한전계통에서 2차 전압제어 적용을 위한 전압제어지역 설정 2005. 05. 백 승 도

목 차 연 구 배 경 본 연구의 Concept 2차 전압제어 이론 시험계통 및 한전계통의 지역설정 목 차 연 구 배 경 본 연구의 Concept 2차 전압제어 이론 시험계통 및 한전계통의 지역설정 전압제어지역의 무효전력 예비력 해석 전압제어지역 기반의 전압안정도 평가 결론

연 구 배 경 (1) 전압붕괴로 인한 광역정전 발생 첨두부하 수요의 증가 발전의 원격화 ·편재화 ·대용량화 송전선의 장거리화 ·고전압화 ·대용량화 계통의 거대·복잡화 전압 불안정 문제 부각 전압붕괴로 인한 광역정전 발생

연 구 배 경 (2) 전압 불안정 및 전압 붕괴 대책 계통 안전도(System Security) 유지 1. 계통의 부하특성을 고려한 전압제어 2. 전압안전도 평가(VSA)를 이용한 전압제어 3. 무효전력원을 이용한 전압제어

연 구 배 경 (3) 1. 계통의 부하특성을 고려한 전압제어 2. 전압안전도평가(VSA)를 이용한 전압제어 1. 계통의 부하특성을 고려한 전압제어 부하회복(Load Recovery)을 제한 현재 한전에서 적용중인 부하차단(SPS : Special Protection System) 에 해당 2. 전압안전도평가(VSA)를 이용한 전압제어 계통계획 및 운영단계에서 전압안정도 측면의 취약개소를 결정하고 대책을 수립 온라인 적용을 위해 SCADA/EMS의 계통데이터를 이용하므로 고속계산 필요 3. 무효전력원을 이용한 전압제어 계통이 포함하는 동적 및 정적 무효전력원을 이용 현재 유럽에서 적용중인 2차 전압제어 해당

본 연구의 Concept 전압 불안정 및 전압 붕괴 대책 충분한 무효 전력 확보 2차 전압 제어 충분한 무효 전력 확보 2차 전압 제어 2차 전압 제어를 위한 전압 제어 지역 설정 시험계통을 통해 적합한 전압 제어 지역 설정 방법 선택 한전계통의 전압제어 지역 결정 전압제어지역 무효전력 예비력 해석

전압 제어 방식 전압 제어 방식 특징 제어 시간 비고 1차 전압제어 ▶AVR을 이용한 발전기 출력 단의 전압 변동 신속제어   전압 제어 방식 특징 제어 시간 비고 1차 전압제어 ▶AVR을 이용한 발전기 출력 단의 전압 변동 신속제어 ▶전압 안정도 대처 능력 미흡 수초 발전단 출력 전압 제어 2차 전압제어 ▶지역 Pilot모선 전압변동 제어 ▶지역 내 발전기 무효 전력 여유 균일 ▶전압 안정도 대처 능력 우수 수분 지역의 pilot 모선 전압 제어 3차 전압제어 ▶계통 전체의 전압 최적 제어 ▶전압 안정도 향상 및 송전 손실 절감 10~20분 계통의 전체 전압 제어

2차 전압 제어 (Secondary Voltage Control) 전체 계통을 지역별 부분 계통으로 분할 동일지역(전압제어지역)은 같은 전압 안정도 특성 각 지역을 대표하는 대표(pilot)모선 선택 대표모선 전압을 그 지역의 발전기들이 담당 각 발전기의 무효전력의 발전량 각 발전기의 무효전력여유 고려

2차 전압 제어 특징 부하 모선의 전압 일정 유지 수송 최대 전력 증대 부하 모선의 전압 일정 유지 수송 최대 전력 증대 수행시간이 부하 모선의 long-term recovery 특성과 같은 시간대 Long-term 전압 안정도 향상 발전기용량에 따라 무효발전량 분배 무효 전력 공급의 불균형 해결 송전 선로 확장에 따라 지역적 전압 결합성 증가 전압 제어 지역 설정의 어려움 무효전력 분배시 물리적 근접도에 따라 한 발전모선에 과다한 무효 전력 요구

