대규모 전력계통에서 EMS에 의한 전력계통 감시, 제어 및 운영의 목표는 무정전 전력공급, 일정 범위의 주파수 유지, 일정 범위의 전압 유지, 정전시 복구를 수행하는 것이다. 이러한 역할이 적절히 이루어질 수 있도록 전력시장 도입 이후 재무적 보상이 이루어지는 보조서비스가 도입됐다.

 

전력계통운영 기관은 실시간으로 발전과 부하 전력을 일치시키는(수급균형) 동시에 안정도를 유지해야 할 책임이있다. 이러한 기능은 기본적으로 1분 내지 5분 주기로 경제급전(주어진 전력계통 부하전력만큼 필요한 전력을 경제적으로 공급하기 위한 발전기별 출력값 계산)을 통해 1차적으로 수급균형을 유지한다.

 

전력시장의 경제급전 및 가격 결정은 1시간 또는 5분 단위로 이뤄지기 때문에 그러한 시간 간격 사이에 수급균형을 유지하기 위한 별도의 서비스 체계가 필요한데, 이러한 필요 기능을 제공하는 서비스 체계를 전력계통운영 보조서비스(Ancillary Service)라 한다. 전력계통운영 기관은 전력시장에서 전력계통운영 보조서비스(이하 보조서비스)를 구매하여 전력계통의 실시간 수급균형을 유지한다.

 

보조서비스는 전력 수급균형, 전력계통의 물리적 안정성 확보, 전기품질 유지 및 전력시장에서의 원활한 거래를 위한 필수적인 서비스로 전력시장 초기단계에서는 전력계통운영 기관의 지시에 따라 사전에 규정된 범위 이내에서 의무적으로 서비스를 공급하는 체제가 일반적이다.

 

현재 우리나라의 CBP 전력시장(변동비반영시장)도 그러한 단계에 속한다고 볼 수 있으며 국내 전력계통운영 기관인 전력거래소가 보조서비스를 위한 운영계획을 별도로 수립하고 필요량을 발전기별로 할당하게 된다. 이후 해당 발전기의 발전량 실적에 비례해 보조서비스 비용을 보상해주고 있다.

 

전력시장에서의 보조서비스 정의는 전력시장운영규칙에 따라 전력계통의 신뢰성 및 안정성과 전기품질을 유지하기위해 이루어지는 주파수조정, 적정 예비력의 확보, 자체기동 발전(정전시 복구를 위한 외부 전력 없이 발전기 기동) 등의 행위로 정의되고 있다. 대부분의 경우 일반적으로, 보조서비스는 주파수조정서비스, 예비력서비스, 자체기동서비스(Black Start), 무효전력수급 서비스(전압 조정 역할)의 4가지로 구분된다.

 

주파수조정서비스는 주파수추종운전(G/F, Governor Free Response)과 자동발전제어운전(AGC, Automatic Generation Control)으로 세분된다. 예비력서비스의 경우에는 발전기의 반응 시간과 현재 계통 병입 여부에 따라 대기예비력과 대체예비력으로 구분된다.

 

대기예비력 역시 현재 시점에서의 계통병입(전력망에 전력공급 및 제어가 가능한 상태) 여부에 따라 운전상태 대기예비력과 정지상태 대기예비력으로 분류된다.

 

 

전기는 매 순간 수요측에서 사용하는 부하전력만큼 발전소에서 전력을 생산해 송전망을 통해 보내줘야 한다(수급 균형). 전력 저장 가능량이 전력계통 규모보다 훨씬 작으므로 갑자기 예상치 못한 발전과 부하의 불균형이 생길 경우, 예를 들어 부하의 급증이나 발전기 고장에 대비해 발전기 출력증가나 감소의 여유를 가지고 있어야 일정 범위 주파수 유지가 가능하며 이를 예비력이라 한다.

전력계통운영에서의 예비력(Reserve)에는 공급예비력과 운영예비력이 있다. 공급예비력은 부하전력을 초과해 확보하는 발전기 출력의 증가 또는 감소가 가능한 여유량을 지칭한다. 그리고 우리나라 정부의 전력계통 신뢰도 및 전기 품질 유지기준(신뢰도 고시)에서는 새로운 보조서비스 체계로서 운영예비력을 평상시 안정적 주파수 유지를 위한 주파수제어예비력과 고장발생 시 주파수 회복을 위한 1차예비력, 2차예비력, 3차예비력으로 분류해 정의했다.
 

