2.2.1 선로 과부하 해소 방안

선로 과부하 해소 방안은 금악 ESS의 충·방전 제어를 통해 상정사고 시 과부하 기준을 초과하는 선로의 과부하 문제를 해소하는 방안이다. 상정사고 대상으로 제주계통의 154kV 전체 선로에 적용하며 상정사고는 N-1, N-2 사고를 고려한다. 이후 고장 시 선로 과부하를 검토하며 계통운영자는 과부하 기준을 설정할 수 있다. 금악 ESS의 충·방전 제어를 통해 해당 과부하를 해소하는 방안을 수립한다.

제어 결과는 금악 ESS의 운영 범위인 –50~5MW 내에서 계산되며, 과부하 해소에 필요한 제어량은 수식 (7)과 (8)에 의해 결정된다. 수식 (7)은 고장 시 ESS의 충·방전으로 인해 선로 조류가 변화하는 민감도를 나타내며, 수식 (8)은 민감도와 과부하 기준을 바탕으로 필요한 충·방전량을 산출한다.

$OTDF_{m}^{i-j}$은 고장 시 ESS 충·방전에 따른 선로 조류의 변화 민감도, $m$은 상정된 고장의 고장 번호, $i-j$는 조류 변화가 발생하는 선로, $UL_{1}$은 과부하 제어량, $TL_{"\cap "}$는 선로 용량, $F_{i-j}^{post}$는 ESS 제어 시 조류, $F_{i-j}^{pre}$는 초기 선로 조류를 나타낸다.

그림 2. 선로 과부하 해소 방안 순서도

Fig. 2. Line Overload Mitigation Flowchart

그림 2는 선로 과부하 해소 방안에 대한 순서도를 나타낸다. 먼저 계통운영자가 Mode 1을 선택하여 선로 과부하 해소 모드를 활성화한다. 운영자는 사고 시나리오를 선택하고 과부하를 판단할 기준을 설정한다. 이 기준은 선로의 용량이나 안전 한계를 의미하며, 이 기준을 초과하면 과부하로 판단하게 된다.

선택된 상정사고 시나리오를 검토하고 이를 기반으로 선로의 과부하 상태를 계산한다. 과부하 계산 결과를 바탕으로 선로에 과부하가 발생했는지를 판단하며, 과부하가 발생했다고 판단되면 다음 단계로 진행하고, 발생하지 않았다고 판단되면 결과를 표시하는 단계로 이동한다.

Outage Transfer Distribution Factor (OTDF)를 계산하여 사고가 발생한 경우 전력 흐름이 어떻게 재분배될지를 분석한다^[8]. 이후 과부하를 해소하는 데 필요한 제어량을 계산한다. 금악 ESS 제어를 통해 선로의 과부하를 개선하며, ESS의 제어가 실제로 과부하를 얼마나 해소했는지 평가한다. 마지막으로 최종 결과를 운영자에게 표시한다.

2.2.2 선로 이용률 제어 방안

금악 ESS의 가용용량과 계통 상황을 고려하여, 상정사고 시 발생할 수 있는 과부하 위험을 선제적으로 관리하는 것이 중요하다. 이를 위해 선로 이용률 제어 방안을 제안한다. 수식 (9)를 통해 송전분배계수(PTDF)를 계산하여 금악 ESS 제어에 영향이 있는 선로를 선별하고 선로 이용률을 수식 (10)을 통해 계산한다^[9]. 금악 ESS 충·방전에 따른 선로 과부하 효과를 분석하기 위해 PTDF를 사용했으며, Source는 금악 ESS가 설치된 위치로, Sink는 각 개별 선로로 설정하였다.

$\Delta F_{i-j}$는 조류 변화량, $\Delta P_{m}$ 는 ESS의 출력 변화량을 의미한다.

이후 계통운영자에게 50MW 충전 및 5MW 방전에 대한 이용률 제어범위를 계산하여 보여준다. 운영자는 해당 범위 내에서 목표 이용률을 지정할 수 있으며 수식 (11)을 통해 목표 이용률에 필요한 제어량을 계산한다.

$UL_{1}$은 이용률 제어 값, $TL_{\cap }$는 선로 용량, $F_{i-j}^{pre}$는 초기 선로 조류를 나타낸다.

그림 3은 선로 이용률 제어 방안에 대한 순서도를 나타낸다. 계통운영자가 Mode 2를 선택하면 모든 선로에 대해 PTDF를 계산하여 0.1 보다 큰 선로를 대상으로 ESS 제어에 효과가 있는 선로를 선택한다. 이후 각각의 선로에 대해서 충·방전 제어 시 이용률 범위를 계산하고 계통운영자에게 출력한다. 계통운영자는 이를 바탕으로 목표 이용률을 설정하고 설정된 목표 제어량을 바탕으로 ESS 제어가 가능한지 여부를 판단한다. 제어가 가능하면 필요한 제어량을 계산하는 단계로 진행하고, 제어가 불가능하면 결과를 표시하는 단계로 이동한다.

그림 3. 선로 이용률 제어 방안 순서도

Fig. 3. Line Utilization Control Flowchart

2.2.3 재생e 지수 이용 제어 방안

재생e 지수(RE Index)는 시간대별 부하 패턴을 고려하여 재생e의 최대수용량 대비 현재 재생e의 발전 비율을 나타낸 것이다. 이 지수는 고장 후가 아닌 평상시 제어 모드이며, 이 지수를 기준으로 금악 ESS의 충·방전 제어를 실시하여 재생e 출력 비중을 효율적으로 관리하고자 한다. 재생e 지수 수식은 수식 (12)와 같다.

