전력, 수요량 및 전력 품질 측정 장비 

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가뜩이나 높은 에너지 원가가 계속 상승함에 따라 대부분의 시설에서는 에너지 소비량 절감에 많은 노력을 기울이고 있다. 과거 월간 에너지 사용량을 분석해 운영 구성요소별로 추적하고 유틸리티(전력공급처) 요금으로 분류한 시설은 거의 없다. 또한 에너지를 사용하는 방식을 이해하지 못한다면 소비량을 절감할 수 있는 적절한 방법을 판단하기 어렵다.

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 1) 에너지의 핵심 구성요소

에너지를 측정한 적이 없다면 일단 에너지가 전압 및 전류와 어떻게 다른지 파악해야 할 것이다. 유틸리티에서 공급되는 ‘에너지’의 경우 두 가지 일차적인 구성 요소를 고려해야 한다. 즉, 전력과 수요량이 그것이다.

kW 단위로 표시되는 전력은 일반적으로 와트(W) 단위로 측정돼 1초에 소비되는 에너지의 양을 나타낸다. 와트시(Wh)는 예를 들어 1개월처럼 기간 중 소비한 총 에너지를 나타내며, 전기 시설의 교류 전력 사용량으로 기록된다.

kVA 단위로 표시되는 수요량의 경우 전력 공급의 효율성 또는 고객이 실제 작업을 수행하는지의 여부에 관계 없이 고객이 유틸리티에 전력 공급을 주문하는 총 주문량이 측정된다.

이제 측정을 시작해 보도록 하겠다. 전류검침 부속품이 장착된 일반 디지털 멀티미터를 사용해 전압과 전류를 차례대로 측정한 다음 두 값을 곱해 수요량을 킬로볼트 암페어(kVA) 단위로 구한다.

이러한 방법은 부하가 안정적으로 유지되는 단순한 단상 회로에 사용할 수 있다. 실제 부하의 경우 다른 몇 가지 요소를 고려해야 한다.

2) 역률, 무효전력 및 고조파

회로가 완전한 100%의 효율로 작동할 경우(실제로는 매우 드물게 발생되는 현상) 수요량(피상전력)과 전력(유효전력)의 값은 같다. 실제로 전력(kW)은 일반적으로 수요량(kVA)보다 작다. 이 차이인 kW/kVA를 역률(PF)이라고 한다. PF가 0.95 미만일 경우 유틸리티에서 가산금을 부과하는 경우가 종종 있다. 역률이 낮을수록 불량한 것이며, 높을수록 양호한 것이다.

일반적인 산업이나 상용 시설에서는 3상 배선을 사용하며, 에너지를 다양한 방법으로 사용해 냉난방을 제공하고 3상 모터와 모터 드라이브를 작동하거나 제어함으로써 장비 효율성을 판단한다.

컴퓨터와 조명과 같은 단상 부하를 포함하여 특히 에너지 사용량 절감을 위해 개선된 효율성 사용을 계획할 경우 3상의 경우는 단상 측정에 비하여 전력이나 에너지 사용량 측정이 더 어렵다.

ㆍ무효전력 : 무효전력(VAR)은 어떤 작용도 하지 않지만 배선계통에는 존재하는 독특한 형태의 에너지이다. VAR는 전력과 수요량 사이의 차이이므로 역률을 낮추는 작용을 한다. VAR는 모터 인덕턴스 때문에 발생하며, 모터 전체 용량까지 부하가 적용되지 않으면, 즉 무부하 상태에 가까울 수록 더 커진다. 대형 공기순환 팬을 구동하는 정속 모터를 그 예로 들 수 있다. 이 모터에는 기계적 댐퍼가 사용돼 공기 흐름을 조절하기 때문에 팬의 효율성이 감소된다. 또한 구동모터의 부하를 줄이며, 전기공급 계통의 가상 전력을 증가시킨다.

모터의 작동과 속도를 부하까지 최적화할 수 있도록 많은 시설에서는 모터 공급을 다이렉트 구동에서 가변 속도 모터 구동으로 변경하고자 한다. 그러한 최적화에 따라 팬과 모터에서 에너지 사용 효율성이 강화되므로 역률도 증가한다.

전력공급 시스템으로 역으로 반사되는 고조파 전류는 가변 속도 모터 드라이브, 컴퓨터 및 그와 유사한 전자 기기의 정류기 부하에서 발생한다. 고조파 또한 역률을 감소시킨다.

3) 전력 측정법

실제 전력을 측정하려면 전압, 전류 및 밀리세크(ms) 단위의 짧은 시간 내에 발생하는 다른 모든 현상을 동시에 측정할 수 있는 장비가 필요하다. 디지털 멀티미터는 그러한 성능을 발휘하지 못합니다. 해답은 바로 전력 품질 장비에 있다.

