KR102664058B1 - 보존 전압 강하 계수(CVR factor)를 이용한 전압 강하시 선로 전력 손실을 고려하는 전압 제어 장치 및 전압 제어 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 전압 제어 장치는 부하에 공급되거나, 부하로부터 역전송되는 전압을 조정가능한 전압 조정 모듈, 전압 조정 모듈을 목표 전압으로 제어하거나, 상기 전압 조정 모듈에 상기 목표 전압을 하달하는 협조 제어부, 보존전압강하계수(CVR Factor, Conservation Voltage Reduction Factor)를 추정하는 CVR Factor 산출부를 포함할 수 있고, 목표 전압은 상기 CVR Factor를 이용해 보존 전압 강하(CVR, conservation voltage reduction)에 의한 전압 강하를 반영하여 산출될 수 있으며, CVR Factor는 측정 시기, 부하 상태, 및 대표값 중 적어도 하나에 의해 추정 방법을 달리할 수 있다.
본 발명의 전압 제어 방법은 부하에 공급되거나, 부하로부터 역전송되는 전압을 조정하는 전압 조정 모듈의 전력 데이터가 데이터 수집부로 전송되는 데이터 수집 단계, 전압 조정 모듈이 조정될 목표 전압을 산출하고, 부하별 CVR Factor 수집 및 저장하는 단계를 포함하는 목표 전압 산출 단계, 협조 제어부가 상기 전압 조정 모듈을 목표 전압으로 제어하거나, 상기 전압 조정 모듈에 상기 목표 전압을 하달하는 전압 제어 단계를 포함할 수 있고, 목표 전압은 보존전압강하계수(CVR Factor, Conservation Voltage Reduction Factor)를 이용해 보존 전압 강하(CVR, conservation voltage reduction)에 의한 전압 강하를 반영하여 산출될 수 있으며, CVR Factor는 측정 시기, 부하 상태, 및 대표값 중 적어도 하나에 의해 추정 방법을 달리할 수 있다.
본 발명의 전압 제어 방법은 부하에 공급되거나, 부하로부터 역전송되는 전압을 조정하는 전압 조정 모듈의 전력 데이터가 데이터 수집부로 전송되는 데이터 수집 단계, 전압 조정 모듈이 조정될 목표 전압을 산출하고, 부하별 CVR Factor 수집 및 저장하는 단계를 포함하는 목표 전압 산출 단계, 협조 제어부가 상기 전압 조정 모듈을 목표 전압으로 제어하거나, 상기 전압 조정 모듈에 상기 목표 전압을 하달하는 전압 제어 단계를 포함할 수 있고, 목표 전압은 보존전압강하계수(CVR Factor, Conservation Voltage Reduction Factor)를 이용해 보존 전압 강하(CVR, conservation voltage reduction)에 의한 전압 강하를 반영하여 산출될 수 있으며, CVR Factor는 측정 시기, 부하 상태, 및 대표값 중 적어도 하나에 의해 추정 방법을 달리할 수 있다.
Description
본 발명은 보존 전압 강하(CVR)을 이용해 부하에 전력을 공급하는 전압 조정 모듈의 전압을 제어하는 과정에서 선로에 의한 전력 손실도 고려하는 전압 제어 장치 및 전압 제어 방법에 대한 것이다.
효율적이고 안정적인 전력공급을 위한 에너지 소비 감소 및 피크 부하 절감을 포함하는 에너지 저감 기술의 하나로 보존 전압 강하(CVR)가 이용될 수 있다.
기존에는 전력계통에 전력을 공급하거나 제어하는 측면의 전력 거래소 또는 전력 발전소에서 수용가에 전력 피크 등의 이유로 일방적 보존 전압 강하 시행이 대부분이였으나, 최근에는 태양광 또는 V2G를 포함하는 계통으로의 새로운 전력 공급원의 등장으로 인해 수전계통의 노드 인근에서 보존 전압 강하를 시행할 필요성이 높아지고 있다.
또한, 전력계통 상류로부터 하류의 부하로 이어지는 그리드가 점점 더 복잡하게 분기되고 전력이 전송되는 거리가 멀어짐에 따라, 최적의 부하 전압 제어를 위해서는, CVR에 의한 전압 강하뿐 아니라 선로 손실에 따른 전력 손실량을 고려할 필요성이 있다.
본 발명은 보존 전압 강하(CVR, Conservation Voltage Reduction) 효과를 얻기 위한 전압 강하에 보존 전압 강하 계수(CVR factor, Conservation Voltage Reduction factor, or CVRf)를 이용하며, 보존 전압 강하 계수(CVRf)를 산출하는 방법을 제공할 수 있다.
본 발명은, 보존 전압 강하(CVR) 효과에 의한 전압 강하시, 오히려 과도한 전압 강하로 인해 선로 저항에 따른 전력 손실량이 증가하여 전력 절감 효과가 반감되는 문제를 해결하고자, 손실 함수를 설정하고 손실함수를 최소화 해로 목표 전압을 산출할 수 있다.
또한, 본 발명은 허용 전력 범위 내에서 노드(부하)로 전력을 공급시, CVR 효과에 의한 전압 강하에 따른 전력 절감 또는 선로 저항에 따른 전력 손실량에 기초해, 부하를 최적의 목표 전압으로 제어하기 위한 것으로, 결과적으로 최적의 요금 절감액 또는 그에 따른 요금 절감 리포트를 제공할 수 있다.
본 발명의 전압 제어 장치는 부하에 공급되거나, 부하로부터 역전송되는 전압을 조정가능한 전압 조정 모듈, 전압 조정 모듈을 목표 전압으로 제어하거나, 상기 전압 조정 모듈에 상기 목표 전압을 하달하는 협조 제어부, 보존전압강하계수(CVR Factor, Conservation Voltage Reduction Factor)를 추정하는 CVR Factor 산출부를 포함할 수 있고, 목표 전압은 상기 CVR Factor를 이용해 보존 전압 강하(CVR, conservation voltage reduction)에 의한 전압 강하를 반영하여 산출될 수 있으며, CVR Factor는 측정 시기, 부하 상태, 및 대표값 중 적어도 하나에 의해 추정 방법을 달리할 수 있다.
본 발명의 전압 제어 방법은 부하에 공급되거나, 부하로부터 역전송되는 전압을 조정하는 전압 조정 모듈의 전력 데이터가 데이터 수집부로 전송되는 데이터 수집 단계, 전압 조정 모듈이 조정될 목표 전압을 산출하고, 부하별 CVR Factor 수집 및 저장하는 단계를 포함하는 목표 전압 산출 단계, 협조 제어부가 상기 전압 조정 모듈을 목표 전압으로 제어하거나, 상기 전압 조정 모듈에 상기 목표 전압을 하달하는 전압 제어 단계를 포함할 수 있고, 목표 전압은 보존전압강하계수(CVR Factor, Conservation Voltage Reduction Factor)를 이용해 보존 전압 강하(CVR, conservation voltage reduction)에 의한 전압 강하를 반영하여 산출될 수 있으며, CVR Factor는 측정 시기, 부하 상태, 및 대표값 중 적어도 하나에 의해 추정 방법을 달리할 수 있다.
본 발명에 의해 산출되는 보전전압강하계수(CVR Factor)는, 측정 시기에 따른 방법들, 부하 상태에 따른 방법들, 및 부하별 대표값 선출 방법들 중 적어도 어느 하나에 의해 산출되거나, 이들의 조합에 의해 산출될 수 있다.
본 발명은 CVR에 의한 전압 강하 효과, 또는 선로 저항에 따른 전력 손실량에 의한 전압 상승 효과를 주는 것을 구성 요소로 포함하는 손실 함수를 설정할 수 있다. 손실 함수를 전압 또는 전압 차이에 대한 함수인 경우 그 손실 함수를 최소화 또는 최적화하는 해를 구함으로써, 전압 조정 대상인 전압 조정 모듈의 목표 전압을 얻을 수 있다.
본 발명은 부하에 공급되는 전력 제어시, CVR 효과를 이용하기 위해 노드 설비(부하 설비)에 공급되는 전력을, 노드 설비(부하 설비)의 허용 전력 범위 내에서 최저 전압을 유지하면서도, 전압 제어 모듈로부터 부하까지의 선로 손실을 고려해 조정할 수 있다.
또한, 본 발명은 전력계통의 하류에서 단지 전력을 소비만하든 과거의 부하와는 달리 분산 전원로서 전력계통의 상류를 향해 전력을 역전송하는 등으로 전력계통이 복잡화짐에 따른 선로 저항에 따른 전력 손실량을 고려하여, 부하에 공급되는 전압을 예측 또는 제어할 수 있다. 결과적으로 본 발명은 노드(부하)의 소유자 또는 관리자에게 최적의 요금 절감 효과를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 전압 제어 장치의 구조도이다.
도 2는 도 1의 일 실시 예이다.
도 3은 본 발명의 전압 제어 방법의 구성도이다.
도 4는 전력의 흐름에 따른 전압 조정 대상이 되는 본 발명의 전압 조정 모듈의 계측점의 설명도이다.
도 5는 본 발명의 제1 전압 및 제2 전압의 설명도이다.
도 6은 본 발명의 제1 전압 산출 단계의 구성도이다.
도 7은 본 발명의 손실 함수 단계의 설명도이다.
도 8은 본 발명의 요금 절감액 산출 단계 및 요금절감 리포트 제공 단계의 설명도이다.
도 9는 본 발명의 CVR Factor 대표값 산출 단계의 구조도이다.
도 10은 본 발명의 측정시기에 따른 구분 단계 중 전압과 전력이 조건식을 만족하는 경우에 대한 설명도이다.
도 11은 본 발명의 측정시기에 따라 구분하는 단계 중 조건없이 전압 조정 모듈 동작하는 경우에 대한 설명도이다.
도 12는 본 발명의 부하 상태에 따라 구분하는 단계에 대한 설명도이다.
도 13은 본 발명의 CVR factor 대표값 선정하는 단계에 대한 설명도이다.
도 2는 도 1의 일 실시 예이다.
도 3은 본 발명의 전압 제어 방법의 구성도이다.
도 4는 전력의 흐름에 따른 전압 조정 대상이 되는 본 발명의 전압 조정 모듈의 계측점의 설명도이다.
도 5는 본 발명의 제1 전압 및 제2 전압의 설명도이다.
도 6은 본 발명의 제1 전압 산출 단계의 구성도이다.
도 7은 본 발명의 손실 함수 단계의 설명도이다.
도 8은 본 발명의 요금 절감액 산출 단계 및 요금절감 리포트 제공 단계의 설명도이다.
도 9는 본 발명의 CVR Factor 대표값 산출 단계의 구조도이다.
도 10은 본 발명의 측정시기에 따른 구분 단계 중 전압과 전력이 조건식을 만족하는 경우에 대한 설명도이다.
도 11은 본 발명의 측정시기에 따라 구분하는 단계 중 조건없이 전압 조정 모듈 동작하는 경우에 대한 설명도이다.
도 12는 본 발명의 부하 상태에 따라 구분하는 단계에 대한 설명도이다.
도 13은 본 발명의 CVR factor 대표값 선정하는 단계에 대한 설명도이다.
도 1 내지 도 13을 참조하여, 본 발명의 전압 제어 장치 및 전압 제어 방법에 대해 설명한다.
도 6, 및 도 9 내지 도 13을 참조하여, 본 발명의 보존 전압 강하 계수(CVR factor, Conservation Voltage Reduction factor, or CVRf)를 이용한 보존 전압 강하(CVR, Conservation Voltage Reduction), 및 CVRf 를 선정하는 방법에 대해 먼저 설명한다.
