2.1 고조파 성분을 고려한 역률

교류 전력계통에서 역률은 유효전력과 피상전력의 비로 정의되며 전력 이용 효율을 나타내는 중요한 지표이다. 일반적으로 역률은 변위역률(displacement power factor, DPF)과 총역률(true pwer factor, TPF)로 구분된다^{[9- 10]}.

변위역률은 기본파 전압과 기본파 전류 간의 위상차에 의해 결정되며, 정현파 조건에서의 전력 전달 특성을 나타낸다. 반면 총역률은 고조파 성분을 포함한 실제 전압 및 전류 파형을 기준으로 산정되며 전류 고조파가 존재하는 경우 변위역률과 상이한 값을 나타낼 수 있다. 특히 전류 고조파가 증가할 경우 기본파 성분의 위상 관계와 무관하게 피상전력이 증가하게 되며 이로 인해 총역률이 저하되는 현상이 발생한다. 따라서 고조파 환경에서는 변위역률이 양호하거나 진상 상태를 나타내더라도 실제 전력 이용 효율을 나타내는 총역률은 더욱 낮게 평가될 수 있다.

최근의 부하설비에서는 인버터, 정류기, SMPS와 같은 전력전자 기반 비선형 부하의 증가로 인해 전류 파형에 다양한 고조파 성분이 포함되고 있다. 이러한 고조파 환경에서는 기존의 정현파 기반 전력 개념으로는 전력 전달 특성을 충분히 설명하기 어려우며 피상전력과 역률에 대한 확장된 정의가 필요하다.

고조파 성분이 존재할 경우, 전체 전류는 기본파 전류와 각 차수별 고조파 전류의 합으로 표현되며, 이로 인해 유효전력(P)과 무효전력(Q) 외에도 왜곡전력(Distortion Power, D) 이라는 새로운 성분이 발생하게된다. 이러한 전력 개념은 국제 표준인 IEEE 1459에서 정식으로 정의되어 있으며 고조파가 존재하는 전력계통에서의 전력 해석을 위한 기준으로 사용되고 있다. 이때 고조파 환경에서의 피상전력은 식(1)과 같이 표현된다^{[9- 10]}.

여기서 $P$는 유효전력, $Q$는 무효전력, $D$는 왜곡전력을 의미한다. 왜곡전력은 전압의 기본파와 동일 주파수가 아닌 고조파 전류 성분에서 기인하는 전력으로 실제 일을 수행하는 유효전력에는 기여하지 않지만 전체 피상전력을 증가시킴으로써 역률을 저하시키는 주요 원인이 된다.

유효전력($P$)은 기본파 유효전력($P_1$)과 고조파 유효전력($P_h$)을 합산하여 산출할 수 있고, 무효전력($Q$)은 기본파 무효전력($Q_1$)과 고조파 무효전력($Q_h$)을 합산하여 식(2)와 같이 피상전력을 표현 할 수 있다^[10].

고조파 유효전력($P_h$)과 고조파 무효전력($Q_h$)은 이론적으로는 존재하지만 고조파 전압이 기본파 전압에 대비하여 극히 적어서 수치적으로는 무시할 수 있는 수준이다. 그러나 고조파 유효전력은 100% 열로 변하기 때문에 변압기가 뜨겁거나 정밀소자가 과열될 경우 무시해서는 안된다.

또한 피상전력의 구성요소인 왜곡전력($D$) 계산시 기본파 전압에 비하여 고조파 전압이 무시할 정도로 현저히 적은 수준이므로 왜곡전력($D$)은 기본파 전압과 각 차수별 고조파 전류를 이용하여 식(3)과 같이 표현할 수 있다^[10].

역률(Power Factor, PF)은 일반적으로 식(4)와 같이 정의된다.

정현파 조건에서는 피상전력이 단순히 전압과 전류의 곱으로 표현되므로 식(5)와 같이 역률은 기본파 전압과 전류 간 위상각 $\phi$의 코사인 값으로 표현된다.

그러나 고조파가 존재할 경우 고조파에 의한 유효전력 및 무효전력을 반영하여 총역률(true pwer factor, TPF)은 식(6)과 같이 표현할 수 있다^[10].

또한 TPF는 식(7)과 같이 DPF와 왜곡계수(Distortion Factor, DF)의 곱으로 표현할 수도 있다.

여기서 $\phi$는 기본파 전압과 전류간의 위상각, $I_1$은 기본파 전류의 실효값, $I$는 전체 전류의 실효값으로 DPF와 DF 및 TPF는 각각 식(8), 식(9), 식(10)과 같이 나타낼 수 있다^[10].

