1. 서 론

2021년 9월, 탄소중립기본법이 통과되어 2030 온실가스 감축 목표가 2018년 대비 35% 이상 범위 설정에 관한 제도적 근거가 마련되었다. 분산전원 (DERs : Distributed Energy Resources)의 계통연계와 디지털 부하 사용이 지속적으로 증가하고 있다. DC 마이크로그리드는 장점이 많이 있지만, DC 마이크로그리드의 전력변환장치는 반도체 소자로 구성되어 있어 큰 고장전류에 취약하기 때문에 개선이 요구된다. 또한, DC 마이크로그리드를 구축하고 안정적으로 운영하기 위하여 신속한 고장 검출과 기기 및 계통을 보호하기 위한 기법들에 대한 방안과 신뢰성 검증이 필요하다^(1-5).

2009년부터 LVDC 배전 관련 표준화 활동이 본격적으로 시작되었고 IEC, ITU 및 ETSI 에서 주도적으로 모색하고 있다⁽⁶⁾. 보호기법과 관련된 국내 연구 동향으로는 DC 배전계통 통합 보호시스템 및 보호협조 방법⁽⁷⁾, LVDC 배전계통의 보호협조기기 운용 알고리즘⁽⁸⁾, 진행파를 이용한 DC·AC 하이브리드 송전계통의 보호 알고리즘⁽⁹⁾ 등이 발표되었다.

해외 연구 동향으로는 LVDC 마이크로그리드의 빠른 고장 검출^(10,11), 하이브리드 AC-DC계통 고장분석을 위한 새로운 접근 방식⁽¹²⁾, LVDC 계통에서의 심층 신경망 기반 고장 검출 및 분류 기법⁽¹³⁾, 직류 마이크로그리드 보호 문제 및 계획에 대한 검토⁽¹⁴⁾ 등이 이루어졌다.

신속하고 안정적인 고장 검출을 개발하기 위하여 본 논문에서는 DC 마이크로그리드에 대한 웨이브릿 기반 에너지 (WBE : Wavelet-based Energy)를 이용한 고장 검출기법을 제안한다. 고장 검출기법은 0.001Ω인 작은 고장저항으로 한정하였다. DC 마이크로그리드는 PV, BESS. DC 부하로 구성된 국내의 1500Vdc (±750Vdc) 방사상 계통으로 PSCAD 플랫폼을 이용하여 모델링하였다. 또한, MATLAB 도구를 이용하여 종래의 순간전류변화율 (ICCR : Instantaneous Current Change Rate) 기법과 제안된 WBE를 이용한 기법을 구현하고, 다양한 고장분석을 통해 제시한 기법의 성능을 검증한다.

2. DC 마이크로그리드 모델

국내 DC 마이크로그리드는 비접지 양극형 ±750V로 정하여 2023년까지 배전 상용화를 목표로 하고 있다. Fig. 1은 DC 마이크로그리드 모델로서 PV, ESS, DC 부하로 구성된다. 계통으로부터 AC 22.9kV의 전압을 받아서 변환소를 통해 DC ±750V 양극형으로 변환 후 DC 배전망에 공급된다. 이 배전망은 AC계통과 연계된 변환소 (500kVA급)와 250kW출력의 PV, 1MWh ESS, 총 500kW의 DC Building Load 1개로 이루어져 있으며, 각 선로의 길이는 각 300m로 선정하였다.

Fig. 1. DC microgrid model

3. 고장검출기법

4. 시뮬레이션 및 성능평가

제안된 기법을 평가하기 위하여, DC 마이크로그리드를 모델링하였으며, 먼저, 정상상태의 각 전원 및 구성요소의 정상상태 특성을 확인하였다⁽¹⁵⁾. 다음으로 각 Rectifier, PV, ESS, DC 부하에서 PtoP (pole to pole), PtoG (pole to ground) 고장을 시뮬레이션하였다. 샘플링 주파수는 15,360Hz, 주기당 샘플링수는 256s/c, 시뮬레이션 시간은 10s, 고장 발생 시간은 7s, 고장저항은 0.001Ω으로 설정하였다. 시나리오는 0.5s에 Rectifier 연계, 2s에 PV 연계, 4s에 ESS 연계 후 방전 동작, 6s에 ESS 충전 동작 변경으로 구성하였다.

