KR20110106202A - 실시간 데이터 기반의 전력 원선도 및 유효전력 마진 계산 방법 및 이를 이용한 전력 감시 시스템 - Google Patents

실시간 데이터 기반의 전력 원선도 및 유효전력 마진 계산 방법 및 이를 이용한 전력 감시 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 실시간으로 송수전단 변전소에서 페이저 데이터를 전송받아 전력 원선도 및 유효전력 마진을 계산하여 송수전단 전력을 감시하는 기술에 관한 것이다. 개시발명은 송전단 및 수전단 변전소에 설치된 데이터 전송 장치로부터 시간 동기 페이저 데이터를 취득하는 단계, 상기 취득한 시간 동기 페이저 데이터를 토대로 송전단 및 수전단 변전소에서의 원선도를 계산하는 단계 및 상기 계산된 원선도를 이용하여 유효전력의 마진을 계산하는 단계를 포함한다. 따라서, 실시간으로 전력 계통을 감시할 수 있고 신뢰도가 향상된 계통 운영을 할 수 있게 된다.

Description

실시간 데이터 기반의 전력 원선도 및 유효전력 마진 계산 방법 및 이를 이용한 전력 감시 시스템{Method of Measuring Power Circle Diagram and Power Margin based on Real-time Data and Power Monitoring System using this Method}
본 발명은 송수전단 전력을 감시하는 기술에 관한 것으로, 특히 실시간으로 송수전단 변전소에서 페이저 데이터를 전송받아 전력 원선도 및 유효전력 마진을 계산하여 송수전단 전력을 감시하는 기술에 관한 것이다.
종래의 전력 수급의 형태는 오프라인 해석을 통하여 전력의 수급을 계산하여 전력을 공급하는 것이었다. 이러한 형태의 전력 수급은 복잡 다양해지는 전력 계통을 운영하기에는 부족한 점이 많다.
에너지 관리 시스템(EMS, Energy Management System)은 전력 시스템의 종합적인 관리 및 제어의 효율을 극대화하기 위하여 집중 원격감시 제어시스템(SCADA, Supervisory Control and Data Acquisition) 및 분산형 공정제어 시스템(DCS, Distributed Control System)에 고도의 진보된 응용 소프트웨어를 부가하여 기존의 SCADA 및 DCS의 기능을 크게 확장한 시스템이다. 이러한 EMS의 경우에도 현장의 측정 데이터를 이용하여 가중최소자승법(Weight Least Square)에 의하여 전력계통의 유효전력이나 무효전력 등을 계산하여 불량 데이터를 감지하는 상태추정(State Estimation)을 통하여 운영하기 때문에 추정되는 데이터가 불확실하다는 단점이 존재한다.
또한, 페이저 측정 장치(PMU, Phasor Measurement Unit)의 도입으로 실시간 감시의 중요성이 대두되고 있다. PMU를 이용한 광역 전력 측정 시스템(Wide Area Power Measurement System)의 일례를 들면, 각 PMU들은 외부로부터 전송받는 동기신호에 의해 동기화되어 정밀한 측정시각 기준하에 시설 모선(Bus)의 전압 페이저와 연결선로의 전류 페이저를 측정하고, 그 측정한 값들을 네트워크에 연결된 페이저 데이터 집중장치(PDC, Phasor Data Concentrator)로 전송한다. 그리고 PDC(102)는 네트워크에 연결된 PMU(100)들로부터 전송되는 전압 페이저와 전류 페이저 값들을 수신받아 이를 광역 감시 센터(104)로 제공해 주어 송전망의 전력을 측정 및 전력량 모니터링이 가능하게 한다.
현재 원격 감시제어 장치인 SCADA/EMS(Supervisory Control and Data Acquisition/Energy Management System)를 통한 정적 데이터(Static Data) 기반의 감시를 하고 있지만, 정보화 사회의 고도화로 인한 신뢰도 높은 전력 공급은 필수적이라 할 수 있고, 더불어 실시간 감시를 통하여 운영자에게 가독성 높은 정보를 제공하는 것은 매우 중요하다.
