감시제어자료획득 시스템의 기능이 없으면 이엠에스는 장님이 된다.
급전(給電)은 전기를 보내는 것이 아니고 발전기에 출력조정을 위한 신호를 보내는 것이다.
주파수조정, 안전도유지, 연료비 최소화 등은 발전기 출력을 조정해야만 가능하다.
송전선의 용량초과도 실시간에서 발전기출력을 조정해야 해결된다.
전력시스템이 붕괴하는 것도 이엠에스가 발전기 출력을 실시간에서 조정해야 예방된다.

김영창 공학박사

감시제어자료획득 시스템(전력제어시스템의 감시제어 및 자료획득시스템)
이시스템은 원격계측제어장치1)를 통해 전력시스템 상태에 관한 자료를 취득하고 원격계측제어장치에 각종 제어신호를 전달하는 시스템이라고 정의한다. 원격계측제어장치라는 것은 발전소, 변전소 등 현장에서 시스템운용에 필요한 각종 시스템 상태에 대한 계측을 해 자료를 감시제어자료획득 시스템에 전송해 주거나 급전센터의 명령을 받아 기기를 제어하는 기능을 갖는 장치를 말한다. 감시제어자료획득 시스템의 3개의 구성요소는 현장의 원격계측제어장치, 통신시스템, 그리고 하나 또는 그 이상의 감시제어자료획득 시스템 ”마스터 스테이션“이다. 감시제어자료획득 시스템으로부터 취득된 자료는 송전망 구성형태에 대한 데이터베이스를 수정하거나 상태추정 프로그램의 입력자료로 사용된다. 
감시제어자료획득 시스템은 차단기의 열림/닫힘 상황, 모선의 전압크기와 위상 등 전력시스템의 상태변수에 대한 정보를 이엠에스에 제공하며 차단기 개폐 등과 같은 조작명령을 원격계측제어장치에 전송한다. 감시제어자료획득 시스템 마스터 스테이션은 현장의 원격계측제어장치에서 통신설비를 이용해 자료를 수집하는 하나의 사이클(시간주기)을 시작하도록 하는 감시제어자료획득 시스템의 한 부분이다. 여기의 시간주기는 2초 내지 5분 기간을 말한다. 
대부분의 전력시스템에서 감시제어자료획득 시스템의 마스터 스테이션은 급전센터와 연결되어 있으며, 이엠에스에 대해 직접적인 인터페이스 역할을 하고, 현장의 원격계측제어장치로부터 오는 자료를 받으며 현장의 기기에 대한 제어명령이 실행될 수 있도록 신호를 중계해준다. 제어기능은 신호를 받으면 차단기와 개폐기를 열고닫거나 변압기 탭을 조절하던가, 병렬커패시터(무효전력보상장치)의 스위치를 조작하든가 동기조상기를 기동하거나 정지하는 것이다. 기기 조작 오류 및 통신장치의 7전송오류를 사전에 방지하기 위해 이중전송 등을 포함한 각종 검증기능이 사용된다. 
원격계측제어장치에서 수집되어 급전센터에 전송되는 정보는 아날로그 또는 디지털 정보와 상황표시자료(status indicator) 등이다. 상황표시자료는 경보신호(온도상승, 저전압, 불법정보의 침투)와 차단기의 열림/닫힘 등에 관한 정보이다. 감시제어자료획득 시스템은 주기적으로 원격계측제어장치를 스캔해 시스템의 상태정보를 알아내고 급전센터로 전송한다. 일반적으로 자료전송은 2초 간격으로 실행된다. 몇몇 정보는 예외보고(exception reporting)의 원칙에 의해 변화가 생길 때만 전송된다. 감시기능 중에서 중요한 것은 사건순서의 기록이다. 차단기 작동과 같은 몇 가지 사건은 2초의 스캔 주기보다 훨씬 짧은 기간에 발생하기 때문이다. 만약 이러한 조작들이 1.5초 이내에 발생한다면 모든 정보를 잃어버릴 수도 있다. 이렇게 짧은 기간에 발생하는 정보는 사건순서를 보관하는 장치에 보관되고 이엠에스에 전달된다. 

