1편. 20년 사이 전력시스템에서 바뀐 것 — 전원 구성이 운영·제어·시장의 전제를 바꾼 과정
2005년 무렵의 전력공학 교과서는 동기발전기가 계통을 움직인다는 전제 위에 쓰였다. 2025년에는 세계 발전량의 17.3%를 풍력과 태양광이 만들었고, 그 전제 위에 세운 해석·보호·운영·시장 제도가 하나씩 다시 설계되고 있다.
20년 전 대학에서 전력공학을 배운 사람은 페이저와 단위법으로 조류를 계산하고, 대칭좌표법으로 고장전류를 구하고, 동기기의 동요방정식으로 안정도를 따졌다. 이 계산들은 계통에 연결된 발전기 대부분이 큰 회전자를 가진 동기발전기라는 사실을 전제로 삼는다. 그 사이 계통에 들어온 새 발전원은 회전자가 없는 태양광과, 회전자가 있어도 전력변환기를 거쳐 계통에 연결되는 풍력이다.
태양광과 풍력의 급증은 연료를 바꾸는 데서 끝나지 않는다. 회전하는 발전기가 별도의 대가 없이 계통에 제공하던 관성, 고장전류, 전압 지지가 함께 줄어들고, 그 세 가지를 전제로 만든 계통의 해석·보호·운영·시장 제도 전체가 다시 설계되고 있다. 아래에서는 전원 구성의 숫자에서 출발해, 그 숫자가 계통의 물리를 어떻게 바꾸었고 운영자와 시장이 그 변화에 어떻게 대응하고 있는지를 차례로 확인한다.
재생에너지가 석탄을 앞선 2025년 — 숫자로 본 전원 구성의 변화
영국의 에너지 분석기관 엠버(Ember)는 2026년 4월 21일 낸 『세계 전력 리뷰 2026(Global Electricity Review 2026)』에서, 2025년 세계 발전량 가운데 재생에너지가 33.8%(10,730TWh)를 차지해 석탄(33.0%, 10,476TWh)을 앞섰다고 집계했다. 엠버는 215개국의 발전 통계를 모아 무료로 공개하는 비영리 연구기관이다. TWh(테라와트시)는 10억 kWh다.
재생에너지 묶음 안에서 가장 큰 전원은 지금도 수력이다. 20년 사이 크게 달라진 것은 풍력과 태양광이다. 엠버의 연도별 자료에서 두 전원의 합은 2005년 세계 발전량의 0.6%였고 2025년에는 17.3%가 되었다. 태양광 발전량은 2025년 2,778TWh로 전년보다 636TWh(30%) 늘었고, 이 증가분이 그해 늘어난 세계 전력수요의 75%를 채웠다. 엠버는 2025년 세계 태양광 설비와 발전량 증가분의 절반 넘게가 중국에서 나왔다고 밝혔다. 엠버는 2026년 5월 21일, 그해 4월 한 달 동안 풍력·태양광 합계(22%)가 가스 발전(20%)을 처음 넘었다고 발표했다.
이 변화를 끌어낸 것은 가격이다. 국제재생에너지기구(IRENA, International Renewable Energy Agency)는 2025년 7월 『2024년 재생에너지 발전비용(Renewable Power Generation Costs in 2024)』 보고서에서, 대규모 태양광의 세계 가중평균 균등화 발전비용이 2010년 kWh당 0.417달러에서 2024년 0.043달러로 90% 내려갔다고 밝혔다. 균등화 발전비용(LCOE, Levelised Cost of Electricity)은 발전소를 짓고 운영하는 데 드는 총비용을 수명 동안의 총발전량으로 나눈 값으로, 연료비 구조가 다른 전원의 단가를 한 기준으로 비교할 때 쓴다. 같은 기간 육상풍력은 70%, 해상풍력은 62% 내려갔다.
한국은 세계 평균보다 느리게 움직였다. 엠버 자료에서 한국 발전량 가운데 풍력·태양광 비중은 2005년 0.03%, 2015년 1.0%, 2025년 6.6%다. 2025년 한국의 발전량은 석탄 31.1%, 원자력 29.6%, 가스 28.0%로 세 전원이 비슷한 몫을 나누고 있다. 그러나 비중이 작아도 특정 지역에 몰리면 계통에 미치는 영향은 크다. 태양광은 호남과 제주에, 원자력과 대형 석탄 발전은 동해안과 서해안에 모여 있고, 수요는 수도권에 몰려 있다.
