KR101926308B1 - 분산전원 관리가 가능한 배전 자동화 시스템 - Google Patents

분산전원 관리가 가능한 배전 자동화 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 분산전원 관리가 가능한 배전 자동화 시스템은 복수의 배전급 변전소로부터 전력이 공급되는 배전망을 구성하는 복수의 배전선로; 상기 배전선로들 상에 상시 개방 상태로 설치되는 상시개방개폐부와, 상기 배전선로들 상에 상시 투입 상태로 설치되는 상시투입개폐부를 포함하는 개폐부; 상기 개폐부마다 구비되고, 배전선로를 기준으로 인접하는 타 개폐부들과 [계측된 부하전류, 상기 계측된 부하전류로부터 산출되는 잠정전력손실, 상시개방 상태의 인수여부에 관한 신호]를 포함하는 제어기초 데이터를 송수신하고, 상기 개폐부들 중 상시개방개폐부의 경우 상기 타 개폐부들로부터 전달된 잠정전력손실과 상기 산출된 잠정전력손실을 비교하여 상시개방 여부의 유지 또는 상기 개폐부들 중 목적 개폐부를 정하여 상시개방상태를 이전하는 배전자동화 단말장치; 상기 개폐부들 사이로 정의되는 구간에 연결되는 분산전원; 및 상기 분산전원의 발전을 온/오프 제어하고, 상기 분산전원의 단독운전 여부를 감지 및 관리하는 단독운전 방지부;를 포함하고, 상기 배전자동화 단말장치는 상기 배전자동화 단말장치에 대응하는 개폐부의 인접 구간에 연결된 단독운전 방지부를 등록하는 분산전원 데이터베이스를 구비하고, 수신된 상기 제어기초 데이터로부터 사고여부를 감지하여 사고 발생 시 상기 등록된 단독운전 방지부에 사고 발생 신호를 전송하고 대응하는 개폐부를 상시개방 상태로 전환시킨다.

Description

분산전원 관리가 가능한 배전 자동화 시스템{Distribution automation system having dispersion generation}
본 발명은 분산전원 관리가 가능한 배전 자동화 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 분산전원의 단독운전을 방지하는 기능을 구비하고 동시에 배전선로의 개방 및 투입을 자동화하는 관리 시스템에 관한 것이다.
배전계통의 조류계산은 많은 시간이 소요되어 자동화 시스템의 운영 전반에 시간적인 문제를 수반할 뿐만 아니라 실시간 데이터가 아닌 실적데이터 또는 추정데이터를 사용함으로 인한 오차가 발생하게 된다. 배전자동화 시스템을 구축하는 경우에는 정확한 실시간 조류데이터를 원격계측에 의해 수집이 가능하나 중앙집중식으로 데이터의 집중이 과도하게 되며, 이러한 실시간 데이터에 의한 계산량이 매우 크기 때문에 배전 자동화 시스템에 대한 시스템적 의존도가 크다는 문제가 있다.
특히 SCADA 시스템은 집중 원격감시 제어시스템 또는 감시 제어 데이터 수집시스템이라고도 하며, 전력망의 감시 제어기능을 수행한다. SCADA 시스템은 통신 경로상의 아날로그 또는 디지털 신호를 사용하여 원격장치의 상태정보 데이터를 원격소장치(remote terminalunit)로 수집, 수신·기록·표시하여 중앙 제어 시스템이 원격 장치를 감시 제어하는 시스템을 말하며 발전·송배전시설, 석유화학 플랜트, 제철공정 시설, 공장 자동화 시설 등 여러 종류의 원격지 시설 장치를 중앙 집중식으로 감시 제어하는 시스템이다.
이러한 SCADA 시스템을 이용한 배전 자동화 과정에서도 관리자의 판단과 결정이 게재되어야 하는 등 유사시 결정 및 조치에 걸리는 시간이 많이 소요되는 문제가 발생한다.
또한 대한민국 등록특허 제10-0637417호 ("배전계통의 부하평준화를 위한 최적 배전계통 구성방법", 이하 '선행기술 1'이라 함)는 조류계산을 최적화하는 배전자동화 방법에 관한 것이고, 대한민국 등록특허 제10-0901319호("배전지능화 시스템 및 그 방법", 이하 '선행기술 2'라 함)는 배전계통 통합운영 시스템에 관한 것이나, 이 경우에도 앞서 설명한 바와 같이 유사시 결정 및 조치에 걸리는 시간이 많이 소요되는 문제가 발생하고, 데이터가 과도하게 중앙 관리서버로 집중되는 문제가 발생한다.
한편, 스마트 그리드는 국제적으로 많은 선진국들이 앞서 추진하는 범국가적인 프로젝트이다. 스마트 그리드는 세계적으로 문제가 되는 화석 연료의 고갈과 탄소 배출에 따른 지구 온난화 문제에 대응하기 위한 해결책으로 제시 되었다. 그런데, 스마트 그리드의 분산 전원 시스템에서 발생하는 전압제어, 전압 불평형, 고조파, 주파수 변동, 계통의 단락전류, 단독운전, 안정도에 있어서 문제점이 제기되고 있다.
현재까지 단독운전 검출기법은 여러 가지 방법이 개발되어 왔는데, 이들 검출기법은 다음과 같이 두 가지 접근 방법으로 분류된다. 첫번째 방법은 수동적 방법으로 가장 일반적인 과/저 전압 및 주파수 검출기법이다. 이는 계통의 전압/주파수가 설정치를 벗어날 때 인버터가 정지하는 방식이다. 두번째 방식인 전압 고조파 감시기법은 계통이 단독운전 상태에 있을 경우 배전 변압기에 공급되는 여자전류로 인하여 전압 고조파 성분이 증가되는 원리를 이용한다. 이 능동적 방법은 유효전력 불균형으로 이상을 검출하는 출력전력변동방식, 단자전압의 주파수를 관측하는 능동주파수 변동방식, 단독운전 상태에서 발생하는 주파수 변화를 관측하는 슬라이딩 모드 주파수 변동방식이 있다.