이엠에스의 구조
이엠에스는 시스템운용을 위한 각종 프로그램의 집합이다. 실시간 시스템운용에서 이엠에스를 사용하는 목적은 주파수를 유지하고 안전도를 유지하면서 연료비를 최소화하는 것이다. 그림-1이 보여주듯이 이엠에스는 감시제어자료획득 시스템을 통해 시스템 상태(state)에 대한 계측자료를 취득하며 시스템구성형태 프로그램은 2초마다 감시제어자료획득 시스템이 보내주는 차단기작동 상황지표를 확인해 열림/닫힘 작동이 일어났으면 네트워크 구성에 관한 데이터베이스를 갱신한다. 시스템 상태에 대한 자료를 이용해 실시간으로 상태추정 프로그램이 실행되며 모선 별 소비자 부하가 추정되어 상정사고해석 및 “안전도제약 최적조류계산”(SCOPF, security-constrained optimal power flow)2)에 사용된다. 주파수 조정이 행해지는 시간축에서 보면, 커다란 부하의 변동이나 발전기 탈락이 일어난 직후 아주 짧은 시간 동안, 각 발전기의 관성의 작용, 부하응동, 조속기에 의한 일차 주파수제어 등이 일어나며 이것은 이엠에스의 프로그램이 지시하지 않아도 자발적으로 행해진다. 조속기는 주파수를 60헤르츠로 복구하는 가능을 갖지 못한다. 이 작용은 이엠에스의 역할이 아니므로 이엠에스 도면에 나타나지 않는다. 이에 대한 자세한 내용은 조속기 제어 및 운용예비력의 설명에서 한다. 그리고 일차 주파수제어는 연속적으로 일어나며 매 4~5초마다 주파수를 조정하기 위한 보충적 제어(supplementary control)는 자동출력제어(AGC, Automatic Generation Control)의 역할이다. 또한 5분 간격으로 상태추정, 상정사고해석, SCOPF 프로그램 등이 실행된다. 이에 따라 계산된 개별 발전기 출력은 AGC에 전달되어 감시제어자료획득 시스템을 통해 개별 발전기에 전달되고 조속기의 출력기준점을 조정하는 데 사용된다. 
일반적으로 5초마다 AGC에 의해 실행되는 주파수조정 역할은 미리 선정된 AGC 대상 발전기가 담당한다. 이러한 발전기는 응동속도 또는 출력변동 속도가 빨라 조속기의 출력기준점을 지정하면 출력을 신속하게 변경할 수 있다. 대부분 원자력발전기는 출력기준점을 변경하지 않고 고정 출력으로 운전하며 미국의 경우, 약 50%의 원자력발전기는 주파수조정을 위해 일차 주파수제어를 담당하도록 허용되고 있다. 또한 이엠에스는 5분마다 그 동안의 부하변동으로 인한 순동예비력의 적정량 유지여부를 확인하고 만약 부족하다면 급전원에게 발전기를 추가로 가동하라고 경보를 보내준다. 발전기의 출력을 조정하기 위한 신호를 보내는 것은 조속기의 출력기준점을 조정하라는 신호를 보내는 것이며 이에 대한 자세한 내용은 조속기의 설명에서 다룬다. 

그림- 1  전력시스템운용과 이엠에스와 SCADA(월렌버그, Power Generation, Operation and Control)

실시간 전력시스템운용과 이엠에스의 역할 
실시간 전력시스템운용은 규정주파수를 유지하기 위해 시시각각 전국의 모선 별 소비자부하가 변동함에 따라 발전기의 출력이 시스템부하와 균형을 유지하도록 하는 것이다. 규정주파수를 유지하는 것은 움직이는 과녁을 지속적으로 추적해 맞추려고 하는 
것과 유사하다. 그림-9는 설비용량이 약 6,000만 킬로와트인 미국의 어떤 전력시스템의 주파수변동을 보여준다. 이 그림을 보면 주파수는 시시각각으로 변한다는 것을 알 수 있고 정확하게 60헤르츠로 유지되고 있는 시간은 거의 없다는 것을 알 수 있다. 운전 중인 발전기들은 협력해 규정주파수를 유지하려고 하지만 이러한 노력도 주파수가 허용범위 내에 유지되도록 할 뿐이다. 이것은 이엠에스의 AGC와 개별 발전기의 조속기의 역할에 의한 것이다. 이에 관한 자세한 내용은 주파수제어를 설명할 때 다룬다.

