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Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers

ISO Journal TitleJ Korean Inst. IIIum. Electr. Install. Eng.

  1. (Master’s course, School of Electrical Engineering, Korea University, Korea)
  2. (Corresponding Author:Associate Professor, School of Electrical Engineering, Korea University, Korea)



HILS, IED, Networked distribution system, Protection coordination

1. 서 론

최근 기후변화 문제로 화석연료 에너지 중심에서 신재생 에너지로 전환됨에 따라 전력계통에 신재생 에너지의 수용률 향상방안이 필요하다. 이에 대한 해결책으로 배전망의 형태를 수지상에서 각 선로가 상시 연계된 네트워크 구조를 도입하여 신재생 에너지의 수용한계량을 향상시킬 수 있다[1]. 네트워크 배전방식은 전력공급 신뢰성을 향상시킬 수 있으며[2], 국내에서 고장 시 건전구간에 지속적으로 전력 공급이 가능하도록 하기 위하여 일부 지역에 간단한 네트워크 구조인 Closed-Loop System (CLS)를 도입한 사례가 있다[3]. 네트워크 구조 도입 시, 전기차 충전소와 같은 불확실성을 가지는 설비에도 안정적으로 전력을 공급할 수 있으며, 이 외에도 과부하 개선, 이용률 향상[4], 전력 손실 감소[5], 등 많은 이점이 있으므로 미래 배전망 토폴로지로 연구되고 있다.

이 밖에도 네트워크 배전방식은 많은 이점을 가지고 있으나, 간선이 연계되어있는 구조에 의하여 양방향 조류가 흐르며 이는 계통에 새로운 문제를 발생시킨다. 대표적인 문제로 고장 시 양방향 고장전류에 의하여 보호기기가 오동작할 수 있으며, 이는 보호협조 방식을 복잡하게 만든다. 이에 대한 해결책으로 네트워크 배전계통에서 보호협조를 하기 위해서는 방향성이 필수적으로 고려되어야 하며, 최소 두 개 이상의 방향 과전류 계전기(DOCR, Directional Over-Current Relay)가 필요하다[6]. 네트워크 배전계통 보호기기 오동작의 주요 원인으로 방향성 판단 실패를 해결하기 위하여, 국내에서는 능동형 시간-전류 곡선(ATCC)을 통하여 통신없이 보호협조를 할 수 있는 방안이 연구되었다[7]. 보호협조에 있어서 보호기기를 세팅하는 것은 가장 어려운 요소 중 하나이며, 특히 양방향 조류에 의한 방향성을 고려해야 하는 네트워크 배전방식의 보호기기 세팅은 상당한 난이도가 요구된다[8]. 따라서, 네트워크 배전계통에서 보호협조를 하기 위해서는 획기적인 보호기기 설정 방안이 필요하다.

본 논문에서는 네트워크 배전계통의 보호협조 이슈 해결하기 위하여 HILS (Hardware-In-the Loop Simulation)를 구축하였으며, 다양한 고장 시나리오를 모의하였다. 또한, HILS를 활용하여 보호협조 테스트 결과를 실시간으로 확인하였으며, 보호협조 실패 시 실시간 원인 분석 후 펌웨어 업데이트를 통하여 획기적으로 보호기기를 설정하여 해결하였다. 궁극적으로 본 논문은 실제 네트워크 배전계통 도입을 위하여 해당 계통에 적용 가능한 IED를 개발하여 보호 협조 문제 해결에 기여하고자 한다.

2. 본 론

2.1 네트워크 배전계통 보호협조

Fig. 1은 수지상 배전계통과 네트워크 배전계통을 비교한 것을 나타낸다. 본 논문에서 사용된 네트워크 배전계통은 각 간선의 길이가 모두 동일한 경우의 말단 선로가 연계된 토폴로지를 나타낸다. 전원 측으로부터 단방향 조류가 흐르는 수지상 계통과 비교하여, 네트워크 배전계통은 부하 측에서도 조류가 흐르며 고장 발생 시 보호기기가 고장 전류의 방향성을 오판하게 되면 보호기기가 오동작할 수 있다.