따라서 고조파 성분이 존재하는 전력계통에서는 변위역률이 양호한 값을 나타내더라도 고조파 전류 증가로 인해 왜곡계수가 감소하여 전체 역률이 저하될 수 있다.

2.2 전류 고조파 왜곡률(THDi)

고조파(harmonics)는 기본파 주파수에 대하여 정수배의 주파수를 갖는 성분을 의미하며, 전력계통에서의 전압 또는 전류 파형은 기본파 성분과 여러 차수의 고조파 성분이 중첩된 형태로 나타난다. 이러한 파형의 왜곡 정도는 종합 고조파 왜형률(total harmonic distortion, THD)로 표현된다.

특히 전류 파형에서의 고조파 왜형 정도는 전류 고조파 왜곡률(total harmonic distortion-current, THDi)로 정의되며, 기본파 전류에 대한 고조파 전류 성분의 RMS 값 비율로 나타낼 수 있다. THDi는 식(11)과 같이 표현된다.

여기서 $I_1$은 기본파 전류의 RMS 값이며, $I_n$은 n차 고조파 전류의 RMS 값을 의미한다.

전류 고조파 왜곡률은 전력계통의 전력품질을 평가하는 중요한 지표로 활용되며 고조파 전류가 증가할 경우 전력설비의 발열 증가, 손실 증가 및 설비 열화 등의 문제를 유발할 수 있다.

국제 표준인 IEC 61000-3-6에서는 수용가에서 방출되는 고조파 전류의 허용 한계값을 약 6~8% 수준으로 제시하고 있으며, 전력품질 평가 시 이러한 기준을 참고하도록 권고하고 있다^[11]. 또한 IEEE 519에서는 전력계통에서의 고조파 전류 및 전압 왜형률의 허용 수준을 제시하고 있으며, 변압기의 고조파 영향 평가를 위해 IEEE C57.110 기준이 활용되고 있다^[8].

본 논문에서는 IEC 61000-3-6, IEEE 519 및 IEEE C57.110 등 국제 기준을 참고하여 공동주택 전기설비에서 측정된 전류 고조파 왜곡률(THDi)의 위험도를 평가하였다^{[11- 12]}. 이를 위해 고조파 전류 왜곡률 수준에 따른 위험 구간을 설정하고 측정 데이터를 기반으로 전력품질 위험성을 분석하였다. 이와 같은 기준에 따라 고조파 전류 왜곡률의 위험 수준을 구분한 평가 기준을 표 1에 제시하였다.

2.3 역률 및 전류 고조파 왜형률 측정 방법

본 논문에서는 공동주택 전기설비에서 나타나는 TPF 및 THDi의 특성을 분석하기 위하여 전국에 산재한 39개 공동주택 단지를 대상으로 현장 측정을 수행하였다. 측정 위치는 공동주택 수변전 설비의 주요 전력 흐름 지점을 기준으로 선정하였으며, 그림 1과 같이 특고압 변압기 1차측 33개소, 변압기 2차측 저압 배전반 114개소, 그리고 각 동별 저압 분전반 70개소의 차단기 단위에서 측정을 수행하였다.

이러한 측정 지점은 공동주택 전기설비에서 전력의 흐름에 따른 역률 및 고조파 특성 변화를 종합적으로 분석하기 위하여 수용가의 실제 부하 접속점을 기준으로 단계적으로 선정하였다. 각 측정 지점에서는 전압, 전류, TPF 및 전류 고조파 성분을 장시간 연속 측정하였다.

측정 장비로는 전력품질 분석기 HIOKI 3198을 사용하였으며, 그림 2는 본 논문에서 사용된 역률 및 고조파 측정 장비를 나타낸 것이다. 전력품질 분석기 HIOKI 3198의 설정은 PF, P, Q, S 계산시 전압 RMS, 전류 RMS를 사용하여 계산하고 기본파와 고조파 전체를 포함한 유효전력, 무효전력, 피상전력을 산출하여 TPF를 계산하도록 설정하였다. 즉 RMS 방식으로 설정하여 왜곡률(THD)이 높은 부하에서 실제 전력 기기에서 나타나는 왜곡전력이 포함된 피상전력을 정확히 반영하도록 설정한 것이다. 피상전력을 구성하는 요소인 위상 무효전력($Q$)과 왜곡전력($D$)을 합산한 전체 무효전력($Q^*$)을 식(12)와 같은 방법으로 계산하여 식(6)과 같은 방법으로 TPF를 산출하도록 설정하였다.

측정전 수전설비의 역률계를 확인한 결과 모든 측정개소에서 진상역률 상태를 보여주고 있었으며, 역률 보상용 커패시터의 과투입으로 인한 과보상으로 진상역률이 나타나고 있는지를 확인한 결과 모든 커패시터가 계통에서 분리된 상태로 저압계통이 운전되고 있음을 확인하였다.

