3.1 검사·진단 요구사항

전기안전공사 관점에서 GFM PCS 적용 ESS의 안전성 평가는 설비의 “설치 적합성 확인”과 “운전 중 기능안전성 확인”을 연계하는 구조로 정의될 필요가 있다. 기존 사용전검사는 주로 시공 상태, 절연, 접지, 보호설비, 결선 상태 등 설치 적합성 중심의 판단을 수행하며, 정기검사는 설비의 지속적 건전성 유지 여부를 확인하는 성격을 갖는다^{[5- 8]}. 그러나 GFM PCS는 계통 지지 및 복구 기능을 수행하므로, 기존의 정적 검사 항목만으로는 운전 중 발생 가능한 기능안전 리스크를 충분히 반영하기 어렵다. 이에 따라 본 연구에서는 GFM PCS 적용 ESS의 검사·진단 요구사항을 설계단계, 사용전검사 단계, 정기검사 단계, 정밀점검 단계로 구분하였다. 설계단계에서는 계통연계점 조건, 보호협조 철학, 접지 및 절연계획, GFM 운전모드 정의, 블랙스타트 및 독립운전 범위, 통신 및 제어연계 구조를 검토해야 한다. 사용전검사 단계에서는 시공 완료 후 단선결선도 및 보호협조도 일치 여부, 접지 및 절연 상태, 보호장치 설치 상태, 비상정지 기능, 계측 및 이벤트 로깅 기능 등을 확인해야 한다. 정기검사 단계에서는 구조적 건전성과 함께 운전데이터 기반의 응답 성능 유지 여부를 검토해야 하며, 정밀점검 단계에서는 이상징후 또는 사고 이력에 따라 고속 파형분석, 이벤트 기록 해석, 설정값 재검토 및 보호정정 재산정을 수행해야 한다^{[2- 3, 8]}.

특히 정기검사와 정밀점검의 차별화가 중요하다. 정기검사는 법정 주기 기반의 건전성 확인 성격을 갖는 반면, 정밀점검은 이상상태 기반의 원인 규명형 점검으로 접근하는 것이 타당하다. 예를 들어 반복적인 계통분리, 재동기화 실패, 블랙스타트 과정의 전압 붕괴, 무효전력 운전 시 진동성 응답, 고장 시 보호계전기 오동작 등은 정밀점검 개시 기준으로 활용될 수 있다. 이러한 구분은 현행 전기안전관리자 직무체계의 취지와도 부합한다^8].

3.2 GFM PCS 고유 위험원 및 안전평가 항목

GFM PCS 적용 ESS의 첫 번째 고유 위험원은 제어 설정값 부적정 또는 설정값 관리 미흡이다. GFM 제어는 일반적으로 P-f 드룹, Q-V 드룹, 가상관성, 전류제한, 전압 제한 등의 파라미터에 의해 성능이 좌우되며, 이러한 설정값은 계통 여건과 설비 정격에 따라 적정하게 관리되어야 한다^[2]. 따라서 설계도서와 실제 적용 설정값의 일치 여부, 설정변경 이력관리, 설정변경 후 재검증 절차는 주요 평가항목이 된다.

두 번째 위험원은 고장전류 및 보호협조 불확실성이다. GFM PCS는 회전기와 달리 제한된 범위에서 전류를 공급하며, 필요시 전류제한 모드에 진입한다. 이 경우 고장전류의 크기뿐 아니라 지속시간, 위상, 역상분 기여 및 복귀 특성이 보호계전기 동작에 영향을 줄 수 있다^[2]. 따라서 고장전류 기여 특성, 보호계전 정정 적정성, 선택차단 성능, 계통복귀 시 재폐로 및 동기검정 조건은 반드시 검토되어야 한다.

세 번째 위험원은 과도응답 및 안정도 저하이다. NREL의 하드웨어 실험 결과에 따르면 GFM 인버터는 전압 강하, 주파수 변화, 위상점프 등 계통 교란에 대한 응답 특성이 서로 다를 수 있으며, 일부 운전조건에서는 예상치 못한 진동성 응답이나 트립 현상이 나타날 수 있다^{[3- 4]}. 이에 따라 응답시간, 정착시간, 오버슈트, 전압·주파수 편차, 출력 진동 여부 등은 기능안전 평가의 핵심 지표가 된다.