본 발명의 목적은 상술한 문제점을 해소하기 위하여 안출된 것으로, 실시간으로 송전단 및 수전단 변전소의 전력값을 구성하는 페이저 데이터를 이용하여 전력 원선도 및 유효전력을 계산하여 송전단 및 수전단 변전소의 전력을 감시하는 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 실시간 데이터 기반의 전력 원선도 및 유효전력 마진 계산 방법은 송전단 및 수전단 변전소에 설치된 데이터 전송 장치로부터 시간 동기 페이저 데이터를 취득하는 단계, 상기 취득한 시간 동기 페이저 데이터를 토대로 송전단 및 수전단 변전소에서의 원선도를 계산하는 단계 및 상기 계산된 원선도를 이용하여 유효전력의 마진을 계산하는 단계를 포함한다.
원선도를 계산하는 단계는 송전단 변전소와 수전단 변전소 사이가 단거리 선로인지, 중거리 선로인지, 또는 장거리 선로인지를 판단하는 단계 및 판단되는 선로에 해당하는 선로정수 데이터베이스로부터 선로정수를 입력받는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 송수전단 전력 감시 시스템은 데이터 전송 장치 및 상위 시스템을 포함하며, 데이터 전송 장치는 송전단 변전소 및 수전단 변전소에 각각 설치되어 변전소의 송전 및 수전 전력을 표현하는 페이저 데이터를 계측하고, 페이저 측정 장치는 위성항법장치를 포함하여 인공위성으로부터 시간 정보를 획득하고, 계측한 페이저 데이터에 시간 동기를 부여할 수 있고, 상위 시스템은 데이터 전송 장치로부터 시간 동기화된 페이저 데이터를 전송받아 전력 원선도 및 유효전력 마진을 계산한다.
이와 같은 본 발명에 따른 시간 동기 페이저 데이터를 이용하여 전력 원선도를 계산하고 유효전력 마진을 계산하는 구성에 의하면, 실시간으로 전력 계통을 감시할 수 있고, 송전단과 수전단 변전소 데이터의 동기가 맞추어짐으로써 더 정확한 유효전력 마진을 알 수 있어서 신뢰도가 향상된 계통 운영을 할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 실시간 페이저 데이터 기반의 송수전단 전력 감시 시스템을 보여주는 개념도,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 원선도 및 유효전력을 계산하는 과정을 보여주는 순서도, 및
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 송수전단 원선도 계산식에 따른 전력 원선도 및 유효전력 마진을 계산하는 과정을 보여주는 그래프이다.
이하 동일한 부재번호는 동일한 구성요소를 참조로 하는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적 의미로 한정되어 해석되지 아니하며, 본 발명의 기술적 사항에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 실시간 페이저 데이터 기반의 송수전단 전력 감시 시스템을 보여주는 개념도이다. 도 1을 참조하면, 송수전단 전력 감시 시스템은 데이터 전송 장치(100) 및 상위 시스템(200)을 포함한다.
상기 데이터 전송 장치(100)는 송전단 변전소 및 수전단 변전소에 각각 설치되어 변전소의 송전 및 수전 전력을 표현하는 페이저 데이터를 계측한다. 데이터 전송 장치(100)는 페이저 측정 장치(PMU, Phasor Measurement Unit)(110)를 포함할 수 있다. 페이저 측정 장치(110)는 위성항법장치(120)를 포함하여 인공위성으로부터 시간 정보를 획득하고, 계측한 페이저 데이터에 시간 동기를 부여할 수 있다.
상기 상위 시스템(200)은 데이터 전송 장치(100)로부터 시간 동기화된 페이저 데이터를 전송받아 전력 원선도 및 유효전력 마진을 계산한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 원선도 및 유효전력을 계산하는 과정을 보여주는 순서도이다. 도 2를 참조하면, 실시간 데이터 기반의 전력 원선도 및 유효전력 마진 계산 방법은 송전단 및 수전단 변전소에 설치된 데이터 전송 장치로부터 시간 동기 페이저 데이터를 취득하는 단계(s100), 상기 취득한 시간 동기 페이저 데이터를 토대로 송전단 및 수전단 변전소에서의 원선도를 계산하는 단계(s200) 및 상기 계산된 원선도를 이용하여 유효전력의 마진을 계산하는 단계(s300)를 포함한다.
