2.1 모의 배전계통 모델링

본 논문에서는 초전도 한류기 적용을 고려한 분산 전원 연계에 따른 OCR의 오동작 및 부동작의 사례를 분석하였다. 초전도 한류기와 분산 전원이 연계된 모의 배전계통은 [그림 1]에 나와 있다. 오동작의 사례는 구성한 모의 배전계통의 우측 선로에 DG₂가 연계되고 F₁에서 지락 고장을 모의했을 때 OCR₂₂가 sympathetic tripping을 일으키는 경우를 분석하였고, 부동작의 사례는 모의 배전계통의 좌측 선로에 DG₁이 연계되고 F₂에서 고장을 모의했을 때 OCR₁₁이 protection blinding을 일으키는 경우를 분석하였다.

모의 배전계통은 한 개의 주 전원과 두 개의 선로로 구성하였다. 좌측 선로의 전체 길이는 10km이고 5MW의 부하(Load11, Load12)가 5km마다 연결되어 있다. 차단기(CB₁₁, CB₁₂)는 선로가 분기되는 모든 지점의 인입부에 각각 설치되어있고 초전도 한류기는 모선에서 선로가 분기되는 입구에 설치되었다. 우측 선로의 부하(Load21, Load22), 차단기(CB₂₁, CB₂₂) 및 초전도 한류기(SFCL2)의 구성은 좌측 선로와 같게 구성되어있다. 지락 고장 모의 위치는 F₁과 F₂로 구성하였다. F₁ 지점은 좌측 선로의 2.5km 지점에 있고, F₂ 지점은 좌측 선로의 7.5km 떨어진 지점에 있다. 비대칭 고장인 1선과 2선 지락에 대해서는 대칭 성분 분해를 통해 각 성분에 대해서 추가적인 해석이 필요하지만, 고장 시 계전기의 오동작 및 오부동작이 발생하는 원인으로 초전도 한류기와 분산 전원의 영향이 크기 때문에 대칭 고장인 3선 지락을 모의하였다^[15,16]. 분산 전원 DG₁과 DG₂로 두 곳에 연계할 수 있도록 모의하였다. DG₁은 좌측 선로의 5km 지점에 있고, DG₂는 우측 선로의 7.5km 지점에 있다. 분산 전원의 용량은 평상시에 역조류가 발생하지 않도록 선로 부하들보다 작게 선정하였다. 고장 모의를 위한 설정 변수들은 [표 1]에 나열되어있다^[17].

2.2 과전류 계전기(OCR) 모델링

모의 배전계통에 모델링한 OCR은 회로에 설치된 변류기를 통해 차단기로 흐르는 전류의 크기를 측정하고 이를 대칭 성분으로 분해한 후 정상분의 크기를 사용하였다. OCR은 반한시 특성을 갖고 특성에 사용되는 수식은 식 (1), (2), (3)으로 나타내었다.

식 (1)의 TD는 시간 지연 값, A, B와 p는 상수 그리고 M은 동작 지표이다. 식 (2)의 If는 선로 전류 그리고 I_pickup은 OCR의 동작치를 나타낸다. M은 측정한 전류의 정상성분에 I_pickup으로 나눈 값이다. I_pickup은 OCR이 설치된 위치의 평상시 부하전류의 1.2배로 설정하였다. 식 (3)의 INT는 OCR 동작 확인을 위한 누적값이고, INT가 1이 되는 시점에 OCR에서 트립 신호 생성이 된다. INT는 M이 2 이상이 되는 시점부터 누적되도록 설정하였다. OCR₁₁과 OCR₁₂의 TD값은 같은 전류에서 말단일수록 계전기의 동작이 빠르도록 작은 값으로 선정하였다. OCR의 공통 부분 A, B, p는 KEPCO VI 특성을 사용하였다. 시뮬레이션에 사용한 OCR의 설정값은 [표 2]에 나열하였다.

식 (1)으로 표현한 OCR의 특성방정식에 시간-전류 곡선을 사용하여 분산 전원 연계의 효과에 대해 분석하였다. Sympathetic tripping을 묘사하기 위한 OCR의 시간-전류 곡선은 [그림 2]에 표현되어있다. [그림 1]에서 분산 전원이 연계되지 않고 고장은 F₁에서 발생하면 동작점은 [그림 2(a)] 와 같다. CB₁₁은 I11의 전류가 흐르면 OCR₁₁에 의해 T₁₁ 시간이 지나면 동작한다. 이와 반대로 CB₂₂는 고장 발생 이후에 오히려 i₂₂의 크기가 줄어들어 동작점에 도달하지 않는다. 그러나 DG₂가 연계되고 고장이 F₁에서 발생할 경우는 [그림 2(b)] 에 나타나 있다. 고장 발생 시 DG₂에서 나오는 전류가 고장 전류로 합쳐져서 한꺼번에 고장점으로 흐르게 된다. 결과적으로 OCR₂₂에는 더 큰 전류(i₂₂DG₂)가 흐르고 CB₂₂를 T₂₂DG₂에 개방시키고, 불필요한 CB₂₂의 동작뿐만 아니라 CB₁₁의 개방 시간도 더 빨라지게 된다.

