4부와 5부가 다룬 6절이 '계통이 흔들릴 때 DER가 어떻게 버티는가'였다면, 7절은 '정상 운전 중 DER가 계통을 얼마나 더럽히는가'를 정한다. 직류 전류, 갑작스러운 전압 변동, 조명의 깜박임, 고조파, 과전압이 그 항목이다. 8절은 계통이 끊어진 뒤 DER가 혼자 남은 부분을 계속 가압하는 단독운전을 다루고, 9절은 도심의 저압 네트워크 배전에 DER를 붙일 때의 특수 요구를 다룬다. 세 절은 서로 다른 주제지만 하나의 공통점이 있다. 모두 DER의 존재가 사업자 설비와 다른 수용가에 끼치는 부작용을 막는 규정이라는 점이다.
6부의 요지는 이렇다. 7절의 전력품질 한계는 대부분 기존 부하 대상 표준(IEEE 519, IEEE 1453, IEC 61000 계열)을 발전원에 맞게 고쳐 쓴 것이며, 그 고침의 핵심은 간고조파를 포함하는 새 지표 TRD와 짝수 고조파 완화, 그리고 순시 과전압의 누적 시간 한계다. 8절은 비의도적 단독운전을 2초 안에 끝내라는 2003년판의 요구를 유지하면서, 의도적 단독운전을 처음으로 표준 안에 정식으로 들여왔다.
DER는 RPA에서 정격 출력 전류의 0.5퍼센트를 넘는 직류 전류를 주입하면 안 된다. 인버터의 스위칭 비대칭이나 제어 오차로 교류 출력에 직류 성분이 섞이면 배전용 변압기 철심이 한쪽으로 포화되어 과열되고 고조파가 늘어난다. 이 한계는 2003년판과 같다.
DER는 PCC에서 받아들일 수 없는 급속 전압 변동(RVC, rapid voltage change)이나 플리커를 만들면 안 된다(7.2.1). RVC(7.2.2)는 두 정상 상태 사이의 빠른 실효 전압 변화다. PCC가 중전압이면 DER는 공칭의 3퍼센트를 넘고 1초 평균으로 초당 3퍼센트를 넘는 계단·램프 변화를 일으키면 안 되고, 저압이면 5퍼센트와 초당 5퍼센트다. 예외는 Area EPS의 다른 RVC 원인을 고려한 사업자 승인이 있어야 한다. 이 한계는 잦은 변압기 여자, 잦은 콘덴서 개폐, DER 오동작에 의한 급격한 출력 변동에 적용되며, 커미셔닝·고장 복구·유지보수에 따른 드문 개폐나 계획되지 않은 트립에는 적용하지 않는다.
부록 G.2는 이 값의 출처를 밝힌다. IEEE 1453의 계통 설계 계획 수준(표 G.1)은 35 kV 이하에서 하루 4회 이하의 변화에 5~6퍼센트, 시간당 2회 이하에 3~5퍼센트, 시간당 2회 초과 10회 이하에 2.5퍼센트를 허용한다. 이것은 한 지점의 모든 RVC 원인을 합한 한계이므로, 표준은 개별 DER에 가장 엄격한 3퍼센트를 적용해 다른 변동 설비를 위한 여유를 남겼다. 부록은 또한 모든 DER가 동시에 100퍼센트 출력 변화를 일으키는 최악 시나리오를 연계 심사에 쓰는 것을 표준이 배제한다고 밝힌다. 그런 동시 탈락은 계통이 지속운전 한계 밖으로 나간 사건에서만 일어나므로 RVC 한계를 적용할 상황이 아니라는 이유다.
플리커(7.2.3)는 전압 변동이 조명 밝기를 흔들어 사람이 느끼는 깜박임이다. DER의 플리커 기여(배출값)는 PCC에서 표 25의 한계와 IEC/TR 61000-3-7이 정한 개별 배출 한계 가운데 큰 쪽을 넘으면 안 된다. 예외는 사업자 승인이 필요하다. 평가와 측정 방법은 IEEE 1453과 IEC/TR 61000-3-7을 따르고, DER 이외의 설비가 DER의 플리커를 완화하는 것이 허용된다.
| 지표 | 한계 | 평가 시간 | 뜻 |
|---|---|---|---|
| EPst | 0.35 | 600 s | 단기 플리커 심각도 Pst의 배출 한계. 1주일 측정의 95퍼센트 확률값이 넘지 않아야 한다 |
| EPlt | 0.25 | 2 h | 장기 플리커 심각도 Plt의 배출 한계. 연속한 12개 Pst의 세제곱 평균의 세제곱근으로 계산한다 |
표 1. 최소 개별 DER 플리커 배출 한계(표 25).
