KR20090019442A - 주변압기 병렬운전용 자동전압 조정장치 및 그 방법 - Google Patents

주변압기 병렬운전용 자동전압 조정장치 및 그 방법 Download PDF

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이영일
김형근
한기선
이진락
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주식회사유성계전
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Abstract

본 발명은 전압 변동에 대해 안정적인 전압을 유지시켜 공급시킬 수 있도록 하는 자동전압 조정장치 및 방법에 관한 것으로서, 전력용 변압기와 1:1로 연결하여 부하시 탭 절환장치(On Load Tap Changer : OLTC) 탭을 조절하여 독립적으로 운전이 가능하며 상호간 통신을 이용하여 마스터/폴로워(Master/Follower) 및 순환 반동 전류(Circulated Reactive Current:CRC) 방식으로 운전이 가능한 주변압기 병렬운전용 자동전압 조정 장치 및 방법에 관한 것이다.
자동전압 조정장치, 부하시 탭 절환장치(OLTC), 변압기, CRC 방식, 마스터/폴로워 방식

Description

주변압기 병렬운전용 자동전압 조정장치 및 그 방법{Parallel operating automatic voltage regulator and method of main transformer}
본 발명은 전압 변동에 대해 안정적인 전압을 유지시켜 공급시킬 수 있도록 하는 자동전압 조정 장치 및 방법에 관한 것으로서, 특히 AVR 본연의 기능 외에 AVR 상호간 통신을 이용해 전압, 전류 및 위상을 실시간으로 체크하여 세팅치 이상의 순환전류가 발생했을 경우 이를 제어하는 주변압기 병렬운전용 자동전압 조정 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 AVR은 자동적으로 출력 전압을 일정한 값으로 유지시키는 기기로 교류발전기, 직류발전기, 정전압 정류기 등에 사용되고 있다.
또한, 발전기의 경우 부하, 속도 등의 변동에 의한 단자 전압의 변동을 검출하여 자계 전류를 제어하고, 기타 장치의 경우 전원, 전압, 부하 등의 변동에 의한 단자 전압의 변동을 검출하여 입력 전압을 제어한다.
현재 국내 AVR의 일반 기능에 대한 기술력은 이미 확보되어 있으나 병렬 운전을 AVR에 적용시키는 부분에 대해서는 다소 취약하여 345kV이상의 변압기에 사용되는 병렬운전용 AVR은 전량 해외에서 수입하고 있는 실정이다.
이러한 해외 제품들은 기기 조작법이 국내 실정에 맞지 않을 뿐만 아니라 제품에 문제가 발생하였을 경우 A/S 기간이 오래 걸리는 등의 문제점이 생기게 되었다.
이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 AVR 본연의 기능 외에 AVR 상호간 통신을 이용해 전압, 전류 및 위상을 실시간으로 체크하여 세팅치 이상의 순환전류가 발생했을 경우 이를 제어하는 주변압기 병렬운전용 자동전압 조정 장치 및 방법을 제공하는데 있다.
본 발명에 의한 주변압기 병렬운전용 자동전압 조정장치는 PT와 CT가 입력되는 PT/CT 입력부; 상기 PT/CT 입력부를 통해 입력된 PT와 CT에서 정현파를 제외한 일부의 주파수를 차단하고 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 필터 및 변환부; 상기 필터 및 변환부와 연계되며 디지털 연산을 처리하고 가감승제 연산을 행하는 주처리 및 연산부; 상기 주처리 및 연산부와 버스라고 부르는 데이터 정보를 전송하는 선에 의해 연결되어 수치 입력·표시, 데이터 저장을 하는 버스 I/O; 상기 주처리 및 연산부와 연계되어 AVR 그룹, 메뉴얼 운전, 변압기 탭위치를 지정하여 입력하는 입력부; 상기 주처리 및 연산부와 연계되며 PC와 시리얼 통신, AVR 상호간 통신을 실시하는 통신부 및; 상기 주처리 및 연산부와 연계되어 OLTC 탭 조정 신호, 경보 신호를 출력하는 출력부를 구비하여 이루어진다.