$P_{RE}$는 전체 재생 에너지의 발전량의 합, $P_{load}$는 전체 수요량, $P_{\mu st}$는 전력수요에 따른 발전기 최소운전량, $HVDC_{\min}$은 HVDC 최소 운전량, $HVDC_{re}$는 HVDC 역송량을 의미한다.

그림 4는 재생e 지수 이용 제어 방안의 순서도이다. Mode 3를 선택하면 계통운영자는 RE Index의 상하한 기준을 설정하며 ESS의 충·방전 제어량을 설정한다. 이후 제주계통의 계통 데이터를 수집하여 RE Index를 계산한다. 만약, RE Index가 상한 기준을 초과하면 ESS를 충전 제어를 시행하고 RE Index가 하한 기준보다 낮을 경우 ESS를 방전 제어를 시행한다. 이후 제어 가능 에너지와 제어 시간을 수식 (13~14)와 같이 계산한다. $SOC_{\min}$은 최적 운전 용량을 의미한다.

그림 4. 재생e 지수 이용 제어 방안 순서도

Fig. 4. RE Index-Based Control Flowchart

3.2.1 Mode 1 적용 결과

전력시장 운영규칙에 따르면 선로 과부하 기준은 선로 용량의 125%(정상상태) 및 150%(사고 시) 이다^[10]. 하지만 실제 제주계통 데이터를 적용하여 검토하면 해당 기준에 대해서 과부하가 발생하지 않는다. 따라서, 본 논문에서 금악 ESS의 충·방전 효과를 검증하기 위해 선로 과부하 기준을 40%로 변경하여 검토한다. 그림 6~7은 NTAs ESS 운영시스템의 Mode 1의 결과 화면이다.

표 2는 N-1, N-2 상정사고 상황에 따른 과부하 선로를 보여준다. N-1 상정사고 결과로 제주TP-동제주\#1 선로에서 발생한 고장으로 과부하가 발생한 선로는 제주TP-동제주\#2로, 사고 후 과부하율은 54.27%이다. 이를 해결하기 위해 5MW의 ESS 방전을 실시하였고, 그 결과 과부하율은 52.75%로 감소하였다. 과부하를 해소하기 위한 목표 제어량은 32.90MW이다. 신제주S-서제주CS 선로에서 발생한 고장에서 과부하가 발생한 선로는 신제주-서제주CS로, 사고 후 과부하율은 63.80%이며 50MW의 ESS 충전을 시행하였고, 그 결과 과부하율은 47.23%로 감소하였다. 과부하를 해소하기 위한 목표 제어량은 –71.74MW이다.

N-2 상정사고 결과로 안덕-금악CS, 서제주CS-제주 선로에서 발생한 고장으로 과부하가 발생한 선로는 동제주-신제주로, 사고 후 과부하율은 48.0%이다. 이를 해결하기 위해 5MW의 ESS 방전을 실시하였고, 그 결과 과부하율은 49.79%로 감소하였다. 과부하를 해소하기 위한 목표 제어량은 33.0MW이다. 제주화력-한라, 한림복합-한림 선로에서 발생한 고장에서 과부하가 발생한 선로는 안덕-제주로, 사고 후 과부하율은 63.50%이며 50MW의 ESS 충전을 시행하였고, 그 결과 과부하율은 51.31%로 감소하였다. 과부하를 해소하기 위한 목표 제어량은 –95.9MW이다.

그림 6. Mode 1 운영시스템 결과 화면

Fig. 6. Mode 1 Operating System Results screen

그림 7. Mode 1 운영시스템 옵션 화면

Fig. 7. Mode 1 Operating System Options Screen

3.2.2 Mode 2 적용 결과

표 3은 선로 이용률 제어의 결과로 PTDF와 최대 제어 시 이용률 범위를 나타낸다. 계통운영자는 해당 결과를 보고 제어선로를 선택하여 목표 이용률을 입력하게 되면 표 4와 같은 결과를 얻을 수 있다. 제주TP-동제주\#1 선로의 경우 기존 이용률이 28.5%이며 최대로 감소시킬 수 있는 이용률은 27.83%이다. 계통운영자가 28%까지 이용률을 감소시키고자 할 때 3.76MW의 방전 제어가 필요하다. 동제주-신제주 선로의 경우 기존 7.83%의 이용률로 최대 3.11%까지 제어가 가능하며, 목표 이용률을 4%로 지정했을 때 필요한 출력량은 23.52MW 충전이다. 그림 8~9는 NTAs ESS 운영시스템의 Mode 2의 결과 화면이다.

그림 8. Mode 2 운영시스템 결과 화면

Fig. 8. Mode 2 Operating System Results screen

그림 9. Mode 2 운영시스템 옵션 화면

Fig. 9. Mode 1 Operating System Options Screen

3.2.3 Mode 3 적용 결과

표 5는 재생e 지수 이용 제어의 결과이다. 데이터는 춘계기간 하루 동안의 데이터이며 아침, 점심, 저녁, 야간으로 구분하여 검토한다. RE Index의 상한 기준을 태양광 발전이 증가하는 시점을 기준으로 0.5를 적용하고 하한 기준은 태양광 발전이 시작되거나 끝나는 시점을 기준으로 0.2를 적용하였으며 방전량은 5MW, 충전량 50MW로 설정하였다.

RE Index가 0.5가 넘어가는 점심시간에는 충전 제어를 하며 0.2보다 낮아지는 아침과 야간시간에는 방전 제어를 시행한다. 기준범위 안에 위치하는 저녁 시간대에는 제어가 이루어지지 않는다. 그림 10~11은 NTAs ESS 운영시스템의 Mode 3의 결과 화면이다.

그림 10. Mode 3 운영시스템 결과 화면

Fig. 10. Mode 2 Operating System Results screen

그림 11. Mode 3 운영시스템 옵션 화면

Fig. 11. Mode 3 Operating System Options Screen