 수요 측면에서의 전력 품질 개선 방안
에너지 계획 로드맵의 근간인 전력 품질
본 기고에서는 지속적 전력 품질 모니터링과 이를 위한 계측 장비의 중요성을 살펴보고 기술적으로 고려해야 할 사항에 대해 논의한다. 이러한 정보는 고객 시설 운영에서의 전력 품질 개선 프로세스를 시작하여 수익을 개선하고 안정성을 높일 수 있는 기반이 될 것이다. 글 슈나이더일렉트릭 이성호 매니저 전압 강하, 과도 전압, 시스템 고조파와 같은 전력 품질 문제는 생산성 저하, 장비 수리, 교체 문제로 이어지므로 건물이나 시설 관리 측면에서 수익에 큰 영향을 미칠 수 있다. 연구에 따르면 이러한 전력 품질 문제는 대부분 유틸리티에서 공급하는 전력보다는 시설 내 문제로 인해 발생하는 것으로 보인다. 따라서 시설 소유자와 관리자가 손해를 야기하는 전력 품질 문제를 사전에 밝히고 해결하면 비용을 크게 절감할 수 있다. 오늘날의 첨단 전력계측 기술은 전력 문제를 온전히 통제할 수 있도록 지역 전기 시스템을 모니터하는데 있어 새롭고 활용 가능한 옵션을 제공한다. 그러한 기술을 갖춘 미터기는 문제가 발생했을 경우 문제의 원인이나 조건을 찾는데 그치지 않고, 지속적으로 개선 방안을 찾아 적용하기 위한 데이터를 제공한다. 이는 시설 설비의 성능을 극적으로 향상시기도 한다. 전력 에너지 관리 전략과 전력 품질 미터기의 역할 놀랍게도, 에너지 프로젝트와 관련해 요구사항이 많은 기업들이 오히려 프로젝트에서 가장 중요한 부분을 생략하려고 하는 경우를 종종 본다. 많은 고객이 이미 빌딩 관리시스템(BMS: Building Management System)을 보유하고 있다는 이유로 별도로 미터기가 필요하지 않다고 생각한다. 물론 BMS도 중요하다. 그러나 성공적인 에너지 관리 프로젝트와 에너지 보안을 위해 품질 관리를 포함해 계측 기능을 갖춘 기반을 구축하는 것에 좀 더 신중한 검토가 필요하다. 일반적으로 ‘양방향 원격 검침 인프라’(AMI: Advanced Metering Infrastructure)는 건물의 사용이 시작된 후에 설치해 시범적으로 적용된다. 상업용 건물의 BMS는 대부분 임차인이 건물에 입주한 후에 시범적으로 적용된다. 그런데 이렇게 별도의 두 시스템이 필요한 이유는 무엇일까? 이 물음의 답으로 미국 주방위군 공군기지의 사례가 있다. 당시 이 기지에는 BMS 주변에 AMI를 설치하고 있었다. 이때, 기지의 에너지 관리자는 두 개의 시스템이 필요한 이유에 대해 슈나이더일렉트릭 측에 문의해왔다. 기능이 중복된다고 생각했기 때문이다. 반면, 설치 담당자는 AMI를 사용하여 BMS의 효율성을 높일 수 있을 것이라고 판단하고 있었다. 결과적으로 말하자면, 두 시스템은 중복되지 않을뿐더러 서로를 보완해줄 수 있다. 설치 담당자는 AMI 미터기로부터 수집한 정보가 해당 공군 기지의 에너지 계획을 위한 로드맵의 밑바탕이 되었다고 설명했다. 