KR100668959B1

KR100668959B1 - 배전계통의 전기품질 실시간 감시기능을 갖는 배전자동화단말장치 및 방법

Info

Publication number: KR100668959B1
Application number: KR1020040087607A
Authority: KR
Inventors: 하복남
Original assignee: 한국전력공사
Priority date: 2004-10-30
Filing date: 2004-10-30
Publication date: 2007-01-12
Also published as: KR20060038527A

Abstract

이 발명은 배전계통의 배전자동화용 단말장치가 배전선로의 전기품질을 상시 감시하다가 전기품질 감시 항목별로 정해진 범위를 벗어날 경우 이를 감지하여 배전자동화 시스템의 주장치에 통보하는, 배전계통의 전기품질 실시간 감시기능을 갖는 배전자동화 단말장치 및 방법에 관한 것으로서,

배전선로에 설치된 배전자동화 개폐기의 내부에 설치되어 있는 3개의 전압변성기(PT) 및 3개의 전류변성기(CT)로부터 전압 및 전류값을 입력받고, 입력된 아날로그 신호를 아날로그 디지탈 변환부에서 디지털 신호로 변환하고, 변환된 디지털 신호를 레지스터에서 일시적으로 저장을 하고, 레지스터에 저장된 신호를 AI에서 읽어들이고, AI를 거친 데이터는 필터부에서 필터링 작업을 하고, 시간영역의 신호를 주파수 영역의 신호로 변환을 하는 FFT에서 FFT 변환을 실시한 후, 계측항목 계산부에서 위상각을 측정하기 위해서 입력되는 전압 및 전류 순시값을 가지고 이산 푸리에 변환한 값으로부터 60Hz의 주파수를 추출한 후 여기서 주파수 크기와 위상각을 구하고, 실효치를 연산하며, 배전계통의 정현파 전압이 비선형 부하에 인가될 경우 비정현파의 부하전류가 계통에 유입되어 정현파 전압이 왜곡되게 되는데 이를 푸리에 급수로 전개하여 기본파와 각 차수의 고조파 크기를 해석하고 고조파 왜형의 척도로 표현되는 종합고조파왜형율(Total Harmonic Distortion)을 산출하고, 감시항목 판단부에서 전압의 크기를 측정하여 순간전압 변동율을 계산하여 계산값이 정해진 범위를 벗어났는지를 판단하고, 전기품질의 이상유무를 판단하여 정해진 범위를 벗어날 경우 데이터 보존부에서 플래시메모리에 저장하며, 상태통보부에서 상태정보를 이중포트메모리(DPR, Dual Port Ram)에 저장하였다가 CPU#2를 통해 주장치에 통보하고, 주장치가 보존된 데이터를 요구할 경우 데이터 전송부에서 이중포트메모리(DPR, Dual Port Ram)에 저장하였다가 CPU#2를 통해 주장치에 제공하는 구조로 이루어진다.

배전 자동화, 단말장치, 배전선로, 개폐기, 전압변성기, 종합고조파왜형율

Description

배전계통의 전기품질 실시간 감시기능을 갖는 배전자동화 단말장치 및 방법{THE REMOTE TERMINAL UNIT FOR DISTRIBUTION AUTOMATION THAT CAN BE MONITORED ELECTRICAL QUALITY ON REALTIME IN DISTRIBUTION NETWORK}

도 1은 이 발명의 일실시예에 따른 배전계통의 전기품질 실시간 감시기능을 갖는 배전자동화 단말장치가 설치된 배전 자동화 시스템의 구성도이다.

도 2는 이 발명의 일실시예에 따른 배전계통의 전기품질 실시간 감시기능을 갖는 배전자동화 단말장치의 구성도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 배전자동화개폐기 2 : 배전자동화 단말장치

이 발명은 배전 자동화 분야에 관한 것으로서, 좀더 세부적으로 말하자면 배전계통의 배전자동화용 단말장치가 배전선로의 전기품질을 상시 감시하다가 전기품질 감시 항목별로 정해진 범위를 벗어날 경우 이를 감지하여 배전자동화 시스템의 주장치에 통보하는, 배전계통의 전기품질 실시간 감시기능을 갖는 배전자동화 단말장치 및 방법에 관한 것이다.

최근 들어 산업설비들이 대형화 되면서 고조파나 플리커를 대량으로 발생시키는 경우가 생겨나고 있어서, 정전이 아닌데도 전압이 순간적으로 강하하고, 고조파가 발생하여 예민한 특성을 가진 전기기기를 사용하는 수용가의 경우 순간적으로 전기기기의 동작이 정지되는 등 전기품질과 관련된 현상이 빈번하게 발생하고 있다.

일반적으로 전기품질(Power Quality)이라 함은 공급되는 전압을 측정하고 분석하여 측정된 파형이 일정한 크기의 주파수를 가진 정현파와 얼마나 가까운 가를 나타내는 정도를 의미한다.

