전력계통 상태추정 개요
- 전력계통 상태추정은 1965년 미국 북동부 대정전 사태 이후로 Fred Schweppe에 의해 제시된 방법으로서 전력계통의 신뢰도를 높이고 운영하는데 없어서는 안 될 중요한 기능 중에 하나이다.
- 전력계통은 EMS(Energy Management System)에 의해 관리되며 EMS는 원방감시제어(Supervisory Controll And Data Acqusition, SCADA) 시스템을 비롯한 상태추정(State Estimaion, SE), 상정사고해석(Contingency Analysis, CA), 자동발전제어(Automatic Generation controll, AGC), 부하 예측(Load Forecasting), 최적 조류 계산(Optimal Power Flow, OPF), 최적 급전 계획(Dispatch Optimal Schedule) 등 여러 기능들을 포함하고 있다.
- SCADA의 주요기능은 차단기 및 스위치의 닫힘/열림 상태, 계전기 등의 동작상태를 감시하는 원격감시기능, 전압, 전류, 변압기 TAP위치 등을 측정하는 원격측정기능, 차단기 및 스위치의 닫힌/열림 제어, 발전기의 발전량을 제어하는 원격제어기능 등이 존재하며 시스템을 제어하고 데이터를 수집하는데 목적을 두고 있다.
- 이 중 상태추정은 SCADA와 네트워크로 연결된 원격단말장치(Remote Terminal Unit, RTU), 동기페이저 측정기기(Phasor Measurement Unit, PMU) 등으로부터 읽어오는 데이터에 대해 최적값을 추정한다. 측정값이 실제값과 항상 같을 수 없는 이유는 계측기 자체의 오류, telecommunication error, 토폴로지 변화 등 다양한 이유로 노이즈가 껴있거나 불량데이터가 저장되곤 한다.
- 실제로 이런 오류로 인해 광역 정전이 일어날 수 있으며 상태추정을 통해 정확한 상태변수를 추정하고 이를 통해 앞서 언급한 CA, AGC, OPF, DOS 등 전력계통의 다양한 분야에 적용할 수 있다.
- Fig.1.2는 EMS와 SCADA에 대한 관계를 보여주며 IED는 Intelligent Elelctroninc Devices의 약자로서 RTU에 비해 더 현대적이고 다양한 전자적 기능들을 포함하고 있다.
상태추정이란?
- 상태추정이란 관측된 데이터로부터 상태변수를 추정하는 것을 말하며 시스템에서 측정이나 관측이 불가능한 상태변수를 추정하는 기능을 가지고 있다.
- 상태변수는 시스템의 특성을 나타낼 수 있는 독립변수의 집합으로서 전력계통에서는 주로 전압페이저 또는 전류페이저가 상태변수가 된다.
- 시스템의 현재 동작상태를 식별하기 위해, 상태추정은 송전선로 부하, 모선전압 크기와 같은 정확하고 효율적인 관측값을 사용한다.
- 정적 상태추정(Static State Estimation, SSE)의 경우 측정장비의 한계로 각 모선의 위상을 측정할 수 없어서 주로 각 모선의 주입전력, 조류전력, 전압의 크기, 전류의 크기 등을 갖고 주로 WLS(Weighted Least Square)나 WLAV(Weighted Least Absoulte Value)를 통해 각 모선의 상태변수 값을 구한다. 또한 샘플링 속도가 2~4초에 한번 데이터를 취득하기 때문에 준 정상상태 해석이나 정상상태 해석에 쓰일 수 있다.
- 동적 상태추정(Dynamic State Estimation, DSE)의 경우 PMU를 통해 데이터를 수집하기 때문에 PMU와 연결된 지점의 페이저를 직접적으로 수집할 수 있고ㅡ물론 이 값이 항상 True value가 아님ㅡ 샘플링 속도가 30samples/s 이상이 되기 때문에 과도상태 해석에 유용하게 쓰일 수 있다.
- 특히 요즘 탄소제로로 인한 대규모 신재생 에너지 투입과 분산형 전원, 인버터, 컨버터 기반 기기들의 투입때문에 계통의 안정도가 급격하게 변할 수 있는 상황에서 동적 상태추정이 떠오르고 있는 추세이다.
- 동적 상태추정은 주로 칼만필터(Kalman Filter, KF)에 기반해 사용되고 있으며 동적 상태추정은 추후에 다룰 예정이다.
상태추정의 기능
- 상태추정은 다음 기능들을 제공하며 시스템의 상태변수를 결정하는 일을 한다.
- 토폴로지 프로세서 : 차단기 및 스위치에 대한 상태 데이터를 수집하고 시스템의 단선도를 구성한다.
- 가관측성 해석 : 가관측성이란 상태추정 전에 한 번 진행되는 과정으로서 주어진 측정데이터 셋을 이용하여 계통의 유일한 해를 구할 수 있는지, 유일한 해를 구할 수 없다면 독립계통 별로 상태추정을 진행하거나 이용가능한 의사 측정 데이터(Pseudo-Measurement Data)를 사용한다.
- 불량데이터 처리 : 상태추정의 핵심 기능 중 하나로서 상태추정은 시스템의 상태변수를 결정하는 일 뿐만 아니라 불량데이터를 처리하는 역할 또한 진행한다.
- 파라미터와 구조적 에러 처리 : 송전선 모델 파라미터, 변압기 탭 파라미터, 션트 캐패시터나 리액터 파라미터 등을 추정한다. 측정 여유도가 충분할 경우 네트워크ㅡ전력계통이 망처럼 연결되어 있기 때문에 많은 경우에서 Network라 부르기도 한다.ㅡ 환경에서 구조적인 오류를 감지하고 오류가 있는 차단기를 식별한다.
- 이러한 기능 때문에 상태추정기는 실시간 안정도 해석 기능에 있어 핵심적인 역할에 기여한다.
- Fig 1.3은 실시간 정적 보안 평가를 functional block diagram형태로 보여주고 있으며 measurements를 통해 상태추정을 진행 후 여러 분석, 제어 등을 하는 것을 볼 수 있다
