KR20130066100A - 전력 소비 제어 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전력 소비 제어 장치 및 방법에 관한 것으로, 전력 저장부를 UPS로 활용하되 비상시에 자동적으로 부하를 선택하여 백업 전원을 공급 할 수 있도록 하는데 그 목적이 있다. 이를 위해 본 발명에 따른 전력 소비 제어 방법은, 그리드 전력 및 신재생 전력의 공급에 이상이 발생하는지를 판단하고; 그리드 전력 및 신재생 전력의 공급에 모두 이상이 발생한 것으로 판단되면, 부하의 현재 동작을 즉시 종료하는 응급 모드를 수행하며; 그리드 전력의 공급에 이상이 발생하되 신재생 전력의 공급은 정상인 것으로 판단되면, 부하의 현재 동작이 정상적으로 완료되도록 대기하는 비상 모드를 수행한다.

Description

전력 소비 제어 장치 및 방법{POWER CONSUMPTION CONTROL APPARATUS AND METHOD}
본 발명은 전력 소비 제어 장치 및 방법 관한 것으로, 전력 저장부를 구비하는 전력 소비 주체의 전력 소비 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.
전력 저장부를 구비하는 전력 소비 주체에서, 이 전력 저장부를 잉여 전력의 저장 수단으로만 사용하고 있다. 또한 전력 저장부를 충전하거나 전력 저장부에 저장되어 있는 전력을 방전함에 있어서, 전력 공급 상태와 부하의 전력 소비 상태를 고려하지 않고 전력 저장부의 전력을 사용함으로써 효율적이지 않은 전력 사용이 이루어지고 있다.
일 측면에 따르면, 본 발명은 전력 저장부를 UPS로 활용하되 비상시에 자동적으로 부하를 선택하여 백업 전원을 공급 할 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.
이를 위해 본 발명에 따른 전력 소비 제어 방법은, 그리드 전력 및 신재생 전력의 공급에 이상이 발생하는지를 판단하고; 그리드 전력 및 신재생 전력의 공급에 모두 이상이 발생한 것으로 판단되면, 부하의 현재 동작을 즉시 종료하는 응급 모드를 수행하고; 그리드 전력의 공급에 이상이 발생하되 신재생 전력의 공급은 정상인 것으로 판단되면, 부하의 현재 동작이 정상적으로 완료되도록 대기하는 비상 모드를 수행한다.
상술한 전력 소비 제어 방법에서, 응급 모드는, 부하의 현재 동작 상태의 정보를 메모리에 저장하고; 부하의 전력 공급에 관여하는 스위치를 오프시키는 것을 포함한다.
상술한 전력 소비 제어 방법에서, 비상 모드는, 부하의 현재 동작이 정상적으로 완료될 때까지 대기하고; 부하의 현재 동작이 정상적으로 완료되면 부하의 전력 공급에 관여하는 스위치를 오프시키는 것을 포함한다.
상술한 전력 소비 제어 방법에서, 부하의 현재 동작이 정상적으로 완료될 때까지 대기하는 동안 부하에 신재생 전력을 공급 한다.
상술한 전력 소비 제어 방법에서, 부하가 복수의 부하로 이루어지고, 전력 저장부에 저장되어 있는 전력량이 복수의 부하 모두에서 요구되는 전력 소비량보다 작을 때, 복수의 부하 중 일부만을 선택하여 전력을 공급한다.
상술한 전력 소비 제어 방법에서, 복수의 부하 중 일부의 선택은, 복수의 부하 각각의 전력 사용 이력에 기초하여 우선순위를 설정하고; 설정된 우선순위에 따라 우선순위가 높은 부하를 먼저 선택한다.
상술한 전력 소비 제어 방법에서, 복수의 부하 각각의 전력 사용 이력은, 복수의 부하 각각의 시간대 별 사용 빈도와 평균 사용 시간을 포함한다.
상술한 전력 소비 제어 방법에서, 복수의 부하 중 일부의 선택은, 복수의 부하 중에서 일부를 선택하기 위한 사용자 설정을 입력받아 우선순위를 설정하고; 설정된 우선순위에 따라 우선순위가 높은 부하를 먼저 선택한다.
일 측면에 따르면, 본 발명은 전력 저장부를 UPS로 활용하되 비상시에 자동적으로 부하를 선택하여 백업 전원을 공급 할 수 있도록 한다.
이를 위해 본 발명에 따른 전력 소비 제어 장치는, 전력의 충전과 방전이 이루어지는 전력 저장부와; 전력 저장부의 충전과 방전을 수행하는 전력 변환부와; 그리드 전력 및 신재생 전력의 공급에 이상이 발생하는지를 판단하고, 그리드 전력 및 신재생 전력의 공급에 모두 이상이 발생한 것으로 판단되면 부하의 현재 동작을 즉시 종료하는 응급 모드를 수행하고, 그리드 전력의 공급에 이상이 발생하되 신재생 전력의 공급은 정상인 것으로 판단되면 부하의 현재 동작이 정상적으로 완료되도록 대기하는 비상 모드를 수행하는 제어부를 포함한다.
상술한 전력 소비 제어 장치에서, 응급 모드일 때 제어부는, 부하의 현재 동작 상태의 정보를 메모리에 저장하고; 부하의 전력 공급에 관여하는 스위치를 오프시키는 것을 포함한다.
상술한 전력 소비 제어 장치에서, 비상 모드일 때 제어부는, 부하의 현재 동작이 정상적으로 완료될 때까지 대기하고; 부하의 현재 동작이 정상적으로 완료되면 부하의 전력 공급에 관여하는 스위치를 오프시키는 것 포함한다.
