KR102147898B1 - 직류 배전 계통의 전압 제어 장치 및 방법 - Google Patents

직류 배전 계통의 전압 제어 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

분산전원의 비용, 선로의 용량 한계, 모선의 허용 전압을 고려하여 최적화 문제를 구성하고, 선형계획법을 통해 산출한 최적화 문제의 해를 이용하여 분산전원의 출력을 제어하여 직류 배전 계통의 전압을 안정화하도록 한 직류 배전 계통의 전압 제어 장치 및 방법을 제시한다. 제시된 전압 제어 장치는 직류 배전 계통에 포함된 모선에서 전압 위반이 발생하면 목적 함수 및 제약 함수를 포함하는 최적화 문제를 생성하고, 선형계획법을 통해 최적화 문제의 해를 도출하되, 직류 배전 계통 내에 포함된 분산전원의 출력 변화량을 포함하는 해를 도출하고, 출력 변화량을 포함하는 지령값을 출력한다.

Description

직류 배전 계통의 전압 제어 장치 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR CONTROLLING VOLTAGE OF DIRECT CURRENT DISTRIBUTION}
본 발명은 직류 배전 계통의 전압 제어 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 직류 부하 및 직류 전원을 포함하는 직류 배전 계통의 전원을 실시간 제어하는 직류 배전 계통의 전압 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.
기술 발전으로 인해, 데이터 센터, 전기차 충전소 등의 직류 부하 설비와 태양광발전, ESS 등의 직류 전원 설비가 배전 계통에 설치되고 있다. 그에 따라, 직류 부하 설비 및 직류 전원 설비들의 배전 계통 연계 용량 증대 및 효율 향상을 위해 직류 배전 시스템이 주목을 받고 있다.
직류 배전 시스템은 전력 변환 장치 등 주요기기의 기술 발전으로 신뢰성 및 경제성이 향상되어 국내외에서 다양한 대상으로 사업화가 진행이 되고 있다.
국내에서는 한국전력공사의 주도로 광주 시범선로 사업, 시범선로 확대사업, 서거차도 직류 섬(DC Island) 사업 등을 수행하며 직류배전과 관련된 사업을 확대하고 있다.
해외에서는 스위스의 ABB 社, 스코틀랜드의 SP Energy Networks 社, 네덜란드 Liander 社에서 각각 섬, 캠퍼스, 공항을 대상으로 직류 배전 실증 사업을 수행하고 있다.
직류 배전 사업이 확대되면서 전력 변환 장치, 운영 시스템 등 관련 기술을 선점하기 위해 국내외 기관들의 경쟁이 높아지고 있다.
직류 배전 계통은 전력 변환 장치를 포함하기 때문에 이를 운전하기 위한 감시 시스템을 필요로 한다. 3개 이상의 노드로 구성된 그물망 형태이고 운영되는 분산전원이 3기 이상 존재하는 경우, 직류 배전 계통은 기존의 단순 감시 시스템으로는 전압 유지 운전이 불가능하다.
그에 따라, 직류 배전 계통에는 운전 중 발생하는 전압 위반을 해소하기 위한 전압 제어 솔루션을 제공하는 운영 시스템이 필수적이다.
전압 제어 장치는 계통의 연결 상태, 설비 용량, 출력 상태 등을 입력 데이터로 전압 유지, 수급 균형, 경제성 등 종합적인 요소를 고려하여 계통해석을 수행 후 솔루션을 제공하여야 한다.
단순히 취득 데이터를 그대로 사용하는 방식이 아닌 다양한 데이터의 연산을 통해 고도로 가공하여 활용하는 방식으로 직류배전 계통 운영에서 가장 핵심이 되는 기술이 이 전압 제어 장치이다.
3개 이상의 분산전원 및 3개 이상의 노드를 포함한 복잡한 직류 배전 계통의 경우, 기존의 전압 제어 장치는 직류계통 민감도 함수를 이용하여 가장 민감도가 높은 분산전원의 출력을 조정하여 전압을 유지한다.
하지만, 종래의 전압 제어 장치는 하나의 분산전원 출력만을 조정하기 때문에, 분산전원 출력 비용, 선로 용량한계, 다른 모선 허용전압 등을 고려할 수 없어 다양한 기준이 반영되어 운영하여야 하는 현장에서 현실적으로 적용하기 어려운 문제점이 있다.
한국공개특허 제10-2016-0081067호(명칭: 저전압 직류 배전시스템 및 배전방법)
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 분산전원의 비용, 선로의 용량 한계, 모선의 허용 전압을 고려하여 최적화 문제를 구성하고, 선형계획법을 통해 산출한 최적화 문제의 해를 이용하여 분산전원의 출력을 제어하여 직류 배전 계통의 전압을 안정화하도록 한 직류 배전 계통의 전압 제어 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 실시 예에 따른 직류 배전 계통의 전압 제어 장치는 직류 배전 계통에 포함된 모선에서 전압 위반이 발생하면 목적 함수 및 제약 함수를 포함하는 최적화 문제를 생성하는 함수 구성 모듈, 선형계획법을 통해 최적화 문제의 해를 도출하되, 직류 배전 계통 내에 포함된 분산전원의 출력 변화량을 포함하는 해를 도출하는 최적화 모듈 및 최적화 모듈에서 도출한 출력 변화량을 포함하는 지령값을 출력하는 결과 처리 모듈을 포함한다.
