전력 계통

전력 계통 또는 전력망은 생산자로부터 소비자에게 전기를 전달하기 위한 서로 연결된 네트워크이다. 전력 계통은 발전소, 전압을 높이거나 낮추는 변전소, 전력을 먼 거리까지 운반하는 송전, 그리고 최종적으로 고객에게 전기를 전달하는 배전으로 구성된다. 마지막 단계에서 전압은 필요한 서비스 전압으로 다시 낮아진다. 발전소는 일반적으로 에너지원 근처에 건설되며 인구 밀집 지역과는 멀리 떨어진 곳에 위치한다. 전력 계통은 규모가 다양하며 국가 전체나 대륙을 아우를 수도 있다. 작은 규모부터 큰 규모 순으로 마이크로그리드, 광역 동기 그리드, 슈퍼 그리드가 있다. 송전과 배전 네트워크가 결합된 형태는 전력 공급의 일부로, 전력망(power grid)으로 알려져 있다.

그리드는 거의 항상 동기식이다. 즉, 모든 배전 지역이 동기화된 3상전력 교류(AC) 주파수로 운영됨을 의미한다(전압 변동이 거의 동시에 발생하도록 함). 이를 통해 전 지역에 교류 전력을 송전하여 발전기와 소비자를 연결할 수 있다. 그리드는 더 효율적인 전기 시장을 가능하게 한다.

전력 계통이 널리 보급되어 있음에도 불구하고,  기준으로 전 세계 14억 명의 사람들이 전력 계통에 연결되지 않은 상태였다. 전력화가 진행됨에 따라 그리드 전기를 사용할 수 있는 인구는 늘어나고 있다. 2017년 기준 약 8억 4천만 명(대부분 아프리카 지역)이 그리드 전기를 공급받지 못하고 있으며, 이는 세계 인구의 약 11%로, 2010년의 12억 명에서 감소한 수치이다.

전력 계통은 악의적인 침입이나 공격에 취약할 수 있으므로, 전력망 보안이 필요하다. 또한 전력 계통이 현대화되고 컴퓨터 기술이 도입됨에 따라 사이버 위협이 보안 위험으로 부상하고 있다. 특히 그리드 관리에 필요한 더 복잡한 컴퓨터 시스템과 관련된 우려가 크다.

 유형 (규모별 구분) 
 마이크로그리드 

마이크로그리드는 일반적으로 지역 광역 동기 그리드의 일부이지만, 필요시 분리되어 자율적으로 운영될 수 있는 국소적인 그리드이다. 메인 그리드에 정전이 발생했을 때 이러한 작동이 이루어질 수 있다. 이를 단독 운전(islanding)이라 하며, 자체 자원만으로 무기한 운영될 수도 있다.

대형 그리드와 비교했을 때, 마이크로그리드는 일반적으로 더 낮은 전압의 배전 네트워크와 분산된 발전기를 사용한다. 마이크로그리드는 복원력이 더 높을 뿐만 아니라, 고립된 지역에서 구현하기에 더 저렴할 수 있다.

설계 목표 중 하나는 해당 지역에서 사용하는 모든 에너지를 자체적으로 생산하는 것이다.

 광역 동기 그리드 

광역 동기 그리드(북미에서는 "상호연결"이라고도 함)는 동기화된 주파수에서 작동하고 정상적인 시스템 조건에서 전기적으로 함께 묶여 있는 지역적 규모 이상의 전력 계통이다. 예를 들어 북미에는 네 개의 주요 상호연결망(서부 상호연결, 동부 상호연결, 퀘벡 상호연결, 텍사스 상호연결)이 있다. 유럽에서는 하나의 거대한 그리드가 서유럽 대부분을 연결한다. 이들은 동기 영역으로도 알려져 있으며, 가장 큰 것은 발전 용량이 667 기가와트(GW)에 달하는 유럽 대륙 동기 그리드(ENTSO-E)이고, 가장 넓은 지역을 담당하는 것은 구소련 국가들을 연결하는 IPS/UPS 시스템이다. 충분한 용량을 갖춘 동기 그리드는 광범위한 지역에 걸친 전기 시장 거래를 촉진한다. 2008년 ENTSO-E에서는 유럽 에너지 거래소(EEX)를 통해 하루 350,000 메가와트시 이상의 전력이 거래되었다.

북미의 각 상호연결망은 공칭 60 Hz로 작동하는 반면, 유럽의 망은 50 Hz로 작동한다. 주파수와 표준이 동일한 인접 상호연결망은 동기화되어 직접 연결되어 더 큰 상호연결망을 형성할 수 있고, 또는 초고압직류송전 선로(DC 연계)나 가변 주파수 변압기(VFT)를 통해 동기화 없이 전력을 공유할 수도 있다. 이는 각 측의 독립적인 교류 주파수를 기능적으로 분리하면서도 제어된 에너지 흐름을 가능하게 한다.

