Authors - 추연욱*, 송영국, 오재영, 윤용태
Abstract – 신재생 에너지 도입으로 전력 시스템의 운영환경이 변화함에 따라 에너지의 효율적 사용에 관한 관심이 높아지고 있다. 특히, 분산 에너지 자원(DER)에 관한 관심이 증가했는데, 이는 다수의 DER을 집합하여 운영하는 가상 발전소(VPP) 관련 연구가 활발해지는 계기가 되었다. 한편, 다수의 연구에서는 VPP의 효율적인 운영을 위해 블록체인 기술을 이용한다. 하지만, 블록체인 기반 VPP(BVPP)는 독립적인 체인을 사용하기 때문에, 서로 다른 네트워크 간 상호작용이 제한된다. 본 연구에서는 블록체인 브릿지 기술을 이용하여 서로 다른 체인을 기반으로 한 BVPP 간의 최적 전력 거래 방안을 제시한다. 추가로, 중앙화 거래소를 이용하여 전력 거래를 이용하는 방법과 제시된 방법을 비교하면서, 본 논문에서 제안한 아키텍처의 장점을 분석한다.
1. 서 론
현재 전력 시스템은 기존의 중앙 관리방식에서 벗어나, 다양한 주체들의 시장 참여로 인한 운영 전환기에 들어서고 있다. 국제적인 환경 이슈와 함께 친환경 에너지 자원의 이용과 에너지 효율 향상에 관한 관심이 증가하고, 이에 따라 분산 에너지 자원(DER)의 보급은 전 세계적인 변화로 자리 잡고 있다. 일반적으로 DER은 규모가 작으므로 DER 운영자가 전력시장에 단독으로 참여하는 것에는 제한 사항이 많았다. 이를 해결하기 위해, 개인이 가진 DER 자원을 집합하여 하나의 가상 발전소(Virtual Power Plant, 이하 VPP)로 통합 운영하는 방식이 고안되었다.
이와 함께, 다수의 연구에서 VPP를 효율적으로 운영하기 위해 블록체인 기술을 적용하고 있다. 이는 블록체인 기술 적용을 통해 중앙 주체가 자산의 흐름을 관리하는 기존 구조에서 벗어나, peer-to-peer(P2P) 방식의 전력 거래 시스템을 구축할 수 있기 때문이다. P2P 전력 거래 시스템은 기존의 중앙화된 VPP 운영 방식에서 발생하던 문제에 대한 해결책이 될 수 있다.
블록체인 기술이 적용된 VPP는 독자적인 체인 위에 금융 시스템이 구축되기 때문에, 블록체인 기반 VPP(Blockchain based VPP, 이하 BVPP) 간의 전력 거래를 하는 것에는 많은 제한이 있다. 하지만, 최근 개발된 브릿지 기술을 통해 다른 블록체인 간에 상호작용할 수 있는 방안이 고안되었다. 따라서, 본 연구에서는 브릿지 기술을 이용한 BVPP 간 전력 거래 아키텍처를 제시한다.
2. 본 론
2.1 블록체인 기술
블록체인 기술을 이용하여 탈중앙화된 금융 시스템을 구축할 수 있다. 다양한 분야에서 중앙 관리자 없이 P2P 거래가 가능한 시스템을 개발하고자 했으며, 이는 블록체인 기술의 빠른 발전을 가능케 했다. 특히, 블록체인 기술 발전의 중심에는 스마트 컨트랙트와 브릿지 기술이 있었다. 본 단원에서는 해당 기술들의 특징이 서술된다.
2.1.1 스마트 컨트랙트
스마트 컨트랙트란 당사자 간 계약 내용을 프로그래밍 언어로 구현하여, 명시된 조건이 충족되었을 때 자동으로 계약된 내용이 이행되도록 하는 기술을 의미한다. 현재 이더리움, 폴카닷 등 다양한 블록체인 네트워크에서 스마트 컨트랙트를 지원하고 있다. 스마트 컨트랙트의 발전은 블록체인 네트워크가 단순 금융거래를 넘어 예금, 대출, 그리고 투자 등이 가능한 시스템으로 확장되는 계기가 되었다. 또한, 스마트 컨트랙트를 이용한 분산 어플리케이션(dApp) 개발로 인해 다양한 분야에서 탈중앙화 금융 서비스가 발전하게 되었다.
