2.1.1 공급신뢰도 계산

자원 적정성 분석의 목적은 앞서 서술한 바와 같이 전력계통의 공급신뢰도가 기준을 달성하기 위한 설비 수준의 도출에 있다. 따라서 자원 적정성 분석에서는 계통의 공급신뢰도를 계산하고 그 수준을 공급신뢰도 지표로 나타낸다.

공급신뢰도는 전력계통에서 나타나는 공급과 수요 불확실성을 고려하였을 때의 전력수급의 신뢰성 수준을 의미하는데, 전통적으로 정전 빈도, 정전 규모, 정전 일수 등의 공급신뢰도 지표로 신뢰성 수준을 정량화하고 있다^[10,11]. 국내에서는 LOLE 공급신뢰도 지표를 채택하여 LOLE 0.3일/년을 공급신뢰도 기준으로 하고 있다. 이러한 LOLE는 식 (1)과 같이 나타낼 수 있다.

여기서 $LOLP_{d}$는 일별 공급지장확률을 나타내는 공급신뢰도 지표로, 이를 연평균화하여 $LO\le$를 계산할 수 있다. 이러한 일별 공급지장확률은 해당 일에서의 불확실성을 고려하여 시간별 계통 총 공급능력($AVCP_{d,\: t}$)이 시간별 전력수요($Load_{d,\: t}$) 보다 작을 확률로, 식 (2)와 같이 나타내어진다.

일반적으로 시간별 계통 총 공급능력 및 시간별 전력수요에는 불확실성이 존재하기 때문에 단일 수치가 아닌 특정 범위에서 임의의 확률에 대응하는 확률 분포 형태를 가진다. 하지만 전력수급기본계획에서 부하 예측 불확실성을 별도로 고려하고 있기 때문에, 본 논문에서도 공급신뢰도 계산에서 전력수요에 대한 불확실성은 고려하지 않았다. 시간별 계통 총 공급능력은 전통전원 전체의 공급능력($AVCP_{d,\: t}^{Trad}$)과 변동성자원 전체의 공급능력($AVCP_{d,\: t}^{Var}$)을 합산하여 식 (3)과 같이 나타낼 수 있다.

식 (4)는 전통전원 전체의 공급능력을 의미하며, 전통전원 집합 $G$에 속한 발전기 $g$의 정격용량($CP^{g}$)에 불시고장으로 인한 고장 여부($FO_{d,\: t}^{g}$) 및 예방정비로 인한 공급능력 변화($MO_{d,\: t}^{g}$)를 고려하여 나타낼 수 있다. 식 (5)는 변동성자원의 공급능력으로, 변동성자원 집합 $V$에 속한 발전기 $v$의 정격용량($CP^{v}$)에 시간별 이용률 패턴($PT_{d,\: t}^{v}$)을 고려하여 공급능력의 변동성 및 불확실성을 반영하였다.

2.1.2 설비예비율 계산

전력계통을 구성하는 발전설비와 전력수요 정보를 식 (1)에 적용하여 LOLE를 계산할 수 있다. 하지만 이때의 LOLE는 계통의 현재 상태에서의 공급신뢰도 수준을 의미하는 것으로, 공급신뢰도 기준이 되도록 하기 위해 발전설비의 추가/제거 또는 부하 증감과 같이 계통 상태를 조정할 필요가 있다. 본 논문에서는 계통을 조정하여 LOLE가 공급신뢰도 기준에 도달한 계통을 공급신뢰도 기준 계통이라고 하였으며, 후술할 ELCC 분석과의 방법론 정합성 일치를 위해 공급능력을 조정하여 공급신뢰도 기준 계통을 도출하였다.