그런데, 이들 단독운전 검출기법은 단독운전상태를 감지하는데 있어 각각의 문제점이 있다. 과/저 전압 및 주파수 검출기법은 인버터 발전출력이 동일 계통에 연계된 부하와 일치될 때 단독운전 검출에 실패한다. 전압 고조파 감시기법은 인버터를 차단하기 위한 적정 고조파 값을 설정하는 것이 비선형 부하가 존재할 때에는 거의 불가능하다. 출력전력변동방식은 동일 계통에 연계된 다수의 분산전원이 동기화되어 있지 않다면 평준화 효과로 인하여 효과가 없다. 능동주파수 변동방식은 부하 위상각이 주파수 변화분에 의해 발생된 위상값과 일치할 때 실패하기 쉽다. 마지막으로 슬라이딩 모드 주파수변동기법은 부하위상이 인버터 초기위상과 같다면 단독운전 검출에 실패한다.
또한, 중앙에서 획일적으로 전력을 관리하면, 각 분산전력에 대한 정보를 중앙 전력관리 시스템이 모두 알 수가 없으므로 잉여 전력이 발생해도 소모해야 하는 비효율적인 전력관리 구조가 되는 문제가 있다.
본 발명은 선로의 전력손실을 최소화하고 전력공급량을 평준화하면서도, 중앙으로 집중되는 데이터를 획기적으로 줄임으로써 배전 관리를 효율적으로 수행할 수 있는 배전 자동화 시스템을 제공한다.
또한 본 발명은 분산전원의 투입 시 이의 관리 및 사고 시의 대처를 신속하고 효율적으로 보조할 수 있는 수단을 제공한다.
본 발명에 따른 분산전원 관리가 가능한 배전 자동화 시스템은 복수의 배전급 변전소로부터 전력이 공급되는 배전망을 구성하는 복수의 배전선로; 상기 배전선로들 상에 상시 개방 상태로 설치되는 상시개방개폐부와, 상기 배전선로들 상에 상시 투입 상태로 설치되는 상시투입개폐부를 포함하는 개폐부; 상기 개폐부마다 구비되고, 배전선로를 기준으로 인접하는 타 개폐부들과 [계측된 부하전류, 상기 계측된 부하전류로부터 산출되는 잠정전력손실, 상시개방 상태의 인수여부에 관한 신호]를 포함하는 제어기초 데이터를 송수신하고, 상기 개폐부들 중 상시개방개폐부의 경우 상기 타 개폐부들로부터 전달된 잠정전력손실과 상기 산출된 잠정전력손실을 비교하여 상시개방 여부의 유지 또는 상기 개폐부들 중 목적 개폐부를 정하여 상시개방상태를 이전하는 배전자동화 단말장치; 상기 개폐부들 사이로 정의되는 구간에 연결되는 분산전원; 및 상기 분산전원의 발전을 온/오프 제어하고, 상기 분산전원의 단독운전 여부를 감지 및 관리하는 단독운전 방지부;를 포함하고, 상기 배전자동화 단말장치는 상기 배전자동화 단말장치에 대응하는 개폐부의 인접 구간에 연결된 단독운전 방지부를 등록하는 분산전원 데이터베이스를 구비하고, 수신된 상기 제어기초 데이터로부터 사고여부를 감지하여 사고 발생 시 상기 등록된 단독운전 방지부에 사고 발생 신호를 전송하고 대응하는 개폐부를 상시개방 상태로 전환시킨다.
또한 상기 단독운전 방지부는 스텝 주입부 주파수 피드백 방식으로 대응하는 분산전원의 단독운전을 검출할 수 있다.
또한 상기 단독운전 방지부는 분산전원의 단독운전으로 판정되는 경우 상기 분산전원의 발전을 오프시키는 제어신호를 발생시킨 후 등록된 개폐부에 단독운전 알림 신호를 전달할 수 있다.
또한 상기 배전자동화 단말장치는 사고를 감지하는 경우 대응하는 개폐부를 상시개방 상태로 전환한 후 인접하는 타 개폐부에 사고 발생 신호를 전달할 수 있다.
또한 상기 상시개방상태의 이전이 발생하는 경우 상기 상시개방개폐부 및 상기 상시개방개폐부와 인접하는 상시투입개폐부에 대응하는 상기 배전자동화 단말장치들로부터 개폐기들의 상태 데이터 및 제어기초 데이터를 전달받아 DB화할 수 있다.
또한 상기 배전 자동화 관리서버는 상기 상시개방상태의 이전이 발생하는 경우 상기 상시개방상태의 이전 시점을 기준으로 전후 일정 시간 동안의 데이터를 DB화할 수 있다.
또한 상기 배전 자동화 관리서버는 상기 개폐기들로부터 전송된 제어기초 데이터를 이용하여 상기 배전선로들 각각의 구간별 전력공급량 및 전력손실을 계산하여 상기 상시개방개폐부의 위치를 재조정할 수 있다.
또한 상기 배전자동화 단말장치는 상기 타 개폐부들로부터 전달된 잠정전력손실과 상기 산출된 잠정전력손실의 차가 기 설정된 일정 기준치 이상인 경우 상기 타 개폐부들로부터 전달된 계측된 부하전류로부터 가장 큰 잠정전력손실치를 전송한 개폐부로 상시개방상태를 이전하는 경우의 예측전력손실을 산출하고, 산출된 예측전력손실과 상기 산출된 잠정전력손실을 비교하여 상기 상시개방상태의 이전 여부를 결정할 수 있다.
본 발명은 전력손실 최소화 방법을 적용하여 배전망의 전력 손실을 최소화하고, 전력공급량 평준화 방법을 적용하여 배전선로의 부하율을 향상시킬 수 있으며, 이를 통하여 경제적인 손실이 감소되어 배전망의 효율적인 운영을 달성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배전 관리 시스템의 모습을 개략적으로 나타내는 개념도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 배전망을 나타내는 도면이다.
도 3은 일 실시예에 따른 배전 관리 방법을 나타내는 순서도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 배전망 재조정 방법을 나타내는 순서도이다.
도 5는 다른 실시예에 따른 분산전원 관리가 가능한 배전 관리 시스템의 모습을 개략적으로 나타내는 개념도이다.
