김영창 아주대 교수 김영창 교수는.... 서울대학교 전기공학과를 졸업하고 한국전력에 입사해 주로 장기투자계획의 근간을 이루는 전력수급계획 수립에 대한 일을 수행했다. 우리나라의 전력수급기본계획을 수립할 때 사용하는 WASP 모형이 도입된 이래 이의 활용에 관한 일을 했다. 국제원자력기구(IAEA)의 컨설턴트로서 IAEA 회원국의 WASP 사용자 훈련 및 모형 개선에 참여하고 있으며 현재 신재생에너지 발전을 포함하는 시뮬레이션/최적화 모형인 WASP-V의 개발 프로젝트를 맡아 수행하고 있다. 1999년 즈음에 시작된 전력산업구조개편과 관련해 한국전력의 실무를 맡아 추진했으며, 구조개편이 진행되면서 한국전력거래소로 소속을 바꾸어 전력산업구조개편에 필요한 시장운영시스템 개발을 담당하다가 전력산업구조 개편이 중단된 상황에서 2004년에 퇴직했다. 한국과학기술원 경영과학과에서 박사학위를 받았으며, 전력산업에 최적화 이론을 적용하는 분야에서 꾸준히 연구활동을 하고 있다. ◇저서 ▲블랙아웃과 전력시스템운용, 김영창, 유재국, 2015년 8월, 출판사 북코리아,  978-89-6324-433-4 (93560) ▲전력산업의 이해, 김영창 지음, 2012년 9월, ISBN: 9788986510164 93560, 사단법인 대한전기학회 출판 ▲발전설비투자이론, 김영창 편저, IECC 에너지시리즈-3, 2006년, 7월, 에경 M&B

1. 서론

이 글은 발전설비확장계획 수립과정에서 설비예비율과 그 결정방법을 알기 쉽게 설명하고자 작성하였다. 먼저 다음과 같은 의문을 제기하고 설비예비율과 설비예비력에 대하여 설명하기로 한다.

2017년의 최대 전력수요는 8,459만 kW이며 설비예비력은 2,800만 kW를 넘었다(2017.7.21일 기준). 예비율은 20%이면 좋다고 하는데  이렇게 20%를 넘는 예비율이 존재하는 이유는 무엇인가? 예비율은 어떻게 나타내는가? 왜 20%가 좋은가? 30% 또는 50%는 더욱 좋지 않은가? 19%는 왜 안 되는가?

매년 하계 피크수요 발생 기간에 두 자리 수의 예비율이 있어야 수급불안이 없다는 신문기사를 접하게 되는데, 과거 발전기 건설계획을 수립하는 단계에서 2 자리 수 예비율을 확보토록 발전기 건설계획을 수립하였는가? 실제로는 두 자리 수 예비율을 확보할 수 있도록 계획하지 않았음에도 불구하고 매년 하계수급계획에서는 왜 두 자리 수 예비율이 있어야 안심한다고 주장하는가?

현재처럼 20%의 예비율에 따라 수급계획을 수립하면 미래의 어떤 년도의 최대부하 발생 시에 2 자리 예비율이 확보되는가? 실시간 시스템운용 단계에서 두 자리 예비율에 해당하는 순동예비력을 확보하고 있어야 시스템운용자가 안심하는가? 9%만 확보한다면 왜 안 되는가?

길거리 전광판에 나타난 예비력과 발전기건설계획 수립단계에서 말하는 예비력은 어떤 차이가 있는가? 길거리 전광판에 “1,000만 kW 안심”이라는 표현이 있는데 이 수치를 보면 국민이 안심하는가? 또는 누가 안심하는가? 안심의 대가를 누가 지불하는가?

3,000만 kW의 설비예비력이 있는 경우, 3,000만 kW에 속하는 설비는 일 년 중 몇 시간 밖에 사용되지 못 한다. 왜냐하면 예비력이란 것은 일 년 8,760 시간 가운데 나타나는 제일 큰 수요를 대상으로 계산하기 때문이다.

