[스터디] CH1: Market Overview in Electric Power Systems

1-1 Introduction

본 책은 ~ISO의 관점에서~ 일반적인 전력시장의 계층/구조/운영 을 다룸
다양한 분석기법은 경쟁적 전력시장에서의 포지션 강화에 기여
수직적 유틸리티 -> 경쟁적 전력시장 : 세계적 변화, 경쟁 기반 전력비용절감

유틸리티 해체 Unbundling 후 시장 참여자 구조

시장 운영자
- ISO : independent system operator
개별 시장참여자
- Transmission Owner (송전망 소유자)
- Generator (발전사업자)
- Distribution Companies (배전사업자)
- End-users (말단 소비자)

ISO

전력망의 신뢰성을 보장하면서 Ensuring the reliability of a power system,
경쟁시장을 효율적으로 운영하기 위해 to operate the competitive martket efficiently

역할
1. 전력시장 운영규칙 설립
2. 보조서비스 시장 운영
3. 공정하고 비차별적인 송전망 운영원칙 fair and non-discriminatory fashion
4. 시장 리스크 헷지를 위한 방법 조성
5. 시장 감시 (과독점 방지)
FERC Order 888 : 전력 유틸리티의 Unbundling 을 의무화

1-2 Market Structure and Operation

목적 : 경제적 운영이 전력망 안정성을 향상시키도록 전력시장이 설계됨
- 최우선 가치 = 전력망 안정성 Security : 규제적 시장(Bundled)이던, 재구축된 시장이던(Unbundling)
  - 다양한 시장 서비스를 이용해 안정성을 확보 할 수 있음
- 경제적 운영은 전력을 이용하는 비용 감소
시장 불확실성 회피를 위한 전략
- CfD : Contracts for differences 차액보전계약
- TCC : Transmission congestion contract 송전혼잡계약
- FTR : Firm transmission rights

전력시장구조의 기본적인 3가지 형태

PoolCo Model
“Defined as a centralized marketplace that clears the market for buyers and sellers”
- 정의 : buyer & seller 로 구성된 중앙화된 시장구조
- Seller 전력망에 전력을 공급할 권리 Right 를 두고 입찰 경쟁 Bid
- Buyer 전력망에서 전력을 구입할 권리를 두고 입찰 경쟁 Bid - 기저 발전이 필수적으로 보상받는 형태 - PoolCo 의 ISO 는 Economic Dispatch -> Spot price 결정 - 시장 구조 상 Spot price = marginal cost of most efficient bidders
- 모든 낙찰자는 spot price 로 보상받음
Bilateral Contracts Model
“Negotiable agreements on delivery and receipt of power between two traders”
- 계약조건 ISO와는 독립적으로 진행 가능
- 단, ISO는 송전허용용량, 계통안정성을 유지할 수 있는지에 대해 입증책임이 있음 - 장점 : 자유로운 계약 형태 가능 - 단점 : 상대적으로 비싼 비용 (협상/행정/사무비용 포함), 계약에 대한 무제한적 책임
Hybrid Model : 본 교과서는 이 모델을 대상으로 작성됨
- PoolCo 의 참여가 선택사항 (나머지는 Bilateral Contracts)
- 모든 사용자는 PSA Power Supply Agreement 를 직접 Supplier 와 계약하거나, 마켓에서 Spot Price로 거래 할 수 있음
- 장점 : 다양한 형태의 BM 발굴, 가장 다양한 형태의 소비자 선택권 제공

전력시장 구조 Restructured Electricity Market Operation

Trading : Energy / Ancillary / Transmission
Time : Forward Market (Day-ahead, hour-ahead) / Real-Time

전력시장의 플레이어

- 운영자 ISO : 시장규칙 결정
- 참여자 : GenCos, TransCos, DisCos, RetailCos, Customers
- Aggregators, Brokers, Marketers, 

