최근 정부에서 '탄소 배출권 거래제'를 2015년 1월 1일부터 시행하겠다고 발표한 데 이어 주요 탄소 발생 업체를 대상으로 에너지 사용량과 절감 계획 등을 관리하기 시작했다. 이에 따라 각 기업체마다 탄소 발생량 감소와 에너지절감을 위해 노력하고 있다. 이를 위한 기초적인 부분이 바로 전력량 측정이다. 즉, 전력량 절감에 앞서 각 설비마다 어느 공정에서 전력을 얼마나 사용하는지 진단해야 한다. 또한, 전력량 측정 장치도 현재 사용하는 생산 장비의 전력량을 정전 없이 측정하는 기술 신뢰성이 어느 정도인가, 측정한 데이터를 통합 취득 서버로 전송하는 통신 공사비가 얼마나 적게 드는가도 중요한 검토대상이다. 지금부터 이러한 조건을 만족할 수 있는 측정 기술과 국내에서 개발한 제품에 대해 알아보자.
글 한정규<㈜재신정보 대표>
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전력량을 어떤 방식으로 측정할까. 이것은 전력량 측정에서 매우 중요한 부분이다. 기본 원칙은 전력 회사에서 전기요금을 받기 위해 측정하는 방식과 동일해야 한다. 다만, 전력 회사는 전류센서를 원형으로 전력량계 내부에 장착해 도전을 방지하는 구조로 만들지만, 이 제품은 전기 장치를 무정전 상태에서 측정하기 위해 원형 대신 클램프형 전류 센서를 사용한다. 이 부분만 다를 뿐 전력량을 측정하는 나머지 방식은 전력 회사와 동일하다. 현재 국제 규격인 IEC62053-21도 만족시킨다.
전력량 측정 기준(IEC62053-21)의 이해
이 기준은 정식 전력량 요금을 부과하기 위한 계량기로 사용할 수 없으나, 순간적인 부하 변동에도 유효 전력량을 그것에 관계없이 정확하게 측정한다.
전력 사용량에 따른 비용을 정확하게 측정하며, 그 결과값은 한전의 전력량계와 동일하다. 정확성은 CT의 정확도에 달렸는데, 현재 한전에서 인정하는 정확도는 0.5급이지만, 이 분할 변류기의 정확도는 1.0급이다. 먼저, 전력량 측정에서 중요한 부품인 분할형 CT(변류기)를 살펴보자.
분할 변류기 선택 조건
Integration(통합)｜분할 변류기는 전력 감지 기구로 연결한 2개의 출력 와이어 외에 추가 배선은 필요 없다. 이들 대다수가 파워 모니터링 시스템으로 쉽게 통합하는 보정된 표준 출력값을 제공한다. 전형적인 5A, 1A, ㎃, ㎷ 출력값을 대부분 표준 파워미터에 적용할 수 있다. 따라서 고정밀도의 파워미터는 정확한 보정 기술이 필요하다. 이 시스템은 종종 전형적인 1A, 5A 신호보다 안전한 낮은 전류 출력값을 가져온다. 전류 출력 타입은 환경에 영향을 적게 받고, 특히 변류기와 파워미터를 긴 케이블로 연결할 때 전류 출력 타입을 안정적으로 선택한다.
Phase shift(위상차)｜실제 구동 전력 또는 에너지 측정 정밀도는 전류 · 전압의 진폭에 대한 선형성과 정밀도뿐만 아니라, 이와 관련한 값들의 측정에서 발생하는 위상차와도 밀접하다. 따라서 분할 변류기의 위상차는 좋은 위상 특성을 가져야 한다.
Linearity(직진성)｜직진성은 분할 변류기의 전체 사용 전류 범위에서 자신의 특성을 유지하는 능력으로 정의한다. 아날로그 센싱 부품의 높은 직진성은 광범위한 1차 전류 범위에서도, 특히 낮은 전류수준에서 정밀하게 측정하는 데 필수적이다. 그러나 어플리케이션은 꽤 높거나 또는 낮은 전류로 제한되기에 여러 테크놀로지가 오직 제한된 측정 범위에서만 높은 성과를 제공한다.
Accuracy(정밀도)｜Class 1 파워미터는 1% 정확도보다 더 나은 분할 변류기가 필요하다. 정밀도를 높이는 대안으로 각 개별 요소에 대해 파워미터를 보정한다. 분할 변류기의 세부 특성을 고려해 가장 정밀한 어플리케이션 운영 모드에서 사용하게 하고, 분할 변류기의 각 상별 오차를 줄여준다.
