Study on Implementing Dynamic Pricing to Demand Response System

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변동요금제 기반의 DR 프로그램 운영 방안 연구

유인협^*

한국전력공사 전력연구원^*

Study on Implementing Dynamic Pricing to Demand Response System

In-Hyeob Yu^*

Korea Electric Power Research Institute

Abstract - This paper reviews the definition and background of

dynamic pricing which is the essential element of demand response system. Also, economic efficiency and related issues on dynamic pricing are studied. Several issues on design and operation of demand response system, which can implement the dynamic pricing, are described. Therefore the results will be helpful for developing the demand response system with dynamic pricing.

1. 서 론

최근 들어 경쟁적 요소의 도입과 성장 동력의 창출의 일환으로 전력 산업의 패러다임도 변화하고 있다. 이와 같은 추세는 단지 경쟁적 환경 의 변화만이 주요 원인이 아니고, 전통적인 산업분야에 IT 기술의 융 합이 많이 일어나고 있기 때문이다. 그 중에서도 수요자원에 대한 IT 의 적용은 전력산업의 많은 부분에 영향을 주고, 또한 새로운 응용 분 야를 도출함으로써 자원의 효율화에도 큰 영향을 미치고 있다. 이에 따 라 수요자원에 대한 견해도 대폭 변하고 이러한 자원에 대한 효율적 이 용 방안도 새롭게 대두 되고 있다. 그러나 전통적으로 고려하고 있는 발전자원도 중요하지만, 효율적으로 사용되는 수요도 주요 자원으로 인 식하게 되었다. 이 같은 수요의 효율화는 발전 자원에 대한 투자를 회 피할 수 있게 하기 때문에 그 중요성이 높다. 그리고 이와 같은 수요자 원의 발굴을 위해서는 효율화를 위한 응용프로그램이 필요하다. 이 중 에서 현재 가장 보편화된 프로그램이 수요응답시스템(Demand Response System)이다. 수요응답시스템은 전력 공급을 위한 에너지에 대해 시간대별 가격 탄력성을 도입하여 전력 시스템 또는 전력 시장의 상황에 따라 수요자가 자발적으로 부하를 조절함으로써 시스템의 신뢰 도를 향상시키거나, 시장가격의 안정화를 달성하고, 수요자는 수요절감 에 대한 보상을 받는 프로그램이다. 이 프로그램은 효율적 시장운영과 수요관리에 매우 효과적인 방안임이 사례를 통해 확인되고 있으며, 미국 의 전력규제기관인 FERC(Federal Electricity Regulatory Commission) 는 전력표준시장의 규격에 이 프로그램의 도입을 의무사항으로 규정하 고 있다. 따라서 국내에서도 전력IT 사업의 일환으로 수요응답시스템이 개발 되고 있다. 그러나 국내에서는 전력 에너지의 가격이 도매시장에서 는 변동비반영의 발전가격을 사용하고 있고, 소매시장은 종별 로 구분되 는 고정가격을 사용하고 있다. 따라서 수요자원의 효율화를 위해서는 전력에너지에 대한 변동가격제도가 필요하다. 변동적인 소매가격을 전 력비용에 반영하면 수요자 측의 응답이 에너지 가격의 급변을 완화시킴 으로써, 시장을 균형상태로 유지 할 수 있다는 점에 있다. 그러므로 전 력사 및 규제기관은 변동요금제의 적용이 에너지 절약을 위한 가장 합 리적, 효율적, 최선의 방법임을 인식할 필요가 있다. 본 논문에서는 수 요응답시스템(Demand Response System)의 핵심부분인 변동요금제를 분석하고 적용하는 방안에 대해서 기술한다.

