[논문]PSO를 이용한 물 재이용 펌프시스템의 에너지 비용 제어

부창진; 김호찬; 강민제

doi:10.5762/kais.2015.16.1.860

PSO를 이용한 물 재이용 펌프시스템의 에너지 비용 제어
Energy Cost Saving Control of Water Reuse Pumping System Using Particle Swarm Optimization 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.16 no.1, 2015년, pp.860 - 867

부창진 (제주국제대학교 전기에너지공학과) , 김호찬 (제주대학교 전기공학과) , 강민제 (제주대학교 전기공학과)

초록
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본 논문은 PSO 알고리즘을 이용하여 물 재이용 펌프 시스템의 에너지비용을 최소화 할 수 있는 방법을 제안한다. 1시간 단위의 시간대에서 펌프제어를 위해 계시별 요금제를 기반으로 하여 최적화 구간을 설정하고 PSO알고리즘을 이용하여 에너지 비용을 절감할 수 있도록 펌프동작을 제어한다. 물 재이용 펌프시스템에서 고정된 유량을 출력하는 펌프와 입력전력을 가변할 수 있는 펌프에 대해 TOU 기반에서 에너지 비용을 최대로 줄일 수 있도록 시스템을 동작시킨다. 시뮬레이션을 통해 제안한 에너지 비용 절감 방법이 기존 수위기반의 제어방법보다 비용을 절감할 수 있음을 확인할 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents a control method for energy cost saving in the water reuse pumping system. An optimize horizon switching strategy is proposed to implement an pump control. And Particle Swarm Optimization (PSO) algorithm is used to solve optimal problems in each time step. Energy costs are calculated for electricity on both TOU in the light, heavy, and maximum load time period and peak charges. The control method in water reuse pumping systems is determined to reduce the TOU cost. The simulation results show a energy cost saving for water reuse pumping systems.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 계시별 요금제 기반에서 물재이용펌프시스템 운용을 위해 중부하시간대와 최대부하시간대에 대한 제어구간을 설정하고 펌프의 입력전력의 스위칭 제어와 출력유량을 제어하여 수요유량의 안정적 공급과 에너지 비용절감을 할 수 있는 PSO를 사용한 제어방법을 제안하였다. 기존의 상한치와 하한치 기반의 수위에 따라 on-off 펌프제어방식에 비해 사용전력 대비 전력요금을 절감할 수 있음을 확인하였다.
본 논문에서는 국내에 시행되고 있는 시간대별 요금제(Time of Use) 기반에서 중부하 시간대와 최대부하시간대에 대한 구간을 설정하고, PSO 알고리즘을 이용하여 펌프시스템을 제어하여 시간당 수요유량(Demand)을 처리함에 있어 물탱크 및 저장소의 안정된 범위내에 유량을 조절할 수 있는 안정성과, 입력 전력을 제어함으로써 펌프시스템 운전 시간대를 이동시켜 기존의 수위기반 제어방식과 비교하여 에너지 사용비용을 절감할 수 있음을 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 검증하고자 한다.

