KR20140008768A - 비상상태 전력 계통에서의 ｈｖｄｃ 계통 제어 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 계통의 외란이나 변동이 지속되는 비상 상태에서 계통 선로의 과부하와 모선 전압 강하가 최소화 되어 계통의 신뢰도를 향상시킬 수 있는 HVDC 조류 제어량을 계산하여 최적의 운전량을 도출할 수 있도록 함으로써, 심각한 전압 하락을 방지하여 송전 전력의 여유분을 증가시킬 수 있도록 하는 비상상태 전력 계통에서의 HVDC 계통 제어 시스템을 제공한다.
이를 위해 본 발명은 전력 설비의 다수 계통과 온라인으로 연결되어, 다수의 계통을 감시 및 측정하여 계통 데이터를 수집하는 계통 데이터 수집부와, 상기 계통 데이터 수집부에서 수집된 계통 데이터의 오류에 대한 상태 추정 및 전력 조류 계산을 위한 조류 계산 데이터로 전환하는 전력계통 해석부 및, 상기 전력계통 해석부로부터의 조류 계산 데이터를 대상으로 미리 설정된 상정 사고를 발생시키고, HVDC의 전력 조류제어 설정치를 변화시켜서 전력 조류를 계산함에 의해, 최소값의 설정치를 HVDC의 운전량으로 결정하는 HVDC 운전 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

비상상태 전력 계통에서의 ＨＶＤＣ 계통 제어 시스템{HVDC Control System for Non-Steady State Power System}

본 발명은 비상상태 전력 계통에서의 HVDC(High Voltage Direct Current) 계통 제어 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전력 계통에 외란이나 전력 변동이 지속되는 비상 상태에서 계통 선로의 과부하와 모선 전압 강하가 최소화될 수 있도록 하여 계통의 신뢰도를 향상시킬 수 있도록 하는 비상상태 전력 계통에서의 HVDC 계통 제어 시스템에 관한 것이다.

주지된 바와 같이, HVDC 시스템은 발전소에서 발전되는 교류 전력을 직류로 변환하여 송전한 후에, 수전점에서 재변환하여 전력을 공급하는 방식으로서, 주로 해저 케이블 송전이나, 대용량의 장기 송전, 비동기 연계 또는 서로 다른 주파수 계통의 연계 등과 같은 교류 계통간 연계에 적용된다.

도 1은 종래의 전류형 HVDC 시스템에 대한 회로 구성을 나타낸 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 일반적인 전류형 HVDC 시스템은 전력 변환 설비로서 정류기(Rectifier)와, 인버터(Inverter)를 포함하고 있다.

이러한 종래 전류형 HVDC 시스템에서는 정상 상태에서 정류기가 DC 정전류 제어로 운전하고, 인버터가 DC 정전압제어로 운전을 하게 되는데, 정류기와 인버터 제어기의 교점을 운전점(Operating Point)으로 하여 HVDC를 운전한다.

이러한 HVDC 시스템의 운전 특성은 전력 변환을 위한 전압-전류(V-I) 특성 그래프로 설명될 수 있는 바, 정류기와 인버터의 V-I 특성은 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같다.

도 2a에 도시된 바와 같이, 정류기의 V-I 특성에 있어서 특성 그래프의 상단부에 표시된 "Constant α"는 점호각이 일정할 때(최소 점호각 α)의 운전 제어 구간이고, 그래프의 수직 부분은 정전류 제어 운전 영역으로 설정된 DC 전류값이 유지되어 있는 것을 나타내고 있다.

도 2b에 도시된 바와 같이, 인버터의 V-I 특성에 있어서 특성 그래프의 상단부에 표시된 "Constant γ"는 소호각이 일정할 때의(최소 소호각 γ)의 운전 구간이고, 특성 그래프의 수직부분은 정전류 제어 운전 영역으로 DC 설정전류 값이 유지된다.

도 3은 종래 전류형 HVDC 시스템에 있어서 정류기의 정전류 제어와 인버터의 정전압 제어에 의한 시스템의 운전점을 나타낸 그래프 도면이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 인버터단 AC 전압의 미소한 변동에 대한 DC 계통 전압의 변동감도를 줄이기 위해 인버터 제어장치에 소호각 조정을 통한 DC 정전압 제어가 포함되어 있음에 따라, 정류기의 제어선이 인버터의 정전압 제어구간을 통과한다.

즉, 정상 상태에서 일반적인 HVDC의 제어는 정류기가 정전류 제어를 수행하고, 인버터가 정전압 제어를 수행하게 되는데, 정류기와 인버터의 각 V-I 특성곡선이 교차되는 지점이 HVDC의 운전점이고, 정류기는 시스템의 전류를 결정한다.

그러나, 계통 운전자의 입장에서는 전력변환 설비로서 정류기 및 인버터의 양단에 정전류, 정전압 제어를 위한 제어 설정치를 정확히 주는것은 매우 불편하다.

