KR20230061144A - 스마트 변압기를 이용한 배전 계통 제어 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 스마트 변압기를 이용한 배전 계통 제어 시스템으로서, 스마트 변압기를 이용하여 배전 선로 상에 CVR을 최적으로 적용할 수 있는 배전 계통 제어 시스템을 개시한다.

Description

스마트 변압기를 이용한 배전 계통 제어 시스템{Control system for distribution system with using smart transformer}
본 발명은 스마트 변압기를 이용한 배전 계통 제어 시스템으로서, 보다 상세하게는 스마트 변압기를 이용하여 배전 선로 상에 CVR을 최적으로 적용할 수 있는 배전 계통 제어 시스템에 대한 것이다.
동일 부하 조건 하에 배전 전압은 도 1에 도시된 바와 같이 배전 선로 인입단에 위치한 변압기 이후부터 배전 선로 거리가 증가하면서 배전 선로의 전압이 감소하게 된다.
제어 기능이 없는 일반적인 수동 변압기의 경우, 배전 선로의 인입단에서 공급하는 전원을 임의로 조정할 수 없기 때문에 상기 도 1의 (a)와 같이 배전 선로 말단으로 갈수록 전압이 점차적으로 감소하게 되고 이로 인해 수용가에 대한 전원의 안정적인 전압 품질을 보장하기 어려워지는 문제가 있다.
부하 증가에 따른 배전 선로 말단의 전압 감소를 보상하기 위해서 도 1의 (b)에 도시된 바와 같이 송전설비에서 이용하는 커패시터 보상법을 배전 선로에도 적용할 수 있지만, 커패시터 보상 장치의 설비 비용이 고가이며 추가적인 설치 공간이 필요한 단점이 있기에 이를 필요에 따라 용이하게 적용할 수 없다.
한국 특허등록번호 제10-2087417호 한국 특허공개번호 제10-2019-0043297호
본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 스마트 변압기를 이용하여 배전 선로 상에 CVR을 최적으로 적용할 수 있는 배전 계통 제어 시스템을 제공하고자 한다.
특히, 배전 선로의 인입단에서 공급하는 전원을 임의로 조정할 수 없기 때문에 배전 선로의 말단으로 갈수록 전압 강하로 인해 수용가에 대한 전원의 안정적인 전압 품질을 보장할 수 없는 문제를 해결하고자 한다.
본 발명의 목적은 전술한 바에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있다.
상기의 과제 해결을 위해 본 발명에 따른 배전 계통 제어 시스템의 일실시예는, 수용가에 전력을 공급하는 배전 선로; 및 상기 배전 선로 중단에 설치되며, 입력단 개수와 출력단 개수가 조절된 다권선 변압기로서 2차측 권선이 주권선과 추가권선으로 구성된 메인 변압기부와; 상기 메인 변압기부의 추가권선에 연결되어 상기 배전 선로의 전력 보상을 수행하는 전력 보상부를 포함하는 스마트 변압기를 포함하여, 보존 전압 감소(CVR) 방식으로 배전 선로의 전력을 보상할 수 있다.
바람직하게는 상기 스마트 변압기의 메인 변압기부는, 상기 배전 선로의 입력단이 연결된 1차측 권선과; 2선으로 독립되어 분리된 주권선과 추가권선을 포함하는 2차측 권선을 포함하여, 상기 주권선에 상기 배전 선로의 출력단이 연결되고, 상기 추가 권선에 전력 보상부가 연결되며, 상기 스마트 변압기의 전력 보상부는, 상기 2차측 권선의 추가권선 출력단에 일단이 연결되고, 상기 2차측 권선의 주권선 출력단에 타단이 연결되어, 상기 배전 선로의 전력 보상을 수행할 수 있다.
보다 바람직하게는 상기 전력 보상부는, 일측이 상기 2차측 권선의 추가권선에 연결되어, 교류를 직류로 변환하며, 유효 전력을 상기 추가권선으로부터 공급받아 무효 전력 보상에 필요한 무효 전력을 공급하는 정류기; 및 일측이 상기 정류기의 타측에 연결되고 타측이 상기 2차측 권선의 주권선에 연결되어 직류를 교류로 변환하며, 전력 보상에 필요한 주입 전압과 상기 주입 전압의 위상각을 조정하는 인버터를 포함하는 것을 특징으로 하는 배전 계통 제어 시스템.
나아가서 상기 전력 보상부는, 상기 인버터의 출력단에 일측이 연결된 인덕터와; 일측이 상기 인덕터의 타측과 연결되고, 타측이 상기 2차측 권선의 주권선에 연결된 커패시터를 포함하는 필터를 더 포함할 수 있다.
일례로서, 상기 메인 변압기부의 상기 1차측 권선은, 상기 배전 선로의 입력단과 와이 결선 또는 델타 결선 중 어느 하나로 연결될 수 있다.
일례로서, 상기 메인 변압기부의 상기 주권선은, 상기 배전 선로의 출력단과 와이 결선 또는 델타 결선 중 어느 하나로 연결되며, 상기 메인 변압기부의 상기 추가권선은, 상기 전력 보상부와 델타 결선으로 연결될 수 있다.
