KR101652272B1

KR101652272B1 - 건물 및 빌딩의 멀티 오브젝티브 운영기술을 적용한 하이브리드 에너지 관리 시스템

Info

Publication number: KR101652272B1
Application number: KR1020160057343A
Authority: KR
Inventors: 권영복; 최정내
Original assignee: 주식회사 케이디티
Priority date: 2016-05-11
Filing date: 2016-05-11
Publication date: 2016-08-30

Abstract

본 발명은 에너지의 절감이나 사용하는 에너지량을 줄이기보다 월 목표 사용량 제어를 위한 시간대별 기준전력 생성기술, 전문가 지식을 적용한 레벨 기반의 자율적 운전 기법을 적용하여 효율적으로 전기 사용을 관리함으로써 전기 요금을 줄이고 안전을 도모하도록 한 건물 및 빌딩의 멀티 오브젝티브 운영기술을 적용한 하이브리드 에너지 관리 시스템을 제공한다.

Description

건물 및 빌딩의 멀티 오브젝티브 운영기술을 적용한 하이브리드 에너지 관리 시스템{Hybrid Energy Management System Applying Operation Technique for Multi Objectively Operating Building}

본 발명은 건물 및 빌딩의 멀티 오브젝티브 운영기술을 적용한 하이브리드 에너지 관리 시스템에 관한 것으로, 특히 전기를 효율적으로 사용하도록 관리함으로써 전기 요금을 줄이도록 한 건물 및 빌딩의 멀티 오브젝티브 운영기술을 적용한 하이브리드 에너지 관리 시스템에 관한 것이다.

최근, 신재생에너지 설비 보급촉진으로 인하여 건물에 태양광발전 시스템이 많이 구축되었으며, 최근에 에너지 저장시스템(ESS)의 설치가 증가될 것으로 기대되고 있다.

건물에 전력, 공조, 조명등의 시스템이 구축되었으나 이를 관리할 수 있는 관제시스템이 거의 없는 현황이며, 관제시스템이 있더라도 대부분 단위설비로써 서로 전혀 연계 없이 독립적으로 운용되고 있는 실정이다.

최근 ESS는 에너지 저장시스템으로써 배터리에 전력을 충전했다 필요할 때 방전시켜주는 시스템으로써, 충전과 방전 동작 자체가 아니라 충방전 시점을 어떻게 할 것인가가 큰 이슈이며, 일반적으로 부하 쉬프팅(Load shifting)으로 저렴한 시간대 충전하고 피크 시간대 방전하는 스케줄 제어 방식으로 사용하며, 한전 계통에서는 주파수 제어용으로 사용되기도 한다.

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 ESS로 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.

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

전기요금 = 기본요금 단가 × 최대수요전력 + 최대시간대 요금 단가 × 최대시간대 사용전력량 + 중간시간대 요금 단가 × 중간시간대 사용전력량 + 경부하시간대 요금 단가 × 경부하시간대 사용전력량

전기요금을 줄일 수 있는 방법은 크게 세 가지가 있다.

첫째, 수요전력은 매 15분 간격마다 한전계통에서 수전하여 사용한 평균전력을 의미한다. 1시간에 4개, 하루에 4×24 = 96개의 수요전력 데이터가 생성된다. 한전에서 전기요금에서 의미하는 최대 수요전력은 당월포함하여 최근 1년의 12월 ~ 2월, 7월 ~ 9월 달에 사용한 최대 수요전력을 전기요금의 기본요금 계산에 적용한다. 그렇기 때문에 최대수요전력이 기존 값보다 상승될 경우 1년 동안 기본요금이 올라가기 때문에 최대수요전력이 현재 최대수요전력을 초과하지 않도록 관리할 필요가 있다.

둘째, 한전에서는 계절마다 부하시간대를 도 1과 같이 지정하고, 시간대별로 전기요금 단가를 다르게 책정하여 요금을 부과한다. 최대부하 시간대 요금 단가가 가장 높기 때문에 가능한 최대부하 시간대 전기사용을 줄여야 할 필요가 있다. 즉, 도 1은 한전에서 계절별 및 시간대별로 구분한 전기요금의 산출 단가를 나타낸 도면이다.

셋째, 사용전력량을 최소화할 수 있도록 관리하는 것이며, 이는 한 달 동안 사용되는 월 사용전력량을 줄이는 것이다.

추가로 태양광 발전시스템이 설치된 경우, 휴일이나 주말에 태양광 발전전력이 건물에서 소비되는 전력을 초과하여 역으로 송전하는 현상이 발생하게 된다. 이러한 전력은 한전에서는 예측할 수 없는 전력으로 계통에 불안정을 야기할 수 있으며, 소비자 관점에서는 낭비가 되기 때문에, ESS가 구축되어 있는 경우 역송되는 전력을 충전하여 주중에 사용할 수 있다.

도 2는 특정 월에 태양광발전과 한전수급전력을 달력형태로 표시한 도면이며, 가장 왼쪽부터 일, 월, 화, 수, 목, 금, 토요일이다. 일요일이나, 토요일은 태양광발전전력이 소비전력보다 크게 되어 역으로 송전되는 사례가 자주 발생함을 알 수 있다.

