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발전설비를 위한 효과적인 자산관리기법 적용
이성훈*, 김현일,* 장정호*, 이광호*, 김진오**
한국수자원공사*, 한양대학교**
Application of Effective Asset Management for Power Generation
Sung-Hun Lee*, Hyeon-Il Kim*, Jeong-Ho Chang*, Kwang-Ho Lee*, Jin-O Kim***
K-water*, Hanyang University**
Abstract - Today, the power utilities is setting on the slow load growth and the aging of power equipment, then could spend the efforts on the stability of system performance. The asset management is separated by three parts of essential elements : management, engineering and information. The corporate of these parts should be practiced that seek to balance. Asset management is great way to fulfill the economic investment and the stability of system performance. This paper presents the application of effective asset management considering the economic evaluation for reasonable investment, technical evaluation for accurate control management and reliability evaluation for stability of operation.
1. 서 론
지난 수년간 산업기술의 발전과 더불어 전력설비는 복잡하고 거대화 되었으며, 수직통합적인 전력산업 구조 하에서 이들 설비들의 신뢰성 향 상을 위해 막대한 비용이 지출되었다. 현재는 전력산업 성장의 둔화 및 전력산업구조개편에 따라 기업의 이윤추구를 위한 기업들간 치열한 경 쟁으로 효율성 및 경제성이 보다 강조되고 있으나, 신뢰성 향상을 위한 신규설비 설치의 감소, 기존설비의 노후화에도 불구하고 설비 안정성 확 보 및 이윤의 극대화 에 대한 요구는 점차 증대되고 있어 설비관리 및 투자를 위한 정책결정의 중요성이 점점 강조되고 있다. 자산관리(Asset Management)는 위에 언급한 총체적인 관리방법으로서, 효율적인 자산관리기 법에 관한 연구 및 적용은 이윤극대화라는 기업들의 욕구를 충분히 충족 시 켜줄 수 있을 것이다.
자산관리(Asset Management)는 일반적으로 다음과 같이 3가지 활동으로 나누고 있다[1].
●
Management : Business Strategy, Regulatory Strategy, Financial Risk 등
●Engineering : Planning, Design, Operations, Maintenance, Reliability 등
●Information : System Architecture, System Integration, GIS, SCADA 등
경제적인 설비 투자 및 안정적인 설비 운영이라는 기업의 궁극적인 목 표 달성 위한 자산관리는 Management, Engineering 및 Information의 균형 있는 활동으로 비로소 달성될 수 있다. 그림 1은 자산관리와 유지 보수의 고장률 곡선(Bath tub curve)과의 관계를 나타낸다.본 논문에서는 위에 언급한 3가지 활동에 관하여, 전력설비 중 발전설 비의 경제성 평가, 기술성 평가 및 신뢰성 평가를 종합적으로 고려한 효 율적인 자산관리(Asset Management)기법 을 적용해 보고자 한다.
<그림 1> 자산관리(Asset Management)와 유지보수활동(Maintenance)
2. 본 론
2.1 경제성 평가(Economic Evaluation)
기업환경의 변화에 따른 기업들 간의 치열한 경쟁 하에서의 경제적인 설비관리 및 유지보수는 기업의 최대 가치인 이윤극대화라는 목표를 달 성하기 위한 활동이라고 정의할 수 있다. 따라서 설비의 전 생애 주기에 걸쳐서 발생하는 모든 비용 즉, 설비투자비용과 설비관리비용등의 모든 비용을 체계적으로 결정하고 등가화한 LCC(Life Cycle Cost)분석은 경 제성 평가에서 반드시 필요한 분석법이다. 경제성공학에서 사용되는 LCC(Life Cycle Cost)분석에는 현재가치법(PWM) 및 연간등가분석법(EUAC) 등이 있다.
2.1.1 현재가치법(PWM)
현재가치법(PWM : Present Wortht Method)은 설비생애주기에 발생하는 모든 비용에 이자율을 반영하여 일정한 시점을 기준으로 계산하는 방법으로 현재가치 는 식 (1)으로 나타낼 수 있다.
