KR20130140237A - 배전 계통의 최적 신뢰도 평가 시스템 및 그 방법 - Google Patents

배전 계통의 최적 신뢰도 평가 시스템 및 그 방법 Download PDF

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KR20130140237A
KR20130140237A KR1020120063429A KR20120063429A KR20130140237A KR 20130140237 A KR20130140237 A KR 20130140237A KR 1020120063429 A KR1020120063429 A KR 1020120063429A KR 20120063429 A KR20120063429 A KR 20120063429A KR 20130140237 A KR20130140237 A KR 20130140237A
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오석호
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Abstract

본 발명은 배전 계통의 최적 신뢰도 평가 방법에 관한 것으로서, 단말 제어장치의 해석 또는 평가 명령에 따라 건물 내의 전력설비로부터 실시간 전력 데이터를 취득하고, 상기 취득된 전력 데이터를 입력하여 정량적 수치해석 알고리즘을 수행하는 배전계통 평가 서버에 의해 수행되는 배전 계통의 최적 신뢰도 평가 방법에 있어서, a) 상기 건물의 설계 도면을 입력하고, 상기 전력설비의 각 구성요소에 대한 길이 및 용량을 포함하는 고정(static) 데이터를 입력하는 단계; b) 상기 전력 설비 중 발전기 및 부하를 포함하여 동적 특성을 가지는 구성 요소에 대한 정상 상태에서의 출력(dynamic) 데이터를 입력하는 단계; c) 선로별 조류량 한계 및 모선별 전압 범위를 설정하고, 상기 정량적 수치해석 알고리즘을 통해 배전계통의 조류 계산 및 고장 계산을 수행하는 단계; d) 선로별 조류량 계산, 모선별 전압 계산 및 차단기별 고장 조류 계산을 수행하고, 전체 구간에 대해 조류값, 전압값, 고장 전류값 계산을 수행하는 단계; 및 e) 상기 계산된 값들을 이용하여 상기 배전 계통의 현재 상태를 파악하여 선로 조류와 모선 전압에서의 위반 여부를 확인하고, 상기 전력 설비의 최적화 해석 알고리즘을 적용하여 실시간 감시와 제어 기능을 수행하며, 데이터베이스와 연동하여 사용자 화면에 최적 운영에 필요한 권고사항을 표출하는 단계를 포함한다. 따라서 본 발명은 불평형 조류 계산과 불평형 고장계산이 탑재된 해석 엔진을 통해 배전계통을 정확히 해석하여 고장발생시의 해석 툴(tool)과 신뢰성을 검증할 수 있고, 그로 인해 배전 계통의 현재 상태를 정확히 파악할 수 있으며 현 상태보다 개선된 최적의 상태를 정량적 해석으로 제시할 수 있을 뿐만 아니라 배전계통의 상태 진단과 손실 개선, 최적 운영에 필요한 권고사항 표출 및 위반 사항을 해소할 수 있다.

Description

배전 계통의 최적 신뢰도 평가 시스템 및 그 방법{Optimal reliability evaluation system of distribution system and the methods}
본 발명은 배전 계통의 최적 신뢰도 평가 시스템 및 그 방에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 배전 계통의 조류 계산과 고장 계산을 정밀하게 수행 수 있는 배전 계통의 최적 신뢰도 평가 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
전력계통의 운영시스템은 계통의 현재 상태를 감시하여 정확하게 파악하고, 계통에서 발생할 수 있는 여러 문제점, 예컨대 과부하 또는 불균형에 대한 해결안을 계통 제어 형태로 관리자에게 제시한다.
이러한 운영시스템은 배전 계통에 대한 조류 계산을 통해 계통을 제어하고, 조류 계산은 루프 계통의 모선(bus)전압 및 위상각 등 계통 모선의 미지값(Unknown Value)을 산출하기 위해 설계되어 있다. 또한 배전계통에서는 종래의 배전계통 모델이 수지상 방사형 계통의 특성에 따라 단순 반복되는 순차적 전압값을 계산하도록 설계되어 있다.
한국등록번호 제10-1108529호는 3상 불평형 상태에 있는 배전시스템에 설치된 분산전원의 단자전압 결정 방법 및 그 장치에 관한 것이다.
3상 불평형 상태에 있는 배전시스템에 설치된 분산전원의 단자전압 결정 방법은 3상 불평형 배전시스템의 정상상태 운전점을 결정하는 3상 교류 조류계산과 입자 군집 최적화법을 이용하여 배전시스템의 소정의 운전 제약 조건을 만족하는 상기 분산전원의 정상 시퀀스 단자전압 운전점의 최적해를 산출하고, 상기 분산전원의 단자전압 결정을 위해 목적함수가 이용되되, 상기 목적함수는 상기 배전시스템의 유효전력의 계통손실, 모선 전압상하한 제약 위반량 최소화 조건을 만족하며, 상기 배전시스템의 운전 제약 조건은 상기 3상 교류 조류 계산에 근거한 회로방정식과, 분산전원의 무효전력 상하한 제약, 전압 상하한 제약을 포함하며, 분산전원의 정상 시퀀스 단자전압 상하한 제약 내에서 최적 운전점을 탐색하는 것을 특징으로 한다.
그러나 이 기술은 배전시스템의 유효전력의 계통손실, 모선 전압 상하한 제약 위반(violation) 최소화 조건으로써 목적 함수를 구하도록 구성되어 계산이 복잡하고 시간에 따라 급변하는 비선형 시스템의 목적 함수를 실시간으로 계산하고 적용하기가 곤란한 제약을 가진다.
한국 등록특허 제10-0895018호는 계통전원의 불평형을 제거하는 영상 전류 제거 장치에 관한 것이다.
계통전원의 불평형을 제거하는 영상 전류 제거 장치는 비선형 부하 등에 의한 3상 불평형 조건에서 3상 4선식 전력공급 선로의 중선선에 흐르는 과도한 전류를 제한하는 계통전원의 상간 불평형을 제거하는 영상분 제거 장치를 제공하기 위해, 3상 계통 전원과 부하 사이에 상 별로 병렬로 접속되는 3상 1차 권선과, 3상계통의 영상 분 전류를 상쇄하여 제거하기 위해서 상기 3상 1차 권선에 흐르는 영상 전류를 유기하여 다시 상기 부하로 환류시키도록 중성선과 부하에 접속되는 2차 권선을 가지는 단상 변압기로 구성되는 것을 특징으로 한다.
그러나, 이 기술은 중성선에 과전류가 흐르는 것을 방지하는 것으로만 국한되어 있어, 3상의 전원에 다수의 비선형 부하 내지 단상 부하가 연결되어 발생되는 불평형 상태는 극복이 불가능한 한계를 가진다.
