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  1. (Dept. of Electrical and Computer Engineering, Sungkyunkwan University, Korea.)



Adaptive Recloser Setting, Automatic Setting, Distribution System, Fuse-saving Scheme, Protective Coordination, System Reliability

1. 서 론

대전력을 장거리로 공급하는 송전계통과 달리 배전계통은 넓은 지역에 전력을 공급하기 때문에 공급 거리는 짧지만 많은 분기선으로 인해 계통구조가 복잡하다. 또한 부하의 변동이나 복구 및 설비 점검 등으로 계통구조의 변경이 빈번하다. 그럼에도 불구하고, 배전계통은 고객들과 인접한 위치에 있기 때문에 높은 품질과 신뢰할 수 있는 전력 공급이 고객들에게 중요하다. 따라서 신뢰도 있는 전력공급을 위해서는 올바른 보호협조가 필요하다. 보호협조의 목적으로는 가능한 많은 부하에 전력공급을 유지하고 고장 상황 발생 시 고장구간 및 정전시간의 축소를 목표하고 있다. 또한 보호기기가 최대한 고장에는 민감하게 반응하지만 계통운영이 허용 가능한 상황에는 보호동작을 최대로 견딜 수 있도록 설계를 해야 고 신뢰도의 보호협조를 이룰 수 있다. 많은 보호기기가 설치된 경우 서로 보호협조를 수행하기 위해서 국내에서는 일반적으로 보호기기간의 최소협조시간(Minimum Coordination Time Interval, Minimum CTI)를 준수하는 시간차 보호협조방법을 주로 사용한다.

배전계통은 방대하고 복잡한 구조, 외부 노출된 구조물, 선로부하의 다양성으로 인해 고장발생이 빈번하다. 하지만 발생하는 고장의 80[\%] 이상은 일시적인 고장이다. 따라서 많은 보호기기중 Recloser와 Fuse를 통한 보호협조를 광범위하게 사용하고 있다. 배전계통의 보호기기의 경우 계통환경의 변화에 따라 매번 보호협조를 정정하는 것은 쉽지만은 않다. 하지만 보호기기의 디지털화를 통해 다수의 입력신호를 동시에 빠르게 연산 및 저장을 기대할 수 있다. 그로인해 기존의 아날로그 보호기기가 수행하지 못하던 새로운 보호협조 시스템 구현이 가능할 전망이다(1-3). 디지털 보호기기를 활용한 적응형 보호협조에 관한 연구는 배전계통의 고 신뢰도와 안정성 있는 운영을 위하여 활발하게 연구가 진행중이다. (4)의 문헌의 경우 적응형 보호협조를 위하여 사전에 설정된 Recloser의 설치지점의 임피던스값과 제안하는 정정계수를 활용하여 적응형 보호협조 알고리즘을 제안하였으며 (5)의 문헌에서는 기본 계통 토폴로지와 변경된 계통 토폴로지를 동시에 분석하여 두 데이터의 최적치를 통해 적응형 보호협조를 수행한다. 본 논문에서는 적응형 보호협조와 Fuse의 경제적인 보호협조를 위하여 보호기기 설치지점의 조류해석과 고장해석의 실시간 데이터를 활용하여 Fuse의 검토 및 Fuse의 용량 증대 여부에 따라 적응적으로 Recloser를 능동적으로 정정할 수 있는 보호협조 알고리즘을 제안한다.

