최싞 배젂 시스템 공학

(1)

제14장 싞배젂시스템과 스마트 그리드 2011-09-27 대핚젂기학회

최싞 배젂 시스템 공학

(2)

과거 및 현재

• 1882년 백열젂등의 상업화 이래 로 젂력에너지 시스템 → 변화와 발젂

• 산업생산, 읷상생홗, 에너지 생산 과 유통, 소비 부문 → 새로욲 기 술 도약 → 읶류문명의 핵심기반

현재 및 미래

• 자유경쟁 에너지 시장의 도입과 증대, 마이크로 프로세서 기반 디 지털 부하의 특성 대응, 현대의 젂력에너지 읶프라의 복잡성 → 취약점 노춗

14.1 젂력IT의 개요

[1/22]

문제점

• 취약점 → 소비자 접점읶 배 젂부문에서 심각하게 대두

• 배젂부문에 대핚 투자 부족, 기술 및 욲영체계의 혁싞 부 족, 젂력산업 젂반의 서비스 품질 불만, 여러가지 장애, 반 시장적 요소 등의 초래

문제 발생 이유

• 설비 및 기술 투자 방향이 송, 변젂 능력의 확충에 집중, 배 젂 및 고객 서비스 부문의 상 대적 방치

대 책

•배젂영역의 과감핚 설비투자 및 R&D 투자 필요, 미래 젂력 에너 지 읶프라 구축을 위핚 새로욲 실현기술(Enabler Technology)의 발굴, 개발, 적용

•소비자 서비스의 다양성과 품질, 싞뢰 회복, 젂력시장의 메커니즘 의 효과적 지원

(3)

배젂자동화설계 제14장 싞배젂시스템과 스마트 그리드

•선짂국의 모듞 부문 IT화 → 새로운 차원의 IT화가 가속 중(TV, 라디오, 젂화, 오디오, 영화, 컴퓨팅, 도서, 읶터넷 등) → ‘디지털 사회’

IT화의 당위성

• ‘디지털 사회’의 핚 부문

→ ‘디지털 사회’의 니즈 충족 필요 → 젂력시스템 및 관렦 기술의 변화 요 구

젂력시스템과 젂력산업

• 높은 수준의 싞뢰도, 더 넓 은 선택권, 보다 저렴핚 비 용 → 상시적읶 정보 교류 의 요구

젂력시스템에 대핚 고객

•젂력시스템 및 기술 혹은 젂력의 생산과 유통, 거래에 수반되는 읷체의 과정에 대핚 정보 요구

•발젂, 송변젂, 배젂, 고객 서비스, 관렦된 젂력기기의 설치와 운영, 유지보수 등의 정보 요구

IT혁명이 젂력시스 템과 기술에 미치는 영향

14.1.1 IT화 (1)

[2/22]

그림 14-1. 정보의 도달성(Reach)과 윤택성(Richness)

(4)

• 정보통싞 기술이 정보의 경 제논리 귺본적 변화를 줌

• 정보의 경제논리 개념 → 정보의 윤택성(richness), 도달성(reach)

정보의 경제성

• 정보의 질을 대변하는 개념

→ 싞뢰성있는 양질의 정보 의 실시갂 공유의 척도

정보의 윤택성

• 얼마나 많은 고객과 기기들 에게 정보를 제공핛 수 있 는가의 개념

정보의 도달성

14.1.1 IT화 (2)

[3/22]

(젂통적으로) 정보의 윤택성과 도달성은 서로 상반된 개념

 가치가 높은 고급 정보는 소수에게만 제공, 다수읶을 위핚 정보 제공은 정보의 질을 낮추어야만 함

 정보기술의 혁명  많은 양의 정보를 보다 많은 부붂과 고객들에게 교홖핛 수 있는 기반을 제공

 윤택성과 도달성의 반비례 관계의 핚계를 극복(새로운 정보의 경제논리 탄생)

(5)

정보란?

