KR101522858B1 - 건물의 최대 수요전력 제어 기능을 갖는 에너지관리시스템 및 그 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수요전력이 최대 수요 전력을 초과할 것으로 예상될 경우에 방전하여 계통전원의 수급전력을 줄이고 수요전력이 적을 경우에 충전하도록 한 건물의 최대 수요전력 제어 기능을 갖는 에너지관리시스템 및 그 제어방법에 관한 것으로서, PCS를 제어하여 건물의 최대 수요전력 제어기능을 갖는 에너지관리시스템에 있어서, 건물의 수요전력을 계측하는 수요전력 계측부와, 상기 수요전력 계측부에서 계측된 수요전력에 따라 수요시간 종료시점에서 수요전력을 예측하는 수요전력 예측부와, 상기 건물의 매 수요시간에 대하여 계측된 수요전력을 저장하고 일, 월, 년 단위의 최대 수요전력을 저장하는 목표전력 관리부와, 상기 수요전력 예측부에서 예측된 수요전력과 목표전력 관리부의 최대 수요전력에 따라 상기 수용가 또는 건물의 수요전력이 최대 수요전력을 초과하지 않도록 제어하는 제어부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

건물의 최대 수요전력 제어 기능을 갖는 에너지관리시스템 및 그 제어방법{Energy management system having maximum power saving control and method thereof}

본 발명은 에너지관리시스템(EMS: Energy Management System)에 관한 것으로서, 특히 수요전력이 최대 수요전력을 초과할 것으로 예상될 경우에 방전하여 계통전원의 수급전력을 줄이고 수요전력이 적을 경우에 충전하도록 한 건물의 최대 수요전력 제어 기능을 갖는 에너지관리시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.

일반적으로 에너지저장 시스템용 전력변환장치(이하, PCS(Power Conditing System)라고 칭한다)는 배터리로부터 저장된 직류전력을 교류로 변환하여 전력계통에 전력을 공급하거나 직접 교류부하에 전력을 공급하는 기능과 전력계통으로부터 교류전력을 직류로 변환하여 배터리에 전력을 저장하는 기능이 모두 가능한 장치이다.

상기 PCS는 EMS로부터 지령을 받아 전력수요의 급증에 대한 수요 변동폭 증가와 신재생에너지 확대에 따른 계통 전력 품질 저하 문제에 대비하기 위한 해결방안으로 발전단과 송배전단의 안정성 및 효율성이 높아져 고품질 전력 사용과 수요 분산으로 인한 소비자와 발전원의 비용절감이 가능하고, 순간전압 저하 및 정전이 방지되어 사용자의 비용부담이 절감되는 효과가 있다.

급격한 전력수요 증가와 태양광, 풍력 등의 신재생 에너지원이 주변 변전소에 연계됨으로 인하여 출력변동이 심한 저 품질 발전 출력의 전력품질 개선이 절실히 요구된다. 그리고 변전소에 연계되는 다양한 분산형 전원이 접속점에서의 품질요건을 충족하더라도, 유효전력과 무효출력으로 인한 계통 전체의 전압과 품질의 변동을 초래할 수 있으므로, 계통 전체를 관리하는 입장에서는 변전소에 연계된 분산형 전원의 상태를 감시, 제어할 필요가 있다.

이러한 문제에 2차 전지를 활용한 PCS로 저장된 에너지를 사용하여 안정된 전원을 공급하고 잉여전력은 저장함으로써 에너지의 효율적 이용을 가능하게 하며 부하평준화는 물론 첨두부하 저감효과 등을 기대할 수 있다. 또한, 순동 예비전력 확보, 전압 및 주파수제어 등의 효과를 얻을 수 있다.

상기 PCS는 계통과 2차 전지 사이에서 직류 전원과 교류 전원의 양방향 전력 제어를 수행해야 하며, 전력계통의 신뢰도 향상, 전력 수요 피크 시 저장된 에너지를 빠르게 공급할 수 있는 등의 기능을 가지게 된다.

이러한 PCS는 발전소, 공장, 빌딩 등의 시설물에서 주로 사용되고 있으며, 정상작동의 유무를 점검하기 위해 다수의 시험 장치가 사용된다. 일반적인 인버터 시험 장치는 인버터의 즉각적인 시험이 가능하도록 각종 제어기기 및 접속단자, 전원 공급부 등이 구비되어 있다.

한편, 국내 전기요금은 사용시간대에 따라 가격이 다르며, 최대 수요전력에 따라 기본요금이 결정된다. 전기요금은 다음과 같은 산출식에 의해 구해진다.

