KR101490624B1 - 전력계통의 이용률 및 효율을 표시한 수배전반 - Google Patents

전력계통의 이용률 및 효율을 표시한 수배전반 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전력계통의 이용률 및 효율을 표시한 수배전반에 관한 것으로서, a) 배전반에서 계측기는 전력 계통 기기에 대한 정격 용량, 전류, 전압 및 전력을 포함한 전력 데이터 및 온도 데이터를 취득하고, b) 상기 정력 용량과 전력 및 온도 데이터를 기초로 하여 실시간 전류, 변압기 용량, 계통 전압 및 실시간 주위 온도를 이용하여 변압기 공급 이용률을 구하며, c) 상기 정격용량과 실시간 전력 및 온도 데이터를 기초로 하여 실시간 전류, 모터의 연속 정격, 반복 사용 정격용량, 실시간 전압 및 실시간 역률을 이용하여 모터 공급 이용률을 구하고, d) 상기 변압기 공급 이용률과 모터 공급 이용률을 기반으로 하여 과부하 운전 판단을 수행함으로써 최적 운전 제어를 수행하고, 상기 전력 계통 기기의 이용률 및 효율을 표시하는 수배전반에 전력 계통 기기의 이용률 및 효율을 표시한 수배전반이다. 따라서, 본 발명은 계측기에 표시되는 이용률을 부하 증설, 철거, 변경시 공급장치 산정 자료, 병렬 운전, 단독 운전, 부하 제한에 판단 자료, 비상시 과부하 운전의 판단 자료로 사용할 수 있어 최적 운전 제어가 가능하게 하고, 계측기에 표시되는 효율은 최적 효율 운전을 위한 부하 절체 판단 자료로 사용되어 수배전반의 효율 관리가 가능하도록 한다.

