KR20210050260A - 프로슈머를 위한 2차원 에너지 및 신뢰성 가격에 기반한 거래 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 프로슈머를 위한 2차원 에너지 및 신뢰성 가격에 기반한 거래 시스템에 관한 것으로서, 전력 판매자 혹은 구매자 단말기로부터 시간에 따라 정해진 기간에 대한 다중의 2차원 에너지 및 신뢰성 가격을 포함한 에너지 상품들을 수신하여 업로드하는 운영서버를 포함하되, 전기 소비자 혹은 생산자 단말기가 상기 에너지 상품에 포함된 가격 중에 어느 하나의 가격을 선택하도록 구성된다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 유틸리티 또는 소매 업체의 운영서버가 시간에 따라 변동되는 에너지 판매 가격 및 신뢰도 값을 포함하는 에너지 상품을 실시간으로 업로드하고, 소비자가 업로드된 다수의 에너지 상품들 중에 어느 하나를 선택함으로써, 프로슈머별 에너지 생산량 및 소비량 예측에 따른 신뢰도를 고려하여 소비자의 유연한 에너지 상품 선택이 가능하다.

Description

프로슈머를 위한 2차원 에너지 및 신뢰성 가격에 기반한 거래 시스템{Transaction system based on two-dimensional energy and reliability price for energy prosumers}

본 발명은 프로슈머를 위한 2차원 에너지 및 신뢰성 가격에 기반한 거래 시스템에 관한 것으로 더욱 상세하게는, 유틸리티 또는 소매 업체의 운영서버가 시간에 따라 변동되는 에너지 판매 가격 및 신뢰도 값을 포함하는 에너지 상품을 실시간으로 업로드하고, 소비자가 업로드된 다수의 에너지 상품들 중에 어느 하나를 선택함으로써, 종래의 사용 시간 기반의 1차원 에너지 상품 구매가 아닌, 프로슈머별 에너지 생산량 및 소비량 예측에 따른 신뢰도를 고려하여 소비자의 유연한 에너지 상품 선택이 가능하게 하는 동적 에너지 신뢰성 가격 기반 트랜잭션 메커니즘(dynamic energy-reliability pricing-based transaction mechanism, ERT)에 관한 것이다.

스마트 그리드의 개발과 함께 점점 더 많은 분산 세대가 전력 시스템에 배치되고 있으며, 전력 시스템에는 가용성, 적용 가능성 및 환경 친화적인 특성으로 인해 재생 가능한 에너지원이 포함된다. 분산형 재생 발전으로 가정 및 소기업과 같은 전통적인 수동 소비자는 이제 전기 시장의 생산자로 참여하고 있으며, 이와 같은 사용자를 프로슈머라고 한다.

프로슈머의 이점으로는 (1) 품질이 상이하고 특정 최종 용도에 맞는 모듈 식 맞춤형 에너지 서비스와, (2) 분산 스토리지 옵션을 보완하기 위해 배치된 대량의 분산 생성을 장려한 그리드 다각화, 그리고 (3) 최소한의 전송 혼잡과 제약으로 효율적인 도매 시장 운영이 가능하다.

그러나, 재생 가능 자원과 분산화가 증가하면서 생기는 신뢰성 문제를 그리드 운영을 통해 해결하고 관리해야 하는 등 여러 가지 미지의 위험과 위험이 발생할 수 있다.

이러한 신뢰성 문제를 해결하기 위한 방안으로, 제어에 기초한 직접 접근법 또는 가격에 기초한 소프트 또는 간접 접근법을 사용할 수 있다.

먼저, 하드웨어 중심인 직접적인 접근 방식은, 계통 운영 문제를 해결하기 위해 스마트 인버터, 정적 동기 보상기 (STACOM) 또는 전기 에너지 저장 장치 (EES) 와 같은 추가 장비를 배치 할 수 있고, 그리드 운영 구조는 고급 분배 네트워크 운영 체제의 도입을 통해 분산 자원과 협력 할 수 있다. 이 직접 접근 방식을 적용하면 운영 측면에서 효과적이나, 추가적인 투자 및 규제 문제가 발생한다.

한편, 가격 기반 접근 방식은 간접 제어를 위한 수요 측 관리 메커니즘으로, 수요자 요금 및 에너지 요금과 같은 프로슈머의 에너지 사용량을 가격 요소에 간접적으로 제어하여 그리드 신뢰성을 향상시킨다.

그러나, 수요 요금과 에너지 요금으로 구성된 기존 가격은 일반적으로 부하 또는 생성 불확실성을 고려하는 데 한계가 있고, 기존의 가격 책정 시스템 하에서, 분산 재생 발전기는 가격이 세대 불확실성과 상관없이 결정되므로 불확실성에 대한 책임과 보상이 제한적이다.

실시간 가격 (RTP) 또는 사용 시간 (TOU) 가격과 같은 동적 가격은 발전기가 더 높은 가격으로 전력을 생산하도록 할 수 있으나, 이 방법은 발전 불확실성을 줄이는 데 도움이 되지 않는다. 그리드를 운영하는 유틸리티의 관점에서 보면 운영 계획에서 생성 불확실성이 중요하다. 여기서, 불확실성은 생성 예측성으로 표현 될 수있다.

