초록
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1. 개요
스마트그리드(Smart Grid, 지능형전력망)는 기존의 전력망(Grid)에 정보통신 기술(ICT, Information & Communication Technology)을 접목하여, 전력망을 지능화·고도화함으로써 고품질의 전력서비스를 제공하고 에너지 이용효율을 극대화하는 전력망을 말한다. 스마트그리드는 에너지효율 향상에 의해 에너지 낭비를 절감하고, 신재생에너지에 바탕을 둔 분산전원의 활성화를 통해 에너지 해외의존도 감소 및 기존의 발전설비에 들어가는 화석연료 사용 절감을 통한 온실가스 감
1. 개요
스마트그리드(Smart Grid, 지능형전력망)는 기존의 전력망(Grid)에 정보통신 기술(ICT, Information & Communication Technology)을 접목하여, 전력망을 지능화·고도화함으로써 고품질의 전력서비스를 제공하고 에너지 이용효율을 극대화하는 전력망을 말한다. 스마트그리드는 에너지효율 향상에 의해 에너지 낭비를 절감하고, 신재생에너지에 바탕을 둔 분산전원의 활성화를 통해 에너지 해외의존도 감소 및 기존의 발전설비에 들어가는 화석연료 사용 절감을 통한 온실가스 감소효과로 지구온난화도 막을 수 있게 된다. 4차산업혁명 시대에는 산업의 경계가 허물어지고 모든 것이 연결되는 초연결(hyper connectivity) 시대가 되어 더더욱 “전기”의 중요성이 강조되고 있다.
[그림 1] 스마트그리드 개념
주요 구성요소로는 에너지저장시스템(ESS), 지능형 원격검침 인프라(AMI), 에너지관리시스템(EMS), 전기차 및 충전소, 분산전원, 신재생에너지, 양방향 정보통신 기술, 지능형 송?배전시스템 등으로 구성된다. ESS(Energy Storage System)는 전력 인프라를 구성하는 가장 핵심이 되는 기술로, 에너지를 대형 배터리에 저장하여 전력공급 및 수용의 균형을 조절하여 전력 계통을 유연하게 운영할 수 있다. AMI(Advanced Metering Infrastructure)는 스마트미터에서 측정한 데이터를 원격 통신인프라를 통하여 전력 사용 현황을 자동분석하는 기술로, 이를 통해 소비자에게 실시간 요금 단가와 정보 및 에너지 사용 패턴 등을 분석한 정보제공이 가능하다.
EMS(Energy Management System)는 에너지효율 향상 목표를 설정하고 이를 달성하기 위해 관리체제를 체계적이고 지속적으로 추진하는 전사적 에너지관리 시스템으로 공장, 가정, 국가 전력계통운영시스템 등에서 에너지 사용을 최적화하도록 IT 소프트웨어로 관리한다. 이외에도 첨단 전력망에 대한 사이버공격을 사전에 차단하거나, 즉각 대응할 수 있는 보안시스템이 필요하며 첨단시스템이라 할 수 있는 스마트그리드를 최상의 상태로 운영할 수 있는 인재들도 양성하여 운영되는 부분을 포함하기도 한다.
[그림 2] 스마트그리드 구성요소
차세대 전력망인 스마트그리드를 구현하기 위해서는 [표 1]에서 보이는 것과 같이 다양한 분야에서 첨단 정보통신 기술을 바탕으로 한 기반이 구축되어야 하는데, 먼저 전력망을 지능화해야(지능형전력망, Smart Power Grid) 하고, 전력공급자와 소비자가 양방향으로 실시간 전력 정보를 교환할 수 있도록 해야(지능형소비자, Smart Place) 하며, 전력망과 전기자동차가 양방향으로 자유롭게 접속하는 시스템을 갖춰야(지능형운송, Smart Transportation) 한다.
본 보고서는 센서의 발달, IoT의 실현 등 배경 기술이 뒷받침되고 있는 시점에서 스마트그리드가 현실화되고 확산, 발전하는 양상을 보이고 있다. 에너지 신산업의 중심에 있는 스마트그리드 관련 최근 동향 및 보안 이슈에 대해 살펴볼 것이다.
