월간전기

최근 통신 기술과 디지털 기술의 발전으로 다양한 정보가 디지털화됨에 따라 변전소에서도 기기의 상태 정보를 취득하고 이를 활용한 새로운 운용·보수를 모색하고 있다. 고도화되는 디지털 기술을 이용하여 설비를 안정적으로 운용하고, 변전소의 제공 가치를 높이는 ‘변전소 IoT 감시 기술’의 현재와 장래 전망에 대해 알아본다.

전력 인프라 설비를 둘러싼 환경은 날로 심해지는 자연재해에 대응(회복탄력성 향상)하고, 새로운 송배전망 요금 제도의 도입(revenue cap 제도 등), 기후변화 해결(탄소중립)처럼 끊임없이 변하고 있다. 이러한 상황에서 전력 인프라 사업자는 안정적인 전력 공급, 저렴한 가격, 탈탄소를 달성하고자 기존 전력 인프라 설비를 차세대로 전환하여 변혁을 꾀하며 설비 운용의 고도화를 목표로 하고 있다.

발전소에서 만들어진 전력은 긴 거리, 넓은 구역을 지나 일반 가정과 공장 같은 수요가에 도착한다. 이때 전력 수송을 담당하는 것이 전력 인프라 설비다. 양질의 전력을 안정적으로 수요가에 보내기 위해, 전력 인프라 설비는 365일 24시간 늘 감시·제어되고 있다.

[그림 1]은 전력 인프라 설비의 모식도로, 크게 발전소/송전선/변전소/배전선/수요가 설비로 구성된다. 본고에서는 변전소에서 이루어지는 ‘감시·제어’ 기능에 대해 알아본다.

변전소의 감시·제어 기능은 멀리 떨어져 있는 급전·제어소 또는 변전소 현지의 직원이 변전소에 설치된 전력 설비의 개폐 상태와 고장 발생 상황, 전력 계통 상태를 감시하고 기기를 조작하기 위한 기능이다. 감시 기능에는 크게 다음과 같은 세 가지 기능이 있다.

① 상태 표시 기능 : 변전소에 설치된 개폐 설비의 개폐 상태를 감시하는 기능으로, 변전소의 운전 상태를 직원이 파악해 일상 운전 조작 및 사고 시 상황 이해, 복구 대응에 필요하다.

② 고장 표시 기능 : 변전소에서 일어나는 설비 이상을 표시하는 기능으로, 운전 개소에서 전력 계통의 이상을 조기에 파악하고 복구 대응하는 데 필요하다.

③ 계측 표시 기능 : 계측 항목으로는 변전소의 전압, 전류, 주파수, 유효전력, 무효전력, 유효전력량, 무효전력량, 변압기 탭 등이 있으며, 변전소의 운전 상태를 파악하는 데 필요한 기능이다.

한편, 제어 기능은 변전소의 차단기나 단로기의 개폐 제어, 변압기의 탭 조정 같은 주회로 기기의 조작, 보호계전기의 전환 개폐기 사용·잠금 등 기기를 조작하기 위한 기능이다.

이러한 감시·제어 기능은 과거 제어 케이블로 정보를 전송했기 때문에 한 정보당 하나의 배선이 필요했다. 당시는 제어 장치와 제어 케이블의 물리적 제약으로 인해 변전소의 정보를 멀리 떨어져 있는 급전·제어소에 모두 표시하기가 어려웠다. 그러나 요즘에는 감시 제어 장치를 디지털화해, 장치 간 접속을 제어 케이블에서 광케이블이나 LAN 케이블로 바꿔 하나의 케이블에 많은 정보를 전송하는 것이 가능해졌다.

[그림 2]는 감시 제어 장치의 디지털화 개념도다. 감시 제어 장치의 디지털화로 멀리 떨어져 있는 급전·제어소에 전송할 수 있는 정보량이 현격히 늘어남에 따라, 고장이나 계통 사고가 발생했을 때 예전이었다면 변전소에 보수 직원이 도착한 후 확인했던 사항을 멀리 떨어진 곳에서 확인함으로써 보수 대응의 신속화 및 노동력 절감이 가능해졌다.

앞서 설명한 감시 제어 장치의 디지털화로 제어 개소에 보내는 정보는 변전 기기에 이상이 발생하고 나서 발령되는 정보가 많은데, 변전 기기에 센서를 설치하면 이상이 없는 기기의 상태도 파악할 수 있다. 기기의 상태를 항시 파악하고 그 데이터를 축적·분석함으로써 고장 전조를 감지해 갱신 기간을 최적화하는 것이다.

