KR102413512B1 - 직류 배전망 운영 시스템, 및 그 방법, - Google Patents

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Abstract

직류 배전망 운영 시스템이 개시된다. 상기 직류 배전망 운영 시스템은, 네트워크 구조와는 무관하게 전력의 수요값과 공급값만을 가지고 전원에 대한 출력 스케쥴을 계산하는 DC(Direct Current) 경제 급전 계획 블럭(310); 상기 네트워크 구조를 고려하여 전압위반을 해소하기 위한 상기 전원 출력에 대한 출력 조정값을 계산하고 상기 출력 스케쥴 및 상기 출력 조정값을 이용하여 출력 지령값을 산출하는 DC 네트워크 분석 블럭(320); 및 상기 출력 지령값에 따른 정전압 운전 제어를 통해 DC 계통의 경제적 전력 수급 균형 유지를 수행하는 전력 변환 장치(330);를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

직류 배전망 운영 시스템, 및 그 방법,{System for operating Direct Current distribution grid, and Method thereof}
본 발명은 배전망 운영 기술에 관한 것으로서, 더 상세하게는 DC 계통의 전압 문제를 해결하면서, 전력 수급균형을 유지할 수 있는 직류 배전망 운영 시스템 및 방법에 대한 것이다.
전력 계통의 운영 시스템에는 다양한 응용 프로그램이 탑재가 되어 계통의 경제적·안정적 운영을 위한 솔루션을 제공한다. 중앙 운영 시스템에서 수행되는 발전 제어 프로그램으로는 일반적으로 발전기 기동 정지 계획(UC: Unit Commitment), 경제 급전 계획(ED: Economic Dispatch), 자동 발전 제어(AGC: Automatic Generation Control)가 존재한다.
UC는 일단위로 부하예측 결과를 바탕으로 발전기 기동·정지 비용을 고려하여, 발전기의 On/Off 여부를 결정한다. ED는 UC에서 On으로 결정된 발전기를 대상으로 부하예측 결과 및 발전 비용을 고려하여, 경제적 출력 분배량을 결정하게 된다.
ED는 일반적으로 수 분에서 수 시간 단위로 수행된다. AGC는 수 초단위로 수행이 되며, 계통의 주파수를 유지하기 위한 각 발전기의 출력조정을 실시간으로 계산한다. UC와 ED가 예측결과를 바탕으로 한 발전계획을 수립한다면, AGC는 계통 내 부하변동이나 발전기 탈락과 같은 출력 변동에 대하여 실시간 수급제어 역할을 수행한다.
다수의 발전기가 존재하는 대규모 AC계통의 경우 도 1과 같이 발전제어가 수행이 된다. UC, ED, AGC는 응용 프로그램으로 EMS(Energy Management System)에 탑재가 되어 정해준 주기에 따라 연산을 수행하여 각 발전기에게 출력 지령값을 전달한다.
각 발전기들은 기본적으로 EMS의 출력 지령값을 기반으로 운전을 수행하게 된다. AGC가 중앙에서 계통의 주파수를 유지하는 역할을 하지만 수초 이하의 Short Term에 대한 주파수 제어는 중앙에서 수행하기가 어렵다. 이를 위해 대규모 AC(Alternating Current) 계통에서는 각 발전기가 계통 상황에 따라 발전기의 회전속도가 자동으로 제어되도록 하는 GF(Governor Free) 운전을 하게 된다.
GF 운전은 주파수 변화분과 발전기 출력의 변화분과의 비를 백분율로 나타낸 속도 조정률(Droop)에 따라 출력제어를 수행한다. 계통 내 각 발전기들이 계통의 출력 변화량을 Droop 곡선에 따라 분담하여 mSec 단위로 주파수를 유지하게 된다.
이처럼 다수의 발전기가 존재하는 대규모 계통에서 GF운전을 하는 이유는 한 발전기가 계통 전체의 출력 변화량을 흡수하기에는 한계가 있기 때문이다.