[표 1] 스마트그리드 표준 기술 분류(한국스마트그리드 협회)
대분류
중분류
소분류
지능형
소비자
AMI 기술
AMR(자동원격검침시스템) 기술, 지능형 In-Home 디바이스, 스마트미터(지능형전력량계), DCU(데이터집중장치) 및
MDMS(전력정보처리시스템)
FMS 기술
홈에너지관리시스템(HEMS), 빌딩에너지관리시스템(BEMS),
공장에너지관리시스템(FEMS), DR(소비자 수요 반응) 연계 시스템
기술, 소비자 측 전력 거래 기술, 데이터분석 기술
양방향 통신네트워크
유무선통신 기술(HAN/NAN/WAN 등), 에너지 서비스 게이트웨이 기술
지능형
운송
부품 소재
저가/고성능 배터리 기술, 배터리관리시스템 기술
충전 인프라
충전시스템(AC, DC, AC/DC) 기술, 충전용 전력변환 및 제어시스템 기술, 배터리 교환시스템, 비접촉식 충전시스템, 전기차 ICT 서비스 플랫폼 기술
전기차 관리시스템
충전시스템 모니터링 시스템 기술, 충전 부하관리 시스템,
전기차 운행관제 시스템, 스마트 충전 네트워크, 텔레매틱스,
인증/과금 등 네트워크 기술
V2G
(전기차 역송전)
V2G용 양방향 전력변환시스템 기술,
Advanced EV 및 VPP(Virtual Power Plant, 가상발전소) 기술,
V2G 서비스용 계통 모델링 기술, V2G용 계통 연계 및 운영 시스템,
V2G용 통신 인터페이스 기술, 계통영향 분석
지능형
신재생
마이크로그리드 기술
마이크로그리드 설계, 해석 기술, 전력품질(Power Quality) 기기 및
운용 기술, EMS, STS(Static Transfer Switch, 정지형 스위치)/
IED(지능형 전자 디바이스) 기기 기술, 마이크로그리드 보호 기술, 마이크로그리드 인터페이스 및 통신 기술
에너지 저장장치 기술
PMS(전력관리시스템) 기술, PCS(전력변환시스템) 및 계통연계 운용 기술, BMS(배터리관리시스템) 기술
전력품질 보상 기술
SVC(Switched Virtual Connection), DVR 등 산업용 및 저압용 기술,
전압 보상 등 운용 기술
전력 거래 인프라 기술
AMI 등 발전량 계측 관련 기술
송·배전
지능형 송전시스템
실시간 계통 해석/안정화/운영 기술 개발, 디지털변전시스템,
Advanced EMS, WAMS(전력계통감시시스템)/WACS(전력계통제어시스템),
보호/자동복구시스템
지능형 배전시스템
DR, 수요예측, 공급능력 산정, 분산전원, 전기차 연계 및 통합제어 기술,
통합에너지 스마트그리드 구축(전력/가스/수도 등)
지능형 전력기기
운영설비/시스템 Contents, 지능형 배전기기 계통 적용,
초전도기 계통 적용,
HVDC(초고압직류송전)/FACTS/Dynamic Rating 계통 적용
지능형 전력통신망
ICT 통합 구축/운영 기술, Cyber Security, 지능형전력통신망 기술 고도화
사업자,
서비스,
운영
실시간 요금제 기술
실시간요금제(시장, 계통 특성을 반영), 용도별 요금제 설계 기술,
수용가 CBL(Customer Baseline, 표준요금) 분석 기술, 프로그램 M&E 기술
수요 반응 기술
부하자원 분석 기술, 실시간 부하자원 평가 기술
부하자원 매집 기술, 지능형 부하자원 최적 운영 기술
전력 거래 기술
지능형양방향거래, 수요자원 입찰/거래 시스템,
통합 전력자원 거래 시스템
2. 스마트그리드 최근 동향 및 보안 이슈
2.1. 에너지저장시스템(ESS)
ESS는 야간에 남는 잉여전력을 배터리 등에 충전했다가 전력 소비가 높은 낮 시간대에 보조발전기로 사용할 목적으로 개발된 것을 말한다. 정부는 ESS 보급을 확대해 전기 수급 위기를 극복하고 효율적인 에너지 사용을 유도한다는 계획을 추진하고 있다. 2009년 12월 제주 스마트그리드 실증단지를 구축해 2MVA급 ESS를 개발해 현장에서 실증을 추진하여, 검증된 관련 기술 확보 및 산업현장과 대형 빌딩에 적용 가능한 에너지효율화 솔루션을 자체 개발해 보유하고 있으며, 포스코 ICT는 2015년에 신안 팔금도에 신재생에너지와 연계한 ESS를 구축했고, 추자도를 에너지자립섬으로 만들기 위한 소규모 전력망인 마이크로그리드를 구축하는 사업을 추진한 바 있다.
