TECH TREND - 전압위상정보를 활용한 배전선로의 절대상(표준 A, B, C상) 검출기술
개요
모든 전력공급자의 측면에서 볼 때 적은 비용으로 양질의 전기를 생산하여 더 많은 수익을 창출하려고 하는 것이 최우선의 목적이라면 수요자에게 공급되기 전 선로에서 손실되는 전력을 취소화하려는 노력이 필수적이다.
국내의 경우에서만 예를 든다면 2010년 말 송배전 손실률이 전체 송전단전력량의 3.99%를 차지하였고, 이를 금액으로 환산할 때 약 1조 원(1 Barrel/$100) 이상의 경제적 손실이 발생되고 있으며, 이러한 전체 손실률 중에서 송배전 설비의 기술한계에 의한 절대적인 손실과, 사용자의 부적합한 전기제품에 의한 통제 불가능한 항목이 있다고 하여도 부하 불평형에 기인하는 전력손실이 가장 큰 부분을 차지하고 있는 것이 현실이다.
3상 계통에서 부하 불평형은 단상전력의 크기와 역률이 동일하지 않아 발생하게 되며, 부하 불평형은 결국 전압불평형의 원인이 되며, 이러한 전압불평형은 역상전류를 발생시켜 삼상전동기에 역방향 토크를 증가시키게 됨으로 국부적인 가열현상과 절연열화를 촉진시키는 결과를 초래하게 된다.
이에 대한 관련규격(NEMA MG1)에 따르면 3.5%의 전압불평형은 전동기 출력 15% 감소, 온도 10℃ 상승, 손실 4% 이상 증가되는 것으로 나타나 있다.
또한, 전기기기의 불평형부하는 설비 이용률을 저하시키는 원인 외에도 3상 전력계통에 역상 및 영상전류를 흐르게 함으로서 전력품질을 떨어지게 하고 손실을 증가시켜 경제적 피해를 유발시키는 요소로 작용하게 됨으로 전력공급자 뿐만 아니라 대전력을 사용하는 사업장에서도 사용되는 전력기기의 안정적 동작을 유지하기 위해서는 부하 불평형이 발생되지 않도록 최선의 노력을 기울여야 한다.
기술의 내용 및 특징
절대상 검출시스템은 삼상 전력선로의 부하평형을 유지하고 상별 부하분배에 필요한 표준 상(Std. Phase) 정보를 얻기 위한 시스템이다.
전력공급자인 한전을 예로 들어보면 변전소의 바로 문밖인 배전 인출지점(1호전주)부터 표시된 상 정보가 변전소의 표준상과 동일하지 않으며 이와 같은 오류는 전국적으로 약 60~70% 이상으로 명목상의 상 관리에 의한 배전시스템을 운영하는 것이지 현실은 그렇지가 못하다.
또한, 고압을 직접 수전 받는 대단위 사업장 또는 아파트나 빌딩 등에서의 전기관리자 대부분이 상에 대한 관심이나 부하평형에 대한 관리목적과 필요성에 대해서는 아예 무지한 수준이며, 이로 인한 설비고장이나 전력요금 등에서 불필요한 낭비가 발생되고 있다.
절대상 검출시스템은 이러한 부하불평형을 방지하려는 목적으로 한전과 “공동연구개발과제”로 시행하여 2007년 세계 최초 순수 국내기술로 개발한 제품이다.
제품의 특징으로는 배전선로의 어느 장소에서나 표준 상을 확인할 수 있고, 건물 내의 저압선로에서도 표준 상을 검출할 수 있도록 하여 층간 부하분배 등에 필요한 상별 제반정보를 작업자에게 제공하도록 구성한 다목적 절대 상 검출시스템이다.
기술구성은 다음 페이지의 Flowchart와 같이 현재 보편화된 이동통신망을 이용하여 송배전선로의 절대 상에 대한 정보를 현장 측정장치와 메인서버가 정보를 공유하고 절대 상을 확인할 수 있어 지금까지 문제가 되었던 거리와 장소에 대한 제약이 해소되었고, 측정한 전력설비에서의 상 정보에 대한 DB화가 가능하도록 구성한 기술이 가장 큰 특징이라 할 수 있다.
■ 시스템 구성
Phase Finder System의 구성은 표준 상 확인이 가능한 변전소 또는 특정장소에 설치되어 상별 위상각을 검출하는 메인서버와, 이동하며 원하는 장소에서 절대 상을 검출하는 P. Finder, 선로의 전압위상을 검출하는 P. Detector로 구성되어 있다.
메인서버와 측정장치는 내부의 GPS 수신모듈을 통하여 위성항법장치의 타임마크 신호에 동기하고 동일시각 측정한 위상각 신호를 유·무선 통신망을 통하여 상호 정보를 교환하여 절대 상을 판별하는 기술이다.
임의의 장소에서 위상 검출프로브를 이용하여 검출된 전압위상에 시각을 대입하여 만들어진 위상각 정보(시각별 Sineθ)를 변전소에 장치된 메인서버로 전송하게 된다.
정보를 전달받은 메인서버는 동일시각 검출한 상 정보와 측정장치에서 보낸 정보를 비교하여 변전소 측의 어느 상과 일치하는지 분석하고 판별된 정보를 측정장치로 전송하게 된다.
