3부의 단독운전 시험, 2부의 지속운전 시험, 4부의 고장전류 시험에는 공통의 어려움이 있다. 실제 계통을 흔들어 시험할 수 없으므로 계통을 흉내 내는 장비가 필요하고, 그 장비의 성질이 결과를 좌우한다. 1547.1-2020의 정보용 부록 네 개가 그 장비를 다룬다. 부록 F는 컴퓨터 시뮬레이션과 실물 장비를 실시간으로 잇는 하드웨어 인 더 루프(HIL), 부록 G는 리액터로 전압 새그를 만드는 단락 시뮬레이터, 부록 H는 프로그램 가능 전원 대신 실제 계통으로 고장전류를 시험하는 장치, 부록 D는 단독운전 시험의 배경과 섬의 전압·주파수 식이다. 7부는 이 넷을 다루며 연재를 마친다.
7부의 요지는 이렇다. 네 부록은 모두 '프로그램 가능 교류 전원이 없거나 부족할 때의 대안'이며, 대안을 허용하되 그 대안이 실제 계통이나 이산 소자 회로와 같은 거동을 낸다는 것을 먼저 검증하라고 요구한다. 시험 장비의 강도, 임피던스 비, 시간 지연, 표본화 간격에 붙은 숫자들이 그 검증의 기준이다.
부록 D는 5.10의 단독운전 시험을 뒷받침하는 배경이다. 단독운전용 교류 시험 전원은 권장 전압·주파수 창 안에서 운전할 수 있는 어떤 전원이든 되며, 전압·주파수 제어가 있고 단독운전 보호가 없는 엔진 발전기도 시험 전원으로 볼 수 있다. 전원, RLC 부하, DER 사이를 흐르는 고조파 전류는 기본파 성분이 S3에서 0.02 p.u. 아래로 줄었는데도 전류가 흐르는 것처럼 보이게 만들므로, 유도·용량 리액턴스를 조정할 때는 기본파 성분만 표시하는 계기를 써야 한다. 부하 균형은 인덕턴스를 먼저 맞추고, 전압이 안정되도록 커패시턴스를 다음에 더하고, 저항을 마지막에 더하는 순서가 바람직하며, 이 저항은 유도 부하에 본래 들어 있는 저항과 별개다.
동기발전기에 관한 설명도 있다. 계통 연계 동기발전기는 대개 계통 주파수와 무관하게 유효전력을, 계통 전압과 무관하게 무효전력이나 역률을 조정한다. 동기기 고유의 제어 시스템은 부하가 출력과 가깝게 맞으면 비의도적 섬을 유지할 수 있다. 유효전력 변화에는 엔진 연료율 변화가, 무효전력 변화에는 여자 변화가 필요한데 여자가 연료보다 훨씬 빨리 바뀌므로 단독운전 검출 보호는 그 특성을 고려해야 한다. 동기기는 섬이 되어도 교류 출력을 유지할 수 있지만, 그 주파수는 일부 인버터와 달리 부하의 유도·용량 성질과 관계가 없다.
섬 전압과 주파수의 모델은 다음과 같다. fisland = feps × √[(QL + QLi)/(QC + QCi)], Visland = Veps × √(Pgen/Pload), QF = √[(QL + QLi)(QC + QCi)]/Pload. QL·QC는 유도·용량 부하의 무효전력, QLi·QCi는 EUT의 유도·용량 무효전력, Pgen은 EUT 유효전력, Pload는 저항 부하의 유효전력이다. 이 식이 3부에서 본 시험 행렬의 근거다. 표 13·14의 QF가 모두 1.0인 것은 유도와 용량 무효전력을 각각 유효전력과 같게 두어 공진 회로의 품질계수를 1로 맞춘 것이고, 무효 부하를 95~105퍼센트로 훑는 것은 주파수 비를 공칭 주위로 움직여 검출이 가장 느린 점을 찾기 위해서다. 정상 상태 균형에서 섬의 전압·주파수가 공칭에 머물면 전압·주파수 계전기만으로는 검출할 수 없고, 능동 검출 방법이 필요하다.
