[논문]건물 에너지 수요관리를 위한 BEMS 연계형 수요반응 시스템 개발

이상학

건물 에너지 수요관리를 위한 BEMS 연계형 수요반응 시스템 개발
Development of BEMS linked Demand Response System for Building Energy Demand Management 원문보기

한국위성정보통신학회논문지 = Journal of satellite, information and communications, v.11 no.2, 2016년, pp.36 - 41

이상학 (전자부품연구원 에너지IT융합연구센터)

초록
AI-Helper

건물을 에너지 수요관리 자원으로 활용하기 위해서는 수요 반응에 대응할 수 있는 자동화된 시스템을 필요로 한다. 에너지 수요관리 사업자의 출현으로 이를 뒷받침할 수 있는 건물 에너지 관리 시스템과 수요반응 시스템에 대한 연구 개발이 활발히 이루어지고 있다. 하지만 아직까지 자동화된 실시간 수요 반응 시스템 도입은 미흡하고 비용도 높다. 본 연구에서는 이를 해소하기 위해 건물을 대상으로 수요 반응 시스템 구축을 위한 OpenADR 프로토콜과 수요 반응에 참여할 수 있는 건물 에너지 관리 시스템을 개발하고 실환경에 적용하여 실증을 수행하였다. OpenADR은 표준 프로토콜로 사업자와 수요자원간의 이벤트 발생과 리포팅을 통해 자동화된 시스템이다. 또한 다양한 제어 시스템이 이용되고 있는 건물을 대상으로 단일화된 제어 시스템 구축을 위해 웹 기반 건물 자동제어 시스템을 개발하여 수요 반응 이벤트 발생 시 부하를 줄일 수 있도록 한다. 개발된 결과물을 건물에 적용하여 동작하는 것을 검증하고 감축량을 측정하여 수요반응 효과를 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In order to take advantage of the building as an energy demand resources, it requires automated systems that can respond to the demand response event. Load aggregator has been started business in Korea, research and development of building energy management and demand response systems that can support them has been active recently. However, the ratio of introducing automated real-time demand response systems is insufficient and the cost is also high. In this research, we developed a building energy management system and OpenADR protocol to participate in a demand response and then evaluated them in real building. OpenADR is a standard protocol for automated system through the event and reporting between load aggregator and demand-side. In addition, we also developed a web-based building control system to embrace different control systems and to reduce the peak load during demand response event. We verified that the result systems are working in a building and the reduced load is measured to confirm the demand response.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