전술한 바와 같이 전기요금을 줄일 수 있는 방법은 최대수요전력제어, 월 목표 사용전력 관리, 부하 쉬프팅, 역송전 방지를 통하여 전기요금을 절감할 수 있다.

상기 4가지 목표 중 한가지 용도로 동작을 하는 것은 시스템의 낭비이며 효율적인 운용을 위해서는 상황에 따라 운용목표가 자동으로 판단 변경되어야 한다.

예를 들어 부하 쉬프팅용으로 경부하 시간대 충전동작을 하다가, 피크가 초과될 상황에서는 방전모드로 전환되어 피크 제어를 해야한다.

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 지급해야 한다.

수요전력은 수요시한 동안 사용하는 평균전력으로써 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 달라진다.

수용가에서 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 에너지의 절감이나 사용하는 에너지량을 줄이기보다 월 목표 사용량 제어를 위한 시간대별 기준전력 생성기술, 전문가 지식을 적용한 레벨 기반의 자율적 운전 기법을 적용하여 효율적으로 전기 사용을 관리함으로써 전기 요금을 줄이고 안전을 도모하도록 한 건물 및 빌딩의 멀티 오브젝티브 운영기술을 적용한 하이브리드 에너지 관리 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 건물 및 빌딩의 멀티 오브젝티브 운영기술을 적용한 하이브리드 에너지 관리 시스템은 수배전반, 태양광 발전장치, ESS, 공조장치 및 조명장치와 통신을 통해 데이터를 전달하는 통신부와, 상기 통신부를 통해 전달된 데이터 파싱을 통하여 한전계통으로부터 공급되는 계통 전력량 및 상기 태양광 발전장치로부터 생산된 발전 전력량을 계측하는 계측부와, 상기 계측부로부터 계측된 데이터를 이용하여 상기 수배전반에서 계측되는 전력 샘플 데이터의 일정 시간의 구간동안 평균을 구하여 수요전력량 및 누적발전량을 이용하여 계측하는 금일 전력량, 소비 전력량의 데이터를 생성하는 데이터 생성부와, 상기 계측부에서 계측된 계통 전력량 및 발전 전력량과 상기 데이터 생성부로부터 생성된 데이터를 저장하는 저장부와, 상기 저장부로부터 실시간으로 계측된 계통 전력량 및 발전 전력량의 데이터와 상기 데이터 생성부로부터 생성된 데이터를 공급받아 요일별로 각 시간대에 대하여 전력 사용 패턴을 생성하는 요일별 패턴 생성부와, 상기 저장부로부터 실시간으로 계측된 계통 전력량 및 발전 전력량의 데이터 및 상기 데이터 생성부로부터 생성된 데이터를 공급받아 건물 및 빌딩으로부터 사용하고자 하는 월별 목표 전력 사용량을 설정하는 월별 사용목표 설정부와, 상기 요일별 패턴 생성부의 전력 사용 패턴과 상기 월별 사용목표 설정부에 입력된 목표 전력 사용량을 근거로 목표 전력 사용량 이하로 사용하기 위해 일별/시간대별로 목표 값을 생성하는 일별/시간대별 목표전력 생성부와, 상기 일별/시간대별 목표전력 생성부와 상기 저장부로부터 실시간으로 계측된 누적 적산 전력량의 데이터를 공급받아 금일 전력 소비량을 예측하고 목표 전력량 기준 값을 생성하는 금일 소비량 예측 및 기준 모델 산출부와, 상기 계측부에서 계측된 계통 전력량 및 발전 전력량을 받아 일정 시간 간격의 수요시한 동안에 기준 값과 수요시한 종료시점에서의 값을 예측하는 수요전력 예측 및 기준 산출부와, 현재 시간이 최대 부하시간, 중간 부하시간, 경 부하시간 중 어느 시간대인지를 판단하는 부하시간 판단부와, 상기 수요전력 예측 및 기준 산출부에서 예측 값 및 기준 값과 상기 부하시간 판단부의 부하시간을 전달받아 현재 에너지 사용레벨을 판단하는 EMS 레벨 판단부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 의한 건물 및 빌딩의 멀티 오브젝티브 운영기술을 적용한 하이브리드 에너지 관리 시스템은 다음과 같은 효과가 있다.

즉, 에너지의 절감이나 사용하는 에너지량을 줄이기보다 월 목표 사용량 제어를 위한 시간대별 기준전력 생성기술, 전문가 지식을 적용한 레벨 기반의 자율적 운전 기법을 적용하여 효율적으로 전기 사용을 관리함으로써 전기 요금을 줄이도록 한 안전을 도모할 수 있다.

