KR102197767B1 - 스마트 시티에서 신재생 에너지와 전기자동차 충전의 결합 - Google Patents

스마트 시티에서 신재생 에너지와 전기자동차 충전의 결합 Download PDF

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박경린
김지환
변세정
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제주대학교 산학협력단
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Abstract

마이크로그리드를 위한 네트워크 플로우 모델 기반의 전력 관리 방법 및 장치가 개시된다. 일 실시예에 따르면, 전력 관리 장치는 네트워크 플로우 모델의 각 노드들을 정의하고, 각 노드들 간의 링크들을 정의하고, 각 링크들의 가중치들을 결정하고, 네트워크 플로우 모델을 실행하고, 네트워크 플로우 모델의 실행 결과에 기초하여, 전력 계획을 생성할 수 있다.

Description

스마트 시티에서 신재생 에너지와 전기자동차 충전의 결합{Integration of renewable energy and electric vehicle charging in smart cities}
아래 실시예들은 마이크로그리드를 위한 네트워크 플로우 모델 기반의 전력 관리 방법 및 장치에 관한 것이다.
스마트 시티에서 전력 관리는 가장 중요한 문제중의 하나이다. 메인 전력 계통은 원전, 화력 등 주력 발전기들로부터 가정, 공장, 전기 자동차 충전소 등의 소비 유닛으로 전력을 공급한다. 전기는 저장하는데 많은 비용이 들기 때문에 저장소의 용량이 크지 않으며, 수요를 예측하여 그만큼 전기를 생산하는 과정을 따른다. 이를 주파수 조정(frequency regulation)이라 한다. 태양광, 풍력 등 신재생 에너지원들이 개별적으로 바로 메인 전력 계통(그리드)에 연결되는 것은 계통의 관리와 전력 생산 계획 등의 면에서 상당한 어려움을 초래할 수 있다. 독립적인 마이크로그리드에서 신재생 에너지를 생산 및 소비하도록 마이크로그리드 단위로 전력을 관리하되, 통제된 방식으로 메인 계통에 연결되는 것이 적절하다.
일 실시예에 따르면, 마이크로그리드를 위한 전력 관리 장치의 네트워크 플로우 모델 기반의 전력 관리 방법은 소스 노드, 복수의 분산 전원 노드들, 적어도 하나의 백본 노드, 복수의 소비 유닛 노드들, 및 싱크 노드를 정의하는 단계; 상기 소스 노드와 상기 복수의 분산 전원 노드들 각각 간의 제1-1 링크들, 상기 소스 노드와 상기 적어도 하나의 백본 노드 간의 제1-2 링크, 상기 복수의 분산 전원 노드들 각각과 상기 복수의 소비 유닛 노드들 중 적어도 일부의 각각 간의 제2-1 링크들, 상기 적어도 하나의 백본 노드와 상기 복수의 소비 유닛 노드들 중 적어도 일부의 각각 간의 제2-2 링크들, 및 상기 복수의 소비 유닛 노드들 각각과 상기 싱크 노드 간의 제3 링크들을 정의하는 단계; 상기 복수의 분산 전원 노드들 각각의 예측 발전량에 대응하는 상기 제1-1 링크들의 가중치들, 미리 정해진 기준 전력량에 대응하는 상기 제1-2 링크의 가중치, 상기 제2-1 링크들 및 상기 제2-2 링크들에 관해 각각 미리 정해진 포설 용량에 대응하는 상기 제2-1 링크들 및 상기 제2-2 링크들의 가중치들, 상기 복수의 소비 유닛 노드들 각각의 예측 수요량에 대응하는 상기 제3 링크들의 가중치들을 결정하는 단계; 상기 제1-1 링크들의 상기 가중치들, 상기 제1-2 링크의 상기 가중치, 상기 제2-1 링크들의 상기 가중치들, 상기 제2-2 링크들의 상기 가중치들, 상기 제3 링크들의 상기 가중치들에 기초하여 네트워크 플로우 모델을 실행하는 단계; 및 상기 네트워크 플로우 모델의 실행 결과에 기초하여, 상기 마이크로그리드를 위한 전력 계획을 생성하는 단계를 포함한다.
상기 전력 계획을 생성하는 상기 단계는 상기 제3 링크들 중 적어도 하나에 기초하여, 상기 마이크로그리드의 요구 전력이 충족되는지 결정하는 단계; 상기 요구 전력이 충족되지 않는 것으로 결정되는 경우, 상기 기준 전력량을 갱신하는 단계; 상기 갱신된 상기 기준 전력량에 기초하여, 상기 제1-2 링크의 가중치를 갱신하는 단계; 및 상기 갱신된 상기 제1-2 링크의 상기 가중치를 고려하여, 상기 네트워크 플로우 모델을 다시 실행하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 기준 전력량을 갱신하는 상기 단계는 상기 마이크로그리드의 전력 부족분을 고려하여, 상기 기준 전력량을 증가시키는 단계를 포함할 수 있다. 상기 갱신된 상기 기준 전력량은 상기 적어도 하나의 백본 노드로부터 추가로 구매할 전력량에 대응할 수 있다.
