KR101635541B1 - 에너지 관리장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 에너지 관리장치는, 입력전원과 출력전원 사이에 물리적으로 연결되며, 부하들과 접속되어 상기 부하들을 관리하는 에너지 관리장치에 있어서, 상기 입력전원을 입력받아 실시간으로 전력사용량 정보를 취득하고, 분단위로 최대전력정보를 계측 및 예상 최대전력정보를 예측하는 전력관리부; 계측된 역률정보를 전송받아 역률상태에 따라 콘덴서들의 용량을 조정하여 상기 콘덴서들의 상기 부하들에 투입 또는 개방 여부를 스위칭 함으로써, 상기 부하들의 역률을 개선시키는 부하 제어부; 상기 역률상태에 따라 상기 콘덴서들의 상기 부하들에 투입 또는 개방 여부를 스위칭 하도록 하는 제어신호를 상기 부하 제어부로 전송하는 입출력부; 외부 기기와 유선, 무선 또는 인터넷 통신을 수행하는 통신부; 및 상기 전력관리부, 상기 부하 제어부, 상기 입출력부 및 상기 통신부를 제어하는 중앙처리부를 포함하는 기술을 제공함에 기술적 특징이 있다.

Description

에너지 관리장치{ENERGY MANAGEMENT DEVICE}

본 발명은 에너지 관리장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 입력전원을 입력받아 실시간으로 전력사용량 정보를 취득하고, 분단위로 최대전력정보를 계측 및 예상 최대전력정보를 예측하는 전력관리부와, 계측된 역률정보를 전송받아 역률상태에 따라 콘덴서들의 용량을 조정하여 상기 콘덴서들의 상기 부하들에 투입 또는 개방 여부를 스위칭 함으로써, 상기 부하들의 역률을 개선시키는 부하 제어부를 포함하는, 에너지 관리장치에 관한 것이다.

종래의 가정에서 사용되는 전력이 공급되는 시스템은 분산 전원이 아닌 중앙 전원의 성격을 가지고 있으며, 생산자가 통제하는 수직적이고 중앙 집중적인 네트워크 체제로 되어 있으며, 데이터 전송을 위해 단방향 통신을 사용하고 있다.

최근 고유가 및 에너지 부족의 대안으로 에너지를 효율적으로 활용하는 방안에 대한 관심이 높아지고 있다. 에너지의 효율적인 활용에 대한 대안으로 가정 또는 시설 내에 에너지 관리 장치(Energy Management System, EMS)가 도입되는 추세이다.

에너지 관리 장치는 불필요한 에너지 낭비를 줄여서 에너지 효율을 체계적으로 개선하는 장치로, 양방향 통신을 기본적인 체계로 채택하고 있어서, 가전기기의 전력량뿐만 아니라 동작 정보들을 실시간으로 모니터링 할 수 있다.

또한 에너지 관리 장치는 가전 기기 자체를 제어하는 기능을 포함할 수 있어서, 에너지 관리 장치가 자동으로 가전 기기의 에너지 사용량을 제어하여 불필요한 에너지 낭비를 방지하고 있다.

한편, 건물 또는 시설물에서의 효과적인 전력 요금 절감을 위해서는 사용 요금 절감과는 별도로 기본요금을 줄이기 위한 일환으로 건물 또는 시설물 단위로 결정되는 피크 전력을 초과하지 않도록 건물 또는 시설물 내의 다수의 부하들에 의해 소모되는 전력량을 조절하는 방식 및 부하들의 역률을 개선시킴으로 인해 역률요금을 절감할 수 있는 에너지 관리 장치가 요청되고 있는 실정이다.

대한민국 공개특허 제10-2011-0008890호

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 입력전원을 입력받아 실시간으로 전력사용량 정보를 취득하고, 분단위로 최대전력정보를 계측 및 예상 최대전력정보를 예측하는 전력관리부와, 계측된 역률정보를 전송받아 역률상태에 따라 콘덴서들의 용량을 조정하여 상기 콘덴서들의 상기 부하들에 투입 또는 개방 여부를 스위칭 함으로써, 상기 부하들의 역률을 개선시키는 부하 제어부를 포함하는, 에너지 관리장치를 제공하는데 있다.

