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전력계통의 컴퓨터제어 시스템(EMS, energy management system)
지금까지 계통운용에 관한 설명을 하였으며 여기에서는 컴퓨터 시스템을 이용한 전력계통의 제어 및 경제급전에 관하여 설명한다. EMS는 전력계통을 감시, 제어, 최적화하는 프로그램의 집합이다. EMS의 사용목적은 총 연료비를 최소화할 뿐 아니라 시스템의 활용방법을 개선하고 전력공급의 신뢰도를 향상시키는 것이다.
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| ▲ <그림1> |
<그림1>의 EMS는 상태추정 프로그램을 사용하여 발전기 출력, 발전기의 제어기기의 상태, 계통 내의 각 지점의 전압 및 위상, 차단기 등에 대한 실시간 계측을 하고 이 자료를 이용하여 전력계통의 변화에 대처하도록 계통운용자를 도와주는 역할을 한다. 주요 기능은 경제급전을 이용한 총 연료비의 최소화이며 이것은 정상상태에서의 최적화 제어기능이다. 또한 주파수를 정상치로 유지하며 전력계통의 과전압과 저전압을 관리하고 무효전력 손실을 최소화하는 기능을 한다. 경제급전을 위하여 상정사고 분석프로그램이 이용되며, 순동예비력 관리 프로그램은 발전기의 출력변동에 따라 순동예비력 상황을 감시하여 계통운용자가 적정한 순동예비력을 확보하도록 도와준다.
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| ▲ <그림2> |
<그림2>는 EMS의 두 개의 기능을 보여준다. 왼쪽의 기능은 주파수 변동을 관찰하여 발전기의 출력을 조정하는 기능이며 이것은 약 5초 마다 수행되며 각 발전기의 조속기가 주파수 편차를 관찰하여 출력이 조정된다. 오른쪽의 기능은 총 연료비를 최소화하는 기능이다. 발전기의 연료비함수가 주요 입력 자료이며 송전선로의 전력흐름의 제약을 고려하여 연료비를 최소화하는 발전기 출력을 계산하고 각 발전기의 조속기에 출력의 변화량을 보내어 각 발전기의 출력 기준점(reference power setting)을 바꾸도록 지시하여 출력을 변화하도록 한다. 이 기능은 약 5분에 한 번 씩 작동한다.
출력조정의 제약의 예로서는 각 발전기의 1 분 당 출력의 증가 및 감소에 관한 제약, 전기시계의 시각을 정상치로 유지하기 위한 time-error의 수정에 따른 제약 등이 있다. 수요와 공급의 불균형이 심해지거나 발전기 탈락으로 인하여 주파수가 갑자기 크게 변화하면, EMS 기능은 우회되며 비상제어조치가 시행된다. 지금부터는 EMS의 각 기능에 대하여 설명한다.
AGC(Automatic Generation Control)
AGC의 첫 번째 역할은 전력계통의 주파수를 조정하는 것이다. 이것은 주파수제어(LFC, load-frequency control)라고 하며 각 발전기의 조속기는 주파수의 편차를 확인하여 터빈의 출력을 조정한다. 이때에 발전기 별로 출력이 조정되는 것은 조속기의 특성인 속도조정율(speed regulation) 때문이다. 각 발전기의 조속기는 주파수 편차를 읽어 자신의 출력을 증감하며, 연계선의 조류를 계획대로 유지하여 ACE가 0이 되도록 한다. 이것을 주파수제어라고 한다. 두 번째 역할은 약 5분 단위로 상태추정 프로그램이 추정한 전력계통 내의 상태변수인 전압, 위상, 발전기 출력 등을 이용하여 경제급전을 하는 것이다. 주파수 조정만 계속하면 결국 각 발전기의 출력은 수요변동에 따른 발전기의 경제적 출력배분상태에서 벗어나고 연료비가 상승하므로 약 5분마다 경제급전을 실행한다. 이 과정에서 발전기 출력의 변화는 운전예비력관리 프로그램에 입력되어 계통이 확보하고 있는 순동예비력 수치가 수정된다. AGC의 주요 고려요소는 발전기 출력의 증가속도, 탁송제약, ACE(area control error), 전기시계의 시간오차 수정 등이다. 원자력 발전기의 출력기준점은 일정한 값으로서 고정된다. 즉 주파수제어와 ED에 참여하지 않고 기저부하의 역할로서 고정출력을 유지한다.
