3.1 보호시스템 구성

2장에서 분석한 문제점을 해결하기 위하여 기존의 radial 배전계통 구성과는 달리 선로 양단에 차단기 설치를 제안한다. 기존의 radial 배전계통에서는 한 방향으로 고장전류가 흐르며 개폐기가 설치되어 있어 고장의 분리 및 전환이 가능하다. 그렇지만 본 계통에서는 PV 측 및 DC/DC 컨버터의 커패시터 방전전류로 인하여 역방향으로 고장전류가 주입되므로 고장전류 차단 기능이 없는 개폐기의 활용은 불가능하기 때문에 추가 차단기 설치가 필요하다.

Fig. 2는 본 연구에서 제안한 새로운 보호시스템의 구성도이다. Fig. 2에서처럼 각 선로 양단에 차단기를 설치한다. 보호계전기는 각 선로의 차단기에 흐르는 전류를 입력으로 받으며, 정해진 연산 후 각 차단기의 동작신호 및 tie switch의 동작신호를 전송한다. 각 차단기에 흐르는 전류를 받고, 동작 신호를 전송하기 위하여 통신이 추가되어야 한다. 저압직류배전계통이라는 특성으로 인하여 선로 거리는 일반 특고압 배전계통 보다 매우 짧기 때문에 통신으로 인한 시간 지연도 매우 짧다. 또한, 직류 계통에서는 주파수의 간섭이 없기 때문에 통신 시 데이터 손실도 거의 없어 신뢰도도 매우 높다. 따라서, 본 논문에서는 통신으로 인한 시간 지연 및 데이터 신뢰도는 고려하지 않았다.

Fig. 3은 새로운 보호시스템 적용 시 전류 흐름을 나타낸다. 양단에 차단기를 설치함으로써 Distribution line1 고장의 경우 CB1 개방 시 CB2도 동시에 개방함으로써 차단기 동작 이후에는 PV로부터 정상전류 공급이 가능해진다. 또한, 상시 개방되어 있는 tie switch도 close하여 고장이 나지 않은 선로로부터 전류 공급도 가능하도록 한다.

새로운 보호시스템을 적용하지 않는 경우 정상복구 시에는 일정 시간 후 차단기 close 동작만 수행하면 된다. 그렇지만, 본 연구에서 제안한 바와 같이 양단에 차단기를 설치하고, tie switch도 동작할 경우 고장제거 후 정상복구 절차는 기존의 방법을 적용할 수 없으므로 본 연구에서는 정상복구까지 고려한 보호계전기 동작 알고리즘을 제안하였다.

Fig. 2. Configuration of new protection system

Fig. 3. Current direction by new protection system

3.2 보호 계전기 동작 흐름도

3.1절에 설명한 바와 같이 양단 차단기 동작, tie switch 동작, 고장제거 이후 정상복구 동작까지 포함하는 보호계전기의 동작 흐름도는 Fig. 4와 같다. Fig. 2에 나타낸 바와 같이 각 차단기에 흐르는 전류를 입력으로 받고, CB2에 흐르는 전류(i2), CB4에 흐르는 전류(i4)의 절대값을 구한다. 고장발생 판단은 과전류를 이용하여 판단한다. CB1에 흐르는 전류(i1) 혹은 CB3에 흐르는 전류(i3)가 고장판단을 위한 threshold 값 보다 크면 고장으로 판단한다. Fig. 4에 α1과 α2는 각각 Distribution line1과 line2의 고장 판단을 위한 threshold value이다. Distribution line1 고장으로 판단 시, CB1과 CB2는 동시에 open하며, tie switch는 close한다. Distribution line2 고장으로 판단 시, CB3과 CB4는 동시에 open하며, tie switch는 close한다. 이렇게 동작함으로써 고장구간은 완전히 분리되어 각 부하에는 정상전류 공급이 가능해진다.

