2.2.1 변전설비 정전복구 순서 개괄

본 연구의 대상인 154kV 변전소는 방사상 구조를 유지하도록 운용하고 있으며, 방사상 구조로 운용되고 있는 시스템의 정전복구는 전력의 흐름에 따라 순차적으로 수행되어야 한다. 즉, 우선적으로 전력의 공급측에 대한 정전복구를 수행하여 필요한 전력을 확보하고, 확보된 전력을 이용하여 방사상 구조에 따라 부하측까지 순차적으로 복구하여야 한다.

본 연구에서는 방사상 구조인 변전소의 적절한 정전복구를 위하여 한국전력 계통운영 지침서에 근거하여 전력공급의 계층구조적 순서, 즉, 154kV 모선부터 변압기, 배전모선, 배전선로의 순서로 복구하도록 설계한다. 단, 송전선로의 복구는 지역급전이나 급전 분소의 역할이므로, 본 연구에서는 고려하지 않았으며, 154kV 모선의 복구과정에서 사용되는 송전선로는 이미 복구된 것으로 가정하였다. 변전설비의 정전복구 절차를 요약하면 다음 그림 5와 같다.

변전설비의 정전복구 계획수립은 문제의 표현에서 전술한 바와 같이 전처리 단계 다음으로 수행되는 과정이다. 전처리 단계까지의 수행결과로서, 사고설비는 건전계통으로부터 완전히 분리되었으며, 정전구역 내에 존재하는 모든 차단기는 개방된 상태이다. 이와 같은 상태에서 변전설비의 복구계획은 여러 가지 제약조건을 고려하여 154kV 모선부터 배전선로까지 순차적으로 수립된다.

154kV 모선에서 사고가 발생할 경우, 사고모선에 연결되어 있던 송전선로는 건전모선으로 절체시켜야 한다. 그러나 송전선로의 모선절체는 계통조건 등을 확인하여 수행되어야 하므로 변전설비의 정전복구보다 과다한 시간이 소모되는 부분이다. 그러므로 수용가의 정전시간을 가능한 단축시키기 위하여 송전선로의 모선절체는 변전설비의 정전복구가 완료된 다음에 수행되어야 한다. 이것은 정전복구 과정에서 반드시 고려되어야 할 중요한 쟁점사항인 정전구역과 정전시간을 최소화 시키고, 신뢰성 있는 전력을 수용가에게 안정적으로 공급해야 하는 전력 시스템 본연의 임무를 충실히 수행하기 위한 것이다.

변압기 사고가 발생하여 정전된 배전모선과 배전선로는 예비 변압기가 존재할 경우에는 예비 변압기를 가압하여 복구시키고, 예비 변압기가 존재하지 않을 경우에는 운전중인 다른 변압기 뱅크로 절체하여 복구시켜야 한다. 그러나 이와 같은 과정에서 여러 대의 변압기가 배전모선을 통하여 병렬연결 될 가능성이 존재하는데, 이것은 “변전소의 방사상 구조를 유지하여 복구한다.”는 제약조건에 위배된다. 그러므로 운전중인 변압기를 이용하여 배전모선과 배전선로의 정전복구를 수행할 경우에는 배전모선을 통한 변압기의 병렬연결을 방지하기 위한 조치가 필요하다. 배전모선은 이중모선 구조로 되어있으며, 정상상태에서 하나의 모선만 가압하여 사용하므로 필요할 경우에는 배전모선의 부하를 예비모선으로 절체시킬 수 있다. 부하절체는 배전모선을 통한 변압기의 병렬연결을 방지하기 위하여 배전모선의 부하를 예비모선으로 절체하는 과정이다.

변압기에 사고가 발생하고 예비 변압기가 준비되지 않은 상황이 발생하면, 배전모선 및 배전선로 등의 정전부하는 운전중인 다른 변압기 뱅크를 이용하여 복구시켜야 한다. 이 과정에서 여유용량이 존재하는 다른 변압기 뱅크를 이용하게 되는데, 변압기의 여유용량이 정전 부하량 보다 부족하여 정전부하 전체를 복구할 수 없는 상황이 발생할 수 있다. 이와 같이 여유용량이 부족하여 정전된 전체부하를 복구할 수 없는 상황이 발생할 경우에는 여유용량이 허용하는 한도에서 정전복구를 수행하여 정전구역을 최소화시켜야 한다. 부하차단은 변압기 뱅크의 여유용량이 부족하여 정전된 전체부하를 복구할 수 없는 상황에서 중요도가 낮은 배전부하를 차단하는 과정이다. 여기서, 부하의 중요도는 배전선로의 복구우선 순위도에 따라 결정된다.

