[논문]에너지 자립형 스마트 홈 시스템 개발

이상학

에너지 자립형 스마트 홈 시스템 개발
Development of Self-Consumption Smart Home System 원문보기

한국위성정보통신학회논문지 = Journal of satellite, information and communications, v.11 no.2, 2016년, pp.42 - 47

초록
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최근 태양광, 에너지 저장 시스템 등의 발전으로 인해 가정에서 에너지 관리 시스템을 구축하고 에너지 생산을 스스로 하고자 하는 에너지 자립형 스마트 홈 시스템에 대한 연구가 활발해 지고 있다. 특히, 일본의 경우 후쿠시마 원전 사태 이후 전력망의 불안정성으로 인해 태양광을 통해 발전하고 이를 전력 에너지 저장 시스템에 저장하고 사용하는 가정용 시스템이 상용화되었다. 북미나 유럽에서도 태양광과 에너지 저장 시스템을 결합하여 신재생에너지 보급사업을 통해 보조금을 지급하면서 설치 가정을 확대하고 있다. 본 논문에서는 댁내 홈 네트워크를 통해 태양광과 에너지 저장 시스템을 연결하고 실시간 요금제에 기반을 둔 에너지 자립형 스마트 홈 시스템 개발에 대해 기술한다. 사용자의 개입을 최소화하면서 자동화된 운전으로 전력망으로부터의 에너지 사용을 최적화하여 에너지 자립형 홈을 구현하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Due to advances such as photovoltaic power generation and energy storage system, energy self-consumption smart home system in which energy management system is built and energy is generated in house has been actively researched. In particular, due to the instability of the grid after the Fukushima nuclear accident, home system in which generating electricity from photovoltaic, storing and using it in energy storage system was commercialized in Japan. While subsidizing renewable energy projects through a combination of solar and energy storage systems in North America and Europe has expanded home installation. In this paper, we describe development of self-consumption smart home system which is connecting photovoltaic system and energy storage system in home area network and operating it based on real-time price. We implemented automated self-consumption home in which optimizing the use of energy from the power grid with minimal user's intervention.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

댁내 가전을 통합하는 네트워크로 Echonet을 표준화하여 가전업체들이 활용하고 있다. 기기간 지능형 정보 교환을 통한 에너지, 보안, 자동화, 의료정보화를 목적으로 가정 내 통신 표준 프로토콜을 제정했다.
본 논문에서는 에너지 자립을 목표로 태양광과 에너지 저장장치를 가정에 도입하고 이를 활용하여 전력 사용을 최적 운용하여 에너지 사용 비용을 줄이기 위한 스마트 홈 시스템 개발에 대해 기술한다. 2장은 관련 연구 동향, 3장은 개발 내용, 4장은 시스템 운용 알고리즘, 5장을 결론 및 향후 연구방향에 대해 기술한다.
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.
본 연구에서 PV/ESS/PCS의 제어 및 충·방전 제어를 위해 스케줄링 알고리즘을 개발하였다.
국내에서 일반가정의 저압 수용가를 대상으로 변동요금제를 시행하고 있지 않지만 효과적인 수요관리를 이루기 위해서는 반드시 필요로 한다. 본 연구에서는 이를 시험하기 위해 OpenADR(Automated Demand Response) 2.0에 기반을 둔 요금정보 전송서버를 개발하였다. OpenADR은 미국의 LBNL(Lawrence Berkeley National Laboratory)에서 자동화된 수요관리 시스템 구축을 위해 개발된 표준 프로토콜이다.
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.
실시간 요금제에 맞춰 태양광 발전과 전력망의 사용을 효과적으로 조절하기 위한 댁내 시스템 개발에 대해 기술하였다. 다음 장에서는 실제 운용과 관련된 최적 에너지 관리 알고리즘에 대해 기술한다.

