KR20110029397A - 파라미터 자기탐색 알고리즘이 내장된 동기기 자동 병입 장치 - Google Patents

파라미터 자기탐색 알고리즘이 내장된 동기기 자동 병입 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 동기발전기 및 전동기(이하 동기기)를 전력계통에 병렬운전시키기 위한 감시 및 제어장치인 동기기 자동 병입 장치에 관한 것이다. 동기기를 계통에 병입 후에 병렬 운전시키기 위해서는 운전 중인 전력계통의 전압크기와 위상 그리고 주파수를 일치시켜서 동기기를 병입해야 한다. 그렇지 않으면, 계통연계 주변압기 및 주변 전기 및 터빈설비를 소손시키고 전력계통에 큰 충격을 주어 인근전력계통에 병입되어 운전 중인 발전기들을 파급 정지시키면서 전력계통에 큰 외란을 주게 된다. 병입장치는 전압 및 주파수 조정신호를 발생시켜서 그 편차가 허용 범위 내에 있고 전압위상차가 기준 허용치 이내에 있으면 병입 차단기 투입하라는 명령 신호를 발생시킨다. 본 발명은 자동 병입 장치에서 자체 시험을 통해서 얻어진 변수로 최적값을 찾아내서 설정하게 함으로써 병입 장치 파라미터 정정에 소요되는 시험 시간을 최소화하고, 최적에 파라미터를 자체 시스템에서 찾아내어 설정시켜서 원동기 기동 후 병입 시점까지의 시간을 최소화하 하고, 이로써 계통병입에 소요되는 시간만큼 소비되는 소비전력을 절감하고, 긴급상황에서 전력계통에 공급전력을 조기 확보함으로서 전력계통 안정도 향상에 기여할 수 있다.
동기기 자동 병입 장치, 파라미터 자기탐색 알고리즘

Description

파라미터 자기탐색 알고리즘이 내장된 동기기 자동 병입 장치{AUTOMATIC SYNCHRONIZER WITH PARAMETER SELF-SEARCHING ALGORITHM FOR SYNCHRONOUS MACHINE}
본 발명은 동기기 자동 병입 장치에 관한 것으로서, 특히 파라미터 자기탐색 알고리즘이 내장된 동기기 자동 병입 장치에 관한 것이다.
전력계통에 연계된 대용량발전소 기기들의 내부고장으로 인해서 발전기가 전력계통에서 탈락되는 경우에 전력계통 주파수가 급격하게 저하된다. 이때 대기 기동발전소인 양수발전기 또는 가스터빈 발전기를 긴급으로 기동하여 전력계통에 신속하게 병렬투입(이하 "병입"이라고 함)시켜 부족전력을 공급시켜 줌으로서 전력계통 주파수는 정상으로 회복되게 된다.
이와 같이, 동기발전기 및 전동기(이하 "동기기"라고 함)를 전력계통에 병렬 운전시키고자 할 때, 운전 중인 전력계통의 전압크기와 병입시키고자 하는 동기기의 전압크기가 일치하지 않으면 발전기에 큰 무효횡류가 흘러서 동기기를 소손시킬 수 있으며, 운전 중인 전력계통의 전압위상과 병입시키고자 하는 동기기의 전압위상이 일치하지 않으면 두 시스템 간에 큰 전압차로 인해서 일시적 단락과 같은 전기적 충돌 현상이 발생되어 관련기기들을 소손시키고, 전력계통 안정도를 떨어뜨리 는데 지대한 영향을 미치게 된다.
동기기 전압크기는 동기기 여자시스템, 즉 자동전압 조정장치(자동전압 조정기 또는 자동전압 조정시스템이라고도 함)가 조정을 담당하고 주파수와 위상은 동기기를 돌리는 원동기의 속도제어 시스템인 조속기(조속시스템이라고도 함)에서 맡는다(도면 1 참조). 동기기 자동 병입 장치는 전력계통과 동기기의 전압크기와 주파수 신호를 검출해서 신호처리 연산과정을 거친 후에 두 시스템 간에 전압크기차, 전압위상차, 슬립(Slip) 주파수, 위상각 신호 등을 검출하여 이 값들이 정해진 기준치 이내에 들어오면 동기기 계통 병입용 차단기를 투입하라는 명령신호를 발생시켜 동기기를 전력계통에 병렬 운전시킨다. 만약에 병입 대상인 동기기의 전압 크기, 주파수 크기, 슬립(Slip) 주파수, 위상각이 병렬투입조건범위를 벗어나 있으면, 병입 장치가 발전기 자동전압 조정기와 조속시스템의 목표치를 수정하라는 증/감 명령신호를 발생하여 이를 인터포징 계전기를 통해서 목표치를 수정함으로써, 항상 변화하고 있는 전력계통 신호에 맞추도록 명령신호를 보낸다(도면 2 참조).
