2017 년 12 월 17ZK1200-01-7200P
신재생에너지 실시간 관제 및 지역
에너지신산업계 고도화 사업
Realtime Management of Renewable Energy System and
Regional Energy Industry Advancement Project
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인 사 말 씀
본 보고서는 지역전략산업인 에너지신산업을 고도화하기 위하여, 신재생 에너지장치 자율관제 솔루션 및 에너지장치 실시간 네트워킹 기술을 개발하고, 지역 산업계와 공동으로 연구결과물의 테스트베드 구축 및 시범서비스 적용을 목표로, 한국전자통신연구원 호남권연구센터가 2017 년부터 2019 년까지 수행하는 “신재생에너지 실시간 관제 및 지역에너지신산업계 고도화 사업”의 1 차년도 연구 결과 보고서입니다. 최신 연구 일선에서는 실무전문가에 의존하는 에너지 설비 관리 및 예방진단 방식을 혁신하고자 심층학습 기반의 신호처리 기술과 IoT 기술을 융합하여 신재생에너지 공급 시스템의 최적화 및 설비 자원에 대한 자동 상태진단, 자율관제 기술을 선보이고 있습니다. 또한, 증가하는 신재생에너지장치의 중단시간 최소화를 위한 보다 빠른 모니터링 및 제어를 위해 다수의 데이터 수집 장치로부터 실시간으로 데이터를 수집하고 저지연의 제어를 가능하게 하는 에너지장치 실시간 네트워킹 기술과 복수 산업계 표준이 공존하고 있는 산업용 통신 시장에서 상호운영성이 확보된 고가용, 고신뢰 네트워킹 기술의 적용에 대한 수요와 연구가 증가하고 있는 추세입니다. 이러한 신재생에너지장치 관제 및 진단 분야에서 요구되는 요소 기술은 신재생에너지장치 자율관제 솔루션 기술 및 에너지장치간 실시간 네트워킹 기술과 같은 전통적인 에너지산업 설비 및 솔루션 기술과 ICT 기술의 융합 기술이며, 전 세계적으로 연구개발 활성화 단계에 있습니다. 한편, 국내 신재생에너지 관련 산업체는 리튬폴리머 에너지저장장치, 태양광 장치 등 일부 하드웨어에는 두각을 보이고 있으나, 기업체 간 과다 공급 및 중국 등 해외 기업체의 급속한 신장으로 매출 정체 또는 감소를 겪고 있는 실정입니다. 이에 대한 돌파구로, 각 기업체마다 보유하고 있는 신재생에너지장치에 최신 ICT 기술을- 2 - 융합하여 기술 경쟁력을 확보하는 것이 절실한 상황입니다. 특히, 신재생에너지장치에 자율관제 솔루션을 결합하여 장치 지능화를 선도하고, 실시간 네트워킹 기술을 결합하여 장치 안정화를 선도할 수 있도록 연구개발 역량을 집중하는 것이 필요합니다. 본 연구개발 사업은 이러한 국가적-산업적 측면의 중요성에 입각하여, 신재생에너지장치에 대하여 자율관제 솔루션 및 실시간 네트워킹 기술을 연구개발하고, 자체구축 테스트베드 또는 타 상용시범사업에 시범 적용함으로써, 국내 신재생에너지 장치 및 부품 기업, 산업용 소프트웨어 기업, 산업용 네트워크 기업 등을 육성하고, 특히, 에너지밸리클러스터 산업체의 글로벌 경쟁력 확보를 목표로 하고 있으며, 이를 통해 미래 에너지신산업과 ICT 기술의 융합을 선도해 나갈 수 있을 것으로 기대합니다. 끝으로 본 연구사업을 위하여 아낌없는 협조와 지원을 해주신 과학기술정보통신부, 광주광역시 관계자 여러분께 깊이 감사를 드리며, 본 연구에 참여한 연구원들의 노고를 진심으로 치하하는 바입니다.
2017. 12. 31.
한국전자통신연구원 원장 이 상 훈
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제 출 문
본 연구보고서는 " 신재생에너지 실시간 관제 및 지역에너지신산업계 고도화 사업 "의 결과로서, 본 과제에 참여한 아래의 연구팀이 작성한 것입니다. 주관연구기관: 한국전자통신연구원 사업(실행 1) 책임자: 유 학(2017.01. ~2017.12.) 실행 2 책임자: 김 낙 우(2017.01. ~2017.12.) 이 동 수(2017.01. ~2017.12.) 이 세 형(2017.01. ~2017.12.) 오 문 균(2017.01. ~2017.12.) 김 근 용(2017.01. ~2017.12.) 김 희 도(2017.01. ~2017.12.) 김 재 인(2017.01. ~2017.12.) 손 병 희(2017.01. ~2017.12.) 윤 기 하(2017.02. ~2017.12.) 김 량 수(2017.09. ~2017.12.) 김 영 화(2017.10. ~2017.12.) 우 경 일(2017.12. ~2017.12.) 박 장 현(2017.03. ~2017.12.) 이 병 탁(2017.01. ~2017.12.) 이 문 섭(2017.01. ~2017.12.) 오 승 훈(2017.01. ~2017.12.) 윤 심 권(2017.01. ~2017.12.) 고 석 갑(2017.01. ~2017.12.) 손 승 철(2017.01. ~2017.12.) 이 형 옥(2017.01. ~2017.12.)- 4 -
이 현 용(2017.01. ~2017.12.) 이 준 기(2017.09. ~2017.12.) 노 예 철(2017.03. ~2017.12.)
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요 약 문
I. 제 목
신재생에너지 실시간관제 및 지역에너지신산업계 고도화 사업II. 연구목적 및 중요성
최신 연구 일선에서는 실무전문가에 의존하는 에너지 설비 관리 및 예방진단 방식을 혁신하고자 심층학습 기반의 신호처리 기술과 IoT 기술을 융합하여 신재생에너지 공급 시스템의 최적화 및 설비 자원에 대한 자동 상태진단, 자율관제 기술을 선보이고 있다. 또한, 증가하는 신재생에너지장치의 중단시간 최소화를 위한 보다 빠른 모니터링 및 제어를 위해 다수의 데이터 수집 장치로부터 실시간으로 데이터를 수집하고 저지연의 제어를 가능하게 하는 에너지장치 실시간 네트워킹 기술과 복수 산업계 표준이 공존하고 있는 산업용 통신 시장에서 상호운영성이 확보된 고가용, 고신뢰 네트워킹 기술의 적용에 대한 수요와 연구가 증가하고 있는 추세이다. 이러한 신재생에너지장치 관제 및 진단 분야에서 요구되는 요소 기술은 신재생에너지장치 자율관제 솔루션 기술 및 에너지장치간 실시간 네트워킹 기술과 같은 전통적인 에너지산업 설비 및 솔루션 기술과 ICT 기술의 융합 기술이며, 전 세계적으로 연구개발 활성화 단계에 있다. 한편, 국내 신재생에너지 관련 산업체는 리튬폴리머 에너지저장장치, 태양광 장치 등 일부 하드웨어에는 두각을 보이고 있으나, 기업체 간 과다 공급 및 중국 등 해외 기업체의 급속한 신장으로 매출 정체 또는 감소를 겪고 있는 실정이다. 이에 대한 돌파구로, 각 기업체마다 보유하고 있는 신재생에너지장치에 최신 ICT 기술을 융합하여- ii - 기술 경쟁력을 확보하는 것이 필요하다. 특히, 신재생에너지장치에 자율관제 솔루션을 결합하여 장치 지능화를 선도하고, 실시간 네트워킹 기술을 결합하여 장치 안정화를 선도할 수 있도록 연구개발 역량을 집중하는 것이 필요하다. 본 연구개발 사업은 이러한 국가적-산업적 측면의 중요성에 입각하여, 신재생에너지장치에 대하여 자율관제 솔루션 및 실시간 네트워킹 기술을 연구개발하고, 자체구축 테스트베드 또는 타 상용시범사업에 시범 적용함으로써, 국내 신재생에너지 장치 및 부품 기업, 산업용 소프트웨어 기업, 산업용 네트워크 기업 등을 육성하고, 특히, 에너지밸리클러스터 산업체의 글로벌 경쟁력 확보를 목표로 하고 있다. 본 연구개발사업은 2017 년부터 2019 년까지 총 3 개년으로 계획되었으며, 1 차년도 최종 연구 내용 및 결과는 다음과 같다.
