[기술노트] 디지털 제어 기술에 의한 전력시스템의 신뢰도와 성능 향상

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[기술노트] 디지털 제어 기술에 의한 전력시스템의 신뢰도와 성능 향상

2008년 9월 2일 (화) 23:48:00 | 지면 발행 ( 2008년 8월호 - 전체 보기 )

디지털 제어 기술에 의한 전력시스템의 신뢰도와 성능 향상커민스 파워 제너레이션_Jim Iversonwww.cumminspower.comwww.cummins.co.kr(커민스판매서비스코리아)개요전통적으로 현장 전력시스템은 아날로그 제어 시스템에 의지해 전기설비 부하에 신뢰할 수 있는 서비스를 제공해 왔다. 그러나 오늘날 신뢰성, 변동성을 갖춘 사용자 친화적인 디지털 제어 기술이 모든 현장 전력시스템에 사용되고 있다. 작은 빌딩의 아날로그 제어용 비상 조명 장치에 전력을 공급하는 경우라면 전통적인 비상 전력시스템이 적절하다. 하지만 대규모 현장 및 비상 전력시스템, 무정전 전력을 요구하는 중요한 시설, 복잡한 배전 시스템 및 선형과 비선형 부하가 섞인 경우에는 디지털 제어 방식이 성능 면에서 효과적이다.

[그림 1] 한전병렬 적용에 요구되는 다양한 아날로그 구성요소아날로그 대 디지털 : 무엇이 다른가?전력시스템 제어의 아날로그 장치에는 입출력 신호를 조정하고 특정한 제어 기능을 위해 기초적인 논리를 실행하는 개별 구성 요소(레지스터, 스위치, 커패시터, 코일 및 릴레이)가 있다. 시스템 제어는 보통 가변 저항 및 대치 모듈 저항을 증가 또는 감소시키는 물리적 조정으로 이루어진다. 아날로그 제어용 하드웨어는 지시등, 아날로그 미터나 알람 등이 시스템 상태 및 결함 상태를 알려준다. 현대 발전 시스템에는 부하, 한전, 다른 병렬 발전기, 엔진 혹은 교류 발전기와 관련된 200가지 이상의 전형적인 알람 상태가 있을 수 있다. 이러한 장비나 알람 상태가 늘어남에 따라 아날로그 제어 시스템은 운영자에게 이 정보를 효과적으로 알려주지 못할 수도 있다. 반면 디지털 제어 시스템에서는 입출력 제어 및 기능들을 구성하기 위해 마이크로프로세서를 사용한다. 시스템 상태는 그래픽으로 컴퓨터에 표시되며 키보드나 터치스크린을 통해 조정된다. 또한 전력시스템 마스터 제어부에 부착된 컴퓨터 스크린상에서나 LAN 또는 인터넷을 통해 연결된 원격 컴퓨터상에서도 변경 작업을 수행할 수 있다. 디지털 시스템에서는 높은 수준의 제어 기능 통합이 가능하기 때문에 하나의 디지털 제어로 여러 아날로그 제어 작업을 수행할 수 있다.

* 주): 디지털 환경에서는 모든 엔진, 발전기, 부하 컨트롤 기능은 하나의 작은 디지털 센트럴 제어 자치에 결합된다. 상호 접속이 줄어들었기 때문에 신뢰도는 향상됐다.[그림 2] 모든 기능이 하나의 디지털 센트럴 제어 장치에 결합된 디지털 환경신뢰성대다수의 전력시스템 실수요자들은 어떻게 작동하는지, 고장 났을 때 아날로그 컨트롤 시스템에 의지하곤 한다. 따라서 디지털 발전기 세트, 절환 스위치 또는 병렬 제어를 경험하지 않은 사용자들은 아날로그 방식을 바꾸는 것을 꺼려할 수도 있다. 하지만 실제 아날로그 제어를 계속 사용하면 시스템 신뢰도가 낮아지고, 설치 시 구식 제어는 모든 면에서 설비에 부담을 주는 결과를 초래한다.디지털 발전기 제어는 분명 신뢰성이 높다. 예를 들어, 엔진 및 발전기를 생산하는 커민스 파워 제너레이션(Cummins Power Generation)의 발전기 세트용 PowerCommand 마스터 제어 시스템이 사용된 디지털 제어부는 평균 무고장 시간(MTBF) 30만 시간 이상으로 그 신뢰성을 증명했다. 그 어떤 아날로그 제어 시스템 구성품도 이러한 신뢰성을 보이지 않았다. 아날로그 시스템에서는 시스템이 작동하려면 모든 구성 요소가 적절하게 제 기능을 다해야 한다. 반면 디지털 시스템에는 제어 회로 한 부분의 구성물이 제 기능을 못하더라도 적절하게 시스템이 기능하도록 하기 위한 여분의 장치가 내장되어 있다. 고체 소자 이용 디지털 구성 요소로 인해, 각 회로 간 물리적인 전기 상호접속이 필요 없으므로 신뢰도 또한 향상된다. 실질적인 예를 들면, 예비 발전기에 시동이 걸리지 않는 가장 큰 이유는 시동 축전지가 소진되었기 때문인데, 모든 시동 실패의 80%가 이것이 원인이다. 문제가 차에 있든 발전기 세트에 있든, 서비스 기술자가 부하 시험기(Load Bank)를 사용해 축전지를 테스트 해봐야 한다. 기본적으로 부하를 가함과 동시에 출력 전압 관찰 후 전압이 너무 낮게 빨리 떨어지면 그 축전지는 교환해야 한다. 디지털 전력 제어시스템에는 약한 축전지를 감지하는 기능이 있다. 이 기능을 통해 엔진이 기동될 때 축전지가 모니터링되며 축전지 전압이 너무 오랫동안 많이 떨어지면 배터리 부족 알람이 울린다.

