[스마트 소사이어티 시스템-②] 스마트 시티 실현 위한 도시 규모 에너지 매니지먼트 시스템 평가 기반 활용과 그 전망

[첨단 헬로티]

사회 전반의 중요한 인프라 기능을 지속적으로 담당하고 있는 전력 시스템은 운용 개시 후의 설비 구성을 드라스틱하게 변경하는 것이 기본적으로 어렵다. 그렇기 때문에 구상·기본 설계의 단계에서부터 도시 건설과 일체적으로 설비 사양 및 운영 방식의 검토를 꼼꼼히 추진하는 것이 요구되며, 장기 안정적인 도시 에너지 운용을 실현하기 위해 설비 사양 및 운용 방법의 효용을 정량적으로 평가하면서 검토를 진행할 필요가 있다.

한편 ‘초스마트’를 주장하는 저탄소 사회를 지속적으로 실현하기 위해 태양광 발전(PV) 등의 재생 가능 에너지를 주축으로 하는 에너지 공급 지향이 세계적으로 확대되고 있으며, 또한 전기자동차(EV)로 대표되는 교통 시스템 등 도시 규모로 에너지 엔드 유스의 전화 경향도 급격하게 추진하고 있다. 이렇게 전원이 가지는 기상 유래의 변동성이 전압 등의 전력 품질에 미치는 임팩트와 에너지 이용 경향의 동적 변화가 우려되는 가운데, 전력 인프라의 고도 운영이나 에너지 저장 설비의 충방전도 포함한 에너지 이용의 효과적인 능동화를 실현하는 에너지 매니지먼트 시스템(EMS) 기술이 큰 역할을 달성하기를 기대하고 있다.

이 개발 기술의 사회적인 도입 가치를 다양한 관점에서 의논하기 위해서는 도시에서 미래적으로 일어날 수 있는 전력 운용상의 과제나 다양한 목적 하에 다양한 주체가 검토를 추진하고 있는 EMS 기술의 도입 효과, 또한 그들이 분산적으로 보급됐을 때의 상호 간섭의 영향 등을 최대한 정밀하게 정량적으로 파악해 가는 것이 필요하다.

이 글에서는 우리들이 과학기술진흥기구(JST)의 전략적 창조연구 추진사업팀형 연구(CREST) 중에서 구축을 추진해 온 도시 규모의 분산 EMS 기술의 평가 플랫폼 활용 사례와, JST 미래사회창조사업에서 이 평가 기반의 확장 전개에 기초해 실제 도시를 대상으로 검토를 시작하고 있는 스마트 시티화를 위한 대응에 대해 개략적으로 소개한다.

EMS 기술 평가 플랫폼

출력이 기상에 좌우되는 PV 등의 재생 가능 에너지가 도시에서 분산적으로 도입이 추진됨으로써 전압 등의 전력 품질을 유지하기 위한 전력 인프라의 고도 제어 기술을 실현하는 전력계통의 EMS(GEMS)와 보급이 증가하고 있는 축전지나 EV 등의 활용과 전력 수요의 능동적인 관리에 의한 에너지 이용의 효율화를 실현하는 가정용 EMS(HEMS) 등 다양한 EMS 기술이 중요시되고 있다. 현재 개발이 추진되고 있는 이들 기술은 장기 지속 가능한 저탄소 사회를 담당하는 스마트 시티 구축에 중요한 역할을 하게 된다.

한편, 다양한 주체가 다양한 목적의식 하에서 개발하는 이들 EMS 기술이 보급됐을 때에 서로 어떤 상호 간섭을 미치는지를 상세하게 파악하는 것이 어려워지고 있다. 우리들은 이러한 상호 작용을 고려한 개별 기술의 도입 효과와 적절한 협조 운용 방법을 정량적으로 다양한 관점에서 논의하기 위해 실제 개별 전력 수요가의 전력 소비 추이의 특성을 파악해 모의한 배전 네트워크 모델을 구축, 이 모델에 기초하는 도시 규모의 분산 협조 EMS 도입의 범용적인 평가 플랫폼을 개발해 왔다(그림 1 참조). 이 평가 플랫폼은 대상 도시에서 예상되는 배전계통의 전력 거동 특성을 반영하기 위해

▲ 그림 1 도시에 분산 도입되는 EMS 기술의 상호 작용을 평가하는 플랫폼의 이미지

실제 세계의 물리적인 시설 및 도시 내의 가정이나 빌딩, 배전 네트워크의 전력 시공간적인

추이를 계산기 상에 시뮬레이트하기 위한 환경을 도쿄전력 파워그리드, 츄부전력, 간사이전

력의 협력 하에서 구축하고 있다. 다양한 사고·규모의 EMS 기술이 보급됐을 때의 도시 전

체의 에너지 관리 지속 가능성을 다양한 관점에서 평가하는 것이 가능해진다.

