IEEE Std 2800-2022 강의 연재. 표준 본문의 문장을 옮기지 않고 요구사항을 다시 서술하며, 각 요구사항 뒤의 §번호는 IEEE Std 2800-2022의 조항 번호다. 시리즈 목록은 Grid 코너에서 볼 수 있다. 이 글은 9부이다.
5부와 6부에서 본 라이드스루 요구는 RPA, 곧 플랜트의 POM에서 판정된다. 그런데 수백 MW 플랜트의 POM에 3상 고장을 일부러 걸어 볼 수는 없다. 유닛 하나의 형식시험과 플랜트의 시운전 시험으로는 플랜트 전체가 고장을 견디는지 확인할 수 없다. 남는 방법은 모델과 시뮬레이션이다. IEEE 2800-2022 10장은 그래서 모델링 데이터를 별도 장으로 두고, 어떤 모델을 누가 어떻게 검증해 제공해야 하는지를 정한다. 이 글의 논지는 다음과 같다. 10장은 모델의 종류를 나열하는 장이 아니라 모델의 신뢰를 어디서 끌어오는지를 정하는 장이며, 그 답은 실제 제어 코드와 시험 결과에 뿌리를 둔 검증의 계보다. 부속서 G와 H는 그 계보를 채우는 데이터를 양쪽이 서로 주고받도록 나열한다.
10장은 이렇게 시작한다. 전압 라이드스루처럼 RPA가 POM인 성능 요구는 개별 설비의 형식시험이나 생산 시험, 플랜트 시운전 시험으로 검증할 수 없다. 모델과 시뮬레이션을 쓰는 플랜트 설계 평가가 가능한 범위에서 요구 충족을 검증하는 데 필요하며, 특히 접속 검토와 시운전의 여러 단계에서 그렇다. 설계 평가는 12.2.3에 따라 IBR 소유자, TS 운영자, TS 소유자, 제3자 컨설턴트가 단독 또는 공동으로 수행할 수 있다. 제공된 모델이 정확한 구조와 파라미터를 갖고 현장에 설치된 실제 설비를 반영하는 것이 대전력계통의 신뢰도를 위해 결정적이며, 설계 평가 외의 각종 계통 연구에도 모델이 필요하다 10.
10장은 요구를 적기 전에 한계를 적는다. 상세한 EMT 모델을 포함해 거의 모든 모델에는 필요한 근사와 한계가 있다. EMT 모델에서도 집전계통의 전체 세부는 거의 모델링되지 않는다. 그래서 어떤 모델도 플랜트 안 모든 유닛의 응답을 절대적으로 예측할 수 없고, 시뮬레이션 결과는 그 맥락에서 이해되어야 한다. 시뮬레이션에서 플랜트 전체가 라이드스루하는 것으로 나와도 실제로는 수십, 수백 유닛 가운데 몇 기가 트립할 수 있다. 집전계통은 보통 등가화되고, 세부를 다 모델링해도 터빈마다의 풍속 같은 각 유닛의 상태를 예측할 수 없기 때문이다. 표준의 표현으로 모델링은 완벽하지 않고 앞으로도 완벽해지지 않을 것이다. 근사를 했으면 배경과 근거를 주는 기술 문헌을 인용하고, 없으면 상세한 설명을 붙이며, 어느 경우든 모델이 검증된 거동을 보인다는 것을 입증해야 한다 10.
이 문단은 5부의 7.2.2.1 예외(외란 후 피상전류 90 % 이상이면 적합)와 짝을 이룬다. 시뮬레이션이 예측할 수 없는 확률적 탈락을 표준이 인정하기 때문에 판정에 10 %의 여유를 두었다.
TS 운영자와 TS 소유자가 요청하면 IBR 소유자는 다음을 제공해야 한다. 첫째, 검증된 플랜트 수준 모델이다. 정상상태 조류 모델, 정상분(기본파) 안정도 동적 모델(사용자 작성 또는 범용), EMT 모델, 단락 모델, 고조파 모델로서 플랜트 설계 평가와 계통 연구에 쓰인다. 필요하면 TS 측은 정당한 사유를 붙여 추가 유형의 모델을 요청할 수 있다. 둘째, 모델의 개발 과정과 검증을 상세히 적은 문서, 셋째, 제어 전략을 간략히 설명한 문서다 10.
사용자 작성(user-written) 모델과 범용(generic) 모델의 차이는 각주 139·140이 설명한다. 사용자 작성 모델은 더 구체적인 제어 정보를 담아 접속 과정에 필요할 수 있고, 범용 모델은 상호연결 전체 연구에 쓰이지만 모든 파라미터를 실제 제어와 보호 설정에 대응시키지 못할 수 있으므로 그 단점을 IBR 소유자·제조사·TS 측이 함께 확인하고 문서화할 것을 권고한다. 각주 138은 어느 모델을 쓸지 네 당사자가 함께 정하고, 설계 평가뿐 아니라 각종 계통 연구의 필요도 고려하라고 권고한다.