나아가서 상기 배전 선로의 입력단의 전압 및 전류를 측정하고 측정치에 따라 전력 보상을 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는 상기 배전 선로 상에 이격되어 배치된 복수의 스마트 변압기를 포함하고, 상기 스마트 변압기는, 전압 및 전류의 측정치 정보를 송수신하는 통신부를 더 포함하며, 상기 제어부는, 다른 스마트 변압기로부터 제공된 측정치 정보를 고려하여 상기 배전 선로에 대한 전력 보상을 제어할 수 있다.
일례로서, 상기 배전 선로 상의 전단에 배치된 제1 스마트 변압기와 상기 배전 선로 상의 후단에 배치된 제2 스마트 변압기를 포함하며, 상기 제1 스마트 변압기는 상기 제2 스마트 변압기로부터 측정치를 제공받고 이를 기초로 상기 배선 서로 상의 전압을 조절할 수 있다.
일례로서, 상기 배전 선로 상의 전단에 배치된 제1 스마트 변압기와 상기 배전 선로 상의 후단에 배치된 제2 스마트 변압기를 포함하며, 상기 제1 스마트 변압기는, 전압에 대한 고조파 보상을 수행하고, 상기 제2 스마트 변압기는, 역률을 제어할 수 있다.
나아가서 상기 배전 선로에 연결된 복수의 부하의 위치를 기초로 상기 배전 선로 상에서 이격되어 복수개의 스마트 변압기가 배치될 수 있다.
또는 상기 배전 선로는, 상기 배전 선로로부터 분계되어 수용가로 연결되는 수용가 선로를 포함하며, 상기 수용가 선로의 중단에 상기 스마트 변압기가 배치될 수 있다.
한걸음 더 나아가서 배전 선로 상에 이격되어 배치된 복수의 스마트 변압기를 관리하는 중앙 관리 장치를 더 포함하며, 상기 중앙 관리 장치는, 상기 복수의 스마트 변압기에 대한 측정치 정보 및 동작 정보를 전달받아 누적적으로 보관하면서, 상기 복수의 스마트 변압기 각각에 대응되는 상기 배전 선로 상의 위치에서 요구되는 전력을 예측하여 실시간 상기 배전 선로 상의 각 위치에 대한 전력 보상을 수행하도록 상기 복수의 스마트 변압기 각각에 지령하는 인공 지능부를 포함할 수 있다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 스마트 변압기를 이용하여 배전 선로 상에 CVR을 최적으로 적용으로 수행할 수 있고, 다양한 전력 제어 기능을 수행할 수 있어, 안정적인 전력 공급이 가능하게 된다.
특히, 기존 기계식 전압 조절기가 가지는 짧은 수명, 비선형 전압 제어의 불가능 등의 문제점을 개선하고, 배전 계통에 효율적인 CVR 수행할 수 있게 된다.
나아가서 본 발명에서 제시하는 스마트 변압기는 변압기 정격 용량의 10%의 전력 보상부만 필요하기 때문에 경제적이며, 기존의 배전 변압기가 차지하는 큰 설치 공간이 요구되지 않아 설치 장소의 제약을 해소하고 장치 설치가 용이하다.
또한, 스마트 변압기의 전력 보상부는 반도체 소자를 이용하기 때문에 전압 가변시에 아크 발생이 없어 기존 기계식 전압 조절기보다 수명이 길며, 배전 선로에 CVR 기능 이외에도 다양한 전력 보상 기능을 수행할 수 있다.
한걸음 더 나아가서 본 발명에서 제시하는 통신 교류를 통해 연계되는 배전 계통 제어 시스템을 배전 선로에 적용함으로써 스마트 변압기 간의 측정치 정보 및 동작 정보를 공유를 통해 더 고품질의 전력을 공급할 수 있다.
본 발명의 효과는 위에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 배전 선로의 거리에 따른 전압 강하에 대한 일례를 도시한다.
도 2는 OLTC 방식 적용 경우와 SVR 연계 경우에 대한 배전 선로의 전압에 대한 일례를 도시한다.
도 3 내지 도 6은 본 발명에 따른 CVR 최적화를 위한 스마트 변압기의 일실시예를 도시한다.
도 7은 본 발명에 따른 배전 계통 제어 시스템의 제1 실시예를 도시한다.
도 8은 본 발명에 따른 배전 계통 제어 시스템의 제2 실시예를 도시한다.
도 9는 본 발명에 따른 스마트 변압기의 다른 실시예에 대한 구성도를 도시한다.
도 10 및 도 11은 본 발명에 따른 배전 계통 제어 시스템의 제3 실시예를 도시한다.
도 12는 본 발명에 따른 배전 계통 제어 시스템의 제4 실시예를 도시한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예들에 의해 한정되거나 제한되는 것은 아니다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 설명하기 위하여 이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하고 이를 참조하여 살펴본다.
먼저, 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니며, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. 또한 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 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.
