KR20240058590A - 루프 배전 선로의 수지상 운전시 전압 보상 운전 방법 및 장치 - Google Patents

루프 배전 선로의 수지상 운전시 전압 보상 운전 방법 및 장치 Download PDF

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채우규
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한국전력공사
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Abstract

본 발명의 루프 배전 선로의 수지상 운전시 전압 보상 운전 방법은, 루프 배전 계통이 수지상 배전 방식으로 운전되는 경우, 전력이 공급되는 전원단과 분산전원 연계 지점에 대한 임피던스 정보를 취득하는 단계; 상기 분산전원 연계 지점에 대한 상기 전원단에서의 저항 및 리액턴스를 활용하여 분산전원이 전압 보상을 위해 수행할 보상 운전 정보를 계산하는 단계; 및 상기 분산전원으로 계산된 상기 보상 운전 정보에 따른 운전을 지시하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

루프 배전 선로의 수지상 운전시 전압 보상 운전 방법 및 장치{Voltage Compensation Operation Appratus for Radial Operation of Loop Distribution Line}
본 발명은 루프 배전 선로를 수지상 배전 방식으로 운전하는 상황에서 전압 보상 운전 방법 및 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로 예시하면, 일시적 수지상 운전시 분산전원의 한정적인 정격 출력 용량 내 기여할 수 있는 최대의 전압 보상을 수행하기 위해서 연계 선로의 임피던스를 활용하고, 해당 임피던스를 고려한 역률각으로 분산전원의 운전을 지령함으로써, 가장 효율적인 전압 강하 보상에 기여하는 방안에 관한 것이다.
루프 배전계통은 2개의 배전선로를 상시 연계시켜 운전하는 계통 방식이다. 수지상 배전선로의 단점을 극복하고자 도입되었으며, 수지상 배전선로 대비 선로의 설비 이용률을 향상하고, 고장 처리 시간 및 정전 구간 감소, 말단 전압강하의 해소, 선로 손실 완화 등의 장점을 가진다. 운영 안전을 위해 필요한 추가설비의 증설을 회피할 수 있다는 이점도 있다. 최근에는 전력공급에 대한 신뢰도 향상, 설비의 경제성 향상을 주 목적으로 하는 다회선 루프계통에 대한 연구도 이루어지는 추세이다.
도 1은 수지상 배전계통을 예시한 배전도이다.
도 2는 다회선 루프 배전계통을 예시한 배전도이다.
도 2에 도시한 바와 같은 루프 배전계통은 수지상에 비해 고장 처리 시간이 짧고 정전 구간이 작다.
반면, 도 1의 수지상 선로는 고장 발생시 고장 구간을 분리하고, 다른 선로로 절체시켜 고장구간이 아니지만 정전이 발생한 구간을 복구한다. 이는 고장 상황이나 운영원의 숙련치에 따라 통상 3분 이상의 시간이 소요된다.
도 2의 루프 배전계통에서는 고장 발생 시 고장 구간을 단말 장치가 자동으로 판별 및 분리하여 정전 구간을 최소화할 수 있고, 고장 처리도 100[ms] 이내에 완료된다는 장점이 있다.
도 3은 정상 운전중인 2회선 루프 배전방식을 나타낸 배전도이다.
도 4는 고장 구간 분리 및 수지상 배전방식 운전을 나타낸 배전도이다.
도 5는 수지상 배전방식 운전으로 인한 전압 강하 문제 발생을 나타낸 배전도이다.
루프 배전계통의 고장 구간 분리 및 선로 절체시 발생할 수 있는 문제점(즉, 본 발명의 필요성)에 대해 설명하고자 한다.
도 3과 같이 다수의 다회로 차단기가 연계된 2회선의 루프 배전계통이 정상 운전을 하고 있다고 가정한다. 이때 임의의 지점에 고장이 발생하여 고장 구간을 분리시킨 후, 수지상 배전방식으로 전환하여 운전하는 상황을 도 4와 같이 나타냈다.
도 4의 상황에서 선로 용량 초과와 전압 강하 문제가 발생할 수 있다. 본 발명에서 다룰 것은 전압 강하 문제로, 이에 대해 상세히 설명하고자 한다. 루프 계통은 말단 전압 강하를 해소할 수 있다는 장점을 지니지만, 고장 구간 분리 후 수지상 계통으로 운전 시 오히려 말단 전압 강하가 커질 수 있다는 단점을 지닌다. 도 5의 상황과 같은 배전선로에서 발생하는 전압 강하는 선로 임피던스 및 연계 부하의 용량과 연계 위치에 지배적인 영향을 받기 때문에, 루프 계통에서 인출단에 가까운 고장이 발생할수록 한 선로가 부담하는 부하의 용량 및 선로 길이에 따라 추가 전압 강하를 유발함으로써 생기는 문제이다.
이로써 배전선로 전압 유지 범위를 이탈하는 상황이 발생할 수 있으며, 저품질의 전력공급에 따른 전기설비 및 수용가의 피해 유발, 저전압으로 인한 계전기 동작으로 정전 구간이 확대될 수 있다.
대한민국 공개공보 10-2022-0106543호
본 발명은 루프 배전 선로의 일시적인 수지상 운전시 분산전원의 정격 용량 내 최대 전압 보상 협조 운전을 통해, 분산전원의 한정적 용량으로 최대의 전압 보상(전압 유지 범위 준수) 역할을 수행하는 루프 배전 선로의 일시적인 수지상 운전시 전압강하 보상 방법을 제공하고자 한다.
