에너지 IoT 기반 집합 건물 환경에서 효율적인 수요반응을 위한 경량 에너지관리에이전트 프로토콜 설계 및 구현

Abstract

에너지 IoT(Internet of Things)는 초연결 사물인터넷 환경에서 가정을 포함한 그리드 내 모든 건물에서 지능화 된 에너지 관리 서비스를 제공한다. 에너지 IoT 환경이 등장함에 따라 다양한 주거 공간과 집합 건물 환경에서도 스마트 가전기기들이 많아지고 에너지 사용량이 증가해서 에너지 관리를 해줄 매개체가 필요하게 되었고 에너지관리에이전트(Energy Management Agent; EMA)가 등장하게 되었다. 에너지관리에이전트가 다수의 가정이 있는 집합 건물 환경에서 효율적인 수요반응과 독립적 에너지 관리를 총괄적으로 해줄 수 있는 상호연동 에너지관리에이전트 프로토콜이 필요하게 되었고 관련 표준화도 필요하게 되었다. 본 논문에서는 다수의 독립적 가정이 결합한 에너지 IoT기반 다단계 집합 건물 환경에서 상호연동 에너지관리에이전트 프로토콜에 대한 설계, 구현 및 관련 실험을 통해 성능을 분석한다. 에너지관리에이전트 프로토콜은 Open Automated Demand Response(OpenADR)2.0b와 연동이 가능한 초경량 수요반응 프로토콜로 다수의 가정과 집합건물들이 결합된 에너지 IoT 환경에서 에너지관리에이전트 간 상호연동을 통한 에너지의 통합관리 기능을 제공한다. 본 논문에서 제안한 에너지관리에이전트 프로토콜의 자세한 특징은 다음과 같다. 첫째, 그리드의 수요반응 프로토콜인 OpenADR을 에너지 IoT 환경에서 그리드와 수많은 초경량 수요반응 디바이스들이 서로 연결되기 위해서는 Hyper Text Transfer Protocol(HTTP)/eXtensible Markup Language(XML) 기반 OpenADR 대신 Message Queue Telemetry Transport(MQTT)/JavaScript Object Notation(JSON), Constrained Application Protocol(CoAP)/JSON 형식의 경량 (Lightweight) 수요반응 프로토콜로 설계한다. 둘째, 국민 DR 정책으로 인해 다수의 가정이 있는 집합 건물 환경의 수많은 수요반응참여고객에 적합한 수요반응 서비스가 필요하게 되었고 집합 건물 환경에서도 가정 간 수요반응 서비스와 효율적으로 에너지를 관리하기 위해 상호연동이 가능하다. 특히 다단계 에너지관리에이전트 구조인 집합 건물 환경을 총 관리하는 에너지관리에이전트는 각 가정의 에너지관리에이전트들과 수요반응 통신을 할 수 있고 외부 그리드와도 통합적인 에너지 스케줄링을 할 수 있다. 셋째, 에너지 IoT 기반의 집합건물 환경에서는 수요반응참여고객의 요구에 맞춰 수요반응 이벤트를 전달해야 한다. 본 논문에서는 수요반응 프로토콜의 전송 메커니즘을 분석하여 수요반응 서비스 중 Event 서비스를 이용한 에너지관리에이전트 프로토콜의 효율성을 제시한다. 넷째, 본 논문에서 제안한 에너지관리에이전트 프로토콜은 기존 수요반응 프로토콜인 OpenADR 2.0b의 수요반응 명령어들과 Smart Energy Profile 2.0 (SEP2.0)의 과금, 제어 및 상태 정보에 대한 데이터모델링을 사용한다. 따라서 에너지관리에이전트 프로토콜은 OpenADR 2.0b, SEP 2.0과 데이터의 상호 운용성을 제공할 수 있다. 특히 에너지관리에이전트 간 Implicit/Explicit 모니터링 메커니즘은 추상화 기능을 제공한다. 본 논문에서는 제안한 에너지관리에이전트 프로토콜을 구현하고 집합 건물 환경의 다양한 수요반응 전송 메커니즘의 이벤트 응답 시간과 Report 서비스의 데이터 트래픽, 지연시간을 분석을 통해 성능을 측정한다. 실험을 통해 Report, Event 서비스를 이용한 에너지관리에이전트 프로토콜의 효율성을 비교 분석한다. 또한 에너지관리에이전트 프로토콜의 추상화 기능은 데이터 트래픽 감소되어 병목현상이 줄어드는 목적이 있으며 독립적 에너지 에너지관리 기능은 상호연동을 통해 통합적 에너지관리 기능을 제공하는 목적이 있다.