스마트 그리드 기술의 저압 변전 구역 손실 관리 적용

저압 변전 구역(이하 "저압 변전 지역"이라 함)은 배전망의 필수 구성 요소로서, 전력 공급 기업의 경제적 이익과 최종 사용자의 전기 사용 품질에 직접적인 영향을 미치는 손실 문제를 통해 중요한 역할을 합니다. 그러나 전통적인 관리 방법은 정확성과 효율성 측면에서 명백한 단점을 가지고 있습니다. 이러한 상황에서 스마트 그리드 기술의 적용은 손실 관리에 새로운 해결책을 제공합니다. 고급 기술 수단을 도입함으로써, 손실 관리의 세분화 수준을 효과적으로 향상시키고 에너지 절약 및 배출 감소 목표를 지원할 수 있으며, 이것은 전력 산업의 고품질 발전을 촉진하는 데 매우 중요합니다.

1.저압 변전 지역의 손실 문제
저압 변전 지역의 손실 문제는 주로 기술적 손실과 관리적 손실로 분류됩니다. 기술적 손실은 장비 자체의 손실과 운영 제약으로부터 발생하며, 예를 들어 변압기의 철과 구리 손실, 선로 저항으로 인한 전력 손실 등이 있습니다. 일반적인 저압 배전선을 예로 들면, 도체 단면적이 50 mm²이고 부하 전류가 200 A일 때, 선로의 1km당 전력 손실은 약 4 kW입니다.

같은 조건에서 도체 단면적이 70 mm²로 증가하면, 손실은 약 30% 줄어듭니다. 반면 관리적 손실은 주로 측정 오류, 전기 절도, 또는 부적절한 운영 및 유지보수로 인해 발생합니다. 예를 들어, 전통적인 기계식 전력계의 경부하 상태에서의 측정 정확도는 약 85%에 불과하며, 이는 스마트 미터의 99% 이상을 크게 밑돌게 됩니다. 또한, 3상 불균형은 선로 손실을 크게 증가시킬 수 있으며, 변전 지역의 3상 전류 불균형이 15%를 초과하면, 손실률은 2%에서 5%까지 상승하게 됩니다. 이러한 문제들은 단순히 수동 검사만으로는 세밀한 관리를 위한 요구사항을 충족할 수 없음을 나타내며, 지능적인 방법이 급격히 필요하게 됩니다.

2.저압 변전 지역의 손실 관리에 적용되는 스마트 그리드 기술

2.1 HPLC (고속 전력선 통신) 기술
HPLC 기술의 기본 원리는 기존 저압 배전선을 통신 매체로 사용하여, 결합 회로를 통해 전력선 위에 고주파 변조 신호를 결합하여 고속 데이터 전송을 달성하는 것입니다. 이 기술은 주로 변전 지역 내의 선로 운용 상태 실시간 모니터링, 전력 데이터 수집, 사용자 전기 정보 교환 등의 시나리오에서 적용됩니다.

구현 과정에서는 먼저 변전 지역의 선로 환경을 현장 조사하여 채널 특성과 간섭 수준을 평가하고, 최적의 캐리어 주파수(일반적으로 1.7-30 MHz 범위 내)와 결합 방법을 결정합니다. 다음으로, 저압 변압기, 분기 상자, 그리고 사용자 전력계의 저압 측에 전용 커플러와 HPLC 통신 모듈을 설치하여 변전 지역 전체에 통신 네트워크를 구축합니다. 동시에, 상위 계층 응용 시스템과 원활하게 통합될 수 있도록 프로토콜 변환을 통해 마스터 스테이션 시스템을 배포합니다.

운영 및 유지보수 단계에서는 정기적으로 장비 점검 및 교정을 수행하고, 통신 신호 품질을 모니터링하며, 이상 사항이 발생하면 즉시 대응해야 합니다. 예를 들어, 캐리어 신호 감쇠가 30 dB를 초과하거나 비트 오류율이 1×10⁻⁴를 초과할 경우, 선로 결함이나 전자기 간섭원을 조사해야 합니다. 필요하다면, 송신 출력(일반적으로 –10 dBm에서 30 dBm 범위)을 조정하거나 커플러를 교체하여 시스템의 안정적인 작동을 보장해야 합니다. 