따라서, 예측 책임을 생성자에게 할당하고 약속에 대한 페널티 및 보상 시스템을 구성하여 생성 예측성을 향상시키기 위해 보다 고급 가격 책정 방법이 도입되었습니다. 이 고급 가격 책정 시스템에서도 유틸리티는 세대 예측에 대한 정보가 제한적입니다. 프로슈머가 생성 금액을 커밋 하더라도 생성 금액의 불확실성에 대한 정보는 없기 때문입니다. 재생 가능한 발전 능력을 가진 프로슈머는 처벌을 피하거나 줄이겠다는 약속을 지키려고 노력할 수 있다.

그러나 전력 회사는 상황을 알지 못하고 프로슈머의 세대 약속을 존중하기 때문에 과거 통계 정보를 기반으로 세대의 양만 추정 할 수 있고, 부하 추정에서도 동일한 문제가 발생한다. 이는 활동적인 프로슈머 환경에서 정보 중심의 트랜잭션이 필요하다는 것을 의미한다.

이에 본 출원인은 개선 된 유틸리티 그리드 운영을 추구하기 위해 동적 가격 책정을 기반으로 하는 새로운 트랜잭션 메커니즘이 제안하며, 제안하는 메커니즘의 기본 개념은 더 많은 정보를 교환함으로써 유틸리티 및 프로슈머의 각 장점을 증대시키는데 있다.

한국공개특허 제10-2016-0116068호(2016.10.07.공개)

본 발명의 목적은, 유틸리티 또는 소매 업체의 운영서버가 시간에 따라 변동되는 에너지 판매 가격 및 신뢰도 값을 포함하는 에너지 상품을 실시간으로 업로드하고, 소비자가 업로드된 다수의 에너지 상품들 중에 어느 하나를 선택함으로써, 프로슈머별 에너지 생산량 및 소비량 예측에 따른 신뢰도를 고려하여 소비자의 유연한 에너지 상품 선택이 가능하게 하는데 있다.

이러한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예는 프로슈머를 위한 2차원 에너지 및 신뢰성 가격에 기반한 거래 시스템으로서, 전력 판매자 혹은 구매자 단말기로부터 시간에 따라 정해진 기간에 대한 다중의 2차원 에너지 및 신뢰성 가격을 포함한 에너지 상품들을 수신하여 업로드하는 운영서버를 포함하되, 전기 소비자 혹은 생산자 단말기가 상기 에너지 상품에 포함된 가격 중에 어느 하나의 가격을 선택하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 에너지 상품들 중에 어느 하나를 선택하여 생성한 에너지 상품 구매 정보 혹은 판매 정보를 상기 운영서버로 전송하는 프로슈머 단말기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

운영서버는 프로슈머 단말기로부터 수신한 에너지 상품 구매정보와 대응하도록 유틸리티 또는 소매 업체를 통한 에너지 공급 및 판매를 관리하는 것을 특징으로 한다.

에너지 상품 구매정보는, 에너지 판매 가격, 에너지 공급 시간 및 에너지 공급 기간을 포함하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 프로슈머 단말기는 자원의 특성 및 유틸리티의 특성에 따라 에너지 소비량 또는 생산량에 대한 예측정보를 생성하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 본 발명에 따르면, 유틸리티 또는 소매 업체의 운영서버가 시간에 따라 변동되는 에너지 판매 가격 및 신뢰도 값을 포함하는 에너지 상품을 실시간으로 업로드하고, 소비자가 업로드된 다수의 에너지 상품들 중에 어느 하나를 선택함으로써, 프로슈머별 에너지 생산량 및 소비량 예측에 따른 신뢰도를 고려하여 소비자의 유연한 에너지 상품 선택이 가능하다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 프로슈머를 위한 2차원 에너지 및 신뢰성 가격에 기반한 거래 시스템을 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 프로슈머를 위한 2차원 에너지 및 신뢰성 가격에 기반한 거래 시스템의 개념을 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 프로슈머를 위한 2차원 에너지 및 신뢰성 가격에 기반한 거래 시스템의 ERT 메커니즘의 작동 순서를 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 프로슈머를 위한 2차원 에너지 및 신뢰성 가격에 기반한 거래 시스템의 풍력 발전을 통한 평균 기여도와 우선순위 설정을 나타낸 예시도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 프로슈머를 위한 2차원 에너지 및 신뢰성 가격에 기반한 거래 시스템의 발전 예측 기울기와 BPA (Bonneville Power Administration) 풍력 발전의 상대 평균 절대 오차 간의 관계를 도시한 도면.
도 6은 종래의 요금 체계와 본 발명의 일 실시예에 따른 프로슈머를 위한 2차원 에너지 및 신뢰성 가격에 기반한 거래 시스템의 ERT에 의한 인센티브 및 페널티 계획을 도시한 예시도.
도 7은 3개의 밴드를 갖는 경우를 상정하여 예측을 위한 절대 오차의 확률분포를 수치적으로 나타낸 도면.
도 8은 종래의 가격 체계와 본 발명의 일 실시예에 따른 프로슈머를 위한 2차원 에너지 및 신뢰성 가격에 기반한 거래 시스템의 ERT에 의한 사용자 수익 향상을 비교한 도면.
도 9는 종래의 가격 체계와 본 발명의 일 실시예에 따른 프로슈머를 위한 2차원 에너지 및 신뢰성 가격에 기반한 거래 시스템의 ERT에 의해 그리드 평균 절대 오차가 개선되는 것을 도시한 도면.
도 10은 종래의 가격 체계와 다양한 EES 용량을 가진 본 발명의 일 실시예에 따른 프로슈머를 위한 2차원 에너지 및 신뢰성 가격에 기반한 거래 시스템의 ERT에 의해 대역 적중률이 변화하는 것을 도시한 도면.
도 11은 종래의 가격 책정 메커니즘과 본 발명의 일 실시예에 따른 프로슈머를 위한 2차원 에너지 및 신뢰성 가격에 기반한 거래 시스템의 ERT에 의한 순수익을 도시한 도면.
도 12는 종래의 가격 책정 메커니즘과 본 발명의 일 실시예에 따른 프로슈머를 위한 2차원 에너지 및 신뢰성 가격에 기반한 거래 시스템의 ERT에 의한 수익 향상을 도시한 도면.

