[논문]전체송전용량 향상을 위한 STATCOM 설비의 적용 위치 선정 및 과도안정도를 고려한 전체송전용량 분석

이병하; 백정명

doi:10.5207/jieie.2010.24.4.017

전체송전용량 향상을 위한 STATCOM 설비의 적용 위치 선정 및 과도안정도를 고려한 전체송전용량 분석
A Study on Location of STATCOM for Improvement of Total Transfer Capability and Analysis of Total Transfer Capability Considering Transient Stability 원문보기

照明·電氣設備學會論文誌 = Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, v.24 no.4, 2010년, pp.17 - 24

이병하 (인천대학교 전기공학과) , 백정명 ((주)케이디파워)

초록
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송변전설비들이 점점 중부하로 운용되어짐에 따라 송전용량이 전력회사에서 중요한 문제로 부각되어 왔다. 한전 시스템의 경우 전체송전용량은 주로 전압 안정도에 의해 제한을 받고 있으며, 이의 향상을 위한 연구들이 계속하여 수행되어 오고 있다. 본 논문에서는 전압안정도 관점에서의 전체송전용량을 향상시키기 위하여 STATCOM 설비를 설치하는 위치를 효과적으로 선택하기 위한 송전용량지수가 제시된다. 이 지수를 소규모 전력시스템인 IEEE 39모선 시스템에 적용하여 제시된 지수의 효과를 보여준다. 그리고, 이 소규모 시스템을 활용하여 부하가 증가할 때 전체송전용량에 전압안정도뿐 만이 아니라 과도안정도가 미치는 영향을 분석한다.

Abstract ▼ AI-Helper

The power transfer capability has been recently highlighted as a key issue in many utilities with the power system more stressed and heavy loaded. The total transfer capability in the KEPCO power system is determined mainly by the voltage stability limit and many approaches for enhancement of the total transfer capability has been consistently performed. In this paper, a new transfer capability index to locate the STATCOM(Static Synchronous Compensator) effectively for enhancing the total transfer capability from a static voltage stability viewpoint is presented and it is applied to a small scale power system of IEEE 39-bus test system in order to show the effects of this index. In addition, the effect of transient stability as well as voltage stability to the total transfer capability when loads are increased is analyzed using this small scale power system.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

현재, 한전 시스템의 경우 전체송전용량은 주로 전압 안정도에 의해 제한을 받고 있는데, 전압안정도 향상을 위한 연구는 비교적 많이 수행되었으나 전체송전용량의 향상을 위한 연구는 부족한 실정이다. 본 논문에서는 전압안정도 관점에서의 융통전력을 향상시키기 위하여 무효전력보상 설비를 설치하는 위치를 효과적으로 선택하기 위한 송전용량지수가 제시된다. 전체송전용량은 반복조류계산기법을 적용하여 구한다.
본 논문에서는 전압안정도 관점에서의 전체송전용량을 향상시키기 위하여 STATCOM 설비의 설치 위치를 효과적으로 결정하기 위한 새로운 송전용량지수가 제시된다. 전체송전용량산정은 반복조류계산기법을 적용하고 전압안정도와 과도안정도를 모두 고려하였으며, 반복조류계산 기법을 효율적으로 구현하기 위하여 널리 이용되고 있는 PSS/E 패키지와 IPLAN 프로그램을 이용하여 소프트웨어 툴을 개발하고 이를 활용하였다.

가설 설정

A지역 내의 발전기들은 발전량을 점차 증가 시키고, B지역 내의 발전기들은 발전량을 점차 감소시켜 가면서 반복조류계산기법을 적용하여 그림 1의 시나리오에 따라 전체송전용량을 산정하고 그 결과를 분석한다. A지역의 발전량을 증가시키고 B지역의 발전량을 감소시키지 못하면 A지역과 B지역 간의 송전용량 한계(전체송전용량)를 산정하는 문제가 성립되지 않으므로, 여기서는 발전기들의 최대발전용량을 1,200[MW]로 하여 A지역과 B지역 내의 발전기들의 발전량과 스윙모선의 전력을 변화시킬 여유용량이 있다고 가정한다. 가장 심각한 선로 상정사고에 대하여, 발전량 변화량을 정하여 단계별로 발전량 유출지역에서는 발전량을 이 양만큼 증가시키고 발전량 유입지역에서는 발전량을 이 양만큼 감소시키면서 조류계산이 수렴되지 않을 때까지(전압 붕괴가 발생되기 직전까지) 반복조류계산을 수행하여 나가게 되며 조류계산의 발산 직전의 송전용량이 전압안정도 측면에서의 전체송전용량이 된다.

