ISSN 1975-8359(Print) / ISSN 2287-4364(Online) The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers Vol. 64, No. 4, pp. 523~528, 2015 http://dx.doi.org/10.5370/kiee.2015.64.4.523 전력계통안정화를위한전압보상설비운용방안 Operation method of Voltage Compensation Devices for power system stability 안창한 * 백영식 (Chang-Han Ahn Young-Sik Baek) Abstract - A new algorithm for a coordinative control method is proposed with respect to voltage control and system stabilization of local substations. This is accomplished using control cooperation between a static synchronous compensator (STATCOM) and the existing voltage compensation equipment in the steady state and emergency state of a power system. A real-time system analysis was developed by combining a system analysis program with InTouch, which has primarily been used in factory automation for verification. PSS/E was used for the load flow calculation software, Python for language, Intouch as an HMI program, and MS SQL for the database. To test this system, the system in the vicinity of the Migeum and the Migeum substations was modeled and simulated. Key Words : Back-to-Back method, Multiple method, PSS/E, Power System Stability, Intouch, HMI 1. 서론증가하고있는전력수요에맞게전력을공급하기위해발전소와송전설비에대한지속적인투자가필요하다. 그러나전력수요에맞는투자는환경적, 경제적문제로인해지속적으로증가하기어렵다. 송전설비에대한투자의어려움과송전선로의유도성특징으로인해무효전력제어는전력계통의관리와제어에있어서핵심적인요소이다. 무효전력투입과차단을통한전압제어로계통안정화를가져오며현대의고도정밀산업의발달은고품질전압에대한끊임없는수요를발생시킨다. 무효전력은부하의관점에서전압안정도에서전압붕괴의여유도에포커스를맞춘다. 발전기는무효전력에있어서제약적이다. 부족한무효전력에대한공급은가능하나장거리의특성을갖는송전에는그취약함을드러낸다. 따라서무효전력은적재적소의필요한곳에서만보상해야한다. 따라서무효전력에대한제어가계통전압안정화를위해서는필수적이다. 이에계통의전압불안정에대처하기위해 FACTS 제어기의속속투입됨으로써전력계통의무효전력제어설비가빠르게최신화되고있으나, 이를통합제어하기위한중앙제어방식과각지역송전계통에포함되어있는기존의전력용콘덴서와 OLTC 등과의협조제어방식이미흡하여정상시의전 압안정화는물론비상시전압불안정에대처하는능력의향상이필요한상황이다 [2]. 전력계통의정상상태와비상상태에서 STATCOM과기존의전압보상설비간의제어협조를통한지역변전소의전압제어와계통안정화를위한협조제어방식에관한새로운알고리즘을제안한다. 검증을위해주로공장자동화에사용되어온 InTouch를계통해석프로그램과접목시킴으로써실시간계통해석시스템을개발하였다. 전력조류계산소프트웨어는 PSS/E를사용하였으며언어는 Python, HMI 프로그램은 Intouch, DB는 MS SQL을사용하였다. 이시스템의테스트를위해미금인근지역계통과미금변전소를모델링하고시뮬레이션해보았다. 2. 