제안 방법

일반적으로 펌프의 동작은 on-off 동작을 수행하는 이진(binary)기반의 동작하는 방식과 펌프의 속도를 조절하여 유량을 제어하는 방식이 사용되고 있다. 그림 2에 본 논문에서 적용한 이진 펌프 제어시스템과 가변 펌프 제어시스템을 나타내었으며, 전원부, 유량 및 수위 관리부, 수요량 제어부로 시스템 구성이 가능하고 제어시한에서 스위칭 시한 결정과 펌프의 종류에 따른 속도 또는 주파수 조절을 통한 유량제어가 가능한 구조로 구성하였다. 또한 펌프의 특성과 전력곡선을 사용하여 펌프 용량에 대한 전력 모델을 적용하였다.
기존 상용전원을 사용하는 물처리 펌프운전시스템의 사용 에너지비용을 절감하기위한 방법으로 유전자알고리즘(Genetic algorithm)[4-5], 시뮬레이티드어닐링 (Simulated annealing)[6]등을 사용하여 펌프시스템 최적화 모델을 설계하고, 펌프의 동작여부에 대한 스케쥴링 운전을 통한 비용절감방안을 제시하였다[7]. 이러한 연구에서 제안된 알고리즘의 결과는 좋은 성능을 나타내었으나 최적화된 결과를 계산하는 시간이 길고 다소 복잡한 구조를 가지고 있어 기 구축된 실제 시스템 적용에 있어 한계를 가지고 있다.
또한 사용전력에 대한 계절적인 요인으로 여름철을 선택하고, 시간대별 부하사용 요금을 적용하여 컴퓨터 시뮬레이션을 수행하였다. 또한 본 논문에서는 가변주파수 제어(variable frequency control)와 가변속 드라이브(variable speed drive) 동작이 가능한 펌프를 고려하였으며 계시별요금제는 일반용(을)을 사용하였다. 또한 파이프 길이는 4[m], 효율은 80[%]를 고려하였다.
물 처리 펌프시스템에서 전력 사용요금과 사용량 절감 위한 방법을 검증하기 위해 물 재이용 처리시설의 이송펌프의 출력 유량과 수용가의 수요 유량에 대한 수위를 조절하였다. 또한 사용전력에 대한 계절적인 요인으로 여름철을 선택하고, 시간대별 부하사용 요금을 적용하여 컴퓨터 시뮬레이션을 수행하였다. 또한 본 논문에서는 가변주파수 제어(variable frequency control)와 가변속 드라이브(variable speed drive) 동작이 가능한 펌프를 고려하였으며 계시별요금제는 일반용(을)을 사용하였다.
그림 2에 본 논문에서 적용한 이진 펌프 제어시스템과 가변 펌프 제어시스템을 나타내었으며, 전원부, 유량 및 수위 관리부, 수요량 제어부로 시스템 구성이 가능하고 제어시한에서 스위칭 시한 결정과 펌프의 종류에 따른 속도 또는 주파수 조절을 통한 유량제어가 가능한 구조로 구성하였다. 또한 펌프의 특성과 전력곡선을 사용하여 펌프 용량에 대한 전력 모델을 적용하였다.
물 처리 펌프시스템에서 전력 사용요금과 사용량 절감 위한 방법을 검증하기 위해 물 재이용 처리시설의 이송펌프의 출력 유량과 수용가의 수요 유량에 대한 수위를 조절하였다. 또한 사용전력에 대한 계절적인 요인으로 여름철을 선택하고, 시간대별 부하사용 요금을 적용하여 컴퓨터 시뮬레이션을 수행하였다.
또한 고정된 수요유량에서 좋은 성능을 보인 LP(Linear programming) 방식[8]의 경우 적용시스템에 대한 정확한 입력 유량과 수요유량 정해져야 하며 사용중에 외부의 영향으로 이 값들이 변경될 경우 시스템의 오류가 발생되어 LP를 초기화하여 다시 설정하여야 하는 문제를 가지고 있다. 본 논문에서는 수요유량이 시간대별로 변화하는 경우 물 재이용처리시스템을 안정적으로 동작할수 있는 유량과 전력량을 제어할 수 있는 PSO를 적용할 경우 시스템의 오류없이 동작할 수 있음을 확인하기 위해 경부하시간대, 최대부하시간대의 일부 구간에서 85(m³/h)로 수요유량이 변경되었을 때를 시뮬레이션을 수행하였다.
수용가의 수요유량에 대해 전력사용이 경부하 시간대 펌프사용 전력 입력을 기반으로 중부하와 최대부하 시간대의 출력을 계산하기 위해 최적화 구간을 설정하여 펌프 스위칭을 조절할 수 있는 제어를 위해 그림 4와 같이 시간에 따른 유량과 펌프동작을 설계한다. 현재의 수위는 펌프동작 시 유량에서 수요유량의 차이만큼 상승하게 되고, 펌프가 정지상태의 경우 수용가 수요유량만큼 수위가 내려가게 된다.
현재의 수위는 펌프동작 시 유량에서 수요유량의 차이만큼 상승하게 되고, 펌프가 정지상태의 경우 수용가 수요유량만큼 수위가 내려가게 된다. 최적화 구간은 중부하 시간대와 최대부하 시간대가 존재하는 구간을 설정하며, 1일의 최종 수위는 다음날의 기준 수위로 수용가 수요유량 변경 등을 고려하여 새롭게 펌프를 동작시킬 수 있도록 하였다.

