2.1 PMU 표준

PMU 관련 최초의 규격인 IEEE 1344-1995는 PMU 계측 및 데이터 전송에 대한 내용을 담고 있다. 이는 IEEE PES의 Power System Relaying Committee에서 보증, 재정한 IEEE Standard for Synchrophasors for Power Systems (IEEE Std 1344-1995(R2001))를 거쳐 IEEE Std C37.118-2005가 되었는데, PMU 계측에 대한 성능 요구사항 및 벡터오차 (TVE : Total Vector Error) 정의가 추가되었고 네트워크에 적용 가능한 통신방식을 제공함으로서 현재 사용되는 PMU 기본 개념이 정립되었다. 이는 2011년에 PMU Measurement인 IEEE Std C37.118-1-2011과 Data Transfer인 IEEE Std C37.118-2-2011로 분리되었다. IEEE Standards for Synchrophasor Measurements for Power Systems에는 PMU의 동기화된 페이저와 주파수의 계측 방법 및 계측 검증을 위한 요구사항에 관하여 정의되어 있고, IEEE Standards for Synchrophasor Data Transfer for Power Systems에는 실시간 통신에 적합한 통신 프로토콜, 사용되는 메시징 방법, 데이터 메시지 타입과 그 형식 및 통신 요구사항 등의 시간 동기화된 페이저 계측 데이터의 실시간 교환을 위한 방법에 대하여 정의되어 있다. 최근 PMU 관련 국제 표준은 IEEE Std C37.118.1a-2014을 거쳐 2018년 12월에 IEC/IEEE 60255-118-1-2018로 배포되었다^(4,13-15).

2.2 시각 동기페이저

시각 동기페이저는 서로 다른 위치에서 계측되고, 정밀한 Time tag 정보를 갖는 AC 전압 및 전류의 정상분 페이저를 말한다. 전력계통의 순시치 전압신호는 식(1)과 같이 시간축에 대하여 나타낼 수 있으며 복소수 형태를 갖는 실효치 페이저로 식(2)와 같이 나타낼 수 있다^(16,17).

여기서 $\overline{V}:$ 전압신호의 페이저, ${V}_{{r}}:$ 전압신호의 실수부, ${V}_{{r}}:$ 전압신호의 허수부이다.

실시간으로 측정된 교류 신호로부터 페이저를 계산하는 방법 중에서 가장 일반적인 DFT (Discrete Fourier Transform)는 주파수 분석에 기초한 직교변환으로서 식(3)과 같이 나타낼 수 있다.

여기서 ${k}=0,\:1,\:2,\:...{N}-1$,

$\quad$${W}_{{N}}={e}^{-j 2\pi{\dfrac{}{{N}}}}=\cos(\dfrac{2\pi}{{N}})-{j}\sin(\dfrac{2\pi}{{N}})$,

$\quad$${N}:$ 윈도우 크기,

$\quad$${k}:$ 고조파의 차수,

$\quad$${v}:$ 입력 전압신호,

$\quad$${V}_{{k}}:$ 고조파 차수 ${k}$의 DFT 출력신호이다.

정규 주파수가 60Hz일 때, 한 주기에 24번 샘플링한 경우 샘플링 주파수는 1440Hz가 되며, 전압 DFT의 실수부와 허수부는 식(4)와 같이 나타낼 수 있다.

$\alpha =e^{j\dfrac{2\pi}{3}}$인 경우, B상과 C상의 전압에서 $120^{^{\circ}}$와 $240^{^{\circ}}$로 위상의 이동을 규정할 경우 실수부와 허수부인 식(5)∼식(8)로 나타낼 수 있다.

그림 1은 DFT를 이용한 동기페이저 측정을 나타낸다. 그림 1과 같이 입력 전압신호의 ${n}-1$번째에서 이전의 ${N}$ 샘플값을 이용하여 DFT한 결과는 $\overline{v}[{n}-1]$이며 위상각은 $\theta_{1}$이고 ${n}$번째에서 DFT한 결과는 $\overline{v}[{n}]$이며 위상각은 $\theta_{2}$이 된다. 즉 DFT를 수행하는 시점을 기준으로 계산된 위상각을 가진 페이저가 계산되고 시간이 증가함에 따라 페이저는 반시계 방향으로 $\omega$의 각속도로 회전하게 된다.

PMU는 계통의 주요지점에 설치하여 3상 교류전압 및 전류의 동기페이저를 측정하여 상위시스템으로 전송하는 장치이다. PMU의 구조는 그림 2와 같이 CT 및 PT, LPF, A/D 변환기, GPS 수신기, 마이크로프로세서 및 네트워크 통신 모듈로 구성된다. PMU의 구조는 IED의 구조와 유사하나, IED와 다른 점은 PMU는 변전소의 모선 및 급전선으로부터 신호들을 수집하는 것과 이들은 GPS 수신기의 위상 맞춤 발신기 (Phase-locked Oscillator)에 따라 A/D 변환기가 동작되는 것이다.

