KR20170032779A - 발전소 시뮬레이터 - Google Patents

발전소 시뮬레이터 Download PDF

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KR20170032779A
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변승현
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강해수
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한국전력공사
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Abstract

본 발명은 발전소 시뮬레이터가 개시된다. 본 발명의 발전소 시뮬레이터는, 전력계통으로부터 주파수를 추출하여 계통 주파수를 생성하는 실계통 주파수 생성부; 및 실계통 주파수 생성부로부터 입력되는 계통 주파수를 적용하여 발전소의 제어변수를 조정하여 시뮬레이션하는 시뮬레이션부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

발전소 시뮬레이터{POWER PLANT SIMULATOR}
본 발명은 발전소 시뮬레이터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 실제 운영되는 전력계통의 주파수 특성을 적용하여 주파수 추종운전(Governor Free Operation)을 시뮬레이션 할 수 있도록 함으로써, 충실도를 높이고 주파수 관련 제어 로직의 실질적인 검증과 발전 플랜트에의 영향 분석에 활용할 수 있도록 하는 발전소 시뮬레이터에 관한 것이다.
일반적으로, 발전소 시뮬레이터는 발전소에 있는 현장 설비의 동적특성, 운전데이터, 제어시스템 등을 수학적으로 모사하여 발전소를 실제 운영하는 것 같이 모의 할 수 있는 기술로 전범위로 개발되어 운전 훈련용으로 개발되어 왔다.
또한 최근에는 발전소의 디지털 제어시스템 업그레이드 적용 전 훈련과 사전 시험을 실시함으로써 현장에서의 시행착오를 줄이기 위한 테스트 베드로써 이용되어지고 있으며, 적용되어질 디지털 제어 시스템의 적용 전 제어 로직 시험과 인터록 시험 그리고 HMI(Human Machine Interface) 등 소프트웨어 검증용으로 활용되어지고 있다.
특히 제어 검증용으로 시뮬레이터를 활용할 경우에는 발전소에 적용되는 모든 제어 로직을 검증하고 있다.
이와 같이 시뮬레이터의 활용이 활발히 이루어지고 있는 상황에서 시뮬레이터의 높은 충실도가 요구되고 있다.
한편 발전소에서 발전출력은 전력거래소의 지령을 받는 자동발전제어(AGC) 모드와 계통 주파수 변화에 따라 발전 출력이 응동하는 주파수 추종(Governor Free) 모드 그리고 운전원의 입력에 결정되는 수동모드 등에 의해 설정되어진다.
주파수 추종 모드는 전력계통의 계통 주파수 변화에 대해 발전 출력이 계통 주파수를 회복하는 방향으로 발전 출력을 제어하는 모드이다.
전력계통은 에너지 저장 능력이 없기 때문에, 전력 수요와 공급이 항상 일치해야 한다. 그런데, 발전소는 전력계통의 부하에 따라 신속하게 그 발전출력을 추종할 수 있어야 하지만, 여러 가지 이유로 출력 증감발 속도가 제한되고 또한 보일러 터빈의 운전상태가 불안정하게 되는 경우가 많기 때문에, 출력을 신속하게 변동시키기가 어렵다.
즉, 계통 주파수 변화는 주파수 추종(Governor free) 모드에서 출력의 변화를 가져오기 때문에 만약 과도한 주파수의 변화가 발생하게 되면 발전소 정지를 가져오게 되고, 이의 파급효과가 동시에 많은 발전소에 일어나게 되면 많은 전력공급원이 계통에서 사라지게 되어 광역정전에 이를 수도 있다.
그래서, 종래에는 주파수 변화에 대하여 발전기의 속도 조정률을 발전원에 따라 3∼6％로 설정하고, 실시간 장비를 이용하여 실제 계통주파수에 대해 일정이상 변동시에만 발전소의 출력 증감발이 이루어지도록 측정 관리하고 있다.
이때 속도 조정률은 낮을수록 주파수 응동 제어가 잘 이루어짐을 의미한다.
여기서, 속도 조정률이란 주파수 변화량 즉, 터빈의 속도 변화량에 대한 발전기의 출력 변화량을 퍼센트(％)로 나타낸 것으로서, 예를 들어, 발전소에서 속도 조정률이 10％로 설정되어 있으면, 우리나라의 계통 주파수가 60㎐이기 때문에 주파수 변화량 6㎐에 대하여 발전기의 출력은 0％에서 100％까지 변화해야 하는 것을 의미한다.
관련 선행기술로는 한국공개특허 제2007-0106232호(2007.11.01.)인 "발전소 시뮬레이션 시스템 및 그 구동 방법"이 있다.
