현대 스마트 배전 네트워크를 위한 마이크로프로세서 기반 계전기 피더 보호 솔루션

1. 소개 및 핵심 과제
   분산 에너지 자원(DERs) (예: 태양광 및 풍력 발전)이 배전망에 점점 더 통합되면서 사용자들의 전력 공급 신뢰성과 안전성 요구가 증가함에 따라 기존의 피더 보호 방식에 심각한 도전을 제기하고 있습니다. 이 솔루션은 다음의 세 가지 핵심 과제를 해결하기 위해 설계되었습니다:

• 아크 플래시 위험: 스위치기어와 같은 장비 내부에서 발생하는 단락 회로는 매우 파괴적인 아크 플래시를 유발하여 장비와 인원의 안전을 위협하므로, 보호 시스템으로부터 극히 빠른 응답이 필요합니다.
• 고임피던스 접지 고장: 특히 농촌 지역이나 토양 저항이 높은 지역에서 발생하는 단상 접지 고장은 고장 전류가 낮아서 기존의 영차 과전류 보호 장치로 신뢰성 있게 감지하기 어려워 보호 장치가 작동하지 않을 위험이 있습니다.
• DERs 통합의 영향: DERs의 통합은 배전망의 전력 흐름 방향과 단락 전류 특성을 변화시키며, 이로 인해 보호 장치의 오작동(잘못된 트리핑) 또는 작동 실패가 발생할 수 있으며, 의도하지 않은 섬현상을 초래할 위험이 있습니다.

이 솔루션은 고급 마이크로프로세서 기반 보호 계전기와 다양한 혁신적인 알고리즘을 통합하여 현대적인 배전망에 대한 종합적이고 빠르며 신뢰성 있는 피더 보호를 제공합니다.

2. 솔루션 세부사항
우리의 피더 보호 계전기는 모듈형 설계를 채택하여 앞서 언급한 과제들을 해결하기 위해 다음과 같은 핵심 보호 기능을 통합하고 있습니다.

2.1 멀티밴드 아크 플래시 보호(AFP) 모듈

• 기술 원리: 독자적인 멀티밴드 검출 기술을 사용하여, 전용 아크 라이트 센서를 통해 광 강도와 전류 변화율(di/dt)을 동시에 모니터링합니다. "강한 아크 라이트 신호"와 "고속 과전류 특성(>10 kA/ms)" 두 조건이 모두 충족될 때만 (논리 AND 연산) 아크 플래시 고장으로 확인됩니다. 이 듀얼 기준은 외부 광원이나 스위칭 과전류로 인한 오작동을 효과적으로 방지합니다.
• 성능 우위: 초고속 작동 속도를 특징으로 하여 아크 플래시 에너지를 최소화하도록 설계되었습니다.
• 응용 사례: 대규모 데이터 센터의 중압 배전 시스템에 배포된 후, 이 모듈은 4밀리초 미만의 전체 고장 청소 시간을 달성하여, 전통적인 전류만을 사용하는 보호 방식보다 3배 이상 빠른 속도로 장비 손상 위험을 크게 줄였습니다.

2.2 고감도 저전류 접지 고장 보호 모듈

• 기술 원리: 영차 어미턴스 방법을 활용합니다. 이 방법은 시스템의 영차 전압(3U₀)과 영차 전류(3I₀)를 실시간으로 정확하게 측정하고, 해당 어미턴스 값을 계산합니다. 이 알고리즘은 시스템의 용량성 접지 고장 전류 변동에 상대적으로 민감하지 않으며, 정상적인 용량성 전류와 고장으로 인한 저항성 전류를 효과적으로 구분하여, 1kΩ 이상의 저항 값을 가진 고임피던스 접지 고장을 정확히 식별합니다.
• 성능 우위: 전환 저항이 높은 고장 상황에서 전통적인 보호 방식의 감도 부족 문제를 해결하여, 감전 및 화재 위험을 크게 줄입니다.
• 응용 사례: 농촌 네트워크(용량성 접지 고장 전류가 높고 선로 절연 수준이 불균일한 특징)의 파일럿 프로젝트에서 이 기술을 적용하여, 전통적인 방식의 65%에서 92%로 전체 접지 고장 검출률을 크게 향상시켜 전력 공급 안전성을 크게 개선했습니다.

2.3 적응형 반-섬 보호 모듈

• 기술 원리: DER 통합으로 인한 섬현상 위험을 해결하기 위해, 이 모듈은 수동 및 능동 검출 방법을 결합합니다.
• 수동 모니터링: 공통 연결점(PCC)에서의 비정상적인 매개변수(예: 전압 주파수 편차(Δf > 0.5 Hz) 및 위상각 점프(Δφ > 10°))를 지속적으로 모니터링합니다.
• 능동 결정: 수동 모니터링 지표가 설정된 임계값을 초과하면, 능동 주파수 이동과 같은 능동 방법을 통합하여 섬현상을 빠르게 확인합니다.
• 성능 우위: 섬현상 발생 후 매우 짧은 시간(< 200ms, 그리드 코드 요구사항 준수) 내에 DERs의 빠른 분리를 보장하여, 의도하지 않은 섬현상 운영으로 인한 그리드 장비 및 유지보수 인원에 대한 위험을 방지합니다.
• 응용 사례: 여러 PV 배열을 포함하는 마이크로그리드 프로젝트에서 검증된 이 반-섬 모듈은 99.7%의 정확도를 달성했습니다. 이는 섬현상을 효과적으로 방지하면서, 일반적인 그리드 교란으로 인한 불필요한 트리핑을 최소화하여 분산 에너지 자원의 활용률을 향상시킵니다.

3. 핵심 가치 요약
이 마이크로프로세서 기반 보호 솔루션은 다양한 지능형 알고리즘을 통합하여 다음과 같은 성과를 달성합니다:

• 향상된 안전성: 밀리초 단위의 아크 플래시 보호와 초고감도 접지 고장 보호를 통해 인원과 장비의 보호를 최대화합니다.
• 높은 신뢰성: DER 통합으로 인한 복잡성을 효과적으로 해결하며, 섬현상 및 고임피던스 고장을 정확히 식별하여 보호 "눈먼 점"을 제거합니다.
• 빠른 복구: 빠른 고장 청소를 가능하게 하여, 네트워크의 빠른 자체 치유를 촉진하고, 정전 시간을 줄이며, 전력 공급 신뢰성을 향상시킵니다.