KR20210025267A - On-line 전력계통 관성 모니터링 및 주파수 시뮬레이션 방법 및 장치 - Google Patents

On-line 전력계통 관성 모니터링 및 주파수 시뮬레이션 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 On-line 전력계통 관성 모니터링 및 주파수 시뮬레이션 방법으로서, 전력계통감지시스템(SCADA; Supervisory Control And Data Acquisition)으로부터 전력계통 데이터를 수신하는 단계; 수신된 전력계통 데이터를 기반으로, 계통관성값을 산출하는 단계; 및 산출된 계통관성값을 기반으로, 시계열 계통관성 데이터 및 계통관성 증감패턴을 출력하는 단계를 포함한다.

Description

On-line 전력계통 관성 모니터링 및 주파수 시뮬레이션 방법 및 장치{METHODS FOR ON-LINE POWER SYSTEM INERTIA MONITORING AND FREQUENCY SIMULATION AND APPARATUSES THEREOF}
본 발명은 On-line 전력계통 관성 모니터링 및 주파수 시뮬레이션 방법 및 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 실시간으로 전력계통 운전상태 정보를 반영하여 전력계통의 관성을 감시하고, 부하 등의 변동에 따라 주파수 시뮬레이션을 신속하게 출력하여 제공할 수 있는 On-line 전력계통 관성 모니터링 및 주파수 시뮬레이션 방법 및 장치에 관한 것이다.
일반적으로 전력계통은 전기 수요에 대응하여 발전소, 변전소 및 부하를 송전선으로 연결하여 전력의 발생부터 소비까지 이루어지는 하나의 시스템을 말한다. 이러한 전력계통은 전력의 발생과 소비가 동시에 일어나기 때문에 수요와 공급의 평형이 이루어져야 하고, 이를 구현하기 위해 전력계통 안정화에 대한 지속적인 감시가 요구된다.
종래에는 전력계통이 소규모로 형성되어 감시가 용이하였으나, 점차 산업의 고도화, 정보화로 인해 전력수요가 증가됨에 따라 전력설비도 대규모화, 복잡화되었기 때문에 인위적으로 수행하던 방법을 통해 전력계통의 안정화를 도모하고, 운용하기에 어려운 한계에 도달하였다.
특히, 최근에는 신재생 에너지에 대한 비중의 증가로 인해 컨버터 기반의 신재생 에너지형 전력계통에 대한 관심이 증가하고 있으며, 이와 관련된 많은 연구와 개발이 이루어지고 있다.
즉, 컨터버 기반의 신재생에너지에 대한 비중의 증가로 인해 전력계통의 관성이 지속적으로 감소하고 있으며, 이에 따라 계통관성을 실시간으로 감시하고, 관리할 수 있는 시스템이 필요하게 되었다.
또한, 최근에는 계통분리, 발전기 탈락, 송전선로의 연쇄차단 등 광범위한 파급 고장을 방지하기 위해 고장파급방지시스템(SPS: Special Protection System)과 주파수 조정용 에너지저장장치 등을 운영하면서 주파수 안정도에 대한 관심과 중요도도 함께 높아지게 되었다.
예를 들어, 전력계통에서 발전기 탈락이나 부하 증가와 같은 외란이 발생하는 경우에 전기에너지가 부족하므로 전력계통의 주파수는 감소하게 된다. 일 예로 국내에서는 주파수가 59.2Hz가 되면 발전기의 연쇄적인 탈락을 방지하기 위해 저주파수 부하차단(UFLS: Under Frequency Load Shedding) 계전기가 작동하여 6%의 부하를 차단시키고, 매 0.2Hz 감소시 추가로 6%의 부하를 탈락시킨다.
따라서, 외란이 발생하는 경우에 전력망의 최저 주파수는 계통의 신뢰도를 결정짓는 중요한 기준이 되고, 부하 차단을 방지하기 위해서는 전력망의 주파수가 일정 범위 이하가 되지 않도록 해야 한다.
하지만, 종래의 주파수 안정도 검토는 Off-line 전력계통 안정도 해석을 이용하므로 현재 신재생에너지 기반의 전력계통에 대한 상황을 정확하게 반영할 수 없고, 또한 전력계통에 대한 해석이 복잡하고, 주파수 모의를 위한 시간과 비용이 많이 소요되는 문제점이 있었다.
