도시 전·가스망 회복탄력성 강화: 마이크로그리드 분할·모바일 저장·데이터 기반 위험 평가

초록

본 연구는 고재생에너지 비중이 높은 도시 전력·가스망의 회복탄력성을 높이기 위해 마이크로그리드(μG) 분할, 모바일 에너지 저장장치(MESS) 배치, 그리고 25가지 다차원 지표를 활용한 실시간 위험 평가 체계를 제안한다. 조정 구간 최적화와 컬럼·제약 생성 알고리즘을 결합해 확률 정보 없이도 강건한 설계 해를 도출하고, 교통 데이터와 연계한 MESS 라우팅 모델을 통해 비상 상황에서의 신속한 재배치를 가능하게 한다. 또한 시간‑의존 회복탄력성·신뢰성 지표를 도입해 다양한 운영 조건에서 시스템 성능을 정량화한다.

상세 분석

이 논문은 도시 에너지 인프라의 복합적 위험에 대응하기 위해 세 가지 핵심 기술을 통합한다. 첫째, 기존 수동 배전망을 능동형 마이크로그리드로 전환하는데, 이는 분산형 재생에너지(태양광·풍력)와 모바일 에너지 저장장치를 결합하고 원격 제어 스위치(RCS)를 활용해 전기적·지리적 경계를 유연하게 재구성한다는 점에서 혁신적이다. 마이크로그리드 간의 전력 교환은 정상 운전 시 비용 최소화, 비상 시 섬모드 전환 시 부하 차단 최소화를 동시에 달성하도록 설계되었다.

둘째, 불확실성 처리 방법으로 ‘조정 구간 최적화(Adjustable Interval Optimization)’와 ‘컬럼·제약 생성(Column and Constraint Generation, C&CG)’ 알고리즘을 결합하였다. 이는 확률분포를 사전에 정의하지 않아도, 재생에너지 변동·부하 변동을 구간 형태로 모델링하고, 반복적인 마스터‑서브 구조를 통해 최적해를 수렴시킨다. 기존의 시뮬레이션 기반 혹은 확률적 분석에 비해 계산 효율성이 높으며, 대규모 도시 네트워크에도 적용 가능하다.

셋째, 실시간 위험 평가 프레임워크는 25개의 다차원 지표(부하, 그리드 상태, 회복탄력 자원, 비상 대응, 기상 요인 등)를 통합해 종합 위험 점수를 산출한다. 이 점수는 온라인 대시보드에 시각화되어 운영자가 즉시 의사결정을 내릴 수 있게 하며, 특히 기상 재해·사이버 공격 등 고위험·저확률 사건에 대한 선제적 대응을 지원한다.

또한 모바일 에너지 저장장치의 장기 규모·배치 최적화와 단기 라우팅을 동시에 고려한다. 교통 흐름 데이터와 GIS 정보를 활용해 최적 경로를 도출하고, 이동 중 배터리 충·방전 상태를 실시간으로 업데이트한다. 이는 비상 시 전력·가스 공급 차단 구역에 신속히 에너지를 투입함으로써 복구 시간을 크게 단축시킨다.

마지막으로 제안된 시간‑의존 회복탄력성·신뢰성 지표는 전통적인 신뢰성 지표(예: SAIDI, SAIFI)와 달리 섬모드 운영, 재생에너지 비중, 비상 대응 자원의 가용성 등을 포함한다. 이를 통해 시스템이 정상·비상·복구 각 단계에서 얼마나 효과적으로 기능하는지를 정량적으로 평가할 수 있다.

전체적으로 본 연구는 기술적·운영적·데이터 과학적 접근을 융합해 도시 에너지망의 회복탄력성을 종합적으로 향상시키는 프레임워크를 제공한다. 특히 확률 정보를 필요로 하지 않는 강건 최적화, 실시간 다차원 위험 평가, 교통 연계 모바일 저장 라우팅은 기존 문헌에서 다루어지지 않았던 새로운 연구 공백을 메우며, 실제 도시(디트로이트) 사례 적용을 통해 실용성을 입증한다.