[논문]AMI 네트워크 기반 수용가 자동 수요반응 시스템

서종관; 전희연; 이재조

[국내논문] AMI 네트워크 기반 수용가 자동 수요반응 시스템

정보와 통신 : 한국통신학회지 = Information & communications magazine, v.34 no.5, 2017년, pp.68 - 75

서종관 (한국전기연구원) , 전희연 (에너넷) , 이재조 (한국전기연구원)

초록
AI-Helper

본고에서는 Advanced Metering Infrastructure (AMI) 네트워크 기반의 자동 수요반응 기술에 대해 소개한다. 수요반응은 피크 수요 기간 동안 전력의 안정화에 큰 기여를 할 수 있으며, 수요반응의 범위와 효과가 증가함에 따라 일반 수용가의 참여가 매우 중요한 이슈로 떠오르고 있다. 하지만, 다양한 지역에 위치한 수용가를 대상으로 수요반응 서비스를 제공하기 위해서는 유틸리티 또는 수요관리사업자와 고객 간의 수요반응 신호 교환과 정보 공유를 위한 통합 네트워크 구축이 필수적으로 필요하다. 또한, 이기종 시스템 간 상호운용성 보장을 위한 공통의 통신 제어 기술이 요구된다. 본고에서는 AMI 네트워크를 기반으로 IEC/PAS 규격인 Open Automated Demand Response version 2.0 (OpenADR2.0) 기술을 채택하여 수용가를 대상으로 한 자동화된 수요반응 서비스를 실현하고자 한다. AMI 디바이스를 수요반응 자원으로 활용하기 위하여 기존의 기능은 유지한 채로 OpenADR2.0 프로토콜을 탑재하여 수요반응 기능이 추가된 디바이스들을 개발하였으며, 프로토콜 적합성 테스트와 필드 테스트를 통하여 자동화된 수요 반응 서비스 및 부하 감축을 검증하였다. 개발 소프트웨어는 OpenADR Alliance로부터 국제공인인증을 획득함으로써 수요 반응 시스템의 레퍼런스 통신 기술로 적용이 가능하다.

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본고에서는 AMI 네트워크와 OpenADR2.0 기술 기반의 수용가를 위한 자동 수요반응 시스템에 알아본다.
이러한 AMI는 다수의 국가에서 적용하고 있으며[15][16][17], 이미 한국은 PLC 기술 기반의 AMI 네트워크를 구축하고 있다[18]. 본고에서는 수요반응 네트워크의 리소스로서 PLC 기반 AMI 네트워크를 활용하고자 한다. 수요반응 서비스 제공자는 이 네트워크를 통하여 개별 고객에게 접근할 수 있을 것이다.
본고의 구성은 다음과 같다. 본론에서는 AMI 네트워크와 OpenADR2.0 프로파일에 대해 소개한다. 해당 기술을 바탕으로 기존의 AMI 구성 시스템에 수용가 자동 수요반응 시스템 아키텍처를 설계한다.
제안한 모델은 동일한 전력선으로 구성된 모든 수용가에게 접근이 가능하며, 유틸리티에서 수용가의 부하를 직접 제어가 가능하다. 이것은 기존의 AMI 구성 디바이스들이 수요반응 기능을 제공하도록 설계하였기 때문에 가능한 것이며, 보다 구체적인 내용은 각 디바이스의 개발에서 설명하고자 한다.
제안한 자동 수요반응 시스템에 탑재된 프로토콜을 검증하고 실제 부하 감축을 확인하기 위하여 시뮬레이션 테스트와 필드테스트를 진행하였다. 시뮬레이션 테스트는 프로토콜의 적합성을 목적이며 시스템 구성 디바이스를 대상으로 OpenADR2.0 프로토콜이 탑재되어 해당 프로토콜에 의해 실제로 동작 여부를 검증하고자 한다. OpenADR Alliance에서 제공한 테스트하네스 프로그램으로 검증하였다.
본고에서는 PLC 기반의 AMI 네트워크를 적용한 수용가를 위한 자동 수요반응 시스템을 설계하였다. 기존의 AMI 네트워크를 활용하여 수요반응 네트워크에 적용하여 수용가 위치의 제약을 해결하였다.

