2.1 제8차 전력수급기본계획의 송·변전설비계획

전력수요가 점점 증가됨에 따라서 국내 전력계통의 안정도 향상을 위해서는 송전선로를 신설 및 보강하여야 부하 집중 지역에서 안정적으로 전력수급이 가능하다. 따라서 현재 건설이 지연된 설비를 중점적으로 관리하고, 설비 준공 지연에 따른 대안을 마련토록 하고 있다. 특히 HVDC 설비는 철탑 규모가 작고 전자파 발생이 적어 수용성이 높으며, 장거리·대용량 송전에 효율적이기 때문에 전세계적으로 HVDC 방식을 확대 적용하는 추세이다. 다음은 우리나라에서 중점적으로 추진 중인 송전선로 현황에 관한 표이다^[9].

위의 표와 같이 북당진 ~ 고덕간 HVDC 송전선로는 충남지역에서 발전된 전력을 수도권지역으로 인출시키 위한 공급망을 보강하기 위해서이다. 또한 신한울#1 ~ 신가평 및 신한울#2 ~ 수도권#2 HVDC 송전선로는 동해안 지역의 대규모 발전력을 계통과 연계시키기 위해서 건설되고, 북당진 - 신탕정 및 당진 T/P - 신송산 345kV 송전선로는 북당진 - 고덕간 HVDC 송전선로와 마찬가지로 충남지역 발전력을 송전하기 위한 선로를 보강하기 위해서이다. 그리고 광양 C/C - 신여수 345kV 송전선로는 여수지역 발전제약 해소 및 산업단지 전력을 공급시키기 위해서 신설되고, 고덕 - 서안성 345kV 송전선로는 수도권 융통선로 확충시키기 위함이다.

다음 표는 현재 중점적으로 추진 중인 신설 주요 변전소(변환소) 현황에 대한 표이다.

위의 표와 같이 신중부 765kV 변전소는 중부지역 전력을 공급하기 위해서 신설되고, 해당 지역의 전압불안정 현상을 해소시키기 위함이다. 또한 북당진 및 고덕, 신한울#1, 신한울#2, 신가평, 수도권#2 변환소는 해당지역 발전력을 수도권 지역으로 송전시키기 위해서 신설된다. 마지막으로 고덕 345kV 변전소는 경기 남서부 및 평택지역의 전력을 공급하기 위해서이다.

2.2 융통선로 현황

동부 및 남부 지역에서 수도권 내 부하로 전력을 공급하기 위한 융통선로가 현재에도 다수 존재하지만, 부하의 지속적인 증가로 인하여 지역간 전력을 송전하기 위한 융통선로가 보강된다. 아래 그림과 표는 제 8차 전력수급계획을 반영한 국내 전력계통을 나타낸 그림과 융통선로 현황에 관한 표이다^[10].

그림. 1. 국내 전력계통도

Fig. 1. Domestic Power System Diagram

국내 전력계통에서 융통선로는 총 6개이고, 이 중 765kV 신중부-신안성 및 강릉안인-신가평 선로 2개가 운영되고 있고, 345kV는 아산-화성 및 신온양-서서울, 신충주-곤지암, 신진천-서안성 선로 4개가 운영되어 있다. 이를 통해 동해안 및 남부지역에서 발전된 전력을 부하가 집중된 수도권 지역으로 송전되고 있다.

2.3 FV 해석

하나로 이루어진 계통을 2개의 지역으로 나누어서 그 사이에 연계된 융통선로에 흐르는 조류량을 증가시켜서 안정도를 판별하는 방법이다. 아래 그림은 하나의 계통을 A와 B 지역으로 나누어서 그에 따른 융통선로의 조류를 표현한 그림이다^[11].

그림. 2. FV 해석을 위한 계통 단순도

Fig. 2. Simple Power System Diagram for FV Analysis

위의 그림에서 A 지역의 발전단가가 B 지역의 발전단가 보다 값이 싼 경우 경제적 계통운영을 위해서 A 지역의 발전량을 증가시키고 B 지역의 발전량을 감소시킨다. 이 때, B 지역으로의 연계선로에 흐르는 융통조류의 증가로 인해서 전압안정도 한계가 어느 지점에 발생하는 확인해야 한다.

(발전력 증가 지역 A)

$P_{GAi}=P_{GAi0}+\lambda k_{GAi}P_{GA0,\:total}$

(발전력 감소 지역 B)

$P_{GBi}=P_{GBi0}-k_{GBi}\triangle P_{GA,\:total}$

(Total)

$\triangle P_{GA,total}=\Sigma\lambda k_{GAi}P_{GA0,\:total}$

$\left(\begin{array}{c}{P_{G A(B) i 0}: A 혹은 B 지역에서 i 모선의 원래 유효전력량} \\ {P_{GA0,total}: 지역 A의 원래 전체 발전량 } \\ {\triangle P_{GA0,total}: 지역 A의 전체 발전 변화량} \\ {k_{GAi}: 지역 A의 발전모선 i의 발전력 증가 부담} \\ {k_{GBi}: 지역 B의 발전모선 i의 발전력 증가 부담}\end{array}\right.$

위의 식과 같이 발전력 증가 지역에서는 해당 지역 내 각 모선의 원래 유효전력량에 원래 전체 발전량에 각 발전 모선의 부담해야할 발전력 지수를 곱한 값을 합하면 발전력 증가 지역에 발전모선에서 요구되는 발전량이다. 또한 발전력 감소 지역에서는 해당 지역 내 각 모선의 원래 유효전력량에 원래 전체 발전량에 각 발전 모선의 부담해야할 발전력 지수를 곱한 값을 차감하면 발전력 감소 지역에 발전모선에서 요구되는 발전량이다. 위의 식을 기반으로 하여 그래프를 구성할 경우, 아래 그림과 같이 형성된다. 사고 이후의 그래프들 중 한계값이 가장작게 나오는 커브에 대하여, 그 한계점에서의 발전량을 유지하고 사고를 제거하여 사고이전 커브로 회귀하면, 회귀한 한계점과 현재 운전점의 차이가 융통조류 마진이 된다.

