전력은 우리들의 생활에 있어 필수불가결한 요소로 그 안정공급은 매우 중요하다고 할 수 있다. 그러나 낙뢰 등의 자연현상에 의해 파급사고가 발생되면 잇달아 발전기가 탈조하여 전력을 안정적으로 공급할 수 없게 되고, 심하면 대규모 정전으로까지 이어지게 된다. 그래서 사고 시에도 안정도, 주파수 및 전압을 적정하게 유지하여 파급사고를 미연에 예방하고, 대규모 정전을 일으키지 않도록 하는 노력이 필요하다. 이에 따라 각 전력회사에서는 다양한 계통 안정화 시스템을 설치하여 전력의 안정 공급에 힘쓰고 있다. 본고에서는 주부전력㈜의 계통 안정화 시스템의 하나인 온라인 TSC시스템(Transient Stability Control system)의 내용과 기술에 대해 정리해보고, 더불어 전력계통의 감시를 실시하는 기간(基幹) 급전제어소의 내용도 함께 소개한다.
번역·정리 김대근 기자
주부전력(中部電力)의 계통 안정화 시스템에는 안정도를 유지하는 TSC시스템, 주파수를 유지하는 SSC시스템(System Stabilizing Controller system), 전압을 유지하는 VQC시스템(Voltage and reactive power-Q Control system) 등이 있다. 이 중에서 TSC시스템은 계통고장 발생 시에 전제(電制, 전원제어)를 실시하여 계통동요 및 탈조현상을 회피함으로써 대규모 정전을 미연에 방지하는 역할을 담당하고 있다. 계통의 대규모화 및 복잡화에 따른 계통특성의 변화에 대응하기 위해 1995년에 주부전력㈜이 세계 최초로 전력계통의 온라인 정보를 바탕으로 전원제어를 실시하는 온라인 TSC시스템을 개발하여 도입을 시도했다. 온라인 TSC시스템의 도입을 통해 빠른 안정도 계산으로 시시각각 변화하는 계통상태를 인식하고, 최소한의 전원제어량(계통에서 분리하는 발전기의 양)으로 안정화를 도모할 수 있게 되었다. 또 계통구성마다 실시했었던 방대한 안정도 계산 등 계통해석기술자의 부담 및 계통변경에 따라 스위치 조작을 실시해왔던 계통운용자의 부담도 경감되었다.
온라인 TSC시스템
개요
온라인 TSC시스템은 [그림 1]에서 보이는 감시범위에서 시시각각 변화하는 전력계통의 온라인 정보를 기초로 안정도 시뮬레이션 계산을 실시하고, 계통사고 시에 일부 발전기를 고속으로 차단(전원제어)함으로써 대규모 정전을 미연에 방지하는 계통 안정화 시스템이다. 이 시스템은 크게「TSC-P(주국 장치)」,「TSC-C(종국 장치)」,「TSC-T(전송차단장치)」라고 하는 3개의 장치로 구성되어 있다. TSC-P는 발전소 및 변전소로부터 전송되는 온라인 정보를 기반으로 계통상태를 파악하고, 상정된 계통고장이 발생한 경우 계통이 불안정해지는지를 30초 주기로 연산한다. 연산결과가 불안정으로 나온 경우에는 계통을 안정화시키기 위해 전원제어를 실시하는 발전기를 결정하고, TSC-C로 송신한다. TSC-P의 외관을 [그림 2]에 나타냈다. TSC-C는 주요 변전소, 개폐소에 설치되어 송전선 등에서 발생한 계통고장을 검출하고, 사전에 TSC-P에서 통지된 전원제어 조건에 따라 TSC-T로 전원제어 신호를 송신한다. TSC-T에서는 TSC-C로부터의 기동신호를 수신하여 전원제어를 실시한다. 