KR20200081119A - 다중 목적함수에 기반한 가상발전소 운영 시스템 및 그 운영 방법 - Google Patents

다중 목적함수에 기반한 가상발전소 운영 시스템 및 그 운영 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 신재생에너지를 포함한 분산자원을 구비하는 가상발전소 운영시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 각 분산자원에 독립적인 제어수단을 구비하여 이익 최대화 및 비용 최소화를 위한 다중 목적함수를 추출하고, 이를 기반으로 분산자원 운영을 위한 전략을 생성함으로써, 이익 및 비용을 고려하여 가상발전소의 안정적인 운영이 가능하도록 해 주는 다중 목적함수에 기반한 가상발전소 운영 시스템 및 그 운영 방법에 관한 것이다.

Description

다중 목적함수에 기반한 가상발전소 운영 시스템 및 그 운영 방법{System and method for operating virtual power plant based on multi-objective function}
본 발명은 신재생에너지를 포함한 분산자원을 구비하는 가상발전소 운영시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 각 분산자원에 독립적인 제어수단을 구비하여 이익 최대화 및 비용 최소화를 위한 다중 목적함수를 추출하고, 이를 기반으로 분산자원 운영을 위한 전략을 생성함으로써, 이익 및 비용을 고려하여 가상발전소의 안정적인 운영이 가능하도록 해 주는 다중 목적함수에 기반한 가상발전소 운영 시스템 및 그 운영 방법에 관한 것이다.
기존의 중앙급전발전소 중심의 전력공급 방식을 보완하기 위해 수요지 근처에 중/소규모로 설치되어 운영되는 분산전원(Distributed Energy Resource; DER)이 적극적으로 도입되고 있다.
분산전원은 필요한 지역에 필요한 규모로 단기간에 설치가 가능하고, 짧은 시간 내에 발전기 기동이 가능하기 때문에 전력 계통의 단기간 안정화에 기여할 수 있으며, 전력 부족 시에는 추가 발전으로 최대수요에 유연하고 효과적으로 대처함으로써 계통신뢰도와 전력품질을 향상시키는 데 활용될 수 있다.
이러한 분산전원은 최근 수력, 풍력, 태양광 등과 같은 친환경 에너지원을 이용하는 발전설비 또는 에너지저장장치와 같은 충/방전설비로 구축되고 있으며, 이중에서, 태양광 발전은 태양이 비추는 지역이라면 발전설비의 설치가 가능하여 장소 제한이 가장 적고, 또한 소형의 발전설비에서부터 대형의 발전설비까지 운영자가 원하는 형태로 다양하게 설치되어 운영될 수 있기 때문에 더욱 선호되고 있다.
상술한 분산전원에 의한 기존 중앙급전발전소의 역할을 대체할 수 있도록 기존의 전력 계통의 운영과 효과적으로 연계할 수 있는 제어전략이 구축되어야 한다. 이러한 분산전원의 계통 연계 전략의 대표적인 구축이 가상발전소(Virtual Power Plant; VPP)이다. 가상발전소는 도매전력시장 및 계통 운영에의 참여를 목적으로 전력 계통 내에 산재해 있는 다양한 유형의 분산전원을 진보된 정보통신기술 및 자동제어기술을 이용하여 단일 발전시스템으로 운영하기 위한 통합관리시스템을 의미한다.
상술한 가상발전소는 다양한 분산전원에 대한 모델링을 이용하여 분산전원의 전력생산량을 예측하고, 예측된 전력생산량에 따라 전력거래시장에서의 전력입찰을 제어하였다.
이와 관련하여 선행기술문헌에는 핵심 가상발전기(VPP)의 운영 솔루션을 구축하는데 있어서, 멀티에이전트 시스템(MAS) 개념을 적용하여 구성요소 간의 게이밍 관계를 통해 효율성 및 유연성 있는 시스템 운영이 가능하도록 한 가상발전기 운영시스템이 개시되어 있다.
선행기술문헌에 의하면, 부하에 대해서는 하위 에이전트들로부터 입찰가격 및 에너지사용량에 대한 옥션입찰을 입력하고, VPP 운영장치는 해당 입찰가격으로 공급될 에너지 사용량을 결정함과 더불어, 전력공급장치가 결정된 상기 에너지 사용량을 공급하도록 제어한다. 그리고, 비협력게임으로 입장한 두 하위 에이전트에 대하여 입찰된 상기 에너지 사용랑에 해당하는 기 설정된 에너지 사용량 범위내에서 해당 입찰가격으로 순 이득이 최고가 되는 최적 운전점에 해당하는 해당 두 하위 에이전트 각가에 제공될 에너지 사용량을 결정하도록 구성된다.
이때, 상기한 가상발전기 운영시스템은 분산전력에 대해 발전용량 및 발전단가를 미리 예측하여 입찰에 참여하게 되고, 신재생에너지에 대해서는 기상정보를 적용하여 발전용량 및 발전단가를 예측하여 적용하게 된다.
