KR102329211B1 - 불평형 양극 직류 배전계통의 전력조류계산 방법 및 장치 - Google Patents

불평형 양극 직류 배전계통의 전력조류계산 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 불평형 양극 직류 배전계통의 전력조류계산 방법으로서, 모선의 초기 전압값을 설정하는 단계; 노드를 통해 상기 모선과 연결된 부하 또는 발전 요소로부터 전력값과 전압값을 측정하여 전류값을 산출하는 단계; 상기 산출된 전류값에 기초하여 제n 전류행렬, 제n 전압행렬 및 컨덕턴스행렬로 이루어진 Y-Matrix 벡터를 생성하는 단계; 상기 부하 또는 발전 요소로부터 측정된 전력값이 최대 전력값 이하인 경우에 상기 Y-Matrix 벡터를 재정렬하는 단계; 및 상기 재정렬된 Y-Matrix 벡터의 제n+1 전압행렬과 상기 제n 전압행렬의 차이가 일정 이하가 될 때까지 상기 Y-Matrix 벡터를 재정렬하는 과정을 반복 수행하는 단계를 포함한다.

Description

불평형 양극 직류 배전계통의 전력조류계산 방법 및 장치{APPARATUS AND METHOD OF POWER FLOW CALCULATION OF BIPOLAR DC DISTRIBUTION SYSTEM CONSIDERING THE LOAD UNBALANCE}
본 발명은 불평형 양극 직류 배전계통의 전력조류계산 방법 및 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 부하의 불평형에 따른 중성선 전위와 정극과 부극 간에 직접 접속하여 운전하는 요소까지 고려하여 계통을 통합적으로 해석할 수 있는 불평형 양극 직류 배전계통의 전력조류계산 방법 및 장치에 관한 것이다.
최근 컴퓨터나 네트워크 장치 또는 디지털 장치들이 소비하는 전력의 규모가 급증하고 있고, 가까운 미래에 전기 자동차의 보급이 폭발적으로 증가할 것으로 예측됨에 따라 직류배전은 다시 주목받고 있다.
특히, 직류부하(예를 들어, 데이터센터, 전기차 충전 인프라, 등)의 증가와 신재생 전원(예를 들어, 태양광, 풍력, 등), 전원보조설비(ESS, Energy Storage System, 등)의 접속은 배전설비의 수용용량 확대의 요구로 발현되고 있으며, 다수의 설비에 대한 접속 및 운영 효율의 재고와 운전 유연성 확보를 통한 배전망 실효 용량 증대를 위한 직류배전 시스템의 적용이 주목받고 있는 실정이다. 이러한 흐름에 따라 전력변환장치를 비롯한 장치 단계에서의 기술 개발이 진행 중에 있으며, 그 범위는 저압배전계통에서부터 22.9kV의 배전간선까지 폭넓게 형성되고 있다.
특히, 직류배전 시스템은 무효 전력이나 역률, 주파수, 전자파 등을 고려할 필요 없이 설비의 용량을 온전히 활용할 수 있다는 점에서 기존의 교류배전 시스템에 비해 우수한 시스템으로 평가받고 있다.
구체적으로, 직류배전 시스템에서 저압직류 배전계통은 단극성 계통(unipolar system)과 양극성 계통(bipolar system)으로 구분된다. 단극성 계통은 양극 선로와 음극 선로로 하나의 공통된 직류 전압을 공급하는 방식이고, 양극성 계통은 양극 선로(+)와 중성선(N) 및 음극 선로(-)를 이용하여 부하점(load point)마다 두 개의 DC/DC 컨버터들이 두 수용가에 양극 선로와 중성선 사이의 제1 직류전압 및 중성선과 음극 선로 사이의 제2 직류 전압을 각각 공급하는 방식이다.
특히, 양극성 계통은 어느 한 부하 쪽에서 단선과 같은 문제가 발생하더라도 다른 부하 쪽이 영향을 받지 않으므로 계통의 안정성을 확보할 수 있는 장점이 있다.
그러나, 이러한 양극성 계통의 경우에 각 부하점에서, 즉 양극 선로와 중성선 사이의 제1 직류 전압을 공급받는 수용가로부터 중성선으로 제1 부하 전류가 흐를 것이고, 마찬가지로 중성선과 음극 선로 사이의 제2 직류 전압을 공급받는 수용가로부터 중성선으로 제2 부하 전류가 흐를 것이다.
