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7. 전원개발계획과 예비력
초과하는 공급력을 보유하거나, 재고를 활용하는 방법이 있음.
○ 그러나 전력에너지는 생산과 동시에 소비되는 것으로서 다른 상품과 같이 여유분을 재고로 저장하여 활용할 수가 없음.
○ 따라서 계속적으로 변화하는 부하에 대하여 항상 공급능력을 확보하 기 위해서는 최대수요 이상의 발전설비, 즉 예비력이 필요하게 됨.
○ 특히, 전력의 경우에는 공급부족/공급지장이 발생할 때 이로 인한 사 회․경제적 피해가 크기 때문에 적정 예비력의 확보는 발전사업을 계획하고 운용하는데 있어서 매우 중요한 요소임.
○ 전력계통에서 예비력이란 어느 특정 기간 중에 나타날 최대수요에 대하여 이를 초과하여 보유하는 설비용량 혹은 공급능력을 말함.
○ 전력계통에서 예비력이 필요한 것은 전력공급 능력을 충분히 확보하 여 공급지장(outage, loss of load)의 발생을 억제하기 위함임.
○ 즉, 전력계통의 전력공급능력은 발전기의 불시 고장, 발전소 건설공 기의 지연 가능성, 발전기의 정비(보수) 또는 정비계획상의 일정 변 화, 기타 예측치 못한 이유 등으로 인하여 보유하고 있는 발전설비용 량보다는 작게 됨.
○ 또한 수요 측면에서는, 기온의 변화, 수요예측의 오차 등으로 예측된 최대수요 이상으로 전력수요가 나타날 수 있음.
○ 따라서 발전설비용량이 전력수요에 미치지 못하여 발생되는 전력공 급지장을 막기 위해서는 예측된 최대수요 이상의 설비 즉 예비력을 확보하는 것이 반드시 필요함. 또한 경우에 따라서는 전력계통의 주 파수 조절 측면에서도 추가적인 예비력이 필요함.
○ 발전계통의 운전에는 예비력이 많을수록 발전소 정비계획 수립, 발전 기 불시 고장이나 주파수 조정 등 여러 가지 상황에 대한 대처에 있 어서 유리함.
○ 그러나, 예비력이 많다는 것은 최대수요 이상의 많은 발전설비를 보 유해야 한다는 것으로서 여기에는 막대한 투자비가 추가로 소요하게 되고, 이것은 전력회사의 재무구조를 악화시키거나 전기요금을 상승 시키는 원인으로 작용함.
○ 즉 전력의 공급비용이 증가함. 반면에 예비력이 부족할 경우에는 전 력회사의 공급비용은 감소하나 전력공급 부족 사태가 빈발하여 사 회․경제적인 활동에 지장을 주고 피해비용을 발생시키게 됨. 다시 말하면 공급지장비용이 증가하게 되는 것임.
○ 따라서 이러한 공급비용과 공급지장비용을 고려할 때 전력계통에는 적정한 예비력이 확보될 필요가 있음.
○ 한편 전력계통에 필요한 예비력의 적정 수준은 전력의 공급비용과 공급지장비용 측면에서 평가될 수는 있지만, 모든 계통에 대해 일률 적으로 결정되는 것이 아니고 최대수요의 크기, 구성 발전기의 대수 및 고장정지율, 발전기의 정비 소요기간, 부하의 형태 등 계통의 특성 에 따라 변화함.
○ 따라서 적정한 예비력 수준의 결정은 전원개발계획 수립의 매우 중 요한 요소가 되며, 이를 위하여 사회․경제적인 여러 측면에서의 검 토가 필요함.
2) 예비력의 구분
○ 예비력이란 어느 특정 기간 중에 나타날 최대수요를 초과하여 보유 하는 발전설비용량 혹은 공급능력으로서, 전력계통 계획 및 운용에 있어서의 필요에 따라 혹은 시간 구분에 따라 다음과 같이 몇 가지 로 분류할 수 있음.
○ 그림 3-1은 여러 가지 예비력을 개념적으로 나타낸 것임.
(1) 설비예비력
○ 설비예비력(Capacity Reserve Margin)이란 연간 최대수요를 초과하여 보유하는 설비의 크기 즉, 연간 최대부하발생 시의 계통 설비용량에 서 연간 최대수요를 공제한 설비용량을 말함.