본 발명은 CVR에 의한 전압 강하에 대응하는 제1 전압을 산출하기 위해 보존전압강하계수(CVRf)를 이용할 수 있다. 보존전압강하계수(CVRf)는 전압 변동률에 대한 전력 변동률일 수 있다. 예를 들어, 전압이 1% 내려갈 때, 전력이 2% 내려가면 CVR Factor는 2일 수 있다. 보존전압강하계수(CVRf)는 실제 절감된 전력 절감량을 추정하는데 이용될 수 있다.
전압 조정 모듈(100)의 하류에 연결되는 부하별 CVR Facor는 계속 변하므로 주기적인 스캔 또는 수집이 필요하다. 본 발명의 전력 데이터 수집, 전송, 학습, 또는 예측 등은 초/분 기본 단위로도 가능하므로, 부하별 CVR Facor를 스캔 또는 수집하는 주기 단위도 초/분/시로 설정될 수 있다.
전압 강하에 따른 전력 절감량, 선로 저항에 따른 선로 전력 손실량, 예측 전압, 목표 전압, 요금 절감액, 또는 보존전압강하계수(CVRf)의 추정 또는 산출도 스캔 또는 수집 단위로 실시간에 가깝게 이루어질 수 있다.
이러한 이유로, CVR Factor 산출을 위한 충분한 전력 데이터가 부하별로 수집될 수 있으므로, CVR Factor은 평균값 등의 방식을 통해 부하별로 특정 상수값으로 산출될 수 있다. 이에 따라, 목표 전압 산출에 따라 결정되는 전압 강하가 산출되면, 그 전압 강하(량)에 CVR Factor를 곱하여 CVR를 위한 전압 강하에 의한 전력 절감량이 산출될 수 있다.
예를 들어, 현재 전압이 225V 이고, 경향성을 반영한 미래의 예측 전압을 산출하며, 그 예측 전압에 기초해 CVR에 의한 전압 강하에 대응하는 제1 전압, 및 선로 전력 손실량, 제1 전압에 선로 전력 손실량을 고려한 목표 전압(수정된 제2 전압)을 산출하고, 그 목표 전압은 220V 인 경우, 해당 전압 조정의 대상인 전압 조정 모듈(100)에 대한 부하별 CVR Factor는 과거 전력 데이터로부터 1.2(kW/V)인 경우, CVR에 의한 전력 절감량은 전압 강하(5V) * CVR Factor(1.2) 로 산출될 수 있다.
도 6을 참조하면, 제1 전압 산출 단계(S250)는, 부하별 전압 실계측 단계(S251), 부하별 CVR Factor 수집 및 저장하는 단계(S253), CVR Factor 대표값 산출 단계(S255), 및 CVR Factor를 이용한 전력 절감량 산출 단계(S257) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 제1 전압 산출 단계(S250)는 보전 전압 강하(CVR)에 의한 전력 절감량에 대응하는 제1 전압을 산출할 수 있다. 제1 전압 산출 단계(S250)는 목표전압 산출 단계(S200) 또는 손실 함수 단계(S240)에 포함될 수 있다.
부하별 전압 실계측 단계(S251)는 데이터 수집 단계(S100)에 대응할 수 있고, 설정된 기본 스캔 또는 수집 단위에 따라 계속 수행될 수 있다. CVR Factor는 전압 조정 모듈(100)에서 수집하는 전력 데이터에 포함되나, 소정의 일정 기간동안은 부하(50)의 고유의 특성처럼 일정 범위내에서 유지되는 경우, 데이터 수집 단계(S100)의 전력 데이터 수집과는 별도의 스캔 또는 수집 주기를 가질 수 있다.
전압 조정 모듈(100)에서 수집되는 전력 데이터에는, CVR Factor를 산출하는데 필요한 정보들이 포함될 수 있고, 부하별 전압 데이터, 부하별 전력 데이터, 전압 조정 모듈(100)별 또는 전압 조정부(130)별의 전압 조정 시기 등이 포함될 수 있다.
도 9를 참조하면, 부하별 CVR Factor 수집 및 저장하는 단계(S253)는, 측정 시기에 따른 구분 단계(S260), 부하 상태에 따른 구분 단계(S263), 및 대표값에 따른 구분 단계(S266) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
측정 시기에 따른 구분 단계(S260)는, 전압 또는 전력 등에 대한 소정의 조건을 만족하는 경우(S261)와, 전압 조정 모듈(100)이 조건없이 동작시 또는 동작하는 시각에 따라 부하별 CVR Factor가 산출되는 경우(S262)를 포함할 수 있다.
도 10을 참조하면, S261 단계에서, CVR Factor 산출부 또는 보존전압강하계수 산출부는, 데이터 수집부(220)에 수집된 전압 조정 모듈(100)의 전력 데이터로부터 일정 조건을 만족하는 시점의 전후 1초, 10초 등의 초단위, 또는 1분, 5분 등의 분단위 전압 및 전력 변동으로부터 CVR Factor를 산출할 수 있다.
S262 단계는, 전력 데이터, 전압 데이터 등만 존재하고, 전압 조정 모듈(100) 또는 전압 조정부(130)의 동작 시간을 기록한 데이터가 존재하지 않는 경우에도 활용될 수 있다.
S261 단계의 조건에는, 전압차(ΔV) 또는 전력차(ΔP)가 양수 또는 음수인지, 전압차(ΔV) 또는 전력차(ΔP)가 기설정된 최소값(min_P, min_V), 최대값(max_P) 등의 범위를 만족하는지, 부하별 보존전압조정계수(CVRf)가 상한값(max_CVRf) 또는 하한값(min_CVRf)의 범위를 만족하는지, 등이 포함될 수 있다.
S261 단계에 의한 CVR Factor 추정은 전압 조정 모듈(100) 또는 전압 조정부(130)를 제어하기 어려운 상황에서도 유용할 수 있다. 이 경우 전압의 변동이 부하의 변동(전력의 변동)에 의해 일어날 수 있고, 추정된 CVR Factor는 인과 관계가 불분명할 수 있으므로 <전압과 전력의 변동률이 1%이상> 또는 <변동의 방향이 같다> 와 같은 조건을 두어 보완할 수 있다.
S261 단계의 조건 예시 :
조건1. ΔV > 0 , ΔP > 0 , 또는ΔV < 0 , ΔP < 0
조건2. min_P< %ΔP < max_P
조건3. min_V< %ΔV
조건4. min_CVRf < CVR Factor < max_CVRf
도 11을 참조하면, 전압 조정 모듈(100)로부터 데이터 수집부(220)로 전송되는 데이터에는, 부하별 전력 데이터, 부하별 전압 데이터, 및 전압 조정 모듈(100) 또는 전압 조정부(130)의 동작 시점을 기록한 데이터가 포함될 수 있다.
S262 단계에서, CVR Factor 산출부(255)는, 전압 조정 모듈(100) 또는 전압 조정부(130)의 동작 시점의 전후 1초, 10초 등의 초단위, 또는 1분, 5분 등의 분단위 전압 변동 또는 전력 변동으로부터 보존전압강하계수(CVRf)를 계산할 수 있다.
전압 조정 모듈(100) 또는 전압 조정부(130)의 전력 변환 동작 시점에서 전압이 변하면서 전력도 크게 영향을 받을 수 있으므로, 동작 시점 수간의 전압 변화율에 대한 전력 변화율의 비를 이용해 CVR Factor를 추정할 수 있다.
부하 상태에 따른 구분 단계(S263)는, 부하의, 가동 상태, 출력량, 부하량(전력 소비량) 등을 포함하는 부하 상태에 기초해 CVR Factor를 산출하는 경우(S264), 또는 상기 부하 상태에 구분없이/무관하게 CVR Factor를 산출하는 경우(S265)를 포함할 수 있다.
도 12를 참조하면, S264 단계에서, CVR Factor 산출부(255)는, 노드 설비(부하 설비)의 가동 상태, 출력량(power) 등과 같이 부하별 전력 소비량을 포함하는 부하 상태에 따라 CVR Factor를 산출할 수 있다. 부하 상태는 부하량에 따라 최대 부하, 중부하, 경부하 등으로 분별될 수 있다. S265 단계는 S264와 달리 부하별 부하 상태의 구분없이 CVR Factor를 산출하는 것일 수 있다.
도 13을 참조하면, 대표값에 따른 구분 단계(S266)는, 측정 시기에 따른 구분 단계(S260) 또는 부하 상태에 따른 구분 단계(S263)에 의해 산출된 CVR Factor으로부터 최근값을 채택(S267)하거나 평균하는(S268) 등에 의해, 각 부하별 CVR Factor 대표값을 산출하는 것일 수 있다.
최근값을 채택하는 경우(S267)에는 해당 부하의 최근 CVR 관련 특성이 반영될 수 있다. 최급값을 이용하므로 현재 상황에 가장 적합한 전력 절감율을 반영할 수 있지만, 부하 상황의 급변 상황시 전력 절감율의 변동성이 클 수 있다.
평균값을 산출하는 경우(S268)에는 해당 부하의 1일, 1주일, 1개월, 1년 등의 소정의 주기별 평균적인 CVR 관련 특성이 반영될 수 있다. 예를 들어, CVR Factor는 계절의 영향을 받을 수 있으므로 주기를 절기별로 분별해 평균값을 취하면 부하 설비의 평균적인 CVR 관련 특성을 반영할 수 있다.
결과적으로, 부하별 CVR Factor 수집 및 저장 단계(S253)에서 산출되는 부하별 CVR Factor는, 측정 시기에 따른 방법들(S260), 부하 상태에 따른 방법들(S263), 및 부하별 대표값 선출 방법들(S266) 중 적어도 어느 하나에 의해 산출되거나, 또는 이들의 조합에 의해 산출될 수 있다.
CVR Factor 대표값 산출 단계(S255)는, 부하별 CVR Factor 수집 및 저장 단계(S253)에서 구한 부하별 CVR Factor를 이용해, 전압 조정 대상이되는 전압 조정 모듈(100)의 목표 전압 산출시 이용되는 CVR Factor 대표값을 산출할 수 있다.
CVR Factor 대표값은 해당 전압 조정 모듈(100)의 하류에 위치하는 부하(50)들의 부하별 CVR Factor를 평균하거나 가중 평균하거나 등의 방식으로 얻어질 수 있다.
이러한 방식으로, 해당 전압 조정 모듈(100)의 하류에 배치되는 변경되거나 제거되는 등의 이유로 부하들의 분기 구조가 달라지더라도, 해당 전압 조정 모듈(100)의 CVR Factor 대표값을 산출할 수 있다. 또한, 다단계의 전압 조정 모듈(110,120)로 복잡하게 분기되는 경우에도, 부하별 CVR Factor 수집 및 저장 단계(S253)에서 구한 부하별 CVR Factor를 이용해 상류 전압 조정 모듈(110)의 CVR Factor 대표값을 산출할 수 있으므로, 전압 조정 모듈(100)의 설치/제거 등의 설비 변경시에도 연속적인 전력 절감량 산출 또는 요금 절감액을 제공할 수 있다.
전력계통의 분기 구조가 단순한 경우라면, 부하별 CVR Factor 수집 및 저장 단계(S253)에서 구한 부하별 CVR Factor가 그대로 CVR Factor 대표값 산출 단계(S255)에 이용될 수 있다.
CVR Factor를 이용한 전력 절감량 산출 단계(S257)는, CVR Factor 대표값 산출 단계(S255)에서 구한 CVR Factor 대표값을 이용해 CVR Factor를 이용한 CVR에 의한 전압 강하에 대응하는 전력 절감량을 산출하는 것일 수 있다.
