KR101043572B1 - 무효전력 보상을 위한 배전 자동화 시스템 및 전압 제어방법 - Google Patents

무효전력 보상을 위한 배전 자동화 시스템 및 전압 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 실제 각 부하 단에서의 무효 전압이 보상될 수 있도록 전압 제어장치의 설정을 적절히 변경함으로써 수요자에게 안정적으로 전압을 공급할 수 있도록 하는 새로운 배전 자동화 시스템 및 그의 전압 제어방법에 관한 것으로서, 배전계통을 구성하는 각 노드 및 배전선로의 연결 형태에 따라 4단자 정수법(constants of four terminals)을 적용하여 분포부하의 형태로 배전계통을 모델링 하는 제 1 단계; 인접한 노드의 전류 값으로부터 해당 노드에서의 전압 크기를 추정하기 위한 수식을 확정하는 제 2 단계; 상기 제 2 단계에서 확정된 수식을 통해 산출된 전압 크기 값 및 이를 제어하기 위한 제어변수를 포함하는 목적함수를 확정하는 제 3 단계; 및 확정된 상기 목적함수가 최소값을 갖도록 하는 상기 제어변수의 값을 산출하고, 산출된 값을 상기 배전계통의 중앙에서 각 전압제어장치에 적용하는 제 4 단계를 포함한다.
배전 계통, 전력조류, 전압제어, 배전자동화 시스템

Description

무효전력 보상을 위한 배전 자동화 시스템 및 전압 제어방법{Distribution Automation System and its voltage control method for reactive power compensation}
본 발명은 무효전력 보상을 위한 배전 자동화 시스템 및 그의 전압 제어방법 에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 복잡한 방사상의 배전계통에 포함된 각 노드에서의 무효전력을 보상하여 전력 손실을 최소화할 수 있도록 하는 배전 자동화 시스템 및 그의 전압 제어 방법에 관한 것이다.
배전계통에서의 전압 제어는, 배전 시스템을 설계하는 데 있어서 수요자에게 적절한 크기의 전압을 왜곡 없이 지속적으로 제공하여 무효전력의 손실을 줄일 수 있어야 한다.
또한, 전력 수요가 수시로 변함에 따라 배전선로에 공급되는 버스 전압이 가변하며, 이에 따라 버스 전압의 크기가 전력 수요가 연결되는 부하 단의 적정 레벨을 초과하는 경우가 발생하기도 한다.
따라서, 배전선로에 연결된 각 부하 단에서의 전압 프로파일이 적정 제한범위 내에 속하도록 유지하고, 전력과 에너지 손실을 최소화하기 위해서는 이러한 전 압 제어기기에서의 제어설정이 적절히 수정되어야 한다.
종래에는 전력계통에서의 전압 및 무효전력을 최적화하기 위한 방법으로 선형, 비선형, quadratic programming, Newton and interior method 등의 수학적인 최적화 알고리즘에 기초한 방법들이 제안되었다.
또한, 퍼지(fuzzy)이론에 기초한 방법이나 전문가 시스템(expert system) 방법 등이 배전계통에서의 전압을 제어하고자 하는데 사용되었으며, 전압 및 무효전력 제어 알고리즘을 기초로 하는 확률적인 부하 흐름 진단방법이 함께 적용된 경우도 있다. 그리고, 무효전력, 피더 손실, 전압 강하 및 전압 프로파일 등 전압 제어를 위해 필요한 주요 요소를 고려한 표준화된 가중 방법이 제안되었다.
한편, IT, 통신기술 등이 급격히 발전함에 따라 이러한 기술들이 배전계통에 접목되어 원격지에서도 배전선로 각 부하단의 전압 전류 상태 데이터를 획득하여 이상 여부를 판단할 수 있는 배전 자동화 시스템이 개발되고 있다. 따라서, 배전 자동화 시스템에 기반을 둔 무효전력 보상을 위한 전압 제어 알고리즘이 요구된다.