계획상의 목표는 더 빠르다. 전력수급기본계획은 정부가 2년마다 15년 앞을 내다보고 수요 전망과 발전설비 계획을 정하는 법정 계획이다. 산업통상자원부가 2025년 2월 21일 확정한 제11차 계획은 재생에너지 설비를 2023년 30GW에서 2030년 78GW, 2038년 121.9GW로 늘리고, 2038년 목표 최대수요를 129.3GW로 잡았다. 2026년 4월 국무회의에 보고된 '에너지 대전환 추진 계획'은 2030년 재생에너지 설비 목표를 100GW 이상으로 올렸다.
회전하는 발전기가 별도 대가 없이 주던 세 가지 — 관성, 고장전류, 전압 지지
교과서의 동기발전기는 증기터빈이나 수차가 돌리는 회전자와, 회전자 자계를 만드는 여자기(exciter)로 이루어진다. 회전자는 계통 주파수와 같은 속도로 돈다. 이 구조는 계통 안정에 필요한 세 가지 기능을 따로 설계하지 않아도 제공한다. 그래서 20년 전에는 이 기능들을 따로 이름 붙여 사고팔 필요가 없었다.
관성 — 주파수가 떨어지는 속도를 늦추는 회전 에너지
미국 국립재생에너지연구소(NREL)의 덴홀름(Paul Denholm) 등은 2020년 5월 보고서 『관성과 전력망(Inertia and the Power Grid: A Guide Without the Spin)』(NREL/TP-6A20-73856)에서 관성을 회전하는 발전기에 저장된 운동에너지로 정의한다. 큰 발전기가 갑자기 떨어져 나가면 공급이 수요보다 모자라고, 계통에 연결된 모든 회전자가 감속하면서 모자란 만큼을 운동에너지로 내놓는다. 회전자가 느려지면 주파수가 내려간다. 이때 주파수가 내려가는 속도를 RoCoF(Rate of Change of Frequency, 주파수 변화율)라고 하며 단위는 Hz/s다.
계통에 저장된 운동에너지가 클수록 RoCoF가 작고, 발전기 조속기와 예비력이 반응할 시간이 늘어난다. 보고서는 일반 발전소의 관성 상수가 2~7초라고 적는다. 관성 상수는 정격 회전속도에서 저장된 운동에너지를 발전기 정격용량으로 나눈 값으로, 발전기가 운동에너지만으로 정격출력을 몇 초 낼 수 있는지를 뜻한다. 계통 전체의 관성은 이 운동에너지의 총량으로 나타내며, 영국 계통운영자는 GVA·s 단위를 쓴다.
같은 보고서는 풍력·태양광·배터리를 인버터 기반 자원(IBR, Inverter-Based Resource)으로 분류하고, 이 자원들은 동기발전기로 전기를 만들지 않으므로 본래 관성을 제공하지 않는다고 설명한다. 인버터는 직류를 반도체 스위치로 잘게 끊어 교류로 바꾸는 전력변환 장치이며, 출력 전류의 크기와 위상을 제어 프로그램이 정한다. 보고서는 동시에, 인버터 기반 자원이 기계 설비보다 훨씬 빨리 출력을 바꿀 수 있어 필요한 관성의 양 자체를 줄일 수 있다고 덧붙인다. 관성을 줄이는 원인과 관성 부족을 메우는 수단이 같은 장비에 들어 있다.
고장전류 — 보호계전기가 고장을 알아보게 하는 큰 전류
선로가 단락되면 동기발전기는 정격전류의 몇 배에 이르는 전류를 내보낸다. 노르웨이 연구기관 SINTEF의 레이그스타드(Tor Inge Reigstad)가 2016년 5월 북유럽 전력계통 보호·제어 워크숍에서 발표한 자료는 동기발전기 단락전류의 교류분 최댓값을 정격의 약 6배로 정리한다. 과전류·거리·차동 계전기는 이 큰 전류와 그 전류가 만드는 전압 강하를 보고 고장을 찾아낸다.
