[논문]계통운영시스템 계통해석 프로그램 검증 방안에 관한 연구

조윤성

doi:10.5207/jieie.2014.28.10.027

문제 정의

이를 위해 우선 국내외 전력회사에서 운영하는 계통해석운영시스템 기반의 계통해석 정합성 기준을 소개한다. 다음으로 계통해석 응용프로그램의 정합성 평가 절차 절차에 대해 제안한다. 마지막으로 응용프로그램을 바탕으로 계통해석 수행절 차(과부하해소, 고장전류 해소 등) 절차에 대해 제안 한다.
본 논문에서는 계통운영시스템에 탑재되는 계통 해석 응용프로그램의 정합성 검증 방안에 대해 제안할 것이다. 이를 위해 우선 국내외 전력회사에서 운영하는 계통해석운영시스템 기반의 계통해석 정합성 기준을 소개한다.
본 논문에서는 계통운영시스템에 탑재되는 계통해석 응용프로그램인 토폴로지, 상태추정, 조류계산, 상정고장, 고장계산, 송전가능용량 산정 및 PSS/E 데이터 변환 등의 정합성 검증 방안에 대해 제안하였다. 국내외 전력회사에서 운영하는 계통해석운영시스템 기반의 계통해석 검증 기준을 분석 후 국내 전력계통에 적용 가능한 계통해석 응용프로그램의 검증 기준에 대해 제안 및 모의하였다.
계통운영시스템은 전체 전력계통을 감시․제어․평 가․훈련하는 시스템으로서 원방감시제어 및 자료취득, 자동발전제어 및 경제급전, 계통해석, 급전원 훈련시뮬레이터 등으로 구성되어 있다[1-5]. 시시각각으로 변하는 전력계통의 운전 상태를 반영하여 계통의 건전성을 평가하고 취약 부분에 대한 대책을 수립하여 만일의 사태를 대비하는 것이 계통해석의 활용 목적 이다. 특히 9.
국내외 전력회사에서 운영하는 계통해석운영시스템 기반의 계통해석 검증 기준을 분석 후 국내 전력계통에 적용 가능한 계통해석 응용프로그램의 검증 기준에 대해 제안 및 모의하였다. 정합성이 검증된 응용프로그램을 바탕으로 다양한 계통해석 수행절차에 대해 소개되었다.

가설 설정

④ 발전기 차과도 임피던스가 동일해야 한다. 설비 기준(MBase)으로 임피던스가 동일해야 한다.

