1. 서 론

제 9차 전력수급기본계획(안)의 특징은 재생에너지 확대이며, 다음과 같은 특징을 갖고 있다^(1-2). 첫째, 기준 수요 대비 12.5% 절감을 추진하여 ‘34년 최대 전력 104.2GW 도출이다. 둘째, 석탄 발전 60기 중 30기 폐지되며, 그 중 24기는 LNG로 전환된다. 셋째, 태양광 및 풍력 중심으로 재생에너지 확대이다. 표 1에서 보는 바와 같이 재생에너지 설비용량을 산출하면 ‘34년경 약 78.1GW 규모의 재생발전이 예상된다. 재생에너지 3020 계획에 따라 태양광 및 풍력 중심으로 확충되며, 태양광 (45.6GW) 및 풍력 (24.2GW)는 ‘34년 재생에너지 대부분을 차지한다. 재생에너지의 안정적인 전력공급을 위해서는 공용망 보강 방안, 특수설비 확대, Energy Storage System (ESS) 및 동기조상기 설치 등이 수반되어야 한다. 이와 같이 재생에너지, High Voltage Direct Current (HVDC), Flexible AC Transmission System (FACTS), ESS 등 대용량 전력전자 설비의 대규모 전력계통 연계에 따른 안정도를 정밀하게 해석하는 기술로의 패러다임 변화가 필요하다.

대규 전력계통 해석에 활용되는 실효치 분석은 전력설비의 정밀한 모델링에 한계가 존재하며, 소규모 전력망 및 정밀 모델링 등에 활용되는 순시치 분석은 대규모 전력계통을 전원으로 등가화 후 모의 하는 특징이 있다.

실효치 및 순시치 해석의 단점을 보완하기 위해 대규모 전력계통과 설비간의 연계를 통해 해석하는 하이브리드 기술이 연구되고 있다. 전력망의 실효치 해석과 정밀모델의 순시치 해석간 주기적인 데이터 연계를 통해 해석한다. 이와 같은 매우 짧은 시간영역내 데이터 교환을 통해 순시치 해석의 정밀한 특성을 실효치 해석에 반영할 수 있다.

전력계통에서 발생하는 현상의 모의는 전력망의 크기, 시간 프레임에 따라 순시치 기반(Electromagnetic Transient Program, EMTP)과 실효치 기반(Transient Stability Program, TSP) 해석으로 구분할 수 있다. EMTP를 활용한 계통해석은 다음과 같은 특징을 갖고 있다. 첫째, 순시치를 기반으로 하며 3상 모델링 후 전력 설비의 전자기과도현상 모의한다. 둘째, 대규모 시스템보다는 단일설비에 대한 연구에 초점을 둔다. 셋째, 모든 외란에 대한 순시적인 응답을 위해서는 시간 프레임이 ㎲단위이다. 넷째, 전력망의 크기가 클수록, 모델링이 복잡할수록 시뮬레이션에 필요한 컴퓨터의 처리용량이 급격하게 증가한다. TSP 기반 계통해석은 다음과 같은 특징을 갖고 있다. 첫째, 실효를 기반으로 3상 평형 (단상) 모델링 후 대규모 계통의 과도 안정도 평가를 모의한다. 둘째, 조류계산, 고장계산, 상정고장, 안정도 모의 등의 기능으로 구성된다. 셋째, 동적 모의시 ms단위의 시간 프레임을 적용한다. 넷째, 전력설비의 상세 모델링 및 수치적인 제한이 존재한다.

상이한 전력계통 해석 기법의 단점을 보완하기 위해 하이브리드 해석 알고리즘에 대한 연구가 진행되고 있다. 하이브리드 해석 기법을 적용하기 위해서는 전력계통을 두 지역으로 구분한다. 관심 영역 (Detailed subsystem)은 재생에너지 및 특수설비 등 상세 설비이며, 대규모 영역 (External subsystem)은 대규모 전력망이다. 관심 영역 및 대규모 영역을 포함하는 하이브리드 해석을 위해서는 계통 등가화 기법 및 데이터 연계 기법이 필요하다. 우선, 계통 등가화 방법은 영역간 경계모선에서의 등가 임피던스 연산이다. Frequency Dependant Network Equivalent (FDNE)를 활용한 임피던스 계산법이 주로 활용한되. 그러나 하이브리드 해석은 정상분 임피던스를 활용하여 등가 임피던스를 계산하는 단점이 존재하며, 이를 보완하기 위해 영상분 및 역상분 임피던스 특성을 반영하는 연구가 진행되고 있다. 다음으로 영역 간 연계시 TCP/IP, FPGA 등 통신 기법을 활용하여 데이터를 교환한다^(3-7).