2. 변동 요금제

2.1 개요

변동요금은 전력 공급시 고유적으로 내재된 불확실성을 고려한 공급 자의 비용을 포함하는 모든 요금제를 칭한다. 예로써 가격의 수준은 사 전에 정해지지만 실제로 이 가격의 적용 시점은 미지의 상태인 요금제 를 들 수 있다. 이것 중에 하나로써 CPP(Critical Peak Pricing)가 있으 며, 이는 일년 중에 최대 1%에 해당하는 구간에 특수 고가의 요금이 적 용되는 제도이며, 수요자나 전력사나 어느 누구도 요금적용시간을 알 수 없으며, 다만 전력계통의 상항에 따라 24시간 전에 이 요금적용의 사실 이 통보된다. 또 다른 변동 요금제의 예는 가격 수준과 적용 시점이 모 두 미지이고, 일간 내에 요금의 변화가 일어나는 특정 시간대는 알려지 는 경우가 이에 해당된다. 또한 수요자의 부하에 따라 사전에 정해진 구간의 요금이 매일 변하는 가변 요금제도도 있다. 그리고 최종적으로

가격 수준, 적용 구간, 적용시점이 모두 미지인 RTP(Real Time Pricing) 등이 있다.

2.2 특 징

변동요금제는 전력서비스에 대한 시간대별 비용을 차등적으로 세분하 여 반영할 수 있는 적어도 하나이상의 가격을 제공할 수 있는 소매요금 의 형태이다. 또한 경쟁적 환경에서 시장가격의 감소를 유도할 수 있는 기회를 제공하고, 전력사 또는 에너지 공급자의 비용부담을 감소시킬수 있다. 그리고 변동요금제는 전통적으로 C&I 등의 대용량고객에 한정적 으로 적용되고 있으나, 최근에 들어 주택용 및 소규모 일반용 고객의 그 룹에도 변동 요금제의 도입으로 경제적인 혜택을 받게 하고 있다. 소규 모 용량의 고객은 변동 요금제에 의한 수요이전의 효과가 낮다고 인식 되었으나, 실제적인 데이터로 분석을 한 경우를 보면 오히려 수요관리의 잠재력은 크다고 평가되고 있다. 따라서 변동요금제의 적용할 경우에 발생하는 비용은 수요관리의 효과로써 충분히 감당할 수 있다고 판단된 다. 수요에 대한 가격탄력성은 수요 증감율에 대한 가격 증감율의 비로 나타내며, 변동가격에 대한 수요량의 범위의 추정에 대한 척도가 된다.

동일 서비스에 대한 가격 탄력성과 다른 서비스에 대한 가격탄력성 등 으로 반응도의 종류를 구분할 수도 있다. 전통적인 TOU 요금제도에 대한 가격반응도의 연구결과는 변동 요금제의 설계에도 적용될 수 있다.

2.3 변동가격제의 이론 배경

사회복지에 대한 최적화가 전력요금의 설정을 위한 기반을 제공한 다는 사실은 널리 알려져 있다. 이와 같은 최적화 과정에서 도출된 가 격들이 시점 에너지 가격(Spot Price)들을 설정하기 위해 사용될 수 있 다. 이를 위해 사회복지함수에 대한 정의가 필요하며 다음과 같다.

사회복지함수(Welfare) = 소비자 에너지 소비에 대한 가치

- 전력사에 의해 발생된 연료 및 관련 비용 - 수요 배분에 대한 비용

- 실시간 비용의 구현을 위한 비용

사회복지함수의 최대화를 위해서 발전자원과 수요자원에 대한 결정요소 의 도출이 필요하며, 제한조건들로써 Energy Balance Constraint, Generation and Demand Limits, Network Constraints, Revenue Reconciliation Requirements 등이 포함된다. 이상과 같은 최적화로 도출 된 Spot Price의 일반적인 형태는 다음과 같다.

