[칼럼] 디지털화 속 저압 배전의 미래와 친환경적 에너지 시스템 구축 전략
  • 최종윤 기자
  • 승인 2022.10.17 08:30
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효율적인 저압 전력 사용의 디지털 트렌드
글로벌 디지털화 흐름 속에 친환경적 에너지 시스템 구축이 중요한 화두가 됐다. 한국지멘스 스마트 인프라가 2회에 걸쳐 스마트팩토리를 위한 저압 전력 인프라를 소개한다.

[글 한국지멘스 스마트 인프라 윤형진 이사, 전력/전기기기 사업부장] 지난 칼럼(저전압 배전의 미래를 제시하는 세 가지 트렌드)에서 디지털화에 따른 친환경적 에너지 시스템 구축의 중요성과 이에 필수적 요소로 꼽히는 ‘저압 전력 인프라’ 구축에 있어 핵심 트렌드 △에너지 효율성 확보 △상태 감시를 통한 예방정비 극대화 △사이버 보안 세 가지를 제시했다. 이번 글에서는 각각의 트렌드 주제에 대해 상세히 살펴본다.

저압 배전의 미래를 제시하는 세 가지 트렌드 [자료=지멘스]

① 전력감시를 통한 에너지 효율성

지난 10년 동안 유럽의 에너지 가격은 평균 19% 올랐다. 동시에 각국의 정부 규제는 더욱 높아져 친환경은 더 이상 선택이 아닌 기업의 생존요건이 되고 있다. 에너지 사용의 효율성을 높이기 위한 최적화 방안의 첫 출발점은 전력 감시를 통한 투명한 전력 소비 데이터 수집에서 시작된다. 플랜트 및 빌딩 등의 전반적인 전기 에너지 흐름을 체계적인 전력 감시를 통해 투명하게 관리해야 한다는 취지다.

먼저 ISO 50001 및 50003 국제 표준에 따라 전력의 운영 및 관리 그리고 정기적인 에너지 감사를 위한 토대를 마련하는 것이 중요하다. 각 산업전반의 차별화된 에너지 사용에 대한 데이터 수집 및 분석은 에너지 최대 수요지 파악 및 에너지 최적화 방안을 제시할 수 있는 중요한 요소이다.

전력감시는 산업전반 및 사회 인프라 모든 곳에서 중요한 요소다. [사진=지멘스]<br>
전력감시는 산업전반 및 사회 인프라 모든 곳에서 중요한 요소다. [사진=지멘스]

제과점을 예로 들면 통계적으로 오븐, 냉장고 및 냉동고의 평균 에너지 절약 가능성은 15~30% 정도이고, 기타 전기제품의 경우 최대 40%까지, 조명의 경우 20~50% 사이라는 분석이 가능하다.

상기 예시를 통해 체계적인 전력 감시가 모든 규모의 플랜트에서 유의미한 에너지 절감을 가능하게 하고, 특히 비교적 규모가 작은 제과점에서 비용 절감 효과가 높은 것도 알 수 있다. 생산량이 적을수록 사용된 밀가루 1톤당 해당 전력소비량이 높다는 해석도 도출할 수 있다. 연간 밀가루 사용량이 150톤 이상인 경우, 고유전력소비량은 약 1.6 MWh/ton에 달하지만, 연간 밀가루 사용량이 75톤 이하의 경우, 전력소비량은 4.8 MWh/ton으로 에너지 소비량이 세 배나 높다.

전력 감시 : 측정 및 분석

전력 감시 시스템은 에너지 데이터를 수집하는 측정 장치와 데이터를 시각화하고 평가하는 분석 소프트웨어로 구성되어 진다. 지멘스에는 에너지 분석 소프트웨어로 SENTRON 파워매니저가 있다. SENTRON 파워매니저는 포괄적인 기능을 갖추고 있으며 에너지 데이터를 처리 및 전송한다. 독립형 소프트웨어로서 DesigoCC 빌딩 관리 시스템의 구성요소로도 사용할 수 있다. 대시보드에는 중요한 값을 표시해 직관적으로 에너지 소비량을 분석하고, 부하 피크(load peak) 및 부하 프로파일(load profile)을 신속하게 평가해 에너지를 절약할 수 있는 근거로 활용할 수 있다. 아울러 지속적인 전력 감시를 통해 플랜트에 치명적인 문제가 생길 경우 조기에 문제를 식별해 플랜트의 가용성을 보장해 생산성을 유지할 수 있다는 것이 중요한 지점이다.