[그림 3] 제주 스마트그리드 실증단지
현대차는 노후화된 전기차 배터리를 에너지저장장치(ESS)로 재활용하는 사업을 준비 중으로, 올해 6월 글로벌 에너지 기업인 핀란드 바르질라와 전략적 파트너십을 맺었다. 아울러 현대제철 당진공장에서 아이오닉 일렉트릭, 쏘울 EV의 재활용 배터리를 기반으로 1MWh급 ESS 설비를 구축하는 실증 사업을 진행 중이다.
[그림 4] 현대제철이 구축/운영 중인 전기차 배터리 재사용(Reuse) 에너지저장장치(ESS)
지난 10월 2일 킨텍스에서 열린 “2018 대한민국 에너지 대전”에서 삼성과 LG전자는 고효율 에너지 솔루션을 전시했다. 삼성은 상업용 에너지저장시스템(ESS) 솔루션을 비롯한 가정용·기업용 에너지 솔루션을 전시했으며, 특히 한국전력으로부터 국내 최초로 “ESS식 냉난방설비” 인증을 취득할 예정으로 한국전력 인증을 취득하면 심야전기를 활용해서 건물 냉난방에 이용할 수 있다. ESS에 심야전기를 미리 저장한 뒤 이 전기를 활용해 낮 시간 등 전력 사용이 몰리는 시간에 저장 전력을 활용한다. LG전자는 참가 업체 중 가장 큰 270㎡ 규모의 전시관을 마련하고 호텔, 학교, 가정에서 사용할 수 있는 고효율 공조시스템, 태양광, ESS 등 토털 솔루션을 제시했다.
세계 ESS 시장은 각국 신재생에너지 정책을 기반으로 하여 빠르게 확대되고 있는 추세이다. 영국의 경우, 태양광, ESS를 연계해 설치를 하면 세금 감면 혜택까지 주고 있으며, 미국 역시 ESS 의무 규정, 설치 지원금 제도를 만들어 신재생에너지 시장의 확대를 꾀하고 있다. 독일 BMW는 전기차 중고·폐배터리를 활용한 가정용 ESS를 제작해 현지 100가구를 대상으로 시범사업 중이며, 일본 닛산도 전력회사와 손잡고 중소형 ESS 실증 사업을 추진 중이다. 하지만 세계적으로 상용 제품은 아직 나오지 않은 상황이다.
2.2. 지능형 검침 인프라(AMI, Advanced Metering Infrastructure)
현재 스마트그리드 구축 사업 중 가장 주목해야 할 부분은 AMI 설치이다. 선진국과 신흥국을 가리지 않고 전 세계적으로 AMI 구축과 스마트미터 보급이 활발히 진행되고 있다. AMI는 원격검침 모뎀을 설치하여 양방향통신이 가능한 지능형전력계량시스템을 말한다. AMI는 스마트그리드를 구현하기 위한 핵심 인프라로서, 스마트미터, 통신망, 계량 데이터관리시스템과 운영시스템으로 구성되고 스마트미터 내에 모뎀을 설치해 양방향통신이 가능한 지능형전력계량인프라이다.
