KR20100047726A

KR20100047726A - 무효전력원 협조제어를 통한 최적 계통전압제어 방법.

Info

Publication number: KR20100047726A
Application number: KR1020080106744A
Authority: KR
Inventors: 남수철; 이재걸; 신정훈; 김태균; 차승태
Original assignee: 한국전력공사
Priority date: 2008-10-29
Filing date: 2008-10-29
Publication date: 2010-05-10
Also published as: CN101728828A; US8289006B2; US20100106338A1; CN101728828B

Abstract

본 발명은 무효전력원 협조제어를 통한 최적 계통전압제어 방법에 관한 것으로, 해결하고자 하는 기술적 과제는 전력계통의 무효전력, 전압 감도 계산을 실시하여 무효전력 보상 위치 및 설비와 투입 효과를 분석 하고 검토하고 전력계통의 전압 품질을 향상시키는 무효전력원 협조제어를 통한 최적 계통전압제어 방법을 제공하는 것이다.

이를 위해 본 발명은 모의 대상 계통의 모선 중에서 미리 선정된 전압 기준치를 벗어난 모선을 확인하는 전압위반 모선 확인 단계와, 전압위반 모선 확인 단계에서 확인된 전압제어 대상모선을 중심으로 8~10개의 변전소 이내에 있는 모선을 지역계통으로 구성하는 지역계통 구성 단계와, 구성한 지역계통 내에 있는 모선들만을 대상으로 축소 지역 알고리즘을 이용하여 축소 지역계통을 생성하는 축소 지역계통 생성 단계와, 축소 지역계통을 대상으로, 전압제어 대상모선의 전압을 정상치로 유지하기 위한 제어량을 조류계산을 통해 결정하는 조류계산 단계와, 제어량 및 제어동작을 고려하여 최적화 목적함수 값을 계산하는 목적함수 계산 단계로 이루어진 무효전력원 협조제어를 통한 최적 계통전압제어 방법을 개시한다.

전력계통, 전압제어, 무효전력제어, 감도해석, 병렬 커패시터, 조상설비

Description

무효전력원 협조제어를 통한 최적 계통전압제어 방법.{Optimized Voltage control methodology through coordinated control of reactive power sources }

본 발명은 무효전력원 협조제어를 통한 최적 계통전압제어 방법에 관한 것으로, 해결하고자 하는 기술적 과제는 전력계통의 무효전력, 전압 감도 계산을 실시하여 무효전력 보상 위치 및 설비와 투입 효과를 분석 하고 검토하고 전력계통의 전압 품질을 향상시키는 무효전력원 협조제어를 통한 최적 계통전압제어 방법에 관한 것이다.

최근에 발전원의 원거리 위치로 인한 장거리 송전이 불가피한 상황에서 장거리 송전으로 인한 손실증가 및 수용가의 부하특성 변화로 인해 무효전력 수급이 불안정 하게 되고 있다. 이와 같은 불안정으로 인해 대규모 정전도 발생하고 있다.

이러한 문제점을 일으키는 무효전력 수급 불안정의 해결책으로 광범위하게 사용되고 있는 방법 중에 하나가 조상설비를 이용한 무효전력의 조정이다.

이때, 무효전력을 공급하거나 소모할 수 있는 커패시터와 리액터를 이용하여 전력계통에 무효전력이 부족하여 저전압이 발생하면 커패시터를 투입하거나, 리액터를 차단하게 된다. 반대로 전력계통에 무효전력이 과하여 과전압이 발생하면 커 패시터를 차단하거나, 리액터를 투입하게 된다.

이러한 조상설비의 동작을 통한 무효전력의 제어는 그 방법이 비교적 간편하고 상대적으로 저렴한 비용으로 소기의 목적을 달성할 수 있는 장점이 있다.

