전기전자/정보통신

후지전기기보_2019/제3권 특집 (p3)

[특집}전력의 안정공급과 최적화에 공헌한다
미래의 전력 안정 공급과 최적화를 목표
와세다대학 이공학술원대학원 나카니시 요스케(中西 要祐) 교수

이번 특집을 내면서 지금까지의 일본의 전력시스템이 걸어온 발자취를 개관하고 미래의 전력 안정 공급과 최적화를 목표한 전력시스템에 대해 생각해 보고 싶다.

일본의 전력시스템의 여명기에서는 전력시스템은 소규모의 단순한 시스템으로, 수요 변동에 따라 수동으로 발전 출력을 조정했었다. 그 후에 전력 계통의 거대화∙복잡화와 함께 수동에 의한 계통 전체의 장악, 효율적인 운용이 곤란해지면서 1950년대 중반 무렵에는 아날로그 텔레미터를 활용한 통신기술이 도입됐다.

1960년대는 디지털 계산기를 이용한 자동급전시스템의 온라인 운용이 시작됐다. 그 무렵까지는 10개의 민영 전력회사 체제 속에서 각각의 전력 회사에서 중앙급전지령소와 각 지역급전연락지령소에 의한 계층적인 수직 통합형 시스템을 확립해 왔다.

1970년대 후반에는 계산기 기술이나 정보통신 기술의 진전에 따라 복수의 변전소를 정리해 하나의 제어소에서 감시 제어하는 원격감시제어장치(Telecon)나, 6.6kV 전압 계급의 배전 계통에도 배전자동화시스템이 도입했다. 계산기에 의한 원격조작 방식이나 그 후의 자동제어 방식이 확립되면서 경제성장을 지탱하기 위해 신뢰성이 높은 전력시스템이 운용되어 왔다.

이들 전력시스템이 걸어온 길은 대규모 전원의 개발, 대규모 수요 지역으로의 전력 수송, 그를 위한 대규모 송전망 구축 등을 주축으로, 신뢰할 수 있는 전력 안정 공급을 달성해 왔다고 할 수 있다. 또한 그들 신뢰성 있는 전력시스템이 확립한 것은, 시스템 운용자 하에서 전력 설비에 관한 적절한 시스템 사양을 매개로 그를 제공하는 업체의 설계∙제조로 성립되는 시스템과 컴포넌트와의 양자의 상호 협력 관계다. 그리고 그 시스템의 기능 확립에는 양자 및 학술의 멈추지 않는 연구 개발이 지원해 왔다.

다음으로 최근의 전력시스템의 동향에 대해 서술한다. 2005년의 ‘교토의정서’ 발효 이전부터도 여러 차례 지구온난화 방지회의에서 환경 문제가 논의되어 왔다. 일본에서는 2011년의 동일본대지진에 의한 전력 설비의 피해나 후쿠시마원전 사고를 계기로, 재해를 고려한 전력 탄력성 강화나 전력시스템 개혁이 가속되면서 복수의 사업자들 사이에서는 전력시스템의 운용 방식이 크게 변화하고 있다.

재생가능에너지를 포함하는 분산형 전원이나 양수발전을 포함하는 다양한 전력저장장치의 운용과 그를 위한 공급사업 및 애그리 게이트 사업 등의 새로운 사업이 출현. 이로 인해 전력시스템에서 전원의 역할 분담이나 불확정성을 고려한 시스템 운용 등의 새로운 솔루션이 요구되며, 그 시스템의 실현이 필요해지고 있다.

구체적으로는 풍력발전이나 태양광발전의 변동 전원의 불확정성은 물론이고, 그를 위한 축전지나 변동 전원 등에서 채용되는 파워일렉트로닉스기기는 고속 제어를 하기 때문에 다른 전원의 협조 분담이나 불확정한 다이내믹스를 고려한 운용 제어가 요구된다.

또한 복수의 사업자가 출현하면서 전원∙송전선을 포함하는 설비 계획, 운용 계획, 시장 거래 등의 많은 불확정성을 고려한 최적 설계∙운용이 요구된다. 이들 불확정성을 다루는데 있어서 통계데이터 등을 이용해 불확정성을 나타낼 수 있는 Known 문제, 집합이나 폭으로 밖에 표현할 수 없는 Unknown 문제, 상반되는 시나리오나 예견 불가능한 사태에 대한 Unknowable 문제 등, 불확정성이 다른 구조 분류에 따라서 효율적이며 최적의 운용 제어와 그 컴포넌트로서의 설비∙기능을 제공해야 한다.

이 같은 과제나 불확정성을 해결하기 위해 미래의 전력 안정 공급과 최적화에 대해 생각해 보고 싶다. 원래 전력시스템은 이상적인 계획에 따른 운용은 어렵고, 수요 움직임이나 다양한 우발 사고 등의 불확정성을 많이 포함하고 있다. 때문에 당초의 전력시스템에 계산기를 도입하는 시점에서도 전력시스템 운용에 관해 다음과 같은 3개의 상태와 그 이행(移行)을 전제로 해서 시스템 설계가 이루어져 왔다.

즉, 예방 제어를 포함하는 안정된 정상 운용 상태, 사고 등의 발생과 그 대응 제어에 의한 긴급 상태, 긴급 제어나 폭주한 사태의 결과로서 형성되고 있는 정상 제어를 향한 복구 상태의 3개의 상태를 정의하고, 그에 따르는 기능을 시스템에 구비시켜 왔다. 이와 같은 통합적인 시스템 설계는 수요자를 포함해 복수의 사업자로 구성되는 새로운 전력시스템에서도 시스템 전체 및 개별 클러스터 레벨에서 요구되는 것이다.

향후 새로운 제도 설계 하에서도 3개의 상태와 그 이행(移行)에 근거하는 시스템 설계 상의 합의 형성 과정에서, 그 전력 설비의 설계와 기능 개발의 진화를 통해 전력시스템의 신뢰성 유지와 전력의 안정 공급 달성을 기대하고 싶다.

 -- 끝 --