상술한 전력 소비 제어 장치에서, 제어부는, 부하의 현재 동작이 정상적으로 완료될 때까지 대기하는 동안 부하에 신재생 전력을 공급 한다.
상술한 전력 소비 제어 장치에서, 부하가 복수의 부하로 이루어지고; 제어부는, 전력 저장부에 저장되어 있는 전력량이 복수의 부하 모두에서 요구되는 전력 소비량보다 작을 때, 복수의 부하 중 일부만을 선택하여 전력을 공급한다.
상술한 전력 소비 제어 장치에서, 제어부는, 복수의 부하 각각의 전력 사용 이력에 기초하여 우선순위를 설정하고; 설정된 우선순위에 따라 우선순위가 높은 부하를 먼저 선택하여 복수의 부하 중 일부를 선택한다.
상술한 전력 소비 제어 장치에서, 복수의 부하 각각의 전력 사용 이력은, 복수의 부하 각각의 시간대 별 사용 빈도와 평균 사용 시간을 포함한다.
상술한 전력 소비 제어 장치에서, 제어부는, 복수의 부하 중에서 일부를 선택하기 위한 사용자 설정을 입력받아 우선순위를 설정하고; 설정된 우선순위에 따라 우선순위가 높은 부하를 먼저 선택하여 복수의 부하 중 일부를 선택한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 소비 제어 장치의 구성을 나타낸 도면.
도 2는 도 1에 나타낸 전력 소비 제어 장치의 제어부의 구성을 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 전력 소비 제어 장치의 제어부와 부하의 통신을 나타낸 도면.
도 4는 도 1에 나타낸 부하의 전력 공급부를 나타낸 도면.
도 5는 본 발명에 따른 전력 공급부의 제어 방법을 나타낸 도면.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 소비 제어 장치의 구성을 나타낸 도면이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 전력 소비 제어 장치(102)는 제어부(104)와 전력 변환부(106), 전력 저장부(108)를 포함한다. 전력 소비 제어 장치(102)는 가정 또는 사업장 등과 같이 전력을 소비하고 그 비용을 지불하는 전력 소비 주체에 마련되어 전력 소비 주체에서 효율적인 전력 소비가 이루어지도록 전력의 수급과 소비를 제어하는 장치이다.
전력 소비 제어 장치(102)의 제어부(104)는 본 발명의 실시 예에 따른 전력 소비 제어 장치(102)의 동작 전반을 제어하여 효율적인 전력 사용이 이루어지도록 한다. 이를 위해 제어부(104)는 전력 변환부(106) 및 전력 저장부(108), 부하(114)는 물론 외부의 신재생 에너지원(110)과 전력 공급 회사(Power Utility Company)(112)(즉, 전력 공급 주체), 외부 네트워크(116)와 전기적으로 통신하여 필요한 정보를 주고받는다. 제어부(104)는 외부 네트워크(116)를 통해 기상 정보를 제공받아 신재생 에너지원(110)에서의 신재생 전력 발전량 등을 예측하는데 이용한다. 예를 들면, 태양광 발전을 위해 제어부(104)가 수집하는 정보는, 일사량과 구름의 분포, 구름의 이동 방향, 기온, 보정 계수 등을 포함한다. 또 제어부(104)는 전력 공급 회사(112)와 통신하여 전력 수급 상황과 전력의 가격 등의 정보를 제공받는다. 또 제어부(104)는 부하(114)에서의 전력 사용 패턴 등을 분석하고 부하(114)와 통신하여 부하 전력 사용량 등을 예측한다. 또 제어부(104)는 전력 저장부(108)의 충전 상태 정보를 전력 저장부(108)와의 통신을 통해 확보한다. 제어부(104)는 도 1에 나타낸 것처럼 전력 소비 제어 장치(102) 내에 마련될 수도 있고, 외부에 서버 형태로 마련되어 네트워크를 통해 전력 소비 제어 장치(102)에 연결될 수도 있다.
전력 소비 제어 장치(102)의 전력 변환부(106)는 전력 저장부(108)의 충전과 방전, 전력의 변환을 수행한다. 즉, 전력 변환부(106)는, 신재생 에너지원(110)으로부터 공급되는 신재생 전력 또는 전력 공급 회사(112)로부터 공급되는 그리드 전력을 전력 저장부(108)에 전달하여 저장되도록 하거나, 공급받은 전력을 부하(114)에 제공하여 부하(114)가 필요한 전력을 소비할 수 있도록 한다. 또한, 전력 변환부(106)는 전력의 흐름(방향)을 전환하고 또 전력의 전기적 특성(주파수 및 위상 등)을 변환한다. 예를 들면 직류 전력을 단상 교류 전력 또는 다상 교류 전력으로 변환한다.
전력 소비 제어 장치(102)의 전력 저장부(108)는 외부로부터 공급되는 전력으로 충전되어 전력을 저장하고, 저장되어 있는 전력을 방전하여 소비되도록 한다. 예를 들면, 신재생 에너지원(110)으로부터 공급되는 신재생 전력 또는 전력 공급 회사(112)로부터 공급되는 그리드 전력을 공급받아 저장하고(충전), 저장되어 있는 전력을 부하(114) 또는 전력 판매 회사(112)에 제공한다(방전). 전력 저장부(108)에서 전력 판매 회사(112)로의 전력의 공급은 전력의 재판매(구입한 전력을 되파는 것)를 의미한다.
