KR101400009B1 - 스마트그리드 교육용 실습장치 - Google Patents

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Abstract

스마트그리드의 전력기술 학습을 위한 실습장치에 관한 것으로서, 특히, 마이크로그리드 모듈에서 발생하는 전력과 축소모의전력계통 모듈 간의 전력공급과 소비현황을 모니터링할 수 있으며, 전력계통연계 모듈의 운용에 따른 상호작용 및 고장영향에 대한 해석제어가 가능한, 스마트그리드 교육용 실습장치를 제공하는 것을 기술적 과제로 한다. 이를 위해 본 발명에 따른 스마트그리드 교육용 실습장치는, 자연조건과 부하조건에 따르는 전력의 수급과 에너지저장기능을 구비한 마이크로그리드 모듈; 저압전원에서 대전력교류계통과 동일한 효과를 낼 수 있도록 축소 제작된 축소모의전력계통 모듈; 상기 마이크로그리드 모듈의 전력과, 상기 축소모의전력계통 모듈의 전력을, 교류 및 직류에 의해 동기연계하여 전력을 송수전하는 전력계통연계 모듈; 및 상기 각 모듈에서의 운전상태를 원방감시제어하고 해석하는 SCADA-EMS 모듈을 포함한다.

Description

스마트그리드 교육용 실습장치{TRAINING APPARATUS FOR A SMART GRID EDUCATION}
본 발명은 스마트그리드의 전력기술 학습을 위한 실습장치에 관한 것으로서, 특히, 피교육자에 제공되는 실습지시서에 의해 스마트그리드의 설계, 운전, 평가, 해석을 위한 실습교육환경을 제공하기 위한, 스마트그리드 교육용 실습장치에 관한 것이다.
일반적인 신재생에너지 실습장치는, 단일 또는 몇 가지의 신재생전원과 풍력이 있는 경우, 풍동장치를 구비하여 자연에너지에 의한 그린전력의 발생을 실습할 수 있도록 하는 장치이다.
그러나, 종래의 신재생에너지 실습장치들은, 전력계통의 해석이 뒷받침되지 못하기 때문에, 단순히 에너지발생량의 모니터링 기능만을 제공하고 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 마이크로그리드 모듈에서 발생하는 전력과 축소모의전력계통 모듈 간의 전력공급과 소비현황을 모니터링할 수 있으며, 전력계통연계 모듈의 운용에 따른 상호작용 및 고장영향에 대한 해석제어가 가능한, 스마트그리드 교육용 실습장치를 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 스마트그리드 교육용 실습장치는, 자연조건과 부하조건에 따르는 전력의 수급과 에너지저장기능을 구비한 마이크로그리드 모듈; 저압전원에서 대전력교류계통과 동일한 효과를 낼 수 있도록 축소 제작된 축소모의전력계통 모듈; 상기 마이크로그리드 모듈의 전력과, 상기 축소모의전력계통 모듈의 전력을, 교류 및 직류에 의해 동기연계하여 전력을 송수전하는 전력계통연계 모듈; 및 상기 각 모듈에서의 운전상태를 원방감시제어하고 해석하는 SCADA-EMS 모듈을 포함한다.
본 발명은 마이크로그리드모듈에서 발생하는 전력과 축소모의전력계통간의 연계제어에 의해 전력공급과 소비현황을 모니터링할 수 있으며, 상호작용 및 고장영향에 대한 해석제어가 가능하도록 한다.
도 1은 본 발명에 따른 스마트그리드 교육용 실습장치의 구성을 나타낸 예시도.
도 2는 본 발명에 따른 스마트그리드 교육용 실습장치의 실제 운영상태를 나타낸 예시도.
도 3은 본 발명에 따른 스마트그리드 교육용 실습장치에 적용되는 마이크로그리드 모듈의 구성 및 기능을 나타낸 예시도.
도 4는 본 발명에 따른 스마트그리드 교육용 실습장치에 적용되는 마이크로그리드 모듈의 계통도를 나타낸 예시도.
도 5는 본 발명에 따른 스마트그리드 교육용 실습장치에 적용되는 마이크로그리드 모듈의 외관을 나타낸 예시도.
도 6은 본 발명에 따른 스마트그리드 교육용 실습장치에 적용되는 축소모의전력계통 모듈의 구성 및 기능을 나타낸 예시도.
도 7은 본 발명에 따른 스마트그리드 교육용 실습장치에 적용되는축소모의전력계통 모듈의 계통도를 나타낸 예시도.
도 8은 본 발명에 따른 스마트그리드 교육용 실습장치에 적용되는 축소모의전력계통 모듈의 외관을 나타낸 예시도.
도 9는 본 발명에 따른 스마트그리드 교육용 실습장치에 적용되는 전력계통연계 모듈의 구성 및 기능을 나타낸 예시도.
