[외국의 전력자유화와 계통 운용 기술 동향] 계통 운용 · 제어 동향
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2010-05-07 오전 11:49:44
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개요
계통 운용과 제어는 계통 신뢰도와 전력품질을 유지하기 위한 전력계통의 본질적인 업무이며, 이 사실은 경쟁 환경 하에 있든 없든 조금도 변하지 않는다. 경쟁 환경 하에서의 계통 운용 · 제어에는 공평하고 투명한 경쟁 조건 확보와 발 · 송 · 변전 전체의 협조가 필요하며, 이를 위한 연구 · 개선이 각국에서 이루어지고 있다. 여기서는 운용 계획, 실시간 운용, 신뢰도 감시 · 제어의 일부분을 언급한다.
경쟁 환경 하에서의 운용 계획
운용 계획에는 수급 균형을 유지하는 '수급 계획'과, 공급 신뢰도 확보 및 전력품질 유지를 위한 방책을 입안하는 '계통 운용 계획'이 있다. 여기에서는 운용 계획이 경쟁 환경 하에서 어떠한 영향을 받는 지에 초점을 맞춘다.
1. 경쟁 환경 하의 수급 계획
수급 계획이란 공급 대상인 수요가 전체의 총 수요를 예측해 이 예측 수요에 수요 예측 오차 혹은 발전기 고장 등을 고려한 예비력을 가미한 전력까지 공급 가능이 되도록 하는, 발전기의 발전 출력 계획을 책정하는 기능이다. 이러한 기능은 경쟁 환경 하에서도 변하지 않지만, 경쟁의 정도에 따라 ① 필요공급력을 구하기 위한 총 수요 예측 대상 ② 예비력 조달 방법 ③ 유닛 커미트먼트(Unit Commitment)와 비용 최소화를 위한 방법 ④ 혼잡 해소 해결책 ⑤ 계통 설비 및 전원 설비 · 조류(潮流)의 불확실성 등의 영향을 받는다.
총 수요 예측은 규제 환경 하에서는 거의 고정된 관할 구역 수요가의 수요 예측을 통계 방법이나 메타 휴리스틱(Meta Heuristic) 방법 등에 의해 이루어지지만, 규제 환경 하에서 총 수요는 각 부하 공급사업자의 요구 수요 합계를 바탕으로 예측되며, 예비력을 포함해 구하게 된다.
예비력에 대해서도 대응 속도에 맞춘 순동 예비력 · 운전 예비력 · 대기 예비력 등 기본적인 형태는 변하지 않지만, 경쟁 환경 하에서는 이러한 것들을 자기 보유 전원 외에 상대 거래나 시장으로부터의 조달을 통해 확보한다. 미국 PJM이나 NY-ISO에서는 공급력 확보 의무로서 소매사업자에게 예비력을 확보할 것을 의무화 했으며, 이를 위한 시장도 운용하고 있다.
유닛 커미트먼트와 비용 최소화는, 기기의 증분연료비 특성을 바탕으로 한 지금까지의 람다(Lambda) 배분이나 라그랑지안 완화법(Lagrangian Relaxation) 등과 달리 시장에서 얻은 증분가격 곡선이 토대가 된다. 혼잡 해소도 시장으로부터의 조달이 포함된 점이 다르다. 최후의 불확실성은 경쟁 환경 하에서의 공통된 중요 과제이며, 충분한 신뢰도 이윤을 얻거나 리스크 관리가 필요하다. <그림 1>은 미국 PJM의 예를 나타낸 것이다.
2. 경쟁 환경 하의 계통 운용 설계
공급 신뢰도와 전력품질의 유지를 도모하기 위해 상정 사고에 대한 적절한 방책을 검토 · 입안하는 등 매일 전력계통 운용에 앞선 일련의 계획 업무를 계통 운용 계획이라고 한다.
경쟁 환경 하의 계통 운용 계획도 기본적인 형태는 바뀌지 않지만 ① 계통 구성이나 전원 입지 및 조류의 불확실성 증대 ② 연계계통 정보나, 발전 정지에 대한 정보 입수의 어려움 등이 큰 과제이며, 수급 계획과 같이 이윤확대 및 각종 리스크관리가 필요하다.