그러나, 실제적으로 환경 문제 등으로 인해 기상정보의 예측 정확도가 점점 낮아짐을 고려할 때, 발전용량 및 발전단가가 불확실한 신재생에너지를 적용하기에 무리가 있다.
또한, 사용량이 늘어날수록 순이익이 비례하여 증가하나, 변곡점을 넘어가게 되면 비용증가로 효율이 감소하기 때문에 결과적으로 가상발전소의 이득이 음의 상태가 되는 문제가 있다.
또한, 선행기술문헌에서 적용되는 게임이론은 사용자가 에너지 사용량 결정을 받아들이지 못하는 경우가 발생할 수 있고, 전부 비협력게임으로 입장하는 경우 이익이 음의 상태가 될 경우가 발생할 수 있다.
또한, 일반적으로 가상발전소는 분산전원 운영 및 유지 관리를 위한 비용이 발생되는데, 선행기술문헌은 단순히 이익을 최대화하는 운영규칙만을 적용할 뿐 이러한 비용 발생에 대해서는 고려하지 못하고 있다.
특히, 전력거래소와 거래에 따른 분산자원 운영시 거래일 평균 감축 이행율이 70% 미만인 날이 3회 이상일 경우에는 입찰제한이 되기 때문에 리스크를 고려한 보다 안정성있는 가상발전소 운영 방법이 요구된다.
대한민국 등록특허공보 제10-1472582호
본 발명은 상술한 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 본 발명의 목적은, 신재생에너지를 포함한 분산자원을 구비하는 가상발전소 운영시스템에서 각 분산자원에 독립적인 제어수단을 구비하여 이익 최대화 및 비용 최소화를 위한 다중 목적함수를 추출하고, 이를 기반으로 분산자원의 효율적인 관리를 수행할 수 있도록 해 주는 다중 목적함수 최적화에 기반한 가상발전소 운영 시스템 및 그 운영 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적들을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 다중 목적함수에 기반한 가상발전소 운영 시스템은, 적어도 하나 이상의 부하, 신재생에너지 설비를 포함하는 적어도 하나 이상의 발전원, 및 에너지저장시스템을 포함하는 분산자원; 상기 분산자원과 연결되어 분산자원에 대한 각 상태를 모니터링함과 더불어, 각 분산자원에 대해 수집된 분산자원 정보를 VPP 운영장치로 제공하는 VPP 모니터링장치; 및 전력 판매가격을 결정하고, VPP 모니터링장치로부터 제공되는 분산자원 정보와 전력 판매가격을 근거로 이익과 비용에 대응되는 목적함수를 결정하며, 각 목적함수별 기 설정된 가중치를 적용하여 이익과 비용의 차이를 최대화하는 분산자원 운영 전략을 VPP 모니터링장치를 통해 분산자원으로 전송하는 VPP 운영장치를 포함하여 구성되고, 상기 각 분산자원들은 해당 분산자원의 상태를 진단하고 개별 전력량을 예측하며, 분산자원의 수명 비용을 산출하여 상기 VPP 모니터링 장치로 전송하고, VPP 모니터링 장치로부터 수신되는 분산자원 운영 전략을 근거로 해당 분산자원을 운영 제어하는 독립된 자원 제어부를 각각 구비하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 VPP 운영장치는 각 목적함수에 대해 기 설정된 가중치를 적용하고, 가중치가 적용된 최대 이익의 목적함수과 최소 비용의 목적함수를 가중합하여 최종 목적함수로 설정함과 더불어, 최종 목적함수를 최대화하도록 분산자원 운영 전략을 생성하도록 구성됨이 바람직하다.
또한, 상기 이익 목적함수는 전력판매 이익, 발전원 정부 보조금 이익, 에너지저장시스템 정부보조금 이익을 포함하는 이익 종류 중 하나 또는 둘 이상을 포함하는 조합으로 이루어지고, 상기 비용 목적함수는 분산자원의 수명 비용으로 이루어지되, 수명 비용은 해당 분산자원의 수명예측곡선에서 최대수명 거리의 역수로서 산출됨이 바람직하다.
또한, 상기 가중치는 이익 목적함수에 대해 이익이 큰 항목의 가중치를 보다 크게 설정하여 해당 항목이 선택될 확률을 높이고, 비용 목적함수에 대해 비용이 큰 항목의 가중치를 보다 크게 설정하여 해당 항목이 선택될 확률을 낮추도록 설정됨이 바람직하다.
또한, 상기 비용 목적함수에서 에너지저장시스템의 수명 비용은 충전상태 크기에 따라 가중치를 다르게 적용하되, 충전상태의 일정값 미만인 경우보다 그 값 이상인 때의 가중치를 높게 설정하되, 상기 일정값은 70~90%의 범위 중 어느 하나로 조정하도록 함이 바람직하다.
또한, 상기 VPP 운영장치는 전력 판매가격을 예측하고, 이전 시간 블럭에서의 예측판매가격과 현재 예측된 판매가격을 비교 분석하여 이익 목적함수에 대한 가중치를 변경 설정함이 바람직하다.
