KR102589723B1 - 열/전기 에너지 통합 운영이 가능한 에너지 허브 시스템 설계 방법 및 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 열/전기 에너지 통합 운영이 가능한 에너지 허브 시스템 설계 방법은, 에너지 허브 설치를 위한 각 후보 위치들에 대한 계통연계 안정성 분석을 수행하는 단계; 계통연계 안정성 분석 결과로 각 후보 위치들에 대한 설치 적합성을 판정하는 단계; 설치에 적합한 각 후보 위치들에 대하여 신뢰도를 포함한 다중 경제성 분석을 수행하는 단계; 및 다중 경제성 분석 결과들을 출력하는 단계를 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 열/전기 에너지 통합 운영이 가능한 에너지 허브 시스템을 네트워크에 적합하면서도 경제적으로 설계하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
지난 십수 년간, 환경오염의 심각성과 원전 안정성에 대한 경각심이 더해짐에 따라 PV(Photovoltaic), WT(Wind Turbine) 등 신재생에너지 도입/확대의 필요성이 제기되고 있다. 그러나, 반대로 기존 신재생에너지의 간헐적인 출력 특성과 과도한 도입으로 인해 예비력 확보가 가능한 기존 발전기들의 감소, 재생에너지의 출력 제한 등 계통 안정화 문제가 야기되고 있다.
한편, 최근 다양한 에너지원을 동시에 고려하여 가변 출력의 재생에너지원을 다른 형태의 에너지로 변환하여 활용하는 Sector Coupling 기술이 주목되고 있다.
특히 Power to Gas(P2G) 기술을 기반으로, 신재생에너지로부터 발생한 잉여전력을 수소화시켜 새로운 Utility로 활용하여 전력공급 안정화를 도모하기 위한 연구가 크게 증가하고 있다. 연료전지와 기존 전력 기반의 시스템을 접목하여 전기와 열에너지를 동시에 생산·관리할 수 있는 복합 에너지 허브 시스템 설계 및 개발 관련 연구가 활발하게 진행되고 있다.
열·전기 복합 에너지 허브 시스템 구성을 위하여 계시별 요금제를 적용함과 동시에, 각 발전원별 수명, 설치(교체)비용 및 운영비용과 이자율 등을 고려하여 NPV 분석을 통해 각 발전원의 최적 용량과 운영 전략을 결정하고 있으며, 이는 시스템 환경을 고려하지 않고 시스템 내 단일 혹은 이종의 에너지만 존재한다고 가정하여 분석한다. 즉, 에너지 밸런싱과 경제성만을 고려하여 시스템 내 구성요소 들의 용량을 산정하고 있다.
하지만, 이러한 방법을 이용한 복합 에너지 허브 설계 방법은 실제 계통 손실, 전압변동, 선로제약 등을 고려하지 않기 때문에 정확한 분석이 이루어질 수 없으며, 또한, 계통을 구성하는 설비들의 고장률(Failure Rate), 고장지속시간을 고려하지 않고 있다.
계통에서 추가 확장이나 계획관점에서 설비 증설을 위해서는, 실제 계통 운영과 환경을 고려하여 발전원들을 구성하고 용량을 결정해야 하나, 종래기술은 안정적인 공급을 위해 공급신뢰도 등의 지수를 고려하지않고, 기존 방법을 이용한 에너지 허브 설계 방안은 시스템 환경, 제약을 고려한 실제 설계 및 운영과 달라질 수 있는 위험성이 존재한다.
본 발명은 추가 확장이나 설비 증설의 경우 실제 계통 운영 및 시스템 환경을 고려하여 발전원들을 구성하고 용량을 결정할 수 있는 열/전기 에너지 통합 운영이 가능한 에너지 허브 시스템 설계 방법 및 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 열/전기 에너지 통합 운영이 가능한 에너지 허브 시스템 설계 방법은, 에너지 허브 설치를 위한 각 후보 위치들에 대한 계통연계 안정성 분석을 수행하는 단계; 계통연계 안정성 분석 결과로 각 후보 위치들에 대한 설치 적합성을 판정하는 단계; 설치에 적합한 각 후보 위치들에 대하여 신뢰도를 포함한 다중 경제성 분석을 수행하는 단계; 및 다중 경제성 분석 결과들을 출력하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 계통연계 안정성 분석을 수행하는 단계에서는, 계통의 각 부하단에 대해 산정된 신뢰도 값을 기반으로 하여 마이크로그리드 설계를 위한 정전비용을 계산하고, 부하 평형을 포함한 네트워크 운영 비용을 고려할 수 있다.
여기서, 상기 계통연계 안정성 분석을 수행하는 단계에서는, 전력 네트워크에 대하여 BIBC 매트릭스와 BCBV 매트릭스를 이용하여 계통구성을 수행할 수 있다.