통신이 가능한 보호 및 스위칭 장치로 더 많은 기능 제공

에너지 데이터는 측정 장치뿐만 아니라 통신이 가능한 보호 및 스위칭 장치로도 얻을 수 있다. 지멘스의 SENTRON 포트폴리오의 최신 3WA air circuit breaker는 단일 장치에 보호 및 측정 기능을 결합해 에너지 및 circuit breaker 상태에 대한 다양한 데이터를 수집 및 전송하도록 설계됐다. 수집된 데이터는 일반적으로 표준 프로토콜을 사용해 상위 레벨 시스템으로 전송된다. 앞서 소개한 지멘스의 SENTRON 파워매니저는 다양한 통신 프로토콜을 읽을 수 있으며, 이는 기존에 구성된 하드웨어 및 시스템과 손쉽게 연결할 수 있는 전력관리 환경을 구성할 수 있다는 뜻이다. 이러한 이유로 비용측면과 자원효율성 둘다 우위에 있다고 할 수 있다.

새로운 가능성을 창출하는 클라우드 애플리케이션

현재 출시되고 있는 새로운 장치들은 측정된 값을 전력 인프라에서 IoT로 직접 전송함으로 한 단계 더 나아간다. 에너지, 전력 품질 및 차단기 상태와 관련해 수집된 모든 데이터를 클라우드 기반 전력 관리 시스템에 통합할 수 있다는 뜻이다. 하나의 중앙 집중식 인터페이스(single entry)면 충분하다. 지멘스의 경우 7KN Powercenter 3000 IoT data platform 및 SENTRON powermind cloud-based app을 통해 클라우드로 직접 데이터를 전송할 수 있다.

7KN Powercenter 3000 IoT data platform 및 SENTRON powermind cloud-based app을 통해 클라우드로 직접 데이터를 전송 [자료=지멘스]

IoT 데이터 플랫폼은 통합 웹 인터페이스를 통해 데이터를 시각화하고 분석할 수 있는 다양한 옵션을 제공하며, 전력 운영/관리의 기반이 된다. 측정, 스위칭, 보호장치 등을 포함한 통신이 가능한 필드 디바이스로부터 추출한 모든 데이터는 장치로 전송되고, 그 즉시 사전 정의된 포맷에 따라 직관적인 내용으로 브라우저에 표시된다.

IoT 플랫폼을 체계적으로 사용하는 것은 클라우드 기반 전력 감시를 넘어 전기 공학 및 빌딩 기술에 있어 추가적인 이점을 제공한다. 별도의 IT 인프라에 대한 지출없이 대량의 데이터를 클라우드에 저장 및 처리할 수 있고, 위치에 관계없이 종합적인 분석에 사용할 수 있다. 예를 들어 지멘스의 개방형 IoT 플랫폼 MindSphere를 사용하면 빌딩과 인프라에 있는 다양한 기기와 시스템으로부터 추출한 대량의 데이터를 처리, 평가 및 비교할 수 있다. 다운타임 감소와 높은 에너지 효율은 단순한 예에 불과하다. IoT 플램폼을 통한 기술의 잠재력은 무궁무진하다.

② 상태 감시를 기반으로 한 예지정비

많은 기업에서 정기적으로 전력 플랜트 및 장치에 대한 정비 작업을 시행해 왔다. 하지만 디지털화된 미래에는 보다 효율적이고 지능적인 배전 정비 개념이 필요하다. 여기에는 기존 데이터의 고도화된 응용 기술이 토대가 될 것이다. 배전 예지정비에 필요한 데이터는 이미 대부분의 건물에서 수집할 수 있다. 에너지 및 상태 데이터를 수집하는 측정 장치와 센서들의 관련 값을 시각화하고 평가하는 소프트웨어를 통해 해당 데이터를 수집 및 처리할 수 있다. 특히, 전력 감시 시스템이 보다 더 쉽게 기술 구현을 돕는다.

일반적으로 특수측정 장치 또는 통신이 가능한 보호 및 스위칭 장치를 통해 에너지 및 상태 데이터를 측정한다. 이러한 장치들은 입·출력뿐만 아니라 개별시스템의 전압, 전류와 같은 전기적인 값을 정확하고 안정적이며 신뢰성 있게 측정할 수 있다. 또한 전력 품질 및 시스템 상태(예지정비에 필요한 데이터)를 평가하기 위한 정보도 제공한다.

구성 요소의 남은 수명을 예측하는 지표

상태 감시는 가장 중요한 배전 구성 요소의 상태를 자동으로 감시하며, 동시에 ‘health indicator’는 마모 및 남은 수명 데이터를 제공한다. 하지만 제공된 방대한 양의 데이터 가운데 중요한 정보를 얻기 위해서는 측정된 값들을 유의미하게 서로 연관 짓고 평가해 필요한 ‘health status’ 정보를 시각화해야 한다. 대부분의 경우 시스템이 이 작업을 자동으로 수행한다. 작업에 대한 결과 및 경고 메시지는 지멘스의 SENTRON 포트폴리오의 전력 감시 시스템과 같은 다양한 소프트웨어 도구를 사용해 볼 수 있다.