2차 전압제어방식의 국외 동향 1. 프랑스 EdF 2. 이탈리아 ENEL 3. 벨기에 4. 스페인 1974 : 첫번째 지역에 시험운영 1979 : 첫번째 지역에 2차 전압제어 실제 운영 1985 : 프랑스 전역을 27개 지역으로 구분하여 운영 2. 이탈리아 ENEL 1980년대 중반 도입 RVR(Regional Voltage Regulator)와 REPORT(Reactive Power RegulaTor)로 구성 3. 벨기에 1차,2차,3차 전압제어 방식도입을 위해 연구 중 우선적으로 최적조류계산을 이용한 3차 제어방식 도입결정 4. 스페인 1992 : 대표모선 선정과 지역분할 알고리즘 도입 1994 : 대표모선 선정에 관한 6가지 방법론 비교분석

2차 전압제어방식의 국내 동향 앞서 설명한 2차 전압제어방식의 장점에도 불구하고, 우리나라 계통에 적용하기 어려운 점이 있다. Loop된 계통망으로 지역간 전압의 결합성 큼 발전회사 민영화로 인해 발전기 무효전력 보상문제 대두 다른 국가에 비해 미흡한 준비와 연구 그러나, 최근 대두된 전압안정도 문제를 해결하기 위해 한전 및 전력거래소, 학계에서 꾸준한 연구가 이루어지고 있다.

전압 제어 지역 설정 방법 전기적 거리(electrical distance)를 이용한 방법 2. VSSAD (Voltage Security Stability Assessment and Diagnosis) 를 이용한 방법 3. 참여인수(participation factor)를 이용한 방법

1. 전기적 거리를 이용한 방법 j모선 전압의 미소변화에 따른 i모선 전압의 미소변화 전기적 거리

2. VSSAD를 이용한 방법 동일 전압 제어 지역 독특한 전압 안정도 특성 독특한 Q-V 곡선 임계점에서 무효 전력 공급 한계를 가지는 발전기 동일 동일한 전압 제어 지역

3. 참여인수를 이용한 방법 임계점에서 고유치분해 참여 인수 계산

각 방법의 비교 (48모선 시험계통) 1지역 2지역

방 법 비 교(1) – 전기적 거리(103모선 기준)

방 법 비 교(1) – 전기적 거리 간단한 행렬식으로 지역 분할 가능 빠른 계산 속도 지역분할 시 기준모선과 전기적 거리의 기준값의 임의적 설정 불분명한 지역 분할

방 법 비 교(2) – VSSAD

방 법 비 교(2) – VSSAD

방 법 비 교(2) – VSSAD 모든 부하의 Q-V곡선 작성 많은 계산량 요구, 계산 속도 저하 직접적인 무효전력 공급부족 측정 지역 분할시 기준모선과 기준값의 임의적 설정 불필요 정확한 지역 분할

방 법 비 교(3) – 참여 인수(103모선 기준)

방 법 비 교(3) – 참여 인수 고유치 분해를 통해 얻어진 고유치로 계통의 안정도 판별할 수 있는 부수적 효과 계산 속도나 지역 분할 정확도에서 앞선 두 방법의 중간적 특징 지역분할시 기준모선과 기준값의 임의적 설정 불분명한 지역 분할

방 법 비 교 세 방법 모두 지역 분할 가능 지역 분할 방법에 있어 각자 다른 특징 기준모선, 기준값 설정의 모호성 VSSAD를 가장 적합한 지역분할방법으로 선택

한전계통의 전압제어지역 설정 VSSAD를 한전계통에 적용 1. 345kV 부하모선군 선택 2. 각 부하모선에 대해 Q-V곡선 작성 부하모선에 대해 무효전력한계를 가지는 발전기 선택 독특한 무효전력 한계발전기군 선정 전압제어지역 설정

1. 345kV 부하모선군 선택(1)

1. 345kV 부하모선군 선택(2)

1. 345kV 부하모선군 선택(3)

2. 각 부하모선에 대해 Q-V곡선 작성 각 53개의 345kV이상 모선에 대해 Q-V곡선을 작성

3. 무효전력한계 발전기 선정(1)

3. 무효전력한계 발전기 선정(2)

3. 무효전력한계 발전기 선정(3)

3. 무효전력한계 발전기 선정(4)

3. 무효전력한계 발전기 선정(5)

3. 무효전력한계 발전기 선정(5)