하지만, 소규모 계통 혹은 마이크로 그리드에서는 하나의 분산전원이 정전압/정주파수(CVCF: Constant Voltage Constant Frequency) 운전을 통하여, 계통의 주파수 유지와 경제적 수급균형 유지가 가능하다. 하나의 분산전원이 실시간 전력 수급조절을 수행하므로, 다수의 발전기 출력을 조정하는 AGC는 사용되지 않는다.
DC 계통은 주파수가 존재하지 않기 때문에 CVCF 운전 대신 기준 컨버터의 정전압 운전으로 계통의 수급조절을 도 2와 유사한 방식으로 수행할 수 있다. 하지만 DC 계통이 루프(Loop)나 메시(Mesh)와 같이 네트워크가 복잡해지고 다수의 분산전원 및/또는 부하가 산발적으로 계통에 연계가 되면, 하나의 컨버터로 전력 수급조절을 할 경우 국지적 전압위반 문제가 발생하게 된다.
AC 계통에서는 전압이 무효전력과 상관관계를 가지므로, 저전압이 발생할 경우 조상설비를 통해 전압제어가 가능하다. 하지만, AC 계통과 달리 DC 계통에서 전압은 유효전력과 상관관계를 가지므로 유효 전력의 제어가 필요하다. 주파수를 기반으로 다수의 발전기 출력을 조정하는 AGC 역시 DC 계통에서는 적용이 불가능하다.
따라서, 직류 배전망 운영 시스템에는 DC 계통의 전압 문제를 해결하면서, 전력 수급균형을 유지할 수 있는 부가적 기술이 요구되고 있다. 최근 들어 디지털부하의 증가와 PV(photovoltaic), ESS(Energy Storage System)와 같은 직류 전원이 확대되고 있다. 이를 배전망에서 효율적으로 연계하기 위해 도서지역, 캠퍼스와 같은 지역에 DC 배전망 실증 사업이 진행되고 있다.
따라서, DC 배전도 전력전송의 단순한 선로 개념에서 계통망 형태로 복잡해지고 있으며, 여기에 다양한 분산전원, 신재생원 및 에너지 저장 장치가 연계되고 있다. 이 경우, 전력 시스템의 기본적인 전력수급 및/또는 안정성 확보를 위해 직류 배전용 중앙 운영 시스템이 요구되고 있다.
또한, DC 계통 운영을 위한 응용 프로그램은 아직까지 개발이 되고 있지 않지만, 직류배전용 운영 시스템에 필수적인 요소이다.
1. 한국등록특허번호 제10-1780105호(등록일: 2017.09.13) 2. 한국공개특허번호 제10-2016-0081067호
본 발명은 위 배경기술에 따른 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서, DC(Direct Current) 계통의 전압 문제를 해결하면서, 전력 수급균형을 유지할 수 있는 직류 배전망 운영 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 DC 경제 급전계획(DCED : DC Network Economic Dispatch), DC 토폴로지 처리(DCTP : DC Network Topology Process), DC상태추정(DCSE : DC Network State Estimation), DC 전압 제어(DCVC : DC Network Voltage Control)의 4가지 발전제어 방식을 이용한 직류 배전망 운영 시스템 및 방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.
본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위해, DC(Direct Current) 계통의 전압 문제를 해결하면서, 전력 수급균형을 유지할 수 있는 직류 배전망 운영 시스템을 제공한다.