동기 영역의 장점으로는 발전 설비의 공동 이용을 통한 발전 비용 절감, 부하의 공동 이용을 통한 상당한 평준화 효과, 예비력의 공동 확보를 통한 1차 및 2차 예비 전력 비용 절감, 시장 개방을 통한 장기 계약 및 단기 전력 거래 가능성, 사고 발생 시의 상호 지원 등이 있다. (See "Operation of Power Systems" link for title page and table of contents.)

광역 동기 그리드의 한 가지 단점은 한 부분의 문제가 그리드 전체에 영향을 미칠 수 있다는 점이다. 예를 들어 2018년 세르비아와의 분쟁으로 인해 코소보가 생산량보다 더 많은 전력을 사용하면서, 유럽 대륙 동기 그리드 전체의 위상이 원래 있어야 할 지점보다 뒤처지게 되었다. 주파수는 49.996 Hz까지 떨어졌고, 이로 인해 특정 종류의 시계들이 6분 정도 느려지는 현상이 발생했다.

 슈퍼 그리드 

섬네일|right|북아프리카, 중동 및 유럽의 재생 가능 에너지원을 연결하는 슈퍼 그리드의 구상도 중 하나. (DESERTEC)

슈퍼 그리드는 장거리에서 대량의 전기 거래를 가능하게 하기 위한 광역 송전 네트워크이다. 때로는 메가 그리드라고도 불린다. 슈퍼 그리드는 풍력 발전과 태양 에너지의 지역적 변동을 완화함으로써 전 지구적인 에너지 전환을 지원할 수 있다. 이러한 맥락에서 슈퍼 그리드는 지구 온난화를 완화하기 위한 핵심 기술로 간주된다. 슈퍼 그리드는 일반적으로 전기를 장거리 송전하기 위해 초고압직류송전(HVDC)을 사용한다. 최신 세대의 HVDC 송전선은 1,000km당 손실이 1.6%에 불과한 상태로 에너지를 전송할 수 있다.

지역 간 전력 유틸리티는 경제성과 신뢰성을 향상시키기 위해 여러 번 상호 연결된다. 전기 상호 연결 장치는 규모의 경제를 가능하게 하여 대규모의 효율적인 에너지원으로부터 에너지를 구매할 수 있게 한다. 유틸리티는 지속적이고 신뢰할 수 있는 전력을 보장하고 부하를 분산시키기 위해 다른 지역의 발전기 예비력에서 전력을 끌어올 수 있다. 또한 상호 연결을 통해 지역별로 다른 에너지원으로부터 전력을 공급받아 저렴한 대량 에너지에 접근할 수 있다. 예를 들어, 한 지역은 수량이 풍부한 시기에 저렴한 수력 발전을 생산할 수 있지만, 수량이 적은 시기에는 다른 지역에서 풍력을 통해 더 저렴한 전력을 생산할 수 있어, 두 지역 모두 일 년 중 다른 시기에 서로의 더 저렴한 에너지원에 접근할 수 있다. 인접한 유틸리티들은 또한 전체 시스템 주파수를 유지하고 유틸리티 지역 간의 연계 전력 전송을 관리하는 데 도움을 준다.. (2001). Glover J. D., Sarma M. S., Overbye T. J. (2010) Power System and Analysis 5th Edition. Cengage Learning. Pg 10.

그리드의 전기 상호 연결 수준(EIL)은 그리드에 설치된 생산 용량 대비 그리드로 연결된 총 상호 연결 전력의 비율이다. EU 내에서는 국가 그리드가 2020년까지 10%, 2030년까지 15%에 도달하는 것을 목표로 설정했다.

 구성 요소 

 발전 

섬네일|upright=1.3|터빈 발전기
발전은 발전소에서 전력을 생산하는 과정이다. 이는 궁극적으로 화석연료, 원자력, 지열 발전 등의 열원에서 나오는 열기관에 의해 구동되거나, 물이나 바람의 운동 에너지에 의해 구동되는 전기 기계적 발전기를 통해 일차 에너지로부터 이루어진다. 다른 전력원으로는 태양 일사에 의해 구동되는 태양광 발전과 그리드용 배터리가 있다.

그리드에 연결된 발전기들의 출력 합계가 그리드의 생산량이며, 일반적으로 기가와트(GW) 단위로 측정된다.

