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문제 정의
- FRC를 기준으로 통신연계 되어 있는 HMI, PCS, BMS 등의 통신루프가 정상적으로 되어 있는지 확인하는 것은 신호 입·출력에 대한 데이터 이동 경로 및 피드백을 사람이 직접 눈으로 확인해야 한다. 또한 HMI가 규격에 적합하게 설계되었는지 각 화면의 그래픽 요소와 기능 및 시퀀스를 전체적으로 확인하고, 검증하는 절차를 거친다. HSR은 규격에 맞는 성능으로 데이터를 저장하고 있는지, 데이터 추출 및트렌드 출력 기능을 적합하게 제작하였는지 등을 확인한다.
- 본 논문에서는 FR ESS에 필수적인 시운전 시험을 자동화한 TRAS를 개발함으로써 전문가가 아니더라도 간단한 HMI 조작으로 24MW ESS 시운전을 2일만에 수행할 수 있게 되었다. 이번 개발은 초기 시작품을 적용한 것이며 시운전 기간 중에 검토한 결과를 바탕으로 시스템을 개선할 계획이다.
- 본 연구에서는 수동으로 시행하던 시운전을 자동화하기 위한 시운전자동화시스템(TRAS, Trial-Run Automation System)을 개발하였다. 시운전 자동화를 위해 절차서 분석 및 알고리즘 개발하고, 시스템화 하였다.
제안 방법
- 전체적인 동작을 총괄하는 MFRC(Server) 부분에는 알고리즘 자체 검증용 시나리오 메뉴 및 동작을 제어, 모니터링할 수 있는 HMI를 탑재하였다. 2대의 Client(Frequency Generation 컴퓨터, PCS/BAT Model 컴퓨터)와 다중접속이 가능하도록 하였고, FR ESS 알고리즘을 탑재하였다. Frequency Generation 컴퓨터로부터 주파수를 수신하여 상태 판단 및 제어를 수행하도록 하였다.
- 4MW TRAS는 그림 13과 같이 제어기와 HMI로 구성하였다[6]. 4MW TRAS는 그림 14의 제주 조천변전소 4MW FR ESS의 제어기에 연계하여 시운전 자동화의 효용성과 실용성을 검증하였다.
- 그림 16은 24MW TRAS의 구성과 TRAS를 24MW FRESS와 시험하는 연계 구성을 보여주고 있다. FR ESS 구성에서 PCS와 배터리를 모델로 구성하여 모의검증을 수행하였으며 실제 ESS도 동일한 절차와 구성으로 시험하였다. 그림 16의 C 연계를 위해 다종통신연계시스템을 개발하였으며 C 연계 후 A 연계를 통하여 TRAS에 의한 FR ESS의 PCS 및 배터리를 시험할 수 있다.
- FR ESS의 계통연계 시운전은 알고리즘과 운전설비, 자동제어시스템 등을 포함하는 운영시스템에 의한 ESS의 자동운전을 검증하기 위한 시험으로 최종적인 FR ESS의 성능에 대한 평가를 수행한다. 시험항목은 루프시험, 운전기능, SOC 유지제어, SOC 가중제어, 전력충방전장치 불시정지, 수동 충방전, 계통주파수 응동시험, 상위제어기 시험, 이중화 시험, 운전 메커니즘 시험, 데이터저장장치 시험, 시각동기화 장치 시험, 루프시간 측정 등으로 구성된다.
- 알고리즘 연산을 위해 필요한 PCS-BAT의 값은TRAS의 PCS-BAT 모의모델에서 생성한다. FRC에서 처리한데이터는 HMI 및 시운전시스템을 통해 취득 및 분석한다.
- 2대의 Client(Frequency Generation 컴퓨터, PCS/BAT Model 컴퓨터)와 다중접속이 가능하도록 하였고, FR ESS 알고리즘을 탑재하였다. Frequency Generation 컴퓨터로부터 주파수를 수신하여 상태 판단 및 제어를 수행하도록 하였다. PCS/BAT Model 컴퓨터와는 양방향 통신을 하며, 판단결과에 따른 제어신호를 PCS/BAT Model 컴퓨터에 전송하고, PCS/BAT Model의 상태변화 정보를 수신하여 HMI에 표시하도록 하였다.
- 연계 시험은 그림 11과 같이 구성한다. LPMS측 스위칭허브에 연결된 FRC, FRCM, HMI의 통신케이블을 물리적으로 분리하여 PMS를 통한 FR ESS 제어를 차단한다. 대신 전력계통에 연계된 PCS 및 Battery를 시험하기 위해 TRAS의 HMI와 제어기(FRC, FRCM)를 통신으로 연계한다.
- Frequency Generation 컴퓨터로부터 주파수를 수신하여 상태 판단 및 제어를 수행하도록 하였다. PCS/BAT Model 컴퓨터와는 양방향 통신을 하며, 판단결과에 따른 제어신호를 PCS/BAT Model 컴퓨터에 전송하고, PCS/BAT Model의 상태변화 정보를 수신하여 HMI에 표시하도록 하였다. 탑재한 FR 알고리즘의 정상 동작을 확인할 수 있는 정보 표시창 및 메뉴 기능과 자동화 알고리즘의 구현, 검증을 위한 표시창 및 메뉴를 HMI로 구성하였다.