변전소설비의협조제어 Corresponding Author : Dept. of Electrical, Electronic and Computer Engineering, Kyungpook National University, Korea. E-mail:ysbaek@knu.ac.kr * Dept. of Electrical,Electronic and Computer Engineering, Kyungpook National University, Korea. Received : February 07, 2015; Accepted : March 24, 2015 그림 1 지역변전소에서의무효전력협조제어 Fig. 1 Reactive power control of local substation. Copyright c The Korean Institute of Electrical Engineers 523 This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/ licenses/by-nc/3.0/)which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
전기학회논문지 64 권 4 호 2015 년 4 월 그림 1은단위변전소차원의 STATCOM-Shunts-OLTC 간의협조제어방식을나타낸것이다. 제어에필요한기준전압, 기준무효전력과순동무효전력량은중앙급전에서받게되며, 해당변전소에서는각전력설비 (STATCOM, 리액터, 커패시터, OLTC) 의전압감도를미리계산하여전압오차를제어할수있는오차무효전력을산출한다. 이값에 1차적으로 STATCOM이가지고있어야할순동무효예비력 (spinning reserve) 과기계식커패시터뱅크에의해고속응답할수있는커패시터의예비력을더한값이지역변전소에서부담해야하는무효전력제어값이다. 화량을확인하였으며, 그결과는표 2.2과같다. 변전소내의제어운전은 4가지상태로정상상태, 정상운전상태, 비상상태, 그리고순동예비력확보제어로분담하였다. 전력계통의모든문제는조류계산을바탕으로한정상상태해석으로부터시작된다. 조류계산, 고장계산그리고전압-무효전력감도계산을수행, 투입무효전력량과전압제어량간의상관관계를계산하여, 비상상태시미금변전소와인근계통의무효전력장치를신속히제어하기위한투입량을산정하는데활용되도록하였다. 표 1 각제어기기의근사동작시간영역 Table 1 Approximate operation time range of each controller. 시간동작기기목적 (sec) (ms) (ten sec) STATCOM Shunt Elements OLTC 순동무효예비력정상무효전력무효전력재분배확보확보 계통의외란발생시첫번째로 STATCOM이동작하며전압오차가미리설정한오프셋을 e과하면기계식뱅크가동작하여전압을조정하고순동무효예비력을확보한다. OLTC는탭동작한계내에서동작유무를판단하여동작시기계식뱅크의무효전력여유량을확보하도록한다. 본논문에서제안한협조제어기법을실계통에적용하기위해먼저대상전력계통에대한특성분석이이루어져야한다. 따라서협조제어알고리즘개발과병행하여계통의특성에부응하는제어를위하여적용대상인미금변전소를중심으로한계통특성분석이이루어져야한다. 본장에서는첫번째로 2014년우리나라경부하, 중부하, 첨두부하시계통데이터에대한정상상태해석을 PSS/E로수행하여향후연구에있어신뢰할만한기본자료로활용하도록하였다. 두번째로변전소대상계통에대한과도해석모형을개발하여모의분석함으로서과도상태운전방안을제시하였다. 모선의전압변동에따른무효전력의투입량을결정하기위하여분석하였으며, 경부하는조류계산에서이용한데이터중 70% 부하를선정하였고, 중부하는 80 %, 첨두부하는 100% 부하를선정하였다. 감도계산은각모선에전압보상설비를동작시킨후전압의변 그림 2 계통상태에따른무효전력협조제어 Fig. 2 Reactive power control according to state of power system 3. 정상상태시전압제어방안각제어기기의응동특성을고려한 STATCOM-Shunt elements-oltc 간의투입순서알고리즘은그림 3과같이제안한다. 표 2 PSS/E를이용한감도계산결과 Table 2 Voltage sensitivity calculation results using PSS/E. dv1/dq dv2/dq STATCOM 0.0053 0.0051 Sh.R 0.0042 0.0043 Sh.C 0.0032 0.0052 OLTC 0.0008 0.0108 그림 3 순차전압제어알고리즘 Fig. 3 Back-To-Back voltage control 정상상태전압시협조제어알고리즘으로순차제어방식과 STATCOM Qreserve 방식을제안한다. 순차제어방식은변전소의 1차, 2차모선전압이변압기에의해서로종속된관계로가정 524
