저전압 부하차단(Part 2)

저자 : Charles Mozina(Consultant, Beckwith Electric Co.)

저전압 부하차단 자료의 PART 1에서는 1960년에서 70년대의 전계통 정전에서 주요 전력계통 동요 대부분의 근본 원인이 주파수 저하라기 보다는 전압붕괴라는 것에 대한 최근의 전계통 정전 연구결과를 소개하였다

최근의 전력계통 정전(2003년 동부지역 및 1996년 캘리포니아 정전 등)의 특성과 왜 전압붕괴가 전력계통 붕괴의 선행 지표가 되는지를 설명하였다.

이 자료(PART 2)는 저전압 부하차단(UVLS) 방식에서 다루어져야 하는 설계와 안전성에 대한 논점 및 왜 저주파수 부하차단(UFLS)의 응답이 너무 적고, 너무 늦을 수도 있는지에 대해 다루고자 한다.

또한 UVLS에 대한 NERC(North American Electric Reliability Council)의 공고 및 전력계통 시스템에서 적용되고 있는 UVLS의 현재 수준을 진단하고자 한다.

Ⅰ. 저전압 부하차단(UVLS) 현황

간단하게 표현하면, UVLS란 계통동요가 발생이 되고 전압이 일정시간동안 일정전압 이하로 저하되었을 때 지정된 부하를 차단하는 것이다.

UVLS의 목적은 계통동요시 부하를 차단하여 광역 계통 전압 붕괴를 피할 수 있도록 전압을 회복시키는 것이다. UVLS 프로그램의 개발은 부하차단 프로그램의 차단부하량과 지연시간을 결정할 수 있는 계통보호 담당자와 계통계획 담당자간의 협조가 필요하다. 계통계획 담당자는 발생가능한 고장하에서 전압 안정도 유지 목적으로 차단되어야 하는 부하의 양을 결정하기 위해 여러가지 분석방법을 사용하고 P-V 곡선(Nose Curve)를 이용하여 다양한 모의를 한다.

전압붕괴는 많은 양의 전력이 원거리 발전단지에서 전송되고 대부분의 계통 부하가 모터로 구성된 중부하 상황하에서 발생가능성이 가장 높다

UVLS 방식에는 두가지 기본 타입(분산과 집중 방식)이 적용되고 있다.

분산 방식은 차단되는 부하측에 계전기가 설치되어 있다. 이 방식이 적용되는 지역의 전압이 붕괴되기 시작하면 그 계전기에 할당된 부하가 차단된다. 이 원리는 UFLS 방식과 유사하다.

집중 방식은 각 지역의 주요 계통 모선에 저전압 계전기를 설치, 그 지역내에 분산되어 있는 부하를 전송차단하도록 구성되어 있다. 차단 정보가 여러 지역에 있는 부하를 차단하도록 전송된다. 계통의 안전성을 강화하기 위해 추가적인 회로가 적용되기도 한다. 이러한 방식은 특수한 보호방식(Special Protection)나 광역보호(Wide Area Protection) 방식으로 분류된다.

이들 방식은 적정한 동작을 위해 고속의 신뢰성이 있는 통신방식이 필요하다

전압붕괴가 전력계통 전정전의 주요 원인이라면 UVLS의 현재 상황과 그것에 대한 NERC의 권고는 무엇인가?

UVLS를 적용하는 것이 NERC 회원사의 의무사항은 아니다. 그러나 NERC는 UVLS가 전압붕괴를 다루는 하나의 효율적인 방법이라고 인정하고 있다.

UVLS가 전압붕괴를 예방하는데 매우 효과적이라고 할지라도 모든 계통에 도움이 되는 것은 아니다. 예를 들어, 1초 이내 고속의 전압 저하 특성을 가진 계통은 직접 부하차단이 더 좋은 대안이 될지 모른다. 그러나, 고속의 전압 저하가 발생될 우려가 있는 계통이 다른 조건하에서는 저속의 전압저하가 발생될 수도 있다. 어느계통에 UVLS 방식을 적용할 수 있는지 연구하여야 하며, NERC에 속한 계통계획 담당자는 이러한 연구를 수행하고 있다.

가장 적극적으로 UVLS를 폭넓게 연구하는 지역이 WECC(Western Electricity Coordinating Council)이다.

