KR20060085136A - 수배전반의 정보시각화를 위한 퍼지알고리즘 기법의 전력파라미터 산출방법 - Google Patents

수배전반의 정보시각화를 위한 퍼지알고리즘 기법의 전력파라미터 산출방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 수배전반의 정보시각화를 위한 퍼지알고리즘 기법의 전력 파라미터 산출방법에 대한 것이다. 상기 전력 파라미터 산출방법은 크게 화재지수 산출 방법과 전력컨디션 지수 산출 방법으로 이루어진다.
수배전반에서의 누설전류량, 접촉불량 여부, 변압기 최고온도, 과전압 여부 및 결상 여부를 측정, 분석하여 화재위험정도를 나타내는 화재지수를 산출하는 방법은, 상기 누설전류량은 영상변류기(ZCT)로부터 측정하고, 상기 접촉불량 여부를 판단하기 위해 각 상에 설치된 온도센서의 온도를 측정하고, 상기 변압기 최고온도를 추정하기 위해 유입식 변압기의 경우 변압기 오일 최상부 지점에 설치된 센서의 온도를 측정하고 몰드식 및 건식 변압기의 경우 권선에 설치된 센서의 온도를 측정하고, 상기 과전압 여부를 판단하기 위해 변압기에서 발생하는 전압을 측정하고, 결상 여부를 판단하기 위해 3상의 전류를 측정하는 단계; 상기 누설전류량 또는 상기 접촉불량 여부를 판단하기 위해 측정된 온도 또는 변압기 최고온도를 추정하기 위해 측정된 온도 또는 변압기에서 발생하는 전압 중 어느 하나라도 미리 정한 한계기준치를 넘어서거나, 3상전류중 어느 1상에라도 전류가 흐르지 않는 경우 화재지수를 상태6(위험)으로 판정하는 단계; 상기와 같이 화재지수가 상태6으로 판정되지 않은 경우 돔비(Dombi)의 퍼지소속함수(fuzzy membership function)를 적용하여 기대값을 계산한 후 이를 통하여 화재지수를 계산하는 단계; 및 상기와 같이 계산된 화재지수가 0이상 0.2미만이면 상태1, 0.2이상 0.4미만이면 상태2, 0.4이상 0.6 미만이면 상태3, 0.6이상 0.8미만이면 상태4, 0.8이상이면 상태5로 판정하되 화재위험정도는 상태5쪽으로 갈수록 높아지는 것을 나타내는 단계를 포함하여 이루어지고, 전력컨디션지수를 산출하는 방법은, 각 상에서 측정한 부하전류 중 가장 큰 값을 변압기 허용 전류로 나누어서 구한 백분율에 따라 전류의 정상, 과부하를 판정하는 단계; 변압기의 현재전압과 배전전압을 비교하여 부족전압, 과전압을 판정하는 단계; 부하역률을 측정하여 기준역률(90%)를 기준으로 정상여부를 판정하는 단계; 주파수를 측정하여 정격주파수(60Hz)를 기준으로 정상여부를 판정하는 단계; 전류 불평형률을 단상 3선식인 경우 양 전압선의 전류의 차를 양 전압선의 전류의 합으로 나누어 2를 곱한 값으로 계산하고 3상 4선식인 경우 양 전압선의 전류의 차를 양 전압선의 전류의 합으로 나누어 3을 곱한 값으로 계산하여 정상여부를 판정하는 단계; 종합 전압 왜형률(total harmonic distortion : THD)을 계산하여 정상여부를 판정하는 단계; 돔비(Dombi)의 퍼지소속함수(fuzzy membership function)을 적용하여 기대값을 계산한 후 이를 통하여 전력컨디션지수를 계산하는 단계; 및 상기와 같이 계산된 전력컨디션지수가 0이상 0.2미만이면 상태1, 0.2이상 0.4미만이면 상태2, 0.4이상 0.6미만이면 상태3, 0.6이상 0.8미만이면 상태4, 0.8이상이면 상태5로 판정하되 위험정도는 상태5쪽으로 갈수록 높아지는 것을 나타내는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
수배전반, 정보시각화, 전력 파라미터, 화재지수, 전력컨디션지수, 퍼지알고리즘.

Description

수배전반의 정보시각화를 위한 퍼지알고리즘 기법의 전력 파라미터 산출방법{A method for calculating power parameters using fuzzy algorithm technology for information visualization of power-receiving/switching boards}
도 1은 본 발명에서 변압기 2차 전압이 110V인 경우의 단계별 유지범위를 나타내고,
도 2는 본 발명에 따른 화재지수 알고리즘의 흐름도를 나타내고,
도 3은 본 발명에 따른 전력컨디션 지수 알고리즘의 흐름도를 나타낸다.
본 발명은 수배전반의 정보시각화를 위해 퍼지 알고리즘 기법을 사용하여 전력 파라미터를 산출하는 방법에 관한 것이다. 특히 본 발명은 화재지수 알고리즘과 전력 컨디션 지수 알고리즘에 관한 것이다.
이 분야의 종래기술의 배경에 대해 간단하게 설명하면 다음과 같다. 먼저 전 력 컨디션 지수(indicator)란 전압, 전류, 불평형률, 변압기 온도와 영상전류 고조파 등 20여가지 파라미터를 조합하여 전력의 실시간 컨디션을 눈으로 보이는 전력상황을 재현하는 기기로써 수배전반내의 모든 온도변화 트랜드를 분석하고 전력요소의 과부하 합성 등을 연산하여 조기에 전기화재예측 및 파형캡처를 통하여 배전반에서 손쉽게 전력 환경을 판단하는 장치이다.
현재 전기업계는 아날로그 시대에서 이제 디지털시대로 급변하고 있고, 전력계통의 중전기기 또한 예외는 아니다. 최근 디지털 계전기, 디지털 전력량계의 원격검침 등의 발전 상황을 보면 중전기기의 디지털화가 급속도로 이루어지고 있음을 쉽게 알 수 있다.
