KR20090000130A - 멤버쉽 함수를 이용한 예측 전력량 획득 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 예측 전력량을 획득하는 방법 및 장치에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 멤버쉽 함수를 이용하여 예측 전력량을 획득하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 이를 위해, 본 발명은 일정한 구간 단위로 계측된 측정 전력량 및 평활계수를 이용하여 다음 구간의 제1 예측 전력량을 획득하는 단계와; 상기 측정 전력량 및 상기 측정 전력량이 소비된 시간을 이용하여 보정계수를 결정하는 단계와; 상기 보정계수를 상기 제1 예측 전력량에 적용하여 제2 예측 전력량을 획득하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 예측 전력량 획득 방법을 제공한다.

지수 평활 알고리즘, 퍼지 이론, 멤버쉽 함수.

Description

멤버쉽 함수를 이용한 예측 전력량 획득 방법 및 장치{APPARATUS FOR OBTAINGING AN ESTIMATED POWER QUANTITY USING MEMBERSHIP FUNCTION AND METHOD THEREOF}

도 1은 종래의 디맨드 제어 방식에 대한 그래프.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 예측 전력량 획득장치에 대한 블록도.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 지수평활 기법을 적용하여 획득된 전력에 대한 그래프.

도 4a, 4b 및 4c는 본 발명의 일실시예에 따른 퍼지 제어 기법에 이용되는 입력 변수에 대한 멤버쉽 함수 및 보정계수를 나타내는 그래프.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 입력변수에 대한 멤버쉽 함수의 출력에 따른 보정계수를 나타내는 테이블.

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 예측 전력량 획득 방법을 나타내는 흐름도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

201. 전력량측정부

202. 지수평활기법적용부 및/또는 퍼지제어기법적용부

203. 작동부

본 발명은 예측 전력량을 획득하는 방법 및 장치에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 멤버쉽 함수를 이용하여 예측 전력량을 획득하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 종래의 전력량 예측 방법은 일정한 샘플링 구간 내에서 기울기를 이용하여 전력량을 예측하기 때문에, 전력의 변동이 심한 곳에서 안정적이지 못한 예측 값을 유도하는 문제점을 내포하고 있다. 특히 발전기를 이용하여 부하 분배를 수행할 때, 빈번한 온(on)/오프(off)는 발전기의 내구성 및 성능 등에 치명적인 손실을 초래한다.

도 1은 종래의 디맨드 예측 알고리즘을 이용하여 획득된 예측 전력량을 도시한다. 도 1을 참조하면, 디맨드 시한 t2에서 큰 전력량이 측정될 경우, 예측전력량이 R이 되기 때문에 목표전력량 Q보다 크게 예측된다. 따라서, 실제로 시한 종료시 최종전력량(PL)은 목표전력량(Q)보다 작아 발전기를 기동시키지 말아야함에도 불구하고, 불필요하게 발전기를 기동시키는 문제점이 발생한다. 최대전력 발생시 부족 전력분의 제어를 위한 발전기의 빈번한 기동/정지는 상대적으로 많은 에너지가 소모될 뿐만 아니라 계전기에 의한 주파수 동기화 및 전압 조정 등 기동시 많은 제약조건을 가지는 문제점을 가진다. 따라서, 전력량 수요를 예측하여 발전기의 온/오프를 제어할 때, 발전기의 온/오프 횟수를 최소화시켜야 할 필요성이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 불필요한 기동정지를 피하고, 필요한 시점에서 부하 분배를 구현해 주는 보다 정확한 예측 전력량을 획득하는 방법 및 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 일정한 구간 단위로 계측된 측정 전력량 및 평활계수를 이용하여 다음 구간의 제1 예측 전력량을 획득하는 단계와; 상기 측정 전력량 및 상기 측정 전력량이 소비된 시간을 이용하여 보정계수를 결정하는 단계와; 상기 보정계수를 상기 제1 예측 전력량에 적용하여 제2 예측 전력량을 획득하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 예측 전력량 획득 방법을 제공한다.

여기서, 상기 평활계수는 상기 측정 전력량 및 상기 측정 전력량 계측 구간의 제1 예측 전력량을 이용하여 획득되는 평균제곱오차(Mean Square Error)가 최소의 값을 가지도록 결정된다. 예를 들면, 상기 평활계수는 상기 평활계수의 값이 0.05에서 1까지 0.05 단위의 20개 값을 가지는 경우에 얻어지는 상기 평균제곱오차 값들 중에서 최소값에 대응되는 값으로 결정될 수 있다. 상기 보정계수를 결정하는 단계는, 멤버쉽 함수를 이용하여 상기 측정 전력량 및 측정 전력량이 소비된 시간 각각에 대한 적합도를 획득하는 단계와; 상기 적합도를 이용하여 상기 보정계수를 결정하는 단계를 포함한다.