 송전 

섬네일|그랜드쿨리댐에 있는 500 kV 3상전력 송전선; 4개의 회로가 보이며, 2개의 추가 회로는 오른쪽 나무에 가려져 있다. 댐의 전체 7,079 MW 발전 용량은 이 6개의 회로로 수용된다.섬네일|서로 다른 전압 레벨 간의 상호 연결을 보여주는 고압 송전 시스템의 네트워크 도식. 이 도표는 물리적 지형보다는 네트워크의 전기적 구조를 나타낸다.송전은 발전소에서 생산된 전기 에너지를 상호 연결된 선로망을 통해 배전 시스템과 연결되는 변전소까지 대량으로 이동시키는 것이다. 이러한 네트워크화된 연결 시스템은 고압 변전소와 고객 사이의 국소적인 배선과는 구분된다. 송전망은 단일 장애점을 방지하기 위해 다중 경로로 구축된다. 선로 고장이 발생할 경우 이러한 다중화를 통해 수리가 진행되는 동안 전력을 간단히 우회시킬 수 있다.

전력은 흔히 소비되는 곳에서 멀리 떨어진 곳에서 생산되기 때문에 송전 시스템은 먼 거리를 아우를 수 있다. 일정한 전력량에 대해 송전 효율은 전압이 높고 전류가 낮을수록 높다. 따라서 발전소에서 전압을 높이고(승압), 고객에게 배전하기 위해 지역 변전소에서 전압을 낮춘다(강압).

대부분의 송전은 3상전력 방식이다. 단상과 비교할 때 3상은 중성선과 접지선을 공유하기 때문에 주어진 전선량으로 훨씬 더 많은 전력을 전달할 수 있다. 또한 3상 발전기와 모터는 단상 방식보다 더 효율적이다.

그러나 기존 도체의 경우 주요 손실 중 하나는 전류의 제곱에 비례하고 거리에 의존하는 저항 손실이다. 고압 교류 송전선은 100마일당 1~4%의 손실이 발생할 수 있다. 반면 초고압직류송전은 교류의 절반 수준의 손실을 가질 수 있다. 매우 긴 거리의 경우 이러한 효율성은 양 끝단에 필요한 AC/DC 변환소의 추가 비용을 상쇄할 수 있다.

 변전소 

변전소는 다양한 기능을 수행할 수 있지만 대개 전압을 저압에서 고압으로(승압), 그리고 고압에서 저압으로(강압) 변환한다. 발전기와 최종 소비자 사이에서 전압은 여러 번 변환될 수 있다.

기능에 따른 변전소의 세 가지 주요 유형은 다음과 같다.
 승압 변전소: 변압기를 사용하여 발전소에서 나오는 전압을 높여서, 더 적은 전류로 먼 거리까지 더 효율적으로 전력을 송전할 수 있게 한다.
 강압 변전소: 송전선에서 오는 전압을 낮추어 산업용으로 사용하거나 배전 변전소로 보낸다.
 배전 변전소: 최종 사용자에게 배전하기 위해 전압을 다시 더 낮게 변환한다.

변압기 외에도 변전소의 다른 주요 구성 요소나 기능은 다음과 같다.
 회로 차단기: 회로를 자동으로 차단하고 시스템의 고장을 격리하는 데 사용된다.
 개폐기: 전기의 흐름을 제어하고 장비를 격리한다.
 변전소 모선: 일반적으로 전류의 각 상에 하나씩, 세 개의 도체 세트이다. 변전소는 모선을 중심으로 구성되며, 인입 선로, 변압기, 보호 장치, 개폐기 및 인출 선로와 연결된다.
 피뢰기
 역률 보정을 위한 축전기
 역률 보정 및 그리드 안정성을 위한 동기 조상기

 배전 

섬네일|right|upright=1.4|전력 계통의 일반적인 배치. 전압 및 전선 묘사는 독일 및 기타 유럽 시스템의 전형적인 모습이다.배전은 전력 공급의 마지막 단계로, 송전 시스템에서 개별 소비자에게 전기를 운반한다. 변전소는 송전 시스템과 연결되어 송전 전압을 에서  사이의 중압으로 낮춘다. 그러나 전압 수준은 국가마다 매우 다양하며, 스웨덴의 경우 중압은 보통 에서  사이이다. 1차 배전선은 이 중압 전력을 고객 구내 근처에 위치한 배전 변압기로 운반한다. 배전 변압기는 전압을 다시 사용 전압으로 낮춘다. 훨씬 더 많은 전력을 필요로 하는 고객은 1차 배전 수준이나 서브송전 수준에 직접 연결될 수 있다.