수배전반 또한 마찬가지로 초기에는 아날로그식으로 모든 조작이 수동적으로 이루어졌으나, 90년대 중반부터 현재까지 일체화, 전자화 및 디지털화가 급속하게 진행되어 왔다. 따라서 수배전반 내에는 마이크로프로세서(microprocessor)가 내장되기에 이르렀으며 수많은 데이터가 내부에서 처리되고 있다. 컴퓨터의 급속한 발달로 인해 이러한 데이터 저장 시스템(data storage system)에는 사람이 파악하고 판단하기에 불가능할 정도로 매우 방대하고 다양한 데이터가 존재하므로 이런 수많은 데이터들은 그룹화되고 분류될 필요가 있다. 어떠한 시스템의 개발자와 사용자가 이런 수많은 데이터를 효과적으로 파악하기 위한 정보시각화(information visualization)는 하나의 거대한 새로운 분야가 되었으며, 그에 따른 세부분야를 지속적으로 연구 중이다. 또한 그래픽적인 표현을 도입함으로서 교육적 효과도 기대할 수가 있다. 개발자와 사용자 모두가 보다 쉽게 정보를 파악하고 공유하는 것 은 매우 중요한 일이지만 최근까지 국내 수배전반에는 계측기기의 측정값 표시로 정보시각화 관점에서 접근한 것이 아니라 계측값을 단지 보여주는 수준에 불과하였다.
또한 이런 현실상황과는 상반되게 중소규모 수용가 수배전반에는 현장 운영자가 아예 없거나 있더라하더라도 전기에 대한 전문적인 지식이 없거나 혹은 수준이 낮은 초보자가 대부분이다. 사용자의 욕구에 맞추어 수배전반은 날이 갈수록 전문화되며 발전하고 있으나 실제 현장 운영자에게 효과적인 정보전달은 사실상 힘든 실정이다. 또한 수배전반에는 여러 가지 장비가 통합되어 있으며 특히 변압기가 포함되어 있으므로 과부하, 혹은 절연물 열화 등에 의해 변압기에 악영향을 미칠수 있는 요소들이 항시 존재하고 있다. 이런 위험 요소를 사고가 발생하기 이전에 분석하고 예방하는 것이 무엇보다 중요하다. 기존 수배전반의 경우 위급상황 발생하면 현장 운영자가 상태를 손쉽게 파악하고 조치를 취하기가 힘들었고, 따라서 사고의 파급은 더욱더 확산될 수 있는 위험을 가지고 있었다. 현재 수배전반의 전력 상태의 실시간 정보를 효과적으로 보여주며 사고를 사전에 예방하기 위한 목적에서 수배전반의 방대한 측정데이터들의 정보시각화는 반드시 이루어져야할 필요가 있었다.
본 발명은 상기한 종래 기술들의 문제점을 해결하기 위하여 특히 중소규모 수용가 수배전반 측면에서의 수배전반의 정보시각화를 위해 퍼지알고리즘 기법을 이용한 전력 파라미터 산출방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적과 장점은 하기된 발명의 상세한 설명을 읽고 첨부된 도면을 참조하면 보다 명백해질 것이다.
본 발명에 따른 수배전반의 정보시각화를 위한 퍼지알고리즘 기법의 전력 파라미터 산출방법은 크게 화재지수 알고리즘과 전력 컨디션지수 알고리즘의 두 부분으로 구성된다. 이제 이들 각각에 대하여 자세히 설명하기로 한다.
1. 화재지수 알고리즘
매년 국내 전기화재가 점진적으로 증가하고 있는 추세다. 그래서 수배전반 화재지수가 사용자에게 전기화재 발생 확률을 지수로써 표현해줌으로써 큰 사고를 예방하기 위해 사용되고 있다.
화재지수 알고리즘에는 누설전류, 접촉불량, 변압기 절연물 최고온도, 과전압, 결상의 5가지 요소가 포함된다. 영상변류기(ZCT)로부터 누설전류의 양을 측정하며, 각상에 온도센서를 설치하여 접촉불량시 온도상승을 포착한다. 덧붙여 중요한 판단 요소는 변압기 절연물의 최고허용온도이다. 과전압, 결상 또한 화재의 요인이 될 수 있다.
전기설비의 안전을 위해 배선 및 기기에 접지공사가 된 곳을 제외하고 전부 대지로부터 절연하는 것을 원칙으로 하고 있다. 만약 전로/기기의 절연이 불충분하 면 누설전류에 의한 화재/감전의 위험이 있을 수 있다. 화재를 적절한 시기에 예방하기 위해 누설전류는 반드시 감시해야 할 항목이다. 누설전류는 영상변류기(ZCT)로부터 측정하며, 최대 허용치를 초과할 경우 화재위험확률이 100[%]라고 판정한다.
일반적으로 국내 중소규모 수용가 수배전반은 22.9[kV]로 수전을 받아 변압기를 통하여 380[V] 및 220[V]의 저압으로 낮추어 수용가에 전력을 공급한다. 매우 높은 전압이 수배전반을 통과하기 때문에 수배전반내에 연결 부위에 접촉불량이 발생할 경우 매우 위험하다. 그 이유는 접촉 부위불량으로 인한 과열, 합선 및 누전, 아크가 발생할 수가 있기 때문이다. 이 접촉불량은 온도센서에 의하여 측정된다. 누설전류와 마찬가지로 센서에 기준온도치를 상회하는 온도가 측정될 경우 화재위험확률 100[%]라 판정한다.
국내 배전용 변압기 과부하 판정기준은 단기간 정격은 최대 130[%]까지 허용하고 있다. 하지만 변압기의 효율적, 경제적 사용을 위해서는 단시간 과부하를 고려하여야 하며 변압기가 비정상적인 수명손실을 일으키는 범주를 설정해야만 할 것이다. IEEE, IEC, JEC 등의 국외 규정들은 절연물의 최고 허용온도를 절연물 종류별로 제시를 하고 있으며, 1~2시간의 단시간 과부하인 경우 각기 다르게 적용하고 있다. 본 발명에서는 이러한 변압기의 비정상적인 수명손실 여부의 판정기준을 변압기 절연물의 허용온도로 보았다.
