KR101705663B1 - 마이크로그리드 제어 시스템 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 실시예에 따른 마이크로 그리드 제어 시스템은 마이크로 그리드에 전력을 공급하는 송전계통, 상기 송전계통으로부터 전력을 공급받아 적어도 하나 이상의 분산전원 또는 적어도 하나 이상의 부하에 전력을 공급하는 마이크로 그리드, 상기 마이크로 그리드에 공급되는 전력을 변환하는 DC컨버터 및 상기 마이크로 그리드의 제1전력주파수 변동량과 상기 송전계통의 제2전력주파수 변동량을 계측하여 상기 DC컨버터가 마이크로 그리드로 전송하는 유효전력을 제어하는 컨버터 제어장치를 포함한다.
Description
본 발명은 마이크로그리드 제어 시스템 및 그 방법에 관한 발명으로서, 보다 상세하게는 송전계통 주파수 조정 보조를 위한 마이크로 그리드 컨버터 드룹제어 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
마이크로그리드(microgrid)는 독립적으로 전력과 열 등을 공급하는 소규모 전력 네트워크로 최근 신재생 에너지 등을 이용한 소규모 분산전원(distributed generator)의 대두와 함께 전력 시스템의 새로운 패러다임으로 등장하고 있다.
마이크로그리드는 다수의 소규모 분산전원과 부하의 집합체로서, 기존의 전력망과 연계 또는 분리 운전될 수 있는 소규모 전력망으로 요약될 수 있다. 마이크로그리드는 주 계통의 지/단락 사고 및 심각한 전력 품질 문제 발생시 주 계통으로부터 분리하여 분산전원만을 이용하여 마이크로그리드의 부하에 지속적인 전력 공급을 유지할 수 있는 전력시스템이다.
에너지 자생능력과 계통의 신뢰성 측면에서 독립적으로 운영되는 작은 계통인 마이크로그리드는 DC컨버터를 통해 계통에 연계된 마이크로그리드나 DC배전의 투입이 증가하게 될 경우 부하들은 송전계통에 전기적 관성과 주파수-부하 반응을 제공하지 못하여 주파수 변동 발생시 송전계통이 취약해지는 문제가 있다.
도 1은 종래 마이크로 그리드 전력주파수 제어 시스템도이다.
도 1에 도시된 바와 같이 종래 마이크로 그리드 전력주파수 제어 시스템은 송전계통(10)에 연결된 제1마이크로 그리드(20)가 있으며, 제어기(40)는 미리 설정해둔 드룹값을 통해 선형적으로 제어하는 드룹제어방식으로 DC컨버터(30) 유효 전력을 제어한다.
드룹제어는 두 대 이상의 제어가능한 전원이 연계되어 있을 경우, 부하 변동에 대하여 드룹 기울기에 따라서 자동적으로 각 전원들의 부하분담률을 정할 수 있는 제어방식으로 헌팅현상(hunting effect)을 방지하고 안정적인 분산전원 운영이 가능하다.
도 1과 같은 시스템에서 마이크로 그리드(20)에서의 주파수 변동을 검출하여 아래 수학식 1에 의해서 유효전력제어량을 결정한다.
[수학식 1]
f0는 마이크로 그리드의 기준 주파수, f는 마이크로 그리드의 현재 주파수, R은 드룹 설정값, P는 제어목표 유효전력, P0는 현재 전송중인 유효전력
그러나, 이러한 경우 마이크로 그리드 내의 주파수만 고려하기 때문에 계통 주파수 조정이 기여할 수 없다. 즉, 하나의 송전계통(10)에 연결되어 있는 다수의 마이크로 그리드 각각에서 위와 같은 드룹제어를 통해서 유효전력을 제어하는 경우 송전계통(10)에 영향을 미치게 되고, 송전계통(10)의 주파수가 변화하게 되는데, 이러한 송전계통의 주파수 변화 또한, 각각의 마이크로 그리드 내 주파수에 영향을 미칠 수 있다.
결국, 기존 시스템에 송전계통의 주파수 변화량에 대한 고려가 필요하게 되었다.
본 발명의 목적은 송전계통과 마이크로 그리드 주파수 변동을 모두 고려한 마이크로 그리드 제어 시스템을 제공하는데 있다.
