1. 서 론

기후 위기에 대한 해결책으로 전력 분야는 화석 연료를 대체하기 위한 노력을 지속하고 있다. 특히 화석 연료의 대체를 위하여 태양광 및 풍력 발전과 같은 신재생 에너지원의 활용률을 높이고자 한다. 신재생에너지원은 배전계통에 분산형전원의 형태로 계통에 연계된다. 분산형전원의 계통 연계율이 증가하고 있는 상황에서 배전계통은 다양한 변화를 겪고 있다. 분산형전원은 회전기를 기반으로 하는 동기기기반 분산형전원과 정지기를 기반으로 하는 인버터기반 분산형전원으로 분류된다 ^[1]. 일반적으로 신재생에너지원은 인버터기반 분산형전원으로 계통에 연계된다. 인버터기반 분산형전원은 고장 발생 시, 동기기기반 분산형전원과는 전혀 다른 고장 특성을 가진다. 인버터기반 분산형전원의 배전계통 연계율이 증가하면서 기존 배전계통 해석으로 해석할 수 없는 상황들이 발생하고 있다 ^[2]. 따라서 배전계통을 정확하게 해석하는 것이 중요하고, 정확한 해석 결과를 토대로 배전계통을 운영하고 관리하는 것이 중요하다.

배전계통의 안정성을 향상시키고 신뢰성을 높이기 위해서는 배전계통을 정확하게 해석하는 것이 중요하다. 특히, 인버터기반 분산형전원이 연계된 배전계통에서의 고장 해석, 분산형전원의 독립운전과 배전계통 Hot Switching 상황을 정확하게 해석하는 것이 중요하다. 고장 상황 시 전압을 일정하게 유지하려는 동기기기반 분산형전원과 달리 인버터기반 분산형전원은 고장 상황에서 전류를 일정하게 유지한다 ^[3]. 따라서 이전에 사용하던 고장해석 방법을 통해선 인버터기반 분산형전원이 연계된 배전계통의 고장상황을 정확히 분석할 수 없다 ^[4]. 인버터기반 분산형전원이 연계된 배전계통에서 고장 발생 시 고장 전류의 크기를 정확히 분석하기 위하여 고장 해석 프로그램을 개발하였다. 또한 분산형전원이 연계된 배전계통에서 고장이 발생하여 차단기가 작동했지만, 분산형전원은 계통에서 완전히 분리되지 않아 독립적으로 운전하게 되는 상황이 발생할 수 있다. 이로 인해 독립 운전 중인 분산형전원과 일부 계통으로 형성된 독립 계통에서 전압 상승의 문제가 발생할 수 있다 ^[5]. 이러한 전압 상승은 전력 품질, 계통 안정도에 악영향을 미쳐 큰 위험을 야기할 수 있다. 따라서 이러한 일시과전압을 정확하게 해석할 수 있는 프로그램을 개발하였다. 마지막으로 배전계통에서 고장이 발생하였을 때, 고장의 파급을 방지하기 위하여 Tie Switch를 개폐하여 선로를 재조정한다. 선로가 재조정될 때, 배전계통의 구성에 따라 일시적으로 Loop 배전계통의 구성이 발생할 수 있으며, 양방향 전력 조류가 흐를 수 있다 ^[6]. 이러한 스위치의 동작 상황을 Hot Switching 동작 상황이라 하는데, Hot Switching 동작 상황에서 과전류 또는 과전압이 발생할 수 있다. 따라서 계통의 안정성에 문제를 일으킬 수 있는 핫 스위칭 동작 상황 또한 정확하게 해석되어야 한다.

