KR20180031184A

KR20180031184A - Bess 연계 배전계통의 적응형 재폐로 방법

Info

Publication number: KR20180031184A
Application number: KR1020160119221A
Authority: KR
Inventors: 서훈철
Original assignee: 연암공과대학교산학협력단
Priority date: 2016-09-19
Filing date: 2016-09-19
Publication date: 2018-03-28
Also published as: KR101862029B1

Abstract

본 발명은 BESS(battery energy storage system) 연계 배전계통의 적응형 재폐로 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 BESS가 사용되는 배전계통에서 상기 BESS에 의하여 공급되는 전류의 THD(total harmonic distortion)의 2차 차분을 사용하여 고장을 판단하고 무전압 시간을 조정하는 적응형 재폐로 기술의 구현에 관한 것이다.
본 발명에 따른 BESS 연계 배전계통의 적응형 재폐로 방법은, 계통으로부터 전류

와 전압

를 입력받고 BESS로부터의 전류

와 전압

를 입력받는 단계; 상기

의 실효치와 상기

의 THD를 계산하는 단계; I_{1RMS_A} or I_{1RMS_B} or I_{1RMS_C}>α의 관계가 성립하는지 확인하여 고장 발생 유무를 확인하는 단계; 재폐로기가 개방되고 각 상의 전류 크기를 사용하여 고장상을 검출하는 단계; 고장상에서 I_2THD[i]_-I_1THD[i]>β의 관계가 성립되는지 확인하는 단계; 상기 단계가 성립되지 않으면 무빙 데이터 윈도우 처리를 수행하고 고장상 검출 단계로 회귀하는 단계; 지속 한계값이 ε에 도달한 후 그 이상의 수치가 되는지 확인하는 단계; 상기 BESS측의 전압(|V₂|), 위상각(∠θ₂) 및 주파수(f₂)를 이용하여 동기검정 조건인 f₁-f₂<γ_frequency, (|V₁|-|V₂|)/|V₂|<γ_voltage 및 θ₁-θ₂<γ_angle의 관계가 만족하는지 확인하는 단계; 상기 단계를 만족할 경우 상기 재폐로기에 닫음 동작 명령을 전달하는 단계;가 포함되는 것을 특징으로 한다.

Description

BESS 연계 배전계통의 적응형 재폐로 방법{Adaptive Reclosing Method using Second-Order Difference of THD in Distribution System with BESS used as Uninterruptible Power Supply}

본 발명은 BESS(battery energy storage system) 연계 배전계통의 적응형 재폐로 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 BESS가 사용되는 배전계통에서 상기 BESS에 의하여 공급되는 전류의 THD(total harmonic distortion)의 2차 차분을 사용하여 고장을 판단하고 무전압 시간을 조정하는 적응형 재폐로 기술의 구현에 관한 것이다.

전력공급을 보장하기 위하여 배터리 전기저장장치가 배전계통에 널리 적용되고 있다. 더욱 많은 BESS가 배전계통에 연계됨에 따라, 전력회사들은 각종 규정 및 절차들의 변화가 필요하다. 이로 인하여, 대용량 BESS의 계통 연계를 위한 다양한 기술 개발이 이루어지고 있으며 이는 전력품질, BESS의 운영 및 제어 전략, 신재생에너지와 통합, 에너지 관리 등에 초점을 맞추고 있다. 그러나 BESS가 연계된 배전계통 보호에 관련된 연구는 거의 전무한 실정이므로 본 발명에서는 배전계통에서 보호 이슈 중 재폐로 문제를 해결하기 위한 기술을 제안하고자한다.

재폐로는 고장전류의 크기가 제한되는 배전계통에서 회로 차단을 위한 장치이다. 대표적인 예로, 한국전력공사 배전계통에서 재페로기의 동작은 0.5초와 15초의 고정된 무전압 시간을 갖는 특징이 있다. 재페로 절차에서 순간고장으로부터 영구고장을 분리하는 것은 매우 중요하다. 그러나 종래의 재폐로 방식은 고장이 순간고장인지 영구고장인지에 상관없이 고정된 무전압 시간을 채택하고 있어서 재폐로 이전의 고장제거에도 불구하고 무전압 시간을 갖게 되는 단점이 있다. 송전계통에서는 다양한 방법들이 고장 제거 판단 및 무전압 시간 단축을 위하여 제안된 바 있으나 종래의 기술은 배전계통에서는 적용할 수 없는 단점이 있고, 배전계통에서 고장 제거 판단에 관련된 기술이 제안되지 못하였다.

