전압 불안정 시 전력 계통 보호 및 제어 방법

 

여름철에는 전력 소모가 증가하여 전압 불안정으로 인한 전기 공급 문제가 발생할 수 있습니다. 전압 불안정이 발생하는 경우, 발생 원인과 대처 및 제어 방법을 설명하겠습니다.

 

목차 1. 전압 불안정 현상과 원인 2. 전압 불안정 시 변압기 OLTC 제어 방법     2.1 변압기 OLTC 제어     2.2 전압붕괴와 OLTC 운전     2.3 계통 안정도 개선     2.4 OLTC 블로킹 방식 적용 3. 전압 불안정 시 저전압계전기를 활용한 부하차단 방법     3.1 부하차단 방법의 설명     3.2 부하차단 효과

 

 

1. 전압 불안정 현상과 원인

전압 안정도는 평상시와 계통의 동요가 발생된 후에 계통의 모든 모선에서 전압을 어떤 허용할 만한 수준으로 유지할 수 있는 능력의 정도를 말합니다. 동요에 의하거나, 부하의 증가 또는 계통 조건의 변화가 점진적인 전압 저하를 일으키거나 전압의 저하를 초래하게 되는 경우에 전력 계통은 전압 불안정 상태로 진입하게 됩니다. 전압 불안정의 주된 요인은 계통이 무효전력 수요를 공급할 수 있는 능력이 부족하기 때문입니다. 문제의 핵심 부분은 보통 유효전력과 무효전력이 송전 계통에 관련된 유도성 리액턴스를 통하여 흐를 때 발생하는 전압 강하입니다.

계통이 불안정하다면 계통에서 적어도 한 개 모선 이상에서 그 모선에 무효전력을 중심으로 흐름에 따라 모선 전압이 감소되게 됩니다. 다르게 말하면 모든 모선에서 V-Q 민감도가 정(+)이면 계통이 안정하고, 어느 한 모선에서라도 V-Q 민감도가 부(-)이면 계통은 불안정합니다.

점진적인 모선의 전압 저하는 발전기 회전자의 위상이 동기 탈조될 때에도 발생될 수 있습니다. 예를 들어, 두 그룹 간의 발전기 회전자의 위상각이 180도에 접근하거나 초과하는 것과 같은 점진적인 동기 탈조에서는 계통의 중간점에서의 전압은 매우 낮게 나타납니다. 대조적으로 전압 불안정으로 인해 발생된 지속적인 전압 저하는 발전기 회전자의 위상각 안정도가 문제가 되지 않는 곳에서 발생합니다.

비록 발전기 위상각이 동기 조로 되는 과정에서도 전압이 저하될 수는 있어도 전압 불안정에 관련된 잔압 붕괴의 형태는 위상과 불안정(Angle Sability)"이 문제가 되지 않는 곳에서 발생될 수 있습니다. 그러나 이러한 경우의 저전압은 전압 강하 그 자체의 문제보다는 회전자가 동기 탈조로 빠졌기 때문입니다. 전압 안정도는 전적으로 국지적인 현상입니다. 그러나 그 결과는 광범위하게 퍼져 영향을 줄 수 있습니다.

이러한 전압 불안정의 근본적인 원인은 다음과 같이 정리할 수 있습니다.

• 송전 계통의 과부하
• 전원이 부하로부터 너무 멀리 떨어져 있음
• 전원 전압이 너무 낮음
• 무효 전력 보상 용량 부족

실제 복잡한 실계통에서는 전압 붕괴의 진행 과정에 다음과 같은 여러 요인이 영향을 미칩니다.

• 송전 계통의 전기적 특성
• 전력 전송 레벨
• 부하의 특성
• 발전기의 무효 전력 허용 능력 한계
• 무효 전력 보상 장치의 특성
• 전압 제어 장치의 협조 불량
• 보호 계전 장치의 오동작

 

2. 전압 불안정 시 변압기 OLTC 제어 방법

2.1 변압기 OLTC 제어

OLTC의 주요 목적은 변압기 2차 측 전압을 주어진 범위 이내로 유지하는 것입니다. 예를 들어, 부하가 증가하여 전압이 감소하면 OLTC는 탭의 위치를 올려 전압을 유지합니다.

