KR102662731B1 - 가상 센서를 이용해 제어 구간 설정을 하는 온도 제어 시스템 및 방법 - Google Patents

가상 센서를 이용해 제어 구간 설정을 하는 온도 제어 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 건물 에너지 관리 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 가상 센서를 적용하여 건물 온도 제어구간을 설정하고 이를 이용한 최적화된 온도 제어 방식을 제공하는 가상센서를 적용한 건물 온도 제어구간설정 제어 시스템 및 방법에 대한 것이다. 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 재생에너지 초과발전과 출력제한 및 전력에서 보조서비스 기여, 양방향 수요관리를 하기 위해서는 발전, 전송, 저장, 수요관리 등의 다양한 기능으로 복합된 기능을 실행 할 수 있다.

Description

가상 센서를 이용해 제어 구간 설정을 하는 온도 제어 시스템 및 방법 {BUILDING TEMPERATURE CONTROL SYSTEM AND METHOD FOR SETTING CONTROL SECTION USING VIRTUAL SENSOR}
본 발명은 건물 에너지 관리 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 가상 센서를 적용하여 건물 온도 제어 구간 설정을 하고 이를 이용한 최적화된 온도 제어 방식을 제공하는 가상 센서를 이용해 제어 구간 설정을 하는 온도 제어 시스템 및 방법에 대한 것이다.
우리나라에서 건축물 부문은 현재 국가 전체 에너지사용량의 약 20%를 차지하고 있으며, 선진화가 될수록 40%까지 증가할 것으로 예상되고 있다.
기존에 건물에너지관리시스템은 냉/난방 설비, 환기설비, 콘센트 등에 센서와 계측장비를 설치하고 통신망으로 연계하여, 에너지원별, 용도별 등의 상세 사용량을 실시간으로 모니터링하는 기본적인 기능과 수집된 에너지 사용 정보를 S/W를 통해 분석하고 설비의 자동제어를 통해 운영 최적화를 통한 에너지 절감을 하는 통합 관리 시스템을 실행하였다.
본 발명은 가상센서를 적용하여 건물 온도 제어구간을 설정하고 이를 이용한 최적화된 온도 제어 방식을 제공하는 가상 센서를 이용해 제어 구간 설정을 하는 온도 제어 시스템 및 방법을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 가상센서를 이용해 제어 구간 설정을 하는 온도 제어 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 가상센서를 이용해 제어 구간 설정을 하는 온도 제어 시스템은 하나 이상의 가상 센서를 포함하는 센서부, 시간적 구간과 부하 특성에 따라 제어 구간 설정을 하는 구간 설정부, 초과 발전을 포함하여 에너지 비용을 계산하는 비용 계산부 및 에너지 비용을 기반으로 스위칭 동작을 결정하는 제어 출력부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 재생에너지 초과발전과 출력제한 및 전력에서 보조서비스 기여, 양방향 수요관리를 하기 위해서는 발전, 전송, 저장, 수요관리 등의 다양한 기능으로 복합된 기능을 실행 할 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 물리 센서의 이상을 감지하여 효과적인 에너지 관리를 할 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 특히 전기자동차 V2G 연계, 건물 에너지저장시스템 연계 등 새롭게 적용될 수 있는 전력설비와의 상호운용성 확보에도 기여 할 수 있다.
도 1은 건물에너지 관리시스템을 간략히 도시한 도면.
도 2 내지 도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 가상 센서를 이용해 제어 구간 설정을 하는 온도 제어 시스템을 설명하기 위한 도면들.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 가상 센서를 이용해 제어 구간 설정을 하는 온도 제어 시스템의 가상 센서를 설명하기 위한 예시들.
도 9 내지 도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 가상 센서를 이용한 제어 구간 설정을 하는 온도 제어 시스템을 설명하기 위한 도면들.
도 12 및 도 13은 가상 센서를 이용해 제어 구간을 설정하는 온도 제어 시스템이 온도 제어 스위칭 최적화하는 알고리즘의 예시들.
도 14 내지 도 16은 종래의 온도 제어 방법과 본 발명을 비교 설명하기 위한 도면들.