도 10은 본 발명에 따른 스마트그리드 교육용 실습장치에 적용되는 SCADA-EMS 모듈의 구성 및 신호처리 흐름과 기능을 나타낸 예시도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 대해 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 스마트그리드 교육용 실습장치의 구성을 나타낸 예시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 스마트그리드 교육용 실습장치의 실제 운영상태를 나타낸 예시도이고, 도 3은 본 발명에 따른 스마트그리드 교육용 실습장치에 적용되는 마이크로그리드 모듈의 구성 및 기능을 나타낸 예시도이고, 도 4는 본 발명에 따른 스마트그리드 교육용 실습장치에 적용되는 마이크로그리드 모듈의 계통도를 나타낸 것이고, 도 5는 본 발명에 따른 스마트그리드 교육용 실습장치에 적용되는 마이크로그리드 모듈의 외관을 나타낸 예시도이고, 도 6은 본 발명에 따른 스마트그리드 교육용 실습장치에 적용되는 축소모의전력계통 모듈의 구성 및 기능을 나타낸 예시도이고, 도 7은 본 발명에 따른 스마트그리드 교육용 실습장치에 적용되는축소모의전력계통 모듈의 계통도를 나타낸 것이고, 도 8은 본 발명에 따른 스마트그리드 교육용 실습장치에 적용되는 축소모의전력계통 모듈의 외관을 나타낸 예시도이고, 도 9는 본 발명에 따른 스마트그리드 교육용 실습장치에 적용되는 전력계통연계 모듈의 구성 및 기능을 나타낸 예시도이며, 도 10은 본 발명에 따른 스마트그리드 교육용 실습장치에 적용되는 SCADA-EMS 모듈의 구성 및 신호처리 흐름과 기능을 나타낸 예시도이다.
본 발명에 따른 스마트그리드 교육용 실습장치는, 신재생전원과 분산전원으로 구성되는 마이크로그리드 모듈, 대전력망의 운용과 보호제어기능을 갖춘 축소모의전력계통 모듈, 전력계통연계 모듈, SCADA-EMS 모듈 및 학습시스템 모듈로 구성되며, 각 모듈은 학습시스템에 의해 단독 또는 조합 운용되어 스마트그리드 기능을 모의학습할 수 있다.
스마트그리드란, 종래의 전력망에 정보기술(IT)을 접목하여 전력 공급자와 소비자가 양방향으로 실시간 정보를 교환함으로써, 에너지 효율을 최적화하는 차세대 지능형 전력망을 말한다. 즉, 스마트그리드란, 발전(發電)-송전/배전-판매'의 단계로 이루어지던 기존의 단방향 전력망에 정보기술을 접목하여, 전력 공급자와 소비자가 양방향으로 실시간 정보를 교환함으로써, 에너지 효율을 최적화시킬 수 있도록한 지능형 전력망을 말한다.
한편, 본 발명에 따른 스마트그리드 교육용 실습장치는, 종래의 신재생 에너지 실습장치들이 전원단 에너지만을 고려하기 때문에 발생하는, 전력 학습 상의 한계를 해결하기 위한 것이다. 즉, 본 발명에 따른 스마트그리드 교육용 실습장치에 의하면, 자연조건과 부하의 요구조건을 고려한 독립형 마이크로그리드의 설계 및 운전실습, 일반적으로 존재하는 교류대전력계통과의 통합연계운전과 연계계통의 제어보호특성의 실습, 수요관리의 특성의 실습, EMS에 의한 경제성과 안전성 평가 및 제어 실습이 가능하다.
본 발명에 따른 스마트그리드 교육용 실습장치는, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 마이크로그리드 모듈(110), 축소모의전력계통 모듈(120), 전력계통연계 모듈(130) 및 SCADA-EMS 모듈(140)을 포함한다. 이 외에도, 본 발명에 따른 스마트그리드 교육용 실습장치는, 신재생전원과 직류 및 교류 변환장치 및 수요응답형 직교류 부하와 통신장치, 전원 및 부하조정이 가능한 스위칭패널을 더 포함할 수도 있다.
첫째, 상기 마이크로그리드 모듈(110)은 마이크로그리드계통의 계측장치들로 구성된 것으로서, 도 3에 도시된 바와 같이, 전원부(111), 전력변환전송부(112), 부하부(113) 및 계측통신SCADA부(114)로 구성된다.
상기 전원부(111)는, 태양광(2unit), 풍력(1unit) 및 디젤발전(1unit) 등 분산전원이 일조량, 풍향 등 자연조건과 부하의 패턴에 맞추어 설계될 수 있으며, 또한 직류계통 및 교류계통에 연계 운전되도록 구성된다.
상기 전력변환전송부(112)는 충전제어기, 배터리 및 직류저전압계통과 직류고전압 계통을 연계운전하는 DC-DC 인버터와 직류전압과 교류전압을 연계하는 DC-AC 인버터 및 이를 연결하는 전선로로 구성된다. 상기 전력변환전송부(112)는 2종류전압의 직류전원에서 발생한 전력을 저장하고 직류선로로 전송하여 서로 다른 전압의 직류부하에 전력을 공급하며, DC-AC전력으로 변환하여 교류부하에 전력을 공급한다. DC 및 AC의 전기적인 물리량(전압, 전류, 전력, 전력량)은 상기 전력변환전송부(112)에서 제어되도록 구성된다. 상기 전력변환전송부(112)는, 전력변환과 전송에 따른 전력품질(전압, 주파수, 효율, 역률, 고조파, 순간전압강하 및 상승을 포함하는 전력 사용상의 품질)을 제어할 수 있도록 구성된다.
