[논문]FTA를 적용한 태양광 발전 및 ESS 연계형 PCS의 안전성 평가

김두현; 김성철; 김의식; 남기공; 정천기

doi:10.14346/jkosos.2019.34.1.14

FTA를 적용한 태양광 발전 및 ESS 연계형 PCS의 안전성 평가
Safety Assessment for PCS of Photovoltaic and Energy Storage System Applying FTA 원문보기

한국안전학회지 = Journal of the Korean Society of Safety, v.34 no.1, 2019년, pp.14 - 20

김두현 (충북대학교 안전공학과) , 김성철 (충북대학교 안전공학과) , 김의식 (대한산업안전협회) , 남기공 (디아이케이(주)) , 정천기 (디아이케이(주))

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents a safety assessment based approach for the safe operation for PCS(Power Conditioning System) of photovoltaic and energy storage systems, applying FTA. The approach established top events as power outage and a failure likely to cause the largest damage among the potential risks of PCS. Then the Minimal Cut Set (MCS) and the importance of basic events were analyzed for implementing risk assessment. To cope with the objects, the components and their functions of PCS were categorized. To calculate the MCS frequency based on IEEE J Photovolt 2013, IEEE Std. 493-2007 and RAC (EPRD, NPRD), the failure rate and failure mode were produced regarding the basic events. In order to analyze the top event of failure and power outage, it was assumed that failures occurred in DC breaker, AC breaker, SMPS, DC filter, Inverter, CT, PT, DSP board, HMI, AC reactor, MC and EMI filter and Fault Tree was drawn. It is expected that the MCS and the importance of basic event resulting from this study will help find and remove the causes of failure and power outage in PCS for efficient safety management.

주제어

표/그림 (10)

그림 Fig. 1. Functional classification for module PCS.
그림 Fig. 2. Safety control structure of PCS.
그림 Fig. 3. Sequence of FTA.
그림 Fig. 4. Consist of modeling for PCS.
표 Table 1. Basic event data of PCS
그림 Fig. 5. FT diagram for failure of PCS.
표 Table 2. Logic gates for main events
표 Table 3. Importance measure for PCS
표 Table 4. Minimal cut sets in PCS
표 Table 5. Basic event of PCS

AI 본문요약
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문제 정의

1처럼 Stack부분을 캡슐로 설계화한 구조를 말한다. 본 연구에서는 하나의 통합된 시스템인 PCS를 바탕으로 결함수 분석을 하였다. Fig.

가설 설정

결함수(FT)를 작성하면서 기본사상의 고장률 및 확률밀도함수는 지수분포를 따르는 것으로 가정하였고 각각의 기본사상은 통계적으로 상호 독립적으로 발생하는 것으로 가정하였다. 또한 시스템 운영 중에는 수리에 의한 보수는 없는 것으로 가정하였다.
결함수(FT)를 작성하면서 기본사상의 고장률 및 확률밀도함수는 지수분포를 따르는 것으로 가정하였고 각각의 기본사상은 통계적으로 상호 독립적으로 발생하는 것으로 가정하였다. 또한 시스템 운영 중에는 수리에 의한 보수는 없는 것으로 가정하였다. 본 연구의 원래 목적에 부합하기 위해 인간과오에 의한 운전상의 실수 역시 고려하지 않고 결함수(FT)를 전개하였다.

