1. 서론

현재 북상조류를 담당하는 송전망이 포화상태로 전력망에 혼잡이 발생하고 있다. 실제 지역별 전력소비 및 발전량을 비교해보면 서울, 경기 등 수도권은 수요대비 발전량이 22% 수준에 그치고 있다^[1]. 반면 영남과 충청, 호남 모두 소비량에 비해 발전량이 많아 남는 전기를 송전망을 통해 수도권에 공급하고 있는 실정이다.

결국 이와 같은 측면에서 분산형 전원 활성화의 필요성이 적극 대두되고 있다^[2]. 분산형 전원의 전통적 개념은 국가별로 다양하게 정의하고 있으나, 일반적으로 수요지에 인접, 소용량(100MW 이하)으로 지역배전망에 전력을 공급하는 전원을 말한다^[3].

근래 보급이 급속도로 확대되고 있는 신재생에너지의 경우 미래에는 분산형 전원으로서의 충분한 역할이 기대되고 있다. 그러나 우리나라의 경우 아직 신재생에너지원의 설치비가 비싸 경제성이 낮아 보급 확대가 충분치 않고, 전력 생산이 일정하지 않아 전력피크 기여도가 낮다는 것이 단점이 있다^[4]. 결국 수도권 전력망 과부하 문제는 전통적 소규모 분산전원을 통해 해소하기에는 아직은 역부족인 상태로 판단되고 있다.

이에 열병합 발전이 하나의 대안으로 역할을 담당할 수 있을 것으로 기대되고 있다. 전력수요지에 위치하는 것은 물론 전력수급에 기여할 수 있고, 전력피크 시 즉각 운전 가능하여 전력계통의 입장에서 분산전원으로서 가치가 크다는 것이다. 더욱이 난방열을 공급하므로 수도권 도심 입지가 가능하고, 에너지 이용효율이 높아 시장에서 자생할 수 있는 경제성도 보유하고 있다고 분석된다^[5].

그러나 수도권 분산형 전원으로서의 열병합 발전이 송전망의 운용에 어떤 영향을 미치는가에 대해서는 사업자에 관점에 따라 견해가 다르다. 이에 따라 수도권 열병합발전의 송전망에 대한 가여도의 평가에는 다양한 의견이 존재하고 있어 수도권열병합발전이 분산형 전원으로 역할을 담당하고 있음에도 불구하고 송전망 이용회피에 대한 기여를 명확히 인정받지 못하고 있는 실정이다.

이러한 이유 중 하나는 전력계통의 운용이 여러 가지 다양한 상황에서 이루어지고 있기 때문이다.

따라서 본 논문에서는 이러한 문제를 해결하고자 수도권 열병합 발전의 송전망 이용회피에 대한 편익을 하나의 값으로 산정하지 않고 다양한 전력계통의 운용 상태를 고려하여 수도권 열병합발전의 용량 측면[원/kW]과 에너지발생의 측면[원/kWh] 두 가지로 송전망 이용회피의 범위를 정량적으로 산정하였다.

한국전력공사의 2018년도 전력계통에 적용하여 결과를 도출하였으며, 범용 프로그램인 PowerWorld Simulator를 사용하여 해석하였다.

2. 송전망 이용회피비용 산정

수도권 열병합발전이 전력계통 송전망 이용에 기여하는 효과를 산정하기 위해서는 수도권 열병합발전이 모두 투입되어 운용되는 경우에 대하여 이들 열병합발전이 모두 운용되지 않을 때 송전선로에 어떤 현상이 발생하는지를 파악하여야 한다^[6].

발전소의 시간대별 출력은 경제성을 추구하기 위하여 Merit Order에 의해 결정되어 발전기의 출력은 각 시간대의 부하에 따라 각기 다른 값을 갖게 된다.

본 연구의 목적은 수도권 열병합발전이 송전망 이용에 어떤 영향을 미치는가, 얼마만한 기여를 하는가를 산정하기 위함이다.

전력계통의 계획 및 운영은 항상 가장 최악의 경우를 대비하는 것이 일반적인 해석형태이다. 그러므로 본 연구에서도 수도권 열병합발전이 송전망의 운용 및 건설에 최소～최대 얼마만큼 기여하는지를 정량적으로 평가함을 그 목적으로 두었다.

이를 위하여 본 논문에서는 다음과 같이 계통운용의 극단적인 경우를 고려하도록 하였다.