III. 연구내용 및 범위
□ 신재생에너지장치 실시간 네트워킹 기술 개발의 범위 ○ 에너지장치 실시간 통신 기술 개발 고정밀 시각동기화 표준 적용 기술 연구 IEEE 802.1AS 프로토콜 소프트웨어 기술 개발 IEEE 802.1AS 프로토콜 하드웨어 기술 개발 IEEE 802.1AS 프로토콜 MAC 기술 개발 에너지장치 고가용 고신뢰 네트워크 토폴로지 연구 에너지장치 고가용 고신뢰 네트워크 구조 설계 IEC 62439-3 HSR MAC 하드웨어 구조 설계 IEC 62439-3 HSR MAC 하드웨어 RTL 설계 에너지장치 실시간 제어 프로토콜 기술 분석
- iii - 산업용 이더넷 표준 분석
IEEE 802.1 TSN Forwarding 기술 분석
에너지장치 네트워크 대역예약 프로토콜 (SRP) 연구 OpenAVB 기반 SRP Simpe Talker 개발
○ 에너지장치 실시간 네트워크 플랫폼 기술 개발 고가용 저지연 에너지장치 네트워크 분산처리 플랫폼 구조 연구 IoT 네트워크 표준 아키텍처 분석 에너지장치 네트워크 분산처리 플랫폼 구조 설계 에너지장치 제어/모니터링 네트워크 HW/SW 플랫폼 설계 에너지장치 제어/모니터링 네트워크 하드웨어 플랫폼 설계 에너지장치 제어/모니터링 네트워크 소프트웨어 플랫폼 설계 실시간 이더넷 테스트 플랫폼 구축 (실험실내) 실시간 이더넷 테스트 플랫폼 하드웨어 개발 실시간 이더넷 테스트 플랫폼 소프트웨어 개발 ○ 실시간 네트워크 개발기술 확산 및 사업화 스마트 광분배함 통합관리기술 상용화 개발 및 사업화 한국전려공사 광주전남지역본부 테스트베드 운용 테스트베드 결과 반영 스마트 광분배함 고도화 스마트 광분배함 통합관리기술 사업화 지원 다기능 휴대용 계측기 상용화 개발 다기능 휴대용 계측기 하드웨어 개선 다기능 휴대용 계측기 상용화 기술 지원 □ 신재생에너지장치 자율관제 솔루션 기술 개발의 범위 ○ 에너지 IoT 프레임워크 기술 개발
- iv - 에너지 IoT 프로토콜 상호연동 기술 개발
에너지 IoT 표준 프로토콜 기술 분석 및 상호연동 기술 개발 에너지 IoT 칩모듈 (CoAP, LwM2M, OID) 적용 기술 개발 에너지 IoT 서버플랫폼 기술 개발 에너지 IoT 표준프로토콜 및 데이터 모델 연구 에너지 IoT 플랫폼 스택 구조 설계 및 개발 에너지 IoT 네트워크 보안적용 기술 개발 에너지 IoT 용 표준 네트워크 보안기술 연구 DTLS 기반 에너지 IoT 네트워크 보안기술 개발 TPM 기반 에너지 IoT 플랫폼 보안기술 개발 신재생에너지장치 원격 물리보안 기술 개발 원격물리보안을 위한 3D 이미징 연구 원격물리보안을 위한 비간섭광 홀로그래피 연구 원격물리보안을 위한 멀티모달 이미징 기술 연구 ○ 신재생에너지장치 예지관리 기술 개발 에너지 빅데이터 데이터셋 구축 태양광 발전 시스템 적용 센서 연구 센서와 서버간 통신 및 네트워크 기술 연구 에너지 IoT 데이터 시각 처리 모델 연구 시계열 데이터 전처리 모델 연구 시계열 데이터 최적 특징자 비교 연구 복합장치 상태진단 기술 연구 NILM 적용 복합 상태 진단 기술 연구 인공지능망 기술 기반 복합 상태 진단 기술 적용 연구
- v - ○ 클라우드연계 지능형 EMS 기술 개발 에너지 발생량 예측 기초연구 시뮬레이션 데이터 기반 에너지 발생량 예측 기술 연구 기상청 실측 및 예측 데이터 기반 에너지 발생량 예측 기술 연구 단일 신재생에너지 운용 최적화 모델 연구 신재생 에너지 EMS 설계 요구사항 연구 운용 서버 아키텍처 비교 연구 지능형 EMS 서버 아키텍처 설계 및 개발 신재생에너지장치 테스트베드 구축 신재생에너지장치 및 계통 연계 ESS 구축 태양광 연계 에너지 IoT 기반 PCS/BMS 개발
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IV. 연구결과
□ 에너지장치 실시간 통신기술 개발
○ 에너지장치의 고정밀 시각동기화 기술을 개발하기 위하여, 오픈소스를 활용
하여 시각동기화 표준 기술인 IEEE 802.1AS 구현을 위한 소프트웨어를 개발 하였음. 리눅스 운영체제 환경에서 ETRI 802.1AS MAC 및 PHY 보드 구동을 위한 디바이스 드라이버 및 LinuxPTP 기반의 PTP 소프트웨어를 개발하고 실 시간 이더넷 테스트 플랫폼에서 시각동기 정밀도 및 지연시간을 측정하여 50µs 이하의 시각동기 정밀도와 0.2 ms 이하의 평균 지연시간을 확인함.
○ IEEE 802.1AS 시각동기화 프로토콜 스택의 최하위 계층인 물리 계층 모듈을
개발하였음. RJ-45 방식을 이용하여 1000 BaseT 의 신호를 MDI(Media Dependent Interface) 방식으로 PHY 칩과 연동하였으며, RGMII(Reduced Gigabit Media Independent Interface)를 활용하여 MAC 과 클럭 및 데이터, 제어신호를 주고 받을 수 있도록 물리 계층 보드를 설계하고 구현하였음.
○ Altera 사의 SoC-FPGA(Cyclone V SE 시리즈)를 활용하여 IEEE 802.1AS 시각
동기화 기능을 위한 MAC 계층 프로토콜을 구현하였음. SoC-FPGA 내에 Hard Macro 로 구현되어있는 ARM 코어에서 FPGA IP 로 구성된 MAC 및 Timestamp 모듈과 인터페이스 구성 및 설계 등, PTP 기능의 하드웨어 지원 부분을 설계하였으며, 실시간 이더넷 테스트 플랫폼의 게이트웨이 동작을 위한 HDL 블록을 설계함.
○ Ring 구조의 에너지장치 네트워크 토폴로지에서 고가용 고신뢰 패킷 송/수
신을 위한 국제표준 IEC62439-3 (HSR)의 End-node 를 위한 forward packet, packet duplicate, packet discard 등 하드웨어 지원 부분 및 관련 기능의 동 작정보를 포집하는 레지스터 기능을 Verilog-HDL 을 이용하여 설계하였음. 구현한 기능은 ModelSim 시뮬레이터 툴을 이용한 RTL 시뮬레이션을 통해 기능을 검증함.
○ 산업용 제어 네트워크에 대한 표준화는 국제 표준화 기구인 IEC
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Organization for Standardization)에서 진행되어 왔으며, IEC 61158 은 Physical Layer, Data-Link Layer, Application Layer 로 구분하여 각 계층마다 필드버스 프로토콜 타입을 정의하였고, IEC 61784 표준화 문서에는 필드버 스 프로토콜을 산업현장에 적용하기 위하여 IEC 61158 에서 각 계층별로 정 의한 타입을 조합하여 CP(Communication Profile)로 정의하고 CP 의 규격을 기술하고 있음.
○ 에너지장치 실시간 네트워크에서 시간 민감형 제어 데이터 전송의 실시간
성을 확보하기 위한 수단으로 Time-aware schedling 과 Frame pre-emption 기술을 적용하는 방안을 고안하고 IEEE 802.1Q(2014) 및 IEEE 1588 표준을 기반으로 IEEE AVB 프로토콜을 구현한 AVnu Allience 의 오픈소스 OpenAVB 를 이용하여 SRP 프로토콜을 사용하여 스트림 예약 및 전송을 수행하는 엔 드 포인트용 Talker 를 구현함.
□ 에너지장치 실시간 네트워크 플랫폼 기술 개발
○ 산업용 사물인터넷 (IIoT) 기술 표준화를 담당하고 있는 Industial Internet
Consortium (ICC)에서 제안하는 산업용 인터넷 레퍼런스 아키텍처와 산업 용 인터넷 아키텍처 프레임워크를 분석함. OSI 7 계층과 유사한 IIoT Connectivity stack model 에서 데이터 및 메시지 전달 역할을 수행하는 framework 계층과 connectivity 계층 관점에서 기술개발 요구사항을 분석함. 뿐만 아니라 distributed data service (DDS), open platform communications unified architecture (OPC-UA), oneM2M 등 기 개발된 사 물인터넷 기술들을 산업용 사물인터넷의 연결성 프레임워크 요구사항 기술 특성에 따른 평가 결과를 분석함. ○ 분산처리 기반의 fog computing 및 블록체인 기술을 분석하고, 신재생에네 지장치 제어/관리를 위한 네트워크 아키텍처를 제안하였음. 신재생에너지 장치 네트워킹 기술에서 가장 중요하게 생각해야 할 요소는 발생 이벤트를 최대한 빠르게 처리하는 이벤트 처리 실시간성임. Fog computing, TSN, 블 록체인 기술 등을 결합한 솔루션이 실시간성, 대역폭 문제 및 보안 문제들을 해결할 기술로 대두되고 있음.
