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전력 품질

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목차

1. 개요

전력 품질은 전력 공급의 지속성, 전압 크기의 변화, 과도 전압 및 전류, 고조파 함량 등 여러 요소에 의해 결정된다. 전압의 진폭 변화, 주파수 변동, 파형 왜곡 등은 전력 품질 문제를 야기하며, 이는 장비의 오작동, 손실, 과열 등의 영향을 미칠 수 있다. 전력 품질 문제를 해결하기 위해 전력 조절기, 무정전 전원 장치(UPS), 서지 보호기, 전자 필터 등이 사용되며, 스마트 그리드와 같은 기술을 통해 전력 품질을 관리하고 개선할 수 있다. 관련 표준으로는 EN50160, IEEE-519, IEC 61000 등이 있다.

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전력 품질
개요
이름전력 품질
영어 이름Electric power quality
정의
정의정상적인 작동 조건에서 전력 시스템의 성능을 특징짓는 전압, 전류 및 주파수의 특성.
주요 측면
전압전압 강하, 서지 전압, 불균형 등
전류고조파 전류, 불균형 전류 등
주파수주파수 변동
관련 문제
전압 관련전압 강하 (Voltage Sag/Dip)
전압 스웰 (Voltage Swell)
과도 전압 (Transient Voltage)
전압 불균형 (Voltage Unbalance)
플리커 (Flicker)
전류 관련고조파 (Harmonics)
노이즈 (Noise)
불균형 (Unbalance)
주파수 관련주파수 변동 (Frequency Variation)
원인
원인전력 시스템 결함 (Faults in Power Systems)
비선형 부하 (Non-linear Loads)
스위칭 동작 (Switching Operations)
낙뢰 (Lightning Strikes)
영향
영향장비 오작동 (Equipment Malfunction)
데이터 손실 (Data Loss)
생산 중단 (Production Interruption)
에너지 효율 저하 (Reduced Energy Efficiency)
수명 단축 (Equipment life reduction)
해결 방법
해결 방법전압 조정기 (Voltage Regulators)
무효 전력 보상 장치 (Reactive Power Compensation)
필터 (Filters)
서지 보호 장치 (Surge Protection Devices)
무정전 전원 장치 (UPS)
능동형 전력 필터 (Active Power Filter)
측정 및 모니터링
측정 장비전력 품질 분석기
모니터링지속적인 전력 품질 모니터링 시스템을 통해 문제점을 파악하고 해결.

2. 전력 품질의 주요 요소

전력 품질은 일반적으로 다음 요소들을 통해 설명한다.


  • 서비스의 지속성: 전압이 임계점 이하로 강하하거나 임계점 이상으로 상승하여 정전(블랙아웃) 또는 브라운아웃을 일으킬 정도로 전력이 불안정해지는지 여부.[13]
  • 전압 크기의 변동
  • 전압과 전류의 과도 파형
  • 교류 전원에서 파형의 고조파 모양


전력 품질은 망에 연결된 장비들이 망에서 보내주는 전력과 서로 호환되는지 여부를 따지는 호환성 문제로 생각하는 것이 편리하다. 호환성 문제에는 항상 전원부를 정리하거나 장비를 더 튼튼하게 만드는 두 가지 해결책이 있다.

전압 변화에 따른 데이터 처리 기기의 허용 전압 오차는 보통 국제 정보 통신 표준 위원회에서 제정한 CBEMA 곡선을 사용한다.[14]

CBEMA 곡선


실제 전원은 이상적이지 않으며, 보통 공급 전력에서 부하 전력(수요)를 뺀 예비 전력량에 따라 전력 품질이 달라진다. 부하가 지나치게 높아 예비 전력이 부족한 경우를 전력 공급 부족, 부하가 지나치게 낮아 예비 전력이 정상 이상으로 많은 경우를 전력 공급 과잉이라 부르며, 양쪽 모두 전력 품질에 악영향을 끼친다.[15]

이러한 각 전력품질 문제는 다양한 원인으로 일어난다. 인프라 공유로 인해 망의 결함으로 일부 수요자에게 영향을 줄 수 있는 전압급강하 현상이 발생할 수 있다. 오류 수준이 심할수록 이에 영향을 받는 수요자가 늘어난다. 한 수요지에서 문제가 발생하면 같은 전력망 내 다른 수요지에도 영향을 주어 문제가 전파될 수 있다. 반면 고조파와 같은 문제는 보통 수요단의 문제이며 전력망 내로 전파되어 다른 수요단에 영향을 줄 수 있다. 고조파 문제는 우수한 전자기기 설계 및 안정 전력 장비 등을 통하여 해결할 수 있다.

