KR102175928B1 - 소방용 비상발전기의 현장부하시험을 위한 ess 부하시험 시스템 및 방법 - Google Patents

소방용 비상발전기의 현장부하시험을 위한 ess 부하시험 시스템 및 방법 Download PDF

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건양대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 상용 전원의 차단 없이 비상용 부하의 동작특성과 동일하게 ESS가 충전동작을 수행함으로 비상발전기의 성능 및 상태를 시험할 수 있는 소방용 비상발전기의 현장부하시험을 위한 ESS 부하시험 시스템에 관한 것이다.

Description

소방용 비상발전기의 현장부하시험을 위한 ESS 부하시험 시스템 및 방법 {System And Method for ESS Load Test Device of Emergency Generator}
본 발명은 비상발전기의 부하에 관한 것으로, 자세하게는 상용 전원의 차단 없이 비상용 부하의 동작특성과 동일하게 ESS가 충전동작을 수행함으로 비상발전기의 성능 및 상태를 시험할 수 있는 소방용 비상발전기의 현장부하시험을 위한 ESS 부하시험 시스템 및 방법에 관한 것이다.
비상발전기는 정전 및 화재 시 비상용부하에 전원을 공급하여 인명과 재산을 보호하는 중요한 설비로, 7층 이상, 연면적 2,000㎡ 이상인 특정 소방대상물은 비상발전기를 의무적으로 설치하고 연 2회의 부하시험을 하도록 소방관련법규에 규정되어 있다.
비상발전기의 부하시험은 기본적으로 상용전원을 차단하여 ATS(automatic transfer switch)를 비상발전기로 전환하고 규정시간 동안 비상용부하의 운용에 따른 성능 및 상태를 확인하게 된다.
하지만, 비상발전기의 부하시험은 상용전원, 즉 일반부하에 전원공급이 중단하여 계통의 정전 및 복전에 따른 피해발생 우려로 대부분의 현장에서는 육안점검으로, 누수ㆍ누유와 같은 기계적 결함만을 확인하고, 무부하 상태로 비상발전기를 테스트하는 실정이다.
이는 실정법에 저촉될 수 있으며, 특히, 화재와 같은 비상상태에서 인명과 재산을 보호하는 소방시설의 신뢰성을 저해하므로, 상용전원 차단에 따른 불편함 없이 효과적으로 수행될 수 있는 비상발전기의 부하시험 방안이 요구되고 있다.
기본적으로 비상전원의 출력용량은 비상전원설비에 설치되어 동시에 운전될 수 있는 모든 부하의 합계 입력용량을 기준으로 정격출력용량을 산정하고, 기동전류가 가장 큰 부하가 기동 될 때에도 부하의 허용 최저입력전압 이상의 출력전압을 유지하여야 한다.
또한, 단시간 과전류에 견디는 내력은 입력용량이 가장 큰 부하가 최종 기동할 경우에도 견딜 수 있어야 한다.
소방용 비상발전기는 대부분 겸용발전기로 상용전원 중단 시 소방설비부하와 일반설비부하에 비상전원을 동시에 공급하게 된다. 일반설비부하에는 급수펌프, 가로등 및 기타 관련 설비부하로 구성되며, 소방설비부하는 소화펌프, 제연팬 및 기타 소방 관련설비가 포함된다.
이때 소방설비부하의 비상전원 사용시간은 건축물의 층수가 29층 이하는 20분, 30층 이상 49층 이하는 40분, 50층 이상은 60분 이상으로 전원을 공급하여야 하므로 비상발전기에서 소방용 전원용량이 차지하는 비율이 상당히 크다.
일반적으로 소방설비부하에서 기동전류가 큰 부하는 유도전동기를 사용하는 펌프와 제연팬으로 화재 시에 상용전원이 정전되면 일반설비부하와 함께 기동전류가 큰 유도전동기 부하가 동시에 기동하게 된다.
도 1은 유도전동기의 기동 특성을 나타낸 그래프로서, 유도전동기부하는 기동시의 큰 기동전류에 의해 역률이 급격히 저하되어 피상전력이 매우 커지는 특징이 있다. 이때, 비상발전기에서는 순간적인 용량의 증가로 과전류가 흘러 발전기의 가동이 중단되거나, 기동에 실패할 가능성이 매우 커 비상발전기의 부하시험에 반드시 고려되어야 한다.
또한, 최악의 화재상황에서 자체 소방시설로 화재진압에 실패하여 소방대에 의한 소화활동이 이루어진다면, 소방대의 소화활동설비(비상콘센트 등) 사용으로 인하여 비상전원의 규정 사용시간과 용량이 증가한다. 따라서, 비상전원의 용량은 충분한 여유를 고려하여 용량을 산정하여야 하며, 주기적인 부하시험으로 비상발전기의 성능과 상태를 확인하여야 한다.
도 2는 일반적인 로드뱅크를 이용한 비상발전기 부하시험 개념도로서, 기존의 비상발전기 부하시험 방법은 저항(R)부하로 구성된 부하장치(load bank)를 사용하여 시험한다.
