스마트그리드 AMI로 연간 1조8,000억 전기료 절감 

2014년 유난히 더운 여름. 전력거래소 중앙급전소는 비상이 걸렸다. 에어컨 등 냉방기 전력 사용량이 폭등해 예비전력량이 얼마 남지 않았기 때문이다. 이대로 가다가는 대정전(Black Out) 상황 직전까지 간 2011년 ‘9·15 대정전’이 재연될 수도 있는 긴박한 상황이다. 

한전과 전력거래소는 긴급히 단문문자메시지(SMS)와 방송을 통해 순환정전 예고를 알리고 우선순위에 따라 단전을 실시한다. 9·15 대정전 때는 배전선로 단위로 단전이 들어가면서 배전선로에 물린 공장·음식점·개인주택 등 구분 없이 일괄 단전에 들어갔다. 하지만 올해는 원격검침인프라(AMI)에 의해 개별 주택단위로 단전이 기능하다. 우선순위에 따라 정전피해를 최소화될 수 있는 전기사용자 그룹부터 단전에 들어갈 수 있어 안심되는 상황이다. 

고속 전력통신(PLC)기반 AMI 통신망에 의해 가능한 일이다. AMI는 종전 단순 원격검침에서 진화한 개념이다. 전자식미터(Digital Meter)와 고속PLC 칩을 내장한 모뎀 간 양방향 통신을 통해 자동 검침뿐 아니라, 전력계통에서 벌어지는 다양한 서비스가 가능한 스마트그리드 인프라다. 

지식경제부 국가 스마트그리드 로드맵에서는 전자식 계량기, 양방향 통신망, 계량데이터 관리 소프트웨어 등으로 이루어진 시스템으로 정의했다. AMI로 가정의 가스·전력·수도·열량 등 사용량을 원격지에서 검침하고 상태를 모니터링할 수 있다. 

부과금 조회 등 데이터 관리가 가능하며 지역·시간대별 등 다양한 조건에 따라 사용 실태를 분석할 수 있다. 검침 비용과 소요시간이 절약될 뿐만 아니라 실시간으로 검침정보를 모니터링해 효율적인 에너지 수급관리가 가능하다. 

AMI의 스마트미터는 전기관련 정보를 사용자에게 실시간으로 알려줘 전기를 효율적으로 사용하도록 유도하는 전자식 계량기다. 사용한 전력량을 다양한 시간과 구간 등 간격으로 데이터베이스화해 사용 패턴을 분석하고 새로운 요금제 설계 및 실행이 가능하다. 

스마트그리드에 접목하면 시간대별 전력요금에 따라 최적의 운용 시간대를 설정할 수 있다. 전력회사에서 받은 전기요금 예상치에 따라 냉장고 제빙, 제상시기를 조절하거나 세탁기 작동시간대를 결정할 수 있다. 주·월간 단위로 사용한 전기량과 전기요금도 확인할 수 있다. 

정부는 전력회사들이 스마트미터·스마트가전·전기차 등을 활용해 전력수요를 감축하고 그 실적에 따라 보상을 받을 수 있는 수요관리시장 개설을 추진할 계획이다. 

또 실시간요금제 도입을 위한 중간단계로 주택용에 계절·시간대별로 2~3단계 차별화된 요금제를 마련하고 시범운영에 들어갈 예정이다. 실시간요금제는 전력소비가 많을 때는 요금을 높게적용하고 적을 때는 낮게 매김으로써 피크타임을 억제할 수 있다. 이 모든 것이 AMI에 의해 가능한 것이다. 

2020년까지 국내 1,800만 가구에 보급 

지경부와 한전은 2020년까지 저압수용가(1,800만호)를 대상으로 전자식전력량계(스마트미터)를 보급할 계획이다. 한전이 2010년부터 10년간 총 1조1,367억원, 연평균 1,033억원을 투입한다. 전체 전력 판매량의 72%를 점유하는 고압고객(산업시설·공장·빌딩 등) 14만호에는 AMI가 보급돼 가동하고 있어 기술적인 어려움은 없다. 국가 전체로 봐서는 약 6% 에너지를 절감시킬 수 있다는 계산이다. 월 4만원의 전기요금을 내는 가정은 월 2,400원 가량을 아낄 수 있고 국가 전체로 연간 1조8,000억원 전기요금을 절감할 수 있고 가구당 정전시간도 15분에서 9분으로 단축된다는 게 한전 측 설명이다. 

