2.1 ITAE 튜닝 방법

배전계통의 변동성 전원 수용한계란 계통의 확충 없이 전력 품질과 안정성에 영향을 미치지 않으면서 변동성 전원을 수용할 수 있는 용량으로 정의하며, 이는 다음 그림 1로 표현할 수 있다⁽¹⁰⁾. 즉, 변동성 전원의 연계용량 증가로 인한 계통의 영향이 지속적으로 증가하여 계통에서 허용할 수 있는 운영범위에 도달하는 지점이 수용한계이며, 여기서 영향 지표는 계통의 구성 및 조건에 따라 다르게 고려될 수 있다. 특히 변동성 전원의 연계에 따라 발생하는 다양한 문제 중 과전압 현상은 가장 주요한 문제이기 때문에 주로 변동성 전원 연계검토 시 기준 전압을 초과하지 않는 변동성 전원의 최대 연계용량이 수용한계로 정의된다.

그림. 1. 변동성 전원의 수용한계 개념

Fig. 1. Concept of the VER hosting capacity

이때, 변동성 전원 연계검토 수행 시 적용되는 조건에 따라 변동성 전원의 수용한계는 다르게 선정될 수 있으며 제한된 계통 내에서 현실적인 수용한계를 도출하기 위해서는 변동성 전원 연계검토 시 적용되는 조건이 합리적으로 고려되어야 한다. 이를 위해 배전계통 운영조건의 개연성을 고려하여 영향평가를 수행하고, 이를 기반으로 배전계통의 변동성 전원 수용한계를 산정할 필요가 있다.

2.2 유전자 알고리즘

변동성 전원을 배전계통에 연계하고자 할 경우 배전계통의 운영기준을 만족하기 위해서는 변동성 전원의 수용한계 이내에서 접속을 허용해야 한다. 이를 위해 전력사들은 접속이 신청된 변동성 전원의 계통영향을 평가하기 위한 절차와 기준을 수립하여 적용하고 있는데 국내의 경우 한국전력공사의 ‘분산형전원 배전계통 연계 기술 가이드라인’을 기준으로 계통영향평가를 수행하여 변동성 전원의 접속 허용여부를 결정한다. 이러한 가이드라인에서 적용하고 있는 가장 일반적인 변동성 전원의 배전계통 영향평가 절차를 살펴보면 다음 그림 2와 같다.

그림. 2. 국내 변동성 전원 연계검토 순서도

Fig. 2. The flowchart of the VER integration in Korea

그림 2와 같이 주변압기 및 선로에 연계되어 있는 변동성 전원의 용량이 해당 설비용량의 15% 이하일 때, 즉, 계통 설비의 운영한계 대비 기존에 연계된 변동성 전원 용량이 작을 경우 간소화된 절차에 따라 순시전압변동률과 보호기기 오동작만을 검토한다. 반면 기존의 변동성 전원의 용량이 해당 설비용량의 15% 이상일 경우에는 상세 검토 절차에 따라 송출전압변동, 단락용량 상회 여부, 적정전압 이탈 가능성 및 보호기기 부동작을 추가적으로 검토한다. 이때 가이드라인에서 적용하고 있는 적정전압 이탈가능성은 변동성 전원의 배전계통연계를 제한하는 주요인으로 나타나고 있으며⁽¹¹⁾, ⁽¹²⁾, 국내의 경우, 과전압 검토 수행 시 가장 가혹한 조건을 적용하기 위해 경부하의 전력수요 수준과 변동성 전원의 정격출력 조건을 가정한다. 이때, 전압 유지기준은 전압강하 5% 이내 선로일 경우 1.02p.u., 전압강하 5% 초과 선로일 경우 0.975p.u.이며, 이의 초과유무에 따라 변동성 전원 연계가 결정된다⁽¹³⁾. 반면 이러한 경부하의 전력수요 수준과 변동성 전원의 정격출력 조건은 일반적인 배전계통 운전 조건에서 나타나기 어려운 가혹한 특정 조건으로써 이를 기준으로 산정된 배전계통의 변동성 전원 수용 용량은 보수적일 가능성이 높다.

