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지능형 전력망이란?
최용성  |  najunewsn@hanmail.net
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승인 2014.03.06  
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스마트그리드 구축을 위하여 5대 추진 분야로 구분하였다. 즉, 지능형 전력망 (Smart Power Grid), 지능형
   
 
소비자 (Smart Consumer), 지능형 운송 (Smart Transportation), 지능형 신재생 (Smart Renewable), 지능형 전력서비스 (Smart Electricity Service) 5대 분야로 구분하였다. 이번 기고에서는 지능형 전력망에 대하여 해설하고자 한다.

발전소에서 생산된 전력을 소비자에게 공급하는데 소요되는 전력설비와 운영시스템을 통칭하여 전력망이라고 정의한다. 전력망은 크게 송전망과 배전망으로 구분하고 송전망은 발전소에서 변전소까지 철탑 등의 지지물과 전선으로, 배전망은 변전소에서 전력을 소비하는 사무실, 공장, 가정까지 전주와 전선, 변압기 등을 설치하여 전력을 공급하는데 이용되고 있다.

송전망과 배전망은 현장에 설치된 센서장치와 네트워크 그리고 컴퓨터와 운영 sw에 의해 운영된다. 현재 운영되고 있는 전력설비는 송전선로가 3만km가 넘고, 변전소가 700여개소가 있으며, 일반가정까지 전력공급용으로 연결된 배전선로는 무려 43만km에 이른다. 또한 전선을 지지하는데 쓰이는 전주가 839만기에 이르고, 전력공급용 변압기가 200만대 규모에 이른다.
이렇게 수많은 량의 전력설비가 전국의 도심, 도로, 들판이나 산악지 등에 설치되어 전력을 공급하다 한 가닥의 전선만 끊어져도 정전이 발생할 수밖에 없는 실정이다.

전력설비의 고장은 다양한 원인에 의해 발생된다. 과거에는 주로 전력설비의 제작 불량이나 인력에 의한 관리상 한계로 고장이 발생하였다. 이로 인한 고객 불편을 해소하고자 고장구간을 원격으로 찾아내어 건전구간과 정전구간을 분리하여 전력공급을 재개할 수 있는 전력망 자동화가 1990년부터 국책과제로 개발되기 시작하였다. 그후 2010년말의 전력망자동화시스템 운영성과는 정전시간 (송변전 설비 정전시간 1.6분/호, 배전설비 정전시간 13.55분/호)이나 전기품질면에서 국제 수준에 도달하였다.

그럼에도 불구하고 경제성장에 따라 중공업 중심의 산업구조가 반도체나 LCD와 같이 고품질의 전력공급이 요구되는 형태로 바뀌어 순간적인 정전만으로도 막대한 피해가 발생하는 사례가 발생하고 있다. 또한, 화력발전, 중화학 플랜트 산업과 운행중인 차량에서 배출되는 이산화탄소는 지구온난화의 주요 원인으로 지적받고 있다.
결국, 고도 정보화 사회 환경 속에서 보다 안정적인 전력공급과 이산화탄소 배출 감축을 동시에 해결할 수 있는 전력망의 지능화가 필요하게 되었다.

따라서 전력망의 지능화는 송전, 변전, 배전 전 분야에서 이루어져야 한다. 즉, 이산화탄소 배출감소를 위해 다량의 분산전원이나 전기자동차의 이용이 급증할 경우 기상변화나 생활 여건에 따라 동시에 발전, 충전을 하거나 또는 중지하게 되면 급격한 계통전압의 상승이나 과도현상, 부하 불일치 등으로 계통 운영상 문제가 발생할 수 있다.
이러한 배경에서 8,000개가 넘는 배전선로의 각 구간별로 적절하게 감시하고 운영하는 것은 현재의 자동화시스템으로는 곤란하므로 배전망의 지능화가 필요하다.

지능형 전력망은 다양한 형태의 전력 에너지 소비․공급원과 연계가 자유로운 개방형 전력망을 구축하여 새로운 비즈니스 모델의 창출이 가능한 기반을 조성하고, 전력망 고장의 사전예측 및 자동복구 체제의 구축을 통해 고품질․고신뢰성이 확보된 전력을 공급하는 것을 목표로 추진되었다.
지능형 전력망은 기존의 전력망에 정보․통신 기술 (ICT)을 접목하여 전력망의 신뢰도 및 운용 효율을 향상시키는 기술이다. 지능형 전력망은 지능형 송전시스템, 지능형 배전시스템, 지능형 전력기기 및 지능형 전력통신망으로 구성된다.