탭 간의 움직이는 속도는 일반적으로 수 초에서 수십 초 정도입니다. 이러한 속도는 수분 이내에 발생하는 허용할 만한 수준의 작은 외란에 대해 확실하게 회복될 수 있도록 합니다.

심한 동요가 발생하면 다수의 변전소가 포함된 넓은 지역의 전압이 저하될 수 있습니다. 각기 다른 전압 레벨에 있는 변압기에 적용되는 OLTC는 각기 설치된 현장 기준에 따라 동작하며 제어 전압을 유지하기 위해 설계된 개별 절환 과정을 독립적으로 시행합니다. 만약 전압 저하가 전압 붕괴로 향해 진행된다면 대형 전압은 대개 서서히 감소되며 OLTC는 배전 전압을 회복시키려고 작동하게 됩니다. 이때 송전 계통은 새로운 안정 상태가 될 때까지 더욱 긴장된 상태가 지속되거나 그렇지 않으면 전압 붕괴가 발생합니다. 이러한 과정은 OLTC의 탭 수와 그들의 정정치에 따라 수분에서 수십 분의 시간이 소요됩니다. 전압이 붕괴되는 동안 OLTC는 저전압을 검출하며 적당한 시간이 지난 후에 변압기의 탭 위치를 올리려고 합니다. 이 기간 동안에 부하의 변동이 없다면 부하는 보통 OLTC가 일정한 전압을 유지시켜 주는 고정된 값으로 고려할 수 있습니다.

만약 1차 전압이 낮아지면 부하 전력을 유지시키기 위해 송전선의 전류가 증가합니다. 전류가 증가하면 송전 전압이 더욱 낮아지며 전압 붕괴가 발생하기 쉬워집니다. 전력 계통에는 대개 EHV/HV 변압기(1차 송전망-2차 송전망 연계용)나 HV/MV 변압기(2차 송전망-배전망 연계용)에 모두 OLTC를 가지고 있습니다. 우리나라의 경우 765kV로부터 22.9kV까지 3단계, 스웨덴의 경우 연쇄하여 4단계의 OLTC를 가지고 있습니다. 탭 절환 속도는 일반적으로 전압이 높아질수록 짧게 설정합니다.

 

2.2 전압붕괴와 OLTC 운전

OLTC 동작저지 또는 세트포인트 조정은 전압 붕괴에 임박한 긴장된 계통에서 계통 안전 유지에 유익합니다. 그 효과는 부하 특성과 무효전력 보상의 정도에 따라 달라집니다.

또한, 수용가에 가까운 OLTC는 특별한 제어가 필요합니다. 일반적으로 HV 송전망이나 MV 배전망에서 단지 전압을 낮추는 것은 상황을 악화시키는 것입니다. 따라서, 수용가에 가까운 OLTC를 이용하여 부하 전압을 복구시키는 것이 좋습니다. 이러한 것의 의미는 전압을 낮은 상태로 유지한다면 전력용 콘덴서(SC) 등에서의 무효전력이 감소됨과 동시에 배전계통의 무효전력 손실이 증가되는 것입니다.

어떤 경우에는 OLTC가 유익한 효과를 가져올 수 있습니다. 예를 들어, 변압기 부하가 대부분 전동기 하이며 각 전동기마다 역률 보상용 콘덴서(SC)가 연결된 경우가 그러합니다. OLTC로 공급 전압을 높게 유지하여도 부하가 전압에 독립적이기 때문에 유효전력 소비에는 영향을 주지 않습니다. 이렇게 하면 전력용 콘덴서로부터 무효전력 보상을 극대화할 수 있습니다.

 

2.3 계통 안정도 개선

일반적으로 유효전력 수요가 전압에 따라 변하는 계통에서 적절한 OLTC 제어는 전압 불안정의 정도를 감소시킬 수 있습니다. OLTC 동작 저지는 계통 안정도에 역작용을 감소시켜 준다고 알려져 오고 있습니다. 부하 전압을 낮추는 것도 계통 부하를 줄이는 데 이용될 수 있습니다. 이것은 마치 전압 감소에 의해 피크 부하를 줄이는 것과 유사합니다.

