KR101200675B1 - 전력 계통의 위험도 평가 방법 - Google Patents

전력 계통의 위험도 평가 방법 Download PDF

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Abstract

계통 부하량 및 발전량의 변화, 그리고 외부 에너지원과의 연계에 따른 계통의 위험도 평가가 가능한 전력 계통의 위험도 평가 방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 계통의 위험도 평가 방법은 발전기에 의해 전력을 공급받는 적어도 하나의 전력기기를 포함하는 전력 계통의 위험도를 평가하는 방법이고, 상기 전력 계통의 상태에 따라 상기 전력기기에 전류를 전달하는 선로의 전기적 특성을 구하는 단계, 상기 선로에 흐르는 전류를 계산하는 단계, 상기 선로의 전기적 특성 및 전류에 종속되는 전류 위험 레벨을 계산하는 단계, 상기 전류 위험 레벨을 수치적인 값으로 지표화 하는 단계, 그리고 상기 지표화된 전류 위험 레벨을 이용하여 상기 전력 계통의 위험도를 평가하는 단계를 포함한다. 이와 같은 구성에 의하면, 정량화된 기준값 및 가식적인 지표를 제공하여 계통의 위험도를 보다 정확하고 쉽게 알 수 있다.

Description

전력 계통의 위험도 평가 방법{METHOD FOR EVALUATING RISK LEVEL OF POWER SYSTEM}
전력 계통의 위험도 평가 방법이 개시된다. 보다 자세하게는 계통 부하량 및 발전량의 변화, 그리고 외부 에너지원과의 연계에 따른 계통의 위험도 평가가 가능한 전력 계통의 위험도 평가 방법이 개시된다.
최근 신재생에너지 의무 할당제(RPS)와 같은 환경 규제에 발 맞추어 배전계통에 분산전원 형태로 연계되던 신재생에너지가 송전계통에 대규모로 연계되기 시작했다. 여기서 신재생에너지 의무 할당제란 정부가 산출량을 직접 규제하는 방식을 말한다. 즉, 에너지의 공급 및 판매 사업자에게 공급하는 에너지의 일정 비율을 신재생에너지로 공급 및 판매하도록 의무화 하는 제도를 말한다.
하지만, 이러한 대규모 신재생에너지가 계통에 유입될 경우, 송전계통 내 신재생에너지 도입이 기존의 송전 시스템에 미치는 영향과 기존 계통에 연계할 신재생에너지의 부정적 영향을 완화하기 위한 시스템 강화 요소 분석이 선행되어야 한다.
그러나, 현재 특히 국내에서는 신재생에너지의 송전계통 기준 조차 모호한 상태이다. 그리고, 신규 대규모 신재생에너지가 기존 송전계통에 연계될 경우 계통의 업그레이드 문제 등 여러 가지 문제들이 발생할 수 있다.
이와 같은 이유로, 대규모 신재생에너지의 송전계통 연계 시 전력 조류, 동적 안정도, 계통 보호 필요조건, 변전소, 송전 선로 등 다양한 각도에서 기존 계통에 미치는 영향을 분석할 필요가 있다.
뿐만 아니라, 신재생에너지의 출력 특성이 기존의 연료(coal-based) 발전과 비교해 간헐적인 출력 특성을 지니고 있으므로 정상 계통 상태 및 상정사고에 의한 계통 고장 분석 또한 기존과는 다른 방식으로 고려되어야 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 계통 상태에 따른 위험도 여부를 평가하는데 있어서, 설비의 허용범위를 기준으로 평가된 수치가 얼마나 근접했는지를 지수 함수의 형태로 표현하는 전력 계통의 위험도 평가 방법이 제공된다.
또한, 정량화된 기준값 및 가식적인 지표를 제공하여 계통의 위험도를 보다 정확하고 쉽게 알 수 있는 전력 계통의 위험도 평가 방법이 제공된다.
또한, 평가 항목에 대하여 ‘1’ 이라는 기준값을 제공하여 기준값에 근접하거나 기준값을 초과하는 경우 계통이 위험 상태에 있음을 표현할 수 있는 전력 계통의 위험도 평가 방법이 제공된다.
또한, 내/외부의 요인이 계통 설비의 상태에 미치는 영향을 위험도 레벨을 통하여 지표화할 수 있는 전력 계통의 위험도 평가 방법이 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전력 계통의 위험도 평가 방법은 발전기에 의해 전력을 공급받는 적어도 하나의 전력기기를 포함하는 전력 계통의 위험도를 평가하는 방법이고, 상기 전력 계통의 상태에 따라 상기 전력기기에 전류를 전달하는 선로의 전기적 특성을 구하는 단계, 상기 선로에 흐르는 전류를 계산하는 단계, 상기 선로의 전기적 특성 및 전류에 종속되는 전류 위험 레벨을 계산하는 단계, 상기 전류 위험 레벨을 수치적인 값으로 지표화 하는 단계, 그리고 상기 지표화된 전류 위험 레벨을 이용하여 상기 전력 계통의 위험도를 평가하는 단계를 포함한다.
