*교신저자, 정회원 : 한국기술교육대 전기공학과 정교수([email protected])
접수일자 2011년 8월 2일 수정일 2011년 8월 26일 게재확정일 2011년 9월 7일
박재범
*, 김병목
*, 신 건
*, 노대석
* 한국기술교육대학교*Development of Remote Monitoring and Control Device of 50KW Photovoltaic System
Jeabum Park
*, Byungmok Kim
*, JIAN SHEN
*, Daeseok Rho
* Korea University of Technology and Education*요 약 본 논문에서는 배전지능화시스템과 정보 연계, 미래 지능형전력망 운용 및 태양광, 풍력, 연료전지등과 같은 신에너지전원의 단지를 효율적으로 유지관리하기 위하여, 유·무선 네트워크 구성요소의 특성을 해석하고, 이를 바탕으로 원거리감시제어 장치를 제작하였다. 이 장치는 50KW급 태양광전원과 유․무선 네트워크의 알고리즘을 기반으로 실시간으로 출력되는 전압, 전류데이터를 무선네트워크로 장거리 전송하여, HMI 프로그램인 Autobase로 실시간 모니터링 하도록 하였다. 따라서 본 논문에서는 제안한 원거리 감시제어 장치를 이용하여 50KW급 태양광 발전 데이터를 무선네트워크 기술로 전송받아 데이터를 측정하고, 이 결과를 분석하여 태양광발전량의 운용특성을 분석하였다.
• 주제어 : 유무선통신, 50킬로와트 모니터링과 제어, 에너지, 원격
Abstract This paper deals with the efficient management for the intelligent distribution system related with the renewable energy sources, using the wire-wireless monitoring and control device. This device is mainly composed of 2 sections. One is monitoring device with the Autobase S/W and the other is control device using PLC. This paper proposes a wire and wireless monitoring and control device which can monitor and control the 50Kw PV system installed remotely (about 1Km) in the campus of the Korea University of Technology and Education. By the analysis of PV output characteristic using the device proposed in this paper, it is confirmed that the device can contribute the maintenance of PV system and also the establishment of Smart Grid.
• Key Words : Wired and wireless communications, 50KW PV monitoring and control, Energy, Remote
1. 서 론
최근 정부에서 신재생에너지 사업에 대해 2004년을
‘신재생에너지 원년‘으로 선포하고, 신재생에너지 보급화 와 함께 2008년 ’녹색 성장(Green Growth)‘을 새로운 신 성장 동력으로 선포하면서 2030년까지 신재생에너지 사 업에 총 115조 5천억 원을 투자하기로 하고, 신재생에너
지 보급률 역시 11%까지 확대할 계획을 가지고 있다. 이 러한 배경 하에, 본 논문에서는 신재생에너지에서 실시 간으로 출력되는 전력에 관련된 정보를 수집 및 분석하 여, 계통의 역조류 발생에 의한 배전계통에 전압관리나 전력품질 등의 계통 운용상의 문제점을 감시 및 제어할 수 있는 유·무선 감시제어장치를 제작하였다. 이 시험장
치는 50KW 태양광전원장치, HMI를 이용한 감시장치, PLC를 이용한 제어장치로 구성된다. 또한, 무선으로 감 시 및 제어를 하기위해 Ethernet통신과 Serial 통신을 이 용, 원격지점에서 감시 및 제어가 가능하도록 구성하였 다. 구체적으로 이 장치는 한국기술교육대학교 캠퍼스 내에 설치되어 있는 50kW 태양광발전시스템을 원격(약 1KM에서 유무선 네트워크를 이용하여 실시간으로 출력 되는 전압, 전류데이터를 장거리 전송하여, HMI 프로그 램인 AutoBase로 실시간 모니터링 하도록 제작하였고, PLC를 이용하여 태양광전원의 개폐기(MC)를 ON/OFF 제어를 할 수 있도록 구성하여, 실 계통에서 운용이 가능 할 수 있도록 기술적인 대안을 제시하였다.