상기 전력 계획을 생성하는 상기 단계는 상기 복수의 분산 전원 노드들 중 제1 분산 전원 노드의 진입 링크의 진입 유량과 상기 제1 분산 전원 노드의 적어도 하나의 출력 링크의 총 출력 유량을 비교하는 단계; 상기 진입 유량이 상기 총 출력 유량에 비해 많은 경우, 상기 진입 유량과 상기 총 출력 유량 간의 차를 상기 제1 분산 전원 노드의 잉여 발전량으로 결정하는 단계; 및 상기 잉여 발전량에 관한 처리 계획을 생성하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 처리 계획은 상기 잉여 발전량에 관한 저장 계획 및 판매 계획 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 마이크로그리드를 위한 네트워크 플로우 모델 기반의 전력 관리 장치는 프로세서; 및 상기 프로세서에서 실행가능한 명령어들을 포함하는 메모리를 포함하고, 상기 명령어들이 상기 프로세서에서 실행되면, 상기 프로세서는 소스 노드, 복수의 분산 전원 노드들, 적어도 하나의 백본 노드, 복수의 소비 유닛 노드들, 및 싱크 노드를 정의하고, 상기 소스 노드와 상기 복수의 분산 전원 노드들 각각 간의 제1-1 링크들, 상기 소스 노드와 상기 적어도 하나의 백본 노드 간의 제1-2 링크, 상기 복수의 분산 전원 노드들 각각과 상기 복수의 소비 유닛 노드들 중 적어도 일부의 각각 간의 제2-1 링크들, 상기 적어도 하나의 백본 노드와 상기 복수의 소비 유닛 노드들 중 적어도 일부의 각각 간의 제2-2 링크들, 및 상기 복수의 소비 유닛 노드들 각각과 상기 싱크 노드 간의 제3 링크들을 정의하고, 상기 복수의 분산 전원 노드들 각각의 예측 발전량에 대응하는 상기 제1-1 링크들의 가중치들, 미리 정해진 기준 전력량에 대응하는 상기 제1-2 링크의 가중치, 상기 제2-1 링크들 및 상기 제2-2 링크들에 관해 각각 미리 정해진 포설 용량에 대응하는 상기 제2-1 링크들 및 상기 제2-2 링크들의 가중치들, 상기 복수의 소비 유닛 노드들 각각의 예측 수요량에 대응하는 상기 제3 링크들의 가중치들을 결정하고, 상기 제1-1 링크들의 상기 가중치들, 상기 제1-2 링크의 상기 가중치, 상기 제2-1 링크들의 상기 가중치들, 상기 제2-2 링크들의 상기 가중치들, 상기 제3 링크들의 상기 가중치들에 기초하여 네트워크 플로우 모델을 실행하고, 상기 네트워크 플로우 모델의 실행 결과에 기초하여, 상기 마이크로그리드를 위한 전력 계획을 생성한다.
도 1은 일 실시예에 따른 네트워크 플로우의 각 노드 및 각 링크를 나타낸 도면.
도 2 및 도 3은 일 실시예에 따른 요구 전력의 충족 여부에 대응한 가중치 갱신을 나타낸 도면.
도 4 및 도 5는 일 실시예에 따른 잉여 발전량과 관련된 처리를 나타낸 도면.
도 6은 일 실시예에 따른 네트워크 플로우 모델 기반의 전력 관리 방법을 나타낸 동작 흐름도.
도 7은 일 실시예에 따른 네트워크 플로우 모델 기반의 전력 관리 장치를 나타낸 블록도.
본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 변경들을 가할 수 있고 여러 가지 형태들을 가질 수 있으므로 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 특정한 개시형태들에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.
제1 또는 제2 등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만, 예를 들어 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 “연결되어” 있다거나 “접속되어” 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 “직접 연결되어” 있다거나 “직접 접속되어” 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 표현들, 예를 들어 “~사이에”와 “바로~사이에” 또는 “~에 직접 이웃하는” 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, “포함하다” 또는 “가지다” 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함으로 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 특허출원의 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 일 실시예에 따른 네트워크 플로우의 각 노드 및 각 링크를 나타낸 도면이다. 스마트 시티에서 전력 관리는 가장 중요한 문제중의 하나이다. 전력 계통은 메인 전력 계통(그리드, grid) 및 마이크로그리드(microgrid)로 구분될 수 있다. 메인 전력 계통 내에는 원전, 화력 등 주력 발전 시설들이 있을 수 있고, 이들은 가정, 공장, 전기 자동차 충전소 등의 소비 유닛들로 전력을 공급할 수 있다. 마이크로그리드 내에는 다수의 소용량 신재생 에너지 발전 시설들이 있을 수 있고, 이들은 소비 유닛들에게 전력을 공급할 수 있다. 또한, 신재생 에너지 발전 시설들은 경우에 따라 마이크로그리드 백본에 전력을 연전송할 수도 있다.
전기는 저장하는데 많은 비용이 들기 때문에 저장소의 용량이 크지 않으며 수요를 예측하여 그만큼 생산하는 과정을 따를 수 있다. 이를 주파수 조정(frequency regulation)이라 한다. 태양광 풍력 등 신재생 에너지원들이 개별적으로 바로 메인 전력 계통(그리드)에 연결되는 것은 계통의 관리와 전력 생산 계획 등의 면에서 상당한 어려움을 초래할 수 있다. 독립적인 마이크로그리드에서 신재생 에너지를 생산 및 소비하고 마이크로그리드 단위로 관리하고 통제된 방식으로 메인 계통에 연결되는 것이 적절할 수 있다.
