3.1 설계 원칙

E-ECP의 기본 철학은 ‘ESS를 전부하 추종원(total load follower)이 아닌 전략적 예비·완충원(strategic buffer)으로 운용’하는 것이다. 엘리베이터 4대의 하루 회생전력(16~20 kWh)은 건물 총 공용 부하(205~250 kWh)의 약 7~10 %에 불과하므로, ESS를 무분별하게 방전하는 대신 운영 상태에 따라 선별적으로 투입한다. 이에 따라 비응급 부하는 부분지원만 허용하고, 특정 시간대에는 비상부하 외 ESS 지원을 완전히 중단하는 보수적 운용 원칙을 채택한다. 전체 제어 구조는 Fig. 1과 같다.

3.2 핵심 변수 및 설계 수식

E-ECP의 시나리오 판정과 부하 제어는 다음의 핵심 변수와 수식을 기반으로 이루어진다. 각 변수의 정의는 Table 1에 정리하였으며, 폐루프 제어 구조는 Fig 2와 같다.

(1) 실질 가용 에너지 (ESS_avail)

시점 t에서 실제로 부하에 투입할 수 있는 전력량으로, 현재 잔여량에 예측 회생전력을 합산하고 비상예비를 공제하여 산출한다.

ESS_remain(t)은 시점 t의 ESS 잔여 전력량[kWh]이다. P_predicted(H,t)는 예측 지평 H=30분 동안 엘리베이터 운행으로 발생할 회생전력의 예측값[kWh]으로, 직전 30분간의 운행 로그(운행 횟수, 방향, 탑승 인원)를 이용한 이동평균 회귀식으로 산출하며 불확실성을 감안해 하한 추정치를 사용한다. 구체적으로 회생전력 추정값과 예측값은 다음 식 (2)와 같이 정의한다.

여기서 n_up·n_down은 윈도우 내 상승·하강 운행 횟수, n_pax는 탑승 인원 합, $\sigma\_\epsilon$는 회귀 잔차 표준편차, z는 보수적 하한 추정을 위한 계수(본 연구 z=1)이다.

R_res는 비상설비(부하 2.8 kW)를 최소 2시간 유지하기 위해 항상 확보해야 하는 비상예비 에너지로, 기본 소요량은 2.8 kW × 2h = 5.6 kWh이다. 본 연구에서는 방전 효율($\eta\_d$ = 0.95)에 따른 손실과 약 5 %의 설계 안전마진을 추가로 반영하여 R_res = 5.6 kWh / 0.95 × 1.05 ≈ 6.2 kWh로 설정하였으며, 시간 불변 상수로서 어떤 상태에서도 소진되지 않도록 설계된다. 산출된 ESS_avail(t)은 매 평가 주기($\Delta t$=5분)마다 갱신되며, 시나리오 판정의 1차 입력값이 된다.

아울러 E_min은 ESS_avail(t)이 이 값 미만으로 낮아지면 SOC가 SOC_peak_guard 이상으로 유지되더라도 선제적으로 Conserve 모드로 전환시키는 보조 임계치이다. 비상예비 R_res 대비 약 30 %의 여유를 반영하여 E_min = R_res × 1.3 ≈ 8.0 kWh로 설정하였으며, 이는 SOC 기준만으로는 포착하기 어려운 급격한 부하 변동 상황에서 ESS_avail의 절대적 에너지 부족을 조기에 감지하기 위한 보완 장치이다.

(2) SOC(State of Charge) 관리 기준

SOC는 배터리 충전 상태를 백분율로 나타내는 지표로, 다음의 3단계 임계값에 따라 운영 모드 전환의 기준이 된다.

SOC_target(t)는 시간대별 목표 SOC 곡선으로, 피크 시간 직전에 충전량을 선제적으로 확보하여 피크 시간대 집중 방전이 가능하도록 한다. SOC는 30 %~90 % 범위 내에서만 운용되며 범위 초과 시 충·방전이 자동 차단된다.

(3) 시간대 마스크 M(t)

M(t)는 피크 시간대 ESS의 불필요한 방전을 차단하는 이진 제어 변수이다.