네 번째 위험원은 블랙스타트, 독립운전, 재동기화 과정의 불안정성이다. GFM PCS는 외부 강전원 없이 모선을 기동하고 부하를 단계적으로 인입할 수 있으나, 실제 현장에서는 변압기 돌입전류, 모터 기동전류, 불평형 부하, 타 인버터와의 상호작용이 존재하므로, 정상상태 시험만으로는 실제 안전성을 충분히 평가하기 어렵다^[4]. 따라서 블랙스타트 시퀀스, 단계적 부하투입, 타 전원 병입 및 재동기화 절차는 별도의 기능시험 항목으로 구성될 필요가 있다.

다섯 번째 위험원은 배터리 하위시스템과 PCS의 상호작용으로 인한 시스템 위험이다. 전기화학 기반 ESS는 PCS 응답 특성과 무관하게 열폭주, 과충전·과방전, 절연저하, 온도상승, 환기이상 등 별도의 안전 리스크를 가진다^{[11- 12]}. 따라서 GFM 기능시험이 만족되더라도 배터리실 안전, BMS 연계, 비상정지, 화재감시, 소화 및 환기 체계가 미흡하면 시스템 전체 안전성은 확보될 수 없다.

여섯 번째 위험원은 독립운전 시 접지 기준점과 지락전류 경로의 불확실성이다. 계통연계 상태에서는 상위계통의 변압기 및 접지설비에 의해 중성점과 영상전류 경로가 형성될 수 있으나, 계통분리 후 GFM PCS가 독립계통을 형성하는 경우에는 접지방식과 중성점 형성방법이 변경될 수 있다. 이 경우 지락고장 시 충분한 고장전류가 확보되지 않거나 건전상의 대지전압이 상승하여 지락보호 미동작, 절연스트레스 증가 및 감전위험이 발생할 수 있다. 따라서 설계단계에서는 계통연계 및 독립운전 상태별 접지계통도, 영상임피던스 및 지락전류 경로를 검토하고, 사용전검사와 초기운전 단계에서는 중성점 형성장치, 접지 상태 및 지락보호 기능을 확인할 필요가 있다^{[17- 18]}.

일곱 번째 위험원은 블랙스타트 수행에 필요한 배터리 SOC, DC 링크, 제어전원 및 보조전원 조건의 미충족이다. GFM PCS가 무전원 상태에서 계통을 형성하기 위해서는 PCS 기동에 필요한 최소 SOC와 DC전압이 확보되어야 하며, BMS, EMS, 보호계전기, 차단기 조작전원, 냉각·환기 및 화재안전설비의 필수기능도 유지되어야 한다. 또한 DC 링크 프리차지와 변압기 여자 순서가 적절하지 않은 경우 돌입전류 증가, 직류측 과전류 또는 보호기기 오동작이 발생할 수 있다. 따라서 블랙스타트 기능시험에서는 최소 기동 SOC, DC 링크전압, 보조전원 유지시간, 프리차지 완료조건 및 차단기 투입순서를 주요 확인항목으로 설정하여야 한다^{[4, 10, 12]}.

여덟 번째 위험원은 GFM–GFL 운전모드 전환과 펌웨어·설정값 변경에 따른 기능안전 저하이다. PCS 제어로직 또는 보호정정이 사용전검사 이후 변경되는 경우 기존 검사결과와 실제 운전조건 간 불일치가 발생할 수 있으며, 변경된 제어 파라미터에 따라 전압·주파수 응답, 전류제한 및 보호협조 특성이 달라질 수 있다. 따라서 정기검사와 정밀점검에서는 펌웨어 버전, 제어 및 보호 설정값, 변경 승인 및 백업 여부를 확인하고, 안전 관련 설정이 변경된 경우에는 해당 기능에 대한 재시험을 수행하여야 한다^{[10, 12, 16]}.

