 ANSI와 IEC 표준 및 계측 관련 최신 개정
규제정확도: ANSI C12.1 및 ANSI C12.20 변경 사항에 대한 논의
ANSI C12.1-2015 및 ANSI C12.20 -2015의 개정 내용에 대해 확인하고, 특히 솔리드스테이트 전기미터기(Solid State Energy Meters) 형식 테스트에 적용되는 새로운 미터기 설계와 형식테스트에 영향을 미치는 핵심적인 내용에 대해 중점적으로 살펴보려고 한다. 이러한 개정 사항은 정밀한 Class 0.1 계측 성능을 제공하는 미터기의 필요성과, 고도로 왜곡된 신호가 있는 경우의 계량성능 향상의 방안과도 관련이 있다. 또한 ANSI 요금 측정 수준 미터기를 최신 배전망에 적용해 미터기 설계가 계량 기술의 변화를 반영하고, 요금청구 시 더욱 안정적이고 정확한 계측이 가능하도록 한다. 본고에서는 전기미터기 관련 내용을 보다 중점적으로 다룰 예정이다. ANSI 계측표준 첨단 배전망에서 비선형 부하와 재생에너지 발전 속도가 가속화함에 따라 이는 전기 미터기가 핵심 요소로 자리 잡게 되었다. 이러한 부하의 결과로 나타나는 왜곡된 파형과 다양한 전력 품질 관련 이슈으로 인해, 새로운 전기미터기 설계 또한 그러한 변화를 반영해 표준과 요건을 정기적으로 재평가하고 개정할 필요성이 제기되었다. 이는 최신 ANSI C12.20-2015 표준, 특히 해당 표준의 새로운 정확도 Class 0.1 및 정확도 Class 0.1S(IEC 62053-22 제2판에 추가될 예정)에 중점적으로 반영되어 있다. ANSI(미국국가표준협회)에서는 미국의 자발적 합의표준개발과 적용을 관장하며, 전 세계 표준화 포럼에서 미국 이해관계자의 요구 사항과 견해를 대변한다. 협회는 미국을 단독으로 대표하며, 두 개의 주요 비협정국제표준기구인 ISO(국제표준화기구) 및 IEC(국제전기기술위원회1, USNC(미국국가위원회) 소속)의 회원이다. ANSI 표준의 준수가 의무적이지는 않지만, 대부분의 북미 유틸리티 및 유틸리티 위원회에서 ANSI 계측표준을 참조하며 전력공급(청구) 계측기 테스트 요건에 이 표준을 적용하고 있다. 최근 몇 년간 ANSI C12.1 및 ANSI C12.20 계측표준은 기술의 발전과 변화하는 규제 환경을 반영하는 최신 내용으로 업데이트하기 위해 개정되어 왔다. 여기에서는 ANSI C12.1-2014 및 ANSI C12.20-2015의 최신 개정에 포함된 주요 변경 사항과, 그러한 변경 사항이 새로운 전기 미터기의 테스트와 형식승인에 미치는 영향에 대해 논의하고자 한다. ANSI C12.1-2014(전기 미터기 미국 국가표준-전기계측에 대한 규정)는 모든 유형의 전기 전력공급 계측기 및 수용전력계, 펄스 장치 및 보조 장치에 대한 내용을 포함한다. 이 표준은 모든 ANSI 미터기에 공통적인 요건, 즉 기준 조건, 설계 허용 테스트 절차, 절연 테스트, 전자파 적합성 테스트, 환경 테스트 및 기계적 테스트 등을 명시하고 있다. 특히 정확도 Class1 및 0.5의 유효 AC 에너지 미터기에 대한 성능 요건도 명시되어 있다. ANSI C12.20-2015(정밀도 Class0.1, 0.2, 0.5의 전기미터기에 대한 미국 국가 표준)은 ANSI C12.1에서 다수의 공통된 미터기 요건, 테스트 및 테스트 조건을 명시하고 있으며, 정확도 Class0.1, 0.2, 0.5의 유효 AC 미터기에 대한 성능 요건을 포함한다. 이는 블롱델의 정리(Blondel‘s Theorem) 정리에 따르는 미터기, 즉 계측되는 다상 전기 시스템의 N선 N-1 전력계 요소를 구현하는 미터기에만 적용된다. ANSI C12.1과 ANSI C12.20은 ANSI C12.20에 명시된 더 높은 정밀도등급(Class)의 더욱 엄격한 요건이 ANSI C12.1에 명시된 내용보다 우선 적용된다는 점이 다르다. ANSI C12.1과 ANSI C12.20은 모두 ANSI C12.10 2015(적산 전력계의 물리적 측면에 대한 전기미터기 미국 국가표준- 안전표준)에 지정된 공통미터기 구성 요건을 설명하고 있다. 