Drift(시간 변화에 따른 영향)｜분할 변류기가 시간이 흐르면서 최초 시스템 보정으로부터 독립적으로 정해진 지시 측정값을 유지하는 능력으로 정의한다. 유의할 점은 분할 변류기는 주위의 습도 · 온도변화 및 코어와 코어 간 갭 문제로 인한 특성 변화 그리고 내구성 등으로 수명에 문제가 생길 수 있으며, 그로 말미암아 사후 관리비용이 증가할 수 있다는 것이다. 따라서 안정적인 설계로 비용 면에서 가장 효율적인 솔루션을 가진 분할 변류기를 선정해야 한다.
Safety(안정성)｜분할 변류기의 과전압 개방에 안전하도록 클램프 소자를 내장했는지, 화재 위험을 대비해 UL94-V0등급의 케이스 재질을 사용했는 지, 안전 규격 IEC61010-1을 만족하는지 체크해야 한다. UL61010-1이나 EN61010-1 600V 규격제품을 취득한 제품으로 적용해야 안정성 확보에 유리하다.
분할 변류기 개요
분할 변류기는 컨덕터 위에 간단하게 걸어 잠그는 방식이다. 설치와 유지가 쉽기에 복잡한 배선 없이 전기 관리 패널이나 작업자가 접근하기 힘든 환경에서 사용하는 원격 모니터링 장비에도 쉽게 설치할 수 있다. 또한, 구동 · 이용 중인 장비에 방해없이 재설치할 수 있어 파워미터를 설계하는 엔지니어에게 적합하다. 그러나 분할 변류기는 기존 변류기보다 가격이 비싸고 정밀도가 떨어진다. 그러므로 상세한 어플리케이션에 따라 적용하는 것이 중요하다.
분할 변류기는 두 개의 마그네틱 코어로 구성돼 분할할 수 있다. 이 코어들의 비정밀도는 주로 코어 두 개의 불완전한 조립에서 온다. 왜냐하면, 두개의 마그네틱 코어 중 한쪽에만 2차 권선이 되기때문이다. 이 점을 보완하려면 마크네틱 코어의 물리적인 특성, 케이스의 재질, 정밀한 설계 등이 필요하다.
 케이스 내부 두 개의 코어 사이 접촉 및 안정적인 장착을 위해 충분한 압력이 필요하다. 케이스의 안정된 오픈과 충분한 압착을 위해 일반적으로 플렉시블한 부분이나 재질 또는 힌지가 필요하다.
Ferrite 분할 변류기｜페라이트 소재는 투자율이 높고 포화 특성은 낮다. 이러한 결점은 50/60㎐의 어플리케이션에서 나타난다. 그러나 최근 소재 개발로 다양한 범위의 파워 모니터링 어플리케이션에 적용하도록 만들었다. 새로운 타입들은 투자율을 상당히 개선했으며, 50/60㎐에서 낮은 마그네틱 포화 수준에도 FeSi나 FeNi 코어를 대체하는 제품으로 사용할 수 있다. 새 페라이트 코어를 사용한 분할 변류기는 50/60㎐ 어플리케이션 분야를 포함한 확장 주파수 범위에서 AC 전류를 정밀하게 측정한다.
이 제품은 매우 낮은 전류 수준에서도 우수한 정밀도와 직진성을 제공하는 특정 페라이트 품질의 최적 설계가 가능하다. 특히, 실제 활성 전력과 에너지의 정밀한 측정에 필수적인 입력과 출력 사이의 낮은 위상차를 특징으로 한다. 단단하고 밀도가 높은 코어는 에어 갭Air Gaps을 최소로 하고, 이 제품들은 FeSi나 FeNi와 같은 다른 소재에 비해 수명과 온도 변화에 덜 민감하고 코어의 녹 방지 문제 설계도 용이하다.
FeSi 분할 변류기｜가격 면에서 적절한 FeSi는 분할 변류기에 폭넓게 이용한다. FeSi로 얻는 특성은 일반적으로 낮은데, 특히 낮은 전류 수준에서 직진성이 떨어지고 높은 값의 위상차가 발생한다. 이것은 높은 정밀도가 필요 없는 파워 모니터링에서 꽤 높은 전류를 측정하는 데 용이하다. FeSi 분할 변류기의 단점은 제품이 매우 크고 무거워진다는 것이다. 그렇기에 제한된 공간에 설치해야 하는 환경에 적절하지 않다.
