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2. 실시간 풍력발전량 예보 시스템 개념설계
실시간 풍력발전량 예보 시스템을 구축하기 위해 첫 번째 단계로 개념설계를 구성 하여 수행하였다. 개념설계는 예보 목적, 예보 시간, 예보 해상도, 예보 방법, 예보 대 상으로 구성하였다. 본 장은 먼저 기상수치모델를 종류와 국가별로 운영 중인 모델을 소개하였다. 그 다음 예보 목적, 예보 시간, 예보 해상도, 예보 방법, 예보 대상 순으 로 설명하였다. 여기서, 예보 시간은 예보하는 전체 기간을 의미한다. 예를 들면, 단 기예보인 경우 전체 예보 시간은 24시간으로 0시부터 24시간까지 예보 데이터를 공 급함에 목적을 둔다. 예보 해상도는 정해진 예보 기간 동안 기상정보를 제공하는 시 간간격을 의미한다.
2.1. 기상수치모델
기상수치모델은 기상관측자료를 수집하고, 수집된 기상관측자료와 기상현상을 정의 한 방정식을 통해 미래의 기상상태를 예보하는 방법이다. 기상수치모델을 수행하기 위해서는 기본적으로 기상자료가 필요하다. 기상자료는 다양한 측정기기들을 활용하 여 기상정보들을 수집하고 있다. 풍속계, 풍황계, 온도계, 압력계 등 많은 측정기기들 을 통합으로 구성된 장비들을 활용한다. 대표적으로 자동기상관측장비(AWS, Automatic Wather System), 부이(Buoy), 인공위성, 기상관측선, 기상 레이더, 라이오존 데 등을 사용한다. 기상자료를 근거로 대기의 물리현상을 구현한 방정식계를 수치로 해석하여 앞으로 발생 가능한 기상상태를 예보한다(figure 2-1). 여기서, 방정식을 계 산하기위한 슈퍼컴퓨터를 이용하여 단시간에 계산을 수행한다. 국내 기상청은 슈퍼컴 퓨터 4호기인 CRAY XC40을 운영하고 있으며, 기상수치모델은 영국에서 개발한
UM(Unified Model)을 사용하고 있다. 전지구를 대상으로 수평해상도는 10 km이고, 수 직층은 70층으로 구성하여 하루 4회에 걸쳐 12일 동안의 예보자료를 제공한다. 이는 전지구 날씨 예보하는데 목적을 두고 있다. 지역예보 시스템으로는 수평해상도가 12 km이고, 수직층은 70층으로 동일하게 구성되었다. 하루 4회에 걸쳐 87시간의 예보자 료를 제공한다. 이는 아시아 날씨를 예보하는데 목적을 두고 있다. 국지예보 시스템 으로는 수평해상도가 1.5 km이고 수직층은 70층으로 구성되었다. 하루 4회에 걸쳐 36 시간의 예보자료를 제공하고 이를 한반도 전역에 대한 날씨를 예보하는데 목적을 두 고 있다.
미국합중국 해군(U.S Navy) 소속인 FNMOC(Fleet Numerical Meteorology and Oceanography Center)는 전지구 모델인 NAVGEM(NAVy Global Environmental Model) 을 운영하고 있다. NAVGEM은 수평해상도가 37 km이고, 수직층은 50개층으로 구성 되었으며 총 180시간을 예보하고 있다. 미국합중국 공군(Air Force Wather Agengy)는
Fig. 2-1 The concept map of the numerical weather prediction model
(reference source : http://web.kma.go.kr/aboutkma/intro/supercom/model/model_concept.jsp)
2. 실시간 풍력발전량 예보 시스템 개념설계
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주로 지역모델로 사용되는 WRF(Weather Research and Forecasting) 모델을 도입하여 특정지역을 대상으로 기상예보를 수행하고 있다. NOAA(National Oceanic and Atmospheric Research) 산하 단체인 NCEP(National Centers for Environmental Prediction)은 전지구 모델인 GFS(Global Forecast System)모델을 수행하여 약 50 km 의 수평해상도를 갖는 기상자료를 생성하여 제공하고 있다. 이 GFS모델에서 생성된 예보자료를 GFS 자료라고 부르고 있으며, 전 세계적으로 FTP 서버를 통해 공급하고 있다. 지역모델로는 미국북부지역을 예보하는 NAM(North American Mesoscale Forecast System)을 12 km까지 해상도를 높여 운영하고 있다. 또한, RAP(Rapid Refresh) 모델을 운영하고 있으며, RAP 모델은 시간대별로 기상 데이터를 갱신하여 최대 3 km 수평해상도인 예보자료를 제공하고 있다.