이 표준은 계측 서비스 단말기의 전기 연결, 관련 규격, 마킹 및 소켓과 하단 ANSI 미터기 표준에서 절연 테스트와 같은 일부 안전 테스트를 다루고 있지만, 소켓(유형S 또는 S 기반) 및 하단 연결(유형A 또는 A기반) 미터기에 대한 일반 제품 안전 및 전기 안전 요건은 전기 수용계기(Utility meter) 안전표준인 UL 2735 및 캐나다의 동등한 표준인 UL 2735C에서 다룬다. IEC 계측표준과의 차이점 ANSI와 IEC 계측표준은 수십 년간 적용되어 왔으며, 첫 번째 미국 전기 계측표준은 1910년에 발행되었고 IEC 전기에너지 측정계측 기술위원회(TC13)은 1920년대에 IEC에서 설립한 최초의 기술위원회 중 하나이다. 2020년 5월 기준으로 현재, TC13에는 35개국이 P-회원(Primary Member, 투표권 있음)으로, 16개국이 O-회원(Observer Member, 투표권 없음)으로 참여하고 있으며, 유틸리티 전문 지식과 장비 제조업체, 시험연구원 및 법정계량기구 등을 대변하고 있다. IEC 및 ANSI 계측표준 시리즈의 발전은 장비제조업체, 규제 당국, 테스트 실험실 및 전기 유틸리티 관련 전문가의 참여를 바탕으로 이루어져 왔다. 일반 ANSI 미터기와 일반 IEC 미터기 간에 가장 확연한 차이점은 제품 외형(Form factor)이다. ANSI 미터기[그림 1]는 원형이고 표준화된 설치 소켓에 꼭 맞는 크기로 설계된 반면, IEC 미터기[그림 2]는 직사각형이다. 탈피선용 단자 블록을 사용하며 벽면부착이나 딘레일(DIN rail) 장착에 맞도록 DIN 사양에 맞게 설계되어 있다. ANSI 및 IEC 표준은 다수의 유사한 테스트와 요건을 공유고 있으며, 둘 다 시동전류와 크리프(Creep), 부하전류와 전압 범위의 정확도, 역률 등과 같은 성능시험을 명시한다. 또한 두 표준은 전자기 현상, 환경 조건 및 기계 적응력 등과 같은 외부 영향에 대한 내성도 명시한다. 그럼에도 비교적 명백하지 않은 여러 차이를 성능규격이나 시험조건, 시공요건, 시험 방법론 등에서 확인할 수도 있다.  [그림 1] 소켓/블레이드를 사용하는 ANSI 폼팩터 미터기의 예 [그림 2] 유럽 DIN 폼팩터 미터기의 예
ANSI와 IEC 용어의 차이점 ANSI 표준은 계측 전류 등급에 대해 지정된 값인 2A, 10A, 20A, 200A, 320A로 최대 계측 전류의 값을 정의한다. ANSI 미터기의 정밀도는 ‘기준조건’(Reference Conditions)에 대한 평가라고 할 수 있다. 기준조건은 부하 전류 테스트 지점으로, ‘테스트 암페어’(TA)로 알려진 전류값일 수도 있고 개별 테스트에 대해 지정된 다른 기준 전류값일 수도 있다. 기준 전류 테스트 지점의 값은 계측 전류 등급에 따라 다를 수 있다. 각 기준 테스트 지점에서의 미터기 정밀도는 각 정확도 등급에 대한 한도가 설정된 상태에서 ‘실질적으로 제로 오차에 가까워야’한다. IEC 표준은 전류 등급 지정을 사용하지 않지만, 변압기 작동 미터기의 경우 미터기 공칭(또는 정격) 전류값 Ib을, 직접 연결 미터기의 경우 기본 전류 Ib를 정의하고 있다. 이러한 부하 전류 작동점은 다른 부하 기반 성능 테스트의 기준값으로 사용된다. IEC 미터기의 경우 최대 전류Imax는 ‘가급적 정수 배수’로 I (또는 Ib)배로 지정되어 있으며, 허용 가능한 최소값은 1.2 I (또는 Ib)이다. I 에 대해 선호되는 값은 1, 2, 5 A이고, I 에 대해 선호되는 값은 5, 10, 15, 20, 30, 40, 50, 63, 80, 100, 125 A이다. IEC 계측의 정확도는 각 정확도의 범위에 대해 정의한 제로 오차(zero-error)선의 허용 가능한 변위와, 장비 계측의 불확실성과 측정 결과에 영향을 줄 수 있는 다른 변수로 인한 측정 결과의 오류를 바로 잡을 수 있도록, 참고 미터기의 측정값에 대해 평가된다. 전반적인 ANSI 및 IEC 계측표준 시리즈 간의 관련성은 [표 1]에서 확인할 수 있다.
