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+ 국내 발전기 특성시험의 방법과 중요성

� 김�동�준

한국전기연구원

차세대전력망연구본부 책임연구원

1 개 황

전력계통 계획과 운영에 대한 합리적인 결정은 전력 계통의 동적 특성에 대한

안정도 시뮬레이션에 크게 의존한다. 합리적인 동적 시뮬레이션을 위해서는 사용

하고 있는 발전 설비의 데이터가 정확하고 최신의 것임을 확인해야 한다. 이를테

면 낙관적인 동적 데이터는 실제 위험한 계통 운전 조건으로 인해 1996년 북미 서

부계통에서 발생한 것처럼 광범위한 정전을 야기할 수 있다. 반면에 비관적인 동

적 데이터는 보수적인 계통 계획으로 인해 송전 용량을 충분히 활용하지 못함으

로써 전력 전송의 효율성을 떨어뜨린다. 따라서 전력계통의 안정적인 운영에 대

한 신뢰도를 유지하면서 경제적인 전력계통 운영을 위해서는 합리적인 발전 설비

동적 데이터를 확보하는 것이 매우 중요하다.

특히, 향후 전력 계통의 규모가 확대되고 복잡해짐에 따라 전력계통은 제약 요

국내 발전기 특성시험의 방법과 중요성

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소가 상대적으로 많아져 복합적인 안정도 문제가 발생

할 가능성이 높아지고 있으며, 신뢰도 확보가 무엇보

다 큰 문제가 될 수 있다. 이에 전력계통의 계획과 전

력시장 운용의 신뢰도 확보 측면에서 측정된 데이터에

의해서 검증된 발전기와 제어계에 대한 특성 자료 확

보가 요구되고 있다. 국내 발전기 특성시험은 20MVA

이상 신규설비나 개장설비 또는 과거 10년 동안 발전

기 특성시험을 한 번도 수행하지 않은 발전기에 대해

서 시행하고 있으며 그 중요성도 점점 커지고 있다[1],[2].

2 현 황

가.�국내외�발전기�특성시험�현황

국내외적으로 발전기 특성시험의 주목적은 광역정

전사고 방지를 위한 정확한 발전설비 동적 모델 데이

터를 확보하는 데 있다. 검증된 발전설비 동적 모델

데이터는 전력계통 운영, 보호 그리고 계획에 중요하

게 사용된다.

1) 국 외

1970년대 말까지 발전기 모델 정수 유도 방법은

제작사에서 돌발 단락사고 시험법에 의한 아날로그

레코더에 기록된 데이터를 이용하였으나, 돌발 단락

사고에 의한 기기 파손의 위험과 제한된 발전기 모

델 정수(직축 정수)만을 취득할 수 있는 문제점이 있

었다. 이러한 이유로 1980년대 초, 미국의 EPRI에

서 안정도 해석을 위한 발전기 모델 정수 방법에 대

한 연구를 미국 PTI사와 캐나다의 Ontario Hydro

등에 의뢰하였다. PTI사의 De Mello는 발전기 부하

차단에 의한 모델정수 유도를 개발하였고[3], Ontario

Hydro는 주파수 응답 특성법에 의한 발전기 모델정

수를 유도하는 방법을 개발하였다[4]. 현재 현장 발전

기 특성시험은 소요 시간이 짧고 운전 상태를 직접

반영해서 측정되는 부하차단 시험법이 일반적으로

사용되고 있다.

최근 북미 발전기 특성 시험이 활성화 된 이유 중

하나는 1996년 미국의 서부 계통에 대정전이 발생

하고 서부계통신뢰도위원회(WECC)에서 10MW 이

상의 1,500여 기의 발전기에 대한 시험 지침을 제시

했기 때문이다. 이에 따른 동적 모델 정수를 제출하

도록 규정도 하였다[5]. WECC의 발전기 특성 시험은

발전 설비의 운전 특성을 중요시하기 때문에 부하차

단 시험과 AVR 스텝시험 등 유효한 외란을 발생하

여 동적 모델 정수를 5년마다 도출, 제출하도록 하고

있다. 북미신뢰도위원회(NERC)도 발전기 동적 모델

데이터를 5년마다 한 번씩 제출하도록 하고 있다. 캐

나다의 Ontario 전력거래소(IMO)는 발전·송전·배

전 사업자 등 시장 참여자들에 대한 의무사항으로 7

년마다 발전기 특성 시험을 실시하도록 하고 있다.

