1. 서 론

송전망은 산업, 의료, 통신, 교통 등 사회 전반의 기능을 유지하는 데 필수적인 핵심 인프라이다[1]. 특히 대도시에서는 대규모 인구와 산업 기반이 밀집해 있어 송전망의 안정성은 일상과 지역경제의 지속가능성과 직결된다[2, 3]. 지진으로 인한 전력 공급 중단은 단순한 정전 이상의 광범위한 사회·경제적 파급효과를 초래할 수 있다. 또한, 송전망의 복구가 장기간이 소요될 경우, 국가적 재난으로 확산할 가능성도 존재한다[2, 3]. 실제 사례로, 2011년 동일본 대지진(M9.0) 당시 도호쿠 지역에서는 광범위한 정전으로 철도 운행과 병원의 응급 시설이 마비되는 등 막대한 피해를 경험하였다[4]. 국내에서도 2017년 포항 지진으로 인해 일부 변전소가 일시 중단되어 산업단지와 주거지역에 순간 정전이 발생하였다[5, 6]. 지진으로 인한 송전망의 피해가 일시적인 정전에 그치지 않고, 송전망 전체의 기능 상실로 이어질 수 있음을 보여준다.

국내외에서는 지진이 전력 인프라에 미치는 영향을 분석하기 위한 다양한 연구가 이루어져 왔다. Kim et al.은 고장수목을 활용하여 765 kV, 345 kV, 154 kV 변전소의 주요 장비별 파괴 모드와 기준을 설정하고, 이에 따른 지진취약도 함수를 제시하였다[7]. 이와 유사하게, Liang et al.과 Cavalieri et al.도 전력설비의 상호연계성이나 시스템 차원의 취약도를 평가하는 방법론을 제안하였다[8, 9]. Park et al.과 Koh et al.은 변전소 절점 간의 연결성이나 특정 부품의 내진 신뢰성을 분석하는 연구를 통해 변압기의 병렬 운전을 고려한 345 kV 송전망의 신뢰성 평가를 수행하였다[10, 11]. 변전소에 대한 지진취 약도를 분석하거나 변전소 내 장비의 다중 피해 상태 모사를 수행하였다. 그러나 다수 연구가 설비･부품 수준에 머물러 실제 도시 송전망에서 발전소–변전소–수요지 간 전체 경로의 연결성과 리스크를 정량화한 연구는 미흡하다.

본 연구에서는 지진으로 인한 발전소 및 변전소의 손상이 부산지역 전력 공급에 미치는 영향을 연결성 관점에서 평가하고자 한다. 이를 위해 OpenStreetMap 기반의 지리정보를 활용하여 부산 및 인접 지역(울산, 경남)의 송전망을 네트워크 형태로 모델링하였다. HAZUS 및 행정안전부의 보고서에서 제시된 손상상태에 따른 구성요소별 지진취약도를 활용하여 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 손상상태에 따른 시스템의 지진취약도를 도출하고, 이를 부산지역의 지진재해도와 컨벌루션하여 전반적인 리스크를 정량화하였다.

2. 지진에 의한 송전망의 확률론적 안전성 평가 방법

본 장에서는 지진 발생 시 부산 송전망의 손상 확률을 정량적으로 산정하기 위해 위하여, Eem et al.이 제안한 네트워크 기반 평가 기법을 활용하고 이에 따른 분석 절차를 제시하였다[12]. 전체적인 송전망의 연결성 평가 방법은 Fig. 1에 도식화하였다. 먼저, OpenStreetMap 기반 공간 데이터를 활용하여 부산 및 인접 지역의 발전소, 변전소, 가상 수요 지점을 포함한 송전망 네트워크를 구축하였다[13]. Hazus와 행정안전부 보고서에서 제공한 송전망 구성요소(발전소, 변전소)의 지진취약도를 활용하였다[14, 15]. 부산에 전력을 공급할 수 있는 모든 경로를 도출하였다. 구성요소별 Peak Ground Acceleration(PGA)는 지역별 차이를 고려하지 않고 모든 구성요소에 동일한 PGA가 작용하는 것으로 가정하여 손상 확률을 산정하고, 몬테카를로 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션에서는 각 구성요소가 지진 시 성공(정상 작동) 또는 실패(고장) 상태로 결정되며, 해당 결과를 기반으로 각 경로의 신뢰성을 평가하였다. 이후, 특정 PGA 값에 대하여 전체 경로 중 실패한 경로의 수를 계산하여 이를 전체 경로 수로 나누어 해당 PGA에서 시스템 전체의 손상확률을 산출하였다. 이 과정을 모든 PGA 구간에 걸쳐 반복 수행하여, 부산 송전망의 지진취약도 곡선을 도출하였다. 이후, 산정된 지진취약도와 부산지역의 지진재해도를 결합하여 송전망의 손상상태별 연간 리스크를 계산하였다.

