- 공학박사 김영창 (전력경제신문 특별 연재 칼럼)
전력시스템의 상태는 가변적이거나 불확실하다.
운용예비력을 사용하여 가변성이나 불확실성에 의한 영향을 최소화한다.
시스템부하와 총출력의 균형을 유지하기 위해 여러 시간축에서 다양한 시스템운용 전략이 있을 수 있다.
운용예비력은 ‘사건예비력’과 ‘비사건예비력’으로 분류된다.
운용예비력은 명확하게 정의되어야 한다.
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| 김영창 공학박사 | ||
운용예비력
전력시스템의 상태(state)라는 것은 소비자부하, 모선별 전압의 크기와 위상, 송전설비의 사용가능성(equipment availability), 발전기 출력 등을 말하며 이들이 쉽게 예측되거나 시간의 틀(time frame)에서도 변동이 없다면 이와 같은 시스템운용의 여러 목표를 달성하는 것은 용이하다. 그러나 전력시스템의 각종 상태는 가변성이나 불확실성을 갖고 있어 이를 정확하게 예측하는 것은 쉬운 일이 아니다. 그러므로 실제 소비자부하를 만족하기 위해 시스템부하를 넘는 추가적 출력(발전기 여유출력과 응동부하의 사용가능성)이 가동 중(on-line), 또는 대기상태로 확보되어 있어야 한다.
시시각각으로 모선 별 소비자부하가 증가하거나 총출력이 감소하면, 이미 확보된 여유용량이 사고에 대비해 사용될 수 있도록 항상 준비상태에 있어야 한다. 소비자부하가 감소하거나 또는 어떤 발전기의 출력이 증가하면 운전 중인 다른 발전기가 출력을 감소할 수 있어야 한다. 이때 사용되는 개념이 ‘운용예비력(operating reserve)’인 것이다. 운용예비력을 확보할 필요성은 다양하며 여러 가지의 형태와 크기를 갖는다. 운용예비력이라는 것은 전력시스템의 유효전력(에너지의 소비가 따르는 전력) 또는 총출력이 시스템부하와 균형을 유지하기 위해 실시간에서 확보되어야 하는 예비력을 말한다. 대용량 발전기와 송전선은 고장을 일으킬 수 있고 또한 사고(contingency)는 불시에 발생하므로 응동이 빠른 발전기의 여유출력이나 차단가능부하는 신뢰도 유지의 용도로 많이 사용된다. 큰 규모의 소비자부하가 갑자기 탈락하는 것은 흔하지 않으므로, 전력시스템의 신뢰도유지에서 하향예비력 즉 수요가 감소하는데 대비하는 순동예비력을 필요로 하는 일은 거의 논의되지 않는다. 다만, 예상 외로 출력이 증가하거나 감소하는 가변발전(variable generation)의 비중이 큰 전력시스템에서는 상향예비력과 하향예비력의 중요성이 모두 증가한다. 시스템부하의 변동이 너무 크다든가 시스템부하에 비해 대단히 비중이 큰 발전기가 탈락하거나 가변발전의 출력변동이 시스템부하에 비해 너무 크다면 과도안정도(transient stability)의 문제가 발생한다. 이것은 주파수변동이 너무 급격해 운전 중인 발전기가 이에 맞추어 동기운전을 하지 못하는 상태에 해당한다.
