[논문]IDC(Internet Data Center) 전원기기 고조파 분석 및 다상화 효과 고찰

서정석; 이상중; 이희영; 박정규

doi:10.5207/jieie.2002.16.6.109

[국내논문] IDC(Internet Data Center) 전원기기 고조파 분석 및 다상화 효과 고찰
Analysis of Harmonics Waveform Distortion for IDC(Internet Data Center) Power System and effect of multi-Phase 원문보기

照明·電氣設備學會論文誌 = Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, v.16 no.6, 2002년, pp.109 - 118

서정석 , 이상중 () , 이희영 (KT-IDC) , 박정규 (KT-IDC)

초록
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정보화 사회가 급속히 확산됨에 따라 국내외 비즈니스 환경 역시 급변하고 있다. 또한 분명한 서비스 품질 향상과 신뢰성의 확보를 위하여 국내외 IDC 사업자는 SLAs(Service Level Agreements) 제도를 시행 또는 추진하고 있다. 인터넷 서버, 계통 및 UPS등에 의한 전원품질은 인터넷 서비스 품질을 결정짓는 주요한 요소의 하나가 되고 있다. 따라서 본 논문에서는 국내 IDC의 고조파 실태를 측정 분석하였고, 다상화(Multi-Phase)를 통한 고조파 저감 효과를 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

As Information society has expanded in large scale. In order to improve the reliability and Qos(Quality of service), domestic IDC(Internet Data Center) has adopted or will adopt the SLAs(Service Level Agreements). The power quality of internet hosting server unit, power system and UPS is very important for better internet service. Therefore, the higher reliability or power system is imperative for satisfying SLAs. This paper presents the status measurement of domestic IDCs harmonics and illustrates the reduction effect of harmonics through the multi-phase.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 IDC의 주요 부하체인 네트워크 장비의 고조파 발생과 아울러 계통, 서버(Clients) 전원공급 장비인 UPS둥에서 발생되는 고조파 발생의 분석과 대책이 필수적이라 할 수 있다 본 논문에서는 최근 고조파 발생을 최소화하기 위한 목적이 고려된 외국 IDC 전원 시스템의 다양^을 소개하고 고조파 저감의 한방 법으로 다상화{3]를 실험을 통하여 구현 함으로 서고 조파 저감효과 및 효용성을 검증하였다{4~6}
여기서 DC-AC(Inverter)의 파형은 방형 파를 발생하게 되는데 정현파의 파형을 갖추기 위해서는 부하의 공진, LC 필터에 의한 고조파 감쇄, 최적 펄스 폭의 선정과 LQ 필터, 다중인버터의 상대 위상 차의 제어, PWM, 특정고조파 제거 등의 방법을 고려 할 수 있다. 본 논문에서는 다중펄스제어와 위상제어 및 LC필터에 대한 고조파 감쇄율을 소개한다.
UPS의 측정은 부하율 22(%)의 인터넷 가입자 서버(Clients Server) 운용상태에서 UPS 1차측에서 측정되었으며, 측정의 목적은 고조파 저감을 위한 LC 필터의 효용성을 분석하고 운용상 문제점을 개선하기 위함이었다. UPS의 정상 운전상태에서 필터를 개로, 폐로의 조건으로 반복 시행하였으며 측정된 UPS 의 입력 전류 파형과 고조파 스펙트럼은 그림 14와 같이 나타났다.
본 논문에서는 IDC의 전원시스템 안정성 개선을 위하여 고조파가 고려된 UPS를 포함한 계통구성을 분석하였으며, 타당성 검토를 위하여 회로 구성 별로 고조파 발생량을 실측함으로서 고조파 저감효과를 확인하였고, 특성 연구에 관한 결과는 다음과 같다.

가설 설정

(b) DV% 발생은 287%~3.47%로 기준 대비 0.47% 과다

제안 방법

IDC 네트워크 시설 및 계통의 고조파 측정은 개별서버 유닛과 이들 개별 유닛군에 공급되는 전원 분전반(PDR) 그리고 전원 분전반(PDR)에 입력 전원을 공급하는 UPS까지 시설별 계통별[12]로 고조파의 특성을 측정 분석함으로서 IDC에서 가장 많이 발생되는 고조파와 그 함유량을 측정 분석하였다.
측정장소의 선정은 집적정보통신시설 보호지 침[1] 에 의한 집적정보통신시설 기준조건에 근접되는 국내 대형 IDC를 선별하여 선정하였으며, 측정 위치는 그림10과 같이 서버유닛(A〜C), 계통(D), UPS(E) 등으로 구분하였고, 실 부하 운용조건(평균 부하율 25%에서 고조파를 측정, 분석하였다.