2. 1. 전압

이상적인 교류 전원에서는 국가 표준(본선 등의 경우)이나 모든 진동수에서 0 옴이 되게 하는 임피던스의 시스템 사양(전원 공급단이 본선에 직접 연결되지 않은 경우)에 따라 정해진 전압 진폭과 주파수로 전력을 공급하고 있다.

  • 전압의 최대 진폭 또는 RMS 값 둘 다 장비에 서로 다른 영향을 끼친다.
  • RMS 전압값이 0.5분에서 1분간 허용값의 10-80%를 넘을 경우 "스웰 상태"(swell)라고 한다.
  • 위와는 반대로, RMS 전압값이 0.5분에서 1분간 허용값의 10-90% 낮은 경우를 dip 상태(영국식) 또는 sag 상태(미국식)이라고 부른다.
  • RMS 전압값이 정상치에서 90-110% 사이를 왔다갔다하며 반복적으로, 혹은 랜덤하게 변화할 경우 조명 장비의 전력선 플리커(Power-line flicker)라고 부르는 현상이 발생할 수 있다. 플리커 현상이란 눈에 보일 정도로 빠르게 밝기가 변하는 현상이다. 불쾌한 깜빡임을 만드는 전압 변동의 특성 정의는 여러 진행중인 연구주제가 되었다.
  • 보통 서지, 스파크, 임펄스 등으로 불리는, 전압이 순간적으로 갑작스럽게 튀는 현상은 대형 전동기가 순간적으로 꺼지거나, 전력망에 번개 등이 내리쳐서 발생한다.
  • "부족전압 현상"(Undervoltage)은 1분 이상 전압이 기준치에서 90% 미만으로 강하하는 현상을 의미한다.[16] 브라운아웃(brownout)이란 일부 지역에 부족전압 현상이 일어나 정전되어, 일부는 전력이 들어오고 일부는 블랙아웃인 상황을 의미한다. 이 현상은 시스템 오류나 과부하 등으로 전력망 내에 모든 곳에 전력을 공급하기에 부족할 경우 문제가 있는 곳의 전력망의 전기 공급을 끊어버리면서 일어난다. 이 용어는 공식적으로 정의된 용어는 아니나, 일반적으로 전력망 관리업체 또는 발전소 등에서 수요를 줄이거나 망 이익률을 높이기 위해 전압강하를 실시할 때 사용한다.[15]
  • 과전압 현상이란 보통 1분 이상 전압이 기준치에서 110% 이상 상승하는 현상을 의미한다.[17] 공급 전력이 지나치게 많아 예비전력이 과잉될 경우 이런 현상이 발생한다.[15]

2. 2. 주파수

전력망 주파수의 변화는 다음과 같다.[15]

  • 저주파 임피던스가 0보다 커짐: 부하가 전력을 너무 많이 끌어먹어 전압이 떨어지는 경우이다.
  • 고주파 임피던스가 0보다 커짐: 부하가 너무 많은 전류를 끌어먹다 갑자기 부하가 적어지면 전력망이 인덕턴스 역할을 하여 전압이 급강하거나 크게 요동치는 경우이다.
  • 파 모양의 변형: 보통 더 낮은 주파수(3kHz 이하)로 내려가거나 공통모드에서 주파수의 왜곡, 주파수가 더 높아지는 현상을 의미한다.


실제 전원은 이상적이지 않으며 일반적으로 다음과 같은 방식으로 벗어날 수 있다.