○ 일반적으로 설비예비력이 클수록 운전 가능한 설비용량을 많이 확보 할 수 있어서 계통 운용이 용이해지고 이에 따라 공급신뢰도 (generation system reliability)도 높아짐.
○ 그런데 계통 운용측면에서 요구하는 설비예비력은 일정하지 않고 계 통의 규모가 클수록 증가하므로 계통의 공급신뢰도를 평가하는 수단 으로서 설비예비력보다는 설비예비율을 사용함.
○ 여기에서 설비예비율이란 연간 최대수요에 대한 설비예비력의 크기 를 나타내는 백분율로서 퍼센트 예비율이라고 하기도 함.
○ 설비예비력 및 설비예비율의 일반적인 계산 방식은 다음 식과 같음.
⁻ᶛ╟ᶛ(MW ) = ⁻ᶛ☀ᜠ(MW ) - ╇ⲳⅯ◫(MW )
⁻ᶛ╟ᶛ♿( %) = ⁻ᶛ╟ᶛ(MW )
╇ⲳⅯ◫(MW ) ×100
○ 한편, 설비예비력이나 설비예비율은 전원개발계획 단계에서 사용하는 개념으로서, 확률적 신뢰도지수10)가 개발되기 전에는 전원개발계획 단계에서 널리 이용됨. 설비예비율과 공급신뢰도와의 관계에 대해서 는 제2절에서 다시 설명하기로 함.
(2) 공급예비력
○ 전력계통에서 어느 기간 중에 공급 가능한 최대출력(공급능력)과 설 비용량과는 차이가 있음.
10) 장기전원개발계획에 사용하는 확률적 신뢰도지수로서는 공급지장에너지 확률(LOEP : Loss of Energy Probability), 공급지장 확률(LOLP : Loss of Load Probability), F&D(Frequency and Duration) 등이 있다.
○ 일반적으로 어느 기간의 전력계통 공급능력은 계통의 설비용량에서 발전기 정비에 따른 출력감소분, 수위저하에 의한 수력발전소의 출력 감소분 및 기타 출력감소가 예상되는 용량 등을 제외한 실제 운전 가능한 출력을 말함.
○ 공급예비력이란 해당 기간의 공급능력이 해당 기간의 최대수요를 초 과하는 양(공급능력 - 최대수요)을 의미하는데, 공급예비력을 평가하 는 기간은 짧게는 일간 단위, 길게는 연간 단위임.
○ 공급예비력의 크기는 동일한 설비예비력을 갖는 경우라도 발전기 정 비계획의 변경 등에 따라 조정될 수 있음.
○ 공급예비율은 해당 기간의 최대수요에 대한 공급예비력의 백분율이 다. 공급예비력과 공급예비율의 일반적인 계산 방식은 다음과 같음.
ౌൠ╟ᶛ(MW ) = (㓋ቐඇ⚯ ౌൠᇼ(MW )) - (㓋ቐඇ⚯ ⲳⅯ◫(MW ))
ౌൠ╟ᶛ♿( %) = 㓋ቐඇ⚯ ౌൠ╟ᶛ(MW ) 㓋ቐඇ⚯ ⲳⅯ◫(MW ) ×100
○ 공급예비력은 발전기 연간 정비계획과 같은 전력계통의 운용계획의
수립․평가에 주로 사용함.
(3) 운전예비력
○ 운전예비력(Operating Reserve Margin)이란 전력계통에 투입하여 운 전하거나 신속히 기동하여 투입될 수 있는 발전설비의 공급능력이 해당 시점의 수요를 초과하는 양을 말함.
○ 이것은 공급예비력 가운데 일반 화력발전소와 같이 즉시 기동이 곤 란한 발전기의 급전정지분이 제외된 것으로서, 전력계통의 고장, 사 고 및 부하변화 등에 신속히(흔히 10분 이내) 대응할 수 있는 예비력임.
○ 운전예비력은 보통 일간 단위 이하의 계통운용 시점에서 평가하는 것으로서, 주파수 조정이나 발전기 기동정지계획 (Unit Commitment) 수립 등, 주로 단기 발전계통 운용 시의 검토 자료로서 사용됨.
○ 운전예비력 가운데 계통에 투입되어 운전 중인 발전기의 출력 여유 분 가운데 순간적인 부하변화나 발전기 고장 등에 대응할 수 있는 용량을 순동예비력(Spinning Reserve)이라 함.
