저자 : 김상용 연구원
       숭실대학교 신재생에너지 변환 연구실
산업 : 발전/에너지, 모니터링
NI 제품명 : LabVIEW, CompactRIO

해결 과제 
 전력계통은 시대의 발달과 더불어 그 다양성과 복잡성이 증대되고 있다. 또한, 산업과 사회 모두가 네트워크 기반의 실시간 정보교환을 기본 인프라로 인식하고 있으며 고도의 기술 집약적 형태로 변해감에 따라 고 신뢰성 및 고품질의 전력공급에 대한 요구가 그 어느 때보다도 높다. 이러한 문제들을 해결하기 위해서 계통의 전력품질을 지속적으로 모니터링하여 문제의 근원을 파악해 미리 대처함으로써 이로 인한 기기의 오동작, 생산 차질, 공정 혼란 등의 예기치 못한 경제적 손실을 최소화하고, 대체에너지를 이용하는 전원의 계통연계 시 발생할 수 있는 현상에 관한 데이터를 수집하고 분석하여야 한다. 이러한 역할을 수행하기 위해 다수의 상용 전력품질 모니터링 장비들이 개발되어 있으나 매우 고가이어서 여러 장소에서 전력계통의 상태를 모니터링 하기 위해서는 많은 비용을 감수하여야 한다. 그렇기 때문에 동일한, 또는 그 이상의 기능을 제공하면서도 저가로 전력품질 분석 네트워크를 구성할 수 있는 시스템이 필요하다.

솔루션 
 본 연구에서는 강력한 HMI(Human-Machine Interface)에 기반한 LabVIEW와 CompactRIO를 활용하여 매우 용이하고 저렴하게 전력선의 상태를 모니터링하고, 데이터를 수집하여 원격 관리 시스템에 전송하며, 이를 분석하는 원격 실시간 전력품질 분석기를 개발하였다. 개발된 시스템은 3상뿐 아니라 단상 시스템의 측정 및 분석에도 그대로 사용될 수 있어 신재생에너지를 이용하는 분산 전원과 계통과의 상호 작용 및 그 영향을 관찰하고 분석하는데 매우 적절하게 사용될 수 있을 것으로 판단된다.

어플리케이션 요약
 본 연구에서는 LabVIEW 기반의 실시간 원격 전력품질 분석기의 개발에 관하여 기술한다. 개발된 전력품질 분석기는 간단한 센서 회로와 데이터 수집 장치 및 NI LabVIEW 소프트웨어를 이용하여 구현되었고, 상용 장비와 동일한 고급 기능을 제공한다. 또한, LabVIEW를 이용한 GUI(Graphic User Interface)는 사용자에게 매우 편리하고 유용한 분석 툴을 제공하고 경제적 부담이 적어 다수의 개소에서 동시에 전력품질을 측정할 경우 매우 유리할 것으로 판단된다. 개발된 시스템은 고가의 상용 전력품질 측정기들을 대체하여 널리 사용될 수 있을 것으로 기대된다.

 그림 1은 개발된 전력품질 분석기의 전체 시스템 구성도를 나타내고 있다. 개발된 장비는 3상 또는 단상 전력계통에 부착되어 내장된 전류센서와 전압측정회로를 통해 계통의 상태를 모니터링 한다. R, S, T 및 N상 전류의 측정에는 LEM사의 LA-100P가 이용되었고, 각 상의 전압은 LV25-P를 이용하여 측정된다. 측정된 전압 및 전류 신호는 필터 및 증폭 회로를 거쳐 노이즈가 제거된 후 NI CompactRIO로 전송되어, 채널당 10kHz의 샘플링 속도로 12비트의 디지털 데이터로 변환된다(그림 2). 개발된 소프트웨어는 수집된 데이터를 바탕으로 실시간 파형 모니터링, 고조파분석, 전력측정, 역률분석, 파형의 전기적 특성 분석을 수행하고 전력품질에 관련된 사건 발생시 CBEMA Curve에 표시하고 데이터로 저장한다.

그림 3은 제안된 전력품질 분석 시스템의 순서도를 나타낸 것이다. 프로그램을 시작하면 측정모드와 분석모드를 선택한다. 측정모드가 시작되면 앞서 설명한 하드웨어를 통해 수집된 데이터를 바탕으로 전력품질 기준과 비교하여 분석 및 사고 발생 여부를 판별한다. 사고 발생과 동시에 모니터상의 CBEMA Curve에 발생된 사고 데이터를 표시하고 사고 발생 시점에서 측정 데이터는 기억장치에 저장된다. 분석모드에서는 사고가 발생하였던 당시의 저장된 데이터를 읽어 당시 전압 및 전류의 실효치, 전력, FFT Spectrum등을 확인하여 문제점을 분석할 수 있다. 소프트웨어의 기능은 LabVIEW의 VI를 통해 구성되어 개발 기간이 짧고 개별적인 유저의 요구에 유연하게 대응할 수 있다.