고장 시 BESS의 동작은 사용 목적에 따라 상이하기 때문에 재폐로에 대한 영향 역시 다르게 된다. BESS는 주파수 조정 및 최대부하 삭감용으로 사용될 수 있는데 이러한 목적으로 사용되기 위해서는 배전계통이 정상상태에서 동작하여야 한다. 이 역시 종래의 기술에서는 비상용 전원으로 사용되는 경우에 적용 가능한 기술이 제안되지 못하였다.

BESS가 고장조건 시에 연결되어 있고, 건전상에 전력을 지속적으로 공급한다면, 정전시간이 단축되고 공급 신뢰도가 향상될 수 있기 때문에 BESS는 비상용전원으로 동작할 수 있다. 이러한 경우에 고장 시 BESS가 전력계통에서 분리되지 않고 건전상에 지속적으로 전력을 공급하고 있으므로 배전계통은 새로운 재폐로 문제에 직면하게 된다. 기존 배전계통 재폐로에서 고려되지 않는 주된 문제는 재폐로 시도 시 전력회사 전원과 BESS로부터 전원 사이의 동기검정 문제이다. 동기검정은 기존 배전계통에서는 고려되지 않는다. 양단 전원이 존재하기 때문에 BESS 존재 시 재폐로는 송전계통과 매우 유사하므로 동기검정이 우선적으로 고려되어야 한다.

본 발명에 따른 BESS 연계 배전계통의 적응형 재폐로 방법을 개시하려는 유사 선행기술에는 1) 대한민국 등록특허공보 제10-1105136호 ‘전압 파형의 THD를 이용한 적응형 재폐로 방법’이 있다. 상기 유사 선행기술은 고장 선로의 적응형 재폐로 방법에 있어서, 선로의 고장 발생을 감지하는 단계; 고장 선로의 전압 파형의 총 고조파 왜곡률을 계산하는 단계; 상기 계산된 총 고조파 왜곡률을 이용하여 제1 평균값을 계산하는 단계; 상기 계산된 제1 평균값을 이용하여 일시고장 또는 영구고장 여부를 판단하는 단계; 상기 판단 결과에 따라 일시 고장인 경우, 상기 계산된 총 고조파 왜곡률을 이용하여 제2 평균값을 계산하는 단계; 상기 계산된 제2 평균값을 이용하여 2차 아크 최종 소호시점을 추정하는 단계;가 포함되고, 고장 선로의 전압 파형의 1 사이클마다 총 고조파 왜곡률의 평균값을 카운트하는 단계; 상기 카운트 결과에 따라 상기 평균값이 증가하는 경우 일시고장으로 판단하는 단계; 상기 전압 파형의 0.05 사이클마다 총 고조파 왜곡률의 평균값을 카운트하는 단계; 상기 0.05 사이클마다 총 고조파 왜곡률의 평균값을 카운트하는 단계의 결과에 따른 상기 평균값이 0.2 사이클 이전의 평균값에 대하여 20% 이상 증가하는 경우 선행단 차단기를 재폐로하는 단계;가 포함되는 기술을 개시하는 특징이 있다.

다른 유사 선행기술에는 2) 대한민국 등록특허공보 제10-1129634호 ‘고조파 비율을 이용한 재폐로 제어를 위한 장치 및 방법’이 있다. 상기 유사 선행기술은 송전선로의 고장 발생시 재폐로를 제어하는 재폐로 제어 장치에 있어서, 고장상 전압파형을 감지하고, 상기 고장상 전압파형에 포함된 고조파 성분을 추출하는 전압 감지부; 상기 추출된 고조파 성분을 기초로 우수 고조파와 기수 고조파의 비율값을 산출하는 HR 산출부; 상기 산출된 비율값을 기초로 아크가 최종 소호되었는지 여부를 판단하고, 판단 결과에 따라 재폐로에 대한 제어를 수행하는 재폐로 제어부;를 포함하고, 재폐로 제어 장치를 이용한 재폐로 제어 방법에 있어서, 고장상 전압파형을 감지하는 단계; 상기 고장상 전압파형에 포함된 고조파 성분을 추출하는 단계; 상기 추출된 고조파 성분을 기초로 우수 고조파와 기수 고조파의 비율값을 산출하는 단계; 상기 산출된 비율값을 기초로 아크가 최종 소호되었는지 여부를 판단하고, 판단 결과에 따라 재폐로에 대한 제어를 수행하는 단계;가 포함되는 기술을 개시하는 특징이 있다.

