2.1 ESS활용방안

일반적으로 선로에서 고장이 발생할 경우, 고장구간을 제외한 나머지 건전구간들은 정전이 발생하는 것을 방지하기 위해 타 계통으로 절체하게 된다. 그림 1은 부하가 증가함에 따라 상시에 운전용량을 초과하여 비상시에 타 계통으로부터 절체된 부하를 받지 못하는 예이다. Feeder1에서 고장이 발생할 경우, Feeder1에 존재하는 건전구간들 중 건전구간 1에 존재하는 4MW의 부하를 Feeder2에 절체 해야만 하는 상황이 발생하고, 이 때 Feeder2의 운전용량이 10MW이상으로 상시운전용량을 초과하고 있다면 Feeder1의 건전구간1의 부하와 Feeder2의 운전용량의 합이 비상시 운전용량인 14MW를 초과하여 부하를 절체할 수 없게 된다. 만약, 비상시에 ESS를 활용하여 고장복구시간 동안 Feeder2의 운전용량을 10MW이하로 유지해 줄 수 있다면 운전용량 초과로 인하여 부하를 절체하지 못하는 상황을 대처할 수 있다. 즉, 계통은 타 선로에서 고장이 발생하였을 때 건전구간들의 정전을 방지하기 위해 상시에 10MW이하로 유지하고 있는셈이다. 본 논문에서는 Feeder에 ESS를 설치하여 상시에 -10MW ~ 10MW를 벗어난 상태에서 운전을 하더라도 비상시 타 선로로부터 절체부하를 받는 경우 절체부하를 받기 전의 부하를 대상으로 -10MW ~ 10MW를 유지할 수 있도록 ESS가 충･방전함으로써 타 선로의 절체부하도 받을 수 있으며 상시에 계통의 운전용량을 증대시킬 수 있게 된다.

2.2 ESS 용량산정 알고리즘

그림 2는 ESS용량을 산정하는 알고리즘을 나타낸다. ESS용량을 산정하기 위한 부하데이터는 변전소 인출단에서 측정된 부하(SCADA)를 기반으로 8차 전력수급계획에 따른 부하 증가율과 계통에 추가될 분산전원용량을 반영한다. ESS용량은 연도별로 산정되며 2031년까지 계산한다.

2.2.1 날짜 별 ESS 용량 계산

날짜 별 ESS 용량 계산은 각 날마다 비상시에 -10MW ~ 10MW를 유지하기 위해 상시 매 2분에 보유해야 하는 ESS 용량을 나타낸다. ESS용량 계산은 10MW를 초과하는 부하와 -10MW미만인 부하에 대해 각각 따로 계산을 한다. 그림 3은 임의의 두 A, B날의 하루 동안의 부하곡선이며, 그림 4는 그림 3의 부하에 따라 각 날 ESS가 매 2분 최소한 보유하고 있어야할 ESS 용량을 나타낸다. 매 2분 ESS가 보유하고 있어야 할 용량은 연속적으로 10MW값을 초과하거나 -10MW미만인 부하곡선에 대한 적분값이고, 해당 시간이 지나면 보유하고 있어야할 용량에서 제외하게 된다. 식(1), (3)은 매 2분마다 측정된 부하값 중 10MW를 초과하는 부하를 대상으로 필요한 ESS용량을 계산하는 식이며, 식(2), (4)는 매 2분마다 측정된 부하값 중 -10MW 미만인 부하를 대상으로 필요한 ESS용량을 계산하는 식이다. 각 식에서 0.03은 측정된 SCADA 2분 데이터를 용량으로 환산해주는 계수며, 수식(3)에서 $k$는 부하값이 10MW를 초과하는 시점이며 $n$은 $k$로부터 10MW를 초과하는 부하가 발생하지 않는 시점까지를 의미한다. 마찬가지로 식(4)에서의 $k$는 -10MW 미만인 부하가 발생하는 시점이며 $n$은 $k$로부터 -10MW 미만인 부하가 발생하지 않는 시점까지를 의미한다. 예를 들어, 그림 3 A day의 부하는 0시부터 약 1시까지 10MW를 초과하고 있으며 그림 4의 0시에 ESS가 보유하고 있어야할 용량은 식(3)을 통해 0시부터 약 1시까지 매2분 필요한 ESS용량을 각각 계산한 후 더한 값이다. 다음 시간대인 0시 2분에 ESS가 보유하고 있어야할 용량은 식(3)을 통해 계산된 0시에 ESS가 보유하고 있어야할 용량에서 식(1)로 계산된 0시에 필요한 ESS용량을 빼준 값이 된다. B day에 매 2분 보유하고 있어야할 ESS용량도 또한 같은 방법으로 식(2), (4)를 이용하여 계산하게 된다.

