2.1 배전계통 접속 보강 절차

분산형전원을 계통에 접속하는 방법은 확정 접속방식(firm connection)과 비확정 접속방식(non-firm connection)이 있다. 먼저 확정 접속방식은 발전원의 최대출력을 보장하지만 높은 망 접속 및 보강비용이 발생하며 접속기간이 상대적으로 장시간 소요된다. 이는 최대출력의 지속이 가능하며, 출력에 변동성이 없는 화력, 원자력 등 전통적 발전원에 적합한 방식이며, 발전원의 출력 삭감(curtailment) 시 보상 지급 의무가 있다. 반면 비확정 접속방식의 경우 접속하는 발전원의 최대 출력을 보장하지 않는 계약 방식으로서, 낮은 망 접속 및 보강비용이 발생하며 접속기간이 상대적으로 단시간 소요된다. 이는 출력에 변동성이 큰 태양광, 풍력 등 재생에너지에 적합한 방식이며, 출력 삭감 시 보상지급 의무가 없다⁽⁷⁾. 하지만 비확정 접속방식의 경우에도 분산형전원 접속이 지속적으로 증가하게 된다면 출력 삭감에 대한 보상비용 지급 기준이 필요해질 것이다.

대한민국은 연계용량제한(fit-and-forget) 방식의 확정 접속방식을 채택하고 있다. 이는 분산형전원 출력은 최대이며 부하사용은 최소인 최악의 조건 속에도 별다른 제어 없이 안정적으로 배전계통의 운영이 가능하도록 분산형전원을 접속시키는 방식이다⁽⁸⁾. 분산형전원의 접속 신청 후 기술검토를 통해 문제가 발생하지 않으면 최종 접속을 결정하게 되는데, 기술검토 항목은 누적연계용량 평가, 송출전압변동, 단락용량 상회여부, 적정적압 이탈 가능성 검토, 보호기기 부동작 여부 평가, 순시전압변동률 평가, 보호기기 오동작 여부 평가 등으로 구성된다. 위 기술검토 항목에 불만족하는 경우, 분산형전원 사업자의 별도 보완 대책이 없거나 한전과 분산형전원 사업자간 합의가 이루어지지 않는 경우에는 특고압 전용선로로 접속이 가능하다⁽⁹⁾.

한편, 2016년 10월 1MW 이하 분산형전원 무제한 접속 보장에 따라 분산형전원의 배전계통 접속 신청이 많아지고 이로 인해 접속대기물량이 계속 쌓여가고 있는 상황 속에서, 배전선로 용량 제약의 문제로 인해 기존 배전선로에 접속할 수 없는 분산형전원의 접속 대기물량에 대한 조기해소를 위해 그림 1과 같은 접속 보강 절차를 구성하고 있다. 그림 1에서 ‘기존선로 접속’이란 분산형전원을 설치하는 곳으로부터 가장 가까운 배전선로(이하 ‘기존선로’)가 주변압기 및 배전선로의 연계용량 기준을 초과하지 않아 이 선로에 접속하는 경우를 뜻한다. 그 다음 ‘주변압기 인출변경’은 연계용량 기준을 초과하는 주변압기 및 배전선로의 경우 연계용량의 여유가 있는 다른 주변압기로 인출 케이블을 변경하는 방법인데, 이는 관련 부서 및 기관과의 협의가 어렵기 때문에 거의 이용되지 않고 있다. ‘인근선로 접속’이란 기존선로가 연계용량 기준을 초과하는 주변압기 및 배전선로 일 때 연계용량의 여유가 있는 기존선로 다음으로 가까운 배전선로(이하 ‘인근선로’)에서 연장방안을 수립하는 경우이다. 마지막으로 ‘배전선로 신설’은 위의 3가지 방법이 안 될 경우의 최종 단계로서, 연계용량에 여유가 있는 배전용 변전소 및 주변압기에서 배전선로의 경과지 선정을 통해 계획사업으로 진행하고 있다⁽¹⁰⁾. 만일 분산형전원 접속을 하려고 하는 해당 변전소의 주변압기 용량 혹은 변전소의 연계용량 여유가 없는 경우, 주변압기 증설 또는 변전소 신설과 같은 송변전 차원의 계통보강을 검토할 수 있다.