제안 방법

이 접속선로를 통하여 A지역으로부터 B지역으로 송전할 수 있는 전체송전용량을 산정한다. A지역 내의 발전기들은 발전량을 점차 증가 시키고, B지역 내의 발전기들은 발전량을 점차 감소시켜 가면서 반복조류계산기법을 적용하여 그림 1의 시나리오에 따라 전체송전용량을 산정하고 그 결과를 분석한다. A지역의 발전량을 증가시키고 B지역의 발전량을 감소시키지 못하면 A지역과 B지역 간의 송전용량 한계(전체송전용량)를 산정하는 문제가 성립되지 않으므로, 여기서는 발전기들의 최대발전용량을 1,200[MW]로 하여 A지역과 B지역 내의 발전기들의 발전량과 스윙모선의 전력을 변화시킬 여유용량이 있다고 가정한다.
IEEE 39 모선 테스트 시스템에 대하여 가장 효과적인 STATCOM의 설치 모선을 찾기 위하여 송전용량지수를 계산하고, 각 부하모선별로 나타내어 보면 표 4와 같다. 이 표에서 보면 가장 순위가 높은 것이 8번 모선이고 순위가 두 번째인 모선이 7번 모선임을 알 수 있다.
무효전력보상설비로서 FACTS설비 중의 하나인 STATCOM을 사용하고, 제시된 송전용량지수를 소규모 전력시스템인 IEEE 39 모선 시스템에 적용하여 제시된 지수의 효과를 보여준다. 그리고, 이 소규모 시스템을 활용하여 부하가 증가하였을 때, 전체송전용량에 전압안정도뿐 만이 아니라 과도안정도가 미치는 영향을 분석한다.
전체송전용량은 반복조류계산기법을 적용하여 구한다. 반복조류계산 기법을 효율적으로 구현하기 위하여 세계적으로 널리 이용되고 있는 PSS/E 패키지와 IPLAN 프로그램을 이용하여 소프트웨어 툴을 개발하고 이를 활용한다. 무효전력보상설비로서 FACTS설비 중의 하나인 STATCOM을 사용하고, 제시된 송전용량지수를 소규모 전력시스템인 IEEE 39 모선 시스템에 적용하여 제시된 지수의 효과를 보여준다.
이러한 영향을 분석하기 위하여 이 시스템에서 부하량이 동일한 역률로서 2배 증가하고 발전량도 일치하여 2배로 증가한 경우에 대하여 단계별로 과도안정도와 전압안정도에 대하여 분석하고 전체송전용량을 산정한다. 이 경우에도 앞 장에서의 과정과 동일한 방식으로 A지역 내의 발전기들은 발전량을 주어진 변경 스텝만큼 점차 증가 시키고, B지역 내의 발전기들은 발전량을 점차 감소시켜 가면서 가장 가혹한 상정사고인 선로 Line 2의 탈락 시에 대하여 IPLAN 프로그램과 PSS/E 프로그램을 사용하여 전압안정도와 과도 안정도를 체크하였다. 부하와 발전량이 두 배로 증가된 이 경우에는 먼저 과도안정도에 의해 전력시스템이 불안정하게 되었는데, 과도응답이 발산하기 직전과 발산할 때의 PSS/E 프로그램에 의한 발전기 angle spread를 나타낸 그림이 각각 그림 3과 4에 보여져 있다.
가장 심각한 선로 상정사고에 대하여, 발전량 변화량을 정하여 단계별로 발전량 유출지역에서는 발전량을 이 양만큼 증가시키고 발전량 유입지역에서는 발전량을 이 양만큼 감소시키면서 조류계산이 수렴되지 않을 때까지(전압 붕괴가 발생되기 직전까지) 반복조류계산을 수행하여 나가게 되며 조류계산의 발산 직전의 송전용량이 전압안정도 측면에서의 전체송전용량이 된다. 이 발전량 변화량의 단계(step)의 값을 작게 하면 정확도는 일부 향상되나 전압붕괴가 일어나기 까지 반복조류계산의 회수가 너무 많아서 계산량이 너무 많고 시간이 너무 많이 소요되므로 적정한 값을 선택하는데, 여기서는 25[MW]씩 단계별로 변화시키는 것을 적용하였다.
이러한 영향을 분석하기 위하여 이 시스템에서 부하량이 동일한 역률로서 2배 증가하고 발전량도 일치하여 2배로 증가한 경우에 대하여 단계별로 과도안정도와 전압안정도에 대하여 분석하고 전체송전용량을 산정한다. 이 경우에도 앞 장에서의 과정과 동일한 방식으로 A지역 내의 발전기들은 발전량을 주어진 변경 스텝만큼 점차 증가 시키고, B지역 내의 발전기들은 발전량을 점차 감소시켜 가면서 가장 가혹한 상정사고인 선로 Line 2의 탈락 시에 대하여 IPLAN 프로그램과 PSS/E 프로그램을 사용하여 전압안정도와 과도 안정도를 체크하였다.
대규모 시스템에 대하여 연속조류계산 기법에 근거한 CPFLOW 툴을 사용하여 최대송전용량 한계를 계산하는 연구가 발표되었다[4]. 전압안정도를 분석하기 위한 프로그램을 개발하고, 각 부하모선에서 PV 곡선의 전압안정도 여유에 근거한 전압안정도 지수가 활용되었다[5]. 퍼지 알고리즘을 적용하여 가용송전용량을 계산하는 기법이 제시되고 이를 간단한 시스템에 적용하는 연구가 수행되었다[6].
본 논문에서는 전압안정도 관점에서의 전체송전용량을 향상시키기 위하여 STATCOM 설비의 설치 위치를 효과적으로 결정하기 위한 새로운 송전용량지수가 제시된다. 전체송전용량산정은 반복조류계산기법을 적용하고 전압안정도와 과도안정도를 모두 고려하였으며, 반복조류계산 기법을 효율적으로 구현하기 위하여 널리 이용되고 있는 PSS/E 패키지와 IPLAN 프로그램을 이용하여 소프트웨어 툴을 개발하고 이를 활용하였다. 이 송전용량지수를 소규모 전력시스템인 IEEE 39 모선 시스템에 적용하여, 제시된 송전용량지수가 전압안정도 관점에서의 전체송전용량을 향상시키기 위한 STATCOM의 설치위치를 결정하는데 효과적으로 적용될 수 있음을 보여주었다.

