KR20100037317A

KR20100037317A - 다기 ｆａｃｔｓ 기기의 제어방법 및 장치

Info

Publication number: KR20100037317A
Application number: KR1020080096579A
Authority: KR
Inventors: 장병훈; 김용학; 김수열; 윤종수; 곽노홍
Original assignee: 한국전력공사
Priority date: 2008-10-01
Filing date: 2008-10-01
Publication date: 2010-04-09
Also published as: KR100987167B1; US8046111B2; US20100082177A1

Abstract

발명은 전압안정도 향상을 위하여 다기의 병렬형 FACTS 기기에 대한 협조제어를 위해 SCADA/EMS에 연계하여 전력시스템의 전압안정도를 평가하고, 아울러 개별적으로 FACTS 기기의 운전점을 계산할 수 있는 협조제어 알고리즘을 구비한 제어 방법 및 시스템을 제공하는 것이다. 본 발명에 EK라, 전력 시스템의 데이터 및 각 지역 FACTS 제어기로부터의 FACTS 데이터를 수신하는 SCADA/EMS로부터의 데이터에 기초하여, 전압 안정도 모니터링을 수행하고, 전압 안정도 마진이 안정도 기준 이내에 있는지를 판정하여 기준 이내에 있을 경우, 각 변전소에 설치된 FACTS 기기의 운전점을 변경하는 제어명령치로서, 전압기준치(Vref)와 무효전력 출력치(Qout)를 생성하고, 상기 전압기준치 및 무효전력 출력치를 각 지역 변전소의 FACTS 제어기에 제공하며, 상기 각 지역 변전소의 FACTS 제어기는 운전점 변경 제어명령치에 따라 운전점을 변경하여 운영하며, 상기 각 지역 변전소의 FACTS 제어기는 FACTS 데이터를 상기 SCADA/EMS에 제공하는, 다기 FACTS 기기의 제어방법 및 시스템이 제공된다.

FACTS, SCADA/EMS, 변전소.

Description

다기 ＦＡＣＴＳ 기기의 제어방법 및 장치{Multiple FACTS control system and method therefor}

본 발명은 다기 FACTS 기기에 대한 제어 시스템 및 방법에 관한 것이다.

병렬형 FACTS(유연 송전 시스템: Flexible AC Transmission, 이하 "FACTS"라 함) 기기와 같은 순동무효전력원이 전력시스템에 설치될 경우 그 특성이 기존의 시스템과는 상이할 수밖에 없으므로, 대규모 전력시스템으로 확장, 운영하기 위해서는 정밀한 전력시스템에 대한 해석기술을 근간으로 FACTS 기기의 운용 및 제어기법을 필요로 한다. 즉, 현재까지는 FACTS 기기의 모델링 및 해석기술이 개발되었으나, FACTS 기기를 광역의 전력시스템에 적용하기 위해서는 다기의 FACTS 기기가 전력시스템에 미치는 영향을 정확히 평가, 분석하고, 인근 전력시스템의 상황에 따라 FACTS 기기를 적절히 제어할 수 있는 종합적인 제어시스템이 필요하다.

국내의 전력시스템에서도 상대적으로 저가(低價)의 비수도권 발전력을 활용하는 측면에서 수도권의 융통전력이 전압안정도 문제로 제약받는 현상이 발생하고 있으며, 더욱이 이와 같은 수도권의 융통전력은 전력시스템의 경제적인 운영의 척도로 활용되고 있다. 전력시스템의 계획 및 운영 측면에서 가장 효과적인 전압안정도 향상방안은 적정한 무효전력을 투입하거나 부하를 차단하는 방법이지만, 전압안정성 유지를 위한 실질적인 방안은 무효전력원의 투입이다.

그러므로 전압안정도 향상을 도모하는 다기의 병렬형 FACTS 기기에 대한 협조제어운전을 위해 SCADA(원방감시제어 및 자료취득, Supervisory Control and Data Acquisition/EMS(에너지 관리 시스템, Emergency management System)에 연계하여 전력시스템의 전압안정도를 평가하고, 아울러 개별적으로 FACTS 기기의 운전점을 계산할 수 있는 협조제어 알고리즘을 구비한 제어시스템을 제공한다면 잇점이 있을 것이다.

