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AI sensor, Power Outage, Heatwave

1. 서 론

최근 기록적인 폭염이 장기간 지속됨에 따라 아파트와 같은 집단 건물에 정전이 발생되어 일상생활의 불편을 초래함은 물론 노약자들의 생명을 위협하는 사회적 문제를 일으키고 있다. 정부에서도 폭염을 재난으로 간주하고 긴급 대책 수립을 지시하였으나, 근본적인 대책 수립은 어려운 실정이며, 또다시 장기간 폭염이 발생하지 않기를 바라기만 해야 하는 안타까운 실정에 놓여 있다.

우리나라의 주거형태는 ‘19.4 현재 전국에 32,684개의 아파트 단지가 있으며(1), 세계에서 유래를 찾아볼 수 없을 정도로 많은 아파트가 건설되었다. 고압 수전 아파트의 수전설비는 고객 소유이기 때문에, 전력회사에서 설비관리를 할 수 없는 관리 사각지대에 놓여 있다. 전력회사에서는 아파트 수전설비 고장발생 징후를 예측하기 어렵기 때문에, 고장발생 사실을 고객 신고에 의존할 수밖에 없는 실정이다. 따라서 폭염이 장기간 지속됨에 따른 재난상황에 대처하기 위해서 아파트 수전설비에 대한 실시간 감시 시스템 구축이 필요한 실정이며, 아파트 정전으로 인한 국민 불안을 해소하고 안전을 확보하는 것이 시급한 실정이다. 지금까지의 고객 수전설비 감시 시스템은 고객의 수전설비에 정전이 발생했을 때 신속히 감지하여 복구하는데 주력하였으나, 이를 개선하여 고장의 신속복구는 물론 개별 변압기의 과부하 및 변압기 상별 부하 불평형으로 인한 소손과 설비 이상으로 인한 고장 예방까지 가능하도록 개발하였다.

2. 아파트 수전설비 실시간 감시시스템

’17년 우리나라의 호당 정전시간은 9.08분으로서 세계 최고 수준을 자랑하고 있으며, ’97년부터 국내 기술로 개발하여 전국 의 한국전력 사업소에서 운전 중인 배전자동화 시스템 (DAS, Distribution Automation System)이 기여한 바가 크다고 할 수 있다. 배전 자동화 시스템은 전국에 산재되어 있는 배전선로용 개폐기의 고장정보를 실시간으로 감시하고, 낙뢰・차량출동 등으로 인한 예기치 못한 고장발생시 이를 중앙에 있는 제어장치에 실시간으로 통보하여, 원격으로 고장구간을 신속하게 분리하고 자동으로 복구하는 시스템을 말한다(2). 배전 자동화 시스템의 원격운전을 위해 광케이블을 이용한 유선 방식과 CDMA・RF 등을 이용한 무선 통신 방식 등 다양한 통신방식이 적용되었다(3). 유럽국가에서는 디지털 이동전화 기반의 통신방식인 GPRS (General Packet Radio Service)를 이용하여 배전설비의 온도・전류 등을 원격 감시・제어하는 기술을 개발하여 적용하였으며(4), 지능형 무선 센서를 활용한 원격제어 기술이 원가 절감을 위해 개발되어 스마트 센서 플랫폼과 함께 상용화 되었다(5). 중앙 냉방 시스템의 효율적이고 안전한 운전을 위해 자동운전 시스템이 적용되었으며(6), RF 무선통신 방식을 이용한 빌딩 조명 제어 시스템이 전력사용량 절감에 기여했음을 보여주었다(7). IP 통신과 브라우저와 같은 인트라넷 기술을 이용한 전력설비 감시 및 제어 시스템에 대해 소개 하였으며, 위상 측정 장치 (PMU, Phase Measurement Unit), Web 기반 고장탐지 시스템, Web 기반 외란 기록 및 분석 시스템을 개발 하였다(8). 무선 센서 네트워크 (WSN, Wireless Sensor Network)를 이용하여 전력시스템에 대한 에너지 사용량을 평가하고 원격감시 및 제어하는 디지털 시스템을 소개하였으며, 빌딩 내 특정설비를 원격 운전하기 위해 서로 다른 무선 센서 네트워크를 이용하여 데이터를 전송하였다(9)(10). 보안과 신뢰성이 요구되는 지능형 전력망에 대해 사물 인터넷 (IoT, Internet of Thing)을 이용하여 현장설비와 제어 시스템 간 정보를 교환 및 공유하고 데이터 축적 및 전송구조를 시험하였다(11).

