대규모 물‑에너지 연계 연구를 위한 전력 시스템 분석 모델 PowNet

본 논문은 물‑에너지 넥서스 연구를 위해 설계된 전력계통 최적화 도구인 PowNet을 소개한다. 서론에서는 전력 수요 증가와 재생에너지 비중 확대가 전력망의 유연성을 요구하고, 특히 물 가용성 변화가 화력·수력 발전에 미치는 영향을 정량화할 필요성을 강조한다. 기존 UC/ED 모델들은 발전기 제약은 충분히 반영하지만 송전망을 단순화하거나, 수입·수출 노드를 고려하지 않아 물‑에너지 연계 분석에 한계가 있었다. 이에 저자들은 발전기·송전망·수입·수출을 모두 포괄하는 통합 모델을 제안한다. 모델은 다음과 같은 핵심 구성요소를 갖는다. (1) **목표함수**: 고정·가변 O&M 비용, 연료비, 스타트업 비용, 수입 전력 비용, 재생에너지 단위 비용을 모두 포함해 총 비용을 최소화한다. (2) **결정변수**: 발전기 가동 상태(ON), 스타트업(Switch), 시간별 발전량(Elec), 전압각(VoltAngle), 회전·비회전 예비력(Spinning/Non‑spinning reserve) 등을 정의한다. (3) **제약식**: 논리적 제약(ON/Switch 관계), 최소·최대 운전시간, 램핑 제한, 발전기 최소·최대 출력, 재생에너지 가용량, 수입 전력 한계, 에너지 균형, DC 전력 흐름 기반 전송 용량(N‑1 기준), 예비력 비율 등을 포함한다. 특히 전송 흐름은 DC 모델을 사용해 전압각 차이에 비례하도록 하였으며, N‑1 기준을 적용해 라인 용량의 일정 비율(보통 75 %) 이하로 흐름을 제한한다. 물 가용성에 따른 제약은 DerateF (g,t) 파라미터로 구현된다. 가뭄 등으로 냉각수 공급이 제한될 경우, 해당 발전기의 최대 출력이 DerateF < 1로 감소한다. 사용자는 수문·수리 모델이나 기후 데이터 기반 예측에서 도출한 DerateF 값을 PowNet에 입력함으로써 물‑에너지 상호작용을 정량화할 수 있다. 수입·수출 노드는 별도 변수(Elec_i,t)와 비용(ImportPrice_i)으로 모델링돼, 국제 전력 거래를 직접 고려한다. 이는 국경을 초월한 전력망 분석에 필수적인 요소이며, 기존 UC/ED 도구가 종종 간과하는 부분이다. 구현은 파이썬 기반이며, Pyomo 최적화 프레임워크를 활용한다. 주요 스크립트는 (1) PowNetModel.py – 모델 구조와 제약식 정의, (2) PowNetDataSetup.py – 입력 데이터 전처리 및 파라미터 설정, (3) PowNetSolver.ipynb – 데이터 로드, 모델 실행, 결과 시각화 역할을 한다. 모델은 Gurobi, CPLEX 등 상용 솔버와 연동 가능하며, 오픈소스 솔버와도 호환된다. 사례연구로 캄보디아 전력망을 사용하였다. 캄보디아는 석탄·가스·수력·태양광·풍력 등 다양한 발전원을 보유하고 있으며, 인접 국가와의 전력 수입·수출이 활발하다. 24시간 시계열 데이터를 기반으로 PowNet을 실행한 결과, 전체 비용 최소화와 동시에 전송망 과부하를 방지하고, 물 가용성에 따른 수력 발전량 감소가 전체 시스템 운영에 미치는 영향을 정량적으로 파악할 수 있었다. 계산 시간은 30초 이내였으며, 메모리 사용량은 1 GB 이하로 대규모 시뮬레이션에도 확장 가능함을 보였다. 논문의 주요 기여는 (1) 발전기·송전망·수입·수출을 모두 포함한 통합 UC/ED 모델 제공, (2) 물 가용성 제약을 DerateF 파라미터로 손쉽게 연계, (3) 파이썬·Pyomo 기반의 오픈소스 구현으로 재현성과 확장성 확보, (4) 캄보디아 사례를 통한 실증 검증이다. 한계점으로는 DC 흐름 모델이 리액티브 파워를 무시한다는 점, 그리고 물‑에너지 연계 모델링이 외부 수문·수리 모델에 의존한다는 점을 들 수 있다. 향후 연구에서는 AC‑OPF 기반 전송 모델, 확률적 수문 모델, 다중 에너지(가스·열) 연계, 그리고 대규모 국가·대륙 수준 시나리오 적용을 목표로 하고 있다.