즉, SCADA/EMS의 데이터로부터 예를 들면 국내 수도권 전력시스템의 상황을 조건별로 판단 혹은 모의 시뮬레이션을 통해 전압안정도를 판별하고, 그의 명령치를 자동 생성하여 정상 운전시, 혹은 계통 고장시 전력시스템 혹은 지역별로 전압안정도를 확보할 수 있는 다기 FACTS 기기의 협조제어 시스템 및 그의 구현방법을 제공한다면 잇점이 있을 것이다.

본 발명의 목적은 전압안정도 향상을 위하여 다기의 병렬형 FACTS 기기에 대한 협조제어를 위해 SCADA/EMS에 연계하여 전력시스템의 전압안정도를 평가하고, 아울러 개별적으로 FACTS 기기의 운전점을 계산할 수 있는 협조제어 알고리즘을 구비한 제어시스템을 제공하는 것이다.

즉, SCADA/EMS의 데이터로부터 이를테면 국내 수도권 전력시스템의 상황을 조건별로 판단 혹은 모의 시뮬레이션을 통해 전압안정도를 판별하고, 그의 명령치를 자동 생성하여 정상운전시, 혹은 계통고장시 전력시스템 혹은 지역별로 전압안정도를 확보할 수 있는 다기 FACTS 기기의 협조제어 시스템 및 그의 구현방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 일면에 따라, 전력 시스템의 데이터 및 각 지역 FACTS 제어기로부터의 FACTS 데이터를 수신하는 SCADA/EMS로부터의 데이터에 기초하여, 전압 안정도 모니터링을 수행하는 단계; 전압 안정도 마진이 안정도 기준 이내에 있는지를 판정하여 기준 이내에 있을 경우, 각 변전소에 설치된 FACTS 기기의 운전점을 변경하는 제어명령치로서, 전압기준치(Vref)와 무효전력 출력치(Qout)를 생성하는 단계; 상기 전압기준치 및 무효전력 출력치를 각 지역 변전소의 FACTS 제어기에 제공하는 단계를 포함하고, 상기 각 지역 변전소의 FACTS 제어기는 운전점 변경 제어명령치에 따라 운전점을 변경하여 운영하며; 상기 각 지역 변전소의 FACTS 제어기는 FACTS 데이터를 상기 SCADA/EMS에 제공하는 것인, 다기 FACTS 기기의 제어방법이 제공된다.

본 발명의 실시예에 따라, 상기 전압 안정도 모니터링 수행단계는 FV 모듈, VQVI 모듈, PV모듈, △V 모듈을 통해 수행될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따라, 상기 각 지역 변전소들은 통신 기반구조 기반의 IT를 사용하여 데이터가 통신될 수 있다.

본 발명의 목적은 본 발명의 일면에 따라, 전력 시스템의 데이터 및 각 지역 FACTS 제어기로부터의 FACTS 데이터를 수신하는 SCADA/EMS; 및 상기 SCADA/EMS로부터의 데이터에 기초하여, 전압 안정도 모니터링을 수행하여, 각 변전소에 설치된 FACTS 기기의 운전점을 변경하는 제어명령치로서, 전압기준치(Vref)와 무효전력 출력치(Qout)를 생성하고, 상기 전압기준치 및 무효전력 출력치를 각 지역 변전소의 FACTS 제어기에 제공하는 다기 FACTS 제어기를 포함하며, 상기 각 지역 변전소의 FACTS 제어기는 상기 운전점 변경 제어명령치에 따라 운전점을 변경하여 운영하며; 상기 각 지역 변전소의 FACTS 제어기는 FACTS 데이터를 상기 SCADA/EMS에 제공하는 것인, 다기 FACTS 기기 제어 장치에 의해 달성된다.

