KR101804175B1

KR101804175B1 - 분산전원 연계선로의 고장방향 판별 방법, 과전류 보호 방법 및 고장표시기 표시 방법

Info

Publication number: KR101804175B1
Application number: KR1020110064397A
Authority: KR
Inventors: 정원욱; 권성철; 신창훈; 송일근
Original assignee: 한국전력공사
Priority date: 2011-06-30
Filing date: 2011-06-30
Publication date: 2017-12-28
Also published as: KR20130003225A

Abstract

분산전원이 연계된 배전계통에서 고장방향 판별 방법과, 이를 이용한 과전류 보호 방법 및 고장표시기 표시 방법에 관해 개시하고 있다. 과전류 보호 방법은, 3상 전류를 입력 받는 단계, 상기 입력 받은 3상 전류의 위상을 계산하는 단계, 상기 3상 전류의 위상을 이용하여 상전류간 위상차를 계산하는 단계 및 상기 상전류간 위상차를 기 설정된 임계값과 비교하여 고장 방향을 판단하는 단계를 포함한다.

Description

분산전원 연계선로의 고장방향 판별 방법, 과전류 보호 방법 및 고장표시기 표시 방법{METHOD FOR DETERMINING FAULT DIRECTION, OVERCURRENT PROTECTION AND DISPLAYING FAULT INDICATION IN DISTRIBUTION SYSTEM WITH DISPERSED GENERATION}

본 발명은 분산전원이 연계된 배전계통에서의 연계선로 보호 방법 및 장치에 관한 것이다.

배전계통에서 고장이 발생하는 경우에, 전원이 변전소측 전원뿐인 경우에는 변전소로부터 고장점으로 단방향으로 고장 전류가 공급된다. 따라서, 이와 같은 경우에 배전계통의 보호는 기본적으로 방향성을 고려하지 않는 과전류 계전 방식을 채택하는 것이 일반적이다.

하지만, 배전계통에 분산전원이 연계되는 경우에는, 배전계통에서 고장점으로의 고장전류 공급원은 변전소 이외에도 분산전원이 추가되게 된다. 따라서, 고장전류의 분포 또한 양방향으로 분포하게 되어 기존 과전류 보호체계에 여러가지 문제점이 발생하게 된다.

일반적으로 배전계통에서 발생하는 사고의 약 90%는 지락고장 사고이다. 이러한 이유로, 분산전원이 연계된 배전계통에서 가장 빈번하게 발생하는 사고는 사고선로 이외에 분산전원이 연계된 건전선로에서 지락고장 발생시 보호장치가 오동작하는 경우이다.

분산전원의 연계용 변압기는 유효접지 기준을 만족시키기 위해 대부분 Grounded Y-Delta 결선 방식을 이용한다. 때문에, 지락고장시 발전 유무에 관계없이 연계용 변압기가 계통에 연계되어 있으면 변압기의 1차측 접지가 지락고장 전류의 통로를 제공하게 된다.

도 1은 타선로 사고시의 분산전원 연계선로에서의 고장전류의 흐름을 도시한 회로도이다.

도 1에서, 고장점 F1에서 지락고장이 발생하는 경우, 분산전원(DG)이 연계되어 있는 배전선로 1을 통해 분산전원으로부터 전원측으로 역방향 고장전류가 흐르게 되고, 상기 고장 전류는 리클로져 1(RC1)에서 감지된다.

감지된 고장전류의 크기가 리클로져의 최소동작전류 이상인 경우 보호협조 시간차에 의해 RC1이 트립된다. 이로 인해, 고장이 없는 배전선로1에서 RC1이 불필요하게 동작하게 되고, 배전선로1의 RC1 이하의 구간은 정전되게 된다. 또한, RC1이 트립되어 RC1 이하의 계통이 단독운전하게 되며, 배전선로 1에 연계된 분산전원도 계통에서 탈락하게 된다.

만약, 사고선로의 보호장치인 차단기2(CB2)가 RC1보다 먼저 고장을 제거할 수 있다면 RC1에 의한 배전선로 1에서의 불필요한 정전을 방지할 수 있다. 하지만, 배전계통에서의 보호협조를 위해 전위보호장치라 할 수 있는 리클로져는 후비보호장치인 변전소 차단기보다 동작시간을 빠르게 설정하는 것이 일반적이다. 따라서 분산전원이 연계되어 있는 선로의 변전소 주변압기에서 공급하는 타 선로 사고로 인한 분산전원이 연계된 건전선로에서의 보호장치의 오동작을 보호협조 정정만으로 해결할 수는 없으며 배전용 보호장치에 고장방향 판별 기능을 부여해야 할 필요가 있다.

일반적으로, 고장방향 판별 방법은 기준량과 작동량으로 구성되는 두개의 성분과, 두 성분이 이루는 각을 이용하여 판별된다.

표 1에는 종래의 상별 방향 판별 방법에서 사용되는 방향 판별 요소가 개시되어 있다.

