요즘, 무더위와 함께 전력수급(수요와 공급)에 대한 기사가 연일 쏟아 지고 있습니다. 관련 기사의 대부분은 현 정부의 탈원전 정책을 비판하는 내용이 절대 다수인데, 과연 사실일까요? 사실과 과장, 혹은 의도된 잘못된 해석이 있지는 않을까요?

저는 전력경제라는 대중에게 알려지지 않은 세부분야로 박사학위를 따고, 한전에서 3년 넘게 근무한 경력이 있는 사람입니다. 마침, 제 논문 토픽이 발전기 운영, 계획과 관련이 깊기도 해서 '알쓸신잡'의 개념으로 "여름철 대정전 발생의 가능성은?"에 대해서 말씀드리고자 합니다.

우선 이 글을 이해하는데 필요한 기본 개념부터 알려 드리겠습니다.

<사전 개념 설명>

1. 전원계획(Generation Expansion Plan) : 발전기 설비용량을 결정하는 정책입니다. 2년마다 향후 중장기 전력 수급 계획 15년 동안의 발전기 추가 건설, 폐쇄를 결정하여 연도별 발전기 최적 용량을 결정합니다. 탈원전은 전원계획과 관련이 많습니다. 앞으로 원전을 짓기 않겠다는 정책 방향은 중장기 발전용량에 영향을 미칩니다. 참고로 통상적으로 가스 3년, 석탄 5년, 원자력 7년 정도의 건설기간이 필요합니다(물론, 부지 선정, 인허가, 자금조달 등등의 과정을 생각하면 여기에 +1~+5년의 시간이 걸릴 수 있습니다). 전력 수급 계획에서 가장 중요한 요소는 장기 수요 예측과 어떤 발전기를 건설할지 그 종류(유형)을 결정하는 것입니다

2. 발전기 예방 정비 계획(Planed Over Haul) : 정기적으로 각종 기기의 고장을 예방하고 설비의 신뢰도 및 성능 향상으로 안정적인 전력의 생산을 목적으로 시행하는 정기적인 점검 및 정비기간을 의미합니다. 발전기 예방 정비 계획에 소모되는 기간은 발전기 유형, 상태에 따라 상이합니다. A급(정밀점검 및 정비), B급(중간 점검 및 정비), C급(간이 점검 및 정비)으로 구분하며 발전원별 정비 특성에 맞도록 정비 급수의 주기를 결정됩니다. 보통, 전력 최고 수요가 낮은 봄, 가을에 집중적으로 예방 정비 계획이 이루어지며 수요가 높은 여름, 겨울에는 운영 발전 계획에 발전 가능 후보(candidate)로 포함될 수 있는 발전기를 많이 확보합니다.

최근 발전기 예방 정비 계획에 원전과 관련된 이슈가 있었습니다.
http://www.yonhapnews.co.kr/bulletin/2018/02/02/0200000000AKR20180202144500051.HTML
--기사 중 일부를 발췌하면----
"보통 1∼3개월 정도 소요되던 원전 정기검사가 지난해부터 원안위의 안전검사가 강화되면서 10개월∼1년 이상 정비를 하는 원전이 속출하고 있다."
... 중략...
우리나라 원전 24기 가운데 안전성 검사로 가동을 중단한 원전이 10기에 이른다.
여기에 신고리 2호기가 오는 20일, 고리 2호기가 오는 4월 2일 계획예방정비에 착수할 예정이다.
만약 고리 2호기가 정비를 위해 멈추는 4월 2일까지 고리 3·4호기나 신고리 1호기가 재가동을 못 할 경우 고리원전 6기 모두 전기 생산을 못 하는 초유의 일이 벌어지게 된다.
... 중략...
원안위는 "정비 기간이 1년이 넘은 신고리 1호기의 경우 계획예방정비 과정에서 원자로 냉각재 펌프의 부속품이 빠지는 사건이 발생해 부속품 교체, 계통 건전성 등 안전성을 추가로 확인하고 있다"라며 "원자력 안전 법에서 정한 주기와 절차에 따라 정기검사를 정상적으로 진행하고 있다"라고 밝혔다.
... 중략...
원안위는 "한 원전에서 CLP 부식 등이 발생하는 경우 같은 유형의 문제점을 파악하고 안전성을 확인하기 위해 전 원전으로 조사를 확대해 철저하게 안전성을 확인하고 있다"라며 "정비 중인 원전이 관련 기술기준에 따른 안전성을 확보한 것으로 확인되면 절차에 따라 재가동을 승인할 계획이다"라고 설명했다."
-----------
제 생각은 원자력 발전기의 정비계획과 관련해, 지연했다는 사실과 나름의 합리적인 이유가 일부분 인정된다고 생각합니다. 지연했다는 사실에 대한 의혹은 불명확하나 사유는 경주 지진, 포항 지진, 계획상 일시적 몰림 현상 등으로 타당성이 있다고 보기 때문입니다.