상기 목적들을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 다중 목적함수에 기반한 가상발전소 운영 방법은, 적어도 하나 이상의 부하, 신재생에너지 설비를 포함하는 적어도 하나 이상의 발전원, 및 에너지저장시스템을 포함하는 분산자원들과 결합되어 전력 관리를 수행하는 VPP 운영장치를 포함하되, 상기한 각 분산자원은 해당 분산자원을 관리하는 자원 제어부를 각각 구비하여 구성되는 가상 발전소 운영 시스템의 다중 목적함수에 기반한 가상 발전소 운영 방법에 있어서, 상기 VPP 운영장치에서 부하와 발전원 및 에너지저장시스템의 각 자원 제어부로부터 해당 분산 자원에 대한 전력량과 수명 비용 및 운영 상태 정보를 수집하는 제 1 단계, 상기 VPP 운영장치에서 전력 판매가격을 예측하는 제 2 단계, 상기 VPP 운영장치에서 이익과 비용에 대응되는 목적함수에 대해 가중치를 설정하는 제 3 단계, 상기 VPP 운영장치에서 상기 제 1 단계에서 수집된 각 분산자원 정보와, 제 2 단계에서 결정된 판매가격을 근거로 VPP 예상이익과 VPP 비용을 예측하고, 각 예측값에 기반하여 이익 목적함수와 비용 목적함수를 생성하는 제 4 단계, 및 상기 VPP 운영장치에서 상기 제 4 단계에서 생성된 이익 목적함수와 비용 목적함수에 대해 기 설정된 가중치를 적용하여 최대 이익과 최소 비용의 목적함수를 결정함과 더불어, 이에 대응되는 분산자원 운영 전략을 생성하는 제 5 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 제 2 단계에서 VPP 운영장치는 전력 판매가격을 예측하고, 이전 시간 블럭에서의 예측판매가격과 현재 예측된 판매가격을 비교 분석하여 이익 목적함수에 대한 가중치를 변경 설정함이 바람직하다.
또한, 상기 이익 목적함수는 전력판매 이익, 발전원 정부 보조금 이익, 에너지저장시스템 정부보조금 이익을 포함하는 이익 종류 중 하나 또는 둘 이상을 포함하는 조합으로 이루어지고, 상기 비용 목적함수는 분산자원의 수명 비용으로 이루어지되, 수명 비용은 해당 분산자원의 수명예측곡선에서 최대수명 거리의 역수로서 산출됨이 바람직하다.
또한, 상기 제 3 단계에서 가중치는 이익 목적함수에 대해 이익이 큰 항목의 가중치를 보다 크게 설정하여 해당 항목이 선택될 확률을 높이고, 비용 목적함수에 대해 비용이 큰 항목의 가중치를 보다 크게 설정하여 해당 항목이 선택될 확률을 낮추도록 설정됨이 바람직하다.
또한, 상기 비용 목적함수에서 에너지저장시스템의 수명 비용은 충전상태 크기에 따라 가중치를 다르게 적용하되, 충전상태의 일정값 미만인 경우보다 그 값 이상인 때의 가중치를 높게 설정하여 적용하되, 상기 일정값은 70~90%의 범위 중 어느 하나로 조정함이 바람직하다.
또한, 상기 제 5 단계에서 VPP 운영장치는 각 목적함수에 대해 기 설정된 가중치를 적용하고, 가중치가 적용된 최대 이익의 목적함수과 최소 비용의 목적함수를 가중합하여 최종 목적함수로 설정함과 더불어, 최종 목적함수를 최대화하도록 분산자원 운영 전략을 생성하도록 구성됨이 바람직하다.
본 발명에 의한 다중 목적함수에 기반한 가상발전소 운영 시스템 및 그 운영 방법에 따르면, 태양광 에너지 등의 신재생 에너지 설비를 발전원으로 구비하여 운영되는 가상 발전소 시스템에 있어서, 최대이익 목적함수와 최소 비용 목적함수를 포함하는 다중 목적함수를 이용하여 분산자원에 대한 운영 전략을 생성함으로써, 가상발전소의 운영 이익뿐 아니라 비용 발생으로 인한 오차 위험까지도 동시에 관리할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 가상발전소 운영시스템의 개략적인 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 VPP 운영장치의 내부구성을 기능적으로 분리하여 나타낸 블록구성도이다.
도 3은 도 1에 도시된 각 자원 제어부의 내부구성을 기능모듈로 분리하여 나타낸 도면이다.
도 4는 도 2에 도시된 운영전략 수립부의 내부구성을 기능모듈로 분리하여 나타낸 도면이다.
도 5는 도 1에 도시된 가상발전소 운영시스템의 동작을 설명하기 위한 플로우챠트이다.
