[인사이트] 데이터센터 전력품질 관리의 중요성 – 7가지 위협 유형과 ITIC 곡선 분석

 

 

[ kt cloud DC동부운용센터 박지현 님 ]

📋 요약

이 글에서는 데이터센터 전력품질 관리의 중요성과 IEEE가 정의한 7가지 위협 유형, ITIC 곡선 분석 기준을 다룹니다.

IT 장비 손상과 서비스 중단을 예방하기 위한 모니터링 체계 및 개선 설비 도입의 필요성을 정리합니다.

#데이터센터 #전력품질 #ITIC곡선 #고조파 #UPS

---

일상에서 볼 수 있는 전력품질 현상

AI 이미지

일상에서 한 번쯤 형광등이 깜빡이는 경험하게 됩니다. 플리커(Flicker)라고도 하는 이 현상은 전력품질 저하에 의해 나타나는 현상으로 원인으로는 시스템 내에서 아크 방전기기의 운전, 정지 및 반복(용접기, Arc로), 뇌(雷)에 의한 뇌서지투입 또는 유도서지(직격뢰,유도뢰), 전동기 등의 빈번한 개폐(반송기계), 고장시의 대전류 및 차단(단락, 지락), 개폐기의 개폐동작(변압기 여자돌입전류), 고속스위칭(인버터) 등이 있습니다.

 

데이터센터에서 전력품질 유지는 IT 장비 보호와 안정적인 서비스 운영을 위해 매우 중요합니다. 불안정한 전압이나 순간적으로 튀는 전력(서지)은 민감한 전자기기 부품을 손상시킬 수 있기 때문입니다. 또한, 갑작스러운 정전이나 순간적인 전압 강하는 처리 중인 데이터를 유실시키거나 시스템 오류를 일으켜 전체 서비스를 중단시킬 수 있습니다. 또한 전력품질 저하는 에너지 효율 감소로 이어지고, 고장의 원인이 되어 장비의 잦은 교체로 필요해지면서 데이터센터 전체 운영 비용이 증가로 이어질 수 있습니다.

---

전력품질의 정의

자료: The Electricity Forum

전력품질이란 전력시스템에 공급되는 전력의 상태로써, 부하가 일을 하는데 영향을 주는 전력 시스템과 공급 전압의 특성입니다. 좋은 전력품질은 일정한 전압과 주파수를 전력을 필요로 하는 장치의 운영에 차질이 없도록 공급하는 것을 말합니다.

 

발전소에서 일정한 속도로 회전하는 회전자에 의해 전기자에 전압이 유도되는 전자기 유도 현상으로 전기가 생산됩니다. 발전소에서 생성되는 전기의 품질은 일반적으로 정전압, 정주파수의 정현파(사인파)로서 안정적인 품질을 유지합니다.

 

하지만 발전소에서 생성된 전력은 송전선로를 거쳐 가정이나 산업시설로 가는 과정에서 송전선로 등에 존재하는 임피던스(Impedance) 성분에 의해 전압 강하가 발생할 수 있으며, 인버터와 같은 비선형 부하에 의한 고조파(Harmonics) 전류의 유입으로 파형이 왜곡되는 등 품질이 나빠지게 됩니다.

전력시스템에서 발생하는 전압강하(자료: EEPower)

---

데이터센터 전력품질 관리 기준

ITIC Curve(자료: Voltage Disturbance)

ITIC 곡선은 실제 테스트 결과를 바탕으로 구성된 전력품질 분석에 사용되는 전압 허용도 곡선입니다. 곡선은 X축(지속시간), Y축(공칭 전압에 대한 백분율)의 조건에서 IT 장비가 일반적으로 견딜 수 있는 정도를 나타냅니다. 허용 가능한 전압 범위를 초과 일정 기간이 지속되는 Prohibited Region(금지 영역)의 경우 장비가 손상되거나 오작동할 가능성이 증가합니다. 전압 강하가 일정 시간 이상 지속되는 No Damage Region(무손상 영역)에서는 장비가 손상되지는 않지만 서비스 중단이 발생할 수 있으므로 이 영역에 진입하는 것도 피해야 합니다.