부록 F는 HIL 시험을 해당 절차에서 대체 방법으로 쓸 수 있음을 전제하고, 설정 요구와 절차는 각 절에 있으므로 용어와 구조만 설명한다. 디지털 실시간 시뮬레이터(DRTS)는 HIL 설정의 핵심 부품으로, 모델(나머지 계통, ROS)을 실시간으로 시뮬레이션하고 모의 부분과 외부 하드웨어 사이의 신호 교환 인터페이스를 제공하며 EUT 단자의 시험 조건을 제어한다. 시험 대상 장치와 접속하는 전기 부분에는 전자기 과도(EMT) 방식의 모델링을 써야 한다. 인터페이스 알고리즘(IA)은 DRTS의 모의 부분을 전력 장치와 잇는 방법으로, 전력 인터페이스(증폭기)를 제어 전압원으로 쓰고 측정 전류를 모의 계통에 되먹이는 것이 한 예다. 저전력 입출력 인터페이스는 0~10 V 아날로그나 TTL 디지털 신호로 전력 장비의 제어를 잇고, 디지털 통신 프로토콜을 쓸 수도 있다. 전력 증폭기(PA)는 모의 부분의 전압·전류를 반영한 기준 신호를 받아 전력 단자의 실제 전압·전류로 바꾼다. 나머지 계통(ROS)은 DRTS에서 실행되어 EUT와 접속되는 실시간 모의 부분이다.
전력 HIL(PHIL)에서 ROS와 EUT의 연결은 시뮬레이션에서 잰 전압을 증폭기를 통해 EUT 단자에 걸고 EUT의 측정 전류를 ROS로 되먹이는 방식이다. 그림 F.2 (b)는 단독운전 시험에서 계통 전압원, S3, RLC 부하 뱅크를 소프트웨어 모델이 대체하는 예다. 제어기 HIL(CHIL)에서는 실시간 ROS가 EUT가 측정으로 쓰는 신호를 주고 EUT의 응답이 시뮬레이션으로 되돌아가며, 신호가 EUT의 전력 수준에서 일어나지 않으므로 전압·전류 수준을 맞추기 위해 액추에이터와 센서가 필요할 수 있다. 계전기 시험이 그 예이며 계기용 변압기와 변류기가 필요할 수 있다. EUT는 인식한 전압·전류에 따라 차단기 상태를 제어한다.
F.2는 보조 DER 장치의 CHIL 시험이다. 보조 장치는 DRTS와 아날로그·디지털 입출력 인터페이스로 시험할 수 있고, 이 인터페이스는 전압·전류 측정 신호 같은 저전력 신호이지 DER의 전력 단자가 아니다. DRTS의 신호 수준이 맞지 않으면 계전기 시험기 증폭기로 5 A나 120 V 신호를 만들어 변류기·계기용 변압기의 2차 신호를 흉내 낼 수 있다. 보조 장치는 형식시험의 범위에 맞지 않으므로 설계 평가에 이 방법이 유용하며, 현장 설치 전에 더 큰 DER 시스템 안에서 보조 장치의 올바른 기능을 보일 수 있다. 시뮬레이션 시간 간격은 과도 효과를 충분히 모델링하도록 50 µs 이하가 권장된다. 보조 장치의 입력과 출력을 모두 연결해 장치 내부 기능이 모의 계통에 영향을 주게 하고, 입력이나 출력을 고정할 때는 근거를 적는다.
3부에서 본 5.10.2.3의 PHIL 요구가 이 구조 위에 놓인다. 50 µs 이하의 시간 간격, X/R 20 이상의 모의 인덕터, 네 운전점에서 10초 섬을 유지하는 시뮬레이터 검증, 800 Hz 이상의 고조파 합성 또는 20 Hz~1.5 kHz의 임피던스 측정 검증, 모의 RLC 전압과 EUT 단자 전압 사이의 200 µs 미만 지연이 그 요구다. 각주 66에 따르면 200 µs 한계는 모의 회로와 EUT의 무효전력 차이를 7.5퍼센트 아래로 유지하기 위한 값이다.
