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문제 정의
- Q reserve 방식은 앞선 순차 제어 방식에서 STATCOM의 가용범위를 최대로 하기 위해 조상설비를 스위칭한다. 연속제어방식인 STATCOM의 정확성과 신속성을 최대한 활용하여 안정화를 한다는 목표로 개발되었다.
가설 설정
- 정상상태전압 시 협조 제어 알고리즘으로 순차제어방식과 STATCOM Qreserve 방식을 제안한다. 순차제어 방식은 변전소의 1차, 2차 모선전압이 변압기에 의해 서로 종속된 관계로 가정한다. 따라서 1차 모선전압을 먼저 측정하여 만약 측정된 전압이 설정된 부감대를 넘게 되면 병렬형 리액터 뱅크가 동작하도록 하였다.
제안 방법
- 이를 위해 계통해석 프로그램으로 PSS/E를 이용 하였고, PSS/E Data를 통신 시켜주기 위해Python 언어를 이용하였다. DB는 SQL을 사용하였으며 최종적으로 계통해석을 시각화하고 제어할 수는 HMI는 Intouch로 구현하였다.
- 전압 안정화를 위해 FACTS와 기존 조상설비의 협조 제어에 있어 정상 상태 제어만 고려한다면 비상사태 발생 시 전압 붕괴를 초래할 수도 있다. 따라서 PSS/E 상에서 선로사고를 모의해서 전압오차의 설정치를 잡아서 비상상태의 범위를 설정하였다. 표 3은 미금변전소와 각 지역 변전소의 선로 사고 시 전압변화량이다.
- 전력계통의 정상상태와 비상상태에서 STATCOM과 기존의 전압보상설비간의 제어 협조를 통한 지역 변전소의 전압제어와 계통안정화를 위한 협조제어방식에 관한 새로운 알고리즘을 제안한다. 검증을 위해 주로 공장 자동화에 사용 되어온 InTouch를 계통해석 프로그램과 접목시킴으로써 실시간 계통 해석 시스템을 개발 하였다. 전력조류계산 소프트웨어는 PSS/E를 사용하였으며 언어는 Python, HMI 프로그램은 Intouch, DB는 MS SQL을 사용하였다.
- 전력 계통 특성 분석을 기반으로 협조 제어기법을 제안하였으며, 검증을 위하여 조류계산 해석 엔진인 PSS/E를 이용하여 실계통 상황을 모의하였고, Intouch를 이용하여 HMI 시스템을 개발하였다. 계통의 상황에 따라 1차, 2차 모선 전압이 변화하는 상황을 가정하여 제안한 협조 제어 알고리즘의 제어 특성을 확인하였다.
- 본 장에서는 첫 번째로 2014년 우리나라 경부하, 중부하, 첨두부하 시 계통 데이터에 대한 정상 상태 해석을 PSS/E로 수행하여 향후 연구에 있어 신뢰할만한 기본 자료로 활용하도록 하였다. 두 번째로 변전소 대상 계통에 대한과도해석 모형을 개발하여 모의 분석함으로서 과도 상태 운전 방안을 제시하였다.
- 순차제어 방식은 변전소의 1차, 2차 모선전압이 변압기에 의해 서로 종속된 관계로 가정한다. 따라서 1차 모선전압을 먼저 측정하여 만약 측정된 전압이 설정된 부감대를 넘게 되면 병렬형 리액터 뱅크가 동작하도록 하였다. 동작 이후 순차적으로 2차 모선 전압을 측정하여 계통 외란이 해소된다면 2차 측 조상설비는 동작하지 않도록 하였고, 만약 측정된 전압이 부감대를 넘게 되면 2차 측 모선에 설치된 병렬형 커패시터 뱅크가 동작하도록 설정하였다.
- 전압 안정화를 위해 FACTS와 기존 조상설비의 협조 제어에 있어 정상 상태 제어만 고려한다면 비상사태 발생 시 전압 붕괴를 초래할 수도 있다. 따라서 PSS/E 상에서 선로사고를 모의해서 전압오차의 설정치를 잡아서 비상상태의 범위를 설정하였다. 표 3은 미금변전소와 각 지역 변전소의 선로 사고 시 전압변화량이다.