상기 시간 동기 페이저 데이터를 취득하는 단계(s100)에서는 송전단 및 수전단 변전소에서의 전압 및 전류를 취득하게 되는데, 바람직하게는 페이저를 측정하는 페이저 측정 장치(PMU, Phasor Measurement Unit)를 이용하여 시간 동기화된 값을 취득할 수 있다. 송전단 및 수전단 변전소의 페이저 데이터 값을 동시에 계산해야 할 필요성 때문에 양자의 값의 동기를 맞추어야 한다. 페이저 측정 장치에 내장된 위성항법장치(GPS, Global Positioning System)를 이용하여 실시간으로 송전단 및 수전단 변전소의 페이저 데이터 값의 동기를 맞출 수 있다.
상기 원선도를 계산하는 단계(s200)는 시간 동기 페이저 데이터를 취득하는 단계(s100)에서 취득한 페이저 데이터 및 송전단과 수전단 변전소 사이의 선로정수에 따라 송수전단의 원선도를 계산한다. 선로정수는 송전단 변전소와 수전단 변전소 사이의 선로가 단거리인지, 중거리인지, 장거리인지에 따라 송전 특성이 변화하기 때문에 선로정수를 크게 세 경우로 구분하여, 해당 선로에 따른 선로정수를 이용하여 원선도를 계산하게 된다.
즉, 원선도를 계산하는 단계(s200)는 송전단 변전소와 수전단 변전소 사이가 단거리 선로인지, 중거리 선로인지, 또는 장거리 선로인지를 판단하는 단계(s110) 및 판단되는 선로에 해당하는 선로정수 데이터베이스로부터 선로정수를 입력받는 단계(s120)를 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 4단자 회로망의 식으로부터 유도되는 원선도 계산식은 아래 (1) 및 (2)의 식으로 표현될 수 있다.
Figure pat00001
...(1)
Figure pat00002
...(2)
여기서,
Figure pat00003
는 수전단 개방시 송수전단 전압비,
Figure pat00004
는 수전단 단락시 송전단 전압과 수전단 전류비, 및
Figure pat00005
는 수전단 단락시 송수전단 전류비이고,
Figure pat00006
의 위상이
Figure pat00007
일 때에
Figure pat00008
,
Figure pat00009
,
Figure pat00010
,
Figure pat00011
이고,
Figure pat00012
및
Figure pat00013
는 각각 상기 송전단에서의 시간 동기 정상분 페이저 데이터로부터 계산되는 유효전력 및 무효전력,
Figure pat00014
및
Figure pat00015
는 각각 상기 수전단에서의 시간 동기 정상분 페이저 데이터로부터 계산되는 유효전력 및 무효전력이고,
Figure pat00016
및
Figure pat00017
는 각각 실제로 측정되는 송전단 및 수전단에서의 전압이다.
상기 유효전력 마진을 계산하는 단계(s300)는 원선도 계산식 (1) 및 (2)에 따라 작도된 원선도에 의하여 유효전력의 마진을 계산한다. 이하 도 3을 이용하여 유효전력의 마진을 계산하는 과정을 구체적으로 설명한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 송수전단 원선도 계산식에 따른 전력 원선도 및 유효전력 마진을 계산하는 과정을 보여주는 그래프이다. 도 3을 참조하면, 수평축은 송수전단에서의 유효전력을, 수직축은 무효전력을 나타내고, 원선도 계산식 (1) 및 (2)에 따라 각각 두 개의 원으로 표현되어 있다. 원의 중심에 해당하는 S와 R은 고정되어 있고 송수전단 변전소에서의 페이저 데이터에 해당하는 지점(C는 송전단 변전소에서의 페이저 데이터, G는 수전단 변전소에서의 페이저 데이터)은 일정한 반경을 가지고 S 및 R 주위에서 이동한다는 것을 알 수 있다. 여기에서 일정한 반경은 원선도 계산식에 투입되는 송전단 및 수전단 변전소에서의 전압의 실측값에 의하여 정해지게 된다. 각 ∠SOP는 β이고, ∠RSC는 ∠SRG와 같다.
