“태양광·배터리, 과부하 없이 더 유연하게” GIST, 전력망 출력 조정 여력 계산 기술 개발 전압 이상·선로 과부하 발생률 6.7%→0% – 전기전자컴퓨터공학과 김윤수 교수팀, 전력망 안전 점검·복구부터 운전 여유량 계산까지 연결한 프레임워크 개발… 제주 실제 배전선로 80개 모델서 선로당 평균 3.72초 만에 계산 – 분산에너지자원의 안정적 운영과 재생에너지 활용 확대 기대 – 국제학술지《IEEE Transactions on Smart Grid》게재 ▲ (왼쪽부터) GIST 에너지융합대학원 조우영 석박사통합과정생, 전기전자컴퓨터공 학과 김윤수 교수, 에너지융합대학원 노승길 박사 광주과학기술원(GIST·지스트, 총장 임기철)은 전기전자컴퓨터공학과 김윤수 교수 연 구팀이 태양광 발전·에너지저장장치(ESS)* 등 분산에너지자원(DER)**의 출력을 조정 할 때 전력망의 안전을 보장하고, 각 장치가 추가로 조정할 수 있는 전력량을 실시 간으로 계산·제공하는 기술을 개발했다고 밝혔다.
이 기술은 여러 발전·저장장치를 하나의 발전소처럼 묶어 운영하는 가상발전소 (VPP)나 전력거래 과정에서 각 장치의 출력 조정이 전력망에 미치는 영향을 함께 고려하는 일종의 ‘안전 가드레일’이다.
* 에너지저장장치(Energy Storage System, ESS): 전기를 배터리에 저장해 두었다가 필요할 때 다 시 공급하는 장치이다. ** 분산에너지자원(Distributed Energy Resource, DER): 에너지를 생산하거나 저장, 활용하는 소규 모 에너지 자원을 의미한다.
문제는 각 장치가 자체 용량을 지키더라도 여러 장치가 동시에 출력을 바꾸면 전 력망의 전압이 지나치게 높거나 낮아지거나 특정 선로에 과부하가 걸릴 수 있다는 점이다. 같은 양의 전력을 조정하더라도 장치가 연결된 위치와 주변 전력 흐름에 따라 전력망에 미치는 영향이 달라진다.
더욱이 전력망의 상태를 한 번 점검한 뒤 다음 점검까지의 시간에도 개별 장치의 출력이 달라질 수 있어, 장치별 용량만 확인하는 방식으로는 전력망의 안전을 충분 히 판단하기 어렵다.
연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 전력망의 현재 전압과 전력 흐름을 점검하 고, 운전 한계를 벗어난 경우 일부 분산에너지자원의 출력을 조정해 안전한 상태를 확보한 뒤, ‘운전 유연성 여유량(OFM)’을 계산·검증하는 프레임워크를 개발했다. 전 력망 상태를 15분 단위로 모니터링하고, 운전 여유량을 계산·검증하는 과정을 하나 로 연결한 것이 특징이다.
▲ 분산에너지자원 자율 운전을 위한 실시간 배전망 관제 개념도. (위) 15분 관제 주기 사이에 분산자원의 급격한 출력 변화로 발생할 수 있는 전력망 한계 위반 문 제를 방지하기 위해, (아래) 배전망 상태를 점검·복구한 뒤 안전한 추가 운전 여유 (DER-OFM)를 산출해 전달하는 실시간 관제 과정이다.
‘운전 유연성 여유량’은 전력망의 전압과 선로 부하가 허용 범위를 벗어나지 않는 안전한 상태를 유지하면서, 여러 발전·저장장치가 함께 출력을 얼마나 더 조정할 수 있는지를 나타내는 값이다. 이때 전력망 곳곳의 전압이 지나치게 높거나 낮아지지 않아야 하고, 특정 선로에 과부하가 걸리지 않아야 한다.
예를 들어 ESS에 전기를 저장할 공간이 남아 있더라도, 연결된 선로에 여유가 없다 면 충전 전력을 높이기 어려울 수 있다. 따라서 각 장치의 남은 용량뿐 아니라 연 결된 선로의 상태와 주변 장치의 출력 변화까지 함께 고려해야 한다.
