KR102276778B1 - 배전계통의 분산자원 통합관리를 위한 그룹감시 및 그룹제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전력망에 분포된 분산자원들을 관리할 수 있는 분산자원 관리 시스템 및 그것의 제어방법에 관한 것이다. 상기 분산자원 관리 시스템은 전력을 생산하는 복수의 분산자원들, 상기 분산자원들 중 어느 하나의 분산자원을 모니터링하고, 변압기 및 변류기 중 적어도 하나를 이용하여 모니터링 하는 분산자원을 제어하는 복수의 단말장치들 및 상기 분산자원들 중 일부 분산자원을 제어하도록 이루어지며, 참여 기준에 근거하여 상기 일부 분산자원 중 적어도 하나의 분산자원을 참여 분산자원으로 결정하고, 각 참여 분산자원이 출력해야 하는 전력량을 분배 기준에 근거하여 결정하며, 결정된 전력량이 각 참여 분산자원으로부터 출력되도록 출력지령을 참여 분산자원에 대응하는 단말장치로 전송하는 분산자원 제어기를 포함한다.

Description

배전계통의 분산자원 통합관리를 위한 그룹감시 및 그룹제어 방법{GROUP MONITORING AND GROUP CONTROL METHOD FOR INTERGRATED MANAGEMENT OF DISTRIBUTED ENERGY RESOURCES IN DISTRIBUTION SYSTEM}

본 발명은 전력망에 분포된 분산자원들을 관리할 수 있는 분산자원 관리 시스템 및 그것의 제어방법에 관한 것으로, 구체적으로 배전계통의 분산자원 통합관리를 위한 그룹감시 및 그룹제어 방법에 관한 것이다.

중앙급전발전기 중심의 전력공급 방식을 보완하기 위해, 분산자원(Distributed Energy Resource, DER)을 적극적으로 전력계통에 도입하고 있다. 분산자원은 '분산형 에너지 자원' 또는 '분산전원'으로 호칭되기도 한다.

분산자원(DER)은 수요지 근처에 중·소규모로 설치되기 때문에, 필요한 지역에 필요한 규모로 단기간에 설치가 가능하다. 또한 분산자원(DER)은 수요지 근처에서 직접 전력을 공급하기 때문에, 송전손실로 인한 전반적인 에너지 손실을 크게 감소시킬 수 있으며, 이로 인해 송전계통의 부하를 완화 함으로써 전력 인프라 보강 및 확장에 필요한 투자를 지연 또는 회피할 수 있게 한다. 일반적으로, 분산자원(DER)은 짧은 시간 내에 발전기 기동이 가능하기 때문에 배전망의 단기간 안정화에 기여할 수 있으며 전력 부족시에는 추가 발전으로 최대수요에 유연하고 효과적으로 대처함으로써 계통신뢰도와 전력품질을 향상시키는 데 활용될 수도 있다.

하지만 아직까지는 분산자원(DER)의 발전비용은 높은 편이며 운영(operation) 측면에서도 해결해야 할 다수의 기술적 난제들이 존재한다. 예를 들어, 특정 지역의 분산자원(DER) 발전용량이 해당 지역의 수요를 초과하게 되면 전력망 내 역조류를 야기하게 된다. 이러한 역조류는 배전망 내 혼잡을 초래할 뿐만 아니라 적정 수준의 전압유지를 어렵게 하며, 사고 발생시에는 기존의 보호협조체계로는 해결할 수 없는 상황이 발생할 가능성 또한 존재한다. 이와 같은 기술적 문제로 인해, 현재는 분산자원(DER) 연계시 단순 연계용량제한(fit & forget) 방식을 적용하고 있다. 이는 과거의 수동적인 배전망 운영환경에는 적합하지만, 분산자원(DER)의 효율적 이용을 제한할 뿐만 아니라 배전 인프라에 대한 투자비용 상승과 불충분한 투자유인을 야기하게 된다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는, 분산자원(DER)이 기존의 대규모 중앙급전발전소의 역할을 대체할 수 있도록 현재의 전력 및 ICT 인프라(infra)를 개선하고 효과적인 연계방안을 수립해야 하며, 안정적인 계통운영을 지원할 수 있는 제어 전략을 구축해야 한다. 이는 수 백기의 중앙급전발전기를 대상으로 하는 중앙제어 개념에서 수십만 기의 발전기와 제어가능 부하의 운영에 적합한 새로운 분산제어 패러다임(paradigm)으로의 변화를 의미한다.

종래에 배전계통의 분산자원 관리를 위한 감시는 DER-AVM 기능이 탑재된 단말장치들에 의해 가능하다. 특고압 계통에 연계된 분산자원은 ‘특고압 분산자원 중계장치’와 FRTU를 통해서 감시하고 제어하고 있으며, 저압 계통에 연계된 분산자원은 ‘저압 분산자원 연계장치’를 이용해서 하나의 연계장치가 최대 3대의 분산자원을 감시하고 제어할 수 있도록 되어 있다.

특고압 중계장치와 연계된 FRTU에는 분산자원을 제어할 수 있도록 CPU가 내재되어 있으며, CPU에 분산자원 제어 알고리즘을 탑재하여 분산자원에 필요한 제어가 가능하도록 설계되어 있다. 분산자원 개폐기에 설치되어 있는 FRTU는 광통신을 통해 배전계통 운영시스템으로 정보가 전송되어 관리되고 있다. 또한, 저압 연계장치의 경우 분산자원의 제어를 위한 CPU가 연계장치 내부에 탑재되어 있으며, Digital TRS(Trunked Radio System) 무선통신 방식을 이용하여 배전계통 운영시스템으로 정보가 전달된다. 이 때, 특고압 중계장치와 분산자원 인버터 간, 그리고 저압 연계장치와 분산자원 인버터간 통신은 RS-485통신을 하기 위하여 통신 Wire를 통해서 연결되고, 인버터와 변대주 사이의 거리가 멀다면 통신선의 길이도 매우 길어진다. 또한, 통신선을 설치하기 위한 시간이 필요하기 때문에 분산자원 제어를 위한 단말장치 설치를 위해 필요한 시간도 매우 길다.

특고압 중계장치의 가격은 약 80만원이며, FRTU 가격과 설치비까지 포함한다면 약 450만원 정도이다. 또한, 저압 연계장치의 가격은 약 170만원이며, 설치비까지 포함할 경우 약 350만원이 소요된다. 현재 배전계통에 연계된 분산자원 중 감시 및 제어가 필요한 분산자원의 수는 약 45,000대 정도이며, 정부에서 요구하는 재생e 3020 정책을 이행할 경우 2030년도에 관리가 필요한 분산자원의 개체 수는 더욱 늘어날 것이다. 국내에서도 늘어나는 분산자원을 효율적으로 감시하고 제어하기 위한 분산자원의 Grouping 방법과 계층구조적인 제어방법이 필요하다.

분산자원의 개체 수가 매우 늘어날 경우, 몇 만대에서 몇 십만대가 되는 분산자원 정보를 하나의 배전운영시스템 플랫폼에서 동시에 취득해서 연산을 하기 위해 매우 높은 성능의 배전운영시스템 플랫폼이 필요하게 된다.

본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허공보 제10-2019-0073340(2019.06.26)의 '전력망에서 분산형 에너지 자원을 관리하기 위한 지능형 전력망 운영 시스템'에 개시되어 있다.

본 발명의 일 목적은 상술한 문제를 해결하기 위한 것으로, 배전계통의 분산자원들을 통합적으로 관리하기 위한 그룹감시 및 그룹제어 방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 배전계통의 분산자원 통합관리를 위한 그룹감시 및 그룹제어 방법을 제공한다. 나아가, 전력망에 분포된 분산자원들을 관리할 수 있는 분산자원 관리 시스템 및 그것의 제어방법이 제공될 수 있다.

상기 분산자원 관리 시스템은 전력을 생산하는 복수의 분산자원들, 상기 분산자원들 중 어느 하나의 분산자원을 모니터링하고, 변압기 및 변류기 중 적어도 하나를 이용하여 모니터링 하는 분산자원을 제어하는 복수의 단말장치들 및 상기 분산자원들 중 일부 분산자원을 제어하도록 이루어지며, 참여 기준에 근거하여 상기 일부 분산자원 중 적어도 하나의 분산자원을 참여 분산자원으로 결정하고, 각 참여 분산자원이 출력해야 하는 전력량을 분배 기준에 근거하여 결정하며, 결정된 전력량이 각 참여 분산자원으로부터 출력되도록 출력지령을 참여 분산자원에 대응하는 단말장치로 전송하는 분산자원 제어기를 포함한다.