상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 따른 에너지 관리장치는, 입력전원과 출력전원 사이에 물리적으로 연결되며, 부하들과 접속되어 상기 부하들을 관리하는 에너지 관리장치에 있어서, 상기 입력전원을 입력받아 실시간으로 전력사용량 정보를 취득하고, 분단위로 최대전력정보를 계측 및 예상 최대전력정보를 예측하는 전력관리부; 계측된 역률정보를 전송받아 역률상태에 따라 콘덴서들의 용량을 조정하여 상기 콘덴서들의 상기 부하들에 투입 또는 개방 여부를 스위칭 함으로써, 상기 부하들의 역률을 개선시키는 부하 제어부; 상기 역률상태에 따라 상기 콘덴서들의 상기 부하들에 투입 또는 개방 여부를 스위칭 하도록 하는 제어신호를 상기 부하 제어부로 전송하는 입출력부; 외부 기기와 유선, 무선 또는 인터넷 통신을 수행하는 통신부; 및 상기 전력관리부, 상기 부하 제어부, 상기 입출력부 및 상기 통신부를 제어하는 중앙처리부를 포함하는 기술을 제공한다.

본 발명은 전력품질 개선 및 기본료, 사용료와 역률요금을 포함하는 전기요금을 획기적으로 절감할 수 있는 기술적 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 에너지 관리장치의 일반적인 물리적 연결 구성을 나타낸 것이다.
도 2a는 본 발명에 따른 에너지 관리장치의 구성을 나타낸 것이다.
도 2b는 본 발명에 따른 일 실시예로, 에너지 관리장치의 연결 구성 및 기능을 설명하기 위해 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 일 실시예로, 최대전력관리부에 의한 최대전력값의 계측 및 예측 방법을 설명하기 위한 그래프를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 일 실시예로, 부하제어부에 의한 부하 관리 방법을 설명하기 위해 도시한 것이다.

이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명에 따른 에너지 관리장치의 일반적인 물리적 연결 구성을 나타낸 것이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 에너지 관리장치(100)는 입력전원(10)과 출력전원(20) 사이에 물리적으로 연결되며, 이 경우 입력전원(10) 및 출력전원(20)은 단상 2선식(R, N) 또는 3상 4선식(R, S, T, N)을 사용하며, 에너지 관리장치(100)를 통해 소정의 전압(이를테면, 220V/380V)은 입출력 된다.

도 2a는 본 발명에 따른 에너지 관리장치의 구성을 나타낸 것이고, 도 2b는 본 발명에 따른 일 실시예로, 에너지 관리장치의 연결 구성 및 기능을 설명하기 위해 나타낸 것이다.

도 2a를 참조하면, 본 발명에 따른 에너지 관리장치(100)는 전력관리부(110), 부하제어부(120), 센싱부(130), 입출력부(140), 통신부(150), 저장부(160) 및 중앙처리부(170)를 포함하여 구성된다.

이하 도 2a 및 도 2b를 참조하여, 본 발명에 따른 에너지 관리장치(100)의 연결 구성 및 각각의 기능에 대해 설명한다.

전력관리부(110)는 전력 계량부(111) 및 최대전력 관리부(112)를 포함한다.

이 경우 전력 계량부(111)는 입력전원(10)을 입력받아 실시간으로 전력사용량 정보를 취득하는데, 이 때 전력사용량 정보는 전압(V), 전류(A), 유효전력(kW), 유효전력량(kWh), 무효전력(kVar), 피상전력(kVa), 주파수(Hz), 역률(%), CO2방출량(Kg) 정보 등을 포함한다.

최대전력 관리부(112)는 전력 계량부(111)로부터 취득된 전력사용량 정보를 통해 최대전력정보를 분단위로 계측할 수 있으며, 계측된 최대전력정보는 실시간으로 중앙처리부(170)로 전송되는데, 최대전력의 측정 및 예측 방법에 대한 구체적인 설명은 도 3에서 후술한다.