이는 기존 에너지관리의 개념을 공급 중심에서 수요관리로 변화하는 것이며 더불어 개별 건물의 에너지 효율 관리를 함께 수행할 수 있다. 따라서 건물을 수요관리의 자원으로 활용하기 위해 자동화된 수요반응 시스템과 건물 자동제어시스템과 연동하기 위한 수요관리시스템을 개발하였다.
0 Profile b 표준을 도입함으로써 단순 시그널 기반의 피크제어가 아닌, 빌딩 공조, 냉난방, 전력 등 다양한 설비정보를 제공하고, 이를 기반으로 좀 더 정밀한 피크수요관리가 가능함을 증명해 보이는 것이다. 또한 자동수요반응(Automated Demand Response)을 적용하여 전력공급 상황, 피크 부하율 및 전력생산 공급가격에 따라 자동으로 반응해 전력사용량을 조정할 수 있음을 입증하기 위해서이다.
이를 위해 빌딩, 공장 등 수요관리에 참여할 수 있는 수요자원을 자동화된 감축이 이루어질 수 있도록 시스템화하고 수요관리사업자와 개별 수요 자원 간 연결을 수행하여야 한다. 본 논문에서는 건물을 수요 자원으로 활용하기 위한 건물 자동 제어시스템과 수요관리사업자와 연동을 위한 OpenADR(Automated Demand Response) 프로토콜을 개발하여 새로운 수요자원이 확보되었을 때 비용을 최소화하면서 수요관리를 수행하기 위한 시스템을 개발하였다.
본 논문은 일반 가정에 적용될 수 있는 에너지 자립형 스마트 홈 시스템 개발에 대해 기술하였다. 최근 신기후체제 출범으로 온실가스 감축에 대한 요구는 더욱 커지고 정부의 에너지신산업 정책에 따라 새로운 가치창출을 할 수 있는 제품과 서비스에 대한 개발이 활발하다.
자동화된 수요반응 시스템은 OpenADR이 보편적으로 사용되고 있으며, 건물 자동제어시스템은 BACnet IP를 BACnet Web으로 전환하고 있다. 본 연구에서는 OpenADR 2.0 클라이언트와 기존 자동제어시스템을 웹 기반으로 연동하기 위한 시스템을 개발하여 실증하였다.
일반적으로 사업자와 개별 건물간 수요반응 이벤트를 송수신하기 위해서는 OpenADR 프로토콜을 사용하고 있으며 건물 내부의 기기 부하 관리를 위해서는 다양한 자동 제어 프로그램들이 이용되고 있다. 본 연구에서는 OpenADR 클라이언트를 개발하여 사업자의 서버에 대응할 수 있도록 하였으며 건물 내부 자동 제어를 위해 Web 기반 자동 제어 시스템을 개발하였다. 이에 대한 상세 내용은 아래와 같다.
일반적인 건물은 자동제어시스템과 이를 관리하는 중앙감시시스템(CCMS: Central Control & Monitoring System)을 갖추고 있다. 본 연구에서는 TCP/IP 기반 수요관리 시스템인 BACnet Gateway를 개발하여 VEN과 CCMS 사이에서 개별 기기의 상태 정보 수집 및 제어를 수행할 수 있도록 하였다.
본 연구의 주요 성과는 태양광 발전과 에너지저장시스템을 가정에 도입할 수 있도록 통신 프로토콜 개발과 실시간 요금제에 기반을 둔 수요관리 사업자와 연동할 수 있는 시스템을 개발하였다. 특히, 전력사용량, 발전량, 요금 등의 변수를 토대로 최적 운용 알고리즘을 개발해 전력 사용 요금을 최소화할 수 있도록 하였다.
본 연구의 실증을 수행한 건물은 지상 5층의 연구원 건물로 일반적 상용 건물과 유사한 운전 패턴을 보인다. 실증을 수행한 목적은 OpenADR 2.0 Profile b 표준을 도입함으로써 단순 시그널 기반의 피크제어가 아닌, 빌딩 공조, 냉난방, 전력 등 다양한 설비정보를 제공하고, 이를 기반으로 좀 더 정밀한 피크수요관리가 가능함을 증명해 보이는 것이다. 또한 자동수요반응(Automated Demand Response)을 적용하여 전력공급 상황, 피크 부하율 및 전력생산 공급가격에 따라 자동으로 반응해 전력사용량을 조정할 수 있음을 입증하기 위해서이다.

