기술의 리모델링 - 신배전계통, 상시폐로(Closed-Loop)시스템

[온니걸]

기술의 리모델링 - 신배전계통, 상시폐로(Closed-Loop)시스템

“무정전시대 멀지 않았다”

한전 고창전력시험센터에서 신배전계통인 Closed-Loop시스템에 대한 모의시험이 진행되고 있는 모습.(2528호 13면)

고장구간 신속 분리해 건전구간 파급차단
수용가 외부 영향으로 정전발생 원천봉쇄
상시폐로방식 적용...연평균 정전시간 1/5로
스마트그리드 배전계통 요소기술 선점효과


국내 배전계통이 최첨단 상시폐로(Closed-Loop)방식으로 바뀐다. 이에 따라 국내 배전계통의 신뢰도가 세계 최고수준으로 올라설 전망이다.
특히 한전은 신개념의 배전계통 ‘Closed-Loop시스템’을 올해부터 제주 서귀포 혁신도시를 시작으로 전국 혁신도시·신도시 조성지역에 적용, 전력사의 새로운 이정표를 세울 것으로 기대된다.
한전은 작년 12월 고창 실증시험센터에서 Closed-Loop시스템 실증을 성공리에 마치고 실계통 적용을 위한 만반의 준비를 갖췄다.

2008년 개발 착수, 작년말 실증시험 완료

Closed-Loop방식은 동일 주변압기에서 인출된 2개의 배전선로가 상시 폐로(閉路)상태로 운전되다가 고장이 발생할 경우 고장전류의 크기와 방향을 감지해 고장구간을 스스로 찾아내고, 고장구간 양단의 차단기는 변전소 차단기 동작이전에 고속(3~5사이클)으로 고장 구간을 분리, 건전구간에서는 정전이 발생하지 않도록 하는 최첨단 배전방식이다.
이 시스템이 구현되기 위해서는 고속도의 보호협조 알고리즘을 위한 단말장치와 차단기, 초고속 광통신망, 모뎀기술이 필요하다.
때문에 한전은 그 동안 Closed-Loop용 차단기와 제어단말장치(CCD), 변전소용 릴레이(계전기), 고장제어 알고리즘, 변전소협조 알고리즘 등을 개발했다.
Closed-Loop시스템은 현재의 수지상 계통방식(나무 줄기에서 큰 가지로, 큰 가지에서 작은 가지로 점차 세분화되는 형태)에 비해 공급 신뢰도를 크게 높인다.
현재까지 우리나라 배전계통은 수지상 계통으로 구성돼 왔다. 이 계통은 고장이 발생하면 건전구간까지 고장범위가 확대되고 역송공급에 필요한 선로조작 시간이 3~5분 이상 필요한 방식이다.
이에 비해, Closed-Loop시스템은 현재 계통방식의 단점을 극복하고 고장시 신속한 전력공급을 재개함으로써 앞으로 배전계통기술에서의 큰 변혁을 예고하고 있다.
한전은 지난 2008년 2월 신배전계통팀을 신설해 Closed-Loop시스템을 중점 연구해 왔으며 지난 12월 지중용 Closed-Loop시스템에 대한 실증시험을 성공리에 완수했다.

선로구간 고장 나도 수용가는 ‘이상 무’

배전선로의 고장 대부분은 가공선로에서 발생하고 있다. 선로의 지중화와 Closed-Loop시스템 적용은 전력공급의 신뢰도와 품질을 획기적으로 향상시킬 수 있다.
상시개로(Open-Loop)방식과 자동화, SCADA의 조합으로 전통적인 수지상 네트웍의 약점인 장시간 정전시간이 수분으로 감소될 수 있다. 하지만 정전 횟수는 효과적으로 감소시키지 못하고 있다.
일반적인 Open-Loop방식이나 수지상 방식의 공통적 특징은 고객에게 오직 반한시 커브특성을 가진 회선보호릴레이에만 의존하고 있는 한 개의 전원으로 전력을 공급한다는 것이다. 일반적으로 전력회사의 표준에 의한 보호협조시간은 0.1~0.3초 사이이고, 간선의 과전류계전기는 10사이클로 셋팅된다.
배전선로의 보호협조 공식에 위배되지 않는 범위에서 간선에 반한시 릴레이의 수를 증가시키는 것은 CTI(coordination time interval)로 인해 어려울 뿐 아니라 실제로 시설하기도 힘들다.
이런 이유에서 두 개의 전선으로 구성되고 pilot릴레이를 적용해 고장구간을 최소한의 시간으로 제거하는 지중 Closed-Loop방식은 새로운 대안이 될 수 있다. 선로구간에 고장이 발생해도 고객에게는 순간적인 정전도 없는 전력공급이 가능하게 된다.

