1.1 연구의 배경

최근 반도체 기반의 정밀제어 공정이 산업에 중요한 부분을 차지하고 있고, 전력품질에 민감한 전력전자 소자들도 많은 부분에서 사용되고 있다. 이러한 환경에서 모터부하나 전력변환을 위한 비선형 장치 및 계통상의 자연재해로 인한 사고로 Sag(순간전압강하), Swell(순간전압상승), 고조파, 과도현상, 전압 및 전류 불균형 현상의 전력품질과 관련된 다양한 문제들이 부각되고 있다^[1-5]. 특히, 자동화 공정에서는 정전이 아닌 전원 전압의 갑작스러운 변동으로도 기기의 오동작 및 공정 중단이 발생 할 수 있고 이러한 공정의 중단은 막대한 경제적 손실을 초래하므로 이로인해 고객은 신뢰 할 수 있는 고품질의 전력을 기대한다. 중요한 전압품질 문제로는 순간전압강하와 순간전압상승, 순간정전이 있다. 단일 이벤트로 인한 피해는 순간정전이 가장 크지만 상대적으로 발생빈도가 현저히 낮다. 반면 순간전압강하는 정전이 아닌 전압감소 현상이지만 그 발생빈도가 가장 높아 실제 산업현장에서는 가장 심각한 문제로 인식되고 있으며 민감한 장비에서 많은 문제를 야기한다. 전력계통에서의 파급 및 발생빈도 등을 고려할 때 순간전압강하 문제가 가장 중요한 문제로 인식되고 있고 관련 연구도 가장 활발하다. 또한, 전기전자학회(IEEE)에 따르면 Sag는 전압 크기가 최소 8밀리 초(60HZ에서 1.5주기)이상 1분 미만 동안, 실효값의 10%에서 90%까지 감소하는 현상을 뜻하며 로봇 및 가변 주파수 드라이브 등의 산업장비는 Sag(순간전압강하)에 민감하고 50% 이상의 Sag 이벤트는 주로 임시 돌입전류 조건을 생성하는 대형 유도성 부하의 기동 등과 같은 전류 요구 사항이 동일한 건물 내에서 증가함으로써 발생하게 됨을 알 수 있다.이러한 순간전압품질 문제에 대한 효과적인 대책 수립과 관리를 위해서는 계통 내 전압품질 문제의 발생 경향을 파악할 필요가 있다. 민감 부하 단에서의 전압품질 문제의 발생 경향을 예측 할 수 있다면 민감 부하에 대한 피해 및 영향도 평가할 수 있으며 이를 바탕으로 부하 맞춤형 대책 수립도 가능하다^[6-10].

본 논문에서는 1,500kVA급 단위 모듈형 오프라인 무정전 전원장치 시스템에 적용한 PQMS의 연구개발 및 성능을 시험을 통해 검증하고자 한다. PQMS는 전력품질미터기와 시스템 제어부 DSP(Digital Signal Processor)로부터 전력상태를 실시간 수집 및 실시간 발생하는 이벤트를 기록, 저장, 출력하는 기능을 제공함으로써 전력의 안전상태를 실시간 모니터링하고 향후 전력품질을 분석/검사 할 수 있다.

2.1 전력변환장치 시스템 구성

시스템의 구성은 Fig. 1, Fig. 2와 같이 PMS(Power Management System) 및 SCR(Silicon Controlled Rectifier)소자, 전원저장 랙(슈퍼커패시터 모듈), 파워모듈 랙(인버터 및 제어모듈), 차단기 변압기 랙(차단기류 및 변압기), 데이터 서버 랙(데이터스토리지)로 구성된다. 데이터 서버 렉(데이터스토리지)은 PQMS의 ePQM(eON Power Quality Monitoring System)역할을 수행하며 PMS렉의 DSP와 통신을 통해 시스템의 모든 상태를 실시간 획득 저장한다.

Fig. 1. Proposed System components

시스템은 파워모듈 및 전원저장 rack은 용량에 따라 변동이 가능하며, 축전기(Super-Capacitor), 전원(Power Module), 서버(Server Module)의 용량증설 및 교체유지보수 용이성을 극대화한 구조적 특징을 가진다.