MW 총 설 비 용 량
수 위 저 하 ↑
성 능 저 하
설 비 계 획 예 방 정 비 예 비 력
↓
↑ 공 급 예 비 력
↓
1월 2월 3월 4월 5월 6월 7월 8월 9월 10월 11월 12월
[그림 5-6] 예비력의 종류
나. 공급신뢰도의 의미와 계산 방법
1) 공급신뢰도와 예비력의 관계
○ 전력사업은 전력서비스를 제공하는 사업으로서, 사업의 목표가 전력
회사의 이익만을 극대화하는 방향으로만 설정되어서는 안 되며, 신뢰 도 유지도 중요하게 다루어야 함.
○ 이에 따른 전력사업 운영의 일반적인 두 가지 목표는 전력공급의 안 정성 확보와 경제적인 전력공급이라고 할 수 있음.
○ 여기에서 전력공급의 안정성은 공급신뢰도와 같은 의미인데, 이것은 정전이나 부하차단 등의 공급지장이 없이 수용가에게 전력을 안정적 으로 공급할 수 있는가에 대한 정도를 나타냄.
○ 경제적인 전력공급을 위해서는 단기적으로 주어진 전력계통을 효율 적으로 운영하여야 하지만, 장기적인 관점에서는 전력설비의 투자 규 모를 감소시키는 계통구성이 필요함.
○ 그런데 이러한 설비투자규모 감소는 전력계통의 공급신뢰도를 떨어 뜨리는 요인이 됨. 따라서 전력공급의 신뢰도 증진과 경제적인 운전 은 서로 상충되는 특성이 있음.
○ 이러한 경제운전 및 공급신뢰도를 동시에 고려하는 방법으로서 최적 화를 위한 목적함수에 전력회사의 공급비용에 사회 전체의 공급지장 비용을 포함하는 방법이 일부 시도되고는 있지만, 전력사업의 운영에 있어서는 기본적으로 수용가에 대한 일정 수준 이상의 전력공급신뢰 도를 유지하여야 하는 것은 필수적임.
○ 한편, 전력계통의 운전은 발전출력의 합이 이 항상 부하의 크기와 갖 도록 수급 균형을 이루어야 함.
○ 발전출력이 전력수요보다 크다면 계통의 주파수가 상승하므로 발전 출력을 감소시켜야 하고, 발전출력보다 전력수요가 클 경우에는 주파 수가 떨어지게 되므로 전력수요에 맞도록 발전출력을 높이지 못할 경우에는 강제로 일정량의 부하를 차단하여 수급의 균형을 이루어야 함.
○ 특히 후자와 같이 전력공급 능력이 부족하여 주파수 유지가 어렵거 나 부하를 차단하는 경우를 공급지장이라 함.
○ 전력계통에서 공급지장이 발생하는 원인으로서 가장 대표적인 것은 전력수요의 크기에 비하여 출력의 합계가 부족한 경우임.
○ 또한 발전설비용량이 충분한 경우에도 발전기의 고장정지 또는 갑작 스런 부하의 변동에 의해 일시적으로 공급능력이 부족하게 되고, 이 경우에도 공급지장이 발생됨. 따라서 전력계통의 운용에 있어서 공급 지장의 발생을 완전하게 예방할 수는 없음.
○ 발전기 고장정지와 같은 돌발적인 상황에서의 일시적인 공급지장 발 생은 계통의 운용을 통하여 대처하는 문제로서, 평상시에 운전예비력 을 충분히 확보하는 방식에 의하여 어느 정도는 이를 완화시킬 수 있음.
○ 그러나 전체 발전설비가 부족한 경우에는 계통운용(system operation) 시에 충분한 운전예비력을 확보하기가 어렵거나, 근본적으로 공급능 력이 수요보다 작을 수가 있으므로, 이 경우는 공급지장을 해결하기 위한 신속한 대처가 불가능함.
○ 이것은 단기적 계통운용이 아닌 전원개발계획 단계의 문제로서 새로 운 발전설비를 건설하여 투입하는 장기간의 대처기간이 필요함.
○ 즉, 전원개발계획 문제에 있어서 공급신뢰도를 향상시키는 것은 전체 발전설비용량을 증대시키는 것이 되며, 이는 달리 말하면 예비력(설
비예비력)을 충분하게 확보하는 것을 의미함
2) 공급신뢰도의 개념
○ 전력계통에서의 공급신뢰도란 예상되는 전력수요에 대하여 안정적인 전력공급 능력을 유지하는 정도를 나타내는 지표임.