스마트그리드와스마트세대분전반 (Smart grid and Smart electronic home panel) 중앙제어( 주) 안기봉부사장 1. 서 한미정부의스마트그리드(Smart Grid, 지능형전력 망) 개발에대한양해각서체결추진및미국정부 의스마트그리드표준발표, 선진 8 개국(G8 에너지 장관희의) 확대정상회의의기후변화주요국회의 (MEF) 에서한국이스마트그리드분야의선도국가로 선정되었다. 2009. 7. 9 참가국들은기후변화에대응 하기위한 세상을바꾸는 7 대기술 을선정하고분 야별선도국가를지정했는데스마트그리드는이 기술의하나이다. 론 7대 세상을바꾸는 7 대기술 은스마트그리드( 한국), 에 너지효율( 일본), 태양광( 독일), 탄소포집기술(CCS : 호주), 첨단자동차, 바이오에너지( 브라질), 석탄가 스화복합발전(IGCC) 이다. 우리나라는국토가조밀하고초고속인터넷망이잘 갖춰져스마트그리드구축에강점을가졌다는것이 정부의판단이다. 이경우산업측면에선 68조원규 모의스마트그리드내수시장이형성되고, 연 50만명 규모의일자리가새로생길것이라는게정부설명이 다. 원자력발전소를덜지어도될뿐아니라온실가스 배출량을 4,100 만톤줄이는효과도기대된다. 특히스마트그리드를상용화할경우풍력, 태양광 등친환경전력구매시별도요금을부과하는녹색 요금제와, 전력품질에따라요금을차등부과하는 품질별요금제가도입될수있을전망이다. 2012년부 터는아파트와관공서주차장에전기차충전인프라 도본격구축된다. 태양광 풍력 바이오및연료전지등신재생에너 지기술의발전또한스마트그리드와깊은관련을 맺고있다. 이러한신재생에너지가기존전력망에연 계돼야비로소진가를발휘할수있으며그연계과 정에필수적으로필요한것이스마트그리드기술이다. 에너지효율향상및풍력, 태양광발전과같은신 재생에너지와전기자동차시대를대비하여관련인 프라구축이필요하다는점에서, 스마트그리드에대 한기술표준및시스템구축을위한각국정부의 정책적지원및투자가계속이어질것으로기대된다. 스마트그리드는현재의전력망에정보기술(IT) 을 접목해전력공급자와소비자가쌍방향으로실시간 전력이용정보를교환함으로써에너지효율을극대 화하는차세대첨단기술이다. 스마트그리드는원자 력, 수력및화력발전소등에서생산된전력이송전 망및배전망을거쳐소비자에게전달되는과정 (grid) 을보다똑똑하게만들자는것이다. 여기서 스 마트 하다는것은전력망의이용과관리의효율성을 획기적으로높인다는뜻으로 IT를이용해전력망을 구성하는각종기기들의고장을신속하게진단하고 처리할수있게함은물론이고, 심지어고장발생이 전에도그징후를예측해고장을사전에방지할수 있게한다. 스마트그리드와연계하여가정내스마트 세대분전반을설치하면시스템이알아서전기요금 이싼심야에자동운전토록하고기존홈네트워크 시스템과연동하여다양한기능을수행할수있다. 1.1 스마트그리드의개념 스마트그리드(Smart Grid, 지능형전력망) 란우리 말로 지능형전력망 이다. 간단하게말하면전력망에 정보기술을접목해전력공급자와소비자가양방향 전력사용시스템을구축하는것을기본개념으로 하며그림 1 과같이나타낼수있다. 세부적인정의를보면스마트그리드란전력산업과 IT 기술을결합하여안정적이고고효율의지능화된 전력망을구축하는것이다. 즉, 발전 송 배전 판매 로이어지는단방향의기존전력망비즈니스구조에 정보통신기술(ICT) 를접목, 공급자와소비자간에 양방향으로실시간정보를교환함으로써에너지효 율을최적화한지능형전력망을말한다. - 1 -
