2.2 이동형 시험장비의 운영시스템 개발
MOTES의 운영시스템인 MOS는 시험장비 및 현장 ESS 설비와 필요한 입/출력 신호를 송수신하고 ESS 성능평가와 관련된 시험항목 절차를 자동으로
진행하는 역할을 한다
(2). MOS를 통해 자동화할 ESS 성능시험 항목은, FAT, SAT의 ESS 인증시험, 매년 실시하는 성능시험(SAT 일부 항목), 한전의 FR ESS
시험절차 및 SGSF, KBIA의 단체표준을 분석하여
표 1과 같이 선정하였다. 또한, 각 시험항목별 필요한 시험장비 및 계측장비를 함께 나타내었다. 여기에서, Grid는 Grid Simulator, Megger는
절연저항계, PQM은 전력품질분석기, SCOPE는 오실로스코프, RLC는 모의부하장치를 의미한다. DC Sim.은 이동형 시험장비에 포함되지는 않으나
이상적인 운영시스템을 개발하기 위해 고려하였다.
표 1. MOS의 자동화 시험항목
Table 1. Automation Test Items of MOS
No
|
Test Items
|
Devices
|
Testing
|
Measuring
|
1
|
Insulation Resistance
|
Megger
|
Megger
|
2
|
Dielectric strength
|
3
|
Leakage current
|
4
|
(PCS DC) Abnormal Volt. Protection
|
DC Sim.
|
PQM, SCOPE
|
5
|
(PCS AC) Abnormal Volt. Protection
|
Grid
|
6
|
Abnormal Freq. Protection
|
7
|
Anti-Islanding Protection
|
Grid, RLC
|
8
|
PCS Inrush Current Protection
|
Grid
|
SCOPE
|
9
|
PCS Over-current Protection
|
10
|
BAT. Over-current Protection
|
11
|
Prevention of Putting in a certain time after Power-up
|
12
|
Instantaneous Outage/Drop of System Volt.
|
13
|
AC Volt. and Freq. Tracking Range
|
14
|
Efficiency test
|
DC Sim.
|
PQM
|
15
|
Power Factor test
|
Grid
|
16
|
AC Output Current Distortion Factor
|
17
|
Sudden Change of System Volt.
|
SCOPE
|
18
|
Sudden Change of System Volt. Phase
|
19
|
BAT. Overcharging/discharging Protection
|
PQM
|
20
|
Round Trip
|
21
|
ESS Response speed
|
MOS
|
SCOPE
|
2.2.1 MOS 기본제어전략 개발
ESS SAT 성능시험 자동 수행을 위한 MOS 기본제어전략은
그림. 3에 나타내었으며, 크게 ‘시험 준비’, ‘시험수행’, ‘결과분석’의 3단계로 나눌 수 있다. 각 세부 단계의 기능은 다음과 같다.
그림. 3. MOS의 기본제어전략 개요
Fig. 3. Overview of Basic Control Strategy of MOS
-(1) 단계 : MOS와 MOTES 시험장비 및 ESS 설비 간 통신상태 확인, 각 시험장비의 초기 운전상태 값을 수신하여 MOS에서의 제어(Remote
모드) 가능여부 확인
-(2) 단계 : Grid Simulator 및 PCS 개별 시험장비의 수동 제어(Local 모드)에서 Remote 모드로의 전환. Remote 모드로
전환되면, Grid Simulator의 파라미터의 값 설정, 주요 기능 실행 및 정지, PCS의 운전, 정지, 비상정지, 목표출력 설정, 과전류 보호등급
조정 등 제어권한이 MOS에 부여됨.
