WO2020060016A1 - 부분 계측 기반 전압 및 무효전력 제어를 위한 모선에서의 전압 예측 방법 및 그 프로그램 - Google Patents

부분 계측 기반 전압 및 무효전력 제어를 위한 모선에서의 전압 예측 방법 및 그 프로그램 Download PDF

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WO2020060016A1
WO2020060016A1 PCT/KR2019/008409 KR2019008409W WO2020060016A1 WO 2020060016 A1 WO2020060016 A1 WO 2020060016A1 KR 2019008409 W KR2019008409 W KR 2019008409W WO 2020060016 A1 WO2020060016 A1 WO 2020060016A1
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voltage
section
measurement
reactive power
predicting
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최준호
고석일
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전남대학교 산학협력단
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    • Y02E40/30—Reactive power compensation

Definitions

  • the present invention relates to a method and a program for predicting a voltage on a bus used for controlling voltage and reactive power in a distribution system based on partial measurement.
  • the consumer's consumption load consists mainly of heating, lighting, motors, electronic devices providing various services, computers and controllers, battery chargers for mobile devices, and electrochemical devices mainly used in industry. All of these loads are designed to be used reliably at nominal supply voltages. Therefore, the electricity providers must supply the power of a certain voltage range to the consumer by the voltage regulation.
  • DG distributed generation
  • KEPCO is conducting an empirical test for appropriate solutions and technical countermeasures for the problem of proper voltage deviation of the distribution system according to the connection of distributed power.
  • a voltage control method using partial measurement has been proposed.
  • the load between sections is concentrated at the central point. Due to this assumption, there is a problem in that a voltage prediction error occurs and a voltage violation occurs.
  • the following technologies have been proposed as partial measurement-based voltage and reactive power control technologies.
  • Prior Art Document 1 Korean Patent Registration No. 10-1132107 uses the voltage, current, and power factor of an adjacent node to calculate a voltage calculation unit for calculating a voltage of a node corresponding to a point where a distributed power source is connected to a power system.
  • a control variable calculator configured to calculate a value of the control variable such that the objective function is at a minimum value using an objective function including at least one control variable for controlling the voltage;
  • a control unit controlling the distributed power supply with the other control device as the control variable according to the value of the control variable to control at least one of the voltage and reactive power of the power system, wherein the voltage calculation unit is a 4-terminal integer method.
  • a voltage / reactive power control system for a power system connected to a distributed power supply comprising calculating a voltage of a node corresponding to a point at which the distributed power is connected using a formula calculated by applying (constants of four terminals). It is disclosed.
  • Prior art document 2 Korean Patent Publication No. 10-2013-0011163 controls the phase angle input to the stationary reactive power compensator so that the reactive current output from the stationary reactive power compensator matches the command value for the reactive current.
  • An apparatus comprising: a command calculation unit for calculating a command value for the phase angle and a command value for a state variable output from the stationary reactive power compensator using the command value for the reactive current; A feedback control signal generator for generating a feedback control signal using an error between the command value for the state variable and the state variable; And a phase angle calculator configured to calculate the phase angle using a command value for the phase angle, a command value for the state variable, the error, and the feedback control signal, wherein the state variable is the stationary reactive power compensation device.
  • a control device for a stationary reactive power compensating device comprising at least one of an active current, a reactive current, and a DC voltage output from.
  • an object of the present invention is to propose a voltage profile prediction method and program capable of minimizing a voltage violation according to a prediction error of a voltage profile.
  • a method for predicting voltage in a busbar for partial measurement-based voltage and reactive power control includes: obtaining measurement values on essential measurement points for predicting a voltage profile of a system; And predicting a voltage profile using the obtained measurement value.
  • the voltage profile may be a maximum value and a minimum value of the voltage drop of the busbar at the measurement point section.
  • the present invention is a voltage measurement program for a partial measurement-based voltage and a mother bus for reactive power control stored in a medium for performing a voltage prediction method in a bus for controlling the partial measurement-based voltage and reactive power in combination with a computer. Can provide more.
  • the present invention is a server capable of transmitting the voltage measurement program on the bus for the partial measurement-based voltage and reactive power control, and storing the voltage prediction program on the bus for the partial measurement-based voltage and reactive power control. Further system can be provided.
  • the present invention stores the voltage measurement program on the bus for the partial measurement-based voltage and reactive power control, and the partial measurement-based voltage and the voltage measurement program on the bus for the partial measurement-based voltage and reactive power control.
  • SDMS Smart Distribution Management System
  • DMS Distribution Management System
  • DAS Distribution Automation System
  • the present invention predicts a range of voltages that can be a voltage profile of a section between measurement points, it is possible to minimize a voltage violation due to prediction errors.
  • 1 is a view for explaining the application of the best voltage measurement point selection method
  • 6 is a view for explaining a predicted voltage range according to the application of the range of the load current
  • Figure 10 is a case system for comparing the application and non-load pattern application
  • 11 is a graph comparing the results of applying a load pattern and predicting non-applied voltage (0 ⁇ 0.5MVA)
  • the present invention selects essential measurement points on the grid to predict the voltage profile of the grid. Then, the voltage profile is predicted using the measured value on the required measurement point.
  • the voltage profile is in the form of a maximum voltage value and a minimum voltage value in the prediction section.
  • the point where the highest voltage occurs can be divided into several cases.
  • the transmission point at the top of the system may be the highest voltage in the system.
  • the highest voltage can occur at the point where equipment that increases the voltage of the system by modifying the voltage profile is connected.
