KR101997633B1 - Teo 및 desa를 이용한 자동 동기화 파라미터 측정 장치 - Google Patents

Teo 및 desa를 이용한 자동 동기화 파라미터 측정 장치 Download PDF

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신훈철
유준수
신태오
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상명대학교산학협력단
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Abstract

자동 동기화 파라미터 측정 장치가 제공된다. AD 컨버터는 발전기 및 모선 중 어느 하나로부터 입력되는 아날로그 전압 신호를 디지털 전압 신호로 변환하여 출력하고, 파라미터 측정기는 AD 컨버터로부터 입력되는 순간적인 디지털 전압 신호에 대해 TEO(Teager Energy Operator) 연산을 수행하여 디지털 전압 신호의 제1 내지 제3TEO 계수들을 산출하고, 산출된 제1 내지 제3TEO 계수들을 이용하여 디지털 전압 신호의 위상, 전압 크기 및 주파수를 다수의 전압 파라미터들로서 측정한다.

Description

TEO 및 DESA를 이용한 자동 동기화 파라미터 측정 장치{Apparatus for measureing voltage parameters using TEO and DESA in auto-synchronizer}
본 발명은 자동 동기화 파라미터 측정 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, TEO 및 DESA 알고리즘과 전압 신호 중 1주기 내의 샘플 데이터들을 이용하여 자동 동기화에 필요한 전압 파라미터를 측정할 수 있는 자동 동기화 파라미터 측정 장치에 관한 것이다.
운영 중인 계통에 대한 발전기의 병입은 모선과 발전기의 각 상별 두 전압 신호의 동일한 크기, 주파수, 위상은 필수적이며, 병입 발전기를 조정하여 조정이 불가능한 계통과 동일한 전압을 가지도록 하는 과정을 동기화라고 한다. 이 때, 동기화 과정은 수동 동기화(Manual synchronizing)와 자동 동기화(Automatic synchronizing)로 구분된다.
수동 동기화는 사람이 미터기를 통해 직접 판단하여 출력을 조정하며, 동기 조건 만족 여부를 확인한 후 병입하는 방법을 의미한다. 사람이 측정된 결과를 통해 변동 지시를 내리는 수동 동기화와 달리, 자동 동기화는 장치가 모선 및 발전기의 전압 신호를 동시에 취득하여 비교하고, 오차에 따라 발전기를 조정한다.
따라서, 자동 동기화는 수동 동기화에 비해 빠른 병입 속도를 가질 뿐만 아니라 작은 오차를 통해 다양한 문제의 발생 빈도를 줄일 수 있다.
이 때, 자동 동기화 장치의 구성 중 전압의 크기, 주파수, 위상 측정 알고리즘의 구현은 매우 중요하다. 일반적인 측정 장비와 다르게 [표 1]의 IEEE 기준처럼 정밀한 측정이 필요할 뿐만 아니라 측정값에 따른 조정 및 투입 등의 지연시간이 발생하므로 동기화 시간을 감축하기 위해 빠른 측정이 필요하다.
성능 파라미터 IEEE C50.12 /IEEE C50.13
전압(%) 0~5%(계통 전압 기준)
주파수(Hz) ±0.067Hz
위상(degree) ±10°
또한, 발전기 미동기화 시 발전기의 급작스러운 동기화로 인한 로터의 기계적 스트레스뿐만 아니라 계통의 전압 변동을 유발하는 등 다양한 문제를 유발한다. 따라서 자동 동기화 장치에서의 파라미터 측정 결과는 빠른 측정 속도뿐만 아니라 정밀한 측정과 높은 신뢰성이 필요하다.일반적으로 전압의 크기, 주파수, 위상 측정에 사용되는 기법은 표준에서 제시하는 샘플 데이터를 이용하는 방법 또는 DFT(Discrete Fourier Transform)를 이용한 주파수 영역에서의 해석을 통한 측정 방법이 존재한다.
먼저, 국제 표준 IEC 61000-4-30에서 제시하는 파라미터 측정 방법을 이용하여 [표 1] 기준의 오차를 가지도록 측정하기 위해서는 긴 측정 시간뿐만 아니라 높은 샘플링 주파수가 동반되어야 하고, 완전한 사이클에 대한 측정이 필수적이다. 즉, 국제 표준을 이용하는 경우, 위상 측정을 위해서는 최소 36sample/cycle(2160Hz) 샘플링 주파수를 필요로 하고, 크기 측정의 경우, 구분 구적법 실효치를 위해 제로 크로싱이 발생할 때까지 기다려야만 하며, 주파수 측정의 경우 최소 1200sample/cycle(72kHz) 이상의 샘플링 주파수가 필요하며, 20msec 이상의 긴 측정 주기 동안 사이클 개수를 카운팅하여야 한다.