섬, 공장, 캠퍼스 등의 단위를 대상으로 하나의 마이크로그리드가 형성될 수 있고, 이러한 마이크로그리드에는 백본 전력 네트워크가 있을 수 있다. 이러한 백본은 메인 계통과 연결되거나 마이크로그리드 내에서의 대용량 발전시설에 연결될 수 있다. 마이크로그리드 내 다수의 소용량 신재생 에너지 발전 시설들은 분산 전원이 되어, 연결된 소비 유닛들에게 전력을 공급하거나 마이크로그리드 백본에 전력을 연전송할 수 있다.
소비 유닛들은 1) 백본에만 연결되거나, 2) 백본과 분산전원에 동시에 연결되거나, 아니면 3) 분산전원에만 연결될 수 있다. 소비 유닛들이 분산 전원에만 연결되는 경우, 분산 전원이 기상 등의 원인으로 발전이 불가능한 경우 전력 수급에 어려움이 있을 수 있다. 마이크로그리드에서는 자체적으로 생산한 전력이 부족할 경우 메인 계통으로부터 전력을 공급받을 수 있고, 혹은 자체적으로 생산한 전력이 소비량보다 많을 경우 메인 계통의 통제 하에 메인 계통으로 전력을 역전송할 수 있다. 이 경우, 마이크로그리드에서는 자체 발전 용량과 메인 계통과의 기본 협약에 따른 전력 공급 등에 의해 전력 소비를 감당할 수 있지만, 가능하면 신재생 에너지를 많이 소모하고 메인 계통으로부터의 에너지 인입을 최소화하는 것이 바람직하다.
태양광, 풍력 등 신재생 에너지 발전은 기후 요소에 많은 영향을 받을 수밖에 없는데, 최근 일기 예보의 정확성은 몇 시간 이후의 기상 요소에 대한 예측을 상당히 정확하게 할 수 있어서 마이크로그리드 내에서의 신재생 에너지 발전량을 비교적 정확하게 예측할 수 있고, 이에 따라 전력수급 계획을 수립할 수 있다. 신재생 에너지를 효율적으로 사용하려면 전력 수요가 있는 곳에 신재생 에너지를 가능한 많이 보내야 하며, 이를 위해 네트워크 플로우 모델이 이용될 수 있다.
도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 네트워크 플로우(100)는 소스 노드(110), 분산 전원 노드(120), 백본 노드(130), 제1 유형의 소비 유닛 노드(141), 제2 유형의 소비 유닛 노드(142), 및 싱크 노드(sink node, 150)를 포함한다. 분산 전원 노드(120), 및 백본 노드(130)는 전원 노드로 통칭될 수 있다. 네트워크 플로우(100)는 실시예들에 따른 마이크로그리드에 대응할 수 있다.
아래애서, 분산 전원 노드(120)를 포함하는 분산 전원 노드들은 S1, S2, S3 등으로 나타낼 수도 있고, 백본 노드(130)는 M으로 나타낼 수도 있고, 소비 유닛 노드들(141, 142)을 포함하는 소비 유닛 노드들은 A, B, C 등으로 나타낼 수도 있다. 네트워크 플로우(100)에서, 분산 전원 노드(120)는 복수로 존재하는 것으로 표현되어 있고, 백본 노드(130)는 단수로 존재하는 것으로 표현되어 있다. 다만, 마이크로그리드의 구성에 따라 백본 노드(130)는 복수로 존재할 수도 있다.
네트워크 플로우(100)는 소스 노드(110)부터 싱크 노드(150)까지의 흐름으로 표현될 수 있다. 네트워크 플로우(100)에서 하나의 싱크 노드(110)는 각 링크를 통해 분산 전원 노드(120) 및 백본 노드(130)를 포함하는 모든 전원 노드들에 연결될 수 있고, 소비 유닛 노드(140)를 포함하는 모든 소비 유닛은 각 링크를 통해 싱크 노드(150)에 연결될 수 있다.
예를 들어, 제1-1 링크(115)는 소스 노드(110)와 분산 전원 노드(120)를 연결할 수 있고, 제1-2 링크(116)는 소스 노드(110)와 백본 노드(130)를 연결할 수 있고, 제2-1 링크(125)는 분산 전원 노드(120)와 소비 유닛 노드(141)를 연결할 수 있고, 제2-2 링크(126)는 백본 노드(130)와 소비 유닛 노드(142)를 연결할 수 있고, 제3 링크(145)는 소비 유닛 노드들(141, 142) 각각과 싱크 노드(150)를 연결할 수 있다.
네트워크 플로우(100)에서 각 링크의 가중치를 통해 네트워크 플로우(100)의 최대 유량이 결정될 수 있다. 여기서, 가중치는 용량(capacity)에 대응할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 제1-1 링크(115)의 가중치는 분산 전원 노드(120)의 예측 발전량에 대응할 수 있다. 예를 들어, 분산 전원 노드(120)의 발전량은 기상 예측 및 신재생 에너지 발전 시설의 사양 등을 고려하여 예측될 수 있다.
