이경민
(Kyung-Min Lee)
1iD
박철원
(Chul-Won Park)
†iD
-
(Ph.D, Dept. of Electrical Engineering, Gangneung-Wonju National University, Korea)
Copyright © The Korean Institute of Illuminating and Electrical Engineers(KIIEE)
Key words
Carbon dioxide, Distributed power sources, DWT, Leakage current, LVDC, MATLAB, Pole to ground fault detection, PSCAD
1. 서 론
탄소중립에 관심이 증대하고 있는 시점에서, 전력전자 기술기반의 저압직류 (LVDC : Low Voltage Direct Current) 및 중압직류
(MVDC : Medium Voltage Direct Current) 시스템의 경제성과 효용성이 부각되고 있다[1, 2]. EPRI는 향후 디지털 부하가 현재 시점 대비 급증할 것이라고 전망하고 있으며, IDC (Internet Data Center) 등 고밀도 직류
부하증가, 변환손실 저감 및 고품질 수요가 확대될 것이다. 특히, 태양광 (PV), 연료전지 (FC) 등 신재생에너지원 확대 보급에 따라 직류 전원이
늘어나고 있다[3- 5]. 접지방식에 따라 계통의 보호 방안이 요구되는 바, 대지의 접지저항이 크거나 지역적으로 접지하기가 어려운 장소나 및 지속적인 전력공급이 요구되는
병원설비 등에서 채택하는 IT (Isolated Terre) 접지방식에서 발생하는 극-접지사고 (Pole to Ground Fault)에 대한 검출기법이
중요한데, 비접지 또는 고임피던스 접지와 루프에 따라 사고전류가 크지 않기 때문에 사고검출이 어려운 실정이다.
국내 연구로는, LVDC 배전용 활선상태 절연저항감시장비 (IMD, Insulation Monitoring Device) 개발이 발표되었고 근래,
KEC[6], LVDC IT 접지방식별 지락경로 흐름 분석[7], Passive 방식의 직류 절연저항 모니터링 알고리즘에 관한 연구[8]가 수행되었다. 펄스형 절연감시장치 설치에 따른 DC Active 회로의 반응 특성 연구를 통해 노이즈 및 고조파에 대한 충분한 대책 강구 필요성이
제기되었다[9]. 또한, 접지방식에 따른 저압 직류배전계통의 사고특성에 대해 분석되었고[10], Probe unit을 이용한 비접지 저압직류 배전계통의 지락사고 검출 방식이 개발되었다[11]. 최근, 직류 비접지계통에서 IMD를 이용한 사고검출 알고리즘이 제시되었다[12].
국외 연구로는, Bender에 의해 비접지 DC 및 AC 네트워크의 절연 감시 기법 및 장치를 공개하였으며[13], DC 시스템의 절연저항을 모니터링하기 위한 마이크로프로세서 기반 장치 개발[14], 누설전류 (Leakage Current)에 따른 변전소 DC 시스템의 절연 모니터링 및 측정 지점 영향 분석[15]이 발표되었다. 또한, 에너지저장장치 (ESS, Energy Storage System) 기반 LVDC 마이크로그리드의 AC 및 DC 지락사고가 분석되었고[16], Bifurcation 이론을 사용한 계통 연계 및 단독 모드에서 LVDC 마이크로그리드의 보호 기법[17]과 스위칭 접지 연결을 기반으로 한 DC 마이크로그리드의 지락 사고 검출 기법[18]이 연구되었다. 그런데, 현재까지는 IMD 장치를 이용하여 절연저항을 측정해 극-접지사고를 검출하는 기법이 지배적으로 사용되고 있으나, 사고검출 시간이
길고 차별화된 새로운 기법 기반 국산화가 요구되고 있다.
본 논문에서는 해외 특허[13]를 회피하고 IT 접지 직류배전계통의 누설전류에 의한 새로운 극-접지사고를 검출하기 위하여, DWT (Discrete Wavelet Transform)를
이용한 Detail 계수 기반 기법을 제안한다. 먼저, IT 접지 직류배전계통을 EMT 기반 PSCAD s/w를 이용하여 모델링한 후, 사고지점 및
사고저항을 가변하면서 극-접지사고 시뮬레이션을 통해 사고 데이터를 수집한다. MATLAB s/w를 이용하여 제안된 기법을 구현한 후, 종래의 절연저항
측정을 통한 극-접지사고 검출 기법과 제안된 기법을 비교하여 성능을 검증하고자 한다.