제안 방법

BACnet으로 되어 있는 건물 내 제어시스템을 웹 서비스기반으로 모니터링 및 제어를 수행할 수 있도록 하였으며 인터넷을 통해 상시 접속이 가능하다. 또한 OpenADR 클라이언트에서 수신한 수요반응 이벤트에 대응하여 개별 기기의 부하를 줄일 수 있도록 전열, 조명, HAVC으로 구분하여 연결하였다.
OpenADR 클라이언트와 수요관리시스템을 실 건물에 적용하여 검증하고 수요 반응 이벤트를 발생하여 실제 건물의 에너지 저감 효과를 확인하였다. 이 내용을 4장의 실증에서 기술한다.
BACnet으로 되어 있는 건물 내 제어시스템을 웹 서비스기반으로 모니터링 및 제어를 수행할 수 있도록 하였으며 인터넷을 통해 상시 접속이 가능하다. 또한 OpenADR 클라이언트에서 수신한 수요반응 이벤트에 대응하여 개별 기기의 부하를 줄일 수 있도록 전열, 조명, HAVC으로 구분하여 연결하였다. 단위 건물이 수요자원으로 활용되기 위해서는 자동제어시스템을 기반으로 한 건물에너지관리시스템이 구축되어 있어야만 수요반응 레벨에 따라 부하 감축을 수행할 수 있다[7].
실제 운용 중인 건물을 대상으로 조명, 전열에 대해 직접제어를 수행하여 수요반응 이벤트에 부하 감축을 수행하였다. 이를 통해 전력피크시 부하감축이 이루어지고 감축량을 실측하였다.
단위 건물이 수요자원으로 활용되기 위해서는 자동제어시스템을 기반으로 한 건물에너지관리시스템이 구축되어 있어야만 수요반응 레벨에 따라 부하 감축을 수행할 수 있다[7]. 이를 위해 수요관리시스템을 개발하였으며 표준인 웹 기반 제어를 수행할 수 있도록 하여 자동제어 시스템의 프로토콜에 구분 없이 범용성을 확보하였다.
실제 운용 중인 건물을 대상으로 조명, 전열에 대해 직접제어를 수행하여 수요반응 이벤트에 부하 감축을 수행하였다. 이를 통해 전력피크시 부하감축이 이루어지고 감축량을 실측하였다. 따라서 본 연구의 결과물은 향후 수요관리 사업자나 개별 건물에서 활용될 수 있으며 국가 전체의 효과적 전력 에너지 수요관리에 기여할 수 있다.
본 연구의 주요 성과는 태양광 발전과 에너지저장시스템을 가정에 도입할 수 있도록 통신 프로토콜 개발과 실시간 요금제에 기반을 둔 수요관리 사업자와 연동할 수 있는 시스템을 개발하였다. 특히, 전력사용량, 발전량, 요금 등의 변수를 토대로 최적 운용 알고리즘을 개발해 전력 사용 요금을 최소화할 수 있도록 하였다. 해외에서는 이미 이와 같은 시스템이 상용화 수준에 이르고 있으며 국내에서는 한전에서 실증 사업을 준비 중이다.

대상 데이터

본 실증은 실제 운용 중인 건물을 대상으로 하였기에 제한된 구역의 한정된 시간으로 하였다. 5층 건물 중 1개 층의 연구동을 대상으로 하였다.
실증 대상이 되는 건물에 대한 규격은 아래와 같다. 본 실증은 실제 운용 중인 건물을 대상으로 하였기에 제한된 구역의 한정된 시간으로 하였다. 5층 건물 중 1개 층의 연구동을 대상으로 하였다.
본 실증을 위해 층별 전력사용 측정이 되지 않는 것을 개선하기 위해 1개 층을 대상으로 전력계량기를 설치하여 실 하였다. 스마트그리드 표준 전력량계가 15분 단위 계량을 표준으로 하고 있어 본 실증에서도 15분 단위로 측정하였다.
본 연구의 실증을 수행한 건물은 지상 5층의 연구원 건물로 일반적 상용 건물과 유사한 운전 패턴을 보인다. 실증을 수행한 목적은 OpenADR 2.

성능/효과

표준 프로토콜인 OpenADR 2.0 기반 클라이언트를 개발하고 인증을 완료하여 건물을 수요관리 사업자와 연동할 수 있는 기반을 마련하였다.

후속연구

이를 통해 전력피크시 부하감축이 이루어지고 감축량을 실측하였다. 따라서 본 연구의 결과물은 향후 수요관리 사업자나 개별 건물에서 활용될 수 있으며 국가 전체의 효과적 전력 에너지 수요관리에 기여할 수 있다.
따라서 국내에서도 신재생발전시스템, 에너지저장장치, 전기차 등이 가정에 유입될 때 손쉽게 연결하고 비용을 줄일 수 있도록 표준이 시급히 마련되어야 할 것이다. 또한 대규모 실증을 통해 경제성을 확보하고 부가서비스 창출을 통해 투자 대비 회수기간을 최소화하도록 노력해야할 것이다.
전통적 수요관리의 자원효용성 한계로 인해 이의 대안으로 지능형 전력망 요건에 부합하는 빠르고 자동화된 반응, DR의 확실성 증대가 가능한 ADR 보급이 활발하며, 향후 시장발전에 따라 그 수요가 더욱 증대될 것으로 기대된다. 특히, 자원 확보 및 서비스설계, 측정 및 검증의 신뢰성제고, 솔루션의 고도화 및 다양화에의 기술발전이 예상된다[3].