<선행기술문헌>
<특허문헌>
한국등록번호 제10-1108529호
한국 등록특허 제10-0895018호
본 발명은 불평형 조류 계산과 불평형 고장계산이 탑재된 해석 엔진을 통해 배전계통을 정확히 해석하여 고장발생시의 해석 툴(tool)과 신뢰성을 검증할 수 있고, 그로 인해 배전 계통의 현재 상태를 정확히 파악할 수 있으며 현 상태보다 개선된 최적의 상태를 정량적 해석으로 제시할 수 있을 뿐만 아니라 배전계통의 상태 진단과 손실 개선, 최적 운영에 필요한 권고사항 표출 및 위반 사항을 해소할 수 있는 배전 계통의 최적 신뢰도 평가 시스템 및 그 방법을 제공한다.
실시예들 중에서, 배전 계통의 최적 신뢰도 평가 방법은 단말 제어장치의 해석 또는 평가 명령에 따라 건물 내의 전력설비로부터 실시간 전력 데이터를 취득하고, 상기 취득된 전력 데이터를 입력하여 정량적 수치해석 알고리즘을 수행하는 배전계통 평가 서버에 의해 수행되는 배전 계통의 최적 신뢰도 평가 방법에 있어서, a) 상기 건물의 설계 도면을 입력하고, 상기 전력설비의 각 구성요소에 대한 길이 및 용량을 포함하는 고정(static) 데이터를 입력하는 단계; b) 상기 전력 설비 중 발전기 및 부하를 포함하여 동적 특성을 가지는 구성 요소에 대한 정상 상태에서의 출력(dynamic) 데이터를 입력하는 단계; c) 선로별 조류량 한계 및 모선별 전압 범위를 설정하고, 상기 정량적 수치해석 알고리즘을 통해 배전계통의 조류 계산 및 고장 계산을 수행하는 단계; d) 선로별 조류량 계산, 모선별 전압 계산 및 차단기별 고장 조류 계산을 수행하고, 전체 구간에 대해 조류값, 전압값, 고장 전류값 계산을 수행하는 단계; 및 e) 상기 계산된 값들을 이용하여 상기 배전 계통의 현재 상태를 파악하여 선로 조류와 모선 전압에서의 위반 여부를 확인하고, 상기 전력 설비의 최적화 해석 알고리즘을 적용하여 실시간 감시와 제어 기능을 수행하며, 데이터베이스와 연동하여 사용자 화면에 최적 운영에 필요한 권고사항을 표출하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 정량적 수치 해석 알고리즘은 건물 전력 단선도 그래픽 빌더 프로그램, 전력 조류 계산 프로그램, 상정사고 프로그램, 최적 에너지 운영 프로그램, 산업용 프로토콜 생성 프로그램 및 건물의 전기에너지 손실 최소화 프로그램을 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 c) 배전 계통의 조류 계산을 수행하는 단계는 상기 부하와 발전기를 포함한 동적 특성을 가지는 구성 요소를 전류원으로 모델링하여 중첩의 원리를 적용하여 해석하는 Ybus 해석법 알고리즘을 적용할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 배전 계통의 고장 계산을 수행하는 단계는 K-MEG(Korea Micro Energy Grid)의 배전 고장 계산을 적용할 수 있다. 상기 K-MEG(Korea Micro Energy Grid)의 배전 고장 계산은 c-1) 초기 배전 조류 계산을 통해 노드 전압(Ea)을 구하는 단계; 및 c-2) 임피던스(Z1, Z2, Z0)에 대한 정보가 사전에 정의되고, 하기 수학식(
Figure pat00001
)을 통해 고장 전류를 계산하는 단계를 포함할 수 있다.
실시예들 중에서, 배전 계통의 최적 신뢰도 평가 시스템은, RTU(Remote Terminel Unit) 또는 데이터 수집기를 통해 건물 내에 배치되어 있는 전력설비로부터 취득되는 실시간 전력 데이터를 저장하고, 배전계통의 운영정보, 지리 정보, 설비 정보, 설계 도면, 배전계통에 대한 각종 계산 결과 및 배전 계통 운영 지원을 위한 제반 정보를 저장하는 데이터베이스; 상기 데이터베이스에서 전력 데이터를 전송받아 입력 데이터로 하여 정량적 수치해석 알고리즘을 통해 배전 계통의 조류 계산 및 고장 계산을 수행하고, 상기 조류 계산 및 고장 계산의 결과를 토대로 전력 설비의 최적화 해석 알고리즘을 수행함으로써 배전 계통의 실시간 감시와 제어 기능을 수행하며, 상기 데이터베이스와 연동하여 최적 운영에 필요한 권고사항을 표출하도록 하는 배전계통 평가 서버; 상기 배전계통 평가 서버에 접속하여 배전계통의 해석 또는 최적 운영에 필요한 데이터 요청을 전송하고, 상기 배전계통 평가 서버로부터 상기 배전 계통의 해석 결과 또는 상기 최적 운영에 필요한 권고 사항을 전송받아 화면에 출력하는 단말 제어장치; 및 공통정보모델 CIM(Common Information Model) 기반으로 생성된 메시지를 이용한 웹 서비스 조회 방식을 사용하여 상기 배전계통 평가 서버와 단말 제어장치를 연결하는 미들웨어를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 미들웨어의 공통정보 모델은 상호 어플리케이션 (Inter-Application) 통합을 촉진하기 위한 표준인 IEC-61968(Distribution Management System)을 사용할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 배전계통 평가 서버는 상기 공통정보 모델 CIM 기반 실시간 전력 데이터 취득 서비스를 사용하여 전력 데이터를 취득하고, 상기 취득된 전력 데이터를 입력 데이터로 하여 정량적 수치해석 알고리즘 또는 전력 설비의 최적화 해석 알고리즘을 수행하는 해석 엔진을 포함할 수 있다.
다른 일 실시예에서, 상기 배전계통 평가 서버는 수동 또는 자동으로 정기적 또는 사용자 요청에 의해 미터 검침과 상태 정보를 수집하는 미터링 시스템과 연계될 수 있다.
상기 미터링 시스템은 상기 미터 검침과 상태 정보를 미터데이터 관리 시스템으로 전송하고, 상기 미터데이터 관리 시스템은 상기 미터링 시스템들로부터 수집한 미터 데이터를 분석, 검증 수정 및 예측을 수행하여 데이터 관리와 접근을 제공할 수 있다.
본 발명의 배전 계통의 최적 신뢰도 평가 시스템 및 그 방법은 불평형 조류 계산과 불평형 고장계산이 탑재된 해석 엔진을 통해 배전계통을 정확히 해석하여 고장발생시의 해석 툴(tool)과 신뢰성을 검증할 수 있고, 그로 인해 배전 계통의 현재 상태를 정확히 파악할 수 있으며 현 상태보다 개선된 최적의 상태를 정량적 해석으로 제시할 수 있을 뿐만 아니라 배전계통의 상태 진단과 손실 개선, 최적 운영에 필요한 권고사항 표출 및 위반 사항을 해소할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배전 계통의 최적 신뢰도 평가 시스템을 설명하는 블록도이다.