본 발명의 구체적인 특징 및 이점들은 첨부 도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에 관련된 공지 기능 및 그 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 구체적인 설명을 생략하였음에 유의해야 할 것이다.

도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 프로슈머를 위한 2차원 에너지 및 신뢰성 가격에 기반한 거래 시스템(100)은, 전력 판매자 혹은 구매자 단말기로부터 시간에 따라 정해진 기간에 대한 다중의 2차원 에너지 및 신뢰성 가격을 포함한 에너지 상품들을 수신하여 업로드하는 운영서버(102)를 포함하며, 전기 소비자 혹은 생산자 단말기가 에너지 상품에 포함된 가격 중에 어느 하나의 가격을 선택하도록 구성된다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 프로슈머를 위한 2차원 에너지 및 신뢰성 가격에 기반한 거래 시스템(100)은, 운영서버(102)에 접속하여 업로드된 에너지 상품들 중에 어느 하나를 선택하여 생성한 에너지 상품 구매정보를 운영서버(102)로 전송하는 프로슈머 단말기(104)를 포함하여 구성된다.

구체적으로, 운영서버(102)는 시간에 따라 변동되는 에너지 판매 가격 및 신뢰도 값을 포함하는 밴드(에너지 상품)를 업로드하며, 동적 에너지 신뢰성 가격 기반 트랜잭션 메커니즘(dynamic energy-reliability pricing-based transaction mechanism, ERT)에 의해 운영된다.

또한 운영서버(102)는 프로슈머 단말기(104)로부터 수신한 에너지 상품 구매정보와 대응하도록 유틸리티 또는 소매 업체를 통한 에너지 공급 및 판매를 관리하며, 에너지 상품 구매정보는 에너지 판매 가격, 에너지 공급 시간, 에너지 공급 기간 및 에너지 공급위치를 포함하도록 구성되나, 본 발명의 일 실시예가 이에 국한되는 것은 아니다.

또한, 프로슈머 단말기(104)는 자원의 특성 및 유틸리티의 특성(운영 계획)에 따라 에너지 소비량 또는 생산량에 대한 예측정보를 생성하고, 잠재적 위험에 대한 추론을 통해 생성한 예측정보에 대한 불확실성을 예측할 수 있다.

한편, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 프로슈머를 위한 2차원 에너지 및 신뢰성 가격에 기반한 거래 시스템의 개념을 도시한 도면이다.

먼저, 종래에는 유틸리티 또는 소매 업체가 기존 에너지 기반 동적 가격을 발표하고 소비자는 공개적으로 발표된 가격을 고려하여 수요를 통제할 수 있는 구조로 운영되었다. 즉, 유틸리티는 단방향 통신으로 가격 정보를 제공함에 따라 소비자는 각 시간 'T' 동안 에너지 사용량에 응답하게 된다.

여기서 정보는 시간에 따른 유일한 가격이므로 [수학식 1]과 같이 1차원으로 간주될 수 있고, 일반적인 가격은 'T' 가 작동 기간인 위치로 표시되며,

_Conv 는 시간 1~T에 대한 기존방식(C, Conv) 요금 set이고, p _t ^C 는 t 시간에 대한 기존방식 요금이다.

[수학식 1]

반면에, 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 운영서버 즉, 유틸리티는 시간에 대한 신뢰도 값 및 시간에 따른 에너지 판매 가격을 포함하는 다양한 밴드의 에너지 상품을 공개하고, 공개된 에너지 상품에 포함된 에너지 판매 가격은 신뢰도를 고려하여 갱신될 수 있다.

따라서, 본 발명의 일 실시예는 종래에 시간에 따라 에너지 판매 가격을 책정하는 1차원 방식이 아니라, 에너지 판매 가격 및 신뢰성 값을 모두 고려하게 되는바, [수학식 2] 및 [수학식 3]과 같이 양방향 통신의 2차원 방식의 구조를 갖게 되며, 이를 정리하면 [표 1]과 같다.

[수학식 2]

[수학식 3]

여기서, α _t 는 t 시간의 기본 에너지요금 p _t ^E를 기준으로 참여자가 선택한 요금과 신뢰도에 따라 결정되는 상대가격의 적용비율 이고, 상대 가격은 신뢰도

와 선택된 밴드

를 고려한 다변량 함수에 의해 결정되며,

_ERT : 시간 1~T에 대해 제안된 ERT 기반의 요금제도 이고,

는 Energy-Reliability pricing-based transaction mechanism (에너지 신뢰도 기반 2D 요금제 기반 거래체계) 이다.