지능형 전력망의 고품질, 고효율, 고신뢰성을 추구하기 위한 1단계 목표 (2010년~2012년)는 지능형 전력망 구축 기반 조성 단계로서 광역계통 감시시스템(WAMS-SIPS) 구축, 국제표준방식의 디지털 변전시스템 구축, DC 배전시스템 타당성 검토, 스마트배전시스템 기본 설계 및 구축, 스마트 전력 통신망 표준 등 기반구축 등 지능형 송전 시스템이 구축된다. 2단계 목표 (2013년~2020년)는 도시단위 지능형 전력망 구축으로서 광역계통 실시간 감시․제어시스템 구축, 디지털 변전 시스템 확대 적용, DC 배전 설계 및 운영기술 확보 등 지능형 송배전 시스템의 확대 적용 및 실시간 운영이 추진될 예정이다. 3단계 목표 (2021년~2030년)는 국가단위 지능형 전력망 운영으로서 광역계통 보호․자동복구 체계 구축, 전력, 가스, 수도 등 통합에너지 스마트그리드기자재 개발 및 시스템 구축 등 국가 단위의 지능형 송배전시스템 및 통합에너지 스마트그리드가 구축된다.

지능형 전력망 핵심 기술

구 분
지능형 송전 시스템
실시간 계통해석, 안정화 계획, 운영기술 개발
디지털 변전시스템, Advanced EMS
WAMS/WACS, 보호/자동복구 시스템 적용
지능형 배전 시스템
DR, 수요예측, 공급능력 산정
분산전원, 전기자 연계 및 통합제어 기술
통합에너지 스마트그리드 구축 (전력/가스/수도 등)
지능형 전력기기
운영설비/시스템 contents
지능형 배전기기 계통 적용
초전도 기기 계통 적용
HVDC/FACTS/Dynamic rating 계통 적용
지능형 전력통신망
ICT 통합구축/운영 기술
Cyber security
지능형 전력통신망 기술 고도화


지능형 전력망을 구축하기 위해서 상기의 핵심 기술 이외에도 전력계통운영에 영향을 줄 수 있는 요소들에 대한 분석과 대책이 다루어져야 한다. 일례로 송배전계통에서의 고장은 과거와 달리 주로 낙뢰와 애자련, 외물접촉에 의해 발생하고 있으나 이에 대한 지능화 방안은 쉽지 않다. 이런 문제들의 해결을 위한 방향을 갖고 개발과 추진이 이루어져야 한다.
따라서 전력망 지능화를 이루기 위해서 단계적으로 스마트그리드 시스템의 개발과 도입이 추진되어야 한다.

첫 번째로는 현재 전력을 공급하고 있는 송배전 설비와 운영시스템을 지능화하는 것이다. 수많은 전력설비의 고장을 막고 안정적으로 전력을 공급하기 위해서는 전력설비특성에 맞는 다양한 센서를 개발해 주요 감시 설비에 설치한 후 설비상태의 모니터링으로 고장 예측과 설비 이용율을 높일 수 있도록 기존 설비와 시스템을 보완해야 한다.

두 번째로 전력망에 접속하는 다량의 신재생에너지원이나 전기자동차 충전 등의 상태를 감시하고 자동으로 전력계통과 연동해 운전할 수 있는 인터페이스 부분의 지능화이다.

세 번째는 전력망 지능화 시스템의 성능을 향상시킬 응용 sw의 개발이다. 전력망 측면에서는 수많은 설비의 상태정보에 따라 예측과 진단으로 대응하는 시스템 중심으로 전력망을 운영해야 한다.

네 번째는 전력망의 부하평준화와 손실 최소화로 설비 이용률을 극대화하는 것이다. 전력망을 다 연계시켜 운영하게 되면 정전 발생시 고장 구간을 우회해 전력공급이 용이해지고 선로내 부하 불평형이나 과부하, 경부하를 조정함으로써 설비 이용율의 향상과 손실을 최소화할 수 있다.

스마트그리드는 구성 요소중 1~2가지만 집중적으로 추진해서는 목표 성과를 거둘 수 없다. 전력의 생산과 유통, 소비를 구성하고 있는 장치 하나하나가 상호 연계되어야 한다. 즉, 스마트그리그 기술을 통합적인 관점에서 개발하고 운영할 수 있는 비즈니스 모델 개발의 전개가 필요하다.
다음에는 스마트그리드 5대 실행 로드맵의 하나인 지능형 소비자 (Smart Consumer)에 대하여 기고하겠다.
 

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