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[전력설비의 경제성 평가 기술 2]
전력설비진단의 경제성 평가
전력계통의 사고를 미연에 방지하고 중대한 손실을 예방하기 위해서는 적절한 리스크 관리가 필수적이며 그 일환으로서 노후화된 기기의 열화진단 및 계획적인 갱신이 진행되고 있다. 이에 따라 전력설비를 하나의 자산(Asset)으로 보아 신뢰성 향상 및 비용 절감을 위한 보전작업을 개선시킴으로써 유지·관리(Management) 최적화를 실현하는 자산관리의 개념이 도입되고 있다. 본고에서는 각종 보전방식을 소개하면서 진단기술의 도입에 따른 경제성 평가 및 전력설비에서의 자산관리 실태 등에 대해 알아본다. 번역·정리 김대근 기자 최근에 이르기까지 대부분의 기기 갱신은 계속해서 늘어나는 수요에 대응하기 위한 증용량(增容量)을 주목적으로 하고 있었다. 그런데 최근 저성장 또는 제로성장이라고 하는 경제정세를 맞이해 용량 증설을 위한 교체를 실시할 기회가 적어짐에 따라 설치된 기기를 수명이 다하기 직전까지 최대한 사용하려고 하는 경향이 나타나고 있다. 이 경향은 10여 년 전부터 지적되어 왔지만, 전력 자유화에 따른 비용절감의 요구와 더불어 드디어 현실적인 사태로 받아들여지기 시작했다. 앞으로는 이미 구축한 인프라 구조의 신뢰성을 유지하면서 필요한 기기에서 갱신을 진행하는 보전방법으로의 전환이 중요해진다. 의사결정을 지원하는 도구로서 진단기술의 진가에 대해 추궁하는 새로운 국면을 맞이하고 있다고 할 수 있다. 이 때문에 전기학회 유전·절연재료 기술위원회에서는 2004년에「전력기기 절연진단의 경제성 평가」조사전문위원회를 설치하여 신뢰도와 비용절감을 양립시키기 위한 기초이론의 조사 및 타분야에서의 실시 상황을 중심으로 한 조사를 실시했다. 이 기간 중 전기설비의 관리를 자산관리의 일환으로 파악하는 것에 대한 중요성이 인식되어 많은 이론적·실천적 검토가 이루어졌다. 자산관리란 자산운용에서 사용되어 온 말이다. 보전(保全)의 세계에서는 생산설비라는 ‘자산’(Asset)을 ‘관리’(Management)하는 것으로서 대체해 사용하고 있다. 현재「절연진단에 근거한 전력기기 자산관리」조사 전문 위원회가 2008년부터 활동을 해오고 있으며, 전력설비 자산 관리(Asset Management)의 구체적 사례와 데이터베이스 구축 방법론 등에 대해 조사를 실시하고 있다. 보전방법보전 담당자는 기기, 부품의 중요도, 경제성, 고장예지(故障豫知) 기술의 유무에 따라 보전방식을 결정한다. 계획입안에 있어서는 설비의 고유특징(재질·구조·설계면의 특징), 사용환경, 고장이력, 예상되는 열화손상에 대한 검토를 요한다. 체계적으로는 [그림 1]과 같다. 사후보전(BM)은 고장정지 또는 유해한 성능저하가 발생하고 난 후에 수리를 실시하는 보전방법을 말하며, 중요하지 않은 부분의 보전에 적용되는 경우가 있다. 예방보전(PM)은 설비의 건전성을 유지하고 고장이 발생하지 않도록 일상점검 및 정비, 진단 등을 실시하는 것을 말하며, 정기보전과 상태기준보전으로 나뉜다. 또 운전상태를 감시하고 그 정보에 따라 보전계획을 입안·실행해나가는 역동적인 보전방법은 예지보전(Predictive Maintenance: PdM)이라고 부른다. 일반적으로는 우발 고장계에서는 사후보전을, 피로·경년열화 고장계에서는 예방보전을 지향하고 있다. 