KR20210074663A - 계통의 관성 에너지 모니터링 방법 및 시스템 - Google Patents

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KR20210074663A
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Abstract

본 발명의 계통의 관성 에너지 모니터링 방법은, 계통의 과거 사고 사례 데이터를 분석하여 계통의 임계 관성 에너지를 결정하는 단계; 계통의 운영 중 의도적인 미약한 전력 교란을 인가하여 계통의 현재 관성 에너지를 관측하는 단계; 및 관측된 계통의 현재 관성 에너지가 임계 관성 에너지 보다 작으면, 이를 통보하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

계통의 관성 에너지 모니터링 방법 및 시스템{INERTIAL ENERGY MONITORING METHOD AND SYSTEM}
본 발명은 전력계통의 주파수 안정화를 위한 계통의 관성 에너지 모니터링 방법 및 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 전력계통은 수요량에 따라 공급량을 변화시키면서 수급 불균형을 조절하는 것이다. 수급 불균형으로 인해 전력계통 주파수의 변동을 방지하지 못할 경우 정전으로 인해 많은 사고가 야기될 수 있기 때문이다.
전력계통의 안정성은 부하변화의 예측이 가능하고 기본주파수 대비 주파수의 변화폭이 매우 작을수록 높아지는 반면, 부하변화가 예측을 벗어나고 기본주파수 대비 주파수의 변화폭이 클수록 낮아진다.
전력계통에서 가장 중요한 부분은 전력 수요에 맞추어 동일한 발전력을 공급해주는 것이다. 이때, 전력 수요와 공급의 불균형을 나타내는 지표 중 가장 일반적인 것은 주파수이며, 국내의 경우 전력계통에 구성되어 있는 동기 발전기들은 항상 60Hz의 주파수를 유지하기 위해 동기를 이루어 운영되고 있다.
관성에너지는 주로 동기 발전원에서 전력 수요와 공급의 불균형으로 발생되는 주파수의 변동을 방지하기 위해 자연적으로 공급되는 가장 빠르게 응답되는 것으로 계통의 관성에너지가 클수록 주파수 변동을 방지시킬 수 있다. 그러나 전 세계적으로 지구온난화 등 환경오염을 방지하기 위해 기존의 석탄화력 및 원자력 발전원 등 동기 발전원의 비율을 줄이고, 풍력 및 태양광 발전원과 같은 관성에너지가 매우적거나 없는 비동기 발전원의 비율이 점점 증가됨에 따라 계통의 관성에너지가 감소되어 주파수 불안정성이 증가되고 있다.
해외에서 운영중인 관성 추정 시스템의 경우, 발전기들의 관성에너지만을 고려하여 계통 관성에너지를 산정하고 운영함에 따라 모터와 같은 동기기 부하들이 제공하는 관성에너지를 고려하지 못하여 정확한 계통 관성에너지를 산정하기 어렵고, 각국의 계통 규모, 발전원 구성, 주파수 기준, 취득 운전데이터 등이 상이하기 때문에 해외의 시스템을 그대로 적용하는 것은 어렵다. 계통의 관성에너지는 하기 수학식 1과 같이 나타낼 수 있으며, 여기서,
Figure pat00001
는 발전기 관성에너지,
Figure pat00002
는 부하 관성에너지이다.
Figure pat00003
국내 전력계통 운영자인 전력거래소에서는 전력품질을 나타내는 지표인 주파수를 60Hz로 일정하게 유지하기 위하여 '전력시장운영규칙' 및 '전력계통 신뢰도 및 전기품질 유지기준' 등 규정된 기준 및 절차에 따라 계통 내에서 예측수요의 오차, 발전기 불시고장 등으로 발생할 수 있는 주파수 변동을 방지하기 위한 예비력을 확보하고 심각한 경우 부하차단 등을 운영하고 있다.
도 1은 계통 외란 시 주파수 응답 영역 및 계통관성 영향을 예시한 그래프이다.
계통 주파수를 안정하게 유지하기 위해서 1차 주파수제어 및 2차 주파수제어 주파수추종(GF) 및 자동발전제어(AGC) 등은 동작시간과 같은 지연시간으로 인하여 도시한 그래프에서와 같이 계통 외란 발생 후, 계통 주파수의 초기 주파수 변동률과 최소과도주파수(Frequency Nadir) 결정에는 관여하기 어려움을 알 수 있으며, 원자력 및 석탄화력 발전원과 같은 동기 발전원들이 회전부의 회전속도를 유지하기 위해 자연적으로 발생되는 관성에너지가 결정함을 알 수 있다. 또한, 관성에너지가 작을수록 빨간 점선 그래프와 같이 동일한 사고임에도 주파수가 더 가파르고 많이 하락됨을 알 수 있다. 따라서 동기 발전원들이 제공하는 관성에너지 관리가 매우 중요한 요소이지만 이를 위한 시스템 구축이 미비한 상황이다.
도 2는 신재생 에너지 발전원 증가에 따른 계통 주파수 영향을 보여주는 그래프이다.