미국의 서부지역에 전력을 공급하고 있는 WECC는 회원사를 위해 UVLS 가이드라인을 만들었다. WECC는 NERC와 WECC의 일반적인 상정 범위를 넘어선 고장시의 전압붕괴나 Cascading으로부터 계통을 보호하기 위한 안전망으로 자동 UVLS를 고려하고 있다

WECC는 UVLS 방식에 대해 다음과 같이 설계 가이드라인을 만들었다

1. UVLS는 기동된 에어콘 등에 의해 발생되는 순간적인 전압강하, 고장지속, 저전압에 대해 보호계전기 및 제어 Scheme과 협조되도록 설계되야 한다

2. 부하차단을 하기 위한 시간 지연은 수 사이클이 아닌, 수초 이내로 되어야 하며 일반적으로 3-10초 이내 이다

3. UVLS 계전기는 전원단측의 LTC(Load Tap Changer)에 연결된 VT에 결선되어야 한다

4. 차단 신호를 위한 전압 검출점은 P-V 곡선의 Nose Point 보다 높게 정정되어야 한다

5. 지역 인근 계통의 전압 검출점과 시간 지연이 고려되고, 협조되어야 한다

6. 오동작을 예방하고 신뢰성 있는 동작을 확보하기 위해 2중화와 충분한 상황판단 기능이 적용되어야 한다

7. WECC의 전압 안정운전 범위에 따라 무효전력 margin이 유지되고 전압을 최소 운전 전압 수준 이상이 될 수 있도록 충분한 부하차단이 있어야 한다

전압붕괴에 의해 발생되는 전계통 정전은 미국 및 세계 도처에서 발생되었다. 지난 몇 년동안 이태리, 일본, 덴마크 동부, 스웨덴 남부 등에서 발생된 정전은 모두 전압 불안정과 관련이 있다. 이들 나라와 미국의 정전으로 전력사들은 UVLS 방식을 적용하기 시작했다.

Table Ⅰ은 각각의 전력사에서 적용하고 있는 UVLS에 대해 요약한 것이다.

어떤 전력사는 저전압(U/V), 높은 출력의 무효전력, 또는 원거리 변전소나 발전소로 부터 발생되는 송전손실과 같은 정보를 받고 변전소에 부하차단 신호를 보내는 중앙집중 제어장치를 시설, 운영한다.

그 밖에 UVLS 기능이 EMS 프로그램의 하나의 부분으로 적용되기도 하고. 변전소에서 분산된 저전압 계전기를 사용하여 UVLS 프로그램을 설치, 운영하기도 한다.

신호처리방식, 실시간 제어시스템 및 상측정을 사용하는 복잡한 광역 제어는 광역 보호 또는 특수한 보호(Special Protection) 방식이라 불리운다.

Ⅱ. 안전한 UVLS 방식 설계

A. UVLS vs. UFLS 방식

위에서 서술한 것과 같이, 많은 양의 부하 손실이 제어불가능한 Cascading 상황으로 진행되면 제어방식으로 일부 부하를 차단하는 것이 좋다라는 이론하에 UVLS 프로그램은 마지막 수단으로서 동작되도록 전력시스템에 설계된다

북미에는 다음과 같은 2가지 자동 부하차단방식이 시설되어 있다 :

저전압 부하차단 - 국지적인 전압붕괴를 예방하기 위해 부하를 차단하는 방식

저주파수 부하차단 - 계통 동요에 의해 전기적인 단독계통이 발생되면 단독계통내에서 부하와 발전량을 다시 균형있게 하기 위해 설계된 방식

일반적으로 자동 UVLS는 제한된 지역내에서 전압상태에 따라 직접 응답한다. 지역의 전압이 지정된 수준(대략 89에서 94%정도)까지 저하된 단계에서 트리거된 UVLS는 수초 후에 부하 중심 내의 미리 선정된 Block에서 수백 MW의 부하를 차단한다. UVLS의 목적은 전압붕괴를 예방하고, 전압문제를 넓은 지역까지 확대시키기 보다는 한 지역의 문제로 국한시키며 수요에 대응하는 무효전력을 회복시키기 위해 부하를 차단하는 것이다. 첫 번째 부하차단 단계에서 계통이 다시 균형을 이루지 못하고 전압이 계속 감소하면 다음 단계의 부하차단이 행하여진다.

반면, 자동 저주파수 부하 차단(UFLS)은 전기적인 독립계통이 된 후 발전력과 부하사이의 균형이 되도록 하는 최후의 수단으로서의 용도로 설계되고 독립계통내에서 주파수를 안정시키기 위해 충분한 부하를 차단한다.