CVR Factor를 이용한 전력 절감량 산출 단계(S257)에서 계산한 CVRf를 이용한 전력 절감량은 제1 전압 산출 단계(S250)의 제1 전압 산출에 대응할 수 있다.
본 발명의 전압 조정 모듈(100) 또는 전압 조정부(130)는 권선형 타입의 OLTC 등의 탭 전환 방식, 또는 하이브리드 반도체형 전압 조정 방식을 포함할 수 있다.
전자의 방식으로는, 본 발명의 실시간으로 수집된 전력 조정 모듈(100)의 전력 데이터로부터 제1 전압, 선로 전력 손실량, 제2 전압, 예측 전압 및 목표 전압 중 적어도 하나를 예측 또는 추정하여 미세한 단위로 적용하는 것에는 한계가 있을 수 있다.
후자의 방식으로는, 전압 조정 모듈(100)의 관리자 또는 운영자가 약정한 전압 변동률 범위를 지키면서도 제어 가능한 전압 커버리지를 확장할 수 있도록, 복수의 전력반도체 소자를 포함하는 하이브리드 반도체형 전압 조정기를 포함할 수 있다. 본 발명의 전압 조정 모듈(100) 또는 전압 조정부(130)는 반도체형 전기 회로를 통칭할 수 있고, 피드백 제어기일 수 있으며, 비례, 적분, 미분 제어기, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
하이브리드 반도체형 전압 조정 방식에서, 본 발명의 전압 조정 모듈(100) 또는 전압 조정부(130)는, 전력 레벨 감소 및 최적의 전력 밀도를 얻을 수 있는 구조로 구성하여 전압 제어를 할 수 있으며, 전체 전력 중 일부를 교류-직류-교류의 과정으로 변환할 수 있고, 탭 전환기를 사용하지 않고 전력변환기를 통해 전압, 전류 및 역률을 제어할 수 있다. 또한, 전압 조정 모듈(100) 또는 전압 조정부(130)는, 전압 변경 횟수에 대한 수명 개념이 없고, 디지털신호처리장치(DSP, Digital Signal Processor)에 의해 실시간 제어 가능하기에, 상위/하위 계통으로 이루어지는 다단 레벨의 전력계통 제어에 적합할 수 있다.
따라서, 전압 조정 모듈(100) 또는 전압 조정부(130)가 후자의 반도체형 전압 조정 방식을 채택하는 경우, 0.1 % 등으로 제어 단위로 아주 세밀한 전압/전력 제어가 가능할 수 있다. 이러한 미세한 전압 제어는 부하별 전력 데이터 분석 및 목표 전압 산출과 연계되어, 상류 전압 조정 모듈(110), 하류 전압 조정 모듈(120)과 같이 다단계 전압 조정 모듈(120)을 포함하는 복잡하게 분기되는 전력계통의 경우에도, 품질 하락없는 전압/전력 제어로 이어질 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하여, 본 발명의 전압 제어 장치에 대해 설명한다.
도 1은 전력계통 또는 배전계통(10)에서 변압기(30)와 부하(50) 사이에 마련되는 본 발명의 전압 제어 모듈(100)의 기본 단위 구조를 설명한 것이고, 도 2는 다단 계층으로 분기되는 전력계통에서의 복수의 전압 조정 모듈(100)의 일 실시 예를 설명한 것일 수 있다.
도 1 및 도 2에서는 본 발명의 전압 제어 또는 전압 조정이 부하측(50)에 인접한 영역에서 이루어진다는 의미로 배전 계통(10)의 하류로 도시되었으나, 편의상 배전계전, 전력계통 및 그리드(grid)는 상황에 따라 혼용될 수 있다.
부하(50)는 공장의 전기 모터, 전기 용해로 등의 산업 설비, 또는 조명, 사무기기, 가전 용품 등을 포함하는 전력을 소비하는 본래 의미를 전력 소비 주체를 포함할 뿐 아니라, 태양광, 전기차 충전기, ESS 등의 분산 전원으로써 전력계통(10)에 전기를 역전송가능한 전력 공급 주체를 포함할 수 있다. 부하(50)는 도 2와 같이 다단 계층으로 분기가능하다는 점에서 노드(node)와도 혼용될 수 있다.
본 발명의 전압 제어 장치는, 전력계통(10)에 설치되어 부하(50)에 공급되거나 부하(50)로부터 역전송되는 전압을 조정가능한 전압 조정 모듈(100), 또는 전압 조정 모듈(100)과 원격으로 전력 데이터를 송수신하는 서버(200)를 포함할 수 있다.
여기서, 전압 조정 모듈(100)의 전력 데이터는, 전압 조정 모듈(100)에 입력 또는 출력되는 전력과 관련된 데이터, 또는 해당 전압 조정 모듈(100)의 하류에 위치한 부하(50)과 관련된 전력 데이터를 포함할 수 있다.
또한, 전력 데이터는 통상적인 전류와 전압의 곱의 의미로서의 전력뿐 아니라, 전압, 전류, 저항, 전압 조정 장치의 변환 시점, 무효 전력, 역률 등의 전기가 흐름으로써 발생되는 데이터를 모두 포함할 수 있다.
전압 조정 모듈(100)은 전압 조정부(130), 로컬 제어부(150), 및 계측점(101,102) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
전압 조정부(130)는 서버(200) 또는 협조 제어부(210)로부터 최적의 목표 전압을 하달받을 수 있다. 전압 조정부(130)에 하달되는 목표 전압은 그 하류의 부하(50) 배치 또는 부하(50) 분기 구조에 따라 각 전압 조정부(130)별로 다르게 설정될 수 있다.
본 명세서에서 '최적'은 부하(50)의 운영자 또는 관리자의 입장에서 전력 또는 전기를 최대로 절감하여 전기 요금을 가장 절감할 수 있는 것을 의미할 수 있다.
전압 조정 모듈(100)의 계측점(101 또는 102)은 외부에서 전압 조정 모듈(100)로 입력되는 전력 데이터, 또는 전압 조정 모듈(100)에서 외부로 출력되는 전력 데이터를 측정 또는 계측할 수 있다.
전압 조정 모듈(100)의 계측점(101 또는 102)은 전압 조정 모듈(100)의 전압 조정 대상이 되는 지점으로써, 예측 또는 산출된 목표 전압이 구현되는 곳일 수 있다.
전압 조정 모듈(100)의 계측점(101 또는 102)은 그 개념상, 전압 조정부(130)에 포함되거나, 전압 조정부(130)와는 별도로 설치될 수 있다.
전압 조정 모듈(100)의 계측점이 전압 조정부(130)에 설치되는 구조에서는 전압 조정부(130)의 입력단 또는 출력단에 설치될 수 있다. 전압 조정 모듈(100)의 계측점이 전압 조정부(130)와 별도로 설치되는 경우, 전압 조정 모듈(100)의 계측점에는 전력 데이터를 수집할 수 있는 센서 등이 설치될 수 있다.
이하 변압기(30)의 계측점(31,32) 또는 전압 조정 모듈(100)의 계측점(101,102)에 대한 전압 조정 대상의 의미는, 계측점이 전압 조정부(130)에 포함되어 단부에 포함된다면 직접적인 전압 조정 대상이된다는 것, 또는 계측점이 전압 조정부(130)와 별도로 이격되어 설치되는 경우 협조 제어부(210) 또는 서버(200)로부터 명령받은 목표 전압으로 전압 조정부(130)가 제어되어 해당 계측점에 그 제어로 인한 효과가 나타난다는 의미일 수 있다. 별다른 언급이 없다면 후자의 의미로 계측점을 설명하나, 계측점과 전압 조정부(130) 간의 명확한 구분이 필요치 않는 경우 전자의 의미로도 확장될 수 있다.
전압 조정 모듈(100)의 계측점은 제1 계측점(101) 또는 제2 계측점(102)을 포함할 수 있다. 전력계통 또는 배전계통(10)을 기준으로, 제1 계측점(101)은 전압 조정 모듈(100)의 상류에 위치할 수 있고, 제2 계측점(102)은 전압 조정 모듈(100)의 하류에 위치할 수 있다.
로컬 제어부(150)는, 통신 연결 상태 확인 단계(S120)에서 전압 조정 모듈(100) 및 서버(200) 간의 통신이 두절된 경우, 로컬 자동 운전 모드(S140)로 전환될 수 있다. 로컬 자동 운전 모드(S140)에서, 로컬 제어부(150)는 통신 두절동안 해당 로컬 제어부(150)가 설치된 전압 조정 모듈(100)를 국소적으로 운영할 수 있다.
로컬 제어부(150)는, 서버(200)와의 통신 두절로 로컬 자동 운전 모드(S140)로 전환되면, 해당 전압 조정 모듈(100)에 흐르는 전력의 전송 방향을 판단하여, 전압을 조정할 계측점 위치를 결정할 수 있다.
일 실시 예로, 로컬 제어부(150)는, 해당 전압 조정 모듈(100)의 전력 데이터로부터 역률이 양수이면 전력 방향을 정방향(제1 계측점(101)에서 제2 계측점(102)으로)이라 판단할 수 있고, 역률이 음수이면 전력 방향을 역방향(제2 계측점(102)에서 제1 계측점(101)으로)이라 판단할 수 있다.
로컬 제어부(150)는, 전압 조정의 대상이 되는 계측점이 판단되면, 기설정된 기준 전압 또는 기준값으로 그 계측점을 전압 조정하거나, 기조정되거나 조정 계획된 계측점에 대한 전압 조정을 중지 또는 중단할 수 있다.
로컬 제어부(150)의 기설정된 기준 전압으로의, 제어 또는 전압 조정 중지는 부하(50)의 종류에 따라 달라질 수 있다.
전압 조정 대상인 전압 조정 모듈(100)의 하류에 배치된 부하(50)가 전력을 소비만하는 타입인 경우, 로컬 제어부(150)는, 역률이 양수인 경우 등의 이유로 정방향 전송이라 판정되면 제2 계측점(102)을 기설정된 기준 전압으로 전압 조정할 수 있고, 역률이 음수인 경우 등의 이유로 역방향 전송이라 판정되면 제2 계측점(102)에 대한 전압 조정을 중지할 수 있다.
기설정된 기준 전압에는 보존 전압 강하(CVR)에 의한 전력 강하, 또는 선로 저항에 의한 전력 손실량이 반영될 수 있다.
전압 조정 대상인 전압 조정 모듈(100)의 하류에 배치된 부하(50)가 전력을 생산 또는 충전 등의 이유로 역전송만하는 타입인 경우, 로컬 제어부(150)는, 역률이 양수인 경우 등의 이유로 정방향 전송이라 판정되면 제2 계측점(102)에 대한 전압 조정을 중지할 수 있고, 역률이 음수인 경우 등의 이유로 역방향 전송이라 판정되면 제1 계측점(101)을 기설정된 기준 전압으로 전압 조정할 수 있다. 이 경우 제1 계측점(101)은 선로 저항에 의한 전력 손실량을 반영하여 전압 상승될 수 있다.
전압 조정 대상인 전압 조정 모듈(100)의 하류에 배치된 부하(50)가 전력을 소비하는 동시에 생산 또는 충전 등의 이유로 역전송이 가능한 타입인 경우, 로컬 제어부(150)는, 서버(200)와의 통신 두절동안, 정방향 전력 전송으로 판단되면 제1 계측점(101)에 대한 전압 조정을 중지하고 제2 계측점(102)을 기설정된 기준 전압으로 전압 조정하며, 역방향 전력 전송으로 판단되면 제1 계측점(101)을 기설정된 기준 전압으로 전압 조정하고 제2 계측점(102)에 대한 전압 조정을 중지할 수 있다.