스마트그리드가 상용화하면 피크타임 전기 소비를 줄여 온실가스를 내뿜는 발전소 건설을 줄일 수 있다. 

전력을 생산하는 발전소는 안정적 전력 공급을 위해 피크타임을 기준으로 건설하고 있다. 전력 공급 시 피크전력을 10%(700만kW)만 줄이면 연간 1조원의 설비 투자비용을 줄일 수 있다는 계산이다. 또 풍력·태양광 등의 다양한 신재생 전원과 저장장치 등 모든 에너지원을 수용할 수 있다. 

가정용 전기사용량을 실시간으로 확인

한전은 2010년부터 사우디아라비아·말레이시아·베트남·우즈베키스탄 등에서 고속PLC와 무선통신을 이용한 원격검침·변압기감시·정전감시 등의 테스트 마케팅 사업을 진행, 교두보를 마련하고 있다. 세계적인 스마트그리드 열풍에 따라 신수종 사업화가 가능할 것으로 전망된다. 

정부는 2010년 50만호 원격검침인프라(AMI) 구축을 시작으로 2020년까지 1,800만 가구 전체에 AMI 구축을 완료할 예정이다. 고속PLC 기술 뿐만 아니라 전파법규상 PLC 사용이 어려운 곳(해안기지국 주변 등)은 근거리 무선통신 기술 등으로 보완해 구축할 수 있다. 

고속PLC 기반으로 구축하면 원격검침 뿐만 아니라 △변압기 과부하감시 △전력선 정전 △도전 △전선도난 감시 등을 쉽게 할 수 있다. 가구별 가전기기·전기차·태양광 패널 등의 운전상태 감시와 제어 등도 PLC 모뎀이 장착된 스마트미터를 통해서 가능할 전망이다. 

한전은 새 기술을 도입하기 전에 각 기기에 대한 사전 시험인증 체제 구축도 진행 중이다. 대전에 위치한 PLC 종합시험장에는 30가구분 모뎀·수집기·미터·가전기기·각종 시험장치 등이 갖춰져 있다. 2010년에 보급된 50만호 AMI사업용 기기들도 이곳에서 1차 성능시험(BMT)을 거친 바 있다. 앞으로 PLC기반 AMI사업에 참여를 희망하는 업체는 수시로 시험인증성적서 발급을 요청하면 시험을 받을 수 있다. 

한전은 관련 절차와 시험장비 보강을 추진 중이다. 2012년 초부터는 본격적으로 시험인증과 기술지원 사업을 진행할 예정이다. 

정강식 한전 PLC팀 차장은 “해외경쟁력 확보를 위해 AMI 관련 제품 신뢰성을 높이면서 사업 참여를 준비하는 업체 기술개발도 수시로 지원하고 재정적 부담을 덜어 주고 있다”며 “현재 이런 고속PLC 기반 종합시험장과 시험인증센터을 자체 운영하는 전력회사는 세계적으로 우리나라가 유일하다”고 말했다. 

역률보상은 저압 부하측부터 해야 효과적

Q. 리액터로 3단 기동을 하는 장비가 있습니다. 그런데 모터고장으로 수리 보내고 안착하기전 테스트 중인데 50%, 80%, 100% 모두 440V가 나옵니다. 제가 알기론 감전압 기동으로 알고 있는데 제가 잘못 알고 있는 걸까요? 그리고 기동순서가 1단 기동후 개방되면서 2단 투입 2단 개방되면서 3단 투입 이순으로 되어야 할 텐데 기존 작동순서가 1단 투입 t초후 2단 투입 t초후 1, 2단 개방 3단 투입됩니다. 이렇게 사용해도 되는지 궁금합니다.

A. 리액터 기동은 감전압이 맞습니다. 전압을 어디에서 측정하였는지 모르겠지만, 부하를 걸지 않고 측정을 하면 전압은 그대로 440V가 다 나옵니다. Motor를 연결하고 Motor로 가는 Line의 전압을 측정하여야 합니다. 기동전류는 Tap에 비례하고 기동토르크는 전압²에 비례합니다. Magnet은 투입 후 개방이 되어도 문제가 없습니다.