2.1 아파트 수전설비 실시간 감시시스템 개발의 필요성

폭염으로 인해 30도가 넘는 초열대야가 지속될 경우 노후 변압기를 소유한 아파트의 변압기 용량 부족으로 인한 변압기가 소손되어 정전이 발생하는 것이, 가장 심각한 위협요인으로 나타나고 있다. 아파트 관리 사무소에서 에어컨 사용 자제를 요청하지만 열대야로 인한 냉방부하 증가를 막기에는 역부족이다. 가전기기가 대형화되고 냉난방은 물론 취사까지 전기로 해결하는 주택의 전화(電化)가 가속화되면서 이에 따른 설비보강이 뒤따라야 하지만, 투자비가 소요되는 설비보강에 인색한 것이 사실이다. 그렇다 보니 정전이 발생해도 한전이 나서서 해결해 주기를 바라는 경우가 많은데, 아파트 수전설비의 경우 사유재산에 해당되기 때문에 무턱대고 나서서 한전이 해결해 줄 수 있는 상황도 아니다. 사후관리도 문제인데 아파트 전기설비 고장으로 정전이 발생하면 관리하는 사람도 거의 없는 실정이다.

노후 변압기 교체가 가장 시급한 과제로 떠올랐으나, 갑자기 주문이 몰릴 경우 자재 수급에도 오랜 시간이 걸릴 뿐만 아니라 가격부담도 적지 않은 실정이다. 급한 마음에 중고품을 설치하는 경우도 있으나, 사용기간이 길지 않기 때문에 악순환이 발생될 소지가 많다. 미리 고장을 예방하는 것이 최선이지만 쉽지 않은 방법이다. 각 아파트별로 자체적으로 변압기 용량과 케이블 용량을 결정하기 때문에 한국전력이 강제적으로 용량을 늘릴 수도 없으며, 궁여지책으로 한국전력에서 교체 공사비를 지원한다고 해도 대부분의 아파트가 전기요금이 더 나오는 것을 걱정하여 계약전력을 높이지 않는다. 오래된 아파트의 경우 과거에는 가구당 1 kW 정도로 계약전력을 산정하였으나, 근래에는 에어컨을 비롯한 가전제품 사용이 많아 3 kW를 초과하는 실정이다. 변압기가 소손될 수밖에 없는 위태로운 상황에 놓여 있다고 할 수 있다. ‘18년과 같은 폭염이 일상화 된다면, 변압기 적정 용량 산정을 포함한 아파트 전력 공급체계에 대한 근본적 대책이 필요하다고 할 수 있다.

2.2 시스템 구성 및 기능

아파트 수전설비 실시간 감시 시스템은 아파트 수전설비의 과부하 및 불평형 등으로 인한 고장을 예방하고 이상 유무를 실시간으로 관리하는 시스템으로 정의할 수 있다. 고압 아파트 수전설비 특별관리를 위한 실시간 모니터링 시스템을 개발 하였으며, 인공지능 센서를 이용하여 실시간 운전 정보를 수집하고 원격으로 제어하는 기능을 보유하고 있다. 그림 1은 아파트 수전설비 모니터링 시스템의 구성도를 나타낸다. 과부하 또는 부하 불평형으로 인해 변압기가 소손되거나, 차단기 동작으로 인한 정전 발생이 우려될 경우, 이상 정보를 실시간으로 전력회사와 아파트 관리자에게 모바일로 전송하게 된다.

그림. 1. 1 APT 수전설비 실시간 감시 시스템

Fig. 1. 1 Monitoring System of Apartment Power Equipment

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아파트 모니터링 시스템의 주요 기능은 다음과 같다.