그러나 기존의 조상설비 제어의 방법은 조상설비가 설치된 모선(변전소)의 전압만을 기준으로 제어 동작이 이루어져, 간혹 주변계통의 과전압 및 저전압이 발생할 가능성이 있다. 또한 개별적인 제어로 인해 전체적으로 최적인 제어동작을 수행할 수 없을 수도 있으며, 단순히 전압유지만을 목적으로 제어동작이 이루어지다 보니 전력계통의 손실증가를 유발하게 되었다.

본 발명은 상술한 종래의 문제점을 극복하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 발전원의 원거리 위치로 인한 장거리 송전이 불가피한 상황에서 장거리 송전으로 인한 손실증가와 수용가의 부하특성 변화로 인한 무효전력 수급의 불안정 문제를 해결하기 위한 무효전력원 협조제어를 통한 최적 계통전압제어 방법을 제공하는데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 의한 무효전력원 협조제어를 통한 최적 계통전압제어 방법은 컴퓨터 프로그램 상에 모의 대상 계통의 모선 중에서 미리 선정된 전압 기준치를 벗어난 모선을 확인하는 전압위반 모선 확인 단계와, 상 기 전압위반 모선 확인 단계에서 확인된 전압제어 대상모선을 중심으로 8~10개의 변전소 이내에 있는 모선을 지역계통으로 구성하는 지역계통 구성 단계와, 상기 구성한 지역계통 내에 있는 상기 모선들만을 대상으로 축소 지역 알고리즘을 이용하여 축소 지역계통을 생성하는 축소 지역계통 생성 단계와, 상기 축소 지역계통을 대상으로, 전압제어 대상모선의 전압을 정상치로 유지하기 위한 제어량을 조류계산을 통해 결정하는 조류계산 단계와, 상기 제어량 및 제어동작을 고려하여 최적화 목적함수 값을 계산하는 목적함수 계산 단계로 이루어질 수 있다.

여기서, 상기 축소 지역 계통 생성 단계는

ΔQ₀= 상기 지역 계통에 포함되지 않는 모선들의 무효전력 변화량

ΔV_{0 =} 상기 지역 계통에 포함되지 않는 모선들의 전압의 변화량

ΔQ_S = 상기 지역 계통에 포함되는 모선들의 무효전력 변화량

ΔV_{S =} 상기 지역 계통에 포함되는 모선들의 전압 변화량

이 사용되며,

상기 서브셋으로 구성하는 축소 지역계통은 변압기 탭, 병렬 커패시터 및 리액터를 갖고 있는 상기 모선에 각각에 대하여 다시 세분된 축소 지역 계통 생성을 할 수 있다.

이때, 상기 축소 지역 계통 생성 단계는 상기 축소 지역 알고리즘을 이용하 여 계산된 전기적 거리를 기준으로 전압 위반 모선에 영향을 미치는 모선들을 가려내어 제어 영향을 미치는 정도를 기준으로 단계별 계통을 구성하여 이루어질 수 있다.

또한, 상기 축소 지역 계통 생성 단계는 상기 축소 지역 계통 내에 조상설비를 갖고 있는 상기 모선을 기준으로 상기 축소 지역 계통 생성단계를 반복 수행하여 각각의 축소 지역 계통을 생성할 수 있다.

상기 목적함수 계산 단계는

k_i = 상기 조상설비의 스위칭

N_{sw =} 상기 제어기법의 한 번 반복계산 과정에서 허락될 수 있는 스위칭 동작의 최대 수

-1 = 조상설비의 개방

0 = 스위칭이 발생하지 않은 것

+1 = 조상설비의 투입

이 사용되며,

상기 N_sw값을 적게 할수록, 제어결과가 보수적으로 될 수 있다.

