On-Line DSA 이탈리아 전력계통 적용사례

ㅇ 원본 : OMASES - A Dynamic Security Assessment Tool  for the New Market Environment

ㅇ 출처 : 2003 IEEE Bologna PowerTech, June 23-26, Bologna, Italy

ㅇ 저자 : A.BIHAIN, D.CIRIO, M.FIORINA 등 10명

EU는 유럽 단일전력시장 운영시 발생할 수 있는 광역정전 사고를 사전에 대비하기 위하여 산업계, 연구소, 학계가 공동으로 계통운영 수준을 높이기 위한 노력을 경주하고 있다. 이의 일환으로 EU 지원으로 DSA Tool인 OMASES 프로젝트를 진행하고 있다.

I. 서론

유럽 각국의 전력시장 통합 움직임은 연계 전력계통 운영에 새로운 도전으로 작용하고 있다. 기존 송전망에 더 많은 전력을 전송하고 복잡한 시장상황을 수용하기 위해서는 진일보한 모니터링 시스템과 안전운전 수준이 요구된다. 특히 동적안정도는 정태안정도보다 심각한 문제를 야기 시키므로, 사고발생시 즉각적으로 ①모니터링하고, ②이를 분석하여 위험수준을 분류하고, ③예방조치나 개선조치를 취할 필요가 있다. OMASES는 EU가 지원하는 Framework V(에너지계획) 분야 프로젝트의 일부로 DSA의 기능을 수행한다. 본론에서 OMASES의 전체적인 구조와 프로젝트 결과물을 보여주고 이탈리아의 적용사례에 대해 소개하고자 한다. 프로젝트 이름인 OMASES는 ‘Open Market Access and Security Assessment System’의 약자로 ‘유럽단일 전력시장용 안정도평가시스템’을 일컫는다. 현재 OMASES 컨소시엄은 산업계, 연구계, 학계, 유럽 각국의 계통운영자로 구성되어 운영 중이다.

OMASES는 EMS 운영자에게 온라인으로 동적안정도를 평가하는 DSA Tool을 제공하고, 오프라인 훈련시 사용하기 위한 목적으로 만들어졌다. OMASES의 기능과 목적은 다음과 같다.

ㅇ OMASES의 DSA 기능

- TSA(Transient Stability Assessment) : 과도안정도 평가

- VSA(Voltage Stability Assessment) : 전압안정도 평가

- TS(Training Simulator) : 훈련용 시뮬레이터

- MS(Market Simulator) : 전력시장 시뮬레이터

ㅇ OMASES의 목적

- 동적안정도를 평가하기 위한 투명한 방법을 제공한다.

- 실시간 안정도 한계를 계산하여 계통운영시 송전용량을 증대시킨다.

- 일어날 수 있는 사고를 시뮬레이션 함으로써 안정도 문제로 발생하는 사고를 사전에 예방한다.

- 동적안정도에 의한 계통제약 및 수요변동에 대한 발전기 기동정지를 온라인으로 계산하여 발전기 기동정지를 개선한다.

- 운전자 훈련과정에 진보된 동적시뮬레이션 툴을 제공한다.

Ⅱ. OMASES 하드웨어 구성 및 소프트웨어 아키텍처

1. OMASES의 세가지 모드

OMASES는 TSA, VSA와 같은 DSA 현상과 관련된 분야를 포함한 툴로 사용 중인 EMS에 연계하여 사용하거나 새로운 EMS에 추가할 수 있도록 설계되어 있다. OMASES는 ①엔지니어링모드, ②실시간모드, ③훈련모드로 사용할 수 있다. 모드별 기능은 아래와 같다.

① 엔지니어링모드: 엔지니어링 모드는 주로 계획을 목적으로 사용되는데 TSA, VSA를 상세분석하기 위한 오프라인 모드를 말한다.

② 실시간모드: EMS로 부터 네트워크 데이터 정보를 받아 실시간으로 OMASES에 서 해결책을 제공하는 모드이다. DSA는 EMS 데이터와 동기화되며 15분에 한번씩 업데이트된다.

③ 훈련모드:  계통운영자가 DSA 툴과 전력계통의 다이나믹 현상에 익숙해 질 수 있도록 훈련받는 모드이다. 실제로 존재하는 시스템 상황을 바탕으로 해석을 수행하기 위하여 초기값을 EMS로 부터 받아올 수 있다. 훈련모드를 통해 시장 및 시장규칙이 계통운영 단계에서 미치는 영향을 사전에 파악할 수 있다.

