전력계통 안정도 대책

왜 배우는가: 전력계통 안정도는 발전기 증설과 분산전원 확대로 계통 운전 여유가 줄면서 정전 사고를 막는 핵심 과제가 되었다. 시험에서는 안정도의 종류와 향상대책을 구분해 묻는 문제가 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제117회 1교시 8번, 제116회 3교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄에 쓸 정의는 다음과 같다.

전력계통 안정도는 고장이나 부하 변동 같은 외란 후에도 발전기들이 동기를 유지하며 정상 운전 상태로 복귀하거나 새로운 평형점에 도달하는 능력이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 동기화력
• 회전자각 안정도
• 과도안정도
• 정태안정도
• 동태안정도
• 상정고장
• 고장제거시간
• 고장파급방지장치

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면 전력계통이 흔들려도 발전기들이 엇박자로 밀려 나가지 않고 다시 같은 박자로 도는 성질이다. 발전기는 회전하는 기계이므로 전기 출력이 기계 입력과 어긋나면 회전자 위치(위상각)가 달라진다. 이 위상각 차이가 커져 돌아오지 못하면 계통은 불안정해진다.

정식 정의는 다음과 같다. 전력계통 안정도는 계통이 외란을 받은 후 동기 발전기들이 동기 운전을 유지하고 계통 전압과 주파수가 허용 범위에서 회복되는 능력을 말한다. 이 정의는 회전자각 안정도와 전압 안정도, 주파수 안정도를 함께 포함한다.

핵심 용어를 풀이하면 다음과 같다.

과도안정도는 큰 고장이나 사고 직후의 위상각 변화를 다룬다. 고장 제거 후 발전기들이 다시 동기를 회복하는지가 판단 기준이다. 고장 제거가 빠르면 가속 에너지가 작아 안정도가 좋아진다.

정태안정도는 작은 변동이 없는 평형점 부근에서 출력을 조금씩 늘릴 때 안정을 유지하는 능력이다. 송전 전력이 최대 전달 전력에 가까워질수록 여유가 줄어든다.

동태안정도는 부하 변동이나 풍력 출력 변동처럼 지속적인 작은 외란에 대해 진동이 감쇠하는 능력이다. 저주파 동요가 커지면 계통분리 위험이 생긴다.

동기화력은 발전기 위상각 차이가 늘어날 때 이를 줄이려고 작용하는 힘이다. 동기화력이 클수록 발전기가 평형점으로 돌아가기 쉽다.

3. 등장 배경과 필요성

전력계통은 발전소를 원거리 송전선으로 연결해 대용량 전력을 보낸다. 송전 거리가 길어지고 송전 전력이 늘면 선로 리액턴스가 커져 위상각 여유가 줄어든다. 최근에는 대용량화로 1기 탈락의 영향이 커졌다.

분산전원과 신재생에너지 발전이 늘면서 관성이 작은 인버터 전원이 계통에 많이 연결된다. 풍력과 태양광은 출력 변동이 크고 회전 관성을 주지 않는다. 그래서 계통 주파수 변화 속도가 빨라지고 안정도 대책의 필요성이 커졌다.

국내 전력계통 신뢰도 기준은 고장 유형별로 안정성 유지 기준을 정한다. 기준은 단일 고장 시 공급지장이 없어야 하고, 이중 고장 시에도 발전기 동기탈조나 고장 파급이 없어야 한다는 원칙을 둔다. 송전 전압이 높은 계통일수록 이 기준이 엄격하다. 송전 전압이 가장 높은 계통은 이중 고장에도 전압 불안정이 없도록 보강 대책을 세우도록 정한다.

고장제거시간도 중요한 기준이다. 계통검토에서는 정상적인 고장제거 시간을 관련 기준이 정한 사이클 이내로 두고, 345kV 이하 계통과 765kV 계통에 각각 다른 기준을 적용한다. 고장제거가 늦으면 발전기 가속 에너지가 커져 탈조 위험이 높아진다.

이처럼 안정도 대책은 계통 고장이 파급되어 광역 정전으로 번지는 것을 막기 위해 필요하다.

4. 구성요소·원리·절차

전력계통 안정도 대책은 계통에 큰 외란이 생겼을 때 발전기가 동기를 유지하고 전압과 주파수가 허용 범위로 돌아오도록 설비와 운영을 짜는 일이다. 대책은 설비 측면과 운영·보호 측면으로 나뉜다. 설비 측면은 송전 선로의 임피던스 감소, 계통 연계선 강화, 무효전력 보상처럼 계통 자체의 여유를 늘리는 방법이다. 운영·보호 측면은 고장제거시간 단축, 고장파급방지장치, 계통안정화장치처럼 고장이 생긴 뒤의 거동을 제어하는 방법이다.

구성요소는 다음과 같이 정리한다.

원리는 등면적법칙과 동요방정식으로 설명한다. 동요방정식은 $J\frac{d^2\delta}{dt^2}=P_m-P_e$ 로 쓰며, J는 회전체 관성, \delta는 회전자 각(rad), P_m은 기계 입력(W), P_e는 전기 출력(W)이다. 고장 중에는 P_e가 줄어 가속 면적이 커지고, 고장을 빨리 제거하면 감속 면적이 가속 면적을 넘을 수 있어 안정 상태로 돌아온다. 그래서 고장제거시간을 줄이는 것이 가장 직접적인 대책이다.

대책 적용 절차는 다음과 같다.

• 계통 모델을 만들고 상정고장(단일·이중·다중 고장)을 정한다.
• 고장 종류별로 과도안정도와 전압안정도를 해석한다.
• 불안정 개소를 찾고, 설비 보강과 운영·보호 대책 중에서 방법을 고른다.
• 효과를 재해석으로 확인하고, 설비계획과 운영방안에 반영한다.
• 운영 중에는 계통운영시스템에서 실시간으로 감시하고 주기적으로 재검토한다.

분산전원이 늘면 발전 위치와 용량이 바뀌어 기존 해석 조건이 맞지 않게 된다. 그래서 발전설비 특성자료를 검증하고 출력을 감시·예측하는 절차가 함께 필요하다.

5. 관련 법령·기준·표준

안정도 대책의 기준은 「전기사업법」에 근거한 「전력계통 신뢰도 및 전기품질 유지기준」(고시)이 정한다. 이 고시는 전력거래소와 전기사업자가 계통을 유지해야 할 범위를 수치로 규정한다. 핵심 기준은 아래 표와 같다.

고시는 이중 고장에 대한 안정성 기준도 정한다. 345kV 주요 간선계통은 이중 고장 시 발전기 동기탈조, 고장파급 확대, 전압 불안정이 없어야 하고, 필요 시 고장파급방지장치와 발전력 조정 대책을 세워야 한다. 765kV 계통은 설비유지관리 강화와 계통보강을 함께 요구한다.

분산전원 관련 조항도 있다. 신재생발전기는 전력거래소와 송·배전사업자의 출력제어 지시를 따라야 하고, 발전설비 특성자료와 출력정보를 제공해야 한다(제17조). 또한 계통 운영예비력은 주파수제어예비력, 1차·2차·3차예비력으로 나뉘며, 1차예비력은 주파수 변동 10초 이내 동작이 기준이다(제2조). 법정 기준은 「전기사업법」 시행규칙과 전력시장운영규칙이 세부 사항을 보완한다.