관성에너지가 기존의 동기발전원보다 현저히 낮은 풍력발전기나 관성에너지가 없는 태양광 발전원으로 기존 동기 발전원들을 대체하게 된다면 도 2의 그래프와 같이 초기 주파수 변동률이 증가하여 동일한 사고에도 계통의 최소과도주파수가 훨씬 더 낮게 형성될 수 있게 된다. 그러므로 일정 주파수 이하로 하락 시, 계통 안정화를 위하여 적용되는 부하의 차단 빈도 및 차단량이 증가될 수 있다.
대한민국 등록공보 10-0863237호
본 발명은 운영 중인 전력 계통의 안정성을 높일 수 있는 계통의 관성 에너지 모니터링 방법 및 시스템을 제공하고자 한다.
구체적으로 본 발명은 전력계통의 관성에너지를 실시간 온라인으로 연산하여 고장파급을 예측하고 과거 실적 운전데이터를 기반으로 임계 관성에너지를 계산하여 신재생 발전량 및 예비력 관리를 보조하는 방안을 제시하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 계통의 관성 에너지 모니터링 방법은, 계통의 과거 사고 사례 데이터를 분석하여 계통의 임계 관성 에너지를 결정하는 단계; 계통의 운영 중 의도적인 미약한 전력 교란을 인가하여 계통의 현재 관성 에너지를 관측하는 단계; 및 관측된 계통의 현재 관성 에너지가 임계 관성 에너지 보다 작으면, 이를 통보하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 관측된 계통의 현재 관성 에너지가 임계 관성 에너지 보다 작으면 계통에 동기 발전 비율을 높이는 조치를 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 계통의 임계 관성 에너지를 결정하는 단계는, 각 사고 사례 마다 사고후 조속기 동작 지연 시간 동안 하락 또는 상승된 주파수로 결정되는 구간 기울기로 각 사고 사례에서의 최저 또는 최고 주파수 도달할 때까지의 시간을 산출하는 단계; 산출된 시간들 중 가장 긴 시간과 계통의 최저 또는 최대 허용 주파수로 기울기를 규정하는 단계; 및 상기 규정된 기울기로부터 계통의 임계 관성 에너지를 확정하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 계통의 임계 관성 에너지는, 하기 수학식에 따라 구해질 수 있다.
Figure pat00004
(여기서,
Figure pat00005
는 공칭주파수,
Figure pat00006
는 탈락한 발전력, ROCOFcritical은
계통의 임계 주파수 변동률)
여기서, 상기 계통의 현재 관성 에너지를 관측하는 단계는, 계통에 영향을 주지 않을 정도의 작은 전력 변화 외란을 가하는 단계; 상기 외란을 가한 후 계통의 주파수 변화를 관측하는 단계; 및 상기 전력 변화와 상기 주파수 변화로부터 계통의 관성 에너지를 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 계통의 현재 관성 에너지를 관측하는 단계는, 계통이 안정화될 시간대를 예상하는 단계를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 계통의 현재 관성 에너지를 관측하는 단계는, 다수 회 수행된 현재 관성 에너지 관측 결과에 대하여 평균을 구하는 단계를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 계통의 현재 관성 에너지는, 하기 수학식에 따라 구해질 수 있다.
Figure pat00007
(여기서,
Figure pat00008
는 공칭주파수,
Figure pat00009
는 외란 전력)
본 발명의 다른 측면에 따른 계통의 관성 에너지 모니터링 시스템은, 계통의 과거 사례 데이터를 획득하기 위한 데이터 수집부; 상기 과거 사고 사례 데이터를 분석하여 계통의 임계 관성 에너지를 결정하는 임계 관성 에너지 산정부; 계통의 운영 중 의도적인 미약한 전력 교란을 인가하여 계통의 현재 관성 에너지를 측정하는 계통 관성 에너지 측정부; 및 상기 측정된 계통의 현재 관성 에너지와 상기 임계 관성 에너지를 비교한 결과를 관리자에게 통보하는 관리자 인터페이스를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 측정된 계통의 현재 관성 에너지와 상기 임계 관성 에너지를 비교한 결과로부터 계통의 발전 비율을 조정하는 조치를 수행하는 발전 비율 조정부를 더 포함할 수 있다.
상술한 구성에 따른 본 발명의 계통의 관성 에너지 모니터링 방법 및 시스템을 실시하면, 전력 계통의 안정성을 높이고, 계통 운영에 중요한 필수 정보를 제공할 수 있는 이점이 있다.
본 발명의 계통의 관성 에너지 모니터링 방법 및 시스템은, 고장파급을 예측하고 계통 임계 관성에너지를 계산하여 신재생 발전량 및 예비력 관리를 보조하는 이점이 있다.
본 발명의 계통의 관성 에너지 모니터링 방법 및 시스템은, 최대 전력 탈락의 경우 주파수 변동율과 최소과도 주파수를 예측하여 신재생 에너지의 최대 접속용량을 산출하여 접속제한을 시행하는 등 부하차단을 예방할 수 있는 이점이 있다.
