양 기관이 과학기술부로부터 지원받아 수행하고 있는 연구사업의 효율적인 추진을 도모하는 데 큰 기여를 했다는 평가를 받고 있다.
한전 전력연구원 전력해석그룹은 과기부로부터 국가지정연구실(NRL)로, 명지대 차세대전력기술연구센터는 우수공학연구센터(ERC)로 각각 지정받아, 실시간 전력계통해석분야와 전력계통 보호기술 분야의 연구를 선도적으로 수행하고 있다.
특히 이번 워크숍에서는 산자부 전기위원회 남정일 위원이‘21세기를 맞는 전기사업의 과제’라는 주제로 강연이 진행됐으며 양 기관에서 연구한 6편의 논문 발표가 이어졌다. 이와 함께 전력연구원의 전력계통해석센터를 견학했다.
이번 워크숍은 전력분야의 학술 및 기술 발전을 위한 폭넓은 교류의 장이 됐다는 평가를 받고 있다. 다음은 이번 워크숍에서 발표된 주요 논문을 발췌, 소개한 내용.
#실시간 대규모 전력계통 해석용 시뮬레이터(KEPS)를 이용한 국산 디지털 PSS의 성능 시험
김태균, 장경철, 차승태, 김용학, 추진부(한전 전력연구원)
전력계통 안정화장치(Power System Stabilizer; 이하, PSS)는 일반적으로 전력계통의 작은 변화로 나타나는 지속성 동요를 감쇄시키기 위하여 적용된다. PSS는 전력계통에서 나타나는 0.1∼2.0Hz의 전력동요에 대해 안정화 보조신호를 발생시키고, 이 신호가 발전기 여자시스템의 자동전압조정장치(AVR)에 입력돼 저주파 전력동요를 효과적으로 억제토록 함으로써 전력계통의 정태 안정도(Small Signal Stability)를 향상시키는 가장 경제적이면서 효과적인 수단으로 알려져 있다. 국내의 경우에도 1980년 이후에 건설된 일부 발전기에 아날로그 방식의 PSS를 설치했으며, 1994년 영광원전 1, 2호기에도 미국 PTI사의 디지털 방식 PSS를 도입해 설치한 바 있다.
최근 국내 전력계통의 경우 전력수요의 증가로 전력계통이 대규모화되고 발전기의 속응 여자시스템이 급속하게 확대, 적용됨에 따라, 저주파 동요 측면에서의 계통 안정도 마진이 감소되고 있다.
따라서 정태안정도의 향상과 계통의 제동능력 향상을 도모하기 위한 대책기술의 하나인 고성능 PSS를 개발하고, 이를 최적으로 계통에 적용할 수 있는 기술개발이 요구되고 있다.
본 연구진은 국내 DSP 기술의 급속한 발달과 그 동안 축적된 발전기 제어시스템의 특성시험 및 정밀 모델링 기술을 바탕으로 고성능 디지탈 PSS를 순수 국내 기술로 개발하고, PSS의 적용 효과를 극대화하기 위한 최적 파라메터 튜닝기술을 개발했다. 또한, 개발된 디지털 PSS의 실계통 적용 전 성능시험을 위해 한전 전력연구원이 보유하고 있는 ‘실시간 대규모 전력계통 해석용 디지털 시뮬레이터(KEPS)’를 이용, 현장에서와 동일한 조건에서 성능시험을 실시, 그 성능을 확인하고 실 계통에 성공적으로 적용했다.
KEPS는 캐나다 RTI에서 개발한 RTDS(Real-time Digital Simulator)를 기본 구조로 하고 있다. RTDS는 일반적으로 50 sec 타임스텝을 사용하며, 실시간 고속 연산을 위해 다수의 DSP(Digital Signal Processor, ADSP-21062(SHARC))를 사용한 병렬처리 기술을 이용한다. 실시간 시뮬레이션이 가능하기 때문에 실 계통에 사용되는 실제 장치들(보호장치, 각종 제어기 등)을 실계통에 설치하기 전에 RTDS를 이용한 성능시험을 실시할 수 있으며, 이를 위해 RTDS는 아날로그 입출력 단자, 디지털 입출력 단자를 제공한다.
