KR101295850B1 - 저압수용가 전력정보를 이용한 배전용 변압기 관리 방법 - Google Patents

저압수용가 전력정보를 이용한 배전용 변압기 관리 방법 Download PDF

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손성용
정범진
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가천대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 원격검침인프라의 시스템 정보를 활용하여 추가 비용 없이 주요배전설비인 변압기의 수명관리와 배전계통성능지표인 3상 전압평형도 정보를 유추하기 위한 것으로, 본 발명에 의하면, AMI 시스템의 정보수집장치가 일정 시간을 주기로 수용가의 전력량계에서 수용가의 전압(V), 전류(I), 유효전력(W), 무효전력(Var) 및 전력사용량(Wh) 정보를 수집하는 단계와; 각 수용가 전력 정보를 상(phase)별로 구분하도록, 유효 전력과 무효 전력값을 통해 각 상별 위상값을 계산하는 단계와;상기 단계에서 생성되는 복수의 각 위상값을 사용하여 상별로 분류하는 단계와; 상 분류된 수용가들의 전압정보를 통해서 변압기 2차 측의 전압 추정값을 추론하는 단계와; 상기 단계에서 추론된 전압 추정값을 사용하여 저압수용가에 대한 3상 평형불평형도 값을 추정하는 단계와; 분류된 각 상에 흐르는 전류값의 합을 구하는 단계와; 상기 단계의 전류값을 부하율로 대입하여 권선의 과열점 온도값을 구하는 단계와; 상기 단계의 상기 과열점 온도값을 배전용 변압기의 수명 추론식에 대입하여 변압기의 수명 예측값을 추론하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 저압수용가 전력정보를 이용한 배전용 변압기 관리 방법을 제공한다.