또 다른 유사 선행기술에는 3) 대한민국 등록특허공보 제10-1467249호 ‘과도 안정성에 기초한 적응적 재폐로 제어 장치 및 방법’이 있다. 상기 유사 선행기술은 선행단 차단기를 통해 제1버스에 연결되고 후행단 차단기를 통해 제2버스에 연결되는 전력 전송선의 과도 안정성에 기초한 적응적 재폐로 제어 방법으로서, 상기 전력 전송선에 고장이 발생하여 상기 선행단 차단기 및 상기 후행단 차단기가 각각 개방될 경우에, 상기 제1버스, 상기 제2버스 및 상기 전력 전송선에서 측정되는 전압 및 위상각 측정 신호들에 기초하여 전력각의 순시값을 획득하는 단계; 상기 전력각의 순시값에 기초하여 상기 전력각의 오차 제곱 적분(ISE)의 2차 차분의 순시값을 획득하는 단계; 상기 ISE의 2차 차분의 순시값의 변화 추이에 따라 계통 안정 또는 계통 불안정 중 하나로 판정하는 단계를 포함하고, 선행단 차단기를 통해 제1 버스에 연결되고 후행단 차단기를 통해 제2 버스에 연결되는 전력 전송선을 재폐로하기 위한 적응적 재폐로 제어 장치로서, 상기 전력 전송선에 고장이 발생하여 상기 선행단 차단기 및 상기 후행단 차단기가 각각 개방될 경우에, 상기 제1버스, 상기 제2버스 및 상기 전력 전송선에서 측정되는 전압 및 위상각 측정 신호들에 기초하여 전력각의 순시값을 획득하는 전력각 산출부; 상기 전력각의 순시값에 기초하여 상기 전력각의 ISE의 2차 차분의 순시값을 획득하는 ISE 2차 차분 산출부; 상기 ISE의 2차 차분의 순시값의 변화 추이에 따라 계통 안정 또는 계통 불안정 중 하나로 판정하는 안정 판정부; 상기 안정 판정부의 판정 결과에 따라 상기 선행단 차단기 및 상기 후행단 차단기를 개방 또는 재폐로하기 위한 제1차단 신호 및 제2차단 신호를 각각 생성하는 차단 신호 생성부;가 포함되는 기술을 개시하는 특징이 있다.

그러나 전술한 유사 선행기술에서는 BESS에 의하여 공급되는 전류의 THD의 2차 차분을 사용하여 고장을 판단하고 무전압 시간을 조정하는 적응형 재폐로 기술이 제안되지는 못하였다.

KR10-1105136(B1) KR10-1129634(B1) KR10-1467249(B1)

본 발명은 상기한 발명의 배경으로부터 요구되는 기술적 필요성을 충족하는 것을 목적으로 한다. 구체적으로, 본 발명의 목적은 BESS에 의하여 공급되는 전류의 THD의 2차 차분을 사용하여 고장을 판단하고 무전압 시간을 조정하는 적응형 재폐로 기술을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 BESS 연계 배전계통의 적응형 재폐로 방법은, 계통으로부터 전류

와 전압

를 입력받고 BESS로부터의 전류

와 전압

를 입력받는 단계; 상기

의 실효치와 상기

의 THD를 계산하는 단계; I_1RMS _{_A} or I_1RMS _{_B} or I_1RMS _{_C}>α의 관계가 성립하는지 확인하여 고장 발생 유무를 확인하는 단계; 재폐로기가 개방되고 각 상의 전류 크기를 사용하여 고장상을 검출하는 단계; 고장상에서 I_2THD[i]_-I_1THD[i]>β의 관계가 성립되는지 확인하는 단계; 상기 단계가 성립되지 않으면 무빙 데이터 윈도우 처리를 수행하고 고장상 검출 단계로 회귀하는 단계; 지속 한계값이 ε에 도달한 후 그 이상의 수치가 되는지 확인하는 단계; 상기 BESS측의 전압(|V₂|), 위상각(∠θ₂) 및 주파수(f₂)를 이용하여 동기검정 조건인 f₁-f₂<γ_frequency, (|V₁|-|V₂|)/|V₂|<γ_voltage 및 θ₁-θ₂<γ_angle의 관계가 만족하는지 확인하는 단계; 상기 단계를 만족할 경우 상기 재폐로기에 닫음 동작 명령을 전달하는 단계;가 포함되는 것을 특징으로 한다.