2.1.2 브릿지
블록체인 기술의 발전으로 고유한 특징을 가지고 있는 다양한 블록체인 네트워크가 개발되었다. 이들은 각기 다른 구현 알고리즘을 가지고 있으므로, 네트워크 간 상호운용이 이뤄지기에는 한계가 있었다. 이러한 배경에서, 다양한 브릿지 기술이 개발되었다[1]. 브릿지 기술이란 서로 다른 블록체인 네트워크를 연결하기 위해 사용하는 기술을 의미한다. 브릿지를 통해 연결된 체인 시스템을 구축함으로써, 네트워크 사용자는 자산 및 메시지를 다른 네트워크로 전달할 수 있다.
<그림 1> 블록체인 브릿지의 구조
<그림 1>은 체인 A에서 체인 B로 브릿지를 이용하여 메시지가 전달되는 구조를 나타낸 것이다. 일반적으로 브릿지는 스마트 컨트랙트, 전달자, 검증자로 구성된다. 스마트 컨트랙트는 메시지를 전달하고 받는 기능, 그리고 토큰을 발행하고 소각, 잠그는 기능을 포함한다. 전달자는 보통 오프체인 상에 존재하며 메시지 및 토큰 전달을 돕는다. 검증자는 메시지 전달의 유효성을 검증하는 역할을 한다.
브릿지 작동 과정은 체인 A의 사용자가 스마트 컨트랙트를 호출함으로써 시작된다. 메시지가 전달자와 검증자에게 전달되며, 전달자는 스마트 컨트랙트 호출을 확인한 이후 메시지를 체인 B로 전달한다. 이 과정에서 검증자는 메시지가 유효한지 확인한다. 마지막으로, 체인 B의 사용자가 스마트 컨트랙트를 통해 메시지를 체인 B 사용자에게 전달하면 브릿지를 이용한 메시지 전송 과정이 완료된다.
2.2 블록체인 기술을 이용한 가상 발전소 운영
VPP 개념의 도입은 소규모 DER 발전사업자의 전력시장 참여 장벽을 낮춤으로써 DER의 확산을 도왔다. DER 보유자는 최적의 수익을 창출하고, 망 운영자는 안정적인 전력망의 운영을 달성하기 위해, 다양한 연구에서 인공지능, 블록체인 등 다양한 IT 기술을 적용한 VPP 운영 방안이 제시되었다.
다양한 방식 중, 블록체인 기술을 적용한 VPP 운영 방안은 여러 가지의 장점이 있다. 우선, BVPP는 프로슈머 간 P2P 전력 거래를 가능케 한다. 따라서, BVPP를 통해 효율적인 전력 거래를 달성할 수 있다. 또한, 블록체인 기술의 적용을 통해 기존 복잡한 구조로 진행되었던 전력 거래가 단순화될 수 있다. 상기 두 가지 장점을 바탕으로, 다양한 BVPP 네트워크가 고안되었다.
2.3 브릿지 기술을 이용한 BVPP 간 전력 거래
VPP는 계통에 포함되어 한 개의 자원으로서의 역할을 수행할 수 있다[2]. VPP 내의 DER 간 전력 거래 이후 잉여 전력이 발생하면 발전원으로, 전력이 부족하다면 부하로 계통에 참여할 수 있다. 이를 통해서 VPP 간의 전력 거래를 통해 추가로 발전된 전력을 효율적으로 사용할 수 있으며, 부족한 전력 수요를 충당할 수 있다. 하지만, BVPP의 경우는 각각 서로 다른 블록체인 네트워크를 사용하므로, 체인 간 상호 연결에 제약이 있다. 따라서, 본 단원에서는 브릿지 기술을 활용하여 BVPP 간 소통을 가능케 하는 방법을 자세히 서술한다.
2.3.1 브릿지 기술을 이용한 BVPP 간 전력 거래 아키텍처
본 연구에서는 메인 그리드와 두 개의 VPP가 포함된 전력망을 모델로 BVPP 간 전력 거래를 시뮬레이션했다. 전력망 모델 구조는 <그림 2>와 같다. 과 는 각각 체인 A와 체인 B가 기반 블록체인 네트워크가 되며, Coin A와 Coin B를 화폐로 이용하여 전력을 거래한다.
