The coordination between TSO and DSO in the context of energy transition - A review

이 논문은 에너지 전환 과정에서 TSO 와 DSO 간의 조정을 통해 분산 에너지 자원의 유연성을 효과적으로 활용하여 시스템 균형 유지와 네트워크 혼잡 방지를 도모하는 다양한 조정 방식의 분류, 현황 평가, 장단점 및 실용적 과제를 종합적으로 검토합니다.

핵심

🌍 배경: 거대한 도로와 작은 골목길

전력 시스템을 두 가지 도로로 상상해 보세요.

1. TSO (송전 시스템 운영자): 국가의 고속도로를 관리하는 사람입니다. 전기를 먼 곳으로 대량으로 수송합니다.
2. DSO (배전 시스템 운영자): 우리 동네의 골목길과 주택가 도로를 관리하는 사람입니다. 전기를 각 가정과 공장에 배분합니다.

과거에는 이 두 도로가 완전히 따로 놀았습니다. 고속도로는 고속도로대로, 골목길은 골목길대로 관리했습니다. 하지만 지금은 태양광 패널이나 소형 풍력발전기 (DERs) 같은 것들이 우리 동네 골목길 (DSO) 에 엄청나게 많이 생겼습니다.

⚠️ 문제: 혼잡과 오해

이제 골목길에 작은 발전기가 많아지자 두 가지 문제가 생겼습니다.

1. 골목길 정체 (Congestion): 갑자기 전기가 너무 많이 흘러가서 골목길 전선이 터질 뻔합니다.
2. 불균형 (Imbalance): 고속도로 (TSO) 는 전체 전력 수급이 맞지 않아서 전기를 더 필요로 하거나 덜 필요로 할 때, 골목길의 전기를 어떻게 활용할지 몰라 당황합니다.

기존에는 TSO 가 "전기가 필요해!"라고 외치면 DSO 는 "우리 골목길은 이미 꽉 찼어!"라고 외치며 서로 모르고 행동했습니다. 이러면 골목길이 막히거나, 반대로 TSO 가 필요할 때 골목길의 전기를 못 써서 비효율이 발생합니다.

💡 해결책: TSO 와 DSO 의 '손잡기' (Coordination)

이 논문은 **TSO 와 DSO 가 서로 정보를 주고받고 협력하는 방법 (Coordination Schemes)**을 연구했습니다. 마치 고속도로 관리자와 동네 길 관리자가 실시간으로 전화기를 들고 소통하는 것과 같습니다.

1. 협력의 핵심: '유연성 (Flexibility)' 활용

여기서 '유연성'이란, 전기를 필요할 때 줄이고, 남을 때 저장하거나 줄일 수 있는 능력을 말합니다. 예를 들어, 공장이 전기를 잠시 끄거나, 전기차 배터리를 방전하는 것 등이 유연성입니다.

• 비유: 골목길에 주차된 차들이 있습니다. TSO 가 "고속도로가 막혔으니 차를 좀 빼달라"고 하면, DSO 는 "우리 동네 차들 중 전기를 줄일 수 있는 차들을 찾아서 TSO 에게 보내줄게"라고 협력하는 것입니다.

2. 협력 방식의 종류 (비유)

논문에 따르면 여러 가지 협력 방식이 제안되었습니다.

• 중앙 집중형 (TSO 가 다 통제): TSO 가 고속도로뿐만 아니라 골목길까지 모두 통제합니다.
  • 비유: 중앙 통제실의 한 사람이 모든 도로의 신호등을 다 조종합니다. 하지만 정보가 너무 많아 처리가 어렵고, 골목길의 사정을 잘 모를 수 있습니다.
• 분산형 (DSO 가 먼저 해결): DSO 가 먼저 골목길 문제를 해결하고, 남은 여유분만 TSO 에게 줍니다.
  • 비유: 동네 관리자가 먼저 골목길 정체를 해결하고, 남은 차들만 고속도로로 보냅니다. 하지만 TSO 가 골목길의 전기를 못 쓸 수도 있습니다.
• 공동 시장 (Common Market): TSO 와 DSO 가 함께 모여서 전기를 사고파는 시장을 만듭니다.
  • 비유: 고속도로와 골목길 관리자가 함께 '전기 장터'를 엽니다. 누가 전기를 더 잘 줄 수 있는지 경쟁하게 하고, 가장 효율적인 곳에 전기를 보냅니다.

🇳🇱 네덜란드의 제안: '혼합형' 협력 모델

이 논문은 특히 네덜란드의 상황을 분석하여 혼합형 (Hybrid) 모델을 제안합니다.