여기에서, 송전단 변전소에서의 유효전력값이 Ps(B)일 때, 수전단 변전소에서의 유효전력값이 Pr(F)이면 송전 전력보다 수전전력이 더 크기 때문에 공급 유효전력 마진을 알 수 있다. 즉, Ps - Pr이 유효전력 마진에 해당한다.
이상 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 다양한 변형실시가 가능하다. 또한, 첨부된 도면으로부터 용이하게 유추할 수 있는 사항은 상세한 설명에 기재되어 있지 않더라도 본 발명의 내용에 포함되는 것으로 보아야 할 것이며, 다양한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 아니 될 것이다.

Claims (5)

  1. 송전단 및 수전단 변전소에 설치된 데이터 전송 장치로부터 시간 동기 페이저 데이터를 취득하는 단계;
    상기 취득한 시간 동기 페이저 데이터를 토대로 송전단 및 수전단 변전소에서의 원선도를 계산하는 단계; 및
    상기 계산된 원선도를 이용하여 유효전력의 마진을 계산하는 단계;를 포함하는 실시간 데이터 기반의 전력 원선도 및 유효전력 마진 계산 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 원선도를 계산하는 단계는
    상기 송전단 변전소와 수전단 변전소 사이가 단거리 선로인지, 중거리 선로인지, 또는 장거리 선로인지를 판단하는 단계; 및
    상기 판단되는 선로에 해당하는 선로정수 데이터베이스로부터 선로정수를 입력받는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 실시간 데이터 기반의 전력 원선도 및 유효전력 마진 계산 방법.
  3. 송전단 및 수전단 변전소에 설치된 데이터 전송 장치로부터 전송된 시간 동기 페이저 데이터를 이용하여 하기의 식으로 표현되는 상기 송전단 변전소에서의 원선도 (1) 및 수전단 변전소에서의 원선도 (2)를 구하는 것을 특징으로 하는 실시간 데이터 기반의 전력 원선도 계산 방법.
    Figure pat00018
    ...(1)
    Figure pat00019
    ...(2)
    여기서,
    Figure pat00020
    는 수전단 개방시 송수전단 전압비,
    Figure pat00021
    는 수전단 단락시 송전단 전압과 수전단 전류비, 및
    Figure pat00022
    는 수전단 단락시 송수전단 전류비이고,
    Figure pat00023
    의 위상이
    Figure pat00024
    일 때에
    Figure pat00025
    ,
    Figure pat00026
    ,
    Figure pat00027
    ,
    Figure pat00028
    이고,
    Figure pat00029
    및
    Figure pat00030
    는 각각 상기 송전단에서의 시간 동기 페이저 데이터로부터 계산되는 유효전력 및 무효전력,
    Figure pat00031
    및
    Figure pat00032
    는 각각 상기 수전단에서의 시간 동기 페이저 데이터로부터 계산되는 유효전력 및 무효전력이고,
    Figure pat00033
    및
    Figure pat00034
    는 각각 실제로 측정되는 송전단 및 수전단에서의 전압이다.
  4. 제3항의 방법에 의하여 구한 상기 송전단 및 수전단 변전소에서의 원선도 (1) 및 (2)에서 상기 송전단에서의 시간 동기 페이저 데이터에 따른 유효전력 및 무효전력이 위치하는 중심점과 실제로 측정되는 유효전력 및 무효전력이 위치하는 점을 잇는 선분이 상기 원선도의 수평축과 만나는 지점에 위치하는 유효전력의 마진을 계산하는 방법.
  5. 인공위성으로부터 시간 정보를 취득하는 위성항법장치;
    송전단 및 수전단 변전소에 각각 설치되고 상기 위성항법장치를 구비하여 시간 정보를 포함하는 시간 동기 페이저 데이터를 측정하는 데이터 전송 장치; 및
    상기 데이터 전송 장치로부터 상기 시간 동기 페이저 데이터를 전송받아 제1항 또는 제2항의 방법을 이용하여 유효전력의 마진을 계산하는 상위 시스템;을 포함하여 송수전단 전력을 감시하는 것을 특징으로 하는 실시간 데이터 기반의 송수전단 전력 감시 시스템.
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