KR20210149461A - 전원 절체 제어기를 포함하는 전력 시스템 및 그의 구동 방법 - Google Patents

전원 절체 제어기를 포함하는 전력 시스템 및 그의 구동 방법 Download PDF

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KR20210149461A
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Abstract

본 발명의 기술적 사상에 따른 예시적인 실시예들에 따르면, 전력 시스템이 제공된다. 상기 시스템은, 삼상의 제1 전원; 상기 제1 전원에 연결된 모터 버스; 상기 모터 버스에 연결된 복수의 부하들; 예비 전원인 삼상의 제2 전원; 상기 제2 전원과 상기 모터 버스를 연결시키거나 차단시키는 절체 장치; 및 상기 절체 장치를 제어하고, 상기 모터 버스의 전원을 클라크 변환한 제1 클라크 전원 및 상기 제2 전원을 클라크 변환한 제2 클라크 전원을 산출하도록 구성된 전원 절체 제어기를 포함하되, 상기 제1 전원에 이상이 발생한 경우, 상기 전원 절체 제어기는 상기 제1 클라크 전원의 크기 및 위상 및 상기 제2 클라크 전원의 크기 및 위상에 기초하여, 절체 장치를 단락시켜 상기 제2 전원과 모터 버스를 연결시키는 전원 절체를 수행한다.

Description

전원 절체 제어기를 포함하는 전력 시스템 및 그의 구동 방법{Power system including power switching controller and method of operating the same}
본 개시의 기술적 사상은 전원 절체 제어기 및 이를 포함하는 전력 시스템에 관한 것이다.
전원의 절체란 전기 설비에 공급되는 전원 소스를 변경하는 것으로서, 예를 들어 주 전원으로부터 전원을 공급받다가 주 전원이 상실되면, 예비 전원을 공급받도록 전원 공급원을 절환하는 것을 말한다.
이때의 예비전원으로는 송전선로를 별개로 구성하여 상시 대기하고 있는 예비전원을 사용하는 방식 또는 별도의 발전설비를 가동하는 방식이 있다. 이러한 전원절체 시스템은 주 전원선과 연결된 주전원 공급단자와, 예비전원선과 연결된 예비전원 공급단자, 평상시에는 주 전원과 연결되며 상기 주 전원이 상실될 경우 예비전원 공급단자와 연결되어 부하측으로 예비전원을 공급하는 스위칭 수단을 포함한다.
이와 같이 구성되는 전원절체 시스템은 주 전원이 상실될 경우 상기 스위칭 수단을 제어하여 예비 전원이 부하측으로 공급되도록 자동 절체를 수행한다. 상기 부하가 일반 조명과 같은 순 저항성 부하일 경우에는 주 전원에서 예비 전원으로 별다른 제약없이 절체하여 지속적으로 구동될 수 있다. 모터와 같은 유도성 부하의 경우 주 전원이 상실되는 순간 모터의 관성 회전과 잔류자기에 의해 일정 시간 동안 잔류 전압이 유지된다. 상기와 같은 잔류 전압은 전원 절체에 있어서 제약 조건으로 작용한다.
본 발명의 기술적 사상이 해결하고자 하는 과제는, 신뢰성이 제고된 전원 절체 장치 및 이를 포함하는 전력 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 기술적 사상이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 예시적인 실시예들에 따르면, 전력 시스템이 제공된다. 상기 시스템은, 삼상의 제1 전원; 상기 제1 전원에 연결된 모터 버스; 상기 모터 버스에 연결된 복수의 부하들; 예비 전원인 삼상의 제2 전원; 상기 제2 전원과 상기 모터 버스를 연결시키거나 차단시키는 절체 장치; 및 상기 절체 장치를 제어하고, 상기 모터 버스의 전원을 클라크 변환한 제1 클라크 전원 및 상기 제2 전원을 클라크 변환한 제2 클라크 전원을 산출하도록 구성된 전원 절체 제어기를 포함하되, 상기 제1 전원에 이상이 발생한 경우, 상기 전원 절체 제어기는 상기 제1 클라크 전원의 크기 및 위상 및 상기 제2 클라크 전원의 크기 및 위상에 기초하여, 절체 장치를 단락시켜 상기 제2 전원과 모터 버스를 연결시키는 전원 절체를 수행한다.
상기 전원 절체 제어기는 이상이 발생한 이후 상기 제1 클라크 전원의 크기와 정상 상태의 상기 제1 클라크 전원의 크기를 비교하여 상기 전원 절체를 수행한다.
상기 전원 절체 제어기는 이상이 발생한 이후, 상기 제2 클라크 전원의 크기의 측정치와 정상 상태에서의 값의 비를 상기 제2 클라크 전원의 주파수의 측정치와 정상 상태에서의 값의 비로 나눈 값을 설정된 임계치와 비교하여, 상기 임계치보다 큰 경우 제2 전원이 정상적으로 작동하는 것으로 결정한다.
상기 전원 절체 제어기는 상기 제1 클라크 전원과 상기 제2 클라크 전원 사이의 위상차에 기초하여 상기 전원 절체를 수행한다.
상기 전원 절체 제어기는 상기 제1 클라크 전원과 상기 제2 클라크 전원 사이의 위상차의 절댓값이 설정된 수치 이하일 때 상기 전원 절체를 수행하는 것을 특징으로 한다.
상기 전원 절체 제어기는 상기 제1 클라크 전원의 크기가 정상 상태의 상기 제1 클라크 전원의 크기의 0.6배 내지 0.9배의 범위에 있고, 상기 제1 클라크 전원과 상기 제2 클라크 전원 사이의 위상차의 절댓값이 11.48˚ 이하일 때 상기 전원 절체를 수행한다.
상기 전원 절체 제어기는 상기 제1 클라크 전원의 크기가 정상 상태의 상기 제1 클라크 전원의 크기의 0.6배 내지 0.9배의 범위에 있고, 상기 제1 클라크 전원과 상기 제2 클라크 전원 사이의 위상차의 절댓값이 10˚ 이하일 때 상기 전원 절체를 수행한다.
이상이 발생한 시점의 상기 제1 클라크 전원의 위상이 0˚ 내지 180˚의 범위에 있을 때, 상기 전원 절체는 고속 절체이다.
이상이 발생한 시점의 상기 제1 클라크 전원의 위상이 180˚ 내지 360˚의 범위에 있을 때, 상기 전원 절체는 위상 절체이다.
다른 예시적인 실시예들에 따르면, 전력 시스템 구동 방법이 제공된다. 상기 방법은, 부하들을 구동하는 제1 전원의 출력의 이상을 결정하는 단계; 상기 부하들 및 상기 제1 전원 중 상기 제1 전원의 출력의 이상을 유발하는 원인의 위치를 파악하는 단계; 상기 제1 전원이 문제인 경우, 제2 전원이 건전상인지 확인하는 단계; 및 상기 제2 전원이 건전상인 경우, 상기 제1 전원이 클라크 변환된 제1 클라크 전원 및 상기 제2 전원이 클라크 변환된 제2 클라크 전원에 기초하여 상기 부하들에 공급되는 제1 전원을 상기 제2 전원으로 대체하는 전원 절체 단계를 포함하되, 상기 전원 절체 단계는, 상기 제1 클라크 전원의 크기의 0.6배 내지 0.9배의 범위에 있고, 상기 제1 클라크 전원과 상기 제2 클라크 전원 사이의 위상차의 절댓값이 10˚ 이하일 때 수행된다.
본 발명의 기술적 사상에 따르면, 최적의 절체 조건에서 전원 절체를 수행하는 전원 절체 장치를 제공할 수 있다. 이에 따라 전력 시스템의 구동의 연속성 및 신뢰성을 제고할 수 있다.
도 1은 본 개시의 예시적인 실시예들에 따른 전력 시스템을 설명하기 위한 블록도이다.
도 2a는 예시적인 실시예들에 따른 발전 시스템을 설명하기 위한 블록도이다.
도 2b는 예시적인 실시예들에 따른 발전 시스템을 설명하기 위한 회로도이다.
도 3a는 예시적인 실시예들에 따른 산업 시스템을 설명하기 블록도이다.
도 3b는 예시적인 실시예들에 따른 산업 시스템을 설명하기 회로도이다.
도 4a는 예시적인 실시예들에 따른 산업 시스템을 설명하기 블록도이다.
도 4b는 예시적인 실시예들에 따른 산업 시스템을 설명하기 회로도이다.
