전력계통분야에서의 고장진단기술현황- 광운대 공대 전기공학과 교수 ◆ 이흥재 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
1. 서론 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
본 고의 목적은 이 특집의 주제인 "시스템진단과 고장허용제어"의 응용 및 적용사례로서, 전력계통 분야에의 연구동향 및 응용 현황을 소개하는 것이며, 시스템의 진단은 다시 사고를 방지하기 위한 능동적 의미에서의 예방진단과 사고발생 후에 고장의 원인 또는 사고가 발생한 설비나 위치를 식별하기 위한 사후진단으로 분류할 수 있다. 고장허용제어는 앞에서도 상세히 소개된 바와 같이 어떠한 설비 또는 센서류의 신뢰도 향상을 위한 설비의 이중화 등, 여러 가지 방법론을 통칭한다. 그러나 전력시스템은 국자의 대표적인 기간산업이므로 이미 많은 설비 또는 시스템의 설계에 이러한 고장허용 개념이 채용되고 있으므로 본 고에서는 지면 관계상 고장진단기술에 대해서만 기술하고자 한다.
전력계통에서의 진단기술은 변압기, 동기기, 배전선로 등 각각의 전력용 설비 또는 변전소, 송전망 등의 여러 설비들로 이루어진 복합적 시스템을 대상으로 하여 이들의 이상 유무를 식별하는 기술이다. 즉 전력용 설비에서 발생하는 이상 징후를 판별하여 설비의 이상 유무를 판단하거나 다수의 설비들로 구성된 시스템에서 이상이 발생하였을 경우 이의 원인 및 정확한 고장설비를 파악하는 기술을 의미한다. 따라서 전력계통에서의 진단기술은 천재지변이나 설비의 노후화로 인한 설비의 이상이 발생하였을 경우 신속하게 이를 식별함으로써 손실을 최소로 하는 측면뿐만 아니라 설비에 대한 상시 진단을 통하여 이상이 발생하기 전에 미리 이를 판단함으로써 이로 인한 손실을 예방하는 측면에서도 그 중요성이 매우 크다고 할 수 있다.
진단기술은 앞에서 기술한 바와 같이 그 목적에 따라 이상의 발생을 미리 감지하여 손실을 예방하는 목적의 예방 진단과 이상이 발생하면 이를 신속하게 식별하여 손실을 최소로 하는 목적의 사후 진단으로 분류할 수 있다.전력 계통에서의 예방 진단은 주로 상시 감시가 용이한 개개의 설비를 대상으로 현재의 설비 상태를 감시하고 이상 징후의 조기 검출을 통하여 고장을 사전에 예방하고자 하는 것이므로 따라서 예방 진단에서는 각 설비에 대한 징후를 판단하여 이상유무를 정확하게 식별하고 이를 토대로 설비의 수명 등을 예측할 수 있는 기술들이 필요하다. 이와는 달리 사후 진단은 주로 다양한 설비들로 구성된 복합적인 시스템을 대상으로 하고 있으며 시스템 내의 정확한 고장 설비를 식별하기 어려운 경우에 고장으로 인한 정보를 토대로 사고설비 또는 사고위치를 식별하는 것을 의미한다. 그러나 이러한 사후진단은 전력시스템의 규모가 매우 크고, 구조가 복잡하며, 또한 주어진 정보가 불확실한 경우가 많기 때문에 아직까지는 대부분이 오랜 경험을 가진 시스템 운용자에 의해서만 이루어지고 있다.
전력계통에서의 고장진단 기술은 다음 표 1에 정리한 바와 같이 크게 발전과 송전 및 배전시스템에서의 예방 진단과 사후 진단으로 대별할 수 있다. 다음 절에서는 각 부분에 대한 국내외의 연구현황을 살펴보기로 한다.
<표 1>전력계통의 각 부분별 주요 진단대상
현재까지 발전소에 관련된 주요 진단기술로는 주로 발전소 내의 기계적 시스템을 대상으로 하여 설비의 비정상적인 진동이나 과열을 진단하는 기술, 발전기의 고정자나 회전자권선 등의 전기적 시스템의 열화를 진단하는 기술, 그리고 각 발전 설비의 적절한 제어를 위한 센서, 엑츄에이터 등의 제어시스템 설비에 대한 진단 기술들이 있다.