도 6은 다른 실시예에 따른 배전 관리 방법을 나타내는 순서도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다. 특별한 정의나 언급이 없는 경우에 본 설명에 사용하는 방향을 표시하는 용어는 도면에 표시된 상태를 기준으로 한다. 또한 각 실시예를 통하여 동일한 도면부호는 동일한 부재를 가리킨다. 한편, 도면상에서 표시되는 각 구성은 설명의 편의를 위하여 그 두께나 치수가 과장될 수 있으며, 실제로 해당 치수나 구성간의 비율로 구성되어야 함을 의미하지는 않는다.
도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 배전 관리 시스템을 설명한다. 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배전 관리 시스템의 모습을 개략적으로 나타내는 개념도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배전 자동화 시스템(10)은 복수의 배전선로(101,102), 복수의 개폐부(120), 배전 자동화서버(140), 통신부(180) 및 복수의 배전 자동화 단말장치(190)를 포함한다. 상기 배전선로들(101,102) 각각은 변전소들(51,52)과 전기수용장소를 연결하여 배전망을 구성한다.
상기 개폐부들(120) 각각은 상기 배전선로들(102)에 설치되고, 상기 배전선로들(101,102)에서 개방(open) 또는 투입(close) 상태를 유지한다. 상기 개폐부들(120)은 상기 서버(140)로부터 원격으로 감시되고 제어받는다. 상기 개폐부들(120)은 상시 개방되는 복수의 상시개방개폐부(133)와 상시 투입되는 복수의 상시투입개폐부(131)로 구분되며, 상호 전환됨으로써 전력이 공급되는 배전선로를 형성하게 된다.
배전선로들(102) 상에 설치된 상기 개폐부들(120)의 사이 또는 상기 변전소들(51,52) 각각에 연결된 차단부들(71,72)과 상기 차단부들(71,72)에 연결된 상기 개폐부들(120) 사이를 하나의 구간이라 정의한다. 각 구간에는 부하들이 연결되어 있다.
배전 자동화서버(140)는 상기 개폐부들(120) 각각에 부하 전류의 계측을 명령하고, 상기 개폐부들(120) 각각으로부터 상기 부하 전류의 계측 데이터를 수신하여 저장한다. 다만, 본 실시예에 있어서 이와 같은 데이터의 수집은 실시간으로 이루어져야 할 필요는 없으며, 일정 주기마다 또는 정해진 시간에 수행되거나 후술할 재조정 과정에서 필요에 다라 데이터를 수집하는 것도 가능하다.
즉, 본 실시예에서의 경우 배전 자동화서버(140)는 중앙 집중식으로 데이터를 수집하고 이를 통하여 배전망을 관리하는 것이 아니라, 각각의 배전자동화 단말장치에서의 제어를 통하여 배전망을 주로 관리하게 된다.
서버(140)는 배전망의 재조정 시 또는 배전망의 초기세팅 또는 초기화 시 상기 상시개방개폐부(133)의 리스트와 상기 계측 데이터를 저장하고, 상기 리스트 및 상기 계측 데이터를 이용하여 상기 상시개방개폐부(133)의 위치 이동에 따른 상기 배전선로들(101,102) 각각의 구간별 전력공급량 및 전력손실을 계산하며, 계산 결과를 이용하여 전력공급량 평준화 및 전력손실의 최소화를 위한 상기 상시개방개폐부(133)의 위치를 확정한다. 이를 위해, 상기 서버(140)는 제어모듈(150), 데이터 베이스(160) 및 응용모듈(170)을 포함한다. 제어모듈(150)은 상기 개폐부들(120) 각각을 원격으로 감시 및 제어하고, 상기 계측 데이터를 수신하여 상기 데이터 베이스(160)에 전달한다. 상기 데이터 베이스(160)는 상기 배전선로들(101,102)의 연결성을 표현하고 탐색할 수 있다. 구체적으로, 상기 데이터 베이스(160)는 상기 변전소들(51,52) 각각에서 인출되는 차단부들(71,72)에서부터 상기 배전선로들(101,102)의 말단 사이에 있는 상기 개폐부들(120)과 선로의 연결 정보를 저장한다. 또한, 상기 데이터 베이스(160)는 전력 손실이나 전압 강하 등 기술적인 계산을 하기 위한 각 구간의 전선의 굵기와 길이 정보와 전선 종류별 단위길이당 임피던스를 저장한다.
데이터 베이스(160)는 상기 제어모듈(150)로부터 상기 계측 데이터를 수신하여 저장하고, 상기 배전망에 설치된 상기 상시개방개폐부(133)의 리스트를 저장한다.
응용모듈(170)은 초기 배전망 세팅이나 전체 재조정 시에 상기 데이터 베이스(160)로부터 상기 리스트 및 상기 계측 데이터를 이용하여 상기 상시개방개폐부들(133)의 위치 이동에 따른 상기 배전선로들(101,102)의 구간별 전력공급량 및 전력손실을 계산한다. 상기 응용모듈(170)은 상기 전력공급량 및 전력 손실의 계산 결과를 이용하여 상기 상시개방개폐부(133)의 위치를 확정한다. 예를 들어, 상기 응용모듈(170)은 상기 상시개방개폐부(133)의 위치를 상기 배전망 내에서 이동 가능한 곳으로 전부 이동시켰을 때 상기 배전선로들(101,102)의 전력공급량 평준화율이 최소이거나 상기 배전선로들(101,102)의 전력손실의 합이 최소인 곳에 상기 상시개방개폐부들(133)의 위치를 확정한다. 여기서, 상기 상시개방개폐부(133)의 위치 이동은 상기 배전선로들(101,102) 중 상기 상시개방개폐부(133)에 의해 배전 경로가 구별되는 두 배전선로들(101,102)을 모의배전경로로 설정하고, 상기 모의배전경로 내에서 상기 상시개방개폐부(133)를 상기 상시투입개폐부(131)로 전환한 후 상기 모의배전경로 내에 설치된 상기 상시투입개폐부들(131) 중 하나를 상기 상시개방개폐부(133)로 전환하여 이루어진다.
응용모듈(170)은 상기 전력공급량 평준화율과 상기 전력손실의 합을 모두 고려하여 상기 배전망 내에서 상기 상시개방개폐부(133)의 위치를 확정하는 것이 가장 바람직하지만 상기 배전망의 상황에 따라 상기 전력공급량 평준화와 상기 전력손실의 합 중 하나만 고려하여 상기 상시개방개폐부(133)의 위치를 확정할 수도 있다.