부록 G.3은 이 값이 IEEE 1453의 계획 수준(중전압 Pst 0.9, Plt 0.7; 고압 이상 0.8, 0.6)에서 IEC 방식으로 개별 설비에 배분한 몫이며, DER 용량이 계통 용량에 비해 작을 때의 최소 배분이라고 설명한다. 이 한계들이 60 W 백열등을 기준으로 개발되었다는 점, 태양광과 풍력의 자원 변동은 플리커 민원을 일으킬 만큼 빠르지 않아 대개 심사가 필요 없다는 점, 다만 특정 풍력 터빈 설계처럼 플리커를 일으키는 것으로 알려진 기술은 IEC 61400-21의 플리커 계수로 심사할 수 있다는 점도 적혀 있다.
RPA에서 고조파 전류 왜곡, 간고조파 전류 왜곡, 총 정격전류 왜곡(TRD, total rated-current distortion)은 표 26·27의 한계를 넘으면 안 된다. 측정 방법은 IEEE 519를 따른다. 각주 108에 따르면 IEEE 519는 약 200 ms의 10/12주기 측정 창에서 정수 배 주파수의 스펙트럼 성분과 인접 ±5 Hz 빈의 성분을 제곱합 제곱근으로 합쳐 고조파 h를 계산하고, 나머지 5 Hz 빈은 같은 방식으로 인접 고조파 사이의 간고조파 값으로 합친다. h ± 5 Hz 사이의 집계 고조파 왜곡은 표의 h 한계를, h + 5 Hz와 (h+1) − 5 Hz 사이의 간고조파 왜곡은 h와 h+1 한계 가운데 작은 쪽을 따른다.
| 홀수 차수 h | h < 11 | 11 ≤ h < 17 | 17 ≤ h < 23 | 23 ≤ h < 35 | 35 ≤ h < 50 | TRD |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 한계(정격전류 대비 %) | 4.0 | 2.0 | 1.5 | 0.6 | 0.3 | 5.0 |
표 2. 최대 홀수 고조파 전류 왜곡(표 26). Irated는 DER 장치의 정격 전류 용량이며, DER와 RPA 사이에 변압기가 있으면 RPA로 환산한다.
| 짝수 차수 h | h = 2 | h = 4 | h = 6 | 8 ≤ h < 50 |
|---|---|---|---|---|
| 한계(정격전류 대비 %) | 1.0 | 2.0 | 3.0 | 표 26의 해당 구간 값 |
표 3. 최대 짝수 고조파 전류 왜곡(표 27).
TRD는 이 표준이 새로 만든 지표다. 정의는 RPA에서 잰 DER 전류의 실효값(모든 주파수 성분 포함)의 제곱에서 기본파 전류의 제곱을 뺀 값의 제곱근을 정격 전류로 나눈 백분율이다. IEEE 519의 총 수요 왜곡(TDD)이 정수 고조파만 더하는 것과 달리 간고조파까지 잡는다. 분모를 정격 전류로 잡은 것도 뜻이 있다. 출력이 낮을 때 왜곡 전류의 절대량은 작은데 비율로 재면 커지는 문제를 피한 선택이다. 이 한계들은 DER가 없을 때 Area EPS에 이미 있는 전압 왜곡 때문에 흐르는 고조파 전류를 뺀 값이며, 상호 합의가 있으면 능동 필터로 쓰는 경우처럼 표를 넘는 왜곡 전류를 주입할 수 있다.