Description

저압수용가 전력정보를 이용한 배전용 변압기 관리 방법{Method of Managing Distribution Transformer Using Electric Power Information From Low Voltage Consumers}
본 발명은 스마트 그리드의 AMI(Advanced Metering Infrastructure)시스템을 통해서 수집되는 수용가 전력정보에 기반하여, 저압 수용가에 공급되는 인입 전력의 3상 불평형도와 변압기의 기대 수명을 추론할 수 있도록 하는 저압수용가 전력정보를 이용한 배전용 변압기 관리 방법에 관한 것이다.
저압수용가용 배전용 변압기의 3상 불평형이란 변압기 2차측 수용가 부하의 전력 사용 패턴과 부하 특성에 의해서 주로 발생하게 되는 바, 이러한 불형평은 정도의 차가 있을 뿐 피하기는 어려운 실정이다.
3상 불평형이 발생하면 모터와 같은 전동기 부하의 손실이 증가하고 이에 따른 전동기 출력 저하 및 부하 온도 상승과 전열 열화 등으로 인한 수명 감소 등의 여러 가지 복합적 피해가 발생하는 것으로 알려져 있다.
미국 전기공급 및 제조협회인 NEMA(National Electrical Manufactures Association)에 따르면 2%의 전압 불평형이 발생할 경우 전동기의 경우 5%의 출력 감소가 되는 것으로 알려져 있다.
또한 전압 불평형이 발생할 경우에 부하의 동작 온도 상승과 고조파도 발생하는 데, 이러한 고조파는 전자기파 발생 뿐 만 아니라 변압기와 같은 주요 전력 설비의 고장에도 영향을 미치는 것으로 알려져 있다.
이러한 3상 전압 불평형을 관리하기 위해서는 변압기 2차측에 전압/전류를 측정할 수 있는 센서와 측정 장치를 부착하는 것이 일반적인 방식이다.
상기의 배전용 변압기는 설치 후 매 1년마다 정기 점검을 실시하고 제작 후 13년이 초과된 변압기에 대해서 교체 점검을 실시하고 있다.
변압기의 기대수명은 보통 30년 이상을 추정하고 있는데, 변압기 수명에 영향을 미치는 요소는 변압기 자체 설계 수명 외에 사용 환경, 부하조건에 의해서 영향을 많이 받는다. 제작 불량이나 낙뢰에 의한 고장에 경우를 제외하고는 대부분의 경우에는 열화에 의한 고장을 들 수 있다.
일반적인 배전용 변압기의 수명 곡선은 아래 식과 같이 변압기 내의 절연지의 열화에 의한 인장 강도의 변화로 나타내어진다.
Figure 112012026386136-pat00001
- 식 (1)
여기서
L : 변압기의 수명(시간)
A,B: 절연지실험에서의 얻어지는 상수
T:변압기 권선의 과열점(hot-spot) 온도(K)
위 식으로부터 변압기 수명은 변압기 내의 권선의 온도에 직접적으로 영향을 받는 것을 알 수 있다. 이러한 권선의 온도는 다음 식으로 계산이 된다.
Figure 112012026386136-pat00002
Figure 112012026386136-pat00003
- 식(2)
여기서
dTcu : 도체 온도 상승 dTcur:정격시 도체 온도상승
LR: 부하율 Wcu: 동손
dToil:절연유 상부 온도 상승 dToilr:정격시 절연유상부 온도상승
Wcon:무부하손실 Wloss:전손실
Ths:과열점온도 Tamb:대기온도
T:도체에 대한 과열점 온도 상승
권선의 과열점 온도 상승은 위 식(2)에서 알 수 있듯이 부하율(LR)에 직접적으로 영향을 받는다.
따라서 변압기의 수명 예측을 하기 위해서는 변압기에서 공급되는 부하율 즉, 전압, 전류값와 위상 정보를 아는 것이 매우 중요하다.
이와 같은 정보를 얻기 위해서 가장 용이하게 할 수 있는 것이 변압기에 별도의 전력 측정 장치를 부착하는 방법이 있는데, 이럴 경우 추가적인 측정장치와 전류 센서를 설치하는 비용이 발생한다.
즉, 전술한 바와 같이 변압기 수명 관리 및 수용가 측 3상 전압 불평형을 모니터링하기 위해서는 변압기 2차 측의 부하 모니터링 즉 전압, 전류, 위상의 정보 측정이 요구되는데, 이를 위해서 별도의 추가 장치가 필요하다.
현재 저압 수용가에 적용되고 있는 3상 4선식 배전 방식은 단상과 3상 부하를 동시에 이용할 수 있는 장점이 있으나, 부하의 운전 패턴 변화, 각 상 부하의 임피던스 변화 및 선로 임피던스 변동 등 여러 요인으로 부하단에서 전압 불평형이 필연적으로 발생하게 된다.
또한 통합 고압 배전선로에서는 선로의 부하 균등화를 주요 성능 지수로 간주하여 관리하고 있으나, 저압 수용가에 공급되는 인입 계통에 대한 부하 균등화에 대해서는 아직 특별한 관리 수단이 없는 실정이다.
이에, 최근 스마트 그리드의 보급의 핵심 분야로 등장하고 있는 원격검침 인프라(AMI)시스템의 경우에는 수용가의 사용전력정보 검침을 중요 정보로 하고 있는데, AMI의 여러 실행 수단 중에서 전력선통신기반의 AMI 시스템 구축의 경우 변압기를 중심으로 저압 수용가의 전력 정보를 수집하는 구조를 갖고 있다.
따라서 상기의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 추가 장치의 설치 없이 저압 수용가 전력 사용량을 검침하기 위해서 구축되는 원격검침인프라(AMI)를 활용해서 저압 수용가 배선계통의 3상 불평형 정도와 변압기 수명을 추론하는 저압수용가 전력정보를 이용한 배전용 변압기 관리 방법을 제공하기 위함이다.