최근 상용 S/W 기반 하이브리드 해석 플랫폼 개발이 진행되어 영상분 임피던스를 활용한 등가화 기법 등 다양한 연구가 추가적으로 진행되고 있다.

① E-Tran 기반 하이브리드 해석⁽⁸⁾

$\quad$∙ 하이브리드 해석용 실효치 데이터 등가화

$\quad$∙ PSS/E-PSCAD/EMTDC간 하이브리드 해석

② TSAT 기반 RTDS, PSCAD/EMTDC 하이브리드 해석⁽⁹⁾

$\quad$∙ TSAT, PSCADA/EMTDC 및 RTDS간 하이브리드 해석

$\quad$∙ RTDS Small time step 및 고속 통신 (FPGA 보드 필요)

③ 하이브리드 해석 기반 Grid Code 분석

$\quad$∙ 북미 ISO: E-Tran 활용하여 재생E 연계시 Grid Code 검토

상용 S/W 기반 하이브리드 해석 플랫폼은 해석 환경 구축을 위한 편의성 및 다양한 기능 등을 제공하는 장점이 존재한다. 그러나 해석환경 구축비용 및 새로운 알고리즘 개발 등의 어려움 등이 존재한다. 향후 재생에너지 등이 확대됨에 따라 다양한 목적의 하이브리드 해석이 필요하나 상용 S/W 기반의 하이브리드 해석은 수정이 불가능하다. 필요시는 상용 S/W 개발사에 추가적인 비용을 지불하여 기능을 개발해야 하는 단점이 존재한다. 이와 같은 단점을 극복하고 국내의 하이브리드 해석 기술의 고도화, PSS/E 및 PSCAD/EMTDC 기반의 하이브리드 해석 환경 구축 및 학부생 캡스톤 디자인 활용 측면에서 기초 연구가 필요하다.

그림 1 TSAT-RTDS간 하이브리드 해석⁽⁹⁾

Fig. 1 Hybrid simulation between TSAT and RTDS

본 논문에서는 하이브리드 해석 기법을 이용한 전력계통 해석 플랫폼 구축에 관한 연구를 소개하였다. 우선 관심 영역과 대규모 영역간 해석을 위한 계통 등가화 기법 및 데이터 연계 기법을 소개하였다. 대규모 및 관심 영역은 Thevenin-Injection 모델링 기법을 기반으로 등가화를 수행하였다. 다음으로 파이썬 기반 하이브리드 해석 플랫폼을 구축하였다. 파이썬을 활용하여 PSS/E와 PSCAD/EMTDC간 하이브리드 플랫폼 설계 후 구현하였다. 마지막으로 시험계통에 대해 다양한 조건을 이용하여 제안된 방안의 유용성을 검증하였다.

2. 전력계통 하이브리드 해석 기법

실효치 및 순시치 해석을 결합한 하이브리드 해석은 등기화 및 데이터 연계 기법을 기반으로 수행된다. 그림 2에서 보는 바와 같이 관심 영역과 대규모 영역간 경계 모선을 기반으로 등기화 및 데이터 연계가 수행된다.

그림 2 하이브리드 해석의 등가 방식⁽¹⁰⁾

Fig. 2 Equivalent method of Hybrid simulation

2.1 등기화 기법

실효치 및 순시치 해석의 차이점은 설비 모델링 및 연산 간격이다. 그림 2에서 보는 바와 같이 EMTP 내에서는 μs단위의 연산 간격을 갖는 해석된다. EMTP 내에서 비관심 영역은 계통특성을 유지하면서 연산시간의 부담을 줄이는 형태인 전원 및 내부 임피던스로 모델링한다. 등기화 기법은 주파수영역 등가화 및 시간영역 등가 기법으로 분류된다. 주파수 영역 등가 방법은 계통의 주파수에 따라 등가 전압/전류원 및 임피던스 변경을 반영하며, 시간 영역 등가 방법은 시간영역에서 이전 해석결과(history term)을 이용하여 현재 전압과 전류를 연산한다. 이와 같이 등가화를 수행하여 EMTP 내 전원의 등가 임피던스 및 전압의 데이터를 연산한다. 본 논문에서는 대규모 전력계통의 경계 모선을 기준으로 테브닝 등가화 후 관심 영역 내 주입하는 형태로 모델링하였다. 순시치 기반의 관심영역 결과는 실효치 기반의 경계모선에 노튼 등가 형태로 주입한다. 계통 등가화 방식인 Thevenin-Injection 방식은 다음과 같다.