일반적으로 두 시스템 간에 벗어난 값이 크면 명령신호 폭은 길게, 그리고 명령주기는 짧게 보낸다. 여기서 명령신호 폭과 주기는 조정대상인 동기기 및 여자시스템, 원동기 및 조속기의 정/동특성, 그리고 신호전달 과정에서 발생되는 시간지연 특성에 따라서 적정하게 정정되어야 한다. 제어대상 시스템의 동특성에는 지연시간(Delay Time), 신호 부동시간(Dead Time; 불감시간이라고도 함), 시정수(Time Constant), 이득(Gain) 등이 있다. 또 다른 중요 특성은 신호 전달 과정에서의 신호 연계용 계전기의 특성, 디지털 제어시스템의 입력 신호처리과정에서 발 생되는 시간 지연 특성이 있다.
종래의 자동 동기기 병입 장치는, 상술한 제어대상 시스템의 여러 동특성을 시스템 기술자가 응답특성시험을 실시하여 얻은 결과를 근거로 해서 제어명령신호 폭과 신호주기를 결정해서 운전되었다.
상술한 바와 같이, 병입 장치는 전압 및 주파수 조정신호를 발생시켜서 그 편차가 허용 범위 내에 있고 전압위상차가 기준 허용치 이내에 있으면 병입 차단기 투입하라는 명령 신호를 발생시킨다.
종래에는 시스템 기술자인 운용자가 직접 제어대상 시스템에 대한 응답특성시험을 통해 데이터를 얻은 후에, 이를 기초로 해서 전압 크기와 위상을 일치시키는데 필요한 제어명령신호를 발생시켰다.
이러한 경우에, 운용자가 직접 시험을 통해 데이터를 얻기 때문에 동기기를 전력계통에 병입하는데 상당한 시간이 소요되었으며, 전력계통에 병입하는데 소요되는 시간만큼 발전소 내의 모든 기기들을 정상상태로 운행하기 위해 소비되는 소비전력의 손실이 있었다. 또한, 긴급상황에서는 전력계통에 공급하기 위한 전력을 신속하게 확보하기 어려운 문제점도 있었다.
본 발명은 자동 병입 장치 내에서 자체 시험을 통해서 얻어진 변수로 최적값을 찾아내서 설정하게 함으로서 병입 장치 파라미터 정정에 소요되는 시험 시간을 최소화하고, 최적의 파라미터를 자체 시스템에서 찾아내어 설정시켜서 원동기 기동 후 병입 시점까지의 시간을 최소화하는 것을 목적으로 한다.
이러한 목적은 본 발명에 의해서 달성되는데, 본 발명에 따른 파라미터 자기탐색 알고리즘이 내장된 동기기 자동 병입 장치는, 동기기 전압제어시스템, 원동기 조속시스템, 차단기를 제어해서 동기기를 전력계통에 자동으로 병렬투입하기 위한 동기기 자동 병입 장치로서, 상기 동기기 자동 병입 장치가 응답시험모드로 동작할지 또는 정상운전모드로 동작할지를 운용자가 선택할 수 있도록 하는 시험/정상 모드 스위치;와, 동기기의 전압, 전력계통의 전압, 및 차단기의 개폐상태에 대한 아날로그 신호들을 입력받고, 상기 아날로그 신호들을 디지털 신호들로 변환하여 동기기와 전력계통의 전압의 크기, 주파수, 위상각, 슬립 주파수, 및 차단기 개폐상태를 출력하는 전압 크기 및 주파수 신호 검출부;와, 응답시험모드에서, 동기기 전압제어시스템, 원동기 조속시스템, 차단기의 특성을 탐색하기 위해 응답시험신호를 발생시켜 출력하는 응답시험 신호 발생부;와, 동기기 전압제어시스템, 원동기 조속시스템, 차단기를 제어하기 위해, 전압조정 명령펄스, 주파수조정 명령펄스, 차단기 투입명령을 발생시키는 제어신호 명령발생부로서, 응답시험모드에서는 상기 응답시험 신호 발생부로부터 출력된 응답시험 신호를 입력받아서 명령펄스의 폭과 주기를 결정하는 제어신호 명령발생부;와, 응답시험모드에서, 제어신호 명령발생부에서 발생된 전압조정 명령펄스와, 주파수조정 명령펄스와, 차단기 투입명령과, 상기 명령펄스들과 투입명령에 의해 동기기와 차단기가 동작한 후 전압 신호 및 주파수 신호 검출부에서 검출되고 변환되어 출력된 신호들을 입력받아서 동기기 전압제어시스템, 원동기 조속시스템, 및 차단기의 응답특성을 분석하고, 동기기 전압제어시스템, 원동기 조속시스템, 및 차단기의 응답특성의 수학적 모델을 완성하기 위한 파라미터들을 연산해서 출력하는 시스템 특성 분석 및 모델 연산부; 및 응답시험모드에서, 시스템 특성 분석 및 모델 연산부에서 출력된 파라미터들을 입력받아서, 동기기를 전력계통에 병입하기 위한 전압조정 명령펄스의 폭과 주기, 주파수조정 명령펄스의 폭과 주기, 및 차단기를 투입 동작시간을 상기 파라미터를 이용하여 산출해서, 산출된 전압조정 명령펄스의 폭과 주기, 주파수조정 명령펄스의 폭과 주기, 및 차단기 투입 동작시간을 최종 설정값으로 확정하여 상기 제어신호 명령 발생부로 출력하는 최적 파라미터 설정부;를 포함하고, 상기 제어신호 명령발생부는 정상운전모드에서는 상기 전압 크기 및 주파수 신호 검출부로부터 출력된 신호들과 상기 최적 파라미터 설정부로부터의 출력을 입력받아서 동기기를 전력계통에 병입하기 위한 명령펄스의 폭과 주기를 결정한다.
