2.1 비상발전기의 현장부하시험 운용 문제점

서울연구원의 조사에 따르면, 2014년 말 기준으로 국내 비상발전기의 전체용량은 약 25,096MW(78,476대)로 대부분 소방용과 겸용으로 사용되고 있다⁽⁴⁾. 이러한 비상발전기는 정전 및 화재 시 비상용부하에 전원을 공급하여 인명과 재산을 보호하는 중요한 설비이다. 이에, 국내 전기관계법규인 “비상발전기의 선정 및 설치에 관한 기술지침”에 의거하여, 발전기 2차측에 설치되어 있는 출력 가능한 최대부하로 30분 이상 부하운전시험을 실시하여야 하며, 소방관련법규에서는 소방 부하운전 점검을 년 2회 실시하도록 규정하고 있다⁽⁵⁾. 하지만, 비상발전기의 부하시험은 상용전원을 차단해야하기 때문에 일반부하에 전원공급이 중단되고 계통의 정전 및 복전에 따른 저압기기 파손, 응급의료장비를 사용하는 병원의 응급부하 정지 등 심각한 문제가 발생할 가능성이 있어, 대부분의 현장에서는 육안점검으로, 누수ㆍ누유와 같은 기계적 결함만을 확인하고, 무부하 상태로 비상발전기의 성능을 시험하고 있는 실정이다. 한편, 2011년 9월 15일 순환정전 발생 당시 비상발전기의 60%가 작동이 되지 않았으며, 전기기술인협회의 실태 조사보고서에 따르면, 비상발전기의 성능 및 상태 점검 시 부하운전을 실시하고 있는 곳은 7%에 불과한 것으로 보고되고 있다^{(6, 7)}. 이는 실정법에 저촉될 수 있으며, 화재 시와 같은 비상상태에서 인명과 재산을 보호하는 소방시설의 신뢰성을 심각하게 손상시키는 원인이 될 수 있어, 비상발전기의 부하시험 방안이 요구되어지고 있다.

2.2 소방용 비상전원의 현장부하 특성분석

비상전원의 출력용량은 비상전원설비에 설치되어 동시에 운전될 수 있는 모든 부하의 합계 입력용량을 기준으로 정격출력용량을 산정하고, 기동전류가 가장 큰 부하가 기동될 때에도 부하의 허용 최저입력전압 이상의 출력전압을 유지하여야 한다. 또한, 단시간 과전류에 견디는 내력은 입력용량이 가장 큰 부하가 최종 기동할 경우에도 견딜 수 있어야 한다. 한편, 비상전원의 부하(비상용부하)를 소방시설 및 방화ㆍ피난ㆍ소화활동을 위한 시설의 전력부하는 소방부하(소방설비부하)로 소방부하 이외의 부하는 비상부하(일반설비부하)로 구분한다. 소방용 비상발전기는 대부분 겸용발전기로 상용전원 중단 시 소방설비부하와 일반설비부하에 비상전원을 동시에 공급하게 된다. 일반설비부하에는 급수펌프, 가로등 및 기타 관련 설비부하로 구성되며, 소방설비부하는 소화펌프, 제연팬 및 기타 소방 관련설비가 포함된다. 또한, 소방설비부하의 비상전원 사용시간은 건축물의 층수가 29층 이하는 20분, 30층 이상 49층 이하는 40분, 50층 이상은 60분 이상으로 전원을 공급하여야 하므로 비상발전기에서 소방용 전원용량이 차지하는 비율이 상당히 큼을 알 수 있다.