Phase	작동 성분	기준 성분
A	I_A	V_POLA = V_BC
B	I_B	V_POLB = V_CA
C	I_C	V_POLC = V_AB

상기 표 1에서, 작동성분과 기준성분이 이루는 각이 +- 90도 이내이면 정방향(Forward)으로, +- 90도 범위를 넘으면 역방향(Reverse)이라고 판별할 수 있다.이를 수학식으로 표시하면 다음과 같다.

상기 수학식 1을 통해, 각각의 상별로 고장 방향을 판별할 수 있다. 그러나 이러한 상별 방향판별 방법은 3상 단락고장 같은 평형고장(Balanced Fault)에 대하여는 각 상의 방향 판정 결과가 일치하여 방향판별이 항상 유효하지만, 지락고장과 같은 불평형 고장(Unbalanced Fault)에 대해서는 각 상의 방향 판별 결과가 일치하지 않는 문제가 발생하여 방향판별 결과가 유효하지 않다. 이러한 문제를 해결하기 위해, A상, B상, C상에서 개별적으로 판단하는 3개의 방향판별 요소를 전압과 전류의 시퀀스 요소(sequence element)를 사용하여 1개의 판별 요소로 줄일 수 있다. 시퀀스 요소를 이용한 방향판별은 1개의 판별요소를 사용하기 때문에 상별 판정 결과가 불일치하는 문제점이 발생하지 않아서 현재 전력계통의 방향 판별 방법에 주로 사용 된다.

시퀀스 방향 판별 요소는 전력계통에서 방향성 지락과전류 계전기(DOCR)의 고장 방향 판별 방법으로 사용되며, 고장 발생시 보호장치가 계측하는 고장 전압, 전류의 시퀀스 요소를 사용하여 방향을 판별한다.

방향성 지락과전류 계전기는 영상분 방향 판별 요소를 사용하여 고장 방향을 판별한다. 영상분 방향 판별 요소는 영상분 전압(V₀)과 영상분 전류(I₀)를 각각 기준성분과 작동성분으로 사용하고, 영상분 선로 임피던스를 고려하여 토크각(MTA₀)을 설정하고, 아래 수학식 2와 같이 방향성을 판별한다.

영상분 방향 판별 요소에서는, 기준성분인 영상분 전압(V₀)의 위상각에서 MTA₀의 위상각만큼 더한 성분을 기준으로 영상분 전류(I₀)가 +- 90도 범위 내에 있으면 정방향으로 판정을 하게 되고, 이 범위 밖에 있으면 역방향으로 판정을 하게 된다.

이와 같은 영상분 방향 판별 요소를 적용하기 위해서는 정밀도가 높은 PT(Potential Transformer)와 CT(Current Transformer)가 필요하다. 또한, 위상각을 정확히 계산할 수 있는 하드웨어도 필요하다. 하지만, 배전계통에 사용되고 있는 리클로져, 자동화 개폐기 등의 보호장치에서 사용하는 PT는 정밀도가 매우 떨어진다. 특히, 초기 설치시에는 높은 정밀도를 유지하다가도 시간이 지날수록 열화 내지 PT의 포화특성으로 인해 정밀도가 급격히 떨어지는 문제가 있다. 따라서, 수학식 2의 영상분 방향판별 요소를 사용한 방향 판별방법의 적용을 위해서는 PT의 정밀도를 높일 필요가 있다.

또한, 일부 리클로져 및 자동화개폐기에는 PT가 구비되어 있지 않은 경우도 있다. 이러한 경우, 기존에 설치된 보호장치의 PT를 정밀도가 높은 PT로 교체하거나, 보호장치 자체를 방향판별 기능이 추가된 보호장치로 교체하는데 많은 비용이 소요된다. 이에 비해, 보호장치는 기본적으로 과전류 계전방식을 사용하기 때문에 모든 보호장치에는 CT가 설치되어 있으며, 설치되어 있는 CT의 정밀도 또한 높은 편이다.

따라서, 상기의 문제들을 해결하기 위해서 CT로부터 계측되는 전류만을 이용하여 고장방향을 판별할 수 있는 방법 및 장치가 요구되고 있는 실정이다.

본 발명은 분산전원 연계선로에서 CT로부터 계측되는 전류만을 이용하여 고장방향을 판별할 수 있는 장치 및 방법을 제공한다.

상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 1측면에 따른 분산전원이 연계된 배전계통에서 고장방향 판별 방법은, 3상 전류를 입력 받는 단계, 상기 입력 받은 3상 전류의 위상을 계산하는 단계, 상기 3상 전류의 위상을 이용하여 상전류간 위상차를 계산하는 단계 및 상기 상전류간 위상차를 기 설정된 임계값과 비교하여 고장 방향을 판단하는 단계를 포함한다.

여기서, 상기 고장 방향을 판단하는 단계는, 모든 상전류간 위상차가 기 설정된 임계값보다 작은 경우에 고장 방향을 역방향으로 판정하고, 상기 상전류간 위상차 중 하나 이상이 기 설정된 임계값보다 큰 경우에 고장 방향을 정방향으로 판정하는 단계일 수 있다.