  • Facilities that modify the voltage profile of the distribution system include distributed power supplies or reactive power controllers. The summary is as follows. 1 shows an example of selecting a point at which the highest voltage can occur as a measurement point.
  • the point at which the lowest voltage occurs in the general distribution system is the terminal point in the radial structure. Therefore, it can be selected as the lowest voltage generation point at the end of the grid line. 2 shows an example of applying the proposed measurement point selection method.
  • Measuring the branch line is important in the measurement because the flow of current is separated due to the distribution system voltage characteristics. Due to the structure of the system, the voltage is measured at the point where the branch line starts, and the current measures the current going to each branch line. However, it can be ignored when the branch line is a very short line section or the branch line with a very small load has a small voltage drop, so that the voltage control is not affected.
  • the effect of distributed power must be considered as essential for voltage prediction because it changes the voltage drop characteristics of the distribution system.
  • the voltage fluctuations caused by distributed power or reactive power controllers which are facilities that change the voltage drop characteristics of the grid voltage, are distinguished from the principle of superposition.
  • the voltage can be predicted as follows by using the voltage fluctuation by the divided load.
  • the voltage drop of each bus bar in the measurement voltage section may be represented as shown in FIG. 3. 3 is schematically illustrated to obtain the voltage between measurement sections. Measure the voltage (V i , V j ) and current (I i , I j ) at the measurement point.
  • the voltage drop of the busbar at the measurement point section can be expressed as Equation 4.1.
  • the voltage drop of each bus is the difference between the starting bus voltage (V i ) and the voltage of each bus.
  • the sum of the section load currents can be obtained from the current (I i ) flowing into the section and the current (I j ) going out. Subtracting the current from the current flowing by the current law equals the sum of the section load currents. Therefore, the current constraints are derived from the measured current as shown in equation (4.3).
  • the voltage drop of the section terminal bus can be obtained from the voltage (V i ) of the starting busbar and the voltage (V j ) of the busbar.
  • V i the voltage of the starting busbar
  • V j the voltage of the busbar.
  • V i , V j Measurement voltage
  • the objective function of linear optimization by applying the derived optimization conditions is as follows. Since the highest and lowest voltages in each bus are obtained, the optimization objective function is expressed by two equations (4.6) and (4.7).
  • equation constraint can be expressed as the following equations (4.8) and (4.9).
  • the voltage profile was predicted in a system including a distributed power source using the simulation system shown in FIG. 4.
  • the prediction method is different. If only voltage is measured, there is no current constraint, and the highest and lowest voltage range is determined in the form of a right triangle as shown in FIG. 6. However, if the range of the load current is known as shown in Equation (4.10) through past load data analysis, the voltage prediction range may be narrowed.
  • load current can be used as a constraint.
  • the maximum load current is set to the maximum value and the minimum load current is set to the minimum value.
  • the final constraint from FIG. 7 is represented by equation (4.11).
  • the load current range can be obtained from the lower region to the lower current in the system topology.
  • 8 shows the outgoing current of each section, and in the case of the end, the outgoing current is zero.
  • the outgoing current can be set to 0, so the current range can be derived sequentially from the terminal section.
  • 9 schematically illustrates the prediction scheme. Since the range of the section current is derived while deriving the voltage range for the terminal section, the obtained section current range is reflected in the upper section voltage prediction constraint. In this way, it is derived in order from the end section to the upper section.
  • the section current range can be expressed as Equation (4.12).
  • Predict the voltage between the measurement points using the measured voltage and the load pattern Predict using the same linear optimization method as the voltage prediction method.
  • the voltage drop is expressed by the objective function as in equation (4.13).
  • Equation (4.12) is included as a constraint. Apply the current range of the sub-zone to the voltage drop equation (4.4) to obtain additional inequality constraints.
  • the current range of the sub-zone is expressed as a voltage constraint and is expressed by the following equations (4.14) and (4.15).
  • the objective function of linear optimization by applying the derived optimization conditions is as follows. Since the highest and lowest voltages in each bus are obtained, the optimization objective function is expressed in two as shown in equation (4.17).
  • Equation (4.18) the equation and inequality constraints can be expressed as Equation (4.18) as follows.
  • FIG. 11 shows a voltage range when the load range is 0 to 0.5 MVA
  • FIG. 12 shows a voltage range when the load range is 0.3 to 0.7 MVA.
  • the voltage between the measurement points was predicted using the simulation system of FIG. 4. At the measurement point, only the voltage was measured, the range of the load current was derived from the load pattern, and the voltage was predicted by applying linear optimization. Fig. 13 shows the prediction results, and the maximum error in the voltage range is 0.48% (0.0048p.u) on bus No. 3.
  • the objective function of the linear optimization obtained by applying the derived voltage drop formula is as follows. Since the highest and lowest voltages in each bus are obtained, the optimization objective function is expressed in two as shown in equation (4.21).
  • Equation (4.22) Equation (4.22).
  • the voltage between the measurement points was predicted using the simulation system of FIG. 4. At the measurement point, voltage and current were measured, the range of load current was derived from the load pattern, and voltage was predicted by applying linear optimization. 14 shows the prediction result, and the maximum error of the voltage range 0.44% (0.0044p.u) occurred on the bus No. 11. It can be seen that the prediction error is relatively small compared to the other two methods.
  • the method for predicting voltage on a bus for partial measurement-based voltage and reactive power control is substantially applied to a computer system equipped with a voltage prediction program on a bus for partial measurement-based voltage and reactive power control. Is performed by.
