KR102337712B1 - 무효 전력 제어 방법 및 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 무효 전력 제어 시스템 상에서 무효 전력을 제어하는 방법으로서, 사용자 전력 소비 모니터링 장치를 통해 전력 소비량를 주기적으로 획득하는 단계; 상기 전력 소비량에서 무효 전력 소비량을 미리 설정된 알고리즘에 의해 무효 전력 추출 장치에서 추출하는 단계; 및 상기 추출된 무효 전력 소비량에 기반하여 자동 무효 전력 보상 장치(Automatic Reactive Power Compensation Device; ARPCD)에서 상기 미리 설정된 알고리즘에 의해 무효 전력을 보상하는 단계를 포함하는. 무효 전력 제어 방법을 개시한다.

Description

무효 전력 제어 방법 및 시스템{SYSTEM AND METHOD FOR CONTROLLING REACTIVE POWER}
본 발명은 무효 전력을 제어하는 방법 및 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 무효 전력을 보상하여 무효 전력을 제어하는 방법 및 시스템에 관한 것이다.
무효 부하(reactive load) 증가 및 분산 발전(distributed generation) 유닛들의 배전 네트워크에서의 통합은 스마트 그리드에서 효과적이다. 또한, 배전 네트워크에서 분산 발전의 통합은 스마트 그리드와 전력 수요 측면에서 많은 이점이 있다.
다만, 배전 네트워크에서의 분산 발전 유닛들의 높은 침투력(penetration)은 전력 시스템의 전반적인 변화를 초래한다. 따라서, 종래 전력 시스템은 전송선(transmission line) 에너지 손실의 증가, 사용자의 수요 응답(Demand Response; DR), 배전 네트워크에서의 전압 변동(voltage oscillation), 전력 관리, 전력 생성 및 전력 수요 비율 등과 같은 여러 가지 복잡한 문제가 있다.
또한, 종래의 배전 네트워크(Distribution Network; DN)는 배전 공급 장치에 수많은 무효 장치를 통합하기 때문에 무효 전력 및 역률(power factor; pf) 개선에 대한 전력 보상(compensation) 문제가 있다.
공개특허공보 10-2017-0135337
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 낮은 전압 배전 네트워크에서 무효 전력 흐름을 제어하는 방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 무효 전력 제어 방법은, 무효 전력 제어 시스템 상에서 무효 전력을 제어하는 방법으로서, 사용자 전력 소비 모니터링 장치를 통해 전력 소비량를 주기적으로 획득하는 단계; 상기 전력 소비량에서 무효 전력 소비량을 미리 설정된 알고리즘에 의해 무효 전력 추출 장치에서 추출하는 단계; 및 상기 추출된 무효 전력 소비량에 기반하여 자동 무효 전력 보상 장치(Automatic Reactive Power Compensation Device; ARPCD)에서 상기 미리 설정된 알고리즘에 의해 무효 전력을 보상하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 추출된 무효 전력 소비량에 기반하여 자동 무효 전력 보상 장치(Automatic Reactive Power Compensation Device; ARPCD)에서 상기 미리 설정된 알고리즘에 의해 무효 전력을 보상하는 단계는, 자동 무효 전력 보상 장치(Automatic Reactive Power Compensation Device; ARPCD)에서 진상 무효 전력을 보상하거나 지상 무효 전력을 보상하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 추출된 무효 전력 소비량에 기반하여 자동 무효 전력 보상 장치(Automatic Reactive Power Compensation Device; ARPCD)에서 상기 미리 설정된 알고리즘에 의해 무효 전력을 보상하는 단계는, 폐루프(closed loop) 피드백 제어(feedback control) 변압기에 연결된 자동 무효 전력 보상 장치(Automatic Reactive Power Compensation Device; ARPCD)에서 무효 전력을 보상하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 사용자 전력 소비 모니터링 장치를 통해 전력 소비량를 주기적으로 획득하는 단계는, 상기 무효 전력 제어 시스템과 복수 사용자를 노드 및 버스(bus)를 통해 연결하는 단계; 상기 노드 및 버스를 통해 사용자를 식별하는 단계; 및 상기 식별된 사용자 별로 전력 소비량을 획득하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 식별된 사용자 별로 전력 소비량을 획득하는 단계는, 상기 식별된 사용자로부터 전송되는 전력 소비량에 대한 정보를 클라우드 서버 또는 게이트웨이를 통해 수신하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 무효 전력 제어 방법은 상기 사용자 전력 소비 모니터링 장치를 통해 주기적으로 획득된 전력 소비량을 데이터로서 활용하여 매트랩(matlab) 또는 시뮬링크(Simulink)를 통해 무효 전력을 계산하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 무효 전력 제어 시스템은, 전력 소비량를 주기적으로 획득하는 사용자 전력 소비 모니터링 장치; 상기 전력 소비량에서 무효 전력 소비량을 추출하는 무효 전력 추출 장치; 및 상기 추출된 무효 전력 소비량에 기반하여 무효 전력을 상기 미리 설정된 알고리즘에 의해 보상하는 자동 무효 전력 보상 장치(Automatic Reactive Power Compensation Device; ARPCD)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 자동 무효 전력 보상 장치(Automatic Reactive Power Compensation Device; ARPCD)는, 진상 무효 전력을 보상하거나 지상 무효 전력을 보상할 수 있다.