 

전력품질 저하에 의한 잠재적 리스크를 예방하기 위해 데이터센터 운영자는 전력품질 특성을 잘 이해하고 관리하는 것이 중요합니다. 미국 전기전자공학자협회(IEEE)에서는 전력품질을 아래 7가지 유형으로 정의하고 있습니다.

유형	설명	데이터센터에 미치는 영향
과도 전류 및 전압	- 전압 스파이크 전압/전류를 상승시키는 단기적 사건	- 전기, 기계 시스템 및 IT 장비에 대한 잠재적 손상
정전	- 공급 전압의 완전한 손실로 순간적, 일시적, 지속적으로 분류	- UPS 출력에서 IT장비로 공급되는 전원이 중단될 경우 데이터 손실 발생 가능성 - 백업 발전기 시동 및 압축기 재시작 잠금 지연 대기 중 냉각시스템 손실
전압 강하 / 저전압	- 전압 강하: 교류 전압 감소(지속시간 0.5사이클~1초) - 저전압: 수 초 이상 지속	- 압축기 등 모터 구동 장치에 영향을 미칠 수 있음
전압 상승 / 과전압	- 하강 현상의 역현상, 교류 전압 상승	- 전기 또는 기계 시스템 및 IT 장비에 대한 잠재적 손상
파형 왜곡 (Waveform Distortion)	- 사인파의 모든 불완전성: 고조파 왜곡, 전압 또는 전류 클리핑 또는 스파이크 - DC 오프셋 포함	- 네트워크 및 IT 장비로의 노이즈 유입 - 파형 왜곡에는 UPS 출력에서의 DC 오프셋도 포함 가능
전압 변동 (Voltage Fluctuations)	- 불안정한 무작위 또는 반복적인 전압 변화: 단기 또는 장기	- 범위가 작을 경우 상대적으로 영향이 적음: 공칭값의 ±5% - UPS가 입력 전원을 거부하고 배터리로 전환될 수 있음
주파수 변동 (Frequency Variations)	- 정격 주파수에서 벗어난 모든 변화	- 동기 모터에 영향을 미칠 수 있음 - UPS가 입력 전원을 거부하고 배터리로 전환될 수 있음

전력품질의 7가지 유형(자료: PowerSide, Voltage Disturbance)

---

데이터센터 전력품질 관리 방안

• 전력품질 모니터링

데이터센터의 전력품질을 효율적으로 관리하기 위해 가장 중요한 것은 정확한 모니터링입니다. 전력품질 감시장치(PQ Meter)를 통해 수집 데이터를 보고 이상현상을 빠르고 명확히 파악하는 것이 중요합니다. 데이터센터의 전력 시스템은 인프라 특성상 각종 설비의 구성이 수시로 변화하기 때문에 지속적인 모니터링이 더욱 중요합니다. 전력품질 모니터링을 DCIM에 통합하면 운용자가 상시적으로 모든 상황을 모니터링하고 관리할 수 있습니다. 만약 시스템 구축이 어렵다면 계측장비를 활용해 주요 지점을 주기적으로, 그리고 체계적으로 점검하는 방법이 대안이 될 수 있습니다.

• 전력품질 개선 설비의 사용

데이터센터의 전력품질을 안정적으로 관리하려면, 모니터링 데이터를 체계적으로 분석해 전력품질 저하의 원인을 파악하고 이를 개선할 수 있는 설비를 적극적으로 도입해야 합니다.

 

특히, 개폐 서지, 상용 전원 품질 저하, 낙뢰 등으로 이상 전압이 자주 발생하는 지점에는 SA(서지 흡수기)나 LA(피뢰기) 같은 장치를 설치해야 합니다. 이러한 장치들은 순간적인 이상 전압을 효과적으로 억제하여 수배전 계통에 설치된 전기기기를 안전하게 보호합니다.

고조파 수동 필터의 원리(자료: Eaton)

전기기기에 고조파 전류가 많이 흐르게 되면 과전류, 유도장해 및 전압파형의 왜곡에 의한 기기의 파열, 소손, 손실의 증대와 기기의 진동, 소음, 제어기기류 및 전자회로의 오동작이 발생하여 시스템에 잠재적인 리스크 요인으로 작용할 수 있습니다. 이를 예방하기 위해 고조파 전류로 인한 과열에 견디도록 설계된 K-Factor 변압기, 고조파 전류 억제를 위한 직렬 리액터 설치, 고조파 성분의 흡수를 위한 수동필터 및 능동필터의 적용을 검토할 수 있습니다. 고조파 경감 장치 설치 시에는 장기간 고조파 발생 데이터를 분석하여 가장 효과적인 용량을 산정하고는 것이 중요합니다.

