3.1 평가기준안의 구조

개선된 22.9kV급 특고압전기설비의 안전등급 기준안은 정식설비인 경우와 약식설비인 경우로 구분하여 개발되었다. 그림 3에 나타낸 바와 같이 정식설비인 경우 대항목을 9종으로 선정하였으며, 약식설비인 경우는 7종을 대항목으로 선정하였다. 환경영향 평가요소 항목은 수전장소에 따른 영향도 고려하였으며, 대항목별 환경영향요소 적용시 전기안전평가요소와 환경영향요소를 가중치를 각각 부여하여 적용하도록 개선하였다. 가중치 도출은 AHP기법을 활용하였으며, 개선안에는 세부평가요소도 별도로 가중치를 도출하여 보다 정확한 평가가 가능하도록 하였다. 평가기준안 대항목에 대한 구조를 수식으로 표현하면, 정식설비는 식(2), 약식설비는 식(3)와 같다. 식(2)와 식(3)에 사용된 기호는 표 2에 나타내었다. 평가대상 설비에 대한 평가점수가 계산되면 표 3에 따라 안전등급을 판정한다.

그림 4는 그림 3의 대상설비 9종 중 인입선의 세부 평가기준의 계층적 구조를 나타낸 것으로서 개폐기, MOF, 차단기, 변압기, 전력퓨즈, 피뢰기, 보호계전기, 변성기 등 나머지 8종도 유사한 구조로 세부 평가기준을 개발하였다. 그림 4에서 $Oh_{1}$ ~ $Oh_{5}$는 가공인입선의 경우 전기적요소 평가 소항목을 나타내며, $Ug_{1}$ ~ $Ug_{5}$는 지중인입선의 경우 전기적요소 평가 소항목을 나타낸다. $Oh_{11}$ ~ $Oh_{12}$, $Oh_{21}$ ~ $Oh_{25}$, $Ug_{21}$ ~ $Ug_{25}$는 각각 $Oh_{2}$, $Ug_{2}$의 평가 세부항목을 나타낸다. $E_{α1}$ ~ $E_{α5}$는 환경적 요소의 평가 소항목(사용기간, 부하율, 수전장소, 지역, 업종)을 나타내며, $E_{α31}$ ~ $E_{α33}$은 $E_{α3}$의 평가 세부항목을 나타낸다. 그림 4에 사용된 기호를 표 4 및 표 5에 정의하였다.

3.2 평가요소의 가중치 도출 방법

AHP 기법에 의해 평가 대상 요소의 가중치 도출하기 위해서는 우선 평가요소간 쌍대 비교를 한다. 쌍대비교는 평가자에게 설문을 통해 진행되며, 평가 요소간 중요도는 일반적으로 9점 척도로 한다. 쌍대비교 횟수는 평가대상 요소수가 n개일 때 최대 n(n-1)/2회 비교하며, 최소 n-1회 비교한다. 평가가 끝나면 n×n의 쌍대비교행렬을 만들고, 이 행렬의 고유벡터(eignenvector)와 최대 고유값(eigenvalue)을 구한다. 이 때 고유벡터의 총합을 1로 정규화한 벡터가 평가 요소의 가중치가 되며, 일관성비율(Consistency Ratio)이 0.1을 초과하는 설문조사 데이터는 일관성에 문제가 있다고 판단하여 다시 설문을 받거나 데이터로 채택하지 않는다. 만약, 설문조사 평가 대상자가 다수로 구성이 되어 있다면 일관성비율이 0.1이하가 되는 인원을 대상으로 쌍대비교 결과 값을 기하평균에 의해 계산하고 이를 바탕으로 쌍대비교 행렬을 만든다. 이 때 만든 쌍대비교 행렬의 고유벡터를 구한후, 고유벡터 요소의 총 합을 1로 정규화시킨 벡터를 종합 가중치로 채택한다^(4-7).

위의 가중치 도출과정에 사용된 주요 수식은 다음과 같다. 만약 A가 n×n 쌍대 비교행렬, x를 n×1의 고유벡터, $\lambda_{\max}$가 최대 고유값이면, 다음의 수식 (4)가 성립된다.

수식 (4)의 우측항을 좌측으로 넘기면 식(5)가 유도된다.

여기서, I는 Identity 행렬이다. 식(5)에서 0이 아닌 고유벡터가 존재하려면 식(6)에 나타낸 바와 같이 $A -\lambda_{\max}I$ 행렬의 determinant가 0이 되어야 한다.

식(6)에서 $\lambda_{\max}$를 구할 수 있으며, $\lambda_{\max}$를 구한 후 식(4)에 대입함으로써, 고유벡터 x를 구할 수 있다. 추가적으로, 설문조사 결과의 일관성 비율을 0.1이하인지 확인하여야 한다. 일관성 비율을 CR은 식(7)과 같이 정의된다.