전기요금 = 기본요금×기준전력 + 경부하대 사용량×경부하 단가 + 중간부하대 사용량×중간부하 단가 + 최대부하대 사용량×최대부하 단가

여기서, 상기 기본요금, 경부하 단가, 중간부하 단가, 최대부하 단가는 요금제마다 다르다.

기준전력은 당월 포함하여 직전 12개월의 7, 8, 9월 중 최대 수요전력 값을 사용하여 계산한다. 한전과 계약한 전력의 30%이하일 경우에 기준전력은 계약전력의 30%가 되며, 최대 수요전력이 계약전력을 초과하는 경우는 초과전력에 대한 추가비용을 부담해야 하는데, 이때 추가비용에 대한 기본요금은 초과회수에 따라 150%, 200%, 250%로 산정하여 지불해야 한다.

수요전력은 수요시한 동안 사용하는 평균전력으로서 국내에서는 수요시한으로 15분을 사용하고 있으며, 각 수용가에 대하여 매시간 4개의 수요전력 데이터, 하루에 4×24=96개의 수요전력 데이터가 계측되며, 임의 기간 동안의 최대 수요전력은 이들 수요전력의 최대 값을 의미한다.

전기요금은 동일한 전력을 사용하더라도 어느 시간대에 사용하는지에 따라 차이가 발생하며, 최대 수요전력에 따라 가격이 달라지게 된다.

수용가에서 최대 전기요금을 절약하기 위해서는 최대 수요전력이 이전달의 값보다 올라가지 않도록 해야하며, 무엇보다도 계약전력이 초과되지 않도록 관리를 해야한다.

기존에는 수용가에서 계약전력을 초과하지 않도록 하기 위하여 최대 수요전력 관리장치는 부하를 차단하는 방식을 사용했다. 수요전력이 최대 수요전력 또는 목표 값을 초과할 것으로 예측되면 사용하고 있는 부하를 차단하는데, 실질적으로 수용가에서 차단할 수 있는 것은 냉난방 기기 등으로 제한되어 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로 수요전력이 최대 수요 전력을 초과할 것으로 예상될 경우에 방전하여 계통전원의 수급전력을 줄이고 수요전력이 적을 경우에 충전하도록 한 건물의 최대 수요전력 제어 기능을 갖는 에너지관리시스템 및 그 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 건물의 최대 수요전력 제어 기능을 갖는 에너지관리시스템은 PCS를 제어하여 건물의 최대 수요전력 제어기능을 갖는 에너지관리시스템에 있어서, 건물의 수요전력을 계측하는 수요전력 계측부와, 상기 수요전력 계측부에서 계측된 수요전력에 따라 수요시간 종료시점에서 수요전력을 예측하는 수요전력 예측부와, 상기 건물의 매 수요시간에 대하여 계측된 수요전력을 저장하고 일, 월, 년 단위의 최대 수요전력을 저장하는 목표전력 관리부와, 상기 수요전력 예측부에서 예측된 수요전력과 목표전력 관리부의 최대 수요전력에 따라 상기 수용가 또는 건물의 수요전력이 최대 수요전력을 초과하지 않도록 제어하는 제어부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 의한 건물의 최대 수요전력 제어 기능을 갖는 에너지관리시스템의 제어방법은 PCS를 제어하여 건물의 최대 수요전력 제어기능을 갖는 에너지관리시스템의 제어방법에 있어서, 건물의 수요전력을 계측하는 단계; 상기 계측된 수요전력에 따라 수요시간 종료시점에서 수요전력을 예측하는 단계; 상기 건물의 매 수요시간에 대하여 계측된 수요전력을 저장하고 일, 월, 년 단위의 최대 수요전력을 저장하여 목표전력을 관리하는 단계; 상기 예측된 수요전력과 최대 수요전력에 따라 상기 건물의 수요전력이 최대 수요전력을 초과하지 않도록 제어하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 건물의 최대 수요전력 제어 기능을 갖는 에너지관리시스템 및 그 제어방법은 다음과 같은 효과가 있다.

즉, 수요전력이 최대수요 전력을 초과할 것으로 예상될 경우에 방전하여 계통전원의 수급전력을 줄이고 수요전력이 적을 경우에 충전할 수 있도록 함으로써 수용가의 전기 요금을 줄일 수가 있다.