통신부(180)는 배전자동화 단말장치(190)들로부터 제어기초 데이터 등 계측된 데이터를 포함하여 배전망의 전체 상태에 관한 데이터를 전송받고 제어신호 등을 송수신하기 위하여 통신을 수행한다.
상기 배전 자동화 단말장치(190)들 각각은 상기 개폐부들(120)에 연결되고, 주위에서 계측된 데이터를 주로 이용하여 개폐부들(120)의 상시 개방 또는 투입여부를 결정하게되며, 부수적으로 초기 세팅이나 재조정 시에만 배전 자동화 관리서버(140)로부터의 계측 명령과 원격 제어 명령을 통하여 상기 개폐부들(120)을 제어한다. 상기 배전 자동화 단말장치(190)들 각각은 개폐부들(120)의 제어 결과를 상기 통신부(180)로 전송한다.
구체적으로 배전자동화 단말장치(190)는 [계측된 부하전류, 상기 계측된 부하전류로부터 산출되는 잠정전력손실, 상시개방 상태의 인수여부에 관한 신호]를 포함하는 제어기초 데이터를 송수신하고, 상기 개폐부(120)들 중 상시개방개폐부(133)의 경우 타 개폐부들로부터 전달된 잠정전력손실과 산출된 잠정전력손실을 비교하여 상시개방 여부의 유지 또는 상기 개폐부들 중 목적 개폐부를 정하여 상시개방상태를 이전할 수 있다. 이 때 배전자동화 단말장치(190)는 타 개폐부들로부터 전달된 잠정전력손실과 스스로 산출한 잠정전력손실의 차가 기 설정된 일정 기준치 이상인 경우에 상기 타 개폐부들로부터 전달된 계측된 부하전류로부터 가장 큰 잠정전력손실치를 전송한 개폐부로 상시개방상태를 이전하는 경우의 예측전력손실을 산출한다. 이 후 산출된 예측전력손실과 스스로 산출한 잠정전력손실을 비교하여 전력손실을 최소화하는 결과에 따라 상시개방상태의 이전 여부를 결정할 수 있다. 이 때 상시개방상태의 이전이라 함은 목적 개폐부를 상시개방상태로 전환하도록 신호를 전송하고, 상시개방상태에 있던 자신은 상시투입상태로 전환하는 것을 의미한다. 전력손실은 구간의 길이와 단위길이당 저항으로부터 해당 구간에서의 전체 저항을 산출하고, 이에 계측된 계측전류를 반영하여 산출할 수 있다.
또한 배전 자동화 관리서버(140)는 상기 상시개방상태의 이전이 발생하는 경우 상기 상시개방개폐부 및 상기 상시개방개폐부와 인접하는 상시투입개폐부에 대응하는 상기 배전자동화 단말장치들로부터 개폐기들의 상태 데이터 및 제어기초 데이터를 전달받아 DB화하고, 또한 상기 상시개방상태의 이전이 발생하는 경우 상기 상시개방상태의 이전 시점을 기준으로 전후 일정 시간 동안의 데이터를 DB화하는 것도 가능하다.
도 2 내지 도 4를 참조하여 일 실시예에 따른 배전 자동화 시스템 제어방법을 설명한다. 도 2는 일 실시예에 따른 배전망을 나타내는 도면이고, 도 3은 일 실시예에 따른 배전 관리 방법을 나타내는 순서도이며, 도 4의 (a) 및 (b)는 일 실시예에 따른 배전망 재조정 방법을 나타내는 순서도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 배전망은 제1 내지 제6 배전선로들(F1,F2,F3,F4,F5,F6)과 상기 제1 내지 제6 배전선로들(F1,F2,F3,F4,F5,F6)에 설치된 복수의 개폐부(120)로 구성된다. 상기 개폐부들(120)은 운전 상태에 따라 복수의 상시개방개폐부(133)와 복수의 상시투입개폐부(131)로 구분된다. 상기 개폐부들(120)은 서버(140)에 의해 원격으로 감시되며, 필요시에만 개폐 여부가 제어된다. 즉, 개폐부들(120)은 기본적으로는 각 개폐부들(120)에 구비되는 배전 자동화 단말장치에 의하여 주변상황에 따라 서버의 개입 없이 개방 또는 투입 여부가 결정되며, 이러한 프로세스는 상시개방개폐부(131)들을 중심으로 수행된다.
이외에 직접적으로 중앙 서버, 또는 배전 자동화 관리서버 등에 의하여 제어가 되는 경우는 도 3에서 도시된 바와 같이 배전망을 초기화(S100)하거나, 배전망을 재조정(S500) 하는 경우에 한한다.
구체적으로 복수의 배전급 변전소로부터 전력이 공급되는 배전망을 구성하는 복수의 배전선로와, 상기 배전선로들 상에 상시 개방 상태로 설치되는 상시개방개폐부와, 상기 배전선로들 상에 상시 투입 상태로 설치되는 상시투입개폐부를 포함하는 개폐부와, 상기 개폐부를 제어하는 배전자동화 단말장치와, 상기 배전자동화 단말장치와 연결되는 배전 자동화 관리서버를 포함하는 배전 자동화 시스템을 제어하는 방법에 있어서, 본 발명에 따른 배전 자동화 시스템 제어방법은 다음과 같은 단계를 포함한다.
제1 단계로서 상기 배전 자동화 관리서버가 상기 개폐부를 상시투입개폐부 및 상시개방개폐부로 구분하여 초기 배전망을 세팅한다(S100).
제2 단계로서 상기 배전 자동화 단말장치들이 부하전류를 계측한다(S200).
제3 단계로서 상기 배전 자동화 단말장치들이 인접하는 타 배전 자동화 단말장치에 [계측된 부하 전류, 상기 계측된 부하전류로부터 산출되는 잠정전력손실]을 포함하는 제어기초 데이터를 송수신한다(S200).