도 17은 본 발명의 일 실시 예에 따른 가상센서를 적용한 건물 온도 제어구간설정 제어 시스템의 제어구간 설정에 따른 최적화 결과의 변화를 도시한 도면.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 이를 상세한 설명을 통해 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 본 명세서 및 청구항에서 사용되는 단수 표현은, 달리 언급하지 않는 한 일반적으로 "하나 이상"을 의미하는 것으로 해석되어야 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 건물에너지 관리시스템을 간략히 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 건물에너지 관리시스템은 건물 내 에너지 사용설비(조명, 냉난방 설비, 환기설비, 콘센트 등)에 센서와 계측장비를 설치하고 통신망으로 연계하여, 에너지원별(전력, 가스, 연료 등) 사용량을 실시간으로 모니터링하고, 수집된 에너지사용 정보를 최적화 분석소프트웨어를 통해 효율적으로 자동으로 제어하는 시스템으로 건물 내 주요 공간 또는 설비에 부착한 센서를 통해 실시간으로 에너지사용 데이터를 수집 및 분석하여 에너지소비 절감과 건물의 쾌적한 실내 환경 유지에 활용할 수 있다.
도 2 내지 도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 가상센서를 이용해 제어 구간 설정을 하는 온도 제어 시스템을 설명하기 위한 도면들이다.
도 2는 종래의 물리센서만 이용하여 관리하는 기존의 방식과 본 발명의 일 실시 예에 따른 가상센서를 이용한 건물 온도 제어 구간 설정 시스템을 비교한 도면이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 가상센서를 이용한 건물 온도 제어 구간 설정 시스템(10)은 건물 내 주요 공간 또는 설비에 부착한 물리 센서와 건물 모델링 정보를 이용해 가상의 센서를 구성하여 실시간으로 에너지사용 데이터를 수집 및 분석하여 에너지소비 절감과 건물의 쾌적한 실내 환경 유지에 활용하는 최첨단 ICT 시스템이다.
도 3을 참조하면, 가상센서를 이용한 건물 온도 제어 구간 설정 시스템(10)은 센서부(100), 구간 설정부(200), 제어 출력부(300), 비용 계산부(400) 및 최적화부(500)를 포함할 수 있다.
도 4를 참조하면, 센서부(100)는 1개 이상의 물리 센서를 다양하게 구성하여 가상 센서를 하나 또는 다수로 구성할 수 있다. 예를 들면 센서부(100)는 물리 센서의 데이터 X1, X2, ···, Xn를 처리하여 가상 센서의 출력 값 Y1 또는 Y1, Y2, ···, Yn을 산출할 수 있다.
센서부(100)는 건물 내 설치된 물리 센서의 정보와 건물 모델링 정보를 기반으로 하는 가상 센서를 포함할 수 있다.
센서부(100)는 설치된 물리 센서의 정보와 설치 위치에 따른 가중치를 적용하여 가상 센서를 생성할 수 있다.
도 5를 참조하면, 센서부(100)는 처리부(110), 모델링부(120), 비교부(130) 및 진단부(140)를 포함할 수 있다.
처리부(110)는 물리 센서가 측정한 데이터를 수집하고 관리할 수 있다. 처리부(110)는 물리 센서를 다양하게 구성할 수 있다.
모델링부(120)는 건물 내부의 모델링을 한 후 출력값을 산출할 수 있다. 모델링부(120)는 다양하게 건물 내부를 모델링할 수 있다.
모델링부(120)는 건물의 단열 전 열 손실률을 지붕(roof), 외벽(wall), 유리(glass), 바닥(floor), 환기(ventilation) 등으로 구분하여 각각의 수치로 나타낼 수 있다. 예를 들면, 외벽의 경우 39%로 열에 대한 손실률이 가장 크고, 유리 24%, 지붕 19%, 바닥과 환기에서 각각 9%의 열 손실률을 나타낼 수 있다.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 가상 센서를 이용해 제어 구간 설정을 하는 온도 제어 시스템의 가상 센서를 설명하기 위한 예시들이다.
도 6은 센서부(100)의 예시이고, 도 7은 건물 내부 RC 모델 예시이고, 도 8은 도7의 예시에 가상 센서를 표현한 예시이다.
도 8을 참조하면, 비교부(130)는 건물 모델에서의 결과 값(RC 모델)과 실제 배치된 물리 센서의 측정 값을 비교할 수 있다.
다시 도 5를 참조하면, 산출부(140)는 물리 센서의 데이터와 건물 모델링 데이터를 융합하여 출력 값을 산출할 수 있다.
도 9 내지 도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 가상 센서를 이용한 제어 구간 설정을 하는 온도 제어 시스템을 설명하기 위한 도면들이다.
