전기설비 2007/12 73

1. 서 론

케이블 접속함은 지하전력구에서의 사고발생 원인

중 하나로 분석되고 있으며 이를 방지하기 위한 많

은 연구들이 진행되고 있다. 접속함 사고의 부분

은 시공 불량 등으로 포설 초기에 발생하는 경우가

많아, 접속함을 설치한 후 부분방전을 검출할 수 있

도록, 접속함 내부에 금속 포일 센서를 설치하여 고

주파 역에서 부분방전을 측정하는 기술이 연구되

고 있다.

전력설비가 설치된 후 안정적인 전력 공급을 위해

서는 설비에 한 지속적인 감시가 이루어져야 한

다. 현재 이를 위해 광케이블을 이용하거나 PLC와

같은 유선 통신망을 이용한 다양한 감시 시스템이

연구되고 있다.

장 감시의 목적 이외에도 송전선로를 최 한으로

활용할 수 있도록 광케이블을 이용하여 송전 케이

블의 열적 상태에 따라 실시간으로 송전 최 허용

전류를 산정할 수 있는 시스템에 한 연구도 진행

되고 있다. 그러나 이러한 방식은 통신을 위한 고가

의 장비들이 필요하며 설치 및 유지보수를 위해 많

은 비용을 필요로 하게 되어, 고장 위험이 높은 일

Dissertation

최근 들어 친환경적인 요인으로 인하여 도심지역의 송전선로는 지하전력구, 맨홀 등을

이용하여 지중화 되고 있다. 현재 지하전력구를 통한 송전을 위해 XLPE(Cross linked

polythylene) 케이블의 한 종류인 CV 케이블을 주로 사용하고 있다. 이러한 케이블은 제

작 및 운반의 편의성을 위해 500m 이내의 길이로 생산되며, 이로 인해 케이블의 연결지

점마다 접속함을 시공하게 된다.

무선센서를이용한지하전력구의

케이블접속함표면온도감시시스템개발

A Development of Surface Temperature Monitoring System for Underground Tunnel Cable Joint using Wireless Sensor

김 일∙송재주∙신진호∙이봉재∙조선구

한국전력공사 전력연구원

강용철 부교수

전북 학교

소순홍

전북 학교

정태

전북 학교

장성일 교수

전북 학교

김용균 표

한국IED Eng

전기설비 2007/12 75

쉬 네트워크 구조를 생성하고 관리할 수 있는 기능

을 제공하며, 네트워크 환경에 한 숙련된 기술자

의 설치 작업 없이도 스스로 네트워크를 구성하여

운 할 수 있는 자가망구성(self-forming)과 자가치

료(self-healing) 능력을 가지고 있다.

ZigBee와 같은 저비용 및 저전력의 안정화된 통신

장비들이 나타나면서 무선센서 네트워크는 기존에

유선 통신으로 운 되고 있는 시스템들을 무선 통

신으로 체하여 설비의 구축비용과 유지보수 비용

을 폭 절감하고, 손쉽게 현장에 적용할 수 있게

되었다.

이러한 무선센서 네트워크를 안정적으로 운 하기

위해서는 꼭 풀어야 할 두 가지 사항이 있다. 하나

는 제한된 배터리를 이용하여 동작하게 되므로 응

용 프로그램에 최적화된 라우팅 알고리즘 개발을

통한 통신 전력 소모를 최소화 하는 것이며, 다른

하나는 장비 자체의 전력 소모를 줄이는 것이다. 이

러한 기술은 무선센서 네트워크를 이용한 시스템

설계 시에 가장 중요한 요소가 된다.

일반적으로 지금까지의 무선 네트워크는 그림1과

같이 특정지역에 임의로 배치되는 센서노드들에

한 효과적인 통신 프로토콜인 Ad hoc 방식을 주로

연구하고 있다.

그러나 송전철탑이나 지하전력구와 같은 전력설비

는 직선형으로 이루어져 있어 송전선로를 따라 설

치되는 센서노드들에 효과적인 통신 프로토콜에

한 연구가 필요하다.

송전선로 감시를 위한 무선 네트워크는 전력선을

따라 노드 간에 전파가 안정적으로 도달할 수 있는

거리마다 노드를 설치하게 된다. 이러한 경우 하나

의 노드에서 통신이 가능한 노드는 자신의 전후에

위치한 두 개의 노드뿐이게 되며 라우팅 방식도 Ad

hoc 네트워크 방식과는 달리 단순한 형태를 갖게 된

다.

따라서 Ad hoc 네트워크와 같이 통신 가능한 거

리의 노드들에 한 라우팅 테이블을 작성하고 또

다른 후보를 찾아내는 등의 프로토콜을 사용하는

방식은 의미가 없게 된다.

3. 접속함 온도감시시스템 설계

3.1 요구사항 분석

본 연구에서는 무선센서 네트워크를 이용하여 지

하전력구 내의 케이블 접속함의 표면온도를 감시하

기 위해 현장 기술자들과 협의를 통해 요구사항을

분석하 다. 지하전력구의 경우 선로의 안정적인 운

을 위해 전력케이블의 온도 및 전력구내의 기

온도, 유해가스, 침수여부 등의 정보를 파악하는 것

이 중요하다.

특히 케이블 접속함의 경우에는 케이블과 케이블

을 연결한 부분으로, 현장에서 두 케이블의 절연층

을 제거한 후 도체와 도체를 맞닿도록 연결하고, 외

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부 지역에만 활용되고 있는 실정이다.

최근에는 IT기술 및 무선통신 기술의 발달로 인해

유비쿼터스 컴퓨팅에 한 연구가 활발히 진행되면

서 전력산업 분야에서도 다양한 기술이 도입되고

있다. 특히 무선 네트워크 기술은 손쉬운 설치와 저

렴한 가격으로 인하여 많은 분야에서 활발한 연구

가 진행되고 있다.

본 연구에서는 지하전력구 내에 위치한 접속함에

한 표면온도 감시시스템을 개발하 다. 이 시스템

은 접속함의 중앙과 양끝의 표면온도를 온도센서를

통해 취득하고 이를 무선 네트워크를 통해 수집기

로 전달하며, 수집기에서 유선 인터넷 망을 이용하

여 서버로 데이터를 전달하도록 개발되었다. 데이터

취득 및 중계를 위한 센서노드는 IEEE 802.15.4 기

반의 무선 통신을 이용하여 지하전력구와 같은 직

선형의 네트워크 구조에 맞도록 직선형 라우팅 방

식을 이용한다.

또한 설치의 용이성을 위해 별도의 외부전원을 갖

지 않고 배터리 만으로 매 15분마다 센싱하여 2년

이상 사용할 수 있도록 개발하 다.

2. 지하전력구의 특성을 고려한 통신방식 비교

검토

지금까지 설비에 한 감시를 위해 가장 안정적인

통신망을 확보하는 방법은 유선망을 설치하는 방식

이었다. 무선의 경우 주위 환경의 향을 많이 받아

안정적인 통신망 확보가 어려우며, 장비를 운 하는

데 있어 많은 불편함이 있었다. 그러나 최근 들어

무선 네트워크 기술이 급격히 발달하 으며, 유비쿼

터스 컴퓨팅과 연관되어 저비용 및 소형화된 장비

들이 많이 개발되었고, 이를 통해 많은 분야에서 활

용되고 있다. 현재 무선 네트워크를 구성하기 위해

보편적으로 사용되는 기술은 WiFi와 Bluetooth,

ZigBee 등을 들 수 있다. WiFi의 경우에는 IP 기반

의 인터넷 접속을 목적으로 하는 경우에 주로 많이

사용되며 전력 소모가 많아 자체적으로 상용 전원

을 갖고 있어야 동작이 가능하므로 무선 센서 네트

워크로 사용하기에는 적합하지 않다.

Bluetooth의 경우에는 근거리에서 유선으로 연결

된 장치들을 무선으로 동작하기 위한 목적으로 많

이 사용되고 있다. 이 기술은 마스터/슬레이브 방식

의 MAC 프로토콜을 이용하여 저전력으로 전자 장

치들 간의 짧은 거리의 무선 통신을 가능하게 한다.

그러나 이 기술 또한 WiFi에 비해 훨씬 적은 전력

을 소모한다 하더라도 높은 복잡도와 비교적 높은

전력 소모로 인해 무선센서 네트워크를 구성하기에

는 적합하지 않다.

표1은 앞에서 살펴본 세 가지 단거리 무선 통신

방식에 한 비교 내용을 보여준다.

ZigBee는 비교적 최근인 2004년 연구가 시작된 기

술로 저렴한 비용으로 저전력 센서와 제어장치간의

간단하고 효과적인 무선 네트워크 연결을 지원한다.

ZigBee는 짧은 거리에서 활용되는 무선 프로토콜인

IEEE 802.15.4 표준의 강점을 이용하여 유연한 매쉬

네트워킹과 강력한 보안 툴, 잘 정의된 프로그램 프

로파일, 완벽한 상호연동성 및 인증 프로그램을 제

공하고 있다.

ZigBee 네트워크 스택은 IEEE 기반의

RF/PHY/MAC의 상위에 위치하여 스타와 트리, 매

논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문

표 1. 단거리 무선 통신 방식 비교

그림 1. Ad hoc 라우팅과 직선형 라우팅

구분 WiFi Bluetooth ZigBee

표준 802.11a/b 802.15.1, 802.15.2 802.15.4

포럼 WiFialliance.com Bluetooth.com Zigbee.org

통신거리 300m 30m 10~75m

전송용량 54Mbps 1Mbps 250kbps

응용분야 SOHO, 인터넷무선키보드,

해드셋무선 센서

전기설비 2007/12 77

(router node)를 설치하 다.