성능/효과

기존의 펌프운전 방식은 시간대별 사용요금이 고려되지 않아 중부하 시간대 또는 최대부하 시간대의 펌프 운전됨으로써 순수 사용한 전력량에 비해 상대적으로 에너지 비용이 높음을알 수 있다. 각각의 펌프운전방식에 따른 1일 전력사용 요금합계는 각각 9,869원, 9,164원, 6,102[원]으로 입력전력과 유량제어가 가능한 PSO를 이용한 펌프운전의 경우 에너지 비용이 30%이상 저감할 수 있음을 알 수 있다. 수요유량과 초기 수위에 따라 에너지 비용은 다르게 나타나지만 1개월을 동일 패턴으로 펌프를 운전하였을 경우 기본요금을 포함한 에너지 사용비용은 303,450원, 282,300원, 190,440원으로 최대 37%정도 절감할 수 있다.
본 논문에서는 계시별 요금제 기반에서 물재이용펌프시스템 운용을 위해 중부하시간대와 최대부하시간대에 대한 제어구간을 설정하고 펌프의 입력전력의 스위칭 제어와 출력유량을 제어하여 수요유량의 안정적 공급과 에너지 비용절감을 할 수 있는 PSO를 사용한 제어방법을 제안하였다. 기존의 상한치와 하한치 기반의 수위에 따라 on-off 펌프제어방식에 비해 사용전력 대비 전력요금을 절감할 수 있음을 확인하였다. 특히 입력전력과 유량 조절이 가능한 펌프의 경우 기존 on-off 펌프제어 방식에 비해 30%이상의 에너지 비용을 저감할 수 있음을 확인하였다.
특히 입력전력과 유량 조절이 가능한 펌프의 경우 기존 on-off 펌프제어 방식에 비해 30%이상의 에너지 비용을 저감할 수 있음을 확인하였다. 또한 수요유량 변화에도 유량과 전력량을 조절할 수 있는 PSO 방법의 경우 안정적으로 수위유량을 처리 할 수 있음을 확인하였다. 향후 물 재사용에 대한 수요유량의 시간대별 변화에 대한 영향분석과 펌프장치의 효율과 이송거리에 따른 영향 등을 고려하여 실제 시스템에 적용하여 에너지 비용을 최소화할 수 있는 시스템 운용에 관한 연구를 진행 할 예정이다.
수요유량이 변경되더라도 출력유량과 사용전력을 동시에 제어함으로써 안정적으로 물 탱크의 수위를 조절함을 확인할 수 있다. 수요유량의 증가로 수위의 조절범위는 축소되었으나, 최대부하시간대가 집중된 13시 이후 수위를 낮게 나타난 것을 통해 에너지 절감을 확인할 수 있다.
여기서 계산된 전력에 대한 유량모델을 사용하여 최소 모터의 rpm 최소 출력 54[m³/hour], 최대 모터의 rpm 최대 출력에서 101[m³/hour] 사이의 값으로 유량을 제어하게 된다. 시뮬레이션 결과 중부하 시간대와 최대부하시간대가 집중된 13시 이후의 물탱크 수위가 낮아지는 것을 확인 할 수 있으며, 전력사용 또한 조절이 가능하여 에너지 사용비용을 절감할 수 있음을 확인할 수 있다.
기존 방식과의 차이 점은 수위레벨이 상한이 아닌 상태에서 펌프를 가동시킬 수 있어 에너지 사용비용이 높은 시간대에서 펌프가동을 정지할 수 있다. 시뮬레이션 결과 최대부하시간대 11시, 13시, 14시에 펌프의 동작을 정지하였고, 중부하시간대 19시와 20시에 펌프를 정지함으로써 에너지 비용을 절감할 수 있다.
기존의 상한치와 하한치 기반의 수위에 따라 on-off 펌프제어방식에 비해 사용전력 대비 전력요금을 절감할 수 있음을 확인하였다. 특히 입력전력과 유량 조절이 가능한 펌프의 경우 기존 on-off 펌프제어 방식에 비해 30%이상의 에너지 비용을 저감할 수 있음을 확인하였다. 또한 수요유량 변화에도 유량과 전력량을 조절할 수 있는 PSO 방법의 경우 안정적으로 수위유량을 처리 할 수 있음을 확인하였다.