배전망은 방사상(radial) 또는 망상(network)의 두 가지 유형으로 나뉜다.

북미의 도시와 마을에서 그리드는 고전적인 방사형 공급 설계를 따르는 경향이 있다. 변전소는 송전망으로부터 전력을 받아 변압기로 전압을 낮춘 후 모선으로 보내며, 여기서 피더(feeder)들이 주변 지역으로 사방으로 뻗어 나간다. 이 피더들은 3상 전력을 운반하며 변전소 근처의 주요 도로를 따라가는 경향이 있다. 변전소에서 멀어질수록 피더가 닿지 않는 지역을 커버하기 위해 더 작은 지선들이 뻗어 나가면서 확산이 계속된다. 이러한 나무 모양의 구조는 변전소에서 바깥쪽으로 자라나지만, 신뢰성 문제로 인해 보통 인접한 변전소로 연결되는 사용하지 않는 예비 연결부를 적어도 하나 포함한다. 이 연결은 비상시에 활성화되어 변전소 서비스 지역의 일부를 다른 변전소에서 대신 공급받을 수 있게 한다.

 저장 

섬네일|화석 연료나 원자력 발전소 및 재생 가능 에너지원에서 나온 에너지가 고객의 사용을 위해 저장된다.
섬네일|하루 동안의 간략화된 그리드 에너지 흐름

그리드 에너지 저장(대규모 에너지 저장이라고도 함)은 전력 계통 내에서 대규모로 에너지 저장을 하기 위해 사용되는 방법들의 집합이다. 전기가 풍부하고 저렴할 때(특히 풍력 발전, 조력 발전, 태양광 발전과 같은 변동성 재생 에너지원으로부터의 공급이 많을 때)나 수요가 낮을 때 전기 에너지를 저장했다가, 나중에 수요가 많고 전기 가격이 높을 때 전력을 생산한다.

2020년 기준으로 그리드 에너지 저장의 가장 큰 형태는 댐을 이용한 수력 발전으로, 기존의 수력 발전과 양수 발전을 모두 포함한다.

배전 저장 장치의 발전으로 전력 생산 피크 시에 에너지를 저장했다가 수요 피크 시에 방출하거나, 생산량이 예상치 못하게 감소했을 때 대응 속도가 느린 자원들이 가동될 때까지 시간을 벌어주는 상업적으로 실행 가능한 프로젝트들이 가능해졌다.

그리드 저장의 두 가지 대안으로는 공급 부족을 메우기 위해 첨두부하 발전소를 사용하는 것과, 부하를 다른 시간대로 옮기는 수요 반응이 있다.

 기능 

 수요 
전력 계통의 수요 또는 부하는 그리드 사용자들이 소비하는 총 전력을 의미한다.

시간에 따른 수요의 그래프를 수요 곡선이라고 한다.

기저부하는 일정 기간 그리드에 걸리는 최소 부하이며, 최대 수요는 최대 부하이다. 역사적으로 기저부하는 운영 비용이 상대적으로 저렴하고 수주 또는 수개월 동안 지속적으로 가동되는 설비로 충당되었으나, 전 세계적으로 이러한 방식은 덜 일반적이 되고 있다. 추가적인 최대 수요 요구 사항은 때때로 신속하게 가동되도록 최적화된 비싼 발전기인 첨두부하 발전소에 의해 생산되지만, 이들 역시 덜 일반적이 되고 있다.

그러나 전력 수요가 지역 전력망의 용량을 초과하면 과열로 인한 소손과 같은 안전 문제가 발생할 수 있다.

 전압 
그리드는 고객들에게 대체로 일정한 전압으로 전기를 공급하도록 설계된다. 이는 변동하는 수요, 가변적인 무효 전력 부하, 그리고 비선형 부하가 존재하는 상황에서, 완벽하게 신뢰할 수 없는 발전기 및 배전/송전 장비들을 통해 달성되어야 한다. 흔히 그리드는 소비자 근처 변압기에 있는 탭 절환 장치를 사용하여 전압을 조정하고 규격 내로 유지한다.

 주파수 

동기 그리드에서 모든 발전기는 동일한 주파수로 작동해야 하며, 서로 및 그리드와 위상이 거의 정확히 일치해야 한다. 에너지는 생산되는 즉시 소비되므로 그리드 전체에서 발전과 소비의 균형이 맞춰져야 한다. 회전 발전기의 경우, 로컬 조속기가 구동 토크를 조절하여 부하 변화에 따라 회전 속도를 거의 일정하게 유지한다. 단기적으로는 발전기의 회전 운동 에너지에 의해 에너지가 저장된다.