신재생 에너지원(110)은 신 에너지와 재생 에너지를 일컫는다. 이 중에서 신 에너지는 연료 전지(fuel cell), 석탄/액화 가스화, 수소 에너지(hydrogen energy)를 포함한다. 연료 전지는, 연료인 수소를 공기 중의 산소와 화학 반응시켜 수소의 산화(酸化)에 의해 발생하는 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시킨다. 석탄 액화/가스화는 석탄을 액화 또는 가스화하여 에너지를 얻는 기술로서, 석탄의 액화는 고체 연료인 석탄을 휘발유 및 디젤유 등의 액체 연료로 전환시키는 기술이다. 석탄을 고온 고압의 상태에서 용매를 사용하여 전환시키는 직접 액화 방식과, 석탄 가스화 후 촉매 상에서 액체 연료로 전환시키는 간접 액화 기술이 있다. 석탄의 가스화는 석탄, 중질잔사유 등의 저급 원료를 고온·고압의 가스화기에서 수증기와 함께 한정된 산소로 불완전 연소 및 가스화시켜서 일산화 탄소와 수소가 주성분인 합성 가스를 만들어 정제 공정을 거친 후 가스 터빈 및 증기 터빈등을 구동하여 발전하는 기술이다. 수소 에너지 기술은, 물, 유기물, 화석 연료 등의 화합물 형태로 존재하는 수소를 분리 생산하여 에너지원으로 이용하는 기술이다.
재생 에너지는 태양열(solar thermal) 발전과 태양광 발전(solar photovoltaic) 발전, 바이오매스(biomass) 에너지, 풍력 발전(wind power generation), 소수력(small hydropower) 발전, 지열 에너지(geothermal energy), 해양 에너지(ocean energy), 폐기물 에너지(waste to energy)를 포함한다.
태양열 발전은, 태양열을 모아 고온의 공기, 수증기를 만들어 터빈을 돌려 발전하는 시스템이다. 빛을 열로 변환하는 집열기에서는 급수되는 물을 가열해 증기화하고, 축열조를 거쳐 터빈으로 보낸다. 터빈 이후의 발전 원리는 종래의 화력 발전 원리와 같다.
태양광 발전(solar photovoltaic)은 태양 에너지에 의한 발전 기술의 하나로서, 태양의 빛 에너지를 태양 전지라는 광전 변환기를 써서 직접 전기 에너지로 변환시켜 에너지를 얻는다. 태양광 발전은 부분적으로 빛을 이용하는 것이어서 흐린 날에도 이용이 가능하다.
바이오매스는, 나무나 곡물, 식물, 농작물 찌꺼기, 축산분뇨, 음식 쓰레기 등을 이용하여 에너지를 생산하는 방식으로서, 예를 들면 가축들의 매설물이나 쓰레기장의 쓰레기가 썩으면서 발생하는 메탄이나 기타 가스를 태워서 발전이나 난방에 사용하는 방법이다.
풍력 발전기는, 바람의 에너지를 전기 에너지로 바꿔주는 장치로서, 풍력 발전기의 날개를 회전시켜 이때 생긴 날개의 회전력으로 전기를 생산한다.
소수력 발전은, 하천 내에서 위치 에너지에 의해 작은 규모의 물로부터 운동 에너지를 만들고 이를 전기 에너지(대체로 20MW 이하)로 바꾸어 전기를 얻는 발전 형태이다. 소수력 발전이 일반적인 수력 발전과 다른 점은, 일반적인 수력 발정은 큰 다목적 댐의 수두 차에 의해서 에너지를 얻지만, 소수력 발전은 물의 흐름에 의한 위치 에너지를 이용한다는 점이다.
지열은 지하의 물체가 갖는 열을 말하며, 지열 에너지는 지하의 지열 에너지에 물을 주입하여 증기를 생산하고 이것으로 증기 터빈을 돌려서 발전에 이용하는 형태이다. 보통 화산이 없는 지대에서는 약 3000미터 깊이의 지하에서 섭씨 100도 정도의 지열을 얻을 수 있으며, 지역에 따라 이보다 온도가 높을 수도 있다.
해양 에너지는, 파랑, 조석, 조류, 해류, 해수의 온도 차에 의한 에너지이다. 파력 발전, 조력 발전, 조류 발전, 해양 온도 차 발전 등이 이용되고 있다.
폐기물 에너지는, 사업장이나 가정에서 발생되는 가연성 폐기물 중 에너지 함량이 높은 폐기물을 열분해하여 고체 연료, 액체 연료, 가스 연료, 폐열 등을 생산하고, 이를 산업 활동에 필요한 에너지로 이용될 수 있도록 재생하는 기술이다.