2.2.2 모든 날을 고려한 ESS용량

2.2.1절에서 계산한 ESS 용량은 각 날에 대해 ESS가 매 2분 보유하고 있어야할 용량이다. 그러나 ESS는 특정 날 하루만 사용하는 것이 아니기 때문에 사용할 기간 동안 모든 부하에 대해서 2.1절에서 언급한 ESS활용방법을 충족시킬 수 있어야 한다. 예를 들어, ESS를 그림 3, 4에 표시된 A, B day에만 사용한다고 하면 ESS는 0시에 약 1MWh, 6시에 약 0.3MWh, 8시에 약 1MWh, 22시에는 약 1.8MWh만큼 방전하기 위한 충전용량을 보유하고 있어야하며 12시에는 약 3.6MWh만큼 충전을 위한 비어 있는 용량을 보유하고 있어야 한다. 이와 같이, ESS를 사용할 모든 날을 고려한 매 2분 ESS용량을 보유하고 있으면 ESS를 사용하는 기간 중 어떤 날에 비상시 상황이 발생하더라도 -10MW ~ 10MW로 유지시켜 줄 수 있다.

2.2.3 1차 ESS용량 산정(최소, 최대)

그림 5는 최소, 최대 ESS용량 산정법이다. 최소 ESS용량은 하루 동안 ESS가 보유하고 있어야할 충전량과 방전량 중 가장 큰 값이며 최대 ESS용량은 하루 동안 ESS가 보유하고 있어야할 충전량 중 가장 큰 값과 방전량 중 가장 큰 값을 더한 값이 된다. 그림 6, 7은 각각 최소와 최대 ESS용량을 설치하였을 때 ESS가 유지해야할 SOC곡선이다. SOC곡선의 아랫부분에 나타난 곡선은 10MW를 초과하는 부하에 의해 ESS가 충전되어 있어야하는 용량이며 윗부분에 나타난 곡선은 -10MW미만인 부하에 의해 방전되어 있어야하는 용량이다. ESS는 두 곡선 사이로 SOC를 유지하고 있으면 비상시 상황에 대처할 수 있게 된다. 최소 ESS용량을 설치하게 되면 충･방전을 가장 많이 하게 되고, 최대 ESS용량을 설치하게 되면 특정 SOC를 유지만하고 따로 충･방전을 하지 않아도 비상시 상황에 대처할 수 있게 된다. 만약, 최소 ~ 최대 사이의 용량을 설치하는 경우에는 상대적으로 최소용량보다는 적고 최대용량 보다 많이 충･방전을 하게 된다.

2.2.4 비상시 부족한 용량 추가

ESS는 상시에 필요한 ESS용량을 준비하고 있지만 비상시 상황이 얼마나 지속될지 알 수 없다. 비상시 상황이 오래 지속될 경우 추가적으로 필요한 ESS용량이 존재한다. 추가적으로 필요한 ESS용량은 각 날짜 별 매 2분 보유해야할 ESS용량을 계산한 후, 각 날에 대해 비상시 추가로 필요한 ESS용량을 산정하였다. 그림 4의 A day 6시에 고장이 발생하면 상시에 충･방전하던 ESS는 최악의 경우 6시 ~ 7시까지 충전된 용량을 모두 소모하고 7시부터 8시까지는 다음시간에 필요한 ESS 용량을 준비하기 위해 충전을 하게 된다. 해당 시간대에 완전히 충전할 수 없다면 8시에 필요한 ESS용량을 준비할 수 없게 되어 부족한 값이 존재하게 된다. ESS를 사용할 기간 동안 각 날짜 별 부족한 값을 모두 계산한 후, 가장 큰 값만큼 항상 추가로 보유하고 있으면 ESS를 사용할 기간 동안 비상시 상황이 발생하더라도 타 계통으로부터 부하를 절체받기 전 -10MW ~ 10MW를 유지할 수 있게 된다. 그림 8은 그림 4에서 A day에만 비상시 추가로 필요한 ESS용량이 존재하여 추가된 예시이다. 그림 8과 같은 경우는 10MW를 초과한 부하에 대해 추가적으로 필요한 ESS용량이 존재된 경우로 그림 5에 나타난 10MW를 초과하여 산정된 필요한 ESS용량에서 항상 보유해야할 용량으로써 비상시 부족한 용량이 더해진 것이다. 이로 인해 최소, 최대 용량 또한 달라진다. 최종적으로 산정되는 최소, 최대 용량의 ESS는 배터리의 효율과 실 계통의 오차를 고려하여 DOD와 예비율을 적용한다.