이론/모형

본 논문에서 전체송전용량은 반복조류계산기법을 적용하여 구한다. 반복 조류 계산 기법은 통상적인 조류계산 프로그램을 사용하여 발전량이나 부하를 변화시키면서 조류계산이 발산되어 더 이상 해를 구할 수 없을 때까지 반복하여 조류계산을 수행함으로써 P-V 나 f-V 곡선을 구하는 방법이다.
본 논문에서 제시하는 가장 효과적인 무효전력보상 설비의 설치 모선을 결정하기 위한 송전용량지수를 전력시스템에 적용하기 위해 IEEE 39 모선 테스트 시스템을 사용하였다(그림 2). 10기의 발전기와 39개의 모선과 46개의 선로가 있다.
STATCOM은 GTO 싸이리스터를 사용하여 전력계통의 무효전력을 효과적으로 제어하기 위한 설비로서, 기존의 동기 조상기나 SVC에 비하여 임의의 시점에서 개폐제어를 할 수 있고 응답특성이 빨라 응답특성이 빠른 무효전력 보상이 가능하고 전압강하에도 상관없이 무효전력공급을 위한 전류량을 일정하게 유지할 수 있어서 보다 효과적인 무효전력의 제어가 가능하다는 장점들이 있다. 여기서는 전압안정도 측면에서의 전체송전용량의 향상을 위하여 무효전력보상설비인 STATCOM을 적용한다. STATCOM의 모델링은 PSS/E의 프로그램에 내장되어 있는 모델링을 활용한다.
본 논문에서는 전압안정도 관점에서의 융통전력을 향상시키기 위하여 무효전력보상 설비를 설치하는 위치를 효과적으로 선택하기 위한 송전용량지수가 제시된다. 전체송전용량은 반복조류계산기법을 적용하여 구한다. 반복조류계산 기법을 효율적으로 구현하기 위하여 세계적으로 널리 이용되고 있는 PSS/E 패키지와 IPLAN 프로그램을 이용하여 소프트웨어 툴을 개발하고 이를 활용한다.