제1-2 링크(116)의 가중치는 미리 정해진 기준 전력량에 대응할 수 있다. 예를 들어, 기준 전력량은 초기에 백본의 기저 발전 용량으로 설정될 수 있다. 아래에서 상세히 설명될 것처럼, 기준 전력량의 초기 값으로 네트워크 플로우 모델을 실행하고, 전력 부족분이 발생할 시 기준 전력량을 상향 조절하는 방식을 통해 분산 전원 노드(120)들의 공급 전력, 즉 신재생 에너지가 우선적으로 배분될 수 있다. 반대로, 분산 전원 노드(120)와 관련하여 잉여 전력이 발생 시, 잉여 전력과 관련된 처리 계획이 수립될 수 있다.
제2-1 링크(125) 및 제2-2 링크(126)의 가중치는 각각 미리 정해진 포설 용량에 대응할 수 있다. 포설 용량을 하드웨어적 요소이므로, 고정된 값을 가질 수 있다. 제3 링크(145)의 가중치는 소비 유닛 노드(141)의 예측 수요량에 대응할 수 있다. 예를 들어, 소비 유닛 노드(141)의 전력 수요는 소비 유닛 노드(141)에 대응하는 지역, 시설 등의 규모나, 기존의 전력 소비 통계 등을 고려하여 예측될 수 있다. 제3 링크(145)에 소비 유닛 노드(141)의 예측 수요량에 대응하는 제3 링크(145)의 가중치만큼의 전력(유량)이 흘러야, 소비 유닛 노드(141)의 안정적인 전력 수급이 가능하다.
소비 유닛 노드(140)는 소비 유닛들의 유형 중 백본으로부터만 전력을 공급받는 유형을 제외하고, 신재생 에너지로부터만 공급받거나, 혹은 백본과 신재생 에너지로부터만 공급받는 소비 유닛들을 포함할 수 있다. 이 중 소비 유닛 노드(141)는 전원 노드들 중 분산 전원 노드(120)에만 연결되어 있으므로, 신재생 에너지로부터만 전력을 공급받는 유형에 해당한다. 신재생 에너지의 발전이 불가한 환경 등과 같은 경우에 따라 소비 유닛 노드(141)의 수요가 충족되지 못할 수 있으며, 이 경우 네트워크 플로우(100)에서 소비 유닛 노드(141)의 전력 수요가 제외될 수 있다.
또한, 소비 유닛 노드(142)는 전원 노드들 중 분산 전원 노드(120) 및 백본 노드(130) 모두에 연결되어 있으므로, 백본과 신재생 에너지로부터만 전력을 공급받는 유형에 해당한다. 제2-1 링크(125)는 전자에 대응할 수 있고, 제2-2 링크(126)는 후자에 대응할 수 있다. 소비 유닛 노드(142)는 가능하면 신재생 에너지를 소비하고, 신재생 에너지가 전력 수요를 충족시키지 못할 경우, 백본으로부터 전력을 공급받을 수 있다.
네트워크 플로우 모델링을 통해 각 소비 유닛 노드의 수요를 충족시켜야 하기 때문에, 소비 유닛 노드들(141, 142) 각각의 진입 링크의 용량의 합은 출력 링크의 용량의 합보다 크거나, 적어도 이와 같아야 한다. 신재생 에너지만 공급받는 소비 유닛 노드(1410는 인입 가능 용량은 클 수 있으나, 이에 비해 실제 인입되는 전력은 작을 수도 있다. 하나의 분산 전원 노드로부터 다수의 소비 유닛 노드들로 분할되어 전력이 공급될 수 있고, 또한 하나의 소비 유닛 노드는 복수의 분산 전원 노드들로부터 전력을 공급받을 수 있다.
이러한 네트워크 플로우 모델을 바탕으로 전력 계획이 수립될 수 있다. 각 링크의 가중치는 상술된 바와 같다. 즉, 제2-1 링크(125) 및 제2-2 링크(126)는 하드웨어적인 포설 용량으로 고정된 값의 가중치를 가질 수 있다. 제1-1 링크(115)의 가중치는 대상 시간대의 발전 예측치일 수 있고, 제3 링크(145)의 가중치는 수요 예측치일 수 있다.
발전 예측치의 최대 값은 발전기 용량이 될 수 있고, 실제로 흐르는 양은 발전량에 해당할 수 있다. 수요 예측치는 주파수 조정과 같이 모니터링되는 현재 수요를 바탕으로 예측될 수 있다. 수요는 실시간으로 변할 수 있지만, 소비 유닛과 발전기 등에 버퍼 정도의 역할을 하는 에너지 저장 장치들이 있어서 순간적인 스파이크들을 평탄화시키기 때문에, 전체적인 발전량과 소비량을 맞추는 계획이 요구된다. 제1-2 링크(116)의 가중치는 기본적으로 마이크로그리드에서 생산되는 기저 전력과 메인 계통과 협약된 기본 전력량으로 설정될 수 있다.
