제 8 장디지털보호계전기및배전제어반 제 8 장디지털보호계전기및배전, 제어반 1. 개황 전력계통보호에이용되는보호계전기는계통고장시선로를차단하여고장확산을방지하고인명을보호한다. 과거에는보호계전기가정상으로작동하여도선로차단및복구까지의정전시간이또다른문제를야기하였지만, 현재는효과적인보호협조시스템, 절체시스템등의비약적인발전으로정전구간및정전시간이최소화되었으며, 현재의우리나라정전피해건수는전세계에서도손꼽힐정도로적다. 또한, 세계적으로도복잡한전력계통을가진우리나라는계통보호에대한정확한인지기술과끊임없는관련분야연구개발등으로상당한수준에올라있다. 발전, 송전, 변전, 배전설비및부하설비가유기적으로결합되어있는전력시스템은특정구간이나설비에서사고가발생할경우, 그피해를최소화하기위하여사고구간을차단하고정상적인구간에사고의여파가미치는것을방지하여야한다. 우리는이를전력계통의신뢰성이라고한다. 보호계전기는빠른시간내에사고상황을검지하고, 이에대해적절히판단함으로써전력계통의신뢰성을높일수있는유일한설비이다. 이에따라보호계전기는전력계통의안정도향상에중추적인 역할을담당하고, 실제보호계전기를포함한보호시스템이구성되지않는다면전력을받을수도쓸수도없는매우중요한기능을수행하는것이다. 산업의고도화및집중화로인하여전력사용량은지속적으로증가하고있고, 고품질의안정적인전력공급에대한요구도증가함에따라, 보호계전기의적용범위는고유기능인보호기능뿐만아니라, 전력설비감시기술, 설비예방진단기술, 온라인실시간시스템정보취득기술등다양한분야로확장되고있다. 이러한다양한기능을가진장치를 IED(Intelligent Electronic Device) 라고통칭하며, 일반적인전력계통의 IED는보호제어 IED 및현장감시 IED로분류할수있으며, 최근화두가되고있는지능형전력망 (Smart Grid) 에적용되는핵심요소이다. 특히, Smart Grid 분야중하나인 Smart Power Grid 는변전소자동화시스템 (Substation Automation System) 을기반으로, IED 간의정보공유, 보안성과호환성강화를위하여, IEC-61850 국제표준프로토콜이채택되어차세대변전소종합자동화시스템을구축하기위한초석이되고있다. 변전소내송전선로 (T/L), Busbar, 변압기 (TR), Feeder(D/L) 등을보호하기위한기존의보호계전기들은이제각부의차단기설치형태로서 615
제 4 편전기기기산업 T/L Bay, TR Bay, BUS Section Bay, PT&ES Bay, Feeder Bay 등의 Bay-Controller와 Protection IED로세분화되어각각의 Bay를감시, 제어, 보호하고있으며, 이는 Bay IED 간의표준메시지를이용하여대상설비의상태정보, Interlocking, Control 등을유연하게함으로써전력시스템의높은신뢰성및안정성을도모한다. 2. 디지털보호계전시스템동향 가. 국내외동향전력계통의각설비를위한보호배전반은기존아날로그기계식보호계전기를적용하였으나, 이제는발전기보호배전반을제외하고대부분디지털보호계전기를적용하고있다. 마이크로프로세서를기반으로한데이터연산형디지털시스템은 IT 과학의비약적인발전과더불어, 더작고빠른연산처리가가능하다. Big 3로대변되는 SIEMENS, ABB, AREVA 와 GE, SEL 등외국선진사들은급속하게변하는 IT 시장에부합하는강력한기능의디지털보호계전기를꾸준히개발하고있으며, 이를보호배전반에한정하지않고, 현장제어반 (Local Control Panel), 예방진단시스템, 설비모니터링시스템등관련분야까지시장점유율을높여가고있다. 지속적으로진행되어온 IEC-61850 기반의차세대변전종합자동화시스템은현재제주 Smart Grid 실증단지에서실증시험을진행하고있다. 