전력 공급 회사(112)는, 여러 발전 시설에서 생성된 전력을 공급받아 판매하는 기업을 의미한다. 전력 공급 회사(112)는 소비 전력이 적은 시간의 전력 가격을 소비 전력이 많은 시간의 전력 가격에 비해 싸게 책정하고, 소비 전력이 적은 계절의 전력 가격을 소비 전력이 많은 계절의 전력 가격에 비해 싸게 책정하여 공급한다. 이처럼 전력 소비자의 전력 소비 형태와 연계하여 전력 가격을 탄력적으로 책정하여 공급함으로써, 전력의 공급과 소비의 균형을 도모할 수 있다. 또한, 전력 공급 회사(112)는 발전량, 계절별 및 시간별 과거의 전력 사용 정보, 기상 정보에 기초하여 전력 소비량을 예측한 후 전력 가격을 설정한다. 이때 전력 가격에 대응하는 가격 레벨을 설정하는 것도 가능하다. 또한 전력 공급 회사(112)는 각 전력 소비 주체에서 소비되는 전력 소비량을 가격 레벨별로 수집하여 저장함으로써, 전력 공급 회사에서 월 단위로 각 전력 소비 주체의 가격 레벨별 전력 소비량에 따른 전기 요금을 산출하고, 산출된 전기 요금을 월별로 청구할 수 있도록 한다. 또한 전력 공급 회사(112)는 주기적으로 산출된 전기 요금과 미리 설정된 월 허용 전기 요금을 비교하여 전력 공급 제한을 결정하고, 산출된 전기 요금이 월 허용 전기 요금을 초과하면 월 허용 전기 요금 초과 정보를 해당 전력 소비 주체에 마련되는 전력 소비 제어 장치(102)로 전송함으로써 전력 소비 제어 장치(102)를 통해 월 허용 전기 요금 초과 이벤트가 발생되도록 한다. 또한 전력 공급 회사(112)는 전력 소비 주체별 임계 전력량을 기억하고, 전력 소비 주체별 소비 전력량과 임계 전력량을 비교하여 전력 공급 제한을 결정한다. 또한 이와 같이, 전력 공급 회사(112)는 임계 전력량 또는 월 허용 전기 요금을 기초로 전력 소비 주체의 전력 수요를 관리한다. 여기서 전력 소비 주체별 전력 공급을 제한하기 위한 임계 전력량은 전력 공급 회사에서 임의로 설정되거나 전력 소비 주체별 전력 공급 회사와의 약정에 의해 설정된다. 그리고 각 전력 소비 주체의 월 허용 전기 요금은 수용가별 전력 공급 회사와의 약정에 의해 설정되어 있다. 또한 전력 공급 회사(112)는 전력 소비 주체별 임계 전력량 초과 이벤트 발생 내역 및 월 허용 전기 요금 초과 이벤트 발생에 따른 전력 소비 현황 등에 대한 정보를 저장하고 관리한다. 또한 이러한 전력 소비 제어 장치(102)는 복수의 전력 소비 주체에 각각 마련되는 제어부(104)와 네트워크를 통해 연결되어 전력 수요 관리를 위한 정보를 송수신한다. 이 네트워크는 유선 네트워크뿐만 아니라, 무선 네트워크, 유무선 복합 네트워크 등으로 이루어진다.
도 1에서, 전력 변환부(106)를 중심으로 이루어지는 전력의 전달 방향을 살펴보면, 신재생 에너지원(110)에서 전력 변환부(106)로 단반향의 전력 공급이 이루어지고, 전력 변환부(106)에서 부하(114)로 역시 단방향의 전력 공급이 이루어진다. 이와 달리, 전력 변환부(106)와 전력 저장부(108) 사이에는 양방향으로 전력 공급이 이루어진다. 전력 변환부(106)와 전력 저장부(108) 사이의 양방향 전력 공급은 전력 저장부(108)의 충전과 방전에 의한 것이다. 또한 전력 변환부(106)와 전력 공급 회사(112) 사이에도 양방향의 전력 공급이 이루어진다. 전력 변환부(106)와 전력 공급 회사(112) 사이의 양방향의 전력 공급은 전력 공급 회사(112)로부터 전력을 구매하여 공급받는 경우와 전력 저장부(108)에 저장되어 있는 전력을 전력 공급 회사(112)에 재판매하는 경우이다.
도 2는 도 1에 나타낸 전력 소비 제어 장치의 제어부의 구성을 나타낸 도면이다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 제어부(104)는 통신부(202)와 저장부(204), 연산부(206), 명령 생성부(208)를 포함한다. 통신부(202)는, 다른 장치들 즉 전력 변환부(106) 및 전력 저장부(108), 부하(114)는 물론 외부의 신재생 에너지원(110)과 전력 공급 회사(112), 외부 네트워크(116)와 전기적으로 통신하여 정보를 제공하고 수집한다. 이와 같이 통신을 통해 수집된 데이터는 저장부(204)에 저장된 후 연산부(206)를 통해 필요한 연산이 수행되어 명령 생성부(208)에 제공되고, 명령 생성부(208)는 최적의 전력 소비 제어를 위한 제어 명령을 생성하여 통신부(202)를 통해 외부의 다른 장치들 즉 전력 변환부(106) 및 전력 저장부(108), 부하(114)는 물론 외부의 신재생 에너지원(110)과 전력 공급 회사(112), 외부 네트워크(116)에 전달되도록 한다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 전력 소비 제어 장치의 제어부와 부하의 통신을 나타낸 도면이다.
도 3에서, (A)는 제어부(104)가 사용자의 직접 설정을 통한 요청에 응답하여 UPS 모드에서 부하(114)를 선택하는 경우이다. 도 3의 (A)에 나타낸 바와 같이, 제어부(104)가 사용자의 직접 설정을 통한 요청에 응답하여 UPS 모드에서 부하(114)를 선택하는 경우, 이를 위해 먼저 사용자가 특정 부하(114)에 우선하여 전력을 공급하도록 지정하기 위한 사용자 요청을 발생시킨다(302). 제어부(114)는 이 사용자 요청에 응답하여 UPS 승인을 발생시켜서 사용자가 요청한 부하(114)에 우선하여 전력을 공급하도록 선택할 것임을 통보한다(304). 해당 부하(114)는 이 UPS 승인에 대한 확인(ACK)을 제어부(104)로 전송한다(104). 이로써 제어부(104)와 해당 부하(114) 사이에 UPS 모드에서의 전력 공급 관련 약속이 이루어지면, UPS 모드일 때 제어부(104)는 이 약속에 따라 해당 부하(114)에 우선적으로 전력이 공급되도록 제어한다(308).
