2.1 UFR 부하차단 방식

주파수 안정도는 전력계통에서 외란이 발생하였을 때 계통의 주파수를 유지하는 능력을 의미한다^[9]. 계통 운영자가 대처할 수 없는 대규모 공급부족으로 급격한 주파수 저하 시에 발전기 GF 운전, 양수부하 차단 등으로도 주파수가 회복되지 않는다면 최후의 수단으로 일반부하를 자동으로 순차 차단하여 전계통 정전을 방지한다.

현재 UFR 부하차단 방식은 총 7단계로 구성되어 있으며 육지는 최대 39%, 제주는 HVDC 2회선 고장을 상정하여 최대 52%까지 부하를 차단한다. 저주파수 계전기의 오동작을 방지하기 위하여 육지계통은 0.1초의 시지연을 적용하고 제주계통은 HVDC의 주파수 보상을 위한 여유시간을 고려하여 0.167초의 시지연을 적용하고 있다.

2.2 UFR 차단부하 확보 기준

UFR 동작단계마다 적정량의 차단부하 확보를 통한 추가적인 부하 탈락 방지를 위해 전력시장운영규칙에 의해 매 분기마다 주파수 단계별 차단부하를 확보기준에 따라 확보한다. 필요 확보량은 부하차단 대상선로의 휴전 등을 고려하여 계통수요의 105%를 여유분으로 적용하고 있다.

2.3 UFR 차단부하 확보 방법

전력거래소는 전력시장운영규칙에 의해 분기별 마지막 달 3번째 수요일의 심야, 주간, 야간부하의 3가지 차단부하 확보량을 전기 사업자를 통해 확인하고 있다^[10].

그림 2. 저주파수계전기 운영 절차

Fig. 2. UFR Operating Process

2.4 육지계통 UFR 차단부하 확보 현황

23년 2분기 UFR 차단부하 확보량을 시간대와 단계별로 검토하였다. 그 결과, 육지계통의 시간대별 평균 확보율은 양호하나, 야간/심야 시간의 단계별 확보율이 과다 또는 부족 구간이 다수 발생하였다.

심야시간은 확보 기준 대비 차단부하 부족 단계가 전체 7단계 중 5단계로 이는 심야시간에 대규모 발전기가 연쇄적으로 탈락 시, UFR 동작단계가 증가할 수 있다는 것을 의미한다.

2.4.1 육지계통 주파수 모의 검토

단계별 차단부하 확보율이 부족할 때 계통 영향을 검토하기 위해 전력거래소에서 UFR 검토 시에 사용하는 주파수 모의 프로그램인 KPFS를 이용하여 주파수 모의를 수행하였다. 이 프로그램은 계통을 1기의 등가화된 발전기 모델을 동요방정식에 적용하여 실 계통의 관성정수 및 계통정수를 이용하여 주파수 모의를 수행한다.

실제로 해당 일자의 계통수요, 관성정수, 발전기 운전현황 등을 고려하여 주파수 모의 검토를 한 결과, 차단부하 확보율이 부족할 시에 일부 탈락 구간에서 동작단계가 증가하여 불필요한 부하차단이 발생하였다. 표 5를 보면 7GW의 탈락량이 정상적인 확보 현황일 때보다 후비단계가 추가로 더 동작하여 불필요한 부하차단이 발생할 수 있음을 확인하였다.

표 5 육지계통 주파수 모의 검토 결과

Table 5 Frequency Simulation Results in Mainland

2.5 제주계통 UFR 차단부하 확보 현황

제주계통의 시간대별 평균 확보율은 양호하나, 주간 시간 단계별 차단부하 확보율이 부족한 구간이 다수 발생하였다.

육지계통과는 다르게 주간 시간의 차단부하는 부족하고 심야 시간의 차단부하는 과다함을 확인할 수 있다. 주간 시간에 UFR이 동작하게 되면 일부 구간에서 UFR 동작이 추가적으로 발생할 수 있고, 야간 시간에 UFR이 동작하게 되면 실제 필요한 부하보다 불필요하게 많은 부하차단이 발생하여 주파수가 오버슈팅할 수 있는 상황이다.

3.1 차단부하 패턴 분류

현재 차단부하로 설정된 송·배전선로는 5,000개 이상으로 단계별 과·부족을 해소하기 위해 모든 차단부하를 조정하는 것은 현실적으로 불가능하다. 따라서, 전력수요 및 확보율 기준에 따라서 효율적으로 차단부하를 할당해야 한다.

전력의 소비패턴은 계절적 요인과 시간적 요인에 의해 결정되는 경우가 많다. 따라서, 차단선로의 주간, 야간, 심야 시간대별 부하 사용량 편차에 따라 패턴화하였다. 예를 들면 표 7의 ➊과 같이 주간 부하와 야간/심야 부하 간의 편차가 10%를 초과하면 해당 차단선로는 주간 부하 패턴으로 정의하였다. 이 방법을 적용하여 부하 특성을 7개 패턴으로 구분하였고, 부하 패턴 점유율과 UFR 단계별 차단 부하율 간 상관관계를 확인하였다.