이러한 로드맵을 통해 전력 품질이 BMS의 성능에 어떻게 영향을 미치는지 파악할 수 있었기 때문에, 로드맵은 BMS를 최적의 상태로 조율하는 데 핵심적인 역할을 한다. 에너지 관리자는 수없이 BMS의 튜닝과 프로그래밍이 거듭되어도 특정한 건물에서 제대로 성능을 발휘하지 못했던 경험을 떠올렸다. 그는 AMI를 통해 전력 품질 미터기를 적용한지 하루 만에 이 문제의 진단에 필요한 정보를 얻을 수 있었다. 몇 달 후, 이 작업의 설치 담당자가 슈나이더일렉트릭에서 마련한 전력 품질 교육에 참가했다. 이 자리에서 우리는 그의 경험담을 들을 수 있었다. 그는 AMI 시스템이 BMS 시스템을 보완할 뿐만 아니라, 자신의 비즈니스에서 작업을 성공적으로 이끌어준다고 말했다. 그리고 BMS와 함께 AMI를 설치한 현장의 경우 전력 품질을 파악하지 못하는 고객보다 BMS 성능이 세 배 더 증가했다는 설명을 덧붙였다. 에너지 효율성과 두 시스템 사용에 대한 대체적인 만족도를 묻는 질문에 그는 “고객들이 항상 만족하고 있다”고 대답했다. 이처럼 전력 품질 데이터를 활용하여 BMS 시스템을 조정하고 운영하는 고객은 에너지 관련 비용을 대폭 절감하고 유지보수 문제를 크게 줄일 수 있었다. 건물에서 소비하는 에너지의 양을 파악하는 것은 매우 중요하다. BMS 또는 AMI 시스템 모두 그러한 소비를 측정할 수 있지만, 전력 품질을 파악할 수 있는 방안은 AMI가 유일하며, 이를 통해 성공적인 에너지 계획을 위한 로드맵을 마련할 수 있다. 전력 품질, 계측에서 관리까지 측정하지 않으면 관리할 수 없다. 특히 전력 품질에 있어서는 더욱 그렇다. 하지만 시설 담당자는 정확히 전력 품질의 어떤 측면을 확인하고, 어떻게 프로세스를 시작해야 할까? 설치된 장비의 부하와 그리드 공급 전력 문제는 각 장소마다 고유한 특징이 있지만, 다음에 이어질 사항들을 고려할 필요가 있다. 미국과 유럽에서 실시된 전력 품질에 대한 다수의 연구에서는 광범위하게 비용을 발생시키는 여러 공통적인 전력 품질 장애를 확인했다. 레오나르도 전력 품질 이니셔티브(Leonardo Power Quality Initiative)에 따르면, 미국 회사에서는 전압 강하 및 상승과 고조파로 인한 문제가 가장 흔히 발생하며[그림 1], 유럽 회사에서는 과도 전압과 서지, 전압 강하 및 짧은 중단 시간으로 인해 중대한 경제적 영향을 받고 있다고 밝혔다. [그림 2].  [그림 1] 가장 일반적으로 많이 발생하는 전력 품질 문제(미국) [그림 2] EU 25개국에서 경제적으로 가장 큰 영향을 주는 전력품질 장애
이러한 결과와 전 세계에서 매년 수백 건에 달하는 전력 품질 감사와 분석을 실시하며 축적된 전기 전문가의 경험을 토대로 하여, 슈나이더일렉트릭에서는 다음과 같은 전력 품질 문제를 체계적으로 모니터할 것을 권장하고 있다.
