[논문]TEO&DESA를 활용한 Auto-synchronizer의 전압 파라미터 측정에 관한 연구

신훈철; 한수경; 유준수; 조수환

doi:10.5370/kiee.2018.67.7.816

TEO&DESA를 활용한 Auto-synchronizer의 전압 파라미터 측정에 관한 연구
A Study on Measurement of Voltage Parameters using TEO&DESA in Auto-synchronizer 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.67 no.7, 2018년, pp.816 - 823

신훈철 (Dept. of Energy Grid, Sangmyung University) , 한수경 (Korea Power Exchange(KPX)) , 유준수 (Electrical Engineering System(E2S)) , 조수환 (Dept. of Electrical Engineering, Sangmyung University)

Abstract ▼ AI-Helper

The Auto-synchronizer is essential equipment for synchronizing a generator to the power system. It is performing that measurement of the magnitude, frequency and phase of the voltage signal of the power system and generator. It is important to select the appropriate measurement algorithm for preventing various problem such as mechanical stress and Electrical problem. Teager Energy Operator(TEO) and Discrete separation algorithm(DESA) is measurable the instantaneous parameters of a sine wave using 5 samples and can be measured at a fast and with a simple operation. Therefore it has many advantages in measuring the parameters. In this paper, it confirmed measurement results using matlab simulations when there are synchronized in order of frequency, magnitude. Also it presented methods using digital filters and sample intervals to improve accuracy.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

또한 TEO&DESA 알고리즘의 문제점을 해결하고 정확도 향상을 위해 개선된 알고리즘을 제시하려고 한다.
본 논문에서는 자동 동기화 장치의 측정알고리즘으로서 TEO&DESA를 이용한 파라미터 측정방법을 제시하고자 한다.

가설 설정

또한 측정 초기 발전기의 전압은 임의로 Ag = 0.94p.u, fg = 58.24Hz, θg = 22.5°으로 가정하였다.
이 때, 계통 전압에서 As = 1p.u, fs = 60Hz, θs = 30°로 가정한다.
자동 동기화 장치에서 위상의 측정 및 조정은 마지막 과정에서 이루어지기 때문에 이전에 주파수에 대한 동기화가 진행되었다고 가정할 수 있다. 즉, w₁ = w₂이므로 아래 식 (10)처럼 정리된다.

제안 방법

필터의 설계 방법은 차수 및 저지대역 리플의 감소를 위해 IIR 필터의 적용이 효율적이다. 따라서 본 논문에서는 자동동기화장치에 적용하기 위한 필터를 측정 주파수 성분에 대한 IIR 특성으로 설계된 대역 통과 필터를 사용하였으며, 최소한의 지연을 얻기 위해 2차 필터를 설계하였다.
마지막으로 제시한 TEO&DESA는 외란에 의한 오차가 발생하기 때문에 대역 통과 필터, 샘플간격을 이용한 개선된 TEO&DESA를 제시하였다.
본 논문에서는 자동동기화 장치의 개발 이전에 적합한 측정 알고리즘의 선정 및 검증을 위해 TEO&DESA 기법을 제시하고, matlab을 활용하여 시뮬레이션하였다.
이를 위해 TEO&DESA를 이용한 파라미터들의 측정 방법을 소개하고, matlab을 통해 임의로 생성된 발전기 및 모선 전압 신호에 대한 측정 시뮬레이션을 실시하였다.
자동 동기화 장치에서 TEO&DESA를 이용한 파라미터 측정을 확인하기 위해 matlab을 이용한 시뮬레이션을 실시하였다.
수동 동기화 방법은 다양한 형태로 존재하지만, 일반적으로 전압계, 램프, 동기 검정기를 활용한다. 전압계를 이용하여 발전기와 모선의 전압 크기를 비교하며, 램프는 전위차에 의해 발생하는 밝기의 깜빡임으로 주파수와 위상차를 확인한다. 램프는 주파수차이가 클수록 깜빡임의 속도가 빠르며, 위상의 차이에 의해 밝기의 정도가 다르게 나타난다.
DESA-1 기법을 사용했으며, 주파수, 크기, 위상 순으로 진행되는 동기화 과정과 유사한 시뮬레이션을 위해서 총 2가지 상황에 대하여 진행하였다. 첫째, 출력 조정 이전에 초기 전압 신호에 대한 측정과 두 번째로 특정 시간에 주파수 동기화를 통해 동일한 주파수에 도달한 후 크기 동기화가 진행될 때 각 파라미터의 측정값을 확인하였다. 위상의 경우 차단기의 병입 시간, 신호 전송 시간, 동기화 주파수에 따라 투입 시간을 조정하여 동기화를 실시하기 때문에 위상차가 0°로 수렴하는 과정은 확인할 필요 없다.
디지털 필터의 경우 형태, 설계 방법, 차단 주파수, 필터 차수 등 필터의 목적에 따라 각각 설정이 필요하다. 필터의 형태에는 저대역 통과 필터(Lowpass filter), 고대역 통과 필터(Highpass filter), 대역통과 필터(Bandpass filter), 대역 소거 필터(Bandstop filter) 등으로 분류되며, 설계 방법은 응답 특성에 따라 IIR(Infinite impulse response), FIR(Finite impulse response)으로 구별된다. 차단 주파수는 필터의 목적에 따라서 설정되며, 차수는 높을수록 지연시간이 길어지지만 이상적인 필터 형태와 유사한 출력을 얻을 수 있다.

