[논문]변전소 전압안정화를 위한 STATCOM과 기존 조상 설비간의 지역 무효전력 협조제어에 관한 연구

정기석; 장병훈; 이현철; 이근준; 백영식

doi:10.5370/kiee.2010.59.3.525

변전소 전압안정화를 위한 STATCOM과 기존 조상 설비간의 지역 무효전력 협조제어에 관한 연구
A Study on Local Coordinative Reactive Power Control between STATCOM and Other Reactive Power Controllers for Voltage Stability Improvement at Substation 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.59 no.3, 2010년, pp.525 - 530

정기석 (경북대 전자전기컴퓨터학부) , 장병훈 (한국전력연구원) , 이현철 (그린넷파워(주)) , 이근준 (충북도립대 전기학과) , 백영식 (경북대 전자전기컴퓨터학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Installation of FACTS(Flexible AC Transmission System) device can maximize utilization of existing power facilities and reliability of power system. STATCOM has excellent characteristics in operating cost, maintaining facilities, loss and so on. However, STATCOM has a disadvantage of facility cost over capacity. So it is effective to coordinate STATCOM and existing external bank(capacitor and reactor) and OLTC(On Load Tap Changer). This paper mainly proposes coordinative control method between STATCOM installed within substation and other reactive power resources including Shunt Reactors and Shunt Capacitors and OLTC for voltage stability improvement. The proposed coordinative control method is developed for the STATCOM of Mi-gum substation and the simulation results of EMTP/RV model show the effectiveness of the proposed method.

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본 논문에서는 단위 변전소 차원의 지역협조제어 방식을 채택하였다. SCADA/EMS 전압지령을 기준 전압으로 하여 실제 측정된 시스템 전압과의 비교를 통해 전압오차신호를 발생시켜 설정된 허용범위를 초과하면 전압 불안정상태로 가정하였다. 각 전압보상기기의 응동 특성을 반영한 협조제어알고리즘을 전력계통 과도해석 프로그램인 EMTP(Electro Magnetic Transient Program)/RV를 이용하여 모델링하고 시뮬레이션 하였다.
제어기는 모선 1차 전압과 2차 전압을 입력으로 하며 기준 전압과 허용 범위를 설정하도록 하였다. 기준 전압(V_ref)은 1차, 2차 전압 모두 1 pu로 하고, 허용 범위(V_err)는 1%로 가정하였다.
그림 2는 제안한 정상 상태 전압 협조 제어의 순서도이다. 변전소의 1차, 2차 모선전압이 변압기에 의해 서로 종속된 관계로 가정한다. STATCOM은 수백 us의 동작시간을 가지므로, 협조 제어시 초기 측정전압과 STATCOM의 설정 전압에 의해 적정무효전력을 출력하며, 순서도상 측정 전압 V1은 STATCOM 투입이 반영된 값을 다루게 된다.