본 발명은 그 기술적 사상 또는 주요한 특징으로부터 벗어남이 없이 다른 여러가지 형태로 실시될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 모든 점에서 단순한 예시에 지나지 않으며 한정적으로 해석되어서는 안된다.
제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다.
상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 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 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.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "구비하다", "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 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 가지고 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조로 하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 다중 목적함수에 기반한 가상발전소 운영 시스템의 개략적인 구성을 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 다중 목적함수에 기반한 가상발전소 운영 시스템은 가상발전소 (VPP : Virtual Power Plant, 이하 "VPP" 라 칭함) 운영장치(100)와, VPP 모니터링장치(200) 및 분산자원(300)을 포함한다.
상기 VPP 운영장치(100)는 분산 자원(300)의 상태를 기반으로 가상 발전소의 운영 이익을 최대화하고 비용을 최소화하는 운영 전략을 생성한다. 그리고, 이러한 운영 전략을 기반으로 입찰에 참여함과 더불어, 분산 자원(300)을 운영한다.
이때, VPP 운영장치(100)는 전력거래소로부터 요구되는 전력요구량에 대응하여 분산자원(300)에 대한 최적의 운영 전략을 생성한다. 여기서, 전력거래소는 용량 시장, 전력 시장 및 보조서비스 시장 등과 같은 다수의 거래시장을 포함할 수 있다. 용량 시장은 월 또는 년 단위로 전력이 거래되는 시장이고, 전력 시장은 시간 또는 일 단위로 전력이 거래되는 시장이며, 보조서비스 시장은 초 또는 분 단위로 전력이 거래되는 시장을 의미할 수 있다.
즉, VPP 운영장치(100)는 전력 판매가격을 결정하고, VPP 모니터링장치로부터 제공되는 분산자원 정보와 전력 판매가격을 근거로 이익과 비용에 대응되는 목적함수를 결정하며, 각 목적함수별 기 설정된 가중치를 적용하여 이익과 비용의 차이를 최대화하는 분산자원 운영 전략을 VPP 모니터링장치(200)를 통해 분산자원(300)으로 전송한다.
상기 VPP 모니터링 장치(200)는 상기 분산 자원(300)의 발전 가능 용량 및 운영 상태 등을 모니터링하고, 상기 VPP 운영장치(100)로 분산 자원(300)에 대한 정보를 전송한다. 또한, 상기 VPP 모니터링 장치(200)는 VPP 운영장치(100)로부터 제공되는 분산자원 운영 전략에 따라 분산자원(300)을 운영하도록 한다.
본 발명에서는 VPP 모니터링 장치(200)에서 분산자원 운영 전략 정보를 분산자원(300)로 전송하여 분산자원(300)에서 독립적으로 해당 운영 전략에 기반하여 운영동작을 수행할 수 있도록 할 수 있다.
또한, 본 발명에서 VPP 모니터링 장치(200)는 분산자원(300)으로부터 각 상태정보를 수집하고 이를 VPP 운영장치(100)로 전송할 수 있다.
상기 분산 자원(300)은 적어도 하나 이상의 부하(310)와, 신재생에너지 설비를 포함하는 적어도 하나 이상의 발전원(320) 및, 상기 부하(310)와 발전원(320)과 연결되는 에너지저장시스템(ESS : Energy Storage System, 330)을 포함한다.
부하(310)는 전력을 소비하는 장치로, 전력을 소모하지 않는 방식으로 잉여 전력을 창출한다는 점에서 소극적인 의미의 분산 자원이다.
발전원(320)은 예컨대 열병합 발전, 마이크로터빈, 태양광 발전, 풍력발전 등과 같이 신재생 에너지원을 이용한 발전장치와, 바이오 매스, 연료전지 등을 포함한다.
이때, 부하(310)과 발전원(320)은 에너지저장시스템(330)에 연결되며, 발전원(320)에서 발생된 전력을 저장하고, 필요시 이를 부하(310)로 공급한다. 즉, 에너지저장장치(energy storage system, ESS)는 생산된 전기에너지를 저장하였다가 가장 필요한 시기에 공급함으로써 에너지 효율을 높이는 시스템으로, 전기에너지의 충전 및 방전에 따라 부하와 전원의 역할을 동시에 수행하는 양방향 전력설비이다.
또한, 본 발명에서 분산 자원(300)은 각 분산 자원별 자원 제어부(400)를 구비하여 구성된다.
자원 제어부(400)는 해당 분산자원(300)의 상태정보를 수집함과 더불어, 발전량 또는 수요량을 예측하고, 수명 비용을 예측한다.
이러한 자원 제어부(400)는 각 자원에 대해 일대일 대응되게 연결되어 해당 자원을 독립적으로 관리 및 제어한다. 즉, 부하(310)에는 부하 제어모듈(410)이 결합되고, 발전원(320)에는 발전 제어모듈(420)이 결합되며, 에너지저장장치(330)에는 저장 제어모듈(430)이 각각 결합된다. 이때, L개의 부하(310), M개의 발전원(320), N개의 에너지저장장치(330)에 대해 L개의 부하 제어모듈(410), M개의 발전 제어모듈(420), N개의 저장 제어모듈(430)이 구비될 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 VPP 운영장치(100)의 내부구성을 기능적으로 분리하여 나타낸 블록구성도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, VPP 운영장치(100)는 가격 예측부(110)와 가중치 결정부(120), 운영전략 수립부(130)를 포함한다.