제4 단계로서 상기 개폐부 중 상시개방개폐부에 대응하는 배전 자동화 단말장치가, 산출한 잠정전력손실과 타 개폐부들로부터 전달된 잠정전력손실을 비교하여 상시개방 여부의 유지 또는 상기 개폐부들 중 목적 개폐부를 정하여 상시개방상태를 이전여부를 결정한다. 이 때 상기 배전자동화 단말장치가 상기 타 개폐부들로부터 전달된 잠정전력손실과 상기 산출된 잠정전력손실의 차가 기 설정된 일정 기준치 이상인 경우 상기 타 개폐부들로부터 전달된 계측된 부하전류로부터 가장 큰 잠정전력손실치를 전송한 개폐부로 상시개방상태를 이전하는 경우의 예측전력손실을 산출한다. 이후, 산출된 예측전력손실과 상기 산출된 잠정전력손실을 비교하여 상기 상시개방상태의 이전 여부를 결정한다.
또한 상기 상시개방상태의 이전이 발생하는 경우 상기 배전 자동화 관리서버는 상기 상시개방개폐부 및 상기 상시개방개폐부와 인접하는 상시투입개폐부에 대응하는 상기 배전자동화 단말장치들로부터 개폐기들의 상태 데이터 및 제어기초 데이터를 전달받아 DB화하는 단계를 포함할 수 있으며, 상기 배전 자동화 관리서버가 상기 상시개방상태의 이전이 발생하는 경우 상기 상시개방상태의 이전 시점을 기준으로 전후 일정 시간 동안의 데이터를 DB화하는 단계를 더 포함할 수도 있다.
한편, 이와 같은 제2 단계 내지 제4 단계를 반복 수행함으로써, 상시개방개폐부(131)의 위치가 점차적으로 전력손실을 최소화시키는 방향으로 이동해 나가게된다. 다만, 이 경우 중앙집중 제어방식에 비하여 배전망의 큰 변화를 한번에 주기는 어려우나, 각 개폐부들의 주변 상황의 계측 및 판단에 의하여 전력손실을 줄여나갈 수 있게 된다. 특히 이러한 프로세스는 다수의 분산 전원이 투입되어 있는 경우에 안정적인 배전망의 유지에 효과를 얻을 수 있게 된다.
또한 상기 제2 단계 내지 제4 단계와 병행하여, 또는 상기 제4 단계 이후 상기 제2 단계 내지 제4 단계를 반복 수행하기 전 상기 배전 자동화 관리서버가 상기 개폐기들로부터 전송된 제어기초 데이터를 이용하여 상기 배전선로들 각각의 구간별 전력공급량 및 전력손실을 계산하여 상기 상시개방개폐부의 위치를 재조정 여부를 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이 본 실시예에 따른 프로세스의 경우 상시개방개폐부의 위치가 점차적으로 이동해가면서 전력손실을 최소화시키게 된다. 이 경우 중앙집중 방식의 데이터 수집이 최소화됨으로써 대규모 도시의 전력 관리가 용이할 수 있다. 그러나 이 경우 전력 공급 상황이나 분산 전원의 가동 상태 등에 따라 상시개방개폐부의 위치가 일 지점으로 다소 치우지는 경우가 발생하거나 사고 발생 시 해당 사고의 수습 후 등의 경우에는 다시 일시적으로 중앙 집중방식으로 제어하여야 한다. 이러한 과정을 재조정 과정이라 하며, 이러한 재조정 과정은 기존의 다양한 방식의 중앙집중식 배전 자동화 프로세스가 도입될 수 있다.
구체적으로 재조정 과정에서 배전 자동화 관리서버(140)는 상기 상시개방개폐부(133)의 위치를 이동시키면서 상기 제3 및 제6 배전선로들(F3,F6) 각각의 전력손실을 계산하고, 전력손실들의 합을 저장한다. 상기 배전 자동화 관리서버(140)는 상기 모의배전경로 내에서 상기 N31의 상시개방개폐부(133)를 N41의 상시투입개폐부(131)로 이동시킨다. 예컨대, 상기 배전 자동화 관리서버(140)는 상기 N31의 상시개방개폐부(133)의 운전 상태를 상시 투입으로 전환하고, 상기 N41의 상시투입개폐부(131)의 운전 상태를 상시 개방으로 전환한다. 상기 배전 자동화 관리서버(140)는 상기 상시개방개폐부(133)을 이동시킨 후 상기 제3 및 제6 배전선로들(F3,F6) 각각의 전력손실을 계산하고, 전력손실들의 합을 저장한다. 상기 배전 자동화 관리서버(140)는 이러한 일련의 과정을 상기 모의배전경로 내에서 더 이상 전력 손실이 줄어들지 않아 상기 상시개방개폐부(133)의 이동이 불가능할 때까지 반복한다. 배전 자동화 관리서버(140)는 상기 저장된 전력손실들의 합을 이용하여 상기 전력손실들의 합이 최소인 상기 상시개방개폐부(133)의 위치를 선정한다.
배전 자동화 관리서버(140)는 상기 배전망 내에서 나머지 상시개방개폐부(133)를 선택하고, 상기 상시개방개폐부(133)와 연결된 두 배전선로들(101,102)로 구성되는 모의배전경로를 정의한다. 상기 배전 자동화 관리서버(140)는 상기 상시개방개폐부(133)을 이동시키는 일련의 과정을 반복하고, 상기 전력손실들의 합이 최소인 위치로 상기 상시개방개폐부(131)의 위치를 선정한다. 배전 자동화 관리서버(140)는 상기 배전선로들(101,102)의 전력 손실을 최소화하여 상기 상시개방개폐부(133)의 위치를 확정한다.
또한 배전 자동화 관리서버(140)는 상기 배전망의 전력공급량을 평준화하기 위해 상기 모의배전경로를 정의한 후 상기 상시개방개폐부(133)의 위치를 이동시키는 일련의 과정을 반복할 수 있다. 상기 전력공급량 평준화 방법은 상기 전력손실 최소화 방법과 마찬가지로 상기 상시개방개폐부(133)의 위치 이동에 따라 상기 배전선로들(102)의 전력공급량의 평준화율을 계산하고, 상기 전력공급량의 평준화율이 최소인 곳에 상기 상시개방개폐부(133)의 위치를 선정한다.
배전 자동화 관리서버(140)는 상기 전력손실 최소화 방법과 상기 전력공급량 평준화 방법의 계산 결과가 다를 수 있다. 이에 따라, 상기 배전 자동화 관리서버(140)는 상기 전력손실 최소화 방법과 상기 전력공급량 평준화 방법을 함께 고려하여 상기 상시개방개폐부(133)의 위치를 확정할 수 있다.