일측에 따르면, 상기 전류 위험 레벨은 상기 전류의 변화에 따른 지수 함수의 형태로 표현될 수 있다.
일측에 따르면, 상기 선로의 전기적 특성을 구하는 단계는, 상기 전력 계통이 정상 상태인 경우에는 상기 전기적 특성으로 상기 선로의 정격 전류를 사용하고, 상기 전력 계통이 고장 상태인 경우에는 상기 전기적 특성으로 상기 선로의 단락 회로 허용전류를 사용할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 전류를 계산하는 단계는, 상기 전력 계통의 상태 또는 고장원인 중 적어도 하나를 고려하여 계산을 수행할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 전력 계통의 위험도를 평가하는 단계는 상기 전류 위험 레벨을 기준값인 1과 비교하여 계통의 위험도를 평가할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 전류 위험 레벨을 유발한 선로의 정보를 지표화 하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전력 계통의 위험도 평가 방법은 상기 전력 계통의 상태를 판단하는 단계, 상기 전력기기에 전류를 전달하는 선로의 전기적 특성 및 상기 선로를 흐르는 전류에 종속되는 전류 위험 레벨을 계산하는 단계, 상기 전력기기의 전압 변동 허용 범위를 고려하여 전압 위험 레벨을 계산하는 단계, 상기 전류 위험 레벨 및 전압 위험 레벨을 수치적인 값으로 지표화 하는 단계, 그리고 상기 지표화된 전류 위험 레벨 및 전압 위험 레벨을 이용하여 상기 전력 계통의 위험도를 평가하는 단계를 포함한다.
일측에 따르면, 상기 전압 위험 레벨을 계산하는 단계는, 상기 전력기기의 전압유지범위를 구하는 단계, 상기 전력기기에 인가된 인가전압과 상기 전력기기의 허용 가능한 기준전압과의 차이를 구하는 단계, 그리고 상기 전압유지범위 및 상기 인가전압과 기준전압의 차이를 통해 상기 전력기기의 전압 위험 레벨을 구하는 단계를 포함할 수 있다.
일측에 따르면 상기 전류 위험 레벨 및 전압 위험 레벨은 각각 상기 전류의 변화 및 상기 인가전압과 기준전압의 차이의 변화에 따른 지수 함수의 형태로 표현될 수 있다.
일측에 따르면, 상기 전류 위험 레벨과 전압 위험 레벨은 x-y 좌표상에서 y축 대칭인 형태를 갖도록 지수 함수화 될 수 있다.
일측에 따르면, 상기 전류 위험 레벨 및 전압 위험 레벨을 계산하는 단계는 기 설정된 발전량을 갖는 외부 에너지원이 상기 전력 계통에 미치는 영향을 고려하여 계산을 수행할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 전류 위험 레벨 또는 전압 위험 레벨을 이용하여 시간의 변화에 따른 각 설비별 전류 변화율 또는 전압 변화율을 구하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 계통 상태에 따른 위험도 여부를 평가하는데 있어서, 설비의 허용범위를 기준으로 평가된 수치가 얼마나 근접했는지를 지수 함수의 형태로 표현할 수 있다.
또한, 정량화된 기준값 및 가식적인 지표를 제공하여 계통의 위험도를 보다 정확하고 쉽게 알 수 있다.
또한, 평가 항목에 대하여 ‘1’ 이라는 기준값을 제공하여 기준값에 근접하거나 기준값을 초과하는 경우 계통이 위험 상태에 있음을 표현할 수 있다.
또한, 내/외부의 요인이 계통 설비의 상태에 미치는 영향을 위험도 레벨을 통하여 지표화 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 계통의 위험도 평가 방법의 흐름을 개략적으로 도시한 흐름도,
도 2는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전력 계통의 위험도 평가 방법의 흐름을 개략적으로 도시한 흐름도,
도 3은 전류 위험 레벨의 그래프를 도시한 도면,
도 4는 버스를 예로 든 전력기기의 송전 계통을 계략적으로 도시한 도면,
도 5는 기준 연도를 시작으로 6년간 정상 상태인 전력 계통의 선로별 전류 위험 레벨을 나타낸 도면,
도 6은 기준 연도를 시작으로 6년간 고장 상태인 전력 계통의 선로별 전류 위험 레벨을 나타낸 도면,
도 7은 기준 연도를 시작으로 6년간 정상 상태인 전력 계통에서 전력기기별 전압 위험 레벨을 나타낸 도면,
도 8은 기준 연도 대비 6년 후부터 6년간 신재생 에너지가 연계된 정상 상태인 전력 계통의 선로별 전류 위험 레벨을 나타낸 도면,
도 9는 기준 연도 대비 6년 후부터 6년간 신재생 에너지가 연계된 정상 상태인 전력 계통의 전력기기별 전압 위험 레벨을 나타낸 도면,
도 10은 정상 상태인 전력 계통에 신재생 에너지가 연계되기 전과 후의 전압 위험 레벨을 비교한 도면,
도 11은 기준 연도 대비 6년 후부터 6년간 신재생 에너지가 연계된 고장 상태인 전력 계통의 설비별 전류 및 전압 위험 레벨을 나타낸 도면,
도 12는 고장 상태인 전력 계통에 신재생 에너지가 연계되기 전과 후의 설비별 위험 레벨을 비교한 도면, 그리고,
도 13은 본 실시예에서 상정한 모든 조사 시점에 대해 계통 고장 발생 시 설비별 위험 레벨을 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전력 계통의 위험도 평가 방법은 정량화된 기준값 및 가식적인 지표를 통해 전력 계통의 위험도를 보다 효과적으로 알 수 있게 한 방법이다. 이러한 평가 방법은 본래의 계통 설비 상태의 위험도뿐만 아니라, 내/외부 적으로 새로운 에너지원 또는 전력원 등이 기존 계통 설비에 미치는 영향을 가식적으로 지표화 할 수 있다.
