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한국형 EMS의 최적조류계산(OPF) 적용 검토 방안
서은성
*, 이진수
*, 이효상
*, 민상원
**, 이정호
**한국전력거래소
*, 한국전기연구원
**Study of the Optimal Power Flow Application in Korean Energy Management System
Eun Sung Seo
*, Jin Su Lee
*, Hyo Sang Lee
*, Sang Won Min
**, Jung Ho Lee
**Korea Power Exchange
*Korea Electrotechnology Research Institute
**Abstract - 본 논문은 한국형 에너지관리시스템에 적용되는 발전계획 응용프로그램 기능중 최적조류계산 기능을 실제 시스템에 적용하기 위 한 준비과정을 설명하고 있다. 최적조류계산 기능은 운영자가 정의한 계 통모델, 제어요소, 목적함수, 제약요소를 기반으로 운영자가 선택하는 전 력계통 BaseCase를 해석하여 계통운영 한계값의 위반을 제거하거나 최 소화하여 전력계통의 안정성을 향상시키며, 유효전력 손실 최소화, 연료 비용 최소화 등 목적함수를 최소화하는 해를 생성하고 계통운영상의 주 요 제어 및 비용권고 사항 등 계통 해석상태를 제시하는 기능을 수행하 는 응용프로그램으로 K-EMS Prototype 개발 기간에 개발되었다. 이에 본 논문에서는 언급한 OPF 기능을 실제 계통 데이터를 Interface하는 과정과 검증방법들에 대해서 설명하고자 한다.
1. 서 론
최적조류계산 기능은 운영자가 정의한 계통모델, 제어요소, 목적함수, 제약요소에 근거하여 전력계통 Base Case를 분석하고 계통운영 한계값 의 위반을 제거 또는 최소화하여 계통의 안정성을 향상시키고, 유효전력 손실 최소화 / 연료비용 최소화 등 비용함수를 최소화하는 해를 생성하 여 계통 주요 제어권고 사항 및 계통해석 상태를 제시하는 기능이다. 현 재 개발된 KEMS의 최적조류계산 기능은 각 세부 기능별 단위시험, 통 합시험, 실증시험을 통해 실제 계통 데이터를 인터페이스하여 알고리즘 및 해의 적정성을 검토하며 KEMS 개발 기술기준에 부합되는 다른 네 트워크 해석 기능등과 연계하게 된다.
2. 본 론 2.1 목적
시험의 목적은 개발된 최적조류계산(OPF) 프로그램의 시스템 통합을 위한 시험을 통해 기술기준과 상세설계 내용에 부합하고 안정성, 신뢰성 확보상태를 알고리즘 세부 기능별로 시험하며 필요시 코딩을 수정 보완 하기 위한 것이다. 이러한 시험단계는 단위기능시험, 통합시험, 실증시험 의 단계를 거치게 되며 단위기능시험에서는 파일기반의 입력 / 출력 정 보를 통하여 각 세부기능별 알고리즘의 검증을 검토하게 되며 통합시험 에서는 시스템에 인터페이스하여 ACM기반의 데이터 입출력을 통해 검 증하게 된다. 실증시험에서는 실제 운영상의 환경을 통해서 사용자가 임의의 기능을 무작위로 시험하여서 평가하게 된다.
2.2 OPF의 구성
OPF는 입력부, OPF처리부, 출력부, 사용자인터페이스로 구성되어 있 으며 주요 목적함수와 그에 해당하는 제약조건, 제어변수 등 사용자가 선택적으로 실행할 수 있도록 구성되어 있다.
2.2.1 입력부
• Network Model(Base case) - Network Topology
- Impedance 등 전기적 모델, 부하모델 - 비제어 장치의 조정계획
- 상태감시 그룹 및 제약조건
- 제어요소의 증/감발률, 발전기 무효전력 용량곡선 • 제약모델
- 유효/무효전력 모선 mismatch - 지역간 융통전력, 조정된 모선전압 - OPF제어요소
- 모선전압 크기(PU), 선로조류, 직렬기기조류 - 변압기조류, zero impedance 선로조류 - node pair 위상각
- interface 제약, 운전예비력, 제약한계 지정 • Contingency Model
- Group Constrains / Individual Constrains • Control Model
- 발전기 유효/무효전력, 조정된 모선전압 - 변압기탭, 위상변환기 탭, 조상설비 - 지역간 융통전력 제한값
- 비용곡선 • 목적함수 Model - 발전비용 최소화 - 전력 손실 최소화 - 최대 무효전력 예비력 - 기타 목적함수 - 실현 가능 해 목적함수
F-002 시종속자료
평가
F-004 기준점 복귀
F-003 토폴로지
처리
F-005 유효성 검증
F-006 최적해 계산 OP-001 해 계산 실행
F-007 실현성 처리 - 시간스케쥴자료 갱신
- 사용자 활성화 - 변경 및 분석요구
- 사용자 활성화 - 기준점 복귀 지정
- 제어요소 정의 유효성 - 제약구축 정의 검증 - 유효전력 괴부족검증 - 모선지정 합리성검증 발전기 자료
해석 옵션 목적함수 정의
제약요소 비용최소화
손실 최소화
