DR(Demand Response) Technology for Smart Grid

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스마트그리드를 위한 수요반응 기술

박재정, 김윤현, 김진영, 서종관, 이재조

DR(Demand Response) Technology for Smart Grid

Jae Jung Park, Yun Hyun Kim Jin Young Kim, Jong Kwan Seo and Jae Jo Lee

요 약

최근들어, 에너지 자원과 환경보호의 중요성이 증가하면서, 친환경적인 소비패턴이 급격하게 증가하고 있다. 이에 따라 효율적인 에너지 소비기술이 여러 산업분야에서 주목받고 있다. 스마트그리드는 IT기술을 이용하여 에너지 효율을 상승시키는 기술로써, 이 중에서도 수요반응(Demand Response)기술은 스마트 그리드 안에서서 중요한 부분을 담당하는 기술이다. 본 논문은 과도한 전력 소모시대에 맞춰 효율적인 전력 소모를 위해 대두되고 있는 스마트그리드에 관한 전반적인 내용과 수요반응에 대한 개념, 그리고 이에 응용되는 수요반응 기술들과 그 예에 대하여 제시하고자 한다.

Key Words : Smart Grid, Demand Response

ABSTRACT

In recent years, importance of environmental protection and energy resources has increased. Therefore, eco - friendly consumption patterns is rapidly increased. Accordingly, efficient energy consumption technology is noted in a variety of industries. Smart grid technology can improve energy efficiency by using IT technology. Among them, the demand response is an critical factor in the smart grid. In this paper, we present basic concept of smart grid and demand response. In addition, we present demand response technology and its application examples.

※ 본 연구는 전기연구원 2012년 과제, G-HSN용 SEP 표준 프로토콜 기술 개발(2차년도) 과제 지원으로 수행하였음.

광운대학교 전파공학과 소속 유비쿼터스 통신 연구실 ([email protected])

접수일자 : 2012년 7월 1일, 수정완료일자 : 2012년 7월 17일, 최종게재확정일자 : 2012년 7월 23일

I. 서 론

최근 들어 평년 기온을 웃도는 기후로 인한 예측 범위 이 상의 전력 소모로 인해 예비 전력 등의 전기 공급 부족으로 인해 연일 뉴스에 대기전력 문제가 이슈가 되고 있고, 급기 야 몇 달전에는 예비전력 부족 문제로 한전에서 무단으로 전 력 공급을 중단 하는 등의 사태가 벌어지고 있다. 이러한 과 잉 전력 소모가 일어나는 상태에서 효율적인 전력 관리와 소 모를 위한 방책으로 스마트 그리드가 각광받고 있다. 이러한 스마트 그리드를 구성하는 다양한 요소 중 수요반응(DR : Demand Response)은 스마트 그리드 운영에 있어서 핵심을 담당하는 요소이다. 본 논문에서는 스마트 그리드와 수요반 응의 기본개념, 그리고 수요반응에 대한 구체적인 기술과 그 예시에 대해서 제시하고자 한다.

Ⅱ. 스마트 그리드와 수요반응

최근 에너지 자원의 소비절약과 환경보호의 중요성이 높 아지면서 대량소비를 근간으로 하는 경제성장 패턴이 저소 비, 친환경적 소비 패턴을 근간으로 하는 경제 성장으로의 패 러다임 전환이 이루어지고 있다. 이에 따라 ICT(Information

& Communication Technology) 기술을 활용해 전력이용을 효율화하는 스마트 그리드의 개념이 전력업계로부터 시작되 어 빌딩과 주택을 포함한 주거공간까지 확장되고 있다.

스마트 그리드란 기존의 전력 공급을 위해 설치된 시스템 에 다양한 IT기술을 접목시켜서 에너지 효율을 최적화 함 으 로 인해 더 효율적인 전력 소모 및 전력 관리를 달성하는 것 에 그 목적이 있다. 즉, 스마트 그리드는 공급자와 소비자간 의 양방향 실시간 정보교환을 통해 전력 시스템 전체가 유기 적으로 작동하는 지능형 전력망을 의미한다. 다음의 표는 스 마트 그리드와 현재의 전력망의 특성을 비교한 표이다.