▪ 부하율 계산 및 과부하 감시

▪ 고장, 과부하 정보 SMS 발송

▪ 저압설비 고장검출 및 고장개소 판단

▪ 변압기 전류 및 2차측 전압계측

▪ 복구체제 구축 및 복구 지원

그림 2는 아파트 수전설비의 IoT 결선도를 나타낸다. 1상 / 3상 변압기별로 IoT 센서를 설치하여 과부하 및 부하 불평형 상태를 실시간으로 감시하고, 기준 설정치 이상으로 과부하 또는 부하 불평형이 감지될 때에는, 이를 위험상태로 판단하여 서버로 이상정보를 전송하게 된다.

그림. 2. 수전설비 변압기 IoT 결선도

Fig. 2. IoT Connection Drawing of Transformers

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그림. 3. PT 결선도

Fig. 3. PT Wiring Drawing

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그림 3은 정전유무를 감지하기 위하여 변압기 회로에 설치하는 전압 변성기 (PT)의 결선도를 보여준다.

3. 아파트 수전설비 실시간 감시 시스템 시범 적용

개발된 아파트 수전설비 실시간 감시 시스템의 성능을 평가하기 위하여 시범사업을 추진하였다. 앞으로 이상기온에 의한 폭염이 반복될 가능성이 높기 때문에, 개발 기간을 최소한으로 단축하였으며, 확대 시행 전에 시범 사업을 통해 문제점 및 개선의견을 반영하여 시스템을 보완하고자 하였다. 시범 사업 추진 절차는 예비조사를 시행하여 구축대상 아파트를 선정하고, 합동으로 현장 점검을 시행하였으며, 시스템 설계 및 시공을 거쳐 서비스를 시행하였다. 표 1은 시범 사업 추진 절차를 보여 준다.

표 1. 시범 사업 추진 절차

Table 1. Process of the Pilot Project

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3.1 아파트 정전 현황 및 시범 아파트 선정

아파트 수전설비 고장원인을 분석하기 위하여 정전 현황을 파악하였다. 표 2는 작년 폭염기간 (‘18.7.20 ~ 8.16) 동안 한국전력 서울지역의 아파트 정전현황을 보여준다.

표 2. 서울지역 아파트 수전설비 고장현황

Table 2. Power Failure Status of Apartments in Seoul

구 분

아파트

(호)

세대수

(세대)

정전

평균 복구시간

건수

세대수

서울본부

2,612

787,531

38

1.5%

33,093

4.2%

2시간 12분

서대문구

148

47,337

2

1.4%

790

1.7%

51분

표 1. 시범운영 아파트 현황

Table 1. Pilot Test Apartment

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서울 지역 2,612호의 아파트에서 38건의 정전이 발생했으며 평균 복구 시간은 2시간 12분이 소요되었고, 복구에 19시간이 소요된 심각한 상황도 발생하였다. 아파트 전기설비는 한전설비가 아닌 고객설비이기 때문에, 한국전력의 정전 예방활동 및 복구지원에 한계가 있었다. 변압기별로 과부하에 대한 감시 기능이 없기 때문에 사전 대처가 불가능하였고, 고장 신고에 의해서만 정전발생 인지가 가능했기 때문에 한전・아파트 안전관리자・전기안전공사의 출동이 지연되기도 하였다. 이러한 문제점을 개선하고, 폭염으로부터 국민 안전을 확보하기 위해 개발된 아파트 수전설비 실시간 감시 시스템을 시범 운영하기 위해, 시범 운영 아파트를 선정하였다. 관할 구청과 협의하여 서대문・은평구의 아파트 2개소에 시범시스템을 설치하여 운영하였다. 표 3은 시범 운영 아파트 현황을 나타내며, 건설된지 29년이 경과된 불광 미성 아파트와 21년이 경과된 홍제원 현대 아파트를 선정하였다. 건설된 지 20년 이상이 경과되어 변압기 용량이 적게 산정되었기 때문에 정전발생 가능성이 큰 아파트 들이다.

서대문・은평구의 아파트는 352호로서, 전체 고압고객 1,101호중 32\%를 점유하고 있다. 표 4는 서대문・은평구의 4개년간 아파트 수전설비 고장 현황을 보여준다. 총 6건의 고장원인은 과부하 2건, 부하불평형 1건, 누수 1건, 작업자과실 1건, 접속재 고장 1건으로 과부하 및 부하 불평형으로 인한 고장이 폭염과 관련 있다고 분석할 수 있다.

