Transmission Network Expansion Planning Using Risk Level Improvement Index

위험도 개선 지수를 이용한 송전계통 계획 수립에 관한 연구

Abstract

This paper attempts to evaluate the impact of power plant penetration on constraints of a transmission network and proposes a methodology based on risk level, which can evaluate the condition of the network and facilities intuitionally. Furthermore, based on this methodology, RLII(Risk Level Improvement Index) is proposed in order to establish comprehensive TNEP(Transmission Network Expansion Planning) from a viewpoint of ISO(Independent System Operator). In order to verify the proposed methods in this paper, real power systems in Incheon and Shiheung areas, south Korea are applied to the case study.

1. 서 론

화석연료의 고갈, 지속적인 전력소비량의 증가, 탄소배출 저감을 위한 범국가적 정책 및 신재생에너지 관련 기술 향상 등으로 인해 기존의 전력계통은 점진적인 변화를 겪고 있다. 또한, 이러한 계통망의 변화는 기존 계통의 안정도나 신뢰도, 설비의 위험도 등에 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 전력계통 계획을 수립할 때는 발전원을 포함한 신규 전력설비의 계통 연계 및 부하변동 등 계통망의 변화를 충분히 검토할 필요성이 있다. 또한, 이러한 검토를 통해 발전 사업자나 계통망 운영자는 안정적이고, 경제적인 계통계획안을 수립해야 한다[1-4].

전력계통은 일반적으로 발전원, 변압기, 선로, 조상설비, 보호설비 및 관리, 제어, 통신 등을 위한 설비가 유기적으로 통합된 복잡한 시스템으로서, 송배전 전력의 품질을 보장하기 위해 전력계통 계획을 수립할 때는 부하수준에 적합한 전력 공급, 정상상태 및 상정사고 시 계통의 운전 성능, 전력계통 보호를 위한 설계와 협조가 고려되어야 한다. 특히, 송전계통 계획은 전력계통 계획의 중요한 부분 중 하나로서, 경제적이면서도 안전한 전력전송을 위해 대상기간 동안의 부하변동 및 발전계획에 따라 최적의 계통계획 수립을 그 목적으로 한다[5]. 이에 따라, 일반적으로 송전계통계획은 정 적 계통계획과 동적 계통계획으로 구분할 수 있으며, 문제해결을 위한 적용 기법에 따라 선형 계획법(LP: Linear Programming), 동적 계획법(DP: Dynamic Programming), 혼합 정수 계획법(MIP: Mixed Integer Programming) 및 휴리스틱 기법 등으로 나누어진다[6-11]. 기존의 송전계통 계획 기법은 신규 설비의 계통 연계에 따른 기존 전력 설비의 위험도를 임계지점에 대해서 평가하여 반영함으로써, 설비의 현 상태에 따른 위험도 자체의 변화가 미치는 영향에 대해서 정확히 평가할 수 없다는 단점이 있다[12]. 또한, 발전 사업자는 최소의 비용으로 최대의 이익을 얻고자 한다. 이에 반해, 계통망 운영자는 신규 발전설비 도입에 따라 전력계통에 야기되는 영향을 최소화하고자 한다. 이러한 상반된 상관관계를 바탕으로 신규 발전설비의 계통 유입에 따른 영향을 평가하고, 합리적인 전력계통 확충 계획을 수립하여 전력 망 운영자 입장에서 최적의 계통계획 방안을 모색할 필요가 있다. 이에 본 논문에서는 신규 발전설비의 계통 연계 시, 기존 보호계전 설비에 대한 보강 계획, 조상설비에 대한 보강 계획 및 송전선로에 대한 보강 계획 수립 필요성을 판단 할 수 있는 기준이 되는 위험도 평가 기법을 제안한다. 또 한, 적용 가능한 계통계획안을 시행했을 경우, 계통 및 설비의 위험도의 변화를 재평가함으로써, 최적의 송전계통 계획안을 선정하는 기법을 제안한다.

 

2. 위험도 평가 기법

상정사고 시 선로에 흐르는 고장전류를 선로별 고장전류 허용치에 대하여 지수함수로 나타낸 지수 와 정상상태 또는 상정사고 시 모선의 전압을 모선의 기준 전압에 따라 수립된 전압 유지 범위에 대하여 지수함수로 나타낸 지수는 각각 다음과 같다[12].

