Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 15, No. 1 pp. 411-417, 2014 http://dx.doi.org/10.5762/kais.2014.15.1.411 전력계통운영조건을고려한발전기차단용 SPS 동작설정에관한연구 권한나 1, 손혁진 1, 국경수 1*, 양성채 1 1 전북대학교전기공학과, 스마트그리드연구센터 A Study on Setting SPS for Generator Tripping Action considering Operating Conditions of Power Systems Han Na Gwon 1, Hyeok Jin Son 1, Kyung Soo Kook 1* and Sung-Chae Yang 1 1 SGRC, Department of Electrical Engineering, Chonbuk National University 요약발전기차단용고장파급방지장치 (SPS; Special Protection Scheme) 는대규모발전단지의인출송전선로고장시발전단지내의발전기과속을방지하기위해사전에계획된대수만큼해당발전기를즉시차단하여전력계통전체의안정도를유지하는비상장치이다. 그러나기존의국내발전기차단용 SPS 동작은첨두부하를기준으로산정된값을일률적으로적용하여운영되고있어경부하시에발전기차단용 SPS가동작을하게되면발전기과차단으로인한발전력부족을초래할가능성이있는등 SPS 운영의비효율성이잠재되어있다. 이를위해본논문에서는수시로변화하는전력계통운영조건을주기적으로취득하고정확도와속도가우수한 COA기반의안정도평가를통해발전기차단용 SPS 동작을설정함으로써경부하시에는 SPS 발전기탈락대수가첨두수요기준의설정치보다감소되어계통고장에의한 SPS 동작시발전비용증가를경감할수있다. Abstract Special Protection Scheme(SPS) for generator tripping action is an emergency control tool that secures the power system stability by instantly tripping the pre-determined number of generators to avoid the acceleration of the remaining generators in a large-scaled power plants when a fault occurs on the drawing transmission lines. However, since the existing operating conditions of SPS are set based on a peak demand, SPS could trip more generators than required if it is activated during the off-peak demand period. For this, this paper proposes the algorithm for setting the operating conditions of SPS through the online stability evaluation with the periodically updated operating conditions of power systems. The proposed algorithm adopts COA for the accuracy and speed of the stability evaluation, and can reduce the number of tripping generators by SPS during the off-peak demand period. This results in reducing the loss of profit caused by a fault on power systems Key Words : COA(Center of Angle), Power System Stability, SPS(Special Protection Scheme) 1. 서론 지속적인전력수요의증가를전력계통의설비투자가충분히지원하지못하고복잡성이증가함에따라전력계 통에는계통운영의다양한비상운전대책이적용되고있다. 국내에서도계통안정화를확보하기위해주요취약개소에고장파급방지장치 (SPS; Special Protection Scheme) 를설치및운영하고있으며 [1], 최근에는국내 본논문은대규모발전단지의과도안정도향상제어기술개발연구과제로수행되었음.