blackout과 국가적재난위기관리체제 확보방안 · • 예2: 송전선로의사고,...

BLACKOUT과국가적 재난 위기 관리 체제

확보방안

김 영창

아주대학교

[email protected]

국가미래연구원

2014년 6월 2일

mailto:[email protected]

주요 의제

• 전력산업

• 전력계통

• 전력계통운용

• 주파수

• 예비력

• 안전도

• 정전– Blackout, Brownout, & Rolling Blackout

• 계통붕괴

• 위기해소의 대책

6/2/2014 아주대학교 김영창 2

전력산업의 개요


송전과 배전

화력

배전계통 A

배전계통 C

배전계통 B

원자력

배전계통 D

수력

풍력 등신재생에너지 발전


제주 해남

154kV : 18,915 / 489

해저케이블

(단위 : km / 個所)

154kV

345kV

765kV

345kV : 7,746 / 50

영광 신광주

신화순

신강진

광양

여수

의령

무주

동해

신포항월성

신온산

울산

고리

신양산

신고성

신김해 남부산

북부산

울주

하동삼천포

신마산

산청

서대구

신경산신울산

보령 청양

군산

신옥천

신영주

신김제신남원

고령

선산

신계룡

태안

신당진아산

청원

신제천

신인천

의정부양주

인천

서인천

신시흥

평택신용인

미금

동서울신부평

신양재서서울

성동

화성신성남

영서중부

울진

당진신안성

신서산

신가평

신태백

765kV : 661 / 4

송전계통

아주대학교 김영창 56/2/2014

전력의 특성

• 전기는 빛의 속도로 이동함

• 외란(disturbance)은 매우 빠르게 진행함.

• 전기는 경제적으로 저장하기 어려움

– 양수발전

• 계통운용(Power System Operation)기능 필요

– 공급과 수요가 언제나 균형을 이루어야 함

– 60 Hz의 유지

• 전력이 흐르는 경로(path)를 통제할 수 없음.

• 한도를 벗어난 전압과 주파수는 전기설비를 손상시킴.

• 순간적인 정전

– 정보산업, 은행 등의 문제

– 보완설비(back-up)의 설치가 필요


60Hz

수요 공급

주파수하락

6/2/2014 아주대학교 김영창7

수요: - 발전기의 소내소비- 송변전손실- 소비자의 수요

공급:- 발전기 출력

수요와 공급의 균형

매 순간 60Hz의 주파수를 유지하면서 수요와 공급의 균형을 유지하여야 함.

자료: 유재국, “원자력발전소가동정지와 동계 전력수급대책”, 『이슈와 논점』, 국회입법조사처, 2012. 12.

60Hz

수요 공급

59.9Hz

발전기탈락

순동예비력 사용

수 초 ~ 수 분



자료: 유재국, “원자력발전소 가동정지와 동계 전력수급대책”, 『이슈와 논점』, 국회입법조사처, 2012. 12.

60Hz

수요 공급

59.9Hz

• 직접부하관리• 정전우선순위에 의한 단전(load shedding)

ㅇ예비력부족




총 설비용량

1월 2월 3월 6월 7월4월 5월 9월8월 10월 11월 12월

MW

계획 예방정비

성능 감소수위 저하

공급예비력

설비예비력

년 최대수요

참고: 설비예비력

설비예비력은 년간 최대 수요에 대하여 얼마만큼의 용량이 더 존재하는가를 나타냄.


MW

일간 수요

운전예비력

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

참고: 운전예비력(Operation Reserve)


60Hz

수요 공급

종속고장계통붕괴

수요 공급

예비력정상

6/2/2014 아주대학교 김영창12

수요와 공급의 균형계통붕괴

송전선로의 고장 및파급 (도미노 현상)


250 MW

250 MW

1200 MW

700 MW

발전기 1 발전기 2

500 MW


안전도유지를 위한 발전기 출력 결정-1자료: Power Generation, Operation and Control, B. Wollenberg, 2014

