2.1.1 수요관리사업 수익모형

그림 1을 이용하여 수요관리용 PV-ESS의 수익 계산식을 정의하면 아래의 식 (1)~(3)과 같이 시간대별로 계산식이 적용된다. 수요관리 수익은 전력량요금 절감 수익, 기본요금 절감 수익, ESS 특별할인제도에 따른 수익을 더하여 계산하며, 특별할인제도는 기본요금할인, 전력량요금할인, ESS 배터리용량 비율에 따른 할인이 있다. 중간부하시간대는 식 (1)로, 경부하시간대는 식 (2)로, 최대부하시간대는 식 (3)으로 계산되며 시간별 수익을 합하여 일간 수익을 식 (4)로 계산할 수 있다. 피크부하를 저감할 수 있는 경우 기본요금 절감수익은 PV-ESS 출력을 이용하여 피크저감 가능한 용량에 기본요금단가를 곱하고 월별일수로 나누어 계산할 수 있으며($R_{peak}$), 일간 수익에 더하여 고려할 수 있다.

i) $i$가 중간부하 시간대일 경우 시간별 수익은 아래의 식과 같이 수익이 계산된다.

ii) $i$가 경부하 시간대일 경우, 충전요금이 50%할인되어 아래의 식과 같이 계산된다.

iii) $i$가 최대부하 시간대일 경우, ESS의 방전량에 따라 기본요금이 할인되며 아래의 식과 같이 계산된다.

$$ \begin{aligned} 여기서, \enspace & R_{i} : i\text{시간의 PV-ESS 수익}\\ &P_{PV,i} : i\text{시간의 PV 발전량(}i\text{ : 1~24)}\\ &P_{ESS,i} : i\text{시간의 ESS 출력(충전 양수, 방전 음수)}\\ &R_{unit,i} : i\text{시간의 전력량요금단가}\\ &R_{bas} : \text{기본요금단가}\\ &m : \text{해당월 평일 일수}\\ &R_{peak} : \text{기본요금 절감 수익}\\ &R_{d} : d\text{일의 수요관리용 PV-ESS 수익}\\ \end{aligned} $$

PV-ESS 운영 모의를 위하여 아래와 같이 ESS운전계획 최적화 모형을 구성하였다. 목적함수로 식 (4)의 일간 전기요금 절감 수익을 최대화하도록 각 제약조건에 맞는 ESS 운전계획을 최적화하여 수익을 계산하였다⁽¹⁰⁾.

$\begin{aligned} \text{- 목적 함수 : 일간 전기요금 절감 수익 최대화 } Maximize\left(R_{d}\right) \end{aligned}$

$\begin{aligned} \text{- 변수 : }P_{ESS,i} \end{aligned}$

$\begin{aligned} \text{- 제약 조건 : } & SOC_{\min}\le SOC_{i}\le SOC_{\max}\\ &-P_{R}\le P_{PCS,i}\le P_{R}\\ &0\le P_{PCC,i}\le L_{Peak} \end{aligned}$

$\begin{aligned} 여기서, \enspace & SOC : \text{State of Charge, 전지의 충전상태}\\ &P_{R} : \text{PCS 정격출력}\\ &P_{PCS,i} : i\text{시간의 PCS 출력}\\ &P_{PCC,i} : {i\text시간의 수전전력 출력}\\ &L_{peak} : \text{최대부하상한} \end{aligned}$

2.1.2 수요관리사업 설계 절차

수요관리사업 설계 절차는 수용가 정보 입력, 요금제 선택, 부하데이터 저장, PV 및 ESS 종류 선택, 운전방법 선택, 경제성분석 파라미터 입력의 7단계로 구성되어 있으며 아래와 같이 그림 2와 같이 나타낼 수 있다.