∙ 단계 1: 경계모선에서 테브닝 등가 임피던스 추출

∙ 단계 2: 추출 임피던스 및 전압 기반 노튼 등가 수행

(1)

$I^{012}=Y^{012}V^{012}-I^{abc}$

여기서 012는 실효치 해석, abc는 순시치 해석

∙ 단계 3: 경계모선에서 관심영역 형태로(3-Phase)로 변환

∙ 단계 4: 테브냉 전압 및 임피던스 계산

(2)

$V^{abc}=I^{abc}/Y^{abc},\: Z^{abc}=1/Y^{abc}$

식 (2)에서 계산된 전압 및 임피던스를 EMTP 영역으로 주입하기 위해서는 모선전압이 아닌 임피던스 Behind인 내부 전압의 크기 및 위상각이 필요하다. 식 (2)를 기반으로 다음과 같이 내부 전압 및 위상각을 계산할 수 있다⁽¹¹⁾. 식 (1) ~ (3)의 단계를 통해 경계모선의 전압 및 임피던스를 계산 후 EMTP 영역에 주기적으로 결과를 전송하여 전원을 갱신한다.

(3)

\begin{align*} \delta =\phi -\tan(\dfrac{P+\dfrac{V_{T}^{2}}{Z_{1}}\cos(\phi)}{Q+\dfrac{V_{T}^{2}}{Z_{1}}\sin(\phi)})^{-1}\\ V_{i}=(Q+\dfrac{V_{T}^{2}}{Z_{1}}\sin(\phi))\times\dfrac{Z_{1}}{V_{T}\sin(\phi -\delta)} \end{align*} $$ \begin{aligned} &\delta_{i}=\delta_{T}+\delta\\ &\text { where }\\ &Z^{a b c}=Z_{1} \angle \phi, V^{a b c}=V_{T} \angle \phi_{T} \end{aligned} $$

EMTP 내에서 연산을 수행하여 대규모 영역에 주입할 노튼 등가 전류는 FFT를 통해 실효치 전류를 계산한다. 그림 3은 EMTP내 FFT 모듈을 기반으로 경계모선의 전류를 기반으로 정상분, 영상분, 역상분 전류 크기 및 위상각을 추출할 수 있다. 본 논문에서는 역상분 및 영상분의 데이터는 실효치 기반에 적용할 수 없기 때문에 정상분 정보를 활용하여 대규모 전력계통의 경계모선에 주입하였다. 순시치 해석 내 관심영역의 결과를 경계모선에 반영하기 위해서는 순시치 해석 내 관심영역 설비를 사용자정의모델(User Defined Model, UDM)로 구성 후 노트 등가로 계통에 반영해야 한다.

그림 3 FFT 기능을 활용한 경계모선 정보 추출

Fig. 3 Extract of data of boundary bus based on FFT

2.2 하이브리드 데이터 교환 기법

하이브리드 해석은 상이한 연산 간격을 갖는 두 개의 해석 플랫폼을 기반으로 수행하므로 경계모선에서 데이터를 상호 교환한다. 데이터 연계 방식은 병렬 방식과 직렬 방식으로 구성된다. 병렬 방식은 지정된 시간마다 데이터를 연계하는 방식이며, 직렬 방식은 데이터 전송 및 대기 sequence가 구성되는 방식이다. 본 논문에서는 연산 결과의 정확성을 확보하기 위해 직렬 방식을 기반으로 하이브리드 해석을 수행하였다. 직렬 방식은 연산시간이 오래 걸린다는 단점은 존재하여, 정상상태에서는 병렬 방식으로 데이터를 연계하고 고장 이벤트 발생시만 직렬 형태로 수행하는 직병렬 혼합 방식도 적용 가능하다.