여기서, CI(Consistency Index: 일관성 지수)는 식(8)을 통해서 구하며, RI(Random Index: 랜덤 지수)는 Saaty가 제시한 표 6을 적용하여 구한다^(4-7).

3.3 평가요소의 가중치 분석 결과

22.9kV급 특고압 전기설비의 평가기준안에 대해 AHP기법에 의해 평가요소간 가중치를 도출하기 위해 전문가 10인을 대상으로 설문조사를 수행하였다. 평가요소간 설문조사표는 9점척도를 기준으로 작성되었으며, 가중치 도출을 위한 설문조사 문항은 총 41가지이다. 설문조사시 비일관성비율(Consistency Ratio)이 0.1을 초과하는 데이터는 제외하였다.

그림 5는 그림 3 및 그림 4에 나타낸 가중치의 분석 결과를 나타낸 것이다.

그림 5에 나타낸 바와 같이 정식 수전설비의 대항목의 가중치는 변압기($W_{ε}$: 0.2848), 인입선($W_{α}$: 0.2009), 차단기($W_{δ}$: 0.1977), 보호계전기($W_{θ}$: 0.0887), 전력퓨즈($W_{ζ}$: 0.0671), 개폐기($W_{β}$: 0.0581), MOF($W_{γ}$: 0.0394), 피뢰기($W_{η}$: 0.0355), 변성기($W_{ι}$: 0.0277)의 순서로 도출되었으며, 약식설비 대항목의 가중치는 변압기($W_{ε}$´: 0.2786), 인입선($W_{α}$´: 0.2229), 전력퓨즈($W_{ζ}$´: 0.1416), 변성기($W_{ι}$´: 0.1057), 피뢰기($W_{η}$´: 0.1011), 개폐기($W_{β}$´: 0.0965), MOF ($W_{γ}$´: 0.0536)의 순서로 도출되었다. 환경영향 평가요소의 가중치는 사용기간($W_{Eα1}$: 0.4335), 부하율($W_{Eα2}$: 0.3172), 수전장소($W_{Eα3}$: 0.1422),지역($W_{Eα4}$: 0.0581), 업종($W_{Eα5}$: 0.0490)의 순서로 도출되었으며, 환경영향 요소중 수전장소($E_{α3}$)는 세부항목이 있으며 세부가중치는 외부영향($W_{Eα31}$: 0.7977), 설치상태($W_{Eα32}$: 0.1261), 보호시설($W_{Eα33}$: 0.0762)의 순서로 도출되었다. 마찬가지 방법으로 개폐기, MOF, 차단기, 변압기, 전력퓨즈, 피뢰기, 보호계전기, 변성기의 세부평가요소의 가중치와 세부 가중치를 쌍대비교행렬의 고유벡터를 통해 값을 도출하였다. 도출된 값을 기반으로 안전등급 평가 기준안 및 평가 프로그램을 개발하였다.

4.1 특고압 안전등급 평가 프로그램

22.kV급 특고압 전기설비의 안전등급 기준안의 현장적용을 위해 안전등급평가 프로그램을 소프트웨어 형태로 개발하였다. 개발된 소프트웨어는 웹기반에서 사용이 가능하며, 스마트폰에서도 사용이 가능하도록 개발되었다. 개발된 소프트웨어는 구글 크롬 웹브라우저에서 최적화되어 있으며, 별도의 설치가 필요 없도록 개발되었다. 또한 고객별로 ID와 패스워드를 별도로 부여하여, 측정데이터를 서버의 데이터베이스에 저장과 호출이 가능하도록 하였다. 그리고 동일한 설비의 수가 여러대일 경우 평가가 가능하도록 개발하였으며 이에 따른 설비별 데이터 저장이 가능하도록 하였다. 산출된 안전등급 데이터의 보고서는 PDF서식으로 출력 및 저장이 가능하도록 하였다. 개발된 프로그램의 안전등급 평가절차를 그림 6에 나타내었다.

4.2 시뮬레이션

개발된 프로그램의 특성을 평가하기 위해 현장과 유사한 데이터를 입력하여 모의실험을 수행하였다. 데이터 입력에 의한 등급 평가는 표 7에 나타낸 항목을 입력하여 등급평가를 수행하였다.

시뮬레이션 결과 표 3에서 정의된 등급 상태에 따른 등급구분이 되는 것을 확인할 수 있었다. 그림 7은 평가등급 평가결과의 예로서, 최초 평가시 다수의 부적합이 발생되어 설비의 노후 또는 신뢰성이 낮아 평가 등급이 D등급이었으나, 부적합요소를 보완하여 일부 미흡하나 전반적으로 설비가 양호한 상태인 B등급으로 개선된 상태를 나타내고 있다.