도 5는 예시적인 실시예들에 따른 전원 절체 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 6은 예시적인 실시예들에 따른 전원 절체 방법을 설명하기 위한 페이저도이다.
도 7a는 일 실험예에 사용된 회로도를 간략히 도시한다.
도 7b 및 도 7c는 도 7a의 제1 내지 제3 유도성 부하들의 전압 및 위상을 나타낸 그래프들이다.
도 8a는 고속 절체, 위상 절체 및 잔류 전압 절체의 절체 시간, 절체 위상차 및 절체 전압을 도시한 그래프이다.
도 8b는 고속 절체, 위상 절체 및 잔류 전압 절체를 나타낸 페이저도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이제 본 발명의 실시 예에 따른 전원자동절체 시스템 및 그 제어방법에 대하여 도면을 참고하여 상세하게 설명하고, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하며 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기도 한다.
도 1은 본 개시의 예시적인 실시예들에 따른 전력 시스템을 설명하기 위한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 전력 시스템(10)은 발전 시스템(100), 송전 선로(210), 배전 시스템(220), 배전 선로(230) 및 산업 시스템(300)을 포함한다.
발전 시스템(100)은 수력 발전 설비, 화력 발전 설비, 원자력 발전 설비, 가스터빈 발전 설비 등 다양한 발전 설비를 포함할 수 있다. 발전 시스템(100)은 10kV 내지 20kV 정도의 전압을 생성하고, 이를 약 154kV, 345kV 또는 765kV 등과 같이 높은 레벨의 송전 전압으로 승압할 수 있다. 송전 전압을 고 전압으로 함으로써, 송전 선로의 실효 임피던스(Effective impedance)를 낮출 수 있는 바 전력 전송의 효율이 제고될 수 있다. 이하에서 위상 기호 없이 표시된 전압 크기는 별도로 명시되지 않는 한, 실효 값(Effective value), 즉 RMS(Root Mean Squre) 값을 나타낸다.
송전 전압은 송전 선로(210)를 따라 배전 시스템(220)에 전달되며, 배전 시스템(220)에서 22.9kV 정도의 배전 전압으로 강압될 수 있다.
배전 전압은 배전 선로(230)를 따라, 산업 시스템(300)과 같은 각 사용처로 전달될 수 있으며, 산업 시스템(300)의 내부, 또는 산업 시스템(300) 근방의 변전소에서 적당한 레벨의 전압(예컨대, 6.6kV 또는 3.3kV)로 강압될 수 있다.
도 2a는 예시적인 실시예들에 따른 발전 시스템을 설명하기 위한 블록도이다.
도 2a를 참조하면, 발전 시스템(100)은 발전용 부하부(110), 제1 절체 장치(121), 제2 절체 장치(131), 전원 절체 제어기(140), 및 모터 버스(MB)를 포함할 수 있다. 이하에서 모터 버스(MB)는 굵은 선으로 표시된다.
발전용 부하부(110)는 터빈, 냉각재 펌프, 각종 모터 등 발전 전원(VG) 즉, 전기를 생산 하기 위한 다양한 종류의 부하들을 포함할 수 있다. 발전용 부하부(110)는 유도성(inductive) 부하들을 포함할 수 있다. 발전용 부하부(110)는 발전 시스템(100)에서 자체적으로 생성된 모터 버스(MB)를 통해 발전 전원(VG)을 이용하여 구동될 수 있다. 이에 따라, 모터 버스(MB)를 따른 전원인 모터 버스 전원(VM)은 정상 상태(steady state)에서 발전 전원(VG)과 실질적으로 동일한 값을 가질 수 있다.
발전 전원(VG)은 약 10kV 내지 약 20kV의 범위에 있을 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 발전 전원(VG)은 약 13.8kV일 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 발전용 부하부(110)는 발전 시스템(100)의 발전 전원(VG)에 문제가 생긴 경우 대기 전원(VST)을 이용하여 구동될 수 있다.
제1 및 제2 절체 장치들(121, 131)은 회로를 개방하거나 단락시키는 스위치 장치일 수 있다. 제1 절체 장치(121)는 발전 시스템(100)의 발전 전원(VG)이 외부, 즉, 송전 선로(210)로 공급시키는 경로를 제공하거나, 이를 차단할 수 있다. 제2 절체 장치(131)는 발전용 부하부(110)에 대기 전원(VST)을 인가하거나 차단할 수 있다.
발전 시스템(100)에 문제가 발생한 경우, 제1 절체 장치(121)가 차단되어 송전 선로로 전력이 공급되는 것을 차단할 수 있다. 동시에 발전 전원(VG)의 공급 역시 차단될 수 있다. 이 경우, 모터 버스 전원(VM)이 도 8a 및 도 8b에서 후술하는 것처럼 감소할 수 있다. 발전용 부하부(110)는 순저항성 부하가 아닌 유도성 부하이기 때문에, 잔류 전압 효과로 인해 순저항성 부하에 비해 모터 버스 전원(VM)의 감소가 느릴 수 있다.
여기서 도 7a 내지 도 7c를 참조하여, 전원이 차단된 경우 유도성 부하부의 전압의 변화를 설명하도록 한다.
도 7a는 일 실험예에 사용된 회로도를 간략히 도시한다.
도 7a를 참조하면, 6.6kV 전원에 서로 다른 정격의 제1 내지 제3 유도성 부하들(IL1, IL2, IL3)이 연결된다. 제1 유도성 부하(IL1)의 정격은 약 1.6MW 일 수 있고, 제2 유도성 부하(IL2)의 정격은 약 2.8MW 일 수 있으며, 제3 유도성 부하(IL3)의 정격은 약 4.0MW 일 수 있다. 특정 시점에 6.6kV 전원의 이상이 발생하였고, 회로 차단기가 전원이 제1 내지 제3 유도성 부하들(IL1, IL2, IL3)에 공급되는 것을 차단하였다. 또한, 모터 버스와 제1 내지 제3 유도성 부하들(IL1, IL2, IL3) 사이의 회로 차단기 역시 동작하여, 제1 내지 제3 유도성 부하들(IL1, IL2, IL3) 각각에 인가된 전압이 서로 다른 값을 가질 수 있다.
도 7b 및 도 7c는 회로 차단기가 전원을 차단한 이후, 도 7a의 제1 내지 제3 유도성 부하들(IL1, IL2, IL3)전압 및 위상을 나타낸 그래프들이다.
도 7b 및 도 7c의 가로 축은 시간 축이며, t=5.00[s]인 시점에 회로 차단기가 전원을 차단한다.
도 7b를 참조하면, 유도성 부하의 정격 용량이 클수록 잔류 전압이 더 늦게 감쇠하는 것이 확인되었다.
도 7c를 참조하면, 용량이 유도성 부하의 정격 용량이 클수록 잔류 전압의 위상이 더 늦게 변화하는 것이 확인되었다. 또한, 시간이 지날수록 제1 내지 제3 유도성 부하들(IL1, IL2, IL3) 각각에 대해 위상의 변화 속도가 빨라지는 것이 확인되었다. 이에 따라, 모터 버스에 공급된 전원이 차단된 후, 모터 버스 전원과 대기 전원의 위상차는, 초기 위상차 값이 유지되지 않고, 초기 위상차로부터 변화할 수 있다.
다시 도 2a를 참조하면,전원 절체 제어기(140)는 제2 절체 장치(131)의 동작을 제어할 수 있다. 전원 절체 제어기(140)는 제2 절체 장치(131)의 연결 상태를 변경하기 위한 제어 신호(CS)를 생성할 수 있다. 전원 절체 제어기(140)는 발전 전원(VG)에 문제가 발생한 경우, 대기 전원(VST)을 발전용 부하부(110)에 공급하도록 제2 절체 장치를 제어하기 위한 절체 제어 신호(CS)를 생성할 수 있다. 이에 따라 발전용 부하부(110)의 연속적인 동작이 가능할 수 있다. 특히 발전 시스템(100)의 경우, 발전용 부하부(110)가 연속적으로 동작하지 못하는 경우, 방열 실패로 인한 원자로 용융 등 심각한 문제로 이어질 수 있다.
여기서 도 8a 및 도 8b를 참조하여 다양한 절체 방식에 대해서 설명하도록 한다.
도 8a는 고속 절체, 위상 절체 및 잔류 전압 절체의 절체 시간, 절체 위상차 및 절체 전압을 도시한 그래프이다.
