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적정 전기 소매 가격 책정을 위한 공급 도매 가격 변동성의 예측 방법
박준형*, 김선교*, 최낙현*, 권상혁*, 윤용태*, 이상성**
서울대학교*, 기초전력연구원**
Process of Estimating Volatility Wholesale Price for Determining Optimal Electric Retail Price
Joon-Hyung Park*, Sun-Kyo Kim*, Nack-Hyun Choi*, Sang-Hyoek Kwon*, YongTae Yoon*, Sang-Seung Lee**
Seoul National University*, Korea Electrical Engineering and Science Research Institute(KESRI)**
Abstract - 최근 전력산업의 구조적인 측면에서는 수직적 형태의 분리 및 경쟁 도입, 그리고 민영화를 통한 효율 증진 등 전력산업 개편이 전 세계적으로 이루어지고 있다. 전력산업의 개편 과정에서 전력공급자 (ESP)는 불완전한 시장으로 인한 재정적인 위험에 직면한다. ESP가 재 정적인 위험에서 근본적으로 벗어나기 위해서는 합리적인 전기 소매 가 격의 책정이 필요하다.
본 논문에서는 현재 적용되고 있는 고정 소매 가격제에 대한 문제점을 제시하고 이를 극복하기 위해서 전기 공급 도매 가격의 변동성을 예측 함으로써 헤징을 통한 새로운 요금제의 도입의 필요성을 제안하는 것이 본 논문의 목적이다. 본 논문에서 소개될 새로운 요금제인 Critical Peak Pricing(CPP)에서 전기 공급 도매 가격의 변동성의 예측은 CPP 요금을 적용하는데 중요한 역할을 담당하는 지표로 활용된다. CPP 요금 을 적용함으로써 ESP의 재정적인 위험을 최소화하고 수요 탄력성이 반 영되어 전기 소비자들과의 관계 향상 또한 유도될 수 있다.[4],[6]
1. 서 론
최근 전력 산업 체제에서 비롯되는 비효율성을 개선하고자, 수직적 형 태의 분리 및 경쟁 도입, 그리고 민영화를 통한 효율 증진 등 전력산업 개편이 전 세계적으로 이루어지고 있다. 전력산업의 개편 과정에서 전력 공급자(ESP)는 불완전한 시장으로 인한 재정적인 위험에 직면한다.
ESP가 재정적인 위험에서 근본적으로 벗어나기 위해서는 합리적인 전 기요금을 책정하고, 수요의 탄력성을 강화하는 방안이 필요하다. 수요의 탄력성을 고려하기 위해서는 새로운 전기 소매가격 요금제의 도입이 필 요하다.[6]
Critical Peak Pricing(CPP)의 도입은 ESP의 재정적인 위험을 최소화하 고 수요 탄력성 또한 반영되어 전기 소비자들과의 관계 향상을 유도할 수 있다. 따라서 이러한 CPP 요금제의 특성과 필요성을 본 논문에서 설 명하고자 한다.[4] 또한, CPP 요금제의 적용에 있어서 ESP가 책정해야 할 최적의 전기 소매 가격을 산정하는 기준에 대해서 소개하고자 한다.
2. 본 론
2.1 현재 전기 소매 가격 요금제의 문제점
현재 우리나라의 전력 산업은 기존의 독점체제에서 시장형태로 발전 하고 있다. 이러한 경쟁적 변화에도 불구하고, 우리나라의 요금체계는 이러한 변화를 반영하지 못하고 있다. 현재, 도매시장의 가격은 시간별 로 다르게 책정되는데 반해 소비자는 이러한 도매가격과 무관하게 일정 한 가격으로 전기를 사용한다. 이러한 전기 요금 책정 방법은 전력 가격 의 효율성 및 경쟁력 확보에 있어 적합하지 못하다. 따라서 시간별로 차 등화 된 도매가격을 반영하는 소매가격제의 도입이 절실하다.
전력시장에는 크게 4가지의 요금제가 존재한다. Uniform Pricing, Real-time Pricing, Time-of-use Pricing, Critical Peak Pricing이 대표 적인 요금제이며, 현재 우리나라에 가장 근접한 요금제는 누진세를 제외 하면 Uniform Pricing이다. 따라서 Uniform Pricing에 대한 문제점과 이 를 보완하기 위해 제안되는 CPP 요금제의 특성에 대해서 소개하고자 한다.
2.1.1 현재 전력 산업에서 적용되고 있는 요금제(UC)
Uniform Pricing은 전기 소매 가격 변동이 없는 요금제이다. 따라서 소비자는 일정한 공급가격에 자신의 사용량을 곱하면 자신의 전기 요금 을 계산할 수 있다. <그림 1>에서 직선은 Uniform Pricing을 나타낸 것 이고, 곡선은 하루 동안의 부하 변동을 예로써 표현하였다. 일반적으로 전기 공급 도매 가격이 높은 급격한 수요 증가가 나타나는 부분에서도 전기 소매 가격은 그대로 유지가 되어 ESP입장에서는 재정적인 위험이 존재할 수 있다. 이와 같은 Uniform Pricing에 대한 ESP의 Revenue와 ESP가 얻는 실제 이윤은 (식 1), 과 (식 2)와 같이 표현할 수 있다.