제안 방법

1. 결함수분석을 이용하여 PCS의 안전성 평가가 가능하며 이를 토대로 부품 및 모듈별 고장을 정량적으로 분석하고 발생확률이 높은 부품 및 모듈에 대하여 관리를 함으로써 PCS의 신뢰성을 향상할 수 있는 방법을 제시하였다.
신뢰성 있는 정량 평가를 위해서는 고장률 데이터 확보가 중요한데 잠재고장원인 및 고장률은 IEEE J Photovolt 2013, IEEE Std. 493-2007 및 RAC 등을 통하여 수집한 고장모드와 고장률 중에 PCS 특성에 가장 적합한 고장률을 선택하여 반영하였다. 잠재고장원인과 고장률을 바탕으로 정량적 평가를 하고 도출된 결과를 통해 PCS의 선택적 관리가 가능하고, 또한 고장이나 예측 가능한 사고에 대하여 해당 구성부품 및 PCS 작동별 위험요소를 제거함으로써 타 시스템으로의 파급사고를 막을 수 있다.
, IEEE Std. 493-2007⁸⁾및 RAC⁹⁾을 바탕으로 고장률과 기본사상(Basic event)을 도출하였다. 또한 보편적인 PCS의 회로도를 구축하고, 고장에 대한 기능적 및 잠재적 고장의 원인에 대한 결함수(FT)를 작성하고 분석 하였다.
PCS에 발생할 수 있는 고장 및 그 원인은 매우 다양 하나, 본 연구에서는 이를 단순화하여 부품 또는 모듈 고장 등으로 인한 에너지 출력 감소, 데이터 입출력 실패로 인한 고장이 동시에 발생하는 경우를 정상사상으로 간주하였다. 에너지 출력 감소는 Fig.
Fig. 5 a)는 PCS의 고장 및 화재를 정상사상으로 간주 하고 중간사상을 에너지 관점(Low power)과 데이터 관점(Low data)의 고장으로 분류하였다. Fig.
본 연구의 원래 목적에 부합하기 위해 인간과오에 의한 운전상의 실수 역시 고려하지 않고 결함수(FT)를 전개하였다. 결함수(FT)는 Fig. 4의 PCS 모델링을 위한 구성을 근간으로 하여 정량적인 분석을 실시하였다. 신뢰성 있는 정량 평가를 위해서는 고장률 데이터 확보가 중요한데 잠재고장원인 및 고장률은 IEEE J Photovolt 2013, IEEE Std.
이는 AC reactor의 자체의 고장과 Stack(Inverter)의 고장으로 하였다. 또한 Stack 자체의 고장과 아몰퍼스 필터의 고장, 최종 입력인 DC breaker의 고장으로 하였다.
본 연구에서는 PCS에 바람직하지 않는 사건인 고장 및 화재를 정상사상으로 하고 에너지(Low power)와 데이터(Low data)의 고장을 중간사상으로 하여 결함수(FT)를 작성하고 분석하였다. 또한 고장을 발생시킬 수있는 최소절단집합(MCS)과 기본사상의 중요도를 도출하였다. 본 연구에서 얻은 결론은 다음과 같다.
또한 기본사상 및 게이트에 분류코드를 부여하여 해당 사상의 고장 형태를 쉽게 파악 가능하도록 하였다. 기본사상 중 중복되는 사상의 경우는 해당 구성 부품에서 발생되는 기초사상으로 이는 식별자(ID Code)를 구분하여 첨부하였다.
493-2007⁸⁾및 RAC⁹⁾을 바탕으로 고장률과 기본사상(Basic event)을 도출하였다. 또한 보편적인 PCS의 회로도를 구축하고, 고장에 대한 기능적 및 잠재적 고장의 원인에 대한 결함수(FT)를 작성하고 분석 하였다. PCS 시스템의 바람직하지 않은 사건인 고장을 정상사상으로 두고 정량적 분석을 실시하여 고장을 발생시킬 수 있는 최소절단집합(MCS)을 도출하고 최소 절단집합과 기본사상의 중요도를 분석하였으며, 이를 통해 중요사상들의 원인에 대하여 철저한 관리를 함으로써 PCS를 안정하게 운영할 수 있을 것이다.
본 연구에서는 PCS에 바람직하지 않는 사건인 고장 및 화재를 정상사상으로 하고 에너지(Low power)와 데이터(Low data)의 고장을 중간사상으로 하여 결함수(FT)를 작성하고 분석하였다. 또한 고장을 발생시킬 수있는 최소절단집합(MCS)과 기본사상의 중요도를 도출하였다.
또한 시스템 운영 중에는 수리에 의한 보수는 없는 것으로 가정하였다. 본 연구의 원래 목적에 부합하기 위해 인간과오에 의한 운전상의 실수 역시 고려하지 않고 결함수(FT)를 전개하였다. 결함수(FT)는 Fig.
PCS에 발생할 수 있는 고장 및 그 원인은 매우 다양 하나, 본 연구에서는 이를 단순화하여 부품 또는 모듈 고장 등으로 인한 에너지 출력 감소, 데이터 입출력 실패로 인한 고장이 동시에 발생하는 경우를 정상사상으로 간주하였다. 에너지 출력 감소는 Fig. 4에서 제시한 에너지 관점을 바탕으로 하였고, 데이터 입출력 실패는 데이터 관점을 바탕으로 고장 시나리오를 제시하였다. Fig.
PCS에 바람직하지 않는 사건인 고장 및 화재를 정상 사상으로 하고 에너지(Low power)와 데이터(Low data)의 고장을 중간사상으로 하여 그 발생원인, 기여 조건 및 요인들을 분석함에 있어서 신뢰성분석프로그램인 PTC Windchill Quality Solutions과 AIMS-PSA를 사용하였다. 중간사상에 대하여 에너지 및 데이터의 입출력의 작동순서를 확인하고 이들의 대응 상태에 따라 추가적 으로 발생할 수 있는 사고를 예측하였으며 전반적으로 분석의 신뢰성을 높였다. 이를 FT로 도식화하면 Fig.
기본사상의 중요도 분석은 기본사상의 고장이 PCS 신뢰도에 미치는 영향을 평가하며, 이를 통해 효과적인 PCS 신뢰도 향상 방안을 도출할 수 있다. 중요도를 기준으로 시스템의 우선 개선 대상 사상을 도출하고 PCS 고장 발생을 감소하는 방안을 강구하여 신뢰도를 향상한다. 시스템 전체 리스크에서 해당 기본사상이 차지하는 비율인 FV 중요도와 해당사상이 개선될 경우, 리스크 감소효과를 나타내는 RRW와 특정사상이 고장으로 사용 불능이 되었을 때의 리스크 증가 효과를 나타내는 RAW를 Table 5에 기본사상 별로 제시하였다.

