월간전기



[전력시스템에서의 지진 대비 및 안전 대책 ①] 지진·태풍 발생 시의 전력시스템 운용

2016-11-01

[전력시스템에서의 지진 대비 및 안전 대책 ①] 지진·태풍 발생 시의 전력시스템 운용 일본의 전력시스템은 매년 반복되는 여름철의 태풍과 겨울철의 폭풍우 등 가혹한 자연환경에 노출되어 있다. 또한, 지진과 화산이 많기 때문에 이러한 자연현상으로부터 막대한 피해를 입을 가능성도 높다. 과거의 기록을 살펴보면, 1995년 1월의 한신 아와지 대지진(阪神·淡路大地震) 및 2011년 3월의 동일본 대지진으로부터 광역의 정전이 발생했다. 비단 일본뿐 아니라, 미국의 동부에서는 2012년 10월에 있었던 허리케인의 상륙으로 대규모 정전이 발생하기도 했다. 본고에서는 일본전기학회의 「안전·안심사회의 전기에너지보안 특별조사전문위원회」 활동의 일환으로 조사한 내용을 토대로 지진·해일·폭풍우에 따른 전력시스템의 피해 특징과 그 대책을 소개한다. 대책에 대해서는 레질리언스(Resilience, 회복력, 탄력성)라는 관점에서 전력시스템에 요구되는 성질과 기능들을 정리했다. 정리 편집부 자연재해로 인한 전력시스템의 피해 전력시스템에 있어 자연의 대표적 위협으로 낙뢰가 있다. 그러나 피뢰·절연·보호시스템 기술의 고도화에 따라 낙뢰로 인한 대정전(블랙아웃) 사태는 현대의 일본에서는 드물게 발생하고 있다. 대정전을 일으키는 으뜸가는 자연재해는 역시나 지진과 태풍이라고 할 수 있다. 지진에 의한 대정전이라고 하면, 1995년 1월 17일 이른 아침에 발생한 효고현 남부 지진에 의한 한신 아와지 대지진을 들 수 있다. 이 재해로 인해 약 260만 가구가 정전되었고, 정전 해소까지 6일 정도가 걸렸다. 도시 근교에서 발생한 직하형 지진이라는 점에서 가공배전설비의 피해가 많았던 것으로 보인다. 또 2011년 3월 오후에 발생한 도호쿠 지방 태평양 해역 지진(東北地方太平洋沖地震)의 피해도 막대했으며, 발생한 정전은 도호쿠전력 관내에서 약 466만 가구(전체 호수의 약 70%, 8일 후에 약 94% 정전 해소), 도쿄전력 관내에서 약 405만 가구(전체 호수의 약 20%, 7일 후에 100% 정전 해소)였다. 이 지진의 특징은 도호쿠 지방 북부 태평양 연안에서 간토 지방 북부 연안까지의 광범위한 영역에 걸쳐 큰 해일이 발생, 연안부의 화력·원자력발전소가 침수피해를 입고, 그 결과 전력공급원을 상실했다는 점이다. 태풍에 대해서는 매년 2~3개의 태풍이 상륙하고 있으며, 그에 따라 폭풍우 및 산사태에 의한 피해가 끊이지 않고 있다. 그러나 다행히도 근래에는 한신·아와지 대지진급의 대규모 정전은 일어나지 않고 있다. 한편, 2012년 10월 29일 미국 동부에서는 허리케인 샌디가 상륙하여 광범위한 정전을 일으켰다. 정전건수는 약 860만 가구로 동일본 대지진 당시의 정전에 필적하는 수준이다. 완전 복구까지 10일 이상이 소요된 것으로 밝혀졌다.이러한 자연재해로 인한 전력시스템의 피해를 그림으로 간략하게 표현한 것이 [그림 1]이다. 지진에 의한 직접적인 피해로는 철탑 및 전주 도괴 등에 의한 송변전·배전설비의 손상이 있으며, 이에 따라 전력분배 기능이 저하되어 정전을 초래하게 된다. 지진해일(쓰나미)은 연안에 위치한 발전소를 침수시킬 위험성이 있으며, 발전능력 부족에 의한 정전을 야기한다. 태풍 등의 폭풍우는 상륙한 경로에 의존하는데 발전소 및 변전소의 침수, 송배전설비의 손상에 따라 정전이 광역화될 우려가 있다. 전력시스템의 레질리언스 전술한 자연재해의 영향력(충격)을 전력시스템이 받았을 때 얼마나 신속하게 건전한 상태로 회복 가능한가를 레질리언스의 관점에서 정리해본다. 먼저, 물리적· 사회적 시스템의 레질리언스를 특징짓는 항목을 나타내면 [표 1]의 좌열과 같다. 우측 열에는 각 항목에 대응하는 전력시스템의 성질과 기능들을 담고 있다. Robustness란 시스템의 기능성을 잃지 않고 서비스를 제공할 수 있는 시스템 고유의 능력을 가리킨다. 