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[독자연재 | HVDC 변전설비 설계의 방법과 활용]2. 선진사의 사례로 본 HVDC 서브스테이션 설계 워크플로우
2019년 3월 1일 (금) 00:00:00 |   지면 발행 ( 2019년 3월호 - 전체 보기 )

독자연재 | HVDC 변전설비 설계의 방법과 활용
2. 선진사의 사례로 본 HVDC 서브스테이션 설계 워크플로우

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 용이하다는 점, 설비에 사용하는 케이블이 상대적으로 적게 들어 경제적인 송전방식으로 평가되어 많은 관심을 끌고 있다. 이번 호에는 지난 호에 이어 HVDC 서브스테이션 설계 워크플로우의 선진사의 사례를 살펴본다. <편집부>

김홍열 공학박사(AUCOTEC 한국지사장/CTO)

GE 그리드솔류션 등의 사례에서 HVDC 서브스테이션 설계는 기본 설계에서 상세 설계를 거쳐 제작 설계에 이르기까지 설계 정보가 점진적으로 구체화되는 워크플로우를 가진다[그림1]. 즉 초기 단계인 기본 설계 단계에서 HVDC 서브스테이션을 구성하는 상위 정보가 정의 되고, 상세 설계 단계에서는 기본 설계 단계에서 정의된 상위 정보를 기반으로 하여 상세하게 정의된 하위 정보가 상위 정보와 연결되어 정의된다. 이어지는 제작 설계 단계에서는 전체 프로젝트 구성 정보에 배선 길이, 배선 경로 등 제작에 필요한 정보가 추가되어 설계 정보가 완성된다. 이렇게 표준화되고 점진적인 설계 워크플로우를 통해 수주 등에 대한 긴밀한 대응과 단계 별 외주화 등 유연한 업무 분할이 가능하게 된다.
[그림 1] HVDC 서브스테이션 설계 워크플로우와 프로젝트 데이터


물론 각 설계 단계의 최종 산출물은 도면의 형태를 가지고 있지만, 이러한 도면을 작성하는 과정에서 서브스테이션 구성 정보(프로젝트 데이터)는 유일한 기준 정보로서 도면 간의 정합성을 유지하는 역할뿐 아니라 도면에서 파생되는 다양한 형태의 산출 문서를 자동 생성하는 기준이 되기 때문에 완성된 서브스테이션 구성 정보가 실질적으로 최종 산출물이 된다.

여기서 설계 워크플로우 상에서 작성이 요구되는 다양한 산출 문서는 각 단계 별로 업무의 필요성에 의해 사전 정의될 수 있다. 예를 들어 단선도 작성 단계에서는 상세한 제작 정보가 아닌 견적 과정에서 필요한 시스템 구성 리포트(System Structure Report)가 필요하고, 터미널 다이어그램 작성 단계에서는 케이블의 사전 발주를 위한 케이블 리포트(Cable Report)가 필요하다. 회로도 작성 단계에서는 비로소 제작을 위한 상세 정보인 BOM(Bill of Material)이 필요하게 된다.

GE 그리드솔루션 등의 사례에서 워크플로우 각 단계별로 이러한 도면 산출물과 산출 문서의 구성은 사전 정의되어 있으며, 이렇게 사전 정의된 구성 정보는 프로젝트 템플릿(Project Template)을 통해 관리된다[그림2]. 즉 프로젝트 템플릿을 통해 표준화된 설계 워크플로우를 운영하기 때문에 신규 프로젝트 초기에는 항상 정해진 프로젝트 템플릿을 기반으로 신규 프로젝트 데이터를 생성하여 프로젝트를 시작한다.
[그림 2] HVDC 서브스테이터이션 설계를 위한 프로젝트 템플릿

서브스테이션 구성 요소와 관계의 정보화

설계 워크플로우의 초기 단계는 서브스테이션의 구성을 정의하고 단선도를 작성하는 단계이다. 단선도는 설계 과정에서 가장 기준이 되는 정보로, 서브스테이션 구성 요소와 그들 간의 관계가 명확하게 정보화되어야 한다. GE 그리드솔루션 등의 사례에서 이러한 정보화는 ‘기능적 정의’와 ‘물리적 정의’의 2단계로 나누어 수행되며, 국제 표준인 IEC 81346 객체 데이터화 표준을 따른다.

첫 번째 단계인 기능적 정의는 서브스테이션을 구성하는 베이(Bay)-판넬(Panel) 단위까지의 정의를 기능적으로 정의하는 것이다[그림3]. 예를 들어 400㎸ 서브스테이션(=S01)은 O/H Line(=CWL), Transformer(=CWT), Bus(=CWQ) 등으로 그 기능을 구분할 수 있고, 이러한 기능을 구현하기 위한 베이는 각각 Protection Panel(+EF1), Control Panel(+ES1)과 같은 판넬로 구성된다. 여기서 ‘=’로 시작하는 표기법은 IEC 81346의 기능적인 관점을, 그리고 ‘+’로 표기된 표기법은 위치점인 관점을 의미한다. 즉 전체적으로 400㎸ 서브스테이션을 구성하는 기능과 이러한 기능의 구현을 위한 판넬의 위치를 표현하여 기능적 정의를 완성한다.
[그림 3] IEC 81346 기반의 서브스테이션 구성 정의