따라서, 실시간으로 전력계통 운전상태 정보를 반영하여 전력계통의 안정도를 해석하고, 부하 등의 변동에 따라 주파수 시뮬레이션을 신속하게 출력하여 제공하는 On-line 전력계통 관성 모니터링 및 주파수 시뮬레이션 방법 및 장치에 대한 필요가 당업계에서 점차 증가하고 있는 실정이다.
따라서 본 발명은 상기한 문제점들을 해결하고자 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 실시간으로 전력계통 운전상태 정보를 반영하여 전력계통의 관성을 감시하고, 부하 등의 변동에 따라 주파수 시뮬레이션을 신속하게 출력하여 제공할 수 있는 On-line 전력계통 관성 모니터링 및 주파수 시뮬레이션 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, On-line 전력계통 관성 모니터링 및 주파수 시뮬레이션 방법으로서, 전력계통감지시스템(SCADA; Supervisory Control And Data Acquisition)으로부터 전력계통 데이터를 수신하는 단계; 수신된 전력계통 데이터를 기반으로, 계통관성값을 산출하는 단계; 및 산출된 계통관성값을 기반으로, 시계열 계통관성 데이터 및 계통관성 증감패턴을 출력하는 단계를 포함한다.
상기 상기 전력계통감지시스템(SCADA)으로부터 수신된 전력계통 데이터는 발전기 운전상태 정보, 기준용량 정보 및 관성정수 정보를 포함한다.
상기 산출된 계통관성값을 아래의 수학식에 대입하여, 전기적 입력(발전력)과 전기적 출력(전력 수요)의 차이에 의한 가속력을 산출하고, 이를 이용하여 전력계통의 주파수 변화를 산출한다.
[수학식]
Figure pat00001
여기서, H는 계통관성 정수를 의미하고, δ는 각속도를 의미하며, Pm, Pe, Pa는 각각 기계적 입력, 전기적 출력, 가속력을 의미함.
또한, 산출된 계통관성값을 아래의 수학식에 대입하여, 발전기 모델 및 에너지저장장치(ESS; Energy Storage System) 모델 중 적어도 하나의 최적 피라미터를 산출하는 단계를 더 포함한다.
[수학식]
Figure pat00002
여기서, H는 계통관성 정수를 의미하고, δ는 각속도를 의미하며, Pm, Pe, Pa는 각각 기계적 입력, 전기적 출력, 가속력을 의미한다.
발전기 부하값 또는 재생에너지 출력값을 변동시켜서 각속도 변화를 산출하는 단계; 및 상기 산출된 각속도 변화에 근거하여, 상기 발전기 모델 및 상기 에너지저장장치(ESS) 모델 중 적어도 하나의 시계열 분석 데이터를 출력하는 단계를 더 포함한다.
추가로, 상기의 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체는 상기의 방법을 수행하기 위한 프로그램이 기록될 수 있다.
추가로, 상기의 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 On-line 전력계통 관성 모니터링 및 주파수 시뮬레이션 장치는, 전력계통감지시스템(SCADA)으로부터 전력계통 데이터를 수신하는 데이터 수집부; 상기 데이터 수집부를 통해 수신된 전력계통 데이터를 기반으로, 계통관성값을 산출하는 계통관성 계산부; 및 상기 계통관성 계산부를 통해 산출된 계통관성값을 기반으로, 시계열 계통관성 데이터 및 계통관성 증감패턴을 출력하는 디스플레이부를 포함한다.
상기 전력계통 데이터는 발전기 운전상태 정보, 기준용량 정보 및 관성정수 정보를 포함한다.
상기 산출된 계통관성값을 아래의 수학식에 대입하여, 전기적 입력(발전력)과 전기적 출력(전력수요)의 차이에 의한 가속력을 산출하고, 이를 이용하여 전력계통의 주파수 변화를 산출한다.
상기 산출된 계통관성값을 아래의 수학식에 대입하여, 발전기 모델 및 에너지저장장치(ESS) 모델 중 적어도 하나의 최적 피라미터를 산출하는 피라미터 계산부를 더 포함한다.