경제급전(ED, economic dispatch)
ED의 기능은 최적 계통운용을 위하여 발전기의 출력을 재 배분하는 것이다. ED는 각 발전기의 비선형 연료비 함수, 송전망의 제약, 상태추정 프로그램이 추정한 전력계통의 각 지점의 전압 및 위상, 차단기 상태, 발전기 출력 등의 정보를 이용하여 최적조류계산(OPF, optimal power flow)을 실행한다. 이에 따라 각 발전기의 출력이 계산되면 현재 상태로부터의 변화량을 각 발전기에 보내어 조속기의 출력 기준점을 변화시키도록 한다. OPF의 계산결과는 상정사고를 고려하여 다시 수정된다. 다시 말하면 상정사고가 발생한 상태에서도 발전기가 운전을 계속하여 안전성을 유지할 수 있도록 출력을 배분한다.
경제급전을 위하여 초기에는 Lambda Iteration Method, Gradient Method, Newton's Method 등이 사용되었으나 수렴속도, 송전선로 용량제약의 취급, 부등호 제약조건의 처리, 안전도 제약조건의 처리 등의 문제점으로 인하여 사용이 확대되지 않았다, OPF 프로그램은 1961년 개발된 이래 계속 수정, 보완되어 현재에 이르고 있으며 위의 3 가지 방법의 경제급전기능을 대체하였다. OPF는 송전선로의 용량 제약 등의 부등호 제약조건이 있는 경우에 적용하기에 알맞고 현재에는 선형계획법 최적조류계산(LPOPF), Interior Point Method OPF 등이 많이 이용된다. OPF에 적용되는 제약조건은 발전기 출력, 선로의 유효전력 및 무효전력, 전압, 안전도 등에 관련한 각종 운용상의 제약이며, OPF가 조정할 수 있는 변수는 발전기의 출력과 전압, 변압기의 탭(tap) 조정값, 무효전력보상장치의 값 등이다. 무효전력의 조정은 지역적으로도 가능하며 무효전력의 변화가 비용에 미치는 영향은 유효전력의 그것에 비하여 미미하기 때문에 발전기의 출력처럼 중앙에서 제어하지 않고 비용최소화 기능과 분리하여 지역적으로 제어한다. OPF는 경쟁전력시장에서 모선 별 한계가격을 계산하는 데에도 사용된다.
계통운용의 안전도(System Security)
전력계통운용의 비용최소화와 동일한 비중을 차지하는 것으로서 중요한 것은 계통운용의 안전도를 유지하는 것이다. 안전도라는 것은 계통의 구성요소가 고장을 일으켜도 계통이 운용될 수 있도록 하는 관행(practice)을 포함한다. 예를 들면 발전기가 고장정지를 일으키면 보유 중인 순동예비력을 활용하여 주파수 저하를 막거나 부하차단을 방지할 수도 있다. 낙뢰 혹은 보호계전기의 작동에 의하여 발전기가 탈락되면 나머지 발전기는 부하를 공급할 수 있고, 송전선이 탈락되어도 건전한 송전망이 송전용량의 제약 이내에서 운전되도록 하여야 한다. 만약 송전선로 또는 전력계통의 구성요소가 고장을 일으켜 전압, 송전선의 전력조류가 한계를 벗어난다면 이것이 또 다른 전력계통의 요소에 영향을 미치어 탈락을 유발할 수도 있다. 하나의 송전선로가 고장을 일으키면 건전한 송전선로가 과부하 상태로 되어 보호계전기가 동작하여 문제의 선로는 차단되고 이것이 더욱 나쁜 상황으로 끌고 한다. 이러한 것을 연쇄고장(cascade outage)라고 한다. 대부분의 송전망은 하나의 초기 상정사고가 다른 요소의 과부하를 일으켜 연쇄고장이 되는 것을 막도록 운용되는데 이것을 system security라고 하며 EMS의 기능 가운데 중요한 부분이다.
안전도는 system monitoring 기능, 상정사고분석 프로그램, 안전도제약 최적조류계산(security-constrained economic dispatch) 프로그램의 3 가지 기능이 담당한다. 만약 전력계통이 순동예비력을 너무 많이 보유한다거나 송전선로를 중복되도록 건설한다면(redundancy) 계통요소의 고장이 발생하여도 부하를 차단하는 일이 없을 것이지만 그렇다고 하여도 100%의 신뢰도를 유지할 수는 없을 것이며 이는 대단히 비경제적이다.