Q. 수배전반 고압 측에서도 역률을 계산하나요? 변압기 뒤쪽 저 압측부터 역률을 계산하지 않나요? 고압 측은 피상전력 아닌가요?

A. 고압반에서의 역률은 종합 역률이라 합니다. 하지만 역률 보상은 저압 부하측에서 하는 것이 가장 효과적입니다. 피상전력은 고압이나 저압 어디서든 존재합니다. 단, 역률이 나쁠 땐 무효전력이 많아 그만큼 커지는 것이고 1일 때가 가장 적습니다. 이때는 유효 = 피상전력이 되는 것입니다.

Q. 현재 낮시간대에는 380V~385V로 부하에 전원을 공급하고 있습니다. 그런데 야간에 조명부하를 사용하면 전압강하로 인해 350V로 전압이 낮아집니다. 물론 간선케이블 규격을 큰 것을 사용해서 개선 해야 하지만 그럴만한 상황이 아닙니다. 그래서 변압기 텝을 1텝정도 조정해서 승압을 하려고 합니다. 그러나 낮부하가 385V인 상황에서 텝을 조정하여 405V(실제는 400V 정도일 걸로 예상) 정도로 승압했을시 낮부하에 미치는 영향이 어떤 것이 있을지 궁금합니다. 

야간부하: 조명(메탈 1KW, 2KW), 낮부하: 모터(분수, 펌프) 일반부하(일반조명, 냉장고, 컴퓨터 등)

A. 실제 부하들은 기본적으로 380V ± 10% 이내에서 사용을 할 수 있어야 합니다. 그리고 수전전압은 부하전압과 다릅니다. 수전 전압은 기본적으로 기기사용전압의 + 5%가 되도록 하는 것이 가장 이상적입니다. 일반적으로 Motor들은 전압이 상승하면 전류가 줄어들고 Motor가 더 힘이 좋아지고 열도 적게 발생합니다. 하지만 전등 등은 수명은 적을 때보다 단축이 됩니다. 주의하여야 할 것은 Condenser인데 그것도 10% 이하라면 크게 문제는 없을 것입니다. Condenser의 용량은 전압²에 비례하여 커지기 때문에 비례하여 발열을 할 수 있기 때문입니다. Condenser에 대해서는 아래를 참조하세요.

정격전압 및 최고전압: 콘덴서가 설치될 곳의 정격전압 및 운전 중에 발생하는 최고전압

→ 콘덴서는 정격 이상의 인가전압에 취약하므로 설치에 주의를 요합니다. (최고전압 Max 110% 이하, 리액터 % L에 의한 전압상승 포함)

Q. 거실에서 콘센트가 쇼트 되어 정전되었습니다. 이때 현관에 있는 누전 차단기(50A)는 그냥 있고 전열 1(5A)만 내려가고 밖에 있는 배선용 차단기가 내려갔습니다. 

누전 차단기는 내려가지않고 계량기 밑에있는 배선용 차단기가 내려가나요? 그리고 배선용 차단기 가 투입(On)이 잘되지 않네요. 50A입니다. 계속 올려도 올려가지 않고 다른 분이 와서는 바로 올리던데 초보인 저는 궁금하네요? 세탁기에서 누전되었을 때는 누전 차단기 동작 되었습니다. 

A. 배선용 차단기는 크게 단락및 과부하에 동작합니다. 그리고 요즘의 누전 차단기는 거의 다 배선용 차단기능에 누전기능까지 가지고 있습니다. 님의 누전차단기도 정격전류가 50A라고 쓰여있다면 당연히 단락 및 과부하에 동작합니다. 하지만 상기의 상황에서 누전차단기가 동작을 안 한 것은 배선용 차단기가 먼저 동작을 하였기 때문입니다. 차단기에는 차단 특성이 있습니다. 차단기의 특성곡선인데 최대값과 최소값이 있습니다. 차이에 의해 똑같은 용량이라면 그럴 수 있습니다. 배선용 차단기만 먼저 Trip이 될 수도 있습니다 