도 3에서, (B)는 제어부(104)가 부하 정보에 근거하여 미리 정해진 기준에 부합하는 순서대로 UPS 모드에서 부하(114)를 자동으로 선택하는 경우이다. 도 3의 (B)에 나타낸 바와 같이, 제어부(104)가 부하 정보에 근거하여 자동으로 부하(114)를 선택하는 경우, 이를 위해 먼저 제어부(104)가 부하(114) 측에 부하 정보를 제공해 줄 것을 요청한다(352). 각각의 부하(114)는, 제어부(104)의 부하 정보 제공 요청에 응답하여, 자신의 전력 사용 이력 정보를 제어부(104)에 제공한다. 제어부(114)는 각각의 부하(114)의 전력 사용 이력에 근거하여 위한 순서를 정하여 UPS 승인을 발생시킴으로써 UPS 모드에서 이 순서대로 전력을 우선적으로 공급할 것임을 통보한다(356). 부하(114)는 이 UPS 승인에 대한 확인(ACK)을 제어부(104)로 전송한다(358). 이로써 제어부(104)와 해당 부하(114) 사이에 UPS 모드에서의 전력 공급 관련 약속이 이루어지면, UPS 모드일 때 제어부(104)는 이 약속에 따라 제어부(104)가 해당 부하(114)로 전력이 공급되도록 제어한다(360).
도 3의 (B)에 나타낸 UPS 모드에서의 부하(114)의 자동 선택 조건(devsel)을 다음의 식 1에 나타내었다.
(식 1)
Figure pat00001
식 1에서, Prdev는 부하(114) 별 중요도이고, Pwdev는 부하(114) 별 전력 사용량이며, devuptime은 부하(114) 별 사용 시간이고, devfrequency는 부하(114) 별 사용 빈도이며, Weather는 날씨 정보이고, DailyInformation은 주중/주말/휴일의 구분이다.
식 1에서, 부하(114)의 사용 시간(devuptime)과 사용 빈도(devfrequency)를 고려하는 이유는 다음과 같다. UPS 모드에서 전력을 공급할 부하(114)를 선택함에 있어서, 상황에 따라 너무 많은 부하(114)가 선택되어 UPS 모드에서 공급 가능한 전력량을 초과할 수도 있다. 전력 저장부(108)는 전력 저장의 본래 목적에 더하여 부가 기능으로서의 UPS 모드를 갖기 때문에 UPS 모드를 수행하기 위한 가용 전력량의 고려가 매우 중요하다. 이를 위해 UPS 모드에서의 가용 전력량의 상한을 설정하고, 이 상한을 초과하지 않는 범위 내에서 부하(114)의 선택이 이루어지도록 하는 것이 바람직하다.
UPS(uninterruptible power supply)는 무정전 전력 공급 장치라고도 하며, 일반 전원 또는 예비 전원 등을 사용할 때 전압 변동, 주파수 변동, 순간 정전, 과도 전압 등으로 인한 전원 이상을 방지하고 항상 안정된 전력을 공급하는 장치이다. 본 발명에서의 UPS 모드는 전력 저장부(108)를 UPS로 활용하는 동작 모드로서, 제어부(104)에 의해 신재생 에너지원(110) 또는 전력 공급 회사(112)로부터의 전력 공급의 이상 상태가 감지되면 전력 변환부(106)에 UPS 모드로의 진입 명령을 발생시킴으로써 수행된다. 전력 공급의 이상 상태의 감지는 신재생 에너지원(110)이나 전력 공급 회사(112)와의 통신을 통해 알 수도 있고, 그 밖의 다른 장치들과의 통신을 통해서도 알 수 있다.
UPS 모드를 수행하기 위한 UPS 필요 최소 용량의 산정은 다음과 같이 이루어진다. 전력 공급에 이상이 발생하면 UPS 모드로 전환하여 전력 저장부(108)의 전력을 선택된 일부 부하(114)에만 제한적으로 공급해야 하므로, 제어부(104)가 복수의 부하(114) 가운데 일부를 사용자의 설정에 근거하여 선택하거나(도 3의 (A)), 제어부(104)가 복수의 부하(114) 가운데 일부를 자동으로 선택하고(도 3의 (B)), 선택된 부하(114)에만 전력을 공급한다.
사용자 설정의 경우(도 3의 (A)), 사용자는 각각의 부하(114)마다 중요도를 직접 설정하게 되고, 제어부(104)는 부하(114)와의 통신을 통해 각 부하(114)의 중요도 및 전력 소모량의 정보를 읽어 들인다. 제어부(104)는, 사용자가 설정한 부하(114)의 중요도가 미리 정해진 기준 값 이상인 부하(114)를 선별하여 해당 부하(114)들의 전력 소모량의 합을 계산하고, 계산된 값을 UPS 필요 최소 용량으로 정한다.
자동 선택의 경우(도 3의 (B)), 제어부(104)는 각 부하(114)와의 통신을 통해 각 부하(114)에서의 전력 사용 이력에 대한 정보를 수집하고, 수집된 정보를 참조하여 각 부하(114)의 우선순위를 계산하며, 우선순위가 높은 일부 부하(114)를 선별한다. 선별된 부하(114)의 전력 소모량의 합과 최소 서비스 가능 시간을 이용하여 UPS 필요 최소 용량을 계산한다.
각각의 부하(114)는 고유의 전력 효율(power factor)을 가지며, 각 부하(114)의 전력 효율을 이용하여 각 부하(114)가 동작하는데 필요한 전력의 크기를 계산할 수 있다. 예를 들면 전력 효율이 90%인 부하(114)는, 전력 소모량이 100W일 때 실제로 필요한 전력량은 100W / 0.9 ≒ 111W이다. 이 관계를 이용하여 부하(114)의 동작에 필요한 실제의 전력의 크기를 알 수 있다. UPS 필요 최소 용량의 설정 시 이와 같은 각 부하(114)의 실제 필요 전력의 크기를 고려하는 것이 바람직하다.