상기 부하부(113)는 미리 주어진 부하의 일수요 패턴에 따라 직류 및 교류부하(전등, 동력, 기타사무가전기기)의 접속이 용이한 구조로 구성되고 운전되며, 신호에 의해 점멸조작 및 과부하를 보호할 수 있는 보호장치가 구비된다.
상기 계측통신SCADA부(114)는 상기 전원부(111) 및 상기 전력변환전송부(112) 각부에 부착된 Shunt, Transducer와 디지털 통신기능부 계측기, 컴퓨터와 송수신하는 모뎀 및 원방감시제어화면(컴퓨터 HMI)과 푸쉬버턴부 조작패널로 구성된다. 통신신호는 전력신호를 변환하는 과정을 학습할 수 있도록 Shunt와 Transducer, A/D변환기를 사용하는 과정과, 일반적으로 이용되는 디지털계측기의 양계열로 구성될 수 있다. 이를 이용하여 전송된 데이터들은, 상기 전력계통연계모듈(130) 또는 상기 SCADA-EMS 모듈(140)의 컴퓨터 화면에 출력(display)되고, 데이터베이스(Database)에 저장되며, 전력해석 프로그램에서 해석되도록 구성될 수 있다.
한편, 도 4는 본 발명에 따른 스마트그리드 교육용 실습장치에 적용되는 마이크로그리드 모듈의 계통도를 나타낸 것이며, 도 5는 본 발명에 따른 스마트그리드 교육용 실습장치에 적용되는 마이크로그리드 모듈의 외관을 나타낸 예시도로서, 마이크로그리드 모듈에 다양한 종류의 패널들이 포함되어 있는 상태를 나타내고 있다.
둘째, 상기 축소모의전력계통 모듈(120)은 실설비를 축소모델링 함으로써 구성된 교류전원용 전력시스템을 말한다. 상기 축소모의전력계통 모듈(120)은 가변 임피던스 구조의 병행 2회선 송전선로와 배전선로, 삼상승압 및 강압변압기와 가변구조(경부하,중부하, 첨두부하)로된 전력부하, 고장전류 실습이 가능한 고장발생장치(1선지락, 2선지락, 3상단락)와 2대의 디지털 및 아나로그 보호계전장치, 중성점접지저항 변동에 의한 중성점접지저항조정장치, 각 모선의 전력상태(전압,전류, 유효전력, 무효전력)를 측정하고 디지털통신을 하는 계측시스템 등을 포함한다.
즉, 상기 축소모의전력계통 모듈(120)은, 교류전력계통의 각 요소들의 특성값을 변화시키지 않고 MVA base에 의해 축소하여 저압 전원에서 실습용으로 사용할 수 있도록 축소한 것으로서, 도 6에 도시된 바와 같이, 양계통 교류전원부(121), 5모선기반 송전변전배전부(확장가능함)(122), 전력부하부(123), 보호계전부(124) 및 계측통신SCADA부(125)로 구성된다.
상기 양계통 교류전원부(121)는 대전력전원을 나타내는 전압조정이 가능한 정전압 3상교류전원과 송전변전배전부분의 모선에 접속되는 분산전원으로 구성된다. 분산전원은 마이크로그리드 모듈(110)과 전력계통연계 모듈(130)을 동기 접속하여 구성되는 전원이나 별도로 병입되는 교류발전기로 구성된다.
상기 5모선기반 송전변전배전부(122)는 실제전력계통의 송전선로, 배전선로 및 변압기의 저항, 인덕턴스, 커패시턴스의 값과 그 R/X 비율을 본 발명에 적합하도록 등가변환하여 구성된다.
상기 5모선기반 송전배전변전부(122) 중 송전계통은 스위치조작에 의해 병행2회선, 1회선, 2배길이1회선으로 운전가능하도록 구성하여 단거리, 중거리, 장거리 송전계통을 실습하도록 구성될 수 있다. 상기 조작시 병행2회선의 단락방지를 위하여 interlock 형식의 스위치가 삽입될 수 있다.
상기 5모선기반 송전배전변전부(122) 중 변전부분은 주변압기의 중성점접지방식 변동에 따른 고장전류의 영향을 실습하기 위하여, 주변압기의 결선을 송전부는 Y-Y, 배전부는 Y-의 2종류로 구성하고, 각 변압기의 중성점 접지저항이 가변될 수 있는 구조로 구성될 수 있다. 상기 구성은 가변리액터를 적용할 수 있다.