시점 에너지 가격(Spot Price) = 한계 연료 비용(Marginal Fuel Costs) + 한계 발전 정비 비용(Marginal Generation Maintenance Costs) + 한계 네트워크 손실 비용(Marginal Network Loss Costs) + 한계 네트워크 정비 비용(Marginal Network Maintenance Costs) + Marginal Generation Maintenance Costs한계 송배전 손실 비용 + 수급안정 부담금(Energy Balancing Surcharge during Generation Shortfalls)

+ 네트워크 제한 부담금(Network Constraints Surcharge during level breaches)

+ 수익보정을 위한 가격 조정(Price Adjustment to achieve Revenue Reconciliation)

여기서 정의된 Spot Price는 전력사가 발전자원, 전력시스템, 수요자원의 환경에 따라 조정된 가격 모델을 산출하기 위한 기본이 된다. 그리고 중요한 요소는 각 수요그룹의 가격 응답도가 다르므로 이에 대함 노델 링도 필요하다.

3. 변동 요금제 의 효율성과 이슈

3.1 가격 응답형 수요

가격에 응답하는 수요들에 대한 가장 자연스러운 접근 방안은 실시간

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

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요금제(Real Time Pricing)이다. 수요응답을 위한 RTP는 특정일중 시 간대별로 차등적인 소매가격을 제공하는 시스템이다. RTP가 시행되기 전에 광범위하게 사용되었던 것 중 하나가 TOU이다. 이 요금제는 국내 에서도 대용량고객에 제공돠는 요금제이다. TOU하에서는 사전에 정해 진 구간별로 요금이 차등적으로 적용이 된다. 구간별 차등화는 주로 계 절별 전력시스템의 부하패턴에 따라 설정된다. 수요에 응답하는 부하에 대한 가격제도이지만 RTP와는 정반대의 성격을 가진 interruptible rates가 있다. 이 요금제는 전력시스템의 예비율이 낮아지면 가입자인 고객은 부하사용을 중지하게 된다. 그러나 물리적으로 부하시용을 정 지하는 경우는 드물고, 실제는 주로 표준요금보다 훨씬 높은 가격이 적 용된다. 국내에서는 하계 부하관리를 위한 프로그램으로 도입되어 있 다. 그리고 최근에 도입되고 있는 변동요금제중의 하나로 피크가격제 (Critical Peak Pricing)가 있다. CPP는 일반적으로 TOU와 비슷한 가 격구조를 형성하지만, 전력사가 단기 예고를 통해 실시하는 단기간의 피 크가격이 존재한다. 이 단기간의 피크가격은 매우 높으며 고객의 피크가 아니라 전력시스템에서 발생하는 피크를 조정하기 위한 것이다. CPP의 피크 가격은 RTP와는 달리 사전에 정해져 있다. 또한 CPP 실행 홧수 도 년간 상한을 두고 있으며, 피크 구간이 아닌 기간에는 일반적으로 표 준 요금보다 낮은 가격을 제공한다.

3.2 변동요금의 경제적 효율성

가격에 응답하는 수요 없이는 수요 공급이 왜곡되며, 피크 발생시에 시장지배력을 가진 공급자에 의해 가격의 급등을 유발하게 된다. 변동요 금제는 전력 시스템의 피크구간에 가격에 응답하는 수요를 통해 시장가 격의 급증을 방지 할 수 있다. 그리고 변동요금제는 설비투자에 대한 회피에 대한 기여도가 크다고 볼 수 있다. 이는 년간 짧은 구간에 일어 나는 피크를 위해 대용량 설비를 건설할 경우에 투자 비용 뿐만 아니라 에너지 사용에 대한 효율성도 낮아진다. 따라서 변동요금제는 경제적인 효율성에 대한 기여도가 높다고 할 수 있다.

3.3 변동요금제 적용의 이슈

변동요금제를 DR 프로그램에 적용하기 위해서 고려해야 할 사항들이 있다. 여기서는 가장 전형적인 변동요금제인 RTP를 적용하기 위한 이 슈를 살펴보기로 한다.