3VA molded-case circuit breakers [사진=지멘스]

지멘스의 통신이 가능한 3VA molded-case circuit breakers는 저압 전력망의 개별 구성 요소가 어떻게 데이터 수집을 지원하는지 보여준다. 새롭게 통합된 상태 감시 기능을 통해 작동 주기 및 작동 시간과 같은 기본 정보 이상을 얻을 수 있다. Smart circuit breakers는 자체적으로 데이터를 분석하고 특허 출원중인 알고리즘을 사용해 데이터를 평가하며, 이를 통해 기기의 현재 작동 상태와 사용 가능한 예상 수명 시간에 대해 정확한 정보를 얻는다. 따라서 플랜트 정비 및 검사 일정을 꼼꼼하게 계획할 수 있고, 작동 시간이 길수록 molded-case circuit breakers의 상태, 동작 및 마모에 대한 예측이 더 정확 해진다.

체계적인 유지 보수로 비용 절감

수집된 데이터를 활용하면 구성 요소의 정비 시기 또는 고장 시기를 정확하게 예측할 수 있다. 운영자와 서비스 기술자는 정비 작업을 계획하거나 수행하는 데 필요한 모든 정보를 받을 수 있다. 이러한 접근 방식으로 인해 투자 비용이 다소 증가하더라도 유지관리 비용 절감으로 인하여 총 지출비용을 최대 30%까지 절약할 수 있다. 게다가 통신가능한 기기와 상태감시 기반 유지 관리를 사용하면 불필요한 이중화 회로나 선택적 장비의 필요성을 제거 할 수 있다. 이는 클라우드 기반 에너지 데이터를 관리하는 건물운영자에게 특히 이점을 제공한다.

SENTRON Powermind [자료=지멘스]

기술 구축과 유지 관리를 위한 별도의 IT 인프라에 대한 지출을 절감시키며, 다양하고 방대한 양의 데이터를 저장 및 처리하여 언제 어디서나 포괄적인 분석에 사용하기 때문이다. 지멘스의 SENTRON 파워마인드 앱은 지멘스의 클라우드 기반 개방형 IoT 운영체제인 MindSphere 플랫폼에서 에너지와 상태 데이터를 직접 분석한다. 사용자는 플랜트에 관한 실시간 상태와 현재 및 시간 경과에 따른 에너지 소비량에 대해 알 수 있다. 이와 같이 앱을 통해 디지털 에너지 데이터 관리로의 전환을 단순화하고 건물 예지정비를 위한 토대를 마련할 수 있다. 연구에 따르면 예지정비를 통해 생산성을 평균 25% 높이고, 고장 발생률을 최대 70%까지 감소시키며, 정비 비용을 최대 25%까지 낮출 수 있었다.

③ 저전압 배전의 사이버 보안

디지털화는 많은 장점이 있지만 전문적인 사이버 공격 증가로 재정적 손실 위험도 높다. 더군다나 전력망과 같은 인프라의 경우 공급 병목현상과 같은 추가적인 위협도 있다. 저압 수준에서 위험도가 특히 높기 때문에, 지멘스는 관련 구성 요소 및 플랜트의 보호/안전한 운영을 보장하기 위해 포괄적인 사이버 보안 접근 방식을 개발했다.

사이버 위협에 심층 방어 개념(defense in-depth concept)을 적용해 포괄적인 보호에 들어간다. 심층 방어 개념은 플랜트 보안, 네트워크 보안, 시스템 무결성을 보장하는 모든 기능을 갖춘 높은 수준의 정보 보안 개념이다. 심층 방어 개념에서 중요한 요소 중 하나는 필드레벨이다. IoT 가능 구성 요소의 경우 인터넷 연결은 IT 네트워크 또는 네트워크 컴퓨터 시스템과 동일한 조건의 높은 사이버 보안 표준을 충족해야 한다는 것을 의미한다. 그래야만 기업이나 빌딩의 운영 신뢰성을 장기적으로 보장할 수 있기 때문이다. 장치 자체에 통합돼 있는 보안 기능은 포괄적인 사이버 보안 개념의 일부여야 한다.

지멘스는 사이버 위협에 심층 방어 개념(defense-in-depth concept)을 적용해 포괄적인 보호에 들어간다. [자료=지멘스]

지멘스는 대부분의 통신이 가능한 제품에서 서명된 펌웨어만 사용한다. 즉, 특정 IoT 장치에서 지멘스가 제작한 소프트웨어만 설치 및 작동 가능하므로 제3자가 업데이트 같은 경로를 통해 악성코드를 업로드 하는 것을 막을 수 있다. 또한 코드를 변조하려는 시도가 감지될 경우, 자동 서명 변경으로 장치의 업데이트 설치를 막는다. 무단으로 환경 설정을 변경하는 것도 암호로 보호할 수 있다. 또한 IP주소 필터 환경설정을 통해 사용자가 인식하는 특정 IP 주소만 장치와 통신할 수 있도록 할 수 있다.