Fig. 1. Radial vs. Networked distribution system

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네트워크 배전계통에 적용되는 방향 과전류 계전기를 포함하여 전통적인 계전기의 특성은 다음과 같이 정의된다[9].

(1)
$t=TDS\dfrac{A}{\left(\dfrac{I_{f}}{I_{p}}\right)^{B}-1}$

$t$는 계전기 동작 시간(trip time)을 나타내며, $I_{f}$는 고장전류, $I_{p}$는 계전기의 픽업 전류를 나타내며, $A$,$B$는 상수를 나타낸다. 국내에서는 차단기 및 리클로져 동작 특성을 결정짓는 TCC(Time-Current Curve)에 IEC 60255-3 Very Inverse(VI) 커브를 채택하여 적용하였으므로, $A=13.5$, $B=1$를 적용한다. Fig. 2는 보호계전기의 TCC 예시를 나타낸다. 고장 발생 시 고장 전류의 크기에 따라 보호기기가 빠르게 동작하며, 특정 전류값을 넘으면 순시 동작하도록 설정할 수 있다. 다만, 순시 동작 요소는 Downstream 차단기의 최대 전류보다 높게 설정해야 한다[10].

Fig. 2. TCC (Time Current Curve) example

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Fig. 3. Examples of protective devices for protection cooperation

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Fig. 3은 Upstream 차단기와, Downstream 차단기의 예시를 나타내며, 해당 차단기의 보호협조를 위해서는 TCC의 TDS(Time Dial Setting), TA(Time Adder), MRT(Minimum Response Time)를 서로 다른 값으로 설정하여, 동일 고장전류 크기에도 응답시간이 차이나게 만들어야 한다. 응답시간을 차이나게 설정하는 이유는 전위보호기기는 물리적 개방시간(접점개방 및 아크소호까지 35ms) 및 차단기 개방에 따른 과도현상(5ms)을 고려하여 후비보호기기 보다 빠른 응답시간을 가져야 하기 때문이다. 특히 수지상 방식과 비교하여 네트워크 배전방식은 양방향 조류가 고려되어야 하기 때문에 충분한 시뮬레이션과 보호협조 이해도가 뒷받침되어야한다.

2.2 전통적인 보호협조 테스트

보호기기를 실제 전력계통에 도입하기 이전에, 보호기기의 동작을 사전에 검증하는 것이 필수적이다. 국내에는 고창전력 실증시험장에서 계통 고장 테스트 실증시험이 진행된다. 다만, 고창전력 실증시험장에서 고장 테스트 시, 발생하는 고장 전류가 다른 계통으로 파급되지 않도록 하기 위하여 고장 레벨에 제약을 주기 때문에 실증시험에도 어느 정도의 한계가 있다고 볼 수 있다. 따라서 일반적으로 보호협조 테스트는 대부분 시뮬레이션 환경에서 진행된다. 다만, 정확한 시뮬레이션 결과를 얻기 위해서는 실제 계통과 최대한 유사하게 모델링 된 정교한 모델(계통, 컴포넌트)이 필요하며, 최근 배전계통에 분산형 전원 연계 및 전력전자 설비 등을 포함하여 모델링 하였을 때, 전통적인 시뮬레이션 환경에서는 연산 시간이 비약적으로 증가하는 문제가 있다. 이러한 전통적인 시뮬레이션 환경에서 보호협조 테스트 시, 상정사고에 따른 보호협조 결과를 파악하는데 많은 시간이 소요될 수 있다. 즉, 해당 테스트 환경은 방향성 로직까지 추가 고려되어야 하는 네트워크 배전계통의 보호협조 연구에 큰 시간적 제약을 주며, 보호협조를 위한 새로운 테스트 환경이 요구된다. 따라서 본 논문에서는 HILS를 활용한 보호기기 테스트 방식을 제안한다.