그림 1. 공급능력 변화에 따른 LOLE

Fig. 1. LOLE trends associated with supply capacity changes

그림 1은 공급능력 변화에 따른 LOLE 변화 추세에 대한 예시를 나타내었다. 그림에 나타낸 바와 같이 공급능력이 감소할수록 LOLE가 증가하는 추세를 보이며, 공급능력과 LOLE 사이에는 지수적인 상관관계가 나타난다^[12]. 공급능력 조정 이전의 계통에서 공급신뢰도 기준보다 LOLE가 낮으면 공급용량을 감소시키고, LOLE가 기준보다 높으면 공급용량을 증가시켜서 공급신뢰도 기준 계통을 도출한다. 이러한 계통 조정 과정을 수행하여 공급신뢰도 기준 계통에서의 공급능력이 최대부하를 초과하는 비율로써 용량적정성확보 예비율을 도출할 수 있다. 전력수급기본계획에서는 최종적으로 자원적정성 확보를 위해 필요한 설비 수준을 용량적정성확보 예비율에 불확실성 대응 예비율을 합산한 기준 설비예비율로 설정하고 있다.

2.2.1 피크기여도

최대부하 시간은 계통에서 가장 전력수급 위험이 높은 시간으로 인식되고 있다. 전력수급기본계획은 이러한 최대부하를 기준으로 발전설비 계획을 수립하므로, 급전불가능한 변동성자원은 최대부하 시간에서 전통전원을 대체하는 수준을 고려하여 실효용량을 평가한다.

국내에서는 이러한 개념을 피크기여도로 정의하고 있다. 피크기여도는 변동성자원이 피크시간(최대수요 시간을 포함하는 고수요 시간 구간)에서의 발전(이용률) 실적에 초과수준 방식을 적용하여 산정한다. 현재 국내에는 변동성자원 각각의 발전 특성 구분 없이 동일한 초과수준 90%의 기준을 적용하여 피크기여도를 산정하고 있다. 표 1은 7차부터 10차 전력수급기본계획에서 발표한 주요 신재생에너지의 피크기여도를 나타내었다.

2.2.2 Effective Load Carrying Capability

ELCC는 임의의 자원이 계통의 공급신뢰도에 기여하는 능력을 의미한다. ELCC 방법은 변동성자원에 대한 최대수요 시간 발전 실적 기반의 기존 평가 방법에서 공급신뢰도 기여 능력으로 변동성자원을 평가함으로써 변동성자원이 공급신뢰도에 미치는 영향을 고려할 수 있다는 의의가 있다.

일반적으로 간헐적 발전 특성에 의해 변동성자원이 보급될수록 공급신뢰도에 기여하는 능력이 감소하는데, 이러한 현상을 포화 현상이라고 한다. 대표적으로 주간 시간에만 발전하는 태양광 설비의 보급이 증가하면 계통의 위험시간은 저녁이나 야간 시간에 나타날 수 있다. 변동성자원이 보급됨에 따라 이러한 포화 현상이 심화되므로, 최대수요 실적만으로 평가하는 기존의 방법에서 변동성자원의 보급 영향을 고려하는 실효용량 평가 방법의 필요성이 증가하였다. 이러한 상황에서 ELCC는 변동성자원의 보급으로 인한 계통 영향을 고려할 수 있으며, 전통전원과 변동성자원 모두에 일관된 기준을 적용할 수 있는 합리적인 방법으로 평가받고 있다. 따라서 ELCC는 이용률 기반의 방법을 효과적으로 대체하기 때문에 표 2에 나타낸 바와 같이, 주요 해외 전력시장에서 ELCC 방법을 도입하여 변동성자원의 실효용량을 평가하고 있다^[13-17].

앞서 서술한 바와 같이 ELCC는 임의의 자원이 계통 공급신뢰도에 기여하는 능력을 분석하고 그 능력을 실효용량으로 평가하는 방법이다. 이를 위해 ELCC를 분석하고자 하는 자원을 포함한 계통과 제외한 계통 2가지를 구성할 필요가 있다. 그림 2는 ELCC에 대한 개념도를 나타낸 것으로, 파란색 선은 분석자원 포함 계통에서 공급능력 변화에 대한 LOLE 추세, 주황색 선은 분석자원 제외 계통에서 공급능력 변화에 대한 추세를 의미한다. ELCC는 두 선이 동일한 LOLE (공급신뢰도 기준)일 때의 공급능력 차이로 정의할 수 있다. 본 논문에서는 공급능력 조정 과정에서 투입되는 발전설비의 고장 및 정비 특성이 ELCC 분석 결과에 영향을 미치지 않도록 가상의 공급자원인 Perfect capacity를 조정하여 ELCC 분석을 수행하였다.