한전 154kV 변전소를대상으로각 Bay별 IED 사이의원활한데이터교환을통해보다신뢰성있고안정적인계통보호와설비제어, 그리고효율적인데이터수집과운용이가능하며, 이에대한최적의환경을조성할계획이다. 이와관련하여한전전력연구원과한전KDN, 그리고국내중전 Big 3인효성, 현대중공업, LS산전외비츠로테크, 유성계전, 새니언등이 SAS용 IED를개발완료하였거나개발중이며, 올해안에현장제어용 Bay-Control IED와 Protection IED를출품할예정이다. 그동안전력IT 국책과제로만인식되던것이이제는그시장이현실화되어열리고있다. 국외, 특히인도및동남아시아, 아프리카등개발도상국을중심으로최근비약적인전력설비가확충되고있고, 신설변전소를중심으로 IEC-61850 기반의 SAS가확대되고있다. 예상보다빠르게 SAS가전세계시장에서확산되고있으며, Bay- Control IED 기반의 LCP 등은기존변전소대비약 1.5배이상의시장확장효과를가진다. 이미차세대전력설비및보호제어시스템을가진외국선진사의약진이예상되며, 조속한시일내우리가현재실증시험을하고있는 IED도세계시장에진출할좋은기회를맞고있다. 이와더불어전력선통신 (Power Line Communication) 기술, RFID(Radio-Frequency IDendtification), NCIT(Non-Conventional Instrumental Transformers), EVT/ECT(Electronic Voltage /Current Transformer), OVT/OCT(Optic Voltage /Current Transformer) 기반의센서네트워크, 전력설비예방진단, 수명예측기술등은우리 IED분야의경쟁력을배가시켜줄전망이다. 이와같은시장의 616
제 8 장디지털보호계전기및배전제어반 요구에대응하기위해서는시스템확장운용및엔지니어링소프트웨어개발, 다양한표준통신프로토콜지원및안정성있는기능모듈개발, 신뢰성있는통신장치개발등이이루어질수있도록투자와관리가지속되어야할것으로판단된다. 나. 국내시장동향배전제어장치시장은보호계전기, 고압배전반 ( 전압 1000V 이상 ), 배전반부품 ( 부스닥트포함 ), 자동전기배전반, 저압배전반 ( 전압 1000V 미만 ), 프로그램컨트롤러, 수치제어장치등으로분류할수있다. 2009년배전제어장치시장현황을살펴보면, 2008년하반기부터여파가지속된전세계경기침체영향으로설비투자감소, 환율변동, 불황등어려운상황에도불구하고, 중전기기분야의대기업 중견기업의송배전기기및전장품의수출증가로돌파구를찾는듯하였다. 그러나 2009년말중동두바이금융위기로인하여세계경제가큰타격을받으면서수출이감소하였고, 내수시장축소에도많은영향을끼쳤다. 특히, 관수물량감소의심화, 업체간과당경쟁에따른채산성악화, 환율변동, 유가회복등으로인한원 부자재가격의급등세등의직접적인원인과, 국내주택가 < 표 1> 배전및제어기의생산액추이 617
제 4 편전기기기산업 격의하향안정, 투자수익률축소, 재건축사업위축, 가계부채문제등의간접적인원인으로경기부진이지속되었다. 또한원-달러환율의급격한변동등으로인한수출과내수간양극화심화, 대기업과중소기업간실적격차확대, 전반적인경제심리의위축으로인한경제복원력저하등으로이부분에대한정책적인지원이지속적으로요구되었던한해였다. 배전제어장치의생산동향을살펴보면 2008년대비 3.5% 증가한 4조 280 억원규모로증가추세를보이고있다. 이는 2007년감소세이후, 중전기기수출증가및회복중인세계경제동향에따른 설비투자증가와함께 IT 및산업용부품저압기기의시장확대가주된원인으로분석되고있다. 배전제어장치의 2009년도수출은중동, 아프리카, 미국, 동남아시아등을중심으로전력설비투자증가와노후전력설비교체, IT 고부가가치제품개발, 신시장개척노력으로인하여, 세계경기침체의여러악재에도불구하고 2008년대비 4.5% 증가한 633백만달러로추정된다. 이는주요전력설비인변압기와차단기등과마찬가지로지속적인수출호조세를띠고있으며, 당분간이같은성장세가유지될것으로판단된다. 지속적인동남아시아시장과중동시장의전력 < 표 2> 배전및제어기기의수출액추이 618
