1.1 연구의 필요성

물류자동화설비의 전용 변압기에 대한 용량 산정에 있어서 적용되는 중요한 계수인 수용률의 국내 데이터가 없어서 외산 장비업체의 권장 데이터인 100%를 적용하는 경우가 많다. 이것은 물류자동화설비의 전용 변압기용량을 과다 설계하게 되는 문제점을 발생시킨다^{[1, 2]}.

1.2 연구의 목적 및 방법

본 연구에서는 수용률 적용이 높아 변압기용량이 과설계 되지 않도록 물류자동화설비의 전용 변압기용량이 실제 운용 시 얼마나 발생되고 있는지 최대수요전력과 부하설비 용량 조사를 통해 검토하였다^[1].

물류 전용 변압기용량 산정 과정과 일반적인 변압기수용률 현황에 대해 국내 기준을 간략히 검토하고, 물류자동화설비의 종류 및 물류자동화설비 목록을 통해, 수용률 100%를 적용한 전용 변압기가 실제 사용 시에는 수용률 몇 %가 적용되고 있는지 데이타 조사를 통해 확인하고자 한다.

2.1 부하설비 용량의 추정

부하설비 용량의 추정은 기본 설계 단계에 적용하는데 기본 설계 시에는 부하 목록을 정확히 알 수 없는 경우가 많다^[2]. 일반 건축물의 경우에는 식 (1)를 이용하여 부하설비 용량 $P_{r}[VA]$을 산정한다^[3].

여기서, $P$ : Table 1의 건축물 바닥면적[㎡]

$Q$ : Table 2의 건축물 부분의 바닥면적[㎡]

$A$ : Table 1의 표준부하[VA/㎡]

$B$ : Table 2의 표준부하[VA/㎡]

$C$ : 별도 가산해야 할 부하[VA]^[3]

그러나, 물류자동화설비에 대한 표준부하밀도에 대한 기준은 없다.

2.2 실부하 계산

실부하 계산은 실시 설계 단계에서 $P_{r}$을 구하는 방법으로 Table 3의 부하 목록 작성 예와 같이 부하 목록을 작성하여 수량과 환산계수를 적용한 부하전력 합계를 구하는 방법으로 계산할 수 있다. 물류 전용변압기의 경우에도 부하 목록을 작성하여 합계 용량으로 적용하고 있다. Table 3의 부하 목록 작성 예에서 환산계수는 조명부하일 경우에는 Table 4, 동력부하는 Table 5를 이용하여 적용한다^[4].

2.3 변압기용량 산정 적용 계수

1) 수용률

수용률(DF : Demand Factor)이란 전기사용 기계·기구가 동시에 사용되는 정도를 나타내는 계수로 1보다 작은 특징이 있다. 직강하방식의 경우 DF만 적용하여 변압기용량을 산정한다. 식 (2)는 DF가 최대 수요전력(MDP : Maximum Demand Power)과 총 설비용량(TFC : Total Facilities Capacity)의 비를 %로 나타내고 있다^[2].

2) 부등률

부등률(DiF : Diversity Factor)은 각 부하군의 최대부하가 되는 시간대가 서로 달라 각 부하군의 MDP 합이 실제 MDP이 될 수 없는 것을 의미한다. 동시에 최대가 되지 않는 정도를 나타낸 계수로 1보다 큰 특징이 있다. 2단 강하방식일 경우 주 변압기엔 DiF을 적용하여 변압기용량을 산정한다. 식 (3)은 DiF이 각 부하군의 MDP의 합과 합성 MDP의 비를 %로 나타냄을 보여주고 있다^[2].

3) 부하율

부하율(LF :　Load Factor)은 식 (4)와 같이 평균전력과 합성MDP에 대한 비율로 공급설비(변압기)의 유효한 사용 여부를 나타낸 계수이며 LF이 높을수록 설비를 유효하게 이용함을 나타낸다. LF은 일LF, 월LF, 연LF이 있는데 기간이 길어질수록 그 값이 낮아지는 특징이 있다. LF은 전력공급설비의 용량을 산정하는데 직접 관계되는 것은 아니고 전력공급설비의 이용률을 표시하는 지표로 활용된다^[2].

4) DF과 DiF, LF와의 관계

식 (5)와 Fig. 1과 같이 LF은 DiF에 비례하고 DF에는 반비례하는 특징을 가지고 있으며 변압기용량을 선정하는데 DF은 중요한 변수가 된다. DF는 전기시설 장소의 운전조건 및 부하별 특성과 함께 변압기의 전 효율과 손실에 큰 영향을 주게 되며 DF 기준은 에너지 절감에 있어서 매우 중요한 기초자료가 되고 있다^[1].

Fig. 1. The relationship between demand factor, diversity factor & load factor^[2]

2.4 수용률 현황

수용률에 대한 국내 자료에는 한국전력공사(KEPCO)의 전기공급약관 기본공급약관 20조에 의한 방법과 대한전기협회의 내선규정 또는 한국전기설비규정(KEC) 해설서, 과거 국토교통부의 건축전기설비 설계기준 및 한국토지주택공사(LH)의 종합수용률 등이 있다^[1]. KEPCO는 수용가와의 전력공급계약을 두 가지 방법으로 적용하고 있는데 첫 번째는 변압기 설비에 의한 계약전력으로 한전에서 전기를 공급받는 1차 변압기 표시용량의 합계[kVA or kW]로 하는 방법이다. 두 번째는 사용설비에 의한 계약전력으로 Table 4의 부하 리스트를 작성하여 용량별 순차적으로 계약전력 환산율을 적용하여 Table 6과 같이 적용한다^[4].