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○ IEEE 802.1 의 TSN 표준을 준수하는 이더넷 MAC 및 운용 소프트웨어로 이
루어진 TSN 게이트웨이의 기능을 검증하기 위한 실시간 이더넷 테스트 플 랫폼을 개발하였음. 실시간 이더넷 테스트 플랫폼에서 TSN 망의 종단에 연 결된 EtherCAT master 는 OPC-UA 로 제어되며 EtherCAT slave 장치들을 제 어하여 TSN 기능을 시각적으로 확인할 수 있는 기능을 제공함. □ 실시간 네트워크 개발기술 확산 및 사업화 ○ 신재생에너지장치간의 스마트 광 분배망 구성을 위한 스마트 광분배함 통 합관리 기술의 상용화 및 사업화를 진행하였음. 한국전력공사 테스트베드 구축 및 운영을 통한 상용 요구사항 수렴 및 이를 반영한 시스템 고도화, 성 능 향상 및 기능 추가를 수행하였고 기술이전 2 건 및 사업화 성과 1 건을 달 성함.
○ FTTx(Fiber-to-the-x)용 PON(Passive Optical Network)에서 가입자망 관리를
위한 현장 작업 시 PON 광 신호 세기 측정, 인터넷 품질(지연시간/대역폭) 측정, ONT 접속상태 감지 기능, VFL(Virtual Fault Locator) 등의 다양한 기능 을 하나의 휴대용 기기에 통합한 다기능 휴대용 계측기를 고도화시킴. 당해 년도에는 제품 상용화를 위한 성능 및 정확도 향상을 중심으로 개발을 진행 하였고 기술이전업체의 제품 상용화 및 사업화를 지원함.
□ 에너지 IoT 프레임워크 기술 개발
○ IoT 표준 프로토콜인 IETF CoAP, OMA LWM2M 규격을 다양한 플랫폼에 적
용할 수 있도록 소프트웨어로 구현하여 OMA Testfest, TTA Verfied 등 국내 외 상호운용성 시험 및 인증시험에 참여하여 우수성을 검증 받았고, 이를 에 너지 분야에 적용할 수 있도록 고도화함, 또한 에너지 분야에 IoT 를 확산하 기 위하여 에너지 IoT 프로토콜을 준수하는 통신 칩모듈을 개발함.
○ IoT 서버 플랫폼은 에너지 시장에서 사용되는 Modbus, CAN, LWM2M, IEC
61850, OPC-UA 등 현존하는 에너지 및 IoT 관련 표준 프로토콜을 지원함. 수집된 데이터는 전처리 과정을 통해 EnergyDB 에 저장되어 머신러닝 엔진 과 연동됨. UI/HMI 를 Cloud Service 로 제공하며 Edge Brain 을 통해 효과 적인 예측 서비스를 제공함.
- ix - ○ 에너지 IoT 네트워크 보안 기술은 플랫폼과 게이트웨이, 게이트웨이와 디바 이스 사이 두 구간을 구분하여 보장하도록 하였으며, 플랫폼과 게이트웨이 구간은 인증서 기반의 DTLS 를 사용하였고, 게이트웨이와 디바이스 구간은 마스터 키를 기반으로 여러 개의 키를 생성시켜 주는 블록 암호 기반 키 유 도 함수를 적용함. ○ 신재생너지장치 원격 물리보안 기술개발을 위해 당해년도에는 3D 원격이미 징 기술, 홀로그래피 원격 이미징 기술을 연구하고 멀티모달 이미징 테스트 베드 구축을 완료함. 3D 원격이미징 기술은 TOF (Time of Flight) 이미징 센 서를 이용하여 약 5m 정도 떨어져 있는 전선에 대한 감지가 가능한지 시험 을 수행하하여 약 1cm 정도의 전선케이블 감지가 가능한지 확인힘. 홀로그 래피 이미징 기술을 이용하여 은닉된 물체의 원격이미징이 가능한지 연구 함. 멀티모달 시험셋업은 가시광, 근적외선, 원적외선 이미징 장치를 동시에 구성하여 각각의 특성에 대한 분석을 수행함. □ 신재생에너지장치 예지관리 기술 개발 ○ 신재생에너지장치 예지관리를 위해서 요구되는 장치 상태 데이터 획득을 위 한 시스템을 개발하였음. 가용한 전류 센서들의 성능을 일차적으로 검증하 였으며, 요구되는 성능을 지원하는 것으로 판단되는 전류 센서를 본 연구실 에서 보유한 태양광발전 시스템에 설치하고, 설치된 아날로그 전류 센서로 부터 데이터를 용이하게 획득하기 위해서 아날로그를 디지털 값으로 변환 하고 변환된 값을 지정된 원격 서버로 전송하는 이더넷 통신 장치를 개발함. ○ 에너지 IoT 데이터 시각 처리 모델은 CNN 기반의 심층학습을 이용한 것으 로, 시계열 데이터를 주파수 변환 전처리한 후, MFCC/Melspectrum/STFT 등 의 주파수 기반 특징 벡터로 표현하고, 이러한 특징벡터를 통해 scratched 및 전달모델 기반의 학습을 거쳐, 최적의 시계열 데이터 시각 처리 모델을 선별하는 기법을 연구하였음. ○ 신재생에너지장치 예지관리 기술 개발의 일환으로써 복합장치 상태진단 기 술 연구를 진행하였음. 특히, 복합장치 상태진단의 기반 기술로써 NILM(Non-intrusive load monitoring)의 적용 가능성을 검증하였음. 고속 및
- x - 저속 샘플링의 경우에 NILM 의 성능을 확인하였음. 최대 5 개 전자기기가 동 작하는 경우 NILM 에 기반한 동작 전자 기기 탐지 정확도는 약 95%(대상 기 기 5 종). □ 클라우드연계 지능형 EMS 기술 개발 ○ 연구실에서 보유한 태양광발전 시스템의 에너지 생산량 예측을 위한 연구
를 진행함. 딥 러닝 기법 중 RNN(Recurrent neural network)의 유형 중 하나 인 LSTM(Long short term memory) 기법을 적용하여 생산량 예측 연구를 진행함. 서로 연관관계가 있는 충분한 양의 과거 데이터와 예측의 대상이 되 는 오늘의 일기 예보 데이터가 주어지는 경우, 생산량 예측은 84%/day(기상 청데이터 기반)을 확인하였음. ○ 신재생에너지시스템 관리 운용을 위한, 지능형 EMS 서버 아키텍처를 설계 하였음. 지능형 EMS 서버는, 다양한 디바이스 프로토콜을 지원하며, 다양한 응용 서비스 및 분석 서비스가 연동 가능한 API 를 제공함. 디바이스 프로토 콜로 OMA LWM2M 과 Modbus 를 지원하며, 응용 API 로는 Web RESTful API 와 Database API 를 지원함.
○ 신재생에너지 테스트베드는 기설치된 9KW 급 태양광발전 설비, 한전계통, 개방형 ESS-BMS 전용 컨테이너 시제품 및 부하로 구성됨. 개방형 ESS-BMS 전용 컨테이너 시제품에는 20KW 급 레독스플로우 배터리와 100KW 급 리 튬이온 배터리가 설치되었고 배터리를 제어하기 위한 BMS 및 전기의 충전 및 방전을 제어하기 위한 PCS 가 설치됨. 환경데이터의 수집을 위하여 태양 광발전 설치지역 및 ESS 컨테이너 내부에 다양한 환경센서가 설치됨.