Q. 도면에 보면 VCB, ACB, LBS, ATS Control 로 돼있는데 어떻게 콘트롤을 하는지 궁금하네요. 그리고 L-E540은 변전실 판넬 표시등인가요?

A. 수·변전시설에 한전 측이건 자체 수용가 측이건 단전이 되면 위의 언급된 차단기류를 구동시켜 2차 사고를 예방하고 복전에 대비해야 합니다. 위 차단기류의 동작전원은 모두 직류전원입니다. 이를 위해서 평시 교류를 직류로 전환하여 정류반 축전지에 충전시키고 정전 시 충전된 축전지의 직류를 정류반에서 교류로 변환하여, 계전기, 차단기류의 구동 전원으로 사용하게 되는데요. 그 역활을 하는게 정류반 입니다. 그래서 평시 정류반 축전지 관리를 잘하시고 수명이 다하면 즉시 교체해야 합니다. 전기안전공사의 안전검사 수검 시 축전지 상태불량 시 불합격되고요, 정전시 축전지 출력부족시 차단기류의 수동 조작이 가능합니다.

Q. 먼저 저희 회사 장비는 단상 장비입니다. 하지만 사용하는 차단기는 3상 차단기입니다.

단상 장비 12,000Kw(R, S상)+단상 장비 12,000Kw (R, T상) → R상만 2번 들어감.

인입 전압 220V / 60Hz 역률이 0.9라고 가정한다면 3상 차단기는 몇 A를 사용해야 하나요? 구하는 공식과 함께 고수님들의 답변을 기다리겠습니다.

A. 단상장비가 그렇게 큰 장비 24,000kW도 있나요. 그것도 220V로 혹시 24kW 아닌지?

220V라면 R상의 전류는 12,000/(0.9×220)×√3 = 105A입니다. 가장 큰 부하 상의 전류를 기준으로 합니다. 장비가 일반부하라면 차단기는 105A×1.25 = 131A이므로 150A로 하면 됩니다. 만약 용량이 큰 전동기가 있다면 전동기 정격전류×3+나머지 부하정격전류하면 됩니다.

Q. 전압 교류 100V를 50V 정도로 다운하는 방법이 있나요? 어떤 물체를 부착시켜서 다운하는 방법은요. 가변저항을 연결한다고 들었는데 가변저항 용량도 알고 싶습니다. 가변저항을 사용해서 3일 정도 효과를 보다가 타버렸습니다. 왜 그럴까요? 

A. 변압기로 Down을 시켜야 합니다. 가변저항으로 전압을 Down 시키더라도 가변저항은 부하이기 때문에 그 전압을 사용하지 못합니다.

Q. 다름이 아니라 모터 마그네트에 과부하계전기를 설치하려고 합니다, 과부하계전기에 보면 암페어 설정값을 세팅하는게 있는데 설정 값을 모터의 정격전류×1.25로 계산해서 하면 되는 것인지요? (모터명판이 있는 전류값) 만일 명판이 없다면 P=√3×VICOS 값으로 계산해서 부하전류 구해서 곱하기 1.25 해주면 되는 것인지요?

A. 왜 1.25로 하는지? 기본적으로 과부하라 하면 정격을 Over 하는 것을 말합니다. 정격이라는 의미도 알아야 합니다. 전기기기에서 정격은 Limit입니다. 즉 한계라는 것입니다. 그 이상이 되면 과부하입니다. 그래서 Setting은 그 정격을 기본으로 하여야 합니다. 해서 과부하 Setting은 Motor만을 보호 하는 것이 아닙니다. 기계도 보호 하는 것입니다. 결론입니다. Motor 최대 운전전류 < Setting 전류 < Motor 정격전류입니다.

Q. 문제는 3P3W 220V에서 단상 220V를 사용 하여 ZCT로 누설전류를 검출하려고 합니다.

3P4W에서 R-N 상을 ZCT에 관통 하였을 때 평상시 ZCT의 벡터 합은 “0”이라 알고 있습니다. 그런데 3P3W에서 ZCT에 R-S 상을 관통 하였을 때에도 벡터 합이 “0”이 되는지 알고 싶습니다. 누설전류 검출이 가능한지 확인 부탁드립니다.

