KR20170107304A - 직류 배전 선로의 전압 제어 시스템 및 방법 - Google Patents

직류 배전 선로의 전압 제어 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 직류 배전 선로의 전압 제어 시스템 및 방법에 관한 것이다. 이를 위한 본 발명의 직류 배전 선로의 전압 제어 시스템은 분산 전원의 접속점에 설치되어 분산 전원이 연결된 버스에 유입되는 유효 전력 및 버스 전압을 수집하고, 유효 전력과 버스 전압 간의 선형화된 관계를 나타내는 선형 관계 정보를 생성하는 로컬 장치; 및 주전력 변환 장치의 접속점에 연결되고, 유효 전력과 버스 전압 간 선형 관계 정보를 근거로 직류 배전 선로의 조류 해석을 수행함으로써 주전력 변환 장치로부터 직류 배전 선로로 공급되는 버스 전압을 제어하는 마스터 장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

직류 배전 선로의 전압 제어 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR CONTROLLING BUS VOLTAGE OF DC DISTRIBUTION LINE}
본 발명은 직류 배전 선로의 전압 제어 시스템 및 방법에 관한 것이고, 보다 상세하게 직류 배전 계통의 조류 해석과 배전 선로의 전압 제어를 수행할 수 있는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
기존의 배전계통은 변전소로부터 방사형으로 구성된 배전선로를 따라 부하가 연결되는 형태로 구성되어 전력이 단방향으로 전송된다. 이 경우, 배전 전압이 변전소에서 선로의 말단으로 갈수록 감소하는 경향이 존재하였다. 하지만, 최근에는 배전 선로 중간 혹은 말단 부하 측에 신재생에너지 전원, 즉 태양광 전원 및 소형 풍력설비들이 연결된 분산 전원들이 전력 계통에 추가되고 있다.
다만, 이러한 분산 전원의 경우, 배전선에 흐르는 전력의 방향이 단방향이 아니라 변전소 방향으로 거꾸로 흐르는 역조류가 발생할 가능성이 커짐에 따라 배전전압이 변동하게 되는 상황이 발생하고 있다. 따라서 기존의 배전계통 관리 기술로는 배전계통의 조류 해석과 전압 제어가 어려운 문제점이 존재한다.
또한, 최근 직류(DC) 부하의 이용이 증대됨에 따라 신재생에너지 전원에서 생산된 직류의 전기를 직류부하에 바로 공급할 수 있는 직류배전 기술이 실용화 단계에 접어들고 있다. 기존의 교류 배전 계통 조류 해석과 달리 직류 배전에서는 직류의 조류 해석이 필요하다. 특히 교류 배전에서는 전압의 크기와 무효전력, 전압의 위상과 유효 전력이 밀접한 관계가 있었던 것과 달리, 직류 배전에서는 전압의 크기와 유효전력 사이의 관계가 중요하므로 해석의 방법이 다르다.
따라서, 직류 배전계통 전반에 분산되어 설치될 소규모의 신재생에너지 전원을 효과적으로 관리하고 배전전압을 정밀하게 제어하기 위해 전력 모니터링 시스템을 직류배전 계통에 분산 설치하여 설치된 위치의 지역정보를 바탕으로 정밀한 조류해석을 수행할 수 있는 기술이 요구된다.
한국공개특허 제2015-0053085호(명칭: 분산전원 연계에 따른 배전계통의 조류 계산 방법 및 시스템)
본 발명은 직류 배전계통 전반에 분산되어 설치될 소규모의 신재생에너지 전원을 효과적으로 관리하고 배전전압을 정밀하게 제어할 수 있는 직류 배전 선로의 전압 제어 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 직류 배전 선로의 전압 제어 시스템은 분산 전원의 접속점에 설치되어 분산 전원이 연결된 버스에 유입되는 유효 전력 및 버스 전압을 수집하고, 유효 전력과 버스 전압 간의 선형화된 관계를 나타내는 선형 관계 정보를 생성하는 로컬 장치; 및 주전력 변환 장치의 접속점에 연결되고, 유효 전력과 버스 전압 간 선형 관계 정보를 근거로 직류 배전 선로의 조류 해석을 수행함으로써 주전력 변환 장치로부터 직류 배전 선로로 공급되는 버스 전압을 제어하는 마스터 장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 마스터 장치는 복수의 로컬 장치들 중 적어도 하나의 로컬 장치로부터 전압 이상 정보가 수신된 경우, 이상이 발생한 버스의 버스 전압이 기설정된 정상 범위 내에 속하도록 주전력 변환 장치의 전압 보상량을 산출하고, 전압 보상량을 포함하는 제 1 전압 제어 신호를 주전력 변환 장치로 송신할 수 있다.
또한, 마스터 장치는 아래의 수학식을 통해 버스의 전압 변화량을 산출하고, 버스의 전압 변화량을 근거로 이상이 발생한 버스의 버스 전압을 산출하며, 이상이 발생한 버스의 버스 전압을 근거로 전압 보상량을 산출할 수 있다
(수학식)
Figure pat00001
(△Vi- 1는 상기 제 1 전압 제어 신호를 통한 주전력 변환 장치의 제어 이전 및 이후의 i-1 번째 버스의 전압 변화량를 나타내고, △Vi는 상기 제 1 전압 제어 신호를 통한 주전력 변환 장치의 제어 이전 및 이후의 i 번째 버스의 전압 변화량를 나타내고, Pi-1, i는 i-1 번째 버스에서 i 번째 버스로 전달되는 전력을 나타내고, Gi -1, i는 i-1 번째 버스와 i번째 버스 사이의 컨덕턴스를 나타내며, Vold i- 1는 주전력 변환 장치의 제어 이전의 i-1 번째 버스의 버스 전압을 나타냄).
또한, 마스터 장치는 제 1 전압 제어 신호를 통한 주전력 변환 장치의 제어 이후에도 이상이 발생한 버스의 버스 전압이 안정화되지 않은 경우, 직류 배전 계통에 포함된 분산 전원들 중 적어도 하나의 분산 전원을 통해 이상이 발생한 버스에 대한 전압 제어를 수행할 수 있다.
또한, 마스터 장치는 분산 전원의 출력 변동이 직류 배전 계통에 포함된 버스들의 버스 전압에 미치는 전압-유효전력 민감도를 산출하고, 이상이 발생한 버스의 버스 전압에 대해 전압-유효전력 민감도가 가장 높은 분산 전원을 통해 이상이 발생한 버스에 대한 전압 제어를 수행할 수 있다.
또한, 유효 전력과 버스 전압 간 선형 관계 정보는 자코비안 행렬 형태를 가질 수 있다.
또한, 로컬 장치는 아래의 수학식을 통해 상기 자코비안 행렬의 대각 성분을 산출할 수 있다
(수학식)
Figure pat00002
(Vi는 i번째 버스의 버스 전압을 나타내고, Vj는 j번째 버스의 버스 전압을 나타내고, Gii는 i번째 버스의 컨덕턴스 행렬의 원소를 나타내고, Gij는 i번째 버스와 j번째 버스 간 컨덕턴스 행렬의 원소를 나타내고, N은 버스의 개수를 나타냄).
또한, 로컬 장치는 아래의 수학식을 통해 상기 자코비안 행렬의 비대각 성분을 산출할 수 있다
(수학식)
Figure pat00003
(Vi는 i번째 버스의 버스 전압을 나타내고, Gij는 i번째 버스와 j번째 버스 간 컨덕턴스 행렬의 원소를 나타내고, N은 버스의 개수를 나타냄).
