1. 서 론

우리나라는 신재생에너지 3020 이행계획에 따라 ’30년까지 신재생에너지 발전량 비중을 20%까지 확대하는 재생에너지 중심의 에너지 전환 정책을 발표했고, 정책의 일환으로 ’30년까지 총 17.7GW(해상12GW+육상 5.7GW) 규모의 풍력 발전 보급을 목표로 추진 중에 있다. 대다수의 해상풍력 발전 사업은 사업자 중심의 입지개발 구조, 주민 수용성 확보 어려움, 민원 발생 시 인·허가 불가, 해안 인근 변전소 계통접속 용량한계 등의 사유로 사업이 지연되고 있으며, 정부의 목표 달성을 위해서는 대규모 프로젝트 중심의 보급 확대가 필요하다.

국내 해상풍력 잠재량이 높은 지역은 전북, 전남지역으로 이곳의 신재생에너지 154kV 전력계통 연계는 신규 접수가 불가할 정도로 포화상태이며, 계통접속 시기의 불확실성은 해상풍력발전 사업자가 해결할 수 없어 발전사업자의 투자 지연 및 사업 제약의 주요 요소이다^(1,2).

또한, 특정지역에 편중된 발전사업자가 각각 계통접속을 추진하는 경우 중복 투자, 국토 난개발이 우려되며, 2030년까지 대규모의 해상풍력 발전단지를 육지의 공용접속망에 연계하기 위해 발전사업자별로 접속설비(송전선로) 구축이 필요하며, 발전단지를 접속할 수 있는 한전 소유 공용변전소는 수가 한정되어 있어 특정 변전소로 집중될 가능성이 높다.

따라서, 해상풍력 발전단지의 계통접속 문제를 해결하기 위해 다수의 발전사업자가 공동으로 사용할 수 있는 공동접속설비를 구축하여 국토 난개발과 사업자의 투자지연을 해소할 필요가 있다^(3,4).

해상풍력 발전사업자의 조기준공을 지원하기 위해 공동접속모선의 입지 및 송전선로 최적 경과지 선정 과정에서 발생될 산출물이 민간사업자가 적극적으로 사용할 수 있게 지원해야 한다는 점에서 명확한 근거와 객관성이 확보되어야 한다.

따라서, 본 연구에서는 경과지 선정에 있어 다수의 경험과 실적을 보유한 한국전력공사의 경과지 선정기준을 조사하고 GIS(Geographic Information System)와 수치지도, 위성영상을 이용하여 공간분석자료 검토를 진행하였으며⁽⁵⁾, 비용 최소화 방안을 판단하기 위해 수송계획법을 경과대역 또는 후보지역에 적용하여 특수성을 고려한 선정기준을 수립하고자 한다.

2. 최적 공동접속모선 및 경과지 선정을 위한 분석기법

2.1 공동접속모선 및 경과지 선정

최근 민간사업으로 신재생에너지가 확대되면서 생산된 전력을 한전에 판매하기 위한 설비 즉, 변전소나 개폐소 입지, 가공/지중 송전선로의 경과지 선정업무가 민간으로 확대되었다. 하지만, 민간에서 추진하는 경과지 선정업무는 경험이나 실적을 다수 보유한 한국전력공사에 비해 비효율적이면서 비체계적이어서 객관적 근거가 현저히 부족하다.

또한, 개략적인 공사비 산정 결과, 해저케이블은 그 특수성에 따라 345kV 기준 1km당 약 74억, 육상케이블은 약 28억을 각각 초과하였다. 그림 1 과 같이 공동접속모선 입지에 따라 해상풍력 발전사업간 연계거리 및 그룹화 된 해상풍력 발전사업자가 부담해야 되는 해저케이블 공사비용이 크게 상이하다는 점에서 공동접속모선 입지에 따른 발전사업자 간 형평성을 유지할 수 있는 기준이 먼저 수립되어야 한다.

Fig. 1. Difference in distance depending on the location of construction collector bus & transmission line

현재, 한국전력공사의 송배전용 전기설비 이용규정 제56조 2항에 따르면 송전접속비용은 계약전력에 비례 하며, 공동접속모선 설치 분담금 결정 방식을 수식으로 표현하면 아래와 같다.

(1)

$개폐소 비용부담 =\dfrac{고객설비용량}{전체설비용량}* 설비비용$

즉, 현행 기준상 용량에 따른 분배를 원칙으로 하고 있다. 이에 따라, 개폐소의 입지에 따라 공동으로 사용하는 개폐소에 연계 시 민간사업자간 비용이 상이하기에 중립성을 기반으로 한 경과지가 선정되어야 한다.