-(3) 단계 : 각 시험항목 수행 전 배터리의 충전상태(SOC, State of Charge) 파악하고,
표 2의 기준에 따라 배터리의 SOC가 가용범위 이내로의 유지되도록 충/방전 수행
표 2. 배터리 SOC 값에 따른 충/방전 목표출력
Table 2. Target Output Value of Battery according to SOC
Condition
|
Target Output
|
64.5(%)
BAT_SOC
65.5(%)
|
0 kW
|
50
BAT_SOC
64.5
|
500 kW
|
65.5
BAT_SOC
80
|
-500 kW
|
BAT_SOC
50
|
1,000 kW
|
BAT_SOC
80
|
-1,000 kW
|
-(4) 단계 : 각 시험항목의 절차에 따라 소기능 단위로 모듈화된 시퀀스 동작 수행
-(5) 단계 : 각 시험항목 수행 후, PCS 및 각 시험장비를 초기 상태로 복구
-(6) 단계 : 피드백 신호 연산을 통한 자동 분석, Pass/Fail 판단 알고리즘 수행 및 시험결과의 출력 기능 수행
상기 기본제어전략은
그림. 4와 같이, 기능 단위로 모듈화된 독립적인 Thread 함수들을 기반으로 구현되며 향후, 시험방법 및 설정값을 바꾸고자 하면 해당 모듈만 간단하게
수정이 가능하다.
그림. 4. Thread 함수 기반 MOS 기본제어전략
Fig. 4. Flowchart of MOS Basic Control Strategy based on Thread Function
2.2.2 기본제어전략 모의환경 구축 및 모의검증
그림. 5는 MOS를 중심으로 시험장비 및 ESS 설비와의 통신 및 전기적 연결을 다시 나타낸 것이다. 여기서, 점선은 통신 연결을, 실선은 전기적 연결을
의미한다. MOS의 운전용 콘솔(OWS, Operation Workstation)은 MOS 내 제어기(PLC, Programmable Logic Controller)와
1대 1로 통신하여 PLC을 통해 시험장비의 제어신호를 송신하고, 시험장비로부터 상태정보를 수신하여 모니터링을, 계측장비로부터 필요한 데이터를 수신하여
결과분석을 수행한다.
그림. 5. MOS와 MOTES 및 ESS 간 연계도
Fig. 5. Connection between MOS and MOTES and ESS
그림. 6은 MOS 기본제어전략을 구현하고 모의검증하기 위한 시뮬레이션 환경을 나타낸 것이다.
그림. 5에 나타낸 실제 시험장비 및 ESS 설비를 각각 독립적인 동작이 가능하도록 Multi Thread 함수 기반으로 구현하였다. 여기서, PQM(100msec)을
제외한 모든 모델은 20msec 주기로 연산을 수행한다. 실제 설비 간 전기적인 연결 부분은 모델 간의 파라미터 공유로 대체할 수 있으며, 각 모델의
정격, 보호등급 등 운전특성 파라미터는 FR용 ESS 제작사의 규격을 기준으로 설정하였다.
그림. 6. MOS 시뮬레이션 환경 구성
Fig. 6. Simulation Environment for MOS
-통신부(Communication Module) : PLC와 같이, 각 시험장비 모델과의 I/O 인터페이스 역할 담당
-시험부(Test Module) : OWS와 같이, 통신부의 제어명령 송신 및 계측데이터 수집을 통해 시험절차의 자동 수행 담당
-운전부(UI Module) : 시험장비 상태 및 시험진행 상황 모니터링 담당
-보호부(Protection Module) : 실시간 전체 시스템의 상태 확인 및 보호기능 수행
모의환경은 실제 외부시스템 간에 통신이 아니기 때문에, 실제와 근사하게 I/O 통신맵에 정의한 Address 변수를 사용하여, 프로그램 내부의 각
모듈 간에 내부적인 데이터 송·수신을 모의하였고, 각 모듈의 내부에서는 Input/Output/ Status 변수를 사용하여, 알고리즘 연산을 수행하도록
구현하였다. 표 2에 나타낸 각각의 모든 자동화 시험항목에 대한 기본제어전략을 구현하고 모의검증을 수행하였다.
그림. 7은 ‘PCS 직류측 이상전압 보호기능’시험에서 ‘과전압 보호등급 측정’을 수행한 운전기록을 나타낸 것이다. MOS는 먼저 정상적으로 DC simulator
모델에 DC 전압 목표값으로 1,224V를 설정하고, 초당 전압을 일정하게 증가시키는 Ramp Rate 제어방식을 통해 목표값까지 5V씩 증가시켰음을
확인할 수 있다. PCS의 DC측 전압을 주기적으로 측정하여 과전압 보호등급의 95%를 초과하는 시점부터는 0.5V씩 증가시키는 제어신호를 송신하였고,
피드백 신호를 통해 정상적으로 동작함을 확인하였다.
