KR20030095124A - Ｇｐｓ 기반의 정밀 동기클록장치를 이용한 전력계통선로정수 측정장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전력계통 선로정수를 측정하는 시스템에 있어서, GPS를 기반으로 하는 정밀 동기 클록 장치를 이용하여 원격의 전력설비의 전압 및 전류를 측정하고 송전망의 선로정수를 모니터링 하는 GPS 기반 정밀 동기 클록 장치를 이용한 전력계통 선로정수 계산 장치를 개시한다. 본 발명은 전력계통 선로정수를 측정하는 시스템에 있어서, GPS 위성으로부터 위치 및 시간해를 구하는 GPS 수신기, 상기 GPS 수신기에서 발생되는 1PPS 신호를 이용하여 정밀한 동기 클록을 발생시키는 정밀 동기 클록 발생기, 상기 정밀 동기 클록 발생기로부터 발생되는 클록을 이용하여 데이터를 샘플링하고 이를 이용하여 선로정수를 계산하는 송전망 파라미터 모니터링 장치로 구성되어 GPS 기반 정밀 동기 클록 장치를 이용한 전력계통 선로정수 측정 장치를 제공한다. 따라서, 본 발명에 따르면, GPS를 기반으로 하는 정밀 동기 클록 장치를 이용하여 원격의 전력설비의 전압 및 전류를 측정하여 송전망의 선로정수를 모니터링 하는 GPS 기반 정밀 동기 클록 장치를 이용한 전력계통 선로정수 측정 장치를 제공할 수 있다.

Description

ＧＰＳ 기반의 정밀 동기클록장치를 이용한 전력계통 선로정수 측정장치 및 방법{transmission line parameter measument device using synchronizing clock based on global positioning system}

본 발명은 전력계통 선로정수를 측정하는 시스템에 관한 것으로, 특히 GPS를 기반으로 하는 정밀 동기클록장치를 이용하여 원격지에 설치된 전력설비의 전압 및 전류를 측정하고 송전망의 선로정수를 모니터링 하는 GPS 기반 정밀 동기클록 장치를 이용한 전력계통 선로정수 측정장치 및 방법에 관한 것이다.

최근 국내 전력산업의 효율성을 제고하고자 전력산업 전반에 걸쳐 구조개편이 추진되고 있다. 즉, 과거 독점적 전력시장에서 나타난 각종 비효율적 요소를 과감히 제거하고 전력산업 전반에 시장경쟁원리를 도입함으로써 자원의 효율적인 배분을 기하고자 하는 취지에서 현재 전력산업 구조개편이 추진되고 있는 것이다.

이러한 새로운 경쟁적 전력시장이 추구하고자 하는 소기의 목적을 달성하기 위해서는 우선적으로 전력계통의 안정적 운용, 전력시장의 투명성(transparency of market)확보, 그리고 전력시장의 활성화 방안들이 충분히 마련되어야 한다.

경쟁적 전력시장에서 시장의 투명성을 확보하고 시장을 활성화시키기 위해서는 무엇보다 시장에서 발생되는 각종 분쟁이 원만히 해결되고, 경쟁원리가 도입되지 않고 독점적 형태로 남게 되는 송전사업자가 가장 효율적으로 시스템(송전망, transmission network)을 운용함으로써 가능해진다. 이를 통해서 전력시장의 투명성을 확보할 수 있는 것이다.

송전망을 가장 효율적으로 운용하고, 분쟁당사자가 충분히 납득하기 위해서는 시장의 근간인 송전망의 각종 파라미터-송전선로의 RLC가 정밀하게 제시되어 있어야 한다.

그러나, 양방향 입찰시장을 준비하고 있는 현 시점까지도 송전망에 관련된 각종 파라미터가 설비의 시설 당시의 설계 수치이거나 엔지니어의 경험적인 지식이 반영된 계산된 수치를 사용하고 있다.

따라서, 송전망의 각종 파라미터를 실시간으로 정밀하게 측정 내지는 계산함으로써 향후 전력시장의 건전성을 유지하는 데 일조할 수 있을 뿐만 아니라, 송전사업자로 하여금 가장 효율적으로 시스템을 운용할 수 있도록 유도할 수 있게 된다. 이로써 국내 전력시장의 효율성 제고와 투명성 확보에 크게 기여할 수 있음과 동시에, 독점적 사업형태를 취하고 있는 송전사업자를 효과적으로 감시할 수 있는 근간 자료를 마련하게 된다.