따라서, 도 1에 도시된 바와 같은 기본적인 제어기 위에 상위 제어기로서 전력제어기를 두는것이 일반적이다.

도 4는 일반적인 HVDC 제어기의 구성을 나타낸 도면이다.

도 4에 도시된 바와 같이, HVDC 제어기는 상위 제어기로서 전력 제어기(10)를 포함하고, 하위 제어기로는 도 3에 도시된 바와 같은 V-I 제어 특성을 구현하는 전류 제어기(12)(정전류 제어, 최소 점호각 제어)와, 전압 제어기(14)(정전압 제어, 최소 감마각 제어, 정전류 제어)를 포함한다.

전력 제어기(10)는 계통 운전자가 DC 송전에 필요한 전력량을 설정치로 주면, 이를 정류기에 필요한 정전류 설정치와 인버터에 필요한 정전압 설정치로 변환하고, 기본 제어기로서 각각의 전류 제어기(12)와 전압 제어기(14)에 각각 정전류 설정치와 정전압 설정치를 주게 된다.

HVDC 제어기는 상기한 기본 동작 원리를 바탕으로 계통의 비상 상태에서도 적절하게 동작하게 되는데, 계통의 과도 상태 및 비상 상태에서도 일반적인 V-I 제어 특성에 따라 운전이 이루어진다.

한편, 선로의 개폐, 부하의 개폐, 직류전력의 변화, 기타 계통으로 부터의 외란에 의해 AC 전압이 크게 변한다면, 정류기와 인버터의 AC 전압 변화에 대한 응동 특성이 서로 상이하게 되므로, HVDC의 제어방식은 복잡하게 이루어지게 된다

즉, 정류기 측의 AC 전압이 과전압으로 되면, DC 정전류 제어를 위하여 점호각을 증가 시키게 되고, 점호각이 커지면 전류형 HVDC 제어기의 특성상 무효전력의 소비가 증가되어 과전압이 억제되지만, AC 과전압이 지속되면 변압기의 탭(Tap)을 조정한다.

반면에, 정류기 측이 AC 저전압으로 되면, 정류기가 DC 정전류 제어를 위해 점호각을 최소로 조정하게 되는데, 점호각 감소는 무효 전력의 소비를 줄이므로 저전압이 복구된다. 그러나, 저전압이 너무 심하고 최소 점호각 제어로도 보상이 안될 때는 정류기가 정전류 제어를 유지하지 못하게 되고, 도 5a에 도시된 바와 같이 인버터가 정전류 제어를 수행하게 되는 제어 모드 천이 현상이 발생된다.

이러한 제어 모드 천이 현상이 발생하게 되면 DC 전압 및 전류가 감소되고, 이 기간 중에는 전송 전력량이 감소할 수 밖에 없지만, 일반적으로 이러한 전압 현상은 일시적인 것으로서, 저전압이 지속되면 변압기 탭이 조정되어 AC 전압을 증가시킴에 따라 AC 전압이 회복되면서 HVDC가 다시 정상 운전상태로 복귀하게 된다.

한편, 인버터단의 경우에도 AC 저전압이 심하게 발생되면, 상기 정류기 측의 제어 모드 천이 현상과 마찬가지로 도 5b에 도시된 바와 같은 천이 현상이 발생되고, 저전압이 지속됨에 따라 변압기 탭의 조정에 의해 AC 전압이 증가되어 해당 AC 전압이 회복되면서 정상 운전상태로의 복귀가 가능하게 된다.

관련 기술로는 한국공개특허 제2007-0072295호(무효전력 보상방법 및 그 장치)(2007.07.04)가 있다.

한편, 종래 HVDC의 경우에는 기본 제어기에 입력되는 정전류 및 정전압 설정치를 결정하고, V-I 특성그래프와 같은 제어 동작이 이루어지도록 하는 전력 제어기를 계통 운영자가 직접 제어함으로써, HVDC 변환소 및 계통 급전소(Power system control center)에서 HVDC의 전력 조류량을 설정할 수 있도록 하고, 그 전력 조류량의 설정에 따른 전력 조류제어가 자동으로 수행될 수 있도록 하고 있다.

그러나, 종래에는 HVDC 조류 제어 설정치 도출을 위해서 사전에 다양한 계통 검토를 수행하고 이를 바탕으로 조류제어 설정치를 도출하게 되는데, 육지와 섬사이, 또는 타 지역 계통간 연계의 경우 계통의 안정도가 허용하는 한 최대 전력을 전송하는 등 HVDC 조류량을 결정하는 것이 비교적 간단하지만, AC 계통내에 HVDC가 운전될 때는 계통 전체 차원에서의 HVDC 조류제어를 수행해야 하므로 최적의 운전 제어량을 결정하는것이 용이하지 않다는 문제점이 있다.

즉, 계통의 특성을 전반적으로 고려하여 HVDC의 전력조류 설정치를 도출하는 것이 실질적으로 어렵게 되는 것이다.