상기 가격 예측부(110)는 분산 자원(300)에 의해 발생된 전력에 대한 판매가격을 예측한다. 이때, 가격 예측부(110)는 전력 거래소의 계통한계가격(System Marginal Price : SMP) 을 예측한다.
상기 가중치 결정부(120)는 이익 목적함수와 비용 목적함수에 대한 가중치를 결정한다. 이때, 가중치는 이익 목적함수에 대해 이익이 큰 항목의 가중치를 보다 크게 설정하여 해당 항목이 선택될 확률을 높이고, 비용 목적함수에 대해 비용이 큰 항목의 가중치를 보다 크게 설정하여 해당 항목이 선택될 확률을 낮추도록 설정된다.
또한, 각 목적함수에 대한 가중치는 이전 시간 블럭에서의 예측 판매가격과 현재 예측된 판매가격 결과 비교를 통해 조정된다. 이러한 가중치는 이전 예측 판매가격과의 차이에 따라 선형적이거나 비선형적으로 조정될 수 있으며, 조건변동에 의해서도 조정될 수 있다.
본 발명에서 이익 목적함수는 전력판매 이익, 발전원 정부 보조금 이익, 에너지저장시스템 정부보조금 이익을 포함하는 이익 종류 중 하나 또는 둘 이상을 포함하는 조합으로 이루어질 수 있고, 상기 비용 목적함수는 분산자원의 수명 비용으로 이루어질 수 있다.
가중치 결정부(120)는 ESS 정부보조금 이익에 대해 ESS REC(Renewable Energy Certificate) 가중치를 적용하고, 발전원 정부보조금 이익에 대해 PV 또는 WT REC 가중치를 적용하여 결정할 수 있다. 즉, REC 가중치가 높은 항목의 가중치를 높게 설정함으로써, 선택될 확률이 높아지도록 한다.
또한, 상기 가중치 결정부(120)는 전력판매이익에 대해 한달간 SMP 평균값을 적용하여 가중치를 결정하고, 그외 보조 이익은 한달간 REC 현물시장 가격 또는 고정계약가격의 1/000 로 산출하여 가중치를 결정할 수 있다.
또한, 상기 가중치 결정부(120)는 분산자원 중 에너지저장시스템(330)의 가중치를 충전상태 크기에 따라 세분화하여 다르게 적용할 수 있다. 즉, 충전상태의 일정값(예를 들면, 70~90% 범위 중 어느 하나로 달리 적용)을 기준으로, 70~90% 미만인 때보다 70~90% 이상일 때의 수명 비용이 높게 적용하도록 가중치를 설정할 수 있다. 이는 일반적으로 에너지저장시스템(330)의 충방전 곡선이 70~90%의 범위 중 어느 하나를 기점으로 그 미만에서는 직선형태의 충전곡선을 나타내고, 그 이상의 경우에는 충전곡선이 변곡되는 특성을 고려하여, 운영 전략 수립시 수명 비용이 낮은 범위까지는 충방전을 주로 사용하도록 하기 위함이다.
예컨대, 상기 충전상태의 일정값을 80%로 적용하는 경우, 에너지저장시스템(330)의 0~80% 범위의 충방전비용이 W80 일때, 80%를 초과하는 범위의 충방전 비용은 "W80×(N은 1을 초과하는 수)"로 산출될 수 있다. 즉, 비용 목적함수가 비용의 최소화를 목적으로 하는 것을 고려할 때, 에너지저장시스템(330)의 충전상태가 80%이상인 때에는 충전상태가 80% 미만인 때보다 가중치가 높게 설정되기 때문에, 선택 확률이 낮아지게 된다.
상기 운영전략 수립부(130)는 복수의 목적함수와 가중치 세트의 가중합을 통해 최대 이익과 최소 비용을 고려한 가상발전소 운영 전략을 생성한다.
도 3은 도 1에 도시된 각 자원 제어부(400)의 내부구성을 기능모듈로 분리하여 나타낸 도면이다.
이때, 각 자원 제어부 즉, 부하 제어모듈(410)과 발전 제어모듈(420) 및 저장 제어모듈(42)은 자신이 관리하는 자원에 대해 동일한 기능을 수행한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 각 자원 제어부는 전력량 예측모듈(401)과 상태 진단모듈(402) 및 수명 비용 산출모듈(403)을 포함한다.
전력량 예측모듈(401)은 분산 자원의 발전량 또는 수요량을 예측한다. 즉, 발전 제어모듈(420)과 저장 제어모듈(430)은 발전량을 예측하고, 부하 제어모듈(410)은 수요량을 예측한다.