전기품질은 전압변동과 전류변동의 문제를 다룬다는 점에서 전력공급 신뢰도(Reliability)와 비슷한 의미를 지니지만, 전력공급 신뢰도는 수 분이상의 시간을 고려하는 반면에 전기품질은 급전계통에서 발생한 사고나 대규모 부하의 스위칭 때문에 발생되는 수 사이클(Cycle)로부터 수초까지의 현상을 다루는 것으로 구분된다.

상기한 전기품질이 좋다고 하는 의미는 정전이 없고 전압 및 주파수가 정격범위를 유지하는 것으로도 충분하기는 하지만, 전압과 주파수가 정격범위를 유지하는 것 외에도, 고조파 및 순간전압 변동까지를 포함하여 종합적으로 전기품질이 좋다, 또는 좋지않다라고 판단하게 된다. 현재 우리나라에서의 전기품질은 전기사업법에 근거하여, 전력회사 측면에서 정전시간(정전회수 포함), 전압적정율(30분 평균전압), 주파수유지율을 대표적인 항목으로 정하고 있다.

수년전까지만해도 문제가 제기되지 않던 전기품질은, 최근 마이크로프로세서 나 전력용반도체 소자가 대거 도입되면서 고효율 속도제어용 모터와 역률보상용 콘덴서가 사용되고 있고, 단일 대형부하의 증가, 대규모 아파트단지의 등장, 단상 220V 가전제품의 대형화 등으로 인하여 전압 전류 성분에 고조파 성분이 포함되게 됨에 따라, 또한 이들 부하의 순간적인 투입이나 개발 등과 같은 변동으로 인해 써어지 발생, 순간전압 변동, 전압불평형, 순간 정전, 플리커 등과 같은 순시적 미소외란이 발생하게 됨이 따라 이것들이 전기품질에 문제를 일으키고 있다.

이러한 미소외란은 그 크기가 크지 않고, 순시적이며 국지적인 현상으로 나타나기 때문에 그 정확한 측정과 평가 및 진단이 어려운 문제점이 있으나 고정밀급 기기를 사용하는 수용가에게는 심각한 문제로 대두되고 있다.

양질의 전기품질을 공급하기 위해서는 전기품질을 감시하는 과정을 필요로 하게 되는데, 종래에는 이러한 전기품질을 감시하는 방법으로서 고가의 전기 계측장비를 구입하여 전기품질을 측정할 현장에 전기 계측기를 설치한 후에, 계측장비를 이용하여 전기품질을 측정하고 그 데이터를 분석하여 이상 유무를 확인하는 방법이 사용되고 있다.

그러나 이러한 방법은 고가의 계측장비를 준비하여야 하고, 계측장비를 다루면서 측정작업을 하는 인력을 채용하여야 하며, 측정데이터를 분석할 수 있는 지식을 습득해야 하는 어려움 등으로 인하여 현장에서 사용이 쉽지 않은 문제점이 있다.

본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로 서, 배전계통의 배전자동화용 단말장치가 배전선로의 전기품질을 상시 감시하다가 전기품질 감시 항목별로 정해진 범위를 벗어날 경우 이를 감지하여 배전자동화 시스템의 주장치에 통보하는, 배전계통의 전기품질 실시간 감시기능을 갖는 배전자동화 단말장치 및 방법을 제공하는 데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로서 이 발명의 장치의 구성은, 배전선로에 설치된 배전자동화 개폐기의 내부에 설치되어 있는 3개의 전압변성기(PT) 및 3개의 전류변성기(CT)로부터 전압 및 전류값을 입력받고, 입력된 아날로그 신호를 아날로그 디지탈 변환부에서 디지털 신호로 변환하고, 변환된 디지털 신호를 레지스터에서 일시적으로 저장을 하고, 레지스터에 저장된 신호를 AI에서 읽어들이고, AI를 거친 데이터는 필터부에서 필터링 작업을 하고, 시간영역의 신호를 주파수 영역의 신호로 변환을 하는 FFT에서 FFT 변환을 실시한 후, 계측항목 계산부에서 위상각을 측정하기 위해서 입력되는 전압 및 전류 순시값을 가지고 이산 푸리에 변환한 값으로부터 60Hz의 주파수를 추출한 후 여기서 주파수 크기와 위상각을 구하고, 실효치를 연산하며, 배전계통의 정현파 전압이 비선형 부하에 인가될 경우 비정현파의 부하전류가 계통에 유입되어 정현파 전압이 왜곡되게 되는데 이를 푸리에 급수로 전개하여 기본파와 각 차수의 고조파 크기를 해석하고 고조파 왜형의 척도로 표현되는 종합고조파왜형율(Total Harmonic Distortion)을 산출하고, 감시항목 판단부에서 전압의 크기를 측정하여 순간전압 변동율을 계산하여 계산값이 정해진 범위를 벗어났는지를 판단하고, 전기품질의 이상유무를 판단하여 정해진 범위를 벗어날 경우 데이터 보존부에서 플래시메모리에 저장하며, 상태통보부에서 상태정보를 이중포트메모리(DPR, Dual Port Ram)에 저장하였다가 CPU#2를 통해 주장치에 통보하고, 주장치가 보존된 데이터를 요구할 경우 데이터 전송부에서 이중포트메모리(DPR, Dual Port Ram)에 저장하였다가 CPU#2를 통해 주장치에 제공하는 구조로 이루어진다.

