[논문]에너지 생산량 소비량 예측을 통한 효율적인 계통 독립형 ESS 제어 시스템

주종율; 오재철

doi:10.13067/jkiecs.2019.14.1.155

에너지 생산량 소비량 예측을 통한 효율적인 계통 독립형 ESS 제어 시스템
Efficient Grid-Independent ESS Control System by Prediction of Energy Production Consumption 원문보기

한국전자통신학회 논문지 = The Journal of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, v.14 no.1, 2019년, pp.155 - 160

주종율 ((주)지에스씨) , 오재철 (순천대학교 컴퓨터과학과)

초록
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본 논문에서는 신재생에너지와 농업ICT를 활용한 시설농업용 제어와 에너지생산량과 소비량 예측을 통해 효율적인 계통 독립형 ESS제어시스템을 제안한다. 제안된 시스템은 전력계통 정밀 위상 및 데이터를 시각화하여 유지보수 및 모니터링을 수행할 수 있는 통합 관리 시스템으로 장애 발생 시 자동으로 이에 대해 대처하고 데이터 수집, 처리, 제어가 가능하며, 태양광발전의 전력 발전과 설치된 설비들의 소비 패턴, 설비들의 동작 트랜드를 분석, 기상청 OpenAPI를 활용한 에너지 생산량 소비량 예측을 통해 최적의 에너지 운영 방법을 제시함으로써 불필요한 에너지 소비를 줄이고 운영비용을 절감할 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we propose an efficient grid-independent ESS control system through the control of renewable energy and agricultural ICT by utilizing the prediction of energy production and consumption. The proposed system is an integrated management system that can perform maintenance and monitoring by visualizing the accurate phase and data of power system. It can automatically cope, collect, process, and control the data. Also, it can analyze the power generation of solar power generation, consumption pattern of installed facilities, and operation trend of facilities. Further, it can predict the consumption of energy production and present the optimal energy management method by using the OpenAPI of the Korea Meteorological Administration, thereby reducing unnecessary energy consumption and operating cost.

주제어

표/그림 (7)

그림 그림 1. 시스템 구성도 Fig. 1 System configuration diagram
그림 그림 2. 농업시설물 연계형 ESS 구성도 Fig. 2 Agricultural construction-linked ESS
그림 그림 3. ESS 에너지 운영 알고리즘 구성도 Fig. 3 Configuration diagram of ESS energy operation algorithm
그림 그림 4. 통합 모니터링 시스템 유무선 통신 인터페이스 구성도 Fig. 4 Integrated Monitoring System Wired / Wireless Communication Interface Configuration Diagram
그림 그림 5. 통합시스템 Fig. 5 Integrated system
그림 그림 6. 통합 모니터링 시스템 메인 화면 Fig. 6 Integrated monitoring system main screen
그림 그림 7. 모니터링 제어 Fig 7. Monitoring control

AI 본문요약
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문제 정의

또한, 설비들의 에너지 생산량 및 소비량을 분석하여 에너지 생산량 및 소비량 예측 알고리즘을 고안하고 계통 전력 사용을 최소화 하도록 최적의 ESS 운영 제어시스템을 개발하고자 한다.
본 논문에서는 신재생에너지와 농업ICT를 활용한 시설농업용 제어와 에너지생산량과 소비량 예측을 통해 효율적인 계통 독립형 ESS제어시스템을 제안한다.
에너지 생산량 및 소비량 예측은 전기에너지의 생산량과 소비량에 영향을 주는 전기에너지의 생산 및 소비 패턴을 분석하여 그 데이터를 바탕으로 보다 효율적인 전기에너지의 사용 방안을 제시하고 전기에너지의 비율 절감을 통한 에너지 사용의 효율성을 높이고자하였다.

