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  1. (Yonam Institute of Technology, Korea)
  2. (Next Square, Korea )



EMTP, Fault current, LVDC distribution system, Protection

1. 서 론

직류 전원 공급 방식은 AC/DC 전력변환 횟수를 줄인 고효율 변환을 통해 소비전력을 저감하는 방식으로 지구온난화에 대한 매우 효과적인 대책이 될 수 있다. 따라서, 저압직류(LVDC) 배전망에서 정상상태를 고려한 운영 기술과 과도상태에서의 보호 대책을 개발함으로써 계통의 안정적 운영 및 신뢰성을 증가시켜야 한다(1). 본 논문에서는 LVDC 배전계통에서 보호 부분에 초점을 맞추었다.

LVDC 배전계통에서 보호 관련 연구가 다양하게 수행되어 왔다. (2)에서는 DC 고장을 검출하고 위치를 찾기 위하여 DC 전류 방향을 기반 여러 지능형 계전기를 사용한 방법을 제안하였다. (3)에서는 고장 및 정상 상태를 구분하기 위하여 고장전류의 1차 및 2차 미분 값을 이용한 방법을 제안하였다. (4)에서는 hybrid AC/DC 저전압 배전계통의 과도반응을 해석하고 각 시스템을 위한 보호 방법을 제안하였다. (5)에서는 과전류, 전류의 1차 및 2차 미분, 신호처리 기법의 장점을 사용한 고장 검출 방법을 제안하였다. (6)에서는 저저항 고장과 고저항 고장을 구분하여, 저저항 고장은 인덕터에 걸리는 전압을 활용하고 고저항 고장은 지락전류를 활용한 고장 검출 및 위치 추정 방법을 제안하였다. (7)에서는 고저항 사고 혹은 커패시터 방전이 있는 고장전류로부터 특징을 이용하여 수학적 식을 기반으로 LVDC 배전계통에서 보호 방법을 제안하였다. 이러한 결과들은 LVDC 배전계통에서 발생 가능한 다양한 고장위치를 고려하여 보호 방법을 제안하지 않았다.

따라서, 본 논문에서는 LVDC 배전계통에서 고장위치를 고려한 새로운 보호 방법을 제안하였다. 2장에서는 LVDC 배전계통에서 고장발생 위치에 따른 고장전류 특성을 분석하였다. 3장에서는 2장의 분석을 기반으로 LVDC 배전계통에서 새로운 보호 방법을 제안하였다. 4장에서는 제안된 방법을 EMTP를 이용하여 검증하였다. 5장에서는 본 논문의 결론을 나타내었다.

2. LVDC 배전계통에서 고장 특성

그림 1은 간단한 LVDC 배전계통을 나타낸다. AC Side와 연결하기 위한 AC/DC 컨버터가 존재하며, DC 모선을 거쳐 선로로 연결된다. CB1, CB2, CB3는 차단기를 나타낸다. 그림 1에서 각 숫자는 고장 발생이 가능한 위치를 나타낸다. 각 위치의 의미는 아래와 같다.

①: AC/DC 컨버터의 DC 측 고장

②: DC 선로에서의 고장

③: DC 모선에서의 고장

그림 1 LVDC 배전계통

Fig. 1 LVDC distribution system

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그림 2는 정상상태와 ①번 위치의 AC/DC 컨버터의 DC측에서 고장 발생 시 정상상태와 고장상태 전류의 흐름을 비교한 것이다. 정상상태에서는 부하로 전류가 흘러가게 된다. 그렇지만, CB1의 경우 부하(Load1과 Load 2)와 연결된 DC/DC 컨버터의 커패시터 방전 때문에 정상상태와는 반대 방향으로 고장전류가 흘러오게 된다. 따라서, 정상상태와는 반대 극성의 전류가 흐르게 된다. CB2와 CB3도 마찬가지로 Load1과 Load2에 연결된 DC/DC 컨버터의 커패시터 방전 때문에 정상상태와는 반대 방향으로 전류가 흐르게 되어, 반대 극성의 전류가 측정된다. 그림 3은 정상상태와 ②번 위치에서 고장 시 전류 흐름을 비교한 것이다. CB1의 경우 고장지점으로 전류가 주입되는 방향과 정상상태의 방향이 같다. CB2 역시 고장점으로 전류가 주입되는 방향이므로 정상상태와 고장상태에서 전류의 방향은 같다. CB3의 경우 Load2와 연결된 DC/DC 컨버터의 커패시터 방전 때문에 정상상태와는 반대 방향으로 전류가 흐르게 되어 반대 극성의 전류가 측정될 것이다.