•‌ 토지 이용 용도의 정보 : 대상 도시의 건물 용도 카테고리나 바닥 면적 등의 통계량.

•‌ 저압/고압 배전계통의 정보 : 실제 배전계통의 선 길이, 선 종류, 토폴로지, 제어 설비의 설치 부위 등.

•‌ 다양한 수요가의 수요 프로필 정보 : 실제 저/고압 배전계통에 연계되는 개별 전력 수요 시간 추이, 수요가의 카테고리 등.

•‌ 일사량의 면적 추이 정보 : 해바라기 8호에 의해 관측되는 대상 도시의 1km 해상도의 2.5분마다의 직달·산란 일사량 등의 추이.

에 기초해 구성되어 있다. 이에 의해 미래의 인구 증감이나 세대 구성의 변화에 따른 에너지 소비 구조의 변용이나 분산 전원의 도입 상황 변화 등 전력 인프라에 영향을 주는 것이 우려되는 미래 시나리오에서 표면화될 것으로 생각되는 문제점이나 다양한 EMS 기술의 도입 보급 효과를

• 수요가 주변의 전압

• 태양광 발전의 출력 억제 회피 가능량

• 수요 가택 내의 전기 요금

• 배전계통의 전류 분포에 대응해 발생하는 전력의 열손실

• 배전선이나 계통 설비의 용량에 대한 설비 이용률

• 도시 규모의 전력 수지에 의해 배출되는 이산화탄소량

• 도시 내의 에너지 자급률

등의 관점에서 다각적으로 평가하는 것이 가능하다.

예를 들면, PV나 연료전지, EV 등의 에너지 기기가 도시 내의 여러 부위에 보급된 상황에서는 일상생활이나 일 등에 지장을 초래하지 않는 범위에서 기기 운용 시간을 스케줄링하여, 1차 에너지 소비 절감을 실현하는 HEMS가 수요가들에게 큰 의미를 갖게 된다.

한편, 매전 수입을 목적으로 PV의 잉여 발전 전력이 전부 매전되면 전력 역조류에 따른 국소적인 전압 상승에 의해 본래 유효하게 활용할 수 있었을 발전 전력이 억제되어 버리는 문제 등이 일어날 수 있다. 이와 같이 여러 가지 요소가 혼재하는 도시 규모의 에너지 시스템에서 일어날 수 있는 문제의 임팩트 크기나, 분산 협조적으로 HEMS/GEMS를 기능시키는 것에 의한 문제 해소 효과를 개별 수요가 시점에서 배전계통 운용자 시점까지 다양한 관점에서 논의한 후 이 평가 플랫폼이 활용되어 왔다. 또한, 배전계통에서 제어에 이용하는 전압 센서 정보가 조작되었을 때의 영향 평가나 조작 검지 알고리즘 검토 등에서도 이 평가의 플랫폼이 활용되고 있다.

한 예로서 그림 2에 HEMS에 의해 충전 시간이 스케줄링되는 EV가 도시 내에 보급된 상황에서, 배전계통 상의 각 부위의 전압 및 배전선 용량에 대한 선로 이용률을 평가한 결과를 나타냈다. 전력 가격이 저렴한 시간대에 도시 내의 여러 곳에서 EV의 충전이 일제히 이루어졌다고 하면, 고도의 제어 로직을 실장한 GEMS를 도입해도 전압의 현저한 강하가 발생하거나 배전선의 용량에 대한 전류 초과를 피할 수 없거나 하는 문제가 일어날 수 있다. 한편, 분산 도입된 HEMS나 GEMS가 정보를 주고받음으로써 협조적으로 시간대를 어긋나게 EV의 충전 스케줄을 결정하면, 이 문제가 해소되는 모습을 확인할 수 있다.

▲ 그림 2 EV, HEMS가 대량 도입된 상황 하에서 도시 규모의 배전계통에서 일어

날 수 있는 과제의 평가 예

그림은 어떤 시간 단면에 있어 배전계통 상의 각 부위의 전압 및 선로 이용률을 나타내고 있

다. 예를 들면, 전력 가격이 저렴한 시간대에 EV의 충전을 실현하는 HEMS가 EV와 함께 보

급되는 상황을 가정한다. HEMS가 개별 수요가의 전기료 절감을 실현하는 것만을 목적으로

전력 가격이 저렴해지는 시간대에 EV의 충전을 일제히 개시해 버리면, (a) : 계통 상의 여러

부위에서 급격하게 전압 강하가 발생하고, (b) : 배전선 용량에 대한 국지적인 전류 초과 경향

등의 문제가 일어날 수 있다. 한편 HEMS가 GEMS와 정보를 주고받음으로써 배전계통의 전

압 상태를 공유하거나, 전력 가격이 저렴해지는 시간대 중에서 다른 수요 가택의 HEMS와 협

조적으로 EV를 충전하는 시간대를 어긋나게 함으로써 (c) : 급격한 전압 강하는 완화되고,

(d) : 배전선의 특정 부위의 전류 초과 경향도 해소될 수 있다.