도 1은 본 발명에 의한 건물의 최대 수요전력 제어 기능을 갖는 에너지관리시스템을 개략적으로 나타낸 구성도
도 2는 도 1의 목표전력과 예측전력과의 관계를 그래프로 나타낸 도면

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명하기로 한다. 첨부된 도면들에서 구성에 표기된 도면번호는 다른 도면에서도 동일한 구성을 표기할 때에 가능한 한 동일한 도면번호를 사용하고 있음에 유의해야 한다.

또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지의 기능 또는 공지의 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고 도면에 제시된 어떤 특징들은 설명의 용이함을 위해 확대 또는 축소 또는 단순화된 것이고, 도면 및 그 구성요소들이 반드시 적절한 비율로 도시되어 있지는 않다. 그러나 당업자라면 이러한 상세 사항들을 쉽게 이해할 것이다.

도 1은 본 발명에 의한 건물의 최대 수요전력 제어 기능을 갖는 에너지관리시스템을 개략적으로 나타낸 구성도이다.

본 발명에 의한 건물의 최대 수요전력 제어 기능을 갖는 에너지관리시스템(100)은 PCS(200)를 제어하기 위해 도 1에 도시된 바와 같이, 수용가 또는 건물의 수요전력을 계측하는 수요전력 계측부(110)와, 상기 수요전력 계측부(110)에서 계측된 수요전력에 따라 수요시간 종료시점에서 수요전력을 예측하는 수요전력 예측부(120)와, 상기 수용가 또는 건물의 매 수요시간에 대하여 계측된 수요전력을 저장하고 일, 월, 년 단위의 최대 수요전력을 저장하는 목표전력 관리부(130)와, 상기 수요전력 예측부(120)에서 예측된 수요전력과 목표전력 관리부(130)의 최대 수요전력에 따라 상기 수용가 또는 건물의 수요전력이 최대 수요전력을 초과하지 않도록 제어하는 제어부(140)를 포함하여 구성되어 있다.

여기서, 상기 수용가 또는 건물에 필요한 전력을 공급할 때 한전 전력량계는 전력량 펄스와 수요시한 펄스를 제공한다. 상기 수요시한 펄스는 일정 수요시간 간격으로 펄스가 출력된다. 매시간의 0분 0초, 15분 0초, 30분 0초, 45분 0초 시각에 펄스가 출력되며, 이 펄스에 동기화하여 15분 간격으로 상기 수용가 또는 건물의 수요전력을 계측한다.

상기 전력량 펄스는 전력량에 비례하여 펄스가 출력되며, 수요시한내에 펄스의 수를 카운트하면 수요시한 동안 수용가 또는 건물에서 사용한 전력량을 계측하고 다음의 수학식 1에 의하여 수요전력을 계측한다.

또는, 수배전반에 자체적으로 설치된 계측기로부터 통신을 통해 계측 값을 읽어오거나 자체적으로 전력 계측기를 이용하여 수요전력을 계측할 수 있다.

상기 사용가 또는 건물의 수요전력은 수요시한 동안 사용된 평균전력이며, 전력 값의 평균을 구하는 것보다 전력량을 이용하는 방법이 정확하기 때문에 상기와 같은 방법을 사용한다.

상기 계측기에는 적산전력량 항목이 있으며 수요시한 전력량을 계측하기 위하여 매 수요시한 시작시각 즉, 0분 0초, 15분 0초, 30분 0초, 45분 0초의 수요시한 시작시점에서 적산전력량을 저장하고, 이 값을 수학식 2에 적용하여 수요전력량을 계산하며, 수학식 1에 의하여 수요전력을 계측할 수 있다.

상기 목표전력 관리부(130)의 최대 수요전력은 수요제어를 하기 위한 기준 값으로 사용된다.

상기 수요 예측부(120)는 수요시간 종료시점에서 수요전력을 예측하는 부분으로서, 수요시한 시작시점부터 임의의 수요시한 시점까지 계측된 데이터를 이용하여 수요시한 종료시점에서의 수요전력을 예측한다. 이를 예측전력이라 표현하고 예측 전력이 최대 수요전력을 초과하지 않도록 제어를 수행한다.

수요전력은 수요모델 기반 예측방법을 사용하는데, 1분 간격으로 모델을 학습하고 학습된 모델을 이용하여 수요전력을 예측한다. 이때 상기 모델 학습을 위해 1분 간격 즉 60초 간격으로 수요전력량 데이터를 저장하고 이 데이터를 이용하여 모델 학습한다.