본 발명의 목적은 GPS를 기반으로 하는 정밀 동기클록장치를 이용하여 원격지에 설치된 전력설비의 전압 및 전류를 측정하고 송전망의 선로정수를 모니터링 할 수 있도록 한 GPS 기반 정밀동기 클록장치를 이용한 전력계통 선로정수 측정장치 및 방법을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 GPS 기반의 정밀 동기클록장치를 이용한 전력계통 선로정수 측정장치는, 전력계통 선로정수를 측정하는 시스템에 있어서, GPS 위성으로부터 위치 및 시간해를 구하는 GPS 수신기; 상기 GPS 수신기에서 발생되는 1PPS 신호를 이용하여 정밀한 동기 클록을 발생시키는 정밀 동기 클록발생기; 상기 정밀 동기 클록발생기로부터 발생되는 클록을 이용하여 데이터를 샘플링하고 이를 이용하여 선로정수를 계산하는 송전망 파라미터 모니터링 장치로 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 정밀한 동기 클록은 GPS 수신기의 1PPS 신호와 수치제어발진기를 이용하여 발생시키는 것을 특징으로 하는 GPS 기반 정밀동기 클록장치를 이용하는 것을 특징으로 한다.

상기 정밀 동기 클록발생기는 외부의 클록을 분주시켜 원하는 주파수의 클록을 발생하는 수치제어발진기(NCO); 매 클록의 상승 에지마다 NCO에서 발생된 클록이 '1'인 순간을 카운트하는 클록 계수기; NCO로부터 발생되는 클록을 내부 클록의 한 주기만큼의 폭으로 만들어 클록 계수기가 NCO의 클록을 카운트할 수 있도록 하는 NCO 디코더; 및 1PPS 샘플러로부터 1초에 한번씩 인터럽트를 받을 때마다 클록 계수기의 카운트 값을 읽어서 어긋난 정도를 보정하여 NCO의 증가치를 갱신하는 위상 검출기를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 NCO는 가산기 및 n-비트 레지스터로 구성되며, 상기 레지스터는 각 정밀 클록발생기의 위상을 일치시키기 위해 1PPS 샘플러로부터 나오는 신호가 상승 에지에서 검출될 때마다 초기화되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 GPS 기반의 정밀 동기클록장치를 이용한 전력계통 선로정수 측정장치는, 장착된 GPS 기반의 시각 동기 보드를 통해서 정밀한 측정시각과 더불어 시설 모선의 전압 및 연결선로의 모든 전류 페이저를 측정하여 데이터를 기록 보존하는 PMU 기반의 송전망 파라미터 모니터링 시스템(TLPMS); 및 상기 TLPMS로부터의 측정데이터와 원거리 유니트의 데이터를 비교 분석하여 해당 송전선로의 각종 파라미터를 계산하여 일괄 통합 처리하도록 전송받는 호스트로 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 TLPMS는 PMU(Phasor Measurement Unit)의 측정원리를 이용하며, 정밀한 측정시각 기준하에서 시설 모선의 전압페이저와 연결선로의 전류페이저를 측정하고, 대칭분 페이저 중에서 정상분 페이저(positive sequence phasor)를 이용하여 평형상태의 송전선로 파라미터를 도출하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 GPS 기반의 정밀 동기클록장치를 이용한 전력계통 선로정수 측정방법은 GPS 기반 정밀동기 클록장치에 의해서 샘플링된 데이터를 이용하여 전력계통 선로정수를 측정하는 것을 특징으로 한다.

도 1은 GPS 수신기의 1PPS 신호의 타이밍도.

도 2는 본 발명에 따른 정밀 클록발생기와 GPS 수신기의 연결 블록도.

도 3은 본 발명에 따른 정밀 클록발생기의 블록도.

도 4는 본 발명에 따른 정밀 클록발생기의 NCO의 블록도.

도 5는 본 발명에 따른 정밀 클록발생기의 출력 파형의 타이밍도.

도 6은 본 발명에 따른 GPS 기반 정밀동기 클록장치를 이용한 전력계통 선로정수 측정장치의 블록도.

도 7은 체인(Chain) 파라미터를 이용한 송전선로 등가회로도.

도 8은 송전선로의 2-포트 네트워크 등가회로도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 ------ GPS 수신기 2 ------ 정밀 클록발생기

3 ------ 발진기 5 ------ 1PPS 샘플러

6 ------ 수치제어발진기(NCO) 7 ------ NCO 디코더

8 ------ 클록 계수기 9 ------ 위상검출기

61 ------ 가산기(ADDER) 62 ------ 레지스터

70 ------ 송전망 파라미터 모니터링 장치(TLPMS; Transmission Line Parameters Monitoring System) 80 ------ 호스트

100 ------ 2-포트 네트워크 110 ------ GPS 위성

이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 GPS 수신기에서 발생되는 1PPS(Pulse per Second) 신호이다.