한편 대표적인 변압기의 종류에는 크게 몰드식과 유입식이 있다. 유입식 변압기의 경우, 변압기 오일 최상부 지점에 센서를 설치하여 측정된 온도(top-oil temperature)로부터 권선최고온점(hot spot temperature)을 추정할 수 있다. 건식 변압기는 권선에 센서를 설치하여 역시 권선최고온점을 추정할수 있다. 이 추정된 최고온점이 허용기준을 넘어설 경우 화재위험지수 경보발령으로 판정한다.
계통에서 과전압의 원인은 낙뢰, 선로의 사고, 차단기의 개폐동작 혹은 고장, 비선형/선형 공진, 부하의 급격한 변화, 캐패시터 스위칭 등으로 여러 가지가 있다. 전선로에 걸리는 고전압에 의해 권선의 절연이 파괴되고 결국 소손될 수가 있다. 그러나 피뢰기에 의해 보호가 되므로 실제로 일어날 가능성은 적지만 화재의 가능성을 고려해보면 한 번의 순간과전압에 의해 절연이 파괴될 수 있으므로 과전압 또한 수배전반 실무 사용자가 반드시 주시해야할 항목이다. 본 발명에서는 정격 2차전압의 130[%]이상의 과전압이 발생시 화재위험확률 100[%]로 보았다.
마지막으로 3상 중에 결상이 생길 경우 과전류가 흐를수 있으며 이로 인하여 화재위험이 매우 크므로 결상을 검출하여 화재지수로 이용하였다. 각 상의 전류를 측정하여 어느 하나라도 전류가 흐르지 않는다면 결상으로 판정한다.
본 발명에서는 이 5가지 요소에 대해서 각각 한계 기준치를 설정하였다. 5가지 요소중 어느 한가지라도 한계 기준치를 넘어서면 화재위험 가능성이 매우 높다고 판단하였다. 각 요소들에 대한 화재지수 데이터들의 한계기준치는 표 1과 같다.
Figure 112005003785349-PAT00001
본 발명의 화재지수 알고리즘(일명 'SS 화재지수 알고리즘'이라고도 한다)은 다음의 단계들로 이루어진다.
1-1. 누설전류 계산 단계
Ilimit = 100mA를 초과시 무조건 위험 판정 (즉, 1로 판정)
누설전류 = 측정누설전류/ 기준값(100mA) → 누설전류 설정치는 기준에 따라 변경 가능
1-2. 접촉불량 판단 단계
Tlimit = 80℃ 초과시 무조건 위험 판정 (즉, 1로 판정)
접촉불량 온도 = 측정 온도/ 기준값(80℃) → 접촉불량 설정치는 기준에 따라 변경 가능
1-3. 변압기 온도 측정 단계
1) 절연물 최고허용온도 측정 알고리즘 (유입식의 경우)
가. A종: 105℃
한계 최상부 유온(top oil temperature): 105℃-15℃=90℃
① 정상
1단계: 최상부 유온이 39℃이하인 경우
2단계: 최상부 유온이 40~49℃인 경우
3단계: 최상부 유온이 50~59℃인 경우
② 주의
4단계 도달시: “절연지 열화 가능” 메시지 출력
1단계(경보): 최상부 유온이 60~69℃인 경우
2단계(주의): 최상부 유온이 70~79℃인 경우
3단계(요주의): 최상부 유온이 80~89℃인 경우
4단계(위험): 최상부 유온이 96℃이상인 경우
나. E종: 120℃
한계 최상부 유온: 120℃-15℃=105℃
① 정상
1단계: 최상부 유온이 44℃이하인 경우
2단계: 최상부 유온이 45~59℃인 경우
3단계: 최상부 유온이 60~74℃인 경우
② 주 의
4단계 도달시: “절연지 열화 가능” 메시지 출력
1단계(경보): 최상부 유온이 75~84℃인 경우
2단계(주의): 최상부 유온이 85~94℃인 경우
3단계(요주의): 최상부 유온이 95~104℃인 경우
4단계(위험): 최상부 유온이 105℃이상인 경우
2) 절연물 최고허용온도 측정 알고리즘(몰드식 및 건식의 경우)
가. B종: 130℃
한계 권선온도: 130℃-20℃=110℃(여기서 20℃는 IEC 60076-11을 기준으로하여 권선의 최고온점과의 차이의 여유분이다)
① 정상
1단계: 권선온도가 49℃이하인 경우
2단계: 권선온도가 50~64℃인 경우
3단계: 권선온도가 65~79℃인 경우
② 주 의
4단계 도달시: “절연물 열화 가능” 메시지 출력
1단계(경보): 권선온도가 80~89℃인 경우
2단계(주의): 권선온도가 90~99℃인 경우
3단계(요주의): 권선온도가 100~109℃인 경우
4단계(위험): 권선온도가 109℃ 이상인 경우
나. F종: 155℃
한계 평균권선온도: 155℃-20℃=135℃(여기서 20℃는 IEC60076-11을 기준으로 하여 권선의 최고온점과의 차이의 여유분이다)
① 정상
1단계: 권선온도가 69℃이하인 경우
2단계: 권선온도가 70~84℃인 경우
3단계: 권선온도가 85~104℃인 경우
② 주 의
4단계 도달시: “절연지 열화 가능” 메시지 출력
1단계(경보): 권선온도가 105~114℃인 경우
2단계(주의): 권선온도가 115~124℃인 경우
3단계(요주의): 권선온도가 125~134℃인 경우
4단계(위험): 권선온도가 135℃ 이상인 경우
다. H종: 180℃
한계 평균권선온도: 180℃-20℃=160℃(여기서 20℃는 IEC60076-11을 기준으로하여 권선의 최고온점과의 차이의 여유분이다)
① 정상
1단계: 권선온도가 60℃이하인 경우
2단계: 권선온도가 90~109℃인 경우
3단계: 권선온도가 110~129℃인 경우
② 주의
4단계 도달시 : “절연지 열화 가능” 메시지 출력
1단계(경보): 권선온도가 130~139℃인 경우
2단계(주의): 권선온도가 140~149℃인 경우
3단계(요주의): 권선온도가 150~159℃인 경우
4단계(위험): 권선온도가 160℃ 이상인 경우
한편 표 2는 절연물 종류별 최상부 유온 및 권선온도의 한계설정치를 나타내고 있다.