제어부(104)와 전력 변환부(106)는 전력 소비 제어 장치(102)의 동작 전반에 관여하기 때문에 상시 전력 공급이 필요하고, 그 밖에도 사용자가 지정한 특정 장치들에서 상시 전력 공급이 요구될 수도 있다. 이와 같은 상시 전력 공급이 필요한 요소들의 전력 소모량도 함께 고려하여 UPS 필요 최소 용량을 설정하는 것이 바람직하다.
UPS 모드에서는 필요한 크기의 전력을 공급하는 것도 중요하지만, 필요한 전력을 가능하면 오래 공급하는 것도 중요하다. 즉, 백업 전원으로써 일정 시간 이상의 전력 공급 시간을 보장할 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 또한 각 부하(114) 별로 최소 보장 가동 시간(tn)을 설정할 수 있다면 더욱 바람직하다.
또한 각 부하(114) 별로 마진을 두어 UPS 필요 최소 용량을 설정하면 더욱 안정적으로 전력 공급이 이루어질 수 있다.
이와 같은 UPS 필요 최소 용량 Pups는 다음의 식 2로 표현된다.
(식 2)
Figure pat00002
식 2에서, Pn은 어느 하나의 부하(114)의 실제 필요 전력량이고, Pfn은 해당 부하(114)의 전력 효율(power factor)이며, Ppcs+controller+userdefine은 상시 전력 공급이 필요한 요소들에 공급되는 상시 공급 전력이고, Mn은 각 부하별 마진이며, tn은 최소 보장 가동 시간이고, tmax는 UPS 모드 진입 시의 특정 부하의 최대 가동 시간이다. 식 2의 UPS 필요 최소 용량 Pups는 해당 부하(114)의 단위 시간 동안의 동작을 가정한 용량으로서, 단위는 Wh가 된다. 따라서 식 2에 의해 전력 용량을 계산하고 식 1에 의해 부하(114)를 선택함으로써 UPS 모드의 가용 전력의 상한을 초과하지 않는 범위 내에서 부하(114)의 선택이 이루어진다.
도 4는 도 1에 나타낸 부하의 전력 공급부를 나타낸 도면이다. 전력 변환부(106)를 통해 부하(114)에 공급되는 전력은 도 4에 나타낸 전력 공급부를 통해 부하(114) 내부의 실질적인 전력 소비처(예를 들면 모터 또는 회로 기판 등)로 공급된다.
본 발명은 복수의 부하(114) 가운데 일부에 우선순위를 부여하고, 전력 공급이 정상적이지 않을 때 우선순위가 부여된 부하(114)를 먼저 고려하여 정상적으로 전력이 공급되도록 하고, 우선순위가 부여되지 않은 나머지 부하(114)에 대해서는 전력 공급을 차단하도록 이루어진다. 다만, 전력 변환부(106)를 통한 전력 공급이 정상적으로 재개되더라도, 전력 공급이 차단되었던 부하(114)는 전력 공급 차단의 여파로 인해 정상적으로 동작을 재개하지 못할 수도 있다.
도 4에 나타낸 부하(114)의 전력 공급부(402)는 이처럼 전력 공급이 차단되었다가 재개된 이후에도 모든 부하(114)가 정상적으로 동작을 재개할 수 있도록 하기 위한 것이다. 이를 위해, 도 4에 나타낸 전력 공급부(402)는, 스위치(404)와 주 전원(406), 스위치 제어부(408), 보조 전원(410)으로 구성된다.
스위치(404)는 전력 변환부(106)와 주 전원(406) 사이의 전력 전달을 단속하기 위한 것으로, 스위치 제어부(408)에 의해 온/오프된다. 주 전원(406)에는 주 전원 제어부(412)가 마련되어 있어 주 전원(406)의 동작 전반을 제어한다. 이를 위해 주 전원 제어부(412)는 스위치 제어부(408)와 전기적으로 통신 가능하도록 마련되며, 데이터 저장을 위한 메모리(414)를 구비한다. 이 메모리(414)에는 전력 공급이 차단되기 직전의 부하(114)의 동작 상태 정보를 저장하며, 향후 전력 공급이 정상적으로 재개되면 이 동작 상태 정보에 기초하여 부하(114)의 동작이 정상적으로 재개될 수 있도록 한다. 스위치 제어부(408)는 보조 전원(410)으로부터 전력을 공급받아 동작하며, 스위치(404)의 온/오프 제어와 주 전원 제어부(412)와의 통신, 도 1에 나타낸 전력 소비 제어 장치(102)의 제어부(104)와의 통신 등을 수행한다. 스위치 제어부(408)는 보조 전원(410)으로부터 전력을 공급받아 동작하기 때문에, 전력 변환부(106)를 통한 전력 공급이 차단되더라도 보조 전원(410)으로부터 전력이 공급되는 동안에는 정상적인 동작이 가능하다. 보조 전원(410)은 전력 변환부(106)를 통해 공급되는 그리드 전력 또는 신재생 전력에 의해 충전 가능하도록 소형 배터리 또는 캐패시터와 같은 전류 저장 수단일 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 전력 공급부의 제어 방법을 나타낸 도면으로서, 전력 저장부(108)의 전력량이 모든 부하(114)에 필요한 전력을 충분히 공급할 수 없는 상태일 때(즉 UPS 용량 이하일 때) 부하(114)에 대한 전력 공급 방법을 나타낸 도면이다. 본 발명의 실시 예에서, 부하(114)의 전력 공급부(402)는 전력 변환부(106)를 통해 공급되는 그리드 전력과 신재생 전력 가운데 어느 전력의 공급에 문제가 있는지에 따라 <비상 모드>와 <응급 모드>의 두 가지 제어 모드 가운데 어느 하나의 제어 모드를 선택하며, 이 제어 모드의 선택을 스위치 제어부(408)가 수행한다. <비상 모드>는 그리드 전력의 공급에 이상이 발생하고 신재생 전력의 공급은 정상적으로 이루어지는 경우에 선택되어 수행되는 제어 모드이다. <응급 모드>는 그리드 전력과 신재생 전력의 공급이 모두 차단되는 경우에 선택되어 수행되는 제어 모드이다. 스위치 제어부(408)는 전력 소비 제어 장치(102)의 제어부(104)와의 통신을 통해 그리드 전력과 신재생 전력의 공급 차단 여부를 확인한다. <비상 모드>와 <응급 모드>에서 전력 저장부(108)는 UPS로 동작한다.