  • the present invention may be provided in the form of a computer, a smart power distribution operating system, a power distribution operating system or a power distribution automation system in which the voltage measurement program on the bus for the partial measurement-based voltage and reactive power control is stored.
  • the voltage measurement program on the bus for the partial measurement based voltage and reactive power control is stored in a server system, and the computer system predicts the voltage on the bus for the partial measurement based voltage and reactive power control from the server system. After downloading and installing the program, voltage prediction (voltage profile calculation in the measurement point section) can be performed.
  • the voltage measurement program on the bus for the partial measurement-based voltage and reactive power control can be provided separately stored in a recording medium, and the recording medium is specially designed and configured for the present invention or is commonly used in the field of computer software. It may be known and usable by a person with knowledge of, for example, magnetic media such as hard disks, floppy disks, and magnetic tapes, optical recording media such as CDs, DVDs, and magnetic media capable of both magnetic and optical recording. It may be a hardware device specially configured to store and execute program instructions, either alone or in combination, such as an optical recording medium, ROM, RAM, flash memory.
  • the voltage prediction program in the bus for the partial measurement-based voltage and reactive power control may be a program consisting of a program command, a local data file, a local data structure, or the like alone or in combination, and is a machine language created by a compiler.
  • the code it may be a program written in high-level language code that can be executed by a computer using an interpreter or the like.

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Abstract

본 발명은 배전 계통에서 전압 및 무효 전력 제어를 위해 사용되는 모선에서의 전압 프로파일을 부분 계측에 기반하여 예측하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 계측 지점 사이의 구간의 전압 프로필이 될 수 있는 전압의 범위를 예측하므로 예측 오차에 따른 전압 위배 상황을 최소화할 수 있다.

Description

부분 계측 기반 전압 및 무효전력 제어를 위한 모선에서의 전압 예측 방법 및 그 프로그램
본 발명은 배전 계통에서 전압 및 무효 전력 제어를 위해 사용되는 모선에서의 전압을 부분 계측에 기반하여 예측하는 방법 및 프로그램에 관한 것이다.
수용가의 소비부하는 주로 난방, 조명, 모터, 다양한 서비스를 제공하는 전자장치, 컴퓨터와 제어기, 이동기기의 배터리 충전기기, 그리고 산업계에서 주로 사용되는 전기화학 장치 등으로 구성되어 있다. 이러한 모든 부하들은 공칭의 공급 전압에서 안정적으로 사용되어지도록 설계되어 있다. 따라서 전력사업자들은 전압 규정에 의해 수용가에 일정한 전압 범위의 전력을 공급해 주어야 한다. 하지만, 최근 화석 연료의 사용량을 줄이는 추세에 있으며 동시에 신재생에너지를 이용한 분산전원(DG, Distributed Generation)에 대한 관심이 전 세계적으로 증가하고 있다.
신재생에너지인 풍력발전, 태양광발전 및 소형 열병합 발전 같은 중소규모 전원을 분산 배치하는 분산전원 도입이 크게 증가하고 있어, 전형적인 배전계통의 인프라와 운영방식에서는 대용량 분산전원을 수용하기 위해서는 한계가 있다. 이에 따라 발생 가능한 기술적 문제로 규정전압 이탈, 전기품질 저하와 같은 전압 문제가 발생된다. 그러나 분산전원이 배전계통에 추가될 때마다 전력품질을 유지하기 위한 설비를 추가하는 것은 어렵다. 그러므로 신재생에너지의 계통 연계시 가장 많이 제한이 되는 사항은 연계기준 중에서 전압문제이므로 전압조정설비를 설치하거나 무효전력을 제어하는 시스템에 대한 연구가 필요하다. 현재 한국 전력에서는 분산전원 연계에 따른 배전계통의 적정전압 이탈 문제에 대한 적절한 솔루션 및 기술적 대책에 대한 실증시험을 진행 중에 있다. 이러한 추세에 맞추어 분산전원 연계 확대를 위해 분산전원을 고려한 배전계통의 전압제어 기술 개발이 필요하다. 기존에도 부분 계측을 이용한 전압제어 방안이 제안된 바 있다. 다만, 종래 기술은 구간 사이의 부하가 중앙 지점에 집중되어 있다고 가정하였다. 이러한 가정으로 인해 전압예측의 오차가 발생하여 전압 위배가 발생하는 문제점이 있다. 부분 계측 기반 전압 및 무효 전력 제어 기술로 다음과 같은 기술들이 제안된 바 있다.
선행문헌 1 한국등록특허 제10-1132107호는 인접 노드의 전압, 전류 및 역률 중 적어도 하나 이상을 이용하여 분산전원이 전력계통에 연계된 지점에 상응하는 노드의 전압을 산출하는 전압 산출부 상기 산출된 전압을 제어하기 위한 적어도 하나의 제어변수를 포함하는 목적 함수를 이용하여 상기 목적 함수가 최소값이 되도록 하는 상기 제어변수의 값을 산출하는 제어변수 산출부; 및 상기 제어변수의 값에 따라 상기 분산전원을 상기 제어변수로써 다른 제어장치와 함께 제어하여 상기 전력계통의 전압 및 무효전력 중 적어도 하나를 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 전압 산출부는 4단자 정수법(constants of four terminals)을 적용하여 산출된 수식을 이용하여 상기 분산전원이 연계된 지점에 상응하는 노드의 전압을 산출하는 것을 특징으로 하는 분산전원이 연계된 전력계통의 전압/무효전력 제어 시스템을 개시하고 있다.
