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전력수급과 20% 예비율은 적정한가?<3>
김영창 아주대 교수 전력수급과 예비율
2018년 02월 12일 (월) 09:45:49 전력경제 epetimes@epetimes.com

4. 설비예비력의 적정성
 
전력시스템의 운용에 있어서는 설비예비력이 많을수록 예방정비계획 수립, 발전기의 불시고장정지, 각종 상황에 따른 개별 발전기의 용량감소 등에 대처하기 위한 운용예비력(operating reserve)의 확보가 용이하다. 그림 4는 시스템운용에서의 운용예비력과 순동예비력을 보여준다.

가동하여 출력을 내고 있는 발전기의 여유용량(headroom)이란 것은 최대용량과 현재 출력의 차이를 말하며 각 발전기의 여유용량을 합하면 실시간에서 5분마다의 순동예비력이 된다. 운용예비력과 설비예비력 사이에는 직접적인 함수관계는 없으나 설비예비력이 많으면 순동예비력을 확보하기 어려운 시간이 감소한다.

   
 

발전설비계회수립 시에 년도 별 시스템운용에서는 가능한 한 미래의 경제급전이 시행되는 것을 전제로 하여 발전기 변동비순위(merit order)에 의하여 부하지속곡선에 발전기를 투입하여 시스템운용비와 신뢰도를 계산한다. 변동비가 낮은 순서로 발전기를 부하지속곡선에 쌓는 것은 최소운용비를 도출하기 위한 것이며 경제학에서 생산함수라는 것은 최소비용의 생산함수를 의미하기 때문이다.

계획단계가 아닌 실시간에서의 전력시스템운용에서는 예방보수로 인하여 정지 중인 발전기와 고장정지를 일으켜 정지 중인 발전기를 제외하고 발전기 기동정지계획에 의하여 가동된 발전기를 대상으로 하여 급전을 한다. 이 때에는 경제적 투입순위(merit order)라는 것이 존재하지 않는다.

가동 중인 발전기에 대한 경제급전(또는 안전도제약 최적조류계산)을 하여 발전기의 출력을 결정하므로 투입순위는 존재하지 않는다. 발전기건설계획 수립 시의 시뮬레이션에서 예방보수로 인한 정지는 발전기출력의 감소로 처리하고, 고장으로 인한 발전기의 정지에 있어서는 미래의 년도의 시간대에서는 어떤 발전기가 언제 고장을 일으킬 것인지를 알지 못하므로 시스템운용에서와 달리 발전기 고장정지용량을 확률변수로서 취급하는 확률적 시뮬레이션기법이 LOLP 계산 및 시스템운용비계산에 이용된다.

   
 

그림 5는 어떤 날의 하루 중의 부하변동과 운용예비력을 나타낸다. 미래의 해당년도의 전력시스템운용에 있어서는 매 시간별로 나타나는 수요에 대하여 순동예비력을 확보하여 주파수조정을 하며 5분에 한 번씩 순동예비력의 과소 여부를 계산하여, 부족한 경우 부하차단을 실시하기도 한다.

순동예비력의 크기는 운용예비율이라는 용어를 사용하여 결정하기 보다는 실시간 시스템운용에서 가장 용량이 큰 발전기의 불시 고장정지 가능성과 한 시간 이내의 수요변동에 대응하기 위하여 이 발전기의 용량의 150% 만큼을 확보하기도 하며 전력회사 별로 최대단위기 용량과 두 번째로 큰 발전기용량을 합한 수치를 사용하기도 한다. 운용예비력 가운데 순동예비력을 과다하게 확보하면 무부하운전을 하는 발전기와 낮은 출력에서 운전하는 발전기가 많게 되어 연료비의 낭비를 초래한다. 
 

설비예비율이 50%라면 순동예비력확보가 용이하여 시스템운용에 편리할 것이다. 100%라면 어떤가? 더욱 더 시스템운용에 편리하다. 그러나 설비예비력이 많으면 많을수록 년간 설비이용율이 1%에도 미치지 않는 발전기가 대단히 많을 것이며 발전단가가 kWh 당 수십만 원이 되는 발전기도 많아질 것이다. 20%의 설비예비율이 좋다고 주장하는 사람이 투자비를 지불하는가를 확인할 필요가 있다.
 

설비예비율을 15%만 확보하면 어떤가? 어떤 것이 허용할 수 있는 하한치인가? 이것에 대한 답을 구하려면 설비예비율의 변화에 따른 평가지표가 필요하다. 토의하고 결정할 수 있는 평가지표를 이용하는 것이 최선의 방법이다. % 수치만으로 “안심한다.” 또는 “이 정도면 충분하다.“라고 말하려면 특정한 %예비율이 왜 안심할 수 있는 수준인가를 설명할 수 있어야 막대한 투자비를 지불하는 것이 객관화될 수 있다. 과부족을 평가할 수 있는 지표가 필요하다. 안심한다면 누가 안심하는가? 또는 누가 안심의 대가를 지불할 것인가도 명확히 할 필요가 있다. 
 

설비예비력의 확보는 전력수요를 적절하게 충족시키기 위하여 필요한 것이다. 설비예비력을 결정하는 문제는 미래의 상황에 대한 대처이기 때문에 논하는 것이며 과거에 얼마만큼 보유하였더니 만족스러웠다고 하여 그것을 기준으로 삼기도 어렵다. 현재의 설비예비력은 과거의 년도별 설비계획에서 행해진 의사결정과 그 동안의 전력수요 증가의 결과에 따라 나타난 현재의 상황이기 때문이다.

매년 설비예비력을 많이 확보하면 투자비가 낭비되고, 이것은 재무구조를 악화시키거나 전기요금을 상승시키는 원인으로 작용한다. 반면에 설비예비력이 부족할 경우에는 전력회사의 공급비용은 감소하나 전력공급 부족사태가 빈발하여 경제활동에 지장을 주고 정전에 따른 소비자의 피해가 대단히 커진다.