또한, 로컬 장치는 로컬 장치가 연결된 버스에 유입되는 버스 전압이 기설정된 정상 전압 범위를 벗어나는 경우, 로컬 장치가 연결된 버스의 전압 이상을 알리는 전압 이상 정보를 생성할 수 있다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 직류 배전 선로의 전압 제어 방법은 분산 전원의 접속점에 설치된 로컬 장치에 의해, 분산 전원이 연결된 버스에 유입되는 유효 전력 및 버스 전압을 수집하는 단계; 로컬 장치에 의해, 유효 전력과 버스 전압 간의 선형화된 관계를 나타내는 선형 관계 정보를 생성하는 단계; 및 주전력 변환 장치의 접속점에 연결되는 마스터 장치에 의해, 유효 전력과 버스 전압 간 선형 관계 정보를 근거로 직류 배전 선로의 조류 해석을 수행함으로써 주전력 변환 장치로부터 직류 배전 선로로 공급되는 버스 전압을 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 배전 선로의 전압 제어 방법은 마스터 장치에 의해, 복수의 로컬 장치들 중 적어도 하나의 로컬 장치로부터 전압 이상 정보가 수신된 경우, 이상이 발생한 버스의 버스 전압이 기설정된 정상 범위 내에 속하도록 전압 보상량을 산출하는 단계; 및 전압 보상량을 포함하는 제 1 전압 제어 신호를 주전력 변환 장치로 송신하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 전압 보상량을 산출하는 단계는 아래의 수학식을 통해 버스의 전압 변화량을 산출하고, 버스의 전압 변화량을 근거로 이상이 발생한 버스의 버스 전압을 산출하며, 이상이 발생한 버스의 버스 전압을 근거로 전압 보상량을 산출함으로써 이루어질 수 있다
(수학식)
Figure pat00004
(△Vi- 1는 상기 제 1 전압 제어 신호를 통한 주전력 변환 장치의 제어 이전 및 이후의 i-1 번째 버스의 전압 변화량를 나타내고, △Vi는 상기 제 1 전압 제어 신호를 통한 주전력 변환 장치의 제어 이전 및 이후의 i 번째 버스의 전압 변화량를 나타내고, Pi-1, i는 i-1 번째 버스에서 i 번째 버스로 전달되는 전력을 나타내고, Gi -1, i는 i-1 번째 버스와 i번째 버스 사이의 컨덕턴스를 나타내며, Vold i- 1는 주전력 변환 장치의 제어 이전의 i-1 번째 버스의 버스 전압을 나타냄).
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 배전 선로의 전압 제어 방법은 제 1 전압 제어 신호를 통한 주전력 변환 장치의 제어 이후에도 이상이 발생한 버스의 버스 전압이 안정화되지 않은 경우, 마스터 장치에 의해 직류 배전 계통에 포함된 분산 전원들 중 적어도 하나의 분산 전원을 통해 이상이 발생한 버스에 대한 전압 제어를 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 직류 배전 계통에 포함된 분산 전원들 중 적어도 하나의 분산 전원을 통해 이상이 발생한 버스에 대한 전압 제어를 수행하는 단계는 분산전원의 출력 변동이 직류 배전 계통에 포함된 버스들의 버스 전압에 미치는 전압-유효전력 민감도를 산출하고, 이상이 발생한 버스의 버스 전압에 대해 상기 전압-유효전력 민감도가 가장 높은 분산 전원을 통해 이상이 발생한 버스에 대한 전압 제어를 수행함으로써 이루어질 수 있다.
또한, 유효 전력과 버스 전압 간 선형 관계 정보는 자코비안 행렬 형태를 가질 수 있다.
또한, 선형 관계 정보를 생성하는 단계는 아래의 수학식을 통해 자코비안 행렬의 대각 성분을 산출할 수 있다
(수학식)
Figure pat00005
(Vi는 i번째 버스의 버스 전압을 나타내고, Vj는 j번째 버스의 버스 전압을 나타내고, Gii는 i번째 버스의 컨덕턴스 행렬의 원소를 나타내고, Gij는 i번째 버스와 j번째 버스 간 컨덕턴스 행렬의 원소를 나타내고, N은 버스의 개수를 나타냄).
또한, 선형 관계 정보를 생성하는 단계는 아래의 수학식을 통해 자코비안 행렬의 비대각 성분을 산출할 수 있다
(수학식)
Figure pat00006
(Vi는 i번째 버스의 버스 전압을 나타내고, Gij는 i번째 버스와 j번째 버스 간 컨덕턴스 행렬의 원소를 나타내고, N은 버스의 개수를 나타냄).
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 배전 선로의 전압 제어 방법은 로컬 장치에 의해, 상기 로컬 장치가 연결된 버스에 유입되는 버스 전압이 기설정된 정상 전압 범위를 벗어나는 경우, 상기 로컬 장치가 연결된 버스의 전압 이상을 알리는 전압 이상 정보를 생성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 직류 배전 선로의 전압 제어 시스템 및 방법에 따르면 직류 배전 계통의 운영상태를 체크하고 효율적인 제어를 수행하는데 이용되는 조류 해석을 로컬 장치와 마스터 장치 각각에서 역할 분담을 하므로, 보다 효율적인 조류 해석이 가능하고, 마스터 장치의 부담을 줄일 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 직류 배전 선로의 전압 제어 시스템 및 방법에 따르면 분산 전원의 현재 발전량 또는 소유주의 운전전략 등을 고려하여 로컬 장치에서의 의사결정을 독립적으로 수행할 수 있고, 직류 배전계통의 전압을 효과적으로 관리함으로써 전압 유지율을 개선하며 신재생에너지 전원의 수용률을 높일 수 있는 효과가 있다.
도 1은 직류 배전 계통을 설명하기 위한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 제어 시스템의 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 마스터 장치의 연결 구조를 나타내는 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 로컬 장치의 연결 구조를 나타내는 개념도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 마스터 장치에 대한 블록도이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 마스터 장치를 통해 배전 계통의 전압 제어를 수행하는 방법을 설명하기 위한 개념도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 로컬 장치에 대한 블록도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 마스터 장치의 동작 방법에 대한 흐름도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 로컬 장치의 동작 방법에 대한 흐름도이다.
본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능, 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 직류 배전 선로의 전압 제어 시스템 및 방법 에 대하여 설명하도록 한다.
위에서 설명한 바와 같이, 일반적으로 많이 사용하는 배전계통 조류해석 방식은 배전계통의 주요 지점에 모니터를 설치하여 조류해석에 필요한 모든 데이터를 측정하여 통신망을 통해 중앙의 에너지 관리시스템(EMS: Energy Management System)으로 보낸 후, 중앙 EMS에서 필요한 데이터를 골라내고 측정 오차를 보정한 후에 일괄적으로 조류해석을 수행하는 방식이다. 이러한 종래의 방식은 통신에 대한 부담이 크고, 각 모니터의 상태를 파악하기가 어려우며, 이로 인해 동작 오류가 발생할 때 측정 오차를 보정하는 것이 매우 어려운 문제점이 존재한다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 배전 선로의 전압 제어 시스템 및 방법은 통신 부담이 적고, 직류 계통의 상태를 파악하기가 용이하며, 이로 인해 동작 오류가 발생하더라도 측정 오차를 보정하는 것이 용이한 것을 그 목적으로 한다. 여기서, 직류 배전 계통에 대한 예시는 도 1에 도시된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 직류 배전 계통은 교류 계통에서 전력을 받아, 이를 직류로 변환하는 AC/DC 전력 변환기(이하, 주전력 변환 장치)와, 신재생 에너지를 이용한 분산 전원을 직류 배전 계통에 연계하는 DC/DC 전력 변환기로 구성될 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 배전 선로의 전압 제어 시스템 및 방법은 직류 배전 계통의 구성을 고려하여, 마스터 장치(100)와 로컬 장치(200)를 분산 배치하고, 독립적으로 운영되는 로컬 장치(200)로부터 정보들을 수집하고, 마스터 장치(100)에서 수집된 정보를 근거로 조류 해석을 수행하는 기술을 제안한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 배전 선로의 전압 제어 시스템(이하, 전압 제어 시스템)에 대한 개념도이다. 위에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 제어 시스템은 하나의 마스터 장치(100)와 복수의 로컬 장치(200)를 포함하여 구성될 수 있다.