중계노드는 단순한 데이터의 전달 뿐 아니라 지하

전력구 내의 기온도를 측정할 수 있도록 하여 화

재 발생으로 인한 기온도의 변화를 감지하여 화

재경보기의 역할도 수행할 수 있다. 또한 지하전력

구의 특성상 특별한 통신 수단을 설치하지 않을 경

우 외부와의 연락이 어려워 순찰자에게 이동이 불

가능한 사고가 발생할 경우 긴급함을 알릴 수 있는

통신 수단이 부족하다. 이러한 경우 작업자에게 스

위치가 부착된 태그를 발급하고 이를 동작시켜 위

험을 알리고 도움을 요청하는데 사용할 수 있도록

하 다.

4. 접속함 온도감시시스템 개발

4.1 무선 센서노드의 개발

지하전력구내의 정보 수집 및 전달을 위해 그림 3

과 같이 크게 3가지 형태의 노드를 개발하 다. 첫

번째는 다양한 센서를 부착하여 정보를 수집하는

센서노드로 접속함의 표면온도를 측정하는 표면온

도 센서노드와 다양한 가스 센서노드들 이다. 두 번

째는 센서노드들로부터 수집된 정보를 수집노드에

게 전달하기 위한 중계노드로 데이터 전달 기능 이

외에도 기온도 측정 및 순찰자의 위치정보를 수

집한다. 마지막은 수집노드로 무선을 통해 전달된

데이터를 유선 인터넷 망을 이용하여 서버로 전송

하는 역할을 수행한다.

본 연구에서 개발된 무선 센서노드는 저전력 통신

을 위해 IEEE 802.15.4 기반의 무선 프로토콜을 사

용한다. 메인보드는 128K 내부 메모리를 갖는 8비트

Atmega128(L) 마이크로 컨트롤러를 이용하 으며,

센서와는 TWI (two-wire serial interface)를 이용하

여 연결된다. 표면온도 센서노드의 경우에는 정 도

를 높이기 위해 LM92 온도센서를 사용하 고, 기

온도 센서노드인 중계노드의 경우에는 이보다 정

도가 낮은 LM61 온도센서를 사용하 다.

표면온도 센서노드의 하드웨어 구성도는 그림 4와

같다. 수집노드는 무선 네트워크의 동기를 맞추기

위해 주기적으로 동기화 패킷을 발신하며, 무선으로

수집된 데이터를 인터넷을 통해 서버로 전송해야

되므로 외부에서 상용전원을 공급받게 된다. 중계노

드의 경우에는 주기적인 sleep & wake up을 통해

저전력 모드로 동작하게 되므로 AA 건전지 2개를

부착하 고, 표면온도 센서노드 및 가스 센서노드의

경우에는 센서 수가 많고 소모 전력이 높으므로

AA 건전지 4개를 부착하 다.

4.2 무선 네트워크의 구성

저전력을 구현하기 위해 무선 센서노드는 그림 5

와 같이 세 단계로 상태를 변화하면서 sleep &

wake up 방식으로 동작하게 된다. sleep & wake up

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부에 절연층과 차폐층을 설치하게 된다. 이때 시공

이 잘못 될 경우 절연층에 공극이 발생할 가능성이

높게 된다.

활선상태의 케이블은 부하가 높아짐에 따라 도체

의 온도가 증가하여 도체가 팽창하게 되며, 반 로

부하가 낮아지면 도체가 수축하게 된다. 이러한 팽

창과 수축이 반복되면 접속함 내의 절연층에 공극

이 발생하게 되며, 공극으로 인해 부분방전이 발생

하게 되고, 부분방전이 많은 지역의 접속함의 온도

가 주위보다 높아지게 된다.

현재 접속함 감시를 위해 부분방전 측정 장비를

통해 이상 유무를 점검하거나, 온라인 연속 측정을

통해 케이블의 노화 진행 정도를 파악하는 방식이

연구되고 있다.

그러나 이러한 방식은 고가의 계측장치를 필요로

하고 있으며, 온라인 감시를 위한 통신망 구축비용

이 문제가 되어 일부 과부하 지역에서만 제한적으

로 운 되고 있는 실정이다.

접속함 감시를 위해 현장에서 일반적으로 사용하

는 방식은 적외선 열화상 카메라를 이용한 점검방

식이다. 순시점검자가 주기적으로 접속함의 표면온

도를 열화상 카메라로 측정하여 접속함의 이상온도

발생여부를 확인하고 접속함의 온도차가 5℃ 이상

나타나게 될 경우에 문제가 발생한 것으로 판단하

고 추적진단 하게 된다.

열화상 카메라를 이용한 순시방식은 활선상태에서

휴 형 장비를 이용하여 접속함의 열화정도를 손쉽

게 파악할 수 있어 효과적이지만, 많은 인력이 소모

되며, 수동적인 검점으로 인해 잦은 점검 누락 등이

발생하여 지속적인 감시가 이루어지지 않는 문제점

이 있다.

최근 들어 환경적인 요인으로 인하여 지중화 선로

들이 많아지고, 고장도 많이 발생되고 있어 실시간

감시를 위한 시스템에 한 요구가 더욱 증가하고

있다.

3.2 시스템 설계

본 연구에서는 접속함에 한 안정성 확보를 위해

순시점검자에 의한 수동적인 방식의 감시가 아니라,

사무실에서 접속함에 장착된 센서노드의 표면온도

측정 데이터를 무선 네트워크를 통해 상시 감시할

수 있는 표면온도 감시시스템을 설계하 다.

지하전력구는 외부와 전파적으로 차단되어 전파간

섭 등이 적고, 부분의 구간이 직선형 터널로 이루

어져 있어 전파를 방해하는 장해물도 적어 무선을

적용하는데 있어 효과적인 환경을 제공한다. 표면온

도 측정을 위한 센서는 ±0.33℃의 오차를 갖고 접

속함의 3부위에 표면온도를 15분 간격으로 측정하도

록 하 다. 무선 센서노드를 개발하는데 가장 중요

한 설계 요인 중 하나는 전원의 수명이며, 제한된

배터리를 이용하여 노드를 개발하는 경우에 초절전

모드로 장비들이 동작한다고 가정하면 수명을 결정

짓는 가장 중요한 요인이 측정주기 및 통신주기가

된다. 본 연구에서는 한번의 설치로 최소 2년간 배

터리의 교환 없이 사용할 수 있도록 측정주기를 결

정하 다.

지하전력구에서는 접속함의 표면온도 외에도, 전

력구내의 기온도, 황화수소, 일산화탄소 등의 유해

가스의 존재여부도 중요한 감시요인이 된다.

본 연구에서는 그림2와 같이 다양한 센서노드를

통해 수집된 데이터를 지하전력구 입구에 설치된

수집노드(base station)로 전달하기 위해 중계노드

논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문

그림 2. 접속함 온도감시시스템 개념도

그림 3. 무선 센서노드 사진

그림 4. 표면온도 센서노드의 하드웨어 구성도

전기설비 2007/12 79

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방식은 수집노드가 일정시간 간격으로 동기화 패킷

을 전송하면, 중계노드 및 센서노드가 이 패킷을 수

신하고 동기를 맞추어 저전력 모드로 기하게 된

다.

저전력 모드의 경우에는 노드를 구동하기 위한 최

소의 전원만을 사용하고 무선장비 및 센서장비의

전원을 차단하는 방식으로 이 기간동안에는 외부에

서 전송되는 무선데이터를 수신할 수 없게 된다. 따

라서 모든 센서노드가 동기를 맞추어 같은 시간에

깨어나서 데이터를 전송하고 같이 통신을 끝내는

동기화가 중요하다. 동기를 맞추기 위해 센서노드가

설치되어 처음 전원을 켜게 되면, 주위에 존재하는

노드에게 네트워크에 조인(join)을 위한 메시지를 일

정 시간 간격으로 전송하게 된다. 이 메시지는 이미

네트워크를 구성하고 있는 부모 노드들을 거처 수

집노드에 도착하며, 수집노드는 조인에 한 수락을

해당 노드에 전달하게 되며, 이후에는 수집노드에서

주기적으로 동기화 메시지를 발신하게 되어 해당

네트워크에 센서 노드들 간의 동기를 관리하게 된

다.

중계노드들 간의 통신은 따로 동적인 라우팅 테이

블을 구성하지 않는 직선형 라우팅을 이용하 다.

케이블을 따라 설치된 중계노드는 전파도달 거리

내에 전방과 후방에 놓인 두 개의 중계노드만 존재

하게 된다. 따라서 최종 수집노드에 가까운 중계노

드부터 노드ID를 증가하도록 부여하고, 각 노드는

메시지를 전송할 때 발신노드ID와 수신노드ID, 전송

할 데이터를 발신하게 되면 주위의 중계노드가 자

신의 노드ID와 비교하여 자신이 계속 중계할 것인

지, 무시할 것인지를 판단할 수 있게 된다. 예를 들

어‘발신노드ID > 자신노드ID > 수신노드ID'인 경우

수집노드에게 중계를 하게 되며, ‘발신노드ID, 수신

노드ID > 자신노드ID'인 경우에는 자신이 중계할 필

요가 없으므로 무시하게 된다. 이러한 직선형 네트

워크 방식은 라우팅 테이블을 사용할 필요가 없어

직선형으로 운 되는 전력설비에 한 감시에 효과

적이다.