이상과 같이 본 발명은 BESS에 의하여 공급되는 전류의 THD의 2차 차분을 사용하여 고장을 판단하고 무전압 시간을 조정하는 적응형 재폐로 방법을 제공하는 효과가 있다. 또한, 이를 EMTP/ATPDraw 및 EMTP MODELS를 사용하여 배전계통과 BESS 모델링을 수행하고 고장제거 시간에 따른 전산해석을 수행하여 제안된 기술의 유효성을 검증함으로써 고신뢰성의 적응형 재폐로 기술을 제공하는 효과가 있다.

본 발명의 기술적 효과들은 이상에서 언급한 기술적 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 효과들은 청구범위의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 적응형 재폐로 방법을 검증하기 위한 계통모델의 구성도;
도 2는 고장저항이 0.1Ω, 고장위치변위가 50%인 경우에 재폐로 이전 및 트립 이후의 BESS에 의해서 공급된 전류 변화 그래프;
도 3은 고장제거 순간 BESS에 의하여 공급된 전류의 THD 변화 그래프;
도 4는 본 발명에 따른 BESS를 고려한 재폐로 방법을 실시하기 위한 계통 구성도;
도 5는 본 발명에 따른 BESS를 고려한 재폐로 방법의 실시흐름도;
도 6은 본 발명에 따른 BESS를 고려한 재폐로 방법을 검증하기 위하여 실시한 Case 1 시뮬레이션 결과 중 고장상의 부하전류 변화 그래프;
도 7은 본 발명에 따른 BESS를 고려한 재폐로 방법을 검증하기 위하여 실시한 Case 1 시뮬레이션 결과 중 건전상인 B상에서의 부하전류 변화 그래프;
도 8은 본 발명에 따른 BESS를 고려한 재폐로 방법을 검증하기 위하여 실시한 Case 2 시뮬레이션 결과 중 고장상의 부하전류 변화 그래프;
도 9는 본 발명에 따른 BESS를 고려한 재폐로 방법을 검증하기 위하여 실시한 Case 2 시뮬레이션 결과 중 건전상인 B상에서의 부하전류 변화 그래프;
도 10은 본 발명에 따른 BESS를 고려한 재폐로 방법을 검증하기 위하여 실시한 Case 3 시뮬레이션 결과 중 고장상의 부하전류 변화 그래프;
도 11은 본 발명에 따른 BESS를 고려한 재폐로 방법을 검증하기 위하여 실시한 Case 3 시뮬레이션 결과 중 건전상인 B상에서의 부하전류 변화 그래프;이다.

이하에서는, 본 발명의 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다. 또한 본 실시예를 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 생략하기로 한다.

본 발명의 각 구성 단계에 대한 상세한 설명에 앞서, 본 명세서 및 청구 범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위하여 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과하며 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

BESS는 전력전자 장치를 통하여 배전계통에 연계된다. 인버터는 동기기 혹은 유도기처럼 동적으로 반응하지 않는다. 인버터는 회전 질량체를 갖고 있지 않고, 따라서 관성력이 생기지 않는다. BESS의 방전 동안 고장전류 기여는 인버터 기반의 분산전원으로부터의 고장전류 기여와 매우 유사하다. BESS로부터의 고장전류 기여에 대한 선행기술은 거의 없지만, 인버터 기반의 분산전원으로부터의 고장전류 기여에 대한 선행기술은 다수 존재한다. 여러 인버터 기반 고장전류 기여가 인버터 전부하 전류의 1~2배 정도로 제시된 바 있고 고장전류는 정격 전류의 10% 정도인 것으로 확인된 바 있으며 인버터 기반의 분산전원으로 약 1.2 내지 1.5배의 고장전류를 생성하는 것으로 보고된 바 있다. 이 값들은 동기기 혹은 유도기가 존재하는 계통 조건에서의 고장전류와 비교하면 상대적으로 매우 작은 것으로 이는 인버터 기반의 분산전원으로부터 고장전류 기여는 인버터 설계 및 제어에 의존하는 것으로 간주할 수 있다. 따라서 본 발명에서는 BESS로부터의 고장전류 기여는 인버터 전부하 전류의 1.2배보다 작다고 가정하였다. 전력전자 장비가 사용되기 때문에, 고장 동안 BESS로부터 고장전류 기여는 정격 전류보다 상승되는 것이 잠재적으로 제한되고 따라서, 과전류 계전기도 동작하지 않으며 인버터도 셧다운 되지 않을 것이다. 즉, BESS에 의한 낮은 고장전류 기여는 배전계통에 영향을 미치지 않는다.