2. OMASES 아키텍처

OMASES 어플리케이션은 분산형 환경으로 운영된다. 호스트인 EMS에 링크되어, 이를 통하여 실시간 전력네트워크 데이터를 취득한다. 아키텍처는 데이터 서버를 포함하고 있다. 데이터서버는 공유정보, 데이터베이스 시스템, 메세지 시스템 등으로 구성되어 있다. 어플리케이션 기능으로 TSA, VSA, MS, TS가 있다. 사용자 인터페이스 프로세서를 통해 사용자별 개별 운영이 가능하다. OMASES 환경을 구성하는 전체적인 플레임은 <그림1>과 같다.

<그림1> 전체적인 OMASES 아키텍처

Ⅲ. OMASES의 기능

TSA(과도안정도평가)와 VSA(전압안정도평가)를 올바로 수행하기 위해서는 수많은 상정사고를 검토하여야 한다. 상정사고를 고려한다는 것은 ①사고를 필터링하여, ②시스템 안정에 영향을 미치는 사고군을 선별하여, ③우선순위를 매기는 것을 포함한다. OMASES DSA 툴은 잠재적으로 위험한 지역을 인식하고 사고의 타입에 따라 개선조치를 제공한다. OMASES의 TSA, VSA는 EMS로부터 취득한 정보를 바탕으로 시스템 안정도 마진을 계산한다.

1. TSA 과도안정도 평가

현재 OMASES에 채용된 TSA는 SIME 방식을 사용하고 있다. SIME는 하이브리드 과도안정도방식으로 이 방식은 전력계통성분의 상세 모델을 사용할 수 있다는 장점이 있다. TSA의 필터링 및 우선순위 결정 절차는 <그림2>와 같다. TSA의 불안정 여부는 ‘등면적법’에 의해 결정되며, 계산시간을 단축하기 위하여 발전기 다이나믹스는 ‘1기무한모선(OMIB)’으로 처리한다.

SIME 방식: Liege 대학에서 개발한 계산방식임

<그림2> TSA 필터링 및 우선순위 결정 절차

2. VSA 전압안정도 평가

OMASES 플랫폼의 VSA(전압안정도평가) 부분은 주어진 부하수준과 사고 운전시점에 따른 사고영향에 대한 해석과 전송능력 한계에 대한 해석 부분을 담고 있다. VSA를 실시간 모드로 사용할 때 계통해석은 비선형시뮬레이션 기법인 Quasi Steady State(QSS)를 사용한다. 전압안정도의 단기측면은 평형점(equilibrium)을 기준으로 고려되고, 장기측면 전압안정도는 미분방정식이나 이산방정식으로 표현된다. <그림3>은 OMASES의 전체적인 VSA 구조를 보여준다.

<그림3> OMASES의 VSA 구조

VSA는 크게 ①‘전압안정도해석패키지(VSAP)‘와 ②’상세해석패키지(In-Depth Case Analysis Package:IDCAP)‘의 두 모듈로 구성되어 있다. VSAP는 ’이진추적법‘으로 전압안정도 마진 값을 구한다. VSA 결과로 안정도한계 이하인 사고에 대하여 취약지역이 디스플레이 되고 안정도 마진을 증가시키기 위한 개선조치가 제안된다. 상정사고 필터링은 매우 중요한 사전 작업으로 이를 통하여 영향이 미미한 사고군을 안정도한계 결정 시나리오에서 제외시키고 문제가 있다고 여겨지는 상정사고군만 QSS기법으로 시뮬레이션 한다. 고려되는 상정사고는 일반적으로 N-1 사고 케이스이며 N-2 사고를 추가 검토할 수 있다.

상세해석패키지(IDCAP)는 특정 시나리오를 상세하게 해석하기 위해 고안된 모듈이다. IDCAP은 사고 후 상황에 대한 시스템의 행동을 상대적으로 긴 시뮬레이션기간 동안 QSS 근사치를 이용해 계산한다.

3. TS 훈련용 시뮬레이터 및 MS 전력시장 시뮬레이터

훈련용 시뮬레이터인 TS는 베이스케이스로 EMS에서 취득한 계통정보를 사용하여 시나리오를 시작하게 되어 있으며, 이 베이스케이스에 임의의 사고를 가하거나 운전자의 조작 조치를 모의할 수 있도록 설계되어 있다. TS는 EUROSTAG 및 FAST 프로그램의 두 가지 코드를 조합하여 개발되었다.

