[무정전 전원 장치(UPS) ②] UPS 시스템 구성

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[무정전 전원 장치(UPS) ②] UPS 시스템 구성

2011년 5월 18일 (수) 11:40:13 | 지면 발행 ( 2011년 4월호 - 전체 보기 )

고도 정보화 사회로 들어서면서 24시간 쉼 없이 가동하는 설비와 시스템이 증가했다. 그리고 이런 설비들은 찰나에 전원 공급이 끊어지는 것만으로도 사회, 경제적으로 엄청난 피해를 초래하므로 전력의 안정적 공급은 날이 갈수록 중요해졌다. 동시에 순간 전압 강하로부터 설비를 보호하는 UPS의 역할도 강조됐다. 이 UPS 시스템은 어떻게 구성돼 있는지, 각각의 방식이 지닌 장 · 단점은 무엇인지 알아본다.

정리 전화영 기자

무정전 전원 장치(이하, UPS)는 금융 온라인, 통신 설비, 방송 설비 등 시스템 가동이 멈추면 경제, 사회 활동에 막대한 영향을 초래하는 분야에 넓게 보급돼 왔다. 한편, 컴퓨터 네트워크 시스템의 발달과 인터넷 보급으로 글로벌 기업 내 LAN, 생활 관리 등을 도입하면서 24시간 365일 연속 가동이 통례가 됨에 따라 급전 신뢰성과 급전 계속성 확보가 점점 중요해졌다.
여기서는 UPS 시스템 구성과 UPS의 입 · 출력측 구성에 대해 알아본다.

UPS 시스템 구성
UPS의 시스템 구성으로 단기單機운전 방식, 병렬용장 운전 · 일괄 바이패스 변환 방식, 병렬 용장 운전 · 개별 바이패스 변환 방식, 공통 예비 운전 방식을 들 수 있다.

1. 단기 운전 방식
시스템 구성은 <그림 1>과 같다. 이 구성의 특징은 바이패스 변환 회로(과부하 또는 고장 시 상용전원을 부하에 급전하는 회로)를 내장한 UPS를 단독으로 설치하는 구성으로, UPS 보수 점검 시에도 상용 전원을 부하에 급전하기 위해 입출력반(보수 바이패스 회로 내장)을 설치하는 것이 일반적이다.
UPS 시스템 구성 중에서 가장 심플한 구성이긴 하나, UPS 보수 점검 시 부하에 상용 전원을 사용한 보수 바이패스 회로 급전이 되는 것과 함께, 입출력반 점검 시 부하에 전원을 급전할 수 없는 단점이 있다.

2. 병렬 용장 운전 · 일괄 바이패스 변환 방식
시스템 구성은 <그림 2>와 같다. 예전부터 전산센터 등에서 고신뢰성 UPS 시스템 방식으로 많이 채용하는 방식이다. 여러 대(N대)의 UPS를 병렬로 운전해 부하 쪽으로의 최대 공급 용량을 (N-1)대 분으로 한 것으로, 바이패스 변환 회로는 UPS 병렬 모선 2차 측에 (N-1)대 분의 용량을 일괄적으로 설치하는 구성이다. 예를 들어 150㎸A인 UPS 3대를 병렬 운전시킬 경우, 부하 쪽으로의 최대 공급 용량은 150㎸A 2대 분, 즉 300㎸A가 되며, UPS는 각각 100㎸A를 분담하며 운전하는 것이다. 병렬 운전 중 만에 하나 1대가 고장이 나더라도 남은 UPS로 전 부하에 무정전 전원을 급전할 수 있다. UPS의 급전 신뢰성은 높지만 출력 변환반(바이패스 변환 회로) 보수 점검 시 상용 전원을 사용한 보수 바이패스 회로로 급전되는 단점이 있다. 그리고 출력 분기반 점검을 하려면 이어서 논할 출력계 이중화가 필요하다.

3. 병렬 용장 운전 · 개별 바이패스 변환 방식
시스템 구성은 <그림 3>과 같다. 최근 몇 년 데이터센터 등에서 채용 사례가 늘어난 고신뢰성 UPS 시스템 방식이다. 바이패스 변환 회로를 내장한 여러 대(N대)의 UPS를 병렬로 운전해 부하 쪽으로의 최대 공급 용량을 (N-1)대 분으로 한 것으로, 병렬 용장 운전 · 일괄 바이패스 변환 방식과 비교해 바이패스 변환 회로도 다중화한 구성이다. UPS 급전 상태에서 UPS 1대씩 바이패스 변환 회로를 포함한 보수 점검이 가능하나, 출력 분기반 점검에는 병렬 용장 운전 · 일괄 바이패스 변환 방식과 같이 출력계 이중화가 필요하다. 한편이 방식은 일괄 바이패스 변환 방식에 비해 UPS증설도 비교적 수월하다.

