Pre-Fault Voltage Discrimination and Time-Domain Protection for Distribution Networks with Inverter-Based Resources

기술 요약: 인버터 기반 자원(IBR)이 포함된 배전 네트워크를 위한 전고장 전압 판별 및 시간 영역 보호 기술

문제 정의
인버터 기반 자원(IBR)의 배전 네트워크 통합 증가는 전통적인 페이저 기반 과전류 보호(예: ANSI 51)에 중대한 도전 과제를 제기한다. 동기기와 달리 IBR은 높은 단락 전류를 공급할 수 있는 능력이 부족하며, 이로 인해 발생하는 고장 전류는 종종 기존 과전류 계전기를 트리거하기에 불충분하다. 또한, 전통적인 주파수 영역 계전기는 정확한 신호 추정을 위해 1~1.5 사이클의 데이터 윈도우를 필요로 하며, 이는 현대적 그리드 요구 사항에 미치지 못하는 감지 지연을 초래한다. 이동 파형(Traveling Waves, TW)을 활용한 시간 영역 보호 기술이 송전 시스템에서는 탐구되어 왔으나, 배전 네트워크에서의 적용은 두 가지 주요 요인에 의해 저해된다: 낮은 전압 레벨(이로 인한 작은 TW 진폭)과 정상적인 스위칭 동작 및 변압기 돌입 전류에 의해 생성된 TW와 고장 유발 TW를 구분하는 것의 어려움이다.

방법론
본 논문은 전고장 전압 판별(Pre-Fault Voltage Discrimination, PVD) 전략을 중심으로 하는 시간 영역 보호 알고리즘을 제안한다. 이 방법론은 고장의 진화를 세 단계로 분해한다: 첫 번째 고장 파면(wavefront)의 도착, TW의 반사, 그리고 정상 상태의 집중 정수(lumped parameter) 거동으로의 전이.

핵심 알고리즘은 다음과 같은 3단계 과정을 통해 작동한다:

1. 이동 파형 감지 (Step I): 절대적인 TW 진폭에만 의존하는 방식은 낮은 크기의 TW에 대해 신뢰도가 떨어질 수 있으므로, 알고리즘은 전압의 변화율($dV/dt$)을 모니터링하여 TW의 도착을 감지한다. 정상 상태 운영 중의 최대 역사적 $dV/dt$로부터 도출된 임계값을 초과하는 순간적인 전압 변화가 발생하면 TW가 플래그(flag)된다. 이 접근 방식은 절대적인 TW 진폭과 무관하다.
2. 비 스위칭 이벤트에 대한 고속 트리핑 (Step II): TW가 감지되면, 알고리즘은 TW 진폭($V_{TW}$)과 전고장 전압($V(t-1)$)의 비율인 이동 파형 전고장 전압 비율(TWPV)을 계산한다.
   • TWPV가 높고(통상 $\ge 1$), TW의 극성이 전고장 전압과 반대인 경우, 해당 이벤트는 고장으로 분류되어 즉시 트리핑 신호가 발행된다.
   • 전고장 전압이 0에 가까운 경우(낮은 TWPV 시나리오), 수치적 오류나 작은 신호 노이즈로 인한 오작동을 방지하기 위해 검증 지연(verification delay)을 적용한다.
3. 돌입 전류 및 스위칭 판별 (Step III): 초기 TW 감지(Step I)를 트리거했으나 TWPV 기준을 통과하지 못한 이벤트의 경우, 고장과 변압기 돌입 전류를 구분하기 위해 비선형성 체크를 수행한다.
   • 알고리즘은 짧은 시간 윈도우($\Delta \tau_3$) 동안 최소자승법(least-squares fit)을 사용하여 예상되는 선형 RL 회로의 전류 응답을 모델링한다.
   • 측정된 전류와 추정된 선형 모델 사이의 제곱 오차 합(SSE)을 계산한다.
   • 고도로 비선형적인 변압기 돌입 전류는 선형적인 고장 응답에 비해 현저히 높은 SSE를 생성한다. SSE가 임계값 미만이면 해당 이벤트는 고장으로 확인되며, 그렇지 않으면 돌입 전류 또는 스위칭 이벤트로 간주되어 거부된다.
   • TW 감지가 실패하는 경우(예: 전압 제로 교차점에서 시작되는 고장)를 대비하여 백업 과전류 감독(Overcurrent Supervision) 요소가 포함되어 있다(단, 본 논문은 정확한 제로 전압 고장은 실질적으로 불가능하다고 언급하였다).