선택한 제조사와 모델에 따라 단상, 분할 상(Split-phase), 3상(3선 또는 4선) 측정 구성을 시험할 수 있으며, V, A, W, VA, VAR, PF 및 THD, TDD, 각 차수 별 고조파를 측정할 수 있다. 또한 일정 시간 동안 측정치를 기록할 수 있는 방법을 제공해 kWh, kVAh 및 kVARh처럼, 유틸리티에서 사용되는 에너지 판독치를 기록한다. (그림 2와 3 참조)

여기에서 반가운 소식은 이러한 장비들은 위에 언급한 모든 사항을 고려하며, 일정 시간 동안 전압과 전류 동시 측정의 기능을 발휘해 에너지 사용량을 정밀하게 보고할 수 있다는 것이다.

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4) 타이밍

이제 마지막 난제다. 에너지를 전기 시스템이 부하로 전달하는 산물로써만 측정할 수 있기 때문에 시간이 많이 소요된다. 짧은 기간 동안 전력 사용량을 관찰해 에너지 사용량을 추정할 수 있다. 이 정보를 사용해 단순한 산술로 장기 에너지 사용량을 추정할 수 있다.

예 : 100와트(W) 전구를 한 시간 동안 켜면 100와트시(Wh)의 에너지가 소비된다. 그 100와트 전구를 하루 24시간 1년 365일 켜면 1년 동안 사용량은 864,000와트시, 즉, 9864kWh가 된다.

모터, 가변속도 모터 드라이브 및 컴퓨터의 경우 조금 더 복잡해지지만 에너지 사용량이 그대로 유지될 경우 한 시간 동안의 전략 사용량을 측정해 일정한 가정을 결과에 대입한다면, 한 달이나 일년 동안의 에너지 사용량을 추정할 수 있다. 다른 방법으로는 전력분석기를 사용해 30일 부하를 연구하는 것이다. 이 경우 그림 3과 4에 표시된 결과는 구할 수 있으며, 일정 시간 동안 전력 소모량을 잘 파악할 수 있다.

5) 측정 시작하기

전력을 측정할 준비가 완료됐나? 전력 품질 장비를 사용해 전압프로브와 전류 클램프센서를 각 상에 연결하고 모니터링을 시작한다. 전력(kW), 수요량(kVA) 및 그 결과 나타나는 역률을 점검한다. PF는 높을수록 좋다. 그 다음 장애물인 무효전력(VAR) 및 고조파를 점검한다. VAR과 고조파 모두 낮게 유지될 경우 공급되는 전원은 상당히 양호한 것으로, 운영이 상대적으로 효율적일 수 있다. kW나 KVA 단위로 표시되는 에너지 소모량은 시설을 변경해 소모량의 감소를 시도할 때 일정 시간 동안 비교하기 위한 값이다.

6) 정말 비용을 절감하고자 할 경우

그렇다. 멀티미터를 사용해 전압과 전류를 측정해 계산을 한 후 진행할 수도 있다. 그러나 에너지 절감의 전체적인 관점은 전기 소모량을 정밀하게 측정하면 비용을 절감할 수 있다. 시스템의 전력 간섭을 고려하지 않아 “에너지" 계산이 정밀하게 이루어지지 않을 경우 에너지 소모량을 알 수 없으며, 절감 노력이 갖는 효과를 파악할 수 없다. 전력 분석기를 사용해 실제 에너지 값을 파악한 후 그러한 값을 일정 시간 추적해 봐야 할 것이다.

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전력 품질 분석기의 선택 기준은?

많은 고객분들이 어떠한 기준으로 전력분석기 또는 전력 품질 분석기를 선택하여야 하는지 고민하는 경우가 많다. 다양한 제조사에 그보다 더 많은 제품들 중에서 신뢰할 수 있는 계측 장비를 선택하는 것은 쉬운 일이 아니다. 믿을 수 있는 전력 품질 분석기를 활용하여 사고 예방을 위한 유지보수 작업이 그 어느 때 보다 필요해진 요즘이다.

결론적으로, 가장 쉽게 선택할 수 있는 기준은 IEC 표준에 따른 Class S 또는 Class A 등급을 충족하는 장비를 구매하는 것이다. 아래에서는 상위 등급인 Class A 표준에 대하여 설명하도록 하겠다.      

표준 IEC 61000-4-30 Class A는 각 전력 품질 매개 변수에 대한 측정 방법을 정의하여 신뢰할 수 있고, 반복 가능하며 비교 가능한 결과를 얻는다. 또한 정확도, 대역폭 및 최소 매개 변수 집합을 정의한다. 이러한 기준을 준수하는 각 제조업체는 클래스A 표준으로 설계를 시작할 수 있으므로 기술자에게 선택의 수준을 높여 작업의 측정 정확도, 신뢰성 및 효율성을 높일 수 있다.