본 발명의 실시예에 따른 마이크로 그리드 제어 시스템은 마이크로 그리드에 전력을 공급하는 송전계통, 상기 송전계통으로부터 전력을 공급받아 적어도 하나 이상의 분산전원 또는 적어도 하나 이상의 부하에 전력을 공급하는 마이크로 그리드, 상기 마이크로 그리드에 공급되는 전력을 변환하는 DC컨버터 및 상기 마이크로 그리드의 제1전력주파수 변동량과 상기 송전계통의 제2전력주파수 변동량을 계측하여 상기 DC컨버터가 마이크로 그리드로 전송하는 유효전력을 제어하는 컨버터 제어장치를 포함한다.
또한 본 발명의 또 다른 양태에 따른 마이크로 그리드 제어 방법은 마이크로 그리드에 공급되는 유효전력량을 제어하는 컨버터 제어장치에 의해서 수행되는 마이크로 그리드 제어방법으로서, 상기 마이크로 그리드의 제1전력주파수 변동량을 계측하는 단계, 송전계통의 제2전력주파수 변동량을 계측하는 단계 상기 제1전력주파수 변동량과 상기 제2전력주파수 변동량을 이용하여 상기 마이크로 그리드에 공급될 유효전력제어량을 연산하는 단계 및 상기 유효전력제어량에 의해 DC컨버터를 제어하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 마이크로 그리드 제어 시스템에 의하면, 송전계통과 마이크로 그리드 주파수 변동을 함께 고려하여 마이크로 그리드에 제공될 유효전력량을 결정함에 따라, 주파수 변동에 대비하여 확보하고 있는 주파수 조정 예비력이 감축된다.
도 1은 종래 마이크로 그리드 전력주파수 제어 시스템도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 그리드 제어 시스템의 블록도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 컨버터 제어장치의 블록도이다.
도 4는 송전계통의 주파수 차이를 비교한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 그리드 제어시스템에서 주파수 조정 기여도 설정값에 따른 주파수 차이를 비교한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 그리드 제어방법의 순서도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 그리드 제어 시스템의 블록도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 컨버터 제어장치의 블록도이다.
도 4는 송전계통의 주파수 차이를 비교한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 그리드 제어시스템에서 주파수 조정 기여도 설정값에 따른 주파수 차이를 비교한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 그리드 제어방법의 순서도이다.
본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시 예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 형태들로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시 예들에 한정되지 않는다.
본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 변경들을 가할 수 있고 여러 가지 형태들을 가질 수 있으므로 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들을 특정한 개시 형태들에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.
제1 또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 벗어나지 않은 채, 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고 유사하게 제2 구성 요소는 제1 구성 요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성 요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성 요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성 요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 본 명세서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 명세서에 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 그리드 제어 시스템의 블록도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 컨버터 제어장치의 블록도이다.
도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 그리드 제어 시스템은 마이크로 그리드(200)에 전력을 공급하는 송전계통(100), 상기 송전계통(100)으로부터 전력을 공급받아 적어도 하나 이상의 분산전원 또는 적어도 하나 이상의 부하에 전력을 공급하는 마이크로 그리드(200), 상기 마이크로 그리드(200)에 공급되는 전력을 변환하는 DC컨버터(300) 및 상기 마이크로 그리드(200)의 제1전력주파수 변동량과 상기 송전계통(100)의 제2전력주파수 변동량을 계측하여 상기 DC컨버터(300)가 마이크로 그리드(200)로 전송하는 유효전력을 제어하는 컨버터 제어장치(400)를 포함한다.
송전계통(100)은 송전을 위한 선로 및 관련설비를 통칭하는 것으로, 수많은 전원과 송전선로로 이뤄진 전력계통일 수 있다.
