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부하 균등화를 지향하는 배전계통의 자율적 고장복구 방법론 연구
고윤석, 이서한, 최현철, 신재현 남서울대
The Self-Fault Restoration Strategy for the Load Balancing in the Distribution Systems
Yun-Seok Ko, Seo-Han Lee, Hyun-Chul Choi, Jae-Hyun Shin Namseoul University
Abstract - 본 연구에서는 기존 중앙제어방식의 고장구간 분리 및 복 구 시 문제점을 해소하기 위해 새로운 시도로서 고장이 완전히 분리된 상태에서 자율적 복구 알고리즘을 제안하였다. 제안된 방법론에서 무전 압을 경험하는 FRTU들은 분하분할을 시도하고, 각 연계 개폐기 FRTU 들은 자기의 부하융통 영역들을 동시에 자율적, 순차적으로 결정하도록 함으로서 전전시간을 최소화함은 물론, 합리적인 범위 내에서 부하분담 균등화가 얻어지도록 설계하였다.
1. 서 론
배전계통은 고밀도 부하지역은 물론, 염해지 등을 직접적이고 폭넓게 경유함으로써, 자동차 추돌, 나무 접촉 등 다양한 원인에 의해서 고장에 노출된다. 이때 고장을 신속하게 차단하지 못하면 화재와 인명피해는 물 론, 배전 시스템이 붕괴됨으로서 심각한 정전피해를 경험하게 된다. 그 러므로 고장을 차단할 수 있는 CB나 리클로우저 등 보호기기들이 변전 소 인출 단이나 선로 상에 설치되며, 보호기기들 간의 선로 상에는 정전 구간을 최소화하기 위해 개폐기들이 설치된다.
배전계통은 1980년대까지는 선로사고 시 작업자들이 현장에 파견되어 순시과정을 통해 고장구간을 확인하고 보선사령실의 지령에 따라서 개 폐기들을 조작, 고장구간을 분리한 후, 부하융통을 시도함으로서 전력공 급 신뢰도는 취약한 수준이었다. 전력사업자들은 이 문제를 를 해소하기 위해 배전자동화시스템을 도입, FRTU(Feeder Remote Terminal Unit) 들로부터 FI(Fault Indicator) 상태를 원격에서 수집, 고장구간을 확인한 후, 개폐기 조작기능을 기반으로 개폐기들을 원격에서 제어, 고장구간을 분리 하고 , 부하역송을 시도함으로써 정전시간을 최소화해 전력공급신 뢰도를 크게 개선할 수 있었다. 그러나 시스템 운영자는 시스템이 대규 모이고 부하절체의 신속성이 크게 요구되는 상황 하에서 효율적이고 안 정적인 부하절체 전략을 수립하는데 상당한 어려움에 직면하게 되었다.
따라서 정전부하절체 시 부하분담 선로들의 연속정격을 고려하여 계통 운영목적에 최적한 고장복구 전략을 수립하기 위한 선로 재구성 문제에 많은 연구가 집중되었다[2-9]. 그러나 기본적으로 배전자동화시스템은 원격제어 기능을 이용하여 FI 상태를 순차적으로 수집하고 개폐기를 순 차적으로 제어하기 때문에 상당한 시간이 고장파단 및 조작 시간이 소 요되며, 복구기간 동안 부하가 변하기 때문에 제안된 전략들에 기반 한 운용목적의 최적화는 큰 도움이 되지 못하고 있다. 또한 최근 유비쿼터 스 환경하에서 고품질 전력공급을 위한 다양한 수용가 서비스가 요구되 기 때문에 중앙제어장치의 실시간 컴퓨터 제어는 현실적으로 매우 어려 운 환경으로 변화하고 있다.. 특히 최근 디지털 신호처리 및 정보통신 기술의 급속한 발전은 다양한 전력설비분야에서 자율적, 적응적 그리고 지능적 문제해결능력을 가지는 IED의 연구개발을 활성화시키고 있다 [10-14]. 따라서 본 연구에서는 기존 중앙제어방식의 고장구간 분리 및 복구 시 문제점을 해소하기 위해 새로운 시도로서 고장이 완전히 분리 된 상태에서 자율적 복구 알고리즘을 제안하였다. 제안된 방법론에서 무 전압을 경험하는 FRTU들은 분하분할을 시도하고, 각 연계 개폐기 FRTU들은 자기의 부하융통 영역들을 동시에 자율적, 순차적으로 결정 하도록 함으로서 전전시간을 최소화함은 물론, 합리적인 범위 내에서 부 하분담 균등화가 얻어지질 수 있도록 한다.
