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전력 계통

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목차

1. 개요

전력 계통은 발전소에서 생산된 전력을 변전소와 배전 시스템을 거쳐 최종 소비자인 수요처까지 전달하는 시스템을 의미한다. 전력 계통은 발전, 송전, 변전, 배전, 에너지 저장 등의 구성 요소로 이루어져 있으며, 전력의 안정적인 공급을 위해 수요와 공급의 균형을 맞추는 것이 중요하다. 전력 계통의 규모는 마이크로그리드, 광역 동기식 전력망, 슈퍼 그리드 등으로 구분되며, 전력망의 기능은 전압과 주파수를 일정하게 유지하고, 수요에 맞춰 전력을 공급하는 것이다. 전력 계통은 고장, 브라운아웃, 블랙아웃 등의 문제점을 가질 수 있으며, 스마트 그리드, 수요 반응, 계통 이탈 등의 발전 동향을 보인다. 한국의 전력 시스템은 가공 송전선로를 중심으로 구성되어 있으며, 세계적으로는 북유럽, 독일, 프랑스, 영국, 미국 등 각국의 전력 시스템이 상호 연결되어 전력을 융통하고 있다.

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전력 계통

2. 구성 요소

전력 계통은 발전, 송전, 변전, 배전, 에너지 저장 등의 여러 구성 요소로 이루어져 있다.

전력의 대부분은 가공 송배전 방식을 통해 전달되지만, 도시나 경관 보전이 필요한 지역에서는 지중 송배전 방식이 사용되기도 한다.


  • 발전: 발전소에서 다양한 에너지원을 사용하여 전력을 생산한다. 화석 연료, 원자력, 지열 등을 이용한 열기관 기반 발전기나, 물, 바람의 운동 에너지를 이용하는 1차 에너지원, 태양광 발전, 계통 배터리 등이 사용된다.
  • 송전: 발전소에서 생산된 전력을 변전소까지 고전압으로 전송하는 과정이다. 3상 교류 전력이 주로 사용되며, 고전압 직류 송전 방식도 장거리 송전에 사용된다.
  • 변전소: 발전소에서 온 전력을 다양한 전압으로 변환하는 시설이다. 승압, 강압, 배전 변전소로 나뉘며, 변압기, 차단기, 스위치, 모선, 피뢰기, 콘덴서, 동기 조상기 등으로 구성된다.
  • 배전: 송전 시스템에서 받은 전력을 최종 소비자에게 전달하는 과정이다. 배전용 변전소에서 중간 전압으로 낮춘 후, 1차 배전선을 통해 배전 변압기로 전달하고, 다시 이용 전압으로 낮춰 소비자에게 공급한다.
  • 에너지 저장: 전력 생산과 소비의 불균형을 해소하기 위해 전력을 저장하는 기술이다. 양수 발전이 가장 큰 비중을 차지하며, 배터리 저장 기술도 발전하고 있다. 피크 부하 발전소 가동이나 수요 반응을 통해 전력 수요를 조절하는 방법도 있다.

2. 1. 발전

발전은 발전소에서 전력을 생산하는 과정이다. 이는 화석 연료, 원자력, 지열과 같은 열기관에 의해 구동되는 전기 기계 발전기를 통해 이루어지거나, 물이나 바람의 운동 에너지에 의해 구동되는 1차 에너지원에서 이루어진다. 다른 전력원으로는 태양광 발전과 계통 배터리가 있다.

초기에는 전력 에너지를 필요로 하는 곳 근처에서 생산했다. 1880년대에는 전기, 증기, 수력, 석탄 가스가 경쟁했다. 석탄 가스는 처음에는 고객 사업장에서 생산되었지만, 나중에는 가스화 공장으로 발전하여 규모의 경제를 누렸다. 산업화된 세계의 도시는 조명용 파이프 가스 네트워크를 갖추었으나, 가스등은 조명이 좋지 않고 열을 낭비하며 여러 문제를 일으켰다. 1880년대에 전기 조명이 가스 조명보다 유리해졌다.

전력 회사는 중앙 발전소를 설립하여 규모의 경제를 활용하고, 발전, 배전, 시스템 관리를 중앙 집중화했다.[47] 전류 전쟁에서 교류 전력이 승리하면서 장거리 전력 전송을 통해 발전소를 상호 연결하는 것이 가능해졌다. 역사적으로 송전선과 배전선은 동일한 회사가 소유했지만, 1990년대부터 많은 국가에서 전기 자유화를 통해 전력 시장 규제를 자유화하여 전기 송전 사업을 배전 사업에서 분리하게 되었다.[48]

영국에서는 찰스 머츠가 1901년 뉴캐슬어폰타인 근처에 넵튠 뱅크 발전소를 건설했으며,[49] 1912년에는 유럽에서 가장 큰 통합 전력 시스템으로 발전했다.[50] 1926년 영국 전국 그리드가 설립되었다.

프랑스에서는 1900년대에 전기화가 시작되어 1938년에는 거의 모든 국가가 상호 연결되었다. 1946년에는 그리드가 세계에서 가장 조밀했으며, 프랑스 전력 공사(Électricité de France)로 산업을 국유화했다.

1920년대 미국에서는 유틸리티가 공동 운영을 형성했다. 1934년 공공 유틸리티 지주 회사법 통과로 전기 유틸리티는 공공재로 인식되었다. 1992년 에너지 정책법은 전력 발전 경쟁을 이끌었다.[47][54] 2005년 에너지 정책법은 온실 가스 배출을 피하는 대체 에너지 생산 및 혁신 기술에 대한 인센티브를 허용했다.

중국에서는 1950년대에 전기화가 시작되었다.[55] 2017년 말 현재 중국의 전철화된 철도 거리는 약 86904.36km에 달했다.[58]

2. 1. 1. 발전소

발전은 발전소에서 전력을 생산하는 과정이다. 이는 화석 연료, 원자력, 지열과 같은 열기관에 의해 구동되는 전기 기계 발전기를 통해 이루어지거나, 물이나 바람의 운동 에너지에 의해 구동되는 1차 에너지원에서 이루어진다. 다른 전력원으로는 일사량에 의해 구동되는 태양광 발전과 계통 배터리가 있다.[1]

터보 발전기


계통의 발전기 출력의 합은 계통의 생산량이며, 일반적으로 기가와트(GW)로 측정된다.

2. 2. 송전

전력 수송은 발전소에서 생산된 전력을 상호 연결된 선로망을 통해 변전소로 대량 이동시키고, 변전소에서 배전 시스템으로 연결하는 과정이다. 이러한 연결된 네트워크 시스템은 고전압 변전소와 고객 간의 지역 배선과는 다르다. 송전 네트워크는 중복 경로를 가진 복잡한 시스템으로, 회선 고장 시에도 전력이 우회되어 지속적으로 공급될 수 있도록 설계된다.

전력은 종종 소비되는 곳에서 멀리 떨어진 곳에서 발전되기 때문에, 송전 시스템은 넓은 거리를 커버해야 한다. 주어진 양의 전력에 대해, 송전 효율은 더 높은 전압과 더 낮은 전류에서 더 크다. 따라서 발전소에서는 전압을 승압하고, 고객에게 배전하기 위해 지역 변전소에서 전압을 강압한다.