인버터는 반도체 소자가 과열로 손상되지 않도록 전류를 제한한다. 2026년 학술지 『에너지 과학과 공학(Energy Science & Engineering)』에 실린 파글리(Abdelrahman Farghly) 등의 고장전류 제한기 리뷰 논문은 인버터 기반 자원이 단락전류 기여를 정격의 1.0~1.5배로 제한한다고 쓴다. 미국 서부 계통의 신뢰도 기관 WECC는 2023년 12월 『계통 강도 변화 연구(Changes in Grid Strength Study)』에서, 인버터의 고장전류를 1.1pu로 제한해 모의하는 방식을 업계의 표준 관행으로 소개했다. pu(per unit)는 단위법의 값으로, 기준값에 대한 비율이다. WECC는 같은 보고서에서 제조사들이 인버터 고장전류 자료를 영업 비밀이라는 이유로 내놓지 않아 단락 해석 모델마다 결함이 있다고 밝혔다. 고장전류가 정격의 6배에서 1배 남짓으로 줄면, 큰 전류를 보고 고장을 판별하던 보호계전 설계의 기준값 자체가 바뀐다.
전압 지지와 제어 설정 — 거동을 정하는 주체의 변화
동기발전기의 여자기는 계자 전류를 바꿔 무효전력을 내거나 흡수하고, 그 결과 발전기 단자와 주변 계통의 전압을 유지한다. 고장으로 전압이 떨어지면 여자기가 계자 전류를 높여 전압 회복을 돕는다. 인버터도 무효전력을 낼 수 있다. 다만 언제, 얼마나, 어떤 조건에서 낼지는 제어 설정이 정한다.
설정이 계통 사고로 이어진 사례가 미국 텍사스에서 나왔다. 미국 전력신뢰도기관 NERC(North American Electric Reliability Corporation)가 2022년 공개한 오데사(Odessa) 교란 웨비나 자료에 따르면, 2021년 오데사 교란에서 태양광 출력이 줄어든 가장 큰 원인은 인버터의 'PLL 동기 상실 트립'이었다. 위상동기루프(PLL, Phase-Locked Loop)는 인버터가 계통 전압의 위상을 추적하는 제어 회로다. 고장으로 계통 전압의 위상이 갑자기 뛰자 인버터 보호 기능이 이를 동기 상실로 판단하고 설비를 멈췄다. NERC는 계통 위상 변화로 인버터가 트립되어서는 안 된다는 지침을 이미 몇 해 전에 냈다고 지적했다. 2022년 6월 4일의 두 번째 오데사 교란에서는 송전망에 연결된 태양광 1,711MW가 한꺼번에 줄었고, 같은 자료는 일부 인버터의 펌웨어 개선이 2021년과 2022년 사이에 적용되지 않았다고 적었다. 동기발전기에서는 물리 법칙이 정하던 고장 시 거동을, 인버터에서는 제조사의 펌웨어와 설정값이 정한다.
관성이 줄어든 계통의 운영 — 2019년 영국 정전과 최소 관성 기준
2019년 8월 9일 오후 영국에서 벼락이 송전선에 떨어진 직후 발전기 여러 대가 거의 동시에 떨어져 나갔다. 영국 정부 에너지비상위원회(E3C)가 2019년 10월 낸 중간 보고서에 따르면, 해상풍력단지 혼시 원(Hornsea One)은 육상 쪽 제어 시스템은 정상이었으나 해상 쪽 제어 시스템이 비정상 전압 변동에 제대로 반응하지 못해 정지했다. 리틀 바포드(Little Barford) 가스복합발전소에서는 증기터빈과 가스터빈 두 대가 1분 반에 걸쳐 차례로 멈췄다. 배전망에 연결된 소규모 재생에너지와 디젤 발전기도 보호장치에 따라 떨어져 나갔다.
초기 손실은 약 2,100MW였고, 계통운영자가 대비해 둔 응동 예비력은 1,000MW였다. 주파수는 법정 하한 49.5Hz 아래로 내려가 48.8Hz에 이르렀고, 저주파 부하차단(LFDD, Low Frequency Demand Disconnection) 1단계가 작동했다. 저주파 부하차단은 주파수가 정해진 값 아래로 떨어지면 미리 지정한 부하를 자동으로 끊어 계통 전체의 붕괴를 막는 최후 방어 장치다. 이때 약 973MW, 약 115만 고객의 전기가 끊겼다. 같은 순간 배전망의 분산형 발전 약 600MW도 떨어져 나가 순부하 감소는 350MW였다. 주파수는 약 5분 안에 정상으로 돌아왔고, 끊긴 고객은 45분 안에 모두 복구되었다.
