OPC UA로 명명된 국제 표준 IEC62541은 스마트 그리드(Smart Grid)와 스마트 팩토리(Smart Factory)의 응용 플랫폼을 위한 통신 프로토콜이다. 2011년 IEC TC57 그룹에서 표준화되었으며, 다른 표준들과의 협업을 통해 점차 사용범위를 넓히고 있다. 전기자동차 보급을 위한 정부 차원의 노력("전기차 충전인프라 확산 캠페인")으로 인해 스마트 팩토리에서 충전을 시도하는 전기자동차의 수는 점차적으로 증가할 것을 예상된다. 제어되지 않는 무분별한 전기자동차 충전으로 인해 스마트 팩토리의 최대수요전력을 초과하는 문제를 발생시킬 수 있다. 그러므로 스마트 팩토리 내에 전기자동차 충전 시 피크부하를 관리할 필요성이 있다. 그러나 현재의 전기자동차 충전을 위한 표준은 스마트 팩토리의 통신 프로토콜과 다르다. 다시 말해서, 편의성을 높이고, 부담을 줄 일 수 있는 프로토콜의 개발 또는 호환성 제공에 관한 연구가 필요하다. 본 논문은 스마트 팩토리에 설치되는 전기자동차 충전 시스템을 스마트 팩토리 관리시스템과 통합 관리하기 위한 플랫폼에 관한 것이다. 본 논문에서는 IEC61851과 IEC62541에 기반을 둔 전기자동차 충전기 관리 시스템을 구현한다.
OPC UA로 명명된 국제 표준 IEC62541은 스마트 그리드(Smart Grid)와 스마트 팩토리(Smart Factory)의 응용 플랫폼을 위한 통신 프로토콜이다. 2011년 IEC TC57 그룹에서 표준화되었으며, 다른 표준들과의 협업을 통해 점차 사용범위를 넓히고 있다. 전기자동차 보급을 위한 정부 차원의 노력("전기차 충전인프라 확산 캠페인")으로 인해 스마트 팩토리에서 충전을 시도하는 전기자동차의 수는 점차적으로 증가할 것을 예상된다. 제어되지 않는 무분별한 전기자동차 충전으로 인해 스마트 팩토리의 최대수요전력을 초과하는 문제를 발생시킬 수 있다. 그러므로 스마트 팩토리 내에 전기자동차 충전 시 피크부하를 관리할 필요성이 있다. 그러나 현재의 전기자동차 충전을 위한 표준은 스마트 팩토리의 통신 프로토콜과 다르다. 다시 말해서, 편의성을 높이고, 부담을 줄 일 수 있는 프로토콜의 개발 또는 호환성 제공에 관한 연구가 필요하다. 본 논문은 스마트 팩토리에 설치되는 전기자동차 충전 시스템을 스마트 팩토리 관리시스템과 통합 관리하기 위한 플랫폼에 관한 것이다. 본 논문에서는 IEC61851과 IEC62541에 기반을 둔 전기자동차 충전기 관리 시스템을 구현한다.
IEC62541, known as OPC-UA, is a standard communication protocol for Smart Grid (SG) and Smart Factory application platform. It was accepted as an IEC standard (IEC62541) in 2011 by IEC TC57, and is extending range of application as collaborating with other standrads. The government's policies to pop...
IEC62541, known as OPC-UA, is a standard communication protocol for Smart Grid (SG) and Smart Factory application platform. It was accepted as an IEC standard (IEC62541) in 2011 by IEC TC57, and is extending range of application as collaborating with other standrads. The government's policies to popularize EVs ("Workplace Charging Challenge"), the number of Electric vehicle which try to be charging in the factory is expected to increase. In this situation, indiscreet and uncontrolled EV charging can lead to some problems, such as excess of the peak demand capacity. Therefore, EVs, which is charging in SFs, must be monitoring and controlling to avoid and reduce peak demand. However, the standards for EVs charging differ from the standards for SFs. In other words, to increase the ease of use for drivers, and reduce risk for enterprise, we have needs of study to develop the protocols or to provide interoperability, for EVs charging in SFs. This paper deals with a EV charging management platform installing in a smart factory. And this platform can be easily integrated as part of SF management software. The main goal of this paper is to implement EV management system based on IEC61851 and IEC62541.