대부분의 송전은 3상 교류 전력을 사용한다. 3상은 단상에 비해 중성선과 접지선을 공유하므로 주어진 양의 전선으로 훨씬 더 많은 전력을 공급할 수 있다.[23] 또한, 3상 발전기와 모터는 단상에 비해 더 효율적이다.

고전압 직류 송전 방식은 교류 송전에 비해 손실이 절반 수준으로 적어, 매우 먼 거리에서는 AC/DC 변환소 설치 비용을 상쇄할 수 있는 효율성을 가진다.

발전소에서 생산된 전력은 송전 설비를 통해 초고압(EHV, 220-275kV) 또는 초초고압(UHV, 500kV)으로 승압되어 송전망으로 보내진다. 송전선로는 이러한 고전압 전력을 변전소까지 전달하며, 변전소에서는 전압을 낮추어 배전 시스템으로 연결한다. 송전 과정은 다음과 같이 여러 단계를 거친다.[61]

  • 발전소: 교류 전력 발전 및 초고압/초초고압 승압
  • 초고압/초초고압 송전선로: 초고압/초초고압 전력 송전
  • 초고압 변전소: 전압을 특별고압(154-187kV)으로 변환
  • 특별고압 송전선: 특별고압 전력 송전
  • 1차 변전소: 전압을 특별고압(110-66kV)으로 변환
  • 특별고압 송전선: 특별고압 전력 송전
  • 2차 변전소 (중간 변전소): 전압을 특별고압(33-22kV)으로 변환
  • 22kV급 특별고압 송전선: 특별고압(22kV) 전력 송전

2. 2. 1. 송전 선로

그랜드 쿨리 댐의 500 kV 3상 교류 전력 송전선. 4개의 회로가 표시되어 있으며, 오른쪽 나무에 가려진 2개의 추가 회로를 통해 댐의 전체 7079 MW 발전 용량이 수용된다.


송전 선로는 크게 가공 송전선로와 지중 송전선로로 나뉜다.

가공 송전선로는 전선, 가공 지선, 애자, 철탑 및 전주 등으로 구성된다.

  • '''전선''': 송전용으로는 중심의 강철선과 그것을 둘러싼 알루미늄 선을 묶은 "강심 알루미늄 연선"이 사용된다.
  • '''가공 지선''': 피뢰 대책으로 접지되어, 접지 전위로 유지되는 1개 또는 2개의 가공지선이 가장 높은 위치에 설치된다.
  • '''애자''': 주로 자기로 만들어진 절연체인 애자는 전선의 고전위 전류가 철탑으로 누설되는 것을 방지한다. 애자에는 "연면 방전" 발생 시 그 경로가 길어지도록 하여, 그 발생을 억제하기 위한 다수의 굴곡이 설치되어 있다.
  • '''철탑・전주''': 강철, 콘크리트, 목재로 만들어진 철탑이나 전주에 의해 전선류를 공중에 유지하고 있다. 철탑에는 사각 철탑, 방형 철탑, 에보시형 철탑, 문형 철탑(갠트리형 철탑) 등이 있다. 사각 철탑은 3상 3선식 회선을 2조(2회선) 또는 4조(4회선) 지지하는데 적합하며, 에보시형 철탑은 3상 3선식 1회선을 지지하는데 적합하다.[61]


지중 송전선로는 전선과 관로로 구성된다.

  • '''전선''': 전선으로는 OF 케이블(Oil filled cable)이나 CV 케이블(Crosslinked polyethylene vinyl sheath cable)이 사용된다. OF 케이블은 상시 가압되는 유지를 보수해야 하는 번거로움이 있어, 최근에는 CV 케이블을 사용하는 추세이다.
  • '''관로''': 직접 매설 방식, 관로식, 공동구 방식이 있다.[61]

2. 2. 2. 초고압 변전소

발전소로부터의 전력을 특별고압(154-187kV)으로 변환한다.[61]

2. 3. 변전소

변전소는 발전소에서 생산된 전기를 최종 소비자가 사용할 수 있도록 전압을 변환하는 중요한 역할을 수행한다. 발전소에서 가정이나 공장까지 전기가 이동하는 과정에서 여러 번 전압이 바뀌는데, 이때 변전소가 핵심적인 기능을 담당한다.[25]

변전소는 기능별로 크게 세 가지 주요 유형으로 분류할 수 있다.[26]

  • 승압 변전소: 발전소에서 생산된 전기의 전압을 높여 송전 손실을 줄이고 효율적으로 전력을 먼 거리까지 보낼 수 있게 한다. 변압기를 사용하여 전압을 높이고 전류를 줄인다.
  • 강압 변전소: 송전된 전기의 전압을 낮춰 산업 현장에서 사용하거나 배전 변전소로 보낼 수 있게 한다.
  • 배전 변전소: 최종 소비자에게 전력을 공급하기 위해 전압을 다시 낮춘다.


변전소는 변압기 외에도 다음과 같은 주요 구성 요소와 기능을 갖추고 있다.[27][28]

  • 차단기: 전기 회로에 문제가 발생했을 때 자동으로 회로를 차단하여 시스템을 보호하고 고장 부분을 격리한다.
  • 스위치: 전기의 흐름을 제어하고 장비를 격리하는 역할을 한다.
  • 변전소 모선: 전류의 각 위상별로 하나씩, 세 개의 도체 세트로 구성된다. 변전소는 모선을 중심으로 구성되며, 유입선, 변압기, 보호 장비, 스위치 및 유출선이 연결된다.
  • 피뢰기
  • 콘덴서 (무효 전력 보상용)
  • 동기 조상기 (무효 전력 보상 및 전력망 안정성용)

2. 3. 1. 1차 변전소

1차 변전소는 초고압 송전선으로부터의 전력을 특별고압(110~66kV)으로 변환한다.[26]

2. 3. 2. 2차 변전소 (중간 변전소)

특별고압 송전선으로부터의 전력을 더 낮은 특별고압(33-22kV)으로 변환한다.[61]

2. 3. 3. 배전용 변전소

배전용 변전소는 일반적으로 154kV나 66kV(50Hz 측 각 회사의 예), 드물게 20kV급 송전선에서 받은 전력을 고압(6.6~3.3kV)으로 변환하여 배전선에 공급한다.[61]

2. 4. 배전

전력망의 일반적인 레이아웃. 전압 및 전선 묘사는 독일 및 기타 유럽 시스템의 전형적인 예입니다.