0 MW

500 MW (과부하 상황)

1200 MW

700 MW


500 MW

SCOPF-1

200 MW

200 MW

1200 MW

800 MW


400 MW


안전도유지를 위한 발전기 출력 결정-2

0 MW

400 MW

1200 MW

800 MW


400 MW

(발전기 출력 조정으로과부하 해소)

SCOPF-2

주파수60 Hz

동기운전(Synchronous Operation)


발전기

부하: 모터

정격출력(kW)

200만 200만 100만

현재 출력(kW)

150만 180만 70만

부하 (kW) 150만 100만 50만 100만

발전기4

발전기1

발전기2

발전기3

부하1부하6

부하2

부하8 부하7

부하4 부하5

부하3

A

B

전력계통


태풍이 왔을 때 나무가지가 전선에 닿아 단락고장(short circuit)이 발생하여 이 선로가 공급하던 지역에정전(power outage)을 일으켰음.

정전

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뇌격(lightening stroke) 영상 – 2004년 7월 경남 남해T/L에서의 관측자료자료: 한국전력

6/2/2014 아주대학교 김영창 18

뇌격(lightening stroke) 영상– 2004년 7월 경남 하개 T/L에서의 관측자료

자료: 한국전력

6/2/2014 아주대학교 김영창 19

Power outage

• 정전(power outage)

– 어느 지역에 대하여 일시적 또는 장기적으로 전력공급이 중단되는 것

– power cut, blackout, power failure이라고도 함.

• 전력계통에서 정전의 원인

– 발전소의 고장정지(faults at power stations, )

– 송전선로의 장애(damage to electric transmission lines)

– 변전소 또는 배전계통의 고장(substations or other parts of the distribution system)

– 단락(short circuit) 또는 전력계통 주요 요소(electricity mains)의 과부하

• 환경적 위험요소가 많은 장소 또는 일반대중의 안전이 유지되어야 하는 곳에서의정전은 대단히 치명적임.

• 병원, 하수처리설비, 광산 등은 비상발전기와 같은 보완공급설비(backup power sources)를 갖추어 정전과 같은 비상시에 대처하여야 함

• 통신설비와 같은 주요 설비도 비상발전기(emergency power)를 설치하여야 함.

• 통신(예, 전화교환설비)에 대하여는 배터리와 같은 보완공급 설비를 갖추어야 함

– 정전시간이 길어지는 것에 대비하여 배터리를 비상전원에 연결할 소켓트를 갖추어야 함

6/2/2014 아주대학교 김영창 20

Power outage Types of power outage

• 정전(Power outage)의 3 가지 다른 현상(지속기간 및 미치는 영향에 따른분류)

– 순간정전(과도정전, transient fault)

• 송전 및 배전선로의 이상(temporary fault on a power line)에 따른 수 초 이내의 정전

• 고장 원인이 해소되면 정상으로 복귀함

– 브라운아웃(brownout)

• 전력공급에 있어서 전압강하(voltage drop)가 발생하는 것.

• 전압이 낮아지면 전등이 희미해지는 현상 때문에 생긴 용어임

• 기기의 성능을 약화시키거나 오작동을 유발할 수 있음.

– 블랙아웃(blackout)

• 어느 지역 전체에 대하여 정전이 발생하는 것

• 발생할 수 있는 가장 심한 형태의 정전임

• 발전기의 사고로 인한 blackout은 회복하는데 시간이 많이 소요됨

• Blackout의 성격과 송전망의 구성형태(configuration)에 따라 정전의 지속시간은 수 분 내지 몇 주일이 되기도 함

6/2/2014 아주대학교 김영창 21

순환정전(Rolling Blackouts)

• 순환정전

– 순환부하차단(rotational load shedding), 공급선 순환(feeder rotation)

– 계획에 의하여 실시함(an intentionally engineered electrical power shutdown)

– 지역이 중복되지 않도록 하여 여러 곳의 배전지역에 대한 전력공급을 중단함

– 전력계통 전체의 블랙아웃(total blackout of the power system)을 막기 위한 최후의 수단으로 사용함

– 계통의 공급능력이 상한에 달했을 때에 부하차단을 행하는 것임.

