KR102537972B1 - 계통관성 연산 장치 - Google Patents

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KR102537972B1 KR1020230061057A KR20230061057A KR102537972B1 KR 102537972 B1 KR102537972 B1 KR 102537972B1 KR 1020230061057 A KR1020230061057 A KR 1020230061057A KR 20230061057 A KR20230061057 A KR 20230061057A KR 102537972 B1 KR102537972 B1 KR 102537972B1
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Abstract

본 발명은 계통 정보를 입력받는 입력 모듈, 및 입력 모듈과 연결된 프로세서를 포함하고, 프로세서는, 입력 모듈을 통해 입력받은 계통 정보에 기반하여 신재생에너지 발전기 및 일반 발전기가 연계된 계통의 계통관성을 연산하고, 계통의 주파수 안정도 관리에 이용되도록 연산된 계통관성을 출력하는 것을 특징으로 한다.

Description

계통관성 연산 장치{APPARATUS FOR COMPUTING INERTIA OF ELECTRIC POWER SYSTEM}
본 발명은 계통관성 연산 장치 및 방법에 관한 것이다.
국내를 비롯한 많은 국가에서 기후변화와 화석연료 고갈에 대한 대책으로 신재생에너지원의 도입을 적극적으로 추진하고 있다. 우리나라는 2030년까지 신재생에너지원의 전력생산 비율을 전체 전력생산량의 20%까지 확대하는 이행계획을 수립하여 신재생에너지원의 비중을 증가시키고 있다.
일반적으로, 신재생에너지원 기반의 발전기는 비동기적 특성을 가지며, 계통의 변화에 따라 제어될 수 있는 유/무효전력 예비력을 보유할 수 없다. 더욱이, 태양광 및 풍력발전 등 인버터 기반의 발전기는 계통의 동적안정도 유지에 필수요소인 계통관성을 제공하지 못한다.
이처럼, 신재생에너지원 기반의 발전기는 기존의 동기발전기와 달리 비동기적이고 예비력을 보유할 수 없으며 계통관성을 제공하지 못하므로, 신재생에너지원의 확대로 인해 동기발전기의 발전량이 감소하게 되는 경우 계통관성이 감소할 수 있으며, 계통관성이 감소하는 경우 외란 발생에 따른 계통의 주파수 변동폭이 증가하여 계통의 안정도를 크게 저하시킬 수 있다. 또한, 계통의 주파수 변동폭이 크게 증가할 경우, 저주파수 계전기(UFR: Under Frequency Relay)이 동작하여 대규모 부하차단에 의한 광역정전이 발생할 수도 있다.
이에 따라, 계통의 안정도를 적정 수준으로 유지하고, 계통의 주파수 변동폭 증가로 인한 광역정전을 방지하도록 계통에 연계된 신재생에너지원 기반의 발전기를 고려하여 계통관성을 연산하는 기술이 요구되고 있다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허공보 제10-2020-0133956호(2020.12.01.)의 '계통 주파수 측정 장치 및 방법'에 개시되어 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 본 발명의 일 측면에 따른 목적은 계통관성을 연산할 수 있는 계통관성 연산 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 계통관성 연산 장치는 계통 정보를 입력받는 입력 모듈; 및 상기 입력 모듈과 연결된 프로세서;를 포함하고, 상기 프로세서는, 상기 입력 모듈을 통해 입력받은 계통 정보에 기반하여 신재생에너지 발전기 및 일반 발전기가 연계된 계통의 계통관성을 연산하고, 상기 계통의 주파수 안정도 관리에 이용되도록 상기 연산된 계통관성을 출력하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 계통 정보는, EMS(Energy Management System), SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition) 및 TSM(Transmission Security Management System) 중 적어도 하나로부터 획득된 상기 계통에 연계된 발전기의 상태 정보 및 설비용량 정보와, 상기 계통의 주파수 제어에 영향을 미치는 설비의 상태 정보 및 설비용량 정보와, 상기 계통에 연계된 동기조상기의 상태 정보 및 설비용량 정보와, 상기 계통의 부하정보를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 프로세서는, 상기 계통에 연계된 발전기 및 동기조상기에 의한 제1 계통관성을 연산하고, 상기 계통의 주파수 제어에 미치는 설비에 의한 제2 계통관성을 연산하고, 상기 연산된 제1 및 제2 계통관성에 기반하여 최종 계통관성을 연산하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 주파수 제어에 영향을 미치는 설비는, 상기 조속기(Governor Free)가 연계된 발전기, 주파수조정용 ESS(Energy Storage System) 및 HVDC(High Voltage Direct Current) 관련 설비를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 프로세서는, 하기 수식을 통해 상기 제1 계통관성을 연산하는 것을 특징으로 한다.