또한, 본 발명에 따른 동기기 자동 병입 장치는, 상기 최적 파라미터 설정부는, 상기 최적 파라미터 설정부에 의해 산출된 전압조정 명령펄스의 폭과 주기, 주파수조정 명령펄스의 폭과 주기, 및 차단기 투입 동작시간이 미리 설정된 기준값의 범위 내에 드는지를 확인하여, 상기 기준값 이내에 들지 않는 경우에는 상기 기준값을, 상기 기준값 이내에 드는 경우에는 상기 산출된 값을 최종 설정값으로 확정하여 상기 제어신호 명령 발생부로 출력한다.
또한, 본 발명에 따른 동기기 자동 병입 장치는, 상기 최적 파라미터 설정부에 의해 산출된 전압조정 명령펄스의 폭과 주기, 주파수조정 명령펄스의 폭과 주기, 및 차단기 투입 동작시간의 기준값을 미리 설정하기 위한 파라미터 상하한 수동설정부;를 더 포함한다.
또한, 본 발명에 따른 동기기 자동 병입 장치는, 전압조정 명령펄스의 폭과 주기, 주파수조정 명령펄스의 폭과 주기, 및 차단기 투입 동작시간을 운용자로부터 입력받는 수동모드와, 상기 최적 파라미터 설정부에서 산출하는 자동모드를 운용자가 선택할 수 있게 하는 수동/자동 모드 스위치;와, 파라미터 값이 수동으로 설정될 수 있도록 운용자로부터 파라미터 값을 입력받는 파라미터 수동설정부;를 더 포함한다.
또한, 본 발명에 따른 동기기 자동 병입 장치는, 한 대의 병입장치로 여러 대의 동기기를 병입할 수 있도록, 병입시키고자 하는 동기기를 선택할 수 있게 하는 시스템 선택스위치;를 더 포함한다.
또한, 본 발명에 따른 동기기 자동 병입 장치에서, 동기기 전압제어시스템과 원동기 조속시스템의 응답특성의 수학적 모델을 완성하기 위한 파라미터는 이득, 시정수, 및 부동시간을 포함하고, 차단기 응답특성의 수학적 모델을 완성하기 위한 파라미터는 시간지연을 포함한다.
본 발명에 따른 동기기 자동 병입 장치는, 그 자체에서 제어대상이 응답하기 위해 필요한 신호를 제어대상으로 보내고, 이에 대한 제어대상의 응답특성을 이용해서 제어대상 시스템을 모델링하고, 그 모델에 최적인 제어 명령 신호를 발생시키는데, 이로써 원동기 기동 후 병입 시점까지의 시간이 최소화된다.
이렇게 병입 시점까지의 시간을 최소화함으로써, 동기기를 전력계통에 병입하는데 걸리는 시간 동안에 발전소 내에서 낭비되는 소비전력을 절감할 수 있고, 긴급한 상황에서는 전력계통에 공급하기 위한 전력을 신속하게 확보할 수 있으므로 전력계통의 안정도 향상에 기여할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 각기 특성이 다른 여러 발전기에 대해서 각각의 발전기에 맞는 시스템 파라미터를 구하여 한 대의 병입 장치를 이용해서 병입 운전시킬 수 있다.
본 발명에 따른 병입 장치는 스스로 내부에서 계단응답, 임펄스응답, 램프(ramp)응답 등과 같은 시험신호를 발생시킨 후에 병입장치에 돌아오는 제어대상의 궤한 응답특성을 입력받아 제어대상 시스템의 수학적 모델을 생성하고, 생성된 새로운 모델을 기반으로 조정명령신호 펄스의 폭과 주기를 결정하는 시뮬레이션 동작을 실시하여 최적의 명령신호 값을 찾아낸다. 최적의 조정 펄스 명령은 동기기가 신속하고 정확하게 전력계통에 병입되도록 하는 방식이다. 즉, 병입장치에서 시간지연, 이득, 시정수, 신호 불감시간 등을 고려한 적응형 최적 명령신호를 발생시킴으로서 제어대상을 전력계통에 안전하고 신속하게 병입한다.
병입장치가 제어하고자 하는 제어대상은 원동기 조속시스템, 동기기 전압제어시스템, 차단기 투입 메카니즘이다.
제어대상발전기 전압제어시스템과 원동기 조속시스템의 수학적 모델을 생성하는 방법은 다음과 같다. 발전기 전압제어시스템과 원동기 조속시스템의 수학적 모델은, 예컨대 이하의 수학식 1과 같은 1차 모델로 근사화할 수 있다.