배전은 전력 공급의 마지막 단계로, 송전 시스템에서 개별 소비자로 전력을 전달하는 과정이다. 배전용 변전소는 송전 전압을 중간 전압으로 낮추고, 1차 배전선은 이 중간 전압 전력을 고객 근처의 배전 변압기로 전달한다. 배전 변압기는 다시 전압을 이용 전압으로 낮추며, 훨씬 더 많은 양의 전력을 요구하는 고객은 1차 배전 레벨 또는 송전선 레벨에 직접 연결될 수 있다.[29][30]

2. 4. 1. 배전 선로

배전은 전력 공급의 마지막 단계로, 송전 시스템에서 개별 소비자로 전력을 전달하는 과정이다.[29] 변전소는 송전 시스템에 연결되어 송전 전압을 2kV에서 35kV 사이의 중간 전압으로 낮춘다. 그러나 전압 수준은 국가마다 매우 다양하며, 스웨덴의 경우 중간 전압은 일반적으로 10kV에서 20kV 사이이다. 1차 배전선은 이 중간 전압 전력을 고객의 구내에 위치한 배전 변압기로 전달한다. 배전 변압기는 다시 전압을 이용 전압으로 낮춘다. 훨씬 더 많은 양의 전력을 요구하는 고객은 1차 배전 레벨 또는 송전선 레벨에 직접 연결될 수 있다.[30]

배전 네트워크는 방사형과 네트워크의 두 가지 유형으로 나뉜다.[31] 북미 도시에서는 그리드가 고전적인 '방사형 공급' 설계를 따르는 경향이 있다. 변전소는 송전 네트워크에서 전력을 수신하고, 변압기를 통해 전압을 낮추어 버스바로 보낸다. 그 후, 버스바에서 피더가 시골 곳곳으로 뻗어 나간다. 이러한 피더는 3상 전력을 전달하며, 변전소 근처의 주요 도로를 따라가는 경향이 있다. 변전소로부터의 거리가 멀어짐에 따라, 피더가 놓친 지역을 커버하기 위해 더 작은 측선이 퍼져 나가면서 팬아웃이 계속된다. 이 트리 구조는 변전소에서 바깥쪽으로 뻗어 나가지만, 신뢰성 확보를 위해 일반적으로 인근 변전소에 대한 사용되지 않는 백업 연결을 하나 이상 포함한다. 이 연결은 비상시에 활성화될 수 있으므로 변전소의 서비스 구역 일부를 다른 변전소에서 대체 공급할 수 있다.

배전 선로는 다음과 같이 구성된다.

  • 배전용 변전소: 일반적으로 154kV나 66kV(50Hz 측 각 회사의 예), 드물게 20kV급 송전선에서 전력을 고압(6.6~3.3kV)으로 변환한다.
  • 배전선: 고압 전력을 배전한다.
  • 주상 변압기: 고압 전력을 저압(200~100V)으로 변환한다.
  • 인입선: 각 수요가에 저압 전력을 배전한다.

2. 4. 2. 주상 변압기

주상 변압기는 고압 전력을 저압(200~100V)으로 변환한다.[30]

2. 4. 3. 인입선

주상 변압기를 통해 저압으로 변환된 전력은 인입선을 통해 각 수요가에게 배전된다.[30]

2. 5. 에너지 저장

화석 또는 원자력 발전소 및 재생 에너지원에서 얻은 에너지는 고객이 사용할 수 있도록 저장됩니다.


하루 동안의 단순화된 계통 에너지 흐름


'''계통 에너지 저장'''(대규모 에너지 저장이라고도 함)은 전력 계통 내에서 대규모로 에너지 저장을 사용하기 위한 일련의 방법을 말합니다. 전력은 전기가 풍부하고 저렴할 때(특히 풍력 발전, 조력 발전 및 태양광 발전의 재생 가능 전력과 같은 간헐적 전력원) 또는 수요가 낮을 때 저장되며, 나중에 수요가 높고 전기 가격이 더 높아지는 경향이 있을 때 전력을 생성합니다.

, 계통 에너지 저장의 가장 큰 형태는 댐식 수력 발전으로, 기존 수력 발전과 양수 발전이 모두 포함됩니다.

배터리 저장 기술의 발전으로 피크 생산 시 에너지를 저장하고 피크 수요 시 방출하며, 생산이 예상치 않게 감소하여 더 느리게 반응하는 자원을 가동할 시간을 확보하는 상업적으로 실행 가능한 프로젝트가 가능해졌습니다.

계통 저장을 대체하는 두 가지 방법은 공급 격차를 메우기 위한 피크 부하 발전소의 사용과 부하를 다른 시간으로 전환하기 위한 수요 반응입니다.[1]

3. 전력망의 종류 (크기별 분류)

전력망은 그 크기와 범위에 따라 여러 종류로 나눌 수 있다.


  • '''마이크로그리드''': 특정 지역 내에서 자체적으로 전력을 생산하고 소비하는 소규모 전력망이다. 아일랜딩 기능을 통해 주 전력망과 분리되어 독립적으로 작동할 수 있다.
  • '''광역 동기식 전력망'''(광역 동기식 그리드): 넓은 지역에 걸쳐 동일한 주파수로 전력을 공급하는 대규모 전력망이다. 북미에서는 "상호 연결망"이라고도 불린다. 발전 비용 절감, 부하 평준화, 예비 전력 공유 등의 장점이 있지만, 한 부분의 문제가 전체에 영향을 미칠 수 있다는 단점도 있다.
  • '''슈퍼 그리드'''(메가 그리드): 광역 송전망으로, 대량의 전력을 먼 거리까지 전송할 수 있도록 설계되었다. 고전압 직류(HVDC) 송전 기술을 사용하여 전력 손실을 최소화하며, 재생 에너지의 변동성을 완화하고 지구 온난화를 늦추는 데 기여할 수 있다.


각 전력망은 규모의 경제, 에너지 효율성, 신뢰성 향상 등 다양한 이점을 제공하며, 지역 간 전력 회사들은 상호 연결을 통해 이러한 이점을 극대화한다. EU는 전력 상호 연결 수준(EIL)을 높이는 것을 목표로 하고 있다.

3. 1. 마이크로그리드

마이크로그리드는 일반적으로 광역 동기식 그리드의 일부이지만 분리되어 자율적으로 작동할 수 있는 지역 그리드이다.[5] 주 전력망이 정전의 영향을 받는 경우 분리되어 자체 자원으로 무기한 실행될 수 있는데, 이를 아일랜딩이라고 한다.

마이크로그리드는 대규모 그리드에 비해 일반적으로 더 낮은 전압의 배전망과 분산 발전기를 사용한다.[6] 마이크로그리드는 탄력성이 더 클 뿐만 아니라 고립된 지역에서 구현하는 비용이 더 저렴할 수 있다.

설계 목표는 지역에서 사용하는 모든 에너지를 생산하는 것이다.[5]

구현 예시는 다음과 같다.

  • 하지아 및 라히지, 예멘: 지역 사회 소유의 태양광 마이크로그리드.[7]
  • 일 드 유 시범 프로그램: 5개 주택에 최대 용량 23.7kW의 태양광 패널 64개와 저장 용량 15kWh의 배터리.[8][9]
  • 레장글레, 아이티: 에너지 도난 감지 포함.[10][11]
  • 음페케토니, 케냐: 지역 사회 기반 디젤 발전 마이크로그리드 시스템.[12]
  • Stone Edge Farm 와이너리: 캘리포니아주 소노마에 위치한 마이크로 터빈, 연료 전지, 다중 배터리, 수소 전해조 및 PV 지원 와이너리.[13][14]

3. 2. 광역 동기식 전력망

광역 동기식 전력망은 북미에서는 "상호 연결망"이라고도 불리며, 동일한 상대적 ''주파수''로 교류(AC) 전력을 공급하는 많은 발전기와 많은 소비자를 직접 연결한다. 예를 들어, 북미에는 4개의 주요 상호 연결망(서부 상호 연결망, 동부 상호 연결망, 퀘벡 상호 연결망, 텍사스 상호 연결망)이 있다. 유럽에는 하나의 대규모 전력망이 서유럽 대부분을 연결한다.

