KR101386015B1 - 발전기 부하각 측정을 포함하는 발전기 외란 페이져 기록 방법 및 장치 - Google Patents

발전기 부하각 측정을 포함하는 발전기 외란 페이져 기록 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 계통주파수가 60 Hz에서 벗어나는 경우에도 전압/전류 위상과 크기의 정확도를 향상시키며 발전기 내부 부하각도 측정할 수 있도록 함으로써, 계통보호, 정확한 계통감시 제어 및 외란 기록 등을 할 수 있도록 하여 대형 정전사고 방지와 전력계통 신뢰도를 증가시킬 수 있는, 위상측정장치(PMU)를 위한 발전기 외란 페이져 기록 방법 및 장치에 관한 것이다.

Description

발전기 부하각 측정을 포함하는 발전기 외란 페이져 기록 방법 및 장치{A Method and Apparatus for the Generator Disturbance Phasor Recorder Including the Measurement of Generator Load Angle}
본 발명은 발전기 외란 페이져 기록 방법 및 장치에 관한 것으로서, 특히, 계통주파수가 60 Hz에서 벗어나는 경우에도 전압/전류 위상과 크기의 정확도를 향상시키며 발전기 내부 부하각도 측정할 수 있도록 함으로써, 계통보호, 정확한 계통감시 제어 및 외란 기록 등을 할 수 있도록 하여 대형 정전사고 방지와 전력계통 신뢰도를 증가시킬 수 있는, 위상측정장치(PMU)를 위한 발전기 외란 페이져 기록 방법 및 장치에 관한 것이다.
전력계통에서 위상측정장치(PMU)는 중요 지점에 설치하여 발전기 동기탈조, 전압안정도, 미소신호안정도 등을 감시할 수 있다. PMU에서 측정된 데이터는 계통운영, 계통제어, 그리고 계통외란 분석 등에 사용된다. 기존 PMU는 DFT(Discrete Fourier Transform) 알고리즘을 사용하여 페이져(Phasor)를 계산하는데, 아날로그 신호를 디지털 신호로 고정된 시간으로 샘플링한 데이터를 이용한다. 고정된 시간으로 샘플링한 데이터는 정상상태에서는 DFT 알고리즘에서 정확한 전류와 전압 위상과 크기를 제공하지만 과도상태에서는 그 정확도가 떨어진다. 특히 계통주파수가 60 Hz에서 크게 벗어나면 기존 PMU 장치는 전압과 전류 위상과 크기 정확도가 더 떨어진다. 이러한 단점을 보완하기 위해서 최근 계통주파수를 추정해서 오차가 발생한 위상과 크기를 보상하는 방법이 제안되고 있다. 이 방법은 여전히 계통주파수를 추정하기 때문에 정확도가 크게 향상되지 않는다. 또 다른 방법도 계통주파수가 60 Hz를 벗어나는 경우 이것을 보상하기 위해서 복잡한 수식에 의해서 보상하지만 계통주파수가 60 Hz에서 크게 벗어나는 경우 정확도가 떨어진다. 기존 PMU는 기본적으로 발전기 내부 부하각을 측정할 수 없다.
관련문헌으로서, 하기의 4개의 문헌들을 밝혀 둔다.
[1] A.G.Phadke, J.S. Thorp,and M.G. Adamiak, “ A New Measurement Technique for Tracking Voltage Phasors, Local System Frequency, and Rate of Change of Frequency,” IEEE transactions on Power Apparatus and Systems, Vol. PAS-102, No. 5, May 1983.
[2] US Patent Number: 7,480,580. “Apparatus and Method for Estimating Synchronizer Phasors at predetermined times referenced to an absolute time standard in an electrical system”, SEL, Jan.20, 2009.
[3] US Patent Number: 7,444,248. “System and Method for Synchronized Phasor Measurement”, GE, Oct. 28, 2008.
[4] US Patent Number: 6,141,196. “Method and Apparatus for Compensation of Phasor Estimations”, GE, Oct. 31, 2000.