도 1은 한전에서 계절별 및 시간대별로 구분한 전기요금의 산출 단가를 나타낸 도면
도 2는 특정월에 태양광발전과 한전수급전력을 달력형태로 표시한 도면
도 3은 본 발명에 의한 건물 및 빌딩의 멀티 오브젝티브 운영기술을 적용한 하이브리드 에너지 관리 시스템의 개략적인 구성도
도 4는 본 발명에 의한 건물 및 빌딩의 멀티 오브젝티브 운영기술을 적용한 하이브리드 에너지 관리 시스템을 나타낸 내부 블록도
도 5는 요일별 전력소비 패턴을 나타낸 그래프
도 6은 금일 시간대별 패턴 데이터, 기준전력 및 사용한 전력을 나타낸 그래프
도 7은 도 6의 그래프를 시간대별로 누적하여 표시한 그래프
도 8은 수요전력을 나타낸 그래프
도 9는 현재 에너지 사용 레벨을 나타낸 도면
도 10은 도 9의 각 레벨에 따른 ESS, 공조장치 및 조명장치의 동작 상태를 나타낸 도면

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 또한 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

도 3은 본 발명에 의한 건물 및 빌딩의 멀티 오브젝티브 운영기술을 적용한 하이브리드 에너지 관리 시스템의 개략적인 구성도이고, 도 4는 본 발명에 의한 건물 및 빌딩의 멀티 오브젝티브 운영기술을 적용한 하이브리드 에너지 관리 시스템을 나타낸 내부 블록도이다.

본 발명에 의한 건물 및 빌딩의 멀티 오브젝티브 운영기술을 적용한 하이브리드 에너지 관리 시스템(100)은 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 한전 계통으로부터 공급되는 전력을 받아 분배하는 수배전반(10), 태양광으로부터 전기를 생산하는 태양광 발전장치(20), 상기 수배전반(10) 또는 태양광 발전장치(20)로부터 생산된 전기를 저장하는 ESS(30)를 기본으로 하며, 상기 수배전반(10), 태양광 발전장치(20) 및 ESS(30)로부터 전기를 받아 연계하여 작동하는 공조장치(40)와 조명장치(50)가 있다.

보다 구체적으로 설명하면, 상기 수배전반(10), 태양광 발전장치(20), ESS(30), 공조장치(40) 및 조명장치(50)와 통신을 통해 데이터를 전달하는 통신부(110)와, 상기 통신부(110)를 통해 전달된 데이터 파싱을 통하여 한전계통으로부터 공급되는 계통 전력량 및 상기 태양광 발전장치(20)로부터 생산된 발전 전력량을 계측하는 계측부(120)와, 상기 계측부(120)로부터 계측된 데이터를 이용하여 상기 수배전반(20)에서 계측되는 전력 샘플 데이터의 일정 시간의 구간동안 평균을 구하여 수요전력량 및 누적발전량을 이용하여 계측하는 금일 전력량, 소비 전력량의 데이터를 생성하는 데이터 생성부(130)와, 상기 계측부(120)에서 계측된 계통 전력량 및 발전 전력량과 상기 데이터 생성부(130)로부터 생성된 데이터를 저장하는 저장부(140)와, 상기 저장부(140)로부터 실시간으로 계측된 계통 전력량 및 발전 전력량의 데이터와 상기 데이터 생성부(130)로부터 생성된 데이터를 공급받아 요일별로 각 시간대에 대하여 전력 사용 패턴을 생성하는 요일별 패턴 생성부(150)와, 상기 저장부(140)로부터 실시간으로 계측된 계통 전력량 및 발전 전력량의 데이터 및 상기 데이터 생성부(130)로부터 생성된 데이터를 공급받아 건물 및 빌딩으로부터 사용하고자 하는 월별 목표 전력 사용량을 설정하는 월별 사용목표 설정부(160)와, 상기 요일별 패턴 생성부(150)의 전력 사용 패턴과 상기 월별 사용목표 설정부(160)에 입력된 목표 전력 사용량을 근거로 목표 전력 사용량 이하로 사용하기 위해 일별/시간대별로 목표 값을 생성하는 일별/시간대별 목표전력 생성부(170)와, 상기 일별/시간대별 목표전력 생성부(170)와 상기 저장부(140)로부터 실시간으로 계측된 누적 적산 전력량의 데이터를 공급받아 금일 전력 소비량을 예측하고 목표 전력량 기준 값을 생성하는 금일 소비량 예측 및 기준 산출부(180)와, 상기 계측부(120)에서 계측된 계통 전력량 및 발전 전력량을 받아 일정 시간 간격의 수요시한 동안에 기준 값과 수요시한 종료시점에서의 값을 예측하는 수요전력 예측 및 기준 산출부(190)와, 현재 시간이 최대 부하시간, 중간 부하시간, 경 부하시간 중 어느 시간대인지를 판단하는 부하시간 판단부(200)와, 상기 수요전력 예측 및 기준 산출부(190)에서 예측 값 및 기준 값과 상기 부하시간 판단부(200)의 부하시간을 전달받아 현재 에너지 사용레벨을 판단하는 EMS 레벨 판단부(210)를 포함하여 구성된다.