부록 G.4는 IEEE 519와 달라진 두 가지를 설명한다. 하나는 TDD에서 TRD로의 변경이다. 다른 하나는 짝수 고조파다. IEEE 519가 짝수 고조파를 홀수의 25퍼센트로 제한한 근거는 짝수 고조파가 만드는 직류 오프셋이 전자기기의 영점 검출을 어지럽힌다는 것인데, 이 효과는 주로 2차에서 나오고 고차로 갈수록 빠르게 줄며, 고차의 엄격한 한계는 전력품질 계측기의 정확도 밖이었다. 그래서 2차는 그대로 두고 4차와 6차는 해당 홀수 한계의 50퍼센트와 75퍼센트로, 8차 이상은 홀수와 같게 완화했다. 총 왜곡 한계는 완화하지 않았다. 부록은 또 현장 시험의 어려움을 짚는다. 인버터는 수 kHz로 스위칭하므로 50차(3 kHz) 이상의 고조파가 나올 수 있지만 사업자용 계기용 변성기는 2 kHz 위를 정확히 재현하지 못한다. 그래서 형식·생산 시험 결과를 받아들이고 현장 이상은 사례별로 다루는 방식을 권하며, 현장에서 고차 개별 한계가 넘어도 TRD가 한계 안이면 센서의 주파수 응답을 먼저 의심하라고 한다.
G.4.2는 인버터를 고조파 전류원으로 보는 관행 자체가 오늘의 기술에서는 부정확하다고 인정한다. DER는 대개 임피던스 뒤의 고조파 전압원처럼 보이고, 계통의 배경 전압 왜곡이 DER의 고조파 전류를 바꾼다. 그래도 산업의 일관성을 위해 전류 제한 방식을 유지했다. 그 결과 형식시험에서 깨끗한 전원에 붙여 통과한 DER가 왜곡된 현장 전압에서는 한계를 넘을 수 있으며, 이때 사업자가 판단하되 대부분은 계통 전압 왜곡에 별 영향이 없어 조사가 필요 없고, 계통 고조파 임피던스와 공진하는 경우만 완화가 필요하다고 본다.
7.4.1은 기본파 주파수의 과전압이다. DER는 IEEE C62.92.1이 정의하는 유효 접지로 운전하도록 설계된 Area EPS의 어느 부분에서도 기본파 선-대지 전압을 공칭의 138퍼센트 넘게 한 주기를 초과해 올려서는 안 되고, Area EPS의 어느 부분에서도 선간 기본파 전압을 138퍼센트 넘게 한 주기를 초과해 올려서는 안 된다. 138퍼센트는 비접지 계통의 1선 지락에서 건전상 전압이 √3배(173퍼센트)까지 오르는 것과 유효 접지 계통의 상한을 가르는 값이다. DER가 접지되지 않은 전원으로 섬을 만들면 지락 시 이런 과전압이 생기므로, 4.12의 접지 협조와 이 조항이 함께 작동한다.
7.4.2는 누적 순시 과전압이다. DER는 Area EPS의 어느 부분에서도 순시 전압이 그림 3의 크기와 누적 지속시간을 넘게 해서는 안 된다. 누적 시간은 1분 창 안에서 순시 전압이 각 문턱을 넘는 시간의 합만 센다.
이 조항은 2018년판에서 새로 들어왔다. 계통 고장이나 개폐 순간에 인버터의 제어가 과도적으로 만드는 짧은 과전압이 다른 수용가의 서지 보호기와 전자기기를 손상시킨 사례가 배경이다. 부록 G.5는 DER가 지락 고장이 있는 상태로 섬이 되면 과전압이 생길 수 있고, 회전기 DER의 경우는 관행적 해석으로 평가할 수 있지만 전류 조절형 전원인 인버터에는 기존 고장 해석이 부정확하므로 IEEE C62.92.6의 대체 절차를 참고하라고 한다.
단독운전은 Area EPS의 일부가 나머지와 분리된 채 Local EPS의 DER만으로 가압되는 상태다. 사업자가 모르는 채 섬이 살아 있으면 작업자가 감전될 수 있고, 섬의 전압과 주파수는 규격을 벗어나며, 재폐로기가 위상이 다른 두 계통을 붙여 설비를 망가뜨릴 수 있다. 8.1.1은 DER가 PCC를 통해 Area EPS의 일부를 가압하는 비의도적 단독운전에서, 섬이 형성된 뒤 2초 안에 섬을 검출하고 가압을 멈추고 트립해야 한다고 요구한다. 실제로 없는 섬을 잘못 검출한 것은 6절 지속운전 불이행의 변명이 되지 않는다. 각주 111은 부족·과전압과 주파수 트립에만 의존하는 방식은 충분한 검출로 인정되지 않으며, IEEE 1547.2의 지침과 전송 차단 같은 추가 장비가 필요할 수 있다고 한다.