[수학식]
Figure pat00003
여기서, H는 계통관성 정수를 의미하고, δ는 각속도를 의미하며, Pm, Pe, Pa는 각각 기계적 입력, 전기적 출력, 가속력을 의미한다.
발전기 부하값 또는 재생에너지 출력값을 변동시켜서 각속도 변화를 산출하는 주파수 변화 산출부; 및 상기 주파수 변화 산출부를 통해 산출된 각속도 변화에 근거하여, 상기 발전기 모델 및 상기 에너지저장장치(ESS) 모델 중 적어도 하나의 시계열 분석 데이터를 출력하는 시뮬레이션부를 더 포함한다.
본 발명은 실시간으로 전력계통 운전상태 정보를 반영하여 전력계통의 관성을 감시하고, 부하 등의 변동에 따라 주파수 시뮬레이션을 신속하게 출력하여 제공할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 전력계통의 관성과 주파수 안정도를 실시간으로 감시하여 전력계통에 대한 데이터를 수집함으로써, 향후 신재생에너지 비중의 확대에 따른 효율적인 계통계획을 수립하고, 이를 기반으로 전력계통을 보다 안정적으로 운영할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 On-line 전력계통 관성 모니터링 및 주파수 시뮬레이션 시스템의 개괄도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 On-line 전력계통 관성 모니터링 및 주파수 시뮬레이션 장치(200)의 기능적 블록도를 도시한다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 On-line 전력계통 관성 모니터링 및 주파수 시뮬레이션 장치의 동작 방법을 설명하기 위한 순서도를 각각 도시한다.
도 5는 도 4에 도시된 실시예에 따른 주파수 변화를 발전기 모델 또는 에너지저장장치(ESS) 모델의 입력값으로 제공하는 On-line 전력계통 관성 모니터링 및 주파수 시뮬레이션 장치의 동작 방법을 순환 루프 형태로 나타낸 것이다.
도 6은 도 4에 도시된 실시예에 따른 시계열 분석 데이터를 나타내는 그래프이다.
이하 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 On-line 전력계통 관성 모니터링 및 주파수 시뮬레이션 시스템의 개괄도를 도시한다. 도 1에 도시되는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 On-line 전력계통 관성 모니터링 및 주파수 시뮬레이션 장치(200)는 전력계통감지시스템(SCADA: Supervisory Control And Data Acquisition, 100)으로부터 전력계통의 운전 상태정보에 관한 데이터를 수신하여 상기 전력계통을 실시간으로 감시하고, 이 경우 전력계통감지시스템(100)에는 On-line으로 전력계통의 안정도를 해석하는 송전망안정도해석(TSM: Transmission Security Management)이 연계될 수 있다.
여기서, 송전망안정도해석(TSM)에는 전력계통의 안정도 해석을 위한 데이터베이스(Database)를 생성하는 상태추정(State Estimation)기능이 구비되고, On-line 전력계통 관성 모니터링 및 주파수 시뮬레이션 장치(200)는 이러한 상태추정기능을 통해 생성되는 전력계통 해석용 데이터베이스와 전력계통의 관성을 모니터링 가능하도록 제공하는 것을 특징으로 한다.
더불어, 본 발명의 일 실시예에 따른 On-line 전력계통 관성 모니터링 및 주파수 시뮬레이션 장치(200)는 전력계통의 안정도 해석을 위해 생성되는 데이터베이스를 기반으로 전력계통의 발전기, 에너지저장장치(ESS: Energy Storage System) 등의 동적(Dynamic)모델 정보를 활용하여 계통주파수의 분석에 용이한 시뮬레이션을 제공할 수도 있다.
즉, On-line 전력계통 관성 모니터링 및 주파수 시뮬레이션 장치(200)는 전력계통감시시스템(100)에 탑재된 송전망안정도해석(TSM)로부터 현재 운영 중인 전력계통정보와, 발전기 등의 전력설비의 동적 데이터를 수신하여 계통관성을 On-line으로 연산 및 모니터링하고, 발전기 또는 부하의 탈락, 부하의 변동 등에 의한 주파수 변화를 시뮬레이션할 수 있도록 구성된다.