도 2는 도 1의 웹 서비스 요청 과정을 설명하는 도면이다.
도 3은 도 1의 배전계통 평가 서버에 연계되는 시스템들을 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배전 계통의 최적 신뢰도 평가 방법을 설명하는 순서도이다.
도 5는 본 발명에 적용되는 2차 배전 시스템의 분류 상태를 설명하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 3모선 배전 계통이 도시된 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 3모선 배전계통의 등가 회로도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 3모선 배전계통의 등가 회로도에서 전압원만 활성시킨 경우의 도면이다.
도 9은 본 발명의 실시예에 따른 3모선 배전계통의 등가 회로도에서 전류원만 활성시킨 경우의 도면이다.
도 10은 도 4의 배전계통 고장 계산을 수행하는 방법을 설명하기 위한 지락 사고 상태를 설명하는 회로도이다.
도 11은 도 4의 배전계통 고장 계산을 수행하는 방법을 설명하기 위한 지락사고를 위한 시퀀스 네트워크 연결 상태를 설명하는 등가 회로도이다.
도 12는 여름철 시각별 부하 패턴을 설명하는 그래프이다.
도 13은 건물의 정격 상태 운전에서의 각 구간의 조류값을 설명하는 도면이다.
본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
한편, 본 발명에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다"또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
각 단계들에 있어 식별부호(예를 들어, a, b, c 등)는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.
본 발명은 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현될 수 있고, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치 등이 있으며, 또한, 캐리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산 방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.
여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배전 계통의 최적 신뢰도 평가 시스템을 설명하는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 배전 계통의 최적 신뢰도 평가 시스템(100)은 데이터베이스(10), 배전계통 평가 서버(20), 미들웨어(30) 및 단말 제어장치(40)를 포함한다.
데이터베이스(10)는 RTU(Remote Terminel Unit) 또는 데이터 수집기를 통해 건물 내에 배치되어 있는 전력설비로부터 취득되는 실시간 전력 데이터를 저장하고, 배전계통의 운영정보, 지리 정보, 설비 정보, 설계 도면, 배전계통의 조류 계산과 고장 계산의 결과 및 배전 계통 운영 지원을 위한 제반 정보를 저장한다.
배전계통 평가 서버(20)는 취득된 전력 데이터를 입력 데이터로 하여 정량적 수치해석 알고리즘을 수행하여 배전 계통의 조류 계산 및 고장 계산을 수행하고, 이 계산 결과를 토대로 전력 설비의 최적화 해석 알고리즘을 수행함으로써 배전 계통의 실시간 감시와 제어 기능을 수행하며, 데이터베이스(10)와 연동하여 단말 제어장치(40)의 화면에 최적 운영에 필요한 권고사항을 표출하도록 한다.
미들웨어(30)는 공통정보모델인 IEC-61968(Distribution Management System) CIM(Common Information Model)을 기반으로 만들어진 메시지를 이용한 웹 서비스 조회 방식을 사용하는데, IEC-61968 CIM 메시지는 고객정보 메시지, 검침정보 메시지, 검침이력 메시지, 수전설비 메시지, 요금조회 메시지, 지침정보 메시지를 제공한다. 이러한 미들웨어(30)는 배전계통 평가 서버(20)와 단말 제어장치(40)를 연결한다.
웹 서비스(Web Service)는 서비스 지향적 분산 컴퓨팅 기술의 일종으로서, 네트워크상에서 서로 다른 종류의 컴퓨터들 간에 상호작용을 하기 위한 소프트웨어 시스템이다. 웹 서비스 프로토콜 스택은 SOAP, WSDL, UDDI(Universal Description, Discovery and Integration) 등으로 이루어지고, 모든 메시징에 XML이 사용되어 상호운용성이 높다. 최근에 서비스 지향 아키텍처(SOA, Service Oriented Architecture)가 각광을 받으면서 그 기반 기술인 웹 서비스가 주목을 다시 받고 있다.
미들웨어(30)는 웹서비스(Web Service), 인텔리전스 라우팅(Intelligent routing), 트랜스포메이션(Transformation) 기술을 기반으로 SOA(Service Oriented Architecture)를 지원하는 미들웨어 플랫폼인 ESB(Enterprise Service Bus) 형태이다.
ESB는 복수의 서비스(어플리케이션과 컴포넌트)를 연동하는 SOA 기반의 논리적인 소프트웨어 버스를 바탕으로 구성하는 설계상의 고안 방식이다. ESB의 구체적인 기능과 구현은 개발된 제품과 시스템에 따라 서로 다르지만, 일반적으로 표준 모델인 SOA 인터페이스를 이용하여 멀티 프로토콜을 지원하는 고기능적인 메시지 버스를 포함한 통합형 미들웨어 테크놀로지 및 제품 등을 가리킨다.
코어가 되는 메시지 버스는 HTTP, SOAP, JMS(Java Message Service) 등 표준적인 프로토콜에 대응하여 출판/구독(Publish/Subscribe), 축적 교환 메시지(Store forward Message), 메시지 라우팅(Message Routing) 등의 기능을 제공하며, 서비스 간의 동기/비동기로 연계하게 된다.
배전계통 평가 서버(20)는 IEC-61968 CIM 기반 실시간 전력 데이터 취득 서비스를 사용하여 전력 데이터를 취득하고, 이렇게 취득된 데이터를 정량적 수치해석 알고리즘 또는 전력 설비의 최적화 해석 알고리즘을 수행하는 해석 엔진(21)의 입력 데이터로 사용한다.
해석 엔진(21)은 건물 에너지 해석을 위해 건물 전력 단선도 그래픽 빌더 프로그램, 전력 조류 계산 프로그램, 상정사고 프로그램, 최적 에너지 운영 프로그램 DNP3.0 프로토콜 생성 프로그램 및 부가 기능 소프트웨어를 탑재하고 있다.
건물 전력 단선도 그래픽 빌더 프로그램은 건물/빌딩/공장 등의 건축물의 전력 시스템 구조를 용이하게 단선도로 그릴 수 있으며, 모든 제어 스위치와 변압기 등의 전장 기계들의 현재 상태들을 실시간으로 표시할 수 있는 기능을 가진다. 또한, 데이터베이스(10)와 연동하여 스위치 조작이나 기기변경에 따른 데이터들이 실시간으로 저장하며 필요시 리포트 출력 기능도 가능하다.
전력 조류계산(Load Flow) 프로그램은 건축물 내의 전기의 흐름을 분석하여 전선의 노후화와 이에 따른 전력손실을 계산할 수 있으며, 현재 상태와 교체 시의 장단점 분석에 이용된다.