본 발명의 계통의 관성 에너지 모니터링 방법 및 시스템은, 전력계통 운영 규정 개선을 위한 분석 인프라 구축을 지원할 수 있는 이점이 있다.
본 발명의 계통의 관성 에너지 모니터링 방법 및 시스템은, 임계 관성에너지를 감시하고 관리함으로써 전력계통의 안정성을 유지하여 과도한 신재생 에너지 수용증대로 인하여 발생할 수 있는 부하차단 문제 등을 방지하여 물적 피해를 사전에 예방하는 이점이 있다.
도 1은 계통 외란 시 주파수 응답 영역 및 계통관성 영향을 예시한 그래프.
도 2는 신재생 에너지 발전원 증가에 따른 계통 주파수 영향을 보여주는 그래프.
도 3은 주파수 변동률(ROCOF)와 주파수의 최저점(Nadir)의 개념 등 본 발명의 사상에 관련된 개념들을 규정하고, 본 발명의 구현 원리를 나타내는 개념도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 계통의 관성 에너지 모니터링 방법을 도시한 흐름도.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 계통의 관성 에너지 모니터링 방법을 도시한 흐름도.
도 6은 계통의 임계 관성 에너지 산정 과정을 중심으로, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 계통의 관성 에너지 모니터링 방법을 도시한 흐름도.
도 7은 각 사고 케이스(Case) 별로 주파수 변동률을 산정하는 원리를 나타낸 그래프.
도 8은 계통 운영 중에 실시간 계통 관성 에너지 관측 방법을 설명하기 위한 개념도.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 계통의 관성 에너지 모니터링 시스템을 도시한 블록도.
도 10은 사고 사례를 이용하여 계통 전체의 관성 에너지와 부하측 관성 에너지를 구분하여 연산하기 위한 블록들을 도시한 블록도.
본 발명을 설명함에 있어서 제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되지 않을 수 있다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 연결되어 있다거나 접속되어 있다고 언급되는 경우는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해될 수 있다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.
본 명세서에서, 포함하다 또는 구비하다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것으로서, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해될 수 있다.
또한, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
종래에는 주파수를 감시하여 수급 불균형으로 저하된 주파수를 60Hz로 회복시키기 위하여 1차 주파수제어, 2차 주파수제어 및 부하차단 등을 시행하고 있다. 그러나 신재생발전원이 증가하여 기존의 동기발전원을 대체함에 따라 발생되는 계통의 관성에너지 감소로 야기될 수 있는 계통 불안성 증대를 방지하기 위한 시스템은 미비하다. 이에 비하여 본 발명은 다음과 같은 특징적인 방안들을 제시한다.
먼저, 과거 과도상태 시 운전실적 데이터를 기반으로 계통의 임계 관성에너지를 산정한다.
또한, 정상상태 시에는 계통에 매우 작은 외란을 주어 도출되는 주파수 변동값을 기반으로 계통의 관성에너지를 실시간으로 산정하고 도출된 관성에너지와 임계 관성에너지를 비교하여 항상 임계 관성에너지보다 많은 관성에너지를 확보하도록 신재생발전원의 수용을 제한하여 계통의 안정성을 확보한다.
향후, 대용량 발전기가 탈락한 과도상태 시에는 발전기 탈락량, 주파수 변동율, 최저주파수 등을 기반으로 계통의 임계 관성에너지를 산정하여 기존의 임계 관성에너지 산정 값에 적용하여 미래 계통의 지속적인 변화에 따른 영향이 고려된 그 시점에서 가장 적합한 임계 관성에너지를 결정할 수 있다.
도 3은 주파수 변동률(ROCOF)와 주파수의 최저점(Nadir)의 개념 등 본 발명의 사상에 관련된 개념들을 규정하고, 본 발명의 구현 원리를 나타내는 개념도이다.
기존에는 단순하게 전력계통의 주파수만을 감시하고 분석하여 부하차단이나 주파수 조정용 ESS 및 주파수 제어에 활용하고 신재생 연계기준 등 수요예측과 수급 관리에 활용하였다. 본 발명에서는 도 3에 나타낸 바와 같이 기존의 시스템에 추가적으로 관성 에너지를 측정하고, 관성 에너지를 고려하여 계통의 주파수 제어를 수행하고, 주파수변동율과 최저주파수를 분석하여 신재생 발전의 관리 등에 활용할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 계통의 관성 에너지 모니터링 방법을 도시한 흐름도이다.
도시한 계통의 관성 에너지 모니터링 방법은, 계통의 과거 사고 사례 데이터를 분석하여(S100) 계통의 임계 관성 에너지를 결정하는 단계(S200); 계통의 운영 중 의도적인 미약한 전력 교란을 인가하여 계통의 현재 관성 에너지를 관측하는 단계(S400); 및 관측된 계통의 현재 관성 에너지가 임계 관성 에너지 보다 작으면(S600), 이를 통보하는 단계(S800)를 포함할 수 있다.
본 발명에서는 계통의 임계 관성 에너지를 계산함에 있어 계통의 과거 사고 사례를 이용한다. 여기서, 사고는 정전과 같은 대형 사고가 아니라, 계통의 전력에 뚜렷한 교란이 발생하고 조속기 등의 안정화 설비에 의하거나, 배전 경로 변경 등의 조치로 바로 안정화된 사례들이 유용하다.