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	ADR에 활용되는 부하자원은?	ADR에 활용되는 부하자원의 경우를 살펴보면 조명, 냉난방기기(Room Pre-cooling등의 기법포함), HVAC, Pump & FAN, Battery, 동력부하 등 다양하며, 이들의 제어를 위해 수용가 측에 클라이언트 인터페이스가 설치되어 있어야 하므로 이를 수행할 부하관리사업자가 필요하며, 비용이 수반된다. 수요반응자동화 기술개발 의 주요내용을 살펴보면, 시스템 애플리케이션 기술, 서비스 설계 기술, M&V(Measurement & Verification) 기술 등 으로 구분할 수 있다.
	전력 수요관리 사업이란?	전력 수요관리 사업은 수요관리사업자가 전기소비 절감량을 전력시장에 입찰하여 발전기와 가격경쟁, 낙찰시 감축정산금을 통한 수익 창출하는 구조이다. 수요관리사업자는 빌딩·공장과 계약을 맺고 수요감축이 가능한 설비를 확보하여, 전력시장에 수요감축량과 가격 입찰에 참여한다.
	태양광 발전과 에너지저장시스템을 가정에 도입하기 위해 현재는 호환성 확보에 어려움이 있는데 이를 위해 요구되는 것은 무엇인가?	아직까지 이러한 새로운 기기들이 가정에 도입될 때 인터페이스 등의 표준이 완료되지 않아 호환성 확보에 어려움이 있다. 따라서 국내에서도 신재생발전시스템, 에너지저장장치, 전기차 등이 가정에 유입될 때 손쉽게 연결하고 비용을 줄일 수 있도록 표준이 시급히 마련되어야 할 것이다. 또한 대규모 실증을 통해 경제성을 확보하고 부가서비스 창출을 통해 투자 대비 회수기간을 최소화하도록 노력해야할 것이다.

참고문헌 (7)

Korea Government, "Policy for Making New Energy Industry Response to Climate Change", 2014.
S. D. Smitha, J. S. Savier, F. M. Chacko, "Intelligent control system for efficient energy management in commercial buildings", 2013 International Conference on Microelectronics, Communications and Renewable Energy (AICERA/ICMiCR), pp.1-6, 2013.
S. Lee, B. Kwon, S. H. Lee, "Joint Energy Management System of Electric Supply and Demand in Houses and Buildings", IEEE Transactions on Power Systems, pp. 2804-2812, Vol. 29, Issue. 6, 2014.

상세보기
M. P. Fanti, A. M. Mangini, M. Roccotelli, "A Petri Net model for a building energy management system based on a demand response approach", 22nd Mediterranean Conference of Control and Automation (MED), pp. 816-821, 2014.
L. Zhang, B. Liu, Q Tang, L. Wu, "The development and technological research of intelligent electrical building", 2014 China International Conference on Electricity Distribution (CICED), pp.88-92, 2014
D. Tsiamitros, D. Stimoniaris, N. Poulakis, M. A. Zehir, A. Batman, M. Bagriyanik, A. Ozdemir, E. Dialynas, "Advanced energy storage and demand-side management in smart grids using buildings energy efficiency technologies", IEEE PES Innovative Smart Grid Technologies, pp.1-6, 2014.
N. H. Tran, C. Pham, S. Ren, C. S. Hong, "Coordinated Energy Management for Emergency Demand Response in Mixed-Use Buildings", 2015 IEEE International Conference on Ubiquitous Wireless Broadband (ICUWB), pp.1-5, 2015

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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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