상태 진단모듈(402)는 분산 자원에 대한 운영 상태를 진단한다. 예컨대, 발전시간, 발전 효율, 운전 특성, 충전 및 방전시간, 부하 패턴을 포함하는 상태정보를 수집한다.
수명 비용 산출모듈(403)은 분산 자원의 수명 비용을 산출한다. 여기서, 수명 비용은 분산 자원의 상태에 기반하여 생성되는 수명예측곡선에서 최대수명 거리의 역수로서 산출될 수 있다. 분산 자원의 수명예측곡선은 공지의 알고리즘을 이용하여 다양한 방법으로 생성될 수 있다.
도 4는 도 2에 도시된 운영전략 수립부(130)의 내부구성을 기능모듈로 분리하여 나타낸 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 운영전략 수립부(130)는 VPP이익 산출모듈(131)과, VPP비용 산출모듈(132), 목적함수 생성모듈(133) 및, 전략 수립모듈(134)을 포함한다.
VPP이익 산출모듈(131)은 분산자원(300)에 의해 발생되는 전력량을 기준으로 VPP 예상 이익을 산출한다. 이는 각 분산자원에 대한 예상이익을 각각 산출한 후, 이들을 합산하여 산출될 수 있다.
VPP비용 산출모듈(132)은 분산자원(300)에 의해 발생되는 VPP 비용을 산출한다. 이는 각 분산자원에 대한 수명 비용을 합산하여 산출될 수 있다.
목적함수 생성모듈(133)은 최대 이익 목적함수와 최소 비용 목적함수를 결정한다. 여기서, 최대이익 목적함수는 VPP 예상이익을 최대화하는 목적함수이고, 최소 비용 목적함수는 VPP 비용을 최소화하는 목적함수이다.
상기 이익 목적함수는 전력판매 이익, 발전원 정부 보조금 이익, 에너지저장시스템 정부보조금 이익을 포함하는 이익 종류 중 하나 또는 둘 이상을 포함하는 조합으로 이루어질 수 있다.
그리고, 상기 비용 목적함수는 분산자원의 수명 비용으로 이루어질 수 있다. 여기서, 수명 비용은 분산자원의 수명예측곡선에서 최대수명 거리의 역수로서 산출된다.
전략 수립모듈(134)은 각 이익 및 비용 목적함수에 대해 기 설정된 가중치를 적용하여 최대 이익 목적함수와 최소 비용 목적함수를 결정하고, 가중치가 적용된최대 이익 목적함수와 최소 비용 목적함수를 가중합하여 최종 목적함수로 설정함과 더불어, 이 최종 목적함수를 최대화하는 분산자원 운영전략을 생성한다.
즉, 전략 수립모듈(134)은 이익과 비용의 차이가 최대화되는 분산자원 운영전략을 생성한다.
이때, 전략 수립모듈(134)은 이전 최종 목적함수와 현재 최종 목적함수를 비교하여 현재 최종 목적함수가 이전 최종 목적함수보다 크게 되는 때까지 가중치 또는 운영특성별 목적함수를 조정하여 최종 목적함수를 최대화할 수 있다.
그리고, 전략 수립모듈(134)는 최대화된 최종 목적함수를 갖도록 하기 위한 운영 전략을 입찰 전략으로 설정한다. 즉, 전략 수립모듈(134)에 의해 목적함수를 최대화하는 날짜 및 시간에 예측된 판매가격으로 전력 입찰에 참여함과 더불어, 낙찰시 해당 운영 전략에 따라 분산 자원을 운영할 수 있다.
이어, 상기한 구성으로 된 다중 목적함수에 기반한 가상발전소 운영 시스템 의 운영 방법을 도 5에 도시된 도면을 참조하여 설명한다.
먼저, VPP 운영장치(100)에는 적어도 하나 이상의 부하(310)와 신재생에너지 설비를 포함하는 적어도 하나 이상의 발전원(320)이 연결됨과 더불어, 에너지저장시스템(330)이 결합되어 구성된다.
상기한 상태에서, VPP 운영장치(100)는 부하(310)와 발전원(320) 및 에너지저장시스템(330)으로 이루어지는 분산 자원(300)의 자원 제어부(400)로부터 각 분산 자원에 대한 전력량과 수명 비용 및 운영 상태 정보를 수집한다(ST100).
또한, VPP 운영장치(100)는 최적 운영 기준이 되는 전력 판매가격을 예측한다(ST200).
이어 VPP 운영장치(100)는 이익과 비용에 대응되는 목적함수에 대한 가중치를 설정한다(ST300). 이때, 가중치는 이전 시간 블럭에서의 예측판매가격과 현재 예측된 판매가격을 비교 분석하여 자동으로 변경 설정될 수 있다.
상기한 상태에서 VPP 운영장치(100)는 각 자원 제어부(400)로부터 제공되는 분산자원 정보와, 판매가격을 근거로 VPP 예상이익과 VPP 비용을 예측하고, 각 예측값에 기반하여 이익 목적함수와 비용 목적함수를 생성한다(ST400).