함수 구성 모듈은 목적 함수, 민감도를 반영한 제1 제약 함수, 선로 용량 한계를 반영한 제2 제약 함수 및 전압 위반을 반영한 제3 제약 함수를 포함하는 최적화 문제를 생성한다.
함수 구성 모듈은 자코비안 행렬의 역행렬을 민감도 행렬로 구성하고, 민감도 행렬을 근거로 출력 변화량 및 전압 변화량 간의 행렬식을 구성하고, 출력 변화량 및 전압 변화량 간의 행렬식을 이용하여 분산전원의 비용을 반영한 목적 함수, 민감도 행렬을 반영한 제1 제약 함수 및 선로의 용량 한계를 반영한 제2 제약 함수, 전압 위반을 고려한 제3 제약 함수를 구성할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 직류 배전 계통의 전압 제어 장치는 직류 배전 계통의 고정 데이터 및 취득 데이터를 저장하고, 결과 처리 모듈에서 출력된 지령값을 저장하는 저장 모듈하고, 고정 데이터는 토폴로지, 선로 용량, 허용 전압 및 출력 한계를 포함하고, 취득 데이터는 전압, 전류 및 차단기 상태를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 직류 배전 계통의 전압 제어 장치는 고정 데이터를 근거로 모선 간 연결 관계 해석을 수행하고, 고정 데이터 및 취득 데이터의 오류 분석 및 조정을 수행하는 사전 처리 모듈을 더 포함할 수 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 실시 예에 따른 직류 배전 계통의 전압 제어 방법은 직류 배전 계통에 포함된 모선에서 전압 위반이 발생하면 목적 함수 및 제약 함수를 포함하는 최적화 문제를 생성하는 단계, 선형계획법을 통해 최적화 문제의 해를 도출하되, 직류 배전 계통 내에 포함된 분산전원의 출력 변화량을 포함하는 해를 도출하는 단계 및 출력 변화량을 포함하는 지령값을 출력하는 단계를 포함하는 단계를 포함한다.
최적화 문제를 생성하는 단계에서는 목적 함수, 민감도를 반영한 제1 제약 함수, 선로 용량 한계를 반영한 제2 제약 함수 및 전압 위반을 반영한 제3 제약 함수를 포함하는 최적화 문제를 생성할 수 있다.
최적화 문제를 생성하는 단계는 자코비안 행렬의 역행렬을 민감도 행렬로 구성하는 단계 및 민감도 행렬을 근거로 출력 변화량 및 전압 변화량 간의 행렬식을 구성하는 단계를 포함할 수 있다.
최적화 문제를 생성하는 단계는 출력 변화량 및 전압 변화량 간의 행렬식을 이용하여 분산전원의 비용을 반영한 목적 함수를 구성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
최적화 문제를 생성하는 단계는 민감도 행렬을 반영한 제1 제약 함수를 구성하는 단계, 선로의 용량 한계를 반영한 제2 제약 함수를 구성하는 단계 및 전압 위반을 고려한 제3 제약 함수를 구성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 직류 배전 계통의 전압 제어 방법은 직류 배전 계통의 고정 데이터 및 취득 데이터를 저장하는 단계를 더 포함하고, 고정 데이터는 토폴로지, 선로 용량, 허용 전압 및 출력 한계를 포함하고, 취득 데이터는 전압, 전류 및 차단기 상태를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 직류 배전 계통의 전압 제어 방법은 고정 데이터를 근거로 모선 간 연결 관계 해석을 수행하는 단계 및 고정 데이터 및 취득 데이터의 오류 분석 및 조정을 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 직류 배전 계통의 전압 제어 장치 및 방법은 분산전원의 비용, 선로의 용량 한계, 모선의 허용 전압을 고려하여 최적화 문제를 구성하고, 선형계획법을 통해 산출한 최적화 문제의 해를 이용하여 분산전원의 출력을 제어함으로써, 직류 배전 계통의 전압을 안정화할 수 있는 효과가 있다.
도 1 내지 도 3은 종래의 전압 제어 장치를 설명하기 위한 도면.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 직류 배전 계통의 전압 제어 장치를 설명하기 위한 도면.
도 5 및 도 6은 도 4의 함수 구성 모듈을 설명하기 위한 도면.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 직류 배전 계통의 전압 제어 방법을 설명하기 위한 흐름도.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시 예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
먼저, 본 발명의 실시 예에 따른 직류 배전 계통의 전압 제어 장치 및 방법을 설명하기에 앞서, 종래의 전압 제어 장치를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 아래와 같다. 도 1 내지 도 3은 종래의 전압 제어 장치를 설명하기 위한 도면이다.
교류 계통에서 유효전력은 주파수와 상관관계를 가지며, 무효전력은 전압과 상관관계를 가진다. 이에, 교류 계통에서는 유효전력 출력을 조정하여 주파수를 제어하고, 무효전력 출력을 조정하여 전압을 제한다.
하지만, 도 1에 도시된 직류 계통에서는 주파수와 무효전력이 존재하지 않고, 전압은 유효전력과 상관관계를 가진다. 따라서, 직류 계통에서는 유효전력 출력을 조정하여 전압을 제어한다.
전력 계통의 운영자는 중앙 운영 시스템을 통해 적정 전압이 유지되는지를 감시한다. 운영자는 기준 전압 대비 정해진 비율(배전계통에서는 보통 10%)을 벗어나게 되면 전압 위반으로 보고 이를 해소하기 위한 조치를 취하여야 한다.
