이에 대한 대처 방안이 절실한 상황이며 세계적으로도 이에 대한 연구가 활발한 상황이다.

이에 따라 한전 전력연구원 전영수 선임연구원이 총괄책임을 맡고 있는 ‘송전계통의 고조파 관리기준 연구’과제가 더욱 주목을 받고 있다.

■ 무엇을 연구하나

이번 과제는 전력산업구조개편 추진에 따라 조성된 산업자원부의 전력산업기반기금 일부를 재원으로 하는 연구사업으로서 한전 전력연구원(주관기관)과 기초전력연구원(위탁기관)이 10억6900만원의 예산을 투입, 공동 연구를 수행하고 있다.

전영수 선임연구원이 한전 전력사업소 고조파 관련업무 담당자들에게 고조파 관리기준 연구방향에 대해 설명하고 있다.

연구는 지난해 12월 착수돼 오는 2008년 11월까지 2년 동안 진행된다.

고조파는 아크로나, 정류기, 인버터 등 비선형 부하에 의해 발생된다. 고조파에 의한 전력기기의 역율 저하, 정밀기기의 오동작 등으로 경제적 손실이 증대되고 있다. 이러한 피해를 줄이기 위해 고조파를 관리하는 기준을 개발하고 있는 것이다.

현재 국내에서는 전압고조파만을 관리하고 있다. 하지만, 유럽이나 미국 등에서는 전류고조파와 각 차수별 고조파를 제한하는 상세한 기준을 적용해 효과적으로 고조파를 관리하고 있다.

이번 과제에서는 국내외의 고조파 관리기준을 분석하고, 지역 및 부하특성을 고려한 고조파 데이터를 측정, 분석함으로써 국내 송전계통의 특성을 반영한 고조파 관리기준을 개발하는 것이 목표다.

연구팀은 현재 2차년도 연구가 수행중이다. 지금까지는 IEEE(국제전기전자공학회), IEC(국제전기표준회의) 등 국외 고조파 관리기준을 분석했다. 외국의 IEEE, IEC와 같은 해외의 고조파 규격은 해당 국가의 계통을 기준으로 제정되었다. 국내 송전계통에 수정 없이 적용하기는 어렵다. 이에 따라 지역별, 부하별 특성을 고려해 송전선로, 154kV 주변압기와 아크로, 고속철도 등 특수 부하를 대상으로 50개 변전소를 선정하고 계측기를 설치해 고조파 데이터를 취득하고 분석 중에 있다. 국내 전력계통 특성을 반영해 송전계통의 고조파 관리기준을 개발할 예정이다.

또한 전력계통에서 측정된 일부 고조파 데이터를 이용해 계통전체의 고조파 전압, 고조파 전류 분포를 구하는 상태추정기법과 EMTDC 프로그램 등을 이용한 송전계통의 고조파 모델링 및 해석기법 연구도 수행하고 있다.

■ 연구 필요성<기술적 측면>

IEEE, IEC 등의 고조파 관련 규격은 고조파 발생량 증대 및 고조파에 민감한 부하 등을 고려하는 등 고조파에 대한 변화 환경을 반영해 관련 규격을 지속적으로 수정 및 보완하고 있다. 하지만 국내의 경우 고조파에 대한 인식 부족 등으로 급격히 변화된 고조파 환경을 반영하지 못하고 있다. 이에 따라 고조파 발생량 관리 및 고조파 수준 유지를 위한 기준 개발과 전력계통의 고조파 해석을 위한 기법 개발 등이 필요한 상황이다.

한전 전력연구원 연구팀들이 변전소에서 고조파 실측조사를 하고 있다.

국내 송전계통의 특성이 반영되고 고조파 관련 국제 규격의 주요 항목을 적용시킬 수 있도록, 국내 송전계통의 고조파 수준을 파악하고 고조파의 발생, 상하위 계통 및 인근 계통간의 영향 등을 분석해 효과적으로 송전계통의 고조파 수준을 관리하고 유지할 수 있는 관리기준을 제정할 필요성이 제기되고 있다.