더구나, 계통의 환경은 항상 가변하며 다양한 원인에 의하여 예상하지 못한 외란이 발생하므로, 사전에 계통 검토를 통하여 도출한 조류 제어 설정치만으로 HVDC를 운전하는 것은 비상시 계통의 변화에 대응하는 데에 한계가 있다는 문제점이 있다.

이에, 최근에는 신속한 계통의 안정화와 AC 계통에서의 HVDC 운용 효과 극대화를 위한 광역 계통 데이터 기반의 획기적인 HVDC 운전 제어 시스템에 대한 개발이 절실히 요구되는 실정이다.

따라서, 본 발명은 상기한 종래의 문제점을 개선하기 위해 이루어진 것으로서, 계통의 외란이나 변동이 지속되는 비상 상태에서 계통 선로의 과부하와 모선 전압 강하가 최소화 되어 계통의 신뢰도를 향상시킬 수 있는 HVDC 조류 제어량을 계산하여 최적의 운전량을 도출할 수 있도록 함으로써, 심각한 전압 하락을 방지하여 송전 전력의 여유분을 증가시킬 수 있도록 하는 비상상태 전력 계통에서의 HVDC 계통 제어 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 일측면에 따른 비상상태 전력 계통에서의 HVDC 계통 제어 시스템은, 전력 설비의 다수 계통과 온라인으로 연결되어, 다수의 계통을 감시 및 측정하여 계통 데이터를 수집하는 계통 데이터 수집부와, 상기 계통 데이터 수집부에서 수집된 계통 데이터의 오류에 대한 상태 추정 및 전력 조류 계산을 위한 조류 계산 데이터로 전환하는 전력계통 해석부 및, 상기 전력계통 해석부로부터의 조류 계산 데이터를 대상으로 미리 설정된 상정 사고를 발생시키고, HVDC의 전력 조류제어 설정치를 변화시켜서 전력 조류를 계산함에 의해, 최소값의 설정치를 HVDC의 운전량으로 결정하는 HVDC 운전 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은, 상기 계통 데이터 수집부는 상기 전력 설비 내의 각 계통의 변화 상태를 실시간으로 감시하고, 감시 결과에 따라 발생되는 계통 데이터를 측정하여 수집하는 계통 감시 및 측정부와, 상기 계통 감시 및 측정부를 통해 수집된 각 계통 데이터를 저장하여 관리하는 데이터베이스를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 계통 데이터 수집부는 SCADA와, EMS 중에서 어느 하나의 온라인 원격 감시 시스템을 이용하고, 계통 데이터는 발전기의 송전 및 수전 전력량과, 발전량, 변전소 모선에서의 유효 및 부효 부하량, 전압의 크기 중에서 적어도 어느 하나 이상인 것을 특징으로 한다.

또, 상기 전력계통 해석부는, 상기 계통 데이터 수집부로부터의 전력 설비 계통에 대한 원격 감시 및 측정의 계통 데이터를 상태 추정 및 조류 계산에 적합한 데이터 형태로 재구성하는 전력 계통 구성부와, 상기 전력계통 구성부를 통해 재구성된 계통 데이터의 데이터 측정 및 전송 과정에서의 오류 유무를 상태 추정을 통해 검증하고 보정하는 상태 추정부 및, 상기 상태 추정부를 통해 검증 및 보정이 완료된 계통 데이터를 전력 조류의 계산 프로그램을 이용하여 계산하고, 전력 조류의 분석이 가능한 전력 조류 데이터로 실시간 전환하는 조류계산 데이터 생성부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 상기 HVDC 운전 제어부는, 상기 전력 설비의 외란에 의해 발생될 수 있는 선로 과부하, 전압 강하와 같은 상정 고장의 조건을 제공하는 상정고장 리스트 제공부와, 상기 상정고장 리스트 제공부로부터의 상정고장 조건을 제공받아서 상정 사고를 발생시키고, 상정 사고를 근거로 전력 조류의 제어 설정치를 변화시키면서 선로 과부하 지수와 모선 전압강하 지수를 이용한 최소값의 HVDC 전력 조류 설정치를 계산하는 HVDC 비상 운전부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 HVDC 비상 운전부는 무효 전력 보상을 위한 다단계의 AC 필터를 상기 HVDC 전력 조류 설정치에 각각 적용하여 최소값의 설정치를 찾는데, 다단계의 AC 필터를 각각 1개의 뱅크(Bank)씩 투입하는 구간으로 나누고, 각 투입 구간 별로 선형화 알고리즘을 적용하여 최소값의 설정치를 찾는 것을 특징으로 한다.

상기 선형화 알고리즘은, Levenberg - Marquardt 알고리즘과, Gradient Descent 알고리즘, Gauss - Newton 알고리즘 중에서 어느 하나의 알고리즘인 것을 특징으로 한다.

