[논문]실시간 송수펌프 최적운영 시스템 개발

김강민; 최정욱; 강두선; 강민구; 김병섭

문제 정의

SCADA 시스템은 현장계기 및 센서로부터 데이터를 원격단말장치가 수집한 후, 유무선 통신망을 통해 중앙감시실에 설치된 감시제어용 컴퓨터에 전송하여, 현장의 상황을 온라인으로 감시, 제어한다. 또한, 운영자의 조치사항을 시스템에 제공함으로써 실시간 제어가 가능하도록 한다. 즉, 송,배수시스템의 전반적인 핵심 요소이며, 상수관망 시스템 전체에 걸쳐 진행되는 상황을 운영자가 쉽게 이해할 수 있도록 그래픽 형식으로 정보를 가시화하여 제공한다.
본고에서는 국내 송, 배수 시스템의 운영 현황에 대해 알아보고, 기존 펌프의 운영안과 펌프 최적 운영안의 비교를 통해 안정적인 용수공급이 가능하면서도 에너지 사용을 최소화하는 실시간 펌프운영 모형에 대해 소개하고자 한다.
송, 배수시스템은 안정적인 용수 공급, 적정 수압 및 수질 확보, 운영비용 절감 등을 고려하여 정수장에서 급수 전단까지 감시 및 제어하는 종합적인 운영관리가 필수적이다. 본고에서는 안정적이고 경제적인 송, 배수시스템의 운영을 위한 송수펌프 최적운영 모형개발에 대하여 소개하고, 간단한 적용사례를 살펴보았다. 일반적으로 송, 배수시스템의 선진화된 운영 및 제어를 위한 핵심요소는 다음과 같다.

제안 방법

국내에서 운영 중인 P시의 송, 배수시스템에 개발모형을 적용하여 펌프 운영방법에 따른 펌프장 운영비용을 비교하였다. 세 가지 형태의 운영방법을 비교하였으며, 모의 결과는 [표 1]에 제시하였다.
마지막으로 최적화 모듈에서는 향후 24시간의 펌프운영 스케줄을 결정 – 정속펌프의 경우 On/Off, 변속펌프의 경우 변속율 – 하며, 이때 펌프전력비용을 목적함수로 설정하고, 다양한 운영 제약조건을 반영하도록 한다.
본고에서 소개하고자 하는 실시간 펌프 최적운영 모형은 크게 1) 수요량 예측 모듈, 2) 수리해석 모듈, 그리고 3) 최적화 모듈 등 세 가지의 모듈로 구성되어 있다. 먼저, 수요 예측 모듈은 과거 실측데이터를 기반으로 시계열분석을 통해 향후 24시간의 수요패턴을 예측한다. [그림 3]은 임의의 시간에서의 실시간 수요예측 결과를 도시한 예이다.
본 모형의 경우, SCADA 시스템을 통해 매시간 배수지 방류량(=수요량), 배수지 수위, 펌프상태 등의 실측데이터를 최적운영모형에 제공한 후, 모형으로부터 계산된 펌프 스케줄링 결과를 펌프시설에 내려줌으로써 실시간 펌프운영을 계획하도록 한다. 매 시간 실시간으로 수집된 실측데이터를 사용하여 시스템의 경계조건을 수정함으로써 모형의 계산 오차(즉, 이전 시간에 예측한 현재시점의 예측값과 실측값의 차)를 최소화 할 수 있다.
국내에서 운영 중인 P시의 송, 배수시스템에 개발모형을 적용하여 펌프 운영방법에 따른 펌프장 운영비용을 비교하였다. 세 가지 형태의 운영방법을 비교하였으며, 모의 결과는 [표 1]에 제시하였다. 세 가지 운영방안 중 운영자 Rule의 펌프운영비용이 377,425원으로 가장 높게 나타났으며, 정속펌프, 변속펌프를 대상으로 최적화 알고리즘을 적용시켰을 경우의 펌프운영비용은 운영자 Rule 결과 대비 각각 9.

대상 데이터

참고로, 모형을 적용한 P시의 송, 배수 시스템은 간략화를 통해 관로 410개, 절점 373개, 정수장 1개소, 배수지 4개소, 송수펌프장 4개소(각 펌프장 펌프 2대 구동) 등으로 구성되었다. 최적화모의는 Intel(R) Core(TM) i5-3470 3.

이론/모형

수리해석 모듈은 예측된 수요량과 최적화 모듈로부터 펌프운영 결과를 받아서 절점압력, 관로유량 등을 모의하는 모듈이며, 미 환경청(U.S. EPA, 2000)에서 개발한 비상업용 관망해석 프로그램인 EPANET을 사용하였으며, 최적화 모듈과의 연동을 위해서 개발자용 Toolkit을 적용하였다. 마지막으로 최적화 모듈에서는 향후 24시간의 펌프운영 스케줄을 결정 – 정속펌프의 경우 On/Off, 변속펌프의 경우 변속율 – 하며, 이때 펌프전력비용을 목적함수로 설정하고, 다양한 운영 제약조건을 반영하도록 한다.
마지막으로 최적화 모듈에서는 향후 24시간의 펌프운영 스케줄을 결정 – 정속펌프의 경우 On/Off, 변속펌프의 경우 변속율 – 하며, 이때 펌프전력비용을 목적함수로 설정하고, 다양한 운영 제약조건을 반영하도록 한다. 최적화 기법은 유전자 알고리즘을 사용하였으며, 최적화 모듈에 관한 상세한 설명은 3.3절에 제시하였다. [그림 4]는 앞서 소개한 세 가지 모듈의 관계도를 간략히 도시한 그림이다.

