Special Issues
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중앙지능형 SPS(Special Protection System:
고장파급방지 시스템) 기술개발
1 개황
최근 우리나라의 전력 수급상황은 나아지고 있다. 전력수요가 최고로 달했던
지난 동계나 하계 시에도 아무 문제가 없었을 만큼 말이다. 불과 1,2년 전을 생각
해보면 전력 비상 상황이 빈번히 발생해왔다. 이런 예비력 비상 상황에서 전력설
비가 불시에 정지되면 연쇄적인 고장으로 광역 정전이 발생할 수 있다. 이를 위해
서상수
한국전기연구원 박사
전력계통 운영자는 고장 시에도 전력계통의 안정도 및 신뢰도를 향상시키기 위한
계통 보호 장치를 마련해 두고 있다.
일반적인 개별 전력설비 고장에 대한 대처로는 설비보호를 위한 계전기의 고속
동작을 통해 선택적인 보호가 이루어진다. 그러나 고장 제거 이후에 계통 상태가
변화하면, 이로 발생할 수 있는 불안정 현상이 계통 전체로 파급될 수 있다. 예를
들어 주파수 이상저하, 전력설비 과부하, 전압 이상저하 등이 있다. 이에 따라 운
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+ 중앙지능형 SPS(Special Protection System: 고장파급방지 시스템) 기술개발
영 주체인 전력거래소는 전력설비 고장으로 인한 계통
전력계통의 설비고장으로 나타나는 현상의 종류와
불안전 현상에 대한 사전 조치를 계획, 운영함으로써
이에 따른 SPS의 대표적인 유형은 과주파수, 저주파
광역정전을 막기 위한 노력을 수행하고 있다.
수, 설비 과부하, 과전압, 저전압, 전압 불안정, 과도
미국 북미신뢰도위원회인 NERC(The North
불안정, 저주파 진동 등이 있다. 이처럼 전력계통 외란
American Electric Reliability Corporation)에서는
으로 나타나는 현상은 다양하다. 그러나 결과적으로
SPS(Sepecial Protetion System: 고장파급방지장치)
발전기나 제어설비를 이용하여 유효/무효 전력을 조절
를 다음과 같이 정의하고 있다.
하거나 부하 제어를 통해서 전력계통을 보호하고 안전
“전력계통에 설비고장이 발생하여 비정상적인 상황
하게 운영한다.
이 발생하였을 때, 이를 감지하여 미리 정해진 교정 조
전력계통 규모가 크지 않던 시기에 SPS는 해당 지역
치(고장 기기나 송전선 분리를 제외한)를 수행하여 전
의 특정 상정고장에 대해서 별다른 로직 없이 이벤트
력계통을 건전하게 유지할 수 있도록 하는 제반조치”
에 순시로 반응하여 발전기 차단 혹은 부하 차단과 같
여기서 고장파급방지장치가 일반적인 설비 보호 장
은 제어 동작을 수행하는 것이 대부분이었다. 현재 우
치와 다른 점은 계통의 비정상 상황을 인지하여 정해
리나라도 이벤트에 기반한 순시로 동작하는 SPS를 사
진 교정조치를 취함에 있다. 이러한 정의를 바탕으로
용하는 지역이 대부분이다. 그림 1은 발전단지 과도안
SPS는 계통 안정도 유지 및 허용 전압, 조류 유지를
정도 향상을 위한 SPS의 예이다. 그림 1과 같이 발전단
위한 계통 조정, 발전력 및 부하 조정을 포함한다. 그
지의 송전선이 고장 나 개방된 경우, 아무런 제어 조치
러나 단순한 저 주파수, 저 전압 부하차단, 고장 조건
를 취하지 않으면 송전선로의 부족으로 발전기들은 과
에 따른 계통 분리 등은 계통 운영자에 의해 의도되지
속하여 동기 탈조한다. 그러나 이때 미리 정해진 발전
않는 계통제어 방식으로 SPS에 포함하지 않는다. 미
기를 일부 차단하면, 발전력 일부를 남은 송전선을 통
1)
2)
국 서부(BPA , WECC )에서는 RAS(Remedial Action
3)
하여 전송할 수 있다. 이때 ‘몇 대의 발전기를 차단해야
Scheme)라고도 하며, IEEE 에서는 SIPS(System
안정되는가’는 매우 중요한 문제로 계통 구성, 부하 수
Integrity Protection System)라는 용어를 사용한다.
