[논문]스마트미터를 활용한 건축물의 전력에너지 절감 및 효율화 방안

황현배; 정병수

doi:10.14400/jdc.2014.12.11.365

스마트미터를 활용한 건축물의 전력에너지 절감 및 효율화 방안
Electric Power Energy Saving and Efficient Measures in Buildings using the Smart-Meter 원문보기

디지털융복합연구 = Journal of digital convergence, v.12 no.11, 2014년, pp.365 - 372

황현배 (남부대학교 디지털경영정보학과) , 정병수 (남부대학교 디지털경영정보학과)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 스마트미터를 활용한 건축물의 전력에너지 절감 및 효율화 방안에 대하여 실험하였다. 전력에너지 절감을 위해 개선된 자동역률제어시스템(APFC)을 제안하고, 수요전력의 억제(Demand Control) 방안을 제시하였다. 이는 스마트미터의 ICT 기술을 통하여 실시간 양방향으로 콘덴서 뱅킹과 차단기를 직접 제어함으로써 이루어진다. 개선된 APFC는 콘덴서 뱅킹을 보다 다양화하기 위해 이종 용량의 콘덴서를 직병렬 혼합 결선하여 구성함으로써 구축 비용을 최소화 한다. 상기 기능을 위해 Atmel사의 AVR465를 이용하여 PLC 및 Zigbee 통신기능을 갖는 스마트미터를 설계하였다. 24시간 운영되는 숙박시설에 대하여 테스트한 결과 역률은 95%이상을 유지하였고, 과보상은 발생하지 않았음을 확인할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, We implement a power-saving and efficient measures in buildings using the smart-meter. In order to save electric power energy, We propose an improved automatic power-factor controller(APFC) and demand control measures. This is achieved by controlling directly circuit breakers and the capacitor bank feeders in real time via a two-way smart-meter's ICT skills. Improved APFC is minimizing installation costs by series-parallel connecting heterologous capacitors to form a more diverse capacitor banking and controlling using the smart-meter. In order to suppress the demand power, We have designed a smart-meter with communication functions using Atmel's AVR465 and tested an operated lodging building for 24-hours. As a result, We made sure to always retained more than 95% power factor and did not occur over compensation.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

따라서 본 논문에서는 보다 저비용의 능동적이며 효율적인 최대수요전력을 제어하기 위해 건축물의 설계 시 옥내 배선을 다양화하여 부하의 차단순위를 결정하고, 스마 트미터를 통한 자동적인 방법과 관리자에 의한 선택적 수동 제어가 가능한 최대수요전력 관리방안을 제시한다.
즉, 영업 시간 중에 부하가 중부하 이하가 되면 오히려 콘덴서에 의한 진상역률이 될 우려가 있다. 따라서 본 논문에서는 설비비용을 최소화하면서 고역률의 효과를 볼 수 있도록 콘덴서 뱅크 구성시 직병렬 혼합 스위칭 결선을 통하여 다양한 용량을 구현함으로써 변화하는 부하에 대응하는 APFC를 제안한다.
상기와 같이 1장에서는 본 연구의 필요성을 살펴보았고, 2장은 관련연구로 건축물의 전력에너지 절감 방안을 분석하고 이중 본 논문에서 주요 방안으로 제시하는 역률 개선 및 수요전력 억제 방식의 현황 및 문제점에 대하여 살펴본다. 또한 건축물의 전력설비를 제어하고 관리의 효율화를 이루기 위한 필수적인 장치로서 스마트미터를 소개하고 갖추어야할 기능들에 대하여 살펴본다. 3장에서는 스마트미터를 통한 개선된 자동역률제어 시스템과 수요전력의 제어 방식을 제안하며, 효율적인 관리 및 제어가 이루어질 수 있도록 전반적인 시스템 구조를 제시한다.
본 논문에서는 건축물에서 발생하는 전력에너지의 절감 요소에 대해 살펴보고, 역률제어와 수요전력의 제어를 위하여 스마트미터를 활용한 저비용 구축방안을 제시하였다.
본 논문에서는 스마트그리드 시스템의 구현을 앞당기고 B-EMS의 활성화를 위한 가장 기초적인 방안으로 중소규모 건축물에 적합한 스마트미터를 통한 전력에너지 절감 및 효율적인 전력에너지 관리 방안을 제시하고자 한다.
본 논문에서는 스마트미터를 통하여 다양화된 배전선의 제어를 통하여 수요전력을 제어하는 방안을 제시한다. 배전선을 다양화한다는 것은 상시전원과 수시전원을 구분하여 배선하는 방법이다.
역률 개선을 통한 전력에너지 절감과 경제적인 효과를 보기위해서는 변압기의 2차측에 설비용량에 적당한 전력용 콘덴서를 부착하여야 한다. 이를 위해 본 논문에서는 기존의 콘덴서 뱅킹 구성 방식을 개선하기 위해 내압이 충분한 이종의 콘덴서 용량을 직병렬 혼합하여 구성하고, 스마트미터를 통하여 직접 제어하는 개선된 자동역률 제어방식을 제안한다. 콘덴서 용량은 병렬 연결시 증가하지만 직렬 연결시 용량이 작아진다는 원리를 이용하여 기존 방식보다 다양한 용량의 콘덴서 뱅크를 구성할 수 있으므로 보다 저렴하게 설비 구축이 가능하다.
상기 낭비요인을 해결하기 위해서는 설비비용의 문제점과 운영 및 관리에 따른 경제적인 사안을 고려하지 않을 수 없다. 이에 본 논문에서는 건축물의 전력설비 도입에 있어서 비용을 최소화하고 에너지 낭비를 줄이며 관리적 측면에서 효율화를 꾀하고 경제적인 운영이 이루어질 수 있도록 상기 요인 중 역률 개선 문제와 수요전력의 억제 방안을 제안한다.