또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 일정한 구간 단위로 전력량을 측정하는 전력량측정부; 상기 측정 전력량 및 평활계수를 이용하여 다음 구간 의 제1 예측 전력량을 획득하는 지수평활기법적용부; 및 상기 측정 전력량 및 상기 측정 전력량이 소비된 시간을 이용하여 보정계수를 결정하고, 상기 보정계수를 상기 제1 예측 전력량에 적용하여 제2 예측 전력량을 획득하는 퍼지제어기법적용부를 포함하는 것을 특징으로 하는 예측 전력량 획득 장치를 제공한다. 여기서, 상기 예측 전력량 획득 장치는 상기 제2 예측 전력량과 목표 전력량을 비교한 후에, 상기 비교 결과에 따라 작동 신호를 전송하는 작동부를 더 포함할 수 있다.

이하 상기의 목적을 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 예측 전력량 획득장치에 대한 블록도이다. 상기 예측 전력량 획득장치는 전력량측정부(201), 지수평활기법적용부 및 퍼지제어기법적용부(202) 및 작동부(203)를 포함한다.

도 2를 참조하면, 전력량측정부(201)는 일정한 시간 단위로 소비된 전력량을 측정한다. 그 다음에, 지수평활기법적용부 및 퍼지제어기법적용부(202)는 상기 전력량 및 상기 시간 값을 이용하여 다음 구간의 예측 전력량을 추정하고, 추정된 예측 전력량을 보정한다. 예를 들면, 전력량측정부(201)에서 일정한 구간 단위로 계측된 측정 전력량에 지수 평활 기법(Exponential Smoothing Method)을 적용하여 다음 구간의 예측 전력량을 추정하고, 상기 예측 전력량에 퍼지 제어 기법을 적용하여 예측 전력량을 보정할 수 있다. 상기 지수평활기법적용부(202)에서 이용되는 지수 평활 기법 및 상기 퍼지제어기법적용부(202)에서 이용되는 퍼지 제어 기법은 도 3 및 도 4를 참조하여 뒤에서 상세하게 기술된다. 그 다음에, 작동부(203)는 보정 된 예측 전력량과 목표 전력량(204)를 비교하여 적절한 작동신호를 보낸다. 상기 작동 신호는 발전기 및/또는 부하로 전송될 수 있다. 예를 들면, 보정된 예측 전력량이 목표 전력량(204)보다 큰 경우에, 발전기를 기동하거나 또는 부하 차단 신호를 출력한다. 보정된 예측 전력량이 목표 전력량(204)보다 작은 경우에, 발전기 기동 정지 신호를 출력한다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 지수 평활 기법을 적용하여 획득된 전력에 대한 그래프이다. 도 3의 그래프는 수요 시한 내에 급격한 전력 변화가 있는 디맨드 그래프를 지수 평활 기법으로 변환하여 평활화시킨 것을 나타낸다. 지수 평활 기법에는 최근 자료에 대한 가중치 값을 나타내는 평활계수가 이용되는데, 상기 평활계수가 0.7인 경우에 비하여 0.1인 경우에 더 평활화가 많이 이루어진다는 것을 알 수 있다. 상기 지수 평활 기법은 다음과 같은 단계들을 통해 수행된다.

첫째, 일정한 구간, 예를 들면 15분 수요시간의 처음 전력량 P1을 측정한다. P1은 첫 번째 예측 전력량 F1과 동일하다.

둘째, 다음 샘플링 구간내의 전력량 P2가 입력되면, 실제적인 지수 평활 기법이 수행된다. 먼저 평활계수

를 결정한다. 이때, 상기 평활계수

는 측정 전력량 및 상기 측정 전력량 계측 구간의 제1 예측 전력량을 이용하여 얻어지는 평균제곱오차(Mean Square Error, MSE)가 최소로 될 수 있는 값으로 결정된다. 예를 들면, 상기 평활계수가 0.05부터 1까지의 0.05단위의 총 20개의 값을 가질 때, 20개의 평활계수에 대해서 얻어지는 최소의 평균제곱오차 값 중 최소값을 가지는 평 활계수가 선택될 수 있다. 상기 평활계수를 이용하여 예측 전력량을 획득하는 방법은 아래의 [수학식 1]과 같이 표현될 수 있다.

