1. 서론

국내 계통은 발전공급지와 부하 수요지의 불균형으로 인한 구조적 문제점을 내포하고 있다. 대부분의 전력 수요는 수도권과 영남권에 집중되어 있으며, 충남 서해안 지역의 당진･태안･보령 화력발전단지, 동해안 지역의 울진 원자력 발전단지를 연계하는 초고압 송전선로를 통해 전력을 공급받고 있다. 특히, 대용량 발전단지가 밀집해 있는 서해안 지역의 발전단지에서 765kV 송전선로를 통해 전력을 수도권으로 인출 하고 있는데, 해당 송전선로에 고장이 발생하는 상황이 발생하면 발전 전력과 송전용량 간의 균형을 유지할 수 없게 된다. 이는 전력시스템의 과도 불안정을 야기 할 수 있으므로, 해당 고장 발생 시 일부 발전기를 차단하는 발전기 차단용 고장파급방지장치(Special Protection Scheme)를 설치하여 운영하고 있다^(1-3).

대규모 발전단지에 신규 대용량 발전기가 추가로 건설되고 있지만, 인근의 송전설비는 확충되지 못하는 상황은 발전기 SPS에서 요구되는 송전선로 고장 시 발전기 탈락 대수를 증가시키는 결과를 초래하여 전력 수급 불균형에 의한 계통 주파수의 하락으로 저주파수 계전기(Under Frequency Relay)가 동작하여 안정적인 전력공급의 지장을 초래할 수 있게 된다^(4-6). 따라서 국내 발전기 SPS의 운영에 있어서는 전력계통의 과도안정도 확보와 함께 과도상태에서의 주파수도 UFR의 동작 수준 이상으로 유지하기 위해 해당 발전단지 내 발전기들의 출력을 사전에 일정 수준 이하로 유지하는 발전제약을 적용해 오고 있으나 이는 결국 전력계통 운영의 효율성을 저하시키게 된다^(7,8). 이와 같이 심각한 고장 발생에 의해 시스템에 동기를 유지하지 못하게 되는 비상 상황이 발생 할 경우 적절한 대책을 강구하지 않으면 과도안정성이 크게 감소하게 된다. 일반적으로 과도안정성을 개선하기 위해서 발전기 탈락, 고속 밸브 작동, 신속한 고장 제거, 부하차단 등의 방법을 활용하고 있다. 해당 방안들 중에서 발전기 탈락 방안이 가장 효과적인 접근 방법으로 고려 될 수 있다^(9,10).

이에 본 논문에서는 발전기 위상각을 검토하여 심각한 고장 발생 시의 위험발전기군을 선정하여, 이를 기반으로 과도안정도 확보를 위한 발전기 탈락 방안을 제안한다. 대규모 발전단지 인출점의 초고압 송전선로 탈락 시 발전단지 연계점에서 발전 전력과 송전용량 간의 불균형을 발전기들의 기계적 입력과 전기적 출력간의 차이로 나타나는 운동(가속)에너지의 변화율과 해당 발전기들의 유효전력 변화율을 검토하여 탈락 발전기를 선정한다. 선정된 탈락 발전기를 적용한 과도안정도 해석을 위해 서해안 화력발전단지의 발전기들을 대상으로 사례연구를 수행하였다. 또한, 실제 한전 계통 데이터를 활용하여 제안 방안의 유효성을 검증한다.

2. 과도안정도 해석 기반 발전기 탈락 방안

과도안정도 해석은 계통에 사고가 발생 했을 경우 과도적인 상태에서의 전력-상차각 특성의 시간적인 요소를 고려하는 것을 의미한다. 정상 운전 상태에서는 발전기의 입력과 출력이 같으며 상차각은 송전전력과 계통 임피던스에 의해 정해진 값을 유지하면서 운전되지만, 송전선로에 고장이 발생하면 계통의 평형 상태가 깨어져 발전기의 입력과 출력의 차이에 비례해서 회전자가 가속 또는 감속하게 된다. 그 결과 운전상태는 변화가 일어나기 전의 평형상태로부터 변화 후의 새로운 평형상태로 이동하면서 안정하게 된다. 하지만, 실제 각각의 발전기는 관성을 가지고 있기 때문에 새로운 평형점으로 이동하는 순간 즉각적으로 해당 지점에서 안정화되지 않으며 일정시간 동안 평형점을 중심으로 상차각이 동요하게 된다. 이러한 상황에서 상차각의 크기가 과도 안정 극한 전력 이상의 불안정 범위를 벗어나게 되면 탈조가 발생하게 된다. 이에 과도안정도 평가를 위해 위험 발전기군을 선정해야 하는데 본 논문에서는 발전기 위상각 차이를 활용하는 방법을 적용한다^(11,12).

3. 사례연구

본 논문에서는 실제 한전 계통 데이터를 이용하여 사례연구를 수행하였으며, 제안한 방법의 유효성을 검증한다. 사례연구에 사용된 계통에서의 총 발전기 대수는 320여 기이며, 상정사고 시나리오는 신안성-신서산 765kV 선로 사고를 고려하였다.

