에너지 전환을 위한 변압기 변전소의 디지털 혁명
에너지 업계는 상당한 과제에 직면해 있다. 독일의 배전망 운영사들은 에너지 전환에 대응하기 위해 신속하게 인프라를 준비해야 한다.
2030년까지 전기의 약 80%는 재생 에너지원에서 생산될 예정이다. 나투르에너지 네체(naturenergie netze)의 시범 프로젝트를 통해 변압기 변전소를 보다 신속하게 현대화할 수 있는 새로운 방법론이 제시되었다. 이 프로젝트에서 소프트웨어 공급업체인 이플랜(Eplan)은 엔테그라(entegra)와 협력하여, 처음으로 디지털 트윈을 이용해 독일 남부지역 배전망 운영사의 변압기 변전소에 대한 전환 계획 및 개발 속도를 크게 가속화하는데 성공했다.
과거의 배전 형태는 일방향으로 이뤄졌다. 지난 수십 년 동안 에너지는 석탄 및 원자력 발전소에서 변전소로, 그리고 다시, 전압을 여러 번 하향 변환한 다음, 최종 소비자에게 전달되는 단일 프로세스가 지속되어 왔다. 도로 교통에 비유하자면, 이는 ‘일방통행 도로’와도 같다. 하지만 이제는 도심 도로망처럼 복잡해지고 있다. 오늘날의 다양한 에너지 믹스(Energy Mix) 환경에서는 바람과 날씨에 따라 매시간 에너지량이 변하기 때문에 실제로는 더 이상 안정적인 기저 부하는 존재하지 않는다. 또한, 풍력 발전소와 태양광 발전 시스템 운영사들은 중전압 및 저전압 레벨로 에너지를 분산 공급하기 때문에 전력망은 이제 양방향으로 작동하고 있다. 열 펌프와 전기차 충전소로 인해 에너지 소비는 크게 증가하고 있으며, 이른 저녁 시간에 피크를 기록했던 익숙한 부하 프로파일도 이제는 과거의 일이 되었다. 그러나 공급 품질과 50Hz 주파수는 여전히 보장되어야 하는 필수 요소이다.
배전망 운영사들은 이러한 복잡한 요구사항에 따라 전력망을 구축해야 하는 상당한 과제에 직면해 있다. 나투르에너지 네체는 기존의 변압기 변전소에 대한 현대화 작업과 함께 새로운 발전소 건립 과제를 안고 있었다. 증가하는 전력 수요에 맞게 발전소 시설을 개선하는 것은 물론, 이외에도 여러 과제들을 해결해야 했다. 더 큰 도전 과제는 에너지원과 에너지 흐름의 유연성을 높이고, 정밀하게 전력을 제어할 수 있도록 조정하는 것이었다.
디지털 트윈
나투르에너지 네체(텍스트 상자 참조)는 이러한 도전 과제에 신속하게 대응하기 위해 시스템 중 일부를 현대화하는 시범 프로젝트를 진행하고 있다. 이 배전망 운영사는 라인펠덴에 위치한 변압기 변전소의 개조를 위한 계획 및 구성을 위해 디지털 개념을 사용하고 있다. 이러한 새로운 접근 방식은 예비사업 단계에도 적용되고 있다. 개발 코디네이터인 레이너 벡(Rainer Beck)은 “계획을 세우기 전에, 변압기 변전소의 디지털 트윈을 생성했다. 즉, 실제 구성요소(1차 기술)와 제어 레벨(2차 기술)은 물론, 건물 및 주변장치에 대한 모든 데이터가 포함된 가상 환경을 만드는 것이다. 그런 다음, 이 디지털 트윈을 기반으로 개조 계획을 수립하게 된다.”고 설명했다.
하지만 여기에는 또 다른 난제가 있다. 1차 기술과 2차 기술이 서로 다른 CAD 소프트웨어 툴을 이용해 계획이 이루어진다는 점이다. 이 시범 프로젝트에서는 ‘전기 에너지 시스템을 위한 디지털 트윈’ 태스크 포스인 VDE ETG의 회원사로 활동 중인 두 주요 공급업체 간의 매우 특별한 협력을 통해 문제가 해결되었다. 엔테그라(entegra)는 1차 기술을 위한 프라임테크(primtech) 소프트웨어 솔루션을 제공하고, 이플랜(Eplan)은 2차 기술을 위한 솔루션을 제공하여 나투르에너지 네체가 첫 번째(예비) 계획 단계에서 필요로 하는 1차 및 2차 기술을 단일 모델로 결합할 수 있도록 지원했다.