마스터 장치(100)는 교류 계통에서 전력을 받아 이를 직류로 변환하는 주전력 변환 장치(20)에 연결되고, 복수의 로컬 장치(200)들은 각각 분산 전원에 연결될 수 있다. 여기서, 분산 전원은 태양광 전원 및 소형 풍력 설비 등과 같은 신재생에너지를 생성하는 전원을 나타낸다. 즉, 로컬 장치(200)는 분산 전원에 연결되어, 분산 전원이 연결된 버스에 대한 정보들을 수집하고, 마스터 장치(100)는 로컬 장치(200)에서 수집된 정보를 근거로 직류 배전 계통에 대한 조류 해석 및 주전력 변환 장치(200)에 대한 제어를 수행할 수 있다. 마스터 장치(100)와 로컬 장치(200)에서 수행되는 기능들은 다음과 같다.
마스터 장치(100)는 도 3에 도시된 바와 같이, 주전력 변환 장치(20)에 연결되고, 주전력 변환 장치(20)의 동작을 제어하는 기능을 한다. 여기서, 주전력 변환 장치(20)의 동작 제어를 위해 복수의 로컬 장치(200)들로부터 정보를 수집하고, 수집된 정보를 근거로 직류 배전이 시작되는 지점(bus1)의 직류 출력 전압을 제어하는 기능을 할 수 있다. 여기서, 복수의 로컬 장치(200)들로부터 수집되는 정보는 각 버스의 유효 전력과 버스 전압 간의 선형화된 관계를 나타내는 선형 관계 정보 및 전압 이상 정보 중 적어도 하나의 정보를 포함할 수 있다.
또한, 마스터 장치(100)는 복수의 로컬 장치(200)들로부터 수집되는 정보를 근거로 직류 배전 계통에 대한 조류 해석을 수행할 수 있고, 조류 해석을 통해 배전 선로의 최저 전압과 최고 전압 정보를 주기적으로 갱신할 수 있다. 여기서, 조류 해석을 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 마스터 장치(100)는 뉴튼-랩슨 방법 (Newton-Raphson Method)으로 조류 방정식을 풀 수 있다. 여기서, 뉴튼-랩슨 방법은 아래에서 언급되는 바와 같이, 자코비안 행렬(Jacobian Matrix)을 이용하는 방식이다.
또한, 마스터 장치(100)로부터 수집되는 각 버스의 유효 전력과 버스 전압 간의 선형 관계 정보는 조류 해석에 이용되는 자코비안 행렬의 형태를 가질 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 마스터 장치(100)는 복수의 로컬 장치(200)들로부터 수집된 정보를 근거로 직류 배전 계통에 대한 조류 해석을 수행할 시, 조류 해석에 이용되는 자코비안 행렬을 직접 산출하는 것이 아닌, 로컬 장치(200)에서 산출된 자코비안 행렬(아래에서 설명되는 것처럼, 로컬 장치(200)에서 송신되는 선형 관계 정보는 전체 자코비안 행렬 중 해당 로컬 장치(200)에 대한 행의 정보를 포함한다)을 수집하는 방식이다. 이에 따라, 마스터 장치(100)에서는 조류해석을 위한 시스템 자원을 최소화할 수 있고, 이는 마스터 장치(100)의 부담을 크게 줄일 수 있는 장점이 있다. 마스터 장치(100)에서 이루어지는 조류 방정식을 푸는 과정은 아래에서 다시 설명되므로, 여기서 추가적인 설명은 생략한다.
또한, 마스터 장치(100)는 로컬 장치(200)로부터 수집된 정보를 근거로 배전 계통에서 발생한 선로 고장이나 전압 문제 등을 검출할 수 있고, 문제 발생 시, 주전력 변환 장치(20) 또는 로컬 장치(200)로 제 1 전압 제어 신호를 송신함으로써 문제 해결을 수행할 수 있다.
로컬 장치(200)는 도 4에 도시된 바와 같이, 각 분산 전원의 접속점에 연결될 수 있고, 위에서 설명한 바와 같이, 버스 정보를 수집하고 수집한 버스 정보를 근거로 버스의 유효 전력과 버스 전압 간의 선형 관계 정보를 생성하는 기능을 한다. 여기서, 버스 정보는 버스에 유입되는 유효 전력 및 버스 전압을 포함할 수 있다. 로컬 장치(200)는 이러한 버스 정보 수집을 위해, 복수의 센서들 예를 들어, 복수의 계기용 변류기(CT, 51, 52)와 계기용 변압기(PT, 53)로부터 센싱 정보를 수집할 수 있다. 그 후, 로컬 장치(200)는 수집한 버스 정보를 근거로 버스의 유효 전력과 버스 전압 간의 선형 관계 정보를 생성한다. 여기서, 선형 관계 정보는 마스터 장치(100)에서 이루어지는 조류 해석에 적용되는 자코비안 행렬의 형태를 가질 수 있다. 로컬 장치(200)를 통해 이루어지는 선형 관계 정보 생성 방법은 다음과 같다.
마스터 장치(100)를 통한 조류 계산을 위해서는 아래의 수학식 1과 같은 자코비안 행렬 형태로 구성되는 선형 관계 정보를 구해야 한다.
Figure pat00007
수학식 1에서 J는 자코비안 행렬에 들어가는 원소를 나타내고, V는 로컬 장치(200)에 연결된 버스에 유입되는 버스 전압을 나타내며, P는 버스에 유입되는 유효 전력을 나타낸다. 자코비안 행렬의 구성 요소는 대각 성분과 비대각 성분으로 나뉠 수 있고, 이는 아래의 수학식 2 및 3과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00008
Figure pat00009
여기서, 수학식 2는 자코비안 행렬의 대각 성분을 나타내고, 수학식 3은 자코비안 행렬의 비대각 성분을 나타낸다. 수학식 2 및 3에서, Jab는 a번째 버스로 유입되는 유효전력의 크기와 b번째 버스의 버스 전압 크기 사이의 관계를 나타내고, Gii와 Gij는 선로의 컨덕턴스 성분을 통해 구하는 컨덕턴스 행렬의 원소를 나타낸다. 또한 수학식 2에서 i번째 버스로 유입되는 유효전력의 크기와 i번째 버스 전압 크기 사이의 관계를 구하기 위해서는 i번째 버스 전압의 크기뿐만 아니라, 이웃하는 버스의 전압 크기도 함께 알아야 한다. 이에 따라, i번째 버스에서 측정한 값만으로 수학식 2 및 3의 값을 구하기 위해서는 전류 측정값을 이용할 수 있고, 이는 아래의 수학식 4와 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00010
수학식 4에서, Iik는 i번째 버스와 k번째 버스 사이의 전류를 나타내고, Gii 및 Gik는 선로의 컨덕턴스 성분을 통해 구하는 컨덕턴스 행렬의 원소를 나타내며, sign(Iik)은 전류 Ik의 방향을 나타낸다. 예를 들어, sign(Iik)은 전류의 방향에 따라 1 또는 -1로 설정될 수 있고 이는 관리자의 설정에 따라 그 방향이 정해질 수 있다. 또한, 수학식 4에서 Ai ,k는 i번째 버스와 k번째 버스가 선로를 통해 연결되어있는지의 여부를 나타내고, 선로가 연결된 경우 Ai,k는 1로 설정될 수 있고, 그렇지 않은 경우 Ai ,k는 0으로 정의될 수 있다.