10장은 검증된 모델을 만드는 일반적 관행을 적되 제조사마다 다를 수 있고 TS 측이 검증 방법을 지정할 수 있다고 전제한다. 각주 141은 이 표준이 어떤 검증된 모델을 제공할지를 정하고, 어떻게 검증할지는 당시 개발 중이던 IEEE P2800.1이나 P2800.2가 정할 수 있다고 밝힌다.
부속서 G는 준공(as-built) 플랜트의 데이터 목록이며, 미래 플랜트의 계획 연구에서는 일부 데이터가 준공에 가까워져야 나오므로 반복적 연구가 필요하다고 전제한다 G.1.
정상상태 모델링에는 집전계통 전체의 단선도가 필요하다. 모든 피더 케이블·가공선의 길이와 단위 길이당 저항·리액턴스·정전용량, 각 피더의 유닛 위치와 종류·제조사·모델, POM 변전소 변압기와 TS 연결 방식, 기계식 분로 커패시터·리액터와 대기 필터 뱅크의 수·크기·위치, SVC·STATCOM·동기조상기의 명판과 위치, 명판의 1~2 %를 넘는 보조 부하의 위치와 양, 그리고 조류 해석에는 필요 없지만 단락·보호 연구에 필요한 접지 변압기의 위치와 데이터다. POI와 변전소 변압기 고압측 사이의 IBR 소유 방사 송전선 상수도 필요하다. 변전소 변압기는 누설 리액턴스와 MVA 기준, 권선비, X/R, 결선, 고정 탭의 수와 크기, 냉각 방식과 ONAN/ONAF/OFAF 정격, 현장의 실제 고정 탭 위치, 그리고 OLTC가 있으면 탭 수(예: 32, 상하 16), 탭 크기(예: 0.625 %), 조정 측(예: 저압측을 공칭의 100~102 %로), 탭 타이밍(예: 밴드를 30초 벗어나면 첫 탭, 이후 5초마다)이 필요하다 G.2. 유닛은 종류·모델·제조사·제어 펌웨어 버전·제조 연도, 수량, 명판, 주위 온도(25·35·45 °C 등)별 무효전력 능력 곡선, 온도와 고도에 따른 디레이트 곡선을 제공하고, 유닛 변압기는 누설 리액턴스·권선비·X/R·결선·고정 탭을, 저장장치는 총 에너지 용량(MVAh), 최대 충·방전율, 충전상태의 최대·최소를 제공한다. 이 데이터로 NREL 방법이나 ERCOT 방법 등 문서화된 방법으로 집전계통 등가 모델을 만들 수 있다 G.2.
안정도 동적 모델링에는 제조사가 제공한 유닛의 저·고전압과 저·고주파수 라이드스루 능력, 시운전 시점에 상용 도구에 표준 모델로 있는 최신 범용 모델(2세대 WECC 모델이나 IEC 모델)의 파라미터, 범용 모델이 부적합하면 그 단점의 설명과 대체 모델, 그리고 TS 측이 요청하면 사용자 작성 모델과 파라미터·문서가 필요하다 G.3. 각주 191은 WECC 2세대 모델의 출처를, 각주 192는 IEC TC88 WG27이 개발 중인 IEC 모델이 2019년 7월 기준 확정되지 않았고 북미 상용 도구에 없었다고 적는다. 구성 요소는 발전기·변환기 모델, 유닛별 전기 제어 모델, 플랜트 제어기 모델(유닛과 다른 공급자일 수 있음), 풍력이면 전기 성능에 관련되는 구동계·공력·피치·토크 제어 같은 기계 측 모델, 그리고 현장 구현과 공장 형식시험으로 검증된 라이드스루 특성의 모델과 설정이다 G.3.1. 사용자 작성 모델에는 초기화와 실행 문서, 전체 파라미터 목록(조정 가능 범위 포함), 기능 블록도, 그리고 세 가지 시험(플랜트·유닛의 전압/Q 기준 스텝, 플랜트 제어기 주파수 기준 스텝, 플랜트 유효전력 기준 스텝)의 수행 방법 설명이 따라야 한다 G.3.2. 각주 194는 블록도가 제조사의 비밀 정보일 수 있어 비밀유지계약이 필요할 수 있고, 사용자가 블록도로 모델을 디버깅해서는 안 된다고 적는다. SVC·STATCOM은 제조 연도·크기·정격·제조사와 표준 모델(SVSMO1~3) 파라미터 또는 사용자 작성 모델을 제공하며, NOTE는 사용자 작성 모델이 비밀유지계약 아래 제공되더라도 이웃 계통과 신뢰도 기구가 쓸 수 있도록 범용 모델 파라미터와 그 한계 설명을 함께 줄 것을 권고한다 G.3.3.