3.1 제안 알고리즘

변동성 전원의 출력과 전력수요는 기상조건에 직접 또는 간접적으로 의존됨에 따라 상호간의 상관관계가 나타나며 특히 국내에 주로 연계되고 있는 태양광 발전기는 다른 변동성 전원 보다 더 높은 상관관계를 가지고 있다⁽¹⁴⁾. 변동성 전원의 연계용량이 높은 국내 배전계통에 대해 일간 전력수요와 변동성 전원 출력의 패턴을 비교하면 다음 그림 3과 같다.

그림. 3. 국내 일간 전력수요와 변동성 전원 출력 패턴

Fig. 3. Daily pattern of VER generation and load in Korea

변동성 전원의 출력량은 오전 7시부터 증가하기 시작하여 일사량이 가장 많은 13시에 정격의 50% 수준으로 최대 발전량을 출력하고 밤 시간대에 다시 낮아짐을 확인할 수 있고, 전력수요는 변동성 전원의 출력량과 유사하게 낮 시간에 최대치를 보이며 새벽과 밤 시간은 피크 수요의 50 ~ 70% 수준으로 낮아짐을 확인할 수 있다. 이는 국내 배전계통의 변동성 전원 연계검토 시에 가정되는 경부하의 전력수요 수준과 변동성 전원의 정격출력 조건이 발생할 확률은 매우 낮으며 그에 따라 변동성 전원 수용한계가 보수적으로 산정될 것으로 예상된다. 따라서 배전계통의 변동성 전원 수용한계를 합리적으로 산정하기 위해서는 전력수요 및 변동성 전원 출력량의 개연성이 고려되어야 한다.

3.2 다변수 기반 유전자 알고리즘 적용

본 장에서는 배전계통의 운영 조건의 개연성을 고려하기 위해 부하량 및 변동성 전원의 출력량 운영 패턴을 고려하여 시계열 모의운영 기반의 변동성 전원 수용한계 산정방안을 제안한다. 이를 위해, 변동성 전원의 연계용량 증가에 따른 전압 영향검토를 수행하고, 설비의 운영한계를 고려하기 위해 주변압기 및 선로 부하율을 추가적으로 검토하여 보다 합리적인 변동성 전원의 수용한계를 산정하고자 하며 이에 대한 배전계통의 변동성 전원 수용한계 산정 순서도는 다음 그림 4와 같다.

제안하는 시계열 모의운영 기반의 변동성 전원 수용한계 산정절차는 연간 모의운영을 통하여 변동성 전원의 배전계통 영향평가를 수행하고 영향지표들이 한계에 도달할 때 까지 연계된 각 변동성 전원의 정격용량$(P_{DER,\:n})$을 5%씩 단계적으로 증가시킴으로써 배전계통의 전력 품질 및 안정성에 영향을 미치지 않는 최대 변동성 전원 용량을 수용한계$(P_{l im})$로 정의한다. 이때, 전압과 주변압기 및 선로의 허용 기준은 국내 배전계통 연계 기술 가이드라인 및 기기의 정격을 고려하여 전압은 1.02p.u., 주변압기 허용전력은 20MW 그리고 선로 허용전류는 선종 별로 각 330, 460, 567A로 선정하였다.

그림. 4. 배전계통 변동성 전원 수용한계 산정 순서도

Fig. 4. The flowchart for calculating the VER hosting capacity of the distribution system

위의 시계열 모의운영 기반의 변동성 전원 수용한계 산정방법을 적용하기 위해 배전계통 해석 프로그램인 OpenDSS (Open Distribution System Simulator)와 Matlab과의 API (Application Program Interface)를 구성하여 다음 그림 5와 같이 모의운영 플랫폼을 구축하였다. 이때, OpenDSS는 배전계통 데이터를 기반으로 시계열 모의운영을 수행하여 연간 조류 계산 결과를 도출하고, Matlab은 도출된 결과를 기반으로 영향지표들의 초과여부 판단 및 VER 연계용량을 수정하고, 최종적으로 수용한계를 도출한다.