상기 5모선기반 송전배전변전부(122) 중 전압조정용 커패시터/리액터 및 역률조정용 커패시터/리액터는, 전력계통의 전압과 역률을 조정하기에 적합한 용량으로 산출하여 부착하고, 직접 및 원방제어 가능하도록 하여, 전압제어실습, 역률제어실습, 패런티현상실습이 가능하도록 구성된다.
상기 전력부하부(123)는 시간에 따라 부하가 과도응답특성을 가지는 회전체 구조의 동적부하와 저항, 인덕턴스, 커패시턴스 및 전력변환장치로 구성된 정적부하로 구성된다. 이 부하는 경부하, 중부하, 첨두부하의 부하패턴 변경에 따라 유효전력과 무효전력의 크기와 비율을 조정가능하며, 이를 직접 및 원방제어조작에 의해 제어가능한 형태로 구성되어 실습에서 요구하는 부하의 종류와 특성을 반영할 수 있도록 구성된다.
상기 보호계전부(124)는 3상평형고장발생장치와 3상불평형고장발생장치 및 전위보호계전기와 후비보호계전기세트로 구성된다. 각 고장발생장치는 모선 또는 선로 중간부에 상호독립 또는 시간차를 가지고 적용할 수 있으며, 전위 후비 보호계전기는 고장의 종류에 따라 유연성 있게 적용할 수 있도록 구성된다. 고장시의 정보를 디지털계전기가 갖고 있는 신호기록전송기능에 의해 전송함으로써 SCADA-EMS모듈(140)에서 분석할 수 있도록 구성되어 고장현상을 학습할 수 있다.
상기 계측통신SCADA부(125)는 축소모의전력계통의 각 부분의 정격전류 및 고장시 전류의 범위를 고려하여 제작된 변류기(CT)와 계기용변압기(PT)에 의해 전류와 전압을 검출하고, 이를 디지털계측기에 의해 축소모의계통 패널에 출력(display)시키는 한편, 다양한 통신방식을 이용하여 SCADA-EMS모듈(140)에 전송한다. 상기 통신방식으로는, 유선, Zigbee, 전력선통신방식(PLC:Power Line Communication) 등이 적용될 수 있다.
한편, 도 7은 본 발명에 따른 스마트그리드 교육용 실습장치에 적용되는축소모의전력계통 모듈의 계통도(129)를 나타낸 것이고, 도 8은 본 발명에 따른 스마트그리드 교육용 실습장치에 적용되는 축소모의전력계통 모듈의 외관을 나타낸 예시도로서, 축소모의전력계통 모듈(120)에 다양한 종류의 패널들이 포함되어 있는 상태를 나타내고 있다.
셋째, 상기 전력계통연계 모듈(130)은, 마이크로그리드 모듈(110)의 전력과 축소모의전력계통 모듈(120)의 전력을, 교류 및 직류에 의해 동기연계하여 전력을 송수전하는 기능을 수행한다.
상기 전력계통연계 모듈(130)은 도 9에 도시된 바와 같이, 직류(DC)-교류(AC)연계부(131), AC-AC연계부(132), 동기검정병입부(133) 및 계측제어부(134)로 구성된다.
상기 DC-AC연계부(131)는 마이크로그리드 모듈(110)의 직류모선에서 축소모의전력계통 모듈(120)의 계통연계모선에 3상으로 병입되도록 DC booster와 투입스위치, 가변속구조의 유도전동기-동기발전기로 구성된다.
상기 AC-AC 연계부(132)는 마이크로그리드 모듈(110)의 교류모선에서 축소모의전력계통 모듈(120)의 계통연계모선에 3상 병입되도록 AC스위치와 가변속구조의 유도전동기-동기발전기로 구성된다.
상기 동기검정병입부(133)는 2가지 계통의 각상의 상회전을 검출표시하는 부분, 주파수오차를 확인하는 부분, 전압오차를 확인하는 부분, 위상차를 확인하는 부분으로 구성되며, 이를 디지털 및 아나로그중 어느 방식으로 선택할 수 있도록 표시되고 구성된다. 동기검정병입은 이 오차를 확인하고 수동 또는 자동으로 선택하여 병입하도록 구성된다.
상기 계측제어부(134)는 계통연계모듈의 입력전력부(DC측과 AC측), 전력변환부, 출력부의 전압, 전류, 유효전력, 무효전력을 계측함으로써 연계변환효율측정이 가능하며, EOCR을 부착하여 과부하전류에 따른 기기손상을 방지하도록 구성된다. 또한, 상기 계측제어부(134)는 인버터와 동기발전기 계자전압을 조정하여 연계단에서 수수되는 유효전력 및 무효전력을 조정가능하도록 구성된다. 이 계측된 값은 SCADA를 통하여 EMS에서 원격조작이 가능하다. 상기 DC-AC연계부(131), AC-AC 연계부(132), 동기검정병입부(133)는 동일한 물리적 기능을 갖는 전력변환제어시스템으로 대체될 수 있음은 물론이다.