– 특정한 지역으로 한정시킬 수 있음

– 계통 전체로 파급되어 전국에 영향을 미칠 수도 있음

• 순환정전의 두 가지 원인

1. 공급력의 부족

2. 소비자에게 필요한 전력을 전달하기 위한 송전능력의 부족

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정전사례

- 전력수급안정 상태에서도 국지적인 송전선로 또는 송전망의 고장이 대규모 광역 정전으로 확산(도미노 현상)되어 계통붕괴 가능성 항상 존재함- 예방 대책이 항상 필요함- EMS의 안전도유지 최적조류계산 프로그램(SCOPF)의 기능 사용

- EMS: Energy Management System- SCOPF: Security-constrained Optimal Power Flow

- 대부분의 해외 정전 사례를 보면 송전망에서 시작되어 종속고장(cascading outage)이 일어나 광역정전(계통붕괴)으로 진행하였음

* '77년 뉴욕 (지중선 과전압), '03년 북미 (송전선로 수목접촉),'03년 이탈리아 (송전선로 과부하), '09년 브라질 (송전선로 낙뢰) 등

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미국 뉴욕 대정전(2003년 8월)

• 초기 원인

주요 송전 시스템의 감시/경보 장치(EMS) 작동 실패

부적절한 계통운용 관행

상정사고 분석 프로그램을 사용하지 않음• 실시간이 아닌 (n-1) 상정사고 데이터 사용으로 고장완화 조치 해소 실패

효과적인 내부 의사소통 절차 미비

송전선에 대한 실시간 상태추정자료 없었음

• 실시간 계통운용 프로그램을 사용하지 않음.

• NERC 규정 준수하지 않음– NERC(North American Electric Reliability Cooperation)

• 극단적 상황에 대한 평가 부적절

• 계통운용 기준 분석 실시 미비

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자료: Final Report on the August 14, 2003 Blackout in the United States and Canada: Causes and Recommendations, April 2004, U.S.-Canada Power System Outage Task Force August 14th Blackout: Causes and Recommendations, U.S.-Canada Power System Outage Task Force, March 31, 2004

계통붕괴와 사회적 혼란

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▫ 계통붕괴에 대한 의사결정자들의 인식및기술문제에대한지식절대부족

▫계통이 붕괴되면 모든 도시시스템, 의료시스템, 군사시스템, 행정시스템, 금융시스템및정보시스템등이마비됨

▫ 계통붕괴 조건이 형성된 후 10 초 이내에전국의 발전기가 동시에 정지해버리고회복에는며칠이상소요됨

▫ 각 시스템 별 훈련 조치나 비상대응 매뉴얼이필요함

The Social Structure of Large Scale Blackouts Changing Environment, Institutional Imbalance, and Unresponsive Organizations 1965 1977 Hyunsoo Park, IPAID, Yonsei University, Rutgers University

계통붕괴가 일어날 경우의 상황(예시)

6/2/2014아주대학교 김영창 26

· 전국의 전기 사용기기(모터 등의 회전부하 포함)가 동시에 중지함.

- 암흑세계(전등 모두 꺼짐)- 모든 산업체 가동 중지- 지하 구조물 전기공급 중단

· 도시의 기능 마비- 수도, 가스 공급 중단- 고층아파트 급수, 수세식 변기,

엘리베이터 작동 정지- 고층빌딩 기능 마비- 지하철 승객 모두 어둠 속에 갇힘- 병원 응급환자 문제, 수술 중단

· 통신 두절(컴퓨터 및 인터넷 사용불가)- 방송 청취 및 TV 안내 방송 기능

정지 및 마비- 운항 중인 선박, 비행 중인 비행

기 안전운항 문제 발생(통신 두절)

· 전국의 교통 시스템- 전기철도(KTX 포함) 정지- 교통신호체계 마비

· 국방

· 사회적 혼란- 국민들 모두 혼란에 빠짐- 미국의 경우, 슈퍼마켓 강도 약탈

발생

27

게통붕괴 이후의 원자력 발전기의 소내전력공급(house load operation)

6/2/2014아주대학교 김영창

계통붕괴(system collapse)

• 수요와 공급 사이의 균형의 급격한 변동 발생 수요의 변화가 완만하거나 고장을 일으킨 발전기의 용량이 전체 발전출력에 비하여 작

다면 주파수는 하락하다가 정상으로 회복함

• 계통규모에 비하여 상대적으로 용량이 큰 발전기가 고장을 일으키면 주파수가 급격하게 하락

이 경우, 건전한 발전기들이 주파수 변화에 응하여 자신의 회전수를 변화하지 못하면 탈락함.