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명에 따르면, 계통 상태를 감시하여 취득된 데이터로부터 생성되는 계통 해석 데이터를 대상으로 각종 계통 상정 사고를 발생시켜서 선로 과부하 지수 및 모선 전압강하 지수를 계산하고, 최적화 알고리즘을 통해 각 지수가 모두 최소화될 수 있는 HVDC의 전력 조류량을 산출하여 최적 운전량으로서 적용할 수 있도록 함에 따라, 계통의 고장이 지속되는 상태 등과 같은 비상 상태에서의 계통 부하율을 저감시키는 것이 가능하고, 그에 따른 계통 비상 상태에서의 모선 전압 변동율을 최소화할 수 있게 함으로써, HVDC의 최적화 운용에 큰 기여를 할 수 있게 된다.

도 1은 종래의 전류형 HVDC 시스템에 대한 회로 구성을 나타낸 도면이다.
도 2a 및 도 2b는 종래 전류형 HVDC 시스템에 있어서 정류기 및 인버터의 V-I 제어 특성을 각각 나타낸 그래프 도면이다.
도 3은 종래 전류형 HVDC 시스템에 있어서 정류기의 정전류 제어와 인버터의 정전압 제어에 의한 시스템의 운전점을 나타낸 그래프 도면이다.
도 4는 일반적인 HVDC 제어기의 구성을 나타낸 도면이다.
도 5a 및 도 5b는 일반적인 HVDC 제어기에서 정류기측과 인버터측이 각각 교류 저전압시 발생되는 동작 상태를 나타낸 그래프 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 비상상태 전력 계통에서의 HVDC 계통 제어 시스템에 대한 구성을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 비상상태 전력 계통에서의 HVDC 계통 제어 시스템에서 실시간의 발전량 및 부하량과 상태 추정 계산값이 모니터링을 통해 확인되는 상태를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 비상상태 전력 계통에서의 HVDC 계통 제어 시스템의 동작을 설명하기 위한 플로우차트이다.
도 9a 내지 도 9d는 전력 계통의 고장에 따른 각 전송선로에서의 HVDC 운전 효과의 변동량을 각각 나타낸 그래프 도면이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 비상상태 전력 계통에서의 HVDC 계통 제어 시스템의 적용에 따라 비상 상태 계통에서의 HVDC 최적 운전량이 도출되는 상태를 나타낸 그래프 도면이다.

이하, 상기한 바와 같이 구성된 본 발명에 대해 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.

이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 비상상태 전력 계통에서의 HVDC 계통 제어 시스템에 대한 구성을 나타낸 도면이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 비상상태 전력 계통에서의 HVDC 계통 제어 시스템은, 전력 설비(100)와, 계통 데이터 수집부(200), 전력계통 해석부(300), HVDC 운전 제어부(400)를 포함한다.

상기 계통 데이터 수집부(200)는 온라인(Online)의 원격 감시 시스템 상에 구현되어 상기 전력 설비(100)의 계통에 대한 급변 상황을 감시하고, 관련 데이터를 측정하기 위한 것으로서, 상기 전력 설비(100) 내의 각종 계통과 온라인으로 통신 연결되어, 각 계통의 변화 상태를 실시간으로 감시하고, 감시 결과에 따라 발생되는 각종 계통 데이터를 측정하여 수집하는 계통 감시 및 측정부(20)와, 상기 계통 감시 및 측정부(20)를 통해 수집된 각종 계통 데이터를 저장하여 관리하는 데이터베이스(22)를 포함한다.

상기 계통 감시 및 측정부(20)는 차단기 및 단로기의 개폐 상태, 계전기의 동작 상태 등이 원격 감시되며, 전압/전류, 유효/무효 전력, 변압기 온도 및 변압기 탭(Tap) 위치 등이 원격으로 측정된다.

여기서, 상기 계통 데이터 수집부(200)는 온라인 원격 감시 시스템으로서 SCADA(Supervisory Control and Data Acquisition)와, EMS(Enhanced Message Service) 중에서 어느 하나의 온라인 원격 감시 시스템을 이용한다.

상기 전력계통 해석부(300)는 상기 계통 데이터 수집부(200)로부터 수집되는 계통 데이터를 입력받아 전력 조류(Power Flow)의 계산이 가능한 데이터로 변환하는 것으로서, 전력계통 구성부(30)와, 상태 추정부(32), 조류계산 데이터 생성부(34)를 포함한다.

여기서, 상기 전력 조류(Power Flow)는 전력 시스템의 구성 계통에 유입되거나 유출되는 유효 전력과 무효 전력의 흐름을 의미하는 것이다.

상기 전력계통 해석부(300)의 전력계통 구성부(30)는, 상기 계통 데이터 수집부(200)로부터의 전력 설비 계통에 대한 원격 감시 및 측정의 계통 데이터를 입력받아 상태 추정 및 조류 계산에 적합한 데이터 형태로 재구성하는 작업을 수행한다.

