최근, 국가적인 차원에서 추진되고 있는 대체에너지 전원은 배전계통에 연계되어 운용되는 특성을 가지고 있다. 태양광과 풍력 풍의 자연에너지를 이용한 신${\cdot}$재생에너지전원은 일정한 출력을 내는 기존의 전원 보다 기후나 온도, 지형적인 영향을 많이 받는 간헐적인 전원이므로, 이들이 도입된 배전계통은 기존의 단 방향 공급형태의 배전계통과는 달리 부하와 전원이 혼재되어 운용되는 형태로 되기 때문에 배전계통의 전압품질에도 좋지 않은 영향을 미치는 것이 사실이다. 따라서 분산전원이 도입된 배전계통은 기존의 부하만이 존재하는 배전계통과는 달리, 부하와 전원이 혼재되어 운용되는 형태로 되기 때문에 분산전원의 연계에 따라 발생이 예상되는 문제점을 검토, 분석할 수 있는 분산전원 배전계통연계용 해석 프로그램이 요구되고 있다. 따라서 본 논문에서는 분산전원이 배전계통에 연계되는 경우, 계통연계 기술요건 가이드라인 및 기술지침에 근거하여, 비전문가라도 쉽게 사용할 수 있는 종합적인 분산전원의 배전계통 연계용 해석 알고리즘을 제시하였다.
현재까지의 배전계통 조류계산은 송전계통의 조류계산 방법을 모방한 형태로써 각 구간별로 배전계통의 특성을 고려한 계산방법이었다. 이 조류계산 방법은 비선형방정식 풀이방법을 이용함으로써 구하고자 하는 전압과 위상각에 초기치를 두어 계산하는 형태로 지금까지 여러 방법들이 연구되어왔다. 하지만, 배전자동화 시스템이 도입 된 후의 배전자동화 시스템의 특징을 살린 배전계통 조류계산법의 연구는 아직까지 연구되지 않았다. 따라서, 본 논문에서는 배전자동화 시스템이 도입된 이후 FRTU로부터 모선의 전류와 역률각 Data를 수집할 수 있다는 특징을 가지고 이 취득 Data를 이용한 배전계통 조류계산 방법을 제안한다. 이 방법은 FRTU로부터 취득되는 전류와 역률각을 가지고 4단자 정수를 이용하여 각 모선의 전압과 위상을 계산하는 방법으로 기존 방법들보다 매우 빠르고 실질적인 배전계통 조류계산 방법이다. 또한 보다 실질적인 조류계산 방법을 제안하기 위하여 배전자동화 기반 배전계통의 여러 요소들을 고려한 배전계통 조류계산 방법을 제안한다.
본 논문은 Part 1 으로 배전계통의 분산형 조류계산을 위한 기본적인 수학적 모델을 제안한다. 송전계통과 비슷하게 배전계통의 조류계산은 배전계통의 실시간 모니터링과 제어를 위한 가장 유용한 도구이다. 배전계통은 지역적인 특성으로 인하여 그 구조가 변전소를 중심으로 여러 개의 주 피이드로 나누어지게 되고 이러한 변전소가 수많이 산재되어 있다. 이런 관점에서 볼때 배전계통에 대한 조류계산은 불산 조류계산(Distributed Computation of Load Flow) 알고리즘을 필요로 한다. 특히, 분산전원 출현으로 인한 이러한 필요성은 점점 증가하고 있다. 배전조류계산은 분산전원이 배전계통에 추가됨에 따라 더욱 부담이 되었다. 본 논문에서는 배전계통을 위한 분산형 조류계산 알고리즘의 구성에 필요한 기본적인 수학적 모델을 제안하고자 한다.
배전계통 상태추정이란 배전계통을 운영하고 제어하기 위하여 모선전압, 선로조류, 모선부하와 같은 상태변수들의 측정된 값을 이용하여 여러가지 운영에 필요한 정보를 활용하고 배전계통으로부터 측정치에 기초하여 미지의 상태변수들을 추정하는 것이다. 변전소 제어센터에 있는 SCADA 시스템은 실시간으로 배전계통을 모니터링하고 제어하기 위하여 전력계통을 주기적으로 스캔하고 엄청난 양의 데이터를 획득하여 처리한다. 이들 측정값들은 유효전력, 무효전력, 전압, 전류, 스위치나 차단기의 상태들이다. 이들 데이터들은 중앙전력계통 제어센터나 지역제어센터로부터 산발되어 있는 정보를 대부분 RTU를 통하여 획득하게 된다. 이러한 이유로 배전계통의 상태추정은 송전계통과는 달리 배전계통 자체가 토폴로지상으로 산발되어 있을 뿐만 아니라 대규모이기 때문에 분산형으로 구성하여 처리하는 알고리즘을 필요로 한다. 본 논문에서는 배전계통에 대한 분산형 상태추정기의 알고리즘을 제안하고자 한다.
향후 배전계통은 분산전원이 출현함에 따라 계획 및 운영이 더욱 복잡하게 될 것이며, 현재 송전계통에서 조류계산이 필요하듯이 향후 구조적으로 변화된 배전계통에서도 배전 조류계산이 필요하게 될 것이다. 또한 배전계통은 지역적인 특성으로 인하여 그 구조가 변전소를 중심으로 여러 개의 주 피이드로 나누어짐으로 그 구조는 매우 복잡하다. 이런 분산전원의 위치는 배전선로의 중간이나 말단이 될 것이며, 이와 같은 관점에서 볼 때, 배전계통에 대한 조류계산은 그 구조상 분산 조류계산 (Distributed Computation of Load Flow) 알고리즘을 필요로 할 것이다. 배전조류계산은 분산전원이 배전계통에 추가됨에 따라 더욱 부담이 될 것이다. 본 논문에서는 배전계통을 위한 분산형 조류계산의 알고리즘을 제안한다.