의에너지절약을유도하여에너지절감도할수있 을것으로예상된다. 2. 본 론 그림 1. 스마트그리드기본개념도 기존전력망은발전소에서고객에게까지전기가 흘러오는단방향이다. 그러나대관령풍력단지, 새만 금풍력단지및제주도태양광발전단지등민간 이개발한다양한발전설비에서생산한전기를이용 하려면이를기존전력망에연결시켜야한다. 전기가 쌍방향으로흐를수있도록새로운전력망시스템을 구축하고이를유지 관리할수있는스마트기술이 필요한것이다. 그예로스마트그리드는이동통신망을이용하는 CDMA 무선모뎀단말기가장착된원격검침기를설 치해운영하는구조이다. 이원격검침기는임의로정 해진 15분단위로전력사용량을전력관리서버에 전송함으로써전력자원을효율적으로배분할수있 다. 이렇게되면공급자위주의기존단방향전력공 급은공급자와소비자간양방향으로전환되면서, 비 용절감및업무효율성증대, 시간및지역별전기 사용량증감에따른전력배분의효율화가가능해진다. 이처럼스마트그리드와스마트세대분전반의시스 템연계로전력서비스의안정성이확보되고, 에너지 효율향상이예상된다. 현재전력소비는시간대와 계절에따라편차가크기때문에구조적으로비효율 이발생할수밖에없다. 즉, 현재의전력시스템하 에서는오전시간대보다는오후시간대가, 계절적으 로는여름의전력소비량이높아이때가동되는예 비발전설비의전력생산비용이커져발전설비 비용의 2.7배에달하는등발전설비의효율이낮은 상황이다. 가정내스마트세대분전반과연계된스 마트그리드인프라가구축될경우전력수급상황에 따라전기요금을차등적용하여전기요금이낮은 시간대로사용자들의전력수요를분산시킬수있 어에너지효율을높일수있고이를통해사용자들 1) 2.1 스마트그리드산업과스마트세대분전반이 가지는의미 전력서비스의안정성확보 전력서비스의안정성이확보된다. 미국전력인프라 는건설된지 60 년이넘었다. 게다가진력민영화이 후로는송 배전설비투자도부족했다는게공통된 지적이다. 2001년캘리포니아지역대규모정전사태 나 60억달러의피해가집계된 2003년 8월중동부지 역정전사태등이이로인한대표적사고다. EU도 2006 년발표한 스마트그리드비전과전력 보고서에 서 ( 전력설비가) 대체로 40년을초과해대규모교체 가필요하다 고밝혔다. 2) 에너지효율향상 현재의발전설비는시간대와계절에따라편차가 크기때문에구조적으로비효율이발생할수밖에없 다. 즉, 현재의전력시스템하에서는오전시간대 보다는오후시간대가, 계절적으로는여름의전력소 비량이높아이때가동되는예비발전설비의전력 생산비용이기저발전설비비용의 2.7배에달하는 등발전설비효율이낮은상황이다. 그림 2에스마트 세대분전반의적용전후의전력소비량을나타내었다. 스마트그리드인프라가구축될경우전력수급상 황에따라전기요금을차등적용하여전기요금이 낮은시간대로사용자들이전력수요를분산시킬수 있어에너지효율을높일수있을것으로예상된다. 그림 2. 스마트세대분전반적용후에너지효율향상 - 2 -
또한이를통해사용자들의에너지절약을유도할 수있고, 관련업계는신규발전건설비지출감소 효과등을통해연간 1조 8천억원의전기요금및 1 조원의설비투자비용을절감할수있을것으로 추산하고있다. 3) 신재생에너지활용 풍력과태양광발전과같은신재생에너지의경우 이산화탄소의배출이없고친환경적이라는강점을 지니고있는반면, 풍량과일조량에따라전력생산 이불규칙하다는한계를지니고있다. 스마트그리드 시스템도입시이런신재생에너지의한계를보완 할수있게된다. 예를들어전력변환장치를통해신 재생에너지발전소의불안정한전력공급을안정적 인전기에너지로변환시켜줄수있고, 풍량과일조량 에따라신재생에너지와기존화력발전소공급량 을자동적으로조정할수있어스마트그리드는신재 생에너지의효율성을극대화할수있게만들어준 다. 즉, 각국정부가신재생에너지를신성장동력으 로육성하고신재생에너지의이용비율을지속적으 로늘려갈계획을세우고있다는점에서신재생에 너지활용을극대화할수있는스마트그리드구축에 대한정책및지원도계속이어질것으로기대된다. 신재생에너지확산은대형발전소, 원전외다수소 규모발전설비위주의분산발전체계를구축한다는 의미다. 자연력에의존하는태양광 풍력등은발전량 변동폭이크기때문에전력망이사방팔방에서들어 오고변동하는전기량을지능적으로처리해야한다. 현재는분산발전원이많아지면전력공급안정성이 떨어진다. 유럽스마트그리드가특히환경보전과에 너지안정공급에초점을맞췄다. 무엇보다 전기 사용 을원천적으로줄일수있다. 