2. 신에너지전원연계에 따른 실계통의 문제점
현재 신재생에너지전원의 비중이 커짐에 따라 대규모 신재생에너지전원 단지가 활발하게 조성되고 있는 상황 이다. 하지만 이에 따른 여러 가지 대규모단지의 유지관 리에 대한 대처 방안들이 미흡한 상태이며, 태양광발전 의 경우, 날씨조건(구름, 우천)에 따라 출력변동이 심하 기 때문에 연계된 배전계통의 역조류 발생으로 인한 배 전계통의 전압관리나 전력품질 같은 계통 운용상의 문제 점이 야기되고 있다. 따라서 본 논문에서는 그림 1과 같 이 한국기술교육대학교캠퍼스 내에 설치된 50kW태양광 발전시스템을 원격(약1KM)에서 감시, 제어할 수 있는 유․무선네트워크 감시제어장치를 제작하였다.
[Fig. 1] Concept of 50Kw PV system
3. 유·무선 감시제어 시스템 구성요소
본 논문에서는 50kW태양광발전시스템에서 실시간으 로 출력되는 전력에 관련된 데이터를 모니터링하고, 운 용상의 문제점 발생 시 50kW태양광발전시스템을 제어 하기 위한 유·무선 감시제어장치를 제작하였다. 즉, 태양 광전원에서 발생되는 전력을 무선으로 모니터링하고, 원 격으로 제어하기 위해, 그림 2와같이 데이터 수신 및 감 시제어 장소와 데이터 수집 및 송신 장소로 구성하였다.
[Fig. 2] Configuration of wire-wireless monitoring and controlling device
3.1 HMI를 이용한 감시장치
HMI를 이용한 감시장치는 각 장치간의 통신 프로토 콜을 설정하여 유․무선 컨버터와 공유기, HMI소프트웨 어간의 통신을 하도록 구성하였다.
[Fig. 3] Concept of monitoring device
3.2 PLC를 이용한 제어장치
PLC를 이용한 제어장치는 Autobase제어 신호가 PLC 내부 접점을 동작시켜 LADDER에 의한 출력 접점이 ON 될 수 있도록 구성하였다. 이때 외부 전원(DC24V)이 MC(차단기 대용)전원을 제어할 DC 24V 릴레이(hr705) 로 전류를 유입하도록 그림 4와 같이 PLC, 릴레이 (hr705), SMPS 등을 사용하여 제작하였다.
3.3 50KW태양광발전시스템 인버터
본 시험에서 사용된 계통연계용 인버터의 입력 및 출 력 값은 표 1과 같으며, 인버터 내부의 PCB 통신보드에 서 RS232 Serial통신을 통하여 데이터를 송출하도록 구 성하였다.
[Fig. 4] Concept of control device
[Table 1] Contents of 50KW inverter Protocol
4. 원격 감시제어시스템의 구성
원격 감시제어시스템은 유·무선컨버터로 데이터를 변 환하며, 지향성 및 무지향성 안테나로 데이터를 더 멀리 송수신을 하고 공유기로 네트워이름을 형성하여 같은 이름의 데이터를 중계한다. 이런 과정을 통해 감시 및 제 어를 한다.
4.1 무선컨버터
무선컨버터(CSW-H80)는 원격지에서 시리얼 장비들 을 제어, 관리할 수 있도록 무선랜에 연결시켜주는 외장 형 Serial↔Ethernet(무선랜) 컨버터이다. 무선컨버터 (CSW -H80)는 표 2와 같은 특성을 가지며, 인터넷 데이 터전송 프로토콜인 TCP/IP 데이터를 자동으로 처리하기 때문에 장비를 손쉽게 인터넷(TCP /IP망)망에 연결할 수 있는 기능을 가지고 있다. 또한 페어링기능(중계기역 할)을 이용하여 통신가능거리를 확장 할 수 있다. 이 무
선컨버터는 인터넷망 연결로 인해 기존 시리얼장비의 통 신거리를 획기적으로 확장시킬 수 있으며, 다양한 통신 환경에 대응하여 안테나를 연결해 사용할 수 있다.
[Table 2] Characteristics of wireless converter
4.2 지향성 및 무지향성 안테나
그림 5와 같이 지향성안테나는 특정 방위각으로 데이 터전송 하며 긴 거리에서 통신할 수 있도록 고안한 것이 다. 무지향성 안테나는 모든 방향으로 출력을 보내지만 반경거리가 짧고 실내 무선네트워크에 적합하다. 본 시 험은 약 1M의 원거리 통신을 하기 위해 24dBi 지향성안 테나를 이용하여 데이터 수집 및 송신 장소에 설치하고, 15dBi무지향성 안테나는 데이터수집 및 모니터링 장소에 설치하여 데이터 전송이 가능하게 구현하였다.
