정치, 사회, 경제를 막론하고 모든 분야에서 에너지·기후 이슈가 의사결정의 근간으로 자리잡고 있습니다. 어떤 분야에서 무슨 일을 하든, 에너지와 기후에 대한 이해 없이는 논의를 진행할 수 없는 시대입니다.​

빠르게 변하는 패러다임 속에서 시야를 한층 넓히고자 하는 분들을 위해, 엔라이튼이 <에너지&기후 전문가 특별 칼럼>을 기획했습니다.
전문가 필진 5인의 깊이 있는 시각을 통해 통찰력을 키워보세요!

💡 Editor’s Comment

​전기는 발전소에서 생산된 후 소비로 이어지기까지 크게 발전, 송전, 배전, 판매 단계를 거칩니다. 현재 우리나라의 전력시장은 발전을 제외한 송·배전 및 판매를 한전이 전담하고 있는 구조이며, 때문에 전기의 모든 수요와 도·소매를 한전이 독점합니다. 이 중 오늘 살펴볼 부분은 ‘배전 단계(수송된 전기를 각지로 공급하는 단계)’입니다.​

약 10년 전까지만 해도 대부분의 전기 생산자는 석탄화력, 원자력 등 중앙집중형 발전소뿐이었고, 따라서 배전계통에는 정밀한 감시나 운영이 필요하지 않았습니다. 오히려, 배전계통을 송전계통만큼 세밀하게 관리하는 것은 “비효율적인 일”이었다고 하죠.​

그러나 최근 에너지 패러다임 대전환에 따라 배전계통에 접속되는 분산에너지*가 늘어났고, 전력 공급과 수요 체계도 변화하기 시작했습니다. 이에 배전계통을 관리·운영할 주체, 즉 “배전계통 운영자(DSO)”의 필요성이 점점 커지고 있다고 하는데요. 그렇다면 DSO의 역할과 권한은 무엇일까요? 또 DSO는 시장에 어떤 영향을 미치게 될까요?​

* 분산에너지: 에너지의 사용지역 인근에서 생산·소비되는 에너지로, 수요지 인근에서 에너지의 생산·저장, 잉여 전력의 해소 등에 기여 (대표적 예: 신재생에너지 발전소, 통합발전소(VPP), ESS, DR 등) ​

아래 칼럼에서 DSO의 필요성, 그리고 원활한 운영을 위해 해결되어야 할 과제 등을 확인해주시기 바랍니다 :)​

[관련 글] 대통령 인수위 “한전 독점판매 점진적 개방”이 가져올 변화는? (feat. 전력시장)

DSO(배전계통 운영자)의 역할과 기능이
소규모전력중개시장에 미치는 영향

김윤수 교수 / GIST(광주과학기술원)

​2016년 10월 산업통상자원부가 1MW 이하의 소규모 신재생에너지원에 대해 전력계통 접속을 보장함에 따라 배전계통에 신재생에너지원이 급격히 증가하게 되었다. 2년 후인 2018년 11월에는 전력계통에 접속 신청한 신재생에너지원 중 용량 기준으로 82%(9,339MW)가 접속 대기 중이었으며 현재는 설비 증설로 다소 완화되었지만 재생에너지 3020이나 2050 탄소중립 등 정부에서 제시한 목표를 달성하기 위해서는 신재생너지원의 접속 신청이 계속될 것으로 예상된다. ​

10MW 이하의 분산형전원은 배전계통에 연계된다는 점, 전기차 충전소 및 충전량이 지속적으로 증가할 것이라는 점, DR(Demand Response, 수요반응) 자원의 거래량이 점차 증가하고 있다는 점을 고려하면 배전사업자 관점에서는 배전계통 연계 자원들의 변동성과 불확실성이 배전계통에 물리적 문제(과전압, 설비 용량 초과 등)를 야기할 것을 우려하지 않을 수 없다. 이러한 문제들을 해결하기 위해 배전계통의 ‘운영’이 필요하게 되었으며 배전계통 ‘운영자’(DSO, Distribution System Operator)의 필요성이 대두되었다. ​

기존의 배전사업자와 새롭게 대두되는 DSO의 역할과 기능은 어떻게 다를까? DSO의 역할과 기능을 논하기 전에, 지금까지의 전력계통이 어떻게 운영되어왔는지 이해할 필요가 있다.​

