전력계통의 특징
전력계통(Power System)은 발전소에서 생산한 전기를 수용가까지 전달해주는 시스템이라고 볼 수 있습니다. 사전적으로는 정확히 어떻게 해석을 하고 있을까요?
발전소 ·변전소 ·송전선을 포함하여 넓은 지역에 걸쳐 있는 전기적인 연계(連繫).
[네이버 지식백과] 전력계통 [electric power system, 電力系統] (두산백과)
위의 해석처럼 전력계통은 발전설비 & 수송설비 & 운용설비 & 수용설비 이렇게 구성되어있다고 볼 수 있습니다. 요즘은 수용가에서도 태양광발전을 이용하여 자가 발전을 일부 하고 전기요금을 절약하고 계신 분들도 있죠. 하지만 일단 가장 기본적인 구성으로 이해하고 특징을 파악해보겠습니다.
1. 전력계통의 특징 알아보기
(1) 시스템의 대규모성
① 발전소 위치들을 보면 아시겠지만 대부분 바닷가쪽 수도권에서 먼 곳으로 대용량 발전소들이 위치해있는 점을 알 수 있습니다. 동해, 남해, 서해에 위치한 각 발전소로부터 부하집중지역인 수도권, 경기지역 등으로 전력을 공급하기 위해서는 전력계통 또한 전국적인 규모일 수 밖에 없는 것이죠.
② 우리나라의 전력계통의 설비용량은 2021년 초 기준으로 약 129,000MW입니다. 즉 수리중이거나 고장으로 사용할 수 없거나 등 상관없이 전력계통에 연계되어 있는 전체 발전기용량을 의미한다고 보시면 될 것 같습니다. 어마어마한 양이네요...
(2) 생산과 소비의 동시성
① 발전소에서 생산된 전력은 동시간대에 분명 어느 곳에서 소비가 이루어집니다. 따라서 전력계통에서는 소비량의 변화에 따라서 생산하여 공급할 수 있는 능력이 필요하죠. 전기는 발전소로부터 각 가정, 공장 등으로 어떤 흐름이 발생해서 공급이 되는데 시간이 걸리는 것이 아니라 빛의 속도로 움직이기 때문에 발전하자마자 바로 계통에 연계된 곳에서는 전기를 사용할 수 있다고 보시면 됩니다. 전기가 왜 빛의 속도인지는 나중에 전자기학 쪽을 다루게 될 때 설명을 드릴 수 있도록 하겠습니다..!
② 전력계통에는 저장 기능이 없고, 저장은 반드시 전기 이외의 형태에 의해서만 가능합니다. 대표적인 예가 물의 위치에너지를 이용해서 발전하는 수력이 있을 수 있고, 기름이라던지 석탄 등이 있는데요. 흔히 착각하시는 것 중 하나가 바로 ESS(Electric power Storage System)는 배터리개념으로 전기에너지를 저장한다고 생각하시는 분들도 간혹 계시지만 배터리는 화학에너지로 저장이 되는 것이니 이점 참고해주세요~!
③ 발전력과 소비전력이 일치해야되고, 동시성이 있다는 것입니다. 수용가에서 전기를 얼마만큼 사용할 것인지는 정확히 알 수 없습니다. 따라서 과거 전기사용의 추이를 통해 수요가 얼마될 지 예측을 하고 실시간 감시를 통해 그에 맞도록 발전력을 맞춰주고 있습니다. 그 역할은 바로 한국전력거래소 중앙전력관제센터에서 수행하고 있습니다.
※사진출처(우) : blog.naver.com/esteelhouse/50147709838
※사진출처(좌) : www.e2news.com/news/articleView.html?idxno=220422
(3) 계통특성의 다양성
① 전력계통은 계통마다 발전, 수송, 수용설비의 구성이 다르므로, 계통에 따라 각각 다른 운용 특성을 갖게 됩니다. 예를 들면 수도권지역은 토지값도 비싸고 극심한 민원과 환경문제 등으로 발전소의 건립에 여러모로 힘든 점이 많습니다. 또한 발전소 특성 상 냉각수의 취급이 용이한 바다 쪽이 유리하므로 보통 대규모의 발전단지들은 해안가쪽 지방에 위치하고 있습니다. 그러면 이 거대한 시스템을 운용하는데에 아무래도 발전소가 많은 쪽과 소비지가 많은 쪽의 계통을 운용하기에는 서로 다른 특징이 있겠죠.