선행문헌 2 한국공개특허 제 10-2013-0011163호는 정지형 무효전력 보상장치에서 출력되는 무효 전류가 상기 무효 전류에 대한 지령 값에 일치하도록 상기 정지형 무효전력 보상장치에 입력되는 위상각을 제어하는 제어장치에 있어서, 상기 무효 전류에 대한 지령 값을 이용하여 상기 위상각에 대한 지령 값 및 상기 정지형 무효전력 보상장치에서 출력되는 상태 변수에 대한 지령 값을 산출하는 지령 산출부; 상기 상태 변수에 대한 지령 값과 상기 상태 변수 사이의 오차를 이용하여 피드백 제어 신호를 생성하는 피드백 제어 신호 생성부; 및 상기 위상각에 대한 지령 값, 상기 상태 변수에 대한 지령 값, 상기 오차 및 상기 피드백 제어 신호를 이용하여 상기 위상각을 산출하는 위상각 산출부를 포함하되, 상기 상태 변수는 상기 정지형 무효전력 보상장치에서 출력되는 유효 전류, 무효 전류 및 직류 전압 중 하나 이 상을 포함하는 것을 특징으로 하는 정지형 무효전력 보상장치의 제어장치를 개시하고 있다.
이에 본 발명은 전압 프로파일의 예측 오차에 따른 전압 위배를 최소화할 수 있는 전압 프로파일 예측 방법 및 프로그램을 제안하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 부분 계측 기반 전압 및 무효전력 제어를 위한 모선에서의 전압 예측 방법은 계통의 전압 프로필을 예측하기 위한 필수 계측 지점 상에서의 계측값을 취득하는 단계; 및 상기 취득된 계측값을 사용해 전압 프로필을 예측하는 단계를 포함한다.
여기서, 상기 전압 프로필은 계측지점 구간 모선의 전압 강하의 최대값 및 최소값일 수 있다.
그리고, 다음의 수학식
Figure PCTKR2019008409-appb-I000001
Figure PCTKR2019008409-appb-I000002
여기에서,
Figure PCTKR2019008409-appb-I000003
: 구간 임피던스
Figure PCTKR2019008409-appb-I000004
: 구간 부하전류 및 전압
에 의해 각각의 구간에서 전압의 범위를 예측하며,
상기 목적함수의 두 제약조건은
Figure PCTKR2019008409-appb-I000005
Figure PCTKR2019008409-appb-I000006
일 수 있다.
또한, 다음의 수학식
Figure PCTKR2019008409-appb-I000007
Figure PCTKR2019008409-appb-I000008
여기에서,
Figure PCTKR2019008409-appb-I000009
: 구간 임피던스
Figure PCTKR2019008409-appb-I000010
: 구간 부하전류 및 전압
에 의해 각각의 구간에서 전압 범위를 예측하며,
상기 목적함수의 두 제약조건은
Figure PCTKR2019008409-appb-I000011
Figure PCTKR2019008409-appb-I000012
Figure PCTKR2019008409-appb-I000013
일 수 있다.
또한, 다음의 수학식
Figure PCTKR2019008409-appb-I000014
Figure PCTKR2019008409-appb-I000015
여기에서,
Figure PCTKR2019008409-appb-I000016
: 구간 임피던스
Figure PCTKR2019008409-appb-I000017
: 구간 부하전류 및 전압
에 의해 각각의 구간에서 전압의 범위를 예측하며,
상기 목적함수의 세 제약조건은
Figure PCTKR2019008409-appb-I000018
Figure PCTKR2019008409-appb-I000019
Figure PCTKR2019008409-appb-I000020
일 수 있다.
또한, 본 발명은 컴퓨터와 결합하여 상기 부분 계측 기반 전압 및 무효전력 제어를 위한 모선에서의 전압 예측 방법을 수행하기 위한 매체에 저장된 부분 계측 기반 전압 및 무효전력 제어를 위한 모선에서의 전압 예측 프로그램을 더 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 부분 계측 기반 전압 및 무효전력 제어를 위한 모선에서의 전압 예측 프로그램이 저장되고 통신망을 통해 상기 부분 계측 기반 전압 및 무효전력 제어를 위한 모선에서의 전압 예측 프로그램을 전송할 수 있는 서버 시스템을 더 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 부분 계측 기반 전압 및 무효전력 제어를 위한 모선에서의 전압 예측 프로그램을 저장하고, 상기 부분 계측 기반 전압 및 무효전력 제어를 위한 모선에서의 전압 예측 프로그램에 의해 부분 계측 기반 전압 및 무효전력 제어를 위한 모선에서의 전압 예측을 수행하는 스마트 배전 운영 시스템(SDMS:Smart Distribution Management System), 배전 운영 시스템(DMS: Distribution Management System), 배전 자동화 시스템(DAS:Distribution Automation System)을 더 제공할 수 있다.
본 발명은 계측 지점 사이의 구간의 전압 프로필이 될 수 있는 전압의 범위를 예측하므로 예측 오차에 따른 전압 위배 상황을 최소화할 수 있다.