Recloser는 배전계통의 보호를 위해 사용되는 자동 재폐로 기능을 갖고 있는 차단기로서, 고장전류에 대해 미리 설정된 개방 및 재폐로 동작순서에 근거하여 보호대상 선로를 자동적으로 차단하고 재폐로하는 개별 제어장치이다. Fuse는 배전계통의 단상 분기선에 적용할 수 있는 가장 기본적이고 경제적인 과전류 보호기기로서 단상부하 측 선로에 고장이 발생하면 전원 측 보호기기와 협조하여 Fuse가 용단되면서 단상분기를 보호한다. 하지만 일시적인 고장임에도 불구하고 Fuse가 동작 하는 것은 비경제적이다. 따라서 Recloser-Fuse 보호협조에 불필요한 동작을 예방하기 위해 Fuse-Saving Scheme(FSS)을 사용한다. 간단하게 FSS을 설명하면 Recloser가 Fuse보다 우선 동작할 기회를 제공하여 개방 동작 후 재폐로 동작 이전에 고장의 원인이 제거되어 Fuse의 불필요한 동작을 예방하는 것이다. 자세한 동작 메커니즘은 2.2 절에서 다룬다. FSS의 경우 배전계통의 적응형 보호협조와 경제적인 Fuse의 활용을 위하여 지속적인 연구가 진행중이다(6-7). 하지만 FSS를 사용하기 위해 설치된 퓨즈의 용량을 계통환경의 변화에 따라 변경하는 것은 쉽지 않다. 따라서 본 논문에서는 상대적으로 정정이 용이한 Recloser를 중점적으로 배전계통의 환경변화에 따라 FSS의 조건과 보호기기간 최소 협조시간을 고려하여 Recloser의 Time-Current Characteristic(TCC) 곡선을 적응적으로 정정할 수 있는 알고리즘을 MATLAB을 이용한 시뮬레이션으로 검증하였다.

2. 배전계통의 보호협조

2.1 배전계통 보호기기의 보호협조 방법

배전계통은 변전소에서부터 수용가까지 변전소 차단기(Sub- station Circuit Breaker,Sub_CB), 고객용 차단기(Customer Recloser Circuit Breaker,Cus_CB), Recloser, Fuse와 같은 보호기기가 설치되어있다. 각 보호기기는 설치지점에서 최대 부하전류를 초과하는 동작전류에서 동작하도록 설정되며 국내 대부분의 보호기기는 고장전류의 크기에 따라 동작시간이 변하는 반한시 특성을 사용한다. 또한 배전계통에서 보호기기 간의 보호협조를 용이하게 수행하기 위하여 보호기기의 동작시간에 차이를 두어 보호협조를 수행한다. 후비 보호기기의 동작시간은 주 보호기기의 동작시간보다 길어야 하며, 신뢰성 있는 보호를 위해 각 보호기기의 적절한 동작시간을 설정해야 한다. 예를 들어, 그림 1에서 고장 발생시 가정한 고장전류의 크기에 대하여 각 보호기기의 동작 시간을 표기하였다. 주 보호기기의 경우 고장 발생시 15[Cycle]에 고장을 먼저 감지하고, 그 다음 후비 보호기기가 30[Cycle]에 고장을 감지하도록 설정되어 있어 주 보호기기가 먼저 동작한다. 만약 여러 개의 보호기기를 설치할 경우 후비 보호기기가 많아질수록 주 보호기기가 되는 보호기기의 동작시간이 길어지게 되므로 실제 적용에 문제가 발생한다.

그림 1 보호기기간 동작 시간차를 활용한 보호협조

Fig. 1 Protective coordination using operating time difference between protective devices

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보호기기의 동작시간을 결정하기 위해서는 보호기기간 최소 협조시간차가 필요하다. 그림 2는 보호기기의 TCC 곡선 그래프를 통해 보호기기간 협조시간차의 개념을 확인할 수 있다. 협조시간차는 주 보호기기와 후비 보호기기간에 동작시간 간격을 설정하는 것을 의미하며 주 보호기기의 고장전류의 범위인 목표 보호협조구간 내에서 적절한 협조시간차를 만족해야한다(8)왜냐하면 보호기기는 차단 신호를 받게 되면 즉시 차단이 되는 것이 아니라 보호기기의 기계적인 관성 동작시간이 발생하기 때문이다. 만약 주 보호기기에 차단신호가 투입 되고나서 충분한 협조시간차가 없을 경우 주 보호기기가 차단되기 전에 후비 보호기기의 차단신호로 인해 오동작이 발생할 수 있다. 따라서 보호기기 별로 최소한의 협조시간차가 필요하며 표 1에 한국에서의 일반적인 보호기기 사이의 최소 협조시간차가 정리되어있다(9).