이와 관련하여, 종래의 전력계통에 대한 전력조류계산은 Jacobian Matrix를 이용하여 반복계산법을 적용하였으나, 양극 기반의 직류배전계통은 Slack 모선의 역할을 하는 모선이 2개 존재하기 때문에 Jacobian Matrix를 구성할 수 없고, 나아가 정극과 중성선, 부극과 중성선의 형태로 계통을 분리하여 해석하는 방식은 각각의 계통이 가진 전기적 요소(예를 들어, 부하, 발전 요소, 등)의 크기와 위치가 크게 상이하지 않아 중성선 전위가 0V에서 크게 벗어나지 않는다는 가정을 전제로 하므로 실제 부하의 불평형 상황에서는 전압제어 등 직류배전망 운영에 필수적인 솔루션들을 제대로 구동할 수 없는 등, 다양한 문제가 여전히 존재하였다.
따라서, 부하의 불평형에 따른 중성선 전위와 정극과 부극 간에 직접 접속하여 운전하는 요소까지 고려하여 계통을 통합적으로 해석할 수 있는 불평형 양극 직류 배전계통의 전력조류계산 방법 및 장치에 대한 요구가 당업계에서 점차 증가하고 있는 상황이다.
따라서 본 발명은 상기한 문제점들을 해결하고자 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 부하의 불평형에 따른 중성선 전위와 정극과 부극 간에 직접 접속하여 운전하는 요소까지 고려하여 계통을 통합적으로 해석할 수 있는 불평형 양극 직류 배전계통의 전력조류계산 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 불평형 양극 직류 배전계통의 전력조류계산 방법은, 모선의 초기 전압값을 설정하는 단계; 노드를 통해 상기 모선과 연결된 부하 또는 발전 요소로부터 전력값과 전압값을 측정하여 전류값을 산출하는 단계; 상기 산출된 전류값에 기초하여 제n 전류행렬, 제n 전압행렬 및 컨덕턴스행렬로 이루어진 Y-Matrix 벡터를 생성하는 단계; 상기 부하 또는 발전 요소로부터 측정된 전력값이 최대 전력값 이하인 경우에 상기 Y-Matrix 벡터를 재정렬하는 단계; 및 상기 재정렬된 Y-Matrix 벡터의 제n+1 전압행렬과 상기 제n 전압행렬의 차이가 일정 이하가 될 때까지 상기 Y-Matrix 벡터를 재정렬하는 과정을 반복 수행하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 Y-Matrix 벡터를 재정렬하는 단계는, 상기 제n 전류행렬의 제1행 및 제2행과 상기 제n 전압행렬의 제1행 및 제2행을 상호 치환하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제n 전류행렬의 제1행 및 제2행과 상기 제n 전압행렬의 제1행 및 제2행은 각각 상기 모선과 연결된 컨버터의 전류 및 전압인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 Y-Matrix 벡터를 생성하는 단계는, 상기 직류 배전계통에 대한 등가회로를 구성하는 단계; 및 상기 등가회로를 기반으로 옴의 법칙을 이용하여 상기 Y-Matrix 벡터를 생성하는 단계를 포함한다.
추가로, 상기의 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체는 상기의 방법을 수행하기 위한 프로그램이 기록될 수 있다.
추가로, 상기의 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 불평형 양극 직류 배전계통의 전력조류계산 장치는, 모선의 초기 전압값과, 노드를 통해 상기 모선과 연결된 부하 또는 발전 요소의 전력값과 전압값을 수신하여 전류값을 산출하는 사전처리모듈; 상기 사전처리모듈을 통해 산출된 전류값과 상기 직류 배전계통에 대한 등가회로를 이용하여, 제n 전류행렬, 제n 전압행렬 및 컨덕턴스행렬로 이루어진 Y-Matrix 벡터를 생성하는 Y-Matrix생성모듈; 상기 Y-Matrix생성모듈에 의해 생성된 Y-Matrix 벡터를 재정렬하는 반복수행모듈; 및 상기 반복수행모듈에 의해 재정렬된 상기 Y-Matrix 벡터의 제n+1 전압행렬과 상기 제n 전압행렬의 차이가 일정한 설정값으로 수렴되는 경우에 상기 직류 배전계통의 제어를 위한 명령 신호를 생성하는 결과처리모듈을 포함한다.