Figure 112005003785349-PAT00002
1-4. 과전압 측정 단계
과전압은 아래의 세 단계로 구분된다.
① 1단계: 정상
② 2단계: 주의
③ 3단계: 위험
그리고 변압기 2차 전압의 유지 범위의 일예를 도 1에 나타내었다. 도 1은 2차전압이 110볼트인 경우의 변압기 2차전압의 유지범위를 나타내고 있다. 1단계는 110 ~ 121V, 2단계는 110 ~ 132V, 3단계는 110 ~ 143V가 된다.
2차전압이 220볼트인 경우, 380볼트인 경우 및 440볼트인 경우도 같은 방법으로 나타낼 수 있다. 즉 2차전압이 220볼트인 경우, 1단계는 220 ~ 242V, 2단계는 220 ~ 264V, 3단계는 220 ~ 286V가 되고, 2차전압이 380볼트인 경우, 1단계는 380 ~ 418V, 2단계는 380 ~ 456V, 3단계는 380 ~ 494V가 되고, 2차전압이 440볼트인 경우, 1단계는 440 ~ 484V, 2단계는 440 ~ 528V, 3단계는 440 ~ 572V가 된다.
1-5. 결상 판단 단계
각 상의 전압을 측정하여 한상이라도 0V이면 결상으로 판정한다. 결상의 경우는 단계화 시킬수 없으며, 정상과 결상의 두가지 결과만 표현한다.
1-6. 화재지수 알고리즘 구동단계
본 발명에서는 위의 5가지 요소에 대해서 각각 한계 기준치를 설정하였다. 5가지 요소중 어느 한 가지라도 한계 기준치를 넘어서면 화재위험 가능성이 매우 높다고 판단한다. 각 요소들의 한계기준치는 표 1과 같다. 도 2는 화재지수 알고리즘 의 흐름도를 보여주고 있다. 위험정도를 각 상태(state)별로 표현하며, 상태 1(state 1)에서 상태 5(state 5)쪽으로 갈수록 화재확율은 높아진다. 상태 6(state 6)은 화재경보 수준이다.
본 발명에서는 또한 각 요소들의 허용기준 경계의 불확실성을 처리하기 위하여 퍼지소속함수(fuzzy membership function)를 적용하였다. 보다 효과적인 소속정도를 설정하기 위하여 Dombi가 제안한 S 형태의 소속함수를 사용한다. 이 방법은 계수의 조정을 통해 사용자가 원하는 소속정도를 설정할 수 있는 장점이 있다. 한계설정치를 초과하지 않을 경우는 도 5의 흐름도에 따라서 각 데이터를 돔비가 제안한 퍼지소속함수(fuzzy membership function)에 대입하여 기대값을 구한다. Dombi의 소속함수는 수학식 1과 같이 정의된다.
Figure 112005003785349-PAT00003
여기서 a는 구간의 하한치, b는 구간의 상한치, λ는 곡선의 기울기, v는 굴절점이다.
각각 계산된 μ(x)에 적절한 가중치(weight) w를 곱하여 결과값을 도출한다. 수학식 2는 화재위험지수를 표현한 식이다.
Figure 112005003785349-PAT00004
여기서 s는 화재위험확율, wi는 i번째 데이터의 가중치, μi(x)는 i번째 데이터의 기대값, xi는 i번째 데이터의 입력값이다.
각 파라메터들 중 어느 하나라도 기준 한계치를 넘어서면 1, 즉 무조건 위험으로 판정한다. 그렇지 않으면 가중치를 곱하여 판정한다.
① 규칙 1
5가지 파라메터중 어느 하나라도 최대 기준치를 초과하면 화재 위험지수 100% 로 판정.
② 규칙 2
규칙 1 상황이 아니라면, 각 파라메터 값을 백분율 환산하여 모두 합산한 후 5로 나누어서 판정.
③ 규칙 3
다음 공식에 의해 각 파라메터를 백분율로 환산한다. 변압기온도는 수학식 3에 의해 구한다.
Figure 112005003785349-PAT00005
여기서 적용공식은 절연물별로 다르다. 나머지 파라메터, 누설전류, 접속불량, 과부하전압을 백분율로 환산하고, 결상의 경우 정상일때 기대값은 0, 결상일 경우 1이 된다.
1) 소속함수(membership function)
① 누설전류
Figure 112005003785349-PAT00006
여기서 a는 구간의 하한치, b는 구간의 상한치, λ는 곡선의 기울기, v는 굴절점이다.
② 접촉불량
Figure 112005003785349-PAT00007
여기서 a는 구간의 하한치, b는 구간의 상한치, λ는 곡선의 기울기, v는 굴절점이다.
③ 변압기온도
Figure 112005003785349-PAT00008
여기서 a는 구간의 하한치, b는 구간의 상한치, λ는 곡선의 기울기, v는 굴절점이다.
④ 과전압
Figure 112005003785349-PAT00009
여기서 a는 구간의 하한치, b는 구간의 상한치, λ는 곡선의 기울기, v는 굴절점이다.
⑤ 결 상
결상은 0 아니면 1이 된다.
2) 각 파라메터 계수 설정
표 3 내지 7의 각각은 변압기 종류(유입식, 몰드식, 건식)와 절연물의 종류에 따른 각 파라메터의 설정치를 나타낸다.
