IEEE Std 2800-2022 강의 연재. 표준 본문의 문장을 옮기지 않고 요구사항을 다시 서술하며, 각 요구사항 뒤의 §번호는 IEEE Std 2800-2022의 조항 번호다. 시리즈 목록은 Grid 코너에서 볼 수 있다. 이 글은 8부이다.
발전소 보호는 전통적으로 발전기를 지키는 장치였다. 동기발전기는 주파수가 벗어나면 터빈 블레이드가 공진하고, 전압이 벗어나면 철심이 과여자되며, 전류가 넘치면 권선이 탄다. 그래서 주파수·전압·과전류 계전기가 발전기를 계통에서 떼어내는 것이 정상이었다. 2016년 이후 북미의 IBR 사고 보고서들은 이 관행이 인버터에 그대로 옮겨진 것이 문제였다고 지적했다. 인버터에는 그런 물리적 한계가 대부분 없는데도 동기기용 설정으로 보호를 걸어 놓고, 고장의 과도 현상에서 순시값을 보고 트립했다. IEEE 2800-2022 9장은 그 반성이 조문이 된 자리다. 이 글의 논지는 다음과 같다. 9장은 어떤 보호를 두라고 요구하는 장이 아니라, 보호를 둔다면 7장의 라이드스루를 막지 못하게 하고 순시값 판정을 금지하며 TS 보호와 협조하게 하는 제약의 장이고, 부속서 F는 그 제약 아래에서 정정값을 어떻게 잡는지 알려 주는 지침이다.
9장 서두는 범위를 1.4로 돌리고, 각주 135에서 TS 소유자가 연결계통의 자기 쪽이나 POI에 두는 보호의 배치·설정은 표준 밖이라고 밝힌다. 플랜트의 보호 기능은 해당하면 TS의 보호와 협조해야 하고, 플랜트 보조 부하에 적용된 보호가 라이드스루 성능을 제한해서는 안 된다 9. 각주 134는 보호 장치 번호와 약어에 IEEE C37.2를 참고할 수 있다고 안내한다.
| 조항 | 요구 여부 | 두는 경우의 조건 |
|---|---|---|
| 9.1 주파수 보호 | 요구하지 않음 | 라이드스루 요구를 만족하게 할 것. TS 주파수 보호(있으면)와 지역 저주파 부하차단(UFLS)과 협조 |
| 9.2 ROCOF 보호 | 요구하지 않음 | 특정 설비 보호용이면 ROCOF 라이드스루를 포함한 라이드스루 요구를 방해하지 말 것. 왜곡·과도의 허위 측정을 걸러낼 만큼 충분한 시간의 평균 변화율 사용 권고 |
| 9.3 교류 전압 보호 | (두는 전압 보호에 적용) | 라이드스루를 만족하게 할 것. TS 전압 보호와 저전압 부하차단(UVLS)과 협조. 순시 과전압 보호는 필터링된 양을 쓰고, 플랜트 전체 출력을 끊을 수 있으면 최소 1사이클 창. 유닛의 순시 과전압 보호는 유닛의 과도과전압 능력, 플랜트·RPA의 서지 보호, 7.2.3의 요구와 협조 |
| 9.4 교류 과전류 보호 | 모든 설비에 요구하지 않음 | 라이드스루 능력을 제한하지 말고 TS 보호와 협조하되 플랜트 보호는 유지. 순시 과전류 보호는 필터링된 양, 플랜트 전체에 영향하면 최소 1사이클 창. TS 소유자와 협조 |
| 9.5 단독운전 보호 | TS 소유자가 단독운전을 불허하면 요구 | 어떤 방식이든 라이드스루를 제한하지 말 것. 불허 시 TS 소유자 요구에 따라 구현 |
| 9.6 연결계통 보호 | 요구 | TS 소유자와 전기적으로 연결된 설비 소유자의 요구에 따라 구현하고 TS 보호와 협조. 세 가지 예외를 빼고 라이드스루를 제한하지 말 것 |
표 1. 9장 조항의 구조. '요구하지 않음'이 세 번, '두면 라이드스루를 막지 말 것'이 여섯 번 나온다.