고장제거 후에는 정상복구 동작을 수행해야 한다. 고장제거 판단을 위하여 일정 시간(Fig. 4에서 Tset)이 지난 후 우선 tie switch를 다시 open하고, 고장이 발생한 선로의 부하단 차단기(CB2 혹은 CB4)를 close한다. 만약 고장이 남아있다면 PV로부터의 전류는 부하로 흐르지 않고, 고장점으로 흐르게 된다. 따라서 고장이 남아 있다면 부하단 차단기(CB2 혹은 CB4)에 흐르는 전류는 0이 아닌 큰 값을 가지게 된다. 이러한 특성을 이용하여 고장제거 여부 판단을 위하여 CB2에 흐르는 전류의 절대값(abs(i2)), CB4에 흐르는 전류(abs(i4))의 절대값을 β1 혹은 β2 와 비교한다. abs(i2) > β1 혹은 abs(i4) > β2 이 성립한다면, sam1을 계속 더하고, 이 값이 Sampleclear보다 크면 고장이 남아있는 것으로 판단한다. 따라서, CB2 혹은 CB4를 다시 open하고, tie switch는 close하여 각 부하에 정상전류 공급이 가능해지도록 한다. abs(i2) > β1 혹은 abs(i4) > β2 이 성립하지 않는다면, sam2를 계속 증가시키고, 이 값이 Sampleclear보다 크면 고장이 완전히 제거된 것으로 판단한다. 따라서, 최종 복구를 위하여 CB1 혹은 CB3를 close한다. 여기서, sam1과 sam2는 sample 수이며, Sampleclear 는 고장제거 여부 판단을 위한 sample 수의 threshold 값이다. Sample_ clear를 설정한 이유는 고장제거 판단의 신뢰성을 높이기 위함이다. 만약, Sample_clear를 설정이 없다면 Tset 시간 후 고장제거 판단을 위하여 차단기를 닫았을 때 발생할 수 있는 과도현상 등 여러 가지 원인으로 고장제거 판단에 오동작을 유발할 수 있다.

본 연구에서 제안한 방법은 고장 차단은 기존의 과전류 계전 방식을 적용하는 점은 동일하다. 하지만, 기존의 과전류 계전 방식과는 달리 고장 복구를 위한 절차까지도 포함되어 있는 점이 차이점이다.

Fig. 4. Flow chart of protection relay

4.1 계통모델

본 연구에서 제안한 방법을 검증하기 위한 계통모델은 Fig. 2와 같다. 각 부하에 연결된 태양광 용량은 3kW이며, 부하 용량은 각각 5kW이다. 또한, 각 배전선로 길이는 2km로 동일하게 설정하였다. AC/DC 컨버터를 거친 후 모선 전압은 1500V이며, DC/DC 컨버터를 거쳐 부하에 380V 전압이 걸리도록 모델링 하였다.

계통 모델은 EMTP/ATPDraw를 이용하여 구현하였다. 보호계전기 알고리즘은 EMTP/MODELS를 이용하여 구현하였으며, AC 60Hz를 기준으로 120samples/cycle로 동작하도록 모델링하였다. 차단기 동작은 TACS controlled type 13 switch 모델을 이용하여 EMTP/MODELS의 출력에 따라 open/close 동작을 수행하도록 모델링을 하였다. PV 모델링, AC/DC 컨버터 모델링, DC/DC 컨버터 모델링 또한 EMTP/MODELS 이용하여 동작 세부사항을 구현하였다^{[6, 7]}.

4.2 시뮬레이션 조건

본 연구에서 제안한 방법의 검증을 위한 시뮬레이션 조건은 아래 Table 1과 같다. 각 선로에서 순간고장(고장발생 0.1s초 후에 고장제거)과 영구고장을 시뮬레이션하였다. 고장종류는 pole-to-pole 고장을 시뮬레이션하였으며, 고장저항은 1Ω을 설정하였다. 고장발생 시간은 1.2s로 설정하였다.

고장제거 판단을 위한 threshold 값인 α1, α2는 계통의 고장전류를 기반으로 설정된다. 계통의 고장전류는 계통의 구성, 고장위치, 고장저항, 부하크기 등 다양한 요소에 의하여 결정될 수 있으며, 본 논문에서는 이러한 요소를 고려하여 시뮬레이션 시 α1과 α2는 200으로 설정하였으며 계통 구성에 따라 조정할 수 있다. β1 와 β2는 50으로 설정하였으며, Tset, Sampleclear 는 각각 0.3초, 60으로 설정하였다. 시뮬레이션 시 보호계전기가 교류기준 1cycle 당 120samples를 받도록 모델링하였다. 따라서, 60samples는 교류의 0.5cycle 정도의 지속시간을 뜻하며, 이 지속시간만큼 조건이 만족되어야 고장제거 판단을 하도록 설정한 것이다.