상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로서 이 발명의 방법의 구성은, 입력되 는 전압 및 전류 각 4채널분 순시값을 1주기당 128샘플링하여 실효치로 연산하는 단계와, 위상각을 측정하기 위해서 입력되는 전압 및 전류 순시값을 가지고 이산 푸리에 변환을 하여 60Hz의 주파수를 추출한 후 여기서 주파수 크기와 위상각을 구하는 단계와, 전압의 크기를 측정하여 순간전압 변동율을 계산하여 계산값이 정해진 범위를 벗어났는지를 판단하는 단계와, 배전계통의 정현파 전압이 비선형 부하에 인가될 경우 비정현파의 부하전류가 계통에 유입되어 정현파 전압이 왜곡되게 되는데 이를 푸리에 급수로 전개하여 기본파와 각 차수의 고조파 크기를 해석하고 고조파 왜형의 척도로 표현되는 종합고조파왜형율(Total Harmonic Distortion)을 산출하는 단계와, 전기품질의 이상유무를 판단하여 정해진 범위를 벗어날 경우 상태를 통보하고, 해당 데이터는 보관하였다가 주장치가 요청할 경우 이를 제공하는 단계를 포함하여 이루어진다.

이하, 이 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 이 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 이 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조로 하여 상세히 설명하기로 한다. 이 발명의 목적, 작용, 효과를 포함하여 기타 다른 목적들, 특징점들, 그리고 동작상의 이점들이 바람직한 실시예의 설명에 의해 보다 명확해질 것이다.

참고로, 여기에서 개시되는 실시예는 여러가지 실시가능한 예중에서 당업자의 이해를 돕기 위하여 가장 바람직한 실시예를 선정하여 제시한 것일 뿐, 이 발명의 기술적 사상이 반드시 이 실시예에만 의해서 한정되거나 제한되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 다양한 변화와 부가 및 변경이 가능함은 물론, 균등한 타의 실시예가 가능함을 밝혀 둔다.

도 1은 이 발명의 일실시예에 따른 배전계통의 전기품질 실시간 감시기능을 갖는 배전자동화 단말장치가 설치된 배전 자동화 시스템의 구성도이고, 도 2는 이 발명의 일실시예에 따른 배전계통의 전기품질 실시간 감시기능을 갖는 배전자동화 단말장치의 구성도이다.

도 1 및 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 이 발명의 일실시예에 따른 배전계통의 전기품질 실시간 감시기능을 갖는 배전자동화 단말장치(2)의 구성은, 배전선로에 설치된 배전자동화 개폐기(1)의 내부에 설치되어 있는 3개의 전압변성기(PT)(11) 및 3개의 전류변성기(CT) (12)로부터 전압 및 전류값을 입력받고, 입력된 아날로그 신호를 아날로그 디지탈 변환부(21)에서 디지털 신호로 변환하고, 변환된 디지털 신호를 레지스터(38)에서 일시적으로 저장을 하고, 레지스터(38)에 저장된 신호를 AI(39)에서 읽어들이고, AI(39)를 거친 데이터는 필터부(22)에서 필터링 작업을 하고, 시간영역의 신호를 주파수 영역의 신호로 변환을 하는 FFT(23)에서 FFT 변환을 실시한 후, 계측항목 계산부(24)에서 위상각을 측정하기 위해서 입력되는 전압 및 전류 순시값을 가지고 이산 푸리에 변환한 값으로부터 60Hz의 주파수를 추출한 후 여기서 주파수 크기와 위상각을 구하고, 실효치를 연산하며, 배전계통의 정현파 전압이 비선형 부하에 인가될 경우 비정현파의 부하전류가 계통에 유입되어 정현파 전압이 왜곡되게 되는데 이를 푸리에 급수로 전개하여 기본파와 각 차수의 고조파 크기를 해석하고 고조파 왜형의 척도로 표현되는 종합고조파왜형율을 산출하고, 감시항목 판단부(25)에서 전압의 크기를 측정하여 순간전압 변동율을 계산하여 계산값이 정해진 범위를 벗어났는지를 판단하고, 전기품질의 이상유무를 판단하여 정해진 범위를 벗어날 경우 데이터 보존부(26)에서 플래시메모리(29)에 저장하며, 상태통보부(27)에서 상태정보를 이중포트메모리(DPR, Dual Port Ram)(30)에 저장하였다가 CPU#2(31)를 통해 주장치에 통보하고, 주장치가 보존된 데이터를 요구할 경우 데이터 전송부(28)에서 이중포트메모리(DPR, Dual Port Ram)(32)에 저장하였다가 CPU#2(33)를 통해 주장치에 제공하는 구조로 이루어진다.