부하 제어부(120)는 컨버팅부(121), 인버팅부(122), 스위칭부(123) 및 콘덴서부(124)를 포함하여 구성된다.

이 경우 컨버팅부(121)는 전력 계량부(111)로부터 입력된 교류(AC) 전원을 직류(DC) 전압으로 변환함으로써, 안정화 되지 않은 DC 출력전압을 정류회로를 통하여 안정화 시킨다.

인버팅부(122)는 컨버팅부(121)로부터 출력된 DC 전압을 입력받아 가변전압, 가변 주파수의 교류(AC) 전압으로 변환시켜 부하(30)로 전송한다.

이 때, 인버팅부(122)는 AC 전원의 전압과 주파수를 가변시켜 부하(30)에 공급함으로써, 부하(이를테면, 모터, 펌프, 팬 등)의 회전속도를 제어하여 모터 등의 속도를 제어하는데, 모터의 회전속도는 아래의 수학식1로 표현된다.

여기서, N은 모터의 회전속도, p는 모터극수, f는 주파수, s는 슬립을 각각 나타낸다.

수학식1을 참조하면, 모터의 회전속도(N)는 주파수(f)를 조정함으로 제어될 수 있는데, 만일 주파수(f)를 60Hz에서 50Hz 변화 시키는 경우, 모터의 회전속도(N)는 약 17% 감소하므로 소비전력을 절감할 수 있는 효과를 갖는다.

이를테면, 모터의 회전속도(N)가 10% 절감 시 소비전력은 27% 감소하고, 20% 절감 시 소비전력은 49% 감소가 가능하며, 평균적으로 약 34%의 소비전력 절감이 가능하다.

스위칭부(123)는 입출력부(140)의 제어신호에 따라 스위칭 동작(ON, OFF)을 수행하며, 상기 스위칭 동작(ON, OFF)에 따라 콘덴서부(124)로 전력(power)을 인가(ON) 또는 불인가(OFF) 되도록 해준다.

만일 외부에 방열팬(30)이 연결된 경우, 스위칭부(123)의 스위칭 동작(ON, OFF)에 따라 방열팬(30)으로 전원(power)을 인가(ON) 또는 불인가(OFF) 되도록 해준다.

콘덴서부(124)는 스위칭부(123)의 스위칭 동작(ON, OFF)에 따라 소정의 전력(power)을 인가(ON) 또는 불인가(OFF) 되며, 외부에 연결된 부하(30)로 전력을 선택적으로 인가(ON) 또는 불인가(OFF) 시키는데, 콘덴서의 개방/투입에 대한 스케쥴링에 따른 부하의 역률을 개선하는 방법 등에 대한 구체적인 설명은 도 4에서 후술한다.

센싱부(130)는 주변환경의 온도, 습도, 조도 등을 감지하여, 감지된 환경정보를 중앙처리부(170)로 전송한다.

입출력부(140)는 전력 계량부(111)로부터 계측된 역률정보를 전송받아 역률상태에 따라 콘덴서부(124)의 연결을 스위칭 동작에 따라 연결/제거하기 위한 입출력(I/O ) 포트를 중앙처리부(170)로부터 선정 받고, 소정의 제어신호를 스위칭부(123)로 전송한다.

통신부(150)는 외부 기기와 유선, 무선, 인터넷 통신 등을 수행하는데, 무선통신의 경우 이를 테면, 지그비(Zigbee), 알에프(RF), 와이파이(WiFi), 3G, 4G, LTE, LTE-A, 와이브로(Wireless Broadband Internet) 중 어느 하나 이상을 사용할 수 있다.

저장부(160)는 중앙처리부(170)에서 처리한 데이터 등을 저장하는데, 저장매체로 이를테면, 이를 테면 플래시 메모리, FeRAM(Ferroelectric RAM), PRAM(Phase Change RAM), ReRAM(Resistance RAM), PoRAM(Polymer RAM), NFGM(Nano Floating Gate Memory) 등을 사용할 수 있다.