통신 안정성을 향상시키기 위해 HPLC 시스템은 일반적으로 적응형 변조 방식을 채택하여, 채널 품질에 따라 동적으로 변조 모드를 선택합니다. 다양한 변조 방식은 데이터 속도, 노이즈 저항력, 그리고 커버리지 범위가 다릅니다. 따라서 변전 지역의 부하 변동과 노이즈 조건에 따라 최적화된 구성이 필요합니다. 예를 들어, 밤 시간대에는 부하가 적고 노이즈 수준이 낮아 더 높은 순서의 변조를 활성화하여 데이터 처리량을 개선할 수 있으며, 낮 시간대 피크 시간에는 신뢰성 있는 모드로 전환하여 통신의 안정성을 보장할 수 있습니다. 표 1은 HPLC 시스템에서 일반적으로 사용되는 세 가지 변조 방법과 그 기술적 특성을 나열하여 현장 파라미터 구성에 대한 참고 자료를 제공합니다.

표 1 HPLC를 위한 일반적인 변조 방법의 기술적 특성 비교

2.2 지능형 상전환 스위치 장치
지능형 상전환 스위치 장치의 원리는 세상 전류와 전압을 측정하고 실시간으로 부하 불균형을 계산하며, 불균형이 미리 설정된 임계값(일반적으로 10%–20%)을 초과할 때 부하를 전환하여 삼상 부하를 재균형화하는 것입니다. 이 장치는 주로 변압기 구역 끝에서 특히 단상 부하가 많은 지역에 적용됩니다.

실시 과정:
먼저 적절한 설치 위치를 선택해야 합니다—예를 들어 분기함이나 배전 변압기의 저전압 측 등—공사와 유지보수의 용이성을 보장하기 위해
둘째, 현장 조사를 실시하여 부하 분포를 파악하고 스위치 용량을 합리적으로 구성해야 합니다(표 2 참조). 설치 및 시운전 단계에서는 부하 시뮬레이션 테스트를 수행하여 제어 전략과 보호 설정을 최적화해야 합니다. 예를 들어 과전류 보호 설정은 일반적으로 정격 전류의 1.2배로 설정됩니다.
셋째, 변압기 구역의 운전 모니터링 시스템을 강화하여 스위치 장치와 정보 교환 및 원격 제어가 가능하도록 해야 합니다.
넷째, 운전 및 유지보수 단계에서는 스위치에 대한 예방 점검을 정기적으로 실시하여 기계적 마모나 접촉 불량 등의 잠재적인 결함을 신속히 식별하고 처리하여 안전하고 신뢰성 있는 운전을 보장해야 합니다. 또한 변압기 구역의 부하 변동 추세를 주기적으로 분석하여 필요에 따라 스위치의 제어 논리와 매개변수 설정을 조정해야 합니다.

표 2 스마트 스위치 기어 용량 구성 참고

2.3 저압선 자동 전압 조정기
저압선 자동 전압 조정기의 기본 원리는 실시간으로 선로 전압과 전류를 측정하고, 선로 임피던스와 전력 인자 등의 파라미터를 계산하여 변압기 탭 체인저의 위치를 자동으로 조정하여 출력 전압을 허용 가능한 범위 내로 유지하는 것이다. 이 장치는 주로 저압 배전 네트워크에서, 특히 선로 끝부분에서 전압이 과도하게 높아지거나 낮아지는 경향이 있는 지역에서 주로 사용된다.

먼저 적절한 설치 위치를 선택해야 한다—예를 들어 배전 변압기의 저압 측이나 링 메인 유닛 등—그리고 현장 조사를 통해 공급 반경과 선로에 따른 사용자 분포를 이해해야 한다.
둘째, 조정기 용량(표 3 참조)과 제어 전략을 결정해야 한다. 설치 및 시운전 단계에서는 무부하 및 부하 테스트를 수행하여 전압 조정 정확도(일반적으로 ±1.5% 이내로 요구됨)와 응답 시간(보통 30초를 초과하지 않음)을 검증하고, 과전압 및 저전압 보호 기능 등을 확인해야 한다.
셋째, 시운전 후에는 종합적인 운영 관리 시스템을 구축하고, 점검, 운전, 유지보수 등의 요구 사항을 명확히 정의하여 조정기의 안전하고 안정적인 운영을 보장해야 한다. 예를 들어, 단상 전압이 5분 동안 연속적으로 정격 값의 ±7% 이상으로 벗어나거나, 삼상 전압 불균형이 2%를 초과할 경우 원인을 즉시 식별하고 시정 조치를 취해야 한다. 운영 데이터 분석 결과, 적절히 구성된 자동 전압 조정기는 선로 전압 준수율을 5%~15% 개선하여 전압 위반으로 인한 선로 손실을 크게 줄일 수 있다.