최근 도입된 우리나라 보조서비스 체계 변화를 보면 새로운 서비스 공급체계에 시간 개념을 포함시키므로써 계통운영 효율성을 제고하고자 했다.

 

신뢰도 고시에 따르면 운영예비력은 평상시 안정적 주파수 유지를 위한 주파수제어예비력이다. 고장발생시 주파수 회복을 위한 1차예비력, 2차예비력, 3차예비력을 포함시켰다. 주파수제어예비력이란 발전기의 자동발전제어(AGC) 운전을 통해 5분 이내에 동작해 30분 이상 출력을 유지할 수 있는 예비력이다. 1차예비력은 발전기의 조속기(Governor Free) 운전 및 전기저장장치의 주파수추종 운전을 통해 주파수 변동 10초 이내에 동작해 5분 이상 출력을 유지할 수 있는 예비력이다.

 

2차예비력은 발전기의 자동발전제어(AGC) 운전을 통해 10분 이내에 동작해 30분이상 유지할 수 있는 예비력을 말한다. 3차예비력이란 중앙급전발전기(20MW 이상의 EMS 제어 발전기)를 통해 30분 이내에 확보할 수 있는 예비력을 말한다.

 

 

 

전력계통에서 수요와 공급의 불일치는 발전량과 부하전력의 불균형으로 인해 주파수 변동으로 나타난다. 이렇게 실시간 혹은 1~5분의 급전주기 사이에 매 순간 발생하는 수요와 공급의 불일치를 해소하기 위해 제공되는 서비스다. 부하변동에 의한 주파수 변동을 억제하기 위한 기능을 적용 시간대별로 분류하면 아래와 같이 4가지로 구분된다.

이 중 (1)과 (2)의 부하 및 조속기 응답을 묶어 계통특성응답이라 한다. 계통 내 부하의 고유특성에 의한 주파수 변동 억제 특성과 발전기의 속도조정률에 따른 발전기 출력 조정에 의한 자동적이고 관성적인 성격의 주파수조정 기능이다. 이 중 현재 우리나라 전력시장에서 보조서비스에서 활용되고 있는 기능은 (2) 주파수추종운전 (또는 조속기응답, Governor Free)과 (3) 자동발전제어(AGC)이며, 두 항목을 묶어서 주파수조정(Frequency Regulation)서비스라고 분류한다.

자동발전제어운전은 계통의 주파수를 일정하게(신뢰도고시 기준: 59.8~60.2Hz) 유지하기 위해 전력계통운영시스템(EMS)을 통해 산정되는 발전기별 경제적 출력값(경제급전)에 근거해 각 발전기 출력이 원격으로 자동 제어되는 운전형태를 말한다. 정상상태에서 발전과 수요의 차이를 해소하도록 제어 기능이 수행된다.

주파수추종운전은 갑작스럽게 변동하는 주파수에 응답해 국부적으로 해당 발전기의 출력을 조속기에 의해 자동적으로 증 · 감발(발전기 출력 증가/감소) 하도록 설정함으로써 주파수가 정상적인 수준(59.8 ~ 60.2Hz)으로 회복될 수 있도록 한다. 보통 AGC보다 짧은 시간(수초~수십초) 내의 갑작스런 주파수 변동에 대한 1차적인 조정을 담당하게 된다. 영국에서와 같이 AGC 운전이 존재하지 않는 경우 주파수추종운전이 반응 시간대별로 세분화돼 주파수조정을 담당하고 있는 경우도 있다. 미국의 경우는 이와 반대로 계통이 워낙 크기 때문에 부분적인 상정고장으로
인한 주파수의 흔들림이 미미하고 그로 인해 AGC 운전만 시행하고 있다.

(1) 자동발전제어(이하 AGC)운전

보조서비스 경우, 전력계통운영 기관은 필요한 각 서비스별 제공 가능량을 산정해 최소 요구용량 이상으로 확보하는 것이 일반적이다. AGC 운전예비력 요구량은 안정도 및 신뢰도 기준에 규정된 범위 내에서 계통 주파수를 유지하기 위해 발전량과 부하전력과의 불일치를 조정하기 위한 전력 요구량(MW)이다. 모든 주파수조정예비력 용량은 보조서비스 관련 전력시장운영규칙이 만족되도록 운전하는 발전기의 AGC를 통하여 공급된다. 그림 1은 주파수조정예비력의 응답특성을 보인 것으로 주파수 변동이 크지 않은 정상상태에서 이루어지는 서비스임을 확인할 수 있다.

