[대신기와 맞춰보는 전력퍼즐] ③송변전편

[대신기와 맞춰보는 전력퍼즐] ③송변전편

대학생신재생에너지기자단 23기 김용대, 25기 구윤서

 

본 '대신기와 맞춰보는 전력 퍼즐' 시리즈는 전력 분야와 관련된 기초적인 개념에 대해 다룬다.

해당 시리즈의 세번째 기사는 '송변전'이다. 전력계통에서 전력을 전달하는 송변전 부문에서 대하여 송변전 개념 정의, 송변전망 부족 문제 소개, 제10차 장기 송변전설비계획 분석 등으로 구성했다.

 

국내 송변전망 개요 

지난 발전편에서 전기가 어떻게 생산되는지 살펴봤다면, 이번에는 ‘전기가 어떻게 전송되는지’에 대해 알아보고자 한다. 전력계통을 설명할 때는 종종 물에 자주 비유되곤 한다. 지하수의 물을 다른 지역으로 보내고 싶은 상황이라고 가정하자. 우선 지하수의 물을 펌프를 통해 지상으로 끌어올려야 할 것이다. 그리고 지상의 물을 다른 지역으로 보내기 위해선 관로가 필요할 것이며, 수압이 적당히 있어야 대량의 물을 보낼 수 있다. 이를 전력계통에서 살펴보면 펌프는 발전소, 관로는 송전망, 수압 조절은 변압기로 이해할 수 있다.

[자료 1. 국내 송전망 현황]

출처 : 이투뉴스

우리나라는 주로 남부지역에서 발전한 전력을 수도권에 공급하는 형태로 전력계통이 구성돼 있어 주요 부하는 수도권에 분포해 있다. 따라서 본 자료에서 살펴볼 수 있듯이, 수도권 지역의 송전망 밀도가 다른 지역에 비해 높다. 이러한 이유로 수도권으로 보낼 대규모의 전력을 송전망이 감당하지 못해 최근 송전망 구축이 시급한 상황이다.

그러나 송전망 신설 시에 인허가 절차가 복잡해 오랜기간이 소요되고, 게다가 부지선정 과정에서의 주민 간의 갈등 역시 문제가 된다. 이에 따라 송변전 부문에서 송전망을 대체할 수 있는 기술인 NWAs(Non-Wire Alternatives)와 인허가 절차 간소화 및 주민수용성 제고 등을 다룬「국가기간 전력망 건설 촉진 및 지원에 관한 특별법안」등이 주요 키워드로 작용하고 있다.

관련한 사항들을 살펴보기 전, 송전과 변전에 대해 짚고 넘어가겠다.

 

송전과 변전의 개념 

[자료 2. 송전탑 사진]

츨처: Pixabay

송전이란 좁은 의미로는 발전소에서 생산된 전력을 수요지 근처의 변전소로 수송하는 것이고, 넓은 의미에서는 최종소비자에게 전력을 수송하는 것을 의미한다. 송전선로는 땅 아래에 설치하는 지중 방식과 지상에 설치하는 가공 방식이 있다. 이때 가공 방식은 사진과 같이 송전탑이 필요하다. 송전선로의 전압은 일반적으로 154KV, 345KV, 765KV에 달하는데, 이렇게 전압을 높이는 이유는 변전 부문에서 자세히 언급할 것이다. 송전 개념을 설명하는 방법은 여러 가지가 있지만, 본 기사에서는 송전선로 해석에 초점을 두어 기초적인 지식을 소개하고자 한다.

1-1. 대칭좌표법

[자료 3. 3상 동기발전기 출력 파형]

출처: 전력계통 해석 및 설계 6판 2장

우리나라는 동기발전기를 사용해 3상의 AC 전압과 전류를 생산한다. 이때 다른 위상을 가진 전압과 전류의 파형이 60Hz의 박자를 가지며 송전선로에 들어간다. 따라서 송전탑에 송전선로가 1개로 이뤄져 있는 것이 아니라, 상의 개수에 맞게 최소 3개의 선이 연결돼 있다.