상기 직류 배전망 운영 시스템은,
네트워크 구조와는 무관하게 전력의 수요값과 공급값만을 가지고 전원에 대한 출력 스케쥴을 계산하는 DC(Direct Current) 경제 급전 계획 블럭(310);
상기 네트워크 구조를 고려하여 전압위반을 해소하기 위한 상기 전원 출력에 대한 출력 조정값을 계산하고 상기 출력 스케쥴 및 상기 출력 조정값을 이용하여 출력 지령값을 산출하는 DC 네트워크 분석 블럭(320); 및
상기 출력 지령값에 따른 정전압 운전 제어를 통해 DC 계통의 경제적 전력 수급 균형 유지를 수행하는 전력 변환 장치(330);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 네트워크 분석 블럭(320)은, 상기 네트워크 구조에 따른 버스 정보를 생성하는 DC 토폴로지 처리부(321); 상기 버스 정보를 이용하여 보정 전압 및 유효전력 값을 계산하는 DC 상태 추정부(323); 및 상기 보정 전압을 이용하여 출력 조정값을 계산하는 DC 전압 제어부(325);를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 DC 토폴로지 처리부(321)는 DC 계통의 설비의 연결 관계 및 차단기의 개폐상태를 파악하여 노드(Node)를 그룹화하여 버스(Bus) 정보를 생성하는 것을 특징으로 할 수 있다.
여기서, 상기 버스 정보는 상기 노드를 기준으로 미리 설정되는 데이터베이스의 설비 링크 관계를 추적하여, 같은 전위를 가지는 노드 별로 버스 넘버(Bus Number)가 부여되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 DC 상태 추정부(323)는 상기 버스 정보를 통해 계통 해석의 입력 데이터로 사용하도록 측정된 전압, 유효전력 데이터를 입력으로 사용하여, DC 전력 조류 방정식에 부합하는 보정된 보정 전압 및 유효전력 값을 계산하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 DC 전압 제어부(325)는 상기 보정 전압이 미리 설정되는 전압 위반 조건에 해당하면 전원 출력을 조정하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 DC 전압 제어부(325)는, 특정 버스에서 미리 설정되는 전압 범위를 벗어나는 전압 위반이 발생하면, DC 계통의 자코비안(Jacobian) 행렬을 이용하여 산출된 민감도 행렬(Sensitivity Matrix)을 통해 민감도가 가장 큰 전원의 출력 변화량을 계산하고 상기 출력 변화량에 해당하는 출력 지령값을 산출하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 출력 변화량은 전압 위반에 해당하는 버스에 해당하는 자코비안 행렬의 행 중 가장 큰 값으로 설정되는 전압 민감도 팩터로 해당 전원의 전압 변화량을 나눈 값인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 전원은 분산전원 또는 ESS(Energy Storage System)인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 DC 경제 급전 계획 블럭(310)은 신재생 예측 및 부하 예측값(410,420)의 실측 데이터를 입력으로 받아 미리 설정되는 함수를 이용하여 보정 데이터를 산출하는 보정 데이터 산출부(430); 및 상기 보정 데이터를 이용하여 전원 출력을 일정 시간 동안 조절하는 출력 스케쥴(450)을 산출하는 엔진(440);을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
다른 한편으로, 본 발명의 다른 일실시예는, (a) DC(Direct Current) 경제 급전 계획 블럭(310)이 네트워크 구조와는 무관하게 전력의 수요값과 공급값만을 가지고 전원에 대한 출력 스케쥴을 계산하는 단계; (b) DC 네트워크 분석 블럭(320)이 상기 네트워크 구조를 고려하여 전압위반을 해소하기 위한 상기 전원 출력에 대한 출력 조정값을 계산하고 상기 출력 스케쥴 및 상기 출력 조정값을 이용하여 출력 지령값을 산출하는 단계; 및 (c) 전력 변환 장치(330)가 상기 출력 지령값에 따른 정전압 운전 제어를 통해 DC 계통의 경제적 전력 수급 균형 유지를 수행하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 (c) 단계는, (c-1) DC 토폴로지 처리부(321)가 상기 네트워크 구조에 따른 버스 정보를 생성하는 단계; (c-2) DC 상태 추정부(323)가 상기 버스 정보를 이용하여 보정 전압 및 유효전력 값을 계산하는 단계; 및 (c-3) DC 전압 제어부(325)가 상기 보정 전압을 이용하여 출력 조정값을 계산하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 (c-1) 단계는, 상기 DC 토폴로지 처리부(321)가 DC 계통의 설비의 연결 관계 및 차단기의 개폐상태를 파악하여 노드(Node)를 그룹화하여 버스(Bus) 정보를 생성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 (c-2) 단계는, 상기 DC 상태 추정부(323)가 상기 버스 정보를 통해 계통 해석의 입력 데이터로 