다음, 주파수 영역 기반의 파라미터 측정방법은 노이즈 및 고조파와 같은 외란에 대해서도 정확히 측정이 가능하고, 샘플링 주파수에 큰 영향을 받지 않는다는 장점이 있지만 일정 측정 주기 이상(예를 들어, 20msec)의 긴 시간이 필요해 빠른 측정이 어려우며, 빠른 측정(1cycle) 시 정확도가 감소한다. 또한, 기본 주파수(예를 들어, 60Hz)에 따라 누설 성분에 의한 오차가 발생하고, 기본 주파수에서 벗어날 경우 정확한 측정이 어렵다. 즉, 특정 주파수(10kHz 이상이면 측정이 불가능함) 범위에서만 측정이 가능하다. 이를 보안하기 위해 창 함수(Window function), IFFT(Interpolated Fast Fourier Transform), ESPRIT(Estimation of signal parameters via rotational invariance) 등 다양한 방법이 연구 되었지만 많은 반복 및 복잡한 연산을 추가적으로 필요로 하는 문제점이 있다.
국내 공개특허 제10-2004-0038561호(2004.05.08.)
전술한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 자동 동기화를 위해 필요한 전압 파라미터들 측정 시 1주기 내의 짧은 측정 주기 내에서 외란은 제거하면서 보다 정확히 측정하여 오차를 최소화할 수 있는 자동 동기화 파라미터 측정 장치를 제시하는 데 있다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 기본 주파수 범위를 초과하여도, 즉, 측정 가능한 모든 주파수 범위에서 전압 신호의 파라미터들을 정확히 측정할 수 있는 자동 동기화 파라미터 측정 장치를 제시하는 데 있다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 전압 신호의 크기, 주파수, 위상 측정 시 개별 측정 알고리즘을 사용함으로써 발생하는 계산 복잡성을 해결하고, 샘플 데이터의 개수를 이용하는 경우 샘플링 주파수의 영향을 받지 않는 자동 동기화 파라미터 측정 장치를 제시하는 데 있다.
본 발명의 해결과제는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
전술한 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명의 실시 예에 따르면, 발전기와 모선의 자동 동기화에 필요한 다수의 전압 파라미터들을 측정하는 자동 동기화 파라미터 측정 장치는, 상기 발전기 및 모선 중 어느 하나로부터 입력되는 아날로그 전압 신호를 디지털 전압 신호로 변환하여 출력하는 AD 컨버터; 및 상기 AD 컨버터로부터 입력되는 순간적인 디지털 전압 신호에 대해 TEO(Teager Energy Operator) 연산을 수행하여 상기 디지털 전압 신호에 대한 제1 내지 제3TEO 계수들을 산출하고, 상기 산출된 제1 내지 제3TEO 계수들을 이용하여 상기 디지털 전압 신호의 위상, 전압 크기 및 주파수를 상기 다수의 전압 파라미터들로서 측정하는 파라미터 측정기;를 포함한다.
상기 파라미터 측정기는, 상기 디지털 전압 신호의 1주기를 측정 주기로 정하고, 상기 측정 주기 내에 존재하는 N개의 샘플 데이터들 중 5개의 샘플 데이터들을 이용하여 상기 제1 내지 제3TEO 계수들을 산출하는 TEO 연산기; 및 상기 TEO 연산기에서 산출된 제1 내지 제3TEO 계수들을 DESA(Discrete Energy separation algorithm) 알고리즘에 적용하여 상기 디지털 전압 신호의 위상, 전압 크기 및 주파수를 측정하는 DESA 측정기;를 포함한다.
상기 TEO 연산기는, 상기 측정 주기 내에 존재하는 N개의 샘플 데이터들의 샘플 간격이 1로 설정된 경우, 상기 N개의 샘플 데이터들 중 연속으로 입력되는 5개의 샘플 데이터들을 이용하여 상기 제1 내지 제3TEO 계수들을 산출한다.
상기 TEO 연산기는, 상기 측정 주기 내에 존재하는 N개의 샘플 데이터들의 샘플 간격이 1보다 크게 설정된 경우, 상기 N개의 샘플 데이터들 중 상기 샘플 간격만큼 이격된 5개의 샘플 데이터들을 이용하여 상기 디지털 전압 신호의 제1 내지 제3TEO 계수들을 산출한다.
상기 TEO 연산기는, 상기 디지털 전압 신호에 포함된 노이즈의 함량이 설정된 양만큼 증가할수록 상기 샘플 간격을 증가시키되 상기 샘플 간격을 최대 N/5으로 설정한다.
상기 파라미터 측정기에서 직전에 측정된 상기 디지털 전압 신호의 주파수를 피드백받아 필터 계수를 조정한 후, 상기 조정된 필터 계수를 이용하여 상기 AD 컨버터로부터 입력되는 다음 디지털 전압 신호의 노이즈를 제거하는 대역 통과 필터;를 더 포함하고, 상기 파라미터 측정기는, 상기 대역 통과 필터에 의해 노이즈가 제거된 다음 디지털 전압 신호에 대해 TEO 연산을 수행한다.
