2.1 고정식 해상풍력 발전설비

해상풍력발전기는 설치 방식에 따라 착저식과 부유식으로 구분된다. 고정식 하부구조물은 적용 수심과 하중 특성에서 차이를 보이며, 이를 표 1에 요약하였다^[4]. 각 발전기는 로터 및 블레이드, 구동계(주축, 베어링, 기어박스), 나셀 및 타워, 발전기, 전력변환 및 변압설비, 그리고 요잉·브레이크 등 보조 시스템으로 구성된다. 해상 설비에서는 하부구조물과 기초의 중요성이 부각되며, 복합적인 환경 하중으로 인해 육상 발전기보다 화재, 구조 파손, 케이블 고장 등 더 광범위한 결함에 취약하다.

2.2 모니터링 및 검사

최신 발전기는 진동, 축 회전속도, 베어링 및 오일 온도, 출력, 전압, 전류, 주파수, 풍속·풍향 등 기계적·전기적·환경적 물리량을 실시간으로 수집하는 SCADA(감시제어 및 데이터수집) 시스템으로 관리되어 실시간 감시, 성능 최적화, 조기 고장 검출을 수행한다. 국내 규정은 발전기에 제어·보호·비상정지 장치와, 전력품질 및 안전 관련 물리량을 포괄하는 원격 감시·제어 기능을 갖추도록 요구한다^[10]. 그럼에도 해상 발전기의 현장 정기검사는 접안시설 부실, 높은 파고, 기상에 따른 일정 지연으로 제약을 받으며, 이는 현장 검사 항목의 일부를 원격 모니터링 데이터로 대체할 필요성을 높인다.

2.3 풍력발전기에서의 FMEA와 RPN

다수의 연구가 풍력발전기 서브시스템에 FMEA와 RPN 또는 유사 지표를 적용해 왔으며, 이를 표 2에 요약하였다. 위험도 기반 RPN은 기어박스 사례의 정비 최적화에 사용되었고 ^[1], 퍼지 또는 러프넘버 확장을 결합한 FMECA는 피치 시스템에 적용되었으며^[2], 비교 FMEA 연구는 해상 조건이 발생도와 검출도를 모두 악화시킨다는 점을 지적하였다^[3]. 또한 고장모드 분석이 발전기와 변전설비로 확장되었고^[4], 부유식 어레이에 대한 단지 수준의 RPN 우선순위 산정이 제시되었다^[6]. 반복적으로 나타나는 관찰은, 세 인자를 동일 가중하고 단일 곱셈 형태를 사용하는 고전적 RPN에 알려진 한계가 있으며, 전문가 판단 기반 가중치나 대체 지표가 점차 채택되고 있다는 점이다^[5].

이들 연구는 해상풍력 구성요소에 대한 RPN의 적용 가능성을 확인시켜 주지만, 두 가지 공백도 드러낸다. 분류가 운영·정비 관점에 치우쳐 있다는 점과, 서브시스템의 상위 상대적 중요도가 반영되지 않는다는 점이다. 이는 3절에서 전개하는 바와 같이 전문가 기반 계층적 가중치와 고장모드 수준의 RPN을 결합할 필요성을 시사한다.

3.1 데이터 및 현장 조사

본 연구는 사고 현황 파악의 기초 자료로 공개 사고 집계 자료인 Scotland Against Spin(SAS)의 풍력발전설비 사고 데이터를 사용하였다^[11]. 해당 자료는 1990년대 이전부터 2024년 6월 30일까지 언론 보도 및 공식 발표를 통해 확인된 전 세계 풍력발전설비 사고 5,691건을 사고 유형별로 집계한 것으로, 주요 유형별 건수와 비율을 표 3에 정리하였다. 설비 자체의 손상과 직접 관련된 유형(블레이드 파손, 화재, 구조적 파손, 착빙 비산) 1,350건만을 대상으로 하면 블레이드 파손이 39.8%로 가장 큰 비중을 차지하고, 화재(36.5%)와 구조적 파손(20.2%)이 뒤를 잇는다. 자료 제공 기관 역시 블레이드 파손이 가장 빈번한 사고 유형이며 화재가 그 뒤를 잇는다고 기술하고 있다. 단 이 자료는 각 유형이 상호 배타적으로 집계되지 않아 유형별 건수의 합이 전체 사고 건수와 일치하지 않으며, 언론 보도에 기반하여 실제 발생 사고의 일부만을 포함한다는 점을 자료 제공 기관이 명시하고 있다. 따라서 본 연구에서는 이 자료를 절대적 사고율의 근거가 아니라 고장모드 간 상대적 빈도 경향을 파악하기 위한 참고 자료로 한정하여 활용하였다.