스마트그리드는전체 전기사용량을실시간으로추적, 모니터링하고관리 할수있다. 현재전력망은이런게불가능해최대 사용량( 피크) 을높게예상하며, 국내스마트그리드 구성요소에대해그림 3 에나타내었다. 4) 그림 3. 차세대신성장산업 국내스마트그리드구성요소 국제에너지기구(IEA) 는 2030년까지스마트그리드 관련글로벌시장규모는 2조9천억달러에이를것 으로예상하고있고, 한전KDN은 2010년 1,340억에 서 2030년 8,700억달러로스마트그리드시장이급성 장할것으로보고있다. 이처럼스마트그리드산업이 가지고있는높은성장성과전력, 건설, 자동차, 에너 지산업등에폭넓게적용되는산업적파급력은정 부가스마트그리드사업을차세대신성장사업으로육 성해야할당위성을표 2.2 표 1. 1 에서뒷받침하고있다. 현재의전력망과스마트그리드 비교항목 현재전력망 스마트그리드 전원공급방식 중앙전원 분산전원 구조 방사형구조 네트워크구조 통신방식 단방향통신 양방향통신 기술기반 아날로그/ 전자기계적 디지털 설비점검 수동설비점검 원격설비점검 사고시복구 수동복구 반자동복구및자기치유 가격정보 제한적인가격정보 모든가격정보열람가능 제어시스템 지역적어시스템 광범한제어시스템 고객의선택 고객이제한적선택 고객이다양한선택 스마트세대분전반개요 전력공급자와소비자간쌍방향데이터교류를가 능케해에너지효율을극대화할수있는차세대 전력망인스마트그리드시스템과연계하여가정에 전력사용량과요금정보를보여주고전력사용을 자동으로최적화해주는스마트세대분전반을설치 하면시스템이알아서세탁기, 식기건조기등가전 - 3 -
제품을전기요금이싼심야에자동운전토록할수 있으며기존홈네트워크시스템기능과연동하여 일괄소등및대기전력차단기능까지동시에구현 할수있다. 기존의주택용분전반이단순히과전류, 누전차단등일부기능만을갖추고있는것에비해 본스마트세대분전반은전류, 전압, 전력, 역률등의 전기정보를포함하여사용전력량을계측하여금액 으로환산, 표시함으로써사용자가스스로전기에너 지낭비를줄일수있다. TV, 홈씨어터, 세탁기및 주방가전기기등의사용전력량표시및불필요한 에너지의소비를막고, 대기전력차단기능이있다. 외출시전등및가스 ( 가스제어기와연동) 등을자 동으로차단하여전기낭비및가스누출안전사고, 화재를예방할수있는홈네트워크기능을가지고있다. 2.3 스마트세대분전반특징 (1) 홈세대기와연동하여 Networking 기능 (2) (3) (4) (5) (6) 각회로별네트워크스위치및개별통신기능 외출시간편한일괄소등기능 모든에대한대기전력차단기능 에대한스케줄제어기능 전자식보호계전기능으로순시보호기능 (7) 회로별전력사용량집계하여일별, 월별, 연간 2.4 Data 저장및표시기능으로전기요금절감 스마트세대분전반기능 (1) 주파수변동에따라가전기기를차단, 전력수 (2) (3) (4) (5) (6) 요가적은시간대에는자동으로전력을저장 피크시간대에전기료절감위한수요관리 스마트그리드원격검침기를통해서양방향 정보통신시스템 분산형에너지관리시스템 분산전원설비 전기에너지저장설비 (7) 감시모니터링/ 진단설비 (8) (9) (10) 전력용반도체및친환경전력설비 자체소비전력최소화 회로별사용전력량표시로냉장고등에사용 되어지는전력량확인및에너지절감 (11) 전체사용전력량을시간대별, 날짜별, 회로별 분석기능및스케줄제어와패턴제어가능 (12) 홈세대기 (Wall-pad) 와연동, 각종기능구 현 (RS-485 통신) (13) 각전등, 개별회로단위의제어및 통신기능으로전등일괄소등, 대기전력차단 기(Wall Pad 와시나리오구성제어기능) (14) 대기전력차단의스케줄제어기능 : 홈세대기 2.5 (Wall Pad) 상에서일간, 주간스케줄입력이 가능하므로시간대별, 대기전력차단및 * 투입기능을통한에너지절감. 