독립계통내의 발전력에 맞게 부하를 차단함으로써, UFLS는 독립계통의 전 정전을 예방하고 후에 계통복구를 더 신속하게 할 수 있도록 하는 하나의 안전장치라 할 수 있다

UFLS는 만일 독립계통에 전기적인 불안정이나 전압붕괴가 있다면 효과적이지 않다

현재, UFLS 설치는 NERC의 요구사항이고, 각각의 신뢰도 협조 지역 내에서 단계별로 부하의 최소 25-30%를 차단하도록 설계된다. 이들 시스템은 주파수가 크게 저하되면(주파수 저하는 부하와 비교하여 발전력이 너무 적음을 나타낸다) 자동적으로 미리 지정된 수용가의 부하를 차단하도록 설계되고, 보통 주파수가 59.3Hz까지 저하되면 기동하게 된다.

부하는 주파수 레벨이 더 떨어지면 순차적으로 차단된다. 부하차단의 마지막 단계는 발전기 저주파수계전기 정정치(일반적으로 57.5Hz) 바로 윗 단계의 주파수에 정정되고 너무 저하되어 발전기가 손상되지 않도록 정정한다

B. UVLS를 위한 전압계전기 선정

전압계전기는 원인에 관계 없이 모든 전압 저하를 감지한다. 부하차단이 필요한 경우와 필요하지 않는 경우를 구별할 수 있도록 저전압 계전기의 기능을 향상시키기 위한 기술이 사용된다.

* 계전기는 3상 전압이나 정상분의 전압을 측정한다. 이러한 기술로 계전기는 불평형 단락고장에 동작하는 것을 줄일 수 있다

* 계전기는 측정된 전압이 순간적인 저전압 계전기의 신호 상실시 또는 삼상 고장이 늦게 제거되어 계통전압을 최소 레벨보다 더 낮게 떨어뜨릴때 부하가 차단되지 않도록 하기 위하여 최대 레벨과 최소 레벨 범위내에서만 Timer를 기동한다

* 계전기는 높은 reset ratio를 구비하여야 한다. 이것은 단지 전압 회복이 작은 경우에만 부하차단회로의 동작을 중단하도록 하기 위해 필요하다. 또한, 낮은 정정 오차를 가진 고정밀 계전기가 필요하다. 계전기에 입력되는 VT의 정밀도 역시 UVLS의 전반적인 정밀도를 산정하는데 고려되어야 한다

현재 도입된 디지털 계전기는 위에서 인용한 특성들을 가지고 있기 때문에 저전압 부하차단용으로 사용될 수 있다.

C. 안전한 UVLS 방식

전력사에 설치되어 있는 자동 UVLS에는 2개의 기본 타입이 있다

양쪽 모두 주요 변전소에 저전압계전기를 설치해야 한다.

이들 계전기는 송전계통의 전압을 측정하고, 일반적으로 주요 송전계통 변전소에 인접한 주요 배전 변전소에 설치된다. Fig.1은 전형적인 저전압계전기(27)와 저주파수계전기(81)의 설치방법이다.

UTILITY TRANSMISSION

SYSTEM

27

81

A

B

C

D

Trip Selected Circuit

(A-D)

Typical Distribution Substation

Transformer with LTC

27 : Undervoltage Relay

81 : Underfrequency Relay

Fig.1 Typical Substation Load Shedding

VT 효용성 때문에 저주파수계전기는 변압기의 고압측과 저압측의 주파수가 같은 것을 고려하여 배전변전소의 2차측에 설치된다.

UVLS의 입력 전압은 변압기 손실과 Load Tap Changing(LTC) 제어가 실제 송전계통 전압을 왜곡하기 때문에 변압기 1차측에서 측정되어야 한다. Fig.1은 UVLS의 직접 차단 방식을 보여준다. 안전성을 강화하기 위해 일부 UVLS는 단지 계통 조건이 전력계통이 “stress condition"을 나타낼 경우에만 동작할 수 있다. 지역의 발전량에 대한 전력의 순유입량 또는 주요 송전계통 변전소 모선에서 취득된 저전압 측정과 같은 조건이 이러한 UVLS 방식을 구성하는데 사용된다.

일부의 전력사는 그러한 방식을 “special protection scheme"이라 한다.

이 방식은 복잡한 추가회로가 있어야 하고 통신장치 등이 구비되어야 한다

또한, 열폭풍 상태 동안 발생한, 지연 제거, 다상 송전계통 고장으로 발생된 저전압 상황에서 활성화 될 수 있을 만큼 충분히 빠르게 동작하기 위한 준비가 되지 않을 수도 있다

고장제거 지연과 같은 상황에서 오동작을 피하기 위한 안전한 저전압 분리 방식에 대한 설계는 수용 가능한 범위내에서 정확하게 전압을 측정할 수 있는 계전기뿐 아니라 몇가지 logic을 필요로 한다. 저전압 계전기는 매우 정밀해야 한다. 기준전압 120V에서 ±0.5V의 측정오차 및 높은 pickup/dropout비를 필요로 한다.

pickup/dropout비는 계통고장 후 전압이 회복될 때, 계전기가 빠르게 reset되기 위해 거의 100%가 되어야 한다.