준 등 계통 상황에 따라 차단 발전량이 달라진다. 따라
조금씩 다른 용어를 사용하기는 하지만 설치 목적과
서 계통 상황에 따라 수시로 변하는 제어 조치는 계통
동작 방법은 유사하며, 우리나라에서는 ‘고장파급방지
전체를 파악할 수 있는 중앙에서 온라인 감시 및 모의
장치’라는 용어를 사용하고 있다. 본 글에서는 ‘SPS’로
시스템을 통해 결정해야 한다.
통일하여 지칭한다.
계통 규모가 점점 커지고 복잡해지면서 다양한 상정
1) BPA-Bonneville Power Administration: 미 북서부의 전력계통의 운영 및 감시를 담당하는 기관
2) WECC-The Western Electricity Coordinating Council: 북미 서부 연계 계통의 신뢰도 감시 및 관리 기관
3) IEEE-Institute of Electrical and Electronics Engineers: 미 전기전자학회로, 1963년 미 전기학회와 전파학회의 합병으로 설립되었다. 현재 전
세계 40만명 이상의 회원을 보유하고 있는 가장 큰 기술 전문가 집단이다. 학회 설립 주 목적은 전기 및 전자공학, 통신, 컴퓨터 공학 및 유관
분야의 교육 및 기술 발전이다.
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Special Issues
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그림 1 발전단지 과도안정도 SPS 사례
고장에 대한 정확한 모의와 이에 따른 SPS 설정이 매
매우 중요한 부분이다. 결론적으로 현대 전력계통에
우 중요한 문제로 대두하고 있다. 특히 전력계통은 계
서는 과거의 분산형 오프라인 SPS를 그림 2와 같이
속 변화하기 때문에 계통 전체를 파악할 수 있는 중앙
EMS4)를 기반으로한 실시간 온라인 SPS의 적용이 많
에서 상황을 실시간으로 반영하여 SPS의 설정을 바
아지고 있다.
꾸고 최적으로 조정하는 것이 현대 전력계통 운영에
그림 2 중앙집중형 온라인 RAS (CRAS) 개념도
4) EMS(Energy Management System) - 에너지관리시스템으로 세계 대부분의 계통 운영회사들은 EMS를 이용하여 각 전력계통을 감시 및 운
영하고 있음.
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에 설치되어 운전되고 있는 발전단지 SPS의 대표적
2 현황
인 형태를 나타낸다. 당진화력의 경우 신서산-신안성
가. 국내외 현황
765kV 송전선로가 고장으로 인하여 개방이 되면 계통
현재 우리나라에서 설치하여 운전중인 SPS는 다음
의 상태와 관계없이 당진화력발전소의 정해진 발전기
표 1과 같다. 모두 특정 이벤트에 대하여 순시로 동작
를 차단한다. 국내에서는 아직까지 온라인으로 SPS를
하며 대부분 연중 첨두부하 계통상황하에 오프라인 해
설정하여 적용한 예는 없다.