상기한 구성에 의한, 이 발명의 일실시예에 따른 배전계통의 전기품질 실시간 감시기능을 갖는 배전자동화 단말장치 및 방법의 작용은 다음과 같다.
이 발명의 일실시예에 따른 배전계통의 전기품질 실시간 감시기능을 갖는 배전자동화 단말장치(2)가 설치된 배전 자동화 시스템은, 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 중앙제어실, 통신부, 현장부로 구성된다. 상기한 중앙제어실은 주서버와 백업서버로 구성된 이중화 서버장치와 3명의 운용자가 사용하는 인간기계연락장치(MMI)와 무선 또는 유선통신을 수행하는 전단처리장치(FEP:Front End Processor)로 구성된다. 상기한 통신부는 무선통신용 게이트웨어를 통해 무선망에 데이터가 전송되고, 유선통신용 터미널서버와 광모뎀을 거쳐 광통신망과 연결되며, 유선통신모뎀을 거쳐 페어케이블 네트워크를 통해서 배전자동화 단말장치와 중앙제어실간에 데이터가 전송된다. 상기한 현장부는, 무선신호가 무선모뎀과 프로토콜 변환기를 거쳐 배전자동화 단말장치(2)에 데이터로서 전달되며, 유선통신인 경우 광모뎀이나 유선모뎀을 거쳐 배전자동화 단말장치(2)에 데이터가 전송된다. 상기한 배전자동화 단말장치(2)와 배전자동화 개폐기(1)의 사이는 제어케이블을 통해서 연결되며, 중앙제어실의 감시명령, 제어명령, 계측명령을 배전자동화 단말장치(2)가 해석하여 배전자동화 개폐기(1)를 제어하거나 상태 감시 및 아날로그값을 계측하여 그 결과를 중앙제어실에 통보하도록 구성되어 있다.

본 발명은 배전선로에 설치되어있는 배전자동화 단말장치(2)에 전기품질을 계산하는 정밀급의 프로세서를 내장하고 여기에 인입되는 전압과 전류의 파형을 분해하여 전기품질을 감시하다가, 감시항목별 전기품질 값이 정해진 상하한값 범위를 초과하는 경우 이를 감지하여 이벤트를 발생시키며, 원격지에 있는 중앙제어실의 주서버에서는 배전자동화의 데이터 전송로인 통신네트워크를 이용하여 온라인으로 전압전류 파형을 취득하여 운용자들에게 전달함으로써 각종 전기품질 계산값을 사용자가 화면으로 쉽게 확인할 수 있도록 한다.

이를 위하여 전기품질을 분석하여 정보를 제공하는 방법의 알고리즘 구현과 함께, 이와 같은 배전계통의 전기품질 데이터를 주장치에 제공하는 방법적 알고리즘을 탑재한 배전자동화 단말장치(2)를 구현한다.

본 발명의 전기품질을 감시하는 알고리즘를 탑재한 배전자동화 단말장치(2)는 다음과 같은 동작특성을 갖는다.

우선, 배전자동화 단말장치(2)가 전기품질을 감시하는 항목으로서는 새그(Sag), 스웰(Swell), 인터럽션(Interruption), 과전압, 전류불평형율, 전압불평형율, 저주파수 등의 항목이 있는데 이를 하나씩 열거하여 설명하면 다음과 같다.

- 순시전압저하(Instantaneous voltage sag or dip)

일반적으로 단기간(short-duration) 전압저하(Voltage sag or dip)란 정격주 파수에서 지속시간이 0.5싸이클에서 1분정도, 전압저하의 정도가 실효치기준 0.1 p.u. 에서 0.9 p.u. 인 현상을 말한다. 이 중에서 특히 지속시간이 0.5싸이클에서 30싸이클정도가 되는 전압저하현상을 순시저압저하라고 말한다. 새그(Sag)는 지속시간의 길이에 따라서 다시 세 가지로 세분화되는데 순시 새그는 0.2cycle~30cycle, 순간 새그는 30cycle~ 180cycle, 일시 새그는 180cycle~3600cycle의 지속시간을 갖는 것으로 구분한다. 이 외에 0.9PU 이하의 크기로서 지속시간이 3600cycle 이상인 전압저하는 저전압으로 구분한다.