본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명은 스마트 변압기를 활용하여 배전 선로에 CVR을 최적으로 적용할 수 있는 배전 계통 제어 시스템을 제시한다.
전원 공급자는 저압수용가로 공급해주는 전압 범위를 220V ±6% 수준으로 만족시켜야 한다. 최근에는 신재생 에너지원과 같은 분산 전원이 도입됨에 따라 배전 선로는 단순한 RLC 부하만 연계되는 것이 아니라 신재생 에너지원과 같은 분산 전원들이 연계되는 복잡한 구조로 구성되고 있다.
이러한 분산 전원들은 기후 변화에 따라 출력 특성이 빈번하게 변화되며, 처음 설계된 배전 선로의 용량보다 큰 용량의 분산 전원이 연계되면서 계통의 역조류 현상을 발생시킬 수 있게 된다. 이와 같이 다양한 변화 용인으로 인해 배전 선로의 말단까지 단순 변압기만 이용해서 전압을 안정적으로 ±6% 범위내로 공급하기가 어려워진다.
단순한 기존 변압기에 전압 조정을 가능하도록 OLTC(On Load Tap Changer)를 적용할 수 있는데, 도 2의 (a)와 같이 OLTC(1)를 배전 선로의 인입단에 설치하고 변압기 탭을 조절하는 방식을 통해 배전 선로 인입단과 말단의 전압을 조절할 수 있다. OLTC 하나만을 단독으로 사용할 때 배전 선로 인입단 전압을 단순히 ±6% 조절하는 것만 가능하기 때문에 활용도가 떨어진다.
보존 전압 감소 CVR(Conservation Voltage Reduction) 방식은 배전 선로의 전압을 규정 범위 이내의 전압으로 감소시켜 소비전력을 줄이는 기술로 오랜 실증을 거쳐 에너지 소비량이 감소하는 것을 증명된 기술이다.
CVR 방식을 배전 선로에 적용하기 위해서는 전압을 조절하는 장치가 필수적으로 필요하고 이때 기존에 많이 사용하는 기기가 OLTC이다.
앞서 설명한 도 2의 (a)와 같이 OLTC(1)를 단독으로 사용하면 배전 전압 감소 효과가 떨어지기 때문에 도 2의 (b)와 같이 SVR(Step Voltage Regulator)(3, 5)과 연계하여 배전 선로의 중단에 단권 변압기 형식의 기계식 전압 조정기를 추가적으로 설치하여 배전 선로의 전압을 규정 범위 내의 최소한으로 유지하면서 CVR 기법을 적용할 수 있다.
CVR 방식을 적용함에 있어서 도 2의 (b)와 같은 구조로 기계식 방식의 OLTC(1)와 SVR(3, 5)을 함께 적용할 수 있지만, 이러한 기계식 방식은 전압 조정을 하기 위한 탭 전환을 할 때마다 아크가 발생하여 탭의 수명이 줄어드는 단점이 있다.
또한 기존에 신재생에 연계되지 않는 조건 하에서는 탭 전환이 하루에 매우 간헐적으로 이루어 졌지만, 최근에는 신재생 에너지원의 증가에 따른 배전 계통망이 더욱 복잡해지면서 잦은 탭 전환이 필요하게 되었다.
이에 따라 기존의 기계식 방식은 탭 수명 문제와 동작 속도가 느려 실시간 전압의 빠른 움직임을 기민하게 대응할 수 없다. 또한 탭 방식은 정해진 탭의 크기로만 전압 가변이 이루어질 수 있기 때문에 선형적인 전압 제어 특성을 가지기 힘들다.
이러한 전력 계통의 다양한 상황에 대응할 수 있도록 본 발명에서는 보다 정밀하고 신속하며 다양한 상황에 기민하게 전력 보상 기능을 수행할 수 있는 스마트 변압기를 적용하여 CVR 동작을 더욱 효율적으로 수행할 수 있는 배전 계통 제어 시스템을 제시한다.
이하에서는 본 발명에서 제시하는 스마트 변압기를 실시예를 통해 살펴보고, 다음으로 스마트 변압기를 적용한 본 발명에 따른 배전 계통 제어 시스템에 대하여 실시예를 통해 살펴보기로 한다.
도 3 내지 도 6은 본 발명에 따라 CVR 동작을 효과적으로 수행할 수 있는 스마트 변압기의 일실시예를 제시한다.
도 3은 본 발명에 따른 스마트 변압기의 일실시예에 대한 구성도를 도시하며, 도 4는 본 발명에 따른 스마트 변압기의 일실시예에 대한 회로도를 도시하며, 도 5는 스마트 변압기에서 메인 변압기부의 일실시예를 도시하며, 도 6은 스마트 변압기에서 전력 보상부의 일실시예를 도시한다.
상기 도 3 내지 도 6의 본 발명에 따른 스마트 변압기의 일실시예를 참조하여 설명한다.
본 발명에서 제시하는 스마트 변압기(100)는 단상 또는 3상 전력에 모두 적용될 수 있는데, 이하의 실시예에서는 3상 전력에 대한 실시예로서 설명하도록 한다.