교류 배전 계통은 무효전력으로 전압을 제어하므로 제어 가능한 무효전력원(Shunt Capacitor 등)이나 부하차단(Load Shedding)을 통해 전압제어를 수행한다. 직류 배전 계통은 계통 내에서 제어 가능한 분산전원의 유효전력 출력을 조절하여 전압제어를 수행한다.
직류 배전 계통은 그 특성상 에너지저장장치(ESS), 전기차, 태양광 발전기 등 분산전원을 많이 포함한다. 이에, 직류 배전 계통의 전압 유지 관점에서 분산전원들의 유효전력 출력 제어가 매우 중요하다.
직류 배전 계통의 전압 제어를 위한 분산전원의 유효전력 출력량은 전력조류방정식(Power Flow Equation) 기반의 자코비안 행렬(Jacobian matrix)과 민감도 행렬(Sensitivity Matrix)을 이용하여 산출한다.
일례로, 하기의 수학식 1은 교류 배전 계통에서의 사용되는 전력조류방정식이고, 수학식 2는 직류 배전 계통에서 전력조류방정식이다.
Figure 112018100465717-pat00001
Figure 112018100465717-pat00002
수학식 3을 참조하면, 전력조류방정식을 편미분하면 △P 및 △V 간의 행렬식으로 표현되며, 관계 행렬을 자코비안 행렬이라 한다.
Figure 112018100465717-pat00003
전력 계통을 수학적으로 해석하기 위해서 모선이라는 개념이 사용되며, 전기적으로 같은 성질을 지니는 지점들의 묶음을 뜻한다. 일례로, 도 1에 도시된 직류 배전 계통을 수학적 해석을 위한 모델로 변환하면 도 2와 같이 해당 직류 배전 계통의 모선수는 총 9개가 된다.
자코비안 행렬은 정방행렬로 전압유지를 담당하는 모선(Slack 모선)을 제외한 계통 내 모선수와 동일한 행렬의 개수를 갖는다. 도 2에서 자코비안 행렬의 크기는 8×8이 된다.
자코비안 행렬의 역행렬을 민감도 행렬이라 한다. 민감도 행렬은 각 모선에서 유효전력의 변화량이 어느 정도 되어야 전압이 어느 값만큼 변동되는지 계산하기 위해 사용된다.
종래의 전압 제어 장치는 민감도 행렬을 이용하여 직류 배전 계통의 전압 위반을 해소한다. 즉, 종래의 전압 제어 장치는 계통 내 전압 위반 발생 시 이 모선과 가장 민감한 모선의 분산전원 출력을 변화시켜 전압 위반을 해소하는 솔루션을 제공한다.
도 3을 참조하면, 종래의 전압 제어 장치에서 전압 위반을 해소하기 위한 민감도 행렬을 이용한 알고리즘을 수행한다. 종래의 전압 제어 장치는 가장 민감도가 높은 분산전원 1개를 선택하여 이 분산전원의 출력만 조정하여 전압 위반을 해소하기 때문에 하기와 같은 문제점이 존재한다.
먼저, 종래의 전압 제어 장치는 분산전원 비용을 고려하지 않는 문제점이 있다. 즉, 종래의 전압 제어 장치는 민감도를 이용한 분산전원 선택시 각 분산전원에 대한 비용이 고려되어있지 않기 때문에, 출력조정 수행 시 경제성 확보가 어려운 문제점이 있다.
다음으로, 종래의 전압 제어 장치는 선로의 용량 한계를 고려하지 않는 문제점이 있다. 즉, 종래의 전압 제어 장치는 하나의 분산전원 출력만 증가 혹은 감소시키게 되므로 출력조정 후 특정 선로에 흐르는 전류가 증가할 가능성이 높지만, 이에 따른 선로의 용량한계에 대한 고려하지 않는 문제점이 있다.
마지막으로, 종래의 전압 제어 장치는 다른 모선들의 전압 위반 여부를 고려하지 않는 문제점이 있다. 즉, 종래의 전압 제어 장치는 분산전원의 출력 조정 후 전압 위반 모선 이외의 다른 모선들에서 발생할 수 있는 전압 위반에 대한 검토가 이루어지지 않는 문제점이 있다.
이에, 본 발명의 실시 예에 따른 직류 배전 계통의 전압 제어 장치 및 방법은 선형계획법을 이용한 전압 위반을 해소하는 기술을 제안한다. 본 발명의 실시 예에 따른 직류 배전 계통의 전압 제어 장치 및 방법은 종래의 전압 제어 장치에서는 고려가 되지 못한 분산전원의 출력 비용, 선로 용량 한계, 허용 전압 뿐 아니라 제약 함수의 확장이 가능하여, 현장 운영 시 고려되어야 할 다양한 기준들을 적용할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 직류 배전 계통의 전압 제어 장치 및 방법은 직류 배전 계통의 신뢰성을 확보할 수 있을 뿐만 아니라 실시간 운영을 위한 처리 속도를 줄일 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 직류 배전 계통의 전압 제어 장치를 상세하게 설명한다. 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 직류 배전 계통의 전압 제어 장치를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 실시 예에 따른 직류 배전 계통의 전압 제어 장치(이하, 전압 제어 장치)는 선형계획법(Linear Programming)을 이용하여 직류 배전 계통의 전압 제어를 수행한다.
선형계획법은 최적화 문제에 대한 계산 기법 중 하나로 목적 함수를 포함한 모든 제약 함수(방정식 또는 부등식)가 선형(Linear)함수일 때 적용할 수 있는 기법이다.
