2.1.1 SSR 회피를 위한 TCSC 적용

우리나라에서도 7차 전력수급기본계획 당시 영동지역에 약 7GW 이상의 신규 발전설비가 추가되고, 이를 수송하기 위한 새로운 전력망이 필요한 상황에서 발전기 준공 시점까지 신규 송전망 건설이 어려워 단기 대책으로 송전망의 직렬보상을 통하여 전력량 수송의 확대를 계획하였다⁽³⁾.

이를 위해 동해-신제천, 한울-영주 2개 루트의 345kV 선로를 대상으로 직렬보상을 결정하였다. 그림 3은 직렬보상이 결정된 당시 검토된 2024년 동해안 인근 전력계통 구성을 보여주고 있다. 그러나 당시, 임피던스 보상으로 전력망과 인근 발전기 간의 SSR 위험성이 언급되었다. 이러한 이유로 전력 당국은 사전 연구를 시행하여 도입 예정인 직렬보상에 따른 SSR의 위험성에 대하여 검토를 하고 인근 발전기 일부에서 SSR 발생의 위험성을 확인하였다. 그리고 검토 결과 확인된 SSR 위험성을 회피하기 위하여 TCSC를 적용하여 위험 구간에서의 공진주파수 회피를 통해 안정적인 계통 운영을 계획하게 되었다.

TCSC는 고정된 직렬 커패시터와 사이리스터로 제어되는 리액터로 구성된 직렬 임피던스 보상설비로 사전연구로 검토된 공진 위험 주파수를 TCSC 특유의 제어 효과를 통해 회피할 수 있는 특성이 있다⁽⁴⁾.

2.1.2 한전 계통에서의 SSR 위험성

이번 울진, 삼척 인근 산불 시 SSR 위험성이 보고된 발전기는 삼척 GP이었다. TCSC 적용 당시 시행하였던 사전 연구에서도 해당 발전기에 대한 SSR 위험성이 보고되었고, 당시 확인된 삼척 GP의 기계적 진동 고유주파수는 표 1과 같다.

이렇게 확인된 관심 발전기의 기계적 진동 고유주파수와 연계된 전력망의 전기적 진동 고유주파수를 비교하고, 일치되는 영역에서 발전기와 전력망이 보유하고 있는 댐핑 (Damping)이 얼마인가를 확인하여 최종적으로 SSR 위험성 여부를 확인하게 된다. 발전기의 기계적 댐핑 $D_{m}$은 보통 표 1과 같이 제작사에 제공된 정보로 확인되며, 계통의 전기적 댐핑 $D_{e}$는 계통 데이터를 바탕으로 그림 5와 같이 주파수 스캔을 통해서 구해진다 ⁽⁵⁾.

이렇게 구해진 기계적 댐핑 $D_{m}$과 전기적 댐핑 $D_{e}$을 비교하여 $D_{e}$가 $D_{m}$에 비해 더 작으면 SSR 위험성이 있는 것으로 판단한다. 예를 들어 그림 5에서 주파수 20㎐의 $D_{e}$가 -0.6일 때, $D_{m}$이 -0.6보다 크면 SSR 위험이 크고 $D_{m}$이 -0.6보다 작으면 SSR 위험성이 작은 것으로 판단할 수 있다.

이와 같은 방법으로 SSR 검토를 위해서는 먼저 관심 발전기와 전력망 사이에 연계 계통구성이 필요하다. 일반적으로 직렬보상이 이루어진 전력망과 인근 발전기들 사이가 방사상으로 직접 연결될 때 위험성이 가장 크다. 따라서 사전 연구에서는 해당 발전기와 영동권에 설치된 2개의 TCSC 사이 연계 계통을 다양한 조건을 고려하여 구성하고, 이러한 조건에 대하여 인근 발전기들에 대한 차동기 공진의 위험성을 검토하였다.

그림 6, 7은 TCSC #1과 TCSC #2와 관심 발전기인 삼척 GP가 각각 연결되는 계통구성을 검토한 내용이다. 그림 6, 7과 같이 SSR 발생이 의심되는 가장 심각한 계통 상황을 가정하기 위해 최대 13개 설비가 고장 또는 조작을 통해 계통구성이 변경되는 상황을 가정하였다^(5)(6)(7).

그림 8은 그림 6과 그림 7과 같이 구성된 삼척 GP 발전기와 전력계통에 대하여 주파수 스캔을 통해 확인한 전기적 댐핑 $D_{e}$의 결과와 가로 바 형태로 그래프 위에 표기된 삼척 GP 발전기의 기계적 댐핑 $D_{m}$의 값을 비교한 것이다. 좌측은 고정된 직렬 커패시터 FSC (Fixed Series Capacitor)로 50% 보상된 전력계통의 $D_{e}$와 삼척 GP 발전기의 $D_{m}$을 비교한 것이며, 우측은 TCSC로 50% 보상된 전력계통의 결과이다. 그림 8과 같이 FSC로 보상된 계통의 경우 삼척 GP 발전기의 기계적 진동 고유주파수 대역인 26㎐와 30.25㎐ 근방에서 전력계통의 $D_{e}$와 발전기의 $D_{m}$이 중첩되어 SSR 위험성이 존재하지만, TCSC 적용 이후에는 26㎐와 30.25㎐ 근방에서 전력계통의 $D_{e}$가 증가하여 발전기의 $D_{m}$과 중첩구간이 존재하지 않아 SSR 위험성이 감소한 것을 확인할 수 있다.

2.2.1 울진/삼척 산불 당시 인근 계통 현황

상술한 바와 같이 직렬보상 된 전력망과 인근 발전기 간에 방사상으로 계통 연결이 이루어질 대 SSR 위험성이 커지게 된다. 울진/삼척 산불 당시 인근 송전망의 고장 상황은 다음과 같다.