8.1.2는 조건부 연장이다. 사업자와 DER 운영자가 합의하면 클리어링 시간을 2초에서 최대 5초까지 늘릴 수 있다. 각주 112는 단독운전 검출과 자동 재폐로의 협조를 위해 2초보다 긴 재폐로 시간이 고려될 수 있다고 하고, 8.1.3은 재폐로 협조를 6.3로 넘긴다. 각주 113은 인버터의 단독운전 검출 방법이 발전과 부하가 균형을 이룬 섬을 찾도록 설계된 것이며 고장을 검출하려는 것이 아니므로 그 목적으로 의존해서는 안 된다고 경고한다.
2초 요구는 2003년판과 같지만 그 무게는 달라졌다. 인버터의 능동 단독운전 검출은 주파수나 전압을 살짝 밀어 보고 계통이 되받아치지 않으면 섬으로 판단하는 방식이 많다. 4~5부의 지속운전 요구, 특히 ROCOF 3 Hz/s와 위상각 점프 20도를 견디면서 동시에 2초 안에 섬을 찾으라는 요구는 검출 알고리즘에 상반된 조건을 건다. 볼트-바와 드룹처럼 계통을 떠받치는 제어가 켜져 있으면 섬 안의 전압·주파수가 오히려 안정되어 검출이 더 어려워진다. 8부에서 보듯 1547.1-2020의 단독운전 시험이 이런 조건을 포함하는 이유다.
의도적 단독운전은 DER와 부하를 갖고, Area EPS에서 분리했다가 다시 병렬할 수 있으며, 계획적으로 설계된 섬이다. Area EPS의 일부를 포함하면 의도적 Area EPS 단독운전이고, 섬이 분리된 동안 사업자와 협조해 설계·운영해야 한다. Local EPS 안에 완전히 들어 있으면 의도적 Local EPS 단독운전('시설 섬')이며, 이를 지원하는 DER도 Area EPS에 연계된 동안은 4절부터 8.1까지의 모든 요구를 따라야 한다(8.2.1).
전환은 계획된 것과 계획되지 않은 것으로 나뉜다. 계획된 전환(8.2.2)은 운영자의 수동 조작이나 에너지관리시스템·자동발전제어 같은 급전 수단으로 병렬 상태에서 섬으로 옮기는 것이며, 신뢰도 향상, 자가공급이나 전력 수출입의 경제성, 악천후를 앞둔 사업자의 선제 조치가 이유가 된다. 계획되지 않은 전환(8.2.3)은 연계점의 이상을 국부적으로 검출한 계전기가 자동으로 섬을 분리하는 방식이다. 8.2.4는 그 조건을 셋으로 정한다. 6.4.2.1·6.5.2.1의 예외 조건이 충족될 때, 6절이 트립을 허용하거나 명령하는 조건일 때, 그리고 8.1의 조건이 충족될 때다. 마지막 경우 섬은 정의된 범위 밖의 Area EPS를 가압하지 않는다면 가압 중지 대신 섬 모드로 들어갈 수 있다.
8.2.5는 예외에 해당하지 않는 섬이 Area EPS의 전압·주파수가 연속 운전 범위 안일 때 분리하면 7.2.2의 RVC 한계를 지켜야 한다고 한다. 정상 상태에서 큰 부하와 발전을 한꺼번에 떼어내면 사업자 계통에 전압 계단이 생기기 때문이다. 재병렬(8.2.6)은 섬의 PCC에서 4.10의 진입 조건이 충족될 때 가능하고, 4.10.4의 동기화 조건을 지켜야 한다.
