배전

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1. 개요
2. 역사
3. 구성 요소 및 방식
4. 전압 및 주파수
- 4.1. 한국의 전압 및 주파수
5. 현대 배전 시스템
6. 배전 자동화 및 사고 복구
- 6.1. 한국의 배전 자동화 시스템
참조

1. 개요

배전은 발전소에서 생산된 전력을 변전소를 거쳐 각 수요가에게 최종적으로 공급하는 시스템을 의미한다. 1880년대 발전소에서 전기가 생산되면서 시작되었으며, 초기에는 교류 또는 직류를 사용하는 조명 시스템에 사용되었다. 변압기 도입과 교류의 확산으로 효율성이 높아졌으며, 한국은 일제강점기부터 전력 배전이 시작되어 220V, 60Hz를 표준으로 사용한다. 현대 배전 시스템은 재생에너지 발전과 통합되어 스마트 그리드 기술을 통해 효율성과 안정성을 높이고 있으며, 한국은 차세대 배전 시스템으로의 전환을 추진하고 있다.

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배전
배전
정의	전력망에서 개별 소비자에게 전기를 전달하는 마지막 단계
전압	2 kV 33 kV 35 kV 600 ~ 35,000 V
전주 높이	15 m 90 m
참고 자료	How Power Grids Work

2. 역사

전력 분배는 1880년대에 발전소에서 전기가 생산되기 시작하면서 필요하게 되었다. 그 이전에는 전기는 일반적으로 사용되는 곳에서 생산되었다. 유럽과 미국의 도시에 설치된 최초의 전력 분배 시스템은 조명을 공급하는 데 사용되었다. 매우 높은 전압(약 3,000V)의 교류(AC) 또는 직류(DC)를 사용하는 아크 조명과 낮은 전압(100V)의 직류를 사용하는 백열 조명이었다.^[3] 아크 조명은 광범위한 지역과 가로등을 대체하고, 백열 조명은 사업 및 주거 사용자를 위한 가스등을 대체하면서, 둘 다 가스등 시스템을 대체하고 있었다.

1870년대 후반과 1880년대 초, 이 그림처럼 1880년 뉴욕시에 설치된 브러시 전기 회사(Brush Electric Company) 시스템과 같이, 아웃도어 또는 대형 실내 공간에서 사용되는 아크등 조명이 도입되었다.

아크 조명에 사용된 고전압을 통해 단일 발전소에서 최대 7 km 길이의 전등을 공급할 수 있었다.^[4] 그리고 전압이 두 배가 될 때마다 주어진 케이블은 낮은 전압보다 네 배의 거리에서 동일한 양의 전력을 전송할 수 있었다(동일한 전력 손실로). 반대로, 1882년에 설치된 에디슨의 최초 발전소와 같은 직류 실내 백열등 시스템은 발전부터 최종 사용까지 낮은 전압(110V)을 사용했기 때문에 1마일 이상 떨어진 고객에게 전력을 공급하는 데 어려움을 겪었다. 낮은 전압은 더 높은 전류로 이어졌고, 전송을 위해 두꺼운 구리 케이블이 필요했다. 실제로 에디슨의 직류 발전소는 더 두껍고 비싼 도체를 피하기 위해 가장 먼 고객으로부터 약 1.5 km 이내에 있어야 했다.

2. 1. 초기 전력 시스템

전력 분배는 1880년대에 발전소에서 전기가 생산되기 시작하면서 필요하게 되었다. 그 이전에는 전기는 일반적으로 사용되는 곳에서 생산되었다. 유럽과 미국의 도시에 설치된 최초의 전력 분배 시스템은 조명을 공급하는 데 사용되었다. 매우 높은 전압(약 3,000V)의 교류(AC) 또는 직류(DC)를 사용하는 아크 조명과 낮은 전압(100V)의 직류를 사용하는 백열 조명이었다.^[3] 아크 조명은 광범위한 지역과 가로등을 대체하고, 백열 조명은 사업 및 주거 사용자를 위한 가스등을 대체하면서, 둘 다 가스등 시스템을 대체하고 있었다.

