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배전용 변압기의 무선 부하감시 시스템 개발
정준홍*, 강태구*, 김일경* 한전KDN(주) 전력IT연구원*
Development of Wireless Monitoring System for Distribution Transformer
Joon-Hong Jung*, Tae-Goo Kang*, Il-Kyung Kim*
Research and Development Department, Korea Electric Power Data Network Co., Ltd.*
단 계 기 능 통신수단 종단말기 배전용 변압기의 상태정보를 주기적으로
측정하여 주단말기로 전송 RF
주단말기
인근 종단말기에서 송신하는 변압기의 상태정보를 취합하여 각 통신망별 기지국에
전송하며, 알람 발생시 관리자에게 전송
CDMA (D-TRS,
광통신)
<표 1> 주요기능 및 통신수단
<Table 1> Function and communication method
<그림 1> 배전용 변압기의 부하감시 시스템 구성도
<Fig. 1> Architecture of distribution transformer monitoring system
Abstract - In this paper, we consider the development methodology of wireless monitoring system for a distribution transformer. The master/ slave devices are installed in the power distribution feeder and measure the current state of pole or ground transformers. After measuring, the devices send the measurement data to operating room through the wireless network such as RF and CDMA so that the power distribution supervisor can prevent a distribution transformer damaging caused by overloads and imbalance of loads.
1. 서 론
현재, 국내의 초고압 GIS, 차단기, 계폐기, 변압기 등 전력기기 생산 및 개발기술은 세계적인 수준에 도달해 있으며, 전력계통 전반에 걸친 CMD 시스템(condition monitoring and diagnosis) 구축이나 이를 뒷받 침하는 개별 기기의 디지털화도 활발히 진행되고 있다. 특히, 수용가와 인접한 배전용 변압기의 경우, 가전기기의 대용량화 및 관련 전력설비의 급증으로 과부하 및 노후 상태로 운용되는 기기가 늘어나고 있으며, 이 에 따른 정전이나 각종 안전사고를 예방하기 위해 배전용 변압기의 감 시 및 진단 시스템 구축에 큰 관심이 모아지고 있다.
기존의 배전용 변압기 관리에는 1개월간의 누적 검침량을 기준으로 한 통계적인 방법을 주로 사용하였으며, 통계 결과 이상 변압기로 추정 되는 변대주에 전력업체의 부하관리 담당자가 직접 승주하여 계측기를 통해 변압기 부하를 측정하는 형태의 수작업이 주를 이루었기 때문에 정확한 상태감시를 수행할 수 없었다. 더불어 배전선로를 직접 순시하여 관리하는 방법은 장시간이 소요될 뿐만 아니라, 고소 작업차량 사용으로 인한 교통체증 및 사고유발 위험, 승주 시 발생할 수 있는 감전 등의 각 종 안전사고 위험이 있었다. 이를 해결하기 위해 전주에 부착하는 전압 기록계, 이상 부하가 발생했을 때 알람을 발생시키는 장치, 오프라인 근 거리통신 부하계측기 등 다양한 장치가 고안․설치되었으나, 가격 대 성 능비가 떨어지고(전압기록계) 추가적인 민원발생 우려가 있으며(알람발 생장치), 주기적인 현장순시가 필요하다는(근거리통신 부하계측기) 등의 단점이 있다.
본 논문에서는 변압기 상태감시 기술에 무선 통신기술을 접목하여 기 존 변압기 감시 장치의 문제점을 해결한 배전용 변압기의 무선 부하감 시 시스템에 대하여 설명하고자 한다. 이를 위해 본론에서는 배전용 변 압기의 부하감시를 위한 요소기술을 도출하고 이를 만족하는 전체 시스 템의 구성 방안, 부하감시용 단말기 설계, 무선 네트워크 구축 방법 등 을 설명한 후, 실제 구축사례를 통해 해당 시스템의 효용을 검증한다.
2. 본 론
배전용 변압기는 크기 전주 위에 설치되는 주상용과 지면에 설치되는 지중용 변압기로 나눌 수 있다. 전자는 구 시가지나 도심 외곽에 설치되 어 있고, 후자는 도심지의 소형빌딩, 상가 및 주택 등에 설치되어 있으 며, 미관상의 이유로 인해 점차 그 설치 수량이 늘어나고 있는 추세이 다. 배전용 변압기의 주 기능은 배전선로 1차측의 22.9[kV]를 상간/선간 380[V]/220[V]로 감압하여 2차측에 연결된 각 수용가에 공급하는 것이 며, 정상상태 이외에 정전, 무부하, 과부하, 불평형, 고장 등의 다양한 이 상상태가 존재한다.
