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[전력계통 시뮬레이션의 현황 및 과제Ⅰ ①] 전력계통 해석의 추이

김대근 기자
입력 2017.01.01 00:00

[전력계통 시뮬레이션의 현황 및 과제Ⅰ ①]
전력계통 해석의 추이

전력계통 해석은 전력시스템의 운용계획 업무, 전력기기의 개발 등에 빼놓을 수 없는 중요한 과정으로, 전력의 흐름을 시뮬레이션화하여 사고 및 이상현상을 분석하고, 그 대책 및 제어방식을 검토하기 위해 전력회사·제조업체·대학·연구기관 등에서 계통해석이 실시되고 있다. 한편, 해석을 위해 현실의 현상들을 수식화·모델화하는 과정에서는 다양한 가정 및 근사계산을 하지만 전제조건을 의식하지 않는 경우가 많다. 본고에서는 시뮬레이션이라는 가상현실의 세계에서 기술자가 빠지기 쉬운 함정에 대한 경종(警鐘)과 젊은 기술자들의 계몽을 목적으로 수식화·모델화를 포함한 해석기술의 과거와 현재, 그리고 신진 인력 양성법 및 해석기술의 향후 전망 등에 대해 해설한다.

정리 편집부

전력계통해석기술의 변천

전력계통 해석은 실제기기의 특징을 추출해 만든 모델을 이용한 교류계산반 및 모의송전선과 같은 이른바 계통의 미니어처를 구축해 시험을 실시하는 해석 방법과 기기의 특징을 수학적으로 표현한 모델을 작성해 컴퓨터의 수치해석에 의해 구하는 해석 방법으로 주로 진행되어 왔다.

당초는 교류계산반 등의 아날로그 회로에 의한 해석이 일반적이었다. 이것은 실계통을 그대로 L(코일), R(저항), C(콘덴서) 등의 전기회로 요소와 소형의 발전기를 조합한 축소계통을 모의함으로써 실제 현상을 거의 충실하게 재현할 수 있었기 때문이다. 그러나 계통이 대규모화됨에 따라 큰 계통을 작은 계통으로 축약해 모의하는 것만으로는 중요 현상을 파악하기 어려운 사례들이 증가하기 시작했다.
1950년대에 들어 디지털 컴퓨터가 보급되기 시작하면서 전력계통의 수식표현에 의한 수치해석이 활발해졌다. 아울러 그 방법과 목적별로 다양한 해석기법 및 소프트웨어 연구개발이 이루어졌다. 정특성을 다루는 조류(潮流) 계산 및 고유치 계산, 동특성을 구하는 안정도 계산 및 과도현상 해석 등으로 분화되고, 또 파형의 해석을 실시하는 순시치 해석과 전력의 흐름을 해석하는 실효치 해석 등 취급하는 전기량에 따라 몇 가지의 방법으로 분화되었다. 또 현상별로는

· 서지 해석: 뇌현상(雷現象) 해석, 개폐현상 해석

· 순시치 과도현상 해석: 파형 해석

· 고조파 해석: 비선형 특성의 해석

· 실효치 안정도 계산: 주파수 및 전압변동의 해석

· 전압안정성 해석: 무효전력 및 전압저하 현상의 해석

· 조류 계산: 정적인 전압·전력조류분포 해석 등

목적에 따른 전용 기법이 이용되어 왔다. 용도별로는 ▲운전원 훈련용 ▲운용 제어용 ▲계통 계획용 ▲계통사고 분석용 ▲기기 시험용 등이 있다.

컴퓨터가 보급되기 시작한 당초는 계산능력의 한계 때문에 수식화에 있어서도 어느 정도 정밀도를 가지면서 계산량이 적은 해석기법의 연구가 활발히 진행되었다. 예를 들어 정상상태인 계통의 전압·전력조류분포를 구하는 조류계산에서는 전압에 관한 2차 비선형 연립방정식으로 전력을 표현한 전력방정식을 상관성이 강한 변수의 관계식으로 간략화함으로써 계산량을 줄인 직류법 또는 Fast Decoupled Load Flow법(고속 분할 조류계산법) 등 빠른 조류계산 기법 및 연산량을 줄이기 위해 전력계통의 어드미턴스 행렬의 스파스성(sparse性) 및 블록화를 이용한 수치해석 기법 등이 개발되었다. 또 전력계통의 안정도 평가에는 에너지 함수법 및 제어이론을 이용한 평가방식이 제안되어 왔다.

그 후 컴퓨터의 대용량화·고속화·병렬화가 진행되면서 직접 전력계통의 과도현상을 컴퓨터상에서 시뮬레이션하는 기법이 주류를 이루어 왔다. 또 진보를 거듭하고 있는 컴퓨터의 아키텍처에 적합한 알고리즘이 만들어져 고정밀도의 빠른 해석을 실행하기 위한 시뮬레이션 소프트웨어가 개발되었다. 특히, 1977년에 미국의 EPRI(Electric Power Research Institute)에서 병렬처리 관련 워크숍이 개최된 후 일약 슈퍼컴퓨터 및 어레이 프로세서, 멀티 프로세서 등의 이용이 주목을 받으며 이후 각 방면에서 그 연구개발 및 실용화가 진행되었다. CPU를 최대 1024개 탑재할 수 있는 초병렬 컴퓨터 nCUBE([그림 1] 참조)에 의한 리얼타임 시뮬레이터도 그 중 하나이다.

한편, 아날로그식에서는 그 직관적인 해석기법의 장점을 살리는 방법으로서 발전기 등을 전자기기로 모의한 시뮬레이터가 개발되었다. 발전기 모델을 마이크로프로세서를 이용한 전자회로로 실현하였으며, 송전선은 교류계산반과 마찬가지로 코일 및 콘덴서로 모의한 아날로그형 시뮬레이터와 조합시킨 하이브리드 시뮬레이터이다.

정보통신기술의 향상 및 소형화, 마이크로프로세서의 출현과 그 침투, PC의 고성능화에 의해 해석 소프트웨어의 가반성(可搬性, transferability)이 높아졌고, PC용 프로그램도 대량 개발되었다.

또 디지털 시그널 프로세서(DSP: digital signal processor)를 이용한 시뮬레이터 및 PC를 복수대 사용하는 PC 클러스터를 이용한 시뮬레이터 등이 출현했다.

아울러 PC상에서 구동되는 범용의 수치해석 소프트웨어 및 고도의 GUI 기능을 갖춘 순시치 해석 소프트웨어도 개발되어 전력계통의 시뮬레이션이 보다 사용자(기술자) 친화적으로 바뀌었다. 또 다른 한편에서는 해석 알고리즘의 상세 및 전제조건이 블랙박스화되어 해석 소프트웨어는 조작방법만 알면 누구나 사용할 수 있는 만능의 해석툴이 되고 있다.