Figure 112005003785349-PAT00010
표 3은 유입식, A종 절연물의 경우를 나타낸다. 표 4는 유입식, E종 절연물의 경우를 나타낸다.
Figure 112005003785349-PAT00011
표 5는 몰드 및 건식, B종 절연물의 경우를 나타낸다.
Figure 112005003785349-PAT00012
표 6은 몰드 및 건식, F종 절연물의 경우를 나타낸다.
Figure 112005003785349-PAT00013
표 7은 몰드 및 건식, H종 절연물의 경우를 나타낸다.
Figure 112005003785349-PAT00014
3) 비퍼지화 (결과값 도출)
각 파라메터중 어느하나라도 한계치 초과하면 state 6 으로 판정한다. 이 경우는 화재위험이 100%이다. 그리고 결과식은 최종적으로 수학식 8과 같다.
Figure 112005003785349-PAT00015
이 식으로 얻어진 결과값에서 다음과 같은 단계로 최종 판정을 내린다.
State1: 0 ≤ x < 0.2
State2: 0.2 ≤ x < 0.4
State3: 0.4 ≤ x < 0.6
State4: 0.6 ≤ x < 0.8
State5: 0.8 ≤ x
2. 전력 컨디션 지수 알고리즘
수배전반을 운용함에 있어 가장 유용한 데이터 중에는 전기요금과 전기품질 데이터가 있다. 다시 말하면, 사용기기의 전력량과 전기품질을 일반적으로 사용자는 가장 궁금해 한다고 할 수 있다. 전력컨디션 지수는 이런 관점에서 수배전반 관리자에게 가장 유용한 데이터를 보여주는데 그 목적이 있다. 따라서 본 발명에서 전력컨디션지를 전압, 전류, 역율, 주파수, 불평형율, 전압왜형율로 구성을 하였다.
첫째로 변압기 2차측에 흐르는 전류값을 CT를 통하여 측정하고 정상전류뿐만 아니라 과부하전류까지 백분율 형태로 표현하여 과부하 여부를 한눈에 보여준다. 과부하란 다시 말해 변압기의 이용율이라 할 수 있다. 그러나 부하의 불평형을 고려하면 가장 큰 상전류를 변압기 정격전류로 나누는 수학식 9를 최대 이용율 K0라 정의 하였다.
Figure 112005003785349-PAT00016
여기서,
Figure 112005003785349-PAT00017
는 변압기 허용전류, Ia, Ib, Ic는 a, b, c 각 상의 전류이다.
표 8은 국내 배전계통의 전압 유지범위를 나타내며, 전기사업법 시행규칙 제18조(전기의 품질수준)에 의거하였다. 기준전압이 유지범위를 벗어나는 경우 상태별로 정상, 주의, 점검요로 디스플레이한다. 예를 들어, 변압기 2차측 배전전압이 220볼트일 경우, 현재전압이 213 ~ 227볼트 사이라면 상태 1(정상)으로 판정하고, 207 ~ 233볼트 사이면서 상태 1을 넘어선다면 상태 2(주의)로 판정하고, 207볼트 보다 낮거나 233볼트 보다 높다면 상태 3(점검요)로 판정한다.
Figure 112005003785349-PAT00018
현재 국내에서 부하역율은 90[%] 이상을 유지해야 한다. 그 이유는 역율 90[%]를 유지하면 전기요금에 불이익을 받지 않기 때문이며, 이 90[%]를 기준역율이라 총칭하고 있다. 기준역율을 유지하기 위하여 적정용량의 콘덴서를 개개 사용설비별로 설치하되, 사용설비와 동시에 개폐되도록 해야 한다. 이 때 사용자는 콘덴서의 부분 또는 일괄개폐장치 등을 설치하여 진상역률(進相力率)이 되지 않도록 규정되고 있다. 알고리즘에서는 역율 100[%]~90[%](기준역율)는 정상으로 표시하고, 90[%]~70[%]는 주의상태로서 표기하며, 70%보다 떨어질 경우는 경보를 울려주고 주의 메시지를 출력한다. 진상역율이 될 경우는 경보를 울려주고 '개패시터를 차단하라' 등의 메시지를 출력한다.
전류 불평형(unbalance 또는 imbalance)은 모든 3상의 평균 전류에 대한 각 상의 전류의 편차(deviation)로 정의되며 수학식 10에 의해 계산될 수 있다. 또는 이 전류불평형은 대칭분요소를 사용하여 정의할 수 있는데, 정상분요소(I1)에 대한 역상분 요소(I2)의 비율에 의해 불평형율을 표현한다. 대칭분 요소에 의한 정의는 수학식 11과 같다.
Figure 112005003785349-PAT00019
Figure 112005003785349-PAT00020
본 발명에서 수배전반 변압기의 전류 불평형율을 계산하기 위해 식 2를 사용하였다. 국내 전류 불평형율은 3상 4선식의 경우 30[%], 단상 3선식의 경우는 40[%]를 초과하지 않도록 규정하고 있다. 따라서 3상인 경우 30[%]의 불평형율, 단상의 경우 40[%]의 불평형율을 한계치로 설정하고 디스플레이한다.
마지막으로 주파수를 살펴보면, 주파수 변동의 주원인은 매순간 수요와 공급의 불일치이다. 공급이 부족할 경우, 주파수는 떨어지며, 과다하게 공급되면 주파수는 올라가게 된다. 외란에 민감한 부하가 있는 수용가가 있다면, 일정한 주파수와 크기를 가지는 안정된 전압이 필요하게 되며 정격주파수 60[Hz]일 경우 변동 한도범위는 ±0.1～±0.3[Hz]으로 규정된다. 따라서 ±0.3[Hz]를 한계치로 설정하고 주파수의 변동을 시각적으로 디스플레이한다.
