KR101975175B1 - 전력 수급 운영 스케줄링 장치 및 방법 - Google Patents

전력 수급 운영 스케줄링 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전력 수급 운영 스케줄링 장치 및 방법, 컴퓨터 프로그램에 관한 것으로서, 수요자원(DR: Demand Resource), 및 수요자원에 전력을 각각 공급하는 신재생 에너지원, 에너지저장장치(ESS: Energy Stroage System) 및 분산전원(DG: Distributed Generator)을 포함하는 발전자원을 포함하는 마이크로그리드(MG: MicroGrid)의 전력 수급을 운영하기 위한 스케줄링 장치로서, 발전자원 각각의 입찰정보를 포함하는 운영 스케줄링 입력정보에, 마이크로그리드의 전력 수급 제약을 충족시키고 발전자원의 발전 비용을 최소화하기 위한 운영 스케줄링 알고리즘을 적용하여, 발전자원 각각의 낙찰정보를 포함하여 마이크로그리드의 전력 수급을 운영하기 위한 운영 스케줄링 결과정보를 산출하는 것을 특징으로 한다.

Description

전력 수급 운영 스케줄링 장치 및 방법{APPARTUS FOR SCHEDULING OF POWER DEMAND-SUPPLY OPERATION AND METHOD THEREOF}
본 발명은 전력 수급 운영 스케줄링 장치 및 방법, 컴퓨터 프로그램에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 계통 연계형 마이크로그리드를 포함하는 신 전력시장에서 경제적 관점에 기반한 전력 거래 메카니즘을 통해 전력 수급을 운영하기 위한 전력 수급 운영 스케줄링 장치 및 방법, 컴퓨터 프로그램에 관한 것이다.
마이크로그리드(MG: Micro Grid)는 스마트 그리드(Smart Grid) 시스템의 일종으로서, 소규모 지역에서 전기에너지를 자급자족할 수 있는 작은 전력체계를 의미하거나, 또는 일정 지역 안에서의 수요자원, 분산전원, 신재생 에너지원 및 에너지 저장장치를 갖춘 소규모 전력망을 구축하고, 외부의 대규모 전력계통에 연계 또는 독립적으로 운전할 수 있도록 하는 소규모 전력망을 의미한다.
이러한 마이크로그리드는 계통 연계 여부에 따라 계통 연계형과 독립형으로 구분되며, 일반적으로 독립형 마이크로그리드는 섬, 산간, 오지 등 물리적으로 고립된 지역에 설치되는 것으로 국한된다. 마이크로그리드는 타 네트워크로부터 전력을 공급받거나 독립 운전에 의한 자가 발전을 통해 보다 유연한 계통 운영이 가능하여 기존의 중앙 집중형 송배선 시스템에서 탈피한 분산형 시스템으로 각광받고 있다.
현재, 국내에서는 정부의 민간주도 스마트그리드 확산사업 시행과 일조하여 마이크로그리드 분야에 대한 민간기업의 참여로 해당 시장의 성장이 지속될 것으로 기대되고 있으며, 정부는 민간주도의 신 전력시장 창출 지원을 위해 소규모전력중개사업자에 의한 소규모전력중개시장의 개설 계획을 발표하는 등 에너지 신 전력신장 확산을 위한 공공정책의 실시에 강력한 의지를 보이고 있다.
그러나, 현재 경제적 관점을 기반으로 마이크로그리드 환경에서 전기를 직접 발전하여 소비하고 잉여전력에 대하여 판매할 수 있는 진정한 양방향 전력공급을 통해 전력 수급을 운용하기 위한 시스템이 제시되지 않고 있다. 즉, 마이크로그리드 분야에 쉽게 적용이 가능하며, 민간을 주도로 지속 성장할 수 있도록 경제성 기반의 새로운 시장 구성 및 시장 운영을 위한 시스템이 요청된다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허공보 제10-2015-0136171호(2015.12.07. 공개)에 개시되어 있다.
본 발명은 계통 연계형 마이크로그리드 및 그 외부의 전력시장을 포함하는 신 전력시장에서 경제적 관점에 기반한 전력 거래 메카니즘을 통해 전력 수급을 운영하기 위한 최적의 스케줄을 생성하는 전력 수급 운영 스케줄링 장치 및 방법, 컴퓨터 프로그램을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 전력 수급 운영 스케줄링 장치는, 수요자원(DR: Demand Resource); 및 상기 수요자원에 전력을 각각 공급하는 신재생 에너지원, 에너지저장장치(ESS: Energy Stroage System) 및 분산전원(DG: Distributed Generator)을 포함하는 발전자원;을 포함하는 마이크로그리드(MG: MicroGrid)의 전력 수급을 운영하기 위한 스케줄링 장치로서, 상기 발전자원 각각의 입찰정보를 포함하는 운영 스케줄링 입력정보에, 상기 마이크로그리드의 전력 수급 제약을 충족시키고 상기 발전자원의 발전 비용을 최소화하기 위한 운영 스케줄링 알고리즘을 적용하여, 상기 발전자원 각각의 낙찰정보를 포함하여 상기 마이크로그리드의 전력 수급을 운영하기 위한 운영 스케줄링 결과정보를 산출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 운영 스케줄링 알고리즘은, 상기 운영 스케줄링 입력정보를 기반으로, 상기 마이크로그리드의 전력 수급을 운영하기 위해 요구되는 전력 구매 비용을 최소화하기 위한 목적함수, 및 상기 마이크로그리드의 전력수급 제약조건을 이용하여 상기 운영 스케줄링 결과정보를 산출하도록 설정된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 운영 스케줄링 입력정보는, 상기 신재생 에너지원의 입찰 용량 및 입찰 단가를 포함하는 신재생 에너지원 입찰정보와, 상기 에너지저장장치의 입찰 충방전량 및 입찰 단가를 포함하는 에너지저장장치 입찰정보와, 상기 분산전원의 입찰 용량 및 발전비용함수 정보를 포함하는 분산전원 입찰정보를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 에너지저장장치 입찰정보는 상기 에너지저장장치의 충방전 효율, 최대 저장용량, 최대 허용 SoC(State Of Charge) 및 최소 허용 SoC 정보를 더 포함하고, 상기 분산전원 입찰정보는 상기 분산전원의 최대증발량, 최대감발량, 기동 시간 정보 및 정지 시간 정보를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 운영 스케줄링 결과정보는, 상기 신재생 에너지원의 내부 사용 전력량 및 외부 판매 전력량을 포함하는 신재생 에너지원 낙찰정보와, 상기 에너지저장장치의 충전량, 내부 사용 방전량 및 외부 판매 방전량을 포함하는 에너지저장장치 낙찰정보와, 상기 분산전원의 내부 사용 전력량 및 외부 판매 전력량을 포함하는 분산전원 낙찰정보를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 에너지저장장치 낙찰정보는 상기 에너지저장장치의 SoC 정보를 더 포함하고, 상기 분산전원 낙찰정보는 상기 분산전원의 기동상태 정보 및 가동/정지 여부 정보를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 운영 스케줄링 입력정보는, 인접 마이크로그리드와의 전력 거래 정보, 외부전력구매시장과 외부전력판매시장과의 각 전력 거래 정보, 및 상기 마이크로그리드 내에서의 수요 예측 정보를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 운영 스케줄링 결과정보는, 상기 인접 마이크로그리드로부터의 구매 전력량 및 상기 인접 마이크로그리드로의 판매 전력량을 포함하는 인접 마이크로그리드 전력 거래 정보와, 상기 외부전력구매시장으로부터의 구매 전력량 및 상기 외부전력판매시장으로의 판매 전력량을 포함하는 외부전력시장 전력 거래 정보를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 운영 스케줄링 알고리즘은, 상기 운영 스케줄링 입력정보를 기반으로, 상기 신재생 에너지원으로부터의 전력 구매 비용, 상기 에너지저장장치의 충방전에 따른 비용, 상기 분산전원의 발전비용, 상기 인접 마이크로그리드와의 전력 거래에 따른 비용, 및 상기 외부전력구매시장과 상기 외부전력판매시장과의 각 전력 거래에 따른 비용을 고려하여 상기 마이크로그리드의 전력 수급을 운영하기 위해 요구되는 전력 구매 비용을 최소화하기 위한 목적함수를 이용하여 상기 운영 스케줄링 결과정보를 산출하도록 설정된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 운영 스케줄링 알고리즘은, 상기 신재생 에너지원의 출력 제약을 포함하는 신재생 에너지원 제약조건, 상기 에너지저장장치의 출력 제약을 포함하는 에너지저장장치 제약조건, 상기 분산전원의 출력 제약을 포함하는 분산전원 제약조건, 및 상기 외부전력판매시장과의 전력 거래 제약을 포함하는 외부전력시장 제약조건을 포함하는 상기 전력수급 제약조건을 충족시키는 범위에서 상기 운영 스케줄링 