2) 국 내

1988년에 측정에 의한 발전기 및 제어계에 관한

안정도 해석 모델 파라메타 유도의 중요성을 인식

하고, 전력계통 안정도 모의 정도 향상을 위해서 한

전으로부터 위탁 받은 한국전기연구원(KERI)은 발

전기 모델 파라메타 유도 기술 개발과 전국 발전소

의 현장 자료 조사를 실시하였다. 실질적인 발전기

특성시험은 1995년 미국 PTI사의 특성시험 계측기

인 DSM 장비를 도입하면서 시작됐다. 전문 기술자

를 초청하여 서인천복합화력을 대상으로 발전기 특

성 시험과 모델정수 도출 기법을 기술이전 받은 이

후 국내에서는 발전기 특성시험 측정 방법 및 측정

데이터로부터 모델 정수 유도 기법이 정립되기 시작

하였다. 이때 한전에서는 KERI와의 수탁 연구를 통

해 1995년부터 발전회사가 분리되기 전까지 약 30

여 기의 발전기에 대한 시험 및 분석으로 안정도 해

석을 위한 제어계 모델과 정수들을 추출한 바 있다[6]. 그리고 발전회사가 한전으로부터 분리된 후 발전

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+ 국내 발전기 특성시험의 방법과 중요성

기 특성 시험은 잠시 중단되었다. 이후 2000년대 초

반 세계적으로 광역 정전사고가 빈번하게 발생하고

동적 모델 데이터의 중요성이 국내에서도 재인식되

어 정부 규정에 따라 발전기 특성시험이 2006년부터

20MVA 이상 신규 설비 또는 개장 발전 설비를 대상

으로 발전기 특성시험이 다시 시작 되었다[7]. 2009년

에 기존 발전기에 대해서도 10년마다 특성 시험을 실

시하여 전력거래소에 제출하도록 개정되었다. KERI

는 국내 대형 발전기를 대상으로 발전기 특성 시험을

실시하고 축적된 Know-how를 바탕으로 국내 자체

의 개선된 모델 정수 유도 기술을 개발하였고 발전기

특성시험 측정 장비를 국산화하였다. 2012년에 정부

와 전력거래소는 적체된 발전기 특성시험을 해소하

기 위해서 KERI로부터 기술이전을 받아 일반 업체

에서도 발전기 특성시험을 수행할 수 있도록 발전기

특성시험 기술 특성 지침을 공표하였다[8].

나.�발전기�특성시험�방법

20MVA급 이상의 원자력, 화력, 복합 화력, 수력,

내연 발전 유닛은 아래 발전기/제어계 모델 정수 결

정을 위하여 다음과 같은 시험들을 실시한다.

• 정상 상태 측정 시험

- 무부하 포화 특성 시험 (Saturation test)

- V-곡선 특성 시험 (V-curve test)

- 무효전력 한계치 시험 (Reactive limit test)

• 동특성 측정 시험

- 부하차단 시험 (Load Rejection Test)

- 무부하 AVR 스텝 시험 (Off-line AVR Step Test)

- PSS 성능 시험을 위한 온라인 AVR 스텝 시험 (On-

line AVR Step Test)

1) 발전기 포화 특성 시험

발전기의 여자 전류 단자 전압의 관계를 구하는데

그 목적은 발전기 단자 전압의 포화 계수를 산정하

고 아울러 공극 선상의 정격 전압에 해당하는 발전기

여자 전류의 p.u. 기준을 정하는데 이용된다. 여기서

포화 특성 시험이란 발전기가 무부하 정격 속도 상태

에 있을 때 여자 전류를 조정하면서 단자 전압을 정

격의 약 70∼110%로 상승시킬 경우 단자 전압과 여

자 전류와의 관계를 구하는 것이다.