도 2는 도 1의 목표전력과 예측전력과의 관계를 그래프로 나타낸 도면이다.

상기 예측모델은 수학식 3처럼 시간에 대한 3차 방정식으로 정의한다.

상기 수학식 3에서 Q(t)는 수요시한 0~900초 사이에서 임의의 시간 t에 대하여 예측 값을 출력하는 모델이며, a₀, a₁, a₂, a₃의 계수는 1분 간격으로 저장된 데이터를 이용하여 1분 간격으로 갱신된다.

위의 계수는 수학식 4처럼 최소 자승법을 이용하여 계산된다.

여기서, A는 [a₀, a₁, a₂, a₃]로 정의되는 모델의 계수 값이며, X와 P는 각각 입력행렬과 출력행렬로서 다음처럼 정의된다. k는 60초 간격으로 증가하는 값으로 수학식 4의 수행은 매 수요구간에서 3분이 지난 후 1분 데이터 3개의 생성된 후 매분마다 실행되는데 이때 데이터는 계속 증가된다. 예를 들어 4분 시점에서 K=60×4=240이 되며, X는 4행 4열의 행렬이 되며, 10분시점에서 K는 600이 되고, X는 10행 4열의 행렬이 된다.

즉,

,

매분 간격으로 수요예측 모델이 학습 모델에 의해 생성되며 임의의 시점에서 수학식 3을 이용하여 예측값을 계산한다.

상기 제어부(140)는 수요전력에 최대 수요 값을 초과하지 않도록 제어하는 기능을 하며, PCS의 충전, 방전, 대비 모드를 결정하고 모드를 변환하는 모드 제어부(141)와 충방전량을 제어하는 충방전 제어부(142)를 갖는다.

일반적으로 PCS는 심야시간에 충전하여 낮 시간대에 방전하거나, 태양광과 병행하여 태양광 발전전력을 충전하여 전력시간대에 사용하기도 한다. 본 발명에서는 수요전력을 관리하는 용도로써 수요시한 동안 충전과 방전이 변경된다. 수요시간의 초반시간대에는 충전하는 모드로 사용하며, 후반시간대에는 방전하는 모드로 사용한다.

수요시간간격 900초이며, 시요시간(EOI)은 0~900초 사이로 반복적으로 증가한다. 기준시간(EOI_REF)을 설정하여 EOI < EOI_REF 이면 충전모드로, 그리고EOI >= EOI_REF 이면 방전모드로 동작한다. EOI_REF는 수용가의 전력사용에 따라 적절하게 설정되하는데, 충전시에는 적은 전력량을 긴 시간동안 충전하고, 방전시에는 짧은 시간동안 많은 전력량을 방전할 수 있도록 방전시간이 충전시간보다 적도록 설정한다.

또한, 방전을 해야하는 시점에서 배터리(Battery)가 충분한 여유가 되도록 하기 위해서 충전시간을 방전시간보다 길게 즉 EOI_REF를 450 이상으로 설정한다.

충방전 제어부에서는 충전과 방전모드에서 충전량을 제어하는 기능으로써 PI제어 알고리즘에 의하여 제어된다.

속도형 디지털 PI 제어기는 수학식 6 처럼 차분 방정식으로 표현할 수 있다.

속도형 PI 제어기의 출력 값은 이전 출력 값에 변경량을 더하는 형태로 이전출력 값을 적용하기 때문에 제어출력이 급격하게 변하는 것을 억제하는 효과가 있다. 수학식 6에서 c(k)는 제어기 출력 값으로써 충방전 전류 값이다. c(k-1)는 이전에 출력했던 제어기 출력 값을 의미한다.

또한, e(k)는 예측전력(Q(t)와 목표전력(T)의 차로써 방전모드, 충전모드에서 각각 수학식 7, 8처럼 정의된다.

e(k-1)는 이전의 오차이며, Kp는 비례이득, Ki는 적분이득, T는 제어주기(초)이다. Kp와 Ki는 시스템의 용량과 특성에 따라 적절하게 조정되어야하는 값이며 경험적인 방법이나, 최적화알고리즘을 적용하여 결정할 수 있다.

PI알고리즘에 의하여 예측 값과 목표 값의 차의 크기에 따라 량이 결정되는데 방전모드 경우 수학식 7에서 예측 값이 목표 값보다 크게 될 것으로 예측되면 방전량을 증가시키게 된다.

반대로 충전모드에서는 목표 값이 예측 값보다 클수록 충전량이 증가하게 되며 충전모드일 지라도 예측 값이 목표 값을 초과할 경우 충전량은 0이 된다.