보다 구체적으로, On-line 전력계통 관성 모니터링 및 주파수 시뮬레이션 장치(200)는 도 1에 도시되는 바와 같이, 전력계통 관성의 모니터링을 위해 송전망안정도해석(TSM)로부터 계통해석용 데이터베이스(예를 들어, 발전기의 운전상태, 발전기별 기준용량, 등의 정보)를, 발전기의 동적모델 데이터로부터 발전기별 관성정수 정보 등을 각각 수신할 수 있다.
또한, On-line 전력계통 관성 모니터링 및 주파수 시뮬레이션 장치(200)는 수신된 계통해석용 데이터베이스(예를 들어, 발전기의 운전상태, 발전기별 기준용량, 등의 정보)를 기반으로 각각의 발전기에 대한 관성을 계산한 다음에 운전 상태인 발전기 각각의 관성의 합을 구하여 계통관성을 산정할 수 있다. 즉, On-line 전력계통 관성 모니터링 및 주파수 시뮬레이션 장치(200)는 산정된 계통관성을 기반으로 시계열 관성 데이터, 장기 또는 단기 관성 추세 및 변동성, 임계 관성(Critical Inertia) 감시 결과 등을 관리자에게 제공할 수도 있다.
추가로, 본 발명의 다른 일 실시예에서, On-line 전력계통 관성 모니터링 및 주파수 시뮬레이션 장치(200)는 산정된 계통 관성정수, 총 발전력 및 총 수요정보를 이용하여 발전기 및 에너지저장장치(ESS)의 제어 모듈을 모델링할 수도 있고, 더불어, 전력계통 주파수의 시뮬레이션을 위해 상정고장, 부하 및 재생에너지의 출력 등을 인위적으로 변경하여 전력계통의 주파수 변화를 시뮬레이션 할 수도 있다.
즉, On-line 전력계통 관성 모니터링 및 주파수 시뮬레이션 장치(200)는 구축된 발전기 및 에너지저장장치(ESS) 각각의 제어 모듈을 통해 발전과 수요의 불균형을 검출하여 각속도의 변화 즉, 주파수의 변화를 산정하고, 산정된 주파수 변화를 발전기 모델과 에너지저장장치(ESS) 모델 등의 입력으로 제공하여 발전기 모델과 에너지저장장치(ESS) 모델 각각의 응답특성에 따라 출력된 값이 발전력과 수요의 차이를 계산하여 입력됨으로써, 순환 루프(loop) 형태를 통해 발전기별 또는 에너지저장장치(ESS)별 결과 분석 데이터를 제공할 수 있으며, 이러한 결과 분석 데이터는 향후 전력계통의 계획과 운영에 이용될 수 있다. 이와 관련된 본 발명의 구체적인 설명은 이하의 도 3 내지 도 6에 도시된 블록도, 순서도, 개략도, 등을 기초로 하여 이하에서 보다 상술하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 On-line 전력계통 관성 모니터링 및 주파수 시뮬레이션 장치(200)의 기능적 블록도를 도시하고, 도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 On-line 전력계통 관성 모니터링 및 주파수 시뮬레이션 장치의 동작 방법(S300, S400)을 설명하기 위한 순서도를 각각 도시한다.
참고로, On-line 전력계통 관성 모니터링 및 주파수 시뮬레이션 장치(200)는 이하에서 보다 상술하게 기술되는 On-line 전력계통 관성 모니터링 및 주파수 시뮬레이션 장치의 동작 방법을 구성하는 각 단계들을 실행하도록 구성될 수 있으며, 예를 들어, 도 3 및 도 4에 예시적으로 도시되는 바와 같이 On-line 전력계통 관성 모니터링 및 주파수 시뮬레이션 장치(200)는 On-line 전력계통 관성 모니터링 및 주파수 시뮬레이션 장치의 동작 방법(S300, S400)을 구성하는 각 단계들을 실행하도록 구성될 수 있다.
먼저, 도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 On-line 전력계통 관성 모니터링 및 주파수 시뮬레이션 장치(200)는, 데이터 수집부(210), 통신부(220), 저장부(230), 계통관성 계산부(240), 디스플레이부(250), 등으로 구성될 수 있다.