제안 방법

본 연구에서는 한국형 계통운영시스템의 계통해석 응용 프로그램을 활용하여 정합성 검증을 수행하였다. SCADA로부터 취득된 데이터를 입력데이터로 사용 하여 토폴로지 처리, 상태추정, 상정고장해석, 고장전류계산 및 PSS/E 데이터 추출을 수행하였다. 스터디모드에서는 수렴된 상태추정 데이터를 복사하여 급전 원조류계산을 수행하였다.
본 논문에서는 계통운영시스템에 탑재되는 계통해석 응용프로그램인 토폴로지, 상태추정, 조류계산, 상정고장, 고장계산, 송전가능용량 산정 및 PSS/E 데이터 변환 등의 정합성 검증 방안에 대해 제안하였다. 국내외 전력회사에서 운영하는 계통해석운영시스템 기반의 계통해석 검증 기준을 분석 후 국내 전력계통에 적용 가능한 계통해석 응용프로그램의 검증 기준에 대해 제안 및 모의하였다. 정합성이 검증된 응용프로그램을 바탕으로 다양한 계통해석 수행절차에 대해 소개되었다.
넷째, 조류계산을 수행한다. 다섯째, 상정고장 전후의 결과를 비교한다. 상정고장 전후의 비교를 통해 두 시스템이 과부하 및 과전압 발생 결과가 2% 미만으로 90% 이상일 경우 Pass된다.
다음으로 고장전류계산의 정합성을 평가하였다. 표 4에서 보듯이 모선별 고장전류는 EMS와 PSS/E의 차이가 0.
그러나 토폴로지 오류가 없는 경우에도 지속적으로 불일치량이 발생하는 경우 해당 모선에 연결된 측정 포인트의 가중치를 조정한다. 다음으로 발산한 경우 반복 수행 연산 결과를 확인하며 최대 전압변동 및 위상차가 발생하는 발변전소의 토폴로지 정보를 확인하며 오류가 존재할 경우 이를 수정한다. 그러나 토폴로지 오류가 없는 경우에도 지속적으로 발산하는 경우 수렴 파라미터를 조정한다.
다음으로 상정고장해석, 송전가능용량산정, 안전도 제약 경제급전, 전압계획 및 최적조류계산 등의 핵심기능인 조류계산의 정합성을 수행하였다. 표 3에서 보는 바와 같이 조류계산 수행 후 전압의 크기 및 위상 각, 발전력 및 선로/변압기의 조류를 비교하였다.
이 셋을 바탕으로 계통의 붕괴를 가져오는 상정고장 순으로 순위를 매김으로써 심각한 상정고장을 판단한다. 둘째, 해당 상정고장에 대하여 경제급전에 근거한 발전비용를 적용하여 발전력 조정 및 조류계산 반복을 통하여 시스템의 붕괴지점을 찾아 시스템의 안정도 한계점을 계산한다. 셋째, 심각한 상정고장에 대해서는 SPS 모델이 설정되어 있어야 한다.
발전력의 경우 SCADA에서 정밀하게 관리되기 때문에 불량데이터의 확률이 적다. 본 연구에서 비교된 SCADA 발전력은 불량데이터가 없는 발전기에 대해서만 비교하였다. 그림에서 보듯이 정격용량 500 MW 미만에서는 차이가 5 MW 이하이며, 500 MW 이상에서는 10 MW 이하의 차이를 나타내고 있다.
본 연구에서는 한국형 계통운영시스템의 계통해석 응용 프로그램을 활용하여 정합성 검증을 수행하였다. SCADA로부터 취득된 데이터를 입력데이터로 사용 하여 토폴로지 처리, 상태추정, 상정고장해석, 고장전류계산 및 PSS/E 데이터 추출을 수행하였다.
우선 불일치 수렴은 운영자가 설정한 불일치량을 초과 시 발생하며 표 1에서 보는 바와 같이 일반적으로 50MW이하의 값을 사용한다. 불일치 수렴 발생 시 모선 불일치가 발생하는 발변전소의 토폴로지를 확인하며 오류가 존재할 경우 이를 수정한다. 그러나 토폴로지 오류가 없는 경우에도 지속적으로 불일치량이 발생하는 경우 해당 모선에 연결된 측정 포인트의 가중치를 조정한다.
상태추정 수행 후 정상수렴, 불일치 수렴 및 발산에 따라 이상해소 절차를 수행한다. 우선 불일치 수렴은 운영자가 설정한 불일치량을 초과 시 발생하며 표 1에서 보는 바와 같이 일반적으로 50MW이하의 값을 사용한다.
