[보호계전기①] 보호계전기 시스템의 미래상에 대해

향후 보호계전기 시스템은 디지털화 등의 기술을 도입하면서 발전해 나갈 것이다. 해외에서는 국제규격 IEC61850과 관련해 디지털 계전기의 감시 제어 정보나 주회로 사이를 디지털화한 규격을 채용하는 움직임도 있어 세계적으로 '디지털화'가 이루어질 것으로 보인다.
디지털화가 더욱 진전돼 보호계전기뿐만 아니라 전기실의 감시 제어 시스템을 비롯한 전기실 전체가 디지털화된다면 하드웨어가 아닌 소프트웨어로 다양한 처리가 가능하게 될 것이다. 이는 다시 말해 하드웨어가 맡아 온 역할이 소프트웨어로 옮겨간다고 할 수 있다.

개요

최근 태양광발전 및 풍력발전으로 대표되는 분산형 전원의 기존 계통도입이나, 송전선 및 차단기 등 주회로 설비 합리화에 따르는 다단자 계통화, 도시를 중심으로 한 케이블 계통의 증가 등이 진척되면서 계통 보호에 있어 새로운 과제가 생겨나고 있다.
이러한 과제에 대응하기 위해 기존 디지털 계전기를 토대로 새로운 원리와 방식을 적용한 보호계전기 시스템이 개발되고 있다. 그 중에서도 정보 통신기술이나 연산 처리 기술 등의 비약적인 진전으로 고속 샘플링에 의한 연산 정밀도 향상 등 디지털 계전기의 기능 · 성능 향상이 꾸준히 이루어져 왔다.
한편, 디지털 계전기의 구성부품 중에는 개폐改廢사이클이 짧은 전자부품이 포함돼, 이에 기인한 보수부품의 고갈 등 새로운 과제가 계속 나타나고 있다.
이러한 상황에서 보호계전기의 기능 · 성능 및 운용 · 보수성 향상, 여기에 보호계전기 기술자 육성에 기여한다는 목적으로 2007년 7월 일본전기협동연구회에서 '보호계전기의 새로운 기능 · 성능 조사전문위원회(이하 조사전문위원회)'를 설립했으며, 2009년 3월까지 약 2년에 걸쳐 전력회사와 제조사가 공동으로 조사 · 연구를 진행했다. 본고에서는 그 조사 결과를 바탕으로 보호계전기 시스템의 미래상에 대해 개략적으로 살펴본다.

디지털 계전기의 변천과 현재 상태

1. 디지털 계전기의 변천
일본에서는 1980년대에 마이크로프로세서를 응용한 디지털 계전기가 개발 · 운용되기 시작한 이후 갖가지 개량을 거쳐 현재에 이르렀다. 여기서는 디지털 계전기의 개발 주기와 특징에 따라 제1세대와 제2세대로 구별해 간략히 설명한다.

⑴ 제1세대 디지털 계전기
개발 초기의 CPU는 4비트의 비트 슬라이스Bit Slice형이 사용됐으며, 1980년대 후반 이후에는 16비트 CPU가 주류를 이뤘다. 샘플링 주파수는 전기각 30°이었다.

⑵ 제2세대 디지털 계전기
1994년에 발행된 일본전기협동연구회 보고서 '제2세대 디지털 계전기'에서 제2세대 디지털 계전기의 개념이 언급돼 1995년경부터 실용화됐다.
기존보다도 처리 능력이 우수한 32비트 CPU가 채용됐으며, 전기각 또한 3.75°의 고속 샘플링이 가
능해져 정밀도가 크게 향상됐다.
현행 기종에서는 주로 하드웨어의 성능 향상으로 부품 수가 감소하고, 그에 따른 고장률 저감 등이 꾀해지고 있다.