상류 또는 하류는 전력의 흐름을 기준으로 한 것이 아니라, 한전 등의 전력 공급자로부터 말단의 부하(50)에 이르는 전력계통(10)의 분기 구조적 의미일 수 있다. 이는 본 발명의 부하(50)는 분산 전원과 같이 전력 소비뿐 아니라 역으로 전력계통(10)으로 전력을 공급가능한 것을 포함하기 때문이다.
따라서, 제1 계측점(101)은 상류 계측점, 상류에 위치한 계측점, 전압 조정 모듈(100)의 상류 계측점 등과 혼용될 수 있고, 제2 계측점(102)은 하류 계측점, 하류에 위치한 계측점, 전압 조정 모듈(100)의 하류 계측점 등과 혼용될 수 있다.
도 4를 참조하면, 전력계통(10)의 상류에서 하류로 정방향 전력이 전송되는 경우, 제2 계측점(102)이 전압 조정 모듈(100)에 의한 전압 조정 대상일 수 있다. 반대로, 전력계통(10)의 하류에서 상류로 역방향 전력이 전송되는 경우, 제1 계측점(101)이 전압 조정 모듈(100)에 의한 전압 조정 대상일 수 있다.
따라서, 부하(50)의 종류에 따라 필수적으로 요구되는 계측점은 달라질 수 있다.
전력을 소비만하는 부하(50)만 하류에 배치되는 전압 조정 모듈(100)의 경우, 전압 조정 대상이되는 제2 계측점(102)만으로 충분할 수 있다.
역으로 전력계통(10)으로 전력을 공급하는 태양광 발전원, 풍력 발전원 등의 신재생에너지 발전원을 포함하는 부하(50)가 전압 조정 모듈(100)의 하류에 배치되는 경우, 제1 계측점(101)만으로 충분할 수 있다.
또한, 전기차 충전기 등과 같이 정방향 전력 전송과 역방향 전력 전송에 대한 전력 데이터 수집 또는 전압 제어가 필요한 부하(50)가 전압 조정 모듈(100)의 하류에 배치되는 경우, 제1 계측점(101) 또는 제2 계측점(102)을 포함할 수 있다.
상기 계측점에 대한 설명은 계측점 이외에 전압 조정부(130)에도 입력되는 전력 데이터 또는 출력되는 전력 데이터에 대한 정보가 수집될 수 있고, 그 수집된 정보는 서버(200)로 전송될 수 있다는 것을 전제로할 수 있다. 만일 전압 조정부(130)에 입력 또는 출력되는 전력 데이터에 대한 수집 또는 데이터 전송 기능이 없다면, 제1 계측점(101) 및 제2 계측점(102)은 모두 필수적인 구성일 수 있다. 전압 조정부(130)에 입력되는 전압에 대비해 출력되는 전압이 목표 전압이 되도록 조정하는 것이므로 비교 대상이 필요하기 때문이다.
변압기(30)의 상류에는 변압기(30)의 제1 계측점(31) 또는 하류에는 변압기(30)의 제2 계측점(32)이 구비될 수 있다.
본 발명에서의 변압기(30)는, 한전에서 공급하는 고전압의 전기가 여러 단계의 변전 시설을 거쳐 가정집 또는 공장 등의 부하(50)로 공급되는 경우에서의 변전 시설을 의미할 수 있다. 즉, 도면에서 도시된 변압기(30)는 본 발명의 전압 제어 장치에 의해 제어되는 대상이 아닌 공공시설로서의 변전 시설을 의미할 수 있다.
전압 조정 모듈(100)의 계측점(101,102)의 의미와 표현은 변압기(30)의 계측점(31,32)에도 동일하게 적용될 수 있다. 그러나, 변압기(30)의 계측점(31,32)은 본 발명의 목표 전압에 의한 전압 조정 대상이되지 않는 점에서 전압 조정 모듈(100)의 계측점(101,102)과 구별될 수 있다.
변압기(30)의 계측점(31,32)는 협조 제어부(210)에 의한 목표 전압으로의 전압 조정 대상은 아니나, 변압기(30)의 계측점(31,32)에서의 전력 데이터는 수집되어 서버(200) 또는 협조 제어부(210)로 전송될 수 있다.
변압기(30)의 계측점(31,32)는 변압기(30) 하류에 위치한 전압 조정 모듈(100)의 상호 비교 또는 분석하기 이전에 전력 데이터 간을 상호 데이터 동기화(S210) 하는 기준점이 될 수 있다.
특히, 변압기(30)의 제1 계측점(31)은 데이터 동기화 단계(S210)의 기준점으로 이용될 수 있다. 일반적인 수변전 설비에서 변압기 1차측에는 공용사용가능한 계기변 변압기(PT)가 마련되므로, 변압기의 PT 에 선을 연결하거나 센서를 부착하면, 간단히 변압기(30)의 상류 계측점인 제1 계측점(31)을 형성할 수 있다.
따라서, 도 4의 전압 조정 대상이 되는 계측점은 전압 조정 모듈(100)의 계측점(101,102)으로 변압기의 계측점(31,32)은 제외될 수 있다.
본 발명의 전압 제어 장치 및 전압 제어 방법은, 요금을 최대한 절감할 수 있는 목표 전압 산출을 위해, 보존 전압 강하(CVR, conservation voltage reduction)에 의한 전력 절감량(S250), 또는 선로 저항에 따른 선로 손실(S270)을 고려할 수 있다(S290).
목표 전압 산출시 고려되는 선로 손실은 전압 조정 모듈(100) 및 부하(50) 간의 전력 손실 구간(I)에 대한 것일 수 있다.
제어 대상인 전압 조정 모듈(100)의 하류에 연결된 부하(50)가 전력을 소비하는 경우, 전력 손실 구간(I)은 전압 조정 모듈(100)로부터 그 하류에 연결된 부하(50)까지일 수 있다. 이때, 목표 전압으로 조정되는 전압 조정 대상은 전압 조정 모듈(100)의 하류 계측점인 제2 계측점(102)일 수 있고, 전력 손실 구간(I)은 더 구체적으로는 제2 계측점(102)으로부터 부하(50)까지의 선로 구간일 수 있다.
전력손실 예측부(260)의 선로 전력 손실은 배전계통 또는 전력계통의 선로의 적어도 일부에 대응하는 전력 손실 구간에 대한 것일 수 있다.
이 경우, 제2 계측점(102)은 CVR에 의한 전력 절감(제1 전압) 또는 선로 손실에 의한 전력 손실량이 적용될 수 있다.
CVR에 의한 전력 절감은 하류의 부하(50)의 전력 허용 범위(또는 허용 범위)내에서, 허용 범위의 하한값인 V하한에 근접하는 전압(제1 전압)으로 전압 강하를 하는 것일 수 있다.
도 5를 참조하면, 선로 저항에 의한 전력 손실량은 전압의 제곱에 비례하는 등으로 전압이 커짐에 따라 전력 손실량이 더 증가할 수 있으므로, CVR에 의한 전압 강하 정도가 클수록 오히려 전력 손실량이 증가하여, 전체적으로는 오히려 전력 절감 효과 또는 요금 절감 효과가 감소할 수 있다.
따라서, 선로 저항에 의한 전력 손실량을 고려하면, CVR에 의한 전력 절감을 고려한 전압 강하(제1 전압)에 선로 저항에 의한 전력 손실량 고려에 의한 전압 상승 효과를 더하여 수정된 전압(제2 전압)을 산출하는 것과 동일할 수 있다.
부하(50)가 전력을 소비하는 경우, 제2 계측점(102)은 전압 조정 대상으로서, CVR에 의한 전력 절감을 고려한 전압 강하 또는 선로 저항에 의한 전력 손실량 고려에 의한 전압 상승이 적용될 수 있다.
분산 전원의 기능을 하는 부하(50)에 연결된 전압 조정 모듈(100)의 상류로 공급된 전력은 다시 전력 공급을 필요로 하는 부하(50)가 연결된 다른 전압 조정 모듈(100)로 공급될 수 있다.
따라서, 제어 대상인 전압 조정 모듈(100)의 하류에 연결된 부하(50)가 전력을 역으로 전력계통(10)으로 공급하는 경우, 전력 손실 구간(I)은 제1 전압 조정 모듈로부터 다른 제2 전압 조정 모듈을 거쳐 부하(50)까지의 구간을 의미할 수 있다. 더 구체적으로는, 전력 손실 구간(I)은 제1 전압 조정 모듈의 제1 계측점(101)으로부터 다른 제2 전압 조정 모듈의 하류에 위치한 부하(50)까지의 구간일 수 있다.
부하(50)가 전력을 전력계통(10)으로 역전송하는 경우, 제1 계측점(102)은 선로 저항에 따른 전력 손실량을 감소시키기 위한 전압 상승이 적용될 수 있다. 이 경우의 제1 계측점(102)은 CVR에 의한 전력 절감을 고려한 전압 강하는 고려되지 않을 수 있다.
부하(50)가 전력 소비와 전력 공급을 동시에 수행하는 경우, 전력 손실 구간(I)은, 정방향 전력이 전송되는 경우 전압 조정 모듈(100)로부터 그 하류의 부하(50)까지의 구간일 수 있고, 역방향 전력이 전송되는 경우 해당 전압 조정 모듈(100)로부터 다른 전압 조정 모듈(100)의 하류에 위치한 부하(50)까지의 구간일 수 있다.
이 경우, 전압 조정 모듈(100)은 제1 계측점(101) 및 제2 계측점(102)을 모두 전압 조정 대상으로서, 제2 계측점(102)은 CVR에 의한 전력 절감을 고려한 전압 강하 또는 선로 저항에 의한 전력 손실량 고려에 의한 전압 상승이 적용될 수 있고, 제1 계측점(101)은 선로 저항에 따른 전력 손실량을 감소시키기 위한 전압 상승이 적용되며, CVR에 의한 전력 절감을 고려한 전압 강하는 고려되지 않을 수 있다.
도 2를 참조하면, 전력계통이 복잡하게 분기되는 경우, 전압 조정 모듈(100)은 다단계로 분화될 수 있다. 전압 조정 모듈(100)은 상류 전압 조정 모듈(110) 또는 하류 전압 조정 모듈(120)을 포함할 수 있다. 상류 또는 하류는 상기 계측점에 대한 설명과 동일하게, 전력계통의 분기 구조에 대한 것이 공통적으로 적용될 수 있다.
도면상 상류 전압 조정 모듈(110)의 전압 조정 대상은 상류 전압 조정 모듈(110)의 제2 계측점(112)이나, 도 2는 다단 구조의 간단한 일 실시 예를 나타낸 것이므로, 복잡하게 전력계통이 분기되면, 상류 전압 조정 모듈(110)의 제1 계측점(111)도 역전송에 의한 전압 조정 대상이 될 수 있다.
상류 전압 조정 모듈(110)의 전압 제어는 그것의 하류에 위치한 하류 전압 조정 모듈(120)의 전압 제어를 고려해 판단될 수 있다. 제1 하류 전압 조정 모듈은 전압 상승이 예측되나 다른 제2 하류 전압 조정 모듈은 전압 하강이 예측되는 경우, 상류 전압 조정 모듈(110)의 전압 제어는 상기 2개의 하류 전압 조정 모듈의 전압 하강 및 전압 상승의 정도에 따라 달라질 수 있다.