K-factor 계산 예시(자료: Filipino Engineer)

변압기 선정 시 활용되는 K-factor는 고조파 부하 전류에 의해 변압기가 과열되는 정도를 나타내는 가중치입니다. 이 값은 고조파 차수별 전류와 기본파(n=1) 전류의 관계를 바탕으로 계산됩니다. 변압기 철심에서 발생하는 철손은 주파수에 비례하기 때문에, K-factor 값이 높을수록 철손이 커지게 됩니다. 이러한 영향을 미리 고려하여 특별히 설계된 변압기가 바로 K-factor 변압기입니다. 이 변압기는 고조파가 심한 환경에서도 부하에 전력을 안정적으로 공급할 수 있습니다.

• 부하 불평형 최소화

데이터센터의 경우 3상 전력을 수전하지만 일반적으로 IT 부하의 경우 단상 전력 필요로 하기 때문에 각 상에 분배된 부하를 적절하게 유지하는 것이 중요합니다. 상별로 부하를 다르게 사용하면 부하가 많이 걸린 상의 전압은 낮아지고, 부하가 적게 걸린 상의 전압은 높아지는 등 전압 불균형이 발생하여 전기기기의 용량 감소, 중성선에 흐르는 전류에 의한 전력 손실 등 전력 품질을 저하가 발생할 수 있습니다. 데이터센터의 설계 및 운영 단계에서도 각 상의 부하를 적절히 분배하여 불평형률을 낮게 유지하는 것이 좋습니다.

---

결론

데이터센터는 설계, 구축, 운영 과정에서 천문학적인 비용이 소요되는 대규모 인프라입니다. 이처럼 막대한 투자가 이루어지는 과정에서 자칫 간과하기 쉬운 핵심 요소가 바로 전력품질 관리입니다. 전력품질 저하는 단순한 장애로 인식되지 않을 수 있지만, IT 장비와 네트워크에 치명적인 영향을 미쳐 데이터 오류 및 손실을 유발할 수 있습니다.

 

현대 사회에서 디지털 인프라의 중단은 막대한 경제적 손실과 기업 신뢰도 하락으로 직결됩니다. 따라서 전력품질 문제는 사업의 지속성 확보에 있어 핵심 과제 중 하나입니다. 안정적인 데이터센터 구현을 위해서는 정전, 전압 변동, 고조파 왜곡 등 다양한 전력품질 위험 요소를 꾸준히, 그리고 정확하게 모니터링하여 전력품질 저하로부터 시스템을 보호하는 선제적인 시스템을 구축해야 합니다.

 

---

❓ 자주 묻는 질문 (FAQ)

Q. 데이터센터에서 전력품질이 중요한 이유는 무엇인가요?

A. 전력품질은 데이터센터의 안정적인 운영과 장비 보호에 필수적입니다. 불안정한 전압이나 순간적인 전력 서지는 IT 장비를 손상시킬 수 있으며, 갑작스러운 전압 강하나 정전은 데이터 손실 및 시스템 오류를 일으켜 서비스 중단을 초래할 수 있습니다. 또한, 전력품질 저하는 에너지 효율을 낮추고 장비 교체 주기를 단축시켜 운영 비용 증가로 이어집니다.

---

📚 관련/출처

알면 유익한 전기상식(31) 전력품질의 개념① 알면 유익한 전기상식(32)전력품질의 이해 ②고조파(Harmonics) 알면 유익한 전기상식(33)전력품질의 이해 ③플리커(Flicker) 전기 아크로 101: 초보자와 전문가를 위한 완벽한 가이드 - East Carbon Power Quality Monitoring Part 1: The Importance of Standards-Compliant Power Quality Measurements - Technical Articles National Electrical Code Basics: Computing Voltage Drop in Branch Circuits and Feeders Part 3 - Technical Articles 4 - Harmonic solutions - how does a passive harmonic filter work? - Electrical services - Eaton videos Transformer K-Factor Rating and Harmonics – Filipino Engineer