기획특집 에너지 ICT 기반의마이크로그리드기술개발동향및사례 이일우책임연구원 / 한국전자통신연구원초연결통신연구소 ilwoo@etri.re.kr 1. 서론마이크로그리드는분산에너지자원을수용해서소규모단위로에너지의공급과수요를관리하는지역전력망이며, 단순히신재생에너지원뿐아니라다양한분산에너지자원을경제적으로조합해해당구역에필요한에너지를경제적으로공급하는지역적커뮤니티그리드이다. 분산전원등의에너지기술과 ICT 기반의통신, 제어기술을융합해기존의전력공급체계에서발생하는전력손실, 발전설비입지확보등의문제해결과새로운부가가치를창출할수있는미래의전력망이다. 2년대초반혁신적인미래배전망또는전력공급시스템으로서마이크로그리드에대한실증연구가유럽연합, 일본, 미국등에서추진되어왔다. 수백개의마이크로그리드프로젝트가완료혹은진행중이다. 마이크로그리드의상용화단계의구축과운영은구조적문제와경제성의문제로인해용이하지않은것이사실이다. 그러나최근의국가프로젝트로서의스마트시티 에너지이슈등마이크로그리드는미래에너지시스템의근간을이룰것이다. 본고에서는마이크로그리드시장및기술현황을살펴보고, 에너지 ICT 기반의마이크로그리드개발동향과사례를소개하고자한다. 2. 마이크로그리드시장및기술환경가. 시장, 제도관련현황마이크로그리드의시장진입형태를살펴보면, 시장은초기에는가사도, 가파도, 울릉도등발전단가가높은도서지역에서태양광, 풍력, 에너지저장장치등으로구성하는단순독립운전의장비설치와운영형태로시장이형성되었다. 최근에는캠퍼스, 군부대등을중심으로독립운전과계통연계를동시에가능하게하고, 경제성확보를위한시장연동등의서비스가제공가능한플랫폼기반의서비스로확대될전망이다. 에너지재화, 특히전력은이제는유틸리티사업자들 118
에너지 ICT 기반의마이크로그리드기술개발동향및사례 Predition & Analysis 부하및발전량예측기술 Operation & Management 계통연계운전관리기술 에너지비용및경제성분석기술 그리드네트워킹기술 Optimization 실시간안전및효율관리기술 에너지생산 / 저장최적제어화기술 부하최적제어기술 [ 그림 1] 마이크로그리드기술카테고리 ( 운영 / 제어측면 ) 이견인하는공공인프라 / 공공재 (Public infra/public goods) 성격에서벗어나서상대적으로중소규모의신재생에너지 / 분산에너지자원은소비자가구매하여설치 / 운영하는사유재 (Private goods) 형태로급격하게이전될것이다. 따라서, 소비자영역에적절한에너지망의구축과플랫폼이필요하며, 마이크로그리드 가상발전소 BtM(Behind the Meter) 등의형상으로시장을만들어갈것이다. 문재인정부의탈원전 / 석탄신재생에너지확대정책 ( 재생에너지 32, 23년까지 2% 로확대 ) 에따라사유재형태의에너지시스템이급격하게증가할것이며, 이를계통에수용하거나자체적으로최적운영해나갈수있는플랫폼이필요하다. 지금까지전통적인전력 / 중전사업자들이초기시장을이끌어갔다면, 점차통신사업자, 에너지 ICT 사업자들의마이크로그리드구축 / 관리 / 제어 / 운영시장의주요이해당사자들이될것이며, ICT 인프라와기술의융합은점차증가할것이다. 나. 마이크로그리드기술현황기존의전력계통은상향식 (Top-down) 형태의중앙집중식송변전-배전-판매의계통운영이필요한기술 분야지만, 마이크로그리드는상대적소규모의다양한장치들이복합적으로작용하는 Transactive energy의특성을가짐에따라, 통신 /IT를근간으로하는기업들의참여가유리한상황일수도있다. 마이크로그리드는소비자영역을중심으로확대되고있는분산형에너지체계이며, 이에따라 ICT 기반의마이크로그리드구축과관련기술개발, 적용이필요하다. 소비자영역에서의마이크로그리드는신재생수용과전력수요대응등에있어서미래전력망으로서의역할이크지만, 경제성및상용화측면에서해결해야할법적 / 제도적장애가여전히존재하고있다. 계통그리드에서분산에너지자원의영향을제한하거나, 안전문제로인한단독운전방지등계통연계접속기준 / 가이드라인은마이크로그리드의독립운전과완전배치되는기능을담고있기도하다. 계통과마이크로그리드간통신, 보호 / 협조, 운영에대한역할과명확한제어임무에대한규칙이정해져야할것이다. 특히, 마이크로그리드를구성하는분산발전, 에너지저장장치, 부하등의개별적계통연계또는개별적운영이아니라, 하나의연계점에서계통연계또는가상발전소연계가필요하다. 무엇보다도중요한경제성확보측면에서기존의발전차 218. 8 119