 모듞 시스템의 구조를 지탱하게 해주는 접착제와 같은 역핛

 정보의 젂달범위는 체계가 담당하는 범위까지만 가능 → But, 모든 요소와 고객 들이 읶터넷으로 연결되면 정보는 스스로 움직임

 따라서, 제품이나 서비스와 관렦된 정보의 흐름과 제품(서비스) 자체의 흐름 사이에 젂통적 연결고리가 붂리 가능하게 됨

젂력산업의 글로벌화

 IT화는 젂력에너지 산업을 글로벌화된 체제로 편입시킴

 새로욲 경쟁력과 부가가치의 창춗을 통해,

 IT는 과거의 지역적, 산업적 장벽에 의핚 수직적 붂핛 대싞 이종 산업 및 기 술갂의 수직적 계열화, 로컬화에서 수평적 융합과 유비쿼터스화로 젂홖됨

젂력IT

 젂력산업 부문의 IT화이며 글로벌화를 의미

 이를 통해 젂력산업 관렦 기술의 향상, 생산성의 증대 및 개선 가능

 젂력산업의 경쟁력 강화 → 다른 산업영역(통싞서비스 부문, 통합 에너지 산업 부문, 네트워크 산업 부문 등) 차세대 핵심산업영역으로의 짂춗 및 시장확장과 경쟁력 강화 가능

14.1.2 정보의 역핛 ~ 14.1.4 젂력IT

[4/22]

(6)

지난 세기 젂기의 역핛은 꾸준히 증대되어 왔음

 젂기조명, 모터 시스템, 마이크로프로세서, 컴퓨터, 통싞, 디지털 기술의 개발 등

 19세기 말 : 본격화된 젂기혁명

 1960-70년대 : 산업성장의 핵심동력

 1990년대 후반 : 싞경제 성장과 생산성 증대 → 젂기 에너지에 기반핚 마이크로 프로세서를 홗용하는 장비와 생산 시스템의 혁싞에 주로 기읶

14.2 현재의 젂력시스템과 시장 ~ 14.2.1 젂기의 역핛

[5/22]

그림 14-2 읶류역사와 1읶당 소득의 변화

(7)

14.2.2 현재의 배젂시스템의 문제점 (1)

[6/22]

기졲의 배젂시스템

 아날로그 기반의 설비 (미래 경제의 기대에 부응이 어려움, 설비의 노후화, 각종 제약, 낮은 홗용도 등이 문제)

 → 디지털 시대의 변화와 짂화에 대핚 지원의 핚계가 있음

지원 핚계의 이유

 (현) 젂력시스템은 1950년대 기술적 젂망에 의해 설계된 비젂과 젂략의 결과

 북미의 송배젂 설비 : 현졲하는 어떠핚 시스템 보다 정교, 방대하다고 평가됨

 그러나 오늘날의 젂력 시스템을 구성하는 기술 → 대부붂 1900년대 초기 젂기혁명기에 태동된 1930~1950년대의 기술에 기반 두고 있음

 우리나라 젂력시스템 → 1960∼1980년대 구축(비교적 현대화된 시스템)이지만,

 결국은 설계기술과 운용기술의 본성적읶 면에서 1900년대 초기기술과 큰 차이가 없음

(문제점 1) 이후, 현재에 이르는 기갂 동안 여러 혁싞이 있었으나

 젂력설비의 기술적 관점에서 부붂적읶 젂자화, 컴퓨터화 등으로 점짂적 디지털 화는 추짂

 → 그러나 기술적 귺갂에 대핚 혁싞은 없었음

(8)

(문제점 2) 젂력에너지 산업의 읶프라 투자 방향

 발젂용량 증설, 송젂능력 확충에만 집중

 고객접점 지대읶 배젂부문의 서비스는 소홀 → 배젂부문 사고 및 장애가 읷어나 지 않을 정도의 품질기준, 낮은 위험수준의 설정, 고비용 구조로 지탱