IEC62541, known as OPC-UA, is a standard communication protocol for Smart Grid (SG) and Smart Factory application platform. It was accepted as an IEC standard (IEC62541) in 2011 by IEC TC57, and is extending range of application as collaborating with other standrads. The government's policies to popularize EVs ("Workplace Charging Challenge"), the number of Electric vehicle which try to be charging in the factory is expected to increase. In this situation, indiscreet and uncontrolled EV charging can lead to some problems, such as excess of the peak demand capacity. Therefore, EVs, which is charging in SFs, must be monitoring and controlling to avoid and reduce peak demand. However, the standards for EVs charging differ from the standards for SFs. In other words, to increase the ease of use for drivers, and reduce risk for enterprise, we have needs of study to develop the protocols or to provide interoperability, for EVs charging in SFs. This paper deals with a EV charging management platform installing in a smart factory. And this platform can be easily integrated as part of SF management software. The main goal of this paper is to implement EV management system based on IEC61851 and IEC62541.
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문제 정의
논문 [8]과 [14]에서는 OPC UA의 객체 모델이 IEC 61850에서 적용이 가능함을 검증하였다. 다시 말해서, 통신 매핑을 위한 ACSI에 OPC UA 모델링을 제공하여 상호운용성을 제공할 수 있는 구조를 정의하는 것을 목적으로 한다.
본 논문에서는 스마트 팩토리 구축을 위한 통신 표준인 IEC62541을 이용한 전기자동차 충전기의 관리 시스템에 관한 연구를 진행하였다. 제안된 시스템은 기존의 N-Port 충전기 관리 시스템을 기반으로 OPC UA를 기반으로 한 전기자동차 충전 관리 시스템을 구현하였다.
본 논문에서는 스마트 팩토리의 구축을 위해 사용되는 국제 표준 프로토콜인 IEC 62541을 이용하여 전기자동차 충전기를 관리하고 제어하기 위한 N-port 전기자동차 충전기 관리 시스템(N-Port Electric Vehicle Charger Management System, nEV_CMN)을 구현한다. 본 논문에서 제안된 방법은 추가적인 게이트웨이의 구현없이 스마트 팩토리의 에너지 관리시스템과 연계가 가능하고, 스마트 팩토리 내에 설치된 전기자동차 충전기를 관리 및 제어할 수 있다.
이로 인해, 전기자동차 충전기는 온라인(On-line) 감시 및 제어 또한 가능해야 할 것으로 판단된다. 본 논문에서는 스마트팩토리의 데이터 교환을 위해 사용되는 국제 표준인 IEC 62541을 이용한 전기자동차 충전기 관리 시스템을 구현한다.
본 논문은 다음과 같이 구성되어 있다. 제 2장에서는 본 논문에서 구현하려는 전기자동차 충전기와 관련된 표준 기술과 N-Port 충전기에 대해 소개한다. 제 3장에서는 OPCUA를 이용한 N-Port 충전기를 모델링하고, 구현하고, 제 4장에서 평가를 실시한다.
가설 설정
대부분의 충전이 차고지에서 이루어지고, 저부하 시간대인 저녁 11시에서 다음날 오전 8시까지 9시간 동안 이루어진다고 가정하자. 또한, 모든 전기자동차는 3.
대부분의 충전이 차고지에서 이루어지고, 저부하 시간대인 저녁 11시에서 다음날 오전 8시까지 9시간 동안 이루어진다고 가정하자. 또한, 모든 전기자동차는 3.3 kWh SOC가탑재되어 있고, 모든 차량의 충전이 SOC가 20%인 상태에서 충전이 시작된다고 가정하자. 대상 차량은 기아 쏘울 전기차를 기준으로 한다.
제안 방법
OPC UA 플랫폼은 United Automation 사에서 제공하는 평가판 모델링 툴과 평가판 C# 기반의 SDK (Software Development Kit)을 사용하여 Visual Studio 2015에서 개발하였다. N-Port 마스터는 Raspberry Pi 3를 사용하고, 운영체제는 MS Windows 10 Core를 설치하였다.
본 논문에서는 스마트 팩토리의 구축을 위해 사용되는 국제 표준 프로토콜인 IEC 62541을 이용하여 전기자동차 충전기를 관리하고 제어하기 위한 N-port 전기자동차 충전기 관리 시스템(N-Port Electric Vehicle Charger Management System, nEV_CMN)을 구현한다. 본 논문에서 제안된 방법은 추가적인 게이트웨이의 구현없이 스마트 팩토리의 에너지 관리시스템과 연계가 가능하고, 스마트 팩토리 내에 설치된 전기자동차 충전기를 관리 및 제어할 수 있다.
그러나,직접적인 데이터 흐름을 제어하는 것이 아니기 때문에 데이터 전송에 지연이 발생할 수 있다. 본 논문에서 제안된 시스템은 데이터 수신부를 동기 방식으로 제작하였다. 다음 Fig.
각 슬레이브는 ModbusRTU를 이용하여 수집된 계측 정보를 마스터로 전달하며,마스터로부터 수신된 명령을 수행한다. 슬레이브에서 발생된 이벤트를 전달하기 위해 Pear-to-Pear 방식으로 동작하도록 Modbus RTU를 수정하였다.
