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개요 및 동향최근 들어 각종 정보화 기기들의 증가로 인하여 전력의 사용량이 증가하고, 전력품질(Power Quality)에 민감한 SMPS(Switching Mode Power Supply), 정류기, UPS, 인버터 등 비선형 부하 사용에 의해 고조파가 발생하여 기기의 이상 동작 및 산업의 피해가 유발되는 사례가 증가하고 있다. 전력품질(Power Quality)이란 사용자의 기기에 영향을 미쳐 기능의 오동작 또는 고장을 일으키는 전기적 파라미터(전압, 전류, 주파수 변동 등)를 말한다. 전력품질 문제로 인해 나타나는 현상으로는 전자 제어 계통의 비정상적인 정지, 시스템 재기동(Reboots), 전자계통의 비정상적인 고장 비율 증가, 변압기 과열, 전동기 고장, PF capacitor 고장 등이 있다. 또한 시설 및 생산공정의 자동화와 생산공정이 Batch 단위에서 연속으로 변경됨에 따라 전산장비가 각각의 생산 Line으로 분산 설치되고, 24시간 Full 가동이 요구되어 유지관리가 어려워 짐에 따라 전력품질 문제로 인한 손실비용이 급속도로 증가하는 추세이다. 특히, 민감한 전자장비 사용 및 이를 통한 제어의 증가는 전력 장애 비용을 더욱 증가시키고 있다.(<표 1> 참조)통계자료에 의하면 전력품질 문제 발생의 약 95%는 수전점 이후의 수용가에서 발생한다. 이로 인한 손실금액의 약 80%는 Utility(전력회사)에서 발생하는 문제로 인해 발생한다. Utility에서 발생하는 문제의 대부분은 순간전압강하(Sag) 또는 순간정전(Interruption)에 해당된다.전력품질 분석장치(Power Quality Meter)는 고조파 발생 및 전기/자기적 현상으로 기기의 오동작, 생산 차질, 공정 혼란 등 예기치 못한 전력품질 문제 발생으로 인한 경제적 손실을 최소화 하기 위하여 전력계통의 각 상별 전압, 전류의 크기, 위상, 주파수, 고조파 등을 계측함으로써 전력품질을 분석하고 측정하는 역할을 하여 사고 예방 진단, 보수 및 운전을 수행할 수 있도록 하는 장치이다.전력 품질(Power Quality) 요소1. 단시간 변동(Short duration variation)순간전압 변동(Interruption, Sag, Swell)으로 인한 가장 일반적인 문제는 장비 고장이다. 중요 부하를 가지고 있는 많은 산업계에서는 비록 순간적인 전압 변동으로 인한 공정 마비가 발생할지라도 공정 재가동을 위한 많은 시간이 투입되게 된다. 결과적으로 장시간 변동(Long duration variation)으로 인한 결과와 마찬가지로 산업 공정에 있어 문제를 발생시킬 수 있다.1) SAG(전압강하)전압의 실효값이 정격전압의 0.1∼0.9pu(per unit, 단위법) 상태로 0.5∼30주기 정도 발생했을 때의 상태를 Instantaneous Sag, 30주기∼3초 정도 발생했을 때 Momentary Sag, 3초∼1분 정도 지속될 때 Temporary Sag라고 한다. Sag 현상은 Battery Backup 등의 방법으로 방지할 수 없으며, 변압기, 케이블류, Switchgear, CT & PT 등은 Sag의 영향을 받지 않는다.
 2) SWELL(전압상승)전압의 실효값이 정격전압의 1.1∼1.8pu 상태로 0.5∼30주기 정도 발생했을 때의 상태를 Instantaneous Swell, 30주기∼3초 정도 발생했을 때 Momentary Swell, 3초∼1분 정도 지속될 때 Temporary Swell이라고 한다. 특히 주파수에 민감한 장비는 Swell의 영향을 심하게 받게 된다. Swell 현상의 영향을 심하게 받는 것으로는 정확한 속도장치가 필요한 장비, 컴퓨터, 전자제어 장비 등으로서 즉각적인 장애로 영향을 받는다.
