[에너지데일리 송병훈 기자] 한국전력 전력연구원(원장 이중호)은 송전계통의 외란이 발전설비에 미치는 영향에 대응하기 위해 '터빈-발전기 축계 상태평가 시스템'을 개발하고, 한국남부발전의 발전소 2기 현장에 시스템 구축을 완료했다고 밝혔다.
22일 한전 전력연구원에 따르면, 신재생에너지 도입과 계통용량의 증대로 인해 신설되는 전력설비가 증가함에 따라 송전계통이 과거에 비해 복잡해지고 있다. 발전소의 터빈은 일정속도로 회전하면서 60Hz의 동기 주파수를 갖게 되는데, 복잡해진 송전계통으로 60Hz 이하인 차동기 주파수 등의 외란신호가 발생할 가능성이 높아지고 있다.
외란이란 정상상태를 방해하는 요인들을 말한다. 외란신호가 발생하면 연계된 인근의 발전소 회전체가 구조적 영향을 받게 되며, 주파수가 맞지 않아 터빈-발전기 회전축계에 비틀림 하중을 지속적으로 유발하는 차동기 발진(SSO, Sub-Synchronous Oscillation) 현상이 발생할 수 있다. 또한 회전축계가 가진 비틀림 고유진동수와 주파수가 일치하는 외란신호로 인해 진동의 진폭이 커지는 차동기 공진(SSR, Sub-Synchronous Resonance) 현상으로 비틀림 하중이 급격히 증가해 파손이 발생할 수 있다.
이에 대응해 전력연구원은 인공지능 분류기법에 기반하여 실시간으로 외란신호를 감지하고, 피로수명을 산출해 위험도를 평가하는 '터빈-발전기 축계 상태평가 시스템'을 개발했다.
이 시스템으로 발전기 출력단의 전류·전압 신호를 계측해 전기적 외란신호를 인식하고, 회전속도 계측으로 터빈-발전기 축의 비틀림 진동을 감지한다. 또한 발전설비 상세모델 해석을 통해 비틀림 응력을 계산해 세부 취약 부위를 파악할 수 있으며, 외란신호에 대해 실시간으로 해당 부위에 가해지는 피로 손상의 산출이 가능하다.
터빈-발전기 축계 세부 위치별 피로 손상의 크기를 바탕으로 위험도를 산정해 우선적으로 정비가 필요한 설비와 상대적으로 안전한 설비를 판단하며, 이를 통해 예방정비가 필요한 설비의 선정 기준을 제공, 발전소 운용비용을 절감하고 신뢰도를 향상시킬 수 있다.
전력연구원은 해당 시스템을 한국남부발전의 발전소 2개 호기에 설치하고 건전성 평가를 실증하며 시스템을 고도화하고 있다.
특히 제주 송전계통은 규모가 작고, 새로 도입된 신재생 전력설비가 많아 외란신호의 발생 가능성이 많아 터빈-발전기 축계 상태평가 시스템의 필요성이 높다. 따라서 실증대상은 제주에서 HVDC(High Voltage Direct current) 송전라인과 연결된 남제주빛드림본부 2호기와, 직렬보상제어기(TCSC, Thyristor Controlled Series Capacitor) 설비와 인접한 삼척빛드림본부 1호기로 선정햇다고 설명했다.
전력연구원은 송전계통 외란 영향권에 인접한 발전소 10개 호기의 도면과 형상정보를 검토해 해석모델을 작성하고, 비틀림 고유 특성의 데이터베이스를 확보했다고 밝혔다. 해당 데이터베이스와 실증결과를 토대로 2024년 초까지 상태평가 시스템의 정확도를 검증할 계획이며, 상태평가 시스템을 통해 차동기 발진과 공진을 예측·예방 및 송전계통 안정성을 향상시킬 것으로 기대하고 있다.
전력연구원 관계자는 “송전계통의 외란신호 감지 및 위험도 평가 기술을 통하여 터빈 축계의 건전성을 평가해 신뢰도를 향상할 수 있다”며 “계통 안정성 증대를 통해 발전소 운용비용을 절감하여 전력산업의 경영효율을 높일 것”이라고 말했다.
