2.1 배전계통의 보호협조

배전계통에서 고장이 발생하면 고장 지점에서 가장 가까운 계전기인 주보호 계전기가 우선적으로 동작을 해야 한다. 만약 주보호 계전기가 동작 하지 않을 경우에는 다음으로 가까운 계전기인 후비보호 계전기가 일정시간의 지연이후 동작하여 고장 구간을 최소화해야 한다. 따라서 계전기 정정치는 주보호와 후비보호 간 동작시간 간격인 Coordination Time Interval (CTI)이 유지되도록 조정을 해야 한다. 본 논문에서는 국내 배전계통 보호협조 규정에 따라 변전소 과전류 계전기와 리클로저 간의 CTI는 0.05초, 리클로저 간의 CTI는 0.045초로 설정을 하였다. 국내 배전계통 보호협조 규정은 다음 표 1과 같다.

2.2 국내 배전계통

보호기기의 특성곡선은 크게 2가지의 규정을 통해 구분된다.

1) International Electrotechnical Commission (IEC)

2) American National Standards Institute (ANSI)

본 논문에서는 상기 규정 중 IEC 60255-3 표준을 사용했으며, IEC 60255-3 표준의 보호기기 동작시간은 아래의 식과 같다⁽¹⁰⁾.

여기서, $t_{op}$는 동작시간, $TDS$는 TIme Dial Setting, 즉 보호계전기에서 조정 가능한 시간지연, $I_{fault}$는 고장전류, $I_{pickup}$은 동작전류, A 와 B는 계전기 특성 곡선을 결정하는 상수이다. 일반적으로 동작전류는 최대 부하전류보다는 크게, 최소 고장전류보다는 작게 설정될 필요가 있기 때문에 최대 부하전류의 1.2∼1.5배로 설정하며, 본 논문에서는 1.5배로 설정하였다. 현재 IEC 60255에서 사용하는 상수 A와 B의 값은 표 2와 같다. 본 논문에서는 국내 배전계통에서 일반적으로 사용되는 강반한시 특성곡선을 시험계통의 보호기기 특성곡선으로 선택하였다⁽¹¹⁾.

3.1 Fault Ride Through

현재 우리나라 전기설비 이용규정에 따르면 배전계통에 연계된 분산전원은 계통 고장 발생 시 즉각적으로 가압을 중지해야 한다 ⁽¹²⁾. 하지만 분산전원의 연계량이 증가할수록 분산전원에 대한 의존도는 높아지고 외란도중 분산전원의 대규모 분리는 계통 안정도에 큰 악영향을 끼칠 수 있다. 그렇기 때문에 국내 배전계통에서 외란 도중에도 일정시간 이상 연계를 유지하며 무효전력을 계통에 공급하는 FRT 규정의 도입이 필요하다. 실제로 현재 세계 각국은 분산전원의 FRT 규정을 도입하였으며, 그림 1은 독일의 FRT 규정이다⁽⁸⁾.

여기서 X축은 고장 발생시 고장지속시간을 의미하고, Y축은 공통접속점(Point of Common Coupling, PCC)의 $V/V_{rated}$를 의미한다. A 영역은 분산전원이 반드시 계통연계를 유지해야 하는 영역이다. B 영역은 운영자의 허가 하에서 분산전원의 짧은 분리가 허용되는 영역이고, C 영역은 B 영역보다 더 긴 분리 허용 영역이다. 마지막으로 D 영역은 심각한 저전압으로 인해 연계유지에 대한 필요가 없는 상태이다.

3.2 Hilbert-Transform (HT)

본 논문에서는 마이크로그리드의 계통연계 모드와 독립운전 모드를 구별하기 위해 신호처리기법인 Hilbert Transform (HT)을 사용했다. HT는 실수 신호를 복소수 차원으로 확장을 하기 때문에 많은 분야에서 적용되는 중요한 신호 처리 기법이다 ⁽¹³⁾. 또한, 이산적인 신호를 추출하여 여러 가지의 수치들의 비교가 가능하다. 예를들면, 최솟값, 최댓값, 실효치, 에너지, 표준 편차, Entropy 등 특징을 추출할 수 있다. HT를 활용한 마이크로그리드 모드 판별을 위해서는 다음과 같이 Intrinsic Mode Functions (IMF) 계산이 선행될 필요가 있다.

i) 계통 데이터에서 실효치의 최소값과 최대값을 준비한다.

ii) 실효치의 평균값 $A(t)$와 Fast Fourier Transform의 신호 $X(t)$의 차이를 이용하여 HT의 첫 번째 입력 요소 ($I_{1}$)을 계산한다.

iii) 입력 데이터 길이 n에 맞추어 앞선 방법을 반복하여, $I_{1n}(t)$는 IMF가 된다.

IMF는 순간 주파수를 얻기 위해 식(4)와 같이 HT를 통해 추가로 계산된다. 이렇게 계산된 IMF는 분석을 위해 식(5)-(8)과 같이 다양한 함수를 이용하여 사용될 수 있다 ⁽¹³⁾.