여기서, 상기 금일 전력량은 금일 시작점부터 현재 시점까지의 전력량을 의미하며, 보다 상세하게는 한전으로부터 수전된 수전 전력량, 태양광 발전량, ESS 충전량, ESS 방전량의 항목을 각각 계산하여 산출한다. 이는 각 시스템에 통신을 통하여 계측되는 누적 전력량에서 금일 시작 시점에서의 누적 전력량을 뺌으로써 간단하게 계산할 수 있다.

그리고 소비 전력은 건물이나 고객이 실제로 사용하는 전력으로써 다음처럼 계산한다.

즉, 소비전력 = 한전계통 전력 + 태양광 발전전력 + ESS 방전 전력 - ESS 충전 전력

상기 저장부(140)는 데이터 베이스에 계측 및 생성된 데이터를 주기적으로 저장하며, 각 항목에 대하여 15분 간격, 1시간 간격, 하루 간격의 데이터가 각각 저장된다.

상기 요일별 패턴 생성부(150)는 건물에서 소비되는 패턴을 요일별로 생성 저장하는 기능을 한다. 이는 일요일, 월요일, 화요일, 수요일, 목요일, 금요일, 토요일에 대하여 시간대별로 평균사용 전력을 계산한다. 이는 최근 3주동안 같은 요일, 같은 시간대의 데이터의 평균을 취하여 계산한다.

이때 휴일정보를 관리하여 평균을 계산할 때 휴일이 있는 경우는 이를 제외하고 패턴을 생성한다. 아래는 생성된 요일별 패턴의 예이다. 즉, 도 4는 도 3의 요일별 패턴 생성부에서 생성된 요일별 전력 소비의 패턴을 나타낸 그래프이다.

도 4에서, 상부는 시간대별 전력 사용을 나타내고, 하부는 누적 사용을 각각 나타내고 있다.

상기 요일별 패턴 생성부(150)에서 요일별 패턴 데이터는 각 요일에 대하여 시간대별 평균사용전력, 요일별 하루 사용전력량 정보를 포함한다.

상기 월별 사용목표 설정부(160)는 월단위 사용전력량을 설정관리하는 부분으로써, 전년 동월, 전월 사용전력량 정보를 기반으로 하여 해당 월에 사용할 전력량, 또는 절감할 전력량을 결정할 수 있도록 하는 기능이다. 사용자가 미리 월별로 설정할 수도 있으며, 사용자가 설정을 하지 않은 경우에는 월이 변경되는 시점에 아래의 식을 이용하여 자동으로 설정된다.

해당월 목표사용전력량 = (전년 동월 사용전력량 × 0.5 + 전월 사용전력량 × 0.5) × 0.95

이때 전년도 동월의 전력량 정보가 없는 경우에는 전월 사용전력량 × 0.95로 한다. 이는 전월 및 기존 사용량보다 5% 절감 값을 목표로 설정하도록 하며 이 기준값은 사용자가 변경할 수도 있다.

상기 일별/시간대별 목표전력 생성부(170)는 상기 월별 사용목표 설정부(160)에서 설정된 월사용 목표를 초과하지 않도록 일별, 시간대별 기준전력을 자동으로 생성한다. 상기 요일별 패턴데이터와 금월 사용전력량, 금월 목표전력량을 이용하여 계산한다.

매일 날짜가 변경되는 시점에서 어제까지 소비전력량과 사용가능 전력량에 대하여 금일목표 사용전력량과 시간대별 기준값을 생성한다. 이는 금월 에너지 절감을 달성하기 위해, 기존의 사용패턴을 기반으로 시간대별로 가이드값을 제공한다. 이때 시간대별 기준값을 계산하기 위해 건물의 기저전력을 적용한다.

여기서, 건물의 기저전력(basekw)은 건물에서 설비의 유지관리, 비상 전원등의 용도로 항상 사용되는 전력으로 더 이상 줄일 수 없는 최소전력을 의미한다.

금월 사용전력량(kwh_mon_use)은 금월 1일부터 어제까지 사용한 소비전력량이다. 금월 목표전력량(kwh_mon_tar)은 월별 사용목표 설정부(160)에서 설정된 값이다. 금월 사용가능 전력량(kwh_mon_rest)은 다음의 식처럼 계산한다.

금월 사용가능 전력량(kwh_mon_rest) = 금월 목표전력량(kwh_mon_tar) - 금월 사용전력량(kwh_mon_use)

상기 금월 시간대별 사용 전력기준 생성은 오늘 1시부터 금월 마지막일 24시까지 시간대별로 금월 사용가능 전력량(kwh_mon_rest) 값을 분배하는 것이며, 목표를 달성할 수 있도록 가능하게 분배해야 한다.

쉽게는 금월 사용가능 전력량(kwh_mon_rest) 값을 금월 마지막날까지 남은일수 × 24로 나누어 분배하는 방식으로 균등하게 배분하면 되지만, 이는 아무런 의미가 없는 수치가 된다. 그렇게 때문에 사용패턴에 기반하여 기준값을 생성해야 한다. 오늘의 하루 목표사용량 및 시간대별 기준사용전력을 생성하는 방법은 다음과 같다.

1단계로, 금일부터 금월 마지막일까지 일수 계산 및 요일별 남은 일수(numweek)를 계산한다.