ISO
- 역할 : 경쟁적 전력시장에서 필수적인 독립적 전력망 운영 주체
  - 송전요금 관리
  - 전력망 안정도 유지
  - 유지보수 스케쥴 조정
  - 장기 계획 조정
- 요구조건 : 타 참여자로부터 독립적이어야하며, 송전망 접속 무차별원칙
- 전력망 안정도
  - remove transmission violations
  - balance supply and demand
  - maintain the acceptable system frequency
- 권한
  - Commit & Dispatch some or all system resources
  - Curtail loads for maintaining the system security
  - 적정 시장가격 도출 : ensures the proper economic signals
  - 효율적인 설비 운영 및 투자 장려
- ISO 모델
  - 작은 ISO (MinISO)
    - 시장관련 역할 없이 계통관련 역할만 수행 전력망 안정도 유지와 송전혼잡 해결 업무에 집중
    - 시장구조가 Coordinated multilateral trade model 인 경우
    - 예) 2000년 초 CAISO
  - 큰 ISO (MaxISO)
    - 시장 역할 포함 (PX Power Exchange) 한 비정부, 비영리, 독립기관
    - 시장청산가격 MCP 를 결정하며 시장에 가격기반 영향을 제공
    - OPF Optimal Power Flow 를 통한 스케쥴링을 수행
      - 시장 참여자들은 발전기 비용곡선, daily demand for load 등의 Extensive data를 제공해야함
      - 예) PJM, National Grid (UK)
GenCos : 발전사
- 발전설비를 운영/관리하는 주체
  - 직접 발전설비를 소유하거나 or 발전설비소유자를 대신해 단기시장(PX, Pool, SpotMarket)에 참여하는 간접적 운영 형태 있음 (PPA)
- 거래 대상 (유효전력)
  - Bilateral : 전력공급계약을 가진 주체 Entity
  - PX, Spot Market : DisCos, Aggregator 같은 대형 구매자
- 거래 대상 (무효전력, 예비력) -> Ancillary Service
- 형태 : IPPs, QFs, EWGs (Under EPAct), Foreign Utilites, etc.
- 의무
  - 발전기 탈락 시 ISO에게 알릴 의무
  - 정전시 협력 의무
- 목적 : 수익 최대화
  - Energy 또는 Ancillary Service market에 참여
  - Arbitraginng and gaming 활동
TransCos : 송전망 사업자
- Bulk transport system : 전체 마켓의 효율성을 결정
- 의무
  - 제어권한 : Assets(송전망)의 소유권은 TransCos에 있으나 Regional ISO가 제어
  - 자원에 따른 비차별적인 접속
  - comparable service for cost recovery
  - 송전망의 건설/소유/유지보수/운영에 대한 책임
  - Unbundling : GenCos 나 DisCos 와 분리되어있어야함
- 수익요소
  - Access charge : 접속비용
    - TransCos 의 투자비용 회수목적 -> 규제 당국의 허가 아래 비용 결정됨
    - 지역적인 차이에 따라 비용 설정
  - Congestion revenue : ISO 에게서 징수
DisCos : 배전망 사업자
- 특정 지역의 소비자들에게 전력공급
- 의무
  - 송전망부터 end-user 까지의 배전망 연결/유지관리
  - 특정 수준의 배전망 안정도와 사용가능성에 대한 유지의무
  - 배전망 전력품질 관리 의무 (전압유지, Ancillary Service 포함)
RetailCos : 전기 소매업자
- 전력소매 관련 법적인 허가가 있어야
- reseller / or Aggregator 로 기능하기도 함
Aggregators

entity or firm that combines customers into a buying group
- 구매력 강화를 통한 구입 가력 하락
- Agent (or Broker) 처럼 customer와 retailer 사이에 존재
- Aggregator 가 re-sell 할 경우 retailer 로 등록되어있어야함
Brokers

Entity or firm that acts as a middleman in a marketplace in which those services ar priced, purchased and traded
- 브로커는 직접 거래를 하지 않음 (발전하거나 구입)
  - 단, Buyer 와 seller 사이를 중개
- 직접 거래 주체가 될 경우, GenCos or Marketer 가 됨
Marketers

Entity or a firm that buys and re-sells electric power but does not own generating facilities
- FERC 로 부터 승인받아야함
- wholesaler 와 송전망 서비스를 행사할 수 있으며, 마케팅과 소매 기능을 조정함
Customer : End-user
- 직접 구입 계약 (GenCos) 을 맺거나, 다양한 서비스 중에서 선택
- DR의 형태로 전력시장에 참여할 수도 있음