비상발전기를 일반적인 Load Bank를 이용하여 시험하면, 기동 시 급격하게 전류가 상승하는 소방설비부하의 특성을 반영하지 못할 뿐 아니라, 생산된 전력을 열로 소진하여 에너지를 낭비하는 문제점이 있다. 이때 유도성(L)부하가 적용된 부하장치를 사용할 수 있겠으나, 고가인 관계로 연구용으로만 일부 사용하고 있다.
도 3은 Back-to-Back PCS 시스템을 이용한 비상발전기의 부하시험 개념도로서, 이와 같이 수변전설비에 PCS(power conversion system)를 연결하여 비상발전기를 부하시험 할 수 있는 방법(back-to-back system)을 생각할 수 있으나, 대부분의 현장에는 Back-to-Back PCS를 수변전설비에 연결할 예비용 대용량 차단기가 없어 상용전원을 차단하여야 하고, 비상발전기 시험시 사고발생에 대한 보호협조 문제가 발생할 수 있어 적용하는데 어려움이 있다.
최근에는 무정전 부하 전환을 가능하게 하는 CTTS(closed transition transfer switch)가 보급되고 있으나, 고가인 관계로 기존 현장에 설치되는 사례가 매우 적으며, 일부 대형 신축건축물에 설치되고 있는 실정이다.
공개특허공보 제10-2018-0135723호(2018.12.21)
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 정전에 따른 2차 피해발생 우려가 없도록 비상용부하의 전원용량과 특성에 부합하는 ESS를 이용하여, 상용전원의 차단 없이 비상발전기의 성능 및 상태를 확인할 수 있는 소방용 비상발전기의 현장부하시험을 위한 ESS 부하시험 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 위해 본 발명 소방용 비상발전기의 현장부하시험을 위한 ESS 부하시험 시스템은 설정된 기동용량에 따라 구분된 비상용부하의 전체 정격용량을 산정하는 제1산정부; 모터를 사용하는 비상용부하의 기동방식에 따라 설정된 정격용량 및 기동계수를 적용하여 기동시 부하용량을 산정하는 제2산정부; 비상용부하의 기동시간을 선정하는 시간적용부; 순차적으로 투입되는 비상용부하의 용량을 기동특성을 고려하여 무효전력과 유효전력으로 구분하여 산정하되, 최대운전시간을 적용하여 시간대별 운용패턴을 산출하는 패턴산출부; 상기 운용패턴에 따른 전력변환부와 배터리의 적용 가능 여부를 판단하는 판단부; 상기 운용패턴에 따라 부하시험을 수행하되 비상발전기로부터 공급되는 전압과 주파수가 설정된 범위를 만족하고 운용시간이 최대시간에 도달하는 경우 적합판정을 내리는 시험부; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때 상기 제1산정부는 비상용부하를 재연팬과 펌프와 일반설비로 구분하는 것이 바람직하다.
또한, 시험대상 비상발전기의 용량의 허용용량을 만족 여부를 평가하는 예비평가부; 를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기와 같은 목적을 위해 본 발명 소방용 비상발전기의 현장부하시험을 위한 ESS 부하시험 방법은 설정된 기동용량에 따라 구분된 비상용부하의 전체 정격용량을 산정하는 단계; 모터를 사용하는 비상용부하의 기동방식에 따라 설정된 정격용량 및 기동계수를 적용하여 기동시 부하용량을 산정하는 단계; 비상용부하의 기동시간을 선정하는 단계; 순차적으로 투입되는 비상용부하의 용량을 기동특성을 고려하여 무효전력과 유효전력으로 구분하여 산정하되, 최대운전시간을 적용하여 시간대별 운용패턴을 산출하는 단계; 상기 운용패턴에 따른 전력변환부와 배터리의 적용 가능 여부를 판단하는 단계; 상기 운용패턴에 따라 부하시험을 수행하되 비상발전기로부터 공급되는 전압과 주파수가 설정된 범위를 만족하고 운용시간이 최대시간에 도달하는 경우 적합판정을 내리는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때 상기 비상용부하는 재연팬과 펌프와 일반설비로 구분하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제1단계 이전에, 시험대상 비상발전기의 용량의 허용용량을 만족 여부를 평가하는 단계; 를 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명을 통해 상용전원을 차단하지 않고도 실제 비상용부하를 사용하는 것과 동일하게 비상발전기의 성능을 확인할 수 있으며, 실무현장에서 법규를 준수하면서 부하운전시험으로 비상발전기의 기동불량 및 정지 등을 미리 확인하고 조치할 수 있어, 소방용 비상전원의 신뢰성 향상에 크게 기여할 수 있다.
또한, 부하시험용 ESS를 이동식으로 적용함으로 비상발전기 시험 시 ESS에 충전된 전력을 방전하여 전력을 판매하거나, 소방시설을 연 2회 점검하여야 할 소방시설관리업체 등에 판매 또는 임대하는 등의 상호 보완적인 상생기반의 비즈니스 모델이 제공될 수 있다.