ANSI C12.1- 2014 및 ANSI C12.20-2015의 주요 변경 사항
ANSI C12.1-2014에 명시된 내용 중 대부분은 이전 개정판과 동일하다. 온도 상승 테스트는 미터기 소켓 표준 ANSI C12.7의 테스트와 일관성을 유지하기 위해 변경되었다. ANSI C12.1-2014 섹션5(신규 및 기존 성능의 표준)과 부록D는 현재 관행을 반영하기 위해 광범위하게 업데이트 되었다. 일부 테스트의 경우 허용 오차 기준의 구체적인 세부 사항이 수정되었으며, 양방향 계측에 대한테스트 요건이 추가되었다. ANSI C12.1와 ‘정밀도등급 0.5’ ANSI C12.1-2014 및 ANSI C12.20-2015 모두 ‘정밀도등급 0.5’(Accuracy Class 0.5)를 명시하고 있다. 두 사양간의 차이는 특정 작동 조건에서 미터기 성능이 상당히 달라질 수 있으므로 사용자에게는 중요한 차이점이 될 수 있다. 가장 일반적으로 ANSI C12.1-2014의 등급 0.5는 블롱델의 정리에 따르지 않는 미터기에 적용될 수 있다. 반면, ANSI C12.20의 등급 0.5 지정은 블롱델 정리를 충족하는 미터기에만 적용된다. ANSI C12.20-2015에서는 다음과 같이 설명하고 있다. 비 블롱델 계측 장비에서는 선간 전압크기와 위상각이 균형을 이룬 것으로 가정한다. 선간 전압의 불균형은 계측 장비의 정확도와 관계없이 측정 표시의 오류를 일으키는 원인이다. 일반 블롱델 및 비 블롱델 미터기 형식 지정은 ANSI C12.20-2015 4.4항에 나열되어있다. 또한 ANSI C12.20-2015 정밀도등급 0.5의 미터기는 고조파 영향 테스트를 통과해야 하는 반면, ANSI C12.1-2014는 이러한 영향 테스트를 요구하지 않는다. ANSI C12.20과 정밀도 Class 0.1 미터기 정밀도등급(Accuracy Class)은 IEC 표준 및 ANSI 표준에 정의되어 있으며, ‘정밀도등급 인덱스’(Accuracy Class Index)로 표시된다. 이 숫자는 기준 테스트 조건에서의 최대 계측 오차 백분율을 나타낸다. CENELEC EN 50470-x 또는 OIML R46 권고 사항과 같은 기타 계측표준 또한 미터기 정밀도등급을 정의하지만, 대문자를 정확도 등급 인덱스로 사용한다. 예를 들어 EN 50470-3-1 표준 또는 OIML R46 권고 사항에 정의된 ‘정확도 등급 C’는 IEC 62053-22 표준 또는 ANSI C12.20 표준에 정의된 ‘정밀도등급 0.5’와 대략적으로 일치한다. ANSI C12.20-2010에는 정밀도등급 0.5 및 0.2가 명시되어 있다. ANSI C12.20-2015 표준의 언급할만한 진전 사항은 정밀도등급 0.1이 새롭게 도입되었다는 것이다. ANSI C12.20에 지정된 각 테스트 지점의 허용 오차는 기준 조건과 관련하여 명시되어 있다. 이 기준 조건의 오차는 미터기가 상온, 정격 전압, 정격 주파수, 테스트암페어(TA: Test Amperes) 전류, 역률1, 사인파 파형에서 안정화 되었을 때 측정된다(ANSI C12.20-2015 섹션 5.5.1에는 이러한 모든 기준 테스트 조건에 대한 허용 오차가 명시되어 있다). “테스트 조건하 미터기 성능은[..] 실질적으로 제로 오차에 가까워야 하며, 어떤 경우에도 정확도 Class 0.5의 경우 0.2%의 오차를 초과할 수 없고, 정확도 Class 0.1의 경우 0.05%의 오차를 초과할 수 없다.”