전기자동차가 유사시 발전원으로써 역할을 수행할 수 있기 때문에 효율적인 관리를 위해 충전 관리 시스템은 다양한 프로토콜을 이용하여 구현되면서 지능화 되었다[18]. 이번 장에서는 사전 연구로서 전기자동차의 관리를 위해 사용되고 있는 표준인 ISO/IEC 15118과 IEC 61850과 스마트 공장의 데이터 통신 표준으로 사용되고 있는 IEC 62541에 연관된 사전 연구를 진행한다.
전기자동차 OBC의 모의를 위해 저항부하를 사용하였으며, 1.5 kW/1Ω 8개, 2 kW/5Ω 2개를 사용하여 총 16 kW 부하를 모의하였으며, 가변적으로 전류를 수정하는 것이 가능하다.
전기자동차 충전시스템의 제어는 높은 실시간성이나 패킷의 송수신이 빠른 시간 내에 이루어져야 하는 것이 아니기 때문에 충전기 관리 서버와 슬레이브 충전기 사이의 트래픽이나 실행능력(performance)에 관한 시험을 생략하였다.
본 논문에서는 스마트 팩토리 구축을 위한 통신 표준인 IEC62541을 이용한 전기자동차 충전기의 관리 시스템에 관한 연구를 진행하였다. 제안된 시스템은 기존의 N-Port 충전기 관리 시스템을 기반으로 OPC UA를 기반으로 한 전기자동차 충전 관리 시스템을 구현하였다. 본 논문에서 구현한 시스템을 스마트 팩토리에 적용할 경우 어플리케이션 및 시스템 간 유연하고 손쉬운 통합을 제공할 수 있다.
대상 데이터
3 kWh SOC가탑재되어 있고, 모든 차량의 충전이 SOC가 20%인 상태에서 충전이 시작된다고 가정하자. 대상 차량은 기아 쏘울 전기차를 기준으로 한다. 예상 충전시간과 충전기 사용효율은 다음과 같이 계산될 수 있다.
NM의 종류는 이벤트 데이터(Event Data)와 상태 정보 데이터(State Information Data) 두 가지 유형의 패킷으로 구분된다. 이벤트 데이터는 충전을 위한 사용자 인증, 충/방전 시작과 종료의 통보를 위한 충/방전 정보, 충전 요금 정슬레이브가 전송하는 메시지는 전력 케이블의 연결 상태와 충/방전 상태, 전압, 전류, 충전량, 전력량계의 총 서비스전력을 포함한다. 본 개발에서 N-Port 충전기의 개발과 설치의 편의를 위해 전력량계는 마스터에 위치시켰으며, 계측 값은 동일한 쓰레드가 관리한다.
5 kW/1Ω 8개, 2 kW/5Ω 2개를 사용하여 총 16 kW 부하를 모의하였으며, 가변적으로 전류를 수정하는 것이 가능하다. 회로 차단기는 40A이며 IEC 61851 국제 규격을 만족하는 제품을 사용하였다. 각 모듈은 슬레이브의 역할보다는 공간의 활용성을 고려하여 배치하였다.
이론/모형
마스터는 EV_SEMS와 슬레이브 사이의 데이터 전송과 관리자 HMI와 전기자동차 충전기 관리 서버 사이의 통신은MSMQ (Microsoft Message Queue)를 기반으로 데이터 전송은 JSON (JavaScript Object Notation) 형식을 사용한다. JSON은 이해하기가 쉽고, 언어와 플랫폼에 독립적이다.
스마트 팩토리의 구축을 위해서는 사업장 내에 설치된 모든 설비 요소의 통합을 위한 연결이 필수적이다. 이로 인해 Industry 4.0에서 요구하는 통신과 소프트웨어 개발에 필요한 다양한 문제를 해결하기 위해 OPC Foundation은 OPC Unified Architecture (OPC UA)로 불리는 IEC 62541 표준을 채택하였다. OPC UA는 스마트 그리드를 위한 통신미들웨어로서 채택되었다[3, 4].
성능/효과
제안된 시스템은 기존의 N-Port 충전기 관리 시스템을 기반으로 OPC UA를 기반으로 한 전기자동차 충전 관리 시스템을 구현하였다. 본 논문에서 구현한 시스템을 스마트 팩토리에 적용할 경우 어플리케이션 및 시스템 간 유연하고 손쉬운 통합을 제공할 수 있다.