소방설비부하에서 기동전류가 큰 부하는 유도전동기를 사용하는 펌프와 제연팬으로 화재 시에 상용전원이 정전되면 일반설비부하와 함께 기동전류가 큰 유도전동기 부하가 동시에 기동하게 된다. 이러한, 유도전동기부하는 그림 1에서와 같이 기동시의 큰 기동전류에 의해 역률이 급격히 저하되어 피상전력이 매우 커지는 특징이 있다. 이때, 비상발전기에서는 순간적인 용량의 증가로 과전류가 흘러 발전기의 가동이 중단되거나, 기동에 실패할 가능성이 매우 커 비상발전기의 부하시험에 반드시 고려되어야 한다. 또한, 최악의 화재상황에서 자체 소방시설로 화재진압에 실패하여 소방대에 의한 소화활동이 이루어진다면, 소방대의 소화활동설비(비상콘센트 등) 사용으로 인하여 비상전원의 규정 사용시간과 용량이 증가한다. 따라서, 비상전원의 용량은 충분한 여유를 고려하여 용량을 산정하여야 하며, 주기적인 부하시험으로 비상발전기의 성능과 상태를 확인하여야 한다.

3.1 ESS 부하시험장치를 이용한 비상발전기 부하시험 방안 및 운용 전략

기존의 비상발전기 부하시험 방법은 그림 2와 같이 저항(R)부하로 구성된 부하장치(load bank)를 사용하여 시험하고 있다. 비상발전기를 일반적인 Load Bank를 이용하여 시험하면, 기동 시 급격하게 전류가 상승하는 소방설비부하의 특성을 반영하지 못할 뿐 아니라, 생산된 전력을 열로 소진하여 에너지를 낭비하는 문제점이 있다. 한편, 유도성(L)부하가 적용 된 부하장치를 사용할 수 있겠으나, 고가인 관계로 연구용으로 일부 사용하고 있다. 또한, 그림 3과 같이 수변전설비에 PCS(power conversion system)를 연결하여 비상발전기를 부하시험 할 수 있는 방법(back-to-back system)을 생각할 수 있으나, 대부분의 현장에는 Back-to-Back PCS를 수변전설비에 연결 할 예비용 대용량 차단기가 없어 상용전원을 차단하여야 하고, 비상발전기 시험 시 사고발생에 대한 보호협조 문제가 발생할 수 있어 적용하는데 어려움이 있다.

상기의 문제점을 개선하기 위하여, 본 논문에서는 정전에 따른 2차 피해발생 우려가 없도록 비상용부하의 전원용량과 특성에 부합하는 ESS를 이용하여, 상용전원의 차단 없이 비상발전기의 성능 및 상태를 확인할 수 있는 부하시험 방안을 그림 4와 같이 제안한다. 구체적으로 비상발전기에 전기저장장치를 연계하여, 비상용부하의 동작특성과 동일하게 ESS가 충전동작을 수행함으로서 비상발전기의 성능 및 상태를 시험할 수 있는 장치이다. 또한, 상기에서 제시한 ESS 부하시험장치의 구성을 나타내면 그림 5와 같다. 여기서, 소방설비부하의 급격한 기동전류 상승에 따른 역률 하강은 PCS의 무효전력 제어기능에 의하여 보상하고, 리튬이온전지는 비상용부하의 역할을 수행하며, 계측장치에 의해 비상발전기의 성능과 상태를 확인할 수 있다.

3.2 ESS 부하시험장치의 운용 알고리즘

본 논문에서 제안한 비상발전기의 현장부하시험 방안을 바탕으로, 비상용부하의 동작특성과 동일하게 ESS가 충전동작을 수행함으로서, 비상발전기의 성능 및 상태를 시험할 수 있는 ESS 부하시험장치의 운용 알고리즘을 구체적으로 제시하면 다음과 같다.

[STEP 1] 비상발전기 용량계산서를 바탕으로 비상용부하를 기동용량이 가장 큰 소방용 유도전동기 부하[제연팬($S_{fan}$) 또는 펌프($S_{pump}$)]와 일반설비부하($S_{emg}$)로 구분하고, 식(1)과 식(2)를 이용하여 전체 비상용부하의 유효전력과 무효전력을 구한 후, 비상용부하의 전체 정격용량($S_{T otal}$)을 식(3)을 이용하여 산정한다. 여기서, 비상발전기의 최종 출력은 제조사의 데이터시트를 바탕으로 각 비상용부하의 운용효율을 고려하여 산정한다.