보다 자세한 설명을 위해 도 1 및 도 2를 제시한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 계통의 위험도 평가 방법의 흐름을 개략적으로 도시한 흐름도이고, 도 2는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전력 계통의 위험도 평가 방법의 흐름을 개략적으로 도시한 흐름도이다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 전력 계통의 위험도를 평가하기 위해서는 먼저 전력 계통의 상태를 분석하는 것이 바람직하다. 이러한 전력 계통의 상태는 정상상태 및 고장(상정사고)상태로 구분할 수 있다.
이러한 전력 계통의 상태를 판단하는데 있어서, 정상과 고장을 구분하는 결정론적 방법과 PRA(Probabilistic Risk Assessment)와 같은 확률론적 방법이 사용될 수 있다. 이하 실시예 에서는 정상과 고장을 구분하는 결정론적 방법을 사용하기로 한다. 이에 따른 수학식을 아래에 제시한다.
Figure 112010087990840-pat00001
수학식 1은 계통 상태별 분석을 위해 선정한 각 상태별 고장 원인을 나타낸다. 즉, n=0 일때는 전력 계통이 정상인 것을 나타내며, n=1 또는 n=2 일 경우에는 전력 계통이 고장(상정사고)인 것을 나타낸다. 즉, 계통이 고장상태인 경우에는 f번째 고장(상정사고)의 내용을 나타낸다.
이하 실시예 에서는 계통 설비의 상태를 고려하여 외부의 에너지원(예를 들어 신재생에너지)의 유입 전 후의 계통의 위험도 평가 방법이 예시된다.
적어도 하나의 설비 또는 전력기기를 포함하는 전력계통의 위험도를 평가하는 방법에는 전류를 이용하는 평가 및 전압을 이용하는 평가로 구분될 수 있다.
먼저, 전력계통의 전류 위험 레벨을 계산하는 방법을 설명한다. 전류 위험 레벨을 계산하기 위해서, 먼저 선로ij의 전기적 특성을 측정한다(S11). 이때 선로 ij라 하면, 전력기기i와 전력기기j 사이의 선로를 의미한다. 이러한 선로의 전기적 특성은 계통이 정상 상태의 경우에는 선로의 정격 전류를 나타내고, 계통이 고장 상태인 경우에는 단위 시간 동안 선로가 견뎌야 하는 단락 회로 허용전류를 나타낸다.
그리고, 선로의 전류를 계산한다(S12). 이때, 전류는 계통이 정상 상태에서의 선로에 흐르는 전류 및 계통이 고장 상태에서의 선로에 흐르는 전류 모두를 포함한다.
선로의 전기적 특성과 전류가 얻어지면, 이들을 이용하여 계통의 전류 위험 레벨을 계산한다(S13). 여기서, 선로의 전기적 특성의 측정, 전류의 계산, 전류 위험 레벨 계산(S11, S12, S13)은 순서에 상관 없이 동시적으로 이루어질 수 있다. 계통 상태별 f 번째 고장원인에 대한 설비의 전류 위험 레벨은 아래와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112010087990840-pat00002
여기서,
Figure 112010087990840-pat00003
는 시간 t에서 계통 상태 n일 때 f번째 고장원인에 의한 선로ij의 전류 위험 레벨을 나타낸다.
Figure 112010087990840-pat00004
는 시간 t에서 계통 상태 n일 때 f번째 고장원인에 의한 선로ij의 (고장)전류를 나타낸다.
Figure 112010087990840-pat00005
는 n=0인 정상상태에서는 선로의 정격 전류를, n=1, 2인 고장상태에서는 단위 시간 동안 선로가 견뎌야 하는 단락 회로 허용전류를 나타낸다.