일 실시 예에 따르면, 상기 그룹 제어기는, 상기 분산자원들 각각의 속성에 근거하여 상기 분산자원들을 복수의 상위 그룹들로 분류하며, 각 상위 그룹은 복수의 하위 그룹들로 분류될 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 그룹 제어기는, 상기 설정된 조건에 따라 상기 분산자원들을 서로 다른 그룹으로 분류할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 분산자원 제어기는 분산자원을 제어하는 제어 모드와 분산자원을 제어하지 않는 통신 모드 중 어느 하나를 선택적으로 실행하며, 분산자원 제어기가 상기 통신 모드를 실행하는 경우, 분산자원은 상기 그룹 제어기에서 결정된 전력량을 출력할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 출력지령에는 참여 분산자원이 출력해야 하는 유효전력 및 무효전력 중 적어도 하나가 포함될 수 있다.

또한, 분산자원 관리 시스템의 제어 방법은, 분산자원들을 복수의 그룹들로 분류하고, 각 그룹별 참여 기준 및 분배 기준 중 적어도 하나를 다르게 설정하는 단계; 상기 그룹들 중 어느 하나의 그룹에 설정된 참여 기준에 근거하여 상기 어느 하나의 그룹에 포함된 분산자원 중 적어도 하나의 분산자원을 참여 분산자원으로 결정하는 단계; 각 참여 분산자원이 출력해야 하는 전력량을 상기 어느 하나의 그룹에 설정된 분배 기준에 근거하여 결정하는 단계; 및 결정된 전력량이 각 참여 분산자원으로부터 출력되도록 출력지령을 전송하는 단계를 포함할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 분산자원들은 기 설정된 조건에 따라 서로 다른 그룹으로 분류될 수 있다.

본 발명에 따르면, 상황에 따라 전력망에 포함된 분산자원들이 멀티 레벨을 가지는 그룹들로 다양하게 분류되어 감시되고 제어되기 때문에, 분산자원의 제어 효율이 향상될 수 있다. 요구되는 기능에 따라 그룹핑이 다양하게 변형되므로, 분산자원의 제어 효과가 극대화 될 수 있다

도 1은 전력망의 분산형 에너지 자원을 관리하기 위한 시스템의 블록도
도 2는 특고압 중계장치와 저압 연계장치의 구성도
도 3은 분산자원 관리 시스템을 설명하기 위한 블럭도
도 4는 분산자원의 속성을 설명하기 위한 개념도
도 5는 그룹 제어기에 의하여 분산자원들을 분류하는 방법을 설명하기 위한 예시도
도 6은 단말장치를 보다 상세히 설명하기 위한 블럭도
도 7은 분산자원 제어기를 보다 상세히 설명하기 위한 블럭도
도 8은 분산자원 제어기의 동작 모드들을 설명하기 위한 개념도
도 9는 분산자원 관리 시스템의 멀티 레벨 구조를 설명하기 위한 개념도

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소에는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 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 해 의한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

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.

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.

본 발명에서 설명되는 단말기는 이동 단말기 및 고정 단말기 중 적어도 하나에 해당할 수 있다. 이동 단말기에는 휴대폰, 스마트 폰(smart phone), 노트북 컴퓨터(laptop computer), 디지털방송용 단말기, PDA(personal digital assistants), PMP(portable multimedia player), 네비게이션, 슬레이트 PC(slate PC), 태블릿 PC(tablet PC), 울트라북(ultrabook) 등이 포함될 수 있다. 고정 단말기에는 데스크탑 컴퓨터, 서버 등이 포함될 수 있다.

분산형 전력망 시스템은 여러 분산자원(DER)으로 이루어진 에너지 자원을 취합하고 여러 DER을 단일 시장 자원으로서 하나 또는 여러 개의 에너지 시장에 서비스를 제공한다. DER은 실시간 국지적 수요와 DER의 국지적 에너지 용량을 나타내는 데이터를 생성할 수 있다. DER 정보와 실시간 시장 정보를 근거로 해서, 시스템은 DER 에너지 용량 취합을 바탕으로 하나 또는 여러 개의 서비스를 전력망에 제공하는 방법을 계산할 수 있다.

전력은 전력망 시스템에서 정현파 전류 및 전압 파형을 갖는 교류(AC)로 공급되며, 이 교류는 주기적으로 전기를 교대로 넣고 빼는 것으로 생각할 수 있다. AC 에너지는 운용자가 모니터링하는 변압기에 의해 역방향으로 흐르고 실시간으로 상하 변조가 가능하기 때문에 열로 인한 전력선 손실을 최소화하면서 고전압 전력선을 통한 전송이 가능하다. AC 에너지는 송전선에서 변전소와 전력 선로로 그리고 결국에는 최종 사용자에게로 이동하기 때문에 유효 전력과 무효 전력 사이에 연속적이고 균형이 잘 맞는 제어가 요구된다.

전력망에 의해 공급되는 전력은 일반적으로 유효 전력 성분과 무효 전력 성분으로 구성된다.

유효 전력의 측정 단위는와트(W)이며, 전기적 일을 하는 활성 에너지를 말한다. 유효 전력은 전압 파형과 전류 파형이 완벽하게 동위상으로 배열될 때 공급된다. 효율적인 유효 전력 공급을 위해서는 활성 에너지 파형에 대한 수요 시점이 전력망에서 에너지 파형의 공급 시점과 일치해야 한다. 이러한 시점이 일치하지 않으면 에너지 전송 중에 전력 손실이 발생한다.

무효 전력의 측정 단위는 볼트-암페어 리엑티브(VAR)이며, 두 가지 시점을 일치시켜서 전력 손실을 줄이는 에너지를 말한다. 무효 전력은 전류 파형과 전압 파형간 위상차를 바탕으로 유효 전력과 비교해 선도하거나 지연할 수 있다.

도 1은 전력망의 분산형 에너지 자원을 관리하기 위한 시스템의 블록도이다. 시스템(100)은 전력망을 포함하며, 전력망(120)은 송전선을 따라 전력을 전송하기 위한 배전 제어(Distribution Management System, DMS, 122)를 포함한다. 배전 제어(122)는 하나 또는 여러 개의 발전소(140)에서 여러 고객(124)으로 전력의 하류 흐름을 관리한다. 고객(124)은 하나 또는 여러 개의 소비자 집단을 나타내며, 발전소(140) 하류의 여러 위치에서 연결된다.

실시 예에서, 최소한 일부의 고객(124)을 국지적으로 전력을 생산하는 소비자인 "프로슈머"라고 부를 수 있다. 분산자원(DER)에서 전통적인 국지적 전력 생산은 "발전기", "예비 발전기", "신재생 에너지 공급원" 또는 "현장 전력 시스템"을 사용한 전력 생산을 포함할 수 있다. 분산자원(DER)은 전기를 소비하는 가정 또는 사업장과 가까운 곳에 설치된 소규모 에너지 발생원을 말한다. 태양광 또는 광전지(PV) 시스템(지붕에 설치된 PV셀 평판이 햇빛을 전기로 변환) 같은 소위 "녹색 전력" 기술 또는 풍력 시스템(타워 상단에 설치된 팬 블레이드와 연결된 터빈이 바람을 이용해 전기를 생산)이 가장 일반적이다.

고객(124)에서 전통적인 DER이 확장되면 전력망으로 비지능형 와트 주입이 발생해 전력망(120)에 부담을 가할 수 있다. 이러한 와트 주입은 AC 에너지 흐름과 같이 실시간으로 제어할 수 없다. 전력 회사는 와트 주입으로 인한 증가된 VAR 요건에 따른 비용을 분산하려는 경향이 있다. 실시 예에서, 최소한 일부의 고객(124)이 분산자원(130)을 포함한다. 제어 센터(110)는 하나 또는 여러 개의 에너지 시장에서 가용한 단일 에너지 자원으로서 결합된 기능을 취합하고 제공하기 위해 노드(132)를 관리한다.