2.3 HILS를 활용한 테스트 환경 필요성

전통적인 보호협조 테스트 환경과 비교하여 HILS(Hardware-In-the-Loop Simulation)를 활용하면, 멀티 코어 프로세스를 통하여 복잡한 연산을 병렬로 연산하여, 연산 시간을 감소시킴으로 실시간 시뮬레이션이 가능하다[11]. Fig. 4는 전통적인 시뮬레이션을 활용한 테스트 프로세스와 HILS를 활용한 테스트 프로세스를 비교한 것을 나타낸다. 전통적인 시뮬레이션 개발환경에서는 시뮬레이션 결과를 기반으로 하드웨어를 제작하여 검증하게 된다. 검증과정에서 문제가 발생하면 시뮬레이션을 통하여 오류 수정 후 다시 하드웨어를 제작해야 하며, 오류가 없을 때까지 같은 절차가 반복된다. 이는 많은 시간이 소요될 뿐 아니라 검증 때마다 하드웨어를 반복적으로 제작해야 하므로 장기적인 측면에서 많은 비용이 발생할 수 있다. 전통적인 개발 프로세스와 비교하여 HILS를 활용한 개발 방법은 실시간 시뮬레이터, AMP, I/O 카드 등 HILS 구성설비에 의하여 초기 비용이 발생할 수 있다. 다만, 하드웨어 검증 때마다 하드웨어 제작이 불필요하며 오류 발생 시 실시간 원인 파악 후 하드웨어의 펌웨어 업데이트를 통하여 해결할 수 있다. 즉, HILS를 활용한 방식은 하드웨어 개발 시간을 감소시킬 수 있을 뿐 아니라 장기적인 관점에서 개발 비용을 절감할 수 있다[12].

Fig. 4. Comparison between traditional and HILS development methods

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2.4 HILS를 활용한 보호협조 테스트

전력계통 해석에 많이 사용되는 실시간 시뮬레이터로는 Opal-RT와 RTDS가 있다. Opal-RT의 특징은 MATLAB/Simulink와 호환성이 좋으며, RT-LAB 소프트웨어를 활용하여 Simulink 모델링을 C-code로 변환하여 실시간 시뮬레이터에 인가하게 된다[13]. 반면에 RTDS는 자체적으로 개발한 RSCAD 소프트웨어를 활용하여 모델링 및 실시간 시뮬레이션을 할 수 있다[14]. 본 논문에서는 실시간 시뮬레이터로 Opal-RT를 사용하였으며, Fig. 5는 HILS의 전반적인 동작 프로세스를 나타낸다. 실시간 보호협조 테스트를 위하여 실시간 시뮬레이터는 Opal-RT가 사용되었으며, 시뮬레이션에서 고장 인가 시 IED(하드웨어)에서 고장을 실시간으로 판별하여 시뮬레이션 계통에 모델링 된 차단기를 동작시켜 보호 협조 결과를 실시간으로 확인할 수 있다. IED는 2종류의 아날로그 신호(전압, 전류)과 1종류의 디지털 신호(차단기 상태 신호)를 입력받아 동작한다. HILS 구축 및 모델링의 정상상태 검증 여부는 시뮬레이션에서 I/O로 출력되는 전압 비 모델링과, 실시간 시뮬레이터 출력 단자에서 측정된 실제 전압값 비교를 통하여 검증할 수 있다.

Fig. 5. Protection coordination process using HILS

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Fig. 6은 사례연구를 위하여 구축한 HILS를 나타내며, 시뮬레이션에서 실시간으로 고장 위치와 종류를 변경하여 보호협조 테스트를 할 수 있다. 다만, IED의 설정에 따라 보호협조 결과에 영향을 줄 수 있으므로 반복적으로 고장을 인가하고, IED가 오동작 시 적절하게 IED의 설정값을 조정해주는 것이 중요하다. 또한, 다양한 악조건 속에서도 반드시 계통을 보호할 수 있는지 테스트하기 위하여 통신 고장, 타선로 고장과 같은 다양한 시나리오를 생성하여 보호협조 테스트하는 것이 중요하다. 보호협조 테스트 결과는 IED 화면을 통하여 고장 종류를 식별할 수 있는지와, 고장 위치에 따라 시뮬레이션에 모델링 된 차단기가 적절하게 동작하여 고장을 제거하는지 관측함으로 알 수 있다.