이러한 송전계통(100)은 도 2에 도시된 바와 같이 제1마이크로 그리드(210), 제2마이크로 그리드(220), … 등 다수의 마이크로 그리드(200)가 연결되어 있을 수 있으며, 이하 설명할 각 마이크로 그리드(210, 220, …)에서의 주파수 변화에 따른 송전계통(100)에서의 공급전력의 변화가 일어남으로서, 각 마이크로 그리드(210, 220, …)의 주파수 변동량이 송전계통(100)을 통해서 다른 마이크로 그리드에 영향을 줄 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 그리드 제어 시스템은 각 마이크로 그리드(210, 220, …)의 주파수 변동에 의해 송전계통에 미치는 영향을 다른 마이크로 그리드의 주파수 변동량에 반영하여 송전계통(100)에 무리가 가지 않도록 하며, 각 마이크로 그리드(210, 220, …)의 주파수 변동량이 서로 독립적으로 제어될 수 있도록 한다.
송전계통(100)을 통해 마이크로 그리드(200)로 전송되는 전력은 DC컨버터(300)를 통해 변환되어 마이크로 그리드(200)로 공급된다. 마이크로 그리드(200)는 소규모 지역에서 전력 자급자족할 수 있는 스마트 그리드 시스템으로서, 소규모 독립형 전력망으로 태양광, 풍력 등 신재생에너지원과 에너지 저장장치가 융복합된 차세대 전력체계이다.
컨버터 제어장치(400)는 마이크로 그리드(200)의 주파수 변화량인 제1전력 주파수 변동량과 송전계통에서 DC컨버터(300)로 전송되는 전력의 주파수인 제2전력주파수 변동량을 계측한다. 검출된 제1전력주파수 변동량과 제2전력주파수 변동량은 마이크로 그리드(200)의 주파수 변동폭이 주파수 변동 규정 범위내에 있도록 하고, 송전계통(100)의 주파수 변동폭이 송전계통 주파수 변동 규정 범위내에 있도록 DC컨버터(300)의 유효전력량을 제어할 수 있도록 한다.
컨버터 제어장치(400)는 앞서 언급한 드룹제어에 의해서 유효전력량을 제어하고, 도 3에 도시된 바와 같이 상기 마이크로 그리드의 주파수 변동량을 계측하는 제1계측모듈(410), 상기 송전계통(100)의 주파수 변동량을 계측하는 제2계측모듈(420) 및 기 설정된 드룹 초기값, 마이크로그리드 주파수-부하 특성상수 및 드룹 제어상수를 입력받아 저장하는 저장모듈(430)을 포함한다.
도 2에 도시된 바와 같이 송전계통(100)에 연결되어 있는 제1마이크로 그리드(200)의 주파수 변동량인 제1전력주파수 변동량을 컨버터 제어장치(400)의 제1계측모듈(410)에서 계측한다. 또한 송전계통(100)의 제2전력주파수 변동량을 컨버터 제어장치(400)의 제2계측모듈(420)에서 계측한다.
컨버터 제어장치(400)는 계측된 제1전력주파수 변동량과 제2전력주파수 변동량을 이용하여 유효전력 제어량을 연산한다. 컨버터 제어장치(400)에 구비되어 있는 저장모듈(430)은 유효전력 제어량을 연산하기 위한 기 설정된 드룹 초기값, 마이크로그리드 주파수-부하 특성상수 및 드룹 제어상수를 저장하고 있다.
컨버터 제어장치(400)는 제1계측모듈(410)과 제2계측모듈(420), 저장모듈(430)에 의해 연산되거나 저장된 인자들을 이용하여 유효전력 제어량을 결정하는데 아래와 같은 [수학식 2]를 이용하여 유효전력 제어량을 연산한다.
[수학식 2]
는 유효전력 제어량, R은 드룹 초기값, 는 마이크로 그리드의 주파수 변동량(제1전력주파수 변동량), 는 송전계통의 주파수 변동량(제2전력주파수 변동량), cr은 드룹 제어상수, Ds는 마이크로 그리드의 주파수 부하 특성상수이다.
드룹 초기값(R)은 기존 드룹제어와 마찬가지로 주파수와 전력간의 상관관계를 나타내는 선형 그래프의 기울기를 의미하고, 기울기는 기기의 운영자에 의해서 정해질 수 있다.
드룹 제어상수(cr)는 아래 수학식 3에 의해서 산출된다.