도 8b는 고속 절체, 위상 절체 및 잔류 전압 절체를 나타낸 페이저도이다.
도 8a를 참조하면, 고속 절체는 다이어그램 상의 제1 영역(Zone 1)에 위치하고, 위상 절체는 다이어그램 상의 제2 영역(Zone 2)에 위치하며, 저속 절체는 다이어그램 상의 제3 영역(Zone 3)에 위치한다.
고속 절체는 모터 버스에 전력을 공급하는 주 전원 이상 발생 후 10 사이클 이내에 수행되는 절체일 수 있다. 대기 전원의 주파수가 60Hz인 경우, 고속 절체에 약 1/6초 이내의 시간이 소요될 수 있고, 대기 전원의 주파수가 50Hz인 경우, 고속 절체에 약 1/5초 이내의 시간이 소요될 수 있다. 고속 절체에서 모터 버스 전원은 정상 상태의 0.85 pu(Per Unit) 이상일 수 있고, 모터 버스 전원과 대기 전원 사이의 위상차는 약 0˚ 내지 약 30˚의 범위에 있을 수 있다. 절체 시점에 모터 버스 전원의 크기가 충분히 감소하지 않았거나, 모터 버스 전원 과 대기 전원 사이의 위상각 차가 큰 경우 유도전동기 손상이 유발될 수 있다.
위상 절체는 모터 버스 전원과 대기 전원 사이의 위상차가 충분히 작은 상태에서 이뤄지는 절체이다. 위상 절체시 모터 버스 전원과 대기 전원 사이의 위상차의 절댓값의 크기는 약 20˚이하일 수 있다. 위상 절체는 모터 버스에 전력을 공급하는 주 전원의 이상 발생 후 50 사이클 이내에 수행될 수 있다. 대기 전원의 주파수가 60Hz인 경우 위상 절체는 약 50/60초 이내의 시간이 소요될 수 있고, 대기 전원의 주파수가 50Hz인 경우 위상 절체는 약 1초 이내의 시간이 소요될 수 있다. 위상 절체시 주 전원의 크기는 0.33pu이상일 수 있다. 위상 절체는 위상을 감지하기 위한 특수 계전기가 필요하며 절체 방식이 복잡하여, 종래의 전력 시스템에서 거의 사용되지 않았다.
저속 절체는 모터 버스 전원 및 대기 전원의 위상차와 무관하게, 모터 버스 전원의 전압이 낮아진(예컨대, 0.30pu 이하) 상태에서 수행되는 절체이다. 저속 절체는 주 전원 이상 발생 후 50 사이클 이상에서 수행되며, 낮은 전압에서 많은 유도 전동기들이 동시에 기동하는바, 재 기동 실패에 해당한다. 저속 절체 시 전력 제한(Load Shedding) 및 순차 기동을 고려해야 한다.
도 8b의 페이저도에서 방사 방향 반경이 모터 버스 전원의 크기이고, 편각은 주 전원과 대기 전원 사이의 위상차이다. 도 8b는 주 전원의 이상으로 인해 모터 버스 전원의 전압 강하가 일어나는 경우, 모토 버스 개방 회로의 나선형 전압 강하 특성 곡선을 나타내며, 특히, 나선형 전압 강하 곡선 상의 고속 절체, 위상 절체 및 저속 절체의 위치를 나타낸다. 주 전원 고장 이후 시간의 경과에 따라, 모터 버스 전원의 크기가 감소하게 되고, 고속 절체 영역에서 위 상절체 및 저속 절체의 영역으로 이동하게 된다.
다시 도 2a를 참조하면, 전원 절체 제어기(140)는 모터 버스 전원(VM) 및 대기 전원(VST)의 측정치에 기초하여 절체 제어 신호(CS)를 생성할 수 있다. 전원 절체 제어기(140)는 모터 버스 전원(VM) 및 대기 전원(VST)의 크기 및 위상 값에 기초하여 절체 제어 신호(CS)를 생성할 수 있다. 전원 절체 제어기(140)는 모터 버스 전원(VM)의 크기 및 주파수의 비를 대기 전원(VST)의 크기 및 주파수의 비와 비교할 수 있다. 전원 절체 제어기(140)는 유도성 부하에 과도하지 않은 수준의 토크가 인가되도록 전원 절체를 수행할 수 있다.
전원 절체 제어기(140)는 대기 전원(VST)의 크기 및 주파수의 비를 이용하여 정상 동작 여부를 판단할 수 있다. 전원 절체 제어기(140)는 모터 버스 전원(VM) 및 대기 전원(VST)의 크기 및 위상 차에 동시에 기초하여 절체 제어 신호(CS)를 생성함으로써, 최적 조건의 절체를 수행할 수 있다. 이에 따라, 발전 시스템(100)의 구동의 연속성을 만족시키면서도, 발전 설비 내의 기계 부품(예컨대, 터빈이나 모터의 샤프트)에 과도한 부하가 걸리는 것을 방지할 수 있는바, 발전 시스템(100)의 신뢰성 및 안정성이 제고될 수 있다.
전원 절체 제어기(140)는 워크 스테이션 컴퓨터, 데스크탑 컴퓨터, 랩 탑 컴퓨터, 태블릿 컴퓨터 등의 컴퓨팅 장치일 수 있다. 전원 절체 제어기(140)는 각각 별도의 하드웨어로 구성되거나, 하나의 하드웨어 내에 포함된 별도의 소프트웨어들일 수 있다. 전원 절체 제어기(140)는 단순 제어기, 마이크로 프로세서, CPU, GPU 등과 같은 복잡한 프로세서, 소프트웨어에 의해 구성된 프로세서, 전용 하드웨어 또는 펌웨어일 수도 있다. 전원 절체 제어기(140)는, 예를 들어, 범용 컴퓨터 또는 DSP(Digital Signal Process), FPGA(Field Programmable Gate Array) 및 ASIC(Application Specific Integrated Circuit) 등과 같은 애플리케이션 특정 하드웨어에 의해 구현될 수 있다.
일부 실시예들에 따르면 전원 절체 제어기(140)의 동작은 하나 이상의 프로세서에 의해 판독되고 실행될 수 있는 기계 판독 가능 매체 상에 저장된 명령들로서 구현될 수 있다. 여기서, 기계 판독 가능 매체는 기계(예를 들어, 컴퓨팅 장치)에 의해 판독 가능한 형태로 정보를 저장 및/또는 전송하기 위한 임의의 메커니즘을 포함할 수 있다. 예를 들어, 기계 판독 가능 매체는 ROM(Read Only Memory), RAM(Random Access Memory), 자기 디스크 저장 매체, 광학 저장 매체, 플래시 메모리 장치들, 전기적, 광학적, 음향적 또는 다른 형태의 전파 신호(예컨대, 반송파, 적외선 신호, 디지털 신호 등) 및 기타 임의의 신호를 포함할 수 있다.
전원 절체 제어기(140)에 대해 설명한 동작, 또는 이하에서 설명하는 임의의 공정을 수행하기 위한 또한, 펌웨어, 소프트웨어, 루틴, 명령어들이 구성될 수 있다. 예컨대, 전원 절체 제어기(140)는 i) 모터 버스 전원(VM)의 이상 여부를 결정하고, ii) 발전 전원(VG)의 출력의 이상을 유발하는 고장 위치를 결정하고, iii) 대기 전원(VST)의 정상 동작 여부를 결정하고, iv) 최적 절체 조건을 결정하고, v) 전원 절체를 수행하기 위한 신호를 생성하는 기능을 수행하는 소프트웨어에 의해 구현될 수 있다. 하지만 이는 설명의 편의를 위한 것으로서, 상술된 전원 절체 제어기(140)의 동작은 컴퓨팅 장치, 프로세서, 제어기 또는 펌웨어, 소프트웨어, 루틴, 명령어 등을 실행하는 다른 장치로부터 야기될 수도 있음을 이해해야 한다.
도 2b는 예시적인 실시예들에 따른 발전 시스템(100)을 설명하기 위한 회로도이다.
도 2b를 참조하면, 발전 시스템(100)을 간략히 단상 계통 회로도로 나타내었으나, 발전 시스템(100)은 삼상 발전 시스템일 수 있다. 이 경우, 도 2b의 회로도는 클라크 변환에 의해 간략화된 회로도일 수 있다. 또는 도 2b의 회로도는 삼상 평형 발전 시스템의 a 상만을 도시한 것일 수도 있다. 여기서 클라크 변환은 삼상 좌표계의 a상이 발생시키는 자속의 방향과 일치하는 α축과 이에 직교하는
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축을 갖는 2차원 좌표계로의 변환을 지칭한다.