여기서,

i, j : 모선 번호

n : 상정사고 개수 (n=0: 정상상태; n=자연수: 상정사고)

f : 계통 고장원인

: 계통 상태 n일 때 f번째 고장원인에 의한 선로 ij의 전류

: 보호설비가 동작할 수 있는 최대 허용 전류

Vin,Range(f) : 각 모선별 전압유지범위에 따른 상/하한 전압 변동 허용 범위

: 모선 i에 실제로 인가되는 전압과 기준 전압값과의 차

계통 내에 상정한 모든 고장을 고려했을 때, 식 (1)과 (2)에 의해 평가된 모든 값 중에서 가장 큰 값을 다음과 같이 나타낸다.

고장전류 위험도()는 상정된 모든 고장에 대해서 평가되며, 평가된 고장전류 위험도는 해당 상정사고 발생했을 시 고장전류로부터 계통을 보호하기 위한 차단기 등의 보호설비 보강 계획 수립 여부를 판단할 수 있는 기준으로 본 논문에서 활용된다. 또한, 전압 위험도()는 정상상태 또는 상정된 모든 고장에 대해서 평가되는데, 평가된 전압 위험도는 모선 전압이 그 모선의 기준 전압으로부터 벗어난 정도를 나타낸다. 전압 유지 범위를 벗어나는 즉, 위험도가 1을 넘는 경우, 해당 모선의 전압이 전압 유지 범위 내에 들어갈 수 있도록 무효전력을 공급 및 소비해주는 조상설비 등의 설비 보강 계획 수립의 필요성을 판단하는 기준으로 활용된다.

본 논문에서는 위에서 언급한 위험도 지수에 추가적으로, 정상상태 또는 상정고장 발생 시 선로 ij에 흐르는 조류량을 선로의 정격 용량에 대하여 지수 함수로 나타낸 지수()를 제안한다.

여기서,

: 계통 상태 n일 때 f번째 고장원인에 의한 선로 ij의 조류량

: 선로의 최대 허용 조류량

이 때, 모든 고장에 대해서 조류 위험도가 가장 큰 값을 다음과 같이 정의하며,

선로 ij의 조류량이 정격 용량을 초과하는 즉, 조류 위험도가 1을 초과하는 경우, 두 모선 사이에 선로 보강, 선로 신설 등의 선로 보강 계획 수립의 필요성을 판단하는 기준으로 본 논문에서 활용된다.

앞에서 살펴본 식 (1), (2)와 (5)의 위험도 지수 정의를 통해서 알 수 있듯이, 평가된 각 위험도 값이 기준치 1.0을 넘어서거나 이에 근접할수록 해당 설비를 위험한 상태에 있는 설비로 정의할 수 있다.

 

3. 위험도 분석을 통한 계통계획기법

신규 발전설비가 계통에 연계될 경우, 기존 계통에 접속하기 위한 비용 부담방식은 신규 설비의 접속비용 부담 범위에 따라 deep, shallow, super-shallow 방식으로 크게 분류된다. 국내의 경우, 발전사업자가 신규 발전설비 계통 연계에 따른 연계선로 비용만 부담하고 그에 따라 추가적으로 필요한 기존 계통 보강과 관련된 비용은 계통운영자가 부담하는 shallow 방식을 채택하고 있다. 따라서, 계통망 운영자는 신규 발전설비가 기존 계통에 미치는 영향을 보다 면밀히 분석하고, 그 결과를 토대로 경제적이면서도 계통 및 설비 위험도 저감에 탁월한 송전계통 계획안을 수립할 필요성이 있다[13,14].

위에서 언급한 위험도 지수들은 정상상태 또는 상정사고 시 각 요소별/설비별 위험도를 나타나며, 제안한 지수들이 1.0이하의 안정적인 상태에 있기 위해서는 필요에 따라 송전계통 계획이 필요하다. 또한, 제안한 위험도 평가 기법은 송전계통 계획 수립 시 가능한 계통계획안들 중 가장 효과적인 대안을 선정하는데 활용할 수 있다. 본 논문에서 효과적인 대안이란 투자비용 대비 각 위험도 지수의 개선 정도가 높은 계통계획안을 의미한다. 따라서, 본 논문에서 제안한 위험도 분석을 통한 최적의 송전계통 계획안은 다음과 같은 위험도 개선 지수(RLII: Risk Level Improvement Index)을 통해 평가할 수 있다.