8.2.7은 섬 안에서 쓰는 대체 설정이다. 의도적 Area EPS 섬에서 운전하는 DER는 여러 제어·보호 설정을 바꿔야 할 수 있으며, 이 대체 설정은 섬이 Area EPS에서 분리된 동안만 켜야 한다. 그러려면 적응형 보호·제어 설정이 필요할 수 있다. 섬 안의 DER에 적용되는 요구는 다음과 같다.
| 항목 | 섬 운전 시 요구 |
|---|---|
| 5.2 무효전력 능력, 5.3 전압·무효전력 제어 | 집계 정격과 무관하게 모든 DER에 적용 |
| 6.4.1 과전압 트립 OV2 | 허용 범위를 3개 카테고리 모두 0.008~0.16 s로 (표 11~13) |
| 6.5.1 주파수 트립 OF1·UF1 | 허용 범위를 3개 카테고리 모두 11~1,000 s로 (표 18) |
| 6.5.2.7 주파수 드룹 | 집계 정격과 무관하게 적용. 카테고리 III는 kOF를 0.0055~0.05 p.u.로 조정 가능해야 하고, 응답시간 하한은 적용하지 않음 |
| 운전 능력 | 계통 연계 모드, 섬 모드, 두 상태 사이의 전환이 모두 가능해야 함 |
표 4. 의도적 Area EPS 단독운전 중 참여 DER의 대체 설정(8.2.7).
이 표가 말하는 것은 섬이 작은 계통이라는 사실이다. 관성이 작으므로 주파수는 빨리 흔들리고, 그래서 트립을 11초 이상으로 늦추고 드룹을 0.55퍼센트까지 가파르게 할 수 있어야 한다. 과전압은 대형 계통이 없으면 순식간에 커지므로 OV2 트립을 8 ms까지 빠르게 할 수 있어야 한다. 8.2.8은 참여 DER를 미분류, 단독운전 가능, 블랙스타트 가능, 정주파수 가능의 4개로 분류하고, 분류는 DER 운영자가 밝히되 활용은 상호 합의로 정하며, 어떤 경우에도 표준이 요구하는 정격 밖의 운전을 요구받지 않는다고 못 박는다.
부록 C는 IEEE 1547.4-2011의 그림으로 회로 섬, 변전소 모선 섬, 변전소 섬, 시설 섬을 예시하며, 이 표준은 PCC의 연계만 다루고 섬의 경계 장치(의도적 섬 연계 장치)는 PCC와 다른 경우가 많다고 설명한다. C.2는 섬 운전용으로 설계되지 않은 DER가 섬에 참여할 수 있는 조건을 예시한다. 섬의 최대 정상 부하를 감당하고 그 DER의 과도를 완충할 속응 발전기가 있을 때, 저장장치가 완충할 때, 실험이나 운전으로 안정이 입증됐을 때, 시뮬레이션으로 안정이 입증됐을 때, 허용 범위 밖이면 그 DER를 떼어내는 장치가 있고 그 상태로 안정이 입증됐을 때다.
도심 고밀도 지역의 저압 배전은 여러 1차 피더가 변압기를 거쳐 하나의 저압 격자(그리드 네트워크)나 한 건물의 모선(스팟 네트워크)에 병렬로 공급하는 구조를 쓴다. 각 변압기의 저압 쪽에는 네트워크 프로텍터(NP)가 있어 1차 피더 쪽으로 전력이 거꾸로 흐르면 자동으로 열려 고장 피더를 분리한다. 이 구조에서 DER가 전력을 역송하면 NP가 이를 피더 고장으로 오인해 열릴 수 있고, 여러 NP가 열리면 네트워크가 정전되거나 DER만으로 섬이 된다.
9.1은 먼저 NP의 용도 제한을 둔다. NP는 해당 용도로 정격·시험된 것이 아니면 DER가 붙은 네트워크나 네트워크 1차 피더를 연결·분리·개폐하거나 차단기 실패 후비로 쓰거나 어떤 방식으로든 격리하는 데 쓰면 안 된다. 각주 115는 IEEE C57.12.44가 네트워크 시스템의 분산자원 수용 능력 지침을 준다고 안내한다. 순간 병렬 자동 절체 방식으로 부하를 DER와 EPS 사이에서 옮기는 네트워크의 DER 설치는 병렬 시간과 무관하게 9절의 모든 요구를 따라야 하고(1.4의 100 ms 예외가 여기서는 적용되지 않는다), 절체 중 전력 흐름은 사업자가 승인·협조하지 않는 한 Area EPS에서 부하와 DER 쪽으로 양(+)이어야 한다.