2. IT 접지 직류배전계통의 극-접지사고 검출
2.1 IT 접지 직류배전계통
저압전기설비의 접지 국제규격 IEC 60364-1 및 최근 개정된 KEC에서는 접지계통을 전원의 접지방식인 계통접지와 수용가 전기기기의 외함 접지방식에
따라 TT 접지, TN 접지, IT 접지로 분류된다. 그런데, 직류배전계통은 효율 개선, 손실 감소, 연속적인 전력공급, 인체 안전 등을 고려하여
IT 접지방식을 채택하고 있다. IT 접지방식은 전원 측에 접지를 하지 않고, 사용자 설비의 도전성 외함만 접지하는 가장 간단한 접지방식이다. 이
방식을 사용하는 이유는 전원선 둘 중의 한 선이 지락되는 사고가 발생하여도 나머지 다른 선이 또 지락되기 전까지는 사고전류가 흐르지 않아 전원의 공급이
연속적으로 가능하기 때문이다[1, 2, 7, 10].
2.2 누설전류에 의한 극-접지사고 검출
Fig. 1은 GFD (Ground Fault Detector)의 개략도를 나타낸다. IT 접지 양극형 저압 직류배전계통과 접지사이에 설치되어, 선택된 주파수
펄스를 계통에 인가하고 전류를 측정한다. 인가된 주파수 펄스는 극과 접지 사이 전압의 진동을 일으키며, 극-접지사고가 발생하면 누설전류가 GFD를
통하여 흐르게 된다. 주파수 펄스의 크기는 50V, AC 전압 주기 10Hz와 DC 전압 주기 1Hz를 합성한 신호를 사용하였다.
Fig. 1. Schematic diagram of GFD
신호 주파수 특성을 추출하고 시간 영역에서 정확한 주파수 특성을 찾을 수 있는 변환이 DWT이다. DWT에 의한 극-접지사고 검출식은 식 (1)과 같다. 즉, 제안된 기법은 GFD에서 측정된 누설전류를 DWT의 MLD (Multi Level Decomposition) 해석을 통해, 단계별로
HPF (High Pass Filter)와 LPF (Low Pass Filter)를 거친 후 근사계수 (Approximation Coefficient)
와 상세계수 (Detail Coefficient)로 분해한 후, 생성된 DWT 의 상세계수값이 이용된다. 사고 검출에 사용된 DWT 계수값은 선행
연구를 통하여 Daubechies 모함수의 Level 8에서의 Detail 5 계수값으로 설정하였다[2].
여기서, ${db}8_{{d}5}$은 Daubechies 모함수의 MLD에 의한 Level 8에서의 Detail 5 계수이다.
Fig. 2는 제안된 기법의 흐름도를 나타낸다. 먼저, GFD를 이용하여 IT 접지 양극형 저압 직류배전계통에 선택된 주파수 펄스를 인가한다. GFD에 흐르는
누설전류를 측정한다. 측정된 누설전류($I_{m}$)를 이용하여 극-접지사고 검출식에 따라 DWT 계수값을 계산한다. DWT 계수값을 임계치와 비교하여
임계치보다 크면 극-접지사고를 검출하고, 그렇지 않으면 다시 측정 단계로 돌아간다. 최종적으로 극-접지사고가 판별되면 차단기로 Trip 신호를 발생한다.
본 논문에서는 선행연구를 통하여 DWT 계수값의 임계치는 0.100mA로 설정하였다[2].
Fig. 2. Flowchart of proposed technique
3. 사례 연구
3.1 모델링
Fig. 3은 PSCAD를 이용한 IT 접지 양극형 저압직류배전계통의 모델링을 나타낸다. 계통으로부터 공급된 전압 22.9kV은 AC/DC 컨버터 기반 500kVA급
Rectifier를 통해 DC ±750V로 변환된 후, 저압직류배전계통에 연계된다. 저압직류배전계통은 125kW 출력의 PV 2개, 1MWh급 ESS
및 총 500kW DC 부하 등으로 구성된다. 선로 파라미터는 0.247Ω/km, 0.33mH/km로 각 선로의 길이는 500m이다. GFD는 Rectifier
앞 차단기 옆에 설치되어, 크기 50V, DC 전압 주기 1Hz, AC 전압 주기 10Hz의 선택된 주파수 펄스를 발생시켜 저압직류배전계통에 주입된다.
정상상태 시나리오는 0.5s에 Rectifier가 저압직류배전계통에 연계되고, 2s에서 PV 발전이 연계, 4s에 ESS 방전 모드로 연계, 6s에
ESS 충전 모드로 변경되도록 하였다.