가설 설정

이것은 에어컨의 소비전력이 가장 크기 때문에 그만큼 감축량도 큰 것을 알 수 있다. 이벤트 기간을 증가하거나 참여하는 가전 기기의 수가 증가하게 되면 전력 감축량은 더 클 것이다. 이 필드 테스트의 부하 감축 결과는 설계한 수요반응 시스템이 AMI 네트워크를 통해OpenADR2.

제안 방법

0 프로파일에 대해 소개한다. 해당 기술을 바탕으로 기존의 AMI 구성 시스템에 수용가 자동 수요반응 시스템 아키텍처를 설계한다. 그리고 제안한 자동 수요반응 시스템의 수요반응 서비스와 부하 감축 결과를 검증하고 마지막으로 본고의 결론을 제시한다.
0a 프로토콜에 대한 보다 상세한 정보는 관련 문서를 참고하기 바란다[26]. 제안한 시스템은 OpenADR2.0a 규격에 따라 수요반응 이벤트를 생성하여 정해진 전략에 따라 자동으로 댁내의 가전기기를 직접 제어하는 방식으로 수요반응 서비스를 수행한다.
현재 한국에서는 저압 수용가를 대상으로 기존의 아날로그계량기를 스마트미터로 대체하는 사업을 진행중에 있다. 제안한 자동 수요반응 시스템은 스마트미터가 설치된 저압 수용가를 대상으로 AMI 네트워크를 적용할 수 있으며, 고압 수용가의 경우에는 인터넷 네트워크를 수요반응 서비스에 적용하고자 한다.
제안한 수용가를 위한 자동 수요반응 시스템은 기존의 스마트미터에 DR Controller (DRC) 모듈을 탑재하였으며, Home Appliance Controller (HAC) 및 홈 게이트웨이가 개발되었다. 이 DRC 모듈은 PLC 네트워크와 인터넷 네트워크 사이에서 수요반응 신호를 처리하는 기능을 담당한다.
이 DRC 모듈은 PLC 네트워크와 인터넷 네트워크 사이에서 수요반응 신호를 처리하는 기능을 담당한다. 또한, 수요반응 이벤트를 생성하고 전달하기 위하여 PC 기반의 Demand Response Management Server (DRMS)를 개발하였으며, 수요반응 서버의 기능을 담당한다. 또한, 대부분의 가전기기는 별도의 장치 없이는 OpenADR2.
0a 기반 이벤트는 4단계로 구분되며,단계별로 부하 감축 정도가 결정된다. 그리고 OpenADR2.0프로파일의 적합성을 검증하기 위하여 DRMS는 Document Object Mode (DOM) 라이브러리를 사용하여 설계한 모든 메시지를 트리 형태로 변환하며 메시지의 엘리먼트에 대하여 스키마와 비교를 통해 유효성 검사를 수행한다.
DCU는 AMI 시스템을 대표하는 디바이스로서 유틸리티 자산이기 때문에 인위적으로 구조와 기능을 변경하는 것은 불가능하다. 따라서 기존의 DCU의 구조를 유지한채로 수요반응 기능을 추가한 Watt-Hour Meter (WHM) 프로그램을 개발하여 연결된 스마트미터의 정보를 취득하고 이를 DRMS에게 전달하도록 하였다. <그림 4(a)>는 수요반응 기능을 탑재한 DCU의 아키텍처를 보여준다.
<그림 4(b)>는 두 개의 스마트미터가 연결된 DCU의 WHM 프로그램을 나타낸다. 이 프로그램은 기존의 DCU의 기능에 추가로 설계하였으며, C언어로 구현된 윈도우 라이브러리 기반의 DCU 관리 프로그램이다. WHM은 DCU 정보를 비롯하여 DRMS 정보와 스마트미터 정보를 포함하고 있으며, 연결된 스마트미터의 주소를 확인하여 스마트미터로부터 수신한 검침데이터를 XML 포맷 형태로 변환하여 웹 서비스로 동작한다.
일반적으로 가전기기는 HAC와 같은 별도의 장치를 통해서만 이벤트 신호를 해석할 수 있기 때문에 별도의 HAC장치가 없는 경우에는 부하 감축을 할 수 없다. 이를 위해서 가전기기들을 대상으로 수요반응 서비스를 지원하기 위하여 스마트플러그를 개발하였다. 스마트플러그는 수신한 이벤트 신호에 따라 연결된 가전기기의 전원을 차단할 수 있으며, 스마트플러그의 전원이 차단되면, 자동적으로 연결된 가전기기의 전원도 차단된다.
제안한 자동 수요반응 시스템에 탑재된 프로토콜을 검증하고 실제 부하 감축을 확인하기 위하여 시뮬레이션 테스트와 필드테스트를 진행하였다. 시뮬레이션 테스트는 프로토콜의 적합성을 목적이며 시스템 구성 디바이스를 대상으로 OpenADR2.
실제 수용가 환경에서 설계한 자동 수요반응 시스템의 수요반응 서비스에 의한 부하 감축을 검증하기 위하여 필드 테스트가 진행되었다. <그림 7>은 3 개의 수용가로 구성된 수요반응 서비스의 구성을 나타내며, 수용가의 환경을 고려하여 주택과 아파트의 두 가지 타입으로 분류하였으며, AMI 네트워크와 인터넷 네트워크가 수요반응 네트워크로 사용된다.
5kW,800W, 55W, 27W이다. 각 기기의 부하 변화를 검증하기 위하여 이벤트의 시작시간을 다르게 설정하였으며, 모든 가전기기들은 동작 상태이다. 이벤트 기간이 종료되면 가전기기는 원래의 동작상태로 복귀한다
기존의 AMI 네트워크를 활용하여 수요반응 네트워크에 적용하여 수용가 위치의 제약을 해결하였다. 또한, OpenADR2.0 국제 표준 기술을 수요반응 정보 전달에 적용함으로써 CIM 기반의 수요반응 모델을 제시하였고, 미리 정해진 전략에 따라 자동화된 수요반응 서비스를 실현하였다. 이러한 표준 기술 기반의 시스템은 이기종 간의 상호운용성을 보장할 것이며, 공통의 통신 기술로 활용될 수 있다.