3. 분석 결과 및 고찰

3.1 수식 응용

여러 가지 분석기법 중 본 연구에서 적용한 수송계획법의 원리 및 상세변수는 표 2에 나타내었다.

Table 2. Costing formula and analysis sequence

1. 비용 산출 수식 최적 경과지 선정을 위해 그룹핑된 해상풍력 발전단지의 거리에 따라 (첫번째)공동접속모선과 (두번째)공동접속모선이 동시에 입지해야 할 경우도 고려한 수식은 다음과 같다. ※ 단, 하나의 공동접속모선 입지 시 수식의 $\beta$는 제외한다. $\min .Z=1/\sum_{n=1}^{\infty}P_{n}\bullet\sum_{i=1}^{n}\sum_{j=1}^{m}\left(N_{\alpha}l_{\alpha}C_{\alpha ij}+N_{\beta}l_{\beta}C_{\beta ij}\right)$ $Min \cdot Z=\left[\begin{array}{c}Z_{1} \\ Z_{2} \\ \vdots \\ Z_{n}\end{array}\right]=\frac{1}{\left[P_{1}+P_{2}+\cdots P_{n}\right]} \cdot\left[N_{α} l_{α}\left[\begin{array}{ccc}C_{α1,1} C_{α1,2} \cdots C_{α1, m} \\ C_{α}, 2, & C_{α2,2} \cdots C_{α2, m} \\ \vdots & \vdots & \vdots \\ C_{αn, 1} C_{αn, 2}^{\cdots} C_{αn, m}\end{array}\right]\right. \left.+N_{β} l_{β}\left[\begin{array}{cccc}C_{β1,1} & C_{β1,2} & \cdots & C_{β1, m} \\ C_{β2,1} & C_{β 2,2} & \cdots & C_{β 2, m} \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ C_{β n, 1} & C_{β n, 2} \cdots & C_{β n, m}\end{array}\right]\right]$ 여기서, $P_{n}$는 해상풍력 발전용량[MW] $N_{\alpha}$는 해상풍력과 (첫번째) 공동접속모선 후보입지별 연계 송전선로 회선 수 $N_{\beta}$는 (첫번째) 공동접속모선와 (두번째)공동접속모선 후보입지별 연계 송전선로 회선수 $N_{\alpha}=\dfrac{P_{n}}{P_{\alpha ,\: cable}}$$N_{\beta}=\dfrac{P_{t}}{P_{\beta ,\:cable}}$ ${if},\: N<\dfrac{P_{n}}{P_{\alpha ,\:\beta cable}}\le N+1,\: N_{\alpha ,\:\beta}=N+1$ $N_{\alpha ,\:\beta}$는 자연수로 소수점은 절상 $P_{\alpha ,\:\beta}$는 발전단지와 (첫번째)공동접속모선, (두번째)공동접속모선의 선로용량 $P_{t}$는 그룹핑된 해상풍력 발전 전체용량 $C_{\alpha}$는 해상풍력과 (첫번째)공동접속모선 후보입지별 연계 송전선로 선종별 건설비[억원] $C_{\beta}$는 (첫번째)공동접속모선과 (두번째)공동접속모선 후보입지별 연계 송전선로 선종별 건설비[억원] $Z_{n}$는 발전설비와 공동접속모선 후보입지별 연계 상수[억원/MW] $\min Z$는 개폐소 연계 최소 상수[억원/MW] 2. 분석 순서 ① 격자분석 방법을 적용하며, 각 Layer별 저항치와 가중치 값을 입력하여 각 기준그룹별 중첩하여 계산한 후 격자별 거리에 따른 누적 저항값을 계산한다. ② Corridor 공간분석으로 시점과 종점 연결선의 누적 저항치가 적으면서 최단거리로 갈 수 있는 경로를 분석하여 경과대역을 도출한다.

위의 수식을 적용하기 위해 먼저, 그룹별 특성을 고려하여 가중치 및 저항치를 상이하게 부여하고, GIS 광역 DB를 적용하여 배제지역, 연계가능지역 등을 판단한 후, 수식 적용을 위한 공동접속모선 연계 비용 최소 발생 후보입지 선정에 대한 상관관계를 그림 2에 블록선도 형식으로 표현하였다.