그림 2 정상상태와 ①번 위치에서 고장 시 전류 흐름 비교

Fig. 2 Comparison of current flow in the steady state and fault state at ①

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그림 3 정상상태와 ②번 위치에서 고장 시 전류 흐름 비교

Fig. 3 Comparison of current flow in the steady state and fault state at ②

../../Resources/kiee/KIEE.2021.70.12.2052/fig3.png

그림 4는 정상상태와 ③번 위치에서 고장 시 전류 흐름을 비교한 것이다. CB1정상상태와 고장 시 전류 흐름의 방향은 동일하다. 따라서, 정상상태와 동일한 극성의 전류가 측정될 것이다. CB2와 CB3의 경우 Load1 및 Load2와 연결된 DC/DC 컨버터의 커패시터 방전 때문에 정상상태와는 반대 방향으로 전류가 흐르게 되어 반대 극성의 전류가 측정될 것이다.

그림 2-5에서 ①-③번 위치 고장 시 CB1, CB2, CB3의 고장전류 흐름을 비교하였다. 이것을 표로 정리하면 아래 표 1과 같다. 아래 표 1에서 +는 (+)의 값으로 측정됨을 의미한다. (-)는 고장전류 흐름이 반대가 되어 반대 극성 즉, (-) 의 값으로 전류가 측정됨을 의미한다.

그림 4 정상상태와 ③번 위치에서 고장 시 전류 흐름 비교

Fig. 4 Comparison of current flow in the steady state and fault state at ③

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표 1 고장 시 CB1, CB2, CB3의 전류 극성 변화

Table 1 Variation of current flow in CB1, CB2, and CB3 at fault state

고장 위치

CB1

CB2

CB3

(+) → (-)

(+) → (-)

(+) → (-)

(+) → (+)

(+) → (+)

(+) → (-)

(+) → (+)

(+) → (-)

(+) → (-)

3. LVDC 배전계통에서 보호 방법

본 논문에서는 상기 표 1을 기반으로 LVDC 배전계통에서 보호 방법을 제안하였다. 표 1에서 ‘고장위치 ①: AC/DC 컨버터의 DC 측 고장’의 경우 전류의 방향이 모두 (+)에서 (-)로 바뀌는 것을 알 수 있다. ‘고장위치 ②: DC 선로에서의 고장’의 경우 CB1은 그대로이며, CB3의 극성만 바뀌게 된다. Load2에 연결된 선로에서 고장이 발생한다면, CB2의 극성만 바뀌고, CB3는 그대로 유지될 것이다. 즉, DC 선로 고장의 경우 연결된 차단기 둘 중 하나의 극성이 변화하게 된다. ‘고장위치 ③: DC 모선에서의 고장’의 경우 CB1은 그대로이며, CB2와 CB3의 극성만 변화하게 된다. 이러한 특성을 이용하여 새로운 보호 방법을 제안한다.

아래 그림 5는 제안하는 방법의 시스템 구성도를 나타낸다. CB1, CB2, CB3에 흐르는 전류를 입력으로 받으며, 보호계전기에서 제안하는 보호 방법의 연산을 거쳐 각 차단기에 트립 신호를 전송하게 된다. 제안된 방법의 적용 시 차단기 전류를 받고, 동작 신호 전송할 때 통신 방법이 요구된다.

