위상 측정 단위

Phasor measurement unit
PMU를 사용하면 비정상적인 파형 모양을 쉽게 감지할 수 있습니다.수학적으로 묘사된 파형 모양을 위상이라고 합니다.

위상측정장치(PMU)는 동기용 공통시간원을 사용하여 전기그리드 내 전기위상량(전압이나 전류 등)의 크기와 위상각을 추정하기 위해 사용되는 장치이다.시간 동기화는 일반적으로 GPS 또는 IEEE 1588 Precision Time Protocol에 의해 제공되며, 이를 통해 그리드 상의 여러 원격 지점을 실시간으로 동기화할 수 있습니다.PMU는 파형에서 샘플을 빠르게 연속적으로 캡처하고 각도 측정 및 진폭 측정으로 구성된 위상수량을 재구성할 수 있습니다.그 결과 발생하는 측정을 싱크로파저라고 합니다.이러한 시간 동기 측정은 송전망의 공급과 수요가 완전히 일치하지 않으면 주파수 불균형이 송전망에 스트레스를 줄 수 있어 [1]정전의 잠재적 원인이 될 수 있기 때문에 중요하다.

PMU를 사용하여 전력 그리드의 주파수를 측정할 수도 있습니다.일반적인 상용 PMU는 초당 최대 120개의 매우 높은 시간 분해능으로 측정을 보고할 수 있습니다.이를 통해 엔지니어는 2초 또는 4초마다 하나의 측정을 생성하는 기존의 SCADA 측정으로는 불가능했던 그리드 내 동적 이벤트를 분석할 수 있습니다.따라서 PMU는 유틸리티에 향상된 모니터링 및 제어 기능을 갖추고 있으며 전력 [2]시스템의 미래에서 가장 중요한 측정 장치 중 하나로 간주됩니다.PMU는 전용 디바이스이거나 PMU 기능을 보호 릴레이 또는 기타 디바이스에 통합할 [3]수 있습니다.

역사

1893년, 찰스 프로테우스 스타인메츠는 교류 전기의 파형의 단순화된 수학적 기술에 관한 논문을 발표했다.스타인메츠는 자신의 표현을 단계적 [4]표현이라고 불렀다.1988년 아룬 G. 파드케 박사와 제임스 S 박사에 의해 위상 측정 단위(PMU)가 발명되었다. 버지니아 공대의 Thorp, Steinmetz의 위상 계산 기술은 위성 측위 시스템이 제공하는 절대 시간 기준과 동기화된 실시간 위상 측정의 계산으로 발전했습니다.따라서 동기 위상 측정을 싱크로파저라고 합니다.PMU의 초기 프로토타입은 Virginia Tech에서 제작되었으며,[6] Macrodyne은[5] 1992년에 최초의 PMU(1690 모델)를 제작했습니다.오늘날 그것들은 상업적으로 이용 가능하다.

전력망상의 분산 에너지 자원의 증가에 수반해, 전력 흐름을 정확하게 감시하기 위해서, 보다 많은 관측 가능성과 제어 시스템이 필요합니다.지금까지는 패시브 컴포넌트를 통해 고객에게 단방향으로 전력이 공급되어 왔지만, 태양광 발전 등의 기술로 고객이 독자적인 전력을 생산할 수 있게 되어, 배전 시스템의 쌍방향 시스템으로 변화하고 있습니다.이러한 변화에 따라 – PMU 및 uPMU와 같은 고급 센서 기술을 통해 전송 및 분배 네트워크를 지속적으로 관찰해야 합니다.

간단히 말해 전력회사가 운영하는 공공 전력망은 원래 운영회사의 발전기와 발전소에서 전력을 공급받아 고객이 전력을 소비하는 배전망에 공급하도록 설계되었습니다.현재 일부 고객은 발전 장치(태양광 패널, 풍력 터빈 등)를 운영하고 있으며, 비용 절감(또는 수익 창출)을 위해 전력망에 전력을 공급하고 있습니다.지역에 따라서는, 배전망에 전력을 재공급하는 방법이 있습니다.이 프로세스로 인해 그리드에 공급되는 전력이 고객 기기가 기대하는 품질과 표준(주파수, 위상동기성, 전압 등의 메트릭을 통해 확인됨)이 되도록 전압과 전류를 측정하고 조절해야 합니다.그렇게 하지 않으면 롭 랜드리의 말처럼 "사람들의 전구가 [7]폭발하기 시작합니다."이 측정 기능은 이 장치들이 하는 일입니다.