Description

전력계통의 이용률 및 효율을 표시한 수배전반{Feeder Utilization ＆ Efficiency Factor Indication Switchgear}
본 발명은 전력계통의 이용률 및 효율을 표시한 수배전반(MCC반, 분전반 등)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전력 계통 기기의 이용률 및 효율을 연산하여 표시하고, 이를 기반으로 최적 운전 및 과부하 운전 판단 자료를 제공하는 전력계통의 이용률 및 효율을 표시한 수배전반에 관한 것이다.
수배전반은 발전소, 변전소, 산업플랜트, 빌딩 등의 전력공급, 운전, 제어, 전동기의 운전 등을 위해 차단기, 스위치계기, 릴레이(계전기), 변성기, 접지스위치 등을 전력용량에 따라 다양하게 설치한 것으로, 주로 발전된 전력을 송전하여 변전소를 통해 전력을 배분하여 각 요소로 재공급하거나 공급전력을 개폐하는 장치이다.
이러한 수배전반은 전기 계통의 감시, 제어 및 보호 등을 수행하는 기기로서, 계기, 계전기, 및 개폐장치 등의 기구류와 이를 부착하는 지지물, 그리고 기구 간을 접속하는 전선 등으로 이루어진 집합체로서, MCC반, 분전반을 포함한다.
이러한 수배전반은 전력계통의 감시, 제어 및 보호하는 역할을 수행하고, 계측장비가 전류, 전압 및 전력 등의 에너지값만을 표시하기 때문에 실시간 이용률, 설비 여부분, 최적 효율의 운전 여부, 병렬 운전 또는 부하 변동에 따른 효율 개선 여부 등을 확인할 수 없다.
또한, 급전장치(Feeder)와 연결되는 변압기와 모터는 부하율에 따라 효율이 다르고, 차단기, 모선 및 케이블 등의 전력 계통 기기는 정격 용량이 각각 상이하며, 주위 온도와 설치 상태에 따라 열시정수가 차이가 있기 때문에 각각의 이용률이 상이하다.
수배전반의 운용자가 변압기, 모터, 전력 계통 기기에 대한 이용률 및 효율을 실시간 확인할 수 없고, 운전 모드 변경시 예상되는 이용률 및 효율에 대한 검토 및 확인이 되지않아 배전반을 운용하면서 손실이 크고 수명이 단축될 수 있는 문제점이 있다.
[선행기술자료]
1. 등록특허공보 10-1188221 (공고일자 2012. 10. 09)
2. 등록특허공보 10-1145723 (공고일자 2012. 05. 16)
본 발명은 단품의 명판상에 용량이 아닌 설치 조건을 감안한 실시간 가변되는 용량 대비 실제 부하를 반영한 실시간 이용률 및 효율을 제공하고, 부하 절체 또는 병렬 운전을 고려할 때 전력 계통 기기의 이용률 및 효율을 예측 계산이 가능하도록 하여 최적 효율 운전 제어를 수행하도록 하는 전력계통의 이용률 및 효율을 표시한 수배전반을 제공한다.
실시예들 중에서, 전력계통의 이용률 및 효율을 표시한 수배전반은, a) 배전반에서 계측기는 전력 계통 기기에 대한 정격 용량, 전류, 전압 및 전력을 포함한 전력 데이터 및 온도 데이터를 취득하고, b) 상기 정력 용량과 전력 및 온도 데이터를 기초로 하여 실시간 전류, 변압기 용량, 계통 전압 및 실시간 주위 온도를 이용하여 변압기 공급 이용률을 구하며, c) 상기 정격용량과 실시간 전력 및 온도 데이터를 기초로 하여 실시간 전류, 모터의 연속 정격, 반복 사용 정격용량, 실시간 전압 및 실시간 역률을 이용하여 모터 공급 이용률을 구하고, d) 상기 변압기 공급 이용률과 모터 공급 이용률을 기반으로 하여 과부하 운전 판단을 수행함으로써 최적 운전 제어를 수행하고, 상기 전력 계통 기기의 이용률 및 효율을 표시하는 수배전반에 전력 계통 기기의 이용률 및 효율을 표시한 수배전반이다.
상기 변압기 공급 이용률은 하기한 수학식에 의해 구하고, A는 실시간 전류, KVA는 변압기 용량, V는 전력계통의 전압, a는 실시간 주위 온도(단 a가 0℃ 이하일 경우는 a=0으로 한다)를 각각 나타내는 것을 특징으로 한다.
Figure 112013091913506-pat00001
상기 모터 공급 이용률은 하기한 수학식에 의해 구하고, A는 실시간 전류, KW는 모터의 연속 정격 및 모터의 반복 사용 정격용량, V는 전력계통의 전압, cosφ는 실시간 역률을 각각 나타내는 것을 특징으로 한다.
Figure 112013091913506-pat00002
상기 전력계통 기기의 각 부하율별 효율 데이터를 데이터베이스화하여 실시간 전류를 취득하고, 하기한 수학식에 의해 변압기 공급 효율을 연산하여 표시하고, 실시간 전류, KVA는 변압기 용량, V는 전력계통의 전압, Ed는 데이터베이스화된 효율이다.
Figure 112013091913506-pat00003
상기 계측기는 부하 편차가 클 경우에 병렬 운전하기 전 상호 병렬 운전 실시간 전류를 취득하고, 상기 변압기 공급 효율을 이용하여 ATR 이용률과 BTR 이용률을 구하여 예측 효율을 연산하여 표시하는데, Za는 ATR %Z, Zb는 BTR %Z이다.
Figure 112013091913506-pat00004
Figure 112013091913506-pat00005
상기 변압기 공급 효율을 이용하여 상기 변압기의 부하 절체시 효율 예측이 가능한 것을 특징으로 한다.
본 발명의 전력계통의 이용률 및 효율을 표시한 수배전반은 계측기에 표시되는 이용률을 이용하여 부하 증설, 철거, 변경시 공급장치 산정 자료를 제공하여 부하 증설, 철거 또는 변경의 상황발생시 지속적인 전력공급이 가능하게 설계 및 대체 관리에 필요한 데이터를 제공하고, 병렬 운전, 단독 운전, 부하 제한, 비상시 이에 대한 판단 자료를 활용하여 지속적인 전력공급과 최적 부하설계 및 설비개보수를 진행할 수 있게 하는 효과를 제공한다.
본 발명의 전력계통의 이용률 및 효율을 표시한 수배전반은, 계측기에 표시되는 효율데이터를 활용하여 부하 신증설 및 감소하여 효율적인 수배전반 부하관리를 함으로써 수배전반의 최적운전을 가능하게 하여 최대 20%이상의 효율을 향상할 수 있도록 하는 효과를 제공한다.
