【에너지현장】 전기산업의 First Mover, 한전 전력연구원
2021-09-01

전기산업의 First Mover, 한전 전력연구원
에너지 분야의 탄소중립과 디지털전환 위한 R&D

한국의 전력 품질은 세계적인 수준이다. 한국이 반도체와 석유화학 등 첨단 분야에서 선도적인 국가로 발돋움할 수 있었던 배경에는 이처럼 후수한 품질의 전기가 있다. 좋은 품질의 전기를 생산하고 공급하기 위해서는 수많은 기술이 뒷받침되지 않을 수 없다. 이러한 관점에 지난 반세기가 넘게 전기기술의 발전을 이끈 한국전력공사 전력연구원(이하 전력연구원)의 존재는 큰 의미가 있다. 한국전력공사 전력연구원(이하 전력연구원)은 1961년 한국전력 전기시험소로 출범해 1976년 전기기술소로 명칭을 변경했고, 1995년에 전력연구원으로 불리기 시작했다. 이번 편에서는 전력연구원의 최근 성과와 더불어, 동향을 살펴보았다. (메인 사진: 한국전력공사 전력연구원 전경)

정리 강창대 기자  자료 한국전력공사 전력연구원

출범 이래 전력연구원은 광역 전력계통 실시간 해석기술, 지중케이블 시험기술, 한국형 배전자동화시스템(DAS), 765 ㎸ 초고압 송전기술, 1,000 ㎿급 초초임계얍 화력발전 기술 등 이루 헤아릴 수 없다. 최근에는 재무·회계·구매 로봇 프로세스 자동화(RPA), 블록체인, 자산관리시스템(AMS) 등을 비롯해, 로봇과 드론 활용 기술, 차세대 배전지능화 시스템(ADMS) 등을 개발해 왔다. 이러한 연구개발 과정에서 전력연구원은 트허출원 260건, 등록 193건을 비롯해 92건의 기술이전 등의 성과를 이루어내기도 했다(2019년 기준). 

이뿐만 아니라, ‘물리탐사를 이용한 철탑 기초 제원 예측 기술’로 대만 국제발명대전 은상과 영국발명협의회에서 특별상을 수상한 바 있다. 그리고 전력연구원이 개발한 매체순환연소기술은 서울국제발명대전에서 금상을 수상하기도 했다. 세계적인 기록도 다수 보유하고 있다. 반투명 고효율 태양전지 효율을 20.3% 달성했는가 하면, IGCC합성가스 정제순도 99.99%를 실현하고 IGFC 발전 실증은 세계 최초의 사례로 꼽힌다. 

전력연구원은 현재 기초전력연구센터를 비롯해 에너지밸리연구센터, 고창전력시험센터를 보유하고 있고, 산하에 신재생에너지연구소와 디지털솔루션연구소, 에너지환경연구소, 발전기술연구소, 차세대송변전연구소, 스마트배전연구소, 융복합프로젝트연구소 등 7개의 연구소를 갖고 있다. 이러한 인프라를 바탕으로 △ 신재생에너지, △ 디지털솔루션, △ 에너지환경, △ 발전기술, △ 차세대송변전, △ 스마트배전, △ 융복합에너지 등의 분야에서 연구개발 활동을 추진하고 있다. 

IDSS 핵심 기술 국산화
전력연구원은 지난 6월 29일 대용량 전력설비의 디지털변환 사업의 중심에 있는 디지털변전소(IDSS, Intelligent Digital Sub-Station) 구축의 핵심기술인 국제규격 IEC 61850 시스템 진단 및 시험 자동화 프로그램 개발을 완료했다. 전력연구원은 한전이 운영하고 있는 154 ㎸ 디지털변전소 현장에 이 기술을 설치해 성능 검증까지 마쳤고, 국제 공인시험 인증서 획득과 상용화 개발도 성공했다고 밝혔다. 

전력연구원의 설명에 따르면, 디지털 변전기술은 전력시스템 디지털화의 출발점과 같다. 재생에너지를 최대한 활용하려면, 전력시스템도 재생에너지원과 ESS, 프로슈머 등 복잡한 구성을 수용할 수 있는 유연한 인프라로 전환될 필요가 있다. 이처럼 복잡한 전력시스템을 안정적이고 효율적으로 관리하려면 스마트한 디지털 솔루션이 필요하다. 따라서 디지털화는 전력 인프라의 탈탄소화 및 탈중앙화를 가능하게 하는 핵심요소인 셈이다. 

