KR20120105584A - 동적 전력전압 곡선을 이용한 계통 안정도 평가 방법 및 시스템 - Google Patents

동적 전력전압 곡선을 이용한 계통 안정도 평가 방법 및 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 동적 전력전압 곡선을 이용하여 계통 안정도를 평가하는 방법 및 시스템에 관한 것으로서, 본 발명의 동적 전력전압 곡선을 이용한 계통 안정도 평가 방법은, (a) 송전단과 수전단의 전압 및 유효전력을 취득하는 단계; (b) 상기 단계에서 취득한 파라미터를 이용하여 전력전압 곡선을 추출하는 단계; (c) 전력전압 곡선으로부터 수전전력의 안전 운전 한계점을 구하는 단계; (d) 현재 전력계통의 수전단 전압 및 유효전력을 취득하는 단계; 및 (e) 상기 안전 운전 한계점과 현재 전력계통의 수전단 전압 및 유효전력을 비교하여 계통의 안정 여부를 판단하는 단계를 포함하며, 오프 라인 해석 기반의 전력전압 곡선에 실시간 감시 데이터를 반영하여 동적 전력전압 곡선을 생성하고 이를 이용하여 계통 안정도를 평가함으로써 안전 운전 한계점에 여유를 제공하여 광역 정전을 예방할 수 있는 효과를 갖는 것이다.

Description

동적 전력전압 곡선을 이용한 계통 안정도 평가 방법 및 시스템 {Dynamic PV curve based power system stability assessment method and system}
본 발명은 동적 전력전압 곡선을 이용하여 계통 안정도를 평가하는 방법 및 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 실시간 감시 데이터를 오프(off) 라인 해석 기반의 전력전압 곡선에 반영하여 동적으로 계통 안정도를 평가함으로써 광역정전을 방지하는 동적 전력전압 곡선을 이용한 계통 안정도 평가 방법 및 시스템에 관한 것이다.
전력산업의 초기에는 전력계통을 운영함에 있어 계통 운영에 대한 신뢰도 및 안정도가 주요 관리대상이었다. 하지만 근래에 들어서는 전력산업의 수익성 및 경제적 운영에 더 큰 비중을 두면서 운전점을 계통의 한계점까지 올려서 운영하고 있다.
전력산업의 경제성 있는 운영에는 계통 안정도의 위험이 내재되어 있다. 예컨대 안전 운전 한계점에 대한 예측이 잘못될 경우 전압 붕괴 현상이 발생할 수 있다. 최근에는 전력계통들이 연계되어 운전되기 때문에 어느 하나의 전력계통에서 발생한 전압 붕괴는 광역화되어 광역 정전 등의 사태를 유발한다.
종래 계통 안정도 평가는 전력 운영 시스템인 EMS(Energy Management System) 또는 집중 원격 감시 제어시스템인 SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)의 RTU(Remote Terminal Unit) 데이터를 이용한 오프(off) 라인 해석 기반으로 수행되었다.
그런데 RTU 데이터는 시간 비동기성이라는 단점과 데이터의 연속성 부재로 인해 실제 계통 운전시에 1초 내지 1000초 사이에서 벌어지는 전력계통의 변화를 검출할 수 없었다. 이러한 문제점은 운전 한계점까지 끌어올려 운영하는 현 체계에서 광역 정전으로 이어질 수 있는 위험성이 크다.
본 발명은 위상측정기(Phasor Measurement Unit)의 실시간 Phasor 데이터를 이용하여 종래 오프 라인 해석에 사용했던 PV Curve를 동적으로 활용하고, 수전전력의 드레시홀드(Threshold)를 실시간으로 검증하여 계통 안정도를 판단함으로써, 종래 EMS/SCADA 기반의 운영에서 한계점에 여유가 부족하여 발생하던 전압붕괴를 조기에 차단하고 광역 정전을 예방할 수 있는 동적 전력전압 곡선을 이용한 계통 안정도 평가 방법 및 시스템을 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 동적 전력전압 곡선을 이용한 계통 안정도 평가 방법은, (a) 송전단과 수전단의 전압 및 유효전력을 취득하는 단계; (b) 상기 단계에서 취득한 파라미터를 이용하여 전력전압 곡선을 추출하는 단계; (c) 전력전압 곡선으로부터 수전전력의 안전 운전 한계점을 구하는 단계; (d) 현재 전력계통의 수전단 전압 및 유효전력을 취득하는 단계; 및 (e) 상기 안전 운전 한계점과 현재 전력계통의 수전단 전압 및 유효전력을 비교하여 계통의 안정 여부를 판단하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 동적 전력전압 곡선을 이용한 계통 안정도 평가 방법은, 상기 단계 (a)의 파라미터는 전력 운영 시스템(EMS) 또는 집중 원격 감시 제어시스템(SCADA)으로부터 취득한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 동적 전력전압 곡선을 이용한 계통 안정도 평가 방법은, 상기 단계 (c)는 전력전압 곡선으로부터 최대 수전전력을 구하고, 최대 수전전력에 시스템 운영자가 입력한 마진을 곱하여 수전전력의 안전 운전 한계점을 구한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 동적 전력전압 곡선을 이용한 계통 안정도 평가 방법은, 상기 단계 (d)는 위상측정기(PMU)로부터 현재 전력계통의 수전단 전압 및 유효전력을 취득한다.