 3) Interruption(정전)전압의 실효값이 0.1pu 이하 상태로 0.5주기∼3초 정도 발생했을 때의 상태를 Momentary Interruption, 3초∼1분 정도 지속될 때 Temporary Interruption 이라고 한다. Interruption은 전자제어, 컴퓨터, 회전기기 제어 등에 오동작을 발생시킬 수 있으며, 전동기 접촉의 유도성을 저하시키며, Soft Starter 등의 장비에도 영향을 줄 수 있다.2. 장시간 변동(Long duration variation)공급전압의 전압 변동이 1분 이상 지속될 때는 장비운용에 있어 문제를 발생시킬 수 있다. 대부분의 전력회사들은 공급전압의 오차를 ±5% 내에서 유지해야만 하기 때문에 과전압(Overvoltage)이나 저전압(Undervoltage) 문제는 간선(Feeder)에서는 자주 발생하지는 않는다. 그러나 간선(Feeder) 측의 부하가 무리하게 연결되어 있거나, 변압기의 탭이 잘못 설정되어 있거나, Capacitor 뱅크의 휴즈가 단락된다면 문제가 발생할 수 있다. Interruption이 계속 유지되는 원인으로는 차단기 트립, 휴즈 단락, 전력공급업체의 간선 폐쇄, 전력계통상의 기기 고장 등 다양한 원인이 있다.1) Interruption 유지Interruption 유지에 의한 주요 영향은 장비 고장이다. 단, UPS(Uninterruptable Power Supply)에 의해 보호되는 시스템이나, 다른 형태로 보호되는 에너지 저장 기기는 Interruption 유지에 의해 영향을 받지 않는다.2) Undervoltage(저전압)전압의 실효값이 정격전압의 0.8∼0.9pu인 상태로 1분 이상 지속되는 상태이다. 1분 이상 지속되는 저전압은 장비의 오동작을 야기할 수 있으며, 특히 저전압 조건에서 유도형 모터는 전류의 증가 때문에 열손실이 증가하게 된다. 또한 Capacitor 뱅크의 효과를 저감시킨다.3) Overvoltage(과전압)전압의 실효값이 정격전압의 1.1∼1.2pu 상태로 1분 이상 지속되는 상태이다. 변압기, 케이블, 모선(Bus), Switchgear, CT & PT, 회전기기류에 즉각적으로 영향을 미치지는 않으나 제품 수명을 단축시킬 수 있다. 또한 전자기기 제품에는 직접적인 고장의 원인이 된다.4) Voltage imbalance(전압 불평형)3상 전압의 불평형이 발생할 경우 Voltage imbalance라고 한다. 전압 불평형률은 다음과 같은 식으로 계산된다5) Frequency variation(주파수 변동)전력공급 업체들은 전력계통상의 주파수를 세밀하게 관리해야 한다. 전력시스템에서 주파수는 조금의 변동만으로도 발전기와 터빈에 심각한 영향을 주게 되어 큰 토크를 발생하게 된다. 주파수 변동은 자가발전 계통에서 빈번하게 발생하게 되며, 사용자가 설정한 주파수 기준상(A, B, C상)을 기준으로 측정한다.GIMAC-PQ의 구성1. GIMAC-PQ의 구조GIMAC-PQ는 배전반 도어에 매입하여 부착할 수 있는 구조이며, LCD표시창 및 LED, 각종 버튼 조작부 등으로 구성된다. 뒷면의 단자대는 착탈이 가능한 구조로 유지보수시 재결선을 할 필요가 없도록 설계되어 있다.2. GIMAC-PQ의 하드웨어CT/PT/GPT의 전류/전압/영상전압 센싱, Signal 변환 및 A/D변환부, Analog/Digital 입력부, 연산 및 Data 저장부, Digital 출력부, 통신부, 제어전원 등으로 구성되어 있다. 특히, 계측전용 CPU와 전력품질 기능을 전용으로 수행하는 DSP가 별도로 구성되어 고정밀 계측을 통한 고성능의 전력품질 분석이 가능하다. 3. BLOCK DIAGRAM
 GIMAC-PQ의 주요기능1. 전력품질(Power Quality) 기능<표 2>에 요약된 바와 같이 GIMAC-PQ는 Sag, Swell, Interruption, Undervoltage, overvoltage 등의 주요한 전력품질 기능을 보유하고 있으며, 전력품질 Fault가 발생했을 경우 Event DO, Alarm LED 출력은 물론 Event와 Fault wave로 저장이 되어 고장분석을 용이하게 한다.2. 계측 기능GIMAC-PQ는 전압, 전류, 전력, 전력량, 역율, 주파수 등의 기본적인 계측요소 외에도 위상, Demand, 고조파, THD, TDD, k-Factor 등의 다양한 계측이 가능하다. 또한 고성능의 DSP와 계측전용 CPU를 사용하여 단일량 0.2%, 복합량 0.5% 이상의 계측 정밀도를 실현하였다. 전압 및 전류의 기본파부터 제 15고조파까지 계측 및 표시가 가능하며 THD(Total Harmonics Distortion), TDD(Total Demand Distortion)은 물론 변압기 열용량 관계 계수인 k-Factor까지 표시가 가능하여 전력품질 분석을 용이하게 한다. <표3>은 GIMAC-PQ의 계측요소 및 정밀도를 보여준다.3. 데이터베이스 기능<표 4>와 같이 GIMAC-PQ는 DB기능을 가지고 있어 계측요소에 대한 최대값, 최소값, 평균값을 발생시간과 함께 저장하고 있어 전력감시시스템 구성 시 매우 편리하게 사용할 수 있다.
