2.1 해상풍력발전설비 사용전검사 법령·기준 체계

해상풍력발전설비 사용전검사의 법령·기준 체계는 그림 2와 같이 구성된다. 「전기안전관리법」 및 「전기사업법」은 전기설비의 설치·변경공사가 완료된 후 사용전검사를 받도록 하는 법적 근거를 제공하며, 검사 수행 권한은 한국전기안전공사에 위탁되어 있다^{[9], [10]}. 이에 따라 해상풍력발전설비도 공사 완료 후 전기설비가 안전기준에 적합하게 시공되었는지를 확인받은 후 사용할 수 있다.

그림 2 풍력발전설비 사용전검사 법령·기준 체계도

Fig. 2 Legal and Standards Framework for Pre-use Inspection of Wind Power Facilities

세부 기준은 법률, 기술기준 및 고시로 구분된다. 「전기설비기술기준」과 「한국전기설비규정(KEC)」은 전기설비의 안전성 확보를 위한 설계·시공 기준을 제시한다^{[11], [12]}. 반면 고시는 사용전검사의 대상, 시기 및 방법 등 검사 수행에 필요한 사항을 정하고 있으며, 별표 9에는 풍력발전설비의 검사항목, 세부 검사내용, 수검자 준비자료를 제시하고 있다^[5]. 즉, 기술기준과 KEC가 설비가 갖추어야 할 안전요건을 제시한다면, 고시는 해당 요건의 충족 여부를 확인하기 위한 검사방법·절차를 구체화한 기준으로 볼 수 있다.

고시 별표 9는 기어드·기어리스, 육상·해상, 고정식·부유식 등 다양한 형태의 풍력발전설비에 적용할 수 있도록 구성되어 있어, 개별 설비의 구조와 시공조건에 따라 적용 여부를 검토해야 하는 항목을 포함하고 있다. 또한 고시상의 검사공정 구분만으로 개별 항목의 실제 수행장소, 검사횟수 또는 검사시간이 일률적으로 결정되는 것은 아니다. 본 연구에서 제안하는 스마트검사 모델은 이러한 법령·기준 체계의 범위에서 적용 가능성을 검토한 것이며, 실제 적용을 위해서는 항목별 판정기준, 증거자료 및 검사절차에 대한 추가 검증이 필요하다.

2.2 공정별 검사항목 구성 및 수행방식 분석

표 1은 고시 별표 9에 규정된 풍력발전설비 사용전검사 항목의 공정별 구성을 나타낸 것이다^[5]. 전체 검사항목은 12개 검사항목, 170개 세부 검사내용으로 구성되며, 세부 검사내용은 고시상 검사공정에 따라 제작이 완료된 때 30개, 기초공사가 완료된 때 19개, 전체 공사가 완료된 때 121개 항목으로 구분된다. 기초공사가 완료된 때의 19개 항목 중 5개는 부유식 기초에 관한 항목이므로, 강재 고정식 기초구조물에 적용되는 항목은 14개이다. 이에 따라 부유식 기초 항목 5개를 제외한 고정식 적용 항목은 총 165개이다.

본 연구에서는 제작이 완료된 때의 30개 항목을 제외하고, 강재 고정식 기초구조물에 적용되는 기초공사 완료 시 14개 항목과 전체공사 완료 시 121개 항목을 합한 135개 항목을 해상 수행 여부 검토대상으로 설정하였다. 이는 별표 전체 170개 항목 중 135개에 해당하므로 산출비율은 $135/170\times 100=79.4\%$이다. 또한 부유식 기초 항목 5개를 제외한 고정식 적용항목 165개 중에서는 81.8%에 해당한다. 이 수치는 고시상 세부 검사내용과 검사공정을 기준으로 한 저자의 집계·분류 결과이며, 실제 검사 수행현황을 나타내는 수치는 아니다.

전체공사 완료 시의 121개 항목에는 수전설비 충전·연동시험, 발전기 동기검정 및 부하운전과 같이 계통연계 또는 설비 종합 운전 조건에서 확인할 필요가 있는 항목이 포함되어 있다. 한편 발전기·변압기·차단기의 절연저항·절연내력시험, 보호계전기시험 등은 설비의 설치상태, 시험조건 및 확인자료의 확보 여부에 따라 설치 전 또는 육상 환경에서 수행할 수 있는지를 검토할 수 있는 항목이다^[5].

이와 같이 고시상의 검사공정 분류와 개별 항목을 확인하는 데 필요한 조건은 반드시 일치하지 않을 수 있다. 따라서 검사항목을 설치 전 육상검사, 설치 후 해상검사 및 설치 후 비현장 확인으로 구분할 때에는 고시상 검사시점 외에 설비의 설치상태, 시험조건, 확인방법 및 현장 확인 필요 여부를 함께 검토할 필요가 있다.