따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, 발전기 외란 페이져 기록장치(GDR)가 발전기 1상의 단자전압 주파수를 제로 크로싱(zero crossing)을 통해서 측정하고, 측정된 주파수를 기초로 다운 샘플링한 신호로부터 DFT 알고리즘을 이용해 정확한 전압/전류 위상과 크기를 측정할 수 있는, 위상측정장치(PMU)를 위한 발전기 외란 페이져 기록장치(GDR)를 제공하는 데 있다.
또한, GDR이 측정한 계통주파수를 이용하여 이 주파수로 고정된 주파수에서 측정된 ADC 디지털 데이터를 재샘플링하되, 측정된 샘플링 데이터는 9 kHz와 같은 계통주파수에 150배 높은 주파수로 샘플링 되는 데이터이며, 이때 정확한 계통주파수를 이용하여 예를 들면, 계통주파수에 24배, 즉, 1.44kHz의 다운샘플링으로 다운 샘플링함으로써, DFT 알고리즘을 이용한 정확한 전압/전류 위상과 크기를 측정할 수 있는, 위상측정장치(PMU)를 위한 발전기 외란 페이져 기록장치(GDR)를 제공하는 데 있다.
그리고, 발전기 기계적 속도는 화력기인 경우 보통 구형파 3.6 kHz 또는 4.8 kHz 가 많이 쓰이므로, 기계적 발전기 속도가 3.6 kHz가 측정되는 경우, 계통 기본 주파수가 60 Hz라면, 1 싸이클에 30개의 구형파(4.8kHz인 경우 80개)가 측정되고, 따라서 1개의 구형파가 입력될 때마다 12°(360/30)씩 증가하는 싸인파를 만들어서 ADC모듈에 60 Hz로 변환된 싸인파 신호를 입력함으로써, 기계적으로 측정되는 높은 발전기 속도를 기본 주파수로 변환하여 발전기 부하각을 측정할 수 있는, 위상측정장치(PMU)를 위한 발전기 외란 페이져 기록장치(GDR)를 제공하는 데 있다.
먼저, 본 발명의 특징을 요약하면, 본 발명의 일면에 따른, 발전기와 외부 전력시스템 사이에서 계통을 감시하기 위하여 발전기와 연관된 신호를 측정하고 기록하기 위한 발전기 외란 페이져 기록장치에 있어서, 상기 발전기의 속도 센서에서 측정된 축속도 신호로부터 주파수가 60 Hz에 비례하도록 변환된 싸인파 신호 형태의 부하각 신호(δ)를 생성하고, 상기 발전기의 변압기(PT) 2차측에서 측정되는 단자전압으로부터 계통 주파수(fsys)를 계산하는 부하각 측정 모듈; 상기 부하각 신호(δ)와 상기 단자전압을 포함한 상기 발전기에서 출력되는 각 아날로그 신호의 노이즈를 제거하는 신호조절부; 상기 신호조절부에서 출력되는 아날로그 신호에서 미리 정해진 샘플링 주파수(fsamp)로 샘플링하여 디지털 신호로 변환하는 ADC(Analog-Digital Converter); 상기 계통 주파수(fsys) 보다 크고 상기 샘플링 주파수(fsamp) 보다 작은 미리 정해진 다운 샘플링 주파수로 상기 디지털 신호를 다운 샘플링하는 재샘플링부; 및 상기 재샘플링부에서 다운 샘플링된 데이터에 대하여 DFT(Discrete Fourier Transform)을 수행하여 실수부 페이져 값(Xc)과 허수부 페이져 값(Xs)을 산출하는 DFT 연산부를 포함한다.
로컬 클락 또는 GPS(Global Positioning System) 수신기의 시각에 동기시켜, 상기 부하각 측정 모듈 및 상기 ADC가 동작하며, 상기 시각에 동기된 상기 부하각 신호(δ), 상기 계통 주파수(fsys), 상기 ADC의 출력, 상기 재샘플링부의 출력, 또는 상기 DFT 연산부의 출력이 저장 수단에 저장될 수 있다.