수학식 3 및 4는 i번째 버스에서 측정한 값을 근거로 산출할 수 있으므로, 자코비안 행렬에서 i번째 행은 i번째 버스에 연결된 로컬 장치(200)의 측정 및 연산을 근거로 산출할 수 있다. 각 로컬 장치(200)는 전체 자코비안 행렬 중 해당 로컬 장치(200)가 연결된 행의 값을 산출할 수 있고, 마스터 장치(100)에서는 이러한 행의 정보를 수집하여 전체 자코비안 행렬을 산출할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 마스터 장치(100)에 대한 블록도이다. 상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 마스터 장치(100)는 주전력 변환 장치를 통한 출력 전압 제어와, 직류 배전 계통의 조류를 해석하는 기능을 한다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 마스터 장치(100)는 직류 배전 계통에서 이상 발생 시, 이를 해결하기 위한 제어를 수행하는 기능을 한다. 이를 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 마스터 장치(100)는 마스터 통신부(110), 정보 수집부(120), 이상 여부 판단부(130), 조류 해석부(140), 전압 보상량 산출부(150), 민감도 산출부(160), 전압 제어 신호 생성부(170) 및 차단 신호 생성부(180)를 포함하여 구성될 수 있다. 여기서, 정보 수집부(120), 이상 여부 판단부(130), 조류 해석부(140), 전압 보상량 산출부(150), 민감도 산출부(160), 전압 제어 신호 생성부(170) 및 차단 신호 생성부(180)는 본 발명의 일 실시예에 따른 마스터 장치(100)의 기능을 설명하기 위해 기능별로 그 구성을 구분한 것이고, 실제로는 CPU, MPU 또는 GPU와 같은 하나의 처리부의 구성을 통해 구현될 수 있다. 이제, 도 5를 참조로 본 발명의 일 실시예에 따른 마스터 장치(100)에 포함된 각 구성에 대한 설명이 이루어진다.
정보 수집부(120)는 마스터 통신부(110)를 통해 복수의 로컬 장치(200)들로부터 정보를 수집하는 기능을 한다. 위에서 설명한 것처럼, 로컬 장치(200)는 분산 전원에 연결되어 로컬 장치(200)가 연결된 버스에 유입되는 유효 전력과 버스 전압간 선형 관계 정보를 마스터 장치(100)로 송신한다. 또한, 이러한 선형 관계 정보는 자코비안 행렬의 형태를 갖고, 구체적으로 로컬 장치(200)가 해당하는 행의 값들을 갖는다.
조류 해석부(140)는 정보 수집부(120)들로부터 수신된 선형 관계 정보들을 근거로 직류 배전 계통에 대한 전체 자코비안 행렬을 구성하고, 전체 자코비안 행렬을 근거로 조류 해석을 수행할 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 마스터 장치(100)는 로컬 장치(200)로부터 송신된 선형 관계 정보에 기인하여 조류 해석을 위한 부하를 줄일 수 있는 장점이 있다.
또한, 정부 수집부(120)는 마스터 통신부(110)를 통해 복수의 로컬 장치(200)들 중 하나의 로컬 장치로부터 전압 이상 정보를 수신할 수 있다. 여기서, 전압 이상 정보는 이상이 있는 버스에 연결된 로컬 장치(200)로부터 송신될 수 있다. 이 때 본 발명의 일 실시예에 따른 마스터 장치(100)는 전압 이상 정보를 수신함에 따라, 전압의 안정화를 위해 주전력 변환 장치(20)에 제 1 전압 제어 신호를 송신하여 주전력 변환 장치(20)를 통한 출력 전압을 제어하거나, 이상이 있는 버스에 연결된 로컬 장치(200)에 제 2 전압 제어 신호를 송신하여 분산 전원을 통한 전압 안정화를 시도할 수 있다.
여기서, 주전력 변환 장치(20) 또는 분산 전원을 통한 전압 안정화는 순차적으로, 또는 선택적으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 주전력 변환 장치(20) 또는 분산 전원을 통한 전압 안정화가 선택적으로 이루어지는 경우는 주전력 변환 장치(20)의 출력 전압 제어 여유도를 검토하고, 여유도가 해당 이상을 해소하는데 충분한 경우엔 주전력 변환 장치(20)를 통한 제어를, 그렇지 않은 경우는 분산 전원을 통한 제어를 수행하는 것으로 설명된다. 이제 본 발명의 일 실시예에 따른 마스터 장치(100)를 통한 안정화 방법 중 주전력 변환 장치(20)의 제어를 통한 전압 안정화 방법에 대해 설명된다.
예를 들어, 도 6과 같은 방사형 LVDC 배전 계통을 가정한다. 여기서, 배전 계통에는 총 n개의 버스가 있고, n-1개의 선로가 있다고 가정한다. 여기서, 버스들 중 어느 하나로부터 전압 이상 정보를 수신한 경우, 전압 보상량 산출부(150)는 다음의 과정을 수행한다.
먼저, 전압 보상량 산출부(150)는 i-1 및 i 번째 버스의 버스 전압 변동량을 산출한다. 이는 아래의 수학식 5 및 6과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00011
Figure pat00012
수학식 5 및 6에서, Vold i 및 Vold i - 1는 각각 i번째 및 i-1번째 버스의 버스 전압을 나타내고, Vnew i 및 Vnew i - 1는 위에서 설명된 주전력 변환 장치(20)를 통한 출력 전압 제어를 수행할 시, 출력 전압이 제어된 i번째 및 i-1번째 버스의 버스 전압을 나타낸다.
또한, ri-1, i가 i-1와 i번째 버스 사이의 선로 저항이라고 하고, Inew i -1, i 및 Iold i -1, i가 i-1와 i번째 버스 사이에 흐르는 전류라고 하며, Pi-1, i가 i-1번째 버스에서 i번째 버스로 전달되는 전력이라고 하고, 각 버스 사이에 흐르는 전력 Pi-1, i가 전압 변동으로부터 받는 영향이 작다고 가정하면, i번째 버스의 버스 전압의 식은 아래의 수학식 7 및 8과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00013
Figure pat00014
또한 위에서 수학식 5 내지 수학식 8을 참조로, i번째 버스의 전압 변화량은 아래의 수학식 9로 표현될 수 있고, i-1번째 버스의 전압 변화량은 수학식 9를 참조로 도출된 수학식 10에서 이차 방정식 풀이를 통해 아래의 수학식 11과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00015
Figure pat00016
Figure pat00017
수학식 11에서, f1 및 f2는 각각 아래의 수학식 12 및 수학식 13과 같이 표현될 수 있다, 또한, Gi -1, i는 i-1번째 버스와 i번째 버스 사이의 컨덕턴스를 나타내고, 이는 아래의 수학식 14와 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00018
Figure pat00019
Figure pat00020
또한, 위의 수학식 11을 이용하여 버스의 버스 전압의 크기를 순환식(recursiVe)으로 구할 수 있다. 예를 들어, 전압 상승 또는 강하로 인한 전압 문제가 발생한 버스가 k번째 버스라고 가정한다. 이 경우, 배전 계통의 배전 계통의 버스 전압은 조류 계산 또는 측정을 통해 알고 있으므로, 보상해야 하는 k번째 버스의 전압 변화량은 위의 수학식 11을 통해 산출할 수 있다. 예를 들어, 직류 배전 계통에서 정상 전압 최소 값을 Vlower로 정의하면, 저전압 발생(Vold k < Vlower) 시, k번째 버스의 버스 전압이 |Vlower - Vold k|만큼 상승하도록 보상해야 한다. 따라서, 조류 해석부(140)는 k번째 버스를 기준으로 Backward-Sweeping Method를 이용한 조류계산을 수행하여 주전력 변환 장치(20)에서의 전압 보상량를 계산할 수 있다.
이렇게 전압 보상량이 산출되면 전압 제어 신호 생성부(170)에서 전압 보상량을 근거로 제 1 전압 제어 신호를 생성한다. 그 후, 전압 제어 신호 생성부(170)는 제 1 전압 제어 신호를 마스터 통신부(110)를 통해 주전력 변환 장치(20)로 송신하여, 주전력 변환 장치(20)의 출력 전압을 제어할 수 있다.
위에서 설명된 주전력 변환 장치(20)의 출력 전압 제어를 통해 특정 버스의 배전 계통 전압을 전압 보상량만큼 제어하면, 배전계통 전압이 전체적으로 상하 수평이동을 하게 된다. 일반적으로, 주전력 변환 장치의 출력 전압을 제어하면, 말단으로 갈수록 미세하게 전압의 상승/하강 폭이 커짐을 확인할 수 있다.