배전계통 해석 프로그램을 실제 배전계통 운영 시에 적용하기 위해서는 프로그램에 대한 인터페이스 구축이 필수적이다. 배전계통에는 부하, 변압기 및 분산형전원 등 다양한 전력 기기와 설비들로 구성되어 있다. 이러한 다양한 시스템과 장비들에 대한 데이터를 통합하고 효율적으로 처리하기 위해서는 배전계통 해석 인터페이스가 구축되어야 한다. 인터페이스를 통해 데이터를 변환 및 통합할 수 있으며, 데이터를 처리하기에 용이하다. 또한 배전계통 해석 결과에 대한 시각화가 가능하여 배전계통 운영 및 관리 시 효율성 및 정확성이 향상된다. 이를 통해, 배전계통에서 발생 가능한 문제점을 조기에 발견하고 대응할 수 있다. 이러한 인터페이스는 한국전력공사 배전자동화시스템 (Distribution Automation System, DAS)에 이미 구축이 되어 있으나, 해당 인터페이스는 일부 기능이 부재하며, 정확성이 떨어진다는 단점이 있다. 특히 고장 상황에서 분산형전원이 단독 운전하는 상황이나 선로 재구성을 위해 회선 간 스위칭 동작이 이루어지는 상황에 대해선 해석이 불가하다. 따라서 빈번히 발생하는 특정 고장 및 스위칭 상황에 대하여 분석할 수 있는 인터페이스가 구축되어야 한다.

배전계통에서의 일시과전압을 분석하는 다양한 연구들이 수행되고 있다. 그중 ^[7]에서는 테브낭등가임피던스 방법을 사용하여 배전계통의 일시과전압을 분석하였다. 또한 배전계통의 일시과전압은 임피던스의 대칭성분을 사용하여 분석되기도 한다 ^[8]. 분산형전원이 배전계통에 연계될 시, 용량 및 전압과 같은 연계 기준이 존재한다. 따라서 배전계통의 일시과전압을 해석할 시에는 이러한 연계 기준을 고려하여 해석이 수행되어야 한다. 배전계통의 신뢰성을 향상시키고 전력을 효율적으로 분배하기 위하여 배전계통의 구조를 Loop 구조로 변경하고자 하는 연구들이 수행되고 있다. Loop 구조를 해석하기 위해서는 전력 조류 해석이 수행되어야 한다. ^[9]의 저자들은 Loop 배전계통의 전력 조류해석을 위하여 뉴튼랩슨 방법을 사용하여 배전계통을 해석하였다. 가우스 자이델 방법을 사용하여 Loop 배전계통의 전력 조류 해석을 수행하는 연구 또한 수행되었다 ^[10]. Loop 배전계통의 전력조류 해석은 다양한 방법으로 수행되나, Loop 배전계통은 두 개 이상의 변전소 및 주계통과 연결된 구조이므로, 해석의 정확성 향상을 위해서는 슬랙이 여러 개 있는 계통을 해석할 수 있는 방법이 적용되어야 한다.

본 연구에서는 고장 상황에서 전압이 상승하는 문제와 회선 간 스위칭 동작이 발생하는 상황을 분석할 수 있는 해석 프로그램을 개발하였고, 배전자동화시스템에서 실제 사용이 가능한 해석 프로그램 기반 인터페이스를 구축하였다. 해석 프로그램에 대한 설명은 이전에 동저자가 제출한 보고서 및 논문에 수록되어 있으므로, 본 논문에서는 해석 프로그램의 인터페이스화 과정 및 이러한 과정의 검증에 대해 설명하고자 한다. 1장 서론은 본 연구의 목적 및 필요성에 대하여 설명하였다. 2장은 해석 프로그램의 세 가지 기능 중 고장 해석에 대한 필요성 및 검증에 대하여 설명하였다. 3장은 해석 프로그램의 핵심적인 기능으로써 분산형전원의 단독계통 형성 시 발생하는 일시과전압을 분석할 수 있는 기능에 대해 설명하였다. 4장은 선로 교체 등의 목적으로 배전계통 내 스위칭 동작이 시행되었을 때, 해당 순간의 전력 조류를 분석할 수 있는 기능을 설명하였다. 마지막으로 5장에서 결론으로 마무리하고자 한다.