×
(1) 여기서, : 반복비용
: 이자율 : 설비사용기간 : 초기투자비용 2.1.2 연간등가분석법(EUAC)
연가등가분석법(EUAC : Equivalent Uniform Annual Cost Method)은 투 자대안의 분석대상기간 중에 발생하는 모든 현금흐름에 이자율을 반영하여 연간등가로 환산한 후 비교하는 방법이며 서로 다른 투자대안의 경우에도 연 간등가를 단순 비교하여 최적의 대안을 선정할 수 있으므로 경제적 의사결정 을 위한 경제성 평가 적용에 적합하다. 연간등가의 기준은 매년 동일하게 지 급해야할 금액을 계산하는 것이며, 연간등가비용 는 식 (2)으로 나타 낼 수 있다.
×
(2) 여기서, : 초기투자비용
: 이자율 : 설비사용기간 : 반복비용
2.2 기술성 평가(Technical Evaluation)
발전설비는 전기 및 기계설비등 다양한 설비로 이루어져 있으며, 다양 하게 기술적인 상태진단이 가능한 것으로는 발전기가 있다. 발전기는 크 게 고정자 권선, 고정자 철심, 회전자 권선, 회전자 자극 및 외함등 으로 구성되어 있다. 현재 발전기 기술적 상태진단에는 고정자 권선에 대한 절연상태 진단법이 가장 대표적으로 활발히 연구되고 사용되고 있으며, 그중에서도 부분방전(Partial Discharge) 진답법은 절연체에 국부적으로 발생하는 절연결함 문제를 찾아내고 분석하는 가장 신뢰성 있는 진단도 구로 가장 활발히 사용되어지고 있다[2]. 또한, 시간과 온도에 따라 많은 영향을 받는 절연재료의 열화상태를 평가하기 위해 물리적 모델를 이용 하여 변압기 절연재료의 열화 및 수명을 평가를 하였다[3].
2.2.1 부분방전(Partial Discharge)
부분방전은 전로파괴가 진행되기 전의 상태를 일컫는 말로, 절연체내 부에서 절연체의 절연강도보다 인가된 전계강도가 높을 때 발생하는 지 속시간이 매우 짧은 국부적인 방전으로, 부분방전이 발생하면 오존, 산 화질소, 불안전한 여자 및 전리된 이온이 현성되어 부분방전이 발생되는 공극주변의 절연체에 열화현상이 발생됨으로 부분방전과 절연수명은 깊 2009년도 대한전기학회 하계학술대회 논문집 2009. 7. 14 - 1 7
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레벨 발전기,변압기 상태
I ,열화수명률(%)>% 정상
II %<,열화수명률(%)<% 주의 II %<,열화수명률(%) 교체 은 상관관계가 있다. 그러나 부분방전을 이용한 절연수명평가는 상당히 어렵워 지속적으로 연구가 진행되고 있다. 식 (3)은 부분방전시 발생되 는 최대 방전전하량()을 이용하여 잔존수명()을 정량화하면 다음과 같이 나타낼 수 있다.
∆ ∆
(3) 여기서, ∆ : 유전정접시험 변화량
∆ : 교류전류시험 변화량 : 최대방전 전하량
2.2.2 절연내열수명(Insulation Thermal)
절연재료는 전기적, 열적 스트레스 및 기타의 환경등에 의하여 절연재 료 수명에 많은 영향을 받는다. 절연재료의 절연파괴는 절연열화가 진행 되어 절연재료의 물리적 특성을 잃음으로서 기기의 수명을 다한 상태를 말한다. 절연재료의 내열수명평가는 온도와 수명 간에 관계를 잘 표현하 고 절연재료의 열화현상을 화학반응 속도론에 입각하여 유도하는 내열 수명모델로 경험적인 공식에 의한 Arrhenius모델을 이용하면 식 (4)처럼 나타낼 수 있다.
Remaining Life=
= (4) = ×
여기서, : 정규화 상수(110℃일 때 × ) : 활성에너지(15,000)
: hot spot 온도
와 가 일반적인 사용에서의 온도와 수명이고, 와 가 실제 사용에서의 온도와 수명이라면 식 (5)와 같은 관계를 갖고, 를 열 화가속계수(Accelerated factor)라고 한다. 식 (6)은 등가화한 열화가속계 수이다. 따라서, 열화수명률(%)는 식 (7)와 같다.