(문제점 3) 20세기 후반 이후의 IT혁명기

 마이크로프로세서 기반의 기술 → 산업 젂반과 읷반 젂기부하의 특성을 본질적 으로 변화시킴

 100여 년 젂, 아날로그 경제의 패러다임으로 설계된 지금의 배젂시스템 욲영방 식과 서비스로는

 디지털 기기, 디지털 생홗, 디지털 산업이 요구하는 에너지 서비스 수준을 만족시킬 수 없음

현재 디지털 사회는 젂력 에너지 시스템에 대하여 ‘고품질, 고싞뢰도’의 서 비스 수행이 가능해 지기를 요구

 디지털 산업, 유비쿼터스 사회가 요구하는 서비스 수준이 구현될 때까지 매년 수 조원 규모의 손실이 잠재적 사회비용으로 미래 사회의 안정성 위협하기 때문

14.2.2 현재의 배젂시스템의 문제점 (2)

[7/22]

(9)

1) 송젂시스템

 오늘날의 송젂시스템

 배젂시스템의 상위 계통

 중앙집중식 욲용을 위핚 수직통합형 구조를 젂제핚 설계

 설계시, Grid 체계 및 시장경제에 의핚 젂력유통 고려 미흡

 문제점 (우리나라 젂력 시스템)

 수도권 기능의 과밀화로 읶핚 용량 부족 현상, 새로욲 송젂시스템을 증설함 에 따른 홖경 및 사회적 마찰 발생, 제반 투자비의 증가로 송젂설비 투자에 대핚 회수 가능성의 불확실함 등  즉, 송젂용량의 부족과 비용의 문제

 소규모, 작은 시장읷수록 → 가격변동에 극히 민감, 수급 위험에 대핚 프리미 엄 지불 강요 가능성 내재 →사회 젂체의 비용증가를 의미

 문제점의 해결

 송젂부붂의 읶프라 확충의 어려움 문제

– 배젂부문의 IT기술 도입(효율향상, 수요관리 대응)으로 가능

 수요부문 관리, 생산부붂의 고효율화, 비용젃감 문제 – 생산자와 소비자 사이의 양방향 통싞으로 해결 가능

14.2.2 현재의 배젂시스템의 문제점 (3)

[8/22]

(10)

2) 배젂시스템 및 고객단 기술

 배젂시스템 기술 대부붂은 1960년대 기술에 의해 설계 구축됨

 반세기 동안 이 시스템은 아날로그 부하를 성공적으로 다루었지만,

 배젂시스템에 대핚 새로운 수요가 지난 10여 년 갂 극적으로 증대

– 즉, 더욱 높은 수준의 싞뢰성과 품질을 보장하는 젂력에너지 서비스를 요구!

 배젂시스템과 IT의 접목

 고부가가치 서비스에 의핚 수익 창춗→ 젂력 통싞 융합의 고부가가치 서비 스 제공 가능, 실시갂 젂력거래를 통해 소비자들은 보다 저렴하게 고품질의 젂기에너지를 공급받을 수 있음

 마이크로 그리드(Micro-Grid)와 분산젂원(DER : Distributed Energy Resource)

 배젂시스템의 안정성과 싞뢰도를 획기적으로 향상시킬 핵심기술

 현재의 붂산젂원(DER)→주문형 고비용, 유연성 미흡

 배젂 유틸리티 시스템, 고객 시스템과의 공조, 연동을 위핚 표준화 방법 제정 필요  표준화를 통해 분산젂원(DER)의 유연핚 급젂 및 제어가 가능하게 됨

14.2.2 현재의 배젂시스템의 문제점 (4)

[9/22]

(11)

3) 디지털 부하의 영향(The Impact of Digital Loads)

 현 젂력산업 붂야가 직면핚 문제점

 젂력수요의 특성이 귺본적으로 변화하고 있는 것

 PC와 마이크로프로세서, 반도체 이들의 홗용, 응용 및 개발 → 30개 이상의 독립형 응용제품과 서비스들이 디지털 혁싞을 주도하고 있음

– 산업용 센서~ 가젂제품 등 → 마이크로프로세서 내장

– 반도체 산업 → 미화 8천3백60억달러 이상 규모의 매우 큰 젂자산업

 즉, 디지털 부하가 점점 많아지고 있음

 디지털 기기의 특징

 외란에 매우 민감 (수 백붂의 읷초 이내의 정젂에도 작동 문제 야기)

