최적화된 에너지예측 솔루션, 지능형 전력망

사물인터넷 기술, 전력과 융합하다

신흥국의 경제성장으로 인해 도시 인구가 더 빠르게 증가하고 있다. 세계 인구 급증에 비해서도 가파른 성장세다. 세계 인구는 1960년 대비 2010년엔 인구가 233% 늘어난 반면 도시 인구의 경우 350% 증가했다. 인구 50%가 도시에 거주하고 있으며 세계 자원의 70~80%가 도시에서 소모되고 있다. 도시 유입 증가는 2050년까지 진행될 전망이며 그땐 세계의 70% 인구가 도시에 거주할 것으로 예상된다. 세계 인구의 도시 유입 증가는 세계적으로 부정적인 영향을 미칠 것으로 예상된다. 환경파괴나 주택 부족 등의 도시 문제로 인한 삶의 질 저하, 자원 부족 문제 등 때문이다.

도시화로 생긴 문제를 해결하기 위해선 자원재사용과 사용 효율 화를 통한 지속 가능성, 도시 거주자의 쾌적한 환경을 제공할 수 있는 편리성, 그리고 친환경성을 갖춘 도시 모델이 필요하다. 사물 인터넷(Internet of Things, IoT) 기술로 이러한 도시 모델 개발의 방향을 잡을 수 있을 것으로 예상한다. IoT가 도시전체에 적용돼 문제점이 해결된 도시를 스마트시티라 한다.

그래서 이번 연재는 ‘스마트시티’에 대하여 자세히 다루어보고자 한다. 이중에서도 ‘지능형전력망’ 기술에 관하여 살펴보고자 한다.

스마트시티

2015년 CES (Customer Electronics Show)에서 IoT 기술이 화 두였다. 즉 IoT 기술은 네트워크 통신과 IT 기술들이 가능한 센서 를 활용해 가전제품 단위에서부터 건물, 그리고 도시 단위 전체로 적용해 편의를 제공하는 기술이다. 기존의 사물 간 통신(Machine to machine, M2M)과 다른 개념의 기술인데, M2M의 경우 사물 간 통신개념이 강한 데 반해 IoT는 모든 것, 즉 사람과 사물, 자연 등 모든 것을 네트워크로 연결한 기술을 의미한다.

IoT 기술의 도입과 사물의 지능화는 우리의 삶을 더욱 스마트하 게 만들어주고 있다. 그러나 최근에는 스마트사회를 표방해 도시 전체에 IoT 기술적용이 이루어지고 있다. 앞서 언급한 도시의 3가 지 문제점(환경파괴, 도시의 질 저하, 지원부족 문제)을 해결해 줄 수 있을 것으로 기대한다.

국내 에너지 현황

대한민국은 에너지 자원의 90%를 수입할 정도로 자원이 부족한 국가이다. 그런데 이런 에너지 자원이 전력생산에 이용되고 바로 버려진다면 어떻겠는가. 부족한 전력 공급에 대비해 추가로 생산 하는 전력인 잉여전력이 이렇게 낭비되고 있다. 무작정 전력공급 량을 줄이면 정전사태가 발생해 국가적 혼란을 야기할 수도 있게 되는 이유다.

버려지는 잉여인력을 줄이는 방법은 전력수요량을 정확하게 예 측하는 것이다. 쉬운 일이 아니다. 뿐만 아니라 어느 정도 예측해 전력 생산을 하더라도 예비전력은 생산해 두어야 한다.

무한정 생산이 가능하고 환경 친화적이라는 이유로 각광받고 있 는 신재생 에너지는 에너지 생산량을 정확히 예측하기 어렵다는 단점이 있다. 바람이 얼마나 불고 태양 빛이 얼마나 강할지 예측하 기란 쉽지 않아서다. 따라서 신재생에너지발전원이 기존 발전소를 대체하게 되면 에너지 생산과 공급이 불안정 할 수밖에 없다. 따라 전력수요뿐만 아니라 전력공급도 예측하여야 되기 때문에 정확 한 예측을 통한 잉여전력을 줄이기란 더욱 힘들다.