기존 교류 계통은 전력조류방정식에 sin 함수와 cos 함수가 존재한다. 이 함수들은 미분해도 형태만 바뀔 뿐 사라지지 않아 선형 함수가 될 수 없기 때문에 선형계획법을 적용하기 힘들다.
하지만, 직류 배전 계통의 전력조류방정식은 2차 함수로 이를 미분할 시 1차 선형 함수가 되며, 전압과 전류를 계산하는 방정식이 모두 선형함수이다. 따라서 직류 배전 계통의 전력조류방정식에는 선형계획법을 적용하여 다양한 최적화 문제를 해결할 수 있다.
도 4를 참조하면, 전압 제어 장치(100)는 저장 모듈(110), 사전 처리 모듈(130), 함수 구성 모듈(150), 최적화 모듈(170) 및 결과 처리 모듈(190)을 포함하여 구성된다.
저장 모듈(110)은 고정 데이터(Static Data)를 저장한다. 저장 모듈(110)은 토폴로지(연결 관계), 선로 용량, 허용 전압, 출력 한계 등과 같이 계통 상황에 따라 변하지 않는 데이터인 고정 데이터를 저장한다.
저장 모듈(110)은 직류 배전 계통(200)에서 취득한 취득 데이터(Dynamic Data)를 저장한다. 저장 모듈(110)은 현장 계측기기에서 취득한 전압, 전류, 차단기 상태 등을 포함하는 취득 데이터를 저장한다. 이때, 취득 데이터는 현장 계측기기와 통신 주기에 따라 주기적으로 업데이트된다.
사전 처리 모듈(130)은 저장 모듈(110)에 저장된 데이터를 근거로 사전 작업을 수행한다. 사전 처리 모듈(130)은 고정 데이터를 이용한 모선 간 연결 관계 해석, 고정 데이터 및 취득 데이터의 오류 분석을 포함하는 사전 작업을 수행한다. 사전 처리 모듈(130)은 저장 모듈(110)로부터 검출한 고정 데이터를 이용한 토폴로지 처리를 통해 모선 연결 관계 해석을 수행한다. 사전 처리 모듈(130)은 저장 모듈(110)로부터 검출한 고정 데이터 및 취득 데이터의 오류 분석 및 조정(상태 추정)을 수행한다.
함수 구성 모듈(150)은 직류 배전 계통(200)의 전압 위반 해소를 위한 최적화 문제를 생성한다. 즉, 직류 배전 계통(200)에 포함된 모선에서 전압 위반(즉, 저전압)이 발생하면, 함수 구성 모듈(150)은 자코비안 행렬 및 민감도 행렬, 목적 함수, 민감도 제약 함수, 선로 용량 한계 제약 함수, 전압 위반 제약 함수를 단계적으로 생성한다. 함수 구성 모듈(150)은 목적 함수 및 제약 함수들을 포함하는 최적화 문제를 생성한다.
함수 구성 모듈(150)은 자코비안 행렬을 이용하여 민감도 행렬을 구성한다. 함수 구성 모듈(150)은 민감도 행렬을 이용하여 △P 및 △V 간의 행렬식을 구성한다.
함수 구성 모듈(150)은 선형계획법에 최적화 문제를 대입하여 해를 얻기 위한 목적 함수를 구성한다. 전압 제어 장치(100)는 분산전원의 출력 변화량을 계산하는 것을 목적으로 비용과 관련된 함수로 구성하면, 종래에서 고려하지 못한 경제성을 반영할 수 있다. 따라서, 함수 구성 모듈(150)은 하기의 수학식 4와 같이 △P 및 △V 간의 행렬식을 이용하여 분산전원의 비용을 고려한 목적 함수를 구성한다.
Figure 112018100465717-pat00004
여기서, C1~Cp는 각 분산전원의 비용으로 상수이며, △P는 각 분산전원들의 출력 변화량으로 구하고자 하는 변수가 된다.
함수 구성 모듈(150)은 선형계획법에 최적화 문제를 대입하여 해를 얻기 위한 제약 함수를 구성한다. 함수 구성 모듈(150)은 민감도 행렬을 고려한 제약 함수, 선로의 용량한계를 고려한 제약 함수, 모선의 전압 위반을 고려한 제약 함수를 구성한다.
함수 구성 모듈(150)은 민감도 행렬에 의한 제1 제약 함수를 구성한다. 하기의 수학식 5와 같이, 함수 구성 모듈(150)은 민감도 행렬의 행 개수만큼 방정식으로 구성한다.
Figure 112018100465717-pat00005
여기서, Sn1~Snm은 n번째 모선과 1~m번째 모선 사이의 민감도 계수이고, △Vn은 n번째 모선 전압 변화량이다.
함수 구성 모듈(150)은 선로의 용량 한계를 고려한 제2 제약 함수를 구성한다. 도 5를 참조하면, 함수 구성 모듈(150)은 하기의 수학식 6과 같이 선로의 용량 한계를 고려한 제2 제약 함수를 구성한다.
Figure 112018100465717-pat00006
여기서, Vk는 k번째 모선의 전압(V)이고, Vj는 j번째 모선의 전압(V)이고, Ikj는 k번째 모선과 j번째 모선 사이의 선로 전류(A)이고, Rkj는 k번째 모선과 j번째 모선 사이의 선로 저항(Ω)이고, Ikj_limit는 k번째 모선과 j번째 모선 사이의 선로 용량 한계(A)이다.
함수 구성 모듈(150)은 전압 위반을 고려한 제3 제약 함수를 구성한다. 즉, 하기의 수학식 7과 같이, 함수 구성 모듈(150)은 계통 내 모든 모선의 전압 위반을 고려한 제3 제약 함수를 구성한다.