[Fig. 5] Directional/omnidirectional antennas
4.3 유선 컨버터
유선컨버터(CSW-H20)는 원격지에서 시리얼 장비들 을 제어 및 관리할 수 있도록 이더넷에 연결 시켜주는 외 장형 시리얼↔이더넷(유선랜) 컨버터이다. 기존장비에 시리얼로 연결하면 소프트웨어 변경 없이 간단히 네트워 크에 연결가능하다. 또한, 2개의 RS232 포트가 적용되었 고, 고도로 축적된 TCP/IP 기술을 작은 하드에어에 최적 화한 TCP/IP 솔루션을 제공한다.
[Table 3] Characteristics of wire converter
4.4 무선중계기 기능의 무선공유기
유․무선감시제어에서 무선컨버터(CSW-H80)와 Ethernet (TCP/IP) 방식으로 통신하기위하여 무선중계기용 공유 기를 사용하는데, 통신특성은 표 4와 같다.
[Table 4] Characteristics of router for wireless repeater
4.5 무선장치의 프로토콜설정
무선네트워크를 구성하기 위해서 각각의 무선기기들 간에 프로토콜을 충돌되지 않게 설정해주는 것이 중요하 다. 그림 6는 유무선 공유기의 프로토콜 설정창이다. 유 무선공유기의 프로토콜은 IP주소와 네트워크 이름 (SSID)을 설정한다.
[Fig. 6] Wire․Wireless router protocol settings screen
다음으로 무선기기(CSW-H80)를 컴퓨터와 연결한 후, 그림 7과 같이 ezTCP Manager프로그램을 실행하여 프로토콜을 설정한다. IP는 같은 네트워크번지를 사용하 지만 마지막 번지수는 유무선공유기와 다르게 설정해준다.
[Fig. 7] Wire․Wireless router protocol settings screen
5. 유․무선네트워크를 이용한 감시제어장치 제작
5.1 실시간 원격 감시장치의 제작
무선 네트워크를 이용한 실시간 원격 감시장치는 그 림 8와 같이 구현하였다. 먼저 태양광발전단지의 데이터 는 통신모듈에서 Serial통신으로 변환하여 무선 컨버터 로 전송된다. 이 전송된 데이터는 무선 컨버터 (CSW-H80)에서 Ethernet으로 변환하여 감시지점으로 데이터를 무선으로 전송하게 된다. 감시 지점에서는 데 이터를 유무선공유기로 받아 CSW-H20-2를 통해 다시 Ethernet->Serial로 변환하어 컴퓨터로 정보를 받는다.
또한, 그림 5에서 보는바와 같이 무선공유기에서 무선 랜 이 부착된 LAPTOP으로 데이터를 읽을 수 있으며, 그림 8과 같이 AutoBase로 모니터링 할 수 있도록 구성하였다.
[Fig. 8] Algorithms for monitoring device using wireless -network
5.2 실시간 원격 제어장치의 제작
무선 네트워크를 이용한 실시간 원격제어장치의 알고 리즘은 그림 9과 같이 구현하였다. 먼저 태양광전원을 ON/OFF를 하기 위해 Autobase를 이용하여 차단신호를 Serial통신으로 송출한다. 이 송출된 신호는 CSW-H80을 이용하여 Serial통신을 Ethernet통신으로 컨버팅한 후 태 양광전원장치에 위치한 PLC로 전송하게 된다. 태양광전 원장치에서는 무선공유기로 데이터 신호를 수신하게 되 는데 이 신호는 LADDER 프로그램을 사용해서 출력된 24V를 릴레이 전원에 투입시킨다. 이때 A접점의 동작으 로 외부전원이 MC에 투입되어 동작하게 된다. PLC 프로 그램의 LD 동착형태는 동시동작 방지를 위해 REMOTE 일 경우 자동모드로 구성하고 ROCAL 일 경우는 수동모 드인 상태로 REMOTE가 동작 되지 않도록 시퀀스에 인 터록을 설정하였다. 그리고 HMI(Autobase)와의 통신에 따른 제어 변수선언은 내부변수 %M을 사용하였으며 이 신호에 따라 출력을 내보낼 수 있도록 %Q로 출력변수를 지정하였다.
