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오늘날의 전력시장은 새로운 시대를 맞았다. 과거에 전력산업의 안정적 근간이었던 정부의 규제는 이제 전력시장의 발전에 보조를 맞추고 다양하고 상충되는 소비자의 요구를 충족시키기 위해 노력하고 있다. 현대사회가 정보화시대로 깊숙이 들어갈수록 사실상 우리의 모든 활동은 하나의 상품, 즉 전기에 의존할 수 밖에 없다. 세계적으로 전력수요는 25년마다 2배씩 늘고 있다. 이것이 현대 전력시장의 현주소이다. 전기에 대한 의존도 증가와 함께 전력시장도 급속하게 변하고 있다. 거의 100년 동안 안정적으로 유지되어 왔던 전력시장 체제가 급진적으로 변하고 있다. 세계의 많은 지역에서 오랫동안 견고하게 유지되어 왔던 수직통합전력회사들이 발전, 송전, 배전, 판매의 각 회사들로 분할하도록 압력받고 있다. 발전과 판매 부분은 경쟁에 개방되고 있다. 전력산업구조개편의 여파는 아직 쉽게 예상할 수 없는 상황이다. 이에 따라 월간전기에서는 독자여러분의 관심이 모아지고 있는 ‘전력산업’에 대한 이해를 돕고자 이 연재를 마련한다. 전력계통운영개요물리적 전력계통은 수천마일에 걸친 발전기, 송전, 배전시스템, 및 소비자부하의 복잡하고 독립적인 네트워크로 구성되어 있다. 시스템의 다양성에도 불구하고, 그것은 항상 긴밀하게 통제되어야 한다. 공급과 수요는 언제나 계속적인 균형을 유지해야 하고, 전압과 주파수는 엄격한 한도 내로 유지해야 한다. 또한 중대한 고장이 연속될 수도 있는데, 즉 소비자의 설비가 적절히 운전하는데 실패하고, 망 설비가 손상을 입을 수도 있으며, 최악의 시나리오로는 시스템이 붕괴되어 소비자는 정전을 경험할 수도 있다. 이러한 복잡한 시스템을 단기 및 실시간으로 관리하는 것은 계통운영자의 책임이다. 계통운영자는 공급이 수요변동에 맞춰 사용 가능토록 하기 위해 공급자원을 계획해야 하며, 실시간으로 수요변동에 맞춰 계속해서 발전수준을 조정해야 한다.전력계통의 운영특성계통운영은 주로 몇 가지 핵심적인 물리적 특성 때문에 복잡한 과제로 인식된다. 첫째로 전기는 효과적으로 저장할 수 없다. 이는 발전으로 제공되는 공급이 소비자의 사용 수요에 계속적으로 균형을 유지해야 함을 의미한다. 계통운영이 복잡한 것은 전력흐름의 경로를 통제하기가 매우 어렵다는 사실 때문이다. 전자는 계약의 합의사항에 의한 경로 혹은 계통운영자의 의도와 무관하게 단순히 최소 저항의 경로로 흐른다. 따라서 연계된 전력회사들은 그들 이웃의 행위와 불가피하게 얽히게 된다. 이러한 상호의존성을 회피하는 유일한 방법은 전력회사들이 자신의 시스템을 분리하는 것이다. 그러나 전력회사는 신뢰성 및 경제적인 발전원의 접근을 위해 서로 연계에 의존하기 때문에 이것은 가능한 해결책이 아니다.더욱 계통운영을 복잡하게 하는 것은 계통고장이 진행되는 속도다. 전기는 빛의 속도로 움직이며, 주요 외란은 연계된 망을 따라 수초 안에 전파된다. 소비자에게 저하된 서비스 제공을 방지하기 위해서는 전압과 주파수가 엄격한 한도 내에서 유지되어야 하기 때문에 외란은 위험할 수 있다(예로서 과전압은 컴퓨터를 손상시키며, 저전압은 전등을 희미하게 하고, 고주파수는 전기기계의 운전을 가속시키며 발전설비를 손상시킨다.). 그리고 컴퓨터와 마이크로칩 등에 의존하는 정보화 사회에서는 컴퓨터 조정 설비의 순간적인 정전조차도 소비자에게 막대한 손해를 입힐 수 있어 허용되지 않는다.계통운영에서 하는 일계통운영자는 관할지역 운영자로도 알려져 있는데, 지정된 자신의 통제 지역내의 발전사업자, 송전소유자 및 부하서비스실체(LSE)들의 행위들을 관리하며, 서비스 수준을 유지하기 위해 인접 통제지역 혹은 지역계통 운영자와 상호조정 한다. 