시작하며

데이터 센터에는 기업의 핵심 시스템이나 클라우드 서비스, 의료, 금융 등 중요한 IT 업무가 집약되어 있으므로, 24시간 365일 중단 없이 계속 가동되어야 합니다. 안정적인 서비스를 제공하기 위해서는 화재나 장비 고장 등의 사고뿐만 아니라, 지진이나 수해, 태풍과 같은 대규모 재해에 대한 대비도 미리 마련해 두어야 합니다. 만일 가동이 중단되면 고객 기업의 업무 중단이나 데이터 손실, 일반 이용자 서비스 중단 등을 초래할 우려가 있으므로, 특히 전원 설비에는 사고가 발생하더라도 가동을 계속 유지할 수 있는 높은 신뢰성이 요구됩니다.

이 기사에서는 UPS의 역할과 시운전 시험의 필요성, 그리고 데이터 센터의 전력 품질 시험 방법에 대해 소개합니다.

정전 대책뿐만이 아닌 UPS의 역할

UPS는 기본적으로 다음과 같은 요소로 구성됩니다.

 ● 정류기: 교류 전압을 정류 및 평활화하여 직류 전압으로 변환합니다.

 ● 배터리: 직류로 변환된 전력을 충전/방전함으로써 UPS 출력을 안정화합니다.

 ● 인버터: 반도체의 고속 스위칭을 통해 직류 전압을 교류 전압으로 변환합니다.

 ● 전환 스위치: 인버터 출력과 바이패스 출력을 고속으로 전환합니다.

데이터 센터의 UPS는 기본적으로 상시 인버터 방식이 사용되며, 정전 보호 외에도 몇 가지 역할이 있습니다. 상시 인버터 방식의 UPS에서는 입력된 교류 전력을 먼저 직류로 변환한 후 다시 교류로 변환하기 때문에, 출력의 전압과 주파수는 입력 측의 영향을 받지 않습니다.

그림 1. 기본적인 상시 인버터 UPS의 구성: 정류기, 인버터, 배터리, 스위치

정전 보호

정전 보호는 UPS의 가장 기본적인 역할입니다. 입력 전원이 끊긴 경우에도 UPS는 중요한 IT 장비에 전원을 계속 공급합니다. 데이터센터 운영자에게 있어, 단 몇 초의 정전이라도 서버 셧다운이나 서비스 중단은 절대 용납될 수 없는 사태입니다. 따라서 UPS에는 어떠한 상황에서도 출력을 유지할 수 있는 신뢰성이 강력히 요구됩니다.

전압 및 주파수 유지

입력 측의 전압이나 주파수가 변동하더라도 UPS의 출력은 안정적이어야 합니다(VI 방식*1, VFI 방식*2). 서버나 네트워크 장비는 전원 품질의 변동에 민감하여, 미세한 전압이나 주파수 변동만으로도 오작동을 일으킬 가능성이 있기 때문입니다. UPS는 외부 전원의 상태와 관계없이 일정한 전압과 주파수를 지속적으로 공급하는 성능이 요구됩니다.

그림 4. 급격한 부하 변동 시에도 출력 전압은 영향을 받지 않음

시운전 시의 현장 인수 시험

현장 인수 시험(SAT: Site Acceptance Test)은 설치 완료 후 실시되는 시험으로, 실제 운용 환경에서 시스템이 설계대로 기능하는지 확인하는 시험입니다. 데이터센터용 UPS의 현장 인수 시험은 획일적인 표준 체크리스트에 따라 실시되는 것이 아니라, 제조사와 고객 간에 합의된 시험 계획에 따라 수행됩니다. UPS 규격인 IEC62040-3 에서는 장비에 대한 불필요한 스트레스 회피 및 비용 대비 효과의 관점에서, SAT에서는 공장 시험에서 사전에 확인되지 않은 중요 항목에 집중하여 검증할 것을 권장하고 있습니다.

시험 예 1: 정전 시 및 복구 시 축적 에너지 모드 응답 시험

데이터 센터에서는 상용 전원이 끊긴 경우에도 서버나 네트워크 장비에 전력을 계속 공급해야 합니다. 정전 및 복구 시험에서는 UPS가 정상 모드로 작동하고 있는 상태에서 입력 측 전원을 차단하고, 시스템이 축적 에너지 모드(배터리 운전)로 전환되었을 때의 출력 전압 변동을 평가합니다. 또한, 소정의 시간이 경과한 후 입력 전원을 재투입하여 시스템이 정상 모드로 복귀할 때의 UPS 출력의 과도 응답도 검증합니다.

시험에서는 부하 장치를 작동시키고, UPS에 전류가 흐르는 상태에서 전원 입력 라인을 개방하여 정전을 모의합니다. 정전 발생 후, UPS가 축적 에너지 모드로 작동하며 과도 현상이 발생하는 동안에도 소정의 범위 내에서 적절한 출력 전압 및 주파수를 유지할 수 있는지 검증합니다.