발전용 부하부(110)는 발전용 부하들(111, 113, 115) 및 절체 장치들(112, 114, 116)을 포함할 수 있다. 도 2b 에서 세 개의 발전용 부하들(111, 113, 115)이 제공되었으나, 이에 제한되는 것은 아니고, 넷 이상의 부하들이 제공될 수 있다. 발전용 부하들(111, 113, 115)은 절체 장치들(112, 114, 116)을 통해해 모터 버스(MB)에 연결될 수 있다. 발전용 부하(111)는 절체 장치(112)를 통해 모터 버스 전원(VM)을 공급 받을 수 있고, 발전용 부하(113)는 절체 장치(114)를 통해 모터 버스 전원(VM)을 공급 받을 수 있으며, 발전용 부하(115)는 절체 장치(116)를 통해 모터 버스 전원(VM)을 공급 받을 수 있다. 발전용 부하들(111, 113, 115) 중 어느 일부에 문제가 생긴 경우, 절체 장치들(112, 114, 116)은 발전용 부하들(111, 113, 115) 중 문제가 생긴 것을 모터 버스(MB)로부터 차단할 수 있다.
제1 절체 장치(121)의 제1 단자에 발전 전원(VG)이 인가될 수 있다. 제1 절체 장치(121)의 제2 단자는 보조 변압기(123)의 1차 측에 연결될 수 있다. 제1 절체 장치(121)를 통해 발전 시스템(100)에서 생성된 발전 전원(VG)이 보조 변압기(123)의 1차 측에 인가될 수 있다. 이에 따라 제1 절체 장치(121)는 발전 전원(VG)의 공급 및 차단을 제어할 수 있다.
보조 변압기(123)는 발전 전원(VG)을 승압시키는 스텝 업 트랜스포머일 수 있다. 보조 변압기(123)는 발전 전원(VG)을 승압하여 2차 측에 약 22.9kV 정도의 전압 값을 갖는 제1 전원(V1)으로 승압시킬 수 있다. 보조 변압기(123)의 2차 측에 발전소 승압 변압기(125)의 1차 측이 연결될 수 있고, 보조 변압기(123)의 2차 측은 접지될 수 있다. 보조 변압기(123)의 2차 측과 접지 사이에 절체 장치(127)가 연결될 수 있다.
발전소 승압 변압기(125)는 1차 측의 제1 전원(V1)을 승압하여 2차 측에 수백 kV 정도의 전압 값을 갖는 송전 전원(VT)을 출력할 수 있다. 송전 전원(VT)은 약 154kV, 약 345kV 및 약 765kV 중 어느 하나의 값을 가질 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 송전 전원(VT)은 송전 선로(210)를 통해 배전 시스템(220)으로 전송될 수 있다.
배전 전원(VD)은 배전 선로(230)를 통해 발전 시스템(100)으로 전송될 수 있다. 배전 전원(VD)은 약 22.9kV 정도의 전압을 가질 수 있으며, 기동 변압기(133)의 1차 측에 인가될 수 있다.
기동 변압기(Start Up Transformer)(133)는 배전 전원(VD)을 약 13.8kV 정도의 크기를 갖는 대기 전원(VST)으로 강압시킬 수 있다. 기동 변압기(133)는 대기 전원(VST)을 2차 측으로 출력할 수 있다.
제2 절체 장치(131)의 제1 단자는 기동 변압기(133)의 2차 측에 연결될 수 있고, 제2 단자는 모터 버스(MB)에 연결될 수 있다. 대기 전원(VST)은 제2 절체 장치(131)를 통해 모터 버스(MB)에 공급될 수 있다. 제2 절체 장치(131)는 대기 전원(VST)의 발전용 부하부(110)에 대한 공급 및 차단을 제어할 수 있다.
전원 절체 제어기(140)는 제1 내지 제3 계측용 변압기(141, 142, 143) 및 제1 및 제2 전류 계측기들(144, 145)을 포함할 수 있다. 전원 절체 제어기(140)는 제1 내지 제3 계측용 변압기(141, 142, 143) 및 제1 및 제2 전류 계측기들(144, 145)의 측정치에 기반하여 제1 및 제2 절체 장치들(121, 131)을 제어할 수 있다. 제1 내지 제3 계측용 변압기(141, 142, 143)는 오픈 델타 트랜스포머 등의 전위 코일을 포함할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 제1 및 제2 전류 계측기들(144, 145)은 전류 코일일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 전원 절체 제어기(140)는 모터 버스(MB)의 전류를 측정하기 위한 전류 계측기를 더 포함할 수도 있다.
제1 계측용 변압기(141)는 발전 전원(VG)을 측정할 수 있다. 제1 계측용 변압기(141)는 보조 변압기(123)의 1차 측에 연결될 수 있다. 제2 계측용 변압기(142)는 대기 전원(VST)을 측정할 수 있다. 제2 계측용 변압기(142)는 기동 변압기(133)의 2차 측에 연결될 수 있다. 제3 계측용 변압기(143)는 발전용 부하부(110)에 인가된 모터 버스 전원(VM)을 측정할 수 있다. 제1 전류 계측기(144)는 보조 변압기(123)에 공급되는 전류를 측정할 수 있다.
전원 절체 제어기(140)는 제1 계측용 변압기(141) 및 제1 전류 계측기(144)의 측정치에 기초하여 보조 변압기(123) 및 발전소 승압 변압기(125)를 통해 송전 선로(210)로 공급되는 전력을 산출할 수 있다. 전원 절체 제어기(140)는 제1 계측용 변압기(141), 제3 계측용 변압기(143) 및 제1 전류 계측기(144)의 측정치들에 기초하여 발전 시스템(100)의 이상의 발생 여부를 결정할 수 있다.
전원 절체 제어기(140)는 모터 버스(MB)를 기준으로, 제1 계측용 변압기(141), 제3 계측용 변압기(143) 및 제1 전류 계측기(144)의 측정치들에 기초하여 보조 변압기(123) 및 발전소 승압 변압기(125)를 포함하는 상위 레벨 및 발전용 부하부(110)를 포함하는 하위 레벨 중 어느 부분에 이상이 발생했는지 결정할 수 있다. 전원 절체 제어기(140)는 하위 레벨에 문제가 발생한 것으로 판단된 경우 절체 장치들(112, 114, 116)의 연결 상태의 변경(즉, 단락에서 개방으로 변경 또는 개방에서 단락으로 변경)을 결정할 수 있다.
전원 절체 제어기(140)는 제2 계측용 변압기(142) 및 제2 전류 계측기(145)의 측정치에 기초하여 대기 전원(VST)이 건전상인지(즉, 전원 대체에 적합한지) 결정할 수 있다. 전원 절체 제어기(140)는 제1 및 제2 계측용 변압기들(141, 142) 및 제1 및 제2 전류 계측기들(144, 145)의 측정치에 기초하여 제2 절체 장치(131)의 개방 및 단락을 결정할 수 있다.
도 3a는 예시적인 실시예들에 따른 산업 시스템(300)을 설명하기 블록도이다.
예시적인 실시예들에 따르면, 산업 시스템(300)은 제1 서브 산업 시스템(300A) 및 제2 서브 산업 시스템(300B) 및 전원 절체 제어기(340) 및 결합 절체 장치(350)를 포함할 수 있다.
제1 및 제2 서브 산업 시스템들(300A, 300B)은 각각 순서대로 외부 배전 전원을 강압한 제1 및 제2 산업 전원들(VIA, VIB)에 기초하여 동작할 수 있다. 제1 및 제2 산업 전원들(VIA, VIB)은 약 수 kV 정도의 크기를 가질 수 있다. 제1 및 제2 산업 전원들(VIA, VIB)은 약 3.3kV 또는 약 6.6kV 정도의 크기를 가질 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 제1 및 제2 산업 전원들(VIA, VIB)은 실질적으로 동일한 값을 가질 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니고, 서로 다른 값을 가질 수 있다.