Trans. KIEE. Vol. 64, No. 4, APR, 2015 한다. 따라서 1차모선전압을먼저측정하여만약측정된전압이설정된부감대를넘게되면병렬형리액터뱅크가동작하도록하였다. 동작이후순차적으로 2차모선전압을측정하여계통외란이해소된다면 2차측조상설비는동작하지않도록하였고, 만약측정된전압이부감대를넘게되면 2차측모선에설치된병렬형커패시터뱅크가동작하도록설정하였다. 마지막으로 OLTC 를동작시켜시스템전압이기준전압을만족하도록구현하였다. 이러한제어알고리즘은각무효전력설비의전압감도를미리계산하지않고실시간으로판단하는것으로계통적용을위해서는실시간전압감도계산을통하여투입최소화를목적으로하는제어기법이개발되었다. Q reserve 방식은앞선순차제어방식에서 STATCOM의가용범위를최대로하기위해조상설비를스위칭한다. 연속제어방식인 STATCOM의정확성과신속성을최대한활용하여안정화를한다는목표로개발되었다. 태알고리즘의적용가이드라인을세울수있다. Qreserve 방식은정상상태에서는전압제어가잘이루어졌다. 그러나비상상태시의문제점을확인할수있었다. 전압안정화범위에는들어왔으나빠른전압회복을목적으로하는비상상태에서는순차적으로설비투입 / 차단하는방식이맞지않다는것이다. 비상상태에서빠른전압제어를위한알고리즘의개발이필요하다. Multiple방식은앞서서제안했던 Qreserve방식보다신속하게전압제어가가능하다. 그림 5 비상상태시협조제어알고리즘 Fig. 5 Coordinative control detailed algorithm in emergencystate operation. 비상상태라고판명되면현재가동할수있는모든설비를한꺼번에투입해함으로써신속하게전압안정화를이룬다. 그림 4 STATCOM 순동무효전력확보알고리즘 Fig. 4 Detailed algorithm for Q reserve of STATCOM 4. 비상상태시전압제어방안전압안정화를위해 FACTS와기존조상설비의협조제어에있어정상상태제어만고려한다면비상사태발생시전압붕괴를 e래할수도있다. 따라서 PSS/E 상에서선로사고를모의해서전압오차의설정치를잡아서비상상태의범위를설정하였다. 표 3은미금변전소와각지역변전소의선로사고시전압변화량이다. PSS/E peak data 상에서시뮬레이션해본결과이다. 미금 1,2차측 e기저압과사고전압의오차를계산해봄으로써비상상 5. 사례연구및시뮬레이션결과 5.1 시스템구성제안한전압제어알고리즘을검증하기위해실제현장에서사용되어지고있는 SCADA SYSTEM과동일한실시간전력계통해석엔진의개발을하였다. 이를위해계통해석프로그램으로 PSS/E를이용하였고, PSS/E Data를통신시켜주기위해 Python 언어를이용하였다. DB는 SQL을사용하였으며최종적으로계통해석을시각화하고제어할수는 HMI는Intouch로구현하였다. 표 3 선로사고시전압감도 Table 3 Voltage sensivitity 시 line fault 미 금 1차측전압 2차측전압 e기전압 1.0275 1.0345 성동 1.0077 1.0155 신가평 1.0183 1.0251 의정부 1.0276 1.0341 동서울 1.0290 1.0352 그림 6 Intouch-PSSE 시스템모식도 Fig. 6 The schematic diagram of Intouch-PSSE system SSTDR 에서시간 - 주파수상관을활용한저압케이블의고장검출 525
전기학회논문지 64 권 4 호 2015 년 4 월 단위변전소의전압보상설비제어를위해인터치화면상에그림 7와같이구현하였다. 어플리케이션투입에따른미금변전소의전압제어와함께계통전체의변화를해석하기위해서각각의모선의전압, 무효전력, 유효전력을나타냈다. 사용자가변전소내부어플리케이션의투입에따른전압값의변화뿐만아니라계통전체의변화도확인할수있게개발하였다. 최종적으로계통해석의시각화를통한 HMI를구현하였다. 여준다. 미금1차측 2차측기준전압을 1.025p.u., 허용범위를 0.005p.u. 으로설정하고시뮬레이션한결과그림 9와같이정확히허용범위안에들어오는것을확인할수있었다. 