여기서, 상기 계통연계 안정성 분석을 수행하는 단계는, 에너지 네트워크를 작성하는 단계; 에너지 허브 설치를 위한 각 후보 위치들 중 하나를 지정하는 단계; 지정된 후보 위치에서 에너지 허브의 컴포넌트들의 용량을 산정하는 단계; 및 상기 에너지 허브의 연계로 인한 전력조류, 전압, 선로 손실 중 2 이상을 확인하는 단계를 포함하고,
상기 설치 적합성을 판정하는 단계에서는, 확인한 항목들에 대한 결과들로부터 상기 지정된 후보 위치에서의 에너지 허브 설치의 적합성을 판정할 수 있다.
여기서, 상기 컴포넌트들의 용량을 산정하는 단계에서는, v개의 입력에너지 형태와 이에 상응하는 u개의 출력에너지 형태로 에너지 허브를 나타내고, 각 구성요소의 연결들에 대한 커플링 매트릭스를 통해 상기 에너지 허브의 동작특성을 설정할 수 있다.
여기서, 설치 적합성을 판정하는 단계에서는, 상기 에너지 허브 위치, 용량에 따른 각 노드에서의 전압, 선로에서의 제약 등을 통해, 계통 제약을 만족하는지 확인할 수 있다.
여기서, 상기 다중 경제성 분석 결과들에 대하여 담당자가 지정한 가중치를 반영하여 에너지 허브의 위치 및 사양을 확정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 다중 경제성 분석 결과들을 출력하는 단계에서는, 상기 다중 경제성 분석 결과들은 각 후보 위치들에 대하여 2개의 평가 항목들에 대한 값들을 2차원 평면상에 표시한 형태로 출력할 수 있다.
여기서, 상기 다중 경제성 분석을 수행하는 단계는, 목적 함수 및 다른 함수에 대한 제약을 선정하는 단계; 신뢰도를 계산하는 단계; 에너지 허브 경제성을 분석하는 단계; 및 제약 조건을 이용하여 신뢰도 및 경제성에 대한 모든 경우에 대한 분석 완료를 확인하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 다중 경제성 분석을 수행하는 단계에서는, 하나의 목적함수만을 최소화하며 다른 목적함수는 특정 epsilon보다 작은 제약을 추가하는 방식으로, 두가지 목적함수들의 최적 조합들을 구성할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 열/전기 에너지 통합 운영이 가능한 에너지 허브 시스템 및 장치는, 에너지 허브 설치를 위한 각 후보 위치들에 대한 계통연계 안정성 분석을 수행하고, 각 후보 위치들에 대한 설치 적합성을 판정하는 연계 안정성 분석부; 설치에 적합한 각 후보 위치들에 대하여 신뢰도를 포함한 다중 경제성 분석을 수행하는 MOP 분석부; 모든 후보 위치들에 대한 다중 경제성 분석 수행 결과들 중에서 최적 조합들을 정리하고 정리하고 관리자에게 리포팅하는 출력부; 및 관리자의 지시 또는 미리 설정된 조건에 따라 상기 최적 조합들 중에서 선정된 것으로 에너지 허브의 위치 및 사양을 확정하는 허브 확정부를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 연계 안정성 분석부는, 에너지 허브 설치를 위한 각 후보 위치들 중 하나를 지정하고, 지정된 후보 위치에서 에너지 허브의 컴포넌트들의 용량을 산정하고, 상기 에너지 허브의 연계로 인한 전력조류, 전압, 선로 손실 중 2 이상을 확인할 수 있다.
여기서, 상기 MOP 분석부는, 확인한 항목들에 대한 결과들로부터 상기 지정된 후보 위치에서의 에너지 허브 설치의 적합성을 판정할 수 있다.
여기서, 상기 MOP 분석부는, 하나의 목적함수만을 최소화하며 다른 목적함수는 특정 epsilon보다 작은 제약을 추가하는 방식으로, 두가지 목적함수들의 최적 조합들을 구성할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 열/전기 에너지 통합 운영이 가능한 에너지 허브 시스템 설계 방법은, 에너지 허브 설치를 위한 가스 네트워크 상의 각 후보 위치들에 대한 계통연계 안정성 분석을 수행하는 단계; 계통연계 안정성 분석 결과로 각 후보 위치들에 대한 설치 적합성을 판정하는 단계; 설치에 적합한 각 후보 위치들에 대하여 신뢰도를 포함한 다중 경제성 분석을 수행하는 단계; 및 다중 경제성 분석 결과들을 출력 또는 에너지 허브를 확정하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 계통연계 안정성 분석을 수행하는 단계는, 가스 중심의 네트워크를 작성하는 단계; 에너지 허브 설치를 위한 각 후보 위치들 중 하나를 지정하는 단계; 지정된 후보 위치에서 에너지 허브의 컴포넌트들의 용량을 산정하는 단계; 및 상기 에너지 허브의 연계로 인한 가스관 양단 압력 및 유량을 확인하여 가스 네트워크의 정상상태 분석을 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
상술한 구성의 본 발명의 사상에 따른 열/전기 에너지 통합 운영이 가능한 에너지 허브 시스템 설계 방법 및/또는 장치를 실시하면, 추가 확장이나 설비 증설의 경우 실제 계통 운영 및 시스템 환경을 고려하여 발전원들을 구성하고 용량을 결정할 수 있는 이점이 있다.