제1 서브 산업 시스템(300A)은 제1 산업용 부하부(310A), 제1 절체 장치(321A), 및 제1 모터 버스(MBA)를 포함할 수 있다. 제2 서브 산업 시스템(300B)은 제2 산업용 부하부(310B), 제2 절체 장치(321B) 및 제2 모터 버스(MBB)를 포함할 수 있다. 제1 및 제2 서브 산업 시스템들(300A, 300B)은 서로 예비 전력 체계가 구축되어 있는(즉 결합 절체 장치(350)에 의해 모터 버스(MBA, MBB)이 서로 연결되거나 차단될 수 있는) 동일 산업 시스템 내의 서로 다른 부분일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 제1 및 제2 서브 산업 시스템들(300A, 300B) 서로 근거리에 위치한 유사한 종류의 산업 시스템일 수도 있다.
제1 및 제2 산업용 부하부들(310A, 310B)은 모터, 터빈, 냉각재 펌프 등 다양한 부하를 포함할 수 있다. 제1 및 제2 산업용 부하부들(310A, 310B)은 유도성 부하일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
제1 절체 장치(321A)는 제1 산업 전원(VIA)을 제1 모터 버스(MBA)에 공급하거나, 상기 공급을 차단할 수 있다. 이에 따라 정상 상태에서 제1 모터 버스 전원(VMA)은 제1 산업 전원(VIA)과 실질적으로 동일할 수 있다. 제1 산업 부하부(310A)는 제1 모터 버스 전원(VMA)을 공급받아 동작할 수 있다. 제2 절체 장치(321B)는 제2 산업 전원(VIB)을 제2 모터 버스(MBB)에 공급하거나, 상기 공급을 차단할 수 있다. 이에 따라 정상 상태에서 제2 모터 버스 전원(VMB)은 제2 산업 전원(VIB)과 실질적으로 동일할 수 있다. 제2 산업 부하부(310B)는 제2 모터 버스 전원(VMB)을 공급받아 동작할 수 있다.
결합 절체 장치(350)는 제2 서브 산업 시스템(300B)의 제2 산업 전원(VIB)에 이상이 발생했을 때, 제1 모터 버스 전원(VMA)이 제2 산업용 부하부(310B)에 공급될 수 있도록, 제1 모터 버스(MBA)와 제2 모터 버스(MBB)를 결합시킬 수 있다. 반대로, 결합 절체 장치(350)는 제1 서브 산업 시스템(300A)의 제1 산업 전원(VIA)에 이상이 발생했을 때, 상기 제2 모터 버스 전원(VMB)이 제1 산업용 부하부(310A)에 공급될 수 있도록, 제1 모터 버스(MBA)와 제2 모터 버스(MBB)를 결합시킬 수 있다.
전원 절체 제어기(340)는 결합 절체 장치(350)의 동작을 제어할 수 있다. 전원 절체 제어기(340)는 결합 절체 장치(350)의 연결 상태를 변경하기 위한 절체 제어 신호(CS)를 생성할 수 있다.
예컨대, 전원 절체 제어기(340)는 제1 산업 전원(VIA)에 문제가 발생한 경우, 제2 산업 전원(VIB)이 제1 산업용 부하부(310A)에 공급되도록 결합 절체 장치(350)를 단락시키기 위한 절체 제어 신호(CS)를 생성할 수 있다. 이에 따라 제1 산업용 부하부(310A)의 연속적인 동작이 가능할 수 있다.
유사하게, 전원 절체 제어기(340)는 제2 산업 전원(VIB)에 문제가 발생한 경우, 제1 산업 전원(VIA)이 제2 부하부(310B)에 공급되도록 결합 절체 장치(350)를 단락시키기 위한 절체 제어 신호(CS)를 생성할 수 있다. 이에 따라 제2 산업용 부하부(310B)의 연속적인 동작이 가능할 수 있다.
전원 절체 제어기(340)는 제1 및 제2 산업 전원들(VIA, VIB)의 측정치에 기초하여 절체 제어 신호(CS)를 생성할 수 있다. 전원 절체 제어기(340)는 제1 산업 전원(VIA)의 크기와 주파수의 비를 제2 산업 전원(VIB)의 크기와 주파수의 비와 비교할 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 전원 절체 제어기(340)는 제1 및 제2 산업 전원들(VIA, VIB) 각각의 크기 및 주파수의 비를 이용하여 제1 및 제2 산업 전원들(VIA, VIB) 각각의 정상 동작 여부를 판단할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 전원 절체 제어기(340)는 제1 및 제2 모터 버스 전원들(VMA, VMB) 각각의 크기 및 주파수의 비를 이용하여 제1 및 제2 산업 전원들(VIA, VIB) 각각의 정상 동작 여부를 판단할 수 있다. 전원 절체 제어기(340)는 제1 모터 버스 전원(VMA)과 제2 산업 전원(VIB) 각각의 크기 및 위상차에 동시에 기초하거나, 또는, 제2 모터 버스 전원(VMB)과 제1 산업 전원(VIA) 각각의 크기 및 위상차에 동시에 기초하여 절체 제어 신호(CS)를 생성함으로써, 최적 조건의 절체를 수행할 수 있다. 이에 따라, 제1 및 제2 서브 산업 시스템들(300A, 300B)의 구동의 연속성을 만족시키면서도, 설비 내의 기계 부품(예컨대, 터빈의 샤프트)에 과도한 부하가 걸리는 것을 방지할 수 있는바, 산업 시스템들(300A, 300B)의 신뢰성 및 안정성이 제고될 수 있다.
전원 절체 제어기(340)의 구성은 도 2a의 전원 절체 제어기(140)와 유사할 수 있다.
도 3b는 예시적인 실시예들에 따른 산업 시스템(300)을 설명하기 회로도이다.
도 3b를 참조하면, 제1 서브 산업 시스템(300A)은 제1 강압 변압기(323A) 및 절체 장치(325A)를 더 포함할 수 있고, 제2 서브 산업 시스템(300B)은 제2 강압 변압기(323B) 및 절체 장치(325B)를 더 포함할 수 있다.
절체 장치(325A)는 제1 강압 변압기(323A)의 1차 측에 연결될 수 있다. 절체 장치(325A)를 통해 배전 전원(VDA)이 제1 강압 변압기(323A)에 인가되거나, 차단될 수 있다. 절체 장치(325B)는 제2 강압 변압기(323B)의 1차 측에 연결될 수 있다. 절체 장치(325B)를 통해 배전 전원(VDB)이 제2 강압 변압기(323B)에 인가되거나, 차단될 수 있다.
제1 강압 변압기(323A) 약 22.9kV 정도의 배전 전원(VDA)을 제1 산업 전원(VIA)으로 강압시킬 수 있다. 제1 산업 전원(VIA)은 제1 강압 변압기(323A)의 2차 측으로 출력될 수 있다. 제2 강압 변압기(323B) 약 22.9kV 정도의 배전 전원(VDB)을 제2 산업 전원(VIB)로 강압시킬 수 있다. 제2 산업 전원(VIB)은 제2 강압 변압기(323B)의 2차 측으로 출력될 수 있다.
제1 강압 변압기(323A)의 2차 측에 제1 절체 장치(321A)가 연결될 수 있고, 제2 강압 변압기(323B)의 2차 측에 제2 절체 장치(321B)가 연결될 수 있다. 제1 모터 버스(MBA)는 제1 절체 장치(321A)를 통해 제1 산업 전원(VIA)을 공급받을 수 있고, 제2 모터 버스(MBB)는 제2 절체 장치(321B)를 통해 제2 산업 전원(VIB)을 공급받을 수 있다.
제1 산업용 부하부(310A)는 산업용 부하들(311A, 313A, 315A) 및 절체 장치들(312A, 314A, 316A)을 포함할 수 있다. 절체 장치들(312A, 314A, 316A)은 대응되는 산업용 부하들(311A, 313A, 315A) 및 제1 모터 버스(MBA) 사이에 연결될 수 있다. 이에 따라 산업용 부하들(311A, 313A, 315A)은 대응되는 절체 장치들(312A, 314A, 316A)을 통해 제1 모터 버스 전원(VMA)을 공급 받을 수 있다.
제2 산업용 부하부(310A)는 산업용 부하들(311B, 313B, 315B) 및 절체 장치들(312B, 314B, 316B)을 포함할 수 있다. 절체 장치들(312B, 314B, 316B)은 대응되는 산업용 부하들(311B, 313B, 315B) 및 제2 모터 버스(MBB) 사이에 연결될 수 있다. 이에 따라 산업용 부하들(311B, 313B, 315B)은 대응되는 절체 장치들(312B, 314B, 316B)을 통해 제2 모터 버스 전원(VMB)을 공급 받을 수 있다.