  • 주파수의 변동.
  • 0이 아닌 저주파 임피던스: 부하가 더 많은 전력을 소비하면 전압이 강하한다.
  • 0이 아닌 고주파 임피던스: 부하가 많은 양의 전류를 요구하다가 갑자기 요구를 멈추면, 전원 공급 라인의 인덕턴스 때문에 전압의 강하나 스파이크가 발생한다.
  • 파형의 변동 - 일반적으로 저주파수(일반적으로 3 kHz 미만)에서 고조파로 설명되며, 고주파수에서는 공통 모드 왜곡 또는 인터하모닉스로 설명된다.

2. 3. 파형

이상적인 교류 전원에서는 국가 표준(본선 등의 경우)이나 모든 진동수에서 0 옴이 되게 하는 임피던스의 시스템 사양(전원 공급단이 본선에 직접 연결되지 않은 경우)에 따라 정해진 전압 진폭과 주파수로 전력을 공급하고 있다.

  • 이상적인 전압과 전류의 파형은 사인 또는 코사인 함수의 형태를 띠나, 발전기 또는 부하 등으로 인해 불안정한 형태로 변할 수 있다.[13]
  • 보통 발전기는 전압왜곡을 일으키고 부하는 전류왜곡을 일으킨다. 이러한 왜곡은 통상 60Hz 이상 빠른 진동으로 발생하며, 이러한 파를 고조파라고 한다.[13]
  • 이상적인 파형에서 고조파가 왜곡시킨 정도를 총 고조파 왜곡(THD)라고 부른다.[13]
  • 파형에서 고조파가 줄일수록 이상적인데, 고조파는 변압기의 진동, 윙윙거리는 소리, 장비 이상, 손실, 또는 과열을 일으킬 수 있으므로 최대한 이를 줄여야 한다.[13]

2. 4. 전력 공급의 연속성

전력 공급의 연속성은 전력 품질을 나타내는 중요한 매개변수 중 하나이다. 전압이 임계점 이하로 떨어지거나(전압 강하) 임계점 이상으로 상승하면, 블랙아웃(정전)이나 브라운아웃(일시적 전압 강하)이 발생할 수 있는데, 이는 전력 공급이 불안정하다는 것을 의미한다.[13] 전력 공급의 연속성에 문제가 생기면, 전력을 정화하거나 장비를 더 튼튼하게 만드는 방법으로 해결할 수 있다.

3. 전력 품질 문제의 원인

실제의 전원은 이상적으로 일정하지 않으며, 보통 공급 전력에서 부하 전력(수요)를 뺀 예비 전력이 어느 정도이냐에 따라 편차가 발생한다. 부하가 지나치게 높아 예비 전력이 부족한 경우를 전력 공급 부족으로, 부하가 지나치게 낮아(혹은 공급이 지나치게 높아) 예비 전력이 정상 이상으로 많은 경우 전력 공급 과잉이라 부르며 양 쪽 모두 전력 품질에 악영향을 끼친다.[15]

4. 전력 품질 문제의 영향

실제 전원은 이상적이지 않으며, 전압, 주파수, 파형 등 여러 요인에서 변동이 발생할 수 있다. 이러한 변동은 전력 공급 부족 또는 과잉 상황 모두에서 전력 품질에 악영향을 끼친다.[15]

전력 품질은 전력 공급 지속성, 전압 크기 변화, 과도 전압 및 전류, AC 전력 파형의 고조파 함량 등의 매개변수로 설명될 수 있다.[2] 전력 품질 문제는 전력망에 연결된 장비와 전력망 간의 호환성 문제로 볼 수 있으며, 전력을 정화하거나 장비를 더 안정적으로 만들어 해결할 수 있다.

데이터 처리 장비의 전압 변화 허용 오차는 CBEMA 곡선으로 특징지어지며, 허용 가능한 전압 변화의 지속 시간과 크기를 나타낸다.[3]

이상적인 AC 전압은 정현파 형태로 공급되며, 상용 전원의 경우 국가 표준 또는 시스템 사양에 맞는 진폭과 주파수를 가진다. 또한 모든 주파수에서 0 옴의 전기 임피던스를 갖는 것이 이상적이다.

전력 품질 문제를 파악하기 위해 엔지니어는 다양한 종류의 미터[6]를 사용하여 전력 파형을 측정하고 표시하며, 다음과 같은 파형의 매개변수를 계산한다.


