KR101971156B1 - 유무선 하이브리드형 태양광 발전 모니터링 시스템 - Google Patents

유무선 하이브리드형 태양광 발전 모니터링 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 로라(LoRa) 무선 통신과 유선 통신을 결합하여 일정 거리내에 산재 분포된 태양광 설비를 효과적으로 감시함으로써 통신 불량을 사전에 방지함과 더불어 설치가 용이한 유무선 하이브리드형 태양광 발전 모니터링 시스템에 관한 것으로서, 태양광으로부터 생산된 DC 전력을 AC 전력으로 변환하여 출력하는 다수의 인버터와, 상기 각 인버터와 RS-485 통신을 통해 데이터를 수집 및 가공하여 로라 통신을 통해 가공된 데이터를 전송하는 다수의 RTU와, 상기 다수의 RTU로부터 로라 통신을 통해 전달된 정보를 수집하여 유선 TCP/IP 통신 방식으로 전송하는 CND와, 상기 CND로부터 유선 TCP/IP 통신 방식을 통해 전달된 정보를 전달받아 모니터링을 통해 관리하는 관리 서버를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

유무선 하이브리드형 태양광 발전 모니터링 시스템{solar photovoltaic generation monitoring system type wired and wireless hybrid}
본 발명은 태양광 발전 모니터링 시스템에 관한 것으로, 특히 로라(Lora) 무선 통신과 유선 통신을 결합하여 일정 거리내에 설치된 태양광 설비를 모니터링 할 수 있도록 한 유무선 하이브리드형 태양광 발전 모니터링 시스템에 관한 것이다.
최근 화석연료의 과대한 사용에 따라 지구의 온난화 등 환경문제가 심각해지면서 국제적으로 이산화탄소 배출을 줄이기 위한 대책 마련이 시급한 실정이며 이의 대안으로 신재생 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다.
또한, 태양전지를 비롯한 그린에너지 공급원들은 지구에 한정적으로 존재하는 화석연료를 사용하지 않는다는 장점과 이산화탄소 가스의 배출이 없으므로 환경 오염을 최소화할 수 있다는 큰 장점이 있으며, 이러한 장점들은 지구 온난화와 화석연료 고갈이 심각해 지는 가까운 미래를 대비해야 하는 현대인의 입장을 고려할 때 이의 중요도는 매우 높을 수 밖에 없다.
우리나라의 경우에도 근래 이산화탄소 배출을 규제하기 위해 태양광발전을 선두로 하여 신재생 에너지 보급에 대한 장려정책이 제도화되어 실시되고 있고, 이에 따라 태양광 발전시스템은 최근 몇 년간 주요한 신재생 에너지의 우선적인 발전시스템으로 권장되면서 수많은 발전설비 및 이의 운영에 필요한 인프라 시설들이 개발되었고 현재 수천MW 용량의 태양광발전 시설이 현장에서 설치 운용중에 있다.
이러한 태양전지모듈은 일사량을 많이 얻을 수 있는 건물의 옥상에 설치되거나 일조권이 잘 확보될 수 있는 야산과 같은 한적한 곳에 태양광에 직접 노출되어 설치되므로, 운영자의 접근이 대개 용이치 못하고 발전시스템이 설치되어 있는 현장에서 직접 육안으로 체크하는 방안이 현실적이지 못하며 따라서 원격 모니터링이나 발전시스템에 대한 자동 고장 인식의 중요도가 높아지게 되었다.
이러한 태양광 설비의 감시진단 및 모니터링 시스템을 구축하는데 있어서 하부장치들과 통신을 할 때 일반적으로 RS-485 통신 방식을 많이 사용하고 있다. RS-485 통신은 1:N통신이 가능하고 통신거리도 1km 정도까지 가능하기 때문이다.
도 1은 일반적으로 다수의 인버터로 구성된 태양광 발전 모니터링 시스템을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 태양광으로부터 생산된 DC 전력을 AC 전력으로 변환하여 출력하는 다수의 인버터(10), 상기 각 인버터(10)로부터 수집된 정보를 전달하는 RS-485 통신부(20)와, 상기 RS-485 통신부(20)를 통해 전달된 정보를 전달받아 모니터링을 통해 관리하는 관리 서버(30)를 포함한다.