제안 방법

제어 정책은 수집한 입력 변수를 종합적으로 판단해 1시간에 한번 정책을 결정, 개별 기기에 제어 명령을 내린다. ESS의 제어 정책은 주간/야간 정책으로 구분하여 개발되었다.
그리고, 이달의 시간대별 전력현황 모니터링 정보를 통해 시간별 평균 전력단가 정보 (단위: 원), 시간별 평균 ESS 사용량 정보 (단위: Wh), 시간별 평균 태양광 발전량 정보 (단위: Wh), 시간별 평균 전력사용량 정보(단위: Wh)를 다음과 같이 보여준다. 이를 통해 사용자는 직관적으로 전력 에너지 사용 현황을 파악할 수 있으며 스스로 운용을 결정할 수 있다.
배터리(ESS) 충·방전 상태 및 충전 전력 정보, 금일 가전별 사용 현황(사용량 및 사용비율 정보), 태양광(PV), 배터리(ESS), 계통 등의 가정의 전원공급 방식, 배터리(ESS) 충전상태 및 충전 전력원 정보를 제공한다.
변동요금 가격정보기준은 한전의 수요관리형 선택요금 II(고압B-선택1)을 기준으로 경부하/중간부하/최대부하 3단계별 전력요금을 적용하였고, 또한 계절별·시간대별 경·중간·최대부하가 시간 또한 한전기준을 준용하였다.
그러나 현재 기상청에서는 오후7시에 3파라미터(운량, 일사량, 일조시간)에 대한 측정 실측치만을 통보하며, 예보는 제공하지 않고 있다. 본 연구에서는 3가지 파라미터에 간접적인 영향을 받는 예보 가능한 정보(기상상태, 기온, 과거 발전데이터)로 대체하여 과거 발전량 실측데이터를 이용, PV 발전량을 예측한다. 과거 PV발전량 실측데이터와 실측 지역의 기온 및 기상상태를 분석한 결과, 외부 기상요인이 비슷하다면, 발전량 역시 근사하게 측정된 것을 확인하였다.
스마트 디바이스 및 WEB 환경에서 자유롭게 사용이 가능한 웹 기반의 홈 전력 관리 응용 소프트웨어를 개발하였으며, 이를 통해 가정의 실시간 태양광(PV) 전력사용량 및 태양광 발전량, 전기요금, PV/PCS/ESS 충·방전 상태 등에 대한 정보모니터링이 가능하도록 시스템을 구성하였다.
개발된 시스템을 실증하기 위해 일반 건물 내 가정과 같이 가전 및 조명을 설치하여 에너지 자립형 스마트 홈 시스템을 설치하였다. 신재생 발전과 관련하여서 날씨 기반의 발전 프로파일을 활용하였다. 전기 부하는 조명, 냉장고, 정수기, PC 등 실사용 부하를 생성하였다.
0에서 정의한 기능은 함수 셋으로 제공되며 크게 3가지의 자원으로 구별되며, 각 셋은 REST 기반의 XML 인터페이스가 가능하도록 고유한 URI(Unique Resource Identifier)를 가지고 사용가능한 세부 항목은 Attribute로 표현된다. 양방향 발전시스템과의 연동을 위한 SEP 2.0항목은 Metering Function Set의 Usage Point Resource, Reading Set Resource, Meter Reading Resource를 매핑하여 개발하였으며, Response Function Set은 PV(Photovoltaic) / ESS(Energy Storage System) / PCS(Power Conditioning System)에서 발생하는 예외 이벤트를 SEP2 서버에서 IHD(In Home Display)의 Apache-Tomcat 웹 서버로 수신하기 위해 구현하였다[6].
0 서버는 예외 이벤트를 Apache-Tomcat 서버의 /IhdProject/user/add URI에 HTTP POST Method로 XML형식의 예외 이벤트 관련 정보를 전송한다. 양방향 발전시스템으로부터의 발전량, 충전량 등의 모니터링은 HTTP GET 명령을 이용하여 5분단위로 수신하며, 수신정보는 SEP 2.0에 정의된 XML데이터 포맷을 따르도록 개발하였으며, 각 항목별 정의 및 URI 매핑은 다음과 같다.
신재생 발전과 관련하여서 날씨 기반의 발전 프로파일을 활용하였다. 전기 부하는 조명, 냉장고, 정수기, PC 등 실사용 부하를 생성하였다. 다음 그림은 하루 동안의 소비전력, 태양광발전량, ESS 충전량을 나타내는 그래프이다.
주간 ESS정책은 현재 사용전력의 전력원을 PV/ESS로 대체하는 것을 목표로 한다. 정책 결정 입력 변수는 현재 PV 발전량과 전력사용량, ESS 충전상태이며 ESS는 PV 발전량과 전력사용량의 조건에 따라 제어 정책을 결정한다. 현재의 PV 발전량과 전력사용량의 차이를 계산하여 PV발전량이 클 경우 부하를 대체하고 남을 전력을 ESS에 충전하도록 하였으며, 전력사용량이 클 경우 ESS에서 부족한 전력을 보충한다.
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

개발된 시스템을 실증하기 위해 일반 건물 내 가정과 같이 가전 및 조명을 설치하여 에너지 자립형 스마트 홈 시스템을 설치하였다. 신재생 발전과 관련하여서 날씨 기반의 발전 프로파일을 활용하였다.
첫 번째 상태 정보는 에너지 사용량과 전원공급 상태이다.