도 1은 유도전동기의 기동 특성을 나타낸 그래프,
도 2는 일반적인 로드뱅크를 이용한 비상발전기 부하시험 개념도,
도 3은 Back-to-Back PCS 시스템을 이용한 비상발전기의 부하시험 개념도,
도 4는 본 발명에 따른 ESS 부하시험 시스템를 이용한 비상발전기의 부하시험 개념도,
도 5는 본 발명에 따른 ESS 부하시험 시스템의 구성도,
도 6은 본 발명에 따른 구성을 나타낸 블록도,
도 7은 본 발명에 따른 부하시험 절차를 나타낸 흐름도,
도 8은 본 발명에 따른 부하시험 방법을 나타낸 순서도,
도 9는 본 발명에 따른 부하시험 운용 패턴을 나타낸 그래프,
도 10은 본 발명에 따른 부하시험 시스템의 운용 알고리즘을 나타낸 순서도,
도 11은 모델링된 비상용 디젤발전기의 회로도,
도 12는 모델링된 비상용 부하의 회로도,
도 13은 모델링된 유도전동기의 회로도,
도 14는 모델링된 ESS 부하시험 시스템의 회로도,
도 15는 모델링된 전체 비상전원계통의 회로도,
도 16은 비상용부하의 운용 타임차트,
도 17은 정전 시 비상용부하에 의한 비상발전기의 출력특성 그래프,
도 18은 정전 시 ESS 부하시험 시스템에 의한 비상발전기의 출력특성 그래프,
도 19는 화재 시 비상용부하에 의한 비상발전기의 출력특성 그래프,
도 20은 화재 시 ESS 부하시험 시스템에 의한 비상발전기의 출력특성 그래프,
이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명 소방용 비상발전기의 현장부하시험을 위한 ESS 부하시험 시스템 및 방법의 구성을 구체적으로 설명한다.
도 4는 본 발명에 따른 ESS 부하시험 시스템를 이용한 비상발전기의 부하시험 개념도로, 비상발전기에 전기저장장치를 연계하여, 비상용부하의 동작특성과 동일하게 ESS가 충전동작을 수행함으로 비상발전기의 성능 및 상태를 시험할 수 있는 방안을 도시하고 있다.
도 5는 본 발명에 따른 ESS 부하시험 시스템의 구성도로, 소방설비부하의 급격한 기동전류 상승에 따른 역률 하강을 PCS의 무효전력 제어기능으로 반영하고, 비상용부하의 역할을 수행하는 축전지가 연계되어, 계측장치에 의해 비상발전기의 성능과 상태를 확인할 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 부하시험 절차를 나타낸 흐름도로서, 본 발명에 따른 ESS 부하시험 시스템을 이용하여 설계도서 검토를 시작으로 현장에서 상용전원을 차단하지 않은 상태에서 비상발전기를 부하 시험하여 성능의 이상 여부를 판단할 수 있는 절차를 제시한다.
먼저, 초기 단계(S 100)에서는 예비평가부(110)를 통해 시험대상 비상발전기의 용량의 허용용량을 만족 여부를 평가하게 된다.
비상발전기의 누수ㆍ누유와 같은 기계적 결함을 확인하는 육안점검 전, 설계도서 검토 시 수행하여야 할 비상발전기의 용량은 다음의 [수학식 1]의 3가지 방식에서 산출된 값 중 최대의 용량으로 선정되었는지 확인한다.
여기서, PG1은 정격운전 상태에서 부하 설비에 급전하는데 필요한 발전기 용량(kVA), PG2는 부하 중에서 가장 큰 기동용량(kVA)를 지닌 전동기를 기동할 때의 허용전압강하를 고려한 경우의 발전기 용량(kVA), PG3은 부하 중에서 [기동 kW ― 입력 kW]의 값이 최대로 되는 전동기 또는 전동기군의 출력을 최후에 기동할 때의 발전기 용량(kVA)이다.
Figure 112019121328281-pat00001
여기서,
Figure 112019121328281-pat00002
: 부하의 정격 출력의 합 [kW],
Figure 112019121328281-pat00003
: 부하의 역률 (0.8),
Figure 112019121328281-pat00004
: 부하의 효율 (0.85),
Figure 112019121328281-pat00005
: 부하율, 수용률 등을 고려한 계수 (1.0),
Figure 112019121328281-pat00006
: 부하중에서 가장 큰 기동 [kVA]의 전동기 출력 [kW],
Figure 112019121328281-pat00007
: 전동기 추력 1kW 당의 시동 kVA (7.2),
Figure 112019121328281-pat00008
: 기동계수 (직입기동=1, Y-D=0.667),
Figure 112019121328281-pat00009
: 발전기 정수 (0.25),
Figure 112019121328281-pat00010
: 허용 전압강하율 (0.25),
Figure 112019121328281-pat00011
: 엔진의 순시 과부하 내량,
Figure 112019121328281-pat00012
: 부하 기동역률 (0.4),
Figure 112019121328281-pat00013
: 발전기 역률(정격 역률 0.8 ~ 1.0, 통상 0.8)이다.
