Optimal location of Distributed Generation considering loss cost and MW+MVAr-Miles distribution charging

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손실 비용 및 MW+MVAr-miles 배전 요금제를 고려한 분산전원의 위치 결정

오창석 ^* , 박종근 ^** , 정하섭, 김유창, 유태현, 민창기 서울대학교 ^* ,

Optimal location of Distributed Generation considering loss cost and MW+MVAr-Miles distribution charging

Chang-Seok Oh ^* , Jong-keun Park ^** , Ha Sub Jung, Yu Chang Kim, Tae Hyun Yoo, Chang Ki Min Seoul Nation University ^*

Abstract - 이 논문은 MW-MVAr mile 법에 의한 요금제를 배전계통 에 대하여 적용하며 , 배전손실에 의한 비용과의 비교를 목표로 하였다 . 특히 분산전원이 배전계통에 투입되는 경우에 있어서 투입되는 부하점 에 따라 배전 손실 내지 배전요금이 변할 수 있음을 확인하였고 , 배전손 실이 최소가 되는 지점과 배전요금이 최저가 되는 지점이 반드시 일치 하지는 않음을 알 수 있었다 . 8 모선의 배전계통에서 시뮬레이션이 이루 어졌으며 , 각 배전선로 별로 임피던스 , 길이 , 용량 , 연간 필요 수입액등 을 정하였다 . 논의의 간소화를 위하여 분산전원은 상시 정격 출력하는 것으로 가정하였다 .

1. 서 론

전력 산업이 두 가지 측면에서 전 세계적으로 중대한 변화를 겪고 있 다. 첫 번째 측면은 규모의 경제가 작용하는 전력 산업의 특성상 규제가 필수 불가결하였으나 최근 경쟁을 통하여 효율성을 제고하려는 노력이 이루어지고 있다. 또 다른 측면에서는 신재생에너지와 같은 효율적인 에 너지원의 도입이 이루어지고 있다.[1] 그러한 변화에 따라 배전요금제 역시 여러 가지 연구가 이루어지고 있으며, 특히 분산전원의 투입과 관 련하여 적정한 배전요금의 산정방법이 문제가 되고 있다. 전력 산업의 특성상 한계비용에 의한 요금제의 산정은 총 비용을 회수하는데 문제가 있어 배전요금의 경우 대부분 평균비용에 의한 총괄 비용법이 이용되고 있다. 그 중 MW-mile 방법에 의한 배전요금의 산정은 무효전력을 간과 하게 되어 무효전력이 송전계통보다 더욱 문제가 되는 배전계통에서 적 합하지 않다.[2-3] MVAr-mile 방법에 의한 배전요금의 산정은 피상전 력만을 고려하기 때문에 역률에 대한 고려가 이루어질 수 없다는 문제 가 있다.[3-4] 본 논문에서는 MW-MVAr 방법에 의한 배전요금제를 적 용하며, 그와 함께 배전단의 전력 손실에 따른 비용을 고려하여 배전 판 매사업자의 입장에서 가장 경제적인 분산전원의 위치를 결정한다.[5]

2. 본 론

2.1 MW-MVAr miles 요금제의 적용

배전망 사용자는 사용한 배전선 용량에 대하여 배전요금을 부과함을 원칙으로 하며, 사용되지 않은 배전선 용량은 모든 배전망 사용자에게 분배됨을 원칙으로 한다. 피크 기간의 조류량에 대하여 요금을 부과한 다.[6]

어떤 f 배전선로에 대하여 피상전련   와 유효전력   ,무효전력   의 관계는 다음과 같다.

<그림 1> 피상전력에 대한 유효전력과 무효전력의 영향

 _   _ ∙  _   _ ∙  _ (1)



와 관련하여 연금화한 금액을  _ 라 한다면, 유효 전력에 대한 f 배 전 설비의 연간 필요 수입액  _ 는 다음과 같다.

 _{  }

 _

 ∙  _

×  _   ^  ×  _ (2)

마찬가지 방법으로  _ 는 다음과 같다.

 _   ^  ×  _ (3) 따라서 모든 설비에 대한 회수비용은 다음과 같다.

 _   _ ^{ } ,  _ ^  _ ^{ } (3)

   _   _ (4) 배전망 사용자 T에 대하여 유효전력 및 무효전력의 사용에 따른 배전 요금은 다음과 같다.

