KR101743057B1 - 전력계통 안정도 판단 장치 및 방법 - Google Patents

전력계통 안정도 판단 장치 및 방법 Download PDF

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KR101743057B1 KR1020150179496A KR20150179496A KR101743057B1 KR 101743057 B1 KR101743057 B1 KR 101743057B1 KR 1020150179496 A KR1020150179496 A KR 1020150179496A KR 20150179496 A KR20150179496 A KR 20150179496A KR 101743057 B1 KR101743057 B1 KR 101743057B1
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Abstract

전력계통 안정도 판단 장치 및 방법이 개시된다. 상기 전력계통 안정도 판단 장치는 특정 구간 선로의 전압 및 전류를 계측하는 계측부; 계측한 전압 및 전류를 이용하여 상기 특정 구간의 구간 임피던스를 연산하는 구간 임피던스 연산부; 소정 시간 동안의 구간 임피던스를 이용하여 구간 임피던스 평균값을 연산하는 평균값 연산부; 배전계통 연계점을 기준으로 계통 임피던스를 산출하는 계통 임피던스 산출부; 및 상기 특정 구간의 구간 임피던스 및 상기 계통 임피던스의 비(ratio)에 상기 구간 임피던스 위상값과 상기 구간 임피던스 평균값의 위상값 차이를 위상 가중치로 하여 전압 안정도를 판단하는 전압 안정도 판단부를 포함한다.