또한, 본 발명에 의한 주변압기 병렬운전용 자동전압 조정 방법은 각 전력용 변압기의 상태를 감시하는 감시 단계; 상기 감시 단계 후 각 전력용 변압기의 순환전류가 허용범위를 넘었는지 확인하는 순환전류 확인 단계; 상기 순환전류 확인 단 계 후 순환전류가 허용범위를 넘었다면 순환 전류를 줄이는 방향으로 해당 변압기의 탭을 조정하도록 OLTC에 상승/감소 신호를 출력하는 탭 조정 단계; 상기 감시 단계 후 후 각 전력용 변압기에서 이벤트가 발생되었는지 확인하는 이벤트 발생 확인 단계 및; 상기 이벤트 발생 확인 단계 후 이벤트가 발생하였다면 해당 이벤트에 대한 정보를 저장하고 보고하는 저장 및 보고 단계로 이루어진다.
이상에서와 같이 본 발명은 전력용 변압기와 1:1로 연결하여 OLTC 탭을 조절하여 전력용 변압기를 제어하고, 각 AVR은 독립적으로 운전이 가능하며 상호간 통신을 이용하여 마스터/폴로워(Master/Follower) 및 CRC(Circulated Reactive Current) 방식으로 운전이 가능하여 국내 실정에 맞는 고효율적인 기기조작법을 제공하고 A/S 기간을 단축시키는 효과가 있다.
또한, 종래에 전량 해외에서 수입한 주변압기 병렬운전용 AVR을 국내 기술로 개발함으로써 수입 대체 효과 및 그로 인해 파생되는 경제적인 효과가 있으며, 이러한 전력설비의 신뢰성 확보는 한전 사업력 강화로 이어져 세계 최고의 전력산업을 구축하는 효과가 있다.
이와 같은 본 발명을 첨부도면에 의거하여 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술하는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으며, 이에 따라 각 용어의 의미는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명에 의한 주변압기 병렬운전용 자동전압 조정 장치를 나타낸 상세블럭도이다.
도시된 바와 같이 본 발명에 의한 주변압기 병렬운전용 자동전압 조정장치는 PT/CT 입력부(10)에서 PT와 CT가 입력되면 필터 및 변환부(20)에서 PT와 CT의 정현파를 제외한 일부의 주파수를 차단하고 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환한다.
또한, 주처리 및 연산부(30)는 상기 필터 및 변환부(20)와 연계되며 디지털 연산을 처리하고 가감승제 연산을 행하며, 버스 I/O(40)는 버스라고 부르는 데이터 정보를 전송하는 선에 의해 주처리 및 연산부와 연결되어 수치 입력과 수치표시, 데이터 저장을 한다.
또한, 입력부(50), 통신부(60), 출력부(70)는 상기 주처리 및 연산부와 연계되어 있으며, 먼저 입력부는 AVR 그룹, 메뉴얼 운전, 변압기 탭위치를 지정하여 입력하며 통신부는 PC와 시리얼 통신, AVR 상호간 통신을 실시하고, 출력부는 OLTC 탭 조정 신호, 경보 신호를 출력한다.
상기 필터 및 변환부는 필터와 A/D 변환기로 이루어진다.
먼저, 필터에서 연산 알고리즘은 전력계통 기본주파수(60Hz)의 정현파를 기본으로 하므로 정현파 이외의 주파수 성분이 입력파형에 포함되면 연산결과에 오차 가 발생하여 정확한 판단이 어렵게 되기 때문에 1차적으로 정현파를 제외한 일부의 주파수를 차단하는 아날로그 필터를 사용한다.
다음, A/D 변환기는 디지털 필터 프로그램이 내장되어 있으며 내부의 샘플 홀드 회로에서는 상기 아날로그 필터에서 출력되는 아날로그 값을 일정시간 간격으로 표본화하여 샘플링된 값을 일정시간 홀딩하고, 연산 알고리즘상 전압 및 전류를 같은 시각에 샘플링하여야 하기 때문에 각 입력신호마다 샘플 홀드 회로를 채용하여 대비한다.