광역 동기식 전력망(북미에서는 "상호 연결망"이라고도 함)은 동기화된 주파수로 작동하며 정상적인 시스템 조건에서 전기적으로 연결된 지역 규모 이상의 전력망이다. 이러한 전력망은 동기식 구역이라고도 하며, 가장 큰 곳은 667 기가와트(GW)의 발전 용량을 가진 유럽 대륙 동기식 전력망(ENTSO-E)이며, 가장 넓은 지역은 구 소련 국가에 서비스를 제공하는 IPS/UPS 시스템이다. 충분한 용량을 가진 동기식 전력망은 광범위한 지역에서 전력 시장 거래를 용이하게 한다. 2008년 ENTSO-E에서는 유럽 에너지 거래소(EEX)에서 하루 35만 메가와트시 이상의 전력이 판매되었다.[15]

북미의 각 상호 연결망은 명목상 60 Hz로 작동하며, 유럽의 상호 연결망은 50 Hz로 작동한다. 동일한 주파수와 표준을 가진 인접한 상호 연결망은 동기화되어 직접 연결되어 더 큰 상호 연결망을 형성할 수 있으며, 고전압 직류 전력 전송선(DC 연계) 또는 가변 주파수 변압기 (VFT)를 통해 동기화 없이 전력을 공유할 수도 있다. VFT는 각 측면의 독립적인 AC 주파수를 기능적으로 격리하면서 제어된 에너지 흐름을 허용한다.

동기식 구역의 장점으로는 발전량 풀링으로 인한 발전 비용 절감, 부하 풀링으로 인한 상당한 평형 효과, 예비 전력의 공동 공급으로 인한 1차 및 2차 예비 전력 비용 절감, 시장 개방으로 인한 장기 계약 및 단기 전력 거래 가능성, 그리고 장애 발생 시 상호 지원 등이 있다.[16]

광역 동기식 전력망의 한 가지 단점은 한 부분의 문제가 전체 전력망에 영향을 미칠 수 있다는 것이다. 예를 들어, 2018년 코소보는 세르비아와의 분쟁으로 인해 발전량보다 더 많은 전력을 사용했고, 이로 인해 전체 유럽 대륙 동기식 전력망의 위상이 정상보다 뒤쳐졌다. 주파수는 49.996 Hz로 떨어졌다. 이로 인해 특정 종류의 시계가 6분 늦어졌다.[17]

유럽의 동기식 전력망


북미의 두 개의 주요 상호 연결망과 세 개의 소규모 상호 연결망

3. 3. 슈퍼 그리드 (메가 그리드)



'''슈퍼 그리드''' 또는 '''슈퍼그리드'''는 대량의 전력을 먼 거리로 전송할 수 있도록 설계된 광역 송전망이다. 때로는 '''메가 그리드'''라고도 한다. 슈퍼 그리드는 풍력 발전 및 태양열 발전의 지역 변동을 완화하여 글로벌 에너지 전환을 지원할 수 있으며, 기후 변화를 지구 온난화를 완화하는 핵심 기술로 간주된다. 슈퍼 그리드는 일반적으로 장거리 전력 전송에 고전압 직류 (HVDC)를 사용하며, 최신 HVDC 전력선은 1,000km당 1.6%의 손실로 에너지를 전송할 수 있다.[19]

지역 간의 전력 회사는 경제성과 신뢰성 향상을 위해 여러 번 상호 연결된다. 전기 상호 연결기를 통해 규모의 경제를 실현할 수 있으며, 대규모의 효율적인 발전원에서 에너지를 구매할 수 있다. 유틸리티는 지속적이고 신뢰할 수 있는 전력을 보장하고 부하를 다양화하기 위해 다른 지역의 발전기 예비 전력에서 전력을 끌어올 수 있다. 상호 연결은 또한 여러 소스에서 전력을 공급받아 저렴한 대량 에너지에 접근할 수 있도록 한다. 예를 들어, 한 지역은 물이 많은 계절에는 저렴한 수력 발전을 생산할 수 있지만, 물이 적은 계절에는 다른 지역이 풍력을 통해 더 저렴한 전력을 생산할 수 있어 두 지역 모두 일 년 중 다른 시기에 서로 저렴한 에너지원에 접근할 수 있다. 인접한 유틸리티는 또한 다른 유틸리티가 전체 시스템 주파수를 유지하도록 돕고 유틸리티 지역 간의 연계 전송을 관리하는 데 도움을 준다.[20]

그리드의 전력 상호 연결 수준(EIL)은 그리드의 총 상호 연결기 전력을 그리드의 설치된 생산 능력으로 나눈 비율이다. EU 내에서는 2020년까지 국가 그리드가 10%, 2030년까지 15%에 도달하는 것을 목표로 설정했다.[21]

4. 전력망의 기능

수요자에게 적절한 전압과 주파수로 전력을 공급하기 위해서는 전력 계통 시스템을 적절히 운용해야 한다.[1] 전력은 축적하기 어렵기 때문에, 수급 조정을 통해 수요에 맞춰 발전하고, 송전 계통이나 변전소의 과부하가 발생하지 않도록 전력을 전달해야 한다.[1]

이러한 수급 및 계통 조정 외에도, 낙뢰 등 악천후에 대비한 조류 조정, 강수량 및 갈수기에 따른 수력 발전소 상황, 갑작스러운 고장 등 변동 상황에 대응하기 위한 즉응성과 유연성이 필요하다. 따라서 전력 회사는 24시간 체제로 전문 인력을 상주시켜 전력망을 감시하고 대응한다.[1]

4. 1. 수요 (부하)

전력망의 수요(부하)는 전력망 사용자가 사용하는 총 전력량을 의미한다.

시간에 따른 수요의 그래프를 ''수요 곡선''이라고 한다.

기저 부하는 주어진 기간 동안 전력망의 최소 부하이고, 최대 부하는 최대 부하이다. 역사적으로 기저 부하는 비교적 저렴하게 운영되고 몇 주 또는 몇 달 동안 지속적으로 가동되는 장비로 충족되는 것이 일반적이었지만, 전 세계적으로는 이러한 추세가 줄어들고 있다. 추가적인 최대 부하 요구 사항은 때때로 빠르게 가동되도록 최적화된 발전기인 고가의 피킹 발전소에 의해 충족되지만, 이 또한 점점 줄어들고 있다.

그러나 전력 수요가 지역 전력망의 용량을 초과하면 과열과 같은 안전 문제를 일으킬 수 있다.[32] 수요가에게 적절한 전압 및 주파수로 전력을 공급하기 위해서는 '''전력 계통''' 시스템을 적절히 운용해야 한다.

전력은 축적하기 어렵기 때문에, 수급 조정을 실시하여 수요에 맞춘 발전을 수행하고, 송전 계통이나 변전소의 과부하가 발생하지 않도록 수요가에게 전력을 전달해야 한다.

이러한 수급 및 계통 조정 외에도, 악천후 시의 낙뢰 등에 대비한 조류의 조정, 강수 및 갈수에 따른 수력 발전소의 상황, 갑작스럽게 발생하는 고장 등의 영향을 최소화하기 위한 구성과, 이에 대응한 조기 복구 및 대체 확보 등, 항상 변동하는 상황에 대응하는 즉응성과 유연성이 요구되므로, 전력 회사에서는 24시간 체제로 여러 명의 전문 인력이 상주하여, 항상 감시하고 대응할 수 있는 체제를 갖추고 있다.

