[논문]유도전동기 부하 고려 시 저전압 부하차단을 이용한 전력계통 안정도 향상 방안

이윤환

doi:10.5370/kieep.2016.65.1.001

유도전동기 부하 고려 시 저전압 부하차단을 이용한 전력계통 안정도 향상 방안
Using the Under Voltage Load Shedding for Stability Enhancement of Power Systems Considering Induction Motor Load 원문보기

전기학회논문지. The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers. P, v.65 no.1, 2016년, pp.1 - 6

이윤환 (Korea Smart Grid Institute)

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Recently, proportion of the induction motor load is gradually increased. When a contingency in the power systems, it has been discovered phenomenon that the voltage is delayed recover caused mechanical characteristics of the induction motor load. It can be a serious impact on the voltage stability of the power system considering induction motor load. The scheme to mitigate this phenomenon tripping off the motors to prevent voltage drop and delayed voltage recovery on the load demand side. Fault induced delayed voltage recovery phenomenon is caused by stalling of small induction motor load in transmission level contingencies. In this paper, fault induced delayed voltage recovery phenomenon mitigation method implementation under voltage load shedding on the korean power system considering induction motor load.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

따라서 본 논문에서는 유도전동기 부하가 고려된 경우 동적 해석 결과에 차이가 나타나게 되므로 유도전동기 부하를 고려하여 계통을 검토하여야 정확한 검토가 가능하도록 하였다. 유도전동기 부하를 고려하지 않은 경우 및 부하 60[%]를 고려한 경우의 전압변동 그리고 저전압 부하차단을 적용한 경우의 사례연구를 수행하여 저전압 부하차단 방안의 효용성을 입증하였다.
본 논문에서는 유도전동기 부하의 스톨(stall)에 의해 사고 후 전압 지연 회복 현상에 대한 특성연구를 수행하였으며, 전력계통에서 유도전동기 부하를 고려하였을 경우 계통에 미치는 영향을 고찰하였다. 유도전동기의 부하 고려 시 전압 지연 회복 현상이 관찰되면 부하를 차단하여 계통의 전압을 회복시키는 저전압 부하차단(under voltage load shedding) 방안을 활용하여 전압 지연 회복 현상을 완화시켜 전력계통의 안정도를 향상시키는 방안을 제안하였다.
본 논문에서는 전력계통에서의 사고 발생 시 유도전동기 부하의 기기적인 특성에 의하여 발생하는 전압 지연 회복 현상을 저전압 부하차단 방안을 이용하여 완화 시키고 전력 계통 안정도를 향상 시키는 방안에 대하여 제안하였다. 이는 가정용 소형 유도전동기 부하가 급증하는 추세에 맞추어 유도전동기 부하를 반영하여 전압 회복이 지연되는 현상을 고찰 하였고 사례연구를 통해 저전압 부하차단 방안의 효용성을 입증하였다.
유도전동기 부하가 사고 후 전압 회복에 미치는 영향을 관찰하기 위하여 한국전력의 실 계통을 활용하여 사례연구를 수행하였다. 먼저 유도전동기가 계통에 미치는 영향을 관찰하기 위하여 유도전동기 부하를 고려하지 않은 경우와 유도전동기 부하를 고려한 경우로 나누어 동적 시뮬레이션을 수행하였다.