데이터처리

측정 계기는 Digital Power Analyzer(Italy)로서 측정불확도(정확도) 0.5%(표준계측기 Rotek Inc Model 8000의 비교시험)의 분석기를 사용하였으며, 512kb의 기억장치 (memory pack parallel interEace)를 이용하여 정밀 측정, 분석할 수 있었다.

성능/효과

다중펄스(12-Pulse) 필터의 고조파 감쇄율은 5차, 7차, 9차의 전류 왜형율(DA%)r10〜12(%)이며, 11 차, 13차는 오히려 6-pulse 비하여 증가하는 것으로 나타났다. 이의 원리는 정류기 입력전류가 델타'델타구조에서는 단순한 장방형파이나 델타-와이 측에서는 30도의 위상차에 의한 전류파형이 되어 양자를 합치면 5차, 7차 성분을 포함하지 않는 12펄스의 전류가 되기 때문이다{8~11].
현재 일반적으로 적용되고 있는 LC 필터의 모델 및 필터 유무에 따른 특성을 비교 분석한 결과로서 그림 8의 스펙트럼은 고조파 저감을 위한 IC 필터의 유무에 따른 비교 특성을 나타낸다. UPS 용량은 500[kVA] 1대를 선정하였고, 운용상태(부하전류 22%) 경우로서 측정 방법은 정상상태에서 일정한 간격을 두고 LC 필터 개로 및 폐로를 반복한 평균적 결과를 나타낸다’ 측정을 통하여 알 수 있는 것은 LC 필터 개로시에 비하여 폐로 시 평균 50(%)의 고조파 저감율을 보였으나, 기본적으로 고조파 필터의 설계가 100%의 부하를 고려하여 설계되는 것을 감안 할 때 부하율이 50(%) 미만의운용율 조건에서는 큰 효과를 기대할 수 없다는 것을 알 수 있다. 왜냐하면 저부하 운전시 LC 충전전류의과다로 인한 손실은 물론 직렬 리액터의 소손과 콘덴서의 소손 등 문제점이 발생될 가능성이 있으므로 대용량에서 부적절 하다고 볼 수 있다.
측정지점 A, B, C의 각 인터넷 네트워크 스위칭을 개별적으로 측정한 결과는 표 2, 3, 4에 나타난 것과 같이 3차 고조파가 대부분이며, 12.26(%)〜40.95(%) 로 스위칭의 종류에 따라 고조파 전류는 우려할 만큼 다량의 고조파가 발생됨을 알 수 있다. 그림 10에서 인터넷 네트워크에 직접적으로 전원이 공급되는 전원 분전반(power distribution rack)에서의 측정 결과는 그림 11의 b)와 같이 고조파 전류는 3차가 15.
04(%)로 가장 많은 함유량을 나타냈고, 특히 7차, 11차는 거의 존재하지 않는 것으로 나타났다. IEEE 519 Std와 비교할 때 전류 왜형율 DA(%)는 기준치의 5.5배의 초과된 고조파가 발생되었고 특히 neutral line의 고조파 전류 함유량이 상당히 발견되어 이의 개선을 위한 내량 보완이 필요함을 알 수 있었다
64(%)로 나타났다. 또한 11차 8.6 4~9.29(%)로 나타났으며, 결과적으로 UPS 정류기에서의 주요관리 대상 조파가 5차임을 알 수 있다 고조파 전압 역시 기준치 5(%)에 비하여 최소 2.34(%), 최대 2.64 (%)까지 증가된 유해 고조파 전압이 흐르고 있음을 실측을 통하여 알 수 있었다.
그 이유는 3상4선식에서 영상 고조파 전류는 각 상의 스칼라 합인 3배의 전류가 중성 선에 흐르므로 △-△보다 다소 증가된 고조파가 확인되었다. 실측 결과 중성선(neutra』line)에서 3배의 전류보다 적은 1.5배~2배의 전류가 흐르는 것으로 나타났다.
그림 19와 같이 구성하였을 때 입력전류 파형은 그림 20과 같이 나타나며, 시험한 결과 고조파 전류는 3 차 2.67(%), 5차 4(%), 7차 0(%), 11차 12(%) 결과로 측정되었고, 고조파 전압은 3차 7(%)~13(%), 5 차 5(%)-9(%), 7차 2(%) 〜5(%)로 상당한 고조파의 저감 효과를 입증 할 수 있었다. 그림 21과 같이 고조파 전류 스펙트럼에서 5차, 7차의 고조파는 △-△와 △ -Y에서는 근사치로 나타났으나 그림 21의 (c) 와 같이 5차, 7차의 고조파 전류가 거의 감쇄된 효과를 확인 할 수 있었다.