본 발명은 일시적인 수지상 운전시에도 전압 유지 범위 준수 및 높은 신뢰도의 전력계통 운영을 확보하고, 계통 운영의 안정성을 향상시키며, 배전선로의 전압 유지를 비용 부담을 절감할 수 있는 루프 배전 선로의 일시적인 수지상 운전시 전압강하 보상 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 루프 배전 선로의 수지상 운전시 전압 보상 운전 방법은, 루프 배전 계통이 수지상 배전 방식으로 운전되는 경우, 전력이 공급되는 전원단과 분산전원 연계 지점에 대한 임피던스 정보를 취득하는 단계; 상기 분산전원 연계 지점에 대한 상기 전원단에서의 저항 및 리액턴스를 활용하여 분산전원이 전압 보상을 위해 수행할 보상 운전 정보를 계산하는 단계; 및 상기 분산전원으로 계산된 상기 보상 운전 정보에 따른 운전을 지시하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 루프 배전 계통에서 수지상 배전 방식으로 전환 상황을 인지하는 단계를 더 포함할 수 있다.
여기서, 계통의 루프 배전 방식으로 복구 상황을 인지하면, 상기 보상 운전 정보에 따른 운전을 중지시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 분산전원 연계 지점에서의 전압이 소정의 유지 범위 이내에 속하는지 모니터링하는 단계를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 임피던스 정보는, 상기 전원단에서의 전압 및 전류의 측정값들과, 상기 분산전원 연계 지점에서의 전압 및 전류의 측정값들일 수 있다.
여기서, 상기 보상 운전 정보는, 상기 분산전원 연계 지점에 대하여 보상하여야 할 유효 및 무효 전류 출력 지령일 수 있다.
여기서, 상기 보상 운전 정보는, 상기 분산전원 연계 지점에 대하여 보상하여야 할 유효 및 무효 전류 출력으로 결정되는 역률각일 수 있다.
여기서, 상기 임피던스 정보는, 상기 전원단에서의 전압과 상기 분산전원 연계 지점에서의 전압의 차이로부터 도출된 저항 및 리액턴스로 이루어질 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 루프 배전 선로의 수지상 운전시 전압 보상 운전 장치는, 루프 배전 계통에서 수지상 배전 방식으로 전환 상황 및 루프 배전 방식으로 복구 상황을 인지하는 배전 계통 감시부; 전력이 공급되는 전원단과 분산전원 연계 지점에 대한 임피던스 정보를 취득하는 PCC 정보 획득부; 상기 분산전원 연계 지점에 대한 상기 전원단에서의 저항 및 리액턴스를 활용하여 분산전원이 전압 보상을 위해 수행할 보상 운전 정보를 계산하는 보상 운전 정보 산출부; 및 상기 분산전원으로 계산된 상기 보상 운전 정보에 따른 운전을 지시하고, 계통의 루프 배전 방식으로 복구 상황시, 상기 보상 운전 정보에 따른 운전의 중지를 지시하는 분산전원 운전 지령부를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 배전 계통 감시부는, 상기 보상 운전 정보에 따른 운전의 수행 중에, 상기 분산전원 연계 지점에서의 전압이 소정의 유지 범위 이내에 속하는지 모니터링할 수 있다.
여기서, 상기 임피던스 정보는, 상기 전원단에서의 전압 및 전류의 측정값들과, 상기 분산전원 연계 지점에서의 전압 및 전류의 측정값들일 수 있다.
여기서, 상기 보상 운전 정보는, 상기 분산전원 연계 지점에 대하여 보상하여야 할 유효 및 무효 전류 출력 지령일 수 있다.
여기서, 상기 보상 운전 정보는, 상기 분산전원 연계 지점에 대하여 보상하여야 할 유효 및 무효 전류 출력으로 결정되는 역률각일 수 있다.
여기서, 상기 임피던스 정보는, 상기 전원단에서의 전압과 상기 분산전원 연계 지점에서의 전압의 차이로부터 도출된 저항 및 리액턴스로 이루어질 수 있다.
상술한 구성의 본 발명의 사상에 따른 루프 배전 선로의 일시적인 수지상 운전시 전압강하 보상 방법을 실시하면, 분산전원의 한정적 용량으로 최대의 전압 보상(전압 유지 범위 준수) 역할을 수행하는 이점이 있다.
구체적으로, 타 협조 운전(출력 지령)과 비교시 분산전원의 동일 정격 용량으로부터 최대의 전압 협조가 가능한 이점이 있다. 즉, 배전방식에 관계없이 전압 유지범위를 이탈하는 저전압/과전압 현상이 발생할 수 있으며, 이의 요인은 날로 증가하고 있다. 루프 배전방식의 정상적인 동작(고장시 선로 분리-수지상 배전방식으로 운전)시에도 전압 유지범위를 이탈할 수 있는데, 이때 발생하는 저전압을 효과적으로 해소하기 위해 활용될 수 있다.(선로에 연계된 분산전원의 용량이 한정적이므로, 이의 용량 내 최대의 전압 보상을 수행하여 기능적/경제적으로 효용 가치를 지닐 것이다.)