제안 방법

농업시설물 연계형 ESS 제어 시스템은 농업 설비들의 전원과 연계된 BMS, PCS, 충․방전 제어 시스템으로 기존의 ESS가 별도의 전기실을 이용하는것 에 반해 제안한 ESS시스템은 농업용 시설하우스에 특화된 소규모 창고형 하우스로 설계, 제작되었다.
환경 센서들과 기상청 OpenAPI를 활용하여 구름의 양, 온도, 습도를 통해 앞으로의 발전 가능한 태양광 전력을 분석하여 에너지의 생산량 알고리즘을 설계 하였다. 또한, 설비별 에너지의 소비패턴을 분석 자료를 통해 에너지 소비량에 대한 예측 알고리즘을 설계하였다.
또한, 시설하우스에 설치되는 개폐기, 환풍기, 난방기, 관수 모터/밸브, 제습기의 가동 시 태양광 발전 전력과 ESS 충전율을 고려하여 자동으로 충·방전을 제어하는 기능을 제공하며, 최대 소비 전력을 낮추기 위한 목표(피크)전력 설정과 이에 맞춰 자동으로 방전을 수행하는 피크 제어 기능을 제공한다.
에너지 사용 및 소비패턴의 특징은 크게 4가지로 파악이 된다. 먼저, 첫 번째로는 전기에너지 연간 사용성상의 특징으로는 연 기준으로 분석하여 보면 계절적인 변동성을 반영하고 있으며. 여름, 겨울, 봄가을 순으로 사용량이 많은 특징을 보여준다.
본 논문에서 제안하는 에너지 생산량과 소비량 예측을 통한 ESS 운영방식을 살펴보면 먼저 안정적인 태양광 발전데이터 및 정밀위상을 측정하기 위한 PMU를 설계 제작하고, 고정밀 셀전압을 측정하고 셀밴런싱하기 위해 BMS를 설계하였다.
본 논문에서 제안한 시스템은 환경센서와 기상청 OpenAPI를 활용하여 기상 상태 파악 및 에너지 생산량 소비량을 예측함으로써 농업 시설물에 특화된 ESS의 스케줄 충·방전 제어, 피크 제어 기능을 제공한다.
설비들의 상황별 에너지 소비패턴을 분석, 구동전력 및 사용 중에 소비되는 전력량 및 패턴을 분석하였다.
제안된 시스템은 전력계통 정밀 위상 및 데이터를 시각화하여 유지보수 및 모니터링을 수행할 수 있는 통합 관리 시스템으로 장애 발생 시 자동으로 이에 대해 대처하거 데이터 수집, 처리, 제어가 가능하다.
태양광 발전, ESS, PCS로부터 데이터 수집 및 충·방전 제어 신호 전송을 위해 RS-485유선통신 모듈 개발하였으며, 시설하우스에 설치되는 환경센서 (온·습도센서, 토양 습윤량 센서) 들과 태양광 발전 예측을 위한 일사량 센서에 대한 유무선 통신모듈을 개발하였다.
통합 모니터링 시스템은 개폐기, 환풍기 제습기, 난방기, 관수 밸브를 제어하는 시설하우스 복합 제어 시스템과 에너지 운영 제어 시스템을 통합한 모니터링 시스템으로 시설하우스 제어 시스템과 에너지 운영 시스템이 서로 연동되어 최소한의 계통 전력을 사용하도록 하였으며, 제안시스템의 구현화면은 그림 5와 같다.
통합모니터링 시스템의 메인화면은 그림6와 같으며, 메인화면서는 시설하우스 환경정보, 농업시설물의 장비상태와 ESS설비 정보등 간략하게 시각화 되도록 하였다.
환경 센서들과 기상청 OpenAPI를 활용하여 구름의 양, 온도, 습도를 통해 앞으로의 발전 가능한 태양광 전력을 분석하여 에너지의 생산량 알고리즘을 설계 하였다. 또한, 설비별 에너지의 소비패턴을 분석 자료를 통해 에너지 소비량에 대한 예측 알고리즘을 설계하였다.