[수식]
Figure 112023052419134-pat00001
(여기서,
Figure 112023052419134-pat00002
는 화력 발전기의 관성지수이고,
Figure 112023052419134-pat00003
는 수력 발전기의 관성지수이고,
Figure 112023052419134-pat00004
는 원자력 발전기의 관성지수이고,
Figure 112023052419134-pat00005
는 인버터 기반 발전기의 관성지수이고,
Figure 112023052419134-pat00006
는 동기조상기의 관성지수이고,
Figure 112023052419134-pat00007
는 계통 부하의 관성지수이고, P화력은 화력 발전기의 설비용량이고, P수력은 수력 발전기의 설비용량이고, P원자력은 원자력 발전기의 설비용량이고, PIBG는 인버터 기반 발전기의 설비용량이고, P동기조상기는 동기조상기의 설비용량이고, Pload는 계통 부하의 총량이다.)
본 발명에 있어 상기 프로세서는, 하기 수식을 통해 상기 제2 계통관성을 연산하는 것을 특징으로 한다.
[수식]
Figure 112023052419134-pat00008
(여기서,
Figure 112023052419134-pat00009
는 발전기에 연계된 조속기의 관성지수이고,
Figure 112023052419134-pat00010
는 주파수조정용 ESS의 관성지수이고,
Figure 112023052419134-pat00011
는 HVDC 관련 설비의 관성지수이고, PGF는 발전기의 운전 예비력이고, PESS는 주파수조정용 ESS의 설비용량이고, PHVDC는 HVDC 관련 설비의 운전 예비력이다.)
본 발명에 있어 상기 프로세서는, 하기 수식을 통해 상기 발전기의 운전 예비력 및 상기 HVDC 관련 설비의 운전 예비력을 연산하는 것을 특징으로 한다.
[수식]
Figure 112023052419134-pat00012
Figure 112023052419134-pat00013
(여기서,
Figure 112023052419134-pat00014
은 출력중인 모든 발전기의 설비용량이고,
Figure 112023052419134-pat00015
는 출력중인 모든 발전기의 출력량이고,
Figure 112023052419134-pat00016
는 HVDC 관련 설비의 설비용량이고,
Figure 112023052419134-pat00017
는 HVDC 관련 설비의 출력량이다.)
본 발명에 있어 상기 프로세서는, 상기 연산된 제1 계통관성과 상기 연산된 제2 계통관성을 합산하여 상기 최종 계통관성을 연산하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 프로세서는, 상기 연산된 계통관성에 기반하여 계통정수를 산출하고, 상기 산출된 계통정수를 출력하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 프로세서는, 하기 수식을 통해 상기 계통정수를 산출하는 것을 특징으로 한다.
[수식]
Figure 112023052419134-pat00018
(여기서, ITotal은 상기 연산된 계통관성이고, A는 계통관성을 계통정수로 환산하기 위한 환산 지수로, 상기 입력 모듈을 통해 입력된 값이다.)
본 발명에 있어 상기 프로세서는, 상기 연산된 계통관성과 기 설정된 기준 계통관성을 비교하여 상기 연산된 계통관성이 상기 기준 계통관성 이하인지 여부를 판단하고, 상기 연산된 계통관성이 상기 기준 계통관성 이하인 것으로 판단되는 경우 경고 신호를 출력하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 계통관성 연산 방법은 프로세서가, 입력 모듈을 통해 계통 정보를 입력받는 단계; 상기 프로세서가, 상기 입력받은 계통 정보에 기반하여 신재생에너지 발전기 및 일반 발전기가 연계된 계통의 계통관성을 연산하는 단계; 및 상기 프로세서가, 상기 계통의 주파수 안정도 관리에 이용되도록 상기 연산된 계통관성을 출력하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 계통 정보는, EMS(Energy Management System), SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition) 및 TSM(Transmission Security Management System) 중 적어도 하나로부터 획득된 상기 계통에 연계된 발전기의 상태 정보 및 설비용량 정보와, 상기 계통의 주파수 제어에 영향을 미치는 설비의 상태 정보 및 설비용량 정보와, 상기 계통에 연계된 동기조상기의 상태 정보 및 설비용량 정보와, 상기 계통의 부하정보를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 연산하는 단계는, 상기 프로세서가, 상기 계통에 연계된 발전기 및 동기조상기에 의한 제1 계통관성을 연산하는 단계; 상기 프로세서가, 상기 계통의 주파수 제어에 영향을 미치는 설비에 의한 제2 계통관성을 연산하는 단계; 및 상기 프로세서가, 상기 연산된 제1 및 제2 계통관성에 기반하여 최종 계통관성을 연산하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 주파수 제어에 영향을 미치는 설비는, 조속기(Governor Free)가 연계된 발전기, 주파수조정용 ESS(Energy Storage System) 및 HVDC(High Voltage Direct Current) 관련 설비를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 제1 계통관성을 연산하는 단계에서, 상기 프로세서는, 하기 수식을 통해 상기 제1 계통관성을 연산하는 것을 특징으로 한다.