Figure 112009056712992-PAT00001
수학식 1에서, K는 정상상태의 프로세스 이득이며, Tc는 시상수, Td는 부동시간을 의미한다. 수학식 1의 각 파라미터의 값은 도 7의 1차 모델 스텝 응답 곡선으로부터 구할 수 있는데, 프로세스 이득의 경우, 스텝의 크기에 대한 정상상태에서의 공정 변화분의 비로써 구할 수 있다. 부동시간은 도 7과 같은 스텝 응답 곡선의 최대 변화율 점에서의 접선을 이용하여, 도 7과 같이 초기값을 가지는 시간으로부터 구할 수 있다. 시상수는 출력 변화분의 0.283배가 되는 시간을 T1이라고 하고, 출력 변화분의 0.632배가 되는 시간을 T2라고 할 때, 이하의 수학식 2로부터 구할 수 있다.
Figure 112009056712992-PAT00002
파라미터 자기탐색 과정은 시스템 식별(System Identification) 기술과 파라미터 추정(Parameter Estimation) 기술을 이용해서 상술한 3가지의 파라미터 값(K, Tc, Td)을 찾는 과정이다. 좀더 자세히 설명하면, 시스템 식별 기술과 파라미터 추정 기술은 사전에 시스템의 수학적 모델을 정하여 두고, 시스템의 외부에서 시스템으로 계단입력(발전기 전압조정시스템의 경우 발전기 전압 설정치를 5% 정도 계단 으로 변화)을 가해서 그 계단 입력에 대한 출력 응답을 검출해서 도 7과 같은 스텝응답곡선을 가지는 기본 모델을 산출한다. 산출한 모델에 의한 응답과 기존 스텝응답을 비교하여 모델 오차를 계산하고, 모델 오차가 특정 범위 내에 들어올 때까지 시상수와 부동시간을 조정하여 파라미터를 추정한다.
전압제어시스템과 조속시스템의 모델은 실제 모델을 근사화한 축약 모델이다. 전압제어시스템과 조속시스템이 아직 전력계통 병렬운전, 즉 부하운전에 들어가기 전인 무부하 상태이므로 그 모델은 간단히 축약이 가능하다. 그 예로 전압제어시스템은 발전기 유효출력이 발생되기 전 단계인 단순전압제어 모드이므로 부하운전에서와 같은 비선형이면서 복잡한 전기자 반작용 효과를 고려할 필요가 없다. 조속시스템에서도 병입되기 이전에는 자동전압조정장치와 마찬가지로 부하출력 운전이 아닌 단순 터빈 속도제어 모드이다. 수차 또는 증기 터빈에 입력되는 에너지가 기계적 회전 에너지로만 바뀐 상태이고 아직 발전기에서 전기적 에너지로 변환하기 전이어서 이 전기에너지 변환부분의 모델을 축약할 수 있다.
따라서, 전압제어시스템과 조속시스템의 모델에서는 수학식 1에서 나타낸 바와 같이 이득정수 K와 시정수 Tc, 그리고 부동시간 Td가 탐색 대상 파라미터이다. 다만, 차단기의 경우는 온오프(On/Off) 동작을 하는 기기로서 단순시간지연 모델이므로 시간지연만이 탐색 대상 파라미터이다. 상술한 바와 같이 탐색 대상 파라미터를 결정함으로써, 제어 대상인 원동기 조속시스템, 동기기 전압제어시스템, 차단기 투입 메카니즘에 대한 모델이 생성된다.
이렇게 생성된 모델을 기반으로 조정명령신호 펄스의 폭과 주기를 결정하는 시뮬레이션 동작을 실시하여 최적의 명령신호 값을 찾아낸다. 병입장치에서 제어대상(전압제어시스템, 조속기, 차단기)에 내리는 명령(전압조정, 속도조정)은 단순한 펄스 명령이다. 시뮬레이션 과정(예컨대, 이하에서 설명하는 응답시험모드)에서는 이 펄스 명령의 펄스폭과 펄스의 주기를 조정해서 제어대상에서 최적으로 응답을 얻어내는 것이다. 다시 말해, 병입장치 내에서의 시뮬레이션 과정에서 상술한 과정에 의해서 찾아낸 모델을 대상으로 계단입력인 펄스 명령을 상기 모델에 하달하고 상기 모델이 응답하는 응답특성을 보고 펄스 폭과 펄스 주기를 결정하는 것이다. 이렇게 해서 찾아낸 펄스폭과 주기를 다시 실제 하부시스템에서 최종 확인을 하고 하부시스템 응답이 최적에 다다르면 이 값을 제어변수의 최종 설정값으로 확정한다. 이러한 최종 설정값이 정해지면, 이러한 설정값과 동기기 및 전력계통의 전압을 고려하여 제어대상인 전압제어시스템, 조속기, 차단기에 동기기 병입을 위한 제어명령을 내리게 된다.