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그림 1. 스마트 홈 시스템

표 1. 현재 전력망과 스마트 그리드의 비교

구분 현재 전력망 스마트그리드

통제 시스템 아날로그 디지털

발전 중앙집중형 분산형

송, 배전 공급자위주

(단방향)

수요, 공급 상호작용 (양방향)

에너지효율 30～50% 70～90%

전력 공급원 중앙전원, 원자력·화력 위주

분산된 전원 (태양열, 풍력, 수력)

고장 진단 불가능 자가진단

고장 제어 수동복구 반자동, 자가치유

제어 시스템 국지적 제어 광범위한 제어

가격 정보 사실상 고정 실시간 변동

전력 수요 급변(수요에 의존) 일정(가격에 의존)

소비자 구매 선택 제한적 다양

이러한 스마트 그리드에는 SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition System), EMS(Energy Management System) DMS(Distribution Management System), GIS (Geographic Information System), DR(Demand Response) 등의 다양한 정보형태가 존재하며[1], 이중에서 수요반응은 소비자들이 기존의 수동적인 전력 사용시스템에서 능동적 전력 시장의 참여자로써 자신의 에너지 사용량을 컨트롤 하 는 역할을 수행하는 것으로, 전기 소비자가 전기소비 절감에 따른 인센티브 또는 시간대별 전기요금제도 등의 유인동기 에 반응하여 자신의 평상시 전기사용 소비패턴을 변경하는 것을 의미한다.

그림 2. 수요반응 미 적용시의 사무실 전력 사용 추이

위의 그림은 수요반응 시스템을 적용하지 않았을 때의 일 반적인 전력 소비 패턴이다. 일반적으로 가장 전기 요금이 비싼 시간대가 압도적으로 사용량이 높은 것을 확인할 수 있 는데, 이를 수요반응 시스템을 적용하여 조금 더 효율적인 전력 소모 가 가능하다. 즉, 전력 회사는 예비력의 부족 등 전력계통 신뢰도 저하, 시장가격 급등이 예상될 때 피크전력 이 감소하는 방향으로 수요반응을 유도함으로써 신뢰도 개 선과 전력 구입비 절감 등의 효과를 볼 수 있고, 소비자 입장 에서는 전기요금이 비싼 시간대를 피하여 전기를 사용함으 로써, 요금을 절약할 수 있다.

그림 3. 미국에서의 수요반응으로 인한 피크 부하 감소량(MW) (출처 :Federal Energy Regulatory Commission)

위의 그림은 미국에서의 수요반응 사용으로 인한 피크 부 하 감소량이다. 2006년부터 꾸준히 증가 추세를 보이는 감소 량은 2010년에 53000MW에 달하는 부하량을 감소시켰다.

그림 4. 국내 전력수요관리 프로그램

또한 현재 우리나라에서도 위의 그림과 같이 구체적인 수 요반응 및 수요관리 제도를 운영하고 있으며, 밑의 그림은 이에 따른 우리나라에서의 수요관리 요금제도의 최대부하 절감 효과를 그래프로 나타낸 것이다. 이를 보면 우리나라에 서 또한 많은 부하절감 효과를 보는 것을 알 수 있다.

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50,000 52,000 54,000 56,000 58,000 60,000 62,000 64,000

1 3 5 7 9 11131517192123 50,000

52,000 54,000 56,000 58,000 60,000 62,000 64,000

1 3 5 7 9 11131517192123 ^59,000

59,500 60,000 60,500 61,000 61,500 62,000 62,500 63,000

8/16 8/17 8/20 8/21 8/22

61,834 62,477

61,545 62,285

61,661

60,603 1,124 751

718

1,191

59,925 59,000 59,500 60,000 60,500 61,000 61,500 62,000 62,500 63,000

8/16 8/17 8/20 8/21 8/22

61,834 62,477

61,545 62,285

61,661

60,603 1,124 751

718

1,191

59,925

부하 실적 하계 휴가 자율

절전 부하 실적

그림 5. 국내에서의 수요관리요금제도의 최대부하 절감 효과

이러한 수요반응은 크게 운용 방식에 따른 분류와 적용하 는 기능에 따른 분류로 나눌 수 있는데, 운용방식의 기준에 따른 분류는 다음과 같다.