[수식]
Figure 112023052419134-pat00019
(여기서,
Figure 112023052419134-pat00020
는 화력 발전기의 관성지수이고,
Figure 112023052419134-pat00021
는 수력 발전기의 관성지수이고,
Figure 112023052419134-pat00022
는 원자력 발전기의 관성지수이고,
Figure 112023052419134-pat00023
는 인버터 기반 발전기의 관성지수이고,
Figure 112023052419134-pat00024
는 동기조상기의 관성지수이고,
Figure 112023052419134-pat00025
는 계통 부하의 관성지수이고, P화력은 화력 발전기의 설비용량이고, P수력은 수력 발전기의 설비용량이고, P원자력은 원자력 발전기의 설비용량이고, PIBG는 인버터 기반 발전기의 설비용량이고, P동기조상기는 동기조상기의 설비용량이고, Pload는 계통 부하의 총량이다.)
본 발명에 있어 상기 제2 계통관성을 연산하는 단계에서, 상기 프로세서는, 하기 수식을 통해 상기 제2 계통관성을 연산하는 것을 특징으로 한다.
[수식]
Figure 112023052419134-pat00026
(여기서,
Figure 112023052419134-pat00027
는 발전기에 연계된 조속기의 관성지수이고,
Figure 112023052419134-pat00028
는 주파수조정용 ESS의 관성지수이고,
Figure 112023052419134-pat00029
는 HVDC 관련 설비의 관성지수이고, PGF는 발전기의 운전 예비력이고, PESS는 주파수조정용 ESS의 설비용량이고, PHVDC는 HVDC 관련 설비의 운전 예비력이다.)
본 발명에 있어 상기 프로세서는, 하기 수식을 통해 상기 발전기의 운전 예비력 및 상기 HVDC 관련 설비의 운전 예비력을 연산하는 것을 특징으로 한다.
[수식]
Figure 112023052419134-pat00030
Figure 112023052419134-pat00031
(여기서,
Figure 112023052419134-pat00032
은 출력중인 모든 발전기의 설비용량이고,
Figure 112023052419134-pat00033
는 출력중인 모든 발전기의 출력량이고,
Figure 112023052419134-pat00034
는 HVDC 관련 설비의 설비용량이고,
Figure 112023052419134-pat00035
는 HVDC 관련 설비의 출력량이다.)
본 발명에 있어 상기 최종 계통관성을 연산하는 단계에서, 상기 프로세서는, 상기 연산된 제1 계통관성과 상기 연산된 제2 계통관성을 합산하여 상기 최종 계통관성을 연산하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 프로세서가, 상기 연산된 계통관성에 기반하여 계통정수를 산출하는 단계; 및 상기 프로세서가, 상기 산출된 계통정수를 출력하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 계통정수를 산출하는 단계에서, 상기 프로세서는, 하기 수식을 통해 상기 계통정수를 산출하는 것을 특징으로 한다.
[수식]
Figure 112023052419134-pat00036
(여기서, ITotal은 상기 연산된 계통관성이고, A는 계통관성을 계통정수로 환산하기 위한 환산 지수로, 상기 입력 모듈을 통해 입력된 값이다.)
본 발명에 있어 상기 프로세서가, 상기 연산된 계통관성과 기 설정된 기준 계통관성을 비교하여 상기 연산된 계통관성이 상기 기준 계통관성 이하인지 여부를 판단하는 단계; 및 상기 프로세서가, 상기 연산된 계통관성이 상기 기준 계통관성 이하인 것으로 판단되는 경우 경고 신호를 출력하는 단계;를 더 포함하는 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면 신재생에너지 발전기가 연계된 계통의 계통관성을 산출하고, 계통의 주파수 안정도 관리에 이용되도록 산출된 계통관성을 출력할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면 계통관성을 연산하여 사용자에게 제공함으로써 계통의 주파수 관리에 대한 불확실성을 감소시킬 수 있고, 계통의 주파수 조정을 위한 예비력 확보에 소요되는 비용을 감소시킬 수 있으며, 광역정전 및 계통붕괴를 사전에 예측 및 예방하여 계통의 안정적 운영에 기여할 수 있다.
도 1은 계통의 과도안정도를 판별하기 위한 방법 중 하나인 등면적법에 관한 개념도이다.
도 2는 발전기 1기의 무한모선계통의 개념도이다.
도 3은 고장 발생 시 계통의 시간에 따른 주파수 변화를 나타내고 있는 예시도이다.
도 4는 부하 모델을 표현하는데 이용되는 ZIP모델 구조의 등가회로이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 계통의 계통관성 연산 장치을 설명하기 위한 블록 구성도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 계통의 계통관성 연산 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 계통의 계통관성 연산 방법을 통해 계통관성을 연산한 이후 과정을 설명하기 위한 순서도이다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 계통관성 연산 장치 및 방법을 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 계통의 과도안정도를 판별하기 위한 방법 중 하나인 등면적법에 관한 개념도이고, 도 2는 발전기 1기의 무한모선계통의 개념도이고, 도 3은 고장 발생 시 계통의 시간에 따른 주파수 변화를 나타내고 있는 예시도이다.
이하에서는, 도 1 내지 3을 참고하여, 계통관성 연산의 필요성을 설명하도록 한다.
인버터 기반 신재생발전기가 계통에 연계되면서 상대적으로 동기발전기의 비율이 낮아지고 있으며, 이는 계통관성의 감소를 초래하고 있다. 계통관성의 감소에 의해 외란 시 발전기 각속도의 변화폭이 증가될 수 있다. 전술한 내용은 하기의 수학식 1에 기재된 동요방정식을 통해 파악할 수 있다.