디지털변전소란 변전소 운영을 완전 자동화 것으로, 지능형 전자장치(IED, Intelligent Electronic Device)와 원격 운영시스템이 적용된다. IED는 변전소의 통신 규격인 IEC 61850에 따라 변전소의 모든 전력설비를 감시, 계측, 제어, 보호하는 기능을 한다. 디지털변전소는 전력설비의 디지털 변환과 지능형 전력망 구축을 위해 필수적인 설비다. 현재 한국전력은 130개소의 154 ㎸ 변전소를 디지털변전소로 운영하고 있다.
 
그간 IEC 61850 규격에 따라 디지털신호를 검증하는 시험 도구는 유럽과 미국 등 일부 선진기업의 전유물처럼 여겨왔다. 그러나 전력연구원이 국제규격 IEC 61850 시스템 진단 및 시험 자동화 프로그램을 개발함으로써 한국도 그 대열에 합류하게 된 것이다.
한전 디지털변전소 내부 전경

이산화탄소 포집기술 상용화
전력연구원은 진난 7월 1일 ‘이산화탄소(CO2 )포집기술’인 코솔(KoSol & KoSol Process)을 국내 최대 규모인 10 ㎿급 습식 이산화탄소 포집플랜트(보령화력본부)에 적용해 상용운전에 들어갔다고 밝혔다. 이 기술은 전력연구원과 한국중부발전이 공동으로 개발한 것이다. 

코솔은 화력발전소와 제철소, 석유화학 및 시멘트산업 등의 대규모 온실가스 배출원으로부터 효율적으로 이산화탄소를 제거할 수 있는 습식 흡수제와 이를 이용한 포집 공정이다. 코솔은 2020년 11월 1만 시간 연속운전에 성공함으로서 ㎿급 이상의 규모에서 성능이 입증됐다. 또한, 연속운전 기간 중 코솔은 2.2~2.3 GJ/ton-CO2의 낮은 에너지 소비량을 보였고, 드라이아이스나 식음료 등으로 활용될 수 있는 99.9% 이상의 순도로 일일 190톤의 이산화탄소를 안정적으로 포집했다고 한다. 이외에도, 상용흡수제(Mono Ethanol Amine) 대비 에너지 소비율은 43%, 흡수제 손실량은 80%, 열화도는 60%, 부식도는 90%가 감소해 경제성과 강한 내구성을 가진 우수한 기술로 평가됐다. 코솔은 2020년 국내 CCS 분야에서는 처음으로 산업통상자원부의 첨단기술로 선덩됐다. 
코솔을 적용한 10 ㎿급 연소후 습식 CO2 포집설비

HVDC 케이블 부분방전 진단기술
전력연구원은 또, ‘북당진-고덕 초고속직류송전(High-voltage Direct Current, HVDC) 케이블’(2017년 착공)의 진단과 계통을 안정적으로 운영을 위해 2021년 6월 ‘HVDC 케이블 부분방전 진단기술’을 자체 기술력으로 개발하기도 했다. 

북당진-고덕 HVDC는 국내에서는 처음으로 ±500 ㎸로 운전되는 대용량 전력공급 사업이다. 케이블은 육상으로 포설됐고, 세계에서 두 번째로 반합성지 강제함침(MI-PPLP) 케이블이 사용됐다. 그런데 HVDC 계통 운전 신뢰도를 높이기 위한 진단기술은 아직 세계적으로도 전무한 상황이다. 

전력연구원은 4년여의 연구개발을 통해 다채널 HVDC 케이블 부분방전 측정장치와 HVDC 케이블 부분방전 패턴분석 기술, 실시간 부분방전 진단장치 및 운영시스템 등 3종의 진단기술을 개발했다. 이 기술은 바로 계통에 적용이 가능한 상용화 기술이며, 이는 세계에서 첫 사례로 꼽힌다. 전력연구원은 모의케이블과 실계통 케이블의 다양한 운전조건을 비롯해 고장 환경에서도 성능검증을 마쳤고, 6개월간 ±500 ㎸ 북당진-고덕 HVDC에 적용해 실계통 성능 최적화와 실증까지 마쳤다. 전력연구원은 이 기술이 세계 첫 사례인 만큼, 시장 파급력이 클 것으로 기대했다. HVDC 케이블 부분방전 진단 기술은 2022년에 준공 예정인 ‘북당진-고덕 HVDC 2단계 사업’에도 적용될 예정이라고 한다. 

디지털 융복합을 통한 혁신 
전력회사는 연 1회 이상 의무적으로 전국 가공전주(900만본)의 육안순시를 하는 등 전력설비를 유지보수하고 있다. 전력연구원은 이처럼 반복적인 작업을 효율화하고 비용을 절감할 수 있는 ‘배전선로 영상순시 장치’를 개발했다.