여기서, 상기 상전류간 위상차를 계산하는 단계는, 상기 3상 전류 위상 간의 차를 이용하여 상기 상전류간 위상차를 계산하는 단계일 수 있다.

또한, 본 발명의 제 2 측면에 따른 분산전원이 연계된 배전계통에서 과전류 보호 방법은, 상별 전류를 계측하는 단계, 상기 상별 전류를 이용하여 고장을 감지하는 단계, 상기 고장의 종류가 지락고장인지 또는 상고장인지 판단하는 단계, 지락고장인 경우에 보호장치의 CT로부터 계측된 전류를 이용하여 고장 방향을 판단하는 단계 및 상기 고장 방향이 정방향인 경우에 과전류 계전기를 동작시키는 단계를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 고장을 감지하는 단계는, 상기 상별 전류가 기 설정된 정정치 이상인지 여부로 고장 여부를 판단하는 단계일 수 있다.

여기서, 상기 고장 종류를 판단하는 단계는, 상기 상별 전류의 합인 중성선 전류가 기준 정정치 이상인 경우에 지락고장으로 판단하고, 상기 중성선 전류가 기준 정정치 미만인 경우에 상고장으로 판단하는 단계일 수 있다.

여기서, 상기 고장 방향을 판단하는 단계는, 상기 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 고장방향 판별 방법을 이용하여 고장 방향을 판단하는 단계일 수 있다.

여기서, 상기 고장 방향을 판단하는 단계는, 상기 어느 하나의 고장방향 판별 방법을 이용하여 고장 방향을 판단하는 단계일 수 있다.

여기서, 상기 과전류 계전기를 동작시키는 단계는, 상기 고장 방향이 정방향인 경우에 지락과전류 계전기(OCGR)를 동작시키고 상기 보호장치를 트립시키는 단계 및 상기 고장 방향이 역방향인 경우에 상기 지락과전류 계전기를 동작시키지 않고 상기 상별 전류를 계측하는 단계부터 반복 수행하는 단계일 수 있다.

여기서, 상기 상별 전류를 계측하는 단계부터 반복 수행하는 단계는, 반복 수행하는 횟수를 체크하는 단계, 반복 수행 횟수가 설정값보다 작은 경우에 상기 상별 전류를 계측하는 단계로 진행하는 단계 및 상기 반복 수행 횟수가 상기 설정값 이상인 경우에 상기 보호장치를 트립시키는 단계를 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 제 3 측면에 따른 분산전원이 연계된 배전계통에서 고장표시기 표시 방법은, 상별 전류를 계측하는 단계, 상기 상별 전류를 이용하여 고장을 감지하는 단계, 상기 고장의 종류가 지락고장인지 또는 상고장인지 판단하는 단계, 지락고장인 경우에 보호장치의 CT로부터 계측된 전류를 이용하여 고장 방향을 판단하는 단계 및 상기 고장 방향이 정방향인 경우에 자동화 개폐기는 무전압을 확인하고 고장표시기(FI)를 발생시키는 단계를 포함한다.

여기서, 상기 자동화 개폐기는, 상기 보호장치의 트립 및 선로 무전압의 감지에 대응하여 상기 고장표시기를 배전자동화 시스템의 인간기계 연계장치(HMI)에 표시할 수 있다.

여기서, 상기 자동화 개폐기는 상기 고장표시기의 발생과 함께 고장 방향 정보를 표시할 수 있다.

본 발명의 실시예에 의하면, 분산전원 연계선로에서 PT를 이용하지 않고도 CT로부터 계측되는 전류만을 이용하여 고장방향을 판별할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 의하면, 분산전원 연계선로에서 전류 정보만으로 분산전원에서 기여하는 역방향 고장 전류에 의한 보호장치의 불필요한 오동작을 방지할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 의하면, 분산전원 연계선로에서 전류 정보만으로 분산전원의 역방향 고장전류에 의한 고장표시기의 발생 오류를 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 타 선로 사고시의 분산전원 연계선로에서의 고장전류의 흐름을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 방향판별 방법을 이용한 과전류 보호 방법의 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전류를 이용한 고장방향 판별 방법의 흐름도이다.
도 4는 부하측 지락고장 발생시의 분산전원 종류별 고장 벡터를 나타낸 도면이다.
도 5는 전원측 지락고장 발생시의 분산전원 종류별 고장 벡터를 나타낸 도면이다.
도 6은 타 선로 지락고장 발생시의 분산전원 종류별 고장 벡터를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 과전류 보호장치의 세부 구성도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 분산전원 연계선로에서의 고장시의 고장전류의 흐름을 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 방향판별 방법을 이용한 고장표시기 표시 방법의 흐름도이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 방향판별 방법을 이용한 고장표시기 표시 방법의 다른 흐름도이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 이를 상세한 설명을 통해 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 본 명세서의 설명 과정에서 이용되는 숫자(예를 들어, 제1, 제2 등)는 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위한 식별기호에 불과하다.

