분산형전원 계통연계 범위·시설기준

왜 배우는가: 분산형전원 계통연계는 신재생에너지 보급이 늘면서 설계·감리 실무에서 매번 확인하는 항목이다. 3교시와 4교시에 반복 출제되므로 연계 범위와 보호 기준을 함께 정리해 두어야 한다.

출제 이력: 제135회 3교시 2번, 제131회 4교시 2번, 제117회 3교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의: 분산형전원 계통연계는 발전설비를 전력계통에 병렬로 접속할 때 연계 범위와 보호·분리 시설을 정하는 기준이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 분산형전원, 계통연계, 연계점, 역송, 단독운전, 보호계전기, 연계용 차단장치, 연계 범위

이 키워드는 답안 전체의 골격이다. 분산형전원은 수용가 가까이에 분산 설치되는 발전설비다. 계통연계는 이를 배전계통과 병렬로 운전하는 것을 말한다. 연계 범위는 어디까지를 연계설비로 보고 어디에서 보호와 분리를 할지 정하는 것이다.

2. 개념 풀이

쉬운 말로 말하면, 건물 옥상의 태양광 발전설비를 한국전력의 배전선로와 함께 전기를 주고받도록 묶는 일이다. 발전설비가 남는 전기를 선로로 내보내고, 선로가 정전되면 발전설비도 같이 멈춰야 작업자가 안전하다.

정식 정의는 다음과 같다. 분산형전원은 전력 수요 근처에 분산 배치되는 소규모 발전설비다. 이를 전력계통과 병렬로 운전하는 것을 계통연계라 한다. 한국전기설비규정(KEC)은 분산형전원의 연계 기준을 두고 있으며, 적용 범위는 연계 계통의 전압과 설비 용량에 따라 나뉜다.

핵심 용어는 세 가지로 정리한다.

연계점은 발전설비와 전력계통이 전기적으로 만나는 지점이다. 계통 측 보호와 계량이 이 지점을 기준으로 정해진다. 영문으로는 Point of Common Coupling(PCC)이라 한다.

역송은 발전설비가 만든 전력이 수용가 부하에서 쓰고 남아 계통으로 흘러 들어가는 현상이다. 역송이 생기면 선로 전압이 오르고 기존 보호 협조가 달라진다.

단독운전은 계통이 정전되었는데도 발전설비가 부하에 전력을 계속 공급하는 상태다. 작업자 감전과 재폐로 실패를 일으키므로 반드시 막아야 한다.

단독운전은 계통 정전을 빠르게 감지해 발전설비를 분리하는 방식으로 방지한다.

계통 전압은 저압 1kV 이하, 고압 1kV 초과 7kV 이하, 특고압 7kV 초과로 구분한다. 연계 보호계전기의 구성은 이 구분에 따라 달라진다. 저압 연계는 보호장치를 간단히 두고, 특고압 연계는 계전기와 차단기를 이중으로 구성하는 것이 일반적이다.

3. 등장 배경과 필요성

재생에너지 보급 정책으로 태양광 같은 소규모 발전설비가 수용가와 배전선로에 크게 늘었다. 과거의 배전선로는 변전소에서 수용가 쪽으로 한 방향으로 전기를 공급하도록 설계되었다. 발전설비가 붙으면 전류의 방향과 전압 분포가 바뀐다. 기존 설계 기준으로는 이를 설명하기 어렵다.

발전설비 연계로 생기는 문제는 크게 네 가지다.

• 전압 상승: 역송이 많으면 배전선로 말단 전압이 허용 범위를 넘을 수 있다.
• 보호 협조 실패: 고장 전류의 방향이 바뀌어 기존 과전류 계전기가 오동작하거나 동작하지 않을 수 있다.
• 단독운전 위험: 정전 중에도 선로가 살아 있어 복구 작업자가 감전될 수 있다.
• 재폐로 충돌: 자동 재폐로 때 발전설비와 계통의 위상이 맞지 않으면 설비가 손상될 수 있다.

이 문제를 막으려면 연계 측과 계통 측 보호를 함께 갖춰야 한다. 분산형전원은 계통 측 보호와 연계 측 보호를 함께 갖춰야 한다. 이것이 연계 기준을 따로 두는 이유다.