Fig. 2. Definition of modules of the proposed system

2.2 PQMS(전력품질관리시스템)의 구성

PQMS은 Fig. 3에서 보는 바와 같이, 실시간 계통 전력품질 검출(Sag, Swel, Noise 등) 및 모니터링 할 수 있다. 계통의 불안정성 혹은 다양한 전력품질을 쉽게 관리하며 불안정한 전력품질에서 즉각 대응이 가능하다. 또한, 불안정한 전력품질상태를 동시다발적으로 전기실 담당자, 관련 공정엔지니어, 사외 수리보수 협력사에게 상황을 즉각 알리는 긴급알림서비스로 선제적 대응이 가능하다.

Fig. 3. Power module of the proposed system

Fig. 4. Comparison of procedures between the existing response system and the power quality management platform

Fig. 4는 기존에는 저 전력 품질로 이상 감지하고 공정엔지니어가 인지하는데 10분 내외, 공정엔지니어가 손실저감을 위한 공정 우회하는데 30분 내외, 직접 수리 및 보수시작까지 50분내외의 시간이 걸렸다. 그러나 PQMS을 사용 시에는 공정엔지니어 인지하는데 1분 내외, 공정엔지니어가 손실저감을 위한 공정우회 10분 내외, 직접수리 및 보수시작 15분 내외로 단축이 가능하다. 총 11단계에 걸쳐서 사외 수리보수 협력사에 상황 전달하는 체계가 6단계로 단축되기 때문이다.

Fig. 5은 1,500kVA급 단위 모듈형 오프라인 무정전전원장치 시스템을 위해 개발된 PQMS의 전체 구성도를 나타낸다. 시스템의 상태를 실시간 모니터링하는 ePQM과 서버로 원격모니터링을 하는 iPQM(integrated Power Quality System)으로 구성된다.

Fig. 5. Configuration of PQMS

2.3 ePQM(이온품질관리시스템)

ePQM은 DSP에서 취득한 시스템의 전력상태를 실시간 수집 및 실시간 발생하는 이벤트를 분석, 기록, 저장, 출력하는 기능을 제공함으로써 전력의 안전상태를 실시간 모니터링하고 향후 전력품질을 분석/검사할 수 있도록 지원한다. 이벤트 기록은 파일형태로 저장되며, 모든 이벤트는 실시간 분석 및 조회가 가능하다. 전력의 안전상태 및 전력품질은 Fig. 6과 같이 플로우를 통해 DSP 및 전력품질미터기에서 실시간으로 정보를 획득, 사용자 및 엔지니어가 실시간 전력품질상태를 파악하고 대응 할 수 있도록 한다.

Fig. 7∼10은 ePQM의 입출력/인버터/전압파형/고조파 정보를 나타낸다.

Fig. 6. Real-time acquisition flow of power quality information

Fig. 7. Input/output information of ePQM

Fig. 8. Input/output information of ePQM

Fig. 9. Voltage waveform of ePQM

Fig. 10. Harmonics of ePQM

Fig. 11. DSP event processing flow

전력품질미터기로부터 입/출력 전압/전류파형과 고조파 정보를 실시간 수집 제공하고 동시에 Sag발생 시, DSP로부터 획득한 입/출력의 전압/전류파형을 1사이클에 최대 33개 데이터로 세밀한 동시 원인분석이 가능하다.

DSP에서 발생한 이벤트는 Fig. 11과 같은 처리 로직을 통해 판단하며 ePQM에서 이벤트에 대한 정보 획득 시 해당 이벤트는 상기 이벤트 리스트의 레벨별로 이벤트가 분류되어 출력된다.

Fig. 12는 ePQM의 이벤트발생을 나타낸다.

Fig. 12. Event history search of ePQM

ePQM은 Fig. 13과 같이 담당자에게 긴급알림서비스로 사고 전 선제적 대응이 가능하도록 SMS 단문메세지 발송기능을 제공한다.

Fig. 13. Diagram of the SMS sender

긴급알림절차는 Fig. 14와 같다. 이벤트가 발생하면 이벤트 판단 모듈은 해당 이벤트 레벨이 단문메시지 송신 이벤트에 해당하는지 판단한다. 그리고 예외처리 시간 내에 발생했는지를 판단하여 예외처리 시간 내 포함되어 있지 않으면 모든 수신자 번호에 SMS를 발송한다. 이때, 모든 이벤트는 UI에 출력되고 동시에 Buzzer 및 LED에 표시된다.