모든 레벨에서 보안 환경 구현

3WA air circuit breaker는 필드 레벨에서 클라우드까지 일관된 엔드 투 엔드 사이버 보안이 구현될 수 있는 한 가지 예이다. 장치 자체에 통합된 보안 기능은 circuit breaker를 조작하려는 시도로부터 보호한다. 예를 들어 PROFINET IO/Modbus TCP module COM190의 경우 파라미터의 기록 보호 및 원격 스위칭 보호(parameter write and remote-switching protection)가 하드웨어에 내재돼 있다.

즉 하드웨어 기록 보호(hardware write protection)가 활성화되면 파라미터를 변경할 수 없는 반면, 원격 스위칭 보호가 활성화되면 통신 경로를 통해 장치를 켜거나 끌 수 없다. 3WA air circuit breaker가 출입 제한 서비스실에 설치된 경우, 파라미터 기록 보호 및 원격 스위칭 보호는 circuit breaker 장치 자체에서만 비활성화 될 수 있기 때문에 인가되지 않은 제3자의 접근은 불가능에 가깝다. 3WA air circuit breaker가 사용되는 애플리케이션에 따라 통신 인터페이스를 통해 차단기를 원격으로 켜거나 끌 수 있다.

한국지멘스 스마트 인프라 윤형진 이사, 전력/전기기기 사업부장 [사진=지멘스]<br>
한국지멘스 스마트 인프라 윤형진 이사, 전력/전기기기 사업부장 [사진=지멘스]

원격 스위칭 보호 기능이 있는 COM190 communication module은 오퍼레이터가 제공하는 경우에만 원격 스위칭이 가능하다. 원격 스위칭 보호를 비활성화하려면 COM190의 전면에 있는 원격 스위칭 보호관련 두 터미널을 연결해야 한다. 원격 스위칭은 필요에 따라 PLC와 같은 별도의 채널을 통해 활성화되고 차단할 수 있다. 전력 시스템과 같이 원격 스위칭 자체는 다른 애플리케이션에 의해 수행된다. 결과적으로 원격 스위칭은 두 개의 독립된 경로를 통해서만 액세스할 수 있으므로 해커나 악성 소프트웨어에 의한 무단 스위칭은 매우 어렵다.

 

지멘스는 이러한 사이버 환경을 고려해 사이버 보안 제품의 기반을 마련했다. 지멘스는 끊임없이 변화하고 진화하는 위협에 맞춰 지속적으로 위험을 줄일 수 있는 새로운 보안 기술을 개발하고 있다. 통신이 가능한 장치는 4차 산업혁명의 생산 플랜트와 빌딩 및 인프라가 보다 효율적이고 자원을 절약하는 방식으로 운영될 수 있도록 지원하며, 통신 기반 애플리케이션 수는 꾸준히 증가하고 있다. 기기에 탑재된 보안 기능이 지원하는 강력한 사이버 보안 개념은 오퍼레이터뿐 아니라 엔지니어링, 조달, 건설(EPC) 기업도 안전하게 애플리케이션을 사용하고 모든 혜택을 누릴 수 있도록 한다.

철벽같은 블루투스 접근 보호

3WA air circuit breaker의 블루투스 기능은 SENTRON powerconfig 모바일 앱을 통해 액세스할 수 있다. 블루투스 인터페이스는 출고 시 기본적으로 비활성화되며 ETU600 electronic trip unit의 디스플레이를 통해서만 활성화된다. 사용 후에는 Bluetooth 인터페이스가 자동으로 꺼져서 부적절한 액세스를 방지한다. 3WA air circuit breaker와 페어링할 경우 가장 안전한 모드로 암호 키 입력이 필요하다. 지멘스가 할당한 일회용 PIN을 입력해야 하며, PIN은 각 3WA air circuit breaker 마다 새롭게 생성되며 생산 중 각 장치에 로드된다.

초기 페어링 후 오퍼레이터는 PIN을 변경해야 한다. 7KN Powercenter 3000 IoT 데이터 플랫폼은 클라우드의 게이트웨이로 구현될 수 있으며, 하위 레벨의 통신이 가능한 장치로부터 각종 에너지 값 데이터를 수집한다. 이 데이터들은 나중에 클라우드 기반 애플리케이션(예: MindSphere)에서 시각화 및 평가된다. 안전 기능으로 보호된 단일 게이트웨이를 통한 통신은 데이터 보안을 보장한다. 예를 들어 3WA air circuit breaker의 Modbus TCP 화이트리스트에 7KN Powercenter 3000을 입력해 Modbus를 통한 통신을 특정 파트너로 제한할 수 있다.



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