계통데이터 - 설비 조류 - OPF전, 후 전압 - 해계산 전 입력사항 - 해계산 후 권고사항 - 상태 감시 기능 출력
제어데이터 - 제어 권고 사항 - 기준 값에서 변경 값 - 새로운 제어비용 - 기준 값에서 권고비용 - 구속된 활성제약요소
목적함수데이터 - 목적함수 정의에 대한 - 활성화된 제어비용의합 - 기준제어 설정 목적함수 값 - 최종 목적함수 값 - 목적함수 값의 변경
제약데이터
- 인가지정된제약목록 - 활성화된 제약목록 - 제약인가 증분비용표시
- 토폴로지 변경사항자동처리
- 감시요소 위반 요약 - OPF 메시지 로그 - OPF 성능 실현 가능해 처리
- 등식과 부등식을 만족하는 가능해 집합 - 제약요소인가 → 목적 함수 최소화 해 구함
실현 불가능해 처리 - 지나친 제약의
집합으로 실현 불가능 - 실현 불가능 수렴 해 계산 F-001
계통해석 Case 계통모델
OPF 처리 순서도
F-008
<그림 1> OPF 구성도 2.2.2 출력부
• 계통데이터
- OPF 실행전후 case에 대한 상태 감시요소 • 제어데이터
- 새로운 제어조치 권고
- 기준값에서 권고값까지 설정치 변경값 - 새로운 제어 비용
- 기준값에서 권고값까지 비용 변경값 • 목적함수 데이터
- Base Case에서 계산된 당초 목적함수 - 최종 목적 함수 값
- 목적함수 값의 변경값
• 제약데이터
- 현재 지정된 감시 제약목록 - 현재 제약된 활성 제약 목록
2009년도 대한전기학회 하계학술대회 논문집 2009. 7. 14 - 1 7
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2.2.3 사용자인터페이스
•기타 사용자 인터페이스 화면 • OPF 결과 메시지
2.3 단위기능시험
단위기능시험은 사용자가 정의한 계통모델, 제어요소, 목적함수, 제약 요소에 근거하여 해를 생성하고 출력으로 제어권고사항을 제공하는 것 을 확인한다. 단위기능시험에서는 입력화면과 연계가 불가능하므로 입출 력 사항을 Text형식의 파일을 기본으로 작성하여 시험을 시행한다. 입 출력 데이터는 ACM(Application Common Module) Table 형식으로 작 성하여 입력자료로 사용하며 출력 테이블에서 결과를 확인할 수 있다.
입출력 테이블 작성시는 Area, Division 발/변전소, 설비구성요소, 발전 기연료 유형, GUC, Unit 별 구분 인덱스를 넣어서 작성하며 설비요소 및 발변전소의 추가시에도 이상이 없는지 확인하게 된다. 이후 계통 해 석기능과 연계되어 저장케이스를 생성하고 계통모델, 제어요소, 목적함 수, 제약 요소 등 입력자료를 실제 시스템의 데이터와 유사하게 연속성 있게 작성하여 해를 구하고 상태를 처리하게 된다.
2.3.1 단위기능시험 진행
가. 작성된 Check Sheet를 기준으로 시험자의 임무를 부여하여 각각 의 단계를 진행하게 된다.
나. 입, 출력자료 확인
- 통합 DB 와 연계가 이루어지지 않은 단위 시험에서는 ACM Table 형식의 입력파일을 작성 하여 활용하고, 출력 사항도 Text File 형식으로 작성 시험결과를 확인 한다.
다. 프로세스 실행 조건 확인
- 단위시험 시 실행조건의 확인은 ACM Table 상의 입력 사항을 점 검 확인한다
라. 계통 토폴로지Status, 제어, 제약 한계 값 및 처리 결과 값은 단위 시험 시 ACM 입력 Table 상에서 입력, 변경 사용
마. 프로세스 수동 기동하여 실행결과 확인 바. 입력변수를 변경 시험하며 수동실행 결과 확인 - 단위시험 시 ACM 입력 Table 상 변경 사. 입력변수 자료 변경하며 실행 결과 확인 - 단위 시험 시 ACM 입력 Table 상 변경 아. Area(육지, 제주)간 처리 결과 확인 자. 경보 및 Message 발생, 처리 확인 - 단위 시험 시 Text 출력Table 상에서 확인 차. 시험결과 종합 분석 및 향후 대책수립
ACM Network Database RTDB
State Estimator
Dispatcher Power Flow
Optimal
Power Flow MMI
Telemetered Network Data
Estimated Network Data Unit
Commitment
Market Operation
cost/price on/off
SCADA
<그림 2> OPF Interface 구성 2.4 통합시험
통합시험에서 최적조류계산 기능을 검토하기 위해서는 Study DB를 통해서 상태추정 결과Case, 조류계산 Case 등 Study case 기능과 연계 되어 계통모델 case를 복사할 수 있는 환경이 필요하다. 또한 Study DB를 통해서 계통설비가 제어요소, 제약감시요소로 구축되어 있아야 하 며 절차에 따른 입력 및 연계기능이 구비되어 있어야 한다. 또한 프로그 램의 실행을 위해서 Study Application Manager와 연계되어야 한다.