점점 커지는 배전계통 ‘운영’ 주체의 필요성

​전력계통을 운영하기 위해서는 크게 두 가지 문제를 살펴봐야한다. 하나는 경제성과 연관이 있는 전력시장, 그리고 다른 하나는 전력망의 물리적 문제다. 전력시장을 통해 각 발전소들의 발전량이 계획되고 나면, 송전계통운영자(TSO, Transmission System Operator)는 계획된 발전량을 토대로 전력계통에 과전압이나 설비 용량 초과 등의 문제가 없는지 해석한다. 문제가 있다고 판단되는 경우 발전량을 조절해야 하는데 이 행위가 곧 전력시장에 영향을 미친다. 송전계통의 경우 한국전력거래소가 TSO이자 시장운영자이기 때문에 경제적 문제와 기술적 문제를 모두 감시하고 해결할 수 있다. ​

배전계통의 경우, 약 10여 년 전까지만 하더라도 전력시장에 참여할 수 있는 자원이 없었고 부하*로만 구성되어 있었기 때문에 전력시장과의 연관성이 없었다. 전력도 단방향으로만 흘렀기 때문에 선로가 변전소에서 멀어짐에 따라 전압이 점진적으로 강하되기만 했다. 따라서 전압과 설비 용량 등을 자세히 감시하지 않아도 손쉽게 추정할 수 있었다. 게다가 선로의 총 길이도 송전계통에 비해 37배 이상(2020년 기준, 전력통계정보시스템) 길고 노드 수도 훨씬 많기 때문에 송전계통에서 감시하는 정도의 정밀도로 배전계통을 감시하는 것은 매우 비효율적인 일이었다. 따라서 배전계통에는 발전량이나 부하를 조절해야하는 ‘운영’이라 할 만한 행위가 없었고 배전망을 관리하는 배전사업자와, 소비자에게 전기를 판매하는 전기판매업자만이 존재해왔다(국내의 경우 한국전력이 두 사업을 겸업하고 있다). ​

* 부하: 전기를 송출하는 것에 연결되어 일정한 일을 수행하는 것 (전력 수요자 등)

​하지만 소규모 신재생에너지원, ESS(Energy Storage System, 에너지저장장치), 전기차, DR 등 배전계통에 연계된 자원들을 위한 전력시장이 신설되면서 물리적으로는 배전계통에 연계되었지만 자원의 판매는 전력시장 운영자인 전력거래소를 통해 이행해야 하는 상황이 발생하였고 그 상황이 지금까지 이어져 오고 있다. 즉, 앞서 언급한 전력계통 운영을 위해 고려해야하는 경제적 문제와 기술적 문제 중 후자의 문제를 해결할 권한을 가진 주체가 없는 상황이 발생한 것이다. 엄밀히 말하자면, 기술적 문제를 야기할 정도로 분산형전원이 많이 연계되어 있지 않았었다. 하지만 배전계통에 연계되는 분산형전원의 용량이 증가할수록 기술적 문제의 감시와 해결이 더욱 필요해지고 있다. 그리고 현재 이 문제를 해결하기 위한 법·제도 개선안 제안과 기술 개발이 이루어지고 있는 상황이다.

DSO(배전계통 운영자)의 역할과 권한

​아직 통과되지는 않았지만, 작년 7월에 발의된 ‘분산에너지 활성화 특별법’(이하 특별법)이 DSO와는 가장 유관한 내용들을 담고 있다. 주요한 내용들을 요약하면 다음과 같다.

· 배전망 관리: 배전사업자가 배전망의 안정적인 운영을 위하여 분산형전원에 대한 출력을 제어하는 조치 이행 가능. 배전망관리에 필요한 조치를 하는 경우 그 사실과 영향 등을 해당 분산에너지사업자에게 고지해야 함.
· 한국배전감독원 설립: 배전망의 공정한 운영에 관한 감독 및 배전망의 공정한 운영기준 관련 정책 수립.
· 전력계통영향평가 실시: 전력계통영향평가 지역을 지정하고, 해당 지역 내 대규모 전력소비자에 대한 계통 측면의 평가 실시.