상태추정(SE, state estimation)
EMS가 제대로 기능을 수행하려면 전력계통의 구성요소에 대한 상황 및 모든 모선(bus)의 전압 및 위상을 정확하게 계측하여야 한다. 전력계통의 각종 상태변수는 변환기(transducer, PT, CT 등)를 사용하여 계측하는데 이 계측치가 100% 정확하다면 상태추정이라는 기능이 필요가 없다. 그러나 모선의 전압 및 위상의 계측, 송전망의 고장 여부, 발전기의 출력, 각종 차단기의 상태 등을 계측하고 중앙으로 전송하는데 따르는 오차의 발생을 막을 수는 없다. 상태추정은 미사일, 비행기, 우주선, 로켓 등의 위치를 추적하고 제어하는데 사용하는 수학적 기법에서 유래한 것이다. 측정기기에서 발생하는 불확실성, 전달의 불확실성 등을 고려하여 상태변수에 대한 추정치가 참값이 될 확률을 가장 크게 하는 최상의 추정치(best estimate)를 찾아내는 것이다. 가장 많이 사용되는 기법이 최우추정법(最尤推定法, Maximum Likelihood Estimation)이다. 상태추정을 통하여 판단된 계측자료는 안전성제어(security control), 최적 조류계산, 상정사고 해석 등에 사용된다. 상태추정 기능이 작동하지 않는다면 컴퓨터제어시스템(EMS)이 송전선로의 전력흐름, 송전선로의 고장여부, 모선의 전압 및 위상 등에 대한 추정치를 파악할 수 없게 되어 경제급전에 의한 발전기의 출력배분, 상정사고 분석에 대한 판단 등이 불가능하게 된다.
상정사고 해석(Contingency Analysis)
계통관측에는 상태추정 프로그램이 사용되며 SCADA 기능이 동시에 사용된다. 상정사고 분석은 시스템을 방어적으로 운용하기 위하여 사용하는 것이며 현재의 전력계통의 컴퓨터제어 시스템은 이 기능이 중요한 부분을 차지한다. 상정사고 분석에 있어서는 수많은 상정사고에 대한 분석을 위하여 직류조류계산 모형과 같은 고속계산 프로그램을 사용하기도 하며 전압에 대한 고려가 필요할 경우, 교류 전력조류계산 프로그램이 사용된다. OPF 프로그램은 상정사고가 발생한 이후에도 계통이 정상적 기능을 하도록 하기 위하여 사고가 발생하기 전의 OPF 계산결과를 다시 수정한다.
감시제어(Supervisory Control)
감시제어는 계통의 최적 운용을 위하여 계통운용자가 운용목표 및 제약조건을 제시하도록 하며 계통운용자가 차단기를 조작하던가, 변압기 tap의 값을 수정할 수 있도록 한다. 이것은 SCADA를 이용하여 수행하며 발전기의 출력을 관측하고 전압을 허용치 이내로 유지할 수 있게 한다. 이러한 mode 아래에서 미리 지정된 목표치의 집합에 의하여 기준치가 제시된다.
운전예비력 관리(Reserve Management)
단독 계통의 신뢰도를 보장하기 위하여 적정한 운전예비력이 확보되어야 하며 상정사고에 뒤따르는 부하차단(load shedding)을 방지하기 위하여 주파수를 관찰하면서 운전예비력을 가동할 수 있도록 한다. 운전예비력관리 프로그램은 항상 AGC의 지시에 따르는 순동예비력과 대기예비력의 변화에 대하여 관측하고 이것이 부족하면 상태를 계통운용자에게 알린다.
최대출력으로 운전하지 않고 있는 발전기의 출력의 여유분은 주파수제어와 경제급전에 따른 발전기 출력의 재 배분에 따라 수시로 변동하므로 순동예비력도 따라서 변화한다. 운전예비력 관리프로그램은 발전기 출력에 대한 관찰을 하는 EMS의 한 부분으로서, 계통운용에 필요한 최소한의 순동예비력 소요량을 결정하는 dynamic parameter를 항상 관측하여야 하는 작업에 대하여 계통운용자를 도와주는 역할을 한다. 신뢰도협의회는 이에 대한 운용기준을 계통운용자에게 고시한다.
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2024.4.26 금 19:34 
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