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V. 연구개발결과의 활용계획
본 “신재생에너지 실시간관제 및 지역에너지신산업계 고도화 사업”의 성공적인 수행을 통하여, 에너지 IoT EMS 서버플랫폼, IoT 기반 신재생에너지 생산량예측 솔루션, IoT 기반 복합장치 상태진단 솔루션, 실시간이더넷 제어프로토콜, 스마트광분배함 통합관리 솔루션 등이 개발되었다. 또한, 연구실적으로는 기술이전 3 건, 연구비 대비 기술료 수입 4.2% 달성, 관련 국내외 특허출원 10 건 제출, 표준기고서 3 건 승인, 연구시제품 2 건 개발, 소프트웨어 11 건 등록, 통합테스트베드 1 건 구축, E-패밀리기업 지원 15 건 등의 결과를 달성하였다. 개발 기술은 기업체 기술이전을 통해, EMS(Energy Management System), ESS(Energy Storage System), PCS(Power Conversion System), Solar System, Wind System 등 신재생에너지 분야에 활용 가능하며, 이를 통해 지역 특화 에너지밸리클러스터의 기술 고도화와 신규 시장 개척에 활용가능하다. 본 과제의 에너지 IoT 서버플랫폼 RnD 결과물을 기반으로 한국전력공사로부터 기업수탁과제, “e-IoT 표준기반 정보모델링 및 센싱·영상복합데이터처리 기술개발(‘17.12.~’19.05., 15.51 억원)” 를 수주하였고, 본 과제의 에너지 IoT 표준프로토콜 RnD 결과물을 기반으로 한국전력공사로부터 기업수탁과제, “광기반 자중배전선로 상시진단 시스템 및 e-IoT 연동기술 개발(2017.09.~2019.07., 13.53 억원)” 를 수주하였고, 본 과제의 에너지장치간 실시간 네트워킹 RnD 결과물을 기반으로 산업부 정부수탁과제, “DC±200kV 급 전압형 MMC 개발 및 운영/실증(‘17.11.~’21.10., 12 억원)” 를 수주하였다. 또한, 본 과제에서는 신재생에너지 및 장주기 ESS 시험환경 테스트베드를 구축완료 함으로써, 기술개발 결과물의 실증적용 기반을 확보하였고, 지역 신재생에너지 기업 생태계 육성의 토대를 확보하였다.
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VI. 기대성과 및 건의
본 “신재생에너지 실시간관제 및 지역에너지신산업계 고도화 사업”에서 다루고 있는 신재생에너지장치 자율관제 솔루션과 실시간 네트워킹 기술은 정부에서 중점적으로 추진하고 있는 제 4 차 산업혁명의 에너지산업 분야 혁신과 직결된다. 전통적인 에너지장치에 ICT 기술을 융합함으로써, 신재생에너지 산업계의 기술력을 고도화하여 해외 기술 종속을 탈피하여 선제적인 방식으로 글로벌 시장 진출을 도모할 수 있다. 본 “신재생에너지 실시간관제 및 지역에너지신산업계 고도화 사업”의 성공적인 수행을 통하여 다양한 경제적, 산업적, 기술적, 사회적 기대 성과가 예상된다. 우선, 신재생에너지장치 산업의 육성으로 신재생에너지 및 기후변화 관련 산업 육성 등 국가 위상이 제고되며, 새롭게 성장하고 있는 에너지신산업 분야에서 글로벌 시장 진출 및 국가 신성장 동력화가 가능할 것으로 기대된다. 또한 본 사업을 통해 구축되는 연구장비 및 테스트베드의 산학연 공동 활용으로 제품의 조기 상용화를 유도하고 관련 산업의 연구 개발 활성화가 가능할 것으로 전망된다. 또한, 자체 연구결과물의 테스트베드 실증 적용으로 관련 산업체의 글로벌 경쟁력을 향상시키고 이를 통해 매출 증대를 통한 국부 창출이 가능할 것으로 보인다.- xiii -
SUMMARY
I. TITLE
Realtime Management of Renewable Energy System and Regional Energy Industry Advancement Project
II. THE OBJECTIVES
In order to innovate the management of energy facilities and preventive diagnoses, which are currently dependent on practitioners, the latest research field is to optimize the renewable energy supply system and to impement automatic status monitoring and autonomous control technologies by integrating deep learning-based signal processing technology and IoT technology. In addition, there is an increasing demand and research for the real-time networking technology for energy devices that collect data in real time from multiple data acquisition devices and enable low-latency control for faster monitoring and control for minimizing downtime of increasing renewable energy devices. Also, In the industrial communication market where mutiple standards coexist, there is an increasing demand and research for the application of highly interoperable high-availability and high-reliability networking technology. The element technology required in these new fields of control and diagnosis of renewable energy devices is a convergence technology of ICT technology and traditional energy industry equipments and solutions such as renewable energy device autonomous control solution technology
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and real-time networking technology between energy devices. And, it is in the stage of revitalizing R & D throughout the world.
On the other hand, domestic renewable energy related industries are showing a strong presence in some hardware such as lithium polymer energy storage devices and photovoltaic devices, but they are suffering from stagnation or decline of sales due to excessive supply among companies and rapid growth of overseas enterprises such as China. As a breakthrough, it is necessary to secure technological competitiveness by integrating the latest ICT technology with the renewable energy devices possessed by each corporation. In particular, it is necessary to concentrate R & D capabilities to lead device intelligence by combining autonomous control solutions with new and renewable energy devices, and to lead device stabilization by combining real-time networking technologies.
Based on the significance of this national-industrial aspect, this R & D project will research and develop autonomous control solutions and real-time networking technologies for renewable energy devices and apply it to self-built test beds or other pilot projects, it aims to foster renewable energy devices and components companies, industrial software companies, industrial network companies, and especially to secure global competitiveness of energy valley cluster industry. This research and development project is planned for three years from 2017 to 2019, and the final research contents and results of the first year are as follows.
III. THE CONTENTS AND SCOPE OF THE STUDY
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○ Study on application of high-precision time synchronization standard ○ Research on high-availability network topologies of energy devices ○ Energy device real-time control protocol technology analysis
□ Development of real-time network platform technology for energy devices
○ Study on network distributed processing platform for high-availability
low-latency energy devices
○ Design of network HW/SW platform for energy device control/monitoring ○ Real-time Ethernet test platform construction (experimental indoor,
industrial Ethernet communication platform function verification)
□ Expansion and commercialization of developed real-time network technology
○ Development and commercialization of integrated management
technology for smart optical distribution frame
○ Commercialization development of multi-function portable instrument
□ Technology development of energy IoT framework
○ Energy IoT protocol interoperability technology development ○ Energy IoT server platform technology development
○ Technology development for energy IoT network security application ○ Research of remote physical security for renewable energy systems
□ Development of prognostics for renewable energy systems
○ Builiding a data set of energ big data
○ Study of visual processing model for energy IoT data ○ Development of diagnostics for complex energy systems
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□ Development of cloud-supported smart EMS
○ Study of forecast of PV system production
○ Research of optimized model for single renewable energy operation ○ Testbed build-up for renewable energy system
IV. RESULTS
□ Development of real-time communication technology
○ We developed open source based softwares for implementing 802.1AS.
We developed device driver and LinuxPTP-based PTP softwares for ETRI 802.1AS MAC and PHY board in Linux operating system environment. We measured time synchronization accuracy and delay in real-time Ethernet test platform.
○ We implementated Altera SoC-FPGA (Cyclone V SE series) based MAC
device for timestamping function of IEEE802.1AS. We architected the interface to control the FPGA IP (MAC and Timestamp module) with the ARM core embedded in the SoC-FPGA for supporting time-synchronization of PTP. We designed the HDL function block for the gateway behavior of the real-time Ethernet test platform.
○ We implemented 802.1AS MAC function using Altera SoC-FPGA (Cyclone
V SE series). We used ARM core implemented in SoC-FPGA in Hard Macro to design the hardware support part of the PTP function (such as MAC module, which is composed of FPGA IP, Timestamp module, and interface configuration). In addition, HDL block used for operating gateway of real-time Ethernet test platform was designed.
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○ We designed HSR End-node of standard IEC62439-3 that includes key
features of packet forwarding, packet duplication and duplicates discard using on verilog-HDL. The implemented functions were verified by RTL simulation using ModelSim tool.
○ Standardization of industrial control network has been carried out by
International Electrotechnical Commission (IEC) and International Organization for Standardization (ISO). IEC 61158 is classified into Physical Layer, Data-Link Layer and Application Layer. IEC 61784 standardization document defines CP (Communication Profile) and CP specifications by combining types defined by IEC 61158 for application of fieldbus protocol to industrial field.
○ We analyzed the time-aware scheduling and frame pre-emption scheme,
and devised the method to apply those schemes to real-time network to ensure that the transmission of the time-critical data could be done in real time. We also developed the Simple Talker application using the open source called Open AVB by AVnu Allience for IEEE AVB based on IEEE 802.1Qca and IEEE 1588, which can reserve the network path and traffic resource to send a data stream to the end-points in real-time.
□ Development of real-time network flatform technology
○ We analyzed industrial Internet reference architecture and industrial
internet architecture framework proposed by Industrial Internet Consortium (ICC) which is in charge of standardization of industrial subnet (IIoT) technology. We analyzed development requirements from the perspective of the framework and connectivity layers that perform data and message delivery roles in the IIoT Connectivity stack mode, which is similar to the OSI 7 layer. In addition, we analyzed the results of detailed evaluation of the existing Internet technologies such as distributed data service (DDS), open platform communications unified architecture (OPC-UA), and oneM2M according to the connectivity object characteristics
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defined by the IIoT connectivity framework
○ We analyzed fog computing and block chain technology based on
distributed processing, and proposed a network device architecture for controlling and managing the renewable energy device. The most important factor to consider in the renewable energy device networking technology is the event processing time to handle real-time event. The proposed device architecture combining fog computing, TSN, and block-chain technologies are emerging as technologies that address real-time performance, bandwidth and security issues.