2. 고장 해석 프로그램

태양광 발전원, 풍력 발전원 등과 같은 신재생에너지원의 경우, 인버터를 통해 계통에 연계되며, 이러한 분산형전원들을 인버터기반 분산형전원이라 일컫는다. 인버터기반 분산형전원의 계통 연계가 증가하고, 계통에 연계된 부하에 공급하는 전력량이 증가하고 있다. 인버터기반 분산형전원 발전 비율 증가에 따라, 배전계통에서는 역방향 고장 전류 발생, 과도 과전압의 상승 등과 같은 다양한 문제가 발생하고 있다. 기존 한전의 고장해석은 모든 분산형전원을 회전기기반 분산형전원으로 가정하여 해석을 수행하고 있다. 그러나 회전기기반 분산형전원과 달리 인버터기반 분산형전원은 고장 상황 시, 전류를 일정하게 유지한다. 회전기기반 분산형전원과 인버터기반 분산형전원의 전혀 다른 고장 특성으로 기존 고장해석 방법으로는 인버터기반 분산형전원이 연계된 배전계통에 대한 고장해석이 불가하다. 인버터기반 분산형전원이 연계된 배전계통의 정확한 고장해석을 수행하기 위하여 고장 해석 프로그램을 개발하였고 인터페이스에 대한 검증을 수행하였다.

2.1 고장 해석 프로그램 검증을 위한 테스트 계통

본 연구에서 개발한 고장 해석 장치는 Matlab을 기반으로 코드가 구성되며, 한국전력공사에서 사용하는 인터페이스에 적용되었다. 이에 대한 검증을 수행하기 위하여 수지상 배전방식의 배전계통에서 검증이 수행되었다. 고장 해석 장치 검증 시뮬레이션에 사용된 테스트계통은 그림 1과 같다. 해당 계통 모델은 한국의 방사상 배전계통 표준모델이다. 배전변전소 주변압기가 한 개의 회선에 전력을 공급하고 있으며, 회선은 총 16개의 버스로 구성된다. 선로의 긍장은 15km이고 각 버스는 1km, 2km의 간격으로 배치되었다. 주 선로에는 전력을 공급받는 부하가 각 버스에 연결되어 있다. 각 부하는 500kW, 1,000kW의 전력을 공급받는다. B10에는 5,000kW의 인버터기반 분산형전원이 연계되어 부하에 전력을 공급한다. 이때 분산형전원은 연계변압기 연계기술기준을 충족하기 위하여 계통 측을 Yg 결선으로 하여 접지시켰고, 2차 측을 델타 결선으로 비접지하였다.

그림 1. 고장 해석 프로그램 검증을 위한 테스트계통

Fig. 1. Test system for fault analysis program verification

2.2 고장 해석 프로그램 검증 결과

고장 해석 프로그램에 대한 검증은 그림 1의 테스트 계통에서 수행되었다. 테스트계통의 6번 버스에서 1선지락사고가 발생하였다고 가정하였다. 1선지락고장 상황이 발생하였으나, 5번 버스에 설치된 리클로저는 동작하기 이전 상황이다. 다시 말해, 인버터기반 분산형전원의 단독계통이 형성되기 이전 상황이다. 이에 따라 고장 해석 프로그램은 고장해석을 통해 검증이 가능하다. A상 1선지락고장이 발생하였으므로, A상 전압은 계통 전체적으로 낮게 형성된다. 따라서 과전압을 일으킬 가능성이 있는 건전상의 전압(B상, C상)을 분석하였다. 그림 2는 검증 결과를 보여주며, C상 전압 크기를 p.u. 값으로 나타내었다. 또한 A상, B상 및 C상의 전류 해석 결과를 나타내었다.

그림 2. 1선지락 고장 시 개폐기 동작 전 배전계통

Fig. 2. Distribution system before switch operation in case of SLG fault

해당 계통은 인버터기반 분산형전원이 5,000kW의 전력을 공급하고, 부하가 9,000kW의 전력을 소비하는 계통이다. 다시 말해, 해당 배전계통은 인버터기반 분산형전원이 공급하는 전력보다 부하가 소비하는 전력량이 많다. 분산형전원이 다수 연계된 계통은 1선지락 고장 발생 시 전압이 낮아진다. 그러나 해당 계통은 부하가 소비하는 전력량이 훨씬 많으므로, 1선 지락 고장이 발생했을 때 전압이 대체로 1p.u.을 넘어서 발생하는 것을 확인할 수 있다. 또한 고장지점 인근에서 전압이 높게 발생하고 계통의 말단으로 갈수록 부하의 전력 소비로 인해 전압이 낮아진다. 또한 A상 1선지락 고장이 발생하였으므로, A상의 전류가 가장 크게 발생하였다.

