배전분야의 ‘미래 같은 현재’를 만나다(4)
 복잡해진 배전망 혼잡 관리방안

전기신문 게재(http://www.electimes.com/article.asp?aid=1562736934182413002)

□ 지난 6월 3일부터 6일까지 스페인 마드리드에서 개최된 CIRED(국제배전망협의회)는 CIGRE(국제송전망협의회)와 더불어 전력산업분야의 양대 학회 중의 하나이다. 이번 CIRED에는 총 논문 913편, 141개사의 관련제품 전시, 1,529명의 전문가가 참석하여 역대 최고의 성황을 이루었으며, 우리나라에서도 한전 전력연구원, LS산전, 충남대학교 등 배전분야 관련 다양한 연구기관, 기업, 대학 등이 참석하여 활발한 기술 교류와 29편의 논문을 발표하였다.

◈ 배전망 운영 및 보호 (세션 3)
□ CIRED 2019의 세션3에서는 배전망의 운영, 제어, 보호 분야에서 총 156편의 논문이 발표되었다. 배전망 운영 분야는 넓은 영역에서 다양한 주제가 다루어졌는데 최근 각광을 받고 있는 증강현실, 드론을 활용한 설비관리, IoT, 인공지능 기술을 적용한 최적 자산관리 관련 기술이 다루어졌고 스마트미터 데이터 활용 사례, 분산에너지자원, EV 등에 기반한 계통의 유연성 확보, 보조서비스 시장 등에 관한 연구 내용이 발표되었다. 제어 분야에서는 저압과 특고압 배전망에 대한 자동화와 분산전원 연계 선로에서의 단독운전 내용이 다루어졌고 보호 분야에서는 전통적 주제인 지락고장의 검출, 고장점 추정과 관련한 여러 국가의 실증 결과가 발표되었다.

[분산전원 제어 기술]
□ 라운드 테이블에서는 배전망에 접속되는 분산전원의 관리 이슈에 대해서 많은 토론이 있었다. 배전망에 연계되는 분산전원은 수 kW ~ 수 MW로 용량이 다양하고 매우 많은 객체가 분산되어 있기 때문에 배전계통운영자(DSO: Distribution System Operator) 입장에서 적절한 제어 전략과 접속 규정의 마련이 시급하고 유럽 전체의 공통된 규정을 수립하기 위한 활발한 토론이 이루어졌다. 

○ 특히, 배전선로의 적정 전압 유지를 위한 분산전원의 제어 측면에서는 비교적 대용량의 분산전원은 DSO가 주기적으로 직접제어하고 소용량 분산전원에 대해서는 스마트 인버터의 전압제어 기능 설정을 통해 로컬에서 자동적으로 제어되는 모델이 제시되기도 하였다. 유럽의 배전회사는 분산전원의 수용성을 향상시키고 안정적 계통운영을 위한 다양한 실증 프로젝트를 통해 계통 연계 기준 및 규정을 수립하고자 노력하고 있었다.  

[LV계통 운영 기술]
□ 배전계통 운영 분야에서는 저압계통에 대한 모니터링, 해석, 제어에 관한 최근 트렌드를 느낄 수 있었다. 전통적으로 배전운영시스템은 주로 MV(중전압) 계통을 대상으로 모니터링하고 제어의 대상으로 운영해왔다. 그러나, 분산전원, EV, ESS 등 많이 분산에너지자원이 LV(저전압) 계통에 접속하고 있어 LV계통의 복잡도가 증가함에 따라 DSO 입장에서 LV계통에 대한 정확한 운전 상태 파악이 중요해지고 있음을 알 수 있었다. 

○ 한국과 비슷하게 유럽국가의 경우도 LV계통에 대한 신뢰도 높은 계통 데이터가 확보되어 있지 않은 것으로 파악되고 이러한 문제를 극복하기 위해 LV계통에 구축된 스마트미터 데이터를 활용하여 LV계통의 연결상태를 파악하고 상(Phase)을 매칭하여 GIS(지리정보시스템)의 계통도를 현장과 정확하게 보정하는 기술 등이 프랑스의 스타트업인 ‘Odit-e’가 슈나이더와 협력하여 개발을 완료하고 DSO를 대상으로 사업화를 준비 중인 것으로 확인했다.

[PMU 활용 기술]
□ 배전계통의 복잡도가 증가하면서 배전망의 상태를 정확하게 파악하고 고장의 위치 판정 정확도를 높이기 위해 동기위상측정장치(PMU: Phasor Measurement Unit)에 대한 관심이 높았다. PMU는 고가이고 주로 송전계통에서 사용되어 왔는데, 슈나이더에서는 기능을 간소화한 저가형 PMU를 개발했고 벨기에에서는 PMU를 활용한 배전계통 적용 사례를 발표하였다. 

○ 배전선로에 설치된 설비의 전력변환기(Transducer)에 PMU를 설치하는 경우 PT, CT의 낮은 정밀도로 PMU가 측정하는 위상 정밀도가 확보되지 않는 문제가 있었고 저압계통에 PMU를 설치하는 경우에는 변압기에 의한 위상 변경의 보정 문제가 있다고 보고되었다. 그래서, 변전소 인출 계측용 MOF에 PMU를 설치하여 배전선로의 루프 순환전류 계산, 전원측 등가임피던스의 정확한 추정을 통한 단락용량 계산 정확도 향상 등으로 PMU 적용 사례가 발표되었다.

