EMS의 종류별 특징과 기술동향 - 에너지신산업 활성화를 위한 홍보 및 정책개발

EMS는 적용 대상에 따라 주택에 적용할 경우 HEMS,빌딩에 적용할 경우 BEMS, 공장에 적용할 경우 FEMS,지역 단위에 적용할 경우 CEMS라 부른다.다음에서 각 각의 특징과 기술동향을 살펴보고자 한다.

가. HEMS 개요 및 기술동향

HEMS(HomeEnergyManagementSystem)는 가정용 에너지관리시스템을 말한다.

가정에서 사용하는 전력,가스,열 등의 이용을 IT기술을 활용하여 종합적으로 에너 지를 관리하는 시스템이다.HEMS의 특징은 가정 내 에너지의 흐름과 사용량을 수치 로 확인할 수 있다는 점이다.HEMS의 필수 기기인 가정용 디스플레이 IHD(In-home display)는 스마트미터와 통신하며 현재의 전력 사용량,사용 추이,요금 등을 표시한 다.HEMS를 도입함으로써 집안의 조명과 가전제품(스마트가전)등을 통신 네트워크 로 연결하여 어느 방에서 어떤 기기가 얼마나 전력을 소비하고 있는지 등의 내용을 자세히 파악할 수 있다.시스템 구축에 따라 에너지 사용 기기 단위,방 단위,구역 단위에서도 소비 전력량을 계측할 수 있다.HEMS에서 파악할 수 있는 것은 전력 등 에너지 사용량뿐만 아니라 가정용 태양광 발전 시스템을 도입하고 있는 경우에는 발 전량,가정용 ESS나 전기 자동차와 플러그 인 하이브리드 차를 가진 경우에는 배터 리의 충전 전기량도 확인할 수 있다.또한 AMI⁴⁹⁾(AdvancedMeteringInfrastructure) 로부터 실시간 전기요금 및 현재 사용량 등의 정보를 바탕으로 수용가 또는 전력회 사가 에너지를 관리할 수 있다.아래 그림은 HEMS시스템의 구성도를 보여주고 있 다.

49) AMI(Advanced Metering Infrastructure)는 단방향 디지털 계량기인 AMR(Automatic Meter Roading)이 한 단계 진화된 형태로서 수용가와 전력회사 간의 양방향 데이터 통신을 통해 다양한 부가서비스를 구현하기 위한 첨단계량인프라를 의미한다.

[그림 2-2] HEMS 시스템 구성도

예를 들면,일본 파나소닉이 제공하는 HEMS는 가전기기뿐만 아니라 태양광 발전, 가정용 배터리,전기 자동차에 이르기까지 전기에 관련된 모든 기기가 홈게이트웨이 (HGW:HomeGateway)⁵⁰⁾에 연결되어 있다.이용자가 전기 요금을 일정 한도로 억 제하도록 설정하면 HGW는 태양광 발전,축전지의 충방전 사이클,시간대별 전기요 금,가전제품의 소비량과 사용 시간 등의 과거 자료를 분석하여 최선의 이용 패턴을 보여 준다.또한 전력 다소비 가전제품이 전력을 너무 많이 쓰는 경우에는 경보 및 자동 제어를 설정할 수 있다.그리고 전력 요금이 낮은 시간대에 전력 소비량이 많은 건조기나 식기 세척기가 작동하도록 할 수도 있다.이와 같이 가정 내 에너지 사용의 최적화와 함께 전력 요금을 최소할 수 있도록 다양한 기능을 제공하고 있다.