상당한 효율성 향상
엔테그라와 이플랜은 이러한 독보적인 프로젝트를 위해, 써드파티(Third Party) 협력사로 참여하여 적절한 시범 프로젝트를 수행할 수 있는 혁신적인 배전망 운영사를 찾고 있었다. 특히 이 프로젝트는 복잡한 성격의 과제였기 때문에 나투르에너지 네체와 연결된 것은 매우 유의미한 성과였다. 레이너 벡은 “이 프로젝트의 목표는 현재 운영 중에 있는 기존의 매우 복잡한 변압기 변전소의 모든 2차 기술을 개조하는 것으로, 프로젝트에 참여하는 것은 상당히 매력적인 제안이었다.”며, “변전소를 현대화하기 위해서는 계획에서 실행까지 보통 2~3년이 걸리지만, 이번 새로운 계획 수립 방법을 통해 이 기간을 크게 단축할 수 있었다.”고 말했다. 이는 프로젝트에 참여한 모든 사람들이 동의하는 것이다. 엔테그라의 비즈니스 개발 매니저인 마티아스 슈이(Matthias Schuy)는 “우리는 이 프로젝트를 통해 변압기 변전소의 1차 기술과 2차 기술을 하나의 디지털 트윈으로 통합했다. 이는 지금까지 시도된 적이 없었던 작업이지만, 상당한 이점을 가져올 것이다.”고 설명했다. 이와 함께 레이너 벡은 “궁극적으로 한 번의 투자로 얼마나 빠르게 수익을 낼 수 있는지 증명해야 한다. 첫 번째 프로젝트 단계인 예비 계획이 마무리된 후, 실제 변압기 변전소 개조 과정에서 상당한 시간 절감 효과를 확인했다. 더 나아가, 이는 모든 프로젝트에 적용될 것이다.”고 덧붙였다.
엔테그라의 마티아스 슈이(Matthias Schuy): “1차 및 2차 기술을 디지털로 결합하는 독보적인 접근방식을 통해 상당한 이점을 얻을 수 있다.”
모든 사용자를 위한 하나의 모델
프로젝트의 첫 번째 단계에서, 변압기 변전소를 스캔하고, 명판(Rating Plate)을 촬영하여 생성한 1차 기술 데이터를 자산 관리 시스템의 데이터와 비교한다. 이를 기반으로 변압기 변전소에 대한 기능적으로 유효한 프라임테크 3D 모델을 생성한다. 완전히 자동화된 프로세스를 통해, 이러한 프라임테크에서 생성된 데이터 세트는 인터페이스를 통해 이플랜으로 보내지고, 이 데이터는 이플랜에서 2차 기술을 설계하는 기반으로 사용된다. 마지막으로 2차 기술 데이터를 디지털 트윈에 통합하면, 이 작업은 거의 완료된다. 현재의 시나리오를 문서화하여 변압기 변전소의 2차 기술을 효율적으로 교체할 수 있는 기반을 마련할 수 있다. 이플랜의 글로벌 버티컬 에너지 시장 부문 매니저인 얀 올리버 캄메샤이트(Jan Oliver Kammesheidt)는 “이 단계는 정말 중요하다. 모든 데이터를 검증하여 기본적으로 ‘단일 진실의 원천(Single Source of Truth)’이라는 원칙을 활용할 수 있기 때문이다. 또한 원래의 시스템 데이터는 수정되지 않고 디지털 트윈에 연결된다. 이는 미래에 문제가 될 수 있는 데이터 중복을 방지하기 위한 것이다.”고 설명했다.
이플랜의 얀 올리버 캄메샤이트(Jan Oliver Kammesheidt): “전력망 업계는 표준화가 필요하다. 나투르에너지 네체라는 혁신적인 파트너와 함께 이러한 과제를 수행할 수 있게 되어 기쁘게 생각한다.”
과제 수행 당사자들은 결합된 데이터 모델의 아키텍처 측면에서 트윈 접근 방식에 따라 특수 인프라를 구축했다. 마티아스 슈이는 “하나의 선도 시스템은 존재하지 않으며, 대신 동일한 모델에 대한 서로 다른 관점이 있을 뿐이다. 디지털 트윈은 시스템에 대한 새로운 관점을 제시한다. 예를 들어, 프라임테크에서 이플랜 또는 SAP로의 접근을 가능하게 한다. 디지털 트윈은 변압기 변전소와 관련된 모든 정보를 중앙에서 액세스할 수 있도록 하는 주요 기능 중 하나를 수행할 수 있다.”고 말했다.