무부하에서 100% 부하로의 전환, 혹은 100% 부하에서 20% 부하로의 전환과 같은 급격한 부하 변동을 재현하여, 과도 현상 시 출력 전압에 이상이 없는지 확인합니다. 규격의 표준 한계값 그래프 위에 편차와 지속 시간을 플롯하여 규정 범위 내인지 여부를 판정합니다. 실제 측정 현장에서는 제조사와 고객 간에 합의된 여러 테스트 케이스가 미리 정해진 일정에 따라 실시됩니다.

그림 6. 측정 편차와 지속 시간의 플롯을 통해 이상을 판단

시험 예 3: 일반 모드와 바이패스 모드 전환 시험

UPS에는 전력 공급의 주회로를 우회하는 바이패스 회로가 있습니다. 만일 UPS 기기 자체에 문제가 발생하더라도 전력은 바이패스 경로를 통해 공급되므로, 서버나 통신 기기는 계속 가동할 수 있습니다. 이 상태는 바이패스 모드라고 불리며, UPS의 이상 상태나 관리자의 지시에 따라 전환되는 일시적인 작동 모드로 규정되어 있습니다.

전환 순간에 출력 전압, 주파수, 위상 등의 전원 품질에 이상이 있으면 서버의 안정적인 운용에 지장을 초래합니다. 이 시험에서는 UPS가 실제 배선 및 부하 조건 하에서 발생하는 과도 현상을 관측합니다. UPS가 적절하게 바이패스 모드로 전환된 후, 문제없이 일반 모드로 복귀할 수 있는지 확인합니다.

그림 7. 전환 중 전원 공급을 유지하기 위한 UPS 바이패스 구성

현장 인수 시험에서 전원 품질 아날라이저의 역할

그림 8. 3상 전원을 측정하는 PQ3198

IEC 61000-4-30 클래스 A 준수

IEC 61000-4-30은 전압, 주파수, 전압 변동, 고조파 등 전력 품질 파라미터에 관한 측정 알고리즘 및 정확도 요건을 엄격하게 규정하고 있습니다. 이 규격에서 클래스 A는 최고 등급의 측정기로 정의되어 있습니다. 클래스 A는 측정 결과에 대한 높은 재현성을 갖추고 있어, 서로 다른 제조사나 모델 간의 비교 검증이 가능합니다. 규격 적합성 평가, 계약 요건 검증, 그리고 문제나 트러블 발생 시 증거 자료로 활용할 수 있습니다.

전원 품질 아날라이저 PQ3198은 IEC 61000-4-30 Class A를 지원하며, 제3자 시험 기관의 인증도 획득했습니다. 표준화된 연산 방법을 통해 재현성 있는 결과를 도출할 수 있으므로, 시험 결과에 대한 명확한 설명과 신뢰성 높은 보고가 가능합니다.

3상 교류 시계열 데이터와 이벤트 데이터 동시 측정

UPS 시험에서는 실효값의 시계열에 따른 장기 트렌드와 과도적인 고속 파형을 모두 평가해야 합니다. PQ3198은 반주기마다 연산한 실효값을 바탕으로 기록되는 최대값 및 최소값의 트렌드 데이터에 더해, 과도 현상 발생 시의 이벤트 파형을 동시에 기록할 수 있습니다. 3상의 장시간 변동을 추적하면서 이상이 발생했을 때는 동시에 고속으로 파형을 기록할 수 있으므로, 한 번의 계측으로 많은 정보를 동시에 기록할 수 있습니다.

 그림 9. 해석 소프트웨어 PQ ONE을 통해 실효값 추이(위)와 이벤트 파형(아래)을 동시에 표시

1차 측 및 2차 측 동시 측정

UPS의 전환 성능을 확인할 때는 여러 포인트의 동시 측정이 필요한 경우가 있습니다. PQ3198은 총 4개의 전압/전류 측정 채널을 갖추고 있어, 각 채널에서 전압과 전류를 동시에 측정할 수 있습니다. 채널 1~채널 3은 그룹화되어 있으며, 채널 4는 독립적입니다. 입력 측과 출력 측을 동시에 측정하거나 서로 다른 계통에서 트리거를 설정할 수 있어 유연한 측정 상황에 대응할 수 있습니다.

 그림 10. 두 개의 서로 다른 계통을 동시에 측정

다양한 이벤트 트리거 및 고조파 데이터의 동시 기록

UPS 시험에서 확인하고 싶은 것은 정전이나 전압 강하뿐만이 아닙니다. PQ3198은 고조파의 시계열 트렌드에 더해, 다양한 이벤트(딥, 스웰, 정전, 돌입 전류, 트랜젼트 전압, 고차 고조파, 불균형 등)를 기록할 수 있습니다. 전환 시의 과도 응답뿐만 아니라 파형 왜곡이나 노이즈도 확인할 수 있어, 전원 품질 문제의 원인을 특정하는 진단에도 도움이 됩니다.

그림 11. PQ3198로 기록된 이벤트 파형. 부하가 급증해도 전압은 안정적입니다.

마치며

PQ3198을 시운전 현장 인수 시험에 도입함으로써, 객관적이고 재현성 있는 측정 데이터를 확보할 수 있으며, 실제 가동 환경에서의 UPS 성능 검증이 가능합니다.

자세한 제품 정보는 웹사이트를 참조해 주십시오. 특정 애플리케이션에 대한 데모나 상담은 문의 양식을 통해 당사로 연락해 주십시오.