도 9를 참조하면, 진단부(150)는 물리 센서의 오류 등과 같은 이상 현상을 감지할 수 있다. 도 8(a)와 같이 기존의 물리적 센서만 사용하는 경우 센서의 고장 또는 오작동에서 센서의 출력은 전송된다. 하지만 도 8(b)와 같이 가상 센서를 적용하면 물리 센서의 고장과 오작동 센서에 대한 판단을 이용해 안정적인 건물 온도 제어가 가능하다.
다시 도 3을 참조하면, 구간 설정부(200)는 시간적 구간과 부하 특성에 따라 제어 구간 설정을 할 수 있다.
구간 설정부(200)는 주거용 부하는 0~24의 경우에 대한 누진제이기 때문에 시간별 전력사용 비용이 일정하여 사용량에 대한 제어 구간 설정 보다는 피크 구간에 대한 제어 구간을 설정하고, 상업용 부하는 09~18시까지, 산업용 부하는 0~24시에 대한 시간적 구간과 부하 특성에 따른 제어 구간 설정을 할 수 있다.
도 10을 참조하면, 구간 설정부(200)는 건물 내부의 위치별 온도를 고려하여 상한과 하한을 설정할 수 있다. 예를 들면 에어컨을 동작한다고 하여도 건물 실내의 위치에 따라 온도가 다르게 나타난다. 구간 설정부(200)는 위치별 온도를 고려하여 제어 구간별 상한과 하한을 설정할 수 있다.
또한 구간 설정부(200)는 재실자의 상태에 따라 온도의 상한과 하한을 설정할 수 있고, 계시별 요금제 기반으로 제어 온도의 상한 및 하한의 범위에서 설정할 수 있다. 이는 본 발명은 단순한 물리 센서의 데이터만으로 상한 하한 온도 제어를 하는 것보다 안정적이고 경제적인 제어가 가능하다.
또한 구간 설정부(200)는 초과 발전과 연계한 에너지 플러스 수요 반응(Demand Response) 제도와 에너지 저장 장치를 고려하여 에너지를 절감할 수 있도록 제어 구간을 설정할 수 있다.
다시 도 3을 참조하면, 비용 계산부(300)는 계시별 요금제와 초과 발전 발생에 대한 새로운 에너지 비용을 계산할 수 있다. 즉, 비용 계산부(300)는 초과 발전을 포함하여 에너지 비용을 계산할 수 있다.
도 11을 참조하면, 비용 계산부(300)는 [수학식 1]과 같은 새로운 비용함수를 통해 에너지 비용을 계산할 수 있다.
[수학식 1]
T : 하루 스위칭 시한의 총합
u(t) : 온도 제어를 위한 스위칭 동작
p(t) : 사용전력
c(t) : 전력요금
Event(t) : 24시간을 기준으로 이상발생 요소
λ 1, λ 2 : 상수
비용 계산부(300)는 에너지 비용 최소화 목적함수를 계시별 요금제의 시간과 초과 발전 시간을 합한 값으로 결정할 수 있다.
실시 예에 따라, 가상 센서를 이용한 건물 온도 제어 구간 설정 시스템(10)은 계시별 요금제에서는 요금이 최소화 되는 시간대에 전력 사용 스위치를 제어한다. 또한 가상 센서를 이용한 건물 온도 제어 구간 설정 시스템(10)은 재생 에너지 발전으로 인한 초과 발전이 발생하면 출력 제한 시간에 전력 사용을 최대(MAX)로 사용할 수 있다.
제어 출력부(400)는 에너지 비용 최소화 목적함수를 통해 시간에 대한 최소화 스위칭 동작을 결정할 수 있다. 제어 출력부(400)는 온-오프 스위칭 동작을 이진 값인 0과 1로 제어할 수 있다.
부하 특성에 따른 제어 구간 스위칭에 대한 제어 출력을 0~1로 조절할 수 있다. 즉, 제어 출력부(400)는 전력 조절이 가능한 경우에는 0~1 사이의 값으로 제어할 수 있다. 예를 들면, 제어 출력부(400)는 3kW가 최대전력이면 스위칭이 1인 경우 3kW, 0.5인 경우 1.5kW로 출력을 제어할 수 있다. 추가적으로 건물에 태양광 또는 ESS가 적용된 경우는 최대전력 3kW는 동일 하지만 상용전원+태양광 또는 ESS 전력 kW의 합이 3kW가 된다. 즉, 제어 출력부(400)는 각 전력의 개별 비율을 스위칭의 총합이 1이 되도록 설정할 수 있다.
도 12 및 도 13은 가상 센서를 이용해 제어 구간 설정을 하는 온도 제어 시스템이 온도 제어 스위칭 최적화하는 알고리즘의 예시이다.