작동

PMU는 일반적으로 사이클당 48개의 샘플 속도로 50/60Hz AC 파형(전압 및 전류)을 측정할 수 있으므로 1사이클 미만의 전압 또는 전류의 변동을 감지하는 데 효과적입니다.그러나 주파수가 50/60Hz 주변에서 또는 그 근처에서 진동하지 않으면 PMU는 이러한 파형을 정확하게 재구성할 수 없습니다.PMU로부터의 위상 측정은 아래 [8]구조를 따르는 코사인파로 구성됩니다.

이 함수의 A는 스칼라 값이며, 전압 또는 전류 크기(PMU 측정의 경우)로 가장 많이 설명됩니다.θ는 정의된 시작 위치에서의 위상 각도 오프셋이고 θ는 파형 형태의 각 주파수(보통 2µ50 라디안/초 또는 2µ60 라디안/초)입니다.대부분의 경우 PMU는 전압 크기와 위상각만 측정하며 각 주파수는 상수라고 가정합니다.이 주파수는 일정하다고 가정하기 때문에 위상 측정에서는 무시됩니다.PMU의 측정은 정현파 [8]곡선에 맞춰지는 수학적 적합 문제입니다.따라서 파형이 비 사인파일 경우 PMU는 파형의 크기를 정확하게 맞출 수 없습니다.전압 처짐 또는 고장 시 그리드 동작과 같이 파형이 정현파형이 적을수록 위상 표현은 더 나빠집니다.

PMU에 의해 감지된 아날로그 AC 파형은 각 위상에 대해 아날로그-디지털 변환기에 의해 디지털화됩니다.위상 잠금 발진기는 GPS(Global Positioning System) 기준 소스와 함께 1마이크로초의 정확도로 필요한 고속 동기 샘플링 기능을 제공합니다.단, PMU가 모두 교정되고 동시에 동작하는 한 비 GPS 참조를 포함한 여러 시간 소스를 사용할 수 있습니다.타임스탬프가 찍힌 페이저는 로컬 또는 리모트리시버에 초당 최대 120 샘플의 속도로 송신할 수 있습니다.넓은 영역에 걸쳐 시간 동기화된 측정을 볼 수 있는 것은 그리드가 전반적으로 어떻게 작동하는지 검사하고 그리드의 어떤 부분이 다른 장애의 영향을 받는지를 결정하는 데 도움이 된다.

지금까지 약 1%의 허용 오차로 전송로를 감시하기 위해 사용된 PMU는 극소수에 불과했습니다.이들은 단순히 심각한 정전사태를 방지하기 위해 설치된 더 거친 장치입니다.마이크로 동기 페이저 기술의 발명으로, 그 중 많은 것이 매우 정밀하게 전력을 감시할 수 있는 배전망에 설치되기를 바라고 있다.이러한 높은 정밀도는 시스템 가시성을 획기적으로 개선하고 스마트하고 예방적인 제어 전략을 구현할 수 있는 능력을 창출합니다.PMU는 서브스테이션에서만 필요한 것이 아니라 탭 변경 변압기, 복잡한 부하, PV 생성 [9]버스 등 네트워크의 여러 곳에서 필요합니다.

PMU는 일반적으로 전송 시스템에 사용되지만, 분배 시스템에 대한 마이크로 PMU의 효과에 대한 새로운 연구가 이루어지고 있습니다.일반적으로 전송 시스템은 배전 시스템보다 최소 한 단계 높은 전압을 가집니다(배전 전압은 12kV에서 500kV 사이, 배전 전압은 12kV 이하).즉, 측정의 정확성을 훼손하지 않고서는 전송 시스템의 정밀도가 낮아질 수 있습니다.그러나 배전 시스템은 정밀도를 높이기 위해 보다 정밀도가 필요하며, 이는 uPMU의 이점입니다. uPMU는 라인에서의 위상각 측정 오차를 ±1°에서 ±0.05°로 줄여 실제 각도 값을 [10]더 잘 표현합니다.PMU 앞에 "마이크로"라는 용어는 단순히 더 정확한 측정임을 의미합니다.

기술 개요

페이저는 전기에서 발견되는 사인파의 크기와 위상각을 모두 나타내는 복소수입니다.어느 거리에서나 동시에 발생하는 페이저 측정은 "싱크로파저"라고 불립니다."PMU"와 "싱크로파저"라는 용어는 서로 바꿔서 사용되는 것이 일반적이지만, 실제로는 두 가지 별개의 기술적 의미를 나타냅니다.싱크로파저는 미터링된 값이며 PMU는 미터링 장치입니다.일반적인 어플리케이션에서는 위상 측정 유닛은 전원 시스템네트워크에서 광범위하게 분산된 위치에서 샘플링되어 글로벌 포지셔닝 시스템(GPS) 무선 클럭의 공통 시간 소스에서 동기화됩니다.싱크로파저 테크놀로지는 시스템 오퍼레이터와 플래너가 전기 시스템 상태(다양한 포인트 이상)를 측정하고 전력 품질을 관리할 수 있는 도구를 제공합니다.