1. 진동 및 과열에 대한 진단 기술
현재 이러한 발전소 내의 비정상적인 진동이나 과열에 관한 진단 기술에는 정상적인 모델링을 통한 시뮬레이션 기법이 주로 이용되고 있다. 이 기법은 발전소를 구성하는 각각의 설비들의 적절한 모델링을 통하여 발전소 시스템에 대한 기계적 진동 모델을 도출하고 발전소 운용 조건에 따라 시뮬레이션을 수행함으로써 비정상적인 진동이나 과열을 해석하고 그 결과를 토대로 각 설비에 대한 진단을 수행하는 방법이다. 최근에는 인공지능 기법의 비약적인 발전을 토대로 하여 정확한 해석이 어려운 비선형적인 부분들에 적절하게 적용하는 기술들도 발표되고 있다.
2. 권선에서의 단락진단 초기에는 주로 단락에 의해서 발생하는 진동을 연속적으로 감시함으로써 이를 진단하는 방법이 이용되었으나 발전기 진동의 원인이 다양하기 대문에 정확한 진단이 어려운 단점이 있었다. 현재 제안되는 주요 진단 방법으로는 운전 중에 권선의 임피던스를 간접적으로 측정하여 변화를 감시하는 방법, 계자 권선에 AC 전류를 인가하고 픽업 코일을 통하여 air-gap 자속을 직접 측정하는 방법들이 있다. 임피던스를 측정하는 방법은 간헐적인 단락으로 의해 임피던스가 현저하게 변화하는 경우에는 단락을 정확히 감지할 수 있으나 지속되는 단락의 경우는 그 변화가 없기 떄문에 감지하기 어렵다. AC전류 인가에 따른 자속의 대칭성을 확인하는 방법은 발전기의 운전을 정지한 상태에서 진단을 수행하기 때문에 그로 인한 경제적인 손실이 크다. 운전 중에 air-gap 자속을 직접 검출하는 방법은 현재까지 신뢰성이 가장 높은 방법으로 평가받고 있지만 아직 air-gap 자속의 픽업 코일을 갖춘 발전기가 드물기 때문에 초기 설치 비용이 많이 소요된다는 단점을 가지고 있다.
3.제어시스템 설비의 진단 현재 이 분야의 진단방법으로는 진단 대상 시스템의 수학적 모델을 도출하고 이 모델을 기준으로 실제 시스템의 상태를 비교함으로써 설비의 이상유무를 진단하는 방법이 있다
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현재 송전시스템에서 발표되고 있는 대표적인 기술로는 송전시스템에서의 사고시에 보호기기로부터의 정보를 통하여 정확한 사고 지점을 식별할 수 있는 송전망의 사고진단 기술과 유입변압기의 예방제어 및 수명예측을 위한 변압기 열화 진단이 있다.
1. 송전망의 사고진단 송전계통에서 사고가 발생하면 보호기기인 계전기는 전압이상이나 전류이상을 감지하고 적절한 차단기를 트립하여 사고지역을 계통으로부터 분리시킨다. 그러나 실계통에서는 상술한 바와 같이 계전기나 차단기의 오동작, 부동작으로 인하여 정전구역이 확대될 수 있으며, 이 경우 사고구간을 제외한 정전구역의 시급한 복구가 이루어져야 하기 때문에 신속하고 정확한 사고구간의 추정이 반드시 필요하다. 그러나 송전망의 보호시스템은 다중의 보호망을 형성하고 있기 때문에 사가로 인해 발생된 정보량이 매우 많으며 특히 이러한 정보를 바탕으로 보호기기의 오동작, 부동작 여부를 판별하여 사고구간을 추정하는 것은 매우 어려운 작업이다. 현재까지 이러한 사고구간의 추정문제는 숙련된 전문가의 경험적 지식에 의존하여 행하여 왔으나 송전시스템과 그 보호시스템 체계가 복잡해짐에 따라 불확실한 보호기기의 동작 정보까지 고려하여 실시간으로 추정하기란 매우 어려운 일이 되었다. 송전망의 사고진단기술은 상술한 바와 같이 송전망 사고시에 계전기와 차단기 등의 동작정보를 토대로 하여 정확한 사구 구간을 실시간으로 진단하는 기술을 의미한다. 즉 각각의 보호기기들이 보호하는 송전설비 정보와 현재 송전시스템의 운용 정보, 그리고 사고로 인해서 동작한 보호기기의 정보 등을 이용하여 정확한 사고 설비를 진단하는 기술이다. 근래에는 인공지능 기술의 발달로 인해 신경회로망, 퍼지로직, 전문가 시스템 등과 같은 지능적 기술을 응용한 방법론들이 활발하게 제시되고 있다. 이 가운데에서 현재 가장 주목받고 있는 기술이 사고진단 전문가 시스템 응용기술이다. 사고진단 전문가 시스템은 주로 EMS, SCADA시스템을 대상으로 운전자 지원을 위한 송전선로의 사고진단을 위하여 개발되었고 송전선로와 상이한 보호체계가 적용되는 변전소 내의 설비에 대한 사고진단 전문가 시스템도 개발되고 있는 상황이다. 또한 최근에는 송전선로와 변전소 내 설비를 통합한 전체 송전시스템의 사고진단 전문가 시스템도 개발되었다.