4.3 무선 센서노드의 현장 설치 및 운

본 연구를 통해 개발된 무선 센서노드는 한전에서

운 중인 지하전력구에 그림 6과 같이 시험적으로

설치, 운 하 다.

수집노드를 통해 수집된 데이터는 인터넷을 이용

하여 TMS (Temperature Monitoring System for

논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문

Cable Joint)로 전송되고, 한전에서 운 중인 TGIS

(Transmission and Substation Geographic Information

System)로도 전송된다.

지하전력구의 운 자는 TMS가 제공하는 웹 화면

을 통해 접속함의 이상온도 발생여부를 실시간으로

감시할 수 있게 된다. 웹 화면은 그림 7과 같이 지

리정보기반의 도면위에 각 중계노드 및 센서노드들

을 표시하고 이들의 정상동작 여부를 일정주기 간

격으로 갱신하여 보여주게 된다. 또한 작업자 태그

가 동작할 경우 작업자와 가장 가까운 센서노드를

표시해 줌으로써, 작업자의 위치 파악이 가능하게

된다. 또한 각 측정 데이터에 해 사용자가 설정한

수치를 초과할 경우에는 사용자에게 알람 메시지를

발송하는 기능도 갖추고 있다.

4.4 데이터 분석 및 수명 예측

그림 8은 특정시간에 기온도 센서노드를 통해

수집된 기온도의 변화를 나타낸 그래프이다.

변전소 지하의 지하전력구 입구의 온도는 약 9℃

이며, 많은 수의 T/L과 D/L이 집되어 운 되고

있는 구간에서는 집된 선로에서 발생하는 열로

인해 20℃가 넘는 높은 기온도를 보이고 있으며,

이후 선로가 분기되어 5개의 T/L만 설치된 구간에

서는 12℃ 정도의 기온도를 보이고 있다. 실험적

으로 설치된 구간에 금속형 방화문으로 닫혀 있는

부분에서도 약 10m 거리까지 전파가 방화문을 통과

할 수 있어 벽에 의해 정보가 차단되지 않고 정상적

으로 전달되었다.

그림 9는 케이블 접속함에 설치한 표면온도 센서

노드를 통해 24시간 동안 표면온도의 변화를 측정한

그래프이다.

측정에 사용된 T/L은 공단에 전력을 공급하는 선

로로서, 공장의 부하 사용량이 높은 오전 9시부터

오후 10시까지의 온도가 상 적으로 높게 나타나고

있다.

또한 접속함의 양쪽 끝 부분인 A와 C 지점의 온

도가 접속함의 중앙 부분인 B지점에 비해 약

0.6~1.1℃정도 높게 측정되었다.

그림 5. 센서노드의 상태변화

Wake up

Sleep(15분)

Sensing(1초)

Transfer(8초)

전송완료

전송Sync신호에 맞추어 전송 시작

그림 6. 무선 센서노드의 지하전력구 설치 모습

그림 8. 설치위치별 기온도 변화 그래프

그림 9. 케이블 접속함의 표면온도 변화 그래프

그림 7. 웹을 이용한 지하전력구 감시 화면

표 2. 직선형 라우팅 방식

노드ID 비교조건 행 동

발신노드ID > 자신노드ID > 수신노드ID메시지 전송

(수집노드 방향)

발신노드ID < 자신노드ID < 수신노드ID메시지 전송

(수집노드 반 방향)

자신노드ID = 수신노드ID자신에게 도착한 메시

지 처리

발신노드ID, 수신노드ID > 자신노드ID 메시지 전송 않음

발신노드ID, 수신노드ID < 자신노드ID 메시지 전송 않음

전기설비 2007/12 81

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논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문

이는 접속함의 중앙부위가 양쪽 끝부분에 비해 훨

씬 두꺼운 절연층을 갖고 있어 열전도율이 낮기 때

문이다.

기온도 센서노드와 표면온도 센서노드의 수명

예측은 센서노드의 상태변화에 따른 전류를 측정하

여 분석하 다. 센서노드는 15분 간격으로 sleep과

wake up을 반복하며 온도를 측정하고, 데이터를 전

송하게 된다. 기온도 센서노드의 경우에는 15분

동안 약 65.4μAh를 소모하게 되며, 24시간동안

6.28mAh를 소모하게 된다.

따라서 3000mAh 용량의 AA 배터리 2개를 사용

할 경우에는 2년 이상 사용이 가능하게 된다.

5. 결론 및 향후 연구

전력산업에서 안정적인 전력공급을 위해 선로에

한 감시는 중요한 요인이 되고 있다.

본 연구에서는 지하전력구 내에 위치한 접속함에

한 표면온도 감시를 저렴한 구축비용 및 유지보

수 비용으로 운 할 수 있도록 무선센서 네트워크

기술을 이용하여 접속함 온도감시시스템을 개발하

다. 유선 통신망을 구축하는 비용을 줄일 수 있도

록 무선 네트워크 기술을 이용하 으며, 별도의 외

부 전력을 설치할 필요 없이 자체 배터리만으로 2년

이상 온도를 측정할 수 있도록 저전력 센서노드를

개발하 다.

개발된 무선 센서노드를 이용하여 현장에 설치하

여 데이터를 수집, 분석하 다. 관리자가 현장 방문

없이 지하전력구의 기온도 및 접속함의 표면온도

변화를 확인할 수 있도록 웹 기반의 모니터링 화면

도 개발하 다.

현재 온도센서 이외에 다양한 가

스 센서를 부착하여 저전력으로 운

할 수 있는 방법에 한 연구를

계속하고 있으며, 전력선로와 같은

직선형 네트워크 망에 효과적인 무

선 라우팅 기법에 한 연구를 진

행하고 있다. 또한 단순한 데이터

의 수집 뿐 아니라 지하전력구에

다양한 설비들에 한 제어까지도

무선 네트워크를 통해 활용할 수

있도록 연구를 계속할 계획이다.

최근 우리나라에서는 분산전원의 도입 시, 배전계통에 끼치는 향과 문제점에 한 구

체적인 분석과 평가 없이, 분산전원의 배전계통 도입과 운용이 이루어지고 있어서, 배전계

통의 전압관리나 전력품질 등의 계통 운용상의 문제점이 야기될 가능성이 높아지고 있다.

분산전원의배전계통연계

자동판정알고리즘개발에관한연구

A Study on the Evaluation Algorithm of Distribution Systems Interconnected with Dispersed Generations

노 석 교수

한국기술교육 정보기술학부

김재언 교수

충북 학교 컴퓨터공학부

구 분 기온도 센서노드 표면온도 센서노드

Sleep시 소모전류 0.02mA 0.3mA

Sensing시 소모전류 5.0mA 8.4mA

Transfer시 소모전류 26.5mA 28.5mA

15분 소모량 65.4μAh 140.6μAh

일일 소모량 6.28mAh 13.5mAh

총 배터리량 6000mAh 12000mAh

배터리 수명 955일 889일

Sleep시 : 0.02mA ×1/4 hour = 5μAh

Sensing시 : 5mA×1/3600 hour = 1.4μAh

Transfer시 : 26.5mA ×8/3600 hour = 59μAh

표 3. 센서노드의 전력소모량

1. 서 론

규모 분산전원의 단지가 연계되는 배전계통에

서는 이들 문제점으로 인하여 일반수용가의 민원이

일어날 소지가 높아지고 있다. 일반적으로 분산전원

이 계통에 연계되는 경우, 공급신뢰도 및 전력품질

의 면에서 다른 수용가에 악 향을 끼치지 않도록

기술요건의 검토를 실시하여야 하는 데, 이들에

한 검토는 지금까지 배전계통과 분산전원에 한

전문가만이 수행할 수 있다. 또한, 전문가라 할지라

도 구체적인 분석과 평가를 위해서는 각종 데이터

의 수집이나 전문적인 S/W의 사용법을 숙지해야하

는 한계성이 존재한다. 따라서 본 논문에서는 분산

전원이 배전계통에 연계되는 경우, 계통연계 기술요

건 가이드라인 및 기술지침에 근거하여, 비전문가라

도 쉽게 사용할 수 있는 종합적인 분산전원의 배전

계통 연계용 평가시스템을 개발하 다.

본 논문에서 개발한 계통연계평가 알고리즘은 크

게 4가지의 특징을 가지고 있다. 첫 번째로는 배전

계통이나 분산전원의 비전문가라도 분산전원의 도

입에 한 동일한 평가와 분석결과를 산출할 수 있

는 표준 계통과 판정 알고리즘을 제시하 다. 이것

은 기존의 평가방법이 평가자의 개인 능력과 취득

할 수 있는 자료에 따라 상이한 평가와 결과를 산

전기설비 2007/12 83

2.2 역 조류 응형의 전압강하 계산식

(1) 종래의 전압강하 계산식의 개념

종래 배전계통의 조류는 그림 3과 같이 전원 측에

서 부하 측으로의 단 방향으로 가정하여 제4상한 만

을 고려한 전압강하를 계산해도 큰 문제점이 없었

다. 그러나 역 조류가 발생하는 분산전원이 연계되

는 경우, 조류 방향(유효전력의 방향)과 무효전력을

적정하게 반 해서 전압강하뿐만 아니라 전압상승

도 계산할 필요가 생기게 되었다.