IEC 6100-4-30 Class A는 다음 측정을 표준화한다.

• 전원 주파수

• 공급 전압의 크기(진폭)

• 플리커(Flicker), 고조파 및 상호고조파(Interharmonic)

• 전압하강(Dip / 전압상승(Sags & Swells)

• 순간정전(Interruptions)

• 공급 전압 및 전류 불균형

• 메인 시그널링

• 급속한 전압 변화(Rapid Voltage changes)

클래스 A 요구사항의 예

• 측정 불확도는 입력 전압의 0.1%로 설정된다. 임계 값이 -10%로 설정되면 1%보다 큰 불확도를 가진 저비용 전력 품질 측정 시스템은 -9%에서 전압강하(Dip)을 잘못 감지할 수 있다. 클래스 A 인증 기기를 통해 엔지니어는 국제적으로 인정되는 정확성을 가지고 PQ 관련 사건을 자신 있게 분류할 수 있다. 이는 예상치 못한 전원 관련 사고 발생 시에 규정 준수 여부를 확인하거나 전원공급시설(유틸리티) 및 당사자 간의 책임 여부를 비교할 때 중요하다.

• 전압강하, 상승 및 순간 정전, 과도현상(Trainsient)은 전체 주기에서 측정하고 사인파의 반 주기(1/2rms)마다 업데이트 해야 하므로 계측기가 반 주기 샘플링 된 데이터를 전체 주기 RMS 계산의 정확도와 결합할 수 있어야 한다.  

• 전력 품질 분석기는 집계 기간이라고 하는 지정된 기간에 수집된 데이터를 압축한다. 클래스 A 기준을 준수하는 계측 장비는 다음 집계 창에 데이터를 제공해야 한다.

- 50/60Hz에서 10/12 사이클(200msec), 간격 시간은 실제 주파수에 따라 다름

 - 50/60Hz에서 150/180 사이클(3초), 간격 시간은 실제 주파수에 따라 다름

- 고조파는 새로운 표준 IEC 61000-4-7 / 2002에 따라 200ms 간격으로 측정해야 한다. 기존 표준은 320ms 간격을 허용하며, 다른 클래스 A 측정의 200ms 집계 창과 동기화할 수 없다. 200ms 간격을 사용하면 고조파 계산을 RMS, THD 및 불균형과 같은 다른 모든 값과 동기화할 수 있는 장점이 있다.

그 다음은 바로 전력 측정 방식이다.

최근에 출시되는 대부분의 제품들은 대부분 IEEE1459의 측정 방식을 따라가고 있다.

Fluke 제품군에서는 173X, 174X, 1750 모든 제품이 IEEE 1459가 적용되었고, 430-II 모든 시리즈에서는 자유롭게 IEEE100, DIN40110-2, IEEE1459 중 선택하여 사용할 수 있다.

2) IEEE1459 측정 기준이란?

상기 기준은 (무효)전력의 계산을 어떻게 하느냐에 따른 하나의 측정 기준으로 2010년부터 적용되었다. 최근 거의 대부분의 부하들은 선형부하가 아닌 비선형 부하로 변경되어 가고 있다. 그의 가장 큰 영향은 인버터(VFD) 및 다양한 전자기기 부하를 대부분 사용하기 때문이다.

다양하고 더욱 복잡한 전자부하들의 등장으로 이제는 더 이상 순수 사인파가 아닌 고조파 등의 영향으로 파형이 왜곡된 비선형 파형이 많이 검출되고 있으며, 이에 따른 부하의 불균형 문제도 점점 커지고 있다.  

이에 맞추어 이전의 단순한 계산법이 아닌 이를 반영한 측정(계산) 방법의 필요성이 높아졌고, 이 흐름에 맞추어 나온 것이 IEEE1459-2010 방식이다. 따라서, 구 기준의 전력 측정 방식을 적용할 경우 비선형/불균형에 따른 정확한 무효 성분(무효전력)과 역률을 구한다고 볼 수 없다.   

이와 같이 IEC 표준의 Class 등급 표준을 준수하는지, 전력의 측정 방식은 무엇인지를 확인하고, 이러한 기준을 정확하게 제시하지 못하는 전력 품질 분석기의 경우에는 그 신뢰성을 확인하기 어렵기 때문에 되도록이면 이러한 표준을 만족하는 장비를 구비하시길 추천 드린다.

또한, 안전과 관련하여 CATIII, CATIV 등급이 측정하고자 하는 설비에 적당한 것인지, 측정 시 사전 셋업 등의 편의성과 측정 후 얼마나 데이터에 손쉽게 접근하고 활용할 수 있는지도 사전에 확인한다면 더욱 도움이 될 것이다.

info.kr@fluke.com