- 순시전압상승(Instantaneous voltage swell)

전압상승은 정격주파수에서 지속시간이 0.5싸이클에서 1분정도, 전압크기가 실효치기준 1.1 p.u. 에서 1.8 p.u.정도로 되는 현상을 말하며, 이중에서 지속시간이 0.5싸이클에서 30싸이클정도까지로 되는 현상을 순시전압상승이라고 한다. 순간과전압(Momentary Overvoltage)도 순시전압상승과 동일한 의미로 사용되고 있다. 스웰(Swell)도 지속시간에 따라 순시 스웰은 0.2cycle~30cycle, 순간 스웰은 30cycle~ 180cycle, 일시 스웰은 180cycle~3600cycle의 지속시간을 갖는 것으로 구분한다. 1.1PU 이상 크기의 전압이 3600cycle 이상 지속되는 전압상승은 과전압으로 구분한다.

- 순시정전(Instantaneous Interruption)

단기간정전(Short-duration Interruption)은 공급전압이나 부하전류가 1분을 초과하지 않는 시간범위내에서 0.1 p.u.미만으로 감소하는 현상을 말하는 데, 특히 그 지속시간이 30싸이클 이하의 경우를 순시정전이라고 규정하고 있다. 인터럽션(Interruption)은 지속시간에 따라 순시 인터럽션은 0.2cycle~30cycle, 순간 인터럽션은 30cycle~ 180cycle, 일시 인터럽션은 180cycle~3600cycle의 지속시간을 갖는 것으로 구분한다.

- 고조파(Harmonics)

고조파는 공급계통의 기본주파수(정현파 : 60Hz)의 정수배 주파수를 가지는 사인파의 전압 또는 전류를 말하며, 왜곡된 파형은 기본파와 고조파의 합으로 분리할 수 있다. 고조파왜형은 전력계통의 부하와 기기의 비선형적인 특성에 의하여 발생되며, 이 왜형은 각차 조파성분의 크기와 위상각으로 표현되는 고조파 스펙트럼에 의해 나타내어진다. 또한, 고조파왜형의 정도를 나타내는 것으로서 종합왜형율(Total Harmonic Distortion)이 많이 사용되고 있는데 주로 전압에 대해서만 적용된다.

- 불평형(Current Unbalance)

불평형율은 삼상 전압 또는 전류의 평균치에 대한 최대편차로 정의되며, 그 최대편차를 삼상 전압 또는 전류의 평균치로 나눈 비율(%)로 나타낸다. 전류불평형율이 30%를 초과하는 경우 이벤트를 발생시킨다.

다음에, 배전자동화 단말장치(2)는 위에서 언급한 감시항목별 상하한값을 원격 또는 현장에서 설정하는 기능을 가진다.

원격으로 값을 설정하기 위해서 배전자동화 주서버의 메뉴에 전기품질 측정값을 지정하는 화면이 있어야 하며, 여기서 전기품질 감시항목별 값을 지정하는 명령을 내리면 통신망을 통해 배전자동화 단말장치(2)에 이 명령이 전달되고, 이에 따라 전기품질 항목별 지정값이 변경된다. 현장에서 이 값을 설정하기 위해서는 휴대용컴퓨터를 사용하며, 휴대용컴퓨터 화면에서 전기품질 감시항목별 값을 지정하는 명령을 내리면 RS-232C 포트를 통해 배전자동화 단말장치(2)에 명령이 전달되어 지정값이 변경된다.

다음에, 배전자동화 단말장치(2)는 전력품질 감시요소별 지정값을 초과하였을 때는 초과한 전기품질 감시항목에 대한 이벤트를 발생시켜, 전기품질항목 종류, 발생시각, 지속시간, 계측값 데이터를 저장하였다가 주서버로 즉시 전송하는 기능을 가진다.

이때 배전자동화 단말장치(2)는 발생항목별 발생시각과 지속시간, 계측값 데이터를 저장하고 있으며, 사용자가 주서버에서 전압전류 파형화일을 전송하라는 명령이 내려오면 저장하고 있던 파형을 전송한다. 또, 노트북을 가지고 RS-232C 포트를 연결하면 배전자동화 단말장치(2)에서 직접 이 값을 다운로드 할 수 있다.

이와 같은 동작특성을 갖는 배전자동화 단말장치(2)의 전기품질 실시간 감시 방법의 알고리즘은 다음과 같이 이루어진다.

배전자동화 단말장치(2)는, 배전선로에 설치된 배전자동화 개폐기(1)의 내부에 설치되어 있는 3개의 전압변성기(PT)(11) 및 3개의 전류변성기(CT) (12)로부터 전압 및 전류값을 입력받고, 입력된 아날로그 신호를 아날로그 디지탈 변환부(21)에서 디지털 신호로 변환하고, 필터부(22)에서 필터링 작업을 하고, FFT(23)에서 FFT 변환을 실시한 후, 계측항목 계산부(24)에서 실효치를 연산한다.