또한, 상기 부하각 측정 모듈은 상기 부하각 신호(δ)로부터 해당 상기 발전기의 회전자의 주파수(ωi)와 가속도(ai)를 계산하여 저장 수단에 저장할 수 있다. 상기 신호조절부는 상기 부하각 신호(δ)와 상기 발전기의 변압기(PT) 2차측에서 측정되는 단자전압 이외에도, 상기 발전기의 변류기(CT: current transformer)의 출력 신호, 상기 발전기의 계자전류, 또는 상기 발전기의 계자전압의 신호에 대한 노이즈를 제거한 아날로그 신호를 출력할 수 있다. 또한, 상기 발전기의 실효치 유효전력, 상기 발전기의 실효치 무효전력이 측정되어 상기 저장 수단에 더 저장될 수 있다.
상기 신호조절부는 버터워스(butterworth) 필터를 이용할 수 있다.
상기 재샘플링부는, 라그랑제(Lagrange) 1차 또는 2차 보간법으로 상기 디지털 신호를 다운 샘플링할 수 있다.
상기 발전기 외란 페이져 기록장치는, 상기 저장 수단에 저장된 값들을 인터넷 상의 상위 감시시스템에 전송하기 인터넷 데이터 전송부를 더 포함할 수 있다.
상기 재샘플링부는, 상기 샘플링 주파수(fsamp) 이내에서 상기 계통 주파수(fsys)의 M배(M은 자연수)의 다운 샘플링 주파수로 상기 디지털 신호를 다운 샘플링함으로써, 과도상태에서도 상기 발전기와 연관된 신호를 측정하여 신뢰도 있는 상기 발전기와 관련된 계통 운영 및 계통제어를 수행할 수 있도록 한다.
상기 발전기 외란 페이져 기록장치는, 상기 부하각 측정 모듈을 갖는 발전기 보호 장치나 고장파급방지시스템(Special Protection System(SPS))에 적용할 수 있다.
본 발명에 따른 위상측정장치(PMU)를 위한 발전기 외란 페이져 기록장치(GDR)를 통하여 계통주파수가 60 Hz에서 1 Hz 이상 변동하더라도 측정하고자 하는 전압/전류의 페이져 값을 정확하게 계산할 수 있다.
또한, 신뢰도 있는 계통 운영 및 계통제어를 위해서는 PMU 장치는 정상상태뿐만 아니라 과도상태에서도 정확한 전압/전류 페이져 데이터를 제공해야 하므로, 본 발명의GDR은 정확한 발전기 상태를 감시할 수 있어 계통보호, 계통감시 및 계통제어의 신뢰성을 증진시킬 수 있다.
그리고, 정확한 발전설비 수치모델 파라메터를 도출하기 위해서는 계통주파수 편차에 영향을 받지 않고 정확하게 계산된 페이져 데이터와 발전기 부하각 데이터가 필요하므로, 본 발명의GDR을 통해 계통 주파수 변동에 상관없이 정확한 페이져 데이터를 계산할 수 있기 때문에 정확한 발전설비 수치모델의 파라메터를 도출할 수 있고, 정확한 발전설비 수치모델은 정전사고 방지 및 계통안정도를 향상시킬 수 있다.
본 발명의GDR은 해상도 높은 정확한 발전기 부하각, 축속도, 축가속도 신호를 발전기 유효전력, 무효전력, 단자전압 신호와 같이 동시에 측정할 수 있으므로, 따라서 기존 발전기 동기탈조 보호장치보다 정확한 발전기 가속도와 상태를 감시할 수 있기 때문에 발전기 고장파급방지시스템(Special Protection System(SPS))로 사용 가능하다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 위상측정장치(PMU)를 위한 발전기 외란 페이져 기록장치(GDR)를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 도 1의 재샘플링부에서의 다운 샘플링 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 전력 시스템과 도 1의 발전기 외란 페이져 기록장치(GDR)의 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 발전기 주파수 변동시 기존 위상측정장치(PMU)에서의 주파수와 단자 전압 측정 결과를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 원자력 발전기 주파수 변동시 본 발명의 발전기 외란 페이져 기록장치(GDR)의 주파수와 단자 전압 측정 결과를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 화력기의 발전기 주파수 변동시 본 발명의 발전기 외란 페이져 기록장치(GDR)의 주파수, 단자 전압, 부하각 측정 결과를 설명하기 위한 도면이다.