도 6은 본 발명에 따른 구성을 나타낸 블록도, 도 8은 본 발명에 따른 부하시험 방법을 나타낸 순서도로서, 상기 절차에 따라 비상용부하의 종류 및 특성별 용량산정, ESS의 용량과 부하패턴 결정, PCS 시험조건 입력 후 부하시험을 수행하여 비상발전기의 성능과 상태를 확인할 수 있는 ESS 부하시험 시스템의 운용 알고리즘을 구체적으로 제시하면 다음과 같다.
제1단계(S 110)에서는 제1산정부(120)를 통해 설정된 기동용량에 따라 구분된 비상용부하의 전체 정격용량을 산정한다.즉, 비상발전기 용량계산서를 바탕으로 비상용부하를 기동용량이 큰 소방 제연팬(
Figure 112019121328281-pat00014
) 및 펌프부하(
Figure 112019121328281-pat00015
)와 일반설비부하(
Figure 112019121328281-pat00016
)로 구분하여, 비상용부하의 전체 정격용량(S)을 [수학식 2]를 이용하여 산정한다.
Figure 112019121328281-pat00017
여기서, S: 피상전력 [kVA], P: 유효전력 [kW], Q: 무효전력 [kVar]이다.
다음 제2단계(S 120)에서는 제2산정부(130)를 통해 모터를 사용하는 비상용부하의 기동방식에 따라 설정된 정격용량 및 기동계수를 적용하여 기동시 부하용량을 산정하게 된다.
즉 비상용부하 중 기동 시 급격한 전류 증가로 역률이 하강하여 피상전력이 커지는 소방 제연팬(
Figure 112019121328281-pat00018
)과 펌프(
Figure 112019121328281-pat00019
)는 기동방식에 따라 직입기동은 정격용량(kW) 7.2를 적용하고, Y-D 기동의 경우에는 직입기동용량에 기동계수(C)를 곱하여 기동 시의 부하용량(kVA)을 [수학식 3]에 따라 산정한다.
Figure 112019121328281-pat00020
여기서,
Figure 112019121328281-pat00021
: 기동 시의 피상전력 [kVA],
Figure 112019121328281-pat00022
: 소방설비부하 용량 1kW 당의 기동 kVA (7.2), C: 기동계수 (직입기동: 1.0, Y-D기동: 0.667)이다.
다음 제3단계(S 130)에서는 시간적용부(140)를 통해 비상용부하의 기동시간을 선정한다.
비상용부하의 투입시간은 일반설비부하(
Figure 112019121328281-pat00023
)를 시작으로 소방 제연팬(
Figure 112019121328281-pat00024
)은 5초, 펌프(
Figure 112019121328281-pat00025
)는 10초 순으로 투입한다. 또한, 소방설비부하의 기동시간(
Figure 112019121328281-pat00026
)은 [수학식 4]에 따라 산정하고, 용량이 크고 가장 긴 기동지속시간을 갖는 제연팬(
Figure 112019121328281-pat00027
) 및 펌프(
Figure 112019121328281-pat00028
)를 선정하여 [수학식 5]에 따라 적용한다.
Figure 112019121328281-pat00029
여기서,
Figure 112019121328281-pat00030
: [전동기(
Figure 112019121328281-pat00031
)의
Figure 112019121328281-pat00032
] + [전동기축으로 환산한 부하(
Figure 112019121328281-pat00033
)의
Figure 112019121328281-pat00034
] (
Figure 112019121328281-pat00035
),
Figure 112019121328281-pat00036
: 가속 토오크 (
Figure 112019121328281-pat00037
),
Figure 112019121328281-pat00038
: 회전속도 (
Figure 112019121328281-pat00039
),
Figure 112019121328281-pat00040
: 모터 토오크 (
Figure 112019121328281-pat00041
),
Figure 112019121328281-pat00042
: 펌프(팬)부하 토오크 (
Figure 112019121328281-pat00043
)이다.
Figure 112019121328281-pat00044
다음은 제4단계(S 140)로 패턴산출부(150)를 통해 순차적으로 투입되는 비상용부하의 용량을 기동특성을 고려하여 무효전력과 유효전력으로 구분하여 산정하되, 최대운전시간을 적용하여 시간대별 운용패턴을 산출한다.
ESS 부하시험장치의 부하운전시간(
Figure 112019121328281-pat00045
)은 일반설비부하 투입(
Figure 112019121328281-pat00046
)을 시작으로 소방 제연팬의 기동(
Figure 112019121328281-pat00047
) 및 안정(
Figure 112019121328281-pat00048
), 소방 펌프의 기동(
Figure 112019121328281-pat00049
) 및 안정(
Figure 112019121328281-pat00050
) 순으로 운용한다. 또한, 부하운전에 따라 투입되는 비상용부하의 용량은 기동특성을 고려하여 무효전력과 유효전력으로 구분하고 [수학식 6]을 이용하여 산정한다.
도 9는 본 발명에 따른 부하시험 운용 패턴을 나타낸 그래프로, 구체적으로 상기에서 산정한 부하시험장치의 시간대별 부하운전 운용 패턴을 타임차트로 나타내고 있다. 한편, 비상용부하의 최대운전시간(
Figure 112019121328281-pat00051
)은 소방관련법규에 따라 건축물의 층수가 29층 이하는 20분, 30층 이상 49층 이하는 40분, 50층 이상은 60분을 적용한다.
