[논문]도시철도 부하특성을 고려한 ESS의 최적 운영방안 연구

허재행; 신승권; 박종영; 김형익

doi:10.5370/kiee.2015.64.10.1508

[국내논문] 도시철도 부하특성을 고려한 ESS의 최적 운영방안 연구
Study on the Optimal Operation of ESS Considering Urban Railway Load Characteristic 원문보기

This paper proposes the optimal operation of ESS (Energy Storage System) in the substation of urban railway in an economical point of view. Since the load patterns of urban railway have different characteristics with the general power demand pattern, the characteristics motivate us to develop the optimal operation algorithm for ESS under Korean electricity billing system. We also introduce two different ESS operation strategies for peak load shaving and electricity consumption charge minimization respectively, and formulate each scheme. Historical data from Namgwangju substation are used for economical comparison of the strategies. The results show that the proposed algorithm is the most cost-effective ESS operation scheme among the strategies and reduces around 5 percent of electric charges compared to the charge without ESS operation.

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문제 정의

본 논문은 ESS의 최적용량이나 최적위치등을 결정하는 계획단계에서의 연구가 아니라, 이미 최적용량과 최적위치에 따라서 설치가 완료된 ESS에 대한 운영 단계에서의 연구이며, 도시 철도 부하 특성과 일반 전력부하의 특성을 비교하고 전기요금의 구성 및 계산방법을 고려하여 전체 전기요금을 절감할 수 있는 최적 ESS 운영 방안을 제안, 정식화하였다.
본 논문에서는 수요 이전을 이용하여 전기소비자의 효용감소 없이 에너지 비용을 경감할 수 있도록 ESS를 이용한 최적 전기요금 절감 방안을 제안한다.
본 논문에서는 어느 수요를 이전시킬지에 따라 세 가지 운영알고리즘을 소개한다. 먼저 하루 중 피크부하를 오프피크부하 시간대로 이전하는 ‘첨두부하 절감을 위한 ESS 운영’ 방법을 소개하고, 두 번째로는 전력가격이 높은 시간대의 부하를 낮은 시간대로 이전시키는 ‘전력량요금 최소화를 위한 ESS 운영'방법을 소개한다.
본 논문에서는 도시철도 변전소에 설치된 ESS의 경제적 운영을 위해 전체 전기요금의 납부금액을 최소화하는 ESS 운영 방안을 제안하였다. 첨두부하 발생 시점과 전력가격 피크 시간대가 일반적으로 다른 도시철도 부하의 경우 기 운영되던 첨두부하 절감용 ESS 운영 알고리즘을 적용할 경우 전력량요금이 증가하는 문제가 발생할 수 있다.

가설 설정

적용된 ESS는 1MW/2MWh 용량으로 변전소에 설치되어 운영한다고 가정하였고, 이때의 충방전 효율 η는 90%, ESS 효율을 위한 SoC 운영범위는 10-90%로 일괄 적용하였다. 충전 및 방전속도는 모두 0.
최대부하값이 필요하다. 본 시뮬레이션은 1년간의 최적화를 진행함에 따라 1년 중 최대수요를 각 달의 요금적용전력으로 가정하고 진행하였다.