그림 2 TCC 곡선 그래프에서의 협조시간차 개념

Fig. 2 The concept of CTI on TCC curve graphs

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표 1 보호기기 간 최소 협조시간차

Table 1 Minimum CTI between protective device

후비 보호기기

주 보호기기

최소 협조시간차[Cycle]

OC(G)R

Recloser

3

OC(G)R

OC(G)R

8

Recloser

Recloser

2.7

Recloser

OC(G)R

10

그림 3 Recloser-Fuse 보호협조의 모의계통 예제

Fig. 3 Example simulated system of Recloser-Fuse protective coordination

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그림 4 Fuse-saving scheme의 개념

Fig. 4 Concept of Fuse-saving scheme

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2.2 Fuse-Saving Scheme(FSS)

일시적인 고장에도 불구하고 Fuse가 용단이 되면 전력회사는 잦은 유지보수와 복구에 따른 고객들은 긴 정전시간을 경험 할 것이다. 그래서 일시적인 고장이 빈번한 배전계통에서는 Recloser를 광범위하게 사용한다. Recloser는 순시동작과 지연동작으로 이원화 되어있다. 이로 인해 고장발생시 우선적인 순시동작을 통해 고장을 제거할 기회를 가짐으로써 지연동작만 사용하는 경우 보다 고장전류가 짧은 시간 동안만 흐르게 되고 재폐로 시퀀스의 시간을 조정하여 정전시간을 줄일 수 있는 장점이 있다. 그 중에서도 동작 이원화의 가장 큰 목적은 Fuse를 활용한 보호협조이다. 고장 발생시 Recloser의 시퀀스 동작 사이에 고장이 제거된다면 Fuse의 불필요한 용단을 예방할 수 있다. 만약 일시적인 고장이 아닌 영구적인 고장이 발생할 경우 순시동작과 지연동작 사이에 고장 구간의 Fuse가 동작하여 정전구간의 축소가 가능하다. 예를 들어 그림 3은 Fuse가 설치된 단상 부하선로에서 고장이 발생한 모의 배전계통이다. 고장 발생시 고장전류는 주 전원을 통해 변전소 CB, Recloser, Fuse를 거쳐 고장지점으로 흐르게 된다. 일반적인 계통 고장상황에서는 고장지점에 가까운 지점이 주 보호가 되므로 먼저 동작을 한다. 하지만 Fuse-Recloser의 보호협조에서는 일시적인 고장임에도 불구하고 Fuse의 불필요한 용단을 예방하기 위하여 그림 4와 같이 Recloser가 먼저 순시동작하고 설정된 시퀀스 이후에 Recloser가 지연동작이전에 Fuse가 고장전류에 반응할 수 있도록 설계한다. 이러한 과정을 FSS라고 하며 Fuse와 Recloser의 TCC 곡선은 FSS를 사용하기 위해서는 Recloser의 순시동작부터 지연동작까지지 각 TCC 곡선이 그림 4와 같이 순차적으로 설계되어야 한다(10).

3. 제안하는 적응형 Recloser 정정 알고리즘

배전계통은 설비점검 및 고객부하변화에 따른 변동성이 있다. 따라서 배전계통의 안정성과 신뢰성을 위해 계통환경에 따라 적합한 보호기기의 설계가 필요하다. Sub_CB의 경우 설치지점의 조류해석 및 고장해석을 통해 초기 동작특성을 정정할 수 있다. 배전계통 설계자의 입장에서 고려할 경우 Sub_CB는 동작은 송전계통에서 우선적으로 설계가 되므로 사전에 동작을 결정지을 수가 있다. 또한 Fuse의 경우도 설치지점의 조류해석 및 고장해석을 통해 설치 가능한 최소용량을 결정할 수가 있다. Recloser의 경우 배전계통의 환경에 따라 기기에 내장된 TCC 곡선을 설정하여 사용했다. 하지만 분산형 전원의 연계 또는 설치되는 Recloser의 수가 증가와 같이 배전계통의 구조가 점점 복잡해질 경우 기존에 내장된 TCC 곡선을 사용하는데 한계가 생긴다. 따라서 Recloser의 동작을 IEC 60255-3 표준(11)의 강반한시 특성 함수를 사용하여 $I_{p}$와 TDS 정정을 통해 보호협조 설계할 경우 계통환경에 적합한 보호협조를 설계 할 수 있다. 따라서 Recloser의 경우 다른 보호기기에 비해 적응적인 설계를 기대할 수 있다.

