KR101338125B1 - 계통환경 적응／지능형 과도 안정도 고장파급방지 시스템 - Google Patents

계통환경 적응／지능형 과도 안정도 고장파급방지 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 스마트그리드, 신재생에너지원, 기타 발전단지나 발전기가 추가되고 전력 계통상황의 불확실성이 증가되는 환경에서 미리 정의된 사례만을 감시하지 않고 전력 계통의 변화에 능동적으로 대응하여 과도 안정도를 실시간으로 판별하여 과도안정도 상태에 대처하여 전력 계통을 안정적이고 효율적으로 운영할 수 있는 지능형 과도 안정도 고장파급방지 시스템에 관한 것이다.

Description

계통환경 적응／지능형 과도 안정도 고장파급방지 시스템{Intelligent and Adaptive Protection System for Varying Power System Conditions to Prevent Transient Instability}
본 발명은 과도 안정도 고장파급방지 시스템에 관한 것으로서, 스마트그리드, 신재생에너지원, 기타 발전단지나 발전기가 추가되고 전력 계통상황의 불확실성이 증가되는 환경에서 미리 정의된 사례만을 감시하지 않고 전력 계통의 변화에 능동적으로 대응하여 과도 안정도를 실시간으로 판별하여 과도안정도 상태에 대처하여 전력 계통을 안정적이고 효율적으로 운영할 수 있는 지능형 과도 안정도 고장파급방지 시스템에 관한 것이다.
전력에 대한 수요 증가로 계통의 규모가 대형화되고 그 운용이 복잡화됨에 따라 전력계통은 높은 신뢰도를 유지할 수 있도록 계획, 설계 및 운용될 것이 요구된다. 특히 신규 발전단지 개발이 환경, 사회적인 이슈로 어려운 상황에서 기존 발전단지에 새로운 발전기를 지속적으로 추가하는 상황은 하기에서도 언급하는 바와 같이 과도안정도 중요성이 더욱더 증대되고 있는 상황이다.
전력계통에서의 과도 안정도는 계통 안정 운영을 위하여 신중히 검토 되어야 할 사항인데, 송전선로 고장, 발전기 또는 대규모 부하의 탈락 등에 의한 외란이 일어났을 때 과도적인 조건에서 일부 혹은 전체 발전기들이 동기 운전을 유지할 수 없는 경우 과도불안정이라 하며 이는 궁극적으로 전력계통의 붕괴로 진행된다.
이러한 외란을 극복할 능력이 있는지를 판별하는 과도 안정도를 감시하는 방법으로 1) 등면적법(equal areamethod), 2) 시간 모의법(time simulation method) 및 3) 에너지 함수법(energy function method) 등이 있는데, 이 방법들은 오프라인 상태에서 계통의 설계 혹은 변경 시에 안정한계를 고려하기 위하여 사용된다. 즉, 과도 안정도 감시는 사전에 위험이 될 만한 사례를 선정하여 이를 시모의(시간 모의) 혹은 여러 축약기법을 통하여 발전기들의 동기 유지 여부를 판단하는 접근법을 이용하고 있다.
위와 같은 기법을 적용하여 과도불안정이 예견되는 경우 이를 해소하기 위하여 과도안정도용 고장파급방지장치를 발전단지에 설치하여 외란이 발생하는 경우 발전단지의 발전기를 탈락시켜(계통에서 분리) 과도안정도를 유지하도록 조치하고 있다.
그러나 이러한 기존의 고장파급방지장치를 이용한 과도안정도 향상 접근법은 미리 선정된 계통의 조건(일반적으로 최악) 하에서 필요 발전기 차단량을 산출한다. 이는 현재 계통상황에서 필요한 발전기 차단량 보다 과다하게 차단하는 것으로 이어진다. 추가적으로 발전하는 IT 기술을 통하여 전력계통에서 측정되는 빠른 정보를 이용하지 못하고 제한적이며 미리 정의된 사례만을 감시함으로써, 예상하지 못한 사고 및 미리 가정한 전력계통 상태 이외의 과도안정도 상태에 대처하는 능력이 현저히 떨어진다. 결론적으로 비 실시간 및 가정된 상황에 근거하여 과도 안정도를 판별하고 이에 따라 고장파급방지장치를 구성하는 것은 예측되는 전력계통의 상태에서는 유용하나 스마트그리드, 신재생에너지원의 진입 등 빠르게 변화하는 전력계통에서의 과도 안정도 문제를 다루기에는 부족하다.