2) V-곡선 시험

여자 전류와 단자 전압의 관계를 구한다. V-곡선

의 측정은 부하 조건에 따른 Xd와 Xq의 변화 분석

과 시뮬레이션 초기 조건의 검증을 위하여 필요하다.

즉, 정상 상태 운전 조건을 고려하여 PSS/E 프로그

램에 내장된 VCV 프로그램에서 계산된 여자 전류

Ifd와 부하각(Load angle)을 비교함으로써 각각 Xd

와 Xq의 값을 교정할 수 있다.

V-곡선 시험이란 발전기가 계통에 병입되어 정

상 운전되고 있는 상태에서 유효 출력을 조정하여 일

정 수준(100%, 75%, 50%, 25% MW)으로 한 다음

각 부하 수준에서 전압을 조정하여(즉, 여자 전류를

조정하여) 무효 출력을 조정(예, -20%, -10%, 0%,

10%, 20%, 30% Mvar) 하면서 단자 전압과 여자 전

류의 관계를 측정하는 것이다.

3) 무효전력 한계 시험

정상 상태 Mvar 최대무효전력과 최소무효전력 운

전점을 확인하기 위해서 수행되며, 시험 방법은 단

자전압을 95%에서 105%까지 변동하여 Mvar를 최

대/최소로 기기에 유입 또는 유출할 수 있는 운전점

을 확인한다. Volts/hertz 제한기와 UEL의 보호 협

조에 문제가 없도록 하여 유닛이 트립되지 않도록 한

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다. 특히, 최대무효전력 한계시험에서는 무효전력 정

격이 되는 운전 조건에서 15분간 운전하고 기록한다.

4) 무부하 AVR 스텝 시험

여자 시스템 무부하 스텝 응동 시험은 먼저 AVR

의 전압 편차 검출부의 입력 전압을 스텝으로 조정할

수 있도록 스위칭 장비를 준비한다. 발전기를 무부

하, 정격 속도에서 단자 전압을 1.0 p.u.로 유지한 다

음 STEP 신호(3%)를 여자 시스템에 가감하여 동요

현상을 측정한다.

5) PSS 성능 시험을 위한 온라인 AVR 스텝 시험

여자 시스템 온라인 AVR 스텝 시험은 먼저 AVR

의 전압 편차 검출부의 입력 전압을 스텝으로 조정할

수 있도록 스위칭 장비를 준비한다. 그리고 발전기

유효 출력과 무효 출력을 조정하여(예, 100% MW와

0% Mvar에 각각 두고) 단자 전압을 1.0 p.u.로 유지

한 다음 PSS가 동작할 때와 동작하지 않을 때 각각

STEP 신호(2%)를 여자 시스템에 가감하여 동요 현

상을 측정한다. 측정된 데이터는 PSS 모델 정수를

결정하고 검증하는 데 사용된다.

6) 발전기 부하차단 시험

발전기는 시험에 요구하는 MW와 MVAR가 되

도록 운전한다. 부하 차단 조건은 MW가 30% 이

상 넘지 않아야 한다. 그리고 MVAR는 저여자인 경

우 40% 이상을 넘지 않아야 하며, 과여자인 경우

는 25% 이상 넘지 않도록 한다. 발전기 파라메타를

도출하기 위한 부하 차단인 경우 발전기의 MW와

MVAR 운전 조건은 부하각 측정 장치가 있는 경우

임의의 운전점에서 부하 차단을 할 수 있다. 발전기 주

차단기를 동작시킨 후 약 20초간 발전기의 모든 상태

를 기록한다. 그림 1은 부하차단인 경우 측정된 발전기

주파수, 부하각, 그리고 단자 전압을 보여준다.

다.�특성�시험�계측�방법

1) 특성 시험 측정점

발전기 특성시험 모델 정수의 결정을 위해서는 표 1

과 같은 신호들에 대한 측정이 요구된다.