Figure 112019121328281-pat00052
Figure 112019121328281-pat00053
Figure 112019121328281-pat00054
Figure 112019121328281-pat00055
Figure 112019121328281-pat00056
Figure 112019121328281-pat00057
다음 제5단계(S 150)에서는 판단부(160)를 통해 상기 운용패턴에 따른 전력변환부와 배터리의 적용 가능 여부를 판단한다. 현장부하시험을 수행하기 위하여 상기의 ESS 부하시험 시스템 운용 패턴에 따라 산정된 용량을 만족하는 PCS와 배터리를 선정하고 준비한다.
다음 제6단계(S 160)에서는 시험부(170)를 통해 상기 운용패턴에 따라 부하시험을 수행하되 비상발전기로부터 공급되는 전압과 주파수가 설정된 범위를 만족하고 운용시간이 최대시간에 도달하는 경우 적합판정을 내리게 된다.
현장부하시험을 수행하기 전 준비된 PCS 용량이 소방설비부하의 기동용량보다 크고, 배터리 용량 중 충전 가능한 용량이 시험시간 동안 지속되는 비상용 부하의 총 유효전력량보다 큰 경우에 비상발전기의 부하시험을 수행하며, 용량 미달 시 부하시험 불가로 판정하고 시험을 종료한다.
ESS 부하시험 시스템의 운용 시간(t)을 초 값으로 설정하고, 앞서 산정한 부하운전시험 운용 패턴에 따라 부하시험을 수행한다. 또한, 비상발전기로부터 ESS 부하시험 시스템에 공급되는 전압(
Figure 112019121328281-pat00058
)과 주파수(
Figure 112019121328281-pat00059
)가 각각의 운전범위를 만족하고, 운용 시간이 설정한 최대시간(
Figure 112019121328281-pat00060
)에 도달하면 운전 적합으로 판정한다. 한편, 비상발전기로부터 공급되는 전압 및 주파수가 운전범위를 만족하지 못하거나, 운용 최대시간에 도달하지 못할 경우 3회까지 재시험을 실시하여 적ㆍ부를 판정하고 시험을 종료한다.
도 10은 본 발명에 따른 부하시험 시스템의 운용 알고리즘을 나타낸 순서도로, 상기 비상발전기의 현장부하시험을 위한 알고리즘을 나타내고 있다.
이하에서는 본 발명의 효과를 확인하기 위해 전력계통해석 소프트웨어인 PSCAD/EMTDC를 이용하여 비상발전기, 비상용부하, ESS 부하시험 시스템로 구성된 비상전원계통을 모델링하고, 시뮬레이션을 수행하여 특성을 분석한다.
도 11은 모델링된 비상용 디젤발전기의 회로도로서, 먼저 비상발전기의 모델링으로, 비상용부하에 전원을 공급하는 비상발전기는 대부분 디젤발전기이며, PSCAD/EMTDC를 이용하여 여자기와 조속기로 구성된 디젤발전기를 모델링하면 도 11과 같다.
여기서, 도 11의 A 부분은 여자기로서 디젤발전기에서 발생하는 무효전력을 제어하고 출력전압을 정전압으로 제어하는 역할을 수행한다. 한편, 도 11의 B 부분은 조속기로서 비상전원계통의 수요전력량만큼 제어하는 유효전력 제어부와 디젤발전기의 회전속도를 일정한 값으로 유지하는 속도제어부로 구성된다.
다음으로 비상용부하의 모델링으로, 비상용부하는 화재 또는 정전시에 인명 및 재산을 보호하기 위한 소방설비부하와 일반설비부하로 구성된다.
도 12는 모델링된 비상용 부하의 회로도로서, 비상용부하를 R, L, C부하와 유도전동기 부하를 조합하여 다양한 조건을 모의할 수 있도록 모델링하면 도 12와 같다.
여기서, 도 10(a)와 같이 저항성 부하(R)는 상당 100W 에서 10kW 범위로 조절 가능하고, 유도성 부하(L)와 용량성 부하(C)는 상당 100Var 에서 10kVar 범위로 조절 가능하도록 구성한다. 또한, 도 10(b)는 부하 제어기이며, 실 비상용부하의 특성과 동일하게 동작시퀀스에 따라 부하가 투입된다.
한편, 소방 제연팬 및 펌프는 일반적으로 유도전동기를 사용하고 있으며, 이는 기동 시에 전류가 급격하게 증가하고 역률이 감소하는 기동특성을 가지고 있음으로 [수학식 7]과 [수학식 8]로 나타낼 수 있다.
여기서, [수학식 7]은 소방설비부하의 기동 시 피상전력(
Figure 112019121328281-pat00061
)을 나타내며, 정격부하 시 피상전력(
Figure 112019121328281-pat00062
)과 기동계수(
Figure 112019121328281-pat00063
,C)의 곱으로 산정된다.
