2.2.1 객체지향 프로그래밍

객체지향 프로그래밍의 주요 목표는 소프트웨어의 확장성과 재사용 가능성을 개선해 프로그래밍 효율을 향상시키고 소프트웨어의 유지보수를 용이하게 하는 것이다. 객체는 어떤 사물의 상태를 나타내는 데이터와 그 데이터의 조작할 수 있는 멤버함수로 나누어진다. 객체지향 프로그램의 특성은 다음과 같다.

1) 캡슐화

데이터와 멤버함수를 묶어주어 특정한 객체만이 자신의 식별자로서 접근하며 데이터 조작이 가능하다. 함수나 데이터를 사용자들이 직접 접근하는 기존의 방식에서 객체에게 메시지를 보내고, 메시지를 받은 객체의 반응을 중심으로 프로그램 하여 직접적인 참조에 의한 오류를 방지하고 객체 데이터가 보호될 수 있다.

2) 상속

기존의 클래스에서 수정을 가하지 않고 필요한 속성을 상속받고 추가되는 데이터를 정의하는 것으로 프로그램 소스코드의 재사용성을 높이고 코드의 중복을 제거하여 프로그램의 생산성과 유지보수에 크게 기여한다.

3) 다형성

하나의 객체가 여러 가지 유형의 형태로 사용된다. 서로 다른 객체가 같은 이름의 함수를 사용하는 것이다. 서로 다른 객체가 같은 메시지를 받더라도 서로 다른 반응을 보일 수 있다.

전력계통을 구성하는 데 기본이 되는 요소로는 모선, 선로, 발전기, 부하, 커패시터 등이 있으며 이들의 조합으로 전체 계통시스템이 구성된다. 이들 구성 요소를 객체로 표현하여 각 요소들이 가져야 할 특성과 기능을 객체들의 데이터와 멤버변수로 표현하여 모델링하였다.

2.2.2 그래픽 사용자 인터페이스

사용자가 프로그램을 효과적으로 다룰 수 있도록 사용자의 편의성을 고려하여 GUI로 구성되어 있다. 시뮬레이션 결과, 데이터에 포함된 계통 상태에 관련된 정보를 효과적으로 파악할 수 있도록 계산된 데이터를 단선도 상에 플로우 애니메이션 또는 컨투어도 등으로 시각화 할 수 있다. 단선도에서 발전기, 모선, 부하, 송전 선로, 변압기와 같은 계통 구성 요소는 그래픽 기호로 나타난다. 또한, 풀다운 메뉴 방식을 도입하여 프로그램의 일반적인 실행 기능, 전력계통 단선도 편집 기능, 상태 추정 및 전력 조류계산 등을 메뉴화 하였다. 풀다운 메뉴 방식의 장점은 명령어를 암기하거나 사용법을 익힐 필요 없이 편리하게 메뉴를 선택할 수 있기 때문에 숙련되지 않은 사용자도 시스템에 대한 접근성이 용이하다.

2.3.1 단선도 구성

단선도를 구성하기에 앞서 사용자로 하여금 손쉽게 전력계통의 단선도를 구성할 수 있도록 다음과 같은 기능을 제공한다.

1) 객체 추가 기능

사용자는 단선도를 구성하기 위해 원하는 전력계통의 구성 요소를 화면에 추가시킬 수 있다. 추가를 원하는 모선, 선로, 캐패시터와 같은 객체를 마우스로 선택하면 화면에 해당 객체가 나타나고 명령이 종료될 때까지 마우스 커서를 따라 움직인다. 사용자는 화면상의 원하는 위치에 커서를 두고 마우스 좌클릭 시 객체가 추가되고 우클릭 시 객체 선택이 취소된다.

2) 객체 삭제 기능

사용자가 단선도의 수정을 위해 화면에 나타나 있는 객체의 삭제를 원할 때 제공되는 기능이다. 삭제하고자 하는 객체를 마우스 좌클릭을 하면 객체가 선택되고 이때 ‘Delete’ 키를 누르면 객체가 도면에서 삭제된다.

3) 객체 이동 및 회전 기능

사용자는 화면상에 나타나 있는 객체를 이동시킬 수 있다. 이동을 원하는 객체를 마우스 좌클릭 시 객체가 선택되고 좌클릭을 유지한 상태에서 마우스 커서를 움직이면 객체는 이를 따라 이동한다. 또한 프로그램 화면부에 구성되는 단선도 상의 모든 요소들은 회전 기능을 가지고 있어 수정과 설계에 편리한 기능을 제공한다. 모선의 경우 회전을 위해 그림 3과 같이 객체를 선택하면 회전을 위한 핀이 생성되고 이를 마우스의 드래그 앤 드롭을 통해 원하는 각도로 회전시킬 수 있다. 모선의 회전 기능은 모선에 접속된 모든 구성 요소들도 같이 회전하기 때문에 별도의 수정을 요구하지 않는다.