Description

전력계통 안정도 판단 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR DETERMINING STABILITY OF POWER SYSTEM}
본 발명은 전력계통 안정도 판단 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 송배전 계통에 적용될 수 있는 전력계통 안정도 판단 장치 및 방법에 관한 것이다.
전력계통은 전기수요에 응하여 발전소, 변전소 및 부하를 송전선으로 연결하여 전력의 발생에서 소비까지 이루어지는 하나의 시스템으로써, 전력을 발전하는 발전계통, 발전계통에서 발전된 전력을 배전계통으로 전송하는 송전계통, 송전계통을 통해 공급되는 전력을 수용가로 분배/공급하는 배전계통을 포함하여 구성된다.
전력계통은 전력의 발생과 소비의 동질성으로 수요와 공급이 평형을 이루어야하기 때문에 전력수요의 감시가 지속적으로 이루어져야 한다.
초기의 소규모 계통에서는 감시가 용이하였으나 점차 산업의 고도화, 정보화로 전력수요가 증가하고 신재생에너지를 이용한 발전이 증가함에 따라 전력설비도 대규모화, 복잡화되어 지금까지 수행하여 온 인위적인 방법으로 계통을 효과적으로 운용하기에 한계점에 도달하였다.
이러한 계통 안정도를 해석하기 위해서는 전력계통에 관련된 모든 데이터가 입력으로 주어져야 한다. 선로의 임피던스 데이터는 계측에 의하거나 연산에 의하여 산출될 수 있으나 선로의 토폴로지(topology)에 따라 변경될 수 있으며, 발전량에 대한 데이터와 부하량에 대한 데이터는 시시각각으로 변화하는 계통조건을 반영하기 어렵다는 문제가 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 선로의 구간별 전압 안정도를 판단하고 안정도 취약 구간을 판단할 수 있는 전력계통 안정도 판단 장치 및 방법을 제공하는데 있다.
또한, 구간 선로의 시간대별 조류 방향을 고려하여 전압 안정도를 판단할 수 있는 전력계통 안정도 판단 장치 및 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 특정 구간 선로의 전압 및 전류를 계측하는 계측부; 계측한 전압 및 전류를 이용하여 상기 특정 구간의 구간 임피던스를 연산하는 구간 임피던스 연산부; 소정 시간 동안의 구간 임피던스를 이용하여 구간 임피던스 평균값을 연산하는 평균값 연산부; 배전계통 연계점을 기준으로 계통 임피던스를 산출하는 계통 임피던스 산출부; 및 상기 특정 구간의 구간 임피던스 및 상기 계통 임피던스의 비(ratio)에 상기 구간 임피던스 위상값과 상기 구간 임피던스 평균값의 위상값 차이를 위상 가중치로 하여 전압 안정도를 판단하는 전압 안정도 판단부를 포함하는 전력계통 안정도 판단 장치를 제공한다.
상기 전압 안정도 판단부는 상기 계통 임피던스 크기를 이용하여 크기에 대한 역 가중치를 산출하고, 산출된 역 가중치를 상기 계통 임피던스에 적용하여 상기 전압 안정도를 판단할 수 있다.
상기 전압 안정도가 기 설정된 수치 이상인 경우 해당 구간을 취약 구간으로 설정하는 취약 구간 설정부를 더 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 특정 구간 선로의 전압 및 전류를 계측하는 단계; 계측한 전압 및 전류를 이용하여 상기 특정 구간의 구간 임피던스를 연산하는 단계; 소정 시간 동안의 구간 임피던스를 이용하여 구간 임피던스 평균값을 연산하는 단계; 배전계통 연계점을 기준으로 계통 임피던스를 산출하는 단계; 및 상기 특정 구간의 구간 임피던스 및 상기 계통 임피던스의 비(ratio)에 상기 구간 임피던스 위상값과 상기 구간 임피던스 평균값의 위상값 차이를 위상 가중치로 하여 전압 안정도를 판단하는 단계를 포함하는 전력계통 안정도 판단 방법을 제공한다.
상기 전압 안정도를 판단하는 단계는 상기 계통 임피던스 크기를 이용하여 크기에 대한 역 가중치를 산출하고, 산출된 역 가중치를 상기 계통 임피던스에 적용하여 상기 전압 안정도를 판단할 수 있다.
상기 전압 안정도가 기 설정된 수치 이상인 경우 해당 구간을 취약 구간으로 설정하는 단계를 더 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명인 전력계통 안정도 판단 장치 및 방법은 선로의 구간별 전압 안정도를 판단하고 안정도 취약 구간을 판단할 수 있고, 구간 선로의 시간대별 조류 방향을 고려하여 전압 안정도를 판단할 수 있다.
도1은 본 발명의 일실시예에 따른 전력계통 안정도 판단 장치의 구성도이고,
도2는 본 발명의 일실시예에 따른 전력계통 안정도 판단 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이고,
도3은 본 발명의 일실시예에 따른 전력계통 안정도 판단 방법의 순서도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제2, 제1 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 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 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도1은 본 발명의 일실시예에 따른 전력계통 안정도 판단 장치의 구성도이다.
도1을 참고하면, 본 발명의 일실시예에 따른 전력계통 안정도 판단 장치(10)는 계측부(11), 구간 임피던스 연산부(12), 평균값 연산부(13), 계통 임피던스 산출부(14), 전압 안정도 판단부(15) 및 취약 구간 설정부(16)를 포함하여 구성될 수 있다.
먼저, 계측부(11)는 특정 구간 선로의 전압 및 전류를 계측할 수 있다. 계측부(11)는 선로상의 미리 설정된 구간에 대한 전압 및 전류를 실시간으로 계측할 수 있으며, 예를 들면 PMU(Phasor Measuring Unit)으로 구성될 수 있다.
구간 임피던스 연산부(12)는 계측한 전압 및 전류를 이용하여 특정 구간의 구간 임피던스를 연산할 수 있다. 구간 임피던스 연산부(12)는 예를 들면 하기 수학식 1에 따라 구간 임피던스를 연산할 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112015123008824-pat00001
수학식 1에서
Figure 112015123008824-pat00002
는 특정 구간 i, j까지의 구간 임피던스이고, IL는 i, j구간에서 계측된 전류이고, VL는 i, j구간에서 계측된 전압이다.
평균값 연산부(13)는 소정 시간 동안의 구간 임피던스를 이용하여 구간 임피던스 평균값을 연산할 수 있다. 평균값 연산부(13)는 예를 들면 하기 수학식 2에 따라 평균값을 연산할 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112015123008824-pat00003
수학식 2에서
Figure 112015123008824-pat00004