그림 5는 본 논문에서 제안하는 적응형 Recloser의 정정 알고리즘의 Flowchart이다. 크게 볼 경우 3단계로 구성 되어있다. 1단계의 경우 각 보호기기 설치점의 부하전류와 고장전류 분석 데이터를 입력한다. 데이터 입력 시 Sub_CB, Relcoser, Cus_CB, Fuse의 기기 유형을 선언한다. 그리고 보호구역에 따른 보호협조 그룹을 선정해주어 보호협조 그룹에 따른 보호협조 유형을 결정해준다. 그리고 보호협조 유형에 따른 수행여부를 카운팅 한다. 카운팅되는 보호협조의 유형(Type of pro- tective coordination,TPC)은 Sub_CB-Recloser, Recloser-Recloser, Recloser-Cus_CB, Recloser-Fuse로써 총 4가지로 구분하며 각각의 TPC는 2단계에서 cnt1~cnt4으로 알고리즘에서 활용된다.

2단계에서는 보호협조 유형에 따라 Recloser의 순시동작과 지연동작을 결정한다. 총 4단계의 보호협조 유형을 판단하여 정정을 진행하며 각 보호협조의 유형에 따른 우선순위는 주 전원을 기준으로 상위 계통의 보호기기 부터 하위 계통의 보호기기까지 순차적으로 보호협조를 진행한다. 보호협조를 진행할 때 Fuse는 용량 변경이 쉽지 않은 고정적인 특성이기 때문에 FSS가 사용되는 경우 Recloser는 상위 계통과 보호협조를 검토할 때 동시에 처리해야한다. 만약 FSS를 통해 Recloser의 정정 값이 최소 협조시간차를 위반하면 불완전협조가 된다. 따라서 Fuse의 용량 변경이 가능할 경우 동작 가능구간을 파악하고 설치 가능한 최대의 용량으로 증대하여 Recloser에게 충분한 협조시간차를 만들어줄 수 있다. 각 보호협조 유형별 Reclsoer의 정정 과정은 다음과 같다.

그림 5 적응형 Recloser 정정 알고리즘 Flowchart

Fig. 5 Adaptive Recloser Setting Algorithm Flowchart

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① Recloser-Fuse의 보호협조를 진행할 경우 FSS에 근거하여 Recloser의 순시&지연동작 정정

② Sub_CB-Recloser의 보호협조를 진행할 경우 Sub_CB의 동작 특성에 따라 최소 협조시간차를 준수하여 Recloser의 지연동작을 정정. 만약 ①에서 정정된 Recloser의 지연동작이 ②의 지연동작과 비교하여 작을 경우 Fuse 용량 정정 고려. Fuse용량이 정정 가능할 경우 ①의 과정을 다시 실행

③ Recloser-Recloser의 보호협조를 진행할 경우 보호협조 정정 기준에 맞춰 주 보호기기가 되는 Recloser의 지연동작을 정정. 그 후 Fuse가 고려된 Recloser인지 판별하고 Fuse가 고려된 경우 주 보호가 되는 Reclsoer의 순시동작을 정정. Fuse가 고려되지 않은 경우 후비 보호기기가 되는 Recloser의 순시동작을 정정

④ Recloser-Cus_CB의 보호협조를 진행할 경우 Cus_CB의 특성에 따라 후비보호의 Recloser의 순시동작을 정정. 더 이상 정정할 Recloser가 없고 ③의 과정에 정정된 Recloser가 Fuse를 고려하지 않았을 경우 ②과정을 통해 순시동작 재정정

3단계에서는 각 보호기기의 정정 값을 종합하고 각 보호기기의 데이터의 TCC 곡선 그래프 표현 여부를 판단한 뒤 상위 보호기기 부터 순차적으로 TCC 곡선 그래프를 그려 표현한다.

4. 제안된 알고리즘의 성능 평가

4.1 모의계통 구성 및 조건

제안된 알고리즘을 평가하기 위해 모의계통은 그림 6과 같이 구성을 하였다. 154/22.9[kV] 변전소를 시작으로 Sub_CB 1대, Recloser(REC) 2대, Cus_CB 1대, 선로용 Fuse(F) 2대를 설치를 가정하였다. 3상 선로의 종류는 ACSR160(95)이고, 단상 선로의 종류는 ACSR95(58)이다. 선로의 기기 및 부하의 분포는 그림 6을 통해 자세히 확인 가능하다. 보호기기는 기본적인 동작특성은 한국전력공사(KEPCO)의 배전 보호 기술서(9)에 따라 설계된다. Recloser의 경우 IEC 60255-3 표준의 강반한시 특성이 사용되고 TCC곡선은 $I_{p}$ 및 TDS 조정을 통해 설정된다. 선로용 Fuse의 경우 S&C 사의 K 타입을 기반으로 설계했다. 적응형 Recloser의 정정 알고리즘은 MATLAB을 사용하여 검증하였고 그림 6의 각 보호기기 설치지점에서 조류해석 및 고장해석 데이터는 표 2를 통해 확인할 수 있다.