사용하도록 측정된 전압, 유효전력 데이터를 입력으로 사용하여, DC 전력 조류 방정식에 부합하는 보정된 보정 전압 및 유효전력 값을 계산하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 (c-3) 단계는, 상기 DC 전압 제어부(325)가 상기 보정 전압이 미리 설정되는 전압 위반 조건에 해당하면 전원 출력을 조정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 (c-3) 단계는, 상기 DC 전압 제어부(325)가, 특정 버스에서 미리 설정되는 전압 범위를 벗어나는 전압 위반이 발생하면, DC 계통의 자코비안(Jacobian) 행렬을 이용하여 산출된 민감도 행렬(Sensitivity Matrix)을 통해 민감도가 가장 큰 전원의 출력 변화량을 계산하고 상기 출력 변화량에 해당하는 출력 지령값을 산출하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 (a) 단계는, 보정 데이터 산출부(430)가 신재생 예측 및 부하 예측값(410,420)의 실측 데이터를 입력으로 받아 미리 설정되는 함수를 이용하여 보정 데이터를 산출하는 단계; 및 엔진(440)이 상기 보정 데이터를 이용하여 전원 출력을 일정 시간 동안 조절하는 출력 스케쥴(450)을 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 한편으로, 본 발명의 또 다른 일실시예는, 위에서 기술되는 직류 배전망 운영 방법을 실행하는 프로그램 코드를 저장한 컴퓨터 판독 가능 저장 매체를 제공할 수 있다.
본 발명에 따르면, DC(Direct Current) 계통의 전압 문제를 해결하면서, 전력 수급균형을 유지할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 효과로서는 DC 계통의 경제성과 안전성을 확보할 수 있는 직류 배전망 운영 시스템에서 기술선점 및 국내외 사업 가능성이 높다고 할 수 있다는 점을 들 수 있다.
도 1은 일반적인 대규모 AC(Alternating Current) 계통의 발전 제어 개념도이다.
도 2는 일반적인 소규모 마이크로 그리드 계통의 발전 제어 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 DC(Direct Current) 계통 발전 제어를 위한 개념도이다.
도 4는 도 3에 도시된 DC 경제 급전 계획 블럭(DC Network Economic Dispatch)의 세부 구성도이다.
도 5는 도 3에 도시된 DC 전압 제어 블럭(DC Network Voltage Control)의 전압 제어 과정을 보여주는 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 직류 배전망 발전 제어 과정을 보여주는 흐름도이다.
도 7은 도 3에 도시된 직류 배전망 운영 시스템의 구성 블럭도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 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 사용한다. 제 1, 제 2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 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 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
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 의미가 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다. 이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 직류 배전망 운영 시스템 및 방법을 상세하게 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 DC(Direct Current) 계통 발전 제어를 위한 개념도이다. 도 3을 참조하면, 직류 배전망 운영 시스템(300)은, DC 경제 급전 계획 블럭(DCED: DC Network Economic Dispatch)(310), DC 네트워크 분석 블럭(DCNA: DC Network Analysis)(320), 컨버터(330) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
DC 경제 급전 계획 블럭(310)은 발전기 기동 정지 계획(UC: Unit Commitment) 및 경제 급전 계획(ED: Economic Dispatch)의 기능을 통합한 기능을 수행한다.
DC 네트워크 분석 블럭(320)은 DC 계통 내 저전압이 발생 시 이를 해소하기 위한 솔루션을 계산하는 기능을 수행한다. 이를 위해, DC 네트워크 분석 불럭(DCNA: DC Network Analysis)(320)은 DC 토폴로지 처리부(DCTP : DC Network Topology Process)(321), DC 상태 추정부(DCSE : DC Network State Estimation)(323), DC 전압 제어부(DCVC : DC Network Voltage Control)(325) 등을 포함하여 구성된다.