<그림 1> 일일 부하패턴 및 Uniform Pricing
2.1.2 Critical Peak Pricing(CPP) 요금제
앞에서 설명한 UC의 단점을 보완하기 위한 새로운 요금제로서 CPP 를 제한하고자 한다. CPP는 전기 공급 도매 가격에 따라 세 가지의 전 기 소매 가격으로 결정된다. peak, off-peak, CPP의 세 가지로 분리되는 전기 소매 가격으로 ESP의 Revenue와 ESP가 얻는 실제 이윤은 (식 3), (식 4)와 같이 표현할 수 있다. 또한, 이 세 가지의 소매 전기 가격으로
<그림 2>와 같이 표현할 수 있으며, 곡선 부분은 UC에서와 같은 수요 곡선을 의미하며, 빨강 실선은 전기 소매 가격을 나타낸다. <그림 2>에 서와 같이 UC와의 차이점은 전기 소매 가격이 일정하지 않고 상황에 따라 일정 부분 변화가 가능하여 현재 ESP가 처한 재정적인 위험을 어 느 정도 최소화 할 수 있다.[1],[4]
<그림 2> 일일 부하패턴 및 Critical Peak Pricing 2009년도 대한전기학회 하계학술대회 논문집 2009. 7. 14 - 17
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시간 도매가격 ($/MWh) 시간 도매가격 ($/MWh)
1 19.9 13 39.73
2 14.78 14 40.56
3 9.7 15 40.64
4 8.83 16 42.72
5 11.8 17 44.53
6 18.96 18 44.93
7 25.29 19 40.13
8 29.72 20 36.88
9 31.02 21 37.12
시간 도매가격 ($/MWh) 시간 도매가격 ($/MWh)
10 31.9 22 34.93
11 35.24 23 29.89
12 36.62 24 27.92
시간 도매 가격 변동성 시간 도매 가격 변동성
1 3.5342 13 0.0016
2 8.0561 14 0.1921
3 14.8277 15 0.4744
4 15.3113 16 1.9802
5 11.8356 17 3.2467
6 5.7272 18 2.9651
7 6.9362 19 0.2228
8 7.0127 20 0.6230
9 3.8341 21 1.9306
10 3.7856 22 0.6551
11 1.5436 23 0.3964
12 0.6178 24 0.0637
2.2 합리적인 전기 소매 가격의 책정
앞에서 제시된 (식 2)와 (식 4)에서 공급 도매 가격은 발전 사업자에 의해서 책정이 된다. 따라서 ESP가 제어할 수 없는 부분이고 ESP는 전 기 소매 가격의 적절한 책정을 통해서 불완전한 시장에서의 적자 구도 를 면할 수 있다. UC에서는 항상 일정한 전기 소매 가격을 최종 전기 소비자에게 부과하기 때문에 변동하는 공급 도매 가격에 대해 적절한 대응책이 되지 못한다. 하지만, (식 3)에서의 전기 소매 가격을 세 부분 으로 나누어 부과하게 된다면 변동하는 공급 도매 가격에 대한 적절한 전기 소매 가격을 최종 소비자에게 부과할 수 있다.
2.2.1 EWMA방법을 통한 공급 도매 가격 변동성의 예측
합리적인 전기 소매 가격을 책정하기 위해서는 전기 공급 도매 가격 변동성에 대한 예측이 필요하다. 매 시간별 공급 도매 가격의 과거 자료 를 통한 미래의 각 시간대별 공급 도매 가격의 변동성을 예측을 하는 Exponentially Weighted Moving Average(EWMA)방법에 대해 소개하 고자 한다.
2.2.1.1 Exponentially Weighted Moving Average
EWMA방법은 기존 과거의 자료를 바탕으로 미래의 값을 예측하는데 있어서 군집현상을 고려한 예측방법이다. 이와 비교할 수 있는 Simple Moving Average는 군집현상이 존재하지 않는 예측방법으로 과거 자료 의 예측 값에 대한 비중을 동등하게 적용한다. 다음의 식을 통해서 EWMA에 대한 방법을 설명하고자 한다.
(식 5), (식 6), (식 7)에서는 EWMA방법에 대한 수식을 정리하였다.
수식의 설명에 앞서 위에서 제시된 수식은 일정 부분의 가정을 통해서 형성 되었다. 각 전기 공급 도매 가격의 평균과 분산이 동질적이란 가 정 하에 하루의 공급 도매 가격의 평균은 0으로 설정할 수 있다. 이러한 식을 바탕으로 (식 5)와 같이 간단히 표현 될 수 있다.