아울러, 도 2에서는 에너지 상품의 개수 즉, 밴드의 개수를 밴드 1 내지 밴드 3으로 표현하였으나, 본 발명의 일 실시예가 이에 국한되는 것은 아니며, 신뢰성 값에 따라 밴드 1 내지 밴드 n으로 확장되는 것은 자명하다.

또한, 에너지 사용 의도는 특정 시간 동안 단가를 사용하여 기존 가격 기반 시스템에서 간접적으로 제어되며, 운영서버(102)는 기타 부가정보를 활용하여 에너지 사용에 대한 프로슈머의 의도를 파악할 수 있기 때문에, 종래의 가격 기반 시스템과는 상이하다.

이하, 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 프로슈머를 위한 2차원 에너지 및 신뢰성 가격에 기반한 거래 시스템의 ERT 메커니즘의 작동 순서에 대해 살피면 아래와 같다.

1) ERT 발표

먼저, 유틸리티 또는 소매 업체는 에너지 판매 가격과 해당 신뢰 대역으로 구성된 에너지 상품을 발표한다. 이때, 에너지 판매 가격은 시간 경과에 따라 변하지만 프로슈머 자원의 품질에 따라 다르게 보상되어야 한다.

2) 신뢰도 예측 및 대역 선택

이어서, 프로슈머가 발표된 ERT의 에너지 소비 또는 생산량에 대한 예측을 수행하고, 예측에 따른 불확실성을 예측한다. 이때, 프로슈머는 자신의 자원 특성에 따라 잠재적 위험을 추론하여 예상 이익 극대화를 위해 가장 적합한 신뢰도 대역을 선택하거나 운영 계획을 전략적으로 변경할 수 있고, 프로슈머는 예측 정확도를 높이고 불확실성을 줄이기 위해 에너지 저장장치(EES)와 같은 추가 인프라에 투자할 수 있다.

또한, 프로슈머가 자원 특성 및 운영 계획을 고려하여 에너지 사용량 및 불확실성을 예측하면 예측 및 선택된 불확실성 레벨 기반 대역(에너지 상품 구매정보)이 유틸리티로 전송된다.

이때, 프로슈머의 필수 기여는

이고, 예측의 불확실성에 대한 예측은

이다.

이처럼, 프로슈머는 자신의 자원 특성을 이해하면 다음의 [수학식 4]와 같이 잠재적 위험을 추론하여 예상 이익을 극대화하기 위해 가장 적합한 신뢰도 대역을 선택하거나 운영 계획을 전략적으로 변경할 수 있다.

[수학식 4]

3) 정산 및 청구

유틸리티는 수신한 에너지 상품 구매정보를 자체 예측 및 그리드 운영 계획에 통합하여 개별 프로슈머 예측 및 약속(에너지 상품 구매내역)을 집계한다.

이때, 기본적인 가정은 프로슈머의 예측 및 대역 선택 정보를 획득하여 유틸리티가 금액과 불확실성에 관한 자체 예측 정확도를 높일 수 있다는 것으로, 이 정보를 기반으로 한 유틸리티의 예측에 오류가 포함되어 있어도 부정확한 예측에 대해 프로슈머에게 불이익을 가함으로써 재무 위험을 최소화 할 수 있다.

또한, 프로슈머의 밴드(에너지 상품 구매정보) 가격 선택을 기반으로 유틸리티 또는 프로슈머가 프로슈머의 에너지 사용량을 기반으로 정산을 수행한 이후 [수학식 5]를 통해 종래와 동일하게 청구가 발생하게 된다.

[수학식 5]

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 프로슈머를 위한 2차원 에너지 및 신뢰성 가격에 기반한 거래 시스템은, ERT 구현을 위해서 유틸리티 측의 동적 에너지 신뢰성 가격과 프로슈머 측의 예측 및 대역 선택에 대한 다양한 방법론을 고려할 수 있다.

먼저, 운영서버(102)는 ERT 적용시 에너지 가격뿐만 아니라 각 운영 시간대에 대한 신뢰성 값과 대역을 포함하는 에너지 상품을 발표하며, 이때 에너지 상품 판매 가격은 유틸리티 가격과 프로슈머 특성을 고려하여 신뢰성 값과 대역을 결정하게 된다.

에너지 상품 판매 가격과 관련된 기본 원칙은, 전력 회사의 그리드 운영 수입과 에너지 공급 및 소비로 인한 프로슈머의 이익 사이의 균형을 이루는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 가격 책정 메커니즘은, 프로슈머 측에서 생성 된 불확실성에 대한 자세한 정보가 수반되어야 하고, 이 정보는 그리드 신뢰성을 향상시키고 불확실성의 위험과 관련된 운영 비용을 절감시킨다.

이러한 방식으로, 유틸리티는 그리드 신뢰성 향상 및 비즈니스 지속 가능성을 고려하여 매번 가격을 설정하되, 시간적 에너지 수요와 공급 변화를 반영하도록 설계된다. 이때, 가격 책정의 방식은 [수학식 6]에 의해 도출될 수 있다.