Peak_window는 07:00~09:00 및 18:00~21:00이다. M(t)=0이면 비상부하(Load_1 중 소방·비상조명)를 제외한 모든 ESS 공급이 차단된다. 단, SOC(t) $\geq$ SOC_target(t)인 상태에서 피크 시간대가 도래하면 M(t)=1이 유지되어 ESS를 집중 방전하며 최대수요를 억제한다. 두 조건이 충돌하는 경우, 즉 피크 시간대이면서 SOC가 목표치 이상인 경우에는 M(t)=1(방전 허용)을 우선 적용한다. 이는 선제 충전 전략의 실질적 효과를 보장하기 위한 설계이다.

(4) 부분지원 계수 $\phi\_B(t)$, $\phi\_V(t)$

부하초과·절약 상태에서 기본부하와 가변부하에 ESS가 공급하는 비율을 동적으로 조절하는 계수이다.

정상 상태의 초기값은 $\phi\_B$=0.4, $\phi\_V$=0.3이며, 절약(Conserve) 상태에서는 $\phi\_B$ $\leq$ 0.2, $\phi\_V$=0으로 강제 제한된다. 두 계수는 ESS_avail(t), SOC(t), 일일 예산 대비 잔여량에 따라 매 평가 주기($\Delta t$=5분)마다 실시간으로 재산출된다.

(5) ESS 충·방전 에너지 수지

매 평가 주기 $\Delta t$마다 ESS의 잔여 용량은 다음 수식으로 갱신된다.

여기서 P_regen(t)은 시점 t에서 발생하는 회생전력(kW), $\eta\_c$는 충전 효율(=0.95), P_discharge(t)는 ESS 방전 전력(kW), $\eta\_d$는 방전 효율(=0.95)이다. SOC는 다음과 같이 정의된다.

단, SOC는 항상 SOC_floor(30 %) 이상, 90 % 이하의 범위 내에서만 운용되며 이 범위를 벗어나는 충·방전은 자동 차단된다.

(6) 운영 상태 판정 의사코드 (매 $\Delta t$=5분 실행)

(7) 비교 전략 구현 방식

세 비교 전략의 시뮬레이션 구현은 다음과 같이 정의한다. Baseline은 ESS를 사용하지 않고 회생전력을 발생 즉시 교류로 변환하여 현재 부하에 직접 소비한다. SOC 밴드는 SOC가 80 % 미만이면 회생전력으로 ESS를 충전하고 SOC가 40 % 초과이면 ESS를 방전하는 단순 이진 온/오프 제어로 구현하며, 충·방전 우선순위 구분이나 부하 선별 기능은 없다. Greedy는 부하 수요가 있으면 SOC에 무관하게 즉시 최대 방전하고 회생전력이 발생하면 즉시 최대 충전하는 방식으로 구현하며, 마찬가지로 부하 우선순위를 고려하지 않는다.

3.3 부하 우선순위 체계

건물 내 부하는 생명·안전과의 연관성에 따라 3등급으로 분류된다. Load_1(기본부하)은 복도·계단 조명, CCTV, 소방설비로 구성되며, 모든 시나리오에서 반드시 공급이 보장되어야 하는 최우선 부하이다. Load_2(가변부하)는 공용 냉난방, 지하주차장 환기팬, 공동현관 자동문으로 상황에 따라 공급량이 조절된다. Load_3(선택부하)는 EV 충전소, 커뮤니티 시설, IoT 설비로 ESS 전력이 충분할 때만 공급된다. 엘리베이터는 비상 시 구조·대피 수단으로서 모든 등급과 별개로 최우선 필수 설비로 취급된다.

3.4 운영 시나리오 및 판정 절차

E-ECP는 매 평가 주기($\Delta t$=5분)마다 다음의 5단계 순차 로직을 실행하여 운영 상태를 판정하고 부하를 제어한다.

전체 판정 흐름과 부하 차단 순서는 Fig 3과 같다.

긴급 모드 해제 후에는 SOC 수준에 따라 Conserve $\rightarrow$ Partial Overload $\rightarrow$ Normal 순으로 단계적으로 복귀하며, 급격한 상태 전환에 의한 시스템 불안정을 방지한다.

4.1 실험환경

국내 200세대 규모 공동주택(2개 동, 22~25층, 엘리베이터 4대)을 모델로 설정하였다. 엘리베이터 1대당 하루 소비 전력은 20~25 kWh, 회생전력 회수율은 보수적으로 25 %를 적용하여 총 회생전력은 16~20 kWh/일로 산정하였다. 공용 부하는 기본부하(60~70 kWh), 가변부하(40~50 kWh), 선택부하(25~30 kWh)로 구성하여 총 205~250 kWh/일 수준으로 설정하였다. ESS 용량은 100, 150, 200 kWh의 세 가지 조건을 비교하였으며, 충방전 효율 95 %, SOC 운용 범위 30~90 %로 제한하였다. 시뮬레이션은 24시간을 5분 간격(총 288 스텝)으로 수행하였다.

