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실시간 송수펌프 최적운영 시스템 개발
1. 서론
상수관망 시스템은 생활 및 공업용수를 안전하 게 공급하기 위한 사회기반시설물이다. 최근, 급 격한 도시화로 인해 그 규모가 점차 확대되어 가 고 있으며 그에 따른 에너지 소비량도 매년 증가 하는 추세이다. 상수관망 시스템의 에너지 사용 절감을 위한 방안으로는 1) 관망 내 누수 방지 및 저감, 2) 관로 내 잉여 에너지 회수, 3) 펌프장 최 적운영 등이 있다. 첫 번째로, 관망 내 누수는 용 수의 손실 뿐만 아니라 압력손실로 인한 추가적인 에너지 소비를 유발하여 경제적 손실을 야기한다.
국내 유수율은 점차 개선되고 있지만 대규모 시스 템에 대한 효율적인 누수감지에 어려움이 있는 실 정이다. 두 번째로, 관로 내 잉여수두를 수차발전 기(마이크로 터빈)를 이용하여 에너지로 회수하 는 방법은 초기 설치비용 및 효율성 문제로 널리 활용되고 있지 않지만, 점차 그 적용가능성이 증 대되고 있는 상황이다. 마지막으로, 송수 펌프장 의 최적운영이 있다. 송수 펌프장은 상수관망 시 스템에서 에너지 소비량의 많은 부분을 차지하는 시설물이며 이러한 고에너지 소비 시설물인 송수 펌프장의 운영을 최적화 한다면 에너지 절감을 위 한 장비의 구축이나 추가 비용 없이 상당히 많은 에너지를 효율적으로 절감할 수 있을 것이다. 최 근, 대규모 펌프장의 운영에 있어 운영비용의 최
김 강 민 ●●●
경희대학교 사회기반시스템공학과 박사과정
최 정 욱 ●●●
경희대학교 사회기반시스템공학과 석사과정
강 두 선 ●●●
경희대학교 사회기반시스템공학과 교수
강 민 구 ●●●
LS산전 시스템S/W연구단 선임연구원
김 병 섭 ●●●
LS산전 시스템S/W연구단 수석연구원 / 공학박사 [email protected]
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소화를 위한 최적화 연구가 활발히 진행되고 있 으며 세계적으로 큰 주목을 받고 있다 (Yu et al., 2005; 이광만 등, 2009; Pasha and Lansey, 2010). 일반적으로, 펌프장의 운영은 다년간의 펌 프 운영 자료와 운영자의 노하우를 토대로 이루어 져 왔으며, 일차적인 목표는 안정적인 용수공급이 다. 최근 들어, 이러한 펌프 운영에 실시간 원격감 시 제어시스템인 SCADA(Supervisory Control and Data Acquisition)시스템을 통해 관측되는 정보(배수지 수위 및 펌프유량 등)를 추가적으로 활용하고 있다. 하지만, 기존의 펌프운영은 안정 성의 이유로 배수지의 수위를 일정수준 이상 유지 하는 방식으로 운영되어 왔다. 이 경우, 잦은 펌프 의 가동 및 정지로 인해 펌프의 손상과 더불어 에 너지 효율 측면에서 불리한 것으로 알려져 왔다.
펌프의 최적운영은 용수수요량과 배수지 수위를 종합적으로 고려하여 배수지별로 유입되는 유량을 실시간 펌프 조작을 통해 조정함으로써, 불필요한 펌프의 조작을 방지하고 안정적인 용수공급이 최 소한의 비용으로 이루어지도록 하는 것이다.
본고에서는 국내 송, 배수 시스템의 운영 현황 에 대해 알아보고, 기존 펌프의 운영안과 펌프 최 적 운영안의 비교를 통해 안정적인 용수공급이 가
능하면서도 에너지 사용을 최소화하는 실시간 펌 프운영 모형에 대해 소개하고자 한다.