따라서 본 연구에서는 부하전류(I)를 유효전류 분

(Ip)과 무효전류 분(Iq)으로 분해하고, 조류의 방향

과 역률을 고려하여 4개의 상한을 모두 고려한 전압

강하 계산을 수행하는 알고리즘을 개발하 다.

(2) 제안한 전압강하 계산식의 개념

그림 4와 같이 제3상한은 순 조류와 지상 역률이

존재하지 않으며, 역 조류와 진상 역률만을 고려하

여 계산할 수 있는 역이다. 따라서 전압강하는 없

고 전압상승만 존재 가능한 역이다.

한편 제1상한은 역 조류와 지상역률이 존재하지

않으며, 순 조류와 진상역률만을 고려하여 계산하는

역이다. 따라서 전압상승과 전압강하가 모두 존재

가능한 역이다. 즉 진상역률의 크기에 따라 전압

상승이나 전압강하가 모두 나타날 수 있다. 마찬가

지로 제2상한도 전압상승이나 전압강하가 모두 나

타날 수 있다.

(3) 부하분포를 고려한 전압강하 계산식의 도출

상기의 4개의 상한에 관한 전압강하 식들을 바탕

으로 평등 부하분포와 말단 집중 부하분포를 동시

에 고려하고, 각 구간에서의 유출전류와 유입전류를

개별적으로 고려하면 식 (2)와 같이 역 조류를 고려

한 전압강하 계산식을 구할 수 있다.

여기서, Isp(n) : n 구간의 유입 유효전류, Irp(n) : n 구

간의 유출 유효전류, Isq(n) : n 구간의 유입 an효전류,

Irq(n) : n 구간의 유출 무효전류, k : 비례상수, r : 구간

저항, x : 구간 리액턴스

본 논문에서 제시한 역 조류를 고려한 전압강하

계산식은 종래의 부하산정 기법을 그 로 이용할

수 있으므로 기존의 전압계산 수법과 크게 바뀌지

않아서 실용적이고 업무에의 적용에도 용이하다. 고

압 배전선에서 모든 구간의 부하(P, Q)를 계측할

수 없기 때문에, 송전계통에서 이용되고 있는 조류

계산의 적용은 곤란한 상황이다(부하 P, Q의 지정

불능). 또한, 배전선은 수지상으로 긍장이 짧아서 손

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출하는데 비하여 분산전원 도입에 따른 공평한 평

가를 내릴 수 있다는 큰 장점을 가질 수 있다. 두

번째로는 역 조류를 고려할 수 있는 전압강하계산

알고리즘을 제시하여, 4상한만을 이용한 기존의 계

산식의 단점을 보완하여, 분산전원 연계지점을 기준

으로 역률과 조류방향에 따른 전압강하뿐만 아니라

전압상승도 계산할 수 있게 하여 계산 정도를 향상

시켰다. 세 번째로는 분산전원이 연계되기 전의 배

전계통 상태를 해석할 수 있을 뿐만 아니라, 연계

전의 배전계통이 적절하지 못한 경우 이에 한

책을 제시할 수 있으며, 또한 분산전원이 연계된 배

전계통의 상태를 해석할 수 있으며, 연계 후의 배전

계통이 문제가 있는 경우에 이에 한 책을 제시

할 수 있어서 발생 가능한 4종의 계통상태를 모두

해석 및 평가를 수행할 수 있다.

2. 분산전원이 연계된 배전계통의 모델링

그림 1과 같이 22.9KV 방사상 배전계통에서는, 수

용가 전압이 보통 배전용변전소의 전압조정장치

(ULTC)에 의하여 우선적으로 조정되고, 고압 배전

선로 상에 설치되어 있는 선로전압조정장치(SVR)

에 의해서 보조적으로 조정되고 있다. 여기에 분산

전원이 고압 및 저압배전선에 연계되면, 분산전원의

역 조류와 운용상태(기동 및 탈락)를 고려한 배전계

통 전압조정 및 관리가 요구된다. 따라서 이들 분산

전원을 고려한 해석 알고리즘과 연계의 적합여부를

평가하는 알고리즘이 필요하다.

2.1 고압배전선의 모델링

그림 2와 같이 배전선을 주요 포인트(전선종류 변

경 점, 분기 선로 접속점, 전압조정장치 설치지점

등)로 분할한 배전선을“구간" 이라고 하며, 이것을

단위로 고압배전선의 부하를 모델링한다. 이 그림에

서와 같이, 고압과 저압의 최 부하의 전류추정 값

을 구간 단위로 합계하여 구간 부하를 산정하고, 각

구간 부하의 총화(추정 값) i SUM 와 송출전류(계

측 값) i SS 를 일치시키기 위하여, 식 (1)에 의하여

송출전류를 배분하여 전압강하계산에 이용하는 구

간 부하를 산출한다.

여기서, I(n) : n구간의 최종 전류, i(n) : n구간의

추정전류, i SS : 송출전류, i SUM : 각 구간의 추정

전류의 총합

상기의 I(n)을 이용하여 각 구간의 유입 및 유출

전류를 산출한다. 여기서 구간 부하를 정확하게 산

정하기 위하여 고압수용가는 계약전력을 기준으로

이용률에 따른 계수를 고려하여 구간 내 kW 부하

를 직접 합산하고, 저압수용가의 경우에는 주상변압

기의 용량(kWh)을 기준으로 역률 및 이용률 계수

를 곱하여 kW로 환산한 후에 동일 구간 내의 고압

수용가 부하와 합산하도록 한다.

논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문

그림 1. 분산전원이 연계된 배전계통의 전압조정개념

그림 2. 고압배전선의 구간부하 모델링

그림 3. 종래의 전압강하 계산 범위

그림 4. 제3상한의 전압강하 계산식

(1)

(2)

I (n) = i (n) ×i ss

i SUM

전기설비 2007/12 85

3.2 최적 전압조정요소

배전용변전소의 이상적인 최적 송출전압과 총 부

하전류와의 상관관계는 그림 6과 같이 시간과 함께

변화하는 비선형적인 상관관계 특성을 가지고 있다.

그러나 LDC의 전압조정요소는 한번 정해지면 일정

기간 같은 값으로 운용되기 때문에, 최적 송출전압

은 식 (7)과 같이 근사식으로 나타낼 수 있다. 따라

서 전압조정요소의 결정문제는 이상적인 최적송출

전압분포의 편차를 최소화하도록 식 (7)의 계수를

구하는 문제로 되어 최소자승법에 의해 식 (8)과 같

이 정식화할 수 있다.

VVoopptt((tt)) = Vce + Zeq∙Ito(t) (7)

MMiinn qq = { Vopt(t) - (Vce + Zeq∙ Ito(t))} (8)

여기서, T:전체 시간 , Vopt(t) : Xmtr에 의한

최적 송출전압, Vce : 부하중심점의 전압, Zeq : 등

가임피던스, Ito(t) : ULTC를 통과하는 총 부하전류

식 (8)을 최소화(∂q/∂Zeq+∂q/∂Vce=0)하여, 전체

고찰기간의 최적 전압조정요소(Zeq, Vce)를 구하면

다음식과 같다.

3.3 다수 전압조정장치의 최적 협조방안

방사상 배전계통에서, 선로전압조정장치(SVR)는

전압강하를 보상하기 위하여 장거리 고압피더에 직

렬로 연결되어 운용된다. 이러한 경우, 수용가 전압

은 배전용변전소 ULTC에 의해서 우선 조정되고,

다음에 고압 배전선로 상의 선로전압조정장치에 의

해서 조정된다. 그러나 배전용변전소 ULTC의 전압

보상은 배전용변전소 측뿐만 아니라 선로 전압조정

장치 측의 수용가 전압에도 향을 준다. 그러므로

가능한 많은 수용가에게 적정한 전압을 공급하기

위해서는 배전용변전소 ULTC와 선로전압조정장치

사이에 상호협조를 이루며 합리적으로 전압보상을

분담하도록 해야 하므로 상호간의 최적 전압조정방

안이 요구된다. 이제, 배전용변전소 ULTC와 선로전

압조정장치의 조정에 의해서 어떻게 수용가 전압

분포를 규정전압에 가깝도록 유지하느냐가 문제이

다. 앞 절의 배전용변전소 측의 수용가 전압 조건에

관계된 방정식을 고려하여 식 (11)~(16)과 같이 목

적함수를 확장할 수 있다. 즉 선로전압조정장치의

직하전압 V3(t)는 배전용변전소에서 공급하는 고압

배전선로와 선로전압조정장치의 내부 전압강하 분

을 고려하여 식 (14)와 같이 나타낼 수 있다.

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실 전력도 작으므로, 근사 계산식만으로도 충분한

정도를 얻을 수 있고, 일반적인 기술지침이 모두 간

략 전압강하 계산 방법에 근거하고 있으므로 설득

성이 있고 알기 쉬운 장점이 있다.

3. 분산전원이 연계된 배전계통의 최적전압조

정방안

3.1 최적 전압보상율

LDC 방식에 의한 송출전압 결정문제는 각 수용

가의 전압이 합리적인 분포가 되도록 전압조정요소

(등가임피던스, 부하중심점 전압)를 구하는 것으로,

이 요소는 배전계통의 등가적인 전압강하 특성을

나타낸다.