이를 위한 계통운영자의 의무는 ① 하루 전에 수요를 예측 ② 예측수요에 맞춰 발전을 계획 ③ 예비력 및 다른 보조서비스를 계획 ④ 여러 시장참여자들 사이에서 송전시스템의 사용을 계획 ⑤ 연계선의 조류를 예상하기 위해 계획을 인접 운영자에게 통보 ⑥ 분단위로 불균형을 수정함으로써 시스템을 실시간으로 관리 ⑦ 발생가능한 시스템 외란을 교정 ⑧ 정전이 발생하면 전력을 회복시킴 등이 있다.누가 계통운영을 담당하는가미국과 캐나다는 4개의 연계된 송전시스템으로 구성된 지역송전망을 가지고 있다. 이들은 동부, 서부, 텍사스 및 퀘벡 연계지역이며 그들은 일반적으로 서로 독립적으로 운영된다. 그러나 각 연계지역 내의 수직독점전력회사, 송전소유자 및 발전사업자는 연결된 네트워크에 상호 묶여 있어 어느 일방의 계통운영자의 행위는 지역송전망 내의 다른 상대방에 강한 영향을 준다. 각 연계지역은 여러 통제지역으로 분할된다. 각 통제지역에는 물론 계통운영을 책임지는 계통운영자가 있다. 계통운영자로는 수직통합전력회사, 시영공익기업, 연방전력청, 전력푸울 혹은 독립계통운영자(ISO) 등이 있다. 자신의 계통운영 비용을 보장하기에 충분한 시스템을 갖추지 못한 소규모 전력회사는 때론 인접 대규모 전력회사와 서비스 계약을 체결하기도 하므로, 통제지역은 여러 수직독점전력회사로 흔히 구성된다. 일부 전력회사는 전력푸울이라 불리는 그룹으로 연향하여 경제적 급전을 최적화하기 위하여 발전기를 푸울형태로 공유하도록 허용한다. 구조개편 된 지역에서는 계통운영자 기능이 ISO에게로 이관되며(이는 현재까지 캘리포니아, 텍사스, 뉴욕, 뉴잉글랜드, PJM 및 Midwest ISO 서비스지역에서 발생), 통제 지역이 보다 광범위한 지역으로 되었다. 미국의 계통운영자는 북미신뢰도위원회(NERC)를 통하여 그들의 행위를 조정한다. NERC의 사명은 북미의 송전망이 신뢰성 있고, 적정하며, 안전하도록 보장하는 것이다. NERC의 웹사이트에 따르면 “1968년 설립이래 NERC는 자발적 기구로서 모든 관련 당사들의 상호성, 동료압력 및 상호이익에 의존하여 성공적으로 운영되어 왔다”고 나와 있다. NERC는 10개의 지역 신뢰도 위원회로 구성된 우산기구다. 신뢰도 위원회에 속하는 실체들은 실질적으로 미국, 캐나다, 멕시코 내의 캘리포니아에 관련된 지역에 공급되는 전기에 대한 책임을 진다. NERC는 신뢰도를 보장하기 위한 일반적 운영 기준들을 설정하며, 각 지역 신뢰도 위원회는 자기 지역의 특성을 고려하여 계통운영자가 준수하도록 이 기준들을 적합하게 적용한다. 지역위원회는 역사적으로 수직독점전력회사가 주도되어 온바, 1994년에 IPP와 전력판매상에게 회원권을 개방하였다. 회원들은 이제 송전소유자, ISO, LSE, 공익기업, 발전사업자, 판매상, 최종소비자와 정부기관을 포함한다.지역위원회에서 설정한 신뢰도 기준을 통제지역 내에서 발전과 수요의 균형이 정상상태를 유지하고, 발전기 혹은 송전선의 예측치 못한 고장 발생시 15분 이내에 발전-수요 균형을 회복하며, 전압 및 주파수를 특정한 한도 내에서 유지하고, 어떤 외란에 대응하기 위하여 발전예비력을 유지하며, 송전선 과부하 방지를 요구하고 있다.이들 신뢰도 기준에서 계통운영자는 예측오차를 상쇄하기 위한 예비력을 발전계획에 포함시킬 뿐만 아니라, 시스템 구성요소(발전기 혹은 송전선)의 정전에 대한 상정고장에 대해서도 대비하도록 요청받고 있다. 그래서 기준에서는 통제 지역에서 일정한 가용 예비력 수준을 다음 이상으로 유지할 것을 요구하고 있다.· 예측수요의 일정 퍼센트· 발전 혹은 송전고장 중 가장 중대한 단일 상정고장이러한 예비력은 예측치 못한 발전이나 송전의 고장시 신속하게 공급과 수요를 균형 회복시키기 위해 항상 공급 가능을 유지해야 한다.