그림. 5. 배전계통 변동성 전원 수용한계 산정 모의운영 플랫폼

Fig. 5. The operation simulation platform for calculating the VER hosting capacity of the distribution system

4.1 노내압력 제어루프의 검증

본 사례연구에서는 제안한 배전계통의 변동성 전원 수용한계 산정 방안을 기반으로 기존 배전계통의 변동성 전원 연계검토 방법을 통한 결과와의 비교를 통하여 분석을 수행하였다. 이를 위해, 154kV/22.9kV 주변압기에서 분기된 간선과 첨두부하 13,413kW의 수요 및 총 9,856kW 용량의 72개소 변동성 전원으로 이루어진 실계통의 데이터를 기반으로 모의운영 계통을 모델링 하였으며 이는 그림 6과 같다. 모의운영 계통의 선로는 총 3가지로 구성되었으며, 이에 대한 파라미터는 표 1과 같다.

그림. 6. 모의운영 계통도

Fig. 6. Distribution system for the operation simulation

배전계통의 실제 운영조건을 기반으로 제안한 배전계통의 변동성 전원 수용한계 방법을 검증하기 위해서 부하량 및 변동성 전원 출력량 패턴은 대상 모델 계통에서 도출된 2017년도 시계열 이력데이터를 적용하였다. 다음 그림 7은 부하량 및 변동성 전원 출력량 연간 패턴이며, 이의 일간 평균 패턴은 그림 8과 같다. 변동성 전원 및 부하량은 지속적으로 변하며, 변동성 전원의 최대 출력량은 정격의 86%, 평균 출력량은 16%로 변동성 전원의 발전량은 매우 간헐적이고, 부하량의 평균은 첨두수요의 39%로 변동성 전원의 평균 출력량에 비해 높음을 확인할 수 있다. 또한, 변동성 전원의 출력량과 부하량 간의 일간 평균패턴을 비교해 보면, 두 패턴의 최대 및 최솟값에서 상당한 상관관계를 확인할 수 있다. 이는 기존의 배전계통의 변동성 전원 연계검토 시의 적용되는 변동성 전원의 정격출력 및 최소 부하량 조건이 가혹함을 간접적으로 확인할 수 있다.

그림. 7. 부하량 및 변동성 전원 출력량 연간 패턴

Fig. 7. Annual patterns of the load and VER generation

그림. 8. 전력수요 및 변동성 전원 출력의 일간 평균패턴

Fig. 8. Daily average patterns of the load and VER generation

4.2 주증기 온도 제어루프의 검증

모의운영 계통의 시계열 모의운영 기반의 변동성 전원 수용한계를 산정하기에 앞서, 배전계통의 변동성 전원 연계검토를 수행하였다. 이를 위해, 부하량은 변동성 전원 발전시간대를 제외한 하위 5%에 해당하는 부하 값의 평균치 625.39kW, 변동성 전원 출력량은 정격출력 9,856kW를 적용하여 전압 프로파일을 도출하였으며 이는 그림 9와 같다.

모의운영 계통의 변동성 전원 연계검토 시 8,986kW의 역방향의 전력조류가 형성되며, 그에 따라 주변압기 2차 측으로부터 거리가 멀어질수록 전압이 상승하여 선로 말단지점에서 1.025p.u.로 과전압이 발생됨을 확인할 수 있다. 이는 모의운영 계통의 변동성 전원이 이미 수용한계를 초과하였으며, 그에 따라 추가적인 변동성 전원의 연계가 제한됨을 의미한다.

