2.1 DOCGR의 오동작 메커니즘 분석

일반적으로, 배전계통에 연계 및 운용되는 태양광전원의 보호요소로는 선로측 전압변동으로부터 설비를 보호하기 위한 과전압(OVR, 59) 및 부족전압(UVR, 27) 계전기와 단락 및 지락사고 시 보호를 위한 과전류(OCR, 50) 및 지락과전류계전기(OCGR, 51) 그리고 단독운전을 방지하기 위한 저주파수(UFR, 81U), 과주파수(OFR, 81O), 주파수변화율(RFR, 81R) 계전기 등이 있다. 그러나, 최근 계통전원 측에서 지락사고가 발생하더라도 태양광전원의 운용을 지속하기 위하여, 그림 1과 같이 기존의 보호기기(OCGR)에 방향성을 가진 방향성 지락과전류계전기(DOCGR)를 채용하고 있다. 그림 1은 CT의 설치 방향에 따른 DOCGR의 동작범위를 나타낸 것이다. 여기서, 그림 1(a)는 CT 방향을 태양광전원 측에서 계통전원 측으로 설정한 경우(정방향)이며, 영상전압(-3Vo)의 각도(0[°])를 기준으로 영상전류(Io)의 기준 각은 120[°]로 설정된다. 따라서, 보호계전기의 동작 범위는 Io의 ±90[°]이므로, 동작되는 영역은 30～210[°]로 결정된다. 또한, 그림 1(b)는 CT방향을 계통전원측에서 태양광전원측으로 설정한 경우(역방향)이며, 영상전압(-3Vo)의 각도(0[°])를 기준으로 Io의 기준 각은 120[°]의 반대인 300[°]로 설정되며, 보호계전기의 동작영역은 210 ~ 30[°]로 결정된다. 따라서, 현장에서 CT 결선방향을 혼동하거나 디지털형 보호계전기의 설정 시 기준위상각과 동작범위각의 오류에 의하여, DOCGR이 오동작하는 원인으로 보고되고 있다 ^(11-13).

그림. 1. DOCGR의 동작범위

Fig. 1. Operation zone of DOCGR

그림 2와 그림 3은 태양광전원에 DOCGR이 설치된 경우의 회로구성을 나타낸 것으로 그림 2는 태양광전원측 사고 시 지락전류의 흐름이고, 그림 3은 계통전원측 사고 시 지락전류의 흐름을 나타낸 것이다. 그림 2에서 태양광전원측 A지점(내부사고)에 지락사고 (SLG)가 발생한 경우, ①은 계통전원에서 공급되는 지락전류이고, ②는 태양광전원의 연계용변압기의 중성선을 통하여 계통으로부터 공급되는 지락전류이며, ③은 태양광전원이 공급하는 지락전류의 흐름을 나타낸 것이다. 여기서, ②와 ③의 지락전류는 DOCGR용 CT를 통과하지 않고, 계통전원에서 공급되는 ①번 지락전류만 CT를 통과하여 태양광전원을 기준으로 정방향이 된다. 한편, 그림 3과 같이 계통전원측 B지점(외부사고)에서 지락사고가 발생하면, ④는 계통전원측에서 공급되는 지락전류이고, ⑤는 연계용변압기의 중성선을 통하여 흐르는 지락전류이며, ⑥은 태양광전원에서 공급하는 지락전류를 나타낸다. 여기서, ⑤와 ⑥의 지락전류만이 DOCGR의 CT를 통하여 흐르게 되며, 사고전류의 방향은 태양광전원을 기준으로 역방향이 된다. 따라서, DOCGR이 내부사고에만 동작하도록 태양광전원을 기준으로 CT의 결선 방향(K-L)을 정확하게 설정해야 한다.

그림. 2. 태양광전원측 사고 시 전류의 흐름

Fig. 2. Fault current flow at SLG of PV system side

그림. 3. 계통전원측 사고 시 전류의 흐름

Fig. 3. Fault current flow at SLG of power source side

2.2 DOCGR의 오동작 방지 알고리즘

상기의 사고전류 메커니즘에 따라 외부사고에는 동작하지 않고 내부사고에만 DOCGR이 동작하도록 적정하게 운용하는 알고리즘을 나타내면 다음과 같다.

[STEP 1] 태양광전원이 연계된 배전계통의 단선결선도를 검토한다. 특히, 계기용변압기(VT)와 계기용변류기(CT)의 설치위치를 확인한다.

