전력 시스템 신뢰성에 있어 시간은 모든 것

조 스티븐슨(Joe Stevenson)
《더 릴레이 뉴스레터(The Relay Newsletter)》, 보호 계전기 시험 | 2025년 4월 15일

전기가 끊기면 손전등이 켜진다. 전기 시스템이 손전등처럼 단순하다면 좋겠지만, 현실은 그렇지 않다. 전기는 단순한 조명을 넘어 훨씬 더 많은 기능을 한다.

예기치 않은 정전을 방지하기 위한 기술들이 전력 인프라에 적용되어 있지만, 그럼에도 시스템은 때때로 갑작스럽게 정지되곤 한다. 전력 회사, 산업계, 요금 납부자—그 누구도 전력 중단을 원치 않는다. 단순히 불편함을 넘어서, 심각하고 비용이 큰 결과를 초래할 수 있다.

우리의 일상은 전기에 의존한다. 전기는 현대 사회의 생명줄이다. 그 방대한 인프라의 건강과 신뢰성은 필수적이다. 수많은 상호 의존적인 공정 중 하나에서라도 작은 문제가 발생하면 블랙아웃으로 이어질 수 있다.

모든 것이 괜찮아 보이다가도, 어느 순간 문제가 발생한다. 예기치 않은 정전을 방지하려면 발전기, 변압기, 송전 설비의 상태를 파악하고 가능한 한 빨리 개입하여 전기적 손상을 막아야 한다. 상태 모니터링 및 보호 및 제어(P&C) 시스템은 자산의 신뢰성을 확보하는 데 중요한 역할을 하며, 투자 보호 측면에서도 매우 중요하다.

동기화의 중요성

상태 모니터링 및 P&C 시스템을 구성하는 장비들은 전력 인프라를 제어 센터와 연결하는 네트워크 토폴로지의 노드들이다. SCADA, EMS 등과 함께 작동하는 이러한 전력 및 산업용 운영 기술(OT) 시스템은 공통된 시간 기준을 필요로 한다. 다양한 장비와 네트워크 간의 정밀한 시간 동기화는 매우 중요한 과제이며, 쉬운 일이 아니다.

네트워크 엔지니어들과 OT 통신 전문가들은 지연 시간(신호가 소스에서 목적지까지 도달하는 데 걸리는 시간), 지터(지연 시간의 변동), 드리프트(시간 정확도의 저하) 등을 고려해 네트워크를 설계한다. IED, MU, RTU, HMI 등 다양한 장비의 제조사와 설치 위치는 광섬유, 동축 케이블, 무선, 전력선 통신, 마이크로파, 위성 등 어떤 통신 매체를 사용할지를 결정짓는다.

각 통신 매체는 장단점이 있다. 시스템 설계자는 물리적(비용, 내구성, 연결성) 요소와 가상적(대역폭, 포맷, 전송 속도) 요소를 고려해 현실적인 네트워크 인프라 설계를 구상한다. 이들의 노력은 다양한 장치들이 정밀하게 동기화되어 전력 시스템을 모니터링하고, 측정하며, 보호하고 제어하는 통신 시스템을 만들어낸다.

시간의 문제

P&C 시스템은 전력 인프라의 OT 시스템 중에서도 전류 흐름을 차단하는 데 있어 핵심 역할을 한다. 계전기는 P&C의 중추로, PT/VT와 CT에서 들어오는 신호를 통해 전기적 결함을 감지하고 차단기(서킷 브레이커)를 개방하도록 지시한다. 리클로저는 반대로 작동하여 계전기가 차단을 수행한 뒤 빠르게 차단기를 다시 닫는다. 만약 결함이 계속되면 ‘락아웃’ 상태가 되어 수동 개입 없이는 차단기가 다시 닫히지 않는다. 이러한 자동화된 작동은 순식간에 일어나며, 이는 폭풍 속에서 순간적인 정전이 일어나는 이유 중 하나다.

하지만 정전의 원인이 꼭 폭풍은 아니다. P&C 계전기는 다른 OT 장비들과 마찬가지로 애플리케이션의 요구 사항에 맞는 설정값을 필요로 한다. 특히, 현대의 IED 계전기는 다중 통신 기능을 내장하고 있어 설정이 더 복잡하다.

계전기 스킴은 통신 스킴과 함께 작동하며, 지역 및 원격 장비 간 시간에 맞춰 조정된 순서로 작동한다. 전류 및 전압 신호가 수백 마일 떨어진 광섬유를 통해 전송되든, 고주파 신호가 전력선을 통해 직접 전송되든, 계전기 간의 동기화(타이밍)는 절대적으로 중요하다. 광섬유의 지연 시간이 너무 길면, 계전기는 시간 차이로 인해 정상 데이터를 라인 결함으로 오인할 수 있다. 고주파 신호가 전송되는 데 걸리는 시간 또한 정확히 고려되어야 하며, 각 말단의 보호 계전 설정이 적절히 조정되어야 한다.

만약 계전기나 차단기, 또는 통신 채널에 이상이 발생한다면, 백업 스킴이 작동한다. 그러나 이러한 스킴의 타이밍이 맞지 않으면, 일차 스킴이든 백업이든 간에 결함이 장시간 유지되어 재앙적인 결과를 초래할 수 있다. 아무리 설정이 정확하더라도 장비가 제때 작동하지 않으면 소용없다.

디지털 보호 기술의 등장으로 시간의 중요성은 더욱 부각되며, 동시에 네트워크 엔지니어와 통신 전문가들의 업무는 더욱 복잡해진다. 중복(redundancy)은 전력 시스템의 핵심이며, P&C 시스템이 디지털로 전환되어도 마찬가지다. IEC 61850과 같은 디지털 보호 시스템은 병렬 중복 네트워크를 필요로 하며, 이는 네트워크 요구사항을 두 배로 증가시키고, 마이크로초 수준의 정밀한 동기화가 필수이다. 보호 시스템에 데이터를 더 많이 실을수록, 타이밍과 고정밀 동기화는 더욱 중요해진다.

지금이 바로 그 시간

최근 전력 산업은 전기만큼이나 빠르게 변화하고 있다. 현대화와 확장은 전력 업계의 화두이며, 마이크로초, 나노초 수준으로 작동 가능한 OT 장비의 출현은 시스템 조정과 안정성에 큰 변화를 가져오고 있다.

전력 및 산업 분야의 기업들은 빠르게 진화하며, 기존에 수년간 사용하던 OT 장비를 더 빠른 신호 전송 및 반응 속도를 가진 최신 장비로 교체하고 있다. 빠른 통신과 차단을 넘어, 최신 OT 장비는 시퀀스 이벤트 데이터를 더 정밀하게 타임스탬프 처리하여 사건 분석과 조사에서 훨씬 더 높은 정확도를 제공한다.

시간과 관련된 다양한 국제 표준은 장비와 시스템이 신뢰성 있게 작동하기 위한 요건을 명시하고 있다. OT 장비의 신뢰성은 운영자와 제조사 모두에게 매우 중요하다. 이제는 그 어느 때보다도 많은 것이 걸려 있고, 실수의 여유가 없다. 시간 엄수는 그 어느 때보다도 중요하다.