발전 응용 프로그램은 자동발전제어(Automatic Generation Control, AGC) 및 경제급전(Economic Dispatch, ED)이 있다. 상태추정은 측정되는 차단기 상태를 기반으로 물리적 전력설비를 전기적 모델로 변환 후 취득오류를 보정하여 계통 상태를 계산한 후 기본 해를 계산한다. 계산된 해를 바탕으로 다른 응용프로그램들을 활용하여 송전선로 및 변압기 과부하 검토, 상정고장 대비 융통전력 한계량 검토, 고장 용량 저감을 위한 모선분리 및 병합개소 검토, 전압 위반 해소를 위한 전압제어 권고치 검토 등의 다양한 해석을 수행할 수 있다.
SCADA로부터 취득된 데이터를 입력데이터로 사용 하여 토폴로지 처리, 상태추정, 상정고장해석, 고장전류계산 및 PSS/E 데이터 추출을 수행하였다. 스터디모드에서는 수렴된 상태추정 데이터를 복사하여 급전 원조류계산을 수행하였다.
그림 5는 상태추정 데이터를 기반으로 상정고장해석 수행 후 발생하는 위반을 해소하는 절차를 나타내고 있다. 우선 상정고장해석은 사전 정의된 상정고장 리스트를 바탕으로 사고 발생 시 조류의 설비감시 한계값(Normal, Emergency, Loadshed)을 초과하는 개소에 대한 정보를 제공한다. 상정고장 수행 후 발생하는 위반을 해소하는 방법은 두 가지로 수행할 수 있다.
첫째, 선로, 발전기, 변압기 등의 사고로 구성된 상정고장 리스트에서 해석하고자 하는 융통선로를 선택하여 상정고장 리스트셋(set)을 구성한다. 이 셋을 바탕으로 계통의 붕괴를 가져오는 상정고장 순으로 순위를 매김으로써 심각한 상정고장을 판단한다. 둘째, 해당 상정고장에 대하여 경제급전에 근거한 발전비용를 적용하여 발전력 조정 및 조류계산 반복을 통하여 시스템의 붕괴지점을 찾아 시스템의 안정도 한계점을 계산한다.
본 논문에서는 계통운영시스템에 탑재되는 계통 해석 응용프로그램의 정합성 검증 방안에 대해 제안할 것이다. 이를 위해 우선 국내외 전력회사에서 운영하는 계통해석운영시스템 기반의 계통해석 정합성 기준을 소개한다. 다음으로 계통해석 응용프로그램의 정합성 평가 절차 절차에 대해 제안한다.
마지막으로 그림 3 (b)의 상정고장해석 기능과 동일한 기능이 PSS/E에 없기 때문에 다음과 같이 수행한다. 첫째, 계통운영시스템에서 과부하가 발생한 상태추정 데이터를 기반으로 하는 PSS/E 데이터를 추출한다. 둘째, 조류계산을 수행한다.
그림 7은 상태추정 및 조류계산 데이터를 기반으로 송전가능용량해석을 수행하는 절차를 나타내고 있다. 첫째, 선로, 발전기, 변압기 등의 사고로 구성된 상정고장 리스트에서 해석하고자 하는 융통선로를 선택하여 상정고장 리스트셋(set)을 구성한다. 이 셋을 바탕으로 계통의 붕괴를 가져오는 상정고장 순으로 순위를 매김으로써 심각한 상정고장을 판단한다.
토폴로지 처리는 측정 데이터의 상태정보를 기반으로 물리적 모선을 전기적 모선으로 변경 후 설비의 가압상태, 계통의 가압상태를 판별한다. 토폴로지 처리 후 토폴로지 오류가 발생한 경우 이를 발변전소 단선도를 활용하여 수정한다.
그림 2 (a)는 스카다로부터 데이터를 취득받아 PSS/E 데이터 추출까지의 흐름을 나타내며 그림 2 (b)는 상태추정 수행 후 상태추정의 품질이 양호한 해를 얻는 과정을 타나내고 있다. 토폴로지 처리는 측정 데이터의 상태정보를 기반으로 물리적 모선을 전기적 모선으로 변경 후 설비의 가압상태, 계통의 가압상태를 판별한다. 토폴로지 처리 후 토폴로지 오류가 발생한 경우 이를 발변전소 단선도를 활용하여 수정한다.
표 2에서 보는 바와 같이 계통해석 응용프로그램의 정합성은 SCADA, EMS 및 PSS/E를 활용하여 모선의 개수, 전압, 유/무효 전력, 과부하율, 고장전류 등을 비교한다. 안전도제약 경제급전은 계통운영시스템의 결과(발전력 출력 변경)를 반영하여 과부하가 해소되는 정도를 비교할 수 있다.
다음으로 상정고장해석, 송전가능용량산정, 안전도 제약 경제급전, 전압계획 및 최적조류계산 등의 핵심기능인 조류계산의 정합성을 수행하였다. 표 3에서 보는 바와 같이 조류계산 수행 후 전압의 크기 및 위상 각, 발전력 및 선로/변압기의 조류를 비교하였다. 그림에서 보듯이 편차는 모두 2% 이내이며 최대 편차도 1% 내외이다.