상기 과거 사고 사례 데이터는, 상기 관성 에너지 모니터링 방법을 수행하는 시스템에 저장될 수도 있지만, SCADA 등 다른 상위 시스템이 관리하는 DB에서 획득하는 것이 시스템 구축이 보다 간이하다. 후자의 경우 도시한 바와 같이 S100 단계는 SCADA나 계통 전력 관리 서버 등 다른 상위 시스템이 관리하는 DB로부터 과거 사고 사례 데이터를 수집하는 방식으로 수행될 수 있다.
여기서, 관성 에너지는 계통 전력의 주파수를 일정하게 유지하는 힘(관성력)에 의한 포텐셜로서, 발전기 회전자의 기계적인 토크 관성과 유사한 관성력의 수준을 의미하며, 회전 관성력 포텐셜 에너지와 유사할 수 있다.
상기 S200 단계 및 S400 단계의 구체적인 내용은 후술하겠다.
계통의 임계 관성 에너지는, 계통이 가진 관성 에너지가 이보다 낮을 경우, 향후 발생될 것으로 예상되는 사고에서 계통의 주파수가 최저 허용치 미만으로 떨어지게 되는 관성 에너지를 의미한다.
상기 S600 단계에서는 계통의 현재 관성 에너지가 임계 관성 에너지 보다 낮은지 여부를 확인하며, 현재 관성 에너지가 낮은 경우, 이를 계통 관리자나 상위 서버에 통보하고, 필요한 조치를 수행한다(S800). 상기 S600 단계에서 계통의 현재 관성 에너지가 정상이라면, 다시 계통의 관성 에너지를 모니터링하는 과정으로 복귀하는데, 도면에서는 S100 단계로 복귀하였지만, 다른 구현에서는 S200 단계나 S400 단계로 복귀할 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 계통의 관성 에너지 모니터링 방법을 도시한 흐름도이다. 도시한 관성 에너지 모니터링 방법은 도 4의 경우와 비교하여, 계통의 사고 발생시의 처리 흐름이 추가되어 있으며, 계통의 관성 에너지가 부족할 때의 적극적 조치 사항이 추가된 것 외에는 도 4의 경우와 거의 동일하다. 도 4의 경우와 마찬가지로, 도시한 S601 단계, S680 단계에 의한 복귀는, 도 5에서는 S400 단계가 되었지만, 다른 구현에서는 S100 단계 또는 S200 단계가 될 수 있다. 도 5의 구성에 있어 도 4와 중복되는 설명은 생략하겠다.
계통의 사고 발생시의 처리 과정으로서 도시한 S501 단계에서는 계통에서 사고가 발생하였는지를 판단한다. 상기 관성 에너지 모니터링 시스템 자체적으로 사고 여부를 판단할 수도 있지만, 전용 계통 전력 관리 서버로부터 사고 신호를 수신하는 방식으로 수행됨이 일반적이다. 마찬가지로 계통에서 발생된 사고에 대한 처리 및 그 결과를 기록하는 단계(S550)도, 전용 계통 전력 관리 서버로부터 사고 신호를 수신하는 방식으로 수행됨이 일반적이다.
상기 S501 단계 및 S550 단계는 전용 계통 전력 관리 서버에서 수행되는 당연한 내용이지만, S100 단계에서 수집되는 과거 사고 사례를 구성하므로, 이를 나타내기 위해 도 5의 흐름도에 반영한 것이다.
도시한 흐름도에서는, 계통의 관성 에너지가 부족할 때의 적극적 조치 사항으로서, 관측된 계통의 현재 관성 에너지가 임계 관성 에너지 보다 작으면 계통에 동기 발전 비율을 높이는 단계(S680)를 수행한다.
상기 S680 단계는 상기 관성 에너지 모니터링 시스템 자체적으로 수행할 수도 있지만, 전용 계통 전력 관리 서버에 동기 발전 비율을 높일 것을 알람하는 방식으로 수행될 수 있다.
다음, 상기 계통의 임계 관성 에너지를 결정하는 과정을 설명하겠다.
도 4 및 도 5에 도시한 상기 계통의 임계 관성 에너지를 결정하는 단계(S200)는, 각 사고 사례 마다 사고후 조속기 동작 지연 시간 동안 하락 또는 상승된 주파수로 결정되는 구간 기울기로 각 사고 사례에서의 최저 또는 최고 주파수 도달할 때까지의 시간(주어진 순수 계통 관성에 의한 안정화 시간으로 볼 수 있다)을 산출하는 단계; 산출된 시간들 중 가장 긴 시간과 계통의 최저 또는 최대 허용 주파수로 기울기를 규정하는 단계; 및 상기 규정된 기울기로부터 계통의 임계 관성 에너지를 확정하는 단계를 포함할 수 있다. 이하, 각 단계들을 구체적인 예로서 기술하겠다.