이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전력계통의 위상측정장치(PMU)를 위한 발전기 외란 페이져 기록장치(GDR)를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 발전기 외란 페이져 기록장치(GDR, Generator Disturbance Phasor Recorder)(100)는, 신호조절부(10), 부하각(Load Angle) 측정 모듈(20), ADC(Analog-Digital Converter)(30), 로컬 클락(40), GPS(Global Positioning System) 수신기(50), 재샘플링부(60), DFT(Discrete Fourier Transform) 연산부(70), 데이터 저장부(80), 및 인터넷 데이터 전송부(90)를 포함한다.
먼저, GPS(Global Positioning System) 수신기(50)는 위성으로부터의 신호에 따른 시각으로 로컬 클락(40)을 동기화 시키며, 로컬 클락(40)의 시간에 따라 부하각(Load Angle) 측정 모듈(20), ADC(Analog-Digital Converter)(30), 데이터 저장부(80) 등 전체적으로 시스템의 동기화가 이루어지고, 각각의 측정, 변환, 저장 등에 있어서 시간 태깅(Time Tagging)의 기초가 된다. 로컬 클락(40)은 GPS 수신기(50)로부터 현재 시각을 받지 못하는 경우에 자체 로컬 시간을 제공할 수 있으며, 위와 같은 측정, 변환, 저장 등에 있어서 시간 태깅(Time Tagging)의 기초가 되도록 할 수 있다.
신호조절부(10)는 입력 신호로서 발전기의 변류기(CT: current transformer)의 출력 신호, 발전기의 변압기(PT: potential transformer)의 출력 신호(예, 2차측에서 측정되는 단자전압), 발전기 계자전류와 계자전압 등 직류신호(DC), 부하각 모듈(20)에서 출력되는 계통주파수 60Hz에 비례하는 부하각 신호(δ) 등을 받으며, 이와 같은 각각의 아날로그 신호에 포함된 고조파나 노이즈를 제거하여 출력한다. 신호조절부(10)는 버터워스(butterworth) 필터와 같은 필터가 사용될 수 있다.
ADC(Analog-Digital Converter)(30)는 신호조절부(10)에서 출력되는 고조파나 노이즈가 제거된 아날로그 신호(예, PT/CT출력 신호, 부하각 신호 등)를, 로컬 클락(40)의 시간에 동기되어 고정된 샘플링 주파수(fsamp)(예, 약 9.0 kHz 이상)로 샘플링하여 디지털 신호로 변환한다. ADC(30)의 출력 또한 로컬 클락(40) 또는 GPS 수신기(50)의 시각에 동기되어 데이터 저장부(80)에 저장될 수 있다.
부하각(Load Angle) 측정 모듈(20)은 발전기 속도 센서(Teeth Sensor)에서 측정된 3.6 kHz이상의 축속도 신호와 발전기의 변압기(PT: potential transformer)의 출력 신호(예, 2차측에서 측정되는 단자전압)을 입력 받으며, 로컬 클락(40)의 시간에 동기되어, 부하각(Load Angle) 신호(δ)를 생성하고, 발전기 변압기(PT) 단자전압의 계통 주파수(fsys)(예, 기본 계통 주파수 60 Hz 위아래로 변동함)를 계산한다.
즉, 부하각 측정 모듈(20)은 발전기 속도 센서(Teeth Sensor)에서 측정된 3.6 kHz이상의 축속도 신호로부터, 계통주파수 60 Hz에 비례하는 주파수를 갖는 싸인(sine)파 신호 형태의 부하각 신호(δ)를 생성한다. 부하각 신호(δ)는 신호조절부(10)로 출력될 수 있으며, 로컬 클락(40) 또는 GPS 수신기(50)의 시각에 동기되어 데이터 저장부(80)에 기록될 수 있다. 부하각 신호(δ)의 파형은 [수학식1]과 같다. [수학식1]에서, fshaft는 발전기 속도 센서(Teeth Sensor)의 축속도 신호로부터 측정되는 구형파 축속도 주파수, ni는 일정 시간 동안의 입력되는 축속도 신호(펄스) 개수로서 1,2,3,..,M(M은 자연수).
