전력시장의 핵심 트렌드 ‘VPP’

에너지 전환은 글로벌 공통의 목표이며, 우리나라 역시 전력수급기본계획을 통해 에너지 전환의 구체적인 실천계획을 수립하고 이행해 가고 있다. 최근에 발표된 11차 기본계획은 2030년 주요 신재생 자원인 태양광과 풍력 설비용량 목표 72GW를 제시하고 있다. 이는 2022년 말 태양광과 풍력 설비용량 23GW의 3배 이상이며, 우리나라 전체 발전설비 용량 대비 36% 를 차지하는 수준이다.
국내 신재생 발전설비는 분기마다 15% 이상 꾸준히 증가하고 있으며, 1MW 이하의 소규모 태양광 설비 비율은 전체의 75%로 전체 설비 중 가장 높은 비중을 차지한다. 대부분의 소규모 신재생 자원은 전국에 분산되어 배전계통에 연결되어 있으며, 해당 발전소는 중앙의 통합 관리 체계에서 벗어나 계통의 안정성을 위협함과 동시에 전체 자원의 효율적 운영에 어려움을 가중시키고 있다.

전력시장은 소규모 분산전원의 효율적 관리를 위해(소규모 분산 자원을 집합화하여) 하나의 가상발전기(Virtual Power Plant : VPP)로 구성하고, 전력시장에 참여하도록 유도하고 있다. 소규모 발전 자원을 집합화한 가상 발전 자원을 기존의 전력 시스템에 연계함으로써 개별 자원에 대한 원격 모니터링 및 관리 체계를 가상발전소 운영자에게 위임하고, 전력시장은 분산 자원의 증가에도 효과적으로 대응할 수 있는 체계를 확보하고자 한다.

또 VPP 시장은 한국뿐만 아니라 전 세계적으로 시장 규모가 큰 폭으로 증가하고 있으며, 전력시장의 핵심 트렌드로 자리잡고 있다. (그림 1. 글로벌 V PP 시장 전망 참고)

한국 전력시장의
VPP 도입 현황

한국전력거래소에서는 VPP 도입을 위한 준비 단계로, 2021년 재생에너지 발전량 예측 제도를 도입하고, 제도에 참여하는 태양광 및 풍력 자원에 대해 하루 전 발전량 예측 정확도에 따라 인센티브를 지급하고 있다. 본격적인 VPP 시장 개설은 2024년 제주 계통을 대상으로 재생에너지 입찰제도 시범사업이 시작되면서 한국형 VPP의 시작을 알렸으며, 그 내용은 아래와 같다.

지금까지 전력시장에서 재생에너지는 입찰에 참여하지 않고 일반 발전기에 비해 우선 구매되며, 전력시장의 가격 결정에 기여하지 않고 있다. 그리고 재생에너지 발전사업자는 전력 공급의 대가로 SMP (System Marginal Price, 계통한계가격)를 지급받아 왔으나, 제도 도입을 통해 재생에너지도 다른 일반 발전기와 동일하게 (i) 전력시장 입찰에 참여하여 전력시장 가격 결정에 기여하고, (ii) 급전지시 이행 등 중앙급전발전기로서 책임을 부담하며, (iii) 가격 원리에 의한 출력 제어 원칙이 적용된다.

또한 입찰에 참여하여 낙찰된 재생에너지 발전기에 대해서는 SMP에 더해 부가정산금, 용량정산금 등 일반 발전기와 동등한 대금이 지급된다. 즉, 재생에너지 입찰제도의 도입으로 재생에너지가 중앙급전발전기화 됨에 따라, (i) 발전계획보다 많은 발전량 또는 적은 발전량을 발전하게 됨으로써 발생하는 비용/손실 보전 측면의 부가정산금이 재생에너지 발전기에 대해서도 지급되고, (ii) 재생에너지 발전기의 투자비 및 유지비 등 고정비를 회수할 수 있도록 재생에너지 발전기에 대해 용량요금도 지급된다.

다만 재생에너지 간헐성으로 인해 급전지시량보다 많은 양의 재생에너지가 공급된 경우, 전력거래소가 계통 안정을 위해 보다 많은 비용을 지출해야 한다는 점을 고려하여(예를 들면 재생에너지가 과잉 발전되면 석탄, LNG 등 다른 발전기를 출력 제어하기 위한 비용이 소요됨) 임밸런스 패널티가 부과되고 있다.

VPP 운영을 위한
적용 기술

발전 자원의 집합화는 기존 전력설비에 IT 기술을 결합함으로써 물리적으로 분산된 발전 자원을 논리적으로 하나의 발전소로 구성함으로써 가능하다. 가상발전소를 전통적인 발전기와 동일한 역할을 하기 위해서는 전체 설비 정보를 실시간으로 취합하여 전력시장에 전달할 수 있어야 하고, 정밀한 예측에 기반하여 내일의 발전량 예측과 같은 미래의 설비 상태 정보를 전력시장에 제공할 수 있어야 한다. 또 전력시장 및 배전망 운영자의 명령을 수신하여 분산된 모든 개별 발전소를 제어할 수 있어야 한다.

최근 IoT 기술, 인공지능 기반 예측 및 최적화 기술은 가상발전기가 전통적 발전기와 동등한 기술적 요구 사항을 만족시키기 위한 기반 기술로 활용된다. 그림 2는 기술 기반으로 구축된 인코어드의 VP P 서비스 플랫폼을 도식화했다.
 