년간 최대부하발생 시기를 제외하면 발전을 하지 않는 설비는 항상 3,000만 kW보다 크게 된다. 즉 유휴설비가 그만큼 많아지는 것이다. 3,000만 kW의 설비투자비는 kW 당 150만 원의 건설비를 가정해 계산하면 약 45조 원이다. 이 비용도 전기요금으로 회수되어야 한다. 그러므로 예비력은 적정수준으로 갖는 것은 중요한 의사결정 문제이다.

발전설비를 건설하여 운영하는 회사의 발전기가 발전량이 별로 없을 때 투자비를 무슨 방법으로 회수하는가?전력수급계획을 수립할 때 설비구성비와 예비율을 자주 거론하는데 이들을 미리 결정한 후에 발전기 건설계획을 수립하는 것인가? 1977년부터 전력수급계획에 사용된  WASP 모형은 이제는 사용하기에 적합하지 않은 것인가? 지금부터 설비예비율과 설비예비력의 결정에 관하여 논하면서 위의 의문에 대하여 짚어보기로 하며 독자들도 한번 생각해 보기 바란다.

설비예비율이 무엇인가를 이해하려면 먼저 설비예비력을 알아야 한다. 설비예비력은 전기소비자가 전력을 사용하는데 있어서의 불편함을 최소화하려는 의도, 즉 전력공급의 신뢰도를 유지하기 위해서 필요하다. 신뢰도를 간단히 표현하면 소비자가 전기를 사용하려고 할 때 사용할 수 있어야 하고 사용 중에 전기공급이 중단되는 사태가 많아지면 안 된다는 것의 정도를 나타내는 것이다.

발전기는 시간이 지날수록 고장을 자주 일으키고 유지보수비가 증가하므로 수명기간이 되면 폐지하는 것이 일반적이다. 또한 전력수요도 매년 증가하므로 전력공급의 신뢰도를 유지하기 위하여 새로운 발전기를 건설해야 한다.

전력공급의 신뢰도 유지가 발전기건설계획의 중요한 고려사항인 만큼 설비예비력의 확보는 발전기건설계획 수립의 필수적인 내용이다. 설비예비율은 설비예비력이 결정된 이후에 년도 별로 연 최대수요를 초과한 설비가 얼마인가를 백분율로 나타낸 것이다.

예비력에는 설비예비력과 운용예비력이 있다. 두 가지 예비력 모두 kW로서 나타낸다. 설비예비력의 논의는 발전기건설계획 수립 시 년도별 공급신뢰도를 유지하기 위한 것이며, 운용예비력의 논의는 과거에 건설되어 현재 가동할 수 있는 발전기를 이용하여 실시간 전력시스템 운용에서 순동예비력을 확보하기 위한 것이다.

“설비예비율만 결정하면 충분하지 않은가?” “설비계획의 수립과정에서 설비예비율을 결정해야 하는가?” “비용최소화계획이 설비예비력 결정에 필요한 이유는 무엇인가?”
등의 질문이 있을 수 있으며 이러한 질문에 대해 설명하고자 한다. 설비예비력은 발전기건설계획 수립의 결과로서 결정된다.

적정규모의 설비예비력은 미래(특정 년도)에 운전 중에 발생할 발전기의 확률적 고장정지와 예방보수일을 고려하여 년도 별로 적정한 발전설비구성을 도출한 후에 계산된다. 따라서 설비예비력이 결정된 이후에야 이것을 사용하여 년도 별 설비예비율로서 나타낼 수 있으며 미리 설비예비율을 지정하는 것은 말을 마차의 뒤에 매는 것처럼 앞뒤가 맞지 않는 설명이다.

왜냐하면 최소비용의 설비계획을 수립하기 위한 계산에서 각종 입력자료가 달라지면 전력공급의 신뢰도 유지에 필요한 설비예비력이 변화하고 그에 따라 해마다 설비예비율이 달라지기 때문이다. 따라서 비용최소화 설비계획수립을 고려하지 않은 상태에서 설비예비력 또는 설비예비율을 별도로 결정하는 것은 무의미하다. 그러므로 비용최소화 설비계획에 대한 설명도 필요하다.