노드(132)는 각각 국지적 에너지 생산 자원을 갖는 분산자원(DER)의 개별 노드를 나타내는 것으로 이해된다. 실시 예에서, 제어 센터(110)는 "전통적인 발전소"와 비슷하지만 출력 용량은 더 적은 국지적 전력원(112)을 포함한다. 실시 예에서, 국지적 전력원(112)은 에너지 시장에서 거래하기 위해 노드(132)에서 공급된 전력과 취합할 수 있는 기초 수준의 전력을 제공할 수 있다. 에너지 시장 거래는 유효 전력 용량, 보조 서비스(예를 들어 전압 또는 무효 전력 지원), 수요/반응 서비스, 기타 서비스 또는 특정 조합과 같이 전력망에서 요구되는 하나 또는 여러 유형의 에너지 서비스에 대해 입찰하거나 제안하는 것을 말한다. 실시 예에서, 제어 센터(110)는 공통 연결점(PCC, 126)을 통해 전력망(120)에 연결된다. 공통 연결점(126)은 서로 다른 분산자원 노드(132)에 대한 연결점 같은 여러 개의 서로 다른 연결점을 나타낼 수 있다. 종합적으로, 제어 센터(110)는 분산자원(130)을 통해 전력망(120)으로 에너지 서비스를 제공할 수 있다.

각 노드(132)는 실시간 제어를 수행할 수 있다. 예를 들어, 시스템의 와트 분량을 모니터링, 분석, 제어, 취합, 예측하고 이와 동시에 VAR 방출을 조절할 수 있다. 와트 및 VAR을 모니터링하면 최적의 에너지 효율을 구현하고 소비자의 비용 절감 효과를 최대화하고, 또한 전력망(120) 운용을 안정화할 수 있다.

도 2는 특고압 중계장치와 저압 연계장치의 구성도이다.

종래에 배전계통의 분산자원 관리를 위한 감시는 능동전압제어 인버터(DER-AVM) 기능이 탑재된 단말장치들에 의해 가능하다.

능동전압제어 인버터(DER-AVM)는 분산자원 연계의 가장 큰 문제가 되고 있는 계통전압, 보다 정확하게는 분산자원의 출력전압을 조정하기 위해 개발된 인버터이다. 능동전압제어 인버터(DER-AVM)는 분산자원의 역률을 조정하여 출력전압을 조정한다. 여기서 조정이란 분산자원의 출력전압이 규정전압을 초과하는 경우 출력 중의 무효전력을 조절하여 역률을 낮춤으로써 분산자원의 출력전압을 낮추는 것이다.

특고압 계통에 연계된 분산자원은 ‘특고압 분산자원 중계장치’와 FRTU를 통해서 감시하고 제어하고 있으며, 저압 계통에 연계된 분산자원은 ‘저압 분산자원 연계장치’를 이용해서 하나의 연계장치가 최대 3대의 분산자원을 감시하고 제어할 수 있도록 되어 있다.

특고압 중계장치와 연계된 배전자동화용 단말장치(FRTU)에는 분산자원을 제어할 수 있도록 CPU가 내재되어 있으며, CPU에 분산자원 제어 알고리즘을 탑재하여 분산자원에 필요한 제어가 가능하도록 설계되어 있다. 분산자원 개폐기에 설치되어 있는 배전자동화용 단말장치(FRTU)는 광통신을 통해 배전계통 운영시스템으로 정보가 전송되어 관리되고 있다.

저압 연계장치의 경우 분산자원의 제어를 위한 CPU가 연계장치 내부에 탑재되어 있으며, Digital 주파수 공용 통신 시스템(Trunked Radio System, TRS)을 이용하여 배전계통 운영시스템으로 정보가 전달된다. 이 때, 특고압 중계장치와 분산자원 인버터 간, 그리고 저압 연계장치와 분산자원 인버터간 통신은 RS-485통신을 하기 위하여 통신 와이어(Wire)를 통해서 연결되고, 인버터와 변대주 사이의 거리가 멀다면 통신선의 길이도 매우 길어진다. 또한, 통신선을 설치하기 위한 시간이 필요하기 때문에 분산자원 제어를 위한 단말장치 설치를 위해 필요한 시간도 매우 길다.

특고압 중계장치의 가격은 약 80만원이며, 배전자동화용 단말장치(FRTU) 가격과 설치비까지 포함한다면 약 450만원 정도이다. 또한, 저압 연계장치의 가격은 약 170만원이며, 설치비까지 포함할 경우 약 350만원이 소요된다. 현재 배전계통에 연계된 분산자원 중 감시 및 제어가 필요한 분산자원의 수는 약 45,000대 정도이며, 정부에서 요구하는 재생e 3020 정책을 이행할 경우 2030년도에 관리가 필요한 분산자원의 개체 수는 더욱 늘어날 것이다. 국내에서도 늘어나는 분산자원을 효율적으로 감시하고 제어하기 위한 분산자원의 그룹화 방법과 계층구조적인 제어방법이 필요하다.

분산자원의 개체 수가 매우 늘어날 경우, 몇 만대에서 몇 십만대가 되는 분산자원 정보를 하나의 배전운영시스템 플랫폼에서 동시에 취득해서 연산을 하기 위해 매우 높은 성능의 배전운영시스템 플랫폼이 필요하다.

본 발명은 전력망에 분포된 분산자원들을 관리할 수 있는 분산자원 관리 시스템(Distributed Energy Resources Management System, DERMS) 및 그것의 제어방법을 제공한다.

분산자원 관리 시스템(DERMS)은 분산자원들의 특성에 따라 분류를 통해 그룹핑하여 감시하고 제어할 수 있다.

분산자원 관리 시스템(DERMS)은 그 역할 및 기능을 어떻게 정의하느냐에 따라 운영 계층 중 어디에도 놓일 수 있는 유연한 시스템이다.

분산자원 관리 시스템(DERMS)은 배전제어(DMS)와 동일한 서버에 연계되어서 정보를 공유하면서 주로 배전시스템, 변전소, 주변압기, 배전선로, 배전선로 구간, 저압망 등을 관리하기 위한 제어시스템으로 이용될 수 있다. 이는, 모든 제어 계층에 존재하는 분산자원 관리 시스템(DERMS)을 동일한 서버에 연계하여 정보를 공유하기 위해서는 모든 계층에 존재하는 분산자원 관리 시스템(DERMS)이 하나의 시스템으로서 역할을 할 수 있어야 한다는 의미이다. 하지만 실제로 배전계통에 존재하는 분산자원의 집중도, 동일한 구간 혹은 망 내에 존재하는 분산자원의 개체 수, 어떤 지역의 분산자원의 총 용량이 배전계통에 주는 영향 등을 고려한다면 모든 조건에서 분산자원 관리 시스템(DERMS)이 설치될 필요는 없다.

모든 조건에서 분산자원 관리 시스템(DERMS)은 시스템화 되어서 설치되는 것은 비효율 적일 수 있으나, 분산자원 관리 시스템(DERMS)에서 수행하는 감시 및 제어 기능 중 일부는 여러 대의 분산자원을 관리하기 위해 효과적이므로 이 기능을 적용하기 위하여 Embedded 형태의 단말장치를 분산자원 제어기(250)로 개발하여 효율적인 통신 구조를 통해 서버까지 연계될 수 있는 방법이 필요하다.

도 3은 분산자원 관리 시스템을 설명하기 위한 블럭도이고, 도 4는 분산자원의 속성을 설명하기 위한 개념도이며, 도 5는 그룹 제어기에 의하여 분산자원들을 분류하는 방법을 설명하기 위한 예시도이다.

본 발명에 따른 분산자원 관리 시스템은 분산자원(210), 단말장치(230), 분산자원 제어기(250) 및 그룹 제어기(270)를 포함한다.

단말장치(230)는 상기 분산자원들 중 어느 하나의 분산자원을 모니터링하고, 변압기 및 변류기 중 적어도 하나를 이용하여 모니터링 하는 분산자원을 제어한다. 예를 들어, 제1 분산자원은 제1 단말장치에 의하여 제어되고, 제2 분산자원은 제2 단말장치에 의하여 제어될 수 있다.