상술한 것처럼, 첫 번째 예측 전력량 F1은 처음 측정 전력량 P1과 같으며, 상기 F1 및 P1을 이용하여 예측 전력량 F2를 계산할 수 있다. 이때, 평활계수

값을 변화시키면서 최소의 평균제곱오차를 가지는

값을 찾는다. 상기 평균제곱오차는 아래의 [수학식 2]을 통해서 계산될 수 있다.

현재 누적된 측정 전력량 값은 2개이므로 n은 2가 되며, 예측 전력량 역시 2개가 된다.

셋째, 측정 전력량 P3가 입력되면, n=3으로 상기 둘째 단계를 수행하며, 측정 전력량 Pn이 입력됨에 따라 상기 둘째 단계의 예측 과정이 반복된다. 이때, 상기 [수학식 1]의 예측 전력 Fn은 아래의 [수학식 3]과 같이 전개될 수 있다.

예측 전력량은 일정한 단위, 예를 들면 15분 단위로 측정된 과거의 모든 측정 전력량 데이터에 의하여 결정될 수 있다. 상기 [수학식 3]에서 표현된 바와 같이 예측 전력량은 최근의 측정 전력량에 더 많은 영향을 받는다. 이와 같이, 지수 평활 기법을 적용하여 획득된 예측 전력량은 아래에서 기술될 퍼지 제어 기법을 통해 보정될 수 있다.

도 4a, 4b 및 4c는 본 발명의 일실시예에 따른 퍼지 제어 기법에 이용되는 입력 변수의 멤버쉽 함수 및 입력 변수에 대한 멤버쉽 출력을 이용하여 결정된 보정계수(K)를 나타내는 그래프이다. 지수 평활 기법을 적용하여 획득된 예측 전력량을 수정하기 위해 보정계수를 결정한다. 상기 보정계수를 결정하기 위해, 퍼지 제어 규칙을 정립하고, 상기 규칙에 대응하여 멤버쉽 함수를 결정한다. 퍼지 제어 기법은 "예" 또는 "아니오"의 이분법적 논리에서 벗어나, 0과 1 사이의 수많은 다양한 값으로 결과를 도출할 수 있는 알고리즘이다. 본 발명에서는 지수 평활 기법을 적용하여 계산된 예측 전력에 퍼지 제어 규칙을 통해 얻어진 보정계수(K)를 곱하여 예측 전력을 보정한다. 상기 보정계수를 결정하기 위해, 퍼지 제어 규칙은 IF ~ THEN 형식으로 표현되며, 상기 규칙에 대응하여 멤버쉽 함수를 결정한다.

도 4a, 4b 및 4c를 참조하면, 전술한 것처럼 도 4a 및 4b는 각각 퍼지 제어 기법에 이용되는 전력량 및 시간 입력변수에 대한 멤버쉽 함수를 나타내고, 도 4c는 상기 멤버쉽 함수의 출력을 이용하여 결정된 보정계수를 나타낸다. 여기서, 도 4a 및 4b는 퍼지 제어 규칙 중 전건부의 IF에 해당되며, 도 4a의 x축 값은 현재 사용되어 계측된 전력량을 나타내며, 도 4b의 x축 값은 계측된 전력량이 소비된 시간을 나타낸다. 도 4c는 후건부 THEN에 해당되며, 도 4a 및 도 4b를 통해 도출된 최종 전력량 예측을 보정할 보정계수를 나타낸다.

도 4a 및 4b에서, 전건부는 5개로 분할된 삼각형 멤버쉽 함수를 사용하였으으나, 본 발명은 상기 삼각형 멤버쉽 함수로 한정되지 않고 다른 멤버쉽 함수를 이용할 수 있다. 상기 삼각형 멤버쉽 함수는 아래의 [수학식 4]로 표현될 수 있다.