[STEP 2] 계기용변류기(CT)의 결선방향을 확인한다. 여기서, CT의 결선방향(K-L)은 태양광전원측에서 계통전원측으로 향하는 것을 정방향으로 상정하고, $V_{o}$와 $I_{o}$의 기준 위상각을 120[°]로 설정한다.

[STEP 3] 기준 위상각이 120[°]인 경우, DOCGR의 동작범위각은 $I_{o}$ ± 90[°]에 의하여 30 ~ 210[°]로 설정한다.

[STEP 4] CT의 결선방향이 역방향(L-K)인 경우, $V_{o}$와 $I_{o}$의 기준 위상각을 300[°]로 설정한다.

[STEP 5] 기준 위상각이 300[°]인 경우, DOCGR의 동작범위각은 $I_{o}$ ± 90[°]에 의하여 210 ~ 30[°]로 설정한다.

[STEP 6] DOCGR의 정정치인 영상전압과 영상전류의 pick up 값을 산정한다.

[STEP 7] 기준 위상각에 대하여, pick up 값을 동작범위각에 포함되는가를 확인하고, 보호기기와 연동하여 동작여부를 확인한다.

[STEP 8] pick up 값이 동작 범위각에 포함되지 않는 경우, [STEP 6]으로 돌아가 해당과정을 반복한다.

상기의 절차를 플로우차트로 나타내면 그림 4와 같다.

그림. 4. 오동작 방지를 위한 개선된 알고리즘

Fig. 4. Prevention algorithm for malfunction of DOCGR

3.1 계통전원부

배전계통 상용해석 프로그램인 PSCAD/EMTDC S/W를 이용한 계통전원부의 모델링은 그림 5와 같다. 여기서, 계통전원부는 과전류 및 지락을 차단하기 위한 보호장치, 전압가변을 위한 슬라이닥스용 변압기 그리고 실계통과 동일한 특성을 구현하기 위한 3상 4선식, Yg-Yg 결선의 변압기로 구성된다.

그림. 5. 계통전원부 모델링

Fig. 5. Modeling of main power source

3.2 사고발생 및 보호장치부

그림 6은 태양광전원이 연계된 배전계통에서 지락사고가 발생하는 경우, 보호기기의 운용특성을 분석하기 위하여 실제 계통을 축약한 태양광전원의 보호기기 모델링을 나타낸 것이다. 그림 6(a)는 계통전원측(외부사고)에 지락사고가 발생한 경우에 대한 보호장치(진공차단기)를 모델링한 것이고, 그림 6(b)는 태양광전원측(내부사고)에 지락사고가 발생한 경우에 대하여 나타낸 것이며, 사고발생은 A상을 기준으로 지락지점을 모델링한다.

그림. 6. 계통전원 및 DOCGR부 모델링

Fig. 6. Modeling of distribution system with DOCGR

3.3 태양광전원부

태양광전원의 목표 유효전력(P) 및 무효전력(Q)은 평형 3상 시스템에서 정지좌표계와 동기좌표계를 통해 변환된 d-q축의 변수들에 의하여 결정된다. 즉, 동기속도로 회전하는 d-q축에서의 출력전압 $V_{q}$는 출력단의 순시전압의 크기와 동일하고, 출력전압 $V_{d}$는 0이기 때문에 목표로 하는 유효전력과 무효전력은 식 (1)과 식 (2)로 나타낼 수 있다.

$$ \begin{aligned} 여기서, \enspace & V_{0} : \text{순시전압} \\ & I_{q-ref} : \text{태양광전원 출력을 위한 q축 기준전류}\\ & I_{d-ref} : \text{태양광전원 출력을 위한 d축 기준전류} \end{aligned} $$

그림. 7. 태양광전원의 전류제어기 모델링

Fig. 7. Modeling of current control in PV system

태양광전원의 계통연계용 인버터에 대하여 목표로 하는 유효전력과 무효전력을 제어하기 위하여, PI제어기를 이용하여 전류제어알고리즘을 모델링하면 그림 7과 같다. 여기서, 인버터의 전류 제어기는 유효전력과 무효전력을 서로 독립적으로 제어할 수 있다.