전원 절체 제어기(340)는 제1 내지 제4 계측용 변압기들(341, 342, 343, 344) 및 제1 및 제2 전류 계측기들(345, 346)을 포함할 수 있다. 제1 계측용 변압기(341)는 제1 강압 변압기(323A)의 2차 측에서 출력된 제1 산업 전원(VIA)을 측정할 수 있다. 제2 계측용 변압기(342)는 제2 강압 변압기(323B)의 2차 측에서 출력된 제2 산업 전원(VIB)을 측정할 수 있다. 제3 계측용 변압기(343)는 제1 모터 버스 전원(VMA)을 측정할 수 있다. 제4 계측용 변압기(344)는 제2 산업용 부하부(310B)에 인가된 제2 모터 버스 전원(VMB)을 측정할 수 있다.
제1 전류 계측기(345)는 제1 강압 변압기(323A)의 2차 측의 전류를 측정할 수 있다. 제2 전류 계측기(346)는 제2 강압 변압기(323B)의 2차 측의 전류를 측정할 수 있다. 전원 절체 제어기(340)는 제1 모터 버스(MB)의 전류 및 제2 모터 버스(MB)의 전류를 측정하기 위한 추가적인 전류 계측기들을 더 포함할 수도 있다.
전원 절체 제어기(340)는 제1 내지 제4 계측용 변압기들(341, 342, 343, 344) 및 제1 및 제2 전류 계측기들(345, 346)의 측정치에 기초하여 결합 절체 장치(350)를 제어하기 위한 절체 제어 신호(CS)를 생성할 수 있다.
전원 절체 제어기(340)는 제1 내지 제4 계측용 변압기들(341, 342, 343, 344) 및 제1 및 제2 전류 계측기들(345, 346)의 측정치에 기초하여, 제1 강압 변압기(323A)를 통해 배전 선로(230)로부터 공급되는 전력을 산출할 수 있다. 전원 절체 제어기(340)는 제1 내지 제4 계측용 변압기들(341, 342, 343, 344) 및 제1 및 제2 전류 계측기들(345, 346)의 측정치에 기초하여, 배전 전원(VDA)의 출력의 이상의 발생 여부를 결정할 수 있다.
전원 절체 제어기(340)는 제1 내지 제4 계측용 변압기들(341, 342, 343, 344) 및 제1 및 제2 전류 계측기들(345, 346)의 측정치에 기초하여, 제1 및 제2 모터 버스들(MBA, MBB) 각각을 기준으로, 배전 전원들(VDA, VDB)을 포함하는 상위 레벨 및 제1 및 제2 산업용 부하부들(310A, 310B)를 포함하는 하위 레벨 중 어느 부분에 이상이 발생했는지 결정할 수 있다. 전원 절체 제어기(340)는 제1 및 제2 모터 버스들(MBA, MBB)의 하위 레벨에 문제가 발생한 경우 절체 장치들(312A, 312B, 314A, 314B, 316A, 316B)의 연결 상태의 변경(즉, 단락에서 개방으로 변경 또는 개방에서 단락으로 변경)을 결정할 수 있다. 전원 절체 제어기(340)는 제1 및 제2 모터 버스들(MBA, MBB)의 상위 레벨에 문제가 발생한 경우 결합 절체 장치(350)의 연결 상태의 변경(즉, 단락에서 개방으로 변경 또는 개방에서 단락으로 변경)을 결정할 수 있다.
제1 산업 전원(VIA)에 이상이 발생한 경우, 제1 절체 장치(321A) 및 절체 장치(325A) 중 적어도 어느 하나가 차단될 수 있다. 이 경우, 제2 산업 전원(VIB)을 제1 산업용 부하부(310A)에 공급하기 위해, 전원 절체 제어기(340)는 제2 산업 전원(VIB)이 건전상인지(즉, 전원 대체에 적합한지) 결정할 수 있다.
제2 산업 전원(VIB)에 이상이 발생한 경우, 제2 절체 장치(321B) 및 절체 장치(325B) 중 적어도 어느 하나가 차단될 수 있다. 이 경우, 제2 산업 전원(VIB)을 제1 산업용 부하부(310A)에 공급하기 위해, 전원 절체 제어기(340)는 제2 산업 전원(VIA)이 건전상인지(즉, 전원 대체에 적합한지) 결정할 수 있다.
전원 절체 제어기(340)는 제1 내지 제4 계측용 변압기들(341, 342, 343, 344) 및 제1 및 제2 전류 계측기들(345, 346)의 측정치에 기초하여 제1 및 제2 모터 버스들(MBA, MBB)이 서로 연결되도록 결합 절체 장치(350)의 연결 상태의 변경(즉, 단락에서 개방으로 변경 또는 개방에서 단락으로 변경)을 결정할 수 있다.
도 4a는 예시적인 실시예들에 따른 산업 시스템(300')을 설명하기 블록도이다.
설명의 편의상 도 3a를 참조하여 설명한 것과 중복되는 것을 생략하고, 차이점을 위주로 설명하도록 한다.
도 4a를 참조하면, 산업 시스템(300')은 도 3a의 산업 시스템과 유사하되, 복수의 전원 절체 제어기들(340A, 340B)를 포함할 수 있다.
제1 전원 절체 제어기(340A)는 제1 서브 산업 시스템(300A)의 이상을 결정할 수 있다. 제1 전원 절체 제어기(340A)는 제1 산업 전원(VIA)에 이상이 생긴 경우, 제2 산업 전원(VIB)을 제1 산업용 부하부(310A)에 공급하도록 결합 절체 장치(350)를 제어하기 위한 제1 절체 제어 신호(CS1)를 생성할 수 있다.
제2 전원 절체 제어기(340B)는 제2 산업 전원(VIB)에 이상이 생긴 경우, 제1 산업 전원(VIA)을 제2 산업용 부하부(310B)에 공급하도록 결합 절체 장치(350)를 제어하기 위한 제2 절체 제어 신호(CS2)를 생성할 수 있다.
도 4b는 예시적인 실시예들에 따른 산업 시스템(300')을 설명하기 회로도이다.
설명의 편의상 도 3b를 참조하여 설명한 것과 중복되는 것을 생략하고 차이점을 위주로 설명하도록 한다.
도 3b를 참조하면, 전술한 것과 같이, 산업 시스템(300')은 도 3a의 산업 시스템과 유사하되, 복수의 전원 절체 제어기들(340A, 340B)를 포함할 수 있다.
제1 전원 절체 제어기(340A)는 제1 및 제3 계측용 변압기들(341, 343) 및 제1 전류 계측기(345)를 포함할 수 있다. 제2 전원 절체 제어기(340A)는 제2 및 제4 계측용 변압기들(342, 344) 및 제2 전류 계측기(346)를 포함할 수 있다. 제1 및 제2 전원 절체 제어기들(340A, 340B)는 제3 및 제4 계측용 변압기들(343, 344)을 공유할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
도 5는 예시적인 실시예들에 따른 전원 절체 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 5를 참조하면 P10에서 제1 전원 출력의 이상을 감지할 수 있다.
여기서 제1 전원은, 도 2a 및 도 2b에 도시된 모터 버스 전원(VM)이거나, 도 3a 내지 도 4b에 도시된 제1 및 제2 모터 버스전원들(VMA, VMB)일 수 있다.
제1 전원의 이상의 감지는, 도 2b의 제1 계측용 변압기(141) 및 제1 전류 계측기(144), 도 3b의 제1 및 제2 계측용 변압기들(341, 342) 및 제1 및 제2 전류 계측기들(345, 346), 도 4b의 제1 및 제2 계측용 변압기들(341, 342) 및 제1 및 제2 전류 계측기들(345, 346) 중 어느 하나를 통한 발전 전원(VG) 및 산업 전원들(VIA, VIB)의 측정에 기초할 수 있다.
하지만 이에 제한되는 것은 아니고, 제1 전원의 이상의 감지는, 도 2b의 제3 계측용 변압기(133)을 통한 모터 버스 전원(VM)의 측정에 기초하거나, 도 3b의 제3 및 제4 계측용 변압기들(343, 344)의 제1 및 제2 모터 버스 전원들(VMA, VMB)의 측정에 기초할 수도 있다.