주요 기여

• 전고장 전압 판별 (PVD): 본 논문은 고장 감지($dV/dt$를 통한)와 고장 판별(TWPV를 통한)을 분리하는 전략으로서 PVD를 도입한다. 이를 통해 낮은 전고장 전압이나 IBR의 제한으로 인해 TW 진폭이 작더라도 빠른 고장 감지가 가능하다.
• 시간 영역 돌입 전류 판별: 저자는 고조파 분석에 필요한 긴 데이터 윈도우 없이도 SSE 분석을 통해 변압기 돌입 전류와 고장을 구분하는 시간 영역 방법을 제안한다.
• 통합 프레임워크: 이 접근 방식은 초기 파면부터 정상 상태에 이르기까지 다양한 시간 범위에 걸친 고장 분석을 통합하여, 네트워크 파라미터(선로 임피던스 등)에 대한 사전 지식 없이도 속도와 보안성을 향상시킨다.

결과
제안된 알고리즘은 다음 두 가지 주요 방법을 통해 검증되었다:

1. 오프라인 시뮬레이션 (EMTP): PV 유닛이 연결된 수정된 IEEE 34-노드 테스트 피더에서 테스트가 수행되었다. 알고리즘은 모든 시뮬레이션된 고장 유형(고저항 및 저각 고장 포함)을 수십 마이크로초에서 수 밀리초 이내에 성공적으로 감지했다. 결정적으로, 피더 가압/탈전 및 PV 변압기 가압(돌입 전류)을 포함한 모든 정상 스위칭 이벤트를 정확하게 차단하여 높은 보안성을 입증했다.
2. 컨트롤러 하드웨어 인 더 루프 (C-HIL) 실시간 시뮬레이션: 알고리즘은 배터리 저장 시스템(GFM 모드)이 있는 독립형 마이크로그리드의 실시간 시뮬레이터에 연결된 제어 카드에 구현되었다. 90.9 kHz의 샘플링 레이트(상용 송전 계전기보다 낮음)를 사용하여 시스템은 다음과 같은 성능을 보였다:
   • 신뢰성(Dependability): 시작 각도가 $4^\circ$만큼 낮은 고장도 10ms 이내(과전류 백업을 통해) 또는 그보다 빠르게(TW 요소를 통해) 감지되었다.
   • 보안성(Security): 그리드 연결 이벤트 및 부하 변동을 포함한 정상 스위칭 동작이 오작동을 일으키지 않았다.
   • 속도(Speed): 제안된 방법은 감지에 25ms에서 120ms 이상이 소요되는 시뮬레이션된 ANSI 51 역계수 과전류 계전기에 비해 현저히 우수한 성능을 보였다. 제안된 방법은 고각 고장에 대해서는 1ms 미만, 저각 고장에 대해서는 10ms 미만 내에 고장을 감지했다.

의의
본 논문은 제안된 PVD 전략과 시간 영역 알고리즘이 IBR이 풍부한 배전 네트워크를 보호하는 데 있어 발생하는 핵심적인 격차를 해결한다고 주장한다. 전압의 절대 진폭이 아닌 전압의 변화율을 활용함으로써, 이 방법은 IBR 특유의 낮은 고장 전류 문제를 극복한다. 시간 영역 비선형성 체크의 통합은 고조파 분석의 지연 없이 고장과 변압기 돌입 전류를 구분하는 강력한 메커니즘을 제공한다. 저자들은 이 접근 방식이 두 가지 형태의 오프라인 및 실시간 하드웨어 시뮬레이션을 통해 검증되었으며, 전통적인 과전류 보호보다 더 빠르고, 안전하며, 신뢰할 수 있는 대안을 제공한다고 단언한다. 향후 연구 과제로 다중 엔드 및 메쉬 네트워크로의 확장 가능성을 제시하였다.