(1) UPS 2차측에 Isolation transformer의 구성을 통하여 개선전 대비 62.02(%)정도로 고조파전류가 입력 측 유입이 억제되는 효과를 확인 하였다.
(2) 고조파 저감을 위한 LC필터는 대용량 UPS에서의 실효전류가 정격전류의 50(%) 이하인 경우 입력 측 전압상승의 원인이 됨을 확인하였다.
(4) 중성선의 고조파 전류 과다는 이론치와 같이 1.5배 ~2배(이론치 : 각상 전류 스칼라 합의 3배)로 일치함을 확인하였다.
(5) 실험한 결과 그림 21과 같이 다상화의 경우 3차 5차 고조파 전류는 거의 감쇄됨을 확인하였으며, 전류 왜형율(DA(%)), 전압 왜형율(DV(%)) 모두 현저한 저감 효과가 확인되었다. 측정결과에서와 같이 전압 왜형 보다는 비선형 부하에서의 고조파 전류(전류 왜형)의 개선이 절실히 필요하며, 특히 서버유닛과 UPS에서의 고조파 발생문제가 심각한 것으로 나타났다.
저감 효과가 확인되었다. 측정결과에서와 같이 전압 왜형 보다는 비선형 부하에서의 고조파 전류(전류 왜형)의 개선이 절실히 필요하며, 특히 서버유닛과 UPS에서의 고조파 발생문제가 심각한 것으로 나타났다. 이는 UPS의 기본 설계시 100(%) 부하를 고려한 고조파 필터 설계가 이루어지지만 현장에서의 운용은 스위칭 소자의 특성을 감안하여 최적 운용율을 5負%)〜60(%)로 운전되는 조건에서 고조파 필터의 역할은 기대하기 어 렵다.
5배~2배 정도 과하므로 불평형, 발열등 많은 문제점을 안고 있다고 할 수 있다. NLilti-Riase를 실험한 결과 현저히 고조파가 저감됨을 확인 할 수 있었으며, 특히 영상 고조파의 저감이 분명 하였다. 향후 고조파가 통신 시스템에 미치는 영향(证)등 전문적이고 지속적인 현장 연구수행이 필요하다고 사료된다.
그림 12는 UPS(Uninterruptible Power Supply)에서의 정류기 입력측(교류측) DA(%), DV(%)를 실측한 결과를 나타낸다 UPS 용량은 SOOlkVA]로 정류기 1차 입 력측 측정 결과 5차 전류가 45.74 〜49.76(%) 으로 가장 많은 분포로 나타났고 7차 16.39-18.38 (%), 3차 6.21 〜7.64(%)로 나타났다. 또한 11차 8.
(3) IDC의 전원 계통 중 고조파 발생분포는 Server Units 41.81(%), 배전계통 22.56(%), UPS 35.63(%)로 개별 서버 유닛(네트워크스위치 포함)과 UPS의 개별고조파 저감 개선에 대한 지속적인 연구 수행이 필요함을 확인 할 수 있었다.

후속연구

NLilti-Riase를 실험한 결과 현저히 고조파가 저감됨을 확인 할 수 있었으며, 특히 영상 고조파의 저감이 분명 하였다. 향후 고조파가 통신 시스템에 미치는 영향(证)등 전문적이고 지속적인 현장 연구수행이 필요하다고 사료된다.

참고문헌 (12)

정보통신부, “집적정보통신시설(IDC)보호지침”, 정보통신
정보통신부, “초고속인터넷 SLA시행”, 8, 2002.
John G. Kassakian, Martin F, Schlecht, George C. Vergh
IEC 62040(EN62040)-1-1&2, IEC 146-4 and 146-5.
IEEE 519-1992, “Recommended Practices and Requirem
E. Thunberg, L. Soder,　“On the Estimation of Harmonic
IEEE Std 446. 1980.
John. J. Grainger, William, D, Stevenson, Jr, “Power
W. Mack Grady, Surya Santoso,“Understanding Power
R. F. Senior, Julio Quezada Ivan, Saavedra, “Harmonic
J. R. Donnalley, General Electric Company, “SCR
한국통신연구개발단, “UPS 매뉴얼”, pp. 62-73, 1992.

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