Figure 112018100465717-pat00007
여기서, Vn은 n번째 모선 전압이고, Vn_max는 n번째 모선의 최대 허용 전압이고, Vn_min은 n번째 모선의 최소 허용 전압이다.
함수 구성 모듈(150)은 목적 함수 및 제약 함수들로 구성된 최적화 문제를 구성한다. 즉, 도 6에 도시된 바와 같이, 함수 구성 모듈(150)은 목적 함수, 제1 제약 함수, 제2 제약 함수 및 제3 제약 함수를 포함하는 최적화 문제를 구성한다.
이때, 최적화 문제 중 목적 함수의 △P1~△Pp, 제약 함수의 △P1~△Pm, △Vn, △Vk, △Vj, △Vn은 변수이다.
모선의 개수가 m개, 분산전원 개수가 p개, 선로의 개수가 q개라고 한다면, 총 변수의 개수는 (p-1)+(m-1)가 된다.
여기서, p-1은 전체 분산전원 개수(p개)에서 전압을 제어하는 분산전원(Slack 모선)을 제외한 나머지 분산전원의 개수이다. m-1는 전체 모선수(m개)에서 전압을 제어하는 모선(Slack 모선)을 제외한 나머지 모선의 개수이다.
제약 함수의 개수는 총 (m-1)+(m-1)+q개이다. 이때, m-1은 민감도 행렬에 의한 방정식인 제1 제약 함수의 개수이고, q는 선로 용량 한계를 고려한 부등식인 제2 제약 함수의 개수이고, m-1은 전압 위반을 고려한 부등식인 제3 제약 함수의 개수이다.
최적화 모듈(170)은 선형계획법을 이용해 최적화 문제의 해를 도출한다. 즉, 최적화 문제에 포함된 목적 함수와 제약 함수들은 1차 선형 방정식 혹은 부등식이므로, 최적화 모듈(170)은 선형계획법을 이용하여 최적화 문제의 해를 도출한다.
이를 통해, 최적화 모듈(170)은 직류 배전 계통(200) 내 각 분산전원의 출력 변화량(△P)을 도출한다. 중앙 운영 시스템의 지령에 의해, 모든 분산전원이 △P 만큼 출력을 변화시키면 전압 위반을 해소할 수 있다. 이때, △P는 분산전원의 비용과 선로의 용량한계, 모든 모선의 허용전압을 모두 고려한 최적 솔루션이 된다.
최적화 모듈(170)은 선형계획법의 결과값을 출력한다. 최적화 모듈(170)은 출력 변화량(△P)을 포함하는 결과값을 결과 처리 모듈(190)로 출력한다.
결과 처리 모듈(190)은 최적화 모듈(170)의 선형계획법 수행 결과값을 분석하여 저장 모듈(110)에 저장한다. 즉, 결과 처리 모듈(190)은 최적화 모듈(170)에서 도출한 해의 적합성을 검토한다. 결과 처리 모듈(190)은 적합성 검토를 완료한 해를 저장 모듈(110)에 저장하고, 대응되는 지령값을 출력한다. 그에 따라, 저장 모듈(110)은 출력 변화량(△P)을 포함하는 지령값을 저장한다. 중앙 운영 시스템은 저장 모듈(110)에 저장된 지령값을 근거로 직류 배전 계통(200) 내의 모든 분산전원의 출력을 제어하여 전압 위반을 해소한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 직류 배전 계통(200)의 전압 제어 방법을 상세하게 설명한다. 도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 직류 배전 계통(200)의 전압 제어 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
먼저, 전압 제어 장치(100)는 직류 배전 계통(200)의 고정 데이터 및 취득 데이터를 이용하여 사전 처리를 수행한다(S100). 즉, 전압 제어 장치(100)는 토폴로지(연결 관계), 선로 용량, 허용 전압, 출력 한계 등과 같이 계통 상황에 따라 변하지 않는 데이터인 고정 데이터와, 현장 계측기기에서 취득한 전압, 전류, 차단기 상태 등을 포함하는 취득 데이터를 주기적으로 업데이트하여 관리한다.
전압 제어 장치(100)는 고정 데이터 및 취득 데이터를 이용하여 사전 작업을 수행한다. 전압 제어 장치(100)는 고정 데이터를 이용한 모선 간 연결 관계 해석, 고정 데이터 및 취득 데이터의 오류 분석을 포함하는 사전 작업을 수행한다. 전압 제어 장치(100)는 고정 데이터를 이용한 토폴로지 처리를 통해 모선 연결 관계 해석을 수행한다. 전압 제어 장치(100)는 고정 데이터 및 취득 데이터의 오류 분석 및 조정(상태 추정)을 수행한다.
사전 처리가 완료된 상태에서 직류 배전 계통(200)의 i번째 모선에서 저전압(△Vi)이 발생하면(S200; 예), 직류 배전 계통(200)의 전압 제어 장치(100)(이하, 전압 제어 장치(100))는 최적화 문제를 생성한다(S300). 이를 상세하게 설명하면 아래와 같다.
전압 제어 장치(100)는 자코비안 행렬의 역행렬인 민감도 행렬을 구성하고(S310), △P 및 △V 간의 행렬식을 구성한다(S320).