즉 수도권 열병합발전이 최대출력으로 운전하고 있을 경우에 대하여 수도권 열병합발전이 모두 정지되고 정지된 수도권 열병합발전을 대신하여 비수도권 발전기가 출력을 증가시키거나 기동을 하는 경우에 송전망이용에 어떤 영향이 발생하는지를 검토하였다. 이때 송전망의 영향에는 전압, 송전선로의 용량, 고장전류 등 다양한 영역에의 문제가 있으나 본 연구에서는 송전선로의 용량에 미치는 영향 및 수전단 모선전압을 검토하여 수도권 열병합발전이 운용되지 않을 경우 송전선로 이용이 얼마나 더 이루어져야 하는지를 산정하는 것으로 하였다.

선로의 정격용량만을 기준으로 송전선로의 여유분을 판단하는 것은 현실적이지 못하므로 수전단 모선의 전압까지 고려하여 송전망의 이용률을 산정하였다.

본 연구의 전체 흐름도는 그림. 1과 같다.

그림. 1에서 각 STEP은 다음과 같다.

■ STEP1 대상계통 : 7차 전력수급계획에 의한 한국전력공사의 2018년 계통

본 논문에서는 7차 전력수급기본계획의 2018년도 계통을 대상으로 하여 연구를 수행하였다^[7].

7차 전력수급기본계획으로 연구를 수행한 이유는 본 연구 수행당시에는 8차 전력수급기본계획에 따른 송전망확충계획이 수립 중이었기 때문이다.

■ STEP2 부하 Case 구성

실제적으로 전력계통은 시간대별로 부하 및 발전력이 달리 운전되고 있으므로 결과는 각 경우에 따라 산정된다. 본 연구에서는 송전망 이용회피비용의 범위를 구하고자 하였으므로 최대부하 및 최소부하의 두 가지 경우에 대하여 결과를 도출하였다.

■ STEP3 발전기준 Case

발전기준 Case는 수도권 열병합발전이 모두 가동되고 가동된 용량만큼 비수도권 발전기가 정지되는 경우에 대한 송전망 이용률을 산정하기 위한 Case로써 추후 다음의 발전비교 Case에 따른 송전망 이용률과의 비교 시 기준이 되는 Case이다.

■ STEP4 발전비교 Case 구성

발전비교 Case는 수도권 열병합발전이 모두 정지한 대신에 전력수급조건을 만족시키기 위하여 비수도권에서 발전력을 추가적으로 증가시키는 Case로써 본 연구에서는 다양한 각도에서 결과를 도출하고자 다음의 3가지로 Case를 구성하였다.

➀ 발전비교 Case 1 : 수도권 열병합발전을 모두 정지시키고 정지된 용량만큼 7차 전력수급계획의 발전설비 건설계획표에 따라 투입시키는 경우

➁ 발전비교 Case 2 : 수도권 열병합발전을 모두 정지시키고 정지된 용량만큼 7차 전력수급계획에 의거 수도권으로부터 근거리에 있는 발전소를 투입한 경우

➂ 발전비교 Case 3 : 수도권 열병합발전을 모두 정지시키고 정지된 용량만큼 7차 전력수급계획에 의거 수도권으로부터 원거리에 있는 발전소를 투입한 경우

■ STEP5 전력조류계산 수행

본 연구에서는 한국전력공사의 2018년도 전력계통에 대하여 범용 프로그램인 PowerWorld Simulator를 사용하여 전력조류계산을 수행하였다. PowerWorld Simulator는 현재 한국전력공사에서 사용하고 있는 PSS/E와 입력 데이터의 공통적인 변환사용이 가능하다.

■ STEP6 선로용량 이용률 산정

현재 한국전력공사에서는 선로의 용량을 다음의 3가지로 구분하여 사용하고 있다.

ㆍRate A : 100% 용량 (송전선로의 정격용량)

ㆍRate B : Rate A의 150%까지, 계통의 운용을 통하여 과부하 방지 가능

ㆍRate C : Rate A의 150% 초과, 송전선로의 신증설 필요

본 연구에서는 Rate A를 기준 값인 정격용량으로 사용하였다.

전력조류계산의 결과를 사용하여 식 (1)로 선로에 흐르는 조류를 해당 선로 정격용량의 %로 산정하여 선로용량 이용률을 구하였다.

■ STEP7 평균 선로용량 이용률 산정

STEP 6에서 계산된 모든 선로에 대한 선로용량 이용률의 평균치를 계산한다.