양방향 미터기의 부하 성능 테스트
ANSI C12.1 및 C12.20의 이전 개정판에서는 에너지가 ‘전달’ 및 ‘수신’ 방향으로 흐르는 양방향 미터기의 테스트에 대한 요건이 명확하게 명시되어 있지 않았다. ANSI C12.1-2014 최신 개정판에서는 미터기가 양방향에서 에너지를 측정하도록 설계된 경우 테스트 조건을 두 번 적용해야 하는 것으로 규정하고 있다. 즉, 한 번은 정방향(또는 전달 방향)으로 흐르는 에너지에 대해서만, 다른 한 번은 역방향(또는 수신 방향)으로 흐르는 에너지에 대해서만 테스트 조건을 적용한다. 양방향 테스트에 대한 요건은 시작 부하 테스트, 부하 성능 테스트 및 역률 변동 테스트에 적용된다. 왜곡된 파형의 영향에 대한 테스트 첨단 배전망에서의 비선형 부하와 재생에너지 발전이 급증함에 따라 왜곡된 파형 및 다양한 전력품질 현상이 자주 발생하며, 이제는 이를 전기 미터기의 일반적인 작동 조건으로 고려해야 한다. 업계 사례와 다수의 학술 연구에서는 일부 정적 전기 미터기가 왜곡된 파형의 전기에너지를 올바르게 측정할 수 없다는 사실이 확인되고 있다. 최신 정적 전기미터기는 유도형(Ferraris) 전기미터기에 비해 왜곡된 파형에 더 민감하게 반응하는 것으로 보인다. 정적 미터기의 파형 왜곡에 대한 민감도는 여러 요인에 따라 달라지며, 이러한 요인에는 구현된 측정 알고리즘, 신호 조절 및 필터링을 비롯하여 전류 또는 전압 센서 유형도 포함될 수 있다. 정확한 근본 원인이 확인되지는 않았지만, 다수의 문서를 통해 고도로 왜곡된 파형에 노출된 미터기에 정확도 관련 문제가 있는 것으로 보고되고 있다. 고도로 왜곡된 파형으로 인한 계측 오류는 전력 공급 과금 애플리케이션에 심각한 영향을 미칠 수 있지만, 그러한 오류의 원인과 성격은 아직 잘 파악되지 않았고, 결과적으로, 왜곡 파형의 영향에 대한 종합적인 시험은 종종 미터 형식 승인 프로그램에 포함되지 않는다. IEC 계측표준 및 OIML R46 권고에도 왜곡된 파형과 관련된 여러 기본 테스트가 규정되어 있지만, ANSI C12.20-2015는 현재까지 가장 포괄적인 고조파 영향 테스트를 지정한 표준으로 평가받고 있다. ANSI C12.20에서는 왜곡된 파형의 영향을 받는 미터기 정확도에 대한 여섯 가지 테스트를 도입했다.(테스트#39 ~ #44). 이러한 테스트는 다양한 비사인파 전압과 전류 조건 하에서 미터기가 정확도를 유지하는지 확인하는 것을 목적으로 한다. [표 2]는 여러 계측표준에서의 고조파 영향 테스트 도입 현황을 보여준다. 목록에 표시된 테스트만이 에너지 측정 정확도에 영향을 줄 수 있는 장기 또는 지속적 파형 왜곡을 보여주는 테스트이다. 계측표준에서는 이러한 각 영향 조건에 대해 허용 가능한 특정 수준의 계측 정확도 저하를 명시하고 있다. 계측표준에는 일시적인 단기 현상(장애)에 대해 허용 가능한 정확도 저하가 명시되어 있지 않으므로 [표 2]에는 그러한 조건이 나와 있지 않다. 영향과 장애 모두 미터기 전자파 적합성 테스트의 일부로 간주된다. 