[논문 리뷰] Risk-Informed Participation in T&D Markets.

Hafiz Anwar Ullah Khan, Jip Kim외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 10. 15.

Electric Power System Optimization참고 문헌 16인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 단일 리더 다수 팔로워(Single Leader Multi-Follower, SLMF) 게임 모델을 사용하여 통합 및 순차적으로 정리되는 송전 및 배전(T&D) 시장에서 전략적 발전자원 생산자들이 위험을 고려한 참여 전략을 제안한다. 문제를 균형 제약 조건을 가진 수학적 프로그래밍(Mathematical Program with Equilibrium Constraints, MPEC)으로 공식화하고, 비선형성 및 비연속성을 가진 MPEC를 해결하기 위해 Scholtes의 완화 기법을 적용하며, 가격 변동성에 대응하기 위해 조건부가치위험(CVaR)과 확률제약조건(CC)을 통합한다. 주요 발견은 규제된 요금 체계에 비해 자유화된 배전 시장가 전략적 생산자의 수익을 최대 83.8%까지 감소시킨다는 점으로, 이는 불확실한 현장별 마진가격(LMP)과 배전 LMP(DLMP)로 인한 수익 리스크 증가 때문이다.

ABSTRACT

Power producers can exhibit strategic behavior in electricity markets to maximize their profits. This behavior is more pronounced with the deregulation of distribution markets, which offers an opportunity for profit arbitrage between transmission and distribution (T&D) markets. However, the temporally distinct nature of these two markets introduces a significant risk in profit for such producers. This paper derives its motivation from the perspective of a strategic producer and develops a Single Leader Multi-Follower (SLMF) game for deriving its participation strategies in T&D markets, while accounting for different T&D coordination schemes based on the individual market Gate Closure Times (GCT). We compare and contrast joint and sequential market clearing models with regulated and deregulated distribution environments and evaluate the risk of producer by leveraging consistent and coherent risk measures. SLMF game is reformulated as a Mathematical Program with Equilibrium Constraints (MPEC) and is solved using the seminal Scholtes's relaxation scheme. We validate the efficacy of our model and solution approach via the case study carried out on the 11-zone New York ISO, and 7-bus Manhattan power networks, used as transmission and distribution markets, respectively.

연구 동기 및 목표

• 신규로 형성되는 경쟁적 T&D 전력 시장에 참여하는 전략적 생산자들을 위한 위험 기반 전략을 개발하는 것.
• 통합 청산 대비 순차적 청산 방식의 시장 조율 체계가 생산자 수익성에 미치는 영향을 분석하는 것.
• CVaR 및 확률제약조건(CC)과 같은 일관된 위험 측정 기법을 사용하여 자유화된 배전 시장이 초래하는 수익 리스크를 정량화하는 것.
• 시장 불확실성의 재정적 영향을 분리하기 위해 규제된 배전 요금 환경과의 성능 비교를 수행하는 것.
• 실제 네트워크를 사용하여 모델을 검증하는 것: 11존 뉴욕 ISO 송전 시스템 및 7버스 맨해튼 배전 네트워크.

제안 방법

• 전략적 생산자를 리더로, 송전/배전 시장을 팔로워로 모델링하기 위해 단일 리더 다수 팔로워(SLMF) 게임을 설정한다.
• 수학적 최적화를 통해 해를 도출할 수 있도록 SLMF 게임을 균형 제약 조건을 가진 수학적 프로그래밍(MPEC)으로 재구성한다.
• 비볼록성 및 비연속성을 가진 MPEC를 해결하기 위해 Scholtes의 완화 기법을 적용하여 해에 수렴하도록 한다.
• 위험 측정 기법으로 조건부가치위험(CVaR)과 확률제약조건(CC)을 통합하여 현장별 마진가격(LMP)과 배전 LMP(DLMP)의 불확실성을 모델링하고 내재화한다.
• 시간적 및 공간적 시장 분리의 특성을 반영하기 위해 송전 및 배전 시장의 별도 게이트 마감 시간(Gate Closure Times, GCTs)을 가진 계층적 시장 청산 구조를 사용한다.
• 계절적 부하 및 가격 조건이 다른 상황에서 11존 뉴욕 ISO 송전 네트워크 및 7버스 맨해튼 배전 네트워크를 대상으로 모델을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 게이트 마감 시간(GCT)을 가진 T&D 시장에서 통합 청산 대비 순차적 청산 방식이 전략적 생산자의 수익에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 규제된 요금 환경에 비해 자유화된 배전 시장 도입이 전략적 생산자의 수익성과 리스크 노출에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 CVaR 및 확률제약조건(CC)과 같은 위험 측정 기법이 가격 변동성 하에서 생산자의 시장 참여 및 수익 결과에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 규제된 환경에서 경쟁적 배전 시장 환경으로 전환할 경우 전략적 생산자의 수익 감소 폭은 어느 정도인가?
• RQ5 부하 및 LMP/DLMP 패턴의 계절적 변동성이 위험 기반 참여 전략의 효과성에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 자유화된 배전 시장 환경에서 전략적 생산자의 송전 시장 수익은 규제 사례 대비 98.4% 증가하였다. 이는 아르비트 기회 덕분이었다.
• 규제된 요금 환경에 비해 경쟁적 배전 시장 도입으로 전략적 생산자의 수익은 최소 81.6% 감소(사례 A 대비 B)하고 최대 83.8% 감소(사례 A 대비 D)하였으며, 주로 DLMP로 인한 수익 불확실성 때문이었다.
• CVaR를 위험 관리에 사용할 경우 CC 대비 더 보수적인 입찰 전략을 취하고 수익이 낮아지며, 이는 CVaR가 하방 리스크 완화를 우선시하기 때문이다.
• 순차적 시장 청산 사례(사례 D)는 전략적 생산자에게 가장 낮은 수익을 가져다주었으며, 고요금 규제 사례(사례 B) 대비 83.8% 감소하였다.
• 통합 청산 사례(사례 A)는 두 번째로 높은 수익을 기록했지만, 여전히 규제 요금 사례(사례 B) 대비 81.6%의 수익 감소를 보였으며, 이는 시장 불확실성이 주요 수익 감소 요인임을 시사한다.
• 특히 맨해튼(버스 #10)과 같은 고부하 지역에서 LMP 및 DLMP의 공간적·시간적 변동성은 아르비트 기회를 제공하지만, 同시에 상당한 수익 리스크도 유발하며, 본 연구에서 제안한 위험 기반 모델은 이를 효과적으로 포착하고 있다.