DC 경제 급전 계획 블럭(310)이 네트워크 구조와는 무관하게 전력의 수요값과 공급값만을 가지고 전원 출력(분산 전원, ESS 등)에 대한 출력 스케쥴을 계산하는 반면, DC 토폴로지 처리부(DCTP : DC Network Topology Process)(321), DC 상태 추정부(DCSE : DC Network State Estimation)(323), DC 전압 제어부(DCVC : DC Network Voltage Control)(325)는 네트워크 구조를 고려하여 전압위반을 해소하기 위한 전원 출력의 출력 조정값을 계산한다. 따라서, 이 DC 토폴로지 처리부(DCTP : DC Network Topology Process)(321), DC 상태 추정부(DCSE : DC Network State Estimation)(323), DC 전압 제어부(DCVC : DC Network Voltage Control)(325)을 DCNA(DC Network Analysis)라 명한다. DCNA는 DCTP>DCSE>DCVC의 시퀀스로 동작하며, 수행주기는 수초이다.
DC 토폴로지 처리부(321)는 DC 계통의 설비의 연결 관계 및 차단기의 개폐상태를 파악하여 노드(Node)를 그룹화하여 버스(Bus) 정보를 생성하는 기능을 수행한다. 차단기, 선로, 전력변환장치 등 모든 설비의 양단에는 Node가 존재한다. 이 Node를 기준으로 데이터베이스의 설비 링크 관계를 추적하여, 같은 전위를 가지는 Node 별로 버스 넘버(Bus Number)를 부여하게 된다. 기존 AC계통의 토폴로지 처리 알고리즘에서 DC 계통의 전력 변환 장치에 대한 처리가 추가된다.
일반적으로, 실측 데이터는 통신장비의 오류나 비동기화 문제 등 여러 가지 현장 상황으로 인하여 오류를 어느 정도 포함하고 있다. 따라서 이러한 취득 데이터를 정제 없이 그대로 계통해석의 입력 데이터로 사용하기에는 어려움이 있다. 따라서, DC 상태 추정부(323)는 이를 보정하여 유의미한 데이터를 생성하는 역할을 한다.
이를 위해, DC 상태 추정부(323)는 DC 토폴로지 처리부(321)에서 구성된 DC계통 네트워크 모델과 버스 정보(즉, 모선 정보)를 사용한다. 측정된 전압, 유효전력 데이터를 입력으로 사용하여, DC 전력 조류 방정식에 부합하는 보정된 보정 전압과 유효전력 값을 계산한다. 즉, 코스트를 최소화하기 위해 목적 함수를 구성하며, 이는 다음 수학식과 같다.
Figure 112021115008013-pat00001
여기서, w는 가중치 행렬, H는 DC 전력 조류 방정식 행렬을 나타낸다. w는 미리 설정된 정확도값보다 높으면 높게 적용되고, 정확도값보다 낮으면 낮게 적용된다.
이후, 편미분 방정식을 구성하며, 이는 다음 수학식과 같다.
Figure 112021115008013-pat00002
여기서, x는 구하고자 하는 데이터가 된다.
위 수학식에서 편미분이 0일때 최소값이 된다.
따라서, △x가 허용치(tolerance)보다 작아질 때까지 반복 수행한다. 이에 대하여는 다양한 문헌 및 논문 등에 기재되어 있으므로 더 이상의 설명은 생략하기로 한다.
전체적인 수행 프로세스는 AC 계통 추정과 유사하나, 교류 전력 방정식이 아니 직류 전류 방정식을 사용한다. 직류 전류 방정식은 다음 수학식과 같다.
Figure 112021115008013-pat00003
여기서, P는 전력, V는 전압, I는 전류, Y는 어드미턴스, dc는 direct current를 나타낸다.