후속연구

기존 상용전원을 사용하는 물처리 펌프운전시스템의 사용 에너지비용을 절감하기위한 방법으로 유전자알고리즘(Genetic algorithm)[4-5], 시뮬레이티드어닐링 (Simulated annealing)[6]등을 사용하여 펌프시스템 최적화 모델을 설계하고, 펌프의 동작여부에 대한 스케쥴링 운전을 통한 비용절감방안을 제시하였다[7]. 이러한 연구에서 제안된 알고리즘의 결과는 좋은 성능을 나타내었으나 최적화된 결과를 계산하는 시간이 길고 다소 복잡한 구조를 가지고 있어 기 구축된 실제 시스템 적용에 있어 한계를 가지고 있다.
또한 수요유량 변화에도 유량과 전력량을 조절할 수 있는 PSO 방법의 경우 안정적으로 수위유량을 처리 할 수 있음을 확인하였다. 향후 물 재사용에 대한 수요유량의 시간대별 변화에 대한 영향분석과 펌프장치의 효율과 이송거리에 따른 영향 등을 고려하여 실제 시스템에 적용하여 에너지 비용을 최소화할 수 있는 시스템 운용에 관한 연구를 진행 할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	물 재이용 처리시스템은 처리수 종류에 따라 어떻게 구분되는가?	물 재이용 처리시스템은 처리수 종류에 따라 우수이용과 하수처리수로 구분되는 물 공급원 부, 물 재이용을 위한 물 처리부, 처리된 물을 사용하는 물 수요부 크게 3개의 영역으로 구분할 수 있다.
	물 재이용 처리 시스템에서 일반적으로 사용되고 있는 펌프의 동작은 어떤 방식인가?	일반적으로 펌프의 동작은 on-off 동작을 수행하는 이진(binary)기반의 동작하는 방식과 펌프의 속도를 조절하여 유량을 제어하는 방식이 사용되고 있다. 그림 2에 본 논문에서 적용한 이진 펌프 제어시스템과 가변 펌프 제어시스템을 나타내었으며, 전원부, 유량 및 수위 관리부, 수요량 제어부로 시스템 구성이 가능하고 제어시한에서 스위칭 시한 결정과 펌프의 종류에 따른 속도 또는 주파수 조절을 통한 유량제어가 가능한 구조로 구성하였다.
	물 재이용 시스템에서 펌프운전의 목적은 무엇인가?	물 재이용 시스템을 운영하기 위해서는 전력이 확보되어야 하는데, 기존의 전력공급은 기저부하를 최대한 확보하여 전력 수요에 대응해 왔지만, 앞으로는 수요의 관리·제어를 고려한 부하관리(Load management) 또는 수요반응(Demand response)을 적극적으로 추진하고 있으며, 또한 에너지원의 효율적 활용을 목표로 하는 폭넓은 정책이 시행되고 있다. 물 재이용을 위한 처리시스템에서 펌프운전의 목적은 수용가의 수요유량을 만족시키면서 물탱크 또는 저장시설의 안정적인 유량을 유지시키는 것이다. 또한 다른 중요한 목적은 전력요금과 연계된 에너지 소비를 효율적이고, 정밀하게 감소시키는 것이라할 수 있다[2].

참고문헌 (10)

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상세보기
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Van Zyl, J.E., Savic, D.A., Walters, G.A., "Operational optimization of water distribution systems using a hybrid genetic algorithm", Journal of Water Resources Planning and Management, pp. 160-170, 2004. DOI:http://dx.doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9496(2004) 130:2(160)
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원문보기 상세보기
Eberhart R and Kennedy J., "A New Optimizer Using Particles Swarm Theory", Proc. Sixth International Symposium on Micro Machine and Human Science (Nagoya, Japan) IEEE Service Center, Piscataway, pp. 39-43, 1995. DOI: http://dx.doi.org/10.1109/MHS.1995.494215
X. Meng, H. Wang, "Application of hybrid genetic algorithm in frequency speed control pumping station", in 4th international Conference on Natural computation, Shan Dong, China, pp. 337-341, 2008. DOI: http://dx.doi.org/10.1109/ICNC.2008.195

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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