분산자원을 저비용으로 감시하고 제어하기 위한 단말장치(230)는 ①분산자원을 제어하고 감시하는 상위시스템인 그룹 제어기(270)와 광통신 케이블(G/W) 통해 직접적으로 정보를 교환하거나, ②Embedded 형태의 DERMS 기능을 갖는 분산자원 제어기(250)(통신 G/W에 제어용 CPU를 탑재한 형태)를 통해 상위시스템인 그룹 제어기(270)와 정보를 교환할 수 있다.

이 때, 분산자원 제어를 위한 단말장치 Device는 통신 G/W와 e-WSN 통신방식을 이용해 정보를 교환하게 되고, 통신 G/W는 상위 제어시스템인 DERMS와 광통신으로 정보를 교환한다. 뿐만 아니라, ADM은 분산자원의 인버터와 국내 통신보안 정책을 준수하기 위하여 RS-485 통신방식을 사용한다. 단, RS-485 통신 케이블의 길이가 10m 이내가 될 수 있도록 제어상자를 제작하여 그 내부에 통신 Adapter를 설치하고, 이 통신 Adapter에 CPU를 탑재하여 분산자원의 상호운용성 확보를 위한 통신 프로토콜 변환과 제어알고리즘의 연산을 수행할 수 있도록 한다.

분산자원의 제어를 위해서는 배전계통 운영자 및 운영시스템에서 믿을 수 있는 정보를 취득해야 하며, 그러기 위해서는 AMI와 같은 고성능 측정장치를 활용할 필요가 있다. 본 발명에서 제안하는 단말장치(230)는 AMI의 기능 및 분산자원 감시와 제어기능이 하나의 단말장치에서 가능하도록 하는 구조이다.

분산자원 제어기(250, DGM)는 기존에 없는 전혀 새로운 제어구조를 갖는 형태로서, 일반적인 무선통신 G/W 기능을 갖지만 분산자원의 감시 및 제어를 위해 변대주 등에 설치되어 분산자원을 감시하고, 분산자원의 정보를 상위 제어기로 취합하여 전송하고, 상위 제어기로부터 지령을 전송받아 정해진 Rule에 의해서 분산자원이 출력해야 할 전력을 결정하여 Dispatch해줄 뿐만 아니라, 상위 제어기의 명령에 의해 분산자원의 제어 기능 및 제어 모드를 바꿀 수 있도록 중계자 역할을 한다.

분산자원 제어기(250)는 상기 분산자원들 중 일부 분산자원을 제어하도록 이루어지며, 참여 기준에 근거하여 상기 일부 분산자원 중 적어도 하나의 분산자원을 참여 분산자원으로 결정하고, 각 참여 분산자원이 출력해야 하는 전력량을 분배 기준에 근거하여 결정하며, 결정된 전력량이 각 참여 분산자원으로부터 출력되도록 출력지령을 참여 분산자원에 대응하는 단말장치로 전송한다.

예를 들어, 제1 분산자원 내지 제10 분산자원은 제1 분산자원 제어기에 의하여 제어되고, 제11 분산자원 내지 제15 분산자원은 제2 분산자원 제어기에 의하여 제어될 수 있다. 상기 제1 분산자원 제어기는 제1 분산자원 내지 제5 분산자원을 참여 분산자원으로 결정하고, 각각이 출력해야 하는 전력량을 결정할 수 있다. 상기 제1 분산자원 제어기의 출력지령에 의하여 제1 분산자원 내지 제5 분산자원은 각각에 할당된 전력량을 출력하게 된다.

상기 출력지령에는 참여 분산자원이 출력해야 하는 유효전력 및 무효전력 중 적어도 하나가 포함될 수 있다.

다양한 종류의 분산자원이 다양한 위치에서 다양한 역할을 수행하기 위해서는 다양한 조건에 의해서 감시되고 제어될 수 있어야 한다. 특히, 분산자원들은 모두 특성이 다르고 다양한 용량을 가지며 다양한 위치에 연계되어서 그것을 어떻게 활용하느냐에 따라서 가장 유용한 제어 자원이 될수도 있으며, 가장 최악의 문제를 유발할 수도 있다. 그러므로 분산자원들의 다양한 조건을 고려하여 다양한 형태로 제어함으로써 배전계통을 안정적으로 운영해야 한다. 이와 더불어, 도 4에 도시된 바와 같이, 배전계통의 안정적인 운영을 위해서 분산자원의 연계위치, 용량, 특성 등을 고려하여 분산자원의 제어모드를 달리하여 협조 제어가 수행될 수 있도록 하여야 한다.

이렇게 분산자원들은 개별적으로 제어될 수도 있지만, 동일한 제어모드를 가질 수도 있다. 동일한 제어모드를 가지거나 동일한 특성을 갖는 분산자원의 경우, 그룹을 만들어서 하나의 객체로서 감시되고 제어될 수 있다면 관리 효율이 매우 높아질 것이다.

그룹 제어기(290)는 상기 분산자원들을 복수의 그룹들로 분류하고, 각 그룹별 참여 기준 및 분배 기준 중 적어도 하나를 다르게 설정하여 각 그룹에 포함된 분산자원 제어기로 전송할 수 있다. 각 그룹에 포함된 분산자원 제어기는 상기 그룹 제어기에서 설정한 참여 기준 및 분배 기준에 근거하여 출력지령을 전송하게 된다.

상기 그룹 제어기(290)는 상기 분산자원들 각각의 속성에 근거하여 상기 분산자원들을 복수의 상위 그룹들로 분류하며, 각 상위 그룹은 복수의 하위 그룹들로 분류될 수 있다. 상기 그룹 제어기(290)는 기 설정된 조건에 따라 상기 분산자원들을 서로 다른 그룹으로 분류할 수 있다.

예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, 분산자원은 여러가지 기준에 따라 다양하게 분류될 수 있다.

분산자원의 종류로 매우 다양하다. 분산자원의 범위는 제어 가능한 부하, 디젤발전기, 태양광발전기, 연료전지, 풍력발전기, CHP(열병합발전기), 에너지저장장치(ESS), 전기자동차(EV), 마이크로그리드(MG, 빌딩, 공장, 군대, 홈, 학교, 도시) 등 배전계통의 운영을 위해 출력을 제어할 수 있는 모든 에너지 자원을 포함하므로 그 특성을 어떻게 분류하느냐에 따라 이러한 분산자원들을 활용하여 배전계통을 운영할 수 있는 방법이 매우 다양해질 수 있다.

뿐만 아니라, 분산자원의 통신방식, 통신프로토콜, Data의 Address, 제어명령 전송이나 수신 방식들이 분산자원 제조사별로 모두 다르기 때문에 배전운영시스템에서 모두 수용하기 위해서는 획일적인 형태로 통신을 주고받을 수 있는 솔루션이 필요하다. 특히 분산자원의 개체수가 늘어날수록 관리가 간단해지고, 표준화된 통신기술이 필요하기 때문에 다양한 형태로 교환되는 분산자원들에 대한 상호운용성 확보 솔루션이 필요하다.

분산자원들의 그룹핑(Grouping)은 다음과 같은 조건에 의해서 다양하게 될 수 있다.

전력시스템 레벨 단위로는 변전소별, 버스 및 피더(Feeder)별, 피더의 구역별, 단상연계일 경우 상별 등으로 분류될 수 있다. 분산자원의 속성 단위로는 분산자원 종류별(PV, WT, EV 등), 분산자원 소유 주체별(민간, 국가, 기업 등), 분산자원 계약방법(운영용, 전력거래용 등), 규모별, 목적별(주거용, 산업용, 농업용 등), 분산자원의 응답시가별 등으로 분류될 수 있다.

이 외에도 분산자원을 그룹핑 하는 방법은 더욱 다양할 수 있다. 분산자원을 다양한 조건에 맞게 다양한 방법으로 그룹핑 함으로써 배전계통의 운영을 위한 효율을 향상시킬 수 있다.

상기 그룹 제어기(290)는 새로운 그룹을 만들거나, 기존 그룹을 수정하거나 삭제할 수 있다. 예를 들어, 저압 배전계통의 A상에 연계되어 있는 단상 태양광발전기만 Grouping하여 A상의 출력제어를 수행하도록 하거나, 동일한 구간내에 있는 모든 분산자원을 하나의 Group으로 묶어서 그 구간의 전압 안정화를 위한 제어를 수행할 수 있다. 다른 예를 들어, 동일한 선로(Feeder)에 존재하는 모든 분산자원을 하나의 Group으로 묶어서 관리하면서, 동일한 구간(Section)에 있는 분산자원들끼리 Sub-Group 형태로 다시 묶어서 관리하고, 그 Sub-Group안에서 A상에 연계되어 있는 분산자원들을 또다시 Sub-Sub-Group 형태로 묶어서 감시하고 제어할 수 있다.