도 1은 본 발명에서 제안하는 적응형 재폐로 방법을 검증하기 위한 계통모델을 도시한 것으로 BESS로부터 건전상 및 고정상에 공급되는 전류를 분석하기 위한 배전계통모델이다. 제1선로(200)와 제2선로(300)는 10km이고 상기 제1선로(200)와 상기 제2선로(300)의 선종은 ACSR 95mm²이다. 또한, BESS(100)의 용량은 1,000kWh이고 부하(400)의 용량은 3,000kWh이다. 이 때 상기 부하(400)는 단상부하이고 상기 BESS(100)는 비상용 전원으로 동작할 만큼 충분한 용량을 갖도록 설정하고 상기 BESS(100)와 배전계통은 EMTP/ATPDraw로 모델링 되고 전력전자장비는 PQ제어방법에 의하여 모델링 되는 것이 바람직하다.

본 발명에서는 고장종류, 고장저항 및 고장위치에 따른 다양한 고장조건을 시뮬레이션할 수 있는 방법을 제안하고자 한다. 상기 고장종류에 대한 시뮬레이션 방법은 단상지락고장(3가지 경우); 2선지락고장(2가지 경우); 및 3상고장(1가지 경우);이고, 상기 고장저항에 대한 시뮬레이션 방법은 고장저항이 0.1Ω인 경우; 고장저항이 1Ω인 경우; 및 고장저항이 100Ω인 경우;이다. 상기 고장위치에 대한 시뮬레이션 방법은 고장위치변위 10%인 경우; 고장위치변위 30%인 경우; 고장위치변위 50%인 경우; 고장위치변위 70%인 경우; 및 고장위치변위 90%인 경우;이다.

도 2는 상기 고장조건 중 상기 고장종류는 단상지락고장이고, 상기 고장저항이 0.1Ω이며, 상기 고장위치변위가 50%인 경우에 재폐로 이전 및 트립 이후의 BESS(100)에 의해서 공급된 전류 변화를 도시한 것이다. 상기 도 2를 참조하면 고장상(fault phase)의 전류는 건전상(healthy phase)보다 1.18배 크고, 고장 동안 상기 건전상 전류는 60Hz를 갖는 정현파인 것을 확인할 수 있다. 고장제거(fault clearing) 이후에는 모든 상에서 60Hz를 갖는 정상전류가 상기 BESS(100)에 의해서 상기 부하(400)에 공급되고, 상기 건전상 전류는 정현파이며 이러한 결과는 상기 BESS(100)가 고장 조건에서 건전상에 전력을 공급하고자 비상용 전원으로 동작시킬 수 있는 것을 시사한다.

고장저항	고장상 전류	건전상 전류	비(Ratio)
0.1Ω	70.48	59.43	1.18
1Ω	70.4	59.4	1.18
100Ω	65.85	59.4	1.11

상기 표 1은 전술한 고장조건에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸 것으로 고장상 전류에 대한 건전상 전류의 비(ration)를 참조하면 상기 표 1에 제시된 수치는 상기 고장전류에 가장 큰 영향을 미치는 요소가 고장상 전류 수치이므로 고장조건에 대한 사례를 대표하는 값으로 간주할 수 있다. 상기 표 1을 참조하면 고장상과 건전상 전류의 최대 비율은 1.18배인 것을 확인할 수 있는데 이 수치는 동기기가 있는 계통 조건에서의 고장전류보다 작은 수치이다. 따라서 본 발명에서 제안하는 적응형 재폐로 방법을 검증하기 위한 계통모델은 고장상 및 건전상 모두에서 상기 BESS(100)가 배전계통에서 연결된다고 간주할 수 있다.

상기 BESS(100)로 부터의 전류가 고장점에 전류를 지속적으로 공급하고 있을 때 고장제거 순간의 스위칭 이벤트 발생 시 전원의 존재로 인하여 진행파가 발생할 수 있다. 상기 진행파는 많은 고조파 및 진동에 의하여 고조파를 함유하게 된다. 도 3은 고장제거 순간 상기 BESS(100)에 의하여 공급된 전류의 THD의 변화를 나타내는 것으로 고장상의 상기 THD는 고장제거 순간에 급격하게 증가하지만 건전상의 THD는 변화하지 않는 것을 확인할 수 있다. 상기 THD의 급격한 변화는 스위칭 이벤트에 의해서 발생하기 때문에 경향은 상기 THD의 크기를 제외하고 모든 시뮬레이션 사례에서 동일하다고 간주할 수 있다. 따라서 고장상에서 BESS로부터 공급된 전류의 상기 THD가 고장제거를 판단하기 위해서 사용될 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 BESS(100)를 고려하여 재폐로 방법을 개시하기 위한 계통 구성을 나타낸 것이다. 이를 참조하면 보호계전기는 계통으로부터 전류