여기서, n1은 남은 일요일 수, n7은 남은 토요일 수이며, 각 요소들 값의 합인 n1 + n2 + n3 + n4 + n5 + n6 + n7은 금일부터 금월 마지막날까지 남은 일수이다.

단계 2로, 상기 요일별 패턴 생성부(150)에서 기저전력을 제외하여 요일별(saveday_day), 시간대별로 절감 가능한 전력량 데이터(savekw_hour)를 계산한다.

상기 요일별 패턴 생성부(150)에서 생성된 요일별 데이터(week_pat_day) 그리고 시간대별 데이터(week_pat_hour)는 다음처럼 정의된다. 즉, 시간대별 데이터는 7행, 24열의 행렬로 정의된다. 행은 일요일, 월요일, ..., 토요일을 의미하고, 열은 1~24시까지 시간대를 의미한다.

그리고 요일별 데이터의 p1, ..., p7은 일요일부터 토요일 까지 요일별 하루 사용전력량을 의미한다.

상기 기저전력(basekw)은 건물에서 사용하는 최소 전력으로서 시간대별 데이터(week_pat_hour)의 최소 값을 의미하며, 다음의 수학식 4처럼 구한다.

상기 요일별 절감 가능한 전력량 데이터(savekw_day)와 시간대별 절감 가능한 전력량 데이터(savekw_hour)를 계산한다. 이는 상기 요일별 패턴 생성부(150)의 패턴데이터로부터 기저전력을 빼서 계산한다.

그리고 금월 남은 일수동안에 절감가능한 전력(savekw_mon)을 계산한다.

이는 남은 일수동안 사용 가능전력에서 기저전력량을 뺌으로써 다음의 수학식 7처럼 계산한다.

여기서, 남은 일수는 단계 1에서 계산된다.

요일별 절감가능 전력을 정규화한다. 이는 각 요소 값을 최대값으로 나눈다. 정규화된 요일별 절감가능 전력데이터(nor_savekw_day)는 다음과 같다. 이 값은 요일별로 절감 가능한 비율을 의미한다.

요일마다 절감할 수 있는 전력량이 다르며, 이번 달은 남은 일 수에 대하여 요일분포에 따라 절감량을 배분해야한다. 남은 일수에 대하여 정규화된 가중치(norkwh)를 계산한다.

여기서 ni는 i번째 요일의 남은 일수, bi는 i번째 요일의 정규화된 절감가능전력값이다.

단계 3으로서, 월 목표 사용전력량을 달성하기 위한 요일별 목표값 (week_tar_day)는 다음의 수학식 10처럼 구한다.

이는 오늘이 금요일이면 오늘의 월사용 전력량을 달성하기 위한 오늘의 하루사용 전력량은 t6이다는 것을 의미한다.

단계 4는 최종적으로 각 요일에 대한 시간대별 기준전력데이터(tarkw_hour)는 다음과 같이 계산한다. 계산하고자 하는 요일이 i번째 요일이라면 가중치(sf)를 다음의 수학식 11처럼 계산한다.

상기 일별/시간대별 목표 생성부(170)는 설정된 월 목표사용전력량을 달성할 수 있도록 오늘 시간대별 기준사용전력량을 기존 패턴을 이용 계산하여 제공한다.

상기 금일 소비량 예측 및 기준 산출부(180)는 금일 시간대별 사용기준과 패턴값을 이용하여 현재시각에서 사용해야할 기준값과 금일 종료시점에서 예측사용전력을 계산한다.

도 6은 금일 시간대별 패턴 데이터, 기준전력 및 사용한 전력을 나타낸 그래프이고, 도 7은 도 6의 그래프를 시간대별로 누적하여 표시한 그래프이다.

즉, 도 6에서 파란색은 금일 시간대별 패턴데이터이며, 초록색은 시간대별 목표 설정부에서 계산된 금일 시간대별 기준전력이다. 그리고 빨간색은 금일 0시부터 현재시간(15시)까지 사용한 전력그래프를 각각 나타낸다.

금일 기준전력량은 금일 목표 대비하여 현재 시각에서의 기준을 의미하며, 시간대별 기준값을 이용하여 계산할 수 있다. 도 7에서 시간대별 기준의 누적값은 다음과 같이 1~24시까지 각 시간별로 계산될 수 있다.

여기서, 하루는 24×3600초이다.

임의 시점에서의 기준 값은 직선의 방정식을 이용하여 계산한다. 예를 들면, 현재 시각이 15시 28분 42초라고 한다면, 15시와 16시의 값이 {15×3600, y15}, {16×3600, y16} 두 좌표를 이용하여 직선 방정식을 구한 후 15시 28분 42초로 환산한 15×3600 + 25×60 + 42초에 대한 y값이 현재 시점에서의 금일 기준전력이 된다.

상기 금일 예측 소비전력량은 금일이 종료되는 시점에서 소비전력을 예측한 값으로써 일반적으로 사용전력량의 기울기를 이용하여 계산하지만, 본 발명에서는 사용패턴 데이터를 이용하여 예측을 한다.