고조파 전류의 발생원은 대부분 전력전자소자를 사용하는 기기에서 발생한다. 앞에서 설명하였듯이 기존의 아날로그식 수배전반과 달리 최근의 수배전반은 전자화, 디지털화 되어 전력전자소자가 많이 사용되고 있다. 고조파는 기본파에 대하여 그의 정수배를 갖는 주파수를 말하고, 통상 왜형파의 질을 나타내는 수치로 종합전압왜형율(Total Harmonic Distortion : THD) 및 고조파 함유율로 나타낼수 있다. 한국전력공사 전기공급 약관에 의하면 66[kV] 이하의 지중선로 및 가공선로가 있는 변전소에서 공급하는 수용가에 대하여 전압왜형율을 3[%]로 규정하고 있다. 따라서 본 발명에서는 3[%]의 전압왜형율을 한계치로 설정하고 시각적으로 디스플레이한다.
전력 컨디션 지수 알고리즘은 전력상태를 얼마나 효과적이고 시각적으로 사용자에게 표현해주느냐에 주 관점을 두고 있다. 따라서 화재알고리즘과 달리 한계 기준치를 초과한다고 해서 바로 위험상태라고 판정하지 않고, 5가지 요소를 모두 조합하여 판정한다. 화재지수와 같은 방법으로 각 데이터에 따른 기대값을 구하여 상태를 디스플레이한다.
2-1. 전류(과부하전류) 측정 단계
변압기의 이용률은 수학식 12와 같이 표현된다.
Figure 112005003785349-PAT00021
실제 최대부하전류는 수학식 13과 같다.
Figure 112005003785349-PAT00022
따라서, 이 최대전류를 기본으로 각 상에서 측정한 부하전류중 가장 큰 값과 비교하여 과부하 여부를 판정한다.
① 정상
Figure 112005003785349-PAT00023
가 69% 이하인 경우: 1단계
Figure 112005003785349-PAT00024
가 70~79% 인 경우: 2단계
Figure 112005003785349-PAT00025
가 80~89%인 경우: 3단계
Figure 112005003785349-PAT00026
가 90~99%인 경우: 4단계
여기서 각상의 전류는 5분치의 평균값이다.
② 과부하
Figure 112005003785349-PAT00027
가 100~109%인 경우: 1단계
Figure 112005003785349-PAT00028
가 110~119% 인 경우: 2단계
Figure 112005003785349-PAT00029
가 120~129%인 경우: 3단계
Figure 112005003785349-PAT00030
가 130~140%인 경우: 4단계
2-2. 기준전압 (부족전압, 과전압) 측정 단계
기준전압은 2차측 배전전압 유지범위에 의해 결정된다.
① 1단계: 정상
② 2단계: 주의
③ 3단계: 위험
3단계 도달시 “전압상승(전압강하) 발생 주의” 메시지를 준다.
변압기 1차 전압의 유지범위는 1단계는 12,800V/21,850V ~ 13,500V/23,350V, 2단계는 12,000V/20,800V ~ 13,800V/23,800V, 3단계는 2단계 밖의 범위를 나타낸다. 변압기 2차 전압이 110볼인 경우의 유지범위는 1단계는 107V ~ 113V, 2단계는 104V ~ 116V, 3단계는 2단계 밖의 범위를 나타내고, 변압기 2차측 전압이 220볼트인 경우의 유지범위는 1단계는 213V ~ 227V, 2단계는 207V ~ 233V, 3단계는 2단계 밖의 범위를 나타내고, 변압기 2차측 전압이 380볼트인 경우의 유지범위는 1단계는 361V ~ 391V, 2단계는 342V ~ 418V, 3단계는 2단계 밖의 범위를 나타내고, 변압기 2차측 전압이 440볼트인 경우의 유지범위는 1단계는 427V ~ 453V, 2단계는 414V ~ 466V, 3단계는 2단계 밖의 범위를 나타낸다.
2-3. 기준역율의 측정 단계
기준역율(90%)을 기준으로 지상/진상 여부를 판단한다. 즉 (+)는 지상, (-)는 진상이다.
① 정상
역률 = +- 100 ~ 96%: 1단계
= +- 95 ~ 91%: 2단계
② 주 의
역률 = +- 90 ~ 81%: 1단계
= +- 80 ~ 71%: 2단계
= +- 70%이하: 3단계
2-4. 불평형율 계산단계
각 상의 전류에 의한 불평형율 계산(단상: 40%, 삼상: 30%)
1) 단상 3선식
한계 불평형율: 40%
Figure 112005003785349-PAT00031
= 29%이하: 1단계
=30~39%: 2단계
=40%초과: 3단계
2) 3상 4선식
한계 불평형율: 30%
Figure 112005003785349-PAT00032
= 19% 이하: 1단계
=20~29%: 2단계
=30%초과: 3단계
2-5. 주파수 측정 단계
상시 주파수(60Hz)를 감시하고, 주파수를 측정하여 표기해 주며, ±0.3[Hz]를 초과시 1로 본다.
2-6. 종합 전압 왜형율(VTHD) 측정 단계
종합 전압 왜형율을 수학식 14에 따라 계산한다.
Figure 112005003785349-PAT00033
여기서, Vn: 제 n차 고조파 전압의 실효치,
V1: 기본파 전압의 실효치
VTHD 가 3%이상이면 1(규정초과)로 보고, 0%~3%까지는 단계별로 디스플레이 한다.
2-7. 전력컨디션지수 알고리즘의 구동 단계
1) 소속함수(membership function)
① 전압계산 단계
Figure 112005003785349-PAT00034
여기서, Vd는 정격전압, λ는 최소값을 뜻한다.
② 주파수계산 단계
Figure 112005003785349-PAT00035
여기서, Fd는 정격주파수[60Hz], λ는 최소값을 뜻한다.
③ 전 류
Figure 112005003785349-PAT00036
여기서 a는 구간의 하한치, b는 구간의 상한치, λ는 곡선의 기울기, v는 굴절점이다.
④ 기준역율
Figure 112005003785349-PAT00037
여기서 a는 구간의 하한치, b는 구간의 상한치, λ는 곡선의 기울기, v는 굴절점이다.