4.2 비교 전략 및 시나리오

비교 대상은 E-ECP 외에 ESS 미사용 기준 전략(Baseline), SOC 40~80 % 유지 온/오프 제어(SOC 밴드), 부하 발생 시 즉시 방전·회생 발생 시 즉시 충전(Greedy)의 3가지이다. 시나리오는 특이사항 없는 정상 조건(S1, 초기 SOC 55 %), 피크 시간 부하 1.5배 급등 조건(S2, 초기 SOC 55 %), 정전 긴급 조건(S3, 초기 SOC 25 %)으로 구성하였다.

4.3 성능 평가지표 정의

성능 비교에 앞서, 본 연구에서 사용하는 주요 평가지표의 의미를 표 3에 정리한다. 각 지표는 에너지 효율성 및 안전성의 서로 다른 측면을 정량적으로 나타내며, 독자의 이해를 돕기 위해 단위와 해석 기준을 함께 제시한다.

정량 지표 중 ENS와 보호율은 각각 다음과 같이 정의된다. ENS(Energy Not Supplied, 미공급 전력량)는 부하가 요구한 전력 중 실제 공급되지 못한 에너지의 총합으로 정의하며, 전체 부하 기준과 필수 부하 기준을 구분한다.

비상부하 보호율 R_prot은 하루 중 필수설비가 무중단 가동된 시간 비율로 정의하며, 다음 식 (9)와 같다.

여기서 $\mathbb{1}\{\cdot\}$은 해당 스텝에서 엘리베이터·소방·비상조명 등 필수설비 전력이 전량 공급되면 1, 아니면 0이다. 즉 보호율은 시간 기준 지표이며, ENS(필수)는 같은 안전성을 에너지량으로 본 상보적 지표이다.

4.4 성능평가 결과

정상 조건(S1)에서는 네 전략 모두 보호율 100 %, 회생전력 자가소비율 100 %로 동일하였다. 그러나 SOC 관리에서 차이가 나타났다. Baseline과 SOC 밴드는 ESS를 전혀 활용하지 않았고(SOC 55 % 유지), Greedy는 SOC를 30 %까지 소진하였다. E-ECP는 SOC를 약 42~43 %로 유지하여 에너지를 활용하면서도 비상 대비 여력을 확보하였다. 24시간 SOC 변화는 Fig 4와 같다.

피크 부하 조건(S2)에서 E-ECP만이 실질적인 피크 억제 효과를 보였다. ESS 100 kWh에서 최대수요 감소율 14.85 %, 200 kWh에서 18.66 %를 달성하였다. Baseline, SOC 밴드, Greedy는 모두 0 %로 피크 억제 효과가 없었으며, 특히 Greedy는 ESS를 모두 소모하고도 성과를 내지 못하였다.

한편 100 kWh와 150 kWh의 피크 감소율이 14.85 %로 동일하게 나타나는데, 이는 피크 저감량이 ESS ‘용량’이 아니라 피크창에서 실제로 방전 가능한 ‘에너지·출력’에 의해 결정되기 때문이다. 두 용량 모두 보수적 방전정책(SOC_target 및 R_res 우선 확보) 하에서 피크창에 투입되는 방전량이 동일한 상한에 도달하므로 최대수요 감소율이 같게 나타난다. 150 kWh의 추가 용량은 SOC_target(%) 기준이 동일한 비율로 유지되어 피크창에 추가 투입되지 않고 예비로 남는다. 반면 200 kWh에서는 SOC_target 이상의 여유 에너지가 충분히 커져 피크창 방전이 더 깊어지면서 18.66 %로 확대된다. 피크 부하 프로파일 비교는 Fig 5와 같다.

긴급 조건(S3)에서 E-ECP는 ESS 100 kWh에서 비상부하 보호율 10.76 %, ENS(필수) 41.75 kWh를 기록하였고, 200 kWh에서는 보호율 21.53 %, ENS(필수) 37.00 kWh로 개선되었다. Baseline과 SOC 밴드는 보호율 0 %로 필수 설비를 전혀 보호하지 못하였으며, Greedy는 우선순위 없이 방전하여 ENS(필수)가 오히려 56~57 kWh로 가장 높게 나타났다.