스마트 변압기(100)는, 메인 변압기부(110), 전력 보상부(130) 등을 포함할 수 있다. 스마트 변압기(100)는 수용가에 전력을 공급하는 배전 선로의 중단 또는 배전 선로로부터 분계된 수용가 선로에 설치될 수 있다. 하기 실시예에서는 배전 선로의 중단에 설치되는 스마트 변압기(100)로 설명하며, 배전 선로로부터 스마트 변압기(100)의 입력단이 연결되는 부위를 배전 선로의 입력단(11)으로 명하고, 스마트 변압기(100)의 출력단으로부터 배전 선로가 연결되는 부위를 배전 선로의 출력단(15)으로 명하여 설명하도록 한다.
메인 변압기부(110)는 다권선 구조의 저주파 메인 변압기(LFT)가 적용될 수 있다. 가령, 메인 변압기부(110)는 입력단 개수와 출력단 개수가 조절된 다권선 변압기로서 1차측 권선(111)과 2선으로 독립되어 분리된 주권선(113)과 추가권선(115)을 포함하는 2차측 권선으로 구성될 수 있다.
메인 변압기부(110)의 1차측 권선(111)은 배전 선로의 입력단(11)에 연결되고, 2차측 권선의 주권선(113)은 배선 선로의 출력단(15)에 연결될 수 있다. 그리고 2차측 권선의 추가권선(115)은 전력 조류를 제어하는 전력 보상부(130)에 연결될 수 있다
상기 실시예에서 보는 바와 같이 3상 전력을 공급하는 경우, 배전 선로의 입력단(11)의 R, S, T의 각 상 전력이 1차측 권선(111)과 연결되며, 2차측 권선은 3상의 R, S, T 각 상의 결선을 변압기 내부적으로 연결하지 않고 3상 전력의 R, S, T 각 상마다 2선으로 독립적 분리시켜 주권선(113)과 추가권선(115)으로 구성할 수 있다. 배전 선로의 출력단(15)의 R, S, T 각 상 전력이 주권선(113)과 연결될 수 있으며, 추가권선(115)의 R, S, T 각 상 전력이 전력 보상부(130)에 연결될 수 있다.
상기 실시예에서는 메인 변압기부(110)의 1차측 권선(111)을 배전 선로의 입력단(11)과 델타 결선 방식으로 연결시켰으나, 상황에 따라서는 1차측 권선(111)과 배전 선로의 입력단(11)을 와이 결선 방식으로 연결시킬 수도 있다.
또한 상기 실시예에서는 메인 변압기부(110)의 2차측 권선의 주권선(113)과 배전 선로의 출력단(15)을 와이 결선 방식으로 연결시켰으나, 상황에 따라서는 2차측 권선의 주권선(113)과 배전 선로의 출력단(15)을 델타 결선 방식으로 연결시킬 수도 있다. 마찬가지로 2차측 권선의 추가권선(115)과 전력 보상부(130) 간도 델타 결선으로 연결시켰으나 와이 결선 방식이 적용될 수도 있을 것이다.
전력 보상부(130)는 보존 전압 감소(CVR: Conservation voltage reduction) 방식을 적용하여　전압　및 무효전력 최적화 제어를 통해 배전 선로의　전압　크기를 허용전압　변동 범위 내에서의 최적 하한으로 유지하시킬 수 있다.
일례로서, 전력 보상부(130)는 메인 변압기부(110)의 변압기 용량 대비 10%급의 전력변환용 컨버터를 포함할 수 있다. 여기서 전력 보상부(130)의 용량은 요구되는 보상 전압의 크기에 따라 변경될 수 있다.
가령, 전력 보상부(130)의 용량이 10%인 경우, 2차측 권선의 주권선(113)과 추가권선(115)의 권선비는 10:1이 될 수 있다.
전력 보상부(130)는 2차측 권선의 추가권선(115) 출력단에 일단이 연결되고, 2차측 권선의 주권선(113) 출력단에 타단이 연결되어, 배전 선로(10)에 대한 보존 전압 감소를 제어할 수 있다.
전력 보상부(130)는 교류를 직류로 변환하는 정류기(131)와 직류를 교류로 변환하는 인버터(135)를 포함하여 2스테이지 구조로 구성될 수 있다.
정류기(131)는 3상의 교류 전압을 입력받아 직류 링크 전압을 생성할 수 있다. 인버터(135)는 정류기(131)에서 생성된 직류 링크 전압을 이용하여 3상의 교류 전압을 생성할 수 있다. 상기 실시예에서는 3상 회로를 예시로 설명하나, 이에 국한되지 않고 멀티레벨 구조의 컨버터나 그 이외에 3상 전력 변환에 적용되는 다양한 구조의 전력변환장치가 적용될 수 있다.
정류기(131)는 일측이 2차측 권선의 추가권선(115)에 연결되어, 교류를 직류로 변환하고, 전압 보상에 필요한 유효 전력을 추가권선(115)으로부터 공급받아 무효 전력 보상에 필요한 무효 전력을 공급할 수 있다.