상기한 실효치 연산은, PQM 시스템에서 전압과 전류값은 각각 4채널을 각 순 시값을 1주기당 128 샘플을 취득하여 취득된 순시치로부터 실효치를 연산하게 된다. 실효치를 연산하는 방법은 고조파 성분까지 실효값까지 연산에 반영하기 위하여 다음과 같은 실제 RMS(Root Mean Square) 연산 방법을 사용하였다.

O 전압(root mean square of voltage)

O 전류(root mean square of current)

N=128 j=1,2,3,4

다음에, 배전자동화 단말장치(2)는 상기한 바와 같이 연산된 실효치값을 가지고 위상각 계산, 유효전력 및 무효전력 계산, 주파수 계산, 대칭분 분석 계산, 불평형율 계산, 순간전압 변동값 계산, 고조파 계산 등을 수행하는데 이를 하나씩 열거하여 설명하면 다음과 같다.

- 위상각 계산

전압 및 전류 각 채널별 입력되는 순시값으로 부터 위상각을 측정하기 위해서는 먼저 주파수 성분인 60Hz의 주파수 성분을 추출한 후에, 다음과 같은 식의 이 산 푸리에 변환(Discrete Fourier Transform, DFT) 알고리즘을 사용한다.

위 식에서 v(n)은 시계열 함수로써 입력되는 전압 및 전류 각 채널의 순시데이타를 의미하고, N은 이산 푸리에 변환(DFT)을 적용하는 윈도우의 크기인 샘플수를 의미하며, v(k)는 윈도우의 크기가 주파수의 정수배가 되는 주파수 성분을 의미한다. 또한 W_N은 e^-J(2π/N)을 의미하며, cos(-2πn/N) + jsin(-2πn/N)으로 대치될 수 있다. 따라서 이산 푸리에 변환(DFT)에 의해서 계산된 결과 값은 복소수의 결과를 갖는 값이며, 이 값은 크기와 위상으로 변환 할 수 있다. 여기서 사용되는 윈도우의 크기는 60Hz의 주파수의 주기인 16.67ms로 설정하였다. 따라서 주파수 성분을 나타내는 k는 0,...,N-1까지의 범위를 가지며, 0일 때는 DC성분, 1일때는 기본파인 60Hz, 2일때는 기본파성분의 2배인 120Hz의 성분을 의미한다. 페이저는 60Hz의 성분에서 크기 및 위상을 의미하므로 k=1일 때의 이산 푸리에 변환(DFT)인

만을 연산하여 페이저를 연산한다.

여기서 연산되는 복소수 값을 위상값으로 변환하기위하여 다음과 같은 수식을 사용하였다.

θ= tan^-1 (v.image/v.real)

여기서 v.image 및 v.real은 복소수 v의 실수 성분 및 허수 성분을 의미한다.

- 유. 무효 전력 연산

교류 성분의 전압 및 전류로부터 전력계산은 입력되는 전압, 전류의 크기 및 위상에 따라 변화하는 함수로 다음과 같은 관계를 가진다.

P = VIcosθ, Q=VIsinθ (단, θ=Va-Ia)

배전자동화 단말장치(2)의 전력품질 감시프로세서에는 4채널의 전압과 전류가 입력되는데, 전력 연산은 3상 스타 결선의 경우 각 3채널의 전압 및 전류로부터 위 식을 적용하고, 3상 전력을 각 상의 합으로 연산하게 된다.

피상전력(Pa) = Vrms × Irms (VA)

유효전력(P) = Vsamples × Isamples (W)

무효전력(Q) = √(Pa²-P²) (Var)

역률(PF) = P/Pa = P/√(P²+Q²)

- 주파수 연산

주파수를 연산하기위해서 1주기 동안의 위상각의 변화를 이용한다. 1주기 동안의 위상각이 증가하면 주파수는 기준 주파수보다 크게 되고, 위상각이 감소하면 주파수는 감소하게 된다. 이를 수식으로 표현하면 다음과 같다.

F= Fref + (α_n-α_n-1)Fref/360

여기서, Fref는 기준 주파수를 의미하며, 1초에 61주기의 교류가 발생됨을 의미하고 기준 주파수 보다 1주기에 6도씩 빠르게 된다. 즉 1주기에 6도 증가하는 경우 위 식에 적용하는 경우에 위식에 적용하면 결과 값이 61Hz가 된다.