상기 상태 추정부(32)는 상기 전력계통 구성부(30)를 통해 재구성된 계통 데이터에 대해 데이터 측정 및 전송 과정에서의 오류 유무를 상태 추정(State Estimation) 기능을 이용하여 검증하고 보정하는 작업을 수행한다.

여기서, 상기 상태 추정부(32)는 도 7에 도시된 바와 같이, 발전기의 송/수전 전력량, 발전량, 부하량 등의 실시간 SCADA 측정 데이터를 근거로 상태추정 계산값을 산출하고, 그 상태추정 계산값에 근거하여 실시간 측정 데이터에 대한 상태 추정 오차율을 산출한다.

상기 조류계산 데이터 생성부(34)는 상기 상태 추정부(32)를 통해 검증 및 보정이 완료된 계통 데이터를 전력 조류의 계산 프로그램을 이용하여 계산함에 의해, 전력 조류의 분석이 가능한 형태의 전력 조류 데이터로 실시간 전환하는 작업을 수행한다.

여기서, 상기 조류계산 데이터 생성부(34)는 상기 전력 조류의 계산을 위해서 발전기의 유효 송/수전 전력량과 발전량, 전압의 크기, 일반 변전소 모선에서의 유효 및 무효 전력 부하량 등과 같은 실시간 측정 데이터를 상기 계통 데이터 수집부(200)로부터 실시간으로 제공받도록 하는 것이 바람직하다.

상기 HVDC 운전 제어부(400)는 상기 전력계통 해석부(300)의 조류계산 데이터 생성부(34)로부터 생성된 전력 조류 데이터를 대상으로 가상적인 상정 사고를 발생시켜서 전력 조류의 제어 설정치를 변화시킴에 의해 조류 제어량을 최종적으로 산출하는 것이다.

상기 HVDC 운전 제어부(400)는 상정고장 리스트 제공부(42)로부터 발전기나 송전선로의 사고 등과 같은 외란에 의해 발생될 수 있는 선로 과부하, 전압 강하 등의 다양한 상정고장 조건을 제공받아서 상정 사고를 발생시키고, 상정 사고를 근거로 전력 조류의 제어 설정치를 변화시키면서 선로 과부하 지수와 전압 강하 지수를 각각 계산하는 HVDC 비상 운전부(40)를 포함한다.

상기 HVDC 비상 운전부(40)에서 계산하는 선로 과부하 지수는 하기한 수학식 1과 같다.

상기 수학식 1에서 P_i는 i 번째 송전 선로에서 측정되는 유효 전력 조류이며 P_imax는 특정 i 번째 송전 선로에서의 최대 송전용량이다. 송전 선로의 송전용량은 송전 선로의 종류에 따라 사전에 결정되는데, 예컨대 송전선로가 154 kV ACSR 330㎟의 타입인 경우 최대 송전용량은 172 MW이다.

선로 과부하 지수를 물리적으로 판단한다면, 계통의 비상상태에서 각 선로에 흐르는 유효 전력의 분포가 각 선로의 용량에 대해 균일하다면 선로 과부하 지수는 작은 값을 갖는 반면에, 만약 특정 선로의 조류가 증가하거나 과부하가 되면 선로 과부하 지수는 크게 증가한다. 또한, 과부하 선로가 많아지면 선로 과부하 지수 값도 이에 따라 증가한다.

한편, 상기 모선 전압 강하 지수는 하기한 수학식 2와 같이 특정 부하 모선(i 번째 모선)의 전압이 i 번째 모선의 기준 전압으로 부터 얼마나 변했는가를 나타내는 것이다.

상기 수학식 2에서 ΔV_m은 특정 모선(i 모선)의 전압 변동 허용 범위이고, V_ref는 기준 전압이다. 전력계통 운용규정에 의하면 154kV 모선의 경우 경부하시 160±4kV, 중부하시 156±4kV로 운전하도록 되어 있으므로, 경부하시의 경우 기준 전압(V_ref)은 160 kV이고 ΔV_m은 4 kV이다.

모선 전압 강하 지수는 상기 선로 과부하 지수와 유사한 물리적 의미를 갖는것으로서, HVDC 조류 제어를 통하여 모선 전압 강하 지수가 감소하면 해당 계통의 전압 분포가 개선된다.

상기 HVDC 비상 운전부(40)에서는 HVDC가 전력변환의 내부 구성 특성상 조류 제어량에 비례하여 무효 전력 소비량이 약 50 ∼ 60%까지 증가하게 되는 사실에 기초하여, 이를 보상하기 위해 HVDC의 전력변환 구성부 양단에 무효 전력의 보상을 위한 다단계 AC 필터를 운용한다.

상기 HVDC 비상 운전부(40)는 HVDC의 조류 제어와 함께, 상기 조류 제어와 연동된 AC 필터의 동작에 따라 AC 계통의 무효 전력 수급이 영향을 받기 때문에, HVDC 운전에 따른 전압 강하 지수를 검지할 필요가 있으므로, 상기 선로 과부하 지수와 상기 모선 전압 강하 지수를 각각 합산하여 가장 최소값의 HVDC 조류 설정치를 비상 상태에서 최적의 HVDC 운전량으로 결정하게 된다.