상기 다기 FACTS 제어기는 상기 전압 안정도 모니터링 수행을 위해 FV 모듈, VQVI 모듈, PV모듈, △V 모듈을 포함할 수 있다.

상기 각 지역 변전소들은 통신 기반구조 기반의 IT를 사용하여 데이터가 통신될 수 있다.

상기 계산장치의 출력을 수신하여 운영자에게 표시하는 단말을 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따라 제공되는 다기 FACTS 기기의 협조제어 시스템 및 그의 구현방법에 의해서, SCADA/EMS의 데이터로부터 예를 들면 국내 수도권 전력시스템의 상황을 조건별로 판단 혹은 모의 시뮬레이션을 통해 전압안정도를 판별하고, 그의 명령치를 자동 생성하여 정상 운전시, 혹은 계통 고장시 전력시스템 혹은 지역별로 전압안정도를 확보할 수 있다.

일반적으로, 병렬형 FACTS 기기는 전력시스템에 신속하게 무효전력을 공급하기 위한 설비로서 전력시스템의 모선전압 및 안정도를 향상시켜 준다. 이와 같이 모선전압 향상을 위한 전력설비로는 FACTS 기기 이외에도 변압기 탭, 직/병렬 커패시터, 리액터 등이 있지만, 이러한 설비들이 개별적으로 운전되는 경우 다양한 문제를 유발할 수 있다. 즉, 전력시스템의 고장으로 인하여 모선전압이 기준이하로 저하 되었을 때, 무효전력 공급원들의 협조제어가 없이 동시에 응동하는 경우 순간적으로 무효전력의 과보상으로 인하여 모선전압이 상승할 수 있으며, 이로 인해서 전력시스템의 부하증가를 유발시켜 전력시스템의 무효전력 수요가 증가하게 된다. 일반적으로 전압안정도를 평가하기 위한 지수로는 유효전력 여유, 무효전력 여유, 무효전력 예비력, 모선전압 등이 사용되고 있다.

본 발명에서 다기 FACTS 기기의 협조 제어 시스템은 전압 프로파일을 운전범위 이내로 유지하고 무효전력의 여유를 확보하는 것이며, 또한 전압안정도 유지를 위한 개별 FACTS 기기의 운전점을 계산하는 것이다.

예를 들면, 국내 전력시스템은 북상선로를 통해 수도권 지역으로 융통되는 전력량에 의해 안정도가 제약을 받기 때문에, 실시간 전압안정도 모니터링 및 다기 FACTS 기기의 협조제어를 위한 융통전력(f-V) 여유해석이 필요하다.

본 발명의 기본적인 개념을 도 1(a) 및 도 1(b)에 도시하였다.

도 1(a)는 비교적 저가의 이를테면 분로 커패시터 등에 고정밀 고가의 FACTS가 결합되어 분로 커패시터들에 협조를 받아 FACTS가 운영되게 하는 개념을 나타내고, 도 1(b)는 분로 커패시터들에서 예를 들면 위험사고에 대비하여 운전점을 위에 화살표 방향으로, 즉 유도성(Inductive) 영역으로 변동시킴으로써 아래 화살표와 같이 용량성이 크게 확보되게 하기 위해서, FACTS 기기의 운전점을 사전에 유도성 영역으로 변경함으로써 순동무효전력 예비력을 확보할 수 있게 하는 본 발명의 개념을 설명하기 위한 개략도이다. 이것은 전압안정도의 여유가 향상됨을 의미한다.

그러나 융통전력 여유해석의 경우 전력시스템의 전체적인 안정도 파악은 가능하지만 지역적인 특성을 파악하는 것은 어렵기 때문에, 예를 들면 국내에 양주 변전소, 미금 변전소, 동서울 변전소에 설치된 FACTS 기기의 협조제어를 위한 지수로는 부족하다.

따라서 다기의 FACTS 기기가 운영될 국내 전력시스템을 검토하기 위하여 무효전력(VQ) 여유해석과 시스템의 지역적 특성을 파악할 수 있는 또 다른 지수에 대한 검토를 병행한다.