여기서, 상기 목적함수의 값이 최소가 되는 제어요소, 제어량 및 제어동작을 상기 목적함수의 해로 선정할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 무효전력원 협조제어를 통한 최적 계통전압제어 방법은 개별 제어방식인 기존의 조상설비 제어 방식에서 벗어나 전압, 무효전력 제어관점에서 유효한 제어지역을 운영자가 설정하고, 이 제어지역 내에 있는 전력정보를 모두 이용하여 각 모선의 전압과 무효전력원 간의 감도를 계산, 가장 효과적인 위치의 조상설비를 조정함으로써 가장 적은 조정량으로 계통전압을 효과적으로 제어할 수 있는 무효 전력 원의 협조제어 기법을 제공할 수 있다.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

여기서, 명세서 전체를 통하여 유사한 구성 및 동작을 갖는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 무효 전력 원 협조제어를 통한 최적 계통전압제어의 방법이 도시된 순서도이다. 상기 도 2에 명시된 순서도를 개략적으로 설명하면 도 2a와 같이 나타내 질 수 있다. 즉, 도 2a를 참조하면, 무효 전력 원 협조제어를 통한 최적 계통전압제어의 방법은 전압위반 모선 확인 단 계(S1)와, 지역 계통 구성 단계(S2)와, 축소 지역 계통 생성 단계(S3)와, 조류 계산 단계(S4)와, 목적 함수 계산(S5)단계를 포함한다.

이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 무효 전력 원 협조제어를 통한 최적 계통전압제어의 방법을 도 2 내지 도 13을 이용하여 좀 더 자세히 설명하기로 한다.

먼저, 도 1에 도시된 바와 같이 총 계통 수요는 6,247MW, 발전기 10기(G1 내지 G10), 선로 35개(1 내지 35) 및 변압기 12개로 구성되어 있는 시험 계통도를 형성한다.

이후, 도 2a 도시된 바와 같이, 전압위반 모선 확인 단계(S1)를 수행한다.

즉, 전압이 기준치를 벗어난 모선 발생 인, 전압제어 대상 모선을 확인한다.

다음, 상기 전압위반 모선 확인 단계(S1)에서 나타난 결과물을 바탕으로 지역 계통 구성 단계(S2)를 수행한다.

상기 지역 계통 구성 단계(S2)에서는, 상기 전압제어 대상 모선을 중심으로 8-10개 변전소 이내에 있는 모선을 지역계통으로 구성한다.

상기 전압제어 대상 모선을 중심으로 8-10개 변전소 이내로 제한하는 이유는 전기적 거리를 계산하는 모선들의 수를 줄이기 위한 것이다.

다음, 도 3 내지 도 5를 참조하면, 상기 지역 계통 구성 단계(S2)에서 분류된 일정 기준의 모선들을 분류하여 생성된 축소 지역 계통 생성(S3)단계를 수행하기 위한 분류표가 도시되어 있다.

먼저, 도 3은 전압제어와 관련된 검토대상 계통의 S.C 설치 현황을 나타낸 표이다. 다음 도 4는 검토대상 계통에 저전압을 발생시키고자 인가한 상정사고 리스트이다. 검토대상 계통에 저전압을 발생시키기 위해 상기 도 4에 명시된 상정사고를 동시에 인가한다. 상기 도 4와 같이 상정사고 인가 후, 검토대상 계통의 저전압(0.95PU 이하) 발생현황이 도 5에 도시되어 있다. 다시 말해 상기에 명시된 도 3내지 도 5는 상기 지역 계통 구성 단계(S2)에서 생성된 상기 지역 계통 내에 있는 상기 모선들만을 대상으로 전압제어 대상 모선과의 전기적 거리 계산 후, 전기적 거리가 일정치 이내로 되는 모선들만 포함하는 상기 축소 지역계통을 생성한 것이다. 이때, 지역계통에 포함되는 모선들의 서브셋(subset)을 S라고 하면, 축소 지역계통을 구성하는 알고리즘은 다음과 같이 표현될 수 있다.

여기서,

ΔQ₀ 와 ΔV₀ 는 서브셋 S의 외부에 있는 모선들과 관련된 요소이고, ΔQ_S 와 ΔV_S 는 서브셋 S의 내부에 있는 모선들과 관련된 요소이다.

즉, ΔQ₀= 상기 지역 계통에 포함되지 않는 모선들의 무효전력 변화량

ΔV_{S =} 상기 지역 계통에 포함되는 모선들의 전압 변화량

으로 나타낼 수 있다.