타 프로그램과의 연계를 위해서는 위의 그림과 같이 환경이 준비된다.
- ACM(Study) DB에 의한 계통 모델링이 구현되어 응용프로그램이 이상없이 구현되어야 함.
- ACM DB에서 입력자료를 Access 하여 사용하고, 출력자료는 ACM(Study) DB를 통해 화면 표시
- 계통해석의 상태추정(SE)기능 실행
- 경제급전 증분비용 곡선이 입력되어 validate된 상태
- 사용자 입력 변수 입력상태 확인.
2.5 실증시험
실증시험에서는 통합시험을 통해 시스템의 통합을 확인한 이후 실제 운영중인 전력계통에서 KEMS기술수준과 상세설계 내용이 부합되는지 타 프로그램과의 연계기능, 알고리즘세부기능, 수행성능, 안정성, 신뢰성 확보상태 등을 시험하며 이후 수정 및 보완을 통해서 보다 완벽하게 EMS내에 OPF 기능이 자리잡을 수 있도록 하는 시험이다. 이를 위해서 입력자료는 화면을 통해 입력되고 DB자료를 Access 하며 이후 응용프 로그램의 처리결과는 출력화면에서 직접 확인 할 수 있어야 한다. 또한 계통해석기능의 상태추정기능과 연계되어 실시간 자료의 Base Case를 생성하고 계통모델, 제어요소, 목적함수, 제약사항 등 입력자료를 연계하 여 제약분석 처리를 할 수 있어야 하며 제어요소의 권고 및 위반 사항 등 결과자료는 화면에서 제시하여야 한다.
OP-003-6 제어요소 - 발전기유효전력 - 발전기무효전력 - 발전기 기동/정지 - 변압기 탭 - 위상기 탭 - 무효전력장치 -유효전력 부하 - 지역간 융통전력
OP-004-6 제어그룹정의 OP-004-6 그룹 식별자 (문자 입력)
제어그룹별제어요소지정 제어요소
활성 인가 OP-005-3 운영 한계 값
변경
제어그룹 활성화
목적함수 정의 - 제어요소의 비용 - 함수(송전손실,
연료비용)
OP-003-2 비용곡선정의
사용자 입력 증분비용의 포인트 입력 ED6001-1 발전기자료 발전기 증분비용 곡선자료 자료복사 목적함수 선택
- 발전비용 최소화 - 유효전력손실최소화 - 제어요소 최소화 1 단계 처리
제어요소동작 시켜 안전도, 경제성 비교 최적화 2단계 처리 한계 값 영역 내에서 목적함수롤 최적화 OP-009-2
제약 요소 - 설비운영 한계 값 - 모선전압 크기 - 송전선 조류 - 모선 전압 - 송전선 조류 - 안전 한계 값
OP-009-3 제약그룹정의 제약요소 활성 인가
제약그룹 활성화
OP-001-5 계통 모델 Case - 토폴로지연결구성 - 설비요소의 전기적모델 - 부하모델, 부하스케줄 - 비제어설비 조정스케줄 - 감시그룹, 한계 값 - 발전기 출력 증감발율 - 발전기무효전력용량곡선 계통모델
사용자 입력 입력 내용 수정
사용자 입력 그룹 식별자
(문자 입력) 처리결과
OPF DATA FLOW
OP-002 결과 화면 출력 OP-011
메시지 로그 출력
목적함수 활성화
계통모델 선택
A-001 OP-004-5
목적함수 식별자 (문자 입력) OP-005
해 옵션 - 수용허용, 반복계산 한계값 - 전압Reset, 응답시간 옵션 - 제어동작, 불연속제어 동작 - 전문가분석 모드 설정 - 부하평가, 기저제어 복귀 - 제약유형 인가 활성화
지정 파라메터
A-002
<그림 3> OPF의 Data Flow
3. 결 론
본 글에서는 현재 진행되고 있는 한국형EMS개발에서 OPF의 기능 을 적용검토하기 위한 방법인 단위시험, 통합시험, 실증시험에 대하여 설명하였다. OPF는 발표이후 많은 발전을 해왔지만 아직은 실제 계통에 서 적용하기에는 많은 어려움이 있는 해석툴이다. 향후 현재 개발중인 OPF의 입출력데이터를 통해서 실제 운영중인 타 기능과의 비교 및 검 토에 대해서 논의하고자 한다.
[참 고 문 헌]
[1] Korean Energy Management System Technical specification, 한국전력거래소, 2006
[2] Allen J. Wood, "Power Generation, Operation, And Control", 2nd Edition, John Wiley & Sons, Inc., 1996
[3] Wen juan Zhang, Fang xing Li, Leon M. Tolbert, “Review of Reactive Power Planning: Objectives, Constraints, and Algorithms“, IEEE TRANSACTIONS ON POWER SYSTEMS, VOL. 22, NO. 4, NOVEMBER 2007
한국형 EMS 개발은 지식경제부의 전력산업 연구개발 사업으로 수행중인 사업입니다.