이 사고 뒤 영국은 2020년 계통 보안·품질 기준(SQSS)에 '주파수 위험·제어 보고서(FRCR, Frequency Risk and Control Report)'를 해마다 내도록 넣었다. 계통운영자(현재 국가에너지시스템운영자 NESO)는 이 보고서에서 어느 크기의 발전 탈락까지 주파수를 지킬지, 그러려면 관성을 얼마나 확보해야 하는지를 비용과 위험으로 따져 정하고, 에너지 규제기관 Ofgem이 이를 승인한다.
최소 관성 요건은 140GVA·s였다가 2024년 2월 28일 130GVA·s, 6월 19일 120GVA·s로 내려갔다. NESO는 2025년 5월 FRCR 2025에서 이를 102GVA·s로 낮추자고 제안했다. 근거는 앞으로 계통에서 가장 큰 단일 탈락을 1,800MW로 놓을 때 RoCoF를 0.5Hz/s 안에 두려면 90GVA·s가 필요하고, 그 1,800MW 설비가 떨어질 때 함께 사라지는 관성 약 12GVA·s를 더한다는 계산이다. Ofgem은 외부 전문가 검토와 추가 의견 수렴을 거쳐 2026년 5월 이 안을 승인했다. NESO는 이 조정으로 연간 최대 9,600만 파운드를 아낄 수 있다고 추산했다.
요건을 낮출 수 있었던 근거는 관성을 대신하는 빠른 주파수 응답이다. Ofgem 결정문에 따르면 120GVA·s 기준에서 주파수가 49.2Hz 아래로 떨어질 위험은 7.3년에 한 번이었고, NESO는 102GVA·s로 운전해도 이 위험을 같은 수준으로 유지하려고 배터리처럼 빠르게 출력을 내는 자원의 주파수 응답 상품(동적 억제, Dynamic Containment)을 200MW 더 사들이기로 했다. NESO의 FRCR 2025는 시장 운전만으로 확보되는 관성이 하한에 못 미치는 시간대에 운영자가 추가 조치를 해 관성을 하한까지 끌어올린다고 설명한다. 관성은 회전기의 부산물이던 상태를 벗어나, 운영자가 필요한 양을 계산하고 비용을 치러 확보하는 대상이 되었다.
한국에서는 같은 문제가 섬 계통에서 먼저 나타났다. 한국전력은 2024년 8월 23일 ABB와 제주 계통에 고관성 플라이휠 동기조상기를 설치하는 양해각서를 맺었다. 동기조상기는 원동기 없이 계통에 연결되어 회전만 하는 동기기로, 무효전력과 단락전류를 내고 회전 관성도 제공한다. 발표에 따르면 이 설비는 50MVar 용량에 500MW·s의 관성에너지를 가지며, 제주 북부의 HVDC 변환소 근처에 설치되어 2026년 말 운영을 시작할 예정이다. HVDC(High Voltage Direct Current, 초고압 직류송전)는 교류를 직류로 바꿔 보내는 송전 방식으로, 제주와 육지를 해저케이블로 잇고 있다. 인버터 기반 자원이 늘어난 계통에 관성과 전압 지지를 공급하는 회전기를 다시 넣는 판단이 실제 설비 투자로 이어졌다.
전기가 남아 버리는 시간 — 제주와 호남의 출력제어
출력제어는 계통운영자가 수급 균형이나 송전 제약 때문에 발전기 출력을 강제로 줄이는 조치다. 수요보다 공급이 많으면 주파수가 올라가고, 어느 송전선에 흐를 수 있는 양보다 많이 보내려 하면 선로가 과부하된다. 산업통상자원부는 2021년 3월 제주의 재생에너지 출력제어가 2015년 3회에서 시작해 빠르게 늘었다고 밝혔다. 기후솔루션이 2025년 10월 낸 분석 보고서에 실린 국회 제출 자료에 따르면, 제주의 태양광·풍력 출력제어는 2021년 92회, 2022년 168회, 2023년 181회였다.
제주에서 전기가 남는 이유는 재생에너지가 많아서만은 아니다. 계통 안정을 위해 반드시 돌려야 하는 화력 발전기(필수운전 발전기)가 있고, 이 발전기에는 더 낮출 수 없는 출력의 하한, 곧 최소발전용량이 있다. 수요가 적은 봄·가을 낮에는 필수운전 발전기의 최소출력과 육지 전력을 채우고 남은 자리만큼만 재생에너지가 들어간다.