유럽중기예보센터(ECMWF, European Centre for Medium-range Weather Forecasts) 은 18개 나라에서 공동으로 운영하고 있는 기관으로 기상수치모델을 이용하여 기상 을 연구하는 기관이다. ECMWF에서 운영 중인 기상수치모델은 ECMWF로 불리며 수 평해상도는 79 km, 31km이고, 수직층은 60개층, 137개층으로 구성되었다. 지속적으로 모델의 성능을 향상시키고 있으며, 2020년도에는 ERA6를 준비하고 있다.
JMA(Japan Meteorological Agency)는 전지구 모델인 GSM(Global Spectral Model)을 사용하고 있다. GSM은 수평해상도가 약 20 km이고, 수직층은 0.01 hpa까지 100개층 으로 구성되었고, 총 264시간의 예보자료를 제공하고 있다. GSM에서 생성된 자료를
Fig. 2-2 GSM, LFM, MSM domain
(reference source : http://www.jma.go.jp/jma/indexe.html)
Model Agency Country Resolution
Forecasting time : 84h & 36h
RAP 13 km, Forecasting time : 18h
ECMWF ECMWF Europe 79km, 31km
Forecasting time : 240h
UM Met Office UK 10km
Forecasting time : 144h
GSM JMA Japan 20km
Forecasting time : 264h Table 2-1 Numerical weather prediction model in counties
2. 실시간 풍력발전량 예보 시스템 개념설계
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바탕으로 MSM(Meso-Scale Model)과 LFM(Local Forecast Model)을 도입하여 수평해상 도가 각각 5 km, 2 km이고, 수직층은 76개층으로 구성되었다. 영국은 Met Office(Meteorological Office)에서 운영하고 있는 UM모델을 도입하고 있으며, 수평해 상도는 약 10 km, 수직층은 70개층으로 구성되었다.
Tascikaraoglu and Uzunolu, 2014; Okumus and Dinler, 2016; Kim and Hur, 2018]. 실 시간 그리드 운영은 전력망의 주파수가 정적상태로 지속적으로 유지되도록 관리를
입찰경쟁을 진행하고 있다(고용준 등, 2001; 한국동서발전, 2008). 이는 근본적으로 발
2. 실시간 풍력발전량 예보 시스템 개념설계 법으로 기상수치모델과 CFD(Computational Fluid Dynamics)을 둘 수 있다. CFD는 유 동 현상을 비선형 편미분 방정식인 Navier-Stokes Equation을 유한요소법을 사용하여
유동 문제를 해결하는 하는 툴이다. 주로 풍력발전단지가 복잡지형에 설치되었을 경
2. 실시간 풍력발전량 예보 시스템 개념설계
파수 변동과 같은 이벤트성 상황에 대비해야 한다고 생각한다.
2. 실시간 풍력발전량 예보 시스템 개념설계
에서와 마찬가지로 1일 평균풍속 및 1일 생산량을 이용하여 유지보수 수행여부를 판 단하며 시간 단위를 채용하여 유지보수의 작업시간에 적합한지 최종적으로 확인할 수 있도록 구성하였다. 단기예보는 당일 발생 가능한 급격한 풍속 증가여부를 판단하 여 지속적으로 작업자의 안전을 확보할 수 있도록 제공하는 것이 적합하다고 생각된 다. 예보 방법은 통계모델, 물리모델, hybrid 모델 모두 채용이 가능하고 통계모델만 단기예보에 채택하는 것으로 구성했고, 물리모델은 중기예보와 장기예보에 채택하는 것으로 구성하였다.
본 연구에서는 예보목적을 풍력터빈의 운영계획으로 선정하였다. 예보기간은 중기 예보와 장기예보를 선택하여 중·장기예보의 결과를 도출하였다. 중기예보는 시간단 위로 선택하였고, 장기예보는 일단위를 선택하였다. 예보 방법은 물리모델인 기상수 치모델을 채택하였다.
2. 실시간 풍력발전량 예보 시스템 개념설계
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Fig. 2-3 The conceptual design of a real-time wind power forecasting system
Fig. 2-4 The process of a wind power forecasting system for real-time grid operation.
Fig. 2-5 The process of a wind power forecasting system for operation in a electricity market.
2. 실시간 풍력발전량 예보 시스템 개념설계
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Fig. 2-6 The process of a wind power forecasting system for the control of wind turbines.
Fig. 2-7 The process of a wind power forecasting system for wind turbine operation planning