도 12를 참조하면, 단계 S1210에서 가상 센서를 이용해 제어 구간 설정을 하는 온도 제어 시스템(10)은 시간에 따른 제어 구간을 설정할 수 있다. 예를 들어 가상 센서를 이용해 제어 구간 설정을 하는 온도 제어 시스템(10)은 시간에 따른 스위칭 기준을 15분으로 설정하고 9시부터 6시까지 스위칭 시한의 총합은 36으로 하여 제어 구간 설정할 수 있다.
단계 S1220에서 가상 센서를 이용해 제어 구간 설정을 하는 온도 제어 시스템(10)은 시간에 따른 구간에 대해 온도 스위칭 동작의 상한과 하한에 대한 경계 값 설정할 수 있다. 예를 들면 가상 센서를 이용해 제어 구간 설정을 하는 온도 제어 시스템(10)은 온도 제어 상한과 하한을 각각 2도씩으로 제한 조건을 설정할 수 있다.
단계 S1230에서 가상 센서를 이용한 제어 구간 설정을 하는 온도 제어 시스템(10)은 제한 조건에 따라 전력을 설정할 수 있다.
단계 S1240에서 가상 센서를 이용해 제어 구간 설정을 하는 온도 제어 시스템(10)은 설정된 제약 조건들은 실내 온도의 상한과 하한에 대한 출력 온도 제한 조건 A, 입력 온도 제한 조건 b를 계산하여 시간에 대한 최소한의 스위칭 동작을 결정하여 운전 스케쥴을 생성할 수 있다. 여기서 스위칭 동작은 온-오프 동작인 경우 이진 값인 0과 1, 전력조절이 가능한 경우는 0∼사이의 값이 나타날 수 있다.
단계 S1250에서 가상 센서를 이용해 제어 구간을 설정하는 온도 제어 시스템(10)은 중부하와 최대 부하 시간대의 출력 계산을 위해 최적화 구간을 설정할 수 있다.
단계 1260에서 가상 센서를 이용해 제어 구간을 설정하는 온도 제어 시스템(10)은 최적화에 따른 온도 설정 및 비용을 계산할 수 있다.
도 13은 가상 센서를 이용해 제어 구간을 설정하는 온도 제어 시스템(10)이 도 12의 단계를 수행하여 최적화 구간을 설정하고 시간에 따른 온도 제어 스위칭 동작을 설계한 예시이다.
도 14 내지 도 16은 종래의 온도 제어 방법과 본 발명을 비교 설명하기 위한 도면들이다.
도 14는 계시별 요금제를 설명한 도면이다.
도 15은 종래의 계시별 요금제 기반 온 오프 온도 제어 방법의 스위칭 상태와 온도 변화의 결과 예시이다. 종래의 방법은 설정된 상한과 하한치 온도에 따라 연속적으로 동작하며, 시간과 상관없이 설정된 실내온도에 따라 냉 난방 설비가 운전되는 특성이 있으며, 순간 최대전력 사용으로 운전하여 온도 변화 범위 내에 운전을 한다. 본 발명과 동일하게 건물에 09~18시까지 기존의 건물 온도를 상한과 하한을 2도 차이를 주었을 때 온도 제어기는 온도 2도의 범위에서 시간에 따른 사용 요금이 다르더라도 온-오프를 반복적으로 수행하여 전력 요금 절감에는 효과가 없다.
도 16은 가상 센서를 이용해 제어 구간 설정을 하는 온도 제어 시스템(10)은 설정 조건에 맞추어 전력 가변 방식 스위칭 입력으로 제어 구간 설정한 시뮬레이션 결과이다. 가상 센서를 이용해 제어 구간 설정을 하는 온도 제어 시스템(10)이 초기 동작하는 시간대에 예측된 입력을 중부하와 최대 부하 시간대 제어 구간의 전력 가변 방식 스위칭 입력을 설정할 수 있다.
도 16을 참조하면, 도 15의 기존의 제어 방법에 비해, 가상센서를 적용한 건물 온도 제어구간설정 제어 시스템(10)은 최적화된 비용함수 기반의 제어 구간을 설정한 온도제어의 경우 최대 부하 시간대의 실내 온도 변화가 완만함을 확인할 수 있다. 가상센서를 적용한 건물 온도 제어구간설정 제어 시스템(10)은 전력 사용에 대한 분포에서도 최적화 운전의 경우 전력 피크와 요금이 절감됨을 확인할 수 있다.