또한, 본 명세서에서, 일 구성요소가 다른 구성요소와 "연결된다" 거나 "접속된다" 등으로 언급된 때에는, 상기 일 구성요소가 상기 다른 구성요소와 직접 연결되거나 또는 직접 접속될 수도 있지만, 특별히 반대되는 기재가 존재하지 않는 이상, 중간에 또 다른 구성요소를 매개하여 연결되거나 또는 접속될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

상기의 목적을 실현하기 위한 본 발명의 바람직한 일 실시예는, 분산전원이 연계된 배전계통에서 지락고장 발생시 분산전원에 의한 역방향 고장전류로 인해 보호장치가 오동작하는 문제를 해결하기 위해, 고장 방향을 판단하여 역방향 고장으로 판정되는 경우에는 지락과전류 계전기(OCGR)를 동작시키지 않고, 정방향 고장으로 판정되는 경우에만 지락과전류 계전기를 동작시켜서 차단기를 트립시킨다.

이 경우, 본 발명의 일 실시예에 따른 구성은, CT로부터 계측되는 전류만을 이용하여 고장방향을 판별할 수 있다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 방향판별 방법을 이용한 과전류 보호 방법의 흐름도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 방향판별 방법을 이용한 과전류 보호방법은, 우선, 상별 전류를 계측하여(S200), 입력 전류가 사전에 설정된 정정치 이상인지 여부로 고장 여부를 감지한다(S202).

만일, 고장이 감지되면 상별 전류를 계측하여 고장의 종류가 지락고장인지 아니면 상고장(단락고장)인지를 판단한다(S204). 3상 입력전류의 합(Ia + Ib + Ic)인 중성선 전류(In)가 기 설정된 정정치 이상인 경우에는 지락고장으로 판단한다. 반면, 중성선 전류(In)가 정정치 이하인 경우에는 상고장인지 여부를 판단하는 단계로 진행한다.

상고장 판단 단계에서는 각 상의 전류 크기가 기 설정된 값 이상인지 여부를 비교하여 상고장인지 여부를 판단한다(S206). 고장이 상고장인 경우에는 종래의 과전류계전 방식과 동일하게 과전류 계전기(OCR)가 동작하고(S208), 차단기를 트립시킨다(S210). 상고장(단락고장)의 경우에는, 분산전원측에서 기여하는 고장전류는 계통에서 공급하는 고장전류에 비해 매우 작다. 또한 OCR의 최소동작전류는 비교적 높게 설정되기 때문에 보호장치의 오동작 가능성은 거의 없다. 만약, 단락고장시 분산전원측에서 공급하는 고장전류가 OCR의 최소동작전류 이상인 경우에도 계통에서 공급하는 고장전류가 매우 크기 때문에 기존의 보호협조 정정 방법으로 문제를 해결할 수 있다. 그러나 지락고장의 경우 분산전원측에서 공급하는 고장전류가 계통에서 공급하는 고장전류에 비해 작지 않다. 어떤 경우에는 분산전원측에서 공급하는 고장전류가 계통에서의 고장전류보다 클 수도 있다. 또한 OCGR의 최소동작전류는 고저항 지락고장 검출을 위해 보통 70A~80A 수준으로 낮게 설정하므로, 기존 보호협조 정정방법으로는 해결할 수 없다.

따라서, 고장의 종류가 지락고장으로 판정되는 경우에는, 우선 고장 방향을 판별한다(S212). 고장 방향이 정방향인 경우에는 OCGR을 동작시키고(S214), 차단기를 트립시킨다(S216). 고장 방향이 역방향인 경우에는 OCGR을 동작시키지 않고 전류를 계측하는 단계로 되돌아간다.

이때, 고장을 차단해야 할 다른 보호장치, 즉, 정방향으로 고장을 감지하는 다른 보호장치가 동작하여 고장이 해소되게 되면, 고장 방향을 역방향으로 판정한 보호장치는 더 이상 고장을 감지하지 않고 전류를 계측하는 단계로 되돌아간다. 반면에, 고장을 차단해야 할 다른 보호장치, 즉, 정방향으로 고장을 감지하는 다른 보호장치가 고장을 제거하지 못하여 분산전원이 계통에 고장전류를 계속 공급하고 있는 상황이라면 고장이 계속 지속되는 경우가 발생할 수 있다. 이 경우에는, 역방향 고장으로 판단되는 루프의 횟수(N)를 카운트하여(S218), 특정 횟수 이상 역방향 고장으로 판단되는 고장 상태가 지속되면(S220), 차단기를 강제로 트립시킬 수 있다(S216). 이때, 제어 로직이 간단하여 계산 시간이 매우 짧은 경우에는 동작 루프 중에 delay 시간을 설정하여 적정 시간으로 지연시킬 수 있다(S222).

상기와 같은 방법을 통해, 분산전원에서 기여하는 역방향 고장 전류에 의한 보호장치의 불필요한 오동작을 방지할 수 있다. 또한, 동작해야 할 보호장치가 동작하지 않는 경우 등 보호장치의 동작 신뢰도가 확보되지 않은 상태에서도 안전을 확보할 수 있다.