○ A real-time Ethernet test platform has been developed to verify the
functionality of the TSN Gateway, which consists of Ethernet MAC and operating software conforming to the TSN standard. In the real-time Ethernet test platform, the EtherCAT master connected to the end of TSN network is controlled by OPC-UA and provides the function to visually check TSN function by controlling EtherCAT slave devices.
□ Expansion and commercialization of developed real-time network technology
○ We performed technology transfer and commercialization of Smart ODF
management platform to use on the optical distribution network for the renewable energy systems. We have operated the testbed at KEPCO, gathered commercial requirements, upgraded functions and performances of platform. We achieved 1 technology transfer and 1 commercialization results.
○ We advanced multifunctional portable measuring device to be capable of
measuring PON optical signal strength, network quality (delay time / bandwidth), ONT connection status detection function, and VFL (bandwidth measurement) function for on-site operation for subscriber network management in PON (Passive Optical Network) for FTTx (Fiber-to- Virtual Fault Locator). In this year, we have focused on improving
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performance and accuracy for product commercialization.
□ Development of energy IoT framework technology
○ We implemented IoT standard protocols, IETF CoAP and OMA LWM2M,
as software to be applied to various platforms and proved their excellence by participating in international interoperability test and certification tests such as OMA Testfest and TTA Verfied. We have advanced this protocols to apply it to the energy field. We developed a chip module that complies with the energy IoT protocol to spread IoT to the energy field.
○ The IoT server platform supports existing energy and IoT standard
protocols such as Modbus, CAN, LWM2M, IEC 61850, and OPC-UA that are used in the energy market. The collected data is stored in EnergyDB through a preprocessing process and is linked with the machine learning engine. It provides UI / HMI as Cloud Service and provides effective forecast service through Edge Brain.
○ Energy IoT network security technology is divided into two sections:
platform-gateway, gateway-device. The platform and gateway sections use certification-based DTLS security. The key derivation function based on the block cipher that generates multiple keys based on the master key is applied to the gateway and the device sections.
○ In order to develop the remote physical security technology of the new
renewable energy device, we studied 3D remote imaging technology and holography remote imaging technology in the year and completed the construction of multimodal imaging test bed. 3D remote imaging technology tests whether it can detect wire about 5m away using TOF (Time of Flight) imaging sensor, and check whether wire cable detection of about 1cm is possible. Study on remote imaging of hidden objects using holography imaging technology. The multimodal test set-up consists of simultaneous visual, near-infrared, and far-infrared imaging
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devices and performs analysis of each characteristic
□ Prognostic management solution for renewable energy devices
○ Energy IoT data visual processing model uses CNN-based deep learning
algorithm. At first, time-series data is converted into frequency domain like MFCC/Melspectrum/STFT. These feature vectors are trained by scratched or transferred deep learning model. Therefore, we can select the best feature vector and training model for energy IoT based time-series data visual processing model.
○ We developed a system for collecting monitoring data of the PV system
installed in our research center. We first examined the accuracy and performance of available current sensors. Then, we installed one type of sensor to the PV system. To faciliate the acquisition of monitored data from the sensor, we developed an ethernet communication device that sends the acquired data to a designated data server.
○ We stuied a diagnostic for complex systems. Especially, we focused on
NILM technology as a basic component for the diagnostics. We used high sampling rate data and low sampling rate data to examine NILM technology, which is implemted by MLP structure. From the experiments, we found that the accuracy of NILM in detecting the operating devices is around 95% when the number of operating devices is 5.
□ Development of cloud-supported smart EMS
○ We conducted a preliminary study on forecast of PV system's production.
Among RNN-like algorithms, we applied LSTM with the data acquired from an US site that supports a simulator that genrates PV-related data. From the experiments, we found that error percentage of the forecast algorithm is less than 1% when PV-related data are highly corelated and are enough, error percentage of the forecast.
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○ For efficient management and operation of renewable energy system,
intelligent EMS server architecture is designed. The intelligent EMS supports various device prototocols and API for interworking with various application services and analytics services. This supports OMA LWM2M and Modbus as device protocol, and Web RESTful API and database API for applications.
○ The new and renewable energy test bed is consisting of 9KW solar power
generation system, KEPCO system, open ESS-BMS container prototype and load installed. A prototype container for open ESS-BMS is equipped with a 20KW redox flow battery and a 100KW lithium-ion battery, and a BMS for controlling the battery and a PCS for controlling the charging and discharging of electricity. Various environmental sensors are installed in PV installation area and ESS container to collect environmental data.
V. EXPECTED RESULT & PROPOSITION
The new renewable energy device autonomous control solution and real-time networking technology, which are covered in this "Realreal-time Management of Renewable Energy System and Regional Energy Industry Advancement Project", are directly related to the innovation of the energy industry in the 4th Industrial Revolution, which is being promoted by the government. By fusing ICT technology with traditional energy devices, the technology of the renewable energy industry can be upgraded and the foreign technology subordination can be avoided and the advancement into the global market can be promoted.
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expected through successful execution of this "Realtime Management of Renewable Energy System and Regional Energy Industry Advancement Project". First of all, it is expected that the development of renewable energy equipment industry will enhance the status of the nation, such as fostering of renewable energy and climate change related industries, and it will be possible to advance into the global market and new growth engines in the new energy industry. In addition, it is expected that it will be possible to induce early commercialization of products and research and development of related industries by joint use of research equipment and test bed constructed through this project. In addition, by applying the test bed of its own research result, it is possible to improve the global competitiveness of related industries and to create national wealth by increasing sales.
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CONTENTS