도1은 최고 전압 계측 지점 선정 방안 적용을 설명하기 위한 도면
도 2는 최저 전압계측 지점 선정 방안 적용을 설명하기 위한 도면
도 3은 계측지점 구간 모선의 전압 산출(전압예측1)을 설명하기 위한 도면
도 4는 계측지점 구간 모선의 전압 산출(전압예측1)을 설명하기 위한 도면
도 5는 전압예측1에 의한 전압 예측 결과 그래프
도 6은 부하 전류의 범위 적용에 따른 예측 전압 범위를 설명하기 위한 도면
도 7은 부하 전류 패턴에서 전류 제약 조건 도출을 설명하기 위한 도면
도 8은 하위 전류의 범위가 상위 구역 제약조건으로 반영되는 것을 설명하기 위한 도면
도 9는 계측지점 구간 모선의 전압 산출(전압예측2)을 설명하기 위한 도면
도 10은 부하패턴 적용과 비적용 비교를 위한 사례계통
도 11은 부하패턴 적용과 비적용 전압 예측 비교(0~0.5MVA) 결과 그래프
도 12는 부하패턴 적용과 비적용 전압 예측 비교(0.3~0.7MVA) 결과 그래프
도 13은 전압예측2에 의한 전압 예측 결과 그래프
도 14는 전압예측3에 의한 전압 예측 결과 그래프
가. 전압 및 무효전력 제어를 위한 계측기 위치 선정
계통의 전압 프로필을 예측하기 위한 필수 계측 지점을 선정한다. 계통의 전압이 운영 전압 범위 내에서 운영 되어야 하므로 최고, 최저 전압 예측에 필요한 지점을 계측하거나 최고, 최저 전압을 직접 계측한다. 계측 지점 선정을 위해 필요한 데이터는 토폴로지 데이터와 계통 부하 또는 전압 이력 데이터이다. 계측 요소로는 전압크기(V)와 전류 크기(I)이다.
본 발명은 계통의 전압 프로필을 예측하기 위해 계통 상에서 필수 계측 지점을 선정한다. 그리고, 그 필수 계측 지점 상의 계측값을 사용해 전압 프로필을 예측한다. 전압 프로필은 예측 구간에서의 최대 전압값 및 최소전압값의 형태이다.
1) 최고 전압이 발생할 수 있는 지점 선정
일반적인 배전계통에서 최고 전압이 발생하는 지점은 몇 가지의 경우로 나눌 수 있다. 방사상 계통에서 계통의 최상단인 송출 지점이 계통의 최고 전압이 될 수 있다. 전압 프로필을 변형하여 계통의 전압을 상승시키는 설비가 연계된 지점에서 최고의 전압이 발생할 수 있다. 배전계통의 전압 프로필을 변형시키는 설비로는 분산전원이나 무효전력 제어기기가 있다. 정리하면 다음과 같다. 도 1은 최고 전압이 발생할 수 있는 지점을 계측 지점으로 선정하는 예를 보여준다.
- 토포로지 상에서 송출 지점 : M.tr 2차측(V,I), SVR 2차측(V,I)
- 전압 상승이 발생하는 지점 : 분산전원 연계점(V,I), 무효전력 제어기기 연계점(V,I)
2) 최저 전압이 발생할 수 있는 지점 선정
일반전인 배전계통에서 최저 전압이 발생하는 지점은 방사상 구조상 말단 지점이다. 그러므로 계통 선로 말단에 최저 전압 발생지점으로 선정할 수 있다. 도 2는 제시한 계측 지점 선정 방안을 적용한 예시를 보여준다.
- 메인피더 말단 및 분기선로 말단 지점(V,I)
- SVR 1차측(V,I)
3) 분기선로 발생지점
분기선로를 계측하는 것은 배전계통 전압 특성상 전류의 흐름이 분리되어지기 때문에 계측에 있어서 중요하다. 계통 구조상 분기선로가 시작하는 지점에서 전압을 계측하고 전류는 각 분기선로 나가는 전류를 계측한다. 하지만 분기선로가 아주 짧은 선로 구간이거나 부하가 상당히 작은 분기선로는 전압 강하가 작기 때문에 전압 제어에 영향이 없는 경우에 무시할 수 있다.
나. 부분 계측 기반 전압 프로필 예측
기존 전압 및 무효전력은 전역 계측을 기반으로 제어하기 때문에 계측기의 수가 많아지고 통신 설비가 요구되어 많은 비용이 발생한다. 이러한 단점을 보완하기 위해 부분 계측을 하여 전역 계측과 비슷한 효과를 낼 수 있는 전압 예측 방안을 제시하였다.
분산전원이 배전계통에 연계되어 운영되는 경우, 분산전원의 영향은 배전계통의 전압 강하 특성을 변형하기 때문에 전압 예측에 필수로 고려하여야 한다. 계통 전압의 전압강하 특성을 변화시키는 설비인 분산전원 또는 무효전력 제어기기에 의한 전압 변동을 중첩의 원리로부터 구분한다. 구분 되어진 부하에 의한 전압 변동을 이용하여 다음과 같이 전압 예측을 할 수 있다.
1) 계측 지점과 계측지점 구간 전압 예측(전압예측1)(제 1 실시예)
계측 전압 구간 각 모선의 전압 강하를 도 3과 같이 나타낼 수 있다. 도 3은 계측 구간 사이의 전압을 구하기 위해 도식화하여 나타내었다. 계측 지점의 전압(Vi,Vj)과 전류(Ii,Ij)를 계측한다. 계측지점 구간 모선의 전압 강하는 식 4.1과 같이 나타낼 수 있다. 각 모선의 전압강하는 시작 모선 전압(Vi)과 각 모선의 전압의 차이이다.
Figure PCTKR2019008409-appb-I000021
(4.1)
여기에서,
Zij,n : 구간 임피던스
Figure PCTKR2019008409-appb-I000022
: 구간 부하전류 및 전압
도출된 식 (4.1)으로부터 식 (4.2)와 같이 목적함수를 도출할 수 있다.