중앙처리부(170)는 전력관리부(110), 부하제어부(120), 센싱부(130), 입출력부(140), 통신부(150) 및 저장부(160)를 제어한다.

도 3은 본 발명에 따른 일 실시예로, 최대전력관리부에 의한 최대전력값의 계측 및 예측 방법을 설명하기 위한 그래프를 나타낸 것이다.

이하 도 2b 및 도 3을 참조하여, 최대전력관리부(112)에 의한 최대 전력값의 계측 및 예측 방법을 설명한다.

우선, 도 3에 도시된 바대로, 현재의 수요전력 값은 기준전력 값을 기준으로 현재 수요전력값/시간변화량으로 계산할 수 있으며(이를테면, 7분 현재의 수요 전력값은 7분 동안의 수요전력 누적값), 최대 전력값은 사용전력(dP)/경과시간(dt) 즉 기울기가 최대치인 값으로 측정되고, 15분 단위로 생성 되며, 이때 생성된 최대 전력값은 중앙처리부(170)를 통하여 저장부(160)에 저장된다.

한편 분 단위 계측주기는 사용자가 임의로 설정할 수 있는데, 이를테면 1분/5분/15분/30분/60분에서 선택가능 하며, 본 발명의 경우 수요전력 계측주기를 15분으로 설정하였다.

현재 수요시한(15분) 기준으로 미래의 15분 최대피크 예측은, 직전 15분 최대전력과 현재 최대전력만을 기준으로 예측을 하게 된다.

이는 타 시스템의 경우 1시간 또는 1일 최대피크 패턴을 통하여 향후 15분 최대피크를 예측하는데 향후 15분 예측에 있어서는 일간 사용패턴이나 직전 1시간 최대피크 패턴을 관리하는 것이 의미가 없으므로, 직전 15분과 현재 피크를 기준으로 다음 15분 최대피크를 예측하여 다시 15분 경과 시 최대피크 예측에 필요한 지난 15분 데이터는 삭제(reset)하여 예측하게 되는 것이다.

즉 최대전력관리부(112)는 직전의 15분 최대 전력값을 기준으로 향후 설정된 주기의 최대 전력값을 예측하고, 예측의 정확도 개선을 위하여 15분 단위로 목표전력 대비 최대 전력값을 리셋(reset) 시키며, 이때 리셋 주기는 수요전력 시간 설정 값에 따라 동일하게 적용된다.

도 4는 본 발명에 따른 일 실시예로, 부하제어부에 의한 부하 관리 방법을 설명하기 위해 도시한 것이다.

이하 도 2b 및 도 4를 참조하여, 부하 제어부(120)에 의한 부하 관리 및 이로 인한 역률요금 절감 방법을 설명한다.

도 4를 참조하면, 제1 스위치(123-1) ~ 제N 스위치(123-N)는 각각의 스위칭 동작에 따라 병렬로 연결된 제1 콘덴서(124-1) ~ 제N 콘덴서(124-N) 각각을 연결(ON)/제거(OFF) 시킬 수 있는데, 이 경우 스위칭 동작은 전력 계량부(111)로부터 계측된 역률정보를 전송받아 역률상태에 따라 중앙처리부(170)의 제어신호에 따라 이루어진다.

즉 중앙처리부(170)는 전력 계량부(111)로부터 계측된 역률정보를 전송받아 역률상태에 따라 콘덴서의 용량을 조정하게 되며, 콘덴서들의 용량 산정은 N개의 콘덴서들(124-1 ~124-N)을 병렬로 연결하여 역률에 따라 복수개의 스위치들(123-1 ~ 123-N)을 통하여 콘덴서의 개수를 조정하게 된다.

이 때, 콘덴서들(124-1 ~124-N)의 연결(ON)/제거(OFF) 방식은 공정 조업에 따라 투입/개방이 이루어질 수 있지만, 사용패턴에 따라 스케줄러에 의해 자동으로 조절될 수도 있다.