4.1 PtoP 고장

Fig. 2는 Rectifier PtoP 고장 시 차단기에서 흐르는 전류와 ICCR 기법에 의한 고장검출에 따른 트립신호를 나타낸다. Fig. 2로부터 고장발생 시 전류의 최대값은 14.41kA이며, 고장발생 직후 트립신호 발생 시간은 0.195ms로 나타났다. 즉, 7s에서 Rectifier PtoP 고장이 발생하였을 때, ICCR 기법은 임계치가 100A/ms이상인 경우, 카운트가 2회가 되는 시점까지의 소요 시간은 0.195ms이었다.

Fig. 2. Current and trip signal under PtoP in rectifier

Fig. 3은 Rectifier PtoP 고장 시 WBE 기법에 의한 고장검출에 따른 트립신호를 나타낸다. Fig. 3으로부터 웨이브릿 기반 에너지의 최대값은 47,787.185k이며, 고장발생 직후 트립신호 발생 시간은 0.130ms로 나타났다. 즉, 7s에서 Rectifier PtoP 고장이 발생하였을 때, WBE 기법은 임계치가 100k이상인 경우, 카운트가 2회가 되는 시점까지의 소요 시간은 0.130ms이었다.

Fig. 3. WBE and trip signal under PtoP in rectifier

Fig. 4는 DC 부하 PtoP 고장 시 차단기에서 흐르는 전류와 ICCR 기법에 의한 고장검출에 따른 트립신호를 나타낸다. Fig. 4로부터 고장 시 전류의 최대값은 3.80kA이며, 고장발생 직후 트립신호 발생 시간은 0.195ms로 나타났다.

Fig. 4. Current and trip signal under PtoP in DC load

Fig. 5는 DC 부하 PtoP 고장 시 WBE 기법에 의한 고장검출에 따른 트립신호를 나타낸다. Fig. 5로부터 웨이브릿 기반 에너지의 최대값은 2,197.983k이며, 고장발생 직후 트립신호 발생 시간은 0.130ms로 나타났다.

Fig. 5. WBE and trip signal under PtoP in DC load

Fig. 6은 PV PtoP 고장 시 차단기에서 흐르는 전류와 ICCR 기법에 의한 고장검출에 따른 트립신호를 나타낸다. Fig. 6으로부터 고장 시 전류의 최대값은 3.79kA이며, 고장발생 직후 트립신호 발생 시간은 0.195ms로 나타났다.

Fig. 6. Current and trip signal under PtoP in ESS

Fig. 7은 PV PtoP 고장 시 WBE 기법에 의한 고장검출에 따른 트립신호를 나타낸다. Fig. 7로부터 웨이브릿 기반 에너지의 최대값은 2,543.442k이며, 고장발생 직후 트립신호 발생 시간은 0.130ms로 나타났다.

Fig. 7. WBE and trip signal under PtoP in rectifier

Fig. 8은 ESS PtoP 고장 시 차단기에서 흐르는 전류와 ICCR 기법에 의한 고장검출에 따른 트립신호를 나타낸다. Fig. 8로부터 고장 시 전류의 최대값은 2.92kA이며, 고장발생 직후 트립신호 발생 시간은 0.195ms로 나타났다.

Fig. 8. Current and trip signal under PtoP in ESS

Fig. 9는 ESS PtoP 고장 시 WBE 기법에 의한 고장검출에 따른 트립신호를 나타낸다. Fig. 9로부터 웨이브릿 기반 에너지의 최대값은 1,215.207k이며, 고장발생 직후 트립신호 발생 시간은 0.130ms로 나타났다.