Figure 112023052419134-pat00037
Figure 112023052419134-pat00038
여기서,
Figure 112023052419134-pat00039
는 발전기의 위상각이고,
Figure 112023052419134-pat00040
는 발전기의 기존 각속도이고,
Figure 112023052419134-pat00041
는 발전기의 변화된 각속도이고,
Figure 112023052419134-pat00042
는 시간이고,
Figure 112023052419134-pat00043
는 관성계수이고,
Figure 112023052419134-pat00044
는 발전기의 기계적 입력이고,
Figure 112023052419134-pat00045
는 발전기의 전기적 출력일 수 있다.
도 1을 참고하면, 등면적법은 발전기 위상각에 대한 전기적 출력 그래프에서 가속면적(A1)보다 감속면적(A2)이 더 크면, 외란 후 발전기는 안정적으로 동작한다는 개념이다. 가속면적과 감속면적을 동일하게 만드는 발전기의 위상각은 임계고장제거 위상각(Critical Clearing Angle,
Figure 112023052419134-pat00046
)이고, 임계고장제거 위상각에 도달하는 시간은 CCT(Critical Clearing Time)로 정의될 수 있다.
도 2를 참고하면, 발전기 1기의 무한모선계통에서 발생된 3상 지락사고 상황을 모의하여 발전기의 관성계수와 CCT 간의 상관관계를 파악할 수 있다.
상기 수학식 1에 기재된 동요방정식을 각각 적분하면 하기 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112023052419134-pat00047
Figure 112023052419134-pat00048
Figure 112023052419134-pat00049
상기 수학식 2를 통해 관성계수는 위상각의 변화에 반비례함을 이론적으로 알 수 있다. 다시 말해, 신재생발전이 차지하는 비중이 커질수록 관성계수가 감소되어 계통에 외란이 발생하는 경우 임계고장제거 위상각에 더 빠르게 도달하게 되며, 이는 계통의 과도안정도 및 주파수안정도가 하락하는 것을 의미할 수 있다.
도 3을 참고하면, 기존 동기발전기와 달리 회전관성이 없는 인버터 기반의 신재생발전기의 비중이 높은 계통의 경우 그렇지 않은 계통에 비해 계통관성이 낮다. 우리나라는 블랙아웃을 예방하기 위해 일정 수준 이상으로 주파수 하락시 저주파수 계전기(UFR)를 통해 부하를 탈락시켜 계통을 안정적으로 운영하고 있는데, 계통관성이 낮은 계통의 경우 그렇지 않은 계통의 경우보다 저주파수 계전기의 동작 주파수인 59Hz까지 더 빠르게 도달하는 것을 확인할 수 있다. 계통관성이 낮은 계통의 경우 그렇지 않은 계통의 경우보다 저주파수 계전기의 동작 주파수에 더 빠르게 도달하므로, 저주파수 계전기의 동작에 의한 부하 탈락을 방지하기 위해서 계통관성이 낮은 계통의 경우 그렇지 않은 계통의 경우보다 더 많은 주파수 예비력 자원이 확보될 필요가 있다.
도 4는 부하 모델을 표현하는데 이용되는 ZIP모델 구조의 등가회로이다.
도 4를 참고하면, 정상 상태에서 일반적인 부하는 ZIP모델 구조의 등가회로(정임피던스 모델, 정전류 모델 및 정전력 모델 포함)로 표현될 수 있다. 정임피던스 모델은 일정한 임피던스를 유지하는 부하를 표현할 수 있고, 전압이 변동할 때 정임피던스 모델의 부하값은 유효/무효 전력의 제곱에 비례한다. 정전류 모델은 일정한 전류가 흐르는 부하를 표현할 수 있고, 전압이 변동할 때 정전류 모델의 부하값은 유효/무효 전력에 비례한다. 정전력 모델은 항상 일정한 전력을 소비하는 부하를 표현할 수 있고, 정전력 모델의 부하값은 전압과 관계없이 항상 일정하다. 상술한 부하 모델은 하기의 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다. 본 발명은 상술한 부하 모델을 통해 계통의 부하 총량을 산출할 수 있으며, 이는 후술하는 제1 계통관성을 연산하는 과정에서 이용될 수 있다.
Figure 112023052419134-pat00050
Figure 112023052419134-pat00051
여기서,
Figure 112023052419134-pat00052
이면 정전력이고,
Figure 112023052419134-pat00053
이면 정전류이고,
Figure 112023052419134-pat00054
이면 정임피던스이고,
Figure 112023052419134-pat00055
은 전체 부하전력이고,
Figure 112023052419134-pat00056
은 정전력의 부하값이고,
Figure 112023052419134-pat00057
는 정전류의 부하값이고,
Figure 112023052419134-pat00058
은 정임피던스의 부하값이고,
Figure 112023052419134-pat00059
는 전압이고,
Figure 112023052419134-pat00060
은 초기전압일 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 계통의 계통관성 연산 장치을 설명하기 위한 블록 구성도이다.
