차세대 전선 감지기: 전력 수확 및 무선통신을 바탕으로 유지보수 빈도 감소

  • 스와납 바너지(Swarnab Banerjee), 시스템 엔지니어 매니저, 에너지 관리 제품 그룹, 아나로그디바이스
  • 2017-06-15 오전 9:41:20

오늘날 끊임없이 변화하는 에너지산업에서 정전은 여전히 제조 공정 등 중요한 작업들을 중단시키며 수백만 달러의 손실을 야기하고 있다. 

현재 가동 중인 전 세계의 몇몇 전력망들은 상당히 노후됐고, 일부 지역에서는 커다란 규모의 폭풍우가 빈번하게 발생하고 있다. 이런 심각한 문제들에 직면한 전력회사들은 배전망의 현대화, 수목 성장 관리, 전선 보수 인력 확충 등의 다양한 방법으로 향후 정전 사태의 위험에 대처할 수 있다. 하지만 이러한 방법들은 모두 비용이나 기술적인 위험, 사회적 이득의 정도가 다르기 때문에 섣불리 평가 내리기 어렵다.

최근 전력회사들의 관심사는 정전 시 대응 방식을 개선하고, 고객에게 더 나은 결과를 제공하기 위해 전선보수 인력을 찾아서 고용하고 훈련시키는 것이었다.

그러나 노동 인구 고령화 현상이 전 세계 곳곳에서 일어나고 있으며, 숙련된 인력을 확보하고 부족한 전선보수 인력을 충원하는 일은 점점 힘들어지고 있다. 장기적인 서비스 중단과 고객 불만, 정부 개입의 가능성을 직면한 전력회사들은 더 나은 해결책을 원하고 있다. 연결이 끊어진 전선을 찾는 데 시간을 허비하는 대신, 전선 보수 인력의 작업 활동을 증진시켜 실질적인 수리 작업과 최우선 순위의 유지보수 작업에 더 많은 시간을 할애하도록 할 수 있다면 어떨까?

전력망 노드에서의 데이터 수집이 관건 

지난 몇 년간, 여러 국가들이 장기적인 정전을 겪었던 것은 원인 파악이 쉽지 않았기 때문이었다. 전력회사들은 보다 효율적으로 정전에 대처하기 위해 어떤 식으로 배전망 아키텍처를 개선하고 있을까? 그 해답은 향상된 전선 감지기 기술을 활용해 시스템 비용을 낮추고 전력 인프라의 노드 수를 늘리는 것이다. 이러한 기술은 더 높은 수준의 통합을 특징으로 하며, 측정 결과의 정확성을 담보하고 전력 소비와 유지보수를 줄이는 데 도움이 된다.


▲ 그림 1. 고장 표시기로도 알려진 노드 모니터링 시스템

새로운 전선 감지기가 가장 일반적으로 사용되는 경우 중 하나가 고장 표시기로도 알려진 노드 모니터링 시스템이다. 이 시스템은 문제가 발생했을 때 이를 감지하고 경보를 발생시킴으로써 전선 보수 인력이 고장난 장비를 지체 없이 수리할 수 있도록 한다. 〈그림 1〉의 다이어그램은 배전선에서 사용되는 고장 표시기를 보여준다.

지역이나 공급 업체에 따라 동일한 시스템을 전선 모니터, 고장 모니터, 고장 회로 표시기 등의 여러 이름으로 부른다. 이 글에서는 해당 시스템을 부르는 가장 일반적인 용어인 고장 표시기를 사용하며, 전선의 물리적 상태를 감지하는 데 기반이 되는 기술을 전선 감지기라고 부른다.


▲ 그림 2. 전선의 물리적 상태를 감지하는 전선 감지기

지하에서 고장 표시기는 주요 케이블의 종단에 설치된다. 고장이 발생했을 때, 고장 구역 위쪽은 사용이 정지되고 아래쪽은 사용이 정지되지 않은 상태로 유지된다. 그 결과 전선 보수 팀은 시간이 많이 소요되는 고장 구역 파악 작업 없이도 케이블이나 장비의 고장구역을 쉽게 찾을 수 있다. 지하에서 사용되는 애플리케이션에는 변압기, 개폐기, 전기 캐비닛, 접속 배전함, 접속 지점 등이 있을 수 있다.

머리 위쪽으로 설치될 때는 고장 표시기의 표시 장치가 눈에 쉽게 띄기 때문에 전선 보수 직원들이 전선에서 문제가 발생한 구역을 찾을 수 있다. 머리 위쪽으로 설치되는 장비에는 퓨즈가 없는 분기 지점(Unfused Taps), 정중선 재폐로 차단기(Middle Reclosers)가 달린 긴 공급 장치, 섹션 개폐기(Sectioning Switchgear), 트랜지션, 공급장치 등이 있다. 

