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2. WASP 모형
가. WASP의 배경
○ WASP(Wien Automatic System Planning Package)는 1974年 미국의 TVA (Tennessee Valley Authority)의 R. Taber Jenkins와 ORNL(Oak Ridge National Laboratory의 D. S. Joy에 의해 개발된 전원개발계획
수립용 전산 모형임.
○ 그 후, IAEA에서 이를 수정 개발하여 WASP-Ⅱ로 발표하였고, 현재 세계 각국의 전력회사에서 널리 활용하고 있는데, 우리나라는 1977年
에 IAEA를 통하여 도입하여 전원개발계획 수립에 활용하고 있으며
현재 WASP-IV 모형이 개발되어 있음.
○ WASP 모형은 주어진 경제적, 기술적 제약조건 아래에서 최적 전원
개발계획을 도출하는 모형이며, 최적화 부분에서는 R. Bellman의 동 적계획법(Dynamic Programming)을 이용하고, 운전비 계산 부문에서 는 Baleriaux의 확률적 시뮬레이션(Probabilistic Simulation) 방식을 이용하고 있음.
○ 일반적으로, WASP의 기능 및 고려 사항은 다음과 같음.
- 수력, 양수발전소는 각각 1개의 발전소로 취급하며, 이들을 포함해서
200개의 화력발전소가 고려될 수 있음. 이 200개의 제안에는 신규
후보 발전소가 포함됨.
- 화력, 수력, 원자력 등의 20개의 신규 후보발전소 형태가 있을 수 있 고, 수력발전소(일반, 긴급)는 1개의 발전소로 합쳐서 취급함. 수력, 양수의 경우는 각각 20개의 건설계획을 세울 수 있음.
- 계획의 대상 기간은 30年임.
- 발전소 건설후보안(Configuration)은 1년에 500개까지이고, 전 계획 대상기간 동안 3,000개로 제한됨.
- 수력 출수 조건(hydrological condition)은 5가지로 구분될 수 있음.
- 1년은 12기간까지 분할될 수 있음.
나. WASP 모형의 구성
○ WASP 모형은 상호 관련된 6개의 Module로 구성되어 있고, 각 모듈 의 상호 구성은 사용자가 프로그램 수행 결과를 즉시 알 수 있도록 되어 있음.
○ 이 6개의 모듈 가운데 처음 세 가지 모듈의 번호는 임의로 주어진 것 이며, 그들은 어떤 순서로든지 독립적으로 실행될 수 있음. 그러나 모 듈 4, 5, 6 은 모듈 1, 2, 3 이 실행된 후 순서에 따라서 실행되어야 함. 7 번째 모듈 REPROBAT는 앞의 6개 모듈의 요약보고서를 작성함.
1) 부하모형 모듈(LOADSY)
○ LOADSY 모듈은 대상기간 동안의 최대수요, 발전량 및 부하지속곡선
의 형태를 정의하는 프로그램임. 1년을 4분기 또는 12개월로 나누어 서 각 기간 별로 부하지속곡선을 5차 다항식 형태로 입력시킴.
○ 부하지속곡선(LDC : Load Duration Curve)은 대상 연도의 계통 부 하가 어떤 지정된 값과 같거나 그 값을 초과하게 되는 시간 수로 표 현됨.
○ X축은 영 부터 8760 시간을, Y 축은 영부터 각 대상연도의 최대부하 를 나타내는데, X가 영일 때 Y 값은 당해 년도의 최소부하를 나타내 며, X가 1일 때, Y 값은 해당년도의 최소부하를 의미함. 정의에 의 하여 이 곡선은 단순 감소 형태가 됨.
○ 부하곡선의 형태를 작성할 때에는 과거 부하지속곡선의 자료를 이용 하여, 최대, 최소, 그리고 발전량 예측이 과거 곡선 자료에 의해서 추 정된 부하지속곡선과 일치되도록 하는 회귀방법을 사용하거나 각 년 도의 분기에 대하여 x축과 y 축의 최표를 입력할 수 있음.
MW MW
0 0 8760(時間)
실시간부하곡선 (Chronological Load Curve)
부하지속곡선 (Load Duration Curve)
[그림 5-11] 부하지속곡선과 실시간부하곡선의 예
2) 기존설비모형 모듈(FIXSYS)
○ 기존설비모형 모듈(Fixed System Module)은 계획기간 초기의 기존 발전소에 관한 정보, 계획기간 동안 건설계획이 확정된 발전소에 관 한 정보(건설 및 철거 시기)를 입력시키는 프로그램임.