기능적 정의에서 중요한 것은 어떠한 ‘Typical’서브스테이션, 베이, 그리고 판넬 기반으로 설계가 시작될지가 결정된다는 점이다. 여기서 ‘Typical’의 정의는 ‘표준화된 일반’ 정도의 의미로, 사전에 정의된 ‘표준화된 일반 설계 구성 정보’를 의미한다. 즉 고객사나 현장의 요구 등에 의해 상세한 내용은 바뀔 수 있겠지만 사전에 정의된 400㎸ 서브스테이션의 ‘표준화된 일반 설계 구성 정보’가 앞으로의 설계 진행에 시작 정보가 된다는 것이다.

이러한 방식은 실적 프로젝트 정보를 재활용하여 신규 프로젝트를 수행하는 일반적인 관행을 표준화의 관점에서 정의한 것으로, 실적 프로젝트 중 재활용성이 있는 것을 표준화된 일반 설계 구성 정보로 관리하고 이를 신규 프로젝트의 기능적 정의 단계에서 재활용함으로써 설계를 시작하는 방식이다. 이러한 방식은 실적 프로젝트의 재활용이라는 측면 뿐 아니라 초기 단계에서 견적 업무 등에 실적 프로젝트 정보를 활용할 수 있는 기준을 제공함으로써 해당 업무의 정확성과 효율성을 향상시킬 수 있는 수단이 된다.

두 번째 단계인 물리적 정의는 ‘Typical’로 정의된 기능적 정의를 실제 회로의 베이 및 판넬 구성에 맞게 구조화하는 것이다. 이 과정에서 물리적 정의를 위해 사용된 네이밍은 기능적 정의에서 구성된 ‘Typical’구성 정보의 네이밍을 따라감으로써 어떤 기능적 정의에서 파생된 물리적 정의인지를 직관적으로 알아 볼 수 있게 표현한다. 이렇게 정의된 물리적 정의의 구성 정보는 단선도 상에 표기되며, 이후 워크플로우 단계에서 기준 정보인 서브스테이션 구성 데이터의 시작이 된다.

단선도 작성 이후에는 터미널 다이어그램, 회로도, 이면 배선도, 부품 배치도 및 배선도 등의 설계 업무가 이루어진다. 터미널 다이어그램은 각 판넬에 포함되어 있는 터미널 블럭 간의 연결 관계를 표현한 도면으로 판넬 외부의 배선을 케이블 단위로 표현한 도면이다. 터미널 다이어그램을 통해 설계자는 판넬 간의 연결 정보를 표현할 수 있으며, 연결을 위해 어떤 터미널 블록과 어떤 케이블이 사용되는지를 정의할 수 있다. 이러한 터미널 블록과 케이블의 정의는 IEC 81346의 제작 관점 표기법(-)을 따른다. 이러한 과정을 통해 기능(=)으로 정의된 서브스테이션과 베이를 구성하는 위치(+) 단위인 판넬이 제작 관점(-)에서 어떤 부품으로 구성되는 지에 대한 구성 정보를 구체화할 수 있다.

기본 설계와 상세 설계 간의 정합성
서브스테이션 구성 데이터는 기본 설계 과정의 도면 작성 단계에서 생성이 시작되어 상세 설계를 거치면서 제작 관점의 정보화까지 점진적으로 구체화되며, 전체 설계 워크플로우에서 기준 정보로 활용된다[그림 4]. 즉 설계 워크플로우 상에서 도면 작성 과정 중에 이러한 구성 데이터는 자동으로 생성되고, 이미 생성된 구성 데이터를 도면에 반영하는 경우에는 ‘참조 카피’(reference copy) 형태로 반영함으로써 정합성 유지가 자동으로 이루어지게 된다.
[그림 4] 서브스테이션 구성 데이터를 이용한 도면 작성 과정

뿐만 아니라 워크플로우의 각 단계에서 작성이 필요한 산출 문서의 자동 작성을 지원하는 기준 데이터로 활용이 되고, 도면 형태가 아니라 데이터 형태로 전체 도면의 정보를 조회 및 편집할 수 있도록 지원함으로써 도면 작업의 효율성을 향상시키는 수단이 되기도 한다. 예를 들어 수백 장의 도면에 흩어져 있는 정보를 스프래드시트와 유사한 셀(Cell) 기반 데이터로 일괄 조회하고, 이를 셀 상에서 편집하여 전체 도면에 반영함으로써 도면을 페이지 단위로 추적하며 도면을 편집해야 하는 필요성을 최소화 시킬 수 있다. 그리고 이면 배선도와 같이 회로도에 반영되어 있는 정보의 재구성으로 작성이 가능한 경우에는 자동화를 통해 도면의 품질 확보는 물론 도면화를 위한 시간 역시 대폭 줄일 수 있다.