도 2는 도 1에서 버스 I/O를 나타낸 구성도이다.
도시된 바와 같이, 상기 버스 I/O(40)는 디스플레이(41), 키 패드(42), RAM(43), EEPROM(44)으로 이루어져 있으며, 디스플레이(41)는 주처리 및 연산부(30)에서 처리되고 연산되어진 데이터들의 수치 및 정정값이 판독이 용이하도록 표시하며, 키 패드(42)는 사용자가 디스플레이(41)에 나타난 수치 및 정정값을 보면서 쉽게 조작할 수 있으며, RAM(43)은 A/D 변환 데이터 및 일시적인 데이터를 저장하고, EEPROM(44)은 상기 주처리 및 연산부(30)에서 가감승제를 행하는 그 동작수순 및 정정값을 저장한다.
도 3은 도 1에서 입력부를 나타낸 구성도이다.
도시된 바와 같이, 상기 입력부(50)는 그룹 1,2(51), 메뉴얼(52), 탭 포지션(53)으로 이루어져 있으며, 그룹 1,2(51)에서는 AVR 그룹 지정을 할 수 있고 메뉴얼(52)에서는 메뉴얼 운전을 지정할 수 있으며 탭 포지션(53)에서는 변압기 탭의 위치를 지정할 수 있다.
도 4는 도 1에서 통신부를 나타낸 구성도이다.
도시된 바와 같이, 상기 통신부(60)는 RS-232 1대(61)와 RS-485 2대(62,63)로 이루어져 있어서, RS-232 1대(61)와 RS-485 1대(62)는 PC, 감시 및 제어실과 시리얼 통신을 하고 RS-485 1대(63)는 병렬로 연결된 AVR 상호간의 통신을 한다.
도 5는 도 1에서 출력부를 나타낸 구성도이다.
도시된 바와 같이, 상기 출력부(70)는 상승/감소 신호 출력단자(71), LED 출력단자(72), 경보음 출력단자(73)로 이루어져 있으며, 상승/감소 신호 출력단자(71)에서는 OLTC 탭 상승/감소 신호를 출력하고 LED 출력단자(72)에서는 여러가지 상황이 발생되었을 때 그 상황에 해당하는 LED가 점등되도록 하며, 경보음 출력단자(73)는 전압과 전류가 이상 있을 때 경보음을 출력하여 사용자에게 알려준다.
도 6은 본 발명에 의한 주변압기 병렬운전용 자동전압 조정 장치가 실제 운용되는 모습을 나타낸 도면이다.
도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 주변압기 병렬운전용 자동전압 조정장치(100)는 최대 8대의 전력용 변압기(200)와 1:1로 연결하여 OLTC(300) 탭을 조절하여 전력용 변압기(200)를 제어하고, 상기 주변압기 병렬운전용 자동전압 조정 장치는 각각 독립적으로 운전이 가능하며 상호간 통신을 이용하여 마스터/폴로워(Master/Follower) 및 순환 반동 전류(Circulated Reactive Current : CRC) 방식(도시하지 않음)으로 운전이 가능하다.
상기 마스터/폴로워 방식은 탭 포지션(Tap Position)을 일치시키는 운전방식이며, CRC 방식은 변압기간의 순환전류를 최소화하는 운전방식이다.
또한, 본 발명에 의한 주변압기 병렬운전용 자동전압 조정장치는 RS-232 1대로 PC(400)와 직접 연결하여 감시 및 제어를 할 수 있으며, RS-485 1대로 감시 및 제어실(500)에서 원격으로 감시 및 제어가 가능하다.
또한, 도시하지는 않았지만 본 발명에 의한 주변압기 병렬운전용 자동전압 조정장치는 최대 110개까지의 이벤트를 저장할 수 있어 AVR 동작 당시의 주변조건(동작시간, 전압, 전류, 동작원인 등)을 확인할 수 있으며, OLTC(300) 동작횟수를 AVR이 기억하여 사용자에게 디스플레이를 통해 표시해 줄 수 있기 때문에 OLTC 유지 보수시기를 예측하여 예방정비가 가능하다.