본 발명의 열/전기 에너지 통합 운영이 가능한 에너지 허브 시스템 설계 방법 및/또는 장치는, 경제성과 신뢰성을 동시에 고려한 열·전기 복합 에너지 허브의 최적 구성과 설계 및 운영을 가능하게 하며, 이를 통해 전기뿐만 아니라 가스, 열, 수소 등 에너지 수급의 다각화 및 유연성 자원 확보 가능한 이점이 있다.
본 발명의 열/전기 에너지 통합 운영이 가능한 에너지 허브 시스템 설계 방법 및/또는 장치는, 선로제약, 전압, 전류 등 정상상태에서의 전력 네트워크 운영을 고려한 에너지 허브의 위치 결정과 최적 설비용량 산정을 통하여 시스템 투자비 및 운영비 절감을 기대할 수 있으며, 가스, 열, 수소 등 다른 에너지 네트워크 운영 관점에서도 동일하게 해당 분야의 투자비 및 운영비 절감이 가능한 이점이 있다.
본 발명의 열/전기 에너지 통합 운영이 가능한 에너지 허브 시스템 설계 방법 및/또는 장치는, 신재생에너지, 분산전원 등 에너지 허브 구성의 자유로운 변경을 통하여 계통 환경, 부하 유형 변화에 따른 다양한 환경에 대하여 높은 설계 유연성을 확보할 수 있으며, 이를 기반으로 신재생에너지 자원의 Curtailment에 따른 미활용 에너지(잉여전력)를 감소시킴으로써 에너지 이용 효율을 증대시키는 이점이 있다.
본 발명의 열/전기 에너지 통합 운영이 가능한 에너지 허브 시스템 설계 방법 및/또는 장치는, 안정적이고 경제적인 다종의 에너지 공급을 가능하게 하는 에너지 허브를 기반으로 건물 냉난방, 산업공정, 수송 등 다양한 분야 간 열·전기 에너지 수급, 전환 및 거래 시스템을 구축할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 MOP 기반 열·전기 에너지 허브 시스템 설계 방법을 예시한 개념도.
도 2는 본 발명의 사상에 따른 허브 시스템 설계 방법의 일 실시예를 도시한 흐름도.
도 3은 복합 에너지 마이크로그리드 토폴로지 설계 구조를 예시한 개념도.
도 4는 본 발명의 사상에 따른 MOP 기반의 에너지 허브 최적 설계 과정으로서 에너지 허브 시스템 설계 방법을 도시한 흐름도.
도 5는 기존 설계방식을 도시한 흐름도.
도 6은 일반적인 방사형 계통을 예시하는 계통 구성도.
도 7은 에너지 허브 기본 구조를 도시한 블록도.
도 8a는 epsilon 기반의 파레토 최적에 따른 최적 조합들을 2차원 평면상에 표시한 그래프.
도 8b는 최적의 케이스에 따른 경제성 항목들을 도시한 그래프.
도 9는 도 2 및 도 4의 흐름도 따른 에너지 허브 시스템 설계 방법을 수행할 수 있는 에너지 허브 시스템 설계 장치의 일 실시예를 도시한 블록도.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 MOP 기반의 최적 에너지 허브 설계 방법을 도시한 흐름도.
도 2는 본 발명의 사상에 따른 허브 시스템 설계 방법의 일 실시예를 도시한 흐름도.
도 3은 복합 에너지 마이크로그리드 토폴로지 설계 구조를 예시한 개념도.
도 4는 본 발명의 사상에 따른 MOP 기반의 에너지 허브 최적 설계 과정으로서 에너지 허브 시스템 설계 방법을 도시한 흐름도.
도 5는 기존 설계방식을 도시한 흐름도.
도 6은 일반적인 방사형 계통을 예시하는 계통 구성도.
도 7은 에너지 허브 기본 구조를 도시한 블록도.
도 8a는 epsilon 기반의 파레토 최적에 따른 최적 조합들을 2차원 평면상에 표시한 그래프.
도 8b는 최적의 케이스에 따른 경제성 항목들을 도시한 그래프.
도 9는 도 2 및 도 4의 흐름도 따른 에너지 허브 시스템 설계 방법을 수행할 수 있는 에너지 허브 시스템 설계 장치의 일 실시예를 도시한 블록도.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 MOP 기반의 최적 에너지 허브 설계 방법을 도시한 흐름도.
본 발명을 설명함에 있어서 제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되지 않을 수 있다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 연결되어 있다거나 접속되어 있다고 언급되는 경우는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해될 수 있다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.