종래의 발전소 시뮬레이터에서는 계통 주파수가 외부 환경 파라미터에 포함되어 있어 입력은 가능하나 고정값으로 설정되기 때문에 발전기 출력에 따라 응동하지 않기 때문에 계통 주파수 변화 특성(변화 주기 등)을 제대로 반영하지 못하여 주파수 관련 로직 검증 등에는 활용하지 못하고 있는 실정으로 주파수 추종 모드에 대한 발전 출력 제어 로직을 검증할 수 없는 상태이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점들을 개선하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 실제 운영되는 전력계통의 주파수 특성을 적용하여 주파수 추종운전(Governor Free Operation)을 시뮬레이션 할 수 있도록 함으로써, 충실도를 높이고 주파수 관련 제어 로직의 실질적인 검증과 발전 플랜트에의 영향 분석에 활용할 수 있도록 하는 발전소 시뮬레이터를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 발전소 시뮬레이터는, 전력계통으로부터 주파수를 추출하여 계통 주파수를 생성하는 실계통 주파수 생성부; 및 실계통 주파수 생성부로부터 입력되는 계통 주파수를 적용하여 발전소의 제어변수를 조정하여 시뮬레이션하는 시뮬레이션부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 실계통 주파수 생성부는, 전력계통의 AC전원으로부터 계통 주파수를 추출하는 주파수 추출부; 주파수 추출부에서 추출된 계통 주파수를 전기적 신호로 변환하는 신호변환부; 및 시뮬레이션부와 연계하여 신호변환부에서 변환된 전기적 신호를 출력하는 인터페이스부;를 포함하는 것을 특징을 한다.
본 발명에서 전기적 신호는, 전압신호와 전류신호 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 인터페이스부는, API(Applicaton Programming Interface)와 OPC(OLE for Process Control) 중 어느 하나를 통해 시뮬레이션부와 연계되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 인터페이스부를 통해 출력되는 전기적 신호를 디지털 데이터로 변환하여 계통 주파수 파일로 저장하는 주파수 저장부;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 주파수 저장부에서 계통 주파수 파일로 저장하기 위한 스캔 주기가 시뮬레이션부의 실행 주기보다 짧은 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 발전소 시뮬레이터는 실제 운영되는 전력계통의 주파수 특성을 적용하여 주파수 추종운전(Governor Free Operation)을 시뮬레이션 할 수 있도록 함으로써, 주파수 관련 제어 로직의 실질적인 검증과 발전 플랜트에의 영향 분석에 활용할 수 있도록 하여 시뮬레이터의 충실도를 높여 활용도를 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발전소 시뮬레이터를 나타낸 블록구성도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 발전소 시뮬레이터를 나타낸 블록구성도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 발전소 시뮬레이터를 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 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발전소 시뮬레이터를 나타낸 블록구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 발전소 시뮬레이터는 실계통 주파수 생성부(20) 및 시뮬레이션부(30)를 포함한다.
실계통 주파수 생성부(20)는 전력계통으로부터 주파수를 추출하여 계통 주파수를 생성하여 시뮬레이션부(30)에 제공함으로써, 시뮬레이션부(30)에서 실제 운영되는 전력계통의 주파수 특성을 적용하여 주파수 추종운전(Governor Free Operation)을 시뮬레이션 할 수 있도록 한다.
본 실시예에서 실계통 주파수 생성부(20)는 주파수 추출부(210), 신호변환부(220) 및 인터페이스부(230)를 포함한다.
주파수 추출부(210)는 실제 실시간 계통 주파수를 추출하기 위해 일반 전력계통의 AC전원(10)으로부터 계통 주파수를 추출한다.
신호변환부(220)는 주파수 추출부(210)에서 추출된 계통 주파수를 전기적 신호로 변환한다.
여기서 전기적 신호는 전압신호와 전류신호 중 어느 하나일 수 있다.
예를 들어 AC전원(10)의 기준 계통 주파수가 60Hz일 때 기준 전압을 설정하고, 이를 기준으로 60Hz보다 높은 주파수는 기준 전압보다 높은 전압신호로 변환하고, 60Hz보다 낮은 주파수는 기준 전압보다 낮은 전압신호로 변환시킬 수 있다.
또한, 전류신호로 변환할 경우에도 동일하게 변환시킬 수 있다.
인터페이스부(230)는 시뮬레이션부(30)와 연계하여 신호변환부(220)에서 변환된 전기적 신호를 출력한다.
이때 인터페이스부(230)는 시뮬레이션부(30)에 연계 가능한 API(Applicaton Programming Interface)를 이용하여 연계할 수도 있고, 표준 인터페이스 방식인 OPC(OLE for Process Control)를 통해 시뮬레이션부(30)와 연계할 수도 있다.