이러한 모델링에 의해 네트워크 플로우 모델을 실행하여 마이크로그리드를 위한 전력 계획이 생성될 수 있다. 예를 들어, 최대 유량을 결정하기 위한 Ford-Fulkerson 알고리즘을 통해 전력 계획이 수립될 수 있다.
이 알고리즘은 더 이상 남은 패스가 없을 때까지 지속되며 소스 노드(110)부터 싱크 노드(150)까지 깊이 우선 탐색(Depth First Search, DFS)이나 너비 우선 탐색(Breadth First Search, BFS)으로 경로를 찾고 우선적으로 그 경로의 최소 값만큼 유량을 부여할 수 있다. 이후, 경로 상에 링크의 가중치를 그 최소 값만큼 감소시키는 한편, 다른 경로의 발견과 취소를 위해 역방향 링크에 감소된 값을 증가시켜준다. 이러한 과정을 수행하고 나면 소스 노드(110)에서 싱크 노드(150)까지 흐를 수 있는 유량, 즉 전력량을 알아낼 수 있다. 이 전력량이 마이크로그리드에서의 총 수요량보다 적다면, 부족한 양만큼의 전력은 메인 계통에서 추가적으로 구매하는 것이 필요하다. 본 실시예는 추후 도 2 및 도 3을 통해 추가로 설명된다.
추가 구매가 적용된 이후, 추가로 구매된 전력을 통해 소스 노드(110)에서 싱크 노드(150)까지의 유량 증가로 이어지게 된다. 최대 유량 알고리즘은 가장 효율적인 할당을 찾기 때문에 이 경우에도 수요가 충족되지 않을 수 있는데, 이는 백본 노드(130)에 연결되지 않은 소비 유닛 노드(141)의 영향으로 볼 수 있다. 따라서, 소비 유닛 노드(141)의 영향으로 전력 수요가 충족되지 못한다는 결론이 도출될 수 있다. 이 경우, 예를 들어 소비 유닛 노드(141)의 전력 수요를 낮추거나, 전력 계획에서 소비 유닛 노드(141)의 전력 수요를 배제하는 등의 적절한 조치가 취해질 수 있다.
또한, 잉여 전력이 발생하는 경우, 잉여 전력을 위한 계획이 수립될 수 있다. 예를 들어, 추가 구매가 적용된 상태에서 최대 유량 알고리즘이 수행된 후, 제2-1 링크(125)에 잔여 전력이 존재한다면, 이는 잉여 전력에 해당하는 것으로 판단될 수 있다. 또한, 추가 구매가 없더라도 제2-1 링크(125)에 잔여 전력이 존재할 수 있고, 이 역시 잉여 전력에 해당하는 것으로 판단될 수 있다. 이러한 잉여 전력은 해당 마이크로그리드에서 소비될 수 없는 양이 되므로, 자체 배터리(예:분산 전원 노드(120)의 배터리, 소비 유닛 노드(141)의 배터리, 혹은 마이크로그리드의 관리용 배터리)에 저장되거나, 메인 계통을 통해 판매될 수 있다. 본 실시예는 추후 도 4 및 도 5를 통해 추가로 설명된다.
도 2 및 도 3은 일 실시예에 따른 요구 전력의 충족 여부에 대응한 가중치 갱신을 나타낸 도면이다. 도 2를 참조하면, 전력 관리 장치는 제1-2 링크(216)의 가중치를 기준 전력량의 초기 값에 해당하는 W1으로 설정할 수 있다. 기준 전력량의 초기 값은 백본의 기저 발전 용량에 해당할 수 있다. 이후에, 전력 관리 장치는 네트워크 플로우 모델을 실행하여, 각 링크의 유량을 결정할 수 있다.
전력 관리 장치는 제3 링크(245)를 포함하는 제3 링크들 중 적어도 하나에 기초하여, 마이크로그리드의 요구 전력이 충족되는지 결정할 수 있다. 예를 들어, 최대 유량 알고리즘을 통해 최대 유량을 측정한 결과, 제3 링크(245)의 가중치에 비해 적은 유량이 제3 링크(245)에 흐르는 것으로 결정된 경우, 소비 유닛 로드(C)의 요구 전력이 충족되지 못한 것으로 결정될 수 있다. 제3 링크(245)의 가중치는 소비 유닛 로드(C)의 요구 전력에 대응하도록 설정되었기 때문이다.
요구 전력이 충족되지 않는 것으로 결정되는 경우, 전력 관리 장치는 기준 전력량을 갱신하고, 갱신된 기준 전력량에 기초하여 제1-2 링크(216)의 가중치를 갱신할 수 있다. 예를 들어, 전력 관리 장치는 제1-2 링크(216)의 가중치를 W2로 갱신할 수 있다. W2는 W1보다 큰 값에 해당할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 전력 관리 장치는 마이크로그리드의 전력 부족분을 고려하여, 기준 전력량을 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 전력 관리 장치는 전력 부족분이 클수록 기준 전력량을 크게 증가시킬 수 있다. 이 때, 갱신된 기준 전력량은 백본 노드(230)로부터 추가로 구매할 전력량에 대응할 수 있다.