광학 포트 펄스 출력 사양 테스트 결과는 에너지 테스트 임펄스를 계산하는데 가장 일반적으로 사용되는 미터 정확도 테스트 방법을 용이하게 한다. ANSI 및 IEC와 같은 모든 계측표준에서는 미터기가 측정된 에너지와 비례하며, 형식 승인 테스트 및 현장 설치 시 검증 테스트 중에 미터기 등록을 확인하는데 사용되는 외부 장치와 호환 가능한 테스트 출력을 포함하도록 명시하고 있다. 광학 테스트 출력은 널리 사용되는 테스트 출력을 구현한 것으로, 최신 ANSI C12.20-2015 개정판에는 허용 가능한 범위에 대한 요건이 명시되어 있다. ANSI C12.20-2015에 따라 광학 테스트 출력은 ANSI C12.18에 지정된 ANSI 유형 2 광학포트(광학포트 유형A)로 구현되거나(이 경우 기능이 정상 통신과 에너지 펄싱 간에 전환된다), ANSI C12.20-2015의 부록C에 지정된 특성에 따라 구성된 별도의 포트로 구현될 수 있다(광학포트 유형B). 두 경우 모두 정상 사용 시 미터기 커버를 분리하지 않고 테스트 출력을 사용할 수 있어야 한다. 전달 에너지 및 수신 에너지를 측정하거나 다른 시간 통합값(VARh, VAh, V²h 등)을 측정할 수 있는 미터기는 이러한 측정값을 위해 테스트 펄스 출력을 사용할 수 있어야 한다. 이러한 미터기에서는 테스트 포트에서 출력할 값을 선택할 수 있고 현재 활성 상태인 값이 표시되는 경우에만, 이러한 측정값을 위해 하나의 물리적 테스트 출력을 사용할 수 있다. 미래 전력시장에 맞는 정확도 ANSI 표준 전기미터기의 가장 큰 시장은 미국, 캐나다, 멕시코이지만 ANSI C12 전기계측표준은 전 세계의 여러 국가에서도 사용되며, 특히 아시아와 중남미 지역에도 널리 적용된다. non-ANSI 폼팩터인 경우에도, ANSI 표준의 정확도 사양은 산업용 패널 미터기, 전력 모니터(PMD), 분기회로전력미터(BCPM: Branch Circuit Power Meter)을 비롯하여 대개 전력품질계기(PQI: Power Quality Instruments)의 성능을 평가하거나 설명하는 경우에 적용된다. C12.1 및 C12.20의 최신 개정판에는 새로운 요건이 다수 추가되었으며, 신규 미터기 설계 및 유형 테스트에 적용되는 중요한 설명을 포함하고 있다. 테스트 수가 어느 정도 늘어나고 그에 따라 미터기 형식 승인에 드는 비용이 증가하지만, 이번 개정판은 더욱 높은 정확도를 가진 Class0.1 계측, 향상된 미터기 견고성, 심하게 왜곡된 신호에서의 계량 성능 향상과 같은 이점을 제공한다. 이들 새로운 요구 사항으로 인해 ANSI 전력공급계측기는 최신 배전망에 더욱 최적화된 형태로 발전하게 되며, 미터기 설계가 전력 측정의 기술적 진전을 반영해 향상되고, 과금 애플리케이션에서 보다 강력하고 정확한 측정에 대해 증가하는 고객의 기대치를 충족시켜준다.
<Energy News>
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