EMT 모델은 정상분 안정도 프로그램이 다룰 수 없는 문제, 즉 IBR이 기존 HVDC·STATCOM·SVC·다른 IBR 같은 전력전자 제어와 상호작용하는 지역, 단락 강도가 낮은 계통, 직렬 커패시터 인근에서 필요하다. TS 측은 EMT 연구가 지금이나 가까운 장래에 필요할 상황에서 EMT 모델 제공 요건을 지정할 것을 권고받고, 모든 제조사는 EMT 모델을 개발해 두라는 권고를 받는다 G.4.
정확도 측면에서 EMT 모델은 설치될 실제 설비에 구현된 전력전자의 상세 내부 제어 루프를 담아야 하며, 실제 펌웨어 코드를 내장한 모델이 권고된다. 연구 범위에 따라 이산 스위치 모델이나 평균 스위치 모델을 요청할 수 있다. 외부 전압 제어기, 플랜트 제어기, 위상고정루프 등 모든 관련 제어 기능을 실제(또는 예상) 운전 모드와 설정으로 담고, 필터·특수 변압기·구동계·피치 제어 같은 전기·기계 구성을 담으며, 평형·불평형 고장 모두에 대해 교류 과·저전압(순시 상·RMS), 과·저주파수, 직류 모선 과·저전압, 유닛 과전류 보호를 상세히 모델링해야 한다 G.4.1. 각주 195는 실제 제어 코드를 컴파일한 이진 DLL의 '블랙박스 모델'을 가리키며, 3상 정현파 전원 표현을 쓰지 말고 제어 블록도를 블록별로 손으로 옮기지 말라고 경고한다. 옮기는 과정에서 PLL이나 보호 회로 같은 부분에 부정확성이 들어가기 때문이다.
사용성 측면에서 모델은 연구에 관련된 제어·하드웨어 옵션(유효전류 램프율 등)과 진단 플래그(제어 모드, 보호 동작)에 접근할 수 있어야 하고, 단일 시간 간격에 묶이지 않고 10~20 μs 같은 범위에서 동작해야 하며, 사용 설명서와 예제 케이스가 있어야 하고, 연구에 쓴 설정과 설비 구성을 시운전에서 확인할 수 있게 식별(제어 리비전 코드, 설정 파일)해야 하며, 외부 기준 변수(유효·무효전력 지령, 전압 기준과 드룹)를 초기화와 시뮬레이션 중 변경 모두에서 받아야 하고, 초기 조건을 주면 스스로 정상상태로 램프해야 하며, 플랜트 용량을 확대·축소할 수 있어야 하고, 명판 이하로 급전할 수 있어야 한다 G.4.2. 각주 198은 더 작은 시간 간격을 요구하는 모델은 대개 보간 기능을 쓰지 않았거나 망과의 인터페이스가 부적절한 것이라고 지적한다. 효율 측면에서는 초기화 중 5초 안에 정상상태에 도달하고 같은 시뮬레이션 안에서 여러 인스턴스를 지원해야 한다 G.4.3.
전력품질·플리커·RVC 모델링에는 2~50차 정수 고조파와 발생하는 간고조파마다 인버터의 테브난 또는 노턴 등가원, 요청 시 플랜트 구성 요소의 주파수 의존 임피던스, 그리고 주변압기와 유닛 변압기의 공심 인덕턴스, 공심 자속 절편, 정격 전압의 90·100·110 %에서의 무부하 시험 결과(전류와 손실)가 필요하다 G.5. 단락 모델링에는 접지망 설계 데이터, IBR 소유 방사 송전선의 정상·영상 임피던스와 분로 서셉턴스(필요하면 철탑 배치, 애자련 길이, 도체 종류와 GMR), 변전소 변압기의 영상 임피던스와 중성점 접지 요소, 집전계통의 전체 토폴로지와 대칭 성분 값, 그리고 IEEE PSRCC WG C24(PES-TR78)의 권고에 따른 유닛 단락 모델이 필요하다. 각주 199는 IBR 단락 모델이 계속 개선되므로 최신 문헌을 따르라고 적는다 G.6.
