[논문 리뷰] Development and Validation of a Scalable Fast Load Shedding Technique for Industrial Power Systems

Andrea Petriccioli, Samuele Grillo외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 10.

Islanding Detection in Power Systems참고 문헌 14인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 해양 플랫폼에서의 안정성과 신뢰성을 향상시키기 위해 설계된 확장성 있고 동적인 모델 기반 빠른 부하 제거(Fast Load Shedding, FLS) 알고리즘을 제시한다. 이 방법은 전력 불일치 분석과 우선순위 기반 부하 선택을 통해 최적화된 제거 행렬을 계산하며, 동적 시뮬레이션을 통해 검증되었고, IEC 61131-3 구조적 텍스트를 사용해 ABB AC500 PLC에 구현되어 산업 공장 간 호환성과 확장성을 보장한다.

ABSTRACT

The work aims to improve the existing fast load shedding algorithm for industrial power system to increase performance, reliability, and scalability for future expansions. The paper illustrates the development of a scalable algorithm to compute the shedding matrix, and the test performed on a model of the electric grid of an offshore platform. From this model it is possible to study the impact on the transients of various parameters, such as spinning reserve and delay time. Subsequently, the code is converted into Structured Text and implemented on an ABB PLC. The scalability of the load shedding algorithm is thus verified, confirming its performance with respect to the computation of the shedding matrix and the usefulness of the dynamic simulations during the design phase of the plant.

연구 동기 및 목표

• 산업 전력 시스템을 위한 확장성 있고 토폴로지 적응형 빠른 부하 제거(Fast Load Shedding, FLS) 알고리즘을 개발하여 신뢰성과 성능을 향상시키는 것.
• 스피닝 리저브와 지연 시간과 같은 핵심 파라미터의 동적 시뮬레이션 기반 최적화를 통해 시스템 안정성을 확보하는 것.
• IEC 61131-3에 준하는 구조적 텍스트(ST)를 사용해 기존 산업 제어 시스템과의 호환성을 확보하는 것.
• 실제 해양 플랫폼 모델과 PLC 테스트를 통해 알고리즘의 효과성과 확장성을 검증하는 것.
• 전력망 장애 시 빈도 안정성을 유지하면서도 부하 제거를 최소화하여 운영 방해를 줄이는 것.

제안 방법

• FLS 알고리즘은 주로 두 가지 구성 요소로 구성된다: 부하 선택(Load Selection, LSE) 및 사고 탐지/제거 조치(Event Detection/Slashing Action, ED-SA).
• LSE는 전력망 토폴로지와 발전기 상태를 분석하여 각 사고에 대한 전력 불일치(PM)를 계산하며, 하위 네트워크의 안정성을 보장한다.
• LSE는 우선순위와 전력 소비 기반으로 제거할 부하를 선택하여 스위치 수를 최소화하면서도 PM을 초과하도록 보장한다.
• 출력은 제거 행렬(SM)이며, 1은 제거할 부하, 0은 유지함을 의미하며, 0.5~2초 간격으로 갱신된다.
• 동적 시뮬레이션을 통해 다양한 스피닝 리저브(SR) 및 지연 시간 조건에서 일시적 거동을 모델링한다.
• 자동 코드 생성을 통해 알고리즘을 IEC 61131-3 준수 구조적 텍스트로 변환하고, ABB AC500 PLC에 배포하여 하드웨어 검증을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 산업 전력 시스템 토폴로지에 걸쳐 빠른 부하 제거 알고리즘을 어떻게 확장성 있게 구현할 수 있는가?
• RQ2 스피닝 리저브와 지연 시간이 시스템 장애 시 빈도 최저치에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 동적 시뮬레이션 모델을 어떻게 활용하여 안전성이나 운영 연속성을 해치지 않으면서 FLS 파라미터를 최적화할 수 있는가?
• RQ4 모델 기반 접근 방식을 통해 얼마나 많은 부하 제거를 줄일 수 있으며, 同시에 시스템 안정성을 유지할 수 있는가?
• RQ5 표준 산업용 PLC에서 구조적 텍스트와 같은 표준 프로그래밍 언어를 사용해 FLS 알고리즘을 효과적으로 구현할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 FLS 알고리즘은 현장 입력과 설계 파rameter만을 사용하여 전력망 토폴로지와 사고 조건에 동적으로 적응함으로써 높은 확장성을 달성한다.
• 동적 시뮬레이션 결과, 스피닝 리저브를 3.1 MW에서 8.4 MW로 증가시키면, 저주파수 임계치 이하의 안전 여유를 각각 1 Hz에서 0.5 Hz로 확보할 수 있었다.
• 지연 시간은 빈도 최저치에 결정적인 영향을 미친다: 200 ms를 초과하면 최저치가 급격히 하락하여, 지연을 최소화하는 것이 안정성 확보에 필수적임을 시사한다.
• 스피닝 리저브 6 MW는 48 Hz의 저주파수 임계치보다 0.5 Hz 높은 안전 여유를 확보하여 운영 연속성과 안전성의 균형을 이룬다.
• 알고리즘은 성공적으로 구조적 텍스트로 구현되었고, ABB AC500 PLC에서 테스트되어 호환성과 실시간 성능를 확인했다.
• 모델 기반 최적화 방법을 통해 SR 및 지연 시간의 정밀한 선택이 가능해졌으며, 불필요한 부하 제거를 최소화하면서도 저주파수 보호 요구사항을 충족시켰다.