다시 말하면 공급지장비용이 증가하게 되는 것이다. 따라서 공급비용과 공급지장의 피해비용을 고려할 때 적정수준의 설비예비력을 확보할 필요가 있다. 그림 6은 설비예비력과 최대수요와의 관계를 보여준다. 설비예비율은 년간 최대수요에 대한 설비예비력의 크기를 나타내는 백분율이며 이를 나타내는 식은 다음과 같다.

   
 

5. 공급신뢰도의 의미와 계산 방법

전력공급의 두 가지 큰 목표는 전력공급의 안정성 확보와 경제적인 전력공급이라고 할 수 있다. 전력공급의 안정성 확보는 공급신뢰도의 유지와 같은 의미인데, 이것은 정전이나 부하차단 등이 발생하는 시간이 주어진 한도 이내에서 소비자에게 전력을 공급할 수 있는가를 나타내는 것이다. 경제적인 전력공급을 위해서는 단기적으로는 주어진 발전설비를 효율적으로 운용하여야 하지만, 장기적으로는 발전설비용량의 적정규모를 유지하는 발전기 투자가 필요하다.
 

한편, 전력시스템의 운용에 있어서 발전기 출력의 합이 전력수요와 같도록 시시각각 수요와 공급이 균형을 이루어야 한다. 실시간 시스템운용에 있어서는 순동예비력(spinning reserve)을 확보하기 어려운 경우에는 일정 규모의 부하를 차단하여 순동예비력을 확보하여야 한다. 설비계획에 있어서는 매 시간별로 발전기의 확률적 고장정지를 고려하여 고장을 일으키지 않은 발전기의 용량의 합이 수요보다 부족하여 수요를 충족시키지 못하게 되는 경우를 공급지장이 발생한다고 말한다.

장기계획의 단계(long-run)에서는 새로운 발전기를 건설하여 대처하여야 한다. 즉, 설비계획수립에 있어서 공급신뢰도를 유지한다는 것은 발전설비용량을 증가시키는 것이 되며, 이는 설비예비력을 충분하게 확보하는 것을 의미한다.
 

설비예비력결정을 위하여 사용하는 공급신뢰도 지수는 결정론적 신뢰도지수와 확률론적 신뢰도지수가 있다. 결정론적 신뢰도지수로는 전체 발전설비용량과 최대부하와의 상대적인 크기를 표시하는 예비율법, 최대단위기법 및 건기법 등이 있으며, 확률론적 신뢰도지수로는 공급지장시간법, 공급지장에너지확률법, 빈도 및 지속시간법 등이 있다.

일정예비율법: 결정론적 지수로서 일정예비율법은 일정 수준의 공급신뢰도를 유지할 수 있도록, 매년 최대수요의 몇 %에 해당하는 설비용량을 설비예비력으로 두는 방법이다. 즉, 최대수요보다 일정 % 만큼 발전설비용량을 더 보유하여야 한다는 방법이다. 이것은 컴퓨터를 사용하기 이전, 전력회사의 계획입안자들이 사용하였던 방법이며 과거의 경험에 의하여 20%이면 충분하다고 하여 사용되기 시작하였다.

하지만 시스템규모가 커짐에 따라 예비력규모가 커진다는 단점이 있다. 500만 kW의 최대수요에서 20%의 예비율을 갖자고 의사결정을 하는 것과  1억 kW 규모의 시스템에서도 20%의 예비율을 갖도록 하는 것의 의미가 동일할 수는 없지만 우리나라의 경우 20%가 변동된 경우는 없었던 것 같다.

공급지장시간법: 일정예비율법이 시스템규모의 증대에 따른 공급신뢰도 향상을 반영하지 못하는 것에 비하여, 확률론적 공급지장시간법은 이러한 것을 고려할 수 있다. 따라서 다음과 같은 LOLP 기준을 적용하여도 시스템규모가 커질수록 필요한 설비예비율이 낮게 조정되어 계획에 반영된다. 일정예비율법과 공급지장시간법의 차이점이 그림 7에 표시되어 있다.

이 그림에서 최대부하가 인 전력회사에서 미래 최대부하가  인 때에 필요한 설비예비력(%)은 LOLP 기준에서는 설비예비율 기준에서보다 만큼의 %값이 작게 나타난다. 이것은 시스템규모가 확장될수록 작은 설비예비율로서도 기준 LOLP를 충족시킬 수 있기 때문이다.

   
 

LOLP는 발전시스템이 보유한 설비예비력이 많을수록 감소하나, 아무리 설비예비력이 많아도 모든 발전기의 고장으로 인한 공급지장은 발생할 수 있으므로, LOLP는 항상 0보다는 크다. 또한, 시스템의 규모가 커질수록 일정 LOLP 기준에서 필요한 예비율은 감소하며, LOLP는 부하의 형태에 따라서도 달라진다.

더욱이 공급지장시간이 0이 되도록 발전설비용량을 증가시키면 공급신뢰도 측면에서는 아주 바람직할지 몰라도, 경제적 측면에서 본다면 매우 비효율적이라고 볼 수 있다. 왜냐하면, 예상 공급지장시간을 0으로 한다는 것은 발전설비용량을 무한정으로 갖추어야 함을 의미하기 때문이다. 이 기준을 택하는 근본적 이유는 전력수요의 증가, 발전설비용량의 증가에 따라 주어진 전력공급신뢰도가 일정하게 유지되도록(이 때 %예비율은 감소함) 하는 것으로서 적정 공급신뢰도를 유지하면서 투자비를 절감하려는 의도에서 비롯된 것이기 때문이다.

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