도 2는 융통전력 해석에서 안정도 확보를 위한 다기 FACTS 기기 협조제어 알 고리즘을 흐름도로 나타낸 것이다.

도 2에서 알 수 있듯이, 다기의 병렬형 FACTS 기기에 대한 협조제어 알고리즘은 SCADA/EMS의 데이터, 즉 네트워크 데이터를 받아(S1), FV(Flow Voltage; 조류) 모듈, VQVI(무효전력 전압전류) 모듈, PV(전력전압) 모듈, △V(전압편차) 모듈을 통해 전압 안정도를 모니터링한다(S2). 이러한 모듈들은 전압 안정도를 모니터하기 위해 당업자는 용이하게 구성할 수 있고, 이외 다른 안정도 판정을 위한 모듈들이 사용될 수도 있는 것에 유의한다.

이어서, 전압 안정도 마진이 안정도 기준 이내에 있는지를 판정한다(S3). 기준 이내에 있는 것으로 판정되면, 즉 전력시스템의 전압안정도를 평가하여 각각의 FACTS 기기에 대한 운전점을 변경하는 전압기준치(Vref)와 무효전력 출력치(Qout)를 계산하여(S4), 결과를 통신 기반구조 기반의 IT를 사용하는 지역 변전소의 협조 제어기 및 지역 및 중앙 단말(운영자)에게 제공한다(S5). 여기에서, 계산단계인 S4에서는 전력조류계산으로 시스템 상태에 따라 FACTS의 운전점인 전압기준치(Vref)와 무효전력 출력치(Qout)를 결정하기 위하여, 주어진 상정고장에 대해 연속조류계산법을 사용하는 전압안정도 해석법의 PV모듈, VQ모듈, FV모듈을 구동하여 결정한다.

이와 같이, 다기의 FACTS 제어시스템 내에서 전압안정도를 모의 시뮬레이션을 수행함으로써, 전력시스템 혹은 지역별로 모선전압 및 안정도가 유지되도록 운전한다. 특히, FACTS 제어시스템의 구현은 별도의 제어기를 통하여 상시에는 계통의 손실비용을 최소화하고, 고장시에는 전압 및 안정도를 고려하여 제어 명령치를 발생 시키도록 한다.

도 3은 본 발명이 실시함에 따라 구축되는 다기 FACTS 기기 제어시스템을 나타낸 시스템 구성도이다.

도 2의 FACTS 기기 협조제어 알고리즘의 입력은 전력시스템(혹은 수도권 지역)에 대한 특성을 정확히 반영하기 위해 도 3에 도시된 바와 같이 SCADA/EMS 데이터를 기반으로 한다. 융통전력(f-V) 여유해석을 수행한 이후에 ISO에서 정의된 기준에 비하여 안정도 여유가 충분하지 않으면 안정도 여유확보를 위한 협조제어가 수행된다. 만약, 융통전력 여유가 충분하다면 FACTS 기기를 유도성 영역으로 운전할 필요가 없기 때문에, FACTS 기기의 운전점을 변경할 필요가 없다. 반면에, VQ 해석은 상정고장과 해당 모선의 관계를 나타내는 지표로서, "A" 모선이 "B" 모선보다 상정고장 이후에 절대적인 무효전력 여유량이 작다면, 해당 상정고장에 대해 "A" 모선이 "B" 모선보다 고장에 더욱 민감한 모선이라 할 수 있으며, 무효전력의 지역적 특성을 고려하면 "A" 모선에 무효전력을 투입하는 것이 보다 효과적이다.

본 발명에서는 정규화된 무효전력 여유량을 지표로 사용한다. 즉, 보다 효율적인 융통전력(f-V) 여유확보를 위해 다기 FACTS 기기에 대한 운전점 결정을 위하여 VQVI(%) 지수를 사용한다. 여기서, VQVI 지수가 큰 모선은 그 모선이 전력시스템의 고장에 큰 영향을 받는다는 것을 의미하기 때문에, 상정고장에 따른 제약을 효율적으로 완화시키기 위해서는 VQVI 지수가 큰 모선에 보다 많은 무효전력을 공급하는 것이 필요함을 의미한다.