2. 보호계전기의 적용 실태
보호계전기 신뢰도 해석 시스템(RASPR)의 설비데이터를 이용해 1997년부터 2007년까지를 대상기간으로 정하고 전체 전력회사(일부 제외)에서 가동하고 있는 장치를 대상으로 적용 실태를 조사했다.
2007년 말 송전선 보호계전기, 모선 보호계전기 및 변압기 보호계전기의 장치 수는 전기기계형, 아날로그 정지형 및 디지털형을 합쳐 37,381장치이며, 이 중 약 80%는 송전선 보호계전기가 차지했다. 또한 보호계전기의 디지털화는 1997년 말 약 46%였던 것이 2007년 말에는 약 64%로 늘어났으며 최근에도 디지털화가 계속 진행 중이다.

3. 디지털 계전기의 고장 실태
위에서 논한 보호계전기 신뢰도 해석 시스템의 설비 데이터를 이용해 송전선 보호계전기와 모선 보호계전기의 디지털형(제1세대 · 제2세대)을 대상으로 고장 실태를 조사했다.
디지털 계전기의 고장 원인을 살펴보면, 두 세대 모두 하드 불량이 대다수를 차지하며, 70%가 넘는다. 하드 불량의 원인은 그 대부분이 부품 불량이며, 그 외는 주로 설비 불량이었다. 한편, 소프트 불량의 원인은 설비 불량이 대부분을 차지했으며, 그 외는 주로 사양 불량이었다.
하드 불량을 중점적으로 살펴 세대별 고장 부분을 보면 <그림 1>과 같다. 두 세대 모두 프린트 기판(Printed Board)이 차지하는 비율이 높으며, 주요 구성부품인 IC 불량이 주된 고장 원인이다.

한편, 전원장치의 고장 발생 비율은 제1세대 쪽이 높다. 그 이유는 전해콘덴서의 경년열화 때문인 것으로 보인다. 최근에는 긴 수명을 자랑하는 전해콘덴서가 사용되고 있어 제2세대에서는 전원장치의 고장비율이 제1세대만큼 높지 않은 것으로 판단된다.

보호계전기의 보전 면에서 현재 과제

디지털 계전기의 구성부품 중에는 기술 진전이 두드러짐에 따라 개폐 사이클이 짧은 전자부품이 포함돼 생산 중지 기종(이하, 폐형廢形)이 증가하고 있다.
앞에서 설명했듯이 고장은 현재에도 발생하고 있으며 전력회사 및 제조사는 그 때마다 대응에 나서고 있다. 앞으로는 계전기를 구성하는 부품의 개폐사이클이 더욱 가속화됨에 따라 보수부품이 고갈돼 보수 대응이 힘겨워질 것으로 우려된다. 여기서는 이러한 보전保全에 관한 과제에 대해 논한다.

1. 보호계전기 구성부품의 개폐 사이클 가속화
보호계전기의 구성부품은 부품의 종류 및 수가 전기기계형에서 디지털형으로의 이행에 맞춰 증가하고 있다.
보호계전기 구성부품의 개폐 사이클은 CPU 및 메모리, A/D 변환기 등이 5년에서 10년 정도이며, 개폐 사이클의 가속화가 뚜렷하게 나타나고 있다.
디지털 계전기의 기판에는 복수複겤의 CPU와 메모리가 사용되기 때문에 기판 단위의 개폐 사이클은 부품 단위보다도 상당히 짧다.

2. 생산 중지에 대한 대응 실태
폐형은 전기기계형이나 디지털형 등 종류에 관계없이 신제품 보급으로 당해 제품의 범용성이 없어진 경우 이후의 생산량 전망이나 수리 가능 시간 등을 감안해 결정한다.
어느 한 기판을 바탕으로 폐형 및 생산 중지 부품을 포함하는 보호계전기의 대수를 시산한 결과가 <그림 2>와 같다.