( 한국에너지기술평가원 ) 본논문의일부내용은 2012년도정부 ( 미래창조과학부 ) 의재원으로한국연구재단의기초연구사업지원을받아수행된것임.(NRF-2012R1A1A1014863) * Corresponding Author : Kyung Soo Kook(Chonbuk National Univ.) Tel: +82-63-270-2368 email: kskook@jbnu.ac.kr Received September 25, 2013 Revised (1st December 2, 2013, 2nd December 10, 2013) Accepted January 9, 2014 411
한국산학기술학회논문지제 15 권제 1 호, 2014 전력계통의전압안정도확보를위한부하차단용 SPS의필요성도제안되었다 [2]. 특히국내의 SPS 제어동작들중에서발전기차단용 SPS는대규모발전단지의인출선로고장시해당발전단지의발전기운전조건별로미리설정된발전기들을차단시킨다 [3,4]. 그러나이러한발전기차단용 SPS 동작은첨두부하를기준으로설정한후, 일률적으로적용하고있어경부하시에발전기차단용 SPS가동작하게되면발전기과차단으로인한발전력부족을초래할가능성이있는등 SPS 운영의비효율성이잠재되어있다 [5]. 기존의연구 [6] 에서고장선로의고장직전전력조류수준에따라발전기차단용 SPS의동작설정조건을구분하여적용하는방법이제안되었으나전력조류의제한된단계만으로복합적인전력계통운전조건을고려해야하는한계가있다. 따라서본논문은 SPS 동작설정효율화를위해수시로변화하는전력계통의운영상황을반영하여당진발전기의최소탈락대수를산정하였다. 이를위해일정주기마다 EMS로부터계통운영조건을반영한계통데이터를취득하여 COA법기반의안정도평가를통해신서산-신안성 765kV 2회선고장시계통안정화를위한당진발전기임계탈락대수를산정하여발전기차단용 SPS 동작을설정한다. 또한본논문은제안된방법을당진화력발전단지의 SPS 운전조건에적용하여유효성을검증하였다. 이때, COA는운전중인모든발전기들의위상각을발전기의출력값으로가중평균한것으로써이를기준으로개별발전기들의동기탈조여부를감시하고이에따라 SPS 운전조건의발전기임계탈락대수를설정함으로써계산의정확도와속도를동시에제고할수있다. 또한, 이러한일련의과정을계통해석프로그램의 API(Application Program Interface) 인 Python 프로그램으로구현하여운전자의편의성을개선하고자하였다. 고있다 [8]. 더욱이 2012년중장기전력계통운영전망에따르면, 2024년의기준전력수요가약 107GW까지증가함에따라국내전력계통의여건은더욱악화될것으로판단되며이러한계통상황에대비하여 Table 1과같이 SPS의설치가증가될것으로예상된다 [9]. [Table 1] SPS in Korea Load level target Load level Ref. Etc. 2012y(Results) 76,161MW 77,082MW Operate 34 SPS Generation trip Transmission & Generator constraints Etc. (Load and facility trip) 2024y 95,038MW 107,437MW Increased number of SPS Concentration of power plant Power system condition in medium&longterm is expected to get worse 2.2 당진화력발전단지의발전기차단용 SPS 국내에설치및운영중인발전기차단용 SPS 중에당진화력발전단지의발전기차단용 SPS 동작은 Fig. 1와같다. 2. 고장파급방지장치 2.1 SPS 개요및국내현황고장파급방지장치 (SPS; Special Protection Scheme) 란발전기탈락이나선로개방과같은예기치못한사고발생시미리설정된적절한조치 (ex. 발전기탈락, 계통분리, 부하차단등 ) 를직접취해줌으로써전력계통을안정화시키는시스템이다 [7]. 국내의 SPS는발전기차단, 송전및발전기제약운전, 부하및설비차단등을목적으로총 34개소에서운영되 [Fig. 1] Operating Conditions of SPS at Dangjin Power Plant Fig. 1을살펴보면, x축은태안화력발전단지, y축은당진화력발전단지의발전기운전대수를나타내고, z축은발전기차단용 SPS의발전기임계탈락대수를나타낸다. 예를들어태안8대 당진8대가계통에연계되어운전중인상황에서 765kV 신서산-신안성 2회선고장이발생하면, 당진화력발전단지의발전기차단용 SPS는사전에설 412
