김권철
(Kwonchul Kim)
1iD
김인수
(Insu Kim)
†iD
-
(Department of Electrical and Computer Engineering, Inha University, South Korea)
Copyright © The Korean Institute of Electrical Engineers(KIEE)
Key words
Incheon airport, Power flow analysis, Reverse Transmission
1. 서 론
인천공항의 전력공급과 관련한 선행연구로는 신재생에너지로 인천공항이 필요로 하는 전체 에너지를 충족할 수 있다는 연구와(1,2) PSCAD/EMTDC를 활용하여 인천공항 셔틀 트레인(Intra Airport Transit) 도입에 따른 고조파의 영향을 분석한 사례(3) 등이 있다. 전력계통 해석프로그램인 ETAP을 활용한 조류분석의 사례로는 66kV 변전소 내의 전력조류를 분석하거나(4), 마이크로 그리드에서의 전력조류 분석 사례(5), 그리고 132/33kV 전력망에 대한 분석 사례(6) 등이 있다. 그러나 인천공항이 위치한 영종도의 154kV 전력망을 ETAP 프로그램을 이용하여 모델링한 사례는 없다.
인천공항이 위치한 영종도에는 한전의 영종, 중산, 을왕 변전소와 인천공항의 A, B, C 변전소 등 6곳의 154kV급 변전소가 있다. 2023년
현재 11MW규모의 태양광 발전전력이 인천공항 관할 22.9kV 배전계통에 연계되어 운영 중이다. 인천공항의 피크전력은 2019년 기록된 122MW이며,
향후 지속적으로 부하 증대가 예상된다.
한편, 인천공항은 2022년 2월 아시아지역 공항 최초로 글로벌 RE100 가입을 완료하였으며, 2040년까지 RE100 목표 달성을 위해 지역 여건
및 특성을 고려한 RE100 중장기 이행방안을 수립하여 진행중이며, 우선 2025년까지 50MW의 태양광발전시설을 확보할 예정이다.
한전의 ‘보완공급약관’은 전기사업법 제16조의3의 규정에 따라 부족하거나 남는 전력을 한전과 거래하거나 거래하고자 하는 구역전기사업자에게 적용하는
규정이다. 이에 따르면 역송전력은 구역전기사업자 측에서 수급지점을 통해 한전 측으로 공급되는 전력을 말한다. 따라서, 구역전기사업자가 아닌 인천공항은
한전 측에 전력을 공급할 수 없고 역송전력이 발생할 경우 인천공항은 사용하지 않은 전력요금을 한전에 납부해야 한다. 전력망의 말단에 위치한 을왕변전소의
경우 공항C 변전소에서 을왕변전소 쪽으로 역송전력이 발생될 가능성이 있어 확인이 필요하다.
본 논문에서는 ETAP 프로그램을 이용하여 영종도 지역 6개의 154kV급 변전소와 송전선로 모델링을 제시한다. 이를 통해 을왕변전소의 부하를 변화시켜
을왕변전소의 부하가 46MW 이상 시 공항C 변전소에서 을왕변전소 쪽으로 역송전력이 발생하는 것을 확인하였다. 본 논문에서 제시한 영종도 지역 154kV급
송전계통 모델을 통해 향후 인천공항의 RE100 실현을 위한 신재생에너지 신설과 전기자동차 충전소 증설 등 부하변동에 따른 전력조류 해석과 고장해석에
유용하게 사용될 수 있음을 확인하였다.
2. 인천공항 주변 154kV 급 송전망의 구성
본 논문에서는 영종도 지역에서 실제 운영중인 154kV급 송전망을 대상으로 모델링 및 조류 특성을 제시한다.
2.1 송전계통 개요
영종도 지역의 154kV급 송전망의 구성은 그림 1과 같이 나타낼 수 있다. 여기서 대상 154kV 계통은 영종, 중산, 을왕 변전소와 공항A, 공항B, 공항C 변전소, 154kV 송전선로 그리고
인천공항 열병합발전소 등으로 구성된다. 영종변전소에서 공항A, 공항B 변전소로 전원을 공급하기 전에 열병합발전소가 위치하는 것이 특징이다. 이는 2001년
개항 당시 공항의 주전원을 열병합발전소에서 발전된 전원으로 사용하려는 방침이 반영된 결과이다. 인천공항은 열병합발전소의 유지보수 작업 시 간섭사항이
많아 인천공항은 장기적으로 한전 변전소로부터 직접 전원을 공급받을 수 있는 송전선로 구성을 계획 중이다.