[자료 4. 정상분, 역상분, 영상분 벡터]

출처: 전력계통 해석 및 설계 6판 2장

3개의 전압과 전류의 크기가 같고 위상이 정확히 120도의 각도를 이룬 상태를 평형 상태라고 부르며, 이는 전력계통에서 이상적인 상황으로 볼 수 있다. 일반적으로는 3상의 전압과 전류의 크기가 완전히 같지 않고 위상차 역시 완전히 120도가 아니다. 특히 전력계통에 지락 및 단락 사고가 발생했을 경우 특정 상의 전압과 전류가 극단적으로 커지거나 작아지기 때문에 불평형이 더욱 심화된다. 이처럼 불평형 상태의 계통을 용이하게 해석하기 위해선 불평형의 벡터를 이상적인 평형의 벡터들로 분리해야 하고, 각각을 정상분과 역상분, 영상분으로 부른다. 정상분은 시계 방향의 위상순서를 가진 평형 벡터, 역상분은 반시계 방향의 위상 순서를 가진 벡터, 영상분은 각 상의 크기와 위상이 같은 벡터이다. 이러한 방식으로 계통을 해석하는 것을 ‘대칭좌표법’이라고 부르며 주로 고장전류를 계산할 때 유용하게 사용된다.

1-2. 송전선로 등가회로

송전선로 등가회로

송전단과 수전단의 관계식

단거리 선로 등가회로 (선로 길이 25km 이하)

중거리 선로 등가회로 (선로 길이 25km ~ 250km)

[자료 5. 송전선로 계통 해석 시 회로 표현]

출처: 전력계통 해석 및 설계 6판 5장

다음은 송전선로가 계통 해석 시 회로에서 어떻게 표현되는지 살펴보고자 한다. Two-port network로 보이는 네모 박스가 송전선로의 등가회로이고, 이는 선로의 길이에 따라 다르게 표현된다. 이때 등가회로를 사용하는 이유는 실제 물리적인 시스템을 보다 직관적으로 해석하기 위함이다. 일반적으로 송전선로의 입력부분을 송전단(Sending, S), 출력부분을 수전단으로(Receiving, R) 칭한다. 또한 송전단과 수전단 사이의 전압과 전류 관계식 파라미터를 ABCD로 구분하는데, 송전선로의 길이마다 파라미터가 공식화되어있어 계산 시에 더욱 용이하다. 결론적으로 송전선로를 해석한다는 것은 앞단인 송전단과 뒷단인 수전단 사이의 전압과 전류 관계식을 구하는 것과 동일하며, 이는 ABCD 자리에 들어갈 값을 찾는 것이다. ABCD를 자세히 구하는 방법은 전력공학 서적을 참고하면 좋다.

2. 변전 개념

[자료 6. 변전소 사진]

출처: 위키백과

변전이란 송전 및 배전 과정에서 승압 혹은 강압하는 과정이다. 발전편에서도 언급했듯이 승압을 하는 이유는 송전과정에서 전력손실을 줄일 수 있기 때문이다. 전력 손실은 Ploss = Pin - Pout = Irms^2R로 정의된다. 전기를 수송할 때 옴의 법칙에 V = IR 의해 동일한 저항에서 전압이 낮아지면 전류가 커지고, 전류의 제곱만큼 송전선에서 열로 에너지가 손실된다. 반대로 전압을 높이면 전류의 제곱만큼 줄일 수 있어 전력손실이 줄고 송전 효율이 올라간다. 따라서 전압을 높이는 승압 과정이 송전에서 꼭 필요한데, 이 역할을 변전소가 해준다고 생각하면 된다. 마지막 변전소까지 전기가 수송되면 우리가 사용할 수 있는 전압으로 낮추는 강압 과정이 필요한데, 이 역시도 변전소가 역할을 수행한다. 변전소에는 변압기와 회전기, 정류기 등의 설비가 갖춰져 있지만 그 중 변압기만 간단히 설명하겠다.

2-1. 변압기

[자료 7. 변압기 구조]

출처: Voltech

[자료 8. 이상적인 변압기 등가회로]

출처: 전력계통 해석 및 설계 6판 3장

변압기는 유도성 전기 전도체를 통해 두 개 이상의 회로 사이에서 전기 에너지를 전달하는 고정형 장치를 의미한다. 이때 왼쪽(을) 1차회로, 오른쪽을 2차회로로 칭하며, 코일의 감긴 횟수에 따라 전압은 비례하게, 전류는 반비례하게 조정할 수 있다. 즉 이를 수식으로 나타내면 N1/N2 = V1/V2 = I2/I1 이다. 