제 8 장디지털보호계전기및배전제어반 설비투자확대및전력소비량증가, 인도, 중국등신흥공업국의전력수요증가및전력인프라건설확대등세계적인중전기설비의수요확대등으로향후전망도밝다. 또한국내기업의품질 가격경쟁력향상및신규시장개척등수출확대노력도이에일조한다. 그러나, 가격경쟁력이우수한동남아시아및베트남, 남미등을생산거점으로하는선진사와의경쟁이점진적으로치열해지는추세라이에대한대비가시급하고, 제한적인수출시장구조에서탈피하여시장확장에더많은노력을기울여나가야한다. 지역별로 2008 년대비중전기기수출증가율을살펴보면중국 (-3.9%), 미국 (-2.2%), 사우디아라비아 (-1.2%), 일본 (-33.9%), 홍콩 (-1.7%) 등기존시장규모가축소되는것으로나타났다. 이들국가외에는수출시장폭이증가 (2008년대비중전기기수출증가율 20.3%) 되었음을알수있다. 한편, 배전제어장치의 2009년도수입은중전기기분야국내경기위축에따른내수침체, 수출물량감소, 엔화및달러강세에따른핵심부품및저가부품의동반수요감소등으로전년대비 9.1% 감소하였다. 구체적인감소요인으로는경기 < 표 3> 주요수출국의수출증가율추이 619
제 4 편전기기기산업 침체로인한원자재등중간재및대체수출용저가및수출용핵심부품수입감소등을들수있다. 2008 년도대비중전기기수입증가율을지역별로살펴보면북미 (1.8%), 동유럽 (10.7%) 에서증가하였으며, 아시아 (-13.1%), 유럽 (-7.4%), 동남아시아 (-27.3%), 서남아시아 (-55.9%), 중남미 (-52.6%) 등에서전반적인중전기기수입감소세를보였다. 다. 국내기술개발과제현재정부기관과한국전력공사의지원으로진 행해왔던전력IT 과제는제주 Smart Power Grid 실증을중심으로그성과를실현해가고있으며, 산학연구기관과차세대디지털보호제어 IED 개발업체들을중심으로올해부터실제적인운용에들어가게된다. 최근정부의 Smart Grid 지능형전력망사업은 Smart Power Grid 로불리는차세대변전소자동화를포함한, Smart Renewable, Smart Transportation, Smart Place 등다양한방면에서동시에진행되고있다. 모든과제별로 IED의확장적용이가능하며, 특히분산전원연계기술, Smart Metering 및 AMI(Advanced Metering Infrastructure) < 표 4> 배전및제어기기의수입액추이 620
제 8 장디지털보호계전기및배전제어반 기술등은전력 IT 기술기반으로이루어질수있는산출물이다. 그동안외국수준을따라가기에급급하던국내의기술수준이향후최첨단기술을선도할수있는좋은기회를맞이하였다. 현재대부분의대기업및중견기업이스마트그리드관련사업에참여하고있으며, 이부분에대한정부지원규모가매우크기때문에향후에는발전속도가매우빨라질것으로예상된다. 그러나, 외국선진업체에비하여기술수준은아직많이뒤쳐져있는것이현실이며, 특히글로벌 Big3의경우 100년이넘는제품개발경험으로 현장에서의굳건한신뢰성을인정받고있다. 선진국제품군대비국내제품군의기술력차이를극복하기위해시급히진행해야할과제들을요약하면다음과같다. (1) 제품경쟁력확보를위한고품질 고신뢰성의제품개발현대전력계통의보호시스템및 IED 는이제기능상충분히선진업체수준에이르렀으며, 설치환경에따른전자기적합성 (EMC: Electro- Magnetic < 표 5> 중전기기의주요수입국금액추이 621