- 동작 이후 순차적으로 2차 모선 전압을 측정하여 계통 외란이 해소된다면 2차 측 조상설비는 동작하지 않도록 하였고, 만약 측정된 전압이 부감대를 넘게 되면 2차 측 모선에 설치된 병렬형 커패시터 뱅크가 동작하도록 설정하였다. 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 개발되었다.
- 변전소 내의 제어운전은 4가지 상태로 정상상태, 정상운전상태, 비상상태, 그리고 순동예비력 확보 제어로 분담하였다. 전력계통의 모든 문제는 조류 계산을 바탕으로 한 정상 상태 해석으로부터 시작된다.
- 따라서 협조 제어 알고리즘 개발과 병행하여 계통의 특성에 부응하는 제어를 위하여 적용 대상인 미금 변전소를 중심으로 한 계통특성 분석이 이루어져야 한다. 본 장에서는 첫 번째로 2014년 우리나라 경부하, 중부하, 첨두부하 시 계통 데이터에 대한 정상 상태 해석을 PSS/E로 수행하여 향후 연구에 있어 신뢰할만한 기본 자료로 활용하도록 하였다. 두 번째로 변전소 대상 계통에 대한과도해석 모형을 개발하여 모의 분석함으로서 과도 상태 운전 방안을 제시하였다.
- 어플리케이션 투입에 따른 미금 변전소의 전압제어와 함께 계통 전체의 변화를 해석하기 위해서 각각의모선의 전압, 무효전력, 유효전력을 나타냈다. 사용자가 변전소내부 어플리케이션의 투입에 따른 전압값의 변화뿐만 아니라 계통 전체의 변화도 확인할 수 있게 개발하였다. 최종적으로 계통해석의 시각화를 통한 HMI를 구현하였다.
- 단위변전소의 전압보상설비 제어를 위해 인터치 화면상에 그림 7와 같이 구현하였다. 어플리케이션 투입에 따른 미금 변전소의 전압제어와 함께 계통 전체의 변화를 해석하기 위해서 각각의모선의 전압, 무효전력, 유효전력을 나타냈다. 사용자가 변전소내부 어플리케이션의 투입에 따른 전압값의 변화뿐만 아니라 계통 전체의 변화도 확인할 수 있게 개발하였다.
- 전력조류계산 소프트웨어는 PSS/E를 사용하였으며 언어는 Python, HMI 프로그램은 Intouch, DB는 MS SQL을 사용하였다. 이 시스템의 테스트를 위해 미금 인근 지역 계통과 미금 변전소를 모델링하고 시뮬레이션 해 보았다.
- 전력 계통 특성 분석을 기반으로 협조 제어기법을 제안하였으며, 검증을 위하여 조류계산 해석 엔진인 PSS/E를 이용하여 실계통 상황을 모의하였고, Intouch를 이용하여 HMI 시스템을 개발하였다. 계통의 상황에 따라 1차, 2차 모선 전압이 변화하는 상황을 가정하여 제안한 협조 제어 알고리즘의 제어 특성을 확인하였다.
- 전력계통의 정상상태와 비상상태에서 STATCOM과 기존의 전압보상설비간의 제어 협조를 통한 지역 변전소의 전압제어와 계통안정화를 위한 협조제어방식에 관한 새로운 알고리즘을 제안한다. 검증을 위해 주로 공장 자동화에 사용 되어온 InTouch를 계통해석 프로그램과 접목시킴으로써 실시간 계통 해석 시스템을 개발 하였다.
- 정상상태전압 시 협조 제어 알고리즘으로 순차제어방식과 STATCOM Qreserve 방식을 제안한다. 순차제어 방식은 변전소의 1차, 2차 모선전압이 변압기에 의해 서로 종속된 관계로 가정한다.