조류계산 프로그램은 아키텍처, 모듈, 프로그램 화면으로 구분하여 수행될 수 있다. 아키텍처 설계에서는 전체 프로그램의 개요와 태스크(Task)를 분류하며, 각 태스크에 대한 데이터를 정의한다. 모듈 설계에서는 아키텍처에서 기술한 각 태스크에 대해 모듈 단위로 더 잘게 분해하여 순서도 및 필요한 매개변수 목록, 리턴값, 전역변수 등을 정의하게 된다. 화면설계는 사용자 중심의 설계로서, 화면 흐름도 및 운영 기본 화면 등을 나타낸 것으로서, 실제 프로그램 사용자가 참고할 수 있게 하는 설계도이다.
상정사고(Contingency fault analysis) 프로그램은 전력 시스템의 사고를 임의로 발생시켜 최소한의 피해를 가지기 위한 최적 차단기의 차단 경로를 계산하고, 전기시스템 관리자의 교육을 통해 사고시 빠른 대처를 기대할 수 있으며, 전력설비의 소실이 전력시스템에 미치는 영향을 계산할 수 있다.
상정사고 해석 프로그램은 사용자가 사고 케이스(case)를 구성할 수 있고, 우선순위를 부여할 수 있게 된다. 상정사고 해석 프로그램은 각각의 사고 케이스에 대해 상정사고 해석을 수행한 후에 가장 심각한 케이스 중에 사용자가 선택한 케이스 만이 완전해석을 수행하게 되며, 선로 조류와 모선 전압에서의 위반 여부를 확인하게 된다. 상정사고 해석 결과는 상정사고 위반 리스트와 가혹도 수준, 수렴 여부, 위반량 등으로 단말 제어 장치(40)의 화면에 표시될 수 있다.
최적 에너지운영(Optimal Operation) 프로그램은 건물에너지의 전체 데이터를 취득하여 종합 분석하고, 상황에 따른 운영 조건이나 대처법을 관리자가 인지할 수 있도록 한다. 최적 에너지운영 프로그램은 전선, 기계, 공조시스템 등의 전력의 손실이 발생하는 곳을 제품 초기의 값과 비교하여 교체시기를 알려주며 이에 따른 이득을 수치로 표현해 주며, 현장에서 취득된 데이터를 1개월 정도 분석하여 건물에너지 최적 활용대비 현재 에너지 사용 등급을 알려주어 에너지 절감의 필요성을 인지하도록 한다.
DNP3.0 프로토콜 생성 프로그램은 일반적인 전기 하드웨어인 스위치, 단로기 등의 산업용 프로토콜인 DNP3.0을 생성하고 전송하여 GUI(graphic user interface)에 표시해 주는 역할을 담당하고, 상용 전력 하드웨어의 호환이 가능하도록 해 준다.
부가 기능 소프트웨어는 상용화 제품이므로 고객이 필요한 부가기능(예를 들면, SNS, RGS, 그래프 평균, 전기료, 이벤트 및 알람(Event & Alarm)) 등을 제공한다.
건물의 전기에너지 손실 최소화 프로그램은 건물 내에 있는 전력설비들에 대해 SCADA(Supervisory Control and Data Acquisition) 소프트웨어 패키지를 이용해 변압기와 하부 전송 선로를 감시하고 원격으로 단로기/차단기를 개폐하여 전체 손실을 절감하여 에너지를 효율적으로 이용할 수 있도록 한다.
건물의 전기에너지 손실 최소화 프로그램을 이용한 건물 전력설비의 최적화 추구는 기술적, 경제적, 환경적 측면과 공공성을 충족시키면서 비용 대비 효과를 높여야 할 뿐만 아니라 전력 공급의 신뢰도와 품질을 유지하고 안전성을 개선해야 하므로 건물 전력설비의 지속적인 감시와 지능적인 제어가 동반되어 한다.
건물 전력설비의 최적화 추구를 위해 고려해야할 요소들은 전력 시스템 전체의 손실 최소화, 개별 배전선로의 방사상 구조(radial system) 유지, 선로의 허용 전류를 벗어나지 않을 것과 전압 크기 하한을 벗어나지 않을 것 등이 있다.
이러한 요소들에 대해 정량적 수준의 목표를 달성하기 위해서는 정량적 수치해석 알고리즘이 필요하다. 정량적 수치해석 알고리즘 중에서 기본이 되는 것이 전력 시스템의 전력 조류계산(Power Flow)이다.
전력 조류계산은 정상 상태일 때의 전력계통에 대한 수리적인 해석을 수행하는 것으로서, 보통 전문적인 소프트웨어 툴을 이용하여 해석된다. 조류계산 해석의 결과는 베이스-케이스(base-case) 라고 불리는데, 모든 노드의 전압 정보와 선로의 전류 정보 및 계통손실 정보를 포함한다. 이러한 정보는 전력계통의 최적 운영을 위해 사용될 뿐만 아니라, 미래 계통 증대에 따른 계획에도 유용하게 활용된다.
건물 전력설비의 최적화를 위한 조류계산 방법은 일반적인 조류계산 방법을 적용할 수 없는데, 이는 건물 내의 전력 시스템이 3상과 2상 및 1상 선로 또는 부하가 혼재하는 불평형 계통으로 구성되는 경우가 대부분이기 때문이다. 따라서 건물 전력설비에 대해서는 3상 불평형 조류계산 방법으로 적용하여야 한다.
배전계통 요소의 3상 모델링을 바탕으로 3상 불평형 조류계산을 수행할 수 있는데, 상기에서 설명한 바와 같이 조류계산의 목적은 계통의 현재 상태를 정확히 파악하여 현 상태의 문제점 및 위반사항을 확인하고, 발견된 제반사항을 해소하여 합리적으로 운영되게 하며, 장기적인 계획을 수립하는데 있다. 이와 같은 현재 계통의 상태에 대한 해석결과를 베이스-케이스 해석이라 한다.
배전 계통에서 발생되는 문제점은 주로 배전선로(Distribution Line)의 분담 부하의 불균형에서 야기되는데, 이로 인해 계통의 손실이 가중되며, 전류 또는 전압 문제를 수반하기도 한다. 배전선로의 분담 부하 불균형 문제는 연계 선로의 재구성 방법으로 해소될 수 있다. 연계 선로의 재구성은 상기 제약사항을 만족하도록 배전선로의 스위치가 조작되는 것을 말한다. 그리고 이러한 방법으로 선로 재구성이 최적으로 수행되었을 때 최적연계가 되었다고 한다. 이와 같이 선로 재구성을 통해 최적의 상태로 변경해 주는 것을 최적 케이스(optimal case) 해석이라 한다.
건물의 전기에너지 손실을 최소화하기 위해서는 계통의 현재 상태를 파악할 수 있는 베이스-케이스 해석과 최적화 상태를 도출해 주는 최적 케이스 해석이 함께 수행되어야 한다. 따라서, 해석 엔진(21)은 베이스-케이스 및 최적 케이스의 해석 기능을 모두 수행한다.