- 식 (1)은 PCS 모델이다. PCS의 지연요소와 정확도를 반영하였으며, 조정이 가능하도록 하였다.
- 그림 14의 ESSC(ESS Controller)는 조천 FR ESS를 다목적으로 시험하기 위한 통합제어시스템으로 TRAS는 ESSC와 연계하여 전체 ESS에 대한 자동 시운전을 수행하였다. TRAS는 통신연계 설정, 시운전 항목의 선택수행 등을 TRAS HMI를 통해 설정할 수 있도록 하였다. 그림 15는 5개 시험항목을 연속으로 시운전한 결과를 보여 주고 있다.
- 검증시험은 TRAS의 성능 및 정확성을 검증하기 위해 자체시험, 24MW FR ESS 운영시스템 및 모의모델을 연계한 모의시험, 실제 FR ESS와 연계한 실증시험으로 진행하였다[4]
- HSR은 규격에 맞는 성능으로 데이터를 저장하고 있는지, 데이터 추출 및트렌드 출력 기능을 적합하게 제작하였는지 등을 확인한다. 따라서 이러한 각 설비에 대한 시운전 항목은 비자동화 부분으로 분류하였다.
- 모의검증을 완료한 알고리즘을 이용하여 4MW TRAS를개발하였다. 4MW TRAS는 그림 13과 같이 제어기와 HMI로 구성하였다[6].
- 배터리 에너지저장장치를 주파수조정용으로 운전제어하기 위해 제어알고리즘을 개발하고 모의시험을 수행하였다. 모의시험을 완료한 후 운전화면, 운전방법, 통신방법, 주파수조정용 제어시스템을 개발하고 200ms 이내로 응동하는 고속의 주파수조정용 에너지저장장치를 개발하였다[1, 2, 4].
- 배터리 에너지저장장치를 주파수조정용으로 운전제어하기 위해 제어알고리즘을 개발하고 모의시험을 수행하였다. 모의시험을 완료한 후 운전화면, 운전방법, 통신방법, 주파수조정용 제어시스템을 개발하고 200ms 이내로 응동하는 고속의 주파수조정용 에너지저장장치를 개발하였다[1, 2, 4].
- 시험항목은 루프시험, 운전기능, SOC 유지제어, SOC 가중제어, 전력충방전장치 불시정지, 수동 충방전, 계통주파수 응동시험, 상위제어기 시험, 이중화 시험, 운전 메커니즘 시험, 데이터저장장치 시험, 시각동기화 장치 시험, 루프시간 측정 등으로 구성된다. 시운전 시험은 시험자가 수동으로 각 항목에 대한 시험을 수행하고, 결과 데이터를 분석하여 FR ESS의 성능을 종합적으로 평가한다.
- 시운전 시험은 제어기 자체운전의 신뢰성을 검증하기 위한 PCS, 배터리 및 계통과의 비연계 시험과 계통과 ESS 전체설비의 신뢰성을 검증하기 위한 연계시험으로 구분하여 시행한다. 자동제어 시운전은 크게는 제어기 자체시험과 배터리 에너지저장장치 전체시험으로 구분하며, 시험항목은 루프시험, 기동/정지/비상정지, SOC 유지제어, SOC 가중제어, 전력충방전장치 불시정지, 수동 충방전, 계통주파수 응동시험, 상위제어기 시험, 이중화 시험, 운전 메커니즘 시험, 데이터저장장치 시험, 시각동기화장치 시험, 루프시간 측정 등이 있다[1].
- 본 연구에서는 수동으로 시행하던 시운전을 자동화하기 위한 시운전자동화시스템(TRAS, Trial-Run Automation System)을 개발하였다. 시운전 자동화를 위해 절차서 분석 및 알고리즘 개발하고, 시스템화 하였다. TRAS의 알고리즘 검증을 위해 제주 4MW ESS를 대상으로 실증시험을 수행하였으며, TRAS와 24MW ESS 모의모델 연계 시험 및 울산 32MW 및 논공 36MW FR ESS를 대상으로 실증을 수행하였다.
- 시운전 절차를 자동화하기 위한 기본제어전략을 그림 4와 같은 순서도와 C 프로그램을 이용하여 제작하였다[2, 3].
- FR ESS의 계통연계 시운전은 알고리즘과 운전설비, 자동제어시스템 등을 포함하는 운영시스템에 의한 ESS의 자동운전을 검증하기 위한 시험으로 최종적인 FR ESS의 성능에 대한 평가를 수행한다. 시험항목은 루프시험, 운전기능, SOC 유지제어, SOC 가중제어, 전력충방전장치 불시정지, 수동 충방전, 계통주파수 응동시험, 상위제어기 시험, 이중화 시험, 운전 메커니즘 시험, 데이터저장장치 시험, 시각동기화 장치 시험, 루프시간 측정 등으로 구성된다. 시운전 시험은 시험자가 수동으로 각 항목에 대한 시험을 수행하고, 결과 데이터를 분석하여 FR ESS의 성능을 종합적으로 평가한다.