데이터 수집부(210)는 전력계통감지시스템(100)으로부터 전력계통 데이터를 수신할 수 있다(S310). 예를 들어, 데이터 수집부(210)는 통신부(220)를 통해 전력계통감지시스템(100)으로부터, 보다 바람직하게는 전력계통감지시스템(100)에 탑재된 송전망안정도해석(TSM)으로부터 전력계통 데이터를 유선 또는 무선으로 수신할 수 있으며, 수신된 전력계통 데이터는 발전기 운전상태 정보, 기준용량 정보 및 관성정수 정보 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
참고로, 통신부(220)는 전력계통감지시스템(100) 등으로부터 전력계통 데이터를 유선 또는 무선으로 수신하여 데이터 수집부(210)로 전달하거나 또는 저장부(230)에 저장할 수 있다. 이러한 전력계통 데이터에는 텍스트, 이미지, 동화상 등의 컨텐츠가 포함될 수 있고, 통신부(220)는 랜(LAN), WCDMA(Wideband Code Division Multiple Access), LTE(Long Term Evolution), WiBro(Wireless Broadband Internet), RF(Radio Frequency)통신, 무선랜(Wireless LAN), 와이파이(Wireless Fidelity), NFC(Near Field Communication), 블루투스, 적외선 통신 등을 통해 통신할 수 있다. 다만, 이는 예시적인 것으로서, 통신부(220)는 본 발명이 적용되는 실시예에 따라 당해 기술분야에서 적용 가능한 다양한 유,무선 통신 기술이 이용될 수 있다.
저장부(230)는 통신부(220)를 통해 수신되는 전력계통 데이터 예를 들어, 발전기 운전상태 정보, 기준용량 정보 및 관성정수 정보, 등 전력계통과 관련되는 다양한 데이터가 저장될 수 있다. 참고로, 저장부(230)는 통상의 기술자에게 알려진 바와 같이, HDD(Hard Disk Drive), ROM(Read Only Memory), RAM(Random Access Memory), EEPROM(Electrically Erasable and Programmable Read Only Memory), 플래시 메모리(flash memory), CF(Compact Flash) 카드, SD(Secure Digital) 카드, SM(Smart Media) 카드, MMC(Multimedia) 카드 또는 메모리 스틱(Memory Stick) 등 정보의 입출력이 가능한 다양한 형태의 저장 장치로 구현될 수 있으며, On-line 전력계통 관성 모니터링 및 주파수 시뮬레이션 장치(200)의 내부에 구비되거나, 또는 별도의 외부 장치에 구비될 수도 있다.
또한, 본 발명의 추가 실시예에 따르면, 저장부(230)에는 또는 저장부(230)와는 별개로 데이터 백업(data backup)을 위한 추가 메모리가 더 구비될 수 있으며, 제어부(미도시)는 저장부(230)에 저장된 발전기 운전상태 정보, 기준용량 정보 및 관성정수 정보, 등 전력계통과 관련된 다양한 데이터를 백업하여 상기 추가 메모리에 저장함으로써, 데이터 유실 또는 분실에 대한 능동적인 대처를 가능하게 한다.
계통관성 계산부(240)는 데이터 수집부(210)로 수신된 전력계통 데이터를 기반으로 계통관성값을 산출할 수 있다(S320). 예를 들어, 계통관성 계산부(240)는 발전기 운전상태, 발전기 기준용량, 발전기 관성정수 정보, 등을 포함하는 전력계통 데이터를 이용하여 발전기 각각에 대한 관성을 계산한 다음에 운전 중인 발전기의 관성의 합을 계산하여 계통관성 정수, 총 발전정보, 총 수요정보 등을 포함하는 계통관성값을 산출할 수 있다.
디스플레이부(250)는 계통관성 계산부(240)로부터 산출된 계통관성값을 기반으로, 시계열 계통관성 데이터 및 계통관성 증감패턴을 출력할 수 있다(S330). 예를 들어, 디스플레이부(250)는 산출된 계통관성값을 기반으로 일정 기간 동안의 데이터 변화 패턴을 시각화하여 출력함으로써, 전력계통 데이터에 대한 보다 용이한 접근을 유도할 수 있다.