본 발명의 일실시예에 따른 동적 전력전압 곡선을 이용한 계통 안정도 평가 시스템은, 계통 안정도 평가 서버; 송전단과 수전단의 전압 및 유효전력을 취득하는 파라미터 수신부; 상기 파라미터 수신부에서 추출된 파라미터를 이용하여 전력전압 곡선을 추출하는 전력전압 곡선 추출부; 전력전압 곡선으로부터 수전전력의 안전 운전 한계점을 연산하는 안전 운전 한계점 연산부; 현재 전력계통의 수전단 전압 및 유효전력을 취득하는 실시간 감시부; 및 상기 안전 운전 한계점과 현재 전력계통의 수전단 전압 및 유효전력을 비교하여 계통의 안정 여부를 판단하는 계통 안정성 평가부를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 동적 전력전압 곡선을 이용한 계통 안정도 평가 방법은, 상기 파라미터 수신부는 전력 운영 시스템(EMS) 또는 집중 원격 감시 제어시스템(SCADA)으로부터 송전단과 수전단의 전압 및 유효전력을 취득한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 동적 전력전압 곡선을 이용한 계통 안정도 평가 방법은, 상기 안전 운전 한계점 연산부는 전력전압 곡선으로부터 최대 수전전력을 구하고, 최대 수전전력에 시스템 운영자가 입력한 마진을 곱하여 수전전력의 안전 운전 한계점을 구한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 동적 전력전압 곡선을 이용한 계통 안정도 평가 방법은, 상기 실시간 감시부는 위상측정기(PMU)로부터 현재 전력계통의 수전단 전압 및 유효전력을 취득한다.
본 발명의 동적 전력전압 곡선을 이용한 계통 안정도 평가 방법 및 시스템에 따르면, PMU 기반의 실시간 데이터를 EMS/SCADA로부터 추출된 전력전압 곡선에 대입하여 계통 안정도를 실시간으로 평가함으로써, 안전 운전 한계점에 여유를 제공하여 광역 정전을 미연에 방지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 전력계통을 축약하여 예시한 도면,
도 2는 도 1의 계통을 모델링한 회로도,
도 3은 도 2의 회로도로부터 추출된 전력전압 곡선을 보인 그래프,
도 4는 본 발명의 계통 안정도 평가 시스템을 예시한 블록도,
도 5는 본 발명의 계통 안정도 평가 방법을 예시한 흐름도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하에서 설명되는 "~부"와 같은 구성들은 어떤 역할들을 수행하는 구성요소이며, 소프트웨어 또는 하드웨어 구성요소를 의미한다. 그렇지만, "~부"는 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. 예컨대, "~부"는 어드레싱할 수 있는 저장매체에 구성될 수도 있고, 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다. 일예로서, "~부"는 어떤 프로세스들, 함수들, 속성들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 펌웨어, 마이크로코드, 데이터베이스, 변수들을 포함할 수 있다. 또한, "~부"는 더 큰 구성요소 또는 "~부"에 포함되거나, 더 작은 구성요소들 및 "~부"들을 포함할 수 있다. 또한, "~부"는 자체적으로 독자적인 CPU를 가질 수도 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1에 도시한 바와 같이 전력계통은 크게 발전지역(Area1)과 부하지역(Area2)으로 구분할 수 있다. 발전지역과 부하지역은 송전선로(Transmission lines)로 연결된다.
각 지역으로부터 계통의 실시간 정보를 감시하기 위하여, Area1과 Area2에 각각 여러 개의 PMU(Phasor Measurement Unit)가 설치된다. PMU로부터 얻어지는 전압과 전류 정보를 이용하여 도 1에서 계통을 축약하여 도시한 것과 같이, Area1과 Area2는 하나의 가상모선(Virtual bus)으로 축약할 수 있다.