적용 대상 수행 기능

스마트전원 탭 전원 콘센트별 소비전력의 감시와 전원 온/오프 제어 스마트 조명 조도 감시와 조명 on/offㆍ조광(빛의 밝기) 제어

태양광 발전 태양광 발전기의 발전량 감시와 제어

연료전지 발전 연료 발전기의 발전량의 감시와 제어

스마트 배터리 배터리의 충전 전력량의 감시와 충/사용 제어

스마트 가전기기 가전제품의 소비 전력 감시 및 원격 제어

<표 2-1> HEMS의 적용 사례

50) 홈게이트웨이는 다양한 가정 내 정보 기기들을 외부의 다양한 통신망에 접속시켜 내부 네트워크와 외부 네트워크를 사용자의 간섭 없이 자연적으로 연결하기 위한 가정 내 네트워크 장치

현재 HEMS는 가전기기의 소비 전력 등 에너지 사용 상황을 가시화(모니터링 기 능)하는 기능을 중심으로 일부 제어기능을 가지고 있다.에너지의 흐름을 확인할 수 있다는 것 이외에 또 다른 큰 특징은 HEMS를 통해 기기(가전제품 등 에너지 사용 기기 및 설비)를 외부에서 제어할 수 있다는 점이다.예를 들면,원격으로 불필요하게 작동되고 있는 조명기기의 온오프(on/off)동작,냉·난방온도 조절 등을 설정할 수 있 다.다만,이와 관련하여 아직 HEMS관리 하의 가전기기들이 적다는 점이 해결해야 할 과제로 남아 있다.거의 모든 기기가 HEMS하에서 통제하려는 경우에는 현재 사 용의 기기를 모두 적용 가능한 스마트기종으로 바꾸어야 가능하다.HEMS도입이 에 너지의 흐름을 확인할 수 있다는 것만으로도 커다란 장점이긴 하지만 제어기능에 관 해서는 아직 해결해야 할 과제로 남아 있다.

또한 HEMS는 복수의 제조업체 생산 기기들로 시스템을 구성하게 되어 있어 구성 기기 간의 상호 접속성을 확보는 것이 중요하다.따라서 HEMS의 큰 과제는 가전제 품에 대한 제어 규격화이다.현재 규격 통일에 대한 다양한 시도가 이루어지고 있다.

HEMS의 통신 프로토콜에 대해 구미에서는 최신 버전인 SEP2.0(SmartEnergy Profile2.0)규격이 2013년 5월 제정되었다.일본에서는 ECHONET-Lite라는 규격을 독자적으로 제정했다.SEP2.0와 ECHONET-Lite모두 물리층은 유선이나 무선의 다 양한 통신 방식에 의한 구현이 가능한 사양으로 되어 있다.SEP2.0에서는 통신에 IP 를 사용하는 사양에 따라 물리층도 복수에 대응하도록 하고 있고,홈 영역 네트워크 (HomeAreaNetworks,HANs)의 유무선 네트워크에서는 IP 기반의 에너지관리를 제공한다.ECHONET-Lite는 일본 가전 제조업체가 중심이 되어 설립된 ECHONET 컨소시엄에 의해 제정된 HEMS용 규격이다.종래 ECHONET에서는 하드웨어 사양도 규정하고 있었지만 ECHONET-Lite에서는 통신 처리부분만을 규정하고 있다.그 밖에 HEMS관련 무선 통신규격으로 가전용 리모콘 표준규격인 RF4CE가 있다.가전 제조 업체가 설립한 RF4CE컨소시엄에 의해 제정되었다.RF4CE는 종래의 적외선 방식으 로는 어려운 쌍방향 통신과 보안의 문제 등을 해결할 수 있다.무선 방식으로서 IEEE802.15.4⁵¹⁾의 2.4GHz대(국제 주파수)를 채용하고 있다.RF4CE는 HEMS의 가전 제어기능으로서 사용 가능하다.

일본의 경우,2011년에는 도쿄 전력,파나소닉,도시바,샤프,KDDI등 전력·가전·

통신,자동차 대기업 10개사가 HEMS의 보급을 목적으로 "HEMS협의체"를 설립하

51) IEEE802.15.4는 미국에 본부가 있는 IEEE(국제전기전자기술자협회)에 의해 제정된 표준규격이다.

[그림 2-3] 건물에너지관리시스템 구조 및 특징

였다.동 협의체는 각사의 규격·사양 차이에 따른 문제를 피하기 위해 HMES의 구성 기기 및 통신을 표준화하고 이를 통해 세계적인 경쟁력을 높이는 것을 목적으로 한다.