또한, 상기 자동 무효 전력 보상 장치(Automatic Reactive Power Compensation Device; ARPCD)는, 폐루프(closed loop) 피드백 제어(feedback control) 변압기에 연결된 자동 무효 전력 보상 장치(Automatic Reactive Power Compensation Device; ARPCD)일 수 있다.
또한, 상기 사용자 전력 소비 모니터링 장치는, 복수 사용자를 노드 및 버스(bus)를 통해 연결하는 연결부; 상기 노드 및 버스를 통해 사용자를 식별하는 식별부; 및 상기 식별된 사용자 별로 전력 소비량을 획득하는 획득부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 획득부는, 상기 식별된 사용자로부터 전송되는 전력 소비량에 대한 정보를 클라우드 서버 또는 게이트웨이를 통해 수신하는 수신 모듈을 포함할 수 있다.
또한, 무효 전력 제어 시스템은 상기 사용자 전력 소비 모니터링 장치를 통해 주기적으로 획득된 전력 소비량을 데이터로서 활용하여 매트랩(matlab) 또는 시뮬링크(Simulink)를 통해 무효 전력을 계산하는 무효 전력 계산 장치를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 자동 무효 전력 보상 장치(Automatic Reactive Power Compensation Device; ARPCD)는 무효 전력 및 스마트 그리드(Smart Grid; SG)의 전압 품질을 실시간으로 제어하는 장점을 가진다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 모니터링 장치에 나타난 결과에 기반하여 무효 전력에 대한 전력 보상을 제공하는 장점을 가진다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무효 전력 제어 방법의 동작 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 무효 전력 제어 시스템의 개념도이다.
도 3은 전력 소비량을 획득하는 과정의 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 알고리즘의 개념도다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 알고리즘의 예시도이다.
도 6은 본 발명의 사용자 전력 소비 모니터링 장치의 블록 구성도이다.
도 7는 전력 소비량을 그래프로 나타낸 예시도이다.
도 8는 전력 소비량을 유형 별로 분류하여 나타낸 예시도이다.
도 9은 본 발명의 일 실시예에 따른 자동 무효 전력 보상 장치를 활용하여 전력 소비량을 나타낸 예시도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 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. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는 데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 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, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무효 전력 제어 방법의 동작 순서도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 무효 전력 제어 방법은, 무효 전력 제어 시스템 상에서 무효 전력을 제어하는 방법으로서, 사용자 전력 소비 모니터링 장치를 통해 전력 소비량를 주기적으로 획득하는 단계(S110)를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 사용자 전력 소비 모니터링 장치를 통해 전력 소비량를 주기적으로 획득하는 단계는, 상기 무효 전력 제어 시스템과 복수 사용자를 노드 및 버스(bus)를 통해 연결하는 단계; 상기 노드 및 버스를 통해 사용자를 식별하는 단계; 및 상기 식별된 사용자 별로 전력 소비량을 획득하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 식별된 사용자 별로 전력 소비량을 획득하는 단계는, 상기 식별된 사용자로부터 전송되는 전력 소비량에 대한 정보를 클라우드 서버 또는 게이트웨이를 통해 수신하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 전력 소비량에서 무효 전력 소비량을 미리 설정된 알고리즘에 의해 무효 전력 추출 장치에서 추출하는 단계(S120)를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 추출된 무효 전력 소비량에 기반하여 자동 무효 전력 보상 장치(Automatic Reactive Power Compensation Device; ARPCD)에서 상기 미리 설정된 알고리즘에 의해 무효 전력을 보상하는 단계(S130)를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 추출된 무효 전력 소비량에 기반하여 자동 무효 전력 보상 장치(Automatic Reactive Power Compensation Device; ARPCD)에서 상기 미리 설정된 알고리즘에 의해 무효 전력을 보상하는 단계는, 자동 무효 전력 보상 장치(Automatic Reactive Power Compensation Device; ARPCD)에서 진상 무효 전력을 보상하거나 지상 무효 전력을 보상하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 추출된 무효 전력 소비량에 기반하여 자동 무효 전력 보상 장치(Automatic Reactive Power Compensation Device; ARPCD)에서 상기 미리 설정된 알고리즘에 의해 무효 전력을 보상하는 단계는, 폐루프(closed loop) 피드백 제어(feedback control) 변압기에 연결된 자동 무효 전력 보상 장치(Automatic Reactive Power Compensation Device; ARPCD)에서 무효 전력을 보상하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 무효 전력 제어 방법은 상기 사용자 전력 소비 모니터링 장치를 통해 주기적으로 획득된 전력 소비량을 데이터로서 활용하여 매트랩(matlab) 또는 시뮬링크(Simulink)를 통해 무효 전력을 계산하는 단계를 더 포함할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 무효 전력 제어 시스템의 개념도이다.