2.1 시스템 구성도
배전용 변압기의 부하감시 시스템을 구축하기 위해서는 첫째, 변압기 2차측의 각 상별 전압 및 전류를 측정하여 원격지로 전송하는 무선 통 신기능을 갖춘 단말기의 개발, 둘째, 각 단말기를 연결하는 무선 네트워 크의 구축, 마지막으로 무선 네트워크를 통해 취합된 데이터를 기반으로 배전용 변압기를 실시간 감시, 진단할 수 있는 서버 시스템의 구축이 필 요하다[1]. 부가적으로, 변압기의 온도는 기기의 과부하 상태를 간접적으
로 파악할 수 있는 정보가 되므로 이를 측정할 수 있도록 하며, 정전 시 에도 단말기가 일정시간 동작할 수 있도록 전원 백업기능 등이 필요하 다. 이상의 조건을 만족하는 전체 시스템의 구성은 그림 1과 같이 설계 할 수 있다.
2.2 통신구조
그림 1에서 M은 주단말기를 의미하는 Master, S는 종단말기를 의미 하는 Slave이며, 배전용 변압기 측에 설치되어 변압기의 상태정보-2차 측 상별 전류, 전압, 기기 온도, 측정 시각, 변압기 설치이력 등-를 주기 적으로 계측한 후, RF 통신을 통해 주단말기에 전송한다. 주단말기는 인근의 다수 종단말기에서 전송하는 측정정보를 취합하여 기간통신사업 자의 CDMA망(지역에 따라 D-TRS 또는 배전용 광통신망)을 통해 기 지국에 전송한다. 아울러 CDMA 무선망을 이용하는 주단말기는 종단말 기에서 측정한 변압기 부하정보가 정전, 고장 등의 이상 값에 해당할 경 우, 자동적으로 해당 변압기의 관리담당자(operator) 휴대전화에 경보 (alarm) 메시지를 전송토록 한다. 기지국과 중앙 Server 간에는 전단처 리장치(FEP, front end processor)를 설치하여 다수의 주단말기로부터 수집한 변압기 상태정보를 상위의 서버측에 전달하고, 이와 반대로 서버 에서 내려지는 각종 단말기 설정 명령을 기지국을 통해 주단말기로 전 송한다. 최종 관리자에 해당하는 한전의 배전운영 담당자(supervisor)는 인터넷을 통해 중앙의 관리서버에 접속한 후, 웹 기반의 모니터링 인터 페이스를 통해 배전용 변압기의 동작 상태를 감시한다.
이상에서 설명한 각 단계별 주요기능 및 통신수단은 표 1과 같이 요 약할 수 있다.
2008년도 대한전기학회 하계학술대회 논문집 2008. 7. 16 - 18
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FEP 기지국과 중앙서버 사이의 인터페이스 제공
전용선 Internet Server /
관리담당자
중앙서버 접속 후, 웹 기반에서 변압기 계측정보를 분석함으로써 정전, 무부하, 과부하,
불평형 등의 동작상태 파악 2.3 단말기의 구성
단말기는 변압기 2차측의 전류 및 전압, 변압기 온도, 측정시각 등을 주기적으로 계측한 후, 해당 변압기의 설치이력 정보와 함께 원격지로 전송하는 통합 센서장치에 해당하며, 그 구성은 변압기 2차측에 직접 접 속하여 전류 및 전압을 측정하는 감지부(probe), 감지부에서 측정한 아 날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 AD 변환부, 계측정보와 관리자 의 단말기 설정명령을 송수신하는 RF/CDMA 모뎀(지역에 따라 D-TRS 또는 광통신 모뎀), 시각 동기화를 위한 RTC(real time clock), 계측이력 및 단말기 정보를 저장할 수 있는 메모리, 단말기의 동작을 제어하는 마 이크로컨트롤러, 단말기에 전원을 공급하는 SMPS 및 정전 시에도 단말 기가 일정 시간동안 동작할 수 있도록 배터리를 이용한 충전기능을 갖 춘 전원부로 이루어져 있다. 단말기의 전체 구조는 그림 2와 같다.