그림 9 정상상태전압제어결과 Fig. 9 Result values for Back to Back voltage 그림 7 최적화시스템 HMI 화면 Fig. 7 HMI monitor of Intouch-PSSE system 5.2 정상상태전압제어결과그림 8은계통의상황에따라 1차, 2차모선전압이변화하는상황을가정하여제안한협조제어알고리즘의제어특성을비교해봄으로써 Qreserve 알고리즘의효용성을나타내려한다. 예비력이확보된 STATCOM이동작할경우빠른속도와정확성으로최소의설비투입으로전압제어가가능하다는결과를보 그림 10에서경부하시예비력확보결과로 Back-to-Back 전압제어결과 STATCOM 용량은커패시터모드 3.65Mvar인데반해 STATCOM Q reserve 알고리즘적용후에는인덕티브모드 48.05Mvar로확보되었다. 이과정에서리액터한대가차단되었고커패시터한대가투입되었다. 전압은 그림 10 정상상태전압제어결과 Fig. 10 Result values for Back to Back voltage control 그림 8 Q reserve 전압제어결과 Fig. 8 Result values for Q reserve of STATCOM 1차측전압은 STATCOM의영향으로유지되었고 2차측전압은바뀌었으나전압안정화범위안에서움직였다. 중부하시에는인덕티브모드 67.45Mvar로예비력확보되었고리액터와커패시터를이용하였다. 피크부하시예비력확보를위해커패시터가투입되었고예비력은목표치만큼확보되었다. 확보된예비력을기반으로 STACOM과조상설비를순차적으로동작하며전압제어가이루어졌다. 그림 11은허용범위로정의한 0.005p.u. 기준으로정확한제어정도를나타내었다. 기준전압과허용범위를벗어나지않고각설비의민감도에따라허용범위안에서오차가발생함을확인하였다. 526
Trans. KIEE. Vol. 64, No. 4, APR, 2015 그림 11 정상상태무효전력제어결과 Fig. 11 Result values for Back to Back reactive power control 그림 13 비상상태무효전력제어결과 Fig. 13 Result values for Emergency reactive power control 5.3 비상상태전압제어결과 PSS/E 상에서선로사고를모의해서전압오차의설정치를잡아서비상상태의범위를설정하였다. 사고전전압과사고후전압과의차는 1차측은 0.04 p.u, 2차측은 0.052 p.u로나타났다. 그림 12는비상상태시의전압제어결과이다. 13시선로사고로미금 1차측, 2차측전압이각각 1.051p.u., 1.06p.u. 으로사고상태에도달하였다. 그림 14 비상상태전압제어오차율 Fig. 14 Result values for Emergency voltage control 표 4 전압안정화를위한스위칭비교 Table 4 Result values of switching for stabillity 그림 12 비상상태전압제어오차율 Fig. 12 Result values for Emergency voltage control 그림 13에서는사고판단후가용가능한범위에서 STATCOM 이응동하였고, Shunt Reactor가모두투입되었다. 정상전압제어즉 Qreserve방식에기반을둔순차제어방식 (Back to Back 방식 ) 과달리한번에전압제어가이루어져서비상상태시대응이가능하였다. 그러나그림 14과같이전압제어가기준전압인 1.025p.u. 와허용범위 0.005p.u. 기준으로정확히이루어지지않는사례도확인되었다. 신속한제어는가능했으나오차가발생함으로써전압안정화와설비투입의신속성이라는두가지조건을동시에만족시키는알고리즘의개발에필요성이재기된다. 표 4는경부하에서 345KV 선로사고시 Multiple알고리즘적 Back-to-Back L C Vset time error 경 3 4 1.0766 1 0 중 5 3 1.0882 1 0 피크 2 0 1.0506 1 0 Multiple L C Vset time error 경 3 6 1.0766 2/7 0.0071 중 5 6 1.0882 1/4 0.0069 피크 2 2 1.0506 1 0.0008 용결과이다. 현재동작가능한설비는 STATCOM 68.22Mvar 이고리액터 3대, 커패시터 6대이다. 탭은설비특성상비상상태시에는동작 하지않도록설정하였다. 그결과 1차측과 2차측전압은과도한 설비투입으로인해 0.0071만큼의오차가발생하는사례가발생 하였다. 그러나사고발생에서가장중요한시간관점에서는기존정 SSTDR 에서시간 - 주파수상관을활용한저압케이블의고장검출 527