  • 전류 및 전압 RMS
  • 다상 신호의 파형 간 위상 관계
  • 역률
  • 상용 주파수
  • 총 고조파 왜곡 (THD)
  • 유효 전력 (kW)
  • 무효 전력 (kVAr)
  • 피상 전력 (kVA)
  • 유효 전력량 (kWh)
  • 무효 전력량 (kVArh)
  • 피상 전력량 (kVAh)


Ribeiro 외 연구진[7]은 예기치 않은 이벤트를 충분히 모니터링하기 위해서는 전압 파형 데이터를 항상 캡처해야 하지만, 데이터 양이 방대하여 현실적인 어려움이 있다고 설명한다. 최근에는 이벤트 발생 시 또는 전기 신호의 RMS 값을 저장하는 방식[8]이 사용되지만, 문제의 정확한 특성을 파악하기에는 충분하지 않을 수 있다.

전력망 주파수의 변화, 저주파 및 고주파 임피던스의 변화, 파형의 변형 등이 전력 품질에 영향을 미칠 수 있다. 파형에서 고조파는 변압기의 진동, 윙윙거리는 소리, 장비 이상, 손실, 또는 과열을 일으킬 수 있으므로 최대한 줄여야 한다.

4. 1. 일반적인 영향

전압의 최대 진폭 또는 RMS 값은 모두 장비에 서로 다른 영향을 끼친다.

  • RMS 전압값이 0.5분에서 1분간 허용값의 10-80%를 넘을 경우 "스웰 상태"(swell)라고 한다.
  • RMS 전압값이 0.5분에서 1분간 허용값의 10-90% 낮은 경우를 dip 상태(영국식) 또는 sag 상태(미국식)이라고 부른다.
  • RMS 전압값이 정상치에서 90-110% 사이를 반복적, 혹은 랜덤하게 변화할 경우 조명 장비의 전력선 플리커(Power-line flicker) 현상이 발생할 수 있다. 플리커 현상이란 눈에 보일 정도로 빠르게 밝기가 변하는 현상이다.
  • 보통 서지, 스파크, 임펄스 등으로 불리는, 전압이 순간적으로 갑작스럽게 튀는 현상은 대형 전동기가 순간적으로 꺼지거나, 전력망에 번개 등이 내리쳐서 발생한다.
  • "부족전압 현상"(Undervoltage)은 1분 이상 전압이 기준치에서 90% 미만으로 강하하는 현상을 의미한다.[16] 브라운아웃(brownout)이란 일부 지역에 부족전압 현상이 일어나 정전되어, 일부는 전력이 들어오고 일부는 블랙아웃인 상황을 의미한다.
  • 과전압 현상이란 보통 1분 이상 전압이 기준치에서 110% 이상 상승하는 현상을 의미한다.[17]
  • 이상적인 전압과 전류의 파형은 사인 또는 코사인 함수의 형태를 띠나, 발전기 또는 부하 등으로 인해 불안정한 형태로 변할 수 있다.
  • 보통 발전기는 전압왜곡을 일으키고 부하는 전류왜곡을 일으킨다. 이러한 왜곡은 통상 60Hz 이상 빠른 진동으로 발생하며, 이러한 파를 고조파라고 한다.
  • 이상적인 파형에서 고조파가 왜곡시킨 정도를 총 고조파 왜곡(THD)라고 부른다.


이러한 각각의 전력품질 문제는 다양한 원인으로 일어난다. 어떤 문제는 인프라 공유로 인해 일어난다. 예를 들어, 망의 결함으로 일부 수요자에게 영향을 줄 수 있는 전압급강하 현상이 일어난다. 오류 수준이 심할수록 이에 영향을 받는 수요자가 더 늘어난다. 한 수요지에서 문제가 발생할 경우, 같은 전력망 내에 있는 다른 수요지에도 영향을 주어 문제가 전파되는 일시적 원인이 될 수 있다. 반면 고조파와 같은 문제는 보통 수요단의 문제이며 전력망 내로 이게 번져 다른 수요단에 영향을 줄 수 있다.