4. 2. 전압

전력 계통은 고객에게 거의 일정한 전압으로 전력을 공급하도록 설계되었다. 이는 수요 변동, 가변적인 무효 전력 부하, 심지어 비선형 부하에서도 달성해야 하며, 발전기와 완벽하게 신뢰할 수 없는 배전 및 송전 장비를 통해 전기를 공급받는다.[33] 종종 전력 계통은 소비자에 가까운 변압기에 탭 전환기를 사용하여 전압을 조정하고 규정 내로 유지한다.

수요가에게 적절한 전압 및 주파수로 전력을 공급하기 위해서는 전력 계통 시스템을 적절히 운용해야 한다.

4. 3. 주파수

광역 동기식 전력망에서는 모든 발전기가 동일한 주파수로 작동해야 하며, 서로, 그리고 계통과 거의 위상이 일치해야 한다. 에너지는 생산되는 즉시 소비되므로, 전체 계통에서 발전량과 소비량의 균형을 맞춰야 한다. 회전 발전기의 경우, 지역 조속기가 구동 토크를 조절하여 부하 변화에 따라 거의 일정한 회전 속도를 유지한다. 에너지는 발전기의 회전 운동 에너지에 의해 단기적으로 저장된다.

속도는 대부분 일정하게 유지되지만, 공칭 계통 주파수에서 약간의 편차는 개별 발전기를 조절하고 계통 전체의 평형을 평가하는 데 매우 중요하다. 계통 부하가 가벼울 때 계통 주파수는 공칭 주파수보다 높게 작동하며, 이는 네트워크 전반의 자동 발전 제어(AGC) 시스템에서 발전기가 출력을 줄여야 한다는 신호로 해석된다. 반대로, 계통 부하가 높을 때 주파수는 자연적으로 느려지고, 조속기는 더 많은 전력을 출력하도록 발전기를 조정한다. (드룹 속도 제어) 동일한 드룹 속도 제어 설정을 가진 여러 병렬 발전기는 정격에 비례하여 부하를 분담한다.

또한, 중앙 제어를 통해 분 단위 이상의 시간 척도로 AGC 시스템의 매개변수를 변경하여 지역 네트워크 흐름과 계통의 작동 주파수를 추가로 조정할 수 있다. 시간 측정 목적으로, 공칭 주파수는 단기적으로 변동될 수 있지만, 24시간 동안 라인 작동 시계가 상당한 시간을 얻거나 잃지 않도록 조정된다.

전체 동기식 계통은 동일한 주파수로 작동하며, 인접한 계통이 동일한 공칭 주파수로 작동하더라도 동기화되지 않는다. 고전압 직류 선로나 가변 주파수 변압기는 서로 동기화되지 않은 두 개의 교류 상호 연결 네트워크를 연결하는 데 사용될 수 있다. 이는 더 넓은 지역을 동기화할 필요 없이 상호 연결의 이점을 제공한다.

한국은 60Hz 주파수를 사용하며, 안정적인 주파수 유지를 위해 24시간 전력 감시 체제를 갖추고 있다.

4. 3. 1. 일본의 전력 주파수

일본은 동부 지역(홋카이도 전력 네트워크, 도호쿠 전력 네트워크, 도쿄 전력 파워 그리드)과 서부 지역(호쿠리쿠 전력 송배전, 주부 전력 파워 그리드, 간사이 전력 송배전, 주고쿠 전력 네트워크, 시코쿠 전력 송배전, 규슈 전력 송배전, 오키나와 전력)의 주파수가 다르다. 동부는 50Hz, 서부는 60Hz의 교류 전력을 사용한다.[60]

오키나와를 제외한 각 지역의 전력 회사들은 동일한 주파수의 전력망을 서로 연결하여 전력을 상호 공급함으로써 안정적인 전력 공급을 꾀하고 있다. 주파수가 다른 전력망끼리는 변환소를 설치하여 직류로 변환한 후, 공급처의 교류 주파수로 다시 변환하여 상호 공급을 가능하게 한다.[60]

같은 주파수의 교류 전력이라도 위상이 맞지 않으면 접속할 수 없기 때문에, 직류로 변환 후 다시 교류를 만드는 방식의 BTB(Back to back)라고 불리는 위상 변환소도 설치되어 있다. 쓰가루 해협과 기이 수도를 넘어 상호 연결된 송전 구간에서는 직류로 송전한다. 직류 송전은 전압 변환이 어렵지만, 교류 송전처럼 전압의 실효값과 최댓값 차이가 √2배이므로, 내압 설계가 비교적 쉽다는 장점이 있다.[60]

4. 4. 용량 및 확정 용량

전력망에 연결된 발전기의 최대 출력(정격 용량)의 합은 전력망의 용량으로 간주될 수 있다.

그러나 실제로는 발전기가 동시에 최대 출력으로 가동되는 경우는 없다. 일반적으로 일부 발전기는 고장 및 수요 변동에 대처하기 위해 더 낮은 출력으로 가동된다(회전 예비력). 또한 발전기는 에너지 투입(연료, 물, 풍력, 태양 등)의 가용성 또는 오염 제한과 같은 유지 보수나 기타 이유로 가동 중지될 수 있다.

'''확정 용량'''은 주어진 기간 동안 즉시 사용할 수 있는 전력망의 최대 출력이며 훨씬 더 유용한 수치이다.

4. 5. 생산

대부분의 전력 계통 규정은 발전기 간에 전력량 순위에 따라 한계 비용(가장 저렴한 것부터)과 때로는 환경적 영향을 고려하여 부하를 분담하도록 명시하고 있다. 따라서 저렴한 전기 공급자는 거의 항상 최대한 가동되는 경향이 있으며, 더 비싼 발전기는 필요할 때만 가동된다.[1]

수요가에게 적절한 전압 및 주파수로 전력을 공급하기 위해서는 '''전력 계통''' 시스템을 적절히 운용해야 한다.[1] 전력의 축적은 어렵기 때문에, 수요에 맞춘 발전을 수행하고, 송전 계통이나 변전소의 과부하가 발생하지 않도록 수급 조정을 실시하여 수요가에게 전력을 전달해야 한다.[1]

이러한 수급 및 계통 조정 외에도, 악천후 시의 낙뢰 등에 대비한 조류의 조정, 강수 및 갈수에 따른 수력 발전소의 상황, 갑작스럽게 발생하는 고장 등의 영향을 최소화하기 위한 구성과, 이에 대응한 조기 복구 및 대체 확보 등, 항상 변동하는 상황에 대응하는 즉응성과 유연성이 요구된다. 따라서 전력 회사에서는 24시간 체제로 여러 명의 전문 인력이 상주하여, 항상 감시하고 대응할 수 있는 체제를 갖추고 있다.[1]

5. 전력망의 문제점 및 사고

전력망에서는 여러 가지 문제점과 사고가 발생할 수 있다.

발전기나 전력 전송선에 고장이 발생하면 차단기가 작동하여 전력 공급에 차질이 생긴다. 이로 인해 발전 용량이 손실되거나 수요가 과도하게 증가하여 주파수가 감소할 수 있다. 나머지 발전기들은 최소 주파수 이상으로 안정화하려 시도하지만, 실패하면 여러 문제가 발생할 수 있다.

