재생에너지 차단 규칙과 네트워크 투자에 대한 게임이론 모델링

본 연구는 재생에너지(RES)의 고관통률이 배전망에 초래하는 차단(curtailment) 문제와, 사유 전송선 투자 및 이용료 설정이라는 두 가지 핵심 과제를 게임이론적 관점에서 통합적으로 분석한다. 서론에서는 파리협정 이후 전 세계적인 재생에너지 확대와 함께 발생하는 전력망 포화, 전압·주파수 변동, 열용량 한계 등 기술적 제약을 설명하고, 특히 영국의 섬·반도 지역에서 관측되는 네트워크 부족 현상을 사례로 제시한다. 문헌 검토에서는 차단 규칙에 관한 기존 연구를 정리한다. LIFO(Last‑in‑First‑out)와 Pro Rata가 가장 널리 적용되는 PoA(Principles of Access) 규칙이며, 각각 신규 설비 보호와 차단 손실 균등 배분이라는 장점을 갖지만, 투자 유인 저하와 운영 불안정이라는 단점을 동시에 가지고 있다. 또한, 시장 기반 차단 메커니즘, 동적 라인 레이팅(DLR), 활성 네트워크 관리(ANM) 등 기술적 완화 방안도 소개하지만, 비용·성숙도 문제로 아직 보편화되지 않았다. 본 논문의 첫 번째 핵심 기여는 세 가지 차단 규칙(LIFO, Pro Rata, 제안된 공정 차단 규칙)의 시뮬레이션 기반 비교이다. 저자는 풍속·수요 데이터를 시간별로 샘플링해 각 규칙이 풍력 발전기의 용량 팩터(CF)에 미치는 영향을 정량화한다. 결과는 LIFO가 신규 발전기의 CF를 평균 6 % 낮추는 반면, Pro Rata는 전체 CF 감소를 3 % 수준으로 억제하지만 차단 이벤트 빈도가 높아 운영 비용이 증가함을 보여준다. 새로 제안한 공정 차단 규칙은 정격 용량 비례 차단 비율을 적용해, 용량이 큰 발전기가 과도하게 차단되는 현상을 방지하고, 차단 빈도를 20 % 이상 감소시킨다. 특히 풍속이 공간적으로 상관관계가 높은 지역에서는 차단 효과가 크게 나타나며, 공정 규칙이 이러한 상관성을 완화하는 데 효과적이다. 두 번째 핵심 기여는 사유 전송선 투자와 다수 발전기의 공동 이용을 ‘공통 접근(Common Access)’ 원칙 하에 모델링한 Stackelberg 게임이다. 선행자(전송선 투자자)는 전송료(피드인 요금 대비 비율)를 결정하고, 후행자(각 발전기)는 전송료와 차단 손실을 고려해 최적 발전 용량을 선택한다. 저자는 확률적 풍속·수요 모델을 사용해 각 플레이어의 기대 이익 함수를 정의하고, 전송료와 용량 선택이 상호 의존적인 2단계 최적화 문제를 수치적으로 해결한다. 경험적 균형을 찾기 위한 알고리즘은 전송료를 0 %~100 % 범위에서 스캔하고, 각 단계에서 발전기들의 최적 반응을 계산해 전체 이익을 최대화하는 전송료 구간을 도출한다. 결과는 전송료 비율이 15 %~75 % 사이일 때 투자자와 발전기 모두 양호한 순이익을 확보할 수 있음을 보여준다. 세 번째 기여는 영국 켄트라이 반도와 셰틀랜드·오크니 군도를 대상으로 한 실증 사례 연구이다. 17년간 수집된 풍속·수요 데이터를 기반으로, 차단 규칙별 및 전송료별 시나리오를 시뮬레이션했다. 공정 차단 규칙과 30 % 전송료 조합이 전체 시스템 효율(총 이익, 평균 CF, 사회적 비용)에서 최적임을 확인했으며, 전송료를 50 % 이상으로 높이면 발전기 투자 유인이 급격히 감소하고, 15 % 이하로 낮추면 투자자는 충분한 회수율을 얻지 못한다는 민감도 분석 결과도 제시한다. 논문의 마지막 부분에서는 정책적 함의를 논의한다. DNO는 차단 규칙을 선택할 때 공정성, 투자 유인, 차단 빈도 등을 종합적으로 고려해야 하며, 전송료 설정은 사유 전송선의 경제성을 확보하면서도 다수 발전기의 접근성을 보장하는 범위 내에서 조정되어야 한다. 또한, 제안된 게임이론 모델은 규제기관이 다양한 요인(전송 비용, 재생에너지 변동성, 지역별 풍속 상관성 등)을 반영해 최적 정책을 설계하는 도구로 활용될 수 있다. 요약하면, 이 논문은 (1) 차단 규칙이 재생에너지 투자와 운영에 미치는 영향을 정량적으로 분석하고, (2) 사유 전송선 투자와 다중 발전기 접근을 Stackelberg 게임으로 모델링해 전송료 최적 범위를 도출하며, (3) 실제 영국 데이터 기반 사례를 통해 이론적 결과의 실현 가능성을 검증한다는 세 가지 주요 기여를 제공한다.