성능/효과

이 송전용량지수를 소규모 전력시스템인 IEEE 39 모선 시스템에 적용하여, 제시된 송전용량지수가 전압안정도 관점에서의 전체송전용량을 향상시키기 위한 STATCOM의 설치위치를 결정하는데 효과적으로 적용될 수 있음을 보여주었다. 그리고, 전력부하가 점차 증대하는 등의 전력시스템의 환경이 변해감에 따라 과도안정도에 의하여 전체송전용량이 결정될 수 있음을 보여주었다.
318[MW]이다. 두 번째는 7번 모선인데 첫 번째와 두 번째의 순위가 송전용량지수의 순위와 일치하는 것을 보면 제시된 송전용량지수가 무효전력보상설비의 위치를 선정하는데 효과적임을 알 수 있다. 이 송전용량지수를 가장 효과적인 무효전력 보상설비의 위치를 선정하는데 활용할 수 있으며, 다수의 무효전력보상장치를 설치하는 경우에는 동일 과정을 반복 수행하여 구한다.
반복조류계산 기법을 효율적으로 구현하기 위하여 세계적으로 널리 이용되고 있는 PSS/E 패키지와 IPLAN 프로그램을 이용하여 소프트웨어 툴을 개발하고 이를 활용한다. 무효전력보상설비로서 FACTS설비 중의 하나인 STATCOM을 사용하고, 제시된 송전용량지수를 소규모 전력시스템인 IEEE 39 모선 시스템에 적용하여 제시된 지수의 효과를 보여준다. 그리고, 이 소규모 시스템을 활용하여 부하가 증가하였을 때, 전체송전용량에 전압안정도뿐 만이 아니라 과도안정도가 미치는 영향을 분석한다.
전체송전용량산정은 반복조류계산기법을 적용하고 전압안정도와 과도안정도를 모두 고려하였으며, 반복조류계산 기법을 효율적으로 구현하기 위하여 널리 이용되고 있는 PSS/E 패키지와 IPLAN 프로그램을 이용하여 소프트웨어 툴을 개발하고 이를 활용하였다. 이 송전용량지수를 소규모 전력시스템인 IEEE 39 모선 시스템에 적용하여, 제시된 송전용량지수가 전압안정도 관점에서의 전체송전용량을 향상시키기 위한 STATCOM의 설치위치를 결정하는데 효과적으로 적용될 수 있음을 보여주었다. 그리고, 전력부하가 점차 증대하는 등의 전력시스템의 환경이 변해감에 따라 과도안정도에 의하여 전체송전용량이 결정될 수 있음을 보여주었다.