전력사용 패턴이 직선(선형)이라면 임의의 시점에서 기울기를 이용하여 예측을 하는 방법은 효과가 없을 수 있지만 도 7에서와 같이, 사용패턴은 직선이 아니라 비선형적으로 증가하게 된다. 이는 선형으로 증가하는 시점에서는 비교적 정확하게 예측이 되지만 비선형적으로 증가하는 구간에서는 예측값이 전혀 맞지 않게 된다.

본 발명에서는 예측의 정확도를 높이기 위하여 기존의 사용패턴 데이터를 이용하여 금일 소비전력예측을 한다. 이는 오늘의 전력사용을 기존과 유사한 패턴으로 사용한다는 전제로 예측을 한다.

금일 소비전력량 예측방법은 다음과 같다.

단계 1은 금일 기준전력량을 구하는 방법과 똑같이 현재시점에서의 패턴 기준값(pat_ref)을 계산한다. 금일 기준값은 금일 시간대별 기준값을 이용하고, 패턴기준값은 금일 시간대별 패턴값을 사용한다(금일 시간대별 패턴값은 값은 수학식 2의 요일별 시간대별 패턴값 중 금일의 요일에 해당되는 행의 값이며, 금일이 일요일이면 1행의 값을 사용하고, 월요일이면 2행, 토요일이면 7행의 값을 사용하여 수학식 14처럼 정의하여 사용한다).

단계 2는 조정팩터(adj)를 계산한다.

단계 1에서 계산된 현재시점에서의 패턴 기준값(pat_ref)과 데이터 생성부(130)에서 계산된 금일소비전력량(usekw_day)을 이용하여 다음의 수학식 15처럼 계산한다. 여기서 금일소비전력량은 금일 시작시점부터 현재 시점까지 사용한 전력량을 의미한다.

단계 3은 금일 예측 전력량(predkw_day)을 아래의 수학식 16처럼 계산한다.

상기 수요전력 예측 및 기준 산출부(190)는 15분 간격의 수요시한 동안에 기준값과 수요시한 종료시점에서의 값을 예측한다.

여기서, 수요전력은 수요시한 시작시점부터 현재시점까지의 평균전력을 의미한다. 예를 들어 현재 시각이 14시 23분 43초라면 현재 수요전력은 14시 정시를 기준으로 23분 43초 동한 사용한 전력의 평균값이며 이는 전력의 샘플데이터를 평균하거나, 사용했던 전력량을 시간으로 나눔으로써 계산할 수 있다. 수요전력은 한전으로부터 공급된 전력만을 고려하기 때문에 수배전반의 고압이나 저압부의 계측기 값을 이용하여 계산한다.

금일 예측 전력량계산과 달리 수요시한은 15분(900초)이기 때문에 이 구간동안에 전력사용은 거의 선형이라 간주하고 선형방정식을 이용하여 예측과 수요 기준값을 계산한다. 목표 수요전력(Tkw)은 사용자가 설정하거나 저장된 데이터를 기반으로 설정하는 값이다.

현재시점에서의 수요 기준값은 다음의 수학식 17을 이용하여 계산한다.

여기서, 수요경과시간은 현재수요 구간에서 시작시점을 기준으로 경과된 초를 의미하며 현재시간×3600 + 현재분×60 + 현재초를 900으로 나눈 나머지이다. 예를 들어 14시 23분 43초에서의 수요경과 시간은 14×3600 + 23×60 + 43 = 51823를 900으로 나눈 나머지 523초가 된다.

수요 예측값은 수요시한이 종료되는 시점에서의 수요전력을 예측하는 값으로써 1분 간격으로 데이터를 저장하고 최근 3분 동안의 데이터와 현재시점, 이전샘플 데이터를 이용하여 변화율을 계산한다.

단계 1은 현재 변화율 계산

현재 계측값의 수요경과시간과 수요전력을 (ta, ya), 최근 분단위 변경시점 계측 값에 대한 수요경과 시간과 수요전력을 각각 (t0, y0)라 하면 현재변화율 tild0 = (ya-y0) / (ta-t0) 로 계산한다.

단계 2는 1분간격 변화율을 계산한다.

현재 시각을 기준하여 1분전 시점, 2분전 시점에서의 변화율 tild1, tild2을 계산한다. 예를들어 현재시각이 14시 23분 43초 라면 1분전은 14시 23분 시점의 변화율, 2분전은 14시 22분 시점에서의 변화율이며, 1분 시점의 시간과 수요전력이 (t1, y1), 2분전 시점의 시간과 수요전력을 (t2, y2), 3분 전의 시간과 수요전력을 (t3, y3)라 하면 다음처럼 1분전, 2분전의 변화율을 계산한다.

tild1 = (y1-y2)/(t1-t2) = (y1-y2)/60

tild2 = (y2-y3)/(t2-t3) = (y2-y3)/60

단계 3은 가중변화율 (tild_w)을 계산한다.