본 명세서에서, 포함하다 또는 구비하다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것으로서, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해될 수 있다.
또한, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
본 발명은 다중 목적함수(Multi-Objective Problem, MOP)를 기반으로 한 에너지 허브 시스템의 최적 설계방식으로서, 이는 기존 방법과 같이 경제성을 고려한 설계뿐만 아니라 계통 신뢰도와 관련 있는 고장비용을 고려할 수 있다. 또한, 네트워크 운영 제약까지 함께 고려하여 설계하기 때문에, 아래와 같이 다양한 조건을 고려할 수 있다.
(1) 각 분산전원들의 최적 용량 선정 및 운영 스케줄링 제공
(2) 경제성 및 신뢰성을 동시에 고려한 열·전기 복합 에너지 허브 모델링
(3) 전압변동, 선로 제약 및 손실 등 계통 환경, 제약을 고려한 복합 에너지 허브 설계
도 1은 MOP 기반 열·전기 에너지 허브 시스템 설계 방법의 개념을 도시한다.
본 발명의 에너지 허브 설계 방법은 MOP 기반 시스템의 경제성과 신뢰도의 가중치를 직접 적용할 수 있는 특징을 가지고 있다. 본 발명은 하나의 목적함수를 제약조건으로 고려하여 최적화를 진행하는 방식으로, 가중치를 용이하게 조절 가능하도록 epsilon-constraint 방법을 적용한다.
MOP 기반의 에너지 허브 설계도 기존 방안과 같이 첫 번째 목적함수를 경제성을 고려하도록 설계된다. 시스템 구성은 도 1과 같은 P2G 기반의 수전해 설비, 연료전지 및 수소탱크 기반의 설비와 기존 태양광, 풍력과 같은 신재생에너지가 포함될 수 있다.
에너지 허브 토폴로지는 설비 추가증설, 변경이 자유롭게 가능하며 계통 연계형, 독립형 등 자유롭게 설계 가능하며 단일부하에 대한 최적화 또한 가능하다. 시스템 최적 구축을 위하여, 에너지 허브 설계는 아래와 같이 세 가지 프로세스를 포함하여 진행한다.
(1) 에너지 허브 내 신재생에너지, 발전설비, 에너지저장장치, P2G(Power to Gas) 설비의 물리적 모델링
(2) 네트워크 제약을 고려하기 위한 열 및 전기 네트워크 모델링
(3) MOP 최적화 수행
도 2는 본 발명의 사상에 따른 허브 시스템 설계 방법의 일 실시예를 도시한 흐름도이다.
도시한 허브 시스템 설계 방법은, 에너지 허브 설치를 위한 각 후보 위치들에 대한 계통연계 안정성 분석을 수행하는 단계(S100); 계통연계 안정성 분석 결과로 각 후보 위치들에 대한 설치 적합성을 판정하는 단계(S200); 설치에 적합한 각 후보 위치들에 대하여 신뢰도를 포함한 다중 경제성 분석을 수행하는 단계(S300); 및 다중 경제성 분석 결과들을 출력하는 단계(S400)를 포함한다.
구현에 따라 상기 다중 경제성 분석 결과들을 출력하는 단계(S400) 이후, 상기 다중 경제성 분석 결과들에 대하여 담당자가 지정한 가중치를 반영하여 에너지 허브의 위치 및 사양을 확정하는 단계(S500)를 더 포함할 수 있다.
이 경우, 상기 다중 경제성 분석 결과들을 출력하는 단계(S400)에서는, 상기 다중 경제성 분석 결과들은 각 후보 위치들에 대하여 적어도 2개 이상의 평가 항목들에 대한 값을 표시한 형태로 출력하여, 상기 담당자에게 제공될 수 있다.
도 3은 복합 에너지 마이크로그리드 토폴로지 설계 구조를 예시한 개념도이다.
본 발명의 사상에 따라 네트워크를 고려하여 시스템을 구축할 경우, 상기 S100 단계에서는 선로, 변압기 등 계통을 구성하는 요소들의 고장률(Failure rate)를 기반으로, 각 부하단의 신뢰도를 산정한다. 산정된 신뢰도 값을 기반으로 하여 마이크로그리드 설계를 위한 정전비용을 계산한다.
정전비용뿐만 아니라 전압변동, 선로제약, 송전 전력 등 부하 평형을 포함한 네트워크 운영까지 함께 고려하기 때문에 실제 에너지 허브 운영과 동일한 결과를 도출할 수 있다.
토폴로지 설계 이후에는 마이크로그리드 내 설비들의 특성을 나타내기 위해 공식화 작업을 진행한다. 신재생에너지, 분산자원 설비들의 출력 식은 선형화하여 공식화가 진행되며 Battery, Heat Tank, H2 Tank와 같은 에너지 저장장치들은 충·방전 상태, SOC를 고려하여 진행한다.