FeNi 분할 변류기｜FeNi는 분할 변류기의 장기간 사용에 좀 더 나은 소재다. 이 제품은 좋은 특성을 제공하지만 가격이 비싸다. 낮은 전류를 측정하거나, 정밀도와 위상차를 중요시하는 환경에서 FeSi의 훌륭한 대안이다. 가격을 제외한 단점은 산업 시설이나 패널 보드 내부에서 FeSi 분할 변류기와 마찬가지로 공간을 상당히 차지한다는 것이다. 그러나 광대역 폭 주파수 모니터링에 적합한 소재다.
 분할 로고스키 코일
분할 로고스키 코일은 분할형 및 측정하는 도체에 쉽게 거는 플렉시블 소재로 만든다. 코일 끝에 두 개의 출력 터미널이 있고, 비도체 한쪽 끝부터 시작해 다른 한쪽 끝까지 감아 되돌아오는 리드 와이어 나선형 코일로 이뤄진다. 최적의 설치 특성을 제공하기 위해 관련 전류 측정 범위에 따라 길이를 선택한다. 이 기술은 입력 전류에 비례하는 출력 전압을 유도하도록 1차 전류 변화율에 매우 정밀한 감지를 제공한다.
전자 적분기 회로는 입력 전류에 비례하는 전압신호를 출력 신호로 바꾸기 위해 필요하다. 다시 말해 추가적인 전자 부품과 보정으로 분할 로고스키 코일은 매우 정밀한 구조와 직진성을 가진 전류 센서가 된다. 분할 로고스키 코일은 전류 트랜스포머보다 낮은 인덕턴스를 갖고, 마그네틱 코어 소재를 사용하지 않기에 마그네틱 코어 소재를 사용한 분할 변류기에 비해 주파수 특성이 좋다. 이것은 포화를 발생시키는 코어를 사용하지 않기에 높은 1차 전류에서도 매우 정밀한 출력을 나타낸다. 그러므로 분할 로고스키 코일은 특히 높거나 빠른 전류 변화를 갖는 파워 측정 시스템에 적용하기 좋다.
 대전류 측정에 있어 전형적인 변류기는 크고 무거운 반면, 분할 로고스키 코일은 작은 사이즈와 쉬운 설치 등 추가적인 이점이 있다.
전자적인 방해에 대해 내구성을 높이려면 균일한 2차 코일 권선이 필요한데, 이 점은 분할 로고스키 코일의 제조 능력에 좌우된다. 또 다른 특징은 제품을 여닫는 부분이 코일 간 단절을 유도하는데, 이는 외부 도체에 대한 민감성과 루프 안에서 측정 도체의 관통 위치를 결정한다.
 
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Locking 또는 Clamping 시스템은 코일 끝의 매우 정밀하고 재생 가능한 부분과 높은 대칭성을 확실하게 해야 한다. 이 영역에 대해 최근 나타난 새로운 기술은 특별히 기계적이고 전기적인 특성으로, 보다 우수한 정밀도와 1차 케이블 위치에 대한 내구성을 가능하게 했다. 기존 1차 전류 케이블의 관통 위치에 의한 오차율이 50/60㎐ 주파수 영역에서 ±3% 였던 반면, 최근 개발한 분할 로고스키 코일은 ±0.5% 정도로 오차율이 매우 낮다.
로고스키 코일 테크놀로지는 대전류 측정을 위한 성능이 좋을 뿐만 아니라 작고 가벼우며 플렉시블한 분할 변류기다. 하지만 이 제품들이 최적의 특성을 내려면 신호 변환과 보정이 필요하다. 설계와 제조공정에서 개선을 통해 로고스키 코일은 제품의 가격과 1차 관통 전류의 위치에 따른 출력의 민감성을 줄였다. 이로 인해 로고스키 코일의 주요 문제점을 극복했다고 볼 수 있다.
측정 유닛의 이해와 구조
전력량을 측정하기 위한 핵심 장치가 바로 측정유닛이다. 이 측정 장치의 모양은 <그림 5>와 같으며, 현장 분전반에 설치된 모습은 <그림 6>과 같다.
EMU 장치의 기본 전력량 측정과 관련된 기능은 다음과 같다.
측정 주기 설정｜10초~1분, 5분, 6분, 10분, 15분, 30분 설정 가능.
측정 항목｜
- 전압, 전류, 유 · 무효 전력량, 피상 전력량, 역률, 주파수 측정.
- 최대 피크 전력량 측정.