또한, 상기 반복수행모듈은, 상기 제n 전류행렬의 제1행 및 제2행과 상기 제n 전압행렬의 제1행 및 제2행을 상호 치환하여 상기 Y-Matrix 벡터를 재정렬하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 n 전류행렬의 제1행 및 제2행과 상기 제n 전압행렬의 제1행 및 제2행은 각각 상기 모선과 연결된 컨버터의 전류 및 전압인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 Y-Matrix생성모듈은 옴의 법칙을 이용하여 상기 Y-Matrix 벡터를 생성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 부하의 불평형에 따른 중성선 전위와 정극과 부극 간에 직접 접속하여 운전하는 요소까지 고려하여 계통을 통합적으로 해석할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 컨버터 전압 제어 기능을 통해 계통을 보다 효율적으로 운영할 수 있고, 정확한 해석을 기반으로 계통에 대한 높은 신뢰도를 구축할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 양극 직류배전계통 조류계산의 연산 속도를 개선함으로써, 직류배전기술의 완성도를 높일 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 불평형 양극 직류 배전계통의 전력조류계산 시스템의 개괄도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 불평형 양극 직류 배전계통의 전력조류계산 장치(100)의 기능적 블록도를 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 불평형 양극 직류 배전계통의 전력조류계산 방법을 설명하기 위한 순서도(S200)를 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 양극 직류 배전계통의 예시도를 도시하고, 도 5a 및 도 5b는 도 4에 따른 양극 직류 배전계통의 계통해석을 위한 회로도를 각각 도시한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 반복수행모듈(140)에 의해 Y-Matrix를 재정렬하는 행렬 변환의 예를 도시한다.
이하, 본 발명에 따른 실시예들은 첨부된 도면들을 참조하여 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 실시예들을 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 불평형 양극 직류 배전계통의 전력조류계산 시스템의 개괄도를 도시한다.
본 발명에 따르면, 불평형 양극 직류 배전계통의 전력조류계산 장치(100)는 도 1에 도시되는 바와 같이, 직류 배전계통에 관한 데이터를 일정한 통신 주기에 따라 실시간으로 수신하고, 이를 기반으로 전력조류 방정식의 연산을 수행하여 전력조류계산 결과를 산출하며, 산출된 전력조류계산 결과를 직류 배전계통의 제어 명령의 입력값으로 활용함으로써, 직류 배전계통의 정합성과 수렵성을 동시에 확보하는 것을 특징으로 한다.
즉, 운영 측면에서 가장 효율적으로 평가받고 있는 양극 직류배전시스템에 대해 불평형 양극 직류 배전계통의 전력조류계산 장치(100)는 보다 정확한 조류 해석을 수행하고, 이러한 조류 해석의 결과를 실계통에 반영하도록 함으로써, 직류 배전계통의 실시간 감시, 제어 및 운영을 가능토록 한다.
구체적으로, 불평형 양극 직류 배전계통의 전력조류계산 장치(100)는 토폴로지, 선로정수, 허용전압, 출력한계, 등 직류 배전계통의 상황에 따라 변하지 않는 고정 데이터와, 현장의 계측기 등으로부터 실시간으로 측정되는 전압, 전류, 차단기 상태 등의 취득 데이터를 각각 수신하고, 수신된 데이터를 장치가 처리 가능한 데이터로 변환하여 전력조류계산 방정식의 연산(예를 들어, Y-Matrix 생성 등)에 이용할 수 있다.
이 경우, 취득 데이터는 통신 주기에 따라 주기적으로 업데이트되며, 고장 데이터와 취득 데이터는 생성과 동시에 불평형 양극 직류 배전계통의 전력조류계산 장치(100)의 통신모듈(110)로 전송될 수 있다. 이와 관련된 본 발명의 구체적인 설명은 이하의 도 2 및 도 3에 도시된 블록도, 순서도, 등을 기초로 하여 이하에서 보다 상술하기로 한다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 불평형 양극 직류 배전계통의 전력조류계산 장치(100)의 기능적 블록도와 그에 따른 전력조류계산 방법을 설명하기 위한 순서도(S200)를 각각 도시한다.
참고로, 불평형 양극 직류 배전계통의 전력조류계산 장치(100)는 이하에서 보다 상술하게 기술되는 불평형 양극 직류 배전계통의 전력조류계산 방법을 구성하는 각 단계들을 실행하도록 구성될 수 있으며, 예를 들어, 도 3에 예시적으로 도시되는 바와 같이 불평형 양극 직류 배전계통의 전력조류계산 방법(S200)을 구성하는 각 단계들을 실행하도록 구성될 수 있다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 불평형 양극 직류 배전계통의 전력조류계산 장치(100)는, 통신모듈(110), 사전처리모듈(120), Y-Matrix생성모듈(130), 반복수행모듈(140), 결과처리모듈(150), 제어모듈(160) 및 저장모듈(170) 등으로 구성될 수 있다.