또한, [수학식 8]은 소방설비부하의 기동 시 유효전력(
Figure 112019121328281-pat00064
)을 나타내며, [수학식 8]의 피상전력(
Figure 112019121328281-pat00065
)에 기동 시의 평균역률(
Figure 112019121328281-pat00066
)을 곱하여 산출한다.
Figure 112019121328281-pat00067
여기서,
Figure 112019121328281-pat00068
: 소방설비부하의 기동 시 피상전력[kVA],
Figure 112019121328281-pat00069
: 소방설비부하의 정격부하 시 피상전력 시 전력[kVA],
Figure 112019121328281-pat00070
: 소방전동기용량 1kW 당의 기동 kVA(7.2),
Figure 112019121328281-pat00071
: 기동계수(△-Υ 기동: 0.667, 직입기동: 1.0)이다.
Figure 112019121328281-pat00072
여기서,
Figure 112019121328281-pat00073
: 소방설비부하의 기동 시 유효전력[kW],
Figure 112019121328281-pat00074
: 소방설비부하의 기동 시 평균역률(0.4)이다.
도 13은 모델링된 유도전동기의 회로도로서, 상기의 소방설비부하의 기동 시 용량을 구하는 [수학식 7]과 [수학식 8]을 바탕으로, PSCAD/EMTDC를 이용하여 유도전동기를 모델링한 결과를 나타내고 있다.
비상발전기의 현장부하시험을 수행하기 위한 ESS 부하시험 시스템는 비상용부하의 기동특성을 고려하여 ESS의 유효전력 및 무효전력을 적절하게 제어할 수 있어야 한다. 즉, 목표로 하는 ESS의 유효전력과 무효전력의 출력 값을 얻기 위해서는 ESS의 출력을 결정하는 d-q축의 기준전류(
Figure 112019121328281-pat00075
,
Figure 112019121328281-pat00076
)를 산정하고, ESS의 기준링크전압과 목표전력에 의한 DC 링크전압을 서로 비교하여 전압차를 구한다. 이 전압차를 PI제어에 의하여 전류로 변환하면, d-q축의 기준전류를 [수학식 9]와 [수학식 10]을 이용하여 구할 수 있다.
Figure 112019121328281-pat00077
Figure 112019121328281-pat00078
도 14는 모델링된 ESS 부하시험 시스템의 회로도로서, 상기 d-q축의 기준전류를 구하는 [수학식 9]와 [수학식 10]을 바탕으로, PSCAD/EMTDC를 이용하여 ESS 부하시험 시스템를 모델링한 결과를 나타내고 있다.
도 15는 모델링된 전체 비상전원계통의 회로도로서, 상기의 내용을 바탕으로 PSCAD/EMTDC를 이용하여, 비상발전기, 비상용부하 그리고 ESS 부하시험 시스템 등으로 구성된 전체 비상전원계통을 모델링한 결과를 나타내고 있다. 여기서, 도 15의 A 부분은 비상발전기, B 부분은 ESS 부하시험 시스템, C 부분은 ATS, D 부분은 비상용부하 그리고 E 부분은 상용전원 및 일반부하를 나타낸 것이다.
- 시뮬레이션의 조건
본 발명에서 제시한 비상발전기의 현장부하시험 방안과 ESS 부하시험 시스템의 운용 알고리즘의 유용성을 확인하기 위하여 모델링한 비상전원계통의 시뮬레이션을 바탕으로 운용특성을 비교분석한 결과는 다음과 같다.
먼저, 정전 시와 화재 시에 동작되는 비상용부하의 운용특성을 확인하기 위하여, 2017년도에 준공된 지하 2층, 지상 7층 규모의 소방대상물을 선정하였다. 소방대상물의 수전전압 및 용량은 22.9kV, 700kVA이고, 비상발전기 용량은 400kW(500kVA)이며, 비상용부하의 정격용량은 [표 1]과 같이 280.38kW이다.
여기서, 비상용부하는 소방설비부하 130.20kW와 일반설비부하 150.18kW로 구성되며, 각 설비별 수용률을 적용하면 정전시 소방설비부하와 일반설비부하의 합계는 185.18kW이고, 화재시에는 280.38kW로 산정된다.
다음의 [표 1]은 비상전원계통의 비상용부하 용량을 나타낸다.