상기한 본 발명의 목적은, AMI 시스템의 정보수집장치가 일정 시간을 주기로 수용가의 전력량계에서 수용가의 전압(V), 전류(I), 유효전력(W), 무효전력(Var) 및 전력사용량(Wh) 정보를 수집하는 단계와; 각 수용가 전력 정보를 상(phase)별로 구분하도록, 유효 전력과 무효 전력값을 통해 각 상별 위상값을 계산하는 단계와;상기 단계에서 생성되는 복수의 각 위상값을 사용하여 상별로 분류하는 단계와; 상 분류된 수용가들의 전압정보를 통해서 변압기 2차 측의 전압 추정값을 추론하는 단계와; 상기 단계에서 추론된 전압 추정값을 사용하여 저압수용가에 대한 3상 평형불평형도 값을 추정하는 단계와; 분류된 각 상에 흐르는 전류값의 합을 구하는 단계와; 상기 단계의 전류값을 부하율로 대입하여 권선의 과열점 온도값을 구하는 단계와; 상기 단계의 상기 과열점 온도값을 배전용 변압기의 수명 추론식에 대입하여 변압기의 수명 예측값을 추론하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 저압수용가 전력정보를 이용한 배전용 변압기 관리 방법에 의해 달성된다.
또한 본 발명에 따르면, 위상 값을 계산하는 방법은
Figure 112012026386136-pat00004
이며, 여기서 W는 유효전력, Var는 무효전력값인 것이 바람직하다.
또한 본 발명에 따르면, 위상값을 사용하여 상별로 분류하기 위해 변압기 2차 측 이하 수용가 전체 갯수 = K 인 경우 일정시간
Figure 112012026386136-pat00005
간격으로 각 수용가의 위상값의 평균값을 계산하는 단계와; K-평균 알고리듬
Figure 112012026386136-pat00006
을 사용하여 수용가들을 상 분류하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에 따르면, 변압기 2차 측의 전압은
Figure 112012026386136-pat00007
,
Figure 112012026386136-pat00008
,
Figure 112012026386136-pat00009
로 추론되며, 상기
Figure 112012026386136-pat00010
는 3상의 변압기 2차 전압에 대한 추정값이고, l,m,n은 각각 a,b,c상에 속하는 수용가의 총 개수인 것이 바람직하다.
또한 본 발명에 따르면, 저압수용가에 대한 3상 평형불평형도 값은
Figure 112012026386136-pat00011
,
Figure 112012026386136-pat00012
로 추정되는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에 따르면, 전류값의 합은
Figure 112012026386136-pat00013
에 의해 구해지는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에 따르면, 권선의 과열점 온도값 계산식은
Figure 112012026386136-pat00014
,
Figure 112012026386136-pat00015
이며, 부하율인 LR에 상기 단계(S60)의 전류값을 대입하는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에 따르면, 상기 단계(S80)의 배전용 변압기의 수명 추론식은
Figure 112012026386136-pat00016
인 것이 바람직하다.
상기의 과제 해결 수단에 의한 본 발명의 저압수용가 전력정보를 이용한 배전용 변압기 관리 방법은, 원격검침인프라의 시스템 정보를 활용하여 추가 비용 없이 주요배전설비인 변압기의 수명관리와 배전계통성능지표인 3상 전압평형도 정보를 유추함으로써 수용가/전력설비의 전력품질관리와 변압기 관리에 도움을 줄 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 저압수용가 전력정보를 이용한 배전용 변압기 관리 방법의 전체 순서도.
이하, 본 발명의 저압수용가 전력정보를 이용한 배전용 변압기 관리 방법의 실시예를 첨부되는 도면을 통해 보다 상세히 설명하도록 한다.
본 발명에서 AMI 시스템은 변압기를 중심으로 별도의 AMI 전용의 정보수집장치가 설치되어 있으며, 상기 정보수집장치가 배선용 변압기 2차 측의 모든 수용가의 계량기(AMI지원)들과 통신하여 수용가의 전력 사용 정보를 수집하고, 수집된 데이터를 정보수집장치의 원격 통신 기능을 통해서 전력회사에 전송하는 구조를 갖는다.
<저압 수용가 배전 선로의 3상 불평형도 추론 계산 방법>
3상전압 불평형(VUF)을 구하는 식은 다음과 같다.
Figure 112012026386136-pat00017
식(3)
여기서,
Figure 112012026386136-pat00018
Va, Vb, Vc는 변압기 2차 측에 걸리는 상전압인데, 이를 구하기 위해서는 전술한 바와 같이 2차 측에 전력측정장치를 설치하여 전력측정장치의 측정을 통해 구할 수 있다.
본 발명에서는 이와 같은 부가적인 장치를 사용하지 않고 저압 수용가에 설치된 정보수집장치에서 얻어지는 수용가 전력 정보를 활용해서 이 값들을 추론하여 사용하고자 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 저압수용가 전력정보를 이용한 배전용 변압기 관리 방법의 전체 순서도를 도시하고 있다.
여기서 AMI시스템의 구성을 보면 변압기에 각 수용가의 전력정보를 수집하는 정보수집장치가 있어서 상기 정보수집장치가 일정 시간을 주기로 하여 수용가의 계량기로부터 전력 사용 정보를 수집하는 구조를 갖는다.
AMI기반의 수용가의 전력량계에서는 수용가의 전압(V), 전류(I), 유효전력(W), 무효전력(Var) 및 전력사용량(Wh) 정보를 수집할 수 있는데 저압 수용가 전력량계의 경우 통상 단상의 전력량계를 사용하고 있으므로 자신에게 공급되는 전력이 어느 상의 전력인지에 대해서는 인지할 수가 없다.