즉, 먼저 시간에 따라 변화하는 이상적인 최적 송

출전압(최적 전압보상율)을 결정하고, 이것과 총 부

하전류와의 상관관계를 통계적인 기법을 이용하여

최적 전압조정요소를 구한다. 일반적으로 배전용변

전소 ULTC와 고압배전선로의 전압조정은 그림 1과

같다. 그러나 각각 다른 부하특성을 가진 피더나 부

하 군들을 동시에 고려하여 전압조정을 한다는 것

은 어려운 일이다. 따라서 가장 가혹한 조건이 되는

고압배전선로의 특정 지점들을 선택하여, 이 지점의

수용가 전압을 허용범위 이내로 유지시켜, 다른 피

더의 수용가 전압도 적정범위 내로 유지시키는 개

념을 이용한다.

송출전압의 결정문제는 그림 5와 같이 선택되어진

가장 가혹한 조건의 피더의 특정 지점(최 와 최소

전압 수용가)을 표준전압(220V)의 근방에 유지시키

도록 최적 전압보상율을 구하는 것이 된다. 이 문제

는 다음식과 같이, 등가적으로 배전용변전소 주변압

기(M.tr) 측의 직하 수용가 전압과 규정전압의 상한

치(233V), 하한치(207V)와의 차의 제곱을 최소화시

키는 문제로 정식화시킬 수 있다.

여기서, t : 시간 , V1(t), V2(t) : ULTC 직하

및 말단의 수용가전압, V1max(t), V1min(t): ULTC

직하로 환산된 규정 전압의 상, 하한치, Vmax,

Vmin:규정전압의 상한치, 하한치, Rmtr: ULTC의 전

압보상율, Xmtr : ULTC의 최적 전압보상율

여기에서는 상기 문제의 간략화와 계산의 오차를

피하기 위하여, 배전용변전소 직하와 말단의 수용가

전압이 고압배전선로의 전압강하에 의하여 비례적

으로 변화한다는 사실에 주목하여, 말단의 수용가전

압의 변동특성을 등가적으로 배전용변전소 직하의

값으로 환산하 다. 즉, 식 (4)와 (5)는 선로전압조

정장치 직하 지점에서 바라본 새로운 규정전압의

상, 하한치를 나타낸 것으로, 상한치는 전압변동에

관계없이 일정하지만, 하한치는 직하에서 말단까지

의 전압강하에 의하여, 시간과 함께 변화하는 특성

을 가지고 있다. 따라서 식 (3)의 최소화 조건(dJ /

dXmtr = 0)에 의하여, 각 시간 의 최적 전압보상

율은 다음식과 같이 구해진다.

XXmmttrr = Rmtr∙{V1max(t) - V1min(t)}2/2V1(t) (6)

논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문

MMiinn JJ((tt)) = { V1max(t) - V1(t)∙Xmtr / Rmtr }²

+ { V1(t)∙Xmtr / Rmtr - V1min(t) }²

SSuubbjj..ttoo,, V1max(t) = Vmax

V1min(t) = Vmin ∙V1(t) / V2(t)

(9)

(10)

그림 5. 최적 전압조정방안의 개념

그림 6. 전압조정요소의 상관관계

Vdrop(t) = { V1(t)∙Ptap1 - V3(t)∙Ptap3∙Vtap /

(Vn∙Rvr) (11)

V3(t) = { V1(t)∙Ptap1 - Vdrop(t) }∙Vn∙Rvr /

(Vtap∙Ptap3) (12)

V3X(t) = { (V3(t)∙Xvr / Rvr)-V1(t)?Ptap∙(Xmtr /

Rmtr-1)∙Xvr∙ Vn/Vtap } (13)

MMiinn JJ((tt)) = { V1max(t) - V1(t)∙Xmtr / Rmtr }²

+ { V1(t)∙Xmtr / Rmtr - V1min(t) }²

+ { V3max(t) - V3(t)∙Xvr / Rvr - V1(t)∙

Xvr∙( Xmtr / Rmtr - 1 )∙Ptap∙Vn /

Vtap }²

+ { V3(t)∙Xvr / Rvr + V1(t)∙Xvr∙( Xmtr

/ Rmtr - 1 )∙Ptap∙Vn/Vtap - V3min(t) }²

+ k( Xmtr - Xvr )² (14)

SSuubbjj..ttoo,, V3max(t) = Vmax (15)

V3min(t) = Vmin∙V3(t) / V4(t) (16)

(4)

(5)

(3)

전기설비 2007/12 87

4. 분산전원의 배전계통연계 평가 알고리즘

분산전원이 배전계통에 연계되는 경우, 도입 적부

의 판단은 평가하는 사람이나 자료에 따라 달라질

수 있다. 이를 개선하기 위하여 본 연구에서는 주어

진 입력데이터와 상 계통에 하여 누구나 동일

한 판단 결과를 얻을 수 있는 표준 계통에 근거한

평가기준을 개발하 다. 이 기준은 크게 정상운전시

의 상시 전압변동과 비상운전 시(기동과 탈락, 사고

등)의 순시 전압변동으로 나누어진다.

4.1 상시 전압변동 평가 알고리즘

분산전원의 출력이 배전계통으로 방출되는 역 조

류가 발생하는 경우, 고압배전선에 있어서 평상시의

허용전압 변동 폭에 한 개념은 그림 8과 같고, 이

것을 식으로 나타내면 다음과 같다.

(가) 저압 측의 허용전압 변동 폭=236V-221V=15V

(나) 저압 측의 주상변압기의 탭 운용 폭=600Vx

(230V /12,600V) = 10.96V

(다) 허용 변동 폭 = (15V - 10.96V) / 2 = 2.02V

(라) 정상시의 고압 측 전압변동 허용범위 = 2.02V x

(12,600V / 230V) = 111V

여기서, 111V는 고압배전선 측의 상시의 전압변동

허용 폭으로 분산전원이 도입되는 경우, 이 값 이내

에 전압변동 폭을 유지하면 연계 피더의 모든 수용

가가 허용 전압범위 내에 유지될 수 있다는 것을 의

미한다. 이 값은 정상상태에 있어서 분산전원 연계

시에 적합여부를 판단하는 기준 값으로 매우 중요

한 수치이다. 이 값을 초과하면 분산전원 연계가 부

적합하다는 결과를 나타낸다.

그림 8에서 점선으로 표시된 저압 측(수용가)의

허용전압 범위는 전력회사의 전압관리 지침을 근거

로 하여 수용가의 허용전압(±6%, 207V � 233V)

을 주상변압기 2차 측 직하전압으로 환산한 것이다.

여기서, 221V는 207V에 14V(주상변압기 자체전압

강하 분 + 저압선 전압강하 분 + 인입선 전압강하

분)를 합산한 값으로, 저압 측의 전체 전압강하 한

도를 약 7% 정도(전압관리지침은 8%로서 부등률을

고려한 값과 동일함)로 고려한 것이다. 이것은 주상

변압기 2차 측에서 221V 정도를 유지하면 저압선의

최 말단의 수용가의 전압이 하한치를 벗어나지 않

음을 의미한다. 또한, 236V는 233V에 3V(주상변압

기 자체전압 강하 분 + 인입선 전압강하 분)를 더

한 값으로, 저압 측 전압강하 한도로 1.5%정도를 고

려한 값이다. 이것은 주상변압기 2차 측에서 236V

정도를 유지하면 직하에 존재하는 어떠한 수용가의

전압도 상한치를 벗어나지 않음을 의미한다. 예를

들어, 전력회사 전압관리지침상의 주상변압기 직하

의 한도치인 4%를 기준으로 하게 되면, 233V+8V

= 241V가 된다.

이 경우, 인입선의 길이가 짧거나 주상변압기의

내부 전압강하가 작게 되어, 약 3V의 전압강하만

일어나는 최악의 상태가 발생하면 수용가전압은 허

용전압 상한치를 벗어나게 된다. 따라서 본 논문에

서 제시한 한도치 1.5%는 최악의 경우를 상정한 값

이다. 한편, 주상변압기 탭 운용 폭인 600V는 주상

변압기의 탭 운용 가능 역에서 산출된 값(고압선

피크 기준의 5%)에 근거하여 가중치(여유분)를 두

어 도출한 값이다.