분산자원 제어기(250)는 다양한 모드로 동작할 수 있다. 예를 들어, 분산자원 제어기(250)는 분산자원을 제어하는 제어 모드와 분산자원을 제어하지 않는 통신 모드 중 어느 하나를 선택적으로 실행할 수 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 분산자원 제어기(250)가 상기 통신 모드를 실행하는 경우, 분산자원(210)은 상기 그룹 제어기(270)에서 결정된 전력량을 출력한다. 이와 달리 제어 모드를 실행하는 경우, 분산자원 제어기(250)가 참여 분산자원과 그것의 전력량을 결정하므로, 분산자원(210)은 상기 분산자원 제어기(250)에서 결정된 전력량을 출력한다. 즉, 분산자원이 출력해야 하는 전력량은 분산자원 제어기(250) 또는 그룹 제어기(270)에 의하여 결정될 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 분산자원을 감시하고 제어하여 배전계통을 안정적으로 운영하기 위한 계층구조적인 제어형태를 고려하여 가장 하위계층인 ㄷ디디바이스 레벨에서 분산자원을 저비용으로 감시하고 제어하면서 상호운용성을 확보하기 위한 단말장치(가칭 : ADM, Autonomous DER Manager), Embedded 형태의 DERMS 기능을 갖는 분산자원 제어기(가칭 : DGM, DER Group Manager), 그리고 상위계층인 시스템 레벨에서 분산자원을 효율적으로 관리하기 위한 계층구조적인 감시 및 제어 를 수행하는 그룹 제어기(가칭 : DMS, DER Management System) 등을 통합적인 운영측면에서 현실적인 요소를 고려하여 제안한다.

도 6은 단말장치를 보다 상세히 설명하기 위한 블럭도이다.

분산자원을 저비용으로 무선통신을 통해 효율적으로 감시하고 제어할 수 있는 단말장치(230)는 저압에 설치되는 AMI와 동일하게 자체적으로 변압기(PT)와 변류기(CT)를 포함하며, AMI의 연산부까지 모듈화하여 포함한다. 또한, 모듈화된 AMI 연산부는 CPU가 탑재된 통신Adatper의 모듈로서 PT와 CT를 통해 측정한 값들을 제어가 가능한 신호로 변환하여 U-ART등의 통신을 통해 통신Adapter로 전달하게 된다. 인버터와 RS-485통신을 하고, 상위제어기인 그룹 제어기(270)나 분산자원 제어기(250)와는 e-WSN 무선통신을 하는 통신Adapter는 상호운용성을 위한 표준 통신프로토콜로 변환하는 기능이 탑재되어 있으면서 분산자원의 계통 보조서비스를 위한 제어기능도 탑재되어 있어서 상위제어기의 명령을 받아 분산자원을 제어하게 된다. 정리하면, ADM은 CT와 PT가 탑재되어 제어에 필요한 기본적인 연산을 수행하는 AMI부, 상호운용성 확보를 위한 통신프로토콜 변환부, 분산자원 제어부로 나뉘게 되며, 하위장치인 인버터(분산자원)와는 RS-485통신을 하고, 상위제어기인 분산자원 제어기(250)와는 직접적인 무선통신을 하고, 상위시스템인 그룹 제어기(270)와는 G/W를 통한 무선통신을 하게 된다.

인버터와 RS-485 통신방식을 통해 통신을 하는 ADM은 인버터로부터 MODBUS, IEEE2030.5(SEP2.0), DNP3.0의 3가지 통신 프로토콜을 수용할 수 있으며, 통신 프로토콜 변환기능을 통해 위의 3가지 프로토콜 중 하나로 변환하거나, MQTT, DDS 등의 IoT 통신 프로토콜이나 IEC61850으로 변환하여 상위 제어기로 전송할 수 있다.

또한, 단말장치(230)는 분산자원을 제어하는 역할도 수행하는데, 제어를 위한 Measure 값은 AMI 연산 모듈에서 전송받은 값을 사용하며, 인버터에서 유효전력, 무효전력 등의 동일한 값을 전송받아서 그 오차를 통해 제어의 정확도를 판단하는 역할도 한다. 단말장치(230)를 통해 제어가능한 분산자원의 제어기능은 기존에 흔히들 말하는 Smart Inverter 기능들이 될 수 있다.

단말장치(230)는 상위제어기인 분산자원 제어기(250)등의 제어 명령을 전송받아서 분산자원을 제어해야 하므로 분산자원의 정보를 분산자원 제어기(230) 및 그룹 제어기(270)의 통신 G/W 등으로 전송해주어야 한다. 예를 들어서 ADM은 분산자원이 현재 출력가능한 유효/무효전력의 크기를 전송할 수 있어야 하며, 분산자원의 기본적인 용량이나 상태정보 등을 전송할 수 있어야 한다.

도 7은 분산자원 제어기를 보다 상세히 설명하기 위한 블럭도이다.

분산자원 제어기(250)는 분산자원 자율화 연계제어 단말장치(230)으로부터 분산자원의 감시 및 제어를 위한 기본적인 정보를 전송받는다.

분산자원 제어기(250)는 ①e-WSN의 통신G/W로서의 역할과 ②분산자원 그룹의 출력 Dispatch 기능 및 ③분산자원의 정보 취합을 통한 상위시스템으로 전송 역할을 수행한다.

분산자원 제어기(250)는 e-WSN의 통신G/W로서의 역할과 분산자원 그룹의 출력 제어를 동시에 할 수도 있고, 단순하게 G/W로서의 역할만 할 수도 있기 때문에 단말장치(230)와 동일한 형태의 하드웨어 구성을 가지면서 AMI연산부를 모듈화하여 분리시킬 수도 있도록 구성된다. 분산자원 제어기(250)는 단순하게 통신G/W로서만 활용되거나 분산자원 그룹 제어기로서 활용될 때 모두 변대주에 설치되어서 광통신으로 그룹 제어기(270)나 상위제어시스템으로 통신으로 연계될 수 있다. 이 때, 변대주의 전압 및 전류 정보를 AMI연산을 통해 전처리 후, 상위제어시스템의 제어를 위해 상위제어시스템으로 전송해줄 수 있을 뿐만 아니라, 자체적으로 분산자원의 그룹제어를 통해 해당 변대주를 기준으로 유효전력 및 무효전력 제어를 수행할 수 있고, 원하는 유효전력 및 무효전력 제어를 위해 각 분산자원의 출력을 결정하는 알고리즘의 연산을 통해 Dispatch 수행까지 하게 된다.

분산자원 제어기(250)는 크게 3가지로 구성된다. 하나는 e-WSN을 통해 분산자원 자율연계 단말장치(210)과 통신하여 상위시스템으로의 연계를 위해 광통신으로 변환해주는 부분, 그룹핑된 분산자원의 정보를 취합하여 원하는 정보로 가공하고 분산자원별로 필요한 출력을 결정하기 위해 연산하고 dispatch하는 부분, 그리고 이러한 분산자원들의 제어를 위해 변대주의 전압 및 전류 정보를 취득하여 제어하기 용이하도록 가공해서 CPU로 전달해주는 부분이다. 만약에 DGM이 통신G/W로서의 역할만 하고, 분산자원의 그룹제어기 역할을 원하지 않는다면 상위제어시스템은 분산자원을 통신Adapter인 ADM을 통해 직접적으로 제어할 수 있기 때문에 분산자원 제어기(250)는 의 AMI연산 모듈을 불필요하므로 모듈화하여 제거할 수 있도록 되어야 한다.

분산자원 제어기(250)가 분산자원의 그룹제어를 위해 사용하는 출력 Dispatch 알고리즘은 크게 3가지의 조건에 의해서 동작하게 된다. 첫 번째는 Dispatch의 ‘분배기준’이고, 두 번째는 Dispatch의 ‘참여기준’이다.