자녀방컴퓨터대기전력차단 - 학교등/ 하교 (AM 6:00 PM 2:00) - 취침 & 심야시간 (PM 10:00 AM 6:00) : 자녀의컴퓨터사용시간외의제어 로대기전력차단가능 - 방학, 여행등자녀의스케줄에따라시간 대별, 일별, 주간별로스케줄입력가능 * 거실, 각방 TV 대기전력차단 - 취침시간대 (PM 12:00 AM 6:00) : TV 차단으로대기전력차단 스마트세대분전반제품테크니컬콘셉트 (1) 편리성 : 실시간으로전력사용량을스마트 미터차단기혹은 Wall Pad로확 인, Wall Pad 연동으로감시, 제어, 분석가능 (2) 효율성 : 스마트미터차단기사용으로전력안정 화최첨단전력반도체를이용하여제 품의효율극대화소비전력의절감, 전 력품질향상으로신뢰도가높고경제적 (3) 실용성 : 일괄소등, 대기전력차단, 대기전력 스케줄제어월별, 일별전력사용량 확인및금액환산, 누진경고로에 너지절감 (4) 안전성 : 전자식보호계전기능(OCR, OCGR) 으로순시보호기능을갖추어과 전류, 누전에대한회로보호, 감전 및위험으로부터안전하게보호 - 4 -
2.6 스마트세대분전반구성 그림 4. 스마트세대분전반콘셉트 스마트세대분전반의콘셉트와구성은그림 4와 같으며내용은아래와같다. 회로구성 : Module 단위 ( 전등, ) 4회로 분기회로의전력사용량실시간전송및표시 창에표시기능내장 에어컨통신연동제어 ( 전용 Module 설치) 네트워크스위치와통신, 연동기능 일괄소등및회로통신연동제어 대기전력스케줄제어 월별전력사용량누적데이터전송 2.7 스마트세대분전반 Load Schedule 스마트세대분전반의로컬에대한것은그림 나타냈으며, 내용은아래와같다. - Module #1 ➀ ➁ ➂ ➃ 전등 전등 1 : 2 : 전등 연동 1 : 홈네트워크스위치전용회로 5에 홈네트워크스위치를제외한일반 전등 ( 화장실, 창고등) 1, 2는홈네트워크일괄소등스위치와 주방일반 2 : 세탁기/ 식기건조기 그림 - Module #2 ➀ ➁ 3 : 5. 스마트세대분전반로컬 거실일반 4 : 안방및각 Room ➂ 5 : 화장실전용 ➃ ( 감도전류 15mA) 1,2,3,4,5는심야시간 Time schedule 기능으로회로별대기전원자동차단및 자동복귀 6 : - Module #3 ➀ ➁ 에어컨전용 3 상용및단상 냉장고전용 에어컨( 실내, 실외기) 전원자동차단및 에어컨제어모듈기능내장 2.8 Wall-Pad 연동감시/ 제어구성화면 Wall-Pad 연동감시 제어화면구성은그림 5에 나타내었으며, 내용설명은아래와같다. Wall-Pad 를통해각종전력사용량, 전력차단 기, 상태감시, 전력통계, 사용량등편리하게관리 - 5 -
모든에대해사용자가편리하게스케줄 설정가능 그림 6. 감시 화면구성 2.9 기대효과 스마트세대분전반구현시사회적효과로는시간 대별차등요금제를적용하여전력수요를분산시킬 수있고, 이를통해발전설비의이용효율을높일 수있으며, 전력공급이불규칙한약점을가지고있 는신재생에너지의확산을조장하며, 심야전력의 활용도를높여전기차의보급을촉진할수있다. 스 마트그리드와스마트세대분전반구축이완료되면, 전력수급상황에따라실시간차등화된전기요금적 용이가능해져, 전력수요를분산할수있다. 예를들 어전기요금이낮은야간에전기자동차를충전하였 다가주간에운행하거나혹은남은전기를요금이 비싼시간대에되팔수도있게된다. 결과적으로전 력소비의피크관리가용이해져최대원전 7기에해 당하는발전설비의수요도줄어들게된다. 이로인 해국가에너지소비의 3%, 연간 100억달러를절감 할수있을것으로예상된다. 또한이산화탄소배출 량도 7% 절감이기대된다. 아울러지능화된전력망을통해불량및고장요인을 사전에제어할수있어전력품질을획기적으로향 상시킨다는것도큰강점이다. 3. 결 론 지난 2008년에그린에너지산업발전전략의과제로 스마트그리드를선정하고, 관련기술상용화와이를 위한법ㆍ제도적기반마련을위해 `지능형전력망 구축위원회' 를신설했다. - 6 -