• 시나리오:
  1. 사전 준비 (Pre-qualification): TSO 가 "이 발전기가 쓸 수 있겠네?"라고 확인하기 전에, DSO 가 먼저 "우리 동네 전선에는 이 발전기가 들어와도 안전해"라고 검증해 줍니다. (이전에는 TSO 가 DSO 의 사정을 모르고 검증했습니다.)
  2. 제안 및 활성화: TSO 가 "전기가 부족해!"라고 하면, DSO 가 "우리 동네 전선에는 15MW 까지만 보내도 돼. 그 이상이면 막히니까"라고 제한을 알려줍니다.
  3. 결과: TSO 는 이 정보를 받고 15MW 만 요청합니다. 그래서 골목길이 막히지 않고, TSO 도 필요한 전기를 안정적으로 얻을 수 있습니다.

📝 결론: 왜 중요한가?

이 논문의 핵심 메시지는 **"서로 다른 도로를 관리하는 사람들이 서로의 상황을 모르면 시스템이 무너진다"**는 것입니다.

• 기존: TSO 와 DSO 가 따로 놀면, 골목길이 막히거나 전기가 낭비됩니다.
• 미래: TSO 와 DSO 가 실시간으로 대화하고, 데이터를 공유하며 협력하면, 재생에너지를 더 많이 쓸 수 있고, 전기 요금도 더 저렴해지며, 정전 사고도 줄어듭니다.

한 줄 요약:

"고속도로 관리자와 동네 길 관리자가 서로의 상황을 실시간으로 공유하며 협력하면, 전기를 더 효율적으로 쓰고 환경도 지키는 '윈 - 윈' 상황이 만들어집니다."

이 연구는 앞으로 전 세계가 탄소 중립을 달성하기 위해, 어떻게 전력 시스템을 더 똑똑하게 연결할지에 대한 청사진을 제시합니다.

기술 요약

논문 요약: 에너지 전환 맥락에서의 TSO-DSO 조정 및 유연성 자원 활용

1. 문제 제기 (Problem)

• 배경: 전 세계적으로 화석 연료 의존도를 줄이고 탄소 배출을 감축하기 위한 에너지 전환이 가속화되고 있습니다. 이로 인해 분산형 에너지 자원 (DERs) 의 배전망 (DN) 침투율이 급격히 증가하고 있습니다.
• 핵심 문제: 송전망 (TN) 과 배전망 (DN) 은 물리적으로 연결되어 있으나, 기술적 특성과 운영 주체 (송전 계통 운영자, TSO / 배전 계통 운영자, DSO) 의 차이로 인해 별개로 운영됩니다.
• 도전 과제:
  • DERs 의 급증으로 인한 계통 통합의 복잡성 증가.
  • 불확실성 관리의 어려움.
  • TSO 와 DSO 간의 정보 부족 및 조정 부재로 인한 계통 불균형 (Imbalance) 과 혼잡 (Congestion) 발생 위험.
  • 기존에는 TSO 가 DSO 의 유연성 자원을 효과적으로 활용하지 못해 전체 시스템 효율성이 저하됨.

2. 연구 방법론 (Methodology)

이 논문은 체계적인 문헌 검토와 시나리오 분석을 통해 TSO-DSO 조정 방식을 평가합니다.

• 문헌 및 보고서 검토: ScienceDirect, IEEE Xplore, ENTSO-E, IRENA 등 국제 기관의 보고서와 최신 학술 논문을 분석하여 TSO-DSO 조정의 필요성, 분류, 그리고 실제 파일럿 사례를 조사했습니다.
• 조정 방식 (Coordination Schemes, CS) 분류: 중앙 집중식 (Centralized) 과 분산형 (Decentralized) 모델을 중심으로 다양한 조정 메커니즘을 분류하고, 각 방식의 장단점, 데이터 교환 요구 사항, DSO 의 역할을 비교 분석했습니다.
• 실증 사례 분석: SmartNet, CoordiNet, INTERRFACE 등 유럽의 주요 프로젝트 결과를 분석하여 이론적 모델의 현실 적용 가능성을 검증했습니다.
• 네덜란드 시나리오 제안: 현재 네덜란드의 전력 시장 상황을 바탕으로, TSO 와 DSO 간의 조정이 포함된 새로운 하이브리드 조정 방식을 제안하고 시퀀스 다이어그램을 통해 프로세스를 구체화했습니다.