도 5를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 계통의 계통관성 연산 장치는 입력 모듈(100), 출력 모듈(200) 및 프로세서(300)를 포함할 수 있다.
입력 모듈(100)은 계통 정보를 입력받을 수 있다. 입력 모듈(100)은 외부로부터 후술하는 프로세서(300)가 계통의 계통관성을 연산하기 위해 필요한 각종 데이터를 입력받아 프로세서(300)로 전달할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 계통 정보는 EMS(Energy Management System), SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition) 및 TSM(Transmission Security Management System) 중 적어도 하나로부터 획득된 계통에 연계된 발전기의 상태 정보 및 설비용량 정보와, 계통의 주파수 제어에 영향을 미치는 설비의 상태 정보 및 설비용량 정보와, 계통에 연계된 동기조상기의 상태 정보 및 설비용량 정보와, 계통의 부하정보를 포함할 수 있다.
출력 모듈(200)은 후술하는 프로세서(300)의 제어에 따라 프로세서(300)가 계통의 계통관성을 연산하는 과정에서 산출되는 각종 데이터를 출력하거나, 프로세서(300)가 계통의 계통관성을 연산한 결과를 출력할 수 있다.
프로세서(300)는 입력 모듈(100)을 통해 입력받은 계통 정보에 기반하여 신재생에너지 발전기 및 일반 발전기가 연계된 계통의 계통관성을 연산하고, 계통의 주파수 안정도 관리에 이용되도록 연산된 계통의 계통관성을 출력할 수 있다.
이하에서는 프로세서(300)가 계통관성을 산출하는 과정을 살펴보도록 한다.
먼저, 프로세서(300)는 입력 모듈(100)을 통해 계통 정보를 입력받을 수 있다. 프로세서(300)는 기 설정된 설정 주기로 계통관성을 연산하기 위해 기 설정된 설정 주기로 입력 모듈(100)을 통해 계통 정보를 입력받을 수 있다.
이어서, 프로세서(300)는 입력 모듈(100)을 통해 입력받은 계통 정보에 기반하여 계통에 연계된 발전기 및 동기조상기에 의한 제1 계통관성을 연산할 수 있다.
Figure 112023052419134-pat00061
일 실시예에 따르면, 프로세서(300)는 상기 수학식 4를 통해 계통의 제1 계통관성을 연산할 수 있다. 여기서, IPS는 계통의 제1 계통관성이고,
Figure 112023052419134-pat00062
는 화력 발전기의 관성지수이고,
Figure 112023052419134-pat00063
는 수력 발전기의 관성지수이고,
Figure 112023052419134-pat00064
는 원자력 발전기의 관성지수이고,
Figure 112023052419134-pat00065
는 인버터 기반 발전기의 관성지수이고,
Figure 112023052419134-pat00066
는 동기조상기의 관성지수이고,
Figure 112023052419134-pat00067
는 계통 부하의 관성지수이고, P화력은 화력 발전기의 설비용량이고, P수력은 수력 발전기의 설비용량이고, P원자력은 원자력 발전기의 설비용량이고, PIBG는 인버터 기반 발전기의 설비용량이고, P동기조상기는 동기조상기의 설비용량이고, Pload는 계통 부하의 총량일 수 있다. 이때,
Figure 112023052419134-pat00068
는 2~6[s]일 수 있고,
Figure 112023052419134-pat00069
는
Figure 112023052419134-pat00070
보다 작은 값일 수 있다. 각 발전기의 관성지수는 입력 모듈(100)을 통해 입력받은 발전기의 상태 정보에 포함되어 있을 수 있고, 동기조상기의 관성지수는 입력 모듈(100)을 통해 입력받은 동기조상기의 상태 정보에 포함되어 있을 수 있다.
Figure 112023052419134-pat00071
는 계통에 연계되어 운전 중인 모든 화력 발전기의 설비용량의 합이고,
Figure 112023052419134-pat00072
는 계통에 연계되어 운전 중인 모든 수력 발전기의 설비용량의 합이고,
Figure 112023052419134-pat00073
는 계통에 연계되어 운전 중인 모든 원자력 발전기의 설비용량의 합이고,
Figure 112023052419134-pat00074
는 계통에 연계되어 운전 중인 모든 인버터 기반 발전기의 설비용량의 합이고,
Figure 112023052419134-pat00075
는 계통에 연계되어 운전 중인 모든 동기조상기의 설비용량의 합일 수 있다.
즉, 프로세서(300)는 계통에 연계된 각종 설비 중 발전기 및 동기조상기에 의한 계통관성을 제1 계통관성으로 연산할 수 있다. 여기서, 발전기는 수력 발전기, 및 인버터 기반 발전기(Invertor Based Generator)(예를 들어, 태양광 발전기 및 풍력 발전기 등)를 포함하는 신재생에너지 발전기와, 화력 발전기 및 원자력 발전기를 포함하는 일반 발전기를 포함할 수 있다. 다만, 전술한 실시예에 한정되는 것은 아니며, 계통에 연계될 수 있는 다양한 형태의 발전기가 제1 계통관성의 연산 시에 고려될 수 있다.