Fig. 3. Model of LVDC distribution system with IT ground using PSCAD
3.2 정상상태 시뮬레이션
Fig. 4는 정상상태 시 Rectifier의 전압, 전류 및 전력을 나타낸다. 정상상태 시나리오에 따라 0.5s에 Rectifier가 저압직류배전계통에 연계되면서
상당 출력 248.86kW이 나타났다. 2s에서 PV 발전이 진행되면서 4s까지 135.16kW까지 감소하였고, 4s부터는 ESS 방전이 시작되면서
약 18.33kW까지 전력이 감소하였다. 6s부터는 ESS 충전이 시작되면서 전력이 249.89kW까지 상승하였다. 0.5s에 Rectifier가
저압직류배전계통에 연계되면서 전압은 약 773.12V까지 상승하였고, 2s, 4s 및 6s에서 전압이 830.81V까지 상승하지만, 다시 약 775.85V를
유지함으로 정상상태 시뮬레이션의 검증이 확인되었다.
Fig. 4. Rectifier voltage, current and power in steady state
3.3 극-접지사고 시뮬레이션
시뮬레이션 조건에서, 사고가 발생한 시각은 5s이고, 사고발생지점은 계통측 AC/DC 컨버터 Rectifier 근단 (Fault 1), PV 앞 지점
(Fault 2), DC 부하 앞 지점 (Fault 3) 및 ESS 앞 지점 (Fault 4), 사고저항을 1Ω, 10Ω, 100Ω, 1kΩ, 10kΩ으로
가변하면서 극-접지사고 시뮬레이션을 통하여 제시한 기법의 검출 시간과 동작 여부를 검토하였다.
Fig. 5는 극-접지사고 발생시 Rectifier의 전류를 나타낸다. IT 접지 양극형 저압직류배전계통이기 때문에, 극-접지사고가 발생하여도 측정되는 전류의
변화가 정상상태 시뮬레이션과 비교하여 그 출력의 변화가 거의 없다.
Fig. 5. Rectifier current in pole to ground fault
Fig. 6은 극-접지사고 발생시 GFD에서의 전압 및 누설전류를 나타낸다. 사고가 발생한 5s에서 전압이 약 5.15V로 감소하였고, 누설전류는 3.09mA로
상승하였다.
Fig. 6. Voltage and current of GFD in pole to ground fault
3.4 사고 검출 기법
Fig. 7은 Rectifier 근단 사고의 사고저항 1kΩ일 때, 종래의 절연저항 측정 기법을 사용하여 계산된 사고저항 및 Trip 신호를 나타낸다. 사고가
발생한 5s에서 사고저항이 서서히 감소하면서 5.66s부터 약 993.37Ω으로 수렴하였다. 종래의 기법을 사용한 사고 검출 기법을 통하여 Trip
신호는 5.201s에 발생하였다. 즉, 사고검출시간은 0.201s이었다.
Fig. 7. Fault resistance and trip signal in pole to ground fault
Fig. 8은 Rectifier 근단 사고의 사고저항 1kΩ일 때, 제안된 기법을 사용하여 계산된 db8의 Detail 5 계수값을 나타낸다. DWT 계수값이
5.026s에 최대 0.668mA로 크게 상승하였다. 제안된 기법을 사용한 사고 검출 기법을 통하여 Trip 신호는 5.020s에 발생하였다. 즉,
사고검출시간은 0.020s이었다.
Fig. 8. Detail 5 of db8 in pole to ground fault
3.5 결과 비교
Table 1은 종래의 절연저항 측정을 통한 극-접지사고 검출 기법과 제안된 기법을 비교한 결과를 나타낸다. 사고저항이 클수록 측정된 전류와 DWT 계수값 (db8의
d5)이 작아지는 것을 알 수 있었다. 또한, 제안된 기법은 모든 극-접지사고를 검출하였고 사고저항에 관계없이 극-접지사고검출에 소요되는 시간은 사고발생
후 0.020s 이었다. 한편, PV에서의 사고저항 1Ω을 통한 사고에서, 전류가 3.165mA로 가장 많이 흘렀고, Rectifier에서의 사고저항
10kΩ에서, 전류가 2.924mA로 가장 적게 흘렀다. 종래의 기법은 사고저항이 클수록 극-접지사고검출에 소요되는 시간이 길어지는 경향을 보였다.
사고검출 소요시간은 최대 0.198s, 최소 사고검출 소요시간은 0.268s이었다.