도 17은 본 발명의 일 실시 예에 따른 가상센서를 적용한 건물 온도 제어구간설정 제어 시스템의 제어구간 설정에 따른 최적화 결과의 변화를 도시한 도면이다.
도 17을 참조하면, 가상센서를 적용한 건물 온도 제어구간설정 제어 시스템(10)은 1번과 2번에 따른 온도 제어 방법에서 낮은 비용 함수 구간에서 전력을 최대 사용하고, 높은 비용 함수 구간에서 전력을 최소로 소비하는 시스템이다.
상술한 가상센서를 적용한 건물 온도 제어구간설정 제어 방법은 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체 상에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로 구현될 수 있다. 상기 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체는, 예를 들어 이동형 기록 매체(CD, DVD, 블루레이 디스크, USB 저장 장치, 이동식 하드 디스크)이거나, 고정식 기록 매체(ROM, RAM, 컴퓨터 구비형 하드 디스크)일 수 있다. 상기 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체에 기록된 상기 컴퓨터 프로그램은 인터넷 등의 네트워크를 통하여 다른 컴퓨팅 장치에 전송되어 상기 다른 컴퓨팅 장치에 설치될 수 있고, 이로써 상기 다른 컴퓨팅 장치에서 사용될 수 있다.
이상에서, 본 발명의 실시 예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합되거나 결합되어 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시 예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위안에서라면, 그 모든 구성요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다.
도면에서 동작들이 특정한 순서로 도시되어 있지만, 반드시 동작들이 도시된 특정한 순서로 또는 순차적 순서로 실행되어야만 하거나 또는 모든 도시 된 동작들이 실행되어야만 원하는 결과를 얻을 수 있는 것으로 이해되어서는 안 된다. 특정 상황에서는, 멀티태스킹 및 병렬 처리가 유리할 수도 있다. 더욱이, 위에 설명한 실시 예 들에서 다양한 구성들의 분리는 그러한 분리가 반드시 필요한 것으로 이해되어서는 안 되고, 설명된 프로그램 컴포넌트들 및 시스템들은 일반적으로 단일 소프트웨어 제품으로 함께 통합되거나 다수의 소프트웨어 제품으로 패키지 될 수 있음을 이해하여야 한다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 실시 예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 가상 센서를 이용해 제어 구간 설정을 하는 온도 제어 시스템
100: 센서부
110: 처리부
120: 모델링부
130: 비교부
140: 산출부
150: 진단부
200: 구간 설정부
300: 비용 계산부
400: 제어 출력부

Claims (5)

  1. 가상 센서를 이용해 제어 구간 설정을 하는 온도 제어 시스템에 있어서
    하나 이상의 가상 센서를 포함하는 센서부;
    시간적 구간과 부하 특성에 따라 제어 구간 설정을 하는 구간 설정부;
    초과 발전을 포함하여 에너지 비용을 계산하는 비용 계산부 및
    상기 에너지 비용을 기반으로 스위칭 동작을 결정하는 제어 출력부를 포함하되,
    상기 센서부는
    설치된 물리 센서가 측정한 데이터를 수집하고 관리하는 처리부;
    건물 내부 모델링을 한 후 출력값을 산출하는 모델링부;
    상기 건물 모델링에서의 결과 값(RC 모델)과 실제 배치된 상기 물리 센서의 측정 값을 비교하는 비교부; 및
    상기 물리 센서의 데이터와 건물 모델링 데이터를 융합하여 상기 가상 센서의 출력값을 산출하는 산출부를 포함하고,
    상기 산출부는
    상기 물리 센서의 측정 값과 상기 건물 모델링에서 산출한 열 손실율에 따라 상기 물리 센서의 설치 위치에 따른 가중치를 적용하여 가상센서 출력 값을 산출하고,
    상기 구간 설정부는
    건물 내부의 위치별 온도를 고려하여 제어 온도의 상한과 하한을 설정하거나, 재실자의 상태에 따라 제어 온도 상한과 하한을 설정하거나, 계시별 요금제 기반으로 제어 온도의 상한 및 하한을 설정하고,
    상기 비용 계산부는
    계시별 요금제의 시간과 초과 발전 시간을 합한

    의 수학식으로 에너지 비용 최소화 목적함수를 결정하고,
    상기 에너지 비용 최소화 목적 함수를 통해 시간에 대한 최소화 스위칭 동작을 결정하는 가상 센서를 이용한 제어 구간 설정을 하는 온도 제어 시스템.
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