그림. 7. 모의시험 측정 결과 : DC 과전압 보호기능 시험
Fig. 7. Simulation Measurement Result: DC Overvoltage Protection Function Test
이후, PCS의 보호동작을 감지하고,
그림. 8,
그림. 9와 같이 배열에 저장된 로깅 데이터의 분석을 통해 보호등급 측정결과를 평가하여 과전압 보호등급 측정결과가 합격기준 1,030.2V ±2%을 만족함을
확인, 최종 판단결과로 [PASS]를 출력하였다.
그림. 8. MOS 로깅데이터를 통한 시험결과 확인
Fig. 8. Check of Test Result by MOS logging data
그림. 9. 모의시험 결과 : DC 과전압 보호기능 시험
Fig. 9. Simulation Result : DC Overvoltage Protection Function Test
2.2.3 MOS 시작품 개발
그림. 10과 같이 MOS 시작품은 운전용 콘솔(워크스테이션), 유지정비용 워크스테이션, 데이터저장장치, 시각동기화 장치, 제어기, 전력측정장치, 전원공급안정장치,
무선조정시스템과 무선조정터미널 등으로 구성된다. 또한 MOS 시작품의 운영알고리즘을 검증하기 위하여, 앞서 기본제어전략 모의검증 환경과 동일하게 시험장비
및 ESS 설비의 모의모델을 포함한다
(3). 각각의 구성요소의 기능은 다음과 같다.
그림. 10. MOS 시작품 구성도
Fig. 10. Configuration of MOS Prototype
-운전용 콘솔(OWS) : MOS 시작품 운용을 위한 주 운전화면, 통신 및 시뮬레이션 파라미터 설정용 보조화면으로 구성
-모의모델 : MOS 자체 모의시험을 수행하기 위하여 Grid Simulator, 부하모의장치, PCS 및 배터리 등 ESS 설비의 모의모델로 구성되며,
실제 운전 특성을 반영하여 구현됨
-유지정비용 콘솔(EWS, Engineering Workstation): MOS 시스템 전체에 대한 고장진단 및 유지정비복구 기능
-데이터저장장치 : 구성요소들의 상태 및 계측장비로 측정된 모든 데이터의 정리, 저장, 백업, 복원 등의 기능
-시각동기화 장치 : MOS에 연계한 모든 장비의 시각을 동기화하고 모든 입출력 데이터에 시각을 부여하는 기능
-제어기(PLC) : ESS 성능시험 자동화를 위한 MOS 기본제어전략을 PLC 맞게 구현한 운영알고리즘 탑재 및 운용
-전력측정장치 : 성능시험의 결과분석 및 판단을 수행하기 위하여 필요한 전압, 전류, 전력, 위상 등의 신호 측정
-전원공급안정장치 : MOS를 이용하여 MOTES를 운용하는 동안 예기치 않은 고장이 발생하는 경우 MOS, MOTES 및 ESS를 정상적이고 안정적으로
조치하기 위하여 30분~1시간 정도의 안정적인 전력을 공급하는 기능
-무선조정시스템과 무선조정터미널 : 시험자가 시험을 진행하는 동안 ESS의 상태를 수시로 확인하면서 MOS를 원격으로 제어하고 감시할 수 있는 보조
기능
그림. 11은 운전용 콘솔에 탑재된 MOS의 주 운전화면을 나타낸다. 운전화면을 통해 수행하고자 하는 시험항목의 선택, 시험의 진행 및 비상상황 시 시험을 일시
정지하는 긴급정지, 시험장비 및 ESS 설비의 상태 또는 데이터를 실시간으로 확인할 수 있다. 또한 입력된 시험장비 및 ESS 설비의 운전범위 및
시험항목별 기준값에 따라 시험항목별 평가 결과를 확인할 수 있다.
그림. 11. MOS 시작품 주 운전화면
Fig. 11. Main Operation Screen of MOS Prototype
MOS 운전모드는 제어하는 대상이 모의모델 또는 실제 시험장비 및 ESS 설비인지에 따라, 즉 MOS와의 제어신호 및 데이터를 송수신 대상에 따라
두 개의 운전모드로 나눌 수 있는데, 하나는 실제의 시험장비 및 ESS와 연계하여 시험을 수행하는 실제(Real)모드, 다른 하나는 운전용 콘솔에
탑재된 모의모델을 기반으로 비연계된 상태에서 수행하는 시뮬레이션(Simulation)이다. 본 논문에서는 MOS 시작품 개발을 위한 모의시험으로써
비연계 시험을 수행하였다.