2.3 현행 해상풍력발전설비 사용전검사의 운영상 한계

본 절에서는 2.2절에서 도출한 135개 해상 수행 여부 검토대상을 바탕으로, 해상에서 검사가 수행되는 경우 고려할 수 있는 기상, 비용 및 검사인력 안전 측면의 제약요인을 검토한다. 이하의 검사시간과 비용은 실제 현장의 검사기록 및 지출자료를 분석한 결과가 아니라, 3호기를 대상으로 검사공정, 이동시간 및 기상취소 및 비용 조건을 설정하여 산정한 비교 시나리오 결과이다.

3.1 연구 대상 및 검사항목 최적화 기준

본 장에서는 2장에서 검토한 사용전검사 항목을 대상으로, 설비의 구조와 설치상태, 시험조건 및 확인방법을 고려하여 스마트검사 모델을 설계한다. 검사항목의 적용 여부와 검사 수행단계는 고시상 검사공정만으로 정하지 않고, 대상 설비의 구성과 항목별 확인조건을 함께 고려하여 구분하였다. 단계별 분류는 각 항목의 검사시점, 시험조건, 현장 직접 확인 필요 여부 및 확인자료의 확보 가능성을 기준으로 하였다.

3.2 스마트검사 단계별 설계

표 2는 3.1.2절에서 설정한 129개 스마트검사 항목의 단계별 구성을 나타내며, 그림 3은 각 단계의 수행 절차를 도식화한 것이다. 고시 별표 9의 검사공정, 검사항목, 세부 검사내용 및 수검자 준비자료를 바탕으로, 대상 설비의 설치상태와 확인방법에 따라 설치전 육상검사, 설치후 해상 현장검사 및 설치후 비현장 확인의 3단계로 구분하였다^[5]. 설치후 비현장 확인은 원격 계측확인, 원격 입회확인 및 기록·문서 확인을 포함하는 상위 범주로 정의하였다.

그림 3 해상풍력발전설비 스마트검사의 단계별 절차

Fig. 3 Smart Inspection Procedure for Offshore Wind Power Facilities

표 3은 129개 스마트검사 항목을 설치전 육상검사, 설치후 해상 현장검사 및 설치후 비현장 확인으로 분류한 기준과 단계별 항목 수·비율을 제시한 것이다. 검사항목의 수행단계는 다음 기준으로 분류하였다. 해상 출하 전 육상에서 설비의 제작·조립상태를 확인하거나 비상전원을 이용하여 시험조건을 확보할 수 있는 항목은 설치전 육상검사로 분류하였다. 해상 설치 후 실제 시공상태, 수중부, 설비정착부 및 물밑전선로의 위치·매설·보호설비 상태와 같이 현장 직접 확인이 필요한 항목은 설치후 해상 현장검사로 분류하였다. 전원 인가 및 시운전 이후 SCADA 계측값, 원격 입회자료 또는 시험·설계기록을 통하여 확인할 수 있는 항목은 설치후 비현장 확인으로 분류하였다. 다만 원격자료 또는 문서자료로 실제 시공상태를 확인할 수 없는 항목은 비현장 확인 대상에서 제외하였다.

설치전 육상검사는 해상 설치 이전에 야적항만 등 육상 환경에서 비상전원을 연결하여 수행하는 ❶ 기초구조물검사와 ❷ 수전설비검사로 구성하였다. 설치후 해상 현장검사는 기초 하부구조물의 해상 설치가 완료된 후 실제 시공상태와 물밑전선로 상태를 현장에서 확인하는 ❸ 기초구조물검사로 구성하였다. 설치후 비현장 확인은 해상 조립 완료 후 전원 인가 및 시운전 조건에서 수행하는 ❹ 수전설비검사와 ❺ 완성검사로 구성하였다.

최종 분석대상 129개 항목은 설치전 육상검사 80개, 설치후 해상 현장검사 13개 및 설치후 비현장 확인 36개로 분류하였다. 설치후 해상 현장검사 대상은 $13/129\times 100=10.1\%$이며, 설치전 육상검사와 설치후 비현장 확인을 합한 대상은 $116/129\times 100=89.9\%$이다. 이 중 설치 후 비현장 확인 36개 항목은 전체 분석대상의 27.9%로서 원격 계측확인·원격 입회확인 및 기록·문서 확인을 포괄하므로 이를 순수 원격검사의 적용비율로 해석해서는 안 된다. 이 비율은 검사항목의 확인조건과 검사자의 확인방법을 기준으로 재구성한 스마트검사 모델의 분류 결과로서, 실제 검사 수행장소, 현장 방문횟수, 순수 원격검사 적용비율 또는 검사 소요시간을 의미하지 않는다. 단계별 세부 검사내용과 확인조건은 표 4부터 표 6까지에 제시하였다.