주파수 보호는 이 표준이 플랜트 설비에 요구하지 않는다. IBR 소유자가 이 보호 요소를 쓰면 이 절의 요구를 따라야 하고, 플랜트를 보호할 특별한 필요가 있으면 적용된 주파수 보호가 플랜트의 라이드스루 요구를 만족하게 해야 하며, TS 소유자와 IBR 소유자는 플랜트의 주파수 보호를 TS 주파수 보호와 지역의 저주파 부하차단(UFLS)과 협조해야 한다 9.1. UFLS와의 협조가 중요한 이유는 명확하다. 부하차단은 주파수가 떨어질 때 부하를 떼어 발전을 남기는 장치인데, 같은 주파수에서 발전이 먼저 떨어지면 부하차단이 헛일이 되고 붕괴가 가속된다.
ROCOF 보호도 요구하지 않는다. 플랜트 안 특정 설비를 지키려고 쓰는 경우, ROCOF 라이드스루를 포함한 이 표준의 라이드스루 요구를 방해해서는 안 된다. ROCOF는 왜곡과 과도로 생기는 허위 주파수 측정을 배제할 만큼 충분한 시간에 걸쳐 평균한 주파수 변화에 근거해야 한다는 권고가 붙는다 9.2. 4.3의 0.1초 이상 평균화 창 정의와 짝을 이룬다.
전압 보호를 두면 플랜트의 라이드스루 요구를 만족하게 해야 하고, TS 소유자와 IBR 소유자는 그것을 TS 전압 보호와 지역의 저전압 부하차단(UVLS)과 협조해야 한다 9.3. 플랜트 안의 모든 순시 과전압 보호는 오동작 가능성을 줄이기 위해 필터링된 양을 써야 하고(Schweitzer와 Hou의 문헌을 인용), 플랜트 전체의 출력을 끊을 가능성이 있는 순시 과전압 보호는 최소 1사이클(기본파)의 측정 창을 써야 한다. 보호 여유는 해당하면 TS 소유자와 협조한다 9.3. 유닛에 순시 과전압 보호를 두면 유닛의 과도과전압 능력, 플랜트와 RPA의 서지 보호, 7.2.3의 과도과전압 라이드스루 요구와 협조해야 한다.
과전류 보호는 상 양과 대칭 성분 양에 적용된다. 표준은 플랜트의 모든 설비에 과전류 보호를 요구하지 않지만, IBR 소유자가 쓰면 이 표준의 라이드스루 능력을 제한해서는 안 되고 TS의 다른 보호 방식과 협조하되 플랜트 안의 적절한 보호는 유지해야 한다 9.4. 순시 과전류 보호도 필터링된 양을 써야 하고, 플랜트 전체에 영향할 수 있으면 최소 1사이클 창을 써야 하며, TS 소유자와 협조해야 한다.
이 두 조항은 사고 조사에서 나온 요구다. 북미의 IBR 사고 보고서들은 인버터가 순시 교류 과전압이나 순시 직류 링크 과전압을 보고 정지한 사례를 반복해서 기록했고, 고장 제거 순간의 스파이크 하나가 수백 MW를 떨어뜨렸다. 1사이클 창이라는 요구는 그 스파이크를 걸러내라는 최소한의 처방이다.
유닛이나 플랜트가 쓰는 어떤 의도하지 않은 단독운전 보호 방식도 이 표준의 라이드스루 능력을 제한해서는 안 된다. TS 소유자가 플랜트와 TS 일부의 단독운전을 허용하지 않으면 TS 소유자의 요구에 따라 단독운전 보호를 구현해야 한다 9.5. 각주 136은 플랜트 내부 고장으로 집전계통 일부가 고립될 때처럼 유닛이 자기와 플랜트 설비를 지키기 위해 내장된 능동 검출을 쓸 수 있다고 적는다. 배전용 표준인 IEEE 1547이 단독운전 검출을 2초 안에 요구하는 것과 대조된다. 송전 접속 IBR에서는 단독운전 검출보다 라이드스루가 우선이고, 검출은 TS 소유자가 요구할 때만 둔다.
플랜트는 TS 소유자와 전기적으로 연결된 설비 소유자들의 요구에 따라 연결계통 보호를 구현해야 하고, 이 보호는 TS 보호계통과 협조해야 한다. 보호 방식은 세 가지 예외를 빼면 플랜트의 라이드스루 능력을 제한해서는 안 된다. 연결계통 안의 고장, TS 소유자가 지정한 보호 구역 가운데 플랜트를 TS에 잇는 유일한 경로 안의 고장, 그리고 플랜트를 분리하지 않고는 제거할 수 없는 플랜트 내부 고장이다 9.6. 이 세 예외는 5부와 6부에서 본 7.2.2.1과 7.3.2.1의 예외와 같은 목록이다.