 GIMAC-PQ의 부가기능1. 차단기 제어GIMAC-PQ는 CB의 ON/OFF 접점 출력 및 상태입력이 가능하여 고저압 수배전반에서 VCB 또는 ACB 차단기를 제어할 수 있다. 또한 Local/Remote 전환과 통신기능을 이용해 원방에서도 통신을 통해 차단기 제어가 가능할 뿐만 아니라 차단기 동작 횟수, 운전시간이 저장되므로 유지보수에 용이하게 활용된다.2. Fault DI 상태 입력총 8개의 Digital Input을 통해 보호계전기 동작 등의 Fault 상태를 입력할 수 있으며, DI 입력 시 전면 LED 점등 및 Alarm DO 출력이 가능하다.3. Event Recording계전기 Fault 발생, 차단기 동작, DO접점 동작, 상태변화, 설정값 변경 자기진단 Error 발생, PQ Event 등의 다양한 Event 발생시 최대 256개까지 저장이 가능하다.- PQ Event : Sag, Swell, Interruption, Under voltage, Over voltage4. Fault Wave RecordingGIMAC-PQ는 Power Quality Fault 발생시 최대 60주기까지 파형데이터를 저장하고 있으며 통신을 통해 전송이 가능하다.5. Analog InputGIMAC-PQ는 2 Point의 Analog 접점 입력이 가능하여 수배전반 내부의 온도나 정류기반의 AC/DC 전압, 전류 등의 Analog Data를 계측할 수 있다.- AI 입력범위: DC 4∼20mA, ±5% at Full scale 6. 통신기능GIMAC-PQ는 범용의 MODBUS 프로토콜/RS-485 Dual(이중화) 통신을 지원하므로 통신 Network을 이중으로 구성하여 통신의 신뢰성을 높일 수 있다. 또한 정상적인 통신상태에서도 Fault 파형데이터를 별도로 전송할 수 있다.<그림 7>은 GIMAC-PQ 계통적용 예시 및 통신 Network 구성 예를 보여준다.
 결선방법<그림 8> GIMAC-PQ의 결선방법에서는 계통에 따른 CT, PT 결선방법을 보여준다. GIMAC-PQ는 1P2W, 1P2W, 3P3W, 3P4W 등 모든 계통에 적용이 가능하며, 2CT, 2PT를 이용한 결선도 가능하다. GIMAC-PQ의 정격 및 환경사양디지털 기기의 가장 큰 문제점은 외부의 노이즈나 서지 등의 영향을 받기 쉽다는 점이다. GIMAC-PQ는 국제규격인 IEC 환경규격에 적합하게 설계되어 노이즈 등 외부영향에 대해 그 신뢰성이 뛰어나다.
 기대 효과전력품질 분석장치(GIMAC-PQ)와 PQ감시시스템 도입으로 전력품질의 실시간 계측 및 이벤트, 알람을 통한 전력사고를 사전에 방지할 수 있고, 사고 발생시 그 원인과 정밀 분석 데이터를 제공함으로써 전력품질 문제의 정확한 원인 파악이 가능하다. 운전기록을 확인하여 유지보수의 필요성 여부를 결정하고, 작동 횟수나 사용시간 등을 추적하여 안전 운전의 한계점을 초과한 설비를 파악하고 필요한 사전 유지보수 작업을 실시할 수 있다. 이를 통해 최적의 비용으로 전력품질의 개선이 가능해 진다. 결국 Downtime의 단축으로 손실비용을 절감할 수 있게 된다. 또한 자동 계측 및 점검이 용이하며 이에 따른 유지보수 비용도 절감할 수 있으며, 데이터베이스를 활용하여 소비전력 예측 관리가 가능하며 전력시설 계획 및 체계적인 전력시설물 관리로 전력시설물의 수명을 연장하는 등 효과적이고 경제적인 전력시스템 관리가 가능하다.맺음말현재 국내의 전력설비들은 급속도로 전자화, 디지털화, 자동화 되어가고 있는 과정에 있다. 산업계통에서 전자화가 많이 진행될수록 SMPS(Switching Mode Power Supply) 등 전력품질에 대해 영향을 주는 요인들도 증가되게 된다. 이에 따라 개요 부분에서도 언급을 하였듯이 전력품질 문제로 인한 경제적 손실도 기하급수적으로 증가하고 있다. 그러나 국내 시장은 전력품질의 중요성에 대해 아직 인지도가 낮은 편이다. 일부 주요 전력시설 등에 전력품질 시스템이 적용이 되고 있지만 아직 초기단계라고 할 수 있다. 그마저도 고가의 수입제품이 주로 사용되고 있어 경제적인 부담이 만만치 않다. 금번에 LS산전㈜에서 개발된 전력품질 분석장치(GIMAC-PQ)는 일반 계측기 수준의 경제적인 가격 대비 고정밀 계측과 다양한 고기능의 전력품질 분석 및 시스템 연계가 가능하여 다양한 전력계통에 폭 넓게 적용될 수 있어 보급이 확대가 예상될 뿐만 아니라 국가 전체의 전력품질 향상 및 이로 인한 경제적 손실 절감에도 많은 기여를 할 것으로 기대된다.
<Energy News>
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