전력시스템운용에 있어 가변성과 불확실성이 존재하므로 운용예비력이 필요하다. 첫째, 가변성(variability)이란 전력시스템에서 “예상할 수 있는 변동”을 말한다. 운용스케줄을 작성하는 시점에서 가변성 때문에 발생하는 상황에 대비하기 위하여 운용예비력이 필요하다. 가변성의 예를 들면 하루 내의 시스템부하의 변동패턴은 대략 알 수 있어 최대부하가 나타나는 시간대는 예측할 수 있지만 그 크기를 예측하기는 어렵다는 것이다. 1시간 이내의 가변성에 대해서는 다른 발전기를 즉시 건설하거나 예방보수 중인 발전기 또는 고장정지 중인 발전기를 기동해 대응할 수 없으므로 상정사고분석 및 안전도제약 최적조류계산(SCOPF)의 실행간격(주로 5분) 사이에서 발생할 수 있는 가변성에 대비할 수 있는 운용예비력을 유지할 수 있도록 하기 위해 1시간 단위의 운용스케줄을 작성해야 한다. 운용예비력은 총출력과 시스템부하의 균형을 유지하기 위해 5분 간격으로 조정될 수 있다. 5분 이내의 주기(4초~5초의 주기)로 발생할 수 있는 가변성에 대비해서도 AGC가 작동할 수 있도록 운용예비력이 확보되어야 한다. 둘째, 시스템운용의 불확실성(uncertainty)은 전력시스템에서 “예기치 못한 변동”을 말한다. 예를 들어 14:00과 16:00 사이에 나타날 것이라고 예상한 변동이 09:00와 10:00 사이에 나타나며 그 크기도 예측하기 어렵다면 이것은 불확실성이라고 불린다. 이때 예상된 것과는 다른 시스템 운용스케줄의 대안이 필요하므로 불확실성에 대비한 운용예비력이 필요하다.
운용예비력의 개관
그림 17은 어떤 하루 동안 전력시스템의 부하변동 패턴을 보여준다. 이 그림은 시스템부하와 총출력의 균형을 유지하기 위해 여러 시간축에서 다양한 시스템운용 전략이 있을 수 있다는 것을 설명하고 있다. 첫째, 기동정지스케줄은 하루 내지 일주일 정도의 시간축에 대해 부하변동 패턴을 따라가기 위해 시간대 별로 어떤 발전기를 기동하고 정지시킬 것인가를 결정하는 것이다. 기동정지스케줄의 작성은 실시간 시스템운용의 대상이 아니다. 둘째, 부하추종(load-following)은 하루 이내에 시스템부하의 변동패턴을 따라가기 위해 발전기출력을 조정하는 것이다. 부하추종을 위해서는 신속하게 기동할 수 있는 가스터빈발전기 또는 수력발전기를 사용하기도 한다. 셋째, 주파수조정은 시시각각으로 소비자부하의 변동에 대해 총출력과 시스템수요가 균형을 유지하도록 4~5 초 간격으로 발전기의 출력을 조정하는 것이다. 이것은 AGC가 지정하는 출력기준점으로 빨리 이동하는 능력을 가진 발전기에 제어신호를 보냄으로 실행된다. 주파수조정은 정상 운용상태에서 시스템부하와 총출력의 균형을 유지하는 조치이다. 시스템부하는 항상 일정할 수는 없으므로 앞의 세 가지 전략은 총출력과 시스템부하의 균형을 잡아주는 것을 도와준다. 물론 4~5초보다 짧은 시간 구간에서는 관성응동, 부하응동, 조속기응동이 연속적으로 작용한다. 시스템부하에 대한 예측은 어느 때라도 100% 정확할 수 없으므로 각종 운용예비력은 예측오차의 영향을 완화하는 것을 도와주기 위해 사용된다.
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| 그림-17. 전력시스템운용의 시간축 | ||
일간 시스템부하의 변동과 기동정지스케줄 작성
사건의 종류에 따른 대응은 다음과 같이 이루어진다. 첫째, 발전기 출력 상실사건이 발생하면 동기운전 중인 발전기의 추가적인 출력이 교란에 대응해 즉시 응동해야 한다. 이렇게 주파수가 강하하는 동안에, 발전기는 조속기응동을 통해 주파수하락을 저지하기 위해 자동적으로 대응할 것이며, 초기 부하응동(load response)은 정격주파수와는 다른 정착주파수(settling frequency)에서 시스템부하와 총출력의 균형이 이루어지도록 짧은 시간동안 작동할 것이다. 둘째, 어떤 출력 상실이 일어나면 순동예비력과, 기동되어 있지는 않지만 신속하게 기동시킬 수 있는 비순동예비력(non-spinning reserve)이 전력시스템에 부족한 에너지를 보충하고 주파수를 규정한 값으로 회복시키기 위해 배치될 것이다. 셋째, 어떤 사건이 발생한 다음에도 연속적으로 발생할지 모를 사건에 대비하기 위해 응동속도가 느린 보충적 운용예비력도 필요하다. 넷째, 흔하지는 않지만, 주파수가 너무 높아지는 사건에 대비하기 위해서도 총출력을 증가하기보다는 감소시킬 수 있는 능력을 갖추어야 한다.