실제 도시를 대상으로 한 기술 실증에 대한 전개

앞에서 말한 평가 플랫폼은 도시에서 에너지 인프라에 관련된 문제가 표면화되는 상황을 재현하고, 문제를 해결하기 위한 다양한 EMS 기술과 그 협조 방법을 다각적으로 평가하여 대상 도시의 미래에 걸친 에너지·환경 문제 대응을 검토하기 위한 툴이 될 것으로 기대된다. 이번에는 현재 우리들이 현실 세계의 도시를 대상으로 해 이 툴의 활용을 바탕으로 실시하고 있는 EMS 기술 실증에 대해 2가지를 소개한다.

1. 센서 개폐기의 계측 정보를 이용한 배전계통 손실 최소화 운용 실증시험

전력계통은 경시 변화하는 수요가의 전력 수요에 따라 품질을 유지하면서 전력을 전달하는 역할을 하고 있는데, 이 경로가 되는 선로의 임피던스와 거기를 흐르는 전류의 크기에 대응해 발생하는 열의 형태로, 수요가에 의해 직접 소비되는 것은 아닌 ‘전력 손실’이 발생해 버린다. 이 전력 손실을 최대한 줄이기 위한 방법의 하나로서 전력회사는 배전계통의 여러 부위에 설치하는 선로 간의 연결/분리를 하는 ‘구분 개폐기’를 적절하게 설정한 후에 운용함으로써 운용 기간의 총전력 손실량을 최대한 작게 하고 있다.

지금까지의 전력계통에서는 기본적으로 부하 상태를 파악하기 위한 계측 설비가 변전소 등 한정된 곳에만 설치되어 있던 것에 더해, 다수 개폐기의 개폐 상태 조합에 의해 주어지는 많은 계통 구성 후보 중에서 최적의 구성을 탐색하는 것이 계산량적으로 곤란하다는 것이 방해물이 되어, 계통 구성의 변경에 의한 전력 손실 절감 기술은 보급에 이르지 못했다. 그러나 최근 센서 개폐기(계측 기능이 있는 구분 개폐기)의 설치와 그들의 계측 정보를 전송하기 위한 광통신 부설이 추진되어, 기존 변전소의 계측 정보 이외에 고정도로 배전계통의 다양한 지점의 상세한 상태를 파악할 수 있게 됐다.

또한, 수백 개의 개폐기 상태 조합으로 이루어지는 천문학적인 수의 해 후보 중에서 최적 구성을 도출하는 최적화 기술을 구사함으로써 실제 규모의 배전계통에 대해도 전력 손실을 최소화하는 구성을 도출, 평가할 수 있는 환경이 갖추어지고 있다. 이러한 상황 속에서 현재 와세다대학과 도쿄전력 파워그리드는 JST CREST 연구 추진의 일환으로 센서 개폐기의 계측 정보를 이용한 배전계통의 전력 손실 최소화 운용의 실제 필드 실증시험(2016~2020년)을 실시하고 있다.

현재 우리들은 도쿄전력 파워그리드가 맡고 있는 구역 내의 3변전소 계통에 착안해 변전소의 계측 정보를 사용한 경우 및 센서 개폐기 계측 정보를 사용한 경우의 전력 손실 시산 및 그 비교 등을 시작하고 있다. 예를 들면 그림 3은 현재의 239개 개폐기의 개폐 상태(상태 후보로서 2239?8.8×1071개)로부터 휴리스틱한 지식에 기초해 도출·운용되고 있다. 현재의 계통 구성에서 각 선로에서 발생하는 연간 전력 손실을 시산한 것이다. 또한, 평가 플랫폼을 이용한 우리들의 시산 결과는 몇 가지 개폐기의 상태를 지금까지의 운영으로 변경함으로써 이 배전계통의 연간 전력 손실을 77MWh 정도 줄일 수 있는 가능성이 있음을 시사하고 있다.

▲ 그림 3 배전계통의 연간 전력 손실의 시산 예

도쿄전력 파워그리드 담당 구역에서 현재 운용되고 있는 배전계통의 구성에 착안해, 선로에서

발생하는 전력 손실을 변전소의 연간 계측 정보에 기초해 시산한 결과. 예는 총선로 길이로서는

약 140km 정도로 개폐기가 239개(이 중 센서 개폐기는 84개) 설치된 배전계통이며, 개폐 상태

를 변경함으로써 각 선로의 기간 내 총손실량이 변화한다. 손실 최소 구성을 도출한 결과는 몇

가지 개폐기의 상태를 변경하여 전력 손실을 줄일 수 있는 가능성이 있음을 시사하고 있다.