상기 대역 통과 필터의 전달 함수 및 필터 계수는 다음의 식을 이용하여 조정된다.
Figure 112018073373365-pat00001
여기서, H(z)는 전달 함수, r은 상기 대역 통과 필터의 대역폭 결정 계수, a(n)은 상기 대역 통과 필터의 필터 계수, wp(n)은 상기 파라미터 측정기로부터 피드백된 주파수이다.
본 발명에 따르면, 자동 동기화를 위해 필요한 전압 신호의 파라미터들 측정 시 1주기 내의 짧은 측정 주기 내에서 외란은 효율적으로 제거하면서 보다 정확히 측정함으로써 오차를 최소화하고 하여 오차를 최소화할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 기본 주파수 범위를 초과하여도, 즉, 측정 가능한 모든 주파수 범위에서 전압 신호의 파라미터들을 정확히 측정할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 전압 신호의 크기, 주파수, 위상 측정 시 개별 측정 알고리즘을 사용하지 않고 하나의 TEO 연산을 이용하여 모두 측정함으로써 계산 과정을 축소할 수 있으며, 1주기 내의 적은 개수의 샘플 데이터들을 이용함으로써 간단한 연산을 통해 측정이 가능하다.
또한, 본 발명에 따르면 일정 샘플링 주파수 이상의 값을 가질 경우 작은 샘플링 주파수에서도 정확한 측정이 가능하여, 샘플링 주파수에 큰 영향을 받지 않을 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 대역 통과 필터를 적용하고, 샘플 간격을 증가시켜 전압 파라미터들의 측정 정확도를 향상시킬 수 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 의한 제1자동 동기화 파라미터 측정 장치를 도시한 블록도,
도 2는 DESA 알고리즘을 선택하기 위해 DESA 알고리즘에 따른 노이즈 신호(0.01%)에 대한 전압 주파수와 전압 크기를 측정한 결과를 도시한 그래프,
도 3은 dn=1인 경우, TEO 연산에 사용되는 샘플 데이터들을 설명하기 위한 그래프,
도 4는 dn>1인 경우, 샘플 간격에 따라 TEO 연산에 사용되는 샘플 데이터들을 설명하기 위한 그래프,
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 의한 제2자동 동기화 파라미터 측정 장치를 도시한 블록도,
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 대역 통과 필터를 자세히 도시한 도면,
도 7은 대역 통과 필터의 필터 크기 응답을 보여주는 그래프,
도 8 및 도 9는 각각 노이즈에 따른 전압 크기 측정값과 주파수 측정값의 RMSE를 보여주는 그래프,
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 자동 동기화 장치를 도시한 블록도, 그리고,
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 자동 동기화 파라미터 측정 장치의 파라미터 측정 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시 예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다. 아래의 특정 실시 예들을 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다.
어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는 데 있어 별 이유 없이 혼돈이 오는 것을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.
이하, 본 발명에서 실시하고자 하는 구체적인 기술내용에 대해 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 의한 제1자동 동기화 파라미터 측정 장치(100)를 도시한 블록도이다.
먼저, 도 1에 도시된 제1전압 파라미터 측정 장치(100)는 발전기와 모선의 자동 동기화에 필요한 다수의 전압 파라미터들(전압 신호의 위상(Phase), 전압 크기(Magnitude), 주파수(Frequency))을 측정하는 장치이다. 이를 위해 제1전압 파라미터 측정 장치(100)로는 발전기의 전압 신호 또는 모선의 전압 신호가 입력될 수 있다. 또한, 제1전압 파라미터 측정 장치(100)는 TEO 연산을 이용하여 전압 신호의 전압 파라미터들에 필요한 제1 내지 제3TEO 계수들을 산출함으로써 빠른 측정 속도(1주기 내의 샘플데이터들 이용)로 정밀하게 측정하여, 측정 신뢰도를 높일 수 있다.
자동 동기화 장치는 제1전압 파라미터 측정 장치(100)에서 측정된 발전기의 전압 파라미터들과 모선의 전압 파라미터들을 동시에 취득 및 비교하여 오차에 따라 발전기를 조정한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 제1자동 동기화 파라미터 측정 장치(100)는 제1AD 컨버터(110) 및 제1파라미터 측정기(120)를 포함할 수 있다.
제1AD 컨버터(110)는 발전기 및 모선 중 어느 하나로부터 입력되는 아날로그 전압 신호를 디지털 전압 신호로 변환하여 출력한다.