전원제어 대상 발전기는 44대이며, 그 중 9대의 발전기에는 터빈고속밸브 제어(EVA: Early Valve Actuation) 기능이 있으며, 주요 발전소에 설치되어 있다. 이 시스템의 주요 특징으로는 먼저 온라인 정보를 통해 계통을 인식하기 때문에 루프계통 및 방사상계통 등 모든 계통상태에 대응할 수 있는 최적의 안정화 제어가 가능하다는 점이다. TSC-P에서는 A계, B계의 2가지 시스템을 다른 이론의 이기종(異機種)으로 구성해 각 계의 계산결과를 계간교신함으로써 안정화를 확실하게 도모할 수 있다. 여기서 TSC-P를 다른 이론의 이기종(異機種)으로 구성하는 이유는 각각 다른 하드웨어, 소프트웨어(알고리즘)로 구성함으로써 1개의 시스템에 고장 등의 문제가 생겨도 다른 1개의 시스템은 문제를 일으키는 요인을 내포하고 있지 않기 때문에 시스템 전체적으로 신뢰도 향상을 도모할 수 있기 때문이다. 또 이 시스템은 계통 안정도에서 제약되는 송전 가능 전력을 끌어올릴 수 있기 때문에 발전기 운전의 자유도가 증가하여 경제성 높은 운용이 가능하다. 이 시스템은 1995년에 500kV 기간계통을 대상으로 한 세계 최초의 기간계 온라인 TSC 시스템으로서 개발되었다. 그 후 1996년에는 275kV 이하의 전원계통을 대상으로 한 전원계 온라인 TSC 시스템이 개발되었다. 2003년에는 미국 에디슨 전기협회에서「제44회 에디슨상」을, 2008년에는 전기학회에서「제1회 전기기술표창」을 수상하는 등 국내외적으로 높은 평가를 받고 있다. 이 시스템은 설치로부터 10년 이상이 경과했기 때문에 시스템의 열화 갱신을 목적으로 시스템의 중추이자 안정도 시뮬레이션 계산을 실시하는 TSC-P를 교체하고 2009년 5월에 그 운용을 개시했다. 아울러 전원계통의 TSC-C 3개를 새로 설치하고 주요계통의 온라인화를 완료했다. 새로운 시스템은 기간계, 전원계의 온라인 TSC시스템을 통합하고 설비의 슬림화를 도모하였다. 또 구 시스템에서는 5분 주기로 실시했던 안정도 시뮬레이션 계산을 새롭게 개발한 랭킹 기능을 채용함으로써 5분을 30초 주기까지 단축시키고, 연산 정밀도를 더욱 높였다. 또한, 뒤에서 설명할 TSCOPF(TSC Optimal Power Flow)를 이용하여 백업 기능을 향상시킴과 동시에 DBMA(Data Base Management and Analysis) 시스템을 통해 연산결과의 검증을 용이하게 하는 등 보수업무의 효율 향상도 꾀하고 있다.
온라인 TSC-P시스템 연산 흐름
TSC-P에서는 다른 이론의 이기종(異機種)으로 2중계 시스템을 구성하여 1사이클 30초로 안정도 계산을 실시한다. 구성 및 연산흐름을 [그림 3]과 [그림 4]에 나타냈다. 연산의 내용은 아래와 같다.
(1) 온라인 데이터 수집
발전소 및 변전소 등의 급전정보망에서 차단기(CB), 단로기(LS)의 상태정보(SV 정보) 및 선로조류, 모선전압, 발전기 출력 등의 계측정보(TM 정보)를 수집한다. 약 12000개의 데이터를 10초 간격마다 수집한다.
