오늘날 전력망은 여러 전력 설비가 광범위하게 얽히고 설켜 복잡한 형태를 이룬다. 이러한 형태는 정확한 전력 계통 감시를 어렵게 하고 전력망의 안정도와 효율을 떨어뜨리며, 자칫 사고라도 발생하면 국가적으로 막대한 손실을 초래한다. 그렇기에 다변하는 전력 상황에 실시간으로 대응하는 전력 계통 보호 및 감시 시스템이 필수다. 이에 광역 전력망에서 위상을 검출해 전력 계통의 안정을 도모하는 지멘스PMU가 해답을 제시한다.
올여름 극심한 폭염 현상으로 한반도가 전력 수급 위기 상황에 놓였다. 이러한 가운데 지난 3월에 정전 사고로 가동을 중단한 고리원전 1호기가 5개월 만에 다시 가동을 시작했다. 이를 놓고 시민 단체들의 반발은 여전히 계속되지만, 고리원전 1호기의 재가동으로 급증하는 전력 수요에 대처할 수 있는 예비 전력을 어느 정도 확보해 전력 수급에 부분적으로 기여할 것으로 보인다.
비단 우리나라뿐만 아니라 오늘날 전 세계적으로 겪는 전력난과 더불어, 전력 계통에 대한 실시간 감시 및 보호의 중요성이 점점 강조되고 있다. 특히 한국과 일본 등에서 최근에 겪은 원전 사고로 전력부족에 충분히 대응하지 못하는 점을 미뤄 볼 때 전력 계통 간 신속한 사고 분석과 협조 대응이 상당히 중요하다는 사실을 짐작해 볼 수 있다.
발전기, 개폐기, 차단기, 송전선로, 배전선로, 부하 등 다양한 전력 설비가 여러 지역에 광범위하게 연결돼 전력 계통을 구성하며, 그 구성은 매우 복잡하다. 따라서 실시간으로 다변하는 전력 상황에 신속하게 대응하려면 최신 기술을 적용한 전력 계통보호 및 감시 시스템이 필요하다. 전력 계통에 사고가 발생할 경우 보수 작업에 따른 산업적 손실이 적지 않기에, 사고가 발생하기 전에 계통을 감시해 사고를 방지하는 계통 감시 시스템의 중요성 또한 부각되고 있다.
이에 지멘스는 광역에서 위상을 검출하는 장치(PMU : Phasor Measuring Unit)를 소개한다. 광역 전력망에서 위상을 검출하고 분석해 사전 경고함으로써 안정도를 해할 수 있는 상황을 방지하는 솔루션이다.
'전력 위상 측정기'라고 일컫는 Phasor Measure ment Units(PMUs)는 초고압 · 고압 변전소와 발전소에서 운용할 수 있는 디지털 고장 기록 및 전력위상 측정 장치로, 전력 계통 감시를 통해 전력 계통 안정을 도모하는 동시에 보호하는 역할을 수행한다.
PMU는 GPS 신호에 의한 시간 동기를 바탕으로 실시간 전력 계통의 전기 파장을 측정해 전력 계통내 사고를 분석한다. 또한, 각 전력 설비의 운전 상태나 보호 · 제어 시스템의 운전에 관한 데이터를 취합해 전체 시스템을 감시하고 사고 시 취득한 데이터를 분석해 사고 재발을 방지한다.
실시간 전력 감시를 위해선 전압, 전류, 주파수, 유효 전력, 무효 전력, 역률 등 여러 변수를 정확하고 신속하게 측정하는 것이 매우 중요하다. 이 변수들은 동기화된 전압과 전류 간 위상 정보를 통해 산출할 수 있다.
 SIMEAS R-PMU
지멘스의 SIMEAS R-PMU는 통합형 위상 측정장치로, PMU 품질과 데이터 형식의 범주를 정하는 IEEE C37.118-2005 기준을 따른다.
PMU는 실시간으로 광역 전력망의 데이터를 취합, 분석, 전송해 그에 대한 측정 값을 이용해 전력 위상을 측정하며, 이를 Phasor Data Concentrator(PDC)라 불리는 위상데이터 처리장치로 보낸다.
PDC
PDC는 위상 데이터를 하나 이상의 PMU로부터 전송받는다. PDC는 PMU의 전원을 끄거나 켤 뿐만 아니라 PMU의 설정 값을 판독 출력할 수 있다.
PDC는 PMU에서 전송받은 데이터를 시각화 · 구상화해 저장하며, 필요 시 중앙 데이터베이스에 측정 자료를 유기적 · 통합적으로 저장해 데이터 처리의 효율성을 높인다.