4. 독특한 무효전력 한계 발전기군 선정 ■ 음영 : 각 부하모선에 해당하는 한계발전기 모선 ■ 4~8지역은 각기 독특한 ■ 음영 : 각 부하모선에 해당하는 한계발전기 모선 ■ 4~8지역은 각기 독특한 무효전력한계 발전기군을 이루고 있음

5. 전압제어지역 설정(1) ■ 적색의 X표는 상정사고시(345kV 2회선,765kV 1회선), 발산되는 선로임. ■ 한전 계통계획 · 운영관점에서 ■ 송전선로 상정사고시 발산은 송전선로를 통한 무효전력 공급부족현상에 의한 전압불안정에 기인함. ■ 고장시 수렴되는 선로는 지역내의 원할한 무효전력 공급을 의미

5. 전압제어지역 설정(2) ■ VSSAD로 구한 4~8지역을 오른쪽 계통도에 점선으로 표시 ■ 154kV이상 환상망으로 인해 VSSAD에 의해 구분이 어려운 수도권 나머지 지역을 상정고장시 발산되는 선로로 구분.

5. 전압제어지역 설정(3)

전압제어지역 무효전력 예비력 해석 (1) ■ 총 17개의 전압제어지역간 연계선로를 무효전력 예비력 해석을 위한 상정사고로 선택 ■ 송전선로 상정사고 조건 - 765kV 송전선로 : 1회선 고장 - 345kV 송전선로 : 2회선 고장

전압제어지역 무효전력 예비력 해석 (2) ■ 전압제어지역 무효전력 예비력 해석을 통한 상정사고 선택시 사고 종류

상정사고 수렴시 지역별 무효전력 예비력 (1)

상정사고 수렴시 지역별 무효전력 예비력 (2) ■ 무효전력 예비력 감소 비율 1. 신안성-신서산 T/L 고장시 : 1지역 (92.7%), 2지역 (99.4%), 3지역(81.6%) ▶ 전압안정성 측면에서 수도권 지역에 큰 영향 2. 울진-신영주T/L 고장시 : 2지역 (78.9%), 3지역 (63.7%) 3. 나머지 T/L 고장시 : 무효전력 예비력에 큰 영향을 미치지 않음

상정사고 비수렴시 지역별 무효전력 예비력 (1)

상정사고 비수렴시 지역별 무효전력 예비력 (2) ■ 전제조건 - 각 발전기의 무효전력 상한값에 충분한 여유를 줌. ■ 무효전력 예비력 해석 1. 화성-아산 T/L 고장시 : 비수렴 ▶ Clogging instability 2. 양주-서인천,신인천-신시흥,의령-고령T/L 고장시 : 국부적인 무효전력 부족 ▶ 국부적 불안정 3. 나머지 T/L 고장시 : 하나 이상의 제어지역 영향 ▶ 계통 불안정

상정사고 비수렴시 지역별 무효전력 예비력 (3) ■ 계통 불안정 사고에 대한 부족 무효전력 및 보상지역

전압제어지역 기반의 전압안정도 평가

결 론 (1) ■ 2차 전압제어를 위한 전압제어지역 설정 세가지 방법 중 효과적인 방법 선택 ▶ VSSAD 결 론 (1) ■ 2차 전압제어를 위한 전압제어지역 설정 - 시험계통을 통해 전압제어지역을 설정하는 세가지 방법 중 효과적인 방법 선택 ▶ VSSAD - 2005년 한전 하계피크 계통에 적용 - 한전계통을 8개의 전압제어지역으로 구분

결 론 (2) ■ 전압제어지역 기반의 전압안정도 평가 각 지역의 무효전력 예비력 검토 결 론 (2) ■ 전압제어지역 기반의 전압안정도 평가 - 전압제어지역 결정 후, 각 지역의 무효전력 예비력 검토 - 각각의 상정사고에 대한 무효전력 측면에서 심각성 결정 (무효전력 보상요구지역, 무효전력 보상량 등)

결 론 (3) ■ 향후 연구방향 모선 선정 - 지역별 참여발전기의 무효전력 공급량과 전압조정비율 결정 결 론 (3) ■ 향후 연구방향 - 전압제어지역의 전압특성을 대표하는 대표(pilot) 모선 선정 - 지역별 참여발전기의 무효전력 공급량과 전압조정비율 결정 - 제어기기 및 통신설비의 운영 및 설계