[수학식1]
Figure 112012092866211-pat00001
발전기 기계적 속도는 화력기인 경우 보통 구형파 3.6 kHz 또는 4.8 kHz 가 많이 쓰이므로, 예를 들어, 발전기 속도 센서(Teeth Sensor)의 축속도 신호가 3.6 kHz로 측정되는 경우, 발전기 계통의 기본 주파수가 60 Hz라면, 1 싸이클에 30개의 구형파(4.8kHz인 경우 80개)가 측정되고, 따라서 1개의 구형파 펄스가 입력될 때마다 12°(360/30)씩 증가하는 싸인파([수학식1] 참조)를 만들어서 신호조절부(10)로 입력하여 ADC(30)에 60 Hz에 비례하도록 변환된 싸인파 신호 형태의 부하각 신호(δ)가 입력되도록 함으로써, 기계적으로 측정되는 높은 발전기 속도를 기본 주파수로 변환하여 발전기 부하각을 측정할 수 있게 된다.
또한, 부하각 측정 모듈(20)은 발전기의 변압기(PT: potential transformer)의 출력 신호(예, 2차측에서 측정되는 단자전압)로부터, 제로 크로싱(zero crossing)을 통해서 변압기(PT) 단자전압의 계통 주파수(fsys)를 계산하여 재샘플링부(60)로 제공한다. 계통 주파수(fsys)는 로컬 클락(40) 또는 GPS 수신기(50)의 시각에 동기되어 데이터 저장부(80)에 기록될 수 있다.
그리고, 부하각 측정 모듈(20)은 위와 같이 생성한 부하각 신호(δ)로부터 해당 발전기 회전자의 주파수(ωi)와 가속도(αi)를 계산하여 계산된 데이터를 로컬 클락(40) 또는 GPS 수신기(50)의 시각에 동기시켜 데이터 저장부(80)에 저장할 수 있다. [수학식2], [수학식3]과 같이 발전기 축속도 신호의 구형파 주기 Δt 동안의, 부하각 신호(δ) 값의 차이(δi - δi-1)로부터 발전기 회전자(축)의 주파수(ωi)를 계산할 수 있으며, Δt 동안의 주파수의 차이(ωi - ωi-1)로부터 가속도(ai)를 계산할 수 있다. 구형파 주기 Δt 는 높은 주파수를 갖는 계수기(counter)를 이용하여 측정할 수 있다.
[수학식2]
Figure 112012092866211-pat00002
[수학식3]
Figure 112012092866211-pat00003
재샘플링부(60)는 샘플링 주파수(fsamp)(예, 약 9.0 kHz 이상)로 AD변환하는ADC(30)의 출력에 대하여, 라그랑제(Lagrange) 보간법을 이용하여, 계통 주파수(fsys) 보다 크고 샘플링 주파수(fsamp) 보다 작은 주파수(계통 주파수(fsys)의 M배(M은 자연수)로서, 예를 들어,24 배)(fdown _ samp)로 다운 샘플링한다.
도 2에, ADC(30)의 출력 데이터의 주기(1/fsamp)(130)와 재샘플링부(60)에서 다운샘플링되는 주기(예, 1/fdown _ samp=1/(24*fsys)) (140)를 나타내었다. 재샘플링부(60)는 ADC(30)의 출력 데이터들에 라그랑제(Lagrange) 1차/2차 보간법을 이용하여 다운 샘플링 주파수(fdown _ samp) 주기의 데이터(200, 210, 220, 230,...)를 산출할 수 있다. 재샘플링부(60)의 출력 또한 로컬 클락(40) 또는 GPS 수신기(50)의 시각에 동기되어 데이터 저장부(80)에 기록될 수 있다.
예를 들어, ADC(30)의 각 시간에 대한 출력 데이터값 3개를 (x1, y1), (x2,y2), (x3,y3)라 하고, 해당 다운 샘플링 주파수(fdown _ samp) 주기의 데이터값 (x,z)는 그 3개의 출력 데이터값 사이에 존재하며, 라그랑제(Lagrange) 2차 보간법에 따라 (x,z)는 [수학식4]와 같이 나타낼 수 있다. (x,z)는 보간될 시간x와 그 시간의 데이터 값 z이다. 이와 같이 다운 샘플링 주파수(fdown _ samp) 주기로 PT/CT 등 계통 전압값이나 전류값, 부하각 신호 등 보간된 데이터를 산출할 수 있다.