베이스-케이스 해석은 배전 시스템에 대한 3상 전력조류계산을 수행하여 계산할 수 있게 된다. 최적 케이스 해석은 배전선로의 재구성을 통한 방법으로 구현될 수 있다. 3상 불평형 조류계산을 이용한 배전선로 최적연계 해석법을 이용할 경우에, 건물 전력설비의 최적화 추구시 정확한 선로 전류 및 손실을 계산할 수 있고, 실제 배전선로 데이터를 적용하여 검증하여 현실에 적용 가능성이 크다.
건물의 전기에너지 손실 최소화 프로그램은 해석 엔진(21)에서 3상 불평형 조류계산을 이용한 배전선로 최적연계 해석법을 적용하여 구현하게 된다.
다시, 도 1을 설명하면 단말 제어장치(40)는 배전계통 평가 서버(20)에 접속하여 배전계통의 해석 또는 최적 운영에 필요한 데이터 요청을 전송하고, 배전계통 평가 서버(20)로부터 배전 계통의 해석 결과 또는 상기 최적 운영에 필요한 권고 사항을 전송받아 화면에 출력한다. 이러한 단말 제어장치(40)는 LED 디지털 출력 인디케이터(Digital Output Indicator)를 포함할 수 있다.
도 2는 도 1의 웹 서비스 요청 과정을 설명하는 도면이다.
도 2를 참조하면, 배전계통 평가 서버(20)는 웹 서비스를 수행하는 게이트웨이(Gateway)에서 실시간 운영중인 데이터베이스(10)의 데이터를 ESB용 CIM 모델로 변환하여, 웹 서비스(XML)로 서비스를 하게 된다.
즉, 단말 제어장치(40)를 통해 사용자는 CIM 모델의 메시지를 이용하기 위해 배전계통 평가 서버(20)에 접속하고, 미들웨어(30)에서 사용자의 인증 및 정상적 접속 여부를 체크 한 후에 배전계통 평가 서버(20)에서 원하는 메시지(XML)을 얻게 된다.
배전계통 평가 서버(20)는 미들웨어(30)에서 단말 제어장치(40)에서 요청한 메시지를 데이터베이스(10)에서 데이터를 쿼리한 후 CIM 모델로 변환한다.
도 3은 도 1의 배전계통 평가 서버에 연계되는 시스템들을 설명하는 도면이다.
도 3을 참조하면, 공통정보모델(CIM)을 배전계통에 적용하기 위해 확장한 것이 IEC 61968 표준 시리즈이고, IEC 61968은 배전계통을 각 분야별로 나누고 적용분야에 해당하는 인터페이스를 정의하고 있다.
IEC 61968 IRM(Interface Reference Model)에서 ESB에 해당하는 파트 9는 미터 리딩 및 제어(Reading & Control)로서, IEC 61968-9 레퍼런스 모델에서 주요 시스템의 역할은 다음과 같다.
미터링 시스템(Metering System)(50)은 수동 또는 자동으로, 정기적 또는 요청에 의해 미터 검침값과 상태정보를 수집하고, 이 미터 검침값과 상태를 미터데이터 관리시스템(Meter Data Management System)(60)으로 전송한다.
또한, 미터링 시스템(50)은 전력 신뢰도와 품질 이벤트 데이터를 정전관리시스템(outage management), 네트워크 관리시스템(network operation)(70), 용량 계획 시스템(capacity planning system)으로 전송하고, 통신망 건전성 정보를 통신망 관리시스템으로 전송할 수 있다.
미터데이터 관리시스템(60)은 공통의 저장소를 제공하여 여러 미터링 시스템(50)에서 수집된 미터 데이터의 관리와 접근을 제공한다. 미터데이터 관리 시스템(60)은 미터 데이터 통합뿐만 아니라 여러 미터링 시스템(50)에서 수집된 미터 데이터를 분석하고, 검증 수정, 예측을 수행한다.
IEC 61968-9에서 정의된 미터링 정보를 보내기 위한 메시지 구조는 하나 이상의 미터에서 검침된 값을 포함하고, 미터 검침 값은 각각 검침 종류와 시간, 검침값을 가진다. 또한, 각 미터 검침값에 대해서 여러 개의 품질 값이 포함되고, 동일한 미터 검침 값에 대해서 그룹으로 구간 블록(interval block)형태로 제공하며, 미터 검침값과 이벤트 이력을 전달할 수 있다.
미터링 시스템(50)에서 검침된 값을 표시하는데 필수적인 것이 리딩 타입(reading type)이다. CIM에서 리딩 타입 클래스는 다음과 같은 검침값의 종류를 표시하는 것을 가능하기 한다.
검침값의 종류에는 mRID(검침값의 종류를 고유하게 구별하기 위함), 채널번호, 기본 품질, 기본 값 데이터 타입, 동적 구성, 기본 연대(chronology), 계측간격(in seconds), 측정 타입 카테고리, 측정 단위, 레지스터 자리 수가 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배전 계통의 최적 신뢰도 평가 방법을 설명하는 순서도이다.
도 4를 참조하면, 배전계통 평가 서버(20)는 데이터베이스(10)에서 건물에 배치되어 있는 전력설비에 대한 설계 도면을 입력한다.(단계 S1)
배전계통 평가 서버(20)는 전력설비 중 선로 길이, 변압기 용량, 차단기 용량 등의 고정(static) 데이터를 입력하고, 발전기 및 부하를 포함하여 동적 특성을 가지는 전력 설비의 구성 요소에 대한 정상 상태에서의 출력(dynamic) 데이터를 입력한다.(단계 S2 및 S3)
배전계통 평가 서버(20)는 선로별 조류량 한계 및 모선별 전압 범위를 설정하고, 해석 엔진(21)을 이용하여 정량적 수치해석 알고리즘을 수행함으로써 배전계통의 조류 계산 및 고장 계산을 수행한다.(단계 S4)
그 후, 배전계통 평가 서버(20)는 선로별 조류량 계산, 모선별 전압 계산 및 차단기별 고장 조류 계산을 수행하고, 전체(Total)=100, n=1, 총 구간=m으로 설정한다.(단계 S6 및 S7)
배전계통 평가 서버(20)는 n구간의 조류값, 전압값 및 고장전류값을 계산한 후에 n구간이 총 구간(m)을 초과하는지를 확인한다.(단계 S8 및 S9)
만약, n구간이 총 구간(m) 이하라면, 배전계통 평가 서버(20)는 선로 조류와 모선 전압에서의 위반 여부를 확인하고, 위반이 발생한 경우에 전체(Total=Total-1)를 재 설정하고, n구간을 n+1로 하여 n+1구간의 조류값, 전압값 및 고장전류값을 계산한다.(단계 S10, S11 및 S12)
만약, n구간이 총 구간(m)을 초과한다면, 배전계통 평가 서버(20)는 총점=Total로 하여 배전계통의 신뢰성 평가를 완료한다.(단계 S13)
단말 제어장치(40)는 배전계통 평가 서버(20)와의 웹 서비스 조회 방식을 통해 배전 계통의 현재 상태를 파악하여 선로 조류와 모선 전압에서의 위반 여부를 확인할 수 있고, 전력 설비의 최적화 해석 알고리즘을 통해 최적 운영에 필요한 권고사항을 확인할 수 있다.