전력계통운영조건을고려한발전기차단용 SPS 동작설정에관한연구 정된당진발전기 5대를탈락시킴으로써전력계통의안정화를확보할수있다. 반면이러한발전기차단용 SPS의동작은 765kV 선로탈락과같은가혹한사고에대해전력계통의안정화를확보하기위한제어기법으로써계통사고발생당시의전력수요와고장위치에따라전력계통안정화를위해요구되는발전기탈락대수가달라지는것으로분석되고있다 [10]. 그러나기존의국내발전기차단용 SPS 동작은첨두부하를기준으로설정한후, 일률적으로적용되어수시로변화되는전력계통의운영조건을반영하지못하고있다. 이에따라경부하시에는발전기과차단으로인한발전력부족으로수도권부하차단을초래할가능성이있는등발전기차단용 SPS 운영의비효율성이잠재되어있다. 이에대해본논문은전력계통의운영조건을고려하여발전기차단용 SPS 동작설정방안을제안하고자한다. 3. SPS 온라인동작설정 3.1 전력계통운영조건에대한발전기차단용 SPS 동작의의존성 본절에서는전력계통부하수준에따른발전기차단용 SPS 동작의의존성을분석하였다. 이를위해국내전력계통을대상으로계통해석프로그램인 PSS/E(Ppwer System Simulator for Engineer) 를사용하여다양한부하수준에서 765kV 2회선선로고장을모의하고이때 SPS 의발전기탈락대수를변경하면서계통의안정화여부를확인하였다. Fig. 2는이러한결과들을비교한것으로써전력수요가약 68GW 일때에는당진8대 태안8대가운전중인상황에서 765kV 신서산-신안성 2회선고장발생시당진발전기를 5대탈락시켜야계통의안정도를확보할수있다는것을확인할수있다. 그러나동일한상황에서당진발전기를 4대탈락시켰을경우, 발전기의 rotor angle이발산하는것으로보아계통이불안정하다는것을확인할수있지만, 전력수요가 62.6GW일때에는당진발전기 4 대, 40GW일때에는당진발전기 3대만탈락시켜도전력계통의안정화를유지할수있음을확인할수있다. 따라서수시로변화하는전력계통의운영조건에따라발전기차단용 SPS의발전기임계탈락대수를다르게설정함으로써전력계통의안정화를확보할수있음을확인할수있다. [Fig. 2] Simulation results with different load levels 3.2 EMS 데이터기반의발전기차단용 SPS 동작설정본절에서는계통운영조건을반영하기위해당진화력발전단지에적용할예정인발전기차단용 SPS 동작설정환경 (ig-sps; Intelligent Generator-Spe-cial Protection System) 을고려하였다. [Fig. 3] EMS data based SPS implementation 본시스템은 EMS로부터주기적으로전력계통해석프로그램인 PSS/E(Power System Simulation for Engineering) 형식의전력계통데이터들을받아이를기준으로과도안정도를평가하고, 발전기차단용 SPS 동작설정알고리즘으로부터특정사고시의 SPS 임계탈락대수들을계산하여 Look-up table을갱신한다. 이때, 제안된 ig-sps 구현환경에서는 Look-up table을 30분에한번씩갱신하며이에대한개념은 Fig. 3과같다. 이를통해수시로변화되는전력계통의운영조건을반영할수있다. 단, 이러한경우주기적으로갱신되는계통데이터를이용하여발전기차단용 SPS 동작을주기적으로갱신하기에적합한알고리즘이요구된다. 413
한국산학기술학회논문지제 15 권제 1 호, 2014 3.3 온라인적용을위한발전기차단용 SPS 동작설정 3.3.1 COA기반의과도안정도판정 COA기반의과도안정도평가방법은출력가중평균위상각에대한계통에연계되어운전중인모든발전기들의위상각차를통해안정도를판정한다. COA기반의과도안정도평가방법에관한개요는 Fig. 4와같다. COA기반의과도안정도평가알고리즘은식 (1) 과같이계통에연계되어운영중인모든발전기들의 rotor angle 과발전기출력을이용하여출력가중평균위상각, 즉 COA를계산한후, COA를기준으로각발전기들의위상각차 를구한다. (13) 이러한 COA기반의과도안정도평가알고리즘은안정도판단기준을정량화하는데일관성이있고, 안정도판단기준을통해계통의안정도를평가하므로계산소요시간을단축시킬수있다는장점이있다. 따라서 COA기반의과도안정도평가알고리즘은수시로변화하는전력계통의운영조건을반영하여 EMS data 기반의발전기차단용 SPS 동작을설정하는데적합할것으로판단된다. 