한편, 상술한 실시예에서는 발전기의 종류가 동일한 경우 동일한 관성지수가 적용되는 것으로 기재하였으나(예를 들어, 화력 발전기의 경우, 관성지수
Figure 112023052419134-pat00076
가 적용됨), 발전기의 종류가 동일하더라도 다른 관성지수가 적용될 수도 있다.(예를 들어, 화력 발전기1의 경우 관성지수
Figure 112023052419134-pat00077
이 적용되고, 화력 발전기2의 경우 관성지수
Figure 112023052419134-pat00078
가 적용될 수 있다.) 즉, 관성 지수를 보다 세부적으로 적용함으로써 연산의 정확도를 향상시킬 수 있다. 이 경우, 각 발전기에 대응하는 관성지수가 입력 모듈(100)을 통해 입력될 수 있다.
이어서, 프로세서(300)는 입력 모듈(100)을 통해 입력받은 계통 정보에 기반하여 계통의 주파수 제어에 영향을 미치는 설비에 의한 제2 계통관성을 연산할 수 있다.
Figure 112023052419134-pat00079
일 실시예에 따르면, 프로세서(300)는 상기 수학식 5를 통해 계통의 제2 계통관성을 연산할 수 있다. 여기서, IGF는 계통의 제2 계통관성이고,
Figure 112023052419134-pat00080
는 발전기에 연계된 조속기(Governor Free)의 관성지수이고,
Figure 112023052419134-pat00081
는 주파수조정용 ESS(Energy Storage System)의 관성지수이고,
Figure 112023052419134-pat00082
는 HVDC(High Voltage Direct Current) 관련 설비의 관성지수이고, PGF는 발전기의 운전 예비력이고, PESS는 주파수조정용 ESS의 설비용량이고, PHVDC는 HVDC 관련 설비의 운전 예비력일 수 있다. 이때,
Figure 112023052419134-pat00083
는 50~150[s]일 수 있다.
Figure 112023052419134-pat00084
는 계통에 연계되어 운전 중인 모든 발전기의 운전 예비력의 합이고,
Figure 112023052419134-pat00085
는 계통에 연계되어 운전 중인 모든 주파수조정용 ESS의 설비용량의 합이고,
Figure 112023052419134-pat00086
는 계통에 연계되어 운전 중인 모든 HVDC 관련 설비의 운전 예비력의 합일 수 있다.
Figure 112023052419134-pat00087
발전기의 운전 예비력은 출력중인 발전기의 설비용량에서 출력중인 발전기의 출력량을 감산함으로써 산출될 수 있다. 프로세서(300)는 상기 수학식 6을 통해 발전기의 운전 예비력을 산출할 수 있다. 여기서,
Figure 112023052419134-pat00088
은 출력중인 모든 발전기의 설비용량이고,
Figure 112023052419134-pat00089
는 출력중인 모든 발전기의 출력량일 수 있다. 발전기의 출력량은 발전기의 상태 정보에 포함되어 있을 수 있다. 프로세서(300)는
Figure 112023052419134-pat00090
이고, 발전기가 Inservice(병입된 상태)인 경우 제2 계통관성의 연산 시 앞서 산출된 PGF를 고려하고, 전술한 조건을 만족하지 못하는 경우 제2 계통관성의 연산 시 PGF값을 0으로 처리할 수 있다.
한편, 일반적으로 계통 운영 시 발전기의 운전 예비력은 일정한 값으로 설정되므로, 상기 수학식 6을 통해 발전기의 운전 예비력을 산출하는 대신, 프로세서(300)는 입력 모듈(100)을 통해 외부(예를 들어, 사용자 또는 서버)로부터 발전기의 운전 예비력을 직접 입력받고, 입력받은 발전기의 운전 예비력을 이용하여 제2 계통관성의 연산할 수도 있다.
Figure 112023052419134-pat00091
HVDC 관련 설비의 운전 예비력은 HVDC 관련 설비의 설비용량에서 HVDC 관련 설비의 출력량을 감산함으로써 산출될 수 있다. 프로세서(300)는 상기 수학식 7을 통해 HVDC 관련 설비의 운전 예비력을 산출할 수 있다. 여기서,
Figure 112023052419134-pat00092
는 HVDC 관련 설비의 설비용량이고,
Figure 112023052419134-pat00093
는 HVDC 관련 설비의 출력량일 수 있다. HVDC 관련 설비의 출력량은 설비의 상태 정보에 포함되어 있을 수 있다. 프로세서(300)는
Figure 112023052419134-pat00094
이고, 발전기가 Inservice(병입된 상태)인 경우 제2 계통관성의 연산 시 앞서 산출된 PHVDC를 고려하고, 전술한 조건을 만족하지 못하는 경우 제2 계통관성의 연산 시 PHVDC를 0으로 처리할 수 있다.