석을 통해서 설정하여 사용하고 있다. 그림 3은 국내
표1
목적
발전기 과도안정도
개선
조치
설치 개소
발전기 차단, 출력감발
평택화력, 태안화력, 당진화력, 보령화력, 하동화력
울진원자력, 영광원자력, 양양양수
부하 차단
수도권, 강릉, 서울 북부지역, 제주계통
청평양수, 거제지역, 전주지역, 정읍지역, 목포지역
한강수력계, 원주지역
송변선 설비 차단
신안성, 신서산, 신태백, 신가평, 신인천변전소, 서인천 복합 리액터 차단
부하 차단
삼량진 양수
송변전설비 차단
당진화력 주변압기
발전기 차단
울산복합
부하 차단
전국변전소 저주파계전기 부하 차단
전압 불안정 개선
과부하 해소
저주파 해소
우리나라의 SPS 설치 현황
그림 3 당진화력 발전기 차단 SPS 운전형태
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그림 4 BC Hydro의 EMS 연계 중앙 지능형 SPS
반면, 캐나다 BC Hydro5)는 EMS와 연계한 중앙지
능형 SPS를 가장 먼저 도입하여 현재까지 성공적으로
켜 설비고장 시 예상하지 못한 외란의 발생 가능성을
높이고 있다.
운영하고 있다. 1996년부터 운영하고 있으며 매 4분마
더욱이 전력계통은 발전원과 부하 중심지가 많이 떨
다 동적 안전도 모의를 통한 SPS를 설정하고 있다. 그
어져 있는 경우가 대부분이다. 또 발전단에서 부하단으
림 4는 BC Hydro사의 중앙 지능형 SPS의 개념도와 실
로 전력을 안정적으로 수송하기 위한 송전선로의 건설
제 운영 화면을 나타낸다.
은 사회적 문제로 인하여 지연되거나 취소되는 사례가
많아지고 있다. 반면, 같은 문제로 기존 발전단지가 대
나. 중앙지능형 SPS 기술개발
규모화 되는 추세를 보인다. 이는 대규모 발전단 인근
1) 문제 및 해결 방안
송전선로 고장 발생 시 대규모 발전력 차단을 일으킬 수
전력계통의 운영/보호의 최우선 목표는 안전하고 신
있다. 이에 따라 수도권 부하차단 등 대규모 정전이 일
뢰성 높은 전력 공급이다. 그러나 전력계통 운영에는
어날 수 있는 가능성이 점차 커지고 있는 추세이다.
항상 예상하지 못한 전력설비 고장 가능성과 함께 불
현재 우리나라에서 운영 중인 SPS는 연중 부하가 가
확실성이 존재한다. 더욱이 스마트그리드 및 신재생
장 높은 계통 상태에서 가능한 최고 가혹한 운전조건
분산전원 도입은 전력 조류 분포의 불확실성을 증가시
전제 하에 모의하여 설정, 운영하고 있다. 이는 계통의
5) BC Hydro (The BC Hydro and Power Authority) - 캐나다 브리티시 컬럼비아(British Columbia) 주의 전력회사
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+ 중앙지능형 SPS(Special Protection System: 고장파급방지 시스템) 기술개발
다양한 변화에 대응하지 못하고 있는 것이며 항상 가
혹한 조건을 가정하고 있으므로 발전기 차단 혹은 부
하 차단 등 제어값의 정도가 과할 수 있는 문제가 있
다. 이에 본 개발 과제에서는 오프라인을 통한 SPS 설
정 및 운영 방식을 현재 계통상황을 잘 파악하고 있는
EMS와 연계한 온라인 방식으로 개선하였다.
2) 기술개발 결과
우리나라 EMS는 최상위의 보안을 요구하는 시스
그림 5 가상제어센터내 SPS 구축
템이라 연구개발 프로젝트의 결과를 현재 운영 중인
EMS와 연계하는 것은 불가능하다. 그래서 본 프로젝
적으로 수신 받도록 구현하였다. 가상제어센터는 과거
트에서는 EMS 대신 전기연구원 스마트전력망연구센
의 EMS 데이터를 기반으로 주기적으로 현재의 계통상
터에서 구축한 가상제어센터(VCC-Vitrual Control
황을 구현하고 그 데이터를 시각화 화면을 통하여 감
Center)를 활용하였다. 그림 5에서와 같이 VCC와 개발
시할 수 있도록 구현하였다.