도면을 참조하면, GPS 수신기에서 발생되는 1PPS 신호는 1초에 1번씩 발생되며, 이때 각각의 GPS 수신기는 같은 동기로 이 신호를 출력한다.

도 1의 Tb는 1.01ms±0.01ms이며, 1초(999.999ms±10.0㎲)마다 한번씩주기(1Hz)에 일치되어 상승 에지로 동작한다.

도 2는 본 발명에 따른 정밀 클록발생기(2)와 GPS 수신기(1)의 연결 블록도이다.

도면을 참조하면, 정밀 클록발생기(2)는 GPS 수신기(1)와 연결된다. 이 같은 정밀 클록발생기(2)는 발진기(Oscillator)(3)의 주파수를 분주하여 정밀클록을 발생하며, GPS 수신기(1)의 1PPS를 이용하여 보정되고, 1PPS 신호마다 내부의 레지스터를 초기화함으로써 동기를 맞춘다.

도 3은 본 발명에 따른 정밀 클록발생기(2)의 블록도이다.

도면을 참조하면, 정밀 클록발생기는 1PPS 샘플러(5), 수치제어발진기(NCO; Numerical Controled Oscillator)(6), NCO 디코더(Decoder)(7), 클록 계수기(Clock Counter)(8), 위상 검출기(Phase Detector)(9)로 구성되어 있다.

NCO(6)는 외부의 클록을 분주시켜 원하는 주파수의 클록을 발생하며 클록 계수기(8)는 매 클록의 상승 에지마다 NCO(6)에서 발생된 클록이 '1'인 순간을 카운트한다. 이 계수 값은 위상검출기(9)로 전송되며 NCO(6)의 계수기와 마찬가지로 1PPS 샘플러(5)로부터 출력되는 신호가 상승 에지에서 검출될 때마다 리셋된다.

NCO 디코더(7)는 NCO(6)로부터 발생되는 클록을 내부 클록의 한 주기만큼의 폭으로 만든다. 이 파형이 도 2 내지 도 10에 도시되어 있다. 이는 클록 계수기(8)가 NCO(6)의 클록을 카운트할 수 있도록 만든다.

위상 검출기(9)는 1PPS 샘플러(5)로부터 1초에 한번씩 인터럽트를 받을 때마다 클록 계수기(8)의 카운트 값을 읽어서 어긋난 정도를 보정하여 NCO(6)의증가치(N)를 갱신한다.

도 4는 본 발명에 따른 정밀 클록발생기(2)의 NCO(6)의 블록도이다.

도면을 참조하면, NCO(6)는 가산기(Adder)(61)와 n-비트 레지스터(62)로 구성된다.

레지스터의 값은 클록의 상승 에지에서 증가치 N을 누적하며 오버플로워는 버려진다. 이때, 최상위 비트가 토글(toggle)되는 것으로 클록을 발생시킨다. 즉, NCO(6)에서 출력되는 클록은 레지스터(62)의 최상위 비트이다. NCO(6)는 n 비트의 계수기와 외부에서 입력되는 증가치(N)로 외부 주파수 f_S를 (N/2ⁿ) 분주시켜 NCO 클록 f_n을 발생한다. 증가치(N)는 위상검출기(9)로부터 입력된다. NCO(6)에서 발생되는 클록의 주파수는 수학식 1과 같이 계산되어질 수 있다.

NCO(6)의 정밀도는 수학식 2와 같이 계산된다.

각 정밀 클록발생기(2)의 위상을 일치시키기 위해 NCO 계수기(6)의 레지스터(62)는 1PPS 샘플러(5)로부터 나오는 신호가 상승 에지에서 검출될 때마다초기화된다.

도 5는 본 발명에 따른 정밀 동기 클록발생기(2)의 출력 파형의 타이밍도이다.

도면을 참조하면, 다수개의 지점에서의 각 정밀 동기 클록발생기(2)는 서로 연결되어 있지 않으나, 위상이 GPS 수신기(1)의 1PPS 신호에 동기되어 정밀한 클록을 발생시킨다.

도 6은 본 발명에 따른 GPS 기반 정밀동기 클록장치를 이용한 전력계통 선로정수 측정장치의 블록도이다.

도면을 참조하면, PMU 기반의 TLPMS(Transmission Line Parameters Monitoring System)(70)는 장착된 GPS 기반의 시각 동기 보드를 통해서 정밀한 측정시각과 더불어 시설 모선의 전압 및 연결선로의 모든 전류 페이저를 측정하여 데이터를 기록 보존하게 된다.

