가정, 빌딩 내의 제약된 환경에서 효율적인 에너지 수요관리를 위한 MQTT기반의 OpenADR구현 및 성능 분석

Abstract

산업화, 자동화의 발전과 함께 등장한 전력기기의 사용은 현대 인류의 삶에 편리성을 주었다. 하지만 여름철, 겨울철의 급격한 전력기기의 사용과 다수의 공장에서의 전력 사용의 증가는 공급과 수요의 불균형으로 이루어져 전력 문제뿐만 아니라 더 나아가 사회, 경제, 국가적 차원에서 재난을 일으킬 수 있는 블랙아웃(광역정전)까지 일으킬 수 있는 문제가 될 수 있다. 이에 따른 해결방법으로 전력망에 정보통신기술을 융합해 전기사용량과 공급량, 전력선의 상태까지 알 수 있는 기술인 스마트 그리드가 등장하게 되었다. 스마트 그리드는 전력 생산자 입장에서 전력 사용 현황을 실시간으로 파악하여 전력공급량을 탄력적으로 조절이 가능하며, 소비자는 전기요금을 실시간으로 확인하여 전력 수요에 대한 조절이 가능하다는 장점이 있다. 스마트 그리드의 최종 목표는 에너지 절감으로 필요한 만큼 전기를 생산하고, 남는 전기는 축전기를 통해 저장하여 필요할 때 다시 공급하여 버려지는 전기를 줄이는 것이 목표이다. 하지만 축전기를 통해 전기를 저장하는 것은 구축비용 및 저장에 한계가 있어 DR(Demand Response) 수요반응 기술이 발전하게 되었다. 수요반응이란 현재 전력량 공급에 맞추기 위해 전기 사용자가 사용량을 변화시키는 것으로 2016년부터는 정부 과제에 따라 기존 공장이나 호텔 등 건물 단위에서 사용하던 DR 시장을 확장하여 가정 단위로 참여하는 국민 DR이 추진되고 있다. 또한 사물인터넷 IoT(Internet of Things) 기술의 발전으로 초연결시대로 진입에 따라 일반 가정이나 빌딩 관리 시스템에 IoT 기기의 확산이 진행되고 있으며 이에 대하여 에너지를 관리하는 서비스가 요구되고 있다. 수요 반응에 대표적인 프로토콜은 HTTP(HyperText Transfer Protocol)/XML(Extensible Markup Language)기반의 OpenADR(Open Automated Demand Response) 프로토콜로 지능화된 서비스를 제공한다. 하지만 OpenADR 프로토콜은 메시지의 오버헤드가 크기 때문에 빌딩, 홈 에너지 관리시스템에 연결되어 있는 리소스가 작은 IoT기반에서 사용하기가 어렵다. 또한 HTTP/XML은 기본적으로 Pull 방식 구조이기 때문에 즉각적인 수요 반응 이벤트를 내리기 어려운 문제가 발생한다. HTTP/XML를 이용하여 Push를 사용할 경우 특성상 구현이 어려운 기술적인 문제와 Client에서의 방화벽 문제로 통신의 문제가 발생할 수 있다. 또한 가정에 연결된 다수의 소형기기가 무선 LAN을 사용할 경우 간섭 현상이 발생되어 끊기는 문제점이 발생될 수 있는데 이에 대한 조치를 하기 위해서는 빠르게 Fault 기기를 찾는 것이 필요하다. 하지만 HTTP는 Request/Response 방식이기 때문에 Server에서 Client의 연결을 바로 확인하는 데 어려움이 있다. 따라서 본 논문은 빌딩, 홈에서의 사용하기 위한 MQTT(Message Queueing Telemetry Transport)/JSON(JavaScript Object Notation)기반의 OpenADR 프로토콜을 제안하고 분석하였다. 먼저 기존 표준 프로토콜에서 사용하던 XML메시지를 경량화 하여 JSON으로 변경하고 네트워크 대역폭이 제한되는 환경에서 사용되는 MQTT프로토콜을 사용함으로써 IoT기기에서 원활한 사용이 가능하도록 하여 기존 OpenADR과 호환성을 검증한다. 또한 MQTT의 Subscribe/Publish를 이용하여 OpenADR의 Push 메커니즘을 제안함으로써 방화벽 문제없이 이용이 가능함을 입증한다. 마지막으로 가정 기기의 연결이 끊어짐을 즉각적으로 확인하기 위해 MQTT의 Will Message를 이용함으로써 Fault Monitoring이 가능함을 보임으로써 제약이 있는 환경에서 MQTT/JSON의 OpenADR이 필요함을 증명한다. 제안된 프로토콜을 구현하고 제약이 있는 환경에서의 실험을 통해 MQTT/JSON기반의 OpenADR 프로토콜이 HTTP/XML에 비해 데이터 트래픽 측면에서 최대 1/3로 줄어듦을 확인하고 기존 3초 주기를 갖는 Pull 방식에 비해 Push 방식이 210배 빠른 응답속도를 제공함을 제안함으로써 실시간 수요관리 서비스가 제공이 가능하다는 것을 입증한다.