방대한 양의 계통 정보를 명확하고 신속하게 파악하기 위해서 계통 정보 데이터를 직관적으로 파악할 수 있는 효과적인 시각화 기술이 필요하다. 데이터를 시각화 할 때 중요한 요소는 색상, 위치이다⁽⁷⁾. 모선 종류, 선로 종류에 따른 색상 구분과 회전 및 변곡점을 통한 단선도의 수정을 통해 시각적 주목도를 높여 계통 정보의 전달력을 높였다.

전력 계통도 구성 요소 중 모선을 생성하기 위해 Network 메뉴의 Bus를 선택하여 원하는 위치에 모선을 생성하면 그림 4와 같이 모선의 상태 정보를 설정하는 창이 표시된다. 상태 정보 창에는 모선의 이름, 번호, 크기 및 회전각과 같은 화면 표시를 위한 그래픽 정보와 전압의 크기, 위상각, 발전량, 부하량 및 유무효 제한에 대한 계통 해석용 정보 등을 설정할 수 있다.

모선의 종류는 슬랙모선(slack bus), 발전모선(PV bus) 및 부하모선(PQ bus)이 있다. 프로그램에서는 상태 정보 창에서 모선의 종류를 설정할 수 있고, 그림 5와 같이 슬랙모선은 B_1 모선과 같이 하늘색으로, 발전모선은 B_2 모선과 같이 연두색으로 부하모선은 B_3 모선과 같이 검은색 바 형태로 표시함으로써 단선도에 나타나는 모선의 종류를 쉽게 파악할 수 있다.

전력계통의 선로는 일반 선로와 변압기 선로로 구성되어 있다. 선로를 단선도 상에 표시하기 위해 Network 메뉴의 Line을 선택하면 모선들에 그림 6과 같은 접속점(connection point)이 표시된다. 시작 모선과 끝 모선의 접속점을 연결하여 선로를 구성할 수 있다. 20개의 접속점 중 원하는 지점을 선택함으로써 한 개의 모선에 여러 개의 선로가 연결되더라도 모선 간의 연결 관계를 명확하게 표현할 수 있다. 그림 7과 같이 B_1과 B_2 모선에 연결된 선로와 같은 일반 선로의 경우 파란색 실선으로 표시되고, B_3과 B_4 모선에 연결된 선로와 같은 변압기 선로의 경우 회색 실선 위에 변압기 기호가 표시된다. 연결이 완료된 선로는 그림 8과 같은 선로의 상태 정보를 설정할 수 있는 상태 정보 창이 나타난다. 선로 정보 창에서는 선로의 연결 방향, 해석을 위한 선로 정수 및 선로의 종류 들을 설정할 수 있다.

단선도 구성 시 선로의 굴곡을 수정할 수 있는 기능을 제공한다. 그림 9는 선로의 단선도 수정 시 굴곡을 수정하기 위한 변곡점(knee point)을 생성하는 그림이다. 선로 위에 나타나는 변곡점의 수는 원하는 만큼 생성 가능하며, 변곡점을 마우스 드래그 앤 드롭을 이용해 원하는 형태로 수정함으로써 모선 간의 연결 관계를 보다 부드럽게 정리할 수 있다.

전력계통에서 무효전력은 안정적인 송전을 위해 매우 중요한 요소이다. 무효전력의 보상과 전압 조정을 위해 전력용 콘덴서(shunt capacitor)나 분로 리액터(shunt reactor)와 같은 병렬 설비(shunt device)들이 사용된다. 이와 같은 Capacitor 메뉴의 경우 모선에 접속된 전력용 콘덴서와 분로 리액터를 표시하기 위한 구성 요소로서 그림 10의 B_2 모선에서 같이 표시된다. 해당 모선의 접속점에 위치시키면 그림 11과 같은 상태 정보 창이 표시된다. 전력용 콘덴서는 정(+)으로 표시하고, 분로 리액터는 부(-)로 표시한다.