아크 조명에 사용된 고전압을 통해 단일 발전소에서 최대 7 km 길이의 전등을 공급할 수 있었다.^[4] 그리고 전압이 두 배가 될 때마다 주어진 케이블은 낮은 전압보다 네 배의 거리에서 동일한 양의 전력을 전송할 수 있었다(동일한 전력 손실로). 반대로, 1882년에 설치된 에디슨의 최초 발전소와 같은 직류 실내 백열등 시스템은 발전부터 최종 사용까지 낮은 전압(110V)을 사용했기 때문에 1마일 이상 떨어진 고객에게 전력을 공급하는 데 어려움을 겪었다. 낮은 전압은 더 높은 전류로 이어졌고, 전송을 위해 두꺼운 구리 케이블이 필요했다. 실제로 에디슨의 직류 발전소는 더 두껍고 비싼 도체를 피하기 위해 가장 먼 고객으로부터 약 1.5 km 이내에 있어야 했다.

2. 2. 변압기의 도입과 교류의 확산

1880년대 중반, 기능적인 변압기가 개발되어 교류 전력을 송전을 위해 훨씬 높은 전압으로 "승압"한 다음, 최종 사용자 근처에서 낮은 전압으로 강압할 수 있게 되면서 돌파구가 마련되었다.^[4] 직류와 비교하여 교류는 훨씬 저렴한 송전 비용과 더 큰 규모의 경제를 제공했고, 대규모 교류 발전소는 도시와 지역 전체에 전력을 공급할 수 있었기에 교류 사용이 빠르게 확산되었다.^[4]

미국에서는 1880년대 후반, 토마스 에디슨이 조지 웨스팅하우스와 그의 최초의 미국 교류 변압기 시스템 개발을 공격하면서 "전류 전쟁"이라는 개인적인 대립으로 직류와 교류 간의 경쟁이 치열해졌다. 에디슨은 수년간 고전압 교류 시스템으로 인한 사망 사례를 강조하며 모든 교류 시스템이 본질적으로 위험하다고 주장했다.^[5] 에디슨의 선전 캠페인은 그의 회사가 1892년에 교류로 전환하면서 짧게 끝났다.

유럽과 미국에서의 전동기 설계의 혁신과 기존의 많은 시스템을 대규모 교류 송전망에 연결할 수 있도록 하는 설계된 "범용 시스템"의 개발을 통해 교류가 주요 송전 방식이 되었다.^[6]^[7]

2. 3. 한국 전력 배전의 역사

한국의 전력 배전 역사는 일제강점기부터 시작되었다. 당시에는 일본의 영향을 받아 100V 전압과 50Hz/60Hz 주파수가 혼용되었다. 해방 이후, 한국전쟁으로 인해 전력 설비가 파괴되었으나, 전후 복구 사업과 경제 개발 계획을 통해 전력망 재건이 이루어졌다. 1970년대부터 경제 성장과 함께 전력 수요가 급증하면서, 배전 전압 승압 사업이 추진되었다. 1990년대 이후, 도시 지역을 중심으로 전선 지중화 사업이 본격화되어 도시 미관 개선과 전력 공급 안정성 향상에 기여했다. 2000년대 이후, 신재생에너지 보급 확대와 함께 분산형 전원 연계가 증가하면서, 배전 시스템의 지능화 및 고도화가 진행되고 있다.

3. 구성 요소 및 방식

일반적으로 발전소에서 발전된 전력은 사무실이나 일반 가정에 직접 송전되지 않고, 변전소에서 전압을 낮춘 후에 보내진다. 이렇게 변전된 전력을 최종적으로 각 수요가까지 배분하는 시스템을 배전이라고 한다. 변전소까지의 송전이 고전압인 이유는 경로에서의 전력 손실을 줄이기 위해서이다.

배전계통은 각 수요가의 수전설비와 직접 연결되어 있으므로, 하나의 수요가의 사고가 다른 수요가의 공급 장애로 이어지지 않도록 구축되어야 한다.