이론/모형

자동 동기화 장치에서 TEO&DESA를 이용한 파라미터 측정을 확인하기 위해 matlab을 이용한 시뮬레이션을 실시하였다. DESA-1 기법을 사용했으며, 주파수, 크기, 위상 순으로 진행되는 동기화 과정과 유사한 시뮬레이션을 위해서 총 2가지 상황에 대하여 진행하였다. 첫째, 출력 조정 이전에 초기 전압 신호에 대한 측정과 두 번째로 특정 시간에 주파수 동기화를 통해 동일한 주파수에 도달한 후 크기 동기화가 진행될 때 각 파라미터의 측정값을 확인하였다.
전압 신호의 파라미터를 측정할 수 있는 방법 중 TEO(Teager energy operator)는 음성신호 해석을 위해 개발된 측정 기법으로, 기존의 연구에 따르면 전력분야에서는 주로 전력품질측정에 사용되고 있다[14-16]. TEO는 순간적인 크기, 주파수 및 위상의 측정값을 DESA(Discrete Energy separation algorithm)를 통해 신호의 일부를 사용하여 취득할 수 있다. 따라서 기존의 측정 방법과 다르게 순간적으로 빠른 측정이 가능하다.
TEO를 활용한 주파수 및 크기의 측정은 DESA-1, DESA-1a, DESA-2와 같은 DESA 측정 알고리즘을 통해 이루어진다. 각각의 DESA 측정 알고리즘은 샘플 개수, 외란에 대한 정확도의 차이가 존재하기 때문에 시뮬레이션을 통해 최적 기법의 선택이 필요하다.
표 3에 따르면 DESA-1a가 크기, 주파수 모두 가장 큰 평균 오차율을 가지며, DESA-1가 가장 작은 오차율을 가지는 것을 확인하였다. 따라서 노이즈 신호에 대해 DESA-1 측정 알고리즘에 가장 작은 오차를 가지므로 본 논문에서는 DESA-1을 사용하였다.