이러한 요구사항과 아래의 logic을 충족시키기 위해 디지털 계전기가 UVLS에 적용되고 있다

단상 UVLS Logic -- 회로는 저속의 계통고장에 의한 오동작을 방지하기 위해 저전압 독립 보호방식의 안전성을 강화하였다. Fig.2는 단상 지락시 전압 측정에 대한 단선도이다

전압 붕괴는 보통 삼상 전압이 거의 동등한 전압 평형 고장이다. 3상 고장을 제외한 고장은 전압불평형을 발생시킨다. 고장시의 저전압과 전압붕괴의 근본적인 차이가 UVLS에 안전성을 강화하는데 사용된다.

Fig.2의 회로는 3상과 대지간의 전압(상전압)이 모두 setpoint #1 이하로 떨어지는 것을 조건으로 하고 저전압 Blocking(27B)을 사용하여 안전성을 더욱 강화시킬 수 있다. 전압붕괴가 임박한 시점에서의 전압 크기는 89-94%이므로 고장에 의해 발생되는 저전압에 대한 Blocking 신호는 안전성을 더욱 강화시킨다. Fig.2는 setpoint #2이하로 떨어진 선로와 대지간 전압(상전압)은 UVLS의 동작을 Blocking 한다는 것을 보여준다. Fig.2의 회로에서 구현한 마지막 안전성을 위한 요소는 UVLS의 동작을 Blocking 하기 위해 역상 전압(47B)을 사용한 것이다

불평형 고장(3상 고장을 제외한 모든 고장)동안 역상 전압이 검출된다. 전압붕괴시에는 전압평형이 발생되므로 매우 작은 역상 전압만이 검출된다. 역상전압을 정의한 방정식은 다음과 같다.

V2 = (Va + a2Vb + aVc)

: Va, Vb, Vc 상전압

a = 1∠120°

a2 = 1∠240°

상간 120° 위상차를 설명하기 위해 연산자(a, a2) 가 대칭성분 용어로 사용된다.

완전한 평형 3상 전압에서, 역상 전압은 0이다. 역상전압 Blocking은 불평형 고장을 감지하여 UVLS가 오동작하는 것을 Blocking하기 위해 사용된다.

정상 UVLS Logic -- UVLS의 안전성을 강화하기 위한 또다른 회로가 Fig.3에 설명된다

이 보호방식은 Fig.2에 나타낸 것과 유사하며 Blocking 요소도 같다. 그러나 이 회로방식은 저전압을 감지하기 위해 각각의 상전압을 사용하지 않고 정상전압을 사용한다.

정상전압은 대칭성분으로 다음의 방정식으로 표현된다.

V1 = (Va + aVb + a2Vc)

: Va, Vb, Vc 상전압

a = 1∠120°

a2 = 1∠240°

완전한 평형 3상 전압에서, 정상전압은 상전압과 같다 - 즉, V1 = Va = Vb = Vc 이다.

정상전압은 UVLS에서 동작전압으로 하나의 상전압만 필요로 하고, Fig.2에서 처럼 3상 전압이 모두 정해진 setpoint 이하가 되는 것을 필요로 하지 않는다. Fig.2와 Fig.3에서 서술한 양쪽 보호방식은 최신의 디지털 계전기에서 모두 쉽게 구현할 수 있다. 디지털 계전기 회로의 장점 중 하나는 Blocking 회로가 사용자가 원하는 대로 만들어질 수 있다는 것이다. 만일 저전압과(또는) 역상 Blocking을 사용자가 원치 않으면, 회로에서 쉽게 그 기능을 제거할 수 있다.

추가적인 안전성은 “voting logic" 방식을 사용하는 중요 설비에 제공될 수 있다.

“voting logic"은 다수의 보호계전기가 계통의 같은 측정 지점에서 같은 정정값과 회로를 적용하는 것을 의미한다. “voting logic"의 목적은 계전기 불량에 따른 오동작을 방지하기 위하여 하나 이상의 보호계전기로부터 계통상황에 대한 확인을 얻도록 하는 것이다. 만일 두개의 계전기가 각 지점에 설치된다면 2개의 회로가 사용된다. 이 회로는 두개의 계전기가 동작해야 Trip이 될 수 있다. 만일 3개의 계전기가 사용되면 3개중 2개의 회로가 Trip 조건을 확인하는데 사용된다. 이 회로는 원자력 발전소 UVLS에 일반화 되어있다.