그림 4 전력시스템 하이브리드 해석 구조⁽¹⁰⁾

Fig. 4 Structure of hybrid simulation in power system

그림 4에서 보는 바와 같이 실효치 해석에서 수행된 후 경계모선에서의 정보를 순시치 해석 플랫폼으로 송부한 후 순시치 해석을 수행하며, 순시치 해석을 몇 회 수행 후 경계모선에서의 정보를 실효치 해석 플랫폼으로 송부함으로써 지정된 모의 시간까지 수행한다. 순시치 해석 수행시 실효치 해석은 대기 상태로 동작한다.

본 논문에서는 TCP/IP 기반의 소켓프로그래밍 기법을 이용하여 데이터 연계를 수행하였다. TSP와 EMTP간 연계를 위해 파이썬 기반의 소켓프로그래밍을 이용하여 서버/클라이언트 환경을 구축하여 데이터 연계를 수행하였다.

그림 5 하이브리드 데이터 연계 기법

Fig. 5 Communication technique of hybrid simulation

그림 5에서 보는 바와 같이 하이브리드 해석을 위하 Server와 Client로 구성하여 데이터 통신을 수행하였다. 데이터 통신을 위해 TSP 및 EMTP Client는 IP 주소 및 Port를 설정해야 한다.

3. 하이브리드 해석 플랫폼 구축

본 논문에서는 파이썬 기반 PSS/E-PSCAD/EMTDC 하이브리드 해석 플랫폼을 구축하였다. PSS/E 내부의 파이썬 API, 파이썬 소켓프로그램 및 파이썬 User Interface (UI)를 통해 하이브리드 해석 플랫폼을 구축 하였다.

그림 6 파이썬 기반의 하이브리드 시스템 전체 구조

Fig. 6 Structure of hybrid simulation based on Python

3.1 PSS/E-PSCAD/EMTDC 하이브리드 플랫폼

대규모 전력계통 해석 S/W (PSS/E)와 순시치 해석 S/W (PSCAD/EMTDC)를 이용한 하이브리드 해석 플랫폼은 별도의 S/W 및 H/W가 필요 없다. PSS/E를 활용하여 실효치 기반의 시스템을 구축 시 PSS/E 내부 기능을 편리하게 사용 및 변경, 다양한 설비 모델링 및 수치해석의 정확성을 보장할 수 있다^(12,13). PSCAD/EMTDC는 정밀한 해석 및 외부 인터페이스에 유용하다는 장점이 있다⁽¹⁴⁾. 그림 6에서 보는 바와 같이 파이썬을 이용하여 하이브리드 해석 플랫폼을 설계하였으며, 다음과 같은 특징을 갖고 있다.

∙ PSS/E 기반의 시모의 해석: 파이썬 기반 구성, 경계모선 등가화 기법, UDM 기반의 관심영역 모델링

∙ PSCAD/EMTDC 기반의 시모의 해석: 전압원 형태의 PSS/E 정보반영, P, Q, V, I 정보 전송

∙ 연계시스템 구축: 서버, PSS/E-PSCAD/EMTDC 연계 구축

∙ 사용자 편의 기능: 입력데이터 선정, ZIP 부하, 신재생 전원 모델링, IP 설정 기능 구축

∙ 자동화: 시스템 간 데이터 교환 및 수행 시퀀스 관리

그림 7 하이브리드 해석의 전체 구성도

Fig. 7 Overall flowchart of hybrid simulation

그림 7에서 보는 바와 같이 파이썬 기반의 하이브리드 시스템은 다음과 같이 기능 및 UI을 포함하고 있다.

표 2 하이브리드 해석의 상세 기능

Table 2 Function of hybrid simulation

대분류	소분류	설명
파일	새파일	수행 케이스 초기화
	정적데이터 열기	Raw 파일 열기
	동적데이터 열기	Dyr 파일 열기
	종료	하이브리드 해석 종료
설정	해석 IP 설정	PSS/E와 PSCAD 통신 IP
	재생E 설정	재생E에 대한 개별 모델링
	재생E 불러오기	저장된 재생E 정보 열기
	재생E 저장하기	추가된 재생E 저장하기
경계모선	경계모선 설정	AC-DC 경계모선 설정하기
고장모의	고장모의 설정	고장 이벤트 설정
	채널 설정	출력 데이터 설정
해석	수행	하이브리드 해석 수행
수행	과도안정도 해석	신규 특수설비 과도안정도 분석
옵션	버전	네크워크 데이터 버전 설정
	조류계산	조류계산 파라미터 설정
	ZIP 비율	부하 ZIP 비율 설정