고조파 측정 항목은 각 상의 전류 고조파를 50차까지 측정하였으며, 부하의 측정 시간대별 부하 변동 특성을 고려하여 최소 24시간 이상 연속 측정을 수행하였다. 또한 일부 측정 지점에서는 측정 데이터의 신뢰성 확보를 위하여 위하여 현장여건에 따라 3일 또는 7일 연속 측정을 수행하였다. 측정 데이터의 샘플링 타임은 데이터 저장장치의 저장용량의 한계가 있어 3일 이내로 측정시 30초, 3일 이상 측정시에는 1분 간격으로 설정하여 연속 측정하였으며, 연속 측정후 측정기간 동안의 평균값을 산출하여 전력품질 데이터를 확보하였다.

수집된 실측 데이터를 바탕으로 각 측정 지점별 TPF 및 THDi 특성을 분석하였으며, 측정 위치에 따른 고조파 누적 특성과 역률 변화 양상을 비교하였다.

3.1 역률 측정 결과

본 논문에서는 역률의 단위로 백분율(%) 단위를 사용하였으며, 100%를 단위 역률(Unity PF)로 간주한다. 또한 진상역률(leading power factor)을 명확히 구분하여 표현하기 위하여 역률값에 음($-$)의 부호를 사용하였다^[13].

그림 3은 A아파트 수전설비 변압기 2차측 저압 배전반의 ACB 단자에서 2024년 4월 5일 15시 48분부터 4월 8일 11시24분까지 약 67시간 동안 1분 간격으로 연속 측정한 P, Q, S 및 TPF의 시간별 변화를 나타낸 사례이다. 측정결과 공동주택 전기설비에서는 주간 및 야간 시간대의 부하 변동과 관계없이 24시간 내내 연속적으로 진상역률 상태가 지속되는 특성이 확인되었다.

그림 3에서 보는 바와 같이 4월 7일 오전 06시경에는 TPF가 가장 낮은 $-52.73$ %의 과도한 진상역률로 측정되었으며, 3일 동안 오전 06시 부근 시간대에는 가동 부하 감소로 유효전력 및 무효전력이 모두 감소하여 피상전력도 감소하였으나, 무효전력의 감소량에 비하여 상대적으로 유효전력의 크기가 더 크게 감소하므로서 동 시간대에 유사한 값의 과도한 진상역률 현상이 반복적으로 나타나고 있다. 이러한 측정결과는 공동주택 전기설비에서 용량성 부하 성분이 평상시 대기전력 부하 상태로 상시적으로 존재하고 있음을 의미한다.

공동주택 전기설비에서는 LED 조명기기의 SMPS 전원장치, 가전기기의 인버터 구동 회로, 대기전력 장치 등에 포함된 평활 콘덴서의 영향으로 이러한 용량성 부하 성분이 증가할 가능성이 있다^{[4- 5]}. 또한 고조파 환경에서는 변위역률과 총역률 간의 차이가 발생할 수 있으므로 단순한 위상각 기반 역률 지표만으로는 전력품질 상태를 정확히 평가하기 어려운 한계가 있다. 따라서 공동주택 전기설비의 전력품질 평가에서는 역률과 함께 전류 고조파 왜형률을 동시에 고려한 종합적인 분석이 필요하다.

3.2 전류 고조파 왜곡률 측정 결과

그림 4는 B아파트 수전변압기 2차측 저압 배전반 ACB 부하 단자에서 2025년 4월 24일 10시 27분부터 약 24시간 동안 30초 간격으로 측정한 전류 고조파 왜곡률(THDi) 측정 결과를 나타낸 사례이다.

측정 결과 THDi는 측정 당일 14시 53분경 A상 57.4 %, B상 73.69 %, C상 63.04 %로 매우 높은 수준으로 나타났으며, 이는 기본파 전류 대비 고조파 전류 성분이 매우 크게 포함되어 있음을 의미한다. 이러한 값은 국제 표준에서 제시하는 고조파 전류 허용 수준을 크게 초과하는 수준으로 나타났다.

그림 5는 B아파트에서 2025년 4월 24일 10시 27분경 측정개시점의 THDi의 차수별 분포를 나타낸 사례이다. 차수별 고조파 분석 결과 3차 고조파 성분이 가장 지배적인 특성을 나타내었다. 3차 THDi는 A상 45.59 %, B상 55.20 %, C상 50.97 %로 다른 고조파 성분에 비해 가장 크게 나타났다.