상기 S300 단계에서 MOP(다중목적함수) 최적화를 위해서는 하기 표 1과 같은 파라미터값을 설정할 수 있으며 각 설비별 수명, 설치비용, 운영비용은 자유롭게 조절 가능하다.
각 설비별 최적운영을 위해 필요한 파라미터 설정 또한 하기 표 2와 같이 설정할 수 있으며 결론적으로 설비 파라미터 튜닝을 통해서 마이크로그리드 내 존재하는 모든 설비들의 최적 용량을 산정하며 본 발명에서는 상기 언급한 경제성 및 신뢰성을 모두 고려한 환경에서의 마이크로그리드 최적 설계방법에 대하여 제안한다.
도 4는 본 발명의 사상에 따른 MOP 기반의 에너지 허브 최적 설계 과정을 도시한 흐름도로서, 도 2의 흐름도를 구체화한 것이다.
도 5는 기존 설계방식을 도시한 흐름도로서, 비교를 위해 나타내었다.
본 발명의 사상에 따른 세부 과정들은 정상상태 및 고장상태를 고려한 에너지 허브의 최적 설계를 위하여 활용되며 도 4의 흐름도와 같이 진행된다.
상기 계통연계 안정성 분석을 수행하는 단계(S100)는, 에너지 네트워크를 작성하는 단계(S110); 상기 에너지 네트워크상에서 에너지 허브 설치를 위한 각 후보 위치들 중 하나를 지정하는 단계(S120); 지정된 후보 위치에서 에너지 허브의 컴포넌트들의 용량을 산정하는 단계(S130); 및 상기 에너지 허브의 연계로 인한 전력조류, 전압, 선로 손실 중 2 이상을 확인하는 단계(S140)를 포함하고,
상기 설치 적합성을 판정하는 단계(S200)에서는, 확인한 항목들에 대한 결과들로부터 상기 지정된 후보 위치에서의 에너지 허브 설치의 적합성을 판정할 수 있다.
도시한 S110 단계에서는 에너지 허브 위치를 선정하기 위해, 해당 지역의 가스 및 전력 네트워크를 구성한다. 이때, 앞서 도 3에 대하여 설명한 복합 에너지 마이크로그리드 토폴로지 설계 구조를 반영할 수 있다.
또한, 상기 S110 단계에서는 전력 네트워크 같은 경우 BIBC 매트릭스와 BCBV 매트릭스를 이용하여 계통구성을 할 수 있으며, 이 경우 다른 전력 시스템 해석 기법보다 빠르게 전압, 전류, 선로손실을 계산할 수 있는 이점이 있다.
도 6은 일반적인 방사형 계통을 예시하는 계통 구성도이다. 도 6에 예시한 일반적인 방사형 계통은 7개의 버스와 이에 상응하는 7개의 선로로 나타내고 있다. 각 선로에서 흐르는 전류와 노드 단에서의 전류를 이용하여, 키르히호프 법칙(KCL)을 통해 하기 수학식 1 및 하기 수학식 2와 같이 BIBC 매트릭스와 BCBV 매트릭스를 구성할 수 있다.
도시한 S120 단계에서 에너지 허브 위치를 특정 모선 i에 연결하여 구축할 경우, 상기 S110 단계의 네트워크 구성 수식과 함께 연동하여 허브에서의 출력을 고려하여 분석하며 t시간 모선 전압(), 전류() 및 선로 전류()를 다음의 에너지 허브 연계에 따른 네트워크 운영 수학식 3과 수학식 4를 이용하여 구할 수 있다.
도 7은 에너지 허브 기본 구조를 도시한 블록도이다.
상기 S120 단계에서의 에너지 허브의 출력을 구하기 위해, 도시한 S130 단계에서는 에너지 허브 각 구성요소의 입출력에 해당하는 물리적 상태를 구성할 수 있다. 에너지 허브 구성은 도 7과 같이 나타낼 수 있으며, v개의 입력에너지 형태와 이에 상응하는 u개의 출력에너지 형태로 나타낼 수 있다.
에너지 허브 내 구성요소는 신재생에너지, 분산전원, 에너지 저장장치 등 다양한 설비를 자유롭게 선정할 수 있으며, 각 구성요소의 연결(cnm)을 통해 에너지 허브의 동작특성을 설정할 수 있다. 커플링 매트릭스를 의미하는 cnm은 입력 Pn과 출력 Lm과의 관계를 나타내는 값을 나타내며 0~1사이의 값을 가지며, 이를 통해 에너지 허브 내 구성요소들의 입력(Pn) 및 출력(Lm)간의 관계식을 하기 수학식 5와 같이 공식화할 수 있다.
도시한 S140 단계에서는, 상기 수학식에서 에너지 허브의 열·전기 출력을 공식화한 이후 전압, 선로제약, 출력 제한 등을 도출하고, 도시한 S200 단계에서는 상기 S140 단계에서 도출한 값들이 네트워크운영 조건을 만족하는지 확인한다. 에너지 허브 위치, 용량에 따른 각 노드에서의 전압, 선로(t)에서의 제약 등을 통해, 계통 제약을 만족하지 못할 경우, 다시 허브 위치, 용량을 산정하는 절차를 반복하며, 계통 제약을 만족하는 경우 신뢰도 분석을 통한 정전비용을 분석할 수 있다.