전력시장 : 거래 상품에 따른 분류

Energy Market
- 중앙집중적인 시장 설계를 통해 신뢰가능한 가격 도출
  - 시장 참여자 뿐만 아니라 금융 시장, 전력소비에 전반적으로 영향을 끼치는 시그널
  - 시장가격은 중립적이고 독립적으로 정산되어야 -> ISO 또는 PX 가 시장운영
- MinISO 모델 : Bidding 정보만으로 MCP 도출
  - Unit Commitment 는 ISO가 아닌 GenCos 의 몫
  - 방법
    - 입찰받은 판매/구입 가격을 누적하여 곡선을 그려 교차점에서 가격 형성
  - 예) 캘리포니아, 송전혼잡도 비용으로 입찰받아 결정 *Congestion Charge (or Usage Charge)
  - 예) 영국, MCP = Capacity Charge(LOLP, VOLL)
- MaxISO 모델 : 시장참여자는 의무적으로 Extensive information 을 제공
  - Extensive information : 연료비, Start-up cost, no-load cost, ramp rate, Minimum ON/OFF time, etc.
  - ISO 가 사회적 편익이 최대화 되도록 SCUC 수행
    - 수급제약 Dual variable -> Locational marginal price LMPs 결정
    - 송전용량 제약 Dual Variable -> 송전 비용 결정
Ancillary Service Market
- 번들링 되어 있을때는 에너지와 병합된 개념 -> 언번들링된 이후로 시장경쟁적으로 결정
- 일반적으로 Capacity bid / Energy Bid 로 구성
- 청산 방식
  - Sequentially : High Quality -> Low Quality 순으로 결정
    - Regulation -> Spinning Reserve -> Non-spinning reserve -> Replacement reserve 순
    - 시장참여 요구조건의 강도 순으로
    - 앞선 결정에서 유찰된 참여자는 다음 라운드 참여 시 가격을 조정 가능
  - simultaneously : 동시에 입찰해야 함
    - ISO가 최적화를 통해 시장가격 및 낙찰량 결정할 수 있도록
    - 최적화 -> Minimize (Cost)
Transmission Market
- 거래 상품 : Transmission Right
  - Right to transfer power
  - Right to inject power into the network
  - Right to extract power from the network
- 해당 권리를 들고 있으면 혼잡비용에 대한 리스크 헷징 가능
- 송전권리 Primary 옥션 : ISO 가 운영
  - 예시) CAISO 사례, Load Serving Entities (LSEs) 는 매년 예상 Peak Load 기반으로 Network Transmission Service를 구입
  - 예시) PJM, firm point-to-point 서비스를 구입
- Secondary Auction
  - 월간/주간/일간 robust 하고 유동적으로 거래

전력시장 : 시간에 따른 분류

Forward Market
- 대부분의 전력시장은 Day-Ahead forward market 에서 자원의 스케쥴링을 결정
- 1시간 선도시장은 하루전 시장에서 결정된 스케쥴링의 편차에 대해 거래
- 일반적인 시장 청산흐름
  - forward market 청산 -> ancillary market 청산 -> ISO의 계통 해석
  - 초안이 송전혼잡 없을 경우 AS는 글로벌 최적화 (*최대 경제적 효용)
  - 송전혼잡이 있을 경우 지역적 요구조건 최적화
Real-Time Market : also called a balancing market
- 스케쥴된 결과와 현실 사이의 차이점을 필연적으로 보정
- Balancing Requirement
  - ISO는 사용가능한 자원의 실시간 에너지 불균형 정도를 Response Time에 맞게 분배
  - ramping 을 고려해 AGC로 Spinning / non-spinning / supplemental reserve 에 필요한 만큼 제어
- Forward와 마찬가지로 송전혼잡을 고려한 경제적 급전
  - 송전혼잡이 없을 경우 Systemwide 로 Dispatch 하나
  - 송전혼잡이 있을 경우 Zonal basis 로 Dispatch
- 발전이 수요를 초과할 경우 -> Decremental Adjustment bid 를 고려
- Balancing Price는 10분/또는 5분 간격
Market Power : 시장지배력
- 설비 독점에 따른 시장영향력이 명백히 존재
- 규제기관에서 독점적 참여자에 대한 견제를 해야함

1.3 책의 구성

Load Forecasting
- Short-Term Load Forecasting (STLF)
- Model
  - Non-Linear Mathematical model, ANN
  - Sensitivity Analysis
- Data : Historical Load, weather info
Price Forecasting
- STPF using ForePrice
  - price simulation, ANN, performance analysis, volatility analysis
Unit Commitment in Restructured Market
- Price-based UC : CAISO, ISO-NE
- SCUC, Security-Constrained UC : PJM, NYISO
3-1) PBUC - Variable fuel prices as a function of fuel consumption and bidding strategies

3-2 ) SCUC - Day-Ahead schedule using SCUC - Start-up cost , no-load costs, minimum start-up and shutdown times, minimum/maximum unit output, bids representing incremental heat rate, etc. - ISO obtains info from TRANSCOs via OASIS - Benders decomposition by which the network-constrained unit commitmnet is divided into a master problem and subproblem