도 4를 참조하여 설명하면, 단계 S10에서 배전 자동화 관리서버(140)는 배전망 내에 설치된 모든 상시개방개폐부들(133)을 리스트로 저장하고, 상기 상시개방개폐부들(131)의 위치를 이동시키기 위한 상기 개폐부들(120)의 제어 순서를 만든다.
단계 S20에서 배전 자동화 관리서버(140)는 현재 상태에서의 목적함수를 구한다.
단계 S30에서 배전 자동화 관리서버(140)는 상기 상시개방개폐부들(133)의 조합을 정하고, 상기 상시개방개폐부들(133) 중 선택된 상시개방개폐부(133)를 이동시키며 검토할 순서를 설정한다.
단계 S40에서 상기 배전 자동화 관리서버(140)는 설정된 상시개방개폐부(133)의 순서 중 첫번째 순서의 상시개방개폐부(133)를 선택하고, 상기 선택된 상시개방개폐부(133)에 연결된 두 배전선로들(101,102)을 모의배전경로로 설정한 후 상기 모의배전경로 내에서 상기 상시개방개폐부(133)를 이동시키며 전력손실 최소화 방법에 대한 목적함수를 계산한다.
구체적으로, 상기 배전 자동화 관리서버(140)는 상기 배전망의 손실을 최소화하기 위해 선로의 정격용량, 전압강하 및 방사상 배전선로 구성 등의 제약조건을 준수하면서 상기 배전망의 전력손실의 합이 최소가 되도록 상기 상시개방개폐부(133)의 위치를 선택해야 한다. 상기 배전 자동화 관리서버(140)는 상기 배전망에서 전력손실 최소화를 달성하기 위하여 상기 배전선로들의 전력손실 최소화를 목적함수로 정할 수 있다. 상기 배전선로들의 전력손실을 계산하기 위해 필요한 정보는 상기 배전선로들을 구성하는 전선의 종류별 단위 임피던스값과 부하 전류값 및 각 구간의 길이이다. 상기 배전 자동화 관리서버(140)는 상기 목적함수로 부하가 각 구간에서 균등하게 분포된 것으로 가정하여 하기의 수학식 1과 같이 산출할 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112018051999163-pat00001
수학식 1에서 Ii-1는 i-1번째 구간의 전류값, Ii는 i번째 구간의 전류값, Di는 i번째 구간의 길이 및 ri는 i-1번째 구간과 i번째 구간 사이의 선로 저항에 의한 단위 임피던스값이다.
단계 S50에서 상기 배전 자동화 관리서버(140)는 상기 상시개방개폐부(133)를 이동시켜가면서 현재의 전력손실 최소화의 목적함수가 이전의 전력손실 최소화의 목적함수보다 감소하였는지 판단한다. 예를 들어, 도 2에서 N31의 상시개방개폐부(133)에 연계되는 제3 배전선로(F3)와 제6 배전선로(F6)를 상기 모의배전경로를 설정한다. 이어서 다른 상기 상시개방개폐부(133)를 선택하고 동일한 방법으로 전력손실 감소 여부를 반복적으로 계산하다가 상기 상시개방개폐부(133)의 위치를 변경하더라도 더 이상 손실이 감소하지 않게 되면 상기 배전망의 손실은 최소가 될 수 있다.
상기 모의배전경로 내에서 상기 상시개방개폐부(133)를 이동하였을 경우 두 배전선로들(101,102)에 흐르는 전류는 위치가 이동된 상기 상시개방개폐부(133) 사이 구간의 해당 전력공급량만큼만 두 배전선로들(101,102)이 주고 받았을 뿐 전체 전류의 합은 변하지 않는다. 이러한 전류의 변화 문제는 두 배전선로들의 전력손실의 변화와 관련이 있으므로, 전력손실의 증감은 수학식 2를 적용하여 계산한다.
[수학식 2]
Figure 112018051999163-pat00002
수학식 2에서 ΔL은 전력손실의 증감, S1은 상기 제1 배전선로(101)의 출력단에서 상기 상시개방개폐부까지의 구간, S2는 상기 제2 배전선로(102)의 출력단에서 상기 상시개방개폐부까지의 구간, Im은 이동한 영역의 전류, I는 이동하기 전의 최대 전류 및 R는 상기 배전선로들의 저항이다.
단계 S60에서 판단결과, 이전의 전력손실 최소화의 목적함수보다 현재의 전력손실 최소화의 목적함수가 감소하였으면, 상기 전력손실 최소화의 목적함수가 더 크게 줄어드는 위치에 배치된 상기 상시개방개폐부들(133)을 새로운 상시개방개폐부들(133)의 위치 조합으로 수정한다.
단계 S70에서 상기 리스트에서 다음 차례의 상시개방개폐부(133)를 선택하고, 상기 선택된 상시개방개폐부(133)에 연결된 두 배전선로들을 모의배전경로로 설정한 후 상기 모의배전경로 내에서 상기 상시개방개폐부(133)를 이동시키며 전력손실 최소화의 목적함수를 계산한다.
단계 S80에서 판단결과, 상기 배전 자동화 관리서버(140)는 이전의 전력손실 최소화의 목적함수보다 현재의 전력손실 최소화의 목적함수가 감소하지 않았으면 상기 상시개방개폐부들(133)의 위치 조합에서 모든 상시개방개폐부들(133)이 순서대로 모두 검토되었는지 판별한다.
단계 S90에서 판단결과, 상기 배전 자동화 관리서버(140)는 상기 상시개방개폐부들(133)이 모두 검토되지 않았으면 상기 리스트에서 다음 차례의 상시개방개폐부(133)를 선택하고, 상기 선택된 상시개방개폐부(133)에 연결된 두 배전선로들(101,102)을 모의배전경로로 설정한 후 상기 모의배전경로 내에서 상기 상시개방개폐부(133)를 이동시키며 전력손실 최소화 방법에 대한 목적함수를 계산한다. 상기 배전 자동화 관리서버(140)는 목적함수를 계산하고 이전단계 S50로 돌아간다.
