1. 서론

2001년 전력산업 구조개편을 통해 국내 전력시장은 6개의 발전사로 분리되어 경쟁 체계를 구축하였고, 전력시장과 전력계통 운영을 담당할 전력거래소를 설립하였다. 이때 무효전력 비용 보상에 관한 연구가 진행되었지만 연료비에 의해 가격이 결정되는 변동비 반영시장(cost based pool, CBP)에서 상대적으로 연료비가 아주 적은 무효전력에 대한 가격이나 보상은 이루어지지 않았다. 하지만 향후의 전력 시스템은 대단위 신재생에너지 확대, 분산형 전원 증가와 같은 에너지 패러다임의 변화로 인해 더 이상 특정 이해관계자에게 무효전력의 공급과 충분한 예비력 확보를 의무적으로 강요할 수 없게 될 것이다. 따라서 전력계통 신뢰도를 유지하고 양질의 전기 품질 유지를 위한 무효전력 공급자들의 무효전력 인프라 구축에 대한 투자 동기 부여와 안정적 공급을 위해 무효전력 서비스 보상 체계와 공정한 거래를 확보할 방안을 모색할 필요가 있다.

해외의 무효전력 서비스에 대한 보상 사례를 보면 전력시장 개방과 자유 경쟁 속에서 자연스럽게 계통 신뢰도와 전압 안정을 유지하기 위해 적용되었다. 미국은 1996년 미연방 에너지 규제위원회(FERC) Order 888을 발표하면서 전압 보상을 위한 발전기 무효전력을 보조서비스(ancillary service)로 지정하고 송전사업자의 요금에 포함되어야 한다고 명시하였다. 이 시기 무효전력 비용 보상을 고려한 이유는 송전망 시장이 개방되고 독립 계통운영자(independent system operator, ISO)가 등장하면서 안정적인 무효전력 공급과 발전사업자의 무효전력 설비에 대한 투자 동기 부여가 필요했기 때문이다⁽¹⁾. 현재 미국 내 New York ISO (NYISO), California ISO(CAISO), PJM 등 대부분의 ISO가 방식은 다르지만 발전사업자에게 무효전력 비용을 보상하고 있고 캐나다, 영국, 스웨덴, 네덜란드, 호주, 인도, 일본 등도 보상하고 있다.

국내 345㎸ 송전계통을 보면 특이점을 발견하게 되는데, 첫 번째는 345㎸ 계통 기준전압이 353㎸으로 전압조정목표(353-17㎸~353+7㎸)의 중간값보다 8㎸ 높게 운영하고 있고, 두 번째는 무효전력 보상장치의 대부분이 분로 리액터(shunt reactor)로 전압보상을 하고 있다는 것이다. 분로 리액터의 역할은 무효전력을 흡수하여 전압상승을 억제하고, 특히 경부하 시 수전단 전압 상승을 억제하기 위해 부하 측에 설치하는 게 일반적이지만, 발전모선이나 발전소 인근 변전소에도 많은 양의 무효전력 보상장치를 운영하고 있다. 분로 리액터와 같은 무효전력 보상장치는 하루에 최소 1회 이상 다빈도로 운전하며 분로 리액터 차단 시 전류재단 현상(current chopping)에 의한 과도회복전압에 의해 고장이 자주 발생하여 운영에 많은 어려움을 겪고 있다⁽²⁾.