도 5는 본 발명에 적용되는 2차 배전 시스템의 분류 상태를 설명하는 도면이다.
도 5를 참조하면, 건물이나 주택에 인입되는 전력 시설은 2차 배전 시스템(Secondary Distribution System)으로 분류되고, 아파트나 대규모 상업용 건물의 경우에는 대개 배전 변압기(Distribution Transformer)가 건물 내에 위치한다.
따라서, 건물의 전력 손실을 절감하기 위해서는 2차 배전 시스템을 구성하는 차단기, 부하를 적절히 구성하고, 과부하로 대한 전력 시스템의 재구성을 통해 손실을 최소화해야 한다.
건물의 전력 손실 절감 및 효율적 에너지 사용을 위해서는, 건물 내에 있는 전력 시스템 구성요소를 확인하고 이를 적절히 전기적으로 모델링할 필요가 있다.
먼저, 2차 배전 시스템을 구성하는 요소로서, 건물 내에 포함되는 전력 설비는 고압 단로기, 모선, 고압 차단기, 회로 스위치, 전압/전류 변압기, 전력 변압기, 단권 변압기 및 수용가 배전 선로를 포함한다.
고압 단로기(High Voltage Disconnect Switches)는 2차 배전 시스템의 전송 선로나 전력 변압기 사이에 연결되어 있다. 모선(Buses)은 주요 설비를 상호연결하기 위해 사용되는 단단한 도체이다.
고압 차단기(High Voltage Circuit Breakers)는 고장전류를 차단할 수 있는 스위치이이고, 회로 스위치(Circuit Switchers)는 단로기와 차단기로 조합된 설비이다.
전압/전류 변압기(Voltage/Current Transformers)는 측정기와 계전기가 사용할 수 있는 수준으로 전압/전류를 낮춘다. 전력 변압기(Power Transformers)는 전송 선로 또는 하부 전송 선로의 전압을 배전 전압으로 강하하는 변압기이다. 단권 변압기(Autotransformers)는 1차측 권선과 2차측 권선 사이에 전기적으로 연결된 전력 변압기이다.
수용가 배전 선로(Distribution Line)는 보통 케이블을 사용하는데, 케이블은 유전체(dielectric) 물질이 채워진 전선으로 정격 전압/전류, 물질에 따라 특성화 되어 있으며, 전선의 상(phase) 구성에 따라 구분된다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 3모선 배전 계통이 도시된 도면이고, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 3모선 배전계통의 등가 회로도이며, 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 3모선 배전계통의 등가 회로도에서 전압원만 활성시킨 경우의 도면이고, 도 9은 본 발명의 실시예에 따른 3모선 배전계통의 등가 회로도에서 전류원만 활성시킨 경우의 도면이다.
상기 배전계통 평가 서버(20)에서 조류 계산을 위해 사용되는 Ybus 해석법은 T. H. Chen에 의해 Implicit Zbus method라는 해법으로 처음 등장하였고, 해석법은 부하와 열병합발전기 등을 전류원으로 모델링하여 중첩의 원리를 적용하여 해석하는 방법이다.
이하, 3모선 배전계통을 예를 들어 Ybus 해석법을 살펴보면 다음과 같은 조건을 갖는다.
도 6에서, 모선 1은 변전소(substation)를 의미하며, 변전소의 전압 및 전력은 측정되므로 기지(旣知) 값으로 주어지고, 모선 2는 부하모선으로 전력값은 알고 있으며, 모선 3은 열병합발전기가 있는 모선으로 부하모델로 고려하게 되어 전력값을 알게 된다.
그리고, 부하, 조상기, 열병합발전기는 전류원으로 모델링할 수 있으므로, 하기한 수학식 1과 같이 이러한 설비요소의 주입전력으로부터 전류를 계산한다.
<수학식 1>
Figure pat00002
단, 변전소를 제외한 다른 요소의 전압 값을 알 수 없으므로 최초에는 전압을 1.0[pu]으로 가정한다.
도 7을 참조하면, 전류원으로 모델링했을 때의 등가 회로에서 전압원과 전류원이 같은 독립 전원으로 구성되었을 경우, 회로 해석에 있어 중첩의 원리를 적용하면 모든 노드의 전압 값을 계산할 수 있게 되고, 구해진 전압 값을 이용하면 모든 선로에 흐르는 전력도 계산할 수 있게 된다.
다음은 중첩의 원리를 적용하여 모선의 전압을 계산하는 과정을 나타낸다.
1) 전압원만 활성시키고 모든 전류원을 제거하면, 도 8에 도시된 바와 같이 나타낼 수 있고, 미리 구한
Figure pat00003
행렬을 이용하여 수학식 2와 같이 무부하 전압
Figure pat00004
을 계산한다.
<수학식 2>
Figure pat00005
2) 전류원만 활성시키고 모든 전압원을 제거하면 도 9와 같이 나타낼 수 있고, 수학식 3과 같이 전류원에 의한 전압 (
Figure pat00006
)을 계산한다.
<수학식 3>
Figure pat00007
3) 상기 1) 및 2)에서 구한 두 개의 전압을 수학식 4와 같이 합성하여 모든 모선의 전압을 계산한다.
<수학식 4>
Figure pat00008
선형 연립방정식인 수학식 2와 수학식 3을 풀기 전에, 이들 식에 대해 해의 존재 유무는 행렬의 계수(階數, rank)를 확인하여 판단할 수 있다. 즉, 원행렬 Ybus 의 계수와 수학식 2와 수학식 3의 각 확대행렬(augmented matrix)인 수학식 5의 계수를 비교하여 해의 존재 유무를 판단할 수 있다.
<수학식 5>
Figure pat00009
상기한 수학식 5의 계수가 미지변수인 VNL 또는 VCS의 개수 n과 일치할 경우 해는 유일한 1조의 해를 갖는다. 따라서 수학식 2와 수학식 3이 유일한 1조의 해를 갖기 위한 필요충분조건은 하기한 수학식 5과 같이 간단히 나타낼 수 있다.
<수학식 6>
Figure pat00010
변전소를 제외한 다른 노드의 전압값을 최초에 1.0[pu]로 가정하였으므로, 근사치에서 출발하여 1) ~ 3) 단계를 수행하게 된다. 즉, 수학식 3에서
Figure pat00011
는 수학식 1에서의 초기치 전압으로 계산된 값이다.
그러나 수학식 4로 합성된 전압값은 근사치로 설정한 전압값에 비해 보정된 전압값을 갖는다. 이와 같이 보정된 전압값을 다시 수학식 1에 반영하면 Ispec도 함께 보정되므로, 수학식 1~수학식4의 과정을 반복하여 수행하면 정해에 근접한 전압값을 구할 수 있게 된다.