는 특정 구간 i, j사이에서 계측시점 t까지 누적평균 된 구간 임피던스 값을 계측횟수 m으로 나누어 산출된 구간 임피던스 평균값이고,
Figure 112015123008824-pat00005
는 계측시점 t에서의 특정 구간 i, j사이의 구간 임피던스이다.
계통 임피던스 산출부(14)는 배전계통 연계점을 기준으로 계통 임피던스를 산출 할 수 있다. 계통 임피던스 산출부(14)는 예를 들면 하기 수학식 3에 따라 계통 임피던스를 산출할 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112015123008824-pat00006
수학식3에서
Figure 112015123008824-pat00007
,
Figure 112015123008824-pat00008
및
Figure 112015123008824-pat00009
,
Figure 112015123008824-pat00010
은 계측부에서 게측한 전압의 실수, 허수부와 전류의 실수, 허수부를 나타낸다.
Figure 112015123008824-pat00011
,
Figure 112015123008824-pat00012
,
Figure 112015123008824-pat00013
,
Figure 112015123008824-pat00014
는 각각 행렬로부터 계산되는 계통 전압의 실수, 허수부와 저항, 리액턴스를 나타낸다.
수학식3에서 행렬의 해는 최소제곱법(Least Square) 방법으로 선형적으로 풀어 그 값을 추정 계산하며,
Figure 112015123008824-pat00015
는 상기의 행렬해로부터 계산된 계통의 저항, 리액턴스로부터 계산된다.
전압 안정도 판단부(15)는 특정 구간의 구간 임피던스 및 계통 임피던스의 비(ratio)에 구간 임피던스 위상값과 구간 임피던스 평균값의 위상값 차이를 위상 가중치로 하여 전압 안정도를 판단할 수 있다.
또한, 전압 안정도 판단부(15)는 계통 임피던스 크기를 이용하여 크기에 대한 역 가중치를 산출하고, 산출된 역 가중치를 계통 임피던스에 적용하여 전압 안정도를 판단할 수 있다.
전압 안정도 판단부(15)는 예를 들면 하기 수학식 4에 따라 전압 안정도를 판단할 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112015123008824-pat00016
수학식 4에서
Figure 112015123008824-pat00017
는 전압 안정도 지수이고, k는 가중치 파라미터로 크기에 대한 역 가중치와 위상 가중치를 포함하는 벡터 값으로 구성된다. k의 위상 가중치는 구간 임피던스 위상값에서 구간 임피던스 평균값의 위상값의 차로 구해지며, 크기에 대한 역 가중치는 1보다 작은 값인 0.5 내지 0.9사이의 값으로 구해질 수 있다.
상기 수학식 4에 따르면 선로의 부하는 시간별로 변동되기 때문에 상대적으로 취약한 피크부하 및 전압강하예상 구간시간 등을 설정하고 해당 시간동안의 구간 임피던스 값을 평균화 하고 이를 통한 위상값을 가중치로 하여 보다 정확하게 전력계통의 안정도를 판단할 수 있다.
도2는 본 발명의 일실시예에 따른 전력계통 안정도 판단 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도2의 (a)를 참고하면, 기존 계통 임피던스와 구간 임피던스의 크기를 비교하여 비교값이 1에 가까워지면 전력계통이 불안정한 것으로 판단하는 경우에는 구간 임피던스의 감소 뿐만이 아니라, 계통의 고장, 타보호기기의 투입/개방, 돌입전류, 배전계통 외란 등에 의한 임피던스 변동 현상이 존재하여 안정도에 대한 오판단이 발생하였다.
도2의 (b)를 참고하면, 본 발명의 일실시예에 따른 전력계통 안정도 판단 장치는 구간 임피던스의 평균 위상값을 적용하여 특정 시간대의 조류 방향을 고려함으로써 오판단의 가능성을 줄일 수 있다.
다시 도1을 참고하면, 취약 구간 설정부(16)는 전압 안정도가 기 설정된 수치 이상인 경우 해당 구간을 취약 구간으로 설정할 수 있다. 취약 구간 설정부(16)는 전압 안정도 판단부(15)에서 판단한 전압 안정도 지수가 기 설정된 지수 이상으로 나타나는 경우에는 해당 구간을 안정도 취약 구간으로 설정할 수 있다.
도3은 본 발명의 일실시예에 따른 전력계통 안정도 판단 방법의 순서도이다.
먼저, 계측부는 특정 구간 선로의 전압 및 전류를 계측한다(S301). 계측부는 선로상의 미리 설정된 구간에 대한 전압 및 전류를 실시간으로 계측할 수 있으며, 예를 들면 PMU(Phasor Measuring Unit)으로 구성될 수 있다.
구간 임피던스 연산부는 계측한 전압 및 전류를 이용하여 특정 구간의 구간 임피던스를 연산한다(S302).
평균값 연산부는 소정 시간 동안의 구간 임피던스를 이용하여 구간 임피던스 평균값을 연산한다(S303).
계통 임피던스 산출부는 배전계통 연계점을 기준으로 계통 임피던스를 산출 한다(S304).
계통 임피던스 산출 과정과 구간 임피던스 평균값 연산 과정은 반드시 순차적으로 수행되지 않아도 되며, 계통 임피던스 산출 후 에 구간 임피던스의 평균값을 연산할 수 있다.
전압 안정도 판단부는 특정 구간의 구간 임피던스 및 계통 임피던스의 비(ratio)에 구간 임피던스 위상값과 구간 임피던스 평균값의 위상값 차이를 위상 가중치로 하여 전압 안정도를 판단한다(S305).
취약 구간 설정부는 전압 안정도가 기 설정된 수치 이상인 경우 해당 구간을 취약 구간으로 설정한다(S306).
본 실시예에서 사용되는 '~부'라는 용어는 소프트웨어 또는 FPGA(field-programmable gate array) 또는 ASIC과 같은 하드웨어 구성요소를 의미하며, '~부'는 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만 '~부'는 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. '~부'는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다. 따라서, 일 예로서 '~부'는 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들, 및 변수들을 포함한다. 구성요소들과 '~부'들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 '~부'들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 '~부'들로 더 분리될 수 있다. 뿐만 아니라, 구성요소들 및 '~부'들은 디바이스 또는 보안 멀티미디어카드 내의 하나 또는 그 이상의 CPU들을 재생시키도록 구현될 수도 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10: 전력계통 안정도 판단 장치
11: 계측부
12: 구간 임피던스 연산부
13: 평균값 연산부
14: 계통 임피던스 산출부
15: 전압 안정도 판단부
16: 취약 구간 설정부