나. BEMS 특징과 기술동향

BEMS(BuildingEnergyManagementSystem)는 빌딩 에너지관리시스템으로 빌딩 내의 배전 설비,공조 설비,조명 설비,환기 설비,OA 기기 등의 에너지(전기)사용 량의 모니터,설비 및 기기에 대한 감시 및 제어기능을 가지고 있는 에너지관리시스 템이다.BEMS는 에너지 모니터링 시스템이 설치되어있어 실시간으로 에너지 소비 현황을 파악 할 수 있고,사용 상황이 이상하다고 판단될 경우에는 자동으로 조절하 거나 담당자 또는 관련 부서에 통보하여 절전 등을 유도한다.또한 빌딩에 설치되어 있는 태양광 발전,ESS(에너지자장장치)를 전력 회사에서 공급된 전기를 상황에 맞춰 조합해 사용함으로써 가장 경제적인 사용법을 선택할 수 있다.

BEMS는 에너지 흐름을 감시하고 피크 수요를 제어하는 수요반응(DR)도 포함된다.

따라서 BEMS의 기능으로 ① 전력 등 에너지의 사용 상황에 대한 가시화 기능(모니 터링 기능),② 설비 및 기기에 대해 제어할 수 있는 제어기능,③ 전력 수요 피크를 억제할 수 있는 수요반응(DR)기능 등 3가지가 요구된다.

자료: 일본 토시바(TOSHIBA), http://www.toshiba.co.jp/sis/bldg/bems/

BEMS의 기능은 전력 센서,온도 센서,조도 센서 등의 각종 센서로부터 계측된 정

적용 대상 수행 기능

스마트배전

배전반별 전력 소비량 감시

피크 전력의 조정 수행

임차인별 전력 사용량 측정

비상용 전원의 감시

스마트조명 조도 감시와 조명 on/offㆍ조광(빛의 밝기) 제어 스마트공조 온도·습도 감시와 보일러, 냉동기, 공조기의 제어 Demand Response 전력 피크수요 억제 및 제어

<표 2-2> BEMS의 적용 사례

보를 모아 가시화하는 기능과 설비 및 기기를 제어하는 기능으로 크게 나뉜다.전력 등 에너지 사용량을 모니터링하고 적절하게 제어함으로서 에너지를 최적으로 관리할 수 있다.현재 고도화된 BEMS는 전력 등 에너지 사용량과 흐름을 가시화(모니터링) 하는 기능을 주축으로 일부 수요 피크 제어기능을 가지고 있다.배전판에 전력 센서 를 장착해 소비 전력을 실시간으로 계측하고,계약 사용량을 초과할 때 경고를 보내 거나 브레이커(breaker)를 작동하여 전력을 차단하는 기능을 한다.나아가 공조기 등 을 일시적으로 정지시키는 등의 제어를 실시하는 것도 있다.또한 BEMS는 온도 센 서나 사람 감지 센서의 정보에 의한 공조 설비를 최적으로 제어하거나 조도에 의해 조명을 제어하는 등 보다 세부적인 제어를 통해 에너지 절감을 실현할 수 있다.

에너지관리시스템(EMS)은 기술 발전으로 고도화되고 있는 추세를 보이고 있다.

<표 2-3>은 BEMS의 단계별 기능을 나타내고 있다.일반적인 사무실에서는 조명이나 에어컨의 설정은 플로어(floor),혹은 존(zone)마다 실시하는 것이 일반적이지만, BEMS에서는 공간을 더 세분화하고,선도적 기업에서는 작업(task)단위에서도 제어 를 하여 철저한 에너지관리를 수행한다.빌딩 안에는 온도계,습도계는 물론 조명 센 서,사람 감지 센서를 설치하고 에너지 사용과 실내 쾌적성이 최적화되도록 프로그램 에 의해 자동적으로 조정을 하기도 한다.일사량에 맞추어 자동적으로 블라인드를 개 폐하는 예도 있다.

문서에서 에너지신산업 활성화를 위한 홍보 및 정책개발 (페이지 55-64)