본 논문은 Part 2로서 배전계통을 위한 분산형 조류계산의 알고리즘을 제안하고, 결합 조류계산을 수행하기 위하여 경계상의 정보를 이용하고 송전과 배전계통에서 조류계산의 수렴 이후에 교환하는 알고리즘이다. 이는 각각의 조류계산 해법들이 송전과 배전계통에 사용될 수 있기 때문이다. 송전과 배전계통의 조류계산은 네트웍의 토폴로지와 파라메터 값들에서 큰 차이가 있기 때문에 분리하여 수행하여야 한다. 그러나, 두 계통이 물리적으로 연계되어 있거나 정확한 조류계산 해를 동시에 풀 수 있기 때문에 두 계통의 경계모선들에서 전력 오차를 계산하는 데 있어 약간의 오차가 있을 수 있다. 송전과 배전 계통의 경계 모선에서 전력 조류는 송전계통의 조류 계산에 대하여 부하로서 나타낼 수 가 있다. 다중 조류 기법들이 상호 존재하므로 이를 분산처리에 이용하는 이점이 된다. 특히, 분산전원 출현으로 인한 이러한 분산형 조류계산 기법의 필요성이 점점 증가하고 있다. 분산형 조류계산 알고리즘은 비동기 분산형과 동기화 분산 알고리즘으로 분류할 수 있다. 분리 계산 기법이 하나 이상의 배전계통을 가진 계통의 결합 조류계산에 사용된다면, 스칼라 경계 변수들은 상태 변수 벡터로 대체 할 수 있다.
본 기술보고에서는 전술한 분산형전원의 배전계통연계와 관련하여, 분산형전원의 개발, 도입에 대한 필요성, 배전계통연계, 보급에 따른 제문제, 국내외 보급지원정책의 현황을 살펴보고, 이의 원할한 배전계통에의 도입.보급을 위한 국내의 전략과 해결과제를 분석해본다. 끝으로, 기존의 배전계통에 상기의 분산형전원이 다수 분산적으로 도이된 차세대의 배전계통에 있어서 요구되는 기능과 그 기능에 부합되는 계통구성.운용 방안 및 연구개발분야 등에 대해 기술하기로 한다.
분산전원이 배전계통에 설치되어 운영될 경우 수용가가 경험하는 신뢰도가 증대될 것이라고 예상하는 것이 일반적이나 분산전원이 신뢰도를 높이기 위한 보조전원으로 설치될 경우 배전계통의 신뢰도를 높아질 수 있지만. 피크부하용 전원이나 독립전원으로 운영된 경우 배전계통의 수용가에 대한 전력공급에 문제가 발생할 수 있다. 따라서 이러한 분산전원이 연계된 배전계통의 신뢰도는 공급지장 횟수와 공급지장 지속시간 등의 지수에 있어서 기존의 배전계통 신뢰도 평가 방법과는 다른 새로운 접근이 필요하다. 이에 본 논문의 목적은, 분산전원의 운영형태에 따라 배전계통 전체의 신뢰도와 각 부하점의 신뢰도를 산출하는 해석적 기법을 제시하고 분산전원으로 인한 배전계통의 신뢰도의 변화를 정량적으로 표현하는데 있다.
정부의 신재생에너지 확대 보급 사업에 의해 현재 한전의 배전계통에는 다수의 분산형 전원이 연계되고 있으나 기존의 배전계통은 단방향 전력계통으로 설계되어 있으며 다수의 분산전원이 연계되는 경우 배전계통에 많은 문제점이 나타나고 있다. 따라서 기존의 단방향 고장계산 방식에서 분산전원에서 기여하는 고장전류를 함께 고려하는 양방향 보호체계로의 전환 및 분산형전원 영향을 고려한 보호협조 방안이 필요하다. 본 논문에서는 다수의 분산전원이 연계된 배전계통에서 배전계통 고장시 분산전원에 의한 효과를 고려한 보호기기 정정방안을 제시하였다.
분산전원(Dispersed Generators)이 계통과 연계된 상태로 운전함에 따라 단방향의 전력 조류만을 고려하여 운영되던 기존의 배전 시스템에 여러 가지 새로운 영향을 미치게 되었다. 따라서 배전계통에 설치된 보호 장치들은 발전기 자체의 고장은 물론 계통 상황에 적절히 대처하여 운전할 수 있도록 고안되어져야 한다. 특히 DG가 연계되어 있는 배전선에서의 사고는 배전용 차단기의 동작으로 DG의 단독운전이 발생 할 수 있다. DG의 단독운전은 인명피해, 기기손상, 전력품질저하, 계통 복구의 어려움 둥 많은 문제가 있으므로 사고시 DG를 신속히 계통으로부터 분리해 주어야 한다. 그러나 DG가 연계된 배전선 이외(인접 배전선)의 고장에 대해서는 DG가 불필요하게 계통으로부터 분리되는 것을 예방하고 사고가 계통에서 제가 될 때까지 정상적으로 동작하게 하여야 한다. 따라서 DG 연계 배전선과 인접 배전선의 고장을 명확히 구분하는 것이 중요하다. 본 논문에서는 DG 연계 배전선과 인접 배전선의 고장 구분을 위해서 Network 상의 IED(Intelligent Electronic Device)에서 제공되는 Data통하여 HMI내에서 DG 연계 배전선과 인접 배전선의 사고판단을 하고 결과를 각 계전기로 보내 동작유무를 결정한다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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