Claims (6)

  1. 특정 구간 선로의 전압 및 전류를 계측하는 계측부;
    계측한 전압 및 전류를 이용하여 상기 특정 구간의 구간 임피던스를 연산하는 구간 임피던스 연산부;
    소정 시간 동안의 구간 임피던스를 이용하여 구간 임피던스 평균값을 연산하는 평균값 연산부;
    배전계통 연계점을 기준으로 계통 임피던스를 산출하는 계통 임피던스 산출부; 및
    하기 수학식 1에 따라 상기 구간 임피던스 위상값과 상기 구간 임피던스 평균값의 위상값의 차이를 상기 구간 임피던스 및 상기 계통 임피던스의 비에 적용하여 전압 안정도를 판단하는 전압 안정도 판단부
    를 포함하는 전력계통 안정도 판단 장치.
    [수학식 1]
    Figure 112017022236962-pat00022

    (상기 수학식 1에서
    Figure 112017022236962-pat00023
    는 전압 안정도 지수이고,
    Figure 112017022236962-pat00024
    는 특정 구간 i, j까지의 구간 임피던스이고,
    Figure 112017022236962-pat00025
    는 계통 임피던스이고,
    Figure 112017022236962-pat00026
    은 계통 임피던스 크기를 이용하여 산출된 크기에 대한 역 가중치로 0.5 내지 0.9의 값을 가지며,
    Figure 112017022236962-pat00027
    는 구간 임피던스 위상값이고,
    Figure 112017022236962-pat00028
    은 구간 임피던스 평균값의 위상값이다)
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전압 안정도 판단부는 상기 계통 임피던스 크기를 이용하여 크기에 대한 역 가중치를 산출하고, 산출된 역 가중치를 상기 계통 임피던스에 적용하여 상기 전압 안정도를 판단하는 전력계통 안정도 판단 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전압 안정도가 기 설정된 수치 이상인 경우 해당 구간을 취약 구간으로 설정하는 취약 구간 설정부
    를 더 포함하는 전력계통 안정도 판단 장치.
  4. 특정 구간 선로의 전압 및 전류를 계측하는 단계;
    계측한 전압 및 전류를 이용하여 상기 특정 구간의 구간 임피던스를 연산하는 단계;
    소정 시간 동안의 구간 임피던스를 이용하여 구간 임피던스 평균값을 연산하는 단계;
    배전계통 연계점을 기준으로 계통 임피던스를 산출하는 단계; 및
    하기 수학식 2에 따라 상기 구간 임피던스 위상값과 상기 구간 임피던스 평균값의 위상값의 차이를 상기 구간 임피던스 및 상기 계통 임피던스의 비에 적용하여 전압 안정도를 판단하는 단계를 포함하는 전력계통 안정도 판단 방법.
    [수학식 2]
    Figure 112017022236962-pat00029

    (상기 수학식 2에서
    Figure 112017022236962-pat00030
    는 전압 안정도 지수이고,
    Figure 112017022236962-pat00031
    는 특정 구간 i, j까지의 구간 임피던스이고,
    Figure 112017022236962-pat00032
    는 계통 임피던스이고,
    Figure 112017022236962-pat00036
    은 계통 임피던스 크기를 이용하여 산출된 크기에 대한 역 가중치로 0.5 내지 0.9의 값을 가지며,
    Figure 112017022236962-pat00034
    는 구간 임피던스 위상값이고,
    Figure 112017022236962-pat00035
    은 구간 임피던스 평균값의 위상값이다)
  5. 제4항에 있어서,
    상기 전압 안정도를 판단하는 단계는 상기 계통 임피던스 크기를 이용하여 크기에 대한 역 가중치를 산출하고, 산출된 역 가중치를 상기 계통 임피던스에 적용하여 상기 전압 안정도를 판단하는 전력계통 안정도 판단 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 전압 안정도가 기 설정된 수치 이상인 경우 해당 구간을 취약 구간으로 설정하는 단계를 더 포함하는 전력계통 안정도 판단 방법.
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