또한, 석션 버킷 기초를 사용하는 고정식 해상 발전기에 대한 현장 조사를 통해 요잉 시스템, 블레이드, 허브, 기어박스, 발전기, 변압기, 컨버터의 내부 배치를 확인하고, 구조 건전성·기계적·전기적·환경적 모니터링에 사용되는 센서의 종류와 위치를 파악하였다. 조사는 또한 실무적 검사 애로사항을 부각시켰다. 빠른 보급에 따른 검사 수요 증가, 접안 부실 및 높은 파고로 인한 안전 우려, 기상에 따른 일정 지연으로 인한 손실 등이며, 이는 불가피한 경우 선택적 검사 항목을 원격 모니터링으로 대체할 필요성을 강화한다.

3.2 제안하는 고장모드 분류체계

기존 분류는 운영·정비 관점에 치우쳐 있어 다수의 전기 항목이 누락되어 있고, 전기안전 검사기관의 검사·진단 업무에 필요한 수준의 고장모드 구체성이 부족하다. 본 연구는 FMEA 절차(그림 1)를 기반으로, 토목기초·풍력설비·전기설비·SCADA 시스템의 4개 상위 분류를 15개 세부요소와 81개 고장모드로 세분하고 각각에 대해 원인과 해상 환경요소를 연계한 분류체계(그림 2)를 정의하였다. 표 4는 제안한 분류체계에서 발생할 수 있는 대표적인 고장모드와 원인 및 환경 요소를 나타낸다.

그림 1 FMEA 절차

Fig. 1 FMEA procedure applied in this study

그림 2 고정식 해상풍력 발전설비의 분류체계 제안

Fig. 2 Proposed classification scheme for fixed-type offshore wind power facilities

본 분류체계는 일반적인 풍력발전기 구성요소 분류와 일부 차이가 있다. 이는 분류 기준을 기계적 기능 단위가 아니라 전기안전 검사기관의 검사 접근 단위와 진단 수단에 두었기 때문이다. 즉, 동일한 접근 경로로 일괄 점검되는 구성요소는 하나의 세부요소로 묶고, 절연·보호 진단의 직접 대상이 되는 설비는 전기설비로 독립시키며, 원격 감시·제어로 대체 가능성을 검토할 수 있는 요소는 SCADA 시스템으로 분리하였다. 이에 따라 기어박스, 요잉, 브레이크 등 나셀 내부의 기계 구동계는 별도 대분류가 아니라 풍력설비의 '나셀 및 타워' 세부요소에 통합되었다.

3.3 AHP 가중치 산정

본 연구의 AHP 쌍대비교는 검사자, 전기안전관리자, 발전기 제조사, 시공·유지보수 엔지니어의 4개 전문가 그룹 각 3명씩 총 12명의 설문을 통해 도출하였다. 4개 분류를 구조적 중요도, 환경 영향(파랑·부식·접근성), 사고 후 파급력 관점에서 쌍대비교 하였다. 다만 이 세 관점은 전문가가 쌍대비교 시 공통으로 고려하도록 제시한 판단 지침 항목이며, AHP의 독립적인 평가 기준 계층으로 구성한 것은 아니다. 본 연구의 AHP 계층구조는 '목표 – 4개 대분류'의 1계층 구조이고, 따라서 비교행렬은 표 6의 4×4 행렬 하나로 구성된다.

표 5는 위 전문가 그룹의 설문을 통해 도출한 쌍대비교 행렬이며, Saaty의 1–9 척도를 사용하였다. 가중치는 고유벡터법으로 산정하였으며 그 결과를 표 6에 나타내었다. 일관성 검토 결과 최대 고유값 $\lambda_{\max} = 4.117$, 일관성 지수 $CI = 0.039$이며, $n = 4$에 대한 무작위 지수 $RI = 0.90$을 적용한 일관성 비율은 $CR = 0.043$으로 허용 기준($CR \le 0.1$)을 만족한다.