각 전력회사의 배전 부문은 긴급 자동차를 보유하고 있으며, 배전선 사고 및 자연재해나 사고로 인한 대규모 정전이 발생할 경우, 그 원인을 해소하고 제거하기 위해 긴급 출동한다. 또한, 배전선 사고의 원인 탐색 및 복구를 신속하게 수행하기 위해 배전선 상에 원격 제어가 가능한 자동 개폐기를 설치하고, 그 제어 신호는 배전선에 중첩되어 있다(배전선 반송 방식).

3. 1. 발전 및 송전

전력은 발전소에서 생산되며, 최대 33,000볼트까지 전압을 높여 송전 효율을 높인다.^[8] 발전소에서 생산된 전력은 변압기를 거쳐 송전되며, 일반적으로 교류(AC)가 사용된다.^[8] 철도 전철 시스템, 전화 교환국, 알루미늄 제련과 같은 일부 특수 목적에는 정류기를 사용하거나 자체 발전 시스템을 갖추어 직류(DC)를 사용하기도 한다.^[8] 고압 직류(HVDC)는 교류 시스템을 격리하거나 전송되는 전력량을 제어하는 데 유리하며, 하이드로퀘벡은 제임스 베이 지역에서 보스턴까지 직류 송전선을 보유하고 있다.^[8] 발전소의 개폐장으로 전송된 전력은 승압 변압기를 통해 44kV에서 765kV까지 전압이 높아진다. 송전 시스템에 들어간 전력은 다른 발전소에서 생산된 전력과 결합되며, 교류 발전기의 경우 모든 발전 장치는 동기화되어 동일한 주파수로 작동해야 한다. 서로 다른 소스는 회전 기계 또는 직류 변환 시스템과 같은 외부 전력 변환 장치를 통해 결합될 수 있다. 전력은 생산되는 즉시 소비되며, 광속에 가까운 매우 빠른 속도로 전송된다.

3. 2. 변전소

변전소는 송전된 고전압 전력을 배전 전압으로 낮추는 역할을 한다. 대규모 시설(사무실 건물, 공장, 병원, 호텔 등)은 특별 고압 배전선로를 통해 전력을 공급받는다.

3. 3. 배전선로

배전선로는 변전소에서 수용가까지 전력을 전달하는 전선로이다.^[9] 주 배전 전압은 상간 전압으로 4 kV에서 35 kV(상-중성점 전압으로 2.4 kV에서 20 kV) 범위이다.^[9] 배전망 구성 방식에는 수지상 방식(방사상 방식), 본예비선 방식(환상 방식), 스팟 네트워크 방식, 레귤러 네트워크 방식 등이 있다.

배전 네트워크는 크게 방사형 시스템과 망형 시스템으로 나뉜다.^[10] 방사형 시스템은 각 고객이 하나의 공급원을 갖는 나무와 같은 구조로 배치되며, 시골이나 교외 지역에서 주로 사용된다. 망형 시스템은 여러 개의 공급원이 병렬로 작동하는 시스템으로, 집중 부하에는 스팟 네트워크가 사용된다. 방사형 시스템은 일반적으로 고장이나 계획된 유지보수와 같은 문제 발생 시 시스템을 재구성할 수 있는 비상 연결을 포함한다.

장거리 전력선은 전압 강하 (역률 왜곡)를 경험하므로 축전기 또는 전압 조정기를 설치해야 한다. 시스템 재구성은 배전 시스템의 운영 성능을 향상시킬 수 있는 중요한 조치 중 하나이다. 1975년 Merlin과 Back^[11]이 유효 전력 손실 감소를 위한 배전 시스템 재구성 아이디어를 제시한 이후, 많은 연구자들이 다양한 방법과 알고리즘을 제안했다. 일부 저자는 파레토 최적성 기반 접근 방식(유효 전력 손실 및 신뢰성 지수를 목표로 포함)을 제안했으며, 미세 유전 알고리즘,^[12] 가지 교환,^[13] 입자 군집 최적화,^[14] 비지배 정렬 유전 알고리즘^[15] 등 다양한 인공 지능 기반 방법이 사용되었다.