여기서,

s : 가능한 계통계획안

C(s) : 계통계획안 s적용 시 투자비용

Δℜ(s) : 계통계획안 s적용에 따른 총 위험도 감소량

ΔℜI (s) : 계통계획안 s적용에 따른 전류 위험도 감소량

ΔℜV (s) : 계통계획안 s적용에 따른 전압 위험도 감소량

ΔℜMVA (s) : 계통계획안 s적용에 따른 조류 위험도 감소량

각 계통계획안별 투자비용(C(s))에 따른 위험도의 개선되는 정도(RLII(s))를 통해, 계통운영자는 송전계통 계획을 위한 최선의 대안을 선정할 수 있다. 본 논문에서 제안한 위험도 분석을 통한 송전계통 계획안을 선정하는 절차는 다음과 같다.

그림 1송전계통 계획 수립 과정 Fig. 1 Flow chart for TNEP(Transmission Network Expansion Planning)

① 제안한 위험도 평가 기법을 통해 평가된 설비 중 위험도 지수가 높은 설비를 대상으로 가능한 송전계통 계획안들을 선정한다.② 선정된 계통계획안을 반영하여 정상상태 및 상정사고 시 계통의 위험도를 재평가한다.③ 선정된 각 계통계획안별로 제안한 RLII를 분석하여 최선의 대안을 선정한다.

계통계획 수립 시 최적의 계통계획안을 선정하기 위해서 계통의 안정도 및 신뢰도 변화와 같은 기술적 특성 분석 및 경제성 평가를 수행하는 것이 일반적이다. 본 논문에서 제안한 투자비용 대비 위험도 개선 지수(RLII)은 계통 운영자가 송전계통 계획안을 수립할 때 보다 명확하게 판단할 수 있는 기준을 제시한다.

 

4. 사 례 연 구

본 논문에서는 제안한 이론에 대한 보다 실증적인 검토를 위하여, 인천 및 시흥 일부 지역의 실계통 데이터를 적용하여 사례연구를 시행하였다. 이 때, 154 kV 이상의 송전선로를 대상으로 사례연구에 반영하였다.

그림 2에서 점선으로 표시된 안쪽 영역으로 사례계통을 축약하였으며, 축약된 계통과 연계된 외부 계통의 영향을 동시에 반영하기 위하여 송현 및 신현 북쪽 지역, 신인천의 북동쪽 및 신시흥의 남동쪽에 각각 가상 발전기를 연계하였다.

신재생에너지가 계통에 연계되기 이전의 계통 상태(Base Case)와 태양광 발전을 화성호 인근에 설치하여 154 kV 신안산 모선과 연계되었을 때를 비교하였다. 이 때, 230 MW 규모의 신규 태양광 발전과 계통과의 연계를 위해 ACSR410 1회선을 연계 선로로 채택하였으며, 연계 거리는 25 km이다.

그림 2사례연구 계통 Fig. 2 The case system

상정사고는 사례계통의 모든 선로에 대해서 모의하였으며, 상정사고 리스트는 표 1과 같다.

먼저, 본 논문에서 제안한 위험도 평가 기법을 적용하여 신규 발전설비의 계통 연계에 따른 정상상태 및 상정사고 상태(N-1)에서 계통 및 설비의 위험도를 분석한다. 그리고, 평가된 위험도 결과를 바탕으로 고위험도 구간의 계통 및 설비 상태 개선을 위해서 적용 가능한 계통계획안들을 시행했을 경우, 계통 및 설비의 위험도 변화를 재평가한다. 이 때, 계통 평가 시점에서의 총 부하량은 5889.14[MW], 2030.91[MVar]이며, 신규 발전설비 연계 이전의 총 발전량은 5961.95[MW]이다. 계통 및 설비의 위험도는 PSS/E를 이용하여 평가하였다.

신규 태양광 발전의 사례계통 연계 전/후에 대해서 계통 및 설비의 전류, 전압, 조류 위험도를 분석한 결과, 전류 위험도와 전압 위험도는 1.0 미만의 안정된 상태에 있는 것을 확인할 수 있었다. 그러나 조류 위험도의 경우 1.0을 초과하는 구간을 발견되었으며 이를 표 2에 나타내었다.