기기의 라이프 사이클 코스트(수명주기 비용) 및 기기고장에 의한 손실을 계산하기 쉬운 산업용 플랜트에서는 선진적 기업의 경우 △1950년대부터 예방보전이 채용되어 △1960년대에는 생산보전 △1970년대에는 자주보전을 특징으로 하는 TPM(Total Productive Maintenance) △1980년대부터는 예지보전으로 이행되어 가는데, 일반적인 기업에서는 이보다 10~15년 정도의 지연이 있는 것으로 보인다. 현재에는 리스크를 올바르게 평가하고 보전 비용을 절감시키는 RBM(Risk Based Management, 위험성 기반관리)이 주류를 이루고 있으며, 또한 생산까지 포함하여 플랜트 전체의 자산관리를 최적화하는 플랜트 자산관리 시스템(Plant Asset Management)도 일부 업계에서는 적극 도입되고 있다. 전력업계에서는 신뢰성을 유지하면서도 신뢰성 확보를 위한 과잉투자를 억제하고 적정한 비용 대비 효과로 이어지는 보수를 지향하고 있다. 그러나 플랜트 내에서와는 달리, 사회적 영향 등을 감안하여 대상기기마다 보전방식이 다른 것이 현 실태이다. 예를 들면, 설비량이 방대한 배전설비나 애자 및 철탑 등 명확하게 수명이 정해져 있지 않은 기기가 많은 가공송전선 설비에서는 적정한 순시(巡視)를 실시하여 이상을 발견한 후 계획적인 정비 및 수리를 실시하는 사후 보전 방식이 일반적이다. 한편, 차단기와 같이 동작횟수를 명확히 알 수 있는 기기에서는 소정의 차단횟수를 넘으면 접점을 교체하는 등의 시간기준보전이 실시되고 있는 것도 있다. 유중가스분석에 의한 절연지의 중합도 열화 진단기술이 확립되어 있는 변압기 및 물트리 열화진단기술이 비교적 확립되어 있는 CV 케이블에서는 진단결과에 따라 그 후의 운용을 결정하는 상태기준보전이 지향되고 있다. 
석유 관련 플랜트에서의 사례석유정제, 화학에서 실시되고 있는 자산관리의 예를 소개한다. 자산관리 미적용의 기존형 기업에서는 대상 기기의「보전작업 미실시에 따른 결과 현상」을 중심으로 한 방법에 의해 보전작업의 선택이 이루어지고 있다. 그러나 실제로는 보통의 운전상태에서 고장날 가능성은 거의 없고, 오히려 보전작업 중의 작업실수에 의해 이상이 발생될 가능성이 높을 수 있다. 그래서 실시해야할 보전작업의 선택에 있어, 작업이 실시되지 않았던 때에 생기는 결과현상과 그 발생확률의 양쪽 모두를 바탕으로 리스크를 검토한다. [그림 2]는 그 흐름을 설명한 것이다. 보전전략과 신뢰성 향상 전략으로 보전작업 전체를 재검토(개선)함과 동시에 리스크에 따라 리스크 완화를 위한 보수작업을 선정한다. 리스크란 결과현상의 규모×가능성으로 표시된다. 판정결과를 시각적으로 명확하게 하는 도구로서 [그림 3]에서와 같은 의사결정 매트릭스를 활용한다. 이것은 RBDM(Risk Based Decision Matrix)이라고 하며, 미국 석유협회에서 통상적으로 활용되는 것이다. 리스크 완화책이란 결과현상의 영향이나 현상의 발생확률을 감소시킴으로써 허용할 수 없는 리스크를 저감하는 것이다. 완화책을 실시하는 비용의 합계는 리스크 비용보다 낮아야 한다. 보전정보는 운전과, 보전담당과, 안전담당과 등의 관련부서에서 열람할 수 있다. 소개한 자산관리는 전기설비뿐만 아니라, 플랜트 전체에 적용되는 것이다. 이 프로그램에 의해 PDCA(Plan Do Check Action)가 적절하게 돌아가 보전비용의 절감 측면에서 성과를 얻고 있다.  