속도는 대체로 일정하게 유지되지만, 공칭 시스템 주파수로부터의 작은 편차는 개별 발전기를 조절하는 데 매우 중요하며 그리드 전체의 평형을 평가하는 방법으로 사용된다. 그리드 부하가 가벼울 때 주파수는 공칭 주파수보다 높게 나타나며, 이는 네트워크 전체의 자동 발전 제어(AGC) 시스템에 발전기 출력을 줄여야 한다는 신호로 받아들여진다. 반대로 부하가 무거우면 주파수가 자연스럽게 느려지고, 조속기는 발전기가 더 많은 전력을 출력하도록 조정한다(속도 조정률 제어). 발전기들이 동일한 속도 조정률 설정을 가지면, 병렬 연결된 여러 발전기가 정격 용량에 비례하여 부하를 분담하게 된다.

또한, 지역 네트워크 흐름과 그리드의 작동 주파수를 추가로 조정하기 위해 1분 이상의 시간 단위로 AGC 시스템의 매개변수를 변경할 수 있는 중앙 제어가 존재하는 경우가 많다.

시간 측정 목적으로 공칭 주파수는 단기적으로 변동될 수 있지만, 24시간 전체에 걸쳐 전원 구동 시계가 상당한 시간을 얻거나 잃지 않도록 조정된다.

직접 연결되지 않은 인접 그리드들은 거의 항상 서로 위상이 어긋나 있다. 대신 초고압직류송전 선로나 가변 주파수 변압기를 사용하여 위상이 다른 두 동기 그리드가 전력을 공유할 수 있도록 한다.

 용량 및 확정 용량 
전력 계통에 연결된 발전기들의 최대 출력 합계(정격 용량)를 그리드의 용량으로 볼 수 있다.

그러나 실제로는 모든 발전기가 동시에 최대 출력으로 가동되지는 않는다. 일반적으로 일부 발전기는 수요 변화뿐만 아니라 고장에 대비하기 위해 낮은 출력으로 가동 상태(운전 예비력)를 유지한다. 또한 발전기는 유지보수나 에너지 입력(연료, 물, 바람, 태양 등)의 가용성, 또는 오염 규제 등의 이유로 가동이 중단될 수 있다.

확정 용량(Firm capacity)은 특정 기간 동안 즉시 사용 가능한 그리드의 최대 출력을 의미하며, 훨씬 더 유용한 수치이다.

 생산 
대부분의 그리드 규정은 발전기 간의 부하 분담을 한계 비용에 따른 급전 순위(즉, 저렴한 순서) 및 때로는 환경적 영향에 따라 결정하도록 규정하고 있다. 따라서 저렴한 전기 공급원은 거의 항상 최대 출력으로 가동되는 경향이 있으며, 더 비싼 생산자들은 필요할 때만 가동된다.

 고장 및 문제점 
고장은 대개 발전기나 송전선로가 고장으로 인해 회로 차단기가 작동하여 고객에 대한 발전 용량 손실이나 과도한 수요가 발생할 때와 관련이 있다. 이로 인해 주파수가 감소하는 경우가 많으며, 남은 발전기들이 반응하여 최솟값 이상에서 안정화되도록 함께 시도한다. 이것이 불가능할 경우 여러 시나리오가 발생할 수 있다.

그리드의 한 부분에서의 큰 고장은 즉시 보상되지 않으면 전력이 남은 발전기에서 소비자에게로 용량이 부족한 송전선을 통해 우회하게 되어 추가적인 고장을 유발할 수 있다. 광범위하게 연결된 그리드의 단점 중 하나는 이처럼 연쇄 고장과 광범위한 정전이 발생할 가능성이 있다는 것이다. 안정적인 그리드를 유지하기 위해 대개 통신을 촉진하고 프로토콜을 개발하는 중앙 기구가 지정된다. 예를 들어, 북미 전력 계통 신뢰성 위원회(NERC)는 2006년에 미국 내에서 구속력을 얻었으며, 캐나다와 멕시코의 해당 지역에서 자문 권한을 가지고 있다. 미국 정부는 또한 송전 병목 현상이 발생했다고 판단되는 지역을 국가 이익 송전 회랑으로 지정했다.