본 발명은 배전 자동화 시스템에 있어서, 실제 각 부하단에서의 전압 크기를 종래보다 더 정확하게 추정 산출하고, 추정 산출된 전압에 대해 무효전력을 보상하여 전력 손실을 최소화하고 수요자에게 안정적으로 전압을 공급할 수 있도록 하는 새로운 배전 자동화 시스템 및 그의 전압 제어방법을 제안한다.
보다 구체적으로, 본 발명의 일실시예에 따른 배전 자동화 시스템의 전압 제어방법은, 배전계통을 구성하는 각 노드 및 배전선로의 연결 형태에 따라 4단자 정수법(constants of four terminals)을 적용하여 분포부하의 형태로 배전계통을 모델링하는 제 1 단계; 인접한 노드의 전류 값으로부터 해당 노드에서의 전압 크기를 추정하기 위한 수식을 확정하는 제 2 단계; 상기 제 2 단계에서 확정된 수식을 통해 산출된 전압 크기 값 및 이를 제어하기 위한 제어변수를 포함하는 목적함수를 확정하는 제 3 단계; 및 확정된 상기 목적함수가 최소값을 갖도록 하는 상기 제어변수의 값을 산출하고, 산출된 값을 상기 배전계통의 중앙에서 각 전압제어장치에 적용하는 제 4 단계를 포함한다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 배전 자동화 시스템은, 제어 값에 따라 일정 크기의 전압을 배전 계통 내 연결된 노드에 제공하는 전압 제어장치; 상기 각 노드에 연결되어 해당 노드에서의 전압, 전류의 크기 및 위상각을 계측하는 FRTU(Feeder Remote Terminal Unit); 및 상기 FRTU로부터 수신된 각 노드에서의 계측 데이터를 통해 상기 각 노드에서의 전압 크기를 추정 산출하고, 추정 산출된 전압에 대해 무효전압을 보상하도록 상기 전압 제어장치를 제어하는 배전 자동화 서 버를 포함한다.
이하 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명에 따른 실시예를 설명한다.
도 1 은 본 발명의 일실시예에 따른 배전 자동화 시스템의 구성이 도시된 블록도이다.
배전 자동화 시스템(1)은 원거리에 산재하는 배전선로용 개폐기들이 통신망을 통해 서로 연결되어 전압 또는 전류 등의 계통 운전 정보를 배전 자동화 서버(5)로 전송하고 배전 자동화 서버(5)에서는 수신된 데이터를 통해 배전계통의 상태를 감시하고 제어하여 운영되는 시스템이다. 이때 각 배전선로용 개폐기에는 배전 자동화 단말(FRTU; Feeder Remote Terminal Unit, 이하 FRTU라 한다)(F)이 각각 구비되며, 이때 FRTU(F)는 배전 자동화 서버에서 각 FRTU(F) 또는 전압제어장치의 동작을 제어하는 데 필요한 여러 데이터를 측정하여 전송하는데, 이러한 데이터로는 FRTU(F)가 연결된 노드에서의 전압과 전류의 크기 및 위상각 등이 있다.
또한, 배전계통에는 전압과 무효전력을 제어하는 여러 기기가 포함될 수 있다. 예를 들어, 자동 전압 조정기(automatic voltage regulator; AVR)는 ULTC 변압기(10)의 동작에 따라 배전선로 상의 변전소에 있는 주 변압기의 제 2버스 전압을 제어하기 위해 구비될 수 있으며, 션트 콘덴서(Shunt Condenser, 20)는 배전선로의 무효 전력을 조정하기 위해 배전계통의 피더를 따라 설치될 수 있다. 이때 AVR의 한 종류인 SVR(Step Voltage Regulator, 30)가 배전계통 내, SVR(30)의 허용 가능한 전압 레벨 범위는 최대 정격전압 레벨과 약 5% 정도의 차이를 가질 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 배전 자동화 시스템(1)에 있어서, 전압 제어장치에 대한 제어방법은 배전계통에 연결된 각 FRTU(F)로부터 수신된 데이터를 기초로 하여 수행될 수 있다.