전력시스템에 대응시켜 보면 피해를 입어도 기능을 유지한 채 수요에 대한 전력공급을 실행할 수 있는 능력, 요컨대 정전을 일으키지 않는 능력이며, 전력시스템의 “견고함”이라고 할 수 있다. Redundancy는 대체할 수 있는 선택지 및 대용 가능한 요소를 갖추고 있는 성질을 가리키며, 전력시스템에서 말하면 송전루트가 복수 있는 것, 중앙급전지령소(中央給電指令所)의 백업(고장·사고 발생 시 대체 가능한 보조장치) 등 설비가 다중화되어 있는 것을 가리킨다. 즉, 정전을 발생시키지 않기 위한 전력시스템의 “여유도”를 나타내고 있다. Resourcefulness는 긴급 시에 필요한 물자 및 서비스를 동원할 수 있는 능력을 의미한다. 전력시스템에서는 설비의 보수점검 시 사용되는 전원차(電源車, power source car)의 보유대수 및 재해 시 타 전력회사로부터 용이하게 인력을 지원받는 일 등이 대응된다. 즉, 정전이 일어나도 이를 경감할 수 있는 “보완력” 또는 “동원력”을 나타내고 있다. Rapidity는 시스템의 기능이 복구되는 속도를 가리키며, 전력시스템에서는 정전 발생 시부터 복구되기까지의 시간에 대응한다. 요컨대 건전한 상태로 돌아가는 “회복의 속도”를 나타내고 있다. 또한, 이 속도는 복구 요원의 인원수와 기술수준에 의존한다. 여기서 시스템의 견고함과 회복의 속도를 정량적으로 나타낸 것이 [그림 2]이다. 시스템의 견고함은 피해를 받은 직후(시각 t₀)의 서비스 제공능력에 의해 나타낸다. 또 서비스 제공능력이 피해를 받기 전의 수준으로 회복하는 과정의 기울기가 회복의 속도에 대응한다. 따라서 피해 직후의 서비스 제공능력이 크고, 회복하기까지의 시간이 짧은 시스템이 레질리언스가 높은 시스템이다. 이 레질리언스의 정량적 평가를 [그림 3]의 동일본 대지진 시의 정전호수 추이와 허리케인 샌디 습격 시의 데이터에 적용해 보면, 대략 [표 2]와 같은 수치가 얻어진다. 단, 도호쿠전력 관내와 도쿄전력 관내의 전력시스템은 지진과 해일에 의한 충격의 크기가 다르기 때문에 [표 2]에 나타난 수치의 단순비교는 할 수 없지만, 미국의 허리케인의 경우보다는 조기에 회복된 것으로 보인다. 전력시스템과 같은 거대 인프라 시스템의 복구과정에는 송배전 설비와 수요의 지리적 확산, 복구 요원의 행동력 등 다양한 요인들이 얽혀 있다. 따라서 레질리언스를 정확하게 평가하기 위해서는 정전호수 감소과정의 인과관계를 면밀히 분석하고 그에 따른 방책을 세워두는 것이 미래의 재난에 대한 대비책이 될 것이다.일본에서는 앞으로 지진 발생이 예상되는 남해 트로프 거대지진 및 수도 직하형 지진을 염두에 두고 전력시스템의 레질리언스를 향상시키는 방안을 검토 중에 있으며, 전력안전소위원회의 보고서에서 그 내용을 정리하고 있다. 그에 따르면, 대규모 전원 및 기간 송변전 설비에 대한 방책으로 다음과 같은 내용들이 있다. - 상정된 피해사례의 전력수급 시뮬레이션에 의한 공급지장량 파악 - 중장기적 시야의 설비형성 - 화력발전의 조기재개운용법 및 증출력운전활용 등 - 기술수준을 유지한 복구요원의 확보 - 전력복구 우선순위의 판단기준에 대한 합의 형성 및 최적화 - 공적기관 등에 비상용 발전설비 도입 권장 분산전원을 활용한 레질리언스 향상 대책 제안 대책 앞에서 설명한 전력시스템의 레질리언스 향상 대책은 주로 대규모 전원과 기간 송변전 설비에 관한 것이었는데 수요측 분산전원을 이용하는 방안도 고려되고 있다. 그 하나의 방책으로 재해 시 건전한 상태로 살아남은 기존의 배전 네트워크를 사용하여 자립운전을 실시하는 방안이 제안되고 있다. 이에 대해서는 다음 장에서 더 자세히 살펴보도록 하겠다. 또 하나의 방책은 가장 표준적인 개념으로, 각 소비자 단위에서 자신의 가옥 등 지붕에 설치된 태양광 발전장치(이하, PV)를 비상용 전원으로 사용하는 방법이다. 축전지를 도입하면 낮 동안에 비축한 태양에너지를 야간에도 사용할 수 있다. 단, 이 방법의 문제점은 발전장치를 소유하고 있는 사람은 계통 정지 시에도 전기를 사용할 수 있지만, 소유하고 있지 않은 사람은 전기를 사용할 수 없다는 점이다. 