시뮬레이션부(30)는 이와 같이 실계통 주파수 생성부(20)로부터 입력되는 계통 주파수를 적용하여 발전소의 제어변수를 조정하여 발전소를 시뮬레이션 한다.
이와 같이 실제 계통 주파수를 시뮬레이터에 인가함으로써, 실제로 계통 주파수를 시뮬레이터에서 활용하는 계통 병입시부터 주파수 추종(Governor Free) 운전시까지 시뮬레이터가 활용되어지는 모든 과정에 계통 주파수의 특성 반영이 가능하게 된다.
따라서, 실제 전력계통에 대해 발전소 제어로직과 실제공정이 주파수 추종(Governor Free) 운전 등을 통해 계통 주파수가 발전소에 미치는 영향을 분석할 수 있으며, 시뮬레이터 활용도를 높일 수 있다.
또한, 발전소 시뮬레이터의 운영 장소(나라)가 변경되어도 해당 나라의 계통 주파수 특성을 발전소 시뮬레이터에 인가하여 나라가 변경됨으로써 발생될 수 있는 주파수 영향을 파악할 수도 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 발전소 시뮬레이터를 나타낸 블록구성도이다.
도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 다른 실시예에 따른 발전소 시뮬레이터는 실계통 주파수 생성부(20) 및 시뮬레이션부(30)를 포함한다.
실계통 주파수 생성부(20)는 전력계통으로부터 주파수를 추출하여 계통 주파수를 생성하여 시뮬레이션부(30)에 제공함으로써, 시뮬레이션부(30)에서 실제 운영되는 전력계통의 주파수 특성을 적용하여 주파수 추종운전(Governor Free Operation)을 시뮬레이션 할 수 있도록 한다.
이때 본 발명의 다른 실시예에서는 실계통 주파수 생성부(20)에서 생성된 계통 주파수를 계통 주파수 파일(245)로 저장하고, 저장된 계통 주파수 파일(245)을 시뮬레이션부(30)에 제공함으로써 실제 전력계통에 대해 발전소 제어로직과 실제공정이 주파수 추종(Governor Free) 운전 등을 통해 계통 주파수가 발전소에 미치는 영향을 분석할 수 있도록 한다.
이를 위해 실계통 주파수 생성부(20)는 주파수 추출부(210), 신호변환부(220), 인터페이스부(230) 및 주파수 저장부(240)를 포함한다.
주파수 추출부(210)는 실제 실시간 계통 주파수를 추출하기 위해 일반 전력계통의 AC전원(10)으로부터 계통 주파수를 추출한다.
신호변환부(220)는 주파수 추출부(210)에서 추출된 계통 주파수를 전기적 신호로 변환한다.
여기서 전기적 신호는 전압신호와 전류신호 중 어느 하나일 수 있다.
예를 들어 AC전원(10)의 기준 계통 주파수가 60Hz일 때 기준 전압을 설정하고, 이를 기준으로 60Hz보다 높은 주파수는 기준 전압보다 높은 전압신호로 변환하고, 60Hz보다 낮은 주파수는 기준 전압보다 낮은 전압신호로 변환시킬 수 있다.
또한, 전류신호로 변환할 경우에도 동일하게 변환시킬 수 있다.
인터페이스부(230)는 시뮬레이션부(30)와 연계하여 신호변환부(220)에서 변환된 전기적 신호를 출력한다.
이때 인터페이스부(230)는 시뮬레이션부(30)에 연계 가능한 API(Applicaton Programming Interface)를 이용하여 연계할 수도 있고, 표준 인터페이스 방식인 OPC(OLE for Process Control)를 통해 시뮬레이션부(30)와 연계할 수도 있다.
주파수 저장부(240)는 인터페이스부(230)를 통해 출력되는 전기적 신호를 디지털 데이터로 변환하여 계통 주파수 파일(245)로 저장한다.
이때 계통 주파수 파일(245)로 저장하기 위한 스캔 주기는 시뮬레이션부(30)의 실행 주기보다 짧도록 함으로써 시뮬레이션부(30)의 실행 주기에 따라 계통 주파수를 필터링하여 적용할 수 있도록 한다.
이후 시뮬레이션부(30)는 실행 주기에 따라 실계통으로부터 추출하여 저장한 계통 주파수 파일(245)로부터 계통 주파수를 필터링하여 외부 변수로 매핑하여 적용하고, 발전소의 공정모델과 제어모델의 제어변수를 조정하여 발전소를 시뮬레이션 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의한 발전소 시뮬레이터에 따르면, 발전소 시뮬레이터는 실제 운영되는 전력계통의 주파수 특성을 적용하여 주파수 추종운전(Governor Free Operation)을 시뮬레이션 할 수 있도록 함으로써, 주파수 관련 제어 로직의 실질적인 검증과 발전 플랜트에의 영향 분석에 활용할 수 있도록 하여 시뮬레이터의 충실도를 높여 활용도를 높일 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 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
10 : AC 전원 20 : 실계통 주파수 생성부
30 : 시뮬레이션부 210 : 주파수 추출부
220 : 신호변환부 230 : 인터페이스부
240 : 주파수 저장부 250 : 계통 주파수 파일