도 5에 나타낸 바와 같이, 전력 변환부(106)를 통해 부하(114)로 정상적으로 전력이 공급되어 부하(114)가 정상적인 동작을 수행하는 상태에서(502), 부하(114)의 전력 공급부(402)는 그리드 전력의 공급에 이상이 발생하는지를 판단한다(504). 만약 그리드 전력의 공급에 이상이 없으면(504의 ‘아니오’) 현재의 부하(114)의 동작이 계속 유지되도록 하고 별다른 조치를 취하지 않는다. 그러나 그리드 전력의 공급에 이상이 발생하면(504의 ‘예’) 신재생 전력의 공급에도 이상이 발생하는지도 추가적으로 판단한다(506). 만약 그리드 전력의 공급에 이상이 발생하였지만 신재생 전력의 공급은 정상적일 경우(506의 ‘아니오’), 전력 공급부(402)는 <비상 모드>를 수행한다(508)(510)(512). 만약 그리드 전력의 공급과 신재생 전력의 공급에 모두 이상이 발생하는 경우(506의 ‘예’), 전력 공급부(402)는 <응급 모드>를 수행한다(514)(516)(518).
<비상 모드>일 때, 전력 공급부(402)의 스위치 제어부(408)는 주 전원 제어부(412)에 부하(114)의 현재 동작의 종료를 요청하는 명령을 발생시킨다(508). 스위치 제어부(408)로부터 종료 요청을 수신한 주 전원 제어부(412)는 부하(114)가 현재 수행중인 동작을 안전하게 종료할 때까지 대기하다가(510의 ‘아니오’), 부하(114)가 현재의 동작을 완전히 종료하면(510의 ‘예’) 종료한 작업의 관련 정보를 메모리(414)에 저장하고 스위치(404)를 오프시킨다(512). 스위치(404)가 오프됨에 따라 주 전원(406)을 통한 부하(114) 내부로의 전력 공급이 차단된다. 종료한 작업의 관련 정보를 저장하는 것은, 향후 전력 공급이 정상적으로 재개되었을 때 해당 작업 이후의 후속 작업을 수행할 때 참조하기 위함이다. <비상 모드>에서는, 비록 그리드 전력의 공급에 이상이 발생하더라도 신재생 전력의 공급은 계속 정상적으로 이루어지고 있기 때문에 부하(114)가 수행중인 동작이 안전하게 종료될 때까지 대기할 수 있다. 예를 들어 부하(114)가 작업용 로봇인 경우에는 수행중이던 작업을 종료하고 안전한 상태로 진입한 다음 전력 공급을 차단하게 되어 작업용 로봇 및 그 주변의 안전을 확보할 수 있다. <비상 모드>에서 스위치 제어부(408)는 전력 변환부(106)를 통해 공급되는 신재생 전력 및 보조 전원(410)으로부터 공급되는 보조 전력에 의해서만 동작한다.
<응급 모드>일 때, 전력 공급부(402)의 스위치 제어부(408)는 주 전원 제어부(412)에 부하(114)의 현재 동작의 즉시 종료를 요청하는 명령을 발생시킨다(514). 주 전원 제어부(412)는 스위치 제어부(408)로부터의 즉시 종료 요청에 응답하여 부하(114)의 현재 수행 중인 동작의 현재까지의 진행 상태의 정보를 저장한다(514). 이후 부하(114)의 동작을 즉시 강제 종료시키고 스위치(404)를 오프시킨다(518). 이 때 스위치 제어부(408)는 보조 전원(410)으로부터 공급되는 전력에 의해서만 동작한다. <응급 모드>에서 부하(114)의 동작을 즉시 강제 종료시키는 것은, 그리드 전력의 공급과 신재생 전력의 공급이 모두 원활하지 않아 전력 수급의 문제가 발생할 여지가 있으므로, 부하(114)의 동작을 즉시 종료시켜서 부하(114)에서의 안전을 확보하기 위함이다. 예를 들어, 부하(114)가 작업용 로봇일 경우 특정 동작을 취하고 있는 상태에서 갑자기 전력 공급이 차단되면, 작업용 로봇의 관절이 강성을 잃게 되어 자유 낙하하거나 또는 쓰러지게 되어 주변의 작업자나 다른 시설물에 피해를 줄 수 있으므로, 이를 방지하기 위해 부하(114)의 동작을 즉시 강제 종료시키되, 향후 전력 공급이 정상적으로 재개될 때 기존의 수행중이던 동작을 계속하기 위해 현재까지의 진행 상태의 정보를 저장하는 것이다.