Figure PCTKR2019008409-appb-I000023
(4.2)
구간에 유입되는 전류(Ii)와 나가는 전류(Ij)로부터 구간 부하 전류의 합을 구할 수 있다. 전류 법칙에 의해 유입되는 전류에서 나가는 전류를 빼면 구간 부하 전류의 합과 같아진다. 그러므로 계측된 전류로부터 식 (4.3)과 같이 전류 제약 조건을 도출한다.
Figure PCTKR2019008409-appb-I000024
(4.3)
여기에서,
Ii,Ij : 계측 전류
시작 모선의 전압(Vi)과 끝 모선의 전압(Vj)으로부터 구간 말단 모선의 전압 강하를 구할 수 있다. 식 (4.1)의 전압 강하 식에 적용하면, 시작 모선의 전압과 끝 모선 전압 차이는 말단 모선의 전압강하와 같다. 그러므로 계측된 전압으로부터 식 (4.4)과 같이 전압 제약 조건을 도출한다.
Figure PCTKR2019008409-appb-I000025
(4.4)
여기에서,
Vi,Vj : 계측 전압
전류 조건과 전압 조건을 등식 제약조건으로 적용하면, 전류에 대한 최적화 연산이 가능하다. 선형 최적화를 통해 각 모선의 가능한 최고 전압과 가능한 최저 전압이 도출될 수 있다. 도출된 최고, 최저 전압으로 계측 지점 구간 모선의 전압 범위가 결정된다. 선형 최적화 표준형은 다음과 같이 식 (4.5)이다.
Figure PCTKR2019008409-appb-I000026
(4.5)
도출된 최적화 조건을 적용하여 선형 최적화의 목적함수는 다음과 같다. 각 모선에서의 최고 전압과 최저 전압을 구하기 때문에 최적화 목적함수는 식 (4.6)과 식 (4.7) 두 개로 나타내어진다.
Figure PCTKR2019008409-appb-I000027
(4.6)
Figure PCTKR2019008409-appb-I000028
(4.7)
도출된 조건에서 등식 제약조건은 다음과 식 (4.8)과 식 (4.9)와 같이 나타낼 수 있다.
Figure PCTKR2019008409-appb-I000029
(4.8)
Figure PCTKR2019008409-appb-I000030
(4.9)
도 4와 같은 모의계통을 이용하여 분산전원이 포함된 계통에서 전압 프로필을 예측하였다.
계측지점과 계측 지점 사이의 전압이 범위로 나타내어지고 그 결과는 도 5에 나타내었다. 전압을 예측한 결과 최대 오차 범위는 12번 모선에서 0.47%(0.0047p.u)만큼의 차이가 도출되었다.
2) 전류 계측이 안되는 경우 전압 예측(전압예측2)(제 2 실시예)
전류가 계측이 안되는 경우 예측 방안을 달리한다. 전압만을 계측하면 전류 제약 조건이 없어 도 6의 왼쪽과 같이 직각 삼각형 형태로 최고 최저 전압 범위가 결정된다. 하지만 과거 부하 데이터 분석을 통해 식 (4.10)과 같이 부하 전류의 범위를 알 수 있으면 전압 예측 범위가 좁아질 수 있다.
Figure PCTKR2019008409-appb-I000031
(4.10)
여기에서,
Figure PCTKR2019008409-appb-I000032
: 최저 부하 전류
Figure PCTKR2019008409-appb-I000033
: 최대 부하 전류
과거 부하 데이터 분석을 통해 부하 전류를 제약조건으로 활용할 수 있다. 도 7과 같이 부하 전류의 패턴에서 최대 부하 전류를 최대값으로 설정하고 최저 부하 전류를 최저값으로 설정하였다. 도 7로부터 최종 제약 조건을 식 (4.11)으로 나타내었다.
Figure PCTKR2019008409-appb-I000034
(4.11)
부하전류 범위는 계통 토폴로지상 하위 구역부터 하위 전류의 범위를 구할 수 있다. 도 8은 각 구간의 나가는 전류를 나타내며 말단의 경우 나가는 전류가 0이다. 말단 구간의 경우 나가는 전류는 0으로 설정이 가능하므로 말단 구간부터 차례로 전류 범위를 도출할 수 있다. 도 9는 예측 방식을 도식적으로 설명한다. 말단 구간에 대해 전압의 범위를 도출하면서 구간 전류의 범위가 함께 도출되어지므로 구해진 구간 전류 범위를 상위 구간 전압 예측 제약조건에 반영한다. 이러한 방식으로 말단 구간부터 상위 구간까지 차례로 도출한다. 구간 전류 범위를 식 (4.12)처럼 나타낼 수 있다.
Figure PCTKR2019008409-appb-I000035
(4.12)
여기서,
Figure PCTKR2019008409-appb-I000036
: 구간에서 나가는 최소 전류 크기
Figure PCTKR2019008409-appb-I000037
: 구간에서 나가는 최대 전류 크기
계측된 전압과 부하 패턴을 이용하여 계측지점의 사이의 전압을 예측한다. 전압예측1방안과 동일한 선형 최적화 방식을 이용하여 예측한다.
전압강하를 식 (4.13)과 같이 목적함수로 나타낸다.
Figure PCTKR2019008409-appb-I000038
(4.13)
식 (4.12)를 제약조건으로 포함한다. 하위 구역의 전류 범위를 전압강하 식 (4.4)에 적용하여 추가적인 부등식 제약조건을 구한다. 하위 구역의 전류 범위를 전압 제약 조건으로 나타내고 다음 식 (4.14), (4.15)와 같다.