도 3을 계속 참조하면, DC 토폴로지 처리부(DCTP : DC Network Topology Process)(321), DC 상태 추정부(DCSE : DC Network State Estimation)(323)는 모델링 및 오류처리를 위한 기능을 수행하며 최종 목표는 DC 전압 제어부(DCVC : DC Network Voltage Control)(325)에 의한 전압제어이다. 운영 중에 DC계통 내 전압위반이 발생할 경우, 제어 가능한 분산전원 혹은 ESS(Energy Storage System)의 출력조정이 필요한데 이 출력 조정값을 DC 전압 제어부(325)가 계산을 하게 된다. 이를 보여주는 도면이 도 5에 도시되며 후술하기로 한다.
도 3을 계속 참조하면, 전력 변환 장치(330)는 분산전원 및/또는 ESS의 출력 조정값에 따른 정전압 운전 제어를 통해 DC 계통의 경제적 전력 수급 균형 유지를 수행한다. 전력 변환 장치(330)는 컨버터 등이 될 수 있다.
도 4는 도 3에 도시된 의 세부 구성도이다. DC 경제 급전 계획 블럭(310)은 발전기 기동 정지 계획(UC: Unit Commitment) 및 경제 급전 계획(ED: Economic Dispatch)의 기능을 통합한 것이다.
도 4를 참조하면, 신재생·부하의 예측값(410,420)을 바탕으로 분산전원의 최적 출력 스케줄을 계산한다. 이를 위해, 신재생·부하의 예측값(410,420)의 실측 데이터를 입력으로 받아 미리 설정되는 함수를 이용하여 보정 데이터를 산출하는 보정 데이터 산출부(430), 보정 데이터를 이용하여 출력 스케쥴(450)을 산출하는 엔진(440) 등을 포함한다.
미리 설정되는 함수는 목적함수 및 제약함수로 구성될 수 있다. 목적함수는 발전비용 최소화이며, 제약함수는 기존 AC(Alternating Current) 계통의 것과 유사하나 DC 계통의 전력 변환 장치 효율과 관련된 제약함수가 추가된다. 부연하면, 제약함수는 기동/정지 상태 제약, 최소 정지 시간 제약 등을 들 수 있다.
출력 스케쥴(450)은 전원(Source A, B, …N)의 출력(80kW,-50kW 등)을 일정 시간동안 조절하는 정보이다. 예를 들면, Source A를 15분 동안 80kW로, Source B를 15분 동안 -50kW등으로 출력한다.
도 5는 도 3에 도시된 DC 전압 제어 블럭(DC Network Voltage Control)의 전압 제어 과정을 보여주는 흐름도이다. 도 5를 참조하면, 모선(즉 버스)k에서 저전압이 발생하면, DC 계통의 자코비안(Jacobian) 행렬을 이용하여, 민감도 행렬(Sensitivity Matrix)을 계산한다(단계 S510,S520,S530). 민감도 행렬은 [△V] = [J]-1[△P]이다. 여기서, J는 자코비안 행렬이고, △P는 출력 변화량을 나타낸다.
이후, 모선k에 대하여 민감도가 가장 큰 전원을 선택하고, 이 선택된 전원의 출력 변화량을 계산한다(단계 S550). 출력 변화량은 다음 수학식과 같다.
Figure 112021115008013-pat00004
여기서, VSF는 전압 민감도 팩터를 나타내며, VSF(Voltage Sensitivity Factor)는 전압 위반 모선(즉 버스)에 해당하는 Jacobian 행렬의 행 중 가장 큰 값으로 설정한다.