통신모듈(110)은 외부 장치(예를 들어, 현장 계측기, 등)와 유무선 통신 채널을 이용하여 통신을 수행할 수 있다. 예를 들어, 통신모듈(110)은 랜(LAN), WCDMA(Wideband Code Division Multiple Access), LTE(Long Term Evolution), WiBro(Wireless Broadband Internet), RF(Radio Frequency)통신, 무선랜(Wireless LAN), 와이파이(Wireless Fidelity), NFC(Near Field Communication), 블루투스, 적외선 통신 등에 의해 외부 장치와 통신 가능하도록 구현될 수 있고, 보다 바람직하게는 통신모듈(110)은 토폴로지, 선로정수, 허용전압, 출력한계, 등의 고정 데이터와, 전압, 전류, 차단기 상태 등의 취득 데이터 등을 수신할 수 있다.
추가로, 통신모듈(110)은 유무선 통신을 통해 외부 장치로부터 수신된 데이터를 사전처리모듈(120)이 처리 가능한 데이터로 변환하여 사전처리모듈(120)로 전달할 수도 있다.
사전처리모듈(120)은 양극 방식의 직류 배전계통에서 모선의 초기 전압값을 설정할 수 있다(S210). 예를 들어, 사전처리모듈(120)은 정극 모선, 부극 모선, 중성선으로 구성된 직류 배전계통에서 모선의 전압 초기화 과정을 수행할 수 있으며, 예를 들어, 사용자로부터 정극 모선, 중성선, 부극 모선 각각에 대한 초기 전압값을 수신하여 무부하 상태로의 모선의 초기 전압값을 설정할 수 있다.
추가로, 사전처리모듈(120)은 노드를 통해 모선과 연결된 부하 또는 발전 요소의 전력값과 전압값을 수신하여 전류값을 산출할 수 있다(S220). 예를 들어, 정극, 중성선 및 부극으로 이루어진 양극 직류 배전계통의 모선에는 임의의 크기를 가진 전기적 요소(예를 들어, 부하, 발전원, 등)가 노드를 통해 연결될 수 있고, 사전처리모듈(120)은 통신모듈(110)을 통해 외부 장치(예를 들어, 현장 계측기, 등)로부터 측정된 모선 또는 노드 각각의 전압값과, 전력값을 수신함으로써, 노드를 통해 모선에 연결된 부하 또는 발전 요소의 전류값을 각각 산출할 수 있다. 이와 관련된 본 발명의 구체적인 설명은 이하에서 보다 상술하기로 한다.
Y-Matrix생성모듈(130)은 S220 단계를 통해 산출된 모선 또는 노드의 전류값 및 전압값에 기초하여, 제n 전류행렬, 제n 전압행렬 및 컨덕턴스행렬로 이루어진 Y-Matrix 벡터를 생성할 수 있다(S230). 이를 구현하기 위해, Y-Matrix생성모듈(130)은 직류 배전계통을 등가회로로 변환하여 표현할 수 있다. 즉, Y-Matrix생성모듈(130)은 등가회로의 해석(예를 들어, 옴의 법칙 등)을 통해 제n 전류행렬, 제n 전압행렬 및 컨덕턴스행렬로 이루어진 Y-Matrix 벡터를 생성함으로써, 불평형 양극 직류 배전계통의 상태를 해석할 수 있다.
반복수행모듈(140)은 S230 단계를 통해 생성된 Y-Matrix 벡터를 재정렬할 수 있다(S240). 예를 들어, 반복수행모듈(140)은 노드를 통해 직류 배전계통의 모선에 연결된 전기적 요소(예를 들어, 부하, 발전원, 등)로부터 측정된 전력값이 최대 전력값 이하인 경우에 Y-Matrix 벡터를 재정렬할 수 있다.
구체적으로, 직류 배전계통에서 발전 전력이 부하의 수요 전력보다 큰 경우에 남는 전력을 직류 배전계통에서 상위 계통으로 공급할 수 있고, 이 경우 반복 수행모듈(140)은 직류 배전계통의 등가 전원으로 모델링된 컨버터의 운전 전압을 일정하게 유지하기 위해 컨버터의 출력 전압을 제어할 수 있다.
즉, 컨버터의 출력 전압의 제어는 등가 전류가 변동되는 것을 의미하고, 따라서 반복수행모듈(140)은 제n 전류행렬 및 제n 전압행렬을 포함하는 Y-Matrix 벡터에서 컨버터 전류에 해당하는 1행과 2행의 요소가 상수가 아닌 변수로, 컨버터 터미널 전압인 1행과 2행의 요소가 변수가 아닌 상수로 변환되도록 각각의 요소를 상호 치환함으로써, Y-Matrix 벡터를 재정렬할 수 있다. 이와 관련된 본 발명의 구체적인 설명은 이하에서 보다 상술하기로 한다.