[슈나이더의 PMU prototype]

[배전망 혼잡관리 기술]
□ 다양한 분산에너지자원이 배전망에 접속함에 따라 배전망에서도 혼잡관리(Congestion Management)가 매우 중요하고 DSO 입장에서 곧 당면할 문제로 다루어졌다. 전통적인 방법으로 배전선로를 신·증설하는 것은 비용이 많이 들고 한계가 있기 때문에 배전망에 연계되는 분산전원, EV, ESS 등을 배전선로 혼잡관리를 위한 하나의 자원으로 활용하기 위한 기술들이 많이 연구되고 있었다. 신재생에너지원의 출력저감제어(Curtailment), 출력 조정이 가능한 ESS나 EV 충방전 스케줄링 기술과 선로의 운전상황에 따른 동적 운전용량 산정 기술 등이 발표되었다. 또한, 수요반응(DR: Demand Response) 분야에서도 전통적으로 계통의 피크 감축 개념보다는 유연성 자원 확보의 개념으로 접근하여 유연성 자원 거래 시장 개념도 제시되고 있다. 

○ 특히, 독일의 GmbH에서 배전계통 혼잡관리 목적으로 ‘Grid Traffic light concept’라는 개념을 제안했는데, 한정된 도로에 많은 자동차가 원활하게 통행할 수 있도록 신호등을 사용하는 것과 같이 배전망의 혼잡 정도에 따라 신호등의 개념을 도입하자는 것이다. 즉, ‘Grid Traffic light concept’에서는 ‘green, yellow, red’와 같이 세 가지 상황별 단계를 구분하여 green phase에서는 배전망에 혼잡이 없는 상태로 특별한 제약없이 발전을 하거나 전력거래를 할 수 있는 상태를 나타내고, yellow phase에서는 배전망에 혼잡이 발생하여 DSO가 유효성 자원(사전 계약된 자원, 혹은 시장에서 구매)을 활용하여 선로 혼잡을 관리하는 상태가 되겠다. 마지막 red phase 단계는 전력계통 전체의 안정도에 심각한 위험이 감지되는 상태로 이때는, 계통 운영자가 규정에 따라 출력저감 혹은 계통 탈락 등의 강제적인 제어를 하는 단계로 구분하였다. 이와 같이 유럽국가는 배전망에서의 혼잡관리를 굉장히 중요한 문제로 인식하고 있으며 관련 규정과 시장, 솔루션 개발에 많은 노력을 기울이고 있었다.

[배전계통운영자와 송전계통운영자의 협력]
□ 배전망에서의 혼잡관리가 DSO의 중요한 역할임과 동시에 DSO와 TSO간의 협력 또한 중요한 이슈로 논의되었다. 주로 송전망에 대용량으로 접속하던 발전원이 배전망에 소용량이긴 하나 접속 용량이 증가하면서 DSO와 TSO간 정보교환 및 협력이 매우 중요해졌다는 것이다. 특히, 유럽국가는 대부분 DSO와 TSO가 분리되어 있고 국가간 전력거래가 이루어지고 있는 상황에서 DSO와 TSO간 협력은 점점 더 중요해 질 것으로 인식하고 있다. 

○ 포르투갈에서는 DSO와 TSO간 원활한 정보교환을 위한 ICT 시스템에 대한 데모 프로젝트를 수행했으며 상호 정보교환 항목은 단락용량, 발전량 예측, 고장점 정보라고 소개되었다. 유럽의 여러 국가가 참여하는 SmartNet 프로젝트에서는 보조서비스 시장 운영과 관련한 DSO와 TSO간 최적화된 상호협력 체계 구축을 위한 다양한 아키텍처를 연구하고 있었다.

[다양한 DSO 형태, Alvaro Ryan]

[배전단위 서비스 개발]
□ 국내 연구자들은 최근 몇 년간 다양한 형태와 규모로 연구 개발한 스마트 시티와 마이크로그리드의 운영 기술을 발표하였다. 한전 전력연구원에서는 신재생에너지, EV 등 다양한 형태의 분산자원을 보유한 에너지 프로슈머들간 P2P 거래의 신뢰성을 보장할 수 있는 블록체인 기반의 에너지 거래 운영시스템을 개발하였다. EV를 대상으로 한 실증 사례를 발표하여 해외 기관들의 큰 관심을 받았다. 한편, 한전 전력연구원과 한전KDN은 향후 확산이 예상되는 소규모 마이크로그리드들의 상호 에너지 거래를 위한 운영시스템을 개발하고 대학 캠퍼스에서 실증한 결과를 보여주었다.

[블록체인 기반 전력거래 통합운영시스템, 한전 전력연구원]

[캠퍼스 마이크로그리드 운영시스템, 한전KDN]

[시사점]
□ 세션3 분과에서는 신재생에너지 보급률이 이미 상당히 높은 유럽 배전회사들의 고민과 기술개발 방향을 확인할 수 있는 기회가 되었다. 점차 증대되는 신재생에너지, EV, ESS 등의 배전계통 수용성을 극대화하고 동시에 배전계통의 안정적 운영을 위해, 저압 배전망 모니터링, PMU 도입, 스마트미터 데이터 활용 등 배전계통의 가관측성(Observability)를 높이고, 로컬 전력시장 운영, 혼잡관리, TSO와의 협조 체계 등 DSO의 능동적인 상호작용(Active Interaction)을 통해 배전계통의 유연성(Flexibility)을 확보하는 것이 필요하다 하겠다. 특히, 기술개발과 함께 관련한 법, 규정, 제도가 체계적으로 수립되는 것이 무엇보다 중요하다고 하겠다.