도 7은 본 발명에 의한 전력용 변압기의 단자전류를 나타낸 회로도이며,도 8은 도 7에서 단자전류의 합을 나타낸 벡터도이다.
도시된 바와 같이, 부하 전류는 변압기 단자전류의 합이므로 변압기 단자전류에서 부하전류와 방향이 같은 성분을 첨자 d로 표시하고 부하전류와 직각이 되는 방향을 가진 전류를 첨자 q로 표시한다.
그러면 부하전류는 변압기 단자전류의 d 성분의 합이 되며, 변압기 단자전류의 q성분의 합은 0이 된다.
따라서, 부하전류와 직각이 되는 방향을 가진 전류는 부하로 흘러나가지 못하고 각 변압기로 이루어지는 회로 내부를 순환하므로 이 전류를 순환전류라고 정의하여 순환 전류가 최소가 되도록 각 변압기의 탭을 제어한다.
상기 순환전류의 크기는 벡터의 외적을 이용하여 구할 수도 있으며, 전류간의 위상각을 사용하여 구할 수도 있다.
다음은 전류간의 위상각을 사용하여 첫 번째 변압기의 순환전류를 구하는 과정을 나타낸 식이다.
Figure 112007060305959-PAT00001
도 9는 본 발명에 의한 주변압기 병렬운전용 자동전압 조정 방법을 나타낸 흐름도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 주변압기 병렬운전용 자동전압 조정 방법은 최대 8대까지 1:1로 연결된 각 전력용 변압기(200)의 상태를 감시하고 각 전력용 변압기(200)의 순환전류가 허용범위를 넘었는지 확인한다(ST1~ST2).
상기 순환전류가 허용범위를 넘었다면 순환 전류를 줄이는 방향으로 해당 변압기의 탭을 조정하도록 OLTC(300)에 상승/감소 신호를 출력하고, 각 전력용 변압기에서 이벤트가 발생되었는지 확인한 후에 상기 각 전력용 변압기에서 이벤트가 발생하였다면 해당 이벤트에 대한 정보를 저장하고 보고한다(ST3~ST5).
하기의 [표 1]은 타사 제품과 본 발명에 의한 주변압기 병렬운전용 자동전압 장치에 있어서, 안정성(Stability)과 CRC 대역폭에 관련된 동작을 비교하여 나타낸 표이다.
[표 1] 본 발명품과 타사 제품의 탭 동작 비교
본 발명품 타사 제품
안정성 순환전류×안정성(%) = 순환전류' (순환전류×안정성) > 정격전류 → 순환전류를 줄이는 방향으로 탭 동작
CRC 대역폭 순환전류' > (정격전류×CRC 대역폭(%)) → 순환전류를 줄이는 방향으로 탭 동작 후 순환전류'가 대역폭의 범위를 초과할 경우 CRC Fault (정격전류×CRC 대역폭(%)) < 순환전류 → CRC Fault
먼저, 순환전류가 0.06이고 정격전류=5A, Stability=100, CRC bandwidth=20 일 경우에 탭(Tab)이 동작하는지 안하는지 알아보자.
※ 타사 제품
정격전류 × CRC 대역폭(%) = 1A
순환전류 × 안정성 = 6A
상기 [표 1]의 CRC 대역폭에 있어서,
정격전류 × CRC 대역폭(%)은 1A로 순환전류인 0.06A보다 크므로 CRC 폴트가 아니다.
또한, 상기 [표 1]의 안정성에 있어서,
순환전류 × 안정성은 6A로 정격전류인 5A보다 크므로 순환전류를 줄이는 방향으로 탭이 동작한다.
※ 본 발명품
순환전류 × 안정성(%) = 순환전류' = 0.06A
정격전류 × CRC 대역폭(%) = 1A
상기 [표 1]의 CRC 대역폭에 있어서,
순환전류 × 안정성(%)인 순환전류'는 0.06A로 정격전류 × CRC 대역폭(%)인 1A보다 작으므로 탭이 동작하지 않게 된다.