2.2 최종 접속설비 구성

분산형전원과 연계되는 최종 접속설비는 연계용량 및 전압에 따라 달라진다. 연계용량 및 전압에 따른 최종 접속설비의 구성 유형을 그림 2에 나타내었다. 전용변압기를 통해 한전 계통에 접속하는 단독 또는 합산용량 100kW 이상 저압 분산형전원은 변압기 1차 측에 전압･전류 감시기능, 고장표시 기능, 고장전류 감지 및 자동차단 기능 등을 구비한 자동차단기를 분산형전원 접속점에 설치하여야 한다. 또한 하나의 공통 연결점에서 분산형전원 용량의 총합이 250kW 이상일 경우 분산형전원 설치자는 분산형전원 연결점에 연계상태, 유･무효전력 출력, 운전 역률 및 전압 등의 전력품질을 감시하기 위한 설비를 갖추어야 한다⁽¹¹⁾. 연계용량 150kW 이상일 경우 지중 인입선을 구성하는 것이 원칙이며, 연계용량 300kW 이상일 경우 분산형전원 사업자가 해당 배전용 지상변압기의 설치공간을 무상으로 제공하며 전용으로 사용함을 원칙으로 한다⁽¹²⁾. 또한 연계용량 500kW이상일 때 특고압에 접속가능하며 위 연계용량 미만이더라도 분산형전원 사업자가 희망하고 전력회사가 이를 타당하다고 인정한다면 특고압으로 접속이 가능하다⁽¹¹⁾.

3.1 배전계통 접속 공사비 산정

분산형전원의 배전계통 접속을 위한 총 접속공사비($C_{total}$)는 최종 접속설비 공사비 및 경간 공사비로 구성되고, 다음 수식과 같이 나타낼 수 있다.

여기서 $L$은 분산형전원과 배전선로 사이의 접속거리, $L_{span}$은 전주 1경간에 해당하는 거리, $C_{span}$은 1경간 당 공사비, $C_{system}$은 최종 접속설비 공사비를 나타낸다. 식(1)의 괄호에서 1을 빼는 것은 마지막 구간에서는 전주 1경간 당 공사비가 적용되지 않고 최종 접속설비 공사비만 포함되기 때문이다. 본 연구에서는 표 3과 같은 공사비 예시를 바탕으로사례연구를 진행하였다. 분산형전원을 저압으로 접속할 경우, 연계용량이 커질수록 자동차단기, 지상변압기의 시설 등으로 최종접속설비 공사비는 더 커진다. 반면 특고압으로 접속할 경우에는 배전계통으로 전력을 보내기 위한 변압설비를 분산형전원 사업자가 시설 및 관리하므로 최종접속설비 공사비는 연계용량 100kW미만을 제외한 기타 저압 접속용량과 비교 했을 때보다 더 작은 것을 확인 할 수 있다.

* 본 표의 수치들은 예시로 보인 것이고 실제 전력회사의 공사비 정보와는 다를 수 있음

* 본 표의 수치들은 예시로 보인 것이고 실제 전력회사의 공사비 정보와는 다를 수 있음

경간 공사비를 산출하기 위한 전주 1경간 거리($L_{span}$)는 50m로 설정하였고, 특고압 전주 1경간에 16m 중하중용 콘크리트 전주, 160㎟ ACSR/AW-OC 특고압 전선, 95㎟ ACSR 중성선을 가설하는 것을 기준으로 산출된 1경간 당 공사비($C_{span}$) 3,340천원을 사용하였다. 이와 같은 기준 및 산출 공사비에 따라 기존선로와의 거리는 0.5km이고 인근선로와의 거리는 1.0km일 때 총 접속공사비 계산에 대한 예시를 표 4에 나타내었다.