이후에, 전력 관리 장치는 갱신된 상기 제1-2 링크의 상기 가중치를 고려하여, 상기 네트워크 플로우 모델을 다시 실행할 수 있다. 이에 따라, 이전에 충족되지 못했던 요구 전력이 충족되는 것으로 결정된 경우, 각 링크의 유량 및 기준 전력량을 확정할 수 있다. 전력 관리 장치는 각 링크의 유량에 기초하여 전력 분배 계획을 수립하고, 갱신된 기준 전력량에 기초하여 백본으로부터 추가로 구매할 전력량을 결정하여 전력 구매 계획을 수립할 수 있다.
만약, 기준 전력량의 갱신에 불구하고 요구 전력이 여전히 충족되지 못하는 경우, 기준 전력량을 다시 갱신하여 네트워크 플로우 모델을 다시 실행할 수 있다. 이러한 과정이 반복되어 전력 계획이 수립될 수 있다. 그럼에도 불구하고, 요구 전력이 충족될 가능성이 희박한 경우, 부족분이 소비 유닛 로드(A)와 같이 신재생 에너지로부터만 전력을 공급받는 유형에 의한 것으로 보아, 소비 유닛 로드(A)의 전력 수요를 없애는 등의 적절한 부가 조치가 취해질 수 있다.
백본 노드(230)로부터 공급되는 전력이 추가적으로 할당됨에 따라, 제2-1 링크에서 잉여 전력이 발생할 수 있다. 예를 들어, 분산 전원 노드(S1)의 진입 유량이 총 출력 유량에 비해 많은 경우, 진입 유량과 총 출력 유량 간의 차에 해당하는 잉여 발전량이 발생할 수 있다. 이 경우, 잉여 발전량에 관한 처리 계획(예: 저장 계획, 판매 계획)이 수립될 수 있다.
도 4 및 도 5는 일 실시예에 따른 잉여 발전량과 관련된 처리를 나타낸 도면이다. 도 4를 참조하면, 분산 전원 노드(S1)의 예측 발전량은 '5'인 상태이고, 소비 유닛 노드들(A, B)의 포설 용량은 각각 '5' 및 '3'인 상태이다. 이후, 최대 유량 알고리즘이 수행되면, 도 5에 도시된 것과 같이 출력 유량이 각각 '2' 및 '2'와 같이 도출될 수 있다. 이는 분산 전원 노드(S1)에 의해 '5'만큼의 전력이 생성되지만, 4만큼만 소비될 수 있음을 의미한다. 따라서, '1'만큼의 전력은 잉여 발전량에 해당하며, 이 부분은 메인 전력 계통에 판매될 수 있다.
이와 관련하여, 전력 관리 장치는 분산 전원 노드(S1)의 진입 링크의 진입 유량과 적어도 하나의 출력 링크의 총 출력 유량을 비교할 수 있다. 진입 유량이 총 출력 유량에 비해 많은 경우, 전력 관리 장치는 진입 유량과 총 출력 유량 간의 차를 분산 전원 노드(S1)의 잉여 발전량으로 결정하고, 잉여 발전량에 관한 처리 계획을 생성할 수 있다. 예를 들어, 처리 계획은 잉여 발전량에 관한 저장 계획 및 판매 계획 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
도 6은 일 실시예에 따른 네트워크 플로우 모델 기반의 전력 관리 방법을 나타낸 동작 흐름도이다. 도 6을 참조하면, 단계(610)에서 전력 관리 장치는 네트워크 플로우 모델의 각 노드들을 정의한다. 예를 들어, 전력 관리 장치는 소스 노드, 복수의 분산 전원 노드들, 적어도 하나의 백본 노드, 복수의 소비 유닛 노드들, 및 싱크 노드를 정의할 수 있다.
단계(620)에서 전력 관리 장치는 각 노드들 간의 링크들을 정의한다. 예를 들어, 소스 노드와 복수의 분산 전원 노드들 각각 간의 제1-1 링크들, 소스 노드와 적어도 하나의 백본 노드 간의 제1-2 링크, 복수의 분산 전원 노드들 각각과 복수의 소비 유닛 노드들 중 적어도 일부의 각각 간의 제2-1 링크들, 적어도 하나의 백본 노드와 복수의 소비 유닛 노드들 중 적어도 일부의 각각 간의 제2-2 링크들, 및 복수의 소비 유닛 노드들 각각과 싱크 노드 간의 제3 링크들을 정의할 수 있다.
단계(630)에서 전력 관리 장치는 각 링크들의 가중치들을 정의한다. 예를 들어, 전력 관리 장치는 복수의 분산 전원 노드들 각각의 예측 발전량에 대응하는 제1-1 링크들의 가중치들, 미리 정해진 기준 전력량에 대응하는 제1-2 링크의 가중치, 제2-1 링크들 및 제2-2 링크들에 관해 각각 미리 정해진 포설 용량에 대응하는 제2-1 링크들 및 제2-2 링크들의 가중치들, 복수의 소비 유닛 노드들 각각의 예측 수요량에 대응하는 제3 링크들의 가중치들을 결정할 수 있다.
단계(640)에서 전력 관리 장치는 네트워크 플로우 모델을 실행한다. 예를 들어, 전력 관리 장치는 Ford-Fulkerson 알고리즘과 같은 최대 유량 알고리즘에 기초하여 네트워크 플로우 모델을 실행할 수 있다. 단계(650)에서 전력 관리 장치는 네트워크 플로우 모델의 실행 결과에 기초하여, 전력 계획을 생성한다.
