2.1 해외사례

그림 2과 같이, 북미지역 계통 운영을 담당하는 ISO/RTO는 계절별등급(SAR) 이상의 선로등급 선정 방식을 채택하고 있다^[9]. 또한 미국은 2021년 FERC Order 881에 의해 선로등급을 결정하는 방식 중 하나인 주변온도 예측 등급(AAR) 사용을 2025년 7월까지 의무화하였다^[10].

해당 기술 도입을 위해 ISO/RTO는 TO가 최소 매시간 선로등급을 전자적으로 업데이트할 수 있는 OASIS와 같은 시스템과 절차 구축이 필요하며, TO가 제출한 선로등급의 정합성을 검토한다. 만약 데이터 오류 및 통신 불량으로 제출된 선로등급을 사용할 수 없을 경우, 사전 계산된 계절별 등급을 대체 등급으로 활용한다. 북미 뿐만이 아닌 해외 여러 국가에서 DLR 도입을 위한 연구를 진행하고 있으며 사례는 표 2와 같다^[5].

2.2 열용량 산정 방식

선로의 허용전류를 구하는 방식은 크게 두 가지로, 식 (1) CIGRE와 식 (2) 국제전기전자기술자협회(IEEE) 방식으로 분류된다.

여기에서, $q_{c}$는 단위 길이당 대류열 손실[W/m]

$q_{cf1}$는 저풍속영역의 손실

$q_{cf2}$는 고풍속영역의 손실

$q_{cn}$는 무풍시의 손실

$q_{r}$은 단위 길이당 복사열 손실[W/m]

$q_{s}$는 태양으로부터의 열 획득 [W/m]

$q_{j}$는 도체 내부의 전류로 인한 저항 발열[W/m]

($q_{j}$ = $I^{2}R_{ac}(T_{a})$)

$q_{m}$은 자기에 의한 열 획득[W/m]

$q_{w}$는 증발에 의한 열 손실[W/m]

$q_{i}$는 코로나에 의한 열 손실[W/m]

$k_{\phi}$는 풍향각 보정계수

$T_{a}$는 주위 공기온도[°C]

$T_{s}$는 도체 온도[°C]

$R_{ac}$는 교류저항[Ω/km]

열용량 $P$ = $\sqrt{3}$ V I

위 열평형방정식은 (1)의 CIGRE방식이 더욱 정밀하지만, $q_{m}$, $q_{w}$, $q_{i}$는 평가가 어렵고 발생 또한 드물어 일반적으로 열평형방정식에서 제외 사용된다. 결과적으로 동일한 식이 산출되며, 위 식 (3)으로 허용전류와 선로용량을 산정할 수 있다^[11].

대류열 손실 $q_{c}$는 (4-6)으로 계산되며, 저풍속, 고풍속, 무풍시 중 가장 큰 값을 적용한다. $p_{f}$는 공기의 밀도, $V_{w}$는 풍속,$\mu_{f}$는 공기의 점도이다. 복사열 손실 $q_{r}$는 식 (8)와 같으며 $D_{0}$는 도체의 직경, $\epsilon$은 방사계수이다. 태양으로부터의 열 획득은 식 (9)로 계산되며 태양의 위도와 경도, 도체의 방향 및 도체의 표면 상태에 따라 달라진다. $\alpha$는 태양열 흡수계수,$Q_{se}$는 일사량, $\theta$는 태양광선의 유효 입사각, $A^{'}$는 선종에 따른 도체 투영 면적이다.

2.3 국내 열용량 적용 기준

본 논문에서의 도체 허용전류는 IEEE의 허용전류 계산 방식과 한전 가공송전선 선정기준에서 제시된 JCS 방식의 교류저항 표 3의 데이터를 적용하였다^[12].

주위온도의 경우 1977년 대구지역에서 기록된 39.5[°C]에 마진을 둔 40[°C]가 적용되었으며, 풍속의 경우 35[°C] 이상과 풍속 0.5[m/s] 이하, 일사량 0.1[W/m²] 이상일 확률은 0%로 분석하여 0.5[m/s]의 풍속이 적용되고 있다.

앞서 설명한 식 (3)을 이용하여 계산한 전선별 연속허용전류는 상기의 표 5와 같으며, 그 값의 차이는 일부 오차를 제외하고 실제 연속허용전류와 거의 동일한 값이 산출된다.

그림 3, 4의 결과 대기온도의 경우 4~8[℃] 구간에서 19.4A로 가장 큰 증가량을 보였으며, 풍속의 경우 0.05~1[m/s]에서 55.84A로 허용전류 증가량이 가장 높게 분석된다.

3.1 SAR 적용 대상 선로 선정 절차

본 사례 연구에서는 SAR의 계통 안정화 효과 분석을 위해 재생에너지의 급격한 증가와 많은 선로 보강이 예상되는 가까운 미래인 2026년을 기준으로 분석하였다. 계시별 DB의 시간대는 춘하추동*조주석야 6시간, 하계피크(17~21시), 동계피크(10~16시), 오프피크(춘계야간, 22~4시)로 구분하였고, 1년을 춘하추동*조주석야 16개와 피크 3개로 총 19개로 구분하였다.