이 측정데이터와 원거리 유니트의 데이터를 비교 분석하여 해당 송전선로의 각종 파라미터를 계산할 수 있으며, 이를 호스트(Host)(80)로 전송하여 일괄 통합 처리할 수도 있다.

TLPMS(70)는 PMU(Phasor Measurement Unit)의 측정원리를 이용한 시스템으로서, 정밀한 측정시각 기준하에서 시설 모선의 전압페이저와 연결선로의 전류페이저를 측정한다. 개별 PMU에서는 측정된 3상 전압/전류 페이저를 대칭성분으로 변환하여 제공한다. 본 발명의 TLPMS(70)는 이들 대칭분 페이저 중에서 정상분 페이저(positive sequence phasor)를 이용하여 평형상태의 송전선로 파라미터를 도출하는 시스템이다.

도 7은 체인(Chain) 파라미터를 이용한 송전선로 등가회로도이다.

도면을 참조하면, 일반적인 송전선로 등가회로는 체인 파라미터(ABCD parameter)를 이용하여 표현할 수 있다. 송전단(Sending-end)과 수전단(Receiving-end)사이의 송전선로는 체인 파라미터를 사용한 2-포트 네트워크(100)로 수학식 3과 같이 표현된다.

여기서 V_{ S } 와 I_{ S } 는 송전단의 정상분 전압전류 페이저, V_{ R } 과 I_{ R } 은 수전단의 정상분 전압전류 페이저, 그리고 ABCD는 [무단위, Omega , S]의 단위를 갖는 파라미터이다.

TLPMS(70)의 정밀한 측정시각 동기하에서 측정된 V_{ S } , I_{ S } , V_{ R } , I_{ R } 을 통해서 ABCD 파라미터를 결정함으로써 송전선로의 R, L, C를 결정할 수 있다. TLPMS(70)의 입력인 CCVT의 측정오차가 알려져 있는 경우, ABCD 파라미터와 측정치간의 관계식은 수학식 4와 같이 유도할 수 있다.

ABCD 파라미터 중에서 AB와 CD는 서로 상관되어 있지 않기 때문에 계수행렬을 부분행렬로 분할하여 수학식 5 및 수학식 6과 같이 개별적으로 처리할 수 있다. 여기서 k는 측정 횟수를 나타낸다.

ABCD 파라미터를 도출하기 위해서는 수전단의 전압 전류페이저로 이루어진 계수행렬이 양호한 조건(well-condition) 하에 있어야 한다. 그러나, 측정치간의 측정시각의 간격이 짧을 경우에는 불량한 조건(ill-condition)이 될 확률이 높게 된다. 따라서, 계수행렬이 양호한 조건이 되기 위한 측정치간의 간격을 산출하는 것이 매우 중요하다. 국내 부하곡선(load curve)의 형태를 고려할 경우 1시간 간격으로 측정치를 선정하여 ABCD 파라미터를 도출하는 것도 한 가지 방편이 될 수 있다. ABCD 파라미터를 결정하기 위해서 구성하게 될 측정치의 측정시각 간격을 보다 수학적으로 정의하기 위해서는 불량한 조건과 양호한 조건의 경계를 명확히 정의하고 이를 통해서 ABCD 파라미터 계산에 사용될 측정치를 선정하여야 한다. 이는 본 발명의 범위를 벗어나므로 자세히 언급하지 않는다.

도출된 ABCD 파라미터를 어드미턴스 파라미터로 변환하여 송전선로의 RLC를도출하면 수학식 7과 같다.

여기서,이다.

도 8은 송전선로의 2-포트 네트워크(100) 등가회로도이다.

도면을 참조하면 도출된 어드미턴스 파라미터는 도 8과 같은 2개의 2-포트 네트워크(100)의 병렬연결로 등가 할 수 있다. 따라서, 송전선로의 R, L, C는 각각 수학식 8, 수학식 9, 수학식 10과 같이 도출할 수 있다.

본 TLPMS(70)를 이용하여 평형상태에서 송전선로의 선로정수(RLC)를 온-라인(on-line)으로 계산하는 시스템을 개발함으로써 향후 전개될 양방향 입찰시장에서의 정산에 관련된 각종 분쟁조정의 중요한 해석 자료를 제시할 뿐 아니라,송전사업자의 효율적인 시스템운용의 지표로써 활용할 수 있고, 전력시장 감시기구의 각종 감시 기준을 선정하는데 중요한 자료를 제공할 수 있다.