1.1 가격기반 수요반응

가격기반 수요반응은 소비자가 지불하는 전력 가격을 시 간별로 차등하여 적용하고 이에 소비자가 반응하여 전력의 사용 패턴을 변화시키는 방식의 프로그램이다. 가격기반 수 요반응은 시간대별로 미리 정해진 단위 요금을 적용하는 계 시별 요금제, 전력계통의 신뢰도에 문제가 있거나 도매 가격 의 급등시에 공급자가 피크 요율을 적용할 수 있는 피크 요 금제, 실시간으로 결정되는 전력시장의 도매 요금을 반영한 실시간 요금제 등이 있다.

1.2 인센티브 기반 수요반응

인센티브 기반 수요반응은 전력공급자 또는 전력 시스템 운영자에 의해 운영되는 제도로써, 수요반응 프로그램에 참 여할 소비자를 미리 모집하여 필요할 경우 참여자로 하여금 전력 사용을 줄이게 하고 이에 대한 인센티브를 지급하는 프 로그램이다. 단, 이는 참여자가 미리 약속된 전력 부하를 줄 이지 못할 경우 패널티를 지불해야 하며, 일반 소비자보다는 일정 용량 이상 사용하는 C&I 고객을 주 대상으로 한다.

이 외에도, 적용되는 기능에 따라서 연간 최대 수요 억제 및 계통 운영 안정을 위한 운영 예비력 확보하는 용량 수요 반응, 운영예비력 수준에 따른 비상 수요반응 단계를 설정하 는 비상 수요반응, 전력시장에 수요자원이 참여하여 전력시 장가격의 안정과 구입전력 비용 절감등의 효과를 도모하는 에너지 수요반응, 발전기가 AS를 공급하기 위하여 감발 및 대기하는 대신에 수요자원을 AS 자원으로 활용하는 보조서 비스 DR 등의 분류가 가능하다.

이러한 수요반응의 전체 구조는 밑의 그림과 같이 요약할 수 있다. 아래의 그림에서 확인 할 수 있는 수요반응 서비스 의 주요 맥략은 전력 다양한 통신 시스템과 프로토콜을 이용 한 이해 당사자들간의 연결임을 확인 할 수 있다.

그림 6. 수요반응의 개략적 구조

Ⅲ. 수요반응 기술

수요반응 서비스 기술에서 제일 중요한 것은 위에서도 언 급하였듯, 전력 공급자와 소비자간의 연결이다.

그림 7. 수요반응 네트워크 구성도

위의 그림은 수요반응 네트워크 구성이다. 수요반응에서 의 네트워크 구성은 공용, AMI 등의 네트워크 인프라 구축 을 통한 전력 공급기업과 전력 소비자 및 소비 시설들 간의 연결이며, 이러한 연결에서의 중간 단계에는 다양한 통신 시 스템과 프로토콜이 서비스에 쓰이고 있다.

이러한 수요반응 서비스에서의 에 주로 사용되는 프로그램은 대표적으로 OpenADR(Open Automated Demand Response)과 SEP(Smart Energy Profile)가 있다.

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1.1 OpenADR(Open Automated Demand Response)

OpenADR은 C&I 에너지 관리 시스템이나, 가정용 전력 수요 컨트롤 시스템을 이용해 자동화된 수요반응을 구현하 기 위한 통신 규격으로, 일반적인 언어와 인터넷과 같은 기 존의 통신을 이용하여 사업자와 고객간에 직접 통신을 할수 있도록 비독점, 공개화된 표준의 수요반응 인터베이스를 제 공한다.

그림 8. OpenADR 사용 현황

현재 UCAlug OpenADR Task Force에서 Review 중에 있으며, 위의 그림에서 확인할 수 있듯이, 이 기술은 PG&E, SCE, SDG&E 등의 세계의 다양한 전력 회사에서 적용된다.

이로 인해 현재 65MW이상의 부하 감축 효과를 거두고 있으 며, 또한 35개 이상의 업체들이 OpenADR 신호체계에 따르 는 제품을 개발 및 시판 하고 있다.

이 시스템에 따른 수요반응 구동시 필요사항은 다음과 같다.

•C&I 사업자의 설비를 자동적으로 수요 반응 프로그램 에 참여 시킬 방안이 필요함

•기존 설비 제어장치를 최대한 이용할 수 있도록 설계해 야 함

•설비 운영자가 자유롭게 스요반응 프로그램에 차명하 고 선택할 수 있어야함

•수요반응 신호의 생성과 수신이 명확해야 함

현재 OpenADR은 1.0을 거쳐서 2.0버전까지 나온 상태로, 이전의 1.0 버전이 제한된 수의 벤더, 특별히 존재하지 않는 인증 프로그램, 국제적으로 정해지지 않은 표준, 기본적인 수 요반응 응용의 제한 등의 단점을 가지고 있었다면, 그 후에 나온 2.0 버전은 다수의 벤더, 인증 테스트 도구, OASIS에 기반한 표준, 대다수의 수요반응 프로그램에 적용되는 유연 성 등의 장점을 가지고 있다.