결과처리모듈(150)은 S240 단계를 통해 재정렬된 Y-Matrix 벡터의 제n+1 전압행렬과 이전의 제n 전압행렬의 차이가 일정 이하가 될 때까지 Y-Matrix 벡터를 재정렬하는 과정을 반복 수행할 수 있다(S250). 예를 들어, 결과처리모듈(150)은 Y-Matrix 벡터를 재정렬 하기 이전의 제n 전압행렬과 재정렬 한 이후의 제n+1 전압행렬의 차이값에 기인하여, 상기 차이값이 사용자에 의해 미리 설정한 값 이하로 작아질 때까지 Y-Matrix 벡터를 재정렬하는 과정을 반복 수행할 수 있다.
즉, 결과처리모듈(150)은 Y-Matrix 벡터의 재정렬 전후의 전압행렬의 차이값이 일정한 설정값으로 수렴되는 경우에 Y-Matrix 벡터의 재정렬하는 과정을 중지하고, 이에 대응하여 직류 배전계통의 전압, 선로 조류, 보호협조 제어를 위한 명령 신호를 생성할 수 있다.
제어모듈(160)은 본 발명에 따른 불평형 양극 직류 배전계통의 전력조류계산 장치(100)의 다양한 동작, 기능 등을 총괄적으로 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어모듈(160)은 Y-Matrix 벡터의 재정렬 전후의 전압행렬의 차이값이 설정값 이하로 산출되는 경우에 Y-Matrix 벡터의 재정렬 과정을 중지하도록 반복수행모듈(140)을 제어할 수 있고, 이를 통해 생성된 전력조류계산 결과를 전압제어, 조류제어, 보호협조 등과 같은 계통 제어용 운영프로그램으로 전달하여 불평형 양극 직류 배전계통의 정합성과 수렵성을 확보할 수 있다.
참고로, 제어모듈(160)은 프로세서(processor), 마이크로프로세서(micro-processor), 컨트롤러(controller), 마이크로컨트롤러(micro-controller), 등으로 구현될 수 있다.
저장모듈(170)은 불평형 양극 직류 배전계통의 전력조류계산 장치(100)의 동작 및 전력조류계산 결과와 관련된 다양한 데이터가 저장될 수 있고, 이러한 데이터에는 소정의 컨텐츠, 전력조류계산 결과 자료 등이 포함될 수 있다.
또한, 예를 들어, 저장모듈(170)은 통상의 기술자에게 알려진 바와 같이, HDD(Hard Disk Drive), ROM(Read Only Memory), RAM(Random Access Memory), EEPROM(Electrically Erasable and Programmable Read Only Memory), 플래시 메모리(flash memory), CF(Compact Flash) 카드, SD(Secure Digital) 카드, SM(Smart Media) 카드, MMC(Multimedia) 카드 또는 메모리 스틱(Memory Stick) 등 정보의 입출력이 가능한 다양한 형태의 저장 장치로 구현될 수 있으며, 불평형 양극 직류 배전계통의 전력조류계산 장치(100)의 내부에 구비되거나, 또는 별도의 외부 장치에 구비될 수도 있다.
추가로, 저장모듈(170)에는 또는 저장모듈(170)과는 별개로 데이터 백업(data backup)을 위한 추가 메모리가 더 구비될 수 있으며, 제어모듈(160)은 저장모듈(170)에 저장된 전력조류계산 결과 또는 Y-Matrix 벡터, 등과 관련된 다양한 데이터를 백업하여 상기 추가 메모리에 저장함으로써, 데이터 유실 또는 분실에 대한 능동적인 대처를 가능하게 한다.
참고로, 도 2에 도시되는 불평형 양극 직류 배전계통의 전력조류계산 장치(100)의 각 엘리멘트(110, 120, 130, 140, 150, 160, 170)은 전력조류계산을 위한 불평형 양극 직류 배전계통의 전력조류계산 장치(100)의 동작 및 기능을 설명하기 위한 예시적인 엘리먼트에 해당할 뿐 이에 한정되지 않으며, 추가의 엘리먼트(예를 들어, 관리자 컨트롤러, 전압 조정 요소 산출부, 등)가 더 구현될 수 있음은 명백할 것이다. 이하에서는 불평형 양극 직류 배전계통의 계통 해석을 위한 방법을 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 양극 직류 배전계통의 예시도를 도시하고, 도 5a 및 도 5b는 도 4에 따른 양극 직류 배전계통의 계통해석을 위한 회로도를 각각 도시한다.