5차 THDi는 A상 29.69 %, B상 33.03 %, C상 30.21 %로 나타났으며, 7차 THDi는 A상 14.38 %, B상 14.76 %, C상 13.91 %로 측정되었다. 이와 같이 3차 고조파 뿐만 아니라 5차 및 7차 고조파 성분도 상당한 수준으로 나타나고 있어 공동주택 전기설비에서 다양한 차수의 고조파가 동시에 존재하는 특성을 확인할 수 있었다. 또한 9차 및 11차 고조파 성분도 일정 수준 이상 존재하는 것으로 나타났으며, 이를 포함한 총 고조파 왜곡률(THDi)은 A상 57.12 %, B상 66.54 %, C상 61.60 %로 나타났다.

이러한 결과는 IEEE 519 등 국제 표준에서 제시하는 고조파 전류 허용 기준을 크게 초과하는 수준으로 표 1에서 제시한 위험성 평가기준상 50%를 초과하는 매우위험 구간에 해당하며, 공동주택 전기설비에서 고조파 전류가 매우 높은 수준으로 존재하고 있음을 보여준다. 이와 같은 고조파 전류의 증가는 변압기 및 배전 설비의 발열 증가, 중성선 전류 증가 및 전력설비 손실 증가 등의 문제를 유발할 수 있으며, 특히 공동주택과 같이 다수의 비선형 부하가 동시에 운전되는 환경에서는 이러한 고조파 영향이 더욱 크게 나타날 수 있다.

3.3. 수전용 변압기 1차 특고압측 측정결과 통계적 분석

표 2는 전국 33개 공동주택 단지를 대상으로 수전용 변압기 1차 특고압 측에서 최소 24시간 이상 최대 7일간 TPF 및 THDi를 1분 간격으로 연속 측정하고 모든 측정값을 평균한 결과를 나타낸 것이다.

표 2에서 보는 바와 같이 모든 공동주택 단지에서 24시간 내내 진상역률 상태가 연속적으로 나타나는 특성이 확인되었다. 측정된 평균 TPF는 최소 $-52.8$ %에서 최대 $-93$ % 범위로 나타났으며, 전체 평균 TPF는 $-76.8$ %의 과도한 진상역률 상태로 분석되었다. 특히 TPF가 가장 낮게 나타난 공동주택 단지는 창원 아파트로 $-52.8$ %의 과도한 진상역률이 측정되었으며, 가장 높은 진상역률은 동춘 아파트 단지에서 약 $-93.0$ %로 나타났다. 이러한 결과는 공동주택 전기설비에서 수전단 기준으로도 지속적인 진상 무효전력이 존재함으로서 변압기 1차측에서도 과도한 진상역률이 나타나고 있음을 보여준다.

전류 고조파 왜곡률 분석 결과에서도 상당히 높은 수준의 고조파 전류가 존재하는 것으로 나타났다. 측정 대상 33개 공동주택 단지중 한강 아파트 #1 변압기에서 39.8 %의 가장 높은 THDi가 측정되어 고조파 위험 구간에 해당하는 것으로 나타났다. 또한 전체 33개 아파트 단지의 평균 THDi는 20.7 %로 나타났다. 이러한 측정결과는 IEC 61000-3-6 및 IEEE 519 등 국제 기준에서 권장하는 고조파 전류 허용 수준(약 8% 이하)을 크게 초과하는 수준으로 표 1에서 제시한 위험성 평가 기준상 위험 구간에 해당하며, 공동주택 전기설비에서 상당히 높은 고조파 전류가 존재하고 있음을 의미한다.

이와 같은 결과는 공동주택 전기설비에서 진상 무효전력과 고조파 전류가 동시에 존재하는 전력품질 특성을 보여주는 것으로, 단순한 변위역률 기준의 역률 관리만으로는 실제 전력품질 상태를 충분히 평가하기 어려울 수 있음을 시사한다.

3.4. 수전용 변압기 2차 저압측 측정결과 통계적 분석

표 3, 표 4 및 표 5는 전국의 39개 공동주택 단지를 대상으로 변압기 2차측 저압 배전반 114개소에서 최소 24시간 이상 최대 7일간 총역률(True Power Factor, TPF) 및 전류 고조파 왜곡률(THDi)을 1분 간격으로 측정하고 모든 측정값을 평균한 결과를 나타낸 것이다.

측정 결과 모든 저압 배전반에서 24시간 내내 진상역률 상태가 연속적으로 나타나는 특성이 확인되었다. 측정된 TPF 평균값은 최소 $-45.8$ %에서 최대 $-98.4$% 범위로 나타났으며, 전체 평균 TPF는 $-72.3$%로 분석되었다. 전국 진상역률 평균값인 –72.3 %는 변압기 1차측 역률보다 더욱 과도하게 진상역률을 나타내고 있으며, 24시간 내내 연속적으로 과도한 진상역률을 기록하고 있다.