표 2 테스트 모의계통 보호기기 설치 지점의 조류해석 및 고장해석 데이터

Table 2 Load flow analysis and fault analysis data at the installation point of the test simulation system protection devices

Classification/Units [A]

Substation CB

Recloser 1

Recloser 2

Customer CB

Fuse 1

Fuse 2

Fault current

Three-Phase Short Fault

7442

2780

1704

1222

2294

1505

Line to Line Short Fault

6445

2407

1475

1058

1987

1304

Single-line Ground Fault(0Ω)

6494

1709

985

676

1371

856

Single-line Ground Fault(30Ω)

439

388

344

309

373

332

Load current

266

188

95

81

40

40

그림 6 시뮬레이션 테스트 모의계통 모델

Fig. 6 Simulated test system model

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표 3 보호협조 구역에 따른 보호협조 순서쌍

Table 3 Pairs of protective coordination by test system model

주 보호기기

후비 보호기기

1

Sub_CB

Recloser 1

2

Recloser 1

Recloser 2

3

Recloser 2

Cus_CB

4

Recloser 1

Fuse 1

5

Recloser 2

Fuse 2

표 4 각 보호기기의 고장전류 500[A]에 대한 동작시간

Table 4 Operating time for fault current 500[A] of each protective device

보호기기

동작시간[s]

Sub-CB

1.023

REC 1

Delay

0.970

Fast

0.834

REC 2

Delay

0.465

Fast

0.315

Cus_CB

0.034

4.2 제안된 알고리즘의 적용 및 평가

표 2의 데이터를 알고리즘에 입력하여 보호기기 유형별로 번호가 할당되며 배전보호기술서 기반 초기 동작이 설정된다. 그 다음 표 3과 같이 보호협조 순서쌍(을 입력하여 정정이 필요한 보호협조 유형을 카운팅 한다. 카운팅된 보호협조 유형들은 알고리즘의 2단계를 거쳐 Recloser의 동작을 정정한다. 그림 7은 FSS를 고려하기 위하여 표 3의 1번부터 5번 항목까지 활성화 하여 알고리즘을 진행한 결과이다. Sub_CB, Reclo- ser1, Recloser2는 각각의 고장전류 범위에서 서로간의 협조시간차를 준수하며 FSS를 활용하기 위해 최소 간격을 갖는 정정치를 계산하였다. Recloser1의 경우 Recloser1에서 발생할 수 있는 고장범위 내에서 Sub_CB와 최소 협조시간차 0.052[s] (3[cylce] 이상)을 만족하였다. Cus_CB의 한시동작은 일반적으로 Recloser의 순시동작보다 느리기 때문에 Reclsoer가 먼저 동작하거나 동시에 동작한다. 즉 순시동작이 함께있는 Recloser와 불완전협조를 하게 된다. 그러므로 일반적인 Recloser와 Cus_CB의 보호협조는 Recloser의 지연동작과 Cus_CB의 한시동작 간의 보호협조를 의미하기 때문에 Cus_CB와 Recloser간에도 보호협조가 성립하는 것을 알 수 있다. Fuse1,2의 경우 각 Fuse의 설치 지점에서의 고장범위에서 FSS을 만족하는 모습을 그림 7을 통해서 알 수 있다. 그림 8은 Recloser의 추가 신설이 필요하거나 FSS를 고려하지 않은 경우의 Recloser의 동작 정정을 확인하기 위하여 표 3의 1번부터 3번 항목까지 활성화 하여 알고리즘을 진행한 결과이다. 각 Recloser의 순시동작이 그림 7의 경우의 비해 시간이 증가한 것을 확인되어 Recloser의 추가 신설이 필요할 경우 보호협조 구역을 생성한 모습을 확인할 수 있다. Cus_CB에서 고장전류가 발생할 경우 모든 보호기기의 고장전류 보호구간에서 동작시간을 감지할 수 있기 때문에 500[A]의 고장전류가 발생할 경우의 동작시간을 비교하였다. 표 4는 각 보호기기의 동작하는 시간을 나타내며 표 5는 각 보호기기간의 협조시간차를 확인할 수 있다. FSS의 여부를 변경하여도 배전보호기술서를 준수하여 각 보호기기의 협조시간차를 만족하는 Recloser의 정정치 계산을 검증하였다.