대상 데이터

Fig. 5 e)는 Sensing board의 고장을 정상사상으로 하였고, Sensing board에 전기적 신호를 감지하는 CT와 PT의 고장으로 하였다.
EMI Filter의 고장은 커패시터와 리엑터의 고장으로 하였다. 리엑터의 고장은 리엑터 자체의 고장과 리엑터에 에너지가 연결되어 있는 MC(Magnetic contactor)의 고장으로 하였다. MC는 MC 자체의 고장과 MC와 접속되어 있는 AC reactor의 고장으로 하였다.

데이터처리

PCS에 바람직하지 않는 사건인 고장 및 화재를 정상 사상으로 하고 에너지(Low power)와 데이터(Low data)의 고장을 중간사상으로 하여 그 발생원인, 기여 조건 및 요인들을 분석함에 있어서 신뢰성분석프로그램인 PTC Windchill Quality Solutions과 AIMS-PSA를 사용하였다. 중간사상에 대하여 에너지 및 데이터의 입출력의 작동순서를 확인하고 이들의 대응 상태에 따라 추가적 으로 발생할 수 있는 사고를 예측하였으며 전반적으로 분석의 신뢰성을 높였다.

성능/효과

FV중요도로 RRW는 인버터의 작동실패(B4001)이 가장 높았으며, RAW는 HMI의 고장(B8001)이 가장 높게 나타났다.