성능/효과

네 번째 전기에너지 용도별 사용상 특징을 용도별 기준으로 외부의 영향을 받는 냉난방 및 냉난방 공용 부문은 기온의 변경에 따른 변동성을 반영하고 있으며 그 외의 내부적인 요소의 영향을 받는 조명, 전열, UPS, 환기, 승강기 등 부문은 연간 월별 변동성이 거의 없는 일정한 사용량의 60% 수준을 보여주고 있다. 반면에.
두 번째, 전기에너지 주간 사용상의 특징으로는 주간 기준으로 요일에 따른 변동성을 반영하고 있으며, 근무일(주중)이 휴일(주말)보다 사용량이 많은 특징을 보여주고 있다. 즉, 주중인 월~금은 전기에너지의 사용량이 많으며 토, 일의 주말은 큰 폭으로 에너지의 사용량이 감소된 것을 알 수 있다.
또한, 태양광발전의 전력 발전과 설치된 설비들의 소비 패턴, 설비들의 동작 트랜드를 분석, 기상청 OpenAPI를 활용한 에너지 생산량 소비량 예측을 통 해 최적의 에너지 운영 방법을 제시함으로써 불필요한 에너지 소비를 줄이고 운영비용을 절감할 수 있다.
세 번째 전기에너지 일, 시간대별 사용상 특징을 일, 시간의 기준으로 근무시간 여부에 따른 변동성을 반영하고 있으며 근무시간이 근무 외 시간대보다 전기에너지의 사용량이 많은 특징을 보여주고 있다.
태양광 발전의 전력과 시설농업에 설치된 설비들의 소비패턴 설비들의 운전 트랜드를 분석, 기상청 OpenAPI를 통한 에너지 발전량 및 소비량 예측을 통해 최적의 에너지 운영 방법을 제시함으로써 불필요한 에너지 소비를 줄임으로써 운영비용을 절감할 수 있다.

후속연구

또한, 기상 데이터를 통해 앞으로의 태양광 발전량과 설비들의 전력 소비량을 예측하여 계통 전력의 사용을 최소화하는 ESS 충·방전 스케줄링이 수행되어야한다.
또한, 제안된 시스템에서 장애 발생 시 능동적으로 대처하여 효율적인 에너지 관리를 통한 에너지 소비량 감소을 유도하고 이로 인해 CO2 배출량 감소 효과를 기대하며, 향후 농업ICT와 연계된 마이크로그리드 사이트의 발전원 및 부하 패턴 분석에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	에너지 저장장치란 무엇인가?	에너지 저장장치이란 전기 수요가 적을 때 생산된 전력을 전력계통(Grid)에 저장하였다가 전기 수요가 높을 때 저장된 전기를 공급해주는 시스템을 말한다 [3].
	계통 독립형 시스템은 무엇으로 구성되어 있는가?	계통 독립형 시스템은 전기를 발전하는 태양광 모듈, 심야나 우천 등 약천 후 시에도 전기를 사용할 수 있도록 축전하는 배터리, 발전된 직류를 일상적으로 사용가능한 교류로 변환해주는 전력변환장치(PCS, Power Conditioning System)로 구성된다.
	농업 분야의 시설물에 대한 최적의 에너지 관리 프로그램 개발이 어려운 까닭은 무엇인가?	농업분야의 설비들은 계절적 요인에 의해 소비량과 소비 패턴이 크게 달라지는 특성을 가지고 있으며, 기존의 에너지 관리 시스템을 적용하기 어려움을 가지 고 있다.

참고문헌 (10)

C. Mook, H. Woo, S. Hee, and C. Ha, "Power Conversion System (PCS) technology of building energy storage system (ESS)," The Korean Institute of Illuminating and electrical Installation Engineers, vol. 28 no. 3, 2014, pp. 57-63.
MOTIE, "The Second Korea Energy Master Plan," Ministry of Trade Industry and Energy, 2014, pp. 1-159.
Y. Ryu and J. Park "Profile-based open ESS system technology," Korea Institute Of Communication Sciences, vol. 33 no. 7, 2016, pp. 40-46.
A. Cheung, "Battery innovation: incremental or disruptive?," Bloomberg New Energy Finance Presentation Slide, 2012, pp. 1-15.
IEA, "Technology Roadmap-Energy Storage," Energy Technology Perspective, 2014, pp. 1-64.
Z, Yang, J. Zhang, C. Michae, X. Lu, D. Choi, J. Lemmon, and J. Liu, "Electrochemical energy storage for green grid," Chemical reviews, vol. 111 no. 5, 2011, pp. 3577-3613.

상세보기
H. Kang, J. Lee, and C. Kim, "A Study on the Technical trends of Energy New Industry and Business Model in Electric Power Market," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 11, no. 8, 2016, pp. 773-782.

원문보기 상세보기
W. Lee and J. Yeo, "Analysis example of Peak Reduction ESS installation of commercial buildings," The Korean Institute of Illuminating and electrical Installation Engineers, vol. 3 no. 1, 2017, pp. 52-58.
S. Kim, "Energy storage technology for power," The Korean Institute of Power Electronics, vol. 23 no. 2, 2018, pp. 35-39.
Korea Battery Research Association, "Independent ESS Southeast Asian market survey," Technical report, 2014. pp.1-194.

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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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