분산자원 제어기(250)의 Dispatch 분배기준은 분산자원의 출력을 결정하는데 기준이 되는 여러 가지 조건들이 될 수 있다. 분배기준의 예로는, 1) 분산자원의 설비용량을 기준으로 모두 평등하게 출력 분배, 2) 분산자원의 설비용량과 상관없이 분산자원의 수에 맞추어 1/n로 평등하게 분배, 3) 분산자원의 설비용량과 상관없이 절대값으로 출력 분배, 4) 분산자원별로 어떠한 조건에 가중치를 두어 가중치에 따라 출력 분배(ex) 에너지 가격, 위치, 에너지 종류 등)가 있을 수 있다.

분산자원 제어기(250)의 Dispatch 참여기준은 다음과 같이 분산자원 중 Dispatch에 참여하는 분산자원을 결정하는 여러 가지 조건들이 될 수 있다. 참여기준의 예로는, 1) 현재 기동중인 모든 분산자원들을 참여하는 것으로 인식, 2) 현재 기동중인 분산자원들 중, 자신의 정격 출력의 50%이상의 출력을 내는 분산자원들만 참여하는 것으로 인식, 3) 현재 기동중인 분산자원들 중, 전체 평균 출력보다 높은 출력을 내는 분산자원들만 Dispatch에 참여하는 것으로 인식, 4) 현재 기동중인 모든 분산자원들 중 참여 의사에 대한 시그널을 전송한 분산자원들만 참여하는 것으로 인식, 5) 현재 기동중인 모든 분산자원들 중 기존에 계약이 되어 있는 분산자원을 따로 분류하여 참여하는 것으로 인식, 6) 분산자원들 별로 제어기능이 모두 다르므로, 원하는 그룹제어 수행 시 제어기능 보조가 가능한 분산자원만 분류하여 참여하는 것으로 인식하는 것이 있을 수 있다.

분산자원 제어기(250)의 Dispatch를 위한 분배기준 및 참여기준은 상황에 따라 여러 가지로 Mix하여 활용할 수 있다.

도 8은 분산자원 제어기의 동작 모드들을 설명하기 위한 개념도이다.

분산자원 제어기(250)는 그룹 제어기(270) 등으로부터 참여기준, 분배기준에 대한 설정 명령을 전달 받고, 분산자원들이 합산하여 내어야 하는 출력지령을 전달받는다. 그럼 DGM은 참여기준 설정명령에 따라 Dispatch에 참여할 분산자원을 결정하게 되고, 이 분산자원들을 이용하여 분배기준 설정명령에 따라 출력지령만큼의 합산 출력이 나올 수 있도록 분산자원들의 특성에 맞게 Dispatch하게 된다. 그리고 최종적으로 각각의 분산자원들이 내어야 할 유효전력이나 무효전력을 ADM으로 전달하게 된다. 이 때, 분배기준대로 Dispatch한 각 분산자원들의 출력의 합이 원하는 합산 출력이 나오지 않을 경우, 분배기준 내에서 분산자원들의 출력을 다시 Dispatch 하는 재분배 기능이 포함된다.

분산자원 제어기(250)는 그룹 제어기(270) 등의 상위제어시스템으로부터 각 분산자원들의 제어모드를 변경하는 역할도 수행해야 한다. 예를 들어서, 어떤 분산자원이 유효전력 우선제어모드로 동작하고 있었지만, 상위제어시스템이 무효전력 우선제어모드로 변경하고자 할 경우 분산자원 제어기(250)로 제어모드 변경 지령을 전송하게 되고, 분산자원 제어기(250)는 제어모드 변경 지령을 Dispatcher를 거치지 않고 단말장치(230)으로 전달하게 된다. 또한, 분산자원 제어기(250)는 단말장치(230)가 분산자원의 출력제어를 위한 스케쥴링 Curve를 만들 수 있도록 Curve의 points를 상위제어시스템에서 전송받아서 단말장치(230)로 전송하는 역할도 해야 한다.

또한 DGM은 통신G/W로서만 사용될 수 있기 위해 설정을 통해 제어기능은 모두 숨겨놓고 통신G/W로서만 사용될 수 있도록, 상하위 시스템 및 단말장치로부터 정보를 전송받아 단순하게 통신 프로토콜을 변환해서 상하위로 전송할 수 있는 기능을 포함하고 있어야 한다.

한편, 기존 배전선로에 설치되어 있는 배전자동화용 단말장치(FRTU)에 분산자원 제어기(250)의 기능을 탑재하여 활용할 수도 있다. 이 경우, 분산자원 제어기(250)는 e-WSN의 G/W역할을 하면서 통신 프로토콜 변환기능을 가지게 되고, 배전자동화용 단말장치(FRTU)와는 RS-232, RS-485 등의 통신을 통해 정보를 주고 받으면서 배전자동화용 단말장치(FRTU)가 분산자원 그룹제어장치로서의 역할을 할 수 있게 한다.

도 9는 분산자원 관리 시스템의 멀티 레벨 구조를 설명하기 위한 개념도이다.

분산자원 제어기(250)가 분산자원을 그룹으로 묶어서 제어하는 경우, 일반적으로 분산자원 제어기(250)는 이미 특성에 맞게 Grouping되어 있는 분산자원들에 대해서 Dispatch를 위한 참여기준 및 분배기준을 정해놓고 사용하는 경우가 많을 것이다. 또한, 분산자원 그룹을 바꾸는 것도 현실적으로 어려울 수 있다. 그러므로 일반적으로 분산자원 제어기(250)는 Dispatch방식에 대해서 Set & Forger 방식을 적용하는 것이 보편적일 수도 있다.

그러나 그룹 제어기(270) 같은 상위제어시스템의 경우 얘기가 다르다. Dispatch 방법은 참여기준 및 분배기준에 따라서 다르게 적용될 수 있기 때문에, 그룹 제어기(270)에서 분산자원들을 감시하고 제어하기 위해서 어떻게 그룹핑 하고 어떻게 Dispatch하느냐에 따라서 그 효율이 완전히 달라질 수 있다. 그러나 일반적으로 그룹 제어기(270)에서 요구하는 기능은 1단계 Grouping과 1단계 Dispatch 기능으로서, 다양한 종류와 특성을 갖는 분산자원을 효율적으로 제어하기 힘든 형태이다. 그러므로 본 발명신고서에서는 다단계 Grouping 방법과 다단계 Dispatch에 대해서 제안한다.

우선 다단계 Grouping의 개념은 아주 간단하게 적용될 수 있다. 그룹 제어기(270)에서는 분산자원의 종류 및 특성 등에 맞게 상위 Group과 하위 Group을 정의할 수 있다. 예를 들어서 동일한 선로(Feeder)에 연계되어 있는 분산자원들을 가장 큰 Group으로 묶고, 그 속에서 동일한 구간(Section)에 연계되어 있는 분산자원들을 하위 Group으로 묶는다. 또한, 동일한 종류의 분산자원을 그 하위 Group으로 묶은 후, 동일한 상(Phase)에 연계된 분산자원을 그 아래 마지막 하위 Group으로 묶을 수 있다. DERMS가 Grouping을 하기 위한 상위 Group과 하위 Group에 대한 Level 수에 대한 정의는 유연하게 가져갈 수 있어야 하며, Group의 레벨이 많을수록 연산이 복잡해지지만, 좀 더 효율적으로 관리가 될 수 있을 것이다.

Grouping에 대한 단계별로 Dispatch를 위한 참여기준 및 분배기준을 다르게 설정할 수 있게 된다. 이 부분에 대한 설정은 최상위 제어시스템에서 그룹 제어기(270)에 실시간으로 설정 명령을 전송함으로써 그룹 제어기(270)는 분산자원의 Grouping Level별로 Grouping의 조건을 결정할 수 있고, 각 Level별 Dispatch 조건도 결정할 수 있다.

도 8은 총 2개의 Level에 해당하는 Group이 있을 경우, DMS에서 2개의 Group에 Dispatch를 위한 참여기준 및 분배기준을 전송함으로써 2개의 Group에서 Dispatch를 수행하는 과정을 도식화한 것이다.