여기서, X는 도 4a, 4b의 전력량과 시간에 해당되고, X1은 -a, X3는 0, X5는 a에 해당될 수 있다. 도 4c의 보정계수는 1을 기준으로 하여 1보다 크면 고감도로, 1보다 작으면 저감도로, 1이면 원래의 값과 같은 감도로 보정됨을 의미한다. 즉, 보정계수가 1이면 종래의 방법으로 계산된 예측 전력을 그대로 사용한다는 의미이다. 상기 멤버쉽 함수의 입력 변수를 이용하여 보정계수를 결정하는 방법은 미리 결정된 테이블을 이용하여 수행될 수 있다.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 입력 변수에 대한 멤버쉽 값 및 그에 따른 보정계수를 나타내는 테이블이다. 도 5를 참조하면, 전력량 입력 변수는 PS(Power Small), PM(Power Medium)1, PM2, PM3 및 PB(Power Big)의 값을 가질 수 있고, 시간 입력 변수는 TS(Time Small), TM(Time medium)1, TM2, TM3 및 TB(Time Big)의 값을 가질 수 있다. 상기 전력량 입력 변수 및 시간 입력 변수가 가지는 값은 단지 예시적인 것이며, 본 발명은 상기 값으로 제한되지 않는다. 도 5를 참조하면, 각각의 전력량 입력 변수 및 시간 입력 변수에 대한 멤버쉽 값에 따라 보정계수가 결정될 수 있다. 도 5의 테이블을 퍼지 제어 규칙의 형태로 표현하면 다음과 같다.

IF PS 및 TS 이면,

THEN 보정계수(K)는 PSTS

...

IF PB 및 TB 이면,

THEN 보정계수(K)는 PBTB

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 예측 전력량 획득 방법을 나타내는 흐름도이다. 본 발명은 작동부, 예를 들면 디맨드 컨트롤러로 하여금 부하 차단의 제어 뿐만 아니라, 발전기를 기동제어 하도록 하여 수용가 측에서 원치 않는 부하 차단을 줄이도록 하였다. 종래의 디맨드 컨트롤 알고리즘은 전력 변동이 심한 곳에서는 안정적이지 못한 예측 값을 유도하여 불필요한 발전기의 기동과 부하 차단 제어를 수행할 수 있으므로, 종래의 디맨드 예측 방법에 "지수 평활 기법" 및 "퍼지 제어 기법"을 적용하여 최대 전력 제어기의 기능과 발전기의 발전량을 동시에 고려한다. 따라서, 상황에 따라 최대전력 제어 기능의 온(on)/오프(off)와 발전기의 기동/정지를 전기 수급 및 목표 전력 값에 맞추기 위한 제어 알고리즘을 제공한다.

도 6을 참조하면, 전력량측정부는 일정한 시간 간격으로 전력량을 측정한다(S601). 그 다음에 지수평활기법적용부는 측정 전력량에 지수 평활 기법을 적용하여 예측 전력량을 추정한다(S602). 상기 지수 평활 기법은 변동이 심한 전력량을 평활화시켜 안정적인 예측 전력량을 추정할 수 있도록 한다. 상기 지수 평활 기법에 이용되는 평활계수는 측정 전력량 및 예측 전력량을 이용하여 계산된 평균제곱오차가 최소가 되도록 선택된다. 그 다음에, 상기 예측 전력량에 퍼지 제어 기법이 적용(S603)되어, 보정된 예측 전력량이 추정된다. 상기 퍼지 제어 기법에 이용되는 보정계수는 전력량 입력 변수 및/또는 시간 입력 변수에 대한 멤버쉽 함수의 출력을 이용하여 결정된다.

그 다음에, 디맨드 컨트롤러와 같은 작동부는 상기 보정된 예측 전력량과 목표 전력량을 비교(S604)한다. 만일, 예측 전력량이 목표 전력량보다 작은 경우에는 발전기 기동 정지 신호를 출력한다(S606). 만일, 예측 전력량이 목표 전력량보다 큰 경우에는 경보를 출력하고(S605), 발전기가 기동 중이라면(S607) 부하 차단 신호를 출력하고(S609), 발전기가 기동 중이 아니라면(S607), 발전기를 기동(S608)한다. 상기 예측 전력량 획득 과정 및 작동부의 동작은 계속 반복될 수 있다.

지금까지 본 발명에 대하여 몇몇 실시예들을 들어 구체적으로 설명하였으나, 상기 실시예들은 본 발명을 이해하기 위한 설명을 위해 제시된 것이며, 본 발명의 범위가 상기 실시예에 제한되는 것은 아니다. 당업자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위를 벗어나지 않고도 다양한 변형이 가능함을 이해할 수 있을 것이며, 본 발명의 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 해석되어야 할 것이다.

본 발명은 수용가의 소비전력량을 정확하게 예측하여 최대 부하관리를 효율적으로 수행하며, 여기에 발전기의 적절한 기동을 더하도록 하는 알고리즘 개발에 대한 것이다.