상기에서 도시된 바와 같이, 지역 계통 알고리즘 수식에서

이라고 가정하였으므로, 즉 서브셋 S 내부에 있는 조상설비를 조정한다 하더라도 서브셋 S 외부에 있는 모선들의 전압변화에 거의 영향을 미치지 못하는 것으로 가정하였으므로, 위의 식은 다음과 같이 표현될 수 있다.

여기서, 표현된 서브셋 S로 구성되는 지역계통은 변압기 탭, 병렬 커패시터 및 리액터를 갖고 있는 각각의 모선에 대하여 각각 생성된다.

이렇게, 상기와 같은 지역 계통 알고리즘을 사용하여, 상기 축소 지역 계통 생성(S3)단계를 수행한다. 상기와 같이 축소 지역 계통을 생성 하는 이유는 전압제어 효과 분석 시 전압 페널티를 적용할 모선을 선정하기 위한 것이다.

다음, 조류 계산 단계(S4)에서는 조상설비를 갖고 있는 각각의 모선(전압제어 모선)을 중심으로 상기 축소 지역 계통 생성(S3)단계를 반복하여 상기 전압제어 대상모선의 전압을 정상치로 유지하기 위한 제어량을 조류 계산을 통해 결정한다.

마지막으로, 도 6 내지 도 13을 참조하면, 목적 함수 계산 단계(S5)에서는 상기 조류 계산 단계(S4)에서 구해진 각각의 제어량 및 제어동작(투입 및 개방)을 고려하여 최적화 문제의 목적함수 값을 계산한다. 이때, 목적함수는 상기 구성한 지역계통 내의 각 모선 전압 위반치, 순환무효조류, 제어기기 투입/개방에 관련된 가중치 등으로 구성된다.

상기 목적 함수 계산 단계(S5)에서 이용하는 알고리즘은 아래와 같다.

여기서, k_i 는 조상설비의 스위칭을 의미한다.

-1은 조상설비의 개방을 의미하고, 0은 스위칭이 발생하지 않은 것을 의미하며, +1은 조상설비의 투입을 의미한다.

N_sw는 본 제어기법의 한번 반복계산 과정에서 허락될 수 있는 스위칭 동작의 최대수를 의미한다. 일반적으로 계통운영자가 한번에 여러 voltage controller의 스위칭을 꺼려하므로 보통의 경우 N_sw는 1로 한다. N_sw를 적게 할수록 제어결과는 보수적으로 된다.

일반적으로 전압 무효전력 제어 관련 최적화 문제는 유효전력 손실을 최소화하거나 무효전력 예비력을 최대화하는 것으로 정식화 될 수 있다. 상기 최적화 문제는 조상설비의 개방과 투입시의 비용을 달리 함으로써 현재 계통에 투입, 운용중인 조상설비의 수를 최소화 하도록 되어있고, 이에 따라, 향후 전압제어 시 활용 가능한 조상설비의 수를 최대화 되도록 한 것이다. 이후 상기와 같은 목적 함수 알고리즘을 이용하여 나타난 결과 값이 최소로 되는 제어요소, 제어량 및 제어동작을 최적화 문제의 해로 선정한다. 이후, 모든 모선의 전압이 기준치 이내로 회복되던지, 더 이상 제어할 제어기가 없는 경우에 종료한다.

이와 같은 상기 목적함수 계산 단계(S5)를 도 6 내지 13을 이용하여 좀 더 자세히 설명하기로 한다.

먼저, 도 6을 참조하면, 상기 도 2에 도시된 모선 5번에 조상설비를 투입한 후 검토대상 계통에 발생한 저전압 모선 현황을 나타낸 표이다.

즉, 상기 모선 5번에 S.C 50 MVAR을 투입한 결과, 상기 모선 13번의 전압은 기준치 이내로 개선되었으며, 기타 6개의 모선 전압도 개선된 것을 알 수 있다.