인버터(135)는 일측이 정류기(131)의 타측에 연결되고 타측이 2차측 권선의 주권선(113)에 연결되어 직류를 교류로 변환하며, 전력 보상 제어에 필요한 주입 전압과 상기 주입 전압의 위상각을 조정할 수 있다. 여기서 주입 전압의 크기는 직류 링크 전압과 인버터의 변조율에 의해 결정될 수 있다.
또한 전력 보상부(130)는 필터(137)를 포함할 수 있다.
필터(137)는, 인버터(135)의 출력단에 일측이 연결된 인덕터(138) 및 일측이 인덕터(138)의 타측과 연결되고, 타측이 2차측 권선의 주권선(113)에 연결된 커패시터(139)를 포함할 수 있다.
필터(137)에 포함된 커패시터(139)의 와이 결선을 통해 메인 변압기부(110)의 2차측 권선의 주권선(113)을 와이 결선으로 완성시킬 수 있다.
이러한 구성을 통해 인버터(135)의 3상 출력 전압 및 위상을 제어함으로써 배전 선로의 전력 보상을 제어할 수 있게 된다.
나아가서 전력 보상부(130)는 정류기(131)와 인버터(135) 사이에 배치된 DC 링크 커패시터(133)를 더 포함할 수 있다.
DC 커패시터(133) 중성점과 필터(137)의 커패시터(139)중성점이 서로 연결될 수 있다. DC 링크 커패시터(133)를 통해 인버터(135)의 출력에 대한 상 불평형을 해소할 수 있다.
상기 실시예에 제시된 중성점 연결 방식 이외에도 상 불평형 제어를 위한 다양한 방식이 적용될 수 있는데, 예를 들어 4레그 인버터 토폴리지 등이 적용 가능하다.
이와 같은 본 발명에 따른 스마트 변압기(100)는 전압 조절과 다양한 전력 보상 기능을 수행할 수 있는 전력 보상부(130)를 내장하여 기존의 수동 변압기를 통해 수행이 불가능한 전압 조절 및 무효 전력 보상과 같은 다양한 전력 보상 기능을 수행할 수 있게 된다.
특히, 기존의 OLTC는 기계식 접점을 이용해서 전압 조절할 때마다 아크가 발생해서 접점의 수명이 감소했지만, 본 발명에서 제안하는 방식은 반도체 소자로 구성된 전력 보상부(130)를 이용하기 때문에 전압 조정시 아크 발생이 없고, 전압 가변에 빠른 응답 특성을 가질 수 있다. 또한 반도체 소자를 이용한 전력 보상부(130)의 제어를 통해 2차측 출력 전압을 선형적으로 조절할 수 있는 장점을 가진다.
전력 보상부(130)는 2단 회로로 구성되며, 메인 변압기부(110)의 2차측 권선의 추가권선(115) 측에 배치된 전력 보상부(130)의 정류기(131)를 통해 직류 링크 전압을 생성할 수 있으며 이를 통해 필요시 계통에 무효전력을 보상할 수 있어 변압기 역률을 개선시키는 기능을 가질 수 있다. 이는 기존의 수동 변압기를 통해 수행될 수 없는 기능일 수 있다.
전력 보상부(130)의 인버터(135)는 정류기(131)에서 생성된 직류 링크 전압을 이용해서 교류 전압을 생성하는 인버터로서 동작을 할 수 있으며, 인버터(135)의 전압이 ±10%로 가변되기 때문에 메인 변압기부(110)의 2차측 전압을 ±10%의 크기로 조절이 가능해진다.
따라서 본 발명에 따른 스마트 변압기(100)는 정격 용량의 10%만 필요한 전력 보상부(130)와 결합하여 기존 변압기와 OLTC가 수행할 수 없었던 다양한 전력 제어를 아크 발생 없이 수행할 수 있게 된다.
상기에서 살펴본 본 발명에서 제시하는 스마트 변압기를 적용하여 CVR를 최적으로 수행하는 배전 계통 제어 시스템에 대하여 실시예를 통해 살펴보기로 한다.
도 7은 본 발명에 따른 배전 계통 제어 시스템의 제1 실시예를 도시한다.
본 발명에 따른 배전 계통 제어 시스템의 제1 실시예에서는 전력공급원(20)으로부터 전력을 공급받아 전송하는 배전 선로(10)는 배전 선로로부터 분계되어 수용가로 연결되는 수용가 선로(30a, 30b, 30c, 30n)를 포함할 수 있다.
그리고 스마트 변압기(200a, 200b, 200c, 200n)가 각각의 수용가 선로(30a, 30b, 30c, 30n)의 중단에 배치될 수 있다.
스마트 변압기(200a, 200b, 200c, 200n)는 앞서 설명한 바와 같이 전압 조절 및 무효전력 보상과 같은 전력 보상 기능을 수행할 수 있으므로, 수용가의 부하(50a, 50b, 50c, 50n)에 안정적인 전력 공급을 가능하게 한다.
가령, 상기 도 7의 (b)와 같이 배전 선로(10)의 거리와 무관하게 수용가의 부하(50a, 50b, 50c, 50n)에 일정한 수준의 전력을 공급할 수 있게 된다.