2.2.5 충･방전 스케줄링

2.2.1 ~ 2.2.4절을 통해 최종적인 최소, 최대 ESS 용량을 알 수 있다. 산정된 용량 범위내의 ESS를 설치할 경우 설치하는 용량에 따라 필요한 ESS용량을 충족시키기 위한 충･방전 스케줄링 또한 중요하다. 그림 9는 그림 8에 의해 산정된 ESS용량 중 최소 용량을 설치하였을 때의 SOC곡선이다. ESS의 SOC는 위아래로 나타난 두 곡선 사이로만 유지해준다면 비상시 상황을 대비할 수 있기 때문에 이를 위한 충･방전 스케줄링 또한 다양할 수 밖에 없다. 예를 들어, ESS가 약 8시경 40%의 SOC를 보유하고 있다면 약 11시까지 SOC를 10%까지 방전해주어야 한다. 마찬가지로 11시에 SOC가 10%였던 ESS는 22시까지 약 50%까지 충전해주어야 한다. ESS의 SOC는 두 곡선사이로 유지하기만 하면 되기 때문에 다음시간대에 필요한 SOC까지 준비하는 충･방전스케줄링은 다양하지만 그림 9와 같이 필요한 만큼만 충･방전할 경우 불필요한 충･방전을 하지 않게 되어 충･방전량을 최소화할 수 있다. SOC곡선은 ESS를 사용할 모든 날 같은 시간대의 부하를 고려한 것이다. ESS는 사용할 기간 동안 충･방전량을 최소화할 경우 그림 9에 나타난 것과 같이 반복적으로 충･방전하게 되어 Cycle 및 충･방전량을 알 수 있다. 만약 산정된 ESS용량 중 최대 용량으로 설치할 경우 따로 충･방전을 하지 않아도 된다.

3.1 부하데이터

부하데이터는 비상시 타 선로로부터 부하를 절체받기 전에 -10MW ~ 10MW를 유지할 수 있는 ESS용량을 산정하기 위한 것이기 때문에 계통의 한 피더 변전소 인출단에서 측정된 값을 사용하였으며 분산전원의 발전량만을 고려하고 설치 위치는 따로 고려하지 않았다. 같은 이유로, ESS 또한 충･방전량만을 고려하였다. 그림 10은 실 계통의 한 피더 변전소 인출단에서 1년간 측정된 SCADA부하데이터를 기간별로 나누어 평균으로 나타낸 값이다. 사례 연구를 위해 부하데이터는 8차 전력수급계획에 따른 부하증가율, 추가될 분산전원용량을 반영하였다.

3.2 부하데이터 가공

표 1은 부하데이터 가공을 위한 연도별 8차 전력수급계획에 따른 부하증가율 및 추가될 분산전원용량을 나타낸다.

피크증가율은 10MW초과인 부하에 대해 반영하였고 그 외의 부하들은 평균증가율을 반영하였다. 추가될 분산전원용량은 임의로 해마다 100kWh씩 증가한다고 보았으며 부하에 적용할 때에는 최악의 경우로 발전시간대인 08시~16시에 100%발전한 경우로 가정하였다. 그림 11은 분산전원용량이1MW 추가된 예시다.

3.3 연구 결과

표 2는 본 논문에서 제작한 Excel Tool을 이용한 사례연구 결과로 연도별 최소, 최대 ESS용량과 PCS용량이다. ESS용량을 산정할 때 DOD와 예비율은 따로 적용하지 않았으며 PCS용량은 가공된 부하데이터값을 대상으로 10MW PCS용량은 10MW를 초과하는 부하에 대해 10MW미만으로 방전해주기 위한 최솟값과 -10MW미만인 부하에 대해 -10MW이상으로 충전해주기 위한 최솟값 중 큰 값으로 선정하였다.

표 3은 표 2에서 산정된 ESS용량 중 최소용량을 설치하고 충･방전량을 최소화하여 충･방전을 할 경우 연도별 1년간 ESS의 충･방전 Cycle과 충･방전량을 나타낸다. Cycle은 설치된 ESS의 용량에 대해 100% 충･방전했을 경우 1 Cycle로 정의하였다. 표 3에서 각 연도별 ESS의 충·방전량은 해가 갈수록 꾸준히 증가하며 PCS 용량은 ESS 용량과 달리 동일한 것을 확인할 수 있다.