아홉 번째 위험원은 EMS·BMS·PCS 간 통신장애, 시간 동기 오류 및 제어장치의 단일고장에 따른 기능안전 저하이다. 통신장애는 출력지령, SOC 제한, 운전모드 전환 및 비상정지 기능의 수행에 영향을 줄 수 있으며, PCS, BMS, EMS 및 보호계전기의 시각이 일치하지 않으면 사고 전후 이벤트의 선후관계를 정확하게 판단하기 어렵다. 따라서 사용전검사와 정기검사에서는 통신상실 시 고장안전 동작, 시간 동기 오차 및 이벤트 로그의 정합성을 확인하고, 정밀점검에서는 설비별 사고기록의 시계열 일치 여부를 분석하여야 한다^{[10, 16, 18]}.

상기 위험원은 각각 독립적으로 발생할 수 있으나, 실제 ESS에서는 제어·보호·통신 및 보조전원 간 상호작용에 의해 복합적으로 나타날 수 있다. 이에 본 연구에서는 표 2와 같이 주요 위험원에 식별번호를 부여하고, 각 위험원의 예상 영향, 검출수단 및 적용 검사단계를 연계하였다.

3.3 사용전검사-정기검사-정밀점검 연계 프레임워크

본 연구에서 제안하는 연계형 전기안전 프레임워크는 제도 레이어, 검사 레이어, 기능안전 레이어, 운영진단 레이어의 4단 구조로 구성된다. 제도 레이어는 공사계획 인가·신고, 사용전검사, 정기검사 및 전기안전관리자 점검체계를 포함하며, 검사 레이어는 절연·접지·보호설비·비상정지·계측 및 로깅 체계와 같은 기본 적합성 확인 항목으로 구성된다. 기능안전 레이어는 드룹 응답, 전압·주파수 형성, 고장전류 기여, 재동기화, 독립운전 및 블랙스타트와 같은 GFM 고유 기능을 다루며, 운영진단 레이어는 운전데이터 기반 상태 추적 및 이상징후 탐지를 담당한다. 이와 같은 구조는 법정 검사체계를 유지하면서도 GFM PCS 특유의 기능안전 요소를 운영 단계까지 연속적으로 관리할 수 있도록 한다^{[2, 8, 10- 11]}.

그림 2 GFM PCS 적용 ESS의 전기안전 프레임워크

Fig. 2 Integrated electrical safety framework for ESS equipped with GFM PCS

GFM PCS 적용 ESS의 안전평가는 설계–시공완료–초기운전–상시운전–이상상태의 연속 절차로 구성하는 것이 타당하다. 설계단계에서는 계통연계 조건과 보호협조 철학을 수립하고, 시공완료 단계에서는 사용전검사를 통해 기본 적합성을 확인한다. 초기운전 단계에서는 GFM 기능의 최소 성능시험을 수행하며, 상시운전 단계에서는 정기검사 및 상태기반 모니터링을 시행한다. 이상상태 발생 시에는 정밀점검을 통해 원인을 분석하고 재발방지 조치를 수행한다. 이는 현행 점검 체계의 틀을 유지하면서 GFM 특화 기능시험을 추가하는 구조로 해석할 수 있다^{[5- 8]}. 그림 3은 GFM PCS 적용 ESS의 단계별 검사·진단 흐름도를 나타낸다.

그림 3 GFM PCS 적용 ESS의 단계별 검사·진단 흐름도

Fig. 3 Stage-based inspection and diagnostic workflow for ESS equipped with GFM PCS

제안 프레임워크에서 사용전검사는 “설비를 안전하게 사용할 수 있는가”를 판단하는 최소 적합성 평가 단계이며, 정기검사는 “설비의 건전성과 기본 기능이 유지되고 있는가”를 평가하는 단계로 정의된다. 반면 정밀점검은 “이상상태의 원인이 무엇이며, 동일 문제가 재발하지 않도록 어떤 보완이 필요한가”를 규명하는 단계로 정의된다. 따라서 사용전검사와 정기검사는 체크리스트형 구조가 중심이 되며, 정밀점검은 파형, 이벤트, 설정값, 보호정정, 제어로직까지 포함하는 원인규명형 구조가 되어야 한다. 표 3에는 검사 및 점검의 목적을 비교하여 나타내었다.