수요예측 및 발전계획발전 및 송전시스템의 운영계획은 복잡한 일이다. 이 과정을 시작하려면 계통수요가 먼저 예측되어야 한다. 그리고 계통운영자는 계획하지 않은 일이 발생시 예비력 필요량은 물론 시스템 제약을 고려하면서 예측수요를 충족하기 위해 가용 공급량의 운영계획을 세워야 한다. 1. 수요예측수요는 예측된 일기유형 및 산업 활동이 주어진 경우, 과거 수요로부터 개발된 모델을 활용하여 예측한다. 이런 모델을 활용하여 계통운영자는 하루 전, 시간 단위로 수요예측을 시행한다. 수요모델 프로그램을 운영 당일에 다시 적용하여 일기변동 혹은 다른 요일들에 근거한 변동된 수요예측을 지속적으로 작성한다.2. 발전, 송전 및 예비력의 계획일단 수요예측이 정해지면, 계통운영자는 자체시스템 내에서 뿐 아니라 인접시스템에서 가용한 발전력이 있는지를 살핀다. 계통운영자는 수요와 예비력 요구량을 맞추기 위해 시간 단위로 가용한 발전력을 계획한다. 그들의 목표는 신뢰도 기준을 보장하며, 전체적인 공급비용을 최소화하기 위하여 계획을 최적화하는 것이다(이것을 제약을 고려한 최소비용급전 혹은 계획최적화라 함). 계획최적화에서 고려되어야 하는 변수들은 전력을 시스템의 여러 부분으로 수송하기 위한 송전망의 능력, 계통운영을 안전하게 유지하기 위해 가동해야 하는 발전기 및 환경적, 규제적 요구를 포함해야 한다. 이러한 제한사항을 고려한 전력계통의 물리적 능력은 전력조류모델에 의해 결정된다. 전력조류모델에서 가능하지 않은 계획이 되면, 가능한 해답이 발견될 때까지 계획은 조정되어야 한다. 송전망의 물리적 특성을 유지하기 위해 가동되어야 하는 발전기를 의무가동발전이라 하며, 환경적 혹은 규제적 이유에서 가동해야 하는 발전기는 의무구입발전이라 한다.발전 및 송전계획은 하루 전에 시간 단위로 수립되며, 각 발전기에 그 계획이 통보된다. 발전기들은 에너지를 제공하기 위해(가동됨을 의미), 보조서비스를 제공하기 위해(필요한 가동준비를 의미) 계획된다. 일부 경우에는 발전기가 계획되어 일정 부분용량은 에너지로 사용되고 나머지는 보조서비스로 사용되기도 한다. 또는 공급 당일에 발전기계획이 수요예측의 변경에 따라 시간 전에 조정될 수도 있다.보조서비스보조서비스는 전력망의 안전한 운전을 보장하기 위해 계통운영자가 요구한 서비스를 가리킨다. 보조서비스는 다음을 포함한다.1. 자동발전제어(AGC)조정이라 불리기도 하는데, AGC는 계통수요의 매분 단위 변동을 관리하기 위해 사용된다. AGC 발전기는 계통운영반에서 원격으로 증·감발할 수 있어야 하며, 공급과 수요의 균형을 유지하기 위해 운영 시간 내내 사용된다. AGC의 전형적인 자원은 자기용량의 일정부분 에너지를 공급하는 한편 추가적인 미사용 용량을 가진 수력, 가스터빈, 가스기력 터빈발전기들이다.2. 운전예비력운전예비력은 계통주파수에 이미 동기 되어 있는 급전지시에 따라 즉시 송전망에 에너지를 공급할 수 있는 발전기를 가리킨다. 운전예비력에 포함되는 용량은 통보 후 10분 이내에 계통운영자가 온전히 가용할 수 있어야 한다. 운전예비력의 전형적인 자원은 자신의 용량의 일부에서 에너지를 공급하는 반면 추가적인 미사용 용량을 가진 수력, 가스터빈, 기력터빈이다.3. 대기예비력대기예비력은 계통주파수에 동기되어 있지 않으나 통보후 10분 이내에 가용할 수 있는 발전기다. 대기예비력은 또한 10분 이내에 가용한 수용응답을 포함한다. 대기예비력이 운전예비력처럼 10분 요구를 가지는 반면, 이들 발전기는 먼저 계통에 동기시켜야 하므로 용량의 일부분을 발전하는데 보다 긴 시간이 걸린다. 대기예비력의 전형적 자원은 운전에비력에 사용되는 것과 유사하다.4. 