A. 3P4W에서 R-N 상을 넣거나 3P3W에서 ZCT에 R-S상을 넣어도 ZCT에 넣는 전선이 1회로라면 벡터합은 0입니다. “키르히호프법칙에서 1회로의 합은 0이다.”입니다.

Q. 현재 고주파 유도로 설비(유럽)가 있는데 380V, 50Hz용입니다. 이 설비를 440V, 60Hz에 적용했을시 인덕터, 리액터, 커패시터에 문제는 없는지 궁금합니다. 또 적용했을 때 특별히 문제가 될 만한 요소는 어떠한 것들이 있는지 궁금합니다. 

A. XL은 주파수에 비례하고 XC는 주파수에 반비례합니다. 해서 인덕턴스는 1.2배가 증가하고 케페시스턴스는 1.2배가 감소합니다. 해서 440V에 사용을 하면 인덕턴스는 XL이 6/5가 되어 전류가 (440/380)/1.2 = 0.96으로 줄어들어 출력이 96%가 됩니다. 하지만 케페시스턴스는 XC가 1/1.2가 되어 (440/380)×1.2 = 약 1.4배로 용량이 증가하는 결과가 되어 발열 사고가 생길 수가 있습니다.

Q. 상 4선식 회로에서 중성선 굵기 문의합니다. 제가 알기론 상 부하가 불평형이 되면 중성선에 전류가 흐르게 되는 것으로 알고 있습니다. 물론 상 불평형률이 심해서 중성선에 많은 전류가 흐르게 되는 경우도 보았습니다만, 그런 경우는 상 불평형이 잘못되었다고 봐야 하므로 부하를 바꾸어야 할 것 같고, 정상적인 경우에는 중성선 전류가 상전류보다 크지 않다고 생각됩니다. 그러면 중성선의 케이블 굵기도 작게 해도 되지 않는지? 지금 삼상사선식 380V로 조명용으로 사용하려 합니다. 용량은 750kVA 정도인 데, 물론 부하 불평형은 생기겠지만 30% 이하 일 거라 행각 됩니다. TR 2차에서 ACB까지의 케이블 선정 시 보통은 각 상 케이블과 같은 것으로 하는 것으로 알고 있는데, 혹시 이 정도 용량의 TR 사용할 경우, 중성선에 흐르는 전류는 얼마 정도 되며, 케이블 사이즈는 각 상의 케이블보다 작게 설계해도 문제가 없을지 궁금합니다.

A. 각 상 케이블과 같은 것으로 하는 것으로 알고 있으면 그것이 정답입니다. 한데 불평형이 30%만 되는것이 아닙니다. 부하가 단상으로 적게 걸릴 수도 있습니다. 그땐 불평형은 100%도 될 수 있습니다. 하지만 지락계전기의 Setting은 단순히 불평형에 대한 Setting이 아닙니다. 정격전류의 30% 이하로 합니다. 하지만 불평형 전류가 정격전류 이상은 되지는 않습니다. 해서 대부분의 3상 4선식 부하의 전선은 4C Cable을 사용하면서 상전선보다 바로 밑 굵기인 중성선이 들어 있는 전선을 사용합니다. 예로 16SQ×3+10SQ, 25SQ×3+16SQ 750kVA의 정격전류가 1,140A입니다. Cable은 정격전류를 가지고 허용전류 표에서 선정하시면 됩니다.

Q. UPS 축전지 수량에 대해 알고 싶습니다. 출력 220V에 축전지 12V에 셀 수가 16, 18, 20셀 등 축전지 수량이 다른데 기준이 있습니까. UPS 용량에 따라 축전지 셀 수량이 결정되는지요? 16셀을 사용하다가 18셀로 사용 가능한지요? 수량에 바뀌면 세팅도 다시 해야 하는지요?

A. UPS의 축전지 전압은 정류부의 균등충전(또는 균등충전 구분이 없는 축전지는 통상 충전전압)을 기준으로 각축전지의 충전전압으로 나눈 수량을 씁니다. 정류부의 전압은 UPS의 인버터 설계 시 전력 반도체(FET, IGBT, SCR 등)의 특성에 맞춰 선정됩니다. 12V짜리 16개와 18개는 전압차이가 크므로 정류부의 충전전압과 인버터의 입력전압에 영향이 없는지 제조처에 문의해 보시고 사용하셔야 합니다. 간혹 보수를 위해 2V짜리를 한, 두 개 더하거나 빼는 경우가 있기도 하지만 보수가 끝나면 원래 수량으로 맞춰줘야 합니다.