그림. 1. 인천공항 지역 154kV 송전계통 개념도
Fig. 1. Conceptual diagram of 154kV transmission system near Incheon airport
2.2 지리적 위치
지리적 위치는 그림 2과 같으며, 인천지역에서 송전된 전력이 을왕변전소에 도달하기 위해 가장 긴 거리를 거쳐야 함을 확인할 수 있다.
그림. 2. 영종도 154kV급 변전소와 송전선로의 지리적 위치
Fig. 2. Geographical Location and Transmission Line of the 154kV Substation in Yeongjongdo
Island
개항 당시부터 최근까지 공항A, 공항B 변전소 등 2곳이 말단에 위치하고 있어서, 역송전력 발생 문제는 없었다. 표1에서 영종과 을왕 간 최단경로는 영종-열병합-A-C-을왕을 지나는 경로1이지만 A-C간에 600㎟ 케이블이 설치되어 있다. 영종-을왕의 경로2와 중산-을왕의
경로3에는 모두 2000㎟ 케이블이 설치되어 있으나, 거리가 경로1에 비해 길다. 이를 통해 을왕변전소의 부하가 일정 수준 이상일 경우 경로1로 역송전력이
발생할 수 있음을 예상할 수 있다.
표 1. 을왕까지 전력공급 경로
Table 1. Power supply route to Eurwang
|
구분
|
From
|
To
|
거리 (m)
|
XLPE
|
|
경로1
|
영종
|
열병합
|
120
|
1200㎟
|
|
열병합
|
A
|
4,600
|
1200㎟
|
|
A
|
C
|
5,060
|
600㎟
|
|
C
|
을왕
|
6,200
|
1200㎟
|
|
소계
|
-
|
15,980
|
-
|
|
경로2
|
영종
|
을왕
|
23,340
|
2000㎟
|
|
경로3
|
중산
|
을왕
|
16,600
|
2000㎟
|
3. ETAP을 이용한 영종도 지역 154kV 계통 모델링
3.1 한전계통 모델링
영종도 지역에 있는 3개의 한전 154kV급 변전소와 이들을 연결하는 지중송전선이 있다. 2001년 인천공항 개항 당시 영종변전소와 경서-영종 간과
신경서-영종 간에 XLPE 1200㎟ 각 1회선(총 2회선)이 신설되었고, 2015년 하늘신도시 전원공급을 위해 중산변전소와 영종-중산간과 신경서-중산
간에 XLPE 2000㎟ 각 1회선(총 2회선)이 신설되었다. 2023년 5월에 을왕변전소와 영종-을왕 간과 중산-을왕 간에 XLPE 2000㎟ 각
1회선(총 2회선)이 신설되었다.
영종-열병합 간은 120m 길이의 XLPE 1200㎟ 2회선을 통해 연계되어 있다. 이는 열병합발전소에서 생산된 전력을 한전 계통으로 보내거나 한전
계통의 전력을 인천공항으로 보내는 통로 역할을 한다. 영종변전소는 인근 주거지역에 22.9kV 배전 전원을 공급중이고, 00공장에도 154kV 00회선을
공급 중이다. 중산 변전소는 주로 인근 주거단지에 전원을 공급하고 있다. 을왕 변전소는 인천공항의 유휴지 개발이 진행 중인 IBC III지역의 00리조트
등에 전원을 공급하기 위해 신설되었다.
3.2 열병합발전소 모델링
인천공항 열병합발전소에는 2개의 47MW급 가스터빈 발전기와 1개의 33MW급 스팀터빈 발전기가 있다. 열병합발전소의 154kV 모선에서 XLPE
1200㎟ 4.2km와 10.2km 케이블을 통해 각각 공항A, 공항B 변전소로 전원을 공급하고 있다. 인천공항은 열병합발전소의 모선을 통해 공급받고
있다. 현재, 열병합발전소는 발전에 대해 전력거래소의 통제를 받고 있으며, 인천공항과 인근 지역에 전원과 온수를 공급하고 있다.
3.3 인천공항 내부 계통 모델링
인천공항에는 세 곳의 154kV 변전소가 있다. 2001년 개항당시 공항A, 공항B 변전소가 운영되기 시작했고, 2023년 6월에 공항C 변전소가
운영을 시작했다. 또한 세 곳의 변전소간 연계선로가 구성되어 있는데, 공항A-공항B, 공항A-공항C 사이는 각각 5.62km, 5.06km의 600㎟
XLPE 케이블로 연계되어 있다. 공항B-공항C 사이는 15km의 1200㎟ XLPE 케이블로 연계되어 있다. 을왕-공항C 송전선로는 공항 보안지역을
통과하는 6.2km 길이의 지중관로를 통해 XLPE 1200㎟ 1회선을 포설하여 신설되었다.