⑤ 불평형율
Figure 112005003785349-PAT00038
여기서 a는 구간의 하한치, b는 구간의 상한치, λ는 곡선의 기울기, v는 굴절점이다.
⑥ VTHD
Figure 112005003785349-PAT00039
여기서 a는 구간의 하한치, b는 구간의 상한치, λ는 곡선의 기울기, v는 굴절점이다.
2) 각 파라메터 계수 선정 단계
표 9는 2차 기준전압이 110V인 경우를 나타낸다.
Figure 112005003785349-PAT00040
표 10은 2차 기준전압이 220V인 경우를 나타낸다.
Figure 112005003785349-PAT00041
표 11은 2차 기준전압이 380V인 경우를 나타낸다.
Figure 112005003785349-PAT00042
표 12는 2차 기준전압이 440V인 경우를 나타낸다.
Figure 112005003785349-PAT00043
3) 비퍼지화 단계(결과값 도출)
결과값은 수학식 21에 의해 구한다.
Figure 112005003785349-PAT00044
이 식으로 얻어진 결과값에서 다음과 같은 단계로 최종 판정을 내린다.
State1: 0 ≤ x < 0.2
State2: 0.2 ≤ x < 0.4
State3: 0.4 ≤ x < 0.6
State4: 0.6 ≤ x < 0.8
State5: 0.8 ≤ x
도 3은 전력컨디션 지수 알고리즘의 흐름도를 보여준다.
이처럼 본 발명은 다양하게 변형될 수 있고 여러 가지 형태를 취할 수 있으며 상기 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시예에 대해서만 기술하였다. 하지만 본 발명은 상기 발명의 상세한 설명에서 언급된 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 실시에 의해 40여 가지의 전력 파라미터를 복합 연산하는 전력 컨디션 알고리즘으로 수배전반에서 실시간 전력부하의 현재와 DB등을 입체적으로 분석 제공하여 사용자로 하여금 손쉽고 안전한 운전을 할 수 있다.
또한 본 발명의 실시에 의해 40개의 주요한 전력 파라미터를 분석하여 정상을 100%로하고 최대지수를 700%로 표시하여 활선 실부하 상태의 현재 값을 지능적인 함수 분석프로그램으로 정확한 안전관리 지표지수를 제시할 수 있다.
이밖에 본 발명을 통해 각 요소들의 허용기준 경계의 불확실성을 처리하기 위하여 퍼지소속함수(fuzzy membership function)을 적용하였고, 보다 효과적인 소 속정도를 설정하기 위하여 Dombi가 제안한 S 형태의 소속함수를 사용하여 처리하였으며, 본 발명은 계수의 조정을 통해 사용자가 원하는 소속정도를 설정할 수 있는 장점이 있다.

Claims (2)

  1. 수배전반에서의 누설전류량, 접촉불량 여부, 변압기 최고온도, 과전압 여부 및 결상 여부를 측정, 분석하여 화재위험정도를 나타내는 화재지수를 퍼지 알고리즘 기법을 이용하여 산출하는 방법에 있어서,
    상기 누설전류량은 영상변류기(ZCT)로부터 측정하고, 상기 접촉불량 여부를 판단하기 위해 각 상에 설치된 온도센서의 온도를 측정하고, 상기 변압기 최고온도를 추정하기 위해 유입식 변압기의 경우 변압기 오일 최상부 지점에 설치된 센서의 온도를 측정하고 몰드식 및 건식 변압기의 경우 권선에 설치된 센서의 온도를 측정하고, 상기 과전압 여부를 판단하기 위해 변압기에서 발생하는 전압을 측정하고, 결상 여부를 판단하기 위해 3상의 전류를 측정하는 단계;
    상기 누설전류량 또는 상기 접촉불량 여부를 판단하기 위해 측정된 온도 또는 변압기 최고온도를 추정하기 위해 측정된 온도 또는 변압기에서 발생하는 전압 중 어느 하나라도 미리 정한 한계기준치를 넘어서거나, 3상전류중 어느 1상에라도 전류가 흐르지 않는 경우 화재지수를 상태6(위험)으로 판정하는 단계;
    상기와 같이 화재지수가 상태6으로 판정되지 않은 경우 돔비(Dombi)의 퍼지소속함수(fuzzy membership function)를 적용하여 기대값을 계산한 후 이를 통하여 화재지수를 계산하는 단계; 및
    상기와 같이 계산된 화재지수가 0이상 0.2미만이면 상태1, 0.2이상 0.4미만이면 상태2, 0.4이상 0.6미만이면 상태3, 0.6이상 0.8미만이면 상태4, 0.8이상이면 상태5로 판정하되 화재위험정도는 상태5쪽으로 갈수록 높아지는 것을 나타내는 단계를 포함하여 이루어지고,
    상기 누설전류량의 한계기준치로서 100mA를 설정하고,
    상기 접촉불량 여부를 판단하기 위해 각 상에 설치된 온도센서의 온도의 한계기준치로서 80°C를 설정하며,
    유입식 변압기 A종 절연물인 경우 상기 변압기 최고온도를 추정하기 위해 측정된 온도의 한계기준치로서 90°C를 설정하고, 최상부의 온도가 39°C 이하이면 정상1상태로, 40~49°C이면 정상2상태로, 50~59°C이면 정상3상태로, 60~69°C이면 주의1상태(경보)로, 70~79°C이면 주의2상태(주의)로 80~89°C이면 주의3상태(요주의)로, 90°C이상이면 주의4상태(위험)으로 판정하고,
    유입식 변압기 E종 절연물인 경우 상기 한계기준치로서 105°C를 설정하고, 최상부의 온도가 44°C 이하이면 정상1상태로, 45~59°C이면 정상2상태로, 60~74°C이면 정상3상태로, 75~84°C이면 주의1상태(경보)로, 85~94°C이면 주의2상태(주의)로 95~104°C이면 주의3상태(요주의)로, 105°C이상이면 주의4상태(위험)으로 판정하고,
    몰드식 또는 건식 변압기 B종 절연물인 경우 상기 한계기준치로서 110°C를 설정하고, 권선의 온도가 49°C 이하이면 정상1상태로, 50~64°C이면 정상2상태로, 65~79°C이면 정상3상태로, 80~89°C이면 주의1상태(경보)로, 90~99°C이면 주의2상태(주의)로 100~109°C이면 주의3상태(요주의)로, 110°C이상이면 주의4상태(위험)으로 판정하고,
    몰드식 또는 건식 변압기 F종 절연물인 경우 상기 한계기준치로서 135°C를 설정하고, 권선의 온도가 69°C 이하이면 정상1상태로, 70~84°C이면 정상2상태로, 85~104°C이면 정상3상태로, 80~89°C이면 주의1상태(경보)로, 90~99°C이면 주의2상태(주의)로 100~109°C이면 주의3상태(요주의)로, 110°C이상이면 주의4상태(위험)으로 판정하고,
    몰드식 또는 건식 변압기 H종 절연물인 경우 상기 한계기준치로서 160°C를 설정하고, 권선의 온도가 60°C 이하이면 정상1상태로, 90~109°C이면 정상2상태로, 110~129°C이면 정상3상태로, 130~139°C이면 주의1상태(경보)로, 140~149°C이면 주의2상태(주의)로 150~159°C이면 주의3상태(요주의)로, 160°C이상이면 주의4상태(위험)로 판정하며,
    상기 과전압 여부를 판단하기 위해 변압기에서 발생하는 전압의 한계기준치로서 정격 2차 전압의 130%를 설정하는 것을 특징으로 하는, 화재지수 산출 방법.
