수용가 분전반용 수요 반응 장치{ Power Demand Response Apparatus for Consumer's distrubution board}

본 발명은 수용가의 분전반과 주로 관련있는 기술이며 전력 계통망에 있어 공급 측인 발전, 송전, 배전의 과정과도 관련이 있다. 본 발명은 광역의 전기 공급망에서의 전기 수급 문제로 전력예비율이 일정 이하로 떨어지는 경우 이를 전기 품질에 의도적으로 반영하였거나 자연스럽게 품질이 낮아진 전기를 공급하고 각 수용가에서는 공급되는 전기의 품질을 파악하여 그에 따라 미리 등급 지워진 분전반의 말단 분기 부하의 종류 별 우선 순위에 따라 부하의 증감과 단속을 수행하여 전체 전기계통에서 전력의 수급이 문제가 될 경우 각 수용가에서 긴급도가 낮은 전기 부하부터 수요를 단계적 순차적으로 감소 또는 차단시켜 전체 계통망의 총합의 전기 수요를 조절할 수 있게 된다.

전력 계통망에서 사고나 과다 전력의 사용으로 인해 전력 예비율이 위험수위로 떨어지는 경우 전력 공급 측에서 의도적으로 프로토콜로 정한 바에 따라 전기의 품질요소인 전압, 주파수, 왜율 기타 전기의 품질을 등급을 지워 해당 등급에 맵핑되는 품질의 전기를 수용가로 공급하는 형태로 전력예비율의 위험 수위의 정보를 브로드캐스팅으로 전달하는 방법으로 구현한다.

위험 상태 정보의 전파를 광역적으로 획일적인 수단을 통해 가능해지고 결국 전체 전력망의 전력 총 수요를 감소시켜 자동적으로 예비전력 고갈로 인한 재앙적 사태를 막는 전기 공급망을 유지하는 기술이다.

요소 기술로는 전력의 생산 공급 과정에서 전기의 품질요소를 변경시키는 기술, 수용가내의 분전반 인입되는 전기의 품질 요소를 파악하는 기술, 그리고 그 파악된 정보를 기초로 부하를 관리하는 기술 등이다.

전기가 가지는 물리적인 수치로 전압, 전류, 교류 주파수 등 기본 값과 아울러 왜율 기타 시간과 에너지량등과 연관하여 다양한 품질수치를 상정할 수 있다. 좋은 품질의 전기란 일정한 전압, 일정한 범위내의 교류 주파수, 전기 플리커가 없고 정형적인 사인파 형태를 유지하여 낮은 왜율을 보이는 것, 순간과전압, 순간전압강하, 고조파 장애와 같은 전압 외란이 없을 것을 말하고 있다.

이들 품질관련 수치는 일정한 목표 기준치를 상정하고 그에 일정한 오차범위를 가정하여 그 범주가 넘지 않도록 기술적으로 관리하나 여러 가지 이유로 인해 전기품질이 나빠지면 그 범주를 일탈하기도 한다. 가장 나쁜 전기품질적 상황은 정전, 또는 단전이며 가장 최악의 재앙적 상황은 전체 전기계통에서의 전기 수요에 전기 공급이 대응하지 못하는 과부하로 인한 전국적인 정전사태 즉 블랙아웃이 발생하는 것이다. 이를 방지하기 위해 전력회사 또는 전력거래소에서는 전기의 생산과 수요를 항상 모니터링하고 있으며 여분의 전력예비율이 유지되도록 한다.

말단 전기 수용가 측에서도 이들 품질요소는 기술적으로 쉽게 모니터링이 가능하다 기초적인 전압계나 전류계에서 비롯하여 실험실용 오실로스코프 등으로 확인가능하며 정밀계측을 위한 고가 장비도 있다. 전압, 주파수의 측정기술은 오래된 기술이며 단지 이를 쉽게 구현하는 모듈화는 얼마나 저렴한 수단을 기술적으로 제공할 수 있는가의 문제일 뿐이다.