3. 주요 기여 (Key Contributions)

• 조정 방식의 체계적 분류 및 비교: TSO 와 DSO 간의 상호작용을 정의하는 6 가지 주요 조정 방식 (TSO 관리형, DSO 관리형, 공유 책임형, 하이브리드, 공통 시장, 통합 유연성 시장) 을 제시하고, 각 방식의 장단점 (Pros & Cons) 을 표로 정리하여 비교했습니다.
  • 핵심 통찰: 중앙 집중식은 계산 부하가 크고 현실 적용이 어렵고, 분산형이 연구의 90% 이상을 차지하지만 표준화된 통신 솔루션의 부재가 과제임을 지적했습니다.
• 데이터 교환 및 보안 프레임워크 강조: 유연성 서비스 활성화와 혼잡 관리를 위해 TSO 와 DSO 간에 전력 흐름, 예측 데이터, 가격, 스케줄링 등 실시간 데이터 교환이 필수적임을 강조했습니다. 또한, 국제적인 데이터 보안 표준과 공통 통신 프레임워크의 필요성을 역설했습니다.
• 네덜란드용 하이브리드 조정 모델 제안:
  • 사전 자격 부여 (Prequalification) 단계: TSO 와 DSO 가 협력하여 DERs 의 기술적 데이터를 검증하는 프로세스를 도입했습니다.
  • 제안 및 활성화 (Offering & Activation) 단계: TSO 가 DSO 에게 입찰 목록 (MOL) 을 전송하여 배전망 제약 조건을 검증받고, 유효한 입찰만 TSO 에게 반송하는 '트래픽 라이트' 메커니즘을 시나리오로 제시했습니다.
• 유연성 시장의 통합: TSO(계통 균형), DSO(지역 혼잡 관리), 제 3 자 (포트폴리오 최적화) 가 모두 참여하는 공통 유연성 시장의 필요성을 주장하며, 이를 통해 총 운영 비용 절감과 사회적 후생 증대를 도모할 수 있음을 보였습니다.

4. 연구 결과 (Results)

• 조정의 효과: TSO 와 DSO 간의 조정이 이루어질 경우, 배전망의 혼잡을 사전에 방지하고 불필요한 재분배 (Re-dispatch) 를 줄여 전체 시스템 운영 비용을 절감할 수 있습니다.
• 분산형 모델의 우위: 연구 결과, 완전한 중앙 집중식 제어보다 분산형 제어 (Decentralized control) 가 경제성 개선 효과의 약 90% 를 달성하면서도 계통 업그레이드 비용을 절감할 수 있는 것으로 나타났습니다.
• 실제 파일럿 프로젝트의 시사점: SmartNet 및 CoordiNet 프로젝트의 파일럿 결과는 "공통 시장 (Common Marketplace)"이 분산형 방식에서 가장 효과적임을 보여주었으나, 국가별 특성, 네트워크 토폴로지, 유연성 자원의 특성에 따라 최적의 조정 방식은 달라질 수 있음을 확인했습니다.
• 시나리오 분석 결과: 네덜란드 시나리오에서 TSO 와 DSO 간의 실시간 조정이 부재할 경우, TSO 의 유연성 자원 활성화가 DSO 의 지역 혼잡을 악화시킬 수 있으나, 제안된 조정 방식 (입찰 전 DSO 검증) 을 적용하면 이러한 충돌을 방지하고 혼잡을 해결할 수 있음이 확인되었습니다.

5. 의의 및 결론 (Significance)

• 에너지 전환의 핵심 열쇠: 탄소 중립 목표 달성을 위해서는 TSO 와 DSO 간의 긴밀한 협력이 필수적이며, 이는 단순한 기술적 문제를 넘어 시장 설계와 규제 개선이 동반되어야 함을 강조합니다.
• DSO 의 역할 변화: DSO 는 단순한 배전망 관리자를 넘어, 유연성 자원의 적극적인 관리자이자 시장 참여자로 역할을 확장해야 함을 주장합니다.
• 미래 연구 방향: 본 논문은 현재 상황과 미래 시나리오를 모두 고려하여 TSO-DSO 조정이 송배전망에 미치는 영향을 정량화하는 후속 연구를 위한 기초를 마련했습니다. 특히 실시간 및 준실시간 (Near real-time) 조정 메커니즘의 부재가 가진 위험을 해결하기 위한 구체적인 방안 제시가 필요함을 강조합니다.

결론적으로, 이 논문은 에너지 전환 시대에 TSO 와 DSO 간의 효율적인 조정을 통해 DERs 의 유연성을 최대화하고, 계통의 안정성과 경제성을 동시에 확보하기 위한 다양한 조정 모델과 구체적인 실행 방안을 제시한 중요한 검토 논문입니다.