수학식 2를 참고하면, 전류 위험 레벨은 선로ij의 전류의 변화에 따른 지수함수의 형태를 갖는다. 이러한 전류 위험 레벨의 그래프는 도 3에 도시된다. 따라서, 선로ij의 전류의 변화에 따라 변화하는 전류 위험 레벨 값이 1을 넘지 않는다면, 전력 계통은 위험하지 않고, 1을 초과하면 전력 계통은 위험하다는 것을 나타낸다. y축인 전류 위험 레벨이 1보다 작은 경우에는 그 변화가 크지 않으나, 1에 다가갈수록 그 변화율이 커진다. 결과적으로, 1 이라는 기준값과 전류 위험 레벨을 비교하여 계통의 위험도를 평가할 수 있는 것이다.
도 3의 도시와 같이 전류 위험 레벨이 1과 얼마나 가까운지가 정확한 수치 값으로 나오므로 계통의 상태를 정량화, 가시화 할 수 있는 것이다.
한편, 도 2를 참고하여, 전력계통의 전압 위험 레벨을 계산하는 방법을 설명한다. 이 경우, 전압 위험 레벨만을 통하여 전력 계통의 위험도를 평가할 수도 있고, 전류 위험 레벨의 계산을 함께 수행하여 전압 위험 레벨과 전류 위험 레벨을 모두 고려하여 전력 계통의 위험도를 평가할 수도 있다. 이때, 전류 위험 레벨을 구하기 위하여 선로의 전기적 특성을 측정하는 단계(S21), 선로의 전류를 계산하는 단계(S22), 전류 위험 레벨을 계산하는 단계(S23)는 앞에서 설명한 것과 동일하다.
전압 위험 레벨을 계산하는 과정에서는 전력기기의 전압 변동 허용 범위를 고려한다. 보다 자세하게는, 전력기기의 전압유지범위를 측정한다(S24). 그리고, 전력기기에 인가되는 인가전압과 전력기기의 허용 가능한 기준전압의 차이를 계산한다(S25). 이러한 계산은 순서에 구속되지 않고, 동시적으로 진행될 수 있다.
전압유지범위는 기준전압을 기준으로 상하한 범위값을 갖는다. 보다 자세한 설명을 위한 수학식을 아래에 제시한다.
Figure 112010087990840-pat00006
Figure 112010087990840-pat00007
여기서,
Figure 112010087990840-pat00008
는 계통 상태에 따라 전력기기i에 허용 가능한 기준 전압값을 나타낸다.
Figure 112010087990840-pat00009
는 시간 t에서 계통 상태가 n일 경우, 고장 f에 의해 전력기기i에 인가되는 전압을 나타낸다. 따라서, 수학식 4는 인가전압과 기준전압의 차이를 나타낸다. 그리고,
Figure 112010087990840-pat00010
는 시간 t에서 전력기기i의 전압유지범위를 나타내고, 이는 기준 전압값을 기준으로 상하한 범위값을 가지며 이를 각각
Figure 112010087990840-pat00011
및
Figure 112010087990840-pat00012
로 표현한다.
위의 내용을 바탕으로 계통 상태별 f번째 고장원인에 따른 각 전력기기의 전압 위험 레벨은 아래와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112010087990840-pat00013
이때,
Figure 112010087990840-pat00014
는 전압 위험 레벨을 나타낸다. 수학식 5와 수학식 2를 비교하면, 전압 위험 레벨은 전류 위험 레벨과 y축 대칭인 형태를 갖는다.
이렇게, 전류 위험 레벨 및 전압 위험 레벨이 계산되면, 수치적으로 계산된 이러한 위험 레벨을 지표화 한다. 즉, 전류 위험 레벨만을 사용하는 경우에는 각각의 경우에 의해 계산된 전류 위험 레벨 값을 지표화하고(S14), 전류 위험 레벨과 전압 위험 레벨이 같이 사용된 경우에는 이들의 값을 같이 지표화(S27)한다.
이러한 지표화 과정을 통해, 계통의 전류 및 전압의 변화를 측정하여 각 시점에 따른 계통 설비의 위험도 및 그 변화를 판별할 수 있다. 이러한 전류 및 전압의 변화는 외부의 에너지 유입에 의해 달라질 수 있고, 따라서, 신재생에너지로 예시하는 외부 에너지 유입량의 변화가 설비에 미치는 영향 또한 평가할 수 있다.
각 설비별 전류, 전압 등에 대한 위험 레벨 값은 상정한 모든 고정원인 중 설비에 미치는 영향이 가장 큰 경우의 위험 레벨 값으로 나타낸다. 따라서, 각각의 전류 위험 레벨 및 전압 위험 레벨은 다음과 같이 표현이 가능하다.
Figure 112010087990840-pat00015
이때 수학식 6은 각각 선로ij의 전류 위험 레벨과 전력기기i의 전압 위험 레벨을 나타낸다. 또한, 앞에서 언급한 것처럼, 각각의 위험 레벨이 기준치 1을 넘어서는 설비는 위험한 상태에 있는 설비로 정의할 수 있다.