특히, 전력망의 한 부분에서 대규모 고장이 발생하면, 신속하게 보상되지 않을 경우 전류가 다른 발전기에서 소비자로 흐르는 과정에서 전송선 용량 부족으로 인해 추가적인 고장을 유발할 수 있다. 이는 연쇄 고장과 광범위한 정전으로 이어질 수 있다는 점에서 광범위하게 연결된 전력망의 단점으로 지적된다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 중앙 당국은 통신을 용이하게 하고 안정적인 전력망 유지를 위한 프로토콜을 개발한다. 예를 들어, 북미 전력 신뢰성 협회(NERC)는 2006년 미국에서 구속력을 갖게 되었으며, 캐나다와 멕시코의 해당 지역에서 자문 권한을 가지고 있다. 미국 정부는 또한 국가 이익 전력 전송 회랑을 지정하여 전송 병목 현상이 발생하는 지역을 관리한다.

5. 1. 고장

고장은 일반적으로 발전기나 전력 전송선이 고장으로 인해 차단기를 트립하여 고객에게 발전 용량 손실을 초래하거나 과도한 수요를 유발하는 것과 관련이 있다. 이는 종종 주파수를 감소시키고 나머지 발전기가 반응하여 함께 최소 주파수 이상으로 안정화하려는 시도를 하게 된다.

그리드의 한 부분에서 대규모 고장이 발생하면, 신속하게 보상하지 않는 한, 전류가 나머지 발전기에서 소비자에게 부족한 용량의 전송선을 통해 흐르도록 경로를 변경하여 추가적인 고장을 유발할 수 있다. 따라서 광범위하게 연결된 그리드의 한 가지 단점은 연쇄 고장과 광범위한 정전의 가능성이다. 일반적으로 중앙 당국이 통신을 용이하게 하고 안정적인 그리드를 유지하기 위한 프로토콜을 개발하도록 지정된다. 예를 들어, 북미 전력 신뢰성 협회(NERC)는 2006년 미국에서 구속력을 갖게 되었으며, 캐나다와 멕시코의 해당 지역에서 자문 권한을 가지고 있다. 미국 정부는 또한 국가 이익 전력 전송 회랑을 지정했으며, 이곳에서 전송 병목 현상이 발생했다고 판단한다.

5. 2. 브라운아웃 (전압 강하)

도쿄 타워 근처의 브라운아웃, 도쿄, 일본


'''브라운아웃'''(brownout)은 전기 전력 공급 시스템에서 의도적이거나 의도치 않게 전압이 떨어지는 현상이다. 의도적인 브라운아웃은 비상시 부하 감소를 위해 사용된다.[34] 전압 감소는 단기적인 전압 강하와 달리 수 분 또는 수 시간 동안 지속된다. 브라운아웃이라는 용어는 전압이 떨어질 때 백열등 밝기가 어두워지는 현상에서 유래했다. 전압 감소는 전기 그리드의 장애로 인해 발생할 수 있으며, 정전을 방지하기 위해 부하를 줄이려는 시도로 의도적으로 시행될 수도 있다.[35]

5. 3. 블랙아웃 (정전)

정전(또는 블랙아웃)은 특정 지역에 전력이 공급되지 않는 현상을 말한다.

정전은 발전소 고장, 변전소나 전력 배전 시스템의 손상, 단락, 계통 연계 고장, 퓨즈 또는 차단기 작동, 인적 오류 등 다양한 원인으로 발생할 수 있다.

특히 병원, 하수 처리 시설, 광산 등과 같이 환경 및 공공 안전에 중요한 시설에서는 정전이 치명적일 수 있다. 이러한 기관들은 대기 발전기와 같은 비상 전원을 갖추고 있어 전력 손실 시 자동으로 작동한다. 통신과 같은 다른 중요한 시스템에도 비상 전원이 필요하며, 전화국의 배터리실에는 납축전지 배열과 발전기 연결 소켓이 마련되어 있다.

5. 3. 1. 블랙 스타트

황혼 무렵 도시 스카이라인, 아주 적은 수의 사무실 건물 창문만 켜져 있음
2003년 북동부 정전 사태 당시의 토론토, 발전소의 블랙 스타트가 필요했다.


'''블랙 스타트'''는 전체 또는 부분 정전에서 복구하기 위해 외부의 전력 송전망에 의존하지 않고 발전소 또는 전력망의 일부를 재가동하는 과정이다.[36]

일반적으로 발전소 내에서 사용되는 전력은 발전소 자체의 발전기에서 공급된다. 발전소의 모든 주 발전기가 정지되면, 발전소 서비스 전력은 발전소의 송전선을 통해 전력망에서 전력을 끌어와 공급된다. 그러나 광역 정전 시에는 전력망에서 외부 전력을 사용할 수 없다. 전력망 전원이 없는 경우, 전력망을 가동하기 위해 이른바 블랙 스타트를 수행해야 한다.

블랙 스타트를 제공하기 위해 일부 발전소는 '''블랙 스타트 디젤 발전기'''(BSDG)라는 소형 디젤 발전기를 갖추고 있으며, 이를 사용하여 더 큰 발전기(수 메가와트 용량)를 시동할 수 있다. 더 큰 발전기는 다시 주 발전소 발전기를 시작하는 데 사용될 수 있다. 증기 터빈을 사용하는 발전소는 보일러 급수 펌프, 보일러 강제 통풍 연소 공기 송풍기 및 연료 준비를 위해 용량의 최대 10%에 해당하는 발전소 서비스 전력을 필요로 한다. 각 발전소에서 이러한 대규모 예비 용량을 제공하는 것은 비경제적이므로 블랙 스타트 전력은 다른 발전소에서 지정된 연결선을 통해 제공되어야 한다. 종종 수력 발전소가 네트워크 상호 연결을 복원하기 위한 블랙 스타트 소스로 지정된다. 수력 발전소는 시동에 필요한 전력이 매우 적고(취수구를 열고 발전기 계자 코일에 여자 전류를 공급하기에 충분함) 화석 연료 또는 원자력 발전소의 시동을 허용하기 위해 매우 빠르게 대량의 전력을 투입할 수 있다. 특정 유형의 가스터빈은 블랙 스타트를 위해 구성할 수 있으며, 적합한 수력 발전소가 없는 곳에서 또 다른 옵션을 제공한다.[37] 2017년, 남부 캘리포니아의 한 유틸리티는 배터리 에너지 저장 시스템을 사용하여 블랙 스타트를 제공하여 유휴 상태에서 복합 사이클 가스 터빈을 가동하는 데 성공했다.[38]

5. 4. 부하 차단 (수요 반응)

발전 및 송전 시스템은 때때로 특정 지역 내 모든 전력 소비자가 필요로 하는 최대 전력량인 최대 수요를 충족하지 못할 수 있다. 이러한 상황에서는 제어되지 않는 서비스 중단(예: 정전, 즉 광범위한 블랙아웃)이나 장비 손상을 방지하기 위해 일부 장치의 서비스를 끄거나 공급 전압을 낮추는 방식으로 전체 수요를 줄여야 한다. 전력 회사는 특정 고용량 산업 소비자와의 계약을 통해 서비스 지역에 부하 차단을 시행하여, 표적 정전, 순환 정전, 또는 시스템 전체의 최대 수요 시점에 장비를 끄도록 할 수 있다.[1]