이는 앞에서 계산된 기울기들의 가중합을 이용하여 계산하며 각 기울기의 가중치는 현장에 따라 조정할 수 있으며 기본적으로 0.5, 0.3, 0.2로 한다. 이는 현재 시점의 변화율을 계산하는데 있어서 1분전, 2분전의 사용패턴을 적용하며, 이때 최근의 변화율을 가장 많이 반영하는 개념이다.

tild_w = 0.5×tild0 + 0.3×tild1 + 0.2×tild2

단계 4는 예측수요전력을 계산한다. 예측수요전력은 수요시한이 종료되는 시점 즉 수요경과시간이 900초인 시점의 값을 계산하며 수학식 18처럼 계산한다.

도 8은 수요전력을 나타낸 그래프이다.

상기 부하시간 판단부(200)는 현재시각이 최대부하시간, 중간부하시간, 경부하시간 중 어느 시간대인지를 판단하는 기능으로써 도 1의 한전에서 정의된 테이블을 이용해서 쉽게 판단할 수 있다.

상기 EMS 레벨 판단부(210)는 현재 에너지 사용레벨을 판단하는 부로써 전문가의 지식과 경험을 바탕으로 에너지의 사용상태에 따라 도 9와 같이 정의한다. 즉, 도 9는 현재 에너지 사용 레벨을 나타낸 도면이다.

전술한 바와 같이, 예측수요전력, 목표수요전력, 수요기준전력, 금일목표전력, 금일기준전력, 금일예측전력, 금일 전력량 값들을 이용하여 6가지의 EMS 상태에 따라 레벨을 판단한다. 그리고 이 레벨은 통신부(110)를 통해서 하위의 단위 시스템인 ESS(30), 공조장치(40), 조명장치(50)를 제어하는 충방전 제어부(220), 공조 제어부(230) 및 조명 제어부(240)에 전달된다.

상기 충방전 제어부(220), 공조 제어부(230), 조명 제어부(240)는 상기 EMS 레벨 판단부(210)에서 결정된 레벨에 따라 각각 도 10처럼 동작한다. 즉, 도 10은 도 9의 각 레벨에 따른 ESS, 공조장치 및 조명장치의 동작 상태를 나타낸 도면이다.

상기 공조장치(40)에서 단위시스템인 실내기(FCU;Fan coil unit)는 개별로 레벨을 정의하여 설정한다.

예를 들어 한 개의 룸에 3개의 FCU가 있는 경우 각각에 우선차단할 것부터 레벨을 설정하면 된다.

상기 조명장치(50)도 동일한 방식으로 제어가능한 단위로 조명별 레벨을 지정한다. 예를 들어 창가에 있거나 업무에 방해가 안되는 복도등 등은 1레벨, 그외는 2레벨로 지정하고, 차단해서는 안되는 부하는 레벨을 지정하지 않는다.

각 시스템에서는 EMS 레벨에 따라 해당 부하를 차단한다. 그리고 투입은 사용자가 필요시에 하도록 자동 투입은 하지 않는다.

상기 ESS(30)는 EMS 레벨에 따라 충전과 방전 동작이 결정되고, 충전량과 방전량의 제어는 PI제어 알고리즘을 이용하여 충방전량 제어를 한다.

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.

10 : 수배전반 20 : 태양광 발전장치
30 : ESS 40 : 공조장치
50 : 조명장치 110 : 통신부
120 : 계측부 130 : 데이터 생성부
140 : 저장부 150 : 요일별 패턴 생성부
160 : 월별 사용목표 설정부 170 : 일별/시간대별 목표 생성부
180 : 금일 소비량 예측 및 기준 산출부
190 : 수요전력 예측 및 기준 산출부 200 : 부하시간 판단부
210 : EMS 레벨 판단부 220 : 충방전 제어부
230 : 공조 제어부 240 : 조명 제어부