그림 9. OpenADR 2.0 개념도

1.2 SEP(Smart Energy Profile)

SEP는 IETF 표준 기반기술의 공개표준으로, 스마트그리 드 같은 측정이나 HAN(Home Area Network) 구축 등에 응 용되는 공용 응용 프로파일이다. SEP는 ESI(Energy Service Interface), Metering device, IHD(In-Home-Display), Load control divice 등의 다양한 타입의 기기를 지원하며, 대표적 으로 Texas Instruments는 각각 기기의 유형에 맞는 SEP 어플리케이션을 구현하는 포괄적인 소프트웨어와 하드웨어 솔루션을 제공하고 있다.

SEP 역시 1.0 버전에서부터 발전하여 현재 2.0까지 도달했 으며, 밑의 그림은 1 버전과 2.0의 구조도를 나타낸 것이다.

그림 10. SEP 1.0 과 2.0 구조도

기존의 1.0부터 2.0 전까지의 형태가 ZigBee Pro Stack 기 반의 802.15.4의 MAC/PHY 계층 특성을 이용하여 통신을 진행하는 반면, SEP 2.0은 802.15.4 뿐만이 아니라, Wi-Fi, PLC(Power Line Communication) 같은 여러 PHY 계층에 응용될 수 있도록 설계 되었으며, 기존의 IP기반 네트워크와 상호 응용이 가능하다는 장점이 있다.

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그림 11. 스마트 홈을 위한 SEP 2.0 기술의 개념도

이러한 대표적인 두 프로토콜 외에도 각 가정이나 시설마다 설치된 전력선을 이용한 직접적인 통신방식인 PLC(Power Line Communication) 역시 응용 할 수 있다. PLC는 기존에 설치된 전력선을 이용하므로, 추가 설치 비용 절감 등 비용적 이점이 있 으나, 전력선 통신 환경이 일반적인 유,무선 통신 환경보다 잡음 이 심하다는 단점이 존재한다.

그림 12. 수요반응에서의 PLC 응용

위의 그림은 수요반응에서의 PLC 응용 개념도로, 전력선 에 설치된 스마트 미터에서 직접적으로 PLC를 이용하여 수 요반응에 적용시킴을 보여준다.

Ⅳ. 수요반응 기술 응용 및 사례

우리나라에서는 현재 2009년 12월부터 제주 구좌읍 일대 의 6,000가구를 대상으로 스마트 그리드 관련기술의 상용화 와 수출 산업화를 촉진하기 위하여, 2,300억대의 비용을 들 여 스마트그리드 기술개발 및 전력망 연계 실증 단지를 구축 하여, 운영하고 있다.

그림 13. 제주 실증단지 현황

이 제주 실증단지에서 운영되고 있는 주요 실증 현황은 다음과 같다.

표 2. 제주도 실증단지 주요사업 현황

이러한 실증단지 조성 외에도, 차후에는 시범도시를 지정 하여 스마트그리드 및 저탄소 녹색성장 확산을 위한 거점도 시로 활용할 계획이며, 제주 실증단지를 통해 검증된 기술, 제품, 우수 사업모델 등은 국가표준 제정 및 보급사업시 우 선지원을 추진할 계획을 갖고 있다. 또한 전기차, 전기차용 충전기, AMR/IHD, 전력 저장장치 등 우선적으로 상용화가 가능한 제품에 대해 보급을 추진할 계획이다.

국외에서는 미국을 중심으로 기술과 시장이 빠르게 개발 되고 형성되어 가고 있지만 각 지역별로 전력 인프라 및 산 업구조 등의 상황에 따라 정부가 정책적으로 추진하는 전략

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이 틀리기 때문에 분야별로 조금씩 차이를 보이고 있다. 밑 의 그림은 세계의 구축 현황이다.