그림 6그림 5의 보호계전기의 알고리즘 흐름도이다. 우선 각 차단기에 흐르는 전류 i1, i2, i3를 입력으로 받고, 그 값이 어느 하나라도 고장을 판별하기 위한 threshold 값인 α보다 커지면 고장발생으로 판단한다. 다음 단계로 상기 2장에서 분석한 고장전류의 특성을 바탕으로 고장 위치를 판별하고, 차단기 동작 신호를 전송한다. 고장위치 ①번에서는 표 1과 같이 전류의 극성이 (+)에서 (-)로 바뀌므로 차단기에서 측정한 전류가 모두 0보다 작다면 ‘고장위치 ①: AC/DC 컨버터의 DC 측 고장’으로 판단한다. 이때는 부하와 연결된 DC/DC 컨버터의 커패시터 방전으로 고장전류 주입을 차단하기 위하여 CB1만 open 시키고, 나머지는 close를 유지한다. 이 조건이 성립되지 않는다면, CB1에 흐르는 전류(i1)은 0보다 크고, CB2 및 CB3에 흐르는 전류(i2와 i3)는 0보다 작음을 판단하여 조건에 성립된다면 ‘고장위치 ③: DC 모선에서의 고장’으로 판단한다. 이때는 모든 방향에서 고장전류 주입이 가능하므로 이것을 차단하기 위하여 모든 차단기를 open 한다. 이 조건들이 모두 성립하지 않는다면 ‘고장위치 ②: DC 선로에서의 고장’의 경우로 판단한다. 이 경우에는 고장선로인 CB2의 차단기만 open 시키고 나머지 차단기는 close를 유지한다. 이렇게 동작을 수행함으로써 AC측으로부터 load2로 전력 공급을 지속할 수 있다.

그림 5 제안하는 방법의 시스템 구성도

Fig. 5 System configuration of proposed scheme

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그림 6 제안하는 방법의 흐름도

Fig. 6 Flowchart of proposed scheme

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제안된 알고리즘은 전류의 부호만을 이용하여 고장위치를 판별하고 그에 따라 차단기 동작을 달리하는 방법이다. 간단하지만, 정확히 고장위치를 판별하고 적용할 수 있는 장점이 있다. 고장발생 판단의 threshold 값 설정은 기존 교류계통의 OCR 순시치를 참고하여 설정 가능하다. 직류계통의 경우, 커패시터 방전으로 인해 고장전류가 급격하게 발생하므로 최대부하전류의 140%-200% 정도의 값으로 설정하면 된다. 또한, 부하변동으로 인하여 과부하가 발생한다고 하더라도 threshold 값 이상으로는 상승하지 않으므로 차단기는 동작하지 않는다.

4. 시뮬레이션

4.1 계통모델

제안된 보호 방법을 검증하기 위하여 계통모델은 그림 5와 같다. 계통모델에서 DC 배전선로의 길이는 2km이며, 부하의 용량은 각각 50kW이다.

계통모델은 EMTP를 이용하여 모델링 되었다. AC/DC 컨버터, DC/DC 컨버터의 제어 동작은 EMTP/MODELS를 이용하여 모델링 되었다[1, 8-9]. 그림 6의 제안하는 방법 또한 EMTP/MODELS를 이용하여 모델링 되었다.

4.2 시뮬레이션 조건

제안된 방법의 검증을 위한 시뮬레이션 조건은 표 2와 같다. 고장위치 및 고장저항을 변경하였다. 고장의 종류는 pole-to-pole 고장이며, 고장발생 시간은 0.5초이다. 고장지속시간은 영구고장으로 설정하였다.

표 2 시뮬레이션 조건

Table 2 Simulation conditions

Case

고장위치

고장저항(Ω)

Case 1

①: AC/DC 컨버터의

DC 측 고장

0.1

Case 2

1

Case 3

②: DC 선로 고장

0.1

Case 4

1

Case 5

③: DC 모선 고장

0.1

Case 6

1

4.3 시뮬레이션 결과

각 시뮬레이션 결과에서 차단기에 흐르는 전류 및 스위치 동작을 나타내었다. 스위치 동작에서 1은 ‘close’, 0은 ‘open’을 의미한다. 그림 7-8은 Case 1의 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 이 경우는 고장위치 ①: AC/DC 컨버터의 DC 측 고장으로서 표 1의 분석결과와 같이 전류의 극성이 0.5초에 고장이 발생한 순간 모두 (-)로 바뀌는 것을 알 수 있다. 따라서, 제안된 알고리즘에 따라 0.5015초에 CB1만 Open된다.