첫 번째, 수용가 정보 입력에서는 해당 수용가명을 입력하고 지역, 해당연도, 구성요소를 선택한다. 두 번째, 요금단가 입력에서는 전기요금제를 선택하고 계약전력을 입력한다. 전기요금단가는 수동으로 입력가능하다. 세 번째, 부하패턴을 저장한다. 수동으로 입력하거나, 용도별 패턴을 불러오거나, iSmart(한국 전력회사 전력사용량 정보 제공 사이트(https://pccs.kepco.co.kr/iSmart/)) 사이트의 로그인 정보를 입력하면 지난 1년간의 전력사용량을 복사하여 패턴을 만들도록 구현하였다. 네 번째, PV 정보입력에서는 PCS(Power Conditioning System)효율, 경사각, 설치위치, PV종류를 선택하여 월별 PV발전패턴을 생성한다. 다섯 번째, ESS 정보입력에서는 ESS의 종류를 선택하고 SOC제한, 충방전효율, cycle에 따른 용량감소율을 입력한다. 여섯 번째, ESS의 운전 모의는 2.1.1절의 수익모형을 이용하여 전기요금절감수익 최대화를 목적함수로 하는 최적화 기반 스케줄러를 선택하여 수익을 계산한다. 마지막으로, 경제성 분석에서는 투자비 단가, 용량범위, 경제성분석 파라미터를 입력하고 경제성분석을 실행하고 결과를 조회한다.

2.2.1 발전판매사업 수익모형

그림 3을 이용하여 발전판매사업용 PV-ESS의 경제성 분석을 위한 수익 계산식을 정의하면 아래와 식 (5)~(7)로 나타낼 수 있으며 일간 SMP와 REC 수익을 각각 산정할 수 있다.

$$ \begin{aligned} 여기서, \enspace & R_{SMP,d} : d\text{일의 SMP 판매 수익}\\ & R_{REC,m} : m\text{월의 REC 판매 수익(}m\text{ : 1~12)}\\ & C_{SMP,i} : i\text{시간의 SMP 판매 단가[원/kWh]}\\ & C_{REC,m} : m\text{월의 REC 판매 단가[원/MWh]}\\ & P_{charge,i} : i\text{시간의 ESS 충전량}\\ & P_{dischar,i} : i\text{시간의 ESS 방전량}\\ & \omega_{PV} : \text{PV의 REC 가중치 }\\ & \omega_{ESS} : \text{PV 연계형 ESS의 REC 가중치}\\ & R_{REC,d} : d\text{일의 REC 판매 수익(}d\text{ : 1~30)}\\ & N_{m} : m\text{월의 월별일수} \end{aligned} $$

발전판매사업용 PV-ESS 운영 모의를 위하여 아래와 같이 ESS운전계획 최적화 모형을 구성하였다. 목적함수로 식 (5)와 (7)을 더하여 일간 발전판매수익을 최대화하도록 ESS 운전계획을 최적화하여 수익을 계산하였다⁽¹¹⁾. 10시~16시 사이에 PV의 발전량을 ESS로 충전하고 이외에 시간에 방전하도록 제약조건을 설정하였다.

$\begin{aligned} \text{- 목적 함수 : 발전판매수익 최대화} Maximize\left(R_{SMP,d}+R_{REC,d}\right) \end{aligned}$

$\begin{aligned} \text{- 변수 : }P_{ESS,i} \end{aligned}$

$\begin{aligned} \text{- 제약 조건 : } & SOC_{\min}\le SOC_{i}\le SOC_{\max}\\ &\text{if } i=10~16, 0\le P_{PCS,i}\le\min\left(P_{R},P_{pv,i}\right)\\ &\text{if } i=17\text{~}24, -P_{R}\le P_{PCS,i}\le 0 \end{aligned}$

2.2.2 발전판매사업 설계 절차

발전판매사업 설계절차는 사업자 수용가정보 입력, 판매단가선택, PV 및 ESS 종류 선택, ESS 운전방법 선택, 경제성분석 실행의 여섯 단계로 구성되어 있으며 그림 4와 같이 나타낼 수 있다.

수요관리사업 설계절차 그림 2와 비교하였을 때 발전판매사업 설계절차는 부하 입력이 없고 요금단가 대신 판매단가를 입력하도록 구성되었다. 다섯 번째, ESS의 운전 스케줄 모의에서는 2.2.1절의 수익모형을 이용하여 판매수익 최대화를 목적함수로 하는 최적화 기반 스케줄러를 선택하여 수익을 계산하고 경제성을 분석한다.