Protection blinding이라 부르는 OCR이 오부동작하는 경우를 묘사하기 위해 OCR의 시간-전류 곡선이 [그림 3]에 나와 있다. [그림 3(a)] 는 분산 전원이 연계되어있지 않고 F₂에서 고장이 난 경우 OCR₁₁과 OCR₁₂의 동작점을 나타내었다. CB₁₂의 동작으로 고장이 제거되면, CB₁₁은 동작할 필요가 없다. 하지만 CB₁₂가 동작하지 않았다면 후비 보호로 CB₁₁이 필수적으로 동작해서 고장을 제거해야 한다. 그러나 [그림 3(b)] 와 같이 DG₁이 연계되었을 경우, 고장 발생 시 DG₁에서 나오는 전류가 고장 전류와 합쳐져서 OCR 동작에 영향을 미치게 된다. CB₁₂에 흐르는 전류는 분산 전원 연계 전보다 큰 전류가 흐르게 되고 이전보다 CB₁₂의 동작 시간이 빨라진다. 그러나 CB₁₁에 흐르는 전류는 분산 전원 연계 후 줄어들게 되고 OCR₁₁의 동작 시간의 지연이 발생하게 된다.

2.3 초전도 한류기 모델링

다양한 초전도 한류기 중 [그림 4]와 같이 트리거형 초전도 한류기는 HTSC(High Temperature Superconducting) 모듈을 소형화하여 비용을 줄이고 전력 부담도 최소화할 수 있는 장점들이 존재하여 실증이 가능한 형태이기 때문에 본 논문에서 시뮬레이션 모델링에 사용하였다. 트리거형 초전도 한류기를 구성하는 HTSC 모듈은 고장 발생 시 고장을 감지하는 용도로 사용하였다. 삼상 스위치가 HTSC 뒤에 직렬로 연결되어있고, HTSC의 양단 전압이 일정값(VSC)을 넘어가면 제어 회로를 통해 스위치를 개방시킨다. 스위치가 개방되면 모든 전류는 CLR(Current Limiting Reactor)을 통해 HTSC 모듈을 바이패스하고 과전류로부터 소자를 보호할 수 있고 다시 초전도 상태로 쉽게 회복할 수 있다. 이후 고장이 제거되면 CLR을 통해 흐르던 전류의 크기가 줄어들고 설정값(ICLR)보다 낮은 전류가 흐르면 다시 제어 회로에서 삼상 스위치를 폐로시키고 원래의 상태로 돌아간다. 트리거형 초전도 한류기에서 HTSC는 모델링 변수는 [표 3]에 나타나 있다^[18].

3.1 Sympathetic tripping 모의 결과 및 분석

분산 전원 DG₂가 연계되고 초전도 한류기가 적용되지 않은 배전계통(사례 2)에서 3선 지락 고장 시 파형은 [그림 5]와 [그림 6]에 나타나 있다. [그림 5]를 보면 0.5초에 고장 발생 즉시 고장 선로 전류(i₁₁)는 크게 증가하고 모선 전압(v_bus)은 감소한다. 고장 발생 이후 증가한 전류 지표(M11)로 인해 OCR₁₁에 대응하는 적분값(INT₁₁)은 점차 누적되어 1에 접근하고, 1에 도달하는 순간 트립 신호(T₁₁)가 발생한다. 사례 1의 경우 OCR₁₁은 0.8767초에 동작하여 CB₁₁이 개방되고 고장이 제거되었다. 사례 2의 경우 OCR₁₁은 0.8741초에 동작하여 CB₁₁이 개방되어 고장이 제거되었다. 사례 1과 2를 비교하면 고장 선로 전류(i₁₁)의 크기는 거의 비슷하고, OCR₁₁의 동작 시간도 비슷하게 나타난다. 고장 제거 이후 고장 선로 전류(i₁₁)는 0이 되고 모선 전압은 고장 발생 전보다 조금 높아진다.

[그림 6]에서 사례 2의 DG₂의 연계점 전압(vDG₂)과 출력 전류(iDG₂)의 파형을 보여준다. 사례 1에서 인접 선로 전류(i₂₂)는 고장 발생 이후 평상시 전류보다 줄었다가, 고장 제거 이후 다시 고장 이전과 같은 상태로 복구되었다.

반면에 사례 2의 경우, 고장 발생 후 DG₂ 연계지점 전압(vDG)은 강하하고 출력 전류의 크기는 증가함을 확인할 수 있다. 그러나, DG₂의 출력 전류가 증가하여 인접 선로 전류(i₂₂)의 크기가 증가하고 OCR₂₂에 대응하는 적분값(INT₂₂)가 더 빠르게 누적되어 트립 신호를 생성하게 되고 CB₂₂가 0.818초에 개방된다. 고장이 발생하고 OCR₁₁ 보다 OCR₂₂의 동작 시간이 더 빠르면 OCR₂₂의 오작동이 일어난 것으로 보고 이러한 현상을 sympathetic tripping이라 한다.