3.3 스마트검사 단계별 수행방법

본 절에서는 표 2와 표 3의 단계별 구분에 따라 설치전 육상검사, 설치후 해상 현장검사 및 설치후 비현장 확인의 수행방법과 항목별 확인조건을 제시한다. 각 단계의 확인방법은 고시 별표 9의 검사공정, 검사항목, 세부 검사내용 및 수검자 준비자료를 기준으로 구성하였다^[5]. 다만 실제 적용 시에는 항목별 시험조건, 설비의 설치상태 및 확인자료의 적정성을 함께 검토하여야 한다.

4.1 검사 소요시간 비교 시나리오 분석

표 7은 3호기 기준으로 설정한 현행검사와 스마트검사 모델의 단계별 소요시간 비교 시나리오를 나타낸 것이다. 현행검사와 스마트검사 모델의 소요시간은 실제 현장에서 측정한 값이 아니라, 공정별 검사시간, 이동시간 및 기상취소 대기시간에 관한 동일한 가정조건을 적용하여 산정한 비교 시나리오 값이다.

현행검사 시나리오에서는 기초구조물검사, 수전설비검사 및 완성검사에 각각 3일(24.0시간), 기상취소 대기 3일(24.0시간), 이동시간 10.5시간을 적용하여 총 106.5시간(13.3일)으로 산정하였다. 스마트검사 모델은 기초구조물검사 12.0시간, 수전설비검사 9.6시간, 완성검사 9.6시간, 기상취소 대기 8.0시간 및 이동시간 3.5시간을 적용하여 총 42.7시간(5.3일)으로 산정하였다. 두 시나리오의 소요시간 차이는 63.8시간(8.0일)이며, 설정한 비교조건에서 스마트검사 모델의 소요시간은 현행검사 시나리오보다 59.9% 낮게 산정되었다.

스마트검사 모델의 단계별 소요시간은 검사항목 수에 비례하여 산정한 값이 아니라, 각 단계의 검사방법, 해상 이동 여부 및 전원 인가·시운전 조건을 반영하여 설정한 비교 시나리오 값이다. 기초구조물검사는 육상 및 설치후 해상검사로 실시하여 12시간 차이가 발생하며, 설치후 해상 현장검사는 실제 시공상태, 수중부 및 물밑전선로의 위치·매설·보호설비 상태 등 현장 직접 확인이 필요한 13개 항목을 확인하는 조건으로 설정하였다. 수전설비검사와 완성검사는 설치후 비현장 확인 대상으로 분류된 항목을 SCADA 자료에 의한 원격 계측확인, 원격입회확인 및 시험·설계기록의 검토를 통해서 확인하는 조건에서 각각 14.4시간의 차이가 발생하는 것으로 설정하였다. 이는 세부 확인방법별 실측시간이 아니라 비교 시나리오의 가정값이다. 또한 해상 수행 공정이 감소하는 조건에서 기상취소 대기시간은 16.0시간, 이동시간은 7.0시간의 차이가 발생한다.

다만 스마트검사 모델의 소요시간은 비현장 확인에 필요한 SCADA 자료, 원격 입회자료, 시험기록 및 설계도서가 확보되고, 설치후 해상 현장검사가 계획된 일정에 따라 수행되는 조건을 전제로 한다. 기록·문서 확인에 필요한 자료의 보완이나 추가 현장확인이 발생할 경우 실제 소요시간은 달라질 수 있고, 또한 단지 위치, 기상조건, 시공일정, 선박운영계획 및 검사여건에 따라 달라질 수 있다.

4.2 경제성 분석

스마트검사 모델의 경제성은 검사기간 차이에 따라 발생할 수 있는 WTIV 투입 관련 비용의 차이를 중심으로 분석하였다. 본 절의 비용 산정은 실제 사업의 지출자료가 아니라, 4.1절의 3호기 기준 비교 시나리오와 WTIV 대기·용선조건을 적용하여 산정한 잠재적 비용 차이이다.

시장조사기관 Market.us의 해상풍력 터빈 설치선박 시장조사 보고서는 일일 설치 관련 비용을 약 15만~25만 USD 수준으로 제시하고 있다^[14]. 본 연구에서는 이 범위의 중간값인 20만 USD를 적용하였다. 검사기간 차이는 4.1절에서 산정한 3호기 기준 8.0일(63.8시간)이며, 환율은 1,350원/USD로 설정하였다. WTIV가 검사 기간동안 대기 또는 용선 상태에 있고, 검사기간의 차이가 해당 선박의 비용 발생기간 차이로 연결된다고 가정할 경우, 3호기 기준 약 21.6억원의 잠재적 비용차이가 추정된다. 같은 조건에서 일일 비용 15만 USD와 25만 USD를 적용하면 각각 약 16.2억 원과 약 27.0억 원의 범위가 산정된다.