2. 연구의 필요성
2.1 국내 송, 배수 시스템과 펌프장 운영
송, 배수 시스템은 필요로 하는 수요량을 정수 장에서 배수지까지 적정한 압력으로 연속적이면 서 안정적으로 공급하는 시스템을 말한다. 배수 방식에는 펌프가압식과 자연유하식으로 구분된 다. 우리나라의 경우 지형특성상 산지가 많고 표 고의 변화가 커, [그림 1]과 같이 배수지를 고지대 에 설치한 후 자연유하에 의해 배수하는 방식을 선호한다. 하지만 이 방식은 배수지가 고지대에 위치해 있기 때문에 배수지로 물을 올려보내는 가 압장에서 소모되는 전력소비량이 높을 수밖에 없 다. 국내 펌프장의 운영은 일반적으로 앞서 언급 한 SCADA시스템을 통해 관측되는 배수지 수위를 기준으로 가압장의 펌프작동 여부를 결정한다. 이 러한 운영방법은 용수공급의 안정성을 우선시함으 로써 향후 비상상황에 대비하기 위해 배수지 수위
그림 1. 국내 송, 배수 시스템 모식도
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를 필요이상으로 유지하려는 경향이 크다고 할 수 있으며 이를 위한 빈번한 펌프의 작동은 에너지 측면에서 비효율적일 뿐만 아니라, 펌프의 수명이 단축되고 배수지내 용수의 수질저하 문제를 야기 시킨다. 따라서 기존의 안정성에 초점을 맞춘 운 영방식을 개선하여 실시간으로 다양한 정보를 활 용한 최적 펌프운영 방안을 모색할 필요가 있다.
이러한 펌프운영은 실시간으로 향후 용수사용량을 예측한 후, 배수지 운영수위 범위를 수립하고 최 적의 펌프 운전 스케줄을 결정함으로써 불필요한 전력사용을 방지하고 수 운영 시스템의 효율을 보 다 향상시킬 수 있을 것이다.
2.2 네트워크 간략화
펌프장 최적 운영을 모의하기 위해서는 관망 수 리해석이 필수적이다. 하지만, 대규모 상수관망은
수 천 혹은 수 만개에 달하는 요소(관로 및 절점) 들로 이루어져 있어 수리해석 시간이 오래 소요되 고, 이는 실시간 운영모의에 어려움이 될 수 있다.
따라서 수리해석 결과에 큰 영향을 미치지 않는 범위에서 네트워크를 간략화(혹은 골격화) 함으로 써 수리해석 시간을 단축시킬 필요가 있다. 상수 관망 네트워크의 골격화에 대해서는 최정욱과 강 두선(2015)을 참고하기 바라며, [그림 2]는 송, 배 수 시스템을 골격화 한 예를 나타내고 있다. 펌프 최적운영 모의를 위한 골격화에 있어 가장 중요한 것은 골격화 전, 후 네트워크의 동일지점에서의 수리해석 결과(수압)가 동일하도록 시스템의 관로 와 절점을 간략화해야 한다는 것이다. 그럼으로 써, 골격화 네트워크를 이용하여 수립된 펌프운영 방안이 실제 네트워크에서도 그대로 적용이 가능 할 수 있다.
그림 2. 골격화 전, 후 네트워크 모식도, 출처 : 최정욱과 강두선 (2015)
(a) 실제 네트워크 (b) 골격화 적용 후 네트워크
2.3 송수펌프
일반적으로 펌프는 취수장, 정수장, 배수지 등 송수원에 위치하거나, 시스템 내 가압이 필요한 일부지역의 요구수압을 만족시키기 위해 시스템 중간에 설치하는 경우도 있다. 이러한 펌프의 운
전은 대수제어와 회전수제어가 주로 사용된다. 보 통 정속펌프(Constant Speed Pump, CSP)와 변 속펌프(Variable Speed Pump, VSP)로 구분되며 정속펌프의 운전은 펌프 가동율 100%를 기본으로 On/Off만을 판단하여 운영된다. 변속펌프는 정속 펌프와 달리 펌프의 회전수를 제어하여 운영된다.
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변속펌프는 정속펌프에 비해 펌프의 규모는 크지 만 운영에 있어 좀 더 유연한 운영이 가능하기 때 문에 중, 대형 펌프장에 비교적 적은 수의 펌프를 설치함으로써 펌프가 차지하는 공간이 작아지는 장점이 있고, 수요량의 변동에도 유연하게 대처하 여 일정 수압을 유지할 수 있는 장점이 있다. 일반 적으로 정속방식은 변속방식에 비해 설비비가 저 렴한 반면, 동력비가 증가한다. 반면, 변속방식은 정속방식에 비해 설비비가 높고, 운전비가 감소한 다. 따라서, 해당 펌프장의 운영특성 등을 고려하 여 적절한 운영방식을 결정해야 한다.