4.2 순시 전압변동 평가 알고리즘

분산전원이 기동하거나 탈락하는 경우, 고압배전

선에 있어서 비상시의 허용전압 변동 폭에 한 개

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여기서, Vdrop(t) : 고압배전선로와 SVR의 내부

전압강하, V1(t), V2(t) : ULTC 직하, 말단의 수

용가전압, V3(t), V4(t) : SVR 직하, 말단의 수용가

전압, V3max(t) : SVR 직하로 환산된 허용 전압의

상한치, V3min(t) : SVR 직하로 환산된 허용 전압

의 하한치, V3X(t) : 최적 전압보상율이 적용된

V3(t), Rmtr, Xmtr : ULTC의 전압보상율, 최적 전

압보상율, Rvr, Xvr : SVR의 전압보상율, 최적 전

압보상율, Vn, Vtap : SVR의 정격전압, SVR의 탭

전압, Ptap1 : ULTC 직하의 주상변압기 탭전압,

Ptap3 : SVR 직하의 주상변압기 탭전압, Ptap :

주상변압기 탭 비율(Ptap1/Ptap3 ), K : 무게상수

이 목적함수는 배전용변전소와 선로전압조정장치

측의 직하 수용가 전압이 상, 하한치로부터 최 여

유를 가지고 그것들의 값이 규정전압에 근접하게

유지되는 것을 의미한다. 식 (14)에서 첫 번째와 두

번째 항목은 배전용변전소 측 수용가 전압이 배전

용변전소 ULTC만의 조정에 의해서 적당한 전압을

유지함을 나타내며, 세 번째와 네 번째 항목은 선로

전압조정장치 측의 수용가 전압이 선로전압조정장

치의 조정에 의해 적당한 전압을 유지함을 나타낸

다. 이 항목은 식 (10)의 배전용변전소에서 공급하

는 고압배전선로와 선로전압조정장치 측의 내부 전

압강하 분을 고려한 직하 수용가 전압 관계로부터

유도된다. 다섯 번째 항목은 탭 변화 횟수를 줄이기

위한 배전용변전소와 선로전압조정장치 사이의 조

정 레벨이다. 식 (12)에서 K는 전압조정장치 간의

협조를 요구하는 정도에 따라 정하는 상수로서 전

압 레벨을 감안하여 정한다. 따라서 목적함수 식

(14)가 최소가 되기 위한 조건은 다음식과 같다.

여기서, ▽J : Xmtr과 Xvr에 한 J의 편미분 구

배벡터

식 (17)의 행렬 요소는 다음 식과 같다.

반복 계산하는 알고리즘은 다음식과 같다.

따라서, 상기 목적함수 식 (17)의 최소화 조건에

의하여, 각 시간 의 최적 전압보상율이 구해진다.

식 (17)의 비선형 목적함수의 최소화 문제는 반복법

이 일반적으로 사용되는데 적당한 초기값을 제공함

에 의해 최적 해에 수렴한다. 본 논문은 quasi-

Newton법을 사용하 고, 최적해 산정 과정은 그림

7의 플로우차트와 같다.

논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문

∂J / ∂Xmtr = {2.0∙V1(t) / Rmtr∙(2.0∙V1(t)∙Xmtr/

Rmtr - V1max(t) - V1min(t))} +

{2.0∙V1(t)∙Xvr∙Vn / (Rmtr∙Vtap)∙

(2.0∙V1(t)∙(Xmtr/Rmtr - 1.0)∙Xvr∙

Vn / Vtap + 2.0∙V3(t)∙Xvr / Rvr-

V3max(t)-V3min(t)0} +

{2∙K∙(Xmtr-Xvr)} (18)

∂J / ∂Xvr = {2.0∙(V3(t) / Rvr+V1(t)∙(Xmtr / Rmtr-

1.0)∙(Vn / Vtap))∙(2.0∙Xvr∙V1(t)∙

(Vn/Vtap)∙(Xmtr/ Rmtr-1.0)-V3max(t)-

V3min(t)+2.0∙V3(t)∙Xvr/Rvr)} +

{2∙K∙(Xvr-Xmtr)} (19)

(17)

(20)

그림 7. 최적 전압보상율 산정을 위한 플로우차트

그림 8. 상시전압변동 허용 기준

초기치 가정 : Ro

STOP

▽J, ▽²J의 계산

k=k+1

Yes

Yes

No

No

Rk+1=Rk-(▽2J)-1▽J의 계산

l▽Jl∠ε

Rk+1=Rk-0.005▽J/1▽Jㅣ

Jk+1=(R)∠Jk(R)

전기설비 2007/12 89

전압분포특성의 수준을 평가하는 것으로, 평가지표

가 작으면 작을수록 수용가 전압특성이 양호하다는

것을 나타낸다.

따라서 각 전압조정 기법에 의한 평가지표 값을

비교함으로써, 그 기법자체의 좋고 나쁨도 평가할

수 있다.

(2) ULTC의 Tap 총 동작횟수의 정의

배전용변전소 ULTC와 선로전압조정장치의 탭 동

작은 기계적인 동작을 수행하여 수명에 큰 향을

미치기 때문에 가능하면 탭 동작횟수가 적을수록

유리하다. 현재 주류로 되고 있는 배전용변전소

ULTC와 선로전압조정장치는 17개 탭이며, 탭 간격

은 1.25%(±10% 전압보상)가 표준이고 불감 폭은

50%를 기준으로 한다.

여기서는 지연시간은 고려하지 않고, 초기 탭 위

치를 기준 탭(9번 탭, 22900V)으로 하고 배전용변

전소 ULTC와 선로전압조정장치의 탭 동작횟수를

각 기법에 따라 비교하여 그 기법의 우수성을 평가

한다. 탭 위치 결정은 다음 식과 같이 나타낼 수 있

다.

여기서, Vsend : 최적 전압보상율에 의한 송출전

압, Vn : 표준전압(22,900V), Ts : 기준 탭 번호(9),

Tint : 탭 간격(1.25%)

(3) 시뮬레이션에 사용된 송출전압 조정방식

① 방식1 (LDC+Fixed(SVR) Method) : 배전용

변전소의 송출전압은 LDC 방식으로 조정하고

선로전압조정장치의 송출전압은 22,900V로 고

정시켜 송출하는 방식

② 방식2 (LDC+Programmed(SVR) Method) :

변전소의 송출전압은 LDC 방식으로 조정하고

선로전압조정장치의 송출전압은 프로그램 방식

으로 조정하는 방식

③ 방식3 (LDC+LDC(SVR) Method) : 배전용변

전소와 선로전압조정장치의 송출전압을 각각

독립적으로 LDC 방식으로 조정하는 방식

④ 방식4 (Proposed Method) : 본 연구 제안 방식

으로서 배전용변전소와 선로전압조정장치의 송

출전압을 상호 협조하여 운용하는 방식

(4) 모델계통과 제 조건

① 모델계통은 그림 10과 같으며, 고압배전선로의

구간데이터는 표 1과 같다.

② 배전용변전소의 일 부하 패턴은 그림 11과 같

이 45MW의 피크부하를 기준으로 오프 피크

부하는 1�8시간 , 피크부하는 9�16시간 ,

미들 부하는 17�24시간 로 한다.

③ 역률은 0.9를 적용한다.

④ 저압 측의 전압강하 배분은 주상변압기와 인입

선, 저압선로의 최 전압강하를 각각 4V, 4V,

8V로 상정한다.

⑤ 고압배전선로의 전압강하를 계산하기 위하여,

가우스 사이델법(Gauss-Seidel Method)을 이용

한 조류계산법을 이용한다.

⑥ 선로전압조정장치의 설치 지점은 그림 10의 10

번 지점으로 상정하 으며, 운용패턴은 위의

방식 4가지를 비교한다.

⑦ 분산전원의 도입량은 2가지 경우로 가정한다.

먼저 피크부하의 5%로 7, 8 ,9 노드에 각각

750(Kw) 공급하는 경우와 피크부하의 10%로

1500(Kw) 공급하는 경우를 상정한다.

-다음페이지에 그림과 표있음-

(5) 시뮬레이션 결과

분산형전원이 도입된 배전계통에서 배전용변전소

ULTC와 선로전압조정장치에 해 기존의 전압조정

방안과 본 연구에서 제안한 방안에 한 평가지수

를 비교한다. 상기의 4가지 전압조정 방안을 비교해

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념은 그림 9와 같고, 이것을 식으로 나타내면 다음

과 같다.

(가) 저압 측의 허용전압 변동 폭 = 236V - 221V =

15V

(나) 저압 측의 주상변압기 탭 운용 폭 = 600V

x(230V/12,600V) = 10.96V

(다) 나머지 허용 변동 폭 = (15V-10.96V)/2 =

2.02V

(라) 정상시의 고압 측 전압변동 허용범위 = 2.02Vx

(12,600V / 230V) = 111V

(마) 저압 측 기기동작 최소전압 = 220V 8% ≒

202［V］(2% : 옥내 전압강하)

(바) 저압 측 허용전압 변동 폭= 207V - 202V = 5V

(사) 고압 측 허용전압 환산전압 = 5V x (12,600/230)

= 274V

(아) 비상시의 고압 측 전압변동 허용 범위 = 111V

+ 274V = 385V (1.8%)

여기서, 385V는 배전계통에 연계되어 운용 중인

분산전원이 기동하거나 탈락하는 과도적(비상시)인

경우에 한 고압배전선 측의 전압변동 허용 폭이

다. 즉, 분산전원의 연계 시에 이 값 이내에 전압변

동 폭을 유지하면 연계 피더의 모든 수용가에게 허

용 전압을 유지할 수 있다는 것을 의미한다. 이 값

은 분산전원의 기동이나 탈락 등의 비상시에 연계

적합여부를 판단하는 기준이 되는 매우 중요한 수

치이다. 그림 9는 이에 한 개념을 나타낸 것이다.

그림 9에서 385V는 정상시의 허용변동 폭(111V)

에 기기동작 최소 전압 치(274V)를 더한 값으로 후

자는 정격전압(220V)의 약 8%를 고려하 다. 이것

은 건물 옥내의 전압강하분이 약 2%이므로 기기동

작 최소 전압변동분의 10%에서 뺀 값이다. 이것은

2초 이내의 순시적(기동, 탈락 등)인 기간 동안에는

10%의 전압강하분에도 수용가 기기가 동작을 할 수

있다는 점에서 착안한 것이다.