넷째, 상기 SCADA-EMS 모듈(140)은, 도 10에 도시된 바와 같이, 상기에서 설명된 각 모듈(110, 120, 130)에서 전송된 통신신호를 온라인으로 수신하는 데이터송수신부(141), 데이터베이스부(142), HMI부(143) 및 EMS부(144)로 구성된다. 즉, 상기 SCADA-EMS 모듈(140)은, 상기 스마트그리드 모듈(110)과, 상기 전력계통연계 모듈(130) 및 상기 축소모의전력계통 모듈(120)의 전력정보를 CT/PT, Transducer 및 IED(Intellectual Electronic Device)에 의해 변환 전송하여 전력정보를 원방감시하고 필요시 알람을 주는 방법을 실험하는 SCADA시스템(데이터 송수신부(141))과, 이 정보를 DB를 거쳐 해석데이터화하여 온라인/오프라인으로 조류계산과 고장계산 시뮬레이션이 가능하도록 하는 EMS 모듈(EMS부(144), 데이터베이스(142) 및 HMI부(143))로 구성된다.
상기 데이터송수신부(141)는 상기 각 모듈(110, 120, 130)에서 전송된 통신신호를 온라인으로 송수신하는 부분으로서, 상이한 프로토콜을 갖는 통신데이터를 각 모듈과 Database에 적합하게 변환조정하여 통신하도록 구성된다.
상기 데이터베이스부(142)는 상기 데이터송수신부(141)로부터 전송되어온 전송데이터를 EMS용 컴퓨터 내의 데이터베이스프로그램에 의해 디지털 및 아나로그 제어가 가능하도록 필터링하여 주기적으로 저장하고, 내장된 데이터와 결합하여 전력해석용 어플리케이션(조류계산과 고장계산 소프트웨어를 포함)에 알맞은 데이터폼으로 제공하도록 구성된다. 사용자는 이 데이터베이스 내용을 정해진 윈도우 포맷에 따라 수정할 수 있다.
상기 HMI부(143)는 각 모듈(110,120,130)에서 취득된 전력계통상태의 아나로그 및 디지털 값들을 제어용 컴퓨터 화면에 출력(Display)하고, EMS내의 프로그램의 데이터 입출력 상태, 구동 상태, 해석결과를 디스플레이(display)하며, 및 각 모듈들에 대한 조작 제어가 각 모듈 상태가 표시된 화면상에서 가능하도록 구성된다.
상기 EMS부(144)는 데이터베이스(Database) 상의 아나로그 및 디지털 데이터들을, software를 이용하여 on-line 또는 off-line상으로 연산처리하는 기능을 수행하여, 전력망의 상태를 정확히 추정하고, 계통구성 상태변화와 외란에 따른 현상들을 해석하는 기능을 갖도록 구성된다. 즉, 상기 EMS부(144)는 효율향상, 조류계산, 고장전류해석 연산기능 등을 포함한다. 상기 연산결과는 데이터베이스(database)에 저장되고 HMI부(143)를 통하여 학습자가 볼 수 있도록 구성된다.
상기한 바와 같은 본 발명에 따른 스마트그리드 교육용 실습장치는, 마이크로그리드 모듈(110)이나 축소모의전력계통 모듈(120) 단독으로 운용될 수 있으며, 전력계통연계 모듈(130)을 통해 확장스마트그리드 전력시스템으로 운용가능한 특징이 있다. 또한, 실습자는 상기 EMS부(144)를 이용하여 AC/DC 전력계통을 해석할 경우 고장계산, 조류계산의 이론과 실측값을 비교하여 최적의 운전상태에 대한 학습을 할 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명에 의하면, 현재 스마트그리드 전력망 설계를 위한 요소기술인 자연환경(일조량, 풍속)과 직류/교류 소비전력부하의 패턴을, 상기 마이크로그리드 모듈(110)의 입력으로 제시하면, 태양광 및 풍력과 디젤발전기, 배터리를 포함하는 독립계통에 대한 전원의 설계 및 DC 및 AC의 전압계통이 다른 경우 적정 전력변환장치 설계가 가능한 엑셀 베이스의 설계소프트웨어가, 상기 SCADA-EMS 모듈(140)을 통해 제공되므로, 실습자는 마이크로그리드의 설계학습이 가능하다.
상기 축소모의전력계통 모듈(120)은, 각 요소기기들을 송전선로, 배전선로, 변압기, CT, PT 등이 각각의 특성정수를 기반으로 기저용량(Base)에 대해 동일값을 갖도록 축약 설계되고, 전압의 제어가 10% 범위 내에서 조정되도록 설계 제작된다. 따라서, 상기 SCADA-EMS 모듈(140)을 통해, 정상상태에서 송배전선로에서 발생하는 현상(전력조류분포)은 물론, 고장시에 발생하는 현상(고장발생 및 고장저항의 변화에 대한 영향, 중성점접지방식의 변경에 따른 영향)에 대한 수계산과 컴퓨터를 응용한 전력조류계산 및 고장계산이 가능하다. 또한, 실습자는, 상기 결과 회로를 푸쉬버튼 스위치나 상기 EMS부(144)를 이용하여 조작하여 계측함으로써, 전력계산실습과 해석 및 실제회로운전에서 발생하는 오차를 분석 이해하는 학습이 가능하다.