○ 이 모듈에서는 각 발전소를 발전형식 별로 분류하고, 용량(MW), 대 수, 연료비, 열소비율(Heat Rate), 고장정지율(Forced Outage Rate), 보수기간 등을 입력함.
○ 계획기간은 몇 개의 단계(Stage)로 나누어지며 각 단계는 1년에 해당 된다. 사용자는 다시 하나의 단계(stage; 1년)를 편의 상 12 기간까지 구분할 수 있음.
○ 여기에서의 구분을 기간(Period)이라 하며 이것은 시뮬레이션을 위한 가장 기본적인 단위임. 또 기간 수는 부하의 형태, 수력발전소 특성, 각 발전소의 보수계획이 고려될 수 있도록 선택되어야 함.
○ 대상기간의 초기에 존재하는 발전소는 이 프로그램에서 입력되며 최 대 200개의 발전소를 대상으로 할 수 있음. 취급 가능한 발전소의 형 식은 원자력발전, 화력발전, 가스터빈, 수력발전, 양수발전 등임.
○ 화력발전소의 취급
- 화력발전소는 사용되는 연료에 의하여 나누어짐. 확률적 운전비계산 모듈(MERSIM)에서 화력발전소의 용량은 기저부분(Base Block)과 부 하추종부분(Load Following Block)으로 구분되어 고려될 수 있음. - 일반적으로, 기저부하용 발전기 및 중간부하 담당용 발전기는 두 개
의 부분으로 표시되며, 첨두부하용 발전기는 1개로 표시됨.
- 각 부분 별로 열소비율(Heat Rate)이 결정되어야 하는데 BHRT는 기 저부하에 해당되는 열소비율이며, CRMHRT는 부하추종부분에서의 평균증분 열소비율(Average Incremental Heat Rate)임.
- 또 입력 데이터로서 MAINCL (Maintenance Class)이란 보수계획 작 성 모델(MERSIM)에서 사용되는 용량으로서, WASP에서는 최대 7개 의 보수계급(Maintenance Class)까지 사용토록 권장하고 있음.
- 비슷한 용량의 발전기는 같은 보수계급으로 취급하는 것이 이상적 임.
○ 수력발전소의 취급
- 수력발전소는 각 발전소별로 자세히 시뮬레이션 하는 것이 이론상 어려우므로 모든 수력발전소는 1개의 가상적인 Unit로 묶어서 취급함.
○ 일반 수력 설비
- 기존 일반 수력 설비는 1개의 수력발전소만 갖고 있다고 가정함.
- 만약 1개 이상의 수력발전소가 존재하면 이들은 통합되어 1개의 수
력발전소로 취급됨.
○ 양수발전소의 취급
- WASP는 1개의 양수발전소만을 취급함.
- 계획 년도 초기에 여러 개의 양수발전소가 있다면, 이들을 합하여 하나의 양수발전소로 정의하여야 함.
○ 기존 설비의 철거 및 신설
- 이미 확정된 새로운 설비의 신설 및 기존 설비의 철거에 관한 자료 는 FIXSYS에 입력됨.
- 화력발전소에 대해서는 사용자가 철거 또는 신설될 발전기 대수, 해 당 년도 등만을 명시해 주면 됨.
- 발전소의 신설 및 철거는 매년도 초기에 발생하는 것으로 취급됨.
3) 후보설비모형 모듈(VARSYS : Variable Syatem Program)
○ VARSYS(Variable System) 모듈은 설비계획의 후보로 되는 발전기에 대한 입력자료를 만드는 프로그램임. 설비확장의 후보로 되는 발전 기들의 입력자료는 Fixed System의 입력자료와 같음.
○ 각종 후보(후보 종류는 20개가 최대)에 관한 자료는 비록 각종 후보 의 자료가 FIXSYS에 입력된 자료와 같더라도 모두 기록되어야 함.
○ 만약 수력 및 양수의 후보설비들이 추가되면, 이들은 기존 합성설비 와 합쳐서 하나의 합성설비로 취급됨(다른 형식의 발전기와 달리 취 급함).