따라서, 전압 불평형도를 추론하기 위해서는 우선 각각의 수용가 전력 정보를 상(phase)별로 구분하는 작업이 필요하다.
수용가의 계량기에서 측정되는 전압과 전류값은 수용가별로 차이를 갖고 있으므로 이 값들로는 상 분류가 어렵다.
반면에 전압과 전류간의 위상차의 경우 상별로 같은 값을 갖고 있으므로 이 위상 정보를 이용하여 상 분류가 가능한데, 기존 기계식 계량기의 경우 상 정보를 획득하는 것이 불가능하나 AMI를 위한 전자식 계량기의 경우 유효 전력과 무효 전력값을 통해서 위상 정보를 계산하는 것이 가능하다. 즉 위상(f)은 다음과 같이 계산될 수 있다.
Figure 112012026386136-pat00019
식(4)
여기서,
W는 유효전력, Var는 무효전력값
위상값은 모든 수용가에서 동일 시간에 측정한 값을 기준으로 측정 오차가 없다고 가정하면 정확한 값을 구할 수 있겠으나, 서로 독립적인 다수의 계량기들간의 측정 시간을 동기화하는 데에 현실적 어려움이 있고 측정 센서의 오차 등을 감안하면 각 수용가의 위상값을 계산하는 데에 일련의 절차가 필요하다. 계량기의 유효전력값과 무효전력값 또한 특정 시각에서의 값이 아니라 일정 시간 동안의 평균값의 개념을 갖고 있으므로 위상 정보는 일정 시간동안의 위상값에 대한 평균치로 표현될 수 있다.
서로 다른 상의 위상 정보가 우연히 근접하는 경우도 있을 수 있으므로 수용가의 전력 소비 패턴을 고려하여 다수의 위상값을 사용하여 상 분류 작업을 수행하여야 한다.
위상 분류 절차는 다음과 같다. (변압기 2차측이하 수용가 전체갯수 = K)
(ㄱ) 일정시간
Figure 112012026386136-pat00020
간격으로 각 수용가의 위상값의 평균값을 구한다.
i. 15분 간격으로 8번 수행하여 2시간 평균 위상값을 구한다.( i=1,..K )
(ㄴ) 수용가들의 상 분류 작업을 위해 다음과 같이 K-평균 알고리듬을 사용한다.
Figure 112012026386136-pat00021
- 식(5)
여기서,
Figure 112012026386136-pat00022
는 초기에는 임의의 평균 위상값으로 정하여, 위의 식(5)의
Figure 112012026386136-pat00023
을 최소화하는 집합군을 구하면 이 집합군이 동상의 수용가 집합군으로 할당된다.
3상의 수용가 집합군을 분류하는 작업이므로 초기에는 임의로 전체 수용가를 3개의 집합군으로 분류하여 상기 식(5)에 최소화 연산 작업을 반복하여 수렴 과정을 거치면 집합군을 바꾸지 않아도 되는 조합(동상 조합)이 나오게 된다.
(ㄷ) 변압기 2차측의 수용가는 그 구성이 자주 변하지 않으므로, 상기 과정은 오전, 오후, 저녁, 심야시간대로 구분하여 하루에 4회 수행하도록 한다.
(ㄹ) 시간대를 변화해서 상기 과정을 반복 수행하는 이유는 위 식(5)가 전역에 걸쳐서 최적값을 보장해주지 않기 때문이다. 이를 방지하기 위해서 수용가의 전력 패턴이 변화되는 오전, 오후, 저녁, 심야 시간대에 걸쳐서 시간 간격을 두고서 상기 과정을 반복하여 최적값을 찾기 위함이다.
수용가에 대한 상 분류 작업이 완료되면 3상 전압 불평형도를 추론하기 위해서 변압기 2차단의 상전압을 추론하도록 한다.
변압기 2차단의 상전압은 변압기에서 측정하는 것이 가장 정확하나, 수용가 전력 정보를 통해서는 변압기 2차단의 상전압에 근접하는 전압값을 사용할 수 밖에 없는데, 상 분류 작업에 따라 3상으로 분류된 수용가들의 전압정보를 통해서 변압기 2차측의 전압을 다음과 같이 추론한다.
Figure 112012026386136-pat00024
Figure 112012026386136-pat00025
Figure 112012026386136-pat00026
- 식(6)
여기서
Figure 112012026386136-pat00027
는 3상의 변압기 2차 전압에 대한 추정값이고, l,m,n은 각각 a,b,c상에 속하는 수용가의 총 개수를 의미한다.
실제 Va,Vb,Vc와
Figure 112012026386136-pat00028
추정값간에는 변압기 2차측에서 추정값에 해당하는 수용가간에 위치한 인입선로가 있고 인입선로임피던스에 의한 전압 강하가 있으므로 이 전압강하 부분을 보상하면 보다 정확한 변압기 2차측 전압값을 구할 수 있으나, 인입선로의 길이에 대한 정보를 얻기가 어려우며,
Figure 112012026386136-pat00029
에 해당되는 인입선로는 수 meter정도로 비교적 짧은 거리이므로 이 부분은 무시하였다.
추정전압은 대부분 변압기에서 가장 근거리에 있는 수용가의 전압이 될 것이므로 이러한 오차 값은 크게 영향을 주지 않을 것이며, 또한 불평형도 VUF는 전압간의 비율에 의한 값이므로 비율값으로 상쇄되는 효과도 있을 것이다.
상기 전압 추정값을 사용하여 저압수용가에 대한 3상 평형불평형도 VUF값을 다음과 같이 추정한다.
Figure 112012026386136-pat00030
Figure 112012026386136-pat00031
- 식(7)
<배전용 변압기의 수명 추론 방법>
상기와 같이 3상 수용가에 대한 분류 작업을 통하여 수용가 군을 분류하면 각 상에 흐르는 전류값의 합을 다음과 같이 구할 수 있다.
Figure 112012026386136-pat00032
- 식(8)
상기 전류값을 상기 식 2)의 부하율LR(
Figure 112012026386136-pat00033
,
Figure 112012026386136-pat00034
는 정격전류)에 적용하면 각 상별 변압기의 권선의 과열점 온도 값(T)을 구할 수 있으며, 이를 식1)에 적용하면 변압기의 수명 예측값(L)을 추정할 수 있다.