다음으로, 도 2 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 On-line 전력계통 관성 모니터링 및 주파수 시뮬레이션 장치(200)는 피라미터 계산부(260), 주파수 변화 산출부(270), 시뮬레이션부(280), 등을 더 포함할 수 있다.
피라미터 계산부(260)는 계통관성 계산부(240)를 통해 산출된 계통관성값을 아래의 수학식에 대입하여, 발전기 모델 및 에너지저장장치(ESS) 모델 중 적어도 하나의 최적 피라미터를 산출할 수 있다(S410).
[수학식]
Figure pat00004
여기서, H는 계통관성 정수를 의미하고, δ는 각속도를 의미하며, Pm, Pe, Pa는 각각 기계적 입력, 전기적 출력, 가속력을 의미하고, Dsys와 Gsys는 총 수요값과 총 발전량을 각각 의미한다. 즉, 피라미터 계산부(260)는 계통관성 계산부(240)를 통해 산정되는 계통관성정수(H), 총 발전력 및 총 수요정보 등을 이용하여 발전기 또는 에너지저장장치(ESS)의 종류별 제어로직과 각각의 피라미터를 매칭하여 모델링을 수행할 수 있다. 참고로, 조속기가 있는 발전기의 경우에는 조속기의 종류별 제어로직을 참고하여 모델링을 수행할 수도 있다.
주파수 변화 산출부(270)는 발전기의 부하값 또는 재생에너지의 출력값을 변동시켜서 각속도 변화를 산출할 수 있다(S420). 예를 들어, 주파수 변화 산출부(270)는 전력계통 주파수의 시뮬레이션을 위해 상정고장, 부하 및 재생에너지의 출력에 인위적으로 변동을 가하여 On-line 전력계통을 위한 데이터베이스의 기반을 마련할 수 있다.
보다 구체적으로, 주파수 변화 산출부(270)는 발전기 또는 에너지저장장치(ESS) 각각의 출력값 변동에 따른 각속도 변화 즉, 전기적 입력(발전 전력)과 전기적 출력(전력 수요)의 차이에 의한 가속력을 산출하고, 이를 이용하여 전력계통의 주파수 변화값을 산출하며, 산출된 주파수 변화값을 발전기와 에너지저장장치(ESS) 각각의 입력값으로 제공하여 각 발전기 및 에너지저장장치(ESS)의 응답특성에 따른 출력변화를 결과값으로 하고, 이를 발전과 수요의 차이로 계산하여 상술한 수학식에 대입할 수 있다.
즉, 이하 상술되는 바와 같이, 수학식을 이용한 순환 루프(loop) 구조를 통해 On-line 전력계통 관성 모니터링 및 주파수 시뮬레이션 장치(200)는 발전기별 또는 에너지저장장치(ESS)별 시계열 분석 데이터를 저장 및 관리함으로써, 향후 전력계통의 계획과 운영에 활용될 수 있다.
시뮬레이션부(280)는 주파수 변화 산출부(270)를 통해 산출된 각속도 변화에 근거하여 발전기 모델 및 에너지저장장치(ESS) 모델 중 적어도 하나의 시계열 분석 데이터를 출력할 수 있다(S430). 예를 들어, 시뮬레이션부(280)는 계통주파수, 발전기별 출력, 에너지저장장치(ESS) 출력과 배터리 충전 상태(SOC: State Of Charge) 등의 시계열 분석 데이터를 출력할 수 있으며, 시계열 분석 데이터는 이하 상술되는 바와 같이, 판독이 용이한 그래프 또는 표와 같은 형태로 출력될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 주파수 변화를 발전기 모델 또는 에너지저장장치(ESS) 모델의 입력값으로 제공하는 On-line 전력계통 관성 모니터링 및 주파수 시뮬레이션 장치의 동작 방법을 순환 루프 형태로 나타낸 것이다.