 브라운아웃 

섬네일|upright=1.1|도쿄 도쿄 타워 근처의 브라운아웃 현상

브라운아웃은 전력 공급 시스템에서 의도적 또는 비의도적인 전압 저하를 의미한다. 의도적인 브라운아웃은 비상시 부하 감소를 위해 사용된다.Steven Warren Blume Electric power system basics: for the nonelectrical professional. John Wiley & Sons, 2007   p. 199 이러한 저하는 단기적인 전압 강하와 달리 몇 분 또는 몇 시간 동안 지속된다. 브라운아웃이라는 용어는 전압이 떨어질 때 백열등의 밝기가 어두워지는 것에서 유래했다. 전압 감소는 전력망 중단의 효과일 수도 있고, 때로는 부하를 줄여 전체적인 블랙아웃을 방지하기 위한 노력으로 부과될 수도 있다.Alan Wyatt, Electric Power Challenges and Choices, The Book Press Limited, Toronto, 1986  page 63

 블랙아웃 (정전) 

블랙아웃(또는 정전)은 특정 지역에 전력 공급이 중단되는 현상이다.

정전은 발전소의 고장, 송전선, 변전소 또는 배전 시스템의 다른 부분에 대한 손상, 합선, 연쇄 고장, 퓨즈 또는 회로 차단기의 작동, 그리고 인간의 실수로 인해 발생할 수 있다.

정전은 환경과 공공 안전이 위험에 처할 수 있는 장소에서 특히 치명적이다. 병원, 하폐수 처리장, 광산, 대피소 등과 같은 시설은 보통 전력이 끊겼을 때 자동으로 작동하는 비상 발전기와 같은 예비 전원을 갖추고 있다. 통신과 같은 다른 핵심 시스템도 비상 전원을 갖추어야 한다. 전화국의 배터리실에는 보통 백업용 납 축전지 배열이 있으며 장기 정전 시 발전기를 연결하기 위한 소켓도 마련되어 있다.

 부하 차단 

발전 및 송전 시스템이 특정 지역 내 모든 유틸리티 고객이 요구하는 최대 전력량인 최대 수요 요건을 항상 충족할 수는 없다. 이러한 상황에서 통제 불능의 서비스 중단(광범위한 블랙아웃)이나 장비 손상을 방지하기 위해, 일부 장치의 서비스를 끄거나 공급 전압을 낮춤으로써(브라운아웃) 전체 수요를 낮춰야 한다. 유틸리티는 타겟 블랙아웃, 윤번정정, 또는 대량의 전기를 사용하는 산업 소비자와의 계약을 통해 시스템 전체의 수요 피크 시에 장비를 끄도록 함으로써 서비스 지역에 부하 차단을 시행할 수 있다.

 블랙 스타트 

섬네일|right|alt=City skyline at dusk with only a very few office building windows lit|발전소의 블랙 스타트가 필요했던 2003년 미국 북동부 대정전 당시의 토론토

블랙 스타트는 전면 또는 부분적인 셧다운 상태에서 회복하기 위해 외부의 송전망에 의존하지 않고 발전소나 전력망의 일부를 다시 가동하는 과정이다.Knight, U.G.  Power Systems in Emergencies – From Contingency Planning to Crisis Management  John Wiley & Sons 2001  section 7.5 The 'Black Start' Situation

정상적으로 발전소 내에서 사용되는 전력은 발전소 자체의 발전기에서 제공된다. 발전소의 모든 주요 발전기가 정지되면, 발전소의 송전선을 통해 그리드에서 전력을 끌어와 역내 전력을 공급한다. 그러나 광역 정전 중에는 그리드로부터의 외부 전력을 사용할 수 없다. 그리드 전력이 없는 상태에서 전력망을 가동시키기 위해 이른바 블랙 스타트(부트스트래핑)가 수행되어야 한다.

블랙 스타트를 제공하기 위해 일부 발전소에는 소형 디젤 발전기가 있으며, 이를 통해 수 메가와트 용량의 더 큰 발전기를 시작하고, 이들이 다시 발전소의 주 발전기를 시작하는 데 사용될 수 있다. 증기 터빈을 사용하는 발전소는 보일러 급수 펌프, 연소 공기 송풍기 및 연료 준비를 위해 용량의 최대 10%에 해당하는 전력이 필요하다. 각 발전소마다 이러한 대규모 예비 용량을 갖추는 것은 경제적이지 않으므로, 지정된 연계 선로를 통해 다른 발전소로부터 블랙 스타트 전력을 공급받아야 한다. 종종 수력 발전소가 네트워크 상호 연결을 복구하기 위한 블랙 스타트 전원으로 지정된다. 수력 발전소는 기동하는 데 매우 적은 초기 전력만 필요하며(수문 개방 및 발전기 계자 코일에 여자 전류를 공급할 정도면 충분함), 화석 연료나 원자력 발전소의 가동을 위해 대량의 전력을 매우 빠르게 공급할 수 있다. 특정 유형의 연소 터빈은 블랙 스타트용으로 구성될 수 있어 적절한 수력 발전소가 없는 곳에서 대안이 된다.Philip P. Walsh, Paul Fletcher Gas turbine performance, John Wiley and Sons, 2004 , page 486 2017년 남부 캘리포니아의 한 유틸리티는 에너지 저장 시스템(배터리)을 사용하여 정지 상태에서 복합 화력 가스 터빈을 가동하는 블랙 스타트 능력을 성공적으로 시연했다.