[수학식 6]

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 프로슈머를 위한 2차원 에너지 및 신뢰성 가격에 기반한 거래 시스템은 ERT에서 신뢰성 대역과 가격은 유틸리티의 요구 사항에 따라 조정된다. 이때, 신뢰성 대역이 좁고 유틸리티가 높은 신뢰성을 요구하는 경우 가격이 높게 설정되나, 다른 특성을 가진 프로슈머들 사이의 차별로 이어진다. 신뢰성 대역과 가격을 설계하는 또 다른 방법은 [수학식 7]을 통해 유틸리티 측면에서 프로슈머 우선순위를 고려하는 방법이 있다.

[수학식 7]

여기서,

는 상대가격 설계를 위한 예제로 풍력의 부하 기여도를 기반으로 우선순위 함수

를 1~3으로 부여하고, 이를 사용하여 fi(gamma_t)를 정의한 것이다. 또한, wi는 fi를 정의하기 위하여 부하 기여가 높을 때 3을 부여하여 최고가격 밴드를 좁혀 신뢰도 개선을 독려하고, 부하 기여가 낮을 때 1을 부여하고 전체 밴드를 동일 가격으로 하여 특별한 독려를 하지 않는 방식으로 설계한 예시이다.

도 4는 2016년 Bonneville Power Administration (BPA) 밸런싱 기관의 순 수요시 풍력 발전의 기여도를 도시한 도면이다. 기여와 관련하여, 유틸리티는 프로슈머 우선순위를 결정하고 신뢰성 대역 범위를 결정하기위한 참조로 사용된다.

도 4에 도시된 바와 같이 풍력 발전의 평균 기여도는 약 22%이므로 우선순위 wt는 25% 이상인 경우 '3', 25~20%인 경우 '2', 20% 미만인 경우 '1'로 설정된다. 불확실성을 효과적으로 관리하기 위해 더 높은 우선순위에 더 좁은 신뢰도 대역이 할당되는 것이 바람직하다.

한편, 프로슈머 단말기(104)는 자체 운영 및 선택에 따라 에너지 상품 구매에 따른 가격을 동적으로 결정한다. 이때, 프로슈머는 이익을 극대화하기 위해 프로슈머는 자신의 수요를 추정하고 자신의 신뢰도 대역을 선택하게 된다.

또한, 운영서버(102)는 시간과 신뢰성을 고려한 에너지 상품을 제시하기 때문에, 프로슈머 단말기(104)가 에너지 비용을 줄이고 혜택을 향상시키는 최선의 방법을 결정하려면 자신의 상황을 정확히 파악해야 한다.

수요를 추정하는 기본 방법은 고객 기준 부하 (CBL) 또는 재생 가능 발전 예측 방법과 같은 기존의 부하 예측 방법을 사용하는 것과, 또 다른 방법은 프로슈머 특성을 사용하여 수요를 통제하는 방법이 있다. 내부적으로 로드와 생성을 제어하는 프로슈머는 이익을 극대화하기 위한 요구를 선택하게 되나 두 가지 불확실한 수요 집합으로 인해 위험과 복잡성이 높은 추가 작업이 필요할 수 있다.

또한, 프로슈머 단말기(104)의 신뢰도 대역 선택은 각 운영 시점에서 예측된 값의 신뢰성이 요구되며, CBL과 같은 종래의 예측 방법은 값을 제공하지 않으며 확률 평균을 제공하지 않는다. 예측 된 값의 신뢰성은 수요 예측의 정확성과 관련이 있다.

도 5는 예측 기울기와 BPA 풍력 발전의 정확성 사이의 관계를 도시한 도면으로, 프로슈머는 [수학식 8]을 통해 예시적인 방법으로 신뢰도를 추정 할 수 있다.

[수학식 8]

또한, 수요 예측을 위한 내부 제어와 유사하게 에너지 저장 장치에서 제공하는 추가 제어를 통해 안정성을 향상시킬 수 있고, 추가 제어 기능이 있는 고 신뢰성 대역을 선택하면 잠재적 이점이 향상된다. 그러나 이는 프로슈머의 운영 부담과 추가 장비 (예 : 에너지 저장)로 인한 비용을 모두를 증가시킬 수 있다.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 프로슈머를 위한 2차원 에너지 및 신뢰성 가격에 기반한 거래 시스템의 특징과, 종래의 페널티 기반 동적 가격 메커니즘과의 비교결과에 대해 살피면 아래와 같다.

도 6은 종래의 에너지 판매 가격, ERT의 인센티브 및 페널티 계획을 도시한 도면이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 판매 가격의 인센티브 및 페널티 밴드는 도 6a에 도시된 바와 같이 서로 다른 범위를 가지며, 이 밴드를 조정하여 유틸리티가 프로슈머의 응답성을 제어하게 된다. 또한, 도 6b에 도시된 바와 같이 동적 에너지 신뢰성 가격 책정은 인센티브 페널티 밴드를 결합하여 에너지 소비를 관리하기 위한 시간 및 에너지 판매 가격에 따라 [수학식 9]에 의해 결정된다.

[수학식 9]

또한, 성능을 비교하기 위한 스텝다운 페널티 요금

을 가진 에너지 판매 가격은 일반적인 경우로 상정하여 도 6a에 도시된 점선과 같이 기존 가격으로 표시된다. 이때, 공정한 비교를 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 판매 가격의 at (bi, t, gt)는 아무런 노력을 기울이지 않을 때 기존 가격 책정 사례와 동일한 수익을 갖도록 설계되었다.