, 전압

와 상기 BESS(100)로부터의 전류

, 전압

를 입력으로 받는다. 본 발명에서 제안하려는 알고리즘에 의거한 일련의 연산과정 이후에 보호계전기는 Open/Close 신호(510)를 재폐로기(500)에 전송한다. 대부분의 경우에 상기 BESS(100)는 상기 재폐로기(500)에서 멀리 떨어져 있기 때문에 입출력 신호의 성공적인 송수신을 위하여 통신 방법이 요구된다.

(110)는 각 상에 설치되는 것이 바람직하고 상기 BESS(100)가 각 상에 별도로 전력을 공급하기 때문에 단상부하에만 본 발명의 기술을 적용하는 것이 바람직할 것이다.

본 발명에 따른 재폐로 방법은 고장을 검출한 후 적응형 재폐로 방법을 수행하는 것을 특징으로 한다. 고장제거 판단은 고장상에서 전류의 THD 2차분을 이용하여 수행되며 이에 대한 세부적인 실시흐름도는 도 5와 같다. 이를 참조하여 보다 상세하게 설명하면 먼저 재폐로 방법을 수행하기 위해서 입력자료를 구성하고 전술한 바와 같이 전류

, 전압

와 상기 BESS(100)로부터의 전류

, 전압

를 입력으로 받는 단계(S100);를 수행한다. 상기 S100 단계 이후에는 상기

의 실효치와 상기

의 THD를 계산하는 단계(S200);를 수행한다. 상기 S200 단계 이후에 고장이 발생한 것으로 확인되면, 즉 I_1RMS _{_A} or I_{1RMS_B} or I_1RMS _{_C}>α의 관계가 성립되는 것으로 확인되면(S300), 재폐로기가 개방되고 각 상의 전류 크기를 사용하여 고장상을 검출하는 단계(S400);를 수행한다. 여기서 상기 고장상의 BESS(100)는 고장조건에도 불구하고 배전계통으로부터 분리되지 않는다. 그리고 고장상에서 I_2THD[i]_-I_1THD[i]>β의 관계가 성립되는지 확인하고(S500), 이 관계가 성립되지 않는 것으로 확인되면 무빙 데이터 윈도우(moving data window) 처리 단계(S600);를 수행하여 상기 S400 단계로 회귀한다. 상기 S500 단계에서 I_2THD[i]_-I_1THD[i]>β의 관계가 성립한다면 고장상 전류의 THD의 2차 차분(SODT)에 대해서 수식(1)을 이용하여 상기 무빙 데이터 윈도우를 수행하여 상기 2차 차분을 계산한다.

SODT = I_2THD[i]-I_2THD[i-2] ... 수식(1)

THD 값은 고장제거 순간에 갑자기 증가하므로 고장이 제거될 때 상기 SODT는 β_THD 보다 증가하게 되며 이 조건이 만족된다면, 지속 한계값(duration threshold)이 증가된다. 상기 지속 한계값이 ε에 도달하여 그 이상의 수치가 되면(S700), 고장이 제거된 것으로 판단하고 동기검정을 수행한다. 상기 동기검정 항목은 상용전원과 상기 BESS(100)로부터 공급된 전력의 주파수(f), 위상각(θ), 전압 차이(V)이다. 고장을 검출하기 위한 α는 계통 조건에 의존하는 것이 바람직하며 일반적으로는 500으로 설정하여도 무방하지만 반드시 이 수치에 한정되는 것은 아니다. 상기 동기검정은 상기 계통측 전압(|V₁|), 위상각(∠θ₁) 및 주파수(f₁)와 상기 BESS(100)측의 전압(|V₂|), 위상각(∠θ₂) 및 주파수(f₂)를 이용하여 동기 검정 조건인 f₁-f₂<γ_frequency, (|V₁|-|V₂|)/|V₂|<γ_voltage 및 θ₁-θ₂<γ_angle의 관계가 만족(S800)한다면 상기 재폐로기(500)에 닫음 동작 명령을 전달한다(S900). 고장 제거를 판단하기 위한 한계값인 β_THD와 ε은 0.1과 5로 설정하였다. 상기 동기검정을 위한 항목인 γ_frequency, γ_voltage, and γ_angle는 계통 조건에 독립적인 값이며 본 발명에서는 상기 γ_frequency는 0.2 Hz, 상기 γ_voltage는 5%, 상기 γ_angle는 15도인 것으로 설정하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 제안된 적응형 재폐로 방법을 검증하기 위해서 제안된 알고리즘은 EMTP/MODELS로 모델링 및 시뮬레이션하는 것이 바람직하다.