여기서, 상기 관리 서버(30)는 각 인버터(10)들과 RS-485 통신을 하여 데이터를 수집하고 다양한 방식으로 처리하고 화면으로 표시해주는 기능을 갖는다. 이와 같이 데이터 수집을 하기 위해서 관리 서버(30)는 마스터가 되고 각 인버터(10)들은 슬레이브가 된다.
상기 관리 서버(30)에서 각 인버터(10)와 같은 슬레이브 장치들에 순차적으로 데이터를 요청하고 응답받는 방식이다. 이 방식은 순차적으로 데이터를 가져와야 되기 때문에 만약에 인버터(10)들의 수가 많아 진다면 모든 장치와 통신을 1회 완료하는 시간인 스캔타임이 그 만큼 길어지게 된다.
또한, 중간에 특정 인버터(10)가 고장이나서 응답을 주지 않는 다면 관리 서버(30)에는 타임아웃 시간동안 기다린 후 다음 슬레이브로 요청을 하기 때문에 전체 스캔 타임이 많이 길어지게 되며 각 인버터(10)의 데이터를 수집하는 주기는 커질 수 밖에 없다.
이런 문제를 개선하기 위해서 도 1처럼 통신 포트(Port1, Port2, Port3)를 분리하여 구성한다. 이를 위해 관리 서버(30)는 다수의 통신 포트(Port1, Port2, Port3)가 필요하게 되며 통신 케이블을 이용하여 포트별로 분리해서 별도로 구축해야 하지만 산업현장에서 많이 사용되고 있는 방식이다.
일반적인 태양광 발전 시스템은 한 영역에 설치하고 인버터(10) 등의 설비는 전기실 같은 지정된 장소에 설치하기 때문에 통신공사나 모니터링 시스템의 구축에 어려움은 없지만 장치들이 멀리 떨어져 분포하는 경우 유선 방식은 많은 제약이 따르게 된다.
일례로서 농촌지역의 한 마을에 각 가구별로 태양광 발전시스템이 설치되어 있고 이들 시스템을 통합적으로 모니터링 할 수 있는 시스템을 구축하는 경우에 관리 서버(30)는 마을회관 등의 한 장소에 위치한다면 각 가구에 설치된 인버터와 서버간 통신을 위한 통신선로를 연결하기 위한 공사에는 도로, 가구 등을 통과해야하는 많은 제약이 따르기 때문에 유선통신 방식은 어렵다.
이를 위해 무선통신 방식을 사용하는데 지그비(Zigbee), 와이-파이(Wi-fi), 블루투스 등의 방식을 사용하기도 했지만 이 방식들은 무선통신 거리가 15 ~ 50m 정도로 짧기 때문에 인접해 설치된 장치를 경유해서 통신할 수 있는 기술들이 있지만 인근에 장치가 없다면 이방식도 적용하기 어렵다.
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로 로라(LoRa) 무선 통신과 유선 통신을 결합하여 일정 거리내에 산재 분포된 태양광 설비를 효과적으로 감시함으로써 통신 불량을 사전에 방지함과 더불어 설치가 용이한 유무선 하이브리드형 태양광 발전 모니터링 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 유무선 하이브리드형 태양광 발전 모니터링 시스템은 태양광으로부터 생산된 DC 전력을 AC 전력으로 변환하여 출력하는 다수의 인버터와, 상기 각 인버터와 RS-485 통신을 통해 데이터를 수집 및 가공하여 로라 통신을 통해 가공된 데이터를 전송하는 다수의 RTU와, 상기 다수의 RTU로부터 로라 통신을 통해 전달된 정보를 수집하여 유선 TCP/IP 통신 방식으로 전송하는 CND와, 상기 CND로부터 유선 TCP/IP 통신 방식을 통해 전달된 정보를 전달받아 모니터링을 통해 관리하는 관리 서버를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 의한 유무선 하이브리드형 태양광 발전 모니터링 시스템은 다음과 같은 효과가 있다.
즉, 로라(LoRa) 무선 통신과 유선 통신을 결합하여 일정 거리내에 산재 분포된 태양광 설비를 효과적으로 감시함으로써 통신 불량을 사전에 방지함과 더불어 설치가 용이하게 할 수 있다.