특별법에서 ‘배전망 관리’라고 표현한 부분이 본고에서 정의한 배전계통 운영과 같은 의미라고 볼 수 있다. 즉, 특별법에서는 DSO를 ‘배전망 관리자’로 표현한 것으로 해석된다. 그리고 특별법에서는 기존의 배전사업자에 DSO의 역할과 권한을 부여하는 방향으로 내용이 작성되었다. DSO의 핵심 권한은 필요한 경우 분산형전원의 출력을 제어할 수 있다는 점이다. 이러한 권한은 망 운영 중립성 문제를 야기할 수 있는데, 이를 방지하고자 감시기구인 한국배전감독원을 설립하는 내용을 포함시켰다. 또한 대규모 전력소비자에도 전력계통영향평가를 실시하는 내용을 담아 배전계통에 연계된 대부분의 주체들이 배전계통 안정성 향상에 기여하도록 법안을 구성했다고 볼 수 있다. 특별법이 원안대로 통과되지 못할지라도 큰 흐름은 법적 권한을 갖는 DSO가 생겨나는 방향으로 흘러갈 것으로 보인다.​

분산형전원 출력 조절을 위한 설비의 설치도 의무화되었다. 2020년 4월 전력시장운영규칙을 개정하여 연계지점별로 신재생에너지 관제 운영 주체를 명확화하였는데, 154kV 이상, 70kV 및 22.9kV 전용선로는 한국전력거래소가, 22.9kV 공용선로(배전계통)는 배전사업자가 신재생에너지의 관제 주체가 되었다. 2020년 7월에는 송배전용전기설비 이용규정을 개정하여 2021년 10월 이후로 제주도 22.9kV 공용선로에 연계된 100kW 이상의 신재생에너지에 대해서는 감시 및 제어장치의 설치가 의무화되었다. 이를 위해 2020년 10월 제주도에서는 100kW 이상의 배전계통 연계 신재생에너지 발전용 인버터에 대해 출력제어 기능 시험을 이행하였다. 기존의 출력제한은 송전계통에 연계된 신재생에너지원만을 대상으로 적용이 되었다면 2020년 10월 이후로는 배전계통에 연계된 소규모 분산형전원도 출력 제한 대상으로 포함되었다는 점에서 의미가 있다. 육지지역은 소규모 분산형전원 출력 제어 시험에 대해 유예되었지만 머지않은 시기에 적용될 것으로 예상된다. ​

DSO가 분산형전원의 출력을 제어하는 기준은?

​그렇다면 DSO는 어떤 기준으로 분산형전원의 출력을 제어(주로 제한)하게 될까? 특별법에서 제시하는 방향대로 흘러간다면 DSO는 공정한 기준을 토대로 분산형전원들의 출력을 제어해야 한다. 특별법 때문이 아니더라도 시장에 참여하는 사업자들이 납득할만한 근거를 제시해야한다. ​

현재 한국전력, 유관 기업 및 대학들이 협업하여 관련 기술을 개발 중에 있다. 개발 기술의 핵심 내용은 그림 1과 같이 한국전력(혹은 그 외의 DSO가 될 수도 있음)이 소규모전력중개시장을 통해 거래되는 자원을 거래가 성사되기 전에 검토한다는 것이다. 입찰된 거래량을 토대로 DSO가 배전계통을 해석하고 과전압이나 용량 초과 등의 문제가 예상되면 발전량을 정정하는 과정이 추가된다.

이때 발전량을 정정하기 위해 어떤 문제에 어느 분산형전원이 가장 크게 기여하는지 계산된다. 예를 들어 아래 그림 2와 같이 선로 혼잡이 발생한 경우, 혼잡이 발생한 지점의 혼잡에 대한 각 분산형전원(DER, Distributed Energy Resource)의 기여도를 계산한다. 그림 2에서 파란 선은 전력의 흐름을, 파란 선의 굵기는 흐르는 전력의 양을, 초록색 원은 분산형전원이 연계된 위치를 나타낸다. 과전압에 대해서도 유사한 방식으로 과전압에 대한 각 분산형전원의 기여율을 계산할 수 있다. 이와 같은 방법을 적용하는 경우, 이론적으로는 최적의 출력 조절량을 계산할 수 있다. 여기서 말하는 최적이라 함은 모든 분산형전원의 출력 조절량 합을 최소화하면서 배전계통의 물리적 문제를 해소할 수 있음을 의미한다.