메인서버에서 판별된 상 정보를 수신한 측정장치는 표시화면에 검출된 상과 위상을 표시하여 작업자가 측정한 상의 정보를 확인할 수 있도록 하는 방법이다.
해외기술 동향
선진국 중에서 이와 관련된 유사제품으로는 미국의 Phase System이 현재까지는 유일하다.
Phase ID System은 GPS System에 의한 시각정보를 활용하여 상을 검출하는 방법으로 기술구현방법은 단상 전압위상에 Time Mark를 대입하여 확인 대상의 위상각과 기준 위상각을 동시에 측정하여 동상을 확인하는 방법을 이용하고 있다.
여기서 Time Mark는 단상선로의 전압위상각을 기준으로 하며, 측정자와의 Data통신은 별도의 통신시스템을 구비해 FM Station이나 위성 FM Serve 반송파를 이용하여 동상 유무를 판별하는 방법이다.
이와 같은 기술은 매우 복잡한 시스템 장치로 구성되어 있어 측정자 외에 서버에서 프로그램을 운영하는 인원이 추가로 필요하며, 주장치를 이동함으로 절대 상 개념이 아닌 동상을 찾는 방법으로 기존 배전현장에서 사용되는 Phasing Tester의 성능을 개선시킨 것으로 볼 수 있으며, 이러한 측정결과는 절대상이 아닌 동상을 확인하는 기능으로 활용되고 있다.
Phase ID System 외에 일본에서도 2005년 일본전기학회지에 발표한 논문에서 기술한 상 조사장치(相 調査裝置)의 구성기술이 PFS 기술과 유사하다고는 볼 수 있으나 실현 가능성에 문제가 되어 상용화로는 미치지 못하였다.
구성기술을 보면 표준이 되는 위치(변전소 또는 특정지역)에서 절대 상의 Data를 취하고, 다시 측정할 장소로 이동하여 측정 대상의 전력선로에서 위상정보를 취득한 후 표준이 되는 위치에서 기록한 절대 상의 Data와 비교하여 동상을 찾는 방법이다.
그리고 재측정의 경우에는 또다시 전단계의 동작을 반복하여야 한다.
이와 같은 측정방법의 구성을 보면 시간과 상용 주파수의 상관관계를 이용하여 주파수 편차를 계산 후에 표준 상의 Data로 활용하는 것으로서 어디까지나 이론에 의한 기술구현일 뿐 실제로 배전현장에 적용시키기에는 무리가 따르는 측정방법이다.
이는 발전소에서부터 엄격한 주파수 관리가 있다고 하여도 부하에 따라 주파수가 변화되거나, 송전계통별로 주파수 편차가 발생될 때는 측정이 불가능하기 때문이다.
다만 상용 주파수가 시간에 관계없이 이론적으로 정확하다면 실현가능한 방법이 될 수도 있겠지만 < 표 2 >에서 나타낸 것과 같이 시간에 따른 상용주파수 편차가 발생할 때는 시간이 진행될수록 오판의 가능성이 증가함으로 배전현장에서 사용하기에는 부적합한 방법이라고 할 수 있다.
또한, 아래 그림과 같이 절대 상을 검출하더라도 매번 표준이 되는 상을 확인할 때마다 변전소와 측정장소로 이동해야하는 시간이 필요하고, 검출한 표준상이 확인되더라도 전체 전력선의 동일 상이라고 단정할 수가 없다.
결론적으로 미국의 Phase ID System과 같이 동상을 구별하는 장치로 밖에 사용할 수 없는 한계를 가지고 있는 기술구현방법이다.
개발기술의 경제·산업적인 파급효과
삼상 전력의 부하관리는 전력품질 및 경제성과 직접 연관을 가지고 있기 때문에 부하관리는 전력공급자나 전력사용자에게 매우 중요한 부분이다.
변전소에서 송전되는 각상의 부하가 불평형 상태가 되면 배전망의 설비이상과 차단기의 오동작, 전력의 효율이 낮아지고 전력손실이 증가한다.
부하 불평형은 각상 전압의 불평형으로 이어지며 각상 전압의 불평형은 중성선에 전류가 상승되고, 다중접지 계통에서는 막대한 에너지가 대지로 흘러 에너지 손실을 초래하고, 전력기기들의 불안전한 운전과 경우에 따라서는 설비수명단축과 정전 사고로 이어져 산업전반에 경제적, 사회적 파장을 불러일으킨다.
Phase Finder System은 이러한 문제를 가지고 있는 전력분야에 있어 손실을 최소화하고, 배전자동화에 접목하여 최적의 상태로 전력공급이 가능하도록 하기위해 개발된 시스템이다.
■ 기대효과
·단상선로 연장 시공시 사전 상 정보 취득으로 상별 부하불평형 예방
·배전자동화시스템에 정확한 상 정보 제공으로 고장예측 및 응급복구 가능
·부하불평형 방지로 전력기기 효율증대와 전력손실 방지
·휴전 또는 비상시 변전소간 효율적인 부하절체 시행용이
·배전선로의 이력정보를 활용한 최적의 유지보수 및 인력투입 가능
·배전자동화 및 배전정보시스템과 연계하여 실시간 부하정보 취득