도 6은 계통의 임계 관성 에너지 산정 과정을 중심으로, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 계통의 관성 에너지 모니터링 방법을 도시한 흐름도이다.
도 7은 각 사고 케이스(Case) 별로 주파수 변동률을 산정하는 원리를 나타낸 그래프이다.
임계 관성에너지는 국내 계통에 적합한 값을 도출하기 위해 과거 과도상태 시 전력거래소의 EMS 또는 한전의 SCADA 정보를 취득한 운전데이터를 이용한다(S102).
그러나, 해당 주파수 데이터 결과에는 발전기들의 조속기 응답이 함께 포함되어 있기 때문에 조속기응답의 영향을 제외한 순수한 관성에너지를 도출시키기 위하여 각 Case 별 사고 직후 1초간의 주파수변동률을 하기 수학식 2과 같이 산정한다.
여기서, 1초는 도 1에 도시한 바와 같이 일반적인 계통에서 사고 발생시 조속기가 가동(도 1의 B구간)되기 전까지의 시간으로서 할당한 것이다.
Figure pat00010
상기 수학식 2에 따라 도출된 주파수변동률로 주파수가 하락하여, 도 7에 도시한 바와 같이, 해당 사고 케이스(Case)의 최소과도주파수 값과 동일해지는 시간을 하기 수학식 3과 같이 산정한다(S220).
Figure pat00011
각 Case별로 산정된 시간 중 가장 보수적으로 최대시간을 도출하고 이를 이용하여 해당시간 동안 부하차단 주파수까지 하락될 수 있는 주파수변동률을 산정하여 이를 하기 수학식 3과 같은 해당 계통의 임계 주파수 변동률로 정의한다(S240).
Figure pat00012
상기 수학식에 따라 임계 관성에너지는 하기 수학식 5로 정의되는 동요방정식을 이용하여 산정한다(S260).
Figure pat00013
여기서,
Figure pat00014
는 계통 관성정수,
Figure pat00015
는 운전 중인 모든 발전기의 출력,
Figure pat00016
는 계통 관성에너지,
Figure pat00017
는 공칭주파수,
Figure pat00018
는 탈락한 발전력을 나타내며 일반적으로 전력계통의 검토조건인 현재의 최대용량단위 발전기 1대의 정격용량으로 정의한다.
즉, 임계 관성에너지는 하기 수학식 6식으로 산정할 수 있으며 이는 계통의 관성에너지가 항상 임계 관성에너지보다 커야 최대용량단위 발전기 1대가 탈락되어도 부하차단 주파수까지 하락되지 않음을 의미한다.
Figure pat00019
다음, 상기 계통의 현재 관성 에너지를 관측하는 방안을 설명하겠다. 도 8은 계통 운영 중에 실시간 계통 관성 에너지 관측 방법을 설명하기 위한 개념도이다.
도 4 내지 도 6에 도시한 상기 계통의 현재 관성 에너지를 관측하는 단계(S400)는, 계통에 영향을 주지 않을 정도의 작은 전력 변화 외란을 가하는 단계; 상기 외란을 가한 후 계통의 주파수 변화를 관측하는 단계; 및 상기 전력 변화와 상기 주파수 변화로부터 계통의 관성 에너지를 산출하는 단계를 포함한다.
도 8에 도시한 바와 같이, 계통 전력이 균일한 정상상태 시, 실시간으로 전력계통의 관성에너지를 산정하기 위하여 해당 계통에 영향을 거의 주지 않을 정도로 외란
Figure pat00020
를 가한 후, 이를 기반으로 도출되는
Figure pat00021
와 그 시점에서의 주파수 데이터를 이용하여 하기 수학식 7과 같이 산정할 수 있다.
Figure pat00022
한편, 구현에 따라, 상기 계통의 현재 관성 에너지를 관측하는 단계(S400)는, 상기 계통 전력이 균일한 정상상태에서의 관성 에너지 관측 수행되는 것을 보다 확실하게 하기 위해, 계통이 안정화될 시간대를 예상하는 단계를 먼저 수행할 수 있다.
상기 계통이 안정화될 시간대를 예상하는 단계는, 상당 기간 누적된 계통의 운전 상황에 대한 데이터를 이용하여, 미래 시간대에 대한 계통 전력 패턴을 도출하고, 도출된 패턴에서 안정화 구간을 찾는 방식으로 수행될 수 있다.
한편, 아무리 장기간 누적 운전 데이터를 이용하여도, 미래 상황 예측은 오차가 존재할 수 있는 바, 상술한 현재 관성 에너지 관측 과정을 1회만 수행하기 보다는, 다수회 수행하여 그 평균을 적용하는 것이 바람직하다. 이러한 관점을 반영한 구현에서, 상기 계통의 현재 관성 에너지를 관측하는 단계(S400)는, 다수 회 수행된 현재 관성 에너지 관측 결과에 대하여 평균을 구하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이와 같은 방법으로 관성에너지를 산정하게 되면 계통의 부하가 제공하는 관성에너지도 동시에 고려할 수 있기 때문에 단순히 발전기의 관성에너지만을 고려하는 방법보다 훨씬 정확한 관성에너지를 실시간으로 산정할 수 있다.