5. 5. 노후화

선진국에서는 전력 공급 기반 시설의 노후화가 진행되고 있으며, 주요 원인은 다음과 같다.[1]

  • 노후화된 설비: 오래된 설비는 고장률이 높아져 경제와 사회에 영향을 미치는 정전율을 높인다. 또한, 오래된 자산과 시설은 검사 유지보수 비용, 수리, 개보수 비용을 증가시킨다.[1]
  • 낡은 시스템 레이아웃: 오래된 지역은 변전소 부지 및 통행권 확보가 어려워 기존의 불충분한 시설을 사용할 수밖에 없다.[1]
  • 구식 엔지니어링: 전통적인 전력 공급 계획 및 엔지니어링 도구는 노후화된 설비, 낡은 시스템 레이아웃, 현대적인 규제 완화된 부하 수준의 문제를 해결하는 데 효과적이지 않다.[1]
  • 낡은 문화적 가치: 수직적으로 통합된 산업에서 효과가 있었던 개념과 절차를 사용하여 시스템을 계획, 엔지니어링, 운영하는 것은 규제 완화된 산업 환경에서 문제를 악화시킨다.[1]

6. 전력망의 발전 동향

미래 전력망은 분산형 발전의 증가와 정보 통신 기술(ICT)의 발전으로 인해 큰 변화를 겪고 있다.

수요 반응은 전력 사용 패턴을 효율적으로 관리하는 기술이며, 스마트 계량과 같은 기술을 통해 전력 사용을 분산시킬 수 있다. 스마트 그리드는 전력망의 효율성과 안정성을 높이는 차세대 기술로, 대한민국에서도 관련 기술 개발과 시범 사업이 진행되고 있다.

록키 마운틴 연구소 등에서는 분산형 발전의 확산으로 소비자들이 중앙 전력망을 벗어나는 계통 이탈 현상이 발생할 수 있다고 예측하지만, 겨울철 전력 수요가 높은 지역에서는 이러한 현상이 제한적일 수 있다.[44][45][46]

6. 1. 수요 반응

수요 반응은 소매 또는 도매 고객이 전자적 또는 수동적으로 부하를 줄이도록 요청하거나 인센티브를 제공하는 그리드 관리 기술이다. 현재, 송전 그리드 운영자는 수요 반응을 사용하여 산업 플랜트와 같은 주요 에너지 사용자의 부하 감소를 요청한다.[40] 스마트 계량과 같은 기술은 가변 가격 책정을 허용하여 전기가 풍부할 때 고객이 전력을 사용하도록 장려할 수 있다.

6. 2. 스마트 그리드

스마트 그리드는 정보 통신 기술(ICT)을 활용하여 전력망의 효율성, 안정성, 신뢰성을 향상시키는 차세대 지능형 전력망이다. 대한민국에서는 2003년부터 관련 기술 개발 및 시범 사업이 추진되어 왔으며, 2009년에는 제주도에 스마트 그리드 실증 단지가 구축되었다.

6. 3. 계통 이탈 (Grid defection)

록키 마운틴 연구소[44]와 기타 연구[45]에 따르면 분산형 발전의 확산으로 소비자들이 중앙 전력망에서 벗어나 독립적인 전력 시스템을 구축하는 계통 이탈 현상이 광범위하게 발생할 수 있다고 예측한다. 그러나 겨울철 전력 수요가 큰 독일과 같은 곳에서는 이러한 현상이 덜 발생할 수 있다.[46]

7. 세계의 전력 시스템

초기 전력 에너지는 에너지를 필요로 하는 장치나 서비스 근처에서 생산되었다. 1880년대에 전기는 증기, 수력, 특히 석탄 가스와 경쟁했다. 석탄 가스는 처음에는 고객의 사업장에서 생산되었지만, 나중에는 가스화 공장으로 발전하여 규모의 경제를 누렸다. 산업화된 세계에서 도시는 조명에 사용되는 파이프 가스 네트워크를 갖추고 있었으나, 가스등은 조명이 좋지 않고 열을 낭비하며 화재 위험도 있었다. 1880년대에 전기 조명이 가스 조명보다 유리해졌다.

전력 회사는 중앙 발전소를 설립하여 규모의 경제를 활용하고, 발전, 배전, 시스템 관리를 중앙 집중화했다.[47] 전류 전쟁에서 교류 전력이 승리하면서 장거리 전력 전송을 통해 발전소를 상호 연결하는 것이 가능해졌다. 역사적으로 송전선과 배전선은 동일한 회사가 소유했지만, 1990년대부터 많은 국가에서 전기 자유화를 통해 전력 시장 규제를 자유화하여 전기 송전 사업을 배전 사업에서 분리하게 되었다.[48]

영국에서는 1901년 뉴캐슬어폰타인 근처에 넵튠 뱅크 발전소가 건설되었으며,[49] 1912년에는 유럽에서 가장 큰 통합 전력 시스템으로 발전했다.[50] 1926년 1926년 전기(공급)법에 따라 중앙전력위원회 (CEB)가 설립되었고,[51] 132킬로볼트 및 50 헤르츠에서 작동하는 최초의 동기식 교류 그리드를 구축했다. 1938년 영구적으로 통합되어 영국 전국 그리드가 되었다.

프랑스에서는 1900년대에 전기화가 시작되어 1938년에는 거의 모든 국가가 220kV로 상호 연결되었다. 1946년에는 그리드가 세계에서 가장 조밀했으며, 프랑스 전력 공사(Électricité de France)로 민간 회사를 통합하여 산업을 국유화했다. 주파수는 50 Hz로 표준화되었고 225kV 네트워크는 110kV 및 120kV를 대체했다. 1956년부터 서비스 전압은 220/380 V로 표준화되었고, 1970년대에는 새로운 유럽 표준인 400kV 네트워크가 구현되었다.[52][53]

1920년대 미국에서는 유틸리티가 공동 운영을 형성했다. 1934년 공공 유틸리티 지주 회사법 (미국)의 통과로 전기 유틸리티는 공공재로 인식되었으며, 1992년 에너지 정책법은 송전선 소유주가 발전 회사에 네트워크에 대한 개방된 접근을 허용하도록 요구했다.[47][54] 2005년 에너지 정책법은 온실 가스 배출을 피하는 대체 에너지 생산 및 혁신 기술에 대한 인센티브를 허용했다.