표 8은 3호기 기준 추정값을 단지 규모별로 환산한 결과이다. 총 호기 수는 호기당 7 MW를 기준으로 단지 용량 이상을 확보하기 위한 최소 호기 수로 산정하였다. 또한 3호기 단위 수는 총 호기 수를 3호기씩 구분하여 산정하였으며, 3호기 미만의 잔여 호기는 보수적으로 비용 산정에서 제외하였다. 이에 따라 100 MW급 단지에서는 약 108.0억 원, 400 MW급 단지에서는 약 410.4억 원, 1 GW급 단지에서는 약 1,015.2억 원의 비용 차이가 추정된다.

2024년 12월 기준 허가된 해상풍력 발전사업의 규모를 고려하면^[3], 검사기간 차이에 따른 비용 차이는 사업 규모에 따라 크게 나타날 수 있다. 다만 이는 WTIV의 실제 대기 여부, 용선 계약 조건, 현장 공정, 기상조건, 환율 및 검사기간 차이에 따라 달라지는 시나리오 분석 결과이다. 따라서 실제 사업에 적용할 때에는 스마트검사 시스템 구축·운영비와 사업별 용선계약 조건을 포함한 별도의 경제성 검토가 필요하다.

4.3 안전성 및 검사품질 확보조건

표 9는 현행 해상검사와 스마트검사 모델을 검사인력의 안전 노출, 검사항목별 확인방법 및 잔여 확인사항의 측면에서 비교한 것이다. 본 절의 평가는 강재 고정식 기초구조물과 기어리스 직접구동형 설비를 대상으로 한 129개 항목의 분류 결과에 따른 것이며, 비현장 확인이 모든 현장검사를 대체하거나 검사품질의 동등성을 실증한 결과를 의미하지 않는다.

스마트검사 모델에서는 설치전 육상검사와 설치후 비현장 확인 해당하는 116개 항목을 각 단계의 확인 조건에 따라 확인하고, 실제 시공상태의 현장 직접 확인이 필요한 13개 항목은 설치후 해상 현장검사로 유지한다. 이에 따라 3호기 비교 시나리오에서는 해상 이동과 고소·협소공간 작업에 노출되는 검사공정이 줄어들 수 있다. 다만 실제 해상 이동횟수와 안전 노출 정도는 현장 공정, 기상 및 선박운용 조건에 따라 달라질 수 있다.

검사품질은 항목별 확인조건에 따라 확보되어야 한다. 설치전 육상검사는 전원 인가 및 시험조건이 갖추어진 경우 기존 검사방법을 적용할 수 있다. 설치후 해상 현장검사 항목은 기초구조물, 수중부, 설비정착부, 물밑전선로 및 현장 접속상태 등 실제 시공상태의 직접 확인이 필요한 항목으로서 현장검사를 유지한다. 설치후 비현장 확인은 SCADA 자료, 원격 입회자료, 시험성적서·시험기록·감리보고서 및 수검자 준비자료를 통하여 항목별 확인조건을 충족할 수 있는 경우에 한정한다. 이때 원격자료의 취득 가능성 만으로 해당 항목의 적합성이 확보되는 것은 아니며, 자료를 확인할 수 없는 실제 시공상태는 해상현장에서 직접 확인하여야 한다^[5].

IEC 61400-25는 풍력발전설비의 정보교환을 위한 통신구조와 정보모델을 제시하고 있으며^[17], 관련 연구에서는 이를 기반으로 한 풍력발전 모니터링 및 SCADA 시스템의 구현방안을 제시한 바 있다^{[6- 8]}. 그러나 이러한 통신·감시 기능만으로 개별 검사항목의 적합 여부를 판단할 수 있는 것은 아니다. 원격확인 자료는 설비 식별정보, 측정시각, 시험조건, 결과값 및 변경이력 등이 확인되어야 하며, 항목별 판정기준과 확인절차는 별도로 정할 필요가 있다.

따라서 최종 설치상태, 수중부 시공상태, 설비정착부, 물밑전선로 및 현장 접속상태와 같이 직접 확인이 필요한 항목은 해상 현장검사로 수행하여야 한다. 원격검사 자료는 현장확인이 가능한 항목을 보완하는 확인자료로 활용하며, 실제 적용 전에는 동일 항목에 대한 현장확인 결과와 원격확인 자료를 비교하는 검증이 필요하다.