3. 운영 발전 계획(Scheduling for Operation) : 현재 운전할 수 있는 발전기들 중 내일 운영할 수 있는 발전기 조합을 결정하는 문제입니다. 발전기 기동정지 계획(Unit Commitment)와 경제급전(Economic Dispatch)를 통해 발전기 조합과 기준 시간별, 발전기별 출력 계획을 하루 전에 결정합니다. 현재, 가용할 수 있는 발전기들이 무엇이 있는지, 각 발전기별 공급비용, 시간대별 전력수요(단기 예측)을 고려하여 운영 발전 계획을 수립합니다. 운영 발전 계획에서 가용할 수 있는 자원은 발전기 예방 정비 계획이 아닌 가용 가능한 발전기로 한정됩니다. 원전이나 석탄의 경우를 기저발전(base-load generation)이라 하는데, 연료비가 주가 되는 가변 비용이 저렴하기 때문에 일단 가동이 가능한 상황이면 거의 100% 출력량을 가지게 됩니다.

<본론, 2011년 9.15 순환 단전의 이유를 알아보자>
http://biz.chosun.com/site/data/html_dir/2011/09/16/2011091600249.html
https://ko.wikipedia.org/wiki/9·15_대한민국_대규모_정전_사건

일단 위 기사와 위키백과를 보시면 2011년에 어떤 일이 왜 일어났는지가 기술되어 있습니다. 그러나 대부분의 사람들은 무슨 말인지 정확하게 이해하기 힘들 것입니다. 그 이유는 (추론하던데) 기자들이 충분한 공부를 하지 않은 채 기사를 썼기 때문입니다.

-----기사 발췌-----
"한전은 하절기 전력 수급기간(6월 27일~9월 9일)이 지나, 겨울을 대비해 발전기들을 정비 중이었다. 하지만 2011년 9월 15일 전국적 이상기후로 인한 무더위로 전기 수요가 급증하였었다. 전력거래소는 이날 전력피크를 6천400만 kw로 예상했지만, 6천726만 kw의 전력수요가 발생하여 예비전력이 안정 유지 수준 400만 kw 아래로 떨어지게 되었다. 전력거래소와 한전은 이런 상황에서 오후 3시를 기해 전력 예비력이 안정 유지 수준인 400만㎾ 이하로 떨어지자 95만㎾의 자율절전과 89만㎾의 직접 부하제어를 시행했고, 이후에도 수요 증가로 400만㎾를 회복하지 못하자 지역별 순환단전에 들어갔다. (최저 전력예비율은 24만 kW였다.) 이로 인해 아무 통보 없이 지역별로 순환정전에 들어갔으며, 당일 오후 8시경 정상화되었다."
-----끝--------

이제부터 해석에 들어가겠습니다.

1) 피크 수요 예측에 실패했다.
- 6천726만 kw(실제) --- 6천400만 kw(예측)

9월 15일은 추석 연휴 다음 날이었는데, 하필이면 이때 이상 고온이 발생하였습니다. 이에 따라, 피크 기준의 예측 수요보다 더 적게 전력 수요를 예측하였습니다. 전력시스템 운영, 발전기 운영계획은 하루 전에 이루어지는데, 이러한 단기 전력수요 예측을 통해 시간대별 발전기의 가동과 출력량을 사전에 준비합니다. 근데, 이상 고온을 예측하는데 실패하였기 때문에 '수급 위기' 상황에 처하게 되었습니다. 그 차이를 보면 326만 kW, 즉 3GW가 넘는 예측 실패가 있었다는 사실을 알 수 있습니다.


2) 예비전력이 안정 유지 수준 400만 kW 아래로 떨어지게 되었다.

예비전력을 업계에서는 예비력이라 부르는데, 통상 400만 kW 위를 유지하도록 합니다. 만 kW는 관습처럼 사용하는 단위인데, 학계에서는 4000MW(4GW)로 부릅니다. 여기서 4GW는 운영예비력을 의미합니다. 운영예비력은 발전 계획이 실제와 차이가 날 수도 있는 상황을 고려해서 사전에 준비한 공급 여유분입니다.