주파수의 급격한 변화를 다른 발전기가 견디지 못하고 또 탈락함.

나머지 발전기도 거의 동시에 탈락하여 축이 회전하지 않게 됨.

수 초 이내에 계통붕괴(total blackout 또는 system collapse)가 일어남

대규모 계통에서 발전기 탈락으로 인한 계통붕괴 가능성은 거의 없음.

최대용량 발전기의 크기가 계통전체의 출력에 비하여 작을 경우에 그러함.

계통붕괴는 대부분 송전망의 고장에서 기인함

• 송전선로의 탈락으로 인한 종속고장(cascading outage)의 발생 종속고장은 도미노 현상임

계통붕괴

EMS의 on-line에서 안전도제약 최적조류계산(SCOPF) 기능을 사용하여예방하여야 함 SCOPF: Security-constrained Optimal Power Flow


전력계통 안전도(Power System Security)

• 전력계통의 안전도 유지. – 계통붕괴의 방지 및 경제적 운전.

• 예 1: 발전기의 고장정지.

– 적정한 규모의 순동예비력을 보유하고 있다면 나머지 건전한 발전기들은 부하 차단을실시하지 않고서도 모자라는 발전출력을 제공하여 주파수를 회복함.

• 예 2: 송전선로의 사고, 과열 발생, 낙뢰 등으로 인한 송전선의 탈락

– 계통 요소의 제한 운전범위가 유지되지 못하면 설비를 계통에서 분리하도록 하는 보호장치가 작동하여 계통요소를 제거함.

– 송전선의 전력조류가 적절하게 유지되도록 발전기의 출력이 조정된다면 나머지 건전한송전선은 변화한 전력조류를 감당하여 용량의 제한범위 내에서 건전한 운전상태를 유지할 수 있음

• 예 3: 하나의 송전선이 탈락하면 나머지 송전선로가 탈락함.

– 건전한 선로에 흐르고 있던 전력이 선로의 정격용량에 근접하여 있다면 보호계전기의작동으로 인하여 개방될 수가 있으며 나머지 건전한 선로는 더욱 많은 전력조류를 담당하여야 함.

– 건전한 선로가 이 상황을 견디지 못하면 탈락함. cascaded outage 발생

– 종속고장이 시작되면 도미노 현상으로 송전선로가 탈락하며 발전기는 전력을 보낼 선로가 없어져서 모두 동시에 탈락함(system collapse, total blackout).


전력계통 안전도(Power System Security)

• 일단 계통이 붕괴되면 발전기를 하나씩 동기시켜(synchronize) 가며 주파수를 60으로 유지하면서 부하

를 차례로 접속하여 전력계통을 원래의 운용상태로 회복시킴 (black start)

상당한 시간을 요구함.

• 급전원은 EMS를 사용하여 송전선이 과부하로 운전되지 않도록 하고 안전도를 유지하도록 발전기의 출력을 조정하여야 함

– 전력계통 감시(monitoring)

– 상태추정(state estimation)

– 상정사고분석(contingency analysis)

– 안전도제약 최적조류계산(security-constrained optimal power flow)


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전력수요(TWh)

최대전력(GW)

설비용량(GW)

송전선(c-km)

345kV 765kV 계

2000 239.5 41.0 47.9 7,281 595 7,876

2012 466.6 76.0 81.8 8,770 834 9,604

배수 1.95 1.85 1.71 1.20 1.40 1.22

우리나라 송전망의 용량 부족

345 kV 송전망의 확장은 12년 동안에 2000년 대비 20% 뿐이였음.자료: 한국전력통계-2012년

6/2/2014 아주대학교 김영창

위기 방지를 위한 대책

– EMS의 정상적 사용

• Computer-aided dispatch

• 수 백 개의 발전기와 복잡한 송전망을 수동으로 제어할 수는 없음.