그림 14. 전 세계의 구축 현황

특히 미국은 낙후된 전력망 개선과 경기부양의 일환으로 적극적으로 활성화를 추진 중이다. 10개의 지역망과 크고 작 은 3,300개의 전력회사가 서로 밀접하게 연결되어 있는 미국 의 전력망은 낙후된 설비로 인하여 7%대의 높은 전력손실률 및 잦은 정전사고가 발생 해 왔다. 이러한 손실을 막기 위해 미국은 이미 2007년 5대 기술분야를 선정하고 에너지 독립 및 안보법 제정을 통해서 관련 기술 및 정책을 진행하여 왔 다. 이후 오바마 정부의 경기 부양책의 일환으로 직접적인 보급 확산을 위해 2009년 에너지부(DOE) 는 34억달러의 예 산을 100개의 투자사업에 지원하기로 하는 등 적극적으로 관련 정책을 추진 중인 상황이다.

V. 모의 실험

본 논문에서는 수요반응의 응용 중 하나인 전기차 충전에 관련한 모의실험을 하였다. 수요반응을 비롯한 대부분의 스 마트 그리드 응용기술은 전력선을 이용하므로 기본적인 통 신 방식은 PLC(Power Line Communication)방식을 사용한 다. 전기차에서의 수요반응 역시 스마트미터기를 통한 수요 반응이 적용될 수 있는 만큼, 양 방향간의 통신이 필요하며, 이에 따른 통신방식 역시 PLC이다. 본 실험은 사용되는 전 력량의 수요반응을 위한 통신에 필요한 채널 환경을 PLC로 가정한 상태에서 여러 가지 모의 실험을 거쳤다.

본 실험에는 PLC 채널에서 고려해야할 환경 중 전선의 길 이와, 전선의 가짓수(Branch) 등이 고려되었으며, 두 가지 파라미터를 변형 시키며, PLC 채널에서의 SNR(Signal to Noise Ratio) 대비 BER(Bit per Error Rate)을 측정 하였다.

다음 그림은 선로길이 40m, Branch 수가 5인 PLC 채널

(좌)과 선로의 길이를 10m로 변경시킨 PLC채널(우)의 SNR 대비 BER 치수를 비교한 그래프이다.

그림 15. PLC 채널에서의 BER 그래프(1)

그리고 또 하나의 그림은 선로길이를 40m로 고정시킨 상 태에서 Branch 수를 변경시킨 PLC 채널의 그래프이다.

그림 16. PLC 채널에서의 BER 그래프(2)

이렇듯 통신 요구 조건의 변화로 인해 통신환경의 변화가 있음을 확인할 수 있다.

VI. 결 론

수요반응 기반 스마트그리드 시스템은 AMI의 응용분야 로서 AMI의 구축 후에 초기 시장 활성화가 기대되고 있지만 실시간 가격제도에 대한 정비, 한전 중심의 독점적 전력판매 시장 형성 등 기술외적인 부분에서의 진척에 따라 도입은 점 진적으로 이뤄질 것으로 예상된다. 이러한 여러 정책과 기술 분야에서 여러 가지 도약을 거쳐 정착되는 수요반응 기술은 앞으로 효율적인 에너지 소비에 있어 큰 도움이 될 것이다.

참 고 문 헌

[1] Grace Q. Tang, “Smart Grid Management & Visualization”, 2011 8th International Conference & Expo on Emerging Technologies for a Smarter World(CEWIT), pp. 1-6, 2011.

[2] W. M. Taqqali and N. Abdulaziz, “Smart Grid and demand response technology,” Energy Conference and Exhibition (EnergyCon) 2010 IEEE International, pp. 710-715, 2010.

[3] 조은정, 이준희 “AMI 기반 제주 수요반응 실증 연구에서 EMS 의 역할과 개발방향,” 2010년도 대한전기학회 학술대회 논문 집, pp. 290-292, 2010.

[4] F. Rahimi and A. Ipakchi, “Demand Response as a Market

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Resource Under the Smart Grid Paradigm,” Innovative Smart Grid Technologies (ISGT), pp. 82-88, 2010 . [5] P. Khajavi, H. Abniki, and A. B. Arani, “The role of

incentive based Demand Response programs in smart grid,”

2011 10th International Conference on Environment and Electrical Engineering (EEEIC), pp.1-4, 2011.

[6] F. Rahimi and A. Ipakchi, “Overview of Demand Response under the Smart Grid and Market paradigms,” Innovative Smart Grid Technologies (ISGT), pp. 1-7, 2010.