제안 방법

제안한 방법이 기존의 방법과 비교하여 비용 효율적임을 보이기 위해서 첨두부하 절감을 위한 ESS 동작방법, 전력량요금 절감을 위한 ESS 동작방법, 전기요금 최소화를 위한 ESS 동작 방법을 정식화하고 모의 결과를 제안한 방법과 비교하였다.
유형의 전기요금을 제공, 부과한다. 전기요금의 특성별 구분은, 전기사용 용도에 따라 주택용, 일반용, 교육용, 산업용, 농사용, 가로등, 예비, 임시, 총 8가지로 구분한다. 구분된 산업용 전기소비자는 계약전력 크기에 따라 갑, 을로, 표준전압의 크기에 따라 A, B, C로 재분류된다.
소개한다. 먼저 하루 중 피크부하를 오프피크부하 시간대로 이전하는 ‘첨두부하 절감을 위한 ESS 운영’ 방법을 소개하고, 두 번째로는 전력가격이 높은 시간대의 부하를 낮은 시간대로 이전시키는 ‘전력량요금 최소화를 위한 ESS 운영'방법을 소개한다. 마지막으로 ’전기요금 최소화를 위한 최적 ESS 운영‘ 전략을 제안한다.
먼저 하루 중 피크부하를 오프피크부하 시간대로 이전하는 ‘첨두부하 절감을 위한 ESS 운영’ 방법을 소개하고, 두 번째로는 전력가격이 높은 시간대의 부하를 낮은 시간대로 이전시키는 ‘전력량요금 최소화를 위한 ESS 운영'방법을 소개한다. 마지막으로 ’전기요금 최소화를 위한 최적 ESS 운영‘ 전략을 제안한다. 전기요금 측면에서는 세 가지 운영알고리즘은 각각 기본요금 최소화를 위한 ESS운영, 전력량요금 최소화를 위한 ESS 운영, 총 전기요금 최소화를 위한 ESS 운영으로 구분할 수 있다.
제안하는 전기요금 최소화를 위한 최적 ESS는 전기소비 자가납부하는 전기요금의 전체 합이 최소가 되도록 하는 운영 전략이다. 이는 도시철도 부하특성으로 인해 수요 이전을 통해 비용 이득을 얻을 수 있는 시간대인 첨두부하 시간대와 전력가격 피크시간대의 시점이 다르다는 점에서 기인하여 제안하는 방법이다.
본 논문에서는 앞서 제시한 세 가지의 ESS 운영방안의 결과로 납부하는 전기요금 총액의 비교를 통해 각각의 경제성을 비교하였다.
또한, 설치된 ESS의 데이터는 모두 일정하게 적용하여 ESS 운영 알고리즘에 대한 경제성 분석이 가능하도록 하였다. 적용된 ESS는 1MW/2MWh 용량으로 변전소에 설치되어 운영한다고 가정하였고, 이때의 충방전 효율 η는 90%, ESS 효율을 위한 SoC 운영범위는 10-90%로 일괄 적용하였다.
첨두부하 절감을 위한 ESS의 목적함수로 수식 (3)를 이용하여 ESS를 운영하며, 그 결과 매일 첨두부하를 최소화하는 방식으로 ESS를 충방전하여 수요를 이전한다.
첨두부하 발생 시점과 전력가격 피크 시간대가 일반적으로 다른 도시철도 부하의 경우 기 운영되던 첨두부하 절감용 ESS 운영 알고리즘을 적용할 경우 전력량요금이 증가하는 문제가 발생할 수 있다. 제안하는 방법은 기본요금과 전력량 요금의 합을 최소화할 수 있도록 정식화하였다.
ESS 운영 방안별 납부할 전기요금의 비교를 위해 기본요금 최소화를 위한 '첨두부하 절감을 위한 ESS', 전력량요금 최소화를 위한 '전력량요금 최소화를 위한 ESS', 전체 전기요금의 최소화를 위한 ‘전기요금 최소화를 위한 최적 ESS'운영 알고리즘을 정식화하였다. 동일한 스펙의 ESS 설치를 가정하고 남광주 변전소의 실제 데이터를 이용, 일 년간 납부할 전기요금을 비교한 결과 전기요금 최소화를 위한 최적 ESS가 가장 납부 기대금액이 낮은 것으로 확인하였고, ESS 운영 전 대비 약 5%의 요금 절감의 효과가 있음을 확인할 수 있었다.

대상 데이터

제안한 방법을 2014년 7월부터 2015년 4월의 남광주 변전소의 실제부하데이터를 활용하여 시뮬레이션을 진행하였고, 일 년간 총 납부하는 전기요금을 항목별로 도출, 비교하였다.
시뮬레이션에 활용한 부하데이터는 남광주 변전소의 2014년 7 월21일-27일, 2015년 1월 12일-18일, 4월 13일-19일까지의 데이터를 사용하였다. 활용한 월요일부터 일요일까지의 일주일 데이터는 각각 겨울, 봄․가을, 여름데이터를 대표한다.
사용하였다. 활용한 월요일부터 일요일까지의 일주일 데이터는 각각 겨울, 봄․가을, 여름데이터를 대표한다. 각 데이터는 15분 단위로 하루에 96개의 값(T)을 가지며, 4월 데이터를 가을에도 적용하여 총 4주, 2688개의 데이터를 이용하여 1년으로 확장하였다.
활용한 월요일부터 일요일까지의 일주일 데이터는 각각 겨울, 봄․가을, 여름데이터를 대표한다. 각 데이터는 15분 단위로 하루에 96개의 값(T)을 가지며, 4월 데이터를 가을에도 적용하여 총 4주, 2688개의 데이터를 이용하여 1년으로 확장하였다.