– 직류송전망의 건설

• HVDC link

6/2/2014 아주대학교 김영창 32

전력계통 운용

• 물리적인 전력계통의 구성요소– 발전기– 송전 및 변전– 배전시스템– 소비자 부하

• 전력계통의 제어– 공급과 수요 사이의 균형 유지– 전압과 주파수: 최대치와 최소치 범위 내 유지

• 고장의 발생– 발전기 탈락 : 주파수 하락– 송전망의 고장:

• 고장이 파급되어 망 설비(grid facility)가 손상을 입을 수도 있음.

• 고장발생의 영향– 일부 소비자가 정전(outage, blackout) 경험– 소비자의 전기기기가 적절하게 사용되는데 악영향을 미침

• 최악의 시나리오• 시스템 붕괴(system collapse): 모든 소비자의 전기사용 불능

• 계통운용자의 의무– 단기(일 년, 일주일, 또는 하루) 및 실시간(real time)으로 계통운용– 발전기의 가동계획 수립– 실시간으로 발전기 출력 조정


SCADA 계측

및

통신 장비

AGC

상태추정

프로그램

계통Topology 프로그램

안전도제약 OPFSCOPF

경제급전계산 Penalty factor

계산

상정사고분석

상정사고선정

변전소의RTU와발전소

최적조류계산

기저출력참여계수

차단기/개폐기상태 표시

발전기출력증가/감소지시신호

계기판 정보

계기판 정보

불량 측정자료경고

전력조류전압 등

아날로그 측정

발전기

출력

상태추정의출력

- 기저출력- 참여계수- 최적 전압- 변압기 탭- 부하차단

수정된계통정보

과부하및전압문제

발생가능한

과부하와

전압문제계기판경고 신호 발송

계통모델 자료

EMS

전력계통의 컴퓨터제어 시스템(EMS, energy management system)


EMS(Energy Management System)의 역할

• EMS는 전력계통을 감시, 제어, 최적화하는 프로그램의 집합체임.

• 주파수를 기준값(60 Hz)으로 유지

• 전력계통의 상태추정

– 발전기 출력, 발전기의 제어기기의 상태, 계통 내의 각 지점의 전압 및 위상, 차단기 등에 대한 실시간 계측

– 추정된 자료를 이용하여 관련 프로그램이 정상적 개산을 하도록 함

– 전력계통의 이상상태를 계통운용자에게 알려주는 역할도 함.

• 연료비의 최소화

• 정상상태(normal state)에서의 최적화 제어기능 사용.

• 전력계통 안전도 유지

– 송전선로 과부하 방지(송전선로 용량제약 고려)

– 종속고장의 발생 방지(도미노 현상 방지를 위하여 발전기 출력 조정)

• 계통붕괴 방지(안전도의 유지)

• 예비력 관리

• EMS는 발전기의 출력변동에 따라 계통전체의 순동예비력 상황을 감시하여 계통운용자가 적정한 출력(MW)을 확보하도록 정보를 제공.


운전 주파수 총 발전출력송전망의 제약 기술적 제약

연료비 함수

• Load-frequency control- 주파수추종 출력제어AGC

• SCOPF- 송전용량제약 고려- 안전도유지- Ramp rate 고려

발전기 출력 조정 신호(set point)

개별 발전기 출력증가, 감소

실제연계선 조류

• Tie-line Scheduling- 연계선 조류 조정- ACE 조정

4초 간격

5분 간격

아주대학교 김영창36

6/2/2014

미래의 송전망(대안)

아주대학교 김영창37

6/2/2014

□ 해저 및 국유지 경과 가능□ 송전 용량을 최대화□ 연관 산업(전력ㆍ전자ㆍ토목ㆍS/W 등)의 활성화와 일자리 창출□ 주민수용성 증대 + 안정적인 송전용량 확보

blackout과 국가적재난위기관리체제 확보방안 · • 예2: 송전선로의사고,...

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