우리나라 예비력 구분 기준과 필요 용량 기준이 불명확하고 개선된 필요가 있다는 주장이 많지만 그 부분은 보다 전문적인 영역에 해당되는 예비력에 대해서 간단히 설명해드리겠습니다(사실, 기자들이 헛갈려 하는 이유는 예비력 용어가 전력 시장 운영 규칙에서 사용하는 것과 거래소 홈페이지에서 공개된 자료와 차이가 있고, 그 내용도 세부 분야 전문가가 아니면 정확하게 알기 힘들기 때문입니다. 설령, 해외에서 자료를 찾아도 예비력 운용과 규칙은 국가별로, 같은 국가에서도 지역별로 다르기 때문에 이를 쉽게 파악하기가 어려운 특성이 있습니다).즉, 기사에서 말하는 안정 기준인 400만 kW(4000MW)는 바로 운영예비력을 의미합니다. 운영예비력은 말 그대로 전력수요 예측의 실패, 발전기 고장(탈락)으로 전력 공급이 추가적으로 필요할 때 적시에 활용할 수 있는 공급 가능한 여유 전력량을 의미합니다. 운영예비력을 이해하기 위해서는 운영예비력을 보다 세분화시켜 파악할 필요가 있습니다.

운영예비력은 당시(2011.9) 우리나라 기준으로 주파수 조정예비력(1000MW, 순시), 대기 예비력(1500MW, 10~20분), 대체예비력(1500MW, 120분)으로 구분되어 있고 또 대기 예비력은 운전 상태(500MW), 정지 상태(1000MW)로 나눠져 있습니다.

벌써부터 머리가 지끈지끈 아프시죠? 저 역시 처음에 그랬습니다. "왜 이리 복잡하게 세분화시킨 거야?"라고 생각하실 수도 있겠지만 모든 것에는 나름의 이유가 있습니다(앞에서 말했지만 이 기준은 문제가 많다고 생각합니다. 정전 이후 개선을 하긴 했고, 계속 개선을 해나는 과정이긴 하지만 여전히 미흡하다고 생각합니다. 나중에 기회가 되면 설명드리겠습니다).

주파수 조정예비력은 순시(=즉각)의 전력수요 변동에 대응하는 예비력을 말합니다. 굳이 비유하자면 예비전력 중 가장 빠른 페라리와 같은 존재이죠.

-------관련 이론 설명----------
아 참, 중요한 사실을 이야기하지 못했는데 전력시스템의 가장 중요한 운영 원칙은 언제나 '수요 = 공급'이 유지하도록 하는 것입니다. 그 이유는 동기(synchronized) 시스템이기 때문인데, 동기 시스템은 통돌이 세탁기의 돌아가는 통처럼 전력 시스템은 일정한 속도(60Hz)로 돌고 있고, 그 속도가 일정하지 않으면 전체 시스템이 엉켜 붕괴되기 때문입니다. 두 사람이 실로 연결된 막대기를 들고 같은 속도, 같은 방향, 같은 크기의 원 모양으로 돌린다고 할 때, 속도에 차이가 발생하면 실이 엉켜버리는 것과 같습니다. 공급 > 수요이면 주파수가 높아지고, 공급 < 수요이면 주파수가 낮아집니다. 즉, 주파수를 일정하게 유지하는 것인 전력시스템 운영의 가장 중요한 원칙 중 하나입니다.
-------끝---------------

예비력의 페라리인 주파수조정 예비력은 발전기의 속도 변화를 감지하여 작동하는 FGMO(Free Governor Mode Operation)와 시스템의 주파수 변화를 감지하여 작동하는 자동제어 (AGC, Automatic Generation Control) 2가지로 구성되어 있습니다. (각각을 1차 예비력, 2차 예비력으로 유럽에서 구분하나 우리는 그냥 통으로 묶어서 주파수조정 예비력이라 칭하고 있습니다.)

사실, 기술적으로 2개의 경계를 무를 칼로 자르듯이 구분하기도 어렵다고 합니다). 주파수 조정예비력은 전력시스템이 가동될 때, 수시로 활용됩니다. 전력수요가 찔끔 변동해도 (제어 기준점을 초과하면) 자동으로 작동합니다.
    즉, 전력수요 예측 실패와 무관하게 그냥 전력시스템 주파수의 항상성 유지를 위해 늘 활용되는 부분입니다(다만, 전력수요 예측 실패가 커지면 당연히 가장 먼저 활용됩니다). 전력수요는 실시간에서 지속적으로 변동하는데, 그 변동을 지속적으로 (자동으로) 따라가면서 수요와 공급을 일치시키는 예비력입니다.