운용자 또는 시스템 전문가는 시스템이 안정된 상태에서 운행되도록 제어변수에 대한 제한값을 미리 수동으로 설정할 수 있고, 시뮬레이션 결과 자동으로 탐색해서 결정하려고 한 제어변수(펄스 폭, 펄스 주기, 차단기 동작시간)가 제한값을 초과하면 제한값이 정해지도록 할 수 있고, 제한값을 초과했다는 결과를 운용자에게 표시할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 제어변수는 다음과 같이 나눌 수 있다. 전압조정명령과 관련된 제어변수는 전압조정 펄스폭과 전압조정 펄스주기인데, 전압조정 펄스 폭은 계통전압과 동기기 전압의 전압신호 불일치 값 크기에 따른 것이고, 전압조정 펄스주기는 발전기 전압제어시스템, 발전기 자체, 및 명령신호 전달경로의 제반 특성을 반영한 것이다. 원동기 조속시스템의 주파수 조정명령과 관련된 제어변수는 원동기 속도(주파수)조정 펄스폭과 원동기 속도(주파수)조정 펄스주기인데, 원동기 속도조정 펄스폭은 원동기 조속시스템의 관성모멘트와 조속시스템 프로세스 이득을 기준으로 하여 전압 주파수 편차의 크기에 따른 것이고, 원동기 속도조정 펄스주기는 원동기 조속기의 동특성과 명령신호 전달 경로의 제반 특성을 반영한 것이다. 차단기 투입명령과 관련된 제어변수는 차단기 투입명령을 미리 하달하기 위한 위상각이며, 이는 동기기의 위상각이 계통의 위상각과 일치할 때 동기기가 병입되도록 하기 위한 것이며, 동기기 병입용 차단기 동작특성과 현재의 동기기 슬립 주파수 크기를 병입장치 내부에서 측정한 값을 고려해서 차단기 투입명령시점에서부터 차단기 투입완료시점까지의 시간차를 전기 위상각으로 계산한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른, 파라미터 자기탐색 알고리즘이 내장된 자동 병입장치의 구성요소와 신호의 흐름을 도시한 개략도이다.
본 발명에 따른 동기기 자동 병입 장치는 "시험/정상 모드 스위치", "전압 크기 및 주파수 신호 검출부", "응답시험 신호 발생부", "시스템 특성 분석 및 모델 연산부", "최적 파라미터 설정부", 및 "제어신호 명령발생부"를 포함한다.
시험/정상 모드 스위치에 의하여 운영자는 동기기 자동 병입 장치가 응답시험모드로 운행될지 아니면 정상모드로 운행될지를 선택할 수 있다.
응답시험모드는 동기기 병입을 위한 최적 파라미터를 최종 설정하기 위한 동기기 자동 병입 장치의 운전모드로서, 시험/정상 모드 스위치에 의하여 응답시험모 드로 선택되면 이하에서 설명하는 응답시험 신호 발생부에서 만들어진 신호가 제어 대상에 공급된다. 정상운전모드는 동기기 자동 병입 장치에 의해 동기기를 계통에 병입하기 위한 동기기 자동 병입 장치의 운전모드로서, 시험/정상 모드 스위치에 의하여 정상운전모드로 선택되면 모든 시험 수행 동작은 정지되며 응답시험모드에서 설정된 최적 파라미터와 제어대상에서 귀환하는 전압신호에 따라서 동기기를 병입하기 위한 명령신호를 발생하게 된다.
전압 신호 및 주파수 신호 검출부는 동기기 및 전력계통의 전압신호를 전압변성기로부터 아날로그 신호(정현파 신호)로 입력받아서 디지털 신호로 변환한 다음, 주파수, 전압크기, 위상각, 슬립 주파수 등 필요한 신호를 생성한다. 또한 차단기의 개폐상태에 대한 신호도 입력받아서 필요한 신호를 생성한다. 전압 신호 및 주파수 신호 검출부에서 생성된 신호는, 응답시험모드에서는 이하에서 설명하는 시스템 특성 분석 및 모델 연산부로 전달되고, 정상운전모드에서는 이하에서 설명하는 제어신호 명령발생부로 전달된다.
응답시험 신호 발생부는 응답시험모드에서 동작하는데, 동기기 전압제어시스템, 원동기 조속시스템, 계통병입 차단기, 제어시스템 상호간의 신호 연계를 위한 계전기 및 디지털 신호처리 시스템의 정/동특성을 탐색해내기 위해 응답시험 신호를 발생하는 장치이다.
응답시험을 위한 신호종류는 계단응답, 임펄스 응답, 램프응답신호이고 신호발생은 병입장치 내부에서 발생시켜 병입장치 출력장치를 통해서 시험대상 설비로 전송된다. 응답시험 신호는 이하에서 설명하는 시스템 특성 분석 및 모델 연산부에 도 동시에 공급된다. 시험신호의 크기 및 기울기는 현장 시험 전문가가 결정한다.
시스템 특성 분석 및 모델 연산부는 제어대상인 원동기 조속 시스템, 동기기 전압제어시스템, 차단기 투입 메카니즘의 특성을 분석하고 각각의 수학적 모델을 연산한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 시스템 특성 분석 및 모델 연산부는 응답시험모드에서 전압 및 주파수 조정, 그리고 차단기 투입명령신호와 동기기와 차단기에서 되돌아오는 궤환 반응신호를 전압 크기 및 주파수 신호 검출부에 의해 검출해서 원동기 조속 시스템, 동기기 전압제어시스템, 차단기 투입 메카니즘(이하 제어대상)에서 갖고 있는 신호이득정수, 시간지연 또는 부동시간, 시정수를 1차적으로 탐색해 낸다. 시스템 식별 기술과 파라미터 추정 기술을 이용해서 탐색된 파라미터를 가지고 전압제어시스템, 조속기, 차단기 기본 모델 파라미터를 정하여 제어대상의 수학적 모델을 완성한다. 상술한 바와 같이, 전압제어시스템과 조속시스템의 수학적 모델을 완성하기 위한 파라미터는 이득, 시정수, 및 부동시간이고, 차단기의 수학적 모델을 완성하기 위한 파라미터는 시간지연이다.