예컨대, 네트워크 운영 제약 예시로서 에너지 허브 출력 제한 조건은 하기 수학식 6 및 수학식 7에 따를 수 있다.
예컨대, 네트워크 운영 제약 예시로서 선로 허용 유/무효전력 제한 조건은 하기 수학식 8 및 수학식 9에 따를 수 있다.
예컨대, 네트워크 운영 제약 예시로서 노드별 전압 유지범위 제한 조건은 하기 수학식 10에 따를 수 있다.
다음, 상기 MOP 분석에 대하여 살펴보겠다.
도 2의 다중 경제성 분석을 수행하는 단계(S300)는, 도 4의 구체화된 흐름도에 따르는 경우, 목적 함수 및 다른 함수에 대한 제약을 선정하는 단계(S360); 신뢰도(정정비용)를 계산하는 단계(S372); 에너지 허브 경제성을 분석하는 단계(S374); 및 제약 조건을 이용하여 신뢰도 및 경제성에 대한 모든 경우에 대한 분석 완료를 확인하는 단계(S380)를 포함할 수 있다.
도 4에 도시한 S360 단계에서는 현재 두 가지 목적함수(정상상태에서 시스템 총 운영비용(경제성 분석), 고장상태에서 정전비용)를 동시에 최적화하는 방법에 대해서 epsilon 제약방법을 사용한 것을 예시한다. 이는 하나의 목적함수만을 최소화하며 다른 목적함수는 특정 epsilon보다 작은 제약을 추가하는 방식으로, 두가지 목적함수들의 최적 조합들을 찾을 수 있다. 이를 위해 하기 수학식 11에 따른 epsilon 기반의 파레토 최적화 방법을 이용할 수 있다.
도 8a는 epsilon 기반의 파레토 최적에 따른 최적 조합들을 2차원 평면상에 표시한 그래프이고, 도 8b는 최적의 케이스에 따른 경제성 항목들을 도시한 그래프이다.
도시한 S372 단계에서는 상기 수학식 11의 F2를 구하고, 도시한 S373 단계에서는 상기 수학식 11의 F1을 구한다. 즉, 상기 수학식 11에서 목적함수를 만족하기 위한 변수를 확보하는 것을 의미할 수 있다.
구현에 따라, 상기 F2 산출은 S140에서의 분석값을 그대로 이용하거나, 이를 반영하되 추가적인 손실 비용 등을 더 적용하는 값을 이용할 수 있다.
여기서 모든 i번째에 해당하는 특정 를 조절하면서 F2를 만족하기 위한 범위를 선정할 수 있으며, F2의 조건을 만족하는 최적 F1 값을 도출할 수 있다. 즉, 의 조절을 통하여 도 8a, 8b와 같이 다양한 [F1, F2] 셋을 구성할 수 있으며 원하는 가중치에 따른 결과값을 도출할 수 있다.
예컨대, 상기 S500 단계에서는, 에너지 허브 최적 설계를 위해, 도 8a, 8b와 같이 거리가 가장 최소가 되는 지점을 최적 설계를 위한 지점으로 선정할 수 있다.
도 9는 도 2 및 도 4의 흐름도 따른 에너지 허브 시스템 설계 방법을 수행할 수 있는 에너지 허브 시스템 설계 장치의 일 실시예를 도시한 블록도이다.
도시한 에너지 허브 시스템 설계 장치는, 에너지 허브 설치를 위한 각 후보 위치들에 대한 계통연계 안정성 분석을 수행하고, 각 후보 위치들에 대한 설치 적합성을 판정하는 연계 안정성 분석부(120); 설치에 적합한 각 후보 위치들에 대하여 신뢰도를 포함한 다중 경제성 분석을 수행하는 MOP 분석부(130); 모든 후보 위치들에 대한 다중 경제성 분석 수행 결과들 중에서 최적 조합들을 정리하고 정리하고 관리자에게 리포팅하는 출력부(160); 및 관리자의 지시 또는 미리 설정된 조건에 따라 상기 최적 조합들 중에서 선정된 것으로 에너지 허브의 위치 및 사양을 확정하는 허브 확정부(150)를 포함할 수 있다.
예컨대, 상기 연계 안정성 분석부(120)는, 에너지 허브 설치를 위한 각 후보 위치들 중 하나를 지정하고, 지정된 후보 위치에서 에너지 허브의 컴포넌트들의 용량을 산정하고, 상기 에너지 허브의 연계로 인한 전력조류, 전압, 선로 손실 중 2 이상을 확인할 수 있다.