상기 HVDC 비상 운전부(40)는 상기 결정된 최적의 HVDC 운전량을 도 4에 도시된 HVDC 제어기의 전력 제어기(10)에 최적의 설정치로서 입력하게 됨으로써, 본 발명의 시스템이 비상 상태에서 HVDC의 최적 운전을 위한 계통 제어 시스템이 되는 것이다.

한편, 상기 선로 과부하 지수와 상기 모선 전압 강하 지수를 합산한 식은 하기한 수학식 3과 같다.

상기 수학식 3에서 a, b는 계통 운전의 목적에 맞추어 조정하는 가중치이다(바람직하게는 a와 b를 각각 "1"로 설정하는 것이 좋다).

여기서, 전류형 HVDC의 경우 선로 과부하 지수가 HVDC의 운전량에 따라 선형적인 특성을 나타내지만, 모선 전압 강하 지수의 경우에는 HVDC 운전량에 따른 다단계 AC 필터 뱅크(Bank)들의 동작으로 인해 비선형(Nonlinear) 특성을 가지게 된다.

따라서, 상기 선로 과부하 지수와 모선 전압 강하 지수를 합산한 수학식 3은 비선형 즉, Non-Convex 함수가 되기 때문에, AC 필터가 한 개의 뱅크씩 투입되는 구간을 나누고, 각각 나누어진 구간별로 상기 수학식 3을 위한 최적화 알고리즘(Optimization Algorithm)으로서 선형화 알고리즘을 적용하는 기법을 사용한다. 이러한 경우 다단계의 AC 필터가 구간 별로 순차적으로 투입되면서 최적화를 위한 선형화 알고리즘을 이용한 반복적인 계산을 수행하고, 상기 수학식 3을 통해 Convex한 함수가 도출될때까지 진행함으로써 최적의 HVDC 운전량을 결정하는 것이 가능하게 된다.

한편, 본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 HVDC 비상 운전부(40)에서 비선형 함수의 문제점을 제거하기 위해 적용되는 최적화를 위한 선형화 알고리즘으로는, Levenberg - Marquardt 알고리즘과, Gradient Descent 알고리즘, Gauss - Newton 알고리즘 중에서 어떠한 하나의 알고리즘을 선택하여 사용해도 무방하다.

이어, 상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일실시예에 따른 비상상태 전력 계통에서의 HVDC 계통 제어 시스템의 동작에 대해 도 8의 플로우차트를 참조하여 상세히 설명한다.

도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 비상상태 전력 계통에서의 HVDC 계통 제어 시스템의 동작을 설명하기 위한 플로우차트이다.

먼저, 전력 설비(100)에 대해 계통 데이터 수집부(200)에서 계통 데이터를 측정하여 수집하고, 전력계통 해석부(300)에서 전력 계통 데이터의 상태 추정 및 조류계산을 위한 전력 조류 데이터를 생성하면, HVDC 운전 제어부(400)의 HVDC 비상 운전부(40)는 상기 계통 데이터에 대해 전환된 조류 계산 데이터를 입력받는다(S10).

상기 HVDC 비상 운전부(40)는 상정고장 리스트 제공부(42)의 상정고장 리스트에 포함된 고장 항목에 따라 상정 고장을 발생시키고, 그에 따른 HVDC의 전력 조류 설정치를 변화시키면서 선로 과부하 지수(수학식 1 참조)와 모선 전압강하 지수(수학식 2 참조)를 각각 계산한 다음에, 상기 선로 과부하 지수와 모선 전압강하 지수를 합산(수학식 3 참조)하여, 그 합산치(J_T)에서 다단계의 AC 필터를 거치면서 HVDC의 조류 설정치를 산출한다.

즉, 상기 HVDC 비상 운전부(40)는 HVDC의 초기치를 P_flow = 0으로 설정하고, 다단계의 AC 필터 개수를 초기화(N =1)하게 되고(S11), 상기 각 초기치를 근거로 조류 계산을 위한 선로 과부하 지수와 모선 전압강하 지수를 각각 계산하게 되는데, 한 다음에(S12), 상기 선로 과부하 지수와 모선 전압강하 지수의 합산치(J_T)를 계산한다(S13).

그 상태에서, 상기 HVDC 비상 운전부(40)는 상기 합산치(J_T)의 계산값(∇J_TN)이 최소값(ε)보다 작은 지를 판단하게 되는데(S14), 상기 합산치(J_T)의 계산값(∇J_TN)이 최소값(ε)보다 작지 않다고 판단되면, 비선형 함수를 최적화하여 선형 함수로 변환하는 선형화 알고리즘(S30)을 적용한다.