 노후화 
새로운 제도적 배열과 네트워크 설계에도 불구하고, 선진국 전역에서 전력 공급 인프라는 노후화를 겪고 있다. 원인으로는 다음이 포함된다:

 노후 장비 – 오래된 장비는 고장률이 높아 경제와 사회에 영향을 미치는 고객 정전율을 높인다. 또한 오래된 자산과 시설은 더 높은 검사 및 유지보수 비용과 추가적인 수리 및 리모델링 비용을 발생시킨다.
 낙후된 시스템 배치 – 오래된 지역은 현재 지역에서 확보할 수 없는 심각한 추가 변전소 부지와 부지 확보 권리를 필요로 하며, 기존의 불충분한 시설을 사용할 수밖에 없다.
 구식 공학 – 전력 공급 플래닝 및 공학을 위한 전통적인 도구들은 노후 장비, 낙후된 시스템 배치 및 현대의 규제 완화된 부하 수준 문제를 해결하는 데 효과적이지 않다.
 낡은 문화적 가치 – 수직 통합된 산업에서 작동하던 개념과 절차를 사용하여 시스템을 플래닝, 엔지니어링 및 운영하는 것은 규제 완화된 산업 환경에서 문제를 악화시킨다.Willis, H. L., Welch, G. V., and Schrieber, R. R. (2001). Aging Power Delivery Infrastructures. New York: Marcel Dekker, Inc. 551 pgs.

 추세 

 수요 반응 
수요 반응은 소매 또는 도매 고객이 전자적으로 또는 수동으로 부하를 줄이도록 요청받거나 인센티브를 받는 그리드 관리 기법이다. 현재 송전망 운영자들은 산업 플랜트와 같은 대규모 에너지 사용자들에게 부하 감소를 요청하기 위해 수요 반응을 사용한다. 스마트 미터와 같은 기술은 가변 가격제를 가능하게 함으로써 전기가 풍부할 때 고객이 전력을 사용하도록 장려할 수 있다.

 스마트 그리드 

 그리드 이탈 
그리드 운영자들 사이에서 분산 발전에 대한 저항은 공급자들이 그리드를 떠나 더 작은 지리적 영역에 전력을 분배하도록 유도할 수 있다.

로키 마운틴 연구소The Economics of Grid Defection - Rocky Mountain Institute 와 다른 연구들Andy Balaskovitz Net metering changes could drive people off grid, Michigan researchers say  – MidWest Energy News은 광범위한 그리드 이탈을 예측한다. 그러나 겨울철에 전력 수요가 더 큰 독일과 같은 곳에서는 그리드 이탈 가능성이 낮을 수 있다.

 역사 
초기 전기 에너지는 해당 에너지가 필요한 장치나 서비스 근처에서 생산되었다. 1880년대에 전기는 증기, 수압, 그리고 특히 석탄 가스와 경쟁했다. 석탄 가스는 처음에는 고객의 부지에서 생산되었으나 나중에는 규모의 경제를 누리는 가스화 플랜트로 발전했다. 산업화된 세계의 도시들에는 조명을 위해 사용되는 파이프 가스망이 있었다. 그러나 가스등은 빛이 좋지 않았고, 열을 낭비했으며, 방을 덥고 연기로 가득 차게 만들었으며, 수소와 일산화 탄소를 배출했다. 또한 화재 위험도 있었다. 1880년대에 전기 조명은 곧 가스 조명에 비해 유리해졌다.

전기 유틸리티 회사들은 규모의 경제를 활용하기 위해 중앙 스테이션을 설립하고 중앙 집중식 발전, 배전 및 시스템 관리로 전환했다.Borberly, A. and Kreider, J. F. (2001). Distributed Generation: The Power Paradigm for the New Millennium. CRC Press, Boca Raton, FL. 400 pgs. 전류 전쟁이 장거리 송전이 가능한 교류 전력의 승리로 끝난 후, 부하의 균형을 맞추고 부하율을 개선하기 위해 스테이션들을 상호 연결하는 것이 가능해졌다. 역사적으로 송전선과 배전선은 동일한 회사가 소유했으나, 1990년대부터 많은 국가가 전기 송전 사업과 배전 사업을 분리하는 방식으로 전기 시장 규제를 완화했다.