결과정보를 산출하도록 설정된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 에너지저장장치 제약조건은, 상기 에너지저장장치의 충방전 효율, 최대 저장용량, 최소 허용 SoC 및 최대 허용 SoC에 기초하여 설정되는, 상기 에너지저장장치가 허용 SoC 범위에서 운영되도록 하기 위한 허용 SoC 범위 운영 제약을 더 포함하고, 상기 분산전원 제약조건은, 상기 분산전원의 최대증발량 및 최대감발량에 기초하여 설정되는 출력 변동 제약과, 상기 분산전원의 기동 시간 정보 및 정지 시간 정보에 기초하여 설정되는 기동 및 정지 유지 시간 제약을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 외부전력시장 제약조건은, 상기 마이크로그리드에 포함된 상기 발전자원에 의해 생산된 전력 중 잉여전력에 대하여만 상기 인접 마이크로그리드 및 상기 외부전력판매시장으로의 판매를 허용하기 위한 전력 거래 제약인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 운영 스케줄링 결과정보는 상기 마이크로그리드 내의 시장 청산가격인 MG MCP(MicroGrid Market Clearing Price)를 더 포함하고, 상기 신재생 에너지원의 내부 사용 전력량, 상기 에너지저장장치의 내부 사용 방전량, 및 상기 분산전원의 내부 사용 전력량은 상기 MG MCP를 통해 정산되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 신재생 에너지원의 외부 판매 전력량, 상기 외부전력판매시장으로의 판매 전력량은 계통 한계 가격인 SMP(System Marginal Price)를 통해 정산되고, 상기 외부전력구매시장으로부터의 구매 전력량은 상기 외부전력구매시장의 소매요금을 통해 정산되며, 상기 MG MCP는, 상기 SMP 이상이고 상기 소매요금 이하인 가격으로 산출되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 전력 수급 운영 스케줄링 방법은 수요자원(DR: Demand Resource); 및 상기 수요자원에 전력을 각각 공급하는 신재생 에너지원, 에너지저장장치(ESS: Energy Stroage System) 및 분산전원(DG: Distributed Generator)을 포함하는 발전자원;을 포함하는 마이크로그리드(MG: MicroGrid)의 전력 수급을 운영하기 위한 스케줄링 방법으로서, 전력 수급 운영 스케줄링 장치가, 상기 발전자원 각각의 입찰정보를 포함하는 운영 스케줄링 입력정보를 입력받는 단계, 및 상기 전력 수급 운영 스케줄링 장치가, 상기 입력받은 운영 스케줄링 입력정보에, 상기 마이크로그리드의 전력 수급 제약을 충족시키고 상기 발전자원의 발전 비용을 최소화하기 위한 운영 스케줄링 알고리즘을 적용하여, 상기 발전자원 각각의 낙찰정보를 포함하여 상기 마이크로그리드의 전력 수급을 운영하기 위한 운영 스케줄링 결과정보를 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 컴퓨터 프로그램은 하드웨어와 결합되어, 수요자원(DR: Demand Resource); 및 상기 수요자원에 전력을 각각 공급하는 신재생 에너지원, 에너지저장장치(ESS: Energy Stroage System) 및 분산전원(DG: Distributed Generator)을 포함하는 발전자원;을 포함하는 마이크로그리드(MG: MicroGrid)의 전력 수급을 운영하기 위한 컴퓨터 프로그램으로서, 상기 발전자원 각각의 입찰정보를 포함하는 운영 스케줄링 입력정보를 입력받는 단계, 및 상기 입력받은 운영 스케줄링 입력정보에, 상기 마이크로그리드의 전력 수급 제약을 충족시키고 상기 발전자원의 발전 비용을 최소화하기 위한 운영 스케줄링 알고리즘을 적용하여, 상기 발전자원 각각의 낙찰정보를 포함하여 상기 마이크로그리드의 전력 수급을 운영하기 위한 운영 스케줄링 결과정보를 산출하는 단계를 실행시키기 위해 매체에 저장된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 전력 수급 운영 스케줄링 장치 및 방법, 컴퓨터 프로그램에 의하면, 전력 피크상황에서 유연하게 대응하여 보다 안정적인 계통 운영이 가능하고, 송전/배전 운영비용 및 손실비용의 감소, 탄소배출 저감 및 에너지 효율 향상 등의 효과를 기대할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 수급 운영 스케줄링 장치에서 마이크로그리드의 구성을 설명하기 위한 예시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 수급 운영 스케줄링 장치에서 MG MCP를 산출하는 과정을 설명하기 위한 예시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 수급 운영 스케줄링 장치에서 신 전력시장의 구성을 설명하기 위한 예시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 수급 운영 스케줄링 장치에서 MG MCP의 적정 범위를 설명하기 위한 예시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 수급 운영 스케줄링 장치에서 운영 스케줄링 입력정보, 운영 스케줄링 알고리즘 및 운영 스케줄링 결과정보를 설명하기 위한 예시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 수급 운영 스케줄링 장치에서 신재생 에너지원의 정산 과정을 설명하기 위한 예시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 수급 운영 스케줄링 장치에서 에너지저장장치의 구성을 설명하기 위한 예시도이다.
도 8 내지 도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 수급 운영 스케줄링 장치의 적용 예시를 도시한 예시도이다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 수급 운영 스케줄링 장치를 설명하기 위한 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 전력 수급 운영 스케줄링 장치 및 방법, 컴퓨터 프로그램의 일 실시예를 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 수급 운영 스케줄링 장치에서 마이크로그리드의 구성을 설명하기 위한 예시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 수급 운영 스케줄링 장치에서 MG MCP를 산출하는 과정을 설명하기 위한 예시도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 수급 운영 스케줄링 장치에서 신 전력시장의 구성을 설명하기 위한 예시도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 수급 운영 스케줄링 장치에서 MG MCP의 적정 범위를 설명하기 위한 예시도이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 수급 운영 스케줄링 장치에서 운영 스케줄링 입력정보, 운영 스케줄링 알고리즘 및 운영 스케줄링 결과정보를 설명하기 위한 예시도이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 수급 운영 스케줄링 장치에서 신재생 에너지원의 정산 과정을 설명하기 위한 예시도이며, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 수급 운영 스케줄링 장치에서 에너지저장장치의 구성을 설명하기 위한 예시도이다.
우선, 본 실시예의 전제 조건을 명확히 정의한다.
본 실시예는 마이크로그리드가 상위 계통과 연계되어 운전되는 연계운전 상황, 및 마이크로그리드 내에서 전력을 자급하는 독립운전 상황의 두 가지 경우 모두에 적용될 수 있으며, 이하에서는 설명의 편의상 도 1에 도시된 것과 같이 계통 연계형 마이크로그리드의 연계운전 상황을 기반으로 기술하기로 한다.
본 실시예에서 마이크로그리드는 도 1에 도시된 것과 같이 수요자원과, 수요자원에 전력을 공급하는 발전자원을 포함할 수 있으며, 발전자원은 신재생 에너지원, 에너지저장장치(ESS: Energy Storage System) 및 분산전원(DG: Distributed Generator)을 포함할 수 있다. 여기서, 신재생 에너지원은 태양광 발전기, 풍력 발전기 등 자체적으로 발전량을 조절할 수 없는 신재생 전원을 의미하는 것으로 정의하고, 분산전원은 열병합 발전기, 디젤 발전기 등을 포괄하여 원하는 출력을 유지할 수 있는 전원을 의미하는 것으로 정의한다.