그림 7 Case 1에서 각 차단기에 흐르는 전류

Fig. 7 Current flowing in each CB in Case 1

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그림 8 Case 1에서 각 차단기의 트립 신호

Fig. 8 Trip signal of each CB in Case 1

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그림 9 Case 2에서 각 차단기에 흐르는 전류

Fig. 9 Current flowing in each CB in Case 2

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그림 10 Case 2에서 각 차단기의 트립 신호

Fig. 10 Trip signal of each CB in Case 2

../../Resources/kiee/KIEE.2021.70.12.2052/fig10.png

그림 9-10은 Case 2의 시뮬레이션 결과를 나타낸다. Case 1과 고장발생 위치가 동일하기 때문에 고장발생 순간 고장전류의 크기가 모두 (-)로 바뀌는 것을 알 수 있으며, 차단기 동작 또한 Case 1과 동일하다. 다만, 고장저항이 좀 더 크기 때문에 트립 신호가 발생하는 시간이 0.503초로 늦게 나타난다. Case 1과 2의 경우, 고장영역이 완전 차단되므로 부하에 연결된 커패시터 방전으로 인하여 부하에 지속적인 전력 공급이 가능하다. 이것은 제안한 알고리즘에 따라 최대 고장전류가 발생하기 전에 고장전류를 차단하기 때문에 그림 7그림 9에서 고장전류가 큰 차이가 없는 것으로 나타났다. 고장전류를 차단하지 않는다면, Case 1의 최대 고장전류는 i1 전류가 –1488 [A], Case 2의 최대 고장전류는 i1 전류가 –1171[A]로서 고장저항이 큰 경우 고장전류도 더 작게 나타난다.

그림 11-12는 Case 3의 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 0.5초에 고장이 발생한 후 i1과 i2는 (+) 값을 유지하지만, i3는 (-)로 부호가 바뀌는 것을 알 수 있다. 따라서, 제안된 알고리즘에 따라 고장위치는 ②: DC 선로에서의 고장으로 판단하고 CB2만 0.501초에 Open 동작을 수행하고, CB1과 CB3는 Close를 유지한다.

그림 11 Case 3에서 각 차단기에 흐르는 전류

Fig. 11 Current flowing in each CB in Case 3

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그림 12 Case 3에서 각 차단기의 트립 신호

Fig. 12 Trip signal of each CB in Case3

../../Resources/kiee/KIEE.2021.70.12.2052/fig12.png

그림 13-14는 Case 4의 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 이 경우 역시 case 3과 마찬가지로 i1과 i2는 (+) 값을 유지하지만, i3는 (-)로 부호가 바뀌는 것을 알 수 있다. 따라서, CB2만 0.523초에 Open 동작을 수행하게 된다. 이 경우 고장저항이 case 3보다 크기 때문에 고장전류 값이 작아져 차단기 트립 시간이 지연되어 나타난다. 그림 13에서 고장구역 판단을 위하여 이용한 것은 고장발생 직후의 커패시터 방전 전류이므로 차단기 동작 이전에는 +, - 로 변화하는 현상은 고장검출에는 사용되지 않는다. 그림 11그림 13을 통하여 AC/DC 컨버터의 커패시터 방전으로 인하여 고장이 발생하지 않은 선로를 통하여 Load 2로 지속적으로 전류를 공급하고 있음을 알 수 있다. 반면, Load 1은 고장 부분이 남아 있으므로 커패시터 방전으로 인한 전력 공급이 불가능하다.

그림 15-18은 Case 5-6의 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 그림 15그림 17에서 0.5초에 고장이 발생한 후 i1은 (+) 값을 유지하지만, i2와 i3는 (-)로 부호가 바뀌는 것을 알 수 있다. 이 경우는 표 1의 분석 결과에서 살펴보면 고장위치가 DC 모선인 경우가 된다. 제안된 알고리즘에 따라 고장위치를 DC 모선으로 정확하게 판단하고, 모든 차단기를 Case 5에서는 0.501초, Case 6에서는 0.5035초에 Open 하게 된다. Case 5와 6에서는 고장영역이 완전 차단되므로 부하에 연결된 커패시터 방전으로 인하여 부하에 지속적인 전력 공급이 가능하다.