성능/효과

(1) 펌프의 연속운영 고려 : 펌프가 한번 작동을 시작하면 최소 2시간은 펌프의 ON상태를 유지, 펌프의 작동이 멈추면 해당 시점으로 부터 1시간은 펌프의 OFF상태를 유지. 이러한 조건을 만족하기 위해 과거 3시간의 실제 펌프운영정보를 가져와 연속운영의 조건을 판단
세 가지 형태의 운영방법을 비교하였으며, 모의 결과는 [표 1]에 제시하였다. 세 가지 운영방안 중 운영자 Rule의 펌프운영비용이 377,425원으로 가장 높게 나타났으며, 정속펌프, 변속펌프를 대상으로 최적화 알고리즘을 적용시켰을 경우의 펌프운영비용은 운영자 Rule 결과 대비 각각 9.4%, 33.1% 감소하는 것으로 나타냈다. 펌프가동률의 경우 정속펌프, 변속펌프, 운영자 Rule 운영 각각 82%, 80%, 76%로 운영자 Rule이 가장 낮은 가동율을 보였다.
참고로, 모형을 적용한 P시의 송, 배수 시스템은 간략화를 통해 관로 410개, 절점 373개, 정수장 1개소, 배수지 4개소, 송수펌프장 4개소(각 펌프장 펌프 2대 구동) 등으로 구성되었다. 최적화모의는 Intel(R) Core(TM) i5-3470 3.20GHz의 프로세서와 16.0GB의 RAM 제원의 PC에서 수행되었으며, 한 번의 최적화 모의에 약 300초가 소요되는 것으로 나타나 실시간 모의가 가능할 것으로 판단된다.
1% 감소하는 것으로 나타냈다. 펌프가동률의 경우 정속펌프, 변속펌프, 운영자 Rule 운영 각각 82%, 80%, 76%로 운영자 Rule이 가장 낮은 가동율을 보였다. 이와 같은 결과는 시간대별 전력단가(KEPCO 산업용 전력단가사용)의 고려로 인해 펌프의 가동시간과 운영비용이 비례하지 않기 때문이며, 결과적으로 최적화를 통한 변속펌프 운영이 비용 측면에서 가장 경제적인 운영방안이라고 할 수 있다.

후속연구

또한, 우리나라의 전력요금은 시간대별로 최대 2배 이상 차이가 나기 때문에 전력요금이 낮은 심야시간대에 배수지 수위를 가득 채워 용수를 저장하고, 전력요금이 높은 시간대에 저장된 용수를 공급하는 방식으로 운영하는 것이 효과적이다. 따라서, 안정적이고, 경제적인 송, 배수시스템의 운영 및 관리를 위해서는 기존의 운영방안을 개선하고, 본고에서 소개한 실시간 펌프 최적운영 모형의 적용이 필요할 것으로 판단된다.
마지막으로, 송수 펌프장의 최적운영이 있다. 송수 펌프장은 상수관망 시스템에서 에너지 소비량의 많은 부분을 차지하는 시설물이며 이러한 고에너지 소비 시설물인 송수펌프장의 운영을 최적화 한다면 에너지 절감을 위한 장비의 구축이나 추가 비용 없이 상당히 많은 에너지를 효율적으로 절감할 수 있을 것이다. 최근, 대규모 펌프장의 운영에 있어 운영비용의 최소화를 위한 최적화 연구가 활발히 진행되고 있으며 세계적으로 큰 주목을 받고 있다 (Yu et al.
따라서 기존의 안정성에 초점을 맞춘 운영방식을 개선하여 실시간으로 다양한 정보를 활용한 최적 펌프운영 방안을 모색할 필요가 있다. 이러한 펌프운영은 실시간으로 향후 용수사용량을 예측한 후, 배수지 운영수위 범위를 수립하고 최적의 펌프 운전 스케줄을 결정함으로써 불필요한 전력사용을 방지하고 수 운영 시스템의 효율을 보다 향상시킬 수 있을 것이다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	상수관망 시스템이란 무엇인가?	상수관망 시스템은 생활 및 공업용수를 안전하게 공급하기 위한 사회기반시설물이다. 최근, 급격한 도시화로 인해 그 규모가 점차 확대되어 가고 있으며 그에 따른 에너지 소비량도 매년 증가하는 추세이다.
	상수관망 시스템의 에너지 사용절감을 위한 방안은 무엇이 있는가?	최근, 급격한 도시화로 인해 그 규모가 점차 확대되어 가고 있으며 그에 따른 에너지 소비량도 매년 증가하는 추세이다. 상수관망 시스템의 에너지 사용절감을 위한 방안으로는 1) 관망 내 누수 방지 및 저감, 2) 관로 내 잉여 에너지 회수, 3) 펌프장 최적운영 등이 있다. 첫 번째로, 관망 내 누수는 용수의 손실 뿐만 아니라 압력손실로 인한 추가적인 에너지 소비를 유발하여 경제적 손실을 야기한다.

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