내일의 자가 치유 전력망 구축: 중단 없는 에너지를 위하여

자가 치유 전력망의 비전

허리케인이나 악의적 공격에도 적응하고 회복하여 병원, 식료품점, 가정에 중단 없는 전력을 공급하는 자가 치유 전력망의 잠재적 가치는 쉽게 상상할 수 있습니다. 샌디아 국립연구소와 뉴멕시코 주립대학교 팀은 최첨단 알고리즘 라이브러리를 통해 이 비전을 현실화하고 있습니다. 이 알고리즘을 그리드 릴레이에 코딩함으로써, 시스템은 그리드 운영자가 수리를 시작하거나 지시를 내리기 전에 가능한 한 많은 병원, 식료품점, 가정에 전력을 신속하게 복구할 수 있습니다.

마이클 롭의 설명

"궁극적인 목표는 상황이 정말 나빠졌을 때 시스템이 자가 치유하고 임시 구성을 형성할 수 있도록 하는 것입니다."라고 샌디아 전기 엔지니어이자 프로젝트 리더인 마이클 롭은 말합니다. "시스템이 손상되거나 손상된 후, 가능한 한 많은 고객에게 전력을 공급하는 새로운 정상 상태로 자동으로 전환하는 것, 그것이 우리가 말하는 '자가 치유'입니다. 핵심은 로컬 측정만으로 완전히 수행된다는 점이며, 값비싼 광섬유나 인간 제어자가 필요하지 않습니다."

미래 전력망의 특징

롭과 많은 이들이 상상하는 미래의 전력망은 옥상 태양광 패널과 풍력 터빈 같은 재생 에너지 공급원과 배터리 뱅크 같은 지역 에너지 저장 시스템을 더 많이 갖게 될 것입니다. 이러한 시스템 중 다수는 마이크로그리드(주 메인 그리드가 다운되어도 병원, 정수장 등 중요 인프라 주변에 형성되는 작은 '전력 섬')를 형성할 수 있습니다. 이 샌디아 프로젝트는 이러한 마이크로그리드가 손상되었을 때 스스로 치유하고 서로 연결하여 전력을 공유하고 가능한 한 많은 고객에게 서비스를 제공할 수 있게 합니다.

마이크로그리드의 과제와 해결책

마이크로그리드는 그리드 복원력을 높일 수 있지만, 에너지 생산과 소비를 균형 있게 조정하고 시스템의 일부가 손상되거나 사용할 수 없게 되었을 때 재구성하는 등 중요한 기능을 자동으로 수행해야 합니다. 이 자가 치유 기능은 또한 의도치 않은 회로 루프 형성 등 문제를 일으키는 방식으로 마이크로그리드를 연결하지 않아야 합니다.

현재 인버터를 사용하는 마이크로그리드에서 이를 달성하려면 재난 시 신뢰할 수 없고 사이버 공격에 취약한 고속 통신 시스템을 설치해야 합니다. 이 프로젝트의 목적은 각 개별 장치가 수행할 수 있는 측정만 사용하여 자가 치유를 지원함으로써 비용을 절감하면서 신뢰성을 높이는 것입니다.

전압 강하 기반 부하 차단 알고리즘

많은 인버터를 갖춘 마이크로그리드가 수행해야 할 핵심 기능 중 하나는 전력 수요가 공급을 초과할 때 일부 고객의 전력을 차단하는 것입니다. 천연가스, 석탄, 원자력 발전소로 구동되는 그리드에서는 수요-공급 불균형이 발생하면 그리드 주파수가 떨어집니다. 기존 릴레이 알고리즘은 이를 감지하면 그리드 일부의 전력을 차단합니다. 그러나 마이크로그리드용으로 설계된 인버터가 과부하되면 전압 조절을 중단하고 전압이 떨어집니다. 팀은 이 전압 감소를 이용해 릴레이가 덜 중요한 고객의 전력을 언제 차단할지 알리는 알고리즘을 개발했습니다.