Table 1. Simulation results of conventional and proposed algorithm
|
사고
종류
|
사고
위치
|
사고저항
[Ω]
|
측정된
전류
[mA]
|
DWT 계수값
[mA]
|
종래의 기법
trip 시간
[s]
|
제안된 기법
trip시간
[s]
|
|
Pole to ground
|
Rectifier
|
1
|
3.119
|
0.668
|
0.198
|
0.020
|
|
10
|
3.119
|
0.668
|
0.198
|
0.020
|
|
100
|
3.117
|
0.667
|
0.201
|
0.020
|
|
1,000
|
3.099
|
0.664
|
0.201
|
0.020
|
|
10,000
|
2.924
|
0.633
|
0.268
|
0.020
|
|
PV
|
1
|
3.165
|
0.675
|
0.198
|
0.020
|
|
10
|
3.165
|
0.675
|
0.198
|
0.020
|
|
100
|
3.163
|
0.675
|
0.201
|
0.020
|
|
1,000
|
3.145
|
0.671
|
0.216
|
0.020
|
|
10,000
|
2.968
|
0.640
|
0.257
|
0.020
|
|
DC Load
|
1
|
3.117
|
0.667
|
0.201
|
0.020
|
|
10
|
3.117
|
0.667
|
0.201
|
0.020
|
|
100
|
3.115
|
0.666
|
0.201
|
0.020
|
|
1,000
|
3.097
|
0.663
|
0.201
|
0.020
|
|
10,000
|
2.940
|
0.635
|
0.201
|
0.020
|
|
ESS
|
1
|
3.135
|
0.670
|
0.201
|
0.020
|
|
10
|
3.135
|
0.670
|
0.201
|
0.020
|
|
100
|
3.134
|
0.669
|
0.201
|
0.020
|
|
1,000
|
3.116
|
0.666
|
0.201
|
0.020
|
|
10,000
|
2.940
|
0.635
|
0.201
|
0.020
|
4. 결 론
접지방식에 따라 직류배전계통의 보호 방안이 필요한데, 극-접지사고는 상전류의 크기변화가 없기 때문에 검출이 어렵다. 본 논문에서는 IT 접지 직류배전계통의
극-접지사고 검출을 위하여, 누설전류의 DWT를 이용한 기법을 새롭게 제안하였다. IT 접지 직류배전계통에 GFD를 설치하여, 1Hz와 10Hz가
합성된 주파수 펄스를 인가하고 누설전류를 측정하였다. 사고발생 시 측정된 누설전류를 이용하여 Daubechies 모함수의 Level 8에서의 Detail
5 계수값을 계산한 후, 임계치와 비교하여 극-접지사고를 검출하게 된다. 제안된 기법의 성능검증을 위하여, EMT 기반 PSCAD s/w를 이용하여
대상 계통을 모델링한 후, 사고발생지점 및 사고저항을 가변하면서 극-접지사고 시뮬레이션한 데이터를 수집하였다. 시뮬레이션 데이터를 이용하여 종래의
기법과 제안된 기법의 성능을 비교한 결과, 종래의 기법은 사고검출시간이 0.198∼0.268s, 제안된 기법의 사고검출시간이 0.020s로서 신속함을
알 수 있었다. 또한, 제안된 기법은 1Ω ∼ 10kΩ인 사고저항에 대해 정동작을 보였다.
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pp. 1-7, 2023.
Biography
He was born in Korea in 1990. He received his B.S., M.S. and Ph.D. degrees in Electrical
Engineering from Gangneung-Wonju National University, Wonju, Korea, in 2014, 2017,
and 2023, respectively. He is a teaching assistant at Gangneung-Wonju National University,
since 2018. His research interests include Smartgrid, LVDC, Microgrid, RES, PMU, AI
application of power system, power system modeling & control, and power system protection.
He is a member of the KIEE, KIIEE, and IEEE. Dr. Lee was awarded the Paper Prize of
KIIEE in 2020, the Best Paper of the APAP in 2021, and the Best Paper of KOWEPO in
2021, 2022.
He was born in Korea. He received his B.S., M.S. and Ph.D. degrees in Electrical
Engineering from Sungkyunkwan University, Seoul, Korea, in 1988, 1990, and 1996, respectively.
From 1989 to 1993 he was an associate researcher at Lucky GoldStar Industrial Systems.
From 1993 to 1996, he was a senior researcher at PROCOM system and lecturer at S.K.K.
University. At present, he is a professor in the Department of Electrical Engineering
at Gangneung-Wonju National University, since 1997. His research interests include
power IT, IED, LVDC, MVDC, Microgrid, Hybrid, RES, PMU, AI application to power grid,
power system modeling & control, and computer application in power system. He is a
member of the KIEE, KIIEE, and IEEE. Dr. Park was awarded the Paper Prize of KIEE
in 2010, 2020, the Paper Prize of the KOFST in 2017, the Best Paper of the APAP in
2021, and the Best Paper of KOWEPO in 2021, 2022.