무정전 지중 저압루프 배전방식 개발로서 이용률은 50% 이하를 유지해야...

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24 | Journal of the Electric World |

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� 이�승�윤�

한국전력 배전계획처

배전계획실장

1 개 황

전력계통 구성방식은 투자비, 공급신뢰도 및 주변 환경 등에 따라 수지상, 루프(환

상), 네트워크 방식으로 운영된다. 국내 송전계통은 네트워크방식을 적용하고 있으며,

특고압 배전계통은 루프방식을 사용하고 있으나 저압 배전계통은 수지상 방식으로 전

력을 공급하고 있다. 그러나 수지상 방식은 다수의 저용량 변압기로 전력을 분산 공급

하기 때문에 변압기 이용률이 낮다. 또한, 변압기 고장 시 정전이 발생되며 기기교체

작업 시 오랜 시간이 소요된다.

최근 도심지 내 전력설비 설치환경이 악화되고 지중설비의 이용률 증대로 설비 운

전 수량 감축과 신뢰도 향상이 요구되고 있다. 또한 저압고객 공급용량 확대에 따른

대용량 변압기 설치에 대비하여 변압기 이용률 향상과 손실관리 기술 확보가 필요한

시점이다. 아울러 고품질의 전력공급이 필요한 고객에게 적합한 저압루프 배전방식

등이 요구되는 상황이다.

무정전 지중 저압루프 배전방식 개발

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+ 무정전 지중 저압루프 배전방식 개발

2 현 황

한전은 2011년 지상기기의 공간 확보가 어렵거나,

대용량 저압공급이 필요한 장소에 변압기(1,500kVA)

2대를 설치 후 저압 측을 상시 개방하여 루프 운전하는

Compact 배전스테이션을 개발하였다. Compact 배

전스테이션은 스테이션 설치를 위한 적정한 공간 확

보가 필요하며, 두 대의 변압기 중 한대는 예비용으

로서 이용률은 50% 이하를 유지해야 하는 운전조건

이 있다.

또한, 높은 신뢰도가 요구되는 정부청사 등에서 고

압 측에 3개 선로를 인입하고 3대의 변압기를 병렬 운

전하는 Spot Network 방식을 도입하여 사용하고 있

다. Spot Network 방식은 설비 이용률 및 효율성 보다

신뢰성에 기반을 둔 공급방식이라는 특징이 있다. 하

지만 변압기 등 일부 품목만 국내 제품을 사용하여 프

로텍터, 릴레이와 같은 외국제품을 도입하여 운용하

는 실정이다.

반면 한전에서 새롭게 개발 중인 ‘지중 저압루프 배

전방식’은 부하밀도가 높은 지역에서 지상기기 공간

확보가 가능한 경우 적용이 가능하다. 500kVA 이하의

중소형 변압기 여러 대를 분산 배치함으로써 저압간선

의 루프연계가 가능하며, 변압기 이용률 및 전기공급

신뢰도를 향상시킬 수 있다.

가.�특고압�계통�연계

저압루프 배전방식은 변압기를 병렬운전하기 때문

에 선로조건에 따라 그림 2와 같이 ‘▲동일 D/L 연계

▲타 D/L 연계 ▲타 M.TR 연계 ▲타 변전소 연계’로

구분할 수 있고, 연계방식에 따라 계통 임피던스 영향

으로 순환전류가 발생할 수 있다. 순환전류의 크기는

계통 임피던스비에 의해 결정되기 때문에 순환전류 크

기에 따라 계통 운전조건을 검토한다.

또한, 변압기를 병렬 운전함에 따라 계통 임피던스

가 작아져서 고장전류는 증가한다. 따라서 차단기 용

량 증가 등으로 경제성이 떨어지기 때문에 병렬운전을

제한하여 고장전류의 크기가 검토된다.

그림�1 �저압�공급방식�비교

수지상�저압공급�방식 루프�저압공급�방식

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그림�2 �특고압�계통�연계�검토

나.�저압�루프방식�시스템�구성

저압 루프방식은 그림 3과 같이 고압차단기, 루프용

변압기, 저압차단기, IED1), 저압루프용 운영시스템 등

으로 구성되며, 각각의 기능과 역할은 다음과 같다.

1) 고압 측 차단기

기존 다회로 차단기 또는 개폐기를 운영시스템이나

IED에서 감시 제어할 수 있도록 그림 3과 같이 시스템

을 구성하고, 변압기 1차 인입선로 고장 또는 변압기

내부고장 발생 시, 고장 측 차단기로 특고압 계통을 보

호하도록 구성한다.