3.4 전체 계통부

상기의 내용을 바탕으로 전체계통을 모델링하면 그림 8과 같다. 이 그림에서와 같이, 계통과 동일한 조건으로 A는 계통전원부, B는 계통전원측의 지락 모의장치, C는 태양광전원측의 지락 모의장치, D는 태양광전원의 보호장치부, E는 태양광전원부를 나타낸다.

그림. 8. 전체 계통 모델링

Fig. 8. Modeling of entire distribution system

4.1 계통전원부

그림 9와 같이, 계통전원부는 AC 전원부에 과전류 및 지락 차단장치인 ELB, MC를 이용하여 구성한다. 또한, 전압 가변은 슬라이닥스를 사용하고, 2차측에 과부하 및 단락사고를 보호하는 MCCB, MC, EOCR로 보호장치부를 구성한다. 계통전원부의 변압기는 실계통과 동일한 특성을 구현하기 위하여, Yg-Yg 결선방식 및 3상 4선식 220/380[V]로 구성한다.

그림. 9. 계통전원부 구성

Fig. 9. Configuration of power sources

4.2 사고발생 및 보호장치

사고발생장치는 실제 지락사고를 모의하기 위하여 그림 10과 같이 지락사고 이벤트 스위치를 이용한다. 여기서, 외부사고인 계통전원측 사고는 VCB를 기준으로 1차측에 사고발생장치를 구성하고, 내부사고인 태양광전원측 사고는 VCB 2차측에 사고발생장치를 구성한다. 또한, 보호장치는 L사의 디지털보호계전기(DOCGR 기능)를 적용하고, Yg-Yg 결선방식의 계기용변압기(220/63.5[V])와 Y결선 방식의 계기용변류기(50/5[A]), 진공차단기(7.5[kV], 400[A])로 구성한다 ⁽¹⁴⁾.

그림. 10. 사고발생장치와 보호장치 구성

Fig. 10. Configuration of fault and protection devices

4.3 전체 시험장치 구성

상기의 내용을 바탕으로 전체계통의 시험장치를 구현하면 그림 11과 같다. 이 그림에서와 같이, A는 계통전원부 변압기, B는 계통전원측의 지락지점 모의장치, C는 태양광전원의 지락지점 모의장치, D는 태양광전원의 보호장치부, E는 태양광전원부를 나타낸다.

그림. 11. 전체 시험장치 구성

Fig. 11. Configuration of entire test devices

5.1 시뮬레이션 및 특성시험 조건

본 논문에서는 DOCGR의 오동작 특성을 분석하기 위하여, 하기의 표 1과 같이 시뮬레이션 및 특성시험 조건을 상정하였다. 먼저, CT의 결선방향은 태양광전원측을 기준하여 역방향(L-K)으로 상정하고, DOCGR의 기준위상각 및 동작범위각을 120[°](±90[°])로 설정한다. 또한, 사고조건은 계통전원 측에서 A상 지락이 발생한 경우와 태양광전원측에서 발생한 경우로 구분하며, DOCGR이 동작되는 영상전압과 영상전류의 pick up값은 각각 8[V]와 1.5[A]로 상정한다.

그림. 12. 특성시험 전류에 대한 사고발생 조건

Fig. 12. SLG conditions of test devices

한편, 그림 12는 특성시험에 대한 사고발생 조건을 나타낸다. 여기서, 그림 12(a)는 계통전원측 A상 지락사고 시의 사고발생 조건을 나타내며, 그림 12(b)는 태양광전원측 A상 지락사고 시의 사고조건을 나타낸 것이다. 이 그림에서와 같이, 계통전원측 사고는 사고발생장치를 이용하여 계통전원부의 변압기와 보호장치부의 차단기 사이의 A상 지점에서 지락사고이 발생하는 것으로 모의한다. 또한, 태양광전원측 사고는 태양광전원부의 연계용 변압기와 DOCGR용 CT 사이의 A상 지점에서 지락사고가 발생하는 것으로 모의한다. 여기서 $I_{f}$는 사고지점 전류, $I_{grid}$ a, b, c, n는 계통전원측 지락사고 시 영상전류의 흐름을 나타내며, $I_{PV}$ a, b, c, n은 태양광전원측 지락사고시 영상전류의 흐름을 나타낸 것이다.