단계 100에서 판단결과 상기 배전 자동화 관리서버(140)는 상기 상시개방개폐부들(133)의 위치 조합에서 순서대로 모두 검토할 때 상기 전력손실 최소화의 목적함수가 더 이상 줄어들지 않는지 판별한다. 만약, 상기 전력손실 최소화의 목적함수가 더 이상 줄어들지 않는다면 이전단계 S40으로 돌아간다.
단계 110에서 판단결과, 상기 전력손실 최소화의 목적함수가 더 이상 줄어들지 않으면 상기 배전 자동화 관리서버(140)는 상기 전력손실 최소화를 위해 상기 상시개방개폐부(133)의 위치를 확정한다.
위와 같은 프로세스를 통하여 배전망의 초기 세팅을 진행하거나, 이후 재조정 과정에서 적절한 상시개방개폐부의 위치를 선정할 수 있다.
도 5 및 도 6을 참조하여 분산전원 관리 기능이 포함된 배전 관리 시스템을 설명한다. 도 5는 다른 실시예에 따른 분산전원 관리가 가능한 배전 관리 시스템의 모습을 개략적으로 나타내는 개념도이고, 도 6은 다른 실시예에 따른 배전 관리 방법을 나타내는 순서도이다.
스마트 그리드는 기존의 중앙집중형 전원이 아닌 전력소비지근처에서 발전하는 분산형 전원을 토대로 한다. 태양광발전, 풍력발전 등 신재생에너지를 비롯해 열병합발전, 연료전지, 에너지 저장장치가 모두 여기에 속한다. 분산형 전원은 신규송 · 배전망건설에 대한 투자와 송 · 배전 손실을 줄이는 한편, 전력부하변동에 유연하게 대응하는 장점이 있다. 그러나 분산형 전원을 기존 전력망에 계통 연계했을 때 예상되는 문제점 중 하나로 분산형 전원의 단독 운전을 들 수 있다. 분산형 전원을 연계한 계통에서 전력 계통 사고 등으로 전력회사 변전소의 송출 차단기가 개방되면, 분리된 계통은 분산형 전원만으로 수용가에 전력을 공급하게 되는데, 이 상태를 단독 운전이라고 한다. 이 경우 배전선에 사고가 발생하면, 통상 사고가 발생한 배전선의 변전소 측 전원이 차단된다. 이때 분산형 전원이 단독 운전으로 사고가 발생한 배전선에 전기를 공급하면 배전선에 접촉한 작업자나 일반사람이 감전 피해를 입을 수 있다. 또한 감전 사고와 마찬가지로, 사고점에 있는 전력 기기에도 전력이 공급되기에 전력 기기가 손상될 우려가 있다. 또한 단독 운전을 계속하는 상태에서 계통의 재폐로를 실시할 경우, 단독 계통과 전원 측 계통이 비동기(전압, 주파수, 위상이 같지 않음) 상태에서 연계(투입)되므로 해당 계통에 과전류나 전압 변동이 일어나 단독 계통에 접속한 다른 수용가 기기에 손상을 줄 수 있다. 이처럼 보안이나 공급 신뢰도 측면에 문제가 있기에, 분산형 전원이 계통에서 분리됐다면 빠르게 단독 운전을 검출해 분산형 전원을 확실히 해결해야 한다. 단독 운전이 됐을 때, 발전 출력과 부하의 평형 상태가 무너지면 전압이나 주파수에 변동이 나타나기에 전압 계전기나 주파수 계전기에서 검출할 수 있다. 그러나 발전 출력과 부하가 대체로 평형 상태를 이루고 있다면 전압이나 주파수 변동이 적어 계전기에서 검출하기 어렵다. 따라서 이런 경우에도 확실히 검출할 수 있는 단독 운전 검출 장치가 필요하며, 이러한 이유로 도 5에 도시된 바와 같이 분산전원(200)에 대응하여 단독운전 방지부(210)를 구비하게 된다.
본 발명에 따른 분산전원 관리가 가능한 배전 자동화 시스템은 상기 개폐부들 사이로 정의되는 구간에 연결되는 분산전원(200)과 상기 분산전원의 발전을 온/오프 제어하고, 상기 분산전원의 단독운전 여부를 감지 및 관리하는 단독운전 방지부(210);를 포함한다.
본 실시예에 따른 배전자동화 단말장치(190)는 상기 배전자동화 단말장치(190)에 대응하는 개폐부(120)의 인접 구간에 연결된 단독운전 방지부(210)를 등록하는 분산전원 데이터베이스(미도시)를 구비하고, 수신된 상기 제어기초 데이터로부터 사고여부를 감지하여 사고 발생 시 상기 등록된 단독운전 방지부(210)에 사고 발생 신호를 전송하고 대응하는 개폐부를 상시개방 상태로 전환시킨다.
한편, 단독운전 방지부(210)는 스텝 주입부 주파수 피드백 방식으로 대응하는 분산전원의 단독운전을 검출할 수 있으며, 단독운전 방지부(210)는 분산전원의 단독운전으로 판정되는 경우 분산전원(200)의 발전을 오프시키는 제어신호를 발생시킨 후 등록된 개폐부(120)에 단독운전 알림 신호를 전달할 수 있다.
또한 상기 배전자동화 단말장치(190)는 사고를 감지하는 경우 대응하는 개폐부(120)를 상시개방 상태로 전환한 후 인접하는 타 개폐부에 사고 발생 신호를 전달할 수 있다. 사고 발생 신호를 수신한 인접하는 타 개폐부들은 분산전원(200)에 의한 단독운전을 방지하기 위하여 필요에 따라 해당 개폐부들을 상시개방상태로 전환시킬 수 있다.
구체적으로 복수의 배전급 변전소로부터 전력이 공급되는 배전망을 구성하는 복수의 배전선로와, 상기 배전선로들 상에 상시 개방 상태로 설치되는 상시개방개폐부와, 상기 배전선로들 상에 상시 투입 상태로 설치되는 상시투입개폐부를 포함하는 개폐부와, 상기 개폐부를 제어하는 배전자동화 단말장치와, 상기 배전자동화 단말장치와 연결되는 배전 자동화 관리서버와, 상기 배전선로에 투입되는 분산전원과, 산기 분산전원의 단독운전을 관리하는 단독운전 방지부를 포함하는 배전 자동화 시스템을 제어하는 방법에 있어서, 본 발명에 따른 분산전원 관리가 가능한 배전 자동화 시스템 제어방법은 다음과 같은 단계를 포함한다.
