전력망

전력망(電力網, electrical grid 또는 electricity network)은 전기를 생산자에서 소비자에게 전달하기 위해 서로 연결된 망이다. 전력망은 발전소, 전압을 높이거나 낮추는 변전소, 전력을 먼 거리까지 운반하는 송전, 그리고 마지막으로 수용가에 전력을 공급하는 배전으로 구성된다. 이 마지막 단계에서 전압은 다시 필요한 공급 전압으로 낮춰진다. 발전소는 일반적으로 에너지원 가까이에, 그리고 인구 밀집 지역에서 멀리 떨어진 곳에 건설된다. 전력망은 규모가 다양하며 국가 전체나 대륙 전체를 아우를 수도 있다. 작은 것부터 큰 것까지 마이크로그리드, 광역 동기 전력망, 슈퍼그리드가 있다. 송전망과 배전망을 합친 것은 전력 전달의 일부로, 파워 그리드(power grid)라고 불린다.

전력망은 거의 항상 동기화되어 있는데, 이는 모든 배전 구역이 동기화된 3상 교류(AC) 주파수로 작동한다는 것을 의미한다(따라서 전압의 진동이 거의 동시에 일어난다). 이를 통해 해당 구역 전체에 걸쳐 교류 전력을 송전하여 발전기와 소비자를 연결할 수 있다. 전력망은 더 효율적인 전력 시장을 가능하게 할 수 있다.

전력망이 널리 보급되어 있긴 하지만, 2016년 기준 전 세계 14억 명이 전력망에 연결되어 있지 않았다. 전기화가 진행됨에 따라 전력망 전기에 접근할 수 있는 사람의 수는 늘어나고 있다. 2017년에는 약 8억 4천만 명(주로 아프리카 지역)이 전력망 전기에 접근하지 못했는데, 이는 세계 인구의 약 11%에 해당하며 2010년의 12억 명에서 감소한 수치다.

전력망은 악의적인 침입이나 공격에 취약할 수 있다. 따라서 전력망 보안의 필요성이 존재한다. 또한 전력망이 현대화되고 컴퓨터 기술이 도입되면서 사이버 위협이 보안 위험이 되기 시작했다. 특히 전력망을 관리하는 데 필요한 더 복잡한 컴퓨터 시스템과 관련된 우려가 있다.

출처: Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0

종류 (규모별 분류)

마이크로그리드

마이크로그리드는 보통 지역 광역 동기 전력망의 일부인 지역 전력망이지만, 분리되어 자율적으로 작동할 수 있다. 주 전력망이 정전의 영향을 받는 시기에 이렇게 할 수 있다. 이를 아일랜딩(islanding)이라고 하며, 자체 자원으로 무기한 운영될 수도 있다.

더 큰 전력망과 비교할 때, 마이크로그리드는 일반적으로 더 낮은 전압의 배전망과 분산 발전기를 사용한다. 마이크로그리드는 회복력이 더 좋을 뿐만 아니라, 고립된 지역에서 구축하기에 더 저렴할 수도 있다.

설계 목표는 지역 구역이 사용하는 모든 에너지를 스스로 생산하는 것이다.

광역 동기 전력망

출처: Wikimedia Commons, Public domain

광역 동기 전력망(북미에서는 "연계망(interconnection)"이라고도 함)은 지역 규모 이상에서 동기화된 주파수로 작동하며 정상 계통 조건에서 전기적으로 함께 연결된 전력망이다. 예를 들어 북미에는 네 개의 주요 연계망(서부 연계망, 동부 연계망, 퀘벡 연계망, 텍사스 연계망)이 있다. 유럽에서는 하나의 큰 전력망이 서유럽 대부분을 연결한다. 이들은 동기화 구역(synchronous zone)이라고도 알려져 있는데, 그중 가장 큰 것은 발전 용량 667기가와트(GW)를 갖춘 유럽 대륙 동기 전력망(ENTSO-E)이며, 가장 넓은 지역을 담당하는 것은 옛 소련 국가들에 전력을 공급하는 IPS/UPS 계통이다. 충분한 용량을 갖춘 동기 전력망은 넓은 지역에 걸친 전력 시장 거래를 용이하게 한다. 2008년 ENTSO-E에서는 유럽 전력 거래소(EEX)에서 하루에 35만 메가와트시 이상이 거래되었다.

북미의 각 연계망은 공칭 60Hz로 운영되는 반면, 유럽의 연계망은 50Hz로 운영된다. 동일한 주파수와 표준을 갖춘 인접 연계망은 동기화되어 직접 연결되면서 더 큰 연계망을 형성할 수 있으며, 또는 고전압 직류 송전선(DC 타이)을 통해 동기화 없이 전력을 공유하거나, 가변 주파수 변압기(VFT)를 통해 공유할 수도 있다. VFT는 제어된 에너지 흐름을 허용하는 동시에 양쪽의 독립적인 교류 주파수를 기능적으로 분리한다.