먼저, 도 4를 참조하면, 양극(bipolar) 방식의 직류 배전계통에는 정극 모선(10)과 중성선(20), 중성선(20)과 부극 모선(30), 그리고 정극 모선(10)과 부극 모선(30) 사이에 부하 또는 발전원이 계통 접속하여 전력을 공급받거나 전력을 공급할 수 있다.
이 경우, 각각의 도체는 접속 형태에 따라 급전선(feeder)과 부급전선(return path)의 역할을 수행할 수 있다. 예를 들어, 급전선이 정극 모선(10)이고, 부급전선이 부극 모선(30)인 경우에만 계통이 운영되거나, 또는 급전선이 정극 모선(10)이고, 부급전선이 중성선(20)인 경우 또는 급전선이 중성선(20)이고, 부급전선이 부극 모선(30)인 경우에는 전기적 요소(예를 들어, 부하, 발전원, 등)가 같은 위치에 같은 크기로 운전하는 전제하에 중성선(20)에서의 전류가 ‘0’이 되고, 중성선(20)의 모든 지점이 전위를 갖지 않는 상태가 될 수 있다.
따라서, 급전선이 정극 모선(10)이고, 부급전선이 부극 모선(30)인 경우에는 부하만이 운전하거나, 또는 급전선이 정극 모선(10)이고, 부급전선이 중성선(20)인 경우 또는 급전선이 중성선(20)이고, 부급전선이 부극 모선(30)인 경우에 부하가 모든 위치에서 항상 동일한 크기를 갖는 운전 상태만을 상정할 수는 없으므로, 중성선(20) 전위를 고려한 불평형 양극 직류 배전계통의 계통해석이 이루어져야 한다.
이를 구현하기 위해, 도 5a 및 도 5b를 참조하면, 양극 직류 배전계통의 정극 모선(10), 중성선(20) 및 부극 모선(30) 사이에는 임의의 위치와 임의의 크기를 갖는 복수의 전기적 요소(예를 들어, 부하, 발전원, 등)가 각각 계통 접속하여 운전하는 상태의 등가회로로 형성되어 해석될 수 있다.
이와 관련하여, 도 5a를 참조하면, AC/DC 컨버터는 직류 배전계통 측에서 전원 임피던스와 직류 전압원으로 모델링되어 직렬 연결될 수 있으며, 이를 통해 AC/DC 컨버터는 정극 모선(10)과 중성선(20), 그리고 중성선(20)과 부극 모선(30) 사이의 전위차를 생성하는 역할을 수행할 수 있다.
나아가, 도 5b를 참조하면, 불평형 양극 직류 배전계통의 전력조류계산 장치(100)는, 도 5a를 기반으로 전압원을 전류원으로, 노드 간 임피던스는 컨덕턴스로, 부하 또는 발전원의 출력은 전류원으로 등가 변환하여 표현함으로써, 보다 간편하고, 신속하게 회로 해석을 수행할 수 있다.
따라서, 도 5b를 참조하면, 정격 범위 내에서 컨버터 터미널 전압(Vpo, Vne)을 정전압으로 유지하기 위해 컨버터가 생성하는 내부 전압원의 크기(Vdc)는 출력이 증가함에 따라 일정하게 증가하고, 컨버터 정격 전압 이상에서 최대 전압을 유지하여야 하며, 즉 불평형 양극 직류 배전계통의 전력조류계산 장치(100)는 컨버터의 내부 전압(Vdc)을 유연하게 제어함으로써, 직류 배전계통을 보다 효율적으로 운영할 수 있다. 이와 관련하여, 본 발명의 구체적인 설명은 이하에서 보다 상술하기로 한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 반복수행모듈(140)에 의해 Y-Matrix를 재정렬하는 행렬 변환의 예를 도시한다.
상술한 바와 같이, 불평형 양극 직류 배전계통의 전력조류계산 장치(100)는 모선에 전기적으로 연결된 부하 또는 발전 요소의 출력에 따라 컨버터의 내부 전압(예를 들어, 공급 전압)을 유연하게 제어할 수 있다.
이 경우, 컨버터의 내부 전압의 제어는 등가 전류가 변하는 것을 의미하고, 따라서 제n 전류행렬과 제n 전압행렬로 이루어진 Y-Matrix 벡터에서 컨버터 전류인 제n 전류행렬의 제1행과 제2행의 요소가 상수가 아닌 변수로, 컨버터 전압인 제n 전압행렬의 제1행과 제2행의 컨버터 터미널 전압이 변수가 아닌 상수로 전환되는 것을 의미할 수 있다.