아울러 본 발명에서 제시하는 스마트 변압기(200a, 200b, 200c, 200n)는 설치를 위한 큰 공간이 요구되지 않으므로, 수용가 선로(30a, 30b, 30c, 30n)에 배치가 용이한 이점이 있다.
도 8은 본 발명에 따른 배전 계통 제어 시스템의 제2 실시예를 도시한다.
본 발명에 따른 배전 계통 제어 시스템의 제2 실시예는 전력공급원(20)으로부터 전력을 공급받아 전송하는 배전 선로(10) 상에 이격되어 스마트 변압기(200a, 200b, 200c)를 배치한 경우이다.
배전 선로(10)의 중단에 이격되어 복수의 스마트 변압기(200a, 200b, 200c)를 배치함으로써 스마트 변압기(200a, 200b, 200c)를 통해 CVR 방식으로 배전 선로(10)의 선로 전압을 요구되는 범위 수준으로 유지시킬 수 있다.
배전 선로(10) 상에 스마트 변압기(200a, 200b, 200c)가 설치되는 위치는 연계되는 부하(50a, 50b) 등을 고려하여 적절하게 조절될 수 있다.
이와 같이 배전 선로(10) 상에 복수의 스마트 변압기(200a, 200b, 200c)를 배치함으로써 정밀한 전압 제어가 가능하여 CVR을 최적으로 수행할 수 있으며, 기존 OLTC와 SVR을 적용한 경우와 대비하여 배전 선로(10)의 허용 전압 범위를 최소 전압으로 보다 정밀하게 유지시켜 배전 선로의 운용 안정성을 도모할 수 있게 된다. 또한 본 발명은 아크 발생의 위험이 없어 필요시 요구되는 상황에 맞춰서 전압 가변을 실시간으로 수행할 수 있게 된다.
나아가서 본 발명에서는 배전 선로 상에 배치된 복수의 스마트 변압기 간의 동작 상황을 상호 모니터링하여 보다 정밀하고 안정적인 전력 공급이 가능할 수 있는데, 이와 관련하여 도 9는 본 발명에 따른 스마트 변압기의 다른 실시예에 대한 구성도를 도시한다.
본 발명에 따른 스마트 변압기(300)는 메인 변압기부(310), 전력 보상부(330), 제어부(350), 통신부(370) 등을 포함할 수 있다.
여기서 메인 변압기부(310)와 전력 보상부(330)는 앞서 살펴본 본 발명에 따른 실시예에서 제시된 사항과 유사하므로 이에 대한 자세한 설명은 생략하도록 한다.
제어부(350)는 배전 선로와 연결되는 인입단, 즉 앞서 설명한 배전 선로의 입력단에 대한 전압 및 전류를 측정하는 센서를 구비하여 전압과 전류의 측정치를 획득하고, 측정치를 기초로 전력 보상부(330)의 동작을 제어하여 필요한 수준의 전력 보상을 수행할 수 있다.
아울러 제어부(350)는 다른 스마트 변압기의 측정치를 기초로 전력 보상부(330)의 동작을 제어하여 전력 보상을 수행할 수도 있다.
이를 위해 통신부(330)는 동일 배전 선로 상에서 배치된 다른 스마트 변압기와 CAN, EtherCAT 등의 통신으로 연계되어 다른 스마트 변압기와 측정치 정보를 공유할 수 있다. 여기서 통신부(330)의 통신 방식은 다양한 유무선 통신 방식이 적용될 수 있다.
가령, 스마트 변압기 각각이 배전 선로 상에서 서로 앞 뒤에 위치한 스마트 변압기의 전압 정보를 전달받을 수 있게 되므로 요구되는 배전 선로의 최소 전압으로 각각의 스마트 변압기가 전압을 제어할 수 있다.
스마트 변압기 간의 연계를 통해 배전 선로의 전압을 보상하는 배전 계통 제어 시스템의 일례로서 도 10 및 도 11을 참조하여 설명한다.
상기 도 10에 도시된 바와 같이 전력공급원(20)으로부터 전력을 공급받아 전송하는 배전 선로(10) 상에 상호 통신 연계가 가능한 복수의 스마트 변압기(300a, 300b, 300c)를 배치하고, 각각의 스마트 변압기(300a, 300b, 300c)는 통신망(70)을 통해 상호 측정치 정보와 동작 정보를 교류하면서 배전 선로(10)의 전력을 보상할 수 있다.
이와 같은 본 발명에 따른 배전 계통 제어 시스템을 통해 상기 도 10의 (b)와 같이 보다 정밀하게 CVR을 최적으로 수행할 수 있게 된다.
나아가서 복수의 스마트 변압기(300a, 300b, 300c)는 통신 연계를 통해 전압 조정 및 다양한 전력 보상을 수행할 수 있는데, 일례로서, 도 11과 같이 두 개의 스마트 변압기(300a, 300b)가 상호 동작하는 경우를 살펴본다.