그림-9 주파수의 변동

이엠에스가 감시제어자료획득 시스템을 사용하는 첫째 목적은 전력시스템의 송전망의 구성형태가 변했을 때 네트워크 모델링을 위한 데이터베이스를 갱신하는 것이며 이것을 위해 감시제어자료획득 시스템이 2초마다 스캔해 보내주는 차단기의 상황변동지표를 이용한다. 차단기작동에 따른 네트워크의 구성형태를 갱신해 놓지 않으면 이엠에스의 각종 프로그램이 갱신된 차단기 열림/닫힘 상황을 이용해 네트워크 모델링을 하지 못하게 되어 각종 계산결과가 무의미하게 된다. 예를 들면 어떤 선로의 차단기가 동작해 전력시스템에서 분리되어 있는데 이 상황이 프로그램에서 즉시 처리되지 못하면 이엠에스의 구성프로그램은 탈락한 선로가 아직도 있다고 생각하고 각종 계산을 하게 되며 이 결과로 각 발전기의 출력이 결정되어 현장의 발전기에 전달될 경우, 의미 없는 출력이 지정되고 개별 송전선의 실제 전력조류도 다른 값을 갖는다. 
이엠에스가 감시제어자료획득 시스템을 사용하는 둘째 목적은 상태추정을 실행하기 위한 것이다. 원격계측을 통해 획득한 계측자료에는 확률적 오차가 포함된다. 실시간으로 감시제어자료획득 시스템으로부터 얻은 자료를 상태추정 프로그램을 거치지 않고 사용하면 전국 각지의 계측된 소비자부하에 오차가 포함되어 있어 모선 별 소비자부하를 만족시키기 위해 어떤 발전기가 어떻게 출력을 내야 하는가를 정확하게 계산할 수 없으며 송전선로의 과부하를 막기 위한 발전기 출력도 계산될 수 없고 상정사고해석도 제대로 실행될 수 없다. 따라서 안전도가 유지될 수도 없다. 실시간에서 모선 별 소비자부하를 충족시키고 송전선의 용량제약을 고려한 최적조류계산을 할 때는 반드시 실시간에서 상태추정 과정을 거친 자료를 사용해야 한다. 실시간에서 실행하지 않고 씨뮬레이터를 이용해 안전도유지를 위한 발전기 출력을 계산해 보아도 현장의 발전기에 전송할 수 없는 무의미한 자료가 생산될 뿐이다.
변동하는 소비자부하를 일정한 시간간격으로 최소의 연료비로 충족시키기 위해 각 발전기의 출력을 결정하는 방법에는 크게 3가지가 있을 수 있다. 첫 번째 방법은 가장 간단한 것으로 송전망의 구성형태, 송전선로의 전력흐름의 한계에 관한 제약, 각 모선의 전압크기의 제약 등을 고려하지 않으면서 총출력(운전 중인 발전기출력의 합)이 시스템 부하와 같아야 한다는 제약조건 아래에서 각 발전기의 출력을 결정하는 것이고, 일반적으로 경제급전이라고 말하면 이것을 의미하는 것이며 여기에 속하는 것이 등증분비용법이다. 이 방법을 사용한다면 송전망 내의 각종 제약조건을 만족하는 각 발전기의 출력을 구할 수 없다. 이것은 발전기에 출력변경의 신호를 보내는 목적보다는 발전비용정산에 사용될 제약발전(constrained-on) 및 제약비발전(constrained-off)의 상황을 파악하기 위해 사용된다. 두 번째 방법은 최적조류계산법을 사용하는 것으로 모선 별 소비자부하, 송전망의 구성형태, 송전선로의 전력흐름제약 등을 고려해 총연료비를 최소화하기 위한 개별 발전기의 출력을 결정하는 것이다. 이 방법은 실시간에서 소비자부하가 모선 별로 상태추정프로그램에서 추정되었다고 할 때 전력조류계산방정식을 최적화 프로그램의 제약조건에 추가해 놓고 송전선로의 전력흐름의 제약을 만족시키면서 총연료비를 최소화하는 개별 발전기의 출력을 계산하는 방법이다. 물론 이 경우 송전선로의 각종 특성은 네트워크 데이터베이스에 보관된 것을 사용한다. 발전기의 비용함수는 발전기의 출력에 따라 시간당 연료비가 얼마인가를 2차함수 또는 3차함수로 나타낸 것이다. 발전기 별 비용함수 및 증분비용함수도 데이터베이스에 보관되어 있는 것을 사용한다. 최적조류계산 프로그램에는 반복선형계획법이나 비선형최적화프로그램 등이 최적화 기법이 사용된다. 