일반 전기 수용가는 외부의 전원을 분전반을 통해 각 방의 콘센트 또는 조명 등으로 분별하여 분전하고 있다. 이들 분전은 병렬로 연결하여 동일전압이 유지되도록 하는 각 병렬로 나뉘는 분기 전원 회로는 말단의 부하의 종류에 따라 중요도를 구별하고 선택적으로 차단하는 스위치를 통해 제한적인 사용이 충분히 가능하다.

현재 분전반은 수동스위치로 각 분기 회로를 차단케 하며 과전압이나 기타 이상에 의해 자동으로 전원을 선택적으로 차단하는 안전 장치가 구현되어 있다. 이들 이미 구현된 스위치 기능에 이를 전기적으로 작동 시키는 제어용 기기를 고안하여 외부에서 원하는 순간에 또는 주어진 어떤 논리 알고리즘에 따라 자동적으로 정해진 분전 말단 부하의 분기회로를 차단하는 것은 기술적으로 난해하지 않다.

본 발명은 이와 같은 외부에서 들어오는 전기의 품질 지표를 분석하여 그 지표가 정해진 표준치에서 벗어나는 이산 정도의 시간적인 변화 패턴에 미리 프로토콜로 약속한 대응 응급지수를 상정하고 그 응급지수에 맞추어 전기가 인입되는 지를 파악한다. 파악 결과에 따라 사전에 중요도가 정해진 분전되는 각 분기 회로를 자동으로 선택적으로 우선 순위 별로 단계적으로 차단하거나 다시 재 연결한다.

전력예비율이 일정 수준 이하로 떨어지는 경우 이를 위험등급으로 나누어 일부러 공급하는 전기의 발전, 송전, 배전 등 전력계통의 각 단계에서 의도적으로 표준 기준치에서 일정 범위 떨어진 전압, 주파수, 왜율 기타 전기품질의 전기를 생산, 가공하여 공급하는 것은 어렵지 않다. 이론적으로는 낮은 전압은 별도의 부하나, 부가적인 변압장치의 선택적인 작동, 발전터빈의 회전속도의 자동제어 목표치의 변경등 기술적인 방안이 불가능하지 않다.

최종적으로는 전체 전기계통에 있어 전력공급보다 전력수요가 초과하여 전력예비율이 일정범위 이하로 떨어져서 선택적인 단전을 실시하거나 또는 전체 전력계통의 전기 품질이 사용 수준 이하로 떨어져서 대규모의 정전이 되는 블랙아웃 상황이 발생하는 것을 막기 위한 것이며 현재 블랙아웃을 방지하기 위해 전력예비율을 일정수준 이상 확보하려 실제 필요 전력보다 더 많은 예비 전력을 생산하기 위해 지불하는 발전 연료비의 절감을 위한 것이다.

전력 계통망에서의 전력 수급 상태의 위험 정도 정보를 획일적이고 경제적인 방법으로 각 수용가에 전파하고 수용가 측에서는 그 방법에 맞춰 전달된 정보에 따라 수용가 내의 전력 수요를 적절히 우선 순위 별 단계적으로 자동적으로 조절하는 수단을 확보하는 것이다.

건물 전체에 일괄적인 적용을 위해서는 분전반 수준에서 말단 분기 부하를 중요도의 등급을 사전에 정해 놓고 인입되는 전기에서 추출한 전체 전력망에서의 전력 상태 정보에 기초하여 자기 부하를 적절하게 조절 또는 단속하는 것이다.

전기공급자는 공급하는 전기의 품질관련 지표에 정해진 기준치에서 조금 이탈시킨 전기를 이탈 정도의 고저의 시간적인 변화 추이를 일정하게 미리 정해진 프로토콜 규약상의 패턴대로 수용가에 공급하면 각 수용가에서 분전반 수준에서 하위 분기회로 단위로 또는 부하를 사용하는 전기기기 수준에서 이를 분석하여 자기에게 부여된 중요도에 따라 부하를 조절한다.