이러한 불안정성을 해결할 수 있는 방법이 없을까 그리고 미래 의 도시 스마트시티에서 이런 문제가 어떻게 해결돼 있을까

전력설비 + IoT = 지능형 전력망

앞으로 가까운 미래 스마트시티에서 전력망 또한 IoT 기술과 결 합되어 지능형전력망(스마트 그리드)이 구축될 예정이다. 이미 국 내에서는 2010년부터 제주에서 지능형전력망 실증이 진행됐다. 2020년에는 7대 광역도시를 기점으로, 2030년에 전국에 지능형 전력망 기술이 적용 될 예정이다. 지능형전력망 기술은, IoT 기술 과 기존전력 설비 기술이 융합된 기술로서, 공급자와 소비자가 양 방향으로 실시간 전력 정보를 교환함으로써 전력효율을 최적화시 켜줄 뿐만 아니라 전력공급의 안정성을 높여줄 수 있는 기술이다.



<그림 1> 지능형전력망 기술 개념도 (출처: 한국전자통신연구원)

우선 전력공급자에게 실시간으로 전력 사용량 정보가 전송된다. 이를 위해서는 실시간으로 전력사용량이 측정되어야 하는데 이러 한 기능을 담당하는 기기를 ‘스마트미터기’라고 한다. 스마트미터 기는 전력 설비, 공간별로 전력사용량과 요금을 측정하는 기기로 서 건물 사용자와 전력 생산자에게 실시간으로 전력 사용현황을 전달하는 역할을 한다.

스마트미터기에서 전력사용현황 정보를 분석하여주는 기술을 EMS (Energy Manage System)라고 하는데, 가정에 적용된 시스 템을 HEMS (Home Energy Management System) 그리고 건물에 적용된 시스템을 BEMS (Building Energy Management System) 라고 한다. 이러한 시스템들을 건물의 특성에 맞게 시스템이 적용 되어 건물의 에너지를 최적화 해주는 시스템이다.

이외에도 스마트미터기는 실시간으로 소비자에게 전력사용현황 을 알려줌으로서 소비자에게 전력소비에 대한 경각심을 일깨워 주 고 전력낭비를 줄일 수 있게 하는 동기부여 역할을 한다. 달비 사 라(Darby Sarah) 옥스퍼드 대학 환경 변화 기관 선임 연구위원의 논문에 따르면 전력사용현황을 알면 전력 낭비를 5~10% 정도 줄 일 수 있다.

전력 생산자가 전력 사용량의 실시간 정보를 가지고 전력 공급 의 최적화를 달성하는 방법은 전력수요자와 공급자 사이의 조율이 필요하다. 전력요금제가 그 매개체다. 지금은 전력요금제가 고정 돼 있지만 네트워크 기술이 발달하면 실시간으로 유동적으로 변하 게 될 전망이다. 이를 RTP 요금제(Real Time Pricing - 실시간 요 금제)라고 한다. RTP 요금제는 전력 수요에 따라 실시간으로 전력 가격을 매기는 요금제로서 지능형전력망의 핵심 구성 요소다. 즉 전력 수요가 많을 때는 실시간으로 전력 가격을 높게 책정하는 반 면 전력 수요가 없을 땐 전력 가격을 낮게 책정하는 요금제다.

전력생산자는 이 요금제를 통해 전력 수급에 따라 전력 가격을 조절함으로써 전력 공급을 최적화할 수 있다. 예를 들어 전력 공급 이 부족해질 것을 1시간 전에 미리 예상했다면 전력 생산자는 가격 을 대폭 인상해 사용자에게 미리 통보할 수 있다. 이렇게 인상된 요금은 소비자들에게 전력 사용을 줄이도록 유도함으로써 전력 공 급 부족으로 발생할 수 있는 정전 사태를 사전에 방지할 수 있다. 또는 전력사용량이 가장 많은 시간대의 패턴을 분석해 전력사용량 이 많은 시간대에 비싼 요금을 매겨 최대전력을 낮출 수 있다. 이 를 통해 전력과부하를 줄이고 전력공급을 안정화시킬 수 있다.



<그림 2>RTP요금제 적용후 전력사용량 흐름

전력사용자는 단순히 전력소비뿐만 아니라 전력생산에도 참여 할 수 있다. 예를 들어 일반 가정에 신재생에너지 시스템과 에너지 저장 장치 설비를 갖춘 소비자는 시간대별로 에너지를 저장해 가 격이 가장 높은 시간에 에너지를 되팔 수도 있다.