전압 제어 장치(100)는 △P 및 △V 간의 행렬식을 이용하여 목적 함수를 구성한다(S330). 전압 제어 장치(100)는 선형계획법에 최적화 문제를 대입하여 해를 얻기 위한 목적 함수를 구성한다. 전압 제어 장치(100)는 분산전원의 출력 변화량을 계산하는 것을 목적으로 비용과 관련된 함수로 구성하면, 종래에서 고려하지 못한 경제성을 반영할 수 있다. 따라서, 전압 제어 장치(100)는 상술한 수학식 4와 같이 △P 및 △V 간의 행렬식을 이용하여 분산전원의 비용을 고려한 목적 함수를 구성한다. 이때, C1~Cp는 각 분산전원의 비용으로 상수이며, △P는 각 분산전원들의 출력 변화량으로 구하고자 하는 변수가 된다.
함수 구성 모듈(150)은 선형계획법에 최적화 문제를 대입하여 해를 얻기 위한 제약 함수를 구성한다. 함수 구성 모듈(150)은 민감도 행렬을 고려한 제1 제약 함수, 선로의 용량한계를 고려한 제2 제약 함수, 모선의 전압 위반을 고려한 제3 제약 함수를 구성한다.
먼저, 전압 제어 장치(100)는 민감도 행렬을 고려한 제1 제약 함수를 구성한다(S340). 전압 제어 장치(100)는 민감도 행렬에 의한 제1 제약 함수를 구성한다. 상술한 수학식 5와 같이, 전압 제어 장치(100)는 민감도 행렬의 행 개수만큼 방정식으로 제1 제약 함수를 구성한다. 여기서, Sn1~Snm은 n번째 모선과 1~m번째 모선 사이의 민감도 계수이고, △Vn은 n번째 모선 전압 변화량이다.
전압 제어 장치(100)는 선로 용량을 고려한 제2 제약 함수를 구성한다(S350). 전압 제어 장치(100)는 선로의 용량 한계를 고려한 제2 제약 함수를 구성한다. 전압 제어 장치(100)는 상술한 수학식 6과 같이 선로의 용량 한계를 고려한 제2 제약 함수를 구성한다. 여기서, Vk는 k번째 모선의 전압(V)이고, Vj는 j번째 모선의 전압(V)이고, Ikj는 k번째 모선과 j번째 모선 사이의 선로 전류(A)이고, Rkj는 k번째 모선과 j번째 모선 사이의 선로 저항(Ω)이고, Ikj_limit는 k번째 모선과 j번째 모선 사이의 선로 용량 한계(A)이다.
전압 제어 장치(100)는 전압 범위를 고려한 제3 제약 함수를 구성한다(S360). 전압 제어 장치(100)는 전압 위반을 고려한 제3 제약 함수를 구성한다. 즉, 상술한 수학식 7과 같이, 전압 제어 장치(100)는 계통 내 모든 모선의 전압 위반을 고려한 제3 제약 함수를 구성한다. 여기서, Vn은 n번째 모선 전압이고, Vn_max는 n번째 모선의 최대 허용 전압이고, Vn_min은 n번째 모선의 최소 허용 전압이다.
전압 제어 장치(100)는 목적 함수 및 제약 함수들을 포함하는 최적화 문제를 구성한다(S370). 전압 제어 장치(100)는 기구성한 목적 함수, 제1 제약 함수, 제2 제약 함수 및 제3 제약 함수로 구성된 최적화 문제를 구성한다.
이때, 최적화 문제 중 목적 함수의 △P1~△Pp, 제약 함수의 △P1~△Pm, △Vn, △Vk, △Vj, △Vn은 변수이다.
모선의 개수가 m개, 분산전원 개수가 p개, 선로의 개수가 q개라고 한다면, 총 변수의 개수는 (p-1)+(m-1)이 된다.
여기서, p-1은 전체 분산전원 개수(p개)에서 전압을 제어하는 분산전원(Slack 모선)을 제외한 나머지 분산전원의 개수이다. m-1는 전체 모선수(m개)에서 전압을 제어하는 모선(Slack 모선)을 제외한 나머지 모선의 개수이다.
제약 함수의 개수는 총 (m-1)+(m-1)+q개이다. 이때, m-1은 민감도 행렬에 의한 방정식 제약 함수의 개수이고, m-1은 전압 위반을 고려한 부등식 제약 함수의 개수이고, q는 선로 용량 한계를 고려한 부등식 제약 함수의 개수이다.
전압 제어 장치(100)는 선형계획법을 이용하여 최적화 문제의 해를 도출한다(S400). 즉, 최적화 문제에 포함된 목적 함수와 제약 함수는 1차 선형 방정식 혹은 부등식이므로, 전압 제어 장치(100)는 선형계획법을 이용하여 최적화 문제의 해를 도출한다. 이를 통해, 전압 제어 장치(100)는 직류 배전 계통(200) 내 각 분산전원의 출력 변화량(△P)을 도출한다. 중앙 운영 시스템의 지령에 의해, 모든 분산전원이 △P 만큼 출력을 변화시키면 전압 위반을 해소할 수 있다. 이때, △P는 분산전원의 비용과 선로의 용량한계, 모든 모선의 허용전압을 모두 고려한 최적 솔루션이 된다.
전압 제어 장치(100)는 최적화 문제의 해를 근거로 직류 배전 계통(200) 내의 분산전원들의 출력을 제어한다(S500). 전압 제어 장치(100)는 선형계획법의 결과값을 출력한다. 전압 제어 장치(100)는 출력 변화량(△P)을 포함하는 결과값을 출력한다. 전압 제어 장치(100)는 선형계획법 수행 결과값을 분석하여 저장한다. 즉, 전압 제어 장치(100)는 선행계획법 수행을 통해 도출한 해의 적합성을 검토한다. 전압 제어 장치(100)는 적합성 검토를 완료한 해를 이용하여 출력 변화량(△P)을 포함하는 지령값을 생성한다. 중앙 운영 시스템은 전압 제어 장치(100)에서 생성한 지령값을 근거로 직류 배전 계통(200) 내의 모든 분산전원의 출력을 제어하여 전압 위반을 해소한다.