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2006년 말 폐형 혹은 생산 중지 부품을 포함하는 보호계전기는 전체의 약 80%를 차지했다. 1985년에서 1995년 사이에 다수 설치된 보호계전기는 향후 2020년 즈음에 걸쳐 교체 시기를 맞이하기 때문에 폐형 수는 감소할 것이다. 그러나 계전기 구성부품의 개폐 사이클 가속화에 따라 생산 중지 부품을 포함하는 제2세대 디지털 계전기 수는 서서히 증가해 2028년경에는 폐형 혹은 생산 중지 부품을 포함하는 보호계전기가 차지하는 비율이 다시 80%를 초과할 것이다. 이상의 내용을 통해 생산 중지 부품을 포함하는 많은 보호계전기를 장기간에 걸쳐 보수 · 운용해 나가지 않으면 안 됨을 알 수 있다.

3. 보호계전기의 교체 실태와 과제
보호계전기의 교체 시기는 경년 및 교체 물량의 평준화 등을 판단기준으로 전력 각사가 결정한다.
그러나 보호계전기의 교체 시기와 그 구성부품의 개폐 사이클 차이로 인해 개폐 사이클이 짧은 부품을 보수할 부품이 고갈된 경우 일부의 고장이라도 장치 전체를 교체해야만 하는 상황이 향후 일어날 수 있다. 이에 따른 업무량 증대 및 설비 투자비용의 증가가 염려된다.

가까운 미래에 실현 가능한 보호계전기

조사전문위원회에서는 현재 상황에서의 여러 과제 및 최신 기술 동향에 입각해, 그리고 보호계전기의 미래상을 검토하면서 보호계전기의 새로운 기능
과 성능에 대해 연구했다.
여기서는 앞에서 논한 제2세대 디지털 계전기의 폐형 대책이자 앞으로 수년 내에 실현 가능할 것으로 보이는 보호계전기의 유닛 교체 적용에 대해 이야기한다.

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1. 유닛 교체
구성부품이 없어 보호계전기의 장치 전체를 일괄교체하는 것을 피하기 위해서는 전체가 아닌 주요 유닛을 개별적으로 교체할 수 있는 유닛 교체 적용이 효과적이다. 유닛 교체를 상정한 각 유닛의 교체 추천 대안은 <표 1>과 같다.
일례로 전원부를 살펴보면, 전원부에는 경년열화 부품인 전해콘덴서가 사용되고 있다.
현재 전해콘덴서에 사용되는 봉구고무의 수명은 15년 정도지만 전해콘덴서는 사용온도에 따라 수명이 크게 변하므로 다른 부위와는 수명이 다를 가능성이 높다. 또한 이미 앞서 말했듯이 전원장치는 비교적 고장 발생률이 높다는 것도 고려하면 전원부만을 유닛 교체할 수 있는 구조가 바람직하다고 판단된다.

2. 유닛 교체에 대응한 장치 구성
여기서는 <표 1>의 교체 방법을 산정한 장치 구성에 관해 논한다.
조사전문위원회에서 검토한 결과, 장치 수명으로 인해 교체를 할 경우 유닛 간의 데이터 정합이나 아날로그 입력 정밀도의 확보, 그리고 교체 시 작업시간 단축의 관점에서 A/D 변환부, 연산처리부 및 I/O부를 디지털 계전기 유닛이라는 일체 구조로 교체하는 것이 좋다는 결론에 이르렀다. 이 일체화로 유닛 간 인터페이스를 생략해 장치 소형화 등의 효과를 얻을 수 있다. 그 외의 교체 방법은 <표 1>에 나타난 대로 하고, 유닛 간이나 단자대와의 접속에 있어 서로 붙였다 떼어냈다 하는 것이 용이하고 신뢰도에 영향을 미치지 않는 커넥터를 채용한 장치구성의 예를 <그림 3>에 나타냈다.

3. 유닛 교체 장래를 위한 과제
유닛 교체의 보다 나은 효율화가 주된 과제로, 이를 위해서는 계전기 유닛의 표준화 및 인터페이스 간소화를 고려할 수 있다.
전자의 경우 현재의 디지털 계전기는 계전기 유닛사양이 전력회사 및 제조사마다 달라 표준화를 통해 효율적인 보전이나 설비 교체가 가능하기 때문이다. 또한 후자의 경우에는 현재 수십 점이나 되는 디지털 계전기 유닛의 외부 입출력 정보를 디지털화(예 : LAN화) 함으로써 배선 처리가 필요 없어지는 등 보다 효율적인 유닛 교체가 가능하다.