원활한 배전계통 운영을 위해 해결되어야 할 3가지 과제

​하지만 실제 적용을 위해 여전히 논의가 필요한 몇 가지 문제들이 있다. 먼저, 배전계통 해석에 근거하여 계산된 기술적 문제에 대한 분산형전원들의 기여율은 배전계통 선로 구조와 가장 큰 상관관계가 있다. 따라서 동일한 문제에 대해 동일한 분산형전원들이 출력 조절을 요청받을 가능성이 높다. 그리고 동일한 배전계통 구조와 유사한 발전 및 부하 패턴 하에서 발생한 문제는 반복적으로 발생할 가능성이 있다. 전체 조절량에 대해서는 최적의 해를 구하겠지만, 반복적으로 출력 조절을 요청받는 중개사업자나 분산형전원 소유자는 불만이 있을 수 있다. ​

위 경우 만약 배전계통 해석을 근거로 발전량을 조절하는 방안이 적용된다면 시장에 참여하는 사업자들에게 분산형전원들의 연계지점별 계통영향 정보를 충분히 숙지할 수 있도록 해야 할 것으로 생각된다. 그 외에 제시된 방법들로는 균등분배 방법(전체 조절량을 각 분산형전원의 용량에 비례하게 분배하는 방법)과 LIFO 방법(Last-In First-Out: 최근에 접속된 발전원 순으로 출력 조절하는 방법)이 있다. 두 방법들은 주파수 제어와 같이 전역적인 에너지 수급 불균형 문제를 해결하기에는 적절한 방법이다. 하지만 배전계통의 과전압이나 선로 혼잡 등과 같이 지역적인 문제를 해결하기에는 효과적이지 못하다. 예를 들어 그림 2의 선로 혼잡 문제가 발생한 경우 DER2의 발전량을 조절해도 선로 혼잡 문제를 완화시키기는 어렵다.​

두 번째로는 배전계통 모델 정확도 문제가 있다. 배전계통을 해석하기 위해서는 배전계통 모델을 구축해야 하는데, 정확한 모델을 구축하기 위해서는 배전계통의 계측 및 기록 데이터들이 정확해야 한다. 그러나 앞서 언급했듯이, 지금까지 배전계통은 아주 높은 정밀도로 배전계통 모델을 구축할 필요가 없었고, 오히려 감시 정확도를 높이는 방향이 비경제적이었다. 하지만 향후 DSO는 높은 정확도의 배전계통 모델이 필요할 것으로 예상이 되고, 배전계통 모델이 정확해야 해석을 근거로 한 발전량 조절 값의 신뢰도가 높아진다. 경제적으로 배전계통 모델 정확도를 높이기 위한 전압, 발전량, 부하 추정 기법들은 꾸준히 개발되고 있으며 이전보다 더 중요한 DSO 혹은 배전사업자의 기능으로써 자리할 것으로 예상된다. ​

세 번째는 보상에 관한 문제다. 이 문제는 소규모전력중개시장에 가장 크게 영향을 미칠 것으로 생각된다. 논점은 크게 두 가지인데, 하나는 출력 제한에 대해 보상을 해야 하는지, 다른 하나는 만약 보상이 필요하다면 어떤 형태로 시장이 구성되어야 하는지이다.​

첫 번째 논점에서, “보상이 필요 없다”고 생각하는 사람들이 제시하는 이유는 크게 두 가지이다. DSO가 출력을 제한하는 이유는 배전계통에 위해를 가하기 때문이고, 배전계통에 위해를 가하는 경우 결국 피해자들은 배전계통에 연계된 모든 주체들이 되기 때문이다. 예를 들어 과전압이 발생한 경우 배전계통에 연계된 설비들이 손상될 수도 있고, 실질적으로는 보호 기능으로 인해 설비들이 탈락하게 된다. 태양광 발전원의 높은 발전량이 과전압을 유발하면 인버터가 탈락하게 되고 결국 가장 큰 피해를 보는 주체는 태양광발전 소유자나 이를 관리하는 중개사업자가 된다. 또 다른 이유는 출력 제한의 정도가 전력시장에서 거래되는 규모에 비해 크지 않아서 보상의 규모가 클 수 없기 때문이다. 따라서 보상을 통해 출력 제한을 유도하기는 힘들 것이라는 게 두 번째 이유이다.​