관련 선행 문헌으로서, 대한민국등록특허번호 제101197576호(2012.10.30, 공고), 대한민국공개특허번호 제10-2008-0027517호(2008.03.28 공개), 대한민국공개특허번호 제10-2008-0086794호(2008.09.26) 등이 참조될 수 있다.
따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, 스마트그리드, 신재생에너지원, 기타 발전단지나 발전기가 추가되고 전력 계통상황의 불확실성이 증가되는 환경에서 미리 정의된 사례만을 감시하지 않고 전력 계통의 변화에 능동적으로 대응하여 과도 안정도를 실시간으로 판별하여 과도안정도 상태에 대처하여 전력 계통을 안정적이고 효율적으로 운영하기 위한 지능형 과도 안정도 고장파급방지 시스템을 제공하는 데 있다.
먼저, 본 발명의 특징을 요약하면, 본 발명의 일면에 따른, 외란에 따른 과도 안정도를 분석하여 전력계통에 연계된 발전기의 탈락을 관리하는 고장파급방지 시스템은, 각 발전기와 전력 계통의 연계 지점에서 각 발전기의 전압 및 전류에 대한 크기와 위상각 정보를 포함하는 페이저 정보를 측정하여 수집하는 페이저 측정부; 상기 페이저 정보에 따라 각 발전기가 연계된 전력계통에 대한 축약계통의 전압과 연계 임피던스를 산출하여 테브난 등가 회로로 축약 계통을 구성하는 일기무한 모선 모듈;
상기 페이저 정보에 기초하여 각 발전기 전력의 위상을 산출하고, 상기 발전기 전력의 위상과 상기 축약계통의 전압 위상에 기초하여 상기 전력계통으로 송전되는 파워를 산출하여 과도 안정도 판별에 따른 경고를 발생하는 지능형 판별 모듈; 상기 경고 발생 시에 상기 전력계통의 상태정보를 이용해 소정의 프로그램으로 주기적인 시모의(time simulation)를 수행하여 발전기 탈락수를 산출하는 시모의 모듈; 및 상기 발전기 탈락수에 따라 탈락 대상 발전기를 선정하여 해당 발전기를 상기 전력계통에서 탈락시키는 발전기 탈락 설정 모듈을 포함한다.
상기 지능형 판별 모듈은, 주기적으로 상기 일기무한 모선 모듈로부터의 상기 위상의 변화에 대한 상기 전력계통으로 송전되는 파워를 나타내는 발전기 전력 위상각 곡선을 산출하며, 상기 발전기 전력 위상각 곡선에 기초하여 상기 경고를 발생한다.
상기 지능형 판별 모듈은, 제1위상(δs)과 제2위상(δu) 사이에서 상기 전력 계통으로 송전되는 파워가 일정 파워 기준값 이상을 나타낼 때, 제1위상(δs)과 제2위상(δu) 간 차이가 미리 정해진 기준값보다 작을 경우, 또는 제1위상(δs)과 제2위상(δu) 사이의 상기 곡선 영역의 면적(Adec)이 미리 정해진 기준값보다 작을 경우에, 상기 경고를 발생한다.
또한, 상기 지능형 판별 모듈은, 주기적으로 산출되는 발전기 전력 위상각 곡선들에서 이전 곡선과 비교하여 상기 면적(Adec)의 변화가 임계치 이상 크거나 작아지는 경우에 상기 경고를 발생할 수 있다.
상기 페이저 측정부는 GPS의 기준 시간에 동기된 상기 페이저 정보를 수집하며, 상기 일기무한 모선 모듈은, 복수의 GPS의 기준 간에 측정된 페이저 정보를 이용하여 축약 계통을 구성하여 각 발전기 전력의 위상을 산출할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 지능형 과도 안정도 고장파급방지 시스템에 따르면, 계통의 변화에 능동적으로 대응하여 과도 안정도를 실시간으로 판별함으로써 과도안정도 상태에 안정적이고 효율적으로 대처할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 지능형 과도 안정도 고장파급방지 시스템을 설명하기 위한 블록도이다.