전기 품질 기준은 전기의 생산, 송전, 배전 등의 계통적 과정을 거처 일반 수용가에는 나라마다 다르겠지만 대한민국의 경우는 2011년 9월 현재 전기사업법 시행규칙에 의거하여 대표적으로 전기의 기본 주파수 파형의 경우 (110±6) V, (220±13) V, (380±38) V, (60±0.2)Hz의 준수를 요구하고 있다. 이를 대표적인 전기품질지수라고 한다면 전기품질지수는 일정 정해진 기준에 상하 마진을 두고 있다. 전력망으로 전체 시스템으로 구현된 전력계통에서는 특정 배전 시스템 이후에 연결된 수용가는 동일한 품질의 전기를 공급받으며 이들 품질 지수는 동일하다

의도적으로 수용가에 일정한 품질지수 예컨대 (220-10)V의 전기를 공급하는 경우 해당 수용가 군의 영역에 한정하여 브로드캐스팅의 개념으로 10이라는 특정 정보를 전달할 수 있다. 위의 상하 마진 내에 또는 그 바깥에 별도의 마진을 두어 중심값에서 이격한 정도로서 현재 전력비상 상황 단계를 해당 영역의 수용가에 일방적으로 브로드캐스팅하여 전달할 수 있다.

예를 들어 220V 수용가에 일부 마진을 두어 ±10V 범위는 정상적인 전기 공급이고 -11V는 위험단계 1단계, -12V는 위험단계 2단계, -13V는 위험단계 3단계를 일괄 고지하는 것이라고 정한다면 또는 조절 가능한 대역폭을 정해 그 대역폭 마다 위험단계 번호를 할당하고 이에 맞춘 전기를 해당 배전시스템 이후의 수용가 전체에 일괄 공급한다면 현재 전력공급의 위험단계를 쉽게 알릴 수 있다.

수용가 말단에 공급하는 전력의 품질을 얼마나 정교하게 컨트롤 할 수 있는가에 따라 더욱 정밀한 분해능으로 더 많은 식별값을 광범위하게 전달할 수 있다. 그러나 220V라는 기준치도 제어 목표치일 뿐이고 실제값은 국지적인 상황, 수급 상황에 따라 변동하는 불규칙적인 값을 나타내지만 이는 분해능의 값을 일정 구간으로 설정하여 마진을 두는 방법을 통해 충분히 특정 정보의 정확한 값을 전달할 수 있다.

보다 안전하고 정확한 정보를 전달하기 위해서 이들 전기의 물리값이 중심값에서 이격된 정도의 패턴이 시간에 따라 고저의 변화 양상을 미리 정해둔 프로토콜 규약으로 정해 그에 맞추어 그 전기 품질을 가공하여 전기를 공급하고 수용가의 분전반 또는 전기기기에서 인입되는 전기의 품질을 시간 추이에 따라 프로토콜에 기반하여 해석하여 전달 정보의 진위를 판단하여 이를 적용하거나 말거나 결정할 수도 있다.

또한 전기의 기초 주파수의 파형에 갑작스런 위상의 변동이 발생시킬 때 그 위상 변동의 크기에 어떤 정보를 맵핑하여 전송할 수도 있다. 이와 같은수단으로 전달한 정보는 수용가의 분전반에서 이 전기의 위험단계 지표를 해석하여 각 위험단계에 따라 미리 정해진 병렬로 분전된 말단 부하를 릴레이나, 퓨즈, 포토트랜지스터 등 각종 스위치기구를 이용하여 차단 또는 연결하여 수용가에서 위험단계에 따라 덜 필수적인 전원부터 선택적으로 자동으로 차단하거나 재 연결하여 광역의 전력망에서의 전력사용을 위험단계와 말단 부하의 중요도에 따라 선택적이고 단계적인 차단, 연결을 자동적으로 이루어지도록 한다.

