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전력 품질 모니터링(제1부)
표준을 준수하는 전력 품질 측정의 중요성

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글/호세 멘디아(Jose Mendia), 제품 애플리케이션 담당 선임 엔지니어, 아나로그디바이스

이 글에서는 오늘날의 전기 인프라에서 전력 품질(PQ) 측정의 중요성에 대해 설명하고 전력 품질 모니터링의 적용 분야를 살펴본다. 이어서 전력 품질과 전력 품질 파라미터에 대한 IEC 표준을 다루고, 마지막으로 클래스 A와 클래스 S 전력 품질 미터의 주요 차이점을 간략히 정리한다. 제 2부에서는 ‘표준을 준수하는 전력 품질 미터 설계 방법’과 관련해 권장 솔루션을 알아본다.

오늘날 전기 인프라에서 전력 품질 측정의 필요성

전력 발전 방식과 소비 동태가 달라지면서 전력 품질에 대한 관심이 높아지고 있다. 다양한 전압 수준의 재생 에너지원이 유례없는 성장세를 보이면서 전력 품질과 관련한 문제도 많이 나타나고 있다. 그리드의 여러 진입 지점과 전압 레벨에 추가되는 동기화 되지 않은 부하로 인해 소비 패턴도 크게 달라지고 있다. 이러한 사례로, 수백 킬로와트의 전력을 필요로 하는 전기차(EV) 충전기, 수많은 데이터센터들 및 해당 데이터센터의 난방과 환기 및 공조 시스템(HVAC)과 같은 관련 장비를 들 수 있다. 산업용 애플리케이션에서는 가변 주파수 드라이브, 스위칭 변압기 등에 의해 가동되는 전기 아크로(arc furnace)가 그리드에 원치 않는 많은 고조파를 추가할 뿐 아니라 전압강하, 순간 전압상승, 순간 브라운아웃, 플리커를 발생시킨다.

유틸리티 측면에서 전력 품질이란 소비자에게 공급되는 전압의 품질을 가리킨다. 크기, 위상 및 주파수에 대한 일련의 규정들이 이러한 서비스 품질을 결정한다. 그러나 이론적으로는, 전력 품질은 전압과 전류를 모두 나타낸다. 전압은 발전 측에서 쉽게 제어되는 반면, 전류는 주로 소비자 사용에 의해 결정된다. 전력 품질 문제의 개념과 영향은 최종 사용자에 따라 다소 넓게 정의된다.

불량한 전력 품질이 미치는 경제적 영향에 대한 연구가 지난 수년간 광범위하게 이루어져 왔는데, 그 영향은 세계적으로 수십억 달러에 이르는 것으로 추정된다. 이 모든 연구들을 통해 얻을 수 있는 결론은, 전력 품질 모니터링이 많은 사업 부문의 경제적 결과에 직접적인 영향을 미친다는 것이다. 불량한 전력 품질이 기업의 경제에 얼마나 부정적인 영향을 미치는지는 분명하게 알 수 있지만, 전력 품질을 대규모로 효율적이고 효과적으로 모니터링하기란 그리 쉬운 일이 아니다. 시설에서 전력 품질을 모니터링하려면 고도로 숙련된 인력과 함께 고가의 장비를 장기간 또는 무기한으로 전기 시스템의 여러 지점에 설치해야 한다.

전력 품질 모니터링 적용 분야

전력 품질 모니터링은 어떤 사업 부문에서는 비용 절감 전략으로, 또 어떤 부문에서는 중요한 활동으로 간주된다. 그림 2에서 보이는 것처럼, 전력 품질 문제는 광범위한 전기 인프라에서 발생할 수 있다. 곧 살펴보겠지만, 전력 품질 모니터링은 발전과 배전, 전기차 충전, 공장, 데이터센터와 같은 사업 부문에서 점점 더 중요해지고 있다.

[그림 2] 발전과 소비의 동적 역학은 전기 인프라 전체에 걸쳐 전력 품질 문제로 이어질 수 있다.

전력 회사, 송전 및 배전

전력 회사는 발전소를 포함하는 배전 시스템을 통해 소비자에게 전기를 공급하는데, 이는 송전선을 통해 전기를 공급하는 변전소들로 구성된다. 이러한 송전선을 통해 공급되는 전압은 변전소 변압기에 의해 낮은 수준으로 강하되어, 시스템에 특정 고조파 또는 차수간 고조파를 주입한다. 배전 시스템의 고조파 전류는 고조파 왜곡, 낮은 역률(PF), 추가적인 손실과 함께 전기 장비에서 과열을 유발하여 장비 수명을 단축하고 냉각 비용을 증가시킨다. 이러한 변전소 변압기에 의한 비선형 단상 부하는 전류 파형을 변형시킨다. 비선형 부하의 불균형은 전력 변압기에 추가적인 손실, 중성선의 추가적인 부하, 저전력 회로 차단기의 예기치 않은 작동, 그리고 소비 전력의 부정확한 측정으로 이어진다. 그림 3은 이러한 선형 부하의 영향을 보여준다.