4.3 시뮬레이션 결과

본 연구에서 제안한 방법을 검증하기 위하여 CB1에 흐르는 전류(i1)와 CB3에 흐르는 전류(i3), abs(i2) 혹은 abs(i4), 각 차단기 및 tie switch 동작을 보여주었다. 차단기 및 tie switch 동작 그래프에서 ‘1’은 close, ‘0’은 open을 의미한다. Fig. 5는 Case1의 시뮬레이션 결과를 나타낸다. Fig. 5(a)에서 i1값이 고장판단을 위한 threshold α1값인 200 이상을 나타내므로 고장으로 판단하고 CB1과 CB2를 open하고, tie switch,는 close 한다. 고장 복구를 위하여 우선, 1.55초에 CB2는 close, tie switch는 open 하며, 이때 abs(i2) 값은 Fig. 5(c)에서와 같이 고장제거 판단을 위한 threshold 값 β1(50)보다 작으므로 고장제거로 판단하고, 최종적으로 CB1을 close 한다. 고장복구 이후 i1과 i3 파형의 값은 Fig. 5(a)와 같이 정상전류 파형이 나타남을 알 수 있다. 위에서 설명한 전체적인 차단기 및 tie switch 동작은 Fig. 5(c)에 나타나 있다.

Fig. 6은 Case 2의 시뮬레이션 결과를 나타낸다. Fig. 6(a)에서 i1 값이 200 이상을 나타내므로 고장으로 판단하고 CB1과 CB2를 open하고, tie switch는 close 한다. Tset 경과 후 고장 복구를 위하여 CB2는 close, tie switch는 open 한다. 이때 abs(i2) 파형은 Fig. 6(b)와 같이 threshold보다 큰 값을 나타내므로 고장이 지속되고 있음을 판단하고, CB2는 open, tie switch는 close 동작을 수행한다. Fig. 6(a)에서 i3 전류를 보면 CB1과 CB2 open 이후 정상전류를 나타내고 있다. 또한, 복구시도 시점에 고장이 남아있음을 인지하고, CB2는 open, tie switch는 close 동작 이후에도 i3에 다시 정상 전류가 흐름을 알 수 있다. 따라서, Load 1과 Load 2의 정전은 최소화 된다고 할 수 있다. 시간대별 전체적인 차단기, tie switch 동작은 Fig. 6(c)에 나타나 있다.

Fig. 7은 Case 3의 시뮬레이션 결과를 나타낸다. Fig. 7(a)와 같이 i3의 값이 고장판단을 위한 threshold 값인 200보다 크므로 고장발생으로 판단하고 CB3와 CB4를 open하고, tie switch는 close 한다. 고장복구를 위하여 제안된 알고리즘에 따라 1.55초에 CB4는 close, tie switch는 open 한 이후 abs(i4)의 값은 Fig. 7(b)와 같다. 이 값이 고장제거 판단을 위한 threshold 값 50보다 작으므로 고장제거로 판단하고 최종적으로 CB3를 close 함으로써 고장복구 절차까지 마무리한다. 고장복구 이후에 Fig. 7(a)와 같이 i1과 i3에 정상 전류가 나타남을 알 수 있다. 앞서 설명한 전체 차단기 및 tie switch의 동작은 Fig. 7(c)에 자세히 나타나 있다.

Fig. 8은 Case 4의 시뮬레이션 결과를 나타낸다. Fig. 8(a)와 같이 i3값이 200 이상이므로 고장으로 판단하고 CB3와 CB4를 open하고, tie switch는 close 한다. 고장복구를 위한 시도 이후 abs(i4) 값은 Fig. 8(b)와 같다. 고장제거 판단을 위한 threshold 값보다 매우 크므로 고장이 남아있다고 판단하고, CB4는 다시 open하고 tie switch는 다시 close 한다. 전체 차단기 및 tie switch의 동작은 Fig. 8(c)에 자세히 나타나 있다. Fig. 8(a)에서 보면 차단기 동작 이후에도 고장구간이 완전히 고립되므로 i1과 i3에 정상 전류가 흘러 부하 정전이 최소화 됨을 알 수 있다.

Fig. 5. Simulation result of case 1

Fig. 6. Simulation result of case 2

Fig. 7. Simulation result of case 3

Fig. 8. Simulation result of case 4