2.3 고장 해석 프로그램 인터페이스

분석한 사례 1과 같은 계통을 사용자 인터페이스로 구성하였을 때, 1선 지락 사고의 해석 결과에 대한 데이터를 취합하기가 용이하고, 이를 시각화할 수 있다. 아래 그림 3은 사례 1에 대하여 인터페이스를 구축하여 결과를 출력한 화면이다. 이때, 닫혀있는 차단기는 빨간색으로 표시되며, 회선 간의 연결을 의미한다. 이는 시각적인 표현을 통해 배전계통 상황을 직관적으로 확인할 수 있도록 구성한 것이다. 대우 모선은 주변압기에 연결된 차단기이므로 빨간색으로 표시되며, 송전계통과 연계된 지점이다. 은창간 모선은 6번 버스와 동일한 버스이다. 고장 해석 프로그램 인터페이스에서 가정한 상황은 은창간 모선에서 1선지락 고장이 발생한 상황이다.

그림 3. 고장 해석 프로그램 인터페이스 화면

Fig. 3. Interface screen of the fault analysis program

그림 2의 해석은 프로그램을 통해 해석한 결과이다. 프로그램을 인터페이스화 하여 결과를 출력한 화면이 그림 3이다. 프로그램을 인터페이스 화면으로 출력하고자 할 때, 데이터의 구조 및 형태를 변형한다. 그림 2와 그림 3의 결과는 정확하게 동일하며, 데이터 오염이 발생하지 않은 것을 검증하였다.

기존 OffDas 한전프로그램은 모선쪽 데이터를 단순하게 처리하여 고장해석을 수행한다. 다시 말해, 주계통과 배전계통을 연결하는 차단기(CB)부터 회선의 말단까지에 해당하는 배전계통을 관리하는 데 주안점을 두었다. 주변압기(MTR) 모선이나 변전소에 대한 데이터를 구체화하지 않았으므로, 고장해석에 대한 결과가 정확하지 않다. 본 논문에서 개발한 프로그램에 입력으로 들어가는 임피던스 데이터는 표 1과 같다. 버스의 이름을 명시하고, 버스와 버스 사이의 정상분, 역상분, 영상분 임피던스 및 선로 길이를 입력한다. 해당 프로그램은 기존 한전프로그램의 한계를 보완하기 위하여 차단기(CB) 윗단에 대한 데이터를 구체화하였다. 다시 말해, 변전소에 대한 데이터를 하나의 임피던스로 간략화하지 않았다. 표 1의 첫 번째부터 4번째까지의 행을 확인하게 되면, 첫 번째 행부터 발전기 임피던스(Ground-S01 임피던스), 주변압기 1차 측 임피던스(S01-p01 임피던스), 주변압기 2차 측 임피던스(p01-B01 임피던스), 중성점 접지 임피던스(p01-Ground)의 데이터가 입력되게 된다. 차단기 앞단의 임피던스를 총 네 가지 임피던스로 구체화하여 결과적으로 고장해석의 정확성을 향상시켰다.

표 1 인터페이스 입력 임피던스 데이터

Table 1 The interface input impedances

From Bus	To Bus	정상분 임피던스 (pu)	역상분 임피던스 (pu)	영상분 임피던스 (pu)	길이 [km]
Ground	S01	0.01088j	0.01088j	0.00976j	1
S01	p01	0.35071j	0.35071j	Infinite	1
p01	B01	-0.02159j	-0.02159j	-0.02159j	1
p01	Ground	Infinite	Infinite	0.16835j +0.34324j	1

또한, 개발한 프로그램은 부하 타입에 대한 설정을 통해 접지 부하와 비접지 부하를 구분하여 분석할 수 있도록 하였다. 기존 한전에서 사용하고 있는 DAS 프로그램의 경우, 배전계통에 연결된 모든 부하를 비접지 부하라 가정하였고, 비접지 부하에 대한 해석만 가능하였다. 연구를 위한 해석의 정확성을 향상시키고 해석의 다양화를 위하여, 부하의 접지방식 선택 기능을 해석 프로그램 및 인터페이스에 추가하였다 (그림 4).