PMU는 전력 그리드의 주요 교차 위치(임계 변전소)에서 전압 및 전류를 측정하여 타임스탬프된 전압 및 전류 페이저를 정확하게 출력할 수 있습니다.이들 페이저는 진정으로 동기화되기 때문에 실시간으로 두 수량의 동기 비교가 가능합니다.이러한 비교는 주파수 변화, MW, MVAR, kVolts [clarification needed]등과 같은 시스템 조건을 평가하는 데 사용할 수 있다.모니터링되는 포인트는 시스템(그리드) 안정성의 변화를 나타내기 위해 매우 정확한 위상 각도 측정을 위해 다양한 스터디를 통해 미리 선택됩니다.페이저 데이터는 현장 또는 중앙 집중식 위치에서 페이저 데이터 콘센트레이터 기술을 사용하여 수집됩니다.그런 다음 데이터는 로컬 독립 시스템 운영자(ISO)에 의해 유지되는 지역 모니터링 시스템으로 전송됩니다.이러한 ISO는 개별 PMU 또는 최대 150 PMU로부터의 단계별 데이터를 모니터링한다. 이 모니터링은 여러 에너지 발생원(원자력, 석탄, 풍력 등)으로부터의 전력 흐름 제어를 정확하게 확립하는 수단을 제공한다.

이 테크놀로지는 기존 회선에서의 전력 흐름 증가를 가능하게 함으로써 전력 공급의 경제성을 변화시킬 가능성이 있습니다.싱크로파저 데이터를 사용하여 회선의 동적 한계치까지 전력을 흐르게 할 수 있습니다.최악의 [clarification needed]경우 한계치까지 전력을 흐르게 할 수 있습니다.싱크로파저 기술은 그리드 상의 전기 에너지 흐름에 대한 중앙 집중적이고 선별적인 제어를 확립하기 위한 새로운 프로세스를 안내할 것입니다.이러한 제어는 대규모(복수 상태) 및 교차하는 변전소의 개별 전송 선로 섹션 모두에 영향을 미칩니다.따라서 전송로의 congestion(과부하), 보호 및 제어는 ISO의 상호접속을 통해 복수 지역 규모(미국, 캐나다, 멕시코)로 향상됩니다.

페이저 네트워크

페이저 네트워크는 전기 시스템 전체에 분산된 페이저 측정 유닛(PMU), 정보를 수집하기 위한 페이저 데이터 콘센트레이터(PDC), 중앙 제어 시설의 감시 제어 및 데이터 수집(SCADA) 시스템으로 구성됩니다.이러한 네트워크는 WAMS(Wide Area Measurement Systems)에 사용되고 있습니다.WAMS는 2000년에 Bonneville Power [11]Administration에 의해 최초로 시작되었습니다.전체 네트워크를 위해서는 페이저 데이터의 샘플링 빈도 내에서 신속한 데이터 전송이 필요합니다.GPS 타임스탬프는 이론적으로 1마이크로초 이상의 동기 정밀도를 제공할 수 있습니다.싱크로파저 [12]측정을 수행하는 각 장치에 필요한 1마이크로초의 시간 기준을 제공하려면 시계가 ± 500나노초까지 정확해야 합니다.60Hz 시스템의 경우 PMU는 애플리케이션에 따라 초당 10~30개의 동기 보고서를 전송해야 합니다.PDC는 데이터를 연관시키고 PMU를 제어 및 모니터링합니다(수십에서 [13]60까지).중앙 제어 시설에서 SCADA 시스템은 시스템 내의 모든 발전기와 변전소에 대한 시스템 전체 데이터를 2~10초마다 표시합니다.

PMU는 전화 회선을 사용하여 PDC에 접속하고 PDC는 SCADA 또는 Wide Area Measurement System(WAMS)[14] 서버로 데이터를 전송합니다.또한 PMU는 데이터 전송(GPRS, UMTS)에 유비쿼터스 모바일(휴대전화) 네트워크를 사용할 수 있습니다.이것에 의해, 데이터 리포트 레이텐시의 [15][16]증가를 희생하면서, 인프라스트럭처와 도입 코스트를 삭감할 수 있습니다.그러나 도입된 데이터 지연 시간은 이러한 시스템을 R&D 측정 캠페인 및 거의 실시간 모니터링에 더 적합하게 만들고 실시간 보호 시스템에서 사용을 제한한다.

