통신 지연이 섬마이크로그리드 2차 제어에 미치는 영향 분석

본 논문은 섬마이크로그리드(islanded microgrid)에서 2차 주파수 제어를 구현할 때 통신 네트워크의 지연과 패킷 손실이 제어 성능 및 시스템 안정성에 미치는 영향을 정량적으로 평가하기 위한 통합적인 연구 프레임워크를 제시한다. 연구는 크게 네 부분으로 구성된다. 첫 번째는 마이크로그리드 제어 구조에 대한 이론적 배경이다. 마이크로그리드의 계층적 제어는 1차(로컬), 2차(전역), 3차(운영)로 구분되며, 2차 제어는 주파수 편차를 보정하기 위해 전역 정보를 필요로 한다. 중앙집중식 제어는 중앙 컨트롤러(MGCC)가 모든 로컬 컨트롤러에 보정 신호를 전송하는 방식으로, 전역 가시성과 높은 제어 정확성을 제공하지만 단일 장애점과 통신 부하가 큰 단점이 있다. 반면 다중에이전트 시스템(MAS) 기반의 분산 제어는 이웃 에이전트 간에만 정보를 교환하는 합의(consensus) 알고리즘을 사용한다. 이는 지연이 짧고 확장성이 좋지만, 합의 수렴 속도와 네트워크 토폴로지에 민감하다. 두 번째는 기존 공동 시뮬레이션(co‑simulation) 방법의 한계와 FMI(Function Mockup Interface) 표준을 활용한 새로운 접근법이다. 전력 시스템 시뮬레이터와 통신 시뮬레이터를 직접 연동하거나 마스터 알고리즘(HLA, Mosaik 등)을 사용하는 기존 방식은 시뮬레이터 간 시간 동기화와 API 호환성 문제로 구현이 복잡했다. FMI는 모델 교환을 위한 표준 인터페이스를 제공하며, FMU(Functional Mock‑up Unit) 형태로 모델을 패키징한다. 논문은 이 표준을 이용해 통신 지연·패킷 손실을 모사하는 Communication FMU를 개발하고, 이를 전력 시스템 모델에 삽입함으로써 하나의 시뮬레이션 환경에서 전력·통신 상호작용을 평가한다. FMU는 전송 속도·데이터 레이트·대역폭 등 네트워크 파라미터를 입력받아 단방향 전송 지연을 계산하고, 백색 잡음을 추가해 지연 변동성을 재현한다. 세 번째는 제안된 방법론을 적용한 실험 설정이다. 5대의 분산 발전기(DG)와 2대의 부하가 연결된 섬마이크로그리드를 MATLAB/Simulink의 SimPowerSystems로 모델링하였다. 각 DG는 전압·주파수 모드의 인버터로 제어되며, 60 s 시점에 부하 2가 차단되는 사건을 가정한다. 두 가지 제어 전략을 비교한다. (1) 중앙집중식: MGCC가 주파수 측정값을 수집하고 보정 주파수를 계산해 모든 로컬 컨트롤러에 전송한다. (2) 분산: 각 DG에 에이전트를 배치하고, 인접 에이전트 간에 주파수 정보를 교환하며 합의 알고리즘을 통해 보정값을 도출한다. 통신 시나리오는 네 가지로 구성한다. (a) 이상적인 무지연, (b) 지연 50 ms, (c) 지연 100 ms, (d) 지연 200 ms이며, 각 시나리오마다 1000개의 랜덤 샘플을 생성해 지연 분포를 박스‑위스커 플롯으로 시각화한다. 네 번째는 시뮬레이션 결과와 분석이다. 중앙집중식 제어는 모든 지연 상황에서도 주파수를 50 Hz로 복구하는 데 큰 차이가 없었으며, 지연이 200 ms 이상일 때만 오버슈트가 약간 증가하고 복구 시간이 늘어났다. 이는 PI 제어기의 이득이 충분히 큰 경우 지연에 대한 내성이 확보된다는 것을 의미한다. 반면 분산 제어는 지연이 100 ms를 초과하면 합의 수렴이 늦어져 주파수 편차가 지속되고, 경우에 따라 진동이 발생한다. 이는 에이전트 간 정보 교환 주기가 지연에 직접적으로 영향을 받기 때문이다. 패킷 손실을 포함한 시나리오에서는 중앙집중식이 재전송 메커니즘이 없으므로 연속 손실 시 제어 오류가 누적될 위험이 있었고, MAS는 다중 경로 전송 특성 덕분에 손실에 대한 복원력이 상대적으로 높았다. 연구는 FMI 기반 공동 시뮬레이션이 전력·통신 복합 시스템의 설계·검증에 매우 효과적임을 입증한다. FMU를 통해 통신 파라미터를 손쉽게 조정하고, 다양한 네트워크 환경을 가상 실험함으로써 제어 알고리즘의 강건성을 사전에 평가할 수 있다. 또한, 제어 설계 단계에서 통신 지연·손실을 고려한 이득 튜닝, 합의 알고리즘 선택, 그리고 장애 복구 메커니즘(재전송, 다중 경로) 도입이 필요함을 강조한다. 향후 연구에서는 실제 하드웨어‑인‑더‑루프(HIL) 실험과 대규모 마이크로그리드에 대한 확장성을 검증하고, FMU에 자동화된 네트워크 파라미터 추출 기능을 추가하는 방안을 제시한다.