대상 데이터

<그림 8>은 실제 가전기기를 대상으로 설계한 스마트플러그와 HAC 기반의 자동 수요반응 시스템을 나타낸다. 부하 대상 기기는 에어컨, 세탁기, 히터,선풍기, 데스크 스탠드이며, 각각의 소비전력은 6kW, 2.5kW,800W, 55W, 27W이다. 각 기기의 부하 변화를 검증하기 위하여 이벤트의 시작시간을 다르게 설정하였으며, 모든 가전기기들은 동작 상태이다.

데이터처리

0 프로토콜이 탑재되어 해당 프로토콜에 의해 실제로 동작 여부를 검증하고자 한다. OpenADR Alliance에서 제공한 테스트하네스 프로그램으로 검증하였다. 어플리케이션 테스트, 전송테스트, 보안 테스트로 구성되며, 모든 테스트를 통과해야만 적합성 테스트가 완료된다.

이론/모형

<표 1>은 재정의된 수요반응 레벨을 보여준다. OpenADR2.0a에 기술된 4가지의 수요반응 레벨에 따라 가전기기의 특성을 고려하여 수요반응 동작을 정의하였으며, Association of Home Appliance Manufacturers (AHAM) 표준에 정의된 부하 감축 방법을 적용하였다[27]. 에어컨의 수요반응 동작은 축적된 전력소비량을 계산하여 duty cycle 비율의 조정에 의해 각 레벨의 동작이 결정된다.