도 7은 일 실시예에 따른 네트워크 플로우 모델 기반의 전력 관리 장치를 나타낸 블록도이다. 도 7을 참조하면, 전력 관리 장치(700)는 프로세서(710) 및 메모리(720)를 포함한다. 메모리(720)는 프로세서(710)에 연결되고, 프로세서(710)에 의해 실행가능한 명령어들, 프로세서(710)가 연산할 데이터 또는 프로세서(710)에 의해 처리된 데이터를 저장할 수 있다. 메모리(720)는 비일시적인 컴퓨터 판독가능 매체, 예컨대 고속 랜덤 액세스 메모리 및/또는 비휘발성 컴퓨터 판독가능 저장 매체(예컨대, 하나 이상의 디스크 저장 장치, 플래쉬 메모리 장치, 또는 기타 비휘발성 솔리드 스테이트 메모리 장치)를 포함할 수 있다.
프로세서(710)는 도 1 내지 도 6을 참조하여 설명된 하나 이상의 동작을 실행하기 위한 명령어들을 실행할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(710)는 소스 노드, 복수의 분산 전원 노드들, 적어도 하나의 백본 노드, 복수의 소비 유닛 노드들, 및 싱크 노드를 정의하고, 소스 노드와 복수의 분산 전원 노드들 각각 간의 제1-1 링크들, 소스 노드와 적어도 하나의 백본 노드 간의 제1-2 링크, 복수의 분산 전원 노드들 각각과 복수의 소비 유닛 노드들 중 적어도 일부의 각각 간의 제2-1 링크들, 적어도 하나의 백본 노드와 복수의 소비 유닛 노드들 중 적어도 일부의 각각 간의 제2-2 링크들, 및 복수의 소비 유닛 노드들 각각과 싱크 노드 간의 제3 링크들을 정의하고, 복수의 분산 전원 노드들 각각의 예측 발전량에 대응하는 제1-1 링크들의 가중치들, 미리 정해진 기준 전력량에 대응하는 제1-2 링크의 가중치, 제2-1 링크들 및 제2-2 링크들에 관해 각각 미리 정해진 포설 용량에 대응하는 제2-1 링크들 및 제2-2 링크들의 가중치들, 복수의 소비 유닛 노드들 각각의 예측 수요량에 대응하는 제3 링크들의 가중치들을 결정하고, 제1-1 링크들의 가중치들, 제1-2 링크의 가중치, 제2-1 링크들의 가중치들, 제2-2 링크들의 가중치들, 제3 링크들의 가중치들에 기초하여 네트워크 플로우 모델을 실행하고, 네트워크 플로우 모델의 실행 결과에 기초하여, 마이크로그리드를 위한 전력 계획을 생성할 수 있다.
이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(Arithmetic Logic Unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPGA(Field Programmable Gate Array), PLU(Programmable Logic Unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (9)

  1. 마이크로그리드를 위한 전력 관리 장치의 네트워크 플로우 모델 기반의 전력 관리 방법에 있어서,
    소스 노드, 복수의 분산 전원 노드들, 적어도 하나의 백본 노드, 복수의 소비 유닛 노드들, 및 싱크 노드를 정의하는 단계;
    상기 소스 노드와 상기 복수의 분산 전원 노드들 각각 간의 제1-1 링크들, 상기 소스 노드와 상기 적어도 하나의 백본 노드 간의 제1-2 링크, 상기 복수의 분산 전원 노드들 각각과 상기 복수의 소비 유닛 노드들 중 적어도 일부의 각각 간의 제2-1 링크들, 상기 적어도 하나의 백본 노드와 상기 복수의 소비 유닛 노드들 중 적어도 일부의 각각 간의 제2-2 링크들, 및 상기 복수의 소비 유닛 노드들 각각과 상기 싱크 노드 간의 제3 링크들을 정의하는 단계;
    상기 복수의 분산 전원 노드들 각각의 예측 발전량에 대응하는 상기 제1-1 링크들의 가중치들, 미리 정해진 기준 전력량에 대응하는 상기 제1-2 링크의 가중치, 상기 제2-1 링크들 및 상기 제2-2 링크들에 관해 각각 미리 정해진 포설 용량에 대응하는 상기 제2-1 링크들 및 상기 제2-2 링크들의 가중치들, 상기 복수의 소비 유닛 노드들 각각의 예측 수요량에 대응하는 상기 제3 링크들의 가중치들을 결정하는 단계;
    상기 제1-1 링크들의 상기 가중치들, 상기 제1-2 링크의 상기 가중치, 상기 제2-1 링크들의 상기 가중치들, 상기 제2-2 링크들의 상기 가중치들, 상기 제3 링크들의 상기 가중치들에 기초하여 네트워크 플로우 모델을 실행하는 단계; 및
    상기 네트워크 플로우 모델의 실행 결과에 기초하여, 상기 마이크로그리드를 위한 전력 계획을 생성하는 단계
    를 포함하는 전력 관리 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전력 계획을 생성하는 상기 단계는
    상기 제3 링크들 중 적어도 하나에 기초하여, 상기 마이크로그리드의 요구 전력이 충족되는지 결정하는 단계;
    상기 요구 전력이 충족되지 않는 것으로 결정되는 경우, 상기 기준 전력량을 갱신하는 단계;
