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전력 IT 기반의 전력용 변압기 예방 진단 시스템
㈜효성(www.hyosung.co.kr)
중공업연구소 솔루션기술팀_양항준 수석연구원
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개요
송 · 변전 기기는 고압 대용량화로 진행되어 2002년도부터 765㎸ 송 · 변전 설비를 건설하기 시작해 상용 운전 중에 있다. 향후 기간 계통전압이 345㎸ 및 765㎸로 바꾸어질 것이며, 이에 따른 송전 용량의 증가로 기기 고장 시 미치는 파급효과는 엄청날 것으로 예측됨에 따라 지금의 전력설비들은 매우 높은 신뢰성이 요구되고 있다. 특히 기기의 고장을 예측 진단하여 신뢰성을 높이는 부분은 필수적인 분야이다.
전력 설비의 유지 보수 기술은 과거 Off-line 상태에서 수리 위주의 기술에서 ‘계획 기반 유지 보수’를 거쳐 현재의 ‘조건(Condition)기반 유지 보수’에 이르렀으며, 각 설비의 특성파악과 운용 환경에 따른 설비의 중요도 및 파급 효과 분석(Failure Modes, Effects & Analysis) 등 신뢰성 공학을 기반으로 하는 ‘신뢰성 기반 예방 진단(RCM : Reliability Centered Maintenance)’기술과 시스템, 인프라 개발의 필요성이 점점 커지고 있다. 또한 현재 전력 IT 기반의 변전소 자동화 시스템이 개발되고 있으며, 이는 전력 설비의 전기, 기계적 보호장치에 대한 정보의 디지털화를 통하여 보다 혁신적인 전력 시스템 구축 기반을 만들어 가는 부분이라 할 수 있다. 전력 설비에 대한 예방 진단 시스템도 전력 IT를 기반으로 동일한 발전 추이를 보이고 있다.
변압기의 경우 사고 파급 효과는 상상을 초월할 정도로 크며, 고경년 변압기나 과부하로 운전 조건이 어려운 변압기가 증가하고 있다. 이에 변압기의 감시, 진단 센서 기술과 IT를 이용하여 운전중인 변압기를 상시 모니터링 하여 정밀 진단의 필요 여부를 판단하고, 변압기의 수명 예측 및 과부하 시 변압기 운전 능력을 판단하는 등의 전력용 변압기 예방 진단 시스템에 대한 수요도 증가하고 있다. 또한 기존의 광역 네트워크를 사용하여 원격지의 변압기 운전 상태와 감시 진단 정보를 필요에 따라 접근 가능하도록 하여 이상(굋常)의 종류와 정도를 추론하고, 그에 대한 처리 절차 등을 제공하여 기기의 고신뢰성 확보 및 유지 보수 비용 절감이라고 하는 두 가지 효과를 함께 추구하고 있다.
여기에서는 전력 IT 기반의 전력용 변압기 예방진단 시스템에 대해 설명한다.
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변압기 예방 진단 시스템의 구성 및 기능
1. 변압기 예방 진단 시스템 구성
예방 진단 시스템의 전제 구성도는 일반적으로 <그림 1>과 같이 센서부, I/O Module, 현장용 IED(Intelligent Electronic Devices) 및 원격 감시반(Engineering Center)으로 구성된다. 센서부는 변압기의 전압, 전류, 온도, 압력 등 변압기 상태를 측정하며, I/O Module은 각 센서로부터 데이터를 취득하고 제어 모듈을 통해 제어 신호를 출력한다. 현장용 IED는 I/O Module로부터 취합된 정보를 분석하고, 진단 알고리즘을 통한 예방 진단 기능 수행, 운영자 화면 제공 및 상위 시스템과 데이터를 교환하게 된다.
전력용 변압기 예방 진단 시스템의 진단 항목 및 센서 선정은 변압기의 감시 항목 분석, 보호계기 환경 및 사양 분석 등을 통해 선정하게 된다.
<표 1>에는 154㎸ 전력용 변압기의 기본 센서구성을 나타냈으며, <그림 2>에는 센서 설치 사례를 나타냈다. 사용자의 요청에 따라 센서의 변경 및 추가가 가능하다.