마이크로그리드는 하나의 작은 전력시스템으로서, 마이크로그리드 내부의 전력 수급 균형을 유지하고 예비력을 확보하기 위한 제약 조건이 존재하며, 마이크로그리드에 포함된 발전자원 별로 제약 조건 특성이 다르므로, 이러한 제약 조건은 소정의 수식으로 표현되어 경제급전에 반영될 필요성이 있다. 본 실시예에서는 후술할 것과 같이 발전자원의 제약 조건을 전력수급 제약조건을 통해 수학적으로 모델링하여 전력 수급 운영 스케줄링을 수행한다.
본 실시예에서 마이크로그리드 내의 발전자원은 입찰을 통해 전력을 거래하는 것으로 가정하며, 마이크로그리드 내의 수요자원 및 발전자원 각각의 사용량과 발전량에 대한 비용 및 정산금은 마이크로그리드 내의 시장 청산가격인 MG MCP(MicroGrid Market Clearing Price)를 통해 계산된다. 도 2에 도시된 것과 같이 입찰 단가가 낮은 발전자원부터 입찰 용량을 누적하고, 누적 입찰 용량값이 마이크로그리드에서의 수요 예측값과 같아질 때의 발전자원의 입찰 단가를 MG MCP로 결정할 수 있다. 이때, 기본적으로 입찰 단가가 낮은 순으로 낙찰되지만, 후술할 전력수급 제약조건에 의해 그 순서가 변경될 수 있다. 즉, 입찰 단가가 낮은 순으로 낙찰되는 것이 아닌, 후술할 운영 스케줄링 알고리즘에 따라 낙찰된 발전자원 중 입찰 단가가 가장 높은 발전자원이 MG MCP를 결정할 수 있다.
본 실시예에서 신 전력시장은 도 3에 도시된 것과 같이 마이크로그리드, 외부전력판매시장 및 외부전력구매시장을 포괄하는 개념으로 정의한다. 마이크로그리드는 후술할 운영 스케줄링 알고리즘을 통해 산출된 운영 스케줄링 결과정보를 바탕으로 외부전력판매시장 및 외부전력구매시장과도 전력 거래를 수행하게 된다. 이때, 마이크로그리드 내의 전력 부족분은 외부전력구매시장으로부터 소매요금을 기준으로 구매하게 되며, 마이크로그리드 내에서 낙찰받지 못한 잉여전력은 외부전력판매시장의 SMP(System Marginal Price)를 기준으로 판매하게 된다.
전술한 것과 같이 MG MCP를 기반으로 마이크로그리드 내의 발전자원의 정산금과 수요자원의 사용요금이 계산되고, MG MCP에 따라 마이크로그리드가 포함된 신 전력시장 참여자들의 참여 여부와 수익이 결정되기 때문에, 적정 범위의 MG MCP를 유지할 필요성이 있다. 도 4를 참조하면, MG MCP가 SMP보다 낮으면 발전자원은 마이크로그리드 내에서보다 외부전력판매시장으로 전력을 판매하는 경우 수익이 더 크므로 마이크로그리드에서 이탈할 가능성이 있기 때문에 MG MCP는 SMP 이상이어야 하며, MG MCP가 소매요금보다 높으면 수요자원은 마이크로그리드 내에서보다 외부전력구매시장으로부터 전력을 구매하는 경우 지불 비용이 감소하므로 마이크로그리드에서 이탈할 가능성이 있기 때문에 MG MCP는 소매요금 이하이어야 한다. SMP와 소매요금은 계절 및 시간에 따라 변동하지만, 기본적으로 SMP가 소매요금보다 낮은 경향을 취하므로, 결국 MG MCP의 적정 범위는 SMP 이상이고 소매요금 이하인 범위가 된다.
이상에서 설명한 본 실시예의 전제 조건에 기초하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 수급 운영 스케줄링 장치를 구체적으로 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전력 수급 운영 스케줄링 장치는 발전자원 각각의 입찰정보를 포함하는 운영 스케줄링 입력정보에, 마이크로그리드의 전력 수급 제약을 충족시키고 발전자원의 발전 비용을 최소화하기 위한 운영 스케줄링 알고리즘을 적용하여, 발전자원 각각의 낙찰정보를 포함하여 마이크로그리드의 전력 수급을 운영하기 위한 운영 스케줄링 결과정보를 산출할 수 있다. 도 5는 전력 수급 운영 스케줄링 장치가 운영 스케줄링 입력정보 및 운영 스케줄링 알고리즘을 이용하여 운영 스케줄링 결과정보를 산출하는 전체적인 과정을 도시하고 있다.
운영 스케줄링 알고리즘은 후술할 것과 같이 수학적 최적화(Optimization) 기법에 기반하며, 따라서 우선적으로 신 전력시장의 구성요소들을 수학적으로 모델링할 필요성이 있다.
이를 위해, 먼저 마이크로그리드 내의 분산자원의 특성을 간략히 정리하면, 신재생 에너지원은 태양광 발전기 및 풍력 발전기 등 자체적으로 발전량을 조절할 수 없는 특성을 가지며, 분산전원은 열병합 발전기 및 디젤 발전기 등 원하는 출력을 유지할 수 있는 특성을 갖는다. 에너지저장장치는 부하 평준화 및 신재생 에너지원의 출력 안정화 등의 기능을 수행하는 측면에서 마이크로그리드를 포함하는 신 전력시장을 구성하는데 필수적인 자원으로 기능한다. 수요자원은 참여하는 고객의 자원에 따라 산업용, 상업용, 주거용 등 다양한 부하가 포함될 수 있다.
다음으로, 마이크로그리드 외부의 자원의 특성을 간략히 정리하면, 외부전력구매시장은 마이크로그리드 내의 전력 부족분을 구매해 오는 대상 시장을 의미하고, 국내를 예시로서 설명하면 한국전력공사가 될 수 있으며, 마이크로그리드의 수요자원이 가입한 소매 요금제에 따른 소매요금에 따라 전력을 구매할 수 있다. 외부전력판매시장은 마이크로그리드 내에서 낙찰받지 못한 잉여전력을 판매하는 대상 시장을 의미하고, 국내의 경우 추후 개설 예정인 소규모전력중개시장이 될 수 있으며, 계통 한계 가격인 SMP에 따라 전력을 판매할 수 있다.
이하에서는 전력 수급 운영 스케줄링 장치의 운영 스케줄링 알고리즘을 목적함수 및 제약조건을 중심으로 구체적으로 설명한다.
본 실시예의 운영 스케줄링 알고리즘은 운영 스케줄링 입력정보를 기반으로, 마이크로그리드의 전력 수급을 운영하기 위해 요구되는 전력 구매 비용을 최소화하기 위한 목적함수, 및 마이크로그리드의 전력수급 제약조건을 이용하여 운영 스케줄링 결과정보를 산출하도록 전력 수급 운영 스케줄링 장치에 설정되어 있을 수 있다.
여기서, 운영 스케줄링 입력정보는 신재생 에너지원의 입찰 용량(PRi,t) 및 입찰 단가(CRi,t)를 포함하는 신재생 에너지원 입찰정보와, 에너지저장장치의 입찰 충방전량(PEj,t) 및 입찰 단가(CEj,t)를 포함하는 에너지저장장치 입찰정보와, 분산전원의 입찰 용량(PGk,t) 및 발전비용함수 정보(Ak, Bk, Ck)를 포함하는 분산전원 입찰정보를 포함할 수 있다.
이때, 에너지저장장치 입찰정보는 에너지저장장치의 충방전 효율(ηj), 최대 저장용량(Capmax,j), 최소 허용 SoC(State of Charge, SoCmin,j), 및 최대 허용 SoC(SoCmax,j)를 더 포함할 수 있고, 분산전원 입찰정보는 분산전원의 최대증발량(RUk)과 최대감발량(RDk), 기동 시간 정보(MUTK, LUk) 및 정지 시간 정보(MDTK, LDk)를 더 포함할 수 있다.
먼저, 신재생 에너지원 입찰정보에 대하여 설명하면, 전력 수급 운영 스케줄링 장치는 하기 표 1과 같이 수학적으로 모델링된 신재생 에너지원 입찰정보를 입력받을 수 있다.