  TPR
Transient Phasor Recorder(TPR)는 과도 위상을 기록하는 기능이다. 고장 발생 시 전압과 전류 파형, 유효 전력, 무효 전력과 같은 파생 값, 바이너리 신호 값을 주기적으로 기록 · 분석 · 처리하는 역할을 한다.
Event Recorder
계통에서 발생하는 이벤트를 지속적으로 기록하는 PMU의 기능이다. 이벤트 데이터는 메모리에 지속적으로 기록되며, 장기간에 걸쳐 입력된 데이터를 분석하는 기능도 제공한다.
이벤트 기록 장치는 ▲아날로그 값과 바이너리 값 기록 ▲주파수와 전력 기록 ▲평균값과 전력 품질기록 ▲이벤트 기록 등과 같은 기능을 다양한 변수설정을 통해 독립적으로 수행한다.
High Sampling Rate
지멘스 PMU는 보통 1초에 192표본을 추출한다. 50㎐ 시스템에서 표본 추출 비율은 9600㎐며, 60㎐ 시스템에서 비율은 1만 1520㎐다. 이처럼 정교한 샘플링 기능을 통해 더욱 정밀하게 사고 분석을 행한다. 또한, 광역에 분포하는 전력망에서 초 단위로 순간순간 변하는 계통 상황에 즉각 대응한다는 강점도 제공한다.
GPS Time Synchronization(SIMEAS R-PMU)광역에 분포한 전력 위상을 측정하기 위한 필수기능은 시간을 동기화하는 것이다. 지멘스 PMU는 GPS 신호로 5㎲의 고정밀 시간 동기가 가능한 장치로, 동일한 시각에 각기 다른 위치에서 위상을 효율적으로 분석 · 감시한다.
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오늘날의 전력망 특징을 살펴보면, 우선 전력 시장 개방화에 따라 전력 거래가 중요한 요소로 부상했다는 점을 들 수 있다. 배전망과 송전망이 혼재되고 있다는 점과 지역 전력망의 이용도가 증가해 전력 공급 한계치에 육박하고 있다는 점 또한 눈여겨 볼 특징 중 하나다. 배전망에 직접 연결된 발전 시설의 증가 등과 같은 문제는 전체 전력망의 안정도를 위협한다. 이러한 요인들은 전력망의 효율과 건전성을 해치며, 결국 전력 품질에도 악영향을 미친다.
이 같은 상황에서 전력 품질 저하와 복잡한 전력망은 정확한 전력 계통 감시를 어렵게 한다. 이에 대한 솔루션인 지멘스 PMU의 특장점을 요약하면 다음과 같다.
 · IEEE C37.118-2005 기준에 부합하며, PDC와 상호 작용하는 인터페이스를 제공한다.
· 고성능의 고장 기록 장치를 통해 지속적인 데이터 처리가 가능하다.
· 기능 집약적 · 복합적 장치로 다양한 기능을 한 대의 PMU로 구현하며, 이에 따른 장치 설치 비용을 절감한다.
· 고정밀 표본 추출 기능과 GPS 시간 동기 기능을 통해 실시간으로 광역 전력망을 감시 · 제어한다.
· 대용량 저장 장치를 통해 계속적으로 발생하는 이벤트와 고장데이터를 순차적으로 신속하게 저장한다. |
우리나라 1인당 전기 소모량은 연간 8500㎾ 정도로 세계에서 매우 높은 수준이며, 생활 수준 향상과 산업 발달로 전력 수요는 해마다 증가하는 추세다.
급증하는 전력 수요에 대한 대응책으로 전기 설비용량을 늘리기 위해 정부에서 지속적인 대책을 마련 중이다. 설비 증가와 더불어 설비를 안정적으로 운영하는 것 또한 중요하다.
위상 측정 시스템은 광범위하게는 국가 전체 전력망을, 국지적으로는 지역 내 전력 계통을 유기적 · 통합적으로 관리해 전력망 내 이상 현상을 신속하게 비교 분석한다. 따라서 국가적 큰 손해로 번질 가능성이 있는 고장을 방지하는 데 효과적인 솔루션을 제공한다. 국가 실정에 적합한 위상 측정 시스템을 구축하기 위해 정부의 지속적인 연구와 검토가 필요하며, 지멘스 PMU가 이에 대한 해답이 될 수 있을 것이다.
글 지멘스코리아(www.siemens.co.kr) Infrastructure & Cities 부문 Smart Grid 사업본부 김준표 부장 (02)3450-7326 / joonpyo.kim@siemens.com
<Energy News>
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