Fig. 6. HILS for case study

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3. 사례 연구

3.1 HILS 계통 모델링

Fig. 7은 사례 연구에 활용한 Simulink 계통을 나타내며 배전선로가 2개의 간선이 연계된 루프 네트워크 계통으로 구성하였다. 해당 계통에 사용된 계통 구성요소는 전원, 주변압기, CNCV-325$mm^{2}$ 지중 케이블, 다회로 차단기로 구성되어 있으며, 파라미터 및 입력값은 Table 1에 나타난다. 또한, HILS에 활용되는 하드웨어 IED는 시뮬레이션의 다회로 차단기가 연계된 위치에서 아날로그 신호와, 디지털 신호를 입력받는다. 따라서, 총 5개의 다회로 차단기가 연계된 지점에 IED 5대가 설치되어 있다고 볼 수 있으며(다회로 차단기 번호=IED 번호), 고장 발생 시 차단기를 동작시키게 된다. Fig. 8 하단은 모델링 된 다회로 차단기를 나타내며, 다회로 차단기 1대는 3상 차단기 4대로 구성되어 있다. 1번, 4번 3상 차단기는 간선에 연계되어있고 2번, 3번 3상 차단기는 지선에 연계되어있으며, IED에서 고장 판별 후 차단기를 동작시킨다.

고장 컴포넌트는 ARTEMIS 라이브러리에서 제공하는 opElectricFault 컴포넌트를 활용하였다. 해당 컴포넌트 활용 시 실시간으로 고장 입력/제거, 고장 종류, 고장 위치 변경이 가능하다. 또한, 해당 컴포넌트를 고장지점에 병렬로 연계 시, 실시간 고장저항 변경이 가능하다. 또한, Overrun 없는 실시간 시뮬레이션 환경을 위하여 방대한 연산량을 병렬로 분할시켜주는 과정이 선행되어야 한다. 해당 과정을 위하여 계통 연산을 Decoupling 해주는 ARTEMIS SSN Interface Block 컴포넌트가 다회로 차단기마다 사용되었다. 즉, 각 다회로 차단기 연계지점마다 시뮬레이션 연산을 분할하여, 병렬 연산을 통하여 실시간 시뮬레이션이 가능하도록 구현하였다. 본 논문에서는 일반 고장 시나리오와 고저항 지락 시나리오에서, 고장 발생 시 단시간 내로 고장 발생 지점 기준 양쪽 IED에서 고장 감지 후 다회로 차단기를 개방함으로 고장을 제거하는지 확인하였다. 일반 고장 시나리오에서는 Fig. 7의 #1~#6 지점까지 고장위치를 변경하면서 A상 1선 지락고장과 3상 단락고장을 발생시켰다. 또한, 완전 지락을 모의하기 위하여 고장저항을 0.1Ω으로 설정하였으며, 흔히 발생하는 고장에서 고장전류가 2~4kA가 흐르기 때문에 이를 구현하기 위하여 고장저항을 1Ω으로 설정하였다. 또한, 고저항 지락 시나리오(HIF, High Impedance Fault)에서 보호협조가 되는지 확인하기 위하여, 고장저항은 10Ω으로 설정하였다.

Fig. 7. Test bed and fault scenario

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Fig. 8. CB modeling and operation process

../../Resources/kiiee/JIEIE.2023.37.4.042/fig8.png

Table 1. Grid component and parameter setting

모델

파라미터

입력값

전압원

전압

154kV

위상각

0

주파수

60Hz

주변압기

1차측(Yg)

154kV

2차측(△)

6.6kV

3차측(Yg),NGR

22.9kV

CNCV325 $mm^{2}$

전압

22.9kV

용량

100MVA

정상 저항[pu/m]

1.823e-5

정상 유도성 리액턴스[pu/m]

2.8222e-5

정상 용량성 리액턴스[pu/m]

1e15

영상 저항[pu/m]