표 4. 아파트 수전설비 고장현황

Table 4. Power Failure Status in Apartment

구 분

2015년

2016년

2017년

2018년

비 고

건수(건)

1

2

0

3

순간고장 2건

3.2 시범 시스템 구축

그림 4는 2개 아파트를 통합 운영하는 화면을 나타내며, 앞으로 대상 아파트가 늘어나면, 클라우드 기반으로 개발하여 운영 효율을 높일 예정이다. 본 화면은 모바일로 화면 제공이 가능하다.

그림. 4. 시스템 구성도

Fig. 4. System Components

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그림. 5. 미성 아파트 감시 화면

Fig. 5. Watch Screen of MiSeong Apartment

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변압기별 부하율, 불평형율, 정전유무 등을 상시 모니터링 하는 시스템을 구축하였다. 아파트 수전설비에 정전이 발생하였을 경우, 배전운영실에서 실시간으로 파악하여 정전안내 및 긴급복구를 시행하고 고압원격검침과 연계하여 고객 과부하 모니터리 시스템 DB를 구축하였다. 구축대상은 고압 아파트 352호 이며, 관리자는 호당 2명이상 연락처를 입력하였다. 관리내용은 불평형율 기준을 설정하고 SMS로 문자를 자동전송 하도록 설정하였다. 그림 5는 미성 아파트의 수전설비 변압기 감시화면을 보여준다. 변압기 용량별로 각 상마다 실시간 부하와 불평형 율을 표시하며, 정상・위험을 색깔로 구분하여 나타내고, 이상시 서버에 이벤트 정보를 전송한다. 그림 6은 변압기 용량별로 부하 추이를 보여주며, 현재부하・부하율・불평형 율의 변화 추이를 상세히 보여준다.

그림. 6. 미성 아파트 부하 추이

Fig. 6. Load Trend of MiSeong Apartment

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그림. 7. 현대 아파트 감시 화면

Fig. 7. Watch Screen of HyunDai Apartment

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그림. 8. 현대 아파트 부하 추이

Fig. 8. Load Trend of HyunDai Apartment

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그림 7은 홍제원 현대 아파트의 수전설비 변압기 감시화면을 보여준다. 변압기 용량별로 각 상마다 실시간 부하와 불평형 율을 표시하며, 정상・위험을 색깔로 구분하여 나타내고, 이상시 서버에 이벤트 정보를 전송한다. 그림 8은 변압기 용량별로 부하 추이를 보여주며, 현재부하・부하율・불평형 율의 변화 추이를 상세히 보여준다.

주요 모니터링 구축 항목은 다음과 같다 :

1) 서버 : 네트워크 전체 감시 및 연산처리

2) 허브 : DB 전송장치 ↔ 서버간 연결

3) DB 전송장치 : 전류・전압 ↔ 서버 전송

4) CT : 변압기별 전류값 계측

5) PT : 변압기별 전압값 계측

표 5는 인공 지능 센서의 기능을 나타낸다. 기본적으로 전압・전류・역율・유효전력・피상전력 등을 측정할 수 있으며, 고조파・전압 Sag・Swell・온도 등도 측정이 가능하다. 이와 같은 기본 측정 데이터를 활용하여 최대・최소・평균 전력을 산출하고, 인공지능인 신경회로망 학습을 통하여 요일별(주말, 주중), 계절별 부하패턴을 이용하여 수요 예측을 할 수 있으며, 고장파형과 정상파형 분석을 통한 고장 판별 및 수명 예측이 가능하다. 실시간으로 계측된 데이터를 저장・분석함으로써 부하 불평형으로 인한 변압기 소손과 전력손실을 예방할 수 있으며, 설비 진단 및 관리에 활용하기 위한 보고서 작성 기능도 보유하고 있다. 무엇보다도 과부하・부하 불평형 등과 같은 이상 정보가 발생할 경우, 서버를 통해 전력회사와 아파트 관리자에게 실시간으로 통보함으로써, 정전으로 인한 재난에 사전 대응 및 안전 확보가 가능하다.