진단기술 도입에 관한 경제성 평가개념예지보전 및 상태감시보전에서는 설비의 이상 및 열화를 검출하는 진단이 필수적이다. 진단을 포함한 보수를 실시하는 경우 진단의 마진(허용 위험도), 진단주기 등의 파라미터가 있으며, 경제효과를 최대화하기 위해서는 주어진 조건 즉, 잔여수명의 확률분포, 진단 정밀도, 진단비용, 교체비용, 고장손실 등에 따라 이것들의 파라미터를 최적화할 필요가 있다. 또 현실의 열화진단에서는 경년에 따라 진단주기(여기에서는 진단의 보장기간으로 표현함)를 변화시키는 일이 자주 행해진다. 엄격한 진단을 하게 되면 불필요한 교체로 인한 손실이 늘어난다. 이를「조기손실」이라고 부르는데 현금 흐름으로 생각한다면 일정기간에서의 교체빈도가 증가하는 것으로 이해하면 된다. 반대로 진단을 대충하게 되면 일정기간 내의 고장빈도가 늘어난다. 고장에 의한 손실은 발생상황에 따라 다르지만, 계획적인 교체에 비해 큰 것으로 본다. 진단에는 일정의 비용이 필요하기 때문에 이 또한 손실로 간주한다. 종합손실이란 이 모든 것들의 합계이다. 다음 진단까지의 기간(보장기간)이 정해져 있는 경우에는 적절한 허용 위험도를 결정함으로써 종합손실을 최소화할 수 있다. 이 계산을 하기 위해서는 △잔여수명의 확률밀도 △진단의 정밀도 △교체비용 △고장손실 및 진단비용이 필요하다. 보장기간은 임의로 설정할 수 있기 때문에 허용 위험도와 보장기간의 최적조건을 충족시키는 솔루션이 요구되고 있다. ([그림 4] 참조) 
진단의 결과, 발생되는 현상진단의 결과, [그림 5]에서와 같은 3종류의 현상이 발생된다. a는 고장난 시점에서 교체되어 경년이 0이 되는 확률을, b는 즉시 교체되어 경년이 0이 되는 확률분포를 나타낸다. 기타 부분(공백부분)은 보장기간 동안 계속 사용되며, 보장기간 종료 시에 계속 사용할 수 있을지의 여부를 다시 판단한다. 평균 연간 유지비용진단 직전의 경년을 T라고 하면, 진단 후 기기의 경년 추이는 확률분포로 주어진다. [그림 6]은 이해를 돕기 위해 이를 이산형(離散形, discrete type)으로 표현한 것이다. 횡축은 경년을, 막대의 길이는 확률밀도를 나타낸다. 진단 직후에는 경년이 0, 즉 신품으로 교체될 확률이 P replace, 경년이 T가 되며, 그대로 사용될 확률이 1 P replace가 된다. 교체된 신품이라고 해도 고장의 확률은 0이 아니므로 고장이 발생하여 교체될 확률을 계산한다. 교체한 기기가 보장기간 내에 고장이 재차 발생하면, 또 다시 교체된다. 즉, 신품으로 교체한 경우라도 보장기간 내에 여러 차례의 교체가 발생될 가능성이 있다. 진단에 따라 교체되지 않고 남아 있는 경우라도 보장기간 내에 고장이 나면 신품으로 교체된다. 진단에 따라 교체된 경우와 마찬가지로 보장기간 내에 여러 차례의 교체가 발생될 가능성이 있다. 진단을 실시하지 않는 옵션(선택사항)도 생각해볼 수 있다. 이 경우에는 그대로 일정기간을 사용할 것인지, 아니면 교체하여 일정기간을 사용할 것인지 어느 한쪽을 취하게 된다. 전자의 경우는 남아 있는 기대치가 1이 되며, 후자의 경우는 교체되는 기대치를 1로 하여 계산한다. 보장기간 내의 평균 연간 유지비용은 교체 횟수의 기대치와 1회당 비용의 곱, 고장 횟수의 기대치와 1회당 비용(교체비용을 포함)의 곱, 그리고 진단비용을 합계해서 얻어진다. 그 최솟값을 부여하는 보장기간과 허용편차(허용 위험도)를 구한다. 