도 8과 같은 제어구조에서 그룹 제어기(270)는 이미 만든 Group의 수를 이미 인식하고 있어야 하며, 그룹 제어기(270)는 분산자원 제어기(250)로 각 Group별 분배기준 및 참여기준을 전송해줄 수 있어야 한다. 즉, 그룹 제어기(270)는 각 Group의 Grouping 특성을 알고 있어야 하며, 그룹 제어기(270)의 알고리즘에 의해서 Group별 Dispatch를 위한 분배기준 및 참여기준이 결정될 수 있어야 한다. 그룹 제어기(270)가 각 Group별 분배기준 및 참여기준을 전송하면 분산자원 제어기(250)는 자기가 관리중인 Group에서 내어야 하는 총 출력을 그룹 제어기(270)로부터 전송받아서 Level1에 해당하는 Group들의 지령을 만들어서 Level1 Group들에 전송한다. 그 후, Level1 Group들은 각각 DMS에서 전송해준 Dispatch 분배기준 및 참여기준에 의해서 Level2 Group들의 출력을 결정하게 되고, Level2 Group 들도 각각 그룹 제어기(270)의 지령에 따라서 Dispatch를 위한 알고리즘을 수행하게 된다. 이 때, 모든 Level에서 Dispatch 기능을 bi-pass시킬 수 있는 기능이 있어야 한다. 예를 들어서, Level1의 Group1의 경우 이미 지정된 dispatch 분배기준 및 참여기준과 상관없이 bi-pass하고 싶을 경우, Level1의 Group1에 지정된 출력지령은 P.U값으로서 다음 Level로 전송되게 되고, 다음 Level에서는 정해진 dispatch rule에 의해서 dispatch를 수행하게 된다.

이런 구조의 제어를 수행하기 위해서는 분산자원 제어기(250)의 제어 알고리즘도 필요하지만 그룹 제어기(270)와 협조제어가 수행되어야 하기 때문에 그룹 제어기(270)의 제어알고리즘 변경도 필요하다. 그러므로 분산자원 제어기(250)는 그룹 제어기(270)와 협조제어가 되지 않는 경우, 분산자원 제어기(250) 내부 소프트웨어를 통해 Level별 Group을 설정할 수 있어야 하고, 각 Group별로 Dispatch를 위한 분배조건 및 참여조건을 지정해줄 수 있어야 한다.

만약 그룹 제어기(270)와의 협조제어가 원활할 경우, 실시간 Group member 변경 및 Dispatch를 위한 분배조건과 참여조건 변경을 할 수가 있게 된다. 실시간 Group member 변경을 위해서는 그룹 제어기(270)에 Group member 재구성 알고리즘이 있어야 하므로 좀 더 advanced한 알고리즘이라고 볼 수 있다. 예를 들어서 그룹 제어기(270)에서 Volt-Var Optimization 제어기능을 수행하고자 할 경우, 분산자원 제어기(250)에서 분산자원들을 Grouping하는 방법은 분산자원들의 각 연계점에서 변전소쪽을 바라볼 때 효과적인 X/R비 갖는 분산자원들로 구분해서 Grouping을 할 수도 있고, 연계위치가 가까운 분산자원들끼리 Grouping을 할 수도 있다. 또한, SVR이 있을 경우 SVR 1차측과 2차측의 분산자원을 나누어서 Grouping 할 수도 있다. 만약에 그룹 제어기(270)에서 배전선로의 Hosting Capacity 관리를 위해서 분산자원의 출력 제한을 하고자 할 경우, 용량별로 분산자원을 Grouping할 수도 있고, 출력제한이 가능하도록 계약된 분산자원들로 Grouping 할 수도 있다. 즉, 그룹 제어기(270)에서 분산자원에 요구하는 제어기능이 무엇이냐에 따라서 분산자원 제어기(250)에서는 분산자원들의 Grouping방법을 다르게 적용할 수 있어야 한다. 그러므로 그룹 제어기(270)에서 분산자원 제어기(250) 제어기능을 요구할 경우 분산자원 제어기(250)사전에 설정되어 있거나 그룹 제어기(270)로 붙어 전송받은 그룹 설정 요구에 응하여 분산자원을 Grouping하고 Group별로 Dispatch 설정에 맞도록 출력을 Dispatch 할 수 있도록 기능을 구비하여야 한다.

현재 분산자원 감시 및 제어를 위해서 이러한 제어 구조 및 알고리즘을 가지는 방법은 없다. 단, 기존에 전 세계적으로 광역계통 주파수 제어를 하기 위해 보편적으로 사용되는 AGC(Automatic Generation Control) 알고리즘과 국지적으로 분산되어 있는 화력, 수력, 복합화력 등의 발전기들의 Droop 제어 알고리즘이 협조제어를 통해 광역계통 주파수 제어를 하는 방법이 본 발명신고서에서 제안하는 분산자원 제어기(250)의 Dispatch 방법과 유사하게 보여질 수 있다. 그러나 본 발명신고서에서 제안하는 분산자원 제어기(250)의 Dispatch 방법은 Multi Level를 갖는 Grouping이 가능하고, Group별로 Dispatch를 위한 조건을 다르게 설정함으로써 분산자원의 제어를 위한 효과를 최대화 할 수 있다는 점이 다르다.

일반적인 AGC제어구조에서는 ACE 로직이 적분기를 거쳐 발전력 분배 로직으로 신호를 전달하는데, 이 때 발전력 분배 로직은 발전기 Group이 아니라 개별 발전기들에 개별적으로 출력을 분배하게 되고, Multi Level의 개념없이 1단계 Dispatch 개념을 적용한다. 그러므로 본 발명신고서와는 다른 컨셉으로 볼 수 있다.

2018년도에 약 50,000개의 분산자원이 접속지연을 겪고 있다.

정부의 재생e 3020 이행계획을 달성하기 위해서 배전계통에 연계되어야 할 추가적인 분산자원의 용량은 약 27GW정도로 추정되고 있으며, 이는 현재 배전계통에 접속완료되어 있는 10GW의 용량의 3배정도 된다.

현재 분산자원은 배전계통에 대부분 연계되어 전력조류의 방향을 바꿈으로써 배전선로의 과전압의 원인이 되고 있으며, 수용가 전기품질에도 영향을 주고 있다. 그러므로 분산자원의 연계용량이 늘어날수록 분산자원 감시 및 제어에 대한 중요성이 커지게 될 것이다.

그에 따라 2018년도에는 분산자원의 감시를 위해서 DER-AVM 기능을 갖는 특고압 중계장치 및 저압 연계장치를 약 12,000대 설치하였으며, 현재는 배전계통 운영자가 분산자원에 대한 제어 권한을 가지고 있지 않기 때문에 감시용으로 주로 활용하고 있다. 그러나 특고압 중계장치 및 저압 연계장치의 가격은 설치비까지 포함하여 약 350만원을 초과하고 있으며, 설치 시간도 5시간 이상 소요되는 긴 작업이어서 설치 효율도 떨어진다.

만약 본 발명에서 제안하는 형태로 단말장치(230)를 적용할 경우, 특고압 중계장치 및 저압 연계장치보다 가격은 3배 이상 절감할 수 있게 되며, 무선통신을 사용하기 때문에 설치시간을 5배 이상 단축시킬 수 있다. 또한, 분산자원의 제어기능이 탑재되어 있어서 스마트인버터의 주요 기능을 이용해 분산자원을 배전계통 안정화를 위해 활용할 수 있게 된다. 그리고 기존의 D-TRS와 같은 통신 성공률이 낮은 무선통신 방식이 아닌 성능이 좋은 e-WSN 무선통신을 사용하여 분산자원 감시 및 제어에 대한 실패율이 낮아진다. 더하여 통신 Adapter(ADM)에서는 상호운용성을 확보할 수 있어서 프로토콜이 다른 여러 가지 분산자원을 수용할 수 있게 되며, ADM에 Autonomous한 제어기능이 탑재되어 있기 때문에 통신 G/W의 부담을 줄여주고 상위 제어시스템들의 부담을 줄여서 분산자원 제어의 안정성이 매우 커진다. 또한, G/W에서는 분산자원을 그룹화하여 제어함으로써 상위제어시스템인 DERMS나 DMS등에서 바라볼 때 Aggregation된 형태이기 때문에 많은 수의 분산자원을 개별적으로 관리하지 않고, 하나의 객체로서 바라봄으로써 관리를 위한 플랫폼의 부담이 줄어들 수 있다. 또한, G/W형태의 DGM을 사용함으로써 무선통신을 위해 필수적인 장치(device) 설치와 그룹제어기 설치를 동시에 할 수 있어서 필수 설치 device에서 제어까지 할 수 있는 1석 2조의 효과를 볼 수 있다.