Figure PCTKR2019008409-appb-I000039
(4.14)
Figure PCTKR2019008409-appb-I000040
(4.15)
부하 전류 범위를 부등식 제약조건으로 추가한다. 말단 구간부터 상위 구간 순으로 연산하며 하위 전류 범위를 부등식 제약조건으로 추가한다. 선형 최적화를 통해 계측 지점 구간 버스의 전압 범위가 결정된다.
선형 최적화 표준형은 다음과 같이 식 (4.16)이다.
Figure PCTKR2019008409-appb-I000041
(4.16)
도출된 최적화 조건을 적용하여 선형 최적화의 목적함수는 다음과 같다. 각 모선에서의 최고 전압과 최저 전압을 구하기 때문에 식 (4.17)과 같이 최적화 목적함수는 두 개로 나타내어진다.
Figure PCTKR2019008409-appb-I000042
Figure PCTKR2019008409-appb-I000043
(4.17)
도출된 조건에서 등식 제약조건과 부등식 제약조건은 다음과 같이 식 (4.18)로 나타낼 수 있다.
Figure PCTKR2019008409-appb-I000044
Figure PCTKR2019008409-appb-I000045
Figure PCTKR2019008409-appb-I000046
(4.18)
부하 패턴 적용과 비적용이 전압 예측에 미치는 영향을 확인하기 위해 도 10과 같은 간단한 계통으로 사례연구를 수행하였다. 부하와 선로 임피던스는 임의로 선정하였다.
부하 패턴을 적용하지 않은 경우 도 11에 제약조건이 적용이 되지 않아 삼각형 모양으로 전압을 예측한다. 그러므로 도 11에서와 같이 전압 범위 오차가 크게 되기 때문에 적용 가능성이 낮아진다. 부하 패턴을 적용을 하면 도 11의 결과처럼 전압 예측 범위가 좁아지는 것을 알 수 있다. 도 11은 부하 범위가 0~0.5MVA일 때, 전압 범위를 보여주고 도 12는 부하 범위가 0.3~0.7MVA일 때, 전압 범위를 보여준다. 간단한 사례연구를 통해 부하 패턴을 적용할 경우 전압 예측의 오차가 상당히 감소하는 것을 확인하였다.
도 4의 모의 계통을 이용하여 계측 지점 사이의 전압을 예측하였다. 계측지점에서는 전압만을 계측하고 부하 패턴으로부터 부하 전류의 범위를 도출하고 선형최적화를 적용하여 전압을 예측하였다. 도 13은 예측 결과 보여주며 전압 범위 최대 오차는 3번 모선에서 0.48% (0.0048p.u)이다.
3) 계측 및 부하 패턴을 활용한 전압 예측(전압예측3)(제 3 실시예)
전류를 계측가능하고 과거 부하 데이터 분석이 가능할 경우 사용되는 방안이다. 등식 제약조건과 부등식 제약 조건을 동시에 적용한다. 선형 최적화를 통해 계측 지점 구간 모선의 전압 범위가 결정된다. 식 (4.3)과 식(4.4)에 다음 식 (4.19)의 전류 제약조건을 추가한다.
Figure PCTKR2019008409-appb-I000047
(4.19)
선형 최적화 표준형은 다음과 같이 식 (4.20)이다.
Figure PCTKR2019008409-appb-I000048
(4.20)
도출된 전압강하식을 적용하여 구한 선형 최적화의 목적함수는 다음과 같다. 각 모선에서의 최고 전압과 최저 전압을 구하기 때문에 최적화 목적함수는 식 (4.21)과 같이 두 개로 나타내어진다.
Figure PCTKR2019008409-appb-I000049
Figure PCTKR2019008409-appb-I000050
(4.21)
도출된 조건에서 부등식 제약 조건과 등식 제약조건은 식 (4.22)와 같이 나타낼 수 있다.
Figure PCTKR2019008409-appb-I000051
Figure PCTKR2019008409-appb-I000052
Figure PCTKR2019008409-appb-I000053
(4.22)
도 4의 모의 계통을 이용하여 계측 지점 사이의 전압을 예측하였다. 계측지점에서는 전압 및 전류를 계측하고 부하 패턴으로부터 부하 전류의 범위를 도출하고 선형최적화를 적용하여 전압을 예측하였다. 도 14는 그 예측 결과를 보여주며 11번 모선에서 전압 범위 최대 오차 0.44%(0.0044p.u)가 발생하였다. 다른 두 방법에 비해 비교적 예측 오차가 작은 것을 볼 수 있다.
세 가지의 전압예측 방안에 대해 시뮬레이션 한 결과에서 각 방안별로 전압 범위가 예측이 되었으며 실제 전압값이 예측 범위 내에 있는 것을 확인 할 수 있었다. 모든 정보를 활용하는 방안인 전압예측3이 전압예측 오차 범위가 가장 작게 나오는 것을 확인할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 부분 계측 기반 전압 및 무효전력 제어를 위한 모선에서의 전압 예측 방법은 실질적으로 부분 계측 기반 전압 및 무효전력 제어를 위한 모선에서의 전압 예측 프로그램이 설치된 컴퓨터 시스템에 의해 수행된다.
즉, 본 발명은 상기 부분 계측 기반 전압 및 무효전력 제어를 위한 모선에서의 전압 예측 프로그램이 저장된 컴퓨터, 스마트 배전 운영 시스템, 배전 운영 시스템 또는 배전 자동화 시스템의 형태로 제공될 수도 있다.