2.자율적 고장복구 전략
본 연구에서 제안하는 고장복구 전략은 영구고장 발생 시, 모든 건 전 정전부하를 하나의 이웃선로에 절체하는 경우, 발생할 수 있는 사고 파급효과를 최소화하기 위해 가급적 건전 정전부하를 이웃선로들에 나 누어 분담시킴으로서 부하 균등화를 취하고자하는 자율적 부하절체 전 략을 수립하는 것을 목표로 한다. 부하 균등화는 계통상의 주변압기나 배전선로들의 이상적 부하와 실제부하의 차를 최소화하는 문제로서 식
(1)로 정의된다.
∈
∈
(1) 여기서, Tbala, Fbala : 주변압기, 배전선로의 부하분담 균등화 지표 TILi, FILi : Ti, Fi의 이상부하로서 LF×공급허용용량 TACi : Ti의 공급허용용량, ∈
FDi : Ti로 부터 전력공급을 받는 배전선로들의 집합 LF : ∈
∈
이 운영목적을 만족하는 고장복구 전략은 모든 연계점 개폐기 FRTU 들이 동시에 병렬적으로 자기 전원 단 건전 정전부하구간들에 대해 부 하융통을 시도하는 것이다.
일단 영구고장이 발생하면 선로상의 개폐기 FRTU들은 HR 1]에 의해 모든 건전 부하구간이 개별구간으로 분할된 후, 연계 점에 있는 각각의 연계 개폐기 FRTU들이 독립적으로 부하융통 전략을 시도하도록 한다.
HR 1] 무전압 지속시간이 순시 무전압 시간을 초과하는 경우 영구고 장으로 판단, 모든 무전압 개폐기들을 분리한다.
그림 1은 본 연구에서 제안하는 자율적 부하융통 전략을 설명하기 위 해 도입된 배전계통을 보인다. 그림 1은 리클로우저와 개폐기 S1사이에 서 영구고장이 발생한 경우를 보인다. 특히, 자율적 건전 정전구간 분리 전략 HR 7]에 근거하여 고장구간 이후의 건전 정전구간들 상의 모든 개폐기들이 개방됨으로서 부하분할이 이루어졌다고 가정한다.
<그림 1> 영구고장 시 부하분할 후 배전계통
그림 2는 그림 1의 고장의 경우를 중심으로 부하융통 전략을 설명하 기 위해 도입된 부하융통 전략을 보인다. 그림에서 초기노드는 고장 후 부하분할이 이루어진 후의 계통 구성을 표시한다. 브랜치는 1:1 통신을 기반으로 탐색되는 연계 개폐기를 의미하며, 일반 노드는 선택된 연계 개폐기 투입 후 계통 구성을 표시한다. 그림 4에서 호 번호는 브랜치 레 벨 번호를 표시한다.
초기단계] 부하분할이 완료된 후 정전 무 전압을 경험한 FRTU들은 HR 2]를 기반으로 연계 개폐기 여부를 확인한다.
HR 2] 개폐기가 고장구간 분리 개폐기가 아니고 양단의 전압 센서 들 중 일방 센서가 정전 무전압을 경험하면 연계 개폐기로 판정한다.