(2) 주파수추종(Governor Free)운전

조속기(Governor)는 발전기의 회전 속도 변화에 따라 자동적으로 증기 터빈의 증기 유량을 제어(조정)하는 장치를 말하며 발전기의 정격속도를 유지하기 위한 설비다. 주파수추종운전의 조속기 응답이란 전력계통운영 기관의 중앙전력관제센터의 원격지시를 받는 대신 발전기가 자체적으로 실시간 변동하는 주파수를 추종한다. 즉, 계통에 연결된 발전기 출력이 조속기에 의해 자동적으로 증 · 감발되어 주파수가 일정하게 유지되도록 운전하는 방식이다.

조속기 응답으로 공급되는 용량은 각 발전기의 속도조정율에 따른다. 속도조정율이란 조속기의 응동(주파수 변화에 따른 동작) 특성을 나타내는 것으로서 정격출력, 정격속도에서 순간적으로 무부하로 바뀌었을때 속도 상승분과 정격속도와의 비로 계산된다.

그림 2에서 보는 바와 같이 주파수 변동이 발생되면 일차적으로 조속기 응답(주파수추종운전)이 반응하고 그러한 주파수 회복 과정이 길어질 경우 경제성을 고려한 AGC 응답의 운전모드로 넘어가게 된다.

나. 대기예비력

대기예비력은 비교적 큰 차이로 발생하는 갑작스러운 예측수요의 오차, 발전기 불시고장 등에 따라 전력수급 불균형 발생 경우를 대비하여 단시간(10분~20분) 이내에 확보 가능한 발전력을 의미한다. 대기예비력의 경우 급전지시 후 10분 이내에 공급 가능한 운전상태 대기예비력과 20분 이내에 공급가능한 정지상태의 대기예비력으로 구분이 가능하다.

운전상태 대기예비력은 계통에 동기화(전력망에 전력공급이 가능한 상태)돼 운전 중인 발전기의 출력 여유분이 운전상태 대기예비력의 주 공급원이 되고, 10분 이내 이용 가능한 예비력으로 주파수조정으로 제어 가능한 범위를 초과하는 영역을 담당한다. 동기속도의 무부하로 운전 중인 발전기나 출력 증가가 가능한 발전기, 양수발전기의 펌프 운전 모드(즉, 부하 역할)에서 부하 차단이 가능할 때 예비력 공급원으로서 기여할 수 있다.

정지상태 대기예비력은 발전기가 정지상태에서 비상 시 발전기가 중앙관제센터 급전지시에 따라 기동돼 제공되는 서비스다. 서비스 가능한 발전기로서는 20분 이내에 기동이 가능한 수력, 양수, 가스터빈 발전기가 있다.

다. 대체예비력

대체예비력은 급전지시 후 30분~1시간 이내에 공급가능한 정지상태의 예비력을 의미하며 발전기 및 송전설비 고장정지 등에 대비하여 확보 가능한 예비력이다. 예비력의 주 공급원은 60분 이내에 기동이 가능한 hot standby 상태(급전지시에 따라 60분이내 전력공급 준비가 된 운전상태)의 기력발전기, 20~60분 이내 기동 가능한 가스터빈 발전기, 60분 이내 이용 가능한 발전력 또는 부하차단용량이 이에 포함될 수 있다.

라. 자체기동 보조서비스

자체기동 보조서비스는 전력계통에 광역정전이 발생할 경우에 필요한 것으로 전력회사의 계통복구 시나리오에 따라 외부 전력이 없는 상태에서 발전기 기동이 가능하도록 일부 발전기가 자체기동 발전기로 설정되어 있다. 이를 제공하는 설비에 대하여 서비스 소요 비용이 지급된다.

❺ 맺음말

본 기고에서 설명한 예비력을 포함한 보조서비스는 국가별, 전력회사/전력계통운영기관 별로 상이하며 단지 보조서비스 이해를 돕기 위해 일반적으로 통용되는 개념을 제시했다. 국가별 또는 전력회사별 계통특성이 고유하게 존재하므로 해당 특성에 적합한 예비력 종류와 예비력 확보 용량 등을 서술한 전력시장운영규칙과 함께 보조서비스 체계를 마련하면 전력 계통 및 전력시장 운영 효율성을 더욱 높일 수 있을 것이다.