다음, 도 7을 참조하면, 상기 모선 5번에 조상설비를 추가 투입한 후 검토대상 계통에 발생한 저전압 모선 현황을 나타낸 표이다.

도 8을 참조하면, 상기 모선 5번에 조상설비를 다시 추가 투입한 후 검토대상 계통에 발생된 저전압 모선 현황을 나타낸 표이다. 상기 모선 5번에 S.C 50 MVAR을 추가 투입(총 투입량 : 150 MVAR)한 결과, 모선 15번의 저전압이 해소되었다.

도 9는 모선 7번에 조상설비를 추가 투입한 후의 검토대상 계통에 발생한 저전압 모선 현황을 나타낸 표이다.

도 10은 상기 모선 7번에 조상설비를 추가 투입한 후, 검토대상 계통에 발생한 저전압 모선 현황을 나타낸 표이다. 상기 모선 7번에 S.C 50 MVAR을 투입한 후에도 여전히 가장 크게 전압을 위반한 모선은 상기 모선 7이며, 이 모선의 전압을 가장 효과적으로 개선하기 위하여 각 제어기의 제어 효과를 분석한 결과, 상기 모선 7번에 S.C 50 MVAR의 추가 투입이 결정되었다.

도 11은 상기 모선 7번에 조상설비를 추가투입 후, 검토대상 계통이 가지는 저전압 모선 현황을 나타낸 표이다. 상기 모선 7번에 S.C 50 MVAR을 추가 투입(총 투입량 : 100 MVAR)한 후에도 여전히 가장 크게 전압을 위반한 모선은 모선 7이며, 이 모선의 전압을 가장 효과적으로 개선하기 위하여 각 제어기의 제어 효과를 분석한 결과, 상기 모선 7번에 S.C 50 MVAR 추가 투입이 결정되었다.

도 12는 모선 9번에 조상설비를 추가 투입한 후, 검토대상 계통에 발생한 저전압 모선 현황을 나타낸 표이다. 상기 모선 7번에 S.C 50 MVAR을 추가 투입(총 투입량 : 150 MVAR)한 후에는 가장 크게 전압을 위반한 모선이 모선 8로 변경되었으며, 이 모선의 전압을 가장 효과적으로 개선하기 위하여 각 제어기의 제어 효과를 분석한 결과, 모선 9번에 S.C 100 MVAR의 투입이 결정되었다.

도 13은 상기 모선 9번에 조상설비를 추가투입 후 검토대상에 발생한 저전압 모선 현황을 나타낸 표이다. 상기 모선 9번에 S.C 100 MVAR을 투입한 후에는 가장 크게 전압을 위반한 모선이 모선 4로 변경되었으며, 이 모선의 전압을 가장 효과적으로 개선하기 위하여 각 제어기의 제어 효과를 분석한 결과, 상기 모선 9번에 S.C 100 MVAR의 추가 투입(총 투입량 : 200 MVAR)이 결정되었다. 모선 4번의 전압 위반을 해소하기 위한 각 제어기의 제어 효과를 분석한 결과, 상기 모선 9번에 S.C 100 MVAR을 추가 투입(총 투입량 : 300MVAR)하는 것으로 결정되었으며, 이를 통해 모든 모선의 전압은 기준치를 만족하게 되었다.

이상에서 설명한 것은 본 발명에 의한 무효전력원 협조제어를 통한 최적 계통전압제어 방법을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 무효전력원 협조제어를 통한 최적 계통전압제어 방법에서 이용한 시험 계통도이다.

도 2 및 도 2a는 본 발명에 따른 무효전력원 협조제어를 통한 최적 계통전압제어 방법을 도시한 순서도이다.

도 3은 전압제어와 관련된 검토대상 계통의 S.C 설치 현황을 도시한 표이다.

도 4는 검토대상 계통에 저전압을 발생시키고자 인가한 상정사고 리스트를 도시한 표이다.

도 5는 상정사고 인가 후 검토대상 계통의 저전압(0.95PU 이하) 발생현황을 도시한 표이다.