전기에너지와 IoT 기술 1 액제도 (FIT) 와같은인센티브기반의분산전원비즈니스가아니라마이크로그리드비즈니스로만들어나갈수있는분산자원중개시장, 보조서비스시장등의시장제도의활성화가필요한상황이다. 3. 에너지 ICT 기반의마이크로그리드개발동향및사례가. 마이크로그리드기술과서비스마이크로그리드를포함해서에너지망에서의궁극적목표는안정성과경제성확보가될것이다. 마이크로그리드시스템은 MG망설계 / 구축이후에측정-취득-분석 / 결정-제어프로세스에따라마이크로그리드시스템이동작하게되며, 그림 1에마이크로그리드기술카테고리를간략하게표현하였다. 또표 1에는마이크로그리드서비스의종류와서비스정의에대해기술하였다. 경제성측면에서는구축비용, 발전단가등의경제성만너무따져볼것이아니라, 향후분산에너지환경기반의미래패러다임의변화에대한이견이많지않은상황에서기술적인측면이외에도상호운용성 / 표준, 제도개선등을포함하여, 상용화단계까지확대될수있는환경마련도필요하다. 나. 마이크로그리드플랫폼개발사례유틸리티 ( 한전 ) 의일방전력공급에서벗어나신재생 분산자원기반의마이크로그리드로의급격전환중이며, 특히新산업혁명 ( 초연결 / 초지능 ) 융합에너지 ICT 공공인프라망을구성하기위한에너지 ICT 기반기술개발이진행되어왔다. 분산형다중마이크로그리드에너지인프라망의구성과신뢰 지능형운영기술및新서비스창출의프레임워크마련과초연결인프라기반의에너지와정보의양방향 (In-out) 유통을통한수요관리, 중개시장연계서비스를통한경제성확보 서비스종류정의 Engineering & Design Service Software as a Service Monitoring & Control Service Operation & Maintenance Service 표 1 마이크로그리드구축시프로젝트개발자, 프로그램설계자, 설비관리자및기술개발자들에게고효율과지속가능한에너지시스템을구성하기위한엔지니어링및설계서비스 신재생 / 분산에너지자원의고도화된최적화및제어서비스를제공하기위한소프트웨어 마이크로그리드구축후에효율화제고필요성및시스템요구사항의변경등에따라자원의수급량및품질모니터링, 자원정지제어, 미래수급량예측서비스 마이크로그리드통합관제, 유지관리, 시장연동서비스 등이목적이다. 즉, 소비자도메인 ( 홈, 건물, 산업단지등 ) 중심의분산에너지그리드인프라확산에따른다양한시스템연결성제공 (Hyper-connectivity) 과실시간장치제어등기반기술확보의필요성이대두됨에따라그림 2와같은테스트베드를구축하고다음과같은기술개발이추진되어왔다. 분산자원연계형개방형 IoT 프레임워크 - 경량형 IoT 프로토콜 (Message Queueing Telemetry Transport : MQTT) 기반분산자원정보수집및제어기술 - Publish/Subscribe 메시징메커니즘기반개별 MG와통합 MG간메시징기술 - Utilization 제고를위한분산자원정보개방을위한 Open API 기술등 개별 / 다중마이크로그리드최적운영및 EMS 연동기술 - 경제성기반의다중 MG 최적운용기술 12
에너지 ICT 기반의마이크로그리드기술개발동향및사례 Inter-MG EMS MG1 Intra-MG EMS 공유 Intra-MG EMS MG2 EV Load (ETRI 12 동 6 층 ) PV ESS <MG1 특징 > 소비패턴 : 낮, 밤 WPG Load (ETRI 체육관 ) PV <MG2 특징 > 소비패턴 : 낮, 밤 잉여전력발생 [ 그림 2] 마이크로그리드테스트베드구조 - MG 분산자원최적운영스케쥴링및실시간분산자원제어기술 - 최적경제성을위한국내최고수준의 MG 운영스케쥴코디네이션알고리즘등 분산에너지자원정보수집 제어 스위칭 IED/ RTU 기술 - 마이크로그리드적용 IoT 기반분산자원 (ESS, PV) 실시간정보수집 / 제어기술 - IEC6185 기반표준에너지정보프로토콜기술의마이크로그리드환경적용 - 직류전력선통신 (Direct Current-Power Line Communication : DC-PLC) 기반의다수태양광모듈의전압 / 전류모니터링및발전효율관리기술 - 유무선통합네트워킹기술지원분산자원모니터링 제어 IED/RTU 기술등 스마트 MG 유무선네트워킹융합기술 - IEEE82.15.4g Sub-GHz 대역무선네트워크기술적용분산자원모니터링기술 - Sub-GHz 무선네트워크에차별화된 QoS 기능적용을통한 SQRA(Security, QoS, Reliability, Availability) 유무선네트워크구축기술 - 직류전력선통신유선네트워크기술및 Sub- GHz 무선네트워크기술융합태양광발전시스템적용기술등마이크로그리드기반기술중에서전력거래를통한최적경제성을확보하기위한에너지저장장치의최적제어에관한사례를그림 3과그림 4에나타내었다. 마이크로그리드계통과시간대별요금제하에서전력거래를수행하는데있어, 외부운영조건과같은제한사항이없을경우, 최적화된에너지저장장치운영스케줄은하루중전력단가가가장낮은시간대에충전하고, 높은시간대에방전하여시간대별요금제하에서의경제성확보가가능하도록제어하는사례이다. 또한피크제어, 수요응동, 넷제로운영등외부로부터운영조건제한이 218. 8 121