전력시장 시뮬레이터인 MS는 TS의 동작에 연계되어 응답하도록 설계되었다. MS의 주요기능은 주어진 시나리오에 대한 발전기 급전이 그 목적이다. MS가 수행되기 위해서는 특정한 시장구조가 적용되어야하며 이에 대한 튜닝작업이 필요하다. 다시말해 범용의 MS란 존재하지 않는다는 뜻으로 그리스의 경우 그리스 전력시장규칙에 적합한 MS가 도입되었다.

Ⅳ. 이탈리아 적용사례

OMASES 플랫폼은 그리스 및 이탈리아 전력계통에 적용되어 시험 운영 중이다. 이탈리아의 경우 실시간모드로 전체적인 테스트가 진행 중이며, 사고 필터링 및 우선순위 결정 부분을 포함하고 있다. 현재 이탈리아는 보수적인 계통운영을 추구하고 있어 N-1을 보장하고 몇몇 설비는 N-2 상정사고도 보장하고 있으나, 시장이 전면적으로 개방되고 나면 계통운영 상황이 다소 취약해질 것으로 예상된다. 실시간 모드뿐만 아니라 엔지니어링모드도 수행중인데 이 목적은 OMASES에서 제시하는 개선조치가 과거 운전자 경험상의 운전조치와 얼마나 일치하는지 비교하기 위한 목적으로 사용된다.

1. OMASES의 기준

TSA 및 VSA 결과에 대한 타당성 여부는 “실제” 계통상황을 기준으로 CESI에 의해 개발된 시뮬레이터인 SICRE의 결과와 비교하여 결정된다. TSA 및 VSA에 적용된 엔진은 다음과 같다.

ㅇ TSA 및 VSA에 적용된 엔진

TSA	VSA
EUROSTAG	QSSS WPSTAB

TSA의 경우 관찰하는 시간대역은 수초로 정해졌는데, 이는 경험상 이탈리아 계통에서는 복수스윙현상이 일어나지 않아 슬로우 다이나믹스를 무시하였기 때문이다.

<그림4>는 EUROSTAG의 마이크로 블럭으로 이탈리아 대표 AVR(하단그림)및 PSS(상단) 모델 다이어그램을 나타낸다.

<그림4> EUROSTAG으로 모델링된 이탈리아 AVR, PSS 블럭

OMASES 플랫폼의 VSA(전압안정도평가)는 비선형시뮬레이션 기법인 Quasi Steady State(QSS)를 사용한다. 전압안정도의 단기측면과 장기측면 평가는 자동으로 전환되어 계산되도록 설계되어 있다.

2. 이탈리아에 적용된 OMASES 플랫폼

이탈리아에 적용된 OMASES 플랫폼은 로마에 위치한 EMS에 바로 연결된 것이 아니라 <그림5>와 같이 밀란에 위치한 CESI에 설치되어 ftp를 통해 연결되어 매 15분마다 최신의 계통운영 정보로 갱신된다.

<그림5> CESI에 설치된 OMASES

이탈리아 EMS로 부터 취득된 계통운영정보는 <그림6>과 같이 OMASES 포맷으로 변환되어 전달된다. 브릿지변환기가 EMS 계통데이터를 OMASES의 실시간입력 디렉토리에 필요한 형태로 변환한 자료를 전송한다.

<그림6> EMS 데이터를 OMASES 데이터베이스로의 변환

3. 이탈리아 전력계통의 특징

이탈리아는 <그림7>과 같이 긴 장화모양의 국토를 가지고 있어 송전계통은 남북으로 길게 연결되어 있다. 이중 유럽과 연결된 15개 송전선로(400kV급 6개, 220kV급 9개)는 이탈리아 주요선로로 간주된다. 또 다른 주요선로로는 남과 북을 연결하는 플로렌스, 로마 연계선로가 있으며 6개 송전선로(440kV급 5개, 220kV급 1개)로 구성되어, 전력이 북쪽에서 남쪽으로 전송된다. <그림7>은 400kV급 이탈리아 송전망 계통도로 주요선로는 섹션으로 구분되어 표시되어 있다. 섹션의 개수는 OMASES VSA로 부터 계산된 결과값이다.

<그림7> 400kV급 이탈리아 송전망계통도

이탈리아 전력계통의 스트레스 패턴은 위에서 언급한 주요 송전선로의 조류량 증가와 부하 증가로 구분된다.