제1파라미터 측정기(120)는 제1AD 컨버터(110)로부터 입력되는 순간적인 디지털 전압 신호에 대해 TEO(Teager Energy Operator) 연산을 수행하여 디지털 전압 신호에 대한 제1 내지 제3TEO 계수들을 산출하고, 산출된 제1 내지 제3TEO 계수들을 DESA(Discrete Energy Separation Algorithm) 알고리즘에 적용하여 디지털 전압 신호의 위상, 전압 크기 및 주파수를 전압 파라미터들로서 측정할 수 있다.
제1TEO 계수는 디지털 전압신호의 1차 TEO 계수이고, 제2TEO 계수는 후향 차분의 TEO 계수이며, 제3TEO 계수는 교차 TEO 계수를 의미한다.
TEO는 음성신호 해석을 위해 개발된 기법으로 전압 신호는 음성신호와 동일하게 정현파 특성을 가지므로, TEO를 이용하여 순간적인 전압 신호의 크기, 주파수 및 위상의 측정이 가능하다.
DESA 알고리즘은 산출된 제1 내지 제3TEO 계수들을 이용하여 전압 신호의 크기, 주파수 및 위상을 측정하며, 구체적으로는 DESA-1, DESA-1a, DESA-2가 있다.
도 2는 DESA 알고리즘을 선택하기 위해 DESA 알고리즘에 따른 노이즈 신호(0.01%)에 대한 전압 주파수와 전압 크기를 측정한 결과를 도시한 그래프이다.
도 2를 참조하면, DESA 알고리즘은 이상적인 파형에 대해서는 모두 정확한 값을 가지나, 노이즈가 포함된 신호에서는 오차가 발생하며, DESA 기법에 따라 오차의 정도가 다르게 발생한다. 즉, 도 2의 경우 0.01% 노이즈가 포함된 신호에 대한 측정 결과를 보여주며, 각 기법에 대해 0.1초 동안 측정된 결과의 평균 오차율은 DESA-1과 DESA-2의 노이즈 신호에 대한 주파수와 크기의 오차가 상대적으로 적으므로, 즉, 정확도가 우수하므로, 본 발명의 실시 예에서는 DESA-1과 DESA-2 중 하나를 사용할 수 있다.
한편, 제1파라미터 측정기(120)는 제1TEO 연산기(130) 및 제1DESA 측정기(140)를 포함한다.
제1TEO 연산기(130)는 제1AD 컨버터(110)로부터 입력되는 디지털 전압 신호의 1주기를 최대 측정 주기로 정하고, 측정 주기에 존재하는 N개의 샘플 데이터들 중 5개의 샘플 데이터들을 이용하여 디지털 전압 신호에 대한 제1 내지 제3TEO 계수들을 산출할 수 있다. 이를 위해 측정 주기에 존재하는 N개의 샘플 데이터들, 즉, N개의 디지털 전압 신호들은 버퍼(미도시)에 임시저장될 수도 있으며, 또한, 1주기 이상의 샘플 데이터들이 저장될 수 있다.
일 예로, 제1TEO 연산기(130)는 측정 주기 내에 존재하는 N개의 샘플 데이터들의 샘플 간격(dn)이 1로 설정된 경우, N개의 샘플 데이터들 중 연속으로 입력되는 5개의 샘플 데이터들을 이용하여 디지털 전압 신호에 대한 제1 내지 제3TEO 계수들을 산출할 수 있다.
도 3은 dn=1인 경우, TEO 연산에 사용되는 샘플 데이터들을 설명하기 위한 그래프이다.
도 3을 참조하면, 현재 측정하고자 하는 전압 신호가 x[n]인 경우, 제1TEO 연산기(130)는 x[n]을 기준으로 샘플 간격 1씩 이전에 입력된 전압 신호들 x[n+1]과 x[n+2], 그리고, 이후에 입력된 전압 신호들 x[n-1]과 x[n-2]를 이용하여 전압 신호(x[n])에 대한의 제1 내지 제3TEO 계수들을 산출할 수 있다.
다른 예로, 제1TEO 연산기(130)는 N개의 샘플 데이터들의 샘플 간격(dn)이 1보다 큰 정수로 설정된 경우, 측정 주기 내에 존재하는 N개의 샘플 데이터들 중 현재 측정하고자 하는 전압 신호를 기준으로 이전 및 이후로 샘플 간격만큼 이격된 5개의 샘플데이터들을 이용하여 디지털 전압 신호에 대한의 제1 내지 제3TEO 계수들을 산출할 수 있다. 특히, 제1TEO 연산기(130)는 디지털 전압 신호에 포함된 노이즈의 함량이 설정된 양만큼 증가할수록 샘플 간격을 증가시킴으로써 다운샘플링과 유사한 원리를 통해 TEO의 외란에 대해 보다 높은 정확도를 얻을 수 있다. 이 때, 샘플 간격은 최대 N/5 이하의 정수로 설정될 수 있다.