도 1에서 V1과 V2는 각각 Area1과 Area2에서 취득되는 모든 모선 전압의 평균이며, I1과 I2는 각 지역으로 흘러가는 전류의 총합이 된다. 이를 간단하게 모델링하면 도 2에 도시된 계통 회로도와 같이 표현할 수 있다.
도 2에서 다음과 같은 식을 도출할 수 있다.
Figure pat00001
-----------------------수식①
Figure pat00002
------------------수식②
여기서,
Figure pat00003
은 수전단 유효전력이고,
Figure pat00004
은 수전단 무효전력이고,
Figure pat00005
는 송전단 전압이고,
Figure pat00006
은 수전단 전압이고,
Figure pat00007
은 송전선로의 임피던스이고,
Figure pat00008
는 송전단 전압의 위상이고,
Figure pat00009
는 수전단 전압의 위상이다.
수식①을 수식②에 대입하면,
Figure pat00010
이고,
양변에서
Figure pat00011
을 소거하면,
Figure pat00012
이며,
다시 양변에서
Figure pat00013
을 소거하면,
Figure pat00014
이다.
위 수식을
Figure pat00015
로 정리하면,
Figure pat00016
Figure pat00017
Figure pat00018
Figure pat00019
Figure pat00020
-----------------수식③
위와 같은 수식③을 얻을 수 있다.
수식③을 수식①에 대입하면,
Figure pat00021
Figure pat00022
Figure pat00023
이고,
여기서,
Figure pat00024
Figure pat00025
이므로,
Figure pat00026
Figure pat00027
Figure pat00028
Figure pat00029
-----수식④
위와 같은 수식④를 얻을 수 있다.
여기서,
Figure pat00030
을 수식③과 수식④에 대입하면, 다음과 같은 수전단 전압과 유효전력 관계식을 구할 수 있다.
Figure pat00031
Figure pat00032
이제 전력 운영 시스템인 EMS(Energy Management System) 또는 집중 원격 감시 제어시스템인 SCADA(Supervisory Control And Data System)으로부터 얻을 수 있는 송전단 전압 Vs와 임피던스 X 값을 이용하여 수전단 전압과 유효전력을 도 3과 같은 PV Curve(전력전압 곡선)로 추출할 수 있다. 그리고 도 3의 PV Curve에 PMU에서 전송되는 실시간 데이터인 수전단 전압과 유효전력을 도식화 할 수 있다.
이때, 역률 1일 경우에 최대 수전전력은
Figure pat00033
값이 되고, 이 근방에서는 수전단 전압이 불안정해진다는 것을 알 수 있으므로, 시스템 운영자는 이 값의 마진을 고려하여 실시간 운전점인 Vr, Pr이 최대 수전전력 근처 어디에 있는지 확인할 수 있다.
본 발명의 동적 전력전압 곡선을 이용한 계통 안정도 평가 방법 및 시스템은 위와 같이 EMS/SCADA로부터 취득한 파라미터로 PV Curve를 추출하고, 여기에 PMU에서 취득한 실시간 데이터를 대입하여 계통의 안정도를 평가하는 것을 특징으로 한다. 이하에서는 도 4 및 5를 참조하여 본 발명에 따른 계통 안정도 평가 방법 및 시스템을 예시하여 설명한다.
도 4는 본 발명의 계통 안정도 평가 시스템을 예시한 블록도이다. 도 4를 참조하면, 본 발명에 따라 계통 안정도를 평가하는 계통 안정도 평가 서버(200)는 유무선 네트워크를 통해 EMS 또는 SCADA(또는 EMS와 SCADA 모두, 이하에서는 "EMS/SCADA"로 표기한다)와 연결된다. 계통 안정도 평가 서버(200)에 설치된 파라미터 수신부(210)는 EMS/SCADA(100)로부터 송전단과 수전단의 전압, 유효전력, 선로 임피던스 등의 파라미터를 취득한다. 예컨대 파라미터 수신부(210)는 EMS/SCADA(100)로부터 5분마다 파라미터를 취득한다.
계통 안정도 평가 서버(200)의 전력전압 곡선 추출부(220)는 취득된 파라미터로부터 전술한 수식들을 이용하여 도 3에서와 같은 PV Curve를 추출한다. 도시하지 않았지만, 계통 안정도 평가 서버(200)는 자체적으로 계통 안정도 평가 DB를 구축하거나 별도의 계통 안정도 평가 DB 서버를 운영하며, EMS/SCADA(100)로부터 취득한 파라미터와 PV Curve를 결정하는 인자 등의 모든 데이터를 저장 및 관리한다.