제안 방법

Atmel사의 AVR465를 이용하여 유무선 통신기능을 갖는 스마트미터를 설계하고, 수전용량 450 kVA의 24시간 운영되는 숙박 시설에 적용하였다.
본 논문에서 제안한 전력설비 제어를 위하여 구현한 스마트미터를 수전용량이 450 kVA이고, 24시간 운영되는 숙박 시설에 적용하였으며, 역률은 15분 간격으로 계량하고 일일 평균을 측정하였다. 개선된 APFC 구현을 위한 콘덴서 뱅킹의 구성은 [Fig. 5]의 a와 같이 2대의 콘덴서를 직병렬 혼합 결선하여 적용하였으며, 각 콘덴서 용량은 10 Kvar와 15 Kvar로 구성하였다.
공용부하 역시 상시 배선과 수시 배선으로 나누고 부하의 중요도에 따라 배선을 다양화 하여 비상 상황 발생시 스마트미터를 통해 해당 배선 라인의 스마트차단기를 관리자에 의해 직접 제어가 가능하도록 구성하는 방안이다. [Fig.
3장에서는 스마트미터를 통한 개선된 자동역률제어 시스템과 수요전력의 제어 방식을 제안하며, 효율적인 관리 및 제어가 이루어질 수 있도록 전반적인 시스템 구조를 제시한다. 또한, 스마트미터를 구현하여 그 테스트 결과를 제시한다. 4장에서는 결론에 대해 기술하고 향후 방향에 대하여 서술한다.
대부분 기기간의 통신은 현재 지능형전력량계의 통신기술로 표준화되고 있는 PLC를 통하여 제어될 수 있도록 구성하였다[15]. 또한, 스마트미터와 스마트배선용 차단기 및 스마트 가전간의 통신을 위해 무선방식의 Zigbee 모듈을 사용하여 설계하였다.
메인 컨트롤부는 스마트미터와 각종 기기간의 제어를 위해 유선통신방식으로 PLC 통신 모듈을 사용하였고, 무선통신방식으로 Zigbee 모듈을 사용하였으며, 비상용 유선통신방식으로 RS-485 통신이 가능하도록 구성하였다. [Fig.
본 논문에서 제안한 전력설비 제어를 위하여 구현한 스마트미터를 수전용량이 450 kVA이고, 24시간 운영되는 숙박 시설에 적용하였으며, 역률은 15분 간격으로 계량하고 일일 평균을 측정하였다. 개선된 APFC 구현을 위한 콘덴서 뱅킹의 구성은 [Fig.
본 논문에서는 상기의 기능을 위하여 Atmel사의 AVR465를 이용하여 스마트미터를 설계하였다[14].

성능/효과

해당 숙박시설에 적용결과 역률은 95% 이상을 유지하였고, 역률 과보상 문제는 발생하지 않았음을 확인할 수 있었다. 따라서 스마트미터를 통하여 건축물의 전력설비를 경제적이고 보다 효율적으로 제어할 수 있음을 확인하였다.
실험결과, 해당 숙박시설의 역률은 95%이상을 유지 하였고, 역률 과보상 문제는 발생하지 않았음을 확인하였다.
해당 숙박시설에 적용결과 역률은 95% 이상을 유지하였고, 역률 과보상 문제는 발생하지 않았음을 확인할 수 있었다. 따라서 스마트미터를 통하여 건축물의 전력설비를 경제적이고 보다 효율적으로 제어할 수 있음을 확인하였다.