이와 같이 근사해로부터 출발하여 정해에 접근하는 수치해법으로 모든 노드의 전압을 계산할 수 있게 된다.
이상과 같은 절차로 배전계통 모선의 모든 전압값을 계산한 후, 선로에 흐르는 전류와 전력 등을 계산할 수 있고, 각 선로에서의 허용용량의 초과 유무를 확인할 수 있으며, 각 선로에서의 손실 및 배전계통 전체 손실도 함께 계산할 수 있게 된다.
도 10은 도 4의 배전계통 고장 계산을 수행하는 방법을 설명하기 위한 지락 사고 상태를 설명하는 회로도이다.
도 10을 참고하면, 평형된 3상 동기 발전기의 구간 전압(internal voltage)과 페이저의 정상 집합(positive-sequence set of phasor)은 수학식 7과 같다.
<수학식 7>
Figure pat00012
도 10에 도시된 발전기는 3상 균형 부하(three phase balanced load)이고, KVL을 적용하면 수학식 8과 같다.
<수학식 8>
Figure pat00013
Figure pat00014
를 적용하면 수학식 9와 같은 매트릭스 형태로 나타낼 수 잇다.
<수학식 9>
Figure pat00015
수학식 9를 간단한 형태로 나타내면 수학식 10과 같다.
<수학식 10>
Figure pat00016
대칭분(symmetrical components)으로 나타내면 터미널 전압(terminal voltage)과 전류 페이저(urrent phasor)는 수학식 11과 같이 나타낼 수 있다.
<수학식 11>
Figure pat00017
수학식 11의 양변에 A-1을 곱하면 수학식 12와 같고, Z012는 수학식 13과 같다.
<수학식 12>
Figure pat00018
<수학식 13>
Figure pat00019
수학식 13을 계산하면 수학식 14 및 수학식 15를 얻을 수 있다.
<수학식 14>
Figure pat00020
<수학식 15>
Figure pat00021
Figure pat00022
와
Figure pat00023
를 수학식 12에 대입하면 수학식 16이 된다.
<수학식 16>
Figure pat00024
수학식 16을 성분 형태(component form)로 나타내면 수학식 17과 같이 된다.
<수학식 17>
Figure pat00025
임피던스 Zf를 통해 지락 사고가 일어나고, 발전기가 초기에는 부하가 없는 상태라고 가정하면 수학식 18과 같은 조건이 성립된다.
<수학식 18>
Figure pat00026
수학식 18에 전류 형태의 대칭분을 대입하면 수학식 19과 같다.
<수학식 19>
Figure pat00027
수학식 19로부터 수학식 20을 도출할 수 있고, 전압 위상에 대한 대칭분은 수학식 21과 같다.
<수학식 20>
Figure pat00028
<수학식 21>
Figure pat00029
수학식 17에
Figure pat00030
와
Figure pat00031
를 대입하면 수학식 22를 얻을 수 있다.
<수학식 22>
Figure pat00032
수학식 18에
Figure pat00033
와
Figure pat00034
를 대입하면 수학식 23 또는 수학식 24를 얻을 수 있다.
<수학식 23>
Figure pat00035
<수학식 24>
Figure pat00036
따라서, 배전계통의 고장 전류는 수학식 25가 된다.
<수학식 25>
Figure pat00037
도 11은 도 4의 배전계통 고장 계산을 수행하는 방법을 설명하기 위한 지락사고를 위한 시퀀스 네트워크 연결 상태를 설명하는 등가 회로도이다.
도 11을 참조하면, 등가 회로는 수학식 20과 수학식 24를 통해 확인할 수 있고, 만약 발전기 중성(generator neutral)이 직접 접지 방식이고 단락 임피던스(Bolted faults) Zf=0이라면, k-meg 배전 고장계산을 적용하는 방법은 초기 배전 조류 계산을 통해 Ea에 해당되는 노드 전압을 구하고, Z1, Z2, Z0에 대한 정보는 미리 주어져 있기 때문에 수학식 25를 통해 고장 전류를 구한다.
한편, 초기 부하가 없다고 가정하고 수학식 18을 적용하면, 초기 배전 조류계산을 통해서 Ia, Ib 값을 구할 수 있고, Ia, Ib 값을 수학식 25에 직접 대입해 구하면 고장 전류 값이 더욱 정확해질 수 있다.
도 12는 여름철 시각별 부하 패턴을 설명하는 그래프이고, 도 13은 건물의 정격 상태 운전에서의 각 구간의 조류값을 설명하는 도면이다.
전력 사용이 증가하게 되면 선로가 감당할 수 있는 조류의 양보다 더 많은 조류가 흐르게 되고, 이때 차단기가 동작하며 정전이 발생한다.
배전계통 평가 서버(20)에 의해 수행되는 배전 계통의 최적 신뢰도 평가 방법은 동일한 부하와 발전량에 대해서 구간별로 부하와 발전량의 값을 조절해서 과조류가 발생할 수 있는 경우의 수를 제거하고 정전이 발생할 수 있는 여건을 제거할 수 있다. (과조류로 인한 년 정전시간 0분)
도 12를 참조하면, 시간별 에너지 사용은 계절에 따라 다른 특성을 갖는 것으로 나타났기 때문에 전기, 냉방, 난방, 급탕등 용도별로 여름, 봄가을, 겨울의 3계절에 대하여 주중과 주말로 나누어 패턴을 분석한 것이다.
도 13을 참조하면, 배전계통 평가 서버(20)에서 수행되는 건물 전력 단선도 그래픽 빌더 프로그램을 통해 실측되는 데이터를 화면에 실시간 표시하고, 조류 계산을 수행하였을 때의 결과값을 표시하고, 화면 하단에 텍스트 박스 형식으로 보여줄 수도 있다.
또한, 배전계통 평가 서버(20)는 고장 계산을 수행하였을 때의 결과값을 텍스트 박스 형태로 보여주고, 부하 최적화 분배 또는 부하 패턴 분석 등을 기능을 수행할 수 있다.
건물의 정격 운전 상태(100% 운전)이고, 각 구간의 선로 정격은 아래 표 1과 같다.
<표 1>
Figure pat00038
피크치 부하량이 발생하는 날에 시간에 따른 운전 비율을 아래 표 2와 같다.
<표 2>
Figure pat00039
배전계통 평가 서버(20)는 표 2의 부하 비율과 같이 조절하고 조류계산을 수행 한 결과 정격 120%에서 A구간 B구간이 정격을 벗어난 조류가 흘러가는 것을 확인 할 수 있다. 피크치 120%에서 과조류가 형성되고 차단기가 동작함에 따라 정전이 발생한다.
표 3은 부하 이동 및 발전 이동을 통한 조류계산 수행 결과를 보여준다.
