스마트 그리스와 연계된 실시간 전력 측정 및 통신 시스템

Abstract

최근 IT 기술의 발전과 스마트 기기의 보급으로 스마트 홈 시스템에 대한 관심이 높아 지고 있다. 이러한 스마트 홈 시스템은 언제, 어디서든 가정 내 모든 전자기기의 상태를 파악하고 제어 할 수 있게 하는 기술이다. 스마트 홈 시스템은 스마트 그리드 기술과 맞물려 가전기기의 전력 사용량을 관리하고 전력 공급자와 수요자의 정보 공유를 통해 가정의 에너지 사용을 효율적으로 관리 할 수 있게 하는 중요한 기능을 가지고 있다. 이러한 스마트 그리드 시스템 구성을 위해 가전 기기별 전력 사용량의 감시 및 제어는 필수적인 요소로 인식되고 있다. 그러나 전력 사용량 감시를 위해 개별 가전기기에 모두 전력 측정기 및 통신기기를 사용하는 것은 비용 및 효율에 있어 바람직하지 못한 방법이다. 이러한 문제를 위해 각 가정의 계통 전원 입력 단자에서 전체 사용 전류를 측정하고 측정된 전력의 특징을 분석하여 개별 기기의 전력 사용을 측정하는 NILM(Non-Intrusive Load Monitoring) 기술이 각광받고 있는데 NILM 은 입력 전류의 THD, 시변화 특성, Active Power와 Reactive Power 등의 정보를 통해 개별 기기를 식별하고 전력 사용량을 측정하는 방법이다[]. NILM의 단점은 전력을 사용하는 기기의 특징이 적고 설정에 따라 전력 사용량이 변하는 기기의 식별과 측정이 어렵다는 점이다. 특히 냉장고, 에어컨, TV 등과 같은 기기는 각각 온도, 밝기 등의 설정에 따라 전력 소모량이 바뀌고 PFC(Power Factor Correction) 회로가 적용된 기기는 THD 및 Active/Reactive Power 특징이 없어 식별이 어렵다. 이에 따라 이러한 기기에는 기기의 온/오프 및 전력 사용량 정보를 스마트 그리드 기기에 특정한 통신 방법을 통해 전달해야 할 필요가 있다. 본 논문에서는 PFC 의 입력 전류 제어를 통해 추가적인 통신 기기를 통하지 않고 기기의 전력 사용에 특징을 부여하여 스마트 그리드 기기와 통신하는 방법을 제안한다. 제안한 방법은 입력 전류의 3차 고조파 크기를 변조하여 전체 전력을 감시하고 있는 NILM에 정보를 보내는 방식이다. 제안한 방식의 장점은 별도의 하드웨어 추가 없이 기존의 PFC 회로의 제어 변수를 변조함으로써 기기의 동작상태 및 전력 소모량에 대한 정보를 전달할 수 있어 비용을 저감 시킬 수 있으며 하나의 NILM 통해 다수의 PFC 적용 기기에 대한 전력 감시를 할 수 있는 점이다. 제안한 전력 사용량 감시 기법의 타당성은 시뮬레이션과 실험을 통하여 검증하였다.|The measurement of the power consumption is one of the critical factor in smart grid system. To measure the power consumption on each appliance, the communication module and measurement circuit are essential components. To overcome this problem, NILM(Non-Intrusive Load Monitoring) is proposed. However, the appliance that has low THD (Total Harmonic Distortion) and characteristics of input current is not easy to measure and detect. Therefore, the appliances that control brightness or temperature need communication module to transfer the power consumption data to NILM. In this paper, through the CCM PFC (Continuous Conduction Mode Power Factor Correction) circuit, modulate the 3rd harmonic of input current and characterize the input current on appliances. And NILM perform the frequency analysis and detect the appliances. With the specific pattern of the 3rd harmonic modulation, NILM can receive the power consumption data and appliance code.; The measurement of the power consumption is one of the critical factor in smart grid system. To measure the power consumption on each appliance, the communication module and measurement circuit are essential components. To overcome this problem, NILM(Non-Intrusive Load Monitoring) is proposed. However, the appliance that has low THD (Total Harmonic Distortion) and characteristics of input current is not easy to measure and detect. Therefore, the appliances that control brightness or temperature need communication module to transfer the power consumption data to NILM. In this paper, through the CCM PFC (Continuous Conduction Mode Power Factor Correction) circuit, modulate the 3rd harmonic of input current and characterize the input current on appliances. And NILM perform the frequency analysis and detect the appliances. With the specific pattern of the 3rd harmonic modulation, NILM can receive the power consumption data and appliance code.