2.2.2 154kV 모선의 정전복구

배전 변전소의 154kV 모선에는 여러 개의 송전선로와 변압기가 연결되어 있다. 송전선로는 154kV 모선에 전력을 공급하고, 변압기는 154kV 모선의 전력을 감압시켜 배전부하에 분배한다. 즉, 154kV 모선은 송전선으로부터 유입된 전력을 변전설비와 배전부하에 공급하는 배전 변전소에서의 전력원 역할을 수행한다. 그러므로 154kV 모선의 정전복구는 변전소의 완전복구를 위한 첫 단계이고, 변전설비는 154kV 모선의 전력을 이용하여 순차적으로 복구된다.

배전 변전소의 154kV 모선은 전력공급의 신뢰성을 확보하고 정전복구의 편리성을 도모하기 위하여 이중모선 구조를 사용하고 있으며, 이중모선의 운용방식은 모선타이 개폐기군(단로기-차단기-단로기)의 개방 또는 투입 상태에 따라 결정된다. 모선 공통운용은 모선타이 개폐기를 투입하고 두개의 모선을 연결하여 운전하는 방식이며, 모선 분리운용은 모선타이 개폐기를 개방하고 이중모선을 분리하여 운전하는 방식이다. 154kV 모선에서 발생하는 정전의 유형은 이와 같은 이중모선의 운용방식에 따라 결정되며, 154kV 모선의 정전은 사고로 인한 경우와 사고의 확산으로 인한 경우로 대별할 수 있다.

154kV 모선은 정전복구 과정에서 송전선로를 이용하여 복구될 수 있는데, 이 과정에서 사용하는 송전선로는 모선의 정전복구가 수행되기 이전에 전술한 바와 같이 지역급전 또는 급전분소에서의 조작으로 이미 복구된 것으로 보기로 한다.

(1) 154kV 모선의 정전유형 분석

154kV 모선의 정전은 크게 사고로 인한 경우와 사고의 확산으로 인한 경우로 대별할 수 있다. 전자와 같이 사고로 인한 정전은 보수반이 직접 현장에 출동하여 수리해야 하는 경우이고, 후자와 같이 사고의 확산으로 발생한 정전은 원격 제어소에서 개폐기의 조작으로 복구시킬 수 있는 경우이다. 따라서 154kV 모선의 정전복구는 이와 같이 사고의 확산으로 정전된 모선을 대상으로 수행된다.

154kV 모선 정전의 유형은 단모선 정전과 양모선 정전으로 구분할 수 있다. 단모선 정전은 이중모선 중에서 한 개의 모선만 정전된 경우이고, 양모선 정전은 이중모선 전체에서 정전이 발생한 경우이다. 단모선 정전은 154kV 모선의 분리운용 상태 또는 공통운용 상태에서 보호기기 특히 모선타이 차단기가 정동작할 경우 발생하는 유형이고, 양모선 정전은 모선의 공통운용 상태에서 보호기기들의 오동작, 부동작으로 인하여 사고가 인근 계통으로 확산될 경우에 발생하는 유형이다. 이와 같은 정전의 유형을 요약하면 표 1과 같다.

단모선 정전의 사고확산은 변압기 사고의 확산을 의미하게 되며, 양모선 정전에서의 사고확산은 154kV 모선 혹은 변압기 사고의 확산을 의미하게 된다. 모선공통 운전상태에서 단모선 정전의 원인은 154kV 모선 사고이며, 이때 모든 보호기기는 정동작하여야 한다.

(2) 154kV 모선의 복구방법 고찰

154kV 모선의 정전복구 방법은 정전의 유형에 따라 결정되며, 정전복구는 가압상태로 운전중인 인근의 154kV 모선을 이용하거나 송전선로를 이용하여 수행된다. 전술한 바와 같이 송전선로의 모선연결은 여러 가지 계통조건을 고려해야 하므로, 다른 설비의 연결과 비교하여 과다한 시간이 소모되는 부분이다. 그러므로 정전복구의 신속성을 도모하기 위하여 154kV 모선의 정전복구는 우선적으로 가압상태로 운전중인 인근의 모선을 이용하여 수행되어야 하고, 가압상태인 154kV 모선이 존재하지 않을 경우에 송전선로를 이용하여 수행된다. 이와 같은 정전복구의 세부절차를 요약하면 다음과 같고, 그림 6은 154kV 모선 복구의 흐름도이다.