  2. 수배전반에서의 전류의 과부하 여부, 전압, 역률, 주파수, 전류 불평형률 및 종합 전압 왜형률을 측정, 분석하여 수배전반 관리자에게 제공하기 위해 퍼지알고리즘 기법을 이용하여 전력컨디션지수를 산출하는 방법에 있어서,
    각 상에서 측정한 부하전류 중 가장 큰 값을 변압기 허용 전류로 나누어서 구한 백분율에 따라 전류의 정상, 과부하를 판정하는 단계;
    변압기의 현재전압과 배전전압을 비교하여 부족전압, 과전압을 판정하는 단계;
    부하역률을 측정하여 기준역률(90%)를 기준으로 정상여부를 판정하는 단계;
    주파수를 측정하여 정격주파수(60Hz)를 기준으로 정상여부를 판정하는 단계;
    전류 불평형률을 단상 3선식인 경우 양 전압선의 전류의 차를 양 전압선의 전류의 합으로 나누어 2를 곱한 값으로 계산하고 3상 4선식인 경우 양 전압선의 전류의 차를 양 전압선의 전류의 합으로 나누어 3을 곱한 값으로 계산하여 정상여부를 판정하는 단계;
    종합 전압 왜형률(total harmonic distortion : THD)을 계산하여 정상여부를 판정하는 단계;
    돔비(Dombi)의 퍼지소속함수(fuzzy membership function)을 적용하여 기대값을 계산한 후 이를 통하여 전력컨디션지수를 계산하는 단계; 및
    상기와 같이 계산된 전력컨디션지수가 0이상 0.2미만이면 상태1, 0.2이상 0.4미만이면 상태2, 0.4이상 0.6미만이면 상태3, 0.6이상 0.8미만이면 상태4, 0.8이상이면 상태5로 판정하되 위험정도는 상태5쪽으로 갈수록 높아지는 것을 나타내는 단계를 포함하여 이루어지고,
    상기 각 상에서 측정한 부하전류 중 가장 큰 값을 변압기 허용 전류로 나누어서 구한 백분율이 69%이하이면 정상1상태로, 70~79%이면 정상2상태로, 80~89%이면 정상3상태로, 90~99%이면 정상4상태로, 100~109%이면 과부하1상태로, 110~119%이면 과부하2상태로, 120~129%이면 과부하3상태로, 130~140%이면 과부하4상태로 판정하고,
    변압기의 배전전압이 110V일 경우, 현재전압이 107~113V이면 상태1(정상)로, 104~116V이면서 상태1의 범위를 벗어나면 상태2(주의)로, 104V보다 낮거나 116V보다 높으면 상태3(위험)으로 판정하고,
    변압기의 배전전압이 220V일 경우, 현재전압이 213~227V이면 상태1(정상)로, 207~233V이면서 상태1의 범위를 벗어나면 상태2(주의)로, 207V보다 낮거나 233V보다 높으면 상태3(위험)으로 판정하고,
    변압기의 배전전압이 380V일 경우, 현재전압이 361~291V이면 상태1(정상)로, 342~418V이면서 상태1의 범위를 벗어나면 상태2(주의)로, 342V보다 낮거나 418V보다 높으면 상태3(위험)으로 판정하고,
    변압기의 배전전압이 440V일 경우, 현재전압이 427~453V이면 상태1(정상)로, 414~466V이면서 상태1의 범위를 벗어나면 상태2(주의)로, 414V보다 낮거나 466V보다 높으면 상태3(위험)으로 판정하며,
    상기 부하역률을 측정하여 100~96%이면 정상1상태로, 95~91%이면 정상2상태로, 90~81%이면 주의1상태로, 80~71%이면 주의2상태로, 70%이하이면 주의3상태로 판정하고,
    상기 측정된 주파수의 변동 한도범위를 59.8~60.2Hz로 정하며,
    전류 불평형률이 단상3선식의 경우 30% 미만이면 정상으로, 30~39%이면 주의로, 40% 이상이면 위험으로 판정하고, 3상4선식의 경우 20% 미만이면 정상으로, 20~29%이면 주의로, 30% 이상이면 위험으로 판정하며,
    상기 종합 전압 왜형률이 3%이상이면 규정 초과로 판단하는 것을 특징으로 하는, 전력컨디션지수 산출 방법.
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