5. 시뮬레이션 및 결과 분석

5.1 최적 전압조정방안

배전용변전소의 ULTC와 선로전압조정장치의 최

적 협조 알고리즘을 분산전원이 도입된 모델 배전

계통에 하여 시뮬레이션을 수행한다. 각 기법의

유효성을 비교하기 위해 두 가지 방법을 사용하여

평가한다. 하나는 평가지표를 이용하고, 다른 하나는

ULTC와 SVR의 탭 동작횟수를 비교한다.

(1) 평가지표의 정의

배전계통 내의 수용가 전압의 양부는 각 수용가

전압이 표준전압에 어느 정도 가깝게 유지되는가를

산정함으로써, 평가할 수 있다. 즉, 평가지표(PI :

Performance Index)는 전체 고찰시간 에 하여 전

체 상노드의 수용가 전압과 표준전압과의 편차의

제곱 합으로 나타낼 수 있다.

여기서, T : 전체 고찰기간, K : 노드의 총수,

Vstd : 표준전압 (220V), V1(t, k) : 각 노드직하의

수용가전압, V2(t, k) : 각 노드말단의 수용가전압

상기의 지표는 배전계통에 있어서 전체 수용가의

논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문

그림 9. 순시전압변동 허용 기준

(21)

(22)

전기설비 2007/12 91

또한, 각 기법의 ULTC 탭 총 동작횟수는 표 3과

같다. 배전용변전소 ULTC와 선로 전압조정장치를

상호 협조하여 운용하는 경우와 기존 기법들을 비

교해 보면, 배전용변전소 ULTC 탭 총 동작횟수는

약간의 변동만 있으나 선로전압조정장치 탭 총 동

작횟수는 현격히 감소됨을 알 수 있다. 그리고 그림

14의 각 방식에 다른 시간 별 탭 위치를 보면 배전

용변전소 ULTC와 선로 전압조정장치 간의 협조가

잘 되고 있음을 확인할 수 있다.

5.2 계통연계 평가 알고리즘

(1) 모델계통 및 입력데이터

축약 전의 실제 모델 배전계통은 그림 15와 표 3

과 같이 28개의 노드를 가진 간선과 총 18개의 노드

를 가진 5개의 분기선으로 구성된다. 간선의 총 긍

장은 26.678km이고, 전선 종별은 ALOC160㎟,

CV250㎟ 등 4종으로 구성된다. 계산의 편이성과 시

뮬레이션 시간을 줄이기 위하여 축약되는 배전계통

은 프로그램 내부에서 자동적으로 생성되는데, 그

림 16과 같이 11개의 노드를 가진 간선으로 축약된

다. 계통 축약의 원칙은 고압선종의 변경이나 분기

선, 개폐기 등의 존재여부에 의하여 결정된다.

(2) 시뮬레이션 결과 및 평가

마이크로소프트사의 엑셀(Excel)을 이용하여 개

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본 결과, 본 연구에서 제안한 배전용변전소 ULTC

와 선로 전압조정장치를 상호 협조하여 운용하는

최적 전압조정 알고리즘을 이용한 방식 4가 가장 우

수함을 확인 할 수 있었다.

(a) 분산전원이 도입되지 않는 경우

분산형전원이 도입되지 않은 모델계통에 하여,

그림 12 (a)는 배전용변전소 ULTC와 선로전압조정

장치가 독립적으로 운용하는 기법(방식 3)에 의한

전압분포이고, (b)는 제안한 기법(방식 4)에 의한

전압분포이며, (c)는 각 기법(방식1~방식 4)의 평

가지표를 보여준다. 제안한 방법에 의한 전압분포가

규정전압에 더 가깝게 유지되고, 평가지표도 더욱

우수함을 알 수 있다.

(b) 분산전원이 도입된 경우(피크부하의 10%)

분산전원이 9�16시간 에 7, 8, 9 노드에서 각각

1,500Kw씩 방전하는 모델계통에 하여, 그림 13

(a)는 배전용변전소 ULTC와 선로전압조정장치가

독립적으로 운용하는 기법(방식 3)에 의한 전압분포

이고, (b)는 제안한 기법(방식 4)에 의한 전압분포

이며, (c)는 각 기법(방식1~방식 4)의 평가지표를

보여준다. 제안한 방법에 의한 전압분포가 규정전압

에 더 가깝게 유지되고, 평가지표도 더욱 우수함을

알 수 있다.

(6) 시뮬레이션 분석 및 평가

분산전원의 공급형태에 따른 각 기법의 평가지수

를 비교해 보면 표 2와 같다. 배전용변전소 ULTC

와 선로 전압조정장치를 상호 협조하여 운용하는

경우가 가장 우수하며, 분산형전원이 도입되어도 전

체적으로 규정전압에 가깝게 유지됨을 알 수 있다.

논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문

그림 10. 모델 배전계통 (22.9kV)

그림 11. 모델계통의 일부하 곡선

표 1. 모델계통 구간데이터

피더

번호

구간

번호

구간 선로정수긍장

(㎞)

주상변압기

탭

부하

(%)

DG

용량

(KW)From To

R(Ϊ/㎞)

X(Ϊ/㎞)

1

1

2

3

0

1

2

1

2

3

0.182

0.182

0.182

0.391

0.391

0.391

2.0

2.0

5.0

22900/230

22900/230

22900/230

5%

10%

10%

0

0

0

24

5

0

4

4

5

0.182

0.304

0.391

0.440

5.0

10.0

22900/230

21800/230

10%

15%

0

0

36

7

0

6

6

7

0.182

0.182

0.391

0.391

4.0

4.0

22900/230

22900/230

15%

10%

0

750

4

8

9

10

11

12

0

8

9

10

11

8

9

10

11

12

0.182

0.182

0.182

0.304

0.304

0.391

0.391

0.391

0.440

0.440

3.0

5.0

5.0

10.0

5.0

22900/230

22900/230

22900/230

21800/230

21800/230

5%

5%

5%

5%

5%

750

750

0

0

0

그림 12. 각 방식의 수용가 전압특성 및 평가지표 그림 13. 각 방식의 수용가 전압특성 및 평가지표

표 2. 각 방식의 평가지표 합계 비교

DG

도입량

DG

공급형태

Ldc+

Fixed

Method

Ldc+

Programed

Method

Ldc+Ldc

Method

Proposed

Method

2,250

kW

zero 16331.3 12559.5 10953.3 10064.4

방전 16205.0 12433.1 10826.9 10040.4

충방전 16234.6 12462.7 10856.5 9988.3

4,500

kW

zero 16331.3 12559.5 10953.3 10064.4

방전 16111.9 12340.0 10733.8 9982.3

충방전 16305.3 12533.4 10927.2 9891.0

전기설비 2007/12 93

연계가능 적합여부 판정결과와 역 조류 발생량에

의한 구간별 전압변동 및 연계가능 적합여부 판정

결과를 상세하게 출력할 수 있다.

한편, 표 4는 그림 16의 모델 배전계통의 11번 노

드에 1MW 용량의 유도발전기 형식의 풍력발전기

가 도입되는 경우를 상정한다. 이때 계통으로 흘러

나가는 역 조류량이 분산전원 출력의 50%인 경우

(5MW)에는 분산전원 연계 시에 아무런 문제가 발

생하지 않지만, 90%(9MW) 이상의 역조류가 계통

에 방출되면 역 조류에 의한 고압선의 전압변동이

한계치(111V)를 초과하게 된다.

따라서 다른 수용가의 전압을 허용치를 벗어나게

할 가능성이 있으므로 본 평가시스템은“분산전원

의 연계 불가능”이라는 판정을 내리게 된다.

마찬가지로 9번과 10번 노드에서도 상기와 동일한

결과를 얻을 수 있다. 따라서 본 논문에서 개발한

평가시스템은“연계 불가능”이라는 판정을 사전에

제시하여, 분산전원 도입 초기단계

부터 도입 용량을 줄이든가, 도입

장소를 다른 위치(1번 - 8번 노드)

에 설치해야 한다는 평가와 책을

제시해 준다.

이와 같이 본 평가시스템의 사전

검토에 의하여 분산전원 설치자와

운용자는 도입 후에 발생하는 문제

점을 사전에 미리 예방할 수 있을

뿐만 아니라 설계 변경이나 출력

감소 등에 의한 경제적인 이익도

얻을 수 있게 된다.

표 5는 분산전원의 도입 용량을

변화시켜 분석한 결과이다. 분산전

원의 용량이 1MW와 0.8MW의 경

우에는 분산전원의 도입에 의하여

역률문제와 순시전압변동에서 문제

가 발생하여 계통연계가 불가능한

것으로 판정되었다.

역률 문제의 경우 적절한 역률보

상장치를 설치하여 역률을 보상하면 문제를 해결할

수 있다. 또한, 분산전원 용량을 0.6MW 정도로 줄

여서, 기동 전류의 크기를 작게 하면 기준 값을 넘

지 않는다. 따라서 분산전원이 선로 말단에 연계되

는 경우 용량은 0.6MW 이내로 하고, 적절한 용량을

갖는 역률보상장치를 설치하여야 특별한 문제가 없

이 연계할 수 있음을 알 수 있다.

6. 결 론

본 논문에서 제안한 계통연계 기술평가 알고리즘

은 분산전원을 배전계통에 연계하는 경우 발생할

수 있는 기술적인 문제를 편리하고 손쉽게 해결할

수 있는 것이다. 주요 연구 결과를 요약하면 다음과

같다.