표 3 하이브리드 해석의 주요 화면

Table 3 Major display of hybrid simulation

PSS/E와 PSCAD/EMTDC 간의 데이터 연동 IP	재생E 정보(용량, 위치 등) 정보
하이브리드 해석을 위한 경계모선 설정 Find 버튼을 클릭하면 다음과 같은 창 팝업	고장모의와 관련된 시간 정보를 입력 사고 시퀀스 정보 사고 발생 모선 입력

위 표에서 보는 바와 같이 데이터 입출력, 데이터 연계를 위한 IP 설정, 신재생에너지 모델링, 다이나믹 모의를 위한 채널 설정, 고장 모의 시퀀스 설정 등의 기능을 수행한다.

3.2 UDM 기반 관심영역 모델링

하이브리드 해석에서는 관심영역(순시치 해석)에서 연산된 데이터를 주기적으로 대규모 계통에 반영해야 한다. 대규모 전력계통에 관심영역의 결과를 적용하기 위해서는 실효치 해석 내 UDM으로 구성 후 계통에 반영해야 한다. 본 논문에서는 PSS/E UDM을 활용하여 PSS/E 자체 내에 하이브리드 해석을 위한 관심영역 모델을 구성하였다. 관심영역의 목적에 따라 UDM은 발전기 모델, 부하모델, 또는 FACTS 설비로 모델링될 수 있다. 그림 8은 PSS/E 내 관심영역 모델링 방법을 나타낸다. PSS/E UDM 기반 관심영역 모델링은 다음과 같다.

그림 8 데이터 연계 방식

Fig. 8 Method of data interface

∙ 분석 목적: 관심영역 분석 목적에 따라 UDM을 발전기 타입, 부하타입, FACTS 타입 등으로 구성할지 선정

∙ 계통 주입 모델: 관심영역에서 계산된 결과를 노트 등가 기반의 전류 주입 형태로 구성

∙ Fortran Code 기반 구현: UDM내 Mode 별 사용자 정의 모델 구현 (UDM 내 핵심 Mode 1-3(1:초기화 모드, 2-3: 미분방정식 해 연산 모드)에 대한 분석 및 코딩)

관심영역 내 설비는 정밀 모델링으로 짧은 Time Step을 갖고 있다. 이와 같은 짧은 Time Step을 갖는 관심영역 모델을 실효치 해석에 적용하기 위해 본 논문에서는 UDM 내 설비에 대해서만 별도의 수치해석 기법을 갖도록 구현하였다^(15-16). UDM 기반 구현 시 별도 수치해석 기법 적용시 Mode 2내 구현하였다.

4. 사례 연구

본 논문에서는 구축된 하이브리드 평가 플랫폼의 유용성을 검증하기 위해 그림 9의 시험 계통을 구성하였다. 시험 계통 및 다양한 모의 조건을 통해 제안된 알고리즘의 정확성 및 유용성을 검증하였다.

그림 9 수정된 6기 23모선 시험 계통⁽¹³⁾

Fig. 9 Modified test system with 6 gen. and 23 buses

4.2 하이브리드 해석 평가

4.2.1 시나리오 1: 계통 등가화 기법 모의

본 시나리오의 목적은 제안된 등기화 기법의 유용성 검증이다. 그림 9에서 보는 바와 같이 6기 23모선의 경계모선 (#3008)에 2기(동기발전기) 9모선의 소규모 계통을 연계 후 등기화 기법의 유용성을 검증하였다. 모의 과정은 다음과 같다.