또한, 본 발명은 병행 2회선 중거리 송전선로를 4배의 임피던스를 갖는 장거리 송전선로로 스위칭을 이용하여 변경하는 장치를 구비할 수 있으며, 이에 따라, 실습자는 충전전류에 의한 페란티현상을 실습할 수 있다.
상기 전력계통연계 모듈(130)에는, 단독계통인 마이크로그리드계통을 대전력계통인 축소모의계통에 병렬운전하도록 마이크로그리드의 AC계통을 축소모의계통의 AC계통과 수동 병입하는 장치가 포함될 수 있으며, 이에 따라, 실습자는 상회전-전압-주파수-위상차의 일치에 따른 계통연계 병입실습이 가능하다.
실습자는 상기 SCADA-EMS 모듈(140)을 통해 상기 마이크로그리드 모듈(110)과 상기 축소모의전력계통 모듈(120)의 데이터를 통신가능한 아날로그 및 디지털 값으로 변환하는 방법 및 계측장치 실습이 가능하다. 또한, 실습자는 상기 SCADA-EMS 모듈(140)을 통해 RSC-485 필드버스에 의한 통신으로 전송하는 방법, 이 값들을 DB화 하는 방법, HMI(Human Machine Interface) 구성 실습 등 통신 인프라에 대한 실습을 할 수 있다. 또한, 실습자는 상기 SCADA-EMS 모듈(140)의 데이터베이스(142)에 저장되어 있는 데이터를 활용하여 해당 전력데이터를 상위계층에 탑재된 조류계산프로그램, 고장계산 프로그램에 적용, 전력망의 조류상태를 계산하고 보호계전기 설정과 보호협조를 위한 정정계산을 실습할 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명을 다시 한번 정리하면 다음과 같다.
즉, 본 발명은 스마트그리드의 전력학습을 위한 실습장치에 관한 것으로서, 이를 위해 본 발명은, 태양광, 풍력의 신재생 전원과 디젤발전 및 직류/교류혼합형 부하 기반 독립형 마이크로그리드 설계 및 운전을 학습하는 마이크로그리드 모듈(110)과, 대전력교류계통을 저압전원에서 동일효과를 내도록 축소 제작하고 정상상태운전 및 고장상태 운전에 대한 전력계통의 보호제어특성을 유지하면서, 전후비보호장치 및 기기보호장치에 의해, 안전하게 실습가능하도록 한 축소모의전력계통 모듈(120), 상기 두 모듈의 전력을 상호수수 가능하도록 한 전력계통연계 모듈(130)과, 상기 각 모듈 전력계통에서의 운전상태를 원방감시제어하고 해석하는 SCADA-EMS 모듈(140)을 포함한다.
한편, 본 발명에 따른 스마트그리드 학습용 실습장치를 이용하는 실습자를 위해, 각 모듈들을 포함한 통합적 특성을 다양하게 실습하기 위해 실습모델계통에 대하여 워크시트에 의한 수계산, 내장 데이터와 컴퓨터 프로그램에 의한 해석계산, 각모듈의 조작에 의한 계측기의 지시치를 상호비교 분석하여 스마트그리드의 운전특성을 이해하기 위한 실습 지시서가 제공된다. 즉, 본 발명은 해당 실습을 가능케하는 실험절차서(분산전원설계실험편, 계통연계실험편, 전압무효전력제어편, 보호계전 및 정정실험편, 전력계통해석 및 실험편, 스마트미터를 이용한 부하제어실험편, SCADA 및 HMI Interface 실험편)와 해당 계통해석용 샘플 테스트런 데이터 세트가 갖추어져 있기 때문에, 실습자의 학습지원에 활용된다. 부연하여 설명하면, 상기 실습 지시서는 본 발명에 따른 스마트그리드 교육용 실습장치의 각 모듈의 설계와 기능을 충분히 활용하도록 하는 이론적 계산, 컴퓨터 모의, 실습장치에 의한 실습과 측정 및 분석 평가부분으로 구성되며, 모듈의 확장에 따라 그대로 적용구성된다.
첫째, 상기 마이크로그리드 모듈(110)은, 자연조건과 부하조건에 따르는 전력의 수급과 에너지저장기능을 구비한 독립형 마이크로그리드의 설계와 운전기술을 제공한다.