또한, 이상 여부 판단부(130)에서는 이러한 제 1 전압 제어 신호를 통한 주전력 변환 장치(20)의 제어를 수행한 이후, 해당 버스에 대한 전압 안정화가 이루어졌는지 더 판단할 수 있다. 이러한 판단 근거는 이상이 있는 버스에 연결된 로컬 장치로부터 전압 이상 정보가 더 수신되었는지의 여부를 근거로 판단할 수 있다. 이상 여부 판단부(130)에서의 판단 결과, 주전력 변환 장치(20)의 제어를 통해서도 전압이 안정화되지 않은 것으로 판단하면, 민감도 산출부(160)를 통해 산출된 민감도를 근거로 아래에서 설명되는 분산 전원의 제어를 더 수행할 수 있다.
또한, 분산 전원의 제어는 앞서 설명한 바와 같이, 주전력 변환 장치(20)의 제어를 수행하기 어렵거나, 주전력 변환 장치(20)의 출력 전압 제어 여유도가 해당 버스의 버스 전압을 안정화시키기 어려운 경우, 주전력 변환 장치의 제어 없이 수행되는 것도 가능하다. 이제, 본 발명의 일 실시예를 통해 마스터 장치(100)에서 분산 제어를 통해 버스 전압을 안정화시키는 방법에 대해 설명된다.
본 발명의 일 실시예를 통해 마스터 장치(100)에서 분산 제어를 통해 버스 전압을 안정화시키는 방법을 설명하기 앞서, 도 7에 도시된 직류 배전 계통에서 조류의 흐름에 대한 설명이 이루어진다.
도 7과 같이 일반화된 전력계통 모델을 고려할 때 제 1 버스(bus1)의 버스 전압을 V1로, 그리고 제 1 버스(bus1)로 유입되는 전류를 I1로 정의한다. 또한, 도 7에서, 아래 첨자는 버스의 번호를 나타내고, Iab는 a번째 버스에서 b번째 버스로 흐르는 전류를 나타낸다. 즉, 제 1 버스(bus1)에 유입되는 전류(I1)는 I12 + I13과 같이 표현될 수 있다. 선로의 컨덕턴스(conductance)도 선로 전류 표현식과 유사하게 제 1 버스(bus1)와 제 2 버스(bus2) 사이의 선로 컨덕턴스를 g12라고 표현하면, 제 1 버스(bus)로 유입되는 전류의 식은 아래와 같이 정의될 수 있다.
Figure pat00021
마찬가지로, 제 2 버스(bus2)에 유입되는 전류와, 제 3 버스(bus3)로 유입되는 전류는 아래의 수학식 16 및 수학식 17과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00022
Figure pat00023
위에서 언급한 수학식 15 내지 수학식 17을 일반화하면 아래의 수학식 18 내지 수학식 20과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00024
Figure pat00025
Figure pat00026
수학식 18 내지 수학식 20을 행렬로 표현하면, 아래의 수학식 21이 도출될 수 있고, 수학식 21을 일반식으로 표현하면 수학식 22와 같이 표현될 수 있으며, 수학식 22에서 Ibus, Gbus 및 Vbus는 아래의 수학식 23과 같이 정의될 수 있다.
Figure pat00027
Figure pat00028
Figure pat00029
조류 해석부(140)에서 조류 계산을 위한 방정식을 세워보면 아래의 수학식 24 및 수학식 25를 통해 표현될 수 있고, 이는 전압에 대한 비선형 방정식이므로 뉴튼 랩슨 방법과 같은 수치해석적인 방법을 이용하여 산출할 수 있다.
Figure pat00030
Figure pat00031
조류 해석부(140)에서 조류 계산을 위한 방정식을 세워보면 아래의 수학식 24 및 수학식 25를 통해 표현될 수 있고, 이는 전압에 대한 비선형 방정식이므로 뉴튼 랩슨 방법과 같은 수치해석적인 방법을 이용하여 산출할 수 있다.
Figure pat00032
Figure pat00033
수학식 26 및 수학식 27에서, J는 자코비안 행렬을 나타내고, Jab는 자코비안 행렬의 원소를 나타낸다. 여기서, 자코비안 행렬의 원소는 기본적으로 i번째 버스의 유효 전력 변화량을 j번째 버스의 버스 전압 변화량으로 나눈 값으로 정의될 수 있다. 또한, 자코비안 행렬의 대각 성분은 아래의 수학식 28과 같이 표현될 수 있고, 비대각 성분은 아래의 수학식 29와 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00034
Figure pat00035
수학식 28에서 N은 전체 버스의 개수이고, Vi, Vj는 i번째 및 j번째 버스의 버스 전압을 나타낸다. 분산전원의 출력변동에 따른 특정 버스 전압제어 성능은 전압-유효전력 민감도(VSF: Voltage Sensitivity Factor)로 정의할 수 있으며 아래의 수학식 30과 같이 자코비안 행렬의 역행렬로 표현될 수 있다.
Figure pat00036
즉, k번째 버스의 분산전원의 출력변동이 j번째 버스의 전압에 미치는 민감도(VSF)는 다음과 같이 정의할 수 있다.
Figure pat00037
위에서 설명한 것처럼 전압-유효전력 민감도는 분산전원의 단위 유효전력 출력변동이 전압보상에 미치는 영향을 정량화한 값을 의미한다. 따라서 VSF 값이 큰 분산 전원을 우선적으로 이용하여 해당 버스의 버스 전압을 제어하는 것이 바람직하다. 이는 VSF가 높은 버스에 연결된 분산전원을 이용하는 것이 가장 효율적이기 때문이다. 민감도 산출부(160)는 위에서 설명한 수학식 15 내지 수학식 31을 근거로, 전압-유효전력 민감도를 산출할 수 있고, 이상이 있는 버스에 대해 민감도가 가장 높은 분산 전원을 선택한다.
전압 제어 신호 생성부(170)는 민감도 산출부(160)를 통해 선택된 분산 전원에 연결된 로컬 장치로 제 2 전압 제어 신호를 송신한다. 또한, 제 2 전압 제어 신호에는 전압 보상량 산출부(150)를 통해 산출된 전압 보상량 정보를 포함할 수 있다. 이렇게 생성된 제 2 전압 제어 신호는 마스터 통신부(110)를 통해 이상이 발생한 버스에 연결된 로컬 장치로 송신된다. 예를 들어, 제 4 버스의 버스 전압에 이상이 발생한 경우, 전압 제어 신호 생성부(170)는 제 4 버스에 연결된 제 3 로컬 장치로 해당 신호를 송신하여 전압 제어를 수행할 수 있다. 이때, 제 3 로컬 장치는 제 3 로컬 장치에 연결된 분산 전원으로 해당 신호를 전달하여 전압 제어를 수행할 수 있다.
또한, 이상 여부 판단부(130)는 분산 전원을 통한 전압 제어 이후, 전압이 안정화되었는지 더 판단할 수 있다. 이상 여부 판단부(130)를 통한 판단 결과, 전압이 안정화된 것으로 판단하면, 직류 배전 계통을 정상 상태로 판단하게 된다. 그렇지 않은 경우에는 해당 버스에 대한 전압 복구가 어려운 것으로 판단하고, 차단 신호 생성부(180)를 통해 부하 차단 신호를 생성할 수 있다. 이렇게 생성된 부하 차단 신호는 이상이 발생한 버스에 연결된 로컬 장치에 전달되어, 해당 버스를 통해 전원이 공급되는 부하들에 대한 부하 차단을 수행할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 로컬 장치(200)에 대한 블록도이다. 상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 로컬 장치(200)는 지역 정보를 수집하고, 마스터 장치(100)에서 수행되는 조류 해석의 부하를 줄이기 위해 조류 해석에 이용되는 자코비안 행렬을 생성하는 기능을 한다. 여기서, 자코비안 행렬은 버스의 유효전력과 버스 전압 간 선형 관계 정보의 행렬 형태를 나타낸다. 또한, 로컬 장치(200)는 로컬 장치가 연결된 버스에 이상 발생 시, 이를 마스터 장치(100)에 알리는 기능, 그리고 마스터 장치로부터 제 2 전압 제어 신호를 수신할 시, 제 2 전압 제어 신호를 근거로 분산 전원을 제어하는 기능을 수행할 수 있다.