그림 2. ELCC 개념도

Fig. 2. ELCC conceptual framework

본 논문에서는 다양한 자원의 집합으로 구성된 포트폴리오에 대해, 포트폴리오 전체의 ELCC를 포트폴리오를 구성하는 각 자원에 배분하기 위해 Delta method를 활용하였다^[18]. Delta method는 포트폴리오를 구성하는 자원 사이에 발생하는 상호효과를 고려하여 각 자원에 분배하는 방법으로, 이를 위해 다양한 조합으로 포트폴리오를 구성하여 ELCC를 분석한다.

식 (6)은 포트폴리오에 모든 분석자원이 존재하여 상호효과가 나타나는 ELCC($ELCC_{Last -in}^{v}$)와 포트폴리오가 단일 자원으로 구성되어 상호효과가 없는 ELCC($ELCC_{First-in }^{v}$)의 차이로 자원별 상호효과($IE^{v}$)를 정의한다. 식 (7)은 포트폴리오 전체의 ELCC($ELCC^{port}$)와 상호효과가 나타나는 자원별 ELCC 합과의 차이로 포트폴리오 상호효과($IE^{port}$)를 정의한다. 식 (8)은 자원별 상호효과를 바탕으로 포트폴리오 상호효과를 각 자원에 분배하여 자원별 조정상호효과($AIE^{v}$)를 계산하였으며, 각 자원에 조정상호효과를 할당하여 최종적으로 식 (9)와 같이 ELCC($ELCC_{Delta}^{v}$)를 도출할 수 있다. 본 논문은 ELCC로 분석자원의 계통 기여 능력을 평가하였으며, 실효용량으로 도출되는 ELCC와 Capacity credit 개념인 피크기여도와의 직접적인 비교를 위해 실효용량을 정격용량으로 나눈 Capacity credit의 개념으로 ELCC를 나타내었다.

3.1.1 전력수요

본 논문에서는 전력통계정보시스템에서 공개하고 있는 연료원별 시간대별 전력거래량 데이터를 바탕으로 전력수요 패턴을 구성하였다. 이때, 연중 최대수요가 10차 전력수급기본계획 발표 목표수요의 최대수요와 동일하도록 수요 크기에 비례하여 패턴을 조정하여 미래 전력수요를 구현하였다. 분석 시나리오에 따라 각각의 전력수요 패턴을 설정하였으며, 관련 내용은 3.2 절에 후술하였다.

3.1.2 전통전원

본 논문에서는 분석 계통의 전통전원 설비를 구성하기 위해 10차 전력수급기본계획 상의 연차별 설비 내역을 참고하였다. 표 3에 연도별 발전원별 전통전원 설비 구성을 나타내었으며, 전통전원은 급전가능한 중앙 설비로 한정하였다. 표에 나타낸 석탄 발전원의 수치와 10차 전력수급기본계획 수치 사이에서 발생하는 차이는 비중앙 설비로 간주하여 표에 나타나지 않은 발전원과 함께 기타 설비로 정의하였다.

전통전원의 고장정지율 및 예방정비율은 전력거래소에서 발표하는 통계 자료를 활용하였으며, 10차 전력수급기본계획의 수립 기간을 고려하여 2021년도 전력설비 정지통계 자료를 참고하였다. 본 논문에서는 정지의 성격을 고려하여 발전원별 종합비계획정지율, 계획중간정비정지율의 합을 고장정지율로 간주하였으며, 계획예방정비정지율을 예방정비율로 간주하였다. 또한 연도별로 나타나는 정지통계 실적 차이를 고려하여 표 4과 같이 연도별 수치를 평균화하여 적용하였다.