[Fig. 9] Algorithms of controlling deviece using wireless network
그림 10은 차단신호를 무선으로 송출시 릴레이에 24V 가 인가되어 MC를 제어하는 것을 MyDAQ를 사용하여 측정한 것이다. 그림과 같이 MC를 작동하였을 경우 릴 레이 출력전압이 24V고 평상시는 그림11과 같이 출력전 압이 0V이므로 본 논문에서 제작한 제어장치의 작동이 원활하게 이루어짐을 알 수 있다.
[Fig. 10] Terminal voltage of relay with the blocking signal
[Fig. 11] Applied voltage of relay without the blocking signal
6. 시뮬레이션 분석
그림 12는 HMI 소프트웨어를 이용한 원격 감시 패널 이다. 이 패널은 당일의 일사량 및 온도 태양광에서 나오 는 전압, 전류 값과 3상 인버터에서 출력되는 각상의 전 압, 전류, 주파수, 및 역률을 감시할 수 있으며 배전계통 에 악영향을 사전에 감지할 수 있다.
[Fig. 12] Monitoring panel using HMI S/W
그림 13은 태양전지에 유선 연결된 50kW 태양광 인버 터의 데이터와 1KM 떨어져 감시 및 제어하고 있는 HMI S/W 의 데이터 값이 일치함을 확인하였다.
[Fig. 13] Comparison between wired and wireless data
그림 14는 HMI소프트웨어를 이용한 원격 제어 패널 이다. 높은 일사량으로 인해 배전계통에 악영향 발생 우 려가 있거나 사고가 발생할 경우 이를 무선으로 차단하 기 위한 것이다.
[Fig. 14] Control panel using HMI S/W
그림 12는 Autobase를 이용하여 1KM 지점의 태양광 출력량을 원격제어시스템으로 감시한 그래프이다. 이 결 과는 Autobase데이터 저장 기능을 활용하여 날짜별로 전력량의 데이터를 기록한 것이고, 발생된 전력량은 12 시에서 15시에서 최대 출력량을 기록하였으며 이 데이터 분석으로 당일의 전력량을 사전에 예측하여 태양광의 운 용을 보다 효율적으로 할 수 있음을 확인하였다.
[Fig. 15] Daily output pattern of solar power system
한편, 본 논문에서 제시한 유무선 감시제어 장치는 현 존하는 태양광발전시스템과는 달리 독립적인 네트워크 를 이용하여 통신을 하므로 산간지역, 섬과 같은 외딴 지 역 등 인터넷이 설치되지 않은 지역에서 사용이 가능하 며, IPv6가 보급되지 않은 상황에서 인터넷을 기반으로 한 원격감시제어장치가 상용화 될 경우 각 측정기기마다 의 IPv4주소를 할당 하여야 하므로 세계적인 문제점으로 대두되고 있는 IPv4주소의 고갈을 더욱 가속화 할 수 있 지만 본 논문에서 제작한 유무선 감시제어장치는 인터넷 을 사용하지 않기 때문에 이런 문제점에 대해 고려할 필 요가 없으므로 높은 경쟁력을 가질 것이다.
또한, 표 5는 유무선 감시제어장치를 설치하지 않았을 경우 시간당 최소 임금 4320원(일인을 기준으로 하루 24 시간)으로 하여 인건비를 계산하였을 경우 드는 비용이 며 표 6은 본 장치의 설치비용이다. 본 장치의 설치비용 은 비록 적은 액수는 아니지만 유무선 감시제어장치를 실 계통에 연결하여 장기간 사용하였을 경우 인건비가 거의 들지 않고 반영구적으로 사용할 수 있다는 점을 감 안하였을 때 많은 비용을 절감할 수 있음을 확인 할 수 있다.