5. 전력 품질 관리 및 개선 방안

전력 품질 문제는 다양한 원인으로 발생한다. 망의 결함으로 인해 일부 수요자에게 영향을 주는 전압 급강하 현상처럼, 인프라 공유로 인해 문제가 발생할 수 있다. 오류 수준이 심할수록 더 많은 수요자가 영향을 받는다. 한 수요지에서 문제가 발생하면 같은 전력망 내 다른 수요지에도 영향을 주어 문제가 전파되기도 한다.

데이터 처리 장비의 전압 변화 허용 오차는 CBEMA 곡선으로 특징지을 수 있다. 이 곡선은 허용 가능한 전압 변화의 지속 시간과 크기를 나타낸다.[3]

전력 품질을 호환성 문제로 보는 것이 유용할 때가 많다. 즉, 전력망에 연결된 장비가 전력망의 이벤트와 호환되는지, 그리고 전력망에서 제공되는 전력이 연결된 장비와 호환되는지를 따져보는 것이다. 호환성 문제는 항상 두 가지 이상의 해결책을 갖는데, 전력을 정화하거나 장비를 더 탄력적으로 만드는 것이다.

전력 컨디셔닝은 전력 품질을 향상시키기 위해 전력을 수정하는 것을 말한다.

Nisenblat 외[9]는 전력 신호 파형을 지속적으로 저장할 수 있도록 하는 전력 품질 압축 알고리즘(PQZip)을 제안했다. 이 알고리즘은 정상적인 전력 조건에서 최소 한 달 이상 파형을 저장할 수 있다. 압축은 신호 획득과 동시에 실시간으로 수행되며, 일정 데이터에서 관련 있는 부분만 유지하고 변동 데이터는 모두 유지하는 방식으로 압축률을 높인다.

전력 분석기는 주어진 간격(주로 10분 또는 1분)으로 집계된 데이터 보관 파일을 생성한다. Kraus 외[10]는 이러한 아카이브에 Lempel–Ziv–Markov 연쇄 알고리즘, bzip 등 무손실 압축 알고리즘을 사용하면 압축률을 크게 높일 수 있다고 밝혔다. 실제 전력 품질 아카이브에 저장된 시계열에 예측 및 모델링을 사용하면 후처리 압축 효율성이 더욱 향상된다.

5. 1. 전력 공급자 측면

전력을 안정적으로 유지하기 위해 보통 전력 조절기를 사용한다.

만일 전력망에 일시적인 서지(surge)와 같은 문제가 발생할 경우 무정전 전원 장치(UPS)를 통해 해결할 수 있다. 하지만 저렴한 UPS는 전력 품질이 낮아지며 사인파 정점에서 고주파수 저진폭 방형파를 방출하는 듯한 모양의 전력이 나올 수 있다. 고품질 UPS는 들어오는 AC 전원을 DC로 변환, 배터리를 충전한 후 다시 AC 사인파로 재방출하는 이중 변환 토폴로지 형태로 전력을 공급한다. 이렇게 다시 만들어진 사인파는 원래의 교류 전원 품질보다 더 높을 수도 있다.[18]

서지 보호기나 간단한 축전기, 배리스터로 대부분의 과전압 상태로부터 기기를 보호할 수 있으며, 심한 스파크는 피뢰기로 막을 수 있다.

전자 필터로 고조파를 막을 수 있다.[19]

현대의 전력망은 위상계측장치(PMU)를 이용하여 자동으로 전력 품질을 모니터링하고 경우에 따라서는 자동으로 대응한다. 스마트 그리드와 같이 신속한 탐지 및 자동 복구 기능을 갖춘 전력망을 이용하면, 확인되지 않아 전력 품질이 떨어질 수 있는 마이크로그리드나 간헐적 에너지원에 전력을 지원하면서 동시에 고품질의 전력을 공급하고 가동 중지 시간을 확실히 줄일 수 있다.

5. 2. 전력 소비자 측면

이상적인 전압과 전류의 파형은 사인 또는 코사인 함수 형태를 띠지만, 발전기나 부하 등으로 인해 불안정한 형태로 변할 수 있다. 보통 발전기는 전압 왜곡을, 부하는 전류 왜곡을 일으키며, 이러한 왜곡은 통상 60Hz 이상 빠른 진동으로 발생하는 고조파라고 불린다. 파형에서 고조파가 왜곡시킨 정도를 총 고조파 왜곡(THD)라고 부른다. 고조파는 변압기 진동, 윙윙거리는 소리, 장비 이상, 손실, 과열을 일으킬 수 있으므로 최대한 줄여야 한다.