본 발명의 루프 배전 선로의 일시적인 수지상 운전시 전압강하 보상 방법은, 계통의 배전 방식에 관계 없이 적용할 수 있으며, 고장시 운전지속 상황에서도 효용성이 보장되는 이점이 있다.
배전선로의 안전을 저해/고장을 유발하는 요인은 가늠할 수 없을 정도로 많으며 일시적인 고장이 대부분인데, 고장시 선로를 분리(운전을 중지)하는 것이 아니라 고장 상황임에도 불구하고 연계를 유지하는 것이 경제적이므로, 일정 시간의 운전을 지속하여 연계를 유지하는 것이다. 연계를 영구 유지하려면 일정 시간 내 정의한 정상 범위를 충족해야 하며, 이를위해 본 발명은 효율적인 저전압 및 과전압 보상 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 수지상 배전계통을 예시한 배전도.
도 2는 다회선 루프 배전계통을 예시한 배전도.
도 3은 정상 운전중인 2회선 루프 배전방식을 나타낸 배전도.
도 4는 고장 구간 분리 및 수지상 배전방식 운전을 나타낸 배전도.
도 5는 수지상 배전방식 운전으로 인한 전압 강하 문제 발생을 나타낸 배전도.
도 6은 분산전원과 부하의 연계 및 전력 조류의 원리를 예시하기 위한 구성도.
도 7은 본 발명의 사상에 따른 루프 배전 선로의 일시적인 수지상 운전시 전압강하 보상 방법의 일 실시예를 도시한 흐름도.
도 8은 본 발명의 사상에 따른 루프 배전 선로의 일시적인 수지상 운전시 전압강하 보상 운전 장치의 일 실시예를 도시한 블록도.
도 9는 시뮬레이션 계통도.
도 10은 수지상 배전방식 전환 전 후의 전압 측정 결과를 나타낸 그래프.
도 11a는 전환 전 전압 결과 화면.
도 11b는 전환 후 전압 결과 화면.
도 12는 역률 및 k에 따른 전압 보상 값[PU] 계산 및 도시 결과를 나타낸 그래프.
도 13 국가별 Voltage Ride Through 정의를 예시하는 그래프.
도 14는 분산전원 도입에 따른 배전선로 과전압 현상을 나타낸 개념도.
도 15는 루프 배전 계통의 재루프시 발생할 수 있는 문제점을 나타낸 계통 구성도.
본 발명을 설명함에 있어서 제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되지 않을 수 있다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 연결되어 있다거나 접속되어 있다고 언급되는 경우는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해될 수 있다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.
본 명세서에서, 포함하다 또는 구비하다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것으로서, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해될 수 있다.
또한, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
본 발명은 선로임피던스를 고려한 분산전원의 협조 운전을 통해 최대의 전압 보상을 수행하는 방법을 제시한다. 분산전원 협조 운전시 임의의 전력 지령 또는 역률 운전이 아닌, 분산전원의 정격 용량 내 기여할 수 있는 최적 출력을 지령하여 최대의 전압 보상을 수행한다.
분산전원의 출력에 따라 배전선로 전압 변동이 발생하며, 이는 선로 임피던스와 분산전원의 출력(유효/무효 전력)에 따라 결정된다. 선로 임피던스의 저항 성분은 유효 전류(전력)와의 곱으로, 리액턴스 성분은 무효 전류(전력)와의 곱으로 전압 변동에 관여한다.
이를 활용하여 분산전원이 선로 임피던스 저항 성분과 리액턴스 성분의 비를 활용한 출력지령 E협조 운전을 수행함으로써, 같은 정격 용량으로 더욱 큰 전압 보상을 수행할 수 있다.
또한, 루프 배전 계통의 고장 구간 분리 후 수지상 배전 방식으로 운전하게 될 경우 발생하는 전압 강하를 최대한 보상해줌으로써 배전선로 전압 유지 범위 준수 및 고품질을 공급할 수 있다.
동작 원리 상세 설명을 위해 사용할 용어를 하기 <표 1>과 같이 정리하겠다.
도 6은 분산전원과 부하의 연계 및 전력 조류의 원리를 예시하기 위한 구성도이다.
분산전원이 연계된 상황에서 전력 조류에 따른 전압강하를 도 6을 활용하여 설명하면 다음과 같다. 계통이 공급하는 유·무효 전력은 부하의 전력과 분산전원이 공급하는 전력에 의해 결정된다. 전력의 흐름이 발생한다는 것은 통전하는 전류와 선로 임피던스로 인해 전압강하가 발생함을 의미한다.
이와 같은 전압강하를 하기 수학식 1 및 수학식 2와 같이 표현할 수 있다. 하기 수학식들이 의미하는 바는 다음과 같다.
- 분산전원의 출력은 수전단 전압 변동을 유발
- 선로 임피던스의 저항 성분은 유효 전력 관계되어 전압 변동에 기여
- 선로 임피던스의 리액턴스 성분은 무효 전력 관계되어 전압 변동에 기여
분산전원의 정격 용량 내 최대 전압 보상을 수행하기 위해서는 연계된 선로의 임피던스(저항과 리액턴스의 비)를 고려해야하며, 본 발명에서는 이를 하기 수학식 3과 같이 k로 정의할 수 있다.