제안 방법

유도전동기 부하가 사고 후 전압 회복에 미치는 영향을 관찰하기 위하여 한국전력의 실 계통을 활용하여 사례연구를 수행하였다. 먼저 유도전동기가 계통에 미치는 영향을 관찰하기 위하여 유도전동기 부하를 고려하지 않은 경우와 유도전동기 부하를 고려한 경우로 나누어 동적 시뮬레이션을 수행하였다. 유도전동기 부하가 계통에 미치는 영향을 관찰하기 위하여 유도전동기 부하를 전체 계통의 60% 비율로 적용하였다.
먼저 유도전동기가 계통에 미치는 영향을 관찰하기 위하여 유도전동기 부하를 고려하지 않은 경우와 유도전동기 부하를 고려한 경우로 나누어 동적 시뮬레이션을 수행하였다. 유도전동기 부하가 계통에 미치는 영향을 관찰하기 위하여 유도전동기 부하를 전체 계통의 60% 비율로 적용하였다. 계통에 전압 불안정 현상이 일어나는 사고를 모의하고, 사고 후 단기 전압파형을 관찰하여 계통의 안정 여부를 판단하고 불안정이 판단될 경우 저전압 부하차단 방안을 이용하여 계통을 안정화 시키게 된다.
본 논문에서는 유도전동기 부하의 스톨(stall)에 의해 사고 후 전압 지연 회복 현상에 대한 특성연구를 수행하였으며, 전력계통에서 유도전동기 부하를 고려하였을 경우 계통에 미치는 영향을 고찰하였다. 유도전동기의 부하 고려 시 전압 지연 회복 현상이 관찰되면 부하를 차단하여 계통의 전압을 회복시키는 저전압 부하차단(under voltage load shedding) 방안을 활용하여 전압 지연 회복 현상을 완화시켜 전력계통의 안정도를 향상시키는 방안을 제안하였다. 계통의 안정화 여부를 정확하게 판단할 수는 없지만 계통이 안정한 경우 전압이 빠르게 회복할 것이며, 전압이 빠르게 회복이 되지 않을 경우 부하를 차단하는 방안을 통하여 계통의 안정화를 달성할 수 있다.
계통의 안정화 여부를 정확하게 판단할 수는 없지만 계통이 안정한 경우 전압이 빠르게 회복할 것이며, 전압이 빠르게 회복이 되지 않을 경우 부하를 차단하는 방안을 통하여 계통의 안정화를 달성할 수 있다. 이를 위해 유도전동기 부하가 실제 전력계통에 일정 비율로 포함되어 있다고 가정하여 동적 시뮬레이션을 수행하였으며 계통모의 해석 툴을 사용하여 전압 지연 회복 현상을 완화시키는 저전압 부하차단 방안의 효용성을 입증하였다.
만약, 전압이 빠르게 회복이 되지 않을 경우에 부하를 차단하는 방안 통하여 계통의 안정화를 달성할 수 있다. 저전압 부하차단 방안을 적용하기 위하여 대용량 송전선로(신안성-신서산 TL) 사고 시 수도권 내 부하모선 중에서 민감한 변화를 보이게 되는 모선들을 선정하여 사고 후 0.5초 후에 부하 차단을 수행 하였다.
하지만 유도전동기 부하 모델링이 정확하게 되어 있지 않은 상황에서 유도전동기 파라미터를 임의로 선정하기에는 불확실성이 크다. 특히, 유도전동기 부하가 계통에 미치는 영향을 관찰하기 위하여 유도전동기 부하를 적용하지 않은 경우와 전체 계통에 60% 비율로 적용한 경우로 구분하여 동적 시뮬레이션을 수행하였다.
이러한 경우 빠른 부하차단이 수행되지 않으면 계통의 불안정 현상을 방지할 수 없다. 한전 계통에서 가장 심각한 사고인 대용량 송전선로인 신안성-신서산 765 kV 선로에 고장이 났을 경우를 전압 불안정 시나리오로 산정하였고, 전압 지연 회복 현상을 완화시키는 저전압 부하차단 방안의 효용성에 대한 사례 연구를 수행하였다. 이러한 동특성 모의 시뮬레이션은 PowerTech의 TSAT 10.

이론/모형

한전 계통에서 가장 심각한 사고인 대용량 송전선로인 신안성-신서산 765 kV 선로에 고장이 났을 경우를 전압 불안정 시나리오로 산정하였고, 전압 지연 회복 현상을 완화시키는 저전압 부하차단 방안의 효용성에 대한 사례 연구를 수행하였다. 이러한 동특성 모의 시뮬레이션은 PowerTech의 TSAT 10.0을 이용하였다.

성능/효과

전압이 사고 후에 다시 안정화되는 모습을 보이고 있는데, 이는 부하 차단 후에 전압 지연 회복이 완화되어 계통이 빠르게 안정화되는 모습을 보이고 있다. 서론에서 언급한 전압 지연 회복 현상을 완화시키기 위한 방안으로 저전압 부하차단(under voltage load shedding) 방안을 적용하여 실제 전압 지연 회복 현상이 완화되는 것을 확인하였으며 실제 시스템에 적용하여 저전압 부하차단 방안의 효용성을 입증하였다.
따라서 본 논문에서는 유도전동기 부하가 고려된 경우 동적 해석 결과에 차이가 나타나게 되므로 유도전동기 부하를 고려하여 계통을 검토하여야 정확한 검토가 가능하도록 하였다. 유도전동기 부하를 고려하지 않은 경우 및 부하 60[%]를 고려한 경우의 전압변동 그리고 저전압 부하차단을 적용한 경우의 사례연구를 수행하여 저전압 부하차단 방안의 효용성을 입증하였다.
본 논문에서는 전력계통에서의 사고 발생 시 유도전동기 부하의 기기적인 특성에 의하여 발생하는 전압 지연 회복 현상을 저전압 부하차단 방안을 이용하여 완화 시키고 전력 계통 안정도를 향상 시키는 방안에 대하여 제안하였다. 이는 가정용 소형 유도전동기 부하가 급증하는 추세에 맞추어 유도전동기 부하를 반영하여 전압 회복이 지연되는 현상을 고찰 하였고 사례연구를 통해 저전압 부하차단 방안의 효용성을 입증하였다. 계통의 모델링에 크게 의존하는 오프라인 해석 기반으로는 실제 계통 상태를 예측하는데 어려움이 있으므로 정확한 유도전동기 부하 모델을 갖는 것은 실제적인 전력 시스템을 계획하고 운영하는데 매우 중요하다.