- 대칭분 분석

대칭분 분석은 현재 우리나라 계통에서 채택하는 3상 전압/전류 시스템에서 불평형 사고가 발생하였을 때 전기현상을 분석하기 위한 방법이며, 계통의 불평형 정도에 대한 척도로 사용된다. 3상 시스템의 전제조건은 a, b, c 상의 크기가 동일하고 위상이 씩 차이가 발생하는 것이며, 이로서 단상을 기준으로 모든 계산을 할 수 있다. 그러나 사고가 발생하여 이러한 평형 관계가 깨어지면 한 상을 기준으로 모든 계통 현상을 해석할 수 없다. 따라서 이를 해석하기 위해서는 불평형인 3상 시스템(정상, 역상, 영상)으로 구분하여 각각에 대해서 해석하고, 다시 이를 합산하면 계통의 모든 현상을 해석 할 수 있다. 3상 전압/전류의 대칭성분 분석은 다음의 식으로 유도한다.

단, a=(cos120° + jsin120°)

- 불평형율 계산

전압과 전류에 대한 3상 평균 불평형률은 아래 식에서와 같이 각 상의 실효값에서 3상 평균값을 뺀 값과 평균값과의 비율로서 계산하며, 각상의 불평형율을 구한 뒤 전체 불평형율을 구한다.

전압 불평형율(Unbalance of Voltage)

전류 불평형율

여기서, V_3Φ, I_3Φ 은 3상의 평균값을, V_(abc), I_(abc)는 각 상의 실효값을 표시하며, V_u(abc), I_u(abc)는 각 상별 불평형값을나타낸다.

- 순간 전압 변동값 계산

순간 전압 변동은 IEEE 1159-1995 규격에 해당되는 값, 즉 순간 전압강하 (Sag)는 0.5Cycle에서 1분동안 전력계통에서 전압이 RMS값으로 0.1~0.9(pu) 이내로 감소하는 것이며, 순간전압 상승(Swell)은 0.5Cycle에서 1분동안 전력계통에서 전압이 RMS 값으로 1.1(pu)이상으로 증가하는것을 말한다. 샘플링(Sampling) 도중 이를 만족하는 값을 측정하게 되면 별도로 저장 보관한다. 새그(Sag)를 지속시간에 따라 분류하면 아래 <표>와 같다.

구 분	지 속 시 간	전압강하의 크기
Instantaneous	0.5~30Cycle	0.1pu~0.9pu
Momentary	0.5~3Cycle	0.1pu~0.9pu
Temporary	3sec~1min	0.1pu~0.9pu

- 고조파 계산

전력계통의 정현파 전압이 비선형 부하에 인가되면 비정현파의 부하 전류가 계통에 유입되어 전원임피던스에 의해 전압 강하를 발생하게 되고, 이 이 전압강하에 의해 정현파 전압은 왜곡된 파형이 된다. 이러한 주기성을 갖는 왜형파는 푸리에 급수로 전개하여 기본파 주파수 (60Hz)와 정수배의 주파수 성분(n×60Hz)으로 분해하여 해석할 수 있는데, 주파수가 가장 낮은 (n=1) 정현파를 기본파라 하고 그 이외의 주파수(n>1)가 제 n차 고조파라 한다.

여기서 f(t)는 주기 T인 왜형파의 시간함수 ω=2πf=2π/T, a₀는 직류분을 나타낸다.

이러한 고조파 왜형의 정도를 나타내는 척도로서 종합고조파 왜형률(Total Harmonic Distortion, THD)가 사용된다. 종합고조파왜형율(THD)은 아래 식에 의해 계산되는데 고조파 전압(전류) 실효치와 기본파 전압(전류)실효치의 비율로 표시되 며, 종합고조파왜형율(THD)이 낮을수록 전력품질이 우수함을 나타낸다.

여기서 V₂, V₃,...,V_n는 각 차수별 고조파 전압, V₁은 기본파 전압을 나타내며, I₂, I₃,...,I_n는 각 차수별 고조파 전류, I₁은 기본파 전압을 나타낸다.

다음에, 배전자동화 단말장치(2)는 전기품질값이 정해진 상하한값을 벗어나는 경우에 이벤트를 발생시키면서 데이터를 저장하고, 저장된 데이터를 전송하라는 중앙제어실의 명령이 있을 때 통신망을 통해 중앙제어실의 주서버로 전송한다.