또한, 본 발명의 전력계통의 이용률 및 효율을 표시한 수배전반은, 수배전반 운영시 전력 계통 기기의 이용률 및 효율을 기반으로 최적 운전을 수행함으로써 내부기기별 적정 부하에 알맞은 부하를 수배전반 내의 내부기기의 제공할 수 있도록 함으로써 기기의 수명손실을 대폭 줄여 10%이상 수명을 연장시킬 수 있고, 별도의 디바이스 없이 IED(보호계전기) PLC 기능을 응용하여 최적의 이용율 및 효율을 구현할 수 있는 효과를 제공한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 적용되는 블록도이다.
본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
한편, 본 발명에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다"또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
각 단계들에 있어 식별부호(예를 들어, a, b, c 등)는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.
여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력계통의 이용률 및 효율을 표시한 수배전반을 설명하는 순서도이다.
도 1을 참고하면, 전력계통의 이용률 및 효율을 표시한 수배전반은 배전반 내의 계측기에서 수행되는 것으로, 배전반에서 변압기, 모터, 케이블, 모선, 차단기, 변류기, 접속재 등의 전력계통 기기에 대한 각각의 정격 용량, 실시간 전류, 전압 및 전력을 포함한 전력 데이터 및 온도 데이터를 취득한다.(S1 참조)
계측기는 실시간 취득되는 정격 용량과 전력 및 온도 데이터를 기초로 하여 실시간 전류, 변압기 용량, 계통 전압 및 실시간 주위 온도를 이용한 수학식 1을 통해 변압기 공급 이용률을 구한다.(S2 참조)
Figure 112013091913506-pat00006
수학식 1에서, A는 실시간 전류, KVA는 변압기 용량, V는 전력계통의 전압, a는 실시간 주위 온도를 각각 나타낸다.
다음 계측기는 전력 계통 기기의 정격용량과 실시간 전력 및 온도 데이터를 기초로 하여 실시간 전류, 모터의 연속 정격, 반복 사용 정격용량, 실시간 전압 및 실시간 역률을 이용한 수학식 2를 통해 모터 공급 이용률을 구한다.(S3 참조)
Figure 112013091913506-pat00007
수학식 2에서, A는 실시간 전류, KW는 모터의 연속 정격 및 모터의 반복 사용 정격용량, V는 전력계통의 전압, cosφ는 실시간 역률을 각각 나타낸다.
계측기는 변압기 공급 이용률과 모터 공급 이용률을 기반으로 하여 과부하 운전 판단을 수행함으로써 최적 운전 제어를 수행한다.(S4 및 S5 참조)
한편, 계측기는 전력계통 기기의 각 부하율별 효율 데이터를 데이터베이스화하여 실시간 전류를 취득하고, 수학식 3에 의해 변압기 공급 효율을 연산하여 표시한다.
Figure 112013091913506-pat00008
수학식 3에서, A는 실시간 전류, KVA는 변압기 용량, V는 전력계통의 전압, Ed는 데이터베이스화된 효율이다. 계측기는 데이터베이스화된 효율을 각 전류별로 백분율로 분할하여 각 퍼센트(%)별 대응되는 효율(출력/입력)표를 구축하는데, 효율표를 변압기의 무부하 및 부하 시험으로 얻을 수 있다.
일반적으로, 변압기는 이용률 55% 정도에서 최대 효율이 되고, ATR은 90%, BTR은 20%로 운전될 경우에 병렬 운전하면 최대 효율로 운전 제어가 가능하다.
따라서, 계측기는 부하 편차가 클 경우에 병렬 운전하기전 상호 병렬 운전 실시간 전류를 취득하고, 수학식 3의 변압기 공급 효율을 이용하여 ATR 이용률과 BTR 이용률을 구하여 수학식 4 및 수학식 5와 같이 예측 효율을 연산하여 표시한다.
Figure 112013091913506-pat00009
Figure 112013091913506-pat00010
수학식 4 및 수학식 5에서, Za는 ATR %Z, Zb는 BTR %Z이다.
또한, 계측기는 변압기의 부하 절체시 효율 예측이 가능하다. 심야 등의 저부하시 변압기의 이용률은 매우 낮고, 이때 운전 개수를 줄여서 무부하 손실을 줄이면 고효율 운전이 가능하다.
예를 들어, BTR의 부하를 ATR로 절체하고, BTR을 오프(OFF) 하면 ATR 이용률은 수학식 6을 이용하여 연산하고, 수학식 3의 변압기 공급 효율의 데이터베이스를 이용하여 효율 예측 표시가 가능하다.
Figure 112013091913506-pat00011
이와 같이, 계측기는 전력 계통 기기의 각종 데이터를 입력(Design input)하고, 이렇게 입력된 데이터를 기준으로 실시간 주위 온도와 전력 데이터를 수집하며, 이용률 표시 로직 및 병렬 운전시 예측 로직을 수행하면서 전력 계통 기기의 이용률 및 효율을 연산하여 표시한다. 또한, 계측기는 병렬 운전 또는 부하 절체시 예측 계산한 전력 계통 기기의 이용률과 효율의 변화 상태를 표시한다.
이때, 계측기는 실시간 주위 온도(℃), 변압기의 부하율에 따른 효율 곡선(3T), 변압기의 온도 상승(부하시험) 시험 데이터(T°K), 변압기의 열시정수(IT), 수배전반의 차단기, 모션, 변류기를 포함한 온도상승시험 데이터, 케이블의 포설 조건에 다른 용량 계산서, 접속부의 유효접촉면적 계산서, 모터의 부하율에 따른 효율 및 온도 상승 시험 데이터, 실시간 전류를 입력(Design input)한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전력계통의 이용률 및 효율을 표시한 수배전반은 계측기에 표시되는 이용률을 기반으로 부하 증설, 철거, 변경시 공급장치 산정 자료로 사용되어 백화점, 사무실, 공장 등의 장비나 레이아웃 변경시 유효한 자료로 사용하도록 한다.
또한, 계측기에 표시되는 이용률은 병렬 운전, 단독 운전, 부하 제한에 판단 자료가 되어 냉방 부하나 공연장 등의 임시 부하에 적용될 수 있고, 비상시 과부하 운전의 판단 자료로 사용될 수도 있다.
한편, 계측기에 표시되는 효율은 최적 효율 운전을 위한 부하 절체 판단 자료로 사용되어 수배전반의 효율 관리가 가능하도록 한다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (6)