앞서 구한 선로 임피던스의 비??와 분산전원 정격 출력 용량을 활용하여 최대 전압 보상관계식을 구하려 한다. 선로 임피던스와 분산전원의 출력 전류에 의한 전압 변동은 하기 수학식 4와 같은 관계로 나타낼 수 있다. 분산전원 출력 정격전류의 크기를 1[PU]라고 했을 때 유효 전류 및 무효 전류의 관계식은 하기 수학식 5와 같으며, 상기 수학식 3 및 수학식 5를 활용하여, 상기 수학식 4를 하기 수학식 6과 같이 나타낼 수 있다.
상기 수학식 4에서 적용하는 근사화는, 수학식 4의 R 및 X를, 상기 전원단에서의 전압과 상기 분산전원 연계 지점(PCC)에서의 전압의 차이로부터 도출되며, 부하 및 부하측 선로에 의한 전압 강하를 함께 반영한, 일종의 가상의 저항 및 리액턴스로서 이용한 것이다. 이 경우, k는 상기 가상의 저항 및 리액턴스의 비이며, 임피던스 비라고 약칭하기도 한다. 이와 같이 근사화하는 것은, 분산전원이 PCC단에 대하여 공급하는 전력도 Vs 전원단에서 공급하는 것으로 근사화되어, 계산을 보다 간편하기 하기 위함이다.
상기 수학식 6의 전압 변동 ΔV를 최대로 하는 유효 전력 IP를 구하기 위해서는 IP에 대한 도함수를 구하고, 그의 값이 0이 되는 IP를 찾으면 된다. IP를 구하게 되면, 분산전원 출력 무효 전력 IQ와 운전 역률을 구할 수 있다. 이를 나타내면 하기 수학식 7 내지 수학식 9와 같다.
상기 서술한 유효 및 무효 전류, 운전 역률로 최대의 전압 강하 보상을 수행할 수 있다. 이의 방법은 에너지 저장장치(ESS)와 태양광 발전장치(PV)에 구분없이 사용할 수 있다.
각 분산전원의 최대 출력 운전이 가능할 때는 유효 및 무효 전류 출력 지령(PQ 운전)으로 운전해도 되지만, PV 발전량의 경우 변동성이 매우 큰 일사량의 지배적인 영향을 받는 점 및 분산전원 발전 제어에 MPPT 제어가 적용될 수도 있는 점 등을 감안하면, 역률(각)을 지령하여 운전하는 것이 합리적이다.
동작 원리를 정리하자면 다음과 같다. 분산전원의 출력은 배전선로 전압 변동을 유발하며, 이는 연계된 선로 임피던스의 영향을 받는다. 분산전원의 한정적인 정격 출력 용량 내 기여할 수 있는 최대의 전압 보상을 수행하기 위해서 연계 선로의 임피던스를 활용하고, 해당 임피던스를 고려한 역률각으로 분산전원의 운전을 지령함으로써, 가장 효율적인 전압 강하 보상에 기여한다.
도 7은 본 발명의 사상에 따른 루프 배전 선로의 일시적인 수지상 운전시 전압강하 보상 방법의 일 실시예를 도시한 흐름도이다.
도시한 흐름도에 따른 알고리즘은, 루프 계통에서 고장 구간 분리 후 수지상 배전 방식으로 운전시 발생할 수 있는 전압 강하 문제를 해결할 수 있다. 제안 알고리즘을 수행하는 주체는 배전 자동화 시스템(DAS)로, 감시 계통의 모니터링(계측), 알고리즘 계산, 분산전원 운전 지령을 수행한다.
분산전원의 경우 ESS와 PV가 해당되며, 국내 KS C IEC 61850 규정에 따라 DAS로부터 원격 제어(운전)가 가능하다는 것을 전제로 한다. 이로써 분산전원은 선로 임피던스를 고려한 분산전원의 협조운전을 수행하며, 분산전원의 한정된 용량 내 기여할 수 있는 최대의 전압 보상을 도모한다.
도시한 루프 배전 선로의 일시적인 수지상 운전시 전압강하 보상 운전? 방법은, 루프 배전 계통에서 수지상 배전 방식으로 전환 상황을 인지하는 단계(S10); 전력이 공급되는 전원단과 분산전원 연계 지점(PCC)에 대한 임피던스 정보를 취득하는 단계(S20); 상기 분산전원 연계 지점(PCC)에 대한 상기 전원단에서의 일종의 연계 선로 파라미터로서 저항 및 리액턴스를 활용하여 분산전원이 전압 보상을 위해 수행할 보상 운전 정보를 계산하는 단계(S30); 상기 분산전원으로 계산된 상기 보상 운전 정보에 따른 운전을 지시하는 단계(S40); 및 계통의 루프 배전 방식으로 복구 상황을 인지하면(S70), 상기 보상 운전 정보에 따른 운전을 중지시키는 단계(S80)를 포함할 수 있다.
구현에 따라, 도시한 일시적인 수지상 운전시 전압 보상 운전 방법은, 상기 분산전원 연계 지점(PCC)에서의 전압이 유지 범위(도 7에서는 전압 유지 상한을 적용) 이내에 속하는지 모니터링하는 단계(S50)를 더 포함할 수 있다.
상기 S50 단계에서 전압이 유지 범위 이내에 속하면, 상기 보상 운전 정보에 따른 운전을 유지하고(S60), 전압이 유지 범위를 벗어나면, 상기 보상 운전 정보에 따른 운전을 중단한다(S90).