항목 단위 설명
PRi,t kW 신재생 에너지원 i의 시간 t에서의 입찰 용량
CRi,t 원/kWh 신재생 에너지원 i의 시간 t에서의 입찰 단가
신재생 에너지원에 의해 발전된 전력은 도 6에 도시된 것과 같이 마이크로그리드 내부에서 사용되는 양과 외부로 판매하는 양으로 구분할 수 있으며, 신재생 에너지원의 입찰량 중 낙찰된 양은 마이크로그리드 내부에서 사용되며 MG MCP에 따라 정산되고, 낙찰되지 못한 양은 외부전력판매시장으로 SMP에 따라 판매된다.
다음으로, 에너지저장장치 입찰정보에 대하여 설명하면, 전력 수급 운영 스케줄링 장치는 하기 표 2와 같이 수학적으로 모델링된 에너지저장장치 입찰정보를 입력받을 수 있다.
항목 단위 설명
PEj,t kW 에너지저장장치 j 의 시간 t에서의 입찰 충방전량
CEj,t 원/kWh 에너지저장장치 j 의 시간 t에서의 입찰 단가
ηj % 에너지저장장치 j 의 시간 t에서의 충방전 효율
Capmax,j kWh 에너지저장장치 j 의 시간 t에서의 최대 저장용량
SoCmin,j % 에너지저장장치 j 의 시간 t에서의 최소 허용 SOC
SoCmax,j % 에너지저장장치 j 의 시간 t에서의 최대 허용 SOC
에너지저장장치는 도 7에 도시된 것과 같이 에너지를 저장하는 배터리와 전력의 출입을 담당하는 PCS(Power Conditioning System)로 구성되어 있다.
에너지저장장치는 충방전 수행 시 조류의 흐름이 반대 방향을 향하므로, 본 실시예에서는 부호를 사용하여 충전 및 방전 상태임을 명시한다(충전 시: PEj,t > 0, 방전 시: PEj,t < 0). 또한, 에너지저장장치의 경우 방전에 대한 단가만을 입찰하게 되며, 충전 시 비용은 외부전력구매시장의 소매요금에 준하여 계산된다. 또한, 에너지저장장치의 경우, 충전 시 부하로 취급되어 후술할 것과 같이 전력수급 제약조건의 수요항에 추가되며, 방전 시 발전자원으로 취급되어 전력수급 제약조건의 공급항에 추가된다. 또한, 계통 외부 판매를 고려할 시, 에너지저장장치의 방전량은 신재생 에너지원의 발전량과 마찬가지로 내부 소비량과 외부 판매량으로 분리될 수 있다. 나아가, 에너지저장장치의 배터리에 남아있는 에너지의 잔량은 SoC(State of Charge)로 나타내며, 충전량에 대하여 선형적으로 증가하는 모델이 사용될 수 있는데, 이 때 PCS의 충방전 효율이 고려되기 때문에 충전량과 방전량은 하나의 변수가 아닌 각각의 다른 변수로 모델링되어야 하며, 에너지저장장치의 안전한 작동을 위해서 에너지저장장치는 허용 SoC 범위 내에서 운용되어 한다. 상기 표 2는 전술한 내용을 수학적으로 모델링한 결과를 나타낸다.
다음으로, 분산전원의 입찰정보에 대하여 설명하면, 전력 수급 운영 스케줄링 장치는 하기 표 3과 같이 수학적으로 모델링된 에너지저장장치 입찰정보를 입력받을 수 있다.
항목 단위 설명
PGk,t kW 분산전원 k의 시간 t에서의 입찰 용량
Ak 원/kW2 분산전원 k의 발전비용함수의 2차항 계수
Bk 원/kW 분산전원 k의 발전비용함수의 1차항 계수
Ck 원 분산전원 k의 발전비용함수의 상수항
RUk kW/min 분산전원 k의 최대증발량
RDk kW/min 분산전원 k의 최대감발량
MUTK hour 분산전원 k의 최소기동시간
MDTK hour 분산전원 k의 최소정지시간
LUk hour 분산전원 k가 마지막으로 기동상태를 유지한 시간
LDk hour 분산전원 k가 마지막으로 정지상태를 유지한 시간
분산전원의 경우, 발전량과 관계없이 일정한 단가를 적용하는 타 발전자원과 달리, 2차항으로 구성된 발전비용함수를 사용하며, 이에 따라 발전량에 따라 한계비용이 변화되며, 각 항의 계수를 조절하여 발전비용함수를 1차 함수 또는 상수함수로 변경할 수 있다.
또한, 분산전원의 경우 일반적인 모델을 차용하며, 이에 따라 증감발량 제약(출력 변동 제약)과, 최소기동시간 및 최소정지시간 제약(기동 및 정지 유지 시간 제약)이 후술할 분산전원 제약조건에 반영된다.
여기서, 증발량은 발전기의 출력이 1분간 증가한 양을 나타내며, 최대증발량은 이 값의 최대값을 나타낸다. 감발량은 발전기의 출력이 1분간 감소한 양을 나타내며, 최대감발량은 이 값의 최대값을 나타낸다. 최소정지시간은 발전기가 기동 중 정지하였을 때, 다시 기동하기 전까지 정지 상태를 유지해야 하는 최소 시간을 의미하고, 최소 기동시간은 발전기가 정지 중 기동하였을 때, 다시 정지하기 전까지 기동 상태를 유지해야 하는 최소 시간을 의미한다. 또한, 초기 기동여부를 결정하기 위해 마지막으로 기동을 유지했던 시간(LUk)과 정지를 유지했던 시간(LDk)이 입력되며, LUk와 LDk는 어느 하나의 값이 0 이상의 값을 가질 경우 다른 하나의 값은 0의 값이 되어야 한다. 또한, 계통 외부 판매를 고려할 시, 분산전원의 발전량은 신재생 에너지원의 발전량과 마찬가지로 내부 소비량과 외부 판매량으로 분리될 수 있다. 상기 표 3은 전술한 내용을 수학적으로 모델링한 결과를 나타낸다.
한편, 운영 스케줄링 입력정보는, 인접 마이크로그리드와의 전력 거래 정보(CBMGl,t, PBMGl,t, CSMGl,t, PSMGl,t), 외부전력구매시장과 외부전력판매시장과의 각 전력 거래 정보(RtlPt, SMPt), 및 마이크로그리드 내에서의 수요 예측 정보(Loadt)를 더 포함할 수 있다. 이에 따라 전력 수급 운영 스케줄링 장치는 하기 표 4와 같이 수학적으로 모델링된 입력정보를 입력받을 수 있다.
항목 단위 설명
CBMGl,t 원/kWh 인접 마이크로그리드 l의 시간별 전력구매 단가
PBMGl,t kW 인접 마이크로그리드 l의 시간별 전력구매 한계량
CSMGl,t 원/kWh 인접 마이크로그리드 l의 시간별 전력판매 단가
PSMGl,t kW 인접 마이크로그리드 l의 시간별 전력판매 한계량
SMPt 원/kWh 시간 t에서의 SMP 예측값
RtlPt 원/kWh 시간 t에서의 소매요금
Loadt kW 시간 t에서의 수요 예측값
전술한 운영 스케줄링 입력정보를 토대로, 전력 수급 운영 스케줄링 장치는 마이크로그리드의 전력 수급을 운영하기 위한 운영 스케줄링 결과정보를 산출할 수 있다.
운영 스케줄링 결과정보에 대하여 구체적으로 설명하면, 운영 스케줄링 결과정보는, 신재생 에너지원의 내부 사용 전력량(P_RIi,t) 및 외부 판매 전력량(P_REi,t)을 포함하는 신재생 에너지원 낙찰정보와, 에너지저장장치의 충전량(P_ECj,t), 내부 사용 방전량(P_EDIj,t) 및 외부 판매 방전량(P_EDEj,t)을 포함하는 에너지저장장치 낙찰정보와, 분산전원의 내부 사용 전력량(P_GIk,t) 및 외부 판매 전력량(P_GEk,t)을 포함하는 분산전원 낙찰정보를 포함할 수 있다.