부록 G는 저전압 외란 지속운전 시험을 단락 시뮬레이터로 하는 한 방법이다. 직렬 리액터와 단락 초크로 전압 분배 원리를 구현한 장비이며, 3상 EUT의 대칭·비대칭 선-대지 또는 선간 전압 새그를 만드는 LVRT 시험용이다. 정상 운전 중에는 직렬 리액턴스 Xseries가 차단기 CBseries로 우회되고 CBshunt는 열려 있다. 이상 조건에서는 CBseries를 열고 CBshunt를 닫아 구성에 따라 비대칭 또는 대칭 3상 새그를 만든다. 크기와 지속시간이 다른 여러 새그를 순차로 만들어 전압 프로파일을 구성하려면 분로·직렬 임피던스를 가변 리액턴스나 개별 조작하는 병렬 소자로 구현할 수 있다.
선-대지 새그 절차(G.2.1)는 필요한 새그를 내도록 직렬 리액터와 초크의 임피던스를 고르고 X/R과 함께 기록하며, CBsource·CBeut·CBseries를 연동으로, CBshunt를 시험 사례에 따라 3상·2상·단상 선-대지로 구성하고, EUT를 기본 설정으로 연결해 목표 출력으로 운전하며 MP1의 전압을 기록한 뒤, CBseries를 열어 정상 상태를 기다리고, CBground를 닫고, CBshunt를 닫아 새그를 만들고, MP2의 전압을 기록해 순간 정지를 포함한 어느 기본파 주기에서도 새그가 요구값 아래임을 확인하고, 요구 시간 뒤 CBshunt를 열고 CBseries를 닫아 지속운전 완료 여부를 기록한다. 선간 새그(G.2.2)는 CBground를 열어 둔 채 같은 순서다. 요구(G.3)는 임피던스의 X/R이 3.1 이상이라는 한 가지다. 판정(G.4)은 트립하지 않고 유효전력 진동이 양의 감쇠를 갖는 것이며, 임피던스 개폐로 생기는 전압 과도를 감안해 요구 프로파일 위로 0.05 p.u.의 추가 허용을 두되 구간 평균 전압은 잔류 전압 이하여야 하고, 순간 정지는 6.4.2.7의 복구 기준을 만족할 때만 적합이다.
G.5의 주석은 2부에서 반복된 '전원의 강도' 문제를 숫자로 만든다. EUT(변압기 유무 무관)에서의 단락 용량이 EUT 정격의 3배 이상이어야 새그 중 전압을 안정하게 유지할 수 있고, EUT가 안정하다면 더 낮은 값도 쓸 수 있으며, 큰 DER는 더 큰 단락 용량이 필요할 수 있다. 피상 단락 용량은 Ssc = Vsource²/(Xsource + Xseries)로 계산하고, 장비 선택과 설정의 추가 지침은 IEC 62910(풍력 발전 시스템의 저전압 지속운전 시험)에 있다. 프로그램 가능 전원이 수십 kW급까지만 흔하고 MW급 인버터를 시험하려면 실제 계통과 리액터로 새그를 만들어야 하는 사정이 이 부록의 배경이다.
부록 H는 고장전류 특성화에 프로그램 가능 교류 전원을 쓰지 않을 때의 장치다. 3상 EUT의 장치는 그림 H.1이며, 오른쪽의 위치 2가 4부에서 본 그림 16의 측정점 a-a에 해당한다. 전원의 정상·역상·영상 임피던스와 전압을 시험 자료와 함께 제공하고, 위치 1의 전원 쪽 모든 부품의 자료를 제공한다.