연계 개폐기들 중 HR 5]을 만족하는 개폐기들은 {S7, S2, S6, P10,4
P9,4}다. 이들은 부하융통을 시도하기 위해 각각 투입되어, 단계 1]의 새 2009년도 대한전기학회 하계학술대회 논문집 2009. 7. 14 - 1 7
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연계 개폐기들의 부하융통 과정을 설명하면 다음과 같다. 연계 개폐기 S7이 투입됨으로서 정전구간 {S7, S3}이 S7에 할당되며, S3는 새로운 연 계 개폐기가 된다. 연계 개폐기 S2가 투입됨으로서 정전구간 {S2, S1, S3, S4}가 S2에 할당된다. 이때 S1은 새로운 연계 개폐기가 된다. 연계 개폐 기 S6이 투입됨으로서 정전구간 {S6, S5, P8,1}이 S6에 할당되며, S5는 새 로운 연계 개폐기가 된다. 연계 개폐기 P10,4가 투입됨으로서 정전구간 {P10,4, P8,1}이 P10,4에 할당된다. 이때 P8,1은 새로운 연계 개폐기가 된다.
다음, 연계 개폐기 P9,4가 투입됨으로서 정전구간 {P9,4, P9,1, P9,13, P11,1}가 P9,4에 할당되고 동시에 P11,1은 새로운 연계 개폐기가 된다.로운 계통구 성을 결정하게 된다.
<그림 2> 자율적 부하융통 전략
단계 1] 새로운 계통구성 하에서 정전 무 전압을 경험하는 FRTU들 이 HR 2]를 기반으로 연계 개폐기 여부를 확인한다. 다음, FRTU들은 초기단계]와 동일한 과정을 반복한다.
그림 2에서 새로운 연계 개폐기들 {S3, S1, S5, P8,1 P11,1} 중 HR 2]를 만족하는 개폐기들 {S5, P11,1}가 부하융통을 시도하기 위해 각각 투입된 다. 그리고 단계 2]의 새로운 계통구성이 결정된다. 이 과정을 설명하면 다음과 같다. 연계 개폐기 S3이 이미 전압상태이기 때문에 HR 2]에 근 거하여 S7로부터 시작된 탐색이 중단된다. 연계 개폐기 S1이 고장구간 분리 개폐기이기 때문에 HR 2]에 근거하여 S2로부터의 탐색이 중단된 다. 연계 개폐기 S5가 투입됨으로서 정전구간 {S5, S4}가 S5에 할당되고 S4가 새로운 연계 개폐기가 된다. 연계 개폐기 P8,1이 이미 전압상태이기 때문에 P10,4로부터의 탐색이 중단된다. 다음, 연계 개폐기 P11,1이 투입됨 으로서 부하 {P11,2, P11,3, P,11,4}가 P11,1에 할당되고 이때, 새로운 연계 개 폐기는 존재하지 않기 때문에 부하융통 탐색 과정은 중단된다.
단계 2] 새로운 계통구성 하에서 정전 무 전압을 경험하는 FRTU들 이 HR 2]를 기반으로 연계 개폐기 여부를 확인한다. 다음, FRTU들은 단계 1]과 동일한 과정을 반복한다. 그림 4에서 새로운 연계 개폐기 {S4} 중 HR 2]를 만족하는 개폐기들이 존재하지 않기 때문에 자율적 부 하융통작업은 종료된다.
3. 시뮬레이션 환경
본 연구에서는 부하 균등화를 추구하는 자율적 부하융통 전략을 제안 하였다. 따라서 제안된 전략의 유효성을 보이기 위해서는 부하분담 균등 화의 정도가 검토돼야 한다.
