전력계통의 효율적인 조류해석 계산을 위한 임피던스 행렬 기반의 전력망 축소 기법 :Impedance matrix-based power grid network reduction method for efficient power-flow calculation

조해성

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자료유형: 학위논문

저자정보: 조해성 (인하대학교, 인하대학교 대학원)

지도교수: 김인수

발행연도: 2022

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이 논문의 연구 히스토리 (3)

2022

전력계통의 효율적인 조류해석 계산을 위한 임피던스 행렬 기반의 전력망 축소 기법

조해성 전기컴퓨터공학과 2022.01 학위논문

환상형 전력계통에서의 효율적인 조류해석 계산을 위한 전력망 축소 기법

조해성 , 김인수 전기학회논문지 2022.01 학술저널

2021

전력계통의 효율적인 조류해석 계산을 위한 임피던스 행렬 기반의 전력망 축소 기법

조해성 , 김법수 , 김인수 대한전기학회 학술대회 논문집 2021.07 학술대회자료

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경제 및 보안상을 고려하여 개별 전력 회사들은 거대한 상호 시스템을 구성하기 위해 연결된다. 만약 그중 특정한 곳에서 발생한 내부고장 및 이상 상태에 대해 분석하기를 원한다면 고장 발생 부분 이외의 외부시스템, 그리고 내부시스템과 외부시스템을 연결하는 연결시스템의 분석이 요구된다. 전력 시스템에서 각 모선 간의 조류를 계산하는 것은 시스템의 안정적인 운영을 위해서 필수적인 과정이다. 이는 어드미턴스 행렬(Admittance matrix)을 활용하여 계산할 수 있으며, 어드미턴스 행렬은 선로 및 변압기 데이터로부터 생성할 수 있다. 이는 옴의 법칙(Ohm’s law)에 기반을 두고 있다. 실제로 가동되는 전력 시스템 내에서 어드미턴스 행렬의 크기는 최소 100 by 100 이상 규모이다. 그러므로 내부시스템의 이상 상태를 분석하는 과정에서 내부시스템 외의 시스템들을 있는 그대로 해석한다면, 계산의 복잡도가 커진다. 전력 시스템에서의 이상 상태는 여러 가지 이유로 발생하며 과부하, 낙뢰와 같은 자연재해, 전선 간의 단락 및 전선의 단선 등이 원인이다. 이상 상태가 발생하면 정상상태와는 다른 조류가 발생하고 모선의 전압변동이 일어난다. 이는 시스템에 스트레스를 주어 비정상적인 작동을 초래한다. 심한 경우, 시스템을 구성하는 각 장비의 파괴로까지 이어질 수 있다. 고장 분석은 정상상태의 조류 및 전압을 기준으로 이상 상태 시의 변동을 감지하여 각 상황에 맞는 해결프로세스를 통해 이상 상태를 정상으로 되돌리는 걸 목표로 한다. 만약 계산의 복잡도가 커진다면 정전으로부터 고장 발생 시 고장점을 찾고 이를 해결하는 시간이 길어지게 된다. 고장 지속시간이 길어지면 고장이 일어난 지점과 직접 연결된 시스템은 물론, 인접한 시스템까지 고장의 영향이 파급될 우려가 있다. 결과적으로 같은 고장이라도 정상상태로 되돌아가는 시간이 길어짐에 따라 그 영향이 미치는 정도가 광범위해져서 심각한 상황을 일으킬 수 있다. 따라서 이런 상황을 미리 방지하기 위해 제안되는 방법은 시스템 축소를 통해 계산의 복잡도를 줄여 빠르게 고장을 해결하는 것이다. 이상 상태 발생 시, 고장과 관련된 시스템은 유지함과 동시에 그 외의 외부시스템을 합리적인 방법으로 축소한다면, 계산의 복잡도가 크게 개선되어 시스템의 안정도를 높일 수 있다.
본 논문에서는 제안된 전력망 축소 기법을 통해 전력 시스템을 축소한다면, 축소 전 기존 시스템 대비 조류해석의 계산속도가 크게 향상된다는 것을 입증한다.