2.1 도시 송전망 구축

송전망 구축을 위해 OpenStreetMap 데이터를 활용하여 발전소와 변전소의 위치 정보를 수집하였다[13]. 일반적으로 도시 송전망은 발전소, 변전소, 송전선로로 구성된다[16]. Salman and Li에 따르면, 송전선로는 지진보다 강풍이나 눈하중에 더 취약하다고 한다[17]. 한편, 특수한 지반조건에서는 송전탑에 작용하는 인장력이 평상시 대비 최대 1.2-1.3배 증가할 수 있으며, 지진하중이 풍하중의 80%를 초과할 수 있다는 보고도 있다[18, 19]. 그럼에도 불구하고, Park et al. 및 행정안전부 보고서에 따르면 대한민국의 송전탑은 설계수준지진에 대해 일반적으로 안전하다고 평가되었다[15], [20]. 따라서 송전선로는 제외하고 발전소와 변전소만 노드로 구성하였다. 분석을 위해 부산 내 가상 수요지점을 하나 설정하였다.해당 수요 지점은 모든 발전소 및 변전소와 연결되어 전력 공급 경로를 구성하였다. 발전소와 변전소의 용량은 한국전력공사에서 제공한 자료를 기반으로 설정하였다[21]. 송전망은 부산, 경남, 울산 지역의 발전소와 변전소를 포함하여 구성하였다. 최종적으로 구축된 송전망의 구조는 Fig. 2에 제시하였다. 여기서, ‘SS’는 변전소, ‘PP’는 발전소를 의미한다.

2.2 송전망 구성요소에 대한 지진취약도 파라미터

지진 발생 시 송전망의 연결성을 평가하기 위해서는 구성요소인 발전소와 변전소에 대한 손상상태 및 지진취약도 정보가 필수적이다. 현재 손상상태에 관한 기준으로는 행정안전부[15], HAZUS[14], 그리고 한전(KEPCO)의 내진설계 지침[22]이 존재한다. 행정안전부[15] 및 HAZUS[14]는 발전소와 변전소의 지진피해를 Slight, Moderate, Extensive, Complete 등 4 가지 손상상태로 구분하여, 각 단계에서의 설비 손상 정도를 정량적으로 정의하고 있다. 반면, 한전(KEPCO)의 내진설계 지침[22]은 변전설비에 대해 ‘기능수행수준’과 ‘붕괴방지수준’의 두 가지 주요 성능수준을 제시하며, 지진 발생 시 전력공급의 연속성과 구조적 안정성을 유지하도록 요구한다. 그러나, 한전의 내진설계 지침[22]은 손상상태별 지진취약도 정보는 직접적으로 다루고 있지 않다. 이에 비해, 행정안전부와 HAZUS에서는 발전소 및 변전소와 같은 주요 구성요소의 손상상태에 따른 지진취약도 곡선을 제공하고 있다[14, 15]. 본 연구에서는 발전소에 대해서는 HAZUS-MH에서 제시하는 지진취약도 곡선을, 변전소에 대해서는 행정안전부 보고서에서 제시하는 지진취약도 곡선을 각각 적용하였다. 발전소 및 변전소의 손상상태는 None, Slight, Moderate, Extensive, Complete의 5단계로 구분되며, 각 손상단계에 대한 정의는 Table 1에 제시하였다[14, 15].

HAZUS는 발전소를 규모에 따라 소형(Small, 100 MW 이하)과 중･대형(Medium/large, 100 MW 초과)으로 분류하여 평가한다[14]. 발전소 유형별 지진취약도는 대수정규분포를 따른다[14]. 각 손상상태에 대해 중앙값(Am)과 대수표준편차(β_c)를 제공한다[14]. 해당 파라미터 값은 Table 2에 정리하였다[14].