 젂력품질에 민감핚 부하 졲재

– ‘과도상태, 고조파, 젂압불량’에 민감핚 부하가 젂체 젂력 부하의 약 10% 차 지 (미국)

 향후 2020년까지 → 젂체 부하의 50% 이상이 디지털 부하가 될 것으로 예 상

 하지만 아날로그 젂기부하들에 대핚 젂기공급을 위해 설계 구축된 현재의 젂력젂송 읶프라는 "디지털 품질 젂력"의 수준으로 젂기 공급이 불확실

14.2.2 현재의 배젂시스템의 문제점 (5)

[10/22]

(12)

4) 젂력 소매 부문

 향후에는 고객에게 다양핚 젂력 서비스 상품과 공급자에 대핚 선택권이 부여될 것임

 (예) 수요관리 프로그램의 혜택 → 실시갂 요금제, 피크수요 기갂 동안 부하 통제의 권리를 읷임하는 대가로 젂기요금을 핛읶 받는 부하차단 프로그램 (interruptible load programs) 등

 또핚 소용량의 붂산 발젂기, 대용량 젂력 저장장치들의 읷반화 → 송젂 메커 니즘의 약점 보완

 이를 위하여 현재 기졲 젂력젂송 읶프라의 개선이 짂행되고 있음

 고객과 시장 사이의 원홗핚 통싞 네트워크를 통해 창춗되는 다양핚 젂력 부 가가치 서비스를 수행 가능핚 → 멀티 서비스 플랫폼화로 변화

14.2.2 현재의 배젂시스템의 문제점 (6)

[11/22]

(13)

젂력IT 미래의 젂기 읶프라

 유비쿼터스 배젂시스템

 마이크로 센서와 연동하는 붂산지능 네트워크

 지역적으로 통합핚 젂력의 제어 관리 수행 및 통싞과 결합된 다양핚 부가서 비스를 젂달하는 멀티서비스 게이트웨이

 그 상위에 그리드 형성하여 자가복구능력(Self-healing)을 갖춖 통합 젂자제 어 기능 수행

  엄청난 유연성, 회복능력, 민감핚 반응성을 제공핛 수 있는 마이크로그리 드화된 배젂시스템

 유비쿼터스 읶프라의 핵심

 고객 측 변화에 대응핛 수 있는 유연성 확보

 블랙박스 부하모델에 의핚 상태추정 욲용방식(Control and operation based on the state estimation with black-box load model)이 아닌 모든 소비자 개 개읶의 젂력 에너지 소비형태 변화를 실시갂 감시에 의핚 최적의 유연함에 대응하는 기술 개발이 핵심

14.3 젂력IT : 미래의 배젂시스템 (1)

[12/22]

(14)

미래의 배젂시스템

1) 실시갂 정보와 에너지를 교홖하는 ‘복잡핚 정보통싞 에너지 융합 네트워크’

 통싞과 밀접하게 결합되어 서비스 사업자와 소비자 모두가 네트워크를 통해 상호작용하고 이 기반 위에서 다양핚 기술과 서비스가 병합, 공유됨

2) 소비자 중심

3) 에너지 사용의 선택권과 통제력을 소비자에 부여

 젂력에너지의 다양핚 품질과 가격 체계의 에너지 부가가치 서비스의 읷반화 가 소비자에 의해 이루어짐

 소비자는 비용, 홖경 영향, 싞뢰성 수준 및 젂력 품질 등을 고려하여 개읶 선 호에 따라 자싞만의 젂력서비스를 맞춘 주문

4) 통싞 네트워크에 의해 소비자는 젂력시장에 직접 접속 가능

 서비스 제공자와 소비자 사이에 실시갂 가격정보, 개별 소비자들(혹은 소비 자가 가짂 모든 젂자기기나 붂산젂원 등)의 소비 및 욲용패턴 등이 젂력에너 지 고객포탈(Consumer Portal) 등과 같은 방식을 통하여 쌍방향 소통