응답 특성조사의 대상에는 차단기 동작 시스템의 시간지연 특성도 포함된다. 이는 이하에서 설명하는 바와 같이 차단기 투입동작 구동 메카니즘이 고유하게 갖고 있는 것이다. 병입장치에서 병입을 시도하기 위해서는 전력계통 전압주파수(속도)보다 병입하고자 하는 동기기의 주파수(속도)를 일정부분 빠르게 한다. 이 두 주파수 신호간의 차를 슬립(Slip) 주파수라고 하는데 보통 0.1Hz 정도 이내이어야 한다. 동기기 주파수가 계통보다 빨리 변화고 있는 경우에 차단기를 투입하는 동작 기구에서는 수십 밀리초의 시간지연이 상존한다. 만약에 병입장치에서 두 시스템 상호간에 전압위상이 일치하는 시점에 차단기를 투입하라는 명령을 하달하면 차단기 투입동작 구동 메카니즘에서 고유하게 갖고 있는 시간지연 때문에 실질적인 투입시점은 위상이 정확히 일치하지 않은 지점에서 투입되게 된다. 즉, 동기기는 일치점을 지나서 투입되게 된다. 따라서 병입장치는 이와 같은 현상을 고려해서 일치점 이전에 투입명령을 발생시킨다. 현재의 슬립(Slip) 주파수를 고려해서 일정한 각도가 앞선 위상각 지점에서 투입명령을 발생시킨다. 여기서 중요한 것은 바로 슬립(Slip) 주파수와 차단기 동작 시스템의 시간지연 특성이다. 따라서 병입장치는 차단기 투입명령 후 되돌아오는 투입완료 신호를 이용해서 지연시간을 계산해 낸다.
최적 파라미터 설정부는 최적의 속도/전압 제어를 달성해서 최소 시간에 동기기를 전력계통에 병입하기 위해서 제어대상 시스템의 이득정수, 시간지연, 및 시정수에 합당한 최적 조정명령 신호 펄스의 폭과 주기를 계산해 내고, 이 계산된 결과가 제어 대상 시스템의 설계자가 미리 제시한 기준값 또는 현장 전문가 미리 정해진 기준값(펄스 신호 폭, 주기, 차단기 투입 동작시간) 이내에 드는지 최종 확인을 거쳐서 기준값 이내에 드는 경우에 최종 설정값으로 확정한다. 다시 말해, 최적 파라미터 설정부에 의해 산출된 전압조정 명령펄스의 폭과 주기, 주파수조정 명령펄스의 폭과 주기, 및 차단기 투입 동작시간이 미리 설정된 기준값의 범위 내에 드는지를 확인하여, 기준값 이내에 들지 않는 경우에는 기준값을, 기준값 이내에 드는 경우에는 산출된 값을 최종 설정값으로 확정하여 이하에서 설명하는 제어신호 명령 발생부로 출력한다(도 6 및 도 7 참조).
제어신호 명령발생부는 동기기 전압제어시스템, 원동기 조속시스템, 차단기를 제어하기 위해, 전압조정 명령펄스를 동기기 전압제어시스템으로 보내고, 주파수조정 명령펄스를 원동기 조속시스템으로 보내고, 차단기 투입명령을 계통병입 차단기로 보낸다.
응답시험모드에서, 제어신호 명령발생부는 상기 응답시험 신호 발생부로부터의 응답시험신호를 받아서 명령펄스의 폭과 주기를 결정한다. 예컨대, 응답시험 신호 발생부로부터 입력받은 신호 자체의 폭과 주기가 명령의 펄스의 폭과 주기가 될 수 있다.
정상운전모드에서, 제어신호 명령발생부는 동기기 및 전력계통의 전압신호를 전압변성기로부터 아날로그 신호를 받아서 전압 신호 및 주파수 신호 검출부에서 디지털신호로 변환한 주파수, 전압크기, 위상각, 슬립 주파수 신호를 받아서 전압 및 주파수 편차를 계산하고 위상각의 차를 계산하고, 그 차 신호에 상응하는 펄스의 폭과 주기를 결정한다. 이 펄스의 폭과 주기를 결정함에 있어서, 최적 파라미터 설정부에 의해 설정된 파라미터가 고려된다. 이 펄스 명령신호는 병입장치 내에 있는 인터포징 계전기를 이용해서 동기기 전압제어 시스템과 원동기 조속 시스템, 그리고 차단기에 보내진다.