Claims (6)

  1. 전력계통으로부터 주파수를 추출하여 계통 주파수를 생성하는 실계통 주파수 생성부; 및
    상기 실계통 주파수 생성부로부터 입력되는 상기 계통 주파수를 적용하여 발전소의 제어변수를 조정하여 시뮬레이션하는 시뮬레이션부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 발전소 시뮬레이터.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 실계통 주파수 생성부는, 상기 전력계통의 AC전원으로부터 상기 계통 주파수를 추출하는 주파수 추출부;
    상기 주파수 추출부에서 추출된 상기 계통 주파수를 전기적 신호로 변환하는 신호변환부; 및
    상기 시뮬레이션부와 연계하여 상기 신호변환부에서 변환된 상기 전기적 신호를 출력하는 인터페이스부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 발전소 시뮬레이터.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 전기적 신호는, 전압신호와 전류신호 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 발전소 시뮬레이터.
  4. 제 2항에 있어서, 상기 인터페이스부는, API(Applicaton Programming Interface)와 OPC(OLE for Process Control) 중 어느 하나를 통해 상기 시뮬레이션부와 연계되는 것을 특징으로 하는 발전소 시뮬레이터.
  5. 제 2항에 있어서, 상기 인터페이스부를 통해 출력되는 상기 전기적 신호를 디지털 데이터로 변환하여 계통 주파수 파일로 저장하는 주파수 저장부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발전소 시뮬레이터.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 주파수 저장부에서 상기 계통 주파수 파일로 저장하기 위한 스캔 주기는 상기 시뮬레이션부의 실행 주기보다 짧은 것을 특징으로 하는 발전소 시뮬레이터.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2020199644A1 (zh) * 2019-04-04 2020-10-08 华北电力科学研究院有限责任公司 原动机模拟方法、装置及多机同步系统频率特性模拟系统

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