요컨대 대재해에 따른 비상사태 시 전기를 사용할 수 있는 사람과 사용할 수 없는 사람이 같은 공간 안에 존재하면서 그것이 장기화로 이어지게 되면 사회적 불안정을 초래할 수 있다는 것이다.그밖에 제안되고 있는 다른 방책들로는 클러스터 확장형 그리드라고 하는 마이크로그리드와 유사한 방법이 있다. 이 방법에서는 어느 지역에 존재하는 분산전원과 전력저장장치와 그 수요를 한 덩어리(클러스터라고 부름)로 보고, 정상 시에는 클러스터 간이 연계되어 운전된다. 단, 클러스터가 접속해 있는 상위 계통에 사고가 발생했을 때에는 각각의 클러스터가 자립운전을 실시하는 방법이다. 또 분산전원의 활용에 한정하는 개념은 아니지만, RESCUE(Resilient Energy System for Continuity in Ultimate Emergency)라고 하는 개념도 요코하마 국립대학에서 제창되고 있다. 이 시스템에서는 피해에 강한 에너지 공급 네트워크 구축, 공급력 부족 시 전력수요의 우선순위 결정, 네트워크 관리자와 수용가의 행동결정 메커니즘 등 재해 시 에너지 공급에 적합한 사회적·경제적 규칙에 중점을 두고 있다. 배전 네트워크의 비상시 자립운전 상술한 배전 네트워크의 운용은 일반적으로 단독운전이라 하며, 보수기술자에 대한 안전성의 관점에서 전기설비기술기준의 성령(省令)으로 금지되어 있다. 따라서 현재의 법 규제하에서는 이하에 소개할 전력공급 방안의 실현은 불가능하다. 그러나 만일 비상시에 한해 단독운전이 허용된다면 장차 일어날 수 있을 재해 발생 시 부분적일지는 모르나 많은 사람들이 전력부족의 위기를 면할 수 있을 것으로 보인다. 본고에서는 통상의 단독운전과 비상시의 단독운전을 구별하기 위해 여기서 말하는 단독운전을 배전 네트워크의 자립운전으로 부르기로 한다. 현재, [그림 4]와 같은 배전 네트워크 자립운전의 기술적 실현 가능성이 검토되고 있다. 송전망 및 대규모 전원의 고장에 의해 배전 네트워크로의 전력공급이 정지되면 6.6kV의 고압배전선은 무전압 상태가 되며, 배전선은 차단기와 자동구분개폐기에 의해 복수의 구간으로 분리된다. 제안되고 있는 자립운전은 그 배전선의 각 구간에 접속해 있는 분산전원을 활용하여 각 구간에서의 분산전원 출력과 중요부하의 수급평형 및 전압과 주파수의 품질을 유지하도록 자율분산제어를 실시하는 방식이다. 본고에서는 이러한 배전선의 구간을 「자립운전이 가능한 배전 네트워크(Islanded Distri bution Network: IDN)」라 부르고, 주로 가정용 PV 및 연료전지 FC, 전기자동차 EV 등의 교직변환기를 통해 배전선에 연계하는 분산전원의 활용을 상정하고 있다. IDN의 안정 운용을 가능케 하기 위해서는 다음의 감시·제어기술을 개발할 필요가 있다. (1) 부하제어를 포함한 에너지 관리 시스템 EMS (2) 인접한 IDN과 무정전에서 동기연계하는 기술 (3) 저소비전력의 감시와 데이터 수집 및 제어 SCADA (4) 자율분산형의 보호시스템 EMS의 목적은 IDN 내의 중요부하에 가능한 한 오래 그리고 안정적으로 전력을 공급하는 것이므로 수급평형과 전력품질을 유지하면서 분산전원과 부하를 통일적으로 관리·제어하는 기술이 필수적이다. 무정전 동기 연계기술은 복구 후의 전력시스템에 배전선을 재연계할 시 또는 IDN의 안정 운용을 위해 복수의 IDN의 접속 및 분리를 유연하게 실시할 때 필요하다. 저소비전력 SCADA는 두말할 것도 없이 전력공급력이 충분치 않은 IDN의 감시·제어에 필수적인 것이다. IDN의 실현에 있어 가장 어려운 과제로 여겨지는 것은 보호시스템이다. IDN 운용 시에 발생한 사고의 검출·제거와 복구 방법은 현재의 배전 시스템의 보호시스템과는 크게 다를 것으로 생각된다. 따라서 새로운 개폐기기 및 보호시스템의 개발 등 비용 면을 포함한 과제 해결이 필요하다. IDN 운용·제어의 검토에 필수적인 불평형 조류 계산법을 개발하기 위한 모델을 [그림 5](저압측에만 복수의 단상전원이 존재하는 전력회로)에 나타냈다. < Energy News >