에너지 IoT 환경에서 고속 수요 반응을 위한 Push mechanism 설계 및 구현

Abstract

급격한 산업발전과 함께 등장한 전력 기기는 현대 인류의 삶에 다양한 편리함을 가져다주었다. 하지만 이와 같은 전력 기기의 등장으로 인한 전력 사용량의 급격한 증가는 전력 계통의 공급과 수요의 불균형으로 전력 계통의 불안정성을 야기하게 되었다. 전력 계통의 불안정성은 공급 전력 품질 문제뿐만 아니라 블랙아웃을 유발하여 국가적 재난까지 이어질 수 있는 위험성을 가지고 있다. 더욱이 증가하는 전력 수요를 충족하기 위한 현재 화석 발전과 원자력 발전 중심의 에너지 시장은 기후 이상 현상, 지구 온난화, 에너지 공급 안보 등의 문제를 가지고 있다. 이 문제를 해결하기 위한 방편으로 기존 전력망에 정보통신기술(Information Communication Technology; ICT)을 도입하여 전력 공급자와 전력 소비자가 실시간으로 정보를 교환하는 지능형 전력망 스마트그리드 개념이 등장하였다. 스마트그리드의 도입과 함께 4차 산업 혁명으로 Internet Of Things(IoT), 빅데이터, Artificial Intelligence(AI)등의 ICT 기술 발전으로 초기 스마트 그리드에서 범위가 확장되고 전기 산업의 새로운 면을 형성하는 데 도움이 되고 있다. 스마트그리드의 새로운 패러다임에서는 ICT 기술을 활용한 친환경 신재생에너지 발전 (풍력, 태양력 등) 및 수요 반응 (Demand Response; DR)의 비중이 점차 커지고 있으며 친환경 능동적 에너지 관리, 신뢰할 수 있는 시스템 운영을 유지, 소비자 전력 구매 선택 가능성에 대한 관심이 높아지고 있다. 하지만 신재생에너지 발전은 통제 불가능, 예측 불가능, 지역 의존성 문제를 가지고 있어 전력 계통 수급의 불확실성 문제를 야기한다. 수요반응이란 전력 수요와 피크 등의 이유로 수급위기 발생 시 전기 요금의 조정이나 부하감축 지시에 의한 전력절감 등을 통해 수급의 균형을 유지하기 위한 활동이다. 신재생에너지 발전으로 인한 전력 계통 수급 불확실성은 순간적인 소비자 전력 수요와 공급의 균형에 대응하기 위해 높은 운영 예비력 확보, 주파수 조정, 전압 지원 등의 보조 서비스를 통한 전력 계통 안정화 유지가 필요하다. 전력 수요와 공급의 불일치로 생기는 주파수 변동에 대응하기 위해서는 실시간(미국), 최소 2초(영국), 10초(대한민국) 이내의 실시간 관리를 요구하고 있으며 신속하게 대응하지 못할 경우 발전기 터빈을 포함한 발전 계통 장비에 심각한 영향을 줄 수 있으며 최악의 경우 블랙아웃이 발생할 수 있다. 현재 수요반응은 하루 전 감축가능 용량 입찰하고 감축 후 보상금을 수령하는 경제성 DR(요금절감)과 비상시 1시간 전 수급 위기를 대비한 감축 지시에 수요를 감축하여 금전적 보상을 받는 신뢰성 DR(피크 감축)이 운영되고 있으나 초단위의 제어를 요구하는 보조서비스 제공(주파수 제어)에는 수요반응이 적용되기 어렵다. 주파수 변동에 대응하여 전력 계통 안정화 유지를 위하여 비상 발전원 및 운영 예비력, Fast DR에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 연구는 상용 및 산업뿐만 아니라 가정 및 소형 빌딩의 에너지 IoT 환경에서도 에너지 관리에서 실시간성을 보장하는 Fast DR 서비스를 위한 Push mechanism에 있다. 우선 상용 및 산업 부문에서 사용되는 HTTP/XML 기반 OpenADR2.0b 수요반응 프로토콜에서 Fast DR을 제공하기 위해 Push mechanism을 설계하고 구현한다. 또한, 에너지 IoT 환경에서 보다 최적화된 경량 수요반응 프로토콜(CoAP), 메시지 포맷(JSON) 기반 수요반응 프로토콜의 Push mechanism을 설계 및 구현한다. 구현을 통해 Push mechanism이 Pull mechanism과 비교하여 다수의 사용자가 연결되는 그리드 환경에서 데이터 트래픽 측면, 실시간 관리 측면에서 뛰어나 주파수 조정 보조 서비스에 더욱 효율적이라는 가설을 탐구한다. 본 연구의 검증을 위해 Push mechanism이 Pull mechanism과 비교하고 데이터 트래픽 및 이벤트 응답시간 측면에서 분석한다. 분석 결과 실시간 에너지 관리 제공을 위하여 Push mechanism이 데이터 트래픽, 이벤트 응답 측면에서 뛰어난 성능을 확인할 수 있다. 향후 Push mechanism이 다계층 구조에서 이벤트 응답시간 측에서 더 효율적인 에너지관리시스템의 구축과 Fast DR 서비스 제공은 공급자 입장에서 전력계통 안정화로 블랙아웃 예방과 소비자 입장에서 할당 에너지 량 이상 사용하는 violation을 예방이 가능할 것으로 기대된다.