다음은 순환전류가 0.06이고 정격전류=5A, Stability=10, CRC bandwidth=1 일 경우에 탭(Tab)이 동작하는지 안하는지 알아보자.
※ 타사 제품
정격전류 × CRC 대역폭(%) = 0.05A
순환전류 × 안정성 = 0.6A
상기 [표 1]의 CRC 대역폭에 있어서,
정격전류 × CRC 대역폭(%)은 0.05A로 순환전류인 0.6A보다 작으므로 CRC 폴트이고,
또한, 상기 [표 1]의 안정성에 있어서,
순환전류 × 안정성은 0.6A로 정격전류인 5A보다 작으므로 탭이 동작하지 않게 된다.
※ 본 발명품
순환전류 × 안정성(%) = 순환전류' = 0.006A
정격전류 × CRC 대역폭(%) = 0.05A
상기 [표 1]의 CRC 대역폭에 있어서,
순환전류 × 안정성(%)인 순환전류'는 0.006A로 정격전류 × CRC 대역폭(%) 인 0.05A보다 작으므로 탭이 동작하지 않게 된다.
도 10은 본 발명에 의한 첫번째 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.
도시된 바와 같이, 두 변압기가 초기 탭이 1.0과 1.06일 때 시간에 따라 탭이 변동하면서 목표 전압과의 전압차와 순환전류를 줄이는 것을 보여주고 있다. 여기서 초기 탭 차이가 0.06pu일 때 순환전류는 0.15pu 인 것을 볼 수 있다(순환전류 / 탭차는 2.5이다). 여기서 부하전류는(0.8-j0.6)pu로 지상이며 변압기 내부 임피던스는 0.2 pu 와 0.1 pu 이다.
도 11은 본 발명에 의한 두번째 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.
도시된 바와 같이, 두 변압기가 초기 탭이 1.0과 1.06 일 때 시간에 따라 탭이 변동하면서 목표 전압과의 전압차와 순환전류를 줄이는 것을 보여주고 있다. 여기서 초기 탭 차이가 0.06pu 일 때 순환전류는 0.175pu 인 것을 볼 수 있다(순환전류 / 탭차는 2.9이다). 여기서 부하전류는 (0.8+j0.6)pu로 진상이며 변압기 내부 임피던스는 0.2pu 와 0.1pu 이다.
따라서, 부하전류의 위상이 빨라짐에 따라 순환전류 탭비가 늘어나는 것을 알 수 있다.
도 12는 본 발명에 의한 세번째 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.
도시된 바와 같이, 두 변압기가 초기 탭이 1.0과 1.06 일 때 시간에 따라 탭이 변동하면서 목표 전압과의 전압차와 순환전류를 줄이는 것을 보여주고 있다. 여기서 초기 탭 차이가 0.06pu일 때 순환전류는 0.084pu 인 것을 볼 수 있다(순환전 류 / 탭차는 1.4이다).. 여기서 부하전류는 (0.8+j0.6)pu 로 진상이며 변압기 내부 임피던스는 0.3 pu 와 0.2 pu 이다.
따라서, 순환전류의 크기는 변압기 임피던스에 따라 달라지는 것을 알 수 있다.
상기의 시뮬레이션 결과들로부터 다음과 같은 사실을 알 수 있다.
먼저, 탭을 변동시킬 전압차의 임계값은 탭의 한단계 값보다 커야 한다. 즉 전압차가 있어서 탭을 변경하였는데 이때의 전압차는 탭 변동 이전보다 작아야 한다.(최소 탭 한 단계 값의 60%)
또한, 탭을 변동시킬 순환전류의 크기의 임계값은 탭을 한단계 조정하여 변하는 순환전류보다 커야한다. 탭을 한 단계 조정하여 변하는 순환전류는 부하량이나, 역률, 변압기 임피던스에 따라 달라지므로 모든 조건에서 최대값을 구하여 이보다 큰 값으로 정해야 한다.