성능/효과

1%가 포함된 신호에 대해 기존 TEO&DESA 측정 결과와 개선된 알고리즘의 오차를 나타낸다. 개선된 알고리즘에서 디지털 필터는 샘플 2개의 지연이 발생하고, 샘플간격의 조정은 dn = 6 기준 30개의 샘플로 측정 주기가 증가한다. 하지만 기존 한주기 이상이 필요한 측정 알고리즘들과 비교하여 충분히 빠르며, 정확도를 향상시킬 수 있다.
01%노이즈가 포함된 전압신호를 나타나며, (b)는 각 DESA를 활용하여 측정한 주파수 결과, (c)는 크기 측정 결과를 나타낸다. 이상적인 파형에 대해서는 모든 DESA 측정 알고리즘이 정확한 값을 가지지만 그림 1과 같이 노이즈가 포함된 신호에서는 오차가 발생하며, DESA 기법에 따라 오차의 정도가 다르게 발생한다. 입력값을 의미하는 주파수 60Hz와 크기 1p.
이상적인 파형에 대해서는 모든 DESA 측정 알고리즘이 정확한 값을 가지지만 그림 1과 같이 노이즈가 포함된 신호에서는 오차가 발생하며, DESA 기법에 따라 오차의 정도가 다르게 발생한다. 입력값을 의미하는 주파수 60Hz와 크기 1p.u을 기준과의 비교를 통해 외란에 대한 DESA 별 정확도를 확인할 수 있다.
자동 동기화 장치에서 기존에 사용하는 측정방법에 비해 TEO&DESA를 이용한 파라미터 측정은 매우 빠른 측정 속도를 얻을 수 있다.
자동 동기화 장치에서의 TEO&DESA 알고리즘의 타당성을 검토하기 위해 동기화 순서에 따른 matlab 시뮬레이션을 실시하였으며, 기존의 다른 측정방법과 비교했을 때 보다 효과적인 측정이 가능함을 확인하였다.
그림 7은 전압 신호에 포함된 노이즈 비율에 따른 TEO&DESA 크기 측정값의 RMSE(Root Mean Squared Error)를 나타낸다. 최소 샘플간격 d_n = 1부터 60sample/cycle 샘플링 주파수 기준 샘플 60개(1cycle)의 측정 주기를 가지는 d_n = 12까지 결과를 확인하였다. 그림 7과 같이 샘플 간격의 증가는 측정 주기의 증가를 야기하지만 정확도가 상승함을 확인할 수 있다.
마지막으로 제시한 TEO&DESA는 외란에 의한 오차가 발생하기 때문에 대역 통과 필터, 샘플간격을 이용한 개선된 TEO&DESA를 제시하였다. 측정 결과에 따르면 기존 알고리즘에서 주파수 측정 RMSE는 8.9159의 값을 가지지만 개선된 알고리즘은 8.8e-4로 정확도가 향상됨을 확인하였다. 따라서 자동동기화 장치의 측정알고리즘으로서 개선된 TEO&DESA의 사용은 외란에 대한 강한 내구력, 빠른 측정 속도, 높은 정확도로 전압, 주파수, 위상의 측정이 가능할 것으로 예상된다.
두 번째 시뮬레이션은 그림 3과 같이 실시하였으며, 동기화 순서에 따라 약 8msec에 주파수 동기화 진행 후 약 20msec에 크기 동기화가 진행될 때의 측정 결과를 의미한다. 측정 결과에 따르면 주파수가 조정되는 과정에서 크기 및 위상의 측정값의 변동이 존재하지 않으며, 크기에 대해서도 다른 파라미터에 영향을 미치지 않는다. 위상의 경우 주파수 동기화 과정에서 계통 주파수와 유사한 값을 가질수록 변화량이 감소하여 동기화 시 값이 유지되는 것을 확인할 수 있다.
그림 2는 초기 설정 값들을 유지할 경우 각 파라미터의 측정 결과를 의미한다. 측정값 모두 지연없이 첫 측정값부터 정확한 측정이 가능하며, 위상의 경우 주파수 차에 의해 점차적으로 증가함을 확인할 수 있다.
1초 동안 측정된 결과의 평균 오차율은 표 3과 같다. 표 3에 따르면 DESA-1a가 크기, 주파수 모두 가장 큰 평균 오차율을 가지며, DESA-1가 가장 작은 오차율을 가지는 것을 확인하였다. 따라서 노이즈 신호에 대해 DESA-1 측정 알고리즘에 가장 작은 오차를 가지므로 본 논문에서는 DESA-1을 사용하였다.

후속연구

따라서 자동동기화 장치의 측정알고리즘으로서 개선된 TEO&DESA의 사용은 외란에 대한 강한 내구력, 빠른 측정 속도, 높은 정확도로 전압, 주파수, 위상의 측정이 가능할 것으로 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	주파수 조정 시 크기 및 위상의 정확한 측정이 불가능한 이유는 무엇인가?	일반적으로 사용되는 주파수 영역에서의 측정 방법은 측정 주파수에 의존적이므로, 주파수의 변화는 기준주파수와의 차이의 변화를 유발한다. 즉, 누설성분의 발생으로 크기 및 위상의 측정값에 영향을 미친다. 따라서 주파수 조정 시 크기 및 위상의 정확한 측정이 불가능하다.
	동기화란 무엇인가?	운영 중인 계통에 대한 발전기의 병입은 모선과 발전기의 각상별 두 전압신호의 동일한 크기, 주파수, 위상은 필수적이며, 병입 발전기를 조정하여 조정이 불가능한 계통과 동일한 전압을 가지도록 하는 과정을 동기화라고 한다. 이 때, 동기화 과정은 수동 동기화(Manual synchronizing)와 자동동기화(Automatic synchronizing)로 구분된다.
	자동 동기화의 장점은 무엇인가?	사람이 측정된 결과를 통해 변동 지시를 내리는 수동 동기화와 달리, 자동 동기화는 장치가 모선 및 발전기의 전압 신호를 동시에 취득하여 파라미터의 측정값을 비교하고, 오차에 따라 발전기를 제어한다. 따라서 자동 동기화는 수동 동기화에 비해 빠른 병입 속도를 가질 뿐만 아니라 정확한 측정값을 사용하여 오차의 감소로 다양한 문제의 발생 빈도를 줄일 수 있다[2].

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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