후속연구

따라서 유도전동기 부하의 저항 및 리액턴스 파라미터는 일반적인 경우에 적용될 수 있는 문헌상의 값들을 그대로 적용하여도 계통의 안정도에 크게 영향을 주지 않기 때문에 무리가 없다고 생각할 수 있다. 그러므로 유도전동기 부하를 적용한 동특성 해석 시 불확실성을 고려한 계통 검토를 수행하기 위해서는 계통 안정성에 직접적인 영향력을 보이는 관성 값과 계통 내 존재하는 유도전동기 부하의 비율을 다양하게 검토하여 모든 경우에 대하여 계통의 안정성을 확보할 수 있는 방안이 고려되어야 한다. 하지만 유도전동기 부하 모델링이 정확하게 되어 있지 않은 상황에서 유도전동기 부하 파라미터를 임의로 선정하기에는 불확실성이 크다.
근래에 소형 가정용 에어컨 부하가 많이 설치되어 무효 전력을 많이 소모하는 지역의 전압 불안정 현상과 전압 지연 회복 현상이 PMU(phasor measurement unit)를 통하여 측정되고 관찰되고 있다. 이에 따라 PMU 데이터를 이용하여 보다 정확한 계통의 상태를 측정하고 반영하는 연구를 수행할 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	HVAC 기기란?	정부의 시책 및 정책 등으로 산업용 부하의 수요 비중은 미미한 수준으로 증가하고 있지만, 가정용 부하의 수요 비중은 큰 폭으로 증가하고 있다. 실생활에서 사용하고 있는 가정 및 소규모 건물의 난방/환기/에어컨 부하 등이 소형 가정 유도전동기의 부하에 포함 되는데 이를 HVAC(heating, ventilation and air conditioner) 기기라고 총칭하고 있다. 최근에는 소형 가정용 에어컨 부하가 많이 설치되어 있는 주거지역에 전압 불안정 현상과 계통 사고 발생 시 전압이 느리게 회복하는 현상(delayed voltage recovery)이 북미지역 등에서 관찰되고 있다[1].
	유도전동기 부하의 비중이 점차적으로 증가하게 되면 어떠한 영향을 주는가?	이렇게 유도전동기 부하의 비중이 점차적으로 증가하게 되면 전력계통 안정도에 심각한 영향을 줄 수 있게 되며, 계통 사고 발생 시 유도전동기 부하의 비율이 높아질수록 전압의 회복이 느려져 광역정전으로 파급될 위험성을 내포하고 있다. 전력시스템 운영의 주요 목표 중 하나는 계통의 안정도 유지이다.
	전압 불안정 현상과 계통 사고 발생 시 전압이 느리게 회복하는 현상의 문제점은?	이러한 현상은 사고 제거 후에도 전압이 몇 초 동안 낮은 수준 상태로 유지되는 현상으로, 전압이 빠른 시간 안에 붕괴되어 전압 불안정을 야기 시킬 수 있다. 이러한 단기 전압 안정성의 문제인 전압 지연 회복 현상 (fault induced delayed voltage recovery)이 최근 전력계통 전압안정도 분야에서 중요한 이슈로 부각되고 있다[2].

참고문헌 (10)

NERC Transmission Issues Subcommittee and System Protection and Control Subcommittee, "A Technical Reference Paper Fault-Induced Delayed Voltage Recovery", Version 1.2, June.2009.
G. L., Chinn, "Modeling Stalled Induction Motors," Transmission and Distribution Conference and Exhibition, 2005/2006 IEEE PES, pp.1325-1328, 21-24 May 2006.
Philip Irminger,"Air Conditioning Stall Phenomenon. Testing, Model Development, and Simulation", Transmission and Distribution Conference and Exposition (T&D), 2012 IEEE PES,
N Lu,YL Xie,Z Huang," Air Conditioner Compressor Performance Model", Pacific Northwest, August.2008
Prabha Kundur, "Power System Stability and Control", 1994
Hua Bai, and V. Ajjarapu, "A Novel Online Load Shedding Strategy for Mitigating Fault Induced Delayed Voltage Recovery", IEEE Trans. on Power Systems, Vol.26, No.1, p.294-303, 2011

상세보기
G. K. Stefopoulos and A. P. Meliopoulos, ""Induction motor load dynamics: Impact on voltage recovery phenomena,"" in Proc. IEEE Power Eng. Soc. General Meeting, Jun. 2006.
S. Mark Halpin,"Slope-Permissive Under-Voltage Load Shed Relay for Delayed Voltage Recovery Mitigation", IEEE TRANSACTIONS ON POWER SYSTEMS, VOL. 23, NO. 3, AUGUST 2008

상세보기
Shinichi Imai, "Undervoltage load shedding improving security as reasonable measure for extreme contingencies", Power Engineering Society General Meeting, IEEE, Vol.2, 1754-1759, 2005
'Undervoltage Load Shedding Protection', IEEE PES Power System Relaying Committee Draft 4.1

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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