또한 송전계통의 고조파 수준을 파악하기 위한 현장측정 방안과 고조파 영향 분석을 위한 고조파 특성 분석, 고조파 발생원 및 발생원 추정 등 해석기법 개발이 필요하며, 미래 송전계통의 고조파 수준과 같이 측정할 수 없거나, 경제적 이유로 측정이 불가능할 경우 고조파 분표 예측기법 등 해석기법 개발이 필요하다.

■ 연구 필요성<산업ㆍ경제적측면>

사이리스터 및 반도체 응용기술의 급속한 발전에 의해 대형 인버터 등 비선형 부하가 송전계통에 널리 보급되고 있어 고조파 발생량이 급격히 증가되고 있다. 또한 고조파 등 전력품질에 민감한 부하도 늘어나고 있어 고조파 등 전력품질 저하에 의한 경제적 손실도 점차 증대되고 있다.

따라서 계통의 고조파 수준을 관리하고 유지시킬 수 있는 기준을 적용함으로써 고조파에 의한 기기의 열화, 기기 오동작, 전력손실 및 역률 저하 등 경제적 손실 감소와 생산성을 증대시킬 수 있다.  

■ 연구 필요성<정책적측면>

 

송전계통 비선형부하로 인한 고조파 영향으로 전류파형이 정상적인 사인(Sin)곡선이 아니라 비정상적으로 왜곡된 모습.

지역별, 부하별 특성을 고려한 고조파 측정, 분석으로 국내 송전계통의 현황 파악이 필요하며, 송전계통 고객의 고조파에 대해 유출 허용기준치, 측정위치, 측정기기, 측정기간, 측정 데이터 적용과 전력회사에서 유지해야 하는 전압고조파 수준 등에 대한 명확한 관리기준 제시를 위한 연구가 필요하다.

■ 파급효과

이번 연구가 완료되면 국외의 송전계통 고조파 관련 규격과 국내의 계통 특성 및 고조파 현황을 반영해 개발된 고조파 관리기준과 해석기법을 적용함으로써, 합리적이고 효과적으로 계통의 고조파 수준을 관리할 수 있게 된다.

또한 송전계통의 고조파 발생을 억제하기 위해서 고조파 허용기준치 및 측정기준 등 명확한 관리기준을 적용함으로써, 기기의 고조파 발생을 억제하기 위한 물리 및 재료 분야의 연구가 활성화 될 것으로 기대된다.

고조파를 측정하고 감시할 수 있는 모니터링 설비 개발 기술, 고조파 저감을 위한 수동필터, 능동필터의 개발 및 제어기술 등의 발전도 기대된다.

■ <인터뷰>-전영수 선임연구원(한전 전력연구원 전력계통해석센터)

"고조파 잡아 전력안정 기여"
 

“국내 송전계통의 현황을 파악하고 계통 특성을 반영한 송전계통의 고조파 관리기준 개발과 해석기술을 확보하면 송전계통의 고조파 영향 분석과 대책수립을 할 수 있습니다. 또한 계통의 고조파를 일정 수준이하로 유지하는데 관리기준을 개발해 적용하면 안정적인 전원공급에도 크게 기여할 것입니다.”

전영수 선임연구원은 이번 연구과제가 송전계통 안정화에 크게 기여할 것이라고 강조했다.

전 선임연구원은 또 “국외의 고조파 관리규격을 상세히 분석하고 지역별, 부하별 고조파 현장 실측을 통해 고조파의 현황과 특성을 구체적으로 파악, 분석할 것”이라며 “이를 통해 합리적인 고조파 관리기준 개발에 역점을 두고 과제를 수행하고 있다”고 말했다.

고조파는 전력계통 불안정의 최대 해결과제이며 이를 위해서는 우리 실정에 맞는 관리기준 개발이 선결되어야 한다는 게 전 선임연구원의 설명이다.

전 선임연구원은 또 “이번 과제를 통해 확보된 기술은 송전계통의 고조파 관리에 적용돼 고조파 억제 대책을 수립, 시행하는데 기본 근거가 될 것”이라며 “고조파에 의한 전력품질 저하를 대폭 줄임에 따라 고품질의 전력공급 기반 구축에 기여할 것”이라고 말했다.