SAR 적용을 위한 선로 우선순위 선정 절차는 그림 5과 같다. 과부하 여부는 상정고장시 정격용량의 120%로 초과 여부를 기준으로 판단하였다. 지중선로와 혼합선로(지중-가공)는 도체표면온도 정보 부족, 센서의 부정확성, 지중-가공선로의 구분에 어려움으로 인해 SAR 적용 대상에서 제외하였다. 또한, 열적제약만을 고려하기 위해 과도안정도 모의를 통해 발산 선로는 제외하였다. 최종적으로, DB별 과부하가 발생한 선로의 빈도를 합산하여 SAR 적용 우선순위를 선정하였다.

검토 DB내 상정고장 분석을 통해 확인된 과부하 선로는 총 117개이며, 이 중 지중선로와 혼합선로를 제외하면 23개의 선로가 선정되었다. 또한, 과부하가 발생한 모든 선로는 154kV로 과도불안정으로 발산한 선로는 존재하지 않았다. 그림 6은 과도안정도 수렴 여부를 판단하기 위한 예시로 ‘정공s-담양’선로의 과도안정도 분석 결과이다. 상기의 방식으로 SAR 적용을 위한 과부하 발생 선로의 과도안정도 분석을 통해 열적제약 선로만을 선정하였다.

SAR 적용 효과가 높을 선로 분석 시, 과부하 빈도가 많은 선로를 높은 우선순위로 두었다. 또한, 동일한 과부하 발생 빈도의 선로는 발생 과부하율이 높은 선로를 우선순위로 두었다.

‘정읍-담양’ 선로의 경우 19개 분석 DB에서 N-1, N-2 상정고장 시 총 51번의 과부하로 가장 많은 과부하가 발생하였다. 우선순위 산정 결과는 표 6과 같다.

3.2 기상 시나리오 구성

기상청 종관기상관측(ASOS)의 국내 과거 기상 데이터를 활용하여 SAR 적용에 따른 열적제약 완화 효과 분석을 위해 표 7의 시나리오를 구성하였다. 시나리오1과 2는 22년간의 대기온도 데이터와 보수적으로 산정된 국내 풍속기준 0.5m/s에서 0.1m/s 증가에 따른 효과를 분석하였다. 시나리오3은 보다 정밀한 대기온도 적용을 위해 전국을 6개 권역 ‘서울-경기’, ‘강원’, ‘대구-경북’, ‘경남-부산-울산’, ‘광주-전라’, ‘대전-세종-충청’으로 구분하였다. 풍속·풍향의 경우 종관기상관측에서도 제공되지만, 기상 관측소와 실제 선로 간의 거리 차이로 인해 오차 발생 가능성이 크다. 따라서 풍속·풍향을 제외하고 대기온도만을 기준으로 분석하였다.

시나리오1, 2에서 사용될 2000~2022년 계절별 최고 기온은 표 8과 같다^[13].

시나리오3에서 사용된 2022년 권역별 최고기온은 그림 7과 같다. 최고기온은 하계주간 대구의 37.7°C이며, 최저기온은 동계야간 서울의 13.2°C이다. 앞서 선정한 우선순위 중 ‘보은-화동’은 “충청-경북”의 지역간 연계선로로, 보수적인 선로용량 재산정을 위해 두 지역 중 최고기온이 높은 값을 적용하였다.

3.3 시나리오별 선로용량 재산정

그림 8와 같이 시나리오 1 적용 결과 ‘철원-화천’선로의 정격용량 195[MVA]이며 최대용량은 ‘동계’ 223[MVA], 최소용량은 ‘하계’ 199[MVA]로 2~14%의 여유용량이 확보되었다.

그림 9은 ‘정읍-담양’ 선로의 권역별 최고기온 적용 시나리오이다. 정격용량은 165[MVA]이며 최대용량은 동계야간의 적용온도 17.1[°C]로 200[MVA]이다. 최소용량은 하계주간 35.4[°C]로 171[MVA]이다. 시나리오 3은 시나리오 1에 비해 세분화된 최고온도를 적용할 수 있다.

그림 10은 각 시나리오 적용에 따른 선로용량 변화를 비교하였다. 그 결과 전국을 동일한 계절별 온도로 적용한 시나리오 1이 가장 용량 변화가 적었고, 풍속 기준을 0.1[m/s] 증가시킨 시나리오 2가 용량 변화가 가장 컸다.

표 9와 같이 시나리오별 과부하 빈도는 Basecase에서 260개가 발생하였고, 재산정한 선로용량을 토대로 상정사고 시 과부하 발생 빈도를 분석하였다. 그 결과 모든 시나리오에서 30 ~45%의 과부하 발생 빈도가 감소하였으며, 그 중 시나리오2에서 139개로 가장 큰 과부하 발생 빈도 감소 효과를 확인하였다.

표 10의 150% 과부하 분석은 ‘전력계통 신뢰도 및 전기품질 유지기준 및 전력시장 운영규칙’에 따라, 상정사고 시 송변전설비의 정격용량 150% 미만으로 유지하는 기준을 적용하여 검토하였다. 그 결과, 150%를 기준을 적용한 경우, 과부하 발생 빈도가 50~64% 감소한 것으로 나타났다. 특히, ‘칠보HP-정공’선로는 Basecase에서 4회 발생했던 과부하가 시나리오2에서 모두 해소되었다.