도 3에서, 전력시스템의 네트워크 데이터와 각 지역 변전소로부터의 FACTS 데 이터가 SCADA/EMS(1)에 제공된다. SCADA/EMS(1)는 자체의 DB 서버(2) 내 다기 FACTS 제어기에서 전력 시스템 안정도 모니터링 및 운전점 계산 모듈을 구동시켜(도 2 참조) FACTS Qout 및 Vref를 생성한다. 다기 FACTS 제어기는 이를테면 계산장치로 구현될 수 있고, 도 2의 각종 모듈을 내장할 수 있다. SCADA/EMS(1)에서 DB서버(2)로 나가는 신호는 발전력, 부하, 네트워크 데이터 정보 등을 포함한 계통해석용 조류계산데이터가 제공됨을 의미한다.

그러면, FACTS Qout 및 Vref는 각 지역 변전소에 개별 FACTS 제어기(3)들에 각각 보내진다. 도면에는 3개의 FACTS 제어기(3)들이 설명의 편의상 도시되었으나, 실제로는 이보다 더 많다. 이들 각각의 FACTS 제어기(3)는 FACTS 기기의 운전점을 변경하는 제어명령치에 따라 제어되고 각각은 FACTS 데이터(전압, 출력량, 운전상태)를 다시 SCAD/EMS(1)에 제공한다.

이와 같이, 각 지역 변전소에 설치된 FACTS 기기의 운전점을 변경하는 제어명령치를 도 4에서 보여주는 바와 같이 Vref와 Qout를 발생시켜 각 변전소의 FACTS 제어기(2)에 출력하고, 변경된 운전점은 다시 EMS/SCADA(1)로 전송된다.

도 4는 도 3에서 DB 서버(2) 내 다기 FACTS 제어 알고리즘과 단말간의 관계를 보다 상세히 도시한 것이다. DB 서버(2)는 이를테면 PTI(Power Technologies international)의 PSS/E(Power System Simulator for Engineering) 포맷으로 네트워크 데이터가 도 2에 도시된 바와 같은 다기 FACTS 제어 알고리즘에 입력된다. 보조입력으로 제어 파라미터, 등이 입력될 수도 있다. 다기 FACTS 제어 알고리즘은 도 2의 흐름을 거쳐 출력신호들로서 Vref 및 Qout을 생성하여 각 지역 발전소의 FACTS 제어기(3)에 제공한다. 아울러 단말에 그래픽 인터페이스를 통해 운영자가 볼 수 있게 할 수도 있다.

이와 같은 과정이 다기의 FACTS 제어시스템 내에서 시뮬레이션하여 전력시스템 혹은 지역별로 모선전압 및 안정도가 유지되도록 운전한다.

다기 FACTS 기기의 협조 제어시스템은 상시에는 손실을 최소로 하도록 FACTS 기기를 운전하며, 고장시에는 전력시스템의 전압 불안정을 해소하여 안정성을 시키도록 FACTS 기기를 운전한다.

상술한 본 발명에 의하면, 우리나라 전력시스템의 주요 송전선로에 대한 N-1 상정고장의 f-V 여유해석 결과를 제시할 수 있으며, 아울러 f-V 여유해석 결과의 여유를 증가시키기 위해서 각각의 상정고장에 대한 양주 변전소, 미금 변전소, 동서울 변전소의 "VQVI"를 평가하였다. 그 결과, 미금 변전소와 동서울 변전소는 수도권 동쪽 지역의 고장시 상대적으로 양주 변전소에 비하여 더욱 민감한 반면에, 양주 변전소는 수도권 서쪽 지역의 고장시에 더욱 민감함을 알 수 있다. 특히, f-V 여유해석 결과의 여유를 증가시키기 위해서 각 FACTS 기기가 일정한 순동무효전력 예비력을 확보하는 경우와 계통고장에 민감한 모선에서 상대적으로 많은 순동무효전력 예비력을 확보한 경우를 비교하였다. 즉, 본 발명은 f-V 여유해석을 통해 전력시스템의 상태를 감시하고, 만약 안정도 여유를 확보할 필요가 있다고 판단되면, VQVI 지수를 활용하여 양주 변전소, 미금 변전소, 동서울 변전소에 설치된 FACTS 기기의 가장 효과적인 운전점을 결정함으로써 전압의 안정성 및 향상을 도모할 수 있음을 확인하였다.

