온라인 동적 안전성 평가 도구와 기술에 대한 고찰

CIGRE members : Pouyan Pourbeik(USA), Kip Morison(Canada)

■ 배경

'04년 8월  ‘전력계통 안전성 평가에 대한 CIGRE WG C4.601'이 ‘CIGRE Session 2004'에서 발족되었으며, 전력 산업에 있어서 다음과 같은 필요성을 충족시키기 위한 선언문(charter)이 주어졌다.

1. 계통의 안전성을 향상시키기 위한 제어 디자인

2. 전력계통 해석을 위해 필요한 기존 또는 새로운 장비에 대한 모델링

3. 실시간 안정성 평가와 제어를 위한 감시 시스템

4. 전력계통의 안전성 평가에 대한 새로운 분석(해석)기술

‘전력계통 안전성 평가에 대한 CIGRE WG C4.601’은 컴퓨터를 통한 기술이 진보함에 따라 위험기반(risk-based)의 안전성 평가와 인공지능 기술과 같은 전력계통에 대한 새로운 접근법에 대한 개발을 포함한다.

위의 네 가지 항목중 처음 세 가지 항목에 대해서는 CIGRE 기술 안내책자로 출간되었으며 세 가지 안내책자는 다음과 같다.

∙CIGRE Technical Brochure on Wide Area Monitoring and Control For Transmission Capability Enhancement

∙CIGRE Technical Brochure on Modeling and Dynamic Behavior of Wind Generation as it Relates to Power System Control and Dynamic Performence

∙CIGRE Technical Brochure on Review of On-Line Dynamic Security Assessment Tools and Techniques

위의 세 가지 안내 책자는 송전 시스템 설계자와 운영자, 관계기관 및 엔지니어들에게 중요하고 가치있는 정보를 제공한다.

■ 온라인 동적 안전성 평가 툴과 기술안내

이는 Working Group에 할당된 세 번째 내용인 실시간 안정성 평가와 제어를 위한 감시 시스템에 대해 다루고 있다. 광역으로 연계된 전력계통에 있어서 안정된 계통 운영을 확보하는 것은 정치사회적인 면이나 경제적인 관점에서 매우 중요하다. 전력계통이 충분한 신뢰성을 확보하기 위해서는 최우선 과제로서 계통이 안전성을 고려하여 적절히 디자인되어야 하며 계통을 운영 중에도 항상 충분한 안전성을 확보할 수 있도록 계통을 감시 및 제어를 할 수 있어야한다.

전력산업이 지난 수십 년 동안 open market으로 변화하면서 계통의 견고함 및 계통 운영의 예측성 등을 약화시키는 많은 장해 요소들이 나타나게 되었고, 이에 따라 전력계통에 있어서 안전성 시스템의 운영에 특히 도전적인 업무가 되었다. 오늘과 같은 동적인 시장환경에 있어서 계통 운영의 신뢰성을 확보하는 주요 방법은 On-line dynamic security assessment tools(DSA)를 사용하는 것이다. 본 문서는 이 기술에 대한 다양한 면을 포괄적으로 다루는 안내책자이며 아래와 같은 내용을 포함한다.

∙견고하고 신뢰성 있는 계통운영을 보장하는데 있어서 기본적이면서도 필수요건인 안전성 이슈에 대한 개요

∙On-line DSA 시스템에 대한 구조적인 면뿐만 아니라 기능적인 면도 포함한 일반적인 필수요건에 대한 설명

∙최신의 On-line DSA 시스템에 대한 전 세계적인 조사: 이 조사는 수많은 DSA 시스템에 대한 설명을 포함하며 디자인 목적, 시스템 아키텍처, 성능, 경험 및 유일한 특징들에 대해 토론을 포함.

∙DSA 분야의 현재 진행중인 여러가지 연구 및 개발 활동에 대한 발표 자료

∙on-line DSA가 현재 활발하게 사용되지 않는 면과 미래의 개발을 위한 잠재적인 면에 대한 요약정리

Power System Stability

Rotor Angle

Stability

Frequency

Stability

Voltage

Stability

Transient

Stability

Small Signal

Stability

Large

Disturbance

Voltage Stability

Small

Disturbance

Voltage Stability

Short

Time

Short

Time

Long

Time

Short

Time

Long

Time

그림1:전력계통 안정도 분류

오늘날 on-line DSA의 현재위치가 어디인지 명확히 하는 것이고 전 세계적으로 DSA의 실질적인 설치 및 유저의 사용경험에 대해 설명하는 것이다. 이러한 자료를 토대로 DSA 사용에 있어서 어떤 갭이 존재하고 어디에 개선책이 필요한지를 파악할 수 있다. 이 문서는 이러한 목적에 대해서 언급하고 있는 다섯 개의 chapter로 나누어져있다.