 그림 4는 전력품질 분석 시스템의 측정모드이다. 제안된 시스템은 Sag, Swell, Under-Voltage, Over-Voltage, Harmonic Distortion, Voltage Unbalance 등의 사건 발생 여부를 판별하고, 선간 전압 및 상전류의 실효치, 주파수, 전압오차율, 전압 불평형율 등을 메인 화면에 나타낸다. FFT 탭을 누르면 전압 및 전류 파형을 고조파 분석하여 FFT Spectrum으로 표현하고, 고조파관련 전력품질기준에 따라 왜곡된 고조파를 판단 및 분석하여 종합적 데이터를 제공한다. 그림 5은 제안된 시스템이 제공하는 3상 페이저도이다. 각 상 제량의 크기 및 위상을 그래픽으로 표현하여 3상 전원의 평형 상태를 한눈에 알아볼 수 있도록 하였다.

CBEMA Curve(Computer Business Equipment Manufacturers Association)는 미국 컴퓨터 사무기기 공업회에서 전압의 순시 변동에 대한 기기의 특성 곡선을 산업용 표준으로 제공하는 그래프로, 전기ㆍ전자기기에 공급되는 전원품질의 적합성을 판단하기 위해 사용되고 있다. 개발된 시스템은 전력품질 사건 발생시 해당 사건을 CBEMA Curve상에 표시하여 측정 대상의 선로가 이러한 기기의 사용에 적합한지에 관한 평가를 용이하게 내릴 수 있도록 하여주고 발생한 사건을 일목요연하게 보여줌으로써 종합적인 판단이 가능하게 해주는 유용한 기능을 제공한다(그림 6).

그림 7은 전력품질분석 네트워크 구성도를 나타낸다. 분산전원과 계통과의 상호접속에 따라 발생하는 문제의 파악을 위해서는 3상 전력계통망과 연계된 개별 분산전원들을 원격 모니터링 하는 것이 필요하다. 이러한 경우 각 지점에서 측정된 정보는 중앙관리 서버로 실시간 전송되어야 하며, 이는 개발된 시스템을 실시간 정보처리 및 인터넷 전송이 가능한 NI CompactRIO를 이용하여 확장하면 가능해진다. 이렇게 취합된 측정 데이터는 계통과 분산전원의 상호 작용과 영향들을 비교 분석 하는 연구에 매우 유용하게 사용될 수 있다.

결론 및 솔루션 개발 후 얻게 된 이점 
 전력망이 대용량화 및 복잡화 되어가는 현시점에서 큰 경제적 손실을 초래하는 전력품질의 문제에 효과적으로 대처하기 위해서는 다수의 지점에서 전력계통의 상태를 측정하고 전력품질을 종합적으로 판정할 필요성이 대두되었다. 그러나 상용장비는 매우 고가이어서 다수의 지점에 설치 시 매우 큰 비용적 부담이 따른다. 본 솔루션은 LabVIEW의 장점인 GUI(Graphic User Interface)를 이용하여 사용자의 편의를 고려하여 작성하였고, LabVIEW가 제공하는 다양한 VI를 이용하여 많은 기능을 용이하게 구현할 수 있었다. 이는 프로그램 개발 기간을 현저히 단축시켜 주며, 유저의 요구에 유연한 대응을 가능하게 해주는 장점이 있다.

또한, CompactRIO가 제공하는 실시간 분석 및 인터넷 전송 기능을 이용하면 다수의 지점에서 측정된 전력품질에 관한 데이터를 원격으로 전송 받아 전력망의 상태를 종합적으로 분석하는 전력품질 분석 네트워트의 구성이 가능해지는 장점을 제공한다. 개발된 장비가 제공하는 기능 중 3상 페이저 다이어그램이나 CBEMA Curve와 같은 고급기능들은 전력망의 상태를 한눈에 볼 수 있는 매우 편리한 기능이다. 개발된 장비는 저가이면서 고가의 장비들이 제공하는 모든 고급기능을 제공하는 강력한 HMI(Human-Machine Interface)의 저가형 전력품질 분석 시스템이며, 고가인 상용 전력품질측정기들을 대체하여 널리 사용될 것으로 전망된다.