산불 발생 전 그림 9와 같은 구성으로 운영되고 있던 울진, 삼척 인근 계통은 산불 발생으로 인한 고장으로 표 2와 같이 송전선로와 전력 설비가 탈락하였다.

표 2와 같은 고장의 발생으로 그림 10과 같은 계통구성을 갖게 되어 결과적으로 삼척 GP 발전기와 동해-신제천 TCSC 사이를 연결하는 계통구성이 방사상에 가깝게 구성되었다. 계통 운영 환경이 변경된 상황에서 때마침 발전기 보호를 위해 설치

된 계전기를 통하여 표 3과 같은 위험 주파수 경보가 발생하였다. 표 1에서 확인한 삼척 GP 발전기의 기계적 진동 고유주파수 대역과 매우 인접한 것을 알 수 있다.

2.2.2 PMU 정보 활용 SSR 위험성 검토 결과

계전기를 통해 산불 당시 발전기의 기계적 진동 고유주파수 대역에 인접한 위험 주파수 발생을 확인하였으나, 실제 공진의 위험성을 확인하기 위해서는 당시 발생한 진동과 관련하여 진폭의 크기와 계통이 충분한 댐핑을 보유하고 있는지를 확인하는 과정이 필요하다.

이를 위해 동해변전소에 설치된 PMU 취득정보를 활용하여 주파수 분석과 고유치 해석을 통해 실제 SSR 발생의 위험성 여부를 확인하기로 하였다.

그림 11은 SSR 위험성이 보고된 3월 4일 18시 11분 25초 인근에서 태백 – 삼척 GP 154kV 고장 시 동해-삼척 GP 154 선로에서의 시간에 따른 유효전력 조류를 나타낸 것이다. 그림에서 보는 바와 같이 선로 탈락 이후 정규 주파수 외에 다양한 대역의 주파수 성분이 중첩되어 나타나는 것을 볼 수 있다. 일부 주파수 성분은 감쇄되어 사라지고 일부는 고장 이후 계속 유지되는 것으로 보이지만 정확한 진동 주파수 대역과 댐핑 보유 여부를 확인할 수 없으므로 주파수 분석을 시행하였다⁽⁸⁾.

그림 12는 주파수 분석 결과이다. 분석 결과에서 13.9㎐와 15.03㎐, 28.5㎐ 대역의 주파수가 검출되었으며, 진폭의 크기 역시 위 순서와 같았다.

주파수 분석만으로는 전력계통이 발생한 진동에 대하여 충분한 댐핑을 보유하여 고장 이후 발생한 진동이 소멸하여 위험성이 없거나 댐핑이 충분하지 않아 발생한 진동이 소멸하지 않고 전력계통에 위험으로 작용하는지를 알 수 없으므로 고유치 해석을 통하여 발생한 진동에 대한 댐핑 보유 여부를 확인하였다.

표 4는 울진, 삼척 산불 당시 취득된 PMU 정보를 활용한 고유치 해석 결과이다.

고유치 해석 결과 5개 주파수 모드를 확인하였다. 각각 0.61㎐, 0.81㎐, 28.58㎐, 15.03㎐, 13.97㎐ 대역의 진동이 확인되었으며, 1㎐ 미만의 2개 진동은 음의 댐핑을, 나머지 3개 진동은 양의 댐핑을 갖고 있었다. 진폭의 경우 그림 12에서 13.97㎐ 외 4개 진동은 $e^{-3}$ 이하의 매우 작은 값을 갖는 것을 확인할 수 있다.

다음으로 고장 이후 발생한 진동을 고유치 해석 결과 드러난 개별 주파수 대역으로 분해하여 시간에 따라 변화하는 모습을 확인해 보았다. 그림 13부터 그림 17은 각 주파수 대역별 시계열 변화를 나타내고 있다. 고유치 해석 결과에서 확인한 바와 같이 0.61㎐, 0.81㎐ 대역의 진동은 댐핑이 충분하지 않아 고장 이후 빠르게 소멸하지 않고 유지되는 것을 확인할 수 있다. 반면 28.58㎐, 15.03㎐, 13.97㎐ 대역의 진동은 댐핑이 충분하여 빠르게 진동이 소멸하는 것을 확인할 수 있다.

이중 표 3에서 확인한 주파수 경보와 관련된 진동은 28.58㎐ 대역으로 발생한 진동이 관심 발전기의 고유주파수에 근접하였으나, 진폭이 작고 진동을 억제하는 충분한 댐핑을 보유하고 있어 심각한 고장으로 발전할 위험성은 적었던 것으로 판단할 수 있다.

반면 비록 진폭이 작고 관심 발전기의 고유주파수 대역에 인접하지 않은 0.61㎐와 0.81㎐ 주파수 대역의 진동은, 진동을 억제할 수 있는 댐핑이 부족한 것으로 확인되어 추가 검토가 필요할 것으로 보인다. 발생한 주파수 대역으로 볼 때, 해당 진동은 동해안 지역 내 발전기군 간의 상호 진동으로 추정된다. 다른 시간대에서 확인한 주파수 분석 결과에서는 관찰되지 않은 것으로 보아 해당 시간대에서 확인하지 못한 특정한 조건에서 미확인된 발전기군 사이에 발생하는 진동으로 사료 된다. 타 시간대에서 소멸하여 당장에는 큰 문제가 없겠지만 향후 확인되지 않은 특정 조건에서 다시 발생하면 큰 문제가 발생할 수 있으므로 근처에 설치된 PMU를 통하여 추적 관찰할 필요가 있다.