이후, 이 출력 변화량에 따라 해당 전원의 출력을 변동시켜 해당 모선k의 저전압을 해소한다(단계 S560,S570). 부연하면, 운영 중에 DC계통 내 전압위반이 발생할 경우, 제어 가능한 분산전원 혹은 ESS의 출력조정이 필요한데 DC 전압 제어부(325)가 이 조정 값을 계산을 하게 된다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 직류 배전망 발전 제어 과정을 보여주는 흐름도이다. 도 6을 참조하면, 실행 관리자(60)가 배전망에 대해 제어를 실행하면, DC(Direct Current) 경제 급전 계획 블럭(310) 및 DC 네트워크 분석 블럭(320)이 실행된다(단계 S610,S620,S650). 물론, DC(Direct Current) 경제 급전 계획 블럭(310)에는 부하 예측값(420), 신재생 예측값(410)이 입력된다. 기본적은 분산전원의 출력 스케줄 및 ESS의 충방전 스케줄은 DC(Direct Current) 경제 급전 계획 블럭(310)가 수분단위로 수행하면서 계산을 한다.
이후, DC 네트워크 분석 블럭(320)의 DC 토폴로지 처리부(321) 및 DC 상태 추정부(323)에 의해 산출되는 보정 전압이 전압 위반에 해당하는 지를 확인한다(단계 S630). 확인 결과, 전압 위반(최소 전압과 최대 전압 범위를 벗어나는 경우)에 해당하면 DC 전압 제어부(325)에 의해 출력 조정값이 산출된다(단계 S640). 이와 달리, 전압 위반에 해당하지 않으면 단계 S610 내지 S630가 다시 수행된다.
한편, DC(Direct Current) 경제 급전 계획 블럭(310)에 의해 출력 스케쥴이 산출되며, 출력 스케줄과 출력 조정값을 반영하여 출력 지령값을 산출한다(단계 S660). 이후 이 출력 지령값에 통해 전력 변환 장치(330)를 제어한다. 부연하면, DCTP> DCSE> DCVC는 수초 단위로 반복수행이 되며 DCSE의 버스 전압 결과가 전압범위를 벗어나게 되면, DC 전압 제어부(325)가 동작하여 실시간 분산전원 출력 조정값을 계산해준다. 실제 분산전원 및 ESS의 출력 지령값은 “DCED가 계산한 출력값”에 “DCVC가 계산한 조정값”을 합한 값이 된다.
도 7은 도 3에 도시된 직류 배전망 운영 시스템(700)의 구성 블럭도이다. 도 7을 참조하면, 직류 배전망 운영 서버(700)는 실제 계통(720)과 연결되어 현장값을 취득하여 현장 데이터베이스(711)에 저장하고, 이 현장 데이터베이스(711)와 전력 운용 프로그램(713)을 API(application programming interface) 인터페이스(712)가 연결한다.
명세서에 기재된 "…부", "…블럭" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
하드웨어 구현에 있어, 상술한 기능을 수행하기 위해 디자인된 ASIC(application specific integrated circuit), DSP(digital signal processing), PLD(programmable logic device), FPGA(field programmable gate array), 프로세서, 제어기, 마이크로프로세서, 다른 전자 유닛 또는 이들의 조합으로 구현될 수 있다. 소프트웨어 구현에 있어, 상술한 기능을 수행하는 모듈로 구현될 수 있다. 소프트웨어는 메모리 유닛에 저장될 수 있고, 프로세서에 의해 실행된다. 메모리 유닛이나 프로세서는 당업자에게 잘 알려진 다양한 수단을 채용할 수 있다.
또한, 여기에 개시된 실시형태들과 관련하여 설명된 방법 또는 알고리즘의 단계들은, 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 (명령) 코드, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다.
상기 매체에 기록되는 프로그램 (명령) 코드는 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프 등과 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD, 블루레이 등과 같은 광기록 매체(optical media) 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 (명령) 코드를 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 반도체 기억 소자가 포함될 수 있다.
여기서, 프로그램 (명령) 코드의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.