주): 디지털 병렬화 컨트롤 시스템은 병렬로 연결된 발전기 세트 수에 관계없이 하나의 디지털 마스터 컨트롤러만 요구한다. 따라서 컨트롤 모듈의 설치 공간을 줄여줄 뿐 아니라 하나의 입출력 장치 내 정보 및 제어 기능을 집중화 할 수 있다.[그림 3] 디지털 병렬화 컨트롤 시스템시스템 통합디지털 제어의 주요 장점 중 하나는 전력시스템의 기능 구성 요소를 고르게 통합한다는 것이다. 복합 전력시스템의 모든 구성 요소 및 값이 중앙 또는 원격 컴퓨터에 나타나므로 이를 통제할 수 있으며, 전자 기계 장비(현대식 가스 및 디젤 엔진, 교류 발전기, 절체 스위치) 또한 모니터링하고 통합적으로 제어할 수 있다.현대식 배기 제어 디젤 엔진에서 다양한 기능을 통합하는 디지털 시스템 능력은 매우 중요하다. 특히 발전기 부하 변동에 따른 엔진 제어 기능(연료비 및 인젝션 타이밍)을 통합하는 것은 디젤 엔진에서 배기가스 배출량을 최소화하는 데 중요하다.커민스 PowerCommand 발전기 세트의 완전 통합형 디지털 시스템에서는 이러한 기능들이 디지털 마스터 제어부에 통합되고 분리된 엔진 거버너가 장착되어 있지 않다. 이 때문에 다양한 부하에서 엔진 성능이 향상되고 배기가스가 감소되며 출력 주파수와 전압이 안정화된다는 이점이 있다. 논리 기능을 수행하는 디지털 제어 시스템은 발전기 세트를 시동할 때의 배기가스 배출량을 줄이는 데도 중요하다. 대부분의 발전기 세트에서 엔진 속도 제어 시스템은 발전기 세트가 시동 모드에 있다는 것을 ‘인식’하지 못한다. 이런 제어 방식은 시동을 거는 동안 엔진에 연료를 과잉 공급하는 경향이 있으며, 그 결과 배기가스에 검은색 연기가 포함돼 나오는 것이다.이런 현상은 전력이 거버너 제어부에 인가될 때 엔진이 적정 속도에서 크게 벗어났음을 거버너 제어부가 감지하여, 적정 속도로 재빨리 엔진을 회전시키기 위해 가능한 한 최대의 연료를 공급하기 때문이다. 디지털 기반 시스템을 사용하면 엔진이 시동 모드에 있다는 것을 거버너 제어부가 ‘인식’하기 때문에 즉시 엔진을 정격 속도까지 가속하지 않는다. 대신 엔진이 크랭킹을 시작할 때 엔진 회전수를 점검하고 점차적으로 연료를 주입하여 엔진을 충분히 가속시킨다. 이렇게 함으로써 시동 걸 때 검은 연기가 발생하는 것을 근본적으로 차단한다. 또한 디지털 컨트롤은 엔진의 현재 온도를 ‘인식’하기 때문에 온도에 기초하여 거버너 세팅을 조정할 수 있다. 따라서 시동 시 엔진을 더욱 안정화시키고 워밍업 시 엔진 반응도를 더욱 높일 수 있다. 줄어든 공간 요구고체 전자공학 및 디지털 기술로 전환하는 것은 성능 및 신뢰도 측면에서 더 효과가 있을 뿐 아니라 공간 절약 측면에서도 아주 유용하다. 응용 사례별로 다르긴 하지만, 디지털 전력시스템 제어부는 25%에서 40%까지 기계 설치 공간을 절약할 수 있다. 디지털 제어부는 많은 제어 시스템이 별도의 방진 및 무진동 공간에 격리되어 있기보다는 발전기 세트에 위치해 있기 때문에 아날로그 시스템보다 환경적으로 더 견고하다. 이러한 요인들로 인해 설치와 작동이 간소화되고 유지 보수와 수리가 감소한다.탁월한 보호 기능의 디지털 시스템회로 차단기 같은 아날로그 장치는 배선과 발전기 세트 등을 보호하기 위해 단선과 과부하를 감지함으로써 간단하게 전력시스템을 보호하고 있다. 그러나 아날로그 회로 차단기는 전기 규정에서 요구하는 바와 같이 교류 발전기를 보호하지 못한다. 교류 발전기의 과도한 전류(간단한 과부화라도)는 열을 발생시키고 절연 수명을 단축시키며 교류 발전기를 고장 나게 할 수 있다. 몰딩된 케이스의 회로 차단기(MCCB)는 교류 발전기 과부하 및 열 축적에 대해 아무 것도 보호할 수 없다.

