Generation and Transmission Planning

전력 시스템 공학 과목에서 수행한 발전 및 송전 계획(Generation and Transmission Planning) 프로젝트입니다. 장기적 관점에서 전력 수요 증가에 대응하기 위한 발전소 신설 및 송전망 확장 계획을 수립하는 과제였습니다.

프로젝트 배경

전력 시스템은 수년에서 수십년에 걸쳐 계획되고 건설됩니다. 단기적으로는 기존 발전소의 출력을 조절하는 Economic Dispatch 문제가 있지만, 장기적으로는 다음과 같은 질문에 답해야 합니다:

• 어디에 어떤 종류의 발전소를 새로 지을 것인가?
• 송전선을 어디에 건설할 것인가?
• 예산 제약 하에 신뢰도를 어떻게 보장할 것인가?
• 환경 규제 및 재생에너지 목표를 어떻게 달성할 것인가?

이 프로젝트는 이러한 장기 계획 문제를 수학적 최적화 문제로 모델링하고 해결하는 것이 목표였습니다.

발전 계획 (Generation Planning)

목적 함수

• 총 비용 = 신규 발전소 투자 비용 + 연료 비용(시간에 따른 운영 비용) + 유지보수 비용
• 제약 조건 하에 이 비용을 최소화

주요 변수

• 각 발전소의 용량 (MW)
• 발전 종류 (석탄, LNG, 원자력, 풍력, 태양광 등)
• 건설 시점 (어느 해에 완공)

제약 조건

• 수요 충족: 시간당/년간 전력 수요를 공급량이 초과해야 함
• 예비력(Reserve Margin): 최대 수요 대비 일정 비율의 여유 용량 확보
• 각 발전원의 이용률 제한: 원자력은 고정 출력, 재생에너지는 간헐성
• 배출 규제: CO2 배출량 상한
• 예산 제약: 연도별 투자 한도

송전 계획 (Transmission Planning)

목적

발전소에서 생산된 전력을 수요지까지 안정적으로 전달할 송전선을 계획합니다. 발전 계획과 밀접하게 연계됩니다.

주요 고려사항

• 송전 용량: 선로별 최대 송전 가능 전력 (MVA)
• 선로 손실: I²R 손실 최소화
• 고장 대응: N-1 기준(하나의 선로 고장 시에도 전체 시스템 정상 작동)
• 건설 비용: 지형, 거리, 전압 계급에 따른 비용 차이

전력 조류 계산 (Power Flow)

계획된 송전망에서 실제로 전력이 어떻게 흐를지 계산합니다. DC Power Flow 근사를 사용해 선형 문제로 단순화했습니다:

B × θ = P

여기서 B는 송전망의 서셉턴스(susceptance) 행렬, θ는 각 버스의 위상각, P는 각 버스의 순 주입 전력입니다.

최적화 기법

혼합정수선형계획법 (MILP)

발전소 건설 여부(0 또는 1)는 이진 변수, 발전 출력은 연속 변수로 모델링해 MILP 문제로 풀이했습니다. 주요 도구는 다음 중 하나를 사용했습니다:

• Python + PuLP / Pyomo: 무료, 학습용에 적합
• MATLAB + YALMIP + CPLEX/Gurobi: 실무에서 널리 사용
• GAMS: 경제학/전력 분야 표준

시나리오 분석

확정적 최적화 외에도, 수요 성장률이나 연료 가격의 불확실성을 고려한 시나리오 분석도 수행했습니다. 각 시나리오에서 도출된 계획들을 비교해 강건한(robust) 계획을 식별했습니다.

결과 및 분석

프로젝트에서 도출한 주요 결과:

• 베이스로드: 원자력 + 석탄의 조합으로 기본 수요 충당
• 중간부하: LNG 복합화력으로 탄력적 대응
• 첨두부하: 양수발전 및 수요반응
• 재생에너지: 풍력/태양광 점진적 증가, 단 백업 발전 필요
• 송전망: 재생에너지 밀집 지역과 수요지 연결 강화

배운 점

• 전력 계획의 복잡성: 수학적 최적화뿐 아니라 정책, 환경, 사회적 요소가 얽혀 있음. 순수 기술 문제가 아님
• 시간 척도: 초 단위 제어(ACE), 분 단위 조정(AGC), 시간 단위 경제 급전, 일 단위 발전 계획, 년 단위 설비 계획 등 다층 구조
• 재생에너지의 도전: 간헐성과 예측 불가성 때문에 동일 용량 대비 가치가 낮음. ESS나 유연한 발전원이 필수
• 최적화 도구의 한계: 이상적인 수학 모델과 실제 운영 간 간극. 근사와 경험적 조정이 필요
• 경제성 vs 신뢰도: 두 축의 근본적 트레이드오프. 안전한 계획은 비싸고, 저렴한 계획은 위험

전력 시스템 공학의 이론(Kirchhoff 법칙, 전력 조류, 경제 급전)이 실제 산업에서 어떻게 장기 계획으로 이어지는지를 체험할 수 있는 프로젝트였습니다.