2.1 대표 모델 및 경제성 평가 조건 설정

경제성 평가를 진행하기 위하여 배전계통의 특성을 대표하는 가상 배전계통을 설정한다. 중/장거리 피더와 단거리 피더가 혼재되도록 가상의 배전계통을 설정한다. 중/장거리 피더는 교외 또는 농어촌 지역으로 분산전원의 용량이 14 MW로 연계 되어있으며, 단거리 피더는 도심지역으로 참고문헌⁽¹¹⁾의 지역별 태양광 발전기의 누적보급용량 통계에 따라 교외, 농어촌 지역보다 연계되는 분산전원의 용량이 작다고 가정한다. 선로의 길이와 분산전원의 용량 조합을 고려하여 5개의 피더로 구성된다^(12,13). 가상 배전계통의 신뢰도 평가를 위해 고장을 유발하는 설비를 개폐기와 선로로 선정한다⁽¹⁴⁾. 신뢰도 평가를 위한 통신성공률은 95%를 가정하였고, 신뢰도 평가방법은 minimal cut-set 방법을 적용한다. 배전선로의 고장률은 0.02(f/km$\times$year), 개폐기의 고장률은 0.032(f/km$\times$year)로 계산되었다. 선로 길이에 따른 고장 유발 설비들의 고장 복구 시간은 표 1과 같다.

가상 배전계통의 SAIDI는 3.72분으로 계산되었으며, 설비의 투자로 SAIDI의 향상 목표는 2.07분으로 가정한다. 경제성 평가는 장기적인 편익과 비용의 효과를 고려하기 때문에 경제성 평가 기간과 할인율을 고려한다. 경제성 평가 기간은 신뢰도 개선을 위하여 투입되는 설비의 수명을 고려하여 15년으로 설정하며 할인율은 2019년 기준 물가상승률과 실질할인율을 고려하여 4.5%로 가정한다^(15,16). 표 2는 가상 배전계통의 피더별 정보이다.

2.2 신뢰도 향상을 위한 전력회사 관점에서의 편익 설정 및 정량화

신뢰도의 향상은 수용가 당 연 평균 정전시간이 감소됨을 의미한다. 따라서 신뢰도 향상을 위한 전력회사 관점에서의 편익은 회피된 공급지장비용이다. 표 3은 각 피더의 SAIDI 변화이고, 그림 2는 편익을 정량화 하는 과정이다⁽¹⁷⁾.

부하종류별 정전비용 단가 함수($C_{i}(\triangle t)$)를 추정하기 위하여 2002년에 한국전기연구원에서 조사한 수용가 종별 정전비용에 할인율을 적용하여 현재시점 가치로 보정한다^(18,19). 0분과 20분 사이의 부하종류별 정전비용 단가를 회귀분석을 통해 각 피더의 SAIDI 향상 전과 향상 후 정전비용 단가를 산출한다. 정전 지속 시간이 20분 이하인 경우의 정전비용 단가 함수(원/kW) 정의는 다음과 같다.

여기서, $i$는 부하종류, $\triangle t$는 연간 정전 지속시간 (분), $C_{i}(\triangle t)$는 부하종류 $i$의 연간 정전 지속시간 $\triangle t$에 관한 정전비용 단가함수(원/kW/분)이고 $a$, $b$, $c$, $d$, $e$는 회귀 계수이다.

식 (3)은 부하종류와 부하의 전력량 비율을 고려한 피더별 정전비용 단가함수이다.

여기서, $y(\triangle t)$는 피더의 연간 정전 지속시간 $\triangle t$에 관한 정전비용 예측 단가함수 (원/kW/분), $Q_{i}$는 피더의 전체 전력량 대비 부하종류 $i$의 전력량 비율을 의미한다.

식 (4)는 정전시간 감소에 따른 피더별 연간 편익이다.

여기서, $\triangle t_{d}$는 연간 정전시간의 감소시간(분), $Benefit_{{\triangle t}_{d}}$는 $\triangle t_{d}$만큼 연간 정전시간 감소에 따른 편익(원), $y_{\triangle t_{1}}$은 피더의 연간 정전 지속시간이 $\triangle t_{1}$일 때 피더의 정전비용 예측 단가(원/kW), $y_{\triangle t_{2}}$은 피더의 연간 정전 지속시간이 $\triangle t_{2}$일 때 피더의 정전비용 예측 단가(원/kW), $\triangle t_{1}=\triangle t_{2}+\triangle t_{d}$, $W_{k W}$는 피더의 전체 부하용량(kW)이다.