계통 안정도 평가 서버(200)의 안전 운전 한계점 연산부(230)는 EMS/SCADA(100)로부터 취득한 파라미터를 이용하여 최대 수전전력을 구하고, 최대 수전전력으로부터 안전 운전 한계점을 연산한다. 안전 운전 한계점은 수전전력의 드레시홀드(Threshold)로서, 최대 수전전력에 관리자가 설정한 마진(Margin)을 곱한 값에 해당한다.
예컨대, 관리자는 관리자 단말기(300)로 네트워크를 통해 계통 안정도 평가 서버(200)에 접속한다. 관리자 인증을 거친 후에 계통 안정도 평가 서버(200)의 상태 및 처리 현황을 모니터링 한다. 이때 수전지역별로 최대 수전전력을 확인하고 계통 연계성이 낮은 지역에 대하여는 마진을 낮게 잡아 안전 운전 한계점을 낮게 설정한다. 반대로 계통 연계성이 높은 지역에 대하여는 마진을 높게 잡아 안전 운전 한계점을 높게 설정한다. 또는 수전설비가 밀집된 지역에 대하여 마진을 높게 잡는 방법 등도 가능하다.
계통의 각 지점에는 PMU(110)가 설치된다. PMU는 발전지역과 부하지역 각각에서로 전압과 유효전력을 수집하여 실시간으로 계통 안정도 평가 서버(200)로 전송한다. 계통 안정도 평가 서버(200)의 실시간 감시부(240)는 PMU(110)로부터 수전단 전압 및 유효전력을 실시간으로 취득한다. 예컨대, 실시간 감시부(240)는 1/60초마다 실시간 데이터를 취득한다.
계통 안정도 평가 서버(200)에는 계통 안정성 평가부(250)가 더 설치된다. 계통 안정성 평가부(250)는 안전 운전 한계점과 PMU(110)로부터 취득한 실시간 데이터를 비교하고, PMU(110)로부터 취득한 수전전력이 안전 운전 한계점인 드레시홀드를 초과할 경우 해당 지역에 대하여 계통 불안정으로 판단한다.
만약, 계통 안정성 평가부(250)에서 계통 불안정으로 판단하면, 관리자 단말기(300)에는 해당 지역의 전력계통에 대하여 시각적으로 계통 불안정을 화면 출력한다. 따라서 전력계통 관리자는 계통 불안정 지역에 대하여 전력 수급에 여유가 있는 다른 발전지역을 연결하거나 일부 수전지역을 차단하는 등으로 전압붕괴가 광역화 되는 것을 미연에 방지할 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 계통 안정도 평가 방법을 예시한 흐름도이다. 이를 참조하여 본 발명에 따른 계통 안정도 평가 방법을 단계적으로 설명하면 다음과 같다.
계통 안정도 평가 서버(200)는 EMS/SCADA(100)로부터 송전단과 수전단의 전압, 유효전력, 선로 임피던스 등의 파라미터를 취득하며, 이와 병렬로 PMU(110)로부터 현재 전력계통의 수전단 전압 및 유효전력을 취득한다. PMU(110)로부터 취득하는 데이터는 대략 1/60 초마다 갱신되며, 본 발명에서는 이를 실시간 데이터 취득이라 표현한다.
EMS/SCADA(100)로부터 송/수전단의 파라미터를 취득하는 것으로 단계가 시작된다(ST110). 그리고, 위에서 수식으로 풀어서 예시한 것과 같이 EMS/SCADA(100)로부터 취득한 데이터로부터 오프 라인 기반의 해석 방법으로 PV Curve를 추출한다(ST120).
다음으로 PV Curve를 이용하여 수전전력의 안전 운전 한계점을 연산한다(ST130). 안전 운전 한계점 연산은 먼저 상술한 수식들을 이용하여 최대 수전전력을 구하고, 여기에 관리자가 설정한 마진을 곱한 값으로 드레시홀드를 연산하는 방법으로 수행된다. 마진은 관리자가 설정하지 않고 계통 상황에 따라 계통 안정도 평가 서버(200)에서 프로그래밍에 의해 연산될 수도 있다.
단계 ST130의 안전 운전 한계점 연산은 대략 5분 주기로 수행된다. 이는 EMS/SCADA(100)의 RTU(Remote Terminal Unit) 데이터 구조가 시간 비동기성이므로, RTU 데이터의 신뢰성 확보를 위해 충분한 시간의 주기를 부여하기 때문이다.
계통 안정도 평가 서버(200)는 안전 운전 한계점 연산과는 병렬로 하여 PMU(110)로부터 실시간으로 수전단 전압 및 유효전력을 취득한다(ST140). 예컨대 실시간 데이터 취득은 대략 1/60 초 주기로 수행된다.