Chapter Ⅰ Introduction ... 1 Section 1 Objectives and Necessity of Research and Develpment... 3 １. Objectives of research and development ... 3 ２. Necessity of research and development ... 4 Section 2 Contents and Scope of Research and Development ... 9 １. Scope of research and development ... 9 ２. Contents of research and development ... 10 Section 3 Technology Trend of Domestic and Foreign ... 13 １. The present state of domestic and foreign technology ... 13 ２. The present state of domestic and international standardization ... 23 Section 4 Research Process and Report Organization ... 28 １. Research process... 28 ２. Report organization ... 30
Chapter Ⅱ Development of Real-time Networking Technology for Renewable Energy Devices ... 32 Section 1 Development of energy device real-time communication technology
... 33 １. Study on application of high-precision time synchronization standard...34 ２. Research on high-availability network topologies of energy devices….55 ３. Energy device real-time control protocol technology analysis………64 Section 2 Development of real-time network platform technology for energy devices ... 84 １. Study on network distributed processing platform for high-availability
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low-latency energy devices ... 84 ２. Design of network HW/SW platform for energy device control/ monitoring ... 106 ３. Real-time Ethernet test platform construction………112 Section 3 Expansion and commercialization of developed real-time network technology ... 121 １. Development and commercialization of integrated management technology for smart optical distribution frame ... 121 ２. Commercialization development of multi-function portable instrument
... 151
Chapter Ⅲ Development of autonomous control solution technology for renewable energy devices ...165 Section 1 Technology development of energy IoT framework ... 167 １. Energy IoT protocol interoperability technology development ... 167 ２. Energy IoT server platform technology development... 179 ３. Technology development for energy IoT network security application
... 190 4. Research of remote physical security for renewable energy systems .. 205 Section 2 Development of prognostics for renewable energy systems ... 216 １. Builiding a data set of energy big data ... 216 ２. Study of visual processing model for energy IoT data ... 224 ３ Development of diagnostics for complex energy systems ... 236 Section 3 Development of cloud-supported smart EMS ... 248 1. Study of forecast of PV system production ... 248 2. Research of optimized model for single renewable energy operation
... …258 3. Testbed build-up for renewable energy system ... 270
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Chapter Ⅳ Plan for Research and Development Result Usage ...279 Section 1 Summary of Research and Development Results ... 281 １. Achievement rate of development performance indicator goals ... 281 ２. Achievement rate of research output indicator goals ... 282 Section 2 Riffle Effect of Research and Development Results ... 283 １. Technical viewpoint ... 283 ２. Indutrial viewpoint... 284 ３. Economy viewpoint ... 285 Section 3 Applicability of Research and Development Results ... 289 １. Commercialization potential ... 289 ２. Commercialization plan ... 291 ２. Future R&D project... 293
Chapter Ⅴ Conclusion ...295 Chapter Ⅴ Research Facility and Equipments Status ...303 Abbreviation ... 306 Appendix ... 312
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List of Tables
(Table 1-3-1) Major IoT international standardization activities ... 26 (Table 2-1-1) Definition of RGMII communication status ... 47 (Table 2-1-2) The Construct of IEC 61158 ... 65 (Table 2-1-3) The Construct of IEC 61784 ... 66 (Table 2-1-4) The Relation of the profile and protocol type according to IEC
61784-1 and IEC 661784-161784-158-61784-1 ... 66 (Table 2-1-5) Summary of the physical layer service and protocol characteristics ... 68 (Table 2-2-1) Evaluation of core standards criteria of IIoT connectivity transport layer
... 97 (Table 2-3-1) Testbed operation requirements ... 126 (Table 2-3-2) Results of software performance improvement ... 146 (Table 2-3-3) Results of demonstration and exhibition participation ... 149 (Table 2-3-4) Definition of ONT connection state according to optical signal intensity
... 158 (Table 2-3-5) Results of technical support for multifunctional portable instrument
... 161 (Table 3-1-1) Security specification profile ... 192
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List of Figures
(Figure 1-4-1) R&D business promotion system ... 28 (Figure 2-1-1) Time synchronization procedure between master and slave ... 35 (Figure 2-1-2) LinuxPTP operation screen... 36 (Figure 2-1-3) Software stack for supporing time synchronization ... 37 (Figure 2-1-4) Device driver operation for supporing time synchronization ... 38 (Figure 2-1-5) Conceptual diagram of delay time measurement ... 39 (Figure 2-1-6) Result of average delay time measurement... 39 (Figure 2-1-7) Confirmation of HW timestamping function of MAC using Ethtool . 40 (Figure 2-1-8) Result of time synchronization accuracy measurement ... 41 (Figure 2-1-9) TSN gateway architecture based on Altera Soc FPGA ... 42 (Figure 2-1-10) Physical layer block diagram ... 43 (Figure 2-1-11) Circuit diagram around PHY chip ... 44 (Figure 2-1-12) circuit diagram of RJ-45 conntector peripheral ... 45 (Figure 2-1-13) Interner circuil diagram of integral magnetic RJ-45 connector ... 46 (Figure 2-1-14) PHY-chip-to-FPGA connector schematic ... 47 (Figure 2-1-15) Pin related circuit diagram of PHY communication status definition
... 48 (Figure 2-1-16) Layout of each layer of PHY board ... 49 (Figure 2-1-17) Notes on designing PHY board layour ... 50 (Figure 2-1-18) Completed TSN PHY board ... 50 (Figure 2-1-19) MAC foundation structure of Altera SoC-FPGA based 802.1AS protocol ... 51 (Figure 2-1-20) MAC IP block timestamp generation time in RGMII ... 52 (Figure 2-1-21) Example of 802.1AS protocol MAC gateway block operation ... 53 (Figure 2-1-22) Block diagram of Altera SoC-FPGA based 802.1AS protocol MAC gateway ... 54 (Figure 2-1-23) 802.1AS protocol MAC gateway RTL simulation verification ... 55 (Figure 2-1-24) Example of packet flow in the PRP network ... 56
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(Figure 2-1-25) Ethernet and PRP frame structure ... 56 (Figure 2-1-26) FSM Flowchart of PRP transmission part ... 57 (Figure 2-1-27) FSM flow diagram of PRP receiver (a) Redundant packet destruction (b) packet transmission ... 58 (Figure 2-1-28) Example of packet flow in the HSR structure ... 59 (Figure 2-1-29) Hardware main function block structure design of HSR end-node 60 (Figure 2-1-30) Block diagram of HSR end-node receiver ... 61 (Figure 2-1-31) Block diagram of HSR end-node transmitter ... 62 (Figure 2-1-32) RTL simulation verification of HSR end-node (a) HSR end-node transmission (b) HSR end-node reception ... 64 (Figure 2-1-33) Time-aware scheduling ... 73 (Figure 2-1-34) Best effort frame interrupting high-priority time slice ... 74 (Figure 2-1-35) Time-sensitive traffic dedicated time-slice protection band ... 75 (Figure 2-1-36) Example of frame preemption... 76 (Figure 2-1-37) Talker’s resource reservation request process ... 79 (Figure 2-1-38) Listener’s resource reservation response process ... 79 (Figure 2-1-39) Resource reservation request propagation process of SRP protocol
... 81 (Figure 2-1-40) System configuration of simple talker ... 82 (Figure 2-1-41) Implemenation code for simple talker stream reservation request and response reception ... 83 (Figure 2-1-42) Implementation code for simple talker stream transport ... 83 (Figure 2-2-1) ISO / IEC / IEEE 42010: 2001 - Structure ... 85 (Figure 2-2-2) IIRA perspective, coverage, and system life cycle relationship ... 85 (Figure 2-2-3) Connectivity used as a crosscutting function for data transfer between functional areas ... 86 (Figure 2-2-4) IIoT connectivity stack model ... 87 (Figure 2-2-5) IIoT connectivity gateway conceptual diagram ... 90 (Figure 2-2-6) Interoperability of data processing with core standards and other standard technologies ... 91 (Figure 2-2-7) Key gateway-based connectivity structure for heterogeneous