콘덴서들(124-1 ~124-N)의 용량은 복수개의 부하들(30-1 ~ 30-N)에 따라 각기 다르게 연결될 수 있으며, 콘덴서들 간 조합으로 해당 용량의 조정이 원격에서 가능한 장점을 갖는다.

이를 부연설명하면, 콘덴서들(124-1 ~124-N)의 용량은 부하들(30-1 ~ 30-N)의 투입에 따라 달라지고, 상황 별로 콘덴서들(124-1 ~124-N)의 투입(ON)/개방(OFF)이 이루어지므로, 각 역률에 따라 콘덴서들의 투입/개방을 스케줄러에 걸어두어 해당 이벤트 발생 시 해당 명령을 수행한다.

이때, 스케줄링 방법은 시간대에 따라서 콘덴서들의 개방/투입을 하는 일반적인 방법을 사용할 수 있다.

또한 스케줄링 방법으로 해당 이벤트 발생에 대한 자동 스케줄링을 수행하는 방법을 사용할 수도 있다.

이를테면, 1) 역률 #1 이벤트 발생 시 ----> 콘덴서 1, 3번 투입, 2)역률 #2 이벤트 발생 시 ----> 콘덴서 1, 3, 5번 투입 N)역률 #N 발생 시 ----> 콘덴서들 전부 개방 등의 자동 스케줄링을 실시할 수 있다.

한편 시간에 따른 스케줄링과 해당 이벤트에 대한 스케줄링 설정은 해당 블록을 체크함에 따라 단일 스케줄링 및 복수 스케줄링 적용이 가능하다.

이하 본 발명에 따른 에너지 관리장치(100)를 사용함으로써, 전력품질 개선 및 하기 수학식2의 전기요금의 각 항목을 획기적으로 절감하는 방법에 대해 설명한다.

일반적으로, 전기요금은 아래의 수학식2와 같이 각각의 항목으로 표현된다.

이 경우 기본료(W1)는 1년 전기요금의 기본이 되는 요금으로, 도 3에서 설명한 바대로, 전력관리부(110)를 이용한 주기적인 전력 피크정보 관리 및 예측을 통하여 최대전력을 관리함으로써 해당 기본료(W1)를 절감할 수 있다.

사용료(W2)는 본 발명의 전력 계량부(111)의 전력정보를 이용하여 사용 전력관리를 통하여 해당 사용료를 절감할 수 있다.

역률요금(W3)은 진상(leading phase)/지상(retardant phase)에 따른 콘덴서들의 유동적인 용량 관리 및 앞의 도 4에서 설명한 바대로, 병렬 콘덴서들의 스위칭을 통하여 역률 요금의 절감이 가능하다.

이를테면, 유도성 부하인 모터를 사용하는 공정이 있을 때나 특정 부하 사용으로 역률이 나빠졌을 때에, 지상(retardant phase) 역률을 개선하기 위해서 실시간 모니터링으로 사용패턴을 분석하여 콘덴서를 투입하게 되는데, 일반적으로 모터는 조업이 진행되는 09 ~ 23 시에 콘덴서를 투입한다.

또한 진상(leading phase) 역률을 개선하기 위해, 조업을 종료하는 시점인 23시부터 다음날 09시 까지는 콘덴서를 개방한다.

이하 진상(leading phase)/지상(retardant phase)에 따른 콘덴서들의 유동적인 용량 관리방법에 대해 간단히 부연 설명한다.

여기서 진상(leading phase)은 교류에서 용량성 부하(콘덴서 용량이 포함된 부하)에 의해 공급되는 전압위상에 비해 소비전류 위상이 앞서는 상태(+)를 의미하며, 지상(retardant phase)은 교류에서 유도성 부하(코일성분의 인덕터 용량이 포함된 부하)에 의해 공급되는 전압위상에 비해 소비전류 위상이 뒤지는 상태(-)를 의미한다.