Case	고장 발생	고장 제거	모의
1	1.2	1.4	순간고장
2	1.2	1.9	순간고장
3	1.2	-	영구고장

상기 표 2는 상기 EMTP/MODELS로 모델링 및 시뮬레이션을 수행하기 위한 조건을 나타낸 것으로 정상상태에서 BESS는 0~1초 사이에 완전히 충전되며, 1초 이후에 방전된다. 상기 BESS(100)가 건전상에 공급할 충분한 에너지를 갖는다면 충전상태에 따른 고장조건 시 차이는 없고 따라서 완전히 충전된 경우를 모의하였다. Case 1과 Case 2는 순간고장, Case 3은 영구고장이다. a상 1선 지락고장을 모의하였으며, 고장저항은 0.1옴, 고장위치는 선로 2의 5km지점을 설정하였다. 본 발명에서 제안된 알고리즘을 검증하기 위해서, 기존의 재폐로 방법과 비교하였다. 종래의 재폐로 방법은 BESS가 배전계통으로부터 고장 시 분리되고, 재폐로는 0.5초 및 15초의 고정된 무전압 시간 후에 수행되는 방법이다. 상기 Case 2와 상기 Case 3의 종래 재폐로 방법 모의 시 2차 재폐로를 위한 무전압 시간은 시뮬레이션 편의상 15초 대신에 0.5초로 설정하였다.

도 6은 상기 Case 1에서 고장상의 부하 전류를 나타낸다. 측정점은 도 1에 표시되어 있다. 고장은 1.2초에 발생하고 재폐로기는 1.25초에 트립된다. BESS 및 상용전원 모두 전류는 고장점으로 흐르기 때문에 두 방법 모두 고장 동안 부하 전류는 정격전류보다 작다. 고장은 1.4초에 제거된다. 제안된 재폐로 방법에 따라 고장이 검출되고 재폐로는 동기검정 후 1.44초에 성공적으로 수행된다. 반면, 기존 재폐로의 경우, 재폐로는 고장제거에도 불구하고 고정된 무전압 시간이 경과한 1.75초에 재페로가 수행된다. 따라서, 기존 재폐로에서 정전시간이 제안된 방법 보다 길다.

도 7은 상기 Case 1에서 건전상인 B상에서 부하 전류를 나타낸다. 제안된 방법의 경우, BESS를 트립 이후 건전상에 정상전류를 지속적으로 공급하고 따라서 정전이 발생하지 않는다. 그렇지만, 기존 재폐로의 경우, 고장이 B상에 났음에도 불구하고 재폐로 이전에 정상전류가 부하에 공급되지 않고 정전이 발생하기 된다. C상 역시 B상의 결과와 동일하다.

도 8은 CASE 2에서 고장상의 부하전류를 나타낸다. 측정점은 CASE1과 동일하다. 제안된 방법의 경우, 1.9초에 고장제거를 검출하고 1.94초에 재폐로가 수행된다. 기존 재폐로의 경우 1차 재폐로가 무전압 시간인 0.5초 이후에 수행되지만 재페로는 실패하고 재폐로기는 다시 개방된다. 2차 재페로는 정해진 무전압 시간인 0.5초 이후인 2.25초에 수행된다. 실제로 2차 제폐로는 15초의 고정된 무전압 시간 후에 실행될 것이고 정전 시간은 시뮬레이션 결과보다 훨씬 길어질 것이다. 만약 제안된 방법이 적용된다면, 재페로는 고장제거 이후 적응적으로 수행되고 정전시간이 짧아질 것이다.

도 9는 CASE 2에서 건전상인 B상의 부하전류를 나타낸다. 제안된 방법의 경우, 정상전류가 트립 이후 BESS에 의하여 부하에 지속적으로 공급되고 잇고 따라서 정전이 발생하지 않는다. 그러나, 기존 재폐로의 경우, 부하 전류는 1차 재폐로 이전 0이며, 1차 재폐로가 실패하기 때문에 다시 0이 된다. 2.25초에 2차 재폐로 이후 부하에 정상전류가 공급되기 시작한다. 따라서, 정전시간이 훨씬 길어진다.