<그림 2> BVPP 간 전력 거래 아키텍처
제시된 전력망에서 VPP를 최적으로 운영하기 위한 수식은 (1)과 같다.
최적화 수식과 관련된 제약 조건은 수식 (2)-(5)와 같다.
하지만, VPP(A)와 VPP(B)는 서로 다른 체인을 사용하며, 이용하는 화폐가 다르므로 (1)-(5)의 수식이 적용되기 어렵다. 따라서, 최적화 알고리즘을 이용하기 위해서는 체인 간 상호작용이 필수적이며, 브릿지 기술이 필요하다. 다음은 lock-and-mint 방식의 브릿지를 이용하여 VPP(A)의 운영자 A가 VPP(B)의 운영자 B로부터 전력을 구매하는 과정을 순서대로 나타낸 것이다:
A와 B는 거래할 전력에 대한 양/가격 정보를 협상한다.
A는 전력 가격을 Coin A로 준비하고, 스마트 컨트랙트를 이용하여 VPP(A)의 블록체인에 고정한다. 고정된 코인은 아무도 사용할 수 없다.
브릿지의 감시자는 고정된 코인을 확인하고, VPP(A)의 블록체인상의 스마트 컨트랙트를 호출하여 고정된 양만큼의 Coin A를 VPP(B)의 블록체인에 발행한다.
VPP(B)의 블록체인에서는 스마트 컨트랙트를 이용하여 자동으로 Coin A를 Coin B로 스왑한다.
전환된 코인은 B에게 전달된다.
상기 과정을 통해 서로 다른 블록체인을 이용하는 A와 B가 상호작용할 수 있으며, 화폐 간 전환이 가능하므로 (1)의 수식을 이용하여 BVPP 간 거래가 최적화될 수 있다.
2.3.2 브릿지를 이용한 BVPP 시스템의 장점
브릿지를 이용하는 방법 외에도 중앙화 거래소(CEX)를 이용하는 방식으로 블록체인 간 상호작용 및 코인의 전환을 할 수 있다. 하지만, 해당 과정은 몇 가지의 단점이 있다. 우선, CEX에 환전 수수료를 지불해야 한다. 또한, CEX를 거치는 과정이 필수적이기 때문에 환전에 비교적 오랜 시간이 걸린다. 브릿지를 이용한 블록체인 간 상호운용 방식은 브릿지 이용에 추가 수수료가 발생하지 않으므로 CEX를 이용할 때보다 가격이 합리적으로 설정된다. 추가로, 브릿지를 이용한 체인 간 상호작용은 직접 이뤄지므로 환전 절차가 간단하고 빠르게 진행된다. 해당 장점을 근거로, 본 논문에서 제시된 전력 거래 모델이 CEX를 이용하는 방식에 비해 효과적인 것을 확인할 수 있다.
3. 결 론
VPP가 계통에서 한 개의 발전원 또는 부하로 역할을 할 수 있으려면, 서로 다른 VPP 간 전력의 거래가 자유롭게 이뤄져야 한다. 하지만, BVPP는 각자 다른 블록체인 시스템을 이용하므로 다른 BVPP와 상호작용하기 어렵다. 본 연구에서는 BVPP 간의 전력 거래를 위해 브릿지 기술을 이용한 새로운 모델이 제시된다. 또한, CEX를 이용하는 방식보다 제시된 방식의 경제 및 거래 속도 측면에서의 우수함이 서술된다.
하지만, 본 논문은 몇 가지의 한계점을 지닌다. 먼저, VPP를 한 개의 발전원으로만 고려하였으며 내부의 DER 간 상호작용을 고려하지 않았다. 또한, 두 개의 VPP 사이의 상호작용만을 고려했다. 후속 연구에서는 VPP 내 DER 수익 최적화의 고려 및 다수의 VPP 기반 시스템에서 최적 운영 방안의 도출이 진행될 계획이다.
[참 고 문 헌]
[1] Belchior, R., Vasconcelos, A., Guerreiro, S., & Correia, M., “A survey on blockchain interoperability: Past, present, and future trends.”, ACM Computing Surveys (CSUR), 54(8), 1-41, 2021
[2] Ullah, Z., Arshad, & Ahmad, J., “The Development of a Cross-Border Energy Trade Cooperation Model of Interconnected Virtual Power Plants Using Bilateral Contracts.”, Energies, 15(21), 8171, 2022
Comments