<그림 2> 주/종단말기의 구조
<Fig. 2> Architecture of master/slave device
2.4 사용자 인터페이스 구축
그림 1에서 나타낸 바와 같이, 단말기에서 측정한 데이터는 최종적으 로 웹 기반의 사용자 인터페이스를 통해 관리자에게 제공된다. 사용자 인터페이스는 관리자가 정전, 무부하, 과부하, 불평형 등 배전용 변압기 의 동작 상태를 종합적으로 파악할 수 있도록 변압기 등록정보, 변압기 온도, 2차측 상별 전류 및 전압, 상별 변압기 이용률, 시간대별 부하 트 랜드, 경보 발생이력, 부하이력, 일/월/연간 보고서 등을 출력하는 다양 한 기능을 제공한다. 또한, 사용자 인터페이스를 통해 단말기의 설정정 보를 변경할 수 있는 기능도 제공한다. 그림 3은 사용자 인터페이스에 접속하기 위한 로그인 화면을 예시한 것이다.
<그림 3> 사용자 인터페이스 접속화면
<Fig. 3> User interface login page 3. 운용사례
배전용 변압기 무선 부하감시 시스템은 2007년 말 현재 전국적으로 약 70,000여대가 설치/운용되고 있으며, 주로 대형 번화가, 상가, 주택가 등 부하 밀집지역, 계절성 부하 급증시 과부하 가능성이 높은 지역, 부
하변동이 심한 지역, 불평형 또는 저․과전압 발생이 우려되는 지역에 설치되었다. 일반적인 설치시에는 주단말기를 중심으로 RF 통신 도달거 리, 환경 등을 고려하여 종단말기를 다수 설치, 하나의 통신 그룹을 이 루도록 한다. 그림 4는 실제 단말기의 설치사례를 나타낸 것으로 중앙의 주단말기로부터 직경 약 1[km] 이내에 모두 19개의 종단말기가 설치되 어 1개 그룹을 형성한다.
<그림 4> 주/종단말기 설치예
<Fig. 4> Installation example of master/slave devices 그림 5는 실제 설치된 단말기에서 취득한 배전용 변압기의 전류, 전 압, 이용률, 온도변화 등 부하 트랜드를 일별로 출력한 화면이다.
<그림 5> 부하 트랜드 모니터링 결과
<Fig. 5> Monitoring results of load-trends
4. 결 론
대형 상가가 밀집해 있는 도심지나 대규모 주택 단지 등의 배전용 변 압기는 과부하로 인한 정전, 소손 등의 위험성을 상시 내재하고 있으며, 이를 효과적으로 관리하기 위해서는 배전용 변압기를 대상으로 한 감시 시스템 구축이 필수적이다. 본 논문에서는 배전용 변압기에 주/종단말기 를 설치하여 변압기의 각종 상태정보를 계측하고 이를 원격지의 관리서 버에 전송함으로써, 전력 공급업체의 부하관리 담당자가 효율적으로 배 전용 변압기의 부하를 관리할 수 있도록 하는 “배전용 변압기 무선 부 하감시 시스템”의 구축방법 및 운용사례를 설명하였다. 구축된 시스템은 배전용 변압기의 각종 상태정보를 실시간 제공함으로써, 첫째, 변압기의 과부하 및 상별 불평형을 해소할 수 있고, 둘째, 변압기 소손, OT 분출, 불시 정전 등의 사고를 예방할 수 있으며, 셋째, 변압기 이용률 및 부하 율을 개선함으로써 전력 품질 및 관련 서비스의 질을 향상시키는 종합 적인 솔루션으로 활용될 수 있다.
본 논문의 배전용 변압기 무선 부하감시 시스템은 전력기술과 IT기술 의 융합과 관련된 실제적인 전력IT 응용사례로써 향후, 관련 분야의 연 구 및 사업화를 촉진시키는 계기가 될 것으로 기대한다.
[참 고 문 헌]
[1] 한전KDN(주), “변압기 부하감시 시스템.” <http://www.kdn.com/home/
product.do?method=menu_0301>. (2008년 5월)