배전 선로(10) 상의 상대적으로 전단에 위치된 제1 스마트 변압기(300a)와 상대적으로 후단에 위치된 제2 스마트 변압기(300b)는 통신망(70)을 통해 상호 교류가 가능한 상태이다.
제2 스마트 변압기(300b)가 배전 선로(10)의 인입단에 대한 전압을 측정하여 측정치를 제1 스마트 변압기(300a)로 제공하며, 제1 스마트 변압기(300a)는 자신의 위치한 배전 선로(10)의 인입단에 대한 전압 측정치와 함께 제2 스마트 변압기(300b)로부터 제공된 전압 측정치를 고려하여 배전 선로(10)의 전압을 조절할 수 있다.
가령, 제1 스마트 변압기(300a)와 제2 스마트 변압기(300b) 사이에 큰 전압 강하가 발생하는 요인이 존재하는 경우, 제1 스마트 변압기(300a)가 자신의 인입단 전압만이 아닌 제2 스마트 변압기(300b)의 인입단 전압도 고려하여 배전 선로(10) 상의 전압을 조절함으로써 제2 스마트 변압기(300b)가 적절한 CVR을 수행할 수 있게 된다.
나아가서 제1 스마트 변압기(300a)와 제2 스마트 변압기(300b) 간의 측정치 정보와 동작 정보를 교류함으로써, 제1 스마트 변압기(300a)는 배전 선로(10)의 전압에 대한 고조파 보상 기능을 수행하고, 제2 스마트 변압기(300b)는 배전 선로(10)에 대한 측정치를 기초로 변압기의 역률을 제어할 수도 있다.
이와 같이 복수의 스마트 변압기 간이 배전 선로의 측정치와 동작 상태를 상호 교류할 수 있으므로, 기존 기계식 변압기로는 수행할 수 없었던 다양한 전력 제어 기능을 수행할 수 있게 된다.
한걸음 더 나아가서 배전 선로에 배치된 복수의 스마트 변압기를 중앙에서 통합 관리하면서 최적의 배전 선로 운영을 도모하도록 관리할 수 있는데, 이와 관련하여 도 12는 본 발명에 따른 배전 계통 제어 시스템의 제4 실시예를 도시한다.
배전 선로(10) 상에 배치된 복수의 스마트 변압기(400a, 400b, 400n)는 중앙 관리 장치(500)에 의해 관리될 수 있다.
복수의 스마트 변압기(400a, 400b, 400n) 각각은 측정치 정보와 동작 정보 등을 중앙 관리 장치(500)로 전송하고, 중앙 관리 장치(500)로부터 동작 지령을 전달받아 복수의 스마트 변압기(400a, 400b, 400n) 각각이 그에 적합한 전력 보상을 수행할 수 있다.
중앙 관리 장치(500)는 인공 지능(550)을 보유하여 인공 지능 기반으로 복수의 스마트 변압기(400a, 400b, 400n)에 대한 정보를 수집하고 배전 선로(10)에 대한 전력 공급을 관리할 수 있다.
바람직하게는 배전 선로(10) 각 위치마다 연결된 수용가에서 소비하는 전력 등을 지속적으로 모니터링하고 배전 선로(10) 상의 각각의 위치에서 요구되는 전력 보상을 사전에 미리 예측하여 복수의 스마트 변압기(400a, 400b, 400n) 각각에 대한 동작 지령을 전송할 수 있다.
이와 같이 복수의 스마트 변압기(400a, 400b, 400n)의 전압을 실시간으로 제어 가능할 수 있기 때문에 배전 선로(10)의 배전 전압을 최소로 유지하는 CVR 기능을 최적으로 운용할 수 있다. 또한 배전 선로(10)에 연계된 수용가의 부하단에 대한 소비 전력을 최소한으로 줄이는 전압을 인공 지능을 통해 미리 예측하여 산출하고 그에 따른 전압 지령을 통해 스마트 변압기(400a, 400b, 400n) 각각을 실시간으로 제어할 수 있다. 특히 스마트 변압기(400a, 400b, 400n)는 전압을 선형적으로 가변할 수 있기 때문에 인공 지능 기반의 전력 제어에 최적화될 수 있다.
이상에서 살펴본 본 발명을 통해 스마트 변압기를 이용하여 배전 선로 상에 CVR을 최적으로 적용으로 수행할 수 있고, 다양한 전력 제어 기능을 수행할 수 있어, 안정적인 전력 공급이 가능하게 된다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 기재된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상이 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의해서 해석되어야하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10 : 배전 선로,
100, 200a, 200b, 200c, 300a, 300b, 300c, 400a, 400b, 400n : 스마트 변압기,
110, 310 : 메인 변압기부,
130, 330 : 전력 보상부,
350, 350a, 350b : 제어부,
370 : 통신부,
500 : 중앙 관리 장치.