2.3 동기페이저 데이터 전송

PMU의 메시지 Frame은 RS232와 같은 직렬통신과 Ethernet 등을 이용한 네트워크 통신을 이용하여 전달된다. 메시지는 Data Frame, Configuration Frame, Header Frame. Command Frame의 총 4가지로서 Command Frame은 수신 받는 메시지이고, 다른 세 종류의 메시지는 송신하는 메시지이다. Data는 PMU 장치에서 계측된 정보의 값이고, Configuration은 PMU 정보를 수신 받는 장치에서 PMU 정보 해석 시 필요한 기계적 정보이고, Header는 인간이 데이터 프레임을 읽기 편하도록 사용자에 의해 정보 제공하는 메시지이며, Command는 타 장치에서 제어 동작 또는 구성 정보 요청하는 메시지가 된다. 그림 3은 메시지 Frame의 구조를 나타낸다. 그림 3과 같이 Sync는 PMU Data Frame 종류 및 준수하는 표준의 버전 정보, Framesize는 PMU Data Frame의 길이, IDcode는 PMU 장치 ID, SOC는 Second count, Fracsec는 시간 품질과 함께 μs 단위의 페이저 측정 시간(Time of phasor measurement in μsecs with Time Quality), 그리고 CHK는 CRC-CCITT를 각각 나타낸다^(4,13-15).

3.1 모니터링을 위한 동기페이저 시스템

그림 4는 제안된 변전소의 재생에너지원 실시간 모니터링을 위한 동기페이저 시스템의 개념도를 나타낸다. 그림 4와 같이 154kV 횡계변전소의 8개소에 PMU와 154kV 영월변전소의 5개소에 PMU 및 PMU 기능이 있는 F/R을 설치한 후, 전력 데이터를 수집하고 감시, 분석을 위한 모니터링 시스템을 구축하였다. PMU와 F/R에서 계측한 동기페이저는 동기페이저 데이터 수집시스템 (PDC : Phasor Data Concentrator) 장비를 통해서 수집이 되므로 표준 프로토콜을 지원해야 하며 두 PMU 장치와 데이터 수집 서버 간 미들웨어 역할을 수행한다^(11,12,18).

154kV 변전소에 신재생 발전원 연계선로 감시를 위해 설치한 단일피더용 PMU, F/R 기반 PMU, PDC, 데이터 수집 및 저장서버 (FEP : Front End Processor) 하드웨어의 사양 및 기능은 각각, 표 1, 표 2, 표 3, 표 4와 같다.

3.2 PMU와 F/R 구축

그림 5는 구축한 PMU와 F/R의 일부를 나타낸다. 그림 5의 (a)는 154kV 영월변전소에 설치한 PMU #5∼#7 패널을 나타내고 그림 5의 (b)는 154kV 횡계변전소에 설치한 F/R #1, #2를 나타낸다. 이 PMU 및 PMU 기능이 있는 F/R, 데이터분석서버, PDC 및 재생에너지 모니터링 시스템은 강원본부 계통운영부에 구축하였다, 또한, 자체적으로 타임서버의 구축과 운영을 위하여 NTP (Network Time Protocol) 서비스 기능을 구비한 ARBITER SYSTEM의 1093B 모델을 서버 랙에 설치하였다^(11,12,18).

3.3 재생에너지원 모니터링

재생 발전원의 감시, 분석을 위한 HMI 소프트웨어는 PDC와 데이터수집 서버에서 가져온 데이터를 기반으로 사용자에게 다양한 전력상태정보를 그래픽 형태와 데이터를 제공하도록 구현하였다. 또한, 동기페이저 RAW 데이터와 전력연산처리와 함께 오프라인 분석을 위한 CSV (Comma-Separated Value) 형식의 파일저장기능을 구현하였다. 실시간 전력데이터, 과거데이터 분석을 통해서 전력계통 품질 위반사항 또는 분산전원계통연계기준 위반사항에 대한 정보를 로그로 남기는 이벤트 표시 요소에는 Time Stamp로 발생시간을 표시하고, 발생장치 ID를 통해서 해당설비명과 발생이벤트 종류를 표시하도록 하였다. 그림 6은 구축한 변전소의 재생에너지원 실시간 모니터링 시스템의 화면을 나타낸다. 그림 6과 같이 좌측에는 PMU 데이터 로그, 154kV 모선전압와 23kV 모선전압을 표기하도록 하였고, 하단에는 선택한 모선의 주파수, 전압크기와 위상과 이벤트 로그를 표기하도록 구현하였다. 강원풍력의 T/L(154kV 모선)의 부하 변동, 계통 연계, 계통 분리, T/L 보호계전기 동작시의 트렌드는 각각 그림 7, 그림 8, 그림 9, 그림 10과 같이 나타났다. 그림 7과 같이 횡계변전소의 강원풍력 T/L에서 부하변동시 전압은 약 2 주기후 109,037V가 강하되었으며 2 주기후 회복되었으며, 전류는 약 4주기 동안 약 190A에서 약 30A로 감소하였다. 그림 8과 같이 횡계변전소의 강원풍력 T/L에서 계통 연계시 전압과 주파수가 동기화되며, 계통의 전압과 주파수에 맞춰 영향을 주는 것을 알 수 있다. 그림 9와 같이 횡계변전소의 강원풍력 T/L에서 계통 분리 시 전류가 0A가 되며, 전력도 0W가 되는 것을 알 수 있다. 그림 10과 같이 강원풍력 T/L 보호계전기가 동작하는 순간 전압은 변함없고, 전류가 약 15A로 감소하였으며, 전력은 1,031kW로 감소한 것을 알 수 있었다.

변압기 탭 동작시의 횡계변전소와 영월변전소의 #2MTr 2차측의 트렌드는 각각 그림 11, 그림 12와 같이 나타났다. 그림 11과 같이 횡계변전소의 변압기 탭 동작시 A상은 약 4 주기후 182V, B상은 약 3 주기후 167V, C상은 약 4 주기후 158V가 강하되었다. 그림 12와 같이 영월변전소의 변압기 탭 동작시 3상전압은 4 주기후 131V, 139V, 133V가 강하하는 것을 알 수 있었다.