후속연구

향후 네트웍 통신 기술의 표준화와 각종 제어기기 및가전제품들의 스마트화가 이루어지면 전체적인 건축물의 전력에너지 절약 시스템에 대해서 연구할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	국가 정책 차원에서 에너지 절감 및 효율화를 지원하는 이유는?	최근 전 세계적인 이산화탄소 배출량의 규제와 더불 어 전력난 문제가 심화되면서 국가 정책 차원에서 에너지 절감 및 효율화를 지원하고 있으며, 이러한 추세에 발맞춰 B-EMS와 스마트그리드 시스템에 대한 활발한 연구와 활성화 방안 도출이 이루어지고 있다[1]. B-EMS는 건축물 에너지관리 시스템의 약어로써 건축물의 종합적인 에너지 절약과 효율적인 관리 및 운영을 담당하는 시스템이다.
	스마트그리드 시스템은?	스마트그리드 시스템은 기존의 전력망에 정보통신기 술(ICT)을 연계하여 전력망의 신뢰성, 효율성, 안전성을 향상시키고, 전력의 생산 및 소비 정보를 양방향 실시간 으로 제어함으로서 에너지 효율을 최적화하려는 차세대 지능형 전력망 기술이다[5]. 이를 통해 소비자 및 관리자 에게 전력사용 정보를 제공하여 수요 반응(Demand response)을 유도하고, 전력계통의 투자와 운영에 효율 화를 꾀하고 있다.

참고문헌 (15)

MOTIE & KEMCO "2014 Energy and Climate Change Policy briefing materials" pp. 27-40, Jan. 2014.
S. B. Kim, Building energy management system(BEMS) activation plan according to green architecture composition act, KEMCO, Sep. 2012.
J. Y. Oh, Building energy-saving practices through a network-based BEMS, KARSE, pp. 60-69, Oct. 2012.
Y. K. Shin, Latest technology trends BEMS, SAREK magazine, Vol. 43, pp. 18-25, May 2014.
J. B. Sim, Y. W. Ha, "A Study on the Prospective IT R&D Fields in the Smart Grid Area", J-KICS, Vol. 35, No. 9, pp. 1416-1427, Sep. 2010.
G. S. Jung, Y. S. Lee, S. B. Kim, Y. I. Kim, Building energy management, Book Publishing A-Jin, pp. 121-148, Oct. 2012.
Y. M. Doh, S. J. Kim, T. W. Hoe, N. S. Park, H. H. Kim, S. K. Hong, J. H. Seo, J. A. Jeon, A Trend Analysis of Smart Grid Technology: The Convergence of Electric Power Network and IT Technologies, ETRI Electronics and Telecommunications Trends, 24(5), pp. 74-86. Oct. 2009.
S. G. Kim, H. B. Lee, Y. J. Lee, Y. S. Choi, A Study of an Application Scheme for Smart Meter and Value Added Services Based on Korean Environment, Trans. KIEE. Vol. 59P(1), No.1. pp. 106-111, MAR. 2010.
KEPCO, Basic electrical supply agreement, Jun. 2014.
J. H. Jung, A Study for Element Technology of Electric Fields and Improvement of Application Method on Design Standard of Energy Conservation in Buildings, Han Yang Univ. Master's Thesis, pp. 18-32, 63-68. Feb. 2013.
K. C. Kim, H. B. Choi, "A Study on the Power Factor Correction and Harmonics Reduction of Capacitor Banks Installed at Customers" Jounal of KIIEE, Vol. 22, No. 8, Aug. 2008.

원문보기 상세보기
KEPCO KDN, Intelligent Power-Factor Control System, Product introduction.
T. S. Kim, H. S. Kang, K. D. Joo, S. H. Lyu, K. W. Koo, S. O. Han, Electric energy saving system with high speed response to load variation using power-factor correction, KIEE summer conference proceedings,10-12, pp. 2388-2390. July. 2002.
Atmel company, Atmel AVR465:Single-Phase Power/Energy Meter with Tamper Detection, Application Note.
B. S. Park, "PLC & Smart-Meter's communication technology and trend of Standardization", 2012 Smart-Grid report, pp. 112-131, November, 2012.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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