도 2 및 도 5를 함께 참조하면, 주파수 변화 산출부(270)는 발전기의 부하값 또는 재생에너지의 출력값을 변동시켜서 각속도 변화를 산출할 수 있다. 보다 구체적으로, 주파수 변화 산출부(270)는 전력계통 주파수의 시뮬레이션을 위해 상정고장, 부하 및 재생에너지의 출력에 인위적으로 변동을 가하여 생성되는 각속도 변화 즉, 전기적 입력(발전 전력)과 전기적 출력(전력 수요)의 차이에 의한 가속력을 산출하고, 이를 이용하여 전력계통의 주파수 변화값을 산출하며, 산출된 주파수 변화값을 발전기와 에너지저장장치(ESS) 각각의 입력값으로 제공하여 각 발전기 및 에너지저장장치(ESS)의 응답특성에 따른 출력변화를 결과값으로 하고, 이를 발전과 수요의 차이로 계산하여 아래의 수학식에 대입할 수 있다.
[수학식]
Figure pat00005
여기서, H는 계통관성 정수를 의미하고, δ는 각속도를 의미하며, Pm, Pe, Pa는 각각 기계적 입력, 전기적 출력, 가속력을 의미한다.
즉, 도 5에 도시되는 바와 같이, 주파수 변화 산출부(270)에 의해 산정되는 주파수 변화값을 발전기와 에너지저장장치(ESS) 각각의 입력값으로 제공하고, 수학식을 이용한 순환 루프(loop) 구조를 통해 발전기별 또는 에너지저장장치(ESS)별 시계열 분석 데이터를 출력하여 데이터베이스화함으로써, 향후 관리자는 전력계통의 계획과 운영에 이용할 수 있다. 참고로, 도 5에서 △f는 주파수 변화값을 의미하고, Dsys와 Gsys는 각각 총 수요값과 총 발전량을 의미한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 시계열 분석 데이터를 나타내는 그래프이다.
도 2 및 도 6을 함께 참조하면, 시뮬레이션부(280)는 주파수 변화 산출부(270)를 통해 산출된 각속도 변화에 근거하여 발전기 모델 및 에너지저장장치(ESS) 모델 중 적어도 하나의 시계열 분석 데이터를 출력할 수 있다. 보다 구체적으로, 시뮬레이션부(280)는 계통주파수, 발전기별 출력, 에너지저장장치(ESS) 출력과 배터리 충전 상태(SOC: State Of Charge) 등의 시계열 분석 데이터를 출력할 수 있으며, 각각의 시계열 분석 데이터는 도 6에 도시되는 바와 같이 관리자의 판독이 용이한 그래프 또는 표와 같은 형태로 출력될 수 있다. 참고로, 도 6은 4GW 용량의 발전기 탈락에 따른 주파수 및 발전기의 시계열 분석 데이터를 각각 도시한다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 실시간으로 전력계통 운전상태 정보를 반영하여 전력계통의 관성을 감시하고, 부하 등의 변동에 따라 주파수 시뮬레이션을 신속하게 출력하여 제공할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 전력계통의 관성과 주파수 안정도를 실시간으로 감시하여 전력계통에 대한 데이터를 수집함으로써, 향후 신재생에너지 비중의 확대에 따른 효율적인 계통계획을 수립하고, 이를 기반으로 전력계통을 보다 안정적으로 운영할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 도면과 명세서에 최적의 실시예들이 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 발명은 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면, 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 권리범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (11)

  1. On-line 전력계통 관성 모니터링 및 주파수 시뮬레이션 방법으로서,
    전력계통감지시스템(SCADA; Supervisory Control And Data Acquisition)으로부터 전력계통 데이터를 수신하는 단계;
    수신된 전력계통 데이터를 기반으로, 계통관성값을 산출하는 단계; 및
    산출된 계통관성값을 기반으로, 시계열 계통관성 데이터 및 계통관성 증감패턴을 출력하는 단계를 포함하는 On-line 전력계통 관성 모니터링 및 주파수 시뮬레이션 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전력계통감지시스템(SCADA)으로부터 수신된 전력계통 데이터는 발전기 운전상태 정보, 기준용량 정보 및 관성정수 정보 중 적어도 하나를 포함하는 On-line 전력계통 관성 모니터링 및 주파수 시뮬레이션 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 산출된 계통관성값을 아래의 수학식에 대입하여, 전기적 입력과 전기적 출력의 차이에 의한 가속력을 산출하고, 이를 이용하여 상기 전력계통의 주파수 변화를 산출하는 단계를 포함하는 On-line 전력계통 관성 모니터링 및 주파수 시뮬레이션 방법.