사고의 확산으로 인한 단모선 정전의 경우는 대부분 가압상태로 운전중인 154kV 모선이 개방된 모선타이 차단기를 통하여 연결되어 있다. 따라서 단모선 정전의 경우는 모선타이 차단기를 투입하여 이중모선을 연결함으로써 정전복구를 수행할 수 있다. 양모선 정전의 경우는 가압상태로 운전중인 154kV 모선이 존재하지 않으므로 송전선로를 이용하여 복구시킨다. 그리고 사고가 발생한 154kV 모선에 연결되어 있던 송전선로는 변전설비의 복구가 완료된 후에 건전 154kV 모선으로 절체된다. 이와 같은 조작순서는 부하측의 정전시간을 최소화 시키기 위한 고려이다.

(3) 154kV 모선의 정전복구 예

모의 변전소를 이용하여 154kV 모선의 정전복구 과정을 예시하면 다음과 같다. 모의 변전소는 그림 7에서 보는 바와 같이 4개의 송전선로와 3개의 변압기로 구성하였고, 모선타이 개폐기를 개방하여 이중모선을 분리운용하고 있는 상태로 가정하였다. 또한 사고는 2번 변압기에서 발생한 것으로 가정하였으며, 복구수행 이전의 변전소 구성도는 그림 7에 표시하였고, 그림 8은 정전복구 후의 구성도이다.

모의한 정전상황을 간략히 서술하면 다음과 같다. 사고는 2번 변압기에서 발생하였으나 변압기 1차측의 6233번 차단기의 부동작으로 인하여 송전계통으로 확산되었다. 이 과정에서 1번 154kV 모선은 변압기 사고의 확산으로 정전되었고, 3번 변압기에서는 154kV 모선 정전의 여파로 인하여 정전되었다.

정전된 1번 154kV 모선은 개방상태인 모선타이 개폐기를 통하여 2번 154kV 모선에 연결되어 있다. 따라서 정전된 154kV 모선의 정전복구 조작은 모선타이 개폐기를 통하여 수행되어야 하며, 복구조작 과정은 표 2와 같이 요약된다.

정전복구 이전에 수행되는 전처리 단계까지의 수행결과로서 사고가 발생한 변압기는 건전계통에서 분리되고 정전구역 내에 포함된 차단기는 개방된다. 6231번 단로기와 6233번 차단기의 개방은 사고설비를 계통으로부터 완전히 분리하기 위한 조작이다. 154kV 모선의 정전복구는 송전선로와 연결된 617, 647번 차단기를 수동으로 개방시키고, 모선타이 개폐기를 투입하는 순서로 수행된다. 모선타이 개폐기의 투입은 개폐기 사이의 인터록(interlock)을 고려하여야 하므로 6101, 6102번 단로기를 투입하고 6100번 차단기를 투입한다. 복구된 154kV 모선을 이용하여 변전설비의 복구가 완료되면 617, 647번 차단기를 투입하여 차단된 송전선로를 154kV 모선에 연결시킨다.

2.2.3 변압기의 정전복구

154kV 모선의 정전복구가 완료되면, 154kV 모선의 전력을 이용하여 변전설비에 대한 복구를 수행한다. 변압기는 154kV 모선의 전력을 감압하여 배전부하에 공급하는 역할을 수행하므로 배전부하의 복구조작 이전에 복구되어야 한다.

정전 변압기의 복구유형은 크게 두 가지로 대별할 수 있다. 첫 번째 유형은 정전되기 이전의 위상구조를 유지하며 복구하는 방식이고, 두 번째 유형은 정전되기 이전과 다른 154kV 모선으로 변압기를 절체하여 복구하는 방식이다. 전자는 사고 직전에 연결되어 있던 154kV 모선에 정전이 발생하지 않았거나, 154kV 모선의 복구조작을 통하여 정전이 해소된 경우에 취하는 방법이고, 후자는 기존의 154kV 모선에 사고가 발생하여 복구과정에서 이용할 수 없을 경우에 취하는 방법이다. 다음 그림 9는 변압기 복구의 흐름도이다.

154kV 모선 사고를 이용하여 변압기의 정전복구 과정을 예시하면 다음과 같다. 그림 10에서 보는 바와 같이 1번 154kV 모선 사고를 제거하기 위하여 617, 647, 6233, 6333번 차단기가 트립되었다. 따라서 사고가 발생한 1번 154kV 모선과 154kV 모선으로부터 전력을 공급받고 있는 2, 3번 변압기에 정전이 발생하였다.

정전 변압기에 연결되어 있던 154kV 모선은 사고설비 분리 단계에서 건전계통으로부터 완전히 분리되므로 복구과정에서 사용할 수 없다. 따라서 정전 변압기의 복구조작은 모선절체를 통하여 수행되어야 하며, 복구조작 과정은 표 3과 같이 요약된다.