이하에서, 전류만을 이용한 고장판별 방법을 상세히 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전류를 이용한 고장방향 판별 방법의 흐름도이다.

전류만을 이용한 고장판별 방법은, 우선, 3상 전류 Ia, Ib, Ic를 입력 받는다(S302).

이후, 입력 받은 3상 전류 Ia, Ib, Ic를 이용하여 위상을 계산한다(S304).

A = ∠Ia, B = ∠Ib, C = ∠Ic

이후, 각 상전류의 위상차를 계산한다(S306).

AB = | A - B |, BC = | B - C |, CA = | C - A |

이후, 각 상전류의 위상차와 사전에 설정된 임계값(threshold value)을 비교한다(S308 ~ S312). 각 상전류의 위상차를 기 설정된 임계값과 비교하여, 모든 상전류간 위상차(AB, BC, CA)가 임계값보다 작은 경우에는(and 조건) 고장 방향을 역방향으로 판정하고, 상전류간 위상차 중 어느 하나라도 임계값보다 큰 경우에는(or 조건) 고장 방향을 정방향으로 판정한다.

상기와 같은 방향 판별 방법은 분산전원의 연계용 변압기 결선 방식으로 가장 많이 사용하고 있는 Grounded Y-Delta 결선의 고장특성에 기인한다. 즉, Grounded Y-Delta 결선을 사용하는 경우에, 분산전원의 종류 또는 고장 발생시의 분산전원의 발전 상태와 상관없이, 역방향 고장 발생시 영상회로를 구성하여 작은 영상저항으로 인하여 고장회로에서 정상분이나 역상분에 비하여 영상분이 크게 형성되는 특성이 있다.

영상분이 크게 형성된다는 의미는 각 상의 전류 벡터가 일정 위상각차 이내에서 한 방향으로 모인다는 것을 의미한다. 이러한 분산전원 연계 배전계통의 고장특성을 이용하여 고장방향을 판별하는 것이 가능하다.

일반적인 배전계통에 분산전원을 연계하여 고장해석을 수행한 결과를 이용하여 상기와 같은 고장방향 판별 원리를 자세히 설명하기로 한다.

표 2는 분산전원이 연계되어 있는 배전계통에서 보호장치를 기준으로 부하측에 지락고장이 발생된 경우에 보호장치에서 검출되는 고장전류의 크기와 위상각을 나타내고 있다. 또한, 도 4의 도면은 부하측 지락고장 발생시의 분산전원 종류별 고장 벡터를 나타내고 있다.

여기서, 분산전원의 고장해석에 있어서 고장특성 측면에서 아래와 같이 3가지 형태로 구분할 수 있다.

① 동기기 발전 중: 회전기 형태의 동기기가 연계되어 발전 중인 경우(예를 들어, 열병합발전, 일부 소수력 발전 등)

② 인버터 기반 분산전원 발전중:　인버터를 통해 계통에 연계되는 분산전원이 발전 중인 경우(예를 들어, 태양광발전, 연료전지발전, 일부 풍력발전 등)

③ 연계용 변압기만 가압: 고장 발생시 분산전원의 발전 출력이 없거나 고장으로 분산전원 내부 보호장치가 동작하여 분산전원이 직접 기여하는 고장전류는 없고 분산전원의 계통 연계용 변압기만 가압되어 있는 상태

분산전원 종류	상전류 크기 (A)			상전류 위상각 (degree)
분산전원 종류	Ia	Ib	Ic	∠Ia	∠Ib	∠Ic
동기기 발전중	1257	326	433	-63	130	103
인버터기반 분산전원 발전중	1330	371	490	-65	124	101
연계용 변압기만 가압	1292	343	560	-63	136	104

도 4에 도시된 바와 같이, A상 지락고장의 경우, A상 전류가 급격히 증가하고 B상과 C상과의 위상각 차가 크게 벌어지는 것이 일반적인 지락고장 특성임을 확인할 수 있다.

표 3과 도 5는 분산전원 종류에 따라 보호장치를 기준으로 변전소 전원측에서 A상 지락고장이 발생한 경우에 보호장치에서 검출되는 상별 고장전류의 크기와 위상각을 나타내고 있다.

분산전원 종류	상전류 크기 (A)			상전류 위상각 (degree)
분산전원 종류	Ia	Ib	Ic	∠Ia	∠Ib	∠Ic
동기기 발전중	564	132	243	101	147	89
인버터기반 분산전원 발전중	296	220	371	120	116	87
연계용 변압기만 가압	226	184	414	94	145	95

도 5에 도시된 바와 같이, 전원측 고장은 도 4의 부하측 고장인 경우와 비교하여 전류의 크기 및 위상차에 있어서 확연한 차이가 있다. 즉, 전원측에서 고장이 발생한 경우에 부하측에 위치한 분산전원에서 기여하는 고장전류는 고장상인 A상의 고장전류가 확연히 커지지도 않으며 B상과 C상과의 위상각 차도 크지 않다. 이는 분산전원측에서 기여하는 고장전류가 계통에서 공급하는 고장전류에 비하여 매우 작으며, 특히 연계용 변압기의 결선 방식(grounded Y-Delta)에 따라 영상분 저항이 매우 작음으로 인해 정상분이나 역상분에 비하여 영상분 전류가 크게 형성되기 때문이다. 이로 인해, 각 상전류의 위상각 차도 작아지는 결과가 된다.