표 3 저압선 자동 전압 조정기 선택 참고 표

3.기술 적용

3.1 사례 배경 및 송전 손실 문제
변압기 구역 A는 오래된 도시 중심부에 위치해 있으며, 공급 범위는 1.5km이며, 712세대의 주택 고객과 86개의 상업 고객을 서비스하고 있습니다. 이 구역의 배전 인프라는 주로 400kVA의 정격 용량을 가진 S11-M.RL-400/10형 배전 변압기 하나와 평균 회로당 510미터 길이의 저압 출선 6개(두 개는 JKLGYJ-120mm² 선으로, 네 개는 JKLGYJ-70mm² 선으로 구성)를 포함하고 있으며, 또한 HXGN-12 링 메인 유닛 4개와 저압 통합 배전 캐비닛 18개가 있습니다.

최근 몇 년 동안 지역적인 도시 개발과 상업 시설 확장으로 인해 이 변압기 구역의 부하가 지속적으로 증가했습니다. 예를 들어, 2018년에는 최고 부하가 285kW에 달했으며, 전력 소비량은 전년 대비 7.6% 증가했지만, 송전 손실률은 9.7%로, 같은 기간의 관리 목표인 6.5%를 크게 초과하였습니다.

현장 조사에서 다음과 같은 주요 문제가 확인되었습니다:

• 배전 변압기와 선로의 연결 부분에서 접촉이 불량하여 국소적인 발열과 추가 손실이 발생했습니다;

• 삼상 부하 분산이 불균형하며, 최대 불균형도는 18.2%에 달했습니다;

• 일부 사용자들의 무단승선 및 전력 절취;

• 노후한 측정 장치로 인해 측정 오차가 ±5%를 초과했습니다.

이러한 요소들은 구역 내에서 지속적으로 높은 송전 손실을 초래하여 심각한 관리 문제를 야기하였습니다.

3.2 기술 선택 및 구현
변압기 구역 A의 송전 손실 문제를 해결하기 위해 철저한 평가 후 HPLC 통신, 지능형 위상 전환 스위치, 자동 전압 조정기를 통합한 포괄적인 솔루션이 구현되었습니다.

먼저, 변압기의 저압 측에 HPLC 커플러와 통신 모듈을 설치하고 각 분기 상자와 사용자 미터에 해당 장비를 배치하여 전체 변압기 구역을 커버하는 고속 전력선 통신 네트워크를 구축하였습니다. 이 네트워크는 모선과 분기의 전압, 전류, 전력뿐만 아니라 장비 온도와 고조파 왜곡 등 중요한 지표를 실시간으로 모니터링할 수 있게 하였습니다. 운영 및 유지보수 인원은 이를 통해 이상을 신속하게 감지할 수 있었으며, 고정밀 에너지 측정 데이터는 송전 손실 분석 및 관리에 강력한 지원을 제공하였습니다.

둘째, 주요 분기 상자와 주요 부하 위치에 250A의 최대 작동 전류를 지원하는 6개의 지능형 위상 전환 스위치 장치를 설치하였습니다. 이러한 스위치는 삼상 전류 불균형을 지속적으로 측정하고, 불균형이 15%를 초과할 때 자동으로 부하를 재분배하여 삼상을 효과적으로 균형 잡았습니다. 현장 테스트 결과, 스위칭 동작은 30ms 내에 완료되었으며, 사용자에게 중단 없이 원활한 전환이 이루어졌습니다. 설치 후 3개월 동안, 구역의 삼상 불균형은 18.2%에서 6.5%로 감소하였고, 송전 손실률은 1.7% 감소하였습니다.