그리드·스팟 네트워크의 DER는 세 가지 능력을 갖춰야 한다. NP를 통한 역전력을 막기 위해 역전력 계전, 최소 수입 계전, 동적 인버터 제어 등에 쓸 PCC 순시 전력 흐름 감시, 사업자가 정한 PCC 최소 수입 수준의 유지, PCC의 자율 설정이나 사업자 신호에 따른 DER 제어 또는 분리다. 그리고 다음을 하면 안 된다.
| 금지 사항(9.1) |
|---|
| 어떤 NP도 부하 용량이나 고장 차단 용량을 넘게 하는 것 |
| 어떤 NP도 동적 전원들을 분리하게 하는 것 |
| 어떤 NP도 두 동적 계통을 연결하게 하는 것 |
| 어떤 NP도 DER 운전 전보다 자주 동작하게 하는 것 |
| Area EPS 고장 시 NP의 개방을 막거나 늦추는 것 |
| NP의 폐로를 늦추거나 막는 것 |
| Area EPS가 정전일 때 그 어느 부분이라도 가압하는 것 |
| 사업자 동의 없이 NP 설정 변경을 요구하게 되는 것 |
| 네트워크에 설치된 NP의 재폐로를 막는 것(사업자의 기존 NP 클리어링 관행을 바꾸지 않고 협조해야 함) |
표 5. 네트워크 DER의 금지 사항(9.1).
9.2는 그리드 네트워크에 두 요구를 더한다. DER가 네트워크 안에 단독운전 상태를 만들면 안 되고, 인접 피더 고장 시 NP 마스터 계전기가 DER의 존재 때문에 동작하면 안 된다. 연계 DER는 NP 계전 기능과 협조되어야 하며 네트워크 신뢰도를 위해 사업자가 평가해야 한다. 9.3은 스팟 네트워크에서 설치된 NP의 50퍼센트를 넘는 수가 이미 네트워크 모선을 가압하고 있을 때만 DER 연결을 허용한다. 각주 116은 IEEE 1547.6에 설명이 있다고 안내한다. NP 절반 이하만 닫힌 상태는 네트워크가 비정상 구성이라는 뜻이므로, 그때 DER가 붙으면 남은 NP의 역전력 판정이 더 어려워진다.
7~9절을 관통하는 논지는 하나다. DER가 계통에 주는 부작용은 대부분 부하가 주는 부작용과 같은 종류이므로 기존 부하 대상 표준을 빌려 쓰되, 발전원의 특성이 다른 자리만 고쳤다. RVC와 플리커는 IEEE 1453의 계획 수준을 개별 DER에 배분한 값이고, 고조파는 IEEE 519의 측정법을 쓰되 지표를 TRD로 바꾸고 짝수 고조파를 완화했으며, 순시 과전압 누적 한계는 인버터 특유의 과도 현상을 겨냥해 새로 만들었다. 단독운전은 2초 검출을 유지하면서 지속운전과의 양립을 요구했고, 의도적 단독운전을 정식 절로 넣어 섬 안의 대체 설정과 DER 분류를 정했다. 네트워크는 NP를 지켜야 한다는 한 원칙에서 모든 금지 사항이 나온다.
판단이 갈리는 자리도 부록 G가 스스로 밝힌다. 인버터를 고조파 전류원으로 다루는 것은 부정확하지만 대안이 없어 유지했다. 현장에서 고차 고조파를 정확히 잴 수 없어 형식시험 결과에 기대야 한다. 플리커 한계는 백열등 기준이라 새 조명에는 맞지 않을 수 있다. 이 인정들은 7절의 숫자가 산업의 합의로 정해졌음을 보여 준다. 단독운전 검출과 지속운전의 양립 문제는 표준이 요구만 하고 방법은 제조사에 맡긴 대표적인 자리이며, 그 방법이 실제로 작동하는지는 8부의 시험 절차가 확인한다.
7부는 10절로 간다. 사업자가 DER를 원격으로 읽고 쓰기 위한 정보 모델(명판·구성·감시·관리 정보), 3개의 적격 프로토콜, 통신 성능 요구, 그리고 이 표준이 사이버보안을 어떻게 다루었는지를 부록 D와 함께 살핀다.