전력거래소는 2024년 4월 1일 제주 필수운전 발전기의 출력하한을 낮췄다. 예를 들어 남제주 1·2호기는 최소발전용량 60MW보다 낮은 39MW까지 운전할 수 있게 되었다. 기후솔루션 보고서는 2022년 9월부터 2024년 3월까지의 실제 출력제어 시점에 이 하한을 미리 적용했다면 누적 출력제어량의 약 17%(5,800MWh)를 피할 수 있었고, 하한을 발전기 정격의 25%까지 낮추면 약 48%, 20%까지 낮추면 약 70%를 피할 수 있었다고 계산했다. 출력제어의 크기는 재생에너지의 양과 함께, 다른 발전기의 출력을 얼마나 낮출 수 있는가라는 계통의 유연성이 정한다.
출력제어는 육지로 번졌다. 헤럴드경제가 2026년 4월 22일 보도한 기후에너지환경부의 국회 제출 자료에 따르면, 2025년 한 해 태양광 출력제어는 88회였고 그중 47회가 호남권에서 일어났다. 같은 해 원자력 발전도 37회 출력을 줄였는데, 2024년에는 3회였다. 출력을 자주 바꾸지 않던 원자력까지 출력을 줄였다는 것은 송전망과 유연성의 부족이 전원 종류를 가리지 않고 영향을 준다는 뜻이다.
계통을 보는 장치와 변전소의 통신 — 광역감시와 디지털 변전소
인버터가 늘어 계통의 거동이 빨라지면 운영자는 더 빨리, 더 넓게 보아야 한다. 20년 전 송전망 감시의 주력은 SCADA(Supervisory Control and Data Acquisition, 원격감시제어시스템)였다. 북미 동기위상 연구협의체 NASPI가 2014년 10월 낸 설명 자료에 따르면, SCADA는 보통 4~6초마다 값을 보고하고 위상측정장치(PMU, Phasor Measurement Unit)는 초당 30~60회 측정값을 보낸다.
PMU는 GPS 시각 신호에 마이크로초 정밀도로 맞춰 전압·전류의 크기와 위상각을 잰다. 이런 페이저를 동기위상(synchrophasor)이라 한다. 같은 자료는 PMU 자료로 SCADA에서는 보이지 않는 계통 진동과 전압 불안정을 찾아낼 수 있다고 설명한다. 북미에는 2009년 연구용 PMU가 약 200대였고 2014년에는 운영용 PMU가 약 1,700대로 늘었으며, 대부분은 2009년 미국 경기부양법(ARRA)에 따른 연방 보조금 1억 6,500만 달러로 설치되었다. 한국에서는 한국형 광역계통감시시스템(K-WAMS) 개발 과제가 2004년부터 2009년까지 진행되었다고 『전기저널』 2013년 12월호가 소개했다.
변전소 내부의 신호 전달 방식도 바뀌었다. 20년 전 변전소의 보호계전기는 계기용 변류기(CT)와 변성기(VT)에서 나온 아날로그 신호를 구리선으로 받았고, 기기 사이의 신호도 접점과 배선으로 주고받았다. 국제전기기술위원회(IEC)는 2003년 『변전소의 통신 네트워크와 시스템(Communication networks and systems in substations)』이라는 제목으로 IEC 61850 1판의 여러 부(part)를 냈다. 2003년 7월 발행된 IEC 61850-5가 그 가운데 하나다. 이 표준은 변전소 기기의 기능을 공통 데이터 모델로 정의하고, 기기 사이의 신호를 이더넷 메시지로 주고받게 한다.
적용 범위가 변전소 밖으로 넓어지면서 표준 제목은 『전력 유틸리티 자동화를 위한 통신 네트워크와 시스템(Communication networks and systems for power utility automation)』으로 바뀌었다. IEC 웹스토어의 2026년 IEC 61850 전체 묶음에는 기술보고서와 개정판을 포함해 55개 문서가 들어 있다.
