1. 서 론

전력계통이 중앙급전을 통한 경제성 확보가 어렵거나 에너지 자립이 필요한 경우에 분산전원 기반의 마이크로그리드 도입을 검토할 수 있다. 미국, 일본, 유럽을 중심으로 마이크로그리드의 기술개발 및 사업화를 위한 다양한 마이크로그리드 실증 사업이 진행되고 있다 ⁽¹⁾,⁽²⁾. 말레이시아 베트남 등 동남아 국가들도 지리적 특성을 고려한 마이크로그리드 기술 도입에 긍정적인 검토를 하고 있다 ⁽³⁾,⁽⁴⁾. 국내의 경우 PV와 ESS를 활용하여 나주혁신산단 내 전력을 자급자족할 수 있는 마이크로그리드를 구축하였다 ⁽⁵⁾.

전력계통에서 전력설비의 적절성 운영의 안전성 등을 확보하기 위하여 확인하여야 하는 항목과 이것의 적부 판정값을 제시하는 기준이 있어야 한다. “국내의 경우 분산형전원 배전계통 연계 기술기준”을 운영하고 있고 특히, 제18조에 보호장치 설치에 대한 기준을 제시하고 있다. 유럽의 경우 송전 시스템 운영자 네트워크 (European Network of Transmission System Operators for Electricity, Entso-e) 등에서 관련 기준을 관리하고 있다. 하지만 이와 같은 기준 검토가 충분하지 않은 경우가 대부분이다 ⁽⁶⁾,⁽⁷⁾.

본 논문은 마이크로그리드 환경에서 발생할 수 있는 계통연계운전/독립운전 조건과 발생 가능한 고장 위치 등을 고려하여, 다양한 조건에서도 전기안전을 확보하기 위하여 효율적인 보호계전 요소와 설치위치를 선정하는 것을 목표로 하고, MATLAB/ Simulink 를 통한 사례연구를 수행하였다.

2. 마이크로그리드 전기안전기술

마이크로그리드 도입 시 배전계통에 연계되므로 배전계통에 대한 특성분석 및 전기적 이슈사항에 대한 검토가 필요하다. 배전계통은 배전 변압기를 기준으로 고압 배전선로와 저압 배전선로로 구분된다. 고압 배전선로는 국내의 경우 22.9 kV, 말레이시아의 경우 11 kV 등 IEC 60364 에 의해 고압 범위에 해당한다. 저압 배전선로는 400 V, 380 V, 220 V 등 각 국의 전기환경에 적합하게 다양하게 적용하고 있다.

3. 계통연계운전/독립운전 고장 특성 시뮬레이션

마이크로그리드 환경에 적절한 보호기기 구성을 확인하기 위하여, 말레이시아 사라왁주의 마이크로그리드를 대상으로 하였다 ⁽¹³⁾. 정글지역으로 수목으로 인한 지락이 잦고 유지관리 범위가 넓어 중앙급전을 통한 안정적인 전력공급에 한계가 있다. 따라서, 마이크로그리드를 보완책으로 적용하는 방안을 검토하고 있고 현재 시범사업이 진행중이다. 배전계통은 공칭전압 11kV를 사용하고 있고 주파수는 50 Hz 이다.

MATLAB/Simulink 로 그림 4와 같이 중앙급전과 100 kW 수준의 부하 사이에 변동성을 갖고 있는 재생발전원인 700 kW 급의 분산전원으로 구성된 마이크로그리드 환경을 모델링 하였다. 재생발전원은 Battery Energy Storage System (BESS)을 충전시킨 후, BESS에서 부하로 전원이 공급되는 운영방식을 가정하고 모델링 하였다. 환상 전력계통에 연결하기 위하여 2개 이상의 스위치기 포함된 Ring Main Unit (RMU) 전기설비가 도입되었다. 2번 모선과 5번 모선은 두 개의 스위치로 구성된 RMU 를 구성한 것이고 3번 모선을 통하여 분산전원에 연결하였다. 전력설비를 실제와 동일하게 구성하였고, 배전계통은 Y 접지계통을 적용하였다. 전기적 상태는 전압, 전류, 주파수를 측정하였고 발전측, 부하측 분산전원 고압측, 분산전원 저압측에서 값들을 측정하였다 ⁽¹⁴⁾.

고장조건은 3상중 1상 지락을 적용하였고, 고장지점은 발전측, 부하측, 분산전원 변압기 2차측(저압측)으로 설정하였고 이것은 그림 5에서 각각 A, B, C 지점으로 표시하였다.