도 4는 dn>1인 경우, 샘플 간격에 따라 TEO 연산에 사용되는 샘플 데이터들을 설명하기 위한 그래프이다.
도 4를 참조하면, 60sample/cycle 샘플링 주파수 기준 60개(1cycle 내 샘플데이터 개수)의 측정 주기를 가지는 경우, 최대 dn=12까지 설정될 수 있다. 즉, 제1TEO 연산기(130)는 현재 측정하고자 하는 전압 신호(측정 위치, 파랑색, 노랑색 및 빨강색 원이 동시에 표기됨)를 기준으로 이전으로 12개의 샘플 간격만큼 이격된 위치의 전압 신호들(큰 파랑색 원으로 표기됨)과, 이후로 12개의 샘플 간격만큼 이격된 위치의 전압 신호들(큰 파랑색 원으로 표기됨)을 이용하여 제1 내지 제3TEO 계수들을 산출할 수 있다.
또한, dn=6인 경우 측정 주기는 30개이며, 제1TEO 연산기(130)는 노랑색 원으로 표기된 전압 신호들 5개를 이용하여 제1 내지 제3TEO 계수들을 산출할 수 있다. 이와 같이 샘플 간격의 증가는 측정 주기의 증가를 야기하지만 원신호와의 오차는 감소시킨다. 원신호는 발전기 또는 모선으로부터 입력되는 전압 신호 또는 제1AD 컨버터(110)로부터 출력되는 전압 신호일 수 있다.
한편, 제1TEO 연산기(130)는 제1TEO 계수 산출부(131), 제2TEO 계수 산출부(132) 및 제3TEO 계수 산출부(133)를 포함할 수 있다.
제1TEO 계수 산출부(131)는 [수학식 1]을 이용하여 현재 측정하고 하는 전압 신호(x[n])의 TEO 계수, 즉, 제1TEO 계수를 산출한다.
Figure 112018073373365-pat00002
[수학식 1] 및 도 3을 참조하면, x[n]은 현재 측정하고자 하는 전압 신호,
Figure 112018073373365-pat00003
은 전압신호의 전향차분,
Figure 112018073373365-pat00004
은 전압 신호(x[n])의 TEO 계수(즉, 제1TEO 계수), dn은 샘플 간격으로서, 1=dn≤=N/5, 단, dn은 정수, N은 측정 주기 내의 샘플데이터 개수이다.
제2TEO 계수 산출부(132)는 [수학식 2]를 이용하여 현재 측정하고자 하는 전압 신호(x[n])에 대한 후향 차분의 TEO 계수인 제2TEO 계수를 산출한다.
Figure 112018073373365-pat00005
제3TEO 계수 산출부(133)는 [수학식 3]을 이용하여 현재 측정하고자 하는 전압 신호(x[n])에 대한 교차 TEO 계수인 제3TEO 계수를 산출한다.
Figure 112018073373365-pat00006
[수학식 3]을 참조하면, x1[n]은 발전기로부터 입력되는 현재 측정하고자 하는 전압 신호, x2[n]은 모선으로부터 입력되는 현재 측정하고자 하는 전압 신호이다.
한편, 제1DESA 측정기(140)는 제1TEO 연산기(130)에서 산출된 제1 내지 제3TEO 계수들을 DESA 알고리즘에 적용하여 디지털 전압 신호의 위상, 전압 크기 및 주파수를 측정할 수 있다. 제1DESA 측정기(140)는 DESA-1, DESA-1a, DESA-2 중 하나를 이용할 수 있으며, 본 발명의 실시 예에서는 도 2를 참조하여 설명한 것처럼 DESA-1 기법을 이용하며, 이에 한정되지는 않는다.
제1DESA 측정기(140)는 제1크기 측정부(141), 제1주파수 측정부(142) 및 제1위상 측정부(143)를 포함할 수 있다.
제1크기 측정부(141)는 제1 내지 제3TEO 계수들을 선택적으로 [수학식 4]의 DESA-1 기법에 적용하여 현재 측정하고자 하는 전압 신호의 크기를 측정한다.
Figure 112018073373365-pat00007
제1주파수 측정부(142)는 제1 내지 제3TEO 계수들을 선택적으로 [수학식 5]의 DESA-1 기법에 적용하여 현재 측정하고자 하는 전압 신호의 크기를 측정한다.
Figure 112018073373365-pat00008
제1위상 측정부(143)는 제1 내지 제3TEO 계수들을 선택적으로 [수학식 6]의 DESA-1 기법에 적용하여 현재 측정하고자 하는 전압 신호의 위상을 측정한다.
Figure 112018073373365-pat00009
[수학식 4] 내지 [수학식 6]을 이용하여 측정된 전압 신호의 크기, 주파수 및 위상은 원신호와의 정확도가 높으며, 특히, [수학식 1] 내지 [수학식 3]에서 샘플 간격을 증가시킬수록 정확도는 더 상승한다.