도 6은 모선 5번에 조상설비 투입 후 검토대상 계통의 저전압 모선 현황을 도시한 표이다.

도 7 및 도 8은 모선 5번에 조상설비를 추가 투입 후 검토대상 계통의 저전압 모선현황을 도시한 표이다.

도 9 내지 도 11은 모선 7번에 조상설비를 추가 투입한 후의 검토대상 계통의 저전압 모선 현황을 도시한 표이다.

도 12 및 도 13은 모선 9번에 조상설비를 추가 투입한 후 검토대상계통의 저전압 모선 현황을 도시한 표이다.

Claims

컴퓨터 프로그램 상에 모의 대상 계통의 모선 중에서 미리 선정된 전압 기준치를 벗어난 모선을 확인하는 전압위반 모선 확인 단계;

상기 전압위반 모선 확인 단계에서 확인된 전압제어 대상모선을 중심으로 8~10개의 변전소 이내에 있는 모선을 지역계통으로 구성하는 지역계통 구성 단계;

상기 구성한 지역계통 내에 있는 상기 모선들만을 대상으로 축소 지역 알고리즘을 이용하여 축소 지역계통을 생성하는 축소 지역계통 생성 단계;

상기 축소 지역계통을 대상으로, 전압제어 대상모선의 전압을 정상치로 유지하기 위한 제어량을 조류계산을 통해 결정하는 조류계산 단계; 및,

상기 제어량 및 제어동작을 고려하여 최적화 목적함수 값을 계산하는 목적함수 계산 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 무효전력원 협조제어를 통한 최적 계통전압제어 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 축소 지역 계통 생성 단계는

ΔQ₀= 상기 지역 계통에 포함되지 않는 모선들의 무효전력 변화량

ΔV_{0 =} 상기 지역 계통에 포함되지 않는 모선들의 전압의 변화량

ΔQ_S = 상기 지역 계통에 포함되는 모선들의 무효전력 변화량

ΔV_{S =} 상기 지역 계통에 포함되는 모선들의 전압 변화량

의 알고리즘을 사용하며,

상기 서브셋으로 구성하는 축소 지역계통은 변압기 탭, 병렬 커패시터 및 리액터를 갖고 있는 상기 모선에 각각에 대하여 다시 세분된 축소 지역 계통 생성하는 것을 특징으로 하는 무효전력원 협조제어를 통한 최적 계통전압제어 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 축소 지역 계통 생성 단계는

상기 축소 지역 알고리즘을 이용하여 계산된 전기적 거리를 기준으로 전압 위반 모선에 영향을 미치는 모선들을 가려내어 제어 영향을 미치는 정도를 기준으로 단계별 계통을 구성하여 이루어진 것을 특징으로 하는 무효전력원 협조제어를 통한 최적 계통전압제어 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 축소 지역 계통 생성 단계는

상기 축소 지역 계통 내에 조상설비를 갖고 있는 상기 모선을 기준으로 상기 축소 지역 계통 생성단계를 반복 수행하여 각각의 축소 지역 계통을 생성하는 것을 특징으로 하는 무효전력원 협조제어를 통한 최적 계통전압제어 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 목적함수 계산 단계는

k_i = 상기 조상설비의 스위칭

N_{sw =} 상기 제어기법의 한 번 반복계산 과정에서 허락될 수 있는 스위칭 동작의 최대 수

-1 = 조상설비의 개방

0 = 스위칭이 발생하지 않은 것

+1 = 조상설비의 투입

의 알고리즘을 사용하며,

상기 N_sw값을 적게 할수록, 제어결과가 보수적으로 되는 것을 특징으로 하는 무효전력원 협조제어를 통한 최적 계통전압제어 방법.
제 5 항에 있어서,

상기 목적함수의 값이 최소가 되는 제어요소, 제어량 및 제어동작을 상기 목 적함수의 해로 선정하는 것을 특징으로 하는 무효전력원 협조제어를 통한 최적 계통전압제어 방법.