1) IED(Intelligent Electric Device) : 양방향 통신이 가능한 지능형 전자장치

그림�3 �저압�루프방식�시스템�구성

저압�루프방식�시스템 저압�루프방식�통신망

광모뎀 광모뎀

광모뎀

저압 루프시스템

배전운영실

광모뎀

광모뎀

외장형

광모뎀

고압DAS링(1코어, Serial 및 TCP/IP 통신)

저압루프링(1코어, TCP/IP 통신)

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2) 루프용 변압기

루프용 변압기는 변압기와 2차 측 저압 차단기가 결

합된 구조이며, 변압기 내부고장을 감지하기 위하여

1~2차 전류비에 의해 차단기가 동작하도록 CT를 설치

하고, 과부하 상태를 감지하기 위하여 절연유 상부온

도를 측정할 수 있도록 하였다. 변압기 1차 측 보호 장

치는 Mg S.W와 CL 휴즈를 사용하며, 2차 측 보호 장

치는 ACB로 구성하였다. 특히, 2차 측을 환상방식으

로 연결하기 때문에 변압기 2차 정격전압을 220V로

설계하였다. 또한, 부하 측 고조파를 계통 측으로 유입

되지 않게 변압기 결선을 △-Yg형태로 검토하고, 변압

기 이용률 50%에서 최대의 효율을 낼 수 있도록 한다.

3) 루프용 저압 차단기

저압 차단기는 고장전류 차단과 부하추종운전에 따

른 On/Off 제어를 수행하므로 MCCB보다 기계적, 전

기적 차단수명이 우수한 ACB를 적용한다.

4) 루프용 IED 및 통신장치

루프용 IED의 보호협조 알고리즘은 기본적으로 전

원 측 선로고장 판단기능, 변압기 내부고장 판단기능,

저압선로 고장판단기능, 역조류 판단기능, 저압차단기

투입 시 차전압 또는 위상 검출기능이 내장된다. 특히,

고압 측 차단기는 통신장치인 PCU2)를 통해 루프 운영

시스템(주장치)에서 고압차단기를 On/Off 제어 및 고

장 시 IED와 연동하여 차단기를 Trip 할 수 있도록 구

성하였다. 또한, 그림 3과 같이 기존 DAS망과 저압 환

상망 시스템을 광통신망으로 연계한다.

5) 부하추종 운전

루프용 변압기는 부하의 증감에 따라 병렬운전 중인

변압기 운전 수량을 조정할 수 있다. 부하 이용률이 높

은 시간대에는 전 변압기로부터 전력을 공급하지만 부

하 이용률이 낮은 심야 및 주말 시간대의 경우, 변압기

이용률에 따라서 자동적으로 변압기 운전수량을 감소

시킬 수 있는 운전방식이며 부하추종 운전 시 변압기

손실을 감소시킬 수 있다.

6) 저압 루프 운영시스템

저압 루프용 운영시스템은 현장에 설치된 루프용 설

비에 대하여 원격설정, 감시·제어, 측정 등을 관리하

는 설비이다. 주요기능은 저압루프 배전운영 및 관리,

2) PCU(Protection Communication Unit) : 보호협조용 통신장치

그림�4 �저압�루프�운영시스템

루프정보�모니터링 IED�연결상태�모니터링

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측정 데이터 공유 및 실시간 데이터처리, 설비/운영정

보 이력 저장 및 접근 환경관리, 원격 IED 제어 및 계

측 값 수신, 기타 외부 시스템 간 데이터를 교환 할 수

있도록 구성한다.

또한, 루프시스템의 제어알고리즘에 의해 변압기 부

하추종운전, 고장 시 전압강하관리, 케이블 허용전류

관리, 변압기 이용률 관리 등에 대한 운영 알고리즘을

적용한다.

다.�실증을�위한�시스템�구축

1) 축소형 모의시스템 구성

저압 루프방식은 시스템 변압기를 병렬운전하기 때

문에 변압기 또는 케이블 등 설비 고장시 계통에서 신

속하게 분리해야 한다. 고장은 주로 차단기 1, 2차 측,

변압기, 변압기 2차 측에서 발생하며, 고장시 고·저

압 차단기는 고장조류의 방향을 감지해서 고장으로부

터 선로를 분리하게 된다. 이러한 고장 상황 및 보호협

조 알고리즘 제작을 위하여 그림 5와 같이 축소형 모의

시스템을 구축하였고, 다양한 고장 상황을 가정하여

보호협조 및 IED의 동작성능을 검증한다.

2) 지중 저압루프 실증시험장 구축

한전은 위에서 소개한 기기 및 시스템의 실증을 위

하여 고창 전력시험센터에 저압 루프 실증시험장을 구

축하였고, 실증시험장은 고압차단기(2대), 루프용변압

기(4대), 저압차단기(4Set), 가변부하(4대) 및 저압인공

고장발생장치로 구성된다.