연구팀이 개발한 프레임워크는 먼저 전력망의 전압과 전력 흐름을 확인하고, 운전 한계를 벗어난 경우 일부 분산에너지자원의 출력을 조정해 안전한 상태로 복구한 다. 전력망이 안전한 상태인지 확인한 뒤 운전 여유량 계산을 진행한다.
이어 여러 장치의 출력 조정량을 함께 계산하고, 해당 조정량만큼 동시에 출력을 바꿨을 때도 전압과 선로의 운전 한계를 지키는지 반복적으로 검증한다. 이렇게 검 증된 결과는 각 장치의 운전 판단에 활용할 수 있도록 제공한다.
연구진은 실제 태양광 발전 및 예측 데이터를 활용해 33개 지점으로 구성된 표준 배전망 모델에서 모의실험을 진행했다. 개발한 프레임워크가 전력망의 안전을 유지 하면서 ESS의 활용도 유지할 수 있는지 확인한 것이다.
그 결과, 개별 ESS의 기기 조건만 고려했을 때 6.7%였던 전력망 운전 한계 위반율 이 개발 기술을 적용한 경우 0%로 감소했다. 반면 전체 ESS의 충·방전 처리량은 거의 그대로 유지됐다. 전력망에 부담을 주는 위치의 장치 대신 상대적으로 여유가 있는 위치의 장치에 출력 조정량을 배분함으 로써, 전력망의 안전성을 확보하면서도 ESS의 활용 수준을 유지할 수 있음을 확인 했다.
연구팀은 실제 배전선로 규모에서도 관제 주기 안에 계산을 마칠 수 있는지 확인 하기 위해, 제주도의 배전선로 데이터를 활용한 추가 모의실험을 진행했다.
제주도의 실제 배전선로 구조를 반영한 80개 선로 모델에서 운전 유연성 여유량을 선로당 평균 3.72초만에 계산했다. 이를 통해 15분 관제 주기 안에서 여러 배전선 로의 운전 여유를 산정할 수 있는 계산 성능을 확인했다.
김윤수 교수는 “이번 연구는 배전망 운영자가 개별 분산자원의 자율적인 운전을 최 대한 보장하면서도 전력망의 물리적 한계를 침범하지 않도록 실시간 안전 가드레 일을 제공하는 핵심 기술”이라며, “현재 한국전력의 실제 배전계통 시스템 (DSO-MD)에 적용되고 있는 만큼, 향후 재생에너지 수용성을 높이고 한국형 배전계 통 운영체계와 지역 전력시장을 안착시키는 데 크게 기여할 것”이라고 말했다.
▲ 배전계통 운영자(DSO) 기반의 실시간 운전 유연성 여유량(DER-OFM) 산정 및 전달 아키텍처. 15분마다 배전선로 데이터를 수집해 전력망 제약 위반 여부를 점 검·해소한 뒤, 교류(AC) 조류 해석으로 검증된 안전한 추가 출력 조정 범위(OFM)를 산출해 개별 분산자원 및 통합발전소(VPP) 제어기에 전달하는 전체 시스템 구조도 이다.
GIST 전기전자컴퓨터공학과 김윤수 교수가 지도하고 에너지융합대학원 조우영 석 박사통합과정생과 노승길 박사가 수행한 이번 연구는 한국에너지기술평가원의 지 원을 받았다.
연구 결과는 전력·스마트그리드 분야 국제학술지 《IEEE Transactions on Smart Grid》에 2026년 10월 26일 온라인으로 게재됐다.
한편 GIST는 이번 연구 성과의 기술사업화 및 산업적 활용에 관심 있는 기업·기관 의 문의를 창업혁신진흥원 기술사업화센터(hgmoon@gist.ac.kr)를 통해 받고 있다고 밝혔다.
논문 정보 ○ 논문명, 저자 정보 – 저널명 : IEEE Transactions on Smart Grid (IF: 10.1, JCR 상위 약 5.2%) – 논문명 : Real-Time Computation of Operating Flexibility Margins for Distributed Energy Resources in Distribution Networks – 저자 정보 : 조우영(제1저자, GIST), 노승길(제2저자, GIST), 박중성(제3저자, 한국 전력공사 전력연구원), 김윤수(교신저자, GIST)