상술한 바와 같이, 최근 들어 직류 부하인 디지털 부하, 전기 자동차 등의 증가와 태양광(PV), 에너지저장장치(ESS)와 같은 직류 분산전원이 확대되고 있다.
이러한 부하 및 전원의 효율적 배전 계통 연계를 위해 직류 배전 시스템에 대한 연구 및 실증사업이 확대되고 있다. 직류 배전 계통의 운영 관점에서 전력품질의 지표인 전압 유지는 가장 중요한 사항 중 하나이다. 이를 위해서는 직류 배전 시스템의 다양한 분산전원과 복잡한 계통 구성 환경에서 효율적인 제어를 수행할 수 있는 운영 솔루션을 제공하는 시스템이 필수적으로 필요하다.
본 발명의 실시 예에서 제안하는 전압 제어 장치 및 방법은 직류 배전 계통의 스케일(모선 수), 계통 타입(그물형, 방사형, 루프형), 분산전원 개수 및 용량에 대한 제약 없이 수행할 수 있다. 계통 내 전압위반 발생시 비용, 선로 용량, 허용 전압을 모두 고려하여 최적의 분산전원 출력 변화량을 솔루션으로 제공할 수 있다.
또한, 에너지 이용 효율을 향상시키고, 신재생 수용률을 높일 수 있는 직류 배전 시스템은 직류 계통 가정(Home), 직류 계통 빌딩, 직류 계통 공장 및 직류 계통 IDC(인터넷 데이터 센터) 등 다양한 수용가와 직류 계통 마이크로그리드 사업을 넘어 배전 계통으로 급속도로 확대되고 있다. 이와 같은, 직류 계통의 수용가, 마이크로그리드 및 직류 배전 계통 시스템을 운영하기 위한 운영 시스템을 전세계적으로 개발하고 있는 실정이다.
따라서 본 발명의 실시 예에서 제안하는 전압 제어 장치 및 방법은 직류 배전의 전력품질 기준인 전압을 안정적으로 유지하면서 직류 배전 시스템을 최적으로 운영할 수 있는 기술로써, 직류 계통의 수용가, 마이크로그리드, 저압(LVDC) 및 특고압(MVDC) 등을 직류 배전 계통에 적용할 수 있는 직류 배전 관련 모든 분야에 적용할 수 있다.
이상에서 본 발명에 따른 바람직한 실시 예에 대해 설명하였으나, 다양한 형태로 변형이 가능하며, 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 특허청구범위를 벗어남이 없이 다양한 변형 예 및 수정 예를 실시할 수 있을 것으로 이해된다.
100: 전압 제어 장치 110: 저장 모듈
130: 사전 처리 모듈 150: 함수 구성 모듈
170: 최적화 모듈 190: 결과 처리 모듈
200: 직류 배전 계통

Claims (20)

  1. 직류 배전 계통에 포함된 모선에서 전압 위반이 발생하면 목적 함수 및 제약 함수를 포함하는 최적화 문제를 생성하는 함수 구성 모듈;
    선형계획법을 통해 상기 최적화 문제의 해를 도출하되, 상기 직류 배전 계통 내에 포함된 분산전원의 출력 변화량을 포함하는 해를 도출하는 최적화 모듈
    상기 최적화 모듈에서 도출한 출력 변화량을 포함하는 지령값을 출력하는 결과 처리 모듈; 및
    상기 직류 배전 계통의 고정 데이터 및 취득 데이터를 저장하고, 상기 결과 처리 모듈에서 출력된 지령값을 저장하는 저장 모듈
    을 포함하는 직류 배전 계통의 전압 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 함수 구성 모듈은,
    상기 목적 함수, 민감도를 반영한 제1 제약 함수, 선로 용량 한계를 반영한 제2 제약 함수 및 전압 위반을 반영한 제3 제약 함수를 포함하는 최적화 문제를 생성하는 직류 배전 계통의 전압 제어 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 함수 구성 모듈은,
    자코비안 행렬의 역행렬을 민감도 행렬로 구성하고, 상기 민감도 행렬을 근거로 출력 변화량 및 전압 변화량 간의 행렬식을 구성하는 직류 배전 계통의 전압 제어 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 함수 구성 모듈은 상기 출력 변화량 및 전압 변화량 간의 행렬식을 이용하여 분산전원의 비용을 반영한 목적 함수를 구성하되,
    상기 목적 함수는
    Figure 112018100465717-pat00008
    이고, 상기 C1 내지 Cp는 분산전원의 비용이고, 상기 △P1 내지 △Pp는 각 분산전원의 출력 변화량인 직류 배전 계통의 전압 제어 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 함수 구성 모듈은 민감도 행렬을 반영한 제1 제약 함수를 구성하되,
    상기 제1 제약 함수는
    Figure 112018100465717-pat00009
    이고,
    상기 Snm은 n번째 모선과 m번째 모선 사이의 민감도 계수이고, △Vn은 n번째 모선 전압 변화량인 직류 배전 계통의 전압 제어 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 함수 구성 모듈은 선로의 용량 한계를 반영한 제2 제약 함수를 구성하되,
    상기 제2 제약 함수는
    Figure 112018100465717-pat00010
    이고, Vk는 k번째 모선의 전압(V)이고, Vj는 j번째 모선의 전압(V)이고, Ikj는 k번째 모선과 j번째 모선 사이의 선로 전류(A)이고, Rkj는 k번째 모선과 j번째 모선 사이의 선로 저항(Ω)이고, Ikj_limit는 k번째 모선과 j번째 모선 사이의 선로 용량 한계(A)인 직류 배전 계통의 전압 제어 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 함수 구성 모듈은 전압 위반을 고려한 제3 제약 함수를 구성하되,
    상기 제3 제약 함수는
    Figure 112018100465717-pat00011
    이고, Vn은 n번째 모선 전압이고, Vn_max는 n번째 모선의 최대 허용 전압이고, Vn_min은 n번째 모선의 최소 허용 전압인 직류 배전 계통의 전압 제어 장치.