① IoT 기반 데이터 수집 및 현장 제어
IoT 기술은 분산된 개별 현장에서의 데이터 수집을 위해 보편적으로 사용되고 있으며, 현장 데이터 수집 외에 IoT 장치를 연계한 현장 설비 제어 기술이 확산되고 있다. 과거 대비 대폭 향상된 IoT 기기의 컴퓨팅 능력을 적극 활용한다면 설비의 오작동 및 비정상적인 제어 명령 탐지 등 현장 문제에 자체적으로 대응 가능하도록 IoT 기기를 설계할 수 있으며, 서버 비용은 물론 현장에서의 문제 대응 비용을 최소화시킬 수 있다. 제어 기능이 추가됨에 따라 (기기가 현장에서 탈취되었을 때) 탈취된 기기를 통한 제어가 불가능하도록 추가적인 접근 제어 기술 적용이 필요하고, 내부 정보 탈취 방지를 위한 물리적 데이터 암호화 등이 적용되어야 한다.
② 상호 인증 기반 통신 암호화
현장에서 위변조된 데이터가 전달되거나 위변조된 제어 명령이 IoT 기기로 전달되었을 경우 전력망에 직접적인 위협이 된다. 인코어드의 VPP 서비스 플랫폼에서는 IoT 장치와 서버 시스템 간 통신에 PKI 인프라 기술을 적극적으로 도입함으로써 통신에 대한 보안성을 최대한 높이고 있다. X.590 기반의 인증서를 활용한 IoT 기기와 서버와의 상호 인증으로 기기 및 서버의 위변조를 방지하고, TLS 1.2 기반 암호화된 통신 채널 위에서 데이터를 전송함으로써 통신 구간에서의 데이터 탈취에 대한 피해를 최소화한다. 특히 국가정보원의 검증필 암호화 모듈을 적용함으로써 암호화 모듈의 무결성 검증까지 지원하고 있다.

③ MQTT 기반 실시간 양방향 통신
MQTT는 경량의 Publish/Subscribe(Pub/Sub) 메시징 프로토콜로, M2M(Machine-To-Machine) 혹은 IoT 기기가 낮은 전력, 낮은 대역폭 환경에서도 사용할 수 있도록 설계되었다. IoT 기기의 실시간 데이터 전송은 물론 전력시장 및 배전망 관리자의 실시간 제어 명령에 IoT 기기가 즉각 반응하기 위하여 MQTT 기반의 시스템을 구축하고 있다. 클러스터링 기능이 가능한 MQTT 브로커를 도입함으로써 서버 설비의 일부 훼손에도 안정적 운영이 가능하다.
④ 인공지능 기반 발전량 예측
발전량 예측은 신재생에너지 기반 VPP의 핵심 기술로 발전량에 대한 미래 가시성 확보를 통해 입찰에 대한 최적화는 물론 전력시장의 실시간 요청에 대한 개별 자원의 제어 전략을 수립하는데 주요 정보로 사용된다. 통상 딥러닝 기반의 인공지능 기술을 활용하여 날씨 관측 정보와 발전량 정보 그리고 날씨 예보를 활용하여 발전량을 예측한다. 근래에는 LSTM(Long Short-Term Memory)과 같은 시계열 데이터에 특화된 딥러닝 기법을 활용하여 정확도를 높여가고 있으며, 개별 발전소의 특성을 추가적으로 반영하기 위한 다양한 입력 및 데이터 처리 방안이 고안되고 있다. 인코어드 역시 인공지능 기반의 발전량 예측을 제공하고 있으며, 1일 전 태양광 발전량 예측에 대해서 2%대의 매우 낮은 오차(NMAE 기반 오차 계산)를 보여준다. 그림 3은 인코어드의 발전량 예측의 프로세스를 도식화하여 설명하고 있다.
 
인코어드는 전술한 4가지 핵심 기술 기반 위에서 아이덤스(intelligent DERMS : iDERMS) VPP라는 자제 VPP 서비스를 제공하고 있다. 아이덤스 VPP는 개별 자원에 대한 계약 관리에서부터, 전력거래소 입찰관리, 전력 거래 후 최종 정산금 배분까지VPP에 대한 모든 프로세스를 하나의 플랫폼에서 해결 가능하도록 서비스하고 있다. 또 기술적 우위에 기반하여 발전공기업 등 대부분의 주요 VPP 사업자가 본 솔루션을 채택하고 있다.

그림 4는 아이덤스 VPP 서비스가 제공하는 VPP 현황 대시보드 예시로서 실시간 예측 정확도 및 정산금, 발전 실적을 시각화하며, VPP 운영 자원에 문제 발생 시 이를 실시간으로 인지하고 처리할 수 있도록 지원하고 있다.

시사점

과거 수백, 수천 개의 발전기에서 수만, 수십만 개의 분산 전원으로 전력망의 구성이 급격히 변화해가고 있다. 본고에서는 신재생 분산 자원의 증가에 따른 전력망의 대응 방안으로 VPP의 개념과 이를 구현하기 위한 기술을 살펴보았다.

발전소 가상화를 위해서는 수많은 발전설비 데이터의 실시간 취합은 물론 집합화된 단일 발전소로 활용하기 위한 예측 및 제어 기술이 필요하며, 궁극적으로 이러한 기술을 결합한 VPP 운영 플랫폼이 필요하다.

본고에서 제안하는 아이덤스 VPP 외에도 다양한 시장 참여자들의 적극적인 기술 개발을 통해 VPP가 향후 신재생 확대에 따른 전력망 안정성 확보의 핵심 역할을 담당할 수 있기를 기원한다.

sylee@encoredtech.com