서버(200)는 상류 전압 조정 모듈(110) 또는 하류 전압 조정 모듈(120)로부터 전력 데이터를 전송받고, 산출 또는 예측된 목표 전압을 전송해줄 수 있다. 상류 전압 조정 모듈(110)의 전압 제어시, 그 하류에 위치한 하류 전압 조정 모듈(120)의 정보가 필요한 경우뿐 아니라, 하류 전압 조정 모듈(120) 중 하나가 역전송가능한 부하(50)와 연결되는 경우, 해당 하류 전압 조정 모듈(120)의 상승 제어할 전압의 정도를 결정하는데, 다른 하류 전압 조정 모듈의 전력 데이터가 이용될 수 있다.
전압 조정 모듈(100)이 상/하류 다단 계층으로 구성되는 경우, 전력 손실 구간(I)도 다단으로 분별될 수 있다. 이 경우, 전력 손실 구간(I)은 제1 전력 손실 구간(I1) 또는 제2 전력 손실 구간(I2)을 포함할 수 있다.
제1 전력 손실 구간(I1)은 상류 전압 조정 모듈(110)로부터 하류 전압 조정 모듈(120)까지의 구간일 수 있다.
제2 전력 손실 구간(I2)은, 전력 소비하는 부하(50)의 경우 하류 전압 조정 모듈(120)로부터 그 하류에 연결된 부하(50)까지의 구간일 수 있고, 전력을 역전송하는 부하(50)의 경우 제1 하류 전압 조정 모듈(120)로부터 다른 제2 하류 전압 조정 모듈(120)을 거쳐 그 제2 하류 전압 조정 모듈(120)에 연결된 부하(50)까지의 구간일 수 있다.
제1 하류 전압 조정 모듈(120)에 전력 소비와 전력 역전송이 둘다 가능한 부하(50)가 연결된 경우, 제2 전력 손실 구간(I2)은, 제1 하류 전압 조정 모듈(120)에 정방향 전력이 전송되는 경우 제1 하류 전압 조정 모듈(120)로부터 그 하류에 연결된 부하(50)까지의 구간일 수 있고, 제1 하류 전압 조정 모듈에 역방향 전력이 전송되는 경우 제1 하류 전압 조정 모듈로부터 제2 하류 전압 조정 모듈을 거쳐 상기 제2 하류 전압 조정 모듈에 연결된 부하까지의 구간일 수 있다.
상류 전압 조정 모듈(110)의 제2 계측점(112)에는 하류 전압 조정 모듈(120) 및 그에 연결된 부하(50)들을 고려해, CVR을 고려한 전압 강하, 또는 제1 전력 손실 구간(I1)과 제2 전력 손실 구간(I2)을 고려한 선로 전력 손실량을 고려한 전압 상승이 모두 적용될 수 있다.
전력계통의 분기 구조, 전압 조정 모듈(100) 간의 거리, 또는 전압 조정 모듈(100)과 부하(50) 간의 거리 등에 따라 CVR을 고려한 전압 강하, 및 선로 손실에 따른 전압 상승은 전압 조정 모듈 계층별로 집중되는 정도가 달라질 수 있다. 예를 들어, 상류 전압 조정 모듈(110)에는 선로 손실에 따른 전압 상승을 더 집중시키고, 하류 전압 조정 모듈(120)에는 CVR을 고려한 전압 강하를 더 집중시킬 수 있다.
본 발명의 전압 제어 장치는 협조 제어부(210), 데이터 수집부(220), 데이터 동기화부(230), 결측치 보상부(240), 제1 전압 산출부(250), 전력손실 예측부(260), 및 제2 전압 산출부(270) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
데이터 수집부(220)는 변압기(30)(계측점(31,32) 포함) 또는 전압 조정 모듈(100)(계측점(101,102), 전압 조정부(130), 로컬 제어부(150) 포함)로부터 전력 데이터를 전송받아, 수집 또는 저장할 수 있다.
변압기(30) 또는 전압 조정 모듈(100)로부터 수집되는 전력 데이터는 시계열적 초,분,시 등의 기본 단위로 수집될 수 있다.
초 단위로도 수집가능한 방대한 양의 변압기(30) 또는 전압 조정 모듈(100)의 전력 데이터는, 제1 전압 산출부(250), 전력손실 예측부(260), 제2 전압 산출부(270), 또는 예측 전압(V예측) 산출부(협조 제어부와 별도로 마련되는 경우) 등에서, 본 발명의 머신러닝 등의 인공지능(AI)에 기반한 산출 또는 예측에 이용될 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 전압 조정 모듈(100)의 목표 전압은 실시간으로 산출가능하며, 그에 따른 요금 절감액 산출(S400) 또는 요금 절감 리포트도 실시간으로 작성되어 제공(S500)될 수 있다.
협조 제어부(210)는 데이터 수집부(220)의 전력 데이터를 이용해 산출된 목표 전압으로 전압 조정되도록 각 전압 조정 모듈(100)에 명령을 하달할 수 있다.
협조 제어부(210)는 데이터 수집부(220)의 전력 데이터에 기반해, 각 전압 조정 모듈(100), 또는 그 전압 조정 모듈(100)에 연결된 부하(50)의 예측 전압(V예측)을 산출할 수 있다. 현재까지의 과거 전력 데이터로부터 변동 경향성을 파악하여 예측 전압을 산출하는 예측 전압 산출부가 별도로 마련될 수 있다.
본 발명은, 전압 조정 모듈(100)(또는 계측점(101,102))의 전압 강하 또는 전압 상승 등을 반영한 목표 전압을 산출하기 위해, 협조 제어부(210) 또는 예측 전압 산출부에 의해 산출된 예측 전압(V예측)에 기초할 수 있다.
본 발명의 전압 제어 장치는 현재 전압에 기반한 전압 조정으로 인해 발생하는 저전압과 과전압으로 인한 손실을 최소화하기 위해 미래 전압을 예측함으로써 전압 안정화를 도모할 수 있다.
본 발명의 전압 제어 장치는 각각의 노드(부하(50))의 전압을 예측하여 미래의 전압 양상을 예측한 후, 전압 강하 또는 전압 상승된 목표 전압을 추정해서 최종적으로 협보 제어부(210)는 전압 조정부(130)를 목표 전압으로 제어할 수 있다.
도 5는 (a) 및 (b)의 순서로 제1 전압을 산출하고, 제1 전압에 선로 저항에 의한 전력 손실량을 고려해서 수정된 제2 전압이 산출되는 것을 나타낸다. 이는 전력을 소비하는 부하(50)의 경우에 전압 조정 모듈(100)의 제2 계측점(102)의 목표 전압에 대한 것일 수 있다.
부하(50)의 종류에 따라, 도 5의 (a)에 의한 CVR에 의한 전압 강하 또는 도 5의 (b)에 의한 선로 손실을 저감하기 위한 전압 상승 중 어느 하나만 적용될 것인지, 둘다 적용될 것인지가 달라질 수 있다.
부하(50)가 전력계통으로 역전송하는 경우, 도 5의 (a)의 CVR에 의한 전압 강하 적용없이 도 5의 (b)에 의한 선로 손실을 저감하기 위한 전압 상승만 전압 조정 모듈(100)의 제1 계측점(101)에 적용될 것이다.
이때, 선로 손실에 의한 전력 손실량도 예측 전압(V예측)에 기초해 산출될 수 있다. 이 경우의 제2 전압은 제1 전압에 기반해 수정되지 않고, 선로 저항에 의한 전력 손실량만 고려하여 산출된 목표 전압일 수 있다.
부하(50)가 정방향 전송 및 역전송을 모두 수행가능한 경우, 전압 조정 모듈(100)의 제1 계측점(101)에는 CVR에 의한 전압 강하 적용없이 선로 손실을 저감하기 위한 전압 상승만 적용될 수 있고, 제2 계측점(102)에는 CVR에 의한 전압 강하 및 도 5의 (b)에 의한 선로 손실을 저감하기 위한 전압 상승이 모두 적용될 수 있다.
데이터 동기화부(230)는 계측점(101,102), 전압 조정부(130) 및 로컬 제어부(150) 중 적어도 하나를 포함하는 전압 조정 모듈(100)로부터 전송받은 전력 데이터를 이용해 목표 전압을 산출하기 위해, 각각의 전압 조정 모듈(100) 간의 전력 데이터를 상호 동기화할 수 있다.
전압 조정 목적되는 전압 조정 모듈(100)의 하류의 부하 분기 구조가 비교적 간단하다면, 데이터 동기화부(230)에 의한 동기화는 생략되거나 확인하는 정도에 거칠 수 있으나, 최근에는 전력 소비, 역전송, 이들의 조합 등의 부하(50)의 종류가 복잡해짐에 따라 부하 분기 구조도 복잡해지는 추세이다. 이런 경우 전력 데이터를 이용해 전력을 예측하거나 전력 절감 또는 전력 손실을 산출/예측하기 이전에 전력 데이터 간의 동기화가 필요할 수 있다.
전력 데이터 동기화의 기준되는 지점이 필요한데, 변압기(30) 또는 변압기 계측점(31,32)이 이용될 수 있다. 변압기(30)를 지난 하류의 전력계통 분기 구조가 너무 복잡하지 않다면, 변압기(30) 상류로 전력 역전송을 하는 것보단 변압기(30) 하류 내에서 상호 전력을 교환하거나 ESS 등의 시설을 이용해 저장하는 것이 효율적일 것이므로, 변압기(30)를 분기의 기준점으로 보고, 그 하류의 복수의 전압 조정 모듈(100)의 데이터 동기화 기준으로 잡을 수 있다.
또한, 일반적인 수변전 설비에서 변압기 1차측에는 공용사용가능한 계기변 변압기(PT)가 마련되므로, 본 발명의 전압 조정 장치를 운영하는 사업자측도, 변압기의 1차측에 전선을 연결하거나 센서를 부착하면, 간단히 변압기의 전력 데이터를 수집할 수 있는 장점이 있다. 따라서, 변압기(30)의 상류 계측점인 제1 계측점(31)은 데이터 동기화의 기준점이 될 수 있다.
데이터 동기화부(230)는 변압기(30) 또는 전압 조정 모듈(100)로부터 수집한 전력 데이터를 1차로 시간에 따른 시간 동기화를 할 수 있고, 2차로 전압 데이터 등의 위상 동기화를 할 수 있다. 전력계통의 분기 구조가 단순하다면 시간 동기화로 충분할 수 있으나, 분기 구조가 복잡해지면 시계열에 따라 전력 데이터를 동기화하더라도 측정 시점이 미세하게 달라지는 등의 이유로 시간 지연이 발생할 수 있고, 그에 따라 전력 데이터 간의 위상 지연이 발생할 수 있다. 이 경우에는 전력 데이터 간의 2차 위상 동기화가 필요할 수 있다.
결측치 보상부(240)는 전압 조정 모듈(100)의 전력 데이터를 이용해 목표 전압 등을 예측 또는 산출하기 이전에, 발생한 결측치 또는 공백값을 처리할 수 있다. 결측치(missing value)는 NA(Not Available), NaN(Not a Number), 또는 Null 을 포함할 수 있다.
결측치 보상부(240)는 회귀 모형(Regression model) 등을 포함하는 머신러닝 모델을 이용해 예측 또는 추정하여 결측치를 채우거나 대체할 수 있다.
결측치 보상부(240)는, 결측치가 발생한 전압 조정 모듈(100)의 전력 데이터 중 결측치를 제외한 데이터로부터 학습 또는 훈련을 하여 결측치를 추정/예측하거나, 결측치가 발생한 전압 조정 모듈(100)의 전력 데이터를 제외한 다른 전압 조정 모듈(100)의 전력 데이터를 이용해 결측치를 추정/예측할 수 있다.