첫째, RTP를 적용할 경우에 가격이 시간대별로 변하므로 고객의 측면 에서는 가격위험도가 존재한다. 많은 RTP 기반의 DR프로그램은 고객 별로 기준부하(Customer Baseline Load)를 설정함으로써 이와 같은 가 격 위험도를 제한하고 있다. 고객은 각 시간대별로 기준부하보다 더 많 이 사용할 경우에는 증가분에 대해 해당 구간의 실시간 가격을 부담하 고, 기준부하보다 더 적게 사용할 경우에는 감소분에 대해 해당 구간의 실시간 가격을 보상을 받는다. 여기서 사용되는 CBL은 정산을 위한 기준이 되므로 정확하게 산출되어야 하고 반드시 사전에 통보되어야 한 다. 둘째, RTP하에서 시간대별 변동가격과 표준 요금제의 평균가격의 비교이다. 이 문제는 수요자인 고객의 경우에는 예측이 어려운 시간대별 로 가격에 의하여 월간 에너지 요금이 증가할 수도 있는 것으로 생각할 수 있고, 전력사를 포함한 에너지 공급자는 RTP하에서 수익조건을 충 족하지 못할 경우에 대해 염려를 할 수 있다. 고객의 경우에는 CBL 데 이터를 사용하여 수요를 조정함으로써 가격위험도는 제거 될 수 있다.

캘리포니아를 포함하여 대부분의 북미 지역에서 RTP 적용에서 이에 대 한 인식이 되어있다. 그리고 공급자의 경우에는 고객들의 CBL을 분석 하여 도매시장에서 구입비용을 절감할 수 있게 되며 시장가격의 급등에 대한 억제력도 가지게 된다. 따라서 수요자 및 공급자 모두 경제적인 혜 택을 보게 된다. 셋째, 변동요금기반의 DR 프로그램의 도입으로 혜택을 받는 자와 손실을 받는 자의 구분이다. 이를 보면 고객이나 공급자는 수요를 절감함으로써 혜택을 받고, 발전사업자는 이에 해당하는 수익이 감소된다. 장기적으로 보면 발전 사업자는 설비투자에 비용을 절감하 고, 피크에 대한 탄력적인 수요로 전력 시스템의 신뢰도를 향상시키고, 도매시장의 가격 하락에 대한 혜택은 RTP 가입 고객만이 아니고 에너 지를 사용하는 전 고객이 된다. 따라서 RTP의 도입에 의한 혜택은 국 가전체에 해당이 되므로 부분적인 보상이나 인센티브가 필요한 경우에 는 정부 기금으로 사용되는 것이 합리적이다.

4. 변동 요금제기반의 DR 프로그램 운영

4.1 DR 프로그램의 설계사항

DR 프로그램의 용도별 세분화와 분야별 설계 기술 확보를 위해서는 다음과 같은 세부 기술들이 소요된다.

4.1.1 Demand Response 시스템 구성 설계 -시스템 운영절차 설계

-DR 시스템 아키텍쳐 설계 -요금 및 정산관리 모듈 설계 -수요용량(잠재)산출 모듈 설계 -부하 분석 및 관리 시스템 설계

-수요통계 및 관리기능 설계

4.1.2 Demand Response 시스템의 핵심 기능 구현 - 수요자의 Baseline Load 계산 모듈 개발 - 부하예측 및 예상 수요관리용량 도출 모듈 개발 - EMS/MOS 연계 및 데이터 전송 시스템 개발 - 시간대별 가격신호/ 인센티브 수준 결정 시스템 개발

4.1.3 Demand Response 기능분석 모듈 - 소요 모듈의 기능 정의

- 모듈들의 정보/운영 방식

4.1.4 DR 시스템의 수요절감 실적 및 정산 시스템의 설계 - 프로그램 협약

- 수요절감량 관리 시스템 설계 - 정산 시스템의 기능 설계

- 프로그램의 경제성 분석(학계 연구 분야) - 비용 절감효과 분석( 적용시험 결과 이용) - DR 프로그램별 편익분석(공급자, 수요자)

이상과 같은 세부기술이 소요되나 그중에서 변동요금인 RTP 나 CPP 가격신호를 산출하기 위한 요금 및 정산관리 모듈 설계 분야는 이 프로 그램의 핵심요소가 된다.