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wholesale human data reciprocity ... 91 (Figure 2-2-8) Connectivity framework layer features ... 93 (Figure 2-2-9) Connectivity transport layer features ... 96 (Figure 2-2-10) Industrial internet connectivity standard technology ... 98 (Figure 2-2-11) Delay time in cloud-based networks ... 99 (Figure 2-2-12) Fog computing operation structure ... 101 (Figure 2-2-13) Intelligence processing of the fog node ... 102 (Figure 2-2-14) Smart transportation using fog comuption ... 103 (Figure 2-2-15) Block chain transaction flow... 104 (Figure 2-2-16) Block connections ... 105 (Figure 2-2-17) Network structure for energy device control / management ... 106 (Figure 2-2-18) Real-time Ethernet test platform panel ... 107 (Figure 2-2-19) Configuration of real-time ethernet test platform device... 108 (Figure 2-2-20) TSN Gateway function block diagram ... 109 (Figure 2-2-21) OPC-UA message flow ... 110 (Figure 2-2-22) OPC-UA message and description ... 111 (Figure 2-2-23) Configuring the real-time ethernet test platform ... 112 (Figure 2-2-24) Real-time ethernet test platform due diligence ... 114 (Figure 2-2-25) PLC software architecture ... 115 (Figure 2-2-26) Control PC software architecture ... 116 (Figure 2-2-27) Main dialog screen ... 117 (Figure 2-2-28) Device dialog screen ... 118 (Figure 2-2-29) System dialog screen ... 119 (Figure 2-3-1) Testbed configuration for KEPCO internal network ... 122 (Figure 2-3-2) Configuration for electronic tag integrated patch code ... 123 (Figure 2-3-3) Testbed construction construction view ... 124 (Figure 2-3-4) Testbed construction completed ... 125 (Figure 2-3-5) Structure of smart optical distribution box ... 129 (Figure 2-3-6) Motherboard structure ... 130 (Figure 2-3-7) Motherboard schematic 1 ... 130 (Figure 2-3-8) Motherboard schematic 2 ... 131
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(Figure 2-3-9) Motherboard schematic 3 ... 132 (Figure 2-3-10) Front board structure ... 132 (Figure 2-3-11) Front board schematic 1 ... 133 (Figure 2-3-12) Front board schematic 2 ... 134 (Figure 2-3-13) Backboard structure ... 134 (Figure 2-3-14) Backboard Schematic 1 ... 135 (Figure 2-3-15) Backboard Schematic 2 ... 136 (Figure 2-3-16) Back sub-board structure ... 136 (Figure 2-3-17) Schematic diagram of back sub-board ... 137 (Figure 2-3-18) Source code for front 12-port tag recognition module control ... 138 (Figure 2-3-19) Source code for front 12-port LED module control ... 139 (Figure 2-3-20) Source code implementing IP address setting function ... 140 (Figure 2-3-21) Completed build of testbed ... 141 (Figure 2-3-22) Smart distributor inquiry screen in administrator GUI... 142 (Figure 2-3-23) Smart optical distributor in administrator GUI LIST inquiry screen
... 142 (Figure 2-3-24) Port display screen for administrator GUI ... 143 (Figure 2-3-25) Port detail display screen for administrator GUI ... 143 (Figure 2-3-26) Port manual control screen of the administrator GUI ... 143 (Figure 2-3-27) Work instruction sheet creation in GUI for administrator GUI ... 144 (Figure 2-3-28) Patch code information display screen for administrator GUI ... 145 (Figure 2-3-29) Real-time event inquiry screen in administrator GUI ... 145 (Figure 2-3-30) Debugging support for AJ World's smart optical distributor box . 148 (Figure 2-3-31) Smart distribution panel of AJ World Co., Ltd. (48 ports) (top) Smart panel, (middle) Smart distribution box front, (bottom) Smart distribution box rear ... 149 (Figure 2-3-32) Technical overview and features of multifunction portable instrument
... 151 (Figure 2-3-33) Overall block diagram of the multifunctional portable instrument
... 152 (Figure 2-3-34) Circuitry of upstream optical signal measurement ... 153
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(Figure 2-3-35) Experiment results of G-PON upstream burst signal according to bandwidth (a) 1Mbps (b) 10Mbps (c) 100Mbps ... 154 (Figure 2-3-36) Schematics for measuring the upstream optical signal ... 155 (Figure 2-3-37) Overview of ONT connection status detection function ... 156 (Figure 2-3-38) ONT connection type (a) connection (plugged - ONT ON / OFF), (b) unplugged, (c) cut ... 157 (Figure 2-3-39) Output of received signal strength value according to ONT connection status ... 159 (Figure 2-3-40) Implementation of VFL function (left) normal state (right) optical fiber bending state ... 160 (Figure 2-3-41) (left) ethernet port (RJ-45) (right) result of bandwidth and packet delay time measurement ... 160 (Figure 2-3-42) AJ WORLD Co., Ltd. technical support ... 161 (Figure 3-１-1) Energy IoT protocol operation overview ... 168 (Figure 3-１-2) Composite data reporting using Resource Link ... 169 (Figure 3-１-3) Historical data setup and reporting ... 172 (Figure 3-１-4) Energy IoT hardware configuration diagram ... 174 (Figure 3-１-5) Energy IoT devices software structure ... 175 (Figure 3-１-6) SPI Communications: EVM to IoT Chip Module ... 176 (Figure 3-１-7) SPI Communications: Gateway Board to IoT Chip Module ... 177 (Figure 3-１-8) Overveiw of energy IoT server platform ... 180 (Figure 3-１-9) Hierarchy structure of VTN and VEN ... 184 (Figure 3-１-10) SEP 2.0 CIM package ... 185 (Figure 3-１-11) Dependency relationship of CIM package for electrocity ... 186 (Figure 3-１-12) Energy IoT server platform stack ... 188 (Figure 3-１-13) Energy IoT server platform energy DB schema ... 189 (Figure 3-１-14) Energy IoT gateway stack ... 190 (Figure 3-１-15) Energy IoT network security system ... 191 (Figure 3-１-16) Pre-distributed symmetric key-based security association process
... 193 (Figure 3-１-17) Certification-based security association process ... 194
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(Figure 3-１-18) DTLS layer structure ... 196 (Figure 3-１-19) TPM on Energy IoT ... 203 (Figure 3-１-20) Heightened aerial cable height (ground level) adjustment case, Source: Ministry of Commerce, Industry and Energy ... 206 (Figure 3-１-21) (a) Image aquistion of TOF camera (b) operation ... 207 (Figure 3-１-22) Indoor wire detection test configuration using ToF camera ... 208 (Figure 3-１-23) Indoor wire detection test result using ToF camera... 209 (Figure 3-１-24) Outdoor wire detection test result using ToF camera ... 210 (Figure 3-１-25) Test setup of IDHI (LP: Linear Polarizer, BS: Beam Splitter, SLM : Spatial Light Modulor) ... 211 (Figure 3-１-26)) IDHI Test result (a) coherent laser source (b) incoherent LED source
... 212 (Figure 3-１-27) Dice restoration results with a relative distance of 0.1m (a)
Electro-optical image (b) Focused on previous dice (c) Focused on back dice ... 213 (Figure 3-１-28) Incoherent optical holography test configuration using beam projector ... 213 (Figure 3-１-29) Incoherent optical holography test result using beam projector 214 (Figure 3-１-30) External foreground hologram using natural light ... 214 (Figure 3-１-31) SWIR camera measurement result ... 215 (Figure 3-１-32) Test setup for multimodal imaging ... 215 (Figure 3-2-1) Image of ALPS current sensor ... 216 (Figure 3-2-2) Image of C2TV current seneor ... 216 (Figure 3-2-3) Ethernet device for acquisition of current sensor data... 218 (Figure 3-2-4) Setup for examination of current sensor ... 219 (Figure 3-2-5) Measured value of C2TV current sensor ... 220 (Figure 3-2-6) Measurement accuracy of C2TV current sensor ... 220 (Figure 3-2-7) Measured value of ALPS current sensor ... 221 (Figure 3-2-8) Measurement accuracy of ALPS current sensor ... 222 (Figure 3-2-9) Image of installed PV plants ... 222 (Figure 3-2-10) Image of installed C2TV current sensor ... 223