부속서 H는 방향이 반대다. IBR 개발자가 요청하면 TS 소유자·운영자는 플랜트를 물리적으로 연결하고 예상 운전 조건에 맞게 설계하는 데 필요한 데이터를 가능한 범위에서 제공할 것을 권고받는다. 일부 정보는 POI 변전소와 보호 개량의 분석·설계가 끝나야 나오므로 그때 공유한다 H.1.
계통 데이터로는 지역 계통도와 POI 변전소 정보, 그리고 전압 데이터(공칭 운전 전압, 통상 운전 범위, 상정사고 최대·최소 전압, 과도 전압, 역상 전압의 성능 최대값과 정격 최대값)가 있다. 절연 레벨로는 기본 절연 레벨(BIL), 개폐 임펄스 레벨(SIL), 뇌·개폐 임펄스 보호 레벨, 상용주파 내전압이 있다. 주파수 요건은 TS 운영자와 부하균형 주체가 라이드스루와 정상 운전 설정에 필요한 공칭·최대·최소 연속 주파수와 최대·최소 주파수를 주고, 필요하고 공유 가능하면 UFLS 설정도 준다. 보호는 POI의 보호계통 설계 사양을 함께 정하고 협조에 필요한 TS 보호 정정을 제공한다 H.1.1~H.1.5.
단락 레벨은 현재와 계획 기간의 POI에 대해 최대·최소 3상과 1선지락 고장 전류를 X/R과 함께 해석 방법·가정과 같이 준다. NOTE가 중요하다. 차단기 정격을 정하는 최대 단락 해석은 모든 발전을 운전 중으로 보지만, 경부하 시간이나 IBR이 동기발전을 밀어낸 상황에서는 동기발전이 훨씬 적어 단락 레벨이 훨씬 낮으므로 현실적인 운전 조건에 근거해야 한다 H.1.6. 환경 조건(고도, 온도의 각종 최대·최소 평균, 오염 등급, 내진 등급, 습도, 대지 저항률, 돌풍, 착빙, 적설)과 계통 고조파 데이터(주파수별 구동점 임피던스 범위, POI 또는 가장 가까운 변전소의 배경 왜곡을 50차와 간고조파까지, 계절 변화를 덮는 기간의 측정 또는 모델 기반)도 제공 대상이다 H.1.7, H.1.8.
접속 정격은 IBR 개발자가 POI와 ICR(해당하면 ISR)을 요청하면 TS 소유자가 TS 운영자·지역 신뢰도 조정자와 함께 계통 개량 필요성과 기술·운영 요건을 연구해 정하고, 그 정격이 TS 운영자나 AGIR에 등록된다. 저장장치가 있으면 ICAR도 등록한다. 계통의 상업적 송전 용량 확보는 별도 절차이며 이 표준이 다루지 않는다. TS 측은 특정 계통 조건에서 플랜트의 주입·수전을 제약할 수 있는 계통 운영 한계(SOL)와 상호연결 운영 한계를 공개할 수 있고, ICR·ICAR·ISR은 연구로 정해 접속 계약에 포함할 수 있다 H.2.
10장의 요구는 세 문장으로 정리된다. TS 측이 요청하면 조류·안정도·EMT·단락·고조파의 다섯 모델과 검증 문서, 제어 전략 문서를 제공해야 한다. 모델의 검증은 실제 제어 코드와 형식시험·HIL 시험 결과에서 출발해 유닛 EMT 모델, 플랜트 EMT 모델, 안정도 모델의 순서로 계보를 이룬다. 그리고 어떤 모델도 완벽하지 않으므로 근사에는 근거를 붙이고 검증된 거동을 입증해야 한다. 부속서 G는 IBR 소유자가 낼 데이터를 조류·안정도·EMT·전력품질·단락의 다섯 갈래로 나열하고, EMT 모델에는 실제 펌웨어 내장, 10~20 μs 시간 간격, 5초 초기화, 다중 인스턴스라는 구체적 요건을 붙인다. 부속서 H는 TS 측이 낼 계통 데이터를 나열하되, 최소 단락 레벨을 현실적 운전 조건에서 구하라는 NOTE로 약계통 문제를 미리 짚는다.
모델 검증의 '어떻게'는 이 표준이 비워 둔 자리다. 각주 141이 예고한 IEEE P2800.2가 그 자리를 채우는 문서이며, 이 연재의 범위 밖이다. 10장이 실무에 남기는 요구는 분명하다. 제조사가 실제 코드를 내장한 EMT 모델을 내놓을 수 있어야 하고, TS 소유자가 자기 계통의 고조파 임피던스와 현실적 단락 레벨을 낼 수 있어야 한다. 10부에서는 그 모델을 검증하는 데 쓰이는 현장 데이터, 11장의 성능 감시·검증용 측정 데이터를 다룬다.