대상 데이터

우선 SCADA의 차단기 상태를 바탕으로 토폴로지 수행 후 5219개 모선이 생성되었다. 토폴로지 결과 및 아날로그 입력데이터를 바탕으로 상태추정이 수행되며 상태추정의 해는 그림 8에서 보는 바와 같이 SCADA 측정값과 비교되었다.

데이터처리

그림 4는 계통해석 응용프로그램의 수행 흐름을 나타내고 있다. 실시간 모드는 SCADA 데이터를 사용하며 스터디 모드는 상태추정 데이터를 사용하여 해석한다. 스터디 모드에서는 현시점의 실시간 데이터 복사 또는 이전에 저장되어 있는 케이스를 입력으로 사용한다.
조류계산 기반의 급전원 조류계산, 상정고장해석, 고장전류계산 등의 정합성을 검증하기 위해서는 그림 2에서 보는 바와 같이 정상 수렴된 경우 PSS/E 데이터를 입력데이터로 사용하며, 계통운영시스템의 응용프로그램과 PSS/E의 결과를 비교․검증을 수행한다.
우선 SCADA의 차단기 상태를 바탕으로 토폴로지 수행 후 5219개 모선이 생성되었다. 토폴로지 결과 및 아날로그 입력데이터를 바탕으로 상태추정이 수행되며 상태추정의 해는 그림 8에서 보는 바와 같이 SCADA 측정값과 비교되었다. 발전력의 경우 SCADA에서 정밀하게 관리되기 때문에 불량데이터의 확률이 적다.

성능/효과

둘째, 해당 상정고장에 대하여 경제급전에 근거한 발전비용를 적용하여 발전력 조정 및 조류계산 반복을 통하여 시스템의 붕괴지점을 찾아 시스템의 안정도 한계점을 계산한다. 셋째, 심각한 상정고장에 대해서는 SPS 모델이 설정되어 있어야 한다.

후속연구

다음으로 계통해석 응용프로그램의 정합성 평가 절차 절차에 대해 제안한다. 마지막으로 응용프로그램을 바탕으로 계통해석 수행절 차(과부하해소, 고장전류 해소 등) 절차에 대해 제안 한다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	계통운영시스템은 무엇으로 구성되어 있는가?	계통운영시스템은 전체 전력계통을 감시․제어․평 가․훈련하는 시스템으로서 원방감시제어 및 자료취득, 자동발전제어 및 경제급전, 계통해석, 급전원 훈련시뮬레이터 등으로 구성되어 있다[1-5]. 시시각각으로 변하는 전력계통의 운전 상태를 반영하여 계통의 건전성을 평가하고 취약 부분에 대한 대책을 수립하여 만일의 사태를 대비하는 것이 계통해석의 활용 목적 이다.
	현재 운영중인 조류계산 계열의 계통해석 응용프로그램으로 무엇이 있는가?	미취득 데이터 및 취득된 불량 데이터 등을 보정하여 품질이 우수한 기본 해를 생성한다. 다음으로 조류계산 계열의 응용프로그램은 상태추정의 기본 해를 입력으로 사용하며, 상정고장해석, 급전원 조류계산, 송전가능용량계산, 고장계산, 최적조류계산, 안전도 제약 경제급전, 안전도향상, 전압계획 등이 있다[9].
	온라인 데이터 기반의 계통해석을 결정하는 요소는 무엇인가?	온라인 데이터 기반의 계통해석은 정밀한 모델링 (데이터베이스 구축), 측정데이터 상태(아날로그, 디지털) 및 상태추정의 정합성에 의해 결정된다. 상태추 정의 정합성은 모델링에 의해 결정되며 측정데이터의 상태도 영향을 미친다.

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