산업통상자원부의 승인을 받아 대한전기협회에서 발행하는 내선규정에는 건축물 간선의 DF에 대하여 Table 7의 값을 기술하고 있다. 전등 및 소형전기기계 기구의 용량합계가 10kV를 초과하는 것은 그 초과용량에 대하여 DF를 적용할 수 있다^[5].

과거 국토교통부에서 만든 건축전기설비 설계기준의 부록에 따른 건축물의 종류별 수용률은 Table 8과 같이 기술하고 있다^[6]. LH에서 사용하고 있는 종합수용률은 수용률과 부등률을 하나로 묶어서 일괄 적용하는 방식으로 LH의 종합수용률 적용은 Table 9의 공동주택과 같다^[1].

3.1 비교대상 물류자동화 설비

OSR(Order Storage & Retrieval)은 오더에 맞춰 자동으로 물건들을 저장하고 회수하는 시스템으로 셔틀(Shuttle)을 통하여 빠른 속도로 GTP(Goods To Person)로 이동시켜 준다. OSR은 셔틀시스템으로도 불리우고 있다. GTP는 OSR의 물건이 GTP Workstation에 자동으로 도착하는 시스템으로 작업자는 이동없이 작업이 가능하여 작업효율이 상당히 높아진다. 여러대의 OSR과 GTP를 조합하면 많은 종류의 물건을 보관할 수 있고 작업 효율도 올릴 수 있어 OSR과 GTP는 Set로 구성하게 된다. Fig. 2는 OSR과 GTP의 조합으로 물류 자동화설비의 핵심 장비이다^[7].

Fig. 2. OSR + GTP

미니로드는 미니로드 보관장소에 제품의 입고 및 출고를 Stacker Crane을 이용하여 보관하는 방법으로 OSR + GTP 설비보다 중량이 무겁고 제품의 출고가 많은 상품을 보관하게 된다. OSR의 셔틀은 좌우 또는 상하 이동이 전부이지만 Stacker Crane은 동작이 상하좌우로 움직이기 때문에 2중, 3중의 안전장치를 설치하여야 한다. Fig. 3은 미니로드의 전경이다^[7].

Fig. 3. Mini-load

Fig. 4. Sorter

소터는 Dispatching Sorter로 불리기도 하며 물류 자동화 설비의 최종 단계에서 분류하여 배송을 시작할 수 있게 해준다. 셔틀을 이용하여 분류해주기 때문에 빠른 출고가 가능하다. Fig. 4는 소터의 현장 사진을 나타내고 있다.

컨베이어 시스템은 여러 종류의 물류자동화설비를 연결하는 시스템으로 위에 언급한 OSR + GTP 설비, 미니로드, 소터 외에 물류를 보관하는 방법에 따라 PLT (Pallet) 랙, Flow 랙, Angle 랙, 장축물 랙, Show Case등의 DPS(Digital Picking System) 또는 DAS(Digital Assorting System)의 부분 자동화설비를 연결하여 AS/RS(자동 저장/회수 시스템)을 완성하게 된다. 컨베이어 시스템은 경사도에 따라 경사면은 Fig. 5(a)의 벨트 컨베이어를 적용하고 직선 및 곡선 구간은 Fig. 5(b)의 롤러 컨베이어를 적용한다^[7].

Fig. 5. Belt conveyor, roller conveyor

3.2 물류자동화설비 목록 및 전원 용량

Table 10에서 컨베이어 부품 목록을 보면 646 Set 수와 국내장비 1,895m, 외산장비 1,664m인 총 3,559m의 컨베이어 길이로 구성되어 있다.

물류자동화설비의 전원 용량은 Table 11과 같이 1F은 190kW, 2F은 246kW, 3F은 363kW로 총 799kW를 필요로 하고 있다.

3.3 각 층별 최대 수요전력

2F Main의 총 설비용량 중 토트세척기는 80kW의 전기용량을 가지고 있으나 토트세척기는 일반전원으로 공급이 가능하다. 토트세척기를 물류 전용 변압기에서 제외하여 일반 변압기에서 공급하는 경우 토트 세척기 용량인 80kW를 총 설비용량에서 제외하고 최대수요전력에서는 토트세척기 실사용 시 용량인 60kW를 제외하여 표시할 수 있다.

최대전력의 측정값은 GIMAC Ⅱ Plus 장비를 사용하여 4구역에서 측정하였으며 2016년 5월부터 2022년 2월 사용 기간에 최대전력이 발생한 시기를 측정하였다.

Fig. 6은 Power Panel 최대전력을 나타내고 있다. Fig. 6(a)는 1F Main-1의 최대전력 값인 48.24kW를 Fig. 6(b)는 1F Main-2의 최대전력 값으로 13.71kW를 나타내고 있다. Fig. 6(c)는 2F Main의 최대전력 값으로 170.96kW를 Fig. 6(d)는 3F Main의 최대전력 값으로 121.63kW를 나타내고 있다. 전 층의 총 최대 수요전력은 354.54kW이다.

Fig. 6. Power panel peak power^[9]

3.4 물류자동화설비의 수용률 분석

각 층의 수용률은 각 층의 최대 수요전력[kW]을 각 층의 총 설비용량[kW]으로 나누면 구할 수 있으며 종합수용률은 각 층의 최대 수요전력[kW]의 합을 각 층의 총 설비용량[kW]으로 나누어 구할 수 있다^[1].

Table 12는 물류 자동화 설비 실사용 시 수용률이며 Table 13은 토트세척기를 제외한 물류 자동화 설비 실사용 시 수용률을 나타내고 있다.