본 발명에 따른 동기기 자동 병입 장치는 "파라미터 수동설정부"를 더 포함할 수 있다. 파라미터 수동설정부는 운용자로부터 수동으로 파라미터 값을 입력받아 전압조정 및 속도 조정 펄스폭과 펄스 주기 함수를 수동으로 결정한다. 시스템 특성 분석 및 모델 연산부 또는 최적 파라미터 설정부에서 연산 오류와 같은 상황이 발생하면 병입장치를 운전하기 위하여 수동으로라도 파라미터 값을 설정할 필요가 생기는데, 이러한 경우에 운용자는 파라미터 수동 설정부를 통해서 수동으로 파라미터 값을 입력하여, 전압조정 및 속도 조정 펄스폭과 펄스 주기 함수에 대한 명령을 결정할 수 있다.
본 발명에 따른 동기기 자동 병입 장치는 "수동/자동 모드 스위치"를 더 포함할 수 있다. 수동/자동 모드 스위치는, 자동으로 설정된 파라미터를 사용할지, 아니면 수동으로 설정된 파라미터에 의한 명령을 사용할지를 운용자가 선택할 수 있도록 하는 스위치이다. 즉, 운용자는 수동모드 또는 자동모드 선택 스위치를 이용해서, 최적 파라미터 설정부에서 연산된 파라미터 값을 사용할 것인지, 아니면 수동 파라미터 설정부에서 운용자에 의해서 수동으로 설정된 파라미터 값을 이용할 것인지를 선택할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 파라미터 자기탐색 알고리즘이 내장된 동기기 자동 병입 장치의 하드웨어 구성도이다. 본 발명을 구현하는 방법에 따라서 하드웨어는 다양하게 구성될 수 있다.
도 5는 제안한 동기기 자동 병입 장치의 시스템 선택 스위치 구성도이다. 시스템 선택 스위치는 여러 개의 동기기를 하나의 병입장치를 사용해서 병입이 가능하도록 한다. 각각의 제어대상 시스템이 갖는 모델이 서로 상이하므로 제어변수 응답특성시험에서부터, 모델링, 제어변수 확정 프로그램을 별도로 구분해서 사용할 필요가 있는데, 운용자는 시스템 선택 스위치에 의해 각각의 제어대상 시스템을 선 택할 수 있다. 운용자가 해당 동기기를 병입시킨다는 입력정보를 병입장치에 입력하면 해당 동기기에 맞는 파라미터가 사용되도록 한다. 한 대의 병입장치로 여러 대의 동기기를 필요에 따라 병입할 수 있도록 한다. 각각의 귀환신호와 명령신호는 병입장치 외부에 있는 선택 스위치에 의해서 이루어지고, 병입장치는 어떤 동기기가 병입을 하려고 하는지를 알려주는 입력장치를 포함한다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 동기기 자동 병입 장치에서 차단기 투입 명령시간 파라미터와 전압 및 주파수 조정 파라미터를 설정하는 과정을 도시한 블록도이다.
본 명세서에 사용된 용어는 단지 구체적인 실시예를 서술하기 위한 목적이며, 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서 단수형태(예컨대, 파라미터)는, 문맥이 분명하게 복수가 아님을 가리키지 않는다면, 복수형태 또한 포함하는 것으로 의도된다.
상술한 내용 및 그 등가물들은 다양한 형태로 구현될 수 있다는 것이 상기 설명으로부터 이해될 것이다. 그러므로, 본 발명에 대한 설명이 특정 실시예와 관련하여 서술되었지만, 본 발명의 진정한 범위는 이하의 청구항들 및 당업자들에게 그 자체로 연상될 수 있는 임의의 등가물들을 포함하며, 본 명세서에서 서술된 특정 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
도 1은 동기기 자동 병입 장치 및 제어대상 프로세스 연결 블록도이다.
도 2는 종래의 자동 동기 병입 장치 내부 개략도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른, 파라미터 자기탐색 알고리즘이 내장된 자동 병입장치의 구성요소와 신호의 흐름을 도시한 개략도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 파라미터 자기탐색 알고리즘이 내장된 동기기 자동 병입 장치의 하드웨어 구성도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 동기기 자동 병입 장치에서의 시스템 선택 스위치의 구성에 대한 개략도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 동기기 자동 병입 장치에서 차단기 투입 명령시간 파라미터와 전압 및 주파수 조정 파라미터를 설정하는 과정을 도시한 블록도이다.
도 7은 발전기의 전압제어시스템과 원동기의 조속시스템을 1차 모델로 근사화하여 이에 대한 스텝응답을 도시한 도면이다.