재난 시 중요 시설 전력 공급 우선순위

허리케인이나 지진 같은 자연재해 발생 후 병원, 요양 시설, 정수장은 특히 중요하므로 전력 공급을 유지하는 것이 필수적입니다. 은행, 식료품점, 대피소 역할을 하는 레크리에이션 센터나 학교도 커뮤니티 기능에 매우 중요합니다.

손상 구역 우회 및 자가 조립 알고리즘

팀은 손상된 구역을 우회하여 시스템이 스스로 조립되도록 하는 알고리즘도 개발했습니다. 컴퓨터 지원 설계 소프트웨어로 상호 연결된 세 개의 마이크로그리드 시스템을 모델링하고, 통신 없이도 알고리즘이 전력 생산과 소비를 균형 있게 맞추고, 낙하한 전선이나 손상된 발전소 같은 특정 문제를 격리하고, 문제를 우회하여 중요 시설에 전력을 복구하는 방식을 시연했습니다.

의도치 않은 루프 형성 방지

북미의 대부분 그리드 인프라는 주택, 사무실, 일반 고객에게 단방향 전력 흐름을 갖는 단일 전력선으로 설계되었습니다. 따라서 그리드는 현재 루프 상태로 운영될 때 안정적이지 않도록 설계되어 있습니다. 샌디아 전기 엔지니어 매튜 리노는 "차단기 양쪽의 그리드 부분이 이미 연결되어 있는지 확인하여 스위치 닫기가 루프를 형성할지 판단할 수 있는 가능한 측정 방법을 찾으려 했습니다."라고 설명합니다.

팀은 차단기 양쪽의 그리드 부분이 같은 전원에 의해 구동되는지 판단하기 위해 차단기가 사용할 수 있는 수학적 방법을 검토했고, 두 가지 방법이 이 목적에 적합함을 확인했습니다. 연구자들은 이 방법들의 비교를 IEEE Transactions on Power Delivery 저널에 발표했습니다.

모스 부호 방식의 과부하 선로 보호

팀은 정상적으로 시스템 끝에 있는 전력선이 정격 전류보다 더 많은 전류를 지탱하게 되었을 때 대처하는 유사한 문제 해결에도 힘쓰고 있습니다. 과부하된 선로 릴레이가 특정 패턴으로 개폐하여 전압을 변조함으로써, 저우선순위 고객의 릴레이가 이 패턴을 감지하고 선로가 더 이상 과부하되지 않을 때까지 스스로 차단하는 모스 부호 같은 방식을 개발했습니다. 이는 통신으로 간주될 수 있지만, 해커에 취약하거나 인간 운영자가 필요한 별도 시스템을 필요로 하지 않으며, 전력선 자체를 이용해 신호를 전송합니다.

지속적인 개선 및 향후 계획

연구자들은 이러한 방법의 성능을 개선하는 방안도 연구 중입니다. 예를 들어, 문제가 감지되면 마이크로그리드를 더 작은 서브 마이크로그리드로 신속하게 분할하는 방법을 개발했습니다. 이렇게 하면 문제를 단일 서브 마이크로그리드에 격리하여 나머지가 정상적으로 작동할 수 있도록 합니다. 초기 테스트에 따르면 이 마이크로그리드 경계점 정의 방법이 때로는 작동하지만 항상 작동하는 것은 아니어서 추가 작업이 필요합니다.

롭과 팀은 선로 및 부하 릴레이 제조업체와 협력해 알고리즘 라이브러리를 제품에 통합하길 원합니다. 먼저 하드웨어-인-더-루프 테스트베드에서 테스트한 후, 샌디아의 분산 에너지 기술 연구소나 뉴멕시코 주립대학교의 유사한 중전압 시설 같은 테스트 시설에서 실제 테스트를 진행할 계획입니다.

"저소득 커뮤니티가 모든 전기 회로의 모든 지점에 광섬유 통신을 구축할 여유가 없는 경우에도 실제로 사용할 수 있는 기술이 되길 바랍니다."라고 롭은 말합니다. "우리 알고리즘 라이브러리를 사용하면 매우 좋은 성능과 복원력을 얻을 수 있습니다. 통신 시스템이 있더라도 백업으로 활용할 수 있습니다."