부속서 F는 규범이 아니지만 9장의 짧은 조문이 실제로 뜻하는 바를 보호 요소별로 풀어 준다.
주파수 보호에 대해 F.1은 고장과 비정상 조건이 만드는 주파수 과도가 계전기의 판단을 흔들 수 있으므로 보호 알고리즘에 순시 측정을 쓰지 말고 시한 계전이나 필터링으로 보안도를 높이라고 권고한다. 주파수는 전압·전류·속도 어느 것에서 유도해도 되고, IEC 60255-181이 충분한 기능 요건을 줄 수 있다. 가장 중요한 권고는 다음이다. IBR에 비정격 주파수 한계가 없으면 IBR 소유자는 트립용 주파수 보호를 두지 말아야 한다. 풍력과 달리 태양광과 배터리에는 발전기 보호의 전통적인 전기기계적 한계가 없기 때문이다. 필수 보조설비의 주파수 보호도 라이드스루 요구를 따라야 하며, 집전계통 피더와 주변압기의 주파수 보호는 해당 설비에 비정격 주파수 한계가 있을 때만 두어야 한다 F.1.
ROCOF 보호에 대해 F.2는 계통 과도가 ROCOF 보호를 불필요하게 작동시켜 IBR을 트립시킬 수 있고, 이 방식이 자원의 신뢰도와 라이드스루 성능을 해칠 수 있다고 경고한다 F.2.
전압 보호에 대해 F.3은 보호가 IBR의 전압 지원을 제한해서는 안 된다는 원칙에서 출발한다. 필터링된(기본파) 양이나 시한 양을 쓰고, 시한을 쓰면 제조사가 그 지연이 설비 손상 보호를 막지 않는지 확인해야 하며, 총 동작 시간은 전압 크기 전 범위에서 IBR 능력과 협조해야 한다. IEC 60255-127이 기능 요건을 줄 수 있다. 집전계통의 전압 강하를 협조에 반영할 수 있고, 피더 보호는 플랜트 내부 고장 제거에 필요한 경우가 아니면 IBR이 견딜 수 있는 전압 편위에서 조기에 트립하지 말아야 한다. 과전압·과여자 보호는 설비의 과여자 능력 곡선과 협조할 수 있고, 설비 능력 한계가 없으면 POM의 전압 보호는 필요 없다 F.3.
과전류 보호에 대해 F.4는 IBR이 손상 없이 단락 중 낼 수 있는 전류 능력에 근거해 상 과전류 보호를 개발하고, 정정값이 자원이 낼 수 있는 최대 지원 전류(유효·무효 성분)를 고려하도록 권고한다. 그래야 계통이 무효전류(전압 지원)와 유효전류(주파수 지원)를 최대한 받을 수 있다. 필터링된 양이나 시한 양을 쓰고, 시한은 TS 보호와 협조하며, IEC 60255-151이 기능 요건을 줄 수 있다. 변압기 과전류 보호는 설비의 열 능력 곡선(손상 곡선)의 전기·기계 부분 모두와 협조하고 상하류 보호와 협조하되 자원의 총 전류 출력을 인위적으로 제약하지 말아야 한다. 집전계통 피더 보호는 피더에 연결된 IBR들의 최대 부하·지원 전류 합계에 여유를 더해 정정한다. 주변압기와 POM의 상 과전류 보호는 집전 모선의 무효전력 보상 설비가 전압 편위 중 추가로 흘리는 전류를 고려해야 하고, 상류의 거리 보호나 과전류 요소가 먼저 고립할 기회를 주도록 협조해야 한다 F.4.
단독운전 보호에 대해 F.5는 섬이 모선 고장으로 타이라인이 고립되거나 잘못된 개폐로 생길 수 있고, 운전이 의도되지 않은 섬은 설비와 수용가에 비정상 전압·주파수를 가하며, 섬 안의 계전 정정이 가용 고장 전류에 맞지 않을 수 있고, 비동기 상태로 재폐로하면 설비 손상과 과도가 생긴다고 설명한다. 많은 유닛이 능동 단독운전 검출을 내장하지만 라이드스루 우려로 끌 수 있다. 부속서는 IBR 보호에 필요하지 않으면 능동 검출을 끄기를 권고하고, 필요하면 통신 기반 방식을 선호하며, TS 소유자가 동의하고 라이드스루 요구를 만족하면 능동 검출을 허용할 수 있다고 적는다. 외부 방법으로 직접 전송 트립(DTT)이 있다. 섬을 만드는 조건을 감시해 차단기 상태와 계전기 트립의 조합으로 신호를 보내고, 연결계통 보호가 그 신호로 POM 고압측 차단기, 집전 피더 차단기, 또는 개별 유닛 차단기를 트립시킨다 F.5.