  1. a) 수배전반에서 계측기가 전력 계통 기기에 대한 정격 용량, 전류, 전압 및 전력을 포함한 전력 데이터 및 온도 데이터를 취득하고,
    b) 상기 정격 용량과 전력 및 온도 데이터를 기초로 하여 실시간 전류, 변압기 용량, 계통 전압 및 실시간 주위 온도를 이용하여 변압기 공급 이용률을 구하며,
    c) 상기 정격용량과 실시간 전력 및 온도 데이터를 기초로 하여 실시간 전류, 모터의 연속 정격, 반복 사용 정격용량, 실시간 전압 및 실시간 역률을 이용하여 모터 공급 이용률을 구하고,
    d) 상기 변압기 공급 이용률과 모터 공급 이용률을 기반으로 하여 과부하 운전 판단을 수행함으로써 최적 운전 제어를 수행하고, 상기 전력 계통 기기의 이용률 및 효율을 표시하는 수배전반에 전력계통의 이용률 및 효율을 표시한 수배전반.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 변압기 공급 이용률은 하기한 수학식에 의거 구해지고,
    Figure 112013091913506-pat00012

    여기서, A는 실시간 전류, KVA는 변압기 용량
    , V는 전력계통의 전압, a는 실시간 주위 온도(단 a가 0℃ 이하일 경우는 a=0으로 한다)를 각각 나타내는 것을 특징으로 하는 전력계통의 이용률 및 효율을 표시한 수배전반.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 모터 공급 이용률은 하기한 수학식에 의해 구해지고,
    Figure 112013091913506-pat00013

    여기서, A는 실시간 전류, KW는 모터의 연속 정격 및 모터의 반복 사용 정격용량, V는 전력계통의 전압, cosφ는 실시간 역률을 각각 나타내는 것을 특징으로 하는 전력계통의 이용률 및 효율을 표시한 수배전반.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전력계통 기기의 각 부하율별 효율 데이터를 데이터베이스화하여 실시간 전류를 취득하고, 하기한 수학식에 의해 변압기 공급 효율을 연산하여 표시되고,
    Figure 112013091913506-pat00014

    여기서, A는 실시간 전류, KVA는 변압기 용량, V는 전력계통의 전압, Ed는 데이터베이스화된 효율인 것을 특징으로 하는 전력계통의 이용률 및 효율을 표시한 수배전반.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 계측기는 부하 편차가 클 경우에 병렬 운전하기 전 상호 병렬 운전 실시간 전류를 취득하고, 상기 변압기 공급 효율을 이용하여 ATR 이용률과 BTR 이용률을 구하여 예측 효율을 연산하여 표시되고,
    Figure 112013091913506-pat00015

    Figure 112013091913506-pat00016

    여기서, Za는 ATR %Z, Zb는 BTR %Z인 것을 특징으로 하는 전력계통의 이용률 및 효율을 표시한 수배전반.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 변압기 공급 효율을 이용하여 상기 변압기의 부하 절체시 효율 예측이 가능한 것을 특징으로 하는 전력계통의 이용률 및 효율을 표시한 수배전반.
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