일반적으로 FRTU(F)는 전압의 위상각이나 전류의 크기 또는 전류의 위상각을 실제 값과 거의 동일한 값으로 계측하여 배전 자동화 서버(5)로 전달된다. 그러나 전압의 크기를 계측하는 데에는 부하 변동 등 여러 요인으로 인해 많은 오류를 포함하여 실제 해당 노드에서의 전압 크기와 해당노드에서의 FRTU(F)에서 계측된 전압 크기 값은 크게는 약 20%정도의 오차를 갖는다. 예를 들어 상세히 설명하면, 배전계통의 임의의 노드에서의 전압은 접지용 계기용 변압기(GPT; Grounding Potential Transmitter)를 해당 노드에 연결함으로써 계측될 수 있다. 이때 계측되는 전압 크기는 큰 값을 갖는데, 이해 반해 GPT 설비는 배전선로 상에 직접 연결되어야 하므로 크기에 제안이 있다. 따라서, GPT에서의 변압비는 커지게 되며 이에 따라 변압을 위한 코일 등의 영향으로 계측 오차가 커지게 된다.
따라서, 본 발명의 일실시예에 따른 배전 자동화 시스템은 각 노드에서의 전압 크기를 비교적 정확하게 추정할 수 있도록 하는 알고리즘을 제안한다. 또한, 이로부터 추정 산출된 각 노드에서의 전압 크기 값을 기초로 각 노드에서의 무효전력을 보상하여 전압강하를 줄일 수 있도록 계통 내 연결되어 있는 전압 제어장치의 제어 설정치를 조정할 수 있도록 한다.
이때, 각 노드로부터 송수신되는 데이터는 GPS 시간 값을 기준으로 하여 동기될 수 있으며, 이에 대한 구체적인 설명은 본 명세서에서는 생략하도록 한다.
본 발명의 일실시예에 따른 배전 자동화 시스템(1)에 있어서, 제안된 알고리즘은 새로운 부하 모델링을 적용한다.
즉, 배전계통에서 부하가 배전선로를 따라 균일하게 분배되는 것을 가정하여 적용한다. 실제 부하는 배전 선로 전체에 걸쳐 불규칙하게 분포되어 있는데, 하나의 구간에서 불규칙하게 분포되어 있는 부하를 하나로 하여 계측지점에 몰려있다고 가정하는 종래의 방법과 달리, 본 발명에서는 4단자 정수법을 응용하기 위한 방법으로 각 구간에서의 불규칙한 부하를 하나로 모으고 이 부하가 구간 내 선로에 균일하게 분포되어 있는 것으로 가정하여 부하를 모델링 한다.
부하 측에 요구되는 유효전력 및 무효전력을 여러 종류의 전원공급장치와 선 로망을 통해 공급하는 전력 조류(load flow) 산출시 부하정보가 매우 중요한데, 특히 해당 배전계통이 서로 다른 배전 선로에서 다른 부하가 분배되는 복잡한 방사상의 배전 시스템이 되는 경우에는 더욱 그러하다. 부하에서 소비되는 전력은 전압레벨에 의해 변동하며, 이에 따라 부하는 전압 크기에 영향을 준다. 따라서, 제안된 알고리즘에서는 상술한 바와 같이 종래와는 다른 분산부하 모델링을 적용하여 각 노드에서의 전압 크기를 추정 산출하며, 이에 대한 구체적인 설명은 도 3과 함께 후술한다.
복잡한 방사상의 배전 시스템에 있어서, 각 노드에서의 전력조류 산출을 위한 해법을 얻는 것은 매우 어려운 일이다. 4단자 정수법은 부하 흐름 계산 과정을 단순화하기 위해 적용된 방법으로, FRTU에서 계측된 전류 데이터는 실제 값과 거의 동일하기 때문에 계측된 전류값과 분포부하로 모델링된 배전계통을 4단자 정수법에 적용하여 전압과 위상을 산출할 수 있다.