즉, 본 발명에서는, 자연조건과 부하의 전력수요에 적합하도록 설계되는 다수의 신재생 전원 및 교류분산전원에 의해 생성된 전력을, 충전제어기와 전력저장장치에 의해 일정공급신뢰도와 경제성에 따라, 독립된 직류 및 교류부하에 적정설계된 전력변환장치와 에너지저장장치에 의해 자립운전 모드 및 상기 축소모의전력계통 모듈과 연계하여 계통연계운전모드로 전환이 가능하도록 운용되는 단독계통의 마이크로그리드 모듈(110)이 제공된다. 마이크로그리드 모듈(110)의 분산전원들은 단자에 의해 탈 부착이 가능하며, 부하의 증감과 자연조건을 고려하여 확장 구성될 수 있다. 한편, 본 발명은 상기 SCADA-EMS 모듈(140)에 HMI부(143)을 포함시키고 있으며, 상기 마이크로그리드 모듈(110)의 기능은 EMS의 해석기능에 의해 모델링되고 해석 평가되며 제어될 수 있다.
둘째, 상기 축소모의전력계통 모듈(120)은 기존교류전력계통을 기준베이스에 의해 축소한 것으로서, 이를 통해 실습자는 정상상태 및 고장상태에 대한 운전현상과 이를 제어보호하기 위한 기술을 실습할 수 있다.
상기 축소모의전력계통 모듈(120)은, 대형교류전력계통을 실험실에서 사용가능하도록 저전력구조(500VA base)로 축소하였으나 대전력계통의 특성은 유지하도록 각 설비요소가 설계 제작, 개발된다. 상기 축소모의전력계통 모듈(120)은 수계산이 쉽도록 2개의 전원모선을 갖는 5모선 계통으로 구성되며, 필요에 따라 루프계통으로 구성가능하다.
상기 축소모의전력계통 모듈(120)에 포함되는, 각 구성요소들은, 전원측은 삼상사선식(접지식)과 삼상삼선식(부하측, 비접지식)으로 구성되어 불평형 전력 시스템의 실습이 가능하게 구성되며, 3상 결선은 변경가능한 구조로 구성된다.
상기 축소모의전력계통 모듈(120)은, 교류계통에 발생하는 전력현상을 실습하기 용이하게 교류송전선로를 직병렬연결 조작이 가능하도록 설계되고, 전압제어용 커패시터를 구비함으로써 경부하시 페란티현상, 첨두부하시 전압불안정현상, 각 부하수준에 따른 전압보상제어 실습이 가능하도록 구성되는데, 전압제어장치는 OLTC, 분로리액터, SVC 등으로 확장 구성될 수 있다.
상기 축소모의전력계통 모듈(120)에는, 상기 스마트그리드 모듈(110)의 전력품질보장을 위한 안전성과 신뢰도를 고려한 운전을 위해, 보호협조기능을 학습토록 디지털 보호계전기와 아날로그 보호계전기가 각각 전위, 후비보호장치로 포함되며, 보호기능의 학습 필요에 따라 추가계전장치들이 더 포함될 수도 있다.
상기 축소모의전력계통 모듈(120)에는, 과부하에 의한 실습장치의 손상을 방지하고 실습의 안전성을 확보하기 위하여 변압기와 선로 각부에 EOCR 및 퓨즈가 구성된다.
상기 축소모의전력계통 모듈(120)에는, 상기 축소모의전력계통 모듈(120)의 선로구성상태와 각모선의 전력상황정보를 제공하기 위해 CT, PT가 설치되고, 이를 계측 전송가능한 디지털형 계측기와 on-off 표시형 푸쉬버튼 스위치와 계통도로 구성된 패널이 상기 축소모의전력계통 모듈(120)의 전면에 부착됨으로써, 현장 및 컴퓨터에서의 전력상황 파악은 물론 현장감 있는 조작과 SCADA-HMI에 대한 전력정보통신이 가능하다.
상기 축소모의전력계통 모듈(120)에는, CT, PT 터미널 계통도가 전압, 전류의 아나로그 전력정보의 순시값을 추출할 수 있도록 제작되어 구비된다.
상기 축소모의전력계통 모듈(120)에는, 교류계통의 중성점 접지방식 변동에 대한 이상전압 및 고장전류의 변화를 실습하기 위한 중성점 접지저항 가변형 접지모듈과 가변접지저항형 지락단락고장발생장치가 구성된다.
셋째, 상기 전력계통연계 모듈(130)은 기존 교류전력계통과 마이크로그리드계통의 계통연계 및 에너지수수제어 운전기술을 실습하도록 한다.
상기 전력계통연계 모듈(130)은 상기 마이크로그리드 모듈(110)의 직류측 또는 교류측의 전원을 상기 축소모의전력계통 모듈(120)과 병렬운전하며, 제어장치를 통하여 전력의 송출 및 수신을 제어하는 연계선 전력제어가 가능한 방식으로 구성되고, 접속점의 계기를 거쳐 전력의 수수를 통한 전력거래가 가능하게 구성되며, 전력제어방식은 전력변환장치제어방식으로 확장구성이 가능하다.
상기 전력계통연계 모듈(130)에는, 계통연계 실습의 효과를 높이기 위해 계통연계모듈의 동기검정 및 투입장치가 포함되고, 상기 동기검정 및 투입장치는 상회전검출부, 전압조정부, 주파수검출부, 위상차검출부로 구성되며, 아날로그 및 디지털로 구성될 수 있다.