전기학회논문지 64 권 4 호 2015 년 4 월 상상태알고리즘인 Back to Back 방식대비경부하, 중부하일경우각각 2/7, 1/4 시간만큼빠르게대응하다는결과가도출되었다. 5. 결론전력계통특성분석을기반으로협조제어기법을제안하였으며, 검증을위하여조류계산해석엔진인 PSS/E를이용하여실계통상황을모의하였고, Intouch를이용하여 HMI 시스템을개발하였다. 계통의상황에따라 1차, 2차모선전압이변화하는상황을가정하여제안한협조제어알고리즘의제어특성을확인하였다. 정상상태시 Qreserve기반순차제어알고리즘은순차적으로전압보상설비를운용함으로써전압안정화를가져다주는방식으로전압안정화범위안에서예비력이확보된 STATCOM을이용한전압제어가가능했다. 그러나신속한제어가이루어지지않는다는문제점이발생했다. 비상상태시전압제어알고리즘인 Multiple 방식은 Q reserve 에기반을둔 Bcak to Back 제어방식의문제점을보완하기위해개발된알고리즘으로비상상태시에신속하게전압제어가가능하다는이점이있다. 지역계통의전압안정화를위해계통상태에따른전압보상설비운용기법을제시하며이를실계통모델에적용하여제어특성을검증하였다. 이는지역전압안정화를위해 FACTS 기기인 STATCOM과기존소내조상설비간의협조제어에관한새로운시도이며 SCADA/EMS 방식의변전소운영을고려한실시간 HMI 시스템을개발하여실증했다는데의의를지니고있다. 이연구를통하여변전소차원에서전압안정화를위한무효전력기기간의협조제어에관한최적운전방안이마련될것이며, 전압보상설비의실계통적용시본논문은많은도움을줄것이다. References Master's Degree [6] Tools for Real-Time BusinessIntegration and Collaboration, IEEE Transactions on Power System Vol.18, No. 2, May 2003 [7] S.T Cha and K.W Cho A Real-Time Simulator for Power System Studes 1998 KIEE 저자소개 안창한 (Chang-Han Ahn) 1980년 2월 12일생. 2009년경북대학교전자전기컴퓨터학부졸업. 2011년동대학원전자전기컴퓨터학부졸업 ( 석사 ). 현재동대학원전자전기컴퓨터학부재학 ( 박사 ). Tel : (053) 940-8802 E-mail :changhan.ahn@knu.ac.kr 백영식 (Young-Sik Baek) 1950년 7월 8일생. 1974년서울대전기공학과졸업. 197년동대학원전기공학과졸업 ( 석사 ). 1984년동대학원전기공학과졸업 ( 공박 ). 1977년명지대전기공학과조교수. 현재경북대전자전기컴퓨터학부교수. Tel : (053) 950-5602 E-mail : ysbaek@knu.ac.kr [1] S.T Cha and K.W Cho A Real-Time Simulator for Power System Studes 1998 KIEE [2] Ji-Ho Park, Young-Sik Baek Coordination Control of Voltage Between STATCOM and Reactive Power Compensation Devices in Steady-State 2012 JEET [3] Chang-Han Ahn, Young-Sik Baek InTouch HMI Development to Real-Time Power System Analysis 2009 KIEE [4] X. Qi, M. V. Salapaka, P. G. Voulgaris, and M. Khammash, Structured optimal and robust control with multiple criteria: a convex solution, IEEE Transactions on Automatic Control, Vol. 49, No. 10, pp. 1623-1640, October 2004. [5] Chang-Han Ahn, Young-Sik Baek Optimal Operation using ILP of Voltage Compensation Equipment for Voltage Stability of Power System 2011, Theses for 528