따라서 OLTC는 전압 붕괴에 대해 부분적으로 해결 방안도 될 수 있는 한편 전압 붕괴의 원인도 될 수 있습니다. 운전 중 어느 때든지 전압 붕괴가 관심 거리로 될 때에 OLTC를 전압 붕괴를 막기 위해 기여하도록 하는 가장 단순한 방법은 OLTC가 전압을 올리는 동작을 하지 못하도록 블로킹하는 것입니다. 일시적으로 블로킹하는 것을 결정하는 방법은 아래와 같습니다.

• 현장에서 도출한 정보를 활용하여 블로킹 시행
• 중앙 제어소와 감시 시스템에서 결정하고 송신에 의해 시행

이러한 동작은 영향 지역의 부하 전압이 어느 기간 동안 저전압이 되게 합니다. 전체 공급 지역에서 공급 전압을 낮게 함으로 나타나는 효과는 더 작은 지역에서 어떤 부하를 완전하게 차단할 가능성을 더욱 부추겨야 합니다. OLTC 동작 저지는 과도 현상보다 느린 전압 강하에 대해 더욱 효과적입니다. 그리고 비교적 전압 의존도가 높은 부하에서 더 효과적인 방법이 됩니다.

 

2.4 OLTC 블로킹 방식 적용

1) 현장 블로킹 방식

현장 정보에 의한 블로킹 방식은 변전소 고전압 모선에 연결된 전압계전기와 시간지연 계전기로 구성됩니다. 전압계전기 동작 레벨은 보통 허용 최대 부하 시 나타나는 전압보다 낮은 값으로 설정합니다. 전압계전기가 비정상 전압에서 일정 기간 동안 동작하면 블로킹을 시행합니다. 여기서 시간 지연은 1~수초 범위에서 적용됩니다.

블로킹한 후에 블로킹 해제는 전압이 일정 시간(보통 5초) 이상 회복되어 허용치 이상이 되면 해제하여 일상적인 운전으로 복귀합니다. 전압은 어느 2상의 선간 전압(Vab, Vbc, Vca 중 하나)을 측정하는 것이 적절합니다.

 

2) 협조 블로킹 방식

협조 블로킹 방식은 일정 지역의 OLTC에 적용되는 방식으로 전압 불안정이 심한 지역에 블로킹을 적용합니다. 이 방식은 두 가지 방법 중 하나로 구현할 수 있습니다.

• 지역 안에 있는 여러 변전소에 설치된 독립적으로 동작하는 UVR들의 동작을 협조 형태로 적용하는 방식
• 지역의 주요 중심지점(key location)의 전압 저하 패턴을 인식하여 시행하는 중앙 제어 방식 (이 방식은 모든 지점의 전압이 정해진 값 이하로 저하되진 않았어도 영향권에 있는 지역의 모든 변전소의 OLTC에 블로킹을 적용합니다.)

중앙 제어 방식에서의 주요 사항은 통신 시스템의 신뢰도입니다. 왜냐하면 블로킹 결정을 위한 정보가 현장으로부터 중앙으로 모아져야 하고, 또 결정된 제어 정보가 변압기가 있는 변전소로 정확하고 신속하게 보내져야 하기 때문입니다. 송전 계통에서의 OLTC 블로킹 방식의 효과는 배전용 변압기가 자동으로 제어되는지 여부에 크게 영향을 받습니다. 만약 배전 변압기가 자동으로 제어된다면 송전 계통에서의 OLTC 블로킹 효과를 무효화하는 작용에 대해 추가적인 대책이 요구됩니다. 대량의 전력용 콘덴서를 가진 계통이라면 최대의 무효전력을 이끌어내기 위해 높은 전압을 유지해 주어야 합니다. 이것은 긴장된 운전 조건에 있는 계통에서 매우 바람직한 방법입니다.