345㎸ 계통전압과 유효전력 손실량에 대한 연구 결과에 따르면, 송전전압을 353㎸로 설정한 경우에 평균 손실량이 722㎿인데 비해 송전전압을 345㎸로 낮추게 되면 평균 손실량이 100㎿ 증가한다⁽³⁾. 또한 부하 측에 전달되는 전력은 전원 측 전압의 제곱에 비례하여 증가하고, 전압 안정도 여유분도 송전전압이 높을수록 증가한다⁽⁴⁾. 이와 같이 높은 계통전압은 송전손실 저감, 송전용량 증대 및 전압 안정도 측면에서 유리하지만, 전력설비의 열화나 절연에 악영향이 있고 특히 많은 무효전력을 필요로 한다. 계통 기준전압이 제정되고 20년이 지난 지금까지도 송전손실 절감과 발전비용 최소화를 목표로 높은 계통전압으로 운영하면서 무효전력의 비효율성이 발생하였지만, 앞으로의 전력 환경 변화에 맞는 변화가 필요하다⁽⁵⁾. 따라서 본 논문에서는 국내 345㎸ 송전계통에서의 무효전력 운영 현황을 조사하고, 해외의 무효전력 보상 사례의 검토를 통해 국내 전력시스템에서 적용 가능한 모델을 제시하였다. 또한 본 IEEE 14 표준모선과 한전 실제 계통에 대한 사례 연구를 통해 345㎸ 계통 기준전압의 재검토 필요성을 검증하였다.

2. 무효전력 운영 및 비용 산정

3. 사례 연구

무효전력은 계통전압을 보상하여 계통 신뢰도와 전압 안정도에 기여한다. 전력조류 방정식을 기본으로 부하 모선의 무효전력 필요량과 발전모선의 전압과의 관계식으로 표현하였다. 무효전력 비용은 진상 또는 지상 무효전력 공급량에 대한 함수로서, 일례로 유효전력 발전비용 함수처럼 2차 함수로 지정할 수 있다⁽⁹⁾. 그러나 국내에서는 아직 무효전력 비용을 산정하지 않고 있으므로, 본 연구에서는 무효전력 비용이 진상/지상 무효전력의 공급량에 선형적으로 비례하는 절대값 함수로 가정하고, 무효전력의 공급량 자체를 최소화하는 계통전압을 도출하는 방법을 사용하였다. 제약조건으로는 부하모선의 전압이 Emin(0.95pu)과 Emax (1.05pu)의 계통전압 유지범위를 준수한다는 조건을 적용하였다. 계통 전압의 설정에 따른 무효전력의 최소화 검증을 위해 IEEE 14 모선 시스템과 한전 실제 계통을 PSS/E 프로그램을 사용하였고, 발전모선 전압의 변화에 따른 무효전력량의 변화를 통해 무효전력의 경제급전을 고려한 계통 목표전압을 제시하였다.

4. 결 론

본 연구는 무효전력의 효율적 운영을 위해 계통의 무효전력 보상장치의 불균형을 바로 잡고, 또 경제급전을 위해 345㎸ 계통 기준전압을 재검토해야 한다는 관점에서 시작하였다. 본 연구는 송전망의 무효전력 보상장치의 비정상적 운영에 대한 의구심에서 출발하여 345㎸ 계통 기준전압의 재검토까지 이르게 되었고, 345㎸ 계통전압의 비효율성을 입증하기 위해 무효전력 공급량 측면에서의 최적화 문제를 활용하였다. 일반적인 전력시스템의 최적화나 전압보상 문제에서는 무효전력과 유효전력에 영향을 받지만, 유효전력은 상대적으로 영향이 적어 본 연구의 목적인 계통 기준전압 재검토의 필요성을 부각하기 위해 무효전력에만 초점을 맞추었다.

기본 전력조류 방정식을 활용하여 발전모선 전압을 무효전력 조정변수로 사용하여 IEEE 14 모선과 한전 실제 계통을 활용한 사례 연구로 무효전력 경제급전을 고려한 계통전압 재검토에 대한 근거를 제시하였다. IEEE 14 모선과 한전 실제 계통 사례 연구에서 무효전력 경제급전 구간은 0.98pu 부근이 최적 전압으로 확인되었다. 그러나 다른 연구결과에 따르면 송전계통의 전압을 낮추게 되면 송전손실 증가, 송전용량 감소 및 전압 안정도 여유분 축소와 같은 부정적 영향이 발생할 수 있다. 따라서 적정 송전계통 전압을 현재의 값보다 낮추되, 본 연구의 정량적 결과로 산출된 0.98pu 대신 해외 전력사의 사례와 같이 1.0pu의 기준전압으로 변경하는 것도 좋은 대안이 될 수 있을 것이다.