(2) 상태결정
작성된 계통모델에 대해 유효·무효전력, 전압, 변압기 탭 위치 등의 온라인 정보를 주어 현재의 조류상태를 결정한다. 이 정보들에는 오차가 포함되어 있기 때문에 가중최소제곱법에 의해 오차가 최소가 되는 계통상태를 결정한다. (3) 상정 고장점의 랭킹 TSC-P가 상세 안정도 계산을 실시하는 고장 감시점(송전선, 모선, 변압기)은 120개 정도가 있으며, 그 모든 경우를 계산하기에는 많은 시간이 소요된다. 그 때문에 안정도면에서 가혹한 고장 감시점을 우선적으로 계산함으로써 연산 주기의 고속화를 도모하고 있다. 이 상정 고장점의 순위매김 기능을 ‘랭킹’이라고 부른다. A계와 B계에서는 다른 랭킹 방식을 채용하고 있으며, 그 결과를 조합하여 한쪽의 계통이라도 랭킹 상위로 판정되면, 양쪽 계통 모두 랭킹 상위로 하여 30초 주기로 안정도 계산을 실시하고 있다. 또, 랭킹이 낮은 비교적 여유가 있는 상정 사고점에 대해서는 수(數) 주기에 1회, 5분 정도의 연산 대상으로 하고 있다. A계에서 채용되고 있는 랭킹 방식은 확장 등면적법(Extended Equal Area Criterion)에 근거한 방법이다. 먼저 상정 고장점마다 단시간 상세 과도안정도 계산에 의해 발전기를 불안정 그룹과 안정 그룹으로 분류하고, 그 결과를 바탕으로 2기 계통 축약 모델을 작성한다. 다음으로 2기 계통 모델에서 1기 무한대 계통 모델로 변환하여 고장 발생 시의 유효전력 P, 위상 δ의 궤적(P-δ 커브)을 그리고, 안정도 지표치를 산출한다. 한편, B계에서는 상세 모의를 통해 1초간의 상세 안정도 계산을 이용, 고장 감시점마다 고장발생 시의 각 발전기 운동에너지 증가율의 최대치와 증가율 적분의 최대치를 계산하여 랭킹을 위한 지표치를 산출하고 있다. 전자는 고장발생 직후의 발전기의 가속 상황(재폐로까지의 송전전력 감소량에 영향을 받는다)을, 후자는 가속상황뿐만 아니라 감속상황(재폐로 후의 송전전력 상승에 영향을 받는다)을 나타내고 있으며, 각각 계통의 가혹도를 보여주는 독립된 지표치이다.
(4) 상세 안정도 계산
계통고장 시 발전기 탈조의 여부를 정확하게 판정하기 위해 계통을 상세하게 모의한 동특성 시뮬레이션을 실시한다. 상세 안정도 계산은 각 계(系) 자체의 프로그램을 사용하고 있다.
(5) 전원제어기 선정·결정·송신
2계열의 계산기는 동시각의 온라인 데이터를 이용하여 계산을 하는데, 선택하는 발전기가 미묘하게 다른 경우나 전원제어 대수, 전원제어량이 다른 경우가 있다. 이 때문에 만전을 기하여 제어계에서 전원제어량이 많은 쪽의 계(系)를 선택하고 있다.