표 4와 도 6은 분산전원 종류에 따라 보호장치를 기준으로 타 선로(변전소 동일 뱅크에 연결된 다른 배전선로)에서 A상 지락고장이 발생한 경우에 보호장치에서 검출되는 상별 고장전류의 크기와 위상각을 나타내고 있다. 이때, 상기 보호장치는 고장이 없는 선로에 설치되어 있는 보호장치이며, 부하측에는 분산전원이 연계되어 있다.

도 6에 도시된 바와 같이, 타 선로 고장의 경우도 도 5의 전원측 고장의 경우와 유사한 특성을 갖는 것을 알 수 있다.

분산전원 종류	상전류 크기 (A)			상전류 위상각 (degree)
분산전원 종류	Ia	Ib	Ic	∠Ia	∠Ib	∠Ic
동기기 발전중	336	138	197	110	170	97
인버터기반 분산전원 발전중	165	174	284	131	140	94
연계용 변압기만 가압	127	192	358	89	167	102

상기의 분산전원 연계선로 고장해석 결과에서 알 수 있듯이, 보호장치를 기준으로 정방향 사고(즉, 부하측 사고)와 역방향 사고(즉, 전원측 및 타 선로 사고)에 대해서 전류의 위상각 정보만을 가지고 각 상전류별 위상각 차를 이용하여 고장의 방향을 판별할 수 있다.

상기와 같은 방향판별 방법 및 방향판별 방법을 이용한 과전류 보호 방법은, 도 7에 도시된 바와 같이, 리클로져 또는 차단기 등의 보호장치(100)와 연동하는 보호장치 제어장치(200)를 통해 구현될 수 있다.

보호장치 제어장치(200)는 통신 케이블(300)을 통해 보호장치(100)와 연동하며 보호장치(100)로 트립 신호를 보내거나 보호장치(100)로부터 전류계측 정보를 수신한다. 구체적으로, 보호장치 제어장치(200)는 보호장치(100)의 CT로부터 전류를 입력받아 고장의 방향을 판단하고, 고장의 방향이 역방향으로 판정되는 경우에는 OCGR을 동작시키지 않고, 고장의 방향이 정방향으로 판정되는 경우에만 OCGR을 동작시켜서 보호장치(100)에 트립 신호를 전송하여 보호장치(100)가 동작하도록 한다.

보호장치 제어장치(200)는 계측부(210), 지락고장 감지부(220), 고장방향 판별부(230), 과전류 계전기(240) 및 트립신호 발생부(250)를 포함한다.

계측부(210)는 보호장치(100)의 CT와 연동하여 상별 전류를 계측한다. 또한, 계측부(210)는 계측된 3상 입력전류를 합하여 중성선 전류를 계산한다.

지락고장 감지부(220)는 상기 계측된 상별 전류를 이용하여 고장 여부 및 고장의 종류를 판단한다. 구체적으로, 지락고장 감지부(220)는 계측부(210)에서 계측된 상별 전류가 기 설정된 정정치 이상인지 여부를 판단하여 고장 유무를 판단한다. 또한, 지락고장 감지부(220)는 상기 상별 전류의 합인 중성선 전류가 기 설정된 정정치 이하인지 여부를 판단하여 고장의 종류가 지락고장인지 또는 상고장인지를 판단한다. 또한, 지락고장 감지부(220)는 각 상의 전류 크기가 기 설정된 값 이상인지 여부를 비교하여 상고장 여부를 판단할 수 있다.

고장방향 판별부(230)는 상기 판단된 고장의 종류가 지락고장인 경우에 고장 방향을 판단한다. 구체적으로, 고장방향 판별부(230)는 고장 방향이 정방향인 경우에는 OCGR이 동작되도록 지시하고, 고장 방향이 역방향인 경우에는 OCGR에 동작 지시를 보내지 않고 전류를 계측하는 과정을 반복 수행하도록 지시한다.

과전류 계전기(240)는 고장방향 판별부(230) 또는 지락고장 감지부(220)로부터 동작 지시를 받아서 동작한다. 과전류 계전기(240)는 단락과전류 계전기(일반적인 과전류 계전기, OCR) 및 지락과전류 계전기(OCGR)을 포함한다.

트립신호 발생부(250)는 과전류 계전기(240)의 동작에 기초하여 트립 신호를 발생시키고 보호장치(100)로 전송한다.