˙ Harmonics(고조파) ˙ Power factor(역률) ˙ Voltage dips and interruptions(전압 강하 및 중단) ˙ Transients(과도 전압) ˙ Imbalance: specifically in motor applications(불균형: 특히 모터 응용 분야) 그러면 어떻게 해야 이러한 문제를 모니터할 수 있을까? 한 가지 방법은 알려진 문제의 위치를 표적화하여 특정 기간 동안(예: 2주) 측정하는 방법이 있다. 그러나 이러한 단기적인 처방으로는 지정된 기간 이후에 발생하는 사고는 방지할 수 없으며, 지속적인 개선 목표를 달성하는 데에는 큰 도움이 되지 못한다. 그 대신 지속적으로 모든 장애를 감지하고 기록할 수 있는 영구적인 전력 품질 모니터링 시스템을 설치할 것을 권장한다. 지속적 모니터링으로 시스템의 전력 품질 및 지속가능성을 계속해서 향상시켜 나갈 수 있다. 지속적 개선은 단기적 전술이 아니라 전략이다. 단기간, 그리고 지속적으로 전력 품질 문제를 모니터할 수 있는 미터기는 사용량과 사용 시간만을 모니터하는 미터기보다 비용이 많이 들기 때문에 가장 핵심적인 위치에 설치해야 한다. 한 가지 좋은 방식은, 시설의 주요 서비스 시작점에 장비를 설치하는 것이다. 이 위치에서 관리자가 장비를 통해 장애의 원인이 에너지 공급에 있는지, 또는 현장에 있는지 확인할 수 있기 때문이다. 지능형 모니터링 시스템과 전력 품질 데이터 활용 방안 오늘날의 전력 품질 계측 장치는 과도 전압 및 서지부터 고조파와 전력 공급 중단에 이르는 문제에 관한 데이터를 확보할 수 있다. 그러나 그러한 가공되지 않은 데이터만으로는 시설의 전기 시스템 유지 담당자에게 도움이 되지 않을 수 있다. 임베디드 인텔리전스를 제공하는 새로운 제품으로 이러한 문제를 해결할 수 있는데, 새로운 제품은 한눈에 알아볼 수 있게 디자인된 화면 구성으로 동향과 경보를 표시하여 다양한 요구사항을 해결할 수 있다. 지속적인 전력 품질 모니터링은 장비의 최신 성능을 유지하고 시설의 지속적인 개선 노력을 지원하기 위한 최상의 방법이 될 수 있다. 새로운 화면 구성은 여러 방식으로 이러한 프로그램을 더욱 편리하게 한다. [그림 3]과 같은 트랜드 그래프를 통해 장기적이고 지속적인 여러 가지 전력 품질 장애를 명확하게 확인할 수 있다. 또한 시설 담당자는 고조파, 역률 또는 기타 잠재적인 문제 영역에서의 권장 한도가 초과되었는지 더욱 쉽게 확인할 수 있다. 전압 강하 및 상승, 과도 전압, 중단과 같은 단기 장애는 [그림 4]와 같이 다양한 통계 위젯 , 차트 및 카운터를 사용하여 스냅샷과 비슷한 방식으로 표시된다.  [그림 3] 트랜드 그래프 [그림 4] 통계 위젯과 차트, 카운터 등으로 표시되는 전력 품질 사고 분석
시설에 발생할 수 있는 전력 품질 사고 종류가 나와 있는 파이 차트 스타일 분류부터 측정된 위치의 업스트림 또는 다운스트림 사고의 영향을 비교하는 막대형 차트에 이르기까지, 이러한 화면 표시는 다양한 보기를 제공한다.
이보다 한 단계 더 발전한 그래픽 접근 방식을 적용한 모니터링 시스템의 경우 시각적 상징을 사용하여 단기 및 장기 전력 품질 문제를 표시하는 단순화된 사용자 인터페이스를 채택하고 있다[그림 5]. 이러한 애플리케이션에서 초록색은 측정된 특징에 중요한 문제가 없음을 명확하게 나타낸다. 반면 노란색과 빨간색 표시는 관련 전기 규정과 표준에 지정된 한도에 가깝거나 그러한 한도를 초과했음을 나타낸다. 초록색, 노란색, 빨간색 접근 방식은 전력 시스템 모니터링 및 유지보수 작업 담당자가 경험하는 공통적인 문제를 해결해 주는데, 담당자들이 다뤄야 할 잠재적 전력 품질 문제와 관련 지표, 적용되는 표준은 매우 광범위하다. 이러한 방법론을 통해 광범위한 분류체계를 각 전력 품질 특징에 맞게 의미 있고 이해하기 쉬운 통일된 지표로 전환할 수 있다. 