통상적으로 고정 무효전력 보상기(Static Var Compensator; SVC)와 같은 서로 다른 종류의 유연한 교류 전송 시스템(Flexible AC Transmission System; FACTS)을 포함하는 장치들이 무효 전력을 보상하기 위해 사용된다. 이러한, 유연한 교류 전송 시스템(FACTS)를 포함하는 장치의 경우는 전력 송신, 전력 품질, 철도 그리드 연결, 풍력 그리드 연결 및 케이블 시스템을 고려하여 무효 전력 프로파일을 제어하지 않고 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 컴퓨터 조작 지능(computational intelligence)에 기반한 알고리즘 내부 포인트 방법, 기울기(gradient) 방법 및 선형 프로그래밍 등 알고리즘들은 무효 전력을 제어하기 위해 제안되었다. 위와 같은 알고리즘들로 인해 스마트 그리드는 역률, 전압 규제(regulation), 전력 흐름 제어 등을 개선하는 측면으로 향상되었다.
통상적으로 분산 발전 유닛들의 통합으로 인해 저전압 배전 네트워크에서 공급 장치는 역 전력 흐름 상태일 수 있다. 저전압 그리드에서의 무효 전력 문제는 높은 저항 또는 리액턴스 비율, 방사형 토폴로지(radial topology)와 같은 제어 메커니즘을 통해 해결할 수 있다. 또한, 유틸리티 그리드에서 분산 발전 유닛들의 전력 그리드로의 통합을 통해 저전압 그리드에서의 무효 전력 문제를 해결할 수 있다.
다만, 위와 같은 방법들은 배전 공급 장치의 실제적인 데이터를 고려하지 않았다. 본 발명은 실제적인 데이터에 기반하여 효율적인 역률을 획득하기 위해 무효 전력을 관리하는 알고리즘을 제안한다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 무효 전력 제어 시스템은, 자동 무효 전력 보상 장치(ARPCD), 입력측보다 낮은 전압을 출력측에 보내기 위한 스텝-다운 변압기(step down transformer), 자동 무효 전력 보상 장치를 제어하는 제어 시스템 및 사용자 전력 모니터링 장치를 포함할 수 있고, 자동 무효 전력 제어 시스템을 구성하는 장치들을 서로 연결하기 위한 서버를 포함할 수 있다.
여기서, 스텝-다운 변압기는 폐루프 피드백 제어 변압기를 의미할 수 있다. 또한, 사용자 전력 모니터링 장치는 복수의 버스 및 복수의 노드를 통해 무효 전력 제어 시스템과 연결될 수 있고, 어떤 사용자들은 배전 변전소의 저전압 네트워크에 직접 연결할 수 있다.
또한, 본 발명은 실제 전력이 아닌 무효 전력만을 발생시키는 동기식 컨덴서(synchronous condenser)와 같은 무효 전력 소스, 제어 장치를 포함하고 무효 전력을 생산하는 큰 캐패시터 집합인 캐패시터 뱅크(bank), 많은 양의 무효 전력을 발생시키는 컨벤셔널 발전기(conventional generator), 배전 변전소를 포함할 수 있다. 배전 변전소는 사용자의 활동 시간 및 부하 종류에 따라서 반응하는 여러 종류의 부하(load)가 포함될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 사용자 별로 수요 응답(DR) 및 시스템으로의 전력 공급을 결정할 수 있고, 이에 따라 전력 시스템은 전압 시나리오 및 전력 시스템에 존재하는 무효 전력을 고려하여 필요한 무효 전력 보상을 결정할 수 있다.
사용자 별로 전력 수요는 유효 부하(active load)인지 무효 부하(reactive load)인지에 따라 상이할 수 있다. 여러 종류의 부하는 사용자 전력 모니터링 장치의 버스와 노드를 통해 각각의 사용자들과 계약이 성립될 수 있다. 즉, 사용자 전력 모니터링 장치를 통해 복수 사용자를 각각 식별할 수 있다. 여기서, 여러 종류의 부하는 저항성 부하, 유도성 부하 또는 용량성 부하를 의미할 수 있다. 또한, 저항성, 유도성, 용량성 부하는 수학 공식에 의해 계산될 수 있다.