[자료 9. 패러데이의 전자기유도 법칙]

출처: 글로벌경제신문

이때 변압기에는 AC 전압과 전류가 인가되어야 한다. 그 이유는 변압기의 기본 원리가 패러데이의 전자기 유도 법칙에서 기인하기 때문이다. 앙페르 법칙에 의해 도선에 전류가 흐르면 주위에 자기장이 발생하는데, 이때 DC 전압과 전류가 인가되면 자기장이 변하지 않아 유도기전력이 발생하지 않는다. 반면에 AC는 시간에 따라 +와 -를 반복하여 방향이 바뀌므로 자기장 역시 시간에 따라 변하게 되어 유도기전력이 발생하게 된다. 이러한 이유로 AC 설비에서 전압을 변경할 때는 변압기를 사용한다. 반면에 DC 설비에서 전압을 바꿀 경우에는 변압기 대신 DC-DC 컨버터라는 전력전자 설비를 이용한다.

 

송변전망은 아직 부족하다 

[자료 10. 송변전 설비 현황]

출처: 한국전력

앞서 송전과 변전의 개념에 대해 간략적으로 살펴봤다. 이번에는 최근 이슈가 되고 있는 송변전망 부족 문제에 대해 다뤄보고자 한다. 우리나라의 전력설비 추이를 살펴보면 발전 설비는 빠르게 증가하고 있지만, 송변전 설비는 상대적으로 느리게 보급되고 있다. 2023년 기준 국내 발전설비는 약 150GW로 1990년에 비해 6배 증가한 것에 비해 송전선로는 2배, 변전소는 3배 증가한 것을 보면 알 수 있다. 특히 제11차 전력수급기본계획에서 2038년에 신재생에너지 발전설비 보급량이 125.9GW에 달한다고 전망한 바 있는데, 아무리 발전설비가 많아져도 수도권 외 지역에 설치하면 결국 송전설비의 증설이 필요한 것은 자명하다. 특히 유럽은 인접국가로 전력을 거래해 계통의 유연성을 높일 수 있지만, 우리나라의 경우 독립적인 계통을 운영하고 있어 계통에 접속되지 못한 전력은 그대로 버려지게 된다.

[자료 11. 26년 이후 권역별 수용여유랑]

출처: 전력거래소

실제로 송변전망의 수용여유량이 부족해 재생에너지가 계통으로 유입되지 못하는 경우도 존재한다. 전력거래소에서 제공중인 26년 이후 권역별 수용여유량을 살펴보면, 발전 설비가 높은 호남 및 영남권에서 수용여유 부족량이 큰 것으로 나타났다. 이는 재생에너지 보급 확대에 걸림돌로 작용할 뿐만 아니라, 수도권의 전력수요를 충당하지 못하는 문제로 이어질 수 있다.

송변전망 부족의 원인은 여러가지가 있지만, 대표적으로 긴 구축기간과 주민수용성 문제가 있다. 태양광과 풍력 발전은 비교적 설치가 용이하여 빠르게 증가하고 있지만, 이를 수용할 송전망의 확충은 인허가 절차가 복잡해 지연되고 있다. 또한 송전망 건설은 일반적으로 대규모의 토지가 필요하고, 송전탑 설치로 인한 경관 훼손 및 전자파 우려로 주민 반대가 발생하기 쉽다.

이러한 송변전망 부족 문제를 해결하기 위한 대안으로는 기술적, 정책적인 방법이 있다.

먼저, 기술적 대안으로는 ‘비증설대안’이라고 불리는 Non-Wire Alternatives(NWAs)가 주목받고 있다. NWAs는 송변전망을 확충하는 대신 에너지 저장 시스템(ESS), 분산 에너지 자원(DER), 수요 반응(DR) 등을 활용하여 전력 수요를 관리하고, 송변전망에 대한 투자 부담을 줄이는 방안을 의미한다. NWAs는 선로를 추가적으로 건설하지 않으면서 기존 자원의 활용도를 높여 전력망의 안정성을 높일 수 있다. 이러한 NWAs 기술들은 사용 자원에 따라 열적 한계 증대 기술, 안정도 한계 증대 기술, 보호 및 운영 기술로 구분할 수 있다.

