에너지 IoT 환경에서 효율적인 에너지 관리를 위한 분산형 스마트 홈 에너지관리시스템 구현 및 분석에 대한 연구

Abstract

급격한 산업화와 함께 등장한 다양한 전력 기기는 인류의 삶에 편리함을 가져다주었다. 하지만 이와 같은 다양한 전력 기기의 등장으로 인한 에너지 사용량의 증가는 에너지 공급과 수요의 불균형을 야기하게 되었고 이는 블랙아웃으로 인한 국가적 재난으로까지 이어질 수 있는 문제로 커져 국가적 위험성을 갖게 되었다. 더욱이 지속적인 지구 온난화로 인한 이상 기후 현상과 화석 연료 사용으로 인한 환경오염 문제, 날로 치솟는 국제 유가 및 점차 고갈되어 가는 화석 연료 문제는 효율적인 에너지 사용에 대한 관심의 증가를 이끌었다. 효율적인 에너지 사용을 위해 기존의 전력망에 정보통신기술을 도입하여 전력공급자와 소비자가 양방향으로 실시간 정보를 교환함으로써 에너지 효율을 극대화하는 차대해 지능형 전력망인 스마트그리드라는 개념이 등장하였고 세계적으로 적극적인 도입이 추진되고 있다. 스마트그리드의 도입과 함께 정보통신기술을 활용하여 에너지의 사용 현황 및 에너지 사용의 흐름에 대한 모니터링과 수용가 내의 기기 및 설비의 에너지 제어 기능을 제공하는 에너지관리시스템을 이용한 능동적 에너지 관리에 대한 관심도 높아지고 있다. 에너지 관리의 흐름이 과거 수동적 에너지 관리에서 정보통신기술을 활용한 능동적 에너지 관리로 변화하고 있는 추세에 따라 에너지관리시스템에 대한 연구는 더욱 더 활발히 진행될 것으로 예상된다. 사물인터넷(Internet of Things: IoT) 기술을 기반으로 하여 모든 기기가 네트워크를 통해 연결이 되는 초연결시대로 나아감에 따라 IoT 기술을 이용하여 모든 에너지 기기를 연결 및 관리하는 IoT 환경이 등장하고 가정들도 가정 내 가전기기들에 대하여 초연결성을 지원하고 효율적 에너지 관리 서비스를 제공하는 에너지 IoT로 발전하고 있다. 에너지 IoT 환경에서는 가정이나 가정 내 스마트 가전들에 대하여서 사용자 만족도를 높이고 효율적인 에너지 관리를 제공하기 위해서는 에너지 관리의 실시간성을 보장해야 한다. 본 연구에서는 에너지관리시스템의 개요 및 서비스 요구사항에 대해 살펴보고 기존의 중앙집중형의 에너지관리시스템에 대한 문제점을 살펴본 후 에너지 IoT 환경에서 스마트 가전기기들에 대하여 실시간성 제어 기능을 제공하면서 효율적인 에너지 관리를 수행 할 수 있는 분산형 스마트 홈 에너지관리시스템을 제안하고, 구현 및 분석하였다. 본 연구의 검증을 위해 기존의 에너지관리시스템에서 주로 사용되고 있는 관리 서버와 게이트웨이의 중앙집중형 일대다(1:N) 연결 구조와 새롭게 제안하는 게이트웨이마다 하나의 에너지관리시스템 서버가 연결되는 분산형 일대일(1:1) 구조를 구현하여 정보 습득 평균 시간, 에너지 스케줄링 반응 시간, 데이터 트래픽의 세 가지 측면으로 비교 분석하였다. 분석 결과 실시간 에너지 관리 제공에 필요한 정보 습득 및 스케줄링에 대한 반응시간과 데이터 트래픽의 측면에서 분산형의 구조가 중앙집중형의 구조와 비교하여 좋은 성능을 보임을 확인할 수 있었다. 본 연구의 실험 결과를 바탕으로 에너지관리시스템 또는 에너지관리에이전트 간의 연결을 구축한 메시(mesh) 구조를 갖는 분산형 에너지관리시스템이나 상위에서 추상적인 관리 구조를 갖는 계층적 에너지관리시스템에 대한 연구를 통해 에너지 IoT 환경에서 보다 더 효율적인 에너지관리시스템의 구축이 가능할 것으로 기대된다.; A variety of electric power appliances that emerged with rapid industrialization brought convenience to human life. However, the increase in energy consumption due to the appearance of various electric power equipment has led to an imbalance of energy supply and demand. Moreover, the adverse climatic phenomena caused by persistent global warming, environmental pollution caused by fossil fuel use, rising oil prices and increasingly depleted fossil fuel problems have led to increased interest in efficient energy use. The concept of the smart grid, which is an intelligent power grid, has emerged as a means of maximizing energy efficiency by introducing information and communication technology to existing power grids and exchanging real-time information in both directions by both electric power suppliers and consumers. With the introduction of Smart Grid, there is a growing interest in active energy management using energy management systems that provide information and monitoring of energy usage and energy usage, and control equipment and facilities in the consumer by utilizing Information and Communication Technology. As the trend of energy management is changing from passive energy management to active energy management using information and communication technology, research on energy management system is expected to be more actively carried out. Internet of Things(IoT) technology is used to connect all the devices through the network. As the IoT technology is used to connect and manage all the energy devices, the energy IoT environment has emerged. Research on efficient energy management in IoT environment is needed. In this paper, we describe the outline and service requirements of the energy management system and examine the problems of the existing centralized energy management system. Then, we propose and implement a distributed smart home energy management system for efficient energy management in the energy IoT environment. In order to verify this research, we compare a centralized structure for energy management system of one-to-many (1:N) connections between management server and gateway that is commonly used in existing energy management systems with a distributed structure for energy management system of one-to-one (1:1) connection between management server and gateway that is proposed in this paper, and analyzed the three aspects of information acquisition average time, energy scheduling response time, and data traffic. As a result of the analysis, it is confirmed that the distributed structure is better than the centralized structure in terms of response time in information acquisition and scheduling and data traffic. Based on the experimental results of this study, it is expected to enable more efficient energy management in the energy IoT environment with a distributed energy management system having a mesh structure, energy management agents are connected to each other, or an upper energy management system having an abstract management structure.