따라서 상기 S200 단계(또는 도 6의 S220 내지 S260 단계)에서 산정한 임계 관성에너지와 실시간으로 산정되는 관성에너지를 비교하여 현재 계통의 안정정도를 파악하여 관리할 수 있다.
과도상태 시의 계통 관성에너지의 산정은 대용량 발전기가 탈락한 경우의 운전데이터[전력불균형(
Figure pat00023
), 초기 ROCOF 등]를 취득한 후 임계 관성에너지 산정 시와 마찬가지로 동요방정식을 활용하여 산정하고, 이를 계속 누적하여 계통의 지속적인 변화를 고려한 임계 관성에너지를 산정하는데 이용한다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 계통의 관성 에너지 모니터링 시스템을 도시한 블록도이다.
도시한 계통의 관성 에너지 모니터링 시스템은, 계통의 과거 사례 데이터를 획득하기 위한 데이터 수집부(100); 상기 과거 사고 사례 데이터를 분석하여 계통의 임계 관성 에너지를 결정하는 임계 관성 에너지 산정부(200); 계통의 운영 중 의도적인 미약한 전력 교란을 인가하여 계통의 현재 관성 에너지를 측정하는 계통 관성 에너지 측정부(300); 및 상기 측정된 계통의 현재 관성 에너지와 상기 임계 관성 에너지를 비교한 결과를 관리자에게 통보하는 관리자 인터페이스(700)를 포함할 수 있다.
구현에 따라, 상기 측정된 계통의 현재 관성 에너지와 상기 임계 관성 에너지를 비교한 결과로부터 계통의 발전 비율을 조정하는 조치를 수행하는 발전 비율 조정부(800)를 더 포함할 수 있다.
상기 데이터 수집부(100)는 계통의 임계 관성 에너지를 계산함에 있어 필요한 계통의 과거 사고 사례를 획득하기 위한 것이다. 상기 과거 사고 사례 데이터는 상기 관성 에너지 모니터링 시스템 내의 저장부에 저장될 수도 있지만, SCADA나 계통 전력 관리 서버 등 다른 상위 시스템이 관리하는 DB에서 획득하는 것이 시스템 구축이 보다 간이하다. 후자의 경우 상기 데이터 수집부(100)는 SCADA나 계통 전력 관리 서버 등 다른 상위 시스템이 관리하는 DB로부터 과거 사고 사례 데이터를 수집하는 방식으로 수행될 수 있다.
상기 임계 관성 에너지 산정부(200)는, 도 4 내지 도 6에 도시한 S200 단계(또는 S220 내지 S260 단계)를 수행할 수 있다. 즉, 상기 수학식 2 내지 수학식 6에 대한 알고리즘을 수행하는 모듈일 수 있다.
상기 계통 관성 에너지 측정부(300)는, 계통에 의도적인 미약한 전력 교란을 인가하기 위한 외란 인가부와, 상기 인가된 전력 교란에 따른 계통 전력 주파수 변화를 관측하는 주파수 관측부와, 관측된 주파수 변화량으로부터 계통의 관성 에너지를 산출하는 관성 에너지 산출부를 포함할 수 있다.
상기 외란 인가부는 계통에 전력 변화
Figure pat00024
를 가할 수 있는 장치로 구현될 수 있다. 일반적으로 계통에서의 사고는 감소되는 전력 변화
Figure pat00025
의 형태로 발생되는 바, 상기 외란 인가부는 계통 전력을 소모 또는 흡수할 수 있는 수단을 구비할 수 있다. 예컨대, 매우 높은 저항을 가지는 대용량 저항 소자를 구비하거나, 순간적으로 전력을 흡수하는 슈퍼 커패시터 모듈을 구비할 수 있다.
상기 주파수 관측부는, 계통 전력의 주파수 변화
Figure pat00026
를 검출하는 별도의 센서로 구현되거나, 계통 전력을 모니터링하는 다른 수단들로부터의 주파수 관측 신호를 입력받는 입력부로 구현될 수 있다.
상기 관성 에너지 산출부는, 도 4 내지 도 6에 도시한 S400 단계를 수행할 수 있다. 즉, 상기 수학식 7에 대한 알고리즘을 수행하는 모듈일 수 있다.
상기 관리자 인터페이스(700)는 상기 측정된 계통의 현재 관성 에너지와 상기 임계 관성 에너지를 비교하여, 계통의 관성 에너지에 대한 모니터링 역할도 수행한다고 볼 수 있으므로, 도면에서는 인터페이스/모니터링 수단으로 표현하였다.
상기 발전 비율 조정부(800)는, 직접 높이는 계통에 동기 발전 전원을 접속하는 수단일 수도 있으나, 별도의 계통 전력 관리 서버에 동기 발전 비율을 높일 것을 요청하는 수단으로 구현하는 것이 간이하다.
여기서, 상기 동기 발전 비율을 높이기 위해 계통에 추가되는 전원은, 동기 발전에 원동기 발전기 전원 뿐만 아니라, 계통 주파수로 운전 또는 매우 빠른 속도로 주파수 추종 운전하는 ESS에 의한 전원도 포함될 수 있다.