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 의한 제2자동 동기화 파라미터 측정 장치(200)를 도시한 블록도이다.
도 5에 도시된 제2전압 파라미터 측정 장치(200)는 디지털로 변환된 전압 신호에 포함된 노이즈를 제거한 후 전압 신호의 크기, 주파수 및 위상을 측정할 수 있다. 정현파의 전압 신호는 제2AD 컨버터(210)와 같은 하드웨어 장치의 특성으로 인해 이상적인 파형이 아닌 노이즈 등 외란이 발생할 수 있다. 따라서, 제2전압 파라미터 측정 장치(200)는 전압 파라미터들의 측정 정확도를 높이기 위해 필터를 더 사용할 수 있다.
도 2를 참조하면, 제2자동 동기화 파라미터 측정 장치(200)는 제2AD 컨버터(210), 대역 통과 필터(220) 및 제2파라미터 측정기(230)를 포함할 수 있다.
제2AD 컨버터(210)는 발전기 및 모선 중 어느 하나로부터 입력되는 아날로그 전압 신호를 디지털 전압 신호로 변환하여 출력한다.
대역 통과 필터(220)는 디지털 전압 신호의 노이즈, 즉, 외란을 제거하며, 제2파라미터 측정기(230)에서의 측정 결과(전압 신호의 크기, 주파수, 위상) 중 주파수를 이용하여 대역 통과 필터(220)의 필터 계수를 재설정할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 대역 통과 필터(220)를 도시한 도면이고, 도 7은 대역 통과 필터(220)의 필터 크기 응답을 보여주는 그래프이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 대역 통과 필터(220)는 2차 대역 통과 필터링을 사용하여 디지털 전압 신호의 외란을 제거한다. 도 7에서 파형의 첨두에 해당하는 부분이 외란에 해당하는 주파수 성분을 제거할 수 있으며, 이를 위한 필터 계수가 중앙 주파수에 의해 갱신됨에 따라 필터 크기 응답의 정확도도 향상된다.
대역 통과 필터(220)의 전달 함수 및 필터 계수는 [수학식 7]에 의해 조정될 수 있다.
Figure 112018073373365-pat00010
여기서, H(z)는 전달 함수, r은 대역 통과 필터의 대역폭을 결정하는 계수, a(n)은 대역 통과 필터(220)의 필터 계수, wp(n)은 대역 통과 필터(220)의 중앙 주파수로서 제2파라미터 측정기(230)에서 측정되어 피드백된 주파수이다. r이 1에 근접할수록 도 7에서 첨두 부분은 뾰족해진다.
[수학식 7]을 참조하면, 필터 계수 a(n)은 중앙 주파수(wp(n))가 제2파라미터 측정기(230)로부터 입력될 때마다 갱신됨을 알 수 있다. 다시 말하면, 본 발명의 실시 예에서는 가장 최근에 측정된 디지털 전압 신호의 주파수(즉, 대역 통과 필터(220)의 성능을 반영한 정보)를 중앙 주파수로 설정하여 필터 계수를 조정하며, 조정된 필터 계수를 이용하여 제2AD 컨버터(210)로부터 새로 입력되는 다음 디지털 전압 신호의 노이즈를 제거함으로써 노이즈 제거 성능을 높이고, 결과적으로 필터 크기 응답의 정확도를 향상시킨다.
제2파라미터 측정기(230)는 대역 통과 필터(220)에 의해 노이즈가 제거된 디지털 전압 신호에 대해 TEO 연산을 수행하여 디지털 전압 신호에 대한 제1 내지 제3TEO 계수들을 산출하는 제2TEO 연산기(240)와, 산출된 제1 내지 제3TEO 계수들을 DESA 알고리즘에 적용하여 디지털 전압 신호의 크기, 주파수 및 위상을 측정하는 제2DESA 측정기(250)를 포함할 수 있다.
제2TEO 연산기(240)는 [수학식 1]을 이용하여 제1TEO 계수를 산출하는 제1TEO 계수 산출부(241)와, [수학식 2]를 이용하여 제2TEO 계수를 산출하는 제2TEO 계수 산출부(242)와, [수학식 3]을 이용하여 제3TEO 계수를 산출하는 제3TEO 계수 산출부(243)를 포함한다.
제2DESA 측정기(250)는 [수학식 4]를 이용하여 전압 신호의 크기를 산출하는 제2크기 측정부(251)와, [수학식 5]를 이용하여 주파수를 산출하는 제2주파수 측정부(252)와, [수학식 6]을 이용하여 위상을 산출하는 제2위상 측정부(253)를 포함한다.