Claims (13)

  1. 수용가에 전력을 공급하는 배전 선로; 및
    상기 배전 선로 중단에 설치되며, 입력단 개수와 출력단 개수가 조절된 다권선 변압기로서 2차측 권선이 주권선과 추가권선으로 구성된 메인 변압기부와; 상기 메인 변압기부의 추가권선에 연결되어 상기 배전 선로의 전력 보상을 수행하는 전력 보상부를 포함하는 스마트 변압기를 포함하여,
    보존 전압 감소(CVR) 방식으로 배전 선로의 전력을 보상하는 것을 특징으로 하는 배전 계통 제어 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 스마트 변압기의 메인 변압기부는,
    상기 배전 선로의 입력단이 연결된 1차측 권선과; 2선으로 독립되어 분리된 주권선과 추가권선을 포함하는 2차측 권선을 포함하여, 상기 주권선에 상기 배전 선로의 출력단이 연결되고, 상기 추가 권선에 전력 보상부가 연결되며,
    상기 스마트 변압기의 전력 보상부는,
    상기 2차측 권선의 추가권선 출력단에 일단이 연결되고, 상기 2차측 권선의 주권선 출력단에 타단이 연결되어, 상기 배전 선로의 전력 보상을 수행하는 것을 특징으로 하는 배전 계통 제어 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 전력 보상부는,
    일측이 상기 2차측 권선의 추가권선에 연결되어, 교류를 직류로 변환하며, 유효 전력을 상기 추가권선으로부터 공급받아 무효 전력 보상에 필요한 무효 전력을 공급하는 정류기; 및
    일측이 상기 정류기의 타측에 연결되고 타측이 상기 2차측 권선의 주권선에 연결되어 직류를 교류로 변환하며, 전력 보상에 필요한 주입 전압과 상기 주입 전압의 위상각을 조정하는 인버터를 포함하는 것을 특징으로 하는 배전 계통 제어 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 전력 보상부는,
    상기 인버터의 출력단에 일측이 연결된 인덕터와; 일측이 상기 인덕터의 타측과 연결되고, 타측이 상기 2차측 권선의 주권선에 연결된 커패시터를 포함하는 필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배전 계통 제어 시스템.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 메인 변압기부의 상기 1차측 권선은,
    상기 배전 선로의 입력단과 와이 결선 또는 델타 결선 중 어느 하나로 연결된 것을 특징으로 하는 배전 계통 제어 시스템.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 메인 변압기부의 상기 주권선은,
    상기 배전 선로의 출력단과 와이 결선 또는 델타 결선 중 어느 하나로 연결되며,
    상기 메인 변압기부의 상기 추가권선은,
    상기 전력 보상부와 델타 결선으로 연결된 것을 특징으로 하는 배전 계통 제어 시스템.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 배전 선로의 입력단의 전압 및 전류를 측정하고 측정치에 따라 전력 보상을 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배전 계통 제어 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 배전 선로 상에 이격되어 배치된 복수의 스마트 변압기를 포함하고,
    상기 스마트 변압기는,
    전압 및 전류의 측정치 정보를 송수신하는 통신부를 더 포함하며,
    상기 제어부는,
    다른 스마트 변압기로부터 제공된 측정치 정보를 고려하여 상기 배전 선로에 대한 전력 보상을 제어하는 것을 특징으로 하는 배전 계통 제어 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 배전 선로 상의 전단에 배치된 제1 스마트 변압기와 상기 배전 선로 상의 후단에 배치된 제2 스마트 변압기를 포함하며,
    상기 제1 스마트 변압기는 상기 제2 스마트 변압기로부터 측정치를 제공받고 이를 기초로 상기 배선 서로 상의 전압을 조절하는 것을 특징으로 하는 배전 계통 제어 시스템.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 배전 선로 상의 전단에 배치된 제1 스마트 변압기와 상기 배전 선로 상의 후단에 배치된 제2 스마트 변압기를 포함하며,
    상기 제1 스마트 변압기는, 전압에 대한 고조파 보상을 수행하고,
    상기 제2 스마트 변압기는, 역률을 제어하는 것을 특징으로 하는 배전 계통 제어 시스템.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 배전 선로에 연결된 복수의 부하의 위치를 기초로 상기 배전 선로 상에서 이격되어 복수개의 스마트 변압기가 배치된 것을 특징으로 하는 배전 계통 제어 시스템.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 배전 선로는,
    상기 배전 선로로부터 분계되어 수용가로 연결되는 수용가 선로를 포함하며,
    상기 수용가 선로의 중단에 상기 스마트 변압기가 배치된 것을 특징으로 하는 배전 계통 제어 시스템.
  13. 제 8 항에 있어서,
    배전 선로 상에 이격되어 배치된 복수의 스마트 변압기를 관리하는 중앙 관리 장치를 더 포함하며,
    상기 중앙 관리 장치는,
    상기 복수의 스마트 변압기에 대한 측정치 정보 및 동작 정보를 전달받아 누적적으로 보관하면서, 상기 복수의 스마트 변압기 각각에 대응되는 상기 배전 선로 상의 위치에서 요구되는 전력을 예측하여 실시간 상기 배전 선로 상의 각 위치에 대한 전력 보상을 수행하도록 상기 복수의 스마트 변압기 각각에 지령하는 인공 지능부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배전 계통 제어 시스템.
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