연결계통 보호에 대해 F.6은 연결계통이 주변압기와 TS 접속점 사이의 요소이고, 보호는 주변압기 고압측, POM, 타이라인에 둘 수 있으며, 주변압기와 TS 사이의 모든 고장 시나리오를 신뢰성 있게 보호할 인프라를 갖춰야 하되 그 너머(송전망 안, 원격 모선 너머)의 이상은 이 보호가 덮을 필요가 없다고 정리한다. 적용 고려사항은 다섯이다. 주보호는 언더리치 거리 구역과 통신 보조 방식(선로 전류차동, 허용 오버리치 전송 트립 등)을 쓸 수 있고 광섬유나 전력선 반송 같은 통신 매체를 포함한다. 언더리치 구역은 원격 TS 모선을 넘어서지 않게 보안도를 확보하고, 정정은 고장 중 IBR의 응답 시간과 행동을 고려한다. 통신 보조 방식은 신뢰도를 높이고 계통 안정도에 필요한 임계 제거 시간을 맞추는 데 쓸 수 있다. IBR의 제어계는 방향·고장 유형 식별·거리 요소가 기대하는 행동을 보이기까지 응답 시간이 필요할 수 있으므로 감시 과전류 문턱과 시한으로 보안도와 신뢰도를 높일 수 있다. 후비보호는 시한 단계 거리 구역, 영상 과전류 요소, 저전압 요소를 쓸 수 있고, 통신 채널 고장 등으로 주보호가 제거하지 못할 때 시한 제거를 맡는다 F.6. 보호계통은 TS 소유자와 협조하고, 주변압기와 TS 사이에 전기적 분리점(차단기)이 있어야 하며, 연결계통은 TS 소유자가 정한 수준의 보조 설비(CT·PT)를 갖춰야 한다.
이 다섯 항목의 배경은 IBR의 고장 전류 특성이다. 동기기는 고장 시 정격의 5~7배 전류를 물리 법칙대로 내지만, 인버터는 정격의 1.1~1.5배로 제한된 전류를 제어 소프트웨어가 정한 위상으로 낸다. 거리 계전기의 방향 판별과 고장 유형 식별은 동기기의 특성을 전제로 만들어졌으므로, IBR이 붙은 선로에서는 오판할 수 있다. 부속서가 인용하는 IEEE PES-TR68·TR81과 여러 논문이 그 문제를 다룬 문헌이다.
9장을 관통하는 원칙은 세 개다. 첫째, 이 표준은 플랜트에 주파수·ROCOF·과전류 보호를 요구하지 않으며, 설비에 물리적 한계가 없으면 트립용 보호를 두지 말라고 부속서가 권고한다. 둘째, 어떤 보호를 두든 7장의 라이드스루를 막아서는 안 되고, 예외는 연결계통 고장, 유일 경로 고장, 분리 없이 제거할 수 없는 내부 고장뿐이다. 셋째, 플랜트 전체 출력을 끊을 수 있는 순시 보호는 필터링된 양과 최소 1사이클 창을 써야 하며, TS 보호 및 UFLS·UVLS와 협조해야 한다. 이 원칙은 4.7의 우선순위와 맞물린다. 고장 제거를 위한 트립은 라이드스루보다 앞서지만, 설비를 지키려는 자체 보호 트립은 허용되더라도 표준 불이행이 될 수 있다.
부속서 F가 남긴 과제도 있다. IBR의 제한된 고장 전류와 제어가 정한 위상은 거리 계전과 방향 요소의 전제를 흔들며, 부속서는 감시 과전류 문턱과 시한, 통신 보조 방식으로 보강하라고 권고할 뿐 정정 공식을 주지 않는다. 그 공식은 IBR 플랜트마다의 고장 전류 특성, 곧 10장이 요구하는 모델링 데이터에서 나와야 한다. 9부에서는 그 10장과 부속서 G·H, 모델링 데이터와 계통 데이터를 다룬다.