그림. 9. 모의운영 계통 변동성 전원 연계검토 결과

Fig. 9. Analysis results for integrating VER into the distribution system

4.3 배전계통의 변동성 전원 수용한계

본 절에서는 시계열 모의운영 기반의 배전계통 변동성 전원 수용한계를 산출하고자 한다. 이때, 변동선 전원의 배전계통 연계위치를 가정하기 위해 모의운영 계통의 주변압기 2차 측으로부터 배전계통 말단까지인 구간(30km)을 10km씩 1, 2, 3 구간으로 구분하고 각 구간에 변동성 전원이 연계되는 경우(시나리오1~3)와 배전계통 전체에 고르게 연계되는 경우(시나리오4)로 총 4가지 시나리오를 가정하였다. 각 시나리오 별로 도출된 수용한계 결과는 표 2와 같으며, 이때 수용한계가 결정된 일간 배전계통 운전조건은 그림 10과 같다.

변동성 전원 연계 위치를 선로 초반으로 가정한 시나리오 1의 경우 선로 부하율에 의하여 수용한계가 31MW로 결정되었으며 수용한계 조건에서의 선로 및 주변압기 부하율은 그림 11과 같다.

그림. 10. 수용한계 조건의 일간 배전계통 운전조건

Fig. 10. Daily operation conditions of the distribution system at hosting capacity condition

변동성 전원의 출력량이 부하수준보다 높아 계통에 역방향의 전력조류가 형성됨에 따라 주변압기와 가까운 선로 일수록 전력조류의 양이 증가하여 선로 초반에서 최대 458.25A의 전류가 흐르며, 이때 선로의 부하율은 99%로 변동성 전원의 연계용량이 수용한계에 도달함을 확인할 수 있다.

그림. 11. 수용한계 조건의 선로 및 주변압기 부하율

Fig. 11. Loadings of the lines and a main transformer at hosting capacity condition

그 외의 시나리오 2, 3, 4의 수용한계는 각 27.1, 18.3, 30MW로 모두 전압에 의하여 결정되며 시나리오 별 수용한계 조건에서의 일간 시계열 전압 프로파일은 그림 12와 같다. 변동성 전원의 연계용량 증대 위치가 다르므로 전압 프로파일이 상이하게 도출되나 3가지 시나리오 모두 변동성 전원의 출력이 높은 시간대에 주변압기로부터 거리가 멀어질수록 전압이 증가하여 선로 말단에서 1.02p.u.로 최대전압이 도출되며 이는 변동성 전원의 연계용량이 수용한계에 도달함을 확인할 수 있다. 기존 배전계통의 변동성 전원 연계검토 조건과 시계열 모의운영 기반의 변동성 전원 수용한계 시의 계통운영 조건을 비교한 결과는 표 3과 같다. 기존의 연계검토 시 적용되는 계통운영 조건의 경우 부하량은 첨두부하 13.4MW 중 0.63MW로 매우 작고, 변동성 전원은 정격출력인 9.86MW로 실계통에서 발생하기 어려운 가혹한 조건임을 확인할 수 있다. 하지만 시계열 모의운영 기반의 수용한계 도출 결과는 수용한계가 결정된 계통운영 조건의 경우 첨두수요가 13.4MW인 조건에서 시나리오 1은 부하수준이 9.13MW, 나머지 시나리오는 부하수준이 4.03MW로 도출되었다. 또한 변동성 전원의 출력량은 각 시나리오 별 최대 연계용량이 31MW, 27.1MW, 18.3MW, 30MW인 조건에서 최대 출력은 각각 26.52MW, 15.32MW, 10.35MW 16.96MW로 도출되어 기존의 연계검토 시의 단편적인 조건보다 더 현실적인 조건에서 수용한계가 산정되고 그 결과가 기존 방법에 의한 결과보다 높아짐을 확인할 수 있다.

그림. 12. 수용한계 조건의 시나리오 별 일간 전압 프로파일

Fig. 12. Daily voltage profiles in scenarios at the hosting capacity condition