Fig. 2. Correlation of cost associated with construction collector bus & transmission line

3.2 사례 적용

3.2.1 후보입지선정

중립성을 확보한 공동접속설비 최적 경과지 선정의 가장 중요한 과정으로 먼저, 임의의 대상 지역을 설정하고 분석항목, 저항치, 가중치 부여 등의 선정 단계를 표 3과 같이 수립하였다.

Table 3. Selection Criteria Establishment Procedure

단 계		내 용
대상지역 및 분석항목 설정		경과지 선정 시 영향을 미치는 항목 선정 및 그룹화 자연, 생활, 사회1,2 환경 및 설계/시공, 입지확보 등 27개 기준그룹으로 구분함
제한 사항 검토	법률사항 검토	입지선정단계에서는 대관 자료조사 시 법적규제와 관련된 지역이 있는지를 집중적으로 조사하여 관련 절차에 따라서 인허가 절차를 추진함
	배제기준	송전선로 경과지 배제기준은 자연환경, 생활환경, 안전성의 3가지 기준그룹으로 구분하여 법적규제에 의해 철탑입지가 불가한 지역, 민원발생 등 협의가 거의 어려운 지역, 사회적인 통념상 송전선로 입지를 배제하여야 하는 지역을 포함함
저항치 설정		통과용이 정도를 판단하는 기준으로서 저항정도에 따른 값을 말하며, 통과불가 지역(Negative Control Point, NCP)을 최고 100점에서 0점까지의 저항치를 부여하여 수치가 높을수록 저항이 심하여 송전선로 경과지로서 부적합한 구역으로 구분함 3개의 기준그룹, 10개의 평가분야, 45개 평가항목으로 구성되며 항목은 아래와 같음 (1) 기준그룹(대) : 자연환경, 사회․생활환경, 안전성 (2) 평가분야(중) : 자연환경보전, 문화/역사보전, 경관보전, 용지확보, 생산 활동, 생활환경보전, 관광자원보전, 군사시설보호, 재해예방, 설비신뢰성/안전 (3) 평가항목(소) : 녹지자연도 8등급이상, 공원(보호)구역, 주거 밀집지역 등
가중치 설정		항목 간 또는 그룹 간 중요도를 의미하는 값을 말하며, 중요도를 결정할 때는 AHP(Analytic Hierarchy Process)기법을 활용하여 객관적인 가중치 산정기준 제시함

그 다음, 비용 분석을 위해 기존 GIS 자료^(8,9)을 바탕으로 제한지역을 분석하여, 공동접속모선이 경과하기에 유력한 통과지역을 판단하여 가상 후보입지를 그림 3과 같이 선정하였다.

Fig. 3. GIS-based restricted area analysis result(2)

3.2.2 비용분석기법 적용 및 고찰

비용 분석 기법에 대한 적정성 검토여부를 확인하기 위해 한국전력공사 건설 분야 예산 기준단가⁽¹⁰⁾를 참고하여 해저 케이블(지중)은 XLPE 2000mm2 (용량 900MW 까지 허용) 케이블을 적용하였다. 해저케이블은 기준 단가 (km 당 약 74억), 육상 케이블(가공) ACSR 480mm2 x 4B(용량은 2,000MW 까지 허용) 케이블을 적용하였으며, 기준 단가 (km 당 약 28.8억)로 산정하였다. 발전용량이 1,200MW 용량의 가상 발전소의 경우 해저케이블 1회선 당 최대 용량이 900MW로 케이블 용량을 초과하기 때문에 회선을 추가 하여 XLPE 2000mm2로 설정하였다. 그림 4에서 확인할 수 있듯이, 임의의 해상 발전소 3곳(A,B,C), 해상 접속모선 3곳(A',B',C'), 육상 접속모선 3곳 (A'',B'',C'') 총 27가지 경우의 수를 설정하였다.

Fig. 4. Costing application point

케이블 거리, 발전소 용량에 따른 회선 수, 선종 등을 고려하여 고장 시 예비회선 비용을 제외한 345kV 해저와 육상 송전선로 공사비용을 산출하였다. 그 결과 표 4에서 확인 할 수 있듯이, A-A'-A''(473,258천원)이 가장 최소비용이며, C-A'-C''(1,656,499 천원)이 가장 최대비용으로 확인되었다.