 _{  }

 _ ^  _ ^{       }

 _ ^{      }

×  _{  }

 _ ^  _ ^{        }

 _ ^{       }

×  _ (5)

2.2 배전 손실의 영향

분산전원의 투입에 의하여 일반적으로 배전단의 조류량은 감소하게 되고 배전 손실량이 감소하게 된다. 배전 판매사업자가 송,배전의 경계 점을 기준으로 하여 도매전력 구입량을 확정한다는 점을 고려한다면 배 전 손실량은 배전 판매사업자에게 비용으로 나타난다는 것을 알 수 있 고 분산전원의 투입으로 배전손실이 감소하므로 비용을 절감할 수 있게 된다. 이 때 분산 전원의 위치에 따라 배전 손실 감소량의 차이가 있게 된다. [7]

모선 p와 모선 q 사이의 f 배전 설비의 t 시점에서의 배전손실 전력 (MW)은 다음과 같다.

  _    _ ^

  _ ∠ _   _ ∠ _  ^

(6)     _{ }  모선의 시점에서의전압

 _{ }  _{ }  모선 의 시점에서의위상

 _  배전설비의임피던스 t 시점의 총 배전손실 전력은 다음과 같다.

  _   _ ^{  } (7) 배전계통의 조류량이 1시간동안 유지된다고 가정하고, t 시점의 1MWh 당 전력 구입 비용을  _ 라고 한다면 배전손실 금액  _ 가 다음과 같 다.

 _   _ ∙   _ (8)

  _  ^{ }

(9) 2.3 사례 연구

2.3.1 test system

<그림 2> test 배전 계통

2009년도 대한전기학회 하계학술대회 논문집 2009. 7. 14 - 17

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선로번호 출발모선 도착모선 R(p.u) X(p.u)

1 1 2 0.00250 0.00100

2 1 3 0.00150 0.00060

3 1 4 0.00150 0.00060

4 1 5 0.00250 0.00100

5 3 6 0.00050 0.00020

6 4 7 0.00050 0.00020

7 8 1 0.00250 0.00100

선로번호 선로길이

(mile)

신로용량 (p.u)

연간필요수입액 (억원/yr)

1 5 4 20

2 3 2 6

3 3 2 6

4 5 4 20

5 1 1 1

6 1 1 1

7 5 8 80

분 산 전 원 위 치 1 2 3 4 5 6 7

연 간 배 전 손 실 비 용 (억 원 )

10.26 9.89 9.67 9.53 9.35 9.69 9.37

연 간 배 전 요 금 (억 원 )

8.00 6.04 7.65 7.71 6.77 6.92 5.80

손 실 비 용 + 배 전 요 금 (억 원 )

18.26 15.93 17.3 3

17.24 16.12 16.6 1

15.17

분 산 전 원 위 치

1 2 3 4 5 6 7

연 간 배 전 손 실 비 용 (억 원 )

10.99 10.67 10.47 10.34 10.19 1 0 . 4 9

10.21

연 간 배 전 요 금 (억 원 )

8.50 7.45 7.90 7.90 7.49 7.64 7.21

손 실 비 용 + 배 전 요 금 (억 원 )

19.50 18.13 18.37 18.24 17.68 1 8 . 1 2

17.42

분 산 전 원 위 치

1 2 3 4 5 6 7

연 간 배 전 손 실 비 용 (억 원 )

13.9 7

13.36 13.63 13.65 13.44 13.50 13.31

연 간 배 전 요 금 (억 원 )

8.18 7.56 7.84 7.84 7.60 7.69 7.42

손 실 비 용 + 배 전 요 금 (억 원 )

22.1 5

20.92 21.47 21.49 21.04 21.19 20.73 8 모선 모의 배전 시스템을 이용하였으며, 배전 선로 정보는 다음과 같

다. 여기서 분산 전원은 상시 정격 출력 하는 것으로 가정한다.

<표 1> test 배전 계통 선로 정보

2.3.1 case1-분산전원이 설치되지 않은 경우

연간 배전 손실량은 30.,976MWh가 되고, 그에 따른 손실비용은 15.49 억 원이 된다. 또한 연간 총 배전 요금은 9.5억 원이 된다.그에 따라 배 전 손실 비용과 배전 요금의 합은 24.99억 원이 된다. 이하에서 분산전 원의 투입으로 인한 영향을 살펴본다.