[수학식 3]
c0는 운영자에 의해서 결정되는 값으로서 값이 클수록 송전계통에 긍정적인 영향을 미치게 된다. 마이크로그리드 주파수 변동규정범위와 송전계통 주파수 변동규정범위 또한 운영자에 의해서 결정될 수 있으나 각 계통에 영향을 미치지 않을 정도의 범위내 규정이 일반적이다.
예를 들어 마이크로그리드 주파수 변동규정범위는 ±0.1Hz, 송전계통 주파수 변동규정범위는 ±0.5Hz로 설정이 가능하다.
마이크로 그리드의 주파수 부하 특성상수(Ds)는 실제 마이크로 그리드에 연결되어 있는 부하의 특성들을 전체적으로 반영한 값으로서, 예를 들어 마이크로 그리드에 연결되어 있는 부하가 회전모터라 가정하면, 마이크로 그리드의 주파수 변동에 따라서 부하에 연결되어 있는 회전모터의 회전수가 떨어지는 등의 반응을 계통의 특성으로 반영한 값이다. 즉, 마이크로 그리드의 주파수 변동에 따른 부하나 분산전원의 물리적인 특성을 반영한 값을 의미한다. 마이크로 그리드의 주파수 부하 특성상수는 마이크로 그리드에 연결되어 있는 부하나 분산전원의 개수, 특성 등에 따라서 운영상 결정되는 인자로서, 계통의 운영자가 계통의 특성을 파악하여 산출될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 마이크로 그리드 제어 시스템은 마이크로 그리드(200)와 연결되어 있는 DC컨버터(300)를 제어함으로서, 마이크로 그리드의 전력주파수 변화에 대응하도록 하고, 또한 이 때 송전계통(100)의 전력주파수 변화를 함께 고려하여 DC컨버터(300)의 유효전력 제어량을 결정한다.
도 4는 송전계통의 주파수 차이를 비교한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 그리드 제어시스템에서 주파수 조정 기여도 설정값에 따른 주파수 차이를 비교한 그래프이다.
앞선 예와 마찬가지로 마이크로그리드 주파수 변동규정범위는 ±0.1Hz, 송전계통 주파수 변동규정범위는 ±0.5Hz로 설정하였다.
도 4와 같이 송전계통 주파수 변동이 발생했을 때, 마이크로 그리드들이 기존 드룹제어를 했을 때(실선)와 본 발명의 실시예에 따른 시스템의 제어를 사용했을 때(점선) 송전계통의 주파수 차이를 보여준다. 송전 계통 600MW규모 발전기 탈락으로 인해 발전-부하 불균형이 일어나 주파수 하락이 일어나기 시작하는 상황이다.
이때 기존 드룹제어로 마이크로 그리드들이 송전계통의 주파수 하락에 상관없이 유효전력을 소비할 경우 규정범위인 ±0.5Hz를 벗어난 것을 확인할 수 있으나 본 발명의 실시예에 따른 시스템에 의한 제어 결과는 위 규정된 범위내에서 유지가 가능함을 확인할 수 있다.
또한 도 5에 도시된 바와 같이 주파수 조정 기여도 설정값 c0를 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5로 다양하게 조정하여 마이크로 그리드 주파수 변동규정범위에 있는지를 확인해본 결과, 60Hz에서 -0.1Hz범위내에서 모두 주파수가 일정하게 유지됨을 확인할 수 있다. 기여도가 클수록 마이크로 그리드 주파수는 소폭 감소하지만 송전계통에 기여하는 유효 전력량은 증가하게 된다.
이상 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 그리드 제어 시스템에 대해서 살펴보았다. 이하 본 발명의 또 다른 양태에 따른 마이크로 그리드 제어방법에 대해서 도6을 이용하여 살펴본다. 다만, 앞선 실시예와 중복되는 설명은 생략한다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 그리드 제어방법의 순서도이다.
도 6에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 그리드 제어방법은 마이크로 그리드에 공급되는 유효전력량을 제어하는 컨버터 제어장치에 의해서 수행되는 마이크로 그리드 제어방법으로서, 상기 마이크로 그리드의 제1전력주파수 변동량을 계측하는 단계(S100), 송전계통의 제2전력주파수 변동량을 계측하는 단계(S200), 상기 제1전력주파수 변동량과 상기 제2전력주파수 변동량을 이용하여 상기 마이크로 그리드에 공급될 유효전력제어량을 연산하는 단계(S300) 및 상기 유효전력제어량에 의해 DC컨버터를 제어하는 단계(S400)를 포함한다.