그림. 3. FV 커브를 통한 융통조류 마진 결정

Fig. 3. Margin of Interface flow from FV Curve

2.4 DC Tap 설정

DC Tap이라고 명시된 것은 HVDC 변환소 내 변환변압기(Converter Transformer)의 탭을 말한다. 변환변압기는 HVDC 시스템 내에서 기존 AC시스템의 전압을 DC로 송전시켜주기 위하여 직류 전압으로 변환하기 위한 설비이다. 따라서 DC Tap은 기존 AC 시스템의 변압기 탭과 동일하게 계통상황에 따라서 탭을 절환하여 전압을 일정하게 유지시켜주는 역할을 취한다.

DC Tap에 관한 파라미터는 아래 표와 같다^[12].

Transformer Ratio는 변환변압기 1차측-2차측간 전압비를 말하고, Normal Tap Setting은 정상상태에서의 탭 설정값을 말하며, Max. Tap Setting 및 Min. Tap Setting은 최대/최소 탭 설정값, Tap Step은 변환변압기 내 Tap이 한번 절환될 때 변화되는 값을 말한다. 이러한 파라미터는 해당 HVDC Branch 데이터에서 변경이 가능하다.

3.1 DC Tap 조정에 따른 융통조류 여유량 모의 결과

FV해석에서 해석 파라미터 중 DC Tap 조정을 설정하고 각 융통선로 고장을 수행할 경우, 아래와 같은 결과를 도출한다. 여기서 전압 감시 모선은 서서울 모선으로 선정하였으며, 이때 FV 커브는 아래 그림과 같다.

그림. 5. DC Tap 조정에 따른 FV 커브

Fig. 5. FV curve with DC Tap control

위 그림에서는 DC Tap 설정에 따라서 5개의 융통선로 고장 시, 모의 결과를 보여 주고 있다. 이 때 융통선로 중 화성 - 아산이 건전 상태(Basecase)로부터 가장 낮은 융통전력 여유 수준을 가지고 있는 것을 확인할 수 있다. 반대로 신진천-서안성이 건전상태와 가장 유사하게 융통전력 여유 수준을 가지고 있는 것을 확인할 수 있다.

3.2 DC Tap 미조정에 따른 융통조류 여유량 모의 결과

이번에는 FV해석시에 DC Tap을 조정하지 않는 것으로 설정하고 각 융통선로 루트 고장을 FV Analysis를 통해서 수행할 경우, 아래와 같은 결과를 도출한다. 감시 모선은 위와 동일하게 서서울 모선에서 관찰했을 때, 결과 그래프는 아래 그림과 같다.

그림. 6. DC Tap 미조정에 따른 FV 커브

Fig. 6. FV curve with non DC Tap control

위 그림에서 확인할 수 있듯이, 융통선로 중 신온양-서서울이 가장 낮은 융통전력 여유량을 가지고 있다. 또한 화성-아산은 신온양-서서울 보다는 여유량이 조금 높지만 전압이 급격하게 떨어지는 것을 볼 수 있다. 반대로 신진천-서안성이 가장 높은 여유량을 가지고 있다.

3.3 융통조류 여유량 비교

사례연구의 결과를 분석해 보았을 때, DC Tap을 조정했을 때 보다 미조정하였을 때, 융통조류 여유량이 더 높다는 것을 확인할 수 있었다. 이는 융통선로에서 2회선 고장이 발생하였을 때 계통의 각 모선 전압이 감소되기 때문에, HVDC 변환소 모선에서는 HVDC 송전을 위한 정격전압을 맞춰주기 위해서 DC Tap 절환을 취하게 되는데, 이럴 경우 해당 모선의 전압을 올리기 위해서 무효전력이 추가적으로 소모되게 되어, DC Tap을 미조정했을 때에 비해 무효전력의 여유가 줄어들게 되고 이에따라 융통조류 여유량 또한 줄어들게 된 것으로 판단된다. 또한 충청지역의 대규모 발전단지에서 수도권으로 많은 전력을 송전하는데, 이중 아산-화성 선로가 감당하는 조류량이 상당히 크기 때문에 이 선로가 고장 났을 때, 주변에 심각한 영향을 미치게 되고, 다른 융통선로 사고에 비해서 가장 적은 융통조류 여유량이 도출되었다. 그리고 DC Tap을 미조정하게 되면 계통의 전압 변화와 상관없이 HVDC가 송전되므로 무효전력을 추가로 투입할 필요가 없기 때문에 DC Tap을 조정했을 때에 비해 상대적으로 융통조류 여유량이 모두 높게 도출된 것으로 사료된다. DC Tap의 조정 여부가 융통조류 한계량을 산정하는데 있어서 분명한 영향을 미치기 때문에, 앞으로 정확한 융통조류 한계량을 산정하기 위해서는 DC Tap의 효과도 적절히 반영하여 FV 해석을 수행해야 할 것으로 판단된다.