성능/효과

iii. 제안한 수요반응 시스템은 IEC/PAS 표준 기술을 적용하여 이기종 시스템 간의 상호운용성을 보장한다.
0 프로파일 기반의 수요반응 이벤트를 생성하여 수용가에게 전달할 수 있다. 제안한 모델은 동일한 전력선으로 구성된 모든 수용가에게 접근이 가능하며, 유틸리티에서 수용가의 부하를 직접 제어가 가능하다. 이것은 기존의 AMI 구성 디바이스들이 수요반응 기능을 제공하도록 설계하였기 때문에 가능한 것이며, 보다 구체적인 내용은 각 디바이스의 개발에서 설명하고자 한다.
에어컨의 경우에는 스마트플러그와 HAC에 따라 감축량의 변화가 다른 것을 확인할 수 있으며, 이벤트 기간이 종료된 이후에 이벤트 이전의 상태로 복귀한 것을 알 수 있다. 이벤트 기간에 참여한 모든 가전기기의 총 전력 감축량은 6.882kWh이며, 에어컨의 감축량이 가장 큰 것을 확인할 수 있다. 이것은 에어컨의 소비전력이 가장 크기 때문에 그만큼 감축량도 큰 것을 알 수 있다.
이벤트 기간을 증가하거나 참여하는 가전 기기의 수가 증가하게 되면 전력 감축량은 더 클 것이다. 이 필드 테스트의 부하 감축 결과는 설계한 수요반응 시스템이 AMI 네트워크를 통해OpenADR2.0 프로토콜 기반의 수요반응 이벤트가 전달되었으며, DRMS에서 미리 정해진 전략에 의해 정해진 시간에 자동으로 가전기기의 부하가 감축된 것을 보여준다.

후속연구

해당 기술을 바탕으로 기존의 AMI 구성 시스템에 수용가 자동 수요반응 시스템 아키텍처를 설계한다. 그리고 제안한 자동 수요반응 시스템의 수요반응 서비스와 부하 감축 결과를 검증하고 마지막으로 본고의 결론을 제시한다.
이러한 표준 기술 기반의 시스템은 이기종 간의 상호운용성을 보장할 것이며, 공통의 통신 기술로 활용될 수 있다. 본고에서 제안한 수용가를 위한 자동 수요반응 시스템은 AMI 네트워크를 사용하는 다른 국가에서도 적용이 가능할 것이며, 수용가를 위한 수요반응 시스템의 레퍼런스 모델로 활용될 것으로 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	OpenADR2.0 프로파일 기술은 어떻게 구분되는가?	이 프로파일은 HTTP 방식을 사용하여 모든 노드들 간의 통신을 수행하며, eXtensibleMark-up Language (XML)을 기반으로 수요반응 관련 정보가 표현된다. OpenADR2.0은 수요반응 이벤트 정보만 수행하는 2.0a와 이벤트를 비롯하여 가격과 리포팅 기능을 정의하는 2.0b로 구분된다. Virtual Top Node (VTN)과 Virtual End Node (VEN) 의 용어를 사용하여 구성하는 수요반응 시스템의 노드 관계를 설명하고 있다.
	AMI란 무엇인가?	AMI는 댁내에서 사용한 전력 데이터를 스마트미터에서 검침하여 이와 관련된 다양한 정보를 통신망을 통해 전달되는 스마트그리드의 핵심 기술이다. 유틸리티와 수용가 간의 양방향 통신을 보장하기 때문에 유틸리티는 기존의 수동적인 방법으로전력 사용량을 검침하는 제약에서 벗어나 원격에서 실시간으로 소비 전력을 측정이 가능하다.
	한국에서 AMI 네트워크로 채택한 것은 무엇인가?	유틸리티와 수용가 간의 양방향 통신을 보장하기 때문에 유틸리티는 기존의 수동적인 방법으로전력 사용량을 검침하는 제약에서 벗어나 원격에서 실시간으로 소비 전력을 측정이 가능하다. 한국에서는 국제 표준기술인 KS X ISO/IEC 12139-1[21]을 AMI 네트워크로 채택하였으며,2020년까지 1800만 가구를 대상으로 이 기술을 탑재한 스마트 미터를 설치하는 사업을 수행하고 있다. 이러한 PLC 기술은 다양한 분야에서 적용되고 있으며[22][23], 특히 홈 자동화에 널리 이용되고 있다[24][25].

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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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