상기 제1전력주파수 변동량과 상기 제2전력주파수 변동량을 계측(S100, S200)하여 앞서 언급한 수학식 2와 수학식 3을 이용하여 유효전력제어량을 연산한다(S300). 연산된 유효전력제어량에 의해서 DC컨버터를 제어한다(S400).
결국, 이와 같은 마이크로 그리드 제어 방법에 의해서 송전계통과 마이크로 그리드 주파수 변동을 함께 고려하여 마이크로 그리드에 제공될 유효전력량을 결정함에 따라, 주파수 변동에 대비하여 확보하고 있는 주파수 조정 예비력이 감축되는 이점을 갖는다.
100 송전계통
200 마이크로 그리드
300 DC컨버터
400 컨버터 제어장치
410 제1계측모듈
420 제2계측모듈
430 저장모듈
200 마이크로 그리드
300 DC컨버터
400 컨버터 제어장치
410 제1계측모듈
420 제2계측모듈
430 저장모듈
Claims (7)
- 마이크로 그리드에 전력을 공급하는 송전계통;
상기 송전계통으로부터 전력을 공급받아 적어도 하나 이상의 분산전원 또는 적어도 하나 이상의 부하에 전력을 공급하는 마이크로 그리드;
상기 마이크로 그리드에 공급되는 전력을 변환하는 DC컨버터; 및
상기 마이크로 그리드의 제1전력주파수 변동량과 상기 송전계통의 제2전력주파수 변동량을 계측하여 상기 DC컨버터가 마이크로 그리드로 전송하는 유효전력을 제어하는 컨버터 제어장치를 포함하고,
상기 컨버터 제어장치는 상기 마이크로 그리드 유효전력 제어량을 아래 [수학식 1]에 의해서 생성하는 것을 특징으로 하는 마이크로 그리드 제어 시스템.
[수학식 1]
는 유효전력 제어량, R은 드룹 초기값, 는 마이크로 그리드의 주파수 변동량(제1전력주파수 변동량), 는 송전계통의 주파수 변동량(제2전력주파수 변동량), cr은 드룹 제어상수, Ds는 마이크로 그리드의 주파수 부하 특성상수. - 제1항에 있어서,
상기 컨버터 제어장치는 드룹제어에 의해 상기 DC컨버터를 제어하는 것을 특징으로 하는 마이크로그리드 제어 시스템. - 제2항에 있어서,
상기 컨버터 제어장치는 상기 마이크로 그리드의 주파수 변동량을 계측하는 제1계측모듈;
상기 송전계통의 주파수 변동량을 계측하는 제2계측모듈; 및
기 설정된 드룹 초기값, 마이크로그리드 주파수-부하 특성상수 및 드룹 제어상수를 입력받아 저장하는 저장모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 그리드 제어 시스템. - 삭제
- 마이크로 그리드에 공급되는 유효전력량을 제어하는 컨버터 제어장치에 의해서 수행되는 마이크로 그리드 제어방법으로서,
(a) 상기 마이크로 그리드의 제1전력주파수 변동량을 계측하는 단계;
(b) 송전계통의 제2전력주파수 변동량을 계측하는 단계;
(c) 상기 제1전력주파수 변동량과 상기 제2전력주파수 변동량을 이용하여 상기 마이크로 그리드에 공급될 유효전력제어량을 연산하는 단계; 및
(d) 상기 유효전력제어량에 의해 DC컨버터를 제어하는 단계를 포함하고,
상기 (c)단계는 아래 [수학식 1]에 의해서 생성하는 것을 특징으로 하는 마이크로 그리드 제어방법.
[수학식 1]
는 유효전력 제어량, R은 드룹 초기값, 는 마이크로 그리드의 주파수 변동량(제1전력주파수 변동량), 는 송전계통의 주파수 변동량(제2전력주파수 변동량), cr은 드룹 제어상수, Ds는 마이크로 그리드의 주파수 부하 특성상수. - 삭제
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