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발한 평가 시스템의 프로그램은 총 46개의 시트를

기본 메뉴로 하여 서로 간에 연계하여 각종 계산

을 수행할 수 있도록 하 다. 또한, 이 시트들을 효

율적으로 관리하거나 연계 계산을 수행할 수 있도

록 VBA(Visual Basic Application)를 이용하여 총

11개의 모듈 및 88개의 서브 모듈을 개발하 다.

그림 17은 평가시스템의 메뉴 화면이다.

그림 17은 정상상태 시의 구간별 전압강하 및 주

상변압기 탭 운용 지역뿐만 아니라 발전기 탈락시

의 구간별 전압변동 및 연계가능 적합여부 판정결

과를 출력한다.

또한, 유도발전기 기동시의 구간별 전압변동 및

논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문논문

표 3. 모델 배전계통의 구간 데이터

표 4. 역 조류의 양을 파라미터로 분석한 경우

(주) Case I : 11번 노드에 1MW의 풍력이 도입되어, 역 조류가 50%, 계약 외 부하전력

30%인 경우), Case II : 11번 노드에 1MW의 풍력이 도입되어, 역 조류가 30%, 계약 외 부

하전력 30%인 경우, Case III : 11번 노드에 1MW의 풍력이 도입되어, 역 조류가 70%, 계

약 외 부하전력 30%인 경우

그림 14. 각 방식의 시간 별 탭 위치

T

a

p

번

호

분산형전원 Zero1

3

5

7

9

11

13

15

171 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

그림 15. 22.9kK 모델 배전 계통

그림 16. 22.9kV 모델 배전계통 (축약 후)

구간

№

분기

№절연종별

굵기

ＣＤ구간 긍장

유입전류

(Is）

유출전류

(Ir）

1 CV 325 0.205 280.0 280.02 ALOC 165 1.321 280.0 280.03 ALOC 165 0.317 280.0 280.04 ALOC 165 0.166 280.0 280.05 ALOC 165 0.783 280.0 280.06 ALOC 165 1.110 280.0 280.07 ALOC 165 0.159 280.0 280.08 ALOC 165 0.547 280.0 280.09 ALOC 165 1.071 280.0 280.010 ALOC 165 1.300 280.0 280.011 ALOC 165 0.238 280.0 280.012 ALOC 165 0.257 280.0 280.013 1 ALOC 165 0.774 280.0 196.014 ALOC 165 2.031 196.0 196.015 2 ALOC 165 1.141 196.0 182.016 3 ALOC 165 1.156 182.0 154.017 ALOC 165 2.689 154.0 154.018 CV 250 0.317 154.0 154.019 4 ALOC 95 0.758 154.0 98.020 ALOC 95 0.324 98.0 98.021 ALOC 95 1.162 98.0 98.022 ALOC 95 2.060 98.0 84.023 ALOC 95 1.342 22.0 84.024 ALOC 95 0.356 84.0 84.025 5 ALOC 95 2.017 84.0 28.026 ALOC 95 0.540 28.0 14.027 ALOC 95 1.287 14.0 7.028 ALOC 95 1.250 7.0 0.0

그림 17. 평가시스템의 메인 화면

평가

항목

Case I Case II Case III 비고

(연계기준)책 전 책 후 책 전 책 후 책 전 책 후

역률

(역 조류)

불량(-500kW,578kVar,

65%)

양호(-500kW,

0kVar,100%)

불량(-300kW,728kVar,

38%)

양호(-300kW,

0kVar,100%)

불량(-700kW,428kVar,

85%)

양호(-700kW,100kVar,

99%)

지상,

90%

이상

상시

전압

변동

역조류 양호(80V) 양호(-78V) 불량(152V) 양호(-47V) 양호(15V) 양호(-81V)111V

미만발전기

탈락

양호

(86V)

양호

(86V)

양호

(86V)

양호

(86V)

양호

(86V)

양호

(86V)

순시전압변동

(기동/사고시)

불량

(515V)

불량

(515V)

불량

(515V)

불량

(515V)

불량

(515V)

불량

(515V)

385V

미만

플리커

(500kW)

양호

(0.29)

양호

(0.29)

양호

(0.29)

양호

(0.29)

양호

(0.29)

양호

(0.29)

0.45V

미만

단락용량

(연계 후)

양호

(503MVA)

양호

(503MVA)

양호

(503MVA)

양호

(503MVA)

양호

(503MVA)

양호

(503MVA)

1000MVA

미만

연계적합

여부연계불가능

연계불가능

(기동전류

억제 필요)

연계불가능

연계불가능

(기동전류

억제 필요)

연계불가능

연계불가능

(기동전류

억제필요)

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(1) 배전계통의 최적 전압조정을

위해, 배전용변전소 ULTC와

선로 전압조정장치를 협조

운용하는 최적 전압조정 알

고리즘을 제시하 다. 배전계

통의 최적 전압조정을 위해

제안된 기법이 기존의 기법

에 비해 평가지수가 우수하

여 규정전압에 더 가깝게 유

지됨을 알 수 있었고, 양질의

수용가 전압 공급에 도움이

됨을 확인하 다. 또한, 전압

조정장치 탭 동작횟수를 비

교한 결과, 제안된 기법이

ULTC 탭 동작횟수를 약간

감소시키고 선로전압조정장

치의 탭 동작횟수를 현격히

감소시킴을 확인하 다. 또한

시간 별 탭 위치 변동 폭도 더 완만함을 확

인하 다.

(2) 본 논문에서 개발한 평가시스템은 배전계통이

나 분산전원을 잘 모르는 비전문가라 할지라

도 분산전원의 도입에 한 평가와 분석 결과

를 산출할 수 있는 표준 계통과 판정 알고리

즘을 근거로 한 시스템이다. 즉, 정상 시에 분

산전원의 도입에 의한 전압변동이 고압선에서

111V 이내로 유지하고, 비상(기동 시나 탈락

시)시에는 385V를 유지하면 수용가의 전압을

항상 허용전압 이내로 유지할 수 있다는 알고

리즘을 제시하 다. 이것은 기존의 평가방법

이 평가자의 개인 능력과 취득할 수 있는 자

료에 따라 상이한 평가와 결과를 산출하는데

비하여, 분산전원 도입에 따른 공평한 평가를

내릴 수 있다는 큰 장점을 가진다.

(3) 기존의 4상한만 이용한 간략 전압강하계산식

의 단점을 보완하여, 역 조류를 고려할 수 있

는 전압강하 계산 알고리즘을 제시하 다. 분

산전원 연계지점에서 역률과 조류방향에 따라

4개의 상한을 이용하여 전압강하와 전압상승

을 계산할 수 있도록 알고리즘을 개발하여 계

산 정도를 향상시켰다.

(4) 본 논문에서 개발한 평가시스템의 사전 검토

에 의하여, 분산전원 설치자와 운용자는 도입

후에 발생하는 문제점을 사전에 미리 예방할

수 있을 뿐만 아니라 설계 변경이나 출력감소

등에 의한 경제적인 메리트도 얻을 수 있다.

따라서 본 논문에서 개발한 평가시스템은 분

산전원을 제조하는 메이커나 운용하는 전기사

업자의 업무의 효율성을 향상시킬 수 있을 뿐

만 아니라 수용가의 전력품질 향상에도 기여

할 수 있다고 생각된다.

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표 5. 분산전원 도입용량을 파라미터로 한 경우

(주) Case I : 11번 구간에 1 MW의 풍력이 도입되어, 역 조류가 50%, 계약 외 부하전력

30%인 경우, Case II : 11번 구간에 0.8 MW의 풍력이 도입되어, 역 조류가 50%, 계약 외

부하전력 30%인 경우, Case III : 11번 구간에 0.6 MW의 풍력이 도입되어 역 조류가

50%, 계약 외 부하전력 30%인 경우

평가

항목

Case I Case II Case III 비고

(연계기준)책 전 책 후 책 전 책 후 책 전 책 후

역률

(역 조류)

불량(-500kW,578kVar,

65%)

양호(-500kW,

0kVar,100%)

불량(-300kW,537kVar,

49%)

양호(-300kW,

0kVar,100%)

불량(-100kW,497kVar,

20%)

양호(-100kW,

0kVar,100%)

지상,

90%이상

상시

전압

변동

역조류 양호(80V) 양호(-78V) 양호(100V) 양호(-47V) 불량(120V) 양호(-16V)111V

미만발전기

탈락

양호

(86V)

양호

(86V)

양호

(86V)

양호

(86V)

양호

(86V)

양호

(86V)

순시전압

변동(기동/사고시)

불량

(534V)

불량

(534V)

불량

(412V)

불량

(412V)

양호

(309V)

양호

(309V)

385V

미만플리커

(500kW)

양호

(0.29)

양호

(0.29)

양호

(0.29)

양호

(0.29)

양호

(0.29)

양호

(0.29)

0.45V

미만

단락용량

(연계 후)

양호

(503MVA)

양호

(503MVA)

양호

(503MVA)

양호

(503MVA)

양호

(503MVA)

양호

(503MVA)

1000MVA

미만

연계적합

여부연계불가능

연계불가능

(기동전류

억제필요)

연계불가능

연계불가능

(기동전류

억제필요)

연계불가능 연계가능