OpenADR 기반의 실시간 VEN 스마트 게이트웨이 프로토콜 개발과 에너지 최적화

Abstract

Physical distribution system such as energy generation, conversion, distribution and Energy management system such as power demand, selling and buying. Most Smart Grid is a distribution system only for power supplier and seller. Energy management system is a technology that drives user to consume energy efficiently based on their electric charge and demand information. Smart gateway is absolutely necessary to making smart home based on Demand response. Smart gateway monitors energy demand, distributes energy efficiently between devices, and provides energy management function to reduce unnecessary energy consumption by control user’s demand. In this thesis, Demand response gateway is designed and developed, which is based on OpenADR (Open Automated Demand Response). Smart home environment consists of VEN(Virtual End Node) VTN(Virtual Top Node). VEN was made based on OpenADR2.0b defined by OpenADR Alliance. VTN(Virtual Top Node) is made from open source in EPRI(Electric Power Research Institute). In addition, the Realtime demand response protocol was invented to remedy the disadvantage of energy consumption efficiently. At last, the optimization algorithm was implemented and analyzed to distribute energy properly by having scheduling strategy that can make energy use efficiently between devices in smart home.; Recently energy consumption rate is severely increased with rising technology demand in the world. However, almost of energy productions are relied on fossil fuels. Even though alternative energy such as wind, tidal, solar power were invented and built for substituting fossil energy, it is limited to use as sustainable energy because of natural phenomenon. In this situation, EMS (Energy Management System) that manages energy source efficiently and Energy Grid based on IoT(Internet of Things) that optimizes energy use efficiency are growing more and more interested instead of increasing the usage of fossil fuels and renewable energy. Energy Grid is divided into two part; 세계는 최근 기술수요의 증가와 함께 에너지 사용률이 점차 증가 하고 있다. 하지 만 에너지 생산량의 대부분은 화석에너지에 의존하고 있어 지구 환경 오염 및 한정된 에너지원에 제한 받을 수 밖에 없다. 비록 화석에너지를 대신할 풍력, 조력, 태양열 발전 등의 대체에너지 개발 및 설치에 박차를 가하고 있지만 자연현상에 의해 지속적 인 에너지원으로써 사용이 제한된다. 이러한 상황에서 화석연료나 재생 에너지 생산 이 아닌 주어진 에너지 자원을 효율적으로 관리하기 위한 에너지 관리 시스템 (Energy Management System: EMS)과 에너지 사용 효율을 최적화하기 위한 Internet of Things (IOT) 기반의 에너지 그리드에 대한 관심이 높아지고 있다. 에너지 그리드는 전력 생산, 변환, 분산과 같은 스마트 그리드의 물리적 분배 시스 템과 전력 수요 및 매도, 매수 등의 에너지 최적화 서비스를 위한 에너지 관리 시스 템으로 나뉜다. 스마트 그리드 시스템의 대부분은 전력을 공급하는 업체와 판매하는 업체들을 위한 전력 분배 시스템들이다. 소비자를 위한 에너지 관리시스템은 전기요 금 등의 비용정보와 전력 수요 정보를 기반으로 소비자가 에너지를 효율적으로 사용 할 수 있도록 유도하여 전력 생산을 늘리는 것 보다 기존의 에너지를 효율적으로 사 용할 수 있도록 하는 기술이다. 특히 대규모 정전사태를 방지하기 위한 일환으로 가정이나 소형 건물에서도 에너지 저장 장치나 태양광 발전 등의 대체 에너지를 생산하여 추가적인 에너지를 확보 하는 사례를 볼 수 있지만 이 보다 에너지를 효율적으로 소모하기 위한 수요반응 (Demand Response) 시스템이 부각되고 있다. 수요반응 기반의 스마트 홈 구축을 위해서는 스마트 게이트웨이가 반드시 필요하다. 스마트 게이트웨이는 에너지 수요상태를 모니터링하고, 전력기기들 사이에 에너지를 효율적으로 분배하고, 사용자 요구 제어를 통해 불필요한 에너지 소비를 줄이기 위한 에너지 관리 기능을 제공한다. 특히 가전에서 IOT 기술 도입으로 순시적 전력 생산 및 소비를 제어할 수 있는 수요반응 기반의 스마트 홈에 대한 기술이 요구되고 있다. 본 논문은 수요반응 표준 프로토콜인 Open Automated Demand Response (OpenADR) 기반 수요반응 스마트 게이트웨이의 설계 및 구현에 있다. 스마트 게이트웨이는 유무 선 공유기 환경인 OpenWRT상에서 구현하였고 아두이노 기반의 IOT 디바이스를 제작하 여 스마트 홈 환경을 구성하였다. OpenADR Alliance에서 정의한 OpenADR 2.0b 프로토 콜에 맞게 게이트웨이에 수요 반응 클라이언트인 VEN(VirtualEndNode)를 구현하고 EPRI (Electric Power Research Institute) 에서 오픈 소스로 제작한 VTN(VirtualTopNode)과 연동하여 수요반응을 통한 스마트 홈 환경을 구축하였다. 또 한 기존 수요반응의 단점을 보완하기 위해 실시간 수요반응 이벤트를 만들고 수요반 응 구간 내에서 유동적으로 게이트웨이 간의 에너지를 재분배하여 사용할 수 있도록 수요반응 프로토콜을 확장 하였다. 끝으로 에너지관리 에이전트를 구현해 각 기기 사 이의 에너지 사용 효율을 최적화 할 수 있는 스케줄링 전략들을 구현하여 에너지분배 할 수 있도록 최적화 알고리즘을 구현하고 성능을 분석하였다.|Recently energy consumption rate is severely increased with rising technology demand in the world. However, almost of energy productions are relied on fossil fuels. Even though alternative energy such as wind, tidal, solar power were invented and built for substituting fossil energy, it is limited to use as sustainable energy because of natural phenomenon. In this situation, EMS (Energy Management System) that manages energy source efficiently and Energy Grid based on IoT(Internet of Things) that optimizes energy use efficiency are growing more and more interested instead of increasing the usage of fossil fuels and renewable energy. Energy Grid is divided into two part