상기 전력계통연계 모듈(130)에는, 상기 마이크로그리드 모듈(110)의 계통보호를 위하여 계통연계장치 양단에 보호계전장치가 구비된다.
넷째, 상기 SCADA-EMS 모듈(140)은 상기 마이크로그리드 모듈(110)과 상기 축소모의전력계통 모듈(120)을 연계운전하는 경우에 발생되는 부하구성상태변화와 외부자연조건변화, 계통외란에 대한 계통의 응답을 해석하여 에너지 최적 관리기술을 실습하도록 하는 모듈로서, 이에 의해, 실습자는 IHD의 수요관리신호에 의한 소비에너지 효율화 및 부하관리기술의 실습이 가능하다.
상기 SCADA-EMS 모듈(140)은 상기 마이크로그리드 모듈(110)에 장착된 PLC 통신과 상기 축소모의전력계통 모듈(120)의 PLC 통신을 통하여 수신된 데이터의 Interface, 데이터를 저장, 이력관리하고 해석용 데이터를 생성하는 데이터베이스(DB)(142), 상기 각 모듈의 운전상태를 출력(Display)하고 안전성 관련 경보를 주는 HMI부(143) 및 전력해석 S/W로 구성되며, 에너지효율성 관리를 위해 경제성 및 안전성 기능이 확장될 수 있다.
상기 SCADA-EMS 모듈(140)은 본 발명의 기능 확장에 따라 각 구성모듈의 통신이 통일된 방식으로 구성되기 때문에 모듈의 추가시 확장 가능하게 구성된다.
상기한 바와 같은 각 모듈들은, PLC 기반의 컴퓨터 통신을 통하여 데이터를 HMI부(143)에 전달하고, 실습자는 데이터베이스에 의해 컴퓨터 시뮬레이션을 수행하고, 안전성과 경제성을 판단하여 운전상황에 맞도록 마이크로그리드 모듈(110) 및 축소모의전력계통 모듈(120)의 선로구조, 커패시터제어를 위한 개폐기를 제어하는 기술을 습득할 수 있다.
즉, 본 발명은 상기 마이크로그리드 모듈(110)에서 발생하는 전력(에너지의 시간적 미분값)과 상기 축소모의전력계통 모듈(120) 간의 연계제어에 의한 전력수수를, 실습자가 모니터링하도록 할 수 있으며, 실습자가 상호작용 및 고장영향 등에 대한 해석 및 제어를 할 수 있도록 한다는 특징을 가지고 있다.
본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
110 : 마이크로그리드 모듈 120 : 전력계통연계모듈
130 : 축소모의전력계통 모듈 140 : SCADA-EMS 모듈

Claims (5)

  1. 자연조건과 부하조건에 따르는 전력의 수급과 에너지저장기능을 구비한 마이크로그리드 모듈;
    저압전원에서 대전력교류계통과 동일한 효과를 낼 수 있도록 축소 제작된 축소모의전력계통 모듈;
    상기 마이크로그리드 모듈의 전력과, 상기 축소모의전력계통 모듈의 전력을, 교류 및 직류에 의해 동기연계하여 전력을 송수전하는 전력계통연계 모듈; 및
    상기 각 모듈에서의 운전상태를 원방감시제어하고 해석하는 SCADA-EMS 모듈을 포함하되,
    상기 마이크로그리드 모듈은, 자연조건과 부하의 전력수요에 적합하도록 설계되는 다수의 신재생 전원 및 교류분산전원에 의해 생성된 전력을, 독립된 직류 및 교류부하에 맞게 설계된 전력변환장치와 에너지저장장치에 의해 자립운전 모드 및 상기 축소모의전력계통 모듈과 연계하여 계통연계운전모드로 전환이 가능한 것이고,
    상기 축소모의전력계통 모듈은, 송전선로, 배전선로, 변압기, CT, PT들이 각각의 특성정수를 기반으로 기저용량(Base)에 대해 동일값을 갖도록 축약 설계되어, 정상상태운전 및 고장상태 운전에 대한 전력계통의 보호제어특성을 유지하면서 실습가능하도록 하는 것이고,
    상기 전력계통연계 모듈은, 상기 마이크로그리드 모듈의 직류측 또는 교류측의 전원을, 상기 축소모의전력계통 모듈과 병렬운전하며, 제어장치를 통하여 전력의 송출 및 수신을 제어하는 연계선 전력제어가 가능한 방식으로 구성되는 것이고,
    상기 SCADA-EMS 모듈은, 상기 마이크로그리드 모듈과, 상기 전력계통연계 모듈 및 상기 축소모의전력계통 모듈의 전력정보를 원방감시하고 필요시 알람을 주는 방법을 실험하는 SCADA시스템; 및 상기 정보를 DB를 거쳐 해석 데이터화하여, 온라인 또는 오프라인으로 조류계산과 고장계산 시뮬레이션이 가능하도록 지원하는 EMS 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 스마트그리드 교육용 실습장치.
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