예를 들어, 복수의 사용자가 본 발명의 무효 전력 제어 시스템에 연결되어 있는 복수의 버스 및 복수의 노드를 포함하는 배전 변전소가 있다고 가정하면, 서로 다른 종류의 부하는 버스 및 노드를 통해 본 발명의 시스템과 계약이 성립될 수 있다. 여기서 서로 다른 종류의 부하는 순수 저항, 유도성 부하 및 용량성 부하를 의미할 수 있고, 이는 수학식 1에 의해 계산될 수 있다.
Figure 112020064830850-pat00001
여기서, Z는 부하의 총합을 의미할 수 있고, i는 본 발명의 시스템과 계약된 부하의 개수를 의미할 수 있고, R은 순수 저항, XL은 유도성 부하, XR은 용량성 부하를 의미할 수 있다.
또한, 수학식 2 및 수학식 3은 부하를 직렬 또는 병렬로 연결하였을 때 부하의 총합을 산출하는 수학식이다. 즉, 수학식 2 및 수학식 3에 의하면 부하를 순수 저항-유도성 부하, 순수 저항-용량성 부하, 순수 저항-용량성 부하-유도성 부하 등 다양하게 조합하여 연결하였을 때 부하의 총합을 산출할 수 있다.
Figure 112020064830850-pat00002
Figure 112020064830850-pat00003
여기서, u는 사용자의 심벌(symbol)을 의미할 수 있고, k는 복수의 사용자의 수를 의미할 수 있다.
따라서, 전체 부하의 총합은 수학식 4에 의해 산출될 수 있다.
Figure 112020064830850-pat00004
또한, 배전 변전소와 계약된 총 부하는 수학식 5 내지 수학식 9에 의해 계산될 수 있다.
Figure 112020064830850-pat00005
Figure 112020064830850-pat00006
Figure 112020064830850-pat00007
Figure 112020064830850-pat00008
Figure 112020064830850-pat00009
여기서, n은 배전 변전소를 이용하는 복수의 사용자 수를 의미할 수 있고, x는 라인 파라미터(line parameter)를 의미할 수 있고, Sbi는 복수의 사용자의 총 피상전력을 의미할 수 있다.
한편, 수학식 9를 고려하면 복수의 사용자의 총 피상전력은 수학식 10과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112020064830850-pat00010
이 때, 배전 변전소에 b개의 버스 및 i개의 노드가 존재하는 경우, 총 유효전력 및 무효전력은 수학식 11 내지 12와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112020064830850-pat00011
Figure 112020064830850-pat00012
여기서, PTbi는 총 유효전력을 의미할 수 있고, QTbi는 총 무효전력을 의미할 수 있다. 따라서, 총 피상전력은 수학식 13과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112020064830850-pat00013
여기서, 자동 무효 전력 보상 장치(ARPCD)의 경우 무효 전력 용량은 배전 변전소의 수요 응답에 따라 정의될 수 있다. 따라서, 본 발명의 시스템에 일정한 역륙을 유지하기 위해 자동 무효 전력 보상 장치가 제공하는 무효 전력은 본 발며으이 시스템의 전압 및 소비 전류에 따라 상이할 수 있다. 수학식 14 내지 16은 자동 무효 전력 보상 장치의 상태를 의미할 수 있다.
Figure 112020064830850-pat00014
Figure 112020064830850-pat00015
Figure 112020064830850-pat00016
다만, 배전 변전소의 무효 전력은 자동 무효 전력 보상 장치에 의해 완벽하게 보상되지 않을 수 있다. 따라서, 수학식 17은 본 발명의 무효 전력 제어 시스템의 잔여 무효 전력을 의미할 수 있다.
Figure 112020064830850-pat00017
여기서, Q는 무효전력을 의미할 수 있고,
Figure 112020064830850-pat00018
는 본 발명의 일 실시예에 따라 획득한 무효 전력 소비량을 의미할 수 있고,
Figure 112020064830850-pat00019
는 자동 무효 전력 보상 장치에 의해 보상된 무효 전력량을 의미할 수 있고,
Figure 112020064830850-pat00020
는 무효 전력 소비량에서 보상된 무효 전력량을 제외하고 남은 무효 전력량을 의미할 수 있다.
한편, 본 발명의 무효 전력 제어 시스템에 의하면, 사용자가 부하(load)를 통해 전력을 사용하면 모니터링 장치에서 전력 소비량을 획득할 수 있고, 무효 전력 추출 장치(미도시)를 통해 상기 전력 소비량에서 무효 전력 소비량을 추출할 수 있다. 이어서, 자동 무효 전력 보상 장치에서 상기 추출된 무효 전력 소비량에 기반하여 무효 전력을 보상할 수 있다.
또한, 통상적인 전력 전송 및 배전 시스템은 단방향 구조였으나, 본 발명의 일 실시예에 따른 무효 전력 제어 시스템은 전력 및 배전 시스템을 양방향 시스템으로 대체한다. 따라서, 유효 전력 수요 응답 및 발전량(generation volume)에 기반하여 그리드로부터 전력을 획득할 수도 있고, 그리드에게 전력을 공급할 수도 있다.