3.3.2 발전기차단용 SPS 동작설정기법본절에서는 COA기반의과도안정도평가알고리즘을사용하여 Fig. 5와같이발전기차단용 SPS 동작을설정하는방법을구현하였다. 구현된발전기차단용 SPS 동작설정기법은 COA기반의과도안정도평가알고리즘을통해계통의안정화가확보될때까지발전기임계탈락대수를증가시킴으로써특정상정고장에대한발전기탈락용 SPS 임계탈락대수를결정한다. 발전기차단용 SPS 동작을설정하기위해서는운전자편의성을고려하여야하고, 발전기차단용 SPS 동작설정절차가일관되게적용되도록해야할것으로판단된다. [Fig. 4] COA-based transient angle stability assessment 그리고각발전기들의위상각차 는사전에설정된기준값 와비교하여 가 보다작으면계통이안정하다고판단하고, 보다크면식 (2) 와같이 를넘는순간부터적분을하여 를계산한다. 이때계산된 를사전에설정된기준값 와비교하여 를넘어서는순간계통이불안정한것으로판단한다 [11]. (12) δ : Generator rotor angle i N : Number of on - line generators P : Generation i [Fig. 5] Process for calculating SPS marginal action 4. 사례연구 본절에서는제안된발전기차단용 SPS 동작설정방법 414
전력계통운영조건을고려한발전기차단용 SPS 동작설정에관한연구 의유효성을검증하기위해 Fig. 6과같이모의환경을구축하고국내에서실제운영중인당진화력발전단지의 SPS 동작을대상으로사례연구를수행하였다. [Fig. 7] Marginal operating condition for SPS [Fig. 6] Simulate framework for setting SPS 구축된모의환경에서는 PSS/E의 API인 Python 프로그램을기반으로 PSS/E의시모의를제어하고안정도평가및 SPS 동작검토알고리즘을구현한다. 즉, PSS/E와인터페이스가가능한 Python은 PSS/E를호출하여단위시간동안시모의를수행하고계통의안정도여부를판단한다. 이때, 계통이안정하다고판단되면시모의해석을계속진행하고불안정하다고판단되면, 해당조건의시모의를종료한후다음검토조건에대한시모의를수행한다. 본논문에서구축된모의환경은 Python 프로그램으로구현되었으며이때입 출력데이터는 Table 2와같다. [Table 2] Input and output data for the program Input Power system data Dynamic data Fault type Simulation option Back-up data range Output Operating condition of SPS (List of the generators trip) Number of on-line generators Monitored generator angle Calculation time Fig. 7은본논문에서제안된알고리즘을사용하여특정운전조건에서당진화력발전단지에대한발전기차단용 SPS 동작을산정한결과이다. Fig. 7에서발전기차단용 SPS의발전기탈락대수를 1대씩증가시켜안정도평가를수행한결과계통의안정화를위해서는 5대의당진발전기가탈락되어야하므로이때, 신서산-신안성 765kV 2 회선고장시발전기차단용 SPS 동작은당진발전기 5대탈락으로결정된다. 제안된알고리즘을당진화력발전단지발전기차단용 SPS의모든동작에대해적용한결과와 KPX의기존발전기차단용 SPS 동작설정치를비교하면 Table 3과같다. 이때, 전력수요는첨두부하시를기준으로하였다. Table 3에서제안된알고리즘을적용한발전기차단용 SPS 동작은 KPX의기존발전기차단용 SPS 동작과대부분일치하였다. [Table 3] Comparison of SPS operating conditions Number of on-line generators Operating condition of SPS Dangjin Taean KPX The proposed 8 7 8 5 5 7 4 4 6 3 3 5 2 3 4 2 2 8 4 4 7 3 3 6 2 2 5 1 1 8 3 3 6 7 2 2 6 1 1 5 8 2 2 단, 비교분석된 13가지중당진8대 태안5대의경우에서본논문에서제안된알고리즘을적용한계산결과가 KPX의동작보다당진발전기를 1기더탈락시켜야하는것으로나타났다. 이는 KPX의 SPS 동작설정치가최종결과만제공되고있고, 국내전력계통모델에대한표준 415
