전송·배전 연계 에너지 저장 공유 최적화

초록

본 논문은 중앙시장 부재 지역에서 전송망 혼잡 완화와 배전망 로컬 목표를 동시에 달성하기 위한 에너지 저장(ESS) 서비스 스택링 방안을 제시한다. 가중 ℓ₁‑노름을 활용한 혼잡 완화 최적화와 TEPO‑DEPO 간 5가지 보고서 교환을 기반으로 한 다단계 MILP 프레임워크를 설계하고, 3버스 테스트 시스템과 미국 태평양 북서부 대규모 모델을 통해 비용 절감·재생에너지 통합 향상을 검증하였다. 실증시험에서도 시뮬레이션 결과와 일치함을 확인하였다.

상세 분석

이 연구는 전통적인 중앙집중식 전력시장 구조가 없는 전력 시스템, 특히 미국 서부와 유럽 일부 지역에서 발생하는 ‘서비스 스택링’ 문제를 해결하고자 한다. 핵심 아이디어는 전송 시스템 운영자(TEPO)와 배전 시스템 운영자(DEPO) 사이에 표준화된 정보 교환 프로토콜을 두고, 각각의 목표를 반영한 최적화 문제를 순차적으로 해결하는 것이다.

1. 통신·보고서 구조: TEPO와 DEPO는 용량 보고서, 혼잡 예측, 초기 스케줄, 완화 필요량, 최종 스케줄이라는 5가지 보고서를 주고받는다. 이 절차는 OpenADR 사양을 따르며, 다수의 DEPO 인스턴스와도 확장 가능하도록 설계되었다. 보고서 교환 순서는 TEPO가 용량을 요청 → DEPO가 제공 → TEPO가 혼잡 예측을 전달 → DEPO가 초기 스케줄을 제출 → TEPO가 완화 필요량(넷로드 경계)을 반환 → DEPO가 최종 스케줄을 확정한다.

2. 다단계 MILP 프레임워크:

   • Stage 1 (Pre‑mitigation UC): 전통적인 단위발전(UC)와 경제적 디스패치를 수행하되, ESS와 전송 보안 제약은 무시한다. 목표는 최소 운영비이며, 발전기 가동·정지, 최소·최대 출력, 램프 제한, 재생 가능량 커트라인 등을 포함한다.
   • Stage 2 (Independent Congestion Relief): TEPO는 DEPO가 제공한 용량 정보를 바탕으로 가중 ℓ₁‑노름을 최소화하는 목적함수를 사용한다. 이는 “필요한 교정량(발전기 커밋·디스패치 조정 + ESS 주입/배출)”을 최소화함을 의미한다. ℓ₁‑노름 가중치는 각 시간대·버스별로 다르게 설정해, 중요한 구간에 더 큰 페널티를 부여한다.
   • Stage 3 (Coordinated Congestion Relief): TEPO가 제시한 넷로드 경계(완화 필요량)를 DEPO가 수용하면서, 배전 측 로컬 목표(예: 전력 불균형 비용 최소화, 배터리 SOC 유지 등)를 동시에 만족하도록 DEPO의 최적화를 수행한다.
   • Stage 4 (Post‑mitigation UC): 최종 스케줄을 반영해 재조정된 UC를 수행하고, 시스템 보안 제약(전압, 라인 흐름 한계 등)을 검증한다.

   각 단계는 선형/정수 제약식으로 표현되며, MILP 솔버(CPLEX, Gurobi 등)로 해결한다. 특히 ℓ₁‑노름 가중치는 “절대값”을 선형화하기 위해 보조 변수와 두 개의 부등식으로 변환한다.

3. 시뮬레이션 사례:

   • 3‑버스 테스트 시스템: 단일 ESS가 배전 버스에 연결된 상황에서, 전송 라인에 발생한 과부하를 ESS 충방전과 일부 발전기 재스케줄링으로 완화한다. 비용 절감 효과는 약 12 %이며, 라인 흐름 위반이 0으로 감소한다.
   • 태평양 북서부 대규모 모델: 실제 전력망 데이터를 기반으로 30 GW 규모의 ESS 포트폴리오와 2000여 개의 버스를 포함한다. TEPO‑DEPO 프레임워크 적용 시, 전송 혼잡 비용이 연간 약 45 M$ 감소하고, 재생에너지(풍·태양) 활용도가 3 %p 상승한다.

4. 실증 검증: 워싱턴 대학교·두산그리드테크·SnoPUD·BPA가 공동으로 진행한 현장 시험에서는 에버렛(워싱턴) 배터리 200 MWh를 활용했다. 실시간 운영 환경에서 TEPO‑DEPO 프로토콜을 적용했을 때, 예측된 혼잡 완화량과 실제 측정값이 95 % 이상 일치했으며, 시스템 안정성에 부정적 영향을 미치지 않았다.

5. 정책·규제 연계: FERC와 CAISO의 최신 규제 방향을 인용해, ESS가 자체 SOC를 관리하면서 다중 서비스를 제공하도록 허용하는 것이 프레임워크의 전제 조건임을 강조한다. 또한, OpenADR 기반 통신 표준을 채택함으로써 기존 스마트그리드 인프라와의 호환성을 확보한다.

핵심 기여는 (1) 전송‑배전 연계 최적화 모델을 단계별 MILP로 구체화, (2) 가중 ℓ₁‑노름을 통한 최소 교정량 목표 도입, (3) 표준화된 보고서 교환 프로토콜을 통해 실시간·분산 환경에서도 적용 가능한 구조 제시, (4) 대규모 시뮬레이션과 현장 실증을 통한 실효성 입증이다. 이러한 접근은 중앙시장 부재 지역에서 ESS 활용도를 극대화하고, 전력 시스템 전반의 경제성·신뢰성을 동시에 향상시킬 것으로 기대된다.