■ STEP8 선로의 고유송전용량 산정

선로의 고유송전용량은 전압계급별 전압유지 한계 값을 위반하지 않는 상태에서 선로가 전송할 수 있는 송전용량의 한계치를 의미하며 본 연구에서는 고유송전용량한계법으로 PowerWorld Simulator를 통하여 선로별 고유송전용량을 산정하였다. 보통 전압강하가 문제가 되는 경우는 장거리 송전선로이므로 본 연구에서는 선로 길이가 90km 이상인 선로를 대상으로 하여 이를 산정하도록 하였다.

■ STEP9 고유송전용량을 Rate A의 %로 계산

STEP 8에서 산정된 고유송전용량을 Rate A의 %로 환산하고 이를 한계 MVA% 라 하였다.

■ STEP10 수도권 열병합발전으로 인한 기여율% 산정

수도권 열병합발전이 송전선로의 송전용량에 어느 정도 기여하고 있는 지를 의미하는 기여율 %를 식 (2)로 계산하였다.

■ STEP11 송전망 이용회피비용 산정

송전망 이용회피비용을 식 (3)으로 산정하였다.

■ STEP12 [원/kW] 송전망 이용회피비용 산정

[원/kW] 단위의 송전망 이용회피비용을 식 (4)로 산정하였다.

■ STEP13 수도권 LNG 발전소의 가동률을 고려한 [원/kWh] 송전망 이용회피비용 산정

[원/kWh] 단위의 송전망 이용회피비용은 수도권 LNG 발전소의 평균가동률을 고려하여 식 (5)로 산정하였다.

3. 사례 연구

4. 결 론

본 논문에서는 현재 논란이 되고 있는 수도권 열병합발전이 송전망 건설의 회피에 기여하고 있는지의 범위를 정량적으로 평가하였다.

(1) 수도권 열병합발전이 한국전력공사에서 사용하고 있는 송전망 건설 기준인 Rate C를 근거로 한 경우에는 송전망의 건설회피에는 기여하고 있지 못하였다.

(2) 한국전력공사의 정상상태 운전 시 송전선로의 평균사용 용량은 정격용량의 약 30% 정도로 산정되었다. 그러므로 이를 기준으로 한 경우 사고시를 대비한 송전선로의 이용에는 수도권 열병합발전이 기여하고 있음을 알 수 있었다. 즉 현재 송전선로의 이용률을 유지하는데는 수도권 열병합발전이 역할을 하고 있음이 분명함을 알 수 있었다.

(3) 수도권 열병합발전의 송전망 이용회피비용의 범위를 산정 시에 계통의 극단적인 운용상태를 반영하기 위하여 부하 100%인 최대 부하의 경우와 부하 60%인 최소 부하의 경우 총 2가지 경우에 대하여 각각 수도권 열병합발전이 모두 정지되고 7차 전력수급계획의 신증설계획에 따라 투입하는 경우, 수도권 근거리, 원거리 발전소를 투입한 경우를 고려하였다.

(4) 선로의 정격용량만큼만을 기준으로 송전선로의 여유분을 판단하는 것은 현실적이지 못하므로 수전단 모선의 전압까지 고려, 고유 송전용량법을 통해 고유 송전용량을 도출하여 송전망 이용회피비용을 산정하도록 하였다. 대상인 선로는 선로 긍장 90km 이상의 장거리 송전선로로 하였으며 Rate A를 기준으로 하였다.

(5)선로의 정격용량에 대한 이용률과 고유 송전용량을 이용하여 송전망 이용회피비용의 범위를 산정하였다. [원/kW]당 송전망 이용회피비용을 산정한 결과 83,862원/kW～406,145원/kW, [원/kWh]당 송전망 이용회피비용을 산정한 결과 26.67원/kWh～129.15원/kWh로 도출되었다.

본 논문을 통하여 수도권 열병합발전이 송전망 이용에 어떤 영향을 미치는가 즉 최대 얼마만큼 기여를 하는가를 산정함으로써 열병합발전이 송전망의 건설에 필요한 재원의 부담을 줄이고, 수도권 전력수급의 안정에 기여하고 있음을 알 수 있었다. 열병합발전을 보급 활성화할 경우 대규모 전력설비의 건설에 따른 추가비용 없이 정부가 추구하는 에너지전환 정책인 에너지효율 증대와 신재생에너지 확대 등이 가능한 것으로 판단된다. 따라서 정부 또한 정책적인 우선순위를 결정하여 이를 분산형 전원의 정책 수립에 반영할 필요가 있을 것으로 사료된다.

향후 8차 전력수급기본계획을 기반으로 하여 연구를 추진할 예정이다.