대기 예비력은 전력수요 예측의 실패와 발전기 고장을 고려해 준비된 예비력입니다. 일단 주파수 조정보다는 느리지만 그래도 빠른 편인 10분 안에 가동이 준비되어야 하는 500MW와 조금은 느리지만 그래도 빠른 편인 20분 안에 준비되어야 하는 1000MW로 구분되어 준비되어 있습니다(빠르게 응답하려면 돈이 더 필요합니다. 즉, 비용 효율성과 시스템 안정성을 고려해 구분되어있습니다만... 거의 빠른 놈으로 준비되는 게 실정입니다. 기준은 최소 기준이니 모두 10분 안에 반응할 수 있어도 기준 상에서는 어긋나지 않습니다.).

대기 예비력을 1500MW로 규정한 이유는 설정 당시 단기 수요예측 오차율 실적(1.5%)를 고려한 필요량(500MW)와 발전기 1기 최대용량 기준(1000MW, 당시 기준이고 지금은 최대용량이 1500MW)을 고려해서 결정했습니다. 사실, 최대 수요 예측 오차와 발전기 탈락이 동시에 발생하지 않으니 둘 중에 더 큰 것으로 기준을 결정하는 것도 나름 합리적이기 때문에 발전기 용량이 올라가도 내버려 둔 이유도 있다고 생각합니다(그냥, 사고 없이 어찌어찌 굴러갔으니 이 규정이 주목받지 못했었겠지...라고 추측합니다.;;)


쉽게(?) 말해 대기 예비력은 발전기 1개 탈락 또는 수요의 큰 변동(예측 실패)를 대응하기 위해 준비하고, 대충 20분 전이면 상황을 파악할 수 있으니깐 20분 이내로 1500MW 추가 출력이 가능한 용량이라고 생각하시면 됩니다)

대체예비력은 1500MW로 (설정 당시) 대단위 발전 단지 고장 용량에서 주파수 조정, 대기 예비력을 제외한 용량으로 1,500MW가 준비됩니다. 그리고 120분 안에 1500MW 출력이 준비되면 되도록 준비됩니다.

예비력에 대한 계략적인 설명을 드렸으니 다시 기사로 돌아가겠습니다.

"한전은 하절기 전력 수급기간(6월 27일~9월 9일)이 지나, 겨울을 대비해 발전기들을 정비 중이었다. 하지만 2011년 9월 15일 전국적 이상기후로 인한 무더위로 전기 수요가 급증하였었다. 전력거래소는 이날 전력피크를 6천400만 kw로 예상했지만, 6천726만 kw의 전력수요가 발생하여 예비전력이 안정 유지 수준 400만 kw 아래로 떨어지게 되었다. 전력거래소와 한전은 이런 상황에서 오후 3시를 기해 전력 예비력이 안정 유지 수준인 400만㎾ 이하로 떨어지자 95만㎾의 자율절전과 89만㎾의 직접 부하제어를 시행했고, 이후에도 수요 증가로 400만㎾를 회복하지 못하자 지역별 순환단전에 들어갔다. (최저 전력예비율은 24만 kW였다.) 이로 인해 아무 통보 없이 지역별로 순환정전에 들어갔으며, 당일 오후 8시경 정상화되었다."

전력시스템 운영 이론에 따르면 전력 수요 예측 실패(또는 발전기 고장) 등으로 수급(수요와 공급 맞추기)에 문제가 생겼을 때, 저비용부터 고비용 순서대로 수급 유지를 위한 조치를 취합니다. 근데, 기사를 보면 좀 이상합니다.

예비력이 400만 kW 이하로 떨어지니깐, 바로 자율절전과 직접 부하제어를 실시했다고 나옵니다.  사실 직접 부하제어는 요즘의 수요반응(DR)과 유사한 개념인데, 사전에 협의에 전력수요에 공급을 하지 않는 조치입니다. 일종의 강제 수요 조정이라고 생각하시면 됩니다. 근데, 예비력이 400만 kW로 떨어지니깐 바로 직접 부하제어부터 했다는 것은 "예비력을 신줏단지처럼 모시고 있다"라는 느낌 같은 느낌을 줍니다(실제로 비용 효율적 운전보다는 시스템 안전 중심으로 시스템을 운영하는 게 우리나라 전력시스템의 운영 방안입니다. 이론적으로 보면 문제가 있다고 비판할 수 있지만,  일단 정전이 크게 발생하면 정부에게 큰 부담이 되기 때문에 왜 저렇게 운영하는지는 대충 이해는 갑니다).

사실, 예비력이 있다면 수단 단전이 필요 없습니다(맞습니다. 기사는 잘못 작성되었습니다). 예비력이 소진이 다 되어서 더 이상 수급을 유지할 수 있는 여건이 안 되자 순환 단전을 시행한 것입니다. '순환 단전'은 말 그대로 순환적으로 전력 공급을 하지 않아 순환적인 정전이 발생하도록 하는 조치를 의미합니다.