GE 그리드솔루션처럼 완전한 의미의 EPC(Engineering Procurement Construction) 업체의 경우 터미널 다이어그램까지의 정보가 상세 설계 이전의 기본 설계 단계까지만 의미하고, 기본 설계 정보를 기반으로 한 상세 설계가 뒤따른다. 하지만 국내 대다수 EPC 업체에서는 터미널 다이어그램까지만 도면화를 진행하고 회로도 등은 벤더 프린트(Vendor Print) 등으로 대체하는 것이 일반적이다. 즉, 실제 판넬 제작을 전문으로 하는 업체가 EPC 업체로부터 기본 설계 단계의 정보를 받아 상세 설계를 수행하고, 그 산출물을 다시 벤더 프린트 형태로 EPC 업체에 제출하게 된다.

이러한 업무 분할의 경우에 항상 문제가 되는 것 중 하나가 정합성을 유지하는 것이다. 예를 들어 기본 설계를 수행하는 EPC 업체에서의 설계 변경이 상세 설계를 수행하는 판넬 업체의 설계 변경에 적절하게 반영되지 않을 수 있는 가능성이 항상 존재한다는 것이다. 하지만 현재 업체 간의 협력 방식이 그러하듯, 구매 사양을 배포하고, 벤더 프린트를 접수하는 형태의 정보 교환은 이러한 정합성을 유지하는데 도움이 되지 않는다. 따라서 GE 그리드솔루션 등의 업체는 협력사와의 협력이 필요한 경우에도 항상 데이터를 정보 교환의 수단으로 하며, 이러한 데이터가 서브스테이션 구성 데이터이다.

기본 설계 이후에는 이러한 기본 설계가 반영된 서브스테이션 구성 데이터를 판넬 업체에 제공하고, 판넬 업체에서는 상세 설계를 수행하는 과정, 예를 들자면 회로도 작성과 같은 과정에서 이러한 서브스테이션 구성 데이터에 HV 장치 및 LV 장치를 추가하는 등 데이터를 완성하여 EPC 업체에 제출하게 된다. 이 과정에서 기본 설계와 상세 설계 간의 정합성은 데이터를 기반으로 자동으로 유지되며, 이후 반복적으로 발생하는 설계 변경 과정에서도 손쉽게 정합성을 유지할 수 있게 된다.

궁극적으로 설계 워크플로우에 따라 설계를 수행하는 것은 설계자의 고유 역할이지만 그 과정에는 반드시 설계자의 고유 역할이 필요하지 않아도 되는 영역이 있다. 특히 표준화가 이루어진 경우 이러한 표준화를 설계 과정에 반영하는 역할이나 서로 다른 단계의 도면 간 정합성 유지가 이러한 영역에 해당하며, 자동화를 통해 설계 효율성과 정확성을 향상시킬 수 있는 부분이다. GE 그리드솔루션 등에서는 그동안의 경험을 바탕으로 자동화된 편의 기능을 설계 솔루션에 반영하여 운영하고 있다. 표준화를 크게 나누어 보면 설계 자체에 대한 표준화와 도면 표현에 대한 표준화로 나눌 수 있다.

설계 자체의 표준화는 작게는 자주 사용하는 부품의 정보를 표준화하는 것에서부터 모듈까지, 예를 들자면 베이 단위 회로 모듈의 표준화까지 확대 된다. [그림 5]의 ‘Smart Bay Copy’가 이러한 베이 단위 화로 모듈의 표준화를 통해 표준을 운영하는 방식에 활용되는 기능의 예시이다. 앞서 언급한 서브스테이션 구성 정의 단계에서 기능 정의와 물리적 정의를 연계시키기 위한 편의 기능으로 ‘표준화된 일반’설계 정보를 관리하는 ‘Typical Project’의 정보를 기반으로 신규 프로젝트의 물리적 정의에 따라 도면 및 서브스테이션 구성 데이터를 자동 생성하는 기능으로 프로젝트 착수 시간의 효율성 향상에 기여하고, 또한 표준화된 회로 모듈의 재사용을 시스템적으로 지원한다.
[그림 5] 설계 편의 기능을 이용한 표준 기반 자동화 프로세스 운영

도면 표현에 대한 표준화에는 IEC 60617을 따르는 심볼의 표준화, IEC 81346-2를 따르는 장치 식별자의 표준화, IEC 61175를 따르는 와이어 번호의 표준화 등이 포함된다. 이러한 표준화 데이터 역시 표준 심볼, 표준 식별자 등을 통해 사전 데이터로 정의할 수 있고, 또한 설계자의 편집 없이도 도면에 자동 반영될 수 있는 편의 기능을 활용할 수 있다.

도면 간 정합성에 관한 부분에서도 회로도의 와이어를 단선도의 케이블에 병합을 지원할 수 있는 편의 기능을 통해 동일한 정보에서의 정합성 유지뿐 아니라 정보와 정보 간의 정합성 유지 역시 손쉽게 확보할 수 있다.

<Energy News>

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태그 : 서브스테이션 발전소 변전소 HVDC 초고압직류 오코텍 AUCOTEC 김홍렬
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