전쟁, 발전소의 사고, 급격한 과부하등으로 야기될 수도 있는 국가적인 전기 재앙인 블랙아웃, 또는 블랙아웃을 예방하기 위한 의도된 정전의 사태를 막을 수 있다.

이는 각 수용가 내에서 중요도에 따라 우선순위가 낮은 말단부하만을 단계적으로 선택적으로 전국적으로 또는 광역적으로 차단하거나 그 부하를 조절 하는 것이 가능하기 때문이다. 이로 인해 교통시설, 병원응급시설, 보안 안보관련 전기시설, 중요 산업시설, 전산망, 아파트 승강기 등 필수 유지되어야 하는 등급이 높은 전원부하는 살려두고 중요도가 낮은 말단 부하만을 선택적으로 전국적 또는 광역적으로 자동 차단하거나 그 부하를 조절하는 공익적 효과도 가져온다.

주파수 등 기본 주파수의 전기 파형의 물리량을 일부 상승 또는 하강이라는 간단한 조작을 통해 자동적으로 모든 수용가에 브로드캐스팅으로 정보를 간편하게 전달하므로 이를 관리하는 비용 부담이 적다.

도 2는 옥내 분전반의 일부로서 본 발명이 실시된 것을 모식한 것이다.

전력회사 또는 전력거래소는 전국적인 수준에서 현재 전력공급 및 전력 수요를 모니터링하고 있다. 이를 전기모니터링중추라고 하면 전기모니터링중추는 전력의 수요 공급의 차이를 반영하는 전력예비율이 일정수준이 유지되도록 관심을 기울인다. 만약 전력예비율이 일정 수준 이하로 떨어질 경우 그 정도에 따라 위험단계를 인지하고 발전 및 송배전망 중 말단 수용가로 향하는 각 단계, 발전, 송전, 배전의 단계 중에서 수용가에 공급하는 전기의 기본 주파수 파형의 품질적인 물리값, 즉 전압 또는 주파수, 왜율, 위상 변동 등의 값이 정해진 일정 기준치에서 일정 정도 벗어난 값이 되게 또는 그 벗어난 정도가 일정한 고저의 패턴을 가지게 프로토콜로 서로 미리 약속한 바대로 만들어 전기를 생산 또는 가공하여 공급한다.

수용가 내의 분전반의 인입단에서 공급되는 전기의 품질을 판단하여 자기에게 부여된 등급과 일치하는 경우 자기가 가지는 전기 부하를 단속하는 스위치로서 본 발명은 실시된다.

전기모니터링중추에서 배전시스템으로 위험단계를 전파하는 방법 및 배전시스템에서 수용가에 정해진 위험단계정보에 맞추어 전기품질지수에 맞춘 표준 목표 기준치에서 벗어난 전기품질의 전기로 가공하는 방법은 기술적으로 다양한 방법을 동원할 수 있다.

전기품질요소의 시간적 변화 추이의 양상 별로 미리 정해둔 프로토콜을 규약하고 이에 맞추어 전기를 생산 또는 가공 변형하여 수용가에 전달하고 수용가에서는 이를 프로토콜에 맞추어 사용할 수 있다. 아울러 기초 주파수의 전기 파형의 위상변동의 발생이나 그 변동의 크기에 정보를 실어 보낸다.