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(Figure 3-2-11) Meausred data of installed C2TV current sensor ... 224 (Figure 3-2-12) Example of time series data and feature vectrors ... 225 (Figure 3-2-13) Melspectrum feature vector ... 226 (Figure 3-2-14) Comparision with scratched(left)/trasferred(right) training models
... 227 (Figure 3-2-15) Confusion matrix comparision with scratched(left)/trasferred(right)
models (Melspectrum) ... 228 (Figure 3-2-16) ROC comparision with scratched(left)/trasferred(right) models
(Melspectrum) ... 228 (Figure 3-2-17) STFT feature vector ... 229 (Figure 3-2-18) Confusion matrix comparision with scratched(left)/trasferred(right) models (STFT) ... 230 (Figure 3-2-19) ROC comparision with scratched(left)/trasferred(right) models (STFT)
... .230 (Figure 3-2-20) MFCC feature vector ... 231 (Figure 3-2-21) Confusion matrix comparision with scratched(left)/trasferred(right) models (MFCC) ... 231 (Figure 3-2-22) ROC comparision with scratched(left)/trasferred(right) models (MFCC)
... 232 (Figure 3-2-23) Data bins in Urbansound dataset ... 232 (Figure 3-2-24) Accuracy/Loss comparision with scratched(left) / trasferred(right) models ... 233 (Figure 3-2-25) Accuracy/Loss comparision with scratched(left)/trasferred(right) models (STFT) ... 234 (Figure 3-2-26) Accuracy/Loss comparision with scratched(left)/trasferred(right) models (MFCC) ... 234 (Figure 3-2-27) Accuracy/Loss comparision with MFCC/Melspectrum/STFT ... 235 (Figure 3-2-28) ROC comparision with MFCC/Melspectrum/STFT ... .236 (Figure 3-2-29) Example of NILM ... 237 (Figure 3-2-30) Setup for WT3000-based measurement for NILM ... 239 (Figure 3-2-31) Current patterns measured by WT3000………… ... 240
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(Figure 3-2-32) MLP architecture for WT3000-based NILM ... 241 (Figure 3-2-33) Measurement with GIMAC-i ... 242 (Figure 3-2-34) Comparison of values measured by GIMAC-i ... 243 (Figure 3-2-35) MLP architecture for GIMAC-i-based NILM ... 243 (Figure 3-2-36) ALPS clamp type current sensor ... 245 (Figure 3-2-37) Measurement with ALPS clamp sensor ... 245 (Figure 3-2-38) Histogram of measured values by ALPS sensor ... 246 (Figure 3-2-39) MLP architecture for ALPS-based NILM ... 247 (Figure 3-3-1) RNN architecture ... 251 (Figure 3-3-2) Example of inputs for LSTM ... 252 (Figure 3-3-3) Data transformation for LSTM ... 253 (Figure 3-3-4) Architecture of LSTM-based energy production forecast ... 254 (Figure 3-3-5) Comparison of LSTM-based energy production forecast ... .256 (Figure 3-3-6) GE Predix architecture ... 261 (Figure 3-3-7) Industrial Internet reference architecture ... 262 (Figure 3-3-8) Spark-Kafka service structure ... 264 (Figure 3-3-9) Intelligent EMS server architecture ... 266 (Figure 3-3-10) Overview of Renewable Energy Test Bed ... 271 (Figure 3-3-11) Photovoltaic power generation facility composition diagram ... 272 (Figure 3-3-12) ESS container 및 redox flow battery ... 272 (Figure 3-3-13) 100KW lithium-ion battery ... 274 (Figure 3-3-14) ithium-ion battery and BMS connection ... 275 (Figure 3-3-15) EMS user interface ... 276
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목 차
서 론………1 제１절 연구개발 목적 및 필요성 ... 3 １. 연구개발의 목적 ... 3 ２. 연구개발의 필요성 ... 4 제２절 연구 내용 및 범위... 9 １. 연구 범위 ... 9 ２. 연구 내용 ... 10 제３절 국내외 기술개발 동향 ... 13 １. 국내외 기술 동향 ... 13 ２. 국내외 표준화 현황 ... 23 제４절 연구 수행방법 및 보고서 체계 ... 28 １. 연구 추진체계 및 수행방법 ... 28 ２. 보고서 체계 ... 30 신재생에너지장치 실시간 네트워킹 기술 개발 ... 31 제１절 에너지장치 실시간 통신 기술 개발 ... 33 １. 고정밀 시각동기화 표준 적용 기술 연구 ... 33 ２. 에너지장치 고가용 고신뢰 네트워크 토폴로지 연구 ... 54 ３. 에너지장치 실시간 제어 프로토콜 기술 분석 ... 63 제２절 에너지장치 실시간 네트워크 플랫폼 기술 개발 ... 83 １. 고가용 저지연 에너지장치 네트워크 분산처리 플랫폼 구조 연구 ... 83 ２. 에너지장치 제어/모니터링 네트워크 HW/SW 플랫폼 설계 ... 105 ３. 실시간 이더넷 테스트 플랫폼 구축... 111 제３절 실시간 네트워크 개발기술 확산 및 사업화 ... 120 １. 스마트 광분배함 통합 관리기술 상용화 개발 및 사업화 ... 120 ２. 다기능 휴대용 계측기 상용화 개발... 150 신재생에너지장치 자율관제 솔루션 기술 개발 ...163 제１절 에너지 IoT 프레임워크 기술 개발 ... 165- xxxvi - １. 에너지 IoT 프로토콜 상호연동 기술 개발 ... 165 ２. 에너지 IoT 서버플랫폼 기술 개발 ... 177 ３. 에너지 IoT 네트워크 보안적용 기술 개발 ... 188 ４. 신재생에너지장치 원격 물리보안 기술 개발 ... 203 제２절 신재생에너지장치 예지관리 기술 개발 ... 214 １. 에너지 빅데이터 데이터셋 구축 ... 214 ２. 에너지 IoT 데이터 시각 처리 모델 연구 ... 222 ３. 복합장치 상태진단 기술 연구 ... 234 제３절 클라우드연계 지능형 EMS 기술 개발 ... 246 １. 에너지 생산량 예측 기초 연구 ... 246 ２. 단일 신재생에너지 운용 최적화 모델 연구 ... 256 ３. 신재생에너지장치 테스트베드 구축 ... 268 연구개발 결과의 활용 계획 ...277 제１절 연구개발 결과물 요약 ... 279 １. 기술개발 성과지표 목표 대비 달성도 ... 279 ２. 연구산출물 결과 목표 대비 달성도... 280 제２절 연구개발 결과물 파급 효과 ... 281 １. 기술적 파급효과 ... 281 ２. 산업적 파급효과 ... 282 ３. 경제적 파급효과 ... 283 제３절 연구개발 결과물 활용 가능성 ... 287 １. 상용화 가능성 ... 287 ２. 과제 종료후 사업화 계획 ... 289 ３. 과제 종료후 후속과제 발굴 계획 ... 291 결 론. ...293 연구시설 및 장비현황 ...301 영문약어표……….. 305
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표 목 차
(표 1-３-1) 주요 IoT 국제표준화 활동 ...26 (표 2-１-1) RGMII 통신 상태 정의 ...46 (표 2-１-2) The Construct of IEC 61158 ...64 (표 2-１-3) The Construct of IEC 61784 ...65 (표 2-１-4) The Relation of the Profile and Protocol type according to IEC 61784-1 and IEC 6
1158-1 ...65 (표 2-１-5) Summary of the Physical Layer Service and Protocol Characteristics ...67 (표 2-２-1) IIoT 연결성 트랜스포트 계층 핵심 표준 기준 평가 ...96 (표 2-３-1) 테스트베드 운용간 수렴된 요구사항 ... 125 (표 2-３-2) 소프트웨어 성능 개선 결과 ... 145 (표 2-３-3) 데모 시연 및 전시회 참가 성과 ... 148 (표 2-３-4) 광신호 수신세기에 따른 ONT 접속 상태 정의 ... 157 (표 2-３-5) 다기능 휴대용 계측기 기술지원 실적 내용 ... 160 (표 3-１-1) 보안 스펙 프로파일 ... 190
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그림 목차
(그림 1-４-1) 연구개발 사업 추진 체계 ...28 (그림 2-１-1) Master 와 slave 간 시각동기화 절차 ...34 (그림 2-１-2) LinuxPTP 구동 화면 ...35 (그림 2-１-3) 시각동기화 기능 지원을 위한 소프트웨어 스택 ...36 (그림 2-１-4) 시각동기화 기능 지원을 위한 디바이스 드라이버 동작 ...37 (그림 2-１-5) 지연시간 측정 개념도 ...38 (그림 2-１-6) 평균지연시간 측정 결과 ...38 (그림 2-１-7) Ethtool 을 이용한 MAC 의 HW timestamping 기능 지원 확인 ...39 (그림 1-１-8) 시각동기화 정밀도 측정 결과 ...40 (그림 2-１-9) Altera SoC FPGA 기반의 TSN Gateway 구조 ...41 (그림 2-１-10) 물리 계층 블록도 ...42 (그림 2-１-11) PHY 칩 주변 회로도 ...43 (그림 2-１-12) RJ-45 커넥터 주변 회로도...44 (그림 2-１-13) 통합 자기 RJ-45 커넥터 내부 회로도...45 (그림 2-１-14) PHY 칩 – FPGA 간 커넥터 회로도 ...46 (그림 2-１-15) PHY 통신 상태 정의 핀 관련 회로도 ...47 (그림 2-１-16) PHY 보드의 각 layer 의 레이아웃 설계 도면 ...48 (그림 2-１-17) PHY 보드 레이아웃 설계 시 주의 사항 ...49 (그림 2-１-18) 제작 및 조립 완료된 TSN PHY 보드 ...49 (그림 2-１-19) Altera SoC-FPGA 기반 802.1AS 프로토콜 MAC 기초 구조 ...50 (그림 2-１-20) MAC IP 블록 RGMII 모드에서 Timestamp 생성 시점 ...51 (그림 2-１-21) 802.1AS 프로토콜 MAC 게이트웨이 블록 동작 예 ...52 (그림 2-１-22) Altera SoC-FPGA 기반 802.1AS 프로토콜 MAC 게이트웨이 블록다이어그램 ....53 (그림 2-１-23) 802.1AS 프로토콜 MAC 게이트웨이 RTL 시뮬레이션 검증 ...54 (그림 2-１-24) PRP 네트워크의 패킷 흐름 예 ...55 (그림 2-１-25) 이더넷 및 PRP 프레임 구조 ...55 (그림 2-１-26) PRP 전송부 FSM 흐름도 ...56 (그림 2-１-27) PRP 수신부 FSM 흐름도 (a) 중복 패킷 파기 (b) 패킷 변환 및 전달 ...57- xxxix -
(그림 2-１-28) HSR 구조의 패킷 흐름 예 ...58 (그림 2-１-29) HSR End-node 하드웨어 주요 기능블록 구조 설계 ...59 (그림 2-１-30) HSR End-node 수신부 블록다이어그램 ...60 (그림 2-１-31) HSR End-node 송신부 블록다이어그램 ...61 (그림 2-１-32) HSR End-node RTL 시뮬레이션 검증 (a) HSR End-node 송신 (b) HSR End-node 수신...63 (그림 2-１-33) Time-aware 스케줄링 ...72 (그림 2-１-34) 높은 우선순위 타임슬레이스를 침범한 Best effort 프레임 ...73 (그림 2-１-35) 시간 민감 트래픽 전용 타임 슬라이스 침범 방지 보호 대역 ...74 (그림 2-１-36) 프레임 선점의 예 ...75 (그림 2-１-37) Talker 의 자원 예약 요청 과정 ...78 (그림 2-１-38) Listener 의 자원 예약 응답 과정 ...78 (그림 2-１-39) SRP 프로토콜의 자원 예약 요청 전파 과정 ...80 (그림 2-１-40) Sipmple Talker 의 시스템 구성 ...81 (그림 2-１-41) Sipmple Talker 스트림 예약 요청 및 응답 수신 구현 코드 ...82 (그림 2-１-42) Sipmple Talker 스트림 전송 구현 코드 ...82 (그림 2-２-1) ISO/IEC/IEEE 42010:2001-구조 ...84 (그림 2-２-2) IIRA 관점과 적용범위 및 시스템 생명주기 관계 ...84 (그림 2-２-3) 기능 영역간 데이터 전달을 위한 크로스 커팅 기능으로 사용되는 연결성 ...85 (그림 2-２-4) IIoT connectivity stack model ...86 (그림 2-２-5) IIoT 연결성 게이트웨이 개념도 ...89 (그림 2-２-6) 동일 기능 도매인내의 연결성 핵심 표준과 다른 표준 기술들과의 데이터 정보 처 리 상호 운용을 위한 연결성 게이트웨이 개념도 ...90 (그림 2-２-7) 이종 기능 도매인간 데이터 상호호완을 위한 핵심 게이트웨이 기반 연결성 구조 9 0 (그림 2-２-8) 연결성 프레임워크 계층 기능들 ...92 (그림 2-２-9) 연결성 트랜스포트 계층 기능들 ...95 (그림 2-２-10) 산업용 사물인터넷 연결성 표준 기술 ...97 (그림 2-２-11) 클라우드 기반 네트워크에서 지연시간 ...98 (그림 2-２-12) Fog computing 동작 구조 ... 100 (그림 2-２-13) Fog 노드의 processing vs. intelligence ... 101