제1 단계로서, 상기 배전 자동화 관리서버가 상기 개폐부를 상시투입개폐부 및 상시개방개폐부로 구분하여 초기 배전망을 초기화한다(S100).
제2 단계로서 상기 배전 자동화 단말장치들이 부하전류를 계측한다(S200).
제3 단계로서 상기 배전 자동화 단말장치들이 인접하는 타 배전 자동화 단말장치에 [계측된 부하 전류, 상기 계측된 부하전류로부터 산출되는 잠정전력손실]을 포함하는 제어기초 데이터를 송수신한다(S300).
제4 단계로서 상기 송수신된 제어기초 데이터로부터 사고여부를 감지한다(S350).
제5-1 단계(S500)는 사고 감지가 없는 경우 수행하며, 상기 개폐부 중 상시개방개폐부에 대응하는 배전 자동화 단말장치가, 산출한 잠정전력손실과 타 개폐부들로부터 전달된 잠정전력손실을 비교하여 상시개방 여부의 유지 또는 상기 개폐부들 중 목적 개폐부를 정하여 상시개방상태를 이전여부를 결정한다. 제5-1 단계(S500)는, 상기 배전자동화 단말장치가 상기 타 개폐부들로부터 전달된 잠정전력손실과 상기 산출된 잠정전력손실의 차가 기 설정된 일정 기준치 이상인 경우 상기 타 개폐부들로부터 전달된 계측된 부하전류로부터 가장 큰 잠정전력손실치를 전송한 개폐부로 상시개방상태를 이전하는 경우의 예측전력손실을 산출하고, 산출된 예측전력손실과 상기 산출된 잠정전력손실을 비교하여 상기 상시개방상태의 이전 여부를 결정한다.
제5-2 단계(S360)는 사고가 감지된 경우 수행하며, 사고 감지한 배전 자동화 단말장치가 기 등록되어 있는 단독운전 방지부에 사고 발생신호를 전송하고, 대응하는 개폐부를 상시개방 상태로 전환한다. 또한 상기 상시개방 상태로 전환된 이후, 상기 배전 자동화 관리서버가 사고의 수습 상황에 따라 상기 제1 단계로 회귀할 수 있다.
이상 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상이 상술한 바람직한 실시예에 한정되는 것은 아니며, 특허청구범위에 구체화된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범주에서 다양하게 구현될 수 있다.

Claims (8)

  1. 복수의 배전급 변전소로부터 전력이 공급되는 배전망을 구성하는 복수의 배전선로;
    상기 배전선로들 상에 상시 개방 상태로 설치되는 상시개방개폐부와, 상기 배전선로들 상에 상시 투입 상태로 설치되는 상시투입개폐부를 포함하는 개폐부;
    상기 개폐부마다 구비되고, 배전선로를 기준으로 인접하는 타 개폐부들과 [계측된 부하전류, 상기 계측된 부하전류로부터 산출되는 잠정전력손실, 상시개방 상태의 인수여부에 관한 신호]를 포함하는 제어기초 데이터를 송수신하고, 상기 개폐부들 중 상시개방개폐부의 경우 상기 타 개폐부들로부터 전달된 잠정전력손실과 상기 산출된 잠정전력손실을 비교하여 상시개방 여부의 유지 또는 상기 개폐부들 중 목적 개폐부를 정하여 상시개방상태를 이전하는 배전자동화 단말장치;
    상기 개폐부들 사이로 정의되는 구간에 연결되는 분산전원; 및
    상기 분산전원의 발전을 온/오프 제어하고, 상기 분산전원의 단독운전 여부를 감지 및 관리하는 단독운전 방지부;를 포함하고,
    상기 배전자동화 단말장치는 상기 배전자동화 단말장치에 대응하는 개폐부의 인접 구간에 연결된 단독운전 방지부를 등록하는 분산전원 데이터베이스를 구비하고, 수신된 상기 제어기초 데이터로부터 사고여부를 감지하여 사고 발생 시 상기 등록된 단독운전 방지부에 사고 발생 신호를 전송하고 대응하는 개폐부를 상시개방 상태로 전환시키고,
    상기 단독운전 방지부는 분산전원의 단독운전으로 판정되는 경우 상기 분산전원의 발전을 오프시키는 제어신호를 발생시킨 후 등록된 개폐부에 단독운전 알림 신호를 전달하며,
    상기 배전자동화 단말장치는 사고를 감지하는 경우 대응하는 개폐부를 상시개방 상태로 전환한 후 인접하는 타 개폐부에 사고 발생 신호를 전달하고,
    상기 상시개방상태의 이전이 발생하는 경우 상기 상시개방개폐부 및 상기 상시개방개폐부와 인접하는 상시투입개폐부에 대응하는 상기 배전자동화 단말장치들로부터 개폐기들의 상태 데이터 및 제어기초 데이터를 전달받아 DB화하는 배전 자동화 관리서버를 포함하며,
    상기 배전 자동화 관리서버는 상기 상시개방상태의 이전이 발생하는 경우 상기 상시개방상태의 이전 시점을 기준으로 전후 일정 시간 동안의 데이터를 DB화하고,
    상기 배전 자동화 관리서버는 상기 개폐기들로부터 전송된 제어기초 데이터를 이용하여 상기 배전선로들 각각의 구간별 전력공급량 및 전력손실을 계산하여 상기 상시개방개폐부의 위치를 재조정하며,
    상기 배전자동화 단말장치는 상기 타 개폐부들로부터 전달된 잠정전력손실과 상기 산출된 잠정전력손실의 차가 기 설정된 일정 기준치 이상인 경우 상기 타 개폐부들로부터 전달된 계측된 부하전류로부터 가장 큰 잠정전력손실치를 전송한 개폐부로 상시개방상태를 이전하는 경우의 예측전력손실을 산출하고, 산출된 예측전력손실과 상기 산출된 잠정전력손실을 비교하여 상기 상시개방상태의 이전 여부를 결정하는 분산전원 관리가 가능한 배전 자동화 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 단독운전 방지부는 스텝 주입부 주파수 피드백 방식으로 대응하는 분산전원의 단독운전을 검출하는 분산전원 관리가 가능한 배전 자동화 시스템.

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