후속연구

민감도 등을 고려하지 않고 전체송전용량의 향상을 위하여 무효전력보상설비를 설치할 모선의 위치를 검토한다면 모든 모선에 대하여 설치하는 것을 일일이 검토해야 하므로 엄청난 시간과 노력이 소요된다. 본 논문에서 제시한 지수는 수많은 케이스들을 스크린닝(screening)하기 위하여 개략적으로 제시하는 값이므로 이 지수의 순위가 전체송전용량의 향상을 위하여 무효 전력보상설비를 설치할 최선의 위치선정의 순위와 정확하게 일치할 수는 없지만, 이 지수의 어떠한 지정 개수의 상위 순위의 모선들 중에 가장 효과적인 모선이 포함되어 있다면 전력보상설비를 설치할 최선의 위치를 선정하는 일을 보다 효과적으로 수행할 수 있다.
여기서 수행되는 연구들은 이론적인 분석에 주안점을 두었으며, 대규모 전력시스템의 실계통에로의 확장 연구는 추후 더 연구가 수행되어야 할 사항이다.
여기서 수행된 연구는 이론적인 분석에 주안점을 두었으며, 대규모 전력시스템의 실계통에로의 확장 연구는 추후 더 연구가 수행되어야 할 사항이다.
이 시뮬레이션 결과를 통하여 본 논문에서 제시된 STATCOM의 설치 모선을 찾기 위한 새로운 송전용량지수가 전체송전용량 향상을 위해 효과적으로 적용될 수 있음을 보여준다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	우리나라의 전력계통은 어떻게 나눌 수 있는가?	경쟁체제 도입으로 형성된 전력시장에서 경제적인 전력거래가 차질 없이 수행되기 위해서는 우선적으로 지역 간의 원활한 전력수송이 가능해야 된다. 우리나라의 전력계통은 지역적 특성상 서해안지역, 호남지역, 영남지역 등의 원거리 발전군과 대규모 부하밀집지역인 수도권지역으로 나눌 수 있고, 이들 간의 원활한 전력수급을 위하여 원거리 발전군으로부터 수도권으로 대규모의 북상조류가 흐르고 있다. 상당한 규모의 북상조류가 흐르는 345[kV]이상 송전선로는 이미 중부하되고 있는 실정이어서 융통전력의 한계가 중요한 문제로 부각되고 있다.
	우리나라의 전력산업은 어떻게 운영되고 있는가?	우리나라의 전력산업은 경쟁체제를 도입하여 여러 개의 발전회사와 송변배전 설비의 한전과 전력운용의 전력거래소 등의 기능별 회사들로 분리되어 경쟁체제로 운영되고 있다. 경쟁체제 도입으로 형성된 전력시장에서 경제적인 전력거래가 차질 없이 수행되기 위해서는 우선적으로 지역 간의 원활한 전력수송이 가능해야 된다.
	반복조류계산기법의 장점은?	반복 조류 계산 기법은 통상적인 조류계산 프로그램을 사용하여 발전량이나 부하를 변화시키면서 조류계산이 발산되어 더 이상 해를 구할 수 없을 때까지 반복하여 조류계산을 수행함으로써 P-V 나 f-V 곡선을 구하는 방법이다. 이 방법으로는 정확한 전압 붕괴점인 노우즈(nose)의 임계점을 계산할 수는 없으나, 실용적인 관점에서 충분한 정도의 근사적인 전압 붕괴점을 구할 수 있다. 널리 공인된 조류계산 프로그램을 사용함으로써 프로그램 시뮬레이션 결과에 대한 신뢰성이 보장된다는 장점이 있고, 전체송전용량의 산정을 위한 시나리오에서 이론적인 관점보다 실 계통의 운용조건을 그대로 반영시킬 수 있다는 장점이 있다. 반복조류계산 기법을 효율적으로 구현하기 위하여 세계적으로 널리 이용되고 있는 PSS/E 패키지와 IPLAN 프로그램을 이용하여 소프트웨어 툴을 개발하고 이를 활용한다.

참고문헌 (7)

P.W. Sauer, K.D. Demaree and M.A. Pai, “Stability limited load supply and interchange capability”, IEEE Transactions on PAS, Vol. PAS-102, No. 11, pp. 3637-3643, Nov., 1983.

상세보기
James D. McCally, John F. Dorsey, Zhihua Qu, “A new methodology for determining transmission capacity margin in electric power systems”, IEEE Transactions on Power Systems, Vol. 6, No. 3, pp. 944-951, Aug., 1991.

상세보기
C. S. Indulker, B. Viswanathan, and S. S. Venkata, “Maximum Power Transfer Limited by Voltage Stability in Series and Shunt Compensated Schemes for A.C Transmission Systems”, IEEE Trans.-PD, Vol. 4, No. 2, pp. 1246-1252, 1989.
JA. J. Flueck, H. D. Chang, and K. S. Shah, “Investigating the Installed Real Power Transfer Capability of a Large Scale Power System Under a Proposed Multiarea Interchange Schedule Using CPFLOW”, IEEE Trans.-PS, Vol. 11, No. 2, pp. 883-889,1996.
T. Nagao, K. Tanaka, K. Takenaka, “Development of static and simulation programs for voltage stability studies of bulk power system”, IEEE Transactions on Power Systems, Vol. 12, No. 1, pp. 273-281, Feb. 1997.

상세보기
A. B. Khairuddin, S. S. Ahmed, M. W. Mustafa, A. A. M. Zin, H. Ahmad, “A novel method for ATC computations in a large-scale power system”, IEEE Transactions on Power Systems, Vol. 19, No. 2, pp. 1150-1158, May 2004.

상세보기
C. W. Taylor, “Power system voltage stability”, McGraw-Hill, 1994.

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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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