여기서, $S_{T otal}$ : 비상용부하의 전체 정격용량[kVA], $P_{T otal}$ : 비상용부하의 전체 유효전력[kW], $Q_{T otal}$ : 비상용부하의 전체 무효전력[kVar], $\eta_{i,\:j,\:k}$ : 비상용부하의 운용효율[%](전등, 전열: 100%, 펌프: 80~90%)

[STEP 2] 비상용부하 중 기동 시 급격한 전류 증가로 역률이 하강하여 피상전력이 커지는 소방 제연팬($S_{st,\: fan}$)과 펌프($S_{st,\: pump}$)는 기동방식에 따라 직입기동은 정격용량(kW)의 일정배수(7.2)를 적용하고, Y-D 기동의 경우에는 직입기동용량에 기동계수($C$)를 곱하여 기동 시의 부하용량(kVA)을 식(4)와 식(5)에 따라 산정한다.

여기서, $S_{st}$ : 기동 시의 피상전력[kVA], $\beta$ : 소방설비부하 용량 1kW 당의 기동 kVA(7.2), $C$ : 기동계수(직입기동 : 1.0, Y-D 기동 : 0.667)

[STEP 3] 비상용부하의 투입시간은 일반설비부하($t_{emg}=0$)를 시작으로 소방 제연팬($t_{fan}=5$)은 5초, 펌프($t_{pump}=10$)는 10초 순으로 투입한다. 또한 소방설비부하의 기동시간($T_{st}$)은 식(6)에 따라 산정하고⁽⁸⁾, 용량이 크고 가장 긴 기동 지속시간을 갖는 제연팬($T_{st,\: fan}$) 및 펌프($T_{st,\: pump}$)를 선정하여 식(7)과 식(8)에 따라 적용한다.

여기서, $GD^{2}$ : [전동기($m$)의 $GD^{2}$] + [전동기 축으로 환산한 부하($l$)의 $GD^{2}$][$kg\bullet m^{2}$], $Ta$ : 가속 토크 [$kg\bullet m$], $Nm$ : 회전속도[$rpm$], $Tm$ : 모터 토크 [$kg\bullet m$], $Tla$ : 펌프(팬)부하 토크[$kg\bullet m$]

[STEP 4] ESS 부하시험장치의 부하운전시간($S_{test}(t)$)은 일반설비부하 투입($0\le t<t_{fan}$)을 시작으로 소방 제연팬의 기동시간($t_{fan}\le t<t_{fan}+T_{st,\: fan}$) 및 안정화시간($t_{fan}+T_{st,\: fan}\le t$$<t_{pump}$), 소방펌프의 기동시간($t_{pump}\le t$ $<t_{pump}+T_{st,\: pump}$) 및 안정화시간 ($t_{pump}+T_{st,\: pump}\le t<$$t_{\max}$) 순으로 적용한다. 또한, 부하운전에 따라 투입되는 비상용부하의 용량은 기동특성을 고려하여 무효전력과 유효전력으로 구분하고 식(9)를 이용하여 산정한다. 또한, 상기에서 산정한 부하시험장치의 시간대별 부하운전 운용 패턴을 타임차트로 나타내면 그림 6과 같다. 한편, 비상용부하의 최대운전시간($t_{\max}$)은 소방관련법규에 따라 건축물의 층수가 29층까지는 20분, 30층~49층까지는 40분, 50층 이상은 60분을 적용한다.

[STEP 5] 현장부하시험을 수행하기 위하여 상기 [STEP 4]의 ESS 부하시험장치 운용 패턴에 따라 산정된 용량을 만족하는 적절한 PCS와 배터리를 선정한다.

[STEP 6] ESS 부하시험장치의 운용 시간($t$)을 초기 값으로 설정하고, [Step 4]에서 산정한 부하운전시험 운용 패턴에 따라 부하시험을 수행한다. 또한, 비상발전기로부터 ESS 부하시험장치에 공급되는 전압($97.5%<V_{ESS}$$<102.5%$)과 주파수($95%<f_{ESS}$$<105%$)가 각각의 운전범위를 만족하고, 운용 시간이 설정한 최대시간($t_{\max}$)에 도달하면 운전 적합으로 판정한다. 한편, 비상발전기로부터 공급되는 전압 및 주파수가 운전범위를 만족하지 못하거나, 운용 최대시간에 도달하지 못할 경우 3회까지 재시험을 실시하여 적ㆍ부를 판정하고 시험을 종료한다.