도 1은 일반적으로 다수의 인버터로 구성된 태양광 발전 모니터링 시스템을 개략적으로 나타낸 구성도
도 2는 본 발명에 의한 유무선 하이브리드형 태양광 발전 모니터링 시스템을 개략적으로 나타낸 구성도
도 3은 도 2의 RTU와 CND에 대한 구성을 보다 세부적으로 나타낸 구성도
도 4는 도 2의 관리 서버를 보다 구체적으로 나타낸 구성도
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 공지기능 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 2는 본 발명에 의한 유무선 하이브리드형 태양광 발전 모니터링 시스템을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
본 발명에 의한 유무선 하이브리드형 태양광 발전 모니터링 시스템은 도 2에 도시된 바와 같이, 태양광으로부터 생산된 DC 전력을 AC 전력으로 변환하여 출력하는 다수의 인버터(110)와, 상기 각 인버터(110)와 RS-485 통신을 통해 데이터를 수집 및 가공하여 로라 통신을 통해 가공된 데이터를 전송하는 다수의 RTU(Remote Terminal Unit)(120)와, 상기 다수의 RTU(120)로부터 로라 통신을 통해 전달된 정보를 수집하여 유선 TCP/IP 통신 방식으로 전송하는 CND(Clustering Network Device)(130)와, 상기 CND(130)로부터 유선 TCP/IP 통신 방식을 통해 전달된 정보를 전달받아 모니터링을 통해 관리하는 관리 서버(140)를 포함한다.
여기서, 상기 각 인버터(110)는 각 가정의 한전전기 인입부에 연결되어 있고, 상기 각 인버터(110)에 생산된 DC 전력을 공급하는 태양광 설비는 각 가구의 지붕에 설치되어 있다.
상기 인버터(110)는 상용의 계통 연계형 인버터로써 일사량과 온도에 따라 최적 출력을 할 수 있도록 MPPT 제어 기능과 DC 전력을 AC 전력으로 변환해서 계통에 연계하여 출력하는 기능을 갖는 장치로서, 기상환경에 따라 자율적으로 동작하는 기기이며 외부에서 별도로 제어할 수 있는 요소는 없다.
상기 관리 서버(140)는 각 가구에 설치된 인버터(110)의 정보를 수집하여 모니터링할 수 있도록 구축되어 있다.
한편, 상기 CND(130)는 상기 다수의 RTU(120)를 다수의 그룹으로 분리한 상태에서 각 그룹별로 하나씩 설치되도록 구성되어 다수의 CND(130)로 이루어져 있다. 이때 상기 CND(130)에 등록된 RTU(120)에 대한 정보만을 추출하여 상기 관리 서버(140)로 전송한다.
상기 관리 서버(140)는 상기 CND(130)에서 전송되는 데이터를 수신하여 데이터를 가공하여 데이터 베이스에 저장하고 관리자가 웹으로 접속하여 원격으로 모니터링할 수 있는 UI를 제공한다.
도 3은 도 2의 RTU와 CND에 대한 구성을 보다 세부적으로 나타낸 구성도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, RTU(120)는 인버터(110)와 RS-485 통신을 하기 위한 RS-485 인터페이스부(121)와, 상기 인버터(110)와 RS-485 통신을 위해 해당 인버터(110)의 프로토콜을 분석하는 프로토콜 분석부(122)와, 상기 프로토콜 분석부(122)를 통해 분석된 해당 인버터(110)로부터 데이터를 제공받아 분석하는 MPU(123)와, 상기 MPU(123)를 통해 상기 인버터(110)에서 수집된 정보와 관리 서버(140)에서 관리를 위한 정보를 조합하여 패킷을 생성하는 전송 데이터 생성부(124)와, 상기 MPU(123)에서 분석된 데이터를 외부로 전송하기 위해 LoRa 신호로 변환해주는 LoRa 전송부(125)로 구성된다.
일반적으로 태양광 시스템에 사용되는 인버터는 제조사별로 프로토콜이 다르기 때문에 제조사별 통신 프로토콜이 다르고 모델마다 자주 변경되기 때문에 쉽게 프로토콜을 변경할 수 있어야 한다.
따라서 상기 RTU(120)는 제조사별 프로토콜을 내장하고 있어서 인버터 모델의 설정을 통하여 프로토콜을 변경할 수 있다. 이를 위하여 상기 프로토콜 분석부(122)는 설정된 인버터(110)에 대한 요청 패킷을 생성하여 인버터(110)로 요청신호를 보내고 응답신호를 파싱하는 기능을 포함한다.
상기 전송 데이터 생성부(124)에서는 관리 서버(140)로 전송할 데이터를 생성하는 단계로서 인버터(110)에서 수집된 정보와 관리 서버(140)에서 관리를 위한 정보를 조합하여 패킷을 생성한다.