또한 IoT 같은 선진 기술을 활용한 스마트 보안의 실현으로 유지보수의 효율화가 가능해진다. 센싱을 이용한 디지털화를 추진하기 위해서는, 신규로 개발하는 변전 기기의 경우 상태 정보를 취득할 수 있도록 센서 내장을 기본으로 하고, 이미 있는 기기에는 부착이 가능한 센서를 선정해 설치하는 것이 유용하다. 센서로 얻은 데이터는 센싱 네트워크를 통해 상위 전송함으로써 일괄 관리하고, 집중화 진단 알고리즘을 구축해 진단 자동화·가시화를 추진할 수 있다.

개폐 장치와 변압기에 센서를 설치한 구체적인 사례를 소개한다. 신설하는 가스절연개폐장치(GIS)에 설비 상태를 상시 감시할 수 있는 센서를 부착하여 자기 진단이 가능한 스마트 기기(스마트 GIS)가 최근 도입되고 있다. [표 1]은 스마트 GIS의 감시 항목과 센서 종류, [그림 3]은 센서 부착 사례를 나타낸 것이다.

[그림 4]는 GCB 접점 소모량을 평가하는 스트로크 센서의 데이터 취득 사례를 나타낸 것이다. 교류 클램프 CT를 사용해 주회로의 차단 전류를 계측하고, 조작 스트로크에서 아크 시간을 구해 에너지로 환산하면, 누적 접점 소모량을 산출해 아크 접점의 잔여 수명을 평가할 수 있다.

여러 센서로 취득한 데이터는 기기 근처에 설치된 SIU(Sensor Interface Unit)에 일단 집약되고, 상위 시스템에서 데이터 집적·분석용 데이터베이스(DB)에 보관되어, 개폐 조작 때마다 진단 알고리즘으로 이상 유무를 판단할 수 있다. 이로써 현지에서 점검해야 할 항목을 줄여 점검을 효율화하는 동시에, 고장 전조 판단의 고도화로 설비에 생기는 문제를 극소화할 수 있다.

[그림 5]는 일본 지바현의 인자이 변전소에 275kV 스마트 GIS와 SIU를 설치한 모습이다. 해당 변전소에서는 가스절연변압기(GIT)에 센서를 부착한 스마트 GIT도 도입하고 있다. [표 2]는 스마트 GIT의 감시 항목과 센서 종류, [그림 6]은 센서 부착 사례를 나타낸 것이다.

스마트 GIT의 데이터 활용 사례로 ‘가스 누설 진단’에 대해 소개한다. 가스 누설 진단은 탱크 내 가스량을 산출해 평가한다. [그림 7]은 가스 누설 판정 방법의 개요를 나타낸 것이다. 가스량을 가스 압력과 가스 온도로 산출해 누설률(leak rate)을 판정하면 가스 누설을 조기에 발견할 수 있다.

① 단기적 전개 : 예전에는 현장에 출동해서 순찰 업무와 점검 업무를 했지만, 이제는 출동이 필요 없어져 노동력이 절감된다. 또한 이상 징후, 열화 상태를 조기에 파악해 설비 유지보수의 고도화·합리화·최적화가 가능하다.

② 중기적 전개 : 데이터 수집부터 AI를 통한 고장 예측, 점검·보수 지시, CBM(Condition Based Maintenance, 상태 기반 유지보수)과 RCM(Reliability Centered Maintenance, 신뢰성 중심 유지보수)이 가능하며, O&M(Operation & Maintenance) 비용 절감과 설비 수명 연장을 기대할 수 있다.

③ 장기적 전개 : 집약된 정보를 활용한 빅데이터로 전력 설비의 감시·예측·유지보수 대응을 더욱 고도화해 대규모 정전(블랙아웃)을 피하고, 데이터 플랫폼을 통한 신규 비즈니스를 창출하는 것이 가능하다.

▶센서 설치 방법의 표준화 검토(공사 물자 부족과 가동 중지가 어려운 설비에 대한 과제도 포함)

▶데이터 통합 후 업무 시스템이나 클라우드를 이용한 장래 자산 관리 시스템의 전체상에 부합하는 데이터 활용을 위한 가시화 및 분석 시스템 개발

특히 [그림 8]에서 보듯이, 예전에는 감시 제어 시스템(OT 시스템)에서 처리한 감시 데이터(설비 정보나 센서 정보)를 업무 시스템(IT 시스템)에 이행하면 OT 시스템이 슬림화된다. 동시에 데이터 보안 요건이 완화되어 데이터 이용의 자유도가 높아지고, 다양한 시스템이나 AI와의 연계도 가능해져 디지털 트윈(DT), 데이터 기반의 업무 변혁, 송배전 업무의 비즈니스 모델 변혁, 새로운 사업 창출과 더불어 디지털 트랜스포메이션(DX) 추진도 가능해질 것으로 기대된다.