수학식 1에서의 계수행렬은 4단자 정순법의 기본형을 나타낸다.
Figure 112009048737608-pat00001
이때, 방사상의 배전계통을 구성하는 서로 다른 노드들은 연결형태 등이 서로 다른 환경 요건을 가지고 있으므로 각각의 경우에 따라 4단자 정수법에 대한 계수행렬은 다음과 같이 확장될 수 있다.
도 2 는 본 발명의 일실시예에 따른 배전 자동화 시스템에 있어서, 각 노드에서의 여러 연결형태가 도시된 예시도로서, 도 2(a)는 하나의 노드에서 외부로 흘러나가는 전류의 경우가 도시된 도이며, 도 2(b)는 인입선을 포함하는 노드에서의 전류 흐름이 도시된 도이고, 도 2(c)는 변압기가 연결된 노드에서의 전류 흐름이 도시된 도이다.
도 2(a)에서, Iq는 노드 q로 들어오는 전류이며, Iqq는 계통 외부로 흘러나가는 전류를 나타낸다. 따라서, 노드 q에서 노드 r로 전달되는 전류는 Iq-Iqq이며, 노드 q에서의 전압 및 전류에 대한 식으로부터 4단자 정수의 계수행렬은 다음의 수학식 2와 같다.
Figure 112009048737608-pat00002
배전계통에서는 도 2(b)에 도시된 바와 같이 다른 방향으로의 분기선을 포함하는 노드가 나타날 수 있다. 이때, Ip는 노드 p에서 들어오는 부하 전류이며, IpA는 노드 p와 노드 q 사이 구간에서의 부하전류이다. IpB는 노드 p의 분기(branch) 구간인 노드 p와 노드 r 사이 구간에서의 부하전류이며, kpq는 노드 p 및 노드 q 사이 구간에서의 전류 분포 정수, kpr은 노드 p 및 노드 r 사이 구간에서의 전류 분포 정수이다. 상술한 도 2(b)에 도시된 바와 같은 경우 노드 q에서의 전압 및 전류를 위한 4단자 정수법의 계수행렬은 수학식 3과 같다.
Figure 112009048737608-pat00003
SVR 변압기가 연결된 노드의 경우, 등가회로 모델링은 도 2(c)에 도시된 바와 같이 나타낼 수 있다. 이때 z는 변압기의 임피던스이며, 변압기의 변압비율은 1: a 이다. 따라서, 상술한 도 2(c)에 도시된 바와 같은 경우에서의 계수행렬은 수학식 4와 같이 도출될 수 있다.
Figure 112009048737608-pat00004
즉, 4단자 정수법은 복잡한 방사상의 배전계통에 대해서도 상술한 세 경우에 모두 적용하여 식을 도출할 수 있다.
한편, 본 발명의 일실시예에 따른 배전 자동화 시스템 및 그의 전압 제어방법에 있어서, 배전 계통에서 전압 프로파일(profile)을 추정하기 위한 방법으로는 피더 헤드나 다른 노드에서 측정된 값 및 피더 파라미터 값을 획득하여 사용할 수 있다.
도 3 은 본 발명의 일실시예에 따른 배전 자동화 시스템에 있어서, 인접한 노드간 부하 분포가 도시된 도이다.
배전 자동화 시스템은 도 3에 도시된 바와 같이 FRTU가 각각 구비되어 있는 5개의 노드로 이루어질 수 있다. 각 노드에서의 전압 프로파일을 구하는 방법은, 노드 0에서의 전압과 전류의 크기 및 위상각을 후술하는 제안된 알고리즘에 적용하여 노드 1에서의 전압과 전류의 크기 및 위상각 데이터가 산출될 수 있도록 한다. 다음으로 노드 1에서의 값을 기초로 노드 2에서의 전압과 전류의 크기 및 위상각 데이터를 산출할 수 있으며 동일한 과정을 차례로 반복함에 따라 각 노드에서의 전압과 전류의 크기 및 위상각 데이터를 얻을 수 있다.