이러한 측정결과는 변압기 1차측에서 나타난 진상역률 특성이 저압 배전계통에서도 지속적으로 나타나고 있음을 의미한다. TPF가 가장 낮게 나타난 지점은 노원 아파트 LM1 배전반으로 −45.8 %의 진상역률이 측정되었으며, 가장 높은 진상역률은 양곡 아파트 LV8 등 3개 지점에서 약 −98.4 %로 나타났다. 이러한 결과는 공동주택 저압 배전계통에서 용량성 무효전력이 매우 크게 존재하고 있음을 확인할 수 있다.

전류 고조파 왜곡률 분석 결과에서도 상당히 높은 수준의 고조파 전류가 존재하는 것으로 나타났다. THDi가 가장 크게 나타난 곳은 가장 과도한 진상역률을 나타낸 노원아파트 LM1 배 전반에서 170.3 %로 측정되어 표 1에서 제시한 위험성 평가 기준상 매우위험 구간에 해당하는 것으로 나타났다.

특히 가장 낮은 TPF 평균값 –45.8 %와 가장 높은 170.3 %의 THDi를 동시에 나타낸 노원 아파트의 경우 태양광 발전이 L1 라인에 연계되어 있어서 전원측으로 역송 되는 전력이 발생하고 있어 공급된 순수 유효전력이 적어 역률이 낮게 나타났을 뿐 만 아니라 계통 연계용 인버터 등 전력변환장치의 구성요소인 평활용 콘덴서 등에 의하여 진상역률을 나타낸 것으로 판단된다. 또한 본 노원아파트의 경우 태양광 발전과 지열에너지 시스템이 동시에 설치 가동되므로서 순환펌프 제어를 위한 인버터 제어 시스템 가동으로 다른 저압 배전반에 비하여 상대적으로 높은 고조파 왜곡이 발생하여 더욱 과도한 진상역률과 높은 고조파 왜곡률이 나타난 것으로 판단된다.

전체 114개 저압 배전반의 평균 THDi는 38.4%로 나타났으며, 이는 IEC 61000-3-6 및 IEEE 519 등 국제 표준에서 권장하는 고조파 전류 허용 수준을 크게 초과하는 수준으로 표 1에서 제시한 위험성 평가기준상 위험 구간에 해당된다. 이러한 결과는 공동주택 전기설비의 저압 배전계통에서 매우 높은 수준의 고조파 전류가 존재하고 있음을 보여준다.

전반적으로 변압기 2차측 저압 배전반에서 기본파 성분에 의한 DPF는 모든 배전반에서 진상역률로 나타났으며, 기본파 전류 대비 고조파 전류 성분이 크게 포함되어 있어 고조파 전류에 의한 왜곡전력이 피상전력을 증가 시킴으로서 더욱 과도한 진상역률의 TPF가 나타난 것으로 판단된다.

3.5. 아파트 동별 분전반측 측정결과 통계적 분석

표 6 및 표 7은 23개 공동주택 단지의 아파트 세대 전력 공급용 동별 저압 분전반 70개소에서 최소 24시간 이상 최대 7일간 TPF 및 THDi를 1분 간격으로 측정하고 모든 측정값을 평균한 결과를 나타낸 것이다.

측정 대상 중 역률이 가장 낮게 나타난 지점은 화정 아파트 L1 분전반으로 TPF가 $-38.8$ %의 진상역률이 측정 되었으며, 가장 높은 TPF는 동춘 아파트 3개 지점에서 약 $-97.0$ %로 나타났다. 가장 과도한 진상역률을 기록한 화정아파트 세대 공급용 동분전반의 경우 다른 아파트와 다르게 고정적인 용량성 대기전력 부하에 비하여 실제 가동부하가 적어 상대적으로 무효전력의 비중이 크게 작용되어 과도한 진상역률 특성을 나타낸 것으로 판단된다.

동별 저압 분전반 70개소의 전체 평균 TPF는 $-66.0$ %로 분석되어, 공동주택 동별 저압 분전반에서도 24시간 내내 과도한 진상역률 상태가 지속적으로 나타나고 있음을 확인하였다. 전반적으로 아파트 동별 저압 분전반에서의 TPF는 변압기 1차측 및 2차측에 비해 더욱 과도한 진상역률 특성이 나타나는 것으로 확인되었다.

전류 고조파 왜곡률(THDi) 분석 결과에서도 매우 높은 수준의 고조파 전류가 존재하는 것으로 나타났다. 측정 대상 중 화정 아파트 L1, L2 분전반에서 가장 높은 71.7 %와 71.9 %의 THDi가 측정되었으며, 이는 같은 지점에서 TPF가 $-38.8$ %, -54.2 %로 과도한 진상역률이 함께 관측된 점을 고려할 때 다른 단지에 비하여 경부하인 상태에서 고조파 전류가 진상역률 심화에 크게 기여하고 있을 가능성을 보여준다.