한편 산업계에서는 대부분 공정 중에 부하로 코일 성분이 존재하는 모터를 사용하므로 지상역률이 나빠지게 되는데, 지상역률을 개선하고자 콘덴서들을 전원과 병렬로 연결하게 되며, 공정이 완료되게 되면 콘덴서를 분리시키는 동작을 실시한다.

또한 앞의 수학식1에서 설명한 바대로, 전압 및 주파수(f) 조정에 따른 회전속도(N)의 제어로 해당 부하(30)의 효율적인 관리가 가능함에 따라 소비전력의 감소가 가능해져, 전기요금(W)을 절감할 수 있다.

이상에서는 본 발명에 대한 기술사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술적 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

10 : 입력전원 20 : 출력전원
30 : 부하 40 : 방열팬
100 : 에너지 관리장치
110 : 전력관리부
111 : 전력 계량부 112 : 최대전력 관리부
120 : 부하 제어부
121 : 컨버팅부 122 : 인버팅부
123 : 스위칭부 124 : 콘덴서부
130 : 센싱부
140 : 입출력부
150 : 통신부
160 : 저장부
170 : 중앙처리부

Claims (4)

1. 입력전원과 출력전원 사이에 물리적으로 연결되며, 부하들과 접속되어 상기 부하들을 관리하는 에너지 관리장치에 있어서,
   상기 입력전원을 입력받아 실시간으로 전력사용량 정보를 취득하고, 분단위로 최대전력정보를 계측 및 예상 최대전력정보를 예측하는 전력관리부;
   계측된 역률정보를 전송받아 역률상태에 따라 콘덴서들의 용량을 조정하여 상기 콘덴서들의 상기 부하들에 투입 또는 개방 여부를 스위칭 함으로써, 상기 부하들의 역률을 개선시키는 부하 제어부;
   주변 환경의 온도, 습도 및 조도를 감지하고, 감지한 환경정보를 전송하는 센싱부;
   상기 역률상태에 따라 상기 콘덴서들의 상기 부하들에 투입 또는 개방 여부를 스위칭 하도록 하는 제어신호를 상기 부하 제어부로 전송하는 입출력부;
   외부 기기와 유선, 무선 또는 인터넷 통신을 수행하는 통신부; 및
   상기 전력관리부, 상기 부하 제어부, 상기 센싱부, 상기 입출력부 및 상기 통신부를 제어하는 중앙처리부를 포함하며,
   상기 부하 제어부는,
   입력된 교류(AC) 전원을 직류(DC) 전압으로 변환하는 컨버팅부;
   상기 컨버팅부로부터 출력된 DC 전압을 입력받아 가변전압, 가변 주파수의 교류(AC) 전압으로 변환시켜 상기 부하들로 전송하는 인버팅부;
   상기 입출력부의 제어신호에 따라 상기 콘덴서들의 상기 부하들에 투입 또는 개방 여부를 스위칭하는 스위칭부; 및
   병렬로 연결된 복수개의 콘덴서들을 포함하며, 상기 스위칭부의 스위칭 동작에 따라 상기 콘덴서들의 투입 또는 개방 여부가 선택되어 상기 부하들에게 전력을 선택적으로 인가 또는 불인가 하는 콘덴서부를 포함하고,
   상기 부하들의 사용 시간대에 따라 상기 콘덴서들의 개방 또는 투입이 이루어지거나, 또는 역률상태에 따른 이벤트 발생을 고려하여 자동 설정된 스케쥴링에 따라 상기 콘덴서들의 개방 또는 투입이 이루어지며,
   상기 스케쥴링은 단일 스케줄링 또는 복수 스케줄링 방법을 사용하는 것을 특징으로 하는 에너지 관리장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 전력관리부는,
   상기 입력전원을 입력받아 실시간으로 전력사용량 정보를 취득하고, 상기 전력사용량 정보를 상기 중앙처리부로 전송하는 전력 계량부; 및
   상기 전력사용량 정보를 입력받아, 분단위로 최대전력정보를 계측 및 예상 최대전력정보를 예측하는 최대전력 관리부를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 관리장치.
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