그림 4. 부하 속성 설정 기능

Fig. 4. The function of load property setting

마지막으로, 기존 한전 프로그램에서는 슬랙 모선이 고정되어, 슬랙 모선을 설정할 수 있는 기능이 부재하였다. 슬랙 모선 설정 기능을 통해 슬랙 모선을 변경해 가며 조류해석을 수행할 수 있고, 최적의 조류를 계산해낼 수도 있다. 본 프로그램에서는 차단기 윗단인 주변압기 버스를 슬랙으로 설정하여 계산할 수 있고, 배전계통 내 차단기를 포함하여 위치와 상관없이 슬랙 모선을 설정할 수 있는 기능을 추가하였다 (그림 5).

그림 5. 슬랙 설정 기능

Fig. 5. The function of slack bus setting

3. 분산형전원 독립운전 해석 프로그램

배전계통이 정상적으로 운영되고 있는 상황과 고장이 발생한 상황 모두 전압이 상승하는 문제가 발생할 수 있다. 특히, 고장이 발생한 상황에서 배전계통에 인버터기반 분산형전원이 다수 연계되어 있을 시, 인버터기반 분산형전원의 출력단에서 전압 상승 문제가 발생할 수 있다. 신재생에너지원이 연계된 배전계통에 전압이 상승하게 되면 다양한 문제가 발생한다. 전압 상승으로 인하여 계통에 연결된 전력 기기나 설비들이 과전압에 노출되어 손상될 수 있다. 또한 계통 전압 상승으로 인버터기반 분산형전원이 계통으로부터 분리될 경우, 고장이 파급될 가능성이 있다. 이러한 문제점을 사전에 분석하고 대응하기 위하여 TOV Application을 개발하였다. TOV Application은 분산형전원이 연계된 배전계통을 해석할 수 있는 프로그램이다. 해당 프로그램을 통해 다양한 상황에서 발생하는 고장 상황을 분석할 수 있으며, 분석을 기반으로 고장이 발생했을 시 어떤 문제가 발생할 수 있는지 사전에 판단할 수 있다.

3.1 분산형전원 독립운전 해석 프로그램 검증 결과

분산형전원이 연계된 배전계통에 1선지락고장이 발생하였을 시, 고장의 파급을 방지하기 위하여 말단 측 계통을 주계통으로부터 분리한다. 말단 측 계통을 분리하였으나, 분산형전원을 미처 분리하지 못 하였을 경우, 분산형전원의 단독계통이 형성된다. 그림 6을 보게 되면, 1번 사례와 같이 6번 버스에서 1선지락고장이 발생한 상황이다. 고장 파급의 방지를 목적으로 분산형전원 측의 계통을 송전계통 측으로부터 분리한다. 계통 분리를 위하여 5번 버스에 설치된 리클로저가 동작하며, 분산형전원이 연계된 단독계통이 형성된다. 이때, 분산형전원 단독운전 상황에 따른 일시과전압이 발생할 수 있으며, 이를 정확하고 빠르게 분석하는 해석 프로그램 및 해석 인터페이스 구축이 필요하다. 일시과전압을 완화하지 않을 경우, 수 초 내에 전력 기기의 절연을 파괴하거나 부하 측에 악영향을 미칠 수 있다. 일시과전압 해석 프로그램과 인터페이스를 통해 과전압 상황을 모니터링하고, 이를 기반으로 장비를 보호하고 계통의 안전성을 확보할 수 있다. 또한 계통의 안정성을 위해 일시과전압에 대한 규제와 기준이 규정되어 있다. 일시과전압 해석 프로그램과 인터페이스를 구축하면 이러한 규제 및 기준을 준수하고, 배전계통 운영자가 관련 데이터를 추적할 수 있다. 이런 다양한 목적을 충족시키기 위하여 해석 프로그램과 인터페이스를 구성하였고, 이에 대한 적용 사례는 아래와 같다.

그림 6. 1선지락 고장 시 개폐기 동작 후 배전계통

Fig. 6. Distribution system after switch operation in case of SLG fault

그림 6은 1선지락고장 발생으로 인한 인버터기반 분산형전원의 단독계통 형성의 사례이다. 이러한 상황에서는 건전상에 일시과전압이 발생하게 된다. 그러나 해당 단독운전 상황을 보게 되면, 부하가 7,000kW의 전력을 소비하고 있고, 분산형전원은 5,000kW의 전력을 공급하고 있다. 부하의 전력 소비량과 비교해 분산형전원의 발전량이 훨씬 낮은 상황이다. 1선지락고장이 발생하였으나, 분산형전원의 발전량이 낮은 상황에선 건전상의 전압이 낮게 형성된다. 따라서 그림 6의 1선지락 고장 발생의 단독운전 상황에서도 일시과전압 현상이 발생하지 않았다. 결과적으로 단독운전 계통의 전압은 평균적으로 0.7 p.u.정도로 발생하는 것을 확인할 수 있다.