전체 70개 분전반의 평균 THDi는 48.6 %로 나타나 측정 대상 전체가 IEC 및 IEEE에서 일반적으로 권장하는 고조파 전류 허용 수준을 크게 초과하고 있으며, 표 1에서 제시한 위험성 평가기준상 위험 구간에 해당하는 것으로 분석되었다.

특히 동별 저압 분전반에서는 부하 설비와 가장 근접한 위치에서 측정이 이루어지므로, 이 지점에서 나타나는 높은 진상역률 및 고조파 전류 특성은 공동주택 내부의 비선형 전력전자 부하 영향이 보다 직접적으로 반영된 결과로 해석할 수 있다. 변압기 1차측, 변압기 2차측 및 동별 저압 분전반으로 측정 위치가 부하측에 가까워질수록 진상역률과 전류 고조파 왜곡률이 더욱 크게 나타나는 경향은 공동주택 전기설비의 전력품질 문제가 계통 전체의 일반적 현상이라기보다 말단 부하에 집중된 비선형 부하 특성에서 기인한 것으로 판단된다.

4.1. 역률 및 고조파 측정결과 종합평가

전반적으로 측정 대상 공동주택 단지의 모든 측정 개소에서 24시간 동안 연속적으로 과도한 진상역률 특성이 나타나는 것으로 확인되었다.

역률 측정결과 수전용 변압기 1차측 평균 TPF는 $-76.8$ %, 변압기 2차 저압 배전반측 평균 TPF는 $-72.3$ %, 그리고 아파트 동별 저압 분전반 평균 TPF는 $-66.0$ %로 모든 개소에서 진상역률을 나타냈다. 특히 모든 측정 지점에서 평균 TPF는 약 $-66$ %∼$-77$ % 수준의 진상역률을 나타내어 공동주택 전기설비에서 상당한 수준의 진상 무효전력이 장시간 연속적으로 나타나고 있음을 확인하였다. 이러한 결과는 공동주택 전기설비 전반에서 용량성 무효전력이 지속적으로 존재하고 있음을 의미하며, 특히 부하 설비에 가까운 동별 저압 분전반에서 더욱 과도한 진상역률 특성이 나타났다.

측정 위치별 THDi 평균값을 살펴보면 변압기 1차측 20.7 %, 변압기 2차 저압 배전반측 38.3 %, 아파트 동별 저압 분전반 48.9 %로 측정되어 부하 설비에 가까운 지점일수록 고조파 전류 왜곡률이 증가하는 특성을 보였다. THDi 분석 결과 모든 측정 지점에서 IEC 및 IEEE에서 권장하는 고조파 전류 허용 수준을 크게 초과하는 것으로 나타났으며, 표 1에서 제시한 위험성 평가기준상 위험 구간에 해당하는 것으로 분석되었다. 이와 같은 결과는 공동주택 전기설비에서 진상 무효전력과 고조파 전류가 동시에 증가하는 전력품질 특성이 존재함을 보여준다. 특히 측정 위치가 부하에 가까워질수록 진상역률과 전류 고조파 왜곡률이 동시에 증가하는 경향은 공동주택 내부에 설치된 다양한 비선형 전력전자 부하가 이러한 전력품질 특성의 주요 원인일 가능성을 시사한다. 또한 이러한 측정 결과는 기존 공동주택 전기설비의 역률 관리 방식이 변위역률 중심의 단순한 역률 관리에 의존하고 있다는 한계를 보여준다. 고조파가 존재하는 환경에서는 DPF와 TPF 간에 상당한 차이가 발생할 수 있으므로, 공동주택 전기설비의 전력품질을 합리적으로 평가하기 위해서는 고조파 성분을 고려한 TPF 기반의 종합적인 전력품질 평가 방법이 필요하다.