이상에서와 같이 본 발명에 의한 전기품질 실시간 감시기능을 갖는 배전자동화 단말장치(2)는 기존의 배전자동화 시스템의 주요 구성품인 배전자동화 주장치와 통신장치, 단말장치, 개폐기로 구성되는 배전자동화 인프라를 그대로 활용하여 특고압 배전계통의 전기품질을 실시간 상태로 감시할 수 있다. 기존의 전기품질측정 장치는 특정 항목의 전기품질을 측정할 수 있느냐 없느냐에 따라 가격이 수백만원대에서 수천만원대에 이르고, 실제 현장에서 측정장치를 설치하는 것도 상당히 불편하며, 데이터를 취득하였다 해도 이를 해석하는 것도 쉽지 않은 문제점을 가지고 있다. 그러나 배전선로에 설치되는 배전자동화용 단말장치(2)에 전기품질을 측정하는 신호처리부를 추가하면 별도의 계측장치 비용이나 현장설치 및 분석에 소요되는 인력이 없이도 일년내내 배전계통의 전기품질의 이상여부를 알 수 있어 경제적인 효과가 매우 크다. 배전자동화 단말장치(2)는 향후 수년내에 40,000대 정도가 설치될 계획이다. 이와같이 전기품질 감시기능을 갖고 있는 배전자동화 단말장치(2)를 적당한 위치에 설치하면 전국 모든 배전선로의 전기품질을 상시 감시할 수 있게 되고, 특정 선로에서 전기품질 이상값이 측정될 경우 그 원인을 신속하게 분석하여 대응할 수 있으므로 전력품질의 향상이나 고객 응대 측면에서 상당한 효과가 있을 것으로 기대된다.

이상의 실시예에서 살펴 본 바와 같이 이 발명은, 배전계통의 배전자동화용 단말장치가 배전선로의 전기품질을 상시 감시하다가 전기품질 감시 항목별로 정해진 범위를 벗어날 경우 이를 감지하여 배전자동화 시스템의 주장치에 통보하는 효과를 갖는다.

Claims

배전선로에 설치된 배전자동화 개폐기(1)의 내부에 설치되어 있는 3개의 전압변성기(PT)(11) 및 3개의 전류변성기(CT) (12)로부터 전압 및 전류값을 입력받고,

입력된 아날로그 신호를 아날로그 디지탈 변환부(21)에서 디지털 신호로 변환하고,

변환된 디지털 신호를 레지스터(38)에서 일시적으로 저장을 하고,

레지스터(38)에 저장된 신호를 AI(39)에서 읽어들이고,

AI(39)를 거친 데이터는 필터부(22)에서 필터링 작업을 하고,

시간영역의 신호를 주파수 영역의 신호로 변환을 하는 FFT(23)에서 FFT 변환을 실시한 후,

계측항목 계산부(24)에서 위상각을 측정하기 위해서 입력되는 전압 및 전류 순시값을 가지고 이산 푸리에 변환한 값으로부터 60Hz의 주파수를 추출한 후 여기서 주파수 크기와 위상각을 구하고, 실효치를 연산하며, 배전계통의 정현파 전압이 비선형 부하에 인가될 경우 비정현파의 부하전류가 계통에 유입되어 정현파 전압이 왜곡되게 되는데 이를 푸리에 급수로 전개하여 기본파와 각 차수의 고조파 크기를 해석하고 고조파 왜형의 척도로 표현되는 종합고조파왜형율을 산출하고,

감시항목 판단부(25)에서 전압의 크기를 측정하여 순간전압 변동율을 계산하여 계산값이 정해진 범위를 벗어났는지를 판단하고,

전기품질의 이상유무를 판단하여 정해진 범위를 벗어날 경우 데이터 보존부(26)에서 플래시메모리(29)에 저장하며,

상태통보부(27)에서 상태정보를 이중포트메모리(30)에 저장하였다가 CPU#2(31)를 통해 주장치에 통보하고,

주장치가 보존된 데이터를 요구할 경우 데이터 전송부(28)에서 이중포트메모리(32)에 저장하였다가 CPU#2(33)를 통해 주장치에 제공하는 구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 배전계통의 전기품질 실시간 감시기능을 갖는 배전자동화 단말장치.
입력되는 전압 및 전류 각 4채널분 순시값을 1주기당 128샘플링하여 실효치로 연산하는 단계와,

위상각을 측정하기 위해서 입력되는 전압 및 전류 순시값을 가지고 이산 푸 리에 변환을 하여 60Hz의 주파수를 추출한 후 여기서 주파수 크기와 위상각을 구하는 단계와,

전압의 크기를 측정하여 순간전압 변동율을 계산하여 계산값이 정해진 범위를 벗어났는지를 판단하는 단계와,

배전계통의 정현파 전압이 비선형 부하에 인가될 경우 비정현파의 부하전류가 계통에 유입되어 정현파 전압이 왜곡되게 되는데 이를 푸리에 급수로 전개하여 기본파와 각 차수의 고조파 크기를 해석하고 고조파 왜형의 척도로 표현되는 종합고조파왜형율(Total Harmonic Distortion)을 산출하는 단계와,

전기품질의 이상유무를 판단하여 정해진 범위를 벗어날 경우 상태를 통보하고, 해당 데이터는 보관하였다가 주장치가 요청할 경우 이를 제공하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 배전계통의 전기품질 실시간 감시방법.