상기 선형화 알고리즘(S30)에 있어서는, 다단계의 AC 필터가 1개의 뱅크씩 투입되는 구간으로 나누고, 각 구간 별로 해당 알고리즘을 적용하는 기법으로 진행되는데, 여기서는 Levenberg - Marquart 알고리즘을 적용하는 것을 일예로 하여 설명하고, 이는 하기한 계산 단계를 거치게 된다.

즉, 상기 선형화 알고리즘(S30)의 S30a 단계에서는

를 설정하고, S30b 단계로 진행하여

와 같이 계산한 다음에, S30c에서

를 계산한다.

상기 S30c의 단계 이후에, S30d의 단계는

의 계산을 진행하게 되는데, 상기 S14의 판단 단계에서 상기 합산치(J_T)의 계산값(∇J_TN)이 최소값(ε)보다 작지 않다고 판단되면, 해당 S30c의 단계로 진행하여 계산을 수행하게 된다.

상기 S30c 단계에서와 같은 계산이 이루어지면, S30e에서 새롭게 계산된 신규 조류 설정치(P_{low new})를 이전 계산된 올드 조류 설정치(P_{flow old})에 상기 S30c의 단계에서 계산되어 얻어진 값(S_P)과 합산하는 P_{low new} = P_{flow old} + S_P의 계산이 이루어진 이후에, S30f의 판단 단계에서 신규 조류 설정치(P_{low new})가 이전 계산된 올드 조류 설정치(P_{flow old})보다 작은 지를 판단하게 된다.

상기 S30f의 판단 결과에서, 신규 조류 설정치(P_{low new})가 이전 계산된 올드 조류 설정치(P_{flow old})보다 작다고 판단되면, S30g로 진행하여

를 설정한 다음에, 상기 S12의 단계로 재진행하여 조류 계산 과정에 활용될 수 있도록 한다.

그 반면에, 신규 조류 설정치(P_{low new})가 이전 계산된 올드 조류 설정치(P_{flow old})보다 작지 않다고 판단되면, 상기 S30a의 단계로 재진행하여 S30a로부터 S30e까지의 단계를 순차적으로 진행한다.

한편, 상기 최적화를 위한 선형화 알고리즘(S30)을 거치면서 상기 S14에서 상기 합산치(J_T)의 계산값(∇J_TN)이 최소값(ε)보다 작다고 판단되면, 현재 투입되는 구간의 AC 필터의 개수 번호가 AC 필터의 전체 개수와 동일하지 않은지를 판단하게 된다(S15).

상기 판단 결과, 현재 투입되는 구간의 AC 필터의 개수 번호가 AC 필터의 전체 개수와 동일하지 않다고 판단되면, 해당 AC 필터의 개수를 1개 더 증가(N = N + 1)시키고(S16), N번째의 필터 투입 시점을 P_flow로 하여(S17), 상기 S12의 단계로 재진행하게 된다.

그 반면에, 현재 투입되는 구간의 AC 필터의 개수 번호가 AC 필터의 전체 개수와 동일하다고 판단되면, N번째의 P_flow, J_TN을 저장하고(S18), 전체 AC 필터의 N번째까지의 J_TN중에서 가장 작은 최소값의 J_TN에 해당되는 조류 설정치(P_flow)를 선택함에 따라(S19), 상기 설정된 조류 설정치(P_flow)를 HVDC의 비상 상태에서의 최적 운전량으로 최종 결정하게 된다(S20).

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명에 따르면, 도 9a 내지 도 9d에 도시된 바와 같이 계통 고장에 따른 각 송전 선로의 HVDC 운전 효과 변동량인 과부하 지수와, 전압강하 지수가 각각 나타나 있는 바, 이를 근거로 하여 각 상정 사고에 대한 과부하 지수와 모선 전압강하 지수의 합이 최소가 되는 비상상태 계통에서의 HVDC의 최적 운전량이 도 10에 도시된 바와 같이 도출될 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.

20:계통 감시 및 측정부 22:데이터베이스
30:전력계통 구성부 32:상태 추정부
34:조류계산 데이터 생성부 40:HVDC 비상 운전부
42:상정고장 리스트 제공부 100:전력 설비
200:계통 데이터 수집부 300:전력계통 해석부
400:HVDC 운전 제어부

Claims (12)