세 번째의 방법은 안전도유지를 위한 상정사고해석 프로그램을 실행하는 것이다. 실시간에 전력시스템을 운용할 때 주파수유지 다음으로 중요한 것은 안전도(security)를 유지하는 것이다. 안전도를 유지한다는 것은 전력시스템의 구성요소 하나가 고장을 일으켰을 때 다른 구성요소가 과부하(overload)를 일으키지 않고 시스템운용을 지속할 수 있도록 하는 것이다. 예를 들어 어떤 선로가 사고를 일으켜 탈락하면 해당 선로에 흐르던 전력이 빛의 속도로 사고가 일어나지 않은 나머지 송전선으로 이동한다. 이렇게 되면 이 선로의 이웃에서 사고를 일으키지 않은 다른 송전선로에는 사고가 발생하기 이전의 자체의 전력흐름과 고장을 일으킨 선로에 흐르던 전력흐름의 일부분이 합해져 흐르게 된다. 만약 합해진 전력흐름이 송전선의 허용용량을 벗어나지 않으면 다행이지만 어느 하나의 송전선로가 과부하로 되면 이 선로는 보호장치(계전기)의 작동으로 탈락할 것이다. 그러면 2개의 송전선로가 탈락하게 되고 이것이 제3의 송전선로의 탈락을 유발하고 순차적으로 전체 송전망에 파급된다. 이것을 연쇄탈락(cascaded outage)이라 하며 일단 시작하면 시스템운용자가 손을 쓸 시간도 없이 걷잡을 수 없는 속도로 8초 내지 10초 이내에 상황이 종료해버린다. 송전망이 무너지면 즉 모든 송전선로가 탈락하면, 발전기들은 전력을 보낼 송전선로가 없어지게 되어 거의 동시에 탈락해 버린다. 이 상황을 예방하기 위해 상정사고해석 프로그램이 실시간으로 한 번의 최적조류계산을 실시하고 상정사고 목록에 있는 송전선로 하나를 가상으로 탈락시켜(즉 상정사고를 일으켜) 놓은 다음 다시 전력조류계산을 실시해 과부하가 되는 송전선로가 나타나는가에 대해 검사한다. 만약 과부하로 되는 송전선로가 나타나면, 즉 안전도가 유지되지 않으면, 상정사고를 가상한 송전선로의 용량제약을 변경해 놓아, 이 선로가 탈락할 경우 다른 송전선에 과부하가 나타나지 않도록 한다. 이렇게 새로운 용량제약조건을 추가하는 것을 상정사고제약(contingency constraint)을 추가하는 것이라고 말한다. “contingency”는 사고를 의미하지만, 컴퓨터가 사고를 가정할 경우, “상정사고”라고 말한다. 실제로 사고를 일으켜 본다는 것이 아니고 네트워크 모델에서 송전선을 제거해 보는 것이다.     이와 같은 상정사고해석을 미리 주어진 목록에 대해 차례로 실행해 마지막으로 계산한 상정사고제약까지 송전선로 용량제약조건에 포함한 다음 최적조류계산을 실행해 각 발전기의 출력을 계산한 후 현장의 각 발전기에 출력조정신호를 보낸다. 이 때 사용되는 것이 SCOPF이다. 실시간에서 최적조류계산이 실행되는 것은 SCOPF로 사용되는 것이며 실시간에서 최적조류계산이 상정사고해석과 별도로 사용되지는 않는다. 일반적으로 OPF라고 말하면 급전원이 씨뮬레이션을 통해 훈련하는 과정에서 사용하는 것을 말하거나 비-실시간(off-line)에서 네트워크분석을 실행할 때 사용되는 것을 의미한다. 
위와 같은 계산을 실시간으로 5분마다 변전소별 소비자부하의 변동에 따라 실행하고 개별 발전기의 출력(조속기의 출력기준점)을 지정하는 것이 매우 중요한 것이다. 만약 별도의 가정에 의해 변전소별 소비자부하를 지정하고 상정사고해석 및 SCOPF를 실행해 발전기출력을 계산해 놓았다고 해도 이것은 현재 나타난 변전소별 소비자부하를 이용한 SCOPF의 결과와 아무런 관련이 없으므로 실시간에서 송전선로의 사고가 연쇄탈락으로 이어져 전력시스템이 붕괴되는 것을 예방할 조치가 되지 못한다. 호주, 터키, 이태리 등에서 발생한 전력시스템붕괴로 인해 전국적으로 전력공급이 중단된 사고에 대한 기술분석 보고서에 의하면 실시간에 5분마다 소비자부하가 변동함에 따라 SCOPF를 실행하지 않은 것이 원인이라고 밝혀졌다. 전력시스템붕괴 이후 국가 전체적으로 일어날 수 있는 상황이 어떤 것인가를 파악하고 전력시스템을 복구하는 절차를 확립하고 복구훈련을 하는 것이 필요한 것이다.
SCOPF를 실행한 결과로 각 모선의 LMP(모선한계가격)가 얻어진다. 각 모선에서 제약조건의 오른쪽 항이 한 단위만큼 변동하였을 때 SCOPF의 목적함수의 변동분이 모선별 한계가격이며 이것이 바로 송전선 사용요금과 모선별 차등요금제를 실시하기 위한 기본정보로 이용된다. 상정사고해석을 통해 상정사고제약이 추가된 조류계산을 반복해 발전기의 출력을 결정하는 것은 5분 동안의 계산 중 가장 많은 시간을 필요로 한다.

각주)-----------------
1) RTU: remote terminal unit
2) “안전도제약 최적조류계산”(SCOPF, security-constrained optimal power flow)