성능/효과

본 연구에서는 3가지 파라미터에 간접적인 영향을 받는 예보 가능한 정보(기상상태, 기온, 과거 발전데이터)로 대체하여 과거 발전량 실측데이터를 이용, PV 발전량을 예측한다. 과거 PV발전량 실측데이터와 실측 지역의 기온 및 기상상태를 분석한 결과, 외부 기상요인이 비슷하다면, 발전량 역시 근사하게 측정된 것을 확인하였다.
본 연구에서 개발된 결과물을 통합하여 실환경 테스트베드에서 동작 시험하여 가정에 적용될 수 있는 에너지 자립형 스마트 홈 시스템에 대한 안정적 운용이 이루어짐을 확인하였다.

후속연구

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.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	에너지 저장장치란 무엇인가?	현재 세계적 에너지 정책의 중심은 기존 공급위주에서 수요관리 위주로 이동 중이고 신재생에너지 사업 활성화 등으로 인해 에너지 저장 장치(Energy Storage System, ESS)에 대한 관심도 급부상하고 있지만 아직 시장형성이 안되어 있는 상태이다. 에너지 저장장치란 전력 수요가 적을 때 전력을 저장해 두었다가 수요가 많을 때나 비상시 저장된 전력을 사용함으로써 에너지 효율 향상 및 전력 계통의 안정적 운영을 가능하게 하는 장치로서 최근 신재생에너지 보급 확대로 전력 공급․수요 조절 및 품질 향상에 용이한 에너지 저장 장치가 필수 장치로 떠오르고있다[1].
	에너지 자립형 스마트 홈 시스템의 구성요소는 무엇인가?	에너지 자립형 스마트 홈 시스템을 구현하기 위해서는 태양광 발전 시스템, 태양광에서 발전한 전력을 저장해 두었다 필요 시 사용할 수 있는 에너지저장시스템, 그리고 개별 가전 및 전등의 전력 사용량을 계량하고 제어할 수 있는 스마트플러그 등을 필요로 한다.
	에너지 자립형 스마트 홈 시스템에 필요한 소프트웨어는 무엇인가?	세부 개발 내용을 분류하면 개별 기기들을 표준 기반 네트워크를 통해 연결하는 통신 프로토콜, 수요반응 서비스를 위한 서버/클라이언트, 그리고 홈 에너지 관리를 수행하는 애플리케이션이다. 이 장에서는 각 개발 세부 내용에 대해 기술한다.

참고문헌 (7)

Stanton T. Cady, Daniel Mestas, and Chris Cirone, "Engineering systems in the Re_home: A net-zero, solar-powered house for the U.S. Department of Energy's 2011 Solar Decathlon", 2012 IEEE Power and Energy Conference at Illinois (PECI), pp. 1-5, 2012.
M. Longo, M C. Roscia, and D. Zaninelli, "Net zero energy of smart house design", 015 International Conference on Clean Electrical Power (ICCEP), pp. 548-554, 2015
Branislav Todorovic, "Towards zero energy buildings: New and retrofitted existing buildings", 2011 IEEE 3rd International Symposium on Exploitation of Renewable Energy Sources (EXPRES), pp. 7-14, 2011.
A. Azmi, M. L. Kohle, and A. G. Imenes, "On-grid residential development with photovoltaic systems in Southern Norway", 2013 IEEE Conference on Clean Energy and Technology (CEAT), pp. 93-97, 2013.
J. A. Candanedo and A. K. Athienitis, "A systematic approach for energy design of advanced solar houses", 2009 IEEE Electrical Power & Energy Conference (EPEC), pp. 1-6. 2009.
B. R. Singh and O. Singh, "21st Century challenges of clean energy and global warming-can energy storage systems meet these issues?", 2010 3rd International Conference on Thermal Issues in Emerging Technologies Theory and Applications (ThETA), pp. 323-329. 2010.
L. Bartram, J. Rodgers, and K. Muise, "Chasing the Negawatt: Visualization for Sustainable Living", IEEE Computer Graphics and Applications, vol. 20, no. 3, pp. 8-14. 2010.

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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