(식 5)에서는 t+1 시점의 전기 공급 도매 가격의 변동성을 t시점의 변 동성과 현재 전기 공급 도매 가격으로 표현하였다. 여기서 Decay Factor는 94%의 값을 가짐으로써 현재의 공급 도매 가격에는 6%의 비 중을 두고 나머지는 94%의 비중을 둔다는 의미이다.[7] 즉, (식 7)에서 의 공급 도매 가격의 변동성은 t시점에서는 6%, t-1시점에서는 5.6%, t-2시점에서는 5.3%의 비중을 둠으로써 t+1 시점의 공급 도매 가격의 변동성을 구할 수 있다.[7]
위의 식을 통해서 구한 전기 공급 도매 가격의 변동성을 통해서 변화 하는 전력 시장에 ESP는 위험 회피를 위한 최적의 소매 전기 가격 설 정을 할 수 있으며, 이유의 증가가 기대된다.
2.2.1.2 Simulation
Simulation을 통해서 EWMA 방법으로 미래의 전기 공급 도매 가격의 변동성을 구하기 위해서 먼저 과거의 각 시간대별 100일의 전기 공급 도매 가격에 대한 자료를 PJM으로부터 얻었다.[8] 100개의 자료 중 6월 1일의 24시간 전기 공급 도매 가격을 <표 1>에 표현하였으며 6월 1일 부터 2월 22일의 값을 바탕으로 6월 2일의 공급 도매 가격의 변동성을 예측한 결과 값을 <표 2>에 나타내었다.
<표 1> 6월 1일의 시간대 별 전기 공급 도매 가격
<표 2> 6월 2일의 시간대 별 전기 공급 도매 가격의 변동성
<표 2>는 (식 7)을 적용하여 미래의 공급 도매 가격의 변동성의 결과 값이다. 전기 공급 도매 가격의 변동성이 의미하는 것은 기존 평균 도매 가격으로부터 얼마만큼 변동성을 가지는지를 의미한다. 이는 ESP 입장 에서 과거 평균 전기 도매 가격과 변동성을 기반으로 적자 구도의 위험 부분을 헤징할 수 있는 계지를 마련할 수 있고, 이러한 헤징을 CPP 요 금제를 통해서 실현할 수 있다. 전기 도매 가격의 변동성을 바탕으로 한 최적의 peak, off-peak, cpp 요금을 부과하는 방법은 앞으로 연구해야 할 과제이다.
3. 결 론
본 논문에서는 현재 전력시장의 변화에 문제가 있는 Uniform Pricing을 대체할 수 있는 Critical Peak Pricing의 기본 개념에 대해 논 의하였다. 그리고 이러한 CPP 요금제를 구현하기 위해서는 적절한 전기 소매 가격의 책정을 할 수 있어야 한다. 이러한 합리적인 전기 소매 가 격 책정을 위해서 ESP는 현 적자 구도의 위험을 회피할 수 있는 발전 사업자들로부터의 전기 공급 도매 가격의 변동성에 대한 예측이 필요하 며, 예측을 위한 하나의 방법인 EWMA 방법을 본 논문에서 설명하였 다.
EWMA 방법을 통해서 전기 도매 가격의 변동성을 예측함으로써 ESP 는 CPP 요금제를 적용할 수 있을뿐더러 최대 이윤을 위한 최적의 전기 소매 가격 책정 방법을 구현할 수 있다.
감사의 글
본 연구는 지식경제부의 지원에 의하여 기초전력연구원 주관으로 수행된 과제이며, 관련 기관 관계자 여러분에게 감사드립니다.
[참 고 문 헌]
[1] Dengwei Duan, Junyoung Liu, Hauiping Niu, Jiguang Wu, "A Risk-evasion TOU Pricing Method for Distribution Utility in Deregulated Market Environment" 2004.
[2] 주지영, 안상호, 윤용태, “Active Demand by End-Use Customers on Critical Peak Pricing Plan," 서울대학교, 전기․컴퓨터공학부, 공학 석사학위논문, 2007.
[3] Kenneth Train, Gil Mehrez, "Optimal time-of-use prices for electricity: ecometric analysis of surplus and Pareto impacts" RAND Journal of Economics, Summer 1994, Vol. 25, No,2, pp 810-825.
[4] 주지영, 안상호, 윤용태, ‘Critical Peak Pricing 요금제를 이용한 일반 수용가대상 수요관리의 방법’, 대한전기학회 하계학술대회 논문집, 2007.
7. 18-20. pp. 32-33.
[5] 에너지경제연구원, “전력산업구조개편에 따른 전력수급 안정화 방안 연구”, 산업자원부, 2001. 4. pp 12-15.
[6] 김영진, 박준형, 갬택원, “전력 시장 변화에 따른 최적 요금제 제안”
KPX, 2008.11
[7]조담, “주식의 변동성 추정방법이 VaR에 미치는 영향”, 先物研究 제 12권 제 2호 2004년 11월 pp 1-24
[8]PJM Website, http://www.pjm.com
[9]Philipe Jorion, "VaR(Value at Risk)", McGraw-Hill