여기서, 에너지저장장치 낙찰정보는 에너지저장장치의 SoC 정보(SoCj,t)를 더 포함하고, 분산전원 낙찰정보는 분산전원의 기동상태 정보(uk,t) 및 가동/정지 여부 정보(duk,t, udk,t)를 더 포함할 수 있다.
또한, 운영 스케줄링 결과정보는, 인접 마이크로그리드로부터의 구매 전력량(P_buyMGl,t) 및 인접 마이크로그리드로의 판매 전력량(P_sellMGl,t)을 포함하는 인접 마이크로그리드 전력 거래 정보와, 외부전력구매시장으로부터의 구매 전력량(P_buyRt) 및 외부전력판매시장으로의 판매 전력량(P_sellWt)을 포함하는 외부전력시장 전력 거래 정보를 더 포함할 수도 있다.
전술한 운영 스케줄링 결과정보를 수학적으로 모델링하여 정리하면 하기 표 5와 같다.
항목 단위 설명
P_RIi,t kW 신재생 에너지원 i의 시간별 내부 사용 전력량
P_REi,t kW 신재생 에너지원 i의 시간별 외부 판매 전력량
P_ECj,t kW 에너지저장장치 j의 시간별 충전량
P_EDIj,t kW 에너지저장장치 j의 방전량 중 내부 사용 전력량
P_EDEj,t kW 에너지저장장치 j의 방전량 중 외부 판매 전력량
SoCj,t % 에너지저장장치 j의 시간별 SoC
P_GIk,t kW 분산전원 k의 시간별 내부 사용 전력량
P_GEk,t kW 분산전원 k의 시간별 외부 판매 전력량
uk,t 분산전원 k의 시간별 기동상태
duk,t 분산전원 k의 시간별 가동 여부
(정지중이던 발전기가 시간 t에서 기동할 때만 1)
udk,t 분산전원 k의 시간별 정지 여부
(기동중이던 발전기가 시간 t에서 정지할 때만 1)
P_buyRt kW 시간별 외부전력구매시장으로부터의 구매 전력량
P_sellWt kW 시간별 외부전력판매시장으로의 판매 전력량
P_buyMGl,t kW 인접 마이크로그리드 l로부터의 시간별 구매 전력량
P_sellMGl,t kW 인접 마이크로그리드 l로의 판매 전력량
전력 수급 운영 스케줄링 장치는, 운영 스케줄링 입력정보에 운영 스케줄링 알고리즘을 적용하여 표 5와 같은 운영 스케줄링 결과정보를 산출할 수 있다. 이때, 운영 스케줄링 알고리즘은 전술한 것과 같이 수학적 최적화 기법을 사용할 수 있으며, 운영 스케줄링 알고리즘은 향후 24시간에 대하여 1시간 단위 스케줄 수립을 목적으로 한다.
먼저, 운영 스케줄링 알고리즘의 목적함수를 구체적으로 설명한다.
운영 스케줄링 알고리즘은, 운영 스케줄링 입력정보를 기반으로, 신재생 에너지원으로부터의 전력 구매 비용, 에너지저장장치의 충방전에 따른 비용, 분산전원의 발전비용, 인접 마이크로그리드와의 전력 거래에 따른 비용, 및 외부전력구매시장과 외부전력판매시장과의 각 전력 거래에 따른 비용을 고려하여 마이크로그리드의 전력 수급을 운영하기 위해 요구되는 전력 구매 비용을 최소화하기 위한(즉, 마이크로그리드 운영자의 전력 구매 비용을 최소화하기 위한) 목적함수를 이용하여 운영 스케줄링 결과정보를 산출하도록 설정될 수 있다. 목적함수를 수식으로 표현하면 하기 수학식 1과 같다.
Figure 112017102620766-pat00001
수학식 1에서, 신재생 에너지원으로부터의 전력 구매 비용에 관한 텀(
Figure 112017102620766-pat00002
)을 설명하면, 신재생 에너지원의 입찰 단가에 신재생 에너지원의 내부 사용 전력량을 곱하여 계산하며, 외부 판매 전력량의 경우, 신 전력시장을 거치지 않고 외부전력판매시장에 직접 판매하는 것을 가정하였으므로 목적함수에 반영하지 않는다.
다음으로, 수학식 1에서 에너지저장장치의 충방전에 따른 비용에 관한 텀(
Figure 112017102620766-pat00003
)을 설명하면, 에너지저장장치의 충전은 에너지저장장치가 부하로서 신 전력시장에서 전력을 구매하는 경우이므로 (-) 부호를 취하여 전체 전력 구매 비용을 감소시키는 효과를 나타내고, 방전 시 마이크로그리드 운영자의 전력 구매 비용은 에너지저장장치의 입찰 단가에 방전량을 곱하여 계산한다. 이때, 에너지저장장치의 방전량은 내부 사용 방전량 및 외부 판매 방전량으로 구분되나, 신재생 에너지원의 경우와는 달리 마이크로그리드가 운영자가 구매하여 외부에 판매하는 방식을 가정하였으므로 목적함수에 외부 판매 방전량을 반영한다.
다음으로, 수학식 1에서 분산전원의 발전비용에 관한 텀(
Figure 112017102620766-pat00004
)을 설명하면, 분산전원의 발전비용에 관한 텀에서 fk함수는 하기 수학식 2와 같이 표현된다.
Figure 112017102620766-pat00005
다음으로, 수학식 1에서 인접 마이크로그리드와의 전력 거래에 따른 비용에 관한 텀을 설명하면, 인접 마이크로그리드에서 전력을 구매할 경우 전력 구매 비용이 증가하고, 인접 마이크로그리드에 전력을 판매할 경우 전력 판매 수입이 발생하므로 전체 목적함수에서 해당 수입을 차감한다.
다음으로, 수학식 1에서 외부전력구매시장과 외부전력판매시장과의 각 전력 거래에 따른 비용에 관한 텀(
Figure 112017102620766-pat00006
)을 설명하면, 외부전력구매시장으로부터 전력을 구매할 경우 소매요금에 준하여 전력을 구매하고, 외부전력판매시장에 전력을 판매할 경우 SMP에 준하여 전력을 판매한다.
운영 스케줄링 알고리즘의 전력수급 제약조건을 구체적으로 설명한다.
운영 스케줄링 알고리즘은, 신재생 에너지원의 출력 제약을 포함하는 신재생 에너지원 제약조건, 에너지저장장치의 출력 제약을 포함하는 에너지저장장치 제약조건, 분산전원의 출력 제약을 포함하는 분산전원 제약조건, 및 외부전력판매시장과의 전력 거래 제약을 포함하는 외부전력시장 제약조건을 포함하는 전력수급 제약조건을 충족시키는 범위에서 운영 스케줄링 결과정보를 산출하도록 설정될 수 있다.
먼저, 신재생 에너지원 제약조건을 설명하면, 신재생 에너지원의 출력 제약을 수식으로 표현하면 하기 수학식 3과 같다.
Figure 112017102620766-pat00007
구체적으로, 신재생 에너지원은 시간별로 일정한 입찰 단가로 입찰하므로 입찰량 전량이 마이크로그리드 내부에서 사용되거나 전량이 외부로 판매될 것으로 예상되어, 본 실시예에서는 신재생 에너지원의 내부 사용 전력량과 외부 판매 전력량의 합은 신재생 에너지원의 입찰 용량과 같다는 제약 조건을 채용한다.
다음으로, 에너지저장장치 제약조건을 설명하면, 에너지저장장치의 출력 제약을 수식으로 표현하면 하기 수학식 4 및 수학식 5와 같다.
Figure 112017102620766-pat00008
Figure 112017102620766-pat00009
구체적으로, PEj,t < 0 인 경우, 에너지저장장치가 충전 스케줄을 입찰한 경우이며 수학식 4를 적용하고, PEj,t > 0 인 경우, 에너지저장장치가 방전 스케줄을 입찰한 경우이며 수학식 5를 적용한다. 즉, 수학식 4 및 5는 PEj,t의 부호에 따라 상보적으로 적용된다. 수학식 4 및 5는 에너지저장장치의 충전 및 방전량은 입찰된 스케줄 내에서 결정되어야 함을 의미하며, 이때 에너지저장장치의 입찰 충방전량은 에너지저장장치의 한계를 넘지 않는 범위에서 입찰함을 가정한다.