3. 밸런스 풀
독일에서는 밸런스 풀이라 불리는 형태에 의해 지역 간 수급 균형을 확보하고 있다. 편차량을 풀하는 가상의 조직을 '밸런스 풀'이라고 부르며, 밸런스 코디네이터에 의해 풀 간의 균형 거래가 실시된다. <그림 2>에 나타난 것처럼 발전회사/수요가는 코디네이터와 각각 구입/공급 계약을 맺고, 계통 운용자는 코디네이터와 밸런스 풀 계약을 맺는다. 프랑스에서도 동일한 체계로서 Balancing Mechanism이 있으며, 실시간 수급 조정 등에 활용되고 있다.
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경쟁 환경 하에서의 실시간 운용
실시간 운용이란 전날까지의 시장 거래 등에 의해 결정된 운용 계획을 바탕으로 당일 계통 상황에 맞춘 순간순간의 운용이다. 규제 환경 하에서는 주파수 · 불균형(Imbalance) 조정에 필요한 전원을 전력회사가 자사 전원으로 확보하지만, 경쟁 환경 하에서는 계통 운용자가 시장 혹은 상대 계약에 의해 조달하는 점이 다르다.
송전선망을 통해 수요가에 공급하는 전기의 품질을 유지하기 위해서 계통 운용자가 송전선 이용자를 대상으로 실시하는 계통 운용 · 제어에 관한 서비스는, 특히 보조 서비스(Ancillary Service)라고 부른다. 규제 환경 하의 전기사업에서는 전기사업자가 전력품질 유지를 위한 비용을 총괄적으로 파악해 전기요금으로 회수했다. 그러나 경쟁 환경 하에서는 각 사업자가 응분(應分)의 서비스 제공이나 비용 부담을 하도록 됐기 때문에 보조 서비스의 조달 방법, 대가 지불, 비용 부담의 형태를 결정하는 일이 중요해진다.
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일례로서 미국 PJM에서의 보조 서비스 형태를 <표 1>에 나타냈다. 수급 제어 및 예비력에 관여하는 보조 서비스에 대해서는, 제공하는 발전기는 명확하며, 기회 손실분도 포함해 시장 가격을 토대로 한 몇몇 방법으로 비용을 결정할 수 있다.
한편, 무효전력은 힘든 제공량 파악 등 시장 거래에는 익숙해지기 어려운 동시에, 요금 책정 방법도 명확히 하기 어려운 문제 등이 있어 중요한 과제가 되고 있다.
이어 미국에서의 특징적인 운용 계획 · 실시간 운용 사례로서 MISO의 SCUC(Security Constrained Unit Commitment)와 SCED(Security Constrained Economic Dispatch)를 소개한다(<그림 3> 참조).
MISO에서는 2004년부터 Midwest 지역의 도매 전력 시장을 개시, 전날 시장과 실시간 시장이 되는 스폿거래를 토대로 LMP(지점별 한계 가격)를 적용한 혼잡 해소와 FTR(금융적 송전권)에 의한 리스크 헤지(Risk Hedge)를 가능하게 하고 있다. 특히 수요에 공급력을 경제적으로 매치시키기 위해 SCUC를 사용한다. SCUC는 전날 시장과 연결해 기동비, 무부하 비용, 증분가격을 고려해 혼잡을 해소하는 동시에 가장 경제적인 발전 배분을 결정한다. 게다가 2005년부터는 실시간 운용인 SCED를 연결시켜 5분마다 발전기의 안전성 한계를 고려하면서 혼잡해소와 입찰 가격을 바탕으로 한 최소 가격의 발전배분을 행하고 있다.
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신뢰도 감시 · 제어
적절한 품질의 전력을 안정적으로 공급하는 것은 경쟁 환경 하든 아니든 가장 중요한 책무 중 하나다. 그 위에 경쟁환경 하에서의 경제성추구가 과제가 된다.