4.1 개념 사례 시스템 및 초기조건

표 5에 나타낸 개념 사례 시스템은 22.9 kV 배전계통에 연계된 1 MW/2 MWh급 ESS로 가정하였다. 시스템은 배터리 시스템, BMS, GFM PCS, 승압변압기, 보호계전기, 차단기, EMS/PMS 및 계측설비로 구성하고, 계통연계운전과 독립운전이 가능한 구조로 설정하였다. GFM PCS는 계통연계 상태에서 유·무효전력 제어를 수행하고, 계통 교란 시 전압·주파수 지원 및 고장관통 기능을 수행하며, 계통분리 후에는 독립모선 형성 및 블랙스타트가 가능한 것으로 가정하였다.

기능시험은 배터리 SOC와 DC 전압이 정상 운전범위에 있고, 보호설비, 접지설비, 비상정지 및 BMS–PCS–EMS 통신이 정상인 상태에서 수행하는 것을 전제로 하였다. P-f 및 Q-V 드룹은 기능응답 확인을 위한 참조조건으로 각각 2%를 적용하였으며, 실제 검사에서는 해당 설비의 제작사 사양, 계통운영자 요구조건 및 승인된 현장 설정값을 우선 적용하도록 하였다. 본 사례의 수치들은 국내 법정검사의 합격기준을 의미하지 않으며, 제안 프레임워크의 적용 절차를 설명하기 위한 기준조건이다. 실제 검사에서는 대상 PCS의 정격, 계통조건, 보호협조 검토 결과 및 제작사 설정값에 따라 시험조건을 조정해야 한다.

4.2 GFM 기능시험 조건 및 판정기준

GFM PCS의 기능안전 평가는 정상운전뿐 아니라 전압·주파수 변화, 위상변동, FRT, 독립운전, 블랙스타트 및 재동기화와 같은 동적 운전조건을 포함할 필요가 있다. 이에 본 연구에서는 GFM 관련 기술문헌에서 활용되는 시험조건을 참조하여 표 6과 같이 기능시험 조건과 판정기준을 구성하였다.

시험결과는 단순히 기능의 작동 여부만으로 판정하지 않고, ① 설정된 제어특성 추종 여부, ② 보호장치의 불필요 동작 여부, ③ 과도현상 이후 안정운전점 회복 여부, ④ 설계 및 승인 설정값과 실제 응답 간 일치 여부를 종합적으로 고려하도록 하였다.

시험조건은 GFM 기능시험 수행방법을 구체화하기 위한 참조조건이며 국내 사용전검사 또는 정기검사의 확정 합격기준을 의미하지 않는다. 특히 전압·주파수 허용범위, 동기검정 조건, FRT 곡선 및 droop 특성은 계통조건과 PCS 제어방식에 따라 달라질 수 있으므로 실제 검사에서는 관련 표준, 계통운영자 요구조건 및 승인된 설계·설정값을 우선 적용하여야 한다.

본 연구에서 제안하는 판정방식은 이러한 차이를 고려하여 절대값 기준과 설정값 추종기준을 병행하는 방식으로 구성하였다. 전압·주파수 및 보호동작 등 기준값이 명확한 항목은 해당 허용범위를 기준으로 판단하고, P-f 및 Q-V 응답과 같이 PCS의 제어특성에 따라 값이 달라지는 항목은 승인된 설정특성과 실제 측정응답 간의 일치성을 기준으로 판정하도록 하였다.

4.3 프레임워크 적용 및 판정 예시

제안한 프레임워크가 단순한 시험항목 제시에 그치지 않고 실제 안전관리 의사결정으로 연결될 수 있는지를 검토하기 위해 대표적인 다섯 가지 판정사례를 가정하여 표 7에 나타내었다. 판정은 적합, 부적합 및 조건부 적합의 세 단계로 구분하였다.

적합은 시험결과가 설정된 기능특성과 보호조건을 만족하고 과도현상 이후 정상운전으로 복귀한 경우이다. 부적합은 핵심 안전기능의 미동작, 보호 오동작 또는 안정운전 회복 실패가 확인된 경우이며, 조건부 적합은 즉각적인 안전위험은 없으나 설정조정이나 추가시험이 필요한 경우로 정의하였다.