고장 발생시 전력계통 상황에 충분히 반영되는 전기적인 상태를 확인하기 위하여 표 1에서와 같이 27, 50/51 N, 81U 의 계전요소를 검토하였다. 전압 강하가 80\% 범위 보다 크게 발생하는 것을 검출하는 저전압 계전기(27)와 충분한 고장전류를 검출할 수 있는 과전류 지락 계전기(50/51 N)와 전력 수요와 공급간 불평형을 확인할 수 있는 저주파수 계전기(81U)를 검토하였다 ⁽⁹⁾. 전압 강하와 과전류의 경우 선로임피던스 및 고장경로에 따라 크기가 영향을 받을 것으로 판단된다. 저주파수의 경우 발전기 탈락 등 급격한 발전량 감소에 의해 주파수 하락이 발생할 것으로 판단되며, 계통 크기가 작을수록 주파수 변화율이 커질 것으로 판단한다 ⁽¹⁵⁾,⁽¹⁶⁾.

마이크로그리드 환경에서 발생할 수 있는 On-grid 와 Off-grid 로 구분하여 측정지점에 따른 상태값을 비교하였다. On-grid 에서는 그림 5와 같이 중앙급전측과 연계점 사이의 스위치(SW1)가 닫힌 상태이다. 이때 고장위치는 발전측인 1번 모선과 2번 모선 사이(Fault A), 부하측인 5번 모선과 6번 모선 사이(Fault B), 분산전원 변압기 2차측(저압측)인 8번 모선과 9번 모선 사이(Fault C)로 설정하였다. 측정위치는 1번 모선인 발전측(M1), 5번 모선인 부하측(M2), 7번 모선인 분산전원 변압기 1차측(M3), 9번 모선인 분산전원 변압기 2차측(M4)으로 설정하였다. On-grid 조건의 정상상태에서 M1~M4 까지의 상태값을 측정하고, 이것을 A~C 지점 고장시 상태값과 비교하였다.

Off-grid 에서는 그림 6과 같이 중앙급전측과 연계점 사이의 스위치(SW1)가 열린 상태이다. 고장위치와 측정위치는 on-grid에서와 동일하다. Off-grid 조건의 정상상태에서 M1~M4 까지의 상태값을 측정하고, 이것을 A~C 지점 고장시 상태값과 비교하였다.

4. 고장 위치에 따른 보호기기 효과 분석

On-grid에서 고장A 발생시 각 지점에서의 결과값들은 표 2와 같다. M1 지점에서는 전압, 전류, 주파수 계전요소가 동작하였다. 전압은 57\% 로 기준으로 설정한 80\% 보다 큰 변화를 보여 계전기가 동작할 수 있는 조건이다. 전류의 경우 3.832 A에서 1004 A 로 충분히 큰 고장전류가 흘로 과전류 지락 계전기가 동작할 수 있는 조건이다. 주파수의 경우도, 0.8 Hz 가 감소하여 기준으로 설정한 0.5 Hz 보다 큰 변화를 보여 계전기 동작으로 적합한 조건이다. M2 지점에서는 전압과 주파수 계전요소가 동작하였다. M3 지점에서는 전압, 전류, 주파수 계전요소가 동작하였다. M4 지점에서는 전류 계전요소만 동작하였다. 이를 통하여 A 고장의 경우는 전압과 주파수 계전요소가 변압기로 전기환경이 구분되는 M4 지점을 제외하고 모든 구간에서 동작하는 것을 확인할 수 있었다.

사례연구 대상인 말레이시아 사라왁주는 사라왁주 전력청에서 표 1을 기반으로한 보호계전 요소 리스트만을 제시하고 있다. 다양한 조건에 대한 필수 계전요소 및 설치위치 선정 등에 대해서는 제시하고 있지 않다.

On-grid에서 고장B 발생시 각 지점에서의 결과값들은 표 3과 같다. 변압기로 전기환경이 구분되는 M4 지점을 제외하고 M1, M2, M3 지점에서는 전압, 전류 계전요소가 동작하였다. M4 지점에서는 전류 계전요소만 동작하였다. 고장B 발생시 주파수는 반응하지 않았다.

On-grid에서 고장C 발생시 각 지점에서의 결과값들은 표 4와 같다. M1, M3, M4 지점에서 전류 계전요소가 동작하였고, M4 지점에서 전압 계전요소가 동작하였다. 고장 C 발생시 주파수는 반응하지 않았다.