상기와 같이, 보호장치 제어장치가 연동되는 보호장치를 분산전원이 연계되어 있는 배전계통에 설치하는 것에 의해, 보호장치가 자기 보호구간(즉, 보호장치 설치점을 기준으로 부하측)에서만 동작하게 하여 자기 보호구간 이외 구간(즉, 보호장치 설치점을 기준으로 전원측 및 타 선로)에 대한 고장에 대해서는 불필요한 오동작을 막을 수 있다.

이하에서는, 상기의 방향판별 방법을 이용하여 분산전원이 연계된 배전계통에서 운영되는 배전자동화용 자동화 개폐기에서 고장표시 정보의 오류를 방지하는 방법을 설명하기로 한다.

배전선로에서 고장 발생시, 자동화 개폐기는 선로 고장을 감지하여 고장정보인 고장표시기(Fault Indication, FI)를 배전자동화 시스템의 인간기계 연계장치(HMI)에 표시하여 운영자에게 고장 발생을 알려주고, 운영자는 원격으로 개폐기를 조작하여 고장을 복구한다.

자동화 개폐기는 선로 무전압과 고장전류를 And 조건으로 감지하는 경우에 고장표시기(FI)를 표시한다. 즉, 자동화 개폐기는 선로 고장이 발생하면 고장전류를 감지하고, 보호장치의 트립 혹은 재폐로 동작이 있는 경우에 무전압을 감지하여 고장표시기(FI)를 배전자동화 시스템의 인간기계 연계장치(HMI)에 표시하게 된다.

도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른, 분산전원 연계선로에서의 고장시의 배전자동화 개폐기의 고장표시기의 오류를 설명하기 위한 도면이다.

도 8에서, F2 지점에서 고장이 발생하는 경우, 분산전원측의 역방향 고장전류에 의해 자동화개폐기1(GA1)는 고장을 감지하고, 리클로져1(RC1) 혹은 변전소 차단기1(CB1)의 동작이 있는 경우에 무전압을 감지하여 고장표시기(FI) 정보를 배전자동화 시스템에 표시한다. 일반적으로 분산전원이 없는 수지상 배전계통에서 배전자동화 운영자는 자동화 개폐기의 고장표시기(FI) 정보를 보고 고장표시기(FI)가 표시된 자동화 개폐기의 부하단에서 고장이 발생한 것으로 판단하게 되어 변전소 차단기1(CB1)과 리클로져1(RC1) 사이의 지점에서 고장이 발생했음에도 불구하고 자동화개폐기1(GA1) 이하 부하단에서 고장이 발생한 것으로 오판할 가능성이 크다. 이와 같은 경우 고장점을 정확히 판단하지 못하여 고장복구 실패 및 정전 시간이 장기화될 가능성이 크다.

도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 방향판별 방법을 이용한 고장표시기 표시 방법의 흐름도이다.

도 9에 도시된 바와 같이, 우선, 상별 전류를 계측하여(S900), 입력 전류가 사전에 설정된 정정치 이상인지 여부로 고장 여부를 감지한다(S902).

만일, 고장이 감지되면 상별 전류를 계측하여 고장의 종류가 지락고장인지 아니면 상고장(단락고장)인지를 판단한다(S904). 3상 입력전류의 합(Ia + Ib + Ic)인 중성선 전류(In)가 기 설정된 정정치 이상인 경우에는 지락고장으로 판단한다. 반면, 중성선 전류(In)가 기 설정된 정정치 이하인 경우에는 상고장인지 여부를 판단하는 단계로 진행한다.

상고장 판단 단계에서, 각 상의 전류 크기가 기 설정된 값 이상인지 여부를 비교하여 상고장 여부를 판단한다(S908). 상고장인 경우에는 기존의 고장표시 방법을 사용한다. 상기 설명한 바와 같이 분산전원에 의한 역방향 고장전류가 작기 때문에 기존의 고장표시 방법을 사용해도 오류가 발생할 가능성은 거의 없다.

지락고장으로 판단되는 경우에는 상기 방향판별 방법을 이용하여 고장의 방향을 판단한다(S906). 고장 방향이 정방향인 경우에는 무전압을 확인하고(S910) 고장표시기(FI)를 발생시킨다(S912). 고장의 방향이 역방향인 경우에는 상별 전류계측 단계(S900)로 돌아간다.

상기와 같은 본 발명의 다른 실시예를 통해 분산전원의 역방향 고장전류에 의한 고장표시기 표시 오류를 방지할 수 있다.

도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 방향판별 방법을 이용한 고장표시기 표시 방법의 흐름도이다.

도 10에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 고장표시기 표시 방법은, 고장이 발생하면 전류를 입력 받아 고장을 감지하고(S1002), 고장의 종류 및 고장 방향을 판단하여(S1004, S1006, S1016), 정방향으로 판정되고 무전압이 확인되면(S1008), 고장표시기 정보와 고장 방향 정보(정방향)를 출력하여 배전자동화 시스템의 인간기계 연계장치(HMI)에 제공한다(S1010). 또한, 역방향으로 판정되고 무전압이 확인되면(S1012), 고장표시기 정보와 고장 방향 정보(역방향)를 출력하여 배전자동화 시스템의 인간기계 연계장치(HMI)에 제공한다(S1014).