또한, 본 발명의 일 실시예는 도 7에 도시된 바와 같이 3개의 밴드를 갖는 경우를 상정하여 예측을 위한 절대 오차의 확률분포를 수치적으로 나타내었다.

종래의 가격 결정 케이스와 본 발명의 일 실시예에 따른 ERT 모두에서 프로슈머 (이 경우 생산자)는 에너지 가격에 대한 관리 응답없이 발전기를 작동 할 때 동일한 연간 수익을 달성한다. 경영진이 없는 가치를 기준값으로 사용하였으며, 성과를 확인하기 위해 EES를 추가하고 최적으로 운영하여 프로슈머 수입을 극대화 할 때의 가치를 평가하였다.

성능평가에 사용된 에너지 공급 데이터는 미국 에너지부 BPA에서 제공한 데이터를 사용하였으며, BPA는 미국 오리건 북부와 워싱턴 남부에 위치한 컬럼비아 강 협곡에 집중된 42 개의 풍력 발전소를 통제하고 있으며, 2016년 총 용량은 약 4600MW였다.

2016년을 기준으로 360일 이상의 발전 데이터 및 예측값을 성능평가에 사용하였고, 성능평가에 따른 결과는 도 4, 도 5 및 도 7에 반영하였다.

한편, 성능평가 트랜잭션 메커니즘이 제대로 작동하려면 프로슈머와 유틸리티 모두의 이점을 유지해야 하는데, 본 발명의 일 실시예에 따른 메커니즘의 성능을 검증하기 위해 프로슈머의 수익과 유틸리티의 신뢰성에 대해 살피면 아래와 같다.

도 8은 EES의 크기가 설치된 발전 용량의 30%로 증가하는 경우, 종래의 에너지 판매 가격 및 본 발명의 일 실시예에 따른 ERT에 의한 수익 향상을 나타내었다. EES는 생성된 예측과 실제 세대 간의 오류를 줄임으로써 프로슈머 수익을 극대화하기 위해 운영되므로 동적 가격으로 수익이 향상된다. 수익은 종래의 에너지 판매 가격보다 4% 향상 되었으나 본 발명의 일 실시예에 따른 ERT의 값은 기존 가격보다 3 배 높은 값으로 지속적으로 증가하는 것을 알 수 있다.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 프로슈머를 위한 2차원 에너지 및 신뢰성 가격에 기반한 거래 시스템의 그리드 신뢰성에 대해 살피면 아래와 같다.

유틸리티의 경우 계통 안정성은 전압 안정성 및 주파수 조정 상태 유지 관리와 같은 요인으로 정의 할 수 있으며, 계통 신뢰도를 개선하기 위해서는 상황 인식 및 운영자 지원이 향상되어야 한다. 여기서 예측 가능성은 신뢰성에 중요한 영향을 미친다.

이 작업에서 실제 생성과 예측 간의 평균 절대 오차 (mean absolute error, MAE)는 예측성을 측정하기위한 성능 지표로 사용됩니다. 도 8에서 MAE는 EES 용량이 증가함에 따라 향상되며, EES 용량이 증가함에 따라 그리드 신뢰성이 향상될 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 ERT 하의 MAE는 기존 가격 체계 하의 MAE보다 낮다.

즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 ERT를 구현하면 기존 가격 책정에 비해 그리드 신뢰성이 효과적으로 향상됩니다. 그러나, 도 9에 도시된 점선의 원과 같이 15% EES 설치 용량에서 알 수 있듯이 본 발명의 일 실시예에 따른 ERT을 적용하여도 MAE는 단조롭게 개선되지 않는데, 이는 MAE의 성능은 가격뿐만 아니라 발전 특성과도 관련이 있기 때문이다.

한편, 도 10a에서 EES 용량과 같이 사용가능한 발전기가 증가함에 따라 제2 대역의 히트 비율을 종래의 가격에 부합하여 증가하는 것을 알 수 있는데, 이는 EES가 없는 평균 MAE가 기존 가격의 두 번째 밴드에 포함된 약 18%이기 때문이다. 이때, 인센티브 벌금은 기존의 가격 책정 케이스에 따른 운영 결과에 따라 정해지기 때문에 일반적인 가격 하에서 프로슈머가 평균 페널티를 줄여 이익을 극대화하는 것을 알 수 있다.

그러나, ERT 하에서는 첫 번째 적중률과 대역의 비율이 도 10b의 EES 용량과 관련하여 증가한다. 이는 본 발명의 일 실시예에 다른 ERT의 프로슈머가 인센티브를 극대화함으로써 향상된 혜택을 달성함을 의미하고, 이때, 인센티브 벌금은 이전에 선택된 밴드와 운영 결과에 따라 결정됩니다. 따라서, 프로슈머는 도 10b에 표시된 것처럼 신뢰성과 이점을 고려하여 시스템을 운영하게 된다.

이러한 결과로부터, 종래의 가격 결정 케이스에 따른 프로슈머는 평균 최대화 기준의 형태로 시스템을 작동시키고, 최대-최대-유형 작동은 본 발명의 일 실시예에 따른 ERT에 의해 작동된다.