제2TEO 연산기(240)와 제2DESA 측정기(250)의 동작은 도 1을 참조하여 설명한 제1TEO 연산기(130) 및 제1DESA 측정기(140)와 거의 동일하다. 다만, 제2주파수 측정부(252)는 측정된 디지털 전압 신호의 주파수를 대역 통과 필터(220)로 피드백한다.
도 8 및 도 9는 각각 노이즈에 따른 전압 크기 측정값과 주파수 측정값의 RMSE를 보여주는 그래프이다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 신뢰성 판단 기준값(-20log(0.05), -20log(0.067))을 기준으로 아래에 위치하는 그래프는 오차(RMSE: Root Mean Square Error)가 발생하였음을 의미하고, 위에 위치하는 그래프는 정확도가 높음을 의미한다.
도 8의 경우, 원신호에 노이즈가 추가된 경우에도 샘플 간격이 3이상이면, 측정된 전압 크기는 기준(-20log(0.05)) 내에 위치하여 정확도가 샘플 간격이 1일때보다 향상되었음을 알 수 있다. 또한, 도 9의 경우, 원신호에 노이즈가 추가된 경우에도 샘플 간격이 6이상이면, 측정된 주파수 크기는 기준(-20log(0.067)) 내에 위치하여 정확도가 향상되었음을 알 수 있다.
[표 2]는 0.1% 노이즈가 추가된 전압 신호에 대해 제1파라미터 측정기(120)와 제2파라미터 측정기(230)에서 측정된 크기와 주파수에 대한 RMSE를 보여준다.
Only TEO&DESA
(dn = 1)		 TEO&DESA with BPF (dn = 1) TEO&DESA
(dn = 6)		 TEO&DESA
with BPF(dn = 6)
크기 0.2859 0.0017 8.4e-4 1.9e-4
주파수 8.9159 0.1497 0.0151 8.8e-4
[표 2]를 참조하면, 샘플 간격을 1로 설정한 경우 크기 측정값과 주파수 측정값의 오차가 가장 크며, 샘플 간격을 6으로 설정하고, 대역 통과 필터링을 적용한 경우 오차가 가장 적음을 알 수 있다. 이 때, 샘플 간격이 6인 경우 최소 30개의 샘플 데이터로 측정 주기, 따라서 기존의 한 주기 이상을 필요로 하는 측정 알고리즘에 비해 신속히 전압 파라미터들을 측정하면서 정확도를 향상시킬 수 있다.도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 자동 동기화 장치(1000)를 도시한 블록도이다.
도 10을 참조하면, 자동 동기화 장치(1000)는 발전기로부터 전압 신호(VG)를 입력받는 자동 동기화 파라미터 측정 장치(100 또는 200)와 모선으로부터 전압 신호(VB)를 입력받는 자동 동기화 파라미터 측정 장치(100 또는 200), 그리고, 제어신호 생성부(300)를 포함한다.
두 개의 자동 동기화 파라미터 측정 장치(100 또는 200)는 도 1 및 도 5를 참조하여 자세히 설명하였으므로 상세한 설명은 생략한다. 두 개의 자동 동기화 파라미터 측정 장치(100 또는 200)는 각각 발전기의 전압 신호의 크기/주파수/위상(MG, FG, PG)과 모선의 전압 신호의 크기/주파수/위상(MB, FB, PB)을 측정한다.
제어신호 생성부(300)는 입력되는 발전기의 전압 신호의 크기/주파수/위상(MG, FG, PG)과 모선의 전압 신호의 크기/주파수/위상(MB, FB, PB)을 비교하여 차이에 따른 제어신호, 즉, 자동 동기화를 위한 제어신호를 생성한다.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 자동 동기화 파라미터 측정 장치의 파라미터 측정 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 11에서 자동 동기화 파라미터 측정 장치는 도 5를 참조하여 설명한 제2자동 동기화 파라미터 측정 장치(200)일 수 있으므로 자세한 설명은 생략한다.
도 11을 참조하면, 자동 동기화 파라미터 측정 장치는 발전기 또는 모선으로부터 입력되는 전압 신호를 디지털로 변환한다(S1110).
자동 동기화 파라미터 측정 장치는 디지털 전압 신호에 대해 대역 통과 필터링을 수행하여 노이즈를 제거한다(S1120).
자동 동기화 파라미터 측정 장치는 필터링된 디지털 전압 신호를 버퍼에 측정 주기 단위 이상으로 저장한다(S1130).
자동 동기화 파라미터 측정 장치는 설정된 샘플 간격을 확인하고, 확인된 샘플 간격에 따라 현재 측정하고자 하는 전압 신호를 기준으로 5개의 샘플 데이터를 버퍼에서 추출할 수 있다(S1140, S1150).