제1 전원의 출력의 이상의 결정은 하기의 식 1에 기초할 수 있다.
[식 1]
Figure pat00002
Figure pat00003
식 1에서와 같이, 제1 전원을 클라크 변환하여 산출된 제1 클라크 전원의 크기의 측정치(measured value)와 이상치(ideal value) 사이의 비를 제1 클라크 전원의 주파수의 측정치와 이상치 사이의 비로 나눈 값을 설정된 임계치와 비교하여, 임계치보다 작은 경우 이상이 발생한 것으로 판단할 수 있다. 여기서 상기 임계치는 약 0.9일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 전원 고장이 발생한 경우, 대응되는 절체 장치(예컨대, 도 2b의 제1 절체 장치(121) 및 도 3b의 제1 및 제2 절체 장치(321A, 321B) 중 어느 하나)는 곧바로 차단될 수 있다. 이 경우, 제1 전원 전압 값이 어느 이상 감소하지 않은 시점에 제2 전원을 인가하게 되면, 부하에 과도한 토크가 인가되어 부하가 파손되는 위험이 있다. 예시적인 실시예들에 따르면, 고장의 기준을 정상 상태 대비 적절한 수준(예컨대, 0.9pu)로 함으로써, 부하에 과도한 토크가 인가되는 것을 방지할 수 있는바, 전력 시스템의 신뢰성이 제고될 수 있다.
이어서 P20에서, 고장 위치를 확인할 수 있다. 고장 위치의 확인은 전원 절체 제어기(140, 도 2a 참조), 전원 절체 제어기(340, 도 3a 참조) 및 제1 및 제2 전원 절체 제어기(340A, 340B, 도 4a 참조) 중 어느 하나에 의해 수행될 수 있다.
고장 위치의 확인은, 제1 전원 이상을 유발하는 고장이 부하단의 고장인지, 전원단의 고장인지 확인하는 단계일 수 있다. P20에서, 고장 위치가 부하단의 고장인 것으로 확인된 경우, P25에서 고장 부하를 차단할 수 있다. 고장 부하의 차단은 도 2b의 절체 장치들(112, 114, 116) 및 도 3b의 절체 장치들(312A, 312B, 314A, 314B, 316A, 316B) 및 도 4b의 절체 장치들(312A, 312B, 314A, 314B, 316A, 316B)에 의해 수행될 수 있다.
P20에서 제1 전원에 고장이 발생한 것이 확인된 경우, P30에서 제2 전원이 건전상인지 결정할 수 있다.
여기서 제2 전원은, 도 2a 및 도 2b에 도시된 대기 전원(VST)이거나, 도 3a 내지 도 4b에 도시된 제1 및 제2 산업 전원들(VIA, VIB) 중 이상이 발생하지 않은 것일 수 있다. 제2 전원의 건전 상의 결정은 전원 절체 제어기(140, 도 2a 참조), 전원 절체 제어기(340, 도 3a 참조) 및 제1 및 제2 전원 절체 제어기(340A, 340B, 도 4a 참조) 중 어느 하나에 의해 수행될 수 있다.
제2 전원의 건전상의 결정은, 도 2b의 제2 계측용 변압기(142) 및 제2 전류 계측기(145)의 측정치에 기초하거나, 도 3b의 제1 및 제2 계측용 변압기들(341, 342) 및 제1 및 제2 전류 계측기들(345, 346)의 측정치에 기초하거나, 도 4b의 제1 및 제2 계측용 변압기들(341, 342) 및 제1 및 제2 전류 계측기들(345, 346)의 측정치에 기초할 수 있다.
제2 전원이 정상적으로 작동하는지 여부의 결정은 하기의 식 2에 기초할 수 있다.
[식 2]
Figure pat00004
Figure pat00005
식 2에서와 같이 제2 전원을 클라크 변환하여 산출한 제2 클라크 전원의 크기의 측정치와 이상치 사이의 비를 제1 전원의 주파수의 측정치와 이상치 사이의 비로 나눈 값을 설정된 임계치와 비교하여, 임계치보다 큰 경우 제2 전원이 정상적으로 작동하는 것으로 결정할 수 있다. 여기서 상기 임계치는 약 0.98일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
P30에서 제2 전원이 정상적으로 동작하는 것으로 판단된 경우, P40에서 최적 절체 조건을 결정할 수 있다. 이어서 P20에서, 최적 절체 조건의 결정은 전원 절체 제어기(140, 도 2a 참조), 전원 절체 제어기(340, 도 3a 참조) 및 제1 및 제2 전원 절체 제어기(340A, 340B, 도 4a 참조) 중 어느 하나에 의해 수행될 수 있다.
여기서 도 6을 참조하여 최적 절체 조건의 결정에 대해서 설명하도록 한다.
도 6은 예시적인 실시예들에 따른 전원 절체 방법을 설명하기 위한 페이저도이다.
제1 및 제2 전원들 각각은 삼상의 전원이므로, 도 6에는 제1 전원을 클라크 변환하여 산출된 제1 클라크 전원(CV1) 및 제2 전원을 클라크 변환하여 산출된 제2 클라크 전원(CV2)이 도시되어 있다. 잔류 전원(Residual Voltage)(VR)은 페이저도 상의 제1 클라크 전원(CV1)과 제2 클라크 전원(CV2) 사이의 차이이다. 제1 클라크 전원(CV1)의 각도를 기준(0˚)으로 하고, 제2 전원(CV2)과 위상차를 θ로 하는 경우 잔류 전원의 크기는 아래 식 3에 의해 결정될 수 있다.
[식 3]
Figure pat00006
예시적인 실시예들에 따르면, 전원 절체 제어기(140, 도 2a 참조), 전원 절체 제어기(340, 도 3a 참조) 및 제1 및 제2 전원 절체 제어기(340A, 340B, 도 4a 참조) 중 어느 하나는 제1 클라크 전원(CV1) 값이 설정된 수치(예컨대 0.9pu) 이하이고, 위상차의 코사인 함수 값이 0.980 이상인 것을 기준으로, 최적 절체 조건을 결정할 수 있다.
표 1은 제1 전원의 이상이 발생한 시점의 제1 클라크 전원(CV1)과 제2 클라크 전원(CV2) 사이의 위상차(이하, 초기 위상차)별 최적 절체 조건을 최초로 만족하게 되는데까지 걸리는 시간인 절체 시간, 상기 절체 시간에서의 위상차의 코사인 값, 제1 클라크 전원(CV1)의 크기 잔류 전압(VR)의 크기 및 정상적으로 동작할 때 대비 부하에 걸리는 토크를 나타낸다. 표 1에서의 제1 클라크 전원(CV1) 및 잔류 전원(VR)은 식 1에서와 마찬가지로 주파수로 나눠진 값을 이용한다.
초기
위상차		 절체시간
[ms]		 cosθ CV1
[pu]		 VR
[pu]		 Torque Ratio [pu]
IM1
1.6[MW]		 IM2
2.8[MW]		 IM3
4.0[MW]
0˚ 34.5
(2.1 cycle)		 0.983 0.900 0.203 1.038 0.979 1.088
30˚ 49.5(3.0 cycle) 0.980 0.881 0.222 0.653 0.603 0.870
60˚ 91.0(5.4 cycle) 0.981 0.844 0.237 0.763 0.756 1.088
90˚ 116(7.0 cycle) 0.981 0.819 0.254 0.864 0.865 1.242
120˚ 140(8.4 cycle) 0.982 0.802 0.260 0.970 0.947 1.352
150˚ 157(9.4 cycle) 0.983 0.787 0.269 1.052 1.021 1.434
180˚ 175(10.5 cycle) 0.981 0.766 0.289 1.115 1.089 1.496
210˚ 189(11.3 cycle) 0.981 0.751 0.300 1.164 1.145 1.541
240˚ 205(12.3 cycle) 0.983 0.745 0.299 1.201 1.189 1.572
270˚ 217(13.0 cycle) 0.981 0.725 0.321 1.232 1.225 1.611
300˚ 231(13.8 cycle) 0.981 0.714 0.331 1.255 1.254 1.631
330˚ 241(14.5 cycle) 0.980 0.705 0.339 1.274 1.278 1.640
표 1을 참조하면, 초기 위상차가 0˚ 내지 180˚의 범위에 있을 때 절체는 고속 절체일 수 있고, 초기 위상차가 180˚ 내지 360˚의 범위에 있을 때 절체는 위상 절체일 수 있다.