    상기 갱신된 상기 기준 전력량에 기초하여, 상기 제1-2 링크의 가중치를 갱신하는 단계; 및
    상기 갱신된 상기 제1-2 링크의 상기 가중치를 고려하여, 상기 네트워크 플로우 모델을 다시 실행하는 단계
    를 포함하는, 전력 관리 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 기준 전력량을 갱신하는 상기 단계는
    상기 마이크로그리드의 전력 부족분을 고려하여, 상기 기준 전력량을 증가시키는 단계를 포함하는,
    전력 관리 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 갱신된 상기 기준 전력량은 상기 적어도 하나의 백본 노드로부터 추가로 구매할 전력량에 대응하는,
    전력 관리 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전력 계획을 생성하는 상기 단계는
    상기 복수의 분산 전원 노드들 중 제1 분산 전원 노드의 진입 링크의 진입 유량과 상기 제1 분산 전원 노드의 적어도 하나의 출력 링크의 총 출력 유량을 비교하는 단계;
    상기 진입 유량이 상기 총 출력 유량에 비해 많은 경우, 상기 진입 유량과 상기 총 출력 유량 간의 차를 상기 제1 분산 전원 노드의 잉여 발전량으로 결정하는 단계; 및
    상기 잉여 발전량에 관한 처리 계획을 생성하는 단계
    를 포함하는, 전력 관리 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 처리 계획은 상기 잉여 발전량에 관한 저장 계획 및 판매 계획 중 적어도 하나를 포함하는, 전력 관리 방법.
  7. 마이크로그리드를 위한 네트워크 플로우 모델 기반의 전력 관리 장치에 있어서,
    프로세서; 및
    상기 프로세서에서 실행가능한 명령어들을 포함하는 메모리
    를 포함하고,
    상기 명령어들이 상기 프로세서에서 실행되면, 상기 프로세서는
    소스 노드, 복수의 분산 전원 노드들, 적어도 하나의 백본 노드, 복수의 소비 유닛 노드들, 및 싱크 노드를 정의하고,
    상기 소스 노드와 상기 복수의 분산 전원 노드들 각각 간의 제1-1 링크들, 상기 소스 노드와 상기 적어도 하나의 백본 노드 간의 제1-2 링크, 상기 복수의 분산 전원 노드들 각각과 상기 복수의 소비 유닛 노드들 중 적어도 일부의 각각 간의 제2-1 링크들, 상기 적어도 하나의 백본 노드와 상기 복수의 소비 유닛 노드들 중 적어도 일부의 각각 간의 제2-2 링크들, 및 상기 복수의 소비 유닛 노드들 각각과 상기 싱크 노드 간의 제3 링크들을 정의하고,
    상기 복수의 분산 전원 노드들 각각의 예측 발전량에 대응하는 상기 제1-1 링크들의 가중치들, 미리 정해진 기준 전력량에 대응하는 상기 제1-2 링크의 가중치, 상기 제2-1 링크들 및 상기 제2-2 링크들에 관해 각각 미리 정해진 포설 용량에 대응하는 상기 제2-1 링크들 및 상기 제2-2 링크들의 가중치들, 상기 복수의 소비 유닛 노드들 각각의 예측 수요량에 대응하는 상기 제3 링크들의 가중치들을 결정하고,
    상기 제1-1 링크들의 상기 가중치들, 상기 제1-2 링크의 상기 가중치, 상기 제2-1 링크들의 상기 가중치들, 상기 제2-2 링크들의 상기 가중치들, 상기 제3 링크들의 상기 가중치들에 기초하여 네트워크 플로우 모델을 실행하고,
    상기 네트워크 플로우 모델의 실행 결과에 기초하여, 상기 마이크로그리드를 위한 전력 계획을 생성하는,
    전력 관리 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 프로세서는
    상기 제3 링크들 중 적어도 하나에 기초하여, 상기 마이크로그리드의 요구 전력이 충족되는지 결정하고,
    상기 요구 전력이 충족되지 않는 것으로 결정되는 경우, 상기 기준 전력량을 갱신하고,
    상기 갱신된 상기 기준 전력량에 기초하여, 상기 제1-2 링크의 가중치를 갱신하고,
    상기 갱신된 상기 제1-2 링크의 상기 가중치를 고려하여, 상기 네트워크 플로우 모델을 다시 실행하는,
    전력 관리 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 프로세서는
    상기 복수의 분산 전원 노드들 중 제1 분산 전원 노드의 진입 링크의 진입 유량과 상기 제1 분산 전원 노드의 적어도 하나의 출력 링크의 총 출력 유량을 비교하고,
    상기 진입 유량이 상기 총 출력 유량에 비해 많은 경우, 상기 진입 유량과 상기 총 출력 유량 간의 차를 상기 제1 분산 전원 노드의 잉여 발전량으로 결정하고,
    상기 잉여 발전량에 관한 처리 계획을 생성하는,
    전력 관리 장치.
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