공항A와 공항B 변전소에는 154/22.9kV 45/60MVA인 M.Tr이 3 Bank, 공항C 변전소에는 2 Bank가 설치되어 운영 중이며, 주요
부하는 여객터미널과 교통센터, 부대건물 등의 건축전기 부하가 있고, 냉동기, 빙축열, 수하물처리시설 등의 특수부하가 있다. 인천공항의 피크전력은 2019년
8월에 기록된 122MW이다. 공항C 변전소 운영을 개시한 이후에도 한전과의 계약전력을 270MW로 유지하고 있고 향후 부하증가 시 변경을 위한 협의를
진행할 계획이다.
3.4 영종도 지역 전체 154kV 계통 모델링
상기의 영종도지역 154kV급 송전계통 구성을 바탕으로 변전소 6곳, 열병합발전소, 그리고 연계선로로 구성된 계통을 나타내면 그림3과 같다.
그림. 3. 영종도 지역 전체 154kV 송전 계통 모델링
Fig. 3. Modeling of entire 154kV transmission system in Yeoungjong island area
위 모델이 실제계통 모의에 적합한지 확인한 결과는 다음과 같다. 표 2는 2023년 9월 28일 10:00경 인천공항 SCADA화면에 나타난 공항A, 공항B, 공항C 변전소의 부하 현황이고 을왕변전소의 부하는 임의로
가정하였다.
표 2. 부하 현황표
Table 2. Load status table
|
TR
|
공항A
|
공항B
|
공항C
|
을왕
|
|
부하 [합계]
|
38.000
|
45.300
|
0.001
|
0.1
|
표 3은 SCADA와 ETAP에서 표출되고 계산된 전력조류 비교표이다. 을왕변전소의 부하를 임의로 입력하여 다소 차이가 생긴 것으로 생각된다.
표 3. SCADA 시스템과 ETAP 프로그램의 전력조류 비교표
Table 3. Comparison Table of power flows between SCADA system and ETAP program
|
구분
|
열병합→A
|
열병합→B
|
을왕→C
|
A→B
|
C→B
|
A→C
|
|
SCADA
[MVA]
|
50.1
|
32.3
|
0.0001
|
10.4
|
2.3
|
2.6
|
|
ETAP
[MVA]
|
53.5
|
30.2
|
0.0001
|
13.6
|
2.93
|
6.34
|
4. 시뮬레이션 결과 및 분석
4.1 시뮬레이션 조건
154kV 급 송전계통의 전력조류를 분석하기 위한 인천공항 부하 조건은 2023년 4월 20일 인천공항 부하자료를 참조하여 표2과 같이 설정하였다. C변전소의 경우 제2여객터미널 확장지역에 시운전 전원을 공급 중이며 부하가 작아 공항A 변전소 부하의 2/3 정도로 설정하였다
표 4. 인천공항 154kV 변전소별 부하현황
Table 4. Incheon Airport 154kV substation load
|
구분
|
공항A
|
공항B
|
공항C
|
|
MVA
|
38.616
|
35.056
|
25.7
|
|
MW+jMVar
|
38.3 + j7.8
|
37.3 + j1.9
|
24.4 + j8.0
|
|
역율(%)
|
98.15
|
99.85
|
95
|
시뮬레이션을 위한 계통운영 유형은 표2와 같이 영종에서 공항A와 공항B로 각 1회선 공급, 을왕에서 공항C로 1회선 공급, 공항A↔공항B, 공항A↔공항C, 공항B↔공항C 간 Tie Line
투입 상황을 상정하였다
4.2 역송전력 발생 시점 확인
계통의 말단에 위치한 을왕의 부하를 점점 증가시켜 C에서 을왕 방향으로 전력조류가 흐르는 시점을 알아내는 시도이다. 표 5는 시뮬레이션을 위한 부하 조건이다.
표 5. 시뮬레이션을 위한 부하 조건
Table 5. Load Conditions for Simulation
|
구분
|
부하 (역률 95%)
|
공항C→을왕 조류
|
|
Case 3-1
|
30MVA (28.5+j9.367)
|
-
|
|
Case 3-2
|
40MVA (38 + j12.49)
|
-
|
|
Case 3-3
|
45MVA (42.5+j14.051)
|
-
|
|
Case 3-4
|
46MVA (43.7+j14.363)
|
0.406 + j3.69
|
시뮬레이션 결과, 을왕의 부하가 46MVA를 넘어서는 시점에 역송전력이 발생함을 확인하였다.
4.3 역송전력 방지 대책
표 6은 을왕의 부하를 역률95%, 50MVA(47.5 +j15.612)로 변경하고, 154kV급 3개의 T/L과 3개의 Tie 선로를 1개씩 차단해 역송전력
발생이 억제되는 경우를 찾는 시도이다.