한편, 이상에서와 같이, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고 다른 구체적인 형태로 실시할 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것이다.

100 : EMS 110 : 수요전력 계측부
120 : 수요전력 예측부 130 : 목표전력 관리부
140 : 제어부 200 : PCS

Claims (13)

1. PCS를 제어하여 건물의 최대 수요전력 제어기능을 갖는 에너지관리시스템에 있어서,
   건물의 수요전력을 계측하는 수요전력 계측부와,
   상기 수요전력 계측부에서 계측된 수요전력에 따라 수요시간 종료시점에서 수요모델 기반 예측방법을 사용하여 1분 간격으로 모델 합습을 통해 수요전력을 예측하는 수요전력 예측부와,
   상기 건물의 매 수요시간에 대하여 계측된 수요전력을 저장하고 일, 월, 년 단위의 최대 수요전력을 저장하는 목표전력 관리부와,
   상기 수요전력 예측부에서 예측된 수요전력과 목표전력 관리부의 최대 수요 전력에 따라 수용가 또는 건물의 수요전력이 최대 수요전력을 초과하지 않도록 제어하는 제어부를 포함하고,
   상기 제어부는 상기 PCS의 충전, 방전, 대비 모드를 결정하고 모드를 변환하는 기능과 충방전량을 제어하고, 상기 제어부는 상기 수요전력이 최대수요 전력을 초과 할 것으로 예상될 경우에 방전하여 계통전원의 수급전력을 줄이고, 상기 수요전력 계측부로부터 계측된 수요전력이 최대수요 전력 보다 적을 경우에 상기 PCS에 충전하고, 충전과 방전모드에서 충전량을 PI제어 알고리즘에 의하여 제어되고,
   상기 수용가 또는 건물에 필요한 전력을 공급할 때 한전 전력량계는 전력량 펄스와 수요시한 펄스를 제공하고, 상기 전력량 펄스는 전력량에 비례하여 펄스가 출력되며, 수요시한내에 펄스의 수를 카운트하면 수요시한 동안 수용가 또는 건물에서 사용한 전력량을 계측하는 것을 특징으로 하는 건물의 최대 수요전력 제어기능을 갖는 에너지 관리시스템.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서, 상기 수요전력 계측부는 수배전반에 자체적으로 설치된 계측기로부터 통신을 통해 계측 값을 읽어오거나 자체적으로 전력 계측기를 이용하여 수요전력을 계측하는 것을 특징으로 하는 건물의 최대 수요전력 제어기능을 갖는 에너지관리시스템.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 수요전력 예측부는 수요시한 시작시점부터 임의의 수요시한 시점까지 계측된 데이터를 이용하여 시요시한 종료시점에서의 수요전력을 예측하는 것을 특징으로 하는 건물의 최대 수요전력 제어기능을 갖는 에너지관리시스템.
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. PCS를 제어하여 건물의 최대 수요전력 제어기능을 갖는 에너지관리시스템의 제어방법에 있어서,
   건물의 수요전력을 계측하는 단계;
   상기 계측된 수요전력에 따라 수요시한 시작시점부터 임의의 수요시한 시점까지 계측된 데이터를 이용하여 수요시한 종료시점에서 수요모델 기반 예측방법을 사용하여, 1분 간격으로 모델을 학습을 통해 수요전력을 예측하는 단계;
   상기 건물의 매 수요시간에 대하여 계측된 수요전력을 저장하고 일, 월, 년 단위의 최대 수요전력을 저장하여 목표전력을 관리하는 단계;
   상기 예측된 수요전력과 최대 수요전력에 따라 상기 건물의 수요전력이 최대 수요전력을 초과하지 않도록 제어하고, 상기 수요전력이 최대수요 전력을 초과할 것으로 예상될 경우에 방전하여 계통전원의 수급전력을 줄이고, 수요전력 계측부로부터 계측된 수요전력이 최대수요 전력 보다 적을 경우에 상기 PCS에 충전하는 단계;
   상기 건물에 필요한 전력을 공급할 때 한전 전력량계는 절력량 펄스와 수요시한 펄스를 제공하고, 상기 전력량 펄스는 전력량에 비례하여 펄스가 출력되며, 수요시한내에 펄스의 수를 카운트하면 수요시한 동안 건물에서 사용한 전력량을 계측하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 건물의 최대 수요전력 제어기능을 갖는 에너지관리시스템의 제어방법.
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