분산 전원 DG₂가 연계되고 초전도 한류기가 적용된 배전계통(사례 3)에서 3선 지락 고장 시 파형은 [그림 7]과 [그림 8]에 나타나 있다. 고장 발생 시 고장 선로 전류를 초전도 한류기에 유도되는 전압(v_SFCL)을 통해 고장 전류가 초전도 한류기에 저항을 발생시켜 전류의 크기를 제한한다는 것을 [그림 7]을 통해 확인할 수 있다. 초전도 한류기의 적용을 통해 고장 발생 시 모선 전압의 전압 강하도 억제되었다. 그러나 OCR₁₁의 동작 시간은 0.9036초로 초전도 한류기의 적용으로 0.0269초의 시간이 지연되었다.

DG₂가 연계되고 초전도 한류기가 적용되지 않은 사례 2의 경우와 비교했을 때, [그림 8]을 보면 초전도 한류기의 적용 효과로 고장 발생 시 DG₂의 전압 강하가 억제되고 고장 시 DG₂ 출력 전류의 크기가 줄어들었다. 그러나 사례 3에서 OCR₂₂의 동작 시간은 사례 2와 비교했을 때 0.0552초 더 줄어들어 0.763초에 동작하여 CB₂₂가 개방된다. DG₂가 연계되었을 때 초전도 한류기의 적용에 따라 OCR₁₁ 동작에 영향을 미치는 고장 전류(i₁₁)는 감소하고, 이에 따라 OCR₂₂ 동작과 관련된 인접 선로의 전류(i₂₂)는 증가하는 것을 확인하였다.

3.2 Protection blinding 모의 결과 및 분석

분산 전원 DG₁이 연계되고 초전도 한류기가 적용되지 않은 배전계통(사례 5)에서 3선 지락 고장 시 파형은 [그림 9]와 [그림 10]에 나타나 있다. [그림 9]에서 분산 전원 DG₁이 연계되지 않고 초전도 한류기가 적용되지 않은 사례 4의 경우, 고장 발생 이후 고장 선로 전류는 큰 폭으로 증가하여 OCR₁₂는 0.8731초에 동작하였다. 사례 5의 경우도 고장 발생 이후 고장 선로 전류는 큰 폭으로 증가하고 모선 전압 강하가 일어나는 것을 확인할 수 있다. OCR₁₂에 대응하는 적분값(INT₁₂)은 전류 지표(M₁₂)이 설정값을 넘어가면 값이 누적되기 시작하여 0.8583초에 동작한다. 사례 4와 비교했을 때 사례 5는 DG₁의 연계로 OCR₁₂에 흐르는 전류(i₁₂)의 크기가 증가하여 OCR₁₂가 0.0148초 빠르게 동작하였다. [그림 10]에서 DG₁의 연계점 전압(vDG₁)은 고장 발생 직후 큰폭으로 감소하고, 출력 전류(iDG₁)는 거의 2배 이상 증가하였다. DG₁의 연계로 후비 보호로 동작하는 OCR₁₁의 적분값(INT₁₁)이 0.718까지 누적되고 OCR₁₂의 동작으로 CB₁₂가 개방되고 0으로 복귀하게 된다. 사례 4의 경우 OCR₁₁의 적분값은 0.787까지 누적된 것과 비교하면 사례 5는 OCR₁₁의 적분값(INT₁₁)이 DG₁의 연계로 0.718로 감소하였다. 전위 보호로 OCR₁₂이 동작하지 않았을 경우 후비 보호로 OCR₁₁ 동작해야 하지만, 사례 5와 같이 누적값이 감소하게 되면 동작 시간이 지연되고, 후비 보호 계전기로서 역할을 하기 위한 보호 협조 능력이 저하될 수 있음을 의미한다.

분산 전원 DG₁이 연계되고 초전도 한류기가 적용된 배전계통(사례 6)에서 3선 지락 고장 시 파형은 [그림 11]과 [그림 12]에 나타나 있다. [그림 11]에서 DG₁의 연계로 인해 OCR₁₂ 동작에 영향을 미치는 전류(i₁₂)는 초전도 한류기의 적용으로 제한되어 OCR₁₂는 0.8639초에 동작하였다. 사례 4와 비교했을 때 OCR₁₂의 동작 시간은 0.0092초 차이로 큰 차이가 발생하지 않았다.

[그림 12]에서 OCR₁₁의 적분값(INT₁₁)은 0.650까지 누적된 후 OCR₁₂의 동작으로 CB₁₂가 개방되어 다시 0으로 복귀하였다. OCR₁₁의 적분값을 사례 4와 6을 비교해보면 0.787에서 DG₁의 연계와 초전도 한류기의 적용으로 0.650으로 크게 줄어든 것을 확인할 수 있다.

분산 전원의 연계와 초전도 한류기의 적용을 모두 포함한 배전계통의 2가지 시나리오에 대한 각각의 사례 분석을 통해 초전도 한류기의 임피던스와 함께 분산 전원의 출력을 고려하는 OCR 알고리즘이 OCR의 오작동 및 부동작을 억제하는 해결책이 될 것으로 생각한다.