이를 구현하기 위해, 반복수행모듈(140)은 도 6에 도시되는 바와 같이, 제n 전류행렬과 제n 전압행렬 각각의 제1행과 제2행 요소의 위치를 상호 교환함으로써, Y-Matrix 벡터에 대한 변수벡터와 상수벡터로의 재정렬을 도모할 수 있다.
즉, 불평형 양극 직류 배전계통의 전력조류계산 장치(100)는 양극간 불평형을 고려하여 정극 계통과 부극 계통을 통합적으로 해석할 수 있는 동시에 AC/DC 양극 컨버터 전압의 조정 기능을 반영하여 계통을 해석함으로써, 보다 정확하고, 신속하게 직류 배전계통을 감시, 제어 및 운영할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 불평형 양극 직류 배전계통의 전력조류계산 장치(100)는 부하의 불평형에 따른 중성선 전위와 정극과 부극 간에 직접 접속하여 운전하는 요소까지 고려하여 계통을 통합적으로 해석할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 컨버터 전압 제어 기능을 통해 계통을 보다 효율적으로 운영할 수 있고, 정확한 해석을 기반으로 계통에 대한 높은 신뢰도를 구축할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 양극 직류배전계통 조류계산의 연산 속도를 개선함으로써, 직류배전기술의 완성도를 높일 수 있는 효과가 있다.
한편, 본 명세서에 기재된 다양한 실시예들은 하드웨어, 미들웨어, 마이크로코드, 소프트웨어 및/또는 이들의 조합에 의해 구현될 수 있다. 예를 들어, 다양한 실시예들은 하나 이상의 주문형 반도체(ASIC)들, 디지털 신호 프로세서(DSP)들, 디지털 신호 프로세싱 디바이스(DSPD)들, 프로그램어블 논리 디바이스(PLD)들, 필드 프로그램어블 게이트 어레이(FPGA)들, 프로세서들, 컨트롤러들, 마이크로컨트롤러들, 마이크로프로세서들, 여기서 제시되는 기능들을 수행하도록 설계되는 다른 전자 유닛들 또는 이들의 조합 내에서 구현될 수 있다.
또한, 예를 들어, 다양한 실시예들은 명령들을 포함하는 컴퓨터-판독가능한 매체에 수록되거나 인코딩될 수 있다. 컴퓨터-판독가능한 매체에 수록 또는 인코딩된 명령들은 프로그램 가능한 프로세서 또는 다른 프로세서로 하여금 예컨대, 명령들이 실행될 때 방법을 수행하게끔 할 수 있다. 저장 매체는 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 임의의 가용 매체일 수도 있다. 예를 들어, 이러한 컴퓨터-판독가능한 매체는 RAM, ROM, EEPROM, CD-ROM 또는 기타 광학 디스크 저장 매체, 자기 디스크 저장 매체 또는 기타 자기 저장 디바이스, 또는 원하는 프로그램 코드를 컴퓨터에 의해 액세스가능한 명령들 또는 데이터 구조들의 형태로 저장하는데 이용될 수 있는 임의의 다른 매체를 포함할 수 있다.
이러한 하드웨어, 소프트웨어, 펌웨어 등은 본 명세서에 기술된 다양한 동작들 및 기능들을 지원하도록 동일한 디바이스 내에서 또는 개별 디바이스들 내에서 구현될 수 있다. 추가적으로, 본 발명에서 "~부"로 기재된 구성요소들, 유닛들, 모듈들, 컴포넌트들 등은 함께 또는 개별적이지만 상호 운용가능한 로직 디바이스들로서 개별적으로 구현될 수 있다. 모듈들, 유닛들 등에 대한 서로 다른 특징들의 묘사는 서로 다른 기능적 실시예들을 강조하기 위해 의도된 것이며, 이들이 개별 하드웨어 또는 소프트웨어 컴포넌트들에 의해 실현되어야만 함을 필수적으로 의미하지 않는다. 오히려, 하나 이상의 모듈들 또는 유닛들과 관련된 기능은 개별 하드웨어 또는 소프트웨어 컴포넌트들에 의해 수행되거나 또는 공통의 또는 개별의 하드웨어 또는 소프트웨어 컴포넌트들 내에 통합될 수 있다.