본 발명의 양방향 전력 시스템에서는 전력 소비 상태를 고려한 전력 감독, 전압 규제 및 발전량을 개선시키기 위해 제어 장치를 통해 자동 제어 접근을 모든 구역에서 수행할 수 있다. 또한, 본 발명은 통상적인 배전 네트워크에 대한 명확한 개념을 정의하는데 필요한 전력 프로파일 상태를 제공할 수 있다. 또한, 복수의 사용자가 시스템에 연결할 경우, 전압 및 전력 문제가 발생할 수 있으나, 본 발명에 따라 각각의 노드 및 버스 프로파일을 통해 쉽게 식별할 수 있다. 또한, 배전 네트워크의 노드 및 버스들을 모두 고려할 경우, 본 발명의 무효 전력 제어 방법에 따라 배전 변전소의 모든 전력 소비자의 행동을 파악하여 그리드의 발전, 전송 및 배전을 예상할 수 있다.
또한, 본 발명의 사용자 전력 모니터링 장치는 사용자의 전력 소비량을 가정하여 그리드 변전소(Grid sub-station)에 사용자의 부하 응답을 알릴 수 있다. 이어서, 그리드 변전소는 무효 전력을 적절하게 관리하기 위해 제어 시스템(제어 장치)을 불러올 수 있다. 그 이후, 자동 무효 전력 보상 장치(ARPCD)는 전압, 역량 등을 개선시키기 위해 필요한 무효 전력량을 가정하여 스스로 보상을 준비할 수 있다.
또한, 부하는 유효 전력 및 무효 전력의 비율이 0.4일 경우 단상일 수 있다.
도 3은 전력 소비량을 획득하는 과정의 개념도이다.
본 발명의 사용자는 생산자(producer) 또는 소비자(consumer)일 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않는다. 또한, 사용자는 전력 소비량을 각각 획득할 수 있으므로, 전력 소비량에 대한 정보를 갖고 있을 수 있다.
도 3을 참조하면, 전력 소비량을 사용자가 각각 획득하여 전력 소비량에 대한 정보를 생성하고, 전력 소비량에 대한 정보를 클라우드 서버 또는 게이트웨이를 통해 본 발명의 자동 무효 전력 보상 장치, 제어 장치 또는 스텝-다운 변압기를 연결하는 수신 장치로 전송할 수 있음을 알 수 있다. 여기서, 수신 장치는 자동 무효 전력 보상 장치, 제어 장치 또는 스텝-다운 변압기뿐만 아니라 사용자 전력 모니터링 장치와 연결될 수 있다. 즉, 사용자 전력 모니터링 장치는 후술하는 사용자 전력 모니터링 장치의 획득부의 수신 모듈에 의해 사용자가 전송하는 전력 소비량에 대한 소비량을 획득할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 알고리즘의 개념도다.
도 4를 참조하면, 본 발명은 버스 및 노드들을 통해 복수의 사용자를 식별하고, 센서 등으로부터 측정한 전력 소비량을 복수의 사용자로부터 수신하고, 복수의 사용자에 대한 무효 전력 소비량을 추출하고, 수학식 17에 기반하여 잔여 무효 전력량이 있는 경우, 무효 전력 소비량을 재추출하고, 재추출된 무효 전력 소비량에 기반하여 자동 무효 전력 보상 장치에서 무효 전력을 재보상할 수 있음을 알 수 있다. 즉, 본 발명은 미리 설정된 알고리즘, 즉, 도 4의 알고리즘에 기반하여 잔여 무효 전력량이 있는지 판단하고, 잔여 무효 전력량이 있으면 다시 무효 전력 소비량을 산출하여 보상함으로써 잔여 무효 전력량이 없도록 할 수 있다.
구체적으로 살펴보면, 사용자의 전력 소비량은 교류 시스템 상에서 획득된 것이므로 실수로써 유효한 전력과 허수로써 무효한 전력이 공존할 수 있다. 무효 전력은 본 발명의 무효 전력 제어 시스템에 의해 수집됨으로써 자동 무효 전력 보상 장치에서 무효 전력을 보상할 수 있게 한다. 여기서, 무효 전력은 본 발명의 무효 전력 추출 장치에서 추출할 수 있으나 이에 한정되지 않고, 각각의 사용자의 센서 등에 의해서 무효 전력 소비량에 대한 정보만을 취급하여 무효 전력을 추출할 수도 있다.