전원은 위치 1에서 3상 지락 고장 용량이 EUT 정격의 3배 이상, 1선 지락 고장 용량이 1배 이상이어야 한다. 전원 임피던스는 전원의 일부로 위치 1의 왼쪽에 있고, 직렬 Zlimit와 분로 Zfault는 시험 장치의 일부로 조정 가능하며 저항성이거나 유도성일 수 있다. EUT 단자에서 본 전원 임피던스의 X/R은 2.5~3.5여야 한다. RLC 부하의 주 목적은 EUT가 Zlimit를 통해 큰 전력을 내보낼 때 생길 수 있는 과도한 전압 상승을 피하는 것이며, EUT 전체 출력이 전원으로 흐를 때 위치 1의 전압 상승이 5퍼센트 미만이면 생략할 수 있다. 쓸 때는 저항이 EUT 출력의 100 ± 1퍼센트를 흡수하고 인덕터나 콘덴서가 역률 1 시험 시 EUT의 무효전력을 공급·흡수하도록 맞추되, 공진 RLC 탱크를 만들려는 것이 아니므로 대개 L과 C 가운데 하나만 필요하다.
상-대지 고장 시험에서는 위치 2의 고장상 전압이 공칭의 5퍼센트 미만, 건전상 전압이 90~138퍼센트, 위치 1의 선-대지 전압 변화가 5퍼센트 이하, 위치 1의 주파수가 10주기 평균 59.0~61.0 Hz여야 한다. 상간 고장 시험에서는 위치 2의 고장 상간 전압이 5퍼센트 미만, 건전 상간 전압이 95~105퍼센트, 건전 상-대지 전압이 90~138퍼센트, 위치 1의 선간 전압 변화가 5퍼센트 이하, 주파수 조건은 같다. 단상 인버터는 그림을 상별로 해석해 어느 한 상에서 시험하고 나머지 두 상을 생략할 수 있다. Area EPS를 전원으로 쓰고 그 계통이 시험 목적의 직접 고장을 감당할 수 있으면 Zlimit를 생략할 수 있으며, 이때 위치 2의 전압 요구가 그대로 적용되고 위치 1의 주파수 요구는 전원 주파수에 적용된다.
이 부록이 요구하는 조건은 시험이 실제 계통에 미치는 영향을 묶는 조건이기도 하다. 위치 1의 전압 변화 5퍼센트 이하는 시험용 고장이 사업자 계통의 다른 수용가에 1547-2018 7.2.2의 RVC 한계 안의 영향만 주게 하려는 값이고, 3상 지락 용량 3배는 EUT의 고장전류가 계통 전압을 흔들지 않게 하려는 값이다.
네 부록을 하나의 원칙으로 묶으면 이렇다. 프로그램 가능 전원이 없어도 시험할 수 있지만, 대안 장비가 실제 계통이나 이산 소자 회로와 같은 거동을 낸다는 것을 먼저 보여야 한다. PHIL은 50 µs 시간 간격, 20 이상의 인덕터 X/R, 네 운전점의 섬 유지, 1.5 kHz까지의 임피던스 일치, 200 µs 지연으로 그것을 보인다. 단락 시뮬레이터는 3.1 이상의 X/R, 3배의 단락 용량, 0.05 p.u.의 개폐 과도 허용으로 보인다. 계통 전원 고장 시험은 3배와 1배의 고장 용량, 2.5~3.5의 X/R, 5퍼센트의 전압 변화로 보인다. 부록 D의 식은 그 모든 시험의 출발점인 단독운전 회로가 왜 그렇게 설계되었는지를 설명한다.
이것으로 IEEE 1547.1-2020 해설 7편과 IEEE 1547-2018 해설 8편을 마친다. 두 연재를 함께 읽으면 하나의 구도가 남는다. 성능 표준은 요구를 카테고리와 기준점에 붙였고, 시험 표준은 그 요구를 측정 정확도의 1.5배 여유와 정해진 파형으로 증명하되, 자신이 증명하지 못하는 것, 곧 현장의 임피던스, 여러 DER의 상호작용, 보안, 보조 장치와 사업자 설비의 조합을 스스로 목록으로 만들어 설계 평가와 커미셔닝에 넘겼다. 두 표준을 다른 나라에 옮길 때 가장 먼저 물어야 할 것은 그 목록을 누가 맡을 것인가다.