설비예비력을 결정하는 방법 가운데에는 어떤 특정한 예비율을 이용하는 것도 있으나 이는 컴퓨터 시뮬레이션방법이 도입되기 이전인 1970년대 초기에 경험에 의하여 설비예비력을 결정하던 하나의 방법이었다. 이 글에서는 공급신뢰도 및 설비예비력의 결정에 관한 설명을 한 다음 설비계획수립방법에 대하여 설명하고 설비예비력 결정방법 및 기타의 고려사항을 논의한다.
 
2. 설비계획
설비계획이란 최소의 비용으로 미래의 연도별 전력수요를 적절하게 충족하도록 각종 유형의 발전기의 년도별 용량 및 댓수를 결정하는 것이다. 발전기의 건설에는 대규모의 투자비가 소요되고 건설기간도 2년 내지 8년 정도가 필요하며, 일단 건설되면 보통 30~50년 이상이라는 긴 기간에 걸쳐 사용된다.

따라서 계획수립의 대상기간 중에 앞의 년도에 건설된 발전기는 이후의 년도의 발전기 건설계획에 영향을 미친다. 그러므로 설비계획수립 대상기간 전체에 대한 계산이 필요하다. 계획수립 대상기간이 30년일 경우, 년도 별로 후보발전기가 존재하는 조합이 100개라고 한다면 설비계획안의 개수'100의 30승'는 이라는 천문학적으로 큰 숫자가 된다. 발전기는 건설비, 변동비(원/kWh), 운전특성 등이 다양하기 때문에 이들을 어떻게 조합하여 건설할 것인가를 결정하기 위하여 컴퓨터 프로그램을 사용하는 방법 밖에 없다.

경쟁전력시장의 경우에는 개별 발전사업자가 미래의 전력시장 상황을 예측하여 발전기의 투자비 회수 가능성을 검토하고 투자결정을 한다. 이 글에서는 우리나라의 경우처럼 하나의 기관이 설비계획을 수립하고 정부의 허가를 받아 발전회사가 발전기를 건설하는 경우에 대하여 주로 설명한다.

이 경우, 건설비는 적정수익률(fair rate of return)을 보장하는 수준에서 변동비와 함께 전기요금수입으로써 회수된다.

위에서 “연도별 전력수요를 적절하게 충족시키기 위해”라는 표현은 연간 최대수요보다 더 많은 발전설비를 확보한다는 의미이고, 공급신뢰도를 유지하면서 전력수요를 충족시킨다는 것을 뜻한다.

공급신뢰도는 발전계통의 신뢰도를 뜻하며 주로 설비계획수립에는 공급지장시간(LOLP, Loss of Load Probablity)이라는 용어를 사용하여 신뢰도기준 또는 제약조건으로 삼는다. 공급신뢰도 제약조건을 준수하여야 한다는 것을 무시하고 최소비용의 설비계획을 수립한다면 수요증가에 대비하여 발전기를 건설하지 않고 현재의 발전기만으로 수요를 충족시키는 결과가 되며 원하는 시간에 전력을 공급받지 못하는 소비자가 많아진다.

그러나 공급신뢰도 제약조건을 준수하여야 한다는 제약조건이 있으면 연도별로 발전기를 추가로 건설하여 설비예비력을 확보해야 수요를 적절하게 충족시킬 수 있다. 따라서 설비계획 수립에서 신뢰도기준을 어떻게 설정하는가에 관한 결정은 발전기건설 및 설비예비력확보에 큰 영향을 미친다.

설비계획수립의 출발점은 미래의 전력수요증가에 대한 예측이다. 전력수요증가의 정도는 추가로 건설할 발전기의 유형 및 용량을 결정하는 중요한 요소이다. 여기에서는 전력수요 예측기법에 대하여 논하지는 않지만 미래 년도의 최대수요 및 부하지속곡선의 예측은 설비계획의 입력자료 가운데 가장 중요한 것 중의 하나이다. 그림 1은 미래 전력수요증가와 설비계획수립에 따른 발전설비용량 증가의 관계를 나타낸 것이다.

그림 1 전력수요증가와 설비계획

설비계획은 그림 1에서의 보는 바와 같이 수명기간이 다한 발전기의 폐지를 고려하고 앞의 년도까지 건설된 발전기를 고려하여 매년 얼마만큼의 발전기를 추가할 것인가에 대한 의사결정이다. 설비계획 수립의 후보발전기는 원자력발전기, 유연탄화력, LNG연소화력, 복합화력, 가스터빈 발전기, 수력, 양수발전기 등이 있다.