2.3.2 case2-분산전원이 1 p.u의 유효,무효전력을 공급 ,

 _   

배전 손실 비용만을 고려할 경우 5번 모선에 분산전원을 설치하는 것 이 최적이다. 그러나 연간 배전 요금을 고려할 경우 7번 모선에 설치 시 총 배전 비용이 최소값을 가지게 되고 손실 비용과 배전요금에 의한 비 용을 함께 고려한 경우 7번 모선이 최적의 위치가 된다. 또한 분산 전원 이 투입되기 전과 비교하여 모든 경우에 있어서 배전 손실 비용과 배전 요금이 감소하여 총 비용이 감소한 것을 볼 수 있다.

2.3.3 case3-분산전원이 1.0 p.u 의 유효전력과 0.5 p.u의 무효전력 공급,  _   

MW-MVAr mile법에 의하는 경우 MW mile법에 의한 요금제와 달리 무효전력에 대하여 배전 요금이 적용된다. case 2와 case 3의 경우 MW mile 법에 의하는 경우 동일한 배전 요금이 적용되나, 분산전원이 무효 전력을 더 공급하는 case2의 경우가 배전 요금이 더 적게 부과됨을 볼 수 있다.

2.3.4 case 4- 분산전원이 1.0 p.u 의 유효전력 공급, 1.0 p.u의 무 효전력 소비 ,  _    

분산전원이 무효전력을 소모하는 경우 배전 손실액이 커지고 배전요금 이 증가하는 것을 볼 수 있다 . MVAr -mile 법에 의한 요금제의 경우 피 상전력의 크기만으로 요금을 적용하나 MW-MVAr mile 법에 의하는 경 우 조류의 방향성까지 고려함을 알 수 있다 ^.

3. 결 론

분산 전원의 투입으로 배전망의 조류량이 감소하여, 배전 손실 비용 및 배젼 요금이 감소하는 것을 볼 수 있었다. 배전 판매 사업자는 분산전원 을 배전 계통에 도입함으로써 비용을 감소시킬 수 있다. 분산 전원의 투 입은 배전 계통 전체에 영향을 주고 모든 선로의 조류량을 변화 시킨다.

본 논문에서는 투입 위치에 따라서 배전 손실액 및 배전 요금의 변화 를 알아보았다. 8모선 시스템을 사용하였으며, MW-MVAr mile 법을 이용한 요금을 적용하여 배전 요금을 산정하였다. MW-mile 방법에 의 한 배전요금의 산정은 무효전력을 간과하게 되어 적합하지 않으며, MVAr-mile 방법에 의한 배전요금의 산정은 피상전력만을 고려하기 때 문에 역률에 대한 고려가 이루어질 수 없다는 문제가 있다.

MW-MVAr mile 에 의한 배전요금은 무효전력과 역률을 함께 고려하 여 배전 계통에 바람직한 가격 신호를 주어 계통의 안정에 기여할 수 있다. 앞서 보인 바와 같이 배전 손실이 최소가 되는 지점과 배전 요금 이 최저가 되는 지점이 항상 일치하지는 않았다.

감사의 글

본 연구는 지식경제부의 지원에 의하여 기초전력연구원 주관 으로 수행된 과제로서 관계기관에 감사드립니다.

[참 고 문 헌]

[1]Cabnet Office, Renewable Energy in the UK: Building for the Futureof Environment. [Online]. Available: http://www.strategy.gov.uk/

2001/energy/renewener.

[2] Park Young-Moon, Park Jong-Bae, Lim Jung-Uk and Won Jong-Ryul,“"An Analytical Approach for Transaction Costs Allocation in Transmission System”", IEEE Transactions on Power Systems, Vol.13, No.4, November 1998, pp.1407-14112

[3]Perera B.L.P.P., Farmer E.D. and Cory B.J., “"Revenue Reconciled Optimum Pricing of Transmission Service”", IEEE Transactions on Power Systems, Vol.11, No.3, August 1996, pp.1419-1426.

[4] J. Bialek, “"Allocation of transmission supplementary charge to real andreactive power loads,”" IEEE Trans. Power Syst., vol. 13, no.

3, pp. 749–-754, Aug. 1998.

[5] F.Li,, N.P.Phady, J.Wang, B.Kuri “Development of a Novel MW+MVAr-Miles Charging Methodology”,IEEE/PES T&D, 2005 [6] F.Li, N.P.Phady, Ji.Wang, B.Kuri "Cost-Reflective Distribution Charging Methodology", IEEE Transaction on Power System, 2008,, [7 ]D. Shirmohammadi, H. W. Hong,"Reconfiguration of

electric distribution networks for resistive losses reduction," IEEE

Transactions on Power Delivery, vol. 4, no. 2, pp. 1402-1498, April

1989.