KEPS의 소프트웨어는 크게 두 가지로 나눌 수가 있다. 그 중 하나는 KEPS의 구동을 위한 사용자 인터페이스로써의 기본 프로그램이고, 다른 하나는 KEPS의 효율적인 활용을 위해 본 연구진이 자체 개발한 응용 소프트웨어이다.
국산 디지털 PSS는 주어진 작업들을 정의된 시간 내에 처리하며 다중작업의 수행을 지원해주는 실시간 운영시스템(RTOS(Real time OS))을 탑재하고 있으며, 에뮬레이터 모드에서 외부 PC를 이용하여 파라메터 세팅이 가능한 구조로 구성됐다. 개발된 디지털 PSS의 기본기능으로는 CT/PT를 통한 발전기의 단자 전압/전류 검출, Low Pass Filter, Anti-Aliasing Filter에 의한 신호처리, 발전기 전압/전류의 Analog-to-Digital 변환, 순시 유효/무효 전력의 계산 (2전력계법), PSS 알고리즘 연산, Zero-lock 기능이 있으며 자체진단 및 보호기능, 사용자 Interface, Event logging 기능, Testing Mode와 같은 보조기능이 있다.
KEPS를 이용한 PSS의 성능 시험 결과 개발된 PSS의 우수성이 입증됐다. 시험결과를 토대도 본 연구진은 개발한 PSS에 대해 높은 신뢰를 가질 수 있었으며, 이와 유사한 실계통 시험을 통해, 개발된 PSS는 현재 무주양수발전소 1,2호기에 설치돼 연속운전 중에 있다. 향후, 본 시뮬레이터를 이용, 광역 모드를 제어하기 위한 PSS의 설계 및 시험을 수행할 예정이다.
#전력기기 및 시스템 고장에 대한 VR을 이용한 Troubleshooting Guide
박창현, 정영범, 장길수 (고려대)
급증하는 전력 수요에 따른 발전 설비의 대용량화, 전력계통 설비와 시스템의 복잡화는 안정적인 전력계통 운용을 더욱 어렵게 하고 있다. 또한 현재 급속하게 진행되고 있는 전력산업 구조개편으로 종래와는 완전히 다른 형태의 전력계통 운용을 필요로 하고 있다. 현대 생활에서 전기가 차지하는 비중에 비춰 한 순간의 정전도 큰 사회적 비용을 초래하게 되므로, 현재의 복잡한 상황 하에서도 전력계통은 안정적으로 운용돼야 한다.
그러나 전력 시스템 기기들에서의 사고와 고장은 필수적이므로, 고장 발생 시 빠른 시간 내에 고장을 제거해 그 파급을 막는 것이 안정 운용의 가장 중요한 요소다. 그러므로 고장을 일으키는 여러 요인들을 짧은 시간 내에 신속하게 찾으며 경험에 기초한 적절한 대책을 수립할 수 있는 maintenance 시스템과 전문 인력의 역할이 중요하다. 뿐만 아니라 기기들의 고장 이력이나 현재의 상태를 면밀히 파악 감시함으로서 고장 가능 요인을 미리 인지해 사고를 사전에 예방할 수 있는 것 또한 안정 운용의 중요한 요소 중의 하나다.
하지만 복잡한 대규모 시스템 운용자들이 모든 부분에서 전문성을 갖기는 힘들며, 이러한 기기에서의 고장 상황 발생 시 대응 수립에 상당한 어려움이 발생 할 수 있다. 또한 변전소 시스템 운용자 및 유지보수 담당자를 교육시키는 데에도 상당한 시간과 경비가 소요된다.
따라서 기존의 소극적이고 단순한 기기의 유지 및 고장 수리 복구 절차 안내서가 아닌, 보다 효율적으로 운용자가 기기 및 시스템에 대해 이해할 수 있는 가이드와 신속한 대응을 가능하게 해 줄 수 있는 보조 시스템이 필요하게 된다.
이런 이유로 전력계통 운영자가 보는 시각정보에 초점을 맞춰 계통의 상태를 효율적으로 인식할 수 있도록 3D Graphic Engine을 이용한 시각화 방안이 모색됐으며, 또한 3D 가상현실 기술적용으로 신속하고, 효율적인 상황인식에 따른 운영자의 실수를 최소화시키고, 신속한 복구 방안 제시하는 사용자 중심의 고장 수리 가이드가 개발됐다. 이러한 개발은 운용자의 경험과 확보된 지식에 의존하게 되는 문제점을 해결하고, 보다 직관적으로 상황을 인식할 수 있어 빠르고 정확한 판단이 가능하게 한다.