제안 방법

1차 모선전압을 먼저 측정하여 만약 측정된 전압이 설정된 부감대를 넘게 되면 병렬형 리액터 뱅크가 동작하도록 하였다. 측정전압이 기준전압보다 높거나 낮은 경우 각각 Case1과 Case3으로 설정하였고, 기준 전압을 만족하는 경우 Case 2로 설정하였다.
SCADA/EMS 전압지령을 기준 전압으로 하여 실제 측정된 시스템 전압과의 비교를 통해 전압오차신호를 발생시켜 설정된 허용범위를 초과하면 전압 불안정상태로 가정하였다. 각 전압보상기기의 응동 특성을 반영한 협조제어알고리즘을 전력계통 과도해석 프로그램인 EMTP(Electro Magnetic Transient Program)/RV를 이용하여 모델링하고 시뮬레이션 하였다. 또한 변전소 인근 계통을 2-모선 등가시스템으로 구현하여 제안한 협조기법의 타당성을 검증하였다.
결론적으로 본 논문은 단위 변전소 차원의 무효전력 협조 제어기법을 제시하며 이를 실 계통 모델에 적용하여 제어 특성을 검증하였다. 이는 지역 전압안정화를 위해 FACTS 기기인 STATCOM과 기존 소내 조상설비간의 협조 제어에 관한 새로운 시도이며 적용 대상 계통에 관한 특성 분석과 이를 반영한 모델링을 통하여 실 계통 적용 시 나타날 수 있는 문제를 고려했다는 의의를 지니고 있다.
설정된 기준 전압에 대하여 측정된 모선 전압이 허용 범위를 넘어 설 경우 STATCOM과 조상설비 그리고 OLTC가 정해진 투입 순서에 의해 동작하게 된다. 구현된 협조 제어기는 투입된 제어 기기의 지연 시간을 고려하였으며, 초기 상태를 설정할 수 있도록 하였다. 또한 차단기의 온/오프 상태를 판단하는 11개의 제어 신호와 OLTC의 전압 비율을 의미하는 제어 신호를 출력으로 한다.
구현된 협조 제어기는 투입된 제어 기기의 지연 시간을 고려하였으며, 초기 상태를 설정할 수 있도록 하였다. 또한 차단기의 온/오프 상태를 판단하는 11개의 제어 신호와 OLTC의 전압 비율을 의미하는 제어 신호를 출력으로 한다.
2차 모선의 커배시터 뱅크는 총 6개이므로 뱅크 초기 상태를 반영하는 변수인 ISc는 0과 6사이에서 결정된다. 마지막으로 OLTC를 동작시켜 시스템 전압이 기준 전압을 만족하도록 구현하였다. 이러한 제어알고리즘은 각 무효전력설비의 전압감도를 미리 계산하지 않고 실시간으로 판단하는 것으로 계통적용을 위해서는 실시간 전압감도계산을 통하여 투입 최소화를 목적으로 하는 제어기법이 개발되어야한다.
변전소 1차 계통은 전원과 테브난 등가 임피던스로 모형화 하였고, 2차 계통은 부하로만 산정하였다. 변전소 1차 모선의 3상 단락 용량으로부터 계통 임피던스를 계산하여 모델링하였고, 조류 계산 결과로부터 1차, 2차 모선을 대상 모선으로 한 각 모선의 등가 부하를 산정하였다.
계통에서 전압의 지령치가 주어지는 경우, 변전소 차원의 무효 전력 협조제어방식으로 STATCOM과 병렬형 리액터, 커패시터 뱅크 그리고 OLTC를 포함한다. 변전소 내의 전압제어를 위한 조상설비는 응동 시간과 동작 특성에 있어 상호 차이가 있으며, 제어 시 이 특성을 고려하는 것이 중요하며 이를 고려하여 변전소 모선전압 안정화를 위한 무효전력 설비간의 협조제어 기법을 제안하였다.
본 논문에서는 단위 변전소 차원의 지역협조제어 방식을 채택하였다. SCADA/EMS 전압지령을 기준 전압으로 하여 실제 측정된 시스템 전압과의 비교를 통해 전압오차신호를 발생시켜 설정된 허용범위를 초과하면 전압 불안정상태로 가정하였다.
본 논문에서는 변전소의 전압안정화를 위한 지역 무효전력 제어방식에 기반을 둔 STATCOM과 기존 소내 조상설비(병렬형 리액터, 커패시터, OLTC)와의 협조제어 알고리즘을 제안하였고, 이를 실 계통 모델에 적용하여 그 결과를 분석하였다. 적용된 실 계통 모델은 대상 변전소 인근 등가 계통이다.
본 논문에서는 전압제어를 목적으로 시변특성에 따라 STATCOM, 기계식 뱅크 장치, OLTC 순으로 투입된다[7].
본 연구에서는 전력 계통 특성 분석을 기반으로 협조 제어기법을 제안하였으며, EMTP/RV를 이용하여 변전소 인근 등가계통 시스템을 구성하고, 계통의 상황에 따라 1차, 2차 모선 전압이 변화하는 상황을 가정하여 제안한 협조 제어 알고리즘의 제어 특성을 검증하였다.
제안한 협조제어 알고리즘을 검증하기 위해 구성된 등가계통 모델은 2-모선 계통으로 적용 대상인 변전소의 1차, 2차 측 계통 상황만을 반영하였다. 본 장에서는 EMTP/RV를 이용하여 시스템을 모델링하고 모의 설계 조건을 작성하여 시뮬레이션 결과를 분석하였다.
그림 5(c)와 (d)는 사례 2에 대한 모의결과를 나타낸다. 사례 1은 리액터와 커패시터 뱅크만으로 협조 제어가 수행되었고, 사례 2는 OLTC가 동작되어 전압을 허용 범위 내로 조정한다.
이러한 제어알고리즘은 각 무효전력설비의 전압감도를 미리 계산하지 않고 실시간으로 판단하는 것으로 계통적용을 위해서는 실시간 전압감도계산을 통하여 투입 최소화를 목적으로 하는 제어기법이 개발되어야한다. 제안한 협조기법은 각 무효전력설비의 정상상태에서의 동작특성 분석에 사용된다.
제안한 협조제어 알고리즘을 검증하기 위해 구성된 등가계통 모델은 2-모선 계통으로 적용 대상인 변전소의 1차, 2차 측 계통 상황만을 반영하였다. 본 장에서는 EMTP/RV를 이용하여 시스템을 모델링하고 모의 설계 조건을 작성하여 시뮬레이션 결과를 분석하였다.
제어기는 모선 1차 전압과 2차 전압을 입력으로 하며 기준 전압과 허용 범위를 설정하도록 하였다. 기준 전압(V_ref)은 1차, 2차 전압 모두 1 pu로 하고, 허용 범위(V_err)는 1%로 가정하였다.