운용예비력의 특성은 응동속도(출력증감률과 기동시간), 응동지속기간, 사용의 빈도, 사용방향(증가 또는 감소의 방향), 그리고 제어의 형태(자발적/자동적) 등으로 표현할 수 있다. 운용예비력은 총출력 또는 일상적 소비자부하의 가변성에 대해 응동하는 목적으로 사용된다. 이 가변성은 서로 다른 시간축(예를 들면 초마다 또는 하루마다)에서 발생하며, 가변성이 발생하는 속도에 따라 적합한 제어전략을 사용해야 한다. 발전기의 탈락과 같이 자주 일어나지 않는 사건에 대해 응동하기 위해서는 정상적 상태와는 다른 운용예비력이 필요하다.
종합해보면, 정상상태에서의 응동의 종류와 어떤 사건이 일어났을 때의 응동의 종류는 요구되는 응동속도에 따라 운용예비력은 더욱 세분될 수 있다. 어떤 사건은 순간적으로 발생하는 것도 있고 서서히 발생하는 것도 있다. 개별 사건에 대해 대응하기 위해서는 품질 또는 성격이 다른 운용예비력이 필요하다. 첫째, 순간적으로 발생하는 사건에 대해서는 주파수 일탈(excursions)을 정지시키기(arrest) 위해 자발적 응동이 필요하다. 둘째, 순간적으로 발생하는 사건 또는 그렇지 않은 사건이 발생한 후에는 일탈한 주파수는 원래의 계획주파수로 복귀되어야 하며 연계 전력시스템의 ACE(area control error)는 0으로 복구되어야 한다. 마지막으로 또다시 발생할지도 모를 제2의 사건으로부터 시스템을 보호하기 위해 운용예비력을 대체할 수 있는 예비력의 일부분이 3차예비력의 형태로 존재해야 한다.
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| 그림-18 미국 NREL의 운용예비력 분류 | ||
그림-18은 미국의 NREL(미국 신재생에너지연구소)이 운용예비력을 분류한 것이다. 가지(tree)의 형태는 운용예비력 종류가 하위계층과 상위계층 사이에 어떤 관계가 있는가를 설명한다. 가장 높은 계층부터, 유효전력의 균형을 유지하기 위해 사용되는 출력으로의 운용예비력을 정의한다. 이것은 다시 사건예비력(event reserve)과 비사건예비력(non-event reserve)으로 나뉜다. ‘사건’은 가혹하고 흔히 발생하지 않는 것을 포함하고 ‘비사건’은 너무나 자주 일어나므로 서로 다른 것과 구분되지 않고 연속적으로 발생하는 사건을 말한다. 예를 들면 비사건이란 하루 중 시간대별로 소비자 부하가 변동한다거나 시시각각으로 모선 별 소비자부하가 변동하는 것을 말한다. 비사건예비력은 응동속도가 빠른 AGC 조정예비력과 응동속도가 느린 부하추종예비력으로 나뉜다. 두 가지 운용예비력의 종류를 구분하는 ‘속도’라는 것은 전력시스템 별로 다르다. 비사건예비력에 속하는 것으로는 가장 짧은 경제급전 실행간격 또는 시장정산(market clearing) 간격 내에서 자동적으로 운용되는 AGC 조정예비력과 경제급전 실행간격 또는 시장정산 간격의 일부분으로 운용되는 부하추종예비력이 있다. 이렇게 분류하는 목적은 현재의 불균형을 조정하기 위해 사용되는 AGC 조정예비력과 예상되는 불균형을 조정하기 위한 부하추종 예비력을 차별화시키기 위한 것이다. 사건예비력은 ‘속도’의 기준으로 사고대비 예비력(contingency reserve)과 부하급변대비 예비력(ramping reserve)으로 구분된다. 2개 운용예비력을 구분하기 위한 속도는 이들이 순간적으로 발생하는 사건(또는 거의 순간적인 것, 예를 들면 몇 사이클 이내)에 대비해 사용되는 것인가 또는 순간적으로 발생하지 않는 사건인가의 기준이 된다. 2개의 사건예비력 아래에 하위계층의 분류가 나타나 있다.