한편, 마이크로그리드 내의 에너지 공급 상태에 따라 에너지저장장치가 입찰한 스케줄 중 일부만 충전되거나 방전될 수도 있으며, 이 경우 에너지저장장치의 SoC가 허용 SoC 범위 내에 존재하는 것을 보장할 수 없는 문제가 발생할 수 있으므로, 본 실시예에서 에너지저장장치 제약조건은 에너지저장장치의 충방전 효율, 최대 저장용량, 최소 허용 SoC 및 최대 허용 SoC에 기초하여 설정되는, 에너지저장장치가 허용 SoC 범위에서 운영되도록 하기 위한 허용 SoC 범위 운영 제약을 더 포함할 수 있다. 허용 SoC 범위 운영 제약을 수식으로 표현하면 하기 수학식 6 내지 9과 같다.
Figure 112017102620766-pat00010
Figure 112017102620766-pat00011
Figure 112017102620766-pat00012
Figure 112017102620766-pat00013
수학식 6은 에너지저장장치의 충방전량과 SoC와의 관계를 정의하고 있다. 즉, SoC는 이전 시간의 SoC와 해당 시간의 충방전량에 따라 계산된다(SoC는 출입전력과 시간의 곱으로 계산되어야 하지만, 본 실시예에서는 1시간 단위의 스케줄링을 가정하였으므로 시간텀을 고려하지 않았다). 수학식 7 및 8은 수학식 6에 따른 SoCj,t가 입찰 시 제공된 최소 허용 SoC 및 최대 허용 SoC 범위 내에에서 유지되어 함을 나타내고 있다. 수학식 9는 스케줄링 종료시간의 SoC가 최소 SoC로 유지되는 제약 조건을 의미하며, 수학식 9에 따라 에너지저장장치로부터 충전 비용만 받고 사용하지 않는 경우를 방지할 수 있다.
다음으로, 분산전원 제약조건을 설명하면, 분산전원의 출력 제약을 수식으로 표현하면 하기 수학식 10과 같다.
Figure 112017102620766-pat00014
분산전원의 발전량은 내부 사용 전력량 및 외부 판매 전력량으로 구분되며, 그 합은 입찰 용량보다 작아야 한다. 또한, 분산전원이 가동 중일 경우, 발전량이 0보다 커지기 위해 우변의 uk,t는 1이 되어야 하며, 이를 통해 발전기의 기동 상태를 나타낼 수 있다.
한편, 분산전원의 정지 상태 시 수학식 10은
Figure 112017102620766-pat00015
가 되며, 수식 상 uk,t는 0과 1의 값 중 어느 값을 가져도 문제가 되지 않으므로, 이러한 상황을 방지하기 위해 하기 수학식 11과 같은 제약 조건이 추가될 수 있다.
Figure 112017102620766-pat00016
수학식 11에 따라 분산전원에 의해 발전량이 발생할 경우 uk,t가 반드시 1이 될 수 있으며, 이를 위해 수학식 11의 ε은 분산전원의 기동 상태 결정에 영향을 미치지 못할 정도의 작은 값을 갖는 상수로 설정될 수 있다.
한편, 분산전원 제약조건은, 분산전원의 최대증발량과 최대감발량에 기초하여 설정되는 출력 변동 제약과, 분산전원의 기동 시간 정보 및 정지 시간 정보에 기초하여 설정되는 기동 및 정지 유지 시간 제약을 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 분산전원의 시긴당 출력 변동 폭에는 한계가 존재하며, 최대증발량은 분당 발전량 증가량의 한계를 의미하고, 최대감발량은 분당 발전량 감소량의 한계를 의미한다. 이에 기초하여 출력 변동 제약을 수식으로 표현하면 하기 수학식 12 및 13과 같다.
Figure 112017102620766-pat00017
Figure 112017102620766-pat00018
수학식 12는 현재 시간의 발전량과 이전 시간의 발전량의 차는 최대증발량 이하여야 함을 의미하고, 수학식 13은 이전 시간의 발전량과 현재 시간의 발전량의 차는 최대감발량 이하여야 함을 의미한다.
또한, 분선전원은 정지 상태에서 기동 상태로 상태가 변화하면 일정 시간 동안은 다시 정지할 수 없고 기동 상태가 유지되어야 하며, 최소 기동 시간은 기동 상태가 유지되어야 하는 최소한의 시간을 의미한다. 이에 따른 기동 유지 시간 제약을 수식으로 표현하면 수학식 14와 같다.
Figure 112017102620766-pat00019
수학식 14의 좌변은 분산전원이 정지하려는 시간 직전부터 최소 기동 시간 동안 분산전원의 기동 상태를 나타내는 변수를 합친 값으로서, 정지 전에 기동하였던 시간의 합과 같다. 이 합이 최소 기동 시간 이상이어야 udk,t가 1이 될 수 있으며, 이는 결국 최소 기동 시간 - 1 시간 전부터 1시간 전까지 기동상태를 유지하고 있었을 경우에만 분산전원이 정지할 수 있음을 의미한다.
마찬가지로, 분선전원은 기동 상태에서 저지 상태로 상태가 변화하면 일정 시간 동안은 다시 기동할 수 없고 정지 상태가 유지되어야 하며, 최소 정지 시간은 정지 상태가 유지되어야 하는 최소한의 시간을 의미한다. 이에 따른 정지 유지 시간 제약을 수식으로 표현하면 수학식 15와 같다.
Figure 112017102620766-pat00020
수학식 15의 좌변은 분산전원이 기동하려는 시간 직전부터 최소 정지 시간 동안의 (1 - 분산전원의 기동상태를 나타내는 변수)를 합친 값으로서, 기동 전에 정지하였던 시간의 합과 같다. 이 합이 최소 정지 시간 이상이어야 duk,t가 1이 될 수 있으며, 이는 결국 최소 정지 시간 - 1 시간 전부터 1시간 전까지 정지상태를 유지하고 있었을 경우에만 분산전원이 기동할 수 있음을 의미한다.
한편, 본 실시예에서 전력수급 제약조건에 포함되는 외부전력시장 제약조건은, 마이크로그리드에 포함된 발전자원에 의해 생산된 전력 중 잉여전력에 대하여만 인접 마이크로그리드 및 외부전력판매시장으로의 판매를 허용하기 위한 전력 거래 제약을 의미한다.
구체적으로, 경제급전 및 발전기기동정지계획 문제에 쓰이는 일반적인 전력수급 제약을 사용할 경우, 외부전력구매시장에서 구매한 전기를 다시 외부전력판매시장에 판매하는 문제가 발생할 수 있다. 이를테면, 외부전력구매시장의 소매요금제도 상 경부하시간대에는 SMP보다 소매요금이 낮으므로 문제가 발생할 수 있으며, 외부전력구매시장으로부터의 전력 구매량 및 외부전력판매시장으로의 전력 판매량을 제한하지 않을 경우, 본 실시예의 신 전력시장의 운영 스케줄링이 정상적으로 수행될 수 없는 문제가 발생할 수 있다.
따라서, 본 실시예는 전력 거래 제약을 전력수급 제약조건에 추가하여 전술한 문제점을 방지하는 구성을 채용한다. 구체적으로, 마이크로그리드 내의 전체 발전량 중 내부 사용 전력량은 마이크로그리드 내의 수요자원에 공급되는 전력량을 의미하고, 내부 사용 전력량 및 외부 구매 전력량의 총합은 마이크로그리드 내의 수요전력량의 총합과 같아야 한다. 여기서, 외부 구매 전력량은 외부전력구매시장으로부터의 구매 전력량과 인접 마이크로그리드로부터의 구매 전력량의 합을 의미한다. 전술한 내용을 수식으로 표현하면 하기 수학식 16과 같다.
Figure 112017102620766-pat00021
즉, 수학식 16은 마이크로그리드 내 전력 수급조건을 의미한다.
또한, 외부전력판매시장 및 인접 마이크로그리드로의 각 판매 전력량은 마이크로그리드 내의 전체 발전량 중 외부 판매량의 총합과 같아야 하며, 이를 수식으로 표현하면 하기 수학식 17과 같다.