5.3203e-5

영상 유도성 리액턴스[pu/m]

1.6495e-5

영상 용량성 리액턴스[pu/m]

1e15

3.3 고장 시나리오 결과 및 고찰

3.3.1 일반 고장 시나리오

Fig. 9는 실시간 시뮬레이터의 입/출력 단자에서 오실로스코프를 활용하여 직접 측정한 고장 전/후 측정되는 전류 파형을 나타낸다. 계통에 고장을 인가함에 따라 고장 전류가 발생하게 되고, 이때 IED는 고장 위치와 종류를 감별한 이후 시뮬레이션의 다회로 차단기를 동작시킴으로 고장이 계통에 파급되지 않도록 4-cycle이내로 보호 협조된 것 결과를 나타낸다. 실제 계통에서 보호협조를 위하여 고장을 차단하는 시간은 빠를수록 좋지만, 최대 4.8-cycle(80ms) 이내로 고장을 처리해야 됨으로 해당 결과는 기준시간 이내로 보호기기가 정상적으로 동작한 결과를 나타낸다. 해당 결과는 고장검출 시간, 고장구간 판단시간 및 차단 시간(차단기 접점 개방시간 및 아크소호 시간의 합)을 포함한 결과를 나타내기 때문에, 고장검출 시간 및 차단시간을 제외하면 1~1.5-cycle 이내의 단시간 안에 IED가 고장구간을 판단할 수 있는 것을 나타낸다. Table 2는 각 고장 종류 및 고장저항을 변경한 각 시나리오에 IED에서 고장검출 및 차단기 동작이 가능한지에 대한 결과를 나타낸다. 결과적으로 고장 종류, 고장 저항, 고장 위치에 관계없이 모든 시나리오에서 IED의 고장 감별 및 차단기를 정상적으로 동작시킨 결과를 나타낸다.

Fig. 9. Single Line Ground (top), 3 Phase short circuit (bottom), measured current

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Table 2. Protection coordination result in fault

고장종류

고장저항

[Ω]

고장위치 별 보호협조 결과

F1

F2

F3

F4

F5

F6

CB1

IED1

CB2

IED2

CB3

IED3

CB4

IED4

CB5

IED5

CB6

IED6

AG

0.1

o

o

o

o

o

o

1

o

o

o

o

o

o

BG

0.1

o

o

o

o

o

o

1

o

o

o

o

o

o

CG

0.1

o

o

o

o

o

o

1

o

o

o

o

o

o

ABG

0.1

o

o

o

o

o

o

1

o

o

o

o

o

o

BCG

0.1

o

o

o

o

o

o

1

o

o

o

o

o

o

CAG

0.1

o

o

o

o

o

o

1

o

o

o

o

o

o

ABCG

0.1

o

o

o

o

o

o

1

o

o

o

o

o

o

AB

0.1

o

o

o

o

o

o

1

o

o

o

o

o

o

BC

0.1

o

o

o

o

o

o

1

o

o

o

o

o

o

CA

0.1

o

o

o

o

o

o

1

o

o

o

o

o

o

ABC

0.1

o

o

o

o

o

o

1

o

o

o

o

o

o

(o : IED 고장 감별 및 차단기 동작 가능 결과)

3.3.2 고저항 지락(HIF) 시나리오

HIF는 현재 미해결 고장으로 취급되어 지속적인 연구가 필요하며, 본 논문에서는 HIF를 모의하기 위하여 고장저항을 10Ω으로 설정하였다. Table 3은 고장 종류를 각각 1선 지락, 2선 지락, 3선 지락 시나리오로 구성한 이후 HILS 보호협조 결과를 나타낸다. 고저항 지락에서 상전류는 검출 기준치를 넘지 못하는 경우가 많았으나, 중성선 기준치를 초과하여 보호기기가 동작 후 보호협조하였다. 전원 측 또는 부하 측에서만 고장이 검출되어 동작하는 경우 다회로 차단기에 즉시 개방 신호를 송신함으로 고장을 제거하였다.