동기화 구역의 이점으로는 발전의 통합으로 인한 더 낮은 발전 비용, 부하의 통합으로 인한 상당한 평준화 효과, 예비력의 공동 조달로 인한 더 저렴한 1차·2차 예비 전력 비용, 시장 개방으로 인한 장기 계약 및 단기 전력 거래 가능성, 그리고 장애 발생 시 상호 지원 등이 있다.

광역 동기 전력망의 단점 중 하나는 한 부분의 문제가 전력망 전체에 영향을 미칠 수 있다는 것이다. 예를 들어 2018년 코소보는 세르비아와의 분쟁으로 인해 발전량보다 더 많은 전력을 사용했고, 이로 인해 유럽 대륙 동기 전력망 전체의 위상이 마땅히 있어야 할 위치보다 뒤처지게 되었다. 주파수가 49.996Hz로 떨어졌다. 이로 인해 특정 종류의 시계가 6분 느려지게 되었다.

슈퍼그리드

출처: Wikimedia Commons, CC BY-SA 2.5

슈퍼그리드(super grid 또는 supergrid)는 먼 거리에 걸쳐 대량의 전력 거래를 가능하게 하려는 광역 송전망이다. 메가그리드(mega grid)라고도 불린다. 슈퍼그리드는 풍력과 태양광 에너지의 국지적 변동을 평탄화하여 세계적인 에너지 전환을 뒷받침할 수 있다. 이러한 맥락에서 슈퍼그리드는 지구 온난화를 완화하기 위한 핵심 기술로 여겨진다. 슈퍼그리드는 일반적으로 고전압 직류(HVDC)를 사용하여 전력을 먼 거리까지 송전한다. 최신 세대의 HVDC 송전선은 1000km당 단 1.6%의 손실로 에너지를 송전할 수 있다.

여러 지역 간의 전력 회사들은 더 나은 경제성과 신뢰성을 위해 여러 차례 상호 연결된다. 전기 연계선은 규모의 경제를 가능하게 하여 크고 효율적인 공급원에서 에너지를 구매할 수 있게 한다. 전력 회사는 다른 지역의 발전 예비력에서 전력을 끌어와 지속적이고 신뢰할 수 있는 전력을 확보하고 부하를 분산시킬 수 있다. 연계는 또한 여러 지역이 다양한 공급원으로부터 전력을 받아 저렴한 대량 에너지에 접근할 수 있게 한다. 예를 들어 한 지역은 풍수기에 저렴한 수력 발전을 생산할 수 있지만, 갈수기에는 다른 지역이 풍력을 통해 더 저렴한 전력을 생산할 수 있어, 두 지역 모두 연중 서로 다른 시기에 상대방으로부터 더 저렴한 에너지원에 접근할 수 있다. 인접한 전력 회사들은 또한 서로가 전체 계통 주파수를 유지하도록 돕고 전력 회사 지역 간의 연계 전력 전송을 관리하는 데에도 도움을 준다.

전력망의 전기 연계 수준(EIL)은 전력망에 대한 총 연계선 전력을 전력망의 설치 발전 용량으로 나눈 비율이다. EU 내에서는 국가 전력망이 2020년까지 10%, 2030년까지 15%에 도달하는 것을 목표로 설정했다.

구성 요소

발전

전기 발전은 발전소에서 전력을 생산하는 과정이다. 이는 궁극적으로 1차 에너지원으로부터 이루어지는데, 일반적으로 화석, 원자력, 지열원에서 나온 열기관으로 구동되거나 물 또는 바람의 운동 에너지로 구동되는 전기기계식 발전기를 사용한다. 다른 전원으로는 태양 일사로 구동되는 광전지(태양광)와 계통 배터리가 있다.

전력망에 있는 발전기들의 출력 합계가 전력망의 생산량이며, 일반적으로 기가와트(GW)로 측정된다.

송전

출처: Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0

전력 송전은 발전소에서 서로 연결된 선로망을 통해 변전소로 전기 에너지를 대량으로 이동시키는 것이며, 변전소에서 배전 시스템에 연결된다. 이 네트워크화된 연결 시스템은 고전압 변전소와 수용가 사이의 지역 배선과는 구별된다. 송전망은 단일 장애점을 방지하기 위해 중복 경로로 구축된다. 선로 고장의 경우 이러한 중복성 덕분에 수리가 이루어지는 동안 전력을 간단히 재경로화할 수 있다.

전력은 종종 소비되는 곳에서 멀리 떨어진 곳에서 생산되기 때문에, 송전 시스템은 먼 거리를 아우를 수 있다. 주어진 양의 전력에 대해 송전 효율은 더 높은 전압과 더 낮은 전류에서 더 크다. 따라서 송전 시 전압은 높여서 사용한다.