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 고정 데이터는 토폴로지, 선로 용량, 허용 전압 및 출력 한계를 포함하고,
    상기 취득 데이터는 전압, 전류 및 차단기 상태를 포함하는 직류 배전 계통의 전압 제어 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 고정 데이터를 근거로 모선 간 연결 관계 해석을 수행하고, 상기 고정 데이터 및 상기 취득 데이터의 오류 분석 및 조정을 수행하는 사전 처리 모듈을 더 포함하는 직류 배전 계통의 전압 제어 장치.
  11. 전압 제어 장치를 이용한 직류 배전 계통의 전압 제어 방법에 있어서,
    직류 배전 계통에 포함된 모선에서 전압 위반이 발생하면 목적 함수 및 제약 함수를 포함하는 최적화 문제를 생성하는 단계;
    선형계획법을 통해 상기 최적화 문제의 해를 도출하되, 상기 직류 배전 계통 내에 포함된 분산전원의 출력 변화량을 포함하는 해를 도출하는 단계;
    상기 출력 변화량을 포함하는 지령값을 출력하는 단계를 포함하는 단계; 및
    상기 직류 배전 계통의 고정 데이터 및 취득 데이터를 저장하는 단계
    를 포함하는 직류 배전 계통의 전압 제어 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 최적화 문제를 생성하는 단계에서는 상기 목적 함수, 민감도를 반영한 제1 제약 함수, 선로 용량 한계를 반영한 제2 제약 함수 및 전압 위반을 반영한 제3 제약 함수를 포함하는 최적화 문제를 생성하는 직류 배전 계통의 전압 제어 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 최적화 문제를 생성하는 단계는,
    자코비안 행렬의 역행렬을 민감도 행렬로 구성하는 단계; 및
    상기 민감도 행렬을 근거로 출력 변화량 및 전압 변화량 간의 행렬식을 구성하는 단계를 포함하는 직류 배전 계통의 전압 제어 방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 최적화 문제를 생성하는 단계는,
    상기 출력 변화량 및 전압 변화량 간의 행렬식을 이용하여 분산전원의 비용을 반영한 목적 함수를 구성하는 단계를 더 포함하되,
    상기 목적 함수는
    Figure 112018100465717-pat00012
    이고, 상기 C1 내지 Cp는 분산전원의 비용이고, 상기 △P1 내지 △Pp는 각 분산전원의 출력 변화량인 직류 배전 계통의 전압 제어 방법.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 최적화 문제를 생성하는 단계는,
    민감도 행렬을 반영한 제1 제약 함수를 구성하는 단계를 더 포함하되,
    상기 제1 제약 함수는
    Figure 112018100465717-pat00013
    이고,
    상기 Snm은 n번째 모선과 m번째 모선 사이의 민감도 계수이고, △Vn은 n번째 모선 전압 변화량인 직류 배전 계통의 전압 제어 방법.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 최적화 문제를 생성하는 단계는,
    선로의 용량 한계를 반영한 제2 제약 함수를 구성하는 단계를 더 포함하고,
    상기 제2 제약 함수는
    Figure 112018100465717-pat00014
    이고, Vk는 k번째 모선의 전압(V)이고, Vj는 j번째 모선의 전압(V)이고, Ikj는 k번째 모선과 j번째 모선 사이의 선로 전류(A)이고, Rkj는 k번째 모선과 j번째 모선 사이의 선로 저항(Ω)이고, Ikj_limit는 k번째 모선과 j번째 모선 사이의 선로 용량 한계(A)인 직류 배전 계통의 전압 제어 방법.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 최적화 문제를 생성하는 단계는 전압 위반을 고려한 제3 제약 함수를 구성하는 단계를 더 포함하고,
    상기 제3 제약 함수는
    Figure 112018100465717-pat00015
    이고, 은 n번째 모선 전압이고, Vn_max는 n번째 모선의 최대 허용 전압이고, Vn_min은 n번째 모선의 최소 허용 전압인 직류 배전 계통의 전압 제어 방법.
  18. 삭제
  19. 제11항에 있어서,
    상기 고정 데이터는 토폴로지, 선로 용량, 허용 전압 및 출력 한계를 포함하고,
    상기 취득 데이터는 전압, 전류 및 차단기 상태를 포함하는 직류 배전 계통의 전압 제어 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 고정 데이터를 근거로 모선 간 연결 관계 해석을 수행하는 단계; 및
    상기 고정 데이터 및 상기 취득 데이터의 오류 분석 및 조정을 수행하는 단계를 더 포함하는 직류 배전 계통의 전압 제어 방법.
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