emergency load type of load capacity of load
(kW) 		demand Factor
(%) 		acceptance load
(kW)
blackout fire
fire
fighting load		 pumping load 1 65.82 100 　 65.82
pumping load 2 3.70 100 　 3.70
fan 1 9.00 100 　 9.00
fan 2 9.00 100 　 9.00
fan 3 3.84 100 　 3.84
fan 4 3.84 100 　 3.84
elevator 20.00 100 20.00 20.00
emergency lamp 5.00 100 5.00 5.00
load for
fire fighting		 10.00 100 10.00 10.00
subtotal 130.20 35.00 130.20
normal
customer
load
　
　
　		 pumping load 1 11.52 100 11.52 　11.52
pumping load 2 9.00 100 9.00 　9.00
pumping load 3 2.70 100 2.70 　2.70
pumping load 4 2.70 100 2.70 　2.70
pumping load 5 5.54 100 5.54 　5.54
refrigerator 10.20 100 10.20 　10.20
heat exchanger 11.52 100 11.52 　11.52
cooling load 65.00 100 65.00 　65.00
circulation
pumping load		 32.00 100 32.00 　32.00
subtotal 150.18　 　 86.97　 　86.97
total 280.38 　 185.18 280.38
한편, 비상전원계통의 운용특성을 비교분석하기 위하여 상기에서 산정된 비상용부하를 바탕으로 [표 2]와 같이 화재 및 정전 시에 비상발전기에 연결되는 부하를 유도성(L)과 저항성(R)으로 구분하고, 역률은 제조사의 데이터 시트를 참고하여 L 부하는 기동 시 0.4, 정격 시 0.8을 R 부하는 1.0을 적용하여 나타내었다.
여기서, 비상용부하의 정격용량은 비상시에 185.2kW이며, 화재시에는 280.4kW로 소방설비부하의 기동 시 가장 큰 펌프용량 158.1kW와 제연팬 용량 21.6kW를 반영한다.
case type of load capacity of rated load capacity of starting load
P.F kW kVar kVA P.F kW kVar kVA
fire pumping load 0.8 65.8 49.4 82.3 0.4 158.0 362.1 395.1
fan load 0.8 9.0 6.8 11.3 0.4 21.6 49.5 54.0
L 0.8 190.6 142.9 238.2
R 1.0 15.0 0 15.0
total 　 280.4 199.0 346.7 　 179.7 411.6 449.1
black
out		 L 0.8 170.2 127.6 212.7 　
R 1.0 15.0 0 15.0 　
total 　 185.2 127.6 227.7 　
도 16은 비상용부하의 운용 타임차트로, 정전 및 화재시 실 계통 비상용부하의 운용특성을 고려하여 비상용부하의 동작조건을 시간대별로 나타내면 도 16과 같다. 즉, 정전 시에는 3초 이후에 모든 L 및 R 부하가 동작하고, 화재 시에는 3초 이후 L 및 R 부하, 5초 이후 소방 제연팬, 10초 이후 소방펌프가 기동하도록 상정한다.
- 정전 시 비상발전기의 부하시험 특성
도 17은 정전 시 비상용부하에 의한 비상발전기의 출력특성 그래프, 도 18은 정전 시 ESS 부하시험 시스템에 의한 비상발전기의 출력특성 그래프로서, 본 발명에서 모델링한 비상전원계통을 시뮬레이션한 결과, 정전 시 비상발전기의 부하시험 특성은 도 17 및 18과 같다.
여기서, 도 17은 실 계통 비상용부하의 동작에 따른 비상발전기의 출력특성으로 유효전력은 185.2kW, 무효전력은 127.6kVa이다. 한편, 도 18은 ESS 부하시험 시스템의 충전동작에 의한 비상발전기의 유ㆍ무효전력 출력특성을 나타내며, PCS의 스위칭 작동으로 비상발전기의 출력이 약간 흔들리지만 비상용부하에 의한 출력특성과 동일함을 알 수 있다.
-화재 시 비상발전기의 부하시험 특성
도 19는 화재 시 비상용부하에 의한 비상발전기의 출력특성 그래프, 도 20은 화재 시 ESS 부하시험 시스템에 의한 비상발전기의 출력특성 그래프로서, 화재 시 비상발전기의 부하시험 특성을 나타내면 도 19 및 20과 같다.
여기서, 도 19는 비상용부하의 동작에 따른 비상발전기의 유ㆍ무효전력 출력특성을 나타내며, 비상용부하의 동작에 따라 3초 후에 비상발전기는 205.67kW의 유효전력과 142.7kVar의 무효전력을 출력하고, 5초 후에 소방 제연팬의 기동으로 21.6kW의 유효전력과 44.6kVar의 무효전력을 공급한다. 또한, 10초 후에 소방펌프의 기동으로 158.1kW의 유효전력과 325.8kVar의 무효전력을 출력한 후에 정격으로 동작되어 비상발전기는 비상용부하에 280.4kW의 유효전력과 199.0kVar의 무효전력을 공급한다.
한편, 도 20은 ESS 부하시험 시스템의 충전동작에 의한 비상발전기의 유ㆍ무효전력 출력특성을 나타내며, 비상용부하에 의한 비상발전기의 출력과 동일한 특성을 나타냄을 알 수 있다. 즉, 제안한 ESS 부하시험 시스템를 이용하면, 상용전원을 차단하지 않고 실계통의 비상용부하를 사용하는 것과 동일하게 비상발전기의 성능을 확인할 수 있음을 알 수 있다.
- 종합분석
PSCAD/EMTDC 모델링을 이용한 비상전원계통의 비상발전기에 비상용부하와 ESS 부하시험 시스템를 각각 연결하여 시뮬레이션을 수행한 결과를 나타내면 [표 3] 및 [표 4]와 같다.