다음 단계에서 단계 ST130에서 얻어진 안전 운전 한계점과 단계 ST140에서 취득한 PMU 데이터를 비교하여 PMU 데이터가 안전 운전 한계점을 초과하는지 여부를 판단한다(ST150).
만약, PMU 데이터가 안전 운전 한계점 이하라면, 단계 ST140으로 복귀하여 실시간 데이터 취득을 반복한다. 만약, PMU 데이터가 안전 운전 한계점을 초과한다면, 해당 PMU 데이터를 발신한 전력계통에 대하여 "계통 불안정"으로 판단하고 계통 안정도 평가 과정을 종료한다(ST160).
계통 안정도 평가 과정에서 "계통 불안정"으로 판정되면, 이후 다른 절차에서 부하 부담이 적은 발전지역을 계통 불안정으로 판정된 부하지역에 연계할 수 있다. 또는 전압 붕괴 또는 불안정인 수전단을 추출하여 해당 수전단에 대한 전력 공급을 일시 차단할 수도 있다. 이와 같이 불안정으로 판정된 계통에 대하여는 적절한 후속 조치를 취할 수 있다.
본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
100 : EMS/SCADA 110 : PMU
200 : 계통 안정도 평가 서버 210 : 파라미터 수신부
220 : 전력전압 곡선 추출부 230 : 안전 운전 한계점 연산부
240 : 실시간 감시부 250 : 계통 안정성 평가부
300 : 관리자 단말기

Claims (8)

  1. (a) 송전단과 수전단의 전압 및 유효전력을 취득하는 단계;
    (b) 상기 단계에서 취득한 파라미터를 이용하여 전력전압 곡선을 추출하는 단계;
    (c) 전력전압 곡선으로부터 수전전력의 안전 운전 한계점을 구하는 단계;
    (d) 현재 전력계통의 수전단 전압 및 유효전력을 취득하는 단계; 및
    (e) 상기 안전 운전 한계점과 현재 전력계통의 수전단 전압 및 유효전력을 비교하여 계통의 안정 여부를 판단하는 단계
    를 포함하는 동적 전력전압 곡선을 이용한 계통 안정도 평가 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 단계 (a)의 파라미터는 전력 운영 시스템(EMS) 또는 집중 원격 감시 제어시스템(SCADA)으로부터 취득하는 동적 전력전압 곡선을 이용한 계통 안정도 평가 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 단계 (c)는 전력전압 곡선으로부터 최대 수전전력을 구하고, 최대 수전전력에 시스템 운영자가 입력한 마진을 곱하여 수전전력의 안전 운전 한계점을 구하는 동적 전력전압 곡선을 이용한 계통 안정도 평가 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 단계 (d)는 위상측정기(PMU)로부터 현재 전력계통의 수전단 전압 및 유효전력을 취득하는 동적 전력전압 곡선을 이용한 계통 안정도 평가 방법.
  5. 계통 안정도 평가 서버;
    송전단과 수전단의 전압 및 유효전력을 취득하는 파라미터 수신부;
    상기 파라미터 수신부에서 추출된 파라미터를 이용하여 전력전압 곡선을 추출하는 전력전압 곡선 추출부;
    전력전압 곡선으로부터 수전전력의 안전 운전 한계점을 연산하는 안전 운전 한계점 연산부;
    현재 전력계통의 수전단 전압 및 유효전력을 취득하는 실시간 감시부; 및
    상기 안전 운전 한계점과 현재 전력계통의 수전단 전압 및 유효전력을 비교하여 계통의 안정 여부를 판단하는 계통 안정성 평가부
    를 포함하는 동적 전력전압 곡선을 이용한 계통 안정도 평가 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 파라미터 수신부는 전력 운영 시스템(EMS) 또는 집중 원격 감시 제어시스템(SCADA)으로부터 송전단과 수전단의 전압 및 유효전력을 취득하는 동적 전력전압 곡선을 이용한 계통 안정도 평가 시스템.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 안전 운전 한계점 연산부는 전력전압 곡선으로부터 최대 수전전력을 구하고, 최대 수전전력에 시스템 운영자가 입력한 마진을 곱하여 수전전력의 안전 운전 한계점을 구하는 동적 전력전압 곡선을 이용한 계통 안정도 평가 시스템.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 실시간 감시부는 위상측정기(PMU)로부터 현재 전력계통의 수전단 전압 및 유효전력을 취득하는 동적 전력전압 곡선을 이용한 계통 안정도 평가 시스템.
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