② 유효전력은 전 계통적으로 변동하게 됩니다. "유효전력은 주파수와 관련이 있고, 무효전력은 전압과 관련이 있다." 이 점을 반드시 기억해주셨으면 좋겠어요. 유효전력(단위 : W)은 실제 우리가 사용하는 에너지이고, 무효전력(단위 : Var)은 리액턴스 성분들에 의해 발생하는 에너지입니다.
발전력과 소비전력의 불균형은 곧 주파수의 변동으로 나타나게 되는데요. 쉽게 생각하면 흔히 많이 들어보신 설명이겠지만 회전하고 있는 원판에 물건을 계속 얹으면 회전하는 속도가 느려지는 개념이라고 보시면 됩니다.
우리 계통은 60Hz에 맞춰 발전기들이 조화를 이루며 다같이 으쌰으쌰하고 발전하고 있는데 수용가에서 사용하는 부하가 점점 늘어나게 되면 발전기들이 감당못하면서 단체로 나가 떨어지는 것이죠. 이렇게 결국 심각한 상황이 발생하면 블랙아웃까지도 갈 수 있게 되는 것입니다.
③ 무효전력은 국지적인 변동 특성을 갖습니다. 위에서 설명드렸듯이 무효전력은 전압과 관련이 있습니다. 산업통상자원부에서 고시한 전력계통신뢰도 및 전기품질유지기준에 따르면 전압을 어떤 범위 내로 유지하도록 명시하고 있으며 그 범위 내에서 전압을 운용하는 것은 문제없기 때문에 각 지역마다 전압이 조금씩 차이는 있을 수 있습니다. 따라서 무효전력은 각 지역마다 국지적으로 변동되는 특성을 갖게 됩니다.
(4) 중단없는 공급의 중요성
① 전기사업자(한전 등)는 양질(주파수유지, 전압범위유지, 무정전)의 전력을 중단없이 공급하는데에 있습니다. 특히 물품을 생산하는 공장의 경우엔 전압의 상태에 따라 불량품이 발생할 수 있는 등의 품질문제가 발생할 수 있어 전력계통에서부터 일정의 전압범위를 유지해주어 과전압 또는 저전압이 발생되지 않도록 해 줄 필요가 있습니다. 또한 일반 가정에서도 현대사회에서는 전기가 없으면 생활이 안 될 정도로 필수재이기 때문에 정전이 발생하지 않도록 최선을 다하는 것이 가장 중요하죠.
② 전력시설이 건설되면 장기간에 걸쳐 가동되므로, 이를 계획할 때에는 장기적인 설비 투자의 효율성과 환경, 지역과의 조화, 적극적인 신기술의 개발도입 등을 충분히 고려해야 합니다. 따라서 양질의 전력을 공급할 수 있음과 동시에 전력손실도 최소화할 수 있는 초전도기술이라던지 HVDC(초고압직류송전)라던지 등의 기술도입이 현재도 이루어지고 있습니다.
(5) 전력시스템의 사고 대책의 중요성
① 전력시스템의 사고는 미연에 완전히 제거할 수 없습니다. 즉 사고가 날 걸 예상하고 미리 대책을 세울 수는 없다는 것인데요. 따라서 사고가 났을 때 대처할 수 있는 방법을 마련하는 것이 가장 중요합니다.
② 고장이 발생되지 않도록 예방제어시스템과 사고 발생 시 사고를 신속히 제거할 수 있는 시스템을 갖추어야 합니다. 그것이 바로 전력계통에 개폐장치(차단기)를 설치하고 보호계전기를 설치하는 이유가 되겠습니다. 요즘은 전력설비예방진단시스템이라는 것도 활용되고 있어 전력설비를 상시감시하여 설비 안에서 발생된 가스를 분석하거나 부분방전(PD)에 대한 정보를 제공하여 사용자에게 미리 예고를 해줄 수 있는 장비도 개발이 되어 설치가 되고 있는 곳도 있습니다.
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