3.2 분산형전원 독립운전 해석 프로그램 인터페이스

그림 7은 배전계통이 단독계통을 형성한 사례에 대하여 해당 계통을 한국전력공사 인터페이스 화면으로 구성한 모습이다. 화호간 10에서 리클로저가 계통을 분리하였으므로, 해당 모선은 노란색으로 표시된다. 또한 화호간 10의 뒷단에 형성된 계통은 분리된 계통이므로 선로 또한 빨간색으로 처리된다. 반면, 리클로저 앞단의 계통은 주계통과 연결된 상태이므로 대우 버스는 빨간색으로 표시되며, 선로 또한 초록색으로 표시되게 된다.

그림 7. 분산형전원 독립운전 해석 프로그램 인터페이스 화면

Fig. 7. Interface screen of the distributed generation isolated operation

그림 6은 분산형전원의 독립 운전 상황을 매트랩 프로그램을 통해 해석한 결과이다. 프로그램의 데이터를 재구조화하여 이를 인터페이스로 구축한 화면이 그림 7이다. 그림 6의 해석 결과와 그림 7의 출력 결과를 비교하였을 때, 결과값이 정확하게 일치하였다. 다시 말해, 데이터를 재구조화하여 인터페이스 화면에 출력하였을 때, 인터페이스가 데이터의 변형 없이 결과를 정확하게 출력함을 알 수 있다.

4. Hot Switching 해석 프로그램

Hot Switching 상황은 스위치를 통하여 계통 구성이 변경되는 일시적인 상황을 의미한다. 계통 구성이 일시적으로 변경되는 상황에서 과전압 또는 과전류가 발생할 수 있다. 따라서 개발한 Hot Switching 프로그램 및 인터페이스는 이러한 스위칭 동작 수행 시 정확한 해석 결과를 보여주어, 배전계통 운영자가 계통의 안정성을 확보할 수 있도록 한다.

그림 8은 공급 능력이 다른 두 발전기가 있는 계통에서 Load2 부하에 전력 공급을 G2 발전기에서 G1 발전기로 옮기려는 과정이다. 전력 공급을 변화시키기 전, Tie Switch가 개방되어 G1 발전기는 Load1 부하에, G2 발전기는 Load2, Load3 부하에 전력을 공급한다. G1 발전기의 전력 공급 능력이 G2 발전기보다 클 때, Load2 부하에 대한 전력 공급을 스위치를 통해 옮기고자 한다. 부하 이동은 Tie Switch를 닫고, Switch1을 개방함으로써 가능하다. Switch1을 먼저 개방하고 Tie Switch를 닫을 경우, Load3에 전력공급이 일시적으로 중단될 수 있다. 이에 따라, Switch1을 개방하기 전 Tie Switch를 닫는 짧은 순간에 해당 배전계통은 Loop 구성의 배전계통이 된다. 이러한 상황을 Hot Switching 상황이라고 한다.

그림 8. Hot Switching 동작 상황

Fig. 8. Situation of Hot Switching operation

이러한 Hot Swithcing 상황은 다양한 상황에서 발생할 수 있다. 그림 9 또한 Hot Switching 상황을 보여주며, Load2 부하에 대한 전력 공급을 G3 발전기에서 G2 발전기로 옮기고자 하는 상황이다. S1버스 쪽 고장이 발생하여 S1과 B1 사이의 리콜로져가 개방을 하였고 리클로져와 B1사이에 연결된 부하에 전력을 공급하기 위하여 Tie Switch는 닫혀있는 상태이다. Switch2는 개방되어 있고 Switch3는 닫혀있는 상태에서 G3 발전기를 통하여 Load2 부하에 전력 공급을 하고 있다. 해당 부하에 대한 전력 공급을 G3 발전기에서 G2 발전기로 변경하기 위해선 Switch2를 닫고 Switch3를 개방해야 한다. 이때, Switch3 개방 전, Switch2를 닫는 짧은 순간이 발생한다. 이러한 짧은 순간에 배전계통은 두 개의 발전기(G2 발전기, G3 발전기)에서 전력을 동시에 공급을 받게 된다. 이러한 상황 또한 Hot Switching 상황이라 한다. Hot Switching 상황에서는 양방향에서 전력 조류가 흐르고 기존 전력 조류와는 다른 조류가 흐르게 된다. 또한 Hot Switching 상황에서 과전압과 과전류가 발생할 수 있다. 따라서, 이에 대한 정확한 해석 방법이 필요하다.