도 2는 도 1의 일기무한모선 모듈을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 도 1의 시모의 판별 모듈을 설명하기 위한 도면이다.
이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 지능형 과도 안정도 고장파급방지 시스템(100)을 설명하기 위한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 지능형 과도 안정도 고장파급방지 시스템(100)은, 페이저 측정부(PMU, Phasor Measurement Unit)(110), 일기무한 모선 모듈(120), 지능형 판별 모듈(130), 시모의 모듈(140), 및 발전기 탈락 설정 모듈(150)을 포함한다.
본 발명의 일실시예에 따른 지능형 과도 안정도 고장파급방지 시스템(100)은, 스마트그리드, 신재생에너지원, 기타 발전단지(또는 발전기)와 전력계통(다른 발전 또는 부하 등)이 연계되는 계통간(발전기와 전력계통 간) 연계 지점들에 설치되는 계측기를 이요하여, 각 지점에서 발전기의 전압 크기, 페이저(phasor) 정보 및 연계 선로에 흐르는 유효 및 무효전력을 측정하여 이를 기반으로 축약계통(일기 무한모선)을 구성하고, 이에 기반하여 발전기의 과도 안정도, 위험성 접근 여부, 혹은 현재 계통 상황의 변화에 능동적으로 대응하여 실시간 안정도 판별을 통해 외란(예, 송전선로 고장, 발전기 또는 대규모 부하의 탈락 등)이 발생 할 경우에 필요한 발전기 차단량을 시모의를 통하여 산출함으로써, 적절히 발전기를 탈락시켜 전력계통들이 안정적이고 효율적으로 운영될 수 있도록 하였다.
페이저 측정부(PMU, Phasor Measurement Unit)(110)는 각 계통의 연계 지점에서 각 발전기의 해당 페이저 정보를 측정하여 수집한다. 페이저 측정부(110)는 GPS(Global Positioning System)를 포함할 수 있으며, GPS의 기준 시간에 동기된, 발전기의 유효 전력, 무효 전력, 전압 및 전류에 대한 그 크기와 위상각 정보를 페이저 정보로서 수집한다.
일기무한 모선 모듈(120)은, 위와 같이 페이저 측정부(110)가 측정 수집한 페이저 정보에 따라 축약 계통 모듈인 일기무한모선을 구성한다. 도 2와 같이 축약 계통 모듈인 일기무한모선은 페이저 정보 중 전압과 전류에 대한 페이저 정보에 따라, Thevenine 등가회로 상 복소평면의 전압
Figure 112012023504797-pat00001
으로 나타낼 수 있다. 즉, 일기무한 모선 모듈(120)은, 각 발전기가 연계된 전력계통에 대한 축약계통의 전압
Figure 112012023504797-pat00002
과 연계 임피던스 ZThev를 산출하여 테브난 등가 회로로 축약 계통을 구성한다.페이저 측정부(110)가 측정한 전압이
Figure 112012023504797-pat00003
이고, 페이저 측정부(110)가 측정한 전류가
Figure 112012023504797-pat00004
인 경우에, 이에 따라 축약 계통 모듈에 임피던스 ZThev를 반영하여
Figure 112012023504797-pat00005
로 나타낼 수 있다.
임피던스 ZThev는 저항 성분RThev과 리액턴스 성분 XThev을 포함하며, 일기무한 모선 모듈(120)은, 측정된 전압의 실수부와 허수부인 u, w와 측정된 전류의 실수부와 허수부인 g, h로부터, 아래 [수학식 1]에 따라 서로 다른 시간(GPS 기준 시간)에 측정된 2 이상의 전압과 전류로부터, 축약계통 전압의 실수부와 허수부인 Er, Ei, 임피던스 ZThev의 저항 성분RThev과 리액턴스 성분 XThev을 산출할 수 있으며(least square 적용 가능), 이에 따라 테브난 등가회로를 이용한 일기무한 모선을 구성 할 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112012023504797-pat00006
지능형 판별 모듈(130)은 페이저 측정부(110)가 측정한 전압 등의 페이저 정보로부터 각 발전기 전력의 위상(δ)에 대한 도 3과 같이 전력계통으로 송전되는 파워와 관련된 발전기 전력 위상각 곡선을 산출하여, 이를 기반으로 발전기의 계통운영 현황 변화 및 과도안정도를 판별한다.