○ 수력 및 양수는 다른 발전형식보다 특이하므로 각 발전기 별로 용량 의 계절 별 지수 및 계절 별 발전량 지수를 명시해 주어야 함.
○ 만약 수력 및 양수가 후보설비로서 이용된다면 각 발전형식 별로 추 가될 수 있는 최대 단위기(Unit) 수는 20개임. 수력설비(수력 및 양
수)의 투입 시기는 최적화 프로그램에 의하여 결정될 수 없으며 정해 진 순서 내에서 계획이 추가되어야 함.
○ 즉 최소비용에 의한 설비 확장 계획을 찾기 위하여 이들 설비의 건 설 순위는 변동될 수 없음. 다만 특정 년도에 계획된 수력발전 건설 사업은 그 경제성 비교에서 열등하면 특정 연도 이후의 연도로 연장 될 수는 있으나 앞당길 수는 없음.
○ VARSYS 에서 정의된 계획설비는 최적화 프로그램에 의하여 일단 채
택되면 계획기간 중에는 철거될 수가 없음.
○ 일반적으로 발전기들은 수명은 20 ～ 25 년이고, 계획기간은 10 ～ 20 년이므로 발전기의 수명은 문제되지 않음.
○ 이상에서 본 바와 같이 VARSYS 프로그램은 계획 설비에 관한 사항 을 기술하는 프로그램이고 FIXSYS는 기존설비 및 이미 확정된 건설 계획 및 폐지계획에 관한 사항을 기술하는 프로그램임.
○ VARSYS의 후보발전소들의 입력자료 작성은 FIXSYS와 거의 같으나
계획설비에 관한 자료를 입력시켜야 하므로 국내에서 해당되는 자료 를 구하기 어려울 때에는 미국의 EPRI(Electric Power Research Institute) 또는 국제원자력기구 IAEA(International Atomic Energy Agency)등 에서 제출된 외국의 실적 자료 또는 계획 자료를 참고함 이 바람직함.
4) 설비조합모형 모듈 (CONGEN)
○ CONGEN(Expansion Configuration Generator Program) 모듈은 대상 기간 중 연도 별로 존재할 수 있는 가능한 발전소 댓수의 조합을 작 성하여, 운전비계산 모형(MERSIM)의 입력으로 활용토록 하는 프로그 램임.
○ 한 해의 후보 발전소의 존재 댓수의 조합을 확장상태(Expansion State)라 일컫는데, WASP의 사용자는 경험 및 판단력으로 Expansion State의 수를 조절하여 MRSIM 프로그램에서 운전비 계산을 함.
○ 예를 들어, 건설계획을 위한 발전소 존재 댓수의 조합을 작성하여 보 면 다음과 같음.
○ FIXSYS에서 만들어진 기존설비 용량을 B(MW)라 하고, VARSYS에
정의된 설비 확장의 대상 발전소로서 1000MW 원자력(N), 500MW 석탄화력(C), 100MW 가스터빈(P)이 있다고 함. <표 5-6>에는 B(MW) 와 (B + 2000)MW 사이의 74개의 가능한 조합이 열거되어 있음. 만 약 더 많은 예비력 또는 더 많은 후보발전소가 고려된다면 가능한 조합의 수는 대단히 많아질 것임.
○ 만약 위 <표 5-6>에서 가능한 시설용량 범위를 B+500과 B+1500으로 정하면 가능한 state의 수는 74에서 36으로 줄어듬. 또한 사용자는 한 연도의 어떤 종류의 발전형식에 있어 존재 댓수 를 제한하여 state의 수를 줄일 수 있음. 이 제약조건을 “tunnel"이라 함.
○ 일반적으로 필요한 부하를 공급하는데 있어 발전계통의 신뢰도는 각 발전기의 용량 및 고장정지율(FOR : Forced Outage Rate)의 함수임.
○ 각 발전기의 크기 및 사고정지율을 감안한 계통신뢰도의 평가는 추후에 행하여지나 미리 선택 가능한 발전소 조합만을 대상으로 하 기 위하여 CONGEN 프로그램은 사용자가 최소 및 최대예비율을 지 정하도록 하고 있음.
○ CONGEN 프로그램 사용자는 예비율이 가장 낮은 기간(critical
period, 예 : 여름철)의 최대예비력에 제한을 주어야 함.