대한민국의 변전소의 전압은 일반적으로 765 kV, 345 kV, 154 kV로 구성된다[16]. 본 연구에서는 행정안전부 보고서와 Kim et al.이 제시한 지진취약도 파라미터를 적용하였다[14, 15]. 각 용량별 변전소의 손상상태에 따른 지진취약도 파라미터는 Table 3에 제시하였다[7], [15].

3. 부산 송전망의 지진에 의한 확률론적 안전성 평가 결과 및 논의

3.1 부산 송전망의 지진에 의한 확률론적 안전성 평가 결과

지진취약도는 지진재해의 강도에 따라 기기나 설비가 손상될 조건부 확률이다[23]. 내진성능 중앙값 및 대수표준편차를 이용하여 평가하며 일반적으로 95%, 50%, 5% 및 평균취약도곡선으로 구성된다. 또한, 평균취약도 곡선은 중앙값(Am) 및 대수표준편차(β_c)를 이용하여 식 (1)과 같이 평가한다. High Confidence and Low Probability of Failure(HCLPF)는 기기나 설비 등의 내진성능을 확인하는 주요 지표로 활용한다. HCLPF는 95% 신뢰도 곡선에서 5% 손상확률에 해당하는 지진강도 또는 평균취약도 곡선에서 1%의 손상확률에 해당하는 지진강도를 사용한다[24].

여기서, a는 지진강도, A_m는 내진성능 중앙값, β_c는 대수표준편차이다.

본 연구에서는 제시한 분석 방법을 바탕으로, 지진 발생 시 부산 송전망의 발전소가 전력을 공급하지 못할 확률(지진취약도)을 도출하였다. 여기서, 지진취약도는 지진 가속도(PGA)에 따라 부산지역이 전력을 공급받지 못할 확률을 곡선으로 나타내었다. 주요 지표로 활용한 High Confidence and Low Probability of Failure(HCLPF)와 Median 값을 활용하였다.

부산 외부 송전망은 지진의 영향을 받지 않는 것으로 가정하였다. 평가에서는 발전소와 변전소 모두에 대해 Slight, Moderate, Extensive, Complete 의 동일한 손상 단계별 지진취약도 곡선을 적용하였다. 지진취약도 분석에서 ‘SS’는 변전소, ‘PP’는 발전소를 의미한다. 예: ‘SS-PP Slight’는 모든 변전소와 발전소에 Slight 상태의 취약도 곡선을 적용해 산정한 시스템 취약도를 뜻한다.

부산 송전망은 Fig. 2와 같이 모델링하였으며, 가상 수요 지점과 직접 연결된 변전소는 총 7개(수영, 양정, 개화, 엄궁, 북부산, 구서, 노포)이며, 송전망 내에는 4개의 발전소가 포함된다. 부산지역의 송전망에 대한 취약도 곡선은 Fig. 3에 나타내었으며, 취약도의 주요 지표인 HCLPF와 Median 값을 손상상태별로 Table 4에 나타내었다. 분석 결과, 부산 송전망의 손상상태별 HCLPF 값은 각각 Slight 0.049 g, Moderate 0.087 g, Extensive 0.154 g, Complete 0.273 g로 나타났으며, Median 값은 각각 Slight 0.143 g, Moderate 0.235 g, Extensive 0.369 g, Complete 0.605 g로 도출되었다.

지진 재해도는 부산지역의 재해도를 사용하였으며, Fig. 4에 나타내었다 [25]. 재해도와 부산 송전망의 지진취약도 곡선과 컨벌루션하여 지진으로 인한 리스크를 정량적으로 평가하였다. 지진에 따른 손상상태별 부산 송전망의 연간 리스크 값은 Table 5와 같으며, Slight 상태가 가장 높은 리스크(4.151×10^-4/yr)를 나타냈고, Complete 상태가 가장 낮은 리스크(9.391× 10^-6/yr)를 보였다.