Claims

수배전반, 태양광 발전장치, ESS, 공조장치 및 조명장치와 통신을 통해 데이터를 전달하는 통신부와,
상기 통신부를 통해 전달된 데이터 파싱을 통하여 한전계통으로부터 공급되는 계통 전력량 및 상기 태양광 발전장치로부터 생산된 발전 전력량을 계측하는 계측부와,
상기 계측부로부터 계측된 데이터를 이용하여 상기 수배전반에서 계측되는 전력 샘플 데이터의 일정 시간의 구간동안 평균을 구하여 수요전력량 및 누적발전량을 이용하여 계측하는 금일 전력량, 소비 전력량의 데이터를 생성하는 데이터 생성부와,
상기 계측부에서 계측된 계통 전력량 및 발전 전력량과 상기 데이터 생성부로부터 생성된 데이터를 저장하는 저장부와,
상기 저장부로부터 실시간으로 계측된 계통 전력량 및 발전 전력량의 데이터와 상기 데이터 생성부로부터 생성된 데이터를 공급받아 요일별로 각 시간대에 대하여 전력 사용 패턴을 생성하는 요일별 패턴 생성부와,
상기 저장부로부터 실시간으로 계측된 계통 전력량 및 발전 전력량의 데이터 및 상기 데이터 생성부로부터 생성된 데이터를 공급받아 건물 및 빌딩으로부터 사용하고자 하는 월별 목표 전력 사용량을 설정하는 월별 사용목표 설정부와,
상기 요일별 패턴 생성부의 전력 사용 패턴과 상기 월별 사용목표 설정부에 입력된 목표 전력 사용량을 근거로 목표 전력 사용량 이하로 사용하기 위해 일별/시간대별로 목표 값을 생성하는 일별/시간대별 목표전력 생성부와,
상기 일별/시간대별 목표전력 생성부와 상기 저장부로부터 실시간으로 계측된 누적 적산 전력량의 데이터를 공급받아 금일 전력 소비량을 예측하고 목표 전력량 기준 값을 생성하는 금일 소비량 예측 및 기준 모델 산출부와,
상기 계측부에서 계측된 계통 전력량 및 발전 전력량을 받아 일정 시간 간격의 수요시한 동안에 기준 값과 수요시한 종료시점에서의 값을 예측하는 수요전력 예측 및 기준 산출부와,
현재 시간이 최대 부하시간, 중간 부하시간, 경 부하시간 중 어느 시간대인지를 판단하는 부하시간 판단부와,
상기 수요전력 예측 및 기준 산출부에서 예측 값 및 기준 값과 상기 부하시간 판단부의 부하시간을 전달받아 현재 에너지 사용레벨을 판단하는 EMS 레벨 판단부를 포함하여 구성되고,
상기 일별/시간대별 목표전력 생성부는 상기 월별 사용목표 설정부에서 설정된 월사용 목표를 초과하지 않도록 일별, 시간대별 기준전력을 자동으로 생성하고, 상기 요일별 패턴데이터와 금월 사용전력량, 금월 목표전력량을 이용하여 계산하는 것을 특징으로 하는 건물 및 빌딩의 멀티 오브젝티브 운영기술을 적용한 하이브리드 에너지 관리 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 저장부는 데이터 베이스에 상기 계측부에서 계측 및 데이터 생성부에서 생성된 데이터를 주기적으로 저장하며, 각 항목에 대하여 15분 간격, 1시간 간격, 하루 간격의 데이터를 각각 저장하는 것을 특징으로 하는 건물 및 빌딩의 멀티 오브젝티브 운영기술을 적용한 하이브리드 에너지 관리 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 요일별 패턴 생성부는 건물에서 소비되는 패턴을 요일별로 생성 저장하고, 일요일, 월요일, 화요일, 수요일, 목요일, 금요일, 토요일에 대하여 시간대별로 평균사용 전력을 계산하여 최근 3주동안 같은 요일, 같은 시간대의 데이터의 평균을 취하여 계산하는 것을 특징으로 하는 건물 및 빌딩의 멀티 오브젝티브 운영기술을 적용한 하이브리드 에너지 관리 시스템.
제 3 항에 있어서, 상기 요일별 패턴 생성부는 휴일정보를 관리하여 평균을 계산할 때 휴일이 있는 경우는 이를 제외하고 요일별 패턴을 생성하는 것을 특징으로 하는 건물 및 빌딩의 멀티 오브젝티브 운영기술을 적용한 하이브리드 에너지 관리 시스템.
제 3 항에 있어서, 상기 요일별 패턴 생성부에서 생성된 요일별 패턴 데이터는 각 요일에 대하여 시간대별 평균사용전력, 요일별 하루 사용전력량 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 건물 및 빌딩의 멀티 오브젝티브 운영기술을 적용한 하이브리드 에너지 관리 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 월별 사용목표 설정부는 월단위 사용전력량을 설정관리하는 부분으로써, 전년 동월, 전월 사용전력량 정보를 기반으로 하여 해당 월에 사용할 전력량, 또는 절감할 전력량을 결정하는 것을 특징으로 하는 건물 및 빌딩의 멀티 오브젝티브 운영기술을 적용한 하이브리드 에너지 관리 시스템.
삭제
제 1 항에 있어서, 상기 일별/시간대별 목표전력 생성부는 매일 날짜가 변경되는 시점에서 어제까지 소비전력량과 사용가능 전력량에 대하여 금일목표 사용전력량과 시간대별 기준값을 생성하는 것을 특징으로 하는 건물 및 빌딩의 멀티 오브젝티브 운영기술을 적용한 하이브리드 에너지 관리 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 일별/시간대별 목표 생성부는 설정된 월 목표사용전력량을 달성할 수 있도록 오늘 시간대별 기준사용전력량을 기존 패턴을 이용하여 계산하여 제공하는 것을 특징으로 하는 건물 및 빌딩의 멀티 오브젝티브 운영기술을 적용한 하이브리드 에너지 관리 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 금일 소비전력량 예측 및 기준 산출부는 금일 시간대별 사용기준과 패턴값을 이용하여 현재시각에서 사용해야할 기준값과 금일 종료시점에서 예측사용전력을 계산하는 것을 특징으로 하는 건물 및 빌딩의 멀티 오브젝티브 운영기술을 적용한 하이브리드 에너지 관리 시스템.
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