On-grid에서 각 지점별 고장 위치에 따라 적용 가능한 계전요소들은 표 5와 같다. M1 지점에서는 A, B, C 모든 고장에 대해서 과전류 지락 계전기를 통하여 고장을 검출할 수 있다. M2 지점에서는 A, B, C 고장에 대하여, 단독으로는 모든 고장을 검출할 수 없다. 특히 변압기 2차측인 C 지점 고장에 대해서는 변압기를 통한 전기적 구분이 이루어져 고장 검출이 어렵다. M3 지점에서는 A, B, C 모든 고장에 대해서 과전류 지락 계전기를 통하여 고장을 검출할 수 있다. M4 지점에서는 A, B, C 모든 고장에 대해서 과전류 지락 계전기를 통하여 고장을 검출할 수 있다.

On-grid의 경우 과전류 지락 계전기를 통하여 A, B, C 고장에 대하여 검출이 가능하며, 이를 위하여 과전류 지락 계전기(50/51N)를 M1, M3, M4 지점에 설치하여야 한다.

Off-grid에서 고장A 발생시 각 지점에서의 결과값들은 표 6와 같다. M1 지점에서는 전압, 전류, 주파수 계전요소가 동작하였다. M2~M4 지점에서는 반응하지 않았다. Off-grid 상태로 M1 지점과 M3 지점 사이의 스위치가 개방되어 독립적인 계통이 이루어진 상태에서 A 지점 지락발생시 인근으로 파급하는 효과는 미비하였다.

Off-grid에서 고장B 발생시 각 지점에서의 결과값들은 표 7과 같다. M2, M3 지점에서 전압과 전류 계전요소가 동작하였다. M4 지점에서는 전류 계전요소만 동작하였다.

Off-grid에서 고장C 발생시 각 지점에서의 결과값들은 표 8과 같다. M2, M3, M4 지점에서 전압 계전요소가 동작하였다. M4 지점에서는 주파수 계전요소도 동작하였다.

Off-grid에서 각 지점별 고장 위치에 따라 적용 가능한 계전요소들은 표 9와 같다. M1 지점에서는 고장A에 대해서는 모든 계전요소들로 고장 검출이 가능하지만 고장B와 고장C에 대해서는 검출이 불가능하다. M2 지점에서는 저전압 계전기 설치시 B,C 지점에서의 고정을 검출할 수 없다. M3 지점에서는 저전압 계전기 설치시 B,C 에서의 고장을 검출할 수 있다. M4 지점에서는 과전류 지락 계전기 설치시 B,C 지점에서의 고장을 검출할 수 있다.

Off-grid의 경우 중앙급전 구간의 고장과 분산전원 구간의 고장을 구분하여야 한다. 분산전원 구간의 고장발생시, M2와 M3 지점에 설치시 저전압 계전기(27)를 M4 지점에 설치시 과전류 지락 계전기(50/51N 인)를 설치하여야 한다.

표 10은 계통연계운전/독립운전에서 고장 발생시 측정위치에 따른 유효한 측정요소 구분을 한 것이다. on-grid 의 경우 모든 고장에 대해 M1, M3, M4 지점에 과전류 지락 계전기 설치를 통하여 검출이 가능하다. off-grid의 경우 중앙급전 구간의 고장은 별개로 검출하여야 하고 분산전원 구간의 고장의 경우 M2, M3 지점에 저전압 계전기 혹은 M4 지점에 과전류 지락 계전기 설치를 통하여 검출이 가능하다. 종합하여 볼 때, M4 지점에 과전류 지락 계전기 설치를 통하여 상정한 발생가능한 고장에 대하여 검출이 가능하게된다.

5. 결 론

마이크로그리드 조건에서 지락고장 발생 가능한 3곳의 지점과 4곳의 측정지점을 상정하여 전압, 전류, 주파수를 통한 전기적 상태를 측정하였다. 중앙급전과 분산전원이 동기화되어있는 on-grid 조건의 경우, 과전류 지락 계전기를 M1 혹은 M3 혹은 M4 지점에 설치함으로써 지락고장에 대한 보호가 가능하다. 중앙급전과 분산전원이 분리되어 부하측으로 분산전원의 공급만 이루어지고 있는 off-grid 조건의 경우, 저전압 계전기를 M2 혹은 M3 지점에 설치 혹은 과전류 지락 계전기를 M4 지점에 설치 함으로써 상정한 지락고장에 대한 보호가 가능하다.

시뮬레이션 결과를 종합적으로 on-grid 와 off-grid 전환시에도 과전류 지락 계전기를 M4 지점 설치함으로써 상정한 고장 경우들에 대해서는 검출 가능을 확인하였다. 이와같은 모의검증을 통하여 발생 가능한 다양한 고장상황에 대하여 적절하고 효과적인 보호협조를 제안과 계전기 감지 요소를 도출할 수 있다. 이를 통하여 마이크로그리드 구축에 중복 설비 투자 없이 효율적인 보호협조 체계를 구축할 수 있게 된다.