그림. 12. MOS 연계/비연계 시험 개념도
Fig. 12. Diagram for Connection/Non-connection Test of MOS
그림. 13,
그림. 14는 MOS의 비연계 시험을 수행하기 위해 구현된 모의모델 중 PCS 모의모델을 나타낸 것이다. 모의모델은 시험항목별 실제 장비의 동작 시퀀스에 따라
필요한 입출력 신호를 MOS PLC와 송수신하여 실제 PCS와 유사한 동작을 모의 수행한다.
그림. 13. 전체 PCS 모의모델 구현결과
Fig. 13. Overall PCS Model Implementation Result
그림. 14. PCS 모의모델의 구성요소
Fig. 14. Components of PCS Model
2.2.4 MOS 시작품 비연계 모의시험
개발한 MOS 시작품의 운전능력을 검증하기 위하여 비연계 모의시험을 수행하였으며, 전체 ESS 성능시험 자동화 항목 중 일부의 결과를
그림. 15와
그림. 16에 나타내었다.
그림. 15는 PCS 효율시험을,
그림. 16은 배터리 Round Trip 시험을 모의한 결과를 나타낸다. PCS 효율시험은 배터리를 정격출력으로 방전 또는 충전시키는 과정에서 5분 간격으로
PCS의 입출력 전력을 측정하여, 그 비를 효율로 산정하여 평가하는 시험이며, 배터리 Round Trip 시험은 정격으로 배터리를 충전(SOC 10%→90%)하고,
다시 정격방전(90%→10%) 하는 과정을 3회 반복 수행하여, 배터리의 방전에너지 용량 및 충/방전에너지의 비를 효율로 평가하는 시험이다.
그림. 16에 대한 수치적인 결과를
표 3과
표 4에 자세히 나타내었다.
그림. 15. PCS 효율시험의 수행 결과 트랜드
Fig. 15. Trend Result of PCS Efficiency Test
그림. 16. 배터리 Round Trip시험 수행 결과 트랜드
Fig. 16. Trend Result of Round Trip Test for Battery
표 3. PCS 효율시험 결과데이터
Table 3. Result Data of PCS Efficiency Test
Mode
|
no.
|
Input (MW)
|
Output (MW)
|
Efficiency (%)
|
Avg.
|
Rated Char.
|
1
|
(AC)0.9989
|
(DC)0.9501
|
95.11
|
94.97
|
2
|
(AC)1.0029
|
(DC)0.9473
|
94.46
|
3
|
(AC)0.9990
|
(DC)0.9524
|
95.34
|
Raged Disch.
|
1
|
(DC)1.0673
|
(AC)1.0199
|
95.56
|
95.89
|
2
|
(DC)1.0610
|
(AC)1.0206
|
96.19
|
3
|
(DC)1.0584
|
(AC)1.0152
|
95.92
|
Total efficiency of PCS(ηPCS) : 91.07(%)
|
표 4. 배터리 Round Trip시험 결과데이터
Table 4. Result Data of Round Trip Test for Battery
no
|
Charging E (WhIi,kWh)
|
Discharging E (WhDi,kWh)
|
1
|
800.96
|
799.89
|
2
|
801.74
|
799.84
|
3
|
801.75
|
799.89
|
Capacity (kWh)
|
799.87
|
(
)
|
Efficiency (%)
|
99.78
|
(
)
|
모의시험 수행을 통해, 기본제어전략 및 운영알고리즘을 포함한 MOS 시작품의 건전성을 확인하였다. MOS 운전용 콘솔, PLC, 각 모의모델간 통신연계
확인, 제어신호 및 데이터 송수신 기능을 검증하였고, 시험항목별 시퀀스 동작을 따라 운전됨을 확인하였다. 향후, 시작품에 적용된 모의모델과의 통신연계
방법을 실제 MOTES 시험장비 및 ESS설비와의 연계 시 적용하여 연계시험을 수행할 수 있는 기반을 마련하였다.