송전·배전계통 안정도 향상

왜 배우는가: 송전·배전계통의 안정도는 정전 파급을 막는 핵심 기준이며, 전력계통 신뢰도 관리의 기초가 된다. 안정도를 정상·과도·동적 등으로 나누어 원인을 구분하는 문제가 두 회차 모두 출제되어 반복 학습이 필요하다.

출제 이력: 제136회 1교시 5번, 제101회 2교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

전력계통 안정도는 외란 후 발전기들이 동기를 유지하고 계통 전압·주파수가 허용 범위로 복귀하는 능력이다.

• 계통 안정도
• 동기화력
• 과도안정도
• 정태안정도
• 동적안정도
• 상차각
• 관성정수

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 전력계통이 흔들려도 다시 제자리를 찾는 힘이다. 발전기는 모두 같은 속도(동기 속도)로 돌아야 전기를 안정적으로 보낼 수 있다. 어느 발전기가 이 속도에서 밀려나면 계통이 무너질 수 있다.

정식 정의는 다음과 같다. 계통 안정도는 외란이 생긴 뒤 발전기 회전자 간의 상차각(위상차각)이 새로운 평형점으로 돌아와 동기 운전을 회복하는 능력이다. 외란의 크기에 따라 소규모 외란에 대한 동적안정도, 대규모 외란에 대한 과도안정도, 소규모 완만한 변화에 대한 정태안정도로 나눈다.

상차각은 발전기 내부 유기기전력과 계통 단자전압 사이의 위상차다. 상차각이 커지면 전달 전력이 늘지만, 어느 한계(정태안정 극한)를 넘으면 동기를 잃는다.

동기화력은 상차각이 조금 변할 때 발전기를 원래 위치로 되돌리려는 힘이다. 동기화력이 클수록 계통은 작은 흔들림에 강하다.

관성정수는 회전체가 속도 변화에 저항하는 정도다. 관성이 크면 가속·감속이 천천히 일어나 과도안정도에 유리하다. 안정도 평가에서는 정격 출력 기준 단위 관성정수 H[MW·s/MVA]를 많이 쓴다.

3. 등장 배경과 필요성

전력계통은 발전소가 멀리 떨어져 있고 송전선으로 연결된 구조다. 계통이 커질수록 한 곳의 고장이 여러 발전기의 동기 상태를 흔들 가능성이 커진다. 송전선 용량을 높이려고 전달 전력을 늘리면 상차각이 커져 안정 여유가 줄어든다.

1960년대 이후 대규모 정전 사고를 겪으며 안정도 해석이 체계화되었다. 이후 계통 안정도 해석은 고장 제거 시간, 발전기 관성, 보호계전 협조, 전압 제어를 함께 보는 방향으로 발전했다.

분산형전원과 재생에너지 연계가 늘면서 관성이 작은 전원이 계통에 들어오는 문제도 새로 생겼다. 이 때문에 배전계통에서도 안정도 향상대책이 중요해졌다.

[핵심 원리] 발전기 출력과 부하 사이 불균형이 생기면 회전자가 가속 또는 감속한다. 고장이 제때 제거되면 상차각은 새 평형점으로 돌아오고, 제거되지 않으면 상차각이 계속 커져 계통이 불안정해진다.

4. 구성요소·원리·절차

송전·배전계통 안정도 향상은 계통에 외란이 생겼을 때 발전기 회전자가 동기를 유지하고 상차각이 원래 평형점으로 돌아오도록 만드는 기술의 묶음이다. 안정도 향상 설비는 크게 동요방정식으로 설명되는 관성·상차각 요소, 여자와 전압을 제어하는 요소, 선로 임피던스를 줄이는 요소로 나뉜다.

원리는 동요방정식에서 출발한다. 기계 측 가속전력 P_a = P_m - P_e 가 양(+)이면 회전자가 가속되고, 음(-)이면 감속된다. 회전자 가속 방정식은 \frac{2H}{\omega_s}\frac{d^2\delta}{dt^2} = P_m - P_e 로 쓴다. 여기서 H는 단위 관성정수(MW·s/MVA), \delta는 회전자 변위각(rad), \omega_s는 동기 각속도(rad/s)다. 관성정수가 크면 같은 가속전력에 대해 각속도 변화가 느리므로 고장 중 상차각 증가가 완만해진다.

고장 제거 시간이 임계 제거시간보다 짧으면 상차각이 되돌아와 과도안정을 유지한다

직렬 보상의 원리는 송전 전력 식 P = \frac{V_s V_r}{X}\sin\delta 에서 드러난다. 리액턴스 X를 직렬 콘덴서로 상쇄하면 같은 상차각에서 더 많은 전력을 보낼 수 있다. 안정도 측면에서는 같은 전력을 더 작은 상차각으로 보내므로 안정 여유가 커진다.

PSS의 원리는 계자자속이 토크에 영향을 준다는 점을 이용한다. 회전자 속도 편차에 비례하는 보조신호를 여자시스템에 넣어 제동 토크를 만든다.

안정도 향상 절차는 다음과 같다.

• 계통 해석으로 과도안정 한계 고장 제거시간과 정상상태 안정 여유를 구한다.
• 부족한 안정 여유의 원인이 관성, 임피던스, 전압 중 무엇인지 판별한다.
• 원인에 맞는 설비를 선정한다. 임피던스에는 직렬 보상, 전압에는 조상설비, 동요 감쇠에는 PSS를 쓴다.
• 보호계전 시간을 줄여 고장 제거 시간을 단축한다.
• 시뮬레이션으로 외란 후 상차각 복귀를 확인하고 설비 용량을 확정한다.

5. 관련 법령·기준·표준

안정도 향상 대책 중 발전기 측 설비는 전력계통 운영 기준에 따른다. 국내에서는 「전력계통신뢰도 및 전기품질 유지기준」이 계통안정화장치 설치 대상을 정한다. 신규 동기발전기 중 300MVA 이상 발전기(복합화력발전기는 총 설비용량 500MVA 이상)는 계통안정화장치를 구비해야 하며, 발전사업자는 운전특성을 주기적으로 점검해야 한다. 점검 주기는 6년마다이며, 계통검토 결과 필요하다고 판단되면 추가로 점검한다.

배전계통에 적용하는 기준은 송전계통과 달리 전압 유지와 고장 전류 억제가 중심이며, 그 세부 수치는 해당 설계기준을 따른다.

300MVA 이상은 PSS 설치 의무 발전기의 용량 기준이다.

6. 유형과 비교

송전·배전계통의 안정도는 외란의 크기와 시간 범위에 따라 구분되며, 대책도 그 유형에 맞춰 달라진다. 과도안정도는 대사고 이후 발전기 상차각이 새로운 평형점으로 복귀하는지를 본다. 정태안정도는 완만한 부하 변화에 대해 자동제어 없이 평형을 유지하는지를 본다. 전압안정도는 무효전력 부족으로 전압이 연쇄적으로 붕괴하는지를 본다.