발전설비확장계획(Generation System Expansion Planning)
발전설비확장계획이란 주어진 최소의 비용으로 미래의 연도 별 전력수요를 적절하게 만족시키기 위한 각종 유형의 발전기의 건설계획을 결정하는 것이다. 발전기의 건설에는 대규모의 투자비가 소요되고 건설기간도 장기간이며 또한 일단 건설되면 보통 30~50 년 이상이라는 긴 기간에 걸쳐 운전된다. 또한 앞에 건설된 발전기는 뒤에 수립하는 발전설비확장계획의 의사결정에 영향을 미친다. 발전기는 건설비, 변동비, 건설기간, 설비용량, 운전특성, 수명기간 등이 다양하기 때문에 이들을 어떻게 선택하여 건설할 것인가를 결정하기 위하여 주로 전산모형을 사용한다. 경쟁시장의 경우에는 개별 발전사업자가 미래의 전력시장 상황을 예측하여 발전기의 건설비의 회수를 검토하고 의사결정을 한다. 지금부터는 수직통합 전력회사의 경우에 있어서 전력회사가 발전설비확장계획을 수립하고 정부 또는 규제기관의 허가를 받아 발전기를 건설하는 경우에 대하여 설명한다. 이 경우, 건설비와 운전비는 전기요금수입으로써 적정한 수익률에 의하여 회수된다.

위에서 ‘전력수요를 적절하게 만족시킨다.’라고 표현한 것은 연간 최대수요보다 더 많은 발전설비를 확보한다는 의미이고, 공급신뢰도를 유지하면서 전력수요를 만족시킨다는 것을 뜻한다. 공급신뢰도는 발전계통의 신뢰도(reliability)를 뜻하며 주로 여기에는 LOLP(loss of load probability)라는 용어를 사용하여 신뢰도에 대한 지표로 삼는다. 가령, 설비예비력의 확보 또는 공급신뢰도의 제약조건 없이 최소비용의 발전설비확장계획을 수립한다면 수요의 증가에 대비하여 발전기를 건설하지 않고 전력을 공급받지 못하는 소비자가 증가한다. 그러나 공급신뢰도 기준을 만족하여야 한다는 제약조건이 있으므로 연도 별로 발전기가 건설되고 설비예비력이 확보되며 수요를 적절하게 만족시킬 수 있다. 따라서 신뢰도 기준을 어떻게 결정하는가에 관한 결정은 발전설비확장계획에서 매우 중요한 의미를 갖는다.

발전설비확장계획의 수립에 있어서 출발점은 미래의 전력수요 성장에 대한 예측이다. 전력수요 성장의 정도가 미래에 투입되는 발전기의 유형 및 용량을 결정하는 중요한 요소로서 작용한다. <그림 1>은 전력수요의 증가와 발전설비확장계획에 따른 발전설비용량 증가의 관계를 나타낸 것이다.

▲ <그림1> 전력수요성장과 발전설비확장계획

발전설비확장계획은 미래의 매 년도에 있어서 폐지를 고려한 기존설비용량과 설비용량 사이의 공간을 어떻게 채울 것인가에 대하여 의사결정을 하는 것이다. 발전설비확장계획의 후보가 되는 발전기로는 원자력, 유연탄화력, LNG복합화력, 가스터빈, 수력, 양수발전기 등 여러 종류가 있다. 이러한 발전기는 건설비, 건설기간, 변동비, 운전특성 등이 서로 다르다. 원자력 발전기는 건설비가 높은 대신 변동비가 낮고, 부하의 변동에 따른 출력조정이 어렵다. 반면에, 가스터빈 발전기나 복합화력 발전기의 경우는 건설비가 낮은 대신 변동비가 높으며 수요의 변동에 따른 발전출력의 조정이 용이하다. 이러한 발전기는 계통운용자가 필요하다고 판단할 때에 기동하거나 출력을 조정하고, 운전 중인 다른 발전기가 고장정지(forced outage)를 일으켰을 때 가동할 수 있는 발전기이며 급전가능 발전기라고 한다.

