우리의 모든 생활환경을 바꿀 제4차 산업혁명과 기후변화에 대응해야 하는 전력계의 역할과 변신이 그 어느 때보다 중요해졌다.
이와 때를 같이해 우리나라 전력기술의 총본산이자 핵심 브레인인 한전 전력연구원에 대한 기대감 또한 커지고 있다.

전력연구원은 기존 전력산업과 정보통신 등 다른 산업과의 융복합으로 기후변화 대응, 에너지 안보강화, 에너지 효율 향상 등 전력 에너지 분야 핵심 이슈를 해결하고 새로운 비즈니스 모델을 창출하는데 연구역량을 집중하겠다고 천명해왔다.

특히 새로운 미래를 준비하기 위해 인공지능, 사물인터넷, 빅데이터, 가상현실 등 제4차 산업혁명을 불러오는 기술의 개발에도 박차를 가해왔다. 앞으로도 끊임없는 자기 혁신과 연구개발을 통해 제4차 산업혁명 시대를 주도하고 에너지 산업에서 새로운 가치를 창출해 전력 에너지 글로벌 리더로서 발돋움한다는 게 연구원의 향후 청사진이다.

오는 11월 1일 김대중컨벤션센터에서 열리는 전력기술 성과발표회를 앞두고 이슈로 떠오른 4차산업혁명과 관련된 연구원의 기술개발 현주소를 짚어본다.

◇드론·로봇 이용한 전력설비 감시

자율비행 드론 이용 송전선로 점검 모습

전력연구원은 지난 5월 ‘드론을 이용한 송전선로 자동 감시운영기술’을 국내 최초로 개발하고 시험비행에 성공했다. 지상에 설치된 1대의 제어시스템에서 비행 중인 여러 대의 드론을 동시에 제어한다. 자체 개발한 GPS 좌표측정기와 지상제어시스템을 이용해 선로 점검을 위한 비행경로를 생성하면 여러 대의 드론이 생성된 경로를 따라 자동 비행하면서 송전선로를 보다 효율적이고 안전하게 점검 가능하다.

또한 신재생에너지와 발전단지 주변 해역에서 빠르게 변화하는 해양환경을 실시간으로 모니터링하기 위한 해수 수온모니터링 기술을 개발 중에 있다. 측정에 오랜 시간이 걸리는 선박을 이용한 해수온도 측정을 대신해 원격운행이 가능한 드론을 이용하는 방법이다. 빠른 데이터획득과 작업의 안전성을 높이고 해양환경 평가의 신뢰도를 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.

화력발전소의 운영에도 로봇 적용을 추진하고 있다. 대표적 예가 원격자장 로봇스캐너를 이용해 보일러 튜브의 결함을 평가하는 기술이다. 현재 육안검사와 튜브의 두께측정검사 등 인력을 통해 수행하고 있는 검사의 단점인 느린 검사 속도와 인력의 접근성 문제를 개선하기 위해 검사로봇을 개발함으로써 검사시간은 기존 66%로 줄이면서 검사의 정확성은 2배 이상 개선할 예정이다.

◇전력망을 통한 초연결사회
▲사물인터넷(IoT)과 센서 기술
한전은 전력분야에 사물인터넷 기술을 적용하기 위해 ‘전력 IoT 에너지플랫폼’ 표준모델을 개발했다. 전력 IoT 에너지플랫폼은 사물간 통신(M2M) 국제표준을 따르며, 전력설비의 진단, 감시를 위해 최적화된 스마트센서를 활용한 응용서비스를 포함하고 있다. 한국정보통신기술협회(TTA)로부터 상호연동 인증을 취득했다.

스마트센서는 전력설비의 열화신호 또는 운전신호를 검출하며, 다양한 신호를 검출할 수 있는 복합센서 형태로 개발했다. 에너지하베스팅 기술이 적용돼 무선센서의 전원문제를 해결했다.

또한, 플라스틱 절연체와 전기 배선 소재를 동시에 인쇄할 수 있는 전자회로 3D 프린팅 공정기술을 이용한 전력 센서를 개발 중이다. 가볍고 소형 맞춤식 전자부품의 제조를 가능하게 할 뿐만 아니라, 고가의 금형이 불필요해 신제품 개발 비용과 기간을 크게 단축할 수 있다.
전력연구원은 ‘전력 사물인터넷 오픈랩’을 구축해 산학연 개발자에게 제공하고 있다.