2. 변압기 예방 진단 시스템 기능
변압기 예방 진단 시스템은 변압기에 취부된 각종 감시 센서 및 보호계전기로부터 데이터를 취득하여 변압기에 대한 1차 상태 진단 기능을 수행한다. 그리고 이들 데이터를 가공 처리한 알고리즘을 통해 변압기를 최적의 상태로 운전이 가능하도록 하며, 취득된 정보는 선별적으로 상위 시스템에 전송 및 원격제어가 가능하도록 한다. <표 2>에는 변압기 예방 진단 시스템에 대한 주요 기능 및 항목을 나타냈다.
3. 변압기 진단 알고리즘
IED에는 변압기 상태 및 정밀 진단에 대한 정보를 제공하기 위하여 변압기 설계 및 시험 데이터, 변압기 운전 상태 정보를 바탕으로 권선의 Hot-Spot(최고온부) 온도, 변압기 절연물에 대한 열화율/잔여 수명, 과부하 내량 계산 및 기준 온도값에 따른 냉각기 그룹 제어 알고리즘 기능을 갖추고 있다.
⑴ 권선의 Hot-Spot 온도
권선 절연의 특정 부분에서 나타난 최고 온도를 Hot-Spot 온도라고 부르며, 변압기의 부하에서 가장 결정적인 제한요소가 바로 권선의 Hot-Spot 온도이다. 이 온도는 변압기 운전의 열적 한도를 나타내며, 열적 열화율의 상대값 평가에 결과적으로 사용된다.
현재는 광섬유 탐촉자나 유사한 측정 장치 등을 이용하여 권선의 Hot-Spot 온도를 직접 측정하는 일이 가능하게 됐으며, <그림 3>은 직접 측정방식의 예를 보여준다.
계산 알고리즘에 의한 간접 측정 방식은 IEC 60354에 규정하고 있으며, 변압기 부하전류, 변압기 냉각 방식 및 구성 Factor에 의해 결정된다.
이들 권선의 Hot-Spot 온도값은 과부하 내량, 수명 예측 및 냉각기 제어에 활용된다.
⑵ 변압기 절연물의 열화율 및 잔여 수명
변압기의 정상적인 수명은 정격 운전 조건과 정상 주위 온도 하에서 연속 운전하는 경우에 대한 예상값을 의미하는 것으로, 변압기 절연물의 열화율로 판단하게 된다.
변압기 절연물의 잔존 수명을 정량적으로 표시하여 사용할 수 있는 간단하고 특별한 수명 종료기준은 없다. 그러나 열화율에 기초한 비교가 가능하며, 변압기의 수명 예측 알고리즘은 제한된 온도 범위 내에서 몬싱거(Montsinger) 법칙의 수명 시간을 역수로 해서 나타낼 수 있다.
절연물의 열화는 과부하 운전 또는 높은 권선온도에 의해 절연물의 상대 수명 감소와 열화 가속을 수반하게 된다. IEC 60354 및 IEEE std.C57.91에는 온도에 따른 절연물의 상대 열화율에 대하여 규정하고 있다.
<그림 4>는 Hot-Spot 온도에 따른 절연물의 상대 열화율을 나타낸 것으로, IEC 및 IEEE에서는 Hot-Spot 온도를 각각 98℃, 110℃에서 상대 열화율 1로 정의하고 있다.
⑶ 변압기 과부하 내량 계산
변압기의 과부하 내량이란 절연물 손상 없이 운전 가능한 과부하 운전량을 의미하는 것으로, 과부하 내량 계산은 IEC 60354 및 IEEE std.C57.91 규격에서 정의하고 있다.
과부하 내량 계산은 단시간 비상 부하 운전에 대한 가능성 여부를 판정하기 위한 계산값으로서 부하 주기 동안 평균 주위 온도, 주위 온도에 대한 상부유 온도 상승, 그리고 상부유 온도에 대한 권선 Hot-Spot 온도 상승에 의해 결정된다.