23년 2분기의 육지와 제주계통의 차단부하 패턴을 분류한 결과는 상이하였다. 육지는 주간 부하가 가장 많은 반면에 제주는 야간부하가 가장 많았는데 이는 해당 계통 내 태양광 설비 비중의 차이로 보여진다.

그림 3. 계통별 차단부하 패턴 비교

Fig. 3. Comparison of UFR Patterns by Grid System

3.2 육지계통 부하패턴 분석결과

22년 3분기부터 23년 2분기까지 사계절의 차단부하 확보현황을 상기 차단부하 패턴분석 방법을 적용하여 부하를 분석하였다. 그 결과, 육지계통은 계절별로 차단부하의 비중은 차이가 있으나 패턴은 대체적으로 유사함을 확인하였다.

표 9 육지계통 단계별 부하패턴

Table 9 Stepwise Load Patterns in Mainland

주간부하의 수요 변동에 의해 차단부하 패턴이 달라지는 것을 확인하였다. 여름/겨울철 냉·난방 부하 증가로 주간 부하 변동 편차는 크게 증가한 반면, 심야 및 야간부하는 비슷한 수준으로 변동하였다. 그 결과, 주간 분기간 차단부하 필요 확보량 편차가 크게 증가하여 실제 필요 확보량이 부족하였다.

그림 4. 육지계통 계절별 계통수요 변화 및 부하패턴

Fig. 4. Seasonal Grid Demand Variation and Load Patterns in Mainland

3.3 제주계통 부하패턴 분석결과

제주계통의 사계절의 차단부하 패턴은 육지계통과는 상이하게 단계별 부하패턴에 일관성이 없음을 확인하였다.

제주계통은 특수한 전력 소비 패턴에 의해 계절별로 다양한 부하패턴을 확인할 수 있었다. 제주도에서 많은 비율을 차지하고 있는 밀감농가와 접속된 배전선로가 밀감 재배시기인 3, 4분기에는 심야와 야간에 전력수요가 증가하여 부하 패턴이 다른 분기와 상이함을 확인할 수 있었다.

표 10 제주계통 단계별 부하패턴

Table 10 Stepwise Load Patterns in Jeju

또한, 태양광 연계선로는 일조율에 따른 발전량 변동에 의해 부하 패턴이 상이했다. 계절별 부하패턴과 일조율 변화에 일관성이 없어 차단부하 확보율과의 상관관계 도출이 어려우므로 지속적인 관찰을 통한 방안 모색이 필요하다.

동일한 배전선로에 수용가와 태양광 발전단지가 함께 연결되어 있는 경우에는 일조율에 따른 태양광 발전량이 수용가 의 전력 소비량을 초과하게 되면 역조류가 발생하여 배전선로의 부하량이 음수(-)로 나올 수도 있기 때문에 오히려 이 배전부하를 UFR로 차단하게 된다면 주파수 회복에 악영향을 끼칠 수도 있다. 따라서 이를 방지하기 위해 주간 시간 대에 부하보다 발전량이 큰 선로는 UFR 차단선로에서 제외해야 한다.

그림 5. 태양광 발전량에 따른 배전부하 변동

Fig. 5. Distribution Load Changes due to PV Generation

4.1 육지계통 단계별 적정부하 차단량 검토

각 시간대 단계별 차단부하 확보율 기준을 수립하기 위해 전력거래소의 주파수 검토 프로그램으로 차단부하 확보율에 따른 UFR 동작 적정성을 분석하였다. 그 결과, 확보율이 90%일 때와 100%일 때 탈락량에 따른 동작 단계가 동일한 것을 확인하였고, 차단부하 확보의 어려움을 고려하여 수용가능한 최소 확보기준인 90%로 결정하였다.

표 13 확보율에 따른 UFR 동작결과

Table 13 UFR results based on the Reserve Ratio

4.2 육지계통 단계별 적정부하 차단량 조정

23년 2분기의 UFR 차단부하 확보현황을 패턴분석 방법을 적용하여 차단부하를 재분배하였다. 각 단계별로 과·부족 부하량을 확인하여 유사 패턴부하 간에 부족한 차단단계에 과다한 차단단계의 부하를 일부 이동시켜서 균형을 맞춘 결과, 대부분 단계에서 시간대별 확보율 기준을 만족시킬 수 있었다. 다만, 현재 UFR 차단부하를 확보하는 단계에서 하위 단계에 병원, 군사시설, 금융권 등의 주요 부하들이 주로 배치되어 있는데 이러한 차단부하의 우선순위는 고려하지 않은 조정 결과인 점을 참고해야 한다.

표 14 육지계통 차단부하 조정 결과

Table 14 UFR Load Adjustment Results in Mainland