3.2 경제성 기반 접속선로 선정

현재 22.9kV 일반 배전선로의 회선당 상시 운전용량은 10MVA (ACSR-OC 160㎟ 및 CNCV 325㎟ 기준)이지만 분산형전원을 배전계통에 접속할 때 해당 선로의 부하용량과는 무관하게 특고압 일반선로 누적연계용량이 상시운전용량을 초과하면 접속설비를 특고압 전용선로로 함을 원칙으로 하고 있다^(9,13). 하지만 1MW이하 무제한 접속 등으로 상당한 접속대기물량이 있고, 이를 해소하기 위해 회선당 분산형전원의 접속용량 증대를 검토하고 있음을 고려하여, 본 연구에서는 분산형전원이 배전선로에 접속한 후에 부하 전력과 발전 전력이 상쇄되어 실제 배전선로에 흐르는 총 전력이 상시운전용량 이하일 경우를 상정하였다.

배전선로에 최대전력이 흐를 수 있는 상황은 최대 부하인 상황에서 발전이 최소일 경우와 최소 부하인 상황에서 발전이 최대일 경우 중 하나이다. 먼저 최대 부하 및 최소 발전의 경우, 분산형전원은 기상 상황 등으로 발전이 전혀 없을 가능성도 있다. 따라서 최소 발전을 0으로 설정하면 배전선로에 흐르는 최대 전력($P_{DL}^{\max}$)은 다음과 같이 최대 부하($P_{Load}^{\max}$)와 같아진다.

반면 최소 부하 및 최대 발전의 경우, 선로에 접속된 모든 수요가 0이 될 가능성이 없고 배전선로에 역조류가 흐를 가능성도 있기 때문에 배전선로에 흐르는 최대 전력은 다음과 같이 절댓값의 형태로 나타낼 수 있다.

여기서 $P_{\ge n}^{\max}$와 $P_{Load}^{\min}$은 각각 배전선로에 접속된 발전기와 수요로부터 발생할 수 있는 최대 발전량 및 최소 부하를 나타낸다. 결국 배전선로에 흐르는 최대 전력은 식(2) 또는 식(3) 중에서 큰 값으로 설정해야 하고, 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.

배전선로에 대한 투자 시점을 알기 위해 부하의 연 성장률을 $r_{L}$, 발전의 연 성장률을 $r_{G}$라 하면, 식(4)로부터 $n$년 후 배전선로에 흐르는 최대 전력($P_{DL,\:n}^{\max}$)을 다음과 같이 구할 수 있다⁽¹⁴⁾.

식(5)의 값이 배전선로의 회선 당 상시 운전용량을 초과하는 $n$의 값을 구함으로써 배전선로 신설이 필요한 투자 시점을 결정할 수 있다. 그러면 식(1)의 총 접속공사비는 $n$년 후의 비용이 되므로, 다음과 같이 총 접속공사비의 현재가치($C_{total}^{PV}$)로 환산할 수 있다.

여기서 $r_{f}$는 할인율을 나타낸다. 따라서 식(6)으로부터 기존선로와 인근선로에 대한 총 접속공사비의 현재가치를 계산하고, 그 중 값이 작은 것을 접속선로로 선택하게 된다.

4.1 배전선로 투자시점 산정

본 사례연구에서는 수도권과 제주권의 특정 지역에 분산형전원 접속 신청이 접수되었을 경우를 상정하고, 부하 및 발전의 연 성장률을 고려하여 기존선로와 인근선로 중에서 경제적인 접속선로를 선정하였다. 수도권과 제주권 지역에 대한 2017년도 최대 부하 및 최소 부하를 표 5에 나타내었다. 모든 배전선로에 대하여 분산형전원의 최대 발전량은 1MW로 설정하였다.