한국전력은 2015년 2월 디지털 변전설비 성능검증 시험기술인 'IEC 61850 클라이언트 시험시스템'을 미국 시험기업 퀄리티로직(QualityLogic)에 기술이전하면서, 최근 건설되는 변전소가 디지털 방식으로 전환되고 있고 그 통신 방법이 IEC 61850으로 규정되어 있다고 밝혔다. 디지털 변전소에서는 보호 기능이 통신망과 시각 동기에 의존하게 되므로, 통신 지연·시각 동기·사이버 보안이 보호 설계의 조건으로 들어왔다.
전력시장이 사고파는 것의 변화 — 실시간시장과 용량가격
20년 전 한국 전력시장은 하루 전에 다음 날 24시간의 발전계획을 한 번 정하는 하루전시장 하나였다. 이 방식은 수요 예측 오차가 작고 발전기가 계획한 출력을 그대로 낸다는 전제 위에서 작동한다. 풍력과 태양광이 늘면 하루 전 예측과 당일 발전량의 차이가 커지고, 하루 전에 정한 계획만으로는 당일의 수급을 맞추기 어려워진다.
산업통상자원부는 2023년 8월 '전력시장 제도개선 제주 시범사업 운영규칙'을 정해 제주에 실시간시장, 예비력시장, 재생에너지 입찰제도를 먼저 도입하기로 했다. 제주에서는 2024년 6월부터 15분 단위 실시간시장이 운영되고 있다. 실시간시장은 당일의 수급 상황을 15분 단위로 다시 반영해 가격과 발전량을 정하고, 예비력시장은 발전기가 전력을 팔지 않고 남겨 둔 예비 용량을 따로 거래한다.
법무법인 세종이 2023년 9월 정리한 운영규칙 내용에 따르면, 재생에너지 입찰제도에서는 설비용량 3MW를 넘는 태양광·풍력이 의무로 입찰에 참여한다. 입찰 가격의 상한은 0원/kWh이고 음수 가격 입찰도 허용된다. 연료비가 들지 않는 재생에너지는 음수 가격을 내서라도 발전하려 하므로, 출력을 줄이는 순서가 입찰 가격으로 정해진다. 기후솔루션 보고서는 입찰시장 도입 뒤 시장에서 빠지는 출력이 출력제어 통계에 잡히지 않는다고 지적했다.
파이낸셜뉴스의 2026년 9월 보도에 따르면 제주의 재생에너지 발전 비율은 2025년 말 24.3%다. 2026년 2차 제주 시범사업에는 30개 급전가능 재생에너지 자원(628.3MW)이 참여하고, 전력거래소는 2026년 4월부터 발전계획을 얼마나 정확히 지켰는지에 따라 용량정산금을 0.8684~1.1749배로 차등하는 계수를 적용하고 있다. 같은 태양광·풍력이라도 계통이 필요할 때 예측대로 발전하는 능력에 값이 매겨지기 시작했다.
시장의 다른 쪽에서는 설비 용량 자체의 가격이 올랐다. 용량시장은 몇 년 뒤 최대수요 때 공급할 수 있는 능력(MW)을 미리 사 두는 시장이다. 미국 동부와 중서부 여러 주의 송전망과 도매 전력시장을 운영하는 PJM의 기준 경매(BRA, Base Residual Auction) 청산가격은 2024/25 공급연도 MW·일당 28.92달러에서 2025/26 269.92달러로 뛰었다. 2026/27에는 329.17달러, 2027/28에는 333.44달러로 두 해 연속 상한가에서 결정되었다. 청산가격은 경매에서 필요한 물량을 채우는 마지막 낙찰 가격이며, 낙찰된 모든 설비가 이 가격을 받는다.
PJM은 2027/28 경매 보고서에서 예측 부하가 5,249.9MW 늘었고 그 대부분이 대형 부하(Large Loads)의 추가 때문이라고 적었다. 제주의 실시간시장과 PJM의 용량가격은 같은 방향을 가리킨다. 전기에너지(MWh)의 가격에 더해, 필요한 시점에 출력을 맞추는 능력과 최대수요 때 공급할 수 있는 능력이 따로 거래되는 상품이 되었다.