본 연구는 간단한 환경에서 2회선 루프계통의 보호기기를 테스트를 진행하였다. 다만, 실제 네트워크 계통과 보호기기를 도입시키기 위해서는 더 복잡한 네트워크 계통에서도 테스트가 진행되어야 하며, IED 통신 문제, 주 보호 실패 시 후비 보호 동작 확인, 지선에서 고장 시 보호협조와 같은 복잡한 시나리오에서도 보호협조가 되는지 테스트 되어야 한다. 또한, 계통에 분산형 전원 연계에 따라, Yg-△ 변압기를 활용하여 연계되는데, 지락 고장 시 고장전류가 해당 변압기의 접지를 통하여 파급되어 보호기기를 오동작시킬 수 있으므로 해당 조건에서도 보호협조에 문제가 없는지에 대해 연구가 진행될 예정이다.

Table 3. Protection coordination result in HIF

고장

종류

고장저항

[Ω]

고장위치 별 보호협조 결과

F1

F2

F3

F4

F5

F6

CB1

IED1

CB2

IED2

CB3

IED3

CB4

IED4

CB5

IED5

CB6

IED6

AG

10

o

o

o

o

o

o

BG

10

o

o

o

o

o

o

CG

10

o

o

o

o

o

o

ABG

10

o

o

o

o

o

o

BCG

10

o

o

o

o

o

o

CAG

10

o

o

o

o

o

o

ABCG

10

o

o

o

o

o

o

(o : IED 고장 감별 및 차단기 동작 가능 결과)

4. 결 론

신재생에너지 정책 및 전력공급 신뢰성의 수요 증가로 인하여 최근 배전계통은 급격한 변화를 겪고 있다. 이에 대한 해결책으로 배전계통을 네트워크 형태로 구성하는 것은 계통 계획 및 운영 관점에서 많은 이점을 가지나, 동시에 보호협조 관점에서 새로운 문제를 발생시킨다. 따라서, 본 논문에서는 네트워크 배전계통에서 보호협조 문제 해결 방안으로 HILS를 활용한 보호협조 테스트의 필요성을 입증한다. HILS를 활용하여 보호협조 테스트 결과를 실시간으로 확인할 수 있으며 보호협조 실패 시, 실시간 원인 분석을 통하여 단시간으로 문제를 해결할 수 있다. 즉, HILS를 활용함으로 네트워크 배전계통의 보호기기 개발 시, 개발 소요시간 및 연구 예산을 절감할 수 있다. 또한, IED 하드웨어 개발을 통한 보호협조 문제의 해결은 네트워크 배전망의 도입을 촉진시킬 것이며, 이는 배전계통에 큰 기여를 할 수 있을 것으로 기대된다.

Acknowledgement

이 성과는 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단의 지원(No. 2022R1A2C2011522)과 정부(산업통상자원부)의 재원으로 한국에너지기술평가원의 지원(RS-2023-00234707)을 받아 수행된 연구임. 또한, 한국 전력연구원의 지원을 받아 수행된 연구임(R20 DA24).

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Biography

Juan Noh
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He received B.S. degree in Electrical Energy Engineering from Keimyung University, Daegu, South Korea, in 2021. Currently he is pursuing the M.S. degree in Electrical Engineering from Korea University, Seoul, in Korea. His research interests are Networked Distribution System, HILS(Hardware-in-the-loop simulation) and protection coordination.

Sungyun Choi
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He received the B.E. degree in Electrical Engineering from Korea University, Seoul, Korea, in 2002 and the M.S. and Ph.D. degrees in Electrical and Computer Engineering from Georgia Institute of Technology, Atlanta, GA, USA, in 2009 and 2013, respectively. Since 2018, he has been an Associate Professor with Electrical Engineering, Korea University, Seoul, Korea. From 2014 to 2018, he was a Senior Researcher with Smart Power Grid Research Center, Korea Electrotechnology Research Institute (KERI), Uiwang, Korea. He also worked as a Network and System Engineer from 2002 to 2005. His research interests include power distribution, microgrids, power system state estimation, sub-synchronous oscillations, and computational intelligence.