이 장치는 열화상을 포함한 총 9대의 카메라를 차량상부에 탑재하고 카메라가 전주를 추적하여 자동으로 촬영할 수 있는 로봇형태의 인식·제어 기술이 적용됐다. 또한 이 장치는 60 ㎞/s 속도에서 전력설비영상을 취득해 전주의 위치(GPS 좌표추정)와 설비정보(기자재 및 상태)를 실시간 고속으로 처리한다. 전력연구원은 현재 배전선로 영상순시 장치를 시범적으로 적용해 운영 중이다.

또 한편, 전력연구원은 전력 소프트웨어 개발 플랫폼인 허브팝(HUB-PoP) 개발을 완료하고, 활용을 확산하는 체계로 전환한다고 지난 7월 16일 밝혔다. 클라우드 플랫폼, AI 분석 플랫폼, SW 개발 플랫폼 등 3개의 핵심 모듈로 이루어진 허브팝은 2021년 3월 개발이 완료된 후 전력 빅데이터를 신기술에 접목하거나 새로운 사업 모델 발굴과 개발에 활용되고 있다. 이외에도, 2019년부터 지능형 디지털발전소와 차세대 배전망 관리시스템(ADMS) 연구개발 등에도 활용되고 있다. 

이뿐만 아니라, 전력연구원은 8월 17일 ‘레거시 데이터 자동 정제 및 통합 시스템’(ALICE)의 개발 소식을 전하기도 했다. 한밭대학교 연구진과 공동으로 개발한 이 시스템은 일일이 수기로 관리되는 기존의 전력설비 자산정보, 점검 및 진단정보, 부하정보 등과 같은 레거시 데이터(legacy data)를 정제하고 통합한다. 
차량형 영상 기반 자동순시의 모습
가스터빈 제어 검증장치 구성도

탄소중립과 디지털전환 위한 R&D 활동
전력연구원은 배전선로 활선공사 작업자 안전을 위해 작업자 근피로도 경감과 작업 효율을 높이기 위해 ‘간접활선용 반자동 협조로봇 및 다기능 선단공구부’ 개발에 착수했다고 밝혔다. 간접활선 공법은 배전 무정전(활선) 전공이 활선작업차에 탑승해 절연스틱과 선단공구를 활용해 비접촉 상태로 전선 절단 및 압축, 절연커버 설치, 충전부방호 등의 작업을 수행하는 것을 말한다. ‘협조 로봇팔’은 작업 중량을 50% 이상 낮추고 홀딩 기능을 위한 목적으로 개발될 예정이다. 또 ‘멀티기능 선단공구’는 선단공구 교체 등의 불편을 줄이고, 영상분석 알고리즘을 통해 작업자의 안전성이 향상되도록 개발할 계획이라고 한다. 

전력연구원은 전력구와 변전소 등의 전력설비가 위치한 주변 지역의 지반침하 위험을 모니터하고 이를 효율적으로 관리하기 위해 ‘인공위성 활용 전력설비 위험 예측시스템’의 개발에도 착수했다. 이 시스템은 인공위성의 고해상도 레이다 관측데이터를 자동으로 분석해 전력설비 주변 지역의 지반 변위를 주기적으로 측정한다. 이때 이상 변위가 관측면 이를 통보해 위험 발생 이전이나 초기에 대응하도록 함으로써 대형 사고를 예방할 수 있다.

이외에도 전력연구원은 한국중부발전, 한국서부발전, 한국남부발전, 한국동서발전과 함께 장기 운영중인 천연가스 가스터빈에 수소를 적용하기 위한 ‘가스터빈 수소혼소 한계평가 및 연소 최적화’ 연구개발에도 착수했다. 기존 가스터빈을 수소혼소로 전환할 경우 대용량 가스터빈 발전소의 온실가스 배출을 저감할 수 있고, 저비용 수소발전 기술을 확보할 수 있다. 

더 나아가, 전력연구원은 발전사들과 공동으로 신경망 알고리즘을 활용해 ‘가스터빈 제어 검증장치’의 개발도 추진한다. 가스터빈은 복합화력발전 건설비용의 30~50%를 차지하는 핵심설비로서, 가스터빈 기동 전 제어장치의 이상유무를 사전에 파악하지 못하면 가스터빈의 부품 손상 및 인명피해 등의 문제를 발생시킬 수 있다. 제어 검증장치는 케이블을 통해 직접 대상발전소 제어시스템과 연계되며, 입출력 장치 및 핵심 제어 알고리즘의 건전성뿐만 아니라 현장 주요 기기의 동작 상태 모두를 기동전 검증할 수 있는 기술이다.

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