[수학식4]
Figure 112012092866211-pat00004
또한, ADC(30)의 샘플링 데이터가 많은 경우에는, 라그랑제(Lagrange) 1차 보간법에 따라 ADC(30)의 각 시간에 대한 출력 데이터값 2개를 (x1, y1), (x2,y2)를 이용하여, 그 사이에 존재하는 해당 다운 샘플링 주파수(fdown _ samp) 주기의 데이터값 (x,z)는 [수학식5]와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식5]
Figure 112012092866211-pat00005
DFT 연산부(70)는 재샘플링부(60)에서 다운 샘플링되는 데이터에 대하여 DFT(Discrete Fourier Transform) 알고리즘에 따라 아래 [수학식10]과 같이 실수부 페이져 값(Xc)과 허수부 페이져 값(Xs)을 산출하여 로컬 클락(40) 또는 GPS 수신기(50)의 시각에 동기시켜 데이터 저장부(80)에 저장한다. 이때, 해당 발전기의 실효치 유효전력(P), 발전기의 실효치 무효전력(Q) 등도 측정되어 해당 시각에 동기되어 데이터 저장부(80)에 저장될 수 있다.
PT/CT출력 신호, 부하각 신호 등의 아날로그 신호 x(t)는 [수학식6]과 같이 나타낼 수 있으며(진폭 X, ω =2πf, 위상 φ), 이의 페이져 표현은 [수학식7]과 같다. 또한, 이와 같은 아날로그 신호에 대한 샘플링된 디지털 데이터 xk는 [수학식8]과 같이 나타낼 수 있으며 [수학식8]에 대해 DFT(Discrete Fourier Transform)를 적용하면 [수학식9]와 같다(N은 다운 샘플링 개수). 이는 [수학식10]과 같이 페이져 표현으로 나타낼 수 있고, DFT 연산부(70)는 이와 같은 과정을 계산하여 다운 샘플링되는 데이터에 대하여 실수부 페이져 값(Xc)과 허수부 페이져 값(Xs)을 산출할 수 있다.
[수학식6]
Figure 112012092866211-pat00006
[수학식7]
Figure 112012092866211-pat00007
[수학식8]
Figure 112012092866211-pat00008
[수학식9]
Figure 112012092866211-pat00009
[수학식10]
Figure 112012092866211-pat00010
이와 같이 DFT 연산부(70)에서 계산되는 페이져값들과 데이터 저장부(80)에 저장된 값들은 인터넷 데이터 전송부(90)를 통하여, 인터넷 등 네트워크 상의 상위 감시시스템에 전송될 수 있다. 데이터 저장부(80)에 저장된 값들이 전송되어 상위 감시시스템의 디스플레이 수단에 표시되는 정보를 바탕으로, 운영자는 외란 기록 등을 파악하고 계통을 감시하며, 필요한 GDR(100) 등 관련 시스템에 대한 제어를 통하여 발전기 운영상의 문제가 없도록 유지 관리할 수 있다.
도 3은 전력 시스템(300)과 도 1의 발전기 외란 페이져 기록장치(GDR)(100)의 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 3과 같이, 본 발명의 GDR(100)을 발전기(280)와 전력시스템(300) 사이에 설치하고, 발전기(280)의 변류기(CT: current transformer)의 출력 신호(250), 발전기(280)의 변압기(PT: potential transformer)의 출력 신호(예, 2차측에서 측정되는 단자전압)(260), 발전기(280) 속도 센서(Teeth Sensor)에서 측정된 3.6 kHz이상의 축속도 신호(270)를 각각 측정하여, GDR(100)의 입력으로 할 수 있다.