여기서, $Z(t)$는 $I_{1}(t)$에 대한 HT의 분석 신호, $B(t)$는 HT의 순시 크기, $w(t)$는 주파수를 나타낸다. 크기 함수에 시간 t를 곱하여 에너지함수인 식(8)을 계산할 수 있으며, 최종적으로 에너지의 변동을 통해서 독립운전 모드와 계통연계 모드로 구분 할 수 있다.

현재 계전기는 저장되어 있는 정정치를 이용해 보호협조를 진행한다. 따라서 계통의 운영모드가 바뀌면 계전기의 오동작이 발생할 가능성이 있다. 본 논문에서는 이러한 문제점의 개선을 위해 운영모드에 맞는 계전기의 적응형 이중 정정 방법에 대해 제안한다. 마이크로그리드의 운영모드 판별을 위해서 제안하는 알고리즘은 다음 그림 2와 같다. 고장이 발생하면 Fourier 신호가 HT를 통해 에너지의 변동을 감지하게 된다. 에너지의 양이 설정된 임계값을 초과하지 않으면 계통연계 모드이고, 임계값을 초과하면 독립운전으로 판별하는 알고리즘이다. 그 후, 최소 CTI를 유지하도록 미리 설정되어 있는 정정치가 판별된 마이크로그리드 모드에 따라 적용하게 되며, 적용되는 정정치 값은 FRT를 고려한 값이다.

4.1 Case 1

Case 1은 기존의 FRT 규정이 도입되지 않은 국내 모의 배전계통에 대한 경우이다. 따라서 분산전원이 고장 발생 직후 분리가 되어 고장전류에 어떠한 기여도 하지 않는 상태이다. 또한, 보호기기의 정정치 역시 기존 국내 배전계통 조건에 맞게 설정을 가정하였다. 표 3은 기존의 국내 배전계통의 변전소 과전류 계전기와 리클로저의 동작전류, 고장전류, 동작시간, TDS와 CTI 값을 보여준다. 표 1의 국내 배전계통 내 각 보호기기의 최소 CTI를 참고하여 F1 고장위치에 대하여 주 보호인 R4와 후비 보호인 R3 사이의 CTI가 0.045초로 성립하도록 계전기의 정정치를 설정하였다. F3의 고장 상황에서는 변전소 과전류 계전기와 리클로저 간의 CTI가 0.05초로 만족함을 보인다.

4.2 Case 2

Case 2에서는 기존 국내 모의 배전계통에 FRT 규정이 도입되었을 때를 시뮬레이션 하였다. Case 1과 달리 고장이 발생하더라도 분산전원은 즉각적인 분리를 하지 않고 연계를 유지하며 계통에 고장전류를 기여한다. 이 경우 Case 1에서 계산된 계전기의 정정치가 그대로 적용될 경우 보호기기 사이의 보호협조가 위반하는 상황이 발생할 수 있다. 표 4는 Case 1에서 계산된 계전기의 정정치가 동일하게 Case 2의 보호기기에 설정되었을 때의 결과이다. CTI가 각각 0.067, 0.068, 0.053초로 국내 규정에 명시된 값보다 크다. CTI가 더 크게 검출된 경우는 불필요하게 동작시간이 지연된다는 것을 확인할 수 있다. 따라서 FRT 기능을 활용해서 분산전원이 고장전류에 기여한 배전계통에 맞는 TDS를 적용하여 고장 위치에 따라 0.05초와 0.045초의 최적의 CTI를 도출하였다. FRT 규정을 고려한 국내 배전계통의 정정치는 계통연계모드의 정정치로 적용이 가능하다. 표 5는 Case 2 조건에서의 계전기 정정치이다.

4.3 Case 3

Case 3에서는 계통연계 모드의 정정치를 독립운전 모드에 적용 했을 때를 시뮬레이션 하였다. 계통연계 모드와 독립운전을 판별하기 위해 제안하는 알고리즘인 HT를 사용했다. 그림 4는 모의 배전계통을 식(8)을 통해 수행한 결과이며, 본 논문에서는 임계값을 0.3MWh로 설정하여 계통의 전력량의 차이를 통한 운영모드를 판별하였다. 그림 5는 기존 연계 모드의 정정치를 독립운전에 적용한 결과 최소 협조 시간이 주 보호와 후비 보호의 개념이 뒤바뀌는 것을 알 수 있다. 따라서 독립운전 모드에서도 최적의 CTI인 0.045초와 0.05초를 도출하기 위해 변경된 TDS를 표 6에 나타냈다. 그림 6은 최종적으로 독립운전 모드에서도 CTI가 만족함을 나타낸다. 따라서 제안하는 방법을 사용하여 마이크로그리드의 운영모드를 판별 가능하고 계전기 설정치를 설정하면 계통연계 모드와 독립운전 모드에서 적응형 이중 계전기의 최적의 보호협조가 동작한다.