법적 대안으로는 「국가기간 전력망 확충 특별법안」이 있다. 전력망을 적기에 구축하기 위해 송변전망 건설에 있어 인허가 특례를 확대하고, 주민 수용성을 확보할 수 있는 제도적 기반을 마련한 것이다. 또한 주민수용성을 강화하기 위해 송변전망 계획을 수립 시 지역 주민, 지자체, 사업자가 협력할 수 있는 참여 절차를 확대했다. 이러한 목적으로 해당 법안은 2025년 2월 27일에 국회 본회의를 통과했다. 관련 내용으로는 대신기 내 ‘「국가기간 전력망 건설 촉진 및 지원에 관한 특별법안」에 대한 중립적 고찰’ 기사를 참고하면 된다. 또한 한국전력에서 제공하는 ‘송변전 건설 정보공개 플랫폼’을 통해 전국의 송변전 건설에 관한 계획확정부터 준공까지 일반 시민들도 건설과정을 확인할 수 있다. 

 

제 10차 장기 송변전설비계획 분석

한국전력의 보도자료에 따르면 제10차 장기 송변전설비계획은 22년부터 36년까지 15년간의 장기 송변전설비 세부계획으로, 제10차 전력수급기본계획의 전력수급 전망과 송변전설비 확충기준에 따라 2023년 5월에 수립됐다. 제 10차 장기 송변전설비계획은 전기본(전력수급기본계획)을 바탕으로 송전선로, 변전소, HVDC, 계통 안정화 설비 등 구체적인 실행계획을 수립해 발전소와 수요지를 연계하는 것이다. 이후 2024년에 제11차 전력수급기본계획이 수립된 바 있다.

제 10차 장기 송변전설비계획의 목표는 국가 에너지 안보 확립을 위한 안정적 전력계통 구축이다. 이를 위해, 국가 에너지믹스 적기 이행을 위한 계통 수용능력 확보, 미래 불확실성에 대응할 수 있는 유연한 전력망 구축, 송변전설비의 적기 건설을 위한 혁신방안 마련을 하고자 한다. 증설규모는 다음과 같다.

[자료 12. 증설 규모 자료 재구성]

출처: 제 10차 장기송변전설비계획

권역별 주요 증설 내용은 다음과 같다.

[자료 13. 권역별 주요 증설 내용 자료 재구성]

출처: 제 10차 장기송변전설비계획

제 10차 장기 송변전설비계획의 자세한 내용 및 특징을 설명하고자 한다.

1. 서해안-수도권 HVDC 기간망 구축

동해안-수도권에 이어 추가적으로 구축 계획이 세워졌다. 서해안과 호남 지역에는 해상풍력과 태양광 발전소가 몰려 있고 수도권은 전기를 가장 많이 소비하는 지역이다. 그래서 이 남는 전기를 수도권으로 잘 보내는 것이 중요하다. HVDC는 전력 손실이 적고, 송전 거리가 길어도 효율적이기 때문에 필요성이 대두되고 있다. 이를 통해 남는 전기를 낭비 없이 활용 가능하고 수도권의 정전 위험도 줄일 수 있다. 장기적으로는 기존 발전소 축소 시 대비하는 것까지 가능하다.

2. 전력망 건설 대안기술(NWAS) 확대

송전선로를 새로 짓지 않고, 기존 전력망을 보안, 강화하는 장비를 쓰는 방식이다. 송전선로를 새로 짓는데 부지, 시간, 주민 반대 등 많은 어려움이 있고, 특히 재생 에너지는 변동성이 크기 때문에 전력망 안정화 장치가 함께 필요하다. 즉, 전선은 그대로임에도 더 많은 전기를 안전하게 보낼 수 있는 것이다. 정전 방지, 출력 불안정 해소, 주민 반대 최소화 등의 장점을 가지고 있다. 세부적으로는 STATCOM(전기 압력 조절 장치, 전압이 불안할 때 자동으로 맞춘다.), SSSC(전기가 잘 안 흐르는 선로에서 흐름을 도와준다.), 동기조상기(관성을 제공해서 전기 흐름이 변동성을 가지는 것을 막아준다.)가 있다.