한편, 각각의 위험 레벨별로 가장 취약한 상태를 유발하는 상정사고의 원인은 다음과 같은 식으로 표현할 수 있다.
Figure 112010087990840-pat00016
따라서, 수학식 7을 통해 설비별 위험 레벨 및 그 때의 고장원인을 산정할 수 있다. 즉, 일측에 따르면, 전류 위험 레벨 또는 전압 위험 레벨을 유발한 설비(선로 또는 전력기기)의 정보를 지표화 하는 단계를 더 포함할 수 있다.
한편, 계통의 상태 변화는 여러 가지 방법이 사용될 수 있으나 아래 식과 같이 GDP에 의한 미래의 수요량을 산출하는 방식을 적용하는 것으로 예시한다.
Figure 112010087990840-pat00017
여기서 L(t)는 t 시점에서 부하 예측량이고, r은 연간 수요증가율을 나타낸다.
각 시점에서의 부하량 변화에 따른 발전기(g)의 출력은 다음과 같은 2차 발전 비용 함수를 통해 산출하는 것으로 예시한다.
Figure 112010087990840-pat00018
이때,
Figure 112010087990840-pat00019
는 발전기(g)의 발전비용함수 계수이다. 이러한 발전 비용 함수를 이용하여 정해진 발전기별 발전량에 따라 전력 조류 계산을 수행한다. 이때, 전력 조류를 계산하는 방법으로 다양한 방법이 사용될 수 있으나, 시간적 제약 없이 정확한 결과를 획득할 수 있는 Newton-Raphson 기법을 사용하는 것으로 예시한다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 전류 및 전압 위험 레벨을 사용할 경우, 각 시점에서 부하량 및 발전기별 발전량의 변화, 그리고 신재생 에너지 연계에 따른 전류 및 전압의 변화율을 파악하는 것은 계통 상태 변화에 따른 설비의 위험도를 평가하는데 중요한 요소이다. 이때, 정상상태 또는 각 고장원인에 따라 설비의 위험 레벨의 변화는 아래와 같은 식으로 나타낼 수 있다.
Figure 112010087990840-pat00020
수학식 10은 t시점과 t 이전 시점(
Figure 112010087990840-pat00021
)에서 f번째 고장원인에 의한 선로ij의 전류 변화율과 전력기기i의 전압 변화율을 나타낸다. 이러한 결과를 시점의 변화에 따른 각 설비별 전류와 전압 변화율에 대해서 나타내면 아래와 같다.
Figure 112010087990840-pat00022
결국, 전류 위험 레벨 또는 전압 위험 레벨을 이용하여 시간의 변화에 따른 각 설비별 전류 변화율 또는 전압 변화율을 구할 수 있는 것이다.
위에서 설명한 전류 위험 레벨, 전압 위험 레벨, 계통의 상태변화 등을 고려하여 전력 계통의 위험도를 평가한다(S15, S28). 이하에서는 버스로 예시되는 전력기기를 포함하는 전력 계통의 위험도를 평가하는 일 실시예를 설명한다.
도 4는 버스를 예로 든 전력기기의 송전 계통을 계략적으로 도시한 도면이다.
도 4를 참고하면, 전력기기의 송전 계통은 총 5대의 버스와 5개의 선로의 설비로 구성된다. 제 1 버스(6)는 외부 송전 계통(6a)과 연계되어 있다. 제 2 버스(7)는 제 1 버스(6)와 제 1 선로(1) 및 제 2 선로(2)로 연결된다. 제 2 버스(7)는 제 3 버스(8), 제 4 버스(9), 그리고 제 5 버스(10)와 각각 제 3 선로(3), 제 4 선로(4), 그리고 제 5 선로(5)로 연결된다. 제 3 버스(8)는 제 1 발전기(8a)와 연계되고, 제 4 버스(9)는 제 2 발전기(9a)와 연계된다. 그리고 제 3 버스에는 선택적으로 신재생 에너지(8b)와 연계된다. 제 5 버스(10)에는 부하(10a)가 연계된다.
각 발전기별 데이터와 버스별 계통 기준값은 아래 표와 같다.
Figure 112010087990840-pat00023
Figure 112010087990840-pat00024
한편, 제 1 선로 내지 제 5 선로(1, 2, 3, 4, 5)는 정상 상태(n=0)에서 3012A, 고장 상태(n=1)에서 70000A의
Figure 112010087990840-pat00025
를 갖는 것으로 예시한다. 그리고, 부하의 예측에 있어서, 앞에서 언급한 것처럼 GDP를 고려한 추정법을 사용하고, 이에 따라 부하량은 매년 2.9%씩 증가한다고 가정한다. 이를 반영한 시점별 부하량은 아래 표와 같다.