- 제안한 전압제어 알고리즘을 검증하기 위해 실제 현장에서 사용되어지고 있는 SCADA SYSTEM과 동일한 실시간 전력계통해석 엔진의 개발을 하였다. 이를 위해 계통해석 프로그램으로 PSS/E를 이용 하였고, PSS/E Data를 통신 시켜주기 위해Python 언어를 이용하였다.
- 전력계통의 모든 문제는 조류 계산을 바탕으로 한 정상 상태 해석으로부터 시작된다. 조류 계산, 고장계산 그리고 전압-무효전력 감도계산을 수행, 투입 무효 전력량과 전압 제어량 간의 상관관계를 계산하여, 비상 상태 시 미금 변전소와 인근 계통의 무효전력장치를 신속히 제어하기 위한 투입량을 산정하는데 활용되도록 하였다.
- 지역계통의 전압 안정화를 위해 계통 상태에 따른 전압보상설비 운용기법 을 제시하며 이를 실 계통 모델에 적용하여 제어특성을 검증하였다. 이는 지역 전압안정화를 위해 FACTS 기기인 STATCOM과 기존 소내 조상설비간의 협조 제어에 관한 새로운 시도이며 SCADA/EMS 방식의 변전소 운영을 고려한 실시간 HMI 시스템을 개발하여 실증했다는데 의의를 지니고 있다.
- 사용자가 변전소내부 어플리케이션의 투입에 따른 전압값의 변화뿐만 아니라 계통 전체의 변화도 확인할 수 있게 개발하였다. 최종적으로 계통해석의 시각화를 통한 HMI를 구현하였다.
대상 데이터
- 모선의 전압 변동에 따른 무효전력의 투입량을 결정하기 위하여 분석하였으며, 경부하는 조류계산에서 이용한 데이터 중 70% 부하를 선정하였고, 중부하는 80 %, 첨두부하는 100% 부하를 선정하였다.
이론/모형
- 제안한 전압제어 알고리즘을 검증하기 위해 실제 현장에서 사용되어지고 있는 SCADA SYSTEM과 동일한 실시간 전력계통해석 엔진의 개발을 하였다. 이를 위해 계통해석 프로그램으로 PSS/E를 이용 하였고, PSS/E Data를 통신 시켜주기 위해Python 언어를 이용하였다. DB는 SQL을 사용하였으며 최종적으로 계통해석을 시각화하고 제어할 수는 HMI는 Intouch로 구현하였다.
성능/효과
- 탭은 설비 특성상 비상 상태 시에는 동작하지 않도록 설정하였다. 그 결과 1차측과 2차측 전압은 과도한 설비투입으로 인해 0.0071만큼의 오차 가 발생하는 사례가 발생하였다.
- 그러나 사고 발생에서 가장 중요한 시간 관점에서는 기존 정상상태 알고리즘인 Back to Back 방식대비 경부하, 중부하 일 경우 각각 2/7, 1/4 시간만큼 빠르게 대응하다는 결과가 도출되었다.
- 기준으로 정확한 제어정도를 나타내었다. 기준전압과 허용범위를 벗어나지 않고 각 설비의 민감도에 따라 허용범위 안에서 오차가 발생함을 확인하였다.
후속연구
- 본 논문에서 제안한 협조 제어 기법을 실 계통에 적용하기 위해 먼저 대상 전력 계통에 대한 특성 분석이 이루어져야한다. 따라서 협조 제어 알고리즘 개발과 병행하여 계통의 특성에 부응하는 제어를 위하여 적용 대상인 미금 변전소를 중심으로 한 계통특성 분석이 이루어져야 한다.
- 이는 지역 전압안정화를 위해 FACTS 기기인 STATCOM과 기존 소내 조상설비간의 협조 제어에 관한 새로운 시도이며 SCADA/EMS 방식의 변전소 운영을 고려한 실시간 HMI 시스템을 개발하여 실증했다는데 의의를 지니고 있다. 이 연구를 통하여 변전소 차원에서 전압 안정화를 위한 무효전력기기간의 협조 제어에 관한 최적 운전 방안이 마련 될 것이며, 전압 보상설비의 실계통 적용 시 본 논문은 많은 도움을 줄 것이다.
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