여기서, [표 3]은 정전시의 특성을 나타낸 것이며, [표 4]는 화재시의 특성을 나타낸 것으로, 비상발전기의 부하시험에서 비상용부하 및 ESS 부하시험 시스템에 대한 시뮬레이션 결과가 거의 동일함을 알 수 있다.
한편, 화재시의 특성에서 소방 펌프부하의 기동 전 및 후에는 비상발전기의 용량(400kW, 500kVA)이내로 운전되고 있으나, 기동 시에는 급격한 전류상승에 따른 역률 하강으로 무효전력(511.8kVar)이 증가하여 유효전력(372.6kW)은 비상발전기의 용량범위 내에 있으나, 피상전력(659.6kVA)은 159.6kVA가 초과되어 비상발전기가 작동을 정지할 수 있음을 확인할 수 있다.
따라서, 본 발명서 제안한 ESS 부하시험 시스템를 이용하면, 상용전원을 차단하지 않고 실제 비상용부하를 사용하는 것과 동일하게 비상발전기의 성능을 확인할 수 있어 제안한 ESS 부하시험 시스템의 유용성을 알 수 있다.
type of load capacity of load
kW kVar kVA
emergency load 185.2 127.6 227.7
ESS 185.2 127.6 227.7
type of load operation state of pumping load capacity of load
kW kVar kVA
emergency load stop 205.6 142.9 253.2
starting-up 272.6 511.8 659.6
steady-state 280.4 199.0 346.7
ESS stop 205.6 142.9 253.2
starting-up 272.6 511.8 659.6
steady-state 280.4 199.0 346.7
본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시 예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.
110: 예비평가부 120: 제1산정부
130: 제2산정부 140: 시간적용부
150: 패턴산출부 160: 판단부
170: 시험부

Claims (6)

  1. 전력변환부 및 배터리를 구비한 비상발전기의 부하시험 시스템에 있어서,
    설정된 기동용량에 따라 구분된 비상용부하의 전체 정격용량을 산정하는 제1산정부(120);
    모터를 사용하는 비상용부하의 기동방식에 따라 설정된 정격용량 및 기동계수를 적용하여 기동시 부하용량을 산정하는 제2산정부(130);
    비상용부하의 기동시간을 선정하는 시간적용부(140);
    순차적으로 투입되는 비상용부하의 용량을 기동특성을 고려하여 무효전력과 유효전력으로 구분하여 산정하되, 최대운전시간을 적용하여 시간대별 운용패턴을 산출하는 패턴산출부(150);
    상기 운용패턴에 따른 전력변환부와 배터리의 적용 가능 여부를 판단하는 판단부(160);
    상기 운용패턴에 따라 부하시험을 수행하되 비상발전기로부터 공급되는 전압과 주파수가 설정된 범위를 만족하고 운용시간이 최대시간에 도달하는 경우 적합판정을 내리는 시험부(170); 를 포함하는 것을 특징으로 하는 소방용 비상발전기의 현장부하시험을 위한 ESS 부하시험 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1산정부(120)는 비상용부하를 재연팬과 펌프와 일반설비로 구분하는 것을 특징으로 하는 소방용 비상발전기의 현장부하시험을 위한 ESS 부하시험 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    시험대상 비상발전기의 용량의 허용용량을 만족 여부를 평가하는 예비평가부(110); 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 소방용 비상발전기의 현장부하시험을 위한 ESS 부하시험 시스템.
  4. 전력변환부 및 배터리를 구비한 비상발전기의 부하시험 시스템을 통해 수행되는 부하시험 방법에 있어서,
    설정된 기동용량에 따라 구분된 비상용부하의 전체 정격용량을 산정하는 제1단계(S 110);
    모터를 사용하는 비상용부하의 기동방식에 따라 설정된 정격용량 및 기동계수를 적용하여 기동시 부하용량을 산정하는 제2단계(S 120);
    비상용부하의 기동시간을 선정하는 제3단계(S 130);
    순차적으로 투입되는 비상용부하의 용량을 기동특성을 고려하여 무효전력과 유효전력으로 구분하여 산정하되, 최대운전시간을 적용하여 시간대별 운용패턴을 산출하는 제4단계(S 140);
    상기 운용패턴에 따른 전력변환부와 배터리의 적용 가능 여부를 판단하는 제5단계(S 150);
    상기 운용패턴에 따라 부하시험을 수행하되 비상발전기로부터 공급되는 전압과 주파수가 설정된 범위를 만족하고 운용시간이 최대시간에 도달하는 경우 적합판정을 내리는 제6단계(S 160); 를 포함하는 것을 특징으로 하는 소방용 비상발전기의 현장부하시험을 위한 ESS 부하시험 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 비상용부하는 재연팬과 펌프와 일반설비로 구분하는 것을 특징으로 하는 소방용 비상발전기의 현장부하시험을 위한 ESS 부하시험 방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제1단계 이전에,
    시험대상 비상발전기의 용량의 허용용량을 만족 여부를 평가하는 단계 (S 100); 를 더 포함하는 특징으로 하는 소방용 비상발전기의 현장부하시험을 위한 ESS 부하시험 방법.
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