Figure 112010087990840-pat00026
한편, 고장(상정사고)은 선로의 3상 단락 고장으로 가정한다.
먼저 신재생 에너지(8b)가 제 3 버스(8)에 연계되기 이전 시점의 계통 상태의 위험도를 평가한다. 이 경우 기준 연도(
Figure 112010087990840-pat00027
)를 시작으로
Figure 112010087990840-pat00028
,
Figure 112010087990840-pat00029
에 대한 각각의 위험도를 평가한다. 이 경우 표 3과 같이 기준연도에 제 5 버스(10)에 연계된 부하량은 220MW, 55MVar로 상정한다.
도 5는 기준 연도를 시작으로 6년간 정상 상태인 전력 계통의 선로별 전류 위험 레벨을 나타낸 도면이다. 도 6은 기준 연도를 시작으로 6년간 고장 상태인 전력 계통의 선로별 전류 위험 레벨을 나타낸 도면이다.
도 5를 참고하면, 설비(제 1 선로 내지 제 5 선로)의 전류 위험 레벨은 대체로 0.001보다 작은 안정된 상태를 보인다. 그리고, 도 6을 참고하면, 계통에 고장이 발생한 경우, 제 1 선로 및 제 2 선로(1, 2)의 전류 위험 레벨은 0.45보다 작은 값을 가지면서 비교적 안정된 범위에서 계통이 운영되고 있는 것을 알 수 있다.
한편, 계통이 고장인 경우에, 제 3 선로 내지 제 5 선로(3, 4, 5) 설비의 전류 위험 레벨은 계통의 고장에 따라 설비에 흐르는 고장 전류가 단락 회로 허용전류에 비하여 상대적으로 미비함으로 인해 매우 작은 값을 나타내는 것을 볼 수 있다.
도 7은 기준 연도를 시작으로 6년간 정상 상태인 전력 계통에서 전력기기별 전압 위험 레벨을 나타낸 도면이다.
도 7을 참고하면, 설비(제 1 버스 내지 제 5 버스)의 전압 위험 레벨은 대체로 0.6보다 작은 값을 가지면서 안정된 상태를 보인다. 다만, 이 경우 제 1 버스(6)가 가장 높은 전압 위험 레벨을 갖는다. 제 1 버스(6)에 대한 PSS/E(Power System Simulator for Engineering)를 시행한 결과, 인가 전압값은 358.904kV를 갖는다. 따라서, 제 1 버스(6)의 경우 기준전압은 345kV이고
Figure 112010087990840-pat00030
는 17kV이므로 전압 위험 레벨을 산정하면 0.597의 값이 계산된다. 이는 비교적 높은 수치이지만, 1보다 작은 값에 해당하여 계통은 안정하다는 것을 알 수 있다.
그러나 계통이 고장 상태인 경우에는 전압 위험 레벨이 위험 수치만큼 올라간다. 전력 계통이 고장 상태인 경우의 시간별 전력기기의 인가전압, 전압 위험 레벨, 사고의 원인이 되는 선로를 표로 정리하면 아래와 같다.
Figure 112010087990840-pat00031
표 4를 참고하면, 제 1 버스(6) 및 제 2 버스(7)의 경우에는 전압 위험 레벨이 0.7을 넘는 비교적 높은 수치를 유지한다. 또한, 제 3 버스(8) 및 제 4 버스(9)의 경우에는 전압 위험 레벨이 기준 수치인 1을 상회하는 값을 갖는다. 즉, 계통이 안정하지 않다는 것을 보여준다.
위에서 살펴본 바와 같이 전류 위험 레벨 및 전압 위험 레벨을 수치화 하여 지표화 하는 방법을 통하여, 가시적으로 계통의 위험 여부를 쉽게 알 수 있다. 그리고 기준값인 1과의 비교를 통하여 계통이 얼마나 안정한지 또는 얼마나 위험한지의 여부 또한 쉽게 알 수 있다.
다음으로 신재생 에너지(8b)가 제 3 버스(8)에 연계되었을 경우의 계통의 위험도를 평가한다. 이 경우 기준 연도 대비 6년 후인
Figure 112010087990840-pat00032
를 시작으로
Figure 112010087990840-pat00033
,
Figure 112010087990840-pat00034
에 대해서 각각의 위험도를 평가한다.
한편, 신재생 에너지(8b)의 경우 발전량이 날씨 등의 외부 요인에 영향을 받아 간헐적인 출력 특성을 보인다. 하지만, 새롭게 연계된 신재생 에너지(8b)를 제외한 기존 발전기 및 외부 계통의 발전량이 현재 계통 부하에 대한 적정성을 유지하고 있다고 가정할 경우, 계통 계획 측면에서 신규 신재생 에너지(8b)의 영향을 파악하기 위해서는 최대 출력을 기준으로 상정하는 것이 바람직하다. 따라서, 연계된 신재생 에너지(8b)의 각 시점에서의 발전량은 10MW로 고정되게 설정한다.