Fig. 9. WBE and trip signal under PtoP in ESS

4.2 PtoG 고장

Fig. 10은 Rectifier PtoG 고장 시 차단기에서 흐르는 전류와 ICCR 기법에 의한 고장검출에 따른 트립신호를 나타낸다. Fig. 10으로부터 고장 시 전류의 최대값은 1.94kA이며, 고장발생 직후 트립신호 발생 시간은 0.195ms로 나타났다.

Fig. 10. Current and trip signal under PtoG in rectifier

Fig. 11은 Rectifier PtoG 고장 시 WBE 기법에 의한 고장검출에 따른 트립신호를 나타낸다. Fig. 11로부터 웨이브릿 기반 에너지의 최대값은 1,219.525k이며, 고장발생 직후 트립신호 발생 시간은 0.130ms로 나타났다.

Fig. 11. WBE and trip signal under PtoG in rectifier

Fig. 12는 DC 부하 PtoG 고장 시 차단기에서 흐르는 전류와 ICCR 기법에 의한 고장검출에 따른 트립신호를 나타낸다. Fig. 12로부터 고장 시 전류의 최대값은 1.15kA이며, 고장발생 직후 트립신호 발생 시간은 0.195ms로 나타났다.

Fig. 12. Current and trip signal under PtoG in DC load

Fig. 13은 DC 부하 PtoG 고장 시 WBE 기법에 의한 고장검출에 따른 트립신호를 나타낸다. Fig. 13으로부터 웨이브릿 기반 에너지의 최대값은 428.417k이며, 고장발생 직후 트립신호 발생 시간은 0.130ms로 나타났다.

Fig. 13. WBE and trip signal under PtoG in DC load

Fig. 14는 PV PtoG 고장 시 차단기에서 흐르는 전류와 ICCR 기법에 의한 고장검출에 따른 트립신호를 나타낸다. Fig. 14로부터 고장 시 전류의 최대값은 0.98kA이며, 고장발생 직후 트립신호 발생 시간은 0.195ms로 나타났다.

Fig. 14. Current and trip signal under PtoG in PV

Fig. 15는 PV PtoG 고장 시 WBE 기법에 의한 고장검출에 따른 트립신호를 나타낸다. Fig. 15로부터 웨이브릿 기반 에너지의 최대값은 236.240k이며, 고장발생 직후 트립신호 발생 시간은 0.130ms로 나타났다.

Fig. 15. WBE and trip signal under PtoG in PV

Fig. 16은 ESS PtoG 고장 시 차단기에서 흐르는 전류와 ICCR 기법에 의한 고장검출에 따른 트립신호를 나타낸다. Fig. 16으로부터 고장 시 전류의 최대값은 1.03kA이며, 고장발생 직후 트립신호 발생 시간은 0.195ms로 나타났다.

Fig. 16. Current and trip signal under PtoG in ESS

Fig. 17은 ESS PtoG 고장 시 WBE 기법에 의한 고장검출에 따른 트립신호를 나타낸다. Fig. 17로부터 웨이브릿 기반 에너지의 최대값은 277.714k이며, 고장발생 직후 트립신호 발생 시간은 0.130ms로 나타났다.

Fig. 17. WBE and trip signal under PtoG in ESS

5. 결 론

DC 마이크로그리드를 구축하고 안정적으로 운영하기 위해서 본 논문에서는 신속하고 효과적인 고장 검출기법에 대해 연구하였다. PSCAD 플랫폼을 통해 고장 시뮬레이션을 진행하였으며, 제안된 기법은 MATLAB 도구를 이용하여 구현하였다. 또한, 다양한 고장 발생위치 분석을 통해 PtoP, PtoG 고장을 검출하는 성능을 확인하였다. 사례연구 시뮬레이션 결과, ICCR 기법에서는 0.195ms 이내, WBE 기법에서는 0.130ms 이내에서 각각 상정한 고장을 신속하게 검출하였으며 제안된 두 기법은 모든 경우에서 오동작을 일으키지 않고 안정적으로 고장검출 동작을 보였다.