생할 수 있는 지점별로, 상기 차단기(120, 130)의 정방향 및 역방향을 통과할 수 있는 모든 범위의 고장전류를 계산한다. 이 때, 저압 고장은 경우에 따라 지락전류가 단락전류보다 큰 경우가 있으므로 지락전류와 단락전류를 각각 계산한다. 지락고장 및 단락고장에 따른 상기 고장전류의 값은 다음의 수학식을 이용하여 얻을 수 있다.
Figure pat00001
Figure pat00002
상기 단락전류 및 지락전류 비교 단계(S160)에서는 각 차단기(140)별로 경험할 수 있는 단락전류의 크기와 지락전류의 크기를 비교하여 설정값을 선정한다. 단락전류의 크기가 지락전류의 크기보다 크거나 같으면 상기 단락전류를 이용하여 해당 차단기의 설정값을 선정한다. 만약, 상기 지락전류가 단락전류보다 클 경우에는 지락전류를 이용하여 해당 차단기의 설정값을 선정한다. 한편, 상기 설정값은 상기 마이크로그리드 시스템(100)의 설비별 상태 변화에 따라 실시간으로 재계산되어 상기 차단기(120, 130)에 적용된다. 도 8에는 이러한 설정값의 변경 예가 도시되었다.
이와 같이 하여, 본 발명의 실시예에 따른 마이크로그리드 시스템(100) 및 그 동작 방법은 고장처리장치(110)에 의해 마이크로그리드의 계통 구성 및 고장발생 형태의 변경시마다 차단기(120, 130)의 설정값을 다시 계산함으로써 추가적인 고장이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 마이크로그리드 시스템(100)과 상위 전력계통이 분리되어 비접지 상태가 될 경우, 마이크로그리드 시스템(100)에 접지 변압기를 투입시킴으로써 지락고장 발생시 지락전류의 경로를 생성한다. 따라서, 지락전류가 고장 발생 선로의 차단기를 통과하므로 차단기가 정상적으로 동작될 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 마이크로그리드 시스템(100) 및 그 동작 방법은 고장처리장치(110)에 의해 고장의 형태에 따른 적절한 대처가 가능하므로 마이크로그리드 시스템의 신뢰도를 확보할 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 의한 고장처리장치를 구비하는 마이크로그리드 시스템 및 그 동작 방법을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
100; 마이크로그리드 시스템 110; 고장처리장치
111; 차단부 112; 제어부
113; 통신부 114; 메모리부
120; 1수준 차단기 130; 2수준 차단기
140; 분산전원 150; 부하 장치
L1; 전력선 L2; 통신선

Claims (8)

  1. 다수의 분산전원과 각각의 분산전원에 연결된 차단기를 포함하며, 상위 전력계통과 연결되는 마이크로그리드 시스템에 있어서,
    상기 마이크로그리드 시스템과 상위 전력계통 사이에는 고장처리장치가 구비되고,
    상기 고장처리장치는 상기 상위 전력계통의 고장 발생 여부에 따라 상기 마이크로그리드 시스템과 상위 전력계통을 전기적으로 연결 및 분리하는 차단부; 상기 분산전원의 온/오프 상태, 상기 차단부의 투입/개방 상태 정보를 실시간으로 수집하고, 상기 차단기에 고장전류의 설정값을 전송하는 통신부; 상기 통신부로부터 수집된 상태 정보를 이용하여 상기 차단기가 동작하여야 할 고장전류의 설정값을 계산하고, 상기 고장처리장치를 통과하는 전류의 크기 및 방향을 감지하여 상기 차단부에 투입/개방 명령을 전송하는 제어부; 및 상기 마이크로그리드 시스템내의 설비들의 구성 형태 및 임피던스 정보를 저장하는 메모리부를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로그리드 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 마이크로그리드 시스템은 상기 차단부의 개방에 의해 상기 마이크로그리드 시스템과 상위 전력계통이 분리되어 독립운전으로 전환될 때 상기 마이크로그리드 시스템과 연결되는 접지변압기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로그리드 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 상위 전력계통은 접지변압기용 차단기의 투입/개방에 의해 상기 마이크로그리드 시스템과 연결 및 분리되는 것을 특징으로 하는 마이크로그리드 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 차단기는 양방향 차단기로 이루어져 고장전류의 방향을 감지할 수 있는 것을 특징으로 하는 마이크로그리드 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 고장처리장치는 상기 고장처리장치를 통과하는 고장전류의 크기가 설정값을 초과할 경우, 상기 고장전류의 방향을 판단하고 상기 고장전류가 상위 전력계통 측으로 흐를 경우 상기 차단부를 즉시 개방하여 상기 마이크로그리드 시스템과 상위 전력계통을 분리시키는 것을 특징으로 하는 마이크로그리드 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 고장 전류가 상기 마이크로그리드 시스템 측으로 흐를 경우 기설정된 시간만큼 대기한 후 고장전류의 크기와 설정값을 재비교하여 상기 고장전류의 크기가 설정값을 초과할 경우 상기 차단부를 개방하는 것을 특징으로 하는 마이크로그리드 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 마이크로그리드 시스템과 상위 전력계통의 연계/분리 상태와 분산전원의 온/오프 상태가 변경될 때마다 실시간으로 설정값을 재계산하고 상기 차단기로 전송하는 것을 특징으로 하는 마이크로그리드 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 차단부의 투입/개방 상태를 확인하여 상기 마이크로그리드 시스템과 상위 전력계통이 연결되었는지의 상태를 확인하고, 상기 분산전원의 온/오프 상태를 확인하여 분산전원의 종류 및 용량을 확인하고, 상기 메모리부로부터 상기 마이크로그리드 시스템의 임피던스 정보를 호출함으로써 얻은 상태 정보로부터 임피던스 맵을 작성하고,
    상기 임피던스 맵으로부터 고장전류의 설정값을 계산하는 것을 특징으로 하는 마이크로그리드 시스템.
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