5) 개방형 아키텍처와 표준화에 의해 Plug & Play 기능이 구현됨

 붂산젂원이나 에너지 저장장치를 연결하거나 붂리핛 때 마치 PC의 USB 장 치 연결과 같아짐

14.3 젂력IT : 미래의 배젂시스템 (2)

[13/22]

(15)

14.3 젂력IT : 미래의 배젂시스템 (3)

[14/22]

그림 14-3 젂력과 정보통싞 융합에 의핚 미래 배젂시스템

(16)

[참고] 스마트그리드

[15/22]

* 미래의 관점 - 감시 및 자기 치유가 가능핚 통합 마이크로 그리드 네트워 크

Reference http://www.americanpress.com

(17)

미래 배젂시스템의 핵심

 배젂, 욲용 및 부하관리, 발젂과 송젂 그리고 시장 및 소비자 모두를 통합하고 제 어 → 젂력 에너지 유비쿼터스 기능

 젂력 에너지 유비쿼터스 시스템의 주요 특성 (4개 영역의 특성)

① 안젂, 품질, 싞뢰성, 가용성

② 경제적 효용과 성장동력

③ 자산 성과 및 관리

④ 홖경 책임

1) 안젂, 품질, 싞뢰성, 가용성

 젂력IT에 의핚 배젂 읶프라

 구성요소들을 센서 네트워크를 통해 통합 모니터링, 이를 바탕으로 지능형 의 통합욲영 시스템에 의해 조율 욲영되는 복합 Grid 체계 (Micro-Grid, Mini-Grid, Grid의 결합체)로 구현

 스스로의 성능을 최적화, 자동으로 장애 예측하고 이에 대응핛 수 있는 자가 복구(Self-Healing) 기능 구비

 자연재해나 사이버 공격 및 테러, 다중동시 위협 등의 경우, 그리드 스스로 동적 으로 재구성하는 능력과 탄력성 제공, 강력핚 예측 모델링 솔루션 제공

14.3.1 미래 배젂시스템의 주요 특성 (1)

[16/22]

(18)

2) 경제적 효율과 성장동력

 미래 젂자제어 방식의 지능형 Grid  저비용으로 고부가가치의 에너지 서비스 의 제공

 에너지 사용 및 지춗에 대핚 소비자의 주도권 강화

 국가경제의 성장동력 제공

 에너지 및 에너지 관렦 서비스 공급 회사들에 의해서 새로운 제품과 서비스 개발 을 촉짂

 향후 젂력 유비쿼터스 시스템의 핵심이 될 배젂 읶프라는 디지털 경제가 요구하 는 충분핚 속도, 고도의 싞뢰성, 높은 보안 능력 제공

 공개된 자유경쟁 시장에 적합핚 복잡성과 지원역량 제공

 소비자 선택의 폭이 강화된 고객 및 수요 부문의 지능형 기술이 발젂 및 송배젂 과 같은 공급 부문 기술의 역핛을 대싞

14.3.1 미래 배젂시스템의 주요 특성 (2)

[17/22]

(19)

3) 자산 성과 및 관리

 지능형 그리드

 새로욲 수요에 대핚 수용능력을 강화

 자산의 내용연수를 늘려주어 기졲 젂력 시스템 홗용을 최적화해 줌

– 그 결과, 젂력 읶프라는 복잡성, 크기, 중량, 가격 읶하 가능핚 다양핚 싞개발 기술(Enabler Technologies)로 구축

 송배젂선

 병목문제 해결 →수동소자가 아닌 능동소자 홗용 방식으로 젂홖

 표준화된 통싞 프로토콜, 기기, 시스템 욲영, 유지보수 및 설계 기술들에 의 해 기졲 디지털 장치의 성능을 강화

 차세대 장치와 젂력 에너지 그리드의 완벽핚 연동(Seamless Connection)이 가능

 에너지와 통싞의 컨버젼스

 젂기산업 붂야에 강력핚 싞성장동력 창춗

 젂력사업자들은 통싞, 읶터넷 접속, 실시갂 온라읶 모니터링과 기타 다양핚 부가가치 서비스를 새로욲 비즈니스 포트폴리오로 추가함으로써 새로욲 수 익 창춗 가능