이를 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 로컬 장치(200)는 지역 정보 수집부(210), 이상 발생 판단부(220), 선형 관계 정보 생성부(230), 로컬 통신부(240), 분산 전원 제어부(250) 및 부하 차단 제어부(260)를 포함하여 구성될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 로컬 장치(200)에서 로컬 통신부(240)를 제외한 각 구성들은 본 발명의 일 실시예에 따른 로컬 장치(200)의 기능을 설명하기 위해 기능별로 그 구성을 구분한 것이고, 실제로는 CPU, MPU 또는 GPU와 같은 하나의 처리부의 구성을 통해 구현될 수 있다. 이제, 도 8을 참조로 본 발명의 일 실시예에 따른 로컬 장치(200)에 포함된 각 구성에 대한 설명이 이루어진다.
지역 정보 수집부(210)는 로컬 장치(200)가 설치된 버스의 정보를 수집하는 기능을 한다. 지역 정보 수집부(210)를 통해 수집되는 지역 정보는 분산 전원이 연결된 버스에 유입되는 유효 전력 및 버스 전압을 포함한다.
이상 발생 판단부(220)는 지역 정보 수집부(210)를 통해 수집된 지역 정보를 근거로 즉, 로컬 장치(200)가 연결된 버스에 유입되는 버스 전압 정보를 근거로 버스의 버스 전압에 대한 이상 여부를 판단한다. 구체적으로, 이상 발생 판단부(220)는 버스 전압이 기설정된 최소 전압 미만이거나 기설정된 최대 전압을 초과하는 경우 즉, 버스 전압이 기설정된 정상 전압 범위를 벗어나는 경우 해당 버스를 이상 상태로 판단할 수 있다. 이상 발생 판단부(220)는 해당 버스가 이상 상태로 판단된 경우, 전압 이상 정보를 생성하고, 로컬 통신부(2400를 통해 전압 이상 정보를 마스터 장치(100)로 송신할 수 있다.
선형 관계 정보 생성부(230)는 지역 정보 수집부(210)를 통해 수집된 지역 정보를 근거로 선형 관계 정보를 생성하는 기능을 한다. 구체적으로, 선형 관계 정보 생성부(230)는 지역 정보 수집부(210)에 포함된 유효 전력과 버스 전압 간 선형적인 관계를 나타내는 선형 관계 정보를 생성하는 기능을 한다. 또한, 이러한 선형 관계 정보는 로컬 장치(200)가 연결된 버스뿐만 아니라, 이웃하는 버스의 전압 정보 크기도 알아야 되는 경우가 존재한다. 따라서, 도면에 도시되진 않았으나, 로컬 장치는 이웃하는 버스에 연결된 다른 로컬 장치들간의 통신을 통해 선형 관계 정보를 생성할 수 있다. 선형 관계 정보 생성부(230)를 통해 생성되는 선형 관계 정보는 위에서 수학식 1 내지 4를 참조로 상세히 언급하였으므로, 추가적인 설명은 생략한다.
위에서 설명한 바와 같이, 선형 관계 정보는 자코비안 행렬의 형태를 가질 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 로컬 장치(200)는 마스터 장치(100)에서 이루어지는 조류 해석의 연산을 줄이기 위해, 조류 해석에 이용되는 전체 자코비안 행렬 중 일부를 산출하여 마스터 장치(100)로 정보를 송신하는 방식을 채택한다. 선형 관계 정보 생성부(230)에서 자코비안 행렬 즉, 선형 관계 정보 생성이 완료되면, 해당 선형 관계 정보는 로컬 통신부(240)를 통해 마스터 장치(100)로 송신된다.
분산 전원 제어부(250)는 마스터 장치(100)로부터 제 2 전압 제어 신호를 수신한 경우 동작되는 구성으로서, 제 2 전압 제어 신호를 근거로 로컬 장치(200)가 연결된 분산 전원을 제어하는 기능을 한다. 구체적으로 분산 전원 제어부(250)는 제 2 전압 제어 신호에 포함된 전압 보상량만큼 버스의 버스 전압을 제어하기 위해, 로컬 장치(200)가 연결된 분산 전원을 제어하는 기능을 한다.
그리고, 부하 차단 제어부(260)는 마스터 장치(100)로부터 부하 차단 신호를 수신할 경우 동작되는 구성으로서, 로컬 장치(200)가 연결된 버스의 부하를 차단하는 기능을 한다. 즉, 부하 차단 제어부(260)는 위에서 설명한 주전력 변환 장치를 통한 전압 제어 및 분산 전원을 통한 전압 제어를 통해서도, 해당 버스의 전압 이상을 해결하지 못할 경우, 부하를 차단하는 기능을 수행한다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 마스터 장치의 동작 방법에 대한 흐름도이다. 이제, 도 9를 참조로 본 발명의 일 실시예에 따른 마스터 장치의 동작 방법에 대한 설명이 이루어진다. 이하에서는 위에서 설명된 부분과 중복되는 사항은 생략되어 서술된다.
먼저, 로컬 장치로부터 선형 관계 정보를 수집하는 단계(S101)가 수행된다. 상술한 바와 같이, 선형 관계 정보는 로컬 장치가 연결된 버스로 유입되는 유효 전력 및 버스 전압을 근거로 생성되는 정보로서, 이하에서 설명되는 조류 해석에 이용된다. 즉, 로컬 장치는 마스터 장치에서 수행되는 조류 해석에 이용되는 전체 연산 중 자코비안 행렬의 생성을 대신함으로써, 마스터 장치에서의 연산량을 줄일 수 있다. 이렇게 마스터 장치는 직류 배전 계통에 포함된 모든 로컬 장치로부터 송신된 선형 관계 정보를 근거로 하나의 자코비안 행렬로 생성할 수 있다.
그 후, 수집된 선형 관계 정보를 근거로 조류 해석을 수행하는 단계(S102)가 수행된다. 여기서, 직류 배전 계통에 대한 조류 해석 방법은 위에서 상세히 설명하였으므로, 추가적인 설명은 생략된다.
그 후, 직류 배전 계통에 설치된 복수의 로컬 장치들 중 적어도 하나의 로컬 장치로부터 전압 이상 정보가 송신되었는지 판단하는 단계(S103)가 수행된다. 상술한 바와 같이, 전압 이상 정보는 직류 배전 계통에 존재하는 복수의 버스들 중 버스 전압이 기설정된 정상 전압 범위를 벗어난 버스가 존재할 시 생성되는 정보이다. S103 단계에서의 판단 결과, 전압 이상 정보가 수신된 것으로 판단되면, 제어는 S104 단계로 전달된다. 그렇지 않은 경우, 제어는 S101 단계로 전달되어 상술한 과정을 재수행한다.
S104 단계는 전압 이상이 발생한 버스의 선형 관계 정보를 근거로 해당 버스의 전압 회복을 위해 필요한 주전력 변환 장치의 전압 보상량을 산출하는 단계이다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 배전 선로의 전압 제어 방법은 이상 발생 시, 주전력 변환 장치를 통한 제어를 우선적으로 고려할 수 있고, 주전력 변환 장치를 통한 제어로도 해당 버스의 버스 전압이 안정화되지 않을 경우, 분산 전원을 통한 전압 제어를 고려한다. 이에 대한 설명은 위에서 상세히 언급하였으므로, 추가적인 설명은 생략한다.
그 후, S104 단계에서 산출된 전압 보상량을 근거로 제 1 전압 제어 신호를 생성하고, 이를 주전력 변환 장치로 송신하는 단계(S105)가 이루어진다. S105 단계를 통해 주전력 변환 장치에서는 제 1 전압 제어 신호에 포함된 전압 보상량을 근거로 출력 전압을 제어할 수 있고, 이에 따라 이상이 발생한 버스의 전압 안정화를 시도하게 된다.
