 독자연재 | HVDC 변전설비 설계의 방법과 활용 1. IEC 81346 기반의 설계 데이터 관리
직류송전 시스템(HVDC)은 발전소에서 생산한 교류전력을 직류로 변화시켜서 송전하고 수전점에서 교류로 다시 전환해 전력을 공급하는 방식이다. 이 방식의 장점은 장거리에 걸쳐 대용량 송전이 가능하다는 점이다. 전력손실이 낮고 조류제어가 용하다는 점, 설비에 사용하는 케이블이 상대적으로 적은 점 등이 경제적인 송전방식으로 평가되며 많은 관심을 끌고 있다. 이에 이번 호부터 3회에 걸쳐 변전설비(substation) 설계의 방법론과 활용방안 등을 소개할 예정이다. 구체적으로, IEC 표준과 GE 그리드솔루션의 사례 등을 연재에 담을 계획이다. <편집부>
글 김홍열 공학박사(AUCOTEC 한국지사장/CTO)
처음, 미국에서 발전소가 만들어지면서 송전은 직류방식으로 시도되었다. 그러나 발전은 전자유도작용에 의해 전기를 생산하면서 교류전력을 생산한다. 또한, 송배전의 효율을 높이기 위해 전력을 다양한 전압으로 수시로 변경할 필요가 있다. 교류방식은 변압기로 전압을 쉽게, 그리고 효율적으로 변경할 수 있다. 이처럼 유연한 변압 기술에 힘입어 교류송전방식은 직류송전방식보다 우위를 확보해왔다.
하지만 그간 역사의 뒤편에 밀려있던 직류송전방식이이 다시 주목을 끌고 있다. 그 배경에는 꾸준한 에너지 수요의 증가가 있다. 또, 온실가스 감축이나 미세먼지 등 환경오염을 줄이기 위해 재생에너지 사용의 비중이 점점 커지고 있다는 점도 직류송전방식을 다시 역사의 무대 위로 끌어올리고 있다. ‘재생에너지의 역설’이라는 말처럼, 재생에너지가 풍부한 지역과 전력을 소비하는 지역은 서로 멀리 떨어져 있어 효과적인 장거리 송전방식을 고민하지 않을 수 없기 때문이다. 또한, 첨단 기술이 발전하는 가운데 에너지 저장 장치의 수요나 IT(Information Technology)와 같은 직류 전원 부하가 급속히 늘어나고 있다는 점도 직류송전방식을 더욱 매력적으로 만들고 있는 요소이기도 하다.
대단위 전력계통의 핵심 기술, HVDC
초고압직류송전(High Voltage, Direct Current: HVDC)은 직류를 대량으로 송전하는 시스템이다. HVDC는 동기화를 하지 않아도 되며, 또한 소스와 부하 간의 링크를 독립적으로 조절할 수 있어서, 전력의 급격한 변화로 인한 장애에서도 시스템을 안정화시킬 수 있다. 또한 지하 매설이나 해저 송전의 경우에 케이블의 충전 전류로 인한 거리 제한으로부터 자유롭다. 그리고 다른 주파수의 전력, 예를 들어 50㎐ 60㎐를 사용하는 교류전력 간의 전력을 공급할 수 있다. HVDC의 이러한 특징은 이른바 슈퍼그리드(Super Grid)라고 하는 대단위 전력계통의 핵심 기술이기도 하다.
국내에서는 GE그리드솔루션(GE Grid Solution) 기술을 기반으로, 지난 1997년 해남-제주 간 300㎿급 ‘제1 HVDC’를 구축한 데에 이어, 2014년에는 양방향 전력송전이 가능한 400㎿급 ‘제2 HVDC’를 구축했다. 2012년 12월에는 한국전력공사와 GE그리드솔루션이 HVDC 기술 협력을 위해 합작투자(Joint Venture: JV) 방식으로 KAPES를 설립했다. 양사는 KAPES를 중심으로 구축사업과 기술이전 및 개발사업을 추진하고 있다.