그림 9. Hot Switching 동작 상황 예시

Fig. 9. Example of Hot Switching operation

기존 한전 프로그램에서도 이러한 Hot Swithing 상황을 해석할 수 있는 방법이 존재한다. 다시 말해, 배전계통에 두 개의 발전원이 연계된 Loop 배전계통을 Superposition 기반의 해석 방법으로 해석하였다. Superposition 해석 방법은 두 개의 발전원이 연계된 배전계통을 한 개의 발전원이 연계된 두 개의 배전계통으로 나누어 해석하는 방법이다. 한 개의 발전원이 연계된 두 개의 배전계통으로 나누어 해석하며, 배전계통 각 말단을 그라운드(Ground)에 연결하여 해석한다. 그러나 각 배전계통 말단의 전압을 0으로 두어 해석하는 방법은 해석 결과가 부정확하다. 발전기 두 대가 연계된 Loop 배전계통은 말단의 전압이 0이 아니기 때문이다. 따라서 본 연구에서 개발한 Hot Switching 프로그램은 Multi-Slack 기법을 사용하여 배전계통을 해석한다. Multi-Slack 기법은 각 말단을 Slack으로 지정하여 조류해석을 수행하는 것이다. 결과적으로, 해당 기법을 통해 Hot Switching 프로그램의 해석 정확성을 향상시켰다.

4.1 Hot Switching 해석 프로그램 검증 결과

Hot Switching 해석 프로그램 및 인터페이스에 대한 검증을 위한 테스트계통은 3개의 계통으로 구성된다. 배전계통이 2개의 모선 (1번 모선, 2번 모선)으로 구성된다고 가정하였고, 먼저 1번과 2번 모선에 대하여 조류해석 기반 검증을 수행한다. 이후, 2개의 모선이 Hot Switching 동작으로 인해 1번 모선과 2번 모선이 연계된 상태에 대하여 조류해석 기반 검증을 수행한다.

1번과 2번 모선에 대하여 조류해석을 수행한 결과는 그림 10과 그림 12와 같다. 1번 모선은 1번 버스(B1)을 Slack 버스로 지정하였고, 전압을 $1.0000\angle 0^{\circ}p.u.$으로 설정하였다. 2번 모선은 마찬가지로 1번 버스 (C1) 을 Slack 버스로 지정하였으며, C1 버스의 전압은 $1.0200\angle 2^{\circ}p.u.$로 설정하였다. 1번 모선과 2번 모선의 조류해석 결과를 통해 슬랙 버스를 기준으로 배전계통의 말단으로 갈수록 전압이 감소하는 것을 확인할 수 있다. 이는 각 버스에 500kW 또는 1,000kW의 부하가 연결되어 있기 때문이다.