4.2. 진상역률 및 고조파 발생 주요 원인 분석

LED 조명기구, OLED TV, 모니터, 노트북, 컴퓨터 등의 전원장치로 채택되고 있는 SMPS는 교류를 직류로 변환하기 위해 브리지 다이오드 정류회로를 채택하게 되며, 이때 발생하는 맥류를 깨끗한 직류로 만들기 위해 대용량 평활용 콘덴서를 필수적으로 사용하게 되어 회로는 전체적으로 용량성 부하 특성을 나타내게 된다^[14]. SMPS는 전압 변환 효율과 소형화를 위해 입력단에서 직접 정류를 수행하며, 이 과정에서 사용되는 평활용 커패시터가 계통 전압보다 위상이 앞선 전류를 인입하여 진상 역률을 유발하는 구조적 한계를 갖고 있다. SMPS 전력변환 과정을 살펴보면 상용 AC전원 입력 → 정류 → 평활 → 고주파 스위칭 → 변압 → 정류 → 필터링 → 원하는 DC 전압 출력의 순으로 작동하게 된다. 1차 정류 과정에서 입력 전원 220V 교류를 다이오드로 정류하고 리플을 제거하기 위하여 대용량 평활 콘덴서를 거치게 되며, 이 단계에서 콘덴서 때문에 기기가 꺼져 있어도 24시간 진상 역률이 발생하게 된다. 정류된 전원을 MOSFET 등의 반도체 소자를 활용하여 초당 수만번의 ON/OFF 동작을 통하여 고주파 펄스 형태로 변화시키게 되는데 이러한 급격한 스위칭 과정에서 고조파가 발생하게 된다^{[1, 5, 9, 15, 16]}

에너지 절약을 위한 고효율 가전기기는 인버터제어를 채택하고 있으며, 인버터는 직류를 교류로 변환하고 전압과 주파수를 조절하여 모터의 속도와 회전수를 정밀하게 제어하여 부드러운 작동과 필요한 만큼만 에너지를 사용하므로서 효율을 극대화시키는 장점을 갖고 있다^[7]. 인버터 회로의 작동과정을 살펴보면 상용 AC전원 입력 → 컨버터(정류) → 돌입전류 억제 → 평활부 → 회생제동 → 인버터 → AC 전압 출력의 순으로 작동하게 된다. 인버터 제어회로에서도 SMPS와 마찬가지로 컨버터부인 AC전원 입력단에서 직접 정류를 수행하며, 이 과정에서 컨버터를 거친 직류는 완전하게 깨끗하지 않아 미세한 맥류를 평활하기 위하여 SMPS와 마찬가지로 대용량 평활 콘덴서를 거치게 되고, 이 단계에서 콘덴서 때문에 24시간 진상 역률이 발생하게 된다^{[4, 5, 14, 15]}. 인버터부는 정류된 안정화된 직류를 초고속 스위칭 소자(IGBT)를 사용하여 제어신호에 따라 부하의 크기에 맞게 실시간으로 적절한 전압과 주파수의 교류를 만드는 구간으로 스위치를 1초에 수천번에서 수만번씩 ON/OFF를 반복하여 작동하게 된다. 이러한 급격한 스위칭 과정에서 많은 고조파를 방출하게 되고 고조파 왜곡전력이 발생하게 되어 피상전력을 증가시키므로서 역률 저하를 초래하게 된다^[15]. 이러한 문제는 선행 연구자들의 연구결과 에서도 LED 조명의 광범위한 도입으로 진상 무효전력이 어떻게 초래되고 있는지 실험적으로 증명하고 있으며, 현대 가정용 가전제품들이 낮은 진상 역률을 보이는 사례도 다양하게 보고되고 있다^{[4, 5, 14, 15]}.

LED 조명기기의 SMPS 전원장치, 가전기기의 인버터 구동 회로, 각종 전자기기 및 대기전력 부하 등과 같은 비선형 부하의 증가가 공동주택 전기설비 전반에서 나타나는 지속적인 진상역률 및 높은 전류 고조파 왜곡률의 주요 원인으로 작용하고 있는 것으로 판단된다.

5.1 기술적 개선대책

기술적 측면에서 공동주택 전기설비의 전력품질 개선을 위해서는 고조파 저감 및 무효전력 관리 설비의 적절한 적용이 필요하다. 역률개선 및 고조파 저감대책은 해외 사례에서도 고조파 전류가 높은 설비에서는 능동형 고조파 필터(AHF) 또는 수동형 필터(PHF)를 적용하여 고조파 전류를 저감하고 있으며, 진상 무효전력이 과도하게 발생하는 경우에는 자동 역률 실시간 제어 기능을 구비한 STATCOM, SVG 등의 다양한 역률 보상 설비를 적용하여 과도한 진상역률을 방지하고 있다^{[17- 19]}. 국내에서도 이와 같은 적극적인 보상설비의 설계 및 채택을 통한 전력품질의 개선이 시급하다.

본 논문의 측정 결과를 보면 변압기 1차측, 변압기 2차측, 아파트 동별 저압 분전반으로 측정 위치가 부하에 가까워질수록 진상역률과 전류 고조파 왜곡률이 증가하는 경향이 나타났다. 이러한 결과는 공동주택 전기설비에서 발생하는 진상 무효전력과 고조파 전류가 계통 전체에서 균일하게 발생하는 것이 아니라 개별 부하 설비에 가까운 말단부하 영역에서 집중적으로 발생하고 있음을 의미한다. 따라서 공동주택 전기설비의 진상역률 문제를 효과적으로 개선하기 위해서는 기존과 같이 수변전실 중심의 집중형 역률 보상 방식보다는 부하에 가까운 위치에서 분산형으로 역률 보상 설비를 적용하는 방안이 보다 효과적일 것으로 판단된다.