제 4 편전기기기산업 Compatibility), 진동및온도변화에따른성능등도구매규격을이미충분히향상시켜놓았다. 그러나이것만으로는고품질고신뢰성이완성되었다고단정할수없다. 여기에서논하는 신뢰성 이라는것은많은현장경험에서완성될수있는 Factor 이다. 단한번이라도현장에서의문제가발생한다면신뢰성이라는것은바로 0 가된다. 실제이러한경우고장파급으로인한국가산업경제의막대한피해는불보듯뻔한상황이될것이며, 자칫잘못하면이분야의모든사업들이심각한타격을입을수있다. 첨단정보화시대에는순간정전일지라도수백억원의피해를가져올수있으며, 대형정전이발생할경우에는천문학적인규모의경제적재해가따를수있기때문이다. 이러한국가적인손실을방지하기위해서는지속적인연구개발활동이산업과병행되어야가능하다. 또한기술적으로도상호운용성기반의국제표준통신프로토콜 IEC-61850에대한기술확보및현장적용유연성을가진새로운개념의디지털보호 IED 및현장제어 IED의개발은정책추진과더불어계속발전해나가야한다. 이를통하여선진사제품과의수준을점차좁혀나갈수있으며, 세계시장에신뢰를줄수있는경쟁력확보가가능할전망이다. (2) 전력 IT 기반의최신기술확보및전력시스템기술의연계성기존의보호배전반및디지털보호계전기의핵심은보호제어기능이었다. 그러나현재는 IED의통신기술이핵심이다. 통신기술의발달에따라기존배전반의많은 Hard-Wiring 을대폭감소시 킬수있고, 이에따른배전반의축소, 비용의감소등많은이점을얻을수있다. 국제규격 IEC- 61850을이용한대규모네트워크기반자동화시스템은그기술의필요성을넘어세계시장에서확대되고있다. 그러나이는시대적흐름에불과하고우리는이보다한발자국더나아가많은아이디어를도출, 적용함으로써기술을확장시켜나가야한다. 일례로 NCIT(Non-Conventional Instrumental Transformer) 등의 Sensor 기술은 Merging Unit와조합하여전력계통감시및계측에대한새로운패러다임을제공한다. 또한 PMU(Phasor Measurement Unit) 은기존디지털보호계전기보다더향상된현장데이터를고속으로제공한다. Smart Grid 분야에서도이같은사실이입증된다. 최근의 Zigbee 무선통신기술등은양방향지능형 Metering 을지원하며, 전력망의생명을불어넣어주고있다. (3) 지속적인신성장동력산업에대한지원법제화및기술확보현재진행중인녹색성장대체에너지분야, 지능형전력망분야, 차세대변전소자동화분야등은지속적으로수행하여야할신성장동력으로주목받고있다. 특히보호 현장제어 IED의경우는모든분야의성장을이끌만한중추아이템이다. 그러나신성장동력산업에대한세계적인기술수준과인재가확보된다고하여도, 확보된시장이없는이상관련연구가지속되기는매우어렵다. 그렇기때문에정부차원의지원이필요하고, 이를바탕으로산 학 연은꾸준히연구개발을수행해나가야한다. 622
제 8 장디지털보호계전기및배전제어반 분산전원의효율적인운용및기존계통과의연계, 사용자중심의양방향지능형전력망, 고신뢰성의차세대변전소자동화시스템, 대체에너지를이용한친환경전기자동차등은국가적으로반드시이끌어나가야할과제이며, 이기술들은선진국으로진입하는기반을마련해줄것으로예상된다. 3. 전망 산업의발달과함께비약적으로발전해온전력시스템은점점다양화, 대용량화되어가고있으며전력품질에대한인식도고조되고있다. 또한경제적으로, 안전하게, 최대효율의전력공급시스템을갖추기위한고품질의보호 IED 및현장제어 IED 등이이러한요구를만족시켜줄것으로보인다. 차세대변전소자동화를위한 IEC-61850 표준프로토콜기반의지능형보호 IED를적용하는것은기존설비보다더경제적으로설비를구축, 확장, 유지할수있으며전력의안정화및신뢰도향상은물론국산화를통한외화절감효과또한기대할수있다. 특히, 양질의 IT 자원을보유하고있는우리나라에서는전력선진국과어깨를나란히할수있는좋은기회가될것이고, 정부가강력하게추진중인지능형전력망사업의다양한분야에서핵심기술이지속적으로개발될전망이다. 최영준 효성 ( 주 ) 솔루션기술팀장 623