3. 재생에너지 집적화단지와 공동접속설비 제도 운영

여러 태양광, 풍력 발전소를 한 곳에 몰아서 설치하고, 그 전기를 공동으로 쓰는 전선을 미리 만들어두자는 정책이다. 지금은 발전소마다 각자 선로를 깔아서 전기를 보내는데, 이 방식은 전선이 너무 많고 토지도 많이 쓰기 때문에 국토가 지저분해진다는 이유이다. 특히 해상 풍력은 바다와 땅을 넘나들기에 큰 선로가 필요하다는 것도 있다. 이에 대해 정부는 집적화단지를 지정하고 공동접속설비를 선투자한다. 이는 한전이 먼저 전선을 설치하는 것을 의미한다. 이후에 발전회사들이 그 전선을 같이 쓰고 비용을 나눠쓰는 방식이다. 이를 통해 송전선로 개발의 어려움을 방지하고 계통 안정성도 증가시킬 수 있다. 또한 재생에너지의 확대를 질서 있게 추진 가능하다는 기대효과도 있다.

4. 계절, 시간대별 전력계통 해석용 데이터베이스 구축

이는 전기가 어느 계절, 어느 시간대에 얼마나 들어오고 나가는지, 부족하거나 넘치지는 않는지 예측할 수 있는 ‘시뮬레이션 데이터베이스’이다. 재생에너지의 가장 큰 단점인 변동성을 극복하기 위함이다. 전기 사용량 또한 시간대나 계절마다 다른 것도 이유이다. 그렇기 때문에 예측이 되지 않는다면 전기가 낭비되거나 정전이 나는 등의 문제가 생길 수 있어 필요하다고 할 수 있다. 이 데이터베이스는 계절별, 시간대별, 지역별 분석 및 예측을 통해 재생에너지의 출력을 예측한다. 이를 활용하면 어디의 전기가 부족할지, 혹은 과도할지를 미리 알 수 있다. 그래서 미리 대비하여 송전선로와 변전소의 증설 위치를 선정하거나, 배터리(ESS) 설치 위지를 정하거나, 재생에너지 발전을 제어할 수 있다.

 

우리의 의견 제안

결론적으로 제 10차 장기 송변전설비계획은 특히 다음을 강조했다.

1. 계절별, 시간대별 전력계통 해석용 데이터베이스 구축을 통한 재생에너지의 비중 확대에 따른 미래 불확실성을 분석하여 전력망 보강.
2. 서해안-수도권HVDC 기간망 구축을 통한 무탄소 전력이 수도권으로 전력을 공급하고, HVDC 분야의 산업생태계 견인.
3. 유연송전시스템(FACTS)등 전력망 거설 대안기술(NWAs, None-Wire Alternatives) 확대.

이 중 특히 NWAs에 대해 우리의 의견을 제안하고자 한다.

제 10차 장기 송변전설비계획에서는 NWAs의 확대를 주요 추진 방안 중 하나로 제시하고 있다. 그러나 이는 송전선로 건설 장기화에 ‘대비’하기 위한 수단으로 다뤄지는 것으로 보인다. 또한, STATCOM, SSSC, 동기조상기 등의 기술을 도입 검토의 대상이거나 통합제어 기술 개발의 일환으로 언급되어 있다. 이에 대한 구체적인 연도 단위의 시행 시기는 명시되어 있지 않다. 일부 지역에서 동기조상기 및 FACTS 관련 설비는 이미 설치 또는 계획돼 있기는 하다.