시간(t)에 따른 발전기 전력의 위상각(δ)의 동적 방정식은 [수학식 2]와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112012023504797-pat00007
여기서 M 은 발전기의 관성 변수, Pm 은 발전기에 입력되는 기계적 파워, Pe 은 전력계통으로 송전되는 전기적 파워로서, 이들은 미리 알려지거나 산출될 수 있다. Pe 는 발전기 전력의 위상(δ)과 축약계통의 전압
Figure 112012023504797-pat00008
위상의 차이로부터 산출될 수 있다. 이와 같은 [수학식 2]를 분석하면, 일기무한 모선 모듈(120)의 축약 계통 모듈에 따른 발전기 전력의 위상(δ)에 따른 계통으로 송전되는 전기적 파워 Pe는 도 3과 같이 도시될 수 있다.기계적파워 Pm 와 전기적파워 Pe 가 동일 한 경우에, 발전기 위상(δ)이 고정되지만, 외란 등의 발생으로 그 값이 다른 경우 발전기의 발전에 대한 감속 혹은 가속이 일어나며, 이에 따라 위상(δ)이 변동하여 특정값(δu) 이상이 되는 경우 동기탈조가 일어나 과도 불안정이 된다.
지능형 판별 모듈(130)은 위와 같이 산출한 발전기 전력 위상각 곡선에 기초하여, 도 3에서, 제1위상(δs)과 제2위상(δu) 사이에서 계통으로 송전되는 파워가 일정 파워 기준값 이상을 나타낼 때, 다음과 같은 경우 경고를 발생할 수 있다. 예를 들어, (1) 제1위상(δs)과 제2위상(δu) 간 차이가 미리 정해진 기준값보다 작을 경우, (2) 제1위상(δs)과 제2위상(δu) 사이의 상기 파워 기준값 이상의 해당 곡선 내 영역의 면적(Adec)이 미리 정해진 기준값보다 작을 경우, 또는 (3) 일정 주기로 위와 같이 일기무한 모선 모듈(120)이 구성한 축약 계통 모듈의 발전기 전력의 위상(δ)의 변화에 대한 전력 계통으로 송전되는 파워와 관련된 발전기 전력 위상각 곡선을 산출하여, 이전과 비교하여 큰 변화가 일어난 경우, 예를 들어, 주기적으로 산출되는 발전기 전력 위상각 곡선들 중 이전 곡선과 비교하여 상기 면적(Adec)의 변화가 임계치 이상 크거나 작아지는 경우 등에도, 경고를 발생할 수 있다.
시모의 모듈(140)은 이와 같이 지능형 판별 모듈(130)이 경고를 발생하면 시모의(time simulation)를 수행한다. 예를 들어, 시모의 모듈(140)은 현재 전력계통의 상태정보(예, 전류, 전압, 유효전력, 무효전력 등)를 이용하여 예견되는 고장 시 과도안정도 달성을 위하여 필요한 발전기 탈락수를 산출한다. 이때, 시모의 모듈(140)은 전력계통의 정보를 이용하여 계통을 모의하는 프로그램을 이용하여, 현재의 외란 발생에 따른 전력계통의 상태정보나 그 변동 등에 기초하여, 발전기들이 위상(δ)의 큰 변동없이 전력계통과 동기를 유지할 수 있는지 여부 등을 시간에 따라 판별하여 주기적으로 발전기 탈락수를 산출할 수 있다. 예를 들어, 전력계통의 상태정보(예, 전류, 전압, 유효전력, 무효전력 등)의 큰 변동은 다시 위상(δ)의 큰 변동을 일으켜 동기탈조 등 과도 불안정의 원인이 될 수 있다.