(6) TSC-P 관련 시스템
온라인 TSC시스템에는 관련 시스템으로 DBMA 시스템과 TSCOPF 서버가 있다. DBMA 시스템은 TSC-P의 데이터 관리, 연산결과의 검증 및 기록관리를 행한다. 데이터 관리 기능은 설비 데이터 및 전송계의 데이터를 관리하여 작업 효율의 향상을 도모하고 있다. 또 연산결과의 검증 및 해석기능은 TSC-P에서의 연산결과(A계·B계) 수집, 같은 환경에서의 타당성을 비교 검증하는 것으로서 전력중앙연구소 Y법의 연산결과를 기준으로 하여 비교·검토가 가능하다. 또한, 기록·통계기능에서는 운전실적의 통계처리 및 연산결과를 분석할 수 있으며, 트렌드 그래프 및 상관 그래프, 기록전표 등에 출력하는 기능을 가지고 있다. TSCOPF 서버는 TSC-P 양계(A계·B계) 정지 시의 백업 기능 및 발전기 병렬을 상정한 미래단면의 TTC(송전가능전력) 산출기능, 안정한계까지의 여유량 산출 기능을 가진다. TSC-P의 A계와 B계가 어떠한 이유로 둘다 모두 정지한 경우에는 전원제어 선택 정보를 TSC-C로 송신할 수 없기 때문에 전원제어 불능 상태가 된다. 이러한 경우에서도 TSC-C만으로 전원제어를 할 수 있도록 전원제어 선택 정보를 대체할 백업 직선(TSC-C가 계측하는 선로조류와 전원제어량의 상관식)을 작성하여 TSC-C에 사전 송신하는 기능을 OPF 서버가 가지고 있다. 또, 그 밖의 기능으로는 발전기 병렬을 상정한 미래단면의 TTC 산출기능(n대 전원 제어 시의 안정도 한계 산출기능), 안정한계까지의 여유량 산출 기능을 가지며, 지원정보로서 기간(基幹) 급전제어소에 송신하고 있다.
기간 급전제어소
기간(基幹) 급전제어소에서는 주부전력㈜의 기간(핵심)이 되는 500kV, 275kV 전력계통의 상시감시, 전압조정 및 무인발전소·변전소의 원격조작을 실시하고, 중앙급전지령소에서는 수급조정과 주파수 조정이 행해지고 있다. 또 기간급전제어소 혹은 중앙급전지령소가 피해를 입어 감시 및 운전이 불가능해졌을 경우에는 상호간 백업운전을 실시할 수 있는 시스템이 갖춰져 있다. 기간 급전제어소에는 계통 감시반, 프로젝터 장치, 고장표시반, 지령제어탁자, 그리고 기상·낙뢰 감시반 등이 있다. 계통감시반은 주부전력㈜의 500kV, 275kV 계통을 일괄하여 표시하는 장치이며, 전력계통을 운용하는 데 있어 중요한 정보(발전소·변전소 기기의 개폐상태 및 송전선에 흐르는 전력, 전기실의 전압 등)를 표시하고 있다. 정보별로 6개의 색으로 분류되어 시인성의 향상을 도모하고 있다. 고장발생 시에는 램프가 점멸하고 경보를 발생시켜 운전자에게 알린다. 운전자는 계통구성 및 정전상태를 파악하고 신속하고 정확하게 갖가지 대응을 실시한다. 프로젝터 장치는 운전자 전원이 정보를 공유할 수 있도록 각종 정보를 표시한다. 예를 들면 중앙급전지령소의 모습을 비춰 시각적인 정보 연락용으로 활용하기도 하고, TV 화면을 비춰 재해가 발생했을 경우의 정보 수집에도 활용하고 있다. 또 시스템 고장이 발생했을 시에는 자동적으로 메시지 화면을 표시하여 운전원에게 알린다. 고장표시반은 무인발전소·변전소의 운전상태, 고장정보를 집약하여 표시하는 장치이다. 지령제어원은 집약된 고장표시 내용을 바탕으로 지령제어탁자의 디스플레이로 상세정보를 확인한다. 지령제어탁자는 전력계통의 운용에 필요한 상세정보(이상발생 알림메시지 등)를 표시하거나 기기의 조작을 실시하기 위한 단말이다. 기상·낙뢰 감시반에는 기상대 발표의 주의보, 경보 등의 기상정보와 함께 레이더와 컴퓨터에 의한 뇌운의 세기, 이동방향, 발생지역을 표시하는 장치가 있다. 이러한 정보들을 바탕으로 전기의 송전루트 및 공급에 지장이 발생했을 경우 보다 안정적이고 효과적인 복구방법이 검토되고 있다. 기간 급전제어소는 이러한 정보들을 이용하여 24시간 365일 시시각각 변화하는 전력계통에서 2교대제의 감시제어를 통해 전력의 안정공급을 실현하고 있다.
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