102 : 전력 소비 제어 장치
104 : 제어부
106 : 전력 변환부
108 : 전력 저장부
110 : 신재생 에너지원
112 : 전력 공급 회사
114 : 부하
116 : 외부 네트워크
402 : 전력 공급부
404 : 스위치
406 : 주 전원
408 : 스위치 제어부
410 : 보조 전원
412 : 주 전원 제어부
414 : 메모리

Claims (16)

  1. 그리드 전력 및 신재생 전력의 공급에 이상이 발생하는지를 판단하고;
    상기 그리드 전력 및 상기 신재생 전력의 공급에 모두 이상이 발생한 것으로 판단되면, 부하의 현재 동작을 즉시 종료하는 응급 모드를 수행하며;
    상기 그리드 전력의 공급에 이상이 발생하되 상기 신재생 전력의 공급은 정상인 것으로 판단되면, 상기 부하의 현재 동작이 정상적으로 완료되도록 대기하는 비상 모드를 수행하는 전력 소비 제어 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 응급 모드는,
    상기 부하의 현재 동작 상태의 정보를 메모리에 저장하고;
    상기 부하의 전력 공급에 관여하는 스위치를 오프시키는 것을 포함하는 전력 소비 제어 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 비상 모드는,
    상기 부하의 현재 동작이 정상적으로 완료될 때까지 대기하고;
    상기 부하의 현재 동작이 정상적으로 완료되면 상기 부하의 전력 공급에 관여하는 스위치를 오프시키는 것을 포함하는 전력 소비 제어 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 부하의 현재 동작이 정상적으로 완료될 때까지 대기하는 동안 상기 부하에 상기 신재생 전력을 공급하는 전력 소비 제어 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 부하가 복수의 부하로 이루어지고, 상기 전력 저장부에 저장되어 있는 전력량이 상기 복수의 부하 모두에서 요구되는 전력 소비량보다 작을 때, 상기 복수의 부하 중 일부만을 선택하여 전력을 공급하는 전력 소비 제어 방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 복수의 부하 중 일부의 선택은,
    상기 복수의 부하 각각의 전력 사용 이력에 기초하여 우선순위를 설정하고;
    설정된 상기 우선순위에 따라 우선순위가 높은 부하를 먼저 선택하는 전력 소비 제어 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 복수의 부하 각각의 전력 사용 이력은, 상기 복수의 부하 각각의 시간대 별 사용 빈도와 평균 사용 시간을 포함하는 것인 전력 소비 제어 방법.
  8. 제 5 항에 있어서, 상기 복수의 부하 중 일부의 선택은,
    상기 복수의 부하 중에서 일부를 선택하기 위한 사용자 설정을 입력받아 우선순위를 설정하고;
    설정된 상기 우선순위에 따라 우선순위가 높은 부하를 먼저 선택하는 전력 소비 제어 방법.
  9. 전력의 충전과 방전이 이루어지는 전력 저장부와;
    상기 전력 저장부의 충전과 방전을 수행하는 전력 변환부와;
    그리드 전력 및 신재생 전력의 공급에 이상이 발생하는지를 판단하고, 상기 그리드 전력 및 상기 신재생 전력의 공급에 모두 이상이 발생한 것으로 판단되면 부하의 현재 동작을 즉시 종료하는 응급 모드를 수행하고, 상기 그리드 전력의 공급에 이상이 발생하되 상기 신재생 전력의 공급은 정상인 것으로 판단되면 상기 부하의 현재 동작이 정상적으로 완료되도록 대기하는 비상 모드를 수행하는 제어부를 포함하는 전력 소비 제어 장치.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 응급 모드일 때 상기 제어부는,
    상기 부하의 현재 동작 상태의 정보를 메모리에 저장하고;
    상기 부하의 전력 공급에 관여하는 스위치를 오프시키는 것을 포함하는 전력 소비 제어 장치.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 비상 모드일 때 상기 제어부는,
    상기 부하의 현재 동작이 정상적으로 완료될 때까지 대기하고;
    상기 부하의 현재 동작이 정상적으로 완료되면 상기 부하의 전력 공급에 관여하는 스위치를 오프시키는 것을 포함하는 전력 소비 제어 장치.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 부하의 현재 동작이 정상적으로 완료될 때까지 대기하는 동안 상기 부하에 상기 신재생 전력을 공급하는 전력 소비 제어 장치.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 부하가 복수의 부하로 이루어지고;
    상기 제어부는, 상기 전력 저장부에 저장되어 있는 전력량이 상기 복수의 부하 모두에서 요구되는 전력 소비량보다 작을 때, 상기 복수의 부하 중 일부만을 선택하여 전력을 공급하는 전력 소비 제어 장치.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 복수의 부하 각각의 전력 사용 이력에 기초하여 우선순위를 설정하고;
    설정된 상기 우선순위에 따라 우선순위가 높은 부하를 먼저 선택하여 상기 복수의 부하 중 일부를 선택하는 전력 소비 제어 장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 복수의 부하 각각의 전력 사용 이력은, 상기 복수의 부하 각각의 시간대 별 사용 빈도와 평균 사용 시간을 포함하는 것인 전력 소비 제어 장치.
  16. 제 13 항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 복수의 부하 중에서 일부를 선택하기 위한 사용자 설정을 입력받아 우선순위를 설정하고;
    설정된 상기 우선순위에 따라 우선순위가 높은 부하를 먼저 선택하여 상기 복수의 부하 중 일부를 선택하는 전력 소비 제어 장치.
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