송전망이 따라가지 못하는 속도 — 건설 지연과 대형 부하
국제에너지기구(IEA)는 2023년 10월 『전력망과 안전한 에너지 전환(Electricity Grids and Secure Energy Transitions)』 보고서에서 새 전력망 인프라는 계획·인허가·건설에 5~15년이 걸린다고 적었다. 같은 보고서는 각국의 에너지·기후 목표를 이루려면 2040년까지 8,000만 km의 전력망을 새로 짓거나 교체해야 하는데, 세계 전력망 투자는 연 3,000억 달러 안팎에서 거의 변하지 않았고, 최소 3,000GW의 재생에너지 사업이 계통 접속을 기다리고 있다고 집계했다. 미국 로런스버클리 국립연구소(LBNL)가 2025년 12월 낸 『Queued Up 2025』는 2024년 말 미국 계통 접속 대기열의 활성 용량을 약 2,290GW로 집계했다. 미국 전체 발전설비(약 1,320GW)의 두 배에 가깝다.
한국의 송전선 건설 기간은 더 길었다. 북당진~신탕정 345kV 송전선로는 태안화력 단지의 전력 6.5GW를 아산·탕정 산업단지로 보내는 45km 선로다. 한국경제의 2025년 4월 2일 보도에 따르면 이 사업은 2003년 3월 시작해 2012년 6월 준공을 목표로 했으나 여섯 차례 연기 끝에 2024년 말 개통했다. 지연은 150개월이었다. 그동안 태안화력은 출력을 제한한 채 운전했고, 한국전력은 부족한 전력을 LNG 발전으로 대신하느라 1조 2,000억 원을 더 썼다. 같은 지역의 신당진~북당진, 당진화력~신송 선로는 2025년 4월 기준 각각 66개월, 90개월째 지연되고 있었다.
동해안~수도권 HVDC는 동해안의 원자력·석탄 발전 전력을 직류 500kV로 수도권에 보내는 사업이다. 1단계 동해안~신가평 선로는 당초 2019년 12월 준공이 목표였으나, 산업통상자원부는 2025년 5월 23일 완공 시점을 2026년 6월에서 2027년 6월로 다시 늦췄다고 파이낸셜뉴스가 보도했다. 경인일보의 2025년 5월 27일 보도에 따르면 동해안의 발전설비는 2025년 17.9GW에 이르지만 송전 가능 용량은 14.5GW다. 마지막 수전 지점인 동서울변환소 증설은 하남시 인허가 문제로 늦어졌다. 기후에너지환경부는 2025년 11월 5일 이 증설(4,000MVA, 2027년 준공 예정)을 포함한 99개 설비를 '국가기간 전력망 설비'로 지정해 고시했다.
지정의 근거인 국가기간 전력망 확충 특별법은 2025년 2월 27일 국회 본회의를 통과했고, 공포 후 6개월이 지난 날부터 시행되었다. 법은 국무총리 소속 국가기간 전력망 확충위원회를 두고, 이 위원회의 심의를 거쳐 승인된 사업에 인허가 의제와 영향평가 특례를 적용한다. 발전원은 몇 년 안에 늘릴 수 있지만 송전망은 10년 넘게 걸리는 경우가 반복되었고, 그 속도 차이가 출력제어와 발전 제약으로 나타났다.
수요 쪽에서는 데이터센터가 새 변수가 되었다. IEA는 2025년 4월 『에너지와 AI(Energy and AI)』 보고서에서 세계 데이터센터 전력소비가 2024년 약 415TWh로 세계 소비의 약 1.5%였고, 2030년에는 약 945TWh로 두 배 넘게 늘 것으로 전망했다. 2017년 이후 연평균 증가율은 약 12%였으며, 미국에서는 2030년까지 늘어나는 전력수요의 거의 절반을 데이터센터가 차지할 것으로 보았다. 데이터센터는 수백 MW 단위의 부하가 짧은 기간 안에 한 지점에 들어온다. 앞의 PJM 용량가격 상승 배경에도 대형 부하 예측의 증가가 있었다.
20년 전 교과서의 전제와 2025년 계통의 상태
앞에서 확인한 변화를 교과서의 전제와 나란히 놓으면 다음과 같다. 왼쪽 열은 2000년대 중반 기초 전력공학이 깔고 있던 전제이고, 오른쪽 열은 위에서 인용한 기관 보고서와 통계로 확인한 지금의 상태다.