Case 1은 Q-V 응답시험에서 전압을 기준값 대비 10% 변화시킨 후 PCS가 설정된 Q-V 특성에 따라 무효전력을 조정하고, 과도응답 이후 안정적인 운전점으로 수렴하는 경우이다. 이때 보호장치의 불필요 동작과 지속적인 출력진동이 발생하지 않는 경우 R1 및 R3에 대한 기능안전성이 확보된 것으로 판단하여 적합으로 판정한다. 또한 측정된 응답시간, 정착시간 및 Q-V 특성은 향후 정기검사에서 성능변화를 판단하기 위한 기준데이터로 활용할 수 있다.

Case 2는 무전원 상태에서 GFM PCS가 모선전압을 형성한 후 변압기를 투입하는 과정에서 여자돌입전류로 인해 모선전압이 설정범위까지 회복되지 않거나 보호기기가 동작하는 경우이다. 이 경우 블랙스타트 자체가 완료되지 않았으므로 부적합으로 판정한다. 이후 R4와 R7을 대상으로 배터리 SOC 및 DC전압, 변압기 여자순서, current limit 설정, 보호계전기 정정값 및 단계부하 인입조건을 정밀점검하고 개선 후 동일 시험을 재수행한다.

Case 3은 독립운전 계통을 상위계통에 재병입하는 과정에서 전압차, 주파수차 또는 위상차가 사전에 설정한 동기검정 범위를 만족하지 않는 경우이다. 이때 병입 자체가 차단되고 보호·인터록이 정상적으로 작동한다면 즉각적인 설비고장으로 보기는 어렵기 때문에 조건부 적합으로 판단할 수 있다. 다만 계통병입은 허용하지 않고 전압·주파수·위상조건을 보정한 후 재동기화 시험을 수행하여 최종 적합 여부를 판단한다.

Case 4는 계통고장 시 PCS가 전류제한 모드에 정상적으로 진입하였으나 제한된 고장전류로 인해 보호계전기가 예상된 시간에 동작하지 않는 상황이다. 이 경우 PCS 자체의 제어기능은 정상일 수 있으나 시스템 수준의 보호협조가 확보되지 않은 것이므로 부적합으로 판단한다. 이후 실제 PCS의 고장전류 크기와 지속시간을 이용하여 보호협조를 재산정하고 계전기 정정값을 변경한 후 재시험하여야 한다.

Case 5는 사용전검사 또는 초기운전 시험 이후 PCS 펌웨어, GFM 제어 파라미터 또는 통신 fallback 설정이 변경된 경우이다. 변경 자체를 즉시 부적합으로 판단하기보다 변경이 안전 관련 기능에 미치는 영향을 우선 분석하고, P-f/Q-V 응답, 보호기능 또는 통신상실 시험 등 영향받은 기능에 대한 재시험을 수행한다. 재시험 결과 기존 검사 당시의 기능안전 수준이 유지되는 경우 최종 적합으로 판단하도록 한다.

4.4 프레임워크의 판정 및 피드백 절차

상기 사례를 종합하면 제안한 프레임워크의 실제 적용절차는 그림 5와 같이 위험원 확인–시험항목 선정–기능시험–판정–정밀점검–개선–재시험의 순환구조로 정의할 수 있다.

그림 5 GFM PCS ESS의 위험원 기반 기능시험 및 판정 절차

Fig. 5 Risk-based functional test and assessment procedure for ESS equipped with GFM PCS

이러한 구조는 사용전검사에서 단순히 설치상태와 기능의 유무만 확인하는 것이 아니라, 초기 기능시험 결과를 향후 정기검사와 정밀점검의 기준데이터로 활용할 수 있도록 한다. 또한 정기검사 또는 상시 모니터링 과정에서 기준값 대비 응답성능의 변화나 반복적인 이상징후가 확인될 경우 해당 위험원에 대한 정밀점검으로 연계할 수 있다.

따라서 제안 프레임워크는 개별 시험의 합격 여부를 판단하는 단선적인 구조가 아니라, 사용전검사 결과를 기준성능으로 저장하고 정기검사에서 성능유지 여부를 확인하며 이상 발생 시 정밀점검 및 재검증으로 환류하는 전주기 전기안전 관리체계로 활용할 수 있다.