하지만 HVDC는 여러 변환 장비들로 인해 아직까지는 교류송전에 비해 신뢰성이 떨어지며, 가용성이 교류 시스템보다 낮다는 단점이 있다. HVDC를 운영하기 위해서는 상대적으로 많은 장비가 필요하다. 하나의 시스템으로 구축했다고 해도 아직 교류 시스템에 비해서 표준화가 덜 되어 있다. 게다가 기술의 발전 속도가 급속하게 이루어지고 있어 표준화의 계기를 마련하는 게 쉽지 않다.
변전설비 자동화를 위한 IEC 표준
[그림 1]을 보면 HVDC 시스템에서 이러한 다양한 변환 장치를 확인할 수 있다. AC/DC 간의 변환에 사용되는 핵심적인 컨버터뿐 아니라, AC/DC 변환 과정에서 발생하는 다양한 스위칭 노이즈를 제거하기 위한 장비 등이 포함되어 있다. 이렇게 아직은 낮은 신뢰성과 복잡한 장치 구성은 HVDC 변전설비(Substation) 내에 전기제어 시스템의 통합을 필수적으로 요구하고 있고, 이러한 통합을 위한 핵심 디지털화 기술이 IEC 61850이다.  [그림 1] HVDC 변전설비와 구성 장비
IEC 61850은 변전설비 자동화를 위한 통신과 그러한 통신의 기반이 되는 디지털화의 표준을 정의한다. 또한, 이러한 디지털화에는 변전설비와 같이 복잡한 시스템의 데이터를 어떻게 표현할지에 대한 기준이 필요한데, 이러한 기준을 제공하는 표준이 IEC 81346이다.
IEC 81346은 시스템을 구성하는 요소 객체들의 관계와 구조를 데이터화하기 위한 표준이며 제작 관점, 기능 관점, 위치 관점이라는 서로 다른 3가지 관점을 가지고 객체들의 관계와 구조를 표현한다[그림 2].  [그림 2] IEC 81346을 기반으로 한 3가지 관점의 객체 정의
이를 통해 복잡한 시스템을 구조화하고 구성 요소 간에 명확한 관계 설정을 할 수 있다. 이렇게 서로 다른 관점을 표현하기 위해 IEC 81346에서는 제작 관점(-), 기능 관점(=), 위치 관점(+)의 식별자를 정의하고 있다. IEC 81346은 변전설비 등의 설계에만 국한되지 않으며, 플랜트에서 개별 장비까지 폭넓게 활용되는 객체 데이터화의 대표적인 표준이다.
예를 들어, 상기의 변전설비 구성에서 =CWL1, =CWL5 등은 IEC 81346에서 기능 관점의 표현을 의미하며 베이(Bay) 단위를 의미한다. =CWL1의 경우는 +EF11과 +ES11으로 표현된 위치 관점의 판넬(Panel)로 구성된다. 물론 이러한 판넬의 제작 관점에서 차단기, 변압기, 보호 계전기 등의 장치로 구성된다. 이렇게 변전설비은 IEC 81346을 기반으로 베이 단위 구성이 정의될 수 있으며, 베이를 구성하는 판넬 단위로 구조화할 수 있다.