예컨대, 상기 MOP 분석부(130)는, 확인한 항목들에 대한 결과들로부터 상기 지정된 후보 위치에서의 에너지 허브 설치의 적합성을 판정할 수 있다.
또한, 상기 MOP 분석부는, 하나의 목적함수만을 최소화하며 다른 목적함수는 특정 epsilon보다 작은 제약을 추가하는 방식으로, 두가지 목적함수들의 최적 조합들을 구성할 수 있다.
도시한 바와 같이, 상기 에너지 허브 시스템 설계 장치는, 계통 설계 DB가 형성되고, 에너지 허브 설치 후보 위치들에 대한 지리 정보가 저장된 저장부를 더 포함할 수 있다.
도시한 출력부(160)는, 도 8a 및 8b와 같이, 상기 다중 경제성 분석 결과들은 각 후보 위치들에 대하여 2개의 평가 항목들(신뢰도, 경제성)에 대한 값들을 2차원 평면상에 표시한 화면을 출력(디스플레이/리포팅)할 수 있다.
도시한 허브 확정부(150)는 관리자로부터 에너지 허브 확정을 위한 지시나 설정을 입력받기 위한 조작부를 구비할 수 있다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 MOP 기반의 최적 에너지 허브 설계 방법을 도시한 흐름도이다.
도 10의 흐름도는 MOP 기반의 가스 네트워크 중심 에너지 허브 최적 설계 방법을 나타낸 것으로서, 에너지 허브 설치를 위한 각 후보 위치들에 대한 계통연계 안정성 분석을 수행하는 단계(S1110 ~ S1140); 계통연계 안정성 분석 결과로 각 후보 위치들에 대한 설치 적합성을 판정하는 단계(S1200); 설치에 적합한 각 후보 위치들에 대하여 신뢰도를 포함한 다중 경제성 분석을 수행하는 단계(S1360 ~ S1380); 및 다중 경제성 분석 결과들을 출력하고, 에너지 허브를 확정하는 단계(S1500)를 포함한다.
도 10의 경우 상기 계통연계 안정성 분석을 수행하는 단계(S1110 ~ S1140)는, 가스 중심의 네트워크를 작성하는 단계(S1110); 에너지 허브 설치를 위한 각 후보 위치들 중 하나를 지정하는 단계(S1120); 지정된 후보 위치에서 에너지 허브의 컴포넌트들의 용량을 산정하는 단계(S1130); 및 상기 에너지 허브의 연계로 인한 가스관 양단 압력 및 유량을 확인하여 가스 네트워크의 정상상태 분석을 수행하는 단계(S1140)포함하고,
상기 설치 적합성을 판정하는 단계(S1200)에서는, 확인한 항목들에 대한 결과들로부터 가스 네트워크상의 상기 지정된 후보 위치에서의 에너지 허브 설치의 적합성을 판정한다.
도시한 바와 같이, 기존의 전력 중심의 에너지 네트워크 뿐만 아니라, 가스 중심의 네트워크에서의 에너지 허브 시스템의 설계에 적용될 수 있으며, 이를 고려하여 기타 설비 또한 추가할 수 있으며 원하는 시스템 구성을 자유롭게 구현 가능하다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
120 : 연계 안정성 분석부
130 : MOP 분석부
150 : 허브 확정부
160 : 출력부
130 : MOP 분석부
150 : 허브 확정부
160 : 출력부
Claims (16)
- 에너지 허브 설치를 위한 각 후보 위치들에 대한 계통연계 안정성 분석을 수행하는 단계;
계통연계 안정성 분석 결과로 각 후보 위치들에 대한 설치 적합성을 판정하는 단계;
설치에 적합한 각 후보 위치들에 대하여 신뢰도를 포함한 다중 경제성 분석을 수행하는 단계; 및
다중 경제성 분석 결과들을 출력하는 단계
를 포함하되,
상기 계통연계 안정성 분석을 수행하는 단계에서는,
전력 네트워크에 대하여 BIBC 매트릭스와 BCBV 매트릭스를 이용하여 계통구성을 수행하는 에너지 허브 시스템 설계 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 계통연계 안정성 분석을 수행하는 단계에서는,
계통의 각 부하단에 대해 산정된 신뢰도 값을 기반으로 하여 마이크로그리드 설계를 위한 정전비용을 계산하고, 부하 평형을 포함한 네트워크 운영 비용을 고려하는 에너지 허브 시스템 설계 방법.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 계통연계 안정성 분석을 수행하는 단계는,
에너지 네트워크를 작성하는 단계;
에너지 허브 설치를 위한 각 후보 위치들 중 하나를 지정하는 단계;
지정된 후보 위치에서 에너지 허브의 컴포넌트들의 용량을 산정하는 단계; 및
상기 에너지 허브의 연계로 인한 전력조류, 전압, 선로 손실 중 2 이상을 확인하는 단계를 포함하고,
상기 설치 적합성을 판정하는 단계에서는,
확인한 항목들에 대한 결과들로부터 상기 지정된 후보 위치에서의 에너지 허브 설치의 적합성을 판정하는 단계
를 포함하는 에너지 허브 시스템 설계 방법.