chapter 1은 주제에 대한 간단한 소개이며 이 문서가 만들어진 동기 및 보고서의 레이아웃에 대해 간단히 언급한다.

chapter 2는 전력계통 안전성 이슈에 대한 개요를 제공하며 계통의 현재 상태를 인지하기 위한 평가와 관련이 있고 또 필요로 하는 안정성 이슈들에 대한 카테고리 정의에 대한 개요를 제공한다.

chapter 3는 on-line DSA를 위한 필수요건들에 대한 중요 요소로 i)계통의 상태 측정, ii)둘째, 계통 구성요소들의 모델링, iii)각 평가 기간동안 조사되어지는 우발사고 시나리오에 대한 컴퓨터 계산, iv)운영자가 자신이 취한 일련의 행동결과에 대해 이해하는데 도움을 주는 시각자료화

chapter4는 현재 전 세계에서 운영되고 있는 온라인 DSA시스템에 대해 언급한다. DSA시스템의 기능성과 적용 및 그것의 성능과 컴퓨터해석 특징에 대한 토론 내용도 실려 있다.

chapter5는 이 보고서의 결과물과 현재 진행중인 온라인 DSA시스템에 대한 연구에 대해 요약정리하고 이 분야에서 미래 업무에 대한 가능성에 대해 조명해본다.

■ 결론

이 보고서는 온라인 DSA시스템을 이러한 시스템의 필요성 및 요구조건, 최신의 현재진행중인 연구활동 등 다양한 면에서 살펴보았다. 전력계통 및 계통제어의 복잡성 및 규제완화가 증가하고 발전 및 송전시설의 증가속도를 앞서는 부하 증가의 추세에 따라 전력계통 운영 중 안전성을 유지하는 것은 최근 들어 더더욱 도전적인 과제가 되었다.

전통적으로, 안전성은 예측정보를 통한 오프라인 분석만을 통하여 실행되어 왔다. 하지만 새로운 전력 환경에서 이러한 접근법은 부적절한 방법이며 때론 비현실적인 방법이다. 그 결과, 현재 계통의 snapshot을 얻을 수 있고 안전성 평가를 수행하는 데 사용되어지는 on-line DSA가 대두되었다. 이러한 접근방법은 계통조건의 예측에 대한 필요성을 감소시키며 이에 따라 더 정확한 평가를 제공할 것이라 예측된다. 그러나 모든 데이터가 거의 실시간으로 취합되어져야 하고 컴퓨터해석이 사람의 개입 없이 자동으로 행해져야 하기 때문에 on-line DSA는 많은 도전과제를 가지고 있다. DSA의 범위는 주어진 계통의 특성에 의존하기 때문에 DSA의 사용범위는 과도, 전압, 미소신호, 주파수안전도 해석 등을 포함하여 매우 광범위하다.

그림2:온라인 동적안정도평가 특징

온라인 안전성 평가 기술 부분에서 중요한 진전이 있는 것은 분명하다. 이 보고서는 50여개의 최신 기술 설비와 서비스에 들어갔거나 개발 중인 다른 많은 설비들을 말해준다. 이 시스템들은 전압안전도, 과도안전도, 그리고 소신호 안전도를 포함한다. 평가가능성 범위는 위험한 우연성 결정과 전송한계, 그리고 안전도를 확보하기 위해 필요한 측정법을 포함한다. 각각의 안전도 평가의 계산상 방법은 다양하고, 구체적인 요구(속도, 정확성, 신뢰도), 시스템 특징(대규모, 소규모, 그물, 방사상, 등), 최신의 툴을 사용가능한지에 따라 좌우된다.

중대한 연구와 개발은 온라인에서 현재 진행 중이다. 대부분의 R&D는 현재의 시스템의 특징과 가능성들을 확장하는데 초점이 맞춰진다. 여러 분야들은 풍력 발전지역, 속도개선과 평가범위, 운영자들의 결과에 대한 명시화, 교정하는 방법들의 결정 최적화 사용, 뛰어난 시스템에 사용들을 포함한다.

게다가 문서에 보고된 현재 R&D에는 on-line DSA 시스템의 다음 버전에 초점을 맞춘 많은 수의 분야들이 있다.

그 분야들에는

√해석의 속도

√해결책의 강건함

√부하 모델링

√시스템 모델링

√위험기반의 안전도 해석

√인공지능기술

√최적 대책수단