후속연구

2. 도출된 최소절단집합 중에서 최소절단집합의 중요도 누적값(ACC)을 바탕으로 PCS 고장 확률의 50%를 차지하는 인버터와 HMI(통신고장)에서 발생하는 고장의 최소절단집합들에 포함되는 기본사상들에 대하여 집중적으로 관리함으로써 PCS를 효과적이고 안정적으로 운영할 수 있을 것으로 기대된다.
3. PCS의 부품 및 모듈을 더 세밀하게 분류하고 실제의 고장률 및 관련 자료를 이용하여 결함수 분석를 적용한다면 더 실용적이고 합리적인 결과를 도출할 수 있을 것으로 판단되므로 추후 지속적인 연구가 필요하다.
또한 보편적인 PCS의 회로도를 구축하고, 고장에 대한 기능적 및 잠재적 고장의 원인에 대한 결함수(FT)를 작성하고 분석 하였다. PCS 시스템의 바람직하지 않은 사건인 고장을 정상사상으로 두고 정량적 분석을 실시하여 고장을 발생시킬 수 있는 최소절단집합(MCS)을 도출하고 최소 절단집합과 기본사상의 중요도를 분석하였으며, 이를 통해 중요사상들의 원인에 대하여 철저한 관리를 함으로써 PCS를 안정하게 운영할 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Downtime이란 무엇인가?	태양광 발전 시스템은 Solar Cell Array와 ESS에서 많은 양의 발전이 이루어졌더라도 PCS에서 정상적으로 출력을 하지 못하면 아무 소용이 없기 때문에, PCS의 유지보수와 고장이 일어났을때 Downtime의 감소가 관건이다. Downtime은 고장으로 인하여 시스템이 작동하지 않는 시간을 말하며, 메이커들은 이러한 Downtime을 단축하기 위하여 PCS의 내부에 탑재되는 핵심 부품들을 모듈형으로 전환하는 추세이다. PCS를 모듈형태로 제작함으로써 시스템의 Downtime을 줄이고 가동효율을 높일 수 있다.
	결함 수분석이 PCS의 사고 원인 분석에 적합한 이유는 무엇인가?	PCS의 방대한 부품과 다양한 설비 들의 조합으로 이루어져 이러한 설비에서 발생하는 사고는 그 원인이 여러 경로에 걸쳐 복합적으로 나타나 기에 설비에서의 복잡한 인과관계를 분석하기 위해서는 결함수분석을 적용하는 것이 용이하다. 특히 결함 수분석의 나무(Tree)는 정상사상(Top event)이라고 부르는 바람직하지 않는 사상을 시작으로 그 발생원인이나 그 사상에 기여하는 조건들이나 요인들을 찾아 시간적 흐름을 거슬러 분석해 가는 연역적 구조이므로, PCS에서 발생하는 사고의 원인 분석을 통한 안전성의 확보에 적합하다6).
	DC Breaker와 AC Breaker 간 에너지 흐름도 분석이 중요한 이유는 무엇인가?	여기서 AC Reactor는 Inverter의 높은 스위칭 주파수에 의해 생성된 고조파 성분을 걸러내는 역할을 하며, AC Breaker는 계통과 PCS를 분리하는 스위치로 작동한다. 에너지 입출력과정에서 개개의 구성 부품에 문제가 발생할 수 있고 시스템 전반에 문제가 발생할 수 있다. 에너지 관점은 PCS의 입력에 해당되는 DC Breaker와 최종출력인 AC Breaker 간의 에너지 흐름도를 분석하여야 한다.

참고문헌 (12)

Y. B. Kim and D. H. Kim, "An Analysis of the Failure Modes Impacts in Grid-connected Photovoltaic Power Generation System below 20 kW", Crisisonomy, Vol. 12, No. 3, pp.157-167, 2016.
D. H. Kim, S. C. Kim, J. S. Park, E. J. Kim and E. S. Kim, "Analysis of Risk Priority Number for Grid-connected Energy Storage System", J. Korean Soc. Saf., Vol. 31, No. 2, pp. 1-8, 2016.
D. H. Kim, S. C. Kim, E. S. Kim and Y. H. Park, "Risk Assessment of Energy Storage System Using Event Tree Analysis", J. Korean Soc. Saf., Vol. 31, No. 3, pp. 34-41, 2016.

원문보기 상세보기
Hermann Laukamp, Georg Bopp, "PV Fire Hazard- Analysis and Assessment of Fire Incidents", 28th EU PVSEC, 2013.
Solar Power World, "Top 5 Points of Failure on Solar Systems and How to Correct Them", https://www.solarpowerworldonline.com, 2016.
H. K. Lim, System Safety Engineering, Hansol Academy, pp. 146-147, 2012.
A. Golnas, "PV System Reliability : An Operator's Perspective", IEEE 38th Photovoltaic Specialists Conference (PVSC) PART 2, 2013.
Power Systems Reliability Subcommittee of the Power Systems Engineering Committee, IEEE Industry Applications Society, IEEE Std. 493-2007 Recommended Practice for the Design of Reliable Industrial and Commercial Power Systems, IEEE-SA Standards Board, New York, NY, IEEE 493-2007.
Reliability Analysis Center, Non-electronic Parts Reliability Data & Electronic Parts Reliability Data, 2016.
A. Colli, "Failure Mode and Effect Analysis for Photovoltaic Systems", Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol. 50, pp. 804-909, 2015.

상세보기
David Rosewater, "Energy Storage Hazard Analysis and Risk Management", Presentation to Senior Seminar, 2015.
K. Y. Kim, M. J. Hwang, D. E. Kang and Y. J. Eon "A Study on Importance Measures for Risk Informed Regulation & Applications", KAERI, TR-2432, pp. 1-9, 2003.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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