Base Case와 비교하여, 신규 태양광 발전이 계통에 연계됨으로써 불안정했던 위험도 값이 크게 개선되어 안정한 범위로 진입한 설비로는 ‘한종CC4-신현’, ‘주안-관교’와 ‘송월- 남인천’이 있다. ‘북시화-신시흥#2’의 경우, 신규 발전설비의 계통 연계로 인해 Base Case와 비교하여 위험도는 다소 개선되었으나 여전히 불안정한 범위 내에 존재함을 확인할 수 있다. 이는 기존 영흥화력 및 외부계통을 통해서 전력이 공급되던 계통 구성 형태가 추가 발전기의 계통 연계로 인해 분산 공급되므로, 선로 이용률이 감소한 것에 기인한 결과이다. 반면, ‘인천-남인천’과 ‘학익-남인천’은 신규 발전기 연계로 인해 조류의 이동경로가 변화함으로 오히려 조류 위험도가 높아짐을 확인할 수 있다. 따라서, 신규 태양광 발전의 계통 연계에 따라 추가적인 송전선로 보강 계획이 필요하다. 본 논문에서는 송전계통 계획 전문가의 의견을 종합하여, 다음과 같은 계통계획안을 상정하였다.

표 1상정사고 Table 1 Contingency list

표 2위험도가 높은 구간 Table 2 Area in high risk level

표 3가능한 계통계획안 Table 3 Sceranios for transmission network reinforcement

계통계획안 #1은 해당 선로 구간에 기존 선로와 동일한 1회선을 추가하는 방안을 나타내며, 계통계획안 #2는 ‘인천-학익’ 간 선로를 신설하고 ‘북시화-신시흥#2’ 사이에는 기존선로와 동일한 1회선을 추가하는 방안을 나타낸다. 이에 따라 상정한 각 계통계획안을 사례계통에 적용한 후, 정상상태 및 상정사고 시 계통의 위험도를 재평가하며, 이를 그림 3에 나타내었다.

그림 3각 시나리오 적용에 따른 고위험 구간의 위험도 Fig. 3 Risk level of high risk level area according to each scenario

신규 태양광 발전설비의 계통 연계로 인해 높은 위험도를 보인 구간에 대해 적용 가능한 계통계획안들을 시행했을 경우, 재평가된 위험도를 통해 각 계통계획안별 RLII를 분석하면 다음 표와 같다.

표 4계통계획안별 RLII 분석 결과 Table 4 Analysis of RLII by scenarios

계통계획안 #1을 적용했을 경우, 총 건설비용은 42.31억원이 소모되며, 이 때 위험도는 4.8022만큼 개선된다. 따라서 계통계획안 #1의 RLII는 0.1135이다. 또한, 계통계획안 #2를 적용했을 경우, 총 건설비용은 26.01억원이 소모되며, 이 때 위험도는 4.8996만큼 개선된다. 따라서 계통계획안 #2의 RLII는 0.1884가 된다. 따라서, 신규 태양광 발전의 계통 연계 후 위험도가 높은 3구간의 위험도를 저감시키기 위해서는 ‘인천-학익’ 간 선로를 신설하고 ‘북시화-신시흥#2’ 사이에는 기존 선로와 동일한 1회선을 추가하는 방안이 최적임을 확인할 수 있다.

 

6. 결 론

본 논문은 신규 발전설비의 계통 연계와 같은 계통 구조 변화에 따라 계통 및 설비의 위험도를 분석하여, 최적의 계통계획안을 선정하기 위한 기법 제안을 그 목적으로 한다. 먼저, 계통 및 설비의 위험도를 분석하기 위해 기존의 전류, 전압 위험도 평가 기법[12]에 추가적으로 조류 위험도 분석 기법을 제안하였다. 또한, 계통 및 설비 위험도를 개선하기위해 경제적인 계통계획안 수립을 위한 위험도 개선 지수 (RLII)를 제안하였다.

사례연구에서는 인천 및 시흥 일부 지역의 실계통을 대상으로 본 논문에서 제안한 위험도 평가 기법과 위험도 분석을 통한 계통계획기법을 적용하여 제안한 기법의 타당성을 검증하였다.

본 논문에서 제안한 기법은 계통망 운영자 입장에서 계통 및 설비의 위험도를 평가하고, 위험도의 변화에 적합한 계통 계획안 수립을 위한 이론적 근거로 활용가능할 것으로 사료되며, 향후 신규 발전설비의 계통 접속에 따른 비용부담 방식이 기존의 shallow 방식에서 super-shallow 방식으로 점진적으로 전환될 경우 그 필요성이 더 커질 것으로 전망된다.