그리드에 주입되는 풍력과 태양광(PV) 시스템에 의한 전기 발전 또한 여러 가지 전력 품질 문제를 유발한다. 풍력 발전의 경우, 간헐적으로 부는 바람은 고조파와 단기적인 전압 변동을 발생시킨다. 태양광 시스템의 인버터는 수확한 에너지의 효율을 높이기 위해 흔히 사용되는 고속 스위칭으로 인해 과도 전압, 왜곡된 고조파, 무선 주파수 잡음을 발생할 수 있는 잡음을 생성할 수 있다.

[그림 3] 비선형 부하에 의해 발생하는 전류 고조파의 영향

전기차 충전기

전기차 충전기는 그리드에서 송신 및 수신되는 전력 양쪽 모두에서 전력 품질과 관련한 여러 문제들을 겪을 수 있다(그림 4 참조). 배전 회사 관점에서 보면, 전기차 충전기에 사용되는 전력전자 기반 컨버터는 고조파와 차수간 고조파를 주입한다. 부적절하게 설계된 전력 컨버터를 탑재한 충전기는 직류(DC)를 주입할 수 있다. 또한 고속 전기차 충전기는 급격한 전압 변화와 전압 플리커를 그리드에 유입한다. 전기차 충전기 관점에서는, 송전이나 배전 시스템의 결함은 전압 강하나, 또는 충전기로 들어오는 공급 전압의 중단으로 이어진다. 전압이 EV 충전기의 허용오차 한계치 이하로 떨어지면 저전압 보호가 활성화되어 그리드 연결이 끊어질 수 있다(이는 매우 열악한 사용자 경험으로 이어진다).

[그림 4] 전기차 충전기의 전력 품질 문제

공장

미국 전력연구소(Electric Power Research Institute, EPRI) 보고서에 따르면 전력 공급 변동과 전압 외란으로 인한 전력 품질 문제 때문에 미국 산업 시설들은 매년 약 1,190억 달러(미화)의 비용을 지출하고 있는 것으로 나타났다. 또한 유럽 구리 연구소(European Copper Institute)에 의하면 유럽연합 25개국은 다양한 전력 품질 문제로 인해 매년 1,600억 달러(미화) 상당의 재정적 손실의 고통을 겪고 있다. 이 수치는 그 후에 벌어지는 가동 중단 사태와 생산 손실은 물론, 그에 상당하는 지적 생산성 손실과도 연관된다.

전력 품질의 저하는 일반적으로 전기 아크로와 산업용 모터의 간헐적 부하 및 부하 변동에 의해 발생된다. 이 같은 외란은 서지 증가, 강하, 고조파 왜곡, 공급 중단, 플리커, 신호화된 전압을 발생시킨다. 공장 시설 내에서 이러한 교란을 감지하고 기록하려면 전체 전기 시설의 여러 지점에 전력 품질 모니터링 장치를 설치해야 하며, 보다 바람직하게는 부하 레벨에 모니터링 장치를 설치해야 한다. 새로운 인더스트리 4.0 기술이 도입됨에 따라 산업용 패널 미터 또는 서브미터로 부하에서의 전력 품질 모니터링을 수행함으로써, 각 부하에 공급되는 전력 품질을 종합적으로 파악할 수 있다.

데이터센터

현재 대부분의 기업 활동은 이메일, 데이터 저장, 클라우드 서비스 제공 등 어떠한 식으로든 데이터센터에 의존한다. 데이터센터는 높은 수준의 깨끗하고 안정적이며 중단 없는 전기 공급을 필요로 한다. 우수한 전력 품질 모니터링은 관리자가 비용이 많이 드는 정전을 방지하고 전원 공급장치(PSU)의 문제로 인해 요구되는 장비 유지보수 또는 교체를 용이하게 한다. 랙 전원분배 장치(PDU)에 무정전 전원 공급장치(UPS) 시스템을 통합하는 것은 데이터센터 내의 IT 랙에 전력 품질 모니터링을 추가해야 하는 또 다른 이유이다. 이러한 통합은 전원 소켓 수준에서 전력 문제에 대한 가시성을 제공할 수 있다.