또한, 대역 외 비율은 10 % EES 용량 (도 10b의 6 번째 막대)에서 15 % EES 용량 (즉, 도 10b의 7 번째 막대가 다른 것보다 큼)으로 증가합니다. 이것이 본 발명의 일 실시예에 따른 ERT에 의해 MAE 개선이 도 9와 같이 약간 감소한 이유이다. 이 결과는 본 발명의 일 실시예에 따른 ERT가 자원 특성과 관련하여 효과적으로 작동하고 프로슈머가 기존의 가격 책정보다 자원을 더 많이 제어 할 수 있는 동기를 부여한다는 것을 알 수 있다.

한편, 도 8 및 도 9에서 알 수 있듯이, EES 용량을 늘리는 것으로 동적 가격에 따른 성능이 향상되는 것을 알 수 있는데, EES는 불확실성을 관리하는 좋은 솔루션이지만 EES 용량을 늘리면 EES 비용이 증가하여 수익이 감소하게 된다. 이하, EES 비용을 고려한 순수익 평가에 대해 살피면 아래와 같다.

이때, 순수익은 아래의 [수학식 10]에 의해 계산되며, PW(X)는 현재 가치에 미래의 시간대를 수용하기 위해 수익을 공정하게 조정하는 현재 가치 요소이다.

[수학식 10]

ESS의 서비스 기간(X)이 10(year)인 것으로 가정하면, 가격 상승률

= 2.5 (%/년) 이고, 할인율

= 10 (%/년)을 가정하면 현재 가치의 요소 PW(X)는 다음의 [수학식 11]에 의해 계산된다.

[수학식 11]

여기서,

는 전기요금 상승률이고,

는 현가화 (Net Present Value) 산정을 위한 할인율이다.

ESS 비용은 전력 서브 시스템 용량 비용과 에너지 서브 시스템 용량 비용으로 구성되고, 리튬 이온 배터리의 해당 용량 비용을 기준으로 각각 $240/kW 및 $360/kWh로 추정된다.

도 11은 연간 순수익을 도시한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 ERT 케이스에서 정사각형 마커가 있는 실선을 살피면 순수익은 전체 범위에 걸쳐 EES가 없는 것보다 높으며 적용된 EES 용량이 설치된 세대의 7% 일때 달성되는 최대 순수익 향상은 약 6.6%인 것을 알 수 있다.

그러나, 원 마커가 있는 실선으로 표시되는 기존 가격 하에서 순매출은 EES 용량이 설치된 세대의 10% 미만이고 최대 순 수익 향상이 약 1% 인 경우에만 EES가없는 것보다 큰 것이다. 따라서, 종래의 가격은 비효율적 이고, 본 발명의 일 실시예에 따른 ERT는 경제적으로 효율적이며 불확실성을 적응적으로 관리할 수 있다.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 프로슈머를 위한 2차원 에너지 및 신뢰성 가격에 기반한 거래 시스템에 따른 신뢰성 밴드 설계 사례를 살피면 아래와 같다.

ERT의 성능은 신뢰성 대역 설계 값과 밀접한 관련이 있으며, 그 가치는 프로슈머 행동을 가장 잘 관리하는 방법을 고려하여 유틸리티에 의해 결정된다.

도 12는 10% EES 설치 용량 생성을 사용하는 경우, 기존 가격 (Case 0)과 두 개의 ERT (Case 1 및 2)에 따른 수익 향상을 비교한 도면이다. 여기서 Case 1은 이전 섹션에서 설명한 ERT이고 Case 2는 표 2에 표시된 설계 값을 갖는다.

[표 2]에 도시된 바와 같이, Case 1에서 프로슈머는 매일 기존 가격보다 더 많은 수익을 실현하게 된다. 평균 프로슈머 수익 개선은 종래의 가격과 Case 2의 ERT에서 동일한 값을 갖지만 Case 2에서 ERT 하의 프로슈머 수입은 기존 가격보다 높거나 낮으며, 이는 본 발명의 일 실시예에 따른 ERT의 경우 일일 생성 특성에 따라 달라지기 때문이다.

그러나, Case 2에서 유틸리티는 [표 3]에 제시된 바와 같이 기존 시스템에 비해 19.0 %보다 25.1 % 높은 MAE 개선을 보였다. 또한, MAE 변경도 도 10b에 제시된 것과 유사한 패턴을 보이고 있다. 이 결과는 본 발명의 일 실시예에 따른 ERT가 프로슈머 혜택의 손실 없이 그리드 안정성을 관리하는 효과적인 방법임을 입증한다.

[표 3]의 Case 1과 Case 2의 결과를 비교하면 수익 향상 사례가 많을수록 MAE 개선이 줄어듭니다. 수익과 MAE는 각각 프로슈머와 유틸리티의 성능 지표이다. 따라서, 수익 향상과 MAE 개선 간의 절충은 밴드 설계 전략으로 사용될 수 있다.

전술한 바와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 프로슈머를 위한 2차원 에너지 및 신뢰성 가격에 기반한 거래 시스템은 [표 4]에 나타난 바와 같은 장단점이 있다.