또한, 자동 무효 전력 보상 장치에 의해 보상되지 않고 남은 잔여 무효 전력량은 미리 설정된 알고리즘에 의해 무효 전력 소비량을 재추출할 수 있고, 본 발명의 무효 전력 제어 시스템에 의해 재추출된 무효 전력 소비량에 기반하여 무효 전력을 재보상할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 알고리즘의 예시도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 알고리즘은, 먼저 전력 회사로부터 거주 지역에 대한 전력 소비 데이터를 수신할 수 있고, 이어서, 선형 회귀(Linear Regression)를 활용하여 전력 소비 데이터에 대한 분석을 실시하여 전력 소비량에 대해 예측을 수행할 수 있다. 여기서, 전력 소비량은 매트랩(matlab) 또는 시뮬링크(Simulink)를 활용하여 예측할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 알고리즘에 따르면, 전력 소비량에 대한 예측을 통해 유효 전력과 무효 전력 소비량을 추측 할 수 있고, 추측된 무효 전력 소비량의 총합을 산출하여 자동 무효 전력 보상 장치(ARPCD)로 산출된 무효 전력 소비량의 총합에 대해 보상을 수행하고, 시스템 데이터와 비교를 통해 잔여 무효 전력 소비량에 따라 자동 무효 전력 보상 장치의 상태를 변화시킬 수 있다.
도 6은 본 발명의 사용자 전력 소비 모니터링 장치의 블록 구성도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 사용자 전력 소비 모니터링 장치(500)는 연결부(510), 식별부(520) 및 획득부(530)을 포함할 수 있다.
여기서, 연결부(510)는 무효 전력 제어 시스템과 복수 사용자를 노드 및 버스를 통해 연결할 수 있다. 또한, 식별부(520)는 노드 및 버스를 통해 복수 사용자를 각각 식별할 수 있다. 또한, 획득부(530)는 식별된 사용자 별로 전력 소비량을 획득할 수 있다. 여기서, 획득부(530)는 수신 모듈(531)을 포함할 수 있다. 수신 모듈은 전력 소비량에 대한 정보를 수신할 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 사용자 전력 소비 모니터링 장치(500)에서 사용자 별로 전력 소비량을 획득하여, 유효 전력과 무효 전력을 구별하는 무효 전력 추출 장치에서 사용자 별로 무효 전력 소비량을 추출하고, 이어서, 자동 무효 전력 보상 장치에서 추출된 사용자 별 무효 전력 소비량에 기반하여 무효 전력을 보상함으로써 무효 전력을 제어할 수 있다.
도 7는 전력 소비량을 그래프로 나타낸 예시도이고, 도 8는 전력 소비량을 유형 별로 분류하여 나타낸 예시도이고, 도 9은 본 발명의 일 실시예에 따른 자동 무효 전력 보상 장치를 활용하여 전력 소비량을 나타낸 예시도이다.
도 7 는 복수 사용자(House1, House 2, House3)의 하루 전력 소비량을 나타낸 예시도이다. 이는 유효 전력과 무효 전력을 모두 포함하는 전력에 대한 소비량을 24시간 동안 측정한 것을 의미할 수 있다.
도 8는 도 7에서 유효 전력(W)과 무효 전력(VAR)을 분류하여 복수 사용자의 하루 전력 소비량을 나타낸 예시도이다. 즉, 본 발명에서 전력 소비 모니터링 장치에서 전력 소비량을 주기적으로 획득하고, 무효 전력 추출 장치를 통해 유효 전력과 무효 전력을 분류하는 것을 의미할 수 있다.
도 9은 도 8에서 본 발명의 자동 무효 전력 보상 장치를 통해 무효 전력을 보상시킴으로써 무효 전력이 상쇄된 전력 소비량을 나타낸 예시도이다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명은 상기 사용자 전력 소비 모니터링 장치를 통해 주기적으로 획득된 전력 소비량을 데이터로서 활용하여 매트랩(matlab) 또는 시뮬링크(Simulink)를 통해 무효 전력을 계산할 수 있으므로, 도 7, 도 8 및 도 9의 전력 소비량을 데이터로서 활용함으로써 매트랩(matlab) 또는 시뮬링크(Simulink) 모델은 24시간 동안 부하의 변동을 고려하여 측정한 데이터로부터 무효 전력을 계산하도록 설계될 수 있다. 또한, 매트랩 또는 시뮬링크 모델은 주거 지역으로부터 획득한 사용자의 실제적인 데이터를 고려할 수 있다.
전력 시스템에서 무효 전력은 두 종류를 포함할 수 있다. 즉, 무효 전력은 지상 역률을 갖는 용량성 무효 전력과 진상 역률을 갖는 유도성 무효 전력을 포함할 수 있다. 여기서, 배전 네트워크는 유도성으로 가정할 수 있다.