중국에서는 1950년대에 전기화가 시작되었으며,[55] 1961년 바오청 철도의 전기화가 완료되어 중국 최초의 전철이 되었다.[56] 현재 철도 전기화 시스템에서, [https://g.esgcc.com.cn/ 중국 국가 전력망 공사]는 중요한 전력 공급업체이다.[59]

연계 계통은 계통 제어 구역을 넘어 송전을 수행하는 전력 계통으로, 일본에서는 각 지역의 전력 회사 간의 송전 설비가 이에 해당한다.[61] 일본은 긴 섬나라를 여러 지역으로 분할하여 각 전력 회사가 각각 전력 공급을 하고 있으며, 연계 계통은 대체로 꼬치 모양으로 연결되어 있다. 유럽과 북미에서는 많은 전력 사업자가 주변의 여러 사업자와 상호 연결되어 있으며, 연계 계통은 대체로 메시 형태를 이루고 있다.[62][63][64]

7. 1. 북유럽

노르웨이, 스웨덴, 핀란드, 덴마크 4개국은 각각 전원 구성이 다르기 때문에 1963년에 북유럽 전력 협의회가 결성되어, 4개국에서 전원 베스트 믹스가 구축되어 상호 전력 융통이 이루어져 왔다.[66] 1991년에 노르웨이에서 신에너지법이 제정되고, 다음 해인 1992년에 전력 자유화 시장이 설치되자, 스웨덴·핀란드·덴마크가 참여하여 노르드 풀이라고 불리는 전력 시장이 만들어졌다. 기간 계통은 40만~22만 볼트이며, 수력 발전소 등이 많은 북부에서 남부의 도시부로의 조류가 많은 경향이 있다.[66]

북유럽 각국 간 및 주변국으로 다수의 연계선이 설치되어 있다.[68]

  • 스웨덴←→핀란드
  • 스웨덴←→노르웨이 북부
  • 스웨덴→노르웨이 남부 , 노르웨이 남부→스웨덴
  • 노르웨이 북부→노르웨이 남부 , 노르웨이 남부→노르웨이 북부
  • 노르웨이 남부←→유틀란트 반도(덴마크)
  • 스웨덴←→유틀란트 반도
  • 스웨덴→셸란 섬(덴마크) , 셸란 섬→스웨덴
  • 유틀란트 반도→독일 , 독일→유틀란트 반도
  • 셸란 섬→독일 , 독일→셸란 섬
  • 핀란드←→러시아
  • 스웨덴←→독일, 폴란드


북유럽 제국의 전원 구성 비율[67]과 전력 수급[68]
수력원자력화력풍력발전 설비피크 수요
노르웨이99%0%1%0%
스웨덴47%47%6%0%
핀란드19%33%48%0%
덴마크0%0%92%8%
북유럽 4개국54%25%20%1%


7. 2. 독일

동서독 통일 직후에는 구 서독과 동독은 전력 계통이 연계되어 있지 않았으나, 1994년에 구 동독은 유럽 50헤르츠 동기 계통(UCTE)에 가입했다. 이로 인해 폴란드, 체코, 오스트리아, 스위스, 프랑스, 벨기에, 룩셈부르크, 네덜란드, 덴마크, 스웨덴과 연계된다. 이 중 덴마크와 스웨덴과는 해저 케이블을 통한 직류 송전이며, 동서독 간에도 초기에는 동독의 전력 사정이 불안정했기 때문에 직류 송전이 검토되었다.[69]

통일 후 독일의 전력 회사는 8대 전력 회사(이후 6개사로 재편)와 900개가 넘는 소규모 발전·배전 회사로 구성되어 있으며, 6대 전력 회사가 국내 총 발전량의 80%를 차지한다. 독일의 기간 송전 계통은 38만 볼트 및 22만 볼트이며, 발전소와 수요지가 분산되어 있어 송전선의 혼잡은 거의 나타나지 않는다. 전원 구성은 석탄 26%, 갈탄 18%, 원자력 22%, 수력 9%이며, 풍력 발전이 증가하는 추세이다. 독일 전체의 최대 수요 전력은 7500만 kW인데 비해, 발전 설비 용량은 1억 kW를 넘어 공급 능력에 여유가 있다. 6대 전력 회사와 지방 배전 회사는 15분마다 5% 범위 내에서 수요와 공급을 조정하지만, 15분 이내의 빠른 수요 변동에 대해서는 6대 전력 회사가 조정용 전원 등으로 균형을 맞춘다.[69]

7. 3. 프랑스

프랑스의 발전 사업은 프랑스 전력이 대부분을 차지하며, 론 공사나 독립 발전 사업자, 수입 전력이 조금씩 있다. 송전은 프랑스 전력이 독점하고 있다. 전원 구성은 설비 용량 기준으로 수력 22%, 화력 23%, 원자력 55%이며, 발전 전력량으로 보면 수력 14%, 화력 10%, 원자력 76%가 된다.[70] 최대 전력 수요는 이고, 설비 용량은 이다.[70]

프랑스는 벨기에, 독일, 이탈리아, 스페인, 영국 등 9개국과 직류 해저 케이블을 통해 연계되어 있다.[70] 가격 경쟁력이 있는 원자력 발전소를 다수 보유하고 이탈리아나 스페인 등에 전력을 수출하고 있기 때문에 국제 연계선 일부에서 혼잡이 나타난다.[70] 국내에서는 발전소가 분산 배치되어 있어 큰 송전 수요의 편재는 발생하지 않으며, 론 강 북부에서 남부에 걸쳐 원자력 발전소가 많이 존재하여 약간의 송전선 혼잡이 보이는 정도이다.[70]

7. 4. 영국

1990년 국영 중앙 발전국이 민영화되어 발전 사업은 3개사로 분할되었고, 송전 사업은 내셔널 그리드사로 이관되었다. 영국의 전원 구성은 석탄 화력 37%, 복합 화력 발전 21%, 원자력 19%, 수력 (양수 발전 포함) 6%, 석유 화력 4%, 혼소 10%이다. 주로 신형 가스 화력 발전은 북해에 면한 북동부 연안, 석탄 화력 발전은 맨체스터 주변, 원자력 발전소는 도버 해협 연안에 배치되어 있다. "슈퍼 그리드"라고 불리는 400000V 기간 송전선을 통해 북해 연안 등 북부에서 런던이 있는 남부로 전력이 수송된다. 국내 최대 전력 수요 57000000W에 대해 설비 용량은 68000000W이다. 잉글랜드와 스코틀랜드 사이는 400000V 2개 루트, 1600000W 송전 용량이 있다. 프랑스와의 사이는 2000000W 직류 해저 케이블 "신영불 연계선"으로 연결되어 있으며, 1961년에 부설된 기존의 160000W 구영불 연계선은 1982년에 폐지되었다[71].

7. 5. 미국

알래스카와 섬을 제외한 미국의 전력 계통은 동부 계통, 서부 계통, 텍사스 계통, 그리고 캐나다와 연결된 퀘벡 계통의 4개 계통으로 구성된다. 동부와 서부는 1967년부터 연계가 시도되었지만, 안정성에 문제가 있어 1973년에 한 번 단념했다. 그 후 1977년에 네브래스카 주와 와이오밍 주 경계 부근에서 연계했지만, 용량은 불과 100000kW였다. 텍사스 계통과 동부·서부 계통, 퀘벡 계통과 동부 계통이 연계되어 있지만, 모두 직류 수십만kW로 소규모이다. 미국 전체의 발전 설비는 845320000kW, 최대 전력 수요는 748520000kW이다. 미국 전체의 전원 구성은 석탄 화력 50%, 원자력 20%, 가스 화력 16%, 수력 7%, 석유 화력 3%로 되어 있다. 판매 전력량은 민간 전력 회사 243개 사가 76%를 차지하고, 지방 공영 기업 2010개 단체가 15%, 협동 조합 932개 단체가 8% 등을 차지하고 있다. 주나 지역에 따라 송전 전압이 다른 등의 사정으로 140곳의 중앙 급전 지령소가 설치되어 있다[72]。

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