그 후, 주전력 변환 장치를 통한 전압 제어를 통해 이상이 발생한 버스의 전압이 안정화되었는지 판단하는 단계(S106)가 수행된다. S106 단계에서의 판단 결과, 버스 전압이 안정화된 것으로 판단된 경우, 제어는 S101 단계로 전달되어 상술한 과정을 재수행한다. 그렇지 않은 경우, 제어는 S107 단계로 전달된다.
S107 단계는 분산 전원의 출력 변동이 이상이 발생한 버스의 버스 전압에 미치는 민감도를 산출하는 단계이다. 구체적으로, S107 단계는 k번째 버스의 분산 전원의 출력 변동이 j번째 버스(이상이 발생한 버스)의 전압에 미치는 민감도(즉, 전압-유효전력 민감도)를 산출하는 단계이다. S107 단계를 통해 민감도를 산출하는 방법은 위에서 상세히 설명하였으므로, 추가적인 설명은 생략한다.
그 후, 전압-유효전력 민감도가 가장 높은 분산 전원으로 제 2 전압 제어 신호를 송신하는 단계(S108)가 수행된다. 즉, S108 단계는 전압-유효전력 민감도가 가장 높은 분산 전원에 연결된 로컬 장치로 제 2 전압 제어 신호를 송신하고, 제 2 전압 제어 신호를 통해 분산 전원을 제어함으로써 이상이 있는 버스의 버스 전압을 안정화시키도록 시도하는 단계이다.
그 후, S108 단계를 통한 제어를 통해 이상이 발생한 버스의 버스 전압이 안정화되었는지 판단하는 단계(S109)가 수행된다. S109 단계에서의 판단 결과, 버스 전압이 안정화된 것으로 판단되면 제어는 S101 단계로 전달되어 상술한 과정을 재수행한다. 그렇지 않은 경우, 제어는 S110 단계로 전달되어 부하 차단 신호를 생성 및 송신하는 단계가 수행된다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 마스터 장치의 동작 방법은 이상이 발생한 경우, 전압 이상이 발생한 버스에 대해 주전력 변환 장치를 통한 전압 제어와 분산 전원을 통한 전압 제어 중 적어도 하나의 제어를 수행할 수 있다. 하지만, 이들 방법으로도 전압이 안정화되지 않는 경우, 본 발명의 일 실시예에 따른 마스터 장치의 동작 방법은 부하 차단 신호를 해당 버스의 로컬 장치로 송신하여, 전체 직류 배전 계통의 안정화를 시도하게 된다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 로컬 장치의 동작 방법에 대한 흐름도이다. 이제 도 9를 참조로 본 발명의 일 실시예에 따른 로컬 장치의 동작 방법에 대한 설명이 이루어진다. 이하에서는 위에서 설명된 부분과 중복되는 사항은 생략되어 설명이 이루어진다.
먼저, 로컬 장치가 연결된 버스의 유효 전력 및 버스 전압에 대한 정보를 수집하는 단계(S201)가 수행된다. 앞서 설명된 것처럼, S201 단계는 버스 주위에 설치된 PT 및 CT를 통해 수집된 정보를 근거로 이루어질 수 있다.
그 후, S201 단계에서 수집된 유효 전력 및 버스 전압을 포함하는 지역 정보를 근거로 해당 버스의 유효전력과 버스 전압 간 선형 관계를 나타내는 선형 관계 정보를 생성하는 단계(S202)가 이루어진다. S202 단계에서 생성된 선형 관계 정보는 위에서 설명한 것처럼 자코비안 행렬의 형태를 갖고, 이는 마스터 장치에서 수행되는 조류 해석에 이용될 수 있다.
그 후, 로컬 장치에서는 S201 단계에서 수집된 지역 정보를 근거로 로컬 장치가 연결된 버스의 버스 전압에 대한 이상 여부를 판단하는 단계(S203)가 수행될 수 있다.
여기서, S203 단계는 로컬 장치가 연결된 버스의 버스 전압이 기설정된 정상 전압 범위 내에 있는지를 판단함으로써 이루어질 수 있다. 여기서, 버스 전압이 기설정된 정상 전압 범위를 벗어난 경우, 제어는 S206 단계로 송신되어, 전압 이상 정보를 생성하고, 이를 마스터 장치로 송신하는 단계가 수행될 수 있다.
또한, S204 단계 및 S205 단계는 해당 버스에 전압 이상이 발생한 경우, 마스터 장치로부터 전압 제어를 위한 신호가 수신되었는지 판단하는 단계이다. 구체적으로, S204 단계는 해당 버스에 연결된 분산 전원을 제어하기 위한 제 2 전압 제어 신호가 수신되었는지 판단하는 단계이고, S205 단계는 해당 버스의 부하 차단을 위한 부하 차단 신호가 수신되었는지 판단하는 단계이다. 제 2 전압 제어 신호와 부하 차단 신호에 대한 설명은 위에서 상세히 설명하였으므로, 추가적인 설명은 생략한다.
S204 단계에서의 판단 결과 제 2 전압 제어 신호가 수신된 경우, 제어는 S207 단계로 전달되어 해당 분산 전압 제어를 수행함으로써 전압 안정화를 시도한다. 또한, S205 단계에서의 판단 결과, 부하 차단 신호가 수신된 경우, 제어는 S208 단계로 전달되어 해당 버스의 부하 차단 과정을 수행한다.
이상에서와 같이 도면과 명세서에서 최적의 실시예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
100 : 마스터 장치 110 : 마스터 통신부
120 : 정보 수집부 130 : 이상 여부 판단부
140 : 조류 해석부 150 : 전압 보상량 산출부
160 : 민감도 산출부 170 : 전압 제어 신호 생성부
180 : 차단 신호 생성부 200 : 로컬 장치
210 : 지역 정보 수집부 220 : 이상 발생 판단부
230 : 선형 관계 정보 생성부 240 : 로컬 통신부
250 : 분산 전원 제어부 260 : 부하 차단 제어부

Claims (18)

  1. 직류 배전 선로의 전압 제어 시스템으로서,
    분산 전원의 접속점에 설치되어 상기 분산 전원이 연결된 버스에 유입되는 유효 전력 및 버스 전압을 수집하고, 상기 유효 전력과 버스 전압 간의 선형화된 관계를 나타내는 선형 관계 정보를 생성하는 로컬 장치; 및
    주전력 변환 장치의 접속점에 연결되고, 상기 유효 전력과 상기 버스 전압 간 선형 관계 정보를 근거로 직류 배전 선로의 조류 해석을 수행함으로써 상기 주전력 변환 장치로부터 상기 직류 배전 선로로 공급되는 버스 전압을 제어하는 마스터 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 직류 배전 선로의 전압 제어 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 마스터 장치는,
    복수의 로컬 장치들 중 적어도 하나의 로컬 장치로부터 전압 이상 정보가 수신된 경우, 이상이 발생한 버스의 버스 전압이 기설정된 정상 범위 내에 속하도록 상기 주전력 변환 장치의 전압 보상량을 산출하고, 상기 전압 보상량을 포함하는 제 1 전압 제어 신호를 상기 주전력 변환 장치로 송신하는 것을 특징으로 하는 직류 배전 선로의 전압 제어 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 마스터 장치는 아래의 수학식을 통해 버스의 전압 변화량을 산출하고, 상기 버스의 전압 변화량을 근거로 이상이 발생한 버스의 버스 전압을 산출하며, 상기 이상이 발생한 버스의 버스 전압을 근거로 전압 보상량을 산출하는 것을 특징으로 하는 직류 배전 선로의 전압 제어 시스템.