3. 실시간 펌프 최적운영 모형 3.1 개발 모형의 소개
본고에서 소개하고자 하는 실시간 펌프 최적운 영 모형은 크게 1) 수요량 예측 모듈, 2) 수리해석
모듈, 그리고 3) 최적화 모듈 등 세 가지의 모듈로 구성되어 있다. 먼저, 수요 예측 모듈은 과거 실 측데이터를 기반으로 시계열분석을 통해 향후 24 시간의 수요패턴을 예측한다. [그림 3]은 임의의 시간에서의 실시간 수요예측 결과를 도시한 예이 다. 실시간 최적 펌프운영 스케줄을 결정하기 위 해서는 수요 예측값이 필수적이며, 예측수요량의 정확도에 따라 펌프운영 결과의 정확도가 결정되 므로 전체모형에서도 가장 중요한 모듈이라고 할 수 있다.
수리해석 모듈은 예측된 수요량과 최적화 모듈 로부터 펌프운영 결과를 받아서 절점압력, 관로유 량 등을 모의하는 모듈이며, 미 환경청(U.S. EPA, 2000)에서 개발한 비상업용 관망해석 프로그램인 EPANET을 사용하였으며, 최적화 모듈과의 연동 을 위해서 개발자용 Toolkit을 적용하였다. 마지 막으로 최적화 모듈에서는 향후 24시간의 펌프운 영 스케줄을 결정 – 정속펌프의 경우 On/Off, 변 속펌프의 경우 변속율 – 하며, 이때 펌프전력비
그림 3. 수요량 예측 모듈
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용을 목적함수로 설정하고, 다양한 운영 제약조건 을 반영하도록 한다. 최적화 기법은 유전자 알고 리즘을 사용하였으며, 최적화 모듈에 관한 상세한
설명은 3.3절에 제시하였다. [그림 4]는 앞서 소개 한 세 가지 모듈의 관계도를 간략히 도시한 그림 이다.
그림 4. 개발 모형의 관계도
3.2 SCADA 시스템
SCADA 시스템은 현장계기 및 센서로부터 데이 터를 원격단말장치가 수집한 후, 유무선 통신망을 통해 중앙감시실에 설치된 감시제어용 컴퓨터에 전송하여, 현장의 상황을 온라인으로 감시, 제어 한다. 또한, 운영자의 조치사항을 시스템에 제공 함으로써 실시간 제어가 가능하도록 한다. 즉, 송, 배수시스템의 전반적인 핵심 요소이며, 상수관망 시스템 전체에 걸쳐 진행되는 상황을 운영자가 쉽 게 이해할 수 있도록 그래픽 형식으로 정보를 가 시화하여 제공한다. [그림 5]는 SCADA 시스템의
일반적인 구성 및 실시간 운영모형과의 연동을 간 략하게 나타낸 그림이다.
본 모형의 경우, SCADA 시스템을 통해 매시간 배수지 방류량(=수요량), 배수지 수위, 펌프상태 등의 실측데이터를 최적운영모형에 제공한 후, 모 형으로부터 계산된 펌프 스케줄링 결과를 펌프시 설에 내려줌으로써 실시간 펌프운영을 계획하도 록 한다. 매 시간 실시간으로 수집된 실측데이터 를 사용하여 시스템의 경계조건을 수정함으로써 모형의 계산 오차(즉, 이전 시간에 예측한 현재시 점의 예측값과 실측값의 차)를 최소화 할 수 있다.
즉, 현재 시간의 시스템 경계조건을 SCADA 시스
그림 5. SCADA 시스템 구성, 출처 : 배·급수시스템 핸드북, (2011)
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템으로부터 수집된 실측값을 이용하여 보정함으로 서 모형에 의한 오차를 최소화할 수 있다.