발전기 탈락 설정 모듈(150)는 시모의 모듈(140)이 결정한 발전기 탈락수에 따라, 전력계통에 연계된 발전기들 중 소정의 우선 순위에 맞는 해당 탈락 대상 발전기들을 선정하여 전력계통에서 분리(탈락)시킨다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
지능형 과도 안정도 고장파급방지 시스템(100)
페이저 측정부(110)
일기무한 모선 모듈(120)
지능형 판별 모듈(130)
시모의 모듈(140)
발전기 탈락 설정 모듈(150)

Claims (5)

  1. 외란에 따른 과도 안정도를 분석하여 전력계통에 연계된 발전기의 탈락을 관리하는 고장파급방지 시스템에 있어서,
    각 발전기와 전력 계통의 연계 지점에서 각 발전기의 전압 및 전류에 대한 크기와 위상각 정보를 포함하는 페이저 정보를 측정하여 수집하는 페이저 측정부; 상기 페이저 정보에 따라 각 발전기가 연계된 전력계통에 대한 축약계통의 전압과 연계 임피던스를 산출하여 테브난 등가 회로로 축약 계통을 구성하는 일기무한 모선 모듈; 상기 페이저 정보에 기초하여 각 발전기 전력의 위상을 산출하고, 상기 발전기 전력의 위상과 상기 축약계통의 전압 위상에 기초하여 상기 전력계통으로 송전되는 파워를 산출하여 과도 안정도 판별에 따른 경고를 발생하는 지능형 판별 모듈; 상기 경고 발생 시에 상기 전력계통의 상태정보를 이용해 소정의 프로그램으로 주기적인 시모의(time simulation)를 수행하여 발전기 탈락수를 산출하는 시모의 모듈; 및 상기 발전기 탈락수에 따라 탈락 대상 발전기를 선정하여 해당 발전기를 상기 전력계통에서 탈락시키는 발전기 탈락 설정 모듈을 포함하고,
    상기 페이저 측정부는 GPS(Global Positioning System)의 기준 시간에 동기된 상기 페이저 정보를 수집하며, 상기 일기무한 모선 모듈은, 복수의 GPS의 기준 간에 측정된 상기 페이저 정보 중 2 이상의 전압(
    Figure 112013046426101-pat00012
    )과 전류(
    Figure 112013046426101-pat00013
    )를 이용하여, 수학식,
    Figure 112013046426101-pat00014

    을 기초로 상기 축약계통의 전압(
    Figure 112013046426101-pat00015
    ), 및 저항 성분RThev과 리액턴스 성분 XThev을 포함하는 연계 임피던스(ZThev)를 산출하며,
    상기 지능형 판별 모듈은, 주기적으로 각 발전기 전력의 위상의 변화에 대한 상기 전력계통으로 송전되는 파워(Pe)를 나타내는 발전기 전력 위상각 곡선을 산출하여 상기 발전기 전력 위상각 곡선을 기초로 상기 경고를 발생하되, 시간(t)에 따른 발전기 전력 위상각(δ)과 관련된 수학식,
    Figure 112013046426101-pat00016

    을 기초로 상기 발전기 전력 위상각(δ) 곡선을 산출하며, 여기서, M 은 발전기의 관성 변수, Pm 은 발전기에 입력되는 기계적 파워인 것을 특징으로 하는 고장파급방지 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 지능형 판별 모듈은,
    제1위상(δs)과 제2위상(δu) 사이에서 상기 전력 계통으로 송전되는 파워가 일정 파워 기준값 이상을 나타낼 때,
    제1위상(δs)과 제2위상(δu) 간 차이가 미리 정해진 기준값보다 작을 경우, 또는
    제1위상(δs)과 제2위상(δu) 사이의 상기 곡선의 영역의 면적(Adec)이 미리 정해진 기준값보다 작을 경우에,
    상기 경고를 발생하는 것을 특징으로 하는 고장파급방지 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 지능형 판별 모듈은,
    주기적으로 산출되는 발전기 전력 위상각 곡선들에서 이전 곡선과 비교하여 상기 면적(Adec)의 변화가 임계치 이상 크거나 작아지는 경우에 상기 경고를 발생하는 것을 특징으로 하는 고장파급방지 시스템.
  5. 삭제
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