기존의 고장 표시기가 가지는 가장 큰 문제점 두 가지는 1) 많은 양을 구매하게 될 경우 비용이 늘어날 수 있다는 점과 2) 제대로 작동시키기 위해서는 순환 정비가 필요하다는 점이다. 예산과 자원이 한정된 전력회사들은 주로 누적 구매 비용과 순환 정비라는 두 가지 원인으로 인해 넓은 전력망 인프라 내에 고장 표시기를 추가로 설치하지 못한다.

향상된 전력 관리를 통한 고장 표시기의 성능 개선 

이러한 문제를 해결하기 위해 아나로그디바이스는 전력 수확 효율을 높이고 필요한 유지보수는 줄일 수 있도록 고장 표시기용 전선 감지기 아키텍처를 새롭게 개발했다(그림 3).


▲ 그림 3. 전력 수확 고장 표시기 설계

기본 기능은 단순하지만 전력 수확 고장 표시기(Power Harvested Fault Indicator)의 설계, 그 중에서도 특히 전원 공급 아키텍처가 꽤 복잡하다. 설계에는 별도의 전원 공급 장치가 3개(전원 전선 감지기, 충전식 배터리, 슈퍼 커패시터) 있을 뿐 아니라 충전을 통한 공급 상태와 충전을 통한 부하 상태의 균형을 맞추면서도 상시 작동을 가능하도록 하는 제어 알고리즘도 있다. 

주요 혁신 사항에 해당하는 것은 다중 전력 경로 설계를 위한 새로운 기법으로, 이를 통해 빠른 시동과 낮은 전력 소비, 매끄러운 시스템 운영이 가능해졌다. 고장표시기에 보다 개선된 전력 관리시스템을 도입하면 전선 관리 직원들의 배터리 교체와 시스템 점검 횟수를 줄일 수 있기 때문에 결과적으로 필요한 유지보수 자체가 줄어든다.

새로운 고장 표시기 설계에서는 더 정교한 데이터 수집 및 안정적인 무선 통신을 통해 성능을 향상시킨다. 고장 표시기는 고속 정밀 컨버터를 사용해서 전력 주파수보다 훨씬 더 빠른 데이터 속도에서 송전선 정보를 수집함으로써 전력망 상태를 구석구석까지 파악할 수 있다. 단파 무선 및 GSM 프로토콜 등 무선 통신을 통합해도 이러한 장치들의 범위를 확장시킬 수 있다. 고장 표시기는 데이터를 전송하고 상태를 전달함으로써 전선 보수 직원들이 고장을 파악하는 데 드는 시간을 줄이고 문제해결 자체에 드는 시간을 늘릴 수 있다.


▲ 그림 4. 지하에 설치된 고장 표시기 상태를 지상에 전달

더 스마트한 에너지 활용을 가능케 하기 위한 빅데이터 분석 기회

최신 전선 감지기 기술을 사용하는 고장 표시기는 전력회사들이 운영 방식을 완전히 바꿀 수 있는 기회를 제공한다. 전력회사들은 구석구석까지 잘 연결되어 있으면서도 유지보수 비용이 비싸지 않은 노드에서 데이터를 수집함으로써 정전을 더욱 빠르고 확실하게 파악해 대응할 수 있다. 그러나 그 외의 가능성도 고려할 수 있다.

예를 들어, 모든 고장 표시기들이 과거의 데이터와 경보를 제공할 수 있다면 전력회사들은 기계학습 알고리즘과 분석 방식을 적용해 전선 보수 작업의 효율성을 높이고, 운영비용을 절감해서 더 나은 사업성과를 달성할 수 있다.

결론 

전력회사의 고객들은 정전 발생 시 문제 지점 파악이 힘들다는 이유로 오랫동안 전기 공급이 중단되는 일을 계속해서 경험하고 있다. 이를 해결하는 한 가지 방법은 고장 표시기의 적용 범위를 넓히는 것이다. 그러나 오늘날의 고장 표시기에는 대량 구매 가격이 높다는 점과 주기적인 유지보수가 필요하다는 커다란 단점이 두 가지 존재한다.

새롭게 개발된 고장 표시기용 전선 감지기 기술은 전력 수확 효율을 높이고 유지보수를 줄임으로서 이러한 문제를 극복한다. 향후 전력회사들은 차세대 고장 표시기를 활용해서 정전 시간을 단축시키고 운영비용을 줄여 더 많은 고객들에게 만족을 선사할 수 있을 것이다.

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