3.1.1 한국에너지관리공단 재생에너지 통합모니터링 시스템

우선, 국내 마이크로그리드 간 전력거래를 위해 이기종 프로토콜간 데이터 상호운용성 확보에 대한 일원화된 공통 데이터맵을 도출하기 위해서 국내에서 범용적으로 통용되는 데이터 항목에 대한 분석이 필요하다. 따라서, 재생에너지 사업자의 통합운용모니터링을 위해 한국에너지공단에서 제공하고 있는 통합모니터링 시스템(Renewable Energy Monitoring System, REMS)^[8]의 분산전원 설비 중 태양광, 풍력, 에너지저장장치에 대한 계측점과 데이터 취득 항목을 Table 4와 같이 분류하였다.

3.1.2 IEEE 1574 serise(Sunspec Modbus)

IEEE 1547 시리즈는 2003년 제정된 분산 자원의 배전망 통합을 위한 표준으로, 분산자원과 전력망 간의 연결, 작동, 통신 및 성능 요건을 규정하고 있다. 이후 여러 차례 개정을 통해 현대 전력망의 요구사항을 반영하고 있다. 연결 요구사항은 분산자원의 전력망 접속 및 단절 조건을 정의하며, 전압 및 주파수 범위 내에서의 안정적인 작동을 보장한다. 운영 성능 요구 사항은 고급 기능을 통해 주파수 및 전압 조정, 역률 제어 등 전력망 지원 기능을 포함한다. 마지막으로 통신 표준 요구사항은 분산자원과 유틸리티 간의 데이터 교환을 위한 통신 프로토콜 및 인터페이스를 제공하여 효율적인 모니터링과 제어를 가능하게 한다. 이러한 IEEE 1574 serise와 상호보완적 역할을 수행하는 SunSpec Modbus 프로토콜은 태양광 인버터, 배터리 저장 장치 및 기타 분산자원과 전력망 운영자 간의 통신을 표준화하기 위해 SunSpec Alliance에 의해 개발된 통신 프로토콜이다. Modbus 프로토콜은 산업 자동화에서 널리 사용되는 표준이며, SunSpec은 이를 분산자원에 맞게 확장한 형태이다. 주요 특징은 분산자원의 상태 정보(전압, 전류, 출력 전력) 및 제어 명령을 표준화된 데이터 포맷으로 제공한다. Fig. 1은 SunSpec에서 정의하고 있는 분산자원 운영시 필요한 데이터 요구사항에 대한 구조^[9]를 나타낸다. 또한, 다양한 분산자원 장치와 통합이 용이하며, 새로운 기능 추가 시에도 기존 시스템과의 호환성을 유지할 수 있고, Modbus의 간단한 구조로 인해 하드웨어 및 소프트웨어 구현 비용이 낮아 소규모 분산자원에도 적합하다. 이 표준들을 중심으로 분산자원의 데이터 상호운용성과 유연성을 강화하여, 마이크로그리드의 안정적이고 효율적인 운영을 가능하게 하여 향후 에너지 전환이 가속화됨에 따라, 지속적인 기술 발전과 함께 표준의 제개정이 이뤄질 것으로 판단된다.

Fig. 1. DER response to data requirements for adnormal operating performance structure

3.1.3 한국전력공사 분산형 전원 배전계통 연계 기술기준

다양한 분산전원의 도입으로 인하여 전압, 주파수 등 전력 계통상 불안정성 요인으로 작용하고 있으며, 제주도, 전남 지역에서는 출력제한 조치로 인한 계통 안정성 저하 뿐만 아니라, 경제적 손실까지 발생하고 있고 그 피해가 점점 증가하는 추세이다. 이에 대한 대책으로 2021년 개정된 한국전력공사의 분산형전원 배전계통 연계 기술기준^[10]을 검토한 결과, 분산전원 계통지원 기능 요구사항이 추가되어 Table 5에 나타낸 바와 같이 크게 14가지로 분류된 계통지원 기능을 분산전원에 적용하고 있고, 상호운용성을 포함한 연계기준을 통해 분산전원의 통신기반 실시간 자료 수집과 원격 제어를 요구하고 있다.