적용 필드의 환경 조건에 따른 획득 가능한 값들 및 전압 조정의 요구되는 정확도(정밀도)에 따라, 상기 전원단과 분산전원 연계 지점(PCC)에 대한 임피던스 정보는, 다양한 값들의 조합이 될 수 있다.
예컨대, 상기 전원단과 분산전원 연계 지점(PCC)에 전력 상태 감시를 위한 전압 및 전류 측정 센서들이 구비된 경우, 상기 임피던스 정보로서, 전원단에서의 전압 및 전류의 측정값들과, 분산전원 연계 지점(PCC)에서의 전압 및 전류의 측정값들 획득할 수 있다. 이 경우에도, 전압 조정의 요구 정밀도가 낮은 경우에는, 각 전압의 측정값들만 이용할 수 있다.
예컨대, 배전 계통의 각 선로들의 모든 사양 정보들을 획득할 수 있는 경우, 상기 임피던스 정보로서, 상기 전원단과 분산전원 연계 지점(PCC) 사이의 실제 선로의 저항 및 리액턴스, 상기 분산전원 연계 지점(PCC)과 부하 말단 사이의 실제 선로의 저항 및 리액턴스 및 상기 분산전원 연계 지점(PCC)과 분산전원 사이의 실제 선로의 저항 및 리액턴스를 이용할 수 있다.
구현에 따라, 상기 보상 운전 정보는, 상술한 수학식들의 풀이 과정에서 도출된 PCC 지점에 대하여 보상하여야 할 유효 및 무효 전류 출력 지령(PQ 운전)이거나, 상기 유효 및 무효 전류 출력으로 결정되는 역률각일 수 있다. 앞서 살펴본 바와 같이, 신재생 분산전원의 경우에는 후자인 경우가 유리하다.
도시한 S10 단계는, 루프 계통에서 수지상 배전 방식으로 전환·운전하는 상황에서 제안 알고리즘이 시작됨을 표현한 것이다.
도시한 S20 단계에서는, 분산전원 연계 선로의 저항 및 리액턴스의 비로서 상기 수학식 3에 따른 k를 계산한다.
도시한 S30 단계에서는 상기 k값(연계 선로 저항 및 리액턴스의 비)를 활용하여 상기 수학식 9에 따른 운전 역률각을 계산한다.
도시한 S40 단계에서는, 분산전원으로서 PV 및/또는 ESS로 상기 S30 단계에서 계산한 운전 역률각 지령, 즉, 상기 운전 역률각을 전송하고, 이에 따른 운전을 지시한다.
도시한 S50 단계에서는, 분산전원의 협조로 인해 배전선로의 전압 유지 범위를 벗어나지 않는 조건을 설정하여 적용할 수 있다. 상기 S50 단계는 PCC 단의 전압 측정값들을 확인하는 방식으로 수행될 수 있다. 배전 계통의 전압 유지범위를 준수하는 조건문을 설정한 것이며, 분산전원의 협조 운전으로 인해 연계점(공통 접속점) 전압이 배전선로 전압 유지 상한 범위를 초과하지 않아야 하기 때문이다.
도시한 S70 단계 및 S80 단계는 루프 배전방식 복구시 운전 중지를 위한 것이다.
구현에 따라, 상기 S10 단계 및 S70 단계에서, 각 처리 주체(CPU)들이 배전 선로상에 배치된 개폐기들로부터 전송받은 상태 정보들로부터, 수지상 배전 방식으로 전환되었음을 판단할 수도 있으나, 중앙 관제 장치에서 수지상 배전 방식으로 전환되었음을 통보하는 것이 오류 방지를 위해 유리하다.
상기 S90 단계에서는, PCC 단에서 측정된 전압값이 배전선로의 전압 유지 범위를 벗어나는 경우에 대하여, 관리자에게 이를 통보하고, 위험도가 높은 경우가 아니라면 가급적 루프 방식으로 전환할 수 있다.
도 8은 본 발명의 사상에 따른 루프 배전 선로의 일시적인 수지상 운전시 전압강하 보상 운전 장치의 일 실시예를 도시한 블록도이다.
도시한 루프 배전 선로의 일시적인 수지상 운전시 전압강하 보상 운전 장치는, 루프 배전 계통에서 수지상 배전 방식으로 전환 상황 및 루프 배전 방식으로 복구 상황을 인지하는 배전 계통 감시부(120); 전력이 공급되는 전원단과 분산전원 연계 지점(PCC)에 대한 임피던스 정보를 취득하는 PCC 정보 획득부(140); 상기 분산전원 연계 지점(PCC)에 대한 상기 전원단에서의 저항 및 리액턴스를 활용하여 분산전원이 전압 보상을 위해 수행할 보상 운전 정보를 계산하는 보상 운전 정보 산출부(160); 및 상기 분산전원으로 계산된 상기 보상 운전 정보에 따른 운전을 지시하고, 계통의 루프 배전 방식으로 복구 상황시, 상기 보상 운전 정보에 따른 운전의 중지를 지시하는 분산전원 운전 지령부(180)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 배전 계통 감시부(120)는, 상기 보상 운전 정보에 따른 운전의 수행 중에, 상기 분산전원 연계 지점에서의 전압이 소정의 유지 범위 이내에 속하는지 모니터링할 수 있다.
