이 장은 전력 시스템의 역사적 발전, 기본 구조, 제어 요구 사항 및 운영 상태에 대한 전반적인 배경지식을 제공합니다.
1. 전력 시스템의 진화 (Evolution of Electric Power Systems)
상업용 전력의 사용은 1870년대 후반에 시작되었으며, 1882년 토마스 에디슨이 뉴욕에 최초의 완전한 전력 시스템(직류 시스템)을 구축했습니다.
오늘날의 전력 시스템은 가장 경제적인 전력원을 활용하기 위해 광범위하게 상호 연결(Interconnection)되어 있으며, 이로 인해 시스템의 복잡성이 엄청나게 증가했습니다.
2. 전력 시스템의 구조 (Structure of the Power System)
현대 전력 시스템은 크게 세 가지 주요 요소로 구성됩니다.
발전 (Generating Stations): 화석 연료나 수력 등의 에너지를 동기 발전기를 통해 전기에너지로 변환합니다.
송전 (Transmission System): 생산된 전력을 넓은 지역에 걸쳐 다양한 전압 수준으로 먼 거리까지 전송합니다.
배전 (Distribution System): 개별 고객에게 전력을 최종적으로 전달하며, 주요 배전 전압은 일반적으로 4kV에서 34.5kV 사이입니다.
3. 전력 시스템 제어 (Power System Control)
적절히 설계되고 운영되는 전력 시스템은 다음과 같은 기본 요구 사항을 충족해야 합니다.
수요 충족: 지속적으로 변화하는 부하 수요에 대응하기 위해 적절한 회전 예비력(spinning reserve)을 유지하고 제어해야 합니다.
경제성 및 환경: 최소한의 비용과 최소한의 생태학적 영향으로 에너지를 공급해야 합니다.
전력 품질: 주파수 일정 유지, 전압 일정 유지, 높은 신뢰성 수준을 만족해야 합니다.
이를 위해 원동기(Prime mover) 제어, 여자(Excitation) 제어, 시스템 발전 제어, 송전 제어(무효 전력 및 전압 제어 장치 등)와 같은 다양한 수준의 제어 장치가 사용됩니다.
4. 전력 시스템의 5가지 운영 상태 (Operating States)
시스템 보안을 분석하고 적절한 제어 시스템을 설계하기 위해, 운영 상태를 개념적으로 5가지로 분류합니다.
정상 (Normal): 모든 시스템 변수가 정상 범위 내에 있고 장비 과부하가 없는 안전한 상태입니다.
경계 (Alert): 보안 수준이 특정 한계 이하로 떨어지거나 교란 가능성이 높아진 상태입니다. 변수는 아직 정상 범위에 있지만, 우발 상황 발생 시 비상 상태로 넘어갈 수 있도록 약화된 상태입니다.
비상 (Emergency): 교란으로 인해 장비 과부하가 발생한 상태입니다.
극한/붕괴 (In extremis): 비상 제어가 실패하여 연속적인 정전이 발생하거나 시스템의 상당 부분이 셧다운되는 상태입니다.
복구 (Restorative): 시설을 다시 연결하고 시스템 부하를 복구하기 위한 제어 조치가 취해지는 상태입니다.
5. 안정성을 위한 설계 및 운영 기준 (Design and Operating Criteria for Stability)
안정적인 전력 서비스를 위해 시스템은 심각한 교란 후에도 온전한 상태를 유지해야 합니다.
설계 시 주요 우발 상황(예: 영구적인 1선 지락 고장, 고장 없는 장치 손실 등)을 고려하며, 이러한 상황 발생 후에도 전력 시스템은 동기성을 유지해야 하고, 전압 및 장비 부하가 허용 한계 내에 머물러야 합니다.