신재생에너지를 이용한 대부분의 발전기는 가동 및 출력의 변화가 자연조건에 의존하므로 계통운용자가 필요할 때 임의로 가동시킬 수 없다. 또한 운전 중인 급전가능 발전기가 고장정지를 일으켰을 때 계통운용자가 임의로 신재생에너지를 이용한 발전기를 가동하기 어렵다. 이러한 발전기를 급전불가능전원이라고 하며 발전설비확장계획에서 후보발전기로서 취급하기 어렵다. 신재생에너지를 이용한 발전기를 다른 후보발전기와 동등하게 고려하여 발전설비확장계획을 수립하게 되면, 계통운용자가 원하는 시간에 이러한 발전기를 가동할 수 없게 된다. 따라서 전력수요를 만족시키지 못하는 경우가 발생하며 이것은 발전계통의 신뢰도를 떨어뜨리는 요소가 된다. 신재생에너지를 이용하는 발전기를 후보발전기로서 고려할 때에는 이들이 발전하는 것을 수요의 변화로 보아서 미래의 부하지속곡선을 수정하고 급전가능 발전기, 예를 들면 화력발전기, 원자력 발전기, 양수발전기 등을 대상으로 하여 발전설비확장계획을 수립하는 것이 일반적이다.

한편, 전력수요는 항상 일정하게 나타나는 것이 아니어서 계절, 요일 및 날씨 등에 따라 큰 차이를 보인다. 또한, 하루 중에도 최대 및 최소부하 사이의 폭이 크고, 하루 중의 시간에 따라서도 불규칙적 변동을 보이며 주별, 월별로도 차이가 크다. 또한, 전력이란 수요의 발생과 동시에 공급이 이루어져야 하는데, 수요와 공급의 차이를 보완해 줄 수 있는 상업적 전력저장 방법이 많지 않다는 특성이 있다. 현재의 기술로서는 양수발전과 같은 에너지저장 발전기가 하나의 대안이다.

이러한 각종 유형의 발전기 및 전력수요의 특성을 고려해 볼 때, 부하변동에 적절히 대응하면서 최소의 비용으로 수요를 만족시킬 수 있는 발전기 구성(plant mix)이 매우 중요하게 된다. 즉, 유연탄 및 원자력 발전기는 발전출력의 변화가 거의 없이 높은 출력을 유지하도록 하여 기저부하를 담당하는 발전기로 운용하고, 가스터빈 및 양수발전기는 첨두부하 및 시시각각 변동하는 부하를 담당하도록 하는 것이 경제적이다. 따라서 발전기 구성은 소비자의 전력사용 형태의 변화에 따라 달라진다.

최소비용의 발전설비확장계획 수립은 수많은 계획안의 년도 별 발전기의 건설비와 운전비의 현가의 합을 의사결정 기준으로 사용한다. 그 이유는 계획안마다 매 년도에 새로 투입되는 후보발전기의 건설비 및 발전계통의 운전비가 다르기 때문이며 연도 별로 다르게 발생하는 현금흐름의 비교를 위해서는 할인율을 이용하여 현가(present value)로 환산하고 이를 비교하여야 하기 때문이다. 또 다른 이유는, 전력회사의 요금수입은 발전설비확장계획의 변화에 관계없이 일정하다고 할 경우, 수요를 만족시키는 공급비용(건설비와 운전비)을 최소화하는 발전설비확장계획을 찾으면 충분하기 때문이다. 할인율의 선택은 국가 기관이 수행하는 사업, 민간이 수행하는 사업 등에 따라 기준이 다르다.

수급계획의 방법
발전설비확장계획은 계획대상기간 전체로 본 평가를 한다. 어느 한 년도의 발전기 구성만을 보아서는 미래의 대상 년도를 동시에 고려하는 발전설비확장계획에서 현가를 최소로 하는지를 알 수 없다. 후보발전기의 년도 별 건설비와 운전비의 현가를 최소화하는 발전설비확장계획안을 찾았다고 하여도 발전기의 건설기간에 따라 투자를 확정하는 시기가 다르므로 계획대상기간 내의 모든 후보발전기의 건설이 계획 수립 시에 결정되는 것은 아니다.

▲ <그림2> 발전설비확장계획과 발전기 건설의 의사결정대상

예를 들어 <그림 2>을 보면 원자력 발전기의 경우, 건설공기가 8년이라면 지금부터 9년 후의 년도에 대하여 지금 건설에 대한 의사결정을 하여야 하고, 8년 이전에 대한 상황은 이미 지나간 의사결정에 속하며 과거에 수립한 발전설비확장계획에 의하여 건설이 진행되고 있다. 10년 이후에 건설될 발전기는 이번 계획에서 건설이 확정될 필요가 없으며 다음 해의 수급계획을 수립할 때에 확정하면 된다. 따라서 발전설비확장계획은 매년 수정되며 계획년도는 한 해씩 뒤로 밀리게 된다.