여기서, 상기 임피던스 정보는, 상기 전원단에서의 전압 및 전류의 측정값들과, 상기 분산전원 연계 지점에서의 전압 및 전류의 측정값들일 수 있다. 또한, 상기 전원단에서의 전압과 상기 분산전원 연계 지점에서의 전압의 차이로부터 도출되며, 부하 선로 임피던스 등에 의한 효과도 포함되는 일종의 가상의 저항 및 리액턴스로 이루어질 수 있다.
여기서, 상기 보상 운전 정보는, 상기 분산전원 연계 지점에 대하여 보상하여야 할 유효 및 무효 전류 출력 지령이거나, 또는, 상기 분산전원 연계 지점에 대하여 보상하여야 할 유효 및 무효 전류 출력으로 결정되는 역률각일 수 있다.
도시한 루프 배전 선로의 일시적인 수지상 운전시 전압강하 보상 운전 장치는,
상기 전원단에서의 전압 및 전류의 측정값들과, 상기 분산전원 연계 지점에서의 전압 및 전류의 측정값들 등 배전 계통에서의 각종 측정값들을 생성하는 계측부(10); 및 상기 분산전원에 대한 지령을 전송하기 위한 통신부(90)를 더 포함할 수 있다.
도시한 루프 배전 선로의 일시적인 수지상 운전시 전압강하 보상 운전 장치는, 감시 대상 배전 계통의 모니터링(계측), 알고리즘 계산, 분산전원 운전 지령을 수행하는 배전 자동화 시스템(DAS)의 형태 또는 배전 자동화 시스템(DAS)의 내부 SW 모듈의 형태로 구현되는 것이 구축 비용면에서 유리하다.
이 경우, 상기 계측부(10) 및 상기 통신부(90)는, 배전 자동화 시스템(DAS)의 고유 기능을 위한 것일 수 있으며, 상기 배전 계통 감시부(120), PCC 정보 획득부(140), 보상 운전 정보 산출부(160) 및 분산전원 운전 지령부(180)는, 배전 자동화 시스템(DAS)의 CPU(100)에 의해 실행되는 SW일 수 있다.
다음, 본 발명의 유효성을 검증하기 위해 PSCAD/EMTDC 시뮬레이션 툴을 이용하여 분산전원 협조에 따른 선로 말단 전압 변화를 측정한 것을 살펴본다.
도 9는 시뮬레이션 계통도이다.
도 9에서는 동일 주변압기에 2회선 루프계통을 구성하였으며, CNCV 325[uu?? ]의 단일 선종으로 구성되어 임피던스 데이터를 알고 있다고 가정하여 진행하였다. 지락 고장 발생에 따른 양단 차단기 개방 상황(고장 구간 분리)을 모의하였고, 이에 따라 수지상 배전방식으로 운전하게 되는 상황이다. PV와 ESS는 협조 유무, 방법과 관계없이 동일 용량으로 연계하였으며, PV는 고장(선로 분리) 전 단위 역률로 운전하다가 고장 및 선로 분리 후 협조 운전을 수행하고, ESS는 고장 전 운전하지 않다가 선로 분리 후 협조 운전을 수행하도록 하였다.
도 10은 수지상 배전방식 전환 전 후의 전압 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 11a는 전환 전 전압 결과 화면이며, 도 11b는 전환 후 전압 결과 화면이다. 즉, 수지상 배전방식으로 전환 전과 후의 전압 측정 결과를 도 10 및 도 11a,b에 나타낸 것이다.
먼저 고장 발생 전(루프 배전 방식의 운전)의 전압은 거의 동일하다. 차단기 개방 후(수지상 배전 방식으로 전환)에는 선로 임피던스 및 연계 부하의 영향을 받아 배전선로 말단의 전압이 변화하였다. 선로의 길이가 짧고 연계 부하 용량이 작은 선로(Feeder1)는 고장 발생 전에 비해 전압이 증가하였으며, 선로의 길이가 길고 연계 부하 용량이 큰 선로(Feeder2)는 고장 발생전에 비해 전압 크기가 감소하였다. 후자의 경우, 전압 강하로 인해 특고압 배전선로 유지범위(하한 유지 범위 20,800[V] = 09[PU])를 벗어난 결과를 보이고 있다.
이러한 상황에서, 분산전원의 협조운전 유무와 방법에 따른 저전압 선로 말단 전압 결과를 하기 표 2(분산전원 협조에 따른 시뮬레이션 결과)와 같이 정리하였다.
상기 표 2에서 분산전원의 협조 운전을 수행하지 않았을 경우(Case #1), 역률 1로 운전하였을 경우(Case #2), 역률 0으로 운전하였을 경우(Case #3), 본 발명이 제안하는 방법으로 협조 운전하였을 경우(Case #4)의 저전압 선로 말단의 전압 크기를 기록하였다. 그 결과, 본 발명에 제시한 협조방법이 가장 큰 전압 보상을 수행할 수 있음을 확인할 수 있다.
도 12는 역률 및 k에 따른 전압 보상 값[PU] 계산 및 도시 결과를 나타낸 그래프이다.
본 발명에서 제시한 수식으로 계산한 역률 결과는 하기 표 3과 같다.