 

3) OLTC 세트포인트를 낮추는 방법

OLTC를 블로킹하는 것보다 OLTC의 전압 세트포인트를 감소시키는 것이 더 좋은 방법입니다. 이렇게 하면 더 많은 부하를 처리할 수 있습니다. OLTC 블로킹만으로는 계통의 부하 종류, 무효전력 보상 정도, OLTC 수량 등과 같은 계통 특성에 크게 의존합니다. 따라서 OLTC 제어 전략은 다음과 같습니다.

• 안전한 상태에서는 모든 OLTC가 평소와 같이 제어됩니다. HV 전압 세트포인트는 차 하위 송전망의 유효분 손실을 최소화할 수 있는 값으로 설정됩니다.
• 비상 상황에서는 EHV/HV 및 HV/MV 변압기 OLTC를 블로킹하고, EHV/HV 변압비는 가능한 최소로 유지합니다.
• 경고 상황(계통 전압 불안정 상태로 진행될 수 있는 확실한 우발 사태가 있는 경우)에서는 EHV/HV 변압기의 OLTC 세트포인트를 높이고, HV/MV 변압기 OLTC의 MV측 전압 세트포인트를 낮춥니다.

이렇게 함으로써 무효전력 손실을 줄이고 HV 계통에 설치된 병렬 무효전력 보상 장치로부터 더 많은 무효전력을 공급받을 수 있습니다.

 

3. 전압 불안정 시 저전압계전기를 활용한 부하차단 방법

3.1 부하차단 방법의 설명

평소 송전설비에 중부하가 걸리고 한정된 무효전력 제어량을 가진 전력계통은 전압 불안정에 취약할 수 있습니다. 다른 해법들이 모두 실패한 예상치 못한 전압 불안정 상황에서 전압 붕괴에 임박한 시점에서 가장 강력한 방편이 될 수 있는 것은 부하 차단입니다. 저전압 부하 차단은 저주파수 부하 차단과 유사하며, 저비용으로 계통 붕괴를 막을 수 있는 수단이 될 수 있습니다.

일반적으로 전압 불안정 현상이 시작되면 운영자가 계통 전압을 안정화 시킬 수 있는 시간이 충분치 않습니다. 그러므로 저전압 현상이 발생하면 전체 계통의 안전화를 위해 부하 차단하는 것이 권장됩니다. 이 방식은 계통의 전압을 모니터링하기 위해 대표적인 변전소들에 저전압 계전기(Under Voltage Relay)를 설치하여 이용하거나 중앙에서 주요 위치의 전압을 모니터링하며 저전압 정도 또는 전압 저하 속도에 비례하는 부하를 차단합니다. 이러한 계통 보호 방식을 저전압 계전기에 의한 부하 차단(UVLS: Under Voltage Load Shedding) 방식이라고 합니다. 대용량 발전소를 연결하는 주요 간선 중 일부가 차단되면 계통에 전압 강하가 심해지고 전압 불안정 현상이 발생할 수 있습니다.

 

3.2 부하차단 효과

실제로 부하 차단을 몇 번 수행해야 하는지, 한 번에 차단할 양은 얼마나 되는지, 차단 시 지연 및 부하 복구 기준 등을 검토하고 결정해야 합니다. 이러한 문제를 정확하게 결정하려면 동적 모의가 필요합니다. 그러나 몇 번의 동적 모의만으로는 일반적인 기준을 제시하기가 모호하고 해석하기 어렵습니다. 따라서 먼저 정적 모의를 통해 일반적인 기준을 제시하고, 이를 검증하기 위해 동적 모의를 사용합니다. 또한, 계통 유효 전력 부족 시 계통 주파수가 감소하는 현상에 대해서는 저주파수 계전기를 사용하여 부하 차단 (UFLS) 방식으로 보호하는 것이 유사합니다. 이러한 방식은 안정적인 전력 공급을 유지하면서 전력 시스템을 보호하는 데 도움이 됩니다.

 

위와 같이 전력계통 내 전압 불안정 현상의 원인과 전력 계통 보호 및 제어 방법을 살펴보았습니다. 이 문서가 전기 공급에 대한 조금 더 전문적인 지식 습득에 도움이 되었기를 바랍니다. (끝)