노드 0에서 계측된 데이터를 통해 노드 1에서의 전압과 전류의 크기 및 위상 각 데이터를 산출하는 단계는 다음과 같이 이루어질 수 있다.
임의의 노드 p와 노드 q 사이의 구간에서 노드 q의 전압과 전류의 크기 및 위상각 데이터를 산출하고자 하는 경우, 노드 p와 노드 q 사이의 선로 임피던스 및 부하 어드미턴스(admittance) yk는 도 3에 도시된 바와 같이 배전 선로에서 매 dx마다 균등하게 분산되는 것으로 가정한다. 이때 각 부하 단에서의 전압 강하와 전류 강하의 기본 식은 다음의 수학식 5와 같이 예시될 수 있다.
Figure 112009048737608-pat00005
이때, zdx는 단위 길이당 선로 임피던스이며, ydx는 단위길이당 부하 어드미턴스이다.
수학식 5에 예시된 미분식을 계산하면 수학식 6과 같이 해가 도출될 수 있다.
Figure 112009048737608-pat00006
이때,
Figure 112009048737608-pat00007
는 배전 선로의 특성 상수이다.
수학식 6에서 노드 p 측의 경계조건(해당 노드를 중심으로 들어오는 전류는 나가는 전류와 손실의 합이다.)을 고려하면 수학식 7과 같이 상세하게 표현될 수 있다.
Figure 112009048737608-pat00008
수학식 7에서 Lk를 한 구간의 길이로 가정하고, 부하 측에서 전압과 전류의 위상 x = L k 인 경우 수학식 7은 수학식 8과 같이 도출될 수 있다. 또한, 노드 p에 서의 전압 및 전류 데이터를 상술한 방정식에 대입하면 부하 어드미턴스인 yk를 제외한 다른 변수의 값이 산출될 수 있다.
Figure 112009048737608-pat00009
이때,
Figure 112009048737608-pat00010
이다.
수학식 8에서, yk의 값을 구하여 대입할 수 있다면 Vq는 쉽게 산출될 수 있으며 종래의 전압 계측시 발생하는 오차 요인이 없다는 점에서 실제 노드 q 에서의 전압 크기와 거의 동일한 값인 것으로 추정할 수 있다.
따라서, 부하측 노드에서 yk에 대한 정보를 얻어 그 값을 구하는 과정이 요구된다. 이때 전류의 크기는 FRTU로부터 측정된다는 점과 전압과 전류의 위상차는 FRTU로부터 계측되며, 이는 역률각과 같다는 점을 고려하여 yk의 값을 산출할 수 있다.
또한, 배전선로는 피더의 종단과 연결되는 선로와 그렇지 않은 선로의 두가지 종류로 구분될 수 있으므로 두 경우에 대해 각각 대응하여 도출하는 것이 바람직하다.
피더의 종단과 연결되는 배전선로의 경우, 피더 종단에서의 전류 값은 0이 된다. 따라서, 수학식 8에 Iq=0 을 대입한 후, Newton-Raphson 방법을 통해 부하 어드미턴스를 구할 수 있다. Newton-Raphson 방법은 방정식의 근을 구하는 알고리즘 중 대표적인 방법으로 이에 한정되는 것은 아니며 상기의 수학식으로부터 부하 어드미턴스 값을 산출할 수 있는 방법이라면 모두 적용될 수 있다.
피더의 종단과 연결되지 않는 배전선로의 경우, 수학식 9와 같은 두 개의 방정식이 도출될 수 있는데, 수학식 9의 수식에 수학식 8의 수식을 적용하면 수학식 10과 같은 수식이 도출될 수 있다.