결측치 보상부(240)에 의한 결측치 처리는 데이터 동기화부(230)에 의한 전력 데이터 동기화 이후에 수행될 수 있다.
제1 전압 산출부(250)는 보존 전압 강하(CVR)에 의한 전력 절감량을 고려한 제1 전압을 산출할 수 있다.
도 5를 참조하면, 각 부하는 그 범위를 벗어날 경우 수명 단축 또는 고장날 가능성이 증가하는 허용 범위를 가질 수 있다. 제1 전압 산출부(250)는 제1 전압을 상한치인 V상한 및 하한치인 V하한을 경계값으로하는 허용 범위 이내가 되도록 V하한보다는 높게 설정할 수 있다.
제1 전압 산출부(250)는 협조 제어부(210) 또는 예측 전압 산출부에 의해 예측 또는 산출된 예측 전압(V예측)에 기초해, CVR에 의한 전압 강하 정도를 산출할 수 있다.
제1 전압 산출부(250)는 전압 조정 모듈(100)의 현재 전압(V현재)으로부터 곧바로 전압 강하하거나, 또는 예측 전압(V예측)을 기초해 전압 강하를 할 수 있다. 전압 조정 모듈(100)의 현재 전압(V현재)으로부터 곧바로 전압 강하를 하는 것에 비해 예측 전압(V예측)을 고려해 전압 강하를 한다면, 저전압 또는 과전압으로 인한 손실 발생 가능성을 낮춰 시스템은 더 안정적으로 운영될 수 있는 장점이 있다.
전력손실 예측부(260)는 전압 조정 모듈(100)로부터 부하(50)까지의 선로에 의한 전력 손실량을 예측 또는 산출할 수 있다.
선로에 의해 손실되는 전력은 전압 강하 정도 또는 산출된 제1 전압에 따라 더 커질 수 있다. 즉, CVR 에 의한 전압 강하가 커질수록 CVR에 의한 전력 절감량은 증가하지만, 반대로 전압 강하가 커질수록 선로 저항에 의한 전력 손실량도 증가하여 오히려 너무 높은 전압 강하는 전력 절감을 낮추는 결과를 가져올 수 있다.
따라서, 제1 전압 산출부(250)에 의한 CVR 이용한 전력 절감, 및 전력손실 예측부(260)에 의한 선로에 따른 전력 손실량은 상호 조화될 필요가 있다.
제2 전압 산출부(270)는 제1 전압 산출부(250)의 제1 전압에 전력손실 예측부(260)의 전력 손실량을 고려하여 수정된 전압인 제2 전압을 산출할 수 있다.
도 5를 참조하면, 제1 전압 산출부(250)는 선로 손실을 고려하지 않고, 전력 허용 범위 이내에서 최대한 전력을 절감할 수 있는 전압 강하 또는 제1 전압을 산출할 수 있고, 전력손실 예측부(260)는 해당 조정 대상인 전압 조정 모듈(100)로부터 부하(50)까지의 선로 저항에 의한 전력 손실량을 산출할 수 있으며, 제2 전압 산출부(270)는 제1 전압으로부터 선로 전력 손실량을 전압 상승시킨 제2 전압을 산출할 수 있다.
도 3 내지 도 8을 참조하여, 본 발명의 전압 제어 방법에 대해 설명한다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 전압 제어 방법은 데이터 수집 단계(S100), 목표전압 산출 단계(S200), 및 전압 제어 단계(S300), 요금 절감액 산출 단계(S400), 및 요금 절감 리포트 제공 단계(S500) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
데이터 수집 단계(S100)에서, 데이터 수집부(220)는 변압기(30) 또는 전압 조정 모듈(100)의 전력 데이터를 전송받을 수 있다.
본 발명의 전압 제어 방법은 전압 조정 대상인 전압 조정 모듈(100)과 서버(200) 간의 통신 연결 상태를 확인하는 통신 연결 상태 확인 단계(S120)를 포함할 수 있다.
통신 연결 상태 확인 단계(S120)에서, 로컬 제어부(150)는 전압 조정 모듈(100)과 서버(200) 간의 통신이 두절되는 경우 로컬 자동 운전 모드(S140)를 수행할 수 있다.
로컬 자동 운전 모드(S140)에서, 로컬 제어부(150)는 해당 전압 조정 모듈(100)에 흐르는 전력의 전송 방향을 판단하여, 전압을 조정할 계측점 위치를 결정할 수 있다.
로컬 자동 운전 모드(S140)에서, 로컬 제어부(150)는, 기설정된 기준 전압 또는 기준값으로 전압 조정 모듈(100) 또는 계측점을 전압 조정하거나, 전압 조정을 중지 또는 중단할 수 있고, 이는 전력 소비 또는 전력 역전송 등의 부하(50)의 종류에 따라 결정될 수 있다.
목표 전압 산출 단계(S200)는 데이터 동기화 단계(S210), 결측치 보상 단계(S230), 제1 전압 산출 단계(S250), 전력손실 예측 단계(S270), 및 제2 전압 산출 단계(S290) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
목표 전압 산출 단계(S200)는 전압 조정 모듈(100)가 조정될 최종 전압인 목표 전압을 산출하는 단계일 수 있다. 목표 전압은 제1 전압 산출부(250)의 제1 전압 또는 제2 전압 산출부(290)의 제2 전압을 포함할 수 있다.
목표 전압 산출 단계(S200)에서, 목표 전압은, 전력 소비 또는 전력계통으로의 역전송 등에 의한 부하(50)의 종류, 전력의 흐름 방향, 또는 전압 조정 대상인 계측점(101,102)의 위치 등에 따라, 제1 전압 산출 단계(S250)에 의한 전압 강하만 반영한 제1 전압, 전력손실 예측 단계(S270)의 선로 전력 손실량을 반영한 전압 상승된 값, 및 제2 전압 산출 단계(S290)의 제1 전압에 선로 전력 손실량을 고려해 수정된 제2 전압 중 적어도 하나로 결정될 수 있다.
데이터 동기화 단계(S210)는 목표 전압 산출 단계(S200)에 속하는 다른 단계들보다 데이터 전처리 차원에서 먼저 수행될 수 있다.
데이터 동기화 단계(S210)에서, 데이터 동기화부(230)는 복수의 전압 조정 모듈(100) 간의 전력 데이터를 상호 동기화할 수 있다.
데이터 동기화 단계(S210)에서, 데이터 동기화부(230)는 변압기(30) 또는 전압 조정 모듈(100)로부터 수집한 전력 데이터를 1차로 시간에 따른 시간 동기화를 할 수 있고, 2차로 전압 데이터 등의 위상 동기화를 할 수 있다.
데이터 동기화 단계(S210)에서, 데이터 동기화부(230)는, 전력 데이터의 동기화 기준점을 설정할 수 있고, 특히 전압조정 대상인 복수의 전압 조정 모듈(100)들의 상위 분기점에 해당하는 변압기(30)의 상류측 제1 계측점(31)을 동기화 기준점으로 이용할 수 있다.
결측치 보상 단계(S230)는 목표 전압을 산출하는 S250, S270, 또는 S290 보다 먼저 수행될 수 있다.
결측치 보상 단계(S230)에서, 결측치 보상부(240)는 데이터 동기화 단계(S210)를 거친 전력 데이터에서 발생한 결측치를 처리할 수 있다.
결측치 보상 단계(S230)에서, 결측치 보상부(240)는, 결측치가 발생한 전압 조정 모듈(100)의 전력 데이터 중 결측치를 제외한 데이터로부터 회귀 모형(Regression model) 등을 포함하는 머신러닝 모델을 이용해 학습 또는 훈련을 하여 결측치를 추정/예측하거나, 결측치가 발생한 전압 조정 모듈(100)의 전력 데이터를 제외한 다른 전압 조정 모듈(100)의 전력 데이터를 이용해 결측치를 추정/예측할 수 있다.
제1 전압 산출 단계(S250)에서, 제1 전압 산출부(250)는 허용 범위에 포함되고, 보존 전압 강하(CVR)에 의한 전압 강하에 의한 전력 절감량을 고려한 제1 전압을 산출할 수 있다.
제1 전압 산출 단계(S250)에서, 제1 전압 산출부(250)는 협조 제어부(210) 또는 예측 전압 산출부에 의해 산출된 예측 전압(V예측)에 기초해 제1 전압을 산출할 수 있다. V예측에 기초해 전압 강하를 판단한다면, 현재 전압(V현재)으로부터 곧바로 전압 강하를 하는 것에 비해 저전압 또는 과전압으로 인한 손실 발생 가능성을 낮출 수 있어 전압 조정 장치는 더 안정적으로 운영될 수 있다.
전력손실 예측 단계(S270)에서, 전력손실 예측부(260)는 전압 조정 모듈(100)로부터 부하(50)까지의 선로에 의한 전력 손실량을 예측 또는 산출할 수 있다.
전력손실 예측 단계(S270)에서, 선로 손실 전력은 전압 강하가 클수록 증가할 수 있으므로, 전력 손실 예측부(260)는, 제1 전압 산출 단계(S250)의 전압 강하에 의한 제1 전압을 역으로 전압 상승시키는 선로 손실 전력을 산출할 수 있다.
제2 전압 산출 단계(S290)에서, 제2 전압 산출부(270)는 제1 전압 산출 단계(S250)의 제1 전압 또는 전력손실 예측 단계(S270)의 전력 손실량을 고려해 수정된 제2 전압을 산출할 수 있다.
전압 제어 단계(S300)에서, 협조 제어부(210)는, 제1 전압 산출 단계(S250), 전력손실 예측 단계(S270), 및 제2 전압 산출 단계(S290) 중 적어도 하나를 거쳐 산출된 목표 전압을 전압 조정 모듈(100) 또는 전압 조정부(130)에 하달하거나, 전압 조정부(130) 또는 계측점(101,102)의 전압을 목표 전압으로 제어할 수 있다.
전압 제어 단계(S300) 이후, 본 발명의 전압 제어 장치의 운영자/관리자에게 목표 전압으로 인한 이득을 보여주는, 요금 절감액 산출 단계(S400) 또는 요금절감 리포트 제공 단계(S500)가 수행될 수 있다.
요금 절감액 산출 단계(S400)에서, 요금 절감액 산출부(280)는, 제1 전압 산출 단계(S250)의 제1 전압, 전력손실 예측 단계(S270)의 손실 전력량, 및 제2 전압 산출 단계(S290)의 제2 전압 중 적어도 하나로부터 산출된 목표 전압에 의해 절감된 요금을 산출할 수 있다.
예를 들어, 요금 절감액은 시간별 전력 절감량과 평균 요금의 곱인 평균 요금 절감액, 또는 시간별 전력 절감량과 시간별 요금의 곱인 시간별 요금 절감액을 포함할 수 있다.
요금 절감 리포트 제공 단계(S500)에서, 요금 절감 리포트 제공부(290)는 실시간 요금 절감액을 바탕으로 실시간 리포트 또는 주기별 리포트를 작성하여 본 발명의 전압 제어 장치의 운영자 또는 관리자에게 제공할 수 있다.
도 3 및 도 7을 참조하면, 손실 함수 단계(S240)에서, 협조 제어부(210)는 전압 조정 대상이되는 전압 조정 모듈(100) 또는 그 전압 조정 모듈(100)에 연결된 부하(50)에 대한 전력 절감량 또는 전력 손실량을 나타내는 손실 함수를 설정할 수 있다.
전압 조정 모듈이 조정될 목표 전압을 산출하는 목표 전압 산출 단계(S200)은 손실 함수 단계(S240)를 포함할 수 있다. 손실 함수 단계(S240)는 손실 함수 형성 단계(S241), 또는 손실 함수 최소해 산출 단계(S243)를 포함할 수 있다.