- 연계시험 시 데이터 송·수신 설정은 그림 12와 같이 비연계 시험과 마찬가지로 TRAS의 HMI를 중심으로 모든 데이터를 수집하고, 시운전 시나리오에 따라 가상 또는 실제 데이터를 시운전시스템의 FRC에서 선택 수신한다. 연계시험의 경우 시험 대상인 PCS, BMS의 입력단과 출력단 통신설정이 각 제작사 별로 다르기 때문에 제작사 단위로 데이터맵을 조사하여 시운전시스템 표준 데이터 맵과 호환 가능하도록 멀티통신 인터페이스 장비를 개발하여 운용하였다.
- 전체적인 동작을 총괄하는 MFRC(Server) 부분에는 알고리즘 자체 검증용 시나리오 메뉴 및 동작을 제어, 모니터링할 수 있는 HMI를 탑재하였다. 2대의 Client(Frequency Generation 컴퓨터, PCS/BAT Model 컴퓨터)와 다중접속이 가능하도록 하였고, FR ESS 알고리즘을 탑재하였다.
- PCS/BAT Model 컴퓨터와는 양방향 통신을 하며, 판단결과에 따른 제어신호를 PCS/BAT Model 컴퓨터에 전송하고, PCS/BAT Model의 상태변화 정보를 수신하여 HMI에 표시하도록 하였다. 탑재한 FR 알고리즘의 정상 동작을 확인할 수 있는 정보 표시창 및 메뉴 기능과 자동화 알고리즘의 구현, 검증을 위한 표시창 및 메뉴를 HMI로 구성하였다.
대상 데이터
- 시운전 자동화를 위해 절차서 분석 및 알고리즘 개발하고, 시스템화 하였다. TRAS의 알고리즘 검증을 위해 제주 4MW ESS를 대상으로 실증시험을 수행하였으며, TRAS와 24MW ESS 모의모델 연계 시험 및 울산 32MW 및 논공 36MW FR ESS를 대상으로 실증을 수행하였다.
- 그림 18과 그림 19는 울산 FR ESS 실증시험을 보여주고 있다[4]. 울산 32MW 및 논공 36MW FR ESS에서 TRAS 실증시험을 완료하였다. 실증방법은 그림 16, 그림 17에서와 동일한 방법으로 진행한다.
이론/모형
- 제주 조천 변전소에 설치한 FR ESS는 1MW PCS 4대와 1MWh 배터리 8대로 구성되어 있다. 시운전시스템 실증을 위해 4MW TRAS에 주파수조정용 ESS 제어 알고리즘을 적용하였다[3]. 그림 14의 ESSC(ESS Controller)는 조천 FR ESS를 다목적으로 시험하기 위한 통합제어시스템으로 TRAS는 ESSC와 연계하여 전체 ESS에 대한 자동 시운전을 수행하였다.
성능/효과
- TRAS 명령에 의한 자동시운전 결과는 ESS 모의모델의 응동으로 그 결과를 실시간으로 확인할 수 있으며 시험결과를 운영시스템과 TRAS에서 확인함으로써 TRAS 초기 개발에서 발생한 여러 가지 문제점을 해결할 수 있었다.
- 그림 19는 울산 32MW FR ESS에서의 TRAS 실증시험 결과를 보여주고 있다. 울산 ESS 시험의 경우는 TRAS를 이용한 최초 실증시험으로 TRAS를 통신연계하는데 많은 시행착오를 겪었으나, 울산경험을 토대로 논공에서는 통신연계 1일, 시운전 1일로 총 2일 동안 모든 시험을 완료할 수 있었다.
후속연구
- 이번 개발은 초기 시작품을 적용한 것이며 시운전 기간 중에 검토한 결과를 바탕으로 시스템을 개선할 계획이다. TRAS와 ESS와의 통신 인터페이스를 용이하게 개선해야 하며, 시험결과에 대한 분석 알고리즘도 업데이트하는 등 시스템의 사용자 편의성에 더욱 주안점을 두어 개발할 계획이다.
- 본 논문에서는 FR ESS에 필수적인 시운전 시험을 자동화한 TRAS를 개발함으로써 전문가가 아니더라도 간단한 HMI 조작으로 24MW ESS 시운전을 2일만에 수행할 수 있게 되었다. 이번 개발은 초기 시작품을 적용한 것이며 시운전 기간 중에 검토한 결과를 바탕으로 시스템을 개선할 계획이다. TRAS와 ESS와의 통신 인터페이스를 용이하게 개선해야 하며, 시험결과에 대한 분석 알고리즘도 업데이트하는 등 시스템의 사용자 편의성에 더욱 주안점을 두어 개발할 계획이다.
- 향후 상업운전 중인 ESS의 예방정비 및 고장정비 후 시운전 이외에도 신규 설비의 시운전에 활용할 수 있을 것이며, ESS의 해외진출에도 활용할 수 있을 것으로 기대한다.
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