4. 공통 예비 운전 방식
시스템 구성은 <그림 4>와 같다. 병렬 용장 운전 · 개별 바이패스 변환 방식과 함께 데이터센터 등에서 채용 사례가 늘어난 방식이다. 바이패스 변환 회로를 내장한 여러 대(N대)의 상용계 UPS를 단독으로 운전하고 공통의 예비계 UPS를 설치하는 것으로, 상용계 UPS의 바이패스 회로에는 예비계 UPS가 급전하는 구성이다. 만에 하나 상용계 UPS에 이상이 생기면 고장 난 상용계 UPS의 바이패스 변환 회로를 통해 예비계 UPS의 무정전 전원을 부하로 급전할 수 있다. 공통 예비 운전 방식은 병렬 용장 운전 방식에 비해 확장성(UPS 증설)이 있어 예비계 UPS의 정격 용량 이하면 부하 용량에 따라 UPS 용량을 선정해 증설할 수 있다. 다만, 1대의 상용계 UPS 부하로 과전류가 발생한 경우 다른 상용계 UPS 부하에 미치는 영향은 없으나 UPS 급전에서 과부하 내량은 공통 예비 UPS 1대분으로 제약을 받는다. 또한 부하 설비를 각 상용계 UPS의 정격 용량에 따라 분배해야 한다.

입력 측 구성에 대해
UPS 교류 입력계는 수변전 설비로부터의 급전을 이중화하는 것이 기본이며, 특히 고압(일반적으로 6.6㎸계) 점검 시 급전의 확보는 UPS를 사용한 고신뢰도 전원 시스템 구축에 필수 요건이다.

1. 완전 이중화 방식
UPS 설비를 24시간 365일 연속 가동하려면 전기실 쪽 계통을 <그림 5>와 같이 완전 이중화한 후 UPS 설비에 1계 모선과 2계 모선으로부터 전원공급을 받을 필요가 있다. 병렬 용장 운전 방식이나 공통 예비 운전 방식으로 UPS를 여러 대 설치하는 경우, 전기실 쪽으로부터 1계 전원과 2계 전원이 각 1계통만 급전된다면 <그림 6>과 같이 분기회로를 구성해야 한다.

2. 반 이중화 방식
입력 계통을 <그림 7>과 같이 하면 완전 이중화 방식에 비해 심플한 구성은 가능하나 상용 입력(1)측 점검 시 상용 바이패스 급전이 되므로 24시간 365일 연속 UPS 급전에 어려움이 따른다.

3. 그 외
UPS 교류 입력계로 전기실에서 고압(대 · 중규모 시스템의 경우 6.6㎸가 일반적)을 수전할 때 고압 그대로 구성하는 경우와 UPS 시스템으로 수전점에서 일괄해 저압으로 하는 경우 두 가지가 있다.
한편, 소규모 시스템에서 UPS 교류 입력계는 200V계로 구성된다. UPS로 상용 전원을 급전하는 수변전 설비의 고압 변압기는 타 설비와 공용돼 V상 접지하는 경우가 많으나, 급전 계속성을 생각하면 고압 변압기를 혼촉 방지판 부착으로 해 2차 측 비접지계로 하는 것이 바람직하다.

출력 측 구성에 대해
24시간 365일 연속 급전을 확보하려면 UPS 출력계의 이중화 등 구성이 가장 중요하다.

1. 완전 이중화 방식
<그림 8>은 병렬 용장 운전 · 개별 바이패스 변환방식에서 구성한 사례다. 출력반, 보수 바이패스반, 출력 분기반을 이중화하고, 부하 설비까지 2계통으로 급전하는 구성이다. 출력반 점검 시 UPS급전이 가능하며, UPS의 병렬 증설 시에도 UPS급전을 계속할 수 있다. 이 방식은 병렬 용장 운전 · 일괄 바이패스 변환 방식에서도 구성할 수 있다.
이 외에도 출력 간선 사고가 발생했을 때 조기 복구가 가능하다는 장점이 있다.

2. 일중화一重化방식
병렬 용장 운전 방식에서 가장 기본적인 출력계 구성이다(<그림 2> 참조). 출력반, 출력 변환반이 공통이어서 일정 기간 점검 시에는 상용 전원을 사용한 보수 바이패스 급전이 기본이다. UPS 급전을 계속하려면 가능한 한 점검 스팬Span을 연장하거나 가능한 급전 계속인 채로 점검할 수 있는 대책이 필요하다.
한편, UPS 설비를 일중화로 구성하는 경우에도 부하 분전반은 <그림 8>의 구성과 같이 2입력 형태로 구성할 것을 추천한다.

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본고에서 소개한 UPS 시스템 구성, 입 · 출력 측 구성에 대한 논의는 연속 급전을 하는 경우의 구성검토에 참고가 되길 바란다.