3.4 RPN 및 WRPI 산정

RPN 평가에는 전기안전 검사기관에서 발전설비 현장 검사·진단 업무를 수행하는 전기·토목·기계 3개 분야의 전문가가 각 분야별 2명씩 총 6명의 평가를 통해 도출하였다. 전문가 판단의 통합은 개별 응답을 산술 평균하는 방식이 아니라, 분야별 판단 근거를 상호 공유한 뒤 합의를 통해 단일 값을 도출하는 방식으로 수행하였다. 이는 각 전문가가 자신의 전문 분야 외 항목에 대해 상대적으로 낮은 확신을 갖는 점과, 선행 연구에서 전문가 간 S·O·D 인식 편차가 평균 60% 수준으로 보고된 점을 고려한 것이다. 선행 연구에서도 구조·하부구조 고장모드의 RPN을 7인의 산업·보험·학계 전문가 패널 평가로 산정한 사례가 보고되어 있다^[6].

각 고장모드를 심각도(S), 발생도(O), 검출도(D)에 대해 해상 환경에 맞춘 기준으로 7점 척도로 평가하였다(표 7). 평가 척도는 IEC 60812^[12]에서 제시하는 등급화 개념을 따르되, FMEA의 평가 척도가 적용 표준에 따라 달라질 수 있다는 점^[4]을 고려하여 국내 전기설비 검사주기 체계에 대응되도록 7단계로 축약하였다. 각 열의 기준축은 다음과 같이 단일하게 정의한다. 심각도는 고장 발생 시 요구되는 복구 소요기간을 피해 규모의 대리지표로 사용하고, 발생도는 단위 기간당 발생 빈도를 나타내며, 검출도는 현행 검사·감시 체계에서 해당 고장을 인지하기까지 소요되는 최단 주기를 나타낸다. 즉 검출도는 검출 난이도와 검사주기를 혼용한 것이 아니라, 검출 난이도를 검사주기라는 단일 척도로 환산하여 표현한 것이다. RPN은 S×O×D의 곱이며, 40 미만은 추적 관리, 40 ~ 89는 계획 수립 개선, 90 이상은 즉각 개선을 요한다.

100점 척도로 평가를 표현하기 위해, 각 고장모드의 RPN 가중치는 해당 분류 내부의 RPN 합계에 대한 비율로 취하고 여기에 표 7의 AHP 가중치를 적용하였다. 본 연구에서는 이 지수를 가중 위험 우선순위 지수(WRPI, Weighted Risk Priority Index)로 정의하며, 식 (1)과 같이 산정한다. 여기서 $i$는 대분류 $x$에 속한 고장모드, $w_x$는 표 6에서 산정한 대분류 $x$의 AHP 가중치이다.

WRPI는 총합이 항상 100으로 고정되는 배분형 지수이다. 각 대분류에 속한 고장모드들의 WRPI 합은 해당 분류의 AHP 가중치에 의해 사전에 결정되며, 모든 고장모드의 RPN이 동시에 증가하거나 감소하더라도 WRPI의 총합과 상대적 순위는 변하지 않는다. 따라서 WRPI는 설비의 절대적 안전수준을 나타내는 지표가 아니라 동일 설비 내에서 고장모드 간 위험 우선순위를 상대적으로 비교하기 위한 지표이며, 서로 다른 단지 또는 서로 다른 시점 간의 절대적 안전성 비교에는 사용할 수 없다.

한편, 본 연구에서 비교 대상으로 삼는 기존 방식은 두 가지로 구분된다. 첫째는 81개 전체 고장모드의 RPN을 전체 RPN 합계(3,829)로 정규화하는 원 RPN(raw RPN) 방식이고, 둘째는 4개 대분류에 각각 25점을 동일하게 부여한 뒤 분류 내부에서 RPN을 정규화하는 대분류 균등가중 방식이다. 제안 방식은 후자와 동일하게 분류 내 정규화를 수행하되 균등 가중 대신 AHP 가중치를 적용한 것이다. 세 방식은 모두 동일한 RPN 값에서 출발하므로, 결과의 차이는 오직 가중 방식의 차이만을 반영한다.