농촌 전력화 시스템은 배전선의 거리가 길기 때문에 더 높은 배전 전압을 사용하는 경향이 있다(농촌전기공급청 참조). 미국에서는 7.2kV, 12.47kV, 25kV, 34.5kV 배전이 일반적이며, 영국, 호주, 뉴질랜드에서는 11kV, 33kV가 일반적이고, 남아프리카 공화국에서는 11kV, 22kV가 일반적이며, 중국에서는 10kV, 20kV, 35kV가 일반적이다.^[16]

농촌 지역 서비스는 일반적으로 전주와 전선의 수를 최소화하려고 하며, 도시 배전보다 높은 전압을 사용하여 아연 도금 강철선을 사용한다. 이를 통해 더 저렴한 넓은 전주 간격을 허용한다. 3상 서비스는 대규모 농업 시설, 석유 펌핑 시설, 정수장 또는 큰 부하(3상 장비)를 가진 다른 고객에게 전력을 공급한다. 북미에서는 항공 배전 시스템이 중성 도체가 있는 3상 4선식일 수 있다. 다른 국가 또는 극히 농촌 지역에서는 중성선이 접지되어 귀환선으로 사용된다(단선 지구 귀환).

한국에서는 1990년대부터 배전계통 손실 감소, 도시부 수요 밀도 증가에 따른 지중 전선로의 효율적 활용, 국제 표준품 이용에 따른 비용 절감 등을 위해 20kV/30kV급 삼상 3선식 배전선로가 사용되기 시작했다. 또한, 6.6kV Δ결선 삼상 3선식 고압 배전선로에 중성선 1개를 설치하여 특고압으로 승압한 11.4kV Y결선 삼상 4선식 배전선로도 사용된다.

3. 4. 수용가

전력은 지역에 따라 50Hz 또는 60Hz의 주파수로 공급된다.^[18] 대부분의 전력 고객은 변압기를 통해 배전 전압을 저전압으로 낮춰 사용한다. 가정용 고객에게는 단상 전력으로 공급된다. 유럽과 같은 일부 국가에서는 더 큰 부동산에 3상 공급이 가능하기도 하다. 오실로스코프로 보면 북미의 가정용 전력 공급은 −170볼트와 170볼트 사이에서 진동하는 사인파처럼 보이며, 실효 전압은 120볼트 RMS이다.^[18] 3상 전력은 사용된 케이블당 전력 전달 측면에서 더 효율적이며 대형 전기 모터를 작동하는 데 더 적합하다. 유럽의 일부 대형 가전제품은 3상 전력으로 작동될 수 있다.

접지 연결은 일반적으로 고객 시스템과 유틸리티가 소유한 장비 모두에 제공된다. 고객 시스템을 접지하는 목적은 고전압 도체가 일반적으로 지면에 더 가깝게 설치된 저전압 도체에 떨어지거나 배전 변압기 내부에서 고장이 발생하는 경우 발생할 수 있는 전압을 제한하는 것이다. 접지 시스템은 TT, TN-S, TN-C-S 또는 TN-C가 될 수 있다.

4. 전압 및 주파수

세계 대부분 지역에서는 가정 및 경공업 용도로 50Hz, 220V 또는 230V 단상 또는 400V 삼상 전력을 사용한다.^[19] 유럽에서는 산업 및 가정용 전력이 일반적으로 삼상 4선식 시스템으로 배전되며, 상 간 전압 400볼트 Y결선 서비스와 임의의 한 상과 중성선 사이의 단상 전압 230볼트를 제공한다.

아메리카 대륙의 대부분은 가정용으로 120/240볼트 분상 시스템의 60Hz 교류를, 대규모 설비에는 3상 전력을 사용한다. 북미 변압기는 일반적으로 가정에 240볼트를 공급하며, 가정에서 120볼트를 사용할 수 있도록 하는 것은 바로 이 분상 시스템이다.