상기 도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명의 전류의 위상각 차를 이용하는 고장방향 판별 방법을 이용하여 고장표시기 표시 방법을 구현함으로써, 전류 정보만으로 분산전원의 역방향 고장전류에 의한 고장표시기의 발생 오류를 방지할 수 있다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims

분산전원이 연계된 배전계통에서 고장방향 판별 방법에 있어서,
CT(Current Transformer)로부터 계측되는 3상 전류를 입력 받는 단계,
상기 입력 받은 3상 전류의 위상을 계산하는 단계,
상기 3상 전류의 위상을 이용하여 상전류간 위상차를 계산하는 단계 및
상기 상전류간 위상차를 기 설정된 임계값과 비교하여 역방향 또는 정방향으로 고장 방향을 판단하는 단계
를 포함하는 고장방향 판별 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 고장 방향을 판단하는 단계는,
모든 상전류간 위상차가 기 설정된 임계값보다 작은 경우에 고장 방향을 역방향으로 판정하고, 상기 상전류간 위상차 중 하나 이상이 기 설정된 임계값보다 큰 경우에 고장 방향을 정방향으로 판정하는 단계인, 고장방향 판별 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 상전류간 위상차를 계산하는 단계는,
상기 3상 전류 위상 간의 차를 이용하여 상기 상전류간 위상차를 계산하는 단계인, 고장방향 판별 방법.
분산전원이 연계된 배전계통에서 과전류 보호 방법에 있어서,
상별 전류를 계측하는 단계,
상기 상별 전류를 이용하여 고장을 감지하는 단계,
상기 고장의 종류가 지락고장인지 또는 상고장인지 판단하는 단계,
지락고장인 경우에 보호장치의 CT로부터 계측된 상전류간 위상차를 기 설정된 임계값과 비교하여 고장 방향을 판단하는 단계 및
상기 고장 방향이 정방향인 경우에 과전류 계전기를 동작시키는 단계
를 포함하는 과전류 보호 방법.
제 4 항에 있어서,
상기 고장을 감지하는 단계는,
상기 상별 전류가 기 설정된 정정치 이상인지 여부로 고장 여부를 판단하는 단계인, 과전류 보호 방법.
제 4 항에 있어서,
상기 고장 종류를 판단하는 단계는,
상기 상별 전류의 합인 중성선 전류가 기준 정정치 이상인 경우에 지락고장으로 판단하고, 상기 중성선 전류가 기준 정정치 미만인 경우에 상고장으로 판단하는 단계인, 과전류 보호 방법.
제 4 항에 있어서,
상기 고장 방향을 판단하는 단계는,
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 고장방향 판별 방법을 이용하여 고장 방향을 판단하는 단계인, 과전류 보호 방법.
제 4 항에 있어서,
상기 과전류 계전기를 동작시키는 단계는,
상기 고장 방향이 정방향인 경우에 지락과전류 계전기(OCGR)를 동작시키고 상기 보호장치를 트립시키는 단계 및
상기 고장 방향이 역방향인 경우에 상기 지락과전류 계전기를 동작시키지 않고 상기 상별 전류를 계측하는 단계부터 반복 수행하는 단계인, 과전류 보호 방법.
제 8 항에 있어서,
상기 상별 전류를 계측하는 단계부터 반복 수행하는 단계는,
반복 수행하는 횟수를 체크하는 단계,
반복 수행 횟수가 설정값보다 작은 경우에 상기 상별 전류를 계측하는 단계로 진행하는 단계 및
상기 반복 수행 횟수가 상기 설정값 이상인 경우에 상기 보호장치를 트립시키는 단계
를 더 포함하는, 과전류 보호 방법.
분산전원이 연계된 배전계통에서 고장표시기 표시 방법에 있어서,
상별 전류를 계측하는 단계,
상기 상별 전류를 이용하여 고장을 감지하는 단계,
상기 고장의 종류가 지락고장인지 또는 상고장인지 판단하는 단계,
지락고장인 경우에 보호장치의 CT로부터 계측된 상전류간 위상차를 기 설정된 임계값을 비교하여 고장 방향을 판단하는 단계 및
상기 고장 방향이 정방향인 경우에 자동화 개폐기는 무전압을 확인하고 고장표시기(FI)를 발생시키는 단계
를 포함하는 고장표시기 표시 방법.
제 10 항에 있어서,
상기 고장 방향을 판단하는 단계는,
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 고장방향 판별 방법을 이용하여 고장 방향을 판단하는 단계인, 고장표시기 표시 방법.
제 10 항에 있어서,
상기 자동화 개폐기는, 상기 보호장치의 트립 및 선로 무전압의 감지에 대응하여 상기 고장표시기를 배전자동화 시스템의 인간기계 연계장치(HMI)에 표시하는, 고장표시기 표시 방법.
제 10 항에 있어서,
상기 자동화 개폐기는 상기 고장표시기의 발생과 함께 고장 방향 정보를 표시하는, 고장표시기 표시 방법.