상기 발전 비율 조정부(800)는 계통의 현재 관성 에너지가 상기 임계 관성 에너지 보다 떨어졌을 때의 대응 조치를 취하는 조치부로 볼 수 있다.
구현에 따라, 상기 조치부는 계통의 현재 관성 에너지가 떨어진 이후 뿐만 아니라, 떨어질 것으로 예상되는 경우에 미리 선제적 조치를 취할 수 있다.
예컨대, 상기 조치부는, 현재 운전 중인 상태에서 전체 관성에너지를 계산한 결과, 임계 관성에너지와 비교하여 계통의 관성이 부족하여 대용량 발전기 탈락 시 주파수가 미리 정해진 일정치(예:59.0Hz) 이하로 저하할 것이 예측되는 경우에는, 신재생 출력의 제한, 정지 중인 동기 발전기의 추가 기동 및 부하차단의 진입 가능성 등에 대한 경보신호를 발생할 수 있다. 또한, 추가 관성의 확보를 위하여 정지 중인 동기발전기를 기동하고, 회전부가 없는 신재생 발전기의 출력을 감발하는 등 발전계획을 수립할 수 있다. 이 경우, 상기 인터페이스/모니터링 수단은, 계통의 현재 관성 에너지를 기준 관성 에너지(Ecritical)(임계 관성 에너지 보다는 높은 값임)와 하기 수학식 8과 같이 비교할 수 있다.
Figure pat00027
다른 구현에서, 본 발명의 사상에 따라 구해지는 계통의 관성 에너지는, 전력계통의 전력품질 유지를 위해 예비력 확보 시 대용량 발전기 탈락에도 계통 안정도를 유지하기 위한 예비력 확보량 산정요소 중 하나의 지표로 사용될 수 있다.
다른 구현에서, 계통의 관성 에너지와 별도로 발전기들을 제외한 부하의 관성 에너지가 이용될 수도 있다.
도 10은 사고 사례를 이용하여 계통 전체의 관성 에너지와 부하측 관성 에너지를 구분하여 연산하기 위한 블록들을 도시한 블록도이다. 도시한 블록도의 블록들은 계통 사고 데이터 수집 블록(100)을 제외하고는, 도 9의 임계 관성 에너지 산정부(200)의 내부 블록들일 수 있다.
도시한 바와 같이, 블록(202) 및 블록(203)에 의해 과거 사고 사례에서 수집된 정보들은 초기 ROCOF를 구하고, 발전기 관성을 구하는데 필요한
Figure pat00028
/
Figure pat00029
를 구하는데 이용될 수 있다.
2단계 관성 정량화에 의해 전체 관성 Esys는, 블록(202), 블록(201) 및 블록(203)에서 획득된 초기 ROCOF,
Figure pat00030
,
Figure pat00031
를 이용하여, 블록(231)에서 상술한 수학식들에 의해 구해질 수 있다.
도시한 바와 같이, 블록(222), 블록(223) 및 블록(244)를 구비하여, 비록 비중이 낮지만 풍력 발전기 등 신재생 발전원들에 의한 관성도 고려할 수 있다.
도시한 블록들(221, 242, 244)에 의해 구해진 신재생 발전원들을 포함한 전체 발전기 관성 Eg을, 블록(246)에서 상기 계통 전체 관성 Esys에서 차감하여 부하측 관성을 구할 수 있다.
본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있으므로, 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100 : 데이터 수집부
200 : 임계 관성 에너지 산정부
300 : 계통 관성 에너지 측정부
700 : 관리자 인터페이스
800 : 발전 비율 조정부

Claims (10)

  1. 계통의 과거 사고 사례 데이터를 분석하여 계통의 임계 관성 에너지를 결정하는 단계;
    계통의 운영 중 의도적인 미약한 전력 교란을 인가하여 계통의 현재 관성 에너지를 관측하는 단계; 및
    관측된 계통의 현재 관성 에너지가 임계 관성 에너지 보다 작으면, 이를 통보하는 단계
    를 포함하는 계통의 관성 에너지 모니터링 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    관측된 계통의 현재 관성 에너지가 임계 관성 에너지 보다 작으면 계통에 동기 발전 비율을 높이는 조치를 수행하는 단계
    를 더 포함하는 계통의 관성 에너지 모니터링 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 계통의 임계 관성 에너지를 결정하는 단계는,
    각 사고 사례 마다 사고후 조속기 동작 지연 시간 동안 하락 또는 상승된 주파수로 결정되는 구간 기울기로 각 사고 사례에서의 최저 또는 최고 주파수 도달할 때까지의 시간을 산출하는 단계;
    산출된 시간들 중 가장 긴 시간과 계통의 최저 또는 최대 허용 주파수로 기울기를 규정하는 단계; 및
    상기 규정된 기울기로부터 계통의 임계 관성 에너지를 확정하는 단계
    를 포함하는 계통의 관성 에너지 모니터링 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 계통의 임계 관성 에너지는,
    하기 수학식에 따라 구해지는 계통의 관성 에너지 모니터링 방법.