분산자원의 개체 수는 약 42만대이며, 이 중에서 태양광이 90%를 차지하고 있다. 이 중 약 38만대의 분산자원은 상계거래용 분산자원이며, 남은 4~5만대 정도의 분산자원이 우리가 감시하고 제어해야 할 대상이 될 수 있다. 향후 재생e 3020 이행계획의 달성을 위해서는 우리가 감시하고 제어해야할 분산자원의 개체 수는 몇 배로 늘어나게 될 것이다. 만약 우리가 제어해야 할 분산자원의 수가 몇 십만대가 된다고 가정할 때, 이렇게 많은 분산자원의 출력을 조절하고자 할 때, 한 단계의 dispatch 알고리즘을 적용하여 최적 분배를 위한 수치를 찾아내기 위해서는 매우 긴 최적화 연산 시간이 소요될 것이다. 그러므로 배전 계획단계나 운영단계에서 효율적인 Grouping Rule을 만들어 내고, 그 Rule에 맞게 Level을 정하여 dispatch를 하게 된다면 분산자원의 Dispatch 효율을 높이고 전체 분산자원의 이익을 극대화 할 수 있는 운영체계를 구축할 수 있다.

예를 들어서, 분산자원을 제어하고자 할 경우 Grouping을 어떻게 하고 dispatch를 어떻게 하느냐에 따라서 분산자원의 제어 효율이 완전히 달라질 수 있다. 만약 DMS가 배전계통을 운영할 때, DMS에서 요구하는 기능에 따라서 DERMS의 Grouping 방법이나 각 Grouping에 적절한 Dispatch 방법이 적용된다면, DMS에서 요구하는 기능에 따른 분산자원의 제어 효과가 극대화 될 수 있을 것이다.

본 발명은, 프로그램이 기록된 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체는, 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체의 예로는, HDD(Hard Disk Drive), SSD(Solid State Disk), SDD(Silicon Disk Drive), ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어, 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한, 상기 컴퓨터는 단말기를 포함할 수도 있다.

따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

100: 분산형 전력망 시스템 110: 제어 센터
120: 전력망 122: 배전 제어
124: 고객 130, 210: 분산자원
140: 발전소 230: 단말장치
250: 분산자원 제어기 270: 그룹 제어기

Claims (8)

1. 전력을 생산하는 복수의 분산자원들;
   상기 분산자원들 중 어느 하나의 분산자원을 모니터링하고, 변압기 및 변류기 중 적어도 하나를 이용하여 모니터링 하는 분산자원을 제어하는 복수의 단말장치들; 및
   상기 분산자원들 중 일부 분산자원을 제어하도록 이루어지며, 참여 기준에 근거하여 상기 일부 분산자원 중 적어도 하나의 분산자원을 참여 분산자원으로 결정하고, 각 참여 분산자원이 출력해야 하는 전력량을 분배 기준에 근거하여 결정하며, 결정된 전력량이 각 참여 분산자원으로부터 출력되도록 출력지령을 참여 분산자원에 대응하는 단말장치로 전송하는 분산자원 제어기; 및
   그룹핑 조건에 따라, 상기 분산자원들을 복수의 하드웨어 또는 소프트웨어 단위로 구성된 그룹들로 분류하고, 각 그룹별 참여 기준 및 분배 기준 중 적어도 하나를 다르게 설정하여 각 그룹에 포함된 분산자원 제어기로 전송하는 그룹 제어기;
   를 포함하고,
   상기 그룹핑 조건은 상기 분산자원들이 포함되는 전력시스템 레벨, 상기 분산자원들 각각의 속성, 상기 분산자원들의 소유 주체, 상기 분산자원들의 계약방법, 상기 분산자원들의 규모, 상기 분산자원들의 사용 목적, 상기 분산자원들의 응답시간을 포함하는, 분산자원 관리 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 복수의 단말장치 각각은 상기 변압기, 상기 변류기 및 제어에 필요한 기본적인 연산을 수행하는 CPU부 및 AMI부를 포함하고,
   상기 AMI부는 상기 변류기 및 상기 변압기가 측정한 값을 제어 신호로 변환하고, 상기 CPU부에서 연산한 제어 신호를 RS-485 통신을 이용하여 상기 제어 신호로써 상기 분산자원을 제어하며,
   각 그룹에 포함된 분산자원 제어기는 상기 그룹 제어기에서 설정한 참여 기준 및 분배 기준에 근거하여 출력지령을 전송하고, 상기 복수의 단말장치 각각과 무선 통신하는 것을 특징으로 하는 분산자원 관리 시스템.
3. 제2항에 있어서,
   상기 그룹 제어기는,
   상기 분산자원들 각각의 속성에 근거하여 상기 분산자원들을 복수의 상위 그룹들로 분류하며, 각 상위 그룹은 복수의 하위 그룹들로 분류되는 것을 특징으로 하는 분산자원 관리 시스템.
4. 제2항에 있어서,
   상기 그룹 제어기는,
   기 설정된 조건에 따라 상기 분산자원들을 서로 다른 그룹으로 분류하는 것을 특징으로 하는 분산자원 관리 시스템.
5. 제2항에 있어서,
   분산자원 제어기는 분산자원을 제어하는 제어 모드와 분산자원을 제어하지 않는 통신 모드 중 어느 하나를 선택적으로 실행하며,
   분산자원 제어기가 상기 통신 모드를 실행하는 경우, 분산자원은 상기 그룹 제어기에서 결정된 전력량을 출력하는 것을 특징으로 하는 분산자원 관리 시스템.
6. 제1항에 있어서,
   상기 출력지령에는 참여 분산자원이 출력해야 하는 유효전력 및 무효전력 중 적어도 하나가 포함되고,
   상기 그룹 제어기는,
   상기 분산자원의 종류 및 특성에 따라, 상기 분산자원들을 제1 레벨에 따라 제1 그룹으로 그룹핑하고, 제2 레벨에 따라 제2 그룹으로 그룹핑하며, 제3 레벨에 따라 제3 그룹으로 그룹핑하고, 상기 제1 레벨 내지 상기 제3 레벨에 따라 상기 출력지령을 전송하고,
   상기 제1 그룹은 동일한 선로(Feeder)에 연계되어 있는 분산자원들로 이루어진 그룹이고, 상기 제2 그룹은 동일한 구간(Section)에 연계되어 있는 분산자원들로 이루어진 그룹이며, 상기 제3 그룹은 동일한 상(Phase)에 연계된 분산자원들로 이루어진 그룹이고,
   상기 제1 그룹은 상기 제2 그룹의 상위 그룹이고, 상기 제2 그룹은 상기 제3 그룹의 상위 그룹인 것을 특징으로 하는 분산자원 관리 시스템.
7. 그룹핑 조건에 따라, 분산자원들을 복수의 하드웨어 또는 소프트웨어 단위로 구성된 그룹들로 분류하고, 각 그룹별 참여 기준 및 분배 기준 중 적어도 하나를 다르게 설정하는 단계;
   상기 그룹들 중 어느 하나의 그룹에 설정된 참여 기준에 근거하여 상기 어느 하나의 그룹에 포함된 분산자원 중 적어도 하나의 분산자원을 참여 분산자원으로 결정하는 단계;
   각 참여 분산자원이 출력해야 하는 전력량을 상기 어느 하나의 그룹에 설정된 분배 기준에 근거하여 결정하는 단계; 및
   결정된 전력량이 각 참여 분산자원으로부터 출력되도록 출력지령을 전송하는 단계를 포함하고,
   상기 그룹핑 조건은 상기 분산자원들이 포함되는 전려시스템 레벨, 상기 분산자원들 각각의 속성, 상기 분산자원들의 소유 주체, 상기 분산자원들의 계약방법, 상기 분산자원들의 규모, 상기 분산자원들의 사용 목적, 상기 분산자원들의 응답시간을 포함하는,
   분산자원 관리 시스템의 제어 방법.
8. 제7항에 있어서,
   상기 분산자원들은 기 설정된 조건에 따라 서로 다른 그룹으로 분류되어, 서로 다른 설정 조건에 따라 분산자원을 관리하는 것을 특징으로 하는 분산자원 관리 시스템의 제어 방법.

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