이때, 일정 유효 전력(P)과 무효전력(Q)을 생성하는 발전기(280)의 출력 전력이 송전선로(290)(예, 3상 T/L(transmission line))를 통해 이종 전력시스템(300)으로 송전되는 구조에서, 갑자기 전력시스템(300)에서 차단기(310)를 개방하여 발전기(280) 출력 신호의 각 주파수가 상승하는 과도 상태를 가정하였다.
ADC(30)의 샘플링 속도는 계통주파수의 150 배인 9.0 kHz, 재샘플링부(60)에서의 재샘플링 속도는 계통주파수의 24배 (1.44 kHz)배로 하였고, 부하각 측정 모듈(20)은 부하각 신호(δ)를 생성하고, 계통 주파수(fsys)를 측정하며, 발전기(280) 회전자(축)의 주파수(ωi)/가속도(ai)를 측정하였다.
이때 도 4와 같이, 발전기 주파수 변동시 기존 위상측정장치(PMU)에서의 주파수와 단자 전압 측정 결과에서는, 1200 MVA 원자력 발전기에 출력을 200 MW에 두고 차단기를 개방했을 때 기존 PMU 알고리즘을 적용하여 측정한 발전기 단자전압 크기(320)과 계통주파수(310) 파형과 같이, 차단기가 개방 후 발전기 주파수는 상승하여 60.8 Hz까지 도달하며, 이때 측정된 단자전압은 계통주파수가 60Hz일 때는 정상적으로 측정되다가, 주파수가 60 Hz에 벗어남에 따라 진동함을 보여준다. 이것이 기존 PMU 알고리즘이 계통주파수가 60 Hz에 크게 벗어날 때 나타나는 현상을 보여준다. 도면 4에서는 단자전압의 크기만 보여주었지만 위상 값도 부정확하게 된다.
반면, 도 5와 같이, 발전기(280) 주파수 변동시 본 발명의 발전기 외란 페이져 기록장치(GDR)(100)의 주파수와 단자 전압 측정 결과에서는, 800 MVA 원자력 발전기(280)에 출력을 170 MW로 두고 차단기(310)를 개방했을 때, 측정된 계통 주파수(fsys)(340)가 61.1 Hz까지 상승하였다. 이와 같이 측정된 주파수는 도 4에서 보다 높게 상승하였지만, 도 4에서 관찰되는 전압진동은 도 5의 PT 단자전압(330)에서는 관찰되지 않음을 확인할 수 있다.
또한, 도 6과 같이, 발전기(280) 주파수 변동시 본 발명의 발전기 외란 페이져 기록장치(GDR)(100)를 612 MVA 대형 화력기에 적용하여 주파수, 단자 전압, 부하각 측정 결과에서도, 발전기 주차단기(310)를 개방했을 때 측정된 계통 주파수(fsys)(350)가 61.7 Hz까지 상승하였다. 이때 발전기 부하각(360)은 차단기 개방시 과도 특성을 거쳐 0.0 Degree로 수렴하는 특성을 보여준다. GDR(100)은 발전기 주파수가 61.7 Hz까지 상승하더라도 진동 없이 정확한 발전기 PT 단자전압의 RMS(root mean square) 전압치(370)를 계산할 수 있다.