시나리오 2) 배터리 충전이 완료되지 않았으나 사용자가 원격에서 사전에 등록한 사용자 단말기를 이용하여 충전을 종료시키는 경우, 관리 서버는 finish() 함수를 호출하고, 충전기는 충전을 종료한다. 충전기는 통보 이벤트를 발생시키게 된다.
후속연구
이로 인해 전기에너지의 통합 관리와 충전기의 제어가 이루어지지 않는다면, 사업장의 부하를 급증시킴으로써 사업장의 전기에너지 부담을 가중 시킬 수 있다. 그러나 스마트 팩토리에서 충전이 이루어져야 하는 경우 사전연구에서 살펴본 바와 같이 전기자동차의 관리를 위해 사용하는 프로토콜과 스마트 팩토리의 기반 프로토콜이 서로 다르기 때문에 두 프로토콜 간의 호환성에 대한 연구 또는 전기자동차 충전기를 흡수한 충전기 관리 시스템에 대한 구현이 필요할 것이다.
또한, 사업장 내 충전소 설치 캠페인이 충전 편의성과 보급 활성화에 있으므로, 스마트 팩토리에 설치된 ESS와 연계함으로써 과부하 시간대라도 저렴한 충전 요금을 제공할 수 있다. 오히려 퇴근 후 가전의 사용량이 늘어남으로써 피크그리드의 최대 수요 전력 초과 현상이 발생할 수 있어 이를 해결하기 위한 수요반응으로 사용될 수 있을 것이다.
국내의 경우, 환경부는 직원들의 출퇴근 비용 절약과 지역사회 환경보호를 위해 2018년까지 500개의 기업에 전기자동차 충전소를 설치하는 것을 목표하고 있으며 2017년 1월에 롯데, 3월에 LG전자와 협약을 진행하였다[21]. 이러한 정책에 따라 스마트 팩토리에 설치되는 충전기의 수 또한 지속적으로 증가할 것이다.
스마트 팩토리는수요반응(Demand Response)의 참여와 피크부하 저감을 달성할 수 있다. 이와 더불어 태양광 발전의 추가는 고용인들에게 충전 비용을 줄여주면서 수요반응을 참여를 위한 인센티브 효과를 제공할 것이다. 기업은 에너지저장장치의 크기를 줄임으로써 초기 투자비용을 절감할 수 있고, 참여 가능한 수요반응의 범위를 넓히는 효과가 있을 것이다.
추후 개발에서는 OPC UA와 IEC 15118간의 통신 게이트웨이 개발 및 MQTT와 OPC UA간의 통신 게이트웨이의 개발을 통해 상호운용성을 제공할 것이다.
향후, 국가적인 전기자동차의 보급 정책에 따라 점차적으로 전기자동차의 보급이 급증할 것이고, 이에 따라 전기자동차 충전기의 설치 대수 또한 증가할 것으로 예측된다. 또한, 사업장 내 충전소 설치 캠페인이 충전 편의성과 보급 활성화에 있으므로, 스마트 팩토리에 설치된 ESS와 연계함으로써 과부하 시간대라도 저렴한 충전 요금을 제공할 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
스마트 팩토리의 구축을 위해서 필수적인 것은 무엇인가?
스마트 팩토리는 사업장 내의 설비와 기계에 센서를 부착하고, ICT (Information and Communication Technology)를 기반으로 데이터를 실시간으로 수집하고, 이를 분석하여 공장 내에서 발생한 상황에 대한 설명이 가능하고, 발생 가능한 상황에 대한 예측을 통해 자동적으로 제어가 가능한 사업장이다. 스마트 팩토리의 구축을 위해서는 사업장 내에 설치된 모든 설비 요소의 통합을 위한 연결이 필수적이다. 이로 인해 Industry 4.
OPC UA로 명명된 국제 표준 IEC62541은 무엇인가?
OPC UA로 명명된 국제 표준 IEC62541은 스마트 그리드(Smart Grid)와 스마트 팩토리(Smart Factory)의 응용 플랫폼을 위한 통신 프로토콜이다. 2011년 IEC TC57 그룹에서 표준화되었으며, 다른 표준들과의 협업을 통해 점차 사용범위를 넓히고 있다.
N-Port 충전기 관리 네트워크는 어떻게 구성되는가?
N-Port 충전기 관리 네트워크는 두 개의 부분으로 구성된다. N-Port 충전기는 하나의 마스터에 여러 개의 슬레이브가 연결되는 구조로서, 마스터는 슬레이브로부터 전송되는 내용을 현시하고 EV_SEMS가 송신하는 명령을 슬레이브로 전달하는 기능을 가진다. 마스터와 슬레이브들 간의 통신은 Modbus를 이용하여 데이터를 교환하고, EV_SEMS와 마스터 간 통신은 OPC UA를 적용한다. Fig.
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