복수의 벤더의 PMU에 의해 부정확한 판독치가 출력될 수 있습니다.한 테스트에서 판독치는 47마이크로초 또는 60Hz의 1도 차이로 허용 불가능한 차이를 보였다.[17]이 문제에 대한 중국의 해결책은 자체 사양과 표준에 따라 모든 자체 PMU를 구축하여 여러 공급업체의 충돌, 표준, 프로토콜 또는 성능 [18]특성이 발생하지 않도록 하는 것이었습니다.

인스톨

일반적인 10Phasor PMU의 설치는 간단한 프로세스입니다.페이저는 3상 전압 또는 3상 전류 중 하나입니다.따라서 각 페이저는 3개의 개별 전기 연결부(상당 1개)가 필요합니다.일반적으로 전기 엔지니어는 변전소 또는 발전 플랜트에 PMU의 설치 및 상호 연결을 설계합니다.변전소 담당자는 설정된 내진 설치 요건에 따라 변전소 바닥에 장비 랙을 고정합니다.그런 다음 PMU와 모뎀 및 기타 지원 기기를 기기 랙에 설치합니다.또한 제조업체 지침에 따라 변전소 지붕에 위성 위치 확인(GPS) 안테나를 설치합니다.또한 변전소 직원이 측정할 모든 변류기(CT) 보조 회로에 "분로"를 설치합니다.PMU에는 통신 회로 연결도 필요합니다(4선 연결 [9]또는 네트워크 연결에 이더넷을 사용하는 경우 모뎀).

실장

  • Bonneville Power Administration(BPA)은 광역 감시 시스템에 싱크로파저를 포괄적으로 도입한 최초의 유틸리티입니다.이것은 2000년의 일이며, 현재는 몇 가지 실시가 진행되고 있습니다.
  • 버지니아 공대와 테네시 대학이 운영하는 FNET 프로젝트는 미국 전력망에서 싱크로파저 데이터를 수집하기 위해 약 80개의 저비용 고정밀 주파수 교란 기록기 네트워크를 사용합니다.[1]
  • 뉴욕 인디펜던트 시스템 오퍼레이터는 뉴욕주 전역에 48개의 PMU를 설치했는데, 이는 부분적으로 오하이오주와 미국 및 캐나다 [19]양쪽 지역에서 발생한 2003년 정전사태에 대응한 것이다.
  • 2006년 중국의 6개 그리드에 대한 광역감시시스템(WAMS)은 주로 500kV 및 330kV 변전소와 발전소에 300개의 PMU를 설치했다.중국은 2012년까지 모든 500kV 변전소와 300MW 이상의 모든 발전소에 PMU를 설치할 계획이다.2002년 이후 중국은 자국 기준에 따라 자체 PMU를 구축해 왔다.한 유형은 일반적인 샘플링 속도보다 높고 발전소에서 여자 전압, 여자 전류, 밸브 위치 및 전원 시스템 스태빌라이저(PSS) 출력을 보고하는 발전기의 로터 각도를 측정하는 데 사용됩니다.모든 PMU는 개인 네트워크를 통해 연결되며 샘플은 평균 [18]40밀리초 이내에 수신됩니다.
  • North American Synchropasor Initiative(NASPI)는 이전에 EIP(Eastern Interconnect Phasor Project)로 알려졌던 120개 이상의 페이저 측정 유닛을 통해 데이터를 테네시 밸리 오소리티(TVA)에 집중된 "슈퍼 페이저 데이터 컨센트레이터" 시스템으로 수집합니다.이 데이터 집중 시스템은 이제 OpenPDC로 알려진 오픈 소스 프로젝트입니다.
  • DOE는 워싱턴 주립 대학의 GridStat [2]를 포함한 여러 관련 연구 프로젝트를 후원해왔다.
  • ARPA-E는 캘리포니아 버클리 대학에서 유통 시스템용 마이크로 싱크로파저에 관한 관련 연구 프로젝트를 후원하고 있습니다.
  • 세계에서 가장 큰 광역 감시 시스템은 인도에 있습니다.URTDSM(Unified Real Time Dynamic State Measurement)은 351개의 변전소에 설치된 1,950개의 PMU로 구성되어 있으며, 29개의 주 제어 센터, 5개의 지역 제어 센터 및 2개의 국가 제어 센터에 싱크로파저 데이터를 공급합니다.[20]