일본의 전력 산업에서 표준 전압은 100V이며, 50Hz와 60Hz 교류 주파수가 모두 사용된다.^[20] 일본의 일부 지역에서는 50Hz를, 다른 지역에서는 60Hz를 사용하는데,^[20] 이는 1890년대부터 이어져 온 상황이다. 도쿄의 일부 지역 사업자는 독일에서 50Hz 장비를 수입한 반면, 오사카의 지역 사업자는 미국에서 60Hz 발전기를 들여왔다. 현재 동일본(도쿄, 요코하마, 도호쿠, 홋카이도 포함)은 50Hz, 서일본(나고야, 오사카, 교토, 히로시마, 시코쿠, 규슈 포함)은 60Hz를 사용한다.^[21]

일본의 교류 주파수 경계를 넘어 전력을 전송하는 고압 직류 송전(HVDC) 변환소가 4곳 있다. 신 시나노는 일본에 있는 백투백 HVDC 설비로, 일본 서부와 동부 전력망을 연결하는 4개의 주파수 변환기 중 하나이다. 다른 세 곳은 히가시시미즈, 미나미후쿠미츠, 사쿠마 댐에 있다.

삼상 4선식 415/240V 중성점 접지 방식 : 1990년대부터 전선로의 지중화 등과 함께 수요 밀도가 높은 도시 지역을 중심으로 사용되기 시작했다.
삼상 3선식 200V(삼상 동력 전용) : 소규모 점포 등 삼상 200V 부하를 이용하는 수요자를 위한 인입선으로 이용된다.
전등·동력 공용 삼상 4선식 200V/100V(전등 동력 공용 변압기 또는 이용량 V결선을 사용)
단상 3선식 200/100V : 전등 부하를 이용하는 소규모 수요자에게 사용된다. 1980년대 이후 일반 가정용의 주류였다.
단상 2선식 100V : 매우 소용량의 인입선에만 사용된다. 과거에는 가정용으로 이 방식이 주류였다.

4. 1. 한국의 전압 및 주파수

한국의 표준 전압은 220V이며, 주파수는 60Hz이다. 과거에는 110V 전압이 사용되었으나, 1973년부터 2005년까지 승압 사업을 통해 220V로 표준화되었다. 승압 사업은 전력 손실 감소, 전력 설비 용량 증대, 전력 품질 향상 등의 효과를 가져왔다.

1990년대부터는 배전계통 손실 감소, 도시 지역의 수요 밀도 증가에 따른 지중 전선로의 효율적 활용, 국제 표준품 이용에 따른 비용 절감 등을 위해 20kV/30kV급 삼상 3선식 배전선로가 사용되기 시작했다. 또한, 1990년대부터 전선로의 지중화 등과 함께 수요 밀도가 높은 도시 지역을 중심으로 삼상 4선식 415/240V 중성점 접지 방식이 사용되기 시작했다.

현재 한국전력공사는 220V 전압을 기반으로 안정적인 전력 공급을 위해 노력하고 있으며, 특히 농촌 전력화와 같은 농어촌 지역의 전력 품질 개선을 위해 힘쓰고 있다. 농촌 지역 서비스는 일반적으로 전주와 전선의 수를 최소화하기 위해 도시 배전보다 높은 전압을 사용한다.^[16] 뉴질랜드, 호주, 캐나다 사스캐처원주, 남아프리카 공화국에서는 단선 지구 귀환(SWER) 시스템을 사용하여 외딴 농촌 지역에 전력을 공급한다.^[16]

5. 현대 배전 시스템

전통적으로 배전 시스템은 송전망에서 고객에게 전력을 공급하는 단순한 배전선으로만 운영되었다. 오늘날의 배전 시스템은 태양광 발전 및 풍력 발전과 같은 분산발전 자원을 통해 전력 시스템의 배전 단계에서 재생에너지 발전과 긴밀하게 통합되어 있다.^[23] 그 결과 배전 시스템은 날마다 송전망에 대한 의존도가 줄어들고 있다. 이러한 현대적인 배전망(때로는 마이크로그리드라고도 함)에서 수요-공급 관계의 균형을 유지하는 것은 매우 어려우며, 운영을 위해 다양한 기술적 및 운영적 수단을 사용해야 한다. 이러한 도구에는 배터리 에너지저장시스템, 데이터 분석, 최적화 도구 등이 포함된다.^[23]