6 Tr1
Tr2 Tr4
CB1
CB2
CB3
CB5
CB6 F1
F2
F3
F5
F6 P2 P3 P4 P5 P6 S23 P20 P19
S30 S32 S34 S36 S38 S39
S50 S58 S56S55 S53 S51
P69 P P72 P85 P81P80
S78 S1
P10 P12 P14 S27
P11 S13
S15 S29 S28 S26
S41 S42
S43
S62 S61
S60
S67
S45 S47 S66
S63
P77
P49
P P73
2 3 1 4
3 2 4 1
3 2 4 1 3 2
4 1 3 2 4 1 3 2 4 1 P84P83 P82 3 2 4 1
4 3 1 2 1 3 4 2
2 3 1 4 2 3
1 4 2 3 1 4 3 4 2 1
2 3 1 4 3 4 2 1 4 3 1 2 P76
P46 P48 P65
1 4 3 2 1 4
3 2 1 4 3 2 1 4
3 2 1 4 3 2
1 2 4 3 1 2 3 4
1 3 4 2 1 4 3 2 1 4 3 2
P7 P8
1 2 4 3
4 3
2 1 3 2
4 1 P9D24 S22D21
D31 D35
D44
D37 D52
D33
D68 D79
S64 S86
P74 2 3 1 4
P75 2 3 1 4
1 2 3 4 5 6 7 8 9
11 12
10
13 14 15
28 24
30 29
CB4 S25
F4 P18D17S16
19 4 1 3 2 4 1 3 2 1 4
3 2
20 21 22 23 25 26
27 4 1
3 2 16 17 18
31 32 33 35
37 34
36 38 39 40
41 42 43
44 45 46
47
48 49
50 51 52 53
54 55
56 57 58 59 60 61
62 63 64 65 66 67 68
69 70
72 71
73 74
75 76 7778
79 80 81 82 83 84
87 88 89
90
91 93 92 94 96 95 97 98 100 99
101 102 104
103 106 105
Tr3
P87
D40 D57 D54
D59
70 71
85 86
6 Tr1
Tr2 Tr4
CB1
CB2
CB3
CB5
CB6 F1
F2
F3
F5
F6 P2 P3 P4 P5 P6 S23 P20 P19
S30 S32 S34 S36 S38 S39
S50 S58 S56S55 S53 S51
P69 P P72 P85 P81P80
S78 S1
P10 P12 P14 S27
P11 S13
S15 S29 S28 S26
S41 S42
S43
S62 S61
S60
S67
S45 S47 S66
S63
P77
P49
P P73
2 3 1 4
3 2 4 1
3 2 4 1 3 2
4 1 3 2 4 1 3 2 4 1 P84P83 P82 3 2 4 1
4 3 1 2 1 3 4 2
2 3 1 4 2 3
1 4 2 3 1 4 3 4 2 1
2 3 1 4 3 4 2 1 4 3 1 2 P76
P46 P48 P65
1 4 3 2 1 4
3 2 1 4 3 2 1 4
3 2 1 4 3 2
1 2 4 3 1 2 3 4
1 3 4 2 1 4 3 2 1 4 3 2
P7 P8
1 2 4 3
4 3
2 1 3 2
4 1 P9D24 S22D21
D31 D35
D44
D37 D52
D33
D68 D79
S64 S86
P74 2 3 1 4
P75 2 3 1 4
1 2 3 4 5 6 7 8 9
11 12
10
13 14 15
28 24
30 29
CB4 S25
F4 P18DD1717SS1616
19 4 1 3 2 4 1 3 2 1 4
3 2
20 21 22 23 25 26
27 4 1
3 2 16 17 18
31 32 33 35
37 34
36 38 39 40
41 42 43
44 45 46
47
48 49
50 51 52 53
54 55
56 57 58 59 60 61
62 63 64 65 66 67 68
69 70
72 71
73 74
75 76 7778
79 80 81 82 83 84
87 88 89
90
91 93 92 94 96 95 97 98 100 99
101 102 104
103 106 105
Tr3
P87
D40 D57 D54
D59
70 71
85 86
<그림 3> 성능평가를 위한 시험 배전 시스템
차후, 가공 및 지중 배전계통을 포함하는 배전계통 모델[14,15]에 대해 서 제안된 전략의 부하 균등화 정도가 계속적으로 검증될 예정이다.