순간적으로 발생하는 사건 또는 사고대비 예비력에 있어, 사건이 일어난 직후 주파수편차가 더 이상 커지지 않고 시스템부하와 총출력의 균형이 유지되는 것을 보장하기 위해 일차 예비력의 일정 부분은 사건에 대해 자동적으로 응동해야 한다. 기기에 손상을 입히거나 또는 강제 부하차단을 실시해야 하는 극한적 주파수 편차를 막기 위해 일차예비력은 사건이 발생한 후 즉각 응동해야 한다. 그런데 이와 같은 응동은 주파수를 정착주파수에서 안정시키므로, 이차예비력이 작용해 규정주파수로 복원해야 한다.
마지막으로, 삼차 예비력은 사건발생에 대비해 배치된 일차예비력과 이차예비력을 보충하는 데 도움을 주며 사건이 일어난 후 정해진 시간 내에 두 번째 사고가 일어날 것을 대비해 응동할 수 있도록 적정한 예비력이 확보되어야 한다. 이러한 예비력이 100% 응동할 수 있는 실제적인 시간은 전력시스템마다 다르지만, 일반적으로 일차응동은 수 초 내지 10초, 이차응동은 몇 분, 그리고 삼차응동은 수십 분 정도 필요하다.
부하급변대비 운용예비력에 있어, 몇 가지 다른 필요성이 있다. 이러한 사건이 일어나는 것은 아주 급속하지 않으므로, 자동 주파수응동의 필요성은 없다. 여기에서의 이차예비력은 주파수 또는 ACE(area control error)를 정정하기 위해 사용된다. 삼차 예비력은 같은 방향으로 일어날지도 모르는 또 다른 사건의 발생에 대비하기 위한 보호용 예비력이다. 사고대비 예비력의 종류로 분류된 다른 예비력보다 최대응동은 아주 다를 수 있다.
NERC(미국 신뢰도협의기관)도 ‘운용예비력’이라는 용어의 혼돈에 대해 지적하고 있다.?첫 번째의 혼돈은 규제기관 및 설비 운용기관 등 전력시스템과 관련된 이해관계자들이 각종 예비력의 정의에 대해 혼동하고 있고 서로 다른 용어를 사용하고 있어 문제가 되고 있다고 보고한다. 두 번째의 혼돈은 이엠에스 자체의 문제라는 지적이다. 전력시스템운용기관마다 운용예비력에 관한 정의가 다르며, 첫째, 10분 이내에 기동이 불가능함에도 불구하고 기동 중인 발전기의 여유출력(headroom)을 순동예비력에 포함시켜 계산하는 경우의 문제, 둘째, 부하관리와 관련된 정보가 없다는 문제, 셋째, 가스터빈 출력의 외부 기온에 대한 민감성에 대해 정정작업을 수행하지 않는다는 문제, 네째, 기타의 제한 및 제약사항에 대한 부적절한 정보를 보유하고 있다는 문제, 다섯째, 이엠에스가 제어하는 범위 밖에 있는 예비력을 포함시킨다는 문제 등이 있다고 지적한다.
전력경제 epetimes@epetimes.com