한편, 상기 인버터(110)에는 많은 정보들을 포함하고 있지만 LoRa 통신을 이용하기 위해서 패킷을 최소한으로 해야 하기 때문에 동작유무, 에러코드, 전력, 누적 발전력량 그리고 RTU(120)의 고유식별코드 정보를 패킷으로 만들어 LoRa 트랜시버에 보내면, LoRa 트랜시버에서는 패킷데이터를 물리적인 RF신호로 변환해서 송신하게 된다.
이때 상기 인버터(110)와 RS-485 통신(121)과 LoRa 전송부(125)는 별도의 프로세스로 동작하는데 인버터(110)와 통신하는 프로세스는 수초간격으로 인버터에 요청 패킷을 보내고 응답 패킷을 받아 처리하는 폴링방식으로 동작하고 전송 데이터 생성부(124)에서는 수분 간격으로 생성된 패킷을 전송하는 푸싱방식으로 동작한다.
상기 CND(130)는 상기 RTU(120)의 LoRa 전송부(125)에서 변환된 LoRa 신호를 LoRa통신 방식의 RF 무선신호 받아서 데이터를 가공하여 관리 서버(140)로 TCP/IP로 전송한다.
이를 위해 상기 CND(130)는 LoRa 수신부(131), 설정부(132), 서버 전송부(133)로 구성된다.
상기 LoRa 수신부(131)는 상기 LoRa 전송부(125)에서 변환된 LoRa 신호를 LoRa통신 방식의 RF 무선신호로 수신한다.
상기 설정부(132)는 상기 RTU(120)들의 LoRa 식별코드들과 관리 서버(140)의 IP 및 Port 정보가 설정되어 있다.
상기 LoRa 수신부(131)는 등록된 RTU(120)에서 전송되는 신호만을 수신하게 된다.
상기 서버 전송부(133)는 상기 RTU(120)로부터 상기 LoRa 수신부(131)를 통해 수신된 정보를 TCP/IP를 이용하여 상기 관리 서버(140)로 전송한다.
상기 CND(130)와 관리 서버(140)가 사설 네트워크나 인터넷망으로 연결될 수 있다. 인터넷망에 연결하기 위해서 상기 CND(130)에도 공인 IP(public IP)가 할당되어야 하는데 이때 상기 CND(130)는 태양광 설치가구 중에 인터넷을 사용하는 가구의 망을 활용함으로써 네트워크 비용을 절감할 수 있다.
도 4는 도 2의 관리 서버를 보다 구체적으로 나타낸 구성도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 관리 서버(140)는 상기 CND(130)로부터 수신된 정보를 처리하는 데이터 처리부(DAS;Date Acquistion Sysem)(141), 웹서비스를 제공하는 WAS(Wep Application System)(142), 데이터를 저장하는 데이터 베이스(data base)(143) 및 스트럿츠 프레임워크(Struts Framework)부(144)를 포함하여 구성된다.
상기와 같이 구성된 관리 서버(140)는 상기 CND(130)에서 전송되는 정보를 수신받아 데이터 베이스(DB)(142)에 저장하고 다양한 UI를 제공한다.
상기 DAS(Data Acquisition System)(141)는 상기 CND(130)에서 주기적으로 전송되는 정보를 수신하는 TCP 리시버(TCP Receiver)(141a)와, 패킷을 데이터항목별로 분류하는 Parser(142b) 그리고 누적발전량을 이용하여 시간별 발전량들 계산하고 이들을 데이터 베이스(142)에 저장하는 BL(Business Logic)부(141c)로 구성된다.
상기 데이터 베이스(142)는 Maria, Mysql, Oracle, MSsql 등 상용 또는 무상의 데이터 베이스를 사용할 수 있다. 실시간 정보를 저장하는 테이블, 시간간격 발전량 트랜드 정보를 저장하는 보고서 테이블, 설비용량, 사용자, RTU 정보 등을 관리하는 설정테이블 등으로 구성된다. 자체 스케줄러에서는 시간별 데이터를 이용하여 일단위, 월단위의 발전량 정보를 생성하여 저장하는 기능도 있다.
상기 WAS(143)는 관리자가 Web 기반으로 관제할 수 있도록 웹 서버와 UI를 포함한다. 상기 웹 서버는 일반적으로 많이 사용하는 Tomcat를 사용하고 UI는 HTML5를 사용한다.