그림 13 Case 4에서 각 차단기에 흐르는 전류

Fig. 13 Current flowing in each CB in Case 4

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그림 14 Case 4에서 각 차단기의 트립 신호

Fig. 14 Trip signal of each CB in Case 4

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그림 15 Case 5에서 각 차단기에 흐르는 전류

Fig. 15 Current flowing in each CB in Case 5

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그림 16 Case 5에서 각 차단기의 트립 신호

Fig. 16 Trip signal of each CB in Case 5

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그림 17 Case 6에서 각 차단기에 흐르는 전류

Fig. 17 Current flowing in each CB in Case 6

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그림 18 Case 6에서 각 차단기의 트립 신호

Fig. 18 Trip signal of each CB in Case 6

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5. 결 론

본 논문에서는 LVDC 배전계통에서 새로운 보호 방법을 제안하였다. 배전계통에서 고장 발생 가능한 위치를 AC/DC 컨버터 측, DC 선로측, DC 모선측 이렇게 3가지로 구분한 후 각 위치에서 고장 발생 시 고장전류의 흐름을 분석하였다. 이 결과를 기반으로 고장전류의 극성 변화를 이용한 새로운 보호 방법의 시스템 구성 및 알고리즘을 제안하였다. 제안하는 방법은 고장전류 극성 변화에 따라 고장 위치를 판단하고 그에 따라 차단기 동작을 수행하는 방법이다.

제안하는 방법의 검증을 위하여 EMTP를 이용하여 제안된 방법을 모델링하고 다양한 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 시 고장위치 및 고장저항을 변경하였다. 시뮬레이션 결과 제안된 알고리즘에 따라 고장위치를 정확하게 판단하고 차단기 동작신호를 전송하게 됨을 알 수 있었다.

본 논문의 경우 고저항 고장 및 신재생에너지 연계를 고려하지 않았다. 향후 LVDC 배전계통에서 고저항 고장의 검출도 가능하며, 신재생에너지가 연계된 경우 보호 방법에 대하여 지속적으로 연구하고자 한다.

References

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Morteza Shamsoddini, Behrooz Vahidi, Ramin Razani, Hamed Nafisi, Nov 2020, Extending protection selectivity in low voltage DC microgrids using compensation gain and artificial line inductance, Electric Power Systems Research, Vol. 188, pp. 106530DOI
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Chul-Ho Noh, Chul-Hwan Kim, Gi-Hyeon Gwon, Muhammad Omer Khan, Saeed Zaman Jamali, Feb 2019, Development of protective schemes for hybrid AC/DC low-voltage distribution system, International Journal of Electrical Power & Energy Systems, Vol. 105, pp. 521-528DOI
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Yun-Sik Oh, Chul-Hwan Kim, Gi-Hyeon Gwon, Chul-Ho Noh, Syed Basit Ali Bukhari, Raza Haider, 2019, Fault detection scheme based on mathematical morphology in last mile radial low voltage DC distribution networks, International Journal of Electrical Power & Energy Systems, Vol. 106, pp. 520-527DOI
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저자소개

서훈철(Hun-Chul Seo)
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He received the B.S, M.S., and Ph.D. degrees in electrical engineering from Sungkyunkwan University in 2004, 2006, and 2013, respectively.

He worked for Korea Electrical Engineering & Science Institute, Seoul, Korea, as a researcher in power system division from 2006 to 2009.

He was Post-doctor at Yeungnam University in 2013.

Since March 2014, he is an associate professor with the School of Electronic&Electrical Engineering, Yonam Institute of Technology, Korea.

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

권기현(Gi-Hyeon Gwon)
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He received the B.S, M.S., and Ph.D. degrees in electrical engineering from Sungkyunkwan University in 2012, 2014 and 2018, respectively.

He is presently the assistant professor of Yonam Institute of Technology.

His research interests include power system transients, power quality, protection schemes and coordination in DC distribution system.

박건우(Keon-Woo Park)
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He received his M.S. degrees from Sungkyunkwan University, Korea, in 2007.

Since 2021, he has been a CTO in the NEXT Square Inc., Korea.

His research interests include LVDC, MVDC, Smart-grid, and Power Electronics.