그러나 이미 송전망의 문제는 심각한 상황이다. 전력 수요 밀집 지역인 수도권은 장거리 송전선로 포화, 공사 지연, 지역 반대 등으로 이미 공급 병목 현상이 발생 중이며, 제주나 호남에서는 이미 재생에너지 출력 제어 문제도 나타나고 있다. 이러한 사례들은 재생에너지 확대에 따른 전력 계통의 불안정성과 송전망의 한계를 보여주고 있다. 이에 대해 NWAs는 선로 건설 없이도 단기 효과가 가능하다는 측면에서 단순한 ‘대안 기술’이 아닌 ‘주력 기술’로 활용하여 전력 계통 문제 해결하는 방안의 가능성을 고려해볼 필요가 있다. NWAs는 규모가 크지 않아 빠른 시공이 가능하고, 계통 안정에 즉각적인 효과가 있다는 장점이 있다. 특히 도심지나 송전선 증설이 어려운 곳에서 대안이 될 가능성이 커 보인다. 특히 현재 제10차 장기 송변전설비계획에서 도입의 필요성과 가능성은 분명히 인식되고 있는 것으로 보인다. 이에 장기적으로 기술 발전이 충분히 이루어져 적용 영역이 확대돼 송전망 문제 해결에 유의미한 효과를 내길 기대한다.

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[대신기와 맞춰보는 전력퍼즐]에 대한 대학생신재생에너지기자단 기사 더 알아보기

1. "[대신기와 맞춰보는 전력퍼즐] ①전력계통 사고편", 23기 김용대, https://renewableenergyfollowers.tistory.com/4665

[대신기와 맞춰보는 전력퍼즐] ①전력계통 사고편

2. "[대신기와 맞춰보는 전력퍼즐] ②발전편", 23기 김용대, 26기 신혜진, https://renewableenergyfollowers.tistory.com/4801

[대신기와 맞춰보는 전력퍼즐] ②발전편

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참고문헌 

[송전과 변전의 개념] 

1) “변압기”, 위키백과, https://ko.wikipedia.org/wiki/변압기

2) “변전”, KEPCO 용어사전, https://home.kepco.co.kr/kepco/KO/E/A/KOEAPP001.po

3) “송전”, KEPCO 용어사전, https://home.kepco.co.kr/kepco/KO/E/A/KOEAPP001.po

4) J. Duncan Glover 외 1명, "Fundamentals", 전력계통 해석 및 설계, CENGAGE Learning, 2016.09

5) J. Duncan Glover 외 1명, "Power Transformers", 전력계통 해석 및 설계, CENGAGE Learning, 2016.09

6) J. Duncan Glover 외 1명, "Transmission Lines", 전력계통 해석 및 설계, CENGAGE Learning, 2016.09

7) SKinno News, SK이노베이션 뉴스룸, "[에너지백과] 발전/송전/배전/변전"(SK이노베이션 뉴스룸), 2022.08.21, https://skinnonews.com/archives/119382

[송변전망은 아직 부족하다] 

1) 법무법인[유] 지평, [에너지] 「국가기간 전력망 확충 특별법안」의 주요 내용 및 시사점, [에너지] 「국가기간 전력망 확충 특별법안」의 주요 내용 및 시사점, 2025.02.28, https://www.jipyong.com/kr/board/news_view.php?seq=13849

2) 산업통상자원부, 제11차 전력수급기본계획(2024~2038), 2025.03.13, https://new.kpx.or.kr/boardDownload.es?bid=ATT&list_no=74548&seq=2

3) 원동준 외 3명, "분산에너지 시스템으로의 전환", 분산에너지시스템개론, 전기신문, pp. 15~16, 2025.03

4) 원동준 외 3명, "비증설대안(NWAs)", 분산에너지시스템개론, 전기신문, pp. 226~227, 2025.03

5) 한국전력, 송변전 건설 정보 공개 플랫폼이란?, https://home.kepco.co.kr/kepco/KE/M/htmlView/KEMAHP001.do?menuCd=FN281601

[제10차 장기송변전설비계획 분석] 

1) 산업통상자원부, 산업통상자원부 공고, "제11차 전력수급기본계획(2023~2026)", 2025.02.21, https://www.motie.go.kr/kor/article/ATCLc01b2801b/70083/view

2) 한국전력, 한국전력 홈페이지, "제10차 장기 송변전설비계획(2022~2036)", 2023.05.08, https://home.kepco.co.kr/kepco/PR/ntcob/ntcobView.do?boardCd=BRD_000117&boardSeq=21061873&menuCd=FN06030103&pageIndex=1