이 글에서 사용하는 각종 발전기 유형은 설명을 위한 용도일 뿐이다. 발전기유형에 따라 건설비, 변동비, 사용연료, 열효율 등이 서로 다르다. 기저부하용 발전기인 원자력발전기는 건설비가 높은 대신 변동비가 낮고, 수요변동에 따른 출력제어가 어렵다.

반면에, 첨두부하용 발전기인 가스터빈 발전기나 복합화력은 건설비가 낮은 대신 변동비가 높으며 수요의 변동에 따른 발전기 출력의 조정이 용이하다. 중간부하용 발전기는 첨두부하용 또는 기저부하용 발전기에 속하지 않는 발전기를 나타낸다.

이러한 발전기는 계통운용자가 필요하다고 판단할 때에 기동하거나 출력을 조정하고, 운전 중인 다른 발전기가 고장정지를 일으켰을 때 가동할 수 있는 발전기이.

급전(dispatch)이라는 것은 현재 이전에 설비계획수립에 의하여 건설된 발전기로서 현재(오늘) 고장을 일으켜 정지 중인 발전기와 예방보수 중인 발전기를 제외하고 가동할 수 있는 것을 이용하여 실시간(real-time)에서 변전소 별로 전력수요가 시시각각 변동할 때 주파수와 안전도 유지, 연료비 최소화를 위하여 시스템운용을 위한 전산모형이 발전기에게 출력 조정신호를 보내는 것을 말한다.

주파수 조정은 전기의 품질유지에 관련한 것으로서 우선순위가 가장 높은 것이고 안전도 유지라는 것은 전력시스템의 하나의 구성요소가 고장을 일으켜 탈락되더라도 다른 구성요소가 과부하를 일으켜 뒤따라 탈락하는 것을 막는 예방조치를 말한다. 예방조치도 실시간 시스템운용에서 발전기 출력을 조정하여 실행하는 것이다.

물론 전력수급계획 수립단계에서는 이와 같은 기술적 요인을 모두 고려하여 시뮬레이션하여 본 다음에 계획을 수립할 수는 없는 것이다.

그러나 300 개를 넘는 발전기가 미래에 운전될 때 운전 중에 불시 고장정지를 일으켜 소비자 수요를 충족시키지 못하는 것을 측정하여 신뢰도 지표로 삼는 것은 가능하다. 급전가능발전기라는 것은 급전센터의 시스템운용 전산모형의 지시를 받아 출력을 조정할 수 있는 발전기(dispatchable unit)를 의미하는 것이며 급전불가능 발전기(nondispatchable unit)라는 것은 급전에서 위의 목적으로 사용하지 못하는 발전기를 의미한다.

신재생에너지를 사용하는 발전기는 대부분 기동 및 출력변동이 자연조건(특히 태양력)에 의존하므로 계통운용자가 필요할 때 임의로 가동시키거나 중앙에서 출력을 조정할 수 없다. 신재생에너지 발전기를 다른 후보발전기와 동등하게 고려하여 설비계획을 수립하게 되면, 미래의 특정 년도에 계통운용자가 원하는 시간에 화력발전기가 불시에 고장정지를 일으켰을 때 신재생에너지 발전기를 가동할 수 없는 경우가 자주 발생한다.

따라서 전력수요를 충족시키지 못하는 경우가 발생하며 이것은 발전계통의 신뢰도를 설비계획 당시와 같은 수준에서 유지하지 못하는 원인이 된다. 이러한 발전기를 급전불능발전기라고 하며 설비계획에서 후보발전기로서 사용되는 화력발전기와 동등하게 취급할 수 없다.

신재생에너지 발전기를 후보발전기로서 고려할 때에는 발전출력의 시간대별 변화를 시스템수요의 시간대별 부하곡선에서 미리 차감하여 미래의 부하지속곡선을 작성하고 급전가능발전기, 예를 들면 화력발전기, 원자력 발전기, 양수발전기 등을 대상으로 하여 설비계획을 수립하는 것이 일반적이다.(제1회분)