성능/효과

따라서 SMP와 전력수요패턴은 매우 밀접한 상관관계를 갖는다. 2014년 일 년 중 평일(월-금)의 시간별 국내 SMP와 국내 예측수요의 상관계수를 하루 단위로 계산하여 평균한 결과값은 0.9246으로 전력가격과 전력수요패턴은 매우 높은 양의 상관관계를 갖는 것을 확인하였다.
최적운영 결과, ESS 운용 전 요금적용전력이었던 7월 24일 9 시의 부하가 낮아지고, 해당 수요가 다른 시간대로 이동하는 것을 확인할 수 있었다. 그림 4는 7월 24일 하루의 첨두부하 절감을 위한 ESS 운영 전, 후 수요와 각 시간대별 전력가격을 도시한 그림이다.
ESS 운용 전의 1638.8kWh이었던 피크수요는 ESS의 운용으로 인해 설치된 ESS의 15분 최대 출력량인 250kWh (1MW × 0.25h)만큼의 수요가 감축되어 1388.8kWh가 되었고, 이때의 수요가 새로운 요금적용전력이 되어 연간 2, 241만원의 기본요금 절감 효과를 보였다.
전력량요금 최소화를 위한 ESS의 목적함수는 수식 (9)과 같고, 이를 이용한 ESS의 운영 결과 전력가격이 높은 시간대의 수요를 낮은 시간대로 이전하는 것을 확인할 수 있었다.
전기요금 최소화를 위한 최적 ESS는 기존 요금적용전력인 1638.8kWh를 ESS 최대출력량 만큼인 250kWh 감축하여 1388.8kWh로 새롭게 결정하고, 그 외 시간대의 1388.8kWh 이상인 수요 역시 1388.8kWh 이하로 유지시키는 것을 확인할 수 있었다. 이로 인한 연간 기본요금 절감 기대금액은 2, 241만원이다.
본 시뮬레이션을 통해 첨두부하 절감을 위한 ESS 운영을 통한 기본요금 절감의 효과가 동일한 ESS를 활용한 전력량요금 최소화를 위한 ESS 운영으로 인한 전력량요금 절감 효과보다 큰 것으로 확인되었고, 그 때의 연간 총 전기요금 절감금액은 각각 22, 041, 635원, 10, 985, 276원이다. 두 효과를 동시에 고려한 전기요금 최소화를 위한 최적 ESS 운영은 동일한 ESS를 활용하여 기존의 운영방법에 비해 약 29, 555, 782원의 연간 전기요금 절감효과를 기대할 수 있음을 확인하였다.
041, 635원, 10, 985, 276원이다. 두 효과를 동시에 고려한 전기요금 최소화를 위한 최적 ESS 운영은 동일한 ESS를 활용하여 기존의 운영방법에 비해 약 29, 555, 782원의 연간 전기요금 절감효과를 기대할 수 있음을 확인하였다.
각 운영방법을 통한 전기요금 절감은 ESS 운용 전 전기요금대비 각각 -3.732%, -1.860%, -5.005%의 절감효과를 보였고, 이 절감효과는 설치된 ESS의 PCS용량과 배터리용량의 최적화를 통해 더욱 커질 것으로 기대된다.
동일한 스펙의 ESS 설치를 가정하고 남광주 변전소의 실제 데이터를 이용, 일 년간 납부할 전기요금을 비교한 결과 전기요금 최소화를 위한 최적 ESS가 가장 납부 기대금액이 낮은 것으로 확인하였고, ESS 운영 전 대비 약 5%의 요금 절감의 효과가 있음을 확인할 수 있었다. 하지만 본 논문에서 제시한 방법은 과도한 ESS동작이 ESS의 열화에 미치는 영향을 고려하지 못하고 있다.

후속연구

경계조건을 1시와 25시로 지정한 이유는, 일반적인 도시철도의 운영은 1시경 종료되므로 ESS의 운영도 도시철도의 운영 역시 1시를 기준으로 이루어 지는 것이 합당하다. 또한 일반적으론 경계조건으로 50% 수준을 제시하지만, 본 연구에서는 도시철도부하의 특성을 고려하여 20% 수준으로 운영할 것을 제안한다. 이는 새벽 시간에는 철도 부하의 부재로 상대적으로 부하수준이 낮은 반면 철도부하가 1시에도 존재하여 상대적으로 높은 부하수준을 유지하기 때문인데, 이때 높은 경계조건으로 ESS를 운영할 경우, 1시 직전 시간대에 ESS 충전을 위해 불필요한 운영의 가능성이 있다.
제안하는 ESS 운영 방안은 설치된 ESS의 용량 및 제약에 따라 해당 기간 중 첨두부하 절감량이 결정이 되고, 결정된 절감량에 따른 새로운 첨두부하보다 큰 수요에 대해서는 첨두부하 절감을 위한 ESS로, 그 외 시간대에 대해서는 전력량 최소화용 ESS 로 운영될 것으로 예상된다. 이전되는 수요는 기본요금과 전력량 요금이 증가하지 않도록 하여 기존의 첨두부하 절감용 ESS와 전력량 요금 최소화용 ESS 운영 대비 더욱 비용 효율적인 결과를 나타낼 것으로 기대된다.
운영될 것으로 예상된다. 이전되는 수요는 기본요금과 전력량 요금이 증가하지 않도록 하여 기존의 첨두부하 절감용 ESS와 전력량 요금 최소화용 ESS 운영 대비 더욱 비용 효율적인 결과를 나타낼 것으로 기대된다.
뿐만 아니라, 본 알고리즘은 전력가격에 대하여도 수요이전을 시행하여 연간 약 715만원의 전력량요금 절감도 기대할 수 있다.
하지만 본 논문에서 제시한 방법은 과도한 ESS동작이 ESS의 열화에 미치는 영향을 고려하지 못하고 있다. 이는 현실적으로 중요한 문제이며 ESS 열화정도를 비용 화하여 목적함수에 추가 할 수 있다면 ESS 열화 비용까지 고려한 최적 운영전략을 도출해 낼 수 있을 것으로 보인다.

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