Figure 112017102620766-pat00022
즉, 수학식 17은 외부전력 판매량 제약을 의미한다.
한편, 낙찰받지 못한 신재생 에너지원의 발전량은 마이크로그리드 운영자의 중개를 거치지 않고 직접 외부전력판매시장으로 판매함을 가정하므로 수학식 17에 반영하지 않는다.
전술한 운영 스케줄링 입력정보, 운영 스케줄링 결과정보, 목적함수 및 전력수급 제약조건을 정리하면 하기와 같다.
1. 운영 스케줄링 입력정보 및 운영 스케줄링 결과정보
항목 운영 스케줄링 입력정보 운영 스케줄링 결과정보
신재생 에너지원 PRi,t, CRi,t P_RIi,t, P_REi,t
에너지저장장치 PEj,t, CEj,t, ηj, Capmax,j, SoCmin,j, SoCmax,j P_ECj,t, P_EDIj,t, P_EDEj,t, SoCj,t
분산전원 PGk,t, Ak, Bk, Ck, RUk, RDk, MUTK, MDTK, LUk, LDk P_GIk,t, P_GEk,t, uk,t, duk,t, udk,t
외부 구성요소 CBMGl,t, PBMGl,t, CSMGl,t, PSMGl,t, SMPt, RtlPt, Loadt P_buyRt, P_sellWt, P_buyMGl,t, P_sellMGl,t
2. 목적함수
Figure 112017102620766-pat00023
3. 전력수급 제약조건
① 신재생 에너지원 제약조건(신재생 에너지원 출력 제약)
Figure 112017102620766-pat00024
② 에너지저장장치 제약조건
a. 에너지저장장치 출력 제약
Figure 112017102620766-pat00025
b. 허용 SoC 범위 운영 제약
Figure 112017102620766-pat00026
Figure 112017102620766-pat00027
③ 분산전원 제약조건
a. 분산전원 출력 제약
Figure 112017102620766-pat00028
b. 출력 변동 제약
Figure 112017102620766-pat00029
c. 기동 및 정지 유지 시간 제약
Figure 112017102620766-pat00030
④ 외부전력시장 제약조건
a. 마이크로그리드 내 전력 수급조건
Figure 112017102620766-pat00031
b. 외부전력 판매량 제약
Figure 112017102620766-pat00032
도 8 내지 도 17은 본 실시예에 따른 전력 수급 운영 스케줄링 장치를 적용하여 신 전력시장의 전력 수급을 운영하기 위한 스케줄링을 수행하는 예시를 도시하고 있다. 도 8 내지 도 17에 도시된 예시에 적용된 조건을 기술하면 하기와 같다.
마이크로그리드 내의 발전자원은 신재생 에너지원 발전기 1기, 에너지저장장치 1기, 분산자원 발전기 1기로 구성됨을 가정하였다. 신재생 에너지원 발전기는 태양광 발전기의 패턴을 차용하여 최대 12.5MW의 발전 용량을 갖는 것으로 가정하였고, 에너지저장장치는 5MW/10MWh의 용량을 갖는 것으로 가정하였다. 분산전원 발전기는 열병합 발전기의 일종으로 가정하여, 소규모 자원인 점을 고려하여 최소 기동 시간 및 최소 정지 시간은 1시간 미만인 것으로 가정하였다. MUT 및 MDT와 LUk 및 LDk는 모두 0으로 설정하였으며, 증감발 속도가 충분하여 한 시간 내에 최대 출력까지 도달할 수 있는 것으로 가정하여, 증감발량을 매우 큰 수로 설정하였다.
도 8은 신재생 에너지원 입찰정보의 예시를 도시하고 있고, 도 9는 에너지저장장치 입찰정보의 예시를 도시하고 있으며(CEt는 100원/kWh로 가정), 도 10은 분산전원 입찰정보의 예시를 도시하고 있다. 또한, 도 11은 외부전력구매시장과의 전력 거래 정보(즉, 소매요금, 산업용(을) 고압B 선택Ⅱ 요즘제(봄, 가을철 요금제 적용))를 도시하고 있고, 도 12는 외부전력판매시장과의 전력 거래 정보(즉, SMP)를 도시하고 있으며, 도 13은 마이크로그리드 내에서의 수요 예측 정보를 도시하고 있다. 도 14 및 도 15는 도 8 내지 도 13에 도시된 운영 스케줄링 입찰정보를 기반으로 각각 시간별 수요 및 총 입찰 총량과, 소매요금 및 SMP 간의 비교 결과를 도시하고 있다. 도 16 및 도 17은 각각 전술한 예시에서 운영 스케줄링 입력정보 및 운영 스케줄링 결과정보를 정리한 결과를 도시하고 있다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 수급 운영 스케줄링 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 18을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 수급 운영 스케줄링 방법을 설명하면, 먼저 전력 수급 운영 스케줄링 장치는 발전자원 각각의 입찰정보를 포함하는 운영 스케줄링 입력정보를 입력받는다(S10).
이어서, 전력 수급 운영 스케줄링 장치는 S10 단계에서 입력받은 운영 스케줄링 입력정보에, 마이크로그리드의 전력 수급 제약을 충족시키고 발전자원의 발전 비용을 최소화하기 위한 운영 스케줄링 알고리즘을 적용하여, 발전자원 각각의 낙찰정보를 포함하여 마이크로그리드의 전력 수급을 운영하기 위한 운영 스케줄링 결과정보를 산출한다(S20).
한편, 본 실시예에 따른 전력 수급 운영 스케줄링 방법은 하드웨어와 결합되어 S10 단계 및 S20 단계를 실행시키기 위한 컴퓨터 프로그램으로 작성될 수 있으며, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 저장되어 상기 컴퓨터 프로그램을 동작시키는 범용 디지털 컴퓨터에서 구현될 수 있다. 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크 및 광 데이터 저장장치 등이 있다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산 방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수도 있다.
이와 같이 본 실시예는 전력 피크상황에서 유연하게 대응하여 보다 안정적인 계통 운영이 가능하고, 송전/배전 운영비용 및 손실비용의 감소, 탄소배출 저감 및 에너지 효율 향상 등의 효과를 기대할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 기술이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 정해져야할 것이다.