또한, 상기 부분 계측 기반 전압 및 무효전력 제어를 위한 모선에서의 전압 예측 프로그램은 서버 시스템에 저장되고, 상기 컴퓨터 시스템은 상기 서버 시스템으로부터 상기 부분 계측 기반 전압 및 무효전력 제어를 위한 모선에서의 전압 예측 프로그램을 다운로드받아 설치한 후, 전압 예측(계측지점 구간에서의 전압 프로필 계산)을 수행할 수 있다.
또한, 상기 부분 계측 기반 전압 및 무효전력 제어를 위한 모선에서의 전압 예측 프로그램은 별도로 기록 매체에 저장되어 제공될 수 있으며, 상기 기록매체는 본 발명을 위하여 특별히 설계되어 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 분야에서 통상의 지식을 가진자에서 공지되어 사용 가능할 것일 수 있으며, 예를 들면, 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD, DVD와 같은 광 기록 매체, 자기 및 광 기록을 겸할 수 있는 자기-광 기록 매체, 롬, 램, 플래시메모리 등 단독 또는 조합에 의해 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치일 수 있다.
또한, 상기 부분 계측 기반 전압 및 무효전력 제어를 위한 모선에서의 전압 예측 프로그램은 프로그램 명령, 로컬 데이터 파일, 로컬 데이터 구조 등이 단독 또는 조합으로 구성된 프로그램일 수 있고, 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라, 인터프리터 등을 사용하여 컴퓨터에 의해 실행될 수 있는 고급 언어 코드로 짜여진 프로그램일 수 있다.

Claims (10)

  1. 계통의 전압 프로필을 예측하기 위한 필수 계측 지점 상에서의 계측값을 취득하는 단계; 및
    상기 취득된 계측값을 사용해 전압 프로필을 예측하는 단계를 포함하는 부분 계측 기반 전압 및 무효전력 제어를 위한 모선에서의 전압 예측 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전압 프로필은 계측지점 구간 모선의 전압 강하의 최대값 및 최소값인 것을 특징으로 하는 부분 계측 기반 전압 및 무효전력 제어를 위한 모선에서의 전압 예측 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    다음의 수학식
    Figure PCTKR2019008409-appb-I000054
    Figure PCTKR2019008409-appb-I000055
    여기에서,
    Figure PCTKR2019008409-appb-I000056
    : 구간 임피던스
    Figure PCTKR2019008409-appb-I000057
    : 구간 부하전류 및 전압
    에 의해 각각의 구간에서 전압의 범위를 예측하며,
    상기 목적함수의 두 제약조건은
    Figure PCTKR2019008409-appb-I000058
    Figure PCTKR2019008409-appb-I000059
    인 것을 특징으로 하는 부분 계측 기반 전압 및 무효전력 제어를 위한 모선에서의 전압 예측 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    다음의 수학식
    Figure PCTKR2019008409-appb-I000060
    Figure PCTKR2019008409-appb-I000061
    여기에서,
    Figure PCTKR2019008409-appb-I000062
    : 구간 임피던스
    Figure PCTKR2019008409-appb-I000063
    : 구간 부하전류 및 전압
    에 의해 각각의 구간에서 전압 범위를 예측하며,
    상기 목적함수의 두 제약조건은
    Figure PCTKR2019008409-appb-I000064
    Figure PCTKR2019008409-appb-I000065
    Figure PCTKR2019008409-appb-I000066
    인 것을 특징으로 하는 부분 계측 기반 전압 및 무효전력 제어를 위한 모선에서의 전압 예측 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    다음의 수학식
    Figure PCTKR2019008409-appb-I000067
    Figure PCTKR2019008409-appb-I000068
    여기에서,
    Figure PCTKR2019008409-appb-I000069
    : 구간 임피던스
    Figure PCTKR2019008409-appb-I000070
    : 구간 부하전류 및 전압
    에 의해 각각의 구간에서 전압의 범위를 예측하며,
    상기 목적함수의 세 제약조건은
    Figure PCTKR2019008409-appb-I000071
    Figure PCTKR2019008409-appb-I000072
    Figure PCTKR2019008409-appb-I000073
    인 것을 특징으로 하는 부분 계측 기반 전압 및 무효전력 제어를 위한 모선에서의 전압 예측 방법.
  6. 컴퓨터와 결합하여 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항의 전압 예측 방법을 수행하기 위한 매체에 저장된 부분 계측 기반 전압 및 무효전력 제어를 위한 모선에서의 전압 예측 프로그램.
  7. 제 6 항의 전압 예측 프로그램이 저장되고 통신망을 통해 상기 전압 예측 프로그램을 전송할 수 있는 서버 시스템.
  8. 제 6 항의 전압 예측 프로그램을 저장하고, 상기 전압 예측 프로그램에 의해 계측지점 구간에서의 전압프로필을 예측하는 스마트 배전 운영 시스템(SDMS:Smart Distribution Management System).
  9. 제 6 항의 전압 예측 프로그램을 저장하고, 상기 전압 예측 프로그램에 의해 계측지점 구간에서의 전압프로필을 예측하는 배전 운영 시스템(DMS: Distribution Management System).
  10. 제 6 항의 전압 예측 프로그램을 저장하고, 상기 전압 예측 프로그램에 의해 계측지점 구간에서의 전압프로필을 예측하는 배전 자동화 시스템(DAS:Distribution Automation System).
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