한국산학기술학회논문지제 15 권제 1 호, 2014 화가부족한상황을고려할때, 본논문에서제안된알고리즘의적용조건을조정함에따라개선될수있는오차로판단되며, 향후다양한실증을통해검증하고자한다. Table 4는동일한당진 태안발전기운전조건에서전력계통의부하수준을경부하시부터첨두부하시까지증가시키면서발전기차단용 SPS 동작설정치를분석한결과이다. 이때, 당진 태안발전기운전조건은당진8대 태안8 대이며, 부하수준은총 13가지의경우를가정하였다. Table 4에서기존 KPX의발전기탈락용 SPS는신서산 -신안성 765kV 2회선고장시, 부하수준에관계없이당진발전기 5대를탈락시키도록운전되는반면, 제안된알고리즘을적용한발전기차단용 SPS 동작설정에서는전력수요가첨두수요보다낮을경우에는발전기탈락대수가감소되었다. [Table 4] SPS action with different load levels Load level Operating condition of SPS (GW) KPX The proposed < 40 2 40~43.2 3 43.2~45.5 3 45.5~49.2 3 49.2~52.6 3 52.6~56.2 3 56.2~58.6 5 4 58.6~59.7 3 59.7~62.6 2 62.6~64.8 4 64.8~66 4 66~68 4 > 68 5 Table 5는당진 태안발전기운전조건에대한발전기차단용 SPS 동작설정시소요되는계산시간을측정한결과를나타낸다. Table 5를살펴보면주어진운전조건에대한계산시간은 1분 30초를초과하지않았으며, 발전기탈락대수가동일하게산정되는운전조건에서는계산시간도유사하게나타났다. 이는본논문에서제안된알고리즘이모의해석수행중이라도계통의불안정이감지되면, 모의해석을종료하고다음검토조건을적용하도록설정되었기때문이다. 따라서제안된알고리즘은앞서기술된바와같이 30 분주기로동작을갱신하는 EMS 데이터기반의발전기차단용 SPS 동작설정환경에적합한것으로판단된다. [Table 5] Calculation time of the proposed method Number of on-line generators Proposed SPS action Calculation time (sec) Dangjin8, Taean8 5 77.02 Dangjin8, Taean7 4 75.55 Dangjin8, Taean6 3 69.73 Dangjin8, Taean5 3 68.72 Dangjin8, Taean4 2 63.64 Dangjin7, Taean8 4 74.11 Dangjin7, Taean7 3 69.91 Dangjin7, Taean6 2 64.97 Dangjin7, Taean5 1 55.19 Dangjin6, Taean8 3 68.03 Dangjin6, Taean7 2 60.42 Dangjin6, Taean6 1 53.05 Dangjin5, Taean8 2 65.66 5. 결론 본논문에서는전력계통의운영조건을반영하여발전기차단용 SPS 동작을설정하기위한알고리즘을제안하였다. 이를위해 EMS 데이터기반의발전기차단용 SPS 동작설정환경을가정하고일정주기마다특정계통운영조건에서 COA기반의안정도판별법을적용하여상정사고시계통안정화를위한발전기임계탈락대수를산정하였다. 제안된알고리즘을당진화력발전단지 SPS의모든동작에적용한결과기존 KPX의발전기차단용 SPS 동작설정치와동일한결과를얻었으며, 동일한당진 태안발전기운전조건에서도전력계통의부하수준이첨두수요보다낮을경우발전기차단대수가 KPX의 SPS 설정치보다감소될수있음을확인하였다. 또한제안된알고리즘의계산시간이일정주기로동작을갱신하는온라인용 SPS 동작설정환경에적합함을확인하였다. 향후, 본논문에서제안된알고리즘을당진화력발전단지 SPS 운영효율화사업의실증에적용하여다양한온라인사례연구를통해발전기차단용 SPS 동작설정알고리즘을검증하고신뢰성을개선할계획이다. References [1] 2012 Power System Operations Guide, KPX, 2012.07 [2] Ki-Seob Yun, Byoungjun Lee, Hwachang Song, "A Special Protection Scheme Against a Local Low-Voltage 416
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