| 항목 | 20년 전 교과서의 전제 | 지금 확인되는 상태 |
|---|---|---|
| 전원 구성 | 석탄·가스·원자력·수력의 동기발전기가 대부분 | 2025년 세계 발전량의 17.3%가 풍력·태양광, 재생에너지 전체(33.8%)가 석탄(33.0%)을 앞섬 |
| 관성 | 연결된 회전기의 수만큼 자동으로 존재 | 영국은 최소 관성 요건을 정해 확보하며 102GVA·s 안을 2026년 승인, 제주는 플라이휠 동기조상기 도입 |
| 고장전류 | 동기기가 정격의 수 배를 공급, 보호계전 설계의 기준 | 인버터 기반 자원은 정격의 1.0~1.5배로 제한, 제조사 자료 비공개로 모의도 어려움 |
| 고장 시 거동의 근거 | 동기기의 전기·기계 방정식 | 인버터 펌웨어와 보호 설정(2021년 오데사 교란의 최대 원인은 PLL 동기 상실 트립) |
| 계통 감시 | SCADA가 4~6초마다 값을 보고 | PMU가 GPS 시각에 맞춰 초당 30~60회 측정 |
| 변전소 내부 신호 | 아날로그 배선과 접점 | IEC 61850 이더넷 메시지와 디지털 표본값 |
| 재생에너지의 계통 제약 | 다룰 일이 거의 없음 | 제주 출력제어 2023년 181회, 2025년 육지 태양광 88회·원자력 37회 |
| 전력시장 | 하루전시장 하나, 재생에너지는 입찰 없이 우선 구매 | 제주 15분 실시간시장·예비력시장·재생에너지 입찰, PJM 용량가격 MW·일당 28.92달러에서 333.44달러로 |
| 송전망 건설 | 수요 증가에 맞춰 계획대로 건설 | 북당진~신탕정 150개월 지연, 미국 접속 대기열 약 2,290GW |
| 수요 전망 | 완만한 증가 | 세계 데이터센터 소비 2024년 약 415TWh에서 2030년 약 945TWh 전망 |
결론 — 회전기가 대가 없이 주던 기능이 설계·운영·거래의 대상이 되었다
20년 사이 바뀐 것은 발전량 비중의 숫자에 그치지 않는다. 확인한 근거는 세 묶음으로 정리된다. 첫째는 물리다. 관성, 고장전류, 전압 지지는 동기발전기의 구조에서 저절로 나오던 기능이었고, 인버터 기반 자원에서는 제어 설정과 전류 제한이 이 기능의 크기를 정한다. 동기발전기 고장전류가 정격의 약 6배인 데 비해 인버터는 1.0~1.5배이고, 2021년 오데사 교란은 펌웨어의 보호 기능 하나가 대규모 출력 감소를 일으킬 수 있음을 보였다.
둘째는 운영이다. 영국은 2019년 정전 뒤 최소 관성 요건을 숫자로 정하고 빠른 주파수 응답을 사들이는 방식으로 관성을 관리한다. 제주는 필수운전 발전기의 최소출력과 송전 제약 때문에 2023년 181회의 출력제어를 겪었고, 동기조상기를 다시 들여오고 있다. 감시는 몇 초 간격의 SCADA에서 초당 수십 회의 PMU로, 변전소 신호는 구리선에서 IEC 61850 메시지로 바뀌었다. 셋째는 제도다. 제주의 실시간시장과 재생에너지 입찰, PJM의 용량가격 급등, 한국의 전력망 특별법은 모두 유연성과 공급 능력과 송전 용량에 따로 값을 매기거나 건설 절차를 바꾸는 조치다.
결론적으로 태양광·풍력의 확대는 계통이 전제로 삼던 물리적 기능을 운영자가 계산하고 기술 기준으로 요구하고 시장에서 사는 대상으로 바꾸었고, 그 전환의 속도를 지금 가장 크게 제약하는 것은 발전원보다 늦게 지어지는 송전망과 아직 정비 중인 기술 기준이다. 이 기능들을 정량화하고 검증하는 해석 기법도 함께 필요해졌다.
이 전환은 계통을 해석하는 도구의 선택 문제로 곧바로 이어진다. 정상상태의 조류해석, 기본파 페이저로 동특성을 보는 실효값 해석, 순시값으로 전력전자 제어까지 모의하는 EMT 해석은 각기 다른 시간 범위의 질문에 답하며, 인버터 기반 자원이 늘수록 어느 질문에 어느 해석을 쓸지가 계통 계획의 조건이 되었다. 그 구분은 2편 「계통 해석 시뮬레이션 다시 배우기」의 주제다.