5. 1. 분산형 전원 연계

전통적으로 배전 시스템은 송전망에서 고객에게 전력을 공급하는 단순한 배전선으로만 운영되었다. 오늘날의 배전 시스템은 태양광 발전 및 풍력 발전과 같은 분산발전 자원을 통해 전력 시스템의 배전 단계에서 재생에너지 발전과 긴밀하게 통합되어 있다.^[23] 그 결과 배전 시스템은 날마다 송전망에 대한 의존도가 줄어들고 있다. 이러한 현대적인 배전망(때로는 마이크로그리드라고도 함)에서 수요-공급 관계의 균형을 유지하는 것은 매우 어려우며, 운영을 위해 다양한 기술적 및 운영적 수단을 사용해야 한다. 이러한 도구에는 배터리 에너지저장시스템, 데이터 분석, 최적화 도구 등이 포함된다.^[23]

5. 2. 스마트 그리드 기술

스마트 그리드 기술은 배전 시스템의 효율성과 안정성을 향상시키는 데 기여한다. 전통적으로 배전 시스템은 송전망에서 고객에게 전력을 공급하는 단순한 배전선으로만 운영되었다. 오늘날의 배전 시스템은 태양광 발전 및 풍력 발전과 같은 분산발전 자원을 통해 전력 시스템의 배전 단계에서 재생에너지 발전과 긴밀하게 통합되어 있다.^[23] 그 결과 배전 시스템은 날마다 송전망에 대한 의존도가 줄어들고 있다. 이러한 현대적인 배전망(때로는 마이크로그리드라고도 함)에서 수요-공급 관계의 균형을 유지하는 것은 매우 어려우며, 운영을 위해 다양한 기술적 및 운영적 수단을 사용해야 한다. 이러한 도구에는 배터리 에너지저장시스템, 데이터 분석, 최적화 도구 등이 포함된다.^[23]

5. 3. 한국의 차세대 배전 시스템

한국은 스마트 그리드 구축을 통해 차세대 배전 시스템으로의 전환을 추진하고 있다.^[23] 지능형 전력망 구축을 통해 전력 효율을 높이고, 신재생에너지 수용 능력을 확대하는 것을 목표로 한다. 전통적으로 배전 시스템은 송전망에서 고객에게 전력을 공급하는 단순한 배전선으로만 운영되었다. 오늘날의 배전 시스템은 태양광 발전 및 풍력 발전과 같은 분산발전 자원을 통해 전력 시스템의 배전 단계에서 재생에너지 발전과 긴밀하게 통합되어 마이크로그리드라고도 불리며, 운영을 위해 다양한 기술적 및 운영적 수단을 사용해야 한다. 이러한 도구에는 배터리 에너지저장시스템, 데이터 분석, 최적화 도구 등이 포함된다.^[23] 더불어민주당은 에너지 전환 정책의 일환으로 스마트 그리드 확산을 적극 지지하며, 관련 기술 개발 및 인프라 구축을 위한 투자를 강조하고 있다.

6. 배전 자동화 및 사고 복구

6. 1. 한국의 배전 자동화 시스템

참조

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_[2] 서적 Electric Power Distribution Handbook CRC Press
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_[5] 서적 Behind the headlines: American history's schemes, scandals, and escapades https://archive.org/[...] Stackpole Books
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_[7] 서적 Managing in the Modular Age: Architectures, Networks, and Organizations John Wiley & Sons
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_[17] 서적 Standard Handbook for Electrical Engineers, Eleventh Edition McGraw Hill
_[18] 웹사이트 How Power Grids Work http://science.howst[...] 2000-04-00
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_[20] 뉴스 Japan's incompatible power grids http://www.japantime[...] 2016-03-12
_[21] 웹사이트 Electricity in Japan http://www.japan-gui[...] 2016-03-12
_[22] 웹사이트 Why Japan's Fragmented Grid Can't Cope https://spectrum.iee[...] 2016-03-12
_[23] 논문 Data-Driven Planning for Renewable Distributed Generation Integration https://ieeexplore.i[...] 2020-11-00
_[24] 서적 送配電東京電機大学出版局

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