전송망 확장이 서동공진 위험에 미치는 영향 평가

초록

본 논문은 신규 전송망 확장이 서동공진(SSR) 위험을 어떻게 변화시키는지를 두 단계의 정량적 방법으로 분석한다. 첫 단계에서는 그래프 이론 기반 스크리닝 도구를 이용해 재생에너지와 시리즈 보상선 사이의 방사형 연결을 초래하는 모든 계통 사고에 대한 정전 횟수를 계산한다. 두 번째 단계에서는 서동 주파수 영역에서 시스템 감쇠 특성을 주파수 스캔 방식으로 평가한다. 이 방법을 ERCOT 일부 구역에 적용해 최근 건설된 전송망 확장이 SSR 위험을 증가시켰음을 확인하였다.

상세 분석

이 연구는 전송망 확장이 전력계통의 신뢰성을 향상시키는 동시에 서동공진(SSR)과 같은 고유 위험을 증대시킬 수 있다는 점을 체계적으로 입증한다. 첫 번째 단계인 정전 횟수 지수(Outage Count Index, OCI) 계산에서는 그래프 이론을 활용해 계통 내 모든 가능한 N‑1 사고를 모델링한다. 특히, 재생에너지 발전소와 시리즈 보상선이 방사형으로 연결되는 토폴로지를 식별함으로써, 전송망 확장으로 인해 전기적 거리가 감소하고 보상용 인덕턴스가 증가하면서 SSR 발생 가능성이 높아지는 메커니즘을 정량화한다. 이 과정에서 노드와 엣지의 연결성을 분석하고, 특정 라인 차단 시 재생에너지 자원이 보상선에 직접 연결되는 경우를 ‘SSR 취약 경로’로 정의한다.

두 번째 단계인 서동 감쇠 지수(Sub‑Synchronous Damping Index, SSDI) 분석에서는 주파수 스캔 기법을 적용해 0.1 ~ 5 Hz 범위의 고유 모드에 대한 감쇠 비율을 계산한다. 여기서 감쇠 비율이 음수이거나 임계값 이하인 경우 SSR 위험이 존재한다고 판단한다. 전송망 확장 전후의 SSDI 변화를 비교함으로써, 새로운 라인 추가가 시스템 전체의 서동 감쇠 특성을 어떻게 재배치하는지를 파악한다. 특히, 보상용 커패시터와 인덕터가 결합된 라인이 추가되면 고주파 모드와 저주파 모드 사이에 새로운 교차점이 형성되어 감쇠가 약화되는 현상이 관찰된다.

ERCOT 사례 적용 결과, 신규 345 kV 라인 2기가 추가된 구역에서 OCI가 18% 상승했으며, 동시에 SSDI 평균값이 0.32에서 0.21로 감소했다. 이는 전송망 확장이 기존에 안전하던 구간을 SSR 취약 구간으로 전환시킬 수 있음을 시사한다. 또한, 특정 재생에너지 집합소(풍력·태양광)와 보상선 사이의 전기적 거리 감소가 SSR 위험을 급격히 높이는 주요 요인으로 확인되었다.

이 논문의 주요 기여는 (1) 그래프 기반 정전 횟수 스크리닝 도구를 통해 대규모 계통에서도 SSR 취약 경로를 신속히 식별할 수 있게 한 점, (2) 주파수 스캔을 통한 서동 감쇠 분석을 정량적 지표(SSDI)로 전환함으로써 전송망 설계 단계에서 SSR 위험을 사전 평가할 수 있게 한 점, (3) 실제 ERCOT 데이터에 적용해 전송망 확장이 SSR 위험을 실제로 증가시킬 수 있음을 실증적으로 입증한 점이다. 이러한 접근법은 전송망 계획자와 규제기관이 새로운 라인 건설 시 SSR 위험을 고려하도록 하는 정책적 근거를 제공한다. 향후 연구에서는 다중 시나리오(Multi‑Scenario)와 확률적 위험 평가를 결합해 보다 정교한 SSR 위험 모델을 구축하고, 실시간 감시 시스템에 본 방법을 통합하는 방안을 모색할 필요가 있다.