2.1 직류 전력조류계산 이론

직류 전력조류계산은 전력조류 방정식에서 무효전력 부분을 제외하고 계산하기에 취약한 계통이나 상정사고 분석에 대해 쉽고 빠르게 해석할 수 있다. 다만, 모선 수가 증가함에 따라(계통이 커짐에 따라) 해석의 오차가 커질 수 있다.

그러나 본 논문에서 분석한 초장기 대규모 전력 계통은 한정된 데이터로 분석해야 하며, 권역 내의 문제보다는 권역 간 융통 조류에 대해 분석하는 것을 목적하기 때문에 계통을 등가화했다.

이에 권역 간 융통 조류를 간단하게 분석하는 것에 있어 직류 전력조류계산 방법은 적합하다고 판단한다. 직류 전력조류계산의 순서도는 다음 그림 4와 같다^[18~24].

그림 4. 직류 전력조류계산 순서도

Fig. 4. Flowchart for DC Power Flow Calculation

직류 전력조류계산 이론은 그림 5의 예제를 통해 간략히 소개한다^[25].

그림 5. 직류 전력조류계산 4모선 예제계통

Fig. 5. Flowchart for DC Power Flow Calculation

우선, 식 (1)을 통해 모선별 유효전력 방정식을 계산하여 행렬 형식으로 재구성하면 아래의 식 (2)과 같이 표현된다.

Y matrix는 예제계통의 선로의 임피던스 값을 통해 구성하고 각 모선의 발전과 부하량을 통해 수급 차를 계산할 수 있다. 계산된 P, Y 값을 식 (2)에 적용하면 다음과 같다.

위의 행렬식을 다시 풀어 각 모선의 위상각을 구한다. 이후 식 (3)을 이용하여 모선 사이에 흐르는 전력조류의 양과 방향을 계산한다. 예제계통의 모선 간 전력조류량과 방향은 그림 6과 같다.

그림 6. 4모선 예제계통의 직류 전력조류계산 결과

Fig. 6. Results of DC Power Flow Calculation for a 4-Bus Example System

2.2 직류 전력조류계산 도구

본 논문에서는 앞선 직류 전력조류계산 이론 적용해 초장기 전력망에 대해 권역 간 융통 전력은 간략하게 분석할 수 있는 도구를 개발했다. 직류 조류계산 도구의 제안기술은 전력계통의 구성이 불확실하거나 안정도가 취약한 계통 등 조류계산의 수렴이 어려운 경우에 대해 간단한 입력 값으로도 유효전력 경향성을 쉽게 분석할 수 있는 기술을 제안했다. 대표적으로 불확실성이 높은 초장기 계통을 계획하고 분석하는 것에 있어, 다양한 시나리오(수급 구성, 송전 선로 계획, 상정사고 등)가 고려되는 상황에서 본 연구에서 제안한 도구를 통해 유효전력의 경향성에 대해 빠르게 분석해 실현가능성을 확인하고 필요한 시나리오에 대한 선별하여 업무 효율 향상에 기여할 것으로 생각한다.

도구를 활용한 결과물은 그림 7과 같으며 에서 요구되는 입·출력 데이터는 표 4와 같다.

그림 7. 직류 전력조류계산 도구의 출력 결과 (2050 탄소중립 A 안)

Fig. 7. Results of the DC Power Flow Calculation Tool (Carbon Neutrality Scenario A for 2050)

출력 데이터의 ‘융통 선로의 보강 필요량[Route]’은 융통 선로의 열용량 초과량, 보강 선로의 열용량, 무효전력 부분 보상 마진값을 통해 계산된다. 또한, 보강필요량의 단위를 Route로 구성한 이유는 345kV 이상의 송전선로는 1회선의 상정사고를 고려하여 일반적으로 병행 2회선의 송전선로를 보강하기에 Route를 단위로 했다. 직류 전력조류계산 도구의 보강필요량은 다음과 같이 산정된다. 특정 융통 선로에 흐르는 융통 조류 초과량이 2[GW]이고 보강하려는 선로의 열용량이 2[GVA]일 때, (2[GW] ÷ (2[GVA]*0.9[무효전력 부분 보상마진])) ÷ 2[1개의 Route는 2회선으로 구성]와 같이 보강 필요 루트 수[Route]가 계산되며 소수점 첫째 자리는 반올림하여 계산한다. 본 논문에서는 AC 보강 선로에 대한 필요량만 출력값으로 나타내었지만, 초과하는 열용량을 바탕으로 HVDC 선로의 보강 조합 등을 고려할 수 있다.

덧붙여, 일반적인 융통전력의 안정도는 열적한계량보다 전압안정도의 한계량이 더 낮고 불안정한 상황을 야기한다. 하지만 초장기 계통의 실현가능성을 분석함에 있어, 불확실한 정보를 바탕으로 많은 시나리오를 어렵게 상세 분석하는 것보다, 간단한 DB 구성을 통해 융통 유효전력의 경향성과 열적한계량을 분석해 실현가능성을 확인하고 시나리오를 선별하는 것이 적합하다 생각해 직류조류계산방식과 열적용량을 기준으로 본 연구를 수행했다.

2.3 국내 융통 전력분석 계통 등가 모델링

본 논문에서는 2050 탄소중립의 계통을 대상으로 가정했고 해당 계통에 대한 모델링 방법은 다음과 같다.