자동 동기화 파라미터 측정 장치는 추출된 5개의 샘플 데이터들에 대해 TEO 연산을 수행하여 제1 내지 제3TEO 계수들을 산출하고, DESA 알고리즘을 적용하여 전압 신호의 크기, 주파수 및 위상을 측정할 수 있다(S1160, S1170).
그리고, 자동 동기화 파라미터 측정 장치는 S1170단계에서 측정된 주파수를 S1120단계로 피드백한다. 이로써, S1120단계에서는 피드백된 주파수를 대역 통과 필터의 중앙 주파수로 갱신하고 필터 계수를 재산출한 후 디지털 전압 신호를 필터링할 수 있다.
100: 제1자동 동기화 파라미터 측정 장치
110: 제1AD 컨버터 120: 제1파라미터 측정기
130: 제1TEO 연산기 140: 제1DESA 측정기
200: 제2자동 동기화 파라미터 측정 장치
210: 제2AD 컨버터 220: 대역 통과 필터
230: 제2파라미터 측정기 240: 제2TEO 연산기
250: 제2DESA 측정기

Claims (7)

  1. 발전기와 모선의 자동 동기화에 필요한 다수의 전압 파라미터들을 측정하는 자동 동기화 파라미터 측정 장치에 있어서,
    상기 발전기 및 모선 중 어느 하나로부터 입력되는 아날로그 전압 신호를 디지털 전압 신호로 변환하여 출력하는 AD 컨버터; 및
    상기 AD 컨버터로부터 입력되는 순간적인 디지털 전압 신호에 대해 TEO(Teager Energy Operator) 연산을 수행하여 상기 디지털 전압 신호에 대한 제1 내지 제3TEO 계수들을 산출하고, 상기 산출된 제1 내지 제3TEO 계수들을 선택적으로 이용하여 상기 디지털 전압 신호의 위상, 전압 크기 및 주파수를 상기 다수의 전압 파라미터들로서 측정하는 파라미터 측정기;를 포함하는 자동 동기화 파라미터 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 파라미터 측정기는,
    상기 디지털 전압 신호의 1주기를 측정 주기로 정하고, 상기 측정 주기 내에 존재하는 N개의 샘플 데이터들 중 5개의 샘플 데이터들을 이용하여 상기 디지털 전압 신호에 대한 제1 내지 제3TEO 계수들을 산출하는 TEO 연산기; 및
    상기 TEO 연산기에서 산출된 제1 내지 제3TEO 계수들을 DESA(Discrete Energy separation algorithm) 알고리즘에 적용하여 상기 디지털 전압 신호의 위상, 전압 크기 및 주파수를 측정하는 DESA 측정기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동 동기화 파라미터 측정 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 TEO 연산기는,
    상기 측정 주기 내에 존재하는 N개의 샘플 데이터들의 샘플 간격이 1로 설정된 경우, 상기 N개의 샘플 데이터들 중 연속으로 입력되는 5개의 샘플 데이터들을 이용하여 상기 제1 내지 제3TEO 계수들을 산출하는 것을 특징으로 하는 자동 동기화 파라미터 측정 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 TEO 연산기는,
    상기 측정 주기 내에 존재하는 N개의 샘플 데이터들의 샘플 간격이 1보다 크게 설정된 경우, 상기 N개의 샘플 데이터들 중 상기 샘플 간격만큼 이격된 5개의 샘플 데이터들을 이용하여 상기 제1 내지 제3TEO 계수들을 산출하는 것을 특징으로 하는 자동 동기화 파라미터 측정 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 TEO 연산기는,
    상기 디지털 전압 신호에 포함된 노이즈의 함량이 설정된 양만큼 증가할수록 상기 샘플 간격을 증가시키되 상기 샘플 간격을 최대 N/5으로 설정하는 것을 특징으로 하는 자동 동기화 파라미터 측정 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 파라미터 측정기에서 직전에 측정된 상기 디지털 전압 신호의 주파수를 피드백받아 필터 계수를 조정한 후, 상기 조정된 필터 계수를 이용하여 상기 AD 컨버터로부터 입력되는 다음 디지털 전압 신호의 노이즈를 제거하는 대역 통과 필터;를 더 포함하고,
    상기 파라미터 측정기는,
    상기 대역 통과 필터에 의해 노이즈가 제거된 다음 디지털 전압 신호에 대해 TEO 연산을 수행하는 것을 특징으로 하는 자동 동기화 파라미터 측정 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 대역 통과 필터의 전달 함수 및 필터 계수는 다음의 식을 이용하여 조정되는 것을 특징으로 하는 자동 동기화 파라미터 측정 장치:
    Figure 112018073373365-pat00011

    여기서, H(z)는 전달 함수, r은 상기 대역 통과 필터의 대역폭 결정 계수, a(n)은 상기 대역 통과 필터의 필터 계수, wp(n)은 상기 파라미터 측정기로부터 피드백된 주파수임.
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