Ⅲ. UVLS 정정 고려사항

앞에서 말한 것처럼, UVLS의 정정과 설계는 계전기 담당자와 계통 계획 담당자 사이에 밀접한 협조를 필요로 한다. 계통계획 담당자는 다양한 상정고장 상황하에서 전압안정도를 유지하기 위해 필요한 차단부하량을 검토하는데 P-V 곡선 및 기타 분석 기법을 활용하여 다양한 모의를 한다. 전압 붕괴는 중부하 상황하에서 발생가능성이 가장 높고, 그러한 이유로 부하차단량은 계통 최대부하와 발전력에 좌우된다. 차단되는 부하의 형태를 고려할 때, 모터와 같은 일정한 kVA 부하는 전압이 저하 될 때 더 많은 전류가 흐르기 때문에 차단부하 대상으로 적합하다. 다음은 UVLS 정정시 고려사항을 보여주는 하나의 예이다. 첫 번째 단계는 신뢰성 있는 전압붕괴 시나리오를 위한 P-V 곡선을 결정하는 것이다.

Fig.4는 발생가능한 상정고장 동안의 P-V 곡선 예를 보여준다. 곡선에서 전압이 붕괴될 시점을 Vcollapse로 나타낸다.

정정 여유도(setting margin) 또는 안전 요소(safety factor) 및 계전기와 VT의 오차범위(accuracy band)가 고려되어야 하고. 전압 정정(Vsetting)은 이 여유도 위에 정정되야 한다. 모든 계전기 정정처럼, 신뢰성과 안전성이 잘 조화되어야 한다. 너무 크게 여유도를 선정하면, 부하차단이 필요 없는 계통 동요시 오동작의 발생 우려가 있고 너무 작게 여유도를 선정하면 Fig.4에서 보는 것처럼 계통전압이 전압붕괴점(Vcollapse) 아래로 지나간 후 부하차단이 될 수 있다.

Fig.5는 이 지점을 보여준다

시간지연과 setpoint의 선정은 부하를 직접 차단하는 배전이나 분산형 보호방식에서는 특히 중요하다. 또한 계통계획 모의는 시간과 setpoint를 결정하는데 도움이 될 수 있다. 보통 UFLS방식보다 UVLS 방식의 setpoint가 적다. 일부 전력사에서는 부하차단 그룹별로 하나의 전압 Pick-up point에 서로 다른 시간 지연을 갖도록 하였다. 시간지연은 UFLS에서 적용하는 cycle 범위가 아닌 보통 2～10초를 적용한다.

Ⅳ. 결론

최근 발생한 광역정전에 대한 연구결과는 거의 모든 주요 전력계통 동요의 근본 원인이 60년대에서 70년대에 발생한 광역정전에서 일반화 되어 있는 저주파수 상태라기 보다는 전압붕괴라는 것을 입증한다. 발전단지와 소비지가 멀리 떨어진 현재의 전력계통 운영은 송전계통에 크게 의존할 수 밖에 없다. 송전손실은 무효전력 손실을 발생시켜 부하를 소비하는 곳에서 전압붕괴를 발생시키는 원인이 될 수 있다. UVLS는 계통의 전압붕괴를 예방하기 위한 보호방식이다. UVLS의 적용은 NERC 회원의 의무사항은 아니다. 하지만 NERC는 전압붕괴를 처리하기 위한 중요한 방법으로 UVLS를 공인하여 왔다. 계통모의를 통해 UVLS가 전압붕괴를 예방하는데 매우 효과적이라는 것을 알지만, 모든 전압붕괴 시나리오에 적합하지는 않을 것이다. 예를 들어, 고속(1초 이내)의 전압 강하 특성을 가진 계통은 UVLS가 너무 늦게 동작하여 전압붕괴를 예방하지 못한다는 것을 알고 있다. UVLS는 계통의 안전망을 제공하고 일부 부하를 차단하는 것이 훨씬 더 광범위한 고장을 예방한다는 원리를 이용하여 전압붕괴 상황을 처리하는 하나의 경제적인 방법이다. 어쨌든 송전선로는 신뢰성 있는 저전압 상황에 초점을 맞추어 건설될 필요가 있다.

UVLS 방식은 UFLS보다 설계하고 정정하기가 더 어렵고 계전기 담당자와 계통계획 담당자 사이에 긴밀한 협조를 필요로 한다. UVLS 방식에는 분산형과 집중형 2가지 Type이 있다 두 보호방식 모두 적용되어 있고 개별적인 전력기관이 NERC에 의해 요구받은 것은 없지만 개별적으로 UVLS를 적용하기 시작했다.