① 유럽에서 이탈리아로 수입전력 연계선로의 조류량 증가 : 이 경우 VSA는 열적과부하한계, 연쇄선로개방 위험성, 저주파수 부하차단 및 고주파수 발전기 트리핑 한계들을 비교하여 VSA 한계를 결정한다.

② 로마와 프로렌스 사이의 연계선로 조류량 증가 : ①의 경우와 같음

③ 부하증가 : 과거 유사패턴의 사례를 이용한다.

4. TSA 시나리오

이탈리아의 경우 과도불안정이 거의 발생하지 않아 엔지니어링 모드를 이용하여 최악의 경우에 대한 시나리오 분석에 주로 이용하고 있다. 베이스케이스는 EMS 데이터베이스로부터 가져오며 대표적인 상정사고 케이스는 다음과 같다.

① 송전망 취약개소

- 380kV급 Latin-Garigliano 송전선로의 개방

- 380kV급 Ceprano-Garigliano 송전선로의 개방

- 220kV급 Popoli-Capriati 송전선로의 개방

② 상정사고 케이스 I

- Presenzano 10% 지점에서 380kV급 Presenzano-Valmontone 3상단락고장

- 0.5초 후 선로양단 개방

③ 상정사고 케이스 Ⅱ

- Presenzano 10% 지점에서 380kV급 Presenzano-Valmontone 3상단락고장

- 0.2초 후 선로양단 개방

- 0.5초 후 380kV급 Larino-Villanova 선로 개방(계통분리)

Ⅴ. 결과

OMASES VSA의 주중 밤시간과 아침시간에 대한 시뮬레이션 결과로 2003년 3월 5일 수요일 새벽 00시와 아침 10시에 대한 VSA 결과는 <그림8> 및 <그림9>와 같다. 횡축은 상정사고 케이스를 나타내고 직축은 MW 단위의 안전운전 여유도를 보여준다. 상정사고는 N-1과 N-2사고가 고려되었으며 막대그래프의 여유도는 이진추적법으로 계산되었다. 그래프는 안전운전제약이 심한 상정사고부터 운전여유가 많은 즉 계통에 스트레스가 없는 상정사고 결과를 순서대로 보여준다. 운영자가 모든 상정사고에 대하여 안전한 계통상황으로 운전하고 싶다면 최소여유도 값을 한계값으로 선정하면 된다. 만약 최악의 상정사고가 일어날 가능성이 희박하다고 판단되면 계통운영자는 불안정 위험성을 감수하며 한계값을 늘릴 수 있다.

<그림8> VSAP에 의해 계산된 안전운전여유도 (2003년 3월 5일 00시 15분)

<그림9> VSAP에 의해 계산된 안전운전여유도 (2003년 3월 5일 10시 11분)

<그림10>은 <그림9>의 그래프를 표의 형태로 표현한 화면이다. 최상단의 여유도 0인 6개 상정사고 항목은 모두 N-2 상정사고로 유럽과 이탈리아를 연계하는 송전선로의 이중 사고케이스이다.

☞ 이탈리아의 경우 실시간 운영시 N-1 상정사고만 고려하므로 위에서 언급한 N-2 사고는 참고자료로 사용되며 계통 운영시 고려되지 않는다.

<그림10> VSA에 의해 계산된 안전운전여유도 테이블 (2003년 3월 5일 00시 15분)

<그림11>은 VSA에 의해 제공되는 전압프로파일 화면의 예로 2003년 3월 5일 00시15분의 24번째 상정사고 시나리오의 변전소별 전압의 크기를 보여준다. 횡축은 변전소명을 직축은 pu 단위의 전압의 크기를 보여준다. 또한 VSA의 세번째 결과물로 무효전력 막대그래프 형식의 화면이 있다. <그림12>는 2003년 3월 5일 00시15분의 145번째 상정사고에 대한 무효전력 마진을 보여주는 화면이다.

<그림11> 전압프로파일 (2003년 3월 5일 00시 15분)

<그림12> 무효전력 막대그래프(2003년 3월 5일 00시 15분)

Ⅵ. 결론

지금까지 EU가 지원하는 Framework V(에너지계획) 분야 프로젝트의 일부인  OMASES에 대한 전체적인 구조와 적용된 수식, 구현방식을 살펴보았다. 또한 OMASES 시뮬레이션으로 나타나는 결과물 화면을 VSA 위주로 설명하였으며 이탈리아의 실제 적용사례에 대해 소개하였다.