본 발명이 실시된 경우 수용가에서의 분전 시 병렬로 연결되는 각 분전 말단 부하에 우선순위 등급을 매겨 관리하는 체계가 필요하다. 이를 수용가부하우선순위등급체계라고 하겠다. 즉 분전반에서 조명, 컨센트, 기타 전원으로 갈라질 때 사용하는 말단 부하의 성격에 따라 우선순위 등급을 매기고 그 컨센트에도 이를 식별하는 표식을 할 것을 추천한다. 예컨대 국방, 행정, 대중교통, 전산망, 금융, 응급실이나 국가 기간 시설 등 최우등 등급 군을 부여하여 이러한 전기품질에 따른 분전반 수준의 개폐차단을 배제할 수도 있다. 가정용 등급 군 내 순위로만 따진다면 냉장고 및 1개의 조명과 긴급응급방송청취를 위한 TV 주변 1개 콘센트에 가정용 상위 등급을 부여하고 기타의 것은 하위 등급으로 2분하여 부여하는 것을 추천한다. 빌딩이나 아파트와 같은 다중 또는 집합 건물의 경우 승강기 및 보안 관련 장비 전원, 소방장비, 피난 유도 조명등에 다수이용자등급군 중 최고등급을 부여하고 승강기로 향하는 복도 전원 및, 주차장의 차량유도를 위한 조명등에 2차적인 등급을 기타 조명 콘센트에 3차 등급을 외부 홍보용 간판 조명이나, 조경용 조명, 미관 장식을 위한 공용시설 등 부차적인 시설에 4차 등급을 부여하는 등 적절한 등급을 부여하는 것을 추천한다.

상업용 건물 또는 시설이라도 수족관이나 생물보호용 전기, 기타 전체공정에서 전기적 품질 및 단전이 막대한 피해를 가져올 시설에 대해서는 소방당국 또는 전력회사의 승인에 의해 별도로 상위 등급을 부여하는 장치를 마련한다.

다음은 수용가(300)의 분전반 수준에서 이들 배전시스템(200)에서 표준 기준치에서 의도적으로 벗어난 전기품질 또는 위상 변동이 발생한 공급 전기에 담은 위험단계정보를 판단하여 수용가부하우선순위등급체계에 따라 구별되는 각 말단 부하 중 해당 등급의 것만 선택적으로 순서대로차단 또는 재 연결을 결정하는 분전반말단부하자동컨트롤회로(320)을 살펴본다

재 연결은 등급이 변할 경우 등급이 상급인 말단 부하에 즉시 전원을 재 연결할 수도 있고 타이머를 작동시켜 미리 정해진 일정시간의 휴지기를 두고 재 연결되도록 시간을 정할 수도 있다.

분전반말단부하자동컨트롤회로(320)는 분전반(310)의 일부를 구성하며 전력계통을 따라 배전시스템(200)에서 인입된 전기를 수용가내 배선을 통해 각종 조명, 컨센트 기타 전기장비로 전기를 분배하는 과정에 개입하여 자동으로 일부 말단 부하를 차단 연결하는 기능을 수행한다.

분전반말단부하자동컨트롤회로(320)에 대해서 살펴본다. 본전반말단부하자동컨트롤회로(320)는 기존 분전반(310)에 모듈형태로 첨가가 될 수 있고 또는 분전반(310)의 기타 회로에 병합하여 일체형으로 제작될 수 있다.

기능은 외부에서 수용가로 인입되는 전기의 기본 주파수 파형의 전압 또는 주파수 등이 표준 기준치에서 얼마나 떨어진 전기품질로 들어오는지 또는 위상변동의 발생시 그 변동의 크기 또는 이들 전기의 품질의 시간적 변화 양상이 미리 프로토콜로 규약이 정해진 경우 전기품질 양상이 가지는 발전, 송배전 측 의도를 포로토콜에 맞추어 해석 확인하여 배전시스템(200) 또는 발전, 송전 시스템에서 전력회사 또는 전력거래소와 같은 전기모니터링중추에서 특정위험단계의 신호를 각 수용가로 브로드캐스팅으로 전달한 것인지를 파악하는 전기품질판단부(321)가 있고 이 판단 결과에 따라 분전반(310)의 각 분기회로를 미리 정해둔 중요도에 따라 선택적으로 순서대로 차단, 재 연결 한다.

전기품질파악부(321)는 전달된 전기의 기본 주파수 전기의 전압, 주파수, 기타 전기품질을 나타내는 물리적 상수를 기준으로 하여 일정 표준치에서 이격되는 정도 의 시간적 추이 양상을 프로토콜로 해석한 후 전기 품질에 반영된 의미를 파악한다.