- 순간 저전압, 순간 과전류 이벤트 동시 감시, 저장관리.
- 단상 110V부터 3상 AC 440V까지 입력 전압을 RMS로 측정.
- 400A 분할형 CT와 600A급 로고스키 코일로 무정전 상태로 전류 측정.
지그비 무선 통신 방식 이해
본 장치에서 응용하는 지그비 통신에 대한 간단한 기능은 다음과 같다.
- 2.4㎓ IEEE 802.15.4 compliant RF transceiver with baseband modem and MAC support(총 6만 5000여 개까지 연결 가능).
- Power Output : 20dBm.
- RF Output Impedance : 50Ω.
- Low supply voltage(2.0∼3.6 V).
- Data rate : 2.4kbps.
- Interface : Serial Communication Interface @ 9600bps
- Current consumption : 165㎃ @ 2.4kbps
EMU에서 측정된 전력량 데이터는 <그림 7>의 메시 라우터란 장치를 통해 <그림 8>의 메시 게이트까지 중계된다. 현장에 설치된 메시 라우터의 모습은 <그림 8>과같다.
이 메시 라우터 장치의 기본 규격은 다음과 같다.
- 1메시 라우터당 8개 포트 지정 가능.
- 라우터로 4댑스까지 가능.
- 주파수 범위 : 2.4㎓.
- RF 출력 : 10㎽
- 통달 거리 : 최대 70m
- 동작 온도 환경 : -45℃ to 75℃
메시 라우터에 의해 중계된 무선 데이터는 <그림 9>의 메시 게이트 장치를 통해 컴퓨터 서버에 직접연결 또는 TCP/IP 컨버터 등에 의해 인트라넷 망에 연결돼 유선망으로 중계할 수도 있다. 현장 노트북에 설치된 모습은 <그림 10>과같다.
  메시 게이트 무선 장치에 대한 개략적인 규격은 다음과 같다.
- 인터페이스 : RS 232/485, MODBUS, TCP/IP.
- 주파수 범위 : 2.4㎓.
- 통달 거리 : 최대 70m.
- 공장당 또는 건물당 1개 소요.
- RF무선 네트워크 정보에 대한 저장(RSSI, Hops).
종합 설치 구성 방식
이 장치를 이용한 유 · 무선 통합망 구축 방법은 <그림11>과같이구성할수있다. 실제로 현장에 설치한 종합 구성도는 <그림 12>와 같이 구성할 수 있다.
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이 장치를 통해 그동안 공장을 포함한 대형 건물 등에서 사무실별, 부서별, 설비별 에너지 사용량을 계량하기 위해 계량기 자체 비용보다 설비 정전 후 설치 문제, 통합 관리를 위한 유선 감시망 구축에 따른 케이블 및 배관 설치 공사, 인테리어 손상, 복구 등에 드는 막대한 비용 문제를 해결할 수 있다. 선진국은 이러한 필요성을 인지해 이미 유사 제품을 개발해 전 세계에 판매하지만, 장비 가격이 유선 방식에 비해 상대적으로 비싸 시장에서 크게 활성화되지 못했다. 하지만 국내에서 이에 대한 모든 문제를 해결함으로써 앞으로 탄소 발생량 감소를 위한 에너지절감에 대한 에너지 측정과 절감 실적에 대한 사후평가와 향후 에너지 절감 대책 수립 업무가 매우 용이해졌다. 핵심 기술은 전기 용접기와 전기 모터 등 순간적인 전력량 변화까지 전력량을 정확하게 측정하는 한국전력의 전력량 측정 방식과 동일하게 측정하는 알고리즘을 채택한 전력량 측정 센서다.
 이 시스템을 이용할 수 있는 주요 대상은 인터넷 데이터 센터 내 서버별 전력 사용량 측정, 건물자동화(BAS), 스카다(SCADA), 시설물 관리(FMS), 공장 자동화(FA) 등이며, 이 모든 분야에 적용하도록 가정과 사무실 전압에서부터 480V 공장용 전압까지 모두 무정전 상태에서 시공 · 측정할 수 있는 분할형 클램프 변류계와 로고스키 코일 변류기를 대부분 국산화 기술로 개발한 것이 특징이다. SI 업체에 무선 방식으로 전송받은 전력량 계량 데이터를 RS232C 또는 인터넷 프로토콜인 TCP/IP의 유선 직렬 통신 방식으로 제공하는 부품 단위 제품 공급도 가능하다
<Energy News>
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