발전설비확장계획 수립의 어려움은 미래의 수요성장이 불확실하다는 점, 발전기 건설공기가 발전기 형식 별로 다르다는 점, 그리고 발전기의 수명기간이 길다는 것 등이다. 발전설비확장계획은 이전의 계획수립에서 예측된 수요와 실제로 나타나는 수요와의 차이, 상황의 변화 등에 따라 매년 조정된다. 유연탄 전소 발전기의 경우 5~6년, 원자력 발전기의 경우, 8~10년 정도의 긴 기간이 소요되기 때문에 한번 건설이 시작되면, 수요성장이 예측 당시와 달라질 경우에 일단 착공된 발전기는 취소 또는 변경하기 어렵게 된다. 따라서 이 사이에 예측하지 못한 수요성장의 변동이나 연료가격 등 여건이 변동하였을 때, 발전설비확장계획의 수정은 제약을 받게 되어 미래에 시현되는 발전기 구성은 계획 시점에서 예상하였던 적정 발전기 구성에서 벗어나게 된다. 따라서 건설기간이 긴 발전기는 수요성장이 불확실한 경우에 건설을 결정할 경우, 후회비용이 커질 가능성이 많고, 수요성장의 불확실성을 너무 염려하여 건설기간이 짧은 가스터빈 발전기를 많이 건설하여도 미래의 운전비가 대단히 커지고 후회비용도 커지게 된다. 발전설비확장계획 수립의 결과를 예로 나타내면 <그림 3>와 같이 년도 별로 예비력과 발전기 구성이 결정되는 것이다. 연도 별 발전기 구성은 수급계획수립의 입력조건이 아니며 발전기 별 기술 관련 자료, 연료비, 건설비, 부하지속곡선의 특성 등에 따른 최소비용의 발전설비확장계획의 결과이다. 

▲ <그림3> 연도 별 발전기 구성

 

발전설비확장계획과 설비예비력
설비예비력이란 미래의 어느 년도 중에 나타날 최대수요에 대하여 이를 초과하여 보유하는 발전설비용량을 말한다. 설비예비력을 갖는 이유는 공급지장 상황의 발생에 대처하기 위함이다. 즉, 미래의 어떤 년도에 최대부하가 발생할 때에 가동할 수 있는 발전기의 용량은 수요성장의 불확실성, 온도변화에 따른 부하의 증감, 수력발전기의 출력의 변동, 발전기의 확률적 고장정지, 발전기 건설공기의 지연 가능성, 발전기의 예방정비계획 상의 일정 변화, 기타 예측하지 못한 이유 등으로 인하여 총 발전설비용량보다는 작게 된다. 따라서 가동할 수 있는 발전 용량의 합계가 전력수요에 미치지 못하여 발생되는 전력공급지장을 기준 이내로 유지하기 위하여서는 예측된 최대수요 이상의 발전설비용량 즉 설비예비력을 확보하는 것이 필요하다.
전력계통의 운용에는 설비예비력이 많을수록 발전기 정비계획 수립, 발전기 불시 고장이나 계통주파수 조정 등 여러 가지 상황에 대한 대처에 있어서 유리하다. 설비예비력이 많아지면 건설비가 과다하게 되고, 이것은 전력회사의 재무구조를 악화시키거나 전기요금을 상승시키는 원인으로 작용한다. 반면에 설비예비력이 부족할 경우에는 전력회사의 공급비용은 감소하나 전력공급 부족 사태가 빈발하여 경제활동에 지장을 주고 정전에 따른 피해비용을 발생시킨다. 다시 말하면 공급지장비용이 증가하게 되는 것이다. 따라서 이러한 공급비용과 공급지장비용을 고려할 때 적정한 수준의 설비예비력을 확보할 필요가 있다. 한편 발전계통에 필요한 설비예비력의 적정 수준은 모든 계통에 대해 일률적으로 결정되는 것이 아니고 최대수요의 크기, 발전기의 대수 및 고장정지율, 발전기의 예방정비 소요기간, 부하의 형태 등에 따라 변화한다. <그림 4>는 설비예비력과 최대수요의 관계를 보여준다. 설비예비율은 년간 최대수요에 대한 설비예비력의 크기를 나타내는 백분율이며 이를 나타내는 식은 다음과 같다.

설비예비력(MW) = 총설비용량(MW) - 연간최대수요(MW)
설비예비율(%) = 설비예비력(MW)/연간최대수요(MW)x100

▲ <그림4> 설비예비력