대상 데이터

표 2는 모의 계통 파라미터를 나타낸다. 변압기는 계통 상황을 반영한 3대의 345/154/23 kV 500 MVA 3권선 변압기로 구성하였다. 표 2에서 주어진 변압기 임피던스는 100 MVA를 베이스 용량으로 하며, EMTP/RV 3권선 모델의 입력 용량에 따라 자동적으로 산정된다.
본 논문에서는 변전소의 전압안정화를 위한 지역 무효전력 제어방식에 기반을 둔 STATCOM과 기존 소내 조상설비(병렬형 리액터, 커패시터, OLTC)와의 협조제어 알고리즘을 제안하였고, 이를 실 계통 모델에 적용하여 그 결과를 분석하였다. 적용된 실 계통 모델은 대상 변전소 인근 등가 계통이다.

데이터처리

각 전압보상기기의 응동 특성을 반영한 협조제어알고리즘을 전력계통 과도해석 프로그램인 EMTP(Electro Magnetic Transient Program)/RV를 이용하여 모델링하고 시뮬레이션 하였다. 또한 변전소 인근 계통을 2-모선 등가시스템으로 구현하여 제안한 협조기법의 타당성을 검증하였다.
표 3과 같은 4개의 계통 모의 조건에 제안한 협조 제어기기를 적용하여 정상상태 시뮬레이션 결과를 분석하였다. 계통 상황 변수는 표 3과 같이 변전소 1차, 2차 모선 전압과 무효전력 설비의 초기상태이다.

이론/모형

지역 전압 안정화를 위해 단위 변전소 차원의 무효전력 협조 기법을 이용하였다. 계통에서 전압의 지령치가 주어지는 경우, 변전소 차원의 무효 전력 협조제어방식으로 STATCOM과 병렬형 리액터, 커패시터 뱅크 그리고 OLTC를 포함한다.