5.2 PSCAD/EMTDC에 의한 특성분석

5.2.1 계통전원측 지락사고 시 DOCGR의 동작특성

계통전원측에서 지락사고가 발생한 경우에 대하여, PSCAD/ EMTDC를 바탕으로 DOCGR의 동작특성을 나타내면 표 2와 그림 13과 같다. 여기서, 지락사고가 발생한 A상은 69[V]에서 0.3[V]로 감소하고, 건전상인 B, C상은 각각 67.5[V], 68.5[V]를 유지하여, 약 49[V]의 영상전압이 발생함을 알 수 있다. 또한, 사고지점의 25.6[A]의 지락전류 중에서, 12.8[A]는 연계용변압기의 중성선으로 흐르고, 각 상으로 분류되어 10.7[A]의 영상전류가 DOCGR의 CT를 통과하게 된다. 한편, 발생한 영상전류의 위상각은 약 93.0[°]이므로, CT를 역방향(L-K)으로 설치할 경우, 동작범위각이 DOCGR의 동작영역인 30 ~ 210[°] 범위에 들기 때문에, 외부사고 시에는 DOCGR이 오동작이 발생함을 알 수 있다. 따라서, 본 논문에서 제시한 오동작 방지 알고리즘을 바탕으로 기준위상각과 동작범위각을 각각 300[°], 210 ~ 30[°]로 설정하면, 별도의 배선결선 및 CT설치 위치 변경 없이도 DOCGR의 오동작 문제점을 해결할 수 있음을 알 수 있다.

표 2. PSCAD/EMTDC에 의한 계통전원측 A상 지락시 DOCGR 동작특성

Table 2. Characteristics of DOCGR with SLG of phase A at power sources side using PSCAD/EMTDC

items	A	B	C	N
phase voltage[V]	0.3	67.5	68.5	-
phase[°]	0	248.6	110.8	-
line to line voltage[V]	67.2	126.8	68.7	-
zero-sequence voltage[V]	49.0
current of A, B, C phase[A]	3.6	3.5	3.6	2.1
phase[°]	272.9	273.3	272.8	0
zero-sequence current[A]	10.7
neutral current[A]	12.8
fault current[A]	25.6
operating range angle[°]	93.0

그림. 13. 영상전압 기준 영상전류의 위상

Fig. 13. Phase of zero sequence voltage and current

5.2.2 태양광전원측 지락사고 시 DOCGR의 동작 특성

태양광전원측에서 지락사고가 발생한 경우에 대한 DOCGR의 동작특성을 나타내면 표 3과 그림 14와 같다. 여기서, 지락사고가 발생한 A상은 69[V]에서 0.26[V]로 감소하고, 건전상인 B, C상은 각각 67.5[V], 68.5[V]로 유지되므로 약 49[V]의 영상전압이 발생함을 알 수 있다. 또한, 사고지점의 22.0[A]의 지락전류 중에서 14.9[A]는 중성선으로 흐르고, 각 상으로 분류되어 12.8[A]의 영상전류가 DOCGR의 CT를 통과하게 된다. 한편, 발생한 영상전류의 위상각은 약 271.5[°]이므로, CT를 역방향(L-K)으로 설치하는 경우, 동작범위각이 DOCGR의 동작영역 30 ~ 210[°] 범위를 벗어나게 되어, 태양광전원의 내부사고시 DOCGR이 오동작됨을 알 수 있다. 따라서, 본 논문에서 제시한 오동작 방지 알고리즘을 바탕으로 기준위상각와 동작범위각을 각각 90[°], 30 ~ 210[°]로 설정하면, 별도의 배선결선 및 CT설치 위치 변경 없이도 DOCGR의 오동작 문제를 해결할 수 있음을 알 수 있다.

표 3. PSCAD/EMTDC에 의한 태양광전원측 A상 지락 시 DOCGR 동작특성

Table 3. Characteristics of DOCGR with SLG of phase A at PV system side using PSCAD/EMTDC

items	A	B	C	N
phase voltage[V]	0.3	67.5	68.5	-
phase[°]	0	248.6	110.8	-
line to line voltage[V]	67.2	126.8	68.7	-
zero-sequence voltage[V]	48.97
current of A, B, C phase[A]	22.0	3.5	3.9	2.1
phase[°]	273.0	273.3	272.8	0
zero-sequence current[A]	12.8
neutral current[A]	14.9
fault current[A]	25.6
operating range angle[°]	271.5

그림. 14. 영상전압 기준 영상전류의 위상

Fig. 14. Phase of zero sequence voltage and current

5.3 특성시험장치에 의한 분석