유틸리티 또는 소매 업체의 관점에서, 프로슈머가 제공하는 추가 정보를 사용하여 기존의 단순 가격 책정 사례와 비교하여 [표 3]에 나타난 바와 같이 예측 정확도를 향상시킬 수 있다. 여기서, 예측 오류로 인한 위험은 유틸리티 또는 소매점에서 프로슈머로 전환 될 수 있다.

또한, 에너지 사용 및 불확실성 예측 향상을 위해 프로슈머에게 추가 인센티브를 제공함으로써 프로슈머 자체 투자를 촉진하여 유틸리티 또는 소매 업체의 직접 투자를 연기 할 수 있다. 그러나 ERT가 구현되면 시스템이 더욱 복잡해지고 추가 결제 및 청구 솔루션이 필요하다. 프로슈머가 의도적으로 잘못 예측하면 그리드 운영 위험이 증가 할 수 있으며, 공공시설이나 소매 업체는 시설에 대한 직접 투자를 회피 할 수 있지만 본 발명의 일 실시예에 따른 메커니즘에 대해 프로슈머에게 더 많은 인센티브를 제공해야 한다.

프로슈머 관점에서 본 발명의 일 실시예에 따른 메커니즘은 혜택을 극대화 할 수단을 선택하는데 더 많은 공간을 제공한다. 예를 들어, 프로슈머가 불확실성이 높은 자원을 보유한 경우 프로슈머는 예측 오류를 최소화하기 위해 낮은 신뢰성의 가격 대역을 선택할 수 있다. 또한 불확실성을 줄이기 위해 에너지 저장에 투자한 이후 [표 3]과 같이 신뢰성이 높은 가격 대역을 선택하여 수익을 극대화 할 수 있고, 반대로 프로슈머는 예측 및 가격 선택에 대한 추가 책임이 있어 시스템 및 운영 복잡성을 증가시킨다.

ERT의 대역 간 가격 차이가 클수록 참여 프로슈머에 대한 동기가 더 강해지는바, 결과적으로 프로슈머의 순수익 또는 이윤과 유틸리티의 신뢰성을 모두 높일 수 있다. 그러나 이 유틸리티는 프로슈머에게 더 많은 인센티브를 제공해야 한다.

따라서, ERT 가격 설계에서 유틸리티는 과도한 신뢰성을 얻는 불필요한 인센티브를 제공하지 않도록 주의해야 하며, ERT 밴드는 최대 가격, 최대 가격 영역에 대한 절대 오차 범위 및 감소하는 경사 모양의 조합으로 설계 될 수 있고, ERT를 통해 다양한 가격 모델의 설계가 가능하다.

이처럼, 전술한 바와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 프로슈머를 위한 2차원 에너지 및 신뢰성 가격에 기반한 거래 시스템에 의하면, 유틸리티 또는 소매 업체의 운영서버가 시간에 따라 변동되는 에너지 판매 가격 및 신뢰도 값을 포함하는 에너지 상품을 실시간으로 업로드하고, 소비자가 업로드된 다수의 에너지 상품들 중에 어느 하나를 선택함으로써, 프로슈머별 에너지 생산량 및 소비량 예측에 따른 신뢰도를 고려하여 소비자의 유연한 에너지 상품 선택이 가능하다.

이상으로 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 이와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것이 아니며, 기술적 사상의 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대해 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등 물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.

100: 프로슈머를 위한 2차원 에너지 및 신뢰성 가격에 기반한 거래 시스템
102: 운영서버
104: 프로슈머 단말기

Claims (5)

1. 전력 판매자 혹은 구매자 단말기로부터 시간에 따라 정해진 기간에 대한 다중의 2차원 에너지 및 신뢰성 가격을 포함한 에너지 상품들을 수신하여 업로드하는 운영서버를 포함하되,
   전기 소비자 혹은 생산자 단말기가 상기 에너지 상품에 포함된 가격 중에 어느 하나의 가격을 선택하는 것을 특징으로 하는 프로슈머를 위한 2차원 에너지 및 신뢰성 가격에 기반한 거래 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 에너지 상품들 중에 어느 하나를 선택하여 생성한 에너지 상품 구매 정보 혹은 판매 정보를 상기 운영서버로 전송하는 프로슈머 단말기를
   더 포함하는 것을 특징으로 하는 프로슈머를 위한 2차원 에너지 및 신뢰성 가격에 기반한 거래 시스템.
3. 제1항에 있어서,
   상기 운영서버는,
   상기 프로슈머 단말기로부터 수신한 에너지 상품 구매정보와 대응하도록 유틸리티 또는 소매 업체를 통한 에너지 공급 및 판매를 관리하는 것을 특징으로 하는 프로슈머를 위한 2차원 에너지 및 신뢰성 가격에 기반한 거래 시스템.
4. 제1항에 있어서,
   상기 에너지 상품 구매정보는,
   에너지 판매 가격, 에너지 공급 시간 및 에너지 공급 기간을 포함하는 것을 특징으로 하는 프로슈머를 위한 2차원 에너지 및 신뢰성 가격에 기반한 거래 시스템.
5. 제2항에 있어서,
   상기 프로슈머 단말기는,
   자원의 특성 및 유틸리티의 특성에 따라 에너지 소비량 또는 생산량에 대한 예측정보를 생성하는 것을 특징으로 하는 프로슈머를 위한 2차원 에너지 및 신뢰성 가격에 기반한 거래 시스템.

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