최근 한국전력이 제안한 한국형 고속전력선통신(PLC: Power Line Communication)을 이용한 AMI 통신 규격이 지난 3월 국제전기기술위원회(IEC)로부터 최종 승인되었으며, 4월 10일 국제표준으로 공식 발간되었다. 한국형 PLC의 스마트미터 국제표준 등재는 한국형 고속 PLC 기반 AMI 기술의 대외 인지도를 높이고, 글로벌 시장 진출에 크게 기여할 것으로 예상된다.
[그림 5] 한국전력이 제안한 한국형 고속 PLC 기반 AMI 통신 기술 개통도
뿐만 아니라 한국전력은 고품질 AMI 통신망 구축을 위해 스마트미터링과 플랫폼 개발에 나선다고 발표하였으며, 이를 통해 2,250만 가구의 고객 전력사용량 정보를 원격으로 검침해 빅데이터화하고, 다양한 신규 서비스를 제공할 계획이다. 주요 내용으로 스마트미터 게이트웨이(SMGW)를 구축해 기존 시스템의 한계로 할 수 없는 다양한 신규 서비스를 제공하겠다는 것이며, 또 하나는 기존 정보수집장치(DCU)의 업그레이드 버전인 “A(Advanced)-DCU”의 도입으로 현재 운영 중인 KS-PLC(전력선통신)와 HPGP(홈플러그 그린 파이)형 PLC 등 유선통신과 WI-SUN(와이선) 등 무선통신 방식을 하나의 ADCU에서 관리하겠다는 것이다.
차세대 지능형 “스마트그리드(Smart Grid)” 조성 시범사업을 통해 효율적인 에너지관리와 전기요금 절감을 꾀하고 있는 인천시에서는 올해로 시범사업 3년째로, 시는 2016년 1,500세대, 지난해 7,500세대에 대해 AMI(지능형 검침 인프라) 설치, 관리시스템 구축을 완료했다. 이번에 설치되는 아파트에 설치되는 “'SG-파워플래너” 애플리케이션은 스마트폰을 활용하여 실시간 전력사용량, 전기요금, 이웃 요금 비교 등 기본정보 외에 시간대별, 요일별, 월별 소비 패턴 분석 기능과 누진 단계, 과다 요금 알림 서비스 기능을 탑재해 사용자가 에너지 비용 절감은 물론 계획적, 합리적으로 에너지소비를 할 수 있도록 도와준다.
2.3. 홈에너지관리시스템(HEMS, Home Energy Management System)
HEMS는 에너지효율 향상 목표를 설정하고 이를 달성하기 위해 관리체제를 일정한 절차 및 기법에 따라 체계적이고 지속적으로 추진하는 전사적 에너지관리 시스템을 말하는 것으로 소프트웨어로 관리된다. 포스코건설은 부산 동래구에 오픈한 “동래 더샵”에 HEMS를 적용하여 가구별로 에너지 사용 알림 및 지침을 제공해 에너지절감을 도와주어 가구 에너지 사용량을 실시간 확인할 수 있는 기능을 제공하였다.
서울에너지공사는 ”마곡지구 스마트에너지시티 조성계획”에 따라 마곡지구의 청사진을 제시하면서, 도심에 분산된 대형 공공건물의 경우 주민센터 중심의 공공건물 에너지 자립 모델을 도입하고, 공동주택 대상으로는 지역밀착형 에너지관리시스템 도입을 추진한다. 롯데백화점은 지난달 에너지경영시스템에 대한 국제표준 ISO50001 인증을 취득했다고 12일 밝혔다. ISO50001 인증은 국제표준화기구(ISO)가 제시한 에너지경영시스템의 표준 규격이다. 해당 인증을 취득한 기업은 효율적인 에너지관리 시스템을 갖췄다는 것을 공인받은 것으로 볼 수 있다. 또한 국내 건축 건물 최초로 롯데백화점 평촌점에 '빌딩에너지관리시스템 1등급(BEMS)'을 올해 안에 설치할 계획이며 시범운영 후 전 점으로 확대할 예정이다.