상기 비상발전기의 현장부하시험을 위한 ESS 부하시험장치의 운용 알고리즘을 플로차트로 나타내면 그림 7과 같다.

4.1 비상발전기의 모델링

4.2 비상용부하의 모델링

비상용부하는 화재 또는 정전 시에 인명 및 재산을 보호하기 위한 소방설비부하와 일반설비부하로 구성된다. 이러한 비상용부하는 R, L, C부하와 유도전동기 부하를 조합하여 다양한 조건을 모의할 수 있도록 모델링하면 그림 9와 같다. 여기서, 그림 11(a)와 같이 저항성 부하(R)는 상당 100W 에서 10kW 범위로 조절이 가능하고, 유도성 부하(L)와 용량성 부하(C)는 상당 100Var 에서 10kVar 범위로 조절이 가능하도록 구성한다. 또한, 그림 11(b)는 부하 제어기이며, 비상전원 실계통의 비상용부하 특성과 동일하게 동작시퀀스에 따라 부하가 투입된다.

한편, 소방 제연팬 및 펌프는 일반적으로 유도전동기를 사용하고 있으며, 이는 기동 시에 전류가 급격하게 증가하고 역률이 감소하는 기동특성을 가지고 있음으로 식(10)과 식(11)로 나타낼 수 있다. 여기서, 식(10)은 소방설비부하의 기동 시 피상전력($S_{ST-\max}$)을 나타내며, 정격부하 시 피상전력($S_{c}$)과 기동계수($\beta$, $C$)의 곱으로 산정된다. 또한, 식(11)은 소방설비부하의 기동 시 유효전력($P_{ST-\max}$)을 나타내며, 식(10)의 피상전력($S_{ST-\max}$)에 기동 시의 평균역률($P.F_{ST-AV}$)을 곱하여 산출한다.

여기서, $S_{ST-\max}$ : 소방설비부하의 기동 시 피상전력[kVA], $S_{c}$ : 소방설비부하의 정격부하 시 피상전력 시 전력[kVA], $\beta$ : 소방전동기용량 1 kW 당의 기동 kVA(7.2), $C$: 기동계수(Y-D 기동 : 0.667, 직입기동 : 1.0)

여기서, $P_{ST-\max}$ : 소방설비부하의 기동 시 유효전력[kW], $P.F_{ST-AV}$ : 소방설비부하의 기동 시 평균역률(0.4)

상기의 소방설비부하의 기동 시 용량을 구하는 식(10)과 식(11)을 바탕으로, PSCAD/EMTDC를 이용하여 유도전동기를 모델링하면 그림 12와 같이 나타낼 수 있다.

4.3 ESS 부하시험장치 모델링

비상용부하는 비상발전기의 현장부하시험을 수행하기 위한 ESS 부하시험장치는 비상용부하의 기동특성을 고려하여 ESS의 유효전력 및 무효전력을 적절하게 제어할 수 있어야 한다. 즉, 목표로 하는 ESS의 유효전력과 무효전력의 출력 값을 얻기 위해서는 ESS의 출력을 결정하는 d-q축의 기준전류($I_{ref-d}$, $I_{ref-q}$)를 산정하고, ESS의 기준링크전압과 목표전력에 의한 DC 링크전압을 서로 비교하여 전압차를 구한다. 이 전압차를 PI제어에 의하여 전류로 변환하면, d-q축의 기준전류를 식(12)와 식(13)을 이용하여 구할 수 있다^(11,13).

상기의 식(12), 식(13)를 이용하여 세부적인 전류제어 알고리즘을 모델링하면 그림 13과 같다. 한편, 상기의 d-q축의 기준전류를 구하는 관계식을 적용하여, 정전류원으로 충·방전을 수행할 수 있도록 ESS 부하시험장치를 모델링하면 그림 14와 같다.