3.1.4 마이크로그리드 공통 데이터 맵

전력설비의 효율적인 운용을 위해 원격으로 감시하거나 제어하는 서비스를 지원하는 시스템이 등장하고 전력기기에서 발생한 계통의 여러 정보들의 처리를 위해 전력 프로토콜이 필요하게 되었다. 일반적으로 컴퓨터에서 활용되는 통신 프로토콜과 다르게 전력 프로토콜은 안정적이며 신뢰성 높은 통신 네트워크를 필요로 하고, 높은 데이터 무결성과 데이터 일치성 및 빠른 응답시간이 중요하다. 이에 따라 전력기기 또는 시스템의 사양에 따른 프로토콜의 제약사항이 존재하며, 전력계통에서 요구되는 여러 요소를 만족할 수 있는 프로토콜이 개발되었다. 기존 전력시스템에서 활용되고 있는 산업용 프로토콜인 DNP 3.0 프로토콜과 현재 변전소 자동화 목적에서 전력 유틸리티의 자동화 목적으로 점차 확대되어 적용되는 IEC 61850 프로토콜, 분산전원이나 신재생 에너지원에서 단순 데이터 수집과 제어 용도로 활용될 수 있는 Modbus 프로토콜, 단순 센서 데이터 측정의 CAN(Control Area Network), IEEE 1451 등이 있다. 데이터 상호운용성에는 실제 전력거래에 참여할 마이크로그리드 사업자 또는 배전망사업자의 프로토콜 변환의 유연함과 확정성을 갖춰야 한다. 따라서, Table 6에 나타낸 바와 같이, 마이크로그리드 조성 사업에 참여한 전국 10개사를 대상으로 조사한 결과, Modbus(TCP/IP) 프로토콜을 기본 구조로 자사 프로토콜에 맞춰 일부 라이브러리 함수를 변형하여 사용하고 있는 것으로 확인되었다. 이 경우 마이크로그리드 간 전력거래 또는 데이터 연계 시 공통된 데이터 항목 도출에 한계점이 존재한다. 따라서, 앞서 조사한 국제 표준 기반 분산전원의 범용적인 데이터 맵을 제공하고 있는 IEEE 1574 serise(sunspec modbus) 프로토콜을 기반으로 태양광, 풍력, 에너지저장장치 설비를 대상으로 국내 마이크로그리드 간 전력거래시 필수적으로 연계되어야하는 상호운용성 공통 데이터 맵을 Fig. 2와 같이 도출하였다.

Fig. 2. Common data map for ensuring interoperability between microgrids with grid stability

3.2.1 마이크로그리드 직접 PPA 거래 데이터 상호운용성 실험

Fig. 3에서 확인할 수 있듯이, 데이터 상호운용성을 시험하기 위해 Python 기반 데이터 수집 및 변환 스크립트를 구성하였다. 데이터 통합용 XML 변환 알고리즘과 csv 파일 형식의 데이터셋에 따른 데이터 포맷을 통합하여 XML 스키마로 변환하였다. 또한, Modbus(TCP/IP) 프로토콜을 기반으로 제조사 별 상이한 라이브러리 함수의 데이터 항목을 일원화하기 위해 Table 6에 나타낸 바와 같이 공통 데이터맵에서 마이크로그리드 직접 PPA 거래 시나리오의 데이터 상호운용성을 확인하기 위해 필수 요소라 판단되는 데이터 항목을 추출하였다. 공급 데이터 설비로는 태양광 발전, 에너지저장장치로 설정하였고, 수요 데이터는 전기자동차 충전소, 일반 건물로 설정하여 마이크로그리드 수요-공급자 간 원하는 전력거래 요금, 시간대, 전력량의 데이터 수집 및 연동 과정에서의 데이터 상호운용성을 확인하였다.

구성된 데이터 연계시스템을 통해 전력거래 시 필요한 입력데이터의 결과를 Fig. 4-6에서 확인할 수 있듯이, 마이크로그리드 수요-공급자 및 거래 중계자 측면에서 운영하는 플랫폼의 UI(User Interface)를 구성하였다. 먼저, Fig. 4에 나타낸 바와 같이, 마이크로그리드 운영 플랫폼의 수요자 측면에서 마이크로그리드 간 직접거래를 통해 전력을 구매하기 위한 정보 입력 데이터는 부하(전기차충전소의 전력공급), 시간대(19~21시), 전력구매량(200kW), 구매 요금(1kWh 당 195원)으로 설정하였다. 동시에 Fig. 5는 공급자 즉, 전력을 판매하기 위한 정보 입력 데이터는 전력공급 설비(태양광으로부터 발전된 전력을 보관하는 에너지저장장치), 시간대(17~21시), 전력구매량(1000kW), 구매 요금(1kWh 당 190~195원)으로 설정하여 입력된 데이터에 따라 수요-공급자간 데이터 상호운용성을 통해 각 원하는 정보에 따라 직접 PPA 거래를 위한 체결 조건 매칭 여부를 확인하였다.

마지막으로, Fig. 6은 마이크로그리드 간 직접 PPA 거래 체결 중계자 UI를 나타낸다. UI에 표시된 상단은 수요-공급자 각각의 입력데이터를 한번에 확인 할 수 있다. 이를 통해 이기종 프로토콜을 사용하는 플랫폼 운영자이지만, 전력거래를 위한 데이터맵을 기반으로 이기종 프로토콜의 연동 여부를 확인할 수 있다. 또한, UI 하단의 결과는 수요자-공급자가 입력한 데이터를 기반으로 각각 입력한 원하는 시간대별 적정 전력거래 요금과 전력량에 따른 체결 정보를 확인할 수 있다.

Fig. 3. XML schema design based on modbus protocol

Fig. 4. UI for inputting microgrid data from demander

Fig. 5. UI for inputting microgrid data from supplier

Fig. 6. UI for verifying data interoperability between demander- supplier