2018년 4월부터는 시산 결과로부터 도출된 최적 구성에 기초해 개폐기를 실제로 전환한 후의 실제 계통 운영을 예정하고 있으며, 앞으로 이와 같은 실제 배전계통에서 발생하고 있는 전력 손실이나 손실 최소 구성의 도출 효과 등의 시산 결과에 따라 1,200곳 넘게 있는 도쿄전력 관내의 배전용 변전소로 구성되는 배전계통의 손실 절감 파급 효과에 대해 시뮬레이션 평가를 더 진행해 갈 예정이다.

2. 전력·교통 시스템의 통합 모델링

지속 가능한 저탄소 사회를 실현하기 위해서는 주요 도시 인프라 기능의 하나인 교통 시스템도 큰 역할을 하고 있으며, 전력 시스템과 일체적으로 과제의 정리, 설비 계획, 공공 교통 시스템의 운용 방법 등을 논의하는 것이 요구된다. 우리들은 CREST에서 개발해 온 도시 전력 시스템의 평가 플랫폼에 더해 도시 교통 시스템의 평가 모델을 JST의 미래사회창조사업에서 개발·통합하는 것을 계획하고 있으며, 공공 교통기관 전력 공급·운영의 최적화, 전력 품질에 영향을 줄 수 있는 수요 피크 절감 등을 논의, 전력에 그치지 않고 소비 행동의 촉진, 교통 피크컷, 도시 디자인, 재해 시의 유도 지원 등을 포괄적으로 파악한 도시 서비스를 검토하기 위한 플랫폼으로 활용하는 것을 검토하고 있다.

특히 현재 ‘네트워크형 콤팩트 시티’ 실현의 핵심으로서 일본 최초의 전선 신설의 차세대형 노면 전차 시스템(LRT) 부설을 추진하고 있다. 우츠노미야시와 연계해 LRT를 포함한 교통 시스템과 전력 시스템의 일체적 평가를 위한 플랫폼 개발을 추진하고 있다. 이것은 우츠노미야시의 도시적 지역 특징을 반영시키면서 도시 건설의 근간이 되는 2대 공공 인프라에 관한 상호 관계를 연계시킨 통합 시뮬레이션 모델을 구축하고, 사람의 이동에 따른 도시 내 에너지 소비의 시공간적 변화 등 지금까지의 논의에서 그다지 고려되지 않았던 요소를 수집, 전력·교통을 중심으로 한 다양한 관점에서 정량적 평가를 하기 위한 플랫폼의 심화를 검토하고 있다.

맺음말

이 글에서는 지금까지 우리들이 JST CREST에서 구축해 온 도시 규모의 분산 EMS 기술의 평가 플랫폼 활용 사례로서, 실제 도시계통 개발 기술의 효과 시산 등을 하고 있는 실증 평가 소개와 마찬가지로 JST의 미래사회창조사업에서 실제 도시를 대상으로 교통 시스템의 시뮬레이션 모델과 통합시켜 스마트 시티를 실현하기 위한 도시 인프라 기능 평가 및 거기에서 창출될 수 있는 도시 서비스의 검토 평가를 위한 플랫폼을 소개했다.

실제 도시를 대상으로 전력 시스템뿐만 아니라 교통 시스템이나 도시 서비스를 포함해 포괄적인 시스템 설계를 논의하는데 있어서는 개별 시스템의 아키텍처 설계는 물론, 데이터 연계를 할 때의 API 사양, 도시 주민의 프라이버시에 관한 정보의 기밀성 담보 등을 하면서 기술 실장 효과, 특히 사회적 편익의 경제 평가의 정량적 평가를 하는 것이 요구된다.

앞으로는 지금까지 개발해 온 전력 시스템, 교통 시스템의 상호 작용을 평가하기 위한 통합 모델을 개발하고, 특히 우츠노미야시와 연계하면서 2021년도에 개업이 예정되어 있는 LRT 시스템을 모델화해 승강자의 교통 행동·속성 조사나 연선 시설의 소비 에너지 데이터 축적 등과 조회하면서 개업 후 교통 행동 변화와 그에 따르는 에너지 소비량를 추계함으로써 LRT 시스템의 도입이 도시 규모 교통 시스템, 전력 시스템에 어떠한 영향을 미칠 수 있는지, 또는 발생할 수 있는 문제에 대해 어떠한 매니지먼트 시스템을 생각할 수 있는지 계속 검사해 나갈 예정이다.

, ,