∙ 1단계: Full System(FS) 구축

$\quad$- 6기 23모선 계통과 3기 9모선 계통 통합

$\quad$- 경계모선은 6기 23모선의 #3008와 3기 9모선 #1임

$\quad$- #3008모선 모선의 부하 제거 및 #1의 발전기 제거를 통해 전력 수급 일치

$\quad$- Full System(FS) 임

∙ 2단계: Equivalent System(ES) 구축

$\quad$- 1단계에서 구성된 FS 시스템에서 경계모선에 바라본 6기 23모선의 등가 임피던스 추출

$\quad$- 식 (1) ~ (3) 수식 기반 하여 테브닝 등가 임피던스 및 전압 계산

$\quad$- 위에서 계산된 등가 임피던스 및 전압을 3기 9모선 발전기 모델 적용(내부 임피던스 및 전압)

$\quad$- 수정된 발전기 정보를 기반으로 구성된 3기 9모선 시스템이 Equivalent System(ES) 임

∙ 3단계: FS 및 ES 시스템간 등가화 결과 비교

그림 10 및 11은 FS와 ES 시스템 간 주파수 변화에 따른 테브닝 등가 임피던스이다. 그림 10은 모선 #9에서의 테브닝 임피던스를 나타내고 있다. 그림에서 보는 바와 같이 FS와 ES가 매우 유사함을 확인 할 수 있다. 그러나 그림 11서 보는 바와 같이 모선 #5에서는 패턴은 유사하나 일부 고주파수영역에서 오차가 발생함을 확인할 수 있다.

그림 10 모선 9의 테브냉 등가 임피던스 (Blue: Full System, Red: Equivalent System)

Fig. 10 Thevenin impedance of bus #9

그림 11 모선 5의 테브냉 등가 임피던스 (Blue: Full System, Red: Equivalent System)

Fig. 11 Thevenin impedance of bus #9

4.2.2 시나리오 2: 하이브리드 모의

본 시나리오의 목적은 구축된 파이썬 기반의 하이브리드 평가 플랫폼의 유용성 검증이다. 그림 9에서 보는 바와 같이 경계모선에 부하 및 Static Var Compensator (SVC)를 PSCAD/EMTDC내에 모델링하여 평가 플랫폼의 유용성을 검증하였다. 모의 조건 및 결과는 다음과 같다.

1) 하이브리드 정합성 분석

- 경계모선 #3005에 연결된 부하를 PSCAD/EMTDC 영역 내에서 상세하여 모의

- PSS/E와 PSCAD 영역에서의 모선 전압을 비교

- 계통조건: 부하 33[MW]/15[MVAR]

- 연계모선 전압: 230kV

- ZIP 부하모델[MW/MVAR]: 정전류-13/35[%], 정임피던스-8/56[%], 정전력-79/9[%]

- 사고모의 조건: 0.1초에 모선 #154에 사고가 발생, 0.2초에 사고 및 #154-#153 선로 트립 후 0.8초 모의 종료

그림 12는 PSCAD/EMTDC 및 PSS/E 내의 실체 출력을 나타낸다. 그림 12에서 보는 바와 같이 PSCAD/EMTDC 및 PSS/E의 연계 모선에서의 전압은 매우 동일한 패턴으로 출력된다.

그림 12 하이브리드 해석 비교

Fig. 12 Comparison of hybrid simulation

다음은 부하 조건을 다음과 같이 변경하여 모의 하였다.

- 계통조건: 부하 100[MW]/25[MVAR]

- ZIP 부하모델[MW/MVAR]: 정전류-100/0[%], 정임피던스-0/100[%]

- 사고모의 조건은 동일

그림 13에서 보는 바와 같이 중부하 시에도 PSS/E 및 PSCAD/EMTDC의 전압이 유사함을 확일 할 수 있다. 그림 12 및 13에서 보는 바와 같이 경부하/중부하 및 ZIP 부하 비율에 따른 하이브리드 모의 분석을 통해 본 논문에서 제안한 기법의 정합성을 확인하였다.

그림 13 PSS/E 및 PSCAD/EMTDC 간 하이브리드 모의 (Black: PSS/E, Red: PSCAD/EMTDC)

Fig. 13 Hybrid simulation between PSS/E and PSCAD / EMTDC

2) 전력전자 설비 특성 분석

- 경계모선 #3005에 연결된 SVC를 PSCAD/EMTDC 영역 내에서 상세하여 모의⁽¹⁴⁾

- 동일한 조건시 SVC 투입 전후 결과를 비교

- SVC: PSCAD/EMTDC 내 기본 모델 적용

- ZIP 부하모델[MW/MVAR]: 정전류-25/25[%], 정임피던스-50/50[%]