그림�1 ��부하차단인�경우�측정된�주파수(Hz),�부하각�(Deg.),�

단자전압�(kV)

표�1 �국내�계속운전�안전성평가�법적기준

구 분 측 정 신 호 측 정 범 위 설 명

1 발전기 단자 전압 (Vab,Vcb) 110~125 VAC PT 3상 전압 측정

2 발전기 단자 전류 (Ia,Ic) 0~5 Amps AC 2차 CT 회로에서 Hall CT 사용 측정

3발전기 계자 전압 (Efd)

(Brushless형은 보조 여자기 전압)0~1000 VDC 발전기 계자전압 직접 연결 측정

4발전기 계자 전류 (Ifd)

(Brushless형은 보조 여자기 전류)0~100 mV Shunt에서 측정

5 터빈 치차 속도 (pulse) 0~10 VAC 발전기 축신호 연결

6 조속기 밸브 위치 신호 (Vdc) 0~10 VDC 개도 신호

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측정에서 제외된 발전기 출력(유효전력, 무효전력)

과 주파수 등은 Phasor 값으로 측정된 전압과 전류

값을 이용하여 계산한다.

2) 특성 시험에 사용되는 측정 장비

발전기 특성 시험은 많은 측정점을 동시에 정밀하

게 측정하는 것을 요구한다. 또한, 측정 장비의 입력

단자를 연결하는 카드는 접지 문제를 제거하기 위해

서 절연된 모듈을 사용하는 것이 중요하다. 발전기

특성시험은 아래와 같은 특수한 측정 장치가 사용된다.

• 가변 샘플링 기법에 의한 RMS 값을 계산할 수 있는

AC/DC 신호 다채널 동시 측정 장치

(예, Dynamic System Monitor)

• 부하각 미터 (Load angle meter)

동일한 기기 모델 정수에서 가장 작은 시정수는 초

기 과도 시정수로서 보통 0.03∼0.07초의 값을 갖는

다. 따라서 이 정도의 해상도를 갖추기 위해서는 최

소 120Hz 해상도를 갖추어야 하며, Nyquist 기준

을 만족하기 위해서는 1초에 120번 이상의 실효치

계산이 가능한 Phasor 계측기가 추천되고, 순시 파

형 샘플링 속도는 480Hz 이상이 적당하다. 한 예로

K-DSM 장비는 그림 2와 같이 ADC의 순시 샘플링

속도가 9kHz이고 측정된 계통 주파수 변동에 따라

다시 1.44kHz로 다운 샘플링한다. 그리고 1초에 120

개의 RMS 값을 계산하여 컴퓨터에 연속 저장한다[9].

부하각 측정 방법은 그림 3과 같이 가공되지 않은 발

전기 축 속도 신호를 받아서 이에 비례하는 60Hz 정현

파 신호를 출력하고, 출력된 신호는 K-DSM 측정 장

비의 기준 교류 채널(ch0) 단자전압 위상과 비교하여

동일한 기기의 부하각을 계산하여 컴퓨터에 저장하게

된다.

라.�모델�정수�도출�방법�및�검증�

현장에서 측정된 발전기 특성시험 데이터는 미국

PSS/E 과도안정도 프로그램을 이용하여 모델정수를

도출하고 측정된 데이터와 비교하여 모델 정수를 검증

그림�2 �K-DSM�가변�샘플링�기법�[9]

샘플링

다운샘플링부하각측정

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한다. 모델 정수 도출 방법은 문헌[5]에 자세히 설명되

어 있기 때문에 생략한다. 그림 4는 신월성 원자력 제2

호기 발전기 특성시험에서 측정된 데이터와 도출된 모

델정수를 이용하여 모의한 결과를 비교한 것이다[10].

검증된 발전 설비 동적 모델 데이터는 여러 계통해석

에 매우 중요하게 사용되며 각각의 계통해석과 관련된

중요한 모델 정수는 아래와 같다.

• 고장전류 해석 : 정확한 발전기 초기과도 리액턴스 (X'')

가 요구

• 대형 발전단지 과도안정도 해석 : 정확한 관성정수(H)

와 여자시스템의 모델정수 요구

• 미소신호안정도 해석 : 검증된 전력계통 안정화장치

(PSS)의 모델정수가 요구

• 전압안정도 해석 : 발전기 용량곡선의 무효전력한계특

성 중요

• 주파수안정도 해석 : 검증된 조속기의 속도조정률 모

델 정수 요구

이렇듯 계속운전은 검증된 기술을 바탕으로 일반적

으로 행해지고 있는 것이 세계적인 추세이다.