⑷ 냉각기 제어 알고리즘
냉각기 제어 알고리즘은 변압기의 운전 조건에 따른 부하전류, 주위 온도, 절연유 온도, 권선 온도를 측정 센서로부터 데이터를 취득하여 부하율 및 임의의 시간 후에 상승되는 절연유, 권선의 Hot-Spot 온도 계산을 통해 냉각기기의 동작을 제어한다.
냉각기 제어는 기준 온도값을 1~6단계로 나누어 각 단계별로 그룹 가동시킬 수 있으며, 냉각기의 구동전류 및 누적 기동시간을 취득하여 냉각기의 과부하를 감시하고 구동시간이 가장 적은 팬그룹이 먼저 동작하게 된다.
<그림 5>는 냉각기 제어 시스템의 구성도를 나타낸 것으로, 변압기의 부하전류, 절연유 온도, 권선 온도, 대기 온도 및 팬 구동전류를 측정하여 4~20㎃의 출력 신호를 보내는 센서부가 있다.
센서부에 의해 출력된 신호는 제어 알고리즘을 통해 임의의 시간 후 상승하는 절연유 온도 및 권선의 Hop-Spot 온도를 계산하고 제어회로는 그 계산된 온도에 따라 냉각기기의 동작 유무를 결정하게 된다. 냉각 팬은 변압기 좌 · 우측에 총 6개의 그룹 운전이 가능하며, 기준 온도값과 각 그룹별 누적 동작시간에 따라 동작 우선순위가 결정된다.
일반적으로 변압기 제작사에 따라 그 구성과 제어방식에는 차이가 있을 수 있다.
4. DATA 송수신
IED는 다양한 통신 프로토콜을 포함하고 있으며, 그 중에서 현재 가장 이슈화 되고 있는 변전소 자동화 표준 프로토콜인 IEC` 61850을 탑재하고 있다.
이는 변압기의 상태 및 진단 정보의 통신에 있어 이더넷 기반의 통신 기능과 아울러 Interoperability기능을 제공하여 사용자의 네트워크 구성에 표준을 제시한다. <표 3>에는 IEC 61850 Server 모듈의 기능 정의에 대해 나타내었다.
5. 운영자 감시 화면
시스템 제작사에 따라 시스템 구성에는 차이가 있을 수 있다. 현재 당사의 현장용 IED에는 자체 HMI(Human Machine Interface) 기능을 포함하고 있어 감시 진단 항목에 대해 Field에서 운전자의 확인이 편리하도록 구성되어 있다.
HMI는 Main Menu와 Sub Menu로 구성되며, 화면은 변압기 감시창(각 상별로 구성), 온도감시창, OLTC 감시창, 냉각장치 제어창 등으로 구성되어 있다. 그리고 Event와 Historical Trend를 제공하며, 사용자가 설정치를 변경할 수 있도록 되어 있다. <그림 6>은 HMI의 예를 나타낸 것이다.
마무리
현재 변압기 예방 진단 시스템은 전력 IT 기술을 접목시켜 변압기에 대한 실시간 상태 감시가 가능하여 사전 고장 예방 및 점검으로 사고 파급을 극소화시키고, 이로써 사용자의 경제적인 이익은 물론 크게는 사회 안정화 및 국가 신뢰도 향상에 기여함을 주목적으로 한다. 그러나 경제적인 이유로 설비 및 시스템 제조업체들이 설비 파라미터의 공개를 어려워함에 따라 상이한 제조회사의 설비를 하나의 네트워크로 연결하는 것에는 많은 어려움이 존재한다. 이는 시장경제의 원칙상 강제하기 어려운 사안이기 때문에 관련 분야의 표준화만이 해결 방안이라고 판단된다. 그리고 여기에는 정부 차원의 노력이 반드시 뒤따라야 가능할 것이다. 아울러 진단 기술은 설비의 신뢰성을 높이는 부가적인 시스템이니 만큼 회사 및 정부의 정책에 따라 크게 좌우될 수 있으므로, 본 분야의 발전 및 적용 확대를 위한 제도적인 장치도 충분히 고려되어야 할 것이다.
<Energy News>
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