도 1(a) 및 도 1(b)는 본 발명의 FACTS 기기 협조운전 개념도.

도 2는 본 발명에 따른 FACTS 기기의 협조제어 알고리즘을 나타낸 개략적인 흐름도.

도 3은 본 발명에 따른 다기 FACTS 제어 시스템 구성도.

도 4는 도 3의 FACTS 협조 제어기의 상세도.

- 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명-

1; SCADA/EMS 2; DB 서버

3; FACTS 제어기

Claims

전력 시스템의 데이터 및 각 지역 FACTS 제어기로부터의 FACTS 데이터를 수신하는 SCADA/EMS로부터의 데이터에 기초하여, 전압 안정도 모니터링을 수행하는 단계;

전압 안정도 마진이 안정도 기준 이내에 있는지를 판정하여 기준 이내에 있을 경우, 각 변전소에 설치된 FACTS 기기의 운전점을 변경하는 제어명령치로서, 전압기준치(Vref)와 무효전력 출력치(Qout)를 생성하는 단계;

상기 전압기준치 및 무효전력 출력치를 각 지역 변전소의 FACTS 제어기에 제공하는 단계를 포함하고,

상기 각 지역 변전소의 FACTS 제어기는 운전점 변경 제어명령치에 따라 운전점을 변경하여 운영하며;

상기 각 지역 변전소의 FACTS 제어기는 FACTS 데이터를 상기 SCADA/EMS에 제공하는 것인, 다기 FACTS 기기의 제어방법.
제1항에 있어서, 상기 전압 안정도 모니터링 수행단계는 FV 모듈, VQVI 모듈, PV모듈, △V 모듈을 통해 수행되는, 다기 FACTS 기기의 제어방법.
제1항에 있어서, 상기 각 지역 변전소들은 통신 기반구조 기반의 IT를 사용하여 데이터가 통신되는, 다기 FACTS 기기의 제어방법.
전력 시스템의 데이터 및 각 지역 FACTS 제어기로부터의 FACTS 데이터를 수신하는 SCADA/EMS; 및

상기 SCADA/EMS로부터의 데이터에 기초하여, 전압 안정도 모니터링을 수행하여, 각 변전소에 설치된 FACTS 기기의 운전점을 변경하는 제어명령치로서, 전압기준치(Vref)와 무효전력 출력치(Qout)를 생성하고, 상기 전압기준치 및 무효전력 출력치를 각 지역 변전소의 FACTS 제어기에 제공하는 다기 FACTS 제어기를 포함하며,

상기 각 지역 변전소의 FACTS 제어기는 상기 운전점 변경 제어명령치에 따라 운전점을 변경하여 운영하며;

상기 각 지역 변전소의 FACTS 제어기는 FACTS 데이터를 상기 SCADA/EMS에 제공하는 것인, 다기 FACTS 기기 제어 장치.
제4항에 있어서, 상기 다기 FACTS 제어기는 상기 전압 안정도 모니터링 수행을 위해 FV 모듈, VQVI 모듈, PV모듈, △V 모듈을 포함하는, 다기 FACTS 기기 제어 장치.
제4항에 있어서, 상기 각 지역 변전소들은 통신 기반구조 기반의 IT를 사용하여 데이터가 통신되는, 다기 FACTS 기기 제어 장치.
제4항에 있어서, 상기 계산장치의 출력을 수신하여 운영자에게 표시하는 단말 을 더 포함하는, 다기 FACTS 기기 제어 장치.