4.1 AHP 가중치

표 6과 같이, 전기설비가 가장 높은 가중치(0.565)를 받았는데 이는 절연 사고가 단지 전체의 운영을 중단시킬 수 있음을 반영한다. 다음으로 구조 안전과 직결되는 풍력설비(0.262), 정비 및 예측에 중요한 SCADA 시스템(0.118), 그리고 고장 시 심각하고 지속적이지만 발생 빈도가 낮은 토목기초(0.055) 순이었다. 일관성 비율이 0.043으로 허용 기준을 만족하므로 전문가 판단의 논리적 일관성은 확보된 것으로 볼 수 있다.

4.2 RPN 및 WRPI 결과

해상 환경을 반영한 RPN을 81개 전체 고장모드에 적용하여 표 8부터 표 11까지 분류별로 전체 결과를 산출하였다. 각 표는 모든 고장모드에 대해 표 8의 심각도·발생도·검출도로부터 얻은 RPN 결과를 제시하고, 이어서 세 가지 가중 방식을 나란히 비교할 수 있는 수치를 제시한다. 즉 전체 RPN 합계로 정규화한 원 RPN 비율, 4개 분류를 동등하게 취급하는 대분류 균등가중 값, 그리고 분류 내 RPN 비율에 표 7의 AHP 가중치를 적용하여 얻은 WRPI이다. 세 방식 모두 동일한 RPN 값에서 출발하므로, 값의 차이는 오직 가중치 체계의 효과만을 분리하여 보여준다.

표 8은 토목기초의 결과이다. 이 분류는 5개 고장모드만 포함하지만 심각하고 검출이 어렵다. 지반 붕괴는 가장 높은 심각도와 가장 낮은 검출도를 함께 갖고, 기초 구조물 외관 변형은 분류 내 최대 RPN(64)을 가지며 분류의 RPN 합계는 273이다. 균등 가중에서는 이들 고장모드가 전체 평가를 지배하지만, AHP 가중치 0.055를 적용하면 분류 전체가 5.5점으로 축소되며 이는 기초부 고장이 실제로 관측되는 빈도가 매우 낮다는 점과 부합한다.

표 9는 현장 사고의 가장 큰 비중을 차지하는 풍력설비의 결과이다. 균열 및 외관 손상이 전체 평가에서 최대 RPN(120)과 최대 WRPI(4.36)를 기록하였고, 기타 정지 시스템 이상과 브레이크 시스템 이상이 각각 3.49로 뒤를 이었으며, 분류의 RPN 합계는 721이다. 블레이드 각도 변형은 낮은 심각도에 가장 낮은 검출도가 결합된 점이 특징적이며, 이는 점진적인 피치 이탈이 정밀 진단으로만 발견됨을 반영한다.

표 10은 가장 높은 AHP 가중치(0.565)와 8개 세부요소에 걸친 최다 고장모드(49개)를 갖는 전기설비의 결과이다. 지락·단락·서지·절연파괴·부분방전에서 기인하는 전기적 이상 발생 고장모드가 케이블, 발전기, 변압기, 전력변환장치, 차단기 세부요소에서 최고 RPN(126)으로 반복 나타났으며, 차단기 기계적 시스템 이상(120)과 케이블 외관 손상 및 해수침투(98)도 두드러졌다. 분류의 RPN 합계는 2583이다. 분류 총점이 다수의 고장모드에 분산되기 때문에, 분류 전체로는 가장 큰 가중치를 받음에도 개별 전기설비 고장모드의 WRPI는 최대 2.76 수준에 머문다.

표 11은 기존 풍력발전기 FMEA 분류체계에는 없던 SCADA 시스템의 결과이다. 이 분류의 고장모드는 대부분 모니터링·알람에 의해 자동으로 검출되어 RPN이 낮게 유지되며, 대신 UPS 시스템 고장(RPN 48, WRPI 2.24)이 분류를 지배한다. UPS의 상실은 제안 평가 자체가 의존하는 감시 및 원격 제어 기능을 무력화시킬 수 있다. 분류의 RPN 합계는 252이며, 인터넷 등 외부 통신 인터페이스 이상과 운영 소프트웨어 오류가 뒤를 잇는다.