    Figure pat00032

    (여기서,
    Figure pat00033
    는 공칭주파수,
    Figure pat00034
    는 탈락한 발전력, ROCOFcritical은
    계통의 임계 주파수 변동률)
  5. 제1항에 있어서,
    상기 계통의 현재 관성 에너지를 관측하는 단계는,
    계통에 영향을 주지 않을 정도의 작은 전력 변화 외란을 가하는 단계;
    상기 외란을 가한 후 계통의 주파수 변화를 관측하는 단계; 및
    상기 전력 변화와 상기 주파수 변화로부터 계통의 관성 에너지를 산출하는 단계
    를 포함하는 관성 에너지 모니터링 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 계통의 현재 관성 에너지를 관측하는 단계는,
    계통이 안정화될 시간대를 예상하는 단계
    를 더 포함하는 관성 에너지 모니터링 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 계통의 현재 관성 에너지를 관측하는 단계는,
    다수 회 수행된 현재 관성 에너지 관측 결과에 대하여 평균을 구하는 단계
    를 더 포함하는 관성 에너지 모니터링 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 계통의 현재 관성 에너지는,
    하기 수학식에 따라 구해지는 계통의 관성 에너지 모니터링 방법.
    Figure pat00035

    (여기서,
    Figure pat00036
    는 공칭주파수,
    Figure pat00037
    는 외란 전력)
  9. 계통의 과거 사례 데이터를 획득하기 위한 데이터 수집부;
    상기 과거 사고 사례 데이터를 분석하여 계통의 임계 관성 에너지를 결정하는 임계 관성 에너지 산정부;
    계통의 운영 중 의도적인 미약한 전력 교란을 인가하여 계통의 현재 관성 에너지를 측정하는 계통 관성 에너지 측정부; 및
    상기 측정된 계통의 현재 관성 에너지와 상기 임계 관성 에너지를 비교한 결과를 관리자에게 통보하는 관리자 인터페이스
    를 포함하는 계통의 관성 에너지 모니터링 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 측정된 계통의 현재 관성 에너지와 상기 임계 관성 에너지를 비교한 결과로부터 계통의 발전 비율을 조정하는 조치를 수행하는 발전 비율 조정부
    를 더 포함하는 계통의 관성 에너지 모니터링 시스템.





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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112909921A (zh) * 2021-01-15 2021-06-04 云南电网有限责任公司电力科学研究院 一种电力系统惯性中心频率的动态预测方法
CN114725939A (zh) * 2022-05-31 2022-07-08 中国电力科学研究院有限公司 一种确定电网系统可承受的最大扰动功率的方法及系统
KR20230069462A (ko) 2021-11-12 2023-05-19 한국전력공사 독립계통에서의 효율적인 가상관성 적용 제어 장치 및 방법

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001103669A (ja) * 1999-07-28 2001-04-13 Kansai Electric Power Co Inc:The 電力系統の周波数安定化装置
KR100863237B1 (ko) 2007-01-22 2008-10-15 성균관대학교산학협력단 분산전원을 고려한 적응형 재폐로 시스템 및 그 방법
KR20110111299A (ko) * 2009-01-30 2011-10-10 지멘스 악티엔게젤샤프트 발전 시스템을 위한 전력 주파수 관성
JP2015053847A (ja) * 2013-08-06 2015-03-19 一般財団法人電力中央研究所 縮約モデル決定装置、縮約モデル決定方法及び縮約モデル決定プログラム
JP2017118722A (ja) * 2015-12-25 2017-06-29 株式会社日立製作所 電力供給システム、電力供給システム用の制御装置およびプログラム

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001103669A (ja) * 1999-07-28 2001-04-13 Kansai Electric Power Co Inc:The 電力系統の周波数安定化装置
KR100863237B1 (ko) 2007-01-22 2008-10-15 성균관대학교산학협력단 분산전원을 고려한 적응형 재폐로 시스템 및 그 방법
KR20110111299A (ko) * 2009-01-30 2011-10-10 지멘스 악티엔게젤샤프트 발전 시스템을 위한 전력 주파수 관성
JP2015053847A (ja) * 2013-08-06 2015-03-19 一般財団法人電力中央研究所 縮約モデル決定装置、縮約モデル決定方法及び縮約モデル決定プログラム
JP2017118722A (ja) * 2015-12-25 2017-06-29 株式会社日立製作所 電力供給システム、電力供給システム用の制御装置およびプログラム

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112909921A (zh) * 2021-01-15 2021-06-04 云南电网有限责任公司电力科学研究院 一种电力系统惯性中心频率的动态预测方法
KR20230069462A (ko) 2021-11-12 2023-05-19 한국전력공사 독립계통에서의 효율적인 가상관성 적용 제어 장치 및 방법
CN114725939A (zh) * 2022-05-31 2022-07-08 中国电力科学研究院有限公司 一种确定电网系统可承受的最大扰动功率的方法及系统

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