손실 함수 형성 단계(S241)는 협조 제어부(210)에 의해 보존 전압 강하(CVR)을 이용한 전력 절감량에 대응하는 제1 구성 요소, 또는 선로 저항에 따른 전력 손실량에 대응하는 제2 구성 요소를 포함하는 손실 함수가 설정 또는 형성되는 단계일 수 있다.
손실 함수 최소해 산출 단계(S243)는 본 발명의 CVR에 의한 전압 강하시에 선로 전력 손실에 의한 전압 상승을 고려한다는 점을 강조하기 위해, 손실 함수라 명칭하고 전력 손실을 최소화하는 최소해를 구하는 것으로 하였으나, 손실 함수는 운영자의 입장에서 전력 절감량을 나타내도록 구성될 수 있고, 이 경우에는 전력 절감량을 최대로 하는 해를 구하는 것이 목적이 될 수 있다.
따라서, 그 명칭과 상관없이 손실 함수 또는 손실함수 최소해 산출 단계(S243)는 전력 손실량을 나타내도록 구성되고 전력 손실을 최소화하는 해를 구하거나, 전력 절감량을 나타내도록 구성되고 전력 절감을 최대화하는 해를 구하거나, 각각의 국소적 최대해(local maxima) 또는 최소해(local minima)를 구하는 것을 포함될 수 있고, 결과적으로 전압 조정 모듈을 운영하는 주체에게 전력 요금을 절감할 수 있는 목표 전압을 제공하고자 하는 것은 모두 동일하다.
손실 함수 단계(S240)는 후술하는 제1 전압 산출 단계(S250), 전력손실 예측 단계(S270), 및 제2 전압 산출 단계(S290) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 제1 전압, 선로 손실에 의한 전력 손실량, 또는 제2 전압에 대한 내용은 손실 함수 단계(S240)에도 적용될 수 있다. 더 구체적으로는 손실 함수 형성 단계(S241)는 제1 전압 산출 단계(S250), 전력손실 예측 단계(S270), 및 제2 전압 산출 단계(S290) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
손실 함수의 보존 전압 강하(CVR)을 이용한 전력 절감량에 대응하는 제1 구성 요소는 제1 전압 산출 단계(S250)의 제1 전압의 전압 강하에 대응할 수 있다. 손실 함수의 제2 구성 요소는 선로 저항에 따른 전력 손실량에 대응할 수 있다. 제1 구성 요소 또는 제2 구성 요소는 전압 또는 전압 강하로 인한 전압 차이에 대한 함수로 주어질 수 있다.
예를 들어, 제1 구성 요소는 전압 조정 모듈(100)과 관련된 전압 또는 전압차에 대한 1차 함수로 주어질 수 있고, 제2 구성 요소는 전압 조정 모듈(100)과 관련된 전압 또는 전압차에 대한 2차 함수로 주어질 수 있다. 이 경우 손실 함수는 전압 조정 모듈(100)과 관련된 전압 또는 전압차에 대한 2차 다항식을 표현될 수 있고, 결과적으로 전압 조정 대상인 전압 조정 모듈(100)의 전력 요금을 최소화하는 것은 상기 전압 또는 전압차에 대한 다항식으로 표현되는 손실 함수의 최소해(minima), 최대해(maxima), 또는 국소해를 구하는 것과 동일할 수 있다.
손실 함수는 CVR의 전압 강하 효과(제1 구성 요소)로 인한 전력 절감량에 선로 전력 손실량을 고려한 전압 상승 효과(제2 구성 요소)를 더한 것이므로, 손실 함수는 수정된 전력 절감량을 의미할 수 있다.
보존전압강하계수(CVR factor, Conservation Voltage Reduction factor 또는 CVRf)는 전압 변화율에 대한 전력의 변화율의 비를 의미할 수 있다. 예를 들어, 같은 방향으로 전압이 1% 변할 때, 전력이 2% 변하면, CVR factor는 2가 될 수 있다.
CVR에 의한 전력 절감량(제1 구성 요소, △P)은 전압차(△V)에 CVRf(CVR facor)를 곱하여 산출될 수 있다. CVR facor는 전압 조정 모듈(100)의 전력 데이터로부터 평균값 등으로 미리 설정되는 상수값으로 설정될 수 있으므로, CVR에 의한 전력 절감량(제1 구성 요소)은 전압차(△V)에 비례하거나, 또는 전압차(△V)에 의해 결정될 수 있다.
예를 들어, CVR에 의한 전력 절감량(제1 구성 요소)의 전압차(△V)는 현재 전압(V현재) 및 목표 전압(V목표) 간의 차이( △V = |V현재-V목표| )를 의미할 수 있다.
따라서, CVR에 의한 전력 절감량(제1 구성 요소)는, 전압(예를 들어, 목표 전압) 또는 전압차(예를 들어, 현재 전압(V현재) 및 목표 전압(V목표) 간의 차이)의 1차식 또는 1차 차수에 의해 결정되거나, 의존할 수 있다.
여기서, 전압차(△V)는 전압 조정 모듈(100)의 전압 조정 대상이되는 동일한 계측점에 대한 다른 시점에서의 전압 변동일 수 있다. 즉, 전압차(△V)는 전압 조정 대상인 동일한 전압 조정 모듈(100)에 대한, 전압 변동 전후의 상호 다른 시점에서의 전압 변동에 대응할 수 있다.
선로 전력 손실량(선로 저항에 의한 전력 손실량 또는 제2 구성 요소)은 전압 조정 모듈(100)로부터 전력계통의 선로를 따라 연결되는 전력 공급 지점까지의 전력 손실량일 수 있다.
예를 들어, 상기 전력 공급 지점은 전력을 소비하는 부하(50)를 포함할 수 있고, 이 경우 선로 전력 손실량(제2 구성 요소)는 전압 조정 모듈(100)로부터(더 구체적으로는 전압 조정 모듈의 계측점으로부터) 부하(50)까지의 선로 길이(저항)에 의한 전력 손실량일 수 있다.
상류 전압 조정 모듈(110)과 하류 전압 조정 모듈(120)로 다단 분기되는 경우, 상기 전력 공급 지점은 다른 전압 조정 모듈(110 또는 120) 또는 부하(50)를 포함할 수 있다. 여기서 다른 전압 조정 모듈(110 또는 120)은 해당 전압 조정 모듈의 계측점을 포함할 수 있고, 이 계측점은 전력이 공급되는 해당 선로에 마련되는 것을 의미할 수 있다. 최종 전력 공급 지점은 부하(50)일 것이나, 전력계통이 분기되어 다단계 레벨의 전력 공급 모듈 구조인 경우 상류 전압 조정 모듈(110) 또는 하류 전압 조정 모듈(120)은 중간 전력 공급 지점의 기능을 할 수 있다.
예를 들어, 선로 전력 손실량(제2 구성 요소, △P)은 ( 전압차(△V) )^2 / R 에 의해 산출될 수 있다.(R은 선로 저항) 선로 전력 손실량(제2 구성 요소)의 전압차(△V)는 전압 조정 모듈(100)의 전압, 및 전력 공급 지점의 전압(V대상)의 차이를 의미할 수 있다. 전력 공급 지점은 상술하듯 부하(50) 또는 다른 전압 조정 모듈(100)을 포함할 수 있다.
제2 구성 요소의 전압 조정 모듈(100)의 전압은 본 발명의 전압 조정 모듈(100)에서 예측하여 조정하려는 목표 전압(V목표)을 포함할 수 있다.
예를 들어, 제2 구성 요소의 전압차(△V)는 목표 전압(V목표) 및 전력 공급 지점의 전압(V대상) 간의 차이로부터 산출될 수 있다.( △V = |V목표 - V대상| ) 따라서, 선로 전력 손실량(제2 구성 요소)은 목표 전압의 제곱(2차식), 또는 목표 전압이 반영된 전압차(△V)의 제곱(2차식)에 의해 결정되거나, 의존할 수 있다.
여기서, 제2 구성 요소의 전압차(△V)는 동일한 시점에서의 상호 다른 지점 간(예를 들어, 전압 조정 모듈 또는 그 계측점, 및 부하 간)의 전압 변동일 수 있다. 또한, 제2 구성 요소에서의 목표 전압(V목표)은 전압 조정 모듈의 계측점(101,102) 중에서 손실을 고려하는 선로에 구비되는 계측점에 대한 것일 수 있다.
이와 같이, 손실 함수는 전압(목표 전압) 또는 목표 전압을 포함하는 전압차에 대한 2차식을 포함하는 다양한 다항식으로 표현 가능하며, 결과적으로 최적/최소의 운영 요금 산출은 이러한 다양한 다항식으로 구성된 손실 함수의 해를 구하는 것에 대응할 수 있다.
10... 배전계통
30... 변압기
31... 변압기의 제1 계측점
32... 변압기의 제2 계측점
50... 부하
100... 전압 조정 모듈
101... 전압 조정 모듈의 제1 계측점
102... 전압 조정 모듈의 제2 계측점
110... 상류 전압 조정 모듈
111... 상류 전압 조정 모듈의 제1 계측점
112... 상류 전압 조정 모듈의 제2 계측점
120... 하류 전압 조정 모듈
121... 하류 전압 조정 모듈의 제1 계측점
122... 하류 전압 조정 모듈의 제2 계측점
130... 전압 조정부
150... 로컬 제어부
200... 서버
210... 협조 제어부
220... 데이터 수집부
230... 데이터 동기화부
240... 결측치 보상부
250... 제1 전압 산출부
255... CVR Factor 산출부
260... 전력손실 예측부
270... 제2 전압 산출부
280... 요금 절감액 산출부
290... 요금 절감 리포트 제공부
I... 전력 손실 구간
I1... 제1 전력 손실 구간
I2... 제2 전력 손실 구간
S100... 데이터 수집 단계
S120... 통신연결상태 확인 단계
S140... 로컬 자동 운전 모드
S200... 목표전압 산출 단계
S210... 데이터 동기화 단계
S230... 결측치 보상 단계
S240... 손실 함수 단계
S250... 제1 전압 산출 단계
S270... 전력손실 예측 단계
S290... 제2 전압 산출 단계
S300... 전압 제어 단계
S400... 요금 절감액 산출 단계
S500... 요금절감 리포트 제공 단계
30... 변압기
31... 변압기의 제1 계측점
32... 변압기의 제2 계측점
50... 부하
100... 전압 조정 모듈
101... 전압 조정 모듈의 제1 계측점
102... 전압 조정 모듈의 제2 계측점
110... 상류 전압 조정 모듈
111... 상류 전압 조정 모듈의 제1 계측점
112... 상류 전압 조정 모듈의 제2 계측점
120... 하류 전압 조정 모듈
121... 하류 전압 조정 모듈의 제1 계측점
122... 하류 전압 조정 모듈의 제2 계측점
130... 전압 조정부
150... 로컬 제어부
200... 서버
210... 협조 제어부
220... 데이터 수집부
230... 데이터 동기화부
240... 결측치 보상부
250... 제1 전압 산출부
255... CVR Factor 산출부
260... 전력손실 예측부
270... 제2 전압 산출부
280... 요금 절감액 산출부
290... 요금 절감 리포트 제공부
I... 전력 손실 구간
I1... 제1 전력 손실 구간
I2... 제2 전력 손실 구간
S100... 데이터 수집 단계
S120... 통신연결상태 확인 단계
S140... 로컬 자동 운전 모드
S200... 목표전압 산출 단계
S210... 데이터 동기화 단계
S230... 결측치 보상 단계
S240... 손실 함수 단계
S250... 제1 전압 산출 단계
S270... 전력손실 예측 단계
S290... 제2 전압 산출 단계
S300... 전압 제어 단계
S400... 요금 절감액 산출 단계
S500... 요금절감 리포트 제공 단계
Claims (17)
- 부하에 공급되거나, 부하로부터 역전송되는 전압을 조정가능한 전압 조정 모듈;
상기 전압 조정 모듈을 목표 전압으로 제어하거나, 상기 전압 조정 모듈에 상기 목표 전압을 하달하는 협조 제어부;
보존전압강하계수(CVR Factor, Conservation Voltage Reduction Factor)를 추정하는 CVR Factor 산출부; 를 포함하고,
상기 목표 전압은 상기 CVR Factor를 이용해 보존 전압 강하(CVR, conservation voltage reduction)에 의한 전압 강하를 반영하여 산출되며,
상기 CVR Factor는 측정 시기, 부하 상태, 및 대표값 중 적어도 하나에 의해 추정 방법을 달리하고,
측정 시기에 의해 CVR Factor가 추정되는 경우는 전압과 전력이 소정의 특정 조건을 만족하는 제1 경우, 및 조건없이 전압 조정 모듈이 동작하는 경우로 분별되는 제2 경우를 포함하며,
상기 제1 경우에서, 상기 CVR Factor 산출부는 데이터 수집부에 수집된 상기 전압 조정 모듈의 전력 데이터로부터 특정 조건을 만족하는 시점의 전후의 전압 또는 전력 변동으로부터 CVR Factor를 산출하며,
상기 제1 경우는 상기 전압 조정 모듈를 제어하기 어려운 상황에서 이용되며, 전압과 전력 간의 인과 관계에 대한 조건을 보완가능하고,
상기 제2 경우는 전력 데이터, 전압 데이터 등만 존재하고, 상기 전압 조정 모듈의 동작 시간을 기록한 데이터가 존재하지 않는 경우에도 활용되고,
상기 제2 경우에서, 상기 전압 조정 모듈로부터 데이터 수집부로 전송되는 데이터에는 상기 전압 조정 모듈의 동작 시점을 기록한 데이터가 포함되며,
상기 제2 경우에서, 상기 CVR Factor 산출부는, 상기 전압 조정 모듈의 동작 시점의 전후의 전압 변동 또는 전력 변동으로부터 CVR Factor를 계산하고, 상기 동작 시점 수간의 전압 변화율에 대한 전력 변화율의 비를 이용해 CVR Factor를 추정하는 전압 제어 장치.