3.3 실시간 펌프운영 모의 과정
실시간 최적운영을 위해서는 정해진 시간간격 (주로, 1시간)마다 향후 시뮬레이션 기간(주로, 24 시간)만큼의 수요량 예측이 이루어져야 하고, 예측 된 수요량을 바탕으로 다양한 제약조건을 고려함 과 동시에 최적 펌프운영 계획이 실시간으로 수립
되어야 한다. 즉, 현재시간으로부터 향후 24시간동 안의 수요량을 예측하고, 예측된 수요량을 기반으 로 매 시간별 펌프 운영의 최적값을 탐색한 후, 현 재 시간의 결정값을 실제로 시스템에 적용하게 된 다. 다음 시점에서는 SCADA 시스템으로부터 제공 되는 실측값을 사용하여 시스템의 경계조건을 새 로 수정한 후 계산을 반복해 나간다. 이와 같은 모 의 과정을 모식화하면 [그림 6]과 같으며, 3.1절에 서 설명한 모듈을 이용한 실시간 최적운영 과정은 다음과 같은 4가지 단계를 거치게 된다.
그림 6. 실시간 펌프운영 연산 절차
(1) SCADA 시스템으로부터 실시간으로 수집되는 실측 데이터를 이용하여 시스템의 경계조건 재 설정
(2) 시뮬레이션 기간(향후 24시간)의 수요량 예측 (3) 예측된 수요량을 바탕으로 최적화 모듈을 이
용하여 시간별 향후 24시간 펌프 운영 스케줄 결정
(4) “ (3)”에서 계산된 향후 24시간 펌프 운영값 중 현재시간(t)에서의 결정값을 시스템 적용
(5) 1시간 경과 후(t+1), (1) ~ (4) 단계를 반복 수행 위 과정에서 언급한 매 시간 결정변수는 개별 펌프의 운영값이며 정속펌프의 경우 On/Off, 변 속펌프의 경우 변속율을 의미한다. 다양한 제약조 건을 설정하여 송, 배수 시스템의 실제 상황을 재 현하도록 설정하였으며, 최적화의 목적함수로 설 정한 펌프운영 비용은 아래의 식으로 나타낼 수 있다.
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여기서 N은 펌프대수를 의미하며, 는 펌 프의 소요동력(kW), Q는 토출량(㎥/sec), H는 총 양정(m), 는 펌프의 운전효율, EC(Energy Cost) 는 각 시간대별 전력단가(원/kW)를 나타낸다.
PC1~PC4는 제약조건 별 벌칙비용(Penalty Cost) 을 의미한다. 각각의 벌칙비용에 해당하는 제약조 건은 다음과 같이 정리할 수 있다.
(1) 펌프의 연속운영 고려 : 펌프가 한번 작동을 시 작하면 최소 2시간은 펌프의 ON상태를 유지, 펌프의 작동이 멈추면 해당 시점으로 부터 1시 간은 펌프의 OFF상태를 유지. 이러한 조건을 만족하기 위해 과거 3시간의 실제 펌프운영정 보를 가져와 연속운영의 조건을 판단
(2) 사업장별 계약 전력값 고려 : 펌프장별 전력사 용 상한선을 초과하지 않도록 개별 펌프 운영 (3) 수요절점의 압력조건 : 시스템 전체 절점에 최
소요구수압 이상의 수압을 유지하도록 운영 (4) 배수지 수위조건 : 24시간 주기의 용수사용 패
턴을 고려하여 t시간의 배수지 수위와 (t+24) 시간의 수위차가 ±10cm 이내가 되도록 운영 3.4 개발모형 적용사례
국내에서 운영 중인 P시의 송, 배수시스템에 개 발모형을 적용하여 펌프 운영방법에 따른 펌프장
운영비용을 비교하였다. 세 가지 형태의 운영방법 을 비교하였으며, 모의 결과는 [표 1]에 제시하였 다. 세 가지 운영방안 중 운영자 Rule의 펌프운영 비용이 377,425원으로 가장 높게 나타났으며, 정 속펌프, 변속펌프를 대상으로 최적화 알고리즘을 적용시켰을 경우의 펌프운영비용은 운영자 Rule 결과 대비 각각 9.4%, 33.1% 감소하는 것으로 나 타냈다. 펌프가동률의 경우 정속펌프, 변속펌프, 운영자 Rule 운영 각각 82%, 80%, 76%로 운영자 Rule이 가장 낮은 가동율을 보였다. 이와 같은 결 과는 시간대별 전력단가(KEPCO 산업용 전력단가 사용)의 고려로 인해 펌프의 가동시간과 운영비용 이 비례하지 않기 때문이며, 결과적으로 최적화를 통한 변속펌프 운영이 비용 측면에서 가장 경제적 인 운영방안이라고 할 수 있다.