이러한 효율적이고 직관적인 시각화 기능은 계통 운영자의 인적실수를 최소화 할 수 있다. 또한, 계속적이고 효율적인 교육기능으로 새로운 운전자의 빠른 기술 습득이 용이해 지며 경제적으로도 큰 이득을 기대할 수 있을 것이다.
#계통연계 분산전원의 단독운전 판단기법 개발
장성일, 김광호(강원대)
최근 들어 에너지 환경의 변화, 발전사업의 민영화, 대규모 발전설비 비용의 증가 등에 따라 대체에너지를 포함한 다양한 형태의 분산전원(Distributed Generations : DG) 보급의 확대가 예상되고 있다. 그러나 분산전원의 계통연계는 단방향의 전력 조류만을 허용하던 기존 배전 시스템의 보호, 운용 및 관리 등에 여러 가지 새로운 영향을 미치게 될 것이다.
특히 분산전원이 연계돼 있는 계통에서 사고에 따른 차단기 동작 또는 보수 작업에 의해 전력공급이 중단되었을 경우, 분산전원이 계속해서 운전하면서 전력을 배전 계통으로 공급하게 된다면, 인명 피해, 재폐로계전기의 재폐로시 상의 불평형으로 인한 기기 손상, 전력품질의 저하 및 계통 복구의 어려움 등 많은 문제들을 일으킬 가능성이 높다. 이와 같이 분산전원 단독으로 전력을 계통으로 공급하는 운전상태를 고립운전(Power islanding)이라고 한다.
따라서 분산전원이 연계돼 있는 배전계통의 재폐로 계전기가 재폐로하기 이전, 그리고 고립운전 후 계통변화에 따라 분산전원의 제어동작이 실행되기 이전에, 고립 운전을 신속히 검출, 계통으로부터 분산전원을 분리시키는 것은 전력시스템에 연계되어 발전된 전력을 계통측으로 공급하고 있는 분산전원의 보호체계에 있어서 매우 중요하다.
본 논문에서는 전력계통에 연계돼 있는 분산전원의 운전효율성을 높이고 기존의 고립운전 검출 기법들의 취약점을 종합적으로 개선하고자 다양한 시스템 파라미터들의 정보를 분석해 분산전원의 고립운전을 검출하는 새로운 형태의 진단 알고리즘을 제안하고자 한다. 이 검출 알고리즘에서는 기존의 방법들에서 이용되는 전압 변동 파라미터와 새롭게 제안된 전압 불평형과 전류 고조파 왜형률 등의 변화를 감시해 분산 전원의 고립운전 상태 여부를 판단하기 때문에 계통에 의도하지 않은 영향을 미치는 능동적인 고립 운전 검출 기법의 단점과 고립 운전 전후의 부하 변화가 적을 때에 검출이 곤란한 수동적인 검출 기법의 단점을 동시에 개선할 수 있다.
IEEE 34-bus 배전 계통에 분산전원을 설치한 후 다양한 고립운전과 정상적인 부하변동을 모의했다.
테스트결과 제안된 기법은 고립운전 전후에 발생하는 부하 변동의 크기에 무관하게 효과적인 검출 결과를 보였다. 또한 정상적인 부하변화에 대해 고립운전과 정확히 구분하는 것을 확인 할 수 있었다.
개발된 새로운 분산전원의 고립 운전 검출 기법을 포함하는 전력시스템 연계 분산전원의 개선된 보호체계를 풍력, 태양광, 마이크로 터빈, 연료전지 등 다양한 분산전원에 적용한다면 분산전원의 고립운전으로 인한 인명 피해, 재폐로계전기의 재폐로시 상의 불평형으로 인한 기기 손상, 전력품질의 저하 등과 같은 많은 문제들을 해결할 수 있을 것으로 기대된다.
향후에는 새로운 검출 파라미터의 추가, 유도기기 부하의 운전 모의, 검출 알고리즘의 지능화 등을 통해 더욱 향상된 분산전원 고립운전 검출 기법을 개발할 예정에 있다.
2003. 3. 22