적용들

  1. 스마트 그리드와 같은 전원 시스템 자동화
  2. 부하 분산 및 전력 시스템을 관리하기 위한 수요 응답 메커니즘과 같은 기타 부하 제어 기술.(즉, 실시간으로 필요한 곳에 파워를 유도)
  3. 장애를 조기에 검출해, 운용 시스템을 격리해, 정전을 방지해, 전력 그리드의 신뢰성을 향상시킵니다.
  4. 시스템 열화의 원인을 정밀하게 분석하고 자동으로 수정하여 전력 품질을 향상시킵니다.
  5. 광역 슈퍼 그리드, 지역 전송 네트워크 및 지역 배전망에서 상태 추정을 [21]통한 광역 측정 및 제어.
  6. 위상 측정 기술과 동기화된 타임스탬프는 신뢰할 수 있는 감지 기반과 같은 동기화된 암호화를 통해 보안 향상을 위해 사용할 수 있습니다.SCADA 시스템과 PMU [22]데이터 간의 데이터 검증을 통한 사이버 공격 인식
  7. 배포 상태 추정 및 모델 검증.부하, 배전선의 임피던스를 계산하고 수학적 상태 모델을 기반으로 전압 크기 및 델타 각도를 검증하는 기능.
  8. 이벤트 검출 및 분류.다양한 유형의 고장, 탭 변경, 스위칭 이벤트, 회로 보호 장치 등의 이벤트.기계 학습 및 신호 분류 방법을 사용하여 이러한 중요한 이벤트를 식별하기 위한 알고리즘을 개발할 수 있습니다.
  9. 마이크로그리드 애플리케이션 – 그리드에서 분리할 위치, 로드 및 생성 일치, [23]메인 그리드와 재동기화.

표준

IEEE 1344 싱크로파저 규격은 1995년에 완성되어 2001년에 재확인되었다.2005년에는 IEEE C37.118-2005로 대체되었으며, 이는 완전히 개정되어 전력 시스템에서 PMU 사용에 관한 문제를 다루었다.규격에는 측정 표준, 측정 정량 방법, 정확도 검증을 위한 시험 및 인증 요건, 실시간 데이터 [14]통신을 위한 데이터 전송 형식 및 프로토콜이 기술되어 있습니다.이 표준은 포괄적이지 않았다. PMU가 전력 시스템 동적 [13]활동에서 감지할 수 있는 모든 요소를 다루려고 시도하지 않았다.IEEE C37.118-2005 표준을 단계적 추정을 다루는 C37.118-1과 통신 프로토콜을 다루는 C37.118-2의 두 부분으로 분할한 새로운 버전의 표준이 2011년 12월에 발표되었습니다.또한 PMU, M - 측정 및 P - 보호의 두 가지 분류가 도입되었습니다.M 등급은 주로 정상 상태 측정을 위해 원래 2005년 표준에 준거한 성능 요건에 가깝다.P 클래스는 일부 성능 요건을 완화하여 동적 시스템 동작을 캡처하기 위한 것입니다.C37.118.1에 대한 수정은 2014년에 발표되었습니다.달성 가능하다고 간주되지 않았던 수정된 IEEE C37.118.1a-2014 PMU 성능 요건.[24]

PMU 인터페이스와 함께 사용되는 기타 표준:

  • OPC-DA / OPC-HDA — 현재 XML을 사용하여 Windows 이외의 컴퓨터에서 실행되도록 일반화되고 있는 Microsoft Windows 기반 인터페이스 프로토콜입니다.
  • IEC 61850 변전소 자동화 표준
  • BPA PDCStream : Bonneville Power Administration(BPA) PDC 및 사용자 인터페이스 [13]소프트웨어에서 사용되는 IEEE 1344의 배리언트.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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  2. ^ Yilu Liu; Lamine Mili; Jaime De La Ree; Reynaldo Francisco Nuqui; Reynaldo Francisco Nuqui (2001-07-12). "State Estimation and Voltage Security Monitoring Using Synchronized Phasor Measurement". Research Paper from Work Sponsored by American Electric Power, ABB Power T&D Company, and Tennessee Valley Authority. Virginia Polytechnic Institute and State University. CiteSeerX 10.1.1.2.7959. Simulations and field experiences suggest that PMUs can revolutionize the way power systems are monitored and controlled. However, it is perceived that costs and communication links will affect the number of PMUs to be installed in any power system.
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외부 링크

  • 【3】간단하고 저렴한 광역 주파수 측정 시스템.
  • [4] 프리 오픈소스 Phasor Data Concentrator(iPDC) 및 Linux용 PMU 시뮬레이터.
  • [5] 뉴욕 인디펜던트 시스템 오퍼레이터
  • [6] GPRS 지향 애드혹 WAM 시스템