4.3 가중 방식별 비교

표 12는 세 가지 가중 방식에서 각각 상위 8개 고장모드를 나열하여 직접 대비한다. 원 RPN 방식은 상위권을 전기설비의 '전기적 이상 발생'이 반복 점유하는데, 이는 동일한 고장모드가 5개 세부요소에 각각 정의되어 있기 때문이며 구성요소 수준의 위험 분포를 나타내지 못한다. 대분류 균등가중 방식은 상위 5개 중 4개를 토목기초 고장모드로 채우는데, 이는 균등 가중이 고장모드가 5개뿐인 분류를 과대 평가하기 때문이다. 제안 방식은 블레이드 균열을 1위로 두고 상위권 대부분을 풍력설비 고장모드로 채우며, SCADA 시스템의 UPS 고장은 세 방식 모두에서 상위권을 유지한다.

4.4 사고 통계와의 정성적 비교

본 절에서는 산출된 우선순위를 표 3의 사고 통계와 비교한다. 다만 사고 통계가 사고 유형 단위로 집계되어 있는 반면 본 연구의 분류체계는 고장모드 단위이므로 두 체계 간 일대일 대응이 성립하지 않으며, 사고 통계 자료 자체의 포괄성에도 한계가 있다. 따라서 정량적 검증은 수행하지 않았으며, 본 절의 비교는 정성적 비교로 한정한다.

원 RPN 방식은 상위권을 동일 명칭의 전기적 이상 발생 고장모드가 반복 점유하여 구성요소 간 위험 분포를 구분하지 못한다. 대분류 균등가중 방식은 고장모드가 5개뿐인 토목기초를 과대 평가하여 상위 5개 중 4개를 토목기초 고장모드로 채우는데, 사고 통계에서는 기초부 관련 사고가 독립된 유형으로 집계될 만큼의 비중을 보이지 않는다. 반면 제안 방식은 블레이드 균열 및 외관 손상을 1위로 산정하며, 이는 설비 관련 사고 중 블레이드 파손이 39.8%로 가장 큰 비중을 차지한다는 표 3의 경향과 방향이 일치한다. 또한 브레이크·정지 시스템 이상과 낙뢰 피격 등 나셀·타워 계통 고장모드가 상위에 위치하는 점은 구조적 파손이 세 번째로 빈번한 사고 유형이라는 점과도 부합한다.

이상의 결과는 제안 방식이 기존 두 방식보다 관측된 사고 경향에 더 가까운 우선순위를 산출함을 시사한다. 단, 이는 정성적 수준의 부합성이며, 정량적 검증은 국내 해상풍력 운전 이력 및 고장 데이터가 충분히 축적된 이후의 과제로 남는다.

4.5 연구의 한계

(1) 본 연구는 각 고장모드에 대한 SCADA 검출 가능 여부, 활용 가능한 측정변수, 검출 정확도 및 오경보율을 직접 분석하지 않았다. 따라서 현장 정기검사 항목의 대체 가능성은 본 연구 결과만으로 주장할 수 없으며, 산출된 우선순위는 향후 SCADA 기반 원격 안전성 평가와 검사 항목 우선순위 선정에 활용될 수 있는 기초 자료로 한정된다.

(2) S·O·D 점수와 쌍대비교 값은 전문가 패널의 합의값이므로, 패널의 구성과 규모가 달라지면 결과가 변동될 수 있다. 합의 방식은 개별 응답 간 편차를 통계적으로 제시할 수 없다는 한계를 갖는다.

(3) WRPI는 총합이 100으로 고정된 상대적 우선순위 지수이므로, 절대적 안전수준의 지표나 서로 다른 설비 간 비교 지표로 해석할 수 없다.

(4) 표 3의 사고 통계는 언론 보도에 기반한 공개 자료로서 실제 발생 사고의 일부만을 포함하며, 구성요소 단위의 세부 분해를 제공하지 않는다.