변전설비를 표준화된 데이터화를 통해 구조화하고 구성 요소 간에 관계 설정을 하는 이러한 방식은 운영 단계에서 IEC 61850 디지털화의 기반이 될 뿐만 아니라, 설계 단계에서도 다양한 장점을 가진다. 즉 설계 정보 자체의 구조화 및 표준화를 통해 설계의 표준화와 정합성 유지를 지원할 수 있고, 설계 자동화와 같은 확장을 통해 설계 생산성을 크게 향상시킬 수 있는 실질적으로 디지털화된 설계를 지원하게 된다.  [그림 3] IEC 81346 객체 표현에 따른 변전설비 예시
엔지니어링과 설계의 데이터화
앞서 언급한 GE 그리드솔루션뿐만 아니라, HVDC 분야의 또 다른 대표 기업인 지멘스(SIEMENS), 에이비비(ABB) 등도 이런 데이터화 기술의 중요성을 인식하고 변전설비의 설계 단계에서부터 반영하고 있다. 물론 이러한 데이터화가 설계 과정 중의 어느 한 순간에 이루어지지 않는다. 과거에는 데이터화 업무를 ‘엔지니어링’으로, 도면화 업무를 ‘설계’로 구분하여 진행하는 경우가 많았다. 따라서 상당수 엔지니어링/설계 툴이 그러한 환경에 맞추어 제공되었다.
하지만 현실적으로 엔지니어링과 설계의 명확한 구분이 쉽지 않고, 또한 엔지니어링과 설계 사이의 정합성 유지가 어려운 등 다양한 이슈를 내포하고 있다. 따라서 최근의 추세는 통상적인 설계 워크플로우(work flow) 상에서 이러한 엔지니어링 데이터를 자연스럽게 생성하여 단일 데이터베이스에서 관리하는 방식이 적용되고 있다. 물론 이러한 데이터 생성 및 관리는 익숙한 도면화 과정에서 자동화된 방식으로 생성 및 관리됨으로써 현업에서 업무의 이질감을 최소화하고 있다.  [그림 4]GE 그리드솔루션의 표준 워크플로우와 이를 통한 변전설비 데이터 관리
앞서 언급한 바와 같이 이러한 데이터화는 운영 단계의 활용성 이전에 설계 단계에서 다양한 장점을 가진다.
첫째, 도면의 정합성 유지의 자동화를 지원한다. HVDC 변전설비 뿐 아니라 통상적인 전력 계통 및 수배전반 관련 도면은 다양한 유형의 도면으로 구성된다. 이러한 다양한 도면에는 단선도, 삼선도, 회로도, 그리고 배치도 등이 포함된다. 설계 과정에서 필연적으로 발생하는 설계 변경의 경우 이러한 다양한 유형의 도면에 설계 변경 결과가 반영되어야 하는데, 설계 도면의 표현과 데이터가 연계되어 있다면 데이터의 변경을 통해 다양한 유형의 도면에 흩어져 있는 표현들을 일괄 변경할 수 있다.
둘째, 도면에 표현된 모든 정보가 데이터화 되어 있기 때문에 이러한 데이터를 기반으로 정보의 생성, 변환, 그리고 병합 자동화를 지원할 수 있게 된다. 예를 들어 장비 정보를 기준으로 한 와이어 번호 등의 자동화, 삼선도 상의 와이어와 단선도 상의 케이블 정보의 병합 자동화 등이 여기에 해당한다.
셋째, 이러한 데이터는 도면화 과정에서 자동화의 수단으로 활용될 수 있다. 도면화 과정에서 필수적으로 수반되는 자재 목록, 생산 등의 과정에 필요한 이면 배선도 등이 이러한 자동화를 적용할 수 있는 분야인데, 이미 단선도, 삼선도, 회로도 등의 도면화 과정에서 생성된 데이터를 재가공하면 충분히 자동화할 수 있는 부분들이다.
데이터화의 또다른 요소는 설계에 반영되는 부품 등의 라이브러리 성격의 데이터이다. 특히 기술 발전이 빠르고 상대적으로 복잡한 베이 제어기, IED(Intelligent Electrical Device) 등이 다수 적용되는 HVDC 변전설비 설계의 경우, 부품 등의 라이브러리의 관리는 설계 생산성 향상 뿐 아니라 설계의 정확성 향상을 지원한다. 이러한 라이브러리를 활용한 설계 데이터 생성을 지원하는 것이 설계 플랫폼의 중요한 역할이 된다.  [그림 5] 단일 데이터베이스를 통한 변전설비 데이터의 통합 관리 예시<Energy News>
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