(5)
∆
∆
(6)
열화수명률(%)
× × (7)
<표 1> 및 열화수명률(%)평가에 따른 상태판정기준표
2.3 신뢰성 평가(Reliability Evaluation)
기존에 설비관리 적용되었던 유지보수(Maintenance)는 시간단위의 정 비계획을 수립함에 따라, 불필요한 정비업무활동 및 설비운영의 안정성 확보를 위한 과도한 비용이 지출되어 설비관리의 효율성이 감소되는 결 과를 낳았다. 그러나 최근 유지보수에 대한 비용을 감소시키면서 설비를 안정적으로 운영하는 방향으로 설비에 대한 운영계획을 수립하는 방법 으로 신뢰도 기반 유지보수(RCM : Reliability Centered Maintenance)가 적용되고 있다. RCM은 불필요한 정비업무를 제거하여 설비의 수명과 시스템 전체의 구조의 이해와 수명을 계획수립 단계에서 적절히 반영하 면서 유지보수의 효율성과 경제성을 높일 수 있다[4,5,6].
2.3.1 치명도 분석(Criticality Analysis)
치명도에 대한 분석은 MIL-STD-1629초기 문서부터 있었으며, 정성 적인 방법과 정량적인 방법 두 가지가 있으며, 정성적 방법은 시스템을 구성하는 부품들의 고장률 정보를 이용할 수 없을 때 사용할 수 있다.
정량적인 방법은 시스템을 구성하는 부품의 고장률 정보를 이용할 수 있을 때 적용할 수 있으며 치명도()는 식 (8),(9)와 같이 계산될 수 있다[4].
(8)
(9)
여기서, : 고장영향확률(0≤영향정도≤1) : 고장모드비율
: 고장률(Failure Rate) : 설비사용시간
2.3.2 고장확률(Failure Probability)
고장확률을 예측하는 방법에는 다양한 기법들이 연구되어 사용되고 있으며, 그 중 확률분포함수를 이용하여 고장확률예측은 가장 간단하면 서도 널리 활용되는 기법중에 하나이다. 식 (10)은 생존확률(Survival Probability) 이고, 식(11)는 고장확률(Failure Probability) 이다. 는 확류밀도함수(Failure Density Function)이다[5,6].
∞ (10)
(11) 정확한 고장확률계산을 위하여 조건부확률을 이용하였고, 조건부확률 은 현재시간 와 다음 시간 에서 고장이 발생할 확률로서 정의되며, 식 (11)의 고장확률함수와 조건부확률을 이용하여 식 (12)처럼 나타낼 수 있다.
(12)
3. 결 론
자산관리(Asset Management)는 경제적인 설비투자와 안정적인 설비 관리를 통한 기업의 이윤극대화를 위한 최소한의 활동이다. 사실 설비자 산관리기법은 자산의 설비별, 기간별(장․단기) 및 운영특성별로 모두 다 르게 방법이 적용되어야 할 것이다. 본 논문에서는 전력설비 중 발전설 비에 대한 주요 3가지 활동 중 경제성 평가, 기술성 평가 및 신뢰성 평 가를 종합적으로 고려한 효율적인 자산관리(Asset Management)기법을 적용해 보았다. 제시한 기법에 관한 자세한 방법 및 계산결과를 활용한 자산관리 의사결정 결과는 지면의 한계상 표현하지 못했다. 향후 제시한 기법을 토대로, 각종 전력설비 및 장단기 자산관리기간을 고려하여 연구 하고자 한다.
<그림 2> 발전설비에 대한 EUAC적용 결과
[참 고 문 헌]
[1] Richard E. Brown and Bruce G. Humphrey, “Asset management for Transmission and Distribution”, IEEE power&energy magazine, 2005.
[2] IEEE Std 1434-2000, “IEEE Trial-Use Guide to the Measurement of Partial Discharges in Rotating Machinery”
[3] IEEE Std C57.91-1995, “Guide for Loading Mineral Oil Immersed Transformers”
[4] MIL-STD-1629A, “Procedures for performing a failure mode effects and criticality analysis”
[5] S.H Lee, I.S Bae, J.O Kim and S.H Lee, “Evaluation aging failure probability of generatin units using data analytic method.”, European Trans. on Electrical power, 10.1002/etep, 2008
[6] R. Billinton and R. N. Allan, “Reliability evaluating of engineering system”, Plenum Press, 1992.