즉, 프로세서(300)는 계통에 연계된 각종 설비 중 계통의 주파수 제어를 영향을 미치는 설비에 의한 계통관성을 제2 계통관성으로 연산할 수 있다. 여기서, 계통의 주파수 제어에 영향을 미치는 설비는 조속기가 연계된 발전기, 주파수조정용 ESS 및 HVDC 관련 설비를 포함할 수 있다. 다만, 전술한 실시예에 한정되는 것은 아니며, 계통의 주파수 제어를 위해 계통에 연계될 수 있는 다양한 형태의 설비가 제2 계통관성의 연산 시에 고려될 수 있다.
한편, 상술한 실시예에서는 설비의 종류가 동일한 경우 동일한 관성지수가 적용되는 것으로 기재하였으나(예를 들어, 발전기에 연계된 조속기의 경우, 관성지수
Figure 112023052419134-pat00095
가 적용됨), 설비의 종류가 동일하더라도 다른 관성지수가 적용될 수도 있다. 즉, 관성 지수를 보다 세부적으로 적용함으로써 연산의 정확도를 향상시킬 수 있다. 이 경우, 각 설비에 대응하는 관성지수가 입력 모듈(100)을 통해 입력될 수 있다.
이어서, 프로세서(300)는 앞서 연산된 제1 및 제2 계통관성에 기반하여 계통의 최종 계통관성을 연산할 수 있다.
Figure 112023052419134-pat00096
일 실시예에 따르면, 프로세서(300)는 앞서 연산된 제1 및 제2 계통관성을 합산하여 최종 계통관성을 연산할 수 있다. 즉, 프로세서(300)는 상기 수학식 8을 통해 계통의 최종 계통관성을 연산할 수 있다.
이어서, 프로세서(300)는 계통의 주파수 안정도 관리에 이용되도록 연산된 최종 계통관성을 출력 모듈(200)을 통해 외부로 출력할 수 있다. 한편, 프로세서(300)는 계통의 최종 계통관성 뿐만 아니라 제1 계통관성 및 제2 계통관성을 출력할 수도 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명은 신재생에너지 발전기가 연계된 계통의 계통관성을 산출하고, 계통의 주파수 안정도 관리에 이용되도록 산출된 계통관성을 출력할 수 있다. 또한, 본 발명은 계통관성을 연산하여 사용자에게 제공함으로써 계통의 주파수 관리에 대한 불확실성을 감소시킬 수 있고, 계통의 주파수 조정을 위한 예비력을 확보에 소요되는 비용을 감소시킬 수 있으며, 광역정전 및 계통붕괴를 사전에 예측 및 예방하여 계통의 안정적 운영에 기여할 수 있다.
한편, 계통의 계통관성을 연산한 이후, 프로세서(300)는 연산된 계통관성에 기반하여 계통의 계통정수를 산출하고, 산출된 계통정수를 출력할 수도 있다.
Figure 112023052419134-pat00097
일 실시예에 따르면, 프로세서(300)는 상기 수학식 9를 통해 계통의 계통정수를 산출할 수 있다. 여기서, ITotal은 계통의 계통관성이고, K는 계통의 계통정수로서 계통의 주파수 변동에 따른 계통의 전력 변동을 나타내는 지수(즉,
Figure 112023052419134-pat00098
)이고, 그 단위는 [MW/Hz]이고, A는 계통관성을 계통정수로 환산하기 위한 환산 지수로서, 그 단위는 [Hz/s]일 수 있다. 계통관성을 계통정수로 환산하기 위한 환산 지수는 입력 모듈(100)을 통해 입력될 수 있으며, 각 계통에 대응하는 환산 지수는 주파수 변동에 따른 계통의 전력 변동에 대한 데이터를 누적분석하여 산출할 수 있다.
한편, 계통의 계통관성을 연산한 이후, 프로세서(300)는 연산된 계통관성과 기 설정된 기준 계통관성을 비교하여 연산된 계통관성이 기준 계통관성 이하인지 여부를 판단하고, 연산된 계통관성이 기준 계통관성 이하인 것으로 판단되는 경우 경고 신호를 출력할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 프로세서(300)는 제1 계통관성과 기준 계통관성을 비교할 수도 있고, 최종 계통관성과 기준 계통관성을 비교할 수도 있다. 일 실시예에 따르면, 연산된 계통관성이 기준 계통관성 이하인 것으로 판단되는 경우, 프로세서(300)는 HMI(Human Machine Interface)를 통해 경고 신호를 출력할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 계통의 계통관성 연산 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
이하에서는 도 6을 참고하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 계통의 계통관성 연산 방법을 설명하도록 한다.
먼저, 프로세서(300)는 입력 모듈(100)을 통해 계통 정보를 입력받을 수 있다.(S100 단계)
이어서, 프로세서(300)는 입력 모듈(100)을 통해 입력받은 계통 정보에 기반하여 계통에 연계된 발전기 및 동기조상기에 의한 제1 계통관성을 연산할 수 있다.(S200 단계)
이어서, 프로세서(300)는 입력 모듈(100)을 통해 입력받은 계통 정보에 기반하여 계통의 주파수 제어에 영향을 미치는 설비에 의한 제2 계통관성을 연산할 수 있다.(S300 단계)
이어서, 프로세서(300)는 연산된 제1 및 제2 계통관성에 기반하여 계통의 최종 계통관성을 연산할 수 있다(S400 단계). 프로세서(300)는 연산된 제1 계통관성과 제2 계통관성을 합산하여 최종 계통관성을 연산할 수 있다.