2차 기술 표준화
엔테그라와 이플랜, 그리고 배전망 운영사 3자간의 이번 협업은 2년 전 내려진 결정 덕분에 가능해졌으며, 또한 더욱 용이해졌다. 당시 나투르에너지 네체는 제어 기술인 2차 기술을 계획하기 위해 이플랜 일렉트릭 P8(Eplan Electric P8) 및 이플랜 프로 패널(Eplan Pro Panel) 소프트웨어 솔루션을 도입했다. 이는 전력망 개발 프로젝트 책임자인 시몬 뤼멜레(Simon Rümmele)가 주도했으며, 현재도 책임을 맡고 있다. 그는 “이플랜을 통해 2차 기술의 표준화와 더 효율적인 엔지니어링을 추진할 수 있었다. 또한, 운영 단계에서 예측유지보수와 정비에도 활용할 수 있는 종단간(End-to-End) 계획을 수립할 수 있었다.”고 밝혔다.
기계 엔지니어링에서 얻은 교훈
이 프로젝트는 전력 산업의 이용자들이 기계 엔지니어링에 대한 경험과 솔루션을 통해 이점을 얻을 수 있음을 보여준다. 이플랜이 수십 년 동안 활동해 온 기계 엔지니어링 분야에서는 패널 구축 및 스위치기어 제조 장비의 표준화 및 ‘산업화’가 안정적으로 수립되었다. 변압기 변전소 분야에서도 이러한 단계를 구축하기 위해서는 아직 많은 보완이 필요하지만, 반드시 이뤄야 하는 과제이기도 하다. 캄메샤이트는 “지금까지 변압기 변전소는 개별적으로 계획되고 단발성으로 구축되어 왔다. 이로 인해 에너지 전환으로 인해 발생하는 현대화 및 신규 건설의 필요성을 판단하는데 많은 어려움이 있다. 이 분야는 과거보다 훨씬 더 많은 표준화가 필요하다. 이플랜은 이를 지원하고 있으며, 나투르에너지 네체라는 혁신적인 파트너를 찾게 되어 매우 기쁘게 생각한다. 1차 및 2차 기술을 위한 디지털 트윈을 통해 프로세스를 더욱 가속화하고, 신뢰성을 높일 수 있게 되었다.”고 말했다.
전환을 위한 강력한 파트너십
뤼멜레는 나투르에너지 네체가 달성하고자 하는 것도 이와 동일하다고 언급했다. 그는 “우리는 디지털화를 더욱 확장하고자 한다. 향후 더 많은 기회를 개척하고, 운영 체계를 보다 용이하게 구축하기 위해 반드시 필요하기 때문이다. 이러한 이유로, 라인펠덴의 변압기 변전소에서 최신 기술을 도입하는 추가 시범 프로젝트도 계획하고 있다. 뿐만 아니라, ‘하드웨어’, 즉 모든 인클로저 기술을 전환하기 위해 이플랜의 자회사인 리탈(Rittal)과 강력한 파트너십을 구축했다.”고 말했다.
나투르에너지 네체는 이미 오래전부터 표준화를 계획해왔으며, 엔테그라와 이플랜이 공동으로 개발한 디지털 트윈이 이를 위한 기반을 제공하게 될 것이다. 레이너 벡은 “우리는 110kV 범위의 건물과 두 개의 표준 개념을 사용하고, 이를 기반으로 변형을 만드는 방안을 구상하고 있다. 또한 주요 1차 기술 공급업체들과도 이를 위한 작업을 진행 중이다. 이를 통해 필요한 시간과 계획을 대폭 줄일 수 있을 것이다. 이는 대부분의 변압기 변전소를 새로운 요구사항에 맞게 조정해야 할 수도 있기 때문에 매우 중요하다. 엔테그라와 이플랜이 수행 중인 디지털 트윈과 예비 작업이 이를 실현하는 데 큰 도움이 될 것이다. 협업과 파트너십을 통해 우리는 전력망을 효율적이면서도 미래 지향적인 방식으로 개발함으로써 진정한 혁신을 실현하고 있다.”고 말했다.
이 프로젝트의 혜택은 나투르에너지 네체에 국한되는 것은 아니다. 캄메샤이트는 “기계 엔지니어링 분야와 달리, 전력망 운영사들은 서로 경쟁하기 보다는 정보를 개방적으로 공유한다. 이미 많은 관심이 이 프로젝트에 집중되고 있다. 현재 진행 중인 작업과 VDE 태스크포스의 활동으로 많은 전력망 운영사들이 전환 및 신규 건설 프로젝트를 보다 신속하게 계획하고, 실행하는데 긍정적인 영향을 미치게 될 것이다.”고 말했다.
www.eplan-software.com