[Table 5] Cost of PV management
[Table 6] Cost of wire-wireless monitoring and control device installation
8. 결 론
본 논문에서는 원격지점에서 50KW태양광전원을 감 시 및 제어할 수 있도록 유·무선 감시제어 시험 장치를 제작하였다. 이장치는 현존의 시스템과는 달리 날씨에 따른 역조류에 의한 배전계통의 악영향을 사전에 방지하 기 위한 제어까지 고안하였고 무선컨버터(CSW-H80)에 지향성 안테나 유무선 공유기에 무지향성 안테나를 장착 해 원거리 통신이 가능하도록 구현하였으며 그로인해 태 양광발전장치나 풍력발전장치 근방에서 확인할 필요 없 이 원거리에서 간편하게 감시 및 제어 할 수 있도록 하였 다. 또한, 태양광출력량을 HMI S/W데이터 저장 기능을 활용하여 날짜별로 저장된 데이터를 통해 내일의 전력량 을 사전에 예측할 수 있어, 향후 지능형전력망 (SmartGrid)의 인프라 구축에 기여할 수 있음을 확인하 였다.
본 연구는 2010년도 지식경제부의 재원으로 한국에너지 기술평가원(KETEP)의 지원을 받아 수행한 연구 과제입 니다. (No. 20101020300430)
REFERENCES
[1] Smith, T.F., Waterman, M.S.: Identification of Common Molecular Subsequences. J. Mol. Biol.
147, 195-197 (1981).
[2] May, P., Ehrlich, H.C., Steinke, T.: ZIB Structure
Prediction Pipeline: Composing a Complex Biological Workflow through Web Services. In:
Nagel, W.E., Walter, W.V., Lehner, W. (eds.) Euro-Par 2006. LNCS, Vol. 4128, pp. 1148-1158.
Springer, Heidelberg (2006).
[3] Foster, I., Kesselman, C.: The Grid: Blueprint for a New Computing Infrastructure. Morgan Kaufmann, San Francisco (1999).
[4] Czajkowski, K., Fitzgerald, S., Foster, I., Kesselman, C.: Grid Information Services for Distributed Resource Sharing. In: 10th IEEE International Symposium on High Performance Distributed Computing, pp. 181-184. IEEE Press, New York (2001).
[5] Foster, I., Kesselman, C., Nick, J., Tuecke, S.: The Physiology of the Grid: an Open Grid Services Architecture for Distributed Systems Integration.
Technical report, Global Grid Forum (2002).
[6] National Center for Biotechnology Information, http://www.ncbi.nlm.nih.gov
[7] IEEE 1547 "IEEE Standard for Interconnecting Distributed Resources with Electric Power System", 2003.
[8] IEEE 1547.1 "IEEE Standard conformance Test Procedures for Equipment Interconnecting Distributed Resources with Electric Power System", 2005.
[9] Hadi Saadat, "Power System Analysis "McGraw-Hill, Printed in Singapore, 19991] S. R. Ahuja, et al.,
"The Rapport Multimedia Conferencing System: A Software Overviews", Proc. of 2nd IEEE Conference on Computer Workstations, pp. 52-58, 1988.
저자소개
박 재 범(Jea-Bum Park) [학생회원]
․2011년 2월 : 한국기술교육대학교 전기공학과 (공학사)
․2011년 3월 ～ 현재 : 한국기술교 육대학교 전기전자통신공학과 전 기공학전공 석사과정 재학중
<관심분야> : 배전계통 운용, 신재생에너지, 스마트그리드
김 병 목(Byung-Mok Kim) [학생회원]
․2011년 2월 : 한국기술교육대학교 전기공학과 (공학사)
․2011년 3월 ～ 현재 : 한국기술교 육대학교 전기전자통신공학과 전 기공학전공 석사과정 재학중
<관심분야> : 배전계통 운용, 신재생에너지, 스마트그 리드
신 건(JIAN SHEN) [학생회원]
․2011년 2월 : 한국기술교육대학교 기계공학과 (공학사)
․2011년 3월 ～ 현재 : 한국기술교 육대학교 전기전자통신공학과 전 기공학전공 석사과정 재학중
<관심분야> : 배전계통 운용, 신재생에너지, 스마트그 리드, 전기 자동차
노 대 석(Dae-Seok Rho) [정회원]
․1985년 2월 : 고려대학교 전기공 학과 (공학사)
․1987년 2월 : 동대학원 전기공학 과 (공학석사)
․1997년 3월 : 일본 북해도대학교 대학원 전기공학과(공학박사)
․1987년 3월 ～ 1998년 8월 : 한국전기연구소 연구원/선 임연구원
․1999년 3월 ～ 현재 : 한국기술교육대학교 정보기술공 학부 교수
<관심분야> : 전력/배전 계통, 분산전원연계, 전력품질 해석