해당 계통에 대한 모델링 방법은 다음과 같다. 권역별 수요와 발전량은 2050 탄소 중립 보고서의 세부 산출내역과 에너지 경제연구원 주관 기술작업반의 전원구성(안) 분석 결과를 바탕으로 구성했다.

그림 8. 국내 전력계통도(345kV 이상)

Fig. 8. Power System Map of Korea (345kV and Above)

본 논문에서는 2.1절에서 언급한 것과 같이 융통 조류를 목적으로 분석하기에 전국 계통을 5개 권역으로 등가화했다. 이때 권역의 구분은 행정상의 구역으로 구분하지 않고 전력계통의 지리적 특성과 환상망 형태를 기준으로 5개의 구역으로 나누었고, 수요량과 발전량이 재구분 되었다. 그림 8은 전국 전력계통을 나타내는 개략도이며, 그림 9은 전력계통을 환상망을 기준으로 5개 권역으로 구분한 개략도이다.

그림 9. 환상망 기준의 5개 권역 구분도(345kV 이상)

Fig. 9. Map of 5 Areas Based on Ring Network (345kV and Above)

표 5는 2050 탄소중립 A 안의 최대부하 시 행정구역 기준에 따른 권역별 수급량이며, 표 6은 환상망 기준에 따른 수급량과 행정구역 기준 대비 변동량이다.

마지막으로 선로 정수는 전력 수급계획의 실제 선로의 요솟값(설비용량, 임피던스 등)을 사용했고, 보강 선로의 정수는 345kV급의 주로 사용되는 ACSR 선로를 기준으로 적용했다. 권역 간 연계되는 HVDC의 경우 송전단은 부하, 수전단은 발전의 형태로 간략히 모델링 했다.

2.4 오차율 분석

본 연구에서는 전국 계통을 345kV 이상의 송변전 설비에 대해 5개 권역으로 등가화하고 직류 전력조류계산을 활용하기에, 결괏값에 대한 오차와 적정성을 검토할 필요가 있다. 이에 2030년 대상 계통의 PSS/E DB를 통해 권역 간 융통 조류 결괏값을 비교분석 했다. 오차율의 비교분석 결과는 표 7과 같다. 일부 구간에서 약간의 오차 값을 보이나, 융통전력의 대부분은 345kV 이상의 선로를 통해 흐르지만, 154kV 이하의 권역간 연계 선로의 전력흐름도 일부 존재하기에 이와 같은 오차가 발생하는 것을 확인했습니다. 하지만 초장기 계통의 전원구성에 따른 융통 조류와 실현가능성을 확인한다는 관점에서 해당 오차량은 사전 검토 및 시나리오 선별을 하는 것에 있어 허용 가능 수준으로 보았다.

3.1 시나리오 구성

시나리오는 2050년 탄소중립 A, B 안과 10차 전력 수급계획의 발전원 구성 방향성을 반영한 A 안을 추가하여 시나리오를 구성했다. 시나리오별 수요량의 차이는 없으며, 전원구성 차이에 따른 5개 권역의 발전량 차이는 다음 표 8과 같다.

융통 선로 열용량에 대한 과부하 검토 기준은 직류 전력조류계산에 무효전력 부분이 제외된 것을 고려하여 보수적으로 산정했다. 정상상태 시 80%, 상정사고 시 100%의 이용률을 초과했을 때 위반으로 검토했다.

3.2 시나리오 분석결과

분석 결과는 표 9, 10, 11, 12 그리고 그림 10, 11, 12과 같다. 표 9, 10, 11에서 보이는 것과 같이 권역 간 융통 선로의 상정사고를 모두 고려하여 분석하였고, 전력조류 초과량의 양수 값은 권역 간 융통 선로의 총 열용량 대비 초과분을 나타내며, 음수 값은 여유분을 나타낸다. 또한, 각 융통 선로의 최소 보강필요량은 선로 열용량을 가장 많이 초과하는 경우를 필요한 양으로 산정했다. 시나리오별 융통 선로의 전력 초과량 최댓값 및 보강필요량은 표 12과 같다.

분석 결과 A, B 안 시나리오의 융통 조류 양상은 유사했다. 하지만 A 안+10차의 시나리오에서는 재생에너지원이 감소하고 영동과 영남의 원자력 발전원이 증가함에 따라 호남권에서 수도권으로 송전하는 융통 조류량은 감소했고, 영동권에서 수도권으로 송전하는 융통 조류량이 증가했다.

그림 10. 탄소중립 A 안의 정상상태 융통 전력값

Fig. 10. Steady-State Inter-Area Power Flow in Scenario A

그림 11. 탄소중립 B 안의 정상상태 융통 전력값

Fig. 11. Steady-State Inter-Area Power Flow in Scenario B

그림 12. 탄소중립 A 안+10차의 정상상태 융통 전력값

Fig. 12. Steady-State Inter-Area Power Flow in Scenario A+10th

이처럼 모든 시나리오에서 전반적으로 호남권과 수도권 사이에 흐르는 융통 조류가 가장 많았으며 이는 호남권에 많은 양의 재생에너지원이 유입되고, 수도권으로 전력 수요 부하가 집중되면서 전력조류가 북상하는 현상이다. 이러한 융통전력 과부하 문제를 해결하기 위해서는 송·변전 설비 보강, P2X, 수급 계획의 재배치 등의 방법이 존재힌다.