- 제1 항에 있어서,
전력계통의 선로에 의한 전력 손실량을 산출하는 전력손실 예측부를 포함하고,
CVR에 의한 전압 강하로 인한 전력 절감은 상기 목표 전압으로의 전압 강하, 및 상기 CVR Factor 를 곱하여 산출되며,
상기 목표 전압으로의 전압 강하는 상기 전력손실 예측부의 선로 전력 손실량을 반영하여 결정되는 전압 제어 장치.
- 삭제
- 제1 항에 있어서,
상기 특정 조건에는, 전압차(ΔV) 또는 전력차(ΔP)가 양수 또는 음수인지, 전압차(ΔV) 또는 전력차(ΔP)가 기설정된 최소값(min_P, min_V), 최대값(max_P) 등의 범위를 만족하는지, 부하별 보존전압조정계수(CVRf)가 상한값(max_CVRf) 또는 하한값(min_CVRf)의 범위를 만족하는지 중 적어도 하나가 포함되는 전압 제어 장치.
- 삭제
- 제1 항에 있어서,
상기 CVR Factor의 부하 상태에 따른 추정은 부하별 가동 상태, 부하별 출력량 및 부하별 부하량(전력 소비량) 중 적어도 하나에 따라 CVR Factor를 추정하는 것인 전압 제어 장치.
- 제1 항에 있어서,
상기 CVR Factor의 대표값에 따른 추정은, 측정 시기에 따라 추정된 CVR Factor, 또는 부하 상태에 따라 추정된 CVR Factor으로부터 최근값을 채택하거나, 평균하여, 각 부하별 또는 각 전압 조정 모듈별 CVR Factor의 대표값을 추정하는 것인 전압 제어 장치.
- 제1 항에 있어서,
상기 CVR Factor 산출부는, 추정된 부하별 CVR Factor를 이용해, 전압 조정 대상이되는 상기 전압 조정 모듈의 목표 전압 산출시 이용되는 CVR Factor 대표값을 산출하고,
상기 전압 조정 모듈의 CVR Factor 대표값은 상기 전압 조정 모듈의 하류에 위치하는 부하별 CVR Factor를 이용하여 산출되는 전압 제어 장치.
- 제1 항에 있어서,
상기 CVR Factor 산출부에 의한 부하별 또는 전압 조정 모듈별 보존전압강하계수(CVR Factor)는, 각 부하별 또는 각 전압 조정 모듈별 특성이 반영된 상수로 추정되는 전압 제어 장치.
- 부하에 공급되거나, 부하로부터 역전송되는 전압을 조정하는 전압 조정 모듈의 전력 데이터가 데이터 수집부로 전송되는 데이터 수집 단계;
상기 전압 조정 모듈이 조정될 목표 전압을 산출하고, 부하별 CVR Factor 수집 및 저장하는 단계를 포함하는 목표 전압 산출 단계;
협조 제어부가 상기 전압 조정 모듈을 목표 전압으로 제어하거나, 상기 전압 조정 모듈에 상기 목표 전압을 하달하는 전압 제어 단계; 를 포함하고,
상기 목표 전압은 보존전압강하계수(CVR Factor, Conservation Voltage Reduction Factor)를 이용해 보존 전압 강하(CVR, conservation voltage reduction)에 의한 전압 강하를 반영하여 산출되며,
상기 CVR Factor는 측정 시기, 부하 상태, 및 대표값 중 적어도 하나에 의해 추정 방법을 달리하고,
상기 부하별 CVR Factor 수집 및 저장하는 단계는 측정 시기에 따른 구분 단계를 포함하고,
상기 측정 시기에 따른 구분 단계는, 전압이나 전력을 포함하는 전력 데이터에 대한 특정 조건을 만족하는 제1 경우, 또는 상기 전압 조정 모듈이 동작하는 시각에 따라 부하별 CVR Factor가 산출되는 제2 경우를 포함하며,
상기 제1 경우에서, 상기 CVR Factor 산출부는 데이터 수집부에 수집된 상기 전압 조정 모듈의 전력 데이터로부터 특정 조건을 만족하는 시점의 전후의 전압 또는 전력 변동으로부터 CVR Factor를 산출하며,
상기 제1 경우는 상기 전압 조정 모듈를 제어하기 어려운 상황에서 이용되며, 전압과 전력 간의 인과 관계에 대한 조건을 보완가능하고,
상기 제2 경우는 전력 데이터, 전압 데이터 등만 존재하고, 상기 전압 조정 모듈의 동작 시간을 기록한 데이터가 존재하지 않는 경우에도 활용되고,
상기 제2 경우에서, 상기 전압 조정 모듈로부터 데이터 수집부로 전송되는 데이터에는 상기 전압 조정 모듈의 동작 시점을 기록한 데이터가 포함되며,
상기 제2 경우에서, 상기 CVR Factor 산출부는, 상기 전압 조정 모듈의 동작 시점의 전후의 전압 변동 또는 전력 변동으로부터 CVR Factor를 계산하고, 상기 동작 시점 수간의 전압 변화율에 대한 전력 변화율의 비를 이용해 CVR Factor를 추정하는 전압 제어 방법.
- 제10 항에 있어서,
상기 목표 전압 산출 단계는 부하별 전압 실계측 단계를 포함하고,
상기 부하별 전압 실계측 단계는 상기 데이터 수집 단계에 대응하거나, 별도로 수행되며,
부하별 CVR Factor가 부하의 고유 특성처럼 일정 범위에서 유지되는 경우, 상기 부하별 전압 실계측 단계는 상기 데이터 수집 단계의 전력 데이터 수집과는 별도의 스캔 주기 또는 수집 주기를 가지는 전압 제어 방법.
- 제10 항에 있어서,
상기 부하별 CVR Factor 수집 및 저장 단계에서 산출되는 부하별 CVR Factor는,
전압 또는 전력에 대한 조건 부여나 상기 전압 조정 모듈의 동작 시점을 포함하는 측정 시기에 따른 추정,
부하별 가동 상태나 부하량을 포함하는 부하 상태에 따른 추정, 및
측정 시기에 따른 추정 또는 부하 상태에 따른 추정에 의한 CVR Factor를 이용한 대표값 산출 중 적어도 어느 하나에 의해 산출되거나, 또는 이들의 조합에 의해 산출되는 전압 제어 방법.
- 삭제
- 제10 항에 있어서,
상기 부하별 CVR Factor 수집 및 저장하는 단계는 부하 상태에 따른 구분 단계를 포함하고,
상기 부하 상태에 따른 구분 단계는, 부하별 가동 상태, 부하별 출력량 및 부하별 부하량(전력 소비량) 중 적어도 하나에 따라 CVR Factor를 추정하는 것을 포함하는 전압 제어 방법.
- 제10 항에 있어서,
상기 부하별 CVR Factor 수집 및 저장하는 단계는 대표값에 따른 구분 단계를 포함하고,
상기 대표값에 따른 구분 단계는, 측정 시기에 따라 추정된 CVR Factor, 또는 부하 상태에 따라 추정된 CVR Factor으로부터 최근값을 채택하거나, 평균하여, 각 부하별 또는 각 전압 조정 모듈별 CVR Factor의 대표값을 추정하는 것을 포함하는 전압 제어 방법.
- 제10 항에 있어서,
상기 부하별 CVR Factor 수집 및 저장하는 단계는 CVR Factor 대표값 산출 단계를 포함하고,
상기 CVR Factor 대표값 산출 단계는 상기 부하별 CVR Factor 수집 및 저장 단계에서 구한 부하별 CVR Factor를 이용해, 전압 조정 대상이 되는 상기 전압 조정 모듈의 목표 전압 산출시 이용되는 CVR Factor 대표값을 산출하며,
상기 CVR Factor 대표값은 상기 전압 조정 모듈의 하류에 위치하는 부하의 부하별 CVR Factor를 이용해 얻어지는 전압 제어 방법.
- 제10 항에 있어서,
상기 목표 전압 산출 단계는,
보전 전압 강하(CVR)에 의한 전압 강하를 반영한 제1 전압을 산출하는 제1 전압 산출 단계, 선로 저항에 의한 전력 손실량을 산출하는 전력손실 예측 단계, 및 상기 제1 전압에 선로 전력 손실량을 고려해 수정된 제2 전압을 산출하는 제2 전압 산출 단계 중 적어도 하나를 포함하고,
상기 부하별 CVR Factor 수집 및 저장하는 단계에서 추정된 CVR Factor는 상기 제1 전압 산출에 이용되는 전압 제어 방법.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020230068012A KR102664058B1 (ko) | 2023-05-26 | 2023-05-26 | 보존 전압 강하 계수(CVR factor)를 이용한 전압 강하시 선로 전력 손실을 고려하는 전압 제어 장치 및 전압 제어 방법 |
| US18/237,987 US20240393814A1 (en) | 2023-05-26 | 2023-08-25 | Voltage control device and method considering line power loss in voltage drop using cvr factor |
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|---|---|---|---|
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- 2023-05-26 KR KR1020230068012A patent/KR102664058B1/ko active Active
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