이어서, 프로세서(300)는 계통의 주파수 안정도 관리에 이용되도록 연산된 최종 계통관성을 출력 모듈(200)을 통해 외부로 출력할 수 있다. 프로세서(300)는 계통의 최종 계통관성 뿐만 아니라 제1 및 제2 계통관성을 출력할 수도 있다.(S500 단계)
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 계통의 계통관성 연산 방법을 통해 계통관성을 연산한 이후 과정을 설명하기 위한 순서도이다.
먼저, 프로세서(300)는 연산된 계통관성과 기 설정된 기준 계통관성을 비교하여 연산된 계통관성이 기준 계통관성 이하인지 여부를 판단할 수 있다.(S600 단계)
연산된 계통관성이 기준 계통관성 이하인 것으로 판단되는 경우, 프로세서(300)는 경고 신호를 출력할 수 있다(S700 단계). 프로세서(300)는 HMI(Human Machine Interface)를 통해 경고 신호를 출력할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 계통관성 연산 장치 및 방법은 신재생에너지 발전기가 연계된 계통의 계통관성을 산출하고, 계통의 주파수 안정도 관리에 이용되도록 산출된 계통관성을 출력할 수 있다. 또한, 본 발명은 계통관성을 연산하여 사용자에게 제공함으로써 계통의 주파수 관리에 대한 불확실성을 감소시킬 수 있고, 계통의 주파수 조정을 위한 예비력을 확보에 소요되는 비용을 감소시킬 수 있으며, 광역정전 및 계통붕괴를 사전에 예측 및 예방하여 계통의 안정적 운영에 기여할 수 있다.
본 명세서에서 설명된 구현은, 예컨대, 방법 또는 프로세스, 장치, 소프트웨어 프로그램, 데이터 스트림 또는 신호로 구현될 수 있다. 단일 형태의 구현의 맥락에서만 논의(예컨대, 방법으로서만 논의)되었더라도, 논의된 특징의 구현은 또한 다른 형태(예컨대, 장치 또는 프로그램)로도 구현될 수 있다. 장치는 적절한 하드웨어, 소프트웨어 및 펌웨어 등으로 구현될 수 있다. 방법은, 예컨대, 컴퓨터, 마이크로프로세서, 집적 회로 또는 프로그래밍가능한 로직 디바이스 등을 포함하는 프로세싱 디바이스를 일반적으로 지칭하는 프로세서 등과 같은 장치에서 구현될 수 있다. 프로세서는 또한 최종-사용자 사이에 정보의 통신을 용이하게 하는 컴퓨터, 셀 폰, 휴대용/개인용 정보 단말기(personal digital assistant: "PDA") 및 다른 디바이스 등과 같은 통신 디바이스를 포함한다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 기술이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 정해져야 할 것이다.
100: 입력 모듈
200: 출력 모듈
300: 프로세서

Claims (1)

  1. 계통 정보를 입력받는 입력 모듈; 및
    상기 입력 모듈과 연결된 프로세서;를 포함하고,
    상기 프로세서는, 상기 입력 모듈을 통해 입력받은 계통 정보에 기반하여 신재생에너지 발전기 및 일반 발전기가 연계된 계통의 계통관성을 연산하고, 상기 계통의 주파수 안정도 관리에 이용되도록 상기 연산된 계통관성을 출력하고,
    상기 프로세서는, 상기 계통에 연계된 발전기 및 동기조상기에 의한 제1 계통관성을 연산하고, 상기 계통의 주파수 제어에 영향을 미치는 설비에 의한 제2 계통관성을 연산하고, 상기 연산된 제1 및 제2 계통관성에 기반하여 최종 계통관성을 연산하고,
    상기 프로세서는, 상기 연산된 제1 계통관성과 상기 연산된 제2 계통관성을 합산하여 상기 최종 계통관성을 연산하고,
    상기 주파수 제어에 영향을 미치는 설비는, 조속기(Governor Free)가 연계된 발전기, 주파수조정용 ESS(Energy Storage System) 및 HVDC(High Voltage Direct Current) 관련 설비를 포함하고,
    상기 계통 정보는, EMS(Energy Management System), SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition) 및 TSM(Transmission Security Management System) 중 적어도 하나로부터 획득된 상기 계통에 연계된 발전기의 상태 정보 및 설비용량 정보와, 상기 계통의 주파수 제어에 영향을 미치는 설비의 상태 정보 및 설비용량 정보와, 상기 계통에 연계된 동기조상기의 상태 정보 및 설비용량 정보와, 상기 계통의 부하정보를 포함하고,
    상기 프로세서는, 상기 연산된 계통관성에 기반하여 계통정수를 산출하고, 상기 산출된 계통정수를 출력하는 것을 특징으로 하는 계통관성 연산 장치.
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