Claims (8)

  1. AMI 시스템의 정보수집장치가 일정 시간을 주기로 수용가의 전력량계에서 수용가의 전압(V), 전류(I), 유효전력(W), 무효전력(Var) 및 전력사용량(Wh) 정보를 수집하는 단계(S10)와;
    각 수용가 전력 정보를 상(phase)별로 구분하도록, 유효 전력과 무효 전력값을 통해 각 상별 위상값을 계산하는 단계(S20)와;
    상기 단계(S20)에서 생성되는 복수의 각 위상값을 사용하여 상별로 분류하는 단계(S30)와;
    상 분류된 수용가들의 전압정보를 통해서 변압기 2차 측의 전압 추정값을 추론하는 단계(S40)와;
    상기 단계(S40)에서 추론된 전압 추정값을 사용하여 저압수용가에 대한 3상 평형불평형도 값을 추정하는 단계(S50)와;
    분류된 각 상에 흐르는 전류값의 합을 구하는 단계(S60)와;
    상기 단계(S60)의 전류값을 부하율로 대입하여 권선의 과열점 온도값을 구하는 단계(S70)와;
    상기 단계(S70)의 상기 과열점 온도값을 배전용 변압기의 수명 추론식에 대입하여 변압기의 수명 예측값을 추론하는 단계(S80)를 포함하는 것을 특징으로 하는 저압수용가 전력정보를 이용한 배전용 변압기 관리 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 단계(S20)의 위상 값을 계산하는 방법은
    Figure 112012026386136-pat00035
    이며, 여기서 W는 유효전력, Var는 무효전력값인 것을 특징으로 하는 저압수용가 전력정보를 이용한 배전용 변압기 관리 방법.