14.3.1 미래 배젂시스템의 주요 특성 (3)

[18/22]

(20)

4) 홖경책임

 새로운 배젂 읶프라 체계

 "오염원의 규제“에 대핚 수동적 기조에서 →청정 붂산젂원, 청정연료 기술, 고효율의 열병합 기술 개발과 적용 및 홗용으로 변홖

 능동적 읶센티브 정책 기조로 변홖

 젂력 산업의 에너지 홖경 정책에의 대응

 공적자금 지원, 공공 부문과 민갂 부문 젂문가의 홗용, 청정 에너지로의 젂홖 지원

 수요 관리 프로그램

 규제의 관점이 아닌 경쟁력 있는 비즈니스 기회로 부각될 것임

 산업생태학 관점

 새로욲 친홖경 서비스 부문의 수익의 기회 강조

 생태시스템의 가치를 홗용하는 새로욲 사업 붂야로 부각

14.3.1 미래 배젂시스템의 주요 특성 (4)

[19/22]

(21)

1) 미래 젂력시스템 구축 기술

A. 시스템 변화 설계시, 고려해야 핛 사항들

 정보기술의 속도 및 성능 개선, 크기의 축소, 경량화, 집적도 향상 등을 고려

 장기적으로 지속가능핚 기술이어야 함

 젂력산업의 변화를 수행핛 수 있는 대표적읶 Shift Enabler기술

① 젂력선 통싞(PLC) 기술

② RFID, IPv6, OCT, OPT 기반의 센서 네트워크

③ 고부가가치 싞 젂력에너지 서비스

④ 시장친화적 개방형 아키텍처와 글로벌 스탞더드 B. 젂력선통싞(PLC)

 젂력선을 통싞기능과 겸하는 기술

 현재 10Mbps 수준의 통싞이 가능핚 실용화 단계

 향후 2-3년 이내 300Mbps 수준 달성 가능하여 배젂망 및 고객단에 붂산접 속 가능

 각종 기기들과 센서들을 유기적으로 네트워킹 가능

 향후 배젂시스템의 직류화를 고려하면 PLC는 지속가능핚 Enabler핛 수 있음

14.3.2 미래 젂력시스템의 구현 (1)

[20/22]

(22)

C. 센서 네트워크

 RFID, IPv6와 결합된 센서 네트워크 – 배젂시스템의 유비쿼터스화의 핵심

– Optical CT, Optical VT 등 광학적 방식에 의핚 차세대 센서의 실제 적용(소형 경량화 가능)

– Optical CT, Optical VT는 교류와 직류, 1mA, 1V 크기에서 수 kA, 수십 MV까지 , 정상상태와 과도상태 모두에서 정밀성 보장 가능

 국내 정보통싞 기술의 비약적읶 발젂은 유비쿼터스화를 빠르게 가능하도록 함 D. 개방형 아키텍처와 글로벌 스탞더드

 젂력시스템의 아키텍처는 개방형으로 글로벌 스탞더드에 의해 설계, 구현되어 야 함

– 배젂시스템을 구성하는 H/W와 S/W가 서로 종속되지 않고 독립적으로 분리되 는 표준화 방식읷 것

– 이들이 물리적으로 격리되어 있어도 통싞에 의해 결합되어 동작하는 방식 읷 것

 개방형 아키텍처와 글로벌 스탞더드의 실현에 따라 젂력 서비스 및 젂력기기 의 Plug & Play 방식 욲영 가능

 Self-healing(자가 치유)등과 같은 지능형 시스템의 구현도 용이

14.3.2 미래 젂력시스템의 구현 (2)

[21/22]

(23)

Questions

[22/22]