스마트그리드 요소기술 선점 성과

Closed-Loop시스템은 제어단말장치(IED, Intelligent Electronic Device), 고속차단기, 전용 변전소 디지털계전기와 부속 광통신망으로 구성된다.
이 구성요소들을 이용해 지중배전 공급지역에 Loop형태의 간선을 구성함으로써 선로고장에 의한 수용가측 정전이 발생되지 않도록 하기 위해 분기선로는 구성하지 않는다.
기존의 배전계통은 과전류검출을 통한 단방향 보호협조의 계통보호방식으로 운영됐다. 이 방식은 고장이 발생한 후 고장의 후비측 차단기가 동작해 고장을 변전소 주변압기로부터 격리시킨 후 고장점 양단의 기기를 조작해 선로로부터 고장점을 분리하고 건전구간으로 역송하는 시스템으로서 고장구간 이외에서도 고장을 경험할 수밖에 없는 구조적 한계를 가지고 있었다.
이런 단점을 해소하기 위해 양방향 조류감시·고장방향 판단, 기기간 통신에 의한 고장처리방식으로 전환한 것이 Closed-Loop시스템의 보호협조 방식이다.
한전은 고창전력시험센터에서 Closed-Loop시스템을 구축해 작년 10월부터 12월까지 실증시험을 통해 뛰어난 성능을 검증했다.
한전은 앞으로 주요신도시, 세종시, 10개 혁신도시, 5대 기업도시, 주요 산업단지와 대규모 택지 등의 기본 간선계통으로 지중용 Closed-Loop시스템을 적용할 예정이다.

<인터뷰>박기순 한전 배전계획처 신배전계통팀 차장
“전력공급 신뢰도 제고 뿐 아니라 해외수출 모델로도 기대”
외국시스템보다 성능, 가격 탁월

한전 배전계획처 박기순 차장은 2008년 2월 신배전계통팀이 신설될 때부터 실증시험을 완료한 지금까지 신개념의 배전계통 개발에 참여해 왔다. 해외 사례를 파악하고 국내 제조업체들과 적용 제품의 개발 등을 추진하는 한편 고창 실증시험센터에서 신배전계통 검증을 추진하는 등 해당 연구개발과 상용화 준비를 최일선에서 주도적으로 이끌어 온 핵심 인물이다.
박 차장으로부터 신배전계통 Closed-Loop시스템의 기대효과와 향후 과제들에 대해 들었다.
▶신배전계통 적용으로 기대되는 효과는
“고객 입장에서 보면, 무정전의 안정적인 전력공급을 받을 수 있게 된다. 현재의 배전계통에서는 수용가 자체 고장이 아니라도 고장점 이후구간에 위치해 있다면 정전 피해를 받게 된다. Closed-Loop시스템은 특정지점에서 고장이 발생할 경우 고장 구간만 선로에서 분리하기 때문에 일반 수용가는 다른 선로로 전기를 그대로 공급받을 수 있다.
또한 한전 입장에서도 해외 수출 모델을 창출할 수 있다. 이 시스템은 선진 기술일 뿐 아니라 국산 개발품이 외산보다 차단속도가 2배나 빠르고 가격은 1/4수준에 불과하다.”
▶현재 추진 중인 스마트그리드와도 연계가 되나.
“스마트그리드의 배전계통은 ‘메쉬’형태로 갈 것 같다. Closed-Loop시스템은 메쉬의 단위계통이 된다. Closed-Loop시스템을 연결하면 메쉬계통이 되는 것이다.”
▶앞으로의 해결과제와 이에 대한 대책은.
“앞으로 지중계통용으로 확대해 나갈 것이다. 내년 2월까지 가공용 알고리즘을 개발하고 6월까지 기자재 개발을 마치고 실증시험을 거쳐 빠르면 9월 가공배전 실계통에 적용할 계획이다. 또 현재 개발완료한 지중용 Closed-Loop시스템을 제주 서귀포혁신도시에 처음 적용할 계획인데 차질 없이 시공, 운영할 계획이다.”
▶초기 투자비용이 많이 들지 않나.
“Closed-Loop시스템은 기존 시스템에 비해 5% 정도의 비용인상요인이 생긴다. 하지만 운영과정에서의 기대효과를 감안하면 충분히 상쇄되는 미미한 수준이라 할 수 있다.”
▶연구개발 과정에서 가장 역점을 둔 바는.
“우리나라는 정보통신 기술이 상당히 앞서 있다. 프로젝트를 진행하면서 이를 최대한 활용해 외국 제품보다 월등한 성능을 구현한다는 높은 목표를 잡았었다. 우리나라의 기술인프라를 최대한 활용하는 데 역점을 두었다. 또 이 시스템은 신도시에 많이 적용되는 만큼 차단기의 부피를 줄이고 친환경 에폭시 몰드를 적용하는 등 주변 환경과의 조화에도 심혈을 기했다.”
▶업계에 하고 싶은 말이 있다면.
“신배전계통의 개발과 적용은 한전과 중전기업체들이 함께 해야 가능하다. 앞으로 가공분야 적용에서도 시너지를 창출하길 기대한다. 특히 신배전계통에 대한 해외사례가 일천한 만큼 국내 연구팀들의 협조가 무엇보다 중요하다.”