[그림 4] 일반 차단기 또는 보호계전기 동작 특성<그림 4>와 같이, 과부하가 발생하면 기존 열동 자기회로 차단기로는 교류 발전기 열동 손상 곡선에 반응할 수 없다. 정해진 최대 전류를 초과했을 때만 트립할 수 있을 뿐이다. 이렇게 되면 과부하 동안 교류 발전기에서 과도하게 열이 축적된다.디지털 감시 및 보호 기능은 손상 곡선에 일치하게끔 과도한 열이 축적되기 전에 시스템을 트립시킨다. 고체 소자 차단기는 교류 발전기 손상 곡선과 거의 일치되도록 조정되지만 일부 작동 영역에서는 여전히 용량을 초과할 수 있다. PowerCommand 디지털 컨트롤은 전 범위에서 보호 기능을 제공하기 위해 손상 곡선과 거의 일치하는 트립 특성을 사용한다.(<그림 5> 참조)

[그림 5] 커민스 PCC Ampsentury Protection 동작 특성정전이 일어난다면오늘날의 배전망은 실제로 그 어느 때보다도 신뢰성이 높기도 하지만, 정전으로 인해 실수요자에게 발생하는 손해가 날로 증가하고 있어 한 순간의 정전도 용인되지 못한다. 만일 구형 아날로그 기술 때문에 예비 전력 시스템의 신뢰성이 떨어진다면 예기치 못한 정전 사태로 인한 비용 손실 위험은 증가한다. 그러나 디지털 방식으로 제어되는 전력시스템은 향상된 신뢰성을 바탕으로 실수요자들의 재정 부담을 줄여 준다.용이한 정보 접근성디지털 컴퓨터가 정보 접근성을 기하급수적으로 높인 것과 같이, 디지털 제어 시스템은 실시간 및 과거 전력시스템 운영 정보로의 접근 가능성을 높이고 있다. 일단 정보가 마이크로프로세서 기반의 제어 시스템에 입력되면 설비 정보를 멀리서도 이용할 수 있는 여러 가지 옵션도 많다. 빌딩 자동화 시스템, 통신 시스템, 보안 및 안전 시스템은 전력시스템의 디지털 제어 시스템에서 얻은 정보를 다양하게 활용할 수 있다.이러한 정보를 활용할 수 있다면 시설을 더 효과적으로 그리고 더 경제적으로 관리할 수 있게 된다. 아날로그 시스템과 달리, 디지털 제어 시스템은 시스템 내 모든 주요 구성 요소의 실시간 상태를 제공한다. 엔진 오일, 냉각수량 및 온도, 축전지 충전 상태, 연료량 및 배전 시스템 내 모든 절환 스위치 상태는 제어실에 있는 디지털 마스터 제어부의 컴퓨터 스크린뿐 아니라 인터넷을 통해 연결된 보안 원격 단말기에서 모두 이용할 수 있다. 하지만 아날로그 시스템을 이용하면 절환 스위치 상태는 각각의 스위치에 대한 개별적인 물리적 검사(더 많은 노동과 시간 및 비용을 증가시키는 구식 접근법)로만 알 수 있다.결론

[그림 6] 커민스 토탈 파워솔루션전력시스템용 디지털 제어는 전통적인 아날로그 시스템에 비해 많은 장점을 가진다. 여기에는 높은 시스템 신뢰도, 시스템 교체 비용 절감, 설치 공간 축소화, 작업 유연성 향상, 장비 수명 증가, 유지 보수 간편화, 소프트웨어를 통한 쉬운 시스템 변경, 원격 감시·제어 및 더 향상된 배기가스 컨트롤 등이 포함된다.

Jim Iverson커민스 파워 제너레이션(Cummins Power Generation) 수석 어플리케이션 엔지니어. 1976년 이후로 절환 스위치 고안, 시스템 공학, 스위치기어&컨트롤 및 기술 마케팅과 세일즈를 관리해 왔다. Commercial 마케팅&세일즈에 기술 방침을 제공하고 미국 내 산업 코드 및 표준 개발에 공헌하며 산업 토픽에 관한 기술지를 발간하고 있다.디지털 제어(Digital Control) 제어기로 디지털 컴퓨터를 사용하는 제어를 말한다. 아날로그 제어에 비해 복잡한 제어 알고리즘을 쉽게 실장할 수 있고, 알고리즘의 수정이나 변경 및 데이터 처리가 용이한 데다 복수 시스템 제어를 동시에 집중적으로 실행할 수 있다.