먼저 시간 모의를 통해 사고 후의 발전기의 동요 곡선을 계산하여 위험 발전기 군을 결정하였다. 위험발전기 그룹 선정을 위한 시간 영역 모의 결과는 다음 그림과 같다.

위험발전기 군으로 선정된 발전기들을 살펴보면, 주로 충남지역의 당진, 태안, 보령 발전 단지가 선정되었으며, 경기지역의 안양 발전기가 선정되었다. 다음표는 발전기 그룹핑 결과를 나타낸다.

다음으로 계통 동요시의 발전기 운동에너지를 검토하였다. 선로 고장 발생 등의 계통 동요 시 발전기의 전기적 에너지가 흘러갈 수 없어서 발전기의 회전속도가 급격하게 증가하게 된다. 이후 과도 불안정의 경우 발전기의 기계적 에너지와 전기적 에너지 사이의 격차가 급격하게 증가할 경우 발생한다.

발전기 운동에너지 변화율을 살펴보면 주로 발전기 용량이 큰 태안, 당진, 보령 발전기의 순으로 나타났다. 이러한 결과는 회전체의 크기가 큰 발전기가 기계적 에너지의 입력에 의한 전기적인 에너지 출력이 큰 것으로 볼 수 있다. 용량이 작은 발전기를 다수 차단하는 것에 비해 용량이 큰 발전기를 우선적으로 차단하는 것이 계통 운영측면에서 효율성을 향상시킬 수 있기 때문에 유효한 결과로 볼 수 있다고 판단된다. 다음은 발전기의 유효전력 변화율에 대한 결과를 나타낸다.

발전기 유효전력 변화율을 살펴보면 주로 당진 발전단지의 변화율이 높은 결과를 보인다. 이는 해당 고장의 위치와 연관성이 있으며, 선로에 흐르는 전력의 구성과 발전기 전기적 에너지 변화의 상호관계에 의해 선로조류의 변화가 과도불안정 현상을 야기하는 위험발전기 군 간의 연관성이 있는 결과로 판단된다.

신안성-신서산 765kV 선로사고 시에 운영 중인 현행 SPS는 당진 발전기 5대를 차단하고 있으며, 차단 용량은 2,500MW에 달하고 있다. △KE와 △Active Power의 결과의 순위를 기반으로 하여 탈락 발전기를 선정하여 과도안정도 개선을 위한 모의를 수행하였다. 우선순위로 도출된 26109, 26110, 26209, 26210 발전기를 탈락 발전기로 고려되었으며, 당진 발전단지의 발전기와 태안 발전단지의 발전기로 구분하여 적용하였다.

다음 표는 현행 방안과 제안 방안의 발전기 탈락 적용 시나리오를 보인다.

발전기 탈락 시나리오 적용을 위해 과도안정도 시간 모의 절차는 다음과 같다. 0.5초에 사고 발생, 0.5833초에 사고 제거, 0.65초에 발전기 탈락을 적용하고 총 5초간 모의를 수행한다. 다음은 발전기 탈락 방안을 적용한 결과를 보인다.

위의 그림에서 발전기 탈락을 적용하지 않은 Scheme 1은 발전기가 동기 탈조되는 모습을 보인다. 하지만, Scheme 2, 3, 4는 발전기 탈락을 적용하여 발전기의 위상각이 안정화 되는 모습을 보이므로 계통이 안정하다는 것을 확인할 수 있다. 다음 표는 발전기 탈락 방안별 비교 결과를 나타낸다.

발전기 탈락 방안을 비교한 결과를 보면 Scheme 3, 4의 제안 방안이 현행 방안에 비해 차단 용량을 저감시켰으며, 발전기 탈락 대수가 감소되었다. Scheme 3, 4 중에서 Scheme 3의 차단 용량이 더 적으며, 해당 고장과 인접한 발전기를 차단하게 되므로 효율적인 발전기 탈락 방안으로 고려될 수 있다. 최종 도출된 방안을 적용하여 계통안정화를 달성하였으며, 과도안정성을 개선시키는 결과를 통해 제안 방안의 효용성을 입증하였다.

4. 결 론

본 논문에서는 계통에 심각한 고장 시 발전기를 탈락시켜 계통의 과도안정도를 확보하는 제어 방안에 대한 연구를 수행하였다. 이를 위해 실제 계통 데이터를 기반으로 위험 발전기군을 분류하여, 해당 발전기들의 운동에너지와 유효전력 변화율을 검토하였다. 제안한 방안을 현행 방안과 비교하여 과도안정도를 개선시키는 결과를 얻었으며, 발전기 차단 용량, 대수가 감소 될 수 있음을 확인하였다. 향후에는 계통의 운용조건을 고려하여 발전기 탈락의 대수를 다르게 설정함으로써 과도안정도를 확보할 수 있는 방안에 대한 연구가 필요하다. 이를 위해 발전제약을 적용한 발전력 재분배를 통해 안정 조건을 만족하는 수정 및 예방제어 방안에 대한 연구도 필요하다고 판단된다.