후속연구

이는 지역 전압안정화를 위해 FACTS 기기인 STATCOM과 기존 소내 조상설비간의 협조 제어에 관한 새로운 시도이며 적용 대상 계통에 관한 특성 분석과 이를 반영한 모델링을 통하여 실 계통 적용 시 나타날 수 있는 문제를 고려했다는 의의를 지니고 있다. 이 연구를 통하여 변전소 차원에서 전압 안정화를 위한 무효전력기기간의 협조 제어에 관한 기본 운전 방안에 기여한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	지역별 전압관리시스템의 목적은 무엇인가?	지역별 전압관리시스템은 무효전력 설비의 협조제어를 통해 전압제어 및 적정 무효전력 예비력 확보를 목적으로 하고 있다. 전력계통 운영측면에서 계통 구성변화 또는 부하증가와 같은 계통 동요로 인해 계통의 전압이 강하되고 심각한 경우 정전이 발생하게 된다.
	지역 제어 방식의 전력계통상의 전압/무효전력 제어 경우, 계통 상황에 대응하는 제어가 불가능한 단점을 보완하기 위해 어떤 조치를 취할 수 있는가?	후자의 경우 AVQC(Automatic Voltage and Reactive Control) 장치에 의해 전압무효전력제어를 수행하는 방식으로서 해당 전력소의 정보만을 분석하여 제어하므로 중앙제어방식에 비해 빠른 대응이 가능하지만 계통 상황에 대응하는 제어가 불가능하다. 이러한 단점을 보완하기 위해 해당 전력소 현장에서 측정된 전압과 무효전력을 AVQC 장치에 포함하여 수시로 변화하는 계통 상황에 대응하도록 한다[3-4].
	중앙제어 방식의 전압/무효전력 제어란 어떤 방식인가?	전력계통상의 전압/무효전력 제어는 중앙제어 방식과 지역제어 방식이 있다. 전자의 경우 송전손실 최소화를 위하여 최적조류계산에 근거하여 기존의 지역제어장치에 목표전압을 지령, 동작하도록 한 방식이다. 후자의 경우 AVQC(Automatic Voltage and Reactive Control) 장치에 의해 전압무효전력제어를 수행하는 방식으로서 해당 전력소의 정보만을 분석하여 제어하므로 중앙제어방식에 비해 빠른 대응이 가능하지만 계통 상황에 대응하는 제어가 불가능하다.

참고문헌 (8)

Paserba, J.J., Leonard, D.J., Miller, N.W., Naumann, S.T., Lauby, M.G., Sener, F.P., "Coordination of a Distribution Level Continuously Controlled Compensation Device with Existing Substation Equipment For Long Term Var Management," IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 9 no. 2, pp. 1034-1040, April, 1994.

상세보기
이근준 외, "지역전압 안정화를 위한 FACTS와 조상설비간의 조상설비간의 협조제어기법", 대한전기학회추계학술대회, pp. 181-183, 2008.
STATCOM External Bank/Tap Changer 제어시스템개발 (3차년도 중간보고서), 한국 전력공사 전력연구원, 2008.
Masahiko Tanimoto, Hironobe Morita, "A Central VQC method based on Target Voltage Control for Local Voltage Control Devices," IEEJ Transactions on Power Engineering, vol. 126, no. 8, 2006.
이동주 외, "부하 역률보상용 STATCOM의 설계 및 시뮬레이션", 대한전기학회 추계학술대회, pp. 60-62, 2005.
FACTS 연구기획사업, 한국전력공사, 1995.
정기석, 백영식, "변전소 조상설비간의 협조 제어를 위한 EMTP 과도해석모형 개발", 대한전기학회 하계학술대회, pp. 237-238, 2009.
K. S. Jeong, Y. S. Baek, J. S. Yoon, B. H. Chang, H. C. Lee, G. J. Lee, "EMTP Simulation of a STATCOM- Shunts-OLTC Coordination for Local Voltage Control," IEEE Transmission & Distribution Conference in Asia, pp. 1-4, October, 2009.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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