이어, VPP 운영장치(100)는 각 목적함수에 기 설정된 가중치를 적용하고, 최대 이익 목적함수와 최소 비용 목적함수를 결정하며, 가중치가 적용된 최대 이익 목적함수와 최소 비용 목적함수를 가중합하여 최종 목적함수를 생성함과 더불어, 기 설정된 휴리스틱 알고리즘을 이용하여 최종 목적함수를 최대화하는 각 분산자원별 운영 전략을 생성한다(ST500, ST600). 이때, VPP 운영장치(100)는 최대 이익 목적함수와 최소 비용 목적함수의 차이에 대응하여 최종 목적함수를 생성할 수 있다.
이후, VPP 운영장치(100)는 각 분산자원(300)의 자원 제어부(400)로 해당 운영 전략정보를 전송하고, 상기 각 분산자원(300)의 자원 제어부(400)는 상기 VPP 운영장치(100)로부터 제공되는 운영 전략을 근거로 전력 입찰에 참여함과 더불어, 이익과 비용을 동시에 고려하여 분산자원(300)을 운영하게 된다(ST700).
즉, 본 발명에 따른 실시예에 의하면, 태양광 에너지 등의 신재생 에너지 설비를 발전원으로 구비하여 운영되는 가상 발전소 시스템에 있어서, 최대 이익과 최소 비용을 포함하는 다중 목적함수에 기반하여 분산 자원에 대한 최적 운영 전략을 생성함으로써, 전력 발생에 따른 이익 뿐 아니라 비용 발생도 동시에 관리하여 보다 안정적으로 가상 발전소를 운영하는 것이 가능하다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 컴퓨터에 의해 실행되는 프로그램 모듈과 같은 컴퓨터에 의해 실행 가능한 명령어를 포함하는 기록 매체의 형태로도 구현될 수 있다. 이러한 기록 매체는 컴퓨터 판독 가능 매체를 포함하며, 컴퓨터 판독 가능 매체는 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 임의의 가용 매체일 수 있고, 휘발성 및 비휘발성 매체, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. 또한, 컴퓨터 판독가능 매체는 컴퓨터 저장 매체를 포함하며, 컴퓨터 저장 매체는 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈 또는 기타 데이터와 같은 정보의 저장을 위한 임의의 방법 또는 기술로 구현된 휘발성 및 비휘발성, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100 : VPP 운영장치, 200 : VPP 모니터링장치,
300 : 분산자원, 400 : 자원 제어부,
310 : 부하, 320 : 발전원,
330 : 에너지저장시스템(ESS), 410 : 부하 제어모듈,
420 : 발전 제어모듈, 430 : 저장 제어모듈.

Claims (12)

  1. 적어도 하나 이상의 부하, 신재생에너지 설비를 포함하는 적어도 하나 이상의 발전원, 및 에너지저장시스템을 포함하는 분산자원;
    상기 분산자원과 연결되어 분산자원에 대한 각 상태를 모니터링함과 더불어, 각 분산자원에 대해 수집된 분산자원 정보를 VPP 운영장치로 제공하는 VPP 모니터링장치; 및
    전력 판매가격을 결정하고, VPP 모니터링장치로부터 제공되는 분산자원 정보와 전력 판매가격을 근거로 이익과 비용에 대응되는 목적함수를 결정하며, 각 목적함수별 기 설정된 가중치를 적용하여 이익과 비용의 차이를 최대화하는 분산자원 운영 전략을 VPP 모니터링장치를 통해 분산자원으로 전송하는 VPP 운영장치를 포함하여 구성되고,
    상기 각 분산자원들은 해당 분산자원의 상태를 진단하고 개별 전력량을 예측하며, 분산자원의 수명 비용을 산출하여 상기 VPP 모니터링 장치로 전송하고, VPP 모니터링 장치로부터 수신되는 분산자원 운영 전략을 근거로 해당 분산자원을 운영 제어하는 독립된 자원 제어부를 각각 구비하여 구성되는 것을 특징으로 하는 다중 목적함수에 기반한 가상발전소 운영 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 VPP 운영장치는 각 목적함수에 대해 기 설정된 가중치를 적용하고, 가중치가 적용된 최대 이익의 목적함수과 최소 비용의 목적함수를 가중합하여 최종 목적함수로 설정함과 더불어, 최종 목적함수를 최대화하도록 분산자원 운영 전략을 생성하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 다중 목적함수에 기반한 가상발전소 운영 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 이익 목적함수는 전력판매 이익, 발전원 정부 보조금 이익, 에너지저장시스템 정부보조금 이익을 포함하는 이익 종류 중 하나 또는 둘 이상을 포함하는 조합으로 이루어지고,
    상기 비용 목적함수는 분산자원의 수명 비용으로 이루어지되, 수명 비용은 분산자원의 수명예측곡선에서 최대수명 거리의 역수로서 산출되는 것을 특징으로 하는 다중 목적함수에 기반한 가상발전소 운영 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 가중치는 이익 목적함수에 대해 이익이 큰 항목의 가중치를 보다 크게 설정하여 해당 항목이 선택될 확률을 높이고,
    비용 목적함수에 대해 비용이 큰 항목의 가중치를 보다 크게 설정하여 해당 항목이 선택될 확률을 낮추도록 설정되는 것을 특징으로 하는 다중 목적함수에 기반한 가상발전소 운영 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 비용 목적함수에서 에너지저장시스템의 수명 비용은 충전상태 크기에 따라 가중치를 다르게 적용하되,
    충전상태의 일정값 미만인 경우보다 그 값 이상인 때의 가중치를 높게 설정하되, 상기 일정값은 70~90%의 범위 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 다중 목적함수에 기반한 가상발전소 운영 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 VPP 운영장치는 전력 판매가격을 예측하고, 이전 시간 블럭에서의 예측판매가격과 현재 예측된 판매가격을 비교 분석하여 이익 목적함수에 대한 가중치를 변경 설정하는 것을 특징으로 하는 다중 목적함수에 기반한 가상발전소 운영 시스템.