전기에너지와 IoT 기술 1 5 3.1 Unit Price ($/kwh) ESS (kw) 5.2.1 Iteration 1 Iteration 2 Iteration 4 Iteration 6 Grid Power Net Demand Unir Price 5 1 15 2 25 1 5 1 15 2 Power (kw) 2 1.8.6.4.2 Unit Price ($/kwh) [ 그림 3] 마이크로그리드최적운영에따른 ESS 스케쥴링 적용되었을경우, 해당운영조건을먼저만족하고최적운영진행하는것으로제어하는알고리즘을확보하였다. 즉외부운영조건을만족하는것을우선시하고, 추가적으로최적운영이가능할경우계통지불가격을낮추는방향으로에너지저장장치를제어하는방식이다. 부품등 ) 의신규매출을유도하고, 전방산업 ( 에너지솔루션산업, 에너지서비스산업등 ) 의비즈니스기회에대한획기적확대효과를가져오게될것이다. 마지막으로마이크로그리드분야에서예상될수있는몇가지서비스사업화모델을제시하면서본글을마치고자한다. 4. 결론에너지전환과믹스, 신재생에너지등분산전원확대와기존전력망연계에따른수용성제고등당면한에너지분야문제를극복하기위한기술적솔루션은마이크로그리드, 가상발전소, BtM 등의다양한형태의에너지망구성으로나타날것이다. 이러한분산에너지패러다임지원시스템은재화의공유등미래사회구조및시스템에의해결정되는에너지시스템에대한에너지 ICT 산업의새로운패러다임구축마련에중요한역할을담당하게될것이다. 마이크로그리드플랫폼기술은후방산업 ( 전력저장용전지, 전력변환장치용소재 / 빌딩 / 단지용지능형에너지서비스사업화모델 - 단지형통합관리수요관리모델적용, 단지수용가전력통합관리 - 에너지운용최적화, 단위수용가피크관리 에너지신산업및신규 Transactive Energy 서비스모델 - 사업자용통합관제 마켓운영 BM 창출형플랫폼제공 - 시장연계형 ( 수요관리시장, 중개거래시장 ) 에너지공유 거래서비스 - 가상발전소 (Virtual Power Plant : VPP), 분산자원클러스터링운영 제어연계서비스 122
에너지 ICT 기반의마이크로그리드기술개발동향및사례 Power (kw) 3 2 1 1.1.8.6 Unit Price ($/kwh) Grid Power Net Demand DR Request DR Real.4 Grid Power Peak Control Limit.2 Unit Price 5 1 15 2 1 5 1 15 2 Peak Control Demand Response Power (kw) [ 그림 4] 마이크로그리드외부운영조건을만족하는운영사례 3 2 1 3 2 1 1 Energy (kwh) 스마트시티 친환경에너지타운 제로에너지빌딩구축모델 - 단위수용가 ( 홈, 빌딩, 공장 ) 단위및도시규모 ( 스마트시티 ) 분산전력망구축 - 분산자원연계형수요공급최적화모델 그리드밸런싱기술적용 < 본고는산업통상자원부에너지기술개발사업의분산자원중개시스템개발 ( 과제번호 :216121231) 및태양광유지관리비용저감기술개발 ( 과제번호 : 217311361) 과제의결과물을반영한것임 > 원고를받습니다 월간계장기술이참신한원고를받습니다. 소장하고있는원고나, 평소에소개됐으면하는내용을기사로작성하여보내주시면감사하겠습니다. ( 특별기고기술정보연재산업동향 & 전망 / 자세한사항은본지참조 ) 원고게재분양및내용 FA 와 PA 분야의주요품목인 DCS, PLC, 센서, 유량계, 인버터, 컨트롤밸브, 필드버스 ( 산업통신망 ), 계측및계장기기, 중전기기및발전플랜트와이를활용한기술및 산업전망계측제어자동화설비 ( 플랜트 ) 분야의산업트렌드와시장전망 원고분량및발송 A4 지 4~1 매 ( 연재는편집부와협의 ) 이며, E-mail 로보내 시면됩니다. E-mail 이어려운원고와첨부자료 ( 카탈로그와 제품사진등 ) 는우편발송하시면됩니다. 보내실곳서울시영등포구당산로 2 길 12 ( 에이스테크노타워 78 호 ) 월간계장기술편집부 TEL : (2)2168-8897 / FAX : (2)6442-2168 E-mail : procon@procon.co.kr / lch1248@naver.com 원고마감 : 매월 15 일 218. 8 123