    [수학식]
    Figure pat00006

    여기서, H는 계통관성 정수를 의미하고, δ는 각속도를 의미하며, Pm, Pe, Pa는 각각 기계적 입력, 전기적 출력, 가속력을 의미함.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 산출된 계통관성값을 아래의 수학식에 대입하여, 발전기 모델 및 에너지저장장치(ESS; Energy Storage System) 모델 중 적어도 하나의 최적 피라미터를 산출하는 단계를 더 포함하는 On-line 전력계통 관성 모니터링 및 주파수 시뮬레이션 방법.
    [수학식]
    Figure pat00007

    여기서, H는 계통관성 정수를 의미하고, δ는 각속도를 의미하며, Pm, Pe, Pa는 각각 기계적 입력, 전기적 출력, 가속력을 의미함.
  5. 제 4 항에 있어서,
    발전기 부하값 또는 재생에너지 출력값을 변동시켜서 각속도 변화를 산출하는 단계; 및
    상기 산출된 각속도 변화에 근거하여, 상기 발전기 모델 및 상기 에너지저장장치(ESS) 모델 중 적어도 하나의 시계열 분석 데이터를 출력하는 단계를 더 포함하는 On-line 전력계통 관성 모니터링 및 주파수 시뮬레이션 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 따른 방법을 수행하기 위한 프로그램이 기록된 컴퓨터 판독 가능한 기록매체.
  7. On-line 전력계통 관성 모니터링 및 주파수 시뮬레이션 장치로서,
    전력계통감지시스템(SCADA)으로부터 전력계통 데이터를 수신하는 데이터 수집부;
    상기 데이터 수집부를 통해 수신된 전력계통 데이터를 기반으로, 계통관성값을 산출하는 계통관성 계산부; 및
    상기 계통관성 계산부를 통해 산출된 계통관성값을 기반으로, 시계열 계통관성 데이터 및 계통관성 증감패턴을 출력하는 디스플레이부를 포함하는, On-line 전력계통 관성 모니터링 및 주파수 시뮬레이션 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 전력계통 데이터는 발전기 운전상태 정보, 기준용량 정보 및 관성정수 정보 중 적어도 하나를 포함하는 On-line 전력계통 관성 모니터링 및 주파수 시뮬레이션 장치.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 계통관성값을 아래의 수학식에 대입하여, 전기적 입력과 전기적 출력의 차이에 의한 가속력을 산출하고, 이를 이용하여 상기 전력계통의 주파수 변화를 산출하는 On-line 전력계통 관성 모니터링 및 주파수 시뮬레이션 장치.
    [수학식]
    Figure pat00008

    여기서, H는 계통관성 정수를 의미하고, δ는 각속도를 의미하며, Pm, Pe, Pa는 각각 기계적 입력, 전기적 출력, 가속력을 의미함.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 산출된 계통관성값을 아래의 수학식에 대입하여, 발전기 모델 및 에너지저장장치(ESS) 모델 중 적어도 하나의 최적 피라미터를 산출하는 피라미터 계산부를 더 포함하는, On-line 전력계통 관성 모니터링 및 주파수 시뮬레이션 장치.
    [수학식]
    Figure pat00009

    여기서, H는 계통관성 정수를 의미하고, δ는 각속도를 의미하며, Pm, Pe, Pa는 각각 기계적 입력, 전기적 출력, 가속력을 의미함.
  11. 제 10 항에 있어서,
    발전기 부하값 또는 재생에너지 출력값을 변동시켜서 각속도 변화를 산출하는 주파수 변화 산출부; 및
    상기 주파수 변화 산출부를 통해 산출된 각속도 변화에 근거하여, 상기 발전기 모델 및 상기 에너지저장장치(ESS) 모델 중 적어도 하나의 시계열 분석 데이터를 출력하는 시뮬레이션부를 더 포함하는 On-line 전력계통 관성 모니터링 및 주파수 시뮬레이션 장치.
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