새로운 시스템은 측정된 개별 특징에 대한 데이터를 0~100% 의 등급으로 통합하여 (예: 계측된 단일 연결 또는 전체 시설에 대한 보고서) 전체 전력 품질 지수를 계산할 수 있다. 현재와 미래 위해 적용 가능한 전력 품질 개선 방안 측정과 분석은 전력 품질 개선 프로그램에서 매우 중 요한 첫 번째 단계이다. 알게 된 정보를 활용하려면 확인된 문제에 대한 최상의 해결 방안이 무엇인지도 알아야 한다. 수정 조치를 적용할 수 있는 장비 옵션과, 시설의 전력 품질 성능을 향상하기 위해 지속적 개선 프로세스를 구현하는 방법에 대해 고려해야 한다. 전력 품질 문제 해결을 위한 장비 제조업체들은 컨설팅 엔지니어와 시설 관리조직이 특정 전력 품질 문제에 집중하도록 돕는 다양한 장비를 개발해 왔다. 어떤 경우에는 옵션이 상당히 제한적이거나 불만족스러우며, 다른 상황에서는 조금 더 많은 생각이 필요할 수 있다. ˙ Transients(과도 전압) 과도 전압 서지 서프레서(Transient voltage surge suppressors)는 전력 시스템에서 과도 전압 발생을 방지하기 위한 최상의 선택이다. ˙ Voltage sags and interruptions(전압 강하 및 중단) 이때 선택하는 옵션은 중단의 정도에 따라 달라질 수 있다. 중단이 불가능한 전력 공급 및 기타 에너지 저장 옵션은 단기 전압 강하 또는 중단 시 문제가 없을 수 있지만 , 정전 시간이 긴 경우 백업 발전기 또는 자가 발전 장비가 필요하다. 다른 솔루션으로 동기 전환 스위치와 에너지 저장이 포함된 동적 전압 보상 장치 등이 있다 ˙ Harmonics(고조파) 액티브 필터는 유연성, 우수한 수정 성능을 갖추고 있어 고조파 완화에 크게 도움이 된다. 다른 옵션으로는 수동 필터, 다중 펄스 변압기 또는 장비 수준에서의 고조파 수정 등이 있는데 가령 인버터에 고조파 필터링을 통합하는 방법을 사용할 수 있다. ˙ 역률 역률을 줄이려면 연결된 부하와 최대한 가까운 무효 에너지를 생성하고 네트워크에 캐패시터를 설치해야 한다. 이러한 모든 접근 방식 외에 , 이제 원격 모니터링 기능도 고객의 일반적인 요구사항이 되고 있다. 최근에는 적용된 수정 조치의 효율성을 직접 확인할 수 있는, 아래와 같은 대시보드 스타일의 인터페이스가 각광받고 있다.
 [그림 5] 단기·장기의 전력 품질 문제를 심플하게 표시한 사용자 인터페이스  [그림 6] 대시보드 스타일의 사용자 인터페이스
전력 품질 개선 프로젝트 진행 단계
전력 품질 문제를 해결하는 일은 지금까지 이미 발생한 문제에 대처하는 대응적인 프로세스라고 할 수 있다. 하지만 더욱 예방적이고, 지속적인 전력 품질 개선 프로세스를 적용하게 되면 시설 관리자는 추후 전력중단 문제가 발생할 위험을 최소화하고 운영 효율성과 장비 수명을 극대화할 수 있게 된다. 시설 관리자는 다음과 같은 단기 및 장기 조치를 통해 운영 시간, 에너지 효율 및 자산 관리 성과를 향상시킬 수 있다. ˙ 향후 수 주 이내 프로젝트 로드맵을 계획한다. 또는 민감한 부하가 있는 중요한 구역에서 전력 품질을 모니터링하는 것으로 시작할 수 있다. ˙ 향후 6 개월 이내 모니터링 결과와 그러한 결과가 장비와 설치 환경에 미치는 영향을 분석한다. 전력 품질을 개선할 수 있는 기술에 대해 평가한다. 합리적 투자로 비교적 짧은 기간 내에 긍정적인 성과를 낼 수 있는 첫 프로젝트를 선정한다. (예: 특정 장치나 프로세스에 전력 품질 장비를 즉시 구축할 기회) ˙ 향후 12 개월 이내 조직 전체로 더 광범위하게 전력 품질 관리 범위를 확대할 방법을 계획한다. 장기 인프라 통합 프로젝트를 지원하기 위해 내부 이해 관계자와 협업한다. 기술 전문가를 보유하고 세계적으로 잘 알려진 외부 서비스 조직을 찾는다.
<Energy News>
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