특정한 순서로 동작들이 도면에 도시되어 있지만, 이러한 동작들이 원하는 결과를 달성하기 위해 도시된 특정한 순서, 또는 순차적인 순서로 수행되거나, 또는 모든 도시된 동작이 수행되어야 할 필요가 있는 것으로 이해되지 말아야 한다. 임의의 환경에서는, 멀티태스킹 및 병렬 프로세싱이 유리할 수 있다. 더욱이, 상술한 실시예에서 다양한 구성요소들의 구분은 모든 실시예에서 이러한 구분을 필요로 하는 것으로 이해되어서는 안되며, 기술된 구성요소들이 일반적으로 단일 소프트웨어 제품으로 함께 통합되거나 다수의 소프트웨어 제품으로 패키징될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
이상에서와 같이 도면과 명세서에서 최적 실시예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
10: 정극 모선 20: 중성선
30: 부극 모선 100: 전력조류계산 장치
110: 통신 모듈 120: 사전처리모듈
130: Y-Matrix생성모듈 140: 반복수행모듈
150: 결과처리모듈 160: 제어모듈
170: 저장모듈

Claims (9)

  1. 불평형 양극 직류 배전계통의 전력조류계산 방법으로서,
    모선의 초기 전압값을 설정하는 단계;
    노드를 통해 상기 모선과 연결된 부하 또는 발전 요소로부터 전력값과 전압값을 측정하여 전류값을 산출하는 단계;
    상기 산출된 전류값에 기초하여 제n 전류행렬, 제n 전압행렬 및 컨덕턴스행렬로 이루어진 Y-Matrix 벡터를 생성하는 단계;
    상기 부하 또는 발전 요소로부터 측정된 전력값이 최대 전력값 이하인 경우에 상기 Y-Matrix 벡터를 재정렬하는 단계; 및
    상기 재정렬된 Y-Matrix 벡터의 제n+1 전압행렬과 상기 제n 전압행렬의 차이가 일정 이하가 될 때까지 상기 Y-Matrix 벡터를 재정렬하는 과정을 반복 수행하는 단계를 포함하는, 불평형 양극 직류 배전계통의 전력조류계산 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 Y-Matrix 벡터를 재정렬하는 단계는,
    상기 제n 전류행렬의 제1행 및 제2행과 상기 제n 전압행렬의 제1행 및 제2행을 상호 치환하는 것을 특징으로 하는 불평형 양극 직류 배전계통의 전력조류계산 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제n 전류행렬의 제1행 및 제2행과 상기 제n 전압행렬의 제1행 및 제2행은 각각 상기 모선과 연결된 컨버터의 전류 및 전압인 것을 특징으로 하는 불평형 양극 직류 배전계통의 전력조류계산 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 Y-Matrix 벡터를 생성하는 단계는,
    상기 직류 배전계통에 대한 등가회로를 구성하는 단계; 및
    상기 등가회로를 기반으로 옴의 법칙을 이용하여 상기 Y-Matrix 벡터를 생성하는 단계를 포함하는, 불평형 양극 직류 배전계통의 전력조류계산 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 따른 방법을 수행하기 위한 프로그램이 기록된 컴퓨터 판독 가능한 기록매체.
  6. 불평형 양극 직류 배전계통의 전력조류계산 장치로서,
    모선의 초기 전압값과, 노드를 통해 상기 모선과 연결된 부하 또는 발전 요소의 전력값과 전압값을 수신하여 전류값을 산출하는 사전처리모듈;
    상기 사전처리모듈을 통해 산출된 전류값과 상기 직류 배전계통에 대한 등가회로를 이용하여, 제n 전류행렬, 제n 전압행렬 및 컨덕턴스행렬로 이루어진 Y-Matrix 벡터를 생성하는 Y-Matrix생성모듈;
    상기 Y-Matrix생성모듈에 의해 생성된 Y-Matrix 벡터를 재정렬하는 반복수행모듈; 및
    상기 반복수행모듈에 의해 재정렬된 상기 Y-Matrix 벡터의 제n+1 전압행렬과 상기 제n 전압행렬의 차이가 일정한 설정값으로 수렴되는 경우에 상기 직류 배전계통의 제어를 위한 명령 신호를 생성하는 결과처리모듈을 포함하는 불평형 양극 직류 배전계통의 전력조류계산 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 반복수행모듈은, 상기 제n 전류행렬의 제1행 및 제2행과 상기 제n 전압행렬의 제1행 및 제2행을 상호 치환하여 상기 Y-Matrix 벡터를 재정렬하는 것을 특징으로 하는 불평형 양극 직류 배전계통의 전력조류계산 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 n 전류행렬의 제1행 및 제2행과 상기 제n 전압행렬의 제1행 및 제2행은 각각 상기 모선과 연결된 컨버터의 전류 및 전압인 것을 특징으로 하는 불평형 양극 직류 배전계통의 전력조류계산 장치.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 Y-Matrix생성모듈은 옴의 법칙을 이용하여 상기 Y-Matrix 벡터를 생성하는 것을 특징으로 하는 불평형 양극 직류 배전계통의 전력조류계산 장치.
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