4. 결 론
본 연구에서는 기존 중앙제어방식의 고장구간 분리 및 복구 시 문제 점을 해소하기 위해 새로운 시도로서 이더넷 통신기반의 자율적 고장복 구 알고리즘을 제안하였다. 각 FRTU들은 모든 정전 무 전압 경험 개폐 기들이 개방되어 분하분할이 이루어지도록 하였다. 그리고, 각 연계 개 폐기 FRTU들이 동시에 자율적으로 자기의 부하융통 영역들을 결정하 도록 함으로서 전전시간을 최소화함은 물론, 합리적인 범위 내에서 부하 분담 균등화가 얻어지도록 설계하였다. 차후 제안된 전략의 유효성을 검 증하기 위해서는 주어진 시험 배전계통하에서 다양한 고장사례에 대해 기존 배전계통 재구성 알고리즘과 제안된 전략에 대한 부하 균등화 지 비교 연구가 계속돼야 할 것으로 판단된다.
[참 고 문 헌]
[1] Castro, C. H., J. B. Bunch, and T. M. Topka, "Generalized Algorithms for Distribution Feeder Deployment and Sectionalizing," IEEE Trans. on Power Apparatus and Systems, Vol. PAS-99, No. pp. 549-557, March/April 1980.
[2] Aoki, K., H. Kuwabara, T. Satoh, and M. Kanezashi, "An Efficient Algorithm for Load Balancing of Transformers and Feeders by Switch Operation in Large Scale Distribution Systems," IEEE Trans. on Power Delivery, Vol. 3, No. 4, pp. 1865-1872, October 1988.
[3] Aoki, K., K. Nara, M. Itoh, T. Satoh, and H. Kuwabara, "A New Algorithm for Service Restoration in Distribution Systems,"
IEEE 89 VM 085-2 PWRD. 1989.
[4] Civanlar, S., J. J. Grainger, H. Yin, and S. S. H. Lee,
"Distribution Feeder Reconfiguration for Loss Reduction," IEEE Transactions on Power Delivery, Vo. 3, No. 3, pp. 1217-1223, July 1988.
[5] M. E. Baran, and F.F Wu, "Network Reconfiguration in Distribution Systems for Loss Reduction and Load Balancing", IEEE Trans. On PWRD, Vol. 4, pp. 1401-1407,1989
[6] D. Shirmohammadi, and H.W. Hong, Reconfiguration of Electric Distribution Networks for Loss Reduction", IEEE Trans. on Power Apparatus And Systems, Vol. 4, No. 2, pp. 1492-1498, 1989.
[7] Taylor T. and D. Lubkeman, "Implementation of Heuristic Search Strategies for Distribution Feeder Reconfiguration," IEEE Trans. on Power Delivery, Vol. 5, No. 2, pp 239-246, January 1990.
[8] C. A. Jr. Castro, C. A. and A. A. Watanabe, "An Efficient Reconfiguration Algorithm for Loss Reduction of Distribution", Electric Power Systems Research, Vol. 19, pp. 137-144, 1990.
[9] T. P. Wagner, A. Y. Chikhani and R. Hackam, "Feeder Reconfiguration for Loss Reduction: An Application of Distribution Automation", IEEE Trans. on PWRD, Vo. 6, No. 4, pp. 1922-1933, 1991.
[10] Communication Networks and Systems in Substations, IEC 61850, 2003, First edition.
[11] Juancarlo Depablos, "Internet Peer-to-Peer Communication Based Distribution Loop Control System", Master of Science in Electrical Engineering, 2003.
[12] Nordman, M., and Lehtonen, M., "An Agent Concept for Managing Electric Distribution Networks", IEEE Trans. Power Delivery, Vol. 20, No. 2, pp. 696-703, April 2005.
[13] Yun-Seok Ko, "The FRTU-based Intelligent Fault Location Determination strategy in Ubiquitous based Distribution Systems", Journal of Electrical Engineering &Technology, Vol.3, No. 2, pp. 192-198, 2008.
[14] 고윤석, "배전계통의 다양한 이벤트들을 고려한 선로자동화 소프트 웨어 개발", 전기학회논문지, Vol. 52A, No. 8, pp. 463-470, 2003년 8월.
[15] Yun-Seok Ko, "A Self-Isolation Method for the HIF Zone under the Network-based Distribution System", IEEE Trans. on Power Delivery, Vol. 24, No. 2, pp. 884-891, 2009. 4.