셋째, 선로 말단의 전압 위반을 해결하기 위해 변압기로부터 710미터 떨어진 곳에 200kVA의 지능형 전압 조정기를 설치하였습니다. 이 조정기는 210-430V 범위의 입력 전압을 받아 220V ±2% 범위의 출력을 유지합니다. 선로 말단의 실시간 전압 측정값을 기반으로 자동으로 회전비를 조정하여 말단 전압을 항상 허용 범위 내로 유지합니다. 설치 이후, 다양한 부하 피크와 밸리를 통해 조정기는 신속하게 반응하여 9개 주요 모니터링 지점의 전압 준수율을 87%에서 98.5% 이상으로 끌어올렸습니다.

“모니터링-제어-최적화”의 폐쇄형 관리 접근 방식을 통해 이러한 조치들은 변압기 구역 A의 송전 손실 성능을 크게 개선했습니다. 이를 통해 연간 약 120,000kWh의 에너지 절약이 이루어져 눈에 띄는 경제적 이익을 얻었습니다. 주요 지표 비교는 표 4에 나와 있습니다.

표 4 종합 관리 전후 A 구역의 주요 지표 비교

실제 구현 시 다음과 같은 사항에 유의해야 합니다:
첫째, HPLC 통신 신뢰성, 송신 전력, 채널 코딩 등의 매개변수는 변전소의 특정 조건에 따라 적절하게 구성되어야 하며, 필요하다면 중계 방법을 사용하여 통신 거리를 확장할 수 있습니다.
둘째, 위상 전환 스위치 작동의 타이밍과 상호 잠금 논리는 과도하거나 잘못된 전환 동작을 피하기 위해 신중하게 설정되어야 합니다. 예를 들어, 불균형이 15%를 초과하고 3분 동안 지속될 때만 스위치가 작동하도록 구성할 수 있습니다.
셋째, 자동 전압 조정기의 적절한 선택 및 용량 구성은 기계적 마모를 방지하기 위해 일정한 여유를 포함해야 하며, 자동 전압 조정기 선택 및 구성에 대한 가이드라인은 표 5를 참조하십시오.

표 5 자동 전압 조정기 모델 선택 참고

또한, 고품질의 운영 및 유지보수 팀은 시스템의 장기적인 안정적인 운영을 보장하는 데도 중요합니다. 실제 요구 사항과 밀접하게 맞물려 지역 조건에 따라 기술 솔루션을 선택하고 최적화하고, 건전한 관리 메커니즘으로 이를 지원함으로써 선로 손실 관리의 지속적인 개선을 진정으로 달성할 수 있습니다.

4. 결론
저압 변압기 구역에서의 선로 손실 관리는 전력 공급 품질과 경제 효율성을 향상시키는 데 큰 의미가 있으며, 스마트 그리드 기술의 적용은 이에 강력한 지원을 제공합니다. 실제 작업에서는 HPLC(고속 전력선 통신), 지능형 상 전환 스위치 장치, 저압선 자동 전압 조정기와 같은 기술들이 연구 및 실현의 주요 초점이 되었습니다. 이러한 기술들을 통해 변압기 구역의 운영 상태를 실시간으로 모니터링하고, 3상 부하의 동적 균형, 그리고 단말 전압의 정밀 조정을 실현할 수 있습니다.

특정 군 도시의 A 변압기 구역을 예로 들어, 종합적인 개선 후 선로 손실률이 9.7%에서 6.1%로 감소하였으며, 전압 적합률이 11.5% 향상되어 상당한 경제적 및 사회적 이익을 얻었습니다.

그러나 현재 기술 적용에는 여전히 개선이 필요한 영역이 있습니다. 예를 들어, 통신의 간섭 방지 능력을 더욱 향상시키고, 장비의 자기 적응 제어 전략을 세밀화해야 합니다. 앞으로는 지능형 장치들의 통합 설계와 조정된 제어, 그리고 빅 데이터와 인공 지능을 기반으로 한 선로 손실 예측 모델의 더 깊은 탐구가 필요합니다. 또한, 운영 및 유지보수 인력의 기술 교육 강화는 시스템의 장기적인 안정적인 운영을 보장하기 위해 필수적입니다. 이러한 조치들은 저압 변압기 구역에서 선로 손실 관리를 위한 더 효율적이고 지속 가능한 솔루션을 제공할 것입니다.