도 1은 본 발명에 의한 주변압기 병렬운전용 자동전압 조정 장치를 나타낸 상세블럭도이다.
도 2는 도 1에서 버스 I/O를 나타낸 구성도이다.
도 3은 도 1에서 입력부를 나타낸 구성도이다.
도 4는 도 1에서 통신부를 나타낸 구성도이다.
도 5는 도 1에서 출력부를 나타낸 구성도이다.
도 6은 본 발명에서 주변압기 병렬운전용 자동전압 조정 장치가 실제 운용되는 모습을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명에 의한 전력용 변압기의 단자전류를 나타낸 회로도이다.
도 8은 도 7에서 단자전류의 합을 나타낸 벡터도이다.
도 9는 본 발명에 의한 주변압기 병렬운전용 자동전압 조정 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 10은 본 발명에 의한 첫번째 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명에 의한 두번째 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.
도 12는 본 발명에 의한 세번째 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
10 : 자동전압 조정장치 11 : PT/CT 입력부
12 : 필터 및 변환부 13 : 주처리 및 연산부
14 : 버스 I/O 15 : 입력부
16 : 통신부 17 : 출력부
20 : 전력용 변압기 30 : 부하시 탭 절환장치
40 : PC 50 : 감시 및 제어실

Claims (3)

  1. PT와 CT가 입력되는 PT/CT 입력부(10);
    상기 PT/CT 입력부(10)를 통해 입력된 PT와 CT에서 정현파를 제외한 일부의 주파수를 차단하고 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 필터 및 변환부(20);
    상기 필터 및 변환부(20)와 연계되며 디지털 연산을 처리하고 가감승제 연산을 행하는 주처리 및 연산부(30);
    상기 주처리 및 연산부(30)와 버스라고 부르는 데이터 정보를 전송하는 선에 의해 연결되어 수치 입력·표시, 데이터 저장을 하는 버스 I/O(40);
    상기 주처리 및 연산부(30)와 연계되어 AVR 그룹, 메뉴얼 운정, 변압기 탭위치를 지정하여 입력하는 입력부(50);
    상기 주처리 및 연산부(30)와 연계되며 PC와 시리얼 통신, AVR 상호간 통신을 실시하는 통신부(60) 및;
    상기 주처리 및 연산부(30)와 연계되어 OLTC 탭 조정 신호, 경보 신호를 출력하는 출력부(70)로 이루어진 것을 특징으로 하는 주변압기 병렬운전용 자동전압 조정장치.
  2. 최대 8대까지 1:1로 연결된 각 전력용 변압기(200)의 상태를 감시하는 감시 단계(S1);
    상기 감시 단계(S1) 후 각 전력용 변압기(200)의 순환전류가 허용범위를 넘 었는지 확인하는 순환전류 확인 단계(S2);
    상기 순환전류 확인 단계 후 순환전류가 허용범위를 넘었다면 순환 전류를 줄이는 방향으로 해당 전력용 변압기(200)의 탭을 조정하도록 OLTC(300)에 상승/감소 신호를 출력하는 탭 조정 단계(S3);
    상기 감시 단계 후(S1) 후 각 전력용 변압기(200)에서 이벤트가 발생되었는지 확인하는 이벤트 발생 확인 단계(S4); 및
    상기 이벤트 발생 확인 단계(S4) 후 이벤트가 발생하였다면 해당 이벤트에 대한 정보를 저장하고 보고하는 저장 및 보고 단계(S5)로 이루어진 것을 특징으로 하는 주변압기 병렬운전용 자동전압 조정방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 순환전류 확인 단계(S2)와 탭 조정 단계(S3)는 [식 1]에 의해 순환전류'를 구하고 [식 2]에 의해 탭을 조정하는 것을 특징으로 하는 주변압기 병렬운전용 자동전압 조정방법.
    순환전류 × 안정성(%) = 순환전류' [식 1]
    순환전류' > 정격전류 × CRC 대역폭(%) [식 2]
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