그림 10. 1번 모선 조류해석 결과

Fig. 10. Results of the power flow analysis for feeder 1

그림 11. 1번 모선에 대한 인터페이스 화면

Fig. 11. Interface screen of the feeder 1

그림 12. 2번 모선 조류해석 결과

Fig. 12. Results of the power flow analysis for feeder 2

그림 13. 2번 모선에 대한 인터페이스 화면

Fig. 13. Interface screen of the feeder 2

앞서 분석한 두 모선은 16번 버스인 화호간 10 모선이 개폐기로 개방된 모선이다. 다시 말해, 16번 버스의 개폐기가 닫힐 경우, 두 모선은 연결되게 된다. 개폐기의 투입 시, 두 계통은 연결되게 되고 Loop형의 배전계통을 형성한다. Loop 방식의 배전계통은 2개의 주변압기에서 인출된 2개의 배전선로가 연결된 상태의 계통을 말한다. Hot Switching 프로그램은 두 모선이 개폐기로 인해 일시적으로 연결되게 되는 계통 구성 변화 상황을 분석하는 프로그램이다. Hot Switching 상황 해석 결과는 그림 14와 같다. Hot Swiching 상황 해석 결과를 보게 되면, 두 모선이 분리되어 있을 때와 결과가 상이한 것을 확인할 수 있다. 특히, 스위치가 열리기 전 1번 모선에서는 8번 버스에서 16번 버스까지의 전압이 1p.u. 이하였던 것에 반해, 스위치가 열린 후 해당 버스의 전압은 1p.u. 이상으로 전압이 상승하였다. 결과적으로, 스위치가 동작하기 전후의 전압 크기 및 전류 크기를 포함하여 조류해석 결과가 크게 달라진다. 따라서 중첩의 원리를 기반으로 Loop 배전계통을 해석하는 것은 정확도가 떨어진다. Hot Switching 프로그램 여러 개의 슬랙이 있는 계통을 조류해석하며, 슬랙이 여러 개 있는 계통에서 Hot Switching 동작 상황 분석 시 Hot Switching 프로그램을 통한 분석이 필요하다.

그림 14. 1번 모선과 2번 모선 핫 스위칭 동작 시 조류해석 결과

Fig. 14. Results of the power flow analysis for feeder 1 and 2

그림 15. 핫 스위칭 동작 상황 인터페이스 화면

Fig. 15. Interface screen of the hot switching situation

Hot Switching 동작 상황 또한 인터페이스로 분석 가능하다. Hot Switching 동작 상황을 인터페이스로 분석한 결과는 그림 15와 같다. 그림 14와 비교하였을 때, 출력 결과가 정확하게 일치하였다. Multi Slack 배전계통 또한 데이터의 변형 없이 인터페이스를 구현하였음을 검증하였다.

5. 결 론

배전계통 내에서는 분산형전원의 단독운전 상황에서 일시과전압이 발생하는 문제와 회선 간 스위칭 동작이 발생하는 상황이 빈번하게 발생한다. 이러한 문제는 발생 횟수가 빈번할 뿐 아니라 배전계통에 미치는 위험성 또한 크므로 정확하고 신속하게 분석되어야 한다. 이에 따라 고장 해석 기능, 분산형전원의 단독계통 형성 시 발생하는 일시과전압을 분석할 수 있는 기능, 선로 교체 등의 목적으로 배전계통 내 스위칭 동작이 시행되었을 때 해당 순간의 전력 조류를 분석할 수 있는 기능을 가진 해석 프로그램을 개발하였다.

이러한 프로그램을 실제 배전계통 운영시스템에 적용하기 위해서는 프로그램 기반의 인터페이스가 구축되어야 한다. 따라서 한국전력공사의 배전계통 자동화 시스템에서 사용하고 있는 인터페이스를 기반으로, 배전계통 운영시스템에서 실제로 사용이 가능한 인터페이스를 개발하였다. 개발한 인터페이스는 측정을 통해 얻은 계통 정보에 대한 다량의 데이터 처리가 가능하다. 이러한 데이터를 프로그램의 입력값으로 사용하며, 프로그램 실행 후 도출된 배전계통 해석 결과를 시각적으로 보여준다. 시각화한 결과를 통해 배전계통 운영자들은 계통의 안정도와 신뢰도에 대하여 정확하고 효율적으로 판단할 수 있게 된다.

본 연구는 배전계통에서 발생 확률이 높은 위험 상황에 대하여 분석이 가능한 프로그램을 개발하는 과정에 대하여 다루었다. 특히, 프로그램을 기반으로 배전계통 해석 인터페이스를 검증하는 과정을 보였다. 본 연구는 배전계통 운영 시 필수적으로 고려되어야 하는 상황을 프로그램과 인터페이스 개발을 통해 해석할 수 있도록 하였다. 해당 프로그램과 인터페이스를 실제 배전계통 운영시스템에 적용하여 배전계통 운영자들의 배전계통 운영의 효율성과 정확성을 향상시키는 데 연구의 목적이 있다.