3.2 부산 송전망의 지진에 의한 확률론적 안전성 평가 논의

본 연구에서는 지진에 의한 부산지역 송전망의 손상상태별 확률론적 안전성 평가를 통해 지진취약도와 리스크를 도출하였다. 송전망의 각 손상상태(Slight, Moderate, Extensive, Complete)에 대한 지진취약도 곡선은 발전소와 변전소 모두에 대해 동일한 손상단계(Slight, Moderate, Extensive, Complete)의 지진취약도 곡선을 적용하여 도출한 결과를 의미한다. 예를 들어, 송전망의 Slight 상태에 대한 취약도 곡선은 발전소와 변전소 각각의 Slight 손상 곡선을 바탕으로 산정한 것이며, Moderate, Extensive, Complete 상태도 동일한 방식으로 구성되었다. 부산지역의 송전망에 대한 손상상태별 지진취약도는 Median 기준으로 0.143 g(Slight)에서 0.605 g(Complete), HCLPF 기준으로는 0.049 g(Slight)에서 0.273 g(Complete)로 도출되었다. 또한, 송전망의 지진취약도곡선과 지진 재해도를 컨벌루션하여 산정된 연간 리스크는 각 손상단계 별로 4.151×10^-4/yr, 1.177×10^-4/yr, 3.667×10^-5/yr, 9.391×10^-6/yr로 나타났다. Slight 상태가 가장 높은 리스크(4.151×10^-4/yr)를 나타냈고, Complete 상태가 가장 낮은 리스크 (9.391×10^-6/yr)를 보였다. 다만, 본 연구는 송전망의 실제 전력 수요와 부하 특성에 대한 구체적인 정보가 부족하여, 전력 공급 능력 자체보다는 송전망의 연결성에 초점을 맞춰 평가를 수행하였다. 본 연구에서는 송전탑을 제외하여 송전망 평가를 수행하였다. 그러나, 송전탑은 특수한 지반조건 및 풍하중 대비 지진하중이 취약하다는 결과도 있다. 이러한 특수 환경에서의 송전탑 손상 가능성을 별도로 평가하는 연구가 필요할 것으로 판단된다. 또한, 외부 송전망은 지진의 영향을 받지 않고 정상적으로 작동한다고 가정하였으나, 실제 대규모 지진 발생 시 인접 송전망 또한 손상될 가능성이 존재하므로, 시스템의 취약도 및 리스크가 과소평가될 수 있다.

기존 연구는 주로 개별 변전소 또는 발전소를 중심으로 수행되었으며, 일부는 변전소 위주의 송전망에 대한 단편적인 평가에 그쳤다. 특히 발전소를 포함한 송전망 전체의 구조적 연결성과, 발전원과 도시 간의 상호 연계성을 종합적으로 고려한 연구는 부족한 실정이다. 따라서, 송전망의 연결성을 반영하여 부산 송전망의 취약도를 도출하였으며, 이를 지역 재해도와 컨벌루 션하여 손상상태별 리스크를 정량화 하였다. 이러한 분석 결과는 지진에 의한 부산지역 송전망의 재난 대응 전략의 수립, 리스크 기반 유지관리 정책의 수립 등에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

4. 결 론

본 연구에서는 지진 발생 시 송전망의 주요 구성요소인 발전소와 변전소의 연결성을 고려하여, 부산지역에 전력을 공급하지 못할 확률을 확률론적으로 평가하였다. 이를 위해 부산지역의 송전망을 OpenStreetMap 정보를 활용하여 네트워크 형태로 구축하였다. 각 구성요소에 대해 HAZUS 및 국내 보고서 기반의 지진취약도 곡선을 적용하였다. 평가 과정에서 부산 외부의 송전망이 지진의 영향을 받지 않고 정상적으로 작동한다고 가정하였다. 최종적으로, 송전망의 손상상태별 지진취약도를 도출하고, 이를 부산지역의 지진재해도와 컨벌루션하여 네 가지 손상상태(Slight, Moderate, Extensive, Complete)에 대한 연간 리스크를 정량적으로 산정하였다.

기존 연구들은 대부분 단일 시설(변전소 또는 발전소)에 대한 내진 평가에 집중하거나, 변전소 중심의 송전망 분석에 한정되어 있어, 지진 시 송전망 전체의 연결성에 대한 평가는 미흡하였다. 본 연구는 송전망의 네트워크를 구축하고, 발전소와 수요지 간의 연결성을 분석하여 전체 송전망의 취약도를 정량적으로 평가하였다. 이러한 분석을 통해 도출된 각 손상상태별 지진 취약도 곡선과 리스크 값은 송전망에 대한 재난 대응 전략 수립, 리스크 기반 유지관리 정책 마련 등에 중요한 기초 자료로 활용될 수 있다. 아울러, 송전망의 손상상태별 복구 시간 정보를 연계할 경우, 다양한 지진 시나리오에서 시간에 따른 송전망의 기능 회복탄력성 평가에도 활용될 수 있을 것으로 기대된다.