For economic and security reasons, individual power companies are consolidating to form a mutual system. To analyze the abnormal conditions in the power system, it is necessary to understand the adjacent system connecting the part where the failure occurred and the outside system. Calculating the power flow between each bus is an essential process for the stable operation of the power system. The power flow between each transmission line can be calculated based on an admittance matrix and generated from transformer data. This process is calculated based on Ohm''s law. The size of the admittance matrix in a current power system is at least 100 by 100 or more. Therefore, the complexity of power flow calculation increases. Abnormal conditions of the power system occur for various reasons, such as overload, natural disasters such as lightning, short circuits between wires, and wire disconnection. When an abnormal state occurs, a different current injection and voltage fluctuations occur in the bus. This stresses the system and interferes with normal operation. In severe cases, it can lead to the destruction of each piece of equipment constituting the system. Fault analysis aims to return the abnormal state to the normal state through a solution process suitable for each situation by detecting fluctuations in the abnormal state based on the current and voltage in the normal state. If the complexity of the calculation increases, for example, when a failure occurs due to a power outage, it means that the time to find and solve the failure point is prolonged. If the failure persists, there is a concern that the impact of the failure may spread to the interconnected adjacent systems. As a result, even if it is the same failure, the impact can become serious depending on the situation. The proposed method to prevent this impact is to reduce the complexity of the calculation by reducing the system size.
This paper proves that if the power system is reduced through the proposed power grid network reduction methodology, it is possible to improve the calculation speed compared to the existing system’s power flow analysis.

#전력망 축소 #Removed bus(RB) #Maintained bus(MB)

제1장 서 론 1
1. 연구의 배경 및 필요성 1
제2장 전력망 축소에 대한 기본 이론 2
1. 조류해석 2
가. 어드미턴스 행렬(Admittance matrix) 2
나. 임피던스 행렬(Impedance matrix) 3
2. 어드미턴스 행렬 기반의 시스템 축소 방법 4
가. 축소 모델 4
나. 어드미턴스 행렬 분석 6
다. 어드미턴스 행렬 축소 8
라. 워드 등가회로(Ward equivalent) 10
3. 축소 방법의 타당성 검증 12
가. 예제 모델 12
나. 타당성 검증 15
1) 모선 9 제거 15
2) 모선 8 제거 16
3) 모선 6, 7 제거 16
4) 예제 모델의 워드 등가회로 17
4. 임피던스 행렬 기반의 시스템 축소 방법 18
가. 시스템 모델 18
나. 임피던스 행렬 생성 방법 19
1) 규칙 1 19
2) 규칙 2 19
3) 규칙 3 19
4) 규칙 4 19
다. 임피던스 행렬과 어드미턴스 행렬의 비교 20
라. 임피던스 행렬 축소 방법 22
1) 축소 모델 22
2) 축소 과정 24
제3장 새롭게 제안된 전력망 축소 기법 26
1. 새로운 전력망 축소 기법의 필요성 26
가. 어드미턴스 행렬 기반의 조류해석은 계산의 복잡도가 크다. 26
나. 실제 전력 시스템은 100 by 100 이상의 거대한 시스템이다. 26
다. 임피던스 행렬 기반의 해석은 계산 과정이 단순하다. 26
라. 임피던스 행렬을 통해 시스템을 직관적으로 이해할 수 있다. 26
2. 기본 개념(Fundamental Concept) 27
가. Removed bus(RB) 28
나. Maintained bus(MB) 28
다. Branch 28
라. Correlation coefficient(상관 계수) 28
3. 새롭게 제안된 임피던스 행렬 기반의 전력망 축소 기법 29
가. 축소 기법의 규칙 29
1) 규칙 1 29
2) 규칙 2 30
3) 규칙 3 36
4) 규칙 4 39
5) 규칙 5 45
나. 축소 기법의 순서 48
제4장 사례 연구 49
1. 예제 모델 : IEEE 30-Bus system 49
2. 축소 규칙의 적용 49
가. 규칙 1과 2 50
나. 규칙 4 50
다. 규칙 3 50
라. 규칙 5 50
3. 축소 결과 51
가. 1단계 축소 과정 : 26-bus system으로의 축소 51
나. 2단계 축소 과정 : 21-bus system으로의 축소 52
다. 3단계 축소 과정 : 19-bus system으로의 축소 54
제5장 결 론 57
감사의 글 58
참 고 문 헌 59

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