간단한 모델 계산간단한 모델 계산을 실시했다. 신품의 수명으로 평균 28년, 표준편차 8년의 분포를 가정했다. 물트리 열화에 의한 가교 폴리에틸렌 절연 케이블의 절연파괴 해석에 대한 과거의 보고를 참고로 하였는데 현재의 수명 특성이 크게 개선된 것으로 보이고 있다. 케이블의 종류에 제한을 둔 해석은 본고에서의 목적이 아니므로 해석결과에 현실성을 부여하기 위한 편의상의 값으로서 인식해주길 바라는 바이다. 계산이 간단하기 때문에 이 분포는 경년과 더불어 이동할 것으로 보이고 있다. 기기의 신설비용을 100엔이라고 하고, 고장 발생 시 교체하는 경우의 비용은 교체비용에 사고로 인한 경제손실 등을 더한 값으로 1000엔으로 하였다. 진단은 1회 5엔, 진단 정밀도를 4년으로 했다. [그림 7]은 경년 0년, 16년, 28년의 경우 보장기간과 평균 연간 유지비용의 관계를 나타낸 것이다. 보장기간의 최적점은 평균 연간 유지비용이 극소가 되는 점이다. 열화의 진행에 따라 보장기간의 최적점에서의 평균 연간 유지비용은 증가한다. 진단을 실시할 시의 최적보장기간은 0년 경과에서 8~9년이지만, 진단을 실시하지 않은 쪽이 평균 연간 유지비용이 낮다. 경년 16년에서는 진단 시 최적보장기간에서의 연간 평균 유지비용이 증가한다. 그러나 경년에 수반되는 고장확률의 상승으로 인해 계속 사용 시 연간 평균 유지비용이 증가하기 때문에 진단을 한 쪽이 유리해진다. 경년변화에 따라 열화가 더 진행되면, 진단 시의 최적보장기간은 장시간 측으로 이동한다. 이것은「열화의 진행에 따라 진단의 간격을 넓게 해야 한다」는 것을 시사하며, 「열화의 진행에 따라 진단주기를 단축해야 한다」는 상식과는 반대의 결과이다. 그러나 열화가 상당히 진행된 경우「예측 잔여수명이 대단히 길지 않은 한 교체를 하는 것이 이득」이라고 생각한다면 이해가 쉽다. 열화가 진행된 기기를 교체하지 않고 진단을 빈번하게 실시하는 것은 교체비용의 이연효과를 가져 오지만, 현금 흐름만을 생각한 경우에는 비용 증가의 요인이 될 가능성을 내포하고 있다. 경년 28년으로 진단을 해도 대부분의 경우「교체」라는 판단이 내려지기 때문에 진단을 실시하지 않고 교체 및 사용을 해도 거의 동일한 평균 연간 유지비용이 된다. 엄밀하게는 진단 비용분만을 진단한 경우의 손실이 크기 때문에 진단의 비용적인 메리트는 성립하지 않는다. 이상, 진단의 보장기간은 열화의 진행상태에 맞게 최적화해야 한다는 것을 살펴보았다. 경년이 상당히 짧은 경우에는 진단하지 않고 계속 사용하는 것이 비용 절감 효과가 높으며, 마찬가지로 경년이 상당히 길고 열화가 진행되고 있는 경우에는 진단하지 않고 교체하는 편이 비용 절감 효과가 높다. 진단의 비용적 메리트는 양자 간의 중간 영역에서 성립한다.
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전력설비는 하나의 자산(Asset)이며, 지금까지 이것을 어떻게 유지·관리(Management)해 나갈 것인가 하는 자산관리의 방법론 및 그 다양한 시도들에 대해 설명했다. 석유 플랜트 전기설비의 사례에서는 리스크를 대략적으로 수치화하여 리스크가 높은 것부터 보수·관리를 실시함으로써 비용 절감을 도모하고 있다. 첨단적인 보전은 상태감시와 진단을 동반하지만, 진단 그 자체가 비용의 요인이 되기 때문에 도입 시에는 비용 절감 효과를 예측해 볼 필요가 있다. 확률론에 근거한 예상을 실시하기 위해서는 수명 및 진단 정밀도에 관한 데이터베이스의 정비가 필요하다.
<Energy News>
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