  7. 적어도 하나 이상의 부하, 신재생에너지 설비를 포함하는 적어도 하나 이상의 발전원, 및 에너지저장시스템을 포함하는 분산자원들과 결합되어 전력 관리를 수행하는 VPP 운영장치를 포함하되, 상기한 각 분산자원은 해당 분산자원을 관리하는 자원 제어부를 각각 구비하여 구성되는 가상 발전소 운영 시스템의 다중 목적함수에 기반한 가상 발전소 운영 방법에 있어서,
    상기 VPP 운영장치에서 부하와 발전원 및 에너지저장시스템의 각 자원 제어부로부터 해당 분산 자원에 대한 전력량과 수명 비용 및 운영 상태 정보를 수집하는 제 1 단계;
    상기 VPP 운영장치에서 전력 판매가격을 예측하는 제 2 단계;
    상기 VPP 운영장치에서 이익과 비용에 대응되는 목적함수에 대해 가중치를 설정하는 제 3 단계;
    상기 VPP 운영장치에서 상기 제 1 단계에서 수집된 각 분산자원 정보와, 제 2 단계에서 결정된 판매가격을 근거로 VPP 예상이익과 VPP 비용을 예측하고, 각 예측값에 기반하여 이익 목적함수와 비용 목적함수를 생성하는 제 4 단계; 및
    상기 VPP 운영장치에서 상기 제 4 단계에서 생성된 이익 목적함수와 비용 목적함수에 대해 기 설정된 가중치를 적용하여 최대 이익과 최소 비용의 목적함수를 결정함과 더불어, 이에 대응되는 분산자원 운영 전략을 생성하는 제 5 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 다중 목적함수에 기반한 가상발전소 운영 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 2 단계에서 VPP 운영장치는 전력 판매가격을 예측하고, 이전 시간 블럭에서의 예측판매가격과 현재 예측된 판매가격을 비교 분석하여 이익 목적함수에 대한 가중치를 변경 설정하는 것을 특징으로 하는 다중 목적함수에 기반한 가상발전소 운영 방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 이익 목적함수는 전력판매 이익, 발전원 정부 보조금 이익, 에너지저장시스템 정부보조금 이익을 포함하는 이익 종류 중 하나 또는 둘 이상을 포함하는 조합으로 이루어지고,
    상기 비용 목적함수는 분산자원의 수명 비용으로 이루어지되, 수명 비용은 분산자원의 수명예측곡선에서 최대수명 거리의 역수로서 산출되는 것을 특징으로 하는 다중 목적함수에 기반한 가상발전소 운영 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 3 단계에서 가중치는 이익 목적함수에 대해 이익이 큰 항목의 가중치를 보다 크게 설정하여 해당 항목이 선택될 확률을 높이고,
    비용 목적함수에 대해 비용이 큰 항목의 가중치를 보다 크게 설정하여 해당 항목이 선택될 확률을 낮추도록 설정되는 것을 특징으로 하는 다중 목적함수에 기반한 가상발전소 운영 방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 비용 목적함수에서 에너지저장시스템의 수명 비용은 충전상태 크기에 따라 가중치를 다르게 적용하되,
    충전상태의 일정값 미만인 경우보다 그 값 이상인 때의 가중치를 높게 적용하되, 상기 일정값은 70~90%의 범위 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 다중 목적함수에 기반한 가상발전소 운영 방법.
  12. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 5 단계에서 VPP 운영장치는 각 목적함수에 대해 기 설정된 가중치를 적용하고, 가중치가 적용된 최대 이익의 목적함수과 최소 비용의 목적함수를 가중합하여 최종 목적함수로 설정함과 더불어, 최종 목적함수를 최대화하도록 분산자원 운영 전략을 생성하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 다중 목적함수에 기반한 가상발전소 운영 방법.
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