프로그램을 연계하여 온라인 전력계통 데이터를 주기
그림 6은 SPS가 운전되고 있는 우리나라 대표적인
그림 6 중앙지능형 SPS 온라인 운영 프로그램
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발전단지 5곳을 선정하여 각 단지의 SPS 결과를 온
있다는 것을 알 수 있다.
라인으로 감시 및 설정할 수 있는 운영 프로그램 화면
이다. 5곳의 발전단지는 당진, 태안의 화력발전단지
3 전망
와 한빛, 한울, 고리 원자력 발전단지이다. 중앙지능형
SPS 온라인 운영 프로그램은 주기적으로 가상제어센
SPS는 설정 조건이 만족되면 순시적으로 동작하는
터에서부터 과거 EMS 계통 데이터를 수신하여 선정
시스템이다. 그래서 실제 고장이 아니더라도 SPS 장치
된 5개 발전단지의 SPS 설정 값을 계산하고, 그 결과
의 이상으로 인해 고장이 있는 것으로 오인 오동작 하
를 보여준다.
는 사례가 있다. 또한, 실제 고장으로 인하여 SPS가 동
그림 7은 개발한 중앙지능형 SPS를 당진화력에 적용
작이 되어야 하는 조건임에도 불구하고 부동작하는 사
한 예를 보여준다. 현재 운영하고 있는 방식은 당진화
례도 발생하고 있다. 그러나 SPS는 계통의 안정적인
력 발전단지의 발전기 5대를 차단하도록 설정한다. 그
운영을 위해 매우 중요한 설비로 오·부동작 발생 시
러나 제안 방식은 변화하는 계통 데이터에 따라 차단
전력계통의 파급효과는 상당히 크다. 그래서 계통 운
발전기가 1대에서 3대로 변하는 것을 보인다. 이는 온
영자는 SPS의 오·부동작을 막기 위한 다양한 방안을
라인 데이터를 이용한 중앙지능형 SPS를 적용하면, 기
채택하여 적용하고 있다. 그러나 다양한 기술적 장치
존보다 최적화한 발전기 차단량으로 계통을 보호할 수
를 도입하더라도 설정된 SPS가 잘못 계산된 경우라면
발전차단대수
계통부하
예측수요
[발전기 차단대수]
기존
차단량 [5]
제안방식
[1-3]
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그림 7 제안방식의 적용 사례–당진화력 계통
+ 중앙지능형 SPS(Special Protection System: 고장파급방지 시스템) 기술개발
그 피해를 막을 수 있는 방법은 현재까지는 부족한 실
정이다.
SPS 설정 운영이 가능해질 전망이다.
중앙 지능형 SPS가 성공적으로 운영되기 위해서는
이에 본 개발품은 기존의 오프라인 해석을 기반으로
중앙에서 모든 계산과 설정이 이루어지는 중앙 집중형
하는 SPS 차단 방식과 달리 온라인 계통 데이터를 이
방식의 특성상 SPS 설비와의 원활한 통신이 보장되어
용하여 계통상황에 맞는 SPS를 설정할 수 있다. 또한
야 한다. 우리나라는 외국에 비해 빠르고 정확한 통신
적용결과 발전기 차단량을 기존 대비 동일하거나 줄일
네트워크 인프라를 구축하고 있다. 그리고 관련 산업
수 있는 결과를 보여준다. 이는 기존 방식의 과차단 우
기술도 뛰어나다. 따라서 본 개발품이 과거의 데이터
려를 보여주는 결과이며, 경우에 따라서는 부족차단의
를 기반으로 충분한 검증을 거쳐 기존 기술들과 효율
결과를 보일 수도 있다. 그러므로 충분한 검증을 거쳐
적으로 접목될 경우, 향후 국내 전력계통 운영을 위한
본 개발품을 우리나라 SPS 설정에 활용한다면 최적의
필수 기술이 될 것으로 예상된다.
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