도 8은 기준 연도 대비 6년 후부터 6년간 신재생 에너지가 연계된 정상 상태인 전력 계통의 선로별 전류 위험 레벨을 나타낸 도면이다. 그리고 도 9는 기준 연도 대비 6년 후부터 6년간 신재생 에너지가 연계된 정상 상태인 전력 계통의 전력기기별 전압 위험 레벨을 나타낸 도면이다.
도 8을 참고하면, 신재생 에너지(8b)에 의해 부하량이 단계적으로 증가하면서 선로에 유입되는 전류의 양도 점차 증가하지만, 정상 계통 상태에서의 전류 위험 레벨은 신재생 에너지(8b)가 연계되기 전과 마찬가지로 안정된 값을 갖는다.
그러나, 도 9를 참고하면, 신재생 에너지(8b)가 연계되기 시작한 시점부터 정상 계통 상태에서도 제 1 버스(6)의 전압 위험 레벨은 위험한 상태임을 확인할 수 있다. 신재생 에너지(8b)가 전압 위험 레벨에 미치는 영향을 좀더 구체적으로 알아보기 위하여 기준 시점으로부터 6년이 지난 시점에서 신재생 에너지(8b)의 연계 전/후의 정상 계통 상태의 전압 위험 레벨을 도 10에 도시한다.
도 10을 참고하면, 계통의 부하량이 시점에 따라 지속적으로 증가하더라도 신재생 에너지(8b)가 제 3 버스(8)에 연계되기 이전에는 전압 위험 레벨이 0.6을 밑도는 비교적 안정적인 상태에 있음을 알 수 있다. 그러나 신재생 에너지(8b)가 계통에 연계되어 첨두부하시 10MW의 출력을 낸다고 가정할 경우, 전압 위험 레벨은 모든 조사 설비에서 높아진다. 특히 제 1 버스(6)의 경우 전압 위험 레벨이 1보다 큰 바, 위험한 수준에 놓이게 됨을 알 수 있다.
수학식 11을 참고하여 신재생 에너지(8b)가 연계된 시점에서의 제 1 버스(6)의 전압 변화율은 0.1928 임을 알 수 있다. 이러한 결과를 통하여 제 1 버스(6)가 상대적으로 다른 설비 보다 신재생 에너지(8b)의 연계에 의한 영향이 크다는 것을 알 수 있다.
도 11은 기준 연도 대비 6년 후부터 6년간 신재생 에너지가 연계된 고장 상태인 전력 계통의 설비별 전류 및 전압 위험 레벨을 나타낸 도면이다. 이 경우, 제 1 선로 내지 제 5 선로(1, 2, 3, 4, 5)의 경우 전류 위험 레벨을, 제 1 버스 내지 제 5 버스(6, 7, 8, 9, 10)의 경우 전압 위험 레벨을 나타낸다. 그리고, 도 11의 색칠된 부분은 전류 위험 레벨 및 전압 위험 레벨이 기준값 1보다 작은 영역이다.
고장 전류 위험 레벨의 경우, 신재생 에너지(8b)가 연계된 시점에서는 0.5 이하의 안정된 값을 유지한다. 그러나 시간이 흐르면서, 특히 제 1 선로(1) 및 제 2 선로(2)의 경우에는 급격히 위험 상태로 돌입하는 것을 알 수 있다.
전압 위험 레벨의 경우, 신재생 에너지(8b)의 연계 시점부터 제 5 버스(10)를 제외한 모든 설비가 위험한 상태에 노출되는 것을 확인할 수 있다.
도 12는 신재생 에너지(8b)가 고장 계통의 위험 레벨에 미치는 영향을 좀더 구체적으로 알아보기 위하여 기준 시점으로부터 6년이 지난 시점에서 신재생 에너지(8b)의 연계 전/후의 고장 계통 상태의 설비별 위험 레벨을 나타낸 도면이다. 도 12의 색칠된 부분 또한 도 11과 마찬가지로 전류 위험 레벨 및 전압 위험 레벨이 기준값 1보다 작은 영역이다.
제 1 선로 내지 제 5 선로(1, 2, 3, 4, 5)의 경우 신재생 에너지(8b)의 연계에 따른 고장 전류 위험 레벨의 변화가 크지 않다. 그리고 그 값 또한 안정된 상태에 있음을 알 수 있다. 그러나 제 1 버스 내지 제 5 버스(6, 7, 8, 9, 10)의 경우, 신재생 에너지(8b)의 연계는 전압 위험 레벨에 큰 변화를 초래한다. 이로 인해 제 1 버스(6) 및 제 2 버스(7)는 신재생 에너지(8b) 연계 전에 비하여 계통 전압 관점에서 위험한 상태에 돌입하는 것을 알 수 있다.