Figure 112009048737608-pat00011
Figure 112009048737608-pat00012
이때, iq는 부하측 노드인 노드 q에서의 전류 크기 값이며,
Figure 112009048737608-pat00013
는 노드 q에서의 역률각이다.
첫번째 경우와 동일한 방법으로 수학식 10에 대해 Newton-Raphson 방법을 적용하면 부하 어드미턴스 yk가 산출될 수 있으며, 두 경우에 있어서 각각 산출된 yk는 부하측 노드에서의 전압과 전류의 크기 및 위상각인 Vq 및 Iq를 산출하기 위하여 수학식 8에 대입된다.
상술한 바와 같은 단계를 거쳐 산출된 각 노드에서의 전압 크기 값은 배전 자동화 서버에서 배전계통에 연결된 전압제어장치를 제어하는 데 활용될 수 있다. 제안된 전압 제어 알고리즘은 그래디언트 방법을 기초로 하고 있으며, 이에 따라 각 수용가의 전압은 허용 가능한 레벨 범위 내에 속할 수 있다.
배전 자동화 시스템에 있어서, FRTU는 배전망으로부터 데이터를 수집할 수 있으며, 서로 멀리 이격되어 있는 모든 제어 장치들은 전압 크기가 허용 가능한 범위 내에 속하도록 발령된 명령에 의해 제어될 수 있다. 따라서, 도 3에 도시된 바와 같이 ULTC, SVR(선로 전압 조정기), 및 션트 콘덴서에서의 탭 위치는 가변될 수 있다. 배전계통에 연결 가능한 여러 전압제어장치들 중 상기 세 장치를 고려하여 X에 대한 목적함수를 확정하면 다음의 수학식 11과 같다. 이때 X는 제어변수 A 및 V와 I로 표시되는 상태변수 모두를 나타낼 수 있다.
Figure 112009048737608-pat00014
이때, A는 제어변수, V는 노드 전압, I는 노드 전류, Vni는 각 노드에서의 정격전압, Vi는 각 노드에서의 산출된 전압, wi는 각 구간에서의 가중계수, 및 n은 전체 노드의 수이다.
가중계수의 경우, 많은 부하가 있는 구간일수록 전압 제어가 더 중요하기 때문에 목적 함수의 식에 포함된다. 게다가, 상수 N, 정격 전압 및 추정 산출된 전압 간의 편차가 큰 노드에서의 전압 제어는 타 노드에 비해 더 중요시될 수 있으며 이에 따라 해당 노드를 위한 목적함수가 더 요구될 수 있다.
상태변수 V 및 I는 회로 방정식을 만족한다. 예를 들어 배전계통에서, 노드 p와 노드 q사이의 구간 k에 대한 회로 방정식은 다음의 수학식 12와 같으며, 배전 계통의 모든 구간에서 모든 각 회로 방정식을 더하여 F(X)로 표시하면, 수학식 13과 같이 나타날 수 있다.
Figure 112009048737608-pat00015
Figure 112009048737608-pat00016
이때, 제어변수의 값이 달라지면, 노드 전압 크기, 노드 전류 크기 값 등도 함께 달라질 수 있다.
상술한 바와 같은 목적함수에서 해를 구하기 위한 방법으로 최소값을 구하기 위해서는 수학식 11의 식이 다음의 수학식 14를 만족해야 한다.
Figure 112009048737608-pat00017
이때,
Figure 112009048737608-pat00018
,
Figure 112009048737608-pat00019
,
Figure 112009048737608-pat00020
이며, t는 가속계수(acceleration factor)이며, k= 1, 2, ,,, 이다.
이때, 목적함수 J(X)의 그래디언트는
Figure 112009048737608-pat00021
로 표시될 수 있으며, 이때
Figure 112009048737608-pat00022
는 다음과 같다.
Figure 112009048737608-pat00023
또한, 제어변수에 대한 상태변수의 그래디언트 벡터는
Figure 112009048737608-pat00024
로 표시될 수 있는데, 상기
Figure 112009048737608-pat00025
에 관한 식에서 제어변수 ak에 대한 F(X)를 부분 미분하면 다음과 같다.