정부는스마트그리드를통해전력사용량의 6%(1 조8,000 억원), 전기품질저하에따른비용 5,000억 원, 신규전력발전투자비 1 조원, 송배전손실 200 억원등연간 을것으로기대하고있다. 3조원이상의비용을절감할수있 한국의스마트그리드기술력은첨단 ICT기술과인 프라덕에세계적으로매우앞서있다는평을받고 있다. 우리는지난 2000 년부터공장, 빌딩등에서사 용하는 100kW 이상의고압전력계량기 15만 3,000 여개에 AMR을설치한초기단계의스마트그리드 를구축해운영하고있다. 한편지난 2월 16 일 세계 최초국가단위의지능형전력망구축비전 을발표하 고, 이어 3월 31 일 지능형전력망로드맵수립추진 위원회 를구성하는등스마트그리드를미래성장동 력으로육성하겠다고공식적으로밝히고있다. 2009 년스마트그리드로드맵확정및시범단지선정을 시작으로 2010 년지능형전력망촉진법제정, 2011년 시범도시선정등을거쳐 2030년까지국가단위의 스마트그리드구축완료를목표로하고있다. * 자료 스마트그리드구축계획 (1) 2010 년 : 그리드실증단지운영 ( 제주도) 실증및스마트세대분전반단계별 보급, 지능형전력망촉진법 ( 가칭) 제정 (2) 2011 년 : 시범도시를지정 운영하며대규모 보급을개시 (AMI 보급개시) (3) 2012 년 : 기술모듈화및시범도시구축완료 (4) 2020 년 : 전력소비측면지능화 (5) 2030 년 : 전체전력망을스마트화완료 : 매일경제, 2009.4.21 국내스마트그리드로드맵 스마트그리드를중심으로스마트세대분전반및전 후방연관기술과다양한응용가능성이열려있어 산업의발전여지가그만큼큰셈이다. 국제에너지 기구(IEA) 는 2030년까지스마일그리드관련시장 규모가최소 3 조달러에이를것으로전망했다. 스마 트그리드는녹색성장의인프라로불릴만큼관련 산업에대한파급효과가커한국의차세대성장동 력으로기대된다. 우리나라는 2030년까지세계최초 로국가단위의스마트그리드를구축하겠다는목표 를추진중이다. 우리나라는초고속인터넷망을보유 하고있고, 국토면적이작으며, 단일송배전사업자 체계여서스마트그리드구현에유리하다. 정부가주 도적으로 AMI(Advanced Metering Infrastructure : 첨단 검침인프라) 구축을추진하면서국내시장이형성 되었고, 조기사업활성화가예상된다. 구체적일정 을보면, 올해는아파트 8,000호를대상으로전력효 율화를위한스마트세대분전반( 스마트계량시스 템) 을보급시범사업을실시하고, 2011년에시범도 시선정을통해 AMI 보급을시작하여, 2020년까지 소비자측지능화 AMI 구축을완료할계획이다. 그 리하여새로개발된스마트세대분전반은기존세대 분전반시장과홈네트워크시장에새로운변화를 예고하고있다. - 7 -
[ 참고문헌] [1] 문화체육관광부홍보지원국 (http://korea.kr/newsweb/pages/brief/categorynews) (2) 삼성경제연구소 (http://seri.org) (3) LG 경제연구소 (http://lgeri.com) (4) 중앙제어( 주) 기술자료 (5) Laudon, Matthew (EDT), Laird, Daniel L. (EDT), Rom Clean Technology 2008 Taylor & Francis, 2008년 05월 著者紹介 안기봉 ( 安基鳳 ) 1956년 4월 1 일생. 1981. 2. 28. 한양대학교전기과졸업. 현재중앙제어( 주) 부사장, 나라컨트롤( 주) 상무 5 년, ( 주) 대우건설전기부장 5 년외. 품질관리기사 1 급, 공업계측제어기술사. 현재빌딩자동제어, 홈네트워크시스템및신규아이템 ( 스마트세대분전반, 누수감지, LED 디밍관련) 총괄영업및관리 출처 : 중앙제어( 주) - 8 -