한국중부발전 보령화력본부에 설치된 10 MW 이산화탄소 포집 실증플랜트. 한전 전력연구원이 독자 개발한 이산화탄소 습식 흡수제(KoSol)와 에너지 저소비형 공정을 적용하여 세계에서 5번째로 5천시간 장기연속운전에 성공했다.

▲빅데이터와 인공지능 이용 전력설비 진단·운용
전력연구원은 화력발전소의 운전 및 설비상태를 실시간으로 감시하고 발전소의 최적 성능 및 운전 상태를 찾아내는 발전시스템 통합 지원센터를 구축했다. 한 걸음 더 나아가 발전소의 운영관리 및 효율제고 등 자산관리를 가능하게 하는 IDPP(Intelligent Digital Power Plant)를 개발 중이다. 딥러닝 등 인공지능을 도입해 발전설비를 자동으로 진단하며, 사물인터넷 등 차세대 신기술 도입을 통해 미래 발전분야의 새로운 비즈니스 모델을 구축하고 있다.

전력연구원은 전력망을 실시간으로 재구성할 수 있는 변전소 고장복구 지원시스템을 개발하고 있다. 학습기능을 가지는 인공지능 기반의 시스템은 전력망과 각 설비의 상태를 종합감시하고 인공지능 시스템 특유의 빠른 판단력을 이용해 설비 고장 등 어떤 상황에서도 전력망이 유기적으로 연결되도록 한다.

또한, 인공위성으로부터 받는 신호를 이용해 전국적 단위의 송전망 상태를 감시하고 분석할 수 있는 빅데이터 기반 전력계통 상황인지 기술을 개발하고 있다.

지난 4월 배전용 전력설비의 열화 상태를 자동으로 진단할 수 있는 ‘배전설비 자동진단시스템’을 국내 최초로 개발했다. ‘배전설비 자동진단시스템’은 인공지능이 적용된 영상분석기술을 이용해 자동으로 전력설비를 인식하고 열화상태를 진단한다.

국내 최초로 인공지능 광학영상 분석 기술을 적용, 전력설비 인식률 향상과 인식 시간 단축 등 최적의 영상분석 기술을 확보했다. 영상장비를 탑재한 차량으로 이동하면서 전력설비를 진단할 수 있어 짧은 시간에 전력설비 진단이 가능하다. 전국에 산재한 많은 배전설비의 고장진단 및 예지를 위해 배전용 애자 고장예지 알고리즘 개발 연구, 상태추론 기반 배전설비 예지 기술 및 엔진 등 개발에도 나서고 있다.

전력연구원은 스마트 계량기의 원격검침 데이터를 통합관리하고 실시간 처리를 통해 고객에게 계량데이터 서비스를 제공하는 AMI 계량데이터 통합관리 시스템을 개발했다. 하루 26억 건 이상의 빅데이터 처리에 적합하게 분산·병렬처리 환경으로 구축해 스마트 계량기 확대보급에 유연하게 확장이 가능하다.

실시간으로 전국 계량데이터 수집과 유효성 검증 및 누락값 추정, 요금계산용 사용량 등을 집계할 수 있다. 또한, AMI 설치고객에게 현재 사용량과 전기요금, 시간대별 사용량과 소비패턴, 누진단계 진입 알림과 전기사용 목표관리 서비스를 제공하는 스마트폰 앱 ‘파워플래너’를 통해 합리적 전력소비와 자발적 전기절약을 지원한다.

▲스마트 캠퍼스와 스마트 시티
전력연구원은 가사도의 에너지자립섬을 시작으로 캐나다 온타리오와 모잠비크까지 세계 곳곳에서 마이크로그리드를 성공적으로 구축한 역량을 살려 스마트 캠퍼스와 스마트시티 통합 에너지운영시스템을 개발 중이다.

가사도에 적용된 독립형 마이크로그리드와 달리 연계형 마이크로그리드는 단독 운영과 전력망과 연계 운영 등 다양한 운전방법을 제공하며, 수요자원 관리 등 에너지 자원의 최적화를 위한 방법을 제공한다. 국내 마이크로그리드 기술의 시장경쟁력을 확보하기 위해 광주·전남지역 대학교를 대상으로 스마트 에너지 캠퍼스를 구축하고 있다.