Table 4. Calculation results according to applied variables

용량	Case	비용(천원/MW)
		해상	육상	총
A발전소 400MW	A-A'-A''		288,053	473,258
	A-A'-B''	185,205	720,132	905,337
	A-A'-C''		1,080,198	1,265,403
	A-B'-A''	648,217	720,132	1,368,349
	A-B'-B''		432,079	1,080,296
	A-B'-C''		504,092	1,152,309
	A-C'-A''	1,944,650	1,080,198	3,024,848
	A-C'-B''		504,092	2,448,743
	A-C'-C''		360,066	2,304,716
B발전소 800MW	B-A'-A''	324,108	144,026	468,135
	B-A'-B''		360,066	684,174
	B-A'-C''		540,099	864,207
	B-B'-A''	231,506	360,066	591,572
	B-B'-B''		216,040	447,546
	B-B'-C''		252,046	483,552
	B-C'-A''	601,916	540,099	1,142,015
	B-C'-B''		252,046	853,962
	B-C'-C''		180,033	781,949
발전소 1200MW	C-A'-A''		96,018	1,392,451
	C-A'-B''	1,296,433	240,044	1,536,477
	C-A'-C''		360,066	1,656,499
	C-B'-A''	802,554	240,044	1,042,598
	C-B'-B''		144,026	946,580
	C-B'-C''		168,031	970,585
	C-C'-A''	493,879	360,066	853,945
	C-C'-B''		168,031	661,910
	C-C'-C''		120,022	613,901

후보지 선정 기준과 기존 GIS 자료를 바탕으로 한 비용 산정 결과, 27가지 사례 중 임의의 A 발전소(400MW)를 기점으로 개폐소 A’ 지점으로 공동접속모선을 설치하는 방안을 도출하였으며, 그림 5에 나타낸 바와 같이 최적경과지 선정을 위한 그룹화 대안이 제시되었다.

Fig. 5. Result of arbitrarily site optimal transition site selection

현재 한전 경과지 선정 기준은 용량 비례하여 공동접속설비 구축 시 들어가는 비용을 배분하고 있지만, 정부의 신재생에너지 확대정책에 따라 수행하고 있는 본 연구는 해상풍력발전을 지원하기 위한 선제적 계통구축을 목표로 하고 있어 공동접속모선 입지의 선정이 선행되어야한다. 하지만, 선정되는 입지에 따라 해상풍력 발전사업자가 부담해야 하는 개폐소 연계를 위한 해저케이블 시공거리가 상이해지고 이에 따라, 발전사간 불합리성이 존재한다. 따라서, 본 논문은 국가사회적 비용의 최소화를 목표로 연구된 공동접속모선의 중립성을 확보하고자 하였다.

4. 결 론

본 연구에서는 정부정책에 맞춰 확대되고있는, 해상풍력발전사업의 최적 공동접속모선 및 송전선로 경과지 선정을 위해 현행 관련 법령의 규제사항을 검토, 저항치 및 가중치 결정, 기존 GIS(Geographic Information System)와 공간분석 자료를 통해 경과대역 또는 가상 후보지역을 선정, 수송계획법을 통해 최소 비용을 도출하였으며, 결과를 요약하면 다음과 같다.

1) 입지선정을 위한 여러 가지 기법을 비교․분석하였으며, 선형계획법의 특수한 형태로 산출이 단순하여 계산시간을 단축시킬 수 있다는 장점을 가지는 ‘수송계획법’을 적용함.

2) 중립성을 확보한 공동접속설비 최적 경과지 선정을 위해 기존 GIS 분석 자료를 바탕으로 임의의 대상 지역을 설정하고 분석항목, 저항치, 가중치 부여 등의 선정 단계를 거쳐 후보지를 선정함.

3) 케이블 거리, 발전소 용량에 따른 회선 수, 선종 등을 고려하여 고장 시 예비회선 비용을 제외한 345kV 해저와 육상 송전선로 공사비용을 산출하였다. 그 결과, 최소비용 A-A'-A''(473,258천원), 최대비용 C-A'-C''(1,656,499 천원)으로 확인됨.

4) 27가지 가상입지 중 임의의 A 발전소를 기점으로 개폐소 A’ 지점으로 공동접속모선을 설치하는 방안을 도출하였으며. 최적경과지 선정을 위한 그룹화 대안이 제시됨.

본 연구 결과를 통해 공동접속설비(접속모선+접속선로)의 최적 입지선정 기준 가이드라인을 통해 해상풍력 공동접속설비 모델 표준안을 수립하여 대규모 해상풍력발전 프로젝트의 적기 구축에 기여할 수 있을 것으로 판단되며, 접속설비 부담방안 원칙 재정립을 통한 신재생설비의 투자 활성화를 촉진하고, 해상풍력 발전단지 지정요건 및 접속설비에 대한 기술적·재무적 원칙 정비에 활용 가능할 것으로 기대된다.