본 발명은 상기 실시 예에 한정되지 않으며, 많은 변형이 본 발명의 기술적 사상의 범주내에서 당 분야의 통상적 지식을 가진 자에 의하여 가능함은 명백하다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 전력계통 선로정수를 측정하는 시스템에 있어서, GPS를 기반으로 하는 정밀 동기 클록 장치를 이용하여 원격의 전력설비의 전압 및 전류를 측정하고 송전망의 선로정수를 모니터링 하는 GPS 기반 정밀 동기 클록 장치를 이용한 전력계통 선로정수 측정 장치 및 방법을 제공할 수 있다.

본 발명에 따르면, 향후 전개될 양방향 입찰시장에서의 정산에 관련된 각종 분쟁조정의 중요한 해석 자료를 제시할 뿐 아니라, 송전사업자의 효율적인 시스템운용의 지표로써 활용할 수 있고, 전력시장 감시기구의 각종 감시 기준을 선정하는데 중요한 자료를 제공할 수 있다.

Claims (7)

1. GPS 위성(110)으로부터 위치 및 시간해를 구하는 GPS 수신기(1);

   상기 GPS 수신기(1)에서 발생되는 1PPS 신호를 이용하여 정밀한 동기 클록을 발생시키는 정밀 동기 클록발생기(2); 및

   상기 정밀 동기 클록발생기(2)로부터 발생되는 클록을 이용하여 데이터를 샘플링하고 이를 이용하여 선로정수를 계산하는 송전망 파라미터 모니터링 장치(90)로 구성된 것을 특징으로 하는 GPS 기반 정밀동기 클록장치를 이용한 전력계통 선로정수 측정장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 정밀한 동기 클록은 GPS 수신기(1)의 1PPS 신호와 수치제어발진기(NCO)(6)를 이용하여 발생시키는 것을 특징으로 하는 GPS 기반 정밀동기 클록장치를 이용한 전력계통 선로정수 측정장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 정밀 동기 클록발생기(2)는

   외부의 클록을 분주시켜 원하는 주파수의 클록을 발생하는 수치제어발진기(NCO)(6);

   매 클록의 상승 에지마다 NCO(6)에서 발생된 클록이 '1'인 순간을 카운트하는 클록 계수기(8);

   NCO(6)로부터 발생되는 클록을 내부 클록의 한 주기만큼의 폭으로 만들어 클록 계수기(8)가 NCO(6)의 클록을 카운트할 수 있도록 하는 NCO 디코더(7); 및

   1PPS 샘플러(5)로부터 1초에 한번씩 인터럽트를 받을 때마다 클록 계수기(8)의 카운트 값을 읽어서 어긋난 정도를 보정하여 NCO(6)의 증가치(N)를 갱신하는 위상 검출기(9)를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 GPS 기반 정밀동기 클록장치를 이용한 전력계통 선로정수 측정장치.
4. 제3항에 있어서, 상기 NCO(6)는

   가산기(61) 및 n-비트 레지스터(62)로 구성되며,

   상기 레지스터(62)는 각 정밀 클록발생기(2)의 위상을 일치시키기 위해 1PPS 샘플러(5)로부터 나오는 신호가 상승 에지에서 검출될 때마다 초기화되는 것을 특징으로 하는 GPS 기반 정밀동기 클록장치를 이용한 전력계통 선로정수 측정장치.
5. 장착된 GPS 기반의 시각 동기 보드를 통해서 정밀한 측정시각과 더불어 시설 모선의 전압 및 연결선로의 모든 전류 페이저를 측정하여 데이터를 기록 보존하는 PMU 기반의 송전망 파라미터 모니터링 시스템(TLPMS)(70); 및

   상기 TLPMS(70)로부터의 측정데이터와 원거리 유니트의 데이터를 비교 분석하여 해당 송전선로의 각종 파라미터를 계산하여 일괄 통합 처리하도록 전송받는 호스트(Host)(80)를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 GPS 기반 정밀동기 클록장치를 이용한 전력계통 선로정수 측정장치.
6. 제5항에 있어서, 상기 TLPMS(70)는 PMU(Phasor Measurement Unit)의 측정원리를 이용하며, 정밀한 측정시각 기준하에서 시설 모선의 전압페이저와 연결선로의 전류페이저를 측정하고, 대칭분 페이저 중에서 정상분 페이저(positive sequence phasor)를 이용하여 평형상태의 송전선로 파라미터를 도출하는 것을 특징으로 하는 GPS 기반 정밀동기 클록장치를 이용한 전력계통 선로정수 측정장치.
7. 제 1항의 GPS 기반 정밀동기 클록장치에 의해서 샘플링된 데이터를 이용하여 전력계통 선로정수를 측정하는 방법.