전력 계통 해석 모드에서는 SCADA의 모선 전압 크기, 주입 전력, 선로 조류 전력과 PMU 측정데이터를 처리할 수 있다. 그림 12는 IEEE 14 모선에 대하여 전력 계통 해석 모드에서의 단선도를 나타낸다. B_1과 B_7번 모선은 주입 전력을 나타낸다. B_2와 B_6, B_9 모선은 PMU 데이터를 나타낸다. B_11번 모선은 모선 전압 크기를 나타낸다. $P_{4-5}$, $P_{6-11}$, $P_{12-13}$은 선로 조류 전력을 나타낸다.

2.3.2 Case Information

전력계통에 대한 정보를 편집 및 수정 할 수 있는 스프레드시트 형태의 상태 정보 창을 표시한다. 스터디 모드에서 계통 해석을 할 경우 계통의 크기가 작아 앞에서 언급한 방법으로 계통을 구성하는 것은 큰 무리가 없다. 실 계통 및 대형 계통의 경우 계통의 구성 요소를 하나하나 구성해가는 것은 매우 어려운 일이므로 파일이나 데이터베이스로부터 읽어 들인 많은 양의 정보를 추가 및 편집하거나 관리하는 것을 용이하게 하기 위한 기능이다.

대형 계통의 모선과 선로 정보를 그림 13과 14 같이 스프레드시트 형태로 계통의 구성 요소를 추가, 편집 및 관리를 할 수 있다.

SE Result Summary를 통해 계통 해석 알고리즘의 수행 과정의 기록을 확인할 수 있다. 그림 15와 같이 해석 응용프로그램이 수행될 때 기록된 수렴 정보나 로그 기록을 표시한다.

2.3.3 단선도 자동 형성

IEEE format 데이터나 PSS/E raw 데이터 같은 계통 정보 데이터와 계통의 모선의 위치기반 데이터를 토대로 단선도를 자동으로 형성해주는 기능을 제공한다. 모선의 위치기반 데이터는 모선의 위도 및 경도 데이터를 토대로 화면상에 배치하기 위한 2차원 평면상의 X축과 Y축 데이터로 변환하여 단선도를 자동으로 표현한다. 이때 선로는 자동으로 모선 간의 연결 관계를 고려하여 최단 거리로 생성된다. 모선과 선로의 생성이 완료된 후 에디트 모드에서 변곡점과 회전 기능을 이용하여 수정 가능하다. IEEE format 데이터나 PSS/E raw 데이터를 토대로 단선도를 자동으로 형성함으로써 모선 정보, 선로 정수들을 직접 입력해야 하는 수고를 덜어주기 때문에 전력계통에 대한 이해도가 낮은 사용자도 단선도를 쉽게 구성할 수 있다.

Draw 메뉴의 Bus를 통해 모선의 위치 정보가 없는 경우에도 계통도 상에 모선을 표현할 수 있다. 계통 정보로부터 화면상에 표시되지 않는 모선과 표시된 모선을 구분하여 드래그 앤 드롭을 통해 화면상에 모선을 위치시킬 수 있다. 위치 정보 데이터가 없는 경우 그림 16과 같은 수동 완성 기능을 제공하는 창이 표시된다.

Draw 메뉴의 Branch는 수동으로 설정된 모선의 위치를 토대로 단선도를 자동으로 형성하는 기능을 제공한다. 계통 데이터와 모선의 위치기반 데이터를 토대로 전력계통 단선도를 자동으로 형성해주는 기능을 제공한다. Draw 메뉴의 Auto 선택 시 모선의 위치 정보를 담고 있는 파일을 로딩하여 자동으로 단선도를 형성한다. 모선의 위치기반 정보는 파일 확장자가 *.loc인 파일에 저장되어 있다.

그림 17은 IEEE 14 모선에 대하여 임의로 위도와 경도 값을 제공하고, 이를 토대로 단선도를 자동 형성한 결과이다. IEEE 14 모선 데이터와 모선 위치 정보를 담고 있는 *.loc 파일이 로드되고 선로는 연결된 모선 사이의 최단 거리로 직선의 형태로 표시된다. 슬랙 모선인 B_1 모선은 하늘색으로, 발전 모선인 B_2, B_3, B_6, B_8 모선은 연두색으로, 부하 모선인 B_4, B_5, B_7, B_9, B_10, B_11, B_12, B_13, B_14 모선은 검은색 바 형태로 나타난다.

단선도 상의 모선들을 회전 및 선로의 접속점을 수정하고 모선 사이에 연결된 선로에 변곡점을 추가하여 단선도의 가독성을 확보하였다. 그림 18은 단선도 자동 형성 후 수정 결과를 나타낸다.