표 4는 각 피더별 SAIDI 향상에 따른 정전비용과 연간 편익을 제시한다.

편익은 경제성 평가 기간 동안 일정하게 발생한다고 가정한다. 자본회수계수를 통하여 경제성 평가 기간 동안의 총 편익을 구한다⁽⁸⁾. 표 5는 경제성 평가 기간 동안의 피더별 신뢰도 향상에 따른 총 편익을 제시한다.

2.3 신뢰도 향상을 위한 전력회사 관점에서의 비용 설정 및 정량화

계통의 신뢰도를 향상시키기 위해서 전력회사는 체계적인 기술 및 설비 투자를 지속해야한다. 선행연구 결과 가상 배전계통의 SAIDI는 피더별 자동화개폐기 1대 설치를 통하여 3.72분에서 2.92분으로 감소된다^(12,13). 목표 향상치인 2.07분으로 향상시키기 위하여 태양광 발전기가 14 MW 설치된 피더에 에너지 저장장치(Energy Storage System, ESS)설치를 가정한다. 자동화개폐기의 비용구성은 설치비용, 유지비용, 폐기비용으로 가정한다. 표 6은 자동화개폐기의 비용 계산 가정 사항이다.

식 (5)는 경제성 평가 기간 동안의 자동화개폐기 총 투자비용이다.

여기서, $N$은 경제성 평가 기간(년), $\cos T_{N,\: sw ch}$은 $N$년 동안의 자동화개폐기 총 비용, $k$는 자동화개폐기의 수명, $i$는 할인율, $N^{'}=QUOTIENT(N,\:k)$, $I NSTALL_{k\times t,\: sw ch}$는 $k\times t$시점의 자동화개폐기의 설치비용, $DISPOSAL_{k\times t,\: sw ch}$는 $k\times t$시점의 자동화개폐기의 폐기비용, $OM_{t,\: sw ch}$는 $t$시점의 자동화개폐기의 유지비용이다. (단, $QUOTIENT(N,\:k)$는 $\dfrac{N}{k}$의 몫을 반환한다.)

표 6의 자동화개폐기의 비용 계산 가정 사항을 식 (5)에 적용하여 구한 자동화개폐기 1대의 경제성 평가 기간 동안 총 비용은 22,691천원이다.

ESS의 비용구성은 설치비용, 유지비용, 폐기비용으로 가정한다. 가상배전계통의 ESS설치는 태양광 발전기가 14 MW 설치된 피더에만 적용하며, ESS용량은 피더의 태양광 발전기 설비용량의 7%가 설치된다고 가정한다. 표 7은 ESS의 비용계산 가정 사항이다.

식 (6)은 경제성 평가 기간 동안의 ESS 총 투자비용이다.

여기서, $N$은 경제성 평가 기간(년), $\cos T_{N,\: ESS}$은 $N$년 동안의 ESS 총 비용, $y$는 ESS의 수명, $i$는 할인율, $N^{'}=QUOTIENT(N,\:y)$, $I NSTALL_{y\times t,\: ESS}$는 $y\times t$시점의 ESS의 설치비용, $DISPOSAL_{y\times t,\: ESS}$는 $y\times t$시점의 ESS 폐기비용, $OM_{t,\: ESS}$는 $t$시점의 ESS 유지비용이다. (단, $QUOTIENT(N,\:y)$는 $\dfrac{N}{y}$의 몫을 반환한다.)

표 7의 ESS의 비용계산 가정 사항을 식 (6)에 적용하여 구한 태양광 발전기가 14 MW 설치된 피더의 ESS 총 비용은 1,395,035천원이다. 표 8은 자동화개폐기와 ESS를 모두 고려한 피더별 신뢰도 향상을 위한 설비의 총 비용이고, 표 9는 표 5의 피더별 총 편익과 표 8의 피더별 총 비용을 적용하여 구한 비용 편익 비율 결과이다.

경제성 평가 결과, 부하가 많은 피더 3, 피더 4는 정전비용 단가가 비싼 산업부하를 포함하지 않아 자동화개폐기의 투자만 고려하여도 비용 편익 비율이 1 미만으로 경제성이 없음을 확인하였다. 산업부하를 포함한 피더 1, 피더 2, 피더 5는 신뢰도 향상에 따른 편익이 크게 나타나 ESS의 투자를 추가로 고려하여도 비용 편익 비율이 1을 초과하여 경제성이 있는 것을 알 수 있다.