국내에서는 지난 6월 23일 월성1호기가 가동에 들어

가면서 고리1호기에 이어 두 번째로 계속운전을 시행

한 원전이 되었다. 월성1호기는 계속운전을 위해 혹독

그림�4 �신월성�2호기�측정된�데이터와�모의결과�비교

(가) 부하차단 후 직축자속 비교

(다) 부하차단 후 관성정수 (H) 검증

(나) 부하차단 후 횡축자속 비교

(라) 무부하 AVR 스텝시험 비교

그림�3 �부하각�측정�방법

터빈속도

터빈속도

단자전압

단자전압

부하각

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+ 국내 발전기 특성시험의 방법과 중요성

한 안전성 검증을 받은 원전으로 세계적으로도 그 유

래를 찾아보기 힘든 경우로 평가되고 있다. 법적으로

18개월 심사를 받도록 되어 있지만 월성1호기는 62개

월 만인 2015년 2월에 계속운전 승인을 받을 수 있었

고, 정기검사 및 지역수용성 확보를 위해 추가적으로

4개월이 지난 6월에나 가동을 하게 되었다. 이렇게 혹

독한 안전성 검증을 받은 데는 안전에 특별한 문제가

아닌 일본에서 발생한 후쿠시마 원전 사고의 영향이

컸다고 할 수 있다. 앞서 살펴본 바와 같이 우리나라는

어느 해외원전 보다도 강화된 계속운전 안전성평가 기

준을 갖추고 있다. 하지만 후쿠시마 원전으로 인해 또

다시 추가적인 안전성 조치 및 검증이 진행되었고, 후

쿠시마 후속조치를 추가하여 인허가 심사가 이루어진

것이다. 또한, 대통령 공약사항으로 스트레스 테스트

까지 추가로 검증을 받고서야 규제기관으로부터의 계

속운전 승인 취득과 지역주민으로부터 안전성을 인정

받을 수 있었다.

3 향후 계획

현재 국내 발전기 특성시험은 대형 발전소를 중심으

로 현장 특성시험과 측정 데이터를 분석하여 모델정수

도출 및 검증을 수행해 오고 있다. 그러나 향후 전력계

통 안정도에 큰 영향을 미칠 대용량 HVDC 설비의 도입

과 해상 풍력발전 단지의 연계가 예정되어 있기 때문에

이러한 고속 전력전자 제어 설비와 풍력발전 단지에 대

해서도 측정에 의한 동적 모델정수 도출과 검증에 관한

연구를 수행할 예정이다.

[1] 전기사업법," 산업통상자원부, 2014, 제18조 전기품질 유지기준.

[2] 산업통상자원부, "전력계통 신뢰도 및 전기품질 유지기준 고시," 제2012-296, 전력산업과, 2012, 제32조.

[3] PTI, Determination of Synchronous Machine Stability Constants, vol. 3, EPRI EL-1424, 1980.

[4] Ontario-Hydro, Determination of Synchronous Machine Stability Constants, vol. 2, EPRI EL-1424, 1980.

[5] CWG, and MVWG, Test Guidelines for Synchronous Unit Dynamic Testing and Model Validation, WSCC, 1997.

[6] 한국전력공사, 전력계통 안정도 해석용 발전기/제어계 모델 결정에 관한 연구, 기술연구원, 대전, 1995.

[7] 한국전기연구원, 발전기 안정도 해석 파라메터 도출 및 검증 기법 표준화 연구, 한국전력거래소, 서울, 2006.

[8] 전력거래소, "발전기 기술특성시험 관리지침," 지식경제부, 2012.

[9] 김동준, 이종주, 문영환, 재샘플링 기법이 적용된 시각 동기화 페이저 측정장치, 대한민국 특허 10-1034259, 한국전기연구원, 2011-

05-03.

[10] 한국전기연구원, 신월성원자력 제2호기 발전기 특성시험 및 모델정수 도출, 한국수력원자력, 2015

참고문헌