  3. 제 1항에 있어서,
    상기 단계(S30)는,
    변압기 2차 측 이하 수용가 전체 갯수 = K 인 경우
    일정시간
    Figure 112012026386136-pat00036
    간격으로 각 수용가의 위상값의 평균값을 계산하는 단계(S31)와;
    K-평균 알고리듬
    Figure 112012026386136-pat00037
    을 사용하여 수용가들을 상 분류하는 단계(S32)를 포함하는 것을 특징으로 하는 저압수용가 전력정보를 이용한 배전용 변압기 관리 방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 단계(S40)의 변압기 2차측의 전압은
    Figure 112012026386136-pat00038

    Figure 112012026386136-pat00039

    Figure 112012026386136-pat00040
    로 추론되며, 상기
    Figure 112012026386136-pat00041
    는 3상의 변압기 2차 전압에 대한 추정값이고, l,m,n은 각각 a,b,c상에 속하는 수용가의 총 개수인 것을 특징으로 하는 저압수용가 전력정보를 이용한 배전용 변압기 관리 방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 단계(S50)에서 저압수용가에 대한 3상 평형불평형도 값은
    Figure 112012026386136-pat00042

    Figure 112012026386136-pat00043
    로 추정되는 것을 특징으로 하는 저압수용가 전력정보를 이용한 배전용 변압기 관리 방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 단계(S60)의 전류값의 합은
    Figure 112012026386136-pat00044
    에 의해 구해지는 것을 특징으로 하는 저압수용가 전력정보를 이용한 배전용 변압기 관리 방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 단계(S70)의 권선의 과열점 온도값 계산식은
    Figure 112012026386136-pat00045

    Figure 112012026386136-pat00046
    여기서,
    dTcu : 도체 온도 상승 dTcur:정격시 도체 온도상승
    LR: 부하율 Wcu: 동손
    dToil:절연유 상부 온도 상승 dToilr:정격시 절연유상부 온도상승
    Wcon:무부하손실 Wloss:전손실
    Ths:과열점온도 Tamb:대기온도
    T:도체에 대한 과열점 온도 상승이며, 부하율인 LR에 상기 단계(S60)의 전류값을 대입하는 것을 특징으로 하는 저압수용가 전력정보를 이용한 배전용 변압기 관리 방법.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 단계(S80)의 배전용 변압기의 수명 추론식은
    Figure 112012026386136-pat00047
    여기서,
    L : 변압기의 수명(시간)
    A,B: 절연지실험에서의 얻어지는 상수
    T:변압기 권선의 과열점(hot-spot) 온도(K)
    인 것을 특징으로 하는 저압수용가 전력정보를 이용한 배전용 변압기 관리 방법.




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