Claims (8)

  1. 동기기 전압제어시스템, 원동기 조속시스템, 차단기를 제어해서 동기기를 전력계통에 자동으로 병렬투입하기 위한 동기기 자동 병입 장치로서,
    상기 동기기 자동 병입 장치가 응답시험모드로 동작할지 또는 정상운전모드로 동작할지를 운용자가 선택할 수 있도록 하는 시험/정상 모드 스위치;와,
    동기기의 전압, 전력계통의 전압, 및 차단기의 개폐상태에 대한 아날로그 신호들을 입력받고, 상기 아날로그 신호들을 디지털 신호들로 변환하여 동기기와 전력계통의 전압의 크기, 주파수, 위상각, 슬립 주파수, 및 차단기 개폐상태를 출력하는 전압 크기 및 주파수 신호 검출부;와,
    응답시험모드에서, 동기기 전압제어시스템, 원동기 조속시스템, 차단기의 특성을 탐색하기 위해 응답시험신호를 발생시켜 출력하는 응답시험 신호 발생부;와,
    동기기 전압제어시스템, 원동기 조속시스템, 차단기를 제어하기 위해, 전압조정 명령펄스, 주파수조정 명령펄스, 차단기 투입명령을 발생시키는 제어신호 명령발생부로서, 응답시험모드에서는 상기 응답시험 신호 발생부로부터 출력된 응답시험 신호를 입력받아서 명령펄스의 폭과 주기를 결정하는 제어신호 명령발생부;와,
    응답시험모드에서, 제어신호 명령발생부에서 발생된
    - 전압조정 명령펄스와,
    - 주파수조정 명령펄스와,
    - 차단기 투입명령과,
    - 상기 명령펄스들과 투입명령에 의해 동기기와 차단기가 동작한 후 전압 신호 및 주파수 신호 검출부에서 검출되고 변환되어 출력된 신호들을
    입력받아서 동기기 전압제어시스템, 원동기 조속시스템, 및 차단기의 응답특성을 분석하고, 동기기 전압제어시스템, 원동기 조속시스템, 및 차단기의 응답특성의 수학적 모델을 완성하기 위한 파라미터를 연산해서 출력하는 시스템 특성 분석 및 모델 연산부; 및
    응답시험모드에서, 시스템 특성 분석 및 모델 연산부에서 출력된 상기 파라미터를 입력받아서, 동기기를 전력계통에 병입하기 위한 전압조정 명령펄스의 폭과 주기, 주파수조정 명령펄스의 폭과 주기, 및 차단기를 투입 동작시간을 상기 파라미터를 이용하여 산출해서, 산출된 전압조정 명령펄스의 폭과 주기, 주파수조정 명령펄스의 폭과 주기, 및 차단기 투입 동작시간을 최종 설정값으로 확정하여 상기 제어신호 명령 발생부로 출력하는 최적 파라미터 설정부;를 포함하고,
    상기 제어신호 명령발생부는 정상운전모드에서는 상기 전압 크기 및 주파수 신호 검출부로부터 출력된 신호들과 상기 최적 파라미터 설정부로부터의 출력을 입력받아서 동기기를 전력계통에 병입하기 위한 명령펄스의 폭과 주기를 결정하는, 파라미터 자기탐색 알고리즘이 내장된 동기기 자동 병입 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 최적 파라미터 설정부는,
    상기 최적 파라미터 설정부에 의해 산출된 전압조정 명령펄스의 폭과 주기, 주파수조정 명령펄스의 폭과 주기, 및 차단기 투입 동작시간이 미리 설정된 기준값의 범위 내에 드는지를 확인하여, 상기 기준값 이내에 들지 않는 경우에는 상기 기준값을, 상기 기준값 이내에 드는 경우에는 상기 산출된 값을 최종 설정값으로 확정하여 상기 제어신호 명령 발생부로 출력하는, 파라미터 자기탐색 알고리즘이 내장된 동기기 자동 병입 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 동기기 자동 병입 장치는,
    상기 최적 파라미터 설정부에 의해 산출된 전압조정 명령펄스의 폭과 주기, 주파수조정 명령펄스의 폭과 주기, 및 차단기 투입 동작시간의 기준값을 미리 설정하기 위한 파라미터 상하한 수동설정부;를 더 포함하는, 파라미터 자기탐색 알고리즘이 내장된 동기기 자동 병입 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 동기기 자동 병입 장치는,
    전압조정 명령펄스의 폭과 주기, 주파수조정 명령펄스의 폭과 주기, 및 차단기 투입 동작시간을 운용자로부터 입력받는 수동모드와, 상기 최적 파라미터 설정부에서 산출하는 자동모드를 운용자가 선택할 수 있게 하는 수동/자동 모드 스위치;와,
    파라미터 값이 수동으로 설정될 수 있도록 운용자로부터 파라미터 값을 입력받는 파라미터 수동설정부;를 더 포함하는, 파라미터 자기탐색 알고리즘이 내장된 동기기 자동 병입 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 동기기 자동 병입 장치는,
    한 대의 병입장치로 여러 대의 동기기를 병입할 수 있도록, 병입시키고자 하는 동기기를 선택할 수 있게 하는 시스템 선택스위치를 더 포함하는, 파라미터 자기탐색 알고리즘이 내장된 동기기 자동 병입 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    동기기 전압제어시스템의 응답특성의 수학적 모델을 완성하기 위한 파라미터는 이득, 시정수, 및 부동시간을 포함하는, 파라미터 자기탐색 알고리즘이 내장된 동기기 자동 병입 장치.
  7. 제1항 내지 제5항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    원동기 조속시스템의 응답특성의 수학적 모델을 완성하기 위한 파라미터는 이득, 시정수, 및 부동시간을 포함하는, 파라미터 자기탐색 알고리즘이 내장된 동 기기 자동 병입 장치.
  8. 제1항 내지 제5항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    차단기 응답특성의 수학적 모델을 완성하기 위한 파라미터는 시간지연을 포함하는, 파라미터 자기탐색 알고리즘이 내장된 동기기 자동 병입 장치.
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