4.2 DR 프로그램의 운영사항

변동요금제를 도입하여 DR 프로그램을 운영할 경우에는 여러 가지 고 려해야 할 사항들이 있으며 다음과 같다. 수요자 측의 주요 관심은 전력 요금의 감소와 부하절감에 대한 보상이 DR 프로그램의 참여에 소요되 는 비용을 충분히 충당하는지를 사전에 검토 할 필요가 있다. 수요자들 은 DR 프로그램에 대한 투자에 대한 예상되는 혜택에 관심이 있으므로 이에 대한 안내가 필요하다. DR 프로그램에 참여의 확률이 가장 높은 수요자는 부하관리프로그램에 익숙한 고객이다. 따라서 고객을 위한 체 계적인 교육과정이 필요하다. 가격을 모니터링하고 시장 기반의 DR 프 로그램에 참여하는 것은 시간이 소요된다. 고객들은 DR 프로그램 특히 RTP와 같은 변동요금제 기반의 프로그램에 참여할 경우에 행정 소요 비용에 대한 염려를 많이 한다. 이런 비용이 프로그램 참여에 부담이 크게 되므로 이를 최소화하기 위한 방안을 검토해야 한다. 일부 고객은 자가 설비의 운영에 대한 제어 및 관리가 비용이 소요되고 소요 비용이 발생한다. 이것의 해결책 중에 하나는 프로그램의 가입시에 설비 운영 을 자동화하는 것이며, 높은 참여율을 위해서는 이를 고려해야 한다. 전 력사 또는 에너지 제공 사업자들의 자체 DR 프로그램과 ISO DR프로그 램에 대한 연계를 고려할 필요가 있으며 이는 정책의 결정사항에도 중 요한 요소가 된다. 이는 프로그램의 중복 가입 등의 여러 가지 문제점들 이 발생할 수 있으므로 대책 수립이 필요하다. 미국의 경우에는 표준시 장에 가격기반의 DR 프로그램을 기본사항으로 규정하고 있다. 또한 DR 프로그램에 대한 기본 인프라에 해당하는 전자식 전력량계의 도입 비용도 고려대상이 된다. 프로그램 가입대상이 저용량 고객인 주택용으 로 확대될 경우에 이를 고려해야 한다. 제3자의 부하모집이 소용량 고객 에게는 새로운 DR과 창안의 핵심이지만, 검토 및 분석되어야 할 문제, 즉 배전사의 수입 영향, 비용 회수 등이 있다. 국내에서도 소용량 고객 을 위한 프로그램이 확대될 예정이므로 이 문제에 대한 해결방안이 고 려되어야 한다.

3. 결 론

전력시장의 도입과 수요자를 포함한 다양한 전력 시스템의 참여자 등장 으로 전력산업의 환경이 변화하고 있으므로, 전통적인 수요관리의 개념 을 벗어나, 수요가 자원화 되고, 또 이 자원에 대한 효율적 이용이 필요 하다. 본 연구에서는 수요응답 시스템의 운영을 위한 핵심요소인 변동 가격제에 대해 개요와 이론적 배경을 알아보았다. 그리고 수요응답 시 스템의 운영을 위한 변동가격제의 경제적 효율성과 관련 이슈들을 검 토하였다. 그리고 변동가격제를 구현할 수 있는 수요응답시스템의 세부 설계 사항 및 운영상의 여러 가지 문제점을 기술하였다. 따라서 국내에 서 RTP, CPP 등의 프로그램을 구현할 경우에 발생되는 시행착오 등의 여러 문제를 해소하거나 국내 환경에 맞는 프로그램의 개발 및 정책결 정 사항에 기여하리라 판단된다.

[참 고 문 헌]

[1] McDonald J. R., Lo K, L, ,“Dynamic Price Structure and Customer Load Reaction”, 6th Conference of Metering Apparatus and Tariffs, pp6-10, 1990

[2] Borenstein S. Jaske, M, “Dynamic Pricing, Advanced Metering,

and Demand Response in Electricity Markets”, Report for The Energy

Foundation, 2002