3.1.3 변동성자원 및 기타 설비

본 논문에서는 급전 불가능한 간헐적 발전원을 변동성자원으로 정의하였는데, 이러한 발전 특성과 신재생에너지 설비의 보급 전망을 고려하여 태양광 및 풍력 설비를 실효용량 평가 방법 검토 대상으로 한정하였다. 태양광, 풍력 이외의 신재생에너지 설비들은 모두 실효용량화 하여 3.1.2절에서 서술한 비중앙 석탄 발전과 함께 기타 설비로 간주하였다. 표 5는 변동성자원과 기타 설비의 연도별 보급 전망을 나타내었다.

변동성자원의 시간대별 이용률 패턴은 10차 전력수급기본계획의 수립기간을 고려하여 2019년, 2020년, 2021년의 시간대별 전력거래량 자료를 바탕으로 시간대별 이용률을 산출하여 구성하였다. 산출한 이용률에서 피크기여도를 산정하기 위해서는 피크시간을 정의할 필요가 있는데 10차 전력수급기본계획에 피크시간은 13-17시로만 명시되어 있고 그 시기는 확인되지 않는다. 따라서 본 논문에서는 2019년부터 2021년까지 주로 7월과 8월에 최대전력이 발생한 것을 고려하여 7월과 8월인 하계를 피크시기로 간주하였다. 이러한 피크시간 조건(7, 8월 13-17시)에서 피크기여도를 산정하고, 그 수치가 10차 전력수급기본계획 발표 피크기여도(태양광 : 13.9%, 풍력 : 2.2%)와 같아지도록 최종적으로 변동성자원의 시간대별 이용률을 조정하였다.

3.2.1 기본 시나리오

기본 시나리오의 전력수요 패턴을 설정하기 위해 10차 전력수요기본계획에서 발표한 목표수요와 가장 유사한 특징이 나타나는 전력수요 패턴을 검토하였다. 목표수요에서 동계 최대수요 대비 하계 최대수요 비율은 약 106.6%로 나타났다. 2019년부터 2023년까지의 전력거래량 데이터를 분석한 결과, 2019년 패턴의 경우에서 동계 대비 하계 최대수요 비율이 107.9%로 나타나 가장 목표수요와 유사한 특성을 가진 것으로 판단되어 2019년 전력수요 패턴을 기본 시나리오의 전력수요 패턴으로 설정하였다. 이때 변동성자원의 이용률은 그 변동성을 고려하여 3개년도 이용률 모두를 기본 시나리오의 분석 대상으로 하였다. 표 6은 기본 시나리오의 구성을 나타내었다.

3.2.2 상관관계 시나리오

상관관계 시나리오에서는 전력수요와 변동성자원 이용률 간의 상관관계로 인한 실효용량 평가 방법에 대한 시사점을 분석한다. 이를 위해 전력수요의 발생 연도와 변동성자원 이용률 발생 연도의 모든 조합에 대한 시나리오를 구성하였다. 표 7은 상관관계 시나리오의 구성을 나타내었다.

3.2.3 피크시간 시나리오

피크기여도 방법은 피크시간으로 정의된 시간에서의 발전량 실적에 의존한다. 그러나 변동성자원의 보급에 따라 순부하 관점의 피크시간이 변동될 수 있기 때문에, 기본 시나리오의 전제에서 피크시간의 정의를 달리하여 시나리오를 구성하였다. S1-S9는 기본 시나리오와 상관관계 시나리오에 대한 것으로, 3.1.3.2절에서 가정한 피크시간에 대한 시나리오이다. S10-S12는 태양광 발전이 감소하는 시간에 전력수급 위험시간이 발생할 것을 고려하여 피크시간(時)을 확장한 시나리오이며, S13-S15는 하계뿐만 아니라 동계까지 피크시기(月)를 확장한 시나리오다. S16-S18은 피크시기와 피크시간 모두를 확장하였으며, S19-S21에서는 피크시기에 따른 최대수요 발생 시간을 고려하여 하계와 동계 피크시간을 별도로 정의하였다^[19]. 표 8은 피크시간 시나리오의 구성을 나타내었다.