표 6. 역송전력 발생 방지 대책별 효과
Table 6. Effect of each measure
|
구분
|
대책
|
C→을왕 조류
|
|
Case 4-1
|
을왕↔C T/L 차단
|
-
|
|
Case 4-2
|
열병합↔A T/L 차단
|
-
|
|
Case 4-3
|
열병합↔B T/L 차단
|
-
|
|
Case 4-4
|
A↔C TIE 차단
|
-
|
|
Case 4-5
|
A↔B TIE 차단
|
2.22 + 4.03
|
|
Case 4-6
|
B↔C TIE 차단
|
0.941 + j3.06
|
시뮬레이션 결과, Case 4-1, 4-2, 4-3, 4-4의 경우 역송전력이 방지되는 것을 확인하였다. Case 4-5와 4-6에서 공항C→을왕
방향 역송조류가 발생하는 이유는 표 1에서 확인되는 바와 같이 해당 부하조건에서는 영종→공항A→공항C→을왕 경로의 전체 임피던스가 을왕변전소가 필요로하는 전력의 일부를 부담할 정도이기
때문이다. 인천공항은 을왕↔공항C T/L에 일정 비율 이상 역송전력이 지속될 경우 차단기가 차단되도록 계전기를 설정하여 운영 중이다.
4.4 기대효과
위에 제시된 모델을 활용하면 역송전력 조류를 확인하는 외에도 인천공항이 추진 중인 직접PPA(Power Purchase agreement) 방식의
태양광발전시설 확보 계획 수립 시 사전에 전력조류를 분석하거나, 공항 지역 내 세 곳의 변전소별 최적 분산 방안 도출 등에도 활용될 수 있을 것으로
예상된다. 참고로, 2022년 9월 국내 도입된 직접 PPA 방식은 RE100 캠페인 이행 등을 위해 재생에너지를 직접 구매하고자 하는 기업이 재생에너지
발전사와 전력구매계약을 체결한 뒤 태양광이나 풍력으로 생산한 전력을 사고파는 행위를 말하는데, 인천공항 사례가 대규모의 선도적인 사례가 될 것으로
예상된다.
또한, 인천공항에는 2025년까지 전기자동차 충전기의 수가 1000대에 육박할 예정이다. 태양광발전 전원의 특성과 대규모 전기자동차 충전기의 부하
특성이 공존하는 인천공항 지역 배전계통과 송전계통에 대한 전력조류 분석, 고조파 분석, 그리고 고장 해석 등에 활용될 수 있을 것이다.
5. 결 론
전력계통해석프로그램인 ETAP을 활용한 영종도 지역 154kV급 계통의 모델링을 통해 계통의 말단에 위치한 을왕변전소의 부하가 46MVA 이상이 되는
시점에 한전 방향의 역송전력이 발생하는 것을 확인하였다. 또한, 인천공항으로 전원을 공급중인 3개의 T/L을 차단하거나 A↔C 간 TIE 선로 차단하는
경우 역송전력이 억제됨을 확인하였다.
Acknowledgements
This work was supported by the Korean Ministry of Oceans and Fisheries (Project No.
1525011610, KIMST-20210629).
CB1
References
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8, No. 6, pp. 562
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J.-K. Lee, 2005, Power Quality Evaluation of An IAT (Intra Airport Transit) System
in Incheon International Airport, in Proceedings of the KIEE Conference The Korean
Institute of Electrical Engineers
K. Baby, K. Sreekumar, 2017, Load flow analysis of 66 kv substation using Etap software,
International Research Journal of Engineering and Technology (IRJET), Vol. 4, No.
2
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Voltage Enhancement Using Static VAR Compensation (SVC) Technique, Iconic Research
Engineering Journals, Vol. 6, No. 8, pp. 2456-8880
저자소개
Kwonchul Kim is a doctoral course student in the Department of Electrical and Computer
Engineering, Inha University, Incheon, Korea.
Kim received B.S degree in electrical engineering from Jeju National University, in
Jeju-do, Korea and received M.S degree in business management from Korea Aviation
University in Seoul, Korea.
Also, he is working as deputy director at Incheon International Airport Corporation.
Insu Kim (M’15) received the Ph.D. degree from the Georgia Institute of Technology,
Atlanta, in 2014.
He is currently an Associate Professor of electrical engineering at Inha University
in South Korea.
His major research interests are (a) analyzing the impact of stochastically distributed
renewable energy resources such as photovoltaic systems, wind farms, and microturbines
on distribution networks, (b) examining the steady-state and transient behavior of
distribution networks under active and reactive power injection by distributed generation
systems, and (c) improving power-flow, short-circuit, and harmonic analysis algorithms.