<표 3>
Figure pat00040
아래 표 4는 부하 및 발전량의 이동을 나타낸 것이고, 표 5는 표 4를 통해 부하 및 발전량을 이동하고 조류계산한 결과를 보여준다. 표 4에서 발생한 과조류 현상이 없어진 것을 확인할 수 있다. 따라서, 정전이 발생할 수 있는 조건에 대한 경우의 수를 제거할 수 있다.
<표 4>
Figure pat00041
<표 5>
Figure pat00042
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10 : 데이터베이스 20 : 배전계통 평가 서버
30 : 미들웨어 40 : 단말 제어장치
50 : 미터링 시스템

Claims (10)

  1. 단말 제어장치의 해석 또는 평가 명령에 따라 건물 내의 전력설비로부터 실시간 전력 데이터를 취득하고, 상기 취득된 전력 데이터를 입력하여 정량적 수치해석 알고리즘을 수행하는 배전계통 평가 서버에 의해 수행되는 배전 계통의 최적 신뢰도 평가 방법에 있어서,
    a) 상기 건물의 설계 도면을 입력하고, 상기 전력설비의 각 구성요소에 대한 길이 및 용량을 포함하는 고정(static) 데이터를 입력하는 단계;
    b) 상기 전력 설비 중 발전기 및 부하를 포함하여 동적 특성을 가지는 구성 요소에 대한 정상 상태에서의 출력(dynamic) 데이터를 입력하는 단계;
    c) 선로별 조류량 한계 및 모선별 전압 범위를 설정하고, 상기 정량적 수치해석 알고리즘을 통해 배전계통의 조류 계산 및 고장 계산을 수행하는 단계;
    d) 선로별 조류량 계산, 모선별 전압 계산 및 차단기별 고장 조류 계산을 수행하고, 전체 구간에 대해 조류값, 전압값, 고장 전류값 계산을 수행하는 단계; 및
    e) 상기 계산된 값들을 이용하여 상기 배전 계통의 현재 상태를 파악하여 선로 조류와 모선 전압에서의 위반 여부를 확인하고, 상기 전력 설비의 최적화 해석 알고리즘을 적용하여 실시간 감시와 제어 기능을 수행하며, 데이터베이스와 연동하여 사용자 화면에 최적 운영에 필요한 권고사항을 표출하는 단계를 포함하는 배전 계통의 최적 신뢰도 평가 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 정량적 수치 해석 알고리즘은
    건물 전력 단선도 그래픽 빌더 프로그램, 전력 조류 계산 프로그램, 상정사고 프로그램, 최적 에너지 운영 프로그램, 산업용 프로토콜 생성 프로그램 및 건물의 전기에너지 손실 최소화 프로그램을 적어도 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 배전 계통의 최적 신뢰도 평가 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 c) 배전 계통의 조류 계산을 수행하는 단계는
    상기 부하와 발전기를 포함한 동적 특성을 가지는 구성 요소를 전류원으로 모델링하여 중첩의 원리를 적용하여 해석하는 Ybus 해석법 알고리즘을 적용하는 것을 특징으로 하는 배전 계통의 최적 신뢰도 평가 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 배전 계통의 고장 계산을 수행하는 단계는
    K-MEG(Korea Micro Energy Grid)의 배전 고장 계산을 적용하는 것을 특징으로 하는 배전 계통의 최적 신뢰도 평가 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 K-MEG(Korea Micro Energy Grid)의 배전 고장 계산은
    c-1) 초기 배전 조류 계산을 통해 노드 전압(Ea)을 구하는 단계; 및
    c-2) 임피던스(Z1, Z2, Z0)에 대한 정보가 사전에 정의되고, 하기 수학식을 통해 고장 전류를 계산하는 단계
    Figure pat00043

    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배전 계통의 최적 신뢰도 평가 방법.
  6. RTU(Remote Terminel Unit) 또는 데이터 수집기를 통해 건물 내에 배치되어 있는 전력설비로부터 취득되는 실시간 전력 데이터를 저장하고, 배전계통의 운영정보, 지리 정보, 설비 정보, 설계 도면, 배전계통에 대한 각종 계산 결과 및 배전 계통 운영 지원을 위한 제반 정보를 저장하는 데이터베이스;
    상기 데이터베이스에서 전력 데이터를 전송받아 입력 데이터로 하여 정량적 수치해석 알고리즘을 통해 배전 계통의 조류 계산 및 고장 계산을 수행하고, 상기 조류 계산 및 고장 계산의 결과를 토대로 전력 설비의 최적화 해석 알고리즘을 수행함으로써 배전 계통의 실시간 감시와 제어 기능을 수행하며, 상기 데이터베이스와 연동하여 최적 운영에 필요한 권고사항을 표출하도록 하는 배전계통 평가 서버;
    상기 배전계통 평가 서버에 접속하여 배전계통의 해석 또는 최적 운영에 필요한 데이터 요청을 전송하고, 상기 배전계통 평가 서버로부터 상기 배전 계통의 해석 결과 또는 상기 최적 운영에 필요한 권고 사항을 전송받아 화면에 출력하는 단말 제어장치; 및
    공통정보모델 CIM(Common Information Model) 기반으로 생성된 메시지를 이용한 웹 서비스 조회 방식을 사용하여 상기 배전계통 평가 서버와 단말 제어장치를 연결하는 미들웨어를 포함하는 배전 계통의 최적 신뢰도 평가 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 상기 미들웨어의 공통정보 모델은
    상호 어플리케이션 (Inter-Application) 통합을 촉진하기 위한 표준인 IEC-61968(Distribution Management System)을 사용하는 것을 특징으로 하는 배전 계통의 최적 신뢰도 평가 시스템.
  8. 제6항에 있어서, 상기 배전계통 평가 서버는
    상기 공통정보 모델 CIM 기반 실시간 전력 데이터 취득 서비스를 사용하여 전력 데이터를 취득하고, 상기 취득된 전력 데이터를 입력 데이터로 하여 정량적 수치해석 알고리즘 또는 전력 설비의 최적화 해석 알고리즘을 수행하는 해석 엔진을 포함하는 것을 특징으로 하는 배전 계통의 최적 신뢰도 평가 시스템.
  9. 제6항에 있어서, 상기 배전계통 평가 서버는
    수동 또는 자동으로 정기적 또는 사용자 요청에 의해 미터 검침과 상태 정보를 수집하는 미터링 시스템과 연계되는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 배전 계통의 최적 신뢰도 평가 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 상기 미터링 시스템은
    상기 미터 검침과 상태 정보를 미터데이터 관리 시스템으로 전송하고, 상기 미터데이터 관리 시스템은 상기 미터링 시스템들로부터 수집한 미터 데이터를 분석, 검증 수정 및 예측을 수행하여 데이터 관리와 접근을 제공하는 것을 특징으로 하는 배전 계통의 최적 신뢰도 평가 시스템.
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