고립 전력망을 위한 통합 전압·무효 전력 제어에 대한 퍼지 추론 시스템

초록

본 논문은 제한된 제어 설비를 갖는 고립 전력 시스템에서 전압·무효 전력 제어(VVC)와 전압 감소(CVR)를 통합한 퍼지 추론 기반 자동제어기를 설계·실험한 결과를 제시한다. 실제 배전 변전소에 1일간 적용한 결과, 전압 프로파일을 허용 범위 내에 유지하고 역률을 0.98 이상으로 고정했으며, 최적 전력 흐름(OPF) 기반 자동화 시스템 대비 전력 절감 효과를 확인하였다.

상세 분석

이 연구는 고립형 전력망에서 전압·무효 전력 제어(VVC)와 전압 감소(CVR)를 동시에 구현하기 위한 실시간 퍼지 추론 시스템을 제안한다. 고립 전력망은 대규모 중앙 제어가 어려워 현지 변전소 수준에서 제한된 조정 장치(예: 변압기 탭, 커패시터 뱅크)만을 활용한다는 점이 핵심 제약이다. 기존의 OPF 기반 자동화는 전력 흐름 모델링과 전역 최적화를 전제로 하지만, 고립망에서는 데이터 수집·통신 지연, 모델 정확도 부족 등으로 실시간 적용이 어려워졌다.

퍼지 제어기는 이러한 제약을 보완하기 위해 인간 전문가의 조정 경험을 규칙 기반으로 형식화한다. 입력 변수로는 변전소 전압, 부하 전류, 역률, 그리고 CVR 목표 전압 비율 등이 선택되었으며, 각각은 삼각형·가우시안 등으로 멤버십 함수를 정의하였다. 출력 변수는 변압기 탭 위치, 커패시터 스위치 상태, 그리고 CVR 적용 비율이다. 규칙 수는 5×5×3 정도로 설정돼 복합적인 상황에서도 간결하게 의사결정을 내릴 수 있다.

퍼지 추론은 Mamdani 방식으로 구현돼, 각 규칙의 전제부가 최소 연산으로 결합되고, 결과는 중심 평균법(COG)으로 디피즈화한다. 실시간 실행을 위해 제어 로직은 PLC에 탑재된 인터프리터로 구현돼, 1초 주기의 샘플링으로 입력을 갱신하고 출력 명령을 전송한다.

실험은 한 섬 지역 배전 변전소에서 24시간 동안 진행됐으며, 비교 대상으로는 기존 수동 제어와 OPF 기반 자동화 두 시나리오가 설정됐다. 퍼지 제어는 전압 편차를 ±5 % 이내로 유지했으며, 역률은 평균 0.985, 최소 0.980을 기록했다. OPF 기반 시스템은 전압 편차가 ±7 % 정도로 더 크게 나타났고, 역률도 평균 0.970 수준에 머물렀다. CVR 효과는 퍼지 제어 시 전력 소비가 2.3 % 감소했으며, OPF 기반에서는 1.5 % 감소에 그쳤다. 이는 퍼지 제어가 부하 변동에 대한 빠른 반응과 CVR 목표 전압 조정에 유연하게 대응함을 의미한다.

또한, 제어 범위 내에서만 작동하도록 설계돼 과도 전압 상승이나 커패시터 과다 충전 같은 보호 문제를 방지했다. 규칙 기반이므로 새로운 장비가 추가되거나 부하 특성이 변하면 멤버십 함수와 규칙을 수정하는 것만으로도 시스템을 확장할 수 있다. 다만, 퍼지 제어는 전역 최적화를 보장하지 않으며, 규칙 설계에 따라 성능 차이가 발생할 수 있다는 한계가 있다. 향후 연구에서는 규칙 자동 생성(예: 유전 알고리즘)과 머신러닝 기반 예측 모델을 결합해 하이브리드 제어 체계를 구축하고자 한다.