그림 7 FSS를 고려한 적응형 Recloser 정정 알고리즘 결과 TCC 곡선 그래프

Fig. 7 Adaptive Recloser setting algorithm results TCC curve graphs with FSS

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그림 8 FSS을 고려하지 않은 적응형 Recloser 정정 알고리즘 결과 TCC 곡선 그래프

Fig. 8 Adaptive Recloser setting algorithm results TCC curve graphs without considering FSS

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표 5 각 보호기기의 고장전류 500[A]에 대한 협조시간차

Table 5 Coordination time interval for fault current 500[A] of each protective device

보호기기

협조시간차[s]

Sub-CB

REC 1 (Delay)

0.053

REC 1 (Delay)

REC 2 (Delay)

0.505

REC 1 (Fast)

REC 2 (Fast)

0.519

REC 2 (Delay)

Cus_CB

0.431

5. 결 론

배전계통은 공급 거리는 짧지만 많은 분기선으로 인해 계통구조가 복잡하고 고객들과 인접한 계통으로써 정전 없는 고품질 전력과 신뢰도 높은 전력공급이 중요하다. 따라서 적절한 보호협조를 통해 안정성과 신뢰성을 유지해야 한다. 본 논문에서는 FSS를 고려한 적응형 Recloser 정정 알고리즘을 통해 배전계통에서 Recloser가 계통환경 및 Fuse의 고려 여부에 따라 보호협조를 자동 정정 방법을 제안하고 Recloser의 동작특성을 검토하였다. 이와 같은 결과는 향후 배전자동화 및 안정도 높은 배전계통 운영을 연구할 때 신뢰도 있는 전력공급을 수행하는데 도움이 될 것으로 판단된다.

Acknowledgements

This work was supported by the National Research Foundation of Korea(NRF) grant funded by the Korea government(MSIP) (No. 2018R1A2A1A05078680).

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저자소개

Gwang-Su Shin
../../Resources/kiee/KIEE.2021.70.7.1044/au1.png

He received a B.S, degrees in electrical engi- neering from Kangwon national University, in 2019.

At present, he is enrolled in the com- bined master’s and doctorate program of the College of Information and Communication, Sungkyunkwan University.

His research interests include power system protection and power system transients.

Ji-Soo Kim
../../Resources/kiee/KIEE.2021.70.7.1044/au2.png

He received a B.S degree from the College of Information and Communication Engineering, Sungkyunkwan University, Korea, in 2016.

At present, he is enrolled in the combined master’s and doctorate program.

His research interests include power system transients, wind power generation and distributed energy resource.

Jin-Sol Song
../../Resources/kiee/KIEE.2021.70.7.1044/au3.png

He received a B.S degree from the College of Information and Communication Engineering, Sungkyunkwan University, Korea, in 2017.

At present, he is enrolled in the combined master’s and doctorate program.

His research interests include distributed generation and power sys- tem protection.

Chul-Hwan Kim
../../Resources/kiee/KIEE.2021.70.7.1044/au4.png

He received the B.S., M.S., and Ph.D. degrees in electrical engineering from Sungkyunkwan University, Suwon, Korea, in 1982, 1984, and 1990, respectively.

In 1990, he joined Jeju National University, Jeju, Korea, as a Full-Time Lecturer.

He was a Visiting Academic with the University of Bath, Bath, U.K., in 1996, 1998, and 1999.

He has been a Professor with the College of Information and Communication Engineering, Sungkyunkwan University, since 1992, where he is currently the Director of the Center for Power Information Technology.

His current research interests include power system protection, artificial intelligence appli- cations for protection and control, modeling/ protection of underground cable, and elec- tromagnetic transients program software.