Claims (16)

  1. 수요자원(DR: Demand Resource); 및 상기 수요자원에 전력을 각각 공급하는 신재생 에너지원, 에너지저장장치(ESS: Energy Stroage System) 및 분산전원(DG: Distributed Generator)을 포함하는 발전자원;을 포함하는 마이크로그리드(MG: MicroGrid)의 전력 수급을 운영하기 위한 스케줄링 장치로서,
    상기 발전자원 각각의 입찰정보를 포함하는 운영 스케줄링 입력정보에, 상기 마이크로그리드의 전력 수급 제약을 충족시키고 상기 발전자원의 발전 비용을 최소화하기 위한 운영 스케줄링 알고리즘을 적용하여, 상기 발전자원 각각의 낙찰정보를 포함하여 상기 마이크로그리드의 전력 수급을 운영하기 위한 운영 스케줄링 결과정보를 산출하되,
    상기 운영 스케줄링 결과정보는, 상기 신재생 에너지원의 내부 사용 전력량 및 외부 판매 전력량을 포함하는 신재생 에너지원 낙찰정보와, 상기 에너지저장장치의 내부 사용 방전량을 포함하는 에너지저장장치 낙찰정보와, 상기 분산전원의 내부 사용 전력량을 포함하는 분산전원 낙찰정보를 포함하고,
    상기 운영 스케줄링 결과정보는, 외부전력구매시장으로부터의 구매 전력량 및 외부전력판매시장으로의 판매 전력량을 포함하는 외부전력시장 전력 거래 정보를 더 포함하고,
    상기 운영 스케줄링 결과정보는 상기 마이크로그리드 내의 시장 청산가격인 MG MCP(MicroGrid Market Clearing Price)를 더 포함하고,
    상기 신재생 에너지원의 내부 사용 전력량, 상기 에너지저장장치의 내부 사용 방전량, 및 상기 분산전원의 내부 사용 전력량은 상기 MG MCP를 통해 정산되고,
    상기 신재생 에너지원의 외부 판매 전력량, 및 상기 외부전력판매시장으로의 판매 전력량은 계통 한계 가격인 SMP(System Marginal Price)를 통해 정산되고,
    상기 외부전력구매시장으로부터의 구매 전력량은 상기 외부전력구매시장의 소매요금을 통해 정산되며,
    상기 MG MCP가 상기 SMP 이상이고 상기 소매요금 이하의 가격인 조건이 상기 마이크로그리드로부터 상기 발전자원의 이탈을 방지하기 위한 조건으로서 결정되는 것을 특징으로 하는 전력 수급 운영 스케줄링 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 운영 스케줄링 알고리즘은, 상기 운영 스케줄링 입력정보를 기반으로, 상기 마이크로그리드의 전력 수급을 운영하기 위해 요구되는 전력 구매 비용을 최소화하기 위한 목적함수, 및 상기 마이크로그리드의 전력수급 제약조건을 이용하여 상기 운영 스케줄링 결과정보를 산출하도록 설정된 것을 특징으로 하는 전력 수급 운영 스케줄링 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 운영 스케줄링 입력정보는, 상기 신재생 에너지원의 입찰 용량 및 입찰 단가를 포함하는 신재생 에너지원 입찰정보와, 상기 에너지저장장치의 입찰 충방전량 및 입찰 단가를 포함하는 에너지저장장치 입찰정보와, 상기 분산전원의 입찰 용량 및 발전비용함수 정보를 포함하는 분산전원 입찰정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 수급 운영 스케줄링 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 에너지저장장치 입찰정보는 상기 에너지저장장치의 충방전 효율, 최대 저장용량, 최대 허용 SoC(State Of Charge) 및 최소 허용 SoC 정보를 더 포함하고, 상기 분산전원 입찰정보는 상기 분산전원의 최대증발량, 최대감발량, 기동 시간 정보 및 정지 시간 정보를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 수급 운영 스케줄링 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 에너지저장장치 낙찰정보는 상기 에너지저장장치의 충전량 및 외부 판매 방전량을 더 포함하고, 상기 분산전원 낙찰정보는 상기 분산전원의 외부 판매 전력량을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 수급 운영 스케줄링 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 에너지저장장치 낙찰정보는 상기 에너지저장장치의 SoC 정보를 더 포함하고, 상기 분산전원 낙찰정보는 상기 분산전원의 기동상태 정보 및 가동/정지 여부 정보를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 수급 운영 스케줄링 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 운영 스케줄링 입력정보는, 인접 마이크로그리드와의 전력 거래 정보, 상기 외부전력구매시장과 상기 외부전력판매시장과의 각 전력 거래 정보, 및 상기 마이크로그리드 내에서의 수요 예측 정보를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 수급 운영 스케줄링 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 운영 스케줄링 결과정보는, 상기 인접 마이크로그리드로부터의 구매 전력량 및 상기 인접 마이크로그리드로의 판매 전력량을 포함하는 인접 마이크로그리드 전력 거래 정보를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 수급 운영 스케줄링 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 운영 스케줄링 알고리즘은, 상기 운영 스케줄링 입력정보를 기반으로, 상기 신재생 에너지원으로부터의 전력 구매 비용, 상기 에너지저장장치의 충방전에 따른 비용, 상기 분산전원의 발전비용, 상기 인접 마이크로그리드와의 전력 거래에 따른 비용, 및 상기 외부전력구매시장과 상기 외부전력판매시장과의 각 전력 거래에 따른 비용을 고려하여 상기 마이크로그리드의 전력 수급을 운영하기 위해 요구되는 전력 구매 비용을 최소화하기 위한 목적함수를 이용하여 상기 운영 스케줄링 결과정보를 산출하도록 설정된 것을 특징으로 하는 전력 수급 운영 스케줄링 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 운영 스케줄링 알고리즘은, 상기 신재생 에너지원의 출력 제약을 포함하는 신재생 에너지원 제약조건, 상기 에너지저장장치의 출력 제약을 포함하는 에너지저장장치 제약조건, 상기 분산전원의 출력 제약을 포함하는 분산전원 제약조건, 및 상기 외부전력판매시장과의 전력 거래 제약을 포함하는 외부전력시장 제약조건을 포함하는 상기 전력수급 제약조건을 충족시키는 범위에서 상기 운영 스케줄링 결과정보를 산출하도록 설정된 것을 특징으로 하는 전력 수급 운영 스케줄링 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 에너지저장장치 제약조건은, 상기 에너지저장장치의 충방전 효율, 최대 저장용량, 최소 허용 SoC 및 최대 허용 SoC에 기초하여 설정되는, 상기 에너지저장장치가 허용 SoC 범위에서 운영되도록 하기 위한 허용 SoC 범위 운영 제약을 더 포함하고,
    상기 분산전원 제약조건은, 상기 분산전원의 최대증발량 및 최대감발량에 기초하여 설정되는 출력 변동 제약과, 상기 분산전원의 기동 시간 정보 및 정지 시간 정보에 기초하여 설정되는 기동 및 정지 유지 시간 제약을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 수급 운영 스케줄링 장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 외부전력시장 제약조건은, 상기 마이크로그리드에 포함된 상기 발전자원에 의해 생산된 전력 중 잉여전력에 대하여만 상기 인접 마이크로그리드 및 상기 외부전력판매시장으로의 판매를 허용하기 위한 전력 거래 제약인 것을 특징으로 하는 전력 수급 운영 스케줄링 장치.
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 수요자원(DR: Demand Resource); 및 상기 수요자원에 전력을 각각 공급하는 신재생 에너지원, 에너지저장장치(ESS: Energy Stroage System) 및 분산전원(DG: Distributed Generator)을 포함하는 발전자원;을 포함하는 마이크로그리드(MG: MicroGrid)의 전력 수급을 운영하기 위한 스케줄링 방법으로서,
    전력 수급 운영 스케줄링 장치가, 상기 발전자원 각각의 입찰정보를 포함하는 운영 스케줄링 입력정보를 입력받는 단계; 및
    상기 전력 수급 운영 스케줄링 장치가, 상기 입력받은 운영 스케줄링 입력정보에, 상기 마이크로그리드의 전력 수급 제약을 충족시키고 상기 발전자원의 발전 비용을 최소화하기 위한 운영 스케줄링 알고리즘을 적용하여, 상기 발전자원 각각의 낙찰정보를 포함하여 상기 마이크로그리드의 전력 수급을 운영하기 위한 운영 스케줄링 결과정보를 산출하는 단계;
    를 포함하되,
    상기 운영 스케줄링 결과정보는, 상기 신재생 에너지원의 내부 사용 전력량 및 외부 판매 전력량을 포함하는 신재생 에너지원 낙찰정보와, 상기 에너지저장장치의 내부 사용 방전량을 포함하는 에너지저장장치 낙찰정보와, 상기 분산전원의 내부 사용 전력량을 포함하는 분산전원 낙찰정보를 포함하고,
    상기 운영 스케줄링 결과정보는, 외부전력구매시장으로부터의 구매 전력량 및 외부전력판매시장으로의 판매 전력량을 포함하는 외부전력시장 전력 거래 정보를 더 포함하고,
    상기 운영 스케줄링 결과정보는 상기 마이크로그리드 내의 시장 청산가격인 MG MCP(MicroGrid Market Clearing Price)를 더 포함하고,
    상기 신재생 에너지원의 내부 사용 전력량, 상기 에너지저장장치의 내부 사용 방전량, 및 상기 분산전원의 내부 사용 전력량은 상기 MG MCP를 통해 정산되고,
    상기 신재생 에너지원의 외부 판매 전력량, 및 상기 외부전력판매시장으로의 판매 전력량은 계통 한계 가격인 SMP(System Marginal Price)를 통해 정산되고,
    상기 외부전력구매시장으로부터의 구매 전력량은 상기 외부전력구매시장의 소매요금을 통해 정산되며,
    상기 MG MCP가 상기 SMP 이상이고 상기 소매요금 이하의 가격인 조건이 상기 마이크로그리드로부터 상기 발전자원의 이탈을 방지하기 위한 조건으로서 결정되는 것을 특징으로 하는 전력 수급 운영 스케줄링 방법.
  16. 삭제
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