예시적인 실시예들에 따르면, 전원 절체 제어기(140, 도 2a 참조), 전원 절체 제어기(340, 도 3a 참조) 및 제1 및 제2 전원 절체 제어기(340A, 340B, 도 4a 참조) 중 어느 하나는 cosθ<0.980을 만족하는 최적 위상 절체 조건에서 전원 절체를 수행할 수 있다. 예시적인 실시예들에 따르면, 전원 절체 제어기(140, 도 2a 참조), 전원 절체 제어기(340, 도 3a 참조) 및 제1 및 제2 전원 절체 제어기(340A, 340B, 도 4a 참조)는 제1 전원과 제2 전원 사이의 위상차 θ이 약 -11.48˚ 내지 약 11.48˚의 범위에 있을 때 전원 절체를 수행할 수 있다. 예시적인 실시예들에 따르면, 전원 절체 제어기(140, 도 2a 참조), 전원 절체 제어기(340, 도 3a 참조) 및 제1 및 제2 전원 절체 제어기(340A, 340B, 도 4a 참조)는 제1 전원과 제2 전원 사이의 위상차 θ이 약 -10˚ 내지 약 10˚의 범위에 있을 때 전원 절체를 수행할 수 있다. cosθ<0.980를 만족하는 경우, 잔류 전압의 크기가 상대적으로 작은바, 유도성 부하들의 안정적 구동이 가능하다.
표 1은 1.6MW 용량의 제1 유도성 부하(IM1), 2.8MW 용량의 제2 유도성 부하(IM2), 4.0 MW 용량의 제3 유도성 부하(IM3)에 대해, 전원 절체 이후 최대 토크를 나타낸다. 표 1을 참조하면, 4.0MW 큰 용량을 갖는 제3 유도성 부하(IM3)에 대해서도 전원 절체 이후 정상적으로 동작할 때의 1.65배 이내의 범위에 있는 것이 확인되었다. 종래의 경우 전원 절체 이후의 토크는 정상 상태 토크의 5배 이상의 값을 갖는 경우가 많았다. 예시적인 실시예들에 따르면, 고속 절체 영역 및 위상 절체 영역에서, 실효적인 위상 절체를 수행함으로써, 안정적이고 신뢰성 높은 전원 구동이 가능하다.
이어서 최적 절체 조건이 결정되면 P50에서 전원 절체가 수행될 수 있다. 전원 절체는 전술한 것과 같이, 도 2a 및 도 2b에서와 같이 대기 전원(VST)이 발전 전원(VG)을 대체하거나, 도 3a 내지 도 4b에서와 같이 제1 산업 전원(VIA)이 제2 산업 전원(VIB)을 대체하거나, 제2 산업 전원(VIB)이 제1 산업 전원(VIA)을 대체하는 것을 의미한다.
경우에 따라, 최초에 도래하는 절체 조건에서 절체가 실패한 경우, 다시 P40으로 돌아가 후속하는 절체 조건에서 절체를 수행할 수도 있다. 예컨대, 표 1을 참조하면, 초기 위상차가 0도인 경우, t=34.5[ms]인 시점에 전원 절체를 수행하게 되며, 이때 제1 및 제2 전원 사이의 위상차는 θ=10.58˚이다. 따라서, t=34.5[ms 전원 절체가 실패한 경우, 초기 위상차를 θ=10.58˚로 하는 최적 절체 조건에 따라 절체를 수행할 수 있다.
다른 예로, 전원 절체 제어기(140, 도 2a 참조), 전원 절체 제어기(340, 도 3a 참조) 및 제1 및 제2 전원 절체 제어기(340A, 340B, 도 4a 참조) 중 어느 하나가 전원 절체가 실패하였음을 인식한 시점의 초기 위상차를 기준으로 최적 절체 조건에 따라 절체를 수행할 수도 있다.
이상에서와 같이 도면과 명세서에서 예시적인 실시예들이 개시되었다. 본 명세서에서 특정한 용어를 사용하여 실시예들을 설명되었으나, 이는 단지 본 개시의 기술적 사상을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 개시의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 개시의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 삼상의 제1 전원;
    상기 제1 전원에 연결된 모터 버스;
    상기 모터 버스에 연결된 복수의 부하들;
    예비 전원인 삼상의 제2 전원;
    상기 제2 전원과 상기 모터 버스를 연결시키거나 차단시키는 절체 장치; 및
    상기 절체 장치를 제어하고, 상기 모터 버스의 전원을 클라크 변환한 제1 클라크 전원 및 상기 제2 전원을 클라크 변환한 제2 클라크 전원을 산출하도록 구성된 전원 절체 제어기를 포함하되,
    상기 제1 전원에 이상이 발생한 경우, 상기 전원 절체 제어기는 상기 제1 클라크 전원의 크기 및 위상 및 상기 제2 클라크 전원의 크기 및 위상에 기초하여, 절체 장치를 단락시켜 상기 제2 전원과 모터 버스를 연결시키는 전원 절체를 수행하는 것을 특징으로 하는 전력 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전원 절체 제어기는 이상이 발생한 이후 상기 제1 클라크 전원의 크기와 정상 상태의 상기 제1 클라크 전원의 크기를 비교하여 상기 전원 절체를 수행하는 것을 특징으로 하는 전력 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전원 절체 제어기는 이상이 발생한 이후, 상기 제2 클라크 전원의 크기의 측정치와 정상 상태에서의 값의 비를 상기 제2 클라크 전원의 주파수의 측정치와 정상 상태에서의 값의 비로 나눈 값을 설정된 임계치와 비교하여, 상기 임계치보다 큰 경우 제2 전원이 정상적으로 작동하는 것으로 결정하는 것을 특징으로 하는 전력 시스템
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전원 절체 제어기는 상기 제1 클라크 전원과 상기 제2 클라크 전원 사이의 위상차에 기초하여 상기 전원 절체를 수행하는 것을 특징으로 하는 전력 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전원 절체 제어기는 상기 제1 클라크 전원과 상기 제2 클라크 전원 사이의 위상차의 절댓값이 설정된 수치 이하일 때 상기 전원 절체를 수행하는 것을 특징으로 하는 전력 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전원 절체 제어기는 상기 제1 클라크 전원의 크기가 정상 상태의 상기 제1 클라크 전원의 크기의 0.6배 내지 0.9배의 범위에 있고, 상기 제1 클라크 전원과 상기 제2 클라크 전원 사이의 위상차의 절댓값이 11.48˚ 이하일 때 상기 전원 절체를 수행하는 것을 특징으로 하는 전력 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전원 절체 제어기는 상기 제1 클라크 전원의 크기가 정상 상태의 상기 제1 클라크 전원의 크기의 0.6배 내지 0.9배의 범위에 있고, 상기 제1 클라크 전원과 상기 제2 클라크 전원 사이의 위상차의 절댓값이 10˚ 이하일 때 상기 전원 절체를 수행하는 것을 특징으로 하는 전력 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    이상이 발생한 시점의 상기 제1 클라크 전원의 위상이 0˚ 내지 180˚의 범위에 있을 때, 상기 전원 절체는 고속 절체인 것을 특징으로 하는 전력 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    이상이 발생한 시점의 상기 제1 클라크 전원의 위상이 180˚ 내지 360˚의 범위에 있을 때, 상기 전원 절체는 위상 절체인 것을 특징으로 하는 전력 시스템.
  10. 부하들을 구동하는 제1 전원의 출력의 이상을 결정하는 단계;
    상기 부하들 및 상기 제1 전원 중 상기 제1 전원의 출력의 이상을 유발하는 원인의 위치를 파악하는 단계;
    상기 제1 전원이 문제인 경우, 제2 전원이 건전상인지 확인하는 단계; 및
    상기 제2 전원이 건전상인 경우, 상기 제1 전원이 클라크 변환된 제1 클라크 전원 및 상기 제2 전원이 클라크 변환된 제2 클라크 전원에 기초하여 상기 부하들에 공급되는 제1 전원을 상기 제2 전원으로 대체하는 전원 절체 단계를 포함하되,
    상기 전원 절체 단계는, 상기 제1 클라크 전원의 크기의 0.6배 내지 0.9배의 범위에 있고, 상기 제1 클라크 전원과 상기 제2 클라크 전원 사이의 위상차의 절댓값이 10˚ 이하일 때 수행되는 것을 특징으로 하는 전력 시스템 구동 방법.
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