이와 같은 본 발명의GDR(100)은 해상도 높은 정확한 발전기 부하각, 축속도, 축가속도 신호 등을 발전기 유효전력, 무효전력, 단자전압 신호와 같이 동시에 측정할 수 있으므로, 따라서 기존 발전기 동기탈조 보호장치보다 정확한 발전기 가속도와 상태를 감시할 수 있기 때문에 부하각(Load Angle) 측정 모듈(20)을 갖는 발전기 보호 장치나 발전기 고장파급방지시스템(Special Protection System(SPS))에 적용이 가능하다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
발전기 외란 페이져 기록장치(GDR, Generator Disturbance Phasor Recorder)(100)
신호조절부(10)
부하각(Load Angle) 측정 모듈(20)
ADC(Analog-Digital Converter)(30),
로컬 클락(40)
GPS(Global Positioning System) 수신기(50)
재샘플링부(60)
DFT(Discrete Fourier Transform) 연산부(70)
데이터 저장부(80)
인터넷 데이터 전송부(90)

Claims (10)

  1. 발전기와 외부 전력시스템 사이에서 계통을 감시하기 위하여 발전기와 연관된 신호를 측정하고 기록하기 위한 발전기 외란 페이져 기록장치에 있어서,
    상기 발전기의 속도 센서에서 측정된 축속도 신호로부터 주파수가 60 Hz에 비례하도록 변환된 싸인파 신호 형태의 부하각 신호(δ)를 생성하고, 상기 발전기의 변압기(PT) 2차측에서 측정되는 단자전압으로부터 계통 주파수(fsys)를 계산하는 부하각 측정 모듈;
    상기 부하각 신호(δ)와 상기 단자전압을 포함한 상기 발전기에서 출력되는 각 아날로그 신호의 노이즈를 제거하는 신호조절부;
    상기 신호조절부에서 출력되는 아날로그 신호에서 미리 정해진 샘플링 주파수(fsamp)로 샘플링하여 디지털 신호로 변환하는 ADC(Analog-Digital Converter);
    상기 계통 주파수(fsys) 보다 크고 상기 샘플링 주파수(fsamp) 보다 작은 미리 정해진 다운 샘플링 주파수로 상기 디지털 신호를 다운 샘플링하는 재샘플링부; 및
    상기 재샘플링부에서 다운 샘플링된 데이터에 대하여 DFT(Discrete Fourier Transform)을 수행하여 실수부 페이져 값(Xc)과 허수부 페이져 값(Xs)을 산출하는 DFT 연산부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 발전기 외란 페이져 기록장치.
  2. 제1항에 있어서,
    로컬 클락 또는 GPS(Global Positioning System) 수신기의 시각에 동기시켜, 상기 부하각 측정 모듈 및 상기 ADC가 동작하며, 상기 시각에 동기된 상기 부하각 신호(δ), 상기 계통 주파수(fsys), 상기 ADC의 출력, 상기 재샘플링부의 출력, 또는 상기 DFT 연산부의 출력이 저장 수단에 저장되는 것을 특징으로 하는 발전기 외란 페이져 기록장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 부하각 측정 모듈은 상기 부하각 신호(δ)로부터 해당 상기 발전기의 회전자의 주파수(ωi)와 가속도(ai)를 계산하여 저장 수단에 저장하는 것을 특징으로 하는 발전기 외란 페이져 기록장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 신호조절부는 상기 부하각 신호(δ)와 상기 발전기의 변압기(PT) 2차측에서 측정되는 단자전압 이외에도, 상기 발전기의 변류기(CT: current transformer)의 출력 신호, 상기 발전기의 계자전류, 또는 상기 발전기의 계자전압의 신호에 대한 노이즈를 제거한 아날로그 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 발전기 외란 페이져 기록장치.
  5. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 발전기의 실효치 유효전력, 상기 발전기의 실효치 무효전력이 측정되어 상기 저장 수단에 더 저장되는 것을 특징으로 하는 발전기 외란 페이져 기록장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 신호조절부는 버터워스(butterworth) 필터를 이용하는 것을 특징으로 하는 발전기 외란 페이져 기록장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 재샘플링부는, 라그랑제(Lagrange) 1차 또는 2차 보간법으로 상기 디지털 신호를 다운 샘플링하는 것을 특징으로 하는 발전기 외란 페이져 기록장치.
  8. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 저장 수단에 저장된 값들을 인터넷 상의 상위 감시시스템에 전송하기 인터넷 데이터 전송부
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발전기 외란 페이져 기록장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 재샘플링부는, 상기 샘플링 주파수(fsamp) 이내에서 상기 계통 주파수(fsys)의 M배(M은 자연수)의 다운 샘플링 주파수로 상기 디지털 신호를 다운 샘플링함으로써, 과도상태에서도 상기 발전기와 연관된 신호를 측정하여 신뢰도 있는 상기 발전기와 관련된 계통 운영 및 계통제어를 수행하기 위한 것을 특징으로 하는 발전기 외란 페이져 기록장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 부하각 측정 모듈을 갖는 발전기 보호 장치나 고장파급방지시스템(Special Protection System(SPS))에 적용을 위한 것을 특징으로 하는 발전기 외란 페이져 기록장치.
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