    (수학식)
    Figure pat00038

    (△Vi- 1는 상기 제 1 전압 제어 신호를 통한 주전력 변환 장치의 제어 이전 및 이후의 i-1 번째 버스의 전압 변화량를 나타내고, △Vi는 상기 제 1 전압 제어 신호를 통한 주전력 변환 장치의 제어 이전 및 이후의 i 번째 버스의 전압 변화량를 나타내고, Pi-1, i는 i-1 번째 버스에서 i 번째 버스로 전달되는 전력을 나타내고, Gi -1, i는 i-1 번째 버스와 i번째 버스 사이의 컨덕턴스를 나타내며, Vold i- 1는 주전력 변환 장치의 제어 이전의 i-1 번째 버스의 버스 전압을 나타냄)
  4. 제2항에 있어서,
    상기 마스터 장치는,
    상기 제 1 전압 제어 신호를 통한 상기 주전력 변환 장치의 제어 이후에도 상기 이상이 발생한 버스의 버스 전압이 안정화되지 않은 경우, 직류 배전 계통에 포함된 분산 전원들 중 적어도 하나의 분산 전원을 통해 상기 이상이 발생한 버스에 대한 전압 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 직류 배전 선로의 전압 제어 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 마스터 장치는,
    분산전원의 출력 변동이 직류 배전 계통에 포함된 버스들의 버스 전압에 미치는 전압-유효전력 민감도를 산출하고, 상기 이상이 발생한 버스의 버스 전압에 대해 상기 전압-유효전력 민감도가 가장 높은 분산 전원을 통해 상기 이상이 발생한 버스에 대한 전압 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 직류 배전 선로의 전압 제어 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 유효 전력과 버스 전압 간 선형 관계 정보는 자코비안 행렬 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 직류 배전 선로의 전압 제어 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 로컬 장치는 아래의 수학식을 통해 상기 자코비안 행렬의 대각 성분을 산출하는 것을 특징으로 하는 직류 배전 선로의 전압 제어 시스템.
    (수학식)
    Figure pat00039

    (Vi는 i번째 버스의 버스 전압을 나타내고, Vj는 j번째 버스의 버스 전압을 나타내고, Gii는 i번째 버스의 컨덕턴스 행렬의 원소를 나타내고, Gij는 i번째 버스와 j번째 버스 간 컨덕턴스 행렬의 원소를 나타내고, N은 버스의 개수를 나타냄)
  8. 제6항에 있어서,
    상기 로컬 장치는 아래의 수학식을 통해 상기 자코비안 행렬의 비대각 성분을 산출하는 것을 특징으로 하는 직류 배전 선로의 전압 제어 시스템.
    (수학식)
    Figure pat00040

    (Vi는 i번째 버스의 버스 전압을 나타내고, Gij는 i번째 버스와 j번째 버스 간 컨덕턴스 행렬의 원소를 나타내고, N은 버스의 개수를 나타냄)
  9. 제1항에 있어서,
    상기 로컬 장치는,
    상기 로컬 장치가 연결된 버스에 유입되는 버스 전압이 기설정된 정상 전압 범위를 벗어나는 경우, 상기 로컬 장치가 연결된 버스의 전압 이상을 알리는 전압 이상 정보를 생성하는 것을 특징으로 하는 직류 배전 선로의 전압 제어 시스템.
  10. 직류 배전 선로의 전압 제어 방법으로서,
    분산 전원의 접속점에 설치된 로컬 장치에 의해, 상기 분산 전원이 연결된 버스에 유입되는 유효 전력 및 버스 전압을 수집하는 단계;
    상기 로컬 장치에 의해, 상기 유효 전력과 버스 전압 간의 선형화된 관계를 나타내는 선형 관계 정보를 생성하는 단계; 및
    주전력 변환 장치의 접속점에 연결되는 마스터 장치에 의해, 상기 유효 전력과 상기 버스 전압 간 선형 관계 정보를 근거로 직류 배전 선로의 조류 해석을 수행함으로써 상기 주전력 변환 장치로부터 상기 직류 배전 선로로 공급되는 버스 전압을 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 직류 배전 선로의 전압 제어 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 마스터 장치에 의해, 복수의 로컬 장치들 중 적어도 하나의 로컬 장치로부터 전압 이상 정보가 수신된 경우, 이상이 발생한 버스의 버스 전압이 기설정된 정상 범위 내에 속하도록 전압 보상량을 산출하는 단계; 및
    상기 전압 보상량을 포함하는 제 1 전압 제어 신호를 상기 주전력 변환 장치로 송신하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 직류 배전 선로의 전압 제어 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 전압 보상량을 산출하는 단계는,
    아래의 수학식을 통해 버스의 전압 변화량을 산출하고, 상기 버스의 전압 변화량을 근거로 이상이 발생한 버스의 버스 전압을 산출하며, 상기 이상이 발생한 버스의 버스 전압을 근거로 전압 보상량을 산출함으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는 직류 배전 선로의 전압 제어 방법.
    (수학식)
    Figure pat00041

    (△Vi- 1는 상기 제 1 전압 제어 신호를 통한 주전력 변환 장치의 제어 이전 및 이후의 i-1 번째 버스의 전압 변화량를 나타내고, △Vi는 상기 제 1 전압 제어 신호를 통한 주전력 변환 장치의 제어 이전 및 이후의 i 번째 버스의 전압 변화량를 나타내고, Pi-1, i는 i-1 번째 버스에서 i 번째 버스로 전달되는 전력을 나타내고, Gi -1, i는 i-1 번째 버스와 i번째 버스 사이의 컨덕턴스를 나타내며, Vold i- 1는 주전력 변환 장치의 제어 이전의 i-1 번째 버스의 버스 전압을 나타냄)
  13. 제11항에 있어서,
    상기 제 1 전압 제어 신호를 통한 상기 주전력 변환 장치의 제어 이후에도 상기 이상이 발생한 버스의 버스 전압이 안정화되지 않은 경우, 상기 마스터 장치에 의해, 직류 배전 계통에 포함된 분산 전원들 중 적어도 하나의 분산 전원을 통해 상기 이상이 발생한 버스에 대한 전압 제어를 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 직류 배전 선로의 전압 제어 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 직류 배전 계통에 포함된 분산 전원들 중 적어도 하나의 분산 전원을 통해 상기 이상이 발생한 버스에 대한 전압 제어를 수행하는 단계는,
    분산전원의 출력 변동이 직류 배전 계통에 포함된 버스들의 버스 전압에 미치는 전압-유효전력 민감도를 산출하고, 상기 이상이 발생한 버스의 버스 전압에 대해 상기 전압-유효전력 민감도가 가장 높은 분산 전원을 통해 상기 이상이 발생한 버스에 대한 전압 제어를 수행함으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는 직류 배전 선로의 전압 제어 방법.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 유효 전력과 버스 전압 간 선형 관계 정보는 자코비안 행렬 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 직류 배전 선로의 전압 제어 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 선형 관계 정보를 생성하는 단계는
    아래의 수학식을 통해 상기 자코비안 행렬의 대각 성분을 산출하는 것을 특징으로 하는 직류 배전 선로의 전압 제어 방법.
    (수학식)
    Figure pat00042

    (Vi는 i번째 버스의 버스 전압을 나타내고, Vj는 j번째 버스의 버스 전압을 나타내고, Gii는 i번째 버스의 컨덕턴스 행렬의 원소를 나타내고, Gij는 i번째 버스와 j번째 버스 간 컨덕턴스 행렬의 원소를 나타내고, N은 버스의 개수를 나타냄)
  17. 제15항에 있어서,
    상기 선형 관계 정보를 생성하는 단계는
    아래의 수학식을 통해 상기 자코비안 행렬의 비대각 성분을 산출하는 것을 특징으로 하는 직류 배전 선로의 전압 제어 방법.
    (수학식)
    Figure pat00043

    (Vi는 i번째 버스의 버스 전압을 나타내고, Gij는 i번째 버스와 j번째 버스 간 컨덕턴스 행렬의 원소를 나타내고, N은 버스의 개수를 나타냄)
  18. 제10항에 있어서,
    상기 로컬 장치에 의해, 상기 로컬 장치가 연결된 버스에 유입되는 버스 전압이 기설정된 정상 전압 범위를 벗어나는 경우, 상기 로컬 장치가 연결된 버스의 전압 이상을 알리는 전압 이상 정보를 생성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 직류 배전 선로의 전압 제어 방법.
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