도 13은 본 실시예에서 상정한 모든 조사 시점에 대해 계통 고장 발생 시 설비별 위험 레벨을 나타낸 도면이다. 이 경우, 전력 계통이 고장인 경우 각각의 설비별 위험 레벨을 지표화 하여 그래프로 표현한 것이다.
제 1 선로 내지 제 5 선로(1, 2, 3, 4, 5)를 통해 고장 전류 위험 레벨을 알 수 있다. 제 1 발전기(8a)와 제 2 발전기(9a)의 최대 유효전력 발전량의 합은 274MW이고, 무효전력 발전량의 합은 106.12MVar이다. 그러나 표3을 참고하면, 기준 시점으로부터 6년이 지난 시점에서의 총 수요량이 261.165MW, 65.291MVar 이므로 두 발전기는 한계 발전에 가까운 운영을 하고 있다고 할 수 있다. 따라서, 기준 시점으로부터 9년, 12년이 지난 시점에서는 제 1 버스(6)를 통해 외부 송전 계통(6a)에서 유입되는 조류량이 증가함으로써 계통 고장 발생시 제 1 선로(1) 및 제 2 선로(2)의 고장 전류 위험 레벨이 급격히 증가하는 것을 확인할 수 있다.
반면에, 제 3 내지 제 5 선로(3, 4, 5)의 경우 모든 시점에서 고장 전류 위험 레벨이 안정된 상태를 보이는 것을 확인할 수 있다.
한편, 제 1 버스 내지 제 5 버스(6, 7, 8, 9, 10)를 통해 설비의 전압 위험 레벨을 확인할 수 있다. 이 경우 모든 설비에 대해서 신재생 에너지(8b)가 연계되는 기준 시점으로부터 6년이 되는 시점에서 전압 위험 레벨은 급격히 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이는 제 3 버스(8)를 통해 기존 발전기를 통한 발전량 이외에 10MW 만큼의 계통 내 전력 유입량이 증가하기 때문이다.
위에서 설명한 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 계통의 위험도 평가 방법은 전력 계통의 위험도를 계통의 정상상태 또는 고장상태에 따라 설비별로 전류 및 전압 위험 레벨로 나타낼 수 있다. 이러한 위험 레벨은 일정 수치로 수치화되고, 여러 상황에 따른 수치들의 지표화를 통하여 계통의 위험 정도를 쉽게 알 수 있다. 또한, 지표화하는 경우에 1 이라는 기준값을 두어 계통의 위험 정도를 쉽게 판단할 수 있다. 뿐만 아니라, 위험 레벨의 관점에서 각 시점별 부하량에 따른 각 발전기별 발전량 및 계통 전력 유입량의 변화가 설비에 미치는 영향을 평가할 수 있다. 그리고 신재생 에너지로 예시되는 외부 에너지원이 계통에 미치는 영향 또한 쉽게 알 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
1: 제 1 선로 2: 제 2 선로
3: 제 3 선로 4: 제 4 선로
5: 제 5 선로 6: 제 1 버스
7: 제 2 버스 8: 제 3 버스
8a: 제 1 발전기 8b: 신재생 에너지
9: 제 4 버스 9a: 제 2 발전기
10: 제 5 버스

Claims (14)

  1. 발전기에 의해 전력을 공급받는 적어도 하나의 전력기기를 포함하는 전력 계통의 위험도를 평가하는 방법에 있어서,
    상기 전력 계통의 상태에 따라 상기 전력기기에 전류를 전달하는 선로의 전기적 특성을 구하는 단계
    상기 선로에 흐르는 전류를 계산하는 단계;
    상기 선로의 전기적 특성 및 전류에 종속되는 전류 위험 레벨을 계산하는 단계;
    상기 전류 위험 레벨을 수치적인 값으로 지표화 하는 단계; 및
    상기 지표화된 전류 위험 레벨을 이용하여 상기 전력 계통의 위험도를 평가하는 단계;
    를 포함하며,
    상기 전류를 계산하는 단계는, 상기 전력 계통의 상태 또는 고장원인 중 적어도 하나를 고려하여 계산을 수행하는 전력 계통의 위험도 평가 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전류 위험 레벨은 상기 전류의 변화에 따른 지수 함수의 형태로 표현되는 전력 계통의 위험도 평가 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 선로의 전기적 특성을 구하는 단계는, 상기 전력 계통이 정상 상태인 경우에는 상기 전기적 특성으로 상기 선로의 정격 전류를 사용하고, 상기 전력 계통이 고장 상태인 경우에는 상기 전기적 특성으로 상기 선로의 단락 회로 허용전류를 사용하는 전력 계통의 위험도 평가 방법.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전력 계통의 위험도를 평가하는 단계는 상기 전류 위험 레벨을 기준값인 1과 비교하여 계통의 위험도를 평가하는 전력 계통의 위험도 평가 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전류 위험 레벨을 유발한 선로의 정보를 지표화 하는 단계를 더 포함하는 전력 계통의 위험도 평가 방법.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
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