1번 154kV 모선은 사고설비 분리단계에서 611, 641번 단로기를 개방시켜, 건전계통으로부터 완전히 분리된다. 정전된 2, 3번 변압기는 2번 154kV 모선으로 절체하고, 1차측의 차단기를 투입하여 복구된다. 모선절체 순서는 개폐기의 인터록을 고려하여야 하므로 6231, 6331번 단로기를 개방시킨 후 6232, 6332번 단로기를 투입시킨다. 단로기의 조작으로 모선절체가 완료된 후에 6233, 6333번 차단기를 투입하여 정전 변압기를 복구한다. 그림 11은 정전복구 수행 후의 변전소 위상도이며, 순차적으로 배전선로 복구, 송전선로의 154kV 모선 절체가 수행된다.

2.2.4 배전모선과 배전선로의 정전복구

여러 개의 배전선로가 연결된 배전모선은 변압기의 전력을 배전부하에 전달하는 접점이다. 배전모선은 이중모선으로 구성되어 있으나, 정상상태에서는 한 개의 모선만 가압하여 사용하는 단모선 운전방식을 사용하고 있다.

배전모선의 정전복구는 배전선로의 복구를 위한 중간단계로서 여유용량이 존재하는 변압기를 탐색하여 연결시키는 과정이고, 배전선로의 정전복구는 변전소 복구의 마지막 단계로서 배전선로를 배전모선에 연결시키는 과정이다. 배전모선과 배전선로의 정전복구는 정전이 발생하기 직전에 연결되어 있던 변압기를 이용하거나 예비 변압기 또는 여유용량이 존재하는 변압기를 이용하여 수행된다. 배전모선과 배전선로에 전력을 공급하고 있던 변압기가 가압상태이면, 그 변압기에 배전모선을 연결하여 기존의 위상구조를 유지하며 정전복구를 수행한다. 그러나 전력을 공급하고 있던 변압기에 사고가 발생한 경우는 모선타이 차단기를 통하여 예비 변압기나 여유용량이 존재하는 변압기 뱅크로 배전모선을 절체하여 복구한다. 이 과정에서 배전선로의 배전모선 연결은 복구우선 순위도에 의거하여 순차적으로 수행된다.

이와 같은 정전복구의 세부절차를 요약하면 다음과 같고, 그림 12는 배전모선과 배전선로 복구의 흐름도이다.

a) 기존 변압기로 복구

변압기 2차측 차단기 투입

배전선로 연결

b) 건전 변압기로 절체하여 복구

모선타이 차단기 투입

배전선로 연결

배전모선과 배전선로의 복구는 변압기의 용량에 종속되며, 또한 배전모선을 통한 변압기 병렬운전의 방지는 정전복구 과정에서 반드시 고려되어야 하는 사항이다. 본 논문에서는 정전부하를 타 변압기 뱅크로 절체하는 과정에서, 변압기의 과부하 방지를 위하여 변압기 용량의 90[%]까지만 이용하도록 하였다. 또한 배전모선을 통한 변압기의 병렬운전을 방지하기 위하여 배전모선 복구시 폐경로가 형성되면 배전모선의 기존 부하를 예비 배전모선으로 절체하도록 하였다.

2.2.5 부스타이의 추가설치로 인하여 개선된 배전모선 및 배전선로의 복구 규칙 검토

배전모선에서의 부스타이는 최초에는 횡적인 연결을 위하여 설치되었으나 변압기나 배전모선에서의 사고시 배전선로를 절체하는데 걸리는 시간, 즉, 스위칭 횟수를 줄이기 위하여 최근에는 그림 13에 표시된 바와 같이, 표준 4뱅크 변전소에서는 종적 부스타이를 1, 3번 뱅크의 배전모선에 설치하여 사용하고 있다.

이러한 표준 4뱅크 변전소에서 배전모선 또는 변압기의 사고시 복구 시나리오는 다음과 같이 분류할 수 있다.

a) 하나의 MTR을 이용한 복구

복구 가능한 경로가 2개인 경우와 3개인 경우가 있으며, 이때의 가능한 복구경로는 그림 13, 14에 각각 적색으로 표시하였다.

b) 두 개의 MTR을 이용한 복구

하나의 MTR을 이용한 복구가 불가능할 때는 두 개의 MTR을 이용하여 복구를 수행하는데, 1번과 3번 MTR을 이용한 경우는 그림 15에 표시하였고, 4번 MTR을 이용하는 경우는 그림 16에 그 경로를 적색으로 표시하였다.