3.2.1 데이터베이스(Database, DB) 사용 기능

분산자원 설계하고자 할 때 기상정보, 단가정보, 부하정보와 같은 고려해야할 데이터가 다양하므로 연도별 데이터베이스 구축이 필요하다. 분산자원 설계를 위한 필요한 데이터 항목 및 용도를 정리하면 아래의 표 1과 같다. 아래와 같이 데이터베이스를 구축하였고 설계를 진행하면서 필요시 불러오거나 선택할 수 있도록 구현하였다.

표 1의 각각의 데이터는 해당 공공기관들의 홈페이지에서 매년 업데이트하여 갱신한다. 일사량데이터는 기상청에서, 남중고도데이터는 천문과학연구원 사이트에서 다운받아 연도별로 저장하였다. 전기요금단가는 한국전력공사 사이버지점 사이트에서, 판매요금 단가는 한국전력거래소 사이트에서 다운받아 연도별로 저장하여 데이터베이스를 구축하였다. 부하데이터는 통계청에서 제공하는 산업용, 교육용, 일반용의 계절별 전력사용량 평균값을 저장하였다. 또한 수용가에 맞는 전기요금단가, 판매요금단가, 부하패턴, 신재생에너지 발전량패턴이 없을 경우 수동으로 입력이 가능하도록 구현하였다.

3.2.2 패턴 생성 기능

패턴 생성 기능은 부하 패턴과 PV 발전량 패턴 생성에 적용된다. 부하패턴 생성은 그림 7과 같이, 고압수용가의 경우 전력회사의 전력관리시스템(iSmart)의 수용가 로그인 정보를 입력하면 자동으로 1년 전의 사용량 및 부하데이터를 저장할 수 있고, 이를 바탕으로 매월의 근무일, 토요일, 공휴일, 최대부하일로 분류되고 월별 평균 부하패턴을 생성하도록 구현하였다. 저압수용가인 경우 iSmart 계정없음 항목에 체크하면 미리 저장된 용도별 부하 패턴을 불러올 수 있고 여기에 평균부하를 곱하여 부하패턴을 생성할 수 있다. 또한 수동 입력을 클릭하여 직접 부하패턴을 엑셀파일로 입력할 수 있다.

PV 발전량 패턴 생성 기능은 PV종류, PCS효율, 경사각, 설치지역을 입력하면 저장된 해당지역의 과거 일사량 데이터를 이용하여 월별 평균 PV 발전패턴이 생성된다. PV 정보 입력화면은 그림 8과 같다.

3.2.3 운전계획 최적화 기능

운전계획 최적화 기능은 앞서 설명한 수요관리모형(2.1.1)과 발전판매사업(2.2.1)의 수익모형을 프로그램화하여 수용가 정보와 PV-ESS 파라미터들을 입력하고 ESS의 운전계획을 최적화하여 운영 모의하는 기능이다. 수요관리용 운전계획은 그림 9와 같이 선택하여 최적화를 실행할 수 있다.

3.2.4 경제성분석 기능

경제성분석 기능에서는 투자비단가 입력, 용량범위 입력, 경제성분석 파라미터를 입력하고 경제성분석을 실행하고 결과를 조회할 수 있다. 투자비 단가입력은 그림 10과 같이 입력하며, 설비비는 각각의 발전기 또는 구성요소의 제품구매비용을 의미하고 설치비는 설치부지비용, 공사비용, 통신연결 및 테스트비용 전체를 의미한다.

용량범위입력은 아래의 그림 11과 같이 입력하며, PV용량과 PCS정격용량, 전지용량에 대한 각각의 후보용량을 3개 이하로 입력가능하다. 입력된 후보용량의 조합은 모든 경우의 수에 대하여 모의된다. 계획하는 용량이나 설치부지, 보유 예산에 맞는 용량 범위를 선택하여 입력하여야 하고 경제성 분석 결과에 따라 증감하여 재입력하여 최적 용량 산정이 가능하다.

경제성분석에 필요한 파라미터는 할인율, 유지관리비, 전기요금단가 또는 판매단가 증가율, 분산자원 설비 용량감소율 등이 있다. 경제성분석의 실행버튼을 실행하면 PV-ESS운영을 모의하고 수익이 계산된다. 최종적으로 그림 12와 같이 후보용량별 경제성분석 결과표를 조회하여 최적 용량을 선택할 수 있다.