Figure 112009048737608-pat00026
이때,
Figure 112009048737608-pat00027
이다.
따라서, 상술한 수식을 수학식 14에 적용하여 해를 구하면 각 전압제어장치에 대한 제어변수 값이 산출될 수 있다.
도 4 는 본 발명의 일실시예에 따른 배전 자동화 시스템의 구성이 도시된 예시도이다.
본 발명의 일실시예에 따른 배전 자동화 시스템은 도 4에 도시된 바와 같이, 11개의 노드를 포함하고 있으며, ULTC(10), SVR(30), 및 션트 콘덴서(20)가 전압제어장치로서 포함된다. 이때, ULTC(10)는 노드 1과 연결되며, SVR(30)은 노드 7 및 노드 8 사이에 구비되었다. 또한, 션트 콘덴서(shunt condenser, 20)는 노드 2에 연결되어 선로 상의 무효전력을 보상할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 배전 자동화 시스템에서의 배전선로 파라미터는 표 1에 도시된 바와 같다. 배전 자동화 시스템에서, FRTU는 표 2에 도시된 바와 같이 전류 크기 및 역률각 값과 같은 정보를 계측, 수집하여 배전 자동화 서버로 전송한다.
Figure 112009048737608-pat00028
Figure 112009048737608-pat00029
이때, 변압기(10)의 변압비율은 1 : 0.8이며, 션트 콘덴서(20)의 보상계수는 0.03이다.
한편, 도 4에 도시된 바와 같은 배전 자동화 시스템에 따른 목적함수는 수학식 15와 같이 표현될 수 있으며, 이때 가중계수는 1로 설정하여 적용한다.
Figure 112009048737608-pat00030
이때,
Figure 112009048737608-pat00031
,
Figure 112009048737608-pat00032
이며, a 1 는 노드 1에서 ULTC의 제어변수, a 2 는 노드 2에서 션트 콘덴서의 제어변수이고, a 3 은 노드 7에서 SVR의 제어변수로 설정한다. 각 변수의 초기 값은 a 1 = 1.0, a 2 = 1.0, a 3 = 0.8이며, 본 발명의 일실시예에 따른 방법에 따라 각 노드에서의 전압 크기 값을 추정 산출한 결과 값이 표 3에 개시되어 있다.
Figure 112009048737608-pat00033
각 노드에 대해서 제안된 전압 제어방법을 적용하면, ULTC, SVR, 및 션트 콘덴서에 대한 각각의 제어변수 값은 a 1 = 1.0394, a 2 = 0.9742, a 3 = 1.0764로 조정될 수 있으며, 이에 따라 각 노드에서의 추정 산출된 전압과 전류의 크기 및 위상각 값이 표 4에 개시되어 있다.
Figure 112009048737608-pat00034
표 3의 각 노드에서의 전압 크기 값을 참고하면, 노드 8 및 노드 11에서의 전압 강하가 타 노드에서의 경우보다 크게 나타난다. 따라서 배전 자동화 서버에서 노드 8, 노드 11과 연결된 전압제어장치에 조정된 제어 설정치를 전달하면, 표 4에 나타난 바와 같이 노드 8 및 노드 11에서의 무효전력이 보상되어 전압 강하의 정도가 표 3에서의 경우보다 크게 줄어들었음을 알 수 있다.