제8차 전력수급기본계획에서 수도권과 제주권의 부하 및 태양광 발전량 전망을 바탕으로 2017년도부터 2031년까지의 증가율 평균을 구하여, 수도권 부하의 연 성장률 $r_{L,\: metro}$는 2.0%, 제주권 부하의 연 성장률 $r_{L,\: jeju}$는 3.8%, 두 지역 모두 발전의 연 성장률 $r_{G}$는 15.4%로 가정하였다. 그리고 식(5)로부터 각 배전선로에 흐르는 최대 전력을 구하여 그림 3에 나타내었다.

본 사례연구에서 선로의 최대 용량은 10MVA로 가정하였다. 따라서 그림 3으로부터 배전선로에 흐르는 최대 전력이 선로의 최대 용량을 초과하여 선로 신설에 대한 투자가 필요한 시점은 수도권 기존선로는 17년, 수도권 인근선로는 19년, 제주권 기존선로는 10년, 제주권 인근선로는 18년임을 알 수 있다.

4.2 경제성 기반의 접속선로 선정

분산형전원 접속 신청 지역에서 기존선로와의 거리를 0.5km, 인근선로와의 거리를 1.0km로 가정했을 때, 4.1절에서 산정한 투자시점을 반영하여 구한 총 접속공사비의 현재가치를 표 6에 나타내었다. 표 6에서 현재가치가 작은 것은 선택하게 되므로, 모든 경우에 기존선로에 접속하는 것이 경제적임을 확인할 수 있다.

* 할인율 5% 적용, 기준연도 2017년

그러나 총 접속공사비는 분산형전원 접속 신청 지역에서 기존선로와 인근선로의 거리가 바뀜에 따라 변동되므로, 접속선로 선정 결과도 달라질 수 있다. 따라서 기존선로까지의 거리는 0.5km로 고정하고 인근선로까지의 거리를 0.6km에서 1.0km까지 0.05km씩 변화시키면서 어떤 선로가 접속선로 선정되는지 살펴보았다. 이를 위해 5가지 연계용량 유형 모두에 대하여 인근선로 거리에 따른 총 접속공사비의 현재가치를 계산하였고, 그 결과를 그림 4 및 그림 5에 나타내었다.

그림 4로부터 수도권의 경우 접속거리와 관계없이 기존선로로 접속하는 것이 더 경제적임을 알 수 있다. 그러나 그림 5로부터 제주권의 경우에는 저압 접속 시 분산형전원 접속 신청 지역에서 인근선로까지의 거리가 가까워질수록 인근선로 접속이 경제적인 경우가 많으며, 특히 특고압 접속 시에는 분산형전원 접속 신청 지역에서 인근선로까지 거리가 0.75km(기존선로 거리인 0.5km의 1.5배)까지 인근선로 접속이 더 경제적임을 확인할 수 있다.

이는 수도권 부하의 연 성장률이 제주권에 비해 낮고 기존선로에 대한 투자시작 시점은 부하 연 성장률에만 영향을 받으므로, 투자시작 시점이 늦은 수도권이 제주권에 비해 기존선로 접속 시 공사비 현재가치가 더 낮아지기 때문이다. 그러므로 수도권의 경우 기존선로와 인근선로에 이미 접속된 분산형전원의 용량이 비슷할 경우, 기존선로로 접속하는 것이 상대적으로 유리하며 현행 분산형전원 배전계통 접속 보강 절차대로 진행해도 경제성 측면에서 문제가 없음을 알 수 있다. 반면 부하 연 성장률이 높을 것으로 예상되는 제주권의 경우에는 현행 분산형전원 배전계통 접속 보강 절차대로 진행 할 경우, 장기적 관점에서 선로투자 시기가 빨라지게 되므로 경제적인 계통 보강이 어려울 가능성이 있다. 따라서 배전선로 신설에 대한 효율적인 투자가 이루어지기 위해서는 모든 분산형전원 접속 신청에 대하여 일괄적으로 그림 1의 절차를 적용하는 것보다는 접속 신청 지역의 부하 및 발전 전망과 선로와의 거리를 고려하여 비용의 현재가치 측면에서 더 나은 접속선로를 선정하는 것이 바람직할 것이다.