여기서는 경쟁환경하에서의 신뢰도형태, 신뢰도 제어 순서, 신뢰도 유지 · 제어 시스템에 대해 논한다.
1. 경쟁 환경 하의 신뢰도 형태
신뢰도란 '계획 정지 · 상정 사고 · 수요의 불확정성을 고려한 후 ① 충분한 공급력(Adecacy)과 ② 돌발사상에 대해 공급력을 회복 · 유지할 수 있는 능력(Security)이 지켜진 성능의 척도'이다.
경쟁 환경 하에서는 아래의 ①에서 ⑤와 같이 계통 운용의 불확실성을 증대시키는 요인이 있으며, 계통 운용의 관점에서 본 신뢰도 기준의 형태로서 크게 '확정론적 신뢰도 기준'과 '확률론적 신뢰도' 두 가지가 있다.
① 기간(基幹)계 조류 예측이나 장기 예측의 불확실성
② 설비 투자의 불확실성
③ 운용 이윤 감소
④ 단기 베이스의 계약 증대
⑤ 다수의 소출력 전원의 참가 |
· 확정론적 신뢰도 기준 : 전력계통 설비의 구성요소가 사고로 정지한 경우를 상정해 그때 계통에 요구되는 능력을 정하는 것으로, 대표적인 것으로 'N-1 기준'이 있다(<표 2> 참조). 기간계통을 중심으로 일본 및 유럽, 미국에서도 신뢰도 수준으로서 넓게 채용되고 있다. 특별 중요 지점에 대해서는 복수의 구성 요소 정지에도 갖출 수 있는 형태(예를 들어 'N-2 기준'등)를 적용하는 경우도 있다.
· 확률론적 신뢰도 기준 : 사고 발생 확률과 공급지장에 바탕으로 둔 손실(정전 비용)을 이용한 확률론적인 신뢰도 기준의 접근이다. 확률론적 신뢰도 기준은 공급 지장 비용의 기대치와 공급 신뢰도를 유지하기 위한 비용 합계 최소화 등에 적용되며, 데이터 설정의 어려움이 있기는 하지만 <표 2>와 같은 이점이 있어 기대되고 있다.
2. 신뢰도 제어 순서
신뢰도 제어는 전력의 안정 공급을 유지하기 위해 행하는 제어로, 예방 제어와 긴급 · 복구 제어로 구성된다.
· 예방 제어(Pre-contingency Operating Procedures) : 상정 사고 분석 결과를 바탕으로 사고파급에 이어지는지 아닌지 항상 예측 확인하고, 그 가능성이 있으면 즉시 적절히 제어하기 때문에 Preventive Control이라고도 한다.
· 긴급 · 복구 제어(Post-contingency Operating Procedures) : 사고발생 후 제어를 말하는 것으로, 일본에서는 ① 사고파급으로 이어질 우려가 있을 때 파급을 방지하는 적절한 제어(긴급 제어)(Emergency Control)와 ② 사고에 의해 발생한 공급 지장을 해소하기 위한 적절한 제어(복구 제어)(Restorative Control)로 나누는 경우가 많다.
예방 제어는 정주기 혹은 계통 상태 변화 시에 기동되는 상정사고계산에 따른 확인을 토대로 발동되어, 등으로 대처된다.
① 발전 제어(온라인 구매 전력 조정도 포함된다)
② TLR(송전선 혼잡 해소 장치)
③ 수동 부하 차단
④ 계통 구성 변경
⑤ 발전 대체 |
복구 제어에는 사고 양상에 맞춘 자동/수동의 각종 복구 제어 · 조작이 있으며, 복구 방침에 따라서 필요에 의해 지원 시스템을 경유해 조작 지령이 내려진다. 사고 파급 방지에 대해서도 사고 양상에 맞춘 각종 자동/수동 제어 · 조작이 있지만, 대표적인 것은 등이다. 실제 사례로 2004년 북미 대정전에서 'UFLS가 동작하는 전압 저하에 의해 제어량이 부
족, 만약 Cleveland/Akron 지구에 UVLS가 설치되어 있었으면 대정전은 막을 수 있었을 수도 있다'는 보고도 있다.