실증시험을 통하여 저압 간선의 고장모의, IED와 보

호기기 간 보호협조 동작시험, 저압 부하 측 고장검출

및 변압기 내부 고장검출 등 다양한 상황을 가정하여

보호협조 알고리즘의 적정여부를 확인할 예정이며, 부

하추종운전 및 기기성능 등을 테스트할 예정이다.

또한, 저압 루프방식의 경제적 적용방안 및 시설기

준을 마련하고, 실증시험을 통한 최종 기자재 규격 및

시스템 개발을 완료할 계획이다.

그림�5� �저압�루프방식�고장유형�및�축소형�모의시스템

저압�루프방식의�고장유형 축소형�모의시스템

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3 해외 동향

해외에서는 뉴욕, 파리 등 부하밀도가 매우 높은 곳

을 중심으로 변압기 이용률 및 전력공급 신뢰도 향상

을 위하여 루프방식, 네트워크방식을 적용하여 전기를

공급하고 있다.

가.�미�국

미국의 Con, Edison사는 고압 측에 다회선의 배전

선로를 인입하고 변압기 2차 측을 망형식으로 구성

하는 Secondary Network방식을 적용하고 있으며,

1,000호당 정전 경험고객이 비 네트워크 배전지역에

비해 1/100 이하로 나타나 미국 최고의 신뢰도를 자

랑하고 있다. 그 외 미국의 전력회사들은 고신뢰성

을 갖는 저압네트워크방식(Secondary Network 또는

Regular Network) 방식을 광범위하게 적용하고 있다.

그림�6� �저압�루프�실증시험장

실증시험장�단선도 실증시험장�전경

그림�7� �Con�Edison�Secondary�Network

Con�Edison's�Primary&Secondary�Network�System Secondary�Network�system

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나.�독�일

독일의 배전계통 구성은 각 전력회사마다 다르지만

공급신뢰도가 요구되는 지역에서는 고신뢰도의 공급

방식을 적용하고 있다. 변전소로부터 배전계통 전압은

10kV로 상시 2회 2선 연계방식을 채택하고 있으며, 저

압계통은 수용의 형태별로 수지상 또는 뱅킹방식으로

운영하고 있다.

다.�프랑스

프랑스 전력회사인 ERDF는 독일 전력계통과 유사

한 저압 네트워크 방식을 적용하고 있으며, 전기공급

신뢰도를 요하는 고객에게는 저압 네트워크 방식을 적

용하여 공급하고 있다. 이처럼 해외에서는 오래 전부

터 저압계통에 루프방식, 네트워크 방식을 적용하여

이용률과 신뢰도를 향상시켜 운용하고 있다.

4 전 망

지금까지 지중 저압루프 배전방식에 대하여 간략히

살펴보았다. 현재 수지상 방식의 저압공급은 변압기

고장 시 정전이 장시간 소요되며, 변압기 이용률 향상

과 손실관리에 한계가 있다. 따라서 지중 저압계통의

손실감소 및 공급신뢰도 향상, 변압기 이용률 향상을

위하여 지중 저압루프 배전방식이 필요하다.

우리가 개발하는 저압루프 방식은 무정전 저압공급

이 가능하며, 해외의 저압 네트워크방식과는 달리 최

신 IT기술을 적용하여 어떤 고장상황이 발생하더라도

보호협조가 가능하다. IED의 현장정보 취득으로 관리

시스템 화면에서 실시간 현장 모니터링이 가능하며,

변압기 이용률에 따른 부하추종운전 도입으로 보다

Smart하고 효율적인 설비운영이 가능할 것으로 예상

한다.

표�1 �북미�전력회사의�Secondary�Network�방식�적용�현황

회사명 네트워크 변압기 적용지역

Con Edison 24,000대 이상맨하탄 지역

(경제적 중심지)

PEPCO,PSE&G 3,800∼4,000대 주요 밀집지역

GSA 4,000대워싱턴 DC

(정치적 중심지)

NE Utilities,Toronto Hydro

2,000∼2,500대 주요 밀집지역

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또한, 지중 저압루프 배전방식을 국내기술로 개발

함으로써 한전의 배전 기술력을 높이는 동시에 기자재

및 시스템 제작사의 해외사업 진출 시 경쟁력 확보도

용이할 것으로 보인다.

특히, 지중 저압루프 배전방식은 고객의 전기사용

불편 최소화 및 정전시간 단축을 통해 고품질의 전력

을 안정적으로 공급하며, 국가 경쟁력 향상에도 크게

기여할 것으로 전망된다.

[1] 지중설비 공급신뢰도 향상을 위한 저압루프 배전방식 개발, 한국전력공사, 2014

참고문헌

무정전 지중 저압루프 배전방식 개발로서 이용률은 50% 이하를 유지해야...

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