참고로, 모형을 적용한 P시의 송, 배수 시스템 은 간략화를 통해 관로 410개, 절점 373개, 정수 장 1개소, 배수지 4개소, 송수펌프장 4개소(각 펌 프장 펌프 2대 구동) 등으로 구성되었다. 최적화 모의는 Intel(R) Core(TM) i5-3470 3.20GHz의 프로세서와 16.0GB의 RAM 제원의 PC에서 수행 되었으며, 한 번의 최적화 모의에 약 300초가 소 요되는 것으로 나타나 실시간 모의가 가능할 것으 로 판단된다.
표 1. Case별 펌프운영비용 및 가동률
운영 구분 Case A Case B Case C
운영자 Rule 정속펌프 변속펌프
펌프운영비용
(Won/day) 377,425 342,096 252,355
펌프가동률(%) 76 82 80
Case A 대비
운영비용 절감율(%) 0 9.4 33.1
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4. 맺음말
송, 배수시스템은 안정적인 용수 공급, 적정 수 압 및 수질 확보, 운영비용 절감 등을 고려하여 정 수장에서 급수 전단까지 감시 및 제어하는 종합적 인 운영관리가 필수적이다. 본고에서는 안정적이 고 경제적인 송, 배수시스템의 운영을 위한 송수 펌프 최적운영 모형개발에 대하여 소개하고, 간단 한 적용사례를 살펴보았다. 일반적으로 송, 배수 시스템의 선진화된 운영 및 제어를 위한 핵심요소 는 다음과 같다.
⦁ 급수지역의 충분한 수량 공급
⦁ 적정한 수압 및 수질 확보
⦁ 사고 및 비상 시 안정적인 물 공급을 위한 운전 관리
⦁ 운영비용 절감
국내 수자원 분야에서의 에너지 소비량은 매년 증가하는 추세로 전체 전력소비량의 비중 또한 매
년 높아지고 있는 실정이며, 용수생산 단가의 약 50% 이상이 전력요금이 차지할 정도로 전력소비 절감에 대한 필요성은 점차 증가하고 있다. 또한, 우리나라의 전력요금은 시간대별로 최대 2배 이상 차이가 나기 때문에 전력요금이 낮은 심야시간대 에 배수지 수위를 가득 채워 용수를 저장하고, 전 력요금이 높은 시간대에 저장된 용수를 공급하는 방식으로 운영하는 것이 효과적이다. 따라서, 안 정적이고, 경제적인 송, 배수시스템의 운영 및 관 리를 위해서는 기존의 운영방안을 개선하고, 본고 에서 소개한 실시간 펌프 최적운영 모형의 적용이 필요할 것으로 판단된다.
감사의 글
본 연구는 “환경부 - 차세대 에코이노베이션 기 술개발 사업(GT-11-G-02-001-5)”에 의해 지 원되었습니다.
1. Yu, T.C., Zhang, T.Q. and Li, X. (2005). “Optimal operation of water supply systems with tanks based on genetic algorithm.” Journal of Zhejiang University Science, Vol. 6A, No. 8, pp. 886-893.
2. Pasha, M., and Lansey, K. (2010). “Strategies for real time pump operation for water distribution systems.” Proceedings of Water Distribution Systems Analysis Conference 2010, ASCE, pp. 1456-1469.
3. 이광만, 강신욱, 김수명(2009). “광역상수도 계통의 Pump 운전비용 최소화” 한국수자 원학회 논문집, Vol. 42, No. 9, pp. 759-771.
4. 최정욱, 강두선(2015). “상수관망 시스템의 골격화 기법 평가” 한국수자원학회 논문집, Vol. 48, No. 10, pp. 847-857.
5. 배·급수시스템핸드북(2011). 홍릉과학출판사.
참고문헌