도 10은 CASE 3에서 고장상의 부하 전류를 나타낸다. 기존 재폐로의 경우, 1.75초, 2.25초에 2번의 재페로가 모두 실패하고 따라서 재폐로기는 개방된다. 재폐로 시도 시, 진행파에 의한 동요파가 부하에 공급되고 전원으로부터 높은 고장전류가 고장점에 공급된다. 반면, 제안된 재폐로 방법은 고장상에 BESS에 의한 작은 전류만이 부하에 공급되고 재폐로는 시도되지 않는다.

도 11은 CASE 3에서 건전상 B상의 부하 전류를 나타낸다. 기존 재페로의 경우, 부하 전류는 1차 재폐로 이전 0이며, 1차 및 2차 재폐로 시 고장이 지속되기 때문에 다시 0이 된다. 따라서, 건전상임에도 불구하고 정전을 경험하게 된다. 제안된 방법의 경우 정상전류가 트립 이후 BESS에 의하여 부하에 지속적으로 공급되고 있으며, 정전이 발생하지 않게 된다.

이상 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용, 변형 및 개작을 행하는 것이 가능할 것이다. 이에, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

100 : BESS
200 : 제1선로
300 : 제2선로
400 : 부하
500 : 재폐로기

Claims

BESS 연계 배전계통에서 THD 2차 차분을 이용한 적응형 재폐로 방법에 있어서,
계통으로부터 전류
와 전압
를 입력받고 BESS(100)로부터의 전류
와 전압
를 입력받는 단계(S100);
상기
의 실효치와 상기
의 THD를 계산하는 단계(S200);
I_1RMS _{_A} or I_1RMS _{_B} or I_1RMS _{_C}>α의 관계가 성립하는지 확인하여 고장 발생 유무를 확인하는 단계(S300);
재폐로기(500)가 개방되고 각 상의 전류 크기를 사용하여 고장상을 검출하는 단계(S400);
고장상에서 I_2THD[i]_-I_1THD[i]>β의 관계가 성립되는지 확인하는 단계(S500);
상기 S500 단계가 성립되지 않으면 무빙 데이터 윈도우 처리를 수행하고 상기 S400 단계로 회귀하는 단계(S600);
지속 한계값이 ε에 도달한 후 그 이상의 수치가 되는지 확인하는 단계(S700);
상기 BESS(100)측의 전압(|V₂|), 위상각(∠θ₂) 및 주파수(f₂)를 이용하여 동기검정 조건인 f₁-f₂<γ_frequency, (|V₁|-|V₂|)/|V₂|<γ_voltage 및 θ₁-θ₂<γ_angle의 관계가 만족하는지 확인하는 단계(S800);
상기 S800 단계를 만족할 경우 상기 재폐로기(500)에 닫음 동작 명령을 전달하는 단계(S900);가 포함되는 것을 특징으로 하는 적응형 재폐로 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 S500 단계에서 I_2THD[i]_-I_1THD[i]>β의 관계가 성립한다면 고장상 전류의 THD의 2차 차분(SODT)에 대해서,
SODT = I_2THD[i]-I_2THD[i-2] ... 수식(1)
상기 수식(1)을 이용하여 상기 무빙 데이터 윈도우를 수행하여 상기 2차 차분을 계산할 수 있는 것을 특징으로 하는 적응형 재폐로 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 BESS(100)로부터 공급된 전력의 주파수(f), 위상각(θ), 전압(V) 차이를 기반으로 고장을 검출하기 위한 α는 계통 조건에 의존되며, 500으로 설정될 수도 있는 것을 특징으로 하는 적응형 재폐로 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 동기검정을 위한 γ_frequency, γ_voltage, and γ_angle는 계통 조건에 독립적인 값이며 상기 γ_frequency는 0.2 Hz, 상기 γ_voltage는 5%, 상기 γ_angle는 15도인 것을 특징으로 하는 적응형 재폐로 방법.
제 1 항에 있어서,
THD 2차 차분을 이용한 적응형 재폐로 방법에 대한 실시 흐름의 검증을 위해서 EMTP/MODELS로 모델링을 수행하고, 충전상태에 따른 고장조건 시 차이는 없고 완전히 충전된 경우를 모의하여, 순간고장 및 영구고장에 대한 시뮬레이션을 수행하고, 상기 검증 자료로는 고장상의 부하전류 변화자료 및 건전상의 부하전류 변화자료가 포함되는 것을 특징으로 하는 적응형 재폐로 방법.