즉, 도 7, 도 8 및 도 9을 참조하면, 자동 무효 전력 보상 장치(ARPCD)를 포함하지 않는 전력 시스템의 경우 무효 전력 소비가 상대적으로 높았던 것을 알 수 있다. 즉, ARPCD를 포함하는 전력 시스템은 무효 전력 소비가 상당히 감소하였음을 알 수 있다. 여기서, 배전 네트워크는 유도성이라고 가정하였으므로, ARPCD는 용량성 전력을 배전 공급 장치에 제공할 수 있고, 전력 품질, 전압 규제 및 시스템의 역률을 개선시킴으로써 무효 전력을 보상할 수 있다.
본 발명의 자동 무효 전력 보상 장치(Automatic Reactive Power Compensation Device; ARPCD)는 무효 전력 및 스마트 그리드(Smart Grid; SG)의 전압 품질을 실시간으로 제어할 수 있다.
또한, 무효 전력 사용량 변화를 업데이트하기 위해 본 발명에서는 사용자 전력 모니터링 장치 또는 자동 무효 전력 보상 장치의 제어 설정을 통해 계속해서 무효 전력의 상태를 모니터링할 수 있다. 따라서, 본 발명은 모니터링 결과에 기반하여 무효 전력에 대한 전력 보상을 제공할 수 있다.
본 발명의 자동 무효 보상 장치는 전력 보상 알고리즘에 기반하여 무효 전력을 보상함으로써 전력의 효율, 전압 프로파일(voltage profile) 및 역률을 개선시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 방법의 동작은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 프로그램 또는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의해 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어 분산 방식으로 컴퓨터로 읽을 수 있는 프로그램 또는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.
또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 롬(rom), 램(ram), 플래시 메모리(flash memory) 등과 같이 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치를 포함할 수 있다. 프로그램 명령은 컴파일러(compiler)에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터(interpreter) 등을 사용해서 컴퓨터에 의해 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 측면들은 장치의 문맥에서 설명되었으나, 그것은 상응하는 방법에 따른 설명 또한 나타낼 수 있고, 여기서 블록 또는 장치는 방법 단계 또는 방법 단계의 특징에 상응한다. 유사하게, 방법의 문맥에서 설명된 측면들은 또한 상응하는 블록 또는 아이템 또는 상응하는 장치의 특징으로 나타낼 수 있다. 방법 단계들의 몇몇 또는 전부는 예를 들어, 마이크로프로세서, 프로그램 가능한 컴퓨터 또는 전자 회로와 같은 하드웨어 장치에 의해(또는 이용하여) 수행될 수 있다. 몇몇의 실시예에서, 가장 중요한 방법 단계들의 하나 이상은 이와 같은 장치에 의해 수행될 수 있다.
실시예들에서, 프로그램 가능한 로직 장치(예를 들어, 필드 프로그머블 게이트 어레이)가 여기서 설명된 방법들의 기능의 일부 또는 전부를 수행하기 위해 사용될 수 있다. 실시예들에서, 필드 프로그머블 게이트 어레이는 여기서 설명된 방법들 중 하나를 수행하기 위한 마이크로프로세서와 함께 작동할 수 있다. 일반적으로, 방법들은 어떤 하드웨어 장치에 의해 수행되는 것이 바람직하다.
이상 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.

Claims (12)

  1. 무효 전력 제어 시스템 상에서 무효 전력을 제어하는 방법으로서,
    사용자 전력 소비 모니터링 장치를 통해 전력 소비량을 주기적으로 획득하는 단계;
    상기 전력 소비량에서 무효 전력 소비량을 미리 설정된 알고리즘에 의해 무효 전력 추출 장치에서 추출하는 단계; 및
    상기 추출된 무효 전력 소비량에 기반하여 자동 무효 전력 보상 장치(Automatic Reactive Power Compensation Device; ARPCD)에서 상기 미리 설정된 알고리즘에 의해 무효 전력을 보상하는 단계를 포함하고,
    상기 미리 설정된 알고리즘은,
    상기 무효 전력 소비량에 기반하여 무효 전력을 보상한 후, 수학식
    Figure 112021110718982-pat00030
    에 기반하여 남은 무효 전력이 있는 경우, 무효 전력 소비량을 재추출하고, 재추출된 무효 전력 소비량에 기반하여 상기 자동 무효 전력 보상 장치에서 무효 전력을 재보상하며,
    상기 수학식에서, Q는 무효 전력을 의미하고,
    Figure 112021110718982-pat00031
    는 상기 추출된 무효 전력 소비량에서 보상된 무효 전력량을 제외하고 남은 무효 전력량을 의미하고,
    Figure 112021110718982-pat00032
    는 상기 추출된 무효 전력 소비량을 의미하고,
    Figure 112021110718982-pat00033
    는 상기 자동 무효 전력 보상 장치에 의해 보상된 무효 전력량을 의미하고,
    상기 추출된 무효 전력 소비량에 기반하여 자동 무효 전력 보상 장치(Automatic Reactive Power Compensation Device; ARPCD)에서 상기 미리 설정된 알고리즘에 의해 무효 전력을 보상하는 단계는,
    폐루프(closed loop) 피드백 제어(feedback control) 변압기에 연결된 자동 무효 전력 보상 장치(Automatic Reactive Power Compensation Device; ARPCD)에서 무효 전력을 보상하는 단계를 포함하는, 무효 전력 제어 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 추출된 무효 전력 소비량에 기반하여 자동 무효 전력 보상 장치(Automatic Reactive Power Compensation Device; ARPCD)에서 상기 미리 설정된 알고리즘에 의해 무효 전력을 보상하는 단계는,
    자동 무효 전력 보상 장치(Automatic Reactive Power Compensation Device; ARPCD)에서 진상 무효 전력을 보상하거나 지상 무효 전력을 보상하는 단계를 포함하는, 무효 전력 제어 방법.