최근에는 빅데이터 기술을 활용하여 데이터를 수립하고 수집된 데이터를 분석하여 환경에 최적화된 정책을 수립하고 자동으로 적용하게끔 만드는 지능형 무선 에너지관리 시스템이 선보이고 있다. 예를 들어 전력사용량이 증가하면 자동으로 불필요한 전력들, 즉 창고 조명, 휴게실 등의 냉난방기를 자동으로 끄거나 밝기를 조정하도록 해준다.
[그림 6] 지능형무선에너지관리시스템(출처: 엔엑스테크놀로지의 enbrix)
2.4. 스마트그리드 보안
5년 전, OWASP(The Open Web Application Security Project) 이스라엘 지부 설립자인 Ofer Shezaf는 2013년 암스테르담에서 개최된 Hack In The Box 컨퍼런스에서 전기자동차 충전소의 보안 결함에 대해 발표했다. 당시 Ofer는 자동차 충전소를 공격하는 것은 매우 어렵다고 이야기했었으나, 불과 몇 주 전 러시아에서는 주유소 악성코드 배포를 통해 부당한 이득을 취한 해커가 체포되는 일이 발생하였다. 이 악성코드는 고객이 청구하는 것보다 최대 7% 적은 양의 가스를 주입하고, 실제 주유한 연료보다 더 많은 돈을 지불하도록 만들었다. 러시아 당국의 조사 결과 주유소 관계자들은 탱크 저장소를 비워놓고 고객이 가스를 구입할 때마다 그중 일부를 저장고로 빼돌렸다고 밝혔다. 이와 같이 스마트그리드 구축 시에 사이버-물리적 시스템의 취약점이 발생하면 많은 심각한 문제를 발생시킬 수 있다.
스마트그리드 기술을 가능하게 하는 주요 기술은 이전에 설명한 AMI라고 할 수 있는데, AMI는 계량기 데이터를 전기공급업체에 무선으로 전송하기 때문에 현장 미터기 판독이 더 이상 필요하지 않을뿐더러 언제 어디서나 전력 소비 및 가격 데이터를 실시간으로 수신할 수 있다. 그러나 데이터는 통신네트워크를 통해 이동하기 때문에 데이터 전송 중 탈취와 변조의 위험이 있다. 따라서 데이터 손상은 전체 사이버-물리적 시스템이 공급, 소비, 계량 및 청구의 과정에서 취약하다는 것을 의미한다.
시장조사 기업 파이크 리서치(Pike Research)는 현재의 스마트그리드 보안 상태를 가리켜 “혼돈에 가깝다”고 표현했다. 스마트그리드 분야의 선구자이자 오스틴 에너지(Austin Energy)사의 전직 CIO며, 《스마트그리드, 지속가능한발전의 선구 주자》(Artech House, 2011)의 공동저자이기도 한 안드레 카발로는 스마트그리드 보안이 복합적인 문제라고 밝혔다. 그에 따르면, 완벽한 보안을 위해서는 통신망 차단장치와 네트워크, 데이터센터, 그리고 애플리케이션이 필요하다고 말하였다. 또한 카발로는 기존의 보안 상황에 대해 “애플리케이션 데이터센터로부터 발전시설로의 보안은 꽤 훌륭하지만, 통신망 종단장치에서부터 발전시설이나 데이터센터 사이의 보안은 아직 보완할 점이 많다”라고 지적했다.
또한 파이크 리서치의 애널리스트 밥 록허트는 “수년간 업체들은 포인트 솔루션(point solution)을 구축했고, 발전시설들은 최소한의 보안만 유지했다. 이로 인해 해커들이 마구잡이로 보안을 위협하고 있다”고 언급하였으며, “다수의 해커 공격에 대한 대처 방안이 없는 실정이다”라고 말했다. 록허트는 보안 위험에 대처하는 기술로 다중요소 인증(Multi-factor authentication), 통제 네트워크 고립(Control network isolation), 애플리케이션 화이트 리스팅(Application white-listing), 미사용 및 송수신 중인 데이터 암호화, 이벤트 상관관계, 사람의 문제를 제시하였다.