본 발명에서 제시된 지수 평활 기법 및 퍼지 제어 기법에 관한 예측 알고리즘을 실 계통에 적용할 경우, 조작자의 논리적 판단을 기준으로 한 디맨드 전력을 제어함으로써 정확한 전력량 예측과 발전기 온/오프의 최적화를 통한 수용가의 전기요금 절감 및 운영비 절감 효과, 그리고 적절한 발전기 기동에 따른 부하 차단의 최소화로 수용가 측의 만족스러운 전력소비를 기대할 수 있을 것이다.

또한, 불필요한 기동정지를 배제함으로써 발전기의 내구성뿐만 아니라 안정적인 운전이 가능하여 연료의 절약 및 부대장치의 경제적 이점을 도모할 수 있을 것으로 기대된다.

Claims (13)

1. 일정한 구간 단위로 계측된 측정 전력량 및 평활계수를 이용하여 다음 구간의 제1 예측 전력량을 획득하는 단계;

   상기 측정 전력량 및 상기 측정 전력량이 소비된 시간을 이용하여 보정계수를 결정하는 단계; 및

   상기 보정계수를 상기 제1 예측 전력량에 적용하여 제2 예측 전력량을 획득하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 예측 전력량 획득 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 평활계수는 상기 측정 전력량 및 상기 측정 전력량 계측 구간의 제1 예측 전력량을 이용하여 계산되는 평균제곱오차(Mean Square Error)가 최소의 값을 가지도록 결정되는 것을 특징으로 하는 예측 전력량 획득 방법.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 평활계수는 상기 평활계수의 값이 0.05에서 1까지 0.05 단위의 20개 값을 가지는 경우에 얻어지는 상기 평균제곱오차 값들 중에서 최소값에 대응되는 값으로 결정되는 것을 특징으로 하는 예측 전력량 획득 방법.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 보정계수를 결정하는 단계는,

   멤버쉽 함수를 이용하여 상기 측정 전력량 및 상기 측정 전력량이 소비된 시간 각각에 대한 적합도를 획득하는 단계; 및

   상기 적합도를 이용하여 상기 보정계수를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 예측 전력량 획득 방법.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 멤버쉽 함수는 삼각형 멤버쉽 함수인 것을 특징으로 하는 예측 전력량 획득 방법.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 예측 전력량 획득 방법은,

   상기 제2 예측 전력량이 목표 전력량보다 클 경우에, 발전기를 기동하거나 또는 부하 차단 신호를 출력하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 예측 전력량 획득 방법.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 예측 전력량 획득 방법은, 상기 제2 예측 전력량이 목표 전력량보다 작은 경우에, 발전기 기동 정지 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 예측 전력량 획득 방법.
8. 일정한 구간 단위로 전력량을 측정하는 전력량측정부;

   상기 측정 전력량 및 평활계수를 이용하여 다음 구간의 제1 예측 전력량을 획득하는 지수평활기법적용부; 및

   상기 측정 전력량 및 상기 측정 전력량이 소비된 시간을 이용하여 보정계수를 결정하고, 상기 보정계수를 상기 제1 예측 전력량에 적용하여 제2 예측 전력량을 획득하는 퍼지제어기법적용부를 포함하는 것을 특징으로 하는 예측 전력량 획득 장치.
9. 제 8 항에 있어서,

   상기 평활계수는 상기 측정 전력량 및 상기 측정 전력량 계측 구간의 제1 예측 전력량을 이용하여 획득되는 평균제곱오차(Mean Square Error)가 최소의 값을 가지도록 결정되는 것을 특징으로 하는 예측 전력량 획득 장치.
10. 제 9 항에 있어서,

    상기 평활계수는 상기 평활계수의 값이 0.05에서 1까지 0.05 단위의 20개 값을 가지는 경우에 얻어지는 상기 평균제곱오차 값들 중에서 최소값에 대응되는 값으로 결정되는 것을 특징으로 하는 예측 전력량 획득 장치.
11. 제 8 항에 있어서,

    상기 보정계수는 멤버쉽 함수를 이용하여 상기 측정 전력량 및 상기 측정 전력량이 소비된 시간 각각에 대한 적합도를 획득하고, 상기 적합도를 이용하여 상기 보정계수를 결정하는 것을 특징으로 하는 예측 전력량 획득 장치.
12. 제 11 항에 있어서,

    상기 멤버쉽 함수는 삼각형 멤버쉽 함수인 것을 특징으로 하는 예측 전력량 획득 장치.
13. 제 8 항에 있어서,

    상기 예측 전력량 획득 장치는 상기 제2 예측 전력량과 목표 전력량을 비교한 후에, 상기 비교 결과에 따라 작동 신호를 전송하는 작동부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 예측 전력량 획득 장치.

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