반면 “보상이 필요하다”고 생각하는 사람들이 제시하는 이유는 당연하게도 시장 참여자의 수익이 줄어들기 때문이다. 만약 보상이 주어진다면, 어떤 형태로 주어져야할지는 조금 복잡하다. 다양한 경우의 수가 있겠지만 크게 세 가지 경우를 고려해볼 수 있다. ​

① 소규모전력중개사업자가 DSO의 출력 조정 요청에 따르되, 소정의 보상을 지급하는 방안이다. 이 방법은 입찰 및 정산 등의 절차가 없어 행정력이 크게 절감되지만 보상금을 누가 어떻게 정해야하는지 논의가 필요하다. ​

② 기존 전력시장에 배전계통 운영 관련 보조서비스를 추가하고 소규모전력자원을 기존 전력시장에 포함시키는 방안이다. 이 방안대로라면 현재의 소규모전력중개시장은 폐지될 수 있다. 북미의 경우 이와 유사한 방향으로 시장이 개편되고 있다. 2020년 9월 17일 승인된 FERC(연방 에너지 규제 기관, Federal Energy Regulatory Commission) Order 2222에 따르면 DERA(DER aggregator – 국내의 소규모전력중개사업자와 유사한 개념)가 전력 도매시장에 참여할 수 있도록 허용하는 내용을 담고 있다. 이에 따라 DERA는 기존의 용량시장, 에너지시장, 그리고 보조서비스 시장에 참여가 가능해졌다. 국내의 경우 보조서비스 시장 규모가 크지 않고 전력 수급 균형을 위한 서비스가 주를 이룬다. 따라서 단순히 소규모전력중개시장이 도매시장에 편입되는 것만으로 소규모전력자원들의 출력 제어가 유의미한 보상을 받기는 어렵다. 다만 산업통상자원부와 전력거래소가 주관하는 차기 전력시장 도입을 위한 시장제도 개편위원회에서 실시간 및 보조서비스 시장, VPP(Virtual Power Plant)를 활용한 재생에너지 입찰제도 등을 설계하고 있기 때문에 지금과는 다른 보조서비스 시장을 기대해볼 수 있다. ​

③ DSO가 배전계통 지역별로 시장을 운영하는 것이다. 현재 국내의 전기사업법 하에서는 실현되기 어려운 방안이지만 LBNL(Lawrence Berkeley National Laboratory)에서 제시하는 DSO의 3단계 형태 중 가장 궁극적인 형태이다. LBNL에서 제시하는 단계별 DSO의 역할은 표 1과 같다. 현재 우리나라의 환경은 LBNL에서 정의한 DSO의 1단계에서 2단계로 넘어가는 시점에 있다고 볼 수 있다.​

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소규모전력중개시장은 2019년 1월에 개설되어 운영된 지 갓 3년이 넘었지만 최근 변화(혹은 변화를 시도)하고 있는 법·제도와 해외의 동향을 살펴보면 조만간 큰 변화가 있거나 어떠한 변화에 크게 영향을 받을 것으로 보인다. 아직 확정된 것은 많지 않지만 시장에서 유리한 입지를 확보하기 위해서 소규모전력자원이 갖춰야할 기능은 확실해 보인다. 유연성과 큰 속응성이다. 전력시장과 관련된 법·제도들이 다방면에서 급변하고 있지만 모든 문제의 원인은 불확실성과 변동성이고 해답은 유연성과 속응성이다. ​

깨끗하고 안정적이고 저렴한 에너지원이 기적적으로 개발되지 않는 이상 산업계의 큰 흐름이 바뀌기는 어려워 보인다. 배전계통에 관여되어 있는 주체가 매우 다양하고 이해가 상충하는 관계가 존재하기 때문에 가능한 많은 이해관계자들이 협업하여 아직 끝나지 않은 많은 논의들을 건설적인 방향으로 결론내주기를 기대해 본다.

과학기술정보통신부 선정 ‘글로벌 ICT 미래 유니콘’ 기업 ​엔라이튼은 혁신적인 IT 기술 역량과 금융 솔루션을 바탕으로 다양한 에너지 서비스를 제공하는 국내 최대 에너지 IT 플랫폼 기업입니다. 국내 최초로 CDP 인증을 획득하였으며, 국내 최대 규모 IT 플랫폼 ‘발전왕’을 보유해 1만개소, 2GW 이상의 태양광 발전소를 RE100 이행 기업과 연결하고 있습니다. ​

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