대체예비력대체예비력은 동원에 걸리는 시간이 보다 긴 발전기로서, 흔히 통보 후 30분 이내 가동되어야 한다. 전형적 대체예비력의 자원은 석탄 및 가스기력 터빈발전기다.5. 전압지원전압지원은 계통에 VAR를 공급할 능력을 가진 특별히 장치된 설비에 의해 제공된다. 6. 자체기동대부분의 발전기는 송전망으로부터의 전기가 없으면 기동할 수 없다. 이는 정전이 발생한 경우, 송전망을 회복시키는데 문제를 야기한다. 자체기동발전기는 송전망에서 전기공급 없이 독립적으로 기동할 수 있다. 계통운영자는 정전이 발생한 경우 송전망을 복구할 능력을 보장하기 위해 일정량의 자체기동발전기를 유지할 필요가 있다.일단 발전기가 하루 전에 보조서비스를 제공하기로 계획하면, 발전설비 운전자는 다음날 각 시간대별 기대되는 운전에 대해 통보를 받는다. 그러나 이러한 계획은 수요예측 혹은 발전기, 송전선 가용량이 변경되면 한 시간 전에 조정될 수 있다.어떻게 공급과 수요가 실시간으로 균형을 유지하는가계통운영자는 수요를 예측하고, 예측수요를 충족하기 위해 하루 전에 계통을 계획하며, 한 시간 전에 그 계획을 조정한 후에, 실시간으로 계통상황을 감시하며 관리해야 한다. 시간 중에도, 계통운영자는 일반적으로 수요변동에 대응하여 AGC 발전기를 증·감발하여 계통을 균형상태로 유지한다. 수요가 예측보다 높거나, 공급자원이 기대와 달리 손실되어 AGC로는 불충분할 경우, 운영자는 운전예비력을 호출하여 계통을 균형 잡히도록 유지한다. 그러나 이는 다른 기대치 않은 고장이 발생하면 운전예비력의 부족으로 이어진다. 그러면 운영자는 대기예비력을 운전예비력 상태로 전환하여, 즉 대기예비력을 곧바로 온라인 에너지로 전환하고 일단 대기예비력에서 추가적인 발전이 가용하게 되면 운전예비력의 확보를 위해 발전기를 감발하게 할 것이다. 이러한 방식으로 운영자는 상정고장이 발생해도 계통을 NERC 기준 이내에서 유지할 수 있다.때때로 계통운영자의 최대한의 노력에도 불구하고 계통이 균형을 일탈할 수 있다. 그 결과 전압과 주파수가 허용한도를 초과할 수 있다. 높은 전압 혹은 주파수는 발전공급을 줄여서 관리하는 반면, 낮은 전압과 주파수는 발전공급의 증가를 요구한다. 낮은 전압 혹은 주파수에 대한 최종 방어방법은 공급과 수요를 균형으로 회복하기 위해 부하를 제거하는 것이다. 많은 전력회사는 신뢰도를 이유로 차단이 가능한 차단소비자를 가지고 있다. 최후의 의지처로 계통운영자는 비자발적으로 송전망에서 그들의 회로를 분리하여 소비자를 차단한다. 이를 순환적 차단으로 부른다.달라지는 계통운영의 역할우리는 송전망의 신뢰성 있는 운전을 위해 계통운영자가 취해야 할 물리적 행위들을 기술했다. 우리는 계통운영자에게 자원을 가용하도록 하기에 필요한 시장구조에 대해서는 논의하지 않았으며, 어떻게 이러한 자원들이 계획되고 서비스를 제공한 대가를 지불하는지를 결정하는 상업적 메커니즘에 대해서도 논의하지 않았다. 역사적으로 계통운영은 그 계통상 모든 발전기에 대해 직접 통제권을 지닌 수직통합전력회사 혹은 전력푸울에 의해 처리되어 왔다. 이러한 간단한 구조에서 발전기는 한계운전비용과 시스템 제약을 기초로 계획되었다. 미국의 일부에서 경쟁적 전력시장으로 이전함에 따라 필요한 상업적 구조는 보다 복잡해졌다. 수요는 여러 경쟁적 실체들에 의해 서비스되며, 발전기는 여러 영리적인 이익추구 사업자에 의해 소유되는 상황에서 이제 계통운영자는 공급과 수요의 균형을 유지하도록 요구받고 있다. 시스템을 작동하도록 유지하는 것은 세심하게 설계된 시장구조를 요구한다.<자료제공_전력거래소>
<Energy News>
http://www.energy.co.kr
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