· 수동에서의 계통 접속 변경이나 발전 출력 변경, 부하 차단
· 부족 주파수 자동 부하 차단(UFLS)
· 부족 전압 자동 부하 차단(UVLS)
· 계통 안정화 시스템 동작 |
3. 신뢰도 유지 · 제어 시스템
여기에서는 신뢰도 유지 · 제어 시스템 사례를 소개한다.
⑴ 감시 제어용 계산기 시스템(SCADA와 EMS)
신뢰도 제어를 운용자 지시에 따라 실시하기 위해 제어소 및 급전소에 SCADA나 EMS라고 불리는 전력계통 감시 제어용 계산기 시스템이 설치되어 있다. 전형적인 미국과 유럽의 SCADA/EMS 시스템 구성은 <그림 4>와 같다. SCADA 서버에서의 계통 상태에는 데이터 오차 및 에러, 계측의 비동시성 등이 들어가 있지만, 이들 데이터로부터 가장 확실한 계통 상태량을 추정하는 것이 상태 추정 기능(SE)이다. EMS 서버의 각종 계통 해석 계산은 이 SE 데이터를 바탕으로 이루어진다. 특히 상정 사고계산에 있어서는 N-1에 해당하는 단일 사고 외에, 복수의 조합 사고나 사고 후 상태 대책 계산을 하는 경우도 많다.
⑵ 계통 안정화 시스템
이른바 계통 안정화 시스템에는 계통 사고 시에 분리 계통 내의 수급 균형을 유지하는 '수급 평형 시스템'과 안정도를 유지하기 위해 발전 제어를 하는 '과도 안정도 유지 시스템', ' 정태 안정도 유지 시스템'등이 있다. 상태 추정 결과를 토대로 다수의 상정 사고에 대한 실시간 고속 연산이 필요하며, 계통 축약 및 선별 검사(Screening), 패럴렐(Parallel) 연산 등의 방법이 적용되고 있다.
⑶ 전압 안정성 감시 시스템
전압 안정성 지표를 나타내는 P-V 곡선이나 Q-V곡선을 실시간으로 계산해 상정 사고에 대한 전압안정성 판정과 대책을 계산하는 시스템이다. <그림 5>는 P-V 곡선 개념이다. 일반적으로 현재 시점의 P-V 곡선과 함께, 가까운 미래 시점이나 피크 시점의 P-V 곡선, 사고 후 및 대책 후의 P-V 곡선 및 대책 내용을 운용자에게 제시하는 등 실시간 운용 지원을 한다.
⑷ 훈련 시뮬레이터
신뢰도 제어의 고도화와 더불어 보다 임장감(臨場感) 있는 실시간 훈련 시뮬레이터를 사용하고 있다. 2003년 북미 대정전에서도 안정도 문제를 포함하는 긴급 상태를 모의할 수 있는 대규모 실시간 훈련 시뮬레이터의 필요성이 지적되고 있다.
4. 북유럽의 확률론적 신뢰도 기준의 시행 예
북유럽에서의 확률론적 신뢰도의 적용 사례를 소개한다. 노르웨이에서 융통 최대 전력의 결정에 시행적으로 정전 비용을 이용한 예가 보고되고 있다.
<그림 6>에서처럼 N-1 기준을 넘어 융통 전력을 흘리면 혼잡 비용은 감소하지만 그 대신 공급 지장의 기대치가 증가한다. 설비 증설을 하지 않고 이들 합을 최소로 하는 데에 융통 한계를 확대하려는 시도가 있어 주목된다.
마무리
전력계통의 물리법칙에 따른 적절한 품질의 전력을 안정적으로 공급하는 일은 대전제이며, 나아가 경쟁 환경 하의 경제성 추구가 과제이다. 경쟁 환경하의 계통 운용 · 제어에 대해 불확실성 극복 · 신뢰도 유지 · 경제성 추구의 관점에서 제도, 조직적인 대처, 운용 규칙, 지원 시스템 개발 등 각 방면에서의 노력이 계속되고 있다.
<Energy News>
http://www.energy.co.kr
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