기준의 체계도 바뀌었다. 과거에는 구 전기설비기술기준의 판단기준으로 관리했으나, 현재는 한국전기설비규정(KEC)으로 바뀌어 적용되고 있다. 현재의 설계와 감리는 KEC 기준을 쓴다.

연계 범위를 명확히 정하지 않으면 누가 어디까지 책임지는지 불분명해진다. 그래서 연계설비의 범위, 즉 발전설비와 연계 차단장치, 보호계전기, 계량기의 위치와 설치 기준을 먼저 정한다. 이 시설기준이 3교시와 4교시 답안의 핵심이다.

4. 구성요소·원리·절차

분산형전원 계통연계설비는 발전설비, 전력변환장치(인버터), 연계보호장치, 계통연계 변압기로 구성된다. 한국전기설비규정(KEC)에서는 연계 계통의 전압 수준과 연계 형태에 따라 보호계전기 구성과 연계 조건을 달리 둔다. 구성 요소의 역할을 표로 정리하면 다음과 같다.

전력변환장치는 계통의 전압, 주파수, 위상을 측정해 발전 출력을 계통에 맞춘다. 계통이 정전되면 인버터는 전력 공급을 멈춰야 한다. 이때 계통이 끊긴 상태에서 발전설비만 부하에 전력을 공급하는 현상을 단독운전(아일랜드 현상)이라 부른다. 단독운전은 정전 중인 배전선로 작업자에게 감전 위험을 준다. 계통연계형 인버터는 이 현상을 검출하고 빠르게 분리해야 한다.

계통연계 보호의 원리는 계통 이상을 감지해 발전설비를 계통에서 분리하는 것이다. 계통 이상은 과전압, 저전압, 과주파수, 저주파수, 단독운전이다. 각 이상을 검출하는 계전기가 차단기 또는 인버터에 신호를 보내 연계를 끊는다. 발전설비의 분리 순서는 다음과 같다.

• 연계점의 전압과 주파수를 상시 감시한다.
• 계전기가 설정치를 벗어난 이상을 검출한다.
• 설정된 시간 동안 이상이 지속되는지 확인한다.
• 이상이 확인되면 연계차단기 또는 인버터 출력을 차단한다.
• 계통 전압과 주파수가 정상 범위로 복귀되고 일정 시간이 지나면 재투입한다.

재투입은 계통이 정상 상태로 안정된 뒤에만 허용한다. 계통이 불안정한 상태에서 재투입하면 재폐로 중인 선로에 고장 전류를 남기게 된다. 이 때문에 재투입 대기 시간을 두고 전압과 주파수의 복귀 여부를 확인한다.

분산형전원 연계 보호 기능은 다음 요소의 조합으로 구성된다. 과전압·저전압 계전기(OV/UV), 과주파수·저주파수 계전기(OF/UF), 단독운전 검출 기능, 지락 검출 기능, 역전력 계전기(RPR)가 대표적이다. 저압계통과 특고압계통은 같은 기능을 쓰되 설정값과 설치 위치가 다르다.

연계 방식의 원리

분산형전원은 계통 병렬 방식에 따라 역송 방식과 비역송 방식으로 구분한다. 역송 방식은 잉여 전력을 계통으로 보내는 방식이다. 비역송 방식은 자가 소비 후 잉여 전력을 보내지 않는 방식이다. 역송 방식은 계통 측 보호 협조가 더 중요하다.

5. 관련 법령·기준·표준

분산형전원 계통연계의 기준은 한국전기설비규정(KEC)과 전력계통 연계 관련 기술기준으로 정해진다. 한국전기설비규정(KEC)이 시행되어 이전의 전기설비기술기준의 판단기준은 대체되었다. 연계 계통의 전압 구분은 저압, 고압, 특고압으로 나뉘며 전압 구간별로 보호 기능과 설치 기준이 다르다.

연계 계통의 전압별 설비 시설은 송전 전압 체계와도 연결된다. 전력계통 신뢰도 및 전기품질 유지기준은 송전 전압을 765kV, 345kV, 154kV, 70kV로 구분해 계통 규모에 맞게 설치하도록 정한다. 분산형전원은 이 계통 구성 안에서 배전계통에 연계된다.