3. 결론
스마트그리드의 미래는 과연 무엇일까? 여기에 대한 가장 정확한 대답은 아마도 최근에 화두가 되고 있는 IOE(에너지인터넷, Internet of Energy)가 아닐까 생각한다. 《에너지혁명 2030》의 저자인 토니세바는 “센서, ESS, 전기자동차, 태양광, 빅데이터, 인공지능(AI) 등 6가지 기술이 기존의 에너지·교통 산업을 완전히 파괴할 것이다. 에너지인터넷 혁명은 이미 시작됐다”고 말하였다. 그는 2017년부터 태양광발전이 기존 발전 방식을 압도하고, 2030년엔 전기차가 내연기관 자동차를 대체할 것이라고 했다. 그는 이런 변화를 이끌 6가지 기술로 센서, 에너지 저장, 전기자동차, 태양광, 빅데이터, 인공지능(AI)을 제시했다. 또한 UCLA대 라지트 가드 교수는 “세계는 신재생에너지를 활용하는 것을 넘어서 빅데이터와 스마트그리드(Smart Grid) 기술을 융합해 에너지효율성을 높이는 연구를 하고 있다"고 말하였다.
인터넷과 에너지인터넷 비교(한국에너지기술평가원)
구분
인터넷
에너지인터넷
명칭
정보네트워크
(전기)에너지 네트워크
기능
정보(데이터) 전달
(전기)에너지 전달
단말장치
정보의 생산 업로드
전기에너지 생산(발전) 전송
정보 사용(디스플레이, 프린팅)
전기에너지 소비(부하)
정보의 다운로드, 저장(메모리)
전기에너지 저장(ESS)
이와 같이 과거에는 공기업이나 대기업은 경제성만 따지는 대규모 발전 산업을 했지만, 앞으론 소규모 분산 발전 시대가 올 것이다. 국내 기업도 이 같은 흐름을 인지하고 저마다 대처 방안을 찾고 있다. 하지만 여전히 정부의 장기 비전과 사업 환경의 변화를 지속적으로 요구하고 있다. 에너지 이용 효율을 극대화하기 위해 도입된 스마트그리드는 참여정부 시절인 2005년 “전력 IT 10대 기술개발 과제”로 선정된 후 2009년 사업단이 설립되고, 2010년에는 “스마트그리드 국가로드맵”이 수립되고, 2011년 “지능형전력망의 구축 및 이용 촉진에 관한 법률”이 제정되고, 2012년에는 법률에 의해 “제1차 지능형전력망 기본계획(‘12~‘16)”이 수립된 이후에는 에너지 신산업에 밀려 단어조차 생소할 정도로 축소되었다.
세계 기업들은 정신을 차릴 틈도 없이 “에너지인터넷 혁명”의 흐름에 올라타 변신을 시도하고 있다. 반면 우리나라 기업은 에너지 신산업과 관련해 정부의 장기 비전이 미흡하여 여전히 불안해하고 있는 것도 부인할 수 없는 사실이다. 이를 극복하기 위해서는 제2차 지능형전력망 기본계획과 연계한 신규 사업을 시급히 편성하여 추진하고 한전, 스마트그리드협회 등 유관기관과 공조를 통해 연계 산업들의 발전을 도모해야 할 것이다.
References
1. 손종천, 「스마트그리드 소개」, 한국스마트그리드사업단, 특집호(제28권 제2호), 2014.3.
2. 구자균, 「스마트그리드의 확산을 위한 소고」(http://www.startup4.co.kr), 2018.5.
3. 한국 전력공사, http://home.kepco.co.kr/
4. 한국 스마트그리드 사업단, https://www.smartgrid.or.kr/
5. 한국 스마트그리드협회, http://www.ksga.org/
6. 조선일보, http://chosun.com/
7. 에너지데일리, http://www.energydaily.co.kr/
8. 전기신문, http://www.electimes.com/
9. CIO신문, http://www.ciokorea.com/
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