1. 전력 설비의 다수 계통과 온라인으로 연결되어, 다수의 계통을 감시 및 측정하여 계통 데이터를 수집하는 계통 데이터 수집부와;
   상기 계통 데이터 수집부에서 수집된 계통 데이터의 오류에 대한 상태 추정 및 전력 조류(Power Flow) 계산을 위한 조류 계산 데이터로 전환하는 전력계통 해석부; 및
   상기 전력계통 해석부로부터의 조류 계산 데이터를 대상으로 미리 설정된 상정 사고를 발생시키고, HVDC(High Voltage Direct Current)의 전력 조류제어 설정치를 변화시켜서 전력 조류를 계산함에 의해, 최소값의 설정치를 HVDC의 운전량으로 결정하는 HVDC 운전 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 비상상태 전력 계통에서의 HVDC 계통 제어 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 계통 데이터 수집부는 상기 전력 설비 내의 각 계통의 변화 상태를 실시간으로 감시하고, 감시 결과에 따라 발생되는 계통 데이터를 측정하여 수집하는 계통 감시 및 측정부와,
   상기 계통 감시 및 측정부를 통해 수집된 각 계통 데이터를 저장하여 관리하는 데이터베이스를 포함하는 것을 특징으로 하는 비상상태 전력 계통에서의 HVDC 계통 제어 시스템.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 계통 데이터 수집부는 SCADA(Supervisory Control and Data Acquisition)와, EMS(Enhanced Message Service) 중에서 어느 하나의 온라인 원격 감시 시스템을 이용하는 것을 특징으로 하는 비상상태 전력 계통에서의 HVDC 계통 제어 시스템.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 계통 데이터 수집부에서 수집되는 계통 데이터는 발전기의 송전 및 수전 전력량과, 발전량, 변전소 모선에서의 유효 및 부효 부하량, 전압의 크기 중에서 적어도 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 비상상태 전력 계통에서의 HVDC 계통 제어 시스템.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 전력계통 해석부는, 상기 계통 데이터 수집부로부터의 전력 설비 계통에 대한 원격 감시 및 측정의 계통 데이터를 상태 추정 및 조류 계산에 적합한 데이터 형태로 재구성하는 전력 계통 구성부와,
   상기 전력계통 구성부를 통해 재구성된 계통 데이터의 데이터 측정 및 전송 과정에서의 오류 유무를 상태 추정을 통해 검증하고 보정하는 상태 추정부 및,
   상기 상태 추정부를 통해 검증 및 보정이 완료된 계통 데이터를 전력 조류의 계산 프로그램을 이용하여 계산하고, 전력 조류의 분석이 가능한 전력 조류 데이터로 실시간 전환하는 조류계산 데이터 생성부를 포함하는 것을 특징으로 하는 비상상태 전력 계통에서의 HVDC 계통 제어 시스템.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 HVDC 운전 제어부는, 상기 전력 설비의 외란에 의해 발생될 수 있는 선로 과부하, 전압 강하와 같은 상정 고장의 조건을 제공하는 상정고장 리스트 제공부와,
   상기 상정고장 리스트 제공부로부터의 상정고장 조건을 제공받아서 상정 사고를 발생시키고, 상정 사고를 근거로 전력 조류의 제어 설정치를 변화시키면서 선로 과부하 지수와 모선 전압강하 지수를 이용한 최소값의 HVDC 전력 조류 설정치를 계산하는 HVDC 비상 운전부를 포함하는 것을 특징으로 하는 비상상태 전력 계통에서의 HVDC 계통 제어 시스템.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 HVDC 비상 운전부의 과부하 지수는,
   

   

   
   (여기서, P_i는 i 번째 송전 선로에서 측정되는 유효 전력 조류이며 P_imax는 특정 i 번째 송전 선로에서의 최대 송전용량)
   에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 비상상태 전력 계통에서의 HVDC 계통 제어 시스템.
8. 제 6 항에 있어서,
   상기 HVDC 비상 운전부에서 계산되는 모선 전압강하 지수는,
   

   

   
   (여기서, ΔV_m은 특정 모선(i 모선)의 전압 변동 허용 범위이고, V_ref는 기준 전압)
   에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 비상상태 전력 계통에서의 HVDC 계통 제어 시스템.
9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
   상기 HVDC 비상 운전부의 HVDC 전력 조류 설정치는,
   

   

   
   (여기서, a, b는 계통 운전의 목적에 맞추어 조정하는 가중치)
   에 의해 상기 과부하 지수와 상기 모선 전압강하 지수의 합산으로 결정되는 것을 특징으로 하는 비상상태 전력 계통에서의 HVDC 계통 제어 시스템.
10. 제 6 항에 있어서,
    상기 HVDC 비상 운전부는 무효 전력 보상을 위한 다단계의 AC 필터를 상기 HVDC 전력 조류 설정치에 각각 적용하여 최소값의 설정치를 찾는 것을 특징으로 하는 비상상태 전력 계통에서의 HVDC 계통 제어 시스템.
11. 제 10 항에 있어서,
    상기 HVDC 비상 운전부는 다단계의 AC 필터를 각각 1개의 뱅크(Bank)씩 투입하는 구간으로 나누고, 각 투입 구간 별로 선형화 알고리즘을 적용하여 최소값의 설정치를 찾는 것을 특징으로 하는 비상상태 전력 계통에서의 HVDC 계통 제어 시스템.
12. 제 11 항에 있어서,
    상기 선형화 알고리즘은, Levenberg - Marquardt 알고리즘과, Gradient Descent 알고리즘, Gauss - Newton 알고리즘 중에서 어느 하나의 알고리즘인 것을 특징으로 하는 비상상태 전력 계통에서의 HVDC 계통 제어 시스템.
    
    

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