- 사고모의 조건: 0.1초에 모선 #154에 사고 발생, 0.2초에 사고 및 #154-#153 선로 트립 후 0.8초 모의 종료

그림 14 SVC에 대한 하이브리드 해석 비교

Fig. 14 Comparison of hybrid simulation for SVC

그림 14에서 보는 바와 같이 모선 사고 발생 시와 SVC 투입 전후 PSCAD의 전압 파형을 확인 할 수 있다. SVC 투입 후 정상상태에 좀 더 정밀하게 접근하며, 사고 발생후 빠르게 정상상태로 회복된다. 향후 연구에서는 PSCAD/EMTDC 및 PSS/E의 동일 전력전자 모델을 개발하여 Full 순시치 영역 모의, Full 실효치 영역 모의 및 하이브리드 영역 모의 비교를 진행할 예정이다.

4.2.3 시나리오 3: PSS/E UDM 수치해석 기법 분석

시나리오 3의 목적은 구축된 PSS/E UDM 내 관심영역 모델링에 따른 수치해석 기법에 따른 동특성을 분석하였다. PSS/E에서 제공하는 오일러 수치해석 방식과 사다리꼴 수치해석 방식의 차이를 분석하였다. 그림 9에서 보는 바와 같이 경계모선(#3002)에 SVC를 PSS/E UDM으로 모델링하여 평가 플랫폼의 유용성을 검증하였다. 모의 과정은 다음과 같다.

∙ PSS/E UDM 수치해석 기법 비교

$\quad$- CSSCST 모델에 대한 UDM 모델링⁽¹³⁾

$\quad$- 경계모선 #3002에 SVC 연결하여 수치해석 기법에 따른 특성 분석

$\quad$- 신규 모델링시 사다리꼴 적분 방식 적용^(15,16)

$\quad$- 사고 이벤트는 1.0초 사고 발생, 1.1초 제거 및 5.0초 모의 종료

그림 15 상이한 수치해석 기법에 따른 모선 10의 전압비교 (Red: Existing method, Grddn: New method)

Fig. 15 Comparison for different numerical method

그림 15는 PSS/E 기본 플랫폼의 수치해석(오일러)과 UDM으로 구현된 수치해석(사다리꼴) 간의 차이를 나타내고 있다. 그림 15에서 보는 바와 같이 두 기법은 동일한 패턴을 갖고 있으나 사다리꼴 수치해석이 짧은 Time Step을 조금 더 반영할 수 있다.

5. 결 론

본 논문은 재생에너지 및 FACTS 등 대용량 전력전자 설비의 계통 연계 확대에 따른 실효치 및 순시치 해석이 결합된 하이브리드 해석 플랫폼 구축에 대해 소개하였다. 재생에너지 등 관심영역의 설비는 PSCAD/EMTDC 기반 순시치 해석을 수행하며, 대규모 전력계통의 PSS/E 기반 실효치 해석을 수행한다. 연산시간 주기로 두 영역간 데이터 연계를 수행하여 연산한다. 본 논문에서는 하이브리드 해석을 위해 실효치 및 순시치 해석의 경계 모선에서 등가화 기법 및 데이터 교환 기법에 대해 제안하였다. 다음으로 파이썬을 이용하여 PSS/E 와 PSCAD/EMTDC간 하이브리드 해석 플랫폼을 구축하였다. 또한, PSS/E UDM을 이용한 관심영역 모델링을 구현하였다. 마지막으로 제안된 플랫폼의 유용성을 검증하기 위해 시험계통에 대해 다양한 시험 모의조건을 사용하여 검증하였다.

하이브리드 해석은 순시치 해석 및 실효치 해석의 단점을 보완하는 측면의 특성을 갖고 있다. 실효치 해석 측면에서는 관심설비의 사고 발생 후 동특성을 반영할 수 있는 장점이 있으며, 순시치 해석 측면에서는 고정된 전원의 특성을 가변적인 전원으로 변경함을써 대규모 전력계통의 특성을 반영할 수 있는 장점이 있다.

향후에는 정상분 이외의 임피던스를 반영할 수 있는 등가화 기법 등에 대한 연구가 필요하다. 재생에너지, FACTS, HVDC, ESS 등 다수의 관심설비가 대규모 전력계통에 연계되는 Multi-port 하이브리드 해석 및 간략화된 HIL 기반 해석 환경 구축에 대한 연구가 필요하다.