위험등급대조부(322)는 전기품질파악부(321)에서 파악된 포로토콜 해석치 별로 위험등급 정보와 대조하여 실제 어떤 분기회로를 차단할지 판단한다.

기존 분전반에 스위치 형태의 차단 단속 장치에 부가하여 이를 전기적으로 단속할 수 있는 릴레이나 퓨즈, 포토트랜지스터 기타 전기적, 기계적, 광학적, 기타 물리적 신호로 제어 가능한 신호를 생성하는 스위치신호생성부(323)가 있다. 전기품질파악부(321)와 위험등급대조부(322)의 판단 결과로 스위치신호생성부(323)를 통해 선택적으로 분기회로를 차단 또는 재 연결 한다.

분전반말단부하자동컨트롤회로(320)는 분전반의 분기회로를 일정조건에 따라 차단 연결할 수 있고 차단된 경우 또는 다시 연결해도 되는 등급의 브로드캐스팅 정보가 확인된 경우에 일정 시간을 경과한 후 다시 재 연결하게 하는 등의 시간 관리용의 타이머 (324)를 둘 수 있다. 타이머(324)의 용도는 정상표준치에서 이격 된 전기품질의 오랫동안 수용가에 전달하는 것은 바람직하지 않으므로 일정시간 이내에 다시 정상 품질 기준치에 합당한 전기를 공급하더라도 이미 우선 순위가 낮아서 차단된 말단 부하가 곧바로 재 연결되지 않아 상위 등급의 전기 부하에 품질 높은 전기를 계속 공급하도록 일정시간 차단 상태를 유지하게 하기 위함이다.

분전반말단부하자동컨트롤회로(320)는 분전반(310)의 일부 구성부로서 회로의 형태로 분전반의 기성회로에 부가하여 장착될 수도 있고 회로를 모듈화한 부품의 형태나, 회로를 구성한 보드의 형태로 또는 분전반(310)과 일체형으로 제작될 수 도 있다. 분전반말단부하자동컨트롤회로(320)를 구성하는 각 구성부는 단일 전기소자 내에 병합하여 구현될 수도 있고 각 구성부가 모듈 형태로 분리되어 결합하여 구현될 수도 있고 서로 분리된 개체로 회로적으로 연결하여 구현할 수도 있다.

분전반의 분기회로는 반드시 사전에 지정된 등급에 따라 구별하여 분기하여야 하며 분전반말단부하자동컨트롤회로(320)에 의해 선택적으로 차단 연결 될 수 있도록 분전반(310)을 구성하여야 한다. 분전반(310)에 의해 분기되는 분기회로 중 등급이 높은 것은 말단 부하인 콘센트 등에 외형이나 표지 등 식별방식으로 표시하여 응급으로 전원의 일부가 차단될 경우 쉽게 상위등급의 전원으로 찾아 사용 가능토록 하면 더 편리하다. 등급이 높은 콘센트에 분기가 가능한 탭 등을 연결하는 것을 막기 위해 일정 이상의 부하가 걸리는 경우는 부하를 차단하는 기능을 둘 수도 있다.

본 발명의 결과물인 회로는 회로기판이나 전기배선으로 결합하여 실시될 수도 있고 본 회로만을 모듈화한 부품으로 구현하여 부품의 형태로 적용할 수도 있고 독립된 PCB형태의 모듈 보드의 형태로 적용할 수도 있고 공중의 전기 배선 형태로 구성할 수도 있다.

본 발명은 전기 계통망의 보호라는 공공의 안전과 낮추어진 전력예비율에 따른 발전 연료비의 절감 등 공익적 목적의 구현을 꾀하는 데 반해 빈도는 낮겠지만 위급한 특정한 상황에서 개인 사용자의 사용 의도를 무시 또는 회피하므로 소비자의 이익을 침해할 가능성이 있기 때문에 본 발명의 실시의 확대를 위해서는 공적인 제도적인 지원이 필요하고 그 방안은 다음과 같다.

V: 볼트 전압의 단위