4.4 전체 계통 모델링

상기의 내용을 바탕으로 PSCAD/EMTDC를 이용하여, 비상발전기, 비상용부하 그리고 ESS 부하시험장치 등으로 구성된

전체 비상전원계통을 모델링하면 그림 15와 같다. 여기서, 그림 15의 A부분은 비상발전기, B부분은 ESS 부하시험장치, C부분은 ATS, D부분은 비상용부하, 그리고 E부분은 상용전원 및 일반부하를 나타낸 것이다.

5.1 시뮬레이션 조건

본 논문에서 제시한 비상발전기의 현장부하시험 방안과 ESS 부하시험장치의 운용 알고리즘의 유용성을 확인하기 위하여 모델링한 비상전원계통의 시뮬레이션을 바탕으로 실계통의 운용특성을 비교분석한다. 먼저, 정전 시와 화재 시에 동작되는 비상용부하의 운용특성을 확인하기 위하여, 2017년도에 준공된 지하 2층, 지상 7층 규모의 소방대상물을 선정하였다. 소방대상물의 수전전압 및 용량은 22.9kV, 700kVA이고, 비상발전기 용량은 400kW(500kVA)이며, 비상용부하의 정격용량은 표 1과 같이 280.4kW이다. 여기서, 비상용부하는 소방설비부하 130.20kW와 일반설비부하 150.18kW로 구성되며, 각 설비별 수용률을 적용하면 정전 시 소방설비부하와 일반설비부하의 합계는 185.18kW이고, 화재 시에는 280.38kW로 산정된다.

한편, 비상전원계통의 운용특성을 비교분석하기 위하여, 상기에서 산정된 비상용부하를 바탕으로 표 2와 같이 화재 및 정전 시에 비상발전기에 연결되는 부하를 유도성(L)과 저항성(R)으로 구분하고, 역률은 제조사의 데이터 시트를 참고하여 L부하는 기동 시 0.4, 정격 시 0.8, R부하는 1.0을 적용한다. 여기서, 비상용부하의 정격용량은 비상 시에 185.2kW이며, 화재 시에는 280.4kW인데, 여기서 기동 시 가장 큰 펌프용량은 158.1kW이고, 제연팬 용량은 21.6kW를 적용한다.

또한, 정전 및 화재 시 실 계통 비상용부하의 운용특성을 고려하여 비상용부하의 동작조건을 시간대별로 나타내면 표 3과 같다. 즉, 정전 시에는 3초 이후에 모든 L 및 R부하가 동작하고, 화재 시에는 3초 이후에 L 및 R부하, 5초 이후는 소방 제연팬, 10초 이후에는 소방펌프가 기동하는 것으로 상정한다.

5.2 PSCAD/EMTDC에 의한 ESS 부하시험장치의 특성

5.3 종합분석

PSCAD/EMTDC 모델링을 이용하여, 기존방식인 로드뱅크와 제안한 ESS 부하시험장치에 대하여 비상발전기의 출력특성을 나타내면 표 4, 표 5와 같다. 여기서, 표 4는 정전 시의 특성을 나타낸 것이며, 표 5는 화재시의 특성을 나타낸 것으로, 비상발전기의 부하시험에서 비상용부하 및 ESS 부하시험장치에 대한 시뮬레이션 결과가 거의 동일함을 알 수 있다. 한편, 화재시의 특성에서 소방 펌프부하의 기동 전 및 후에는 비상발전기의 용량(400kW, 500kVA)이내로 운전되고 있으나, 기동 시에는 급격한 전류상승에 따른 역률 하강으로 무효전력(511.7kVar)이 증가하여 유효전력(372.8kW)은 비상발전기의 용량범위 내에 있으나, 피상전력(659.8kVA)은 159.8kVA가 초과되어 비상발전기가 작동을 정지 할 수 있음을 확인할 수 있다. 따라서, 본 논문에서 제안한 ESS 부하시험장치를 이용하면, 상용전원을 차단하지 않고 실제 비상용부하를 사용하는 것과 동일하게 비상발전기의 성능을 확인할 수 있어 ESS 부하시험장치의 유용함을 알 수 있다.