Fig. 14. Emergency notification procedures

2.4 iPQM(통합품질관리시스템)

Fig. 15는 iPQM시스템의 상태 및 기타 장비의 전력품질상태를 실시간 통합하여 모니터링 하는 기능을 제공한다. 각 시스템에 장착된 ePQM과 TCP/IP Modbus TCP) 통신을 통해 시스템 상태 정보, 이벤트 정보, 다이어그램, 전력품질을 통합 관리/모니터링하고 데이터와 이벤트는 DB에 저장된다. 외부시스템(SCADA, SI 등)과 연동할 수 있도록 Modbus TCP 프로토콜도 제공한다^[11]. 또한, 어플리케이션 및 휴대용 태블릿과 연계사용이 가능하도록 웹 기반의 Web Viewer 제공하고 ePQM의 상태/이벤트정보 및 다이어그램을 모니터링 한다.

Fig. 15. iPQM screen

Fig. 16은 데이터 흐름도의 하드웨어에 대한 설명이다. 시스템의 전력데이터는 ePQM에서 유선으로iPQM에 전달된다. 그리고 사용자는 유선 공유기에 연결된 무선 확장기를 통해 WIFI 신호로 태블릿 같은 모바일에서 Web Client를 접속한다.

Fig. 16. Data flow diagram - hardware

Fig. 17은 데이터 흐름도의 소프트웨어에 대한 설명이다. iPQM Enterprise는 통신모듈인 iPQM Smart Connect로 시스템의 전력 데이터를 수집한다. 그리고 Web Viewer는 iPQM Enterprise에 접속하여 관련 데이터를 가져온다.

Fig. 17. Data flow diagram - software

2.5 전력품질관리시스템 소프트웨어 네트워크 성능평가

전력품질관리시스템의 소프트웨어 네트워크 성능평가를 통해 전체 시스템의 안정성을 측정하고 평가한다.

Fig. 18은 전력품질관리시스템의 소프트웨어 네트워크 성능평가를 위한 전체 시험구성을 나타낸다. 시험구성도와 같이 모든 대상을 연결하고 다음과 같이 시험을 진행한다. 상시 데이터를 송수신하는 상태에서 Serial Port와 Ethernet Network IO를 모니터링 함으로써 안정성을 확인하는 방법과 품질미터기 및 DSP에서 Sag 이벤트를 임의 발생시켜 Sag 발생에 따른 입출력 파형 데이터를 각각 Ethernet과 Serial Port로 송수신하도록 하여 네트워크에 로드를 가해 줌으로써, ePQM의 실시간 네트워크 사용률 및 안정성을 확인한다. Fig. 19는 전력품질관리시스템의 소프트웨어 네트워크 성능평가를 위해 개발된 iPQM 서버렉이다.

Fig. 18. Test configuration of power quality management system

Fig. 19. Developed power quality management system

네트워크 모니터링 툴은 Serial은 ePQM의 실시간 송수신 데이터 전송속도, Ethernet은 Windows의 성능모니터링 툴을 이용하여 모니터링한 결과를 바탕으로 네트워크 안정성을 판단하며 속도의 기준은 Table 1과 같다.

Fig. 20은 전력품질미터기에서 연속적으로 Sag 발생 이벤트에 대한 파형 데이터를 네트워크에서 송수신하여 성능을 측정한 것이다.

Fig. 20. Network usage during peak load

Fig. 21은 ePQM과 DSP간 통신포트(Com1), ePQM과 Sub I/F Board간 통신포트(Com2)의 속도를 측정한 결과이다. 첫 번째 이미지는 부하를 가하지 않은 상태, 2번째 이미지는 부하를 가한 상태에서의 속도를 나타낸다.

Fig. 21. Serial port communication speed

Table 2는 부하가 없는 상태에서의 측정값(측정 #1)과 부하를 가한 상태에서의 측정값(측정 #2)을 나타내고 있다. 네트워크 사용률 안정성 시험기준은 최대부하를 가한 상태에서 CPU 사용률은 30%이하, 디스크 IO는 40MB/s 이하로 선정한 ePQM 하드웨어/소프트웨어가 원활히 동작할 수 있는 사양범위 내로 시험기준을 정하였다.

각 통신포트의 부하가 없는 상태, 부하를 가한 상태에서의 사용률을 나타낸 것으로 측정결과 네트워크의 사용률을 부하를 가한 상태에서도 상당히 안정적으로 운영이 가능한 것을 확인 하였다.