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 사용자 전력 소비 모니터링 장치를 통해 전력 소비량을 주기적으로 획득하는 단계는,
    상기 무효 전력 제어 시스템과 복수 사용자를 노드 및 버스(bus)를 통해 연결하는 단계;
    상기 노드 및 버스를 통해 사용자를 식별하는 단계; 및
    상기 식별된 사용자 별로 전력 소비량을 획득하는 단계를 포함하는. 무효 전력 제어 방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 식별된 사용자 별로 전력 소비량을 획득하는 단계는,
    상기 식별된 사용자로부터 전송되는 전력 소비량에 대한 정보를 클라우드 서버 또는 게이트웨이를 통해 수신하는 단계를 포함하는, 무효 전력 제어 방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 사용자 전력 소비 모니터링 장치를 통해 주기적으로 획득된 전력 소비량을 데이터로서 활용하여 매트랩(matlab) 또는 시뮬링크(Simulink)를 통해 무효 전력을 계산하는 단계를 더 포함하는, 무효 전력 제어 방법.
  7. 전력 소비량을 주기적으로 획득하는 사용자 전력 소비 모니터링 장치;
    상기 전력 소비량에서 무효 전력 소비량을 미리 설정된 알고리즘에 의해 추출하는 무효 전력 추출 장치; 및
    상기 추출된 무효 전력 소비량에 기반하여 무효 전력을 상기 미리 설정된 알고리즘에 의해 보상하는 자동 무효 전력 보상 장치(Automatic Reactive Power Compensation Device; ARPCD)를 포함하고,
    상기 미리 설정된 알고리즘은,
    상기 무효 전력 소비량에 기반하여 무효 전력을 보상한 후, 수학식
    Figure 112021110718982-pat00034
    에 기반하여 남은 무효 전력이 있는 경우, 무효 전력 소비량을 재추출하고, 재추출된 무효 전력 소비량에 기반하여 상기 자동 무효 전력 보상 장치에서 무효 전력을 재보상하며,
    상기 수학식에서, Q는 무효 전력을 의미하고,
    Figure 112021110718982-pat00035
    는 상기 추출된 무효 전력 소비량에서 보상된 무효 전력량을 제외하고 남은 무효 전력량을 의미하고,
    Figure 112021110718982-pat00036
    는 상기 추출된 무효 전력 소비량을 의미하고,
    Figure 112021110718982-pat00037
    는 상기 자동 무효 전력 보상 장치에 의해 보상된 무효 전력량을 의미하고,
    상기 자동 무효 전력 보상 장치(Automatic Reactive Power Compensation Device; ARPCD)는,
    폐루프(closed loop) 피드백 제어(feedback control) 변압기에 연결된 자동 무효 전력 보상 장치(Automatic Reactive Power Compensation Device; ARPCD)인, 무효 전력 제어 시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 자동 무효 전력 보상 장치(Automatic Reactive Power Compensation Device; ARPCD)는,
    진상 무효 전력을 보상하거나 지상 무효 전력을 보상하는, 무효 전력 제어 시스템.
  9. 삭제
  10. 청구항 7에 있어서,
    상기 사용자 전력 소비 모니터링 장치는,
    복수 사용자를 노드 및 버스(bus)를 통해 연결하는 연결부;
    상기 노드 및 버스를 통해 사용자를 식별하는 식별부; 및
    상기 식별된 사용자 별로 전력 소비량을 획득하는 획득부를 포함하는. 무효 전력 제어 시스템.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 획득부는,
    상기 식별된 사용자로부터 전송되는 전력 소비량에 대한 정보를 클라우드 서버 또는 게이트웨이를 통해 수신하는 수신 모듈을 포함하는, 무효 전력 제어 시스템.
  12. 청구항 7에 있어서,
    상기 사용자 전력 소비 모니터링 장치를 통해 주기적으로 획득된 전력 소비량을 데이터로서 활용하여 매트랩(matlab) 또는 시뮬링크(Simulink)를 통해 무효 전력을 계산하는 무효 전력 계산 장치를 더 포함하는, 무효 전력 제어 시스템.
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