영국에서는 찰스 메르츠(Charles Merz)가 1901년 뉴캐슬어폰타인 근처에 냅튠 뱅크 파워 스테이션(Neptune Bank Power Station)을 건설했으며, 1912년까지 유럽에서 가장 큰 통합 전력 시스템으로 발전했다. 머츠는 의회 위원회의 의장으로 임명되었고 그의 조사 결과는 1918년 윌리엄슨 보고서로 이어졌으며, 이는 다시 1919년 전기(공급)법을 탄생시켰다. 이 법안은 통합 전력 시스템을 향한 첫걸음이었다. 1925년 웨어 위원회는 "국가적 그리드" 구축을 권고했고, 이에 따라 1926년 전기(공급)법으로 중앙전력위원회(CEB)가 창설되었다. CEB는 국가의 전기 공급을 표준화하고 132킬로볼트 및 50 Hz로 작동하는 최초의 동기 교류 그리드를 구축했으나, 초기에는 지역 그리드로 운영되었다. 1937년 야간 상호 연결을 거쳐 1938년에 영구적이고 공식적으로 결합되어 영국 국가 그리드(National Grid)가 되었다.

프랑스에서는 1900년대에 전력화가 시작되어 1919년 700개의 코뮌에서 1938년 36,528개로 확대되었다. 동시에 이러한 인접 네트워크들이 서로 연결되기 시작했다. 1907년 파리 12 kV, 1923년 피레네 150 kV를 거쳐 1938년 마침내 국가 거의 전역이 220 kV로 연결되었다. 1946년 프랑스 그리드는 세계에서 가장 밀도가 높았다. 그해 프랑스는 민간 기업들을 통합하여 프랑스 전력공사(EDF)로 국유화했다. 주파수는 50 Hz로 표준화되었으며 225 kV 네트워크가 110 kV 및 120 kV를 대체했다. 1956년부터 서비스 전압은 이전의 127/220 V를 대체하여 220/380 V로 표준화되었다. 1970년대에는 새로운 유럽 표준인 400 kV 네트워크가 구축되었다. 1986년 5월 29일부터 최종 사용자 서비스 전압은 점진적으로 230/400 V +/-10%로 변경되었다.Philippe CARRIVE, Réseaux de distribution – Structure et planification, volume D4210, collection Techniques de l'ingénieur, page 6.

미국에서는 1920년대에 유틸리티들이 최대 부하 대응과 백업 전력을 공유하기 위해 공동 운영체를 형성했다. 1934년 공공 유틸리티 지주회사법(PUHCA)의 통과로 전기 유틸리티는 중요한 공공재로 인식되었고 운영에 대한 제한과 규제 감시가 명시되었다. 1992년 에너지 정책법은 송전선 소유자가 발전 회사들에 네트워크에 대한 개방형 접근을 허용하도록 요구했으며Mazer, A. (2007). Electric Power Planning for Regulated and Deregulated Markets. John, Wiley, and Sons, Inc., Hoboken, NJ. 313pgs., 이는 발전 분야의 경쟁을 창출하기 위한 노력으로 전력 산업 구조 개편으로 이어졌다. 더 이상 전기 유틸리티는 발전, 송전, 배전이 단일 회사에 의해 처리되는 수직 독점 체제로 구축되지 않게 되었다. 이제 고압 송전에 대한 공정한 접근을 제공하기 위해 세 단계가 다양한 회사들로 나뉠 수 있게 되었다. 2005년 에너지 정책법은 대안 에너지 생산에 대한 인센티브와 대출 보증을 허용하고 온실 기체 배출을 피하는 혁신적인 기술을 장려했다.

중국에서는 1950년대에 전력화가 시작되었다. 1961년 8월, 바오청 철도의 바오지-펑저우 구간 전력화가 완료되어 운영을 시작하면서 중국 최초의 전철화 철도가 되었다. 1958년부터 1998년까지 중국의 전철화 철도는 6,200마일(약 10,000km)에 달했다. 2017년 말 기준으로 이 수치는 54,000마일(약 87,000km)에 도달했다. 중국의 현재 철도 전철화 시스템에서 국가전망공사——는 중요한 전력 공급자이다. 2019년에 이 회사는 징퉁 철도, 하오지 철도, 정저우-완저우 고속철도 등 운영 지역 내 중국의 주요 전철화 철도 전력 공급 프로젝트를 완료하여 110개의 견인 변전소에 전력 공급을 보장했으며, 누적 전력선 건설 길이는 6,586km에 달했다.

 같이 보기 
 지속 가능한 에너지

 각주 

 내용주

분류:송전망
분류:배전
분류:전력망