전력연구원은 스마트 에너지 캠퍼스 내 다중 마이크로그리드를 통합 운영할 수 있는 시스템을 개발하고 있다. 또한 다중 마이크로그리드들의 이웃 간 에너지 거래와 정산 등을 위한 웹 기반의 운영시스템 기술을 개발해 2019년까지 실증을 마칠 계획이다.

스마트 시티 구현을 위한 도시에너지 자원 통합운영 플랫폼과 서비스도 개발 중이다. 도시 단위의 에너지관리시스템을 개발하고, 가상발전소(VPP) 최적 운영기술을 포함해 실증한다. 이를 통해 스마트시티의 이산화탄소 배출량을 줄이는 동시에 에너지비용과 전력피크를 절감하고, 도시 에너지 자립율을 향상시킬 방침이다.

한국남부발전 하동화력본부에 설치된 10 MW 이산화탄소 포집 실증플랜트

◇직류배전 기술 개발과 세계 최대 규모 실증
직류배전은 미래의 산업과 생활에 필수적인 전원공급 방식이 될 것으로 기대된다. 전력연구원은 발전소 등 발전원부터 수용가까지 저압 직류배전시스템을 구성하고 이를 통해 직류를 공급하는 기술을 개발하고 있다.

2014년 저압 직류배전의 실계통 적용 연구에 착수한 전력연구원은 지난 9월 서거차도 ‘DC 아일랜드’ 구축에 착수했다.

직류배전용 13.2kV급 전력용 반도체 변압기 개발 및 원천기술을 확보하고, 효율을 98%이상으로 향상시키는 3상 AC/DC 전력변환기, 직류 대용량 수용가 연계 수배전시스템, 직류배전망 계통 및 기기 보호가 가능한 반도체 차단기 등 핵심기기를 개발 중이다.

직류배전은 신재생에너지와 배터리를 사용하는 에너지저장시스템 등과 직접 연결이 가능하며, 직류 부하 증가에 효과적으로 대응할 수 있다. 또한 배전용 교류의 변환과정을 없애 에너지효율이 10% 이상 향상될 것으로 기대된다. 전력연구원은 실증을 통해 세계적으로 초기단계에 있는 직류배전망 사업을 선도할 계획이다.

◇이산화탄소 포집·재활용···기후변화 대응
전력연구원은 기존 기술대비 이산화탄소 포집비용 등을 절감한 혁신적 기술력을 확보했다.
습식 포집 기술은 10MW 이산화탄소 포집플랜트를 구축, 장시간 연속운전(5,000시간)에 성공했다. 개발된 흡수제는 90% 이상의 포집효율과 상용흡수제 대비 35% 에너지 절감을 보이며, 일일 180톤 이상의 이산화탄소를 포집한다. 중국에도 수출돼 실증을 위한 연구개발이 한창이다.

건식 포집 기술은 세계 최초·최대 규모인 10MW 이산화탄소 포집플랜트를 장시간(2,300시간) 연속운전하는 기록을 확보했다. 세계 최고 성능인 80% 이상의 이산화탄소 제거율을 자랑하며 포집된 이산화탄소는 99% 이상의 고순도로 액화, 재사용된다.

이산화탄소 분리막 기술은 세계 최초로 실증용 설비 및 성능평가 인프라를 운영 중이다. 저에너지형 분리막 공정 기본설계를 마치고 세계 최대규모인 1MW 포집플랜트를 10월 준공한다.

이산화탄소를 산업용 고부가 화합물로 바꿔 생산하는 원천기술도 확보했다. 2018년까지 연간 150톤 규모의 중탄산나트륨 생산실증플랜트를 구축할 예정이다. 최근에는 미생물을 이용해 이산화탄소를 메탄가스로 바꿔 천연가스 발전 등에 활용할 수 있는 ‘이산화탄소 바이오메탄화 기술’ 개발에 착수했다.

전력연구원은 저비용·고효율 이산화탄소 배출저감 기술개발을 통해 우리나라의 발전소 및 제철·석유화학 공장 등에서 배출되는 온실가스의 감축목표량 달성에 기여할 방침이다. 단순히 이산화탄소를 포집해 버리는 것을 넘어 이제는 부가가치가 높은 산업용 원료나 연료로 재활용하는 기술 개발에 박차를 가해 에너지신산업을 창출한다는 계획이다.