표 5. 인공 지능 센서의 기능

Table 5. Functions of AI sensor

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3.3 기대 효과

아파트 수전설비 실시간 감시 시스템을 개발하여 운영함으로써 기대되는 가장 큰 효과는 이상 기온으로 인한 폭염이 장기간 지속될 경우 아파트와 같은 집단 수용의 정전을 예방할 수 있으며, 예기치 못한 정전이 발생했을 경우에도, 이를 실시간으로 인지할 수 있기 때문에 현행 평균 2.2시간 (최장 19시간)이 소요되던 복구시간을 1시간 이내로 대폭 축소할 수 있다. 이외에 정량적인 효과로서 정전에 따른 지장전력량 및 사회적 비용 감소, 부하 불평형 해소를 통한 전력손실 절감, 수전설비 이상징후 감시, 이상설비 예측, 고장점 추정, 운전정보 취득 등 과학적으로 고객설비를 운전할 수 있을 것으로 기대된다. 또한 아파트의 에너지 사용정보를 이용하여 에너지 절감 컨설팅 서비스를 제공함으로써 전력피크 및 에너지 사용량 절감을 통해 주민들에게 수익을 가져다 줄 수도 있다. 정성적인 효과로서는 고객 소유로서 설비관리 사각지대였던 아파트 수전설비에 대한 서비스 지원을 강화함으로써 기업이미지를 제고하고, 아파트 수전설비 운전정보 및 에너지 사용정보를 신속하고 정확하게 제공함으로써 국민의 알권리를 충족시킬 수 있다. 무엇보다도 폭염 또는 혹한 시 정전으로 인한 국민 불안을 해소하고, 안정적인 전력공급 서비스를 제공할 수 있을 것으로 기대된다.

4. 향후 계획

아파트 수전설비 원격운전 시스템은 시범사업 성과의 평가를 걸쳐 지자체와 아파트 대표기구와의 협약을 통해 확대해 나갈 계획이며, 고객 소유 설비인 시스템 설치비용은 지자체 지원을 통해 아파트가 공동 투자하는 것이 바람직할 것으로 보인다. 앞으로 고장 예방기능에 부가하여 전기・가스 등 아파트 에너지 사용현황을 제공하며, 에너지 절감방안에 대해 컨설팅 서비스를 제공할 수 있다. 에너지 사용실적을 실시간 모니터링 하여 사용 실적을 제공하고, 주차장 LED 교체・APT 통합검침・부하 불평형 해소・단열필름 시공 등을 통한 에너지 절감 방안을 고객이 선택할 수 있도록 정보를 제공할 계획이다. 향후 대상지역이 확대될 경우 클라우드 기반의 아파트 통합시스템을 개발하여, 아파트 동별, 단지별, 지역별 에너지 사용현황을 통합관리 할 수 있으며, 현재 운영중인 전력계통 운전시스템과 재난경보시스템과 연계하고, 아파트 에너지 사용 정보를 고객에게 모바일로 실시간으로 안내하는 서비스를 제공할 계획이다.

5. 결 론

작년 여름 장기간에 걸친 기록적인 폭염이 국민 안전을 심각하게 위협하였다. 정부에서도 재난수준의 대응책을 마련할 것을 지시하였으나, 아파트 수전설비가 고객 소유이기 때문에, 전력회사에서 서비스를 제공하는 데에 한계가 있을 수밖에 없었다. 이러한 문제점을 극복하고, 국민들에게 안정적인 전력을 지속적으로 공급하기 위해 인공지능 센서를 이용한 아파트 수전설비 원격 감시・제어 시스템을 개발하였다. 인공지능 센서는 아파트 수전설비 변압기에 과부나 부하 불평형이 발생할 경우, 이를 실시간으로 전력회사와 아파트 관리자에게 통보하는 기능을 가지고 있기 때문에, 아파트 단지 정전으로 인한 재난을 사전에 예방하고 안전하게 전기를 사용할 수 있다. 서울 서대문구와 은평구에 소재한 2개의 아파트를 대상으로 시범시스템을 설치하여 운전 중에 있으며, 앞으로 시범운영 결과를 평가한 후 다른 지역으로 확대 적용할 계획이다.

References

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저자소개

최태일(Tae-Il Choi)
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He received the B.S. degree in Electrical Engineering from Hanyang Univ., Seoul, Korea, in 1982, and his M.S. and Ph.D. degrees in Electrical Engineering from Pennsylvania State Univ. in 1993 and 2008, respectively.

Since 1982, he has been working for Korea Electric Power Corp.