- 제4항에 있어서,
상기 컴포넌트들의 용량을 산정하는 단계에서는,
v개의 입력에너지 형태와 이에 상응하는 u개의 출력에너지 형태로 에너지 허브를 나타내고, 각 구성요소의 연결들에 대한 커플링 매트릭스를 통해 상기 에너지 허브의 동작특성을 설정하는 에너지 허브 시스템 설계 방법.
- 제1항에 있어서,
설치 적합성을 판정하는 단계에서는,
상기 에너지 허브 위치, 용량에 따른 각 노드에서의 전압, 선로에서의 제약 중 하나 이상을 통해, 계통 제약을 만족하는지 확인하는 에너지 허브 시스템 설계 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 다중 경제성 분석 결과들에 대하여 담당자가 지정한 가중치를 반영하여 에너지 허브의 위치 및 사양을 확정하는 단계
를 더 포함하는 에너지 허브 시스템 설계 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 다중 경제성 분석 결과들을 출력하는 단계에서는,
상기 다중 경제성 분석 결과들은 각 후보 위치들에 대하여 2개의 평가 항목들에 대한 값들을 2차원 평면상에 표시한 형태로 출력하는 에너지 허브 시스템 설계 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 다중 경제성 분석을 수행하는 단계는,
목적 함수 및 다른 함수에 대한 제약을 선정하는 단계;
신뢰도를 계산하는 단계;
에너지 허브 경제성을 분석하는 단계; 및
제약 조건을 이용하여 신뢰도 및 경제성에 대한 모든 경우에 대한 분석 완료를 확인하는 단계
를 포함하는 에너지 허브 시스템 설계 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 다중 경제성 분석을 수행하는 단계에서는,
하나의 목적함수만을 최소화하며 다른 목적함수는 특정 epsilon보다 작은 제약을 추가하는 방식으로, 두가지 목적함수들의 최적 조합들을 구성하는 에너지 허브 시스템 설계 방법.
- 에너지 허브 설치를 위한 각 후보 위치들에 대한 계통연계 안정성 분석을 수행하고, 각 후보 위치들에 대한 설치 적합성을 판정하는 연계 안정성 분석부;
설치에 적합한 각 후보 위치들에 대하여 신뢰도를 포함한 다중 경제성 분석을 수행하는 MOP 분석부;
모든 후보 위치들에 대한 다중 경제성 분석 수행 결과들 중에서 최적 조합들을 정리하고 정리하고 관리자에게 리포팅하는 출력부; 및
관리자의 지시 또는 미리 설정된 조건에 따라 상기 최적 조합들 중에서 선정된 것으로 에너지 허브의 위치 및 사양을 확정하는 허브 확정부
를 포함하되,
상기 연계 안정성 분석부는,
에너지 허브 설치를 위한 각 후보 위치들 중 하나를 지정하고, 지정된 후보 위치에서 에너지 허브의 컴포넌트들의 용량을 산정하고, 상기 에너지 허브의 연계로 인한 전력조류, 전압, 선로 손실 중 2 이상을 확인하는 에너지 허브 시스템 설계 장치.
- 삭제
- 제11항에 있어서,
상기 MOP 분석부는,
확인한 항목들에 대한 결과들로부터 상기 지정된 후보 위치에서의 에너지 허브 설치의 적합성을 판정하는 에너지 허브 시스템 설계 장치.
- 제11항에 있어서,
상기 MOP 분석부는,
하나의 목적함수만을 최소화하며 다른 목적함수는 특정 epsilon보다 작은 제약을 추가하는 방식으로, 두가지 목적함수들의 최적 조합들을 구성하는 에너지 허브 시스템 설계 장치.
- 에너지 허브 설치를 위한 가스 네트워크 상의 각 후보 위치들에 대한 계통연계 안정성 분석을 수행하는 단계;
계통연계 안정성 분석 결과로 각 후보 위치들에 대한 설치 적합성을 판정하는 단계;
설치에 적합한 각 후보 위치들에 대하여 신뢰도를 포함한 다중 경제성 분석을 수행하는 단계; 및
다중 경제성 분석 결과들을 출력 또는 에너지 허브를 확정하는 단계
를 포함하되,
상기 계통연계 안정성 분석을 수행하는 단계는,
가스 중심의 네트워크를 작성하는 단계;
에너지 허브 설치를 위한 각 후보 위치들 중 하나를 지정하는 단계;
지정된 후보 위치에서 에너지 허브의 컴포넌트들의 용량을 산정하는 단계; 및
상기 에너지 허브의 연계로 인한 가스관 양단 압력 및 유량을 확인하여 가스 네트워크의 정상상태 분석을 수행하는 단계
를 포함하는 에너지 허브 시스템 설계 방법.
- 삭제
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