보호계전기 시스템의 미래 전망

1. 하드웨어에서 소프트웨어로의 이행
향후 보호계전기 시스템은 디지털화 등의 기술을 도입하면서 발전해 나갈 것이다. 해외에서는 국제규격 IEC61850과 관련해 디지털 계전기의 감시 제어 정보나 주회로 사이를 디지털화한 규격을 채용하는 움직임도 있어 세계적으로 '디지털화'가 이루어질 것으로 보인다.
디지털화가 더욱 진전돼 보호계전기뿐만 아니라 전기실의 감시 제어 시스템을 비롯한 전기실 전체가 디지털화된다면 하드웨어가 아닌 소프트웨어로 다양한 처리가 가능하게 될 것이다. 이는 다시 말해 하드웨어가 맡아 온 역할이 소프트웨어로 옮겨간다고 할 수 있다.

2. 올All 디지털화의 실현
위에서 말한 대로 앞으로는 보호계전기의 고장 표시 등 감시 제어 정보뿐만 아니라 전압 및 전류 등 보호계전기로의 입력 정보가 디지털화돼 전기실 전체의 디지털화 실현을 기대할 수 있다. 이렇게 되면 디지털 계전기는 올All 디지털화로 전체 부분의 상시 감시가 가능해져 유지 보수에서 자유로워지고 고신뢰도를 얻을 수 있다는 장점이 있다.
다만, 전체를 디지털화하기 위해서는 여러 과제가 있다. 그 중에서도 보안에 있어 신뢰성 확보는 특히 중요한 과제이며, 보안 강화 및 편리성 향상이라는 양립이 필요하다.

3. 미래 보호계전기 시스템의 예
올 디지털화가 빠르게 진전되고 정보 통신 기술이 보다 고속화 및 고신뢰도 된 미래에 실현 가능이 기대되는 보호계전기 시스템의 예 두 가지를 소개한다.
하나는 현재 기능별로 나뉜 보호, 감시 제어, 계측장치를 집중화한 시스템으로, 여기서는 이것을 '변전소 집약 서버 시스템'이라 칭한다. 그 개요를 <그림 4>에 나타냈다. 기존의 배전반 단위로 서버를 구성함으로써 서버 구성에 맞춘 확장성 향상, 제어케이블의 불필요로 안전성 향상, 보호계전기의 서버화에 따른 설치 공간의 대폭적인 삭감 등의 효과를 기대할 수 있다.

다른 하나는 전기실에서 원격지의 운전 거점 등에 대해 주회로 설비로부터 전압 · 전류 및 기기의 개폐 상태 등의 정보를 전송하고 보호계전기 연산을 운전 거점 등에서 실시하는 시스템으로, 여기서는 이것을 '거점 보호 · 광역 백업 시스템'이라 칭한다.
그 개요는 <그림 5>와 같다. 이것은 배전반이 필요없으며 로케이션이 없는 시스템이다.

마무리

본고에서는 조사전문위원회의 조사 · 연구 결과를 바탕으로 디지털 계전기를 둘러싼 여러 과제 및 그 대책, 그리고 보호계전기 시스템의 미래상에 대해 논했다.
여기서는 언급하지 않았지만 보호계전기의 미래를 생각하는 데 있어 보호계전기에 연관된 인재 육성도 대단히 중요한 과제다. 각종 기술의 발전 및 전력사업을 둘러싼 환경 변화에 대응할 수 있는 고도의 기술자 육성을 위한 노력도 앞으로 꾸준히 이어져야 할 것이다.

디지털 계전기
전압, 전류 등을 일정한 시간 간격으로 샘플링(Sampling)해 디지털양으로 변화하고 이 데이터를 마이크로프로세서(μ-processor) 등으로 구성된 연산처리부에서 미리 준비한 프로그램으로 연산처리해 계전기 특성을 실현하는 계전기다.