특히 아파트 동별 저압 분전반 단위로 역률 보상 설비를 설치할 경우 개별 부하에서 발생하는 용량성 무효전력을 보다 직접적으로 보상할 수 있으므로 계통 전체에서 나타나는 과도한 진상역률을 효과적으로 완화할 수 있을 것으로 기대된다.

5.2 제도적 개선대책

전기설비에서 나타나는 진상역률 및 고조파 문제는 단순히 설비 설계나 운영상의 문제뿐만 아니라 전력요금 체계 및 전력품질 관리 기준과도 밀접한 관련이 있다.

현재 한국전력공사의 기본공급약관에서는 수용가의 역률이 일정 기준 이하로 저하되는 경우 역률요금을 부과하도록 규정하고 있으며, 이러한 역률 관리 기준은 주로 지상역률 저하를 중심으로 운영되고 있다^[20]. 그러나 본 논문에서 확인한 바와 같이 최근의 공동주택 전기설비에서는 주야간 구분없이 과도한 진상역률이 장시간 지속되는 현상과 함께 높은 전류 고조파 왜곡률이 동시에 나타나는 전력품질 특성이 확인되고 있다. 이러한 환경에서는 기존의 지상역률 중심 역률 관리 기준만으로는 실제 전력계통에 미치는 영향을 충분히 반영하기 어려운 한계가 있다. 또한 현행 기본공급약관에서는 주택용 전력이 역률요금 부과 대상에서 제외되어 있어 공동주택 전기설비에 대한 역률 관리가 제도적으로 이루어지지 않는 구조적 한계가 존재한다. 공동주택의 경우 개별 세대는 주택용 전력으로 분류되어 역률요금이 적용되지 않기 때문에 공동주택에서 발생하는 진상역률 및 고조파 문제는 전력요금 체계상 관리의 사각지대에 놓여 있는 상황이라고 볼 수 있다. 따라서 향후 전기공급약관의 역률 관리 기준은 다음과 같은 방향으로 개선할 필요가 있다.

첫째, 진상역률에 대한 관리 기준을 명확히 규정할 필요가 있다. 현재 약관에서는 역률 관리가 주간시간대에는 지상역률 저하를 중심으로 운영되고 있으나, 용량성 부하가 증가하는 환경에서는 과도한 진상역률 또한 계통 안정성에 영향을 미칠 수 있으므로 주야간 모두 진상역률에 대한 허용 범위 및 관리 기준이 반영된 기본공급약관의 개선이 필요하다.

둘째 공동주택 전기설비의 전력품질을 보다 합리적으로 관리하기 위해서는 주택용 전력도 일정 기준 이상의 수용 설비에 대해서는 역률요금 관리 대상에 포함하는 방안을 검토할 필요가 있다. 특히 공동주택과 같이 다수의 전력전자 부하가 집중되는 환경에서는 진상역률 및 고조파 문제가 전력계통에 큰 영향을 미칠 수 있으므로, 주택용 전력에 대해서도 역률요금 관리 대상으로 기본공급약관을 개선할 필요가 있다.

셋째, 고조파 환경을 고려한 역률 평가 기준의 도입이 필요하다. 현재 역률 관리는 기본파 전압과 전류의 위상차에 의해 결정되는 DPF를 기준으로 적용되고 있으나, 고조파가 존재하는 환경에서는 DPF와 TPF 간의 괴리가 발생할 수 있다. 따라서 향후 역률 관리 기준에서는 TPF 및 THDi를 고려한 전력품질 평가 체계 도입과 함께 TPF를 기본역률로 채택하여 운영할 필요가 있다.

넷째, 고조파 발생 설비에 대한 관리 기준을 강화할 필요가 있다. 공동주택 전기설비에서 증가하고 있는 전력전자 기반 부하는 전류 고조파를 발생시키는 특성이 있으므로, 일정 수준 이상의 고조파 전류가 발생하는 설비에 대해서는 고조파 저감 설비의 설치를 권고하거나 전력품질 관리 기준을 구체적으로 수립하여 시행하는 것이 필요하다.

이와 같이 기본공급약관의 역률 관리 기준을 진상역률 및 고조파 환경을 고려한 방식으로 개선할 경우 공동주택 전기설비에서 나타나는 진상역률 및 고조파 문제를 보다 합리적으로 관리할 수 있을 것으로 판단된다.