*310: DC(Direct Current) 경제 급전 계획 블럭
320: DC 네트워크 분석 블럭
321: DC 토폴로지 처리부 323: DC 상태 추정부
325: DC 전압 제어부
330: 전력 변환 장치

Claims (2)

  1. 네트워크 구조와는 무관하게 신재생 및 부하의 예측값(410,420)만을 가지고 전원에 대한 출력 스케쥴을 계산하는 DC(Direct Current) 경제 급전 계획 블럭(310);
    상기 네트워크 구조를 고려하여 전압위반을 해소하기 위한 상기 전원 출력에 대한 출력 조정값을 계산하고 상기 출력 스케쥴 및 상기 출력 조정값을 이용하여 출력 지령값을 산출하는 DC 네트워크 분석 블럭(320); 및
    상기 출력 지령값에 따른 정전압 운전 제어를 통해 DC 계통의 경제적 전력 수급 균형 유지를 수행하는 전력 변환 장치(330);를 포함하며,
    상기 DC 경제 급전 계획 블럭(310)은,
    상기 신재생 및 부하의 예측값(410,420)의 실측 데이터를 입력으로 받아 미리 설정되는 목적함수 및 제약함수를 이용하여 보정 데이터를 산출하는 보정 데이터 산출부(430); 및
    상기 보정 데이터를 이용하여 상기 출력 스케쥴을 산출하는 엔진(440);을 포함하고,
    상기 목적함수는 발전비용 최소화와 관련된 목적함수가 추가되며,
    상기 제약함수는 DC 계통의 상기 전력 변환 장치(330)의 효율과 관련된 제약함수가 추가되며,
    상기 출력 스케쥴은 상기 전원의 출력을 일정시간동안 조절하는 정보이며,
    상기 DC 네트워크 분석 블록(320)은 상기 출력 조정값의 계산을 위해, DC계통 네트워크 모델과 버스 정보를 이용하여 측정된 전압, 유효전력 데이터를 입력으로 사용하여, 미리 설정되는 DC 전력 조류 방정식에 부합하는 보정된 보정 전압과 유효 전력값을 계산하는 것을 특징으로 하는 직류 배전망 운영 시스템.
  2. (a) DC(Direct Current) 경제 급전 계획 블럭(310)이 네트워크 구조와는 무관하게 신재생 및 부하의 예측값(410,420)만을 가지고 전원에 대한 출력 스케쥴을 계산하는 단계;
    (b) DC 네트워크 분석 블럭(320)이 상기 네트워크 구조를 고려하여 전압위반을 해소하기 위한 상기 전원 출력에 대한 출력 조정값을 계산하고 상기 출력 스케쥴 및 상기 출력 조정값을 이용하여 출력 지령값을 산출하는 단계 ; 및
    (c) 전력 변환 장치(330)가 상기 출력 지령값에 따른 정전압 운전 제어를 통해 DC 계통의 경제적 전력 수급 균형 유지를 수행하는 단계;를 포함하며,
    상기 (a) 단계는,
    보정 데이터 산출부(430)가 상기 신재생 및 부하의 예측값(410,420)의 실측 데이터를 입력으로 받아 미리 설정되는 목적함수 및 제약함수를 이용하여 보정 데이터를 산출하는 단계; 및
    엔진(440)이 상기 보정 데이터를 이용하여 상기 출력 스케쥴을 산출하는 단계;를 포함하고,
    상기 목적함수는 발전비용 최소화와 관련된 목적함수가 추가되며,
    상기 제약함수는 DC 계통의 상기 전력 변환 장치(330)의 효율과 관련된 제약함수가 추가되며,
    상기 출력 스케쥴은 상기 전원의 출력을 일정시간동안 조절하는 정보이며,
    상기 DC 네트워크 분석 블록(320)은 상기 출력 조정값의 계산을 위해, DC계통 네트워크 모델과 버스 정보를 이용하여 측정된 전압, 유효전력 데이터를 입력으로 사용하여, 미리 설정되는 DC 전력 조류 방정식에 부합하는 보정된 보정 전압과 유효 전력값을 계산하는 것을 특징으로 하는 직류 배전망 운영 방법.
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