특히, 노드 8 및 노드 11과 같이 피더 엔드 측 노드에서 발생하는 전압 강하를 피터 헤드 측 (변전소 인출단)에서의 전압 크기를 높여 보상하고자 하는 종래에 는 사고 등으로 인하여 부하가 연결되지 않으면 상단에 배치된 노드에서의 전압이 증가하여 정격 전압 범위를 초과하는 반면, 본 발명에 따른 실시예에서는 배전 선로 상에 적어도 하나 이상의 전압제어장치의 동작을 조정하여 전압 강하를 억제함으로써 종래에 비해 더 안정적으로 전압을 공급할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 무효 전력보상을 위한 배전 자동화 시스템 및 전압 제어방법을 예시된 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 각 노드에서의 전압 크기를 비교적 정확하게 추정 산출하고 그로부터 배전계통에 구비된 전압제어장치의 제어설정을 변경하여 전력 손실을 최소화하고 안정적으로 수용가에 전압을 제공할 수 있도록 하는 본 발명의 기술사상은 보호되는 범위 이내에서 당업자에 의해 용이하게 응용될 수 있음은 자명하다.
도 1 은 일반적인 배전 자동화 시스템의 구성이 도시된 블록도,
도 2 는 본 발명의 일실시예에 따른 배전 자동화 시스템에 있어서, 각 노드에서의 여러 연결형태가 도시된 예시도,
도 3 은 본 발명의 일실시예에 따른 배전 자동화 시스템에 있어서, 인접한 노드간 부하 분포가 도시된 도, 및
도 4 는 본 발명의 일실시예에 따른 배전 자동화 시스템의 구성이 도시된 예시도이다.

Claims (6)

  1. 배전계통을 구성하는 각 노드 및 배전선로의 연결 형태에 따라 4단자 정수법(constants of four terminals)을 적용하여 분포부하의 형태로 배전계통을 모델링하는 제 1 단계;
    인접한 노드의 전류 값으로부터 해당 노드에서의 전압 크기를 추정하기 위한 수식을 확정하는 제 2 단계;
    상기 제 2 단계에서 확정된 수식을 통해 산출된 전압 크기 값 및 이를 제어하기 위한 제어변수를 포함하는 목적함수를 확정하는 제 3 단계; 및
    확정된 상기 목적함수가 최소 값을 갖도록 하는 상기 제어변수의 값을 산출하고, 산출된 값을 상기 배전계통에 구비된 전압제어장치에 적용하는 제 4 단계
    를 포함하는 배전 자동화 시스템의 전압 제어방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 단계는, 배전선로가 피더 종단과 연결되는지 여부에 따라 해당 노드에서의 전류에 대한 수식을 확정하고, 이로부터 부하 어드미턴스를 산출하는 단계; 및
    산출된 부하 어드미턴스를 상기 제 1 단계에서 확정된 수식에 대입하여 해당 노드의 전압 크기를 추정 산출하는 단계
    를 포함하는 배전 자동화 시스템의 전압 제어방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 단계는, Newton-Raphson 방법을 적용하여 상기 부하 어드미턴스 값을 산출하는 배전 자동화 시스템의 전압 제어방법.
  4. 제어 값에 따라 일정 크기의 전압을 배전 계통 내 연결된 노드에 제공하는 전압 제어장치;
    상기 각 노드에 연결되어 해당 노드에서의 전압, 전류의 크기 및 위상각을 계측하는 FRTU(Feeder Remote Terminal Unit); 및
    상기 FRTU로부터 수신된 각 노드에서의 계측 데이터를 통해 상기 각 노드에서의 전압 크기를 추정 산출하고, 추정 산출된 전압에 대해 무효전압을 보상하도록 상기 전압 제어장치를 제어하는 배전 자동화 서버
    를 포함하는 배전 자동화 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 전압제어장치는 ULTC(Under Load Tap Changer), SVR(Step Voltage Regulator), 및 Shunt Condenser 중 적어도 하나 이상인 배전 자동화 시스템.
  6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 배전 자동화 서버는, 인접한 노드의 FRTU로부터 수신된 전류의 크기 및 위상각 계측 데이터를 통해 해당 노드에서의 전압 크기를 추정 산출하고, 상기 해당 노드와 연결된 전압 제어장치에 제어명령을 발령하여 추정 산출된 전압이 상기 해당 노드에서의 정격전압범위에 속하도록 하는 배전 자동화 시스템.
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