전력 소비자 측면의 문제는 같은 전력망 내 다른 소비자에게 영향을 주어 문제가 전파되는 원인이 될 수 있다. 반면 고조파와 같은 문제는 보통 수요단의 문제이며 전력망 내로 번져 다른 수요단에 영향을 줄 수 있다.

전력을 안정적으로 유지하는 데에는 보통 전력 조절기를 사용한다. 전력망에 일시적인 문제가 발생할 경우 무정전 전원 장치(UPS)를 통해서도 해결할 수 있다. 하지만 싼 UPS는 전력 품질이 낮아지며 사인파 정점에서 고주파수 저진폭 방형파를 방출하는 듯한 모양의 전력이 나온다. 고품질의 UPS는 이중 변환 토폴로지 형태로 전력을 공급하여 재방출된 사인파는 원래의 교류전원 품질보다 더 높을 수도 있다.[18]

서지 보호기나 간단한 축전기, 배리스터로 대부분의 과전압 상태로부터 기기를 보호할 수 있으며, 심한 스파크 상태는 피뢰기로 막을 수 있다. 전자 필터로는 고조파를 막을 수 있다.[19]

6. 관련 표준

전력 품질은 여러 나라에서 채택한 국제 표준 및 현지 파생 규정에 명시되어 있다.


  • EN50160은 전력 품질에 대한 유럽 표준으로, 교류(AC) 전압을 정의하는 다양한 매개변수에 대한 허용 가능한 왜곡 범위를 설정한다.

  • IEEE-519는 북미 전력 시스템에 대한 지침이다. 이는 "권장 관행"[11]으로 정의되며, EN50160과 달리 전압뿐만 아니라 전류 왜곡도 다룬다.

  • IEC 61000-4-30은 전력 품질 모니터링 방법을 정의하는 표준이다. 3판(2015)은 이전 판과 달리 전류 측정을 포함하며, 이전 판에서는 전압 측정만 다루었다.

참조

[1] 서적 Electric power systems: a conceptual introduction https://gacbe.ac.in/[...] John Wiley & Sons 2006
[2] 문서 Energy Storage Association
[3] 웹사이트 Voltage Tolerance Boundary http://www.pge.com/i[...] Pacific Gas and Electric Company 2022-06-21
[4] 서적 Distributed photovoltaic grid transformers CRC Press
[5] 웹사이트 Harmonic filtering in a data center? [A Power Quality discussion on UPS design] http://www.datacente[...] 2010-12-14
[6] 간행물 Exploring the power of wavelet analysis IEEE 1996-10
[7] 학술발표 An enhanced data compression method for applications in power quality analysis 2001
[8] 서적 2003 IEEE Power Engineering Society General Meeting (IEEE Cat. No.03CH37491) IEEE 2004-04
[9] 특허 Power Quality Monitoring
[10] 학술발표 Lossless encodings and compression algorithms applied on power quality datasets https://ieeexplore.i[...] 2009
[11] 웹사이트 IEEE 519-2014 - IEEE Recommended Practice and Requirements for Harmonic Control in Electric Power Systems https://standards.ie[...] 2020-11-16
[12] 서적 Electric power systems: a conceptual introduction https://archive.org/[...] John Wiley & Sons 2006
[13] 문서 Energy Storage Association
[14] 웹인용 pge.com – A utility pamphlet illustrating the CBEMA curve http://www.pge.com/i[...] 2017-04-08
[15] 웹인용 태양광 및 풍력 발전의 전력계통 영향과 시사점 http://www.keei.re.k[...] 대한민국 에너지경제원 2020-10-30
[16] 서적 Distributed photovoltaic grid transformers https://www.worldcat[...] null
[17] 서적 Distributed photovoltaic grid transformers https://www.worldcat[...] null
[18] 웹인용 datacenterfix.com - A Power Quality discussion on UPS design http://www.datacente[...] 2010-12-14
[19] 서적 Introduction to digital signal processing and filter design https://books.google[...] John Wiley and Sons


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