변전소 단계 전압 조정기의 종합 솔루션: 작동 원리부터 미래 트렌드까지

1. 단계 전압 조정기의 작동 원리 및 기술 발전

단계 전압 조정기(SVR)는 현대 변전소에서 전압 조정을 담당하는 핵심 장치로, 탭 변경 메커니즘을 통해 정확한 전압 안정화를 실현합니다. 그 핵심 원리는 변압기 비율 조정에 의존하며, 전압 편차가 감지되면 모터 구동 시스템이 탭을 전환하여 와인딩 회수 비율을 조정하여 출력 전압을 조절합니다. 일반적인 SVR은 ±10% 전압 조정을 제공하며, 단계 증분은 0.625% 또는 1.25%입니다. 이는 ANSI C84.1 표준에 따른 전압 변동에 부합합니다.

1.1 단계별 조정 메커니즘

• 탭 스위칭 시스템: 모터 구동 기계식 스위치와 고체 상태 전자 스위치를 결합합니다. 전환 저항기를 사용하여 순환 전류를 제한하는 "연결 후 분리" 원칙을 활용하여 끊김 없는 전력 공급을 보장합니다. 스위칭은 15-30ms 내에 완료되어 민감한 장비의 전압 하락을 방지합니다.
• 마이크로프로세서 제어 유닛: 실시간 전압 샘플링(≥100 샘플/초)을 위한 32비트 RISC 프로세서를 장착하고, DSP 기반 FFT 분석을 사용하여 기본 및 고조파 성분을 분리하여 ±0.5%의 측정 정확도를 달성합니다.

1.2 현대 디지털 제어 기술
통합 다기능 제어 모듈은 복잡한 시나리오 최적화를 가능하게 합니다:

• 자동 전압 감소(VFR): 시스템 과부하 동안 출력 전압을 줄여 4-8%의 손실을 줄입니다. 공식: Eff. VSET = VSET × (1 - %R), 여기서 %R(일반적으로 2-8%)은 감소 비율을 정의합니다. 예를 들어, 4.9% 감소된 122V 시스템은 116V를 출력합니다.
• 전압 제한: 운영 범위(예: ±5% Un)를 설정합니다. 전압 위반 시 자동으로 개입하며, 로컬/원격 연산자 또는 SCADA에 의해 재정의될 수 있습니다.
• 고장 통과: 고장(예: 전압이 70% Un으로 떨어짐) 동안 기본 규제를 유지합니다. EEPROM 저장소는 정전 후 72시간 이상 중요한 매개변수를 보존합니다.

2. 변전소 시스템 통합 솔루션

2.1 변압기 탭 제어 및 병렬 보상
전압 조정은 여러 장치의 조정된 제어가 필요합니다:

• 온로드 탭 체인저(OLTC): ±10% 범위의 주요 조정기입니다. 현대 OLTC는 실시간 데이터를 SCADA로 전송하기 위해 전자 위치 센서(±0.5% 정확도)를 사용합니다.
• 콘덴서 뱅크: 반응 전력 수요에 따라 자동으로 전환됩니다. 일반 구성: 4-8 그룹, 변압기 등급의 5-15%(예: 33kV 시스템의 경우 2-6 Mvar). 제어 전략은 전압 편차와 전력 인자(목표: 0.95-1.0)를 균형 잡아 과도한 보상을 피해야 합니다.

2.2 선로 드롭 보상 기술
장거리 피더는 분산 규제 전략을 사용합니다:

• 시리즈 보상: 10-33kV 대공선에 시리즈 커패시터를 설치하여 선로 반응의 40-70%를 보상합니다. 예: 15km 중간 지점의 2000μF 커패시터는 끝 전압을 4-8% 증가시키며, MOV 서지 아레스터로 보호됩니다.
• 선로 전압 조정기(SVR): 변전소에서 5-8km 거리에 배치됩니다. 용량: 500-1500 kVA, 범위: ±10%. 피더 종단 장치(FTU)와 통합하여 지역 자동화를 수행하여 통신 의존성을 줄입니다.

2.3 장비 구성

3. 고급 제어 전략

3.1 전통적인 9구역 제어 및 개선
전압-반응 전력 평면은 9개 구역으로 나누어 미리 정의된 작업을 트리거합니다:

• 구역 논리: 전압 한계(예: ±3% Un) 및 반응 한계(예: ±10% Qn)로 경계를 설정합니다. 예: 구역 1(낮은 전압)은 전압 증가를 트리거합니다.
• 제한 사항: 경계 진동으로 인해 장치 동작이 자주 발생(예: 구역 5에서 콘덴서 전환)하며, 다중 제약 조건 결합(예: 전압 위반 + 반응 부족)을 처리하지 못합니다.

3.2 퍼지 제어 및 동적 구역화
현대 시스템은 이러한 제한을 극복하기 위해 퍼지 논리를 채택합니다:

• 퍼지화: 전압 편차(ΔU) 및 반응 편차(ΔQ)를 퍼지 변수(예: 음수 크다부터 양수 크다까지)로 정의하며, 사다리꼴 멤버십 함수를 사용합니다.
• 규칙 기반: 81개의 퍼지 규칙이 비선형 매핑을 가능하게 합니다. 예: IF ΔU is Negative Large AND ΔQ is Zero THEN Raise Voltage.
• 동적 조정: 무거운 부하 동안 전압 데드 존을 확장(±1.5%→±3%), 장치 동작을 40-60% 줄입니다.

3.3 다중 목표 최적화
분산 에너지 통합 시나리오:

• 목표 함수:
  Min[Ploss + λ1·(Uref - Umeas)² + λ2·(Qbalance) + λ3·(Tap_change)]
  (λ: 가중 계수; Tap_change: 탭 작동 비용)
• 제약 조건:
1. 전압 안전: Umin ≤ Ui ≤ Umax
2. 장치 용량: |Qc| ≤ Qcmax
3. 일일 탭 동작: ∑|Tap_change| ≤ 8
• 알고리즘: 50개 입자를 사용하는 개선된 PSO 최적화는 <3s 내에 수렴하여 실시간 요구 사항을 충족합니다.

4. 통신 및 자동화 지원 시스템

4.1 IEC 61850 통신 아키텍처

• GOOSE 메시징: <10ms 지연으로 변전소 간 명령을 지원합니다. 조정된 전압 제어를 가능하게 하며(예: 주 변전소 명령에 대해 부 변전소는 100ms 내에 응답).
• 정보 모델링: 논리 노드(예: ATCC for tap control, CPOW for capacitors)를 정의하며, 각각 30+ 데이터 객체(예: TapPos, VoltMag)를 갖추어 플러그 앤 플레이 통합을 가능하게 합니다.

4.2 SCADA 시스템 통합

• 데이터 수집: RTU는 중요한 데이터(전압, 전류, 탭 위치)를 2초마다 샘플링하며, 전압 데이터 전송을 우선시합니다.
• 제어 기능:
1. 원격 매개변수 조정(예: VSET, %R).
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