2. 변압기의 열화 진단
변압기에 사용되는 대표적인 진단기술로서는 절연유 중의 가스 분석에 의한 진단, 부분방전 측정에 의한 진단, 변압기의 %임피던스 측정에 의한 방법 등이 있다. 절연유 중 가스 분석에 의한 진단은 변압기 내부에 국부적인 가열 및 부분방전이 발생하면 절연유 및 절연지가 분해되어 발생하는 가스의 성분, 발생량, 경시변화를 파악하고 Gas chromatography로 분석하여 변압기의 열화 진전상태를 진단하는 방법이 있다. 이때 가스분석 결과를 이용한 진단방법에 있어서 유효성이 높은 방법으로는 가스패턴에 의한 방법, 조성비에 의한 방법, 특정가스에 의한 방법 등이 있다. 부분방전 측정에 의한 진단은 변압기 외함벽에 부착한 초음파 마이크를 이용한 음향법, 부분방전에서 발생된 전류펄스를 중성점 접지선의 Rogoski coil 및 Bushing tap으로부터 검출한 전류법을 병행하는 방법이 있다. 마지막으로 %임피던스의 변화측정에 의한 진단은 변압기에 2차 단락이 일어날 경우에는 단락전류에 의해 코일이 변형되어 코일간 gap이 증가하는 현상을 이용한 방법이다. 즉 변압기의 %임피던스를 측정하여 그 변화량을 관측하면 코일의 상태가 추정되므로 변압기의 이상을 진단할 수 있다.
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4. 배전시스템에서의 진단 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
일반적으로 배전시스템은 22.9 kV의 배전선로를 기본으로 하여 구조 자체는 루우프 구조(Loop Network)로 되어 있으나 경제적인 이유와 운용상의 편의를 위하여 방사상 구조로만 운용을 하고 있으며, 배전시스템 역시 보호시스템을 적용하고는 있으나 송전시스템에 비해서는 비교적 단순하게 이루어져 있다. 그러나 배전시스템은 송전망으로부터 수 많은 수용가 측으로 전력을 공급하는 시스템이기 때문에 그 구조가 매우 복잡하여 송전계통에 비하여 사고 발생 빈도 또한 높다. 배전망에서도 사고의 발생시 피해를 최소로 하기 위한 운용은 전통적으로 운용자의 경험적 지식에 의한 수동방식에 의존하였으나 근래에는 배전 SCADA의 채용으로 원격감시와 원격제어를 수행하고자 하는 배전자동화 시스템에 관한 연구가 국내외적으로 활발하게 수행되고 있다. 배전망의 사고진단은 상술한 바와 같이 안정적인 배전시스템 운용은 물론이고 배전자동화의 일환으로서 많은 연구가 진행되고 있는 분야이다.
1.지중배전케이블의 열화 진단
2. 배전망에서의 사고진단
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5. 결론 및 향후 전망 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
지금까지 전력계통분야에서 현재 활발하게 연구되고 있는 주요 진단분야를 발전, 송전, 배전시스템으로 분류하여 고찰하였으며, 각각의 주된 진단기술을 요약하면 표 2와 같다. 표에서 알 수 있듯이 예방진단의 경우에는 주로 설비에 대한 분석 또는 해석적인 방법을 통하여 고장을 진단하거나 수명을 예측하는 방법이 이용되고 있으며, 사후진단인 사고진단의 경우에는 인공지능 기법을 도입하여 진단하는 방법, 특히 전문가시스템을 응용한 방법이 많이 이용되고 있음을 알 수 있다.
<표 2 >전력계통의 주요 진단기술
<표 3>최근 5년간 학술지 발표 논문수 |
'[참고 자료] > 전기, 전력 일반' 카테고리의 다른 글
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