상기 스트럿츠 프레임워크(Struts Framework)부(144)는 자바기반으로 데이터 베이스(DB) 연동을 위한 웹기반 응용프로그램을 개발하기 위한 프레임워크이다.
한편, 이상 본 발명을 몇 가지 바람직한 실시예를 사용하여 설명하였으나, 이들 실시예는 예시적인 것이며 한정적인 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 사상과 첨부된 특허청구범위에 제시된 권리범위에서 벗어나지 않으면서 다양한 변화와 수정을 가할 수 있음을 이해할 것이다.
110 : 인버터 120 : RTU
130 : CND 140 : 관리 서버

Claims (8)

  1. 태양광으로부터 생산된 DC 전력을 AC 전력으로 변환하여 출력하는 다수의 인버터와,
    상기 각 인버터와 RS-485 통신을 통해 데이터를 수집 및 가공하여 로라 통신을 통해 가공된 데이터를 전송하는 다수의 RTU와,
    상기 다수의 RTU로부터 로라 통신을 통해 전달된 정보를 수집하여 유선 TCP/IP 통신 방식으로 전송하는 CND와,
    상기 CND로부터 유선 TCP/IP 통신 방식을 통해 전달된 정보를 전달받아 모니터링을 통해 관리하는 관리 서버를 포함하고,
    상기 RTU는 상기 인버터와 RS-485 통신을 하기 위한 RS-485 인터페이스부와, 상기 인버터와 RS-485 통신을 위해 해당 인버터의 프로토콜을 분석하는 프로토콜 분석부와, 상기 프로토콜 분석부를 통해 분석된 해당 인버터로부터 데이터를 제공받아 분석하는 MPU와, 상기 MPU를 통해 상기 인버터에서 수집된 정보와 관리 서버에서 관리를 위한 정보를 조합하여 패킷을 생성하는 전송 데이터 생성부와, 상기 MPU에서 분석된 데이터를 외부로 전송하기 위해 LoRa 신호로 변환해주는 LoRa 전송부로 구성되고,
    상기 프로토콜 분석부는 설정된 인버터에 대한 요청 패킷을 생성하여 인버터로 요청신호를 보내고 응답신호를 파싱하는 기능을 포함하고,
    상기 CND는 상기 LoRa 전송부에서 변환된 LoRa 신호를 LoRa 통신 방식의 RF 무선신호로 수신하는 LoRa 수신부와, 상기 RTU들의 LoRa 식별코드들과 관리 서버의 IP 및 Port 정보가 설정되어 있는 설정부와, 상기 RTU로부터 상기 LoRa 수신부를 통해 수신된 정보를 TCP/IP를 이용하여 상기 관리 서버로 전송하는 서버 전송부를 포함하여 이루어지며,
    상기 CND는 IP가 부여되어 상기 RTU의 LoRa 전송부에서 변환된 LoRa 신호를 LoRa 통신 방식의 RF 무선신호 받아서 데이터를 가공하여 관리 서버로 TCP/IP 통신으로 전송하고,
    상기 관리 서버는 상기 CND로부터 수신된 정보를 처리하는 데이터 처리부, 웹서비스를 제공하는 WAS, 데이터를 저장하는 데이터 베이스 및 스트럿츠 프레임워크부를 포함하여 구성되어 상기 CND에서 전송되는 데이터를 수신하고 데이터를 가공하여 데이터 베이스에 저장하며 관리자가 웹으로 접속하여 원격으로 모니터링하기 위한 UI를 제공하고,
    상기 데이터 처리부는 상기 CND에서 주기적으로 전송되는 정보를 수신하는 TCP 리시버와, 패킷을 데이터항목별로 분류하는 파서 그리고 누적발전량을 이용하여 시간별 발전량들 계산하고 이들을 데이터 베이스에 저장하는 BL부로 구성되고,
    상기 인버터와 RS-485 통신과 LoRa 전송부는 서로 다른 프로세스로 동작하고, 상기 인버터와 통신하는 프로세스는 수초간격으로 인버터에 요청 패킷을 보내고 응답 패킷을 받아 처리하는 폴링방식으로 동작하고 전송 데이터 생성부에서는 수분 간격으로 생성된 패킷을 전송하는 푸싱방식으로 동작하는 것을 특징으로 하는 유무선 하이브리드형 태양광 발전 모니터링 시스템.
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