버티브(Vertiv)의 보고서에 따르면 UPS 및 배터리를 포함한 UPS 시스템 고장은 예기치 않은 데이터센터 정전의 주요 원인으로 파악된다. 기업들은 보고된 모든 정전 사고의 약 1/3에 대해 거의 250,000달러에 달하는 비용을 지출하는 것으로 나타났다. UPS 시스템은 모든 데이터센터에서 깨끗하고 중단 없는 전원을 보장하기 위해 사용된다. 이러한 시스템은 유틸리티 측에서 발생하는 대부분의 전력 문제를 격리하고 완화하지만, IT 장비 자체의 PSU에 의해 발생하는 문제에 대해서는 보호하지 못한다. IT 장비의 PSU는 비선형 부하로서, 가변 주파수 속도 제어 팬을 사용하는 고밀도 냉각 시스템 등과 같은 장비로 인한 다른 문제들과 함께 고조파 왜곡을 유발할 수 있다. 이들 문제와 별도로, PSU는 과도 전압 현상 및 서지, 순간 전압상승, 순간 전압저하, 스파이크, 전압 불균형 또는 변동, 주파수 변동 및 불량한 시설 접지 등 여러 형태의 간섭에 직면한다.

전력 품질 표준의 규정

전력 품질 표준은 전기 크기가 지정된 공칭값으로부터 얼마나 벗어날 수 있는지에 대해 측정 가능한 허용 한계치를 규정하고 있다. 각 전기 시스템의 다른 구성요소에 따라 각기 다른 표준이 적용된다. 특히, 국제전기기술위원회(IEC)는 IEC 61000-4-30 표준에서 교류(AC) 전력 시스템의 전력 품질 파라미터의 측정 방법 및 결과에 대한 해석을 정의한다. 전력 품질 파라미터는 50Hz 및 60Hz의 기본 주파수에 대해 명시된다. 또한 이 표준은 측정 장치에 대해 다음과 같은 클래스 A 및 클래스 S의 두 가지 분류를 명시해 놓고 있다.

• 클래스 A는 전력 품질 파라미터의 측정에 대한 최고 수준의 정확도와 정밀도를 정의하며, 계약 문제 및 분쟁 해결을 위해 매우 정밀한 측정을 필요로 하는 기기에 사용된다. 또한 표준 준수 여부를 검증할 필요가 있는 장치에도 적용할 수 있다.

• 클래스 S는 전력 품질 평가, 통계 분석 적용 및 불확실성이 낮은 전력 품질 문제의 진단에 사용된다. 이 클래스의 계측기는 표준에 정의된 파라미터의 제한된 하위 세트를 보고할 수 있다. 클래스 S 계측기로 수행하는 측정은 네트워크의 여러 사이트, 전체 위치 또는 단일 장비에서도 시행될 수 있다.

이 표준은 측정 방법을 정의하고, 결과의 해석에 대한 지침을 마련하며, 전력 품질 미터의 성능을 명시하고 있다는 점에 유의해야 한다. 표준은 계측기 자체에 대한 설계 지침은 제공하지 않는다.

IEC 61000-4-30 표준은 클래스 A 및 클래스 S 측정 장치에 대해, 다음과 같은 전력 품질 파라미터를 정의하고 있다.

• 전력 주파수

• 공급 전압 및 전류의 크기

• 플리커

• 공급 전압 강하 및 순간 상승

• 전압 공급 중단

• 공급 전압 불균형

• 전압 및 전류 고조파 및 차수간 고조파

• 급격한 전압 변화

• 과소편차 및 과대편차 

• 공급 전압에서 주 신호화된 전압

[그림 6] 시간에 따른 전력 품질 파라미터의 분류

IEC 61000-4-30 표준에 정의된 클래스 A와 클래스 S의 주요 차이점

클래스 A는 클래스 S보다 더 높은 수준의 정확도와 정밀도를 정의하고 있지만, 그 둘의 차이가 단지 정확도의 수준만은 아니다. 계측기는 시간 동기화, 프로브 품질, 캘리브레이션 기간, 온도 범위 등과 같은 요구사항을 준수해야 한다. 표 1은 계측기가 하나 또는 다른 클래스에서 인증을 받기 위해 만족해야 하는 요구사항 목록을 보여준다.

[표 1] IEC 61000-4-30 클래스 A 및 클래스 S의 주요 차이점

결론

전력 품질 문제는 전기 인프라 전반에 걸쳐 존재한다. 이러한 전력 품질 문제를 모니터링하는 장치를 갖추면 경제적 손실을 줄이면서 성능, 서비스 품질 및 장비 수명을 향상시킬 수 있다. 이어지는 제 2부 ‘표준을 준수하는 전력 품질 미터 설계 방법’에서는 전력 품질 모니터링 제품 개발을 가속화하고 개발 비용을 절감할 수 있는 통합 솔루션과 즉시 사용할 수 있는 플랫폼을 소개한다. 

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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