본 발명에서 제시한 역률(각) 운전이 최대의 전압 보상을 수행하는 역률인지 확인하기 위하여 도 12와 같이 그래프로 도시해보았다. 도 12는 선로 저항과 리액턴스의 비 s가 1, 1.548, 2, 3일 때, 분산전원 단위 역률 운전시 전압 보상 값을 1[P.U.]로 하고, 역률을 1부터 0까지 001 단위로 변경하며 전압 보상 값[P.U.]를 나타낸 것이다. 마킹되어있는 지점이 최대 전압 보상을 위한 운전 역률과 최대 전압 보상값[P.U.]이다. 상기 시뮬레이션에서 사용한 CNCV 325[mm2]의 선로 저항과 리액턴스의 비는 1.548이며, 최대의 전압 보상 값[P.U.]을 나타내는 역률은 0.54의 결과를 보였다.
이는 본 발명에서 제시한 상기 수학식 9를 활용하여 계산한 0.54와 일치하는 결과이다. 선로 저항과 리액턴스의 비 s가 1일 때, 2일 때, 3일 때 또한 도 12의 결과와 상기 수학식 9를 활용하여 계산한 결과가 같음을 알 수 있다.
살펴본 내용은 분산전원을 이용하여 일시적인 수지상 운전시 전압 강하 보상 운전 방법으로서 본 발명의 사상을 구체적으로 살펴본 것이다. 이와 유사한 방식으로 본 발명에서 제시한 분산전원의 역률(각) 운전으로 최대의 전압 강하도 도모할 수 있다.
도 13 국가별 Voltage Ride Through 정의를 예시하는 그래프이다.
이러한 첫 번째 활용될 수 있는 상황은 전압에 대한 고장시 운전지속 상황(Fault Ride Through)이다. 계통의 전압이 이상적이지 않은, 전압 유지 범위를 이탈하는 상황이 발생할 수 있다.
이때, 계통(선로)를 바로 차단하는 것이 아니라 연계 유지 시간(고장 지속시간)을 두고 해당 시간 내 전압을 일정 범위내로 복구시켜 선로의 운전을 지속하는 것을 Voltage Ride Through라고 하며, 국가별 예시를 하기 도 13에 제시하였다. 앞서 설명한 전압 상승 협조는 저전압을 해소하는 역할을 수행하지만, 본 문단에서 추가 제시할 것은 과전압을 해소하는 역할이다. 과전압을 해소하기 위해서는 선로의 통전 전류를 증가(추가 전압강하를 유발)시키면 되며, 분산전원의 협조로 이에 기여할 수 있다.
이 때, 본 발명에서 제시한 역률(각)으로 분산전원 운전을 수행하면 분산전원의 한정적 용량 내 최대의 과전압 해소(전압 강하)를 도모할 수 있다. ESS의 경우 계통으로부터 유효 전력 및 무효 전력을 흡수하되, 본 발명이 제시한 역률(각)으로 동작하면 된다. PV의 경우 전압 강하 협조 시 유효 전력을 감소(또는 유효전력 출력 제한)시킴과 동시에 무효 전력을 흡수하는 운전을 수행한다. 이를 정리하면 하기 표 4와 같다.
도 14는 분산전원 도입에 따른 배전선로 과전압 현상을 나타낸 개념도이다.
두 번째 활용될 수 있는 상황은 다음과 같다. 신재생에너지 보급 및 연계에 따라 배전선로의 전력 흐름이 단방향에서 양방향으로 변화하고 있다. 이에 따라 송전단 전압보다 수전단 전압(분산전원 연계점)의 전압이 높아지는 현상이 발생하고 있으며, 이는 선로의 전압 유지 범위를 초과할 수 있다. 이러한 문제 상황을 도 14에 나타내었다.
이의 문제를 해결하기 위해 분산전원의 발전출력을 제한하는 등의 조치를 취하고 있는 실정이다. 본 발명이 제안하는 선로 임피던스를 고려한 분산전원의 출력 지령을 수행한다면 최대의 전압 강하 도모를 통한 출력 제한을 최소화할 수 있음을 기대하며, 그의 운전 예시는 상기 표 4와 동일하다.
추가적으로, 본 발명의 사상에 따른 분산전원을 이용하는 전압 보상 운전 방법은, 루프 배전방식의 재루프시 또는 계통(선로)의 병입/재연계시 발생하는 과도 현상 해소에도 활용할 수 있다. 즉, 루프 배전 방식의 재루프시 연계점 전압 크기 차이 감소시킨다.
도 15는 루프 배전 계통의 재루프시 발생할 수 있는 문제점을 나타낸 계통 구성도이다.
루프 배전 방식이 수지상 배전 방식으로 전환하여 운전하다가, 루프 배전 방식으로 다시 전환하고자 하는 상황이다. 이때 배전선로 1회선의 말단 전압과 2회선의 말단 전압, 즉 연계점의 전압 크기 차이가 존재한다. 이는 각 배전선로의 선로 길이 및 부담하는 부하 용량 차이로 인해 전압강하가 상이하게 나타나기 때문이며, 재루프시(재연계시) 과도 현상의 원인이 된다. 이로써 순간적인 대전류(돌입전류)가 흐를 수 있으며, 순간적인 전압강하(Voltage Sag) 또한 발생할 수 있다. 돌입전류는 연계 부하 및 설비의 기기 손상 등의 부작용을 유발할 수 있으며, 계전기의 전류 Pick-up 기준을 초과할 경우 오동작을 초래할 수 있다. 순간적인 전압 강하 또한 계전기의 오동작을 초래할 수 있다. 이러한 문제를 방지하기 위해 재루프시 연계점 간의 전압 크기 차이를 감소시켜야 하며, 본 발명을 이에 활용할 수 있을 것으로 기대한다.
본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있으므로, 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
예컨대, 본 발명의 사상은 계통의 배전방식에 상관 없이 전압 협조가 필요한 어떤 계통이든 적용이 가능하다. 본 발명의 적용 예시 계통을 루프 배전방식으로 선정한 이유는 루프 배전방식의 정상적인 동작(계통운영)에 필요하기 때문이며, 수지상 배전 방식의 기타 고장시 발생할 수 있는 저전압/과전압 현상에 대해서도 한정적인 분산전원 용량으로 최대의 전압 협조가 가능하다.
10 : 계측부
90 : 통신부
100 : 배전 자동화 시스템의 CPU
120 : 배전 계통 감시부
140 : PCC 정보 획득부
160 : 보상 운전 정보 산출부
180 : 분산전원 운전 지령부

Claims (14)

  1. 루프 배전 계통이 수지상 배전 방식으로 운전되는 경우, 전력이 공급되는 전원단과 분산전원 연계 지점에 대한 임피던스 정보를 취득하는 단계;
    상기 분산전원 연계 지점에 대한 상기 전원단에서의 저항 및 리액턴스를 활용하여 분산전원이 전압 보상을 위해 수행할 보상 운전 정보를 계산하는 단계; 및
    상기 분산전원으로 계산된 상기 보상 운전 정보에 따른 운전을 지시하는 단계
    를 포함하는 루프 배전 선로의 수지상 운전시 전압 보상 운전 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    루프 배전 계통에서 수지상 배전 방식으로 전환 상황을 인지하는 단계
    를 더 포함하는 루프 배전 선로의 수지상 운전시 전압 보상 운전 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    계통의 루프 배전 방식으로 복구 상황을 인지하면, 상기 보상 운전 정보에 따른 운전을 중지시키는 단계
    를 더 포함하는 루프 배전 선로의 수지상 운전시 전압 보상 운전 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 분산전원 연계 지점에서의 전압이 소정의 유지 범위 이내에 속하는지 모니터링하는 단계
    를 더 포함하는 루프 배전 선로의 수지상 운전시 전압 보상 운전 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 임피던스 정보는,
    상기 전원단에서의 전압 및 전류의 측정값들과, 상기 분산전원 연계 지점에서의 전압 및 전류의 측정값들인 루프 배전 선로의 수지상 운전시 전압 보상 운전 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 보상 운전 정보는,
    상기 분산전원 연계 지점에 대하여 보상하여야 할 유효 및 무효 전류 출력 지령인 루프 배전 선로의 수지상 운전시 전압 보상 운전 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 보상 운전 정보는,
    상기 분산전원 연계 지점에 대하여 보상하여야 할 유효 및 무효 전류 출력으로 결정되는 역률각인 루프 배전 선로의 수지상 운전시 전압 보상 운전 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 임피던스 정보는,
    상기 전원단에서의 전압과 상기 분산전원 연계 지점에서의 전압의 차이로부터 도출된 저항 및 리액턴스로 이루어지는 루프 배전 선로의 수지상 운전시 전압 보상 운전 방법.
  9. 루프 배전 계통에서 수지상 배전 방식으로 전환 상황 및 루프 배전 방식으로 복구 상황을 인지하는 배전 계통 감시부;
    전력이 공급되는 전원단과 분산전원 연계 지점에 대한 임피던스 정보를 취득하는 PCC 정보 획득부;
    상기 분산전원 연계 지점에 대한 상기 전원단에서의 저항 및 리액턴스를 활용하여 분산전원이 전압 보상을 위해 수행할 보상 운전 정보를 계산하는 보상 운전 정보 산출부; 및
    상기 분산전원으로 계산된 상기 보상 운전 정보에 따른 운전을 지시하고, 계통의 루프 배전 방식으로 복구 상황시, 상기 보상 운전 정보에 따른 운전의 중지를 지시하는 분산전원 운전 지령부
    를 포함하는 루프 배전 선로의 수지상 운전시 전압 보상 운전 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 배전 계통 감시부는,
    상기 보상 운전 정보에 따른 운전의 수행 중에, 상기 분산전원 연계 지점에서의 전압이 소정의 유지 범위 이내에 속하는지 모니터링하는 루프 배전 선로의 수지상 운전시 전압 보상 운전 장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 임피던스 정보는,
    상기 전원단에서의 전압 및 전류의 측정값들과, 상기 분산전원 연계 지점에서의 전압 및 전류의 측정값들인 루프 배전 선로의 수지상 운전시 전압 보상 운전 장치.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 보상 운전 정보는,
    상기 분산전원 연계 지점에 대하여 보상하여야 할 유효 및 무효 전류 출력 지령인 루프 배전 선로의 수지